진공, 펌프, 증착, 박막재료

목차

1. 진공 [眞空, vacuum] 이란??

2. 진공펌프
- 펌프의 기본원리 -

3. 현대 물리학에서의 진공

4. 진공의 응용

플라즈마
스퍼터링
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본문내용

위해, 웨이퍼의 자전과 공전운동을 시켜 두께를 균일화 시키는 연구를 하고 있다.
진공증착의 물리적인 과정을 설명해 보자 증발된 알루미늄은 증발온도에 대응하는 평균에너지로 공간을 날아가 웨이퍼에 충돌한다.
그 속도는 음속인 초속 300m의 10배에서 100배 정도로 매우 빠르다. 알루미늄 증기 입자는 알루미늄 원자가 한 개에서 수십 개 모여 있는 것이다. 알루미늄 증기는 웨이퍼에 충돌하고 냉각되어 부착한다.
박막으로 되기까지의 과정을 설명해보자, 주전자에 물을 넣고 끓이는 경우, 힘차게 수증기가 뿜어져 나오는 것을 상상해 보자, 수증기를 유리로 가리면 유리가 수증기로 흐려지는 것을 알 수 있다. 진공증착이란 유리에 수증기를 가까이 하면 미소한 물방울이 부착되는 것과 매우 비슷하다. 유리에 빗방울이 부착되는 모양을 차의 앞 유리에 붙는 물방울과 대비시켜 설명해 본다. 즉, 비가 내리기 시작할 때 차가 정지해 있거나 혹은 차의 속도가 느린 경우 물방울이 단독으로 드문드문 생기지만, 시간이 지나면 물방울이 여러 개 모여서 커다란 물방울로 된다. 더 시간이 지나면 더욱 크게 되어 마침내 앞유리 전체가 젖어서 거의 균일하게 된다.
그런데 차의 속도가 빠르거나 혹은 바람을 동반하여 빗줄기가 거세면 앞 유리에 부착된 물방울은 심하게 이리저리 움직여 다니게 된다. 이것은 금속증기의 온도가 높은 경우 해당된다. 유리기판이 차가운 경우, 부착된 수증기 입자는 곧 냉각되어 움직일 수 없기 때문에 유리기판에 균일하게 배열되지 않는다. 그러나 유리기판이 적당히 가열되어 있으면 부착된 수증기 입자는 부착해 보아 기분이 좋으면 그 곳에 부착하고 나쁘면 이동할 것이다. 웨이퍼 표면은 알루미늄 원자의 입장에서 보면 요철이 있기 때문에, 요철이 많은 곳에서 알루미늄 원자가 정지하여 핵을 만들고 박막 성장의 중심을 이룬다. 즉, 알루미늄 원자는 스스로 재배열하여 균일한 박막이 되려고 한다.
입자가 움직일 수 없을 만큼 유리 기판이 차가우면 이동하지 않고 멈추어 있다. 즉, 질서정연하게 배열되지 않고 빈자리가 생기거나 한다. 이와 같은 내처럼 유리기판이 저온인 경우에는 금속증기의 입장에서 보면 웨이퍼가 차가운 경우에 해당되어 박막에는 결함이 많이 생긴다. 웨이퍼를 가열한 경우에는 만들어진 박막에 결함이 적다. 결함을 나타내는 요소에는 밀도와 전기 저항이 있다. 결함이 많은 경우 당연히 박막의 내부는 푸석푸석해지며 금속을 용융한 경우와 비교하면 약 8%로 밀도가 작아진다. 그리고 전기저항도 밀도에 관계되며, 밀도가 작으면 전기저항은 커진다. 보통 증착을 하면 원자의 배열이 여기저기서 흐트러져 다결정이 된다. 즉, 기판으로 날아드는 증기는 균일하지 않기 때문에 균일하고 내부 결함이 없는 코딩을 할 수 없다는 것은 쉽게 추정할 수 있을 것이다. 즉 웨이퍼의 온도가 박막의 성질을 결정하는 중요한 요소인 것이다.
기판으로 결정성이 좋은 깨끗한 단결정 웨이퍼를 사용하여 그 온도와 진공을 제어하면 박막도 단결정으로 만들 수 있다. 이와 같은 공정을 에피텍시라고 한다.
그리고 반대로 결정성이 없는 유리와 같은 무정형 박막을 아모르퍼스라고 한다. MEB는 갈륨비소등의 초격자 작성에서 자주 쓰이는 말이다.
● CVD법-기상화학 성장법
실리콘 박막을 CVD법으로 만드는 것을 예로 들어 설명해 보기로 한다. 박막으로 만들고 싶은 재료일 실리콘의 화합물인 모노실란(실리콘과 수소의 화합물)이나 염화실리콘 기체를 고온으로 가열되 SRLVKS 표면에서 화학반응을 일으켜 기판 표면에 실리콘 박막을 만들고 남은 수소와 염소를 배기시킨다. 상압에서 반응을 일으키는 상압 CVD법과 10～100파스칼의 진공에서 반응일 일으키는 저압 CVD법이 있는데, 저압 CVD쪽이 균일한 박막이 얻어진다. 이 CVD법은 기판의 가열온도를 약 1000℃로 하지 않으면 안되기 때문에, 고온가열이 불가능한 것은 곤란해진다. 그래서 고주파를 가하여 플라즈마를 발생시켜 300～400℃의 가열로도 효과가 있는 프라즈마 CVD법도 있다. CVD법은 탄화물, 질화물, 산화물 등 화합물 박막을 만드는 경우에도 이용된다.
박막을 만드는 방법은 여러 가지가 있지만 웨이퍼나 박막의 재료, 박막의 용도등에 따라 가장 적절한 방법을 선택하게 된다. 어느 박막에서나 웨이퍼와의 부착강도나 박막의 내부결합이 문제가 된다 부착강도는 기판이 오염되어 있으면 문제가 된다는 것은 쉽게 이해할 수 있으리라 생각된다. 그러므로 표면을 깨끗이하는 것은 아주 중요하다. 미소한 먼저(미소한 입자)가 부착되어 있으면 거시적으로는 배선의 단선이나 원인이 되며, 미시적으로는 박막성장에서 결함의 핵이 된다.
박막이 정확하게 되어 Dt는지 주사형 전자현미경등으로 검사할 수 있다. MBE법 등으로 초격자를 작성하는 경우에는 진공을 파괴하지 않고 그 자리에서 오제전자 분광법(AES)이나 광전자 X선 붐광법(XPS), 반사 고속전자 회절등으로 박막을 검사한다.
● 스퍼터링(sputtering)
텅스텐과 같은 고융점 금속을 진공증착하는 것은 곤란하지 때문에 스퍼터링법을 사용한다. 스퍼터링이란 이온펌스에서 설명했듯이, 이온이 금속에 충돌하면 금속원자가 튀어나오는 현상이다. 이 스퍼터링은 가열과정이 없기 때문에 텅스텐과 같은 고융점 금속이라도 가능하다. 진공증착에서는 금속을 고온으로 가열하여 증발시키기 때문에, 합금인 경우 그 성분 금속 각각의 증기압이 서로 달라 문제가 생긴다. 그러나 스퍼터링에서는 금속뿐만 아니라 석영 등 무기물이라도 박막을 만들 수 있다.
스퍼터링 장치는 간단한 직류 2극 전극으로 구성되어 있으며, 아르곤 가스를 흘리면서 글로방전을 일으킨다. 웨이퍼와 마주보고 있는 알루미늄 타깃으로부터 아르곤 이온의 충돌에 의해 튀어나온 알루미늄 원자가 웨이퍼에 쌓여 박막이 된다.
스퍼터링은 진공증착과 비교하면 날아가는 알루미늄 원자의 속도가 100배나 빠르기 때문에 박막과 웨이퍼의 부착강도가 크다. 2극 스퍼터링 이외에 웨이퍼와 타깃 사이에서 음극과 양극으로 플라즈마를 발생시키는 4극 스퍼터링 방식, 그리고 고주파를 이용하는 방식, 최근에는 전기장 이외에 자기장을 이용한 마그네트론 스퍼터링 방식 등이 있다.

키워드

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