재스퍼터링에서 바이어스를 높여도 막이 더 천천히 자라는 이유

기판 바이어스를 높였는데 금속 막이 더 천천히 자란다. 이온이 표면으로 더 강하게 들어오면 증착도 빨라질 것 같지만, 들어온 에너지는 이미 붙어 있는 원자를 떼어내는 데 쓰일 수도 있다. 재스퍼터링은 성장 중인 막에서 원자가 다시 제거되는 과정이다. 최종 두께는 붙은 양만으로 결정되지 않는다.

공급과 제거를 같은 단위로 세기

스퍼터링에서는 입사 이온이 고체에 운동량과 에너지를 전달하고, 일부 표면 원자가 밖으로 나온다. 타깃에서 일어나면 막을 만드는 원자 공급원이 되지만, 기판의 막에서 일어나면 그 위치의 제거 항이 된다. MIT 강의 18의 15쪽은 스퍼터 수율이 입사 에너지, 이온과 타깃의 종류, 입사각에 영향을 받는다는 점을 설명한다. MIT 스퍼터링 원문

스퍼터 수율 Y는 입사 이온 하나당 떼어낸 원자의 수다. 막을 떼어내는 이온의 유량이 Fi라면 제거 유량은 YFi다. 특정 위치에 붙는 원자의 유량을 Fdep, 다른 위치에서 떨어졌다가 이곳에 다시 붙는 유량을 Freturn이라고 쓰면 국소 성장 속도는 다음처럼 정리할 수 있다.

v = (Fdep + Freturn − YFi) / N

N은 막의 단위 부피당 원자 수다. 부착·재유입·제거의 원자 유량을 atoms/cm²/s로 세고 N을 atoms/cm³로 쓰면 v는 cm/s가 된다. Fi는 ions/cm²/s이며, Y를 곱해 제거 원자 유량으로 바꾼다. Fdep에는 실제로 막을 이루며 붙은 중성 원자나 금속 이온의 기여를 넣는다. Fi는 막을 제거하는 충돌을 세는 항이다. 입사종이 막에 남기도 한다면 그 부착 기여와 제거 기여를 각각 포함해야 한다.

같은 공급에서도 순성장이 줄어든다

가상 단일 금속 막에서 Fdep = 10¹⁵atoms/cm²/s, Fi = 3×10¹⁴ions/cm²/s, N = 5×10²²atoms/cm³라고 하자. 재유입은 없고, 공급과 이온 유량은 고정한 채 수율의 효과만 비교한다.

Y = 0.5이면 제거 유량은 1.5×10¹⁴atoms/cm²/s다. 순유량 8.5×10¹⁴를 N으로 나누면 성장 속도는 0.17nm/s, 분당 10.2nm다. Y = 2일 때는 제거량이 6×10¹⁴로 늘어나 순성장 속도가 0.08nm/s, 분당 4.8nm로 줄어든다. Y = 4라면 제거량이 공급량을 넘어 분당 2.4nm의 순감소가 나타난다.

여기서 음의 속도는 충분한 두께의 기존 막을 깎는 초기 상태를 뜻한다. 막이 모두 없어지면 하부 재료가 노출되고 수율과 원자 밀도가 달라지므로 같은 음의 속도를 계속 적용할 수 없다. 또 실제 바이어스를 바꾸면 수율 외에도 이온 유량과 입사각, 금속 이온의 부착량이 달라질 수 있다. 위 숫자는 바이어스별 실측 곡선이 아니다.

떼어낸 원자가 어디로 가는가

홈의 입구에서 제거된 원자가 안쪽 표면에 다시 붙는다면, 표면 두께가 줄어드는 동시에 형상이 달라질 수 있다. 제거 자체가 새 물질을 만드는 것은 아니다. 다른 위치로 옮겨졌는지, 챔버 쪽으로 빠졌는지까지 추적해야 전체 수지를 이해할 수 있다. MIT의 형상 모델은 직접 입사, 재유입, 이온에 의한 제거를 별도의 항으로 합친다. 원문 12~13쪽에서 재스퍼터링을 단순한 손실률 하나로 처리하기 어려운 이유를 확인할 수 있다. MIT 증착 형상 모델

따라서 재스퍼터링이 늘었다는 관찰만으로 공정이 좋아졌거나 나빠졌다고 결론 내리기는 어렵다. 입구의 과도한 막을 줄이고 내부로 재분배하는 목적이라면 위치별 형상을 봐야 한다. 평면 두께가 목표여도 이온 에너지를 바꾼 조건에서 막의 기능이 유지되는지는 별도 확인이 필요하다.

바이어스를 높였는데 막이 얇아진 경우에는 공급과 제거가 함께 변했을 가능성을 살펴보면 된다. 순두께, 단면 형상, 입사종과 에너지 조건을 비교하면, 막이 덜 공급됐는지 더 많이 제거됐는지 판단할 근거가 생긴다.