반도성 세라믹 공정장비기술

윤 명 구_ 성균관대학교 신소재공학과 박사과정
안 철 현_ 성균관대학교 첨단소재 기술연구소 박사 후 연구원
조 형 균_ 성균관대학교 신소재공학부 교수

1. 박막 형성 기술의 대분류: PVD와 CVD

박막을 기판 위에 형성하는 기술은 크게 물리적 기상 성장(Physical Vapor Deposition, PVD) 기술과 화학적 기상 성장(Chemical Vapor Deposition, CVD) 기술로 대별된다. PVD 기술에서는 목적하는 박막의 구성 원자로 이루어진 고체 타깃에 물리적인 작용(증발・승화, 스퍼터링)을 가하여 기판 방향으로의 운동량을 가진 원자・분자・클러스터 상태로 만들고, 이들이 기판 표면에 도달하여 물리적 흡착(반데르발스힘, 정전기력 등) 또는 화학적 흡착(공유・이온・금속결합) 과정을 거쳐 박막을 형성한다 [1, 2].
한편, CVD 기술에서는 목적하는 박막의 구성 원자를 포함하는 원료 가스(할로겐화물, 황화물, 수소화물 등)를 기판이 놓여진 공간(챔버)에 공급하고 이에 열・빛・전자기파 등의 에너지를 가하여, 기체 상태에서 혹은 기판 표면에서 원료 가스분자의 화학적 반응(열분해・산화・환원・중합 또는 기상화합 반응 등)이 일어나도록 만든다 [1, 2].
그리고 이를 통해 만들어지는 분해・중간・최종 생성물들이 기판 표면에서 물리화학적 흡착・추가적인 화학적 반응・해리를 거치면서 박막을 형성한다 [1, 2].

2. 스퍼터링 방법

스퍼터링 방법은 PVD 기술에 속하는 박막 형성법으로서 고속 입자를 타깃에 충돌시켜서 타깃 입자를 떼어내어 박막을 형성하는데 이때 영어의 스퍼터(sputter)라는 단어는 “탁탁 튀기다, 침이나 음식물을 튀기다”라는 뜻으로 가속된 입자에 의해 타깃 입자들이 튀어나가는 모습을 묘사한다.

2.1. 스퍼터링 방법의 기본 원리 [1-3]

그림 1에 스퍼터링 방법 중 가장 기본적인 2극 DC 글로우방전 스퍼터링 과정 중에 일어나는 현상들을 나타내었다. 예를 들어, 10mtorr의 Ar 분위기에서 전극 간에 수 kV의 직류 전압을 인가하면 그에 의해 가속된 전자들이 Ar 기체입자와 충돌하여 Ar 원자를 이온화시킨다(충돌이온화). 이 과정에서 나온 전자들 또한 다음 충돌이온화에 참여하고 결국 Ar 양이온과 전자의 수는 지수함수적으로 증가하게 되는데 이로써 글로우 방전이 발생하고 Ar 플라즈마가 형성된다.
이 플라즈마 속의 Ar 양이온은 음극 근방의 음극 전위 강하 (cathode fall potential) 및 인가한 전압에 의해 가속되어 타깃 음극 표면에 충돌, 타깃 입자들을 스퍼터 증발 (sputtering evaporation)시킨다. 또한 타깃으로부터 2차 전자를 방출시켜 다시 글로우 방전을 위한 씨앗으로 이용한다. 만일 입사하는 Ar 양이온의 에너지가 수 100 eV 이하이면 스퍼터되는 입자들의 대부분은 타깃을 이루고 있는 중성의 원자이고 이온화된 입자, 분자상 혹은 클러스터상의 입자가 일부 섞여있다. 이렇게 스퍼터된 입자들은 기판 방향의 운동량을 가지고 기판으로 이동하여 침착, 타깃 재료로 이루어진 박막을 형성한다.

그림 1. 2극 DC 글로우방전 스퍼터링의 기본 단계 [3]

2.2. 스퍼터링 방법의 종류 [1-5]

스퍼터링 방법에는 많은 종류가 있으며 크게는 고속 입자를 발생시키는 방법, 인가 전원의 종류, 전극의 구조 등에 따라 그림 2와 같이 분류한다. 고속 입자를 발생시키는 방법에는 크게 두 가지가 있는데, 하나는 글로우 방전(플라즈마)에 의해 발생된 양이온이 플라즈마와 플라즈마 내 물체 사이에 자발적으로 존재하는 음극강하영역(sheath) 및 인가된 바이어스에 의해 가속되는 글로우방전 스퍼터링 방법이다.
플라즈마를 이용하는 이 방법은 연구・산업현장에서 보편적으로 이용되고 있는 방법이기 때문에 보통은 글로우방전이란 말은 생략하고 그냥 스퍼터링 방법이라고 부르고 인가전원의 종류에 따라 DC 혹은 RF, 전극의 개수에 따라 2극 혹은 3극, 자기장을 사용하면 마그네트론이라는 단어를 붙여 그 스퍼터링 방법의 특징을 나타낸다. 이들에 대해서는 후에 자세히 설명하도록 하겠다.
한편, 고속 입자를 발생시키는 또 하나의 방법은, 이온원에서 발생한 이온빔을 고진공의 스퍼터실 내에 놓여진 타깃에 충돌시켜서 증착 입자를 발생시키는 방법이 있는데 그에 따라 이온빔 스퍼터링이라고 부른다.
이온빔 스퍼터링에서 이온원으로서 보통은 열 음극형의 카우프만 이온원을 사용하는데 이온원으로 전자 사이클로트론 공명형 이온원을 사용하는 경우에는 특별히 ECR 스퍼터링이라고 부른다. 이온빔 스퍼터링 방법은 성막속도가 느린 결점이 있지만 고순도의 박막을 제어성 좋게 증착시킬 수 있기 때문에 연구용으로 많이 이용하고 있다.
앞서 설명한 스퍼터 증착 장치의 시초라고 할 수 있는 2극 DC 스퍼터링 장치는 작업압력이 상당히 높아서(5~100mtorr), 후에 설명할 RF 스퍼터링 장치나 마그네트론 스퍼터링 장치만큼의 빠른 성막속도 및 고품질의 박막을 얻는 데에는 근본적인 한계가 있다. 따라서 작업압력을 낮추면서 동시에 전자에 의한 충돌 이온화율을 높이려는 노력이 경주되어 왔는데 그 하나가 바로 보조 열 음극을 추가로 설치해서 이온화에 기여하는 전자를 추가적으로 발생시키는 3극 스퍼터링 장치이다. 이에 더하여 자기장을 인가하여 열 음극에서 나온 전자들이 양극 및 보조양극에 도달하기까지 이동하는 유효 경로를 길게 만들어 기체분자와의 충돌기회를 늘려 이온화율을 높여 작업압력을 0.1~1mtorr까지 낮추기도 한다.
한편, DC 스퍼터링 장치에서 절연체 타깃을 사용할 경우에는 타깃 표면으로부터의 2차전자 방출로 인해 양전하가 계속 쌓이게 되는데 이로 인해 플라즈마와 타깃 표면 간의 전위차가 점차 줄어들게 되어 글로우 방전을 지속할 수 없게 된다. 따라서 타깃은 금속이나 반도체로 국한된다. 이를 해결하기 위하여 나온 장치가 바로 RF 스퍼터링 장치이다. 이 장치는 직류 전원을 고주파(radio-frequency, RF, 13.56 MHz)의 교류 전원으로 대체하여 절연체 타깃 표면에 이온과 전자가 교대로 충돌하게 함으로써 절연체 타깃 표면의 양전위로의 대전을 방지하여 타깃 표면을 지속적으로 스퍼터할 수 있다.
또한 고주파 방전에서는 방전 공간의 전자가 고주파 전기장에 의해 전극 간을 빠르게 왕복 진동하여 전자의 충돌이온화가 직류방전에 비해 효과적으로 일어나 1mtorr대의 낮은 작업압력 하에서도 성막이 가능하다. 이렇듯 고주파 글로우 방전을 이용하는 스퍼터링 장치는 금속부터 절연체에 이르는 임의의 재료를 고품질로 보다 빠르게 박막화할 수 있다는 장점을 바탕으로 1970년대부터 DC 스퍼터링 장치를 제치고 지금까지 스퍼터링 장치의 주류가 될 수 있었다.
마지막으로 마그네트론 스퍼터링 장치는 타깃 표면에서 Ar 양이온의 충돌로 발생한 2차 전자를 자기장을 이용하여 방전 공간 안에 가둬둠으로써 매우 효과적으로 플라즈마를 형성할 수 있어 1mtorr 이하의 매우 낮은 작업압력 하에서도 성막이 가능해 고품질의 박막을 재현성 있게 빠른 속도로 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한 이 종류의 스퍼터링 장치는 기존에 널리 사용되어 오던 전자빔 증착 장치에 비해 전극의 스텝 커버리지가 우수할 뿐만 아니라 스퍼터 방전으로 인한 반도체 디바이스의 손상도 실용상 문제가 없다. 게다가 SiO2, Si3N4 등 반도체 디바이스에서 폭넓게 사용되는 절연층의 증착도 균질하고 손쉽게 할 수 있어 반도체 IC, TFT-LCD 백플레인, OLED 백플레인 공정 등 최첨단 전자 디바이스 제작에 폭넓게 이용되고 있다.

그림 2. 스퍼터링 방법의 분류 [2]

2.3 스퍼터링 장치의 발전 방향 및 기술 개발 동향

모든 장치 산업이 그러하듯 스퍼터링 장치 산업 또한 산업계의 요구에 발맞추어 발전되어 왔다. 따라서 앞서 설명한 스퍼터링 방법 중 RF 스퍼터링과 마그네트론 스퍼터링 방법의 발명은 스퍼터 역사에서 어쩌면 당연한 흐름이었는지도 모른다.
이러한 산업계의 요구들을 구체적으로 살펴보면 1)대량 생산, 2)비용 절감, 3)기판의 대면적화, 4)박막의 고품질화 등이 있다. 이를 달성하기 위해서는 개별적인 스퍼터링 장치의 발전뿐만 아니라 이들의 시스템화가 중요하다고 할 수 있다. 따라서 여러 층의 박막을 증착 시 진공을 깨뜨리지 않고 연속적으로 박막을 증착할 수 있도록 하는 연속 공정 시스템은 대량 생산 및 비용 절감 측면에서 반드시 도입해야 하는 시스템이다.
연속 공정을 위한 스퍼터링 시스템은 그림 3과 같이 롤투롤(roll-to-roll) 방식, 일괄처리(batch) 방식, 직렬(in-line) 방식, 클러스터(cluster) 방식 등이 있는데 롤투롤 방식은 하나의 기다랗고 유연한 필름 형태의 기판을 롤러(roller)로 이동시키면서, 일괄처리 방식은 드럼에 기판을 여러 장 장착하고 드럼을 움직이면서 박막 증착을 연속적으로 진행한다. 그리고 직렬 방식의 경우는 여러 장의 작은 기판 혹은 상당한 크기의 평판 유리 기판을 트레이(tray)에 장착하여 직렬로 연결된 여러 개의 진공 챔버 사이를 이동시키면서 ‘넣고 닫고 증착, 열고 빼는(load/lock/deposition/unlock/unload)’ 과정을 반복하여 박막을 연속적으로 증착하는 방식이다.
PECVD를 활용한 비정질 실리콘 TFT에 ITO 및 금속 박막을 연속 증착하기 위해 LCD 공정에서 널리 쓰이던 이 방식은, 스퍼터링 방법을 이용하여 제작하는 반도성 세라믹 소자인 InGaZnO TFT를 활용한 OLED 공정에서는 기존의 LCD 설비를 보완・투자하여 계속 이용한다는 측면에서 더욱 중요하다고 할 수 있다.
마지막으로 클러스터 방식의 스퍼터링 시스템은 기판 이동용 챔버(transfer chamber)를 중심으로 몇 개의 증착용 챔버를 주변에 배치・연결하여 진공을 깨지 않은 채, 이동용 챔버 중앙에 장착한 로봇팔로 기판을 증착용 챔버에 ‘넣고 닫고 증착, 열고 빼는’ 과정을 반복하여 박막을 형성한다. 이러한 연속 공정 시스템은 스퍼터링 증착 외에도 진공 증착이나 CVD 기술 등과 결합해 하나의 복합공정을 이루어 태양전지 같은 반도성・전도성・절연성 세라믹 및 금속 등의 다층 박막 형성 시 활용하고 있다 [7].
기판의 대면적화는 특히 디스플레이 산업에서 중요한데 박막 두께 및 특성의 균일성 확보가 관건이라 할 수 있다. 이와 더불어 박막의 고품질화를 위해서는 스텝 커버리지 향상, 막 두께의 균일성 확보, 증착 시 기판의 온도를 균일하게 하고 기판에 도달하는 타깃 입자의 에너지가 적절하도록 제어해야 한다. 이를 위한 핵심 기술은 자기장을 이용하여 플라즈마를 제어하는 기술인데, 이를 통해 작업 압력을 낮추고 기판에 도달하는 타깃 원자의 이온화율을 높여 증착 속도를 향상시킴과 동시에 박막의 고품질화를 이루어내고, 타깃을 효율적으로 사용하도록 하여 비용을 절감할 수 있다.
그림 4의 왼쪽은 외부에 전자석 링을 추가하여 자기장을 변화시키는 비평형 마그네트론 방법으로서 오른쪽의 평형 마그네트론 방법과는 달리 플라즈마가 더 이상 타깃 근처에서만 머물지 않고 기판 쪽으로 흐르게 만들어 이온 전류를 크게 하여 박막의 접착력과 증착 속도 및 품질을 향상시킬 수 있어 현재 널리 이용되고 있다 [8].

그림 3. 연속 공정 스퍼터링 시스템

더 자세한 내용은 세라믹코리아 2013.11월호 참조

윤 명 구
2013
성균관대학교 신소재공학과 석사학위
2013~현재
성균관대학교 신소재공학과 박사과정

안 철 현
2009
성균관대학교 신소재공학과 석사학위
2013
성균관대학교 신소재공학과 박사학위
2013~현재
성균관대학교 첨단소재 기술연구소 박사 후 연구원

조 형 균
2002
한국과학기술원 재료공학과 박사
2002~2005
동아대학교 신소재공학과 교수
2005~현재
성균관대학교 신소재공학부 교수