[논문]유도결합 플라즈마 스퍼터링 장치에서 MgO의 반응성 증착 시 공정 진단

주정훈

doi:10.5695/jkise.2012.45.5.206

유도결합 플라즈마 스퍼터링 장치에서 MgO의 반응성 증착 시 공정 진단
Process Diagnosis of Reactive Deposition of MgO by ICP Sputtering System 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.45 no.5, 2012년, pp.206 - 211

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Process analysis was carried out during deposition of MgO by inductively coupled plasma assisted reactive magnetron sputtering in Ar and $O_2$ ambient. At the initiation of Mg sputtering with bipolar pulsed dc power in Ar ambient, total pressure showed sharp increase and then slow fall. To analyse partial pressure change, QMS was used in downstream region, where the total pressure was maintained as low as $10^{-5}$ Torr during plasma processing, good for ion source and quadrupole operation. At base pressure, the major impurity was $H_2O$ and the second major impurity was $CO/N_2$ about 10%. During sputtering of Mg in Ar, $H_2$ soared up to 10.7% of Ar and remained as the major impurity during all the later process time. When $O_2$ was mixed with Ar, the partial pressure of Ar decreased in proportion to $O_2$ flow rate and that of $H_2$ dropped down to 2%. It was understood as Mg target surface was oxidized to stop $H_2$ emission by Ar ion sputtering. With ICP turned on, the major impurity $H_2$ was converted into $H_2O$ consuming $O_2$ and C was also oxidized to evolve CO and $CO_2$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

분위기에서 마그네트론 플라즈마를 bipolar pulsed dc 전원(ENI RPG-100)을 사용하여 발생시킨 후의 분압의 변화를 측정하여 어떤 입자들의 분율이 가장 큰 영향을 미치는지 조사한다. 또 여기에 ICP를 작동시켜서 가스의 조합, 펄스직류 플라즈마의 영향, 유도결합 플라즈마의 영향을 종합적으로 조사 하는 것이 본 연구의 목적이다.

제안 방법

상용 반도체나 디스플레이 장비에서는 피드백 시스템을 이용하여 일정한 압력으로 유지하고 있는데 이것이 실제 시스템 내에서 발생하고 있는 물리, 화학적 변화를 알아채기 어렵게 하고 있다. 본 연구에서는 PC를 기반으로 하는 데이터 수집 시스템을 이용하여 정밀한 절대 압력 측정과 부분압을 측정할 수 있는 사중극자 질량 분석기를 이용하여 전체 압력의 변화를 유발하는 원인 가스를 여러 가지 플라즈마 운용 조건에서 분석하였다. 유도결합 플라즈마를 이용한 이온화 물리증착법(ionized PVD)은 Yamashita¹⁾, Rossnagel²⁾ 등이 사용하기 시작하여 보급된 방법으로 간단한 구조와 높은 플라즈마 밀도를 얻을 수 있는 장점이 있다.
본 연구에서는 주배기 밸브로 버터플라이 밸브를 이용하였는데 기본 진공도인 5×10-7 Torr에서 밸브를 적당히 조절하여 Ar 20 sccm에서 챔버 전체 압력이 10 mTorr가 되도록 배기 속도를 일정하게 조절하였다.
시스템에 Ar의 유량을 증가시키면서 챔버내의 알곤 압력과 QMS에서 측정되는 Ar 이온 전류를 측정하여 두 변수 간에 직선성을 검사하며, Ar + O₂분위기에서 마그네트론 플라즈마를 bipolar pulsed dc 전원(ENI RPG-100)을 사용하여 발생시킨 후의 분압의 변화를 측정하여 어떤 입자들의 분율이 가장 큰 영향을 미치는지 조사한다. 또 여기에 ICP를 작동시켜서 가스의 조합, 펄스직류 플라즈마의 영향, 유도결합 플라즈마의 영향을 종합적으로 조사 하는 것이 본 연구의 목적이다.
ICP 전원은 2MHz(ENI-GMW2500)이고 L-type matching network(RF service, RFS-3000)을 이용하여 3 turn 안테나에 전달된다. 챔버 전체 압력의 측정은 Baratron gauge(MKS-122A, 0.1 Torr, 45℃ heated)로 측정하였다. 챔버와의 연결은 1/2인치 VCR을 사용하였다.

대상 데이터

1 Torr, 45℃ heated)로 측정하였다. 챔버와의 연결은 1/2인치 VCR을 사용하였다. 분압의 측정을 위해서 Inficon사의 H100M(100 amu, Faraday cup/Electron Multiplier)을 이용하였다.

성능/효과

고밀도 유도 결합 플라즈마를 이용한 양극성 펄스 직류 반응성 스퍼터링 장치에서 반응성 가스의 유량 및 두 가지 플라즈마원(양극성 펄스 직류 및 유도 결합 플라즈마)의 동작에 따른 전체 압력의 변화를 고정밀 Baratron 게이지로 측정하였고, 그 결과, 방전 개시 후 유도 결합 플라즈마의 전력에 비례하여 압력의 증가 피크가 관찰되고 시간에 대한 압력의 적분에서 구해진 공정 가스인 Ar 이외의 방출량은 ICP 전력에 따라 증가하나 정비례하지는 않는다. 이는 ICP 전력의 가스에 대한 전달 기구에 손실이 존재함을 의미한다.
온도에 따른 탈가스에 대한 측정 연구에서는 최소 80℃ 근처에 달해야 본격적으로 탈착이 진행되는 것으로 보고되고 있다⁷⁾. 직경 2 mm의 스테인레스강 튜브와 마그네시아 분말로 채워진 열전대를 이용하여 측정한 결과, 플라즈마 밀도가 높은 부분에서는 100 W에서 방전 개시 후 6분만에 최고 250℃까지 올라가는 것을 측정할 수 있었다.

후속연구

현재 Matsuda 등이 실험한 데이터에는¹¹⁾ Mg ion의 방출광 피크가 아주 작게나타나 있는데 이온의 크기와 관련해서 중성 입자의 방출광 강도보다 워낙 작으므로 이온과 중성 입자의 방출광 강도를 이용해서 이온화율을 가늠하는 방법에는 오차가 크게 유입될 가능성이 높다. 따라서 중성 입자의 발광과 산소의 발광 피크를 분석하여 공정 제어의 입력 신호로 삼는 것이 안전한 것으로 생각되며, 이 부분에 대한 집중적인 연구를 진행할 계획이다.
이와 같은 실험 데이터에서 아주 단순한 한 가지 결론을 도출할 수 있다면, 그것은 타겟 표면에 수 백 eV의 에너지를 가지고 입사하여 스퍼터링 현상을 일으키는 경우 H₂의 방출이 일어나지만 O₂의 공급이 충분하고 ICP 와 같은 고밀도 플라즈마에 의한 O₂의 활성화가 이루어지면 H₂의 burning이 이루어지며, 이 때 챔버 내에 잔존하는 C 포함 가스의 산화도 함께 진행된다는 것이다. 추후에 방출광 분석(optical emission spectroscopy)를 통해서 이 종들(H₂, CO)의 여기정도와 방출광 세기에 따른 존재량에 대한 기존의 시간 평균 데이터에 대한 보고와 비교하여¹⁰⁾ 이중 점검을 진행할 예정이다. 현재 Matsuda 등이 실험한 데이터에는¹¹⁾ Mg ion의 방출광 피크가 아주 작게나타나 있는데 이온의 크기와 관련해서 중성 입자의 방출광 강도보다 워낙 작으므로 이온과 중성 입자의 방출광 강도를 이용해서 이온화율을 가늠하는 방법에는 오차가 크게 유입될 가능성이 높다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ionized PVD법의 장점은?	본 연구에서는 PC를 기반으로 하는 데이터 수집 시스템을 이용하여 정밀한 절대 압력 측정과 부분압을 측정할 수 있는 사중극자 질량 분석기를 이용하여 전체 압력의 변화를 유발하는 원인 가스를 여러 가지 플라즈마 운용 조건에서 분석하였다. 유도결합 플라즈마를 이용한 이온화 물리증착법(ionized PVD)은 Yamashita1), Rossnagel2) 등이 사용하기 시작하여 보급된 방법으로 간단한 구조와 높은 플라즈마 밀도를 얻을 수 있는 장점이 있다. Mg을 직접 증발 시키면서 유도결합 플라즈마를 이용한 보조 반응으로 MgO를 증착한 보고도 있으나3,4) 대면적화 및 안정적인 공정 운용에 대한 성공적인 사례는 아직 없으므로 현재에는 마그네트론 스퍼터링을 근간으로 한 방법이 대면적화 및 안정적인 공정 운용에 적합한 방법으로 생각된다.
	Ar 이외의 방출량이 ICP 전력에 따라 증가하거나 정비례하지 않음이 의미하는 것은?	고밀도 유도 결합 플라즈마를 이용한 양극성 펄스 직류 반응성 스퍼터링 장치에서 반응성 가스의 유량 및 두 가지 플라즈마원(양극성 펄스 직류 및 유도 결합 플라즈마)의 동작에 따른 전체 압력의 변화를 고정밀 Baratron 게이지로 측정하였고, 그 결과, 방전 개시 후 유도 결합 플라즈마의 전력에 비례하여 압력의 증가 피크가 관찰되고 시간에 대한 압력의 적분에서 구해진 공정 가스인 Ar 이외의 방출량은 ICP 전력에 따라 증가하나 정비례하지는 않는다. 이는 ICP 전력의 가스에 대한 전달 기구에 손실이 존재함을 의미한다.
	마그네트론 스퍼터링으로 박막을 제작할 때에 압력에 변화를 미치는 현상에는 어떠한 것들이 있는가?	마그네트론 스퍼터링으로 박막을 제작할 때에 플라즈마에 의한 여러 가지 현상(이온과 전자의 챔버 벽면 충돌에 의한 탈착, 가열, 자외선 발생과 이에 의한 가스 탈착, 분자 가스의 해리에 의한 압력 변화, 반응성 가스의 흡착과 화학반응에 의한 가스 소모성 압력 변화, 가스 입자들의 속도 증가로 인한 배기속도 향상)으로 압력에 변화가 오게 된다. 상용 반도체나 디스플레이 장비에서는 피드백 시스템을 이용하여 일정한 압력으로 유지하고 있는데 이것이 실제 시스템 내에서 발생하고 있는 물리, 화학적 변화를 알아채기 어렵게 하고 있다.

참고문헌 (11)

M. Yamashita, J. Vac. Sci. Technol A, 7 (1989) 151.

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S. M. Rossnagel, J. Hopwood, J. Vac. Sci. Technol. B, 12 (1994) 449.

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Y. H. Han, S. J. Jung, J. J. Lee, J. H. Joo, Surf. and Coatings Technol., 174-175 (2003) 235.

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D. H. Kang, D. K. Lee, K. B. Kim, J.-J. Lee, J. H. Joo, Appl. Phys. Lett., 84 (2004) 3283.

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Z. H. Li, S. J. Kwon, J. Kor. Vac. Soc., 17 (2008) 96.

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H. C. Lee, C. W. Chung, J. Kor. Vac. Soc., 21 (2012) 121.

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S. W. Lee, J. Kor. Vac. Soc., 18 (2009) 176.

원문보기 상세보기
S. H. Kim, J. H. Joo, S. Y. Lee, K. W. Lee, S. J. Oh, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 37 (2004) 185.
S. H. Bae, S. R. Lee, K. H. Jung, Y. B. Lee, Y. H. Shin, "Vacuum Engineering, Hankook Daily News Technology Series 11", (2000) 281.
J. H. Joo, J. Vac. Sci. Technol. A, 18 (2000) 2006.

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Y. Matsuda, Y. Koyama, K. Tashiro, H. Fujiyama, Thin Solid Films, 435 (2003) 154.

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