스퍼터된 입자의 상태와 성질

   지난 편에 원자 하나당 타겟 원자 몇개가 나오나에 관한 스퍼터링율 이야기를 했습니다. 이렇게 스퍼터링된 입자(원자)들은 기판에 증착되면서 그 상태에 따라 서로 다른 특성을 나타내게 됩니다. 그러므로 스퍼터된 입자는 대체 어떤 상태로 스퍼터링 되는지, 또 그 성질은 어떤지 알아보도록 해 봅시다. 또 어느 분께서 스퍼터링된 입자의 상태에 대해서 질문을 해오셨는데, 리플이라 길게 쓰질 못했습니다. 이번 기회에 조금 자세히 풀어보도록 하겠습니다. 

   일단 생각해야 할 것이, Ar 이온이 타겟에 충돌해서 튕겨나가는 타겟 물질의 상태는 기본적으로 중성 원자입니다. 즉, 단원자 하나하나가 타겟에서 분리되어서 나온다고 생각하시면 됩니다. 그런데 모두 원자 상태는 아닙니다. 분율을 따진다면 원자상태가 90% 이상, 나머지 10% 이내에서 원자들 몇개가 뭉친 '입자' 나 '클러스터' 혹은 '분자' 상태로도 나오게 됩니다. 그런데 우리는 스퍼터율을 이야기 할 때, 스퍼터율은 전압에 비례한다고 했습니다. 즉, 타겟에 충돌하는 Ar 양이온의 에너지가 크면 클 수록 스퍼터율이 높아지게 되는거죠. 그리고 바로 이 에너지가 크면 스퍼터되는 입자들은 원자보다는 클러스터나 분자의 분율이 증가하게 됩니다. 충돌에너지가 적을때에는 타겟 원자 하나씩 떼어내던 것이, 이제 에너지가 증가하면서 타겟을 덩어리로 떼어내고 있다는 거죠. 이것은 꽤나 중요한 의미를 가집니다. 스퍼터 파워를 증가시키면 큰 클러스터가 튀어나오기 때문에 증착속도가 증가해서 시간적, 경제적으로 이익일 수도 있지만, 그만큼 박막표면을 제어하기 어려워 질 수 있습니다. 원자 한층한층 나란히 증착시켜야 하는 에피텍셜 성장이나 민감한 반도체, 대단히 매끄러운 표면을 원하는 박막에서는 커다란 클러스터가 기판에 증착되면 불리하게 작용할 수 있기 때문에 연구자는 자신에게 맞는 적절한 조건을 잡아가야 합니다.

 

 

 

충돌에너지가 낮으면 원자들이...

 

충돌에너지가 높으면 분자나 클러스터들이...

 

 

 

충돌에너지가 더 높으면 더 많은 분자나 클러스터들이...

 

 Copy & Paste 의 다양한 베리에이숀!!

   타겟이 단일 금속이 아닌 합금, 복합 화합물이나 세라믹일 경우에도 마찬가지 현상이 일어납니다. 입사되는 Ar 양이온의 에너지가 낮으면 화합물 상태로 스퍼터링 되는 것이 아니라 각각 원자들로 분리되어서 스퍼터 되는 경향이 높아집니다. 어느정도 에너지가 높아야 화합물 분자 상태로 스퍼터링 되죠. 그래서 합금이나 화합물 타겟을 사용했을때 형성된 박막의 조성이 타겟과 차이가 난다면, 파워가 적당했는지 생각해볼 필요도 있습니다. 이렇게 스퍼터링된 입자가 원자냐 분자냐 하는것들은 기판 부근에 질량분석장치 등을 이용해서 검출해 낼 수 있습니다. 그런데 여기서 재미있는 현상이 나타납니다. 기판 부근에서 중성의 타겟 원자, 클러스터, 분자가 아닌 타겟물질의 '이온'이 매우 소량이지만 검출되고 있다는 겁니다. 대체 타겟물질의 이온은 어디서 나타났을까요. 생각해 보면 결국 타겟에서 부터 이온이 스퍼터 되어 날아왔거나, 아니면 스퍼터된 원자가 중간에 이온화 되었거나 겠죠.

   그럼 타겟표면에서 어떤 작용이 일어나는지 살펴봅시다. 타겟에 Ar 양이온이 충돌하면 타겟으로 충돌에너지가 전달됩니다. 그래서 표면에 있던 원자를 떼어내게 되는데 이때 그 원자들 중 일부가 이온화 됩니다. 방전용으로 흘려보내준 Ar 기체는 챔버내에서 전자와 충돌하여 이온화 된다는것은 너무도 잘 알고 계실겁니다. 이온화에 충분한 에너지만 가해진다면 어느 원자든 이온화가 되는건 당연한 현상입니다. 그래서 타겟 원자중의 일부는 Ar 과의 충돌에 의해 이온화 되어 튕겨나갑니다. 여기서 예로 타겟물질을 Ti 금속이라고 해 봅시다. Ti 가 Ar과의 충돌에 의해 이온화 되면서 스퍼터되어 튕겨나갔습니다. 이렇게 Ti 양이온이 생성이 되죠. 그런데 타겟은 전기적으로 (-)인 음극이 걸려있다는걸 아시죠? 타겟이 음극이기 때문에 Ar 양이온은 전기적으로 이끌려서 타겟으로 충돌하게 되는거니까요. 그러니 당연히 Ti 양이온도 바로 전기적 영향을 받습니다. Ti 양이온은 비록 튕겨나갔지만 멀리 가지 못하고 다시 음극에 이끌려 타겟 표면으로 돌아올 수 있습니다. 이온이 아닌 중성원자도 마찬가지로 충분한 탈출 에너지를 얻지 못한것은 타겟위로 조금 벗어났다가 다시 타겟으로 돌아올 수 있는데, 이것을 자기증착(self deposition)이라고 합니다. 그리고 스퍼터된 이온중에 좀 높이 올라갔던 일부 Ti 양이온은 단지 타겟 표면으로 돌아와 붙는게 아니라 타겟의 전기장에 의해 타겟쪽으로 가속되어 충돌합니다. 음극강하 영역 높이까지 올라간 Ti 양이온들이 있다면 충돌 에너지가 제일 크겠죠. 즉, 타겟에서부터 스퍼터 되어 나간 Ti 양이온이 다시 타겟을 때려 스퍼터 현상을 일으키게 되는데, 이것이 자기스퍼터링(self sputtering) 현상 입니다. 

 

 

 

 

타겟표면에서는 지들끼리 이러면서 놀고있다

   그런데 이온들이 타겟에서 튀어나왔다 해도 타겟의 전기장에 이끌려 다시 타겟으로 되돌아 가거나 중성화 되기 때문에 기판에서는 이온이 없어야 합니다. 그런데도 기판에서 이온이 검출되고 있는 이유는 뭘까요. 

   '이온 플레이팅(Ion plating)' 기억하시죠? 이온 플레이팅은 증발물질을 플라즈마내로 통과시켜서 일부러 이온화를 시키고, 기판에 (-) 를 걸어줘서 그 이온을 기판으로 가속시켜 높은 밀착력과 경도를 얻어내는 방법입니다. 즉, 증발된 중성입자들은 플라즈마 내부를 통과하면서 전자들과의 충돌에 의해 일부 이온화가 발생하게 됩니다. 그런데 스퍼터링도 이온플레이팅 처럼 스퍼터된 입자가 플라즈마를 통과하면서 기판에 도달하게 되어있기 때문에, 중간에 이온화 되는 입자들이 발생할수 있고 이것들이 기판에 도달 할 수 있습니다. 비록 스퍼터링의 플라즈마는 증발입자를 강제로 이온화 시키기 위한 플라즈마가 아니라 효과는 적습니다만, 플라즈마의 복잡한 자체 반응에 의해 이온화가 일어날 가능성은 존재합니다. 게다가 요즘 스퍼터들은 대부분 타겟아래에 마그네트론을 장착해서 플라즈마를 집중시켰기 때문에 플라즈마를 통과하는 입자의 이온화 확률도 그만큼 높아졌죠. 이렇게 플라즈마 내에서 발생한 이온들은 주변에서 다른 전자를 만나 다시 중성화 될 수도 있고, 타겟쪽으로 되돌아 가서 자기스퍼터링을 일으킬수도 있고, 기판으로 들어가서 박막을 형성 할 수도 있을 겁니다. 만약 기판바이어스로 기판에 (-)가 걸려있다면 이들 이온이 기판으로 가는데 좀더 용이해 지겠지만, 꼭 기판바이어스가 걸려있지 않아도 큰 지장은 없습니다. 애당초 기판 방향의 운동에너지를 갖고있었고, 기판의 전위는 플라즈마 내 보다 약간 낮기 때문입니다. 물론 이 이온들은 기판에 도달하면서 즉시 전자를 받아 중성화 됩니다.    

 

 

 

 

 

플라즈마 내에서 발생하는 입자의 이온화

   그렇다면, 기판표면에서 검출되는 이온들은 모두 플라즈마 내에서 이온화되어서 온걸까요? 그렇지는 않습니다. 극히 일부지만 중성입자보다, 그리고 다른 이온화된 입자들 보다 훨씬 높은 에너지를 가진 이온이 미량 검출되는 경우도 있는데요, 이렇게 높은 에너지를 가진 이온은 보통 타겟에서 부터 온것입니다. 타겟에서 이온화된 입자의 대부분은 앞에서 설명한 것 처럼 타겟의 전기장에 의해 다시 잡혀버리는데, 그 전기장을 이겨내고 왔기 때문에 에너지가 매우 높은 이온이 검출되고 있는 거죠. 보통 스퍼터링시 이온화되는 입자들의 양은 타겟물질 표면에 특별한 산이나 알칼리 세정처리, 또는 산화처리 등을 했거나, 오염이 되었을때 증가합니다. 그런데 특히 이온상태로 스퍼터링이 잘 되는 물질들도 있습니다. 합금이나 화합물 중에 하나는 이온화경향이 높고, 다른 하나는 전자친화도가 높은 물질로 구성되면 특히 그렇게 되죠. 즉, 타겟이 (A+B)의 물질인데 A는 이온화경향이 높고, B는 전자친화도가 높다면 이것들이 스퍼터링 되면서 이온화되는 A의 분율이 높아집니다. 그리고 기판으로 들어오는 이온들은 모두 양이온이 아니라 음이온도 있습니다. 세라믹 타겟을 사용하거나 반응성 스퍼터링을 하게되면 타겟 표면이나 플라즈마 내에서 비금속 음이온이 발생 할 수 있는데, 이것들이 기판으로 가속되어 들어올 수 있습니다. 


   그런데, 그런 이온들이 박막이나 기판에 과연 얼마나 영향을 주느냐? 라는 의문이 생깁니다. 만약 이들 이온들이 높은 에너지를 가지고 들어온다면 타겟에서 처럼 박막을 스퍼터링 시켜버리는게 가능합니다. 사실 박막이 다시 스퍼터링되는 재스퍼터링(re-sputtering)은 가끔 심각한 문제를 야기시킵니다. 증착속도를 수십 %나 늦춰버리기도 하고, 박막표면을 거칠게 만들어 버리기도 하기 때문이죠. 그러나 타겟표면이나 플라즈마내에서 부터 온 이온들의 경우는 그 수가 워낙 적어서 크게 고려하지 않고 있습니다. 연구자들의 대답도, 그런게 워낙 적어서 신경안써도 된다 입니다. 사실, 타겟에서 이온화 되어 나오는 입자의 양은 타겟물질이나 파워에 따라 모두 다르지만 0.01% 에서 높아도 1% 정도 라고 보고있습니다. 그런데 그것들의 대부분이 자기증착이나 자기스퍼터링 등으로 다시 타겟에 잡혀버립니다. 기판까지 도달한 이온이라 해도 중성화 되므로 '이온에 의한 반응'의 걱정은 굳이 안해도 됩니다.  그래서 그런지 저도 그게 신경쓰인 적은 한번도 없었습니다. 그렇다면 저는 여태 쓸데없는 이야기를 한 걸까요..;; 굳이 알고 있어서 나쁠건 없다고 걍 편히 생각합시다....-_-  그러나 이온이 아닌, 중성의 높은 에너지를 가진 스퍼터 입자나 Ar의 고속중성입자는 문제가 되는 경우가 있습니다. 이것들은 에너지도 크고 들어오는 수가 많기 때문에 재스퍼터링(re-sputtering)과 기판 표면손상의 주범으로 작용합니다.  

...by 개날연..





2월 되기전에 1월 마지막 업그레이드를 할 수 있어서 다행입니다. 
그런데... 제목은 '스퍼터된 입자의 상태와 성질'인데.. 상태만 있고 성질은 없는것 같군요 -_ -;;
그러려니 합시다 -_-
어쨌든 ;;; 다음부터는 타겟쪽 이야기는 그만하고 기판쪽으로 이야기를 옮겨가보도록 해야겠습니다.





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



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