반응성 스퍼터링을 이용한 TiO₂ 박막 증착에서 O₂ 유량 변화에 따른 증착 환경 변화와 응용

Abstract

화합물박막을 제작하는 대표적인 방법 중 하나인 반응성 스퍼터링에서 반응 기체의 유량의 변화에 따라 박막 증착 조건의 변화를 조사하였으며, 특히 반응성가스의 유량을 변화시킬 때 발생하는 시간에 따른 증착환경의 변화와 그 변화 시간을 조사하였다. 본 연구에서는 스퍼터링 타겟에 Ti를 이용하고 진공 용기에 Ar 과 반응성 기체인 O₂를 주입하여 기판에 TiO₂ 박막의 증착을 유도하였다. 진공 용기 안에 주입되는 반응성 기체인 O₂가 미량인 경우 대부분의 O₂는 타겟에서 스퍼터되는 Ti에 의하여 진공 용기 표면으로 흡착된다. 특정값 이상의 O₂ 기체가 유입되면 타겟 표면 상태 변화에 의하여 증착 조건이 변하고 기판에 Ti 증착이 중단되며 TiO₂ 박막의 증착이 시작된다. 이는 여분의 O₂에 의하여 생성된 산화막층이 타겟 표면을 덮기 시작하면서 Ar 이온에 노출되는 Ti 표면이 감소하게 되어 타겟 표면에 입사하는 Ar 이온의 에너지를 대부분 이차전자방출에 소모하여 Ti 원자의 스퍼터링율을 감소시키기 때문으로 알려져 있다. 이는 O₂의 주입 전후 스퍼터건 주변에 생기는 플라즈마의 스펙트럼 변화와 진공 용기 내부의 압력 변화를 통하여 확인할 수 있다. 초기 증착 조건을 총 유량이 5sccm 일 때 내부 압력이 20mTorr로 유지되도록 진공 용기의 조건을 조절 하였다. 이 상태에서 RF 전력이 300watt 일 때 주어진 스퍼터 시스템에서 O₂ 유량의 변화에 따른 증착환경 변화의 이력현상을 측정하였다. 진공용기 내부의 가스 흐름과 스퍼터에 의한 내부 입자의 흐름이 정상상태일 때 금속 증착 모드(metallic mode)에서 화합물 증착 모드(compound mode)로는 O₂가 0.6sccm일 때 발생하였으며 화합물 증착 모드(compound mode)에서 금속 증착 모드(metallic mode)로의 전환은 0.1sccm에서 발생하였다. 진공용기 내부에 유입되는 Ar/O₂의 혼합가스의 총 유량을 5sccm이 되도록 유지한 상태에서 O₂의 유량을 시간에 따라 조절하였다. 150초간은 Ar만을 유입시킨 후 300초동안 Ar/O₂의 혼합가스를 유입하였으며 O₂의 유량을 1sccm에서 2.2sccm까지 변화시키며 3회 반복하여 진공 용기 안에서 증착환경의 변화를 플라즈마 발광인 O I 분광선(^(5)P₃→^(5)S^(0)₂,777.196nm)과 Ti I 분광선(^(5)F_(5)→^(5)G^(0)_(6), 498.173nm), 내부 압력, 두께측정기(thickness monitor)를 이용하여 관찰하였다. 인가되는 RF 전력이 300watt에서 Ar/O₂의 혼합 기체가 주입되면 O₂의 분압만큼 전체 압력이 감소하며, O I 분광선(^(5)P₃→^(5)S^(0)₂,777.196nm)이 검출되지 않았다. Ti의 증착이 중단된 상태에서 더 이상 Ti I 분광선(^(5)F_(5)→^(5)G^(0)_(6), 498.173nm)이 나오지 않음으로 확인할 수 있다. Ar만 유입된 상태에서 Ar/O₂ 혼합가스가 유입되기 시작하면서 기판에 증착속도는 약간 증가함을 나타낸다. 이는 Ti I 분광선과 내부 압력 변화 등을 통해 기판 표면에서 스퍼터된 Ti 입자에 의한 O₂ 분자의 흡착(gettering)에 의한 것으로 이해할 수 있다. 또한 Ar/O₂의 혼합기체가 유입되기 시작한 이후 기판에 Ti증착이 중단되고 TiO₂ 박막 증착 조건으로 완전히 바뀌기까지 걸리는 시간은 스퍼터건에 걸리는 RF 전력과 O₂ 유량에 따라 다르게 나타났다. 초기 증착 조건을 총 유량이 5sccm 일 때 내부 압력이 20mTorr로 유지되도록 진공 용기의 조건을 조절한 상태에서 RF 전력 300watt, 350watt, 400watt 각각에 대하여 O₂의 유량을 0.6sccm(12%)에서 2sccm(40%)까지 증가시키면서 조건이 변화하는 시간의 변화를 조사하여 O₂의 유량이 적을수록 RF 전력이 작을수록 증착환경이 빠르게 전환되는 것을 확인했다.