RF 마그네트론 스퍼터링을 이용한 박막증착과정에서 OES를 이용한 플라즈마 진단

Abstract

박막 증착의 대표적인 방법 중 하나인 RF 마그네크론 스퍼터링을 이용하여 박막을 증착하는 과정에서 광 방출 분광 분석(OES)을 사용하여 플라즈마를 진단하였다. 스퍼터링에서 가장 많이 쓰이는 아르곤 가스의 반응단면적(cross section)과 맥스웰 속도 분포함수(EEDF)를 이용하여 아르곤의 에서 발생하는 여섯 개의 파장의 세기의 비를 전자온도의 함수로 계산하였다. 이중 전자온도의 변화에 대해 가장 선형적으로 변하는 5개의 함수를 사용하여 아르곤 플라즈마에서 전자 온도를 산출하였고 랑뮈어 탐침(langmuir probe)을 사용하여 광학적인 계산 치와 비교하였다. 전자밀도의 측정은 전자온도에 대해 거의 세기의 변화가 없는 두 개의 파장을 선택하여 산출하였다. 위의 방법을 사용하여 펄스로 변조된 RF 마그네트론을 이용한 구리 박막의 증착과정에서 시간분해능을 갖는 플라즈마의 진단을 하였다. 이를 위해 RF 마그네트론 스퍼터링 챔버에 펄스로 변조가 가능한 13.56MHz의 RF Generator를 사용하였고 광학적인 진단과 전기적인 진단을 위해 ICCD와 VI-probe를 사용하였다. Thickness monitor를 사용하여 같은 전력에서 연속모드 보다 펄스모드가 증착율이 높은 것을 확인하였고, 이를 분석한 결과 펄스모드에서 플라즈마가 켜지는 순간 전달되는 전력의 증가와 함께 전자 온도가 급격하게 높아지는 것을 확인하였다. 이후 전력은 연속모드와 마찬가지로 일정하게 유지되었고, ‘sputtering wind'의 효과로 인해 전자온도는 약간 증가하였으며 구리 파장의 세기는 점차 감소하였다. 또한 구리 박막의 증착율과 시간에 대해 합산된 구리파장의 세기가 같은 형태를 같은 것을 확인하였고, 이를 이용하면 펄스모드에서 상대적으로 적은 전력을 사용하여 연속모드일 때 보다 증착율을 높일 수 있다. 마지막으로 반응성 스퍼터링(reactive sputtering)의 진단을 위해 질소 플라즈마에서 OES방법을 이용하여 질소 분자의 회전온도, 진동온도 및 전자온도를 측정하였다. 이를 위해 질소 분자의 회전 스펙트럼 및 진동 스펙트럼을 이론적으로 계산하여 측정된 스펙트럼과 비교하였다. 전자온도는 위에서 사용한 line ratios method 방법을 사용하여 전자온도의 변화에 대해 특정파장의 세기의 비를 계산하였다. 이를 이용해서 측정치로부터 전자온도를 구하였다.