[논문]직류 마그네트론 스퍼터링 공정 중 타겟 오염에 따른 박막 및 계면 형성 특성

이진영; 허민; 이재옥; 강우석

Abstract ▼ AI-Helper

Reactive sputtering is widely used because of its high deposition rate and high step coverage. The deposition layer is often affected by target poisoning because the target conditions are changed, as well, by reactive gases during the initial stage of sputtering process. The reactive gas affects the...

Reactive sputtering is widely used because of its high deposition rate and high step coverage. The deposition layer is often affected by target poisoning because the target conditions are changed, as well, by reactive gases during the initial stage of sputtering process. The reactive gas affects the deposition rate and process stability (target poisoning), and it also leads unintended oxide interlayer formation. Although the target poisoning mechanism has been well known, little attention has been paid on understanding the interlayer formation during the reactive sputtering. In this research, we studied the interlayer formation during the reactive sputtering. A DC magnetron sputtering process is carried out to deposit an aluminum oxide film on a silicon wafer. From the real-time process monitoring and material analysis, the target poisoning phenomena changes the reactive gas balance at the initial stage, and affects the interlayer formation during the reactive sputtering process.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

1의 장치에서 O₂/Ar 플라즈마를 활용해 6인치 실리콘 웨이퍼 표면에 알루미늄 산화막을 증착하였다. 본 실험의 목표인 공정 중 타겟 오염(산화) 상태의 변화를 구현하기 위해 스퍼터링 시작 전 타겟 상태 및 반응성 기체의 분율을 조절하였다. 타겟 상태는 Ar 플라즈마 스퍼터링을 통한 타겟 표면의 산화막을 제거하는 세정 스텝 (알루미늄 타겟)과 반대로 O₂/Ar 플라즈마 스퍼터링을 통한 타겟 완전 산화 스텝 (알루미늄 산화막 타겟) 수행 여부로 제어하였다.
또한, 타켓 오염 현상은 금속 상태의 타겟 표면에 절연막이 형성되면서 타겟의 스퍼터링 효율이 감소하고[3, 4], 절연막인 산화막이 파괴되어 오염입자가 생성됨에 따라 아크현상이 발생하는 등 다양한 이상 현상을 야기한다 [5, 6]. 본 연구에서는 선행 연구에서 부족하였던 타겟 오염 현상이 증착 박막에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 최근 보호막(패시베이션) 증착 등의 응용에서 요구하는 박막의 두께가 점점 얇아짐에 따라, 수 nm 두께로 형성되는 계면이 전체 박막에서 차지하는 비중과 중요도가 증가하고 있다[7-9].
본 연구에서는 증착 초기에 발생하는 타겟 오염 현상이 초기에 형성되는 증착 막-기판 사이의 계면 형성에 미치는 영향을 확인하였다. 실험 결과 공정 중 타겟 오염 정도와 유관한 초기 타겟 상태 (알루미늄 및 산화 알루미늄)와 방전 기체 중 산소의 분율이 계면 형성에 미치는 영향을 확인하였다.
이에 스퍼터링 중 타겟이 산화됨에 따라 변동하는 반응성 기체 평형과 증착률이 계면 형성에 미치는 효과를 확인 하였다. 이를 바탕으로 스퍼터링 시 초기 타겟 상태를 활용한 계면 형성 제어 가능성을 확인하였다.
이러한 의도하지 않은 계면의 형성은 증착 박막과 기판 간의 접합뿐만 아니라, 전체 증착 박막의 전기 및 광학적 특성에 영향을 주어 관리가 필요하다 [8, 9]. 이에 스퍼터링 중 타겟이 산화됨에 따라 변동하는 반응성 기체 평형과 증착률이 계면 형성에 미치는 효과를 확인 하였다. 이를 바탕으로 스퍼터링 시 초기 타겟 상태를 활용한 계면 형성 제어 가능성을 확인하였다.

가설 설정

O에 비해 급한 Al의 감소 경향에서 SiO₂ 계열의 막이 Al₂O₃와 실리콘 웨이퍼 사이에 존재함을 예상할 수 있다. 위 결과는 (b) O1s, (c) Al2p, (d) Si2p peak에서 재확인 된다. O1s 신호는 측정 위치가 깊어짐에 따라 신호의 중심 위치가 532 eV(O-Al 결합)에서 533 eV(O-Si 결합)로이동하였다.

제안 방법

타겟 상태는 Ar 플라즈마 스퍼터링을 통한 타겟 표면의 산화막을 제거하는 세정 스텝 (알루미늄 타겟)과 반대로 O₂/Ar 플라즈마 스퍼터링을 통한 타겟 완전 산화 스텝 (알루미늄 산화막 타겟) 수행 여부로 제어하였다. 각 타겟에 대해 O₂/Ar 분율 20/100, 40/80 sccm 조건에서 알루미늄 산화막 증착을 진행 하였다. O₂/Ar의 총량을 유지하여 압력을 68 mtor로 고정하였으며, 인가 전력은 직류 700 W로 고정하였다.
반응성 스퍼터링 공정을 구현하기 위해 Fig. 1과 같은 알루미늄 타겟이 설치된 직류 마그네트론 스퍼터링 장치를 구축하였다. Fig.
스퍼터링 공정 중 타겟 상태 변화는 연결된 오실로스 코브(osciloscope)에서 측정된 전압 강하로 관찰하였다. 타겟 오염에 의한 반응기 내 산소 분압 변화 변화를 광학적 발광 분광법(optical emission spectroscopy, OES)를 통해 관찰하였다.
본 실험의 목표인 공정 중 타겟 오염(산화) 상태의 변화를 구현하기 위해 스퍼터링 시작 전 타겟 상태 및 반응성 기체의 분율을 조절하였다. 타겟 상태는 Ar 플라즈마 스퍼터링을 통한 타겟 표면의 산화막을 제거하는 세정 스텝 (알루미늄 타겟)과 반대로 O₂/Ar 플라즈마 스퍼터링을 통한 타겟 완전 산화 스텝 (알루미늄 산화막 타겟) 수행 여부로 제어하였다. 각 타겟에 대해 O₂/Ar 분율 20/100, 40/80 sccm 조건에서 알루미늄 산화막 증착을 진행 하였다.
2 및 3의 결과를 통해, 타겟 오염도에 따라 공정 초기 120 초 이내의 인가 전압 및 방전 공간 내 산소 분압 변화가 발생함을 확인하였다. 타겟 오염이 증착 막에 미치는 영향을 평가하기 위해, 증착 막의 화학적(XPS depth), 물리적(TEM) 특성을 분석하였다[10, 11]. Fig.

대상 데이터

25 Hz로 회전시켜 플라즈마를 균일하게 형성하였다. 각 조건을 10 분간 유지하여 패시베이션 등에서 요구되는 약 30 nm 두께의 알루미늄 산화막을 증착하였다.

이론/모형

타겟 오염에 의한 반응기 내 산소 분압 변화 변화를 광학적 발광 분광법(optical emission spectroscopy, OES)를 통해 관찰하였다. 각 초기 타겟 상태 및 반응성 기체 분율에서 증착된 알루미늄 산화막과 계면의 화학적 조성을 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)으로 측정하였으며, 두께를 TEM(transmission electron microscopy)으로 측정하였다.
스퍼터링 공정 중 타겟 상태 변화는 연결된 오실로스 코브(osciloscope)에서 측정된 전압 강하로 관찰하였다. 타겟 오염에 의한 반응기 내 산소 분압 변화 변화를 광학적 발광 분광법(optical emission spectroscopy, OES)를 통해 관찰하였다. 각 초기 타겟 상태 및 반응성 기체 분율에서 증착된 알루미늄 산화막과 계면의 화학적 조성을 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)으로 측정하였으며, 두께를 TEM(transmission electron microscopy)으로 측정하였다.

성능/효과

Fig. 2 및 3의 결과를 통해, 타겟 오염도에 따라 공정 초기 120 초 이내의 인가 전압 및 방전 공간 내 산소 분압 변화가 발생함을 확인하였다. 타겟 오염이 증착 막에 미치는 영향을 평가하기 위해, 증착 막의 화학적(XPS depth), 물리적(TEM) 특성을 분석하였다[10, 11].
각 변수의 영향은 산소 원자가 실리콘 기판으로의 확산 정도로 설명이 가능하였다. 두 조건 모두 산소 확산 거리가 짧아 계면 형성이 주요한 공정 초기에 영향을 미쳐 계면 형성 제어에 효과적임을 알 수 있었다. 위 연구를 통해 반응성 스퍼터링 중 타겟 오염 제어를 기존에 연구되었던 증착 효율 및 아크 발생 빈도 제어뿐만 아니라 계면 형성 제어에 활용 가능함을 확인하였다.
본 연구에서는 증착 초기에 발생하는 타겟 오염 현상이 초기에 형성되는 증착 막-기판 사이의 계면 형성에 미치는 영향을 확인하였다. 실험 결과 공정 중 타겟 오염 정도와 유관한 초기 타겟 상태 (알루미늄 및 산화 알루미늄)와 방전 기체 중 산소의 분율이 계면 형성에 미치는 영향을 확인하였다. 각 변수의 영향은 산소 원자가 실리콘 기판으로의 확산 정도로 설명이 가능하였다.
두 조건 모두 산소 확산 거리가 짧아 계면 형성이 주요한 공정 초기에 영향을 미쳐 계면 형성 제어에 효과적임을 알 수 있었다. 위 연구를 통해 반응성 스퍼터링 중 타겟 오염 제어를 기존에 연구되었던 증착 효율 및 아크 발생 빈도 제어뿐만 아니라 계면 형성 제어에 활용 가능함을 확인하였다.
2의 O844 nm 경향처럼 초기에 급격한 감소 이후 회복됨을 알 수 있었다. 즉, 산소의 실리콘 기판으로의 확산에 유리한 공정 초기의 증착률 변동과 산소 분압 변동이 계면 형성에 크게 영향을 주었고, 이에 따라 계면의 두께가 1.4 nm 에서 2.2 nm (O₂: 20 sccm), 2.61 nm에서 5.51 nm (O₂: 20 sccm) 로 크게 증가함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반응성 스퍼터링이 타겟 표면상태의 박막 형성과 관련이 있음을 예를 들어 설명하여라.	가속된 이온이 타겟에 충돌하며 타겟물질이 떨어져 나와 박막으로 형성되는 반응성 스퍼터링의 특성상, 타겟 표면상태는 박막 형성과 밀접한 관련이 있다. 예를 들어 산화물 박막 공정중 타겟이 반응성 기체와 결합하며 표면에 산화물을 형성되는 타겟 오염 현상(target poisoning)은 초기 공정에서 기대하는 박막과 상이한 증착율을 보이는 것으로 알려져 있다[3-6]. 또한, 타켓 오염 현상은 금속 상태의 타겟 표면에 절연막이 형성되면서 타겟의 스퍼터링 효율이 감소하고[3, 4], 절연막인 산화막이 파괴되어 오염입자가 생성됨에 따라 아크현상이 발생하는 등 다양한 이상 현상을 야기한다 [5, 6]. 본 연구에서는 선행 연구에서 부족하였던 타겟 오염 현상이 증착 박막에 미치는 영향에 대해 연구하였다.
	반응성 스퍼터링 공정은 저온에서 어떻게 활용되어 왔는가?	반응성 스퍼터링 공정은 박막을 형성하는 대표적인 PVD(physical vapor deposition) 기술로, 저온에서 산화막 또는 질화막 증착에 활용되어 왔다[1, 2]. 가속된 이온이 타겟에 충돌하며 타겟물질이 떨어져 나와 박막으로 형성되는 반응성 스퍼터링의 특성상, 타겟 표면상태는 박막 형성과 밀접한 관련이 있다.
	반응성 스퍼터링 공정이란 어떤 기술인가?	반응성 스퍼터링 공정은 박막을 형성하는 대표적인 PVD(physical vapor deposition) 기술로, 저온에서 산화막 또는 질화막 증착에 활용되어 왔다[1, 2]. 가속된 이온이 타겟에 충돌하며 타겟물질이 떨어져 나와 박막으로 형성되는 반응성 스퍼터링의 특성상, 타겟 표면상태는 박막 형성과 밀접한 관련이 있다.

참고문헌 (11)

Hohnke, D. K., Schmatz, D. J., and Hurley, M.D., "(2002) Reactive sputter deposition: A quantitative analysis," Thin Solid Films, Vol. 118, pp. 301-310, 1984.

상세보기
Affinito, J. D., Gross, M. E., Coronado, C. A., Graft, G. L., Greenwell, I., and Martin, P. M., "A new method for fabricating transparent barrier layers," Thin Solid Films, Vol. 290-291, pp. 63-67, 1996.

상세보기
Carter, D., Walde, H., McDonough, G., and Roche, G., "Parameter optimization in pulsed DC reactive sputter deposition of aluminum oxide," Soc. Vac. Coaters, Vol. 505, pp. 570-577, 2002.
Berg, S., and Nyberg, T., "Fundamental understanding and modeling of reactive sputtering processes," Thin Solid Films, Vol. 476, pp. 215-230, 2005.

상세보기
Anders, A., "Physics of arcing, and implications to sputter deposition," Thin Solid Films, Vol. 502, pp. 22-28, 2006.

상세보기
Depla, D., and De Gryse, R., "Target poisoning during reactive magnetron sputtering: Part II: the influence of chemisorption and gettering," Surf. Coat. Technol., Vol. 183, pp. 190-195, 2004.

상세보기
Lee, J. Y., Kim, D. W., Kang, W. S., Lee, J. O., Hur, M., and Han, S. H., "Growth mechanism of $Al_2O_3$ film on an organic layer in plasma-enhanced atomic layer deposition," J. Phys. D, Vol. 51, pp. 015201 1-9, 2018.

상세보기
Carcia, P. F., McLean, R. S., Groner, M. D., Dameron, A. A., and George, S. M., "Gas diffusion ultrabarriers on polymer substrates using $Al_2O_3$ atomic layer deposition and SiN plasma-enhanced chemical vapor deposition," J. Appl. Phys., Vol. 106, pp. 023533 1-6, 2009.

상세보기
Paek, S. H., Kim, I. S., Cheon, J. Y., and Chun, H. G., "Interfacial Microstructure and Electrical Properties of $Al_2O_3$ /Si Interface of Mono-crystalline Silicon Solar Cells," J. of The Korean Society of Semiconductor & Display Technology, Vol. 12, pp. 41-46, 2013.
Haeberle, J., Henkel, K., Gargouri, H., Naumann, F., Gruska, B., Arens, M., Tallarida, M., and Schmeisser, D., "Ellipsometry and XPS comparative studies of thermal and plasma enhanced atomic layer deposited $Al_2O_3$ -films," Beilstein J. Nanotechnol., Vol. 4, pp. 732-742, 2013.

상세보기
Stankovich, S., Piner, R. D., Chen, X., Wu, N., Nguyen, S. T., and Ruoff, R. S., "Stable aqueous dispersions of graphitic nanoplatelets via the reduction of exfoliated graphite oxide in the presence of poly(sodium 4-styrenesulfonate)," J. Mater. Chem., Vol. 16, pp 155-158, 2006.

상세보기

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

직류 마그네트론 스퍼터링 공정 중 타겟 오염에 따른 박막 및 계면 형성 특성
Interlayer Formation During the Reactive DC Magnetron Sputtering Process 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

직류 마그네트론 스퍼터링 공정 중 타겟 오염에 따른 박막 및 계면 형성 특성 Interlayer Formation During the Reactive DC Magnetron Sputtering Process 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이진영 (1) 허민 (5) 이재옥 (8) 강우석 (4)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

직류 마그네트론 스퍼터링 공정 중 타겟 오염에 따른 박막 및 계면 형성 특성
Interlayer Formation During the Reactive DC Magnetron Sputtering Process 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper