반도체 공정 term project

문서 내 토픽

1. DC/RF sputtering

스퍼터링은 Chamber내에 공급되는 가스에서 발생되는 전자 사이의 충돌로부터 시작된다. 그 과정을 보면 Vacuum Chamber내에 Ar gas와 같은 불활성기체를 약 2~5mTorr 넣는다. 음극에 전압을 가하면 음극에서부터 방출된 전자들이 Ar기체원자와 충돌하여, Ar을 이온화시킨다. Ar이 들뜬 상태가 되면서 전자를 방출하면, 에너지가 방출되며 이때 글로우방전이 발생하여 이온과 전자가 공존하는 보라색의 플라즈마를 보인다. 플라즈마 내의 이온은 큰 전위차에 의해 음극인 target쪽으로 가속되어 타겟의 표면과 충돌하면 중성의 target원자들이 튀어나와 기판에 박막을 형성한다. DC Sputtering방법은 직류전원을 이용한 Sputtering 방법으로 구조가 간단하며 가장 표준적인 sputter 장치이다. DC spttering방법의 경우 target이 산화물이절연체 일 경우 Spttering되지 않아 이러한 단점을 해결할 수 있는 방법이 RF Sputtering이다. RF Sputtering방법은 target이 금속 이외에도 비금속, 절연체, 산화물, 유전체 등의 sputtering이 가능하며 주로 13.56MHz의 고주파 전원을 사용한다.
2. 스퍼터링 원리

스퍼터링이란 간단히 말해 금속판에 아르곤 등의 불활성 원소를 부딪쳐서 금속 분자를 쫓아낸 후 표면에 막을 부착하는 기술이라 할 수 있다. 진공이 유지된 Chamber내에서 스퍼터링 기체로 불활성 물질인 아르곤(Ar)가스를 흘려주면서 Target에 직류 전원을 인가하면(㎠당 1W정도), 증착하고자 하는 기판과 Target 사이에 Plasma가 발생한다. 이러한 Plasma내에는 고출력 직류전류계에 의해 Ar가스 기체가 양이온으로 이온화 된다. Ar양이온은 직류전류계에 의해서 음극으로 가속되어 Target표면에 충돌하게 된다. 이렇게 충돌시킨 target 물질은 원자가 완전 탄성 충돌에 의해 운동량을 교환하여 표면에서 밖으로 튀어나오게 된다.
3. DC 스퍼터링

DC 스퍼터링은 코팅으로 사용될 target material에 이온화 된 가스 분자가 충돌하여 원자가 플라즈마로 sputtering되는 PVD(Thin Film Physical Vapor Depostion) 코팅 기술이다. 이 기술은 PVD metal deposition과 electrically conductive target coating materials를 sputtering하기 위한 가장 기본적이고 저렴한 sputtering이다. DC sputtering은 금속(도체) 코팅에 사용할 때 경제적으로 효율적이지만 비전도성 유전체 절연 재료에 사용할때는 시간이 지나감에 따라 충전되어 arcing이나 target material의 poisoning과 같은 품질 문제를 일으킬 수 있다.
4. RF 스퍼터링

RF sputtering은 특정 유형의 sputtering target material에 전하가 축적되는 것을 피하기 위해 vacuum 상태에서 전류의 전위를 교번시키는 기술이다. RF sputtering은 DC Sputtering과 마찬가지로 vacuum chamber의 불활성 가스를 통해 energetic wave를 발생시켜 이온화된다. 박막 코팅이 될 target material 또는 cathode 부분은 코팅이 될 기판을 덮는 fine spray로서 원자를 sputtering하는 높은 에너지 이온에 의해 충격을 받는다. RF 마그네트론 스퍼터링은 음의 음극 뒤에 자석을 사용하여 음으로 전하 된 target material 위에 전자를 가두어 기판에 충격을 가하지 않으므로 증착 속도가 더 빠르다는 장점이 있다.
5. 스퍼터링 장비 구조

스퍼터링 장비는 크게 Pumping, Power Supply, Gun, Target, Substrate, Shutter, Gas System, Cathode Shield 등의 구성요소로 이루어져 있다. Pumping 부분은 진공을 유지하는 펌프가 연결되어 있고, Power Supply는 음극에 전원을 공급한다. Gun은 타겟을 장착하고 전원과 연결되어 있는 부분이며, Target은 코팅 물질이 된다. Substrate는 코팅이 되는 기판이고, Shutter는 기판과 타겟 사이를 차단하는 역할을 한다. Gas System은 아르곤 가스를 공급하는 부분이며, Cathode Shield는 타겟 부분의 방전 안정성을 유지하는 역할을 한다.
6. 스퍼터링 장비 업체 현황

국내에는 AP 시스템즈, ㈜에스엔텍, ㈜이루자, 아바코 등의 스퍼터링 장비 제조업체가 있다. AP 시스템즈는 S/W 기반 스퍼터 장비를 제조하며, ㈜에스엔텍은 터치스크린 패널용 In-Line Sputtering 장비를 생산한다. ㈜이루자는 LCD 장비용 Sputter System을 판매하고, 아바코는 국내 유일의 LCD용 스퍼터장비 제조업체이다. 이들 업체들은 각자의 핵심 보유기술을 바탕으로 스퍼터링 장비 시장을 선도하고 있다.
7. 스퍼터링 장비 시장 전망

IT 및 전자가전 기기에 활용되는 디스플레이 및 메모리 반도체의 수요가 증가함에 따라 스퍼터 장비의 성능향상 및 시장 확대가 예상된다. 세계 스퍼터 장비 시장은 2013년 43억 5,000만 달러에서 2018년 51억 4,600만 달러로 연평균 3.42% 성장할 것으로 전망된다.
8. 스퍼터링 장비 개선 방안

국내 스퍼터 장비 업체들의 장점은 LCD 등 디스플레이 제조 공정 시간 단축과 국내 IT 기업과의 협력이다. 하지만 선진기술 보유기업의 해외 시장 장악력, 관련 원천 특허기술 보유, 기술 진입장벽 높음, 전문 인력 부족 등이 약점이다. 이를 극복하기 위해서는 핵심부품 국산화, 산학연 기술협력, 수요기업과의 협력, 기술 보증 등이 필요하다.
9. 스퍼터링 기술 전망

스퍼터링 기술은 박막 제조에 널리 활용되고 있으며, 증착율 향상과 타겟 효율 증대를 위한 연구가 진행되고 있다. 최근에는 HIPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering) 기술이 개발되어 우수한 박막 특성을 보이고 있다. 또한 DC와 Pulse를 중첩시켜 HIPIMS의 단점을 해결하는 기술도 등장하고 있다. 향후 스퍼터링 기술은 더욱 발전하여 다양한 산업 분야에 활용될 것으로 전망된다.
10. 스퍼터링 응용 분야

스퍼터링 기술은 기계, 전자, 광학, 화학, 식품 등 다양한 산업 분야에 활용된다. 기계 분야에서는 공구 및 엔진 부품의 고경도 코팅, 전자 분야에서는 반도체, 자성 테이프, 태양전지 등의 제조에 사용된다. 광학 분야에서는 렌즈, 거울, 필터 등의 코팅에 활용되며, 화학 분야에서는 내식성 코팅 등에 이용된다. 또한 식품 분야에서는 포장재 코팅에 스퍼터링 기술이 적용된다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. DC/RF sputtering

DC/RF sputtering is a widely used thin film deposition technique in various industries, including electronics, optics, and energy. It involves the bombardment of a target material by energetic ions, typically argon, which causes the ejection of target atoms that then deposit on a substrate to form a thin film. The DC sputtering method utilizes a direct current power supply to generate the plasma, while the RF sputtering method uses a radio frequency power supply. Both techniques have their own advantages and are suitable for depositing a wide range of materials, from metals to ceramics and insulators. The choice between DC and RF sputtering often depends on the specific requirements of the thin film, such as the target material, desired film properties, and the substrate being used. Understanding the principles and applications of DC/RF sputtering is crucial for researchers and engineers working in the field of thin film technology.
2. 스퍼터링 원리

스퍼터링 원리는 타겟 물질에 에너지를 가해 원자를 방출시켜 기판 위에 박막을 형성하는 것이다. 이 과정에서 진공 챔버 내에 아르곤 가스를 주입하고 전압을 가하면 아르곤 이온이 생성되어 타겟 물질을 타격하게 된다. 타겟 물질의 원자들이 운동량을 받아 기판 위로 이동하여 박막을 형성하게 된다. 이러한 스퍼터링 원리는 다양한 박막 증착 기술에 활용되며, 금속, 세라믹, 절연체 등 다양한 물질의 박막 제조에 사용된다. 스퍼터링 공정 변수 조절을 통해 박막의 조성, 구조, 특성을 제어할 수 있어 반도체, 디스플레이, 에너지 등 다양한 분야에서 중요한 기술로 활용되고 있다.
3. DC 스퍼터링

DC 스퍼터링은 직류 전압을 이용하여 타겟 물질을 스퍼터링하는 방식이다. 이 방식은 금속 타겟 물질에 주로 사용되며, 높은 증착 속도와 균일한 박막 형성이 가능하다는 장점이 있다. 또한 공정 제어가 상대적으로 간단하고 설비 구조가 단순하여 제조 비용이 저렴한 편이다. 하지만 절연체 타겟 물질의 경우 표면 충전 현상으로 인해 스퍼터링이 어려운 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 RF 스퍼터링 방식이 개발되었다. DC 스퍼터링은 반도체, 디스플레이, 광학 코팅 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있으며, 지속적인 기술 발전을 통해 박막 증착 공정의 효율성과 품질 향상이 이루어지고 있다.
4. RF 스퍼터링

RF 스퍼터링은 고주파 전압을 이용하여 타겟 물질을 스퍼터링하는 방식이다. 이 방식은 절연체 타겟 물질의 스퍼터링에 적합하다. RF 전압을 사용하면 타겟 표면의 충전 현상을 방지할 수 있어 절연체 박막 증착이 가능하다. 또한 RF 스퍼터링은 DC 스퍼터링에 비해 낮은 증착 속도를 가지지만, 박막의 밀도와 균일성이 높다는 장점이 있다. RF 스퍼터링은 반도체 공정, 광학 코팅, 전기/전자 부품 제조 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 최근에는 고주파 전원 장치와 타겟 설계 기술의 발전으로 RF 스퍼터링 공정의 효율성과 생산성이 크게 향상되고 있다.
5. 스퍼터링 장비 구조

스퍼터링 장비의 기본적인 구조는 진공 챔버, 타겟 물질, 기판, 전원 공급 장치, 가스 주입 시스템 등으로 구성된다. 진공 챔버 내부에 타겟 물질과 기판을 배치하고, 진공 펌프를 통해 낮은 압력을 유지한다. 그리고 가스 주입 시스템을 통해 아르곤 가스를 주입하고, 전원 공급 장치를 이용해 타겟 물질에 전압을 가한다. 이에 따라 아르곤 이온이 생성되어 타겟 물질을 타격하면서 원자가 기판 위로 증착되어 박막이 형성된다. 장비 구조에 따라 DC 스퍼터링, RF 스퍼터링, 마그네트론 스퍼터링 등 다양한 스퍼터링 기술이 구현된다. 최근에는 박막 증착 효율과 품질 향상을 위해 장비의 자동화, 대면적화, 다층 구조 등 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다.
6. 스퍼터링 장비 업체 현황

스퍼터링 장비 시장은 글로벌 기업들이 주도하고 있다. 주요 업체로는 Applied Materials, Lam Research, Tokyo Electron, ULVAC 등이 있다. 이들 기업은 반도체, 디스플레이, 태양전지 등 다양한 산업 분야에 적용 가능한 스퍼터링 장비를 개발하고 있다. 특히 최근에는 대면적 기판 처리, 고생산성, 고품질 박막 증착 등을 목표로 하는 장비 개발에 주력하고 있다. 국내에서는 삼성전자, LG전자, SK하이닉스 등 대기업을 중심으로 자체 스퍼터링 장비를 개발하거나 글로벌 업체와 협력하여 장비를 도입하고 있다. 또한 중소기업들도 특화된 스퍼터링 장비 개발에 힘쓰고 있어 국내 스퍼터링 장비 시장의 경쟁이 점점 치열해지고 있다.
7. 스퍼터링 장비 시장 전망

스퍼터링 장비 시장은 반도체, 디스플레이, 태양전지 등 다양한 산업 분야의 성장과 함께 지속적으로 확대될 것으로 전망된다. 특히 5G, 인공지능, 사물인터넷 등 첨단 기술 분야의 발전에 따른 반도체 및 디스플레이 수요 증가가 스퍼터링 장비 시장 성장의 주요 동력이 될 것으로 보인다. 또한 친환경 에너지 기술의 발전으로 태양전지 및 이차전지 분야에서의 스퍼터링 장비 수요도 증가할 것으로 예상된다. 장비 업체들은 대면적 기판 처리, 고생산성, 에너지 효율성 등을 겨냥한 기술 개발에 주력하고 있으며, 이를 통해 시장 경쟁력을 확보할 것으로 전망된다. 국내외 주요 기업들의 지속적인 투자와 기술 혁신으로 스퍼터링 장비 시장은 향후 10년 내 연평균 5-10% 수준의 성장이 예상된다.
8. 스퍼터링 장비 개선 방안

스퍼터링 장비 개선을 위한 주요 방안은 다음과 같다. 첫째, 대면적 기판 처리 기술 개발이다. 대형 디스플레이, 태양전지 등의 수요 증가에 따라 대면적 기판 처리 능력이 중요해지고 있다. 이를 위해 챔버 크기 확대, 다중 타겟 설계, 균일도 향상 등의 기술 개선이 필요하다. 둘째, 고생산성 달성이다. 공정 시간 단축, 자동화 기술 적용, 멀티 챔버 구조 등을 통해 생산성을 높일 수 있다. 셋째, 에너지 효율성 향상이다. 전력 소모 감소, 냉각 시스템 개선 등으로 에너지 효율을 높일 수 있다. 넷째, 박막 품질 향상이다. 플라즈마 제어, 타겟 설계, 기판 가열 등의 기술 개선으로 박막의 조성, 구조, 특성을 향상시킬 수 있다. 이러한 개선 방안들을 통해 스퍼터링 장비의 생산성, 에너지 효율성, 박막 품질을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
9. 스퍼터링 기술 전망

스퍼터링 기술은 향후 지속적인 발전이 예상된다. 첫째, 대면적 기판 처리 기술이 발전할 것이다. 대형 디스플레이, 태양전지, 반도체 웨이퍼 등의 수요 증가에 따라 대면적 기판 처리 능력이 중요해질 것이며, 이를 위한 장비 및 공정 기술 개선이 이루어질 것이다. 둘째, 고생산성 달성을 위한 기술이 발전할 것이다. 자동화, 멀티 챔버 구조, 공정 시간 단축 등의 기술 혁신을 통해 생산성을 높일 수 있을 것이다. 셋째, 에너지 효율성 향상 기술이 발전할 것이다. 전력 소모 감소, 냉각 시스템 개선 등으로 에너지 효율을 높일 수 있을 것이다. 넷째, 박막 품질 향상 기술이 발전할 것이다. 플라즈마 제어, 타겟 설계, 기판 가열 등의 기술 개선으로 박막의 조성, 구조, 특성을 향상시킬 수 있을 것이다. 이러한 기술 발전을 통해 스퍼터링 기술은 반도체, 디스플레이, 에너지, 광학 등 다양한 산업 분야에서 핵심 박막 증착 기술로 자리잡을 것으로 전망된다.
10. 스퍼터링 응용 분야

스퍼터링 기술은 다양한 산업 분야에 광범위하게 활용되고 있다. 첫째, 반도체 산업에서는 금속 배선, 절연막, 확산 방지막 등의 박막 증착에 활용된다. 둘째, 디스플레이 산업에서는 투명 전극, 절연막, 반사방지막 등의 박막 증착에 활용된다. 셋째, 태양전지 산업에서는 광흡수층, 투명 전극, 반사방지막 등의 박막 증착에 활용된다. 넷째, 광학 산업에서는 반사방지막, 광학 필터, 반사경 등의 박막 증착에 활용된다. 다섯째, 에너지 저장 장치 산업에서는 이차전지 전극, 고체 전해질 등의 박막 증착에 활용된다. 이처럼 스퍼터링 기술은 반도체, 디스플레이, 에너지, 광학 등 다양한 분야에서 핵심적인 박막 증착 기술로 자리잡고 있다. 향후에도 기술 발전과 함께 응용 분야가 더욱 확대될 것으로 전망된다.

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