스퍼터링 증착: 스퍼터링 증착: 작동 방식과 사용처

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짧은 답변

스퍼터링 증착은 에너지가 있는 이온을 사용하여 고체 타겟에서 원자를 떨어뜨리는 PVD 방법입니다. 그런 다음 이러한 원자는 진공 챔버를 통과하여 기판 위에 응축되어 박막을 형성합니다.

물질이 증기로 변할 때까지 가열하는 증발과 달리 스퍼터링은 당구공의 미세한 게임과 같은 물리적 운동량 전달 과정을 사용합니다. 이러한 차이로 인해 스퍼터링은 접착력 향상, 합금의 정밀한 조성 제어, 융점이 높은 재료를 증착할 수 있는 고유한 이점을 제공합니다.

금속, 합금, 세라믹, 반도체 등 거의 모든 고체 재료에서 밀도가 높고 잘 접착되는 필름이 필요한 경우 스퍼터링이 올바른 선택일 수 있습니다.

스퍼터링 증착 공정의 도식. Martins, R.M.S.. (2008). Ni-Ti 형상 기억 합금 필름의 성장 중 현장 X선 회절 연구 및 상호 보완적인 현장 특성화.

스퍼터링의 작동 원리

"스퍼터링"이라는 단어는 물리적 과정을 설명합니다. 다음은 단계별로 일어나는 일입니다.

1단계: 플라즈마 생성. 진공 챔버는 소량의 불활성 기체(거의 항상 아르곤)로 채워집니다. 타겟(음극)과 챔버 벽 또는 기판 홀더(양극) 사이에 고전압이 가해지면 아르곤 가스가 이온화되어 플라즈마가 생성됩니다.

2단계: 이온 가속. 양전하를 띤 아르곤 이온은 음전하를 띤 타겟에 끌립니다. 전압 차이가 이온을 가속합니다.

3단계: 원자를 느슨하게 합니다. 아르곤 이온이 표적 표면에 부딪히면 그 운동량이 전달됩니다. 전달량이 충분히 크면 표적 원자가 방출됩니다. 들어오는 하나의 이온은 충돌 캐스케이드를 통해 여러 개의 표적 원자를 녹아웃시킬 수 있습니다.

4단계: 진공을 통한 이송. 방출된 표적 원자는 진공 챔버를 통해 이동합니다. 일반적인 스퍼터링 압력(수 밀리터르)에서는 가스 충돌이 거의 없이 거의 직선으로 이동합니다.

5단계: 기판에 응축. 원자가 기판에 도착하여 응축되어 박막을 형성합니다. 도착하는 원자의 에너지가 증발할 때보다 훨씬 높기 때문에 원자가 표면에서 이동하여 밀도가 높고 잘 밀착되는 필름을 형성하는 데 도움이 됩니다.

이것이 스퍼터링입니다. 녹지 않습니다. 증발도 없습니다. 이온 충격에 의해 원자가 느슨해졌을 뿐입니다.

간단한 생각 방법

당구공(아르곤 이온)이 빽빽하게 들어찬 공 선반(표적 표면)에 부딪힌다고 상상해 보십시오. 그 충격으로 여러 개의 공이 서로 다른 방향으로 날아갑니다. 그 공 중 일부는 기판에 떨어집니다.

스퍼터링은 열 증발이 아닌 운동량 전달입니다. 그렇기 때문에 3,000°C에서 녹는 재료를 녹일 필요 없이 스퍼터링할 수 있습니다.

스퍼터링 대 증착: 주요 차이점

이 두 가지 PVD 방법은 종종 비교됩니다. 실질적인 차이점은 다음과 같습니다.

스퍼터링에서 더 높은 도착 에너지가 주요 이점입니다. 에너지가 높은 원자는 기판 표면에서 재배열되고, 공극을 채우고, 밀도가 높은 필름을 형성하여 접착력을 향상시킬 수 있습니다.

단점은 복잡성입니다. 스퍼터링은 플라즈마 생성 및 타겟 관리가 필요합니다. 증착은 뜨거운 도가니만 있으면 됩니다.

스퍼터링의 유형

스퍼터링은 하나의 기술이 아닙니다. 하나의 계열입니다. PVD 기초 시리즈에서는 각각을 별도의 기사로 다룹니다.

스퍼터링이 처음이라면 마그네트론 스퍼터링 (이 시리즈에서 별도로 다룸)부터 시작하세요. 가장 일반적인 생산 방법입니다. 그런 다음 증착할 수 있는 재료를 결정하므로 DC 및 RF 전원 공급 장치에 대해 알아보십시오.

스퍼터링에서 필름 품질에 영향을 미치는 요소

목표 순도. 순도가 낮을수록 필름에 불순물이 많다는 뜻입니다. 반도체 작업의 경우 99.95% 이상이 필요합니다. 장식용 코팅의 경우 99.9%면 충분합니다.

타겟 밀도. 밀도가 높은 타겟은 깨끗하게 스퍼터링됩니다. 다공성 타겟은 가스를 배출하고 아크를 형성하며 입자를 생성합니다. 중요한 작업에는 저밀도 타겟을 구입하지 마세요.

기본 압력. 아르곤을 주입하기 전의 압력입니다. 기본 압력이 높을수록 챔버에 잔류 수증기와 공기가 많아져 필름을 산화시키거나 오염을 일으킬 수 있습니다. 10-⁶ 토르 이상을 목표로 합니다.

스퍼터링 압력. 일반적인 범위는 2 ~ 20 mTorr입니다. 압력이 낮을수록 가스 충돌이 적고 방향성 증착이 더 많이 발생합니다. 압력이 높을수록 더 많은 산란이 발생하고 속도를 희생하면서 균일성을 향상시킬 수 있습니다.

기판 바이어스. 기판에 음의 바이어스를 적용하면 증착 중에 양이온을 끌어당깁니다. 이렇게 하면 필름이 조밀해지고 접착력이 향상되지만 필름 응력이 증가할 수 있습니다.

일반적인 응용 분야

반도체. 금속층 (Al, Cu, Ti, Ta) 및 확산 장벽(TiN, TaN)이 스퍼터링됩니다. 스퍼터링은 칩 제조에서 프론트 엔드 및 백 엔드 금속 증착을 지배합니다.

하드 드라이브.자기 기록 레이어와 읽기/쓰기 헤드 구조가 스퍼터링됩니다. 이는 가장 큰 규모의 스퍼터링 애플리케이션 중 하나입니다.

광학 코팅. 반사 방지 코팅, 거울 및 필터는 고밀도 및 내구성이 필요할 때 스퍼터링을 사용합니다.

장식용 코팅.시계, 수도꼭지, 자동차 트림의 금색 , 검정색 및 기타 컬러 마감은 종종 스퍼터링으로 처리됩니다.

박막 태양 전지의 투명 전도성 산화물과 금속 접점은 스퍼터링을 사용합니다.

절삭 공구의 TiN, AlTiN 및 CrN 코팅은 아크 증발도 일반적이지만 스퍼터링으로 적용할 수 있습니다.

스퍼터링 선택 시기

스퍼터링은 언제 선택해야 할까요?

• 밀도가 높고 잘 밀착되는 필름이 필요한 경우
• 소재의 융점이 높은 경우(텅스텐, 탄탈륨, 백금)
• 합금에서 정밀한 조성 제어가 필요한 경우
• 기판이 고온을 견딜 수 없는 경우
• 넓은 면적에 균일한 필름이 필요한 경우

증착을 선택하는 경우

• 가능한 가장 높은 순도가 필요한 경우(플라즈마 또는 표적 불순물 없음)
• 재료의 융점이 낮은 경우(알루미늄, 금, 은)
• 가능한 가장 간단한 시스템을 원하는 경우
• 기판 가열이 주요 관심사인 경우

알아야 할 제한 사항

가시선 증착. 증착과 마찬가지로 스퍼터링은 가시선 증착입니다. 깊은 구멍이나 복잡한 3D 형상의 측면을 잘 코팅하지 못합니다. 이러한 응용 분야에서는 CVD를 고려하십시오.

평면 시스템에서는 타겟 활용도가 떨어집니다. 경마장 에로젼 패턴은 타겟의 65~75%를 낭비합니다. 회전 타겟은 이 문제를 개선하지만 비용이 더 많이 듭니다.

입자 생성은 위험합니다. 아크 , 타겟 결함 또는 실드에서 벗겨짐으로 인해 결함을 유발하는 입자가 생성될 수 있습니다. 이는 반도체 스퍼터링에서 끊임없는 싸움입니다.

절연체에는 RF 전력이 필요합니다. 절연체를 DC 스퍼터링할 수 없습니다. 더 느리고 임피던스 정합이 필요한 RF 전력이 필요합니다.

결론

스퍼터링 증착은 다목적이며 생산성이 입증된 PVD 방법입니다. 거의 모든 고체 재료에 사용할 수 있고 접착력이 뛰어난 고밀도 필름을 생산하며 연구부터 대량 제조까지 확장할 수 있습니다.

주요 제한 사항은 가시선 증착과 평면 시스템에서 타겟 활용도가 낮다는 점입니다. 많은 응용 분야에서 이러한 한계는 스퍼터링이 제공하는 필름 품질과 재료 유연성에 대한 허용 가능한 절충안입니다.

스퍼터링과 증착 중 하나를 결정할 때는 두 가지 질문, 즉 재료의 융점이 높은가, 고밀도 필름이 필요한가? 두 가지 모두에 해당한다면 스퍼터링이 정답일 가능성이 높습니다.

스퍼터링 타겟 및 증착 재료 공급업체인Stanford Advanced Materials에서제공합니다 .