반응성 스퍼터링에 의한 TiAlN 박막의 증착

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

송영수, 변요한, 김혜인, 윤진구, 정지원

인하대학교 화학공학부

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

TiAlN thin film deposition by reactive sputtering

Young Soo Song, Yo Han Byun, Hye In Kim, Jin Koo Yoon and Chee Won Chung

School of Chemical Engineering, Inha University

서론

TiAlN 박막은 기계적 표면강도가 우수하여 코팅용 박막으로 활용될 뿐만 아니라 oxidation resistance와 corrosion resistance에 대한 뛰어난 특성을 가지고 있어서 여러 분야에서 활발히 연구되고 있다[1,2].

TiAlN 박막을 제조하기 위한 방법으로는 sputtering, evaporation, ion plating 등과 같은 PVD 방법들이 있는데[3], 이러한 여러 방법 중에서 반응성 직류 마그네트론 증착 방법은 금속 합금 타겟을 사용하여 높은 증착 속도를 얻을 수 있으며 낮은 기판 온도를 유지할 수 있고 박막의 조성을 제어할 수 있는 장점을 가지고 있다. 일반적으로 TiAlN 박막은 TiAl 합금 타겟을 사용하고 Ar과 N2의 혼합가스를 이용하여 반응성 스퍼터링 방법으로 증착되어지며 증착 압력, 기판 온도, dc power, gas flow rate 등이 막의 결정성, 조직 등에 영향을 미치는 것으로 많은 연구에서 보고되고 있다[4-6].

본 연구에서는 발열체로서 높은 thermal diffusivity를 갖는 TiAlN 박막에 대하여 주요 변수인 N2 flow rate과 dc power를 변화시켜 증착된 박막의 electrical resistivity(□)값의 변화를 조사하였다.

실험

TiAlN 박막은 직경 2 inch의 원형 TiAl 합금(80/20 at.%) 타겟에 Ar과 N2 혼합가스를 주입하고 반응성 직류 마그네트론 스퍼터 장비를 사용하여 상온에서 증착되었다. 장치의 구조를 그림 1에 도시하였다.

Si 웨이퍼에 2000 Å 두께의  SiO2가 증착된 기판을 사용하였고 일반적으로 느린 증착 속도를 갖는 것으로 알려진 TiAlN 박막에 대해 증착 속도를 높이기 위하여 기판과 타겟과의 거리를 5 cm로 유지하였다. 균일한 박막을 얻기 위하여 12 rpm으로 기판을 회전시키며 20분간 증착하였고 모든 증착은 기판위의 main shutter가 닫혀진 상태로 20 sccm의 Ar 가스와 53.5 W의 일정한 dc power에서 pre-sputtering을 10분간 실시한 후 실험을 진행하였다. Ar과 N2의 혼합가스가 주입되기 전까지 mechanical pump와 연결된 turbo molecular pump를 사용하여 증착 실험전의 초기 진공도를 약 4×10-6 Torr로 유지하였다. 증착 압력은 3.5 mTorr로 고정하고 N2 flow rate(2~8 sccm)과 dc power(30~200 W)를 각각 변화시켜 TiAlN 박막을 증착하였다.

본 연구에서는 dektak surface profilometer를 사용하여 박막의 증착 속도를 측정하였으며 표면 관찰을 위해 field emission scanning electron microscopy(FESEM)을 이용하였다. 또한 증착된 TiAlN 박막 표면 결정구조를 알기 위하여 Cu-K□radiation을 사용한 x-ray 회절을 thin film 모드로 이용하여 분석하였다. 발열체로서 TiAlN 박막의 electrical resistivity(□)값은 four-point probe(SR1000, Changmin)를 이용하여 얻어 졌다.

그림 1. Schematic diagram of the dc magnetron sputtering system.

결과 및 토론

본 실험에서는 증착의 주요 변수로서 N2 flow rate과 dc power를 선택하여 electrical resistivity(□)의 변화를 살펴보았다. 그림 2는 N2 flow rate의 변화에 따라서 얻어진 TiAlN 박막의 증착 속도와 electrical resistivity의 변화를 보여준다.

N2 flow rate의 증가에 따라서 증착 속도는 감소하다가 일정해지는 경향을 보이고 있다. Electrical resistivity는 N2 flow rate이 4 sccm 일때까지 증가하고 그 이후로는 일정한 값을 나타내고 있는데 electrical resistivity가 N2 flow rate의 변화에는 크게 의존하지 않는 것을 알 수 있다. 타연구기관에서 얻어진 TiAlN 박막의 electrical resistivity값과 비교하면 본 실험에서 N2 flow rate의 변화에 대하여 얻어진 박막의 electrical resistivity는 매우 큰 값을 나타낸다.

그림 2. Deposition rate and electrical resistivity of TiAlN films deposited as a function          of N2 flow rate; dc power: 53 W; deposition pressure: 3.5 mTorr; Ar flow             rate: 20 sccm; target-to-substrate distance: 5 cm; deposition time: 20 min.

그림 3은 53 W의 dc power와 3.5 mTorr의 압력에서 N2 flow rate을 변화시켜서 증착된 TiAlN 박막에 대하여 x-ray 회절 패턴을 보여준다. 모든 조건에서 TiN(111), Ti2AlN(110)의 뚜렷한 peak가 나타났으나 N2 flow rate의 증가에 따른 박막의 peak는 크게 변화된 모습을 보이지 않았다. 이것은 타겟의 조성이 Ti와 Al의 비가 80:20인 점을 감안할 때 상대적으로 TiAlN 박막의 형성에서 Ti가 많이 함유되었기 때문인 것으로 추측된다. 타겟에 인가되는 일정한 current에 대하여 어떤 critical N2 flow rate 이상에서는 N2 flow가 박막의 조성 및 증착 속도에 크게 영향을 주지 않는다고 알려져 있으며[4], 그림 2와 그림 3에서 N2 flow rate의 변화에 따른 증착 속도와 조성의 변화를 살펴보면 비슷한 경향이 나타나는 것을 관찰할 수 있다.

그림 3. XRD patterns of TiAlN thin films deposited as a function of N2 flow rate.

N2 flow rate의 변화에 의해 증착된 TiAlN 박막의 표면은 FESEM 사진으로 관찰되었으나 각각의 N2 flow rate의 증가에 관계없이 박막의 표면은 균일함을 보이며 grain 크기 역시 비슷한 크기로 형성되는 것을 관찰할 수 있었다. 그림 4는 N2 flow rate을 6 sccm, 증착 압력을 3.5 mTorr로 유지하고 dc power의 변화에 따른 증착 속도와 electrical resistivity의 변화를 보여주고 있다.

그림 4. Deposition rate and electrical resistivity of TiAlN films deposited as a function          of dc power; deposition pressure: 3.5 mTorr; N2 flow rate: 6 sccm; Ar flow           rate: 20 sccm; target-to-substrate distance: 5 cm; deposition time: 20 min.

증착 속도는 dc power가 커짐에 따라서 증가하지만 electrical resistivity는 dc power가 70 W 일때까지 급격히 감소하고 그 이후에서는 천천히 감소하고 있다. 그림 2에서 N2 flow rate이 6 sccm 일때의 electrical resistivity 값과 비교하면 그림 4의 dc power 변화에 대한 electrical resistivity는 낮은 dc power에서 상대적으로 큰 값을 가지는 것을 알 수 있다. 그림 5는 dc power 변화에 대하여 TiAlN 박막의 FESEM 사진이며 dc power가 커짐에 따라서 grain은 컬럼 형태의 모양을 가지며 크기가 커지는 것을 보여준다.

(a) 30 W	(b) 70 W	(c) 130 W

그림 5. FESEM photograph of TiAlN films deposited as a function of dc power.

결론

발열체로서 높은 thermal diffusivity를 갖는 TiAlN 박막이 N2 flow rate과 dc power의 변화에 따라서 증착 되었다. 증착된 박막들은 증착 속도, 결정 구조, 박막의 grain 형태 등의 관점에서 분석되었고, electrical resistivity의 변화를 살펴보기 위하여 four point probe를 사용하여 sheet resistance도 측정하였다.

증착 속도는 N2 flow rate의 증가에 대하여 감소하다가 일정해졌으나 dc power에 대해서는 비례적으로 증가하였다. Electrical resistivity는 N2 flow rate의 변화에 대하여 큰 변화를 보이지 않았으나 dc power가 증가함에 따라서 70 W까지 급격한 감소를 보이며 그 이후로는 천천히 감소되는 것이 관찰되었다. 또한 낮은 dc power에서의 electrical resistivity는 N2 flow rate의 변화에 대한 electrical resistivity 값보다 상대적으로 큰 수치를 나타내는 것으로 확인되었다. 따라서 본 실험의 조건에서는 발열체로서 적합한 TiAlN 박막은 낮은 power에서 증착 되어야 한다는 결론을 얻을 수 있었다.

감사

This research was funded by Center for Ultramicrochemical Process Systems sponsored by KOSEF.

참고문헌

1. Munz, W. D., J. Vac. Sci. Technol., A 4, 2717(1986).

2. Knotek, O., Munz, W. D. and Leyendecker, T., J. Vac. Sci. Technol., A 5, 2173(1987).

3. Knotek, O. and Leyendecker, T., J. Solid State Chem., 70, 318(1987).

4. Shew Bor-Yuan and Huang Jow-Lay, Surf. Coat. Technol., 71, 30(1995).

5. Cheng, Y. H., Tay, B. K., Lau, S. P. and Shi, X., J. Appl. Phys., 89, 6192(2001).

6. Musil, J. and Hruby', H., Thin Solid Films, 365, 104(2000).

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년