[논문]스퍼터 장비의 설계 룰을 찾기 위한 Si박막 특성 변화 연구

김보영; 강서익

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, as display and semiconductor devices have been miniaturized and highly integrated, there is a demand for optimization of the structural characteristics of the thin film accordingly. The sputtering device has the advantage of stably obtaining a desired thin film depending on the material se...

Recently, as display and semiconductor devices have been miniaturized and highly integrated, there is a demand for optimization of the structural characteristics of the thin film accordingly. The sputtering device has the advantage of stably obtaining a desired thin film depending on the material selected for the target. However, due to the structural characteristics of the sputtering equipment, the structural characteristics of the film may be different depending on the incidence angle of the sputtering target material to the substrate. In this study, the characteristics of the thin film material according to the scattering angle of the target material and the incidence position of the substrate were studied to find the optimization design rule of the sputtering equipment. To this end, a Si thin film of 1 ㎛ or less was deposited on the Si(100) substrate, and then the microstructure, reflectance, surface roughness, and thin film crystallinity of the thin film formed for each substrate location were investigated. As a result of the study, it was found that as the sputter scattering angle increased and the substrate incident angle decreased, the gap energy along with the surface structure of the thin film increased from 1.47 eV to 1.63 eV, gradually changing to a non-conductive tendency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 타겟 물질의 비산각과 기판 입사 위치에 따른 박막 물질의 구조적, 광학적 특성과 밴드갭 에너지를 조사하여 물질 특성 변화를 연구하였으며, 이를 바탕으로 스퍼터 장비의 최적화 설계 룰을 찾기 위한 근거를 삼고자 하였다.

제안 방법

플라즈마 발진을 위해 고순도 아르곤(5N) 가스를 사용하였으며, 가스 주입량은 MFC를 사용하여 10 ~ 30 sccm 범위에서 일정량을 선정하여 주입하였다. Diode array spectrometer (Hewlett Packard, 8452A)를 사용하여 박막 표면 상태에 따른 반사도와 박막 두께에 따른 투과율을 측정하여 상태를 비교하였다. 진공 챔버의 가스 압력은 Pirani 게이지와 Full range 게이지(Pfeiffer), Capacitance diaphragm 게이지(MKS)를 사용하여 측정하였다.
본 연구에서는 실리콘 기판과 유리 기판 위에 각각 실리콘(Si) 박막을 코팅하여 박막 특성을 조사하였으며, Table 1은 본 연구에 적용한 스퍼터링 공정 조건을 보여주고 있다.
유리 기판 위에 실리콘 박막을 코팅하여 타겟 표면으로부터 방출되는 증발 물질의 비산각과 기판 입사각에 따른 박막 특성을 조사하였다. 이를 위해 Fig.

대상 데이터

스퍼터 플라즈마 발진을 위해 직류 전원(PS Plasma, SDC1022AS)과 펄스 형태의 전원공급장치(SJ Power, SPM-1)를 사용하였으며, 80 kHz의 직류 전원을 공정에 사용하였다. 플라즈마 발진을 위해 고순도 아르곤(5N) 가스를 사용하였으며, 가스 주입량은 MFC를 사용하여 10 ~ 30 sccm 범위에서 일정량을 선정하여 주입하였다. Diode array spectrometer (Hewlett Packard, 8452A)를 사용하여 박막 표면 상태에 따른 반사도와 박막 두께에 따른 투과율을 측정하여 상태를 비교하였다.
실리콘 타겟은 직경이 4 인치인 잉곳을 두께가 5mm인원판형으로 가공하여 사용하였으며, 열팽창으로 인한 파손 우려를 방지하기 위하여 은 페이스트(Ag-paste, Chemtronics, CW2400)를 이용하여 뒷면에 구리판을 덧붙였다.
)를 사용하였다[9-11]. 플라즈마 복합기에는 애노드 플라즈마와 캐소드 플라즈마 발진 장치가 장착되어 있으며, 본 연구를 위해 캐소드 플라즈마 발진 장치를 사용하였다.

데이터처리

스펙트로미터를 사용하여 유리면 위에 증착된 실리콘 박막의 반사 특성을 측정하였다. 측정 결과는 전체 파장 길이인 300 ~ 1100 nm 구간에 대하여 Fig. 10과 같이 나타났 으며, 측정 구간에 대한 반사도를 평균하여 계산하였다. P₁에서 P₄로 위치를 변화시킴에 따라 Table 5와 같이 평균 반사도가 감소함을 볼 수 있었다.

성능/효과

본 연구를 수행함으로써 스퍼터의 타겟 비산각에 따른 증발 물질의 기판 입사 위치가 중심부로부터 멀어짐에 따라 박막 두께와 특성이 다르게 나타나는 것을 확인할수 있었다.
비산각이 커질수록 박막의 밴드갭 에너지가 1.47 eV에서 1.63 eV까지 증가하여 점차 부도체적인 성향으로 바뀌는 것을 확인할 수 있었으며, 이로부터 비삭각이 커질수록 박막 형성을 위한 증발 물질의 입사량과 입사 에너지가 부족하여 나타나는 것으로 볼 수 있었다.
9와 같이 나타났다. 이 결과에서도 타겟 면과 멀리 떨어질수록 즉, 중심으로 멀어짐에 따라 P₁, P₂, P₃, P₄ 위치에서의 투과도가 각각 8 %, 11 %, 15 %, 32 %로 측정되었으며, 이는 분산각에 따라 박막 형성 조건이 충족되기 어려우며, 결과적으로 박막의 두께가 점차 얇아져서 나타나는 현상으로 볼 수 있다.

후속연구

본 연구를 통해 반도체 소자의 특성 향상을 위해 균일한 박막 특성을 확보하기 위한 스퍼터 장비의 최적화 설계 및 적용 필요성을 알 수 있었으며, 단일 물질뿐만 아니라 다원화합물에 대한 양질의 박막 공정을 위한 최적의 스퍼터 장비 설계 룰이 필요함을 인지할 수 있었다.
실제 반도체 소자 제조 공정에서 필요한 박막 특성의 열화 범위를 본 연구결과로 제시하지는 못했으나 스퍼터 장치의 비산각에 따른 물질 특성의 차이를 규명함으로써 균일한 박막 특성을 얻기 위해서는 일정 영역의 비산 각도 범위로 한정할 필요가 있음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스퍼터링 장치의 구조적 특징으로 인한 영향은?	스퍼터링 장치는 타겟의 선택 재료에 따라 원하는 박막을 안정적으로 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 장치의 구조적인 특성으로 인해 스퍼터링 타겟 물질의 기판 입사각에 의해 물질의 구조적 특성이 달라진다[3,4].
	산업에서 적용하고 있는 박막화 공정은 무엇으로 나뉘는가?	차세대 소자 구현을 위해서는 초박막 제조 기술이 뒷받침 되어야 한다. 산업에서 적용하고 있는 박막화 공정은 물리기상증착(PVD) 방식과 화학기상증착(CVD) 방식으로 나누며, 스퍼터링 방식은 물리기상증착 방식의 85 %이상을 차지할 정도로 산업에서 적용되는 대표적 범용 공정장치 중의 하나이다.
	스퍼터링 장치의 원리는?	스퍼터링 장치는 캐소드 전극에 대한 인가 전원에 의해 플라즈마가 형성되고, 플라즈마 내의 양이온이 타겟 표면을 향해 가속하여 타겟 물질(Si)을 뜯어내고 이를 기판 위에 코팅하는 원리이다. 스퍼터링 장치는 타겟의 선택 재료에 따라 원하는 박막을 안정적으로 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다.

참고문헌 (12)

D. Kahng, Electric Field Controlled Semiconductor Device, U. S. Patent No.3, 102, 230, Aug. (1963).
Y. Kim, E. Yoo, J. S. Lee, and S. Cho, Bull. Kor. Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 30, 31 (2017).
Andrey A. Voevodin, "Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings", pp. 253-296, ISBN 9780815520313, William Andrew (2010).
Yun Seung Lee and Hong Bae Kim, Journal of KSDT, 15, 36 (2016).
Patricia Pereira-Silva,, Augusto Costa-Barbosa, Diogo Costa, Marco S. Rodrigues, Pedro Carvalho, Joel Borges, Filipe Vaz, Paula Sampaio, Thin Solid Films, 687, 137461 (2019).

상세보기
F. V. Grigoriev, V. B. Sulimov, A.V. Tikhonravov, J. Non-Crystalline Solids, 512, 98 (2019).
Jae-Hun Jung, Ji-Hoon Yang, Hye-Sun Park, Min-A Song, Jae-In Jeong, J. Kor. Inst. Surf. Eng,, 45, 106 (2012).
Hye-Sun Park, Ji-Hoon Yang, Jae-Hun Jung, Min-A Song, Jae-In Jeong, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 45, 111 (2012).
Yunsung Huh, Yunseok Hwang, and Jeha Kim, Appl. Sci. Converg. Technol., 27, 47 (2018).

원문보기 상세보기
Yunsung Huh, Yunseok Hwang, and Jeha Kim, Appl. Sci. Converg. Technol., 27, 61 (2018).

원문보기 상세보기
Yunsung Huh, Yunseok Hwang, and Jeha Kim, Appl. Sci. Converg. Technol., 27, 66 (2018).

원문보기 상세보기
Krishna Seshan, "Handbook of Thin Film Deposition", pp. 55-73, ISBN 978-0-12-812311-9, Elsevier Inc., (2018).

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