스퍼터링

3. 특징

증류법보다 증착 능력, 복잡한 합금을 유지하는 능력이 뛰어나고, 고온에서 내열성 금속의 증착 능력이 뛰어난 특징이 있다. 스퍼터링 공정의 수율은 충돌 이온의 입사각, 타겟 물질의 조성과 결합구조, 충돌 이온의 종류, 충돌 이온의 에너지 등으로 결정된다.^[2][4][5]

"입사 이온"은 표적 내에서 충돌 캐스케이드를 일으키는데, 일부는 표적 표면으로 되돌아간다. 충돌 캐스케이드가 표적 표면에 도달하고 남은 에너지가 표적 표면의 결합 에너지보다 크면 원자가 방출되는데, 이 과정을 "스퍼터링"이라고 한다. 표적이 원자 규모에서 얇으면 충돌 캐스케이드가 뒷면까지 도달할 수 있으며, 이 경우 방출되는 원자는 표면 결합 에너지를 "투과하여" 탈출한다고 한다.

입사 이온당 표적에서 방출되는 원자의 평균 수를 "스퍼터링 수율"이라고 한다. 스퍼터링 수율은 이온의 입사각, 에너지, 이온과 표적 원자의 질량, 표적의 표면 결합 에너지, 표적의 결정 구조 등에 따라 달라진다.

스퍼터링을 일으키는 이온은 플라스마, 이온 소스, 입자 가속기, 태양풍, 방사성 물질(알파선) 등 다양한 소스에서 나올 수 있다.

비정질 평면 표적의 캐스케이드 영역에서 스퍼터링을 설명하는 모델은 톰슨의 해석적 모델이다.^[6] 고에너지에서 전자 스트리핑을 포함한 양자 역학적 처리를 기반으로 스퍼터링을 시뮬레이션하는 알고리즘은 TRIM 프로그램에 구현되어 있다.^[7]

"열 스파이크 스퍼터링"은 고체가 충분히 조밀하고 입사 이온이 충분히 무거워 충돌이 매우 가까이 일어날 때 발생할 수 있다. 이 경우 이원 충돌 근사는 더 이상 유효하지 않으며, 충돌 과정은 다체 과정으로 이해되어야 한다. 조밀한 충돌은 열 스파이크를 유도하여 결정의 작은 부분을 용융시킨다. 그 부분이 표면에 충분히 가까우면 액체가 표면으로 흐르거나 미세 폭발로 인해 많은 수의 원자가 방출될 수 있다.^[8] 열 스파이크 스퍼터링은 낮은 융점을 가진 조밀하지만 무른 금속(Ag, Au, Pb 등)에 keV–MeV 범위의 에너지를 가진 무거운 이온(예: Xe 또는 Au 또는 클러스터 이온)이 충돌할 때 가장 중요하며, 에너지에 따라 비선형적으로 증가하는 경우가 많다.^[9]

물리적 스퍼터링은 이온에서 표적 원자로의 최대 에너지 전달이 표면 원자의 결합 에너지와 같거나 그 이상인 이온 에너지와 같거나 큰 잘 정의된 최소 에너지 임계값을 가지며, 이 임계값은 일반적으로 10~100 eV 범위에 있다.

다성분 고체 표적이 충격을 받고 고체 상태 확산이 없는 경우 시작 시 "선택적 스퍼터링"이 발생할 수 있다. 에너지 전달이 표적 성분 중 하나에 더 효율적이거나 고체에 대한 결합이 더 약하면 다른 성분보다 더 효율적으로 스퍼터링된다. AB 합금에서 A 성분이 우선적으로 스퍼터링되면 고체의 표면은 장시간 충격을 받는 동안 B 성분이 풍부해져 B가 스퍼터링될 확률이 증가하여 최종적으로 스퍼터링된 물질의 조성이 AB로 돌아간다.

스퍼터링은 "건식 도금법"(진공도금)으로 분류되며, 코팅 대상물을 액체나 고온 기체에 노출시키지 않고 도금 처리할 수 있는 것이 특징이다.^[27]

4. 물리학적 관점

스퍼터링은 고에너지 이온이 표적 물질과 충돌하여 운동량을 교환하면서 표적 물질의 원자가 방출되는 현상이다. 이온과 원자 사이의 운동량 교환은 충돌 캐스케이드를 일으킨다.^[2][4][5]

4. 1. 충돌 캐스케이드

4. 2. 스퍼터링 수율

4. 3. 열 스파이크 스퍼터링

5. 전자 스퍼터링

전자 스퍼터링은 고에너지 전자(예: 투과형 전자 현미경) 또는 고에너지나 고전하를 가진 무거운 이온에 의해 유도되는 스퍼터링을 의미한다.^[10] 고에너지 또는 고전하의 무거운 이온은 주로 전자 정지능을 통해 고체에 에너지를 전달하며, 이때 발생하는 전자 여기가 스퍼터링을 일으킨다.^[10]

전자 스퍼터링은 절연체에서 높은 스퍼터링 수율을 보이는데, 이는 전자 여기가 도체에서처럼 즉시 사라지지 않기 때문이다. 예를 들어, 목성의 얼음 위성인 유로파에서는 목성 자기권에서 나온 MeV(메가전자볼트) 황 이온이 H₂O 분자를 최대 10,000개까지 방출할 수 있다.^[11]

스퍼터링은 "건식 도금법"(진공도금)의 일종으로, 코팅할 물체를 액체나 고온 기체에 노출시키지 않고 도금할 수 있다는 장점이 있다.^[27] 진공챔버 안에 박막으로 만들 금속을 표적으로 설치하고, 고전압을 가해 양으로 이온화시킨 희가스(주로 아르곤)이나 질소(주로 공기에서 유래)를 음전하를 띤 표적에 충돌시키면, 표적 표면의 원자가 튕겨 나가 기판에 도달하여 박막을 형성한다.

이 원리는 간단하고, "스퍼터 장치"도 다양하게 개발되어 반도체, 액정, 플라스마 디스플레이, 광디스크 등 여러 기술 분야에서 널리 쓰인다. 또한 화합물 박막을 만드는 반응성 스퍼터링법은 새로운 합금이나 인공 격자 제작 기술로 주목받고 있다.

스퍼터링 방식에는 2극, 3극, 4극, RF, 마그네트론, 대향 표적, 미러트론, ECR, PEMS, 이온빔, 듀얼 이온빔 등이 있다.

5. 1. 잠재적 스퍼터링

6. 화학적 스퍼터링

화학적 스퍼터링은 물리적 스퍼터링의 임계 에너지보다 낮은 온도에서 관찰되는 스퍼터링 현상이다.^[2][5] 이 메커니즘은 화학적 식각과 구분하기 어려울 수 있다. 고온에서 탄소의 화학적 스퍼터링은 이온이 시료 결합을 약화시킨 후 열 활성화로 탈착되는 것으로 알려져 있다.^[17] 저온에서 탄소 기반 재료의 수소 유도 스퍼터링은 H 이온이 C-C 결합 사이로 들어가 결합을 끊는 ''빠른 화학적 스퍼터링''으로 설명된다.^[18]

6. 1. 반응성 이온 식각 (RIE)

7. 응용 분야

스퍼터링은 다양한 분야에서 활용되는데, 크게 박막 증착, 식각, 표면 처리, 분석 등으로 나눌 수 있다.

스퍼터링은 원리가 간단하고 다양한 종류의 "스퍼터 장치"가 있어 여러 기술 분야에서 널리 사용되고 있다.

• '''박막 증착''': 스퍼터링 증착은 스퍼터링을 이용하여 박막을 만드는 방법이다. 자세한 내용은 #박막 증착 하위 섹션을 참조.
• '''식각''': 반도체 산업에서 스퍼터링은 타겟을 식각하는 데 사용된다. 자세한 내용은 #식각 (Etching) 하위 섹션을 참조.
• '''표면 처리''': 고체 표면의 오염물질을 제거하기 위해 스퍼터링을 사용할 수 있다. 자세한 내용은 #표면 처리 하위 섹션을 참조.
• '''분석''': 이차 이온 질량 분석법(SIMS)에서는 표적 시료를 일정한 속도로 스퍼터링하여, 스퍼터링된 원자의 농도와 종류를 질량 분석법으로 측정한다. 자세한 내용은 #분석 하위 섹션을 참조.

7. 1. 박막 증착

7. 2. 식각 (Etching)

7. 3. 표면 처리

7. 4. 분석

8. 스퍼터링 방식

스퍼터링은 "건식 도금법"(진공도금)으로 분류되며, 코팅 대상물을 액체나 고온 기체에 노출시키지 않고 도금 처리할 수 있는 것이 특징이다.^[27]

진공챔버 내에 박막으로 만들고자 하는 금속을 표적으로 설치하고, 고전압을 걸어 플러스 이온화시킨 희가스 원소(보통 아르곤을 사용)나 질소(보통 공기 유래)를 마이너스 전하를 건 표적에 충돌시킨다. 그러면 표적 표면의 원자가 튀어나가 기판에 도달하여 박막을 형성할 수 있다.

반응성 스퍼터링법은 진공 챔버 내에 가스를 도입하여 이것을 튀어나간 금속과 반응시킴으로써 화합물을 박막으로 제조하는 방법이며, 새로운 합금이나 인공 격자의 제작 기술로 주목받고 있다.

스퍼터링 방식에는 2극, 3극, 4극, RF, 마그네트론, 대향 표적, 미러트론, ECR, PEMS, 이온빔, 듀얼 이온빔 등이 있다.

9. 우주 환경에서의 스퍼터링

스퍼터링은 우주 풍화의 한 형태로, 소행성과 달과 같이 대기가 없는 천체의 물리적 및 화학적 특성을 변화시키는 과정이다. 특히 유로파와 같은 얼음 위성에서는 표면의 광분해된 물의 스퍼터링으로 인해 수소가 손실되고 산소가 풍부한 물질이 축적되는데, 이는 생명체에 중요한 역할을 할 수 있다. 스퍼터링은 또한 화성이 대기의 대부분을 잃은 가능성 있는 원인 중 하나이며, 수성이 희박한 표면 경계 외기권을 지속적으로 보충하는 방법 중 하나이기도 하다.^[27]

10. 기타 응용

스퍼터링은 "건식 도금법"(진공도금)으로 분류되며, 코팅 대상물을 액체나 고온 기체에 노출시키지 않고 도금 처리할 수 있는 것이 특징이다.^[27]

진공챔버 내에 박막으로 만들고자 하는 금속을 표적으로 설치하고, 고전압을 걸어 플러스 이온화시킨 희가스 원소(보통 아르곤을 사용)나 질소(보통 공기 유래)를 마이너스 전하를 건 표적에 충돌시킨다. 그러면 표적 표면의 원자가 튀어나가 기판에 도달하여 박막을 형성한다.

최근에는 고품질 박막이 요구되는 반도체, 액정, 플라스마 디스플레이, 광디스크용 박막을 제조하는 방법으로 사용되고 있다. 또한, 진공 챔버 내에 가스를 도입하여 튀어나간 금속과 반응시킴으로써 화합물을 박막으로 제조하는 반응성 스퍼터링법도 새로운 합금이나 인공 격자 제작 기술로 주목받고 있다.

2극, 3극, 4극, RF, 마그네트론, 대향 표적, 미러트론, ECR, PEMS, 이온빔, 듀얼 이온빔 등의 방식이 있다.

10. 1. 회화 기술

참조

_[1] 논문 Accelerating 23,000 hours of ground test backsputtered carbon on a magnetically shielded Hall thruster 2019-08-19
_[2] 서적 Sputtering by Particle bombardment Springer, Berlin
_[3] 웹사이트 What is DC Sputtering? http://www.semicore.[...] 2016-11-26
_[4] 논문 Mechanisms and theory of physical sputtering by particle impact
_[5] 서적 Sputtering by Particle bombardment: Experiments and Computer Calculations from Threshold to Mev Energies Springer, Berlin
_[6] 논문 Energy spectrum of ejected atoms during the high- energy sputtering of gold
_[7] 서적 The Stopping and Range of Ions in Solids," vol. 1 of series Stopping and Ranges of Ions in Matter Pergamon Press, New York
_[8] 논문 Effect of viscous flow on ion damage near solid surfaces
_[9] 논문 Very large gold and silver sputtering yields induced by keV to MeV energy Au_n clusters (n=1–13) http://hal.in2p3.fr/[...]
_[10] 논문 Electronic Sputtering of Thin Conductors by Neutralization of Slow Highly Charged Ions
_[11] 서적 Radiation effects on the surfaces of the Galilean satellites. In: Jupiter. The planet, satellites and magnetosphere Cambridge University Press
_[12] 논문 Potential sputtering of lithium fluoride by slow multicharged ions
_[13] 논문 Potential Sputtering of Clean SiO₂ by Slow Highly Charged Ions
_[14] 논문 Potential sputtering
_[15] 논문 Threshold for Potential Sputtering of LiF http://orbilu.uni.lu[...]
_[16] 논문 Initial stages of etching of the silicon Si110 2x1 surface by 3.0-eV normal incident fluorine atoms: a molecular dynamics study
_[17] 논문 The hydrogen surface chemistry of carbon as a plasma facing material
_[18] 논문 Swift chemical sputtering of amorphous hydrogenated carbon
_[19] 논문 Ion Bombardment-Cleaning of Germanium and Titanium as Determined by Low-Energy Electron Diffraction AIP Publishing
_[20] 논문 Application of the Ion Bombardment Cleaning Method to Titanium, Germanium, Silicon, and Nickel as Determined by Low-Energy Electron Diffraction AIP Publishing
_[21] 특허 Method and Apparatus for Cleaning by Ionic Bombardment U.S. Patent 1966-02-01
_[22] 웹사이트 Sputtering Targets {{!}} Thin Films https://www.admatinc[...] 2018-08-28
_[23] 논문 Sputtered transparent electrodes for optoelectronic devices: Induced damage and mitigation strategies 2021-11-03
_[24] 웹사이트 Exploring the Advantages and Disadvantages of Sputtering https://www.sputtert[...] 2024-07-01
_[25] 논문 Anti-reflective coatings: A critical, in-depth review
_[26] 웹사이트 The power of anti-reflective coatings on ig4 and ig6 substrates https://www.nacl.com[...] 2023-10-12
_[27] 웹사이트 スパッタリングってなに? http://www.be-sputte[...] ビースパッタ 2024-01-14