스퍼터링률(Sputtering Yield)

   이번에는 스퍼터링률(sputtering yield)에 대한 이야기를 해볼까 합니다. 간혹 그냥 스퍼터율(sputter yield) 라고도 부르는데 양쪽 모두 혼용하여 사용하고 있으니 혼동될 내용은 아닙니다. 사실 스퍼터링률에 대한 이야기는 스퍼터링 현상 초기에 나오는게 순서적으로 맞을 수도 있습니다만, 내용으로 보면 간단하면서도 실제적으로 이것을 구하는 일은 드문, 잘못하면 이론에만 치우치기 쉬운 내용이라서 일부러 언급하지 않았습니다. 스퍼터 현상 자체를 연구하는 사람이라면 몰라도 박막을 입히는 사람이 스퍼터링률을 정확히 계산하는 경우는 솔직히 흔한 경우가 아닙니다. 그러나, 이제 나올 박막을 입히는 스퍼터 변수(증착 변수)들이 직접적으로 스퍼터링률에 영향을 주는 것이 많기 때문에 지금에서야 이야기를 꺼내게 되었습니다. 그리고 언제나 그랬듯이 오늘도 식 없이 이야기를 풀어나갑니다. 

 

재탕으로 우려먹는 스퍼터 현상.
그야말로 copy & paste 의 극한을 보여준다

   위 그림 기억하시죠? 스퍼터링 현상( http://marriott.tistory.com/77 )을 이야기 할때 보여드렸던 그림입니다. 이온이 타겟에 충돌하여 타겟표면 원자들을 떼어내는 장면이죠. 그림에서 볼수있는 것 처럼, 이온과 충돌한 표면원자만 스퍼터링 되는 것이 아닙니다. 이온과 충돌한 표면원자가 이온의 운동에너지를 전달받고, 그것을 또 주위의 표면원자들에게 전달하게 됩니다. 그리고 이때 타겟과 결합을 끊을 정도로 충분한 에너지를 받은 표면원자들은 스퍼터링 되며 튕겨나갑니다. 기본적으로 이 과정은 열에 의한 증발도 아니고, 화학적 분해도 아니며 순수한 물리적 과정입니다만, 충돌에너지의 70% 정도는 열로 변환되기 때문에 조건에 따라 열증발이나 화학반응이 발생할수도 있으며, 이로인해 스퍼터링의 가속화를 만들어 낼 수 있습니다(이 특징은 주로 식각에 응용됩니다). 그리고 여기서 스퍼터링률을 한마디로 정의하자면 이온 하나당 타겟원자 또는 타겟분자를 몇개나 떼어내는가를 말합니다. 이온 하나가 원자 하나를 떼어내면 효율은 1, 혹은 100%가 됩니다. 이 효율을 기호로 뭐라고 표현할지는 연구자의 마음대로 겠지만 많은 경우 S 라고 표현하고 있습니다. 그리고 단위는 (atoms/ion) 을 사용합니다.

   스퍼터링률 S 에 영향을 주는 요인들은 몇가지가 있습니다. 스퍼터링 시의 가속전압 V, 입사되는 이온의 종류, 입사 각도, 타겟재료의 종류, 타겟재료의 결정구조 등등 이죠. 이들 중 가장 큰 영향을 주는것은 가속전압 V 입니다. 우리는 이미 스퍼터링시에 이온이 타겟에 충돌하는 에너지는 음극전압강하(http://marriott.tistory.com/69)에서 나온다는 것을 알고 있습니다. 그러니 이때의 전압이 높을 수록 충돌 에너지가 증가하는거죠. 오늘도 파워포인트로 급조한 아래 그래프를 봅시다. 그래프 참 이쁩니다.

충돌시 이온에너지와 스퍼터링률 과의 관계.

그림이 아니라 그래프다. -_- 이러니 재미가 없다 -_-

  가속전압은 타겟에 충돌하는 이온에너지 E 를 증가시킵니다. 이것은 스퍼터링률과 아주 직접적인 관계가 있는데요, 위 그래프를 보면 문턱에너지(threshold energy)라는 곳에서 부터 스퍼터링률이 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 4번인가 우려먹었던 글로우 방전의 전류-전압 그래프를 기억하시나요? 거기서도 방전이 처음에 시작되는 문턱전압이 있었습니다. 그것과 마찬가지로 문턱에너지란 것이 존재하죠. 비록 이온이 타겟에 충돌을 한다고 해도 어느 에너지 이하값에서는 스퍼터링 현상이 일어나지 않고, 최소한의 에너지 값 이상이 되어야 발생을 하는 거죠. 이 문턱에너지값이 얼마냐 하는 것도 이온종류, 타겟재료 등의 변수에 따라 모두 달라집니다. 그렇게 일단 스퍼터링이 시작이 되면 초기에는 스퍼터링률이 에너지의 제곱값에 비례하는 곡선 증가부분이 나타납니다. 이런 저런 연구자료들을 보면 이온에너지가 100eV 이하에서 나타난다고 하고있지요. 그리고 에너지가 100eV 를 넘어서면 스퍼터링률 S와 이온에너지 E 가 비례하면서 급격한 증가를 합니다. 즉, 전압을 증가시킬 수록 스퍼터링률은 마구 상승을 하는 구간이죠. 하지만 대부분 실험의 측정값이 그렇듯이 계속 증가만 하진 않습니다. 어느정도 한계에 이르면 증가를 멈추는 구간이 나타나는데 여기를 평평하다는 뜻의 플래토(plateau) 라고 부릅니다(경우에 따라 이 플래토가 나타나지 않는 경우도 있으니 그점은 고려하셔야 합니다). 플래토 구간이 끝나면 오히려 스퍼터링률이 서서히 감소합니다. 플래토와 그 이후 감소 구간이 나타나는 이유는, 스퍼터링이 발생하려면 이온충돌로 인해 타겟 표면 원자들이 산란되고 튕겨져 나가야 하는데, 이온의 충돌력이 너무도 커서 원자의 산란이 일어나지 않고 그냥 타겟속에 박혀버리기 때문으로 알려져 있습니다. 즉, 벽을 망치로 때리면 표면이 부서져 버리지만, 총으로 쏘면 총알이 깔끔하게 박혀버린다고 생각하시면 될듯 합니다. 평균적으로는 10keV 정도의 에너지에서 플래토가 나타나고 있습니다.

   스퍼터링률은 입사되는 이온의 종류에 따라서도 달라집니다. 앞의 이야기들에서 이온의 충돌 에너지가 커야 스퍼터링률이 높을거란걸 예측 할 수 있습니다. 그렇다면 당연히 질량이 큰 원소일 수록 에너지가 높으니 유리할 겁니다. 그런데 질량이 크다고 무조건 증가하는게 아니라, 그중에서도 최외각전자 자리가 채워져 있는 순으로 어떤 주기성을 보이고 있습니다. 그래서 불활성원소라 부르는 Ne, Ar, Kr, Xe, Rn 의 순으로 효율이 증가합니다. 우리는 이들 원소중에서 거의 Ar 을 사용하고있는데요, 효율적으로 본다면 Ar 보다 클립톤(Kr) 이나 제논(Xe)이 훨씬 좋습니다만 Ar 을 쓰는 이유는 아주 단순합니다. 싸고 구하기 쉬우니까 -_-.. 이렇게 이온의 종류에는 영향을 받지만 이온의 전기적 극성에는 영향이 없습니다. 음극반응(http://marriott.tistory.com/83)에서 설명드린 것 처럼 어차피 이온은 타겟에 충돌하는 순간 전자를 받아서 중성화 되기 때문입니다.

   그러면 이제는 스퍼터링률 음극인 타겟재료에 따라서도 달라진다는것도 자연스럽게 떠올릴 수가 있습니다. 스퍼터링률은 결국 타겟물질을 몇개나 떼어내느냐 하는 것이고, 충돌에너지가 클수록 증가한다면 타겟의 원자간 결합력이 크면 클수록 떼어내기 어렵다는 뜻도 됩니다. 실험적으로 음극재료가 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 처럼 연성이나 전성이 좋은 물질들은 스퍼터링률이 매우 높습니다. 그리고 탄소(C), 실리콘(Si), 바나듐(V), 지르콘(Zr), 텅스텐(W) 처럼 단단하거나 고융점 물질은 스퍼터링률이 낮죠. 그렇다면 타겟의 온도가 큰 영향을 줄것 같지만 생각외로 온도에는 크게 영향을 받지 않습니다. 이것은 스퍼터링시 충돌에너지가 타겟증발에 필요한 에너지보다 훨씬 크기 때문이며, 때문에 타겟 온도에 의한 영향이 발생하려면 타겟이 융점 부근까지 가열되어야 합니다. 그러나 그렇게되면 온도에 의한 증발입자가 발생하여 스퍼터링에 의한 입자와 섞여버리게 되므로 이 둘을 구분하기가 힘들어지게 되기도 합니다. 타겟을 금속으로 한정한다면 주기율표에서 왼쪽에 위치한 금속들은 스퍼터링률이 낮으며, 오른쪽으로 갈수록 스퍼터링률이 높아지는 주기성을 갖고있습니다. 또한, 이온과 타겟원자의 질량비율도 영향을 주는데, 충돌하는 이온의 에너지가 크려면 이온의 질량은 커야하며, 타겟원자가 에너지를 많이 전달받으려면 타겟원자의 질량은 작아야 합니다.

   

FCC(Face Centered Cubic) 구조의 (111) 면과 <110> 방향족
결정구조 안배운 사람이라면 대체 이게 뭔가-_-하는거다. 
하지만 결정구조 이야기를 잘못 꺼냈다간 박막은 제쳐두고 결정구조만 1년은 하게 된다 -_-

   그것 뿐만이 아닙니다. 스퍼터링률은 타겟의 결정구조에 영향을 받는데, FCC, BCC, HCP의  각 결정구조의 최대 조밀방향에서 스퍼터링률이 제일 높게 나옵니다. FCC 라면 <110> 방향들이 되겠죠.  그러나 타겟의 결정방향을 실제적으로 고려하는 경우는 드뭅니다. 앞에서 말했듯이 스퍼터링 현상 자체를 연구한다면 몰라도, 혹은 타겟재료의 특성을 연구한다면 몰라도 누가 그 많은 타겟을 종류별로 쓰며 박막을 입히는데 결정 방향 따져가면서 스퍼터링률을 구하고 있겠습니까.. - _- 결정방향에 따라 스퍼터링률을 계산하려면 일단 타겟이 단결정으로 특정한 방향을 갖고 있어야 합니다. 그러나 우리가 사용하는 타겟은 대부분 결정방향이 랜덤한 다결정 재료이기 때문에 각도분포를 알기 힘듭니다. 그래서 스퍼터를 응용해서 에칭(식각)을 하는 경우라면 몰라도, 일반적인 박막을 입힐때엔 굳이 고려하지 않아도 됩니다. 자, 그럼 스퍼터링률에서 가속전압 다음으로 중요한 이야기를 이제 해봅시다. 타겟의 결정구조가 스퍼터링률에 영향을 미친다고 했습니다. 그리고 재료에서 결정구조란 것은 한마디로 원자들의 어디에 어떻게 위치해 있는가 입니다. 그래서 그 방향에 따라 스퍼터링률이 영향을 받고 있습니다. 그렇다면 당연히! 이온이 충돌할때 어느 방향으로 충돌하는가도 영향을 주게 될거라고 예측을 해 봅시다. 타겟 표면에 수직으로 입사하여 충돌하느냐, 어느정도의 경사각을 가지고 충돌하느냐죠. 이것은 여러분들도 그 동안 실생활에서도 많은 경험을 통해서 느끼고 계실 겁니다. 수직충돌보다 경사충돌이 스퍼터링에 유리하다는 것을요.  맨 위 그림에서 제가 노란색 이온이 경사지며 충돌하게 그린 이유 가 따로 있는게 아니고, '다양한 변형 스퍼터링 장치들' 이야기에서 이온빔 스퍼터(Ion Beam sputter)가 이온빔을 수직으로 쏘지 않고 어느정도 각도를 주며 쏘는 형태로 그린 이유가 따로 있는게 아닙니다. -_-

 

대충 발로그린 이온입사각과 스퍼터링률과의 관계

이런 재미없는 그래프나 나오고 있으니 스퍼터링율 이야기를 안하려 했다 -_-

    타겟 표면에 이온이 충돌할때 수직으로 충돌하는 각도 θ 를 0°, 그리고 수평으로 충돌하는 각도 θ 를 90° 라고 해봅시다. 사실상 스퍼터링에서 이온이 타겟으로 90°의 수평 입사란건 현실적으로 일어날 수가 없지만, 이론적인 설명이니까요. 초기 수직입사인 0° 에서는 어느정도의 스퍼터링률 S₀ 를 나타냅니다. 그리고 각도가 점차 증가하면서 서서히 스퍼터링률도 증가하게 되죠. 어느 각도에 이르면 스퍼터링률이 최대치인 S_max를 나타내게 되고, 그 각도를 넘어서면 효율이 급격히 감소하면서 90° 에서 zero 가 됩니다. 이것이 일반적인 입사각도와 스퍼터링률의 관계 입니다. 보통 최대 스퍼터링률을 나타내는 입사 각도인 θmax 는 재료마다, 실험조건마다 모두 다르지만 보통 50°~70° 에서 많이 나타나고 있습니다.

 

 

 

 

입사각도 θ 에 따라서 스퍼터링률이 차이를 보이게 됨

보통 50°~70° 사이에서 최대값을 보임.

 

 

 

   우리가 인위적으로 각도를 제어하지 않는 이상, 기판과 타겟이 평행하게 마주보고 있는 스퍼터링 장치에서는 대부분의 Ar 이온들은 전기장의 영향때문에 거의 수직으로 타겟과 충돌합니다. 이온들 간의 충돌이나 스퍼터링된 입자와 충돌로 인해, 또는 어떠한 이유로든 방향이 꺾인 일부 Ar 이온들이 경사를 가지고 타겟으로 들어오게 되죠. 이 각도에 의한 스퍼터링율의 차이는 타겟 재료에 따라서도 많이 달라지는데, 앞에서 언급했던 스퍼터링률이 높은 타겟재료들인 Au, Cu, Ag 등은 상대적으로 효과가 적고, 스퍼터링율이 낮은 재료들에게서 이 효과가 잘 나타나는 것으로 알려져 있습니다. 알려져 있다고 표현한 것은 제가 이 실험을 직접 해서 확인하진 않았기 때문입니다..  - _-  하지만 유추해 보면 결정구조적으로 그렇게 나올거라고 생각이 드는군요. -_-

   단일금속 타겟인 경우에는 스퍼터링률을 구하는 식은 생각외로 간단해서 스퍼터링 전후의 타겟의 무게를 정확히 측정하고, 그때 주어진 전류값과 시간을 고려해서 구할 수가 있긴 합니다. 하지만 합금이나 세라믹의 경우는 식 자체도 대단히 복잡해지며, 실험에서 스퍼터링률 자체를 구하는것이 목적인 경우도 드물고, 변수도 많고 조건도 매우 제한적입니다. 특히 합금은 스퍼터링률이 서로 다른 원소들의 혼합이기 때문에, 조건에 따라 불균일한 스퍼터링이 발생하면 원하는 박막 조성이 안나올 수도 있습니다. 이런 경우 스퍼터링률을 어느 원소를 기준으로 해야 할 지도 문제입니다. 그 외 여러가지 이유 등으로 여기저기 박막을 하는 많은 곳에서도 스퍼터링률을 실제적으로 직접 구해서 '우리의 스퍼터링률은 얼마다' 라고 말하는 경우는 흔치 않습니다(학술논문은 꽤 있습니다만..). 그러나, 스퍼터링률에 영향을 주는 변수들, 어떤것에 의해 어느정도 영향을 받는다 정도는 연구자라면 꼭 알고있어야 합니다. 스퍼터링시 우리가 조절하고 제어하는 여러 조건들이 결과적으로 스퍼터링률을 변화시키기 때문입니다.

...by 개날연..




후... -_- 오랜만에 업데이트를 했습니다. -_-
이제 며칠 후면 설이군요. 저야 요즘 보기 드물게 신정을 지냈습니다만..
찾아오시는 모든 분들 새해 복 많이 받으시기 바랍니다. ^^





글 : 개날라리연구원
그림 : 개날라리연구원
업로드 : 개날라리연구원
발행한곳 : 개날라리연구소


나 아마 구정연휴에도 글쓰고 있을거 같아.... - _-y~