스퍼터 공정 팁 참고

스퍼터율 증가

RF 전력을 사용하여 유전체 타겟을 스퍼터링할 때 기판의 최대 증착 속도가 0.1Å/초 미만이 될 가능성이 높습니다. 즉, 100nm 두께의 필름을 증착하는 데 2.5시간 이상이 소요될 수 있습니다. 따라서 "스퍼터링 속도를 어떻게 높일 수 있습니까?"라는 질문을 자주 받는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

사실 질문자가 원하는 것은 증착률을 높이는 것이지만, 좌절한 연구자와 의미론적으로 논쟁을 벌일 생각은 없습니다.

(그러나 잠시 의미를 설명하자면, 스퍼터링 수율 등보다는 스퍼터 수율 , 스퍼터율 , 스퍼터 건 과 같이 스퍼터를 형용사 형태로 사용하겠습니다 .)

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

기판은 고정되어 있거나 회전할 수 있지만 이러한 제안은 평평한 디스크 타겟과 고정 자석 어셈블리가 있는 원형 스퍼터 건에만 적용됩니다. 다른 모양과 구성의 타겟이 있는 스퍼터 건, 이동 자석 조립체, 선형 스퍼터 건은 여기서 직접 다루지 않는 고유한 성능 속성을 가지고 있습니다.

Ar+ 이온은 목표 원자를 기체 상태로 방출하기에 충분한 에너지를 가지고 있습니다.

공증착 '작용'의 스퍼터 소스

스퍼터 수율

먼저, 각 재료에는 고유한 특징적인 스퍼터링 수율(재료에 닿는 각 이온에 대해 타겟을 떠나는 원자(또는 분자)의 수)이 있다는 점을 이해해야 합니다. 스퍼터 항복 값은 다음에 따라 달라집니다. 재료; 들어오는 이온의 질량; 이온이 가속되는 전압; 그리고 표적에 대한 입사각.

500eV의 전위를 통해 45°에서 타겟에 충돌하는 Ar+ 이온의 경우 대부분의 원소의 스퍼터 수율은 대략 1 - 10 사이입니다.

산화물과 같은 화학적 화합물인 재료는 스퍼터링 수율이 훨씬 낮을 수 있습니다! 예를 들어, Maissel과 Glang의 저서 Handbook of Thin Film Technology에서는 SiO 2 의 스퍼터 수율을 0.13으로, Al 2 O 3 를 0.04로 인용합니다.

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

전력 및 전력 밀도

대상에 적용되는 전력을 인용하더라도 임계량은 실제로 전력 밀도, 즉 적용되는 전력을 대상의 표면적으로 나눈 값입니다. 5cm(2") 총의 표적이 100W의 최대 전력을 수용한다고 가정해 보겠습니다. 그러면 10cm(4") 총의 동일한 표적 재료가 어떻게 400W를 수용할 수 있습니까?

표는 최대 전력의 큰 변화에도 불구하고 두 대상의 전력 밀도가 동일하다는 것을 보여줍니다.

지름

센티미터

5

10

영역

cm 2

19.6

78.5

힘

여

100

400

출력 밀도

W/cm 2

100/19.6 = 5.1

400/78.5 = 5.1

투사 거리 변경

투사 거리를 절반으로 줄였을 때 증착률의 효과를 나타냅니다.

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 이는 재료가 타겟 주위의 원형 '트렌치'에서 방출되고 오버 코사인 및 언더 코사인과 같은 용어가 문헌에서 스퍼터링된 재료의 자속 분포를 설명하기 위해 사용되기 때문에 복잡한 주제입니다.

그러나 이러한 참고 사항에서는 스퍼터링된 입자의 도착 속도(기판의 단위 면적당)가 투사 거리의 역제곱에 따라 변한다는 점을 이해하는 것만으로도 충분합니다. 즉, 투사 거리를 절반으로 줄이면 재료가 기판에 도달하는 속도가 4배 증가하고 필름 두께는 이전 속도보다 4배 증가합니다!

그러나 더 짧은 투사 거리가 필름의 (두께) 균일성에 미치는 영향을 고려하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 재료가 대략 코사인 분포 패턴으로 타겟을 떠나는 경우 투사 거리가 클수록 스퍼터링된 원자와 스퍼터링 가스 원자 사이의 열화 충돌 횟수가 더 많아집니다. 이러한 충돌은 코사인 분포를 '평탄화'하여 기판 전체에 걸쳐 증착을 보다 균일하게 만드는 경향이 있습니다. 투사 거리가 짧을수록 충돌 횟수가 줄어들기 때문에 짧은 거리에서는 필름 균일성이 더 나빠질 수 있습니다.

또한, 더 짧은 투사 거리에서 기판은 다음을 볼 수 있습니다. 더 높은 에너지의 스퍼터링 입자; 더 많은 이탈 전자; 더 많은 플라즈마 이온과 '뜨거운' 중성 물질; 플라즈마와 타겟 표면으로부터 더 높은 열복사 열 전달이 가능합니다. 따라서 더 짧은 투사 거리로 인한 부작용은 다음과 같습니다.

• 과도한 기판 가스 방출
• 성장하는 필름의 압축 응력 증가
• 전자 충격에 의해 손상된 현재 필름 아래의 필름
• 기판이 녹고 있어요!

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

• 필름은 연속적인 단층으로 성장할 수 있습니다(흔히 바람직한 핵 생성 모드인 Frank-van der Merwe 성장이라고 함).
• 필름의 인장 응력이 감소될 수 있습니다.
• 도착하는 원자의 에너지가 높아 필름 접착력이 향상될 수 있습니다.
• 필름은 더 높은 에너지의 플라즈마 이온과 '뜨거운' 중성 물질의 충격으로 '치밀화'될 수 있습니다.

힘 증가

타겟에 적용되는 전력을 두 배로 늘리면 스퍼터링 속도가 대략 두 배로 증가하며 이는 낮은 증착 속도에 직면했을 때 항상 '쉬운 옵션'으로 보입니다.

불행하게도, 임의로 전력을 늘리면 많은 부작용이 발생합니다. 총에 적용된 모든 전력은 시스템 어딘가에서 소멸되어야 합니다. 대략 75%가 총의 냉각수를 가열하는 데 사용된다고 합니다. 즉, 목표물의 전면에 쏟아진 총 전력의 75%가 물에 도달하기 위해 목표물을 통해 전달되어야 합니다! 분명히 타겟의 열전도율, 열팽창계수, 기계적 강도 특성, 융점 등이 중요한 문제입니다.

• 열전도율은 대상의 전면과 후면 사이의 온도 차이를 결정하는 데 도움이 됩니다. 차이가 클수록 재료의 열 응력이 높아집니다.
• 열 팽창 계수는 열 응력으로 인한 기계적 응력을 부분적으로 결정합니다.
• 기계적 강도는 기계적 응력이 어떻게 소산되는지를 결정합니다(보통 휘어짐, 뒤틀림, 치핑 또는 균열 등).
• 녹는점은 (분명히) 적용된 전력 수준에 의해 생성된 온도에서 타겟이 녹을지 여부를 결정하며 녹은 타겟이 스퍼터 건을 망칠 수 있습니다.

또 다른 주요 관심사는 타겟 후면과 스퍼터 건의 냉각 웰 사이 인터페이스의 '열 전도도'입니다. Lienhard & Lienhard의 열 전달 교과서(A Heat Transfer Textbook) 에 표로 정리된 결과 는 가볍게 고정된 두 개의 평평한 금속 표면 사이의 열 전도도가 (a) 그다지 높지 않으며 (b) 표면 사이의 공기에 크게 의존한다는 것을 나타냅니다.

해당 인터페이스를 비우십시오. 즉, 스퍼터 건을 작동 조건에 두십시오. 그러면 타겟과 냉각 우물 사이 인터페이스의 열 전도도가 '공기 포함' 값의 1/20~1/50로 떨어질 수 있습니다.

일부 타겟 재료는 너무 약해서 어떤 스퍼터링 전력을 사용해도 깨질 수 있습니다. 이러한 재료를 구리 백킹 플레이트에 접착하면 균열이 발생하더라도 계속 사용할 수 있습니다. 그러나 조각이 떨어져 나가거나 균열이 넓어져서 결합제나 구리 백킹 플레이트가 노출될 경우 타겟을 교체해야 합니다.

너무 높은 스퍼터 출력은 타겟과 스퍼터 건 손상의 가장 일반적인 원인입니다. 대상/인터페이스 열 제한을 고려하면 적절한 최대 전력을 사용하여 이러한 손상을 줄이거나 제거할 수 있습니다( 최대 전력 수준 참조 ). 그러나 '적절함'은 '낮음'과 동일하며, 낮은 전력은 낮은 증착 속도를 의미합니다.

대상에 힘을 가하는 것에 대한 마지막 요점입니다. 주어진 표적/총에 대해 적절한 출력이 설정되면 절대로 스위치를 켜지 말고 즉시 해당 값으로 출력을 높이십시오! 일련의 램프와 흡수를 통해 항상 전력을 최대 값까지 천천히 높이십시오.

Kurt J. Lesker Company 비전도성 타겟용 RF 전원 공급 장치

최대 전력 수준

그렇다면 내 목표에 맞는 '적절한 최대 전력'을 어떻게 찾을 수 있습니까?

인내심과 '트릭'으로. 새로운 타겟 재료가 처음으로 스퍼터링되면 타겟의 전력 밀도( 전력 및 전력 밀도 참조)가 다음과 같을 때까지 전력을 천천히 증가시킵니다.

• 전도성이 높음(예: Al, Cu) 15 W/cm 2
• 보통 전도성(예: Ti, NiCr) 9 W/cm 2
• 전도성 산화물(예: ITO, AZO) 3 W/cm 2
• 세라믹 절연체(예: HfO2, BaTiO3) 3 W/cm 2
• 저융점 금속(예: In, Sn) 2 W/cm 2

어떤 강도로든 대상을 1~2분 동안 담그십시오. 그런 다음 전력(전력 밀도 아님)을 5W씩 천천히 늘리고 1분 동안 전압을 모니터링합니다. 안정적으로 유지되면 5W를 더 높이고 1분 더 지켜보세요.

전압이 상승하기 시작할 때까지 이러한 5W 램프/1분 전압 모니터링 단계를 계속합니다. 즉시 5W씩 전원을 차단하고 전압을 모니터링하십시오. 5분 동안 안정적으로 유지되면 해당 스퍼터 건에서 해당 대상에 대한 적절한 최대 출력을 찾은 것입니다. 그러나 전압이 계속 상승하는 경우 안정화될 때까지 5W씩 더 높이십시오. (단, 트릭에 대한 주의 사항을 참고하세요 .)

모토: 시작할 때 확신이 없다면 전력 밀도를 낮추는 경향을 갖도록 하십시오!

스퍼터 가스 압력

스퍼터 가스 압력을 낮추면 2중 메커니즘에 의해 증착 속도가 약간 증가합니다.

• 타겟을 떠나는 스퍼터링된 원자는 열 충돌을 덜 겪게 됩니다. '옆으로' 흩어질 가능성이 적고 더 많은 비율이 기판으로 계속되어 증착 속도가 약간 증가합니다.
• RF 또는 DC 전력을 사용하는 전력 제어 모드에서는 플라즈마-타겟 전압이 약간 증가합니다. 따라서 타겟에 충격을 가하는 이온은 더 높은 에너지를 갖게 되어 스퍼터링 수율과 결과적으로 스퍼터링 속도가 약간 증가합니다.

가스 압력을 낮추면 발생할 수 있는 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 횟수가 감소한다는 것입니다.

더 낮은 가스 압력/더 높은 플라즈마-타겟 전압 조합의 부작용은 타겟 근처에서 아크가 발생할 가능성이 더 높다는 것입니다.

대상 크기 늘리기

증착 속도를 높이는 방법으로서 이 옵션은 새 스퍼터 건, 챔버에 설치할 수 있는 충분한 공간 및 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 스퍼터링 속도가 높아집니다. 설명은 간단합니다. 더 큰 타겟 직경은 더 큰 스퍼터 트렌치 영역을 의미하며, 주어진 전력 밀도에 대해 증가된 트렌치 영역은 더 큰 스퍼터 속도를 의미합니다.

총 수

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

단점은 다수의 다중 건 시스템이 공증착 작업용으로 제작되지 않았고 전원 공급 장치가 하나만 있다는 것입니다. 동시 작동을 위해 추가 소모품을 구입하면 이 옵션의 비용이 높아질 수 있습니다.

트릭에 대한 주의사항

Al 및 Mg와 같은 반응성 금속 타겟은 초기에 얇은 산화물 코팅으로 덮여 있습니다. 해당 층이 '연소'되기 전에 대상은 아크를 일으키고 침을 뱉으며 가장 중요한 것은 낮은 전압에서 작동합니다. 산화물 층이 사라지면 전압은 새로운 수준으로 급격하게 상승합니다.

트릭을 사용하여 안정화하려는 것은 초기 저전압이 아니라 이 '깨끗한 목표' 전압 레벨입니다.

결론

예, 증착률을 높이는 방법이 있습니다. 불행하게도 손쉬운 전원 권선 옵션을 잘못 사용하면 기껏해야 목표물이 조금 슬프게 보일 것입니다. 최악의 경우 스퍼터 건이 갑자기 멈추거나, 물이 챔버로 새어 나오거나, 전원 공급 장치가 고장날 수 있습니다. 아니, 농담이에요! 최악의 경우 세 가지 모두 동시에 발생합니다.

구리 백킹 플레이트에 결합된 산화세륨 타겟은 인듐 결합을 녹이고 타겟을 깨뜨리는 힘으로 스퍼터링되었습니다.

1000W에서 스퍼터링된 3인치 직경의 인듐 주석 산화물 타겟(최대 권장 전력의 약 7배)

부적절한 냉각(10시 위치)과 과도한 출력을 '터프 러브' 처리한 알루미늄 도핑 산화아연 타겟

언제나 그렇듯, 질문이나 의견이 있으시면 techinfo@lesker.com 으로 이메일을 보내 주시면 작성자에게 전달될 것입니다.