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Blogholic 2015. 3. 23. 11:39

 

 Thin film이라고 하는 것은 사전적으로 기계적으로 만들어질 수 없는 얇은 막을 말합니다.

반도체에서는 이 thin film을 이용하여 금속 도선과 절연층 등 소자에 필요한 layer들을 만들어 나갑니다.

Thin film의 성질은 일반적으로 bulk film과 많이 다릅니다. (같은 재료를 사용한 것이더라도 말이죠..)

또한 thin film의 성질은 thin film nucleation과 growth에 많은 영향을 받습니다.

따라서 이번 주제는 thin film의 성장과 thin film의 기계적 특성에 대한 것입니다.

 

 막의 구성물과 두께는 submicron의 구조로 용이하게 etching을 하기 위해서 정밀히 조절되어야 합니다. 또한 ULSI를 위해 미세한 linewidth와 고밀도, 그리고 대면적을 위하여 핀홀과 같은 부분적인 결함과 막의 결점 모두 낮은 밀도를 유지해야 합니다. (간단히 형성된 막에 결함과 결점들이 최소가 되어야 한다는 말이죠..)

하부 막의 평편도가 낮다면 위의 막의 거칠기는 더욱 증가할 것입니다. 따라서 ULSI thin film에서는 높은 접착력과 낮은 스트레스 그리고 등각의 특성이 요구됩니다. 물론 표면의 평편도는 가능하면 높은 것이 좋겠습니다.

절연층으로 사용되는 thin film의 경우, thin film의 두께가 얇아지면 얇아질 수 록 기생 커패시턴스의 값을 줄이기 위해 유전상수의 값이 낮아야 하는 경우도 있습니다.

 

Thin film의 특성은 bulk material들과 다르게 표면의 특성에 영향을 많이 받습니다.

이와 같은 막들의 형성은 개념적으로 세가지 그룹으로 나눌 수 있습니다. 첫째로 기판과 증착되는 종들과의 상호작용에 의한 성장이 있고, 둘째로 기판의 물질과 어떤 작용없이 증착되는 경우가 있습니다. 그리고 셋째로 액상의 용액을 이용하여 기판을 코팅하는 경우가 있습니다.

첫번째의 대표적인 예가 산화공정이고, 두번째는 CVD나 PVD를 예로 들 수 있습니다. 그리고 세번째는 spin-coating을 들 수 있을것 같습니다.

 

 thin film은 일반적으로 기판 위에서 Nucleation(핵생성)과 growth(성장)을 통하여 island(섬)들이 형성되고, 이 island(섬)들이 합쳐지면서 형성이 됩니다. 기판 위에서 Nucleation의 형성은 입자들에 의해서 형성됩니다. 위의 그림은 thin film이 형성되기 시작하는 초기 과정으로 기판 위에서 일어나는 일련의 일들을 보여줍니다.  우선 기상 입자(또는 원자나 분자)들이 기판에 impingement(충돌)하는 것이고, 다음은 충돌 후 기판 위에서 입자들이 부착되는 현상들이 일어납니다. 입자들이 충돌 후 어떤 이동없이  부착되는 것을 physisorption이라고 하고, 이동 후 부착되는 현상을 chemisorption이라고 합니다. 또는 충돌 후 기판에 잠시 머물다가, 혹은 충돌후 바로, re-evaporation(증발)되기도 합니다. 표면에 있는 입자들이 표면을 떠돌다가 다른 입자들과 만나서 하나의 안정한 cluster(또는 Nuclei, 핵)을 형성합니다. 이 과정이 Nucleation이라고 합니다.

 

일반적으로 안정한 핵을 형성하려면 과포화된 증기가 필요하고, critical  radius(임계 반지름)가 작아야 합니다.

 

 임계 크기의 cluster(nuclei, 핵)이 형성된 이후에 thin film의 성장이 시작됩니다.

막의 성장은 크게 island stage, coalescence stage, channel stage 그리고 continuous film 네 단계로 구분할 수 있습니다. 첫째로 기판에 입자들이 충돌되어 균일한 크기의cluster들이 형성됩니다. 이 cluster들의 성장은 3차원적으로 일어나지만, 성장이 주로 입자의 직접적인 충돌보다는 adatom들의 표면 확산에 의하여 일어나기 때문에, 기판에 평행한 방향으로 성장이 수직한 방향으로의 성장보다 더 빨리 일어나게 됩니다. 이 단계에서 핵은 결정의 모양으로 잘 형성됩니다.

 

다음은 coalescence(융합)의 과정입니다. 오른쪽 위의 그림은 둥근 모양을 하고 있는 두 개의 핵이 합쳐지는 과정을 보이고 있습니다. 합쳐지기 전에 확실한 결정성을 보였던 핵들이 과정 중에 잠깐 변했다가 다시 결정성을 보여주게 됩니다. island가 합쳐져 새로운 island가 되는 상황은 오른쪽 아래 그림에서 잘 보여줍니다. 이 현상은 연속막이 형성될 때까지 계속 됩니다.

 

Island가 성장하고 합쳐진 후에는 다시 결정성 모양으로 회복되면서 큰 모양의 변화를 겪게 됩니다. 길쭉한 모양으로 변하기도하는데, 이러한 길쭉한 모양의 island들이 합쳐질 때 island가 만나기 시작하는 곳에 불규칙적이며, 좁은 channel이 형성됩니다. 증착이 진행되면서 2차 핵 생성이 일어나고, 이러한 2차 핵이 성장해서 큰 island와 합쳐지는 동시에 channel내에bridge를 형성하고 결국 channel은 소멸하게 됩니다. 이 과정이 연속적으로 되면서 막이 형성됩니다. 박막이 성장하는 동안 island의 방향 전환이 많이 일어나며, 재결정 또한 일어나기도 합니다.

 

 만일 기판으로부터 막이 벗겨지면, 소자의 불량이 발생되기 때문에 thin film에서 adhesion(접착력)은 중요한 요소가 됩니다. 이 접착력을 측정하기 위해서 초기에는 tape test 또는 abrasion(긁기) test로 접착력을 측정하였습니다. 우선 tape 방식은  막에 tape을 부착한 뒤 벗겨내는 방식으로 진행하는 것이고, abrasion 방식은 막을 긁어봄에 의해서 측정이 이루어 지는 방식으로 abration 방식은 접착력 뿐만 아니라 막의 경도에 대한 결과도 나타냅니다.

 

접착력은 기판의 청결도에 양향을 받습니다. 일반적으로 표면의 오염은 접착력을 줄입니다. 따라서 증착공정 전에 cleanning 공정은 증착공정을 위해서 상당히 중요한 요소가 됩니다.

 

표면의 거칠기는 접착력에도 영향을 줄 수 있습니다. 거칠기의 증가는 접착력을 증가시킵니다. 왜냐하면, 평편한 표면보다도 더 많은 표면에서 접착이 일어나기 때문이죠. 그러나 지나치게 거칠게 되면 접착불량을 유발하는 코팅 결함이 발생하게 됩니다.

 

 


본 글은 오타 및 오류가 있을 수 있음을 알려드립니다. (본 저자가 아직도 부족한 부분이 많아서.. )

참고 문헌)Silicon processing Vol.1 (S. Wolf) & 박막 형성의 원리 I: 핵생성 및 성장( 이호영)

 

 

출처 : 21th vision
글쓴이 : Vincent 원글보기
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