박막 증착 丨 원자층 증착 (ALD)
기술 원칙 및 적용

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원자층 증착(ALD)이란 무엇인가요?

원자층 증착(ALD)은 화학 기상 증착(CVD)을 기반으로 하는 고정밀 방식입니다. 박막 증착 기술이는 화학 증기 상에 기반한 단일 원자 필름 형태의 재료를 기판 표면에 층별로 증착하는 기술입니다. 증착할 재료의 다른 원소를 각각 포함하는 두 개 이상의 전구체 화학 물질이 한 번에 하나씩 기판 표면에 도입됩니다. 각 전구체는 표면을 포화시켜 재료의 단일 층을 형성합니다.

원자층 증착의 원리

ALD의 성장 원리는 기존의 화학 기상 증착(CVD)과 유사하지만, 증착 과정에서 반응 전구체가 교대로 증착되고 새로운 원자 층의 화학 반응이 이전 층과 직접적으로 연관되어 각 반응에서 하나의 원자 층만 증착된다는 점을 제외하면 ALD의 성장 원리는 기존의 화학 기상 증착과 유사합니다. 자기 제한적 성장 특성을 가지므로 기판 위에 필름을 컨포멀하고 핀홀 없이 증착할 수 있습니다. 따라서증착 사이클 수를 제어하여 필름 두께를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
 
원자층 증착 사이클은 네 단계로 나눌 수 있습니다.
  1. 첫 번째 전구체 가스를 기판에 통과시킴으로써.기판 표면과의 흡착 또는 화학 반응.
  2. 남은 가스를 불활성 가스로 플러싱합니다.
  3. 두 번째 전구체 가스의 도입.코팅을 생성하기 위해 기판 표면에 흡착된 제1 전구체 기체와의 화학 반응 또는 코팅을 생성하기 위해 제1 전구체와 기판 사이의 반응 생성물과의 지속적인 반응.
  4. 다시 한 번 여분의 가스는 불활성 가스로 배출됩니다.
 
전구체 선택 및 분류
 전구체의 선택은 ALD 성장을 위한 코팅의 품질에 결정적인 역할을 하며 전구체가 충족해야 하는 요구 사항을 충족해야 합니다.
  • 증착 온도에서 증기 압력이 충분히 높아서 충진된 기판 재료의 표면을 적절히 덮을 수 있어야 합니다.
  • 열 및 화학적 안정성이 우수하여 반응의 최대 온도 한계 내에서 자가 분해를 방지합니다.
  • 높은 반응성. 재료 표면을 빠르게 흡착하여 포화시키거나 재료 표면 그룹과 빠르고 효과적으로 반응합니다.
  • 무독성, 비부식성 및 불활성 부산물 포함 자체 제한 필름 성장을 방해하지 않음
  • 다양한 소재 소스
ALD 전구체는 무기물과 금속-유기물의 두 가지 주요 그룹으로 나눌 수 있습니다.무기 전구체에는 단량체와 할로겐화물이 포함됩니다. 무기 전구체에는 단량체와 할로겐화물이 포함되며, 금속 유기물에는 금속 알킬, 금속 시클로펜타디엔닐, 금속 β-2 케톤, 금속 아미드, 금속 에테르기 등의 화합물이 포함됩니다.
 
 

원자층 증착 기술의 특징 및 장점

  • 높은 정밀도.반응 주기를 제어하여 기판의 두께를 쉽고 정밀하게 제어할 수 있으며, 원자의 두께만큼 정확하게 필름의 두께를 조절할 수 있습니다.
  • 뛰어난 3차원 적합성.ALD는 원래 기판 모양과 일치하는 필름을 생성합니다. 즉, 오목한 표면에 필름이 균일하게 증착됩니다. 따라서다양한 형태의 기판에 적합균일한 3차원 필름, 일관된 모양과 독창성, 적합성은 ALD 기술의 고유한 장점입니다.
  • 높은 평탄도.핀홀이 없는 표면, 상향식 성장 메커니즘은 필름의 핀홀이 없는 특성을 결정하며, 이는 차단 및 패시베이션 애플리케이션에 유용합니다.
  • 뛰어난 밀착력.전구체가 기판 표면에 화학적으로 흡착되어 접착력이 우수합니다.
  • 낮은 열 예산(낮은 강수량 온도): 저온(실온~400°C)에서의 필름 성장으로 온도 제약이 있는 폴리머 소자 및 생체 재료 코팅에 적합함

박막 증착 공정의 장단점 비교

장인 정신원자층 증착
(ALD)		물리적 증기 증착
(PVD)		화학 증기 증착
(CVD)		저압 화학 기상 증착
(LPCVD 퍼니스 튜브)
증착 원리화학적 표면 포화도
반응-증착		증발-통합기체상 반응 - 증착저압 화학 기상 증착
(스토브 및 튜브)
증착 프로세스층류 성장핵 생성 성장핵 생성 성장핵 생성 성장
테라스 커버리지우수일반양호양호
입금 비율slow빠른빠른느린
증착 온도낮음(500°C 미만)낮음높음더 높은
동질성우수
0.07 - 0.1nm		일반
약 5nm		더 나은
0.5 - 2nm

더 나은

두께 제어반응 주기 수증착 시간증착 시간
증기상 분압		증착 시간
가스 비율
재료불순물이 거의 없는 균일성무결점불순물 제거 용이무결점

원자층 증착 애플리케이션

반도체 산업이 계속 발전함에 따라 소자의 크기가 점점 더 미세해짐에 따라 낮은 열 예산, 높은 박막 두께 정확도 및 3차원(3D) 구조의 우수한 적합성을 요구하는 보다 진보된 박막 성장 기술을 찾거나 개발하는 것이 특히 중요해졌지만, 기존의 증착 기술인 화학 기상 증착(CVD) 및 물리 기상 증착(PVD)은 더 이상 이러한 추세에 완전히 부합하지 않습니다. ALD 기술은 증착 파라미터(두께, 조성 및 구조)의 높은 제어 가능성, 우수한 균질성 및 적합성으로 인해 마이크로 및 나노 전자 제품 및 나노 재료 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다.

  • 이 기술의 주요 적용 분야는 다음과 같습니다[1]:
  • 높은 K 유전체(Al2O3, Hf O2, Zr O, Ta 2 O5, La 2 O3): 트랜지스터 게이트 및 DRAM 커패시터 유전체 층에 사용됩니다;
  • 금속 그리드 전극 (Ir, Pt, Ru, Ti N);
  • 금속 인터커넥트 및 라이너(Cu, WN, Ta N, WNC, Ru, Ir): 구리 인터커넥트용 금속 확산 장벽층, 트랜지스터 그리드용 반도체 비아, DRAM 커패시터, 패시베이션 레이어와 같은 메모리 셀 애플리케이션용 금속 확산 장벽층;
  • 촉매 재료(Pt, IrCo, Ti O2, V 2 O5): 필터 멤브레인 내부 코팅, 촉매(자동차 촉매 컨버터용 백금 멤브레인), 연료 전지용 이온 교환 코팅;
  • 나노 구조(다양한 재료)나노 구조물 주변과 내부의 컨포멀 증착 및 MEMS에 사용됩니다;
  • 바이오 코팅(Ti N, Zr N, Cr N, Ti Al N, Al Ti N): 체내 의료 기기 및 기구에 사용되는 생체 적합성 소재입니다;
  • ALD 금속 소재(Ru, Pd, Ir, Pt, Rh, Co, Cu, Fe, Ni);
  • 압전 층(Zn O, Al N, Zn S);
  • 투명한 전기 전도체(Zn O: Al, ITO);
  • 자외선 차단 레이어(Zn O, Ti O2);
  • OLED 패시베이션(Al2O3 );
  • 견고한 윤활층(WS2);
  • 광자 결정(Zn O, Zn S: Mn, Ti O2, Ta2 N5): 다공성 알루미나 및 리버스 오팔 내부 코팅;
  • 눈부심 방지 및 광학 필터(Al2O3 , Zn S, Sn O2, Ta 2 O5): 파브리-페로 트리거 필터;
  • 전계 발광 장치(Sr S: Cu, Zn S: Mn, Zn S: Tb, Sr S: Ce);
  • 처리 계층(Al2O3, Zr O2): 에칭 장벽층, 이온 확산 장벽층, 전자기 기록 헤드용 코팅용;
  • 광학 애플리케이션(Al Ti O, Sn O2, Zn O): 나노 광학 재료, 태양 전지, 집적 광학 재료, 광학 박막, 레이저, 다양한 유전체 필름에 사용됩니다;
  • 센서(Sn O2, Ta 2 O5): 가스 센서, pH 센서용;
  • 마모 및 부식 억제층(Al2O3 , Zr O2, WS2)
[1] 원자층 증착 기술 적용 현황 및 전망; (2021) 10-0005-05

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