박막 증착, 스퍼터링, 화학 증기 증착(CVD) , 에피택시

 세 종류의 고체
결정(crystalline) : 거의 완벽한 주기적 구조. 다이아몬드, 루비, 사파이어, 실리콘 웨이퍼, 에피 층으로 증착된 필름 등이 이에 해당.
다결정(polycrystalline) : 단결정의 결정 알갱이 혹은 그레인(grain)들로 빽빽하게 쌓여 만들어진 것. 각 그레인은 10~10,000nm의 크기로 랜덤한 방향성을 가지며, 결정 알갱이 간의 접촉면을 그레인 경계라 함. 매우 높은 온도에서 증착된 금속 및 Si 필름, 일상에서 우리가 만나는 모든 금속 물체가 이에 해당.
비정질(amorphous) : 원자 혹은 분자가 정렬되어 있다고 말할 수 없음. 낮은 온도에서 열적으로 성장된 혹은 증착된 SiO2, 질화 실리콘, Si이 해당.
캐리어 이동도는 비정질과 다결정 Si에서의 값이 단결정 Si에서의 값보다 작음. 저성능 수준의 트랜지스터는 비정질 혹은 다결정 Si로 만들 수 있고, 이 트랜지스터들은 평판 컴퓨터 모니터와 기타 다른 디스플레이, 태양전지 등에 사용됨. 이 트랜지스터들을 박막 트랜지스터(thin-film transistor) 혹은TFT라고 부름.
다결정 물질은 기본적으로 단결정 물질과 같은 특성을 가짐

 

 

 스퍼터링
물리적 증기 증착(PVD) 방법이라고도 하며 진공 챔버에서 실행
스퍼터링 타깃(sputtering target)의 소오스 물질과 Si 웨이퍼를 잡고 있는 기판이 서로 마주보는 평행 판을 형성. 이 평행 판은 고전압 전원에 연결.
증착하는 동안, 챔버는 먼저 공기를 뽑아내고 낮은 압력의 스퍼터링 가스(전형적으로 Ar)를 챔버로 넣음. 전극 간 전압을 공급하면 Ar 가스가 이온화되고 판 사이에 플라즈마를 형성. 타깃은 기판에 비해 음 전위로 유지되고, Ar 이온은 스퍼터링 타깃을 향해 가속됨. Ar 이온을 충돌시키면 타깃 원자 혹은 분자가 타깃으로부터 분출되어 기판을 향해 이동하고, 거기에서 얇은 필름을 형성함.
DC 전원은 금속을 증착할 때 사용될 수 있고, 절연 필름을 증착할 때는 RF 전원이 필요함
반응성 스퍼터링(reactive sputtering)에서는 스퍼터링이 화학적 반응과 같이 결합됨. 예를 들어 Ti이 질소를 포함한 플라즈마 내에서 스퍼터될 때 TiN(질화 티타늄) 필름이 Si 웨이퍼 위에 증착됨. 
스퍼터링은 Al과 기타 금속들을 증착하는 데 사용하는 주요 방법임.

 

 

화학 증기 증착(CVD)
스퍼터링의 계단 커버(step coverage) 문제 : 스퍼터링은 평평한 표면 위에 박막을 증착하는 비교적 간단하고 만족할 만한 방법이지만, 방향성을 가지므로 표면 지형에 구멍이나 계단이 있을 때 그 수직벽 상에 균일한 막을 증착할 수 없음
반면 CVD(chemical vapor deposition)는 수직 표면과 수평 표면을 커버하는 필름 두께의 차이가 기본적으로 없는, 보다 더 공형(conformal) 인 필름을 증착
CVD에서, 박막은 기체 성분으로부터 형성됨. 박막을 형성하기 위해 화합물이 분해되거나 혹은 박막을 형성하기 위해 기체 성분 간에 반응이 발생함.
 SiO2, Si3N4(우수한 화학적 전기적 안정성을 가진 유전체), 그리고 다결정 실리콘 혹은 폴리-Si의 필름을 증착하기 위해 CVD 공정이 일상적으로 사용됨

 

 

 

 화학 증기 증착(CVD)
고온 산화물(HTO, high-temperature oxide)은 특히 공형(conformal)인데 이는 증착 온도가 높아 표면에서의 입자 운동이 증진되어 측벽 커버도 우수해지기 때문 
저압 화학 증기 증착(LPCVD) : 양질의 두께 균일성과 낮은 가스 소모
플라즈마-증진 화학 증기 증착(PECVD) : 보다 낮은 증착 온도

(a) LPCVD 시스템([1]에 따름) 및 (b) 라디오 주파수 전력으로 생성된 플라즈마가 있는 PECVD 반응기 챔버의 도식적 설명

 

 

 

 에피택시
단결정 기판 위에 단결정 층을 생성. 그 필름은 밑에 있는 결정의 확장.
 선택적 에피택시에서 증착과 동시에 물질을 에칭하기 위해 에칭 가스가 주입됨. 순 증착 비율은 양(positive)으로 단결정 기판 위에만 증착됨.
고농도로 도핑된 기판 위에 저농도 도핑된 단결정 Si 층을 제작할 때 유용
필름과 기판 간의 격자 상수가 가깝기만 하면, 두 가지 서로 다른 반도체 간의 이종접합(heterojunction) 형성도 가능함. 발광 다이오드와 다이오드 레이저에 사용됨.