스퍼터건(Sputter Gun) 자석 배치에 따른 특성 변화

1.    개요

1)     Magnetron Sputtering(마그네트론 스퍼터링)은 반도체, 디스플레이, 태양전지, 센서 등 다양한 산업에서 널리 사용되는 박막 증착 기술입니다. 이 방법은 진공 환경에서 플라즈마를 생성하고, 이온화된 기체(주로 아르곤, Ar)를 타겟(증착할 소재)과 충돌시켜 증착 시키고자 하는 원자들을 방출시키는 방식으로 작동합니다.

2)     Magnetron Sputtering의 가장 큰 특징은 자기장(Magnetic Field)을 활용하여 전자의 체류 시간을 늘리고 플라즈마 밀도를 높이는 것입니다. 이를 통해 증착 속도를 향상시키고, 균일한 고품질의 박막을 형성할 수 있습니다. 일반적인 열 증착 방식과 비교하여 높은 에너지를 이용하기 때문에, 보다 밀도가 높은 박막 형성이 가능하며, 다양한 재료(금속, 세라믹, 반도체 등)에 적용할 수 있습니다.

2.    자기장의 효과

1)     Magnetron Sputtering에서는 타겟 뒷면에 강한 영구 자석(Neodymium 등)을 배치하여 자기장을 형성합니다.

2)     자기장과 전기장의 상호작용(E×B 드리프트 효과)으로 인해 전자가 타겟 표면 근처에서 나선형 궤도를 형성하며 체류 시간이 증가합니다.

3)     전자가 플라즈마와 더 많은 충돌을 하면서 플라즈마 밀도가 증가 → 더 많은 Ar⁺ 생성 → 스퍼터링 효율 향상됩니다.

4)     장점

-       증착 가능: 플라즈마 밀도가 높아 스퍼터링 속도가 증가함.

-       균일한 박막 형성: 자기장으로 인해 플라즈마가 안정적으로 유지됨.

-       저온 증착 가능: 기판으로 전달되는 열이 낮아 열에 민감한 재료에도 사용 가능.

-       광범위한 재료 적용 가능: 금속, 산화물, 질화물, 반도체 등 다양한 소재 증착 가능.

-       고밀도 박막 형성: 높은 에너지 원자로 인해 밀도 높은 박막 형성이 가능.

5)    단점

-       타겟 침식 문제 : 특정 영역이 먼저 침식되어 타겟 수명이 감소할 수 있음.

-       저속 증착 문제 : 화학 기상 증착(CVD)보다 속도가 느릴 수 있음.

-       강자성 타겟의 자기장 왜곡: Fe, Co 같은 강자성 물질을 사용할 경우 자기장이 타겟을 통해 변형됨.

3.    원형 공초점 스퍼터 건의 자석 배열

1)    자석 중심과 바깥 방향에 따른 S-N-S, N-S-N 으로 구분.

(1)  가운데 N극, 주변 S극

-       자기장은 중심에서 바깥쪽으로 퍼지는 형태로 형성됩니다.

-       전자가 중심을 기준으로 원형 궤도를 그리면서 타겟 표면 근처에 머무르는 시간이 길어집니다.

-       전자의 체류 시간이 증가하여 스퍼터링 효율이 높아집니다.

(2)  가운데 S극, 주변 N극

-       자기장이 바깥에서 중심으로 수렴하는 형태로 형성됩니다.

-       전자의 궤적이 중심으로 향하는 방향으로 변화합니다.

-       플라즈마 분포가 달라져 타겟의 침식 패턴이 바뀔 가능성이 있습니다.

-       자성체 재료를 스퍼터링 할 경우 적합한 방식이 될 수 있습니다.

※    타겟 표면에서 자기장이 수직이 아니라 수평으로 형성되도록 합니다.

※    강자성체를 사용하는 경우 N-S-N, S-N-S가 사용 되기도 합니다.

2)    자력 필드에 따라서 Balanced 와 Unbalanced 으로 구분.