RF 마그네트론 스퍼터링에 의해 제조된 AlN 박막의 증착 특성

Abstract

Wurtzite 육방정계의 결정구조를 가지고 있는 AlN 박막은 열전도도가 320 W/mK에 달하는 고열전도도를 가지는 대표적인 세라믹소재로서 반도체 생산 공정, 잉크젯 프린터 헤드의 전자저항막 소재, LED 기판 소재로 많은 주목을 받고 있다. AlN 박막의 증착방법으로는 반응성 스퍼터링법이나 화학 기상 증착법 등이 있으나, CVD 법은 결정 성장 온도가 고온이고, 증착된 박막의 표면 거칠기가 높아 소자로서의 응용 시 문제점이 있다. 반면 스퍼터링 법은 증착 속도가 느리지만 우수한 표면 상태 및 높은 열전도도 특성을 지닌 박막 제조가 가능하다고 알려져 있다. 본 연구에서는 공정 압력, Ar/N2 가스의 혼합비를 조절하여 AlN 박막의 증착조건에 따른 표면 형상과 배향성, 미세구조, 표면 거칠기의 변화에 대하여 논의하고자 한다. 본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 AlN 박막 성장 시 공정 압력과 Ar/N2 가스의 비율에 따른 AlN 박막의 배향성, 결정구조 및 미세구조의 변화를 관찰하였다. AlN 박막 증착을 위한 타겟은 순도 99.99 %의 Al 타겟을 사용하였고, 기판은 Si(100) 웨이퍼를 사용하였다. AlN 박막은 스퍼터링 압력에 따라 증착률의 차이를 보이며 4 mTorr의 조건에서 가장 높은 증착률을 보였다. 이는 챔버내에 이온충돌에 의한 증착률의 차이로 판단되며, 높은 효율성을 보일 수 있는 최적의 압력 조건에 존재하고 있음을 확인하였다. XRD 회절 패턴 결과를 통하여 AlN 박막이 낮은 스퍼터링 압력에서 (002) 배향성을 나타내며, 압력이 증가함에 따라 (100) 배향성이 나타났다. 또한 N2 가스의 함량에 따라 AlN 박막의 배향성은 달라지며, 공정 압력과 가스 비율의 조절을 통하여 AlN 박막의 배향성을 변화시킬 수 있는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통하여 박막의 두께, RF 파워, 기판 온도 등에 의해서도 AlN 박막의 배향성이 변화할 수 있음을 예상할 수 있다. 본 연구를 통한 AlN 박막의 배향성의 변화는 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 AlN 박막을 증착하기 위한 공정 조건과의 관계를 명확하게 정립하는데 기인할 수 있을 것으로 판단된다.AlN thin films were deposited on p-type Si(100) substrates by RF magnetron sputtering method. This study showed the change of the preferential orientation of AlN thin films deposition with the change of the deposition conditions such as sputtering pressure and Ar/N2 gas ratio in chamber. It was identified by X-ray diffraction patterns that AlN thin film deposited at low sputtering pressure has a (002) orientation, however its preferred orientation was changed from the (002) to the (100) orientation with increasing sputtering pressure. Also, it was observed that the properties of AlN thin films such as thickness, grain size and surface roughness were largely dependent on Ar/ gas ratio and a high quality thin film could be prepared at lower nitrogen concentration. AlN thin films were investigated relationship between preferential orientation and deposition condition by using XRD, FE-SEM and PFM.