마그네트론 스퍼터링 최적화 가이드 참고

일반적으로 알려진 물질별 증착속도 참고

https://www.lesker.com/newweb/ped/rateuniformity.cfm

Kurt J. Lesker Company

 

 

증착 속도를 높이기 위한 방법

1. 전력 증가: 각 재료는 재료 속성에 따라 최대 전력이 제한되지만 냉각 효율을 통해 가능한 가장 높은 전력 밀도에서 대상을 작동할 수 있습니다. 가장 먼저 해야 할 일은 볼트-온 스타일 또는 본드 타겟 구성을 활용하여 타겟 재료를 직접 냉각하는 것입니다. 이것은 전도성 페이스트 또는 에폭시의 도움에 더하여 열전도율을 최대화하고 목표 재료가 달성할 수 있는 최대 수준까지 전력 밀도를 증가시킬 수 있습니다.

2. 소스-기판 거리 감소: 타겟이 기판에 가까울수록 스퍼터링 속도가 높아집니다. 일반적으로 플라즈마는 타겟 표면 위 2" 내에 포함됩니다. 많은 스퍼터링 응용 프로그램은 3"-4" 소스-기판 거리를 사용합니다. 4" 소스-기판 거리를 가정하면 스퍼터링 속도는 4"를 넘어서는 모든 인치. 그러나 비율은 일반적으로 4"에서 멀어질 때마다 약 35%씩 증가합니다.

3. 더 낮은 작동 압력: 스퍼터링에서 챔버에 더 많은 가스가 있을수록 더 많은 원자와 이온 충돌이 발생합니다. 이러한 충돌은 물질 원자가 타겟 표면에서 방출되어 기판에 증착되는 속도를 감소시킵니다. 작동 가스 흐름을 줄임으로써 이러한 충돌이 줄어들고 달성할 수 있는 궁극적인 스퍼터링 속도에 긍정적인 영향을 미칩니다.

4. 챔버의 마그네트론 수를 늘리십시오. 요금은 애플리케이션에 추가되는 마그네트론 수에 따라 선형으로 조정됩니다. 특정 수율 요구 사항이 있는 생산 응용 프로그램에서 전원 및 소스-기판 매개변수가 완전히 최대화되면 마그네트론 수를 늘리는 것이 스퍼터링 속도를 향상시키는 데 사용할 수 있는 매개변수입니다.

 

스퍼터에서 균일도 향상

https://www.lesker.com/newweb/ped/rateuniformity.cfm

Kurt J. Lesker Company

참고 그림

정적 기판 균일성

정적 기판을 스퍼터링할 때 다음 매개변수는 전체 코팅 균일성에 영향을 미칩니다.

1. 마그네트론 대 기판 방향: 마그네트론과 기판은 최적의 균일성을 위해 축의 중심에 있어야 합니다.

2. 마그네트론 크기: 타겟은 최적의 균일성을 위해 기판보다 커야 합니다. 일반적인 코팅 프로파일은 가장자리에서 떨어지고 중앙에서 가장 균일합니다(그림 1 참조).

기판에 돌출부가 많을수록 코팅이 더 균일해집니다.

3. 소스-기판 거리: 기판 오버행에 대한 마그네트론이 존재하지 않거나 기존 챔버 설계 또는 장비로 인해 제한되는 경우 소스-기판 거리를 늘리면 균일성을 개선하는 데 도움이 됩니다. 멀어질수록 아르곤 이온, 전자 및 물질 원자 사이의 충돌이 많아져 기판에 증착되는 스퍼터링된 필름에 무작위화가 생성되고 궁극적으로 균일성이 향상됩니다. 그러나 이것의 단점은 기판에서 멀어질수록 스퍼터링 속도가 낮아진다는 것입니다.

4. 마스킹: 마스킹은 대상의 특정 영역에 있는 재료가 기판에 증착되는 것을 차단하거나 방지하여 균일성을 향상시키는 데 사용할 수 있는 기술입니다. 예를 들어, 자기장 프로필, 활성 침식 영역 위치 및 결과적인 자속 프로필로 인해 재료 축적이 타겟 가장자리에서 떨어지는 것이 일반적입니다. 대상의 중앙 부분에 마스킹을 삽입하면 궁극적으로 침식 프로파일을 평평하게 할 수 있습니다(그림 2 참조).

회전(단일 축) 기판 균일성

회전하는 기판을 코팅할 때 다음 기술을 사용하여 균일성을 높일 수 있습니다.

1. Off-axis 또는 Confocal 마그네트론 대 기판 방향: 기판 회전의 주요 이점은 훨씬 작은 마그네트론을 사용하여 타겟의 중심선을 기판으로 오프셋하여 최적의 균일성을 얻을 수 있다는 것입니다. 다음 기술에는 기판의 단일 축 회전을 활용해야 합니다.

• B. 공 초점 : 공초점 방향에서 마그네트론은 기판 반경을 향해 기울어져 있습니다. 공초점 스퍼터링의 이상적인 매개변수는 다음과 같습니다.
  • 나. 기판 반경의 중심에 대해 30도 축외 경사
  • ii. 4" 소스-기판 거리

참고: 챔버 설계 및 흐름 역학에 따라 각도 및 소스-기판 거리 조정이 필요할 수 있습니다.

공초점 방향에서 3" 마그네트론으로 다음과 같은 균일성을 얻을 수 있습니다.

공초점 또는 축외 스퍼터링에서 다중 마그네트론은 가변 재료의 여러 층을 공동 스퍼터링하거나 동일한 타겟 재료의 스퍼터링 속도를 높이는 데 사용할 수 있습니다.

일반적으로 6" 기판 웨이퍼를 스퍼터링할 때 4" 소스-기판 거리에 최대 4개의 스퍼터링 음극을 장착할 수 있습니다. 균일성을 최대화할 수 있도록 소스-기판 거리와 스퍼터링 음극의 각도를 조정할 수 있는 능력을 갖는 것이 중요합니다.

스퍼터링 축 오프 의 기능을 갖는 균일 성 다이얼링 모든 중요한 파라미터는 기판에 오프 세트, 소스의 각도, 및 소스 - 기판 거리를 조정한다. 다음은 이러한 변수를 조정하는 것이 균일성과 비율 모두에 중요한 영향을 미치는 방법에 대한 몇 가지 예입니다.

타겟의 중심이 섭스트레이트에 걸침

타겟의 중심이 섭스트레이트에서 벗어남

 

스퍼터율의 증가 방법

RF 전력을 사용하여 유전체 타겟을 스퍼터링할 때 기판의 최대 증착 속도가 0.1 Å/sec 미만이 될 수 있습니다. 즉, 100nm 두께의 막을 증착하는데 2.5시간 이상이 소요될 수 있다. 따라서 우리가 "어떻게 스퍼터율을 높일 수 있습니까?"라는 질문을 자주 받는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

동시 증착

사실 질문자가 원하는 것은 증착률을 높이는 것이지만 좌절한 연구원과 의미론을 논하려는 것은 아닙니다.

(그러나 잠시 의미론으로 구분하기 위해: 우리는 sputtering yield 등 보다는 sputter yield , sputter rate , sputter gun 에서와 같이 형용사 형태를 사용할 것입니다 .)

이번 호에서는 증착 속도를 높이는 방법을 검토하고 한 매개변수를 최대화하면 다른 매개변수에 실수로 영향을 미치는 조건을 살펴봅니다.

기판은 정적이거나 회전할 수 있지만 이러한 제안은 평평한 디스크 타겟과 고정 자석 어셈블리가 있는 원형 스퍼터 건에만 적용됩니다. 다른 모양과 구성의 타겟이 있는 스퍼터 건, 움직이는 자석 어셈블리 및 선형 스퍼터 건에는 여기에서 직접 다루지 않는 고유한 성능 속성이 있습니다.

스퍼터 수율

먼저, 각 재료에는 고유한 스퍼터 수율, 즉 접촉하는 각 이온에 대해 타겟을 떠나는 원자(또는 분자)의 수라는 특성이 있다는 것을 이해해야 합니다. 스퍼터 항복 값은 다음에 따라 달라집니다. 들어오는 이온의 질량; 이온이 가속되는 전압; 및 대상에 대한 입사각입니다.

500eV의 전위를 통해 45°에서 타겟을 공격하는 Ar+ 이온의 경우 대부분의 요소의 스퍼터 수율은 대략 1 - 10입니다.

산화물과 같은 화합물인 재료는 훨씬 더 낮은 스퍼터 수율을 가질 수 있습니다! 예를 들어, Maissel과 Glang의 책 Handbook of Thin Film Technology 는 SiO 2 의 스퍼터 수율을 0.13으로, Al 2 O 3 를 0.04로 인용합니다 .

스퍼터 수율의 개념을 확장하여 나중에 재료의 스퍼터 수율에 대해 언급할 것입니다. 이는 스퍼터 수율에 타겟에 대한 이온 전류를 곱한 것입니다.

투사 거리 변경

타겟과 기판 사이의 거리(종종 투사 거리라고도 함)를 줄이는 것은 증착 속도를 높이는 간단하고 직접적인 방법입니다. 이 효과를 완전히 이해하려면 스퍼터링된 입자의 각도 분포를 알아야 합니다. 유감스럽게도 이것은 재료가 타겟 주위의 원형 '트렌치'에서 배출되고 문헌에서 스퍼터링된 재료의 플럭스 분포를 설명하기 위해 오버 코사인 및 언더 코사인과 같은 용어가 사용되기 때문에 복잡한 주제입니다.

그러나 이러한 참고 사항의 경우 스퍼터링된 입자의 도달 속도(기판의 단위 면적당)가 투사 거리의 역제곱으로 변한다는 것을 이해하는 것으로 충분합니다. 즉, 투사 거리를 절반으로 줄이면 기판에 물질이 도달하는 속도가 4배가 되고 필름의 두께가 이전 속도의 4배로 증가합니다!

그러나 짧은 투사 거리가 필름(두께) 균일성에 미치는 영향을 고려하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 재료가 타겟을 대략 코사인 분포 패턴으로 남기면 투사 거리가 클수록 스퍼터링된 원자와 스퍼터링 가스 원자 사이의 열화 충돌 횟수가 높아집니다. 이러한 충돌은 코사인 분포를 '평탄화'하여 기판 전체에서 증착을 보다 균일하게 만드는 경향이 있습니다. 투사 거리가 짧을수록 충돌이 적기 때문에 더 짧은 거리에서 필름 균일성이 나빠질 수 있습니다.

또한 더 짧은 투사 거리에서 기판은 다음을 볼 수 있습니다. 더 높은 에너지 스퍼터 입자; 더 많은 표유 전자; 더 많은 플라즈마 이온과 '뜨거운' 중성자; 및 플라즈마 및 타겟 표면으로부터의 더 높은 열 복사 열 전달. 따라서 더 짧은 투사 거리의 부작용은 다음과 같습니다.

• 과도한 기질 가스 방출
• 성장 필름의 압축 응력 증가
• 전자 충격으로 손상된 현재 필름 아래의 필름
• 기판이 녹는다!

그러나 더 짧은 투사 거리(따라서 더 높은 기판 온도)도 유익한 효과를 줄 수 있습니다.

• 필름은 연속적인 단층으로 성장할 수 있습니다(Frank-van der Merwe 성장이라고 하며 자주 바람직한 핵 생성 모드).
• 필름의 인장 응력이 감소될 수 있습니다.
• 도착하는 원자의 더 높은 에너지로 인해 필름 접착력이 향상될 수 있음
• 필름은 더 높은 에너지의 플라즈마 이온과 '뜨거운' 중성의 충격에 의해 '밀집'될 수 있습니다.

 

증가하는 힘

타겟에 적용되는 전력을 두 배로 늘리면 스퍼터 속도가 대략 두 배가 되며 낮은 증착 속도에 직면할 때 항상 '쉬운 옵션'으로 나타납니다.

불행히도 임의로 증가하는 전력은 많은 역효과를 가져옵니다. 총에 적용된 모든 전력은 시스템의 어딘가에서 소멸되어야 합니다. 대략 75%는 총의 냉각수를 가열하는 것으로 끝납니다. 즉, 목표물의 전면에 쏟아지는 총 전력의 75%가 목표물을 통과하여 물에 도달해야 합니다! 분명히 타겟의 열전도율, 열팽창 계수, 기계적 강도 특성 및 융점이 중요한 문제입니다.

• 열전도율은 대상의 전면과 후면 사이의 온도 차이를 결정하는 데 도움이 됩니다. 그 차이가 클수록 재료의 열 응력이 높아집니다.
• 열팽창 계수는 부분적으로 열 응력으로 인한 기계적 응력을 결정합니다.
• 기계적 강도는 기계적 응력이 분산되는 방식을 결정합니다(일반적으로 휘어짐, 뒤틀림, 치핑 또는 균열).
• 녹는점(분명히)은 대상이 적용된 전력 수준에서 생성된 온도에서 녹을지 여부를 결정합니다. 녹은 대상은 스퍼터 건을 망가뜨릴 수 있습니다.

또 다른 주요 관심사는 타겟의 후면과 스퍼터 건의 냉각 웰 사이 인터페이스의 '열 전도도'입니다. Lienhard & Lienhard의 A Heat Transfer Textbook 에 표로 정리된 결과 는 가볍게 고정된 두 개의 평평한 금속 표면 사이의 열전도율이 (a) 그리 높지 않고 (b) 표면 사이의 공기에 크게 의존함을 나타냅니다.

해당 인터페이스를 대피하십시오. 즉, 작동 조건에서 스퍼터 건을 두십시오. 그러면 타겟과 냉각 웰 사이 인터페이스의 열 전도율이 '공기 포함' 값의 1/20에서 1/50로 떨어질 수 있습니다.

일부 타겟 재료는 너무 약해서 스퍼터 파워를 사용해도 금이 갑니다. 이러한 재료를 구리 백킹 플레이트에 결합하면 금이 가더라도 계속 사용할 수 있습니다. 그러나 조각이 잘리거나 균열이 넓어져 접합제 또는 구리 백킹 플레이트가 노출되면 대상을 교체해야 합니다.

너무 높은 스퍼터 파워는 타겟 및 스퍼터 건 손상의 가장 일반적인 원인입니다. 대상/인터페이스 열 제한이 주어지면 적절한 최대 전력을 사용하여 이러한 손상을 줄이거나 제거할 수 있습니다( 최대 전력 수준 참조 ). 그러나 '적절한'은 종종 '낮은'과 동일하며 낮은 전력은 낮은 증착 속도를 의미합니다.

대상에 힘을 가하는 것에 대한 마지막 요점. 주어진 목표물/총에 대해 적절한 전력이 설정되면 절대 스위치를 켜지 않고 해당 값으로 전력을 즉시 높이십시오! 일련의 램프 및 소크를 통해 항상 전력을 최대값까지 천천히 증가시키십시오.

스퍼터 가스 압력

스퍼터 가스 압력을 낮추면 두 가지 메커니즘에 의해 증착 속도가 약간 증가합니다.

• 타겟을 떠나는 스퍼터링된 원자는 더 적은 열화 충돌을 겪습니다. '옆으로' 산란될 가능성이 적고 더 많은 비율이 기판으로 계속 이동하여 증착 속도가 약간 증가합니다.
• 전력 제어 모드에서 RF 또는 DC 전력을 사용하면 플라즈마 대 타겟 전압이 약간 증가합니다. 따라서 타겟을 공격하는 이온은 더 높은 에너지를 가지므로 스퍼터 수율과 결과적으로 스퍼터 속도가 약간 증가합니다.

가스 압력을 낮추는 잠재적인 부작용 중 하나는 필름 균일성의 변화입니다. 많은 요인이 관련되어 있기 때문에 개선 또는 악화 여부는 일반적으로 예측할 수 없습니다. 그러나 한 가지 분명한 측면은 열화 충돌 횟수의 감소입니다.

낮은 가스 압력/높은 플라즈마 대 타겟 전압 조합의 역효과는 타겟 근처에서 아크가 발생할 가능성이 더 높아진다는 것입니다.

목표 크기 늘리기

증착 속도를 높이는 방법으로 이 옵션은 새로운 스퍼터 건, 챔버에 설치할 수 있는 충분한 공간, 더 큰 전원 공급 장치가 필요하기 때문에 쉽게 구현되지 않고 비용이 많이 듭니다.

주어진 전력 밀도( 전력 및 전력 밀도 참조 )에 대해 타겟 직경이 클수록 스퍼터 속도가 높아집니다. 설명은 간단합니다. 더 큰 타겟 직경은 더 큰 스퍼터 트렌치 면적을 의미하고, 주어진 전력 밀도에 대해 증가된 트렌치 면적은 증가된 스퍼터 속도를 의미합니다.

스퍼터 건의 수

대부분의 R&D 증착 시스템에는 하나 이상의 스퍼터 건이 설치되어 있습니다. 일반적으로 사용자는 각 총에 다른 대상 재료를 설치합니다. 그러나 두 개 이상의 건에 동일한 타겟 재료를 놓고 동시에 작동하면 스퍼터 속도와 그에 따른 증착 속도가 두 배, 세 배 등으로 증가할 수 있습니다.

단점은 많은 다중 건 시스템이 동시 증착 작업을 위해 제작되지 않았고 전원 공급 장치가 하나뿐이라는 것입니다. 동시 작동을 위해 추가 소모품을 구입하면 이 옵션이 비쌀 수 있습니다.