DC 스퍼터링이란? RF 스퍼터링이란?
DC 스퍼터링과 RF 스퍼터링의 차이점은 무엇입니까?
소개
스퍼터링은 대상 물질의 박막을 기판에 증착하는 데 사용되는 메커니즘입니다. 이 프로세스는 가스 이온을 소스 물질로 방출하여 타겟 표면에서 가스 원자, 이온 및 분자를 스퍼터링합니다. 이렇게 방출된 입자에는 특정 운동 에너지가 포함되어 있어 금속 이온이 표면 이동성을 증가시킬 수 있습니다.
아래의 이 가이드는 DC 스퍼터링, RF 스퍼터링, DC 스퍼터링과 RF 스퍼터링의 차이점에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다. 스퍼터링이 어떻게 작동하는지 등등...
DC 스퍼터링이란
DC 스퍼터링(또는 직류 스퍼터링)은 직류를 전원으로 사용하는 박막 물리 증착 코팅 기술입니다. DC 스퍼터링은 금속 증착에 많은 이점을 제공합니다. 금속화 포장 플라스틱 및 시계 및 보석의 금속 코팅 생성과 같은 많은 제조 공정에서 인기가 있습니다.
DC 또는 직류 스퍼터링은 코팅으로 사용되는 타겟 재료에 이온화된 가스 분자가 충돌하여 원자가 플라즈마로 "스퍼터링"되는 박막 PVD(Physical Vapor Deposition) 코팅 기술입니다. 이렇게 증발된 원자는 코팅할 기판에 박막으로 응축될 때 증착됩니다.
직류(DC) 스퍼터링은 이온화된 가스 분자를 사용하여 대상 물질에서 플라즈마로 분자를 기화(스퍼터링)하는 박막 증착 기술입니다. DC 스퍼터링은 비용이 저렴하고 전 세계적으로 제어 수준이 높기 때문에 전기 전도성 타겟 재료에 선호되는 기술입니다.
직류 스퍼터링이란
DC 마그네트론 스퍼터링 프로세스는 타겟 기판에 평행한 타겟 재료를 포함하는 진공 챔버를 포함합니다. 진공 챔버에는 펄스 DC 전류에 노출될 때 충전되는 아르곤과 같은 고순도 불활성 가스가 포함되어 있습니다.
금속 타겟 물질은 음극(음극)으로 작용하고 기판은 양극(양극)으로 작용합니다. DC 전류가 시스템을 통과하면 아르곤 가스가 이온화되고 이온이 음으로 대전된 소스 금속과 강력하게 충돌하게 됩니다.
이러한 충돌은 대상 표면의 금속 이온을 플라즈마(이온화된 가스 이온과 전자의 혼합물)로 떨어뜨립니다. 양전하를 띤 기판은 음전하를 띤 플라즈마를 끌어당겨 기판 표면에 응결되어 중성 소스의 박막 코팅을 형성합니다.
DC 스퍼터링은 전도성 금속에 대한 일반적인 프로세스이지만 유전체 타겟 재료에 대해서는 잘 작동하지 않습니다. 이러한 대상 원자는 전하를 띠고 전자 밀도에 대한 아크 및 기타 중단으로 이어져 불균일한 증착 속도를 초래할 수 있습니다. 이러한 양이온의 축적은 전체 스퍼터링 경로의 기능을 중단시켜 재설정이 필요할 수도 있습니다.
DC 스퍼터링 공정
DC 스퍼터링은 PVD 금속 증착 및 전기 전도성 타겟 코팅 재료를 위한 가장 기본적이고 저렴한 유형의 스퍼터링입니다. 이 프로세스의 전원으로서 DC의 두 가지 주요 이점은 제어하기 쉽고 코팅을 위해 금속 증착을 수행하는 경우 저렴한 옵션이라는 것입니다.
DC 스퍼터링은 분자 수준에서 마이크로칩 회로를 생성하는 반도체 산업에서 광범위하게 사용됩니다. 보석, 시계 및 기타 장식 마감재의 금 스퍼터링 코팅, 유리 및 광학 부품의 무반사 코팅, 금속화 포장 플라스틱에 사용됩니다.
DC 스퍼터링 코팅 시스템의 기본 구성은 코팅할 대상 물질을 코팅할 기판과 평행한 진공 챔버에 배치하는 것입니다.
진공 챔버는 H2O, Air, H2, Ar을 제거하는 기본 압력으로 비워진 다음 고순도 불활성 공정 가스로 다시 채워집니다. 스퍼터링 박막 증착의 주요 원동력인 가스 이온을 생성하는 플라즈마. 일반적인 스퍼터 압력 범위는 0.5mTorr ~ 100mTorr입니다.
DC 전류는 음의 바이어스로 알려진 전자가 시스템에 들어가는 음극 또는 지점인 대상 코팅 재료에 적용됩니다. 애노드가 되는 코팅될 기판에도 양전하가 인가된다.
전기적으로 중성인 아르곤 가스 원자는 이 가스 원자가 음전하를 띤 타겟의 표면에 강력하게 충돌하여 먼저 이온화되어 플라즈마로 원자를 방출합니다. 대략 절반은 가스 이온으로 구성되고 나머지 절반은 뜨거운 가스와 같은 상태입니다. 눈에 보이는 플라즈마 글로우를 방출하는 전자.
그런 다음 이온화된 아르곤 가스 원자는 이온화된 가스 이온, 전자 및 증발된 타겟 코팅 원자를 끌어당기는 양극 또는 양전하 바이어스인 기판으로 구동되어 코팅될 기판에 박막 코팅을 응축하고 형성합니다. DC 마그네트론 스퍼터링은 음극 뒤의 자석을 사용하여 음전하를 띤 표적 물질 위에 전자를 가두어 전자가 기판에 자유롭게 충돌하지 않도록 하여 이전보다 더 빠른 증착 속도를 가능하게 합니다.
자기장은 가스 이온 형성의 효율성을 향상시키는 타겟 표면 근처에 전자를 가두는 경계 "터널"을 형성합니다. DC 마그네트론 스퍼터링은 더 높은 박막 증착 속도를 달성하는 더 낮은 가스 압력에서 더 높은 전류를 허용합니다.
DC 스퍼터링은 많은 유형의 금속 코팅을 위한 경제적인 솔루션이지만, 주요 제한 사항은 비전도성 유전체 절연 재료가 시간이 지남에 따라 전하를 취하여 아킹과 같은 품질 문제 또는 스퍼터링을 완전히 중단시킬 수 있는 전하.
DC 스퍼터링의 이러한 한계를 극복하기 위해 RF 또는 무선 주파수 스퍼터링, HIPIMS 또는 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링과 같은 몇 가지 더 복잡한 기술이 개발되었습니다. RF 스퍼터링은 타겟 또는 코팅 재료에 전하 축적을 방지하기 위해 무선 주파수에서 전하를 번갈아 가며 사용합니다. HIPIMS는 대상 코팅 재료에 집중된 매우 높은 전압, 짧은 지속 시간의 에너지 버스트를 사용하여 고밀도 플라즈마를 생성하여 플라즈마에서 코팅 재료의 높은 수준의 이온화를 발생시킵니다.
DC 스퍼터링의 상대적 단순성에도 불구하고 일반적으로 낮은 플라즈마 밀도와 높은 가스 밀도의 결과인 보다 복잡한 HIPIMS에 비해 증착률이 낮습니다.
그러나 훨씬 더 복잡한 구성, 케이블 연결 및 더 높은 에너지 비용이 필요한 RF 또는 HIPMIS 전원에 비해 DC 전원의 상대적 단순성으로 인해 DC 스퍼터링은 계속해서 금 스퍼터링 및 다른 전기 전도성 코팅.
DC 스퍼터링은 어떻게 작동합니까?
모든 유형의 스퍼터링 증착 효과와 마찬가지로 DC 마그네트론 스퍼터링에는 진공 챔버가 필요합니다. 또한 DC 전원, 양전하 스퍼터링 가스 원자, 타겟 재료 및 기판이 필요합니다.
이것은 DC 마그네트론 스퍼터링 시스템이 기판에 금속 코팅 재료를 증착하는 데 사용하는 프로세스입니다.
1, 박막으로 사용할 타겟 또는 코팅 재료를 진공 챔버에 넣습니다.
2, 진공 챔버는 원하는 기판에 평행하게 위치합니다.
3, 진공 챔버는 1 ~ 100 mTorr 사이의 챔버 압력으로 물, 공기, 수소 및 아르곤을 제거합니다.
4, 챔버는 아르곤 이온과 같은 불활성 공정 가스 이온으로 채워집니다.
5, 시스템은 대상 표면에 DC 전압을 적용합니다.
6, 대상 코팅재는 음극이 되고 기판은 양극이 된다.
7, 중성 아르곤 원자는 음으로 하전된 타겟과 충돌할 때 이온화되고 중화를 통해 생성되는 고밀도 플라즈마로 분출됩니다.
8, 이제 이온화된 가스 이온은 진공 상태에 남아 목표 원자를 분출합니다.
9, 이온화된 가스 분자가 기판으로 이동합니다.
10, 양이온은 기판에 응축되어 박막을 형성합니다.
자기장은 스퍼터링 타겟 위에 전자를 가두어 이온 충격을 방지하고 증착 속도를 높입니다.
전반적으로 DC 마그네트론 스퍼터링은 증착 속도가 높은 비교적 간단한 기술로, 제조업체가 많은 양의 표면 재료를 빠르고 경제적이며 효과적으로 기판에 증착할 수 있습니다. 이 프로세스는 유리 기판에 ZnO 필름을 증착하는 것과 같은 다양한 상업적 응용 분야에서 필수적입니다.
RF 스퍼터링이란
RF 또는 무선 주파수 스퍼터링은 특정 유형의 스퍼터링 타겟 재료에 쌓이는 전하를 피하기 위해 진공 환경에서 무선 주파수로 전류의 전위를 번갈아 가며 사용하는 기술입니다. 박막에 품질 관리 문제를 일으키는 액적 – 공정을 종료하는 원자의 스퍼터링을 완전히 중단시킬 수도 있습니다.
전통적인 DC 스퍼터링은 금과 같은 전기 전도체인 금속 타겟 코팅을 적용하는 비용 효율적인 방법입니다. 그러나 DC 스퍼터링은 극성 전하를 가질 수 있는 비전도성 절연 재료인 코팅인 유전체 타겟 재료에 관해서는 제한적입니다. 반도체 산업에서 사용되는 일반적인 유전체 코팅 재료의 예로는 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물 및 탄탈륨 산화물이 있습니다.
RF 마그네트론 스퍼터링은 음극 뒤의 자석을 사용하여 음으로 대전된 타겟 재료 위에 전자를 가두어 전자가 기판에 자유롭게 충돌하지 않도록 하여 더 빠른 증착 속도를 허용합니다.
시간이 지남에 따라 양전하를 주는 대상 면의 표면에 축적되는 양이온이 생성됩니다. 특정 지점에서 이 전하는 축적되어 코팅을 위해 방출되는 스퍼터링 원자의 완전한 분리로 이어질 수 있습니다.
RF 스퍼터링으로 전위를 번갈아 가며 대상 물질의 표면을 각 주기마다 축적된 전하로부터 "청소"할 수 있습니다. 포지티브 사이클에서 전자는 타겟 물질이나 음극으로 끌어당겨 음의 바이어스를 줍니다. RF 전원 공급 장치에 국제적으로 사용되는 13.56MHz의 무선 주파수에서 발생하는 주기의 음의 부분에서 스퍼터링할 타겟의 이온 충격이 계속됩니다.
RF 스퍼터링은 특정 응용 분야에 따라 여러 가지 이점을 제공합니다. RF 플라즈마는 DC 스퍼터링에서와 같이 음극 또는 대상 물질 주위에 집중되기보다는 전체 챔버에 걸쳐 확산되는 경향이 있습니다.
RF 스퍼터링은 더 낮은 압력(1-15 mTorr)에서 챔버 전체에 플라즈마를 유지할 수 있습니다. 그 결과 이온화 가스 충돌이 줄어들어 코팅 재료의 보다 효율적인 현장 증착이 이루어집니다.
RF 스퍼터링을 사용하면 타겟 재료가 전하 축적에서 각 주기마다 "청소"되기 때문에 아크 발생을 줄이는 데 도움이 됩니다. 아킹은 대상 물질 또는 음극에서 플라스마로 집중적으로 집중되고 국지적인 방전이 발생하여 불균일한 필름 증착 문제와 액적을 생성하는 곳입니다. RF 스퍼터링은 수많은 품질 관리 문제를 일으키는 아크를 생성하는 스파크로 이어지는 타겟 재료 표면의 특정 위치에 전하 축적을 크게 줄입니다.
RF 스퍼터링은 또한 타겟 재료 표면의 "레이스 트랙 침식" 생성을 줄입니다. 마그네트론 스퍼터링을 사용하면 마그네트론의 원형 자기장이 스퍼터 타겟의 표면에 가깝게 하전된 플라즈마 입자를 집중시키는 결과로 원형 패턴이 타겟 재료의 표면에 에칭됩니다. 원형 패턴의 직경은 자기장의 결과입니다.
RF 스퍼터링을 사용하면 전자가 자기장에 의해 덜 제한되는 RF 방전의 AC 특성으로 인해 레이스 트랙의 폭과 깊이가 훨씬 적습니다. 플라즈마는 더 넓게 퍼져 더 크고 더 넓고 얕은 경마장을 만듭니다. 이는 "레이스 트랙 침식"의 깊은 에칭 없이 대상 코팅 재료를 보다 우수하고 균일하며 효율적으로 사용할 수 있도록 합니다.
RF 스퍼터링의 또 다른 장점은 DC 스퍼터링과 같이 코팅할 기판이 절연되어 전하를 얻을 때 사라지는 양극 효과가 없다는 것입니다. 모든 표면은 작은 크기와 운동 에너지로 인해 이온보다 훨씬 빠르게 움직이는 전자의 결과로 플라즈마에서 전하를 생성합니다.
그러나 무선 주파수에서 전력의 AC 변조로 인해 RF 스퍼터링으로 코팅할 재료는 반주기마다 방전되고 절연되기 때문에 전하 축적이 크지 않습니다. 박막 증착을 중단합니다. RF 마그네트론 스퍼터링을 사용하면 자기장이 타겟 표면 근처에 전자를 가두는 경계 "터널"을 형성하여 가스 이온 형성 효율을 개선하고 플라즈마 방전을 제한합니다. 이러한 방식으로 RF 마그네트론 스퍼터링은 더 높은 증착 속도를 달성하는 더 낮은 가스 압력에서 더 높은 전류를 허용합니다.
무선 주파수 스퍼터링이란?
RF 스퍼터링은 코팅할 재료의 유형에 따라 많은 매력적인 이점을 제공하지만 고려해야 할 몇 가지 중요한 비용이 있습니다. RF 스퍼터링은 DC 전류 대신 전파를 사용하기 때문에 RF 스퍼터링의 경우 증착 속도가 상당히 느리고 훨씬 더 높은 전압이 필요합니다.
전파는 직류와 동일한 증착 결과를 얻기 위해 훨씬 더 높은 전압이 필요하므로 과열이 문제가 됩니다. RF 전원을 적용하는 것은 복잡하며 고가의 고전압 전원 공급 장치가 필요합니다. 추가 과열 문제를 일으킬 수 있는 고급 회로가 필요합니다.
또 다른 문제는 RF 전류가 도체를 통하지 않고 "표피" 또는 도체 표면을 따라 이동한다는 것입니다. 이는 특수 케이블링/커넥터가 중요함을 의미합니다.
RF 스퍼터링 속도와 관련하여 고려해야 할 또 다른 주요 고려 사항은 가스 이온화를 위한 기존의 마그네트론 스퍼터링과 같이 타겟 위에 포획되는 2차 전자의 부족으로 인한 증착 속도의 감소입니다. 모든 유형의 스퍼터링에서 플라즈마는 아르곤과 같은 불활성 가스의 분해 및 이온화에 의해 유지됩니다. 아르곤은 다른 불활성 가스, 헬륨 및 네온에 비해 질량이 크기 때문에 가장 널리 사용됩니다.
높은 무선 주파수에서 전류를 교류함으로써 플라스마에서 충분한 거리에 대해 전자를 가속 및 역전시키는 결과 운동 에너지로 인해 플라스마는 훨씬 더 낮은 압력으로 유지될 수 있습니다. 이온화된 가스 입자와 전자 사이의 질량 차이로 인해 기존의 마그네트론 스퍼터링과 같이 타겟 재료 위에 2차 이온이 포획되지 않고 플라즈마가 유지될 수 있습니다.
그러나 이것은 타겟 위의 2차 전자 부족으로 인해 DC 스퍼터링에 비해 증착 속도가 느려지는 결과를 낳습니다. RF 스퍼터링 증착 속도는 DC 스퍼터링 속도보다 느리고 전력 비용이 훨씬 더 높기 때문에 실제 수준에서 이것은 일반적으로 코팅할 더 작은 기판에 사용되는 RF 스퍼터링으로 해석됩니다.
RF 스퍼터링은 대부분의 박막 증착 코팅 유형에 사용할 수 있지만 많은 유형의 유전체 코팅(분극 전하를 취할 수 있는 비전도성 절연 코팅)에 선택되는 박막 증착 기술이 되었습니다. RF 스퍼터링은 산화알루미늄, 산화규소 및 산화탄탈륨을 포함한 마이크로칩 회로의 박막층 사이에 절연성이 높은 산화막을 생성하는 반도체 산업의 핵심입니다.
이제 볼 수 있듯이 절연 재료의 스퍼터링 증착은 DC 전원으로 수행할 수 없습니다. 산화물, 질화물 및 세라믹과 같은 재료는 매우 큰 DC 임피던스를 가지며 플라즈마를 발화하고 유지하기 위해 엄청나게 높은 전압이 필요합니다. 운 좋게도 이러한 재료의 임피던스는 적용된 전력의 주파수에 따라 변경됩니다. 무선 주파수(RF)에서 전달되는 전력과 자동 임피던스 정합 네트워크를 사용하여 회로의 총 임피던스를 일반적인 스퍼터링 환경에서 플라즈마 점화에 적합한 50Ω으로 조절할 수 있습니다.
RF(무선 주파수) 스퍼터링 프로세스는 일부 스퍼터링 타겟 재료에서 발생하는 원치 않는 전하 축적을 해결하는 것을 목표로 하는 DC 스퍼터링의 발전입니다. 이러한 전하 축적은 매우 파괴적일 수 있으며 필름 형성 중에 품질 관리 문제를 초래할 수 있습니다.
RF 스퍼터링은 고전압 RF 소스를 사용하여 진공 환경에서 전류의 전위를 번갈아 가며 사용합니다. 이 교류 전류는 하전된 플라즈마 입자 및 가스 이온화의 축적을 방지하여 기본적으로 모든 주기 후에 축적된 전하를 "정리"합니다. 첫 번째 주기에서 음전하를 띤 표적 물질을 사용하는 경우 이온화된 가스 이온은 주기가 끝날 때 양극에 남아 있습니다.
다음 주기는 역 분극을 사용하여 타겟과 기판의 전하를 변경하여 음전하 기판을 향해 이동하는 양전하 스퍼터링 가스 원자를 생성합니다.
펄스 DC 스퍼터링에 비해 RF 스퍼터링의 주요 단점은 상당히 낮은 증착 속도와 훨씬 더 높은 전력 요구 사항입니다. 전하 플라즈마 방전을 금속 타겟 표면에 더 가깝게 유지하기 위해 전원을 따라 강한 자기장으로 증착 속도를 개선할 수 있습니다. 이 기술은 또한 많은 전력을 소모하므로 대부분의 RF 전원 공급 장치가 올바른 신호를 생성하기 위해 최대 1,000V를 제공할 수 있습니다.
또 다른 단점은 모든 RF 스퍼터링 소스가 진공 챔버와 RF 전원 공급 장비 사이에 임피던스 정합 네트워크를 필요로 한다는 것입니다. 이 네트워크는 전체 스퍼터링 속도를 감소시킬 수 있는 RF 방전의 간섭을 방지합니다.
DC 대 RF 스퍼터링
직류 스퍼터링은 여러 마그네트론 스퍼터링 방법 중 하나입니다. 다른 하나는 고주파 스퍼터링 또는 RF 스퍼터링입니다.
이 두 프로세스의 주요 차이점은 해당 응용 프로그램에 있습니다. DC 스퍼터링은 전도성 재료 및 자성 재료에 적합합니다. 그러나 RF 스퍼터링은 산화막과 같은 전도성 및 비전도성 재료를 증착할 수 있습니다.
DC 전력은 또한 RF 전력과 구별되며 스퍼터링된 원자 뒤의 전압에 영향을 미칩니다. DC 스퍼터링은 직접 전하 전압을 사용하는 반면, RF 스퍼터링은 전하를 번갈아 사용하므로 더 복잡하고 값비싼 제조 공정이 필요합니다.
DC 및 RF 스퍼터링은 모두 스퍼터링 증착 기술이지만 이러한 프로세스는 스퍼터링 타겟의 재료 형태에 서로 다른 영향을 미칩니다.
DC와 RF 스퍼터링의 주요 차이점 중 하나는 전원입니다. 이름에서 알 수 있듯이 DC 스퍼터링은 직류를 전원으로 사용합니다. 한편, RF 스퍼터링은 대상 물질에 전하가 축적되는 것을 방지하기 위해 전하를 번갈아 가며 사용합니다.
RF 스퍼터링은 RF 전원 공급 장치 내의 교류로 인해 AC 스퍼터링이라고도 합니다.
DC 스퍼터링은 또한 RF 스퍼터링보다 증착 속도가 더 높습니다. DC 스퍼터링은 대형 기판에 많은 양을 증착하는 데 적합하지만 RF는 소형 기판에서 더 효과적입니다.
DC 및 RF 스퍼터링은 다양한 유형의 타겟 재료를 증착할 수 있습니다. DC 스퍼터링은 전기 전도성 타겟 재료를 증착할 수 있지만 RF 스퍼터링 방법은 전도성 및 비전도성 재료를 포함한 다양한 스퍼터링 타겟에 적합합니다.
마지막으로 DC 및 RF 스퍼터링은 복잡성과 가격대가 다양합니다. DC 스퍼터링은 덜 특수화된 프로세스를 사용하기 때문에 전반적으로 더 저렴합니다. RF 스퍼터링은 더 복잡한 프로세스를 포함하지만 다용도성과 우수한 캠페인 기간이 높은 가격대를 보완합니다.
DC 스퍼터링 검토
• 전원은 직류(DC) 방식입니다.
• 챔버 압력은 일반적으로 1~100mTorr입니다.
• 일반적으로 DC 전원은 효과적이고 경제적이기 때문에 전기 전도성 타겟 재료에 선호됩니다. 순금속 스퍼터링 타겟, 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni) 등.
• 대량의 대형 기판을 처리할 때 간단한 기술입니다.
• 일부 순수 금속 스퍼터링 타겟의 경우 증착 속도가 높습니다.
• 양전하를 띤 스퍼터링 가스는 DC 스퍼터링에서 타겟을 향해 가속되고 원자 방출이 기판에 증착됩니다.
RF 스퍼터링 Review
• 전원은 AC(교류)입니다. 전원 공급 장치는 종종 13.56MHz로 고정되는 고전압 RF 소스입니다.
• RF 피크 대 피크 전압은 1000V이고 챔버 압력은 0.5~10mTorr입니다.
• RF 스퍼터링은 적용 범위가 더 넓으며 전도성 및 비전도성 재료에 대한 모든 재료에 적합합니다. 그러나 유전체 스퍼터링 타겟 재료를 증착하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다.
• DC sputtering에 비해 증착률이 낮다.
• 고비용으로 인해 더 작은 기판 크기에 사용됩니다.
• RF 스퍼터링에는 두 가지 프로세스가 포함됩니다. 첫 번째 사이클에서 대상 물질은 음전하를 띤다. 이로 인해 원자의 분극이 발생하고 스퍼터링 가스 원자는 소스로 끌어당겨 원자를 아웃소싱합니다.
분극으로 인해 소스 원자와 이온화된 가스 이온이 대상 표면에 남아 있습니다.
• 두 번째 주기에서 대상은 양전하를 띤다. 역분극으로 인해 가스 이온과 소스 원자가 방출됩니다. 이러한 이온과 원자는 기판을 향해 가속되어 증착을 형성합니다.
