KR20150011045A - 활성화 전자빔을 이용한 박막 물성 변화 방법 - Google Patents

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Abstract

활성화 전자빔을 사용하여 소요시간이 크게 줄면서도 물성 변화율을 크게 향상시킬 수 있는 박막 물성 변화 기술을 제공한다.

Description

활성화 전자빔을 이용한 박막 물성 변화 방법{Method for Change Property of Thin Film using Activated Electron Beam}
본 발명은 박막의 물성 변화 방법에 관한 것으로 구체적으로는 활성화 전자빔을 이용한 박막 물성 변화 방법에 관한 것이다.
반도체 공정에서 박막의 물성을 다른 물성으로 바꾸어야 할 필요가 있다. 예를 들어, 비정질을 나타내는 박막을 특정 처리법을 통해 결정질 박막으로 바꿀 수 있다.
이 때, 사용하는 방법에는 적층과 동시에 기판을 열처리하는 기판 열처리법과 급속 열처리법(Rapid Thermal Annealing; RTA)이 있다. 그러나, 기판 열처리법의 경우 긴 시간이 필요한 단점이 있고, 급속 열처리법의 경우 소요 시간은 줄어들지만 두께가 얇을 경우 완벽한 물성 변화를 얻을 수 없는 단점이 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 소요 시간을 획기적으로 줄이면서도 물성 변화 정도를 크게 향상시킬 수 있는 박막 물성 변화방법을 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 박막 물성 변화 방법을 제공한다. 상기 방법은 활성화 전자빔을 대상 박막 상에 조사하는 것을 포함한다.
본 발명에 따르면, 소요시간이 크게 줄면서도 물성 변화율을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 물성 변화법을 나타낸 개략도이다.
도 2는 실험예 1에서 제조된 MgO 박막과 실험예 2에서 얻어진 전자빔 조사 후의 MgO 박막의 XRD 그래프이다.
도 3은 실험예 1에서 제조된 MgO 박막과 실험예 2에서 얻어진 전자빔 조사 후의 MgO 박막의 광학특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 실험예 1에서 제조된 CoFeB 박막과 실험예 2에서 얻어진 전자빔 조사 후의 CoFeB 박막의 XRD 그래프이다.
도 5는 실험예 1에서 제조된 FePt 박막과 실험예 2에서 얻어진 전자빔 조사 후의 FePt 박막의 XRD 그래프이다.
도 6은 실험예 2에서 전자빔 처리 시간에 따른 전자빔 조사 후의 FePt 박막의 XRD 그래프이다.
도 7은 실험예 1에서 제조된 FePt 박막과 실험예 2에서 얻어진 전자빔 조사 후의 FePt 박막의 XRD 그래프와 자기저항을 나타낸 그래프이다.
도 8a는 실험예 3을 통해 형성된 FePt박막의 표면을 촬영한 SEM 사진이고, 도 8b는 실험예 3을 통해 형성된 FePt박막의 자기저항을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서, 어떤 층이 다른 층 "상"에 위치한다고 함은 이들 층들이 직접적으로 접해있는 것 뿐 아니라 이들 층들 사이에 또 다른 층(들)이 위치하는 것
을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 물성 변화법을 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 전자빔 챔버는 대면적 전자빔 발생장치(20)를 구비한다. 대상 박막(15)이 적층된 기판(10)을 전자빔 챔버 내에 로딩한다.
전자빔 발생장치(20)는 전자빔 총(미도시)을 구비한다. 전자빔 총 내부에서 플라즈마를 발생킨다. 플라즈마 발생 원리로는 전압을 가하는 동시에 불활성가스인 Ar 가스를 공급하면 연속 방전이 일어나고 전자 간의 충돌로 인해 2차 전자가 발생하며 이 2차 전자가 전자빔 총 내의 가스와 충돌하며 플라즈마가 형성된다.
내부에 플라즈마가 발생된 전자빔 총의 입구에 높은 + 전압을 인가하여 전자빔 총 내부의 플라즈마로부터 전자를 추출한 후, 전자빔 총은 대상 박막(15)을 향해 전자빔(21)을 조사한다. 이 때, 조사되는 전자빔은 수십~수 KeV 낮은 에너지를 갖는다. 한편, 전자빔(21)을 저 진공에서 조사하게 되면 가늘고 강력한 빔을 얻기 어렵고 또 고속 제어성도 나쁘기 때문에 고진공에서 조사시키게 된다.
전자빔 조사는 고진공(10-5Torr이상)의 진공 중에서 높은 에너지의 전자를 빔 형태로 대상 박막(15)에 조사시키는 원리로써 전자빔이 갖는 운동에너지와 그 에너지로 인해 발생하는 열에너지로 인해 물체의 상이 전이되는 원리를 갖는다.
그 결과, 대상 박막(15) 내의 원자결합 상태, 격자구조, 결함, 화학 양론적 성분, 박막 내의 포획가스 등과 같은 기능적 박막 특성을 조절할 수 있다. 부연하면, 상기 전자빔(21)을 사용하여 금속, 폴리머, 세라믹 및 금속산화물의 상 변화 및 물성 안정화; 선택적 균일한 구조 및 크기를 갖는 복합상 제조; 박막의 표면 처리; 나노 구조체의 물성 안정화 및 물성 변화; 또는 불순물 도핑을 구현할 수 있다. 이와 같이, 대면적 전자빔을 이용함으로써, 전자 빔의 에너지, 전류, 도즈량의 조절을 통해 기존 열처리 기술 및 레이저 처리 기술들이 제공하지 못하는 고효율의 정확하며 물성의 미세한 제어를 가능하게 한다. 또한, 전자빔(21)을 사용함으로써, 낮은 빔 에너지와 짧은 조사 시간을 적용하여 정확한 상변화를 조절할 수 있다.
일 예로서, 상기 대상 박막(15)은 비정질 구조를 갖는 MgO 박막일 수 있다. 이 경우, 상기 전자빔(21)은 400 ~ 2 keV의 낮은 에너지를 갖고, 이러한 전자빔(21)이 조사된 후 상기 대상 박막(15) 즉, MgO 박막은 다결정으로의 상변화가 발생할 수 있다. 이 경우, MgO 박막의 광특성이 향상될 수 있다.
다른 예로서, 상기 대상 박막(15)은 FCC(Face Centered Cubic) 구조를 갖고 연자성을 나타내는 FePt 박막일 수 있다. 전자빔(21)이 조사된 후 대상 박막(15) 즉, FePt 박막은 강자성을 나타내는 FCT(Face Centered Tetragonal) 구조로 전이될 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 대상 박막(15) 상에 패터닝되어 일부에 개구부를 갖는 레지스트 박막이 형성되었을 수 있다. 상기 레지스트 박막은 리소그라피 공정을 통해 형성된 것일 수 있다. 이 경우, 대상 박막(15) 중 상기 레지스트 박막의 개구부 내에 노출되어 전자빔(21)이 도사된 영역만이 강자성의 FCT 구조로 전이될 수 있다. 이 경우, FCC 연자성체의 매트릭스 내에 FCT 강자성체의 침전물 (Precipitate)로 구성된 복합상 자성체를 형성할 수 있다. 이와 같은 복합상이 형성될 경우 매트릭스와 침전물은 전혀 다른 자기 특성을 나타낸다. 이를 선택적 전자빔 조사라고 명명할 수 있고, 이를 이용할 경우 침전물의 부피를 인위적으로 정확히 조절할 수 있으므로 기존의 열 처리와 같은 기술이 제공하지 못하는 신 복합상을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1: MgO, CoFeB. 및 FePt 박막증착>
MgO, CoFeB, 및 FePt의 박막은 RF와 DC 마그네트론 스퍼터링 시스템(magnetron sputtering system)을 이용하여 증착하였다. 이 때의 FePt 타겟에 대한 조성은 Fe50Pt50의 비율을 갖는 합금을 사용하였고, 샘플의 크기는 1.25 X 1.25cm로 동일하게 하였다. 증착 시 공정조건은 고순도 Ar 가스(99.999%)를 30sccm으로 고정하였고, 초기 진공도(Initial pressure)는 6 내지 7 X 10-8Torr, 증착 진공도(Working pressure)는 2mTorr로 고정하여 박막을 제작하였다.
기본적으로 열처리, 활성화 전자빔 조사 등의 실험에 사용된 샘플은 SiO2(100nm)/TiN(20nm) 기판 상에 주로 증착하였고 두께는 100nm로 고정하였으며 경우에 따라서는 1um까지 증착하였다. 샘플의 박막을 증착하기 위해서 기본 실험으로 증착시 필요한 물질의 타겟을 정착한 후 공정 파워(currnet, voltage)에 따른 증착률(deporate)을 확인하기 위해 15W에서 40W의 다른 파워에서 20분씩 증착하여 광학주사현미경(SEM)을 통해 증착률을 확인하였고, 기판 히팅 시에는 히팅에 의해 진공도가 달라지므로 기판 히팅의 온도에 따라서도 증착률(deporate)를 달리 측정하였다.
<실험예 2: MgO 박막, CoFeB 박막, 및 FePt 박막에 활성화 전자빔 조사>
전자빔 총 입구에서 전자 빔을 추출내기 위해 가해준 전압은 300V에서 800V로 가해주었고 ( 2 KV이하), 시간은 30초부터 10분까지 실험하였으며, 초기 진공도(Initial pressure)는 7 내지 8 x 10-8Torr, 전자빔 조사 진공도(Working pressure)는 3mTorr로 고정하여 빔을 조사하였다. 불활성 기체로는 고순도 Ar 가스(99.999%)를 30sccm으로 흘려주며 실험하였다.
<실험예 3: FePt 박막에 활성화 전자빔 선택적 조사>
실험예 1에서 제조된 FePt 박막 상에 원 형상의 개구부들을 갖는 레지스트 패턴을 형성한 후, 실험예 2와 같은 방법을 사용하여 레지스트 패턴이 형성된 FePt 박막 상에 전자빔을 조사하였다.
도 2는 실험예 1에서 제조된 MgO 박막과 실험예 2에서 얻어진 전자빔 조사 후의 MgO 박막의 XRD 그래프이다. 이 때, 실험예 2에서의 전자빔의 조사는 800V에서 10분간 진행되었다.
도 2를 참조하면, 전자빔 조사 전 MgO 박막은 비정질 상태에 있었으나, 전자빔 조사 후 MgO 박막은 다결정질 상태에 있는 것을 알 수 있다.
도 3은 실험예 1에서 제조된 MgO 박막과 실험예 2에서 얻어진 전자빔 조사 후의 MgO 박막의 광학특성을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 전자빔 조사에 의해 MgO 박막의 광학특성이 변화됨을 알 수 있다.
도 4는 실험예 1에서 제조된 CoFeB 박막과 실험예 2에서 얻어진 전자빔 조사 후의 CoFeB 박막의 XRD 그래프이다. 실험예 1에서 CoFeB 박막은 SiO2/MgO 기판 상에 적층되었다. 또한, 실험예 2에서의 전자빔의 조사는 600V에서 10분간 진행되었다.
도 4를 참조하면, 전자빔 조사 전 CoFeB 박막은 비정질 상태에 있었으나, 전자빔 조사 후 CoFeB 박막은 다결정질 상태에 있는 것을 알 수 있다.
도 5는 실험예 1에서 제조된 FePt 박막과 실험예 2에서 얻어진 전자빔 조사 후의 FePt 박막의 XRD 그래프이다. 이 때, 실험예 2에서의 전자빔의 조사는 300 내지 800V, 40W, 2mT, RT 조건에서 진행되었다.
도 5를 참조하면, 전자빔의 조사가 400V 이상에서 진행될 때 FCC 구조를 갖던 FePt박막이 FCT 구조로 전이됨을 알 수 있다.
도 6은 실험예 2에서 전자빔 처리 시간에 따른 전자빔 조사 후의 FePt 박막의 XRD 그래프이다.
도 7은 실험예 1에서 제조된 FePt 박막과 실험예 2에서 얻어진 전자빔 조사 후의 FePt 박막의 XRD 그래프와 자기저항을 나타낸 그래프이다. 이 때, 실험예 2에서의 전자빔의 조사는 40W, RT 조건에서 진행되었다.
도 7을 참조하면, 실험예 1에서 제조된 FCC 구조를 갖는 FePt 박막 대비 실험예 2에서 제조된 FCT 구조를 갖는 FePt 박막은 높은 항자기성(coercivity)을 갖는 것을 알 수 있다.
도 8a는 실험예 3을 통해 형성된 FePt박막의 표면을 촬영한 SEM 사진이고, 도 8b는 실험예 3을 통해 형성된 FePt박막의 자기저항을 나타낸 그래프이다.
도 8a를 참조하면, FCC 상인 저 항자기성 매트릭스 내에 FCT 상인 고 항자기성 침전물이 형성되어 복합상을 형성함을 알 수 있다.
도 8b를 참조하면, 도 8a에 나타낸 바와 같이 복합상을 갖는 FePt박막은 도 7에 나타낸 FCC 단일상과 FCT 단일상의 FePt박막이 나타내는 자성특성과는 다른 자성특성을 나타냄을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.

Claims (5)

  1. 대상막의 일부 영역 상에 활성화 전자빔을 조사하고; 및
    상기 전자빔이 조사된 상기 대상막은 둘 이상의 상(phase)을 갖는 복합상으로 변화되는 것을 포함하는 막 물성 변화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자빔이 조사되기 전에, 상기 대상막은 비정질 상태를 갖는 막이고,
    상기 전자빔이 조사된 후 상기 대상막은 비정질 상태를 갖는 영역과 다결정질 상태를 갖는 영역을 구비하는 막 물성 변화 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 대상막은 MgO 막 또는 CoFeB 막인 막 물성 변화 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자빔이 조사되기 전에, 상기 대상막은 FCC(Face Centered Cubic) 구조를 갖는 막이고,
    상기 전자빔이 조사된 후 상기 대상막은 FCC 구조를 갖는 영역과 FCT(Face Centered Tetragonal) 구조를 갖는 영역을 구비하는 막 물성 변화 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 대상막은 FePt 막인 막 물성 변화 방법.
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