RF 스퍼터링(RF Sputtering)..#4. 자기바이어스(Self Bias)효과 2

이 글은 'RF 스퍼터링(RF Sputtering)..#3. 자기바이어스(Self Bias)효과'의 추가편 입니다. 

이게 대체 몇년만에 쓰는 글이야;; 

 

  오래전 글에서 자기바이어스에 대해 이야기를 했는데, 예를 들어 설명했던 것은 교류(AC) 중 사인파(sine wave)인 경우였습니다. 흔히 정현파라고도 부르는 형태죠(코사인파(cosine wave)인 경우는 여현파라고 부릅니다). 그런데 교류는 다른 형태가 더 있습니다. 전압이 서서히 올라갔다가 서서히 떨어지는 형태가 아닌, 딱 정해진 값을 주었다가 끊었다가 하는 펄스파(pulse wave) 형태의 교류입니다(DC 펄스도 있습니다). 즉, 특정한 값의 (-) 전압을 일정 시간 동안 가해주고, 다음 일정 시간 동안은  (+) 전압을 가해주고, 다시 (-) 전압을 가해주고 하는 것이 반복됩니다. 이렇게 직각으로 꺾어지는 모양 때문에 사각파(square wave)라고도 합니다.  

 

 

사각파(square wave) 형태의 AC 펄스 

 

 

  사인파든, 펄스파든 어느쪽을 사용해도 교류 방전을 시키는 데는 전혀 문제가 없습니다. 그리고 사인파는 지난 글에서 이야기를 했기 때문에 이번에는 펄스파에 대한 이야기를 해보겠습니다. 그럼 방전을 위해서 교류 펄스파를 사용했다고 해봅시다. 그러면 본래 위 그림처럼 사각형 형태의 파장이 형성되어야 하지만 실제로는 전혀 다른 형태의 파장이 나타나게 됩니다. 그 이유를 아래 그림을 보며 이야기해봅시다. 

 

 

 

AC 펄스에서 자기바이어스

│ⓐ-ⓑ 의 기울기│ < │ⓒ-ⓓ 의 기울기│

 

 

   먼저 ⓐ 의 경우를 봅시다. 전극은 처음 0 의 위치에서 순간적으로 낮은 (-) 전압이 걸리면서 ⓐ의 전위를 나타나게 됩니다. 그리고 전압이 일정하므로 전극의 전위도 일정 시간 동안 균일한 값을 유지해야 하는데, 여기서 좀 다른 일이 발생합니다. 전극이 일정 전위를 유지하는 것이 아니라 약간의 시간에 걸쳐 ⓑ 의 위치로 전위가 약간 상승하게 됩니다. 그리고 (+) 전압이 가해지면서 ⓒ의 전위로 수직 상승하게되고, 또 일정 시간 동안 전위가 유지되는 것이 아니라 ⓓ로 약간 감소합니다. 이러한 현상이 나타나는 이유는 사인파에서도 이야기했고,  플로팅전위 에서도 이야기했듯이 전자와 이온의 속도 차이 때문입니다. 한마디로 '전자는 이온보다 속도가 빠르다' 가 이유입니다. 처음에, (-) 전압이 걸려서 ⓐ의 전위가 나타나게 되면 전극은 음극(-)이 되므로 양이온이 전극으로 이끌려 들어오게 됩니다. 그래서 양이온이 들어온 양 만큼 상쇄되어 전위는 (+)로 올라가게 되죠. 이때, 전위가 직선으로 증가하지 않고 기울기가 서서히 감소하여 곡선이 되는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 양이온이 들어올수록 전극이 (+) 값으로 이동하므로 전극에서 양이온을 끌어당기는 힘이 점차 약해지고 양이온이 유입되는 수가 처음보다 적어지기 때문입니다. 

 

  그렇게 일정 시간 동안 전위는 ⓐ 에서 ⓑ까지 상승합니다. 그리고 바로 양(+)의 전압이 가해지며 전위는 ⓒ로 바뀝니다. 이제 전극은 (+)가 되었으므로 양이온이 아닌 전자가 끌려오기 시작할 겁니다. 그래서 (+)의 전위는 전자가 들어온 만큼 감소하기 시작하죠. 그런데 아시듯이 전자는 이온보다 속도가 빠릅니다. 때문에 전극이 음극일 때 ⓐ-ⓑ 구간에 들어온 양이온의 수 보다 훨씬 많은 수의 전자가 전극으로 유입되고, 그런 이유로 그래프에서도 나타낸 바와 같이 ⓐ-ⓑ 구간의 증가폭보다 ⓒ-ⓓ 구간의 감소폭이 더 크게 나타납니다. 앞의 이유와 마찬가지로 전자가 들어올수록 (+)에서 (-) 쪽으로 전위가 감소하는 현상이 나타나므로 전자를 끌어올 수있는 힘은 점차 약해져 감소 기울기는 직선이 아닌 곡선이 됩니다. 이렇게 일정 시간이 지난 후 전위는 다시 급격하게 ⓔ로 변화하고 앞의 과정이 반복되죠. 양이온의 유입으로 인한 전위 증가폭 보다 전자의 유입으로 인한 전위 감소폭이 더 크기 때문에, 주기가 반복될수록 전체적인 전위 값은 점차 (-)로 내려가게 됩니다. 이것이 자기바이어스(Self Bias) 현상입니다.   

 

  이렇게 (-)로 감소하던 전위는 어느 시점부터는 더 이상 낮아지지 않습니다. 역시 플로팅 전위와 같은 이야기인데요, 전체 전위가 (-)로 이동하기 때문에 음극일 때엔 처음 ⓐ보다 더 낮은 (-) 값을 가져서 양이온이 더 많이 들어올수 있고, 양극일 때엔 처음 ⓒ보다 낮은 (+) 전위이기 때문에 전자가 들어오는 수는 더 적어집니다. 그래서 어느 시점에는 양이온이 유입되는 수와 전자가 유입되는 수가 같아지는 현상이 나타나죠. 그럼 여기서 양극일 때에는 ⓕ까지, 음극일 때에는 ⓖ까지 감소하고, 이 시점부터 이온이 유입되는 양과 전자가 유입되는 양이 똑같다고 가정해 봅시다. 그러면 '이온의 양=전자의 양'이 되어 순전류가 0 이 되기 때문에 더 이상 전위는 낮아지지 않고 평행을 유지하며 지속되게 됩니다. 이런 과정으로 자기바이어스가 나타나서 부도체 전극은 음극을 유지할 수 있고 방전의 지속이 가능하게 되는거죠. 사인파에서 양극 유지 시간보다 음극 유지 시간이 더 길었던 것과는 달리, AC 펄스는 양극 유지 시간과 음극 유지 시간은 똑같게 나타납니다. 대신 전체 전위가 낮은 것은 같습니다.   

 

 

 

 

 

 

후... 

 

몇 년간 이걸 쓸까 말까 하다가 썼네요. 

오래된 숙제를 끝낸 느낌입니다. ㅠㅠ 

 

 

 

 

 

 

...by 개날연..

 

 

 

 

 

 

참고로, DC 펄스는 이런거다.

 

- 스퍼터링에서는 음극이어야 하니까 (-) DC 펄스를 사용한다. 

- 세라믹이라도 어느정도 전기전도를 나타내는것은 (-) DC 펄스로 스퍼터링이 가능하며,

  부도체인 경우는 AC 펄스를 사용한다.

 

- RF 주파수는 낮을수록, 전압은 클수록, 작업압력은 감소할수록 self bias의 크기는 증가한다. 

 

 

 

 

 

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

 

 

........ - _-y~