스퍼터(Sputter)

1. 정의

스퍼터링(Sputtering)은 전자회로 생산라인 공정에서 많이 쓰이는 진공 증착법 혹은 물리적 증착법(PVD, Physical Vapor Deposition)의 일종이다(PVD : 기판에 증착된 후 화학반응이 일어나지 않는 반응). 스퍼터링에 의한 증착 기술은 주로 미국에서 1960 년대 이후에 이용되기 시작했다.

증착공정은 비교적 낮은 진공도에서 플라즈마를 이온화된 아르곤 등의 가스를 가속하여 타겟(Target)에 충돌시키고, 원자를 분출시켜 웨이퍼나 유리 같은 기판상에 막을 만드는 형태로 진행된다.

스퍼터 증착은 실리콘 웨이퍼, 태양 전지, 광학 부품 등 다양한 무기박막 제조에 사용된다.

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2. 공정 원리

그림. 스퍼터링의 원리

그림과 같이 증착을 위한 챔버 내부를 진공에 가깝게 만든 후(0.1 Pa 이하), 낮은 압력의 아르곤(Ar)을 챔버 내로 흘려준다.(스퍼터 공정시 Ar가스를 이용하는 경우는 Ar가스는 상대적으로 가격이 저렴하고 대기중에 상당량 존재하는 불활성가스(inert gas)이기 때문이며, 스퍼터 공정의 특성상 금속(metal)타겟을 이용하고 챔버 내 소량의 산소를 투입하여 산화물 박막을 만드는 경우도 존재한다.) 위와 같은 상태에서 음극에 (-)전압을 가하면 음극(증착할 대상물질인 타겟이 장착된)과 양극(웨이퍼나 유리 같은 기판) 사이에 전기장이 형성되고 이 전기장에 노출된 Ar 가스는 Ar+로 이온화되면서 기판과 음극 간에 플라즈마가 발생한다. 음극에 장착되어 있는 타겟 물질의 표면은 기판보다 음전위로 유지되므로, Ar+(아르곤 이온)은 타겟 표면으로 가속 후 충돌되고, 타겟을 구성하는 원자 혹은 분자들은 타겟표면에서 방출되어 기판으로 날아가 증착(deposition)이 된다. 일반적으로 위와같이 타겟에 충돌하는 입자의 운동에너지는 타겟구성입자의 결합에너지보다 높아야 원자(분자)들이 방출되며, 이것은 타겟구성입자의 증발(기화)에너지의 4배 이상이다. 이렇게 기판 위에 붙은 물질이 성장하게 되어 만들어진 얇은 막 즉 박막이 형성된다.

스퍼터링 공정의 수율은 충돌 이온의 입사각, 타겟 물질의 조성과 결합구조, 충돌 이온의 종류, 충돌 이온의 에너지 등으로 결정지어진다.

주로 스퍼터링을 이용하여 만드는 물질은 다음과 같다.

- 금속 : Cr, Cu, Ti, Ag, Pt, Au 등

- 합금 : Ni-Cr, SUS, Cu-Zn 등

- 산화물 : ITO, SiO2 , TiO2 , Nb2O5 , ZnO 등

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3. 특징

스퍼터링 방식은 다른 박막형성방법에 의해 증착 능력, 복잡한 합금을 유지하는 능력이 뛰어나고, 고온에서 내열성 금속의 증착 능력이 뛰어나다. 스퍼터링 법은 고 융점 금속이나 합금 등 진공 증착법으로 어려운 재료도 성막이 가능하고, 광범위한 재료에 적용 가능하다.

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그 외에 다음과 같이 특징을 정리해 볼 수 있다.

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- 막을 구성하는 입자의 결합 에너지가 강하고, 부착력이 우수하며, 치밀한 막을 구성한다.

- 공정이 안정되고 막질과 막 두께 제어가 용이하다.

- 고 융점 금속, 합금 및 화합물, 내화물 등의 증착이 가능하다. 특히 반응성 가스나, RF스퍼터링 등을 통해 산화물, 질화물 막 구성이 가능하다.

- 타겟과 제조한 막의 성분비가 크게 바뀌지 않고, 막을 구성하는 물질의 성분 조절이 용이하다.

- 대면적 증착, 연속공정 증착 등이 가능하다.

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단점은 초기 장비비가 비싸다는 점이다.

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스퍼터링을 통해 주로 다음과 같은 제품의 박막을 만들 수 있다.

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자기 디스크 (수직 자기 기록 매체 생성), CD / DVD (기록면의 금속 막)

반도체 (회로의 생성. 메모리 [강유전체 막, 각종 센서), 잉크젯 프린터 헤드

디스플레이 회로 (투명 전극 생성), 고휘도 LED, 전자 현미경(SEM) 시료 제작 (전도성(Gold 코팅 등), 기타 산화물 및 금속 박막

일반적으로 DC 스퍼터의 경우 3-5kV의 전압을 타겟과 기판 사이에 발생시키며, RF 스퍼터링 시 주파수는 14MHz를 사용한다.

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4. 종류

가. DC 스퍼터

타겟을 음극으로, 박막 형성을 위한 기재를 양극으로 전압을 가하여 발생된 플라즈마 이온을 타겟에 반응시켜 튀어 나온 입자 (원자 · 분자)가 기재 기판에 증착된다. 구조가 간단하다는 장점이 있으나, 시료도 고온의 플라즈마에 노출되어 온도 상승 등으로 손상을 받는다.

또한, DC (직류) 전원의 경우 금속 이외의 절연물 대상은 방전이 일어나지 않기 때문에 기본적으로 금속 이외의 물질은 스퍼터링 법으로 성막 할 수 없다.

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나. RF스퍼터링

RF (Radio Frequency, 고주파) 전원을 이용하여 플라즈마를 걸어 스퍼터하는 방법이다. 금속을 비롯한 세라믹과 실리카 등의 산화물이나 금속 산화물, 질화물 등으로도 방전 현상의 발생이 가능하며, DC 스퍼터링 법으로 성막 수 없는 다양한 물질에 응용가능하다.

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다. 마그네트론 스퍼터링

마그네트론 법은 스퍼터의 성막 속도를 개선하기 위해 개발 된 기술이다. 타겟 뒷면에 자석을 설치하여 자기장을 발생시켜 가스 이온 원자가 타겟 표면에 충돌 박수 요하는 이차 전자를 로렌츠 힘으로 잡아 사이클로트론 운동으로 불활성 가스의 이온화를 촉진하여 속력을 상승시킨다. 성막 속도를 빠르게 할 수 있으나, 타겟에서 자기장이 강한 부분만 빨리 침식되어 타겟을 모두 사용하지 못하고 버리게 되는 일이 발생한다.

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라. 반응성 스퍼터링

스퍼터링에 필요한 불활성 가스 이외에, 반응 가스 (O2 , N2 등)을 도입 혼합하여 스퍼터링을 실시, 산화물 및 질화물 물건의 화합물 박막을 형성하는 방법이다.

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마. 이온빔 스퍼터링

이온 발생기에서 방출 된 이온을 타겟에 조사하여 스퍼터링하는 방법이다. 일반적인 스퍼터링은 플라즈마 속에서 이온이나 전자 등 여러가지 입자의 영향을 받지만 이온 스퍼터링은 스퍼터링에 이용하고 싶은 이온만을 사용할 수 있다. 방전 플라즈마를 만들 필요가 없기 때문에, 고진공에서도 가능하며, 이온 소스가 타겟, 기판과 독립적이고, 조건 설정이 용이하며, 대상의 전기전도성에 의해 막 생성이 거의 영향받지 않는다. 그러나, 다른 스퍼터 방법에 비해 장치가 복잡하고 비싸고, 성막 속도는 빠르지 않다.