스퍼터링의 개념과 반도체 공정에서의 역할에 대해 설명해 보세요.

고체의 표면에 고에너지의 입자를 충돌시키면 target 물질의 원자가 완전탄성 충돌에 의해 운동량을 교환하여 표면에서 밖으로 튀어나오게 된다. 이처럼 ion이 물질의 원자간 결합에너지 보다 큰 운동에너지로 충돌할 경우 이온에 의해 물질의 격자 간 원자가 다른 위치로 밀리게 되며, 원자의 표면 탈출이 발생하게 되는 현상을 물리학에서 ‘스퍼터링’이라고 말한다.

반도체 공정에서 스퍼터링은 금속 박막의 증착 과정에서 사용된다. 보다 정확하게는 박막 증착에서 스퍼터링은 target 원자의 방출과 그 원자의 substrate에의 부착이라는 2가지 과정을 포함하는 개념이라고 볼 수 있다. 스퍼터링 process의 장점은 증착된 물질의 기상으로의 이동이 물리적 운동에너지 교환 과정이므로 이론상 모든 물질이 target로 사용 가능하다는 것이다. 이러한 스퍼터링 현상을 이용하여 wafer 표면에 금속막, 절연막 등을 형성한다. 증착원리는 진공상태의 증착실(chamber)안에 위치한 증착재료(target)에 높은 출력의 레이저 빛을 모으면 그 펄스가 증착 재료의 온도를 급격히 올려 표면에서 폭발적인 기화 즉, 용발이 일어나게 되고 기판을 증착 재료 가까이 놓으면 용발된 재료가 기판에 날아와 균일하게 증착된다.

스퍼터링은 챔버 내에 공급되는 gas cathode에서 발생되는 전자 사이의 충돌로부터 시작된다. 진공 챔버내에 아르곤과 같은 불활성 기체를 넣고 cathode에 (-)전압을 가하면 아르곤 기체원자와 cathode로부터 방출된 전자들이 충돌하여 아르곤 기체를 이온화시킨다. 아르곤이 이온화되면서 전자를 방출하면 에너지가 방출되며, 이온과 전자가 공존하는 보라색의 플라즈마를 보인다. 플라즈마 내의 아르곤+원자가 타겟(target) 표면으로 가속되어 충돌하면 중성의 타겟(target) 원자들이 튀어나와 기판에 박막을 형성한다. 스퍼터링의 특징은 두께가 균일하게 증착이 가능하며, 내화재료와 절연막을 증착시킬 수 있다. 또한 거대한 면적의 타겟도 이용가능하고 박막의 밀착력이 우수하다는 것이다.

스퍼터링을 위한 장비의 주요 구성요소는 스퍼터링 공정을 위한 장비의 주요 구성요소는 진공챔버, 진공펌프, 플라즈마 형성 시스템, 쓰여지는 금속 Target 등이다. 진공챔버는 고진공(5×10-8 Torr 이상)을 요하는 구조를 갖고 있어야하고, 이를 위해 Cryo(크라이오), Tuerbomolecular(터보) 등의 고진공 펌프와 저진공 펌프로 건식(Dry) 펌프를 주로 사용한다.

플라즈마 시스템은 챔버안에 연속적이고 균일한 상태를 유지해야한다. “가스”는 전기적으로 중성 상태의 원자들이 모인 상태를 말하며, 플라즈마는 중성 원자와 함께 동일한 수의 이온화된 원자와 전자가 함께 섞여있는 상태이다. 주로 보라색을 띤다. 플라즈마가 형성되어야 이온이 금속 타겟과 충돌하여 스퍼터링이 가능하게 된다. 스퍼터링에 쓰이는 플라즈마는 가스의 이온화율이 높아야하는데 가스의 이온화 정도는 입자의 이온화 에너지가 낮을수록, 온도가 높을수록, 압력이 낮을수록(중성 입자가 적을수록) 높아진다. 평균 자유행로(Mean Free Path)는 플라즈마 내의 입자들이 다른 입자, 전자, 이온과 충돌하지 않고 이동할 수 있는 평균 거리를 말하며, 플라즈마의 이온화율에 영향을 준다.