PVD1 — PVD 공정 (Physical Vapor Deposition)

1️⃣ PVD 공정 개요

• 정의:
  PVD(Physical Vapor Deposition)는 물질을 기화(증발) 시켜 기체 상태로 만든 후,
  기판(Wafer) 위에 응축시켜 박막을 형성하는 물리적 증착 공정이다.

• 활용 분야:
  반도체 금속 배선층 형성에 사용되며,
  대표적으로 Barrier Metal / Contact / Seed Layer 형성에 적용된다.

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2️⃣ 기본 원리 — Sputtering (스퍼터링)

단계	설명
① 플라즈마 형성	Ar 가스를 주입 후 RF/DC 전압 인가 → Ar⁺ 이온화
② 이온 충돌	Ar⁺ 이온이 Target 금속 표면에 충돌
③ 금속 원자 이탈	Target 금속 원자가 이탈(기화)하여 기체 상태로 변함
④ 증착(Deposition)	방출된 금속 원자가 웨이퍼 표면에 부착하여 박막 형성

🧩 핵심 원리:
Ar⁺ 이온이 Target 금속을 때려 원자를 떼어내고,
그 금속 원자가 웨이퍼 위에 달라붙어 박막을 형성하는 방식이다.

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3️⃣ Sputtering 장비 구조 및 메커니즘

⚙️ 기본 구성 요소

• Chamber: 진공 상태 유지
• Target: 증착할 금속 (예: Ti, Al, Cu 등)
• Cathode / Anode: 플라즈마 형성 전극
• Ar Gas Line: Ar 플라즈마 형성용
• Substrate Holder: 웨이퍼 고정 및 온도 제어

🧲 Magnetron 구조

• 자장을 이용해 전자의 이동경로를 구속시켜
  낮은 압력에서도 고밀도 플라즈마 유지 가능
• 장점:
  • 플라즈마 밀도 ↑
  • Target 효율 ↑
  • 막 두께 균일도 ↑
  • 증착 속도 ↑

💡 DC Magnetron Sputtering은
고밀도 플라즈마를 안정적으로 유지하며 금속 증착 효율을 높이는 핵심 기술이다.

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4️⃣ 주요 증착 재료 및 적용 예시

재료	주요 용도
Ti / TiN	Barrier Layer (Cu 확산 방지)
W (Tungsten)	Plug Fill, Contact Layer
Al, Cu	금속 배선층 (Interconnect)
Ta, TaN	Seed Layer 또는 Diffusion Barrier

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5️⃣ 실제 배선 형성 예시

1. PVD Sputtering으로 Seed Layer 형성
2. Electro Plating (EP) 으로 구리를 두껍게 성장
3. CMP (Chemical Mechanical Polishing) 으로 평탄화

💡 Seed Layer는 전기도금(EP)의 전도 경로를 확보하기 위한 얇은 금속막이다.

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6️⃣ 주요 공정 변수 (Process Parameter)

항목	설명	영향
Gas Flow (Ar)	플라즈마 농도 및 밀도 조절	증착률, 균일도
Pressure	플라즈마 충돌 빈도 제어	Mean Free Path, 막 품질
Power (DC/RF)	이온화 에너지 제어	금속 스퍼터링 속도
Wafer Temperature	원자 이동성 제어	밀도·결정성·응력

공정 변수 간의 균형이 박막의 품질과 막질(밀도·응력)에 큰 영향을 미친다.

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7️⃣ 최신 PVD 기술 동향

기술	특징	장점
iPVD (Ionized PVD)	증착 금속을 이온화 → 전기장 제어로 깊은 트렌치 내부 증착 가능	High AR 구조 Fill 우수
HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering)	짧은 시간 고출력 펄스로 고밀도 이온화	막 밀도↑, 접착력↑, 결함↓
Collimated Sputtering	Mask 구조로 방향성 증착	측벽 증착 제어 향상

➤ 미세 패턴 구조가 복잡해질수록,
금속 Fill 성능과 막 밀도 확보를 위한 iPVD·HiPIMS 기술의 중요성이 커지고 있다.

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✅ 핵심 요약

항목	내용
공정 개념	플라즈마로 금속을 때려 기화 → 웨이퍼 위 증착
대표 재료	TiN, W, Al, Cu
적용 분야	Barrier, Seed, Contact, Metal Line
핵심 구조	DC Magnetron Sputtering
공정 변수	Gas Flow, Pressure, Power, Temp
신기술	iPVD, HiPIMS, Collimated Sputtering 등

🔹 PVD는 반도체 금속 배선 형성의 기반 공정으로,
고밀도 플라즈마·균일 증착·고종횡비 Fill 기술이 향후 경쟁력의 핵심이다.