RF 스퍼터링(RF Sputtering)..#2. 부도체 타겟의 스퍼터링

   앞의 글에서, DC 스퍼터링에서 음극을 부도체로 사용하게 되면 왜 방전이 일어나지 않는지, 어째서 스퍼터링을 할 수 없는지 이유를 설명했다. 스퍼터링을 할때 금속 타겟만 사용한다면 아무 문제 없겠지만, 실제적으로는 사용 효율이 매우 떨어진다. 스퍼터링의 최대 장점중 하나는 거의 모든 물질을 타겟으로 사용하여 증착이 가능하다는 점인데, 이것을 오로지 금속으로만 한정시킨다면 너무도 아까운 일이기 때문이다. 그래서 세라믹 박막을 연구하는 사람들을 위한 스퍼터링법이 필요했고, 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 아주 현명한 방법을 고안해 냈다. 다른 어떤 부가적인 특별한 장치가 필요한것이 아니라, 파워 서플라이의 종류만 바꿔주는 것으로.

   이제는 앞과  똑같은 부도체 전극에 파워서플라이를 DC(직류) 가 아닌 교류(AC) 고주파인 RF(Radio Frequency)로 바꿔보자. 여기서 사용하는 RF 는 알고있듯이 주파수가 13.56MHz 인 것을 주로 사용한다. 1M는 1,000,000 이므로, 1초에 13,560,000회나 음극과 양극이 번갈아 바뀌고 있다. 사실 RF로 스퍼터링을 발생시키는 것은 이보다 낮은 주파수에서도, 높은 주파수 에서도 가능하다. 그러나 주파수를 내가 쓰고싶은 것으로 마음대로 쓰게 되면 통신용, 군사용 주파수 등과 섞일 수 있기 때문에 산업용으로는 몇몇개의 특정한 주파수를 쓰도록 서로간에 약속했다. 현재 13.56MHz 가 가장 많이 사용되고 있고, 이보다 높은 주파수가 쓰일때는 13.56MHz 의 배수인 27.12MHz, 40.68MHz 등이 쓰이곤 한다. 

 

 

 

 

 

RF를 부도체에 인가하면 처음에 직류 도체의 음극반응과 같은 현상이 일어난다. 

양이온이 전극(타겟)에 충돌.

 

  위 그림을 보면, 사실상 부도체 전극에 RF를 인가해도 처음에 나타나는 현상은 DC와 같다. 하지만 음극으로 쓰여진 부도체는 RF 덕분에 (+)와 (-)가 매우 빠른 속도로 바뀌고 있다. 과정을 순서대로 살펴보기 위해 먼저 전극에 (-) 이 가해졌을 때를 생각해보자.  RF 파워에서 전극으로 (-) 전원을 공급하면, 그 순간에 플라즈마 내의 양이온들은 전극(타겟)을 향해 가속되어 오기 시작한다. 그리고 직류를 걸어줬을 경우와 마찬가지로 (-) 전극 표면에 양이온들이 모여들게 될 것이다. 

 

 

 

 

 RF에 의해 전극이 (+)로 바뀌며 표면의 양이온을 제거

   여기서부터가 DC(직류) 의 경우와 다르다. 파워가 DC 였다면 이 시점에서 부도체인 음극표면은 양이온으로 대전되어 버리고, 더이상의 이온화가 일어나지 못해  방전이 멈추게 된다. 그러나 RF 는 다르다. 양이온이 전극 표면에 모였을 때, RF 장치는 (-)로 공급했던 전원을 재빨리 (+)로 바꿔서 공급한다. 그러면 전극은 양극으로 변해버리므로, 이제 양이온은 전극 표면에 있을 수가 없다. 전극은 (+), 양이온도 (+) 이므로 전기적으로 반발력이 작용하여 양이온들은 전극표면으로 부터 플라즈마 쪽으로 튕겨나가 버린다. 그렇게 전극 표면의 양이온이 제거된다.

 

 

 

제거된 양이온은 전극이 (-)로 바뀌면 다시 전극으로 충돌. 

  RF로 인해 전극으로부터 떨어져 나간 양이온은 타겟의 전극이 (-)로 바뀌면 다시 전극으로 날아와 충돌하여 스퍼터링을 일으킨다. 그리고 이때 스퍼터링을 일으키는 양이온들은 전자를 얻어 중성화 되거나(http://marriott.tistory.com/83), 전극이 (+)로 바뀌면 전극으로부터 다시 제거된다. RF는 이런 과정이 13.56MHz 의 속도로 매우 빠르게 반복되면서 양이온들이 전극 표면에 축적되지 못하도록 한다. 양이온이 음극 표면에 축적되어 플라즈마와의 전기적 단절이 발생하여 방전이 멈추기 전에 양이온이 제거된다. 그리고 동시에 자기바이어스(self bias)의 효과가 나타난다. 

    이러한 방법으로 비록 전극 표면에 약간의 양이온이 남았다 해도 자기바이어스 때문에 전극은 전체적으로 음극을 유지할 수 있게 되어, 양이온들은 여전히 전극인 타겟을 향해 가속되고 방전과 스퍼터링을 계속 할 수가 있다. 이것이 부도체 타겟을 스퍼터링 할 때 RF 파워를 써야 하는 이유다.  

P.S. :
스퍼터링 설명중에 전극, 음극, 타겟 이란 용어가 섞여서 나오고 있습니다. 그때 전극이 담당하는 역할이나 특성에 따라 표기를 하다보니 그렇습니다만, 이때문에 혼동할 수 있겠습니다. 어렵게 생각하지 마시고, 기본적으로 스퍼터링에서는 전극 = 음극 = 타겟 으로 모두 같다고 생각하시면 됩니다. 타겟은 전극과 직접적으로 연결되어 타겟 자체가 전극의 역할을 대신 하고 있기 때문이죠. 물론, 파워가 교류인 RF 일때 타겟은 음극과 양극이 13.56MHz 로 교차됩니다만 전체적으로는 음(-)을 유지합니다. 

그리고 3부로 투 비 컨티뉴드 -_ -/~

...by 개날연..