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플라즈마 물리의 기초

플라즈마 물리의 기초. 강의 10. Sputtering 원리 1. Sputtering deposition 은 활성된 입사 입자들의 충돌에 의한 Target 의 입자 방출로서 이루어지는 증착과정 . 충격에너지는 Target 물질을 증발시키는데 필요한 열에너지의 약 4 배 이상의 에너지를 가져야 물질에서 원자를 때려 탈출시키는데 충분 . Base pressure 는 10 -6 Torr 이며 Ar 와 같은 불활성 가스를 사용하여 1~100 mTorr 의 압력

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플라즈마 물리의 기초

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Presentation Transcript

  1. 플라즈마 물리의 기초 강의 10

  2. Sputtering 원리 1 • Sputtering deposition은 활성된 입사 입자들의 충돌에 의한 Target의 입자 방출로서 • 이루어지는 증착과정. • 충격에너지는 Target 물질을 증발시키는데 필요한 열에너지의 약 4배 이상의 에너지를 • 가져야 물질에서 원자를 때려 탈출시키는데 충분. • Base pressure는 10-6 Torr이며 Ar와 같은 불활성 가스를 사용하여 1~100 mTorr의 압력 • 상태에서 Glow discharge를 유지. • 화학적, 열적 과정이 아닌 Physical momentum exchange process로 거의 모든 물질을 • Target으로 사용할 수 있음.

  3. Sputtering 원리 2 • 이온이 Target에 직접 충돌할 때에는 표면에서 • 방출되는 2차 전자와의 결합으로 대부분이 • Neutral한 상태로 충돌. • 입사 이온의 에너지는 대부분(약 75%)은 격자에 • 전달되어 열로 방출

  4. DC Sputtering 1 1. DC sputtering 기본 원리 • Target은 음극으로 사용되며, Negative voltage가 인가됨. • Target은 주로 Solid 형태이나 Powder, Liquid도 사용이 가능. • DC sputtering에서는 가스 압력조절이 중요. • - 압력이 너무 높으면 증착속도가 감소 (이온과 Sputter된 원자의 운동이 가스 • 운동에 의해 방해 받음). • - 압력이 너무 낮으면 Plasma 자체가 발생되질 않음.

  5. DC Sputtering 2 2. Sputtering 가스 • 반응성이 없어야 하므로 가스는 • 불활성 가스가 사용됨. • 무거운 이온일수록 높은 Sputtering • yield (충돌 이온당 Sputtering된 • 원자수)를나타내지만 낮은 가격 • 때문에 주로 Ar이사용됨. 3. Electrode separation Electrode 사이의 거리가 길면 이차전자가 양극에 도달하기 전에 이온화 충돌 횟수가 증가하나, 너무 거리가 길면 생성된 이온이 음극에 도달하기전에 에너지를 잃어 버려 적절한 조절이 필요.

  6. RF Sputtering • 전도성 및 비전도성 Target 모두에 사용 가능함. • 주파수 범위에서는 전자의 운동만 영향을 받으므로, 외형상으로정지해 있는 이온들 • 사이로 전자가 앞뒤로 운동하는 것처럼 보임. • Oscillating electron에 의한 가스와의 충돌이 더 커져 Ionization을향상시킴. • DC discharge에서는 2차 전자가 Ionization process에 충분한 에너지를 공급하기 전에 • 양극으로 소멸되지만 RF는 두전극이 Plasma에비해서 Negative potential을 가지므로 • 전자를 Reflect시켜서 Ionization에 충분히 이용함. • Chamber 내 압력을 10 mTorr 이하로 사용이 가능. • 낮은 압력에서는 Sputter된 물질이 Substrate로 도달하는 동안에 Scattering이상대적으로 • 감소하여 높은 Sputtering Yield 값을 가짐.

  7. PECVD 개요 • PECVD (Plasma enhanced chemical vapor deposition)는 Plasma를 • 이용한 증착으로 저온에서 양질의 막 (a-Si, 산화막, 질화막 등)을 증착. • Plasma 상태에서 이온이나 중성입자들이 전자 대비 상대적으로 낮은 • 에너지를 갖고 있으나 주로 전자들과의 충돌에 의하여 여기 되거나 • Radical를 형성하여 저온에서도 반응이 일어남. • PECVD에서 막이 증착되는 4 단계 • 1) 자유전자의 활성화 : 자유전자들이 전기장에 의해 가속 • 2) Feed gas의 전리 : Source 가스가 전자와 이온으로 전리 • 3) Precursor의 형성 • 4) 기판 표면과 반응하여 막 형성

  8. PECVD 장비/Material

  9. a-Si 증착 Mechanism 1 • a-Si 을생성하는 화학식 • - SiH4 (gas) → Si (solid) + 2H2 (gas) • a-Si 증착되는 4 단계 • 1) 자유전자의 활성화 : 자유전자들이 전기장에 의해 가속 • 2) Feed gas의 전리 : Source 가스가 전자와 이온으로 전리 • 3) Precursor의 형성 • - 충돌에 의해 Source 가스인 SiH4로부터 일차적으로 4가지의 • Precursor 형성 • - Precursor와 Source 가스가 서로 반응하여 Precursor를 다시 생성 • - Precursor 중에서 실제로 증착에 주로 작용하는 것은 SiH3이며 • SiH4가 SiH3로 분해되는 비율은 약 0.1% 정도

  10. a-Si 증착 Mechanism 2 4) SiH3가 표면쪽으로 Drift Diffusion한 후 표면과 반응 - SiH3가 표면의 Si Dangling bond와 결합하여 높은 내부에너지의 Si-SiH3그룹을 형성하고 후에 수소가 빠져나가면서 a-Si film이 증착 됨.

  11. Dry Etching Mechanism 1

  12. Dry Etching Mechanism 2

  13. Etching 장비 RF capacitively coupled plasmas PE (Plasma Enhanced) Mode RIE (Reactive Ion Etching) . Self-bias가 작음 . Chemical 반응 . Damage가 작음 . 등방성 식각 . Self-bias가 큼 . Ion Enhanced Chemical 반응 . Damage가 큼 . 이방성 식각

  14. RIE (Reactive Ion Etching) • Chemical activity of reactive species generated in the plasma • & Physical effects caused by ion bombardment • Both the reaction step and the removal of the volatile reaction • products formed on the etched surface are enhanced by ion • bombardment.

  15. Etching Gas • Freon gas 또는 Fluoro-carbon 계통의 gas가 사용됨 • Ar, He과 같은 불활성 gas와 H2, O2 gas 등이 주 Etching 반응 Gas와 • 혼합된 형태로 사용됨 • Al의 경우 By-product의특성 때문에 Chlorine gas로 식각 • Photoresist는 O2 gas를 이용

  16. Si / SiO2Etching • Etching of SiO2 and Si in a CF4 plasma • Adding an oxidizing agent such as O2 • to a CF4 glow discharge increases • the amount of free F. • At higher oxygen concentrations, the etch • rate drops again. This can be ascribed in part • to a lowering in free F because of gas-phase • recombination.

  17. AlEtching • Aluminum is quite stable under normal atmospheric conditions, • resulting from the immediate formation of a very inert native oxide • when it is exposed to air or water. • Aluminum hexachloride is formed readily on exposure of aluminum • with molecular chlorine. • This reaction will only start after the native oxide has been removed. • To remove the native oxide, the Lewis acid BCl3 is added to Cl2.

  18. 기말고사 • ★ 일시 : 12/15 화요일 • DC 플라즈마가 발생할 때의I-V 특성Curve를 그리고 각각의 영역의 이름을 • 기술하시요. 그리고 전압이Vb(Breakdown voltage)에 도달하면3가지의 현상 • (Three spontaneous processes)의 의해Avalanche process가 발생하는데 • 3가지의 현상을 설명하시요. • DC 플라즈마 대비RF 플라즈마의 장점5가지를 설명하시요. • RF 플라즈마에서 면적이 작은 전극에 캐패시터(Capacitor)를 연결하고 • 플라즈마를 발생시키면 마이너스Self-bias가 발생하는데 이유를 설명하시요. • Penning ionization/dissociation을 설명하시요. • 양이온이 금속표면에 충돌하면 이차전자(Secondary electron)가 발생하는데 • 이차전자 발생 Mechanism을 설명하시요.

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