스퍼터링

Sputtering
코넬 나노스케일 과학기술 시설의 상용 AJA 오리온 스패터링 시스템

물리학에서 스패터링은 고체 물질의 미세한 입자가 플라즈마나 [1]가스의 강력한 입자에 의해 물질 자체가 충격을 받은 후 표면에서 분출되는 현상이다.외계에서 자연적으로 발생하며, 정밀 부품에서 반갑지 않은 마모 원인이 될 수 있습니다.그러나 매우 미세한 재료 층에 작용하도록 만들 수 있다는 사실은 과학 및 산업 분야에서 활용되고 있습니다. 즉, 광학 코팅, 반도체 장치 및 나노 기술 제품의 제조에서 정밀한 식각, 분석 기술 수행 및 박막 층 퇴적 등에 사용됩니다.물리 증착 [2]기술입니다.

물리

에너지 이온이 대상 물질의 원자와 충돌할 때,[1][3][4] 그들 사이에 운동량 교환이 일어납니다.

선형 충돌 캐스케이드로부터의 스패터링.두꺼운 선은 표면의 위치를 나타내며, 그 아래의 모든 것은 물질 내부의 원자이며, 얇은 선은 원자의 탄도 이동 경로를 시작부터 물질 안에 멈출 때까지 나타냅니다.보라색 원은 들어오는 이온입니다.빨간색, 파란색, 녹색 및 노란색 원은 각각 1차, 2차, 3차 및 4차 반동을 나타낸다.두 개의 원자가 우연히 샘플에서 나와 스퍼터링됩니다.

"사고 이온"으로 알려진 이 이온들은 표적에서 충돌 계단식을 일으킵니다.이러한 캐스케이드는 많은 경로를 통과할 수 있으며, 어떤 캐스케이드는 목표물의 표면을 향해 후퇴합니다.충돌 캐스케이드가 대상 표면에 도달하고 남은 에너지가 대상 표면 결합 에너지보다 크면 원자가 방출됩니다.이 프로세스를 "스푸터링"이라고 합니다.표적이 얇으면(원자 규모로) 충돌 캐스케이드는 뒤쪽까지 도달할 수 있습니다. 이러한 방식으로 분출된 원자는 표면 결합 에너지를 "전달 중"에서 빠져나간다고 합니다.

입사 이온당 표적에서 분출되는 원자의 평균 수를 "스푸터 수율"이라고 합니다.스패터 수율은 이온이 물질 표면과 충돌하는 각도, 이온이 물질 표면과 충돌하는 에너지의 양, 질량, 대상 원자의 질량, 그리고 목표물의 표면 결합 에너지에 따라 달라집니다.타깃이 결정구조를 가지고 있는 경우에는 표면에 대한 축의 방향이 중요한 요소이다.

스패터링을 일으키는 이온은 플라즈마, 특수 제작된 이온원, 입자 가속기, 우주 공간(태양풍 등) 또는 방사성 물질(알파 복사 등)에서 발생할 수 있다.

비정질 평탄 타깃의 캐스케이드 상태에서의 스패터링을 기술하는 모델은 톰슨의 해석 [5]모델이다.프로그램 [6]TRIM에는 고에너지에서의 전자 스트리핑을 포함한 양자역학적 처리에 기초한 스패터링을 시뮬레이트하는 알고리즘이 구현된다.

물리적 스패터의 또 다른 메커니즘은 "열 스파이크 스패터링"이라고 불립니다.이것은 고체가 충분히 밀도가 높고 들어오는 이온이 충분히 무거워서 충돌이 서로 매우 가깝게 발생할 때 발생할 수 있습니다.이 경우 바이너리 충돌 근사치는 더 이상 유효하지 않으므로 충돌 프로세스는 다체 프로세스로 이해해야 합니다.고밀도 충돌은 열 스파이크(열 스파이크라고도 함)를 유발하여 결정의 작은 부분을 녹입니다.그 부분이 표면에 충분히 가까우면 액체가 표면에 흐르거나 미세탐사에 [7]의해 많은 원자가 분출될 수 있다.열 스파이크 스패터는 keV-MeV 범위의 에너지가 낮은 녹는점(Ag, Au, Pb 등)으로 밀도가 높지만 부드러운 금속을 충격하는 중이온(예: Xe 또는 Au 또는 클러스터 이온)에 가장 중요하다.열 스파이크 스패터는 종종 에너지와 함께 비선형적으로 증가하며, 작은 클러스터 이온의 경우 10,000개 [8]정도의 클러스터당 스패터링 수율을 극적으로 높일 수 있습니다.이러한 프로세스의 애니메이션에 대해서는 외부 링크 섹션의 "Re: 변위 계단식 1"을 참조하십시오.

물리 스패터링은 이온에서 목표 원자로의 최대 에너지 전달이 표면 원자의 결합 에너지와 동일한 이온 에너지 이상의 명확한 최소 에너지 역치를 가진다.즉, 이온이 원자가 표면에서 벗어나는데 필요한 것보다 더 많은 에너지를 표적으로 전달할 수 있을 때만 발생할 수 있습니다.

이 임계값은 보통 10~100 eV 범위입니다.

우선 스패터링은 다성분 고체 타겟이 폭격되어 고체 확산이 없을 때 시작 시에 발생할 수 있다.대상 컴포넌트 중 하나에 대한 에너지 전달이 더 효율적이거나 고체에 덜 강하게 결합되어 있으면 다른 컴포넌트보다 더 효율적으로 스퍼터링됩니다.AB합금 중 A성분을 우선적으로 스패터링하면 B성분 중에 고체의 표면이 농축되어 B성분이 스패터링되어 최종적으로 AB성분으로 되돌아갈 확률이 높아진다.

전자 스패터링

"전자 스패터링"이라는 용어는 에너지 전자(예를 들어 투과 전자 현미경)에 의해 유도되는 스패터링 또는 전자 들뜸이 [9]스패터링을 유발하는 고에너지 또는 고충전 중이온으로 인해 고체에게 에너지를 손실하는 스패터링을 의미합니다.전자 스패터는 절연체로부터 높은 스패터링 수율을 생성합니다. 스패터링을 일으키는 전자 들뜸은 도체처럼 즉시 소등되지 않기 때문입니다.이것의 한 예는 목성의 얼음으로 덮인 위성 유로파인데, 목성의 자기권으로부터 MeV [10]황 이온이 10,0002 HO 분자를 방출할 수 있습니다.

잠재적 스패터링

상용 스패터링 시스템

복수의 하전 발사체 이온의 경우, 전위 [11][12]스패터링이라고 불리는 특정 형태의 전자 스패터가 발생할 수 있습니다.이 경우 다중 하전 이온(즉, 중성 원자로부터 이 전하 상태의 이온을 생성하는데 필요한 에너지)에 축적된 위치 에너지는 고체 표면에 대한 충격(중공 원자의 형성) 중에 이온이 재결합할 때 해방된다.이 스패터링 프로세스는 충돌 이온의 전하 상태에 대한 관측된 스패터링 수율에 크게 의존하는 것이 특징이며 물리적 스패터링 임계값보다 훨씬 낮은 이온 충격 에너지에서 이미 발생할 수 있습니다.잠재적 스패터는 특정 대상 종에[13] 대해서만 관찰되었으며 최소한의 잠재적 [14]에너지를 필요로 한다.

식각 및 화학 스패터링

불활성 가스로 스패터링하여 원자를 제거하는 것을 이온 밀링 또는 이온 식각이라고 합니다.

스패터링은 화학활성 이온 및 래디칼에 의해 실행되는 플라즈마 프로세스인 반응이온 식각(RIE)에서도 역할을 할 수 있으며, 이 과정에서 스패터 수율은 순수 물리 스패터링에 비해 크게 향상될 수 있다.반응성 이온은 스패터 속도를 높이기 위해 2차 이온 질량 분석(SIMS) 장비에 자주 사용됩니다.Si의 불소 식각은 이론적으로 [15]잘 모델링되었지만 스패터링 향상을 일으키는 메커니즘이 항상 잘 이해되는 것은 아니다.

물리적 스패터링의 역치 에너지 미만으로 발생하는 것으로 관찰되는 스패터링은 종종 화학적 [1][4]스패터링이라고도 불립니다.이러한 스패터링의 이면에 있는 메커니즘은 항상 잘 이해되지 않으며 화학적 식각과 구별하기 어려울 수 있습니다.고온에서 탄소의 화학적 스패터링은 시료 내 유입 이온의 결합이 약해져 열활성화에 [16]의해 흡수되는 것으로 이해할 수 있다.낮은 온도에서 관찰된 탄소 기반 물질의 수소 유도 스패터는 H 이온이 C-C 결합 사이에 들어가 그들을 파괴함으로써 설명되었습니다, 이것은 신속한 화학 [17]스패터링이라고 불리는 메커니즘입니다.

응용 프로그램 및 현상

스패터링은 들어오는 입자의 운동 에너지가 기존 열 에너지( higher 1 eV)보다 훨씬 높을 때만 발생합니다.직류(DC 스패터링)를 사용하면 3-5kV의 전압이 사용됩니다.교류(RF 스패터링)를 사용하면 주파수는 약 14MHz 범위입니다.

스패터 청소

진공 상태에서 물리적 스패터를 사용하여 고체 표면을 오염물질로부터 청소할 수 있습니다.스패터 청소는 표면 과학, 진공 증착 및 이온 도금에서 자주 사용됩니다.1955년 판스워스, 슐리어, 조지 및 버거 박사는 저에너지 전자회절([18][19][20]LEED) 연구를 위해 초미세 표면을 준비하기 위해 초고진공 시스템에서 스패터 클리닝을 사용하는 것을 보고했습니다.스패터 청소는 이온 도금 공정의 필수적인 부분이 되었습니다.세척할 표면이 클 경우 이와 유사한 기술인 플라즈마 세척을 사용할 수 있습니다.스패터 청소는 과열, 표면 영역에서의 가스 유입, 표면 영역에서의 충격(방사선) 손상, 특히 오버할 경우 표면의 거칠어짐과 같은 몇 가지 잠재적 문제가 있습니다.스패터 세척 중에 표면을 지속적으로 재탐상하지 않으려면 깨끗한 혈장을 유지하는 것이 중요합니다.또한 스패터링된 물질이 기판에 재전입되는 것도 문제를 일으킬 수 있으며, 특히 높은 스패터링 압력에서 문제가 발생할 수 있습니다.화합물 또는 합금 재료의 표면을 스패터링하면 표면조성이 변화할 수 있다.종종 가장 질량이 적거나 증기 압력이 가장 높은 종은 표면에서 우선적으로 스퍼트되는 종이다.

성막

주요 기사 : 스패터 증착

스패터 증착은 실리콘 웨이퍼, 태양 전지, 광학 부품 또는 다른 많은 가능성 [21]등 "표적" 소스에서 "기판"으로 물질을 침식시키는 스패터 방식으로 박막을 증착하는 방법입니다.반대로 리스퍼터링은 퇴적물(예: SiO2)의 재방출도 이온폭격에 의해 이루어진다.

스패터 원자는 기체상으로 방출되지만 열역학적 평형 상태가 아니며 진공 챔버의 모든 표면에 퇴적하는 경향이 있습니다.챔버에 배치된 기판(웨이퍼 등)은 박막으로 코팅됩니다.스패터링 증착은 보통 아르곤 플라즈마를 사용한다.왜냐하면 희가스인 아르곤은 타깃 물질과 반응하지 않기 때문이다.

스패터 손상

스패터 손상은 보통 광전자 장치에 투명 전극을 증착할 때 정의되며, 이는 일반적으로 고에너지 종에 의한 기판의 충격에서 비롯됩니다.프로세스에 관여하는 주요 종과 대표 에너지는 다음과 같이 나열할 수 있다(값은 다음에서 [22]구함).

  • 대상 표면에서 스패터된 원자(이온)의 형성은 주로 대상 물질의 결합 에너지에 따라 결정된다.
  • 플라즈마(약 5–15 eV)에서 형성되는 음이온(캐리어 가스에서 발생)으로, 그 형성은 주로 플라즈마 전위에 따라 달라진다.
  • 표적 표면에 형성된 음이온(최대 400eV)으로, 주로 표적 전압에 따라 형성된다.•
  • 플라즈마에서 형성되는 양이온(~15eV)으로, 주로 부유 전위로 기판 앞에 떨어지는 전위에 의존합니다.
  • 대상 표면(20~50eV)에서 반사된 원자와 중화 이온으로, 주로 배경 가스와 스패터 원소의 질량에 따라 형성된다.

위와 같이 타깃 표면에 형성되어 기판을 향해 가속되는 음이온(ITO 스패터링의 경우 O, In− 등−)은 타깃 전위와 플라즈마 전위 사이의 전위에 의해 결정되는 가장 큰 에너지를 얻는다.에너지 입자의 플럭스는 중요한 파라미터이지만 산화물의 반응성 퇴적 시 고에너지 음이온이− 플라즈마에서 가장 풍부한 종이다.그러나 방전에 포함된 다른 이온/원자(예: Ar+, Ar0 또는 In0)의 에너지는 특정 장치 기술에서 표면 결합 또는 연질층을 분리하기에 이미 충분할 수 있다.또한 플라즈마(Ar, 산소 이온)로부터의 고에너지 입자의 운동량 전달 또는 타깃으로부터의 스패터링에 의해 물리적인(예를 들어 식각) 또는 민감한 기판층(예를 들어 박막 금속 할로겐화 페로브스카이트)의 열적 열화를 트리거할 수 있을 정도로 기판 온도가 상승할 수 있다.

이는 기본 전하 수송 및 수동화 층과 광활성 흡수체 또는 방출체의 기능 특성에 영향을 미쳐 소자의 성능을 잠식할 수 있습니다.예를 들어 스패터 손상으로 인해 손상 관련 계면 갭 상태에 의해 페르미 레벨의 핀 접속과 같은 불가피한 계면 결과가 발생하여 숏키 배리어 형성이 캐리어 수송을 방해할 수 있다.스패터 손상은 또한 광활성 물질에서 재료의 도핑 효율과 초과 전하 캐리어의 수명을 손상시킬 수 있습니다. 경우에 따라서는 그 정도에 따라 션트 [22]저항이 감소될 수도 있습니다.

식각

반도체 산업에서는 타깃을 식각하기 위해 스패터링이 사용됩니다.스패터 식각은 고도의 식각 이방성이 필요하고 선택성이 중요하지 않은 경우에 선택된다.이 기술의 주요 단점 중 하나는 웨이퍼 손상과 고전압 사용입니다.

분석용

스패터링의 또 다른 적용은 타깃 재료를 식각하는 것입니다.그러한 예 중 하나는 2차 이온 질량 분석법(SIMS)에서 발생하며, 여기서 타깃 샘플은 일정한 속도로 스패터링됩니다.타깃이 스패터화됨에 따라 스패터 원자의 농도 및 동일성을 질량분석법으로 측정한다.이것에 의해, 대상 재료의 조성을 결정할 수 있어 극히 낮은 농도(20μg/kg)의 불순물을 검출할 수 있다.또, 스패터가 시료내에 계속 깊게 식각되기 때문에, 깊이의 함수로서의 농도 프로파일을 측정할 수 있다.

우주에서

스패터링은 소행성이나 달과 같은 공기 없는 물체의 물리적, 화학적 특성을 바꾸는 과정인 우주 풍화의 한 형태이다.얼음 위성, 특히 유로파에서, 표면에서 광분해된 물이 튀어 나오는 것은 수소의 순손실과 생명에 중요한 산소가 풍부한 물질의 축적을 초래합니다.스퍼터링은 또한 화성이 대기의 대부분을 잃고 수성이 표면으로 둘러싸인 얇은 외기권을 지속적으로 보충하는 가능한 방법 중 하나이다.

레퍼런스

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외부 링크

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