PVD Evaporation 시스템 구성과 돔(Dome)

증착 장비에서 대표적인 것이 써멀과 이빔이다.

써멀시스템의 경우 대용량의 빠른 속도 증착이 가능하지만 일정한 레이트 조절은 한계가 있다.

돔으로 많은 샘플을 만들 경우에도 써멀시스템이 유리하다.

반면에 이빔은 의외로 빠른속도 증착이 어려운 경우가 많다.

써멀은 소소가 녹으면서 넓게 퍼지는 반면, 이빔은 에로우 존이 좁아지면서 돔으로 구성하는 경우 균일도 확보가 다소 어렵다.

이때 가장 중요한 것은 에로우 존은 최대 30도 정도로 생각하고 돔을 구성해야 한다.

소스와 돔의 거리가 중요한데, 이때 돔의 크기가 소스에서 30도 안에 들어오도록 구성해 주어야 균일도가 틀어지지 않는다.(경험상 450mm 32도가 최대이다.)

그리고, 거리가 멀어지면(증기압, 민프리패스의 영향 등) 급속도로 균일도가 감소한다.

균일도를 확보하고, 증착을 하기전에 소스별 증기압 확인은 필수 이다.

이빔과 써멀의 증착 중 하나 집고 넘어가야 하는것은 열원이 어느 부분을 녹이는가? 이다.

써멀은 바닥에서 열원을 주어 끓어 올라가는 형태(마치 버블러 처럼) 이빔은 표면을 녹인다.

이것은 소스가 어떻게 특성을 달리하고 날아가 섭스트레이트에 붙을 것인가를 생각하게 한다.

아주 중요한 공정의 차이이다.

써멀과 이빔은 막특성 뿐만 아니라, 증착 속도, 균일도 등등 많은 차이를 가져 올 수 있다.

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증발 속도는 재료의 결합 에너지와 온도의 강력한 함수로 표현 될 수 있다.
원자량과 온도를 알면 원자/cm2/s로 표현되는 표면을 떠나는 원자의 수를 압력 단위로 쓸 수 있다.

증발 속도는 다음 관계를 사용하여 두께 제거 속도(또는 응축의 경우 증착 속도)로 변환할 수 있습니다.

예를 들어보면, 알루미늄의 경우

500°C에서 증기압은 약 1pT이며 이는 매우 작다.

27g/mol의 알루미늄 원자량을 사용한다.

알루미늄의 온도를 1200°C로 올리고, 증기압은 10mT까지 상승.

용융 온도는 660°C이고; 따라서 1200°C에서 액체가 된다. 2.4g/cm3의 밀도를 사용하여 이전 계산을 반복.

 

소스로부터의 증발률은 플럭스의 각도 분포와 소스와 기판 사이의 거리 때문에 실제 증착률과 많이 다르다. 증발 자속 밀도(atoms/cm2/s)의 분포는 cosn(θ) 관계로 수식화 할 수 있다. 가장 간단한 모델은 Knudson 분포로 알려진 cos(θ)이며, Lambert’s law of optical radiation을 참고 한다. 이것을 이용하여 증발 플럭스 밀도를 수식화 할 수 있다.

 여기서 R(0)은 θ = 0에 따른 플럭스이다. 또한 소스에서 기판까지의 거리 D가 소스 직경보다 훨씬 커서 소스를 점 소스로 취급할 수 있다고 가정하면 총 플럭스 RT( 원자/cm2)는 다음과 같이 쓸 수 있다.

예를 들어보면, 1750°C(용융 온도는 1064°C)의 온도에서 금을 확인해 보자.  증기압
1750°C에서 1Torr 이다. 따라서 197g/mol의 원자량을 이용하여 계산 해본다.

증발면적 10mm2을 가정해 보면,

소스와의 거리는 30cm(300mm),

증착률은,

이것은 θ=0일 때의 속도이다. 다른 각도에서는 속도가 cos(θ)로 떨어진다. 기판이 6인치 웨이퍼라면 코사인 분포를 기준으로 중앙에서 가장자리까지 3%의 편차를 예상할 수 있다.
여기서 생각해 봐야 할 것은 소스의 증발 표면 증기압은 1Torr이지만 기판 주변의 증기압은 상당히 낮다는 것이다.

이러한 압력 차이는 증기 플럭스의 기하학과 화학종의 분자 흐름으로 인해 발생한다. 증기의 확장 영역은 플럭스 밀도와 증기압을 감소시킨다.

정리해보면,

 금은 1Torr 증기압에 도달하고 앞서 언급한 구조의 기판에서 3.3Å/s를 달성하기 위해 녹는 온도보다 훨씬 높게 가열되어야 한다. 유사하게, 알루미늄은 1Torr 증기압에 도달하고 9.6Å/s의 해당 증착 속도에 도달하기 위해 1400°C(용융 온도보다 훨씬 높음)까지 가열해야 한다. 크롬의 경우 동일한 1Torr 증기압을 얻는 데 필요한 온도는 1700°C로 녹는 온도인 1857°C보다 훨씬 낮다. 크롬은 일반적으로 열 증발 중에 고체로 유지 승화된다. MgF2 및 SiO2를 포함한 많은 유전체와 크롬과 같은 일부 금속은 승화에 의해 증발한다. 이것은 물질에 따라서 균일도가 확보되는 영역이 달라짐을 의미한다.

다양한 멀티 소스 증착에는 돔 구성이 어렵다는 것을 의미한다. 멀티소스를 돔으로 커버하기 위해서는 특별한 기술이 필요하다는 것이다.

 

참고 자료

RoutledgeHandbooks-9781315370514-chapter3_써멀이빔소스플럭스.pdf

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