RF 스퍼터링(RF Sputtering)..#1. 타겟(음극)이 부도체면?

   RF 글로우 방전(http://marriott.tistory.com/70)에서 RF 스퍼터링의 기초 내용을 잠시 설명했었다. 그러나 대단히 간략하게 단편적으로만 설명을 했었고, 그림도 없이 글로만 조금 언급하여 그걸로 이해하기는 쉽지 않다. 단지 '그런게 있구나' 하는 정도였을 뿐이다. 이제는 글로우 방전을 넘어 그것을 응용하는 스퍼터링 영역으로 들어왔으니 여기서는 RF 스퍼터링을 기준으로 다시 자세히 알아보도록 하자.

 

   지금까지 이야기 해왔던건 DC 방전 스퍼터링에서 음극인 타겟물질이 전기가 잘 통하는 금속 같은 도체였을 경우다. 말 그대로 전기가 잘 통하는 물질을 음극으로 사용했기 때문에 전기장을 걸어 줄 수있었고, 방전과 플라즈마가 발생하고, 그에 따라 스퍼터링이 이루어졌다. 음극으로 도체 물질을 사용하면 스퍼터링을 하는데 있어서 어떠한 문제도 없었다.

   그렇다면 이제 음극이 금속과 같은 도체가 아니라 세라믹 같은 부도체(절연체)라고 생각을 해보자. 우리가 스퍼터링법으로 박막을 제조할 때 꼭 금속 박막만 만들어야 한다면 너무 아깝다는 생각이 든다. 스퍼터링 법의 최대 장점중 하나는 원하는 물질을 마음대로 박막으로 만들 수 있다는 것이기 때문이다. 그렇다면 세라믹도 박막으로 만들 수 있어야 한다. 문제는 대부분의 세라믹 재료들은 부도체이기 때문에 음극으로 사용할 수가 없다는 것이다. 그러나, 실제로 우리는 세라믹을 음극으로 사용하여 스퍼터링을 시키고 있다. 과연 어떤 방법으로 세라믹 박막을 만들 수 있는지 알아보자. 

    이것을 확인하기 위해서는 실험실에서 음극(타겟)을 부도체로 장착해보고 직류를 걸어주어 어떻게 되는지 실제 경험해 보는 것이 제일 좋겠지만 그렇지 못한 경우가 더 많을 거라 생각하므로, 여기서라도 세라믹 부도체를 전극으로 설치하고 직류 방전을 실행하는 사고실험을 해 보자. 하지만 그러기 전에 먼저 음극반응(http://marriott.tistory.com/83)이 어떤건지를 알고 와야 한다. 

   음극에 도체가 아닌 세라믹 부도체를 장착하고 음(-)의 DC(직류) 전원을 공급하면, 방전 초기에는 도체의 DC 방전과 똑같은 현상이 일어난다. 비록 부도체는 도체와 달리 자유전자가 없지만, 한쪽에 전압이 가해지면 내부에서 유전분극이란 현상이 발생하여 극성을 나타낼 수 있게된다. 그 결과, 처음에 DC 전원이 공급되면서 이온화 된 Ar 양이온은 전기장의 힘을 받아 음극쪽으로 가속되어 끌려가고, 음극에 충돌하여 스퍼터링을 시작한다. 바로 아래그림 마냥..

 

 

 

부도체 음극에서의 직류(DC) 방전

 

   문제는 여기서부터 발생한다. 앞 링크의 설명에서도 이야기 했지만 음극이 도체일 경우의 DC(직류)방전에서는 음극쪽으로 가속된 Ar 양이온이 음극에 충돌하고 전자에 의해 중성화 되는 현상이 나타났었다. 그러나 유감스럽게도 지금 음극에 장착되어 있는 세라믹(부도체)의 전하 운반체는 전자가 아니며, 내부에 금속처럼 마음대로 이동할 수 있는 자유전자를 갖고있지 않다. 그래서 음극으로 접근하는 Ar 양이온을 중성화 시켜줄 충분한 전자가 없기 때문에 전하이동이 발생하지 못한다. 전극 표면에 약간의 전자들이 존재한다면 일부는 중성화 되겠지만, 상당수의 양이온이 중성화 되지 못하고 이온 상태 그대로 음극의 전기장에 이끌려 전극에 도달하고, 전극 표면에 붙어버리면서 축적된다. 이렇게 해서 부도체인 음극의 표면이 양이온으로 덮여지게 되면, 플라즈마와 마주보고 있는 전극의 표면은 음극의 역할을 잃어버린다. 

 

 

 

 

 

양이온으로 대전된 전극표면

 

 

  이 다음 과정을 보자. 플라즈마에서 발생한 양이온은 음극쪽으로 이끌려 가속되어야 한다. 그래야 충돌시 2차 전자를 얻어 그로인해 방전이 지속적으로 유지될 수 있기 때문이다. 그런데, 음극과 충돌하려고 음극으로 접근한 양이온은 전극표면에 축적된 양이온을 만나게 된다. 양이온이 전극으로 가속되어 들어오는 이유는 (-) 전극 표면과 플라즈마내 Ar 양이온 사이에 발생했던 쉬스(sheath), 음극강하영역의 전위차 때문이었다. 그런데 전극표면에 양이온이 축적되기 시작하면서 음극이 가진 전위를 상쇄시키게 되고, 그로인해 쉬스의 전위차가 감소하게 되어 양이온은 전기장의 힘을 받지못해 가속을 멈추게 된다. 결국 양이온은 전극에 충돌하기 위한 충분한 에너지를 얻지 못한다.  

 

 

 

 

 

양이온으로 대전된 전극표면에 양이온은 충돌을 못하게 됨

 

사실 부도체 전극에서는 이보다는 좀더 복잡한 현상이 나타나지만  

이해를 돕기위해 간략화 했다

 

 

    이렇게 되면 양이온의 음극충돌이 없고, 2차 전자의 발생이 없다. 2차 전자의 발생이 없으니 더이상의 이온화도 없으며, 음극에서 양극으로 전자의 흐름도 멈추게 된다. 따라서 전원을 공급한 초기에 순간 나타났던 방전과 플라즈마가 사라지며, 당연히 스퍼터링도 나타나지 않는다. 부도체 전극 표면에는 그대로 양이온이 축적된 상태로 있고, 방전을 위해 넣어준 아르곤(Ar) 기체는 이온화 되지 못하고 그대로 기체 상태로 남아있을 뿐이다. 그래서 방전은 여기서 끝나게 된다.

 

 

 

음극 충돌이 없으므로 방전이 멈춤

 

 

 

   한마디로 말해서, DC(직류) 파워를 사용할때엔 음극으로 사용하는 타겟 물질은 도체만 가능하다는 것이다. 위 설명에서 그냥 세라믹이라고 하지 않고 세라믹(부도체) 라고 해서 '부도체'를 같이 명기한것은 'RF 글로우 방전(http://marriott.tistory.com/70)' 에서도 말한 것 처럼, 세라믹이라고 해서 모두 부도체는 아니기 때문이다.

그럼 2부에  투 비 컨티뉴드....  -_ -/

...by 개날연..

제가 쓴 글을 보면 어느땐  오늘처럼 딱딱하게 설명식으로 되는 경우가 있고..
또 어느땐 부드럽게 이야기하는 것처럼 쓰는 경우가 있습니다만.. 둘다 접니다 -_-
사실상 자세히 설명하기 위해선 이야기식으로 쓰는게 좋고, 개인적으로 그걸 선호합니다. 그런데 두개가 혼용되고 있는건.. 이야기 식으로 쓰면 말이 길어지곤 하니까 오히려 정확한 정보전달에 있어 취약할지도 몰라서 그렇긴 한데...
 

뭐.. 한마디로 걍 제 맘입니다.. - _-y~