CVD 공정 중에서도 실제 많이 사용되는 PECVD 공정에 대해 알아보겠습니다.
*PECVD란?
PECVD란 Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition의 약자로 Plasma를 이용하여 박막을 증착시키는 공정입니다. 그렇다면 PECVD를 알기 전에 Plasma에 대해 알아야겠죠?
*Plasma란?
Plasma란 물질의 4번째 상태를 말합니다. 쉽게 말해서 고체, 액체, 기체 다음의 물질 상태를 의미합니다. 좀 더 자세히 설명해 드리면 '이온화된 기체'라고 볼 수 있습니다. 이러한 4번째 상태, 즉 이온화시키기 위해서는 외부 에너지(높은 온도, 전기장 등)를 가해주어야 합니다. 높은 외부 에너지를 가해주면 이온화, 여기, 이완, 해리 등이 일어납니다.
대표적으로 이온화, 여기, 이완, 해리만 간단히 설명해 드리자면,
1. 이온화(Ionization): 이온이란 +나 - 성질을 띠는 원자나 분자를 이야기하는 데요, 예를 들어 어떤 공간에 Ar(아르곤)를 넣어주고 외부 에너지를 가해 봅시다. 그렇다면 그 공간 안에 있는 전자와 Ar가 충돌을 합니다. 그렇다면 이 둘이 부딪혀서 Ar 원자의 최외곽 전자를 떼어내는 상황이 발생합니다(만약 외부 에너지가 가해지지 않았다면 전자가 Ar와 세게 부딪히지 않으니 전자가 떨어져 나가지 않습니다). 그렇게 되면 Ar 원자는 전자 하나를 잃었으니 +성질을 띱니다. 따라서 결과적으로 Ar+이온과 전자 2개가 남게 되는 것이죠. 이것이 이온화입니다.
2. 여기(excitation): 들뜬 상태 혹은 흥분 상태라고도 합니다. 위에 설명해 드린 것처럼 전자와 Ar 이온이 충돌하여 전자가 하나 떨어져 나왔습니다. 하지만 여기는 충돌한 전자가 Ar 이온에 속박된 전자를 떼어낼 만한 힘으로 충돌하지 않은 것이고, Ar 원자에 속박된 전자는 에너지를 받아 에너지 준위가 상승한 것 입니다. 한 마디로 Ar 이온이 전자한테 한 대 맞았지만 때리진 않고 때리려고 손까지 올라간 상태입니다. 여기서 조금만 더 전자가 Ar를 때리면 전자가 방출되겠죠.
3. 이완(relaxation): 하지만 위에서 설명해 드린 Ar의 들뜬상태(흥분상태)는 오래가지 않습니다. 그래서 여기 된 전자는 다시 원래의 에너지 준위로 돌아가게 되는데요. 이것이 이완입니다. 이때 전자는 원래의 에너지 준위로 돌아갈 때 에너지(여기 상태가 될 때 받은 에너지)를 방출하게 되는데요. 이때 방출되는 에너지의 형태가 빛 에너지로 방출하게 됩니다. 이러한 이유로 Plasma가 발생하면 빛이 발생하는 것이죠.
4. 해리(dissociation): 해리는 결합이 깨지는 것을 말합니다. 예를 들어 H(수소)는 1족으로 불안정한 상태입니다. 따라서 H끼리 결합(공유결합)을 하고 H2가 됩니다. 이러한 H2에 전자가 충돌하면 2개의 H로 나뉘면서 결합이 깨집니다. 이러한 상태를 Radical(라디칼)이라고 합니다. 이러한 현상을 해리라고 합니다.
* 위에서 말씀드린 이온화된 이온과 여기 된 Ar 원자, 해리된 H 등은 반응성이 매우 높습니다. 주변에 다른 물질들과 반응이 정말 잘 일어나죠. 이러한 성질을 이용하여 PECVD 공정을 진행하는 것입니다.
*PECVD 원리와 메커니즘
위에서 Plasma에 대해 알아보았습니다. 그렇다면 이제부터는 PECVD의 원리와 메커니즘에 대해 알아보겠습니다.
SiH4(실레인)와 O2(산소)를 이용하여 SiO2(실리콘산화막)를 증착시키는 과정을 예로 들어 알아보겠습니다.
1. 먼저 Chamber 안에 SiH4와 O2를 '기체' 상태로 주입합니다.
2. 그 후, Chamber의 아래와 위에 전극을 걸어주어 Plasma가 형성됩니다. (위에서 말씀드렸듯이, 여기에서 외부에너지는 '전기장'입니다. 온도를 하지 않는 이유를 설명해 드리자면, 먼저 높은 온도를 유지하는데 비용이 전기장보다 큽니다. 또한, 높은 온도를 통해 Plasma를 발생시킨다면 기판 위에 있는 다른 박막들에도 영향을 줄 수 있기 때문이죠, 만약 높은 온도를 가해 주어서 박막이 녹아버린다거나 성질이 바뀌어 버리면 다시 또 이전 공정을 진행하게 되고, 그러면 비용과 시간이 소요되겠죠.)
3. 이러한 Plasma 안에서 위에 설명해 드린 이온화, 여기, 이완, 해리 등이 일어나고 SiH4와 O2가(라디칼들) 가열된 기판 위에 흡착되고 화학반응이 일어납니다.
4. 그 결과 SiO2가 형성되고 2H2 부산 물(byproduct)가 생겨납니다.
5, SiO2는 기판에 증착되고 2H2는 배출구를 통해 빼냅니다.
아래의 그림은 제가 직접 진행해 보았던 PECVD 장비와 Plasma 관찰사진입니다.
장비 안에서 진행되는 PECVD 공정을 밖에서 바라보았을 때(Plasma)
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