스퍼터링 박막의 응력은 무엇인가? 박막 내구성을 위한 응력 제어 마스터하기

응력은 스퍼터링 박막의 고유한 특성으로, 증착 공정의 에너지 특성에서 직접 발생합니다. 박막은 박막이 서로 당겨지는 인장 응력 또는 박막이 서로 밀리는 압축 응력을 나타낼 수 있습니다. 이러한 응력의 유형과 크기는 결함이 아니라 스퍼터링 증착 중에 사용되는 특정 매개변수에 의해 결정되는 제어 가능한 결과입니다.

스퍼터링된 박막 내부의 응력은 박막의 기계적 안정성을 결정하는 가장 중요한 단일 요소입니다. 이 응력이 공정 매개변수(주로 스퍼터링 압력)의 직접적이고 조정 가능한 결과임을 이해하는 것이 균열, 좌굴 및 박리와 같은 일반적인 실패를 방지하는 열쇠입니다.

박막 응력의 기원: 두 가지 힘의 이야기

근본적으로 박막 응력은 원자가 착상하여 박막을 형성할 때의 배열에서 발생합니다. 도착 시 가지는 에너지가 이러한 배열을 결정하며, 두 가지 상반되는 내부 힘 중 하나를 생성합니다.

인장 응력(서로 당기기) 이해하기

인장 응력은 늘어난 고무줄처럼 느껴집니다. 이는 박막 내의 원자들이 평균적으로 이상적인 평형 위치보다 더 멀리 떨어져 있을 때 발생합니다.

이는 일반적으로 낮은 에너지로 기판에 도착하는 원자로 인해 발생합니다. 이들은 가장 안정적이고 밀집된 패킹 배열을 찾을 수 있는 이동성이 부족하여 박막 구조 내에 미세한 공극이 생깁니다. 이러한 공극을 가로지르는 자연적인 원자 간 인력이 박막을 안쪽으로 당겨 장력을 생성합니다.

압축 응력(서로 밀기) 이해하기

압축 응력은 압축된 스프링처럼 느껴집니다. 이는 원자가 이상적인 간격보다 더 가깝게 밀착될 때 발생합니다.

주요 원인은 "원자 때림(atomic peening)"이라고 하는 현상입니다. 이는 고에너지 입자(스퍼터링된 재료 원자 또는 플라즈마의 중성 가스 원자)가 성장하는 박막을 폭격할 때 발생합니다. 이 폭격은 원자를 박막 구조 안으로 효과적으로 두드려 박막을 조밀하게 만들고 원자를 격자 간 위치에 밀어 넣어 압축을 생성합니다.

응력을 제어하는 주요 공정 매개변수

박막의 응력은 무작위적인 결과가 아닙니다. 이는 선택하는 증착 조건의 예측 가능한 결과입니다. 이러한 매개변수를 조정함으로써 최종 응력 상태를 직접 제어할 수 있습니다.

스퍼터링 가스 압력

압력은 응력에 대한 가장 중요한 제어 장치입니다. 이는 기판에 도달하는 입자의 에너지에 직접적인 영향을 미칩니다.

• 낮은 압력: 챔버 내 가스 원자가 적으면 충돌이 적습니다. 스퍼터링된 원자는 높은 에너지로 기판까지 이동하여 원자 때림과 압축 응력을 유발합니다.
• 높은 압력: 가스 원자가 많으면 충돌이 많아집니다. 스퍼터링된 원자는 도달하기 전에 에너지를 잃어 표면 이동성이 낮아지고 공극이 더 많이 생겨 결과적으로 인장 응력이 발생합니다.

모든 재료와 시스템에는 응력이 압축에서 인장으로 바뀌는 "전이 압력"이 있습니다. 이 지점 근처에서 작동하는 것이 낮은 응력 박막을 얻는 열쇠입니다.

기판 온도

기판 온도를 높이면 도착하는 원자에 더 많은 열 에너지가 공급됩니다.

이 향상된 표면 이동성은 원자가 이동하여 더 안정적이고 낮은 에너지의 격자 위치에 자리 잡을 수 있도록 합니다. 이 과정은 공극 수를 줄여 인장 응력을 감소시키거나 폭격으로 인한 변형을 완화하여 압축 응력을 감소시키는 데 도움이 됩니다.

기판 바이어스 전압

기판(또는 기판 홀더)에 음의 전압을 가하면 플라즈마에서 양이온이 끌어당겨집니다. 이는 성장하는 박막에 대한 이온 폭격의 에너지와 양을 의도적으로 증가시킵니다.

약한 바이어스는 박막을 조밀하게 만들고 인장 상태에서 약간의 압축 상태로 이동시키는 데 사용될 수 있습니다. 강한 바이어스는 매우 높은 압축 응력을 유도합니다.

상충 관계 및 결과 이해하기

응력의 크기(인장이든 압축이든)는 궁극적으로 박막이 생존할지 실패할지를 결정합니다.

높은 인장 응력의 문제점

과도한 인장 응력은 박막 자체의 응집력을 압도할 수 있습니다.

이는 박막이 말 그대로 스스로 찢어지면서 균열 및 미세 균열(crazing)로 직접 이어집니다. 응력이 박막-기판 접착 강도를 초과하면 박리를 유발할 수도 있습니다.

높은 압축 응력의 문제점

과도한 압축 응력은 박막이 기판의 치수보다 측면으로 팽창하게 만듭니다.

이 응력을 해소하기 위해 박막은 기판에서 벗어나 주름(wrinkles) 또는 기포(blisters)를 형성합니다. 반도체 제조에서 높은 압축 응력은 포토리소그래피와 같은 후속 공정을 방해하는 상당한 웨이퍼 휨(wafer bow)을 유발할 수 있습니다.

목표: 중성 또는 약간의 압축

대부분의 응용 분야에서 목표는 0에 가깝거나 약간 압축된 응력 상태입니다. 약간의 압축 응력은 박막이 완전히 조밀하고 균열 형성에 적극적으로 저항하도록 보장하므로 종종 바람직합니다.

목표에 맞는 올바른 선택하기

이상적인 응력 상태는 보편적이지 않으며, 최종 응용 분야와 잠재적인 실패 모드에 전적으로 달려 있습니다.

• 기계적 내구성과 균열 방지가 주요 초점인 경우: 낮은 가스 압력에서 스퍼터링하거나 약간의 기판 바이어스를 사용하여 박막을 조밀하게 만들어 약간 압축된 응력 상태를 목표로 하십시오.
• 후속 처리를 위한 웨이퍼 휨 최소화가 주요 초점인 경우: 스퍼터링 압력을 정밀하게 조정하여 인장-압축 전이 지점 근처에서 작동하여 0에 가까운 응력 값을 달성해야 합니다.
• 박막이 기판에서 박리되는 경우: 응력(인장이든 압축이든)이 기존 접착력에 비해 너무 높습니다. 첫 번째 단계는 압력을 조정하여 응력 크기를 줄이는 것이어야 하며, 그 다음 기판 세척 및 접착층 개선 작업을 수행해야 합니다.

공정 입력과 내부 힘 간의 관계를 이해함으로써 박막 응력을 잠재적인 실패 지점에서 제어 가능한 엔지니어링 매개변수로 전환할 수 있습니다.

요약표:

응력 유형	원인	주요 제어 매개변수	박막에 미치는 영향
인장 응력	공극을 유발하는 저에너지 원자 도달	높은 스퍼터링 압력	박막을 잡아당겨 균열 유발 가능
압축 응력	고에너지 폭격(원자 때림)	낮은 스퍼터링 압력 / 기판 바이어스	박막을 밀어 좌굴 유발 가능

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