음극반응. 스퍼터링시 음극에서는 무슨 일이 일어날까?

   처음부터 여기까지 보신 분들은 아시겠지만 앞에서 말한 내용들이 계속해서 하나씩 조합하고 종합되어 등장합니다. 그러므로 각 부분이 어떻게 연결되어 있는지를 생각해야 합니다. 본래 모든 내용들은 각각 독립적인 것이 아니라 네트워크처럼 모두 밀접하게 연결이 되어 있습니다. 그것들을 내가 필요할때 연결된 것을 바로 찾아내는 능력이 있어야 합니다. 그런데 이것은 누가 가르쳐줄 수 있는게 아닙니다. 그렇게 하라고 할수있는게 아니란 거죠. 항상 그렇게 '생각'하는 연습이 필요합니다.

   스퍼터링 반응의 핵심은 음극 입니다. 음극반응을 살펴보려면 기본적으로 스퍼터링이란것이 무언인지는 정확히 알고 가야만 하기 때문에 모르시는 분은 여기를 클릭해서 먼저 다녀오시기 바랍니다. -_ -

   그리고 번거롭지만 바로 앞의 스퍼터링 시스템의 구조도 함 알아봐야 하겠습니다. 스퍼터링 시스템을 이야기 할때, 타겟은 Gun 위에 장착되어 있고, Gun 은 파워서플라이를 통해 음극에 연결되어 있다고 했습니다. 그래서 결국 타겟은 음극으로 작용합니다. 앞에서 글로우 방전 이야기를 했을때 전극에서 방전이 일어나 플라즈마가 발생된다고 했었죠. 바로 그 전극의 역할을 스퍼터링에서는 타겟이 해주고 있습니다. 그래서 스퍼터링을 말할때는 항상 DC 글로우 방전이 기본으로 먼저 나오게 되며, DC 글로우 방전을 흔히 음극 글로우 방전이라고 하기도 합니다. 이것은 그만큼 음극이 중요한 역할을 하기 때문이며 이미 우리는 음극은 전기장을 공급하고, 2차 전자를 만들어 내어 방전을 지속시켜준다는 것을 알고있습니다. 그렇다면 전기장을 공급하는것 외에 음극은 어떤 작용을 하고 있을까요? 여기서는 스퍼터링 시에 음극 표면에서 어떠한 현상이 일어나고 있는지 그 과정을 그림과 함께 자세히 살펴보기로 하죠.

 

 

타겟(음극)표면으로 가속되는 이온

   스퍼터링 현상은 음극물질쪽으로 이온이나 원자가 충돌해서 음극물질을 떼어내는 것 이라 했습니다. 스퍼터링장치에서 음극은 타겟이 대신하고 있으므로, 똑같은 현상이 타겟에서 발생하죠. 스퍼터링에서는 방전을 시켜주기 위한 방전용 가스로 보통 Ar(아르곤) 가스를 사용하고 있으므로 Ar을 예로 들어 설명하겠습니다. 먼저 챔버내를 진공을 충분히 뽑은 뒤에, 방전가스인 Ar 을 주입 하여 적당한 챔버내 압력을 조절 합니다. 그리고 타겟에 직류 음극의 전기장을 공급하게 되면 아시는 대로 방전이 시작되어 플라즈마가 발생하게 되고 Ar은 1차 및 2차 전자와의 충돌로 이온화 되어 양이온인 Ar⁺ 와 전자로 분리됩니다. 이때 Ar 양이온은 전기적으로 (+) 이기 때문에 전기장의 힘을 받아 음극인 타겟쪽으로 가속되어 끌려가기 시작합니다(여기 눌러서 참고). 이렇게 가속된 Ar 양이온이 타겟과 충돌하여 타겟 표면에 에너지를 전달하고 그 에너지로 인해 타겟물질이 튀어나오게 됩니다. 바로 스퍼터링 현상이죠. 드럽게 간단하죠? -_ -

 

   그런데 여기서 의문이 하나 발생합니다. 타겟과 충돌한 양이온은 대체 어디로 가는가? 라는거죠. 타겟 표면에 Ar 양이온들이 계속해서 쌓이게 되는건 아닌가? 라는 의문이 생길 수 있습니다.(솔직히 이런 의문을 가지고 질문을 한 학생은 아직까지 보질 못했습니다만.. 그래도 걍.. -_ - )

   이 문제의 대답은 스퍼터링시 음극반응이 단순히 양이온의 충돌로 이루어지고 끝나지 않는다는데 있습니다. 좀더 복잡한 반응들이 발생하고 있기 때문이죠. 어떤 일이 일어나는지 살펴봅시다. 

먼저 타겟에서 양이온으로 전하이동 입니다.

타겟에서 양이온으로의 전하이동 현상

   그림에서 양이온은 녹색의 원에 + 를 넣은것으로 표현했습니다. 붉은 알갱이는 전자입니다. Cathode 는 말 그대로 음극이면서 스퍼터링에서는 타겟이 음극 역할을 공동으로 담당합니다. 그리고 음극이므로 표면에 전자가 엄청 많이 널려있습니다.  결과적으로, Ar 양이온이 전기장에 의해 가속되어 타겟에 충돌하게 되면 타겟표면에 존재해 있던 전자들이 양이온으로 이동하게 됩니다. 즉, 타겟에서 Ar 양이온으로 전하이동이 발생하여 중성화됩니다. 

두번째는 양이온과 중성 Ar 원자 끼리의 전하이동입니다.

 

 

 

 

타겟(음극)으로 가속하는 양이온과 중성 Ar 원자 끼리의 전하이동

   이것은 타겟 표면에서 전자가 이동하는 것이 아닙니다. 플라즈마 내 중성 Ar 원자에서 전하이동이 되는것이죠. Ar 양이온이 고속으로 타겟을 향해 가속되는 도중에 바로 근접하여 중성 Ar 원자곁을 지나가거나 충돌하게 되면, 중성 Ar 원자로부터 전자를 받아 양이온은 중성 Ar이 되고, 본래의 중성 Ar은 양이온이 되는 현상이 발생하기도 합니다. 이런 경우,  타겟과 충돌하는 것은 양이온이 아니라 Ar 중성입자 입니다. 이 경우에, 전하이동으로 인하여 가속되는 Ar 양이온은 Ar 중성원자(혹은 입자)로 변화했습니다. 이렇게 중성화된 원자를 '고속중성원자(입자)' 라고 표현합니다.  그런데, Ar 양이온이 타겟으로 가속되어 충돌하는 이유는 타겟은 음극이고 Ar은 양이온이기 때문에 전기적 인력이 발생했기 때문입니다. 하지만 위와 같은 전하이동에 의해 Ar 이 중성입자로 변화했다면  이제는 전기장에 영향을 받지 않습니다. 그렇다면 음극인 타겟으로 끌려가서 충돌할 이유가 없어진다고 생각할 수 있습니다만, 실제로는 초기 가속력을 그대로 가지고 충돌을 합니다. 전하이동이 발생하기 전 양이온은 전기장으로 충분히 가속이 되어있던 상태이기 때문에, 전자가 이동하여 중성화 되었어도 에너지 변화에는 영향을 주지 못해서 속도가 거의 그대로 남아있기 때문입니다. 그래서 운동에너지를 유지할 수 있고 음극과 충돌하게 되죠. 그리고 전하이동을 일으키지 않고 타겟과 충돌하는 대부분의 Ar 양이온들은, 타겟 표면에 도착하는 순간 타겟으로 부터 전자를 받아 중성화 됩니다. 결과적으로 타겟에 도착한 상태의 Ar은 양이온이 아니라 중성원자들입니다.  

   이렇게 음극과 충돌한 Ar 양이온 및 중성원자는 타겟인 음극물질을 스퍼터링 시켜버립니다. 충돌시에 Ar 원자가 타겟에 박혀버리게 되기도 하지만 걱정할 필요 없습니다. 뒤이어 따라 충돌한 Ar 원자가 타겟물질을 스퍼터링 시켜버릴 때, 박혀져있던 Ar 도 같이 튕겨져 나갑니다. 오토 클리닝 시스템!!!  

 

 

 

타겟 표면의 Ar은 스퍼터링에 의해 다시 튕겨 나가가가가~~~~

   이렇게 플라즈마 쪽으로 튕겨져 나간 Ar 중성입자들은 플라즈마 내에서 또다시 전자와 충돌하여 이온화 하여 양이온이 되고, 다시 음극의 전기장에 이끌려 가속되어 음극에 충돌하는 스퍼터링 현상을 계속해서 반복하게 됩니다.. 똥개훈련같져;;

...by 개날연..



우워... 글쓰기 힘들어...;ㅁ;