반도체- 박막과 플라즈마

1.     박막 증착

2.     박막 증착 과정을 효과적으로 이해할 수 있다

3.     이론

[그림1] 세계1위 중국기업 모습이다.

 

첨단과학기술 선두주자 하면 어느 국가가 떠오르시나요? 대부분은 미국을 떠올리실 텐데요 그러나 요즘 이나라 성장세가 무섭습니다. 전기차 1위 비야디,  2차전지 1위 CATL,  통신장비 1위 화웨이,  태양광 1위 퉁웨이.

바로 모두 중국 기업입니다.

 

[그림2] 중국은 세계에서 가장 큰 반도체 시장이다.

 

시장도 크고 , 기술도 앞서 있는 앞의 4가지 필드와는 다르게 시장은 크지만 기술은 아직은 많이 부족한 중국입니다. 그러나 중국의 반도체 굴기가 심상치가 않습니다. 이러한 상황속에서 반도체에 대해서 조금은 관심을 기울이는 것은 어떨까요? 따라서 이번시간을 통해서 반도체를 이해하기 위해선 꼭 필요한 박막과 플라즈마에 대해서 이야기해보려고 합니다.

 

[그림3] 박막에 대한 이해를 돕는다.

 

박막이란 1um이하의 매우 얇은 막을 뜻한다. 그리고 이러한 박막을 이해하기 위해선 진공과 플라즈마를 알 필요가 있어 간략하게 훑어보려고 한다. 박막의 경우 물리적, 전기적 특성을 고려하여 결함이나 불순물이 적어야 한다. 반도체는 대부분 화학반응으로써 우리가 원하는 반응만을 일으키기 위해선 오염이슈가 없어야 하기에 진공상태에서 반도체가 만들어진다. 그런데 이때 진공이란, 대기압보다 낮은 압력공간을 뜻한다. 그리고 그것을 다음과 같이 3단계로 세분화시킬 수 있다.

저진공- 760torr~~ 1x10^3 torr

고진공- 1x10^3 torr~~ 1x10^6 torr

초고진공 1x10^6 torr ~~ 1x10^9 torr 

 

본론으로 돌아가서 박막을 증착 시키는 기법에는 크게 PVD와 CVD로 나뉘는데, 이번시간을 통해서 PVD, 그 중에서도 스퍼터링에 대해서 이야기해보려고 한다.

[그림4] RF 스퍼터링 장치의 모식도이다.

 

기체 중의 원자 또는 분자가 열 운동에너지를 가지고 고체 표면에 입사되는 경우에는 표면 흡착 및 표면확산이 생긴다. 보통의 가스분자와 고체의 조합인 경우에는 물리흡착이 일어나고 10-13초 정도의 극히 짧은 시간 동안만 표면에 체류한 후, 표면으로부터 다시 날아가고 고체는 전혀 손상되지 않는다. 그러나 운동에너지가 아주 크게 되면 고체에 입사하는 원자 또는 분자 표면에 머무르지 않고 내부로 침투해서 고체에 손상을 준다. 이때 침입 도중에 원자는 고체를 형성하는 원자와 충돌하며 충돌된 원자는 또다른 원자와 충돌한다. 이런 방법으로 고체 내부에서는 원자-원자의 이체 또는 다단계 충돌이 일어난다. 그 결과 고체 내부의 원자는 본래 위치로부터 여러 방향과 거리로 이동하게 되며 고체표면의 원자가 날아 가버리는 일도 생긴다. 이와 같이 원자 또는 분자 레벨의 입자가 큰 에너지를 갖고 고체와 충돌할 때에 고체를 이루는 원자가 외부로 튀아나가는 현상을 스퍼터링, 혹은 스퍼터라고 부른다. 스퍼터링에 의해 튀어나간 원자를 기판위에 퇴적시켜 박막을 만들 수 있다. 이때의 고체는 target을 의미한다. 스퍼터링으로 박막을 제작 할 때에는 target에 충돌시키는 입자로는 이온을 이용한다. 그리고 이온은 화학적으로 불활성한 아르곤 이온을 사용하는데, 아르곤 이온을 만들기 위해서 우리는 플라즈마를 이용한다.

 

[그림5] 물질의 상태와 원자구조 그리고 이온화 과정을 보여준다.

 

물질의 상태는 [그림5]와 같이 네 가지 상태로 나눌 수 있는데, 고체 액체 기체 그리고 플라즈마이다. 기체 상태에 있던 물질에 충분한 에너지가 공급되면 기체들이 매우 높은 에너지를 가지고 서로 충돌하게 된다. 이때 공급되는 에너지가 이온화 에너지 보다 높아지면 원자의 전자가 원자로부터 떨어져 나오게 되는데, 이러한 일련의 과정이 진행되어 전자와 이온이 서로 분리된 상태를 플라즈마 상태라 한다. 이에 따라서 플라즈마에 15.8eV를 걸어주면 플라즈마가 이온화 되어 아르곤 이온 상태로 존재 할 수 있다.

 

[그림6] RF플라즈마의 2가지 종류

 

DC(Direct Current) 방전, 다시 말해 플라즈마를 유지하기 위해서는 금속 전극이 반응 용기 내에 설치되어 있어야 하고 플라즈마와 직접 접촉해야 한다. 하지만 금속 전극에 절연체 막이 생기게 되면 직류 전류가 흐를 수 없어 방전이 꺼져버린다. 또한 오염을 박기 위해 전극에 절연체 코팅을 하기도 하는데, 이에 따라 DC플라즈마보단 교류 전류를 사용하는 RF플라즈마 방법을 더욱 많이 사용한다. RF주파수의 경우 크게 CCP와 ICP로 나뉠 수 있는데 CCP는 평행 평판 모양으로 축전 전기장을 이용해 플라즈마를 생성하는 반면 ICP는 코일을 포함하고 있으며 코일에서 유도 전기장이 생성되 플라즈마를 만들어 내는 방식으로 사용된다.

 

 

 

 

4.     참고- 정진욱, 플라즈마 전자공학, 청문각, pp16~122

이문세, 박막공학 두양사, pp3~140

강정원외 5명 플라즈마 디스플레이 공학 인터비젼 pp30~93