기판바이어스 - 바이어스 스퍼터링(Bias Sputtering)

    아무도 기다리지 않는 나홀로 최신판이 업데이트 되었습니다. -_ - 이번에 말씀 드릴 내용은, '기판 바이어스' 혹은 '역방향 바이어스' 라는 이름으로도 불리는 '바이어스 스퍼터링(Bias Sputtering)'법 입니다.

 

    이온 플레이팅(Ion Plating)의 효과를 기억하십니까? 진공증착의 기본 방식에다가 기판에 (-) 를 걸어줘서 아르곤(Ar) 양이온을 박막층(기판)에 충돌시키는 방법이죠. 기판에 처음으로 박막이 형성되기 시작할 때, 이온충격은 얇은 박막을 뚫고 기판까지 전해집니다. 이런 이온충격 효과로 인해 대단히 밀착력이 강한 박막이 얻어집니다. 저는 흔히 '박막층에 이온으로 못질을 한다'고 표현합니다만, 이 방법은 박막 형성법 중 가장 높은 밀착력을 얻을 수 있고, 박막 내부를 고밀도로 만들수 있으며, 박막의 외부층도 이온충격으로 원자들이 혼합(mixing) 되면서 응력이 걸리기 때문에 대단히 치밀하고 단단한 층을 얻을 수 있습니다. 그래서 표면경화가 필요한 내마모박막이나 드릴날 등의 초경공구 코팅에도 많이 쓰이는 방법입니다.

 

 

 

 

 

박막 형성 초기에 요렇게 이온이 박막에 충돌하믄..

 

 

 

 

 

 

 

 

바로 이렇게 이온으로 못질을 해서 밀착력이 증가됨

( 내가 이제는 이온의 궤적까지 표현해내고 있다..서비스가 끝내줘. - _-y~ )

    스퍼터링법의 단점중 하나는 밀착력이 원하는 만큼 나오지 않는다는 것입니다. 스퍼터링의 박막층과 기판과는 화학적 결합보다는 충돌에 의한 물리적 결합이니 만큼, 기판 자체와 친화력이 없는 물질은 쉽게 벗겨지기 마련입니다. 이 문제를 해결하고자 이온 플레이팅에서 사용했던 방법을 도입한 것이 바이어스 스퍼터링(Bias Sputtering) 입니다. 방법은 여태 그랬던 것 처럼 단순합니다. 스퍼터링 도중에 기판쪽에 바이어스(bias) 전압으로 (-) 를 걸어주면 될 뿐이죠.

 

 

 

 

걍 기판에 (-)만 걸어주면 그것이 Bias sputtering

    여태까지 스퍼터링에서 타겟은 (-) 전원을 공급하여 음극으로 작용했습니다. 그래서 양이온이 타겟으로 가속되어 스퍼터링이 발생했죠. 그런데 이제는 기판에도 (-)가 걸렸습니다. 당연히 양이온들은 (-)가 걸린 기판쪽을 향해서도 가속되어 충돌하게 됩니다. 그러나, 기판에 걸어주는 바이어스(bias) 전압은 타겟에 걸어준것 보다는 훨씬 높게, 플라즈마의 전위보다 조금 낮은 전위를 가질 정도로만 걸어줍니다. 물론 타겟에 어느정도의 음전압(-)이 걸렸느냐에 따라 조절을 하고있는데요, 보통 적으면  -50 V 이하도 사용되고, 크면 -250V 이상 까지도 사용됩니다. 비록 기판에도 (-)가 걸렸지만 타겟쪽의 전위가 훨씬 낮기 때문에 대부분의 양이온은 타겟을 주로 스퍼터링 하게 되고, 기판 가까이에 있는 양이온 중의 일부만 기판을 향해 날아갑니다. 그리고 그렇게 기판을 향해 날아온 양이온들은 이온 플레이팅의 효과 그대로 박막층에 충돌하면서 밀착력을 향상시키고, 박막의 표면을 단단하게 만듭니다. 또한, 다공성이나 낮은 밀도로 형성되는 조건에서 만들어지는 박막에 기판 바이어스를 적용시키면 이온충격으로 내부 원자들을 휘저어 놓으면서 밀도를 증가시킬 수도 있습니다. 밀도가 증가하면 박막의 강도와 내부식성이 향상되고, 전기저항도 낮아져 좀더 유용하게 사용 할 수 있습니다. 다만, 기판 바이어스는 기판에 증착된 박막을 타겟처럼 스퍼터링 시켜버릴 수 있기 때문에 이미 입혀진 박막층을 일부 벗겨내어 증착속도는 약간 감소하는 경향이 있습니다. 또한 이온 충돌에너지가 너무 크면 오히려 밀도가 감소하거나 박막 내부에 결함이나 응력을 발생시킬 위험이 있으므로 적절한 값을 찾는 것이 중요 합니다. 

 

 

기판 바이어스 Off. 

 

 

 

 

기판 바이어스 On. 박막내부 밀도 증가

 

기판 바이어스는 이온충격 효과로 박막내부 원자들을 휘집어 놓아서 밀도 향상 가능

    이 바이어스 스퍼터링(Bias Sputtering)은 단지 박막을 증착시키는 동안에 밀착력 향상이나 표면경화 효과를 위해서만 쓰이진 않습니다. 증착시키기 전에 전처리 용도로도 많이 사용되죠. 아무리 세척을 잘 했다 해도 기판 표면에는 많은 불순물들이 존재하기 마련입니다. 알콜이나 아세톤, 일반 산세 등으로는 제거하기 힘든 표면 산화물이나 개재물 등이 존재할 수 있죠. 이들의 제거를 위해서 스퍼터링을 일으키기 전에 기판에만 (-)를 걸어주고 플라즈마를 발생시킵니다. 타겟에는 전원 공급을 하지 않고 말이죠. 그러면 양이온들은 오로지 기판을 향해 가속되어 충돌합니다. 타겟쪽에는 전원공급이 없으니 스퍼터링이 일어나지 않으므로 박막의 형성은 없습니다. 아르곤(Ar) 양이온은 아무것도 입혀져있지 않은 기판에 충돌하여 스퍼터링 시키고, 기판 표면에 존재하는 불순물들은 이때 충격으로 기판과 떨어지면서 제거됩니다. 동시에 기판 표면은 다른 입자들이 잘 붙을 수 있도록 활성화 되어 그 다음에 이루어질 증착에서 밀착력 증가효과를 가져옵니다. 이런 표면 클리닝을 위한 바이어스 전압은 보통 스퍼터링때 가해지는 바이어스 전압보다 높게 주어집니다. 

 

 

 

습식 세정으로 제거하기 어려운 기판 위의 불순불들은...

 

 

 

 

 

기판에 바이어스를 걸어줘서 없앨 수 있다.
(구현 테크닉이 저 위하고 또 다르다. 순간순간 진화하고 있다.. -_- )

   그 외, 또 하나의 효과는 기판에 원하지 않는 음이온의 침입 방지 입니다. 예를 들어, 만약 산소가 들어가면 안되는 민감한 박막의 경우 박막 형성도중에 산소를 어떻게 해서든 차단해야 합니다. 그러나 타겟에서, 혹은 챔버에 흡착되어있던 소량의 산소 등이 이온화 되어 박막에 유입될 수 있습니다. 이럴때 바이어스 스퍼터링(Bias Sputtering)을 하게되면 기판에 (-)가 걸려있기 때문에 산소 이온의 유입을 막을 수 있습니다. 산소 이온은 음이온이고, 기판도 (-) 이기 때문에 전기적 반발력에 의해 접근을 할 수 없죠. 쉽게 산화되는 재료에서는 매우 효과적입니다. 또한 불필요한 2차전자들이 기판에 유입되는 것도 전기적 반발력으로 방지가 가능합니다. 


    추가로 하나 더 말씀드리자면, 이 방법은 그대로 소자 제조공정의 건식식각(Dry etching)에도 응용되어 쓰입니다. 용액을 사용하지 않고 스퍼터 방법으로 표면을 깎아내어 식각을 해내는 원리죠. 그렇게 스퍼터링 법은 박막을 입히는데 사용될 뿐 아니라, 박막을 제거하는 데도 쓰이고 있습니다.  





...by 개날연..

후.. - _-y~
지독한 감기몸살로 3주를 앓고 있습니다.
밤새 기침이 멈추지 않아서 잠도 못자요.., - _-
그래서 신경이 극도로 예민해져 있습니다.. ㅠㅠ
어쨌거나 이제는 장치 이야기는 그만하고 박막을 입혀봐야 할텐데..
걱정입니다. 어느 세월에... -_ -