RF 스퍼터링(RF Sputtering)..#3. 자기바이어스(Self Bias)효과 1

드디어 RF 시리즈 마지막 3부 입니다. 보통 영화는 3부작 하려면 3년은 걸리지만 저는 1주면 충분합니다. 2주는 걸린거 같은데 왜 1주냐.. 하신다면.. 사실은.. 한 열흘전에 써서 올렸는데.. 깜박잊고 공개로 안해놓는 바람에 아무도 못봤군요 -_ - 다들 보이는줄 알았습니다 -_ -

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   RF 에서 음극으로 부도체를 사용해도 괜찮은 이유를 설명하면서, 계속 양이온의 움직임을 기준으로 이야기를 해왔습니다. 그런데.. 그렇다면 전자는? 글로우 방전에서 매우 중요한 역할을 담당한것은 오히려 전자였고, 전자로 인해 방전이 일어나고 이온화가 일어났는데 왜 전자는 RF 를 설명하면서 빠져있을까 생각해 보신적 있나요? RF 내에서 양이온이 그렇게 움직이는데 전자가 제자리에 가만히 있지는 않을 것입니다. 그래서 이번에는 전자의 움직임에 대해서도 이야기 해보도록 하죠.

 

    앞의 글로우 방전을 이야기 할 때도 언급했었지만, 사실 전자는 양이온에 비해서 크기도 매우 작고, 무척이나 가볍기 때문에 양이온보다 운동속도가 훨씬 빠릅니다. 이렇게 빠른 전자의 움직임은 플라즈마 내에서 플라즈마 진동이나 플로팅전위의 형성에 영향을 주고있죠. 교류인 RF에서 전극에 음(-)의 전원이 가해지면 양이온들이 전극쪽으로 이동해 옵니다. 그 뒤에 전극이 양(+)으로 바뀌게 되면 이번에는 전자들이 전극으로 이동해 오게 되죠. 그리고 다시 음(-)으로 바뀌면 양이온이 들어오게 되며 이 과정이 계속해서 반복됩니다. 그런데 만약 교류 전원의 진동수가 낮다면 이런 일이 연속화 되지 못합니다. 즉, 일반 가정에서 쓰는 교류인 60Hz의 진동수로는 방전 자체를 유지할 수가 없습니다. 진동수 60Hz는 1초에 (+)와 (-) 가 각각 60번씩 변하는데(참고 : http://marriott.tistory.com/54),  이 각각 60번, 1/120초의 변화는 우리에겐 너무 짧은 시간이지만 타겟표면은 이미 양이온으로 덮여지고도 한참이 지난 긴 시간이거든요. 그러면 타겟표면에 덮여진 양이온으로 인해 음극전압강하가 발생하지 않게되고, 음극전압강하가 없으니 양이온은 타겟에 충돌할 수가 없어 스퍼터링이 멈추며, 방전이 일어나지 않게 됩니다. 때문에 지속적으로 방전이 유지 되려면 적어도 진동수가 50kHz 정도는 필요하고, 스퍼터링에 충분한 음극전압강하를 보이려면 5~10MHz 정도는 되어야 합니다(이 수치는 실험조건 등의 이유로 자료들마다 차이가 있습니다). 

 

   그런데 하나 생각하고 가야할 것이 있습니다. 부도체 타겟에 RF를 걸어줘서 스퍼터링은 가능해 졌는데, RF는 (+)와 (-)가 균일하게 교차한다는 점 입니다. 이것은 타겟뿐 아니라 기판쪽도 마찬가지가 됩니다. DC 에서는 음극과 양극이 고정이라서 음극은 언제나 음극이고, 양극은 언제나 양극이지만, RF는 양극과 음극이 서로 바뀌기 때문에 사실상 구분이 없습니다. 그래서 이론적으로는 타겟뿐 아니라 기판에서도 똑같은 일이 발생합니다. 즉, 기판도 스퍼터링 되고 있다는 뜻이됩니다. 타겟에서 스퍼터링되어 나간 물질이 기판에 증착되지만, 기판도 스퍼터링 되므로 증착된 물질을 다시 스퍼터링 시켜버리죠. 스퍼터링은 분명히 잘 되고 있는데 기판에 증착은 안되는 웃기는 일이 벌어지는 겁니다. 그러나 실제적으로는 이러한 일은 일어나지 않는데, RF에서는 자기바이어스(self bias)라는 독특한 현상이 나타나기 때문입니다. 

 

   다시 전자의 움직임을 자세히 이야기 해보죠. 전극에 (-)가 걸렸을때, 양이온들이 전극을 향해 와서 충돌합니다. 여기까지는 DC 전원을 사용한 DC 글로우 방전이나 DC 스퍼터링에서도 똑같습니다. 그런데 RF는 바로 다음에 전극을 (+)로 바꿔줍니다. 그러면 이제 양이온이 아닌 전자들이 들어오게 됩니다. 그런데, 양이온은 전자에 비해 무척 크고 무겁기 때문에 속도가 매우 느려서 전극에 들어오는 수가 적지만, 전자들은 작고 매우 빨라서 아주 많은 수의 전자가 도착합니다. 결과적으로 전극에는 전자의 수가 더 많아지기 때문에 이것이 반복되면서 전극은 음(-)의 값을 갖게 됩니다. 마치 플라즈마의 플로팅 전위(floating potential)의 발생과 같아 보이는 이 현상은 RF 가 가진 특성에 의해 나타나는데, RF 는 (+)전류와 (-) 전류를 교차해서 보내고 있으므로 전극에 들어오는 전자의 수와 양이온의 수가 같아서 순전류는 0이어야 하지만 실제로는 전자가 많이 들어와서 그렇지 못합니다. 전자가 많아서 음(-)으로 된 전극에 순전류가 0 이 되려면 양이온을 더 끌어와야죠. 그런데 속도가 느린 양이온을 더 끌어오려면? RF 교류중 (-) 일때 좀더 음(-)전위로 내려가서 양이온이 더 많이 오게 만들면 됩니다. 그래서 RF 에서는 자체적으로 타겟을 더욱 음(-)전위로 만드는데 이것을 자기바이어스(self bias) 라고 하며, 셀프바이어스, DC self bias, DC offset 등등의 여러 표현으로도 사용됩니다(비록 RF에서 발생하는 것이지만 전자의 축적으로 인해 직류 성질을 갖기 때문에 DC 를 앞에 붙이곤 합니다).  

 

 

RF 의 자기바이어스(self bias) 효과 - zero 전류를 맞추기 위해 스스로 음전위로 만든다.

self bias가 생기면 음극유지 시간이 양극유지 시간보다 훨씬 길어진다.

 

 

   자기바이어스(self bias)의 과정을 말하면 이렇습니다. 초기에 RF에서 타겟에 (-)를 보낼때 타겟에는 양이온이 모입니다. 그 다음 (+)에서는 전자들이 오는데, 전자의 속도가 빠르므로 양이온보다 많은 수가 들어와서 타겟은 중성이 아닌 음(-)의 값을 가집니다. 다시 RF가 (-)일때 양이온이 들어오지만 전자보다 수가 적으므로 계속 (-) 가 유지되고, 다음 (+) 에서는 많은 수의 전자가 오므로 타겟은 더욱 (-)의 값을 가질수 있게 됩니다. 이것이 반복되면서 타겟의 전위는 점차 (-)로 내려가게 되죠. 그런데, 이제는 타겟이 (-)를 유지하므로 양이온은 많이 들어올 수 있고, 전자의 유입은 반대로 줄어들게 됩니다. 그래서 어느순간 타겟에 들어오는 전자수(전자전류) = 양이온수(이온전류) 가 되어 평형(순전류 zero)인 조건을 만족시키는 음전위가 형성되게 됩니다. 그렇게 되면 타겟은 이제 고정적으로 음극 역할을 할 수 있게 되죠. 위 그래프에서 x 축은 시간이므로, 전위가 음으로 내려가며 음극상태로 존재하는 시간이 길어집니다. 만약 자기바이어스가 없다면 RF 에선 (+)와 (-) 가 똑같이 교차되므로 양극-음극 구분이 없어 타겟과 기판이 모두 스퍼터링 되는데, 자기바이어스에 의해 타겟이 음극으로 고정되어 버리면 양이온은 타겟만 때릴 수 있게 됩니다.

 

이 자기바이어스(self bias) 를 단계별로 간단히 설명하면..

 

1. RF시, 타겟이 (-) 일때 양이온이, (+)일때 전자가 들어온다. 

2. 그런데 전자의 속도가 양이온보다 빠르므로 전자가 더 많아져 타겟은 음(-)으로 대전되어 본래 전위보다 낮아진다.
3. 지속적으로 들어오는 전자에 의해 전극은 더 (-)로 전위가 낮아지고, 그로인해 더 많은 양이온이 유입된다. 

4. 앞의 과정이 반복되며 들어오는 전자수 = 양이온수(순전류=0) 이 될때까지 전위가 낮아진다. 
5. 이제 타겟은 음극인 상태를 오래 유지할 수 있고, 양이온은 타겟으로 가속되어 스퍼터링을 일으킨다.

 

 

  이 효과를 좀더 효율적으로 이용하기 위해서 전극의 크기를 알맞게 조절하기도 합니다. 음극인 타겟의 면적은 기판의 면적과 똑같게 만들 수도 있지만, 대부분 타겟쪽이 작게 되어있을 겁니다. 우리가 알지못하는 사이에 이 면적의 차이는 RF 에서 매우 효과적으로 작용하고 있습니다. 자, 그럼 이제는 전자의 움직임을 전극의 면적과 같이 고려해 봅시다. 

 

 

전자가 많이 밀집된 곳의 전위가 가장 낮음

 

 

    위 그림과 같이 작은 면적의 부도체 타겟이 (-)인 음극이 되고 면적이 큰 기판쪽에 (+)인 양극이 걸렸다고 생각해보면, 플라즈마 내의 전자들은 양극인 기판으로 향해 나아가고, 넓은 기판 표면에 골고루 퍼지며 흡수될 것입니다. 이때, RF에 의해 전극이 바뀌어서 타겟이 (+)인 양극이 되고, 기판이 음극이 되었다고 해봅시다. 그럼 전자들은 타겟쪽으로 모이게 되지만 기판에 비해 타겟 면적은 너무 작습니다. 넓은 기판에서는 전자가 골고루 분산되는 반면 타겟쪽은 좁은 면적에 전자들이 모여 집중되기 때문에 기판에 전자가 모일때보다 타겟에 모일때가 더욱 음(-)의 전위를 나타냅니다. 이것이 반복되다 보면 마치 타겟에 전자들이 밀집되어있는 현상이 나타나게 됩니다.  

 

 

이온이 들어갈 수 있는 면적이 적어 전자를 모두 상쇄시키지 못해 타겟의 전위가 가장 낮음

 

 

  그리고 동시에, 이것을 양이온의 입장에서도 같이 생각해야 합니다. 작은 면적의 타겟에 (+) 가 걸렸을때 전자가 들어오고, 다음에 (-)가 걸리면 양이온이 들어와야 하는데 양이온은 좁은 타겟표면에 전자만큼 많은 양이 들어올 수가 없습니다. 그래서 전자를 모두 상쇄시키지 못하고 양이온이 부족한 만큼 (-) 의 전위가 발생합니다. 반면, 면적이 큰 기판쪽에는 양이온이 들어갈 공간이 충분하죠. 그 결과 좁은 면적의 타겟은 RF가 반복될 수록 (-)가 커지게 되어 음극으로 작용하고 순전류 = 0(전자수 = 양이온수)가 될때까지 양이온을 끌어당기며 self bias를 만들게 됩니다. 전자와 양이온의 속도가 아닌 양극과 음극의 면적 관점에서 보면 이렇습니다만, 이는 이해를 돕기 위해 부수적인 설명을 하는 경우이며, 원칙적으로 전자와 이온의 속도차이라는 관점으로 봐야 합니다.(간혹 이러한 부수적인 설명이 오히려 혼동을 주는 경우가 있긴 해서 이 내용을 넣어야 할지 고민했습니다만, 여러 관점을 생각할수 있다는 점에서 넣기로 했습니다). 결과적으로는 같은 내용의 반복이지만 이렇게 하나의 현상을 다양한 각도에서 바라보는것은 역시 재미있습니다. 

 

   RF 스퍼터링 도중 플라즈마 내의 전자들은 전극에 도달하지 못하고 음극과 양극 사이를 왔다 갔다 하게 됩니다. 타겟이 양극일 때, 전자는 양극을 향해 가다가 교류로 인해 타겟이 음극으로 바뀌면 다시 역방향으로 되돌아 가죠. 13.56MHz 라는 주파수 안에서 전자는 계속 그런 운동을 하고있습니다. 그렇게 플라즈마안에서 전자가 매우 빠르게 수없이 왕복하기 때문에 Ar(아르곤) 기체원자와 충돌할 확률이 급격히 증가하게 됩니다. DC 스퍼터링에서는 방전을 유지하는데 필요한 2차 전자의 상당수가 음극인 타겟에서 방출되고, 그만큼 양극으로 빠져나갑니다(빠져나가는 전자의 양을 최소화 시키기 위해 마그네트론을 사용합니다). 그러나, RF 스퍼터링에서는 전극사이에서 고속으로 왕복하는 전자들이 Ar 원자와 충돌하여 이온화 되고, 이때 발생한 전자가 다시 왕복운동을 합니다. 이것은 결국 Ar의 이온화율을 매우 높여주게 되죠. DC 스퍼터링 시 보다 챔버 내부에 주입하는 Ar 기체의 양이 훨씬 적어도 방전을 유지할 수 있는 이유가 여기에 있습니다.

 

  그런데, 전자는 전극으로 들어가서 self bias를 만든다고 했으면서 왜 지금은 전자가 전극으로 들어가지 않고 왕복운동을 하느냐는 의문이 생길수 있습니다. 한마디로, 방전에 참가하는 전자와 전극으로 들어가는 전자는 서로 다른 종류로 봐야 합니다. 플라즈마는 정의에 의해 이온과 전자의 수가 같아 중성상태를 유지합니다. 그런데 이 플라즈마의 전자가 모두 전극으로 들어간다고 해버리면, 전기적 중성이 깨져 플라즈마가 유지되지 못합니다. 결국 플라즈마가 유지되면서 전극으로도 전자가 들어가려면 이들은 서로 다른 성격을 가진 전자여야 합니다. 사실 이 부분도 엄밀히 말하면, 전자는 작고 가볍고 빠르기 때문에 RF 의 주파수에도 영향을 받지않고(RF 극이 바뀌기 전에) 전극으로 들어갈 수 있습니다. 실제 RF의 영향을 받는것은 크고 무거운 이온 이죠. 이온은 속도가 느리기 때문에 전극에 도달하기 전에 RF의 극이 바뀌며, 전기장 안에 갇히게 됩니다. 그런데 플라즈마의 전자는 디바이길이(debye length)에서 설명한 것 처럼 이온의 전기장 영향을 받아서 이온 근처에 존재해야 하며, 또 양극성확산(ambipolar diffusion)에 의해 이온은 전자의 이동 속도를 감소시킵니다. 그래서 전기장 안에 갇힌 이온은 전자가 전극으로 빠져나가는 손실을 막고 플라즈마를 지속적으로 유지시킬 수가 있습니다. 여기에 해당하지 않는 전자들이 전극으로 들어가 self bias를 형성하며, 접지를 통해 빠져나가기도 합니다. 

 

  RF 방전은, 낮은 챔버 압력에서도 방전이 유지되기 때문에 평균자유행로의 증가로 스퍼터링된 입자가 높은 에너지를 가지고 증착이 되어 박막밀도 증가, 강도증가, 밀착력증가, 우선방향성 향상 등의 증착층의 물성을 좀더 원하는 방향으로 조절이 가능하게 됩니다. 또한, 증착의 반대개념은 식각(or 건식에칭)이므로, 식각에도 그대로 적용이 가능합니다.

 

 

 

후... RF 3부작은 이걸로 마칠까 합니다..
마치 원고 독촉 당하는 작가 같은 기분이.. ;;
커피좀 한잔 마시고 쉬어야 겠습니다.. ;ㅁ;

...by 개날연..

 

 

추가 내용은 여기 ==> 자기바이어스효과 2