Physical Vapor Deposition(PVD)_plasma, sputtering, evaporation

요약

반도체 소자의 박막을 만들때 사용되는 증착법으로 물리적인(입자로 때려 박는) 방법이다.

정의상 가정	Gas flow measurement_MFC vacuum gauges 박막(thin film)_surface energy,surface tention Vaccm Pumps
내용상 가정	에너지
공식
단위
응용

↑파란 박스의 글자를 클릭하시면 가정과 응용으로 넘어 가실 수 있습니다!!

박막을 증착하는 방법중 하나인 PVD는 양이 정~~말 광범이하고 다루고 고려해야 할 것이 많지만,

이 포스팅에는 먼저 전반적인 내용을 다루고 더 세세한 것은 응용에서 추가로 다루겠습니다.

Plasma가 아래 사진 두개뒤에 바로 나오므로 Plasma부분을 참조하신다면 그곳만 읽고 바로 넘기면 될 것 같습니다.

PVD란 Physical Vapor Deposition의 약자로 전자소자나 일반 반도체 나노 소자를 만들때 사용되는 박막 형성 기법입니다.

보통 (스퍼터링)Sputtering 장비와 Evaporation 장비를 이용하여 이 PVD 박막증착을 하는데,

뒤에서 다루겠지만 결론적으로 금속 전극이나 산화물 반도체, 절연체 박막 증착에 이용됩니다.

위 사진이 Evaporator이고

위 사진이 Sputtering입니다.

그렇다면 PVD는 어떤식으로 박막을 증착하는 것일까요??

바로 Physical!! 그냥 원자를 기판에 물리적으로 때려 박는 겁니다.

Source (Target)에 있는 원자를 떼어내 Substrate(기판)에 박아 증착시키는 겁니다.

이때 가스 이온을 가속시켜 박는것을 Sputtering이라 하고

가열하여 원자를 evaporation시켜 붙이는 것을 Thermal evaporation

전자빔으로 evaporation하는 것을 E-beam evaporation이라 합니다.

이때 특정한 원자만 이동시켜야하므로 다른 불순물이 섞이면 안되므로,

진공으로 만들어야 합니다.

진공으로 만든뒤부터가 달라지는데

먼저 Sputtering을 보겠습니다.

Sputtering은 진공을 만든뒤 Plasma를 만듭니다.

플라즈마란 이온과 전자로 분리된 상태인데,

예를들어 Ar이라는 기체가 있을때 Ar이 어떤 충격을 받아 Ar 양이온과 전자로 분리된 상태를 Plasma라 합니다.

전기적으로는 중성인 하전 기체이며 이 plasma는 glow discharge라는 process로 생겨납니다.

 glow discharge는 진공상태에서(base pressure 이하) 전기장이 걸려 gun(substrate에 달려있음)에서 1차 전자가 방출되어 Ar가스와 부딪혀 Ar을 이온으로 바꿉니다.

이러한 과정에서 이온화와 재결합을 진행하는데,

Excitation에서 전자의 에너지가 높게 여기된 Ar*에서 재결합하는 과정에 빛이 방출되고, Ar의 경우 보라색 빛이 발출된다.

이때 전자의 에너지는 보통 1~20eV이고 밀도는 10^8~10^12/cm^3이다.

glow discharge를 발생시키는 것을 보겠습니다.

앞서 말한 것과 같은 원리는 같으나, 빛이 방출하는 것에 약간의 규칙성이 있습니다. 

Cathode에서 거리에 따라 빛의 밝기가 다른데 이 빛의 밝기에 따라 substrate를 놓아야 할 위치를 결정합니다.

Cathode glow, Crookes dark space, Negative(Anode) glow로 구분됩니다.

사실 이도 자세하게 다룰래야 다룰수 있으나 알아야 할 내용만 다루겠습니다.

Cathode glow는 Ar+이온이 cathode쪽으로 이동하여 Ar으로 재결합하며 발광하는 것입니다. 따라서 밝게 빛나는 층이며 excited된 이온과 이차전자가 incoming discharge ion과 positive cathode 이온이 중성화 되면서 발생합니다.

Crookes dark space는 sheath라고 potential 분포가 칼날모양인 곳으로 이 곳에는 net positive space charge이며 낮은 전자밀도를 가지고 있습니다.

따라서 인가되는 대부분의 전압이 감소하며, 이온화된 가스 이온들이 cathode쪽으로 가속되게 됩니다.

Negative(Anode) glow영역은 전자를 가속시켜 충분한 에너지를 얻어 중성 가스를 이온화시키는 영역입니다. 즉 plasma가 주로 만들어 지는 부분으로 negative glow부분에 plasma가 형성되어 Ar+와 Ar*가 있고 이들은 Crookes dark space의 sheath에서 가속되어Cathode로 이동하여 sputtering을 발생시킵니다. 즉 이부분에 substrate를 두게 됩니다.

여기가 가장 밝은 부분이며, plasma가 잘 형성되어 활동적인 부분입니다.

그렇다면 이 Glow discharge에서 Ion들과 electron들의 에너지는 어떻게 될까요??

먼저 전자가 전기장에서 얻는 에너지는 W=Eex이고

시간 t동안 가속력을 받으며 움직이는 거리는 이고

그 힘에서의 가속도는

이므로 아래에서부터 위로 하나하나 대입한다면

이 됩니다. 이때 에너지는 질량과 반비례하므로

이온보다 전자가 훨씬 더 많은 에너지를 갖고 있고 즉 전자가 이온보다 더 빠른 에너지변화를 한다는 것입니다.

따라서 이온과 충돌되어 뺏기는 전자의 에너지는 비교적 미미하며, 

그렇다면 전자가 전기장에 의해 무한히 증가할 것으로 예상되지만,

계속 에너지가 증가하다보면 비탄성 충돌이 중요해집니다. 즉 10eV이하에서는 elastic충돌이 그래도 일어나지만,

이상에서는 거의 inelastic 충돌이 발생합니다. 따라서 전자들 끼리 충돌하거나 플라즈마 안에서 neutrals과 충돌하며 가속하는게 줄어들게 됩니다.

이때 gas 분자와 전자의 충돌을 볼때

Kinetic Energy, 즉 전자가 에너지를 변화시키기위해 들어가는 에너지는 

이고

Potential energy, 이온화나 여기상태에 대한 에너지는 Internal energy로 생각하겠습니다.

이때 Elastic collision은 오직 Kinetic energy만 교환되며, 이것은 전자의 에너지가 2eV이하일때 충돌시 운동에 의해 교환되는 경우 발생합니다.

이떄의 에너지 전달률은

각도를 무시한다면 전자의 질량도 작아서 무시가능 합니다. 즉 보통 0.01%정도 나옵니다.

만약 전자의 에너지가 2eV보다 크다면 Inelastic collision이 발생하고 이런상황에서는 운동에너지와 위치에너지가 교환히 됩니다.

즉 inelastic collision의 에너지 전달률은

이때는 99,99%의 potential energy로의 전달이 되며, 0.01%만큼만이 kinetic energy로 전달됩니다.

여기서 낮은 압력에서는 온도에따라 전자에서 이온으로 에너지가 전달되는게 다르고,(온도가 높을 수록 에너지 전달은 잘되고, 낮다면 정말 낮은 에너지가 전달되며,)

높은 압력에서는 온도에 상관없이 높은 에너지가 전자에서 이온으로 전달됩니다.

그럼 전자는 cathode와 anode사이에서 어떤 에너지 분포를 이루고 있을까요??

위 그림의 (a)는 전자로 이온화된 양이온이 Cathode sheath voltage에 의해 가속된 양이온이 cathode를 때리는 모식도를 나타냅니다. 

이렇게 sheath는 전자를 plasma가 일어나는 부근으로 밀어내고, 전자를 가속화시켜 plasma를 생성하며, 이온까지 cathode로 가속시킵니다.

이떄 Anode부근에서는 Ar+가 조금더 많아 potential energy가 양으로 잡힙니다. 

이때 양이온은 cathode 물질의 atom을 떼어내는데, 이것이 sputtering이라 부르고 여기서의 cathode는 target이 됩니다.

plasma 중간 부분에서는 불규칙한 양의 Ar+이온이 있어 그림 (b)와 같이 potential이 변화하게 되어 floating potential로 간주할 수 있습니다.

다시말해 anode와 cathode에서 isolated되어 여기서 흐르는 전류, 즉 입자들의 flux는 random하게 됩니다.

즉 plasma내부의 floating voltage가 기판과 달라 기판에 이온과 전자가 흐르는 것입니다.

위 그림 (c)와 같이 substrate에 particle flux가 들어가게 되고 이때 flux는

으로 substrate에 전자가 빨리 많이 도착해 negative charge가 쌓이기시작하고 negative potential이 Ar+ ion들을 끌어모아 ion flux와 균형을 맞춰 균형일 이룰때까지 유지되어 negative potential plasma가 발생되게 됩니다.

즉 substrate에서 re-sputtering이 발생되는데 이것은 기판을 망칠수도 있고, substrate에 불규칙한 film을 평평하게 만들거나 없애서 좋은 영향을 줄 수도 있습니다.

따라서 균형이 잡히기 전까지 plasma potential보다 floating potential가 작습니다.

이런 차이로 전자는 substrate에서 밀려나가게 되는데 이렇게 substrate 주변에 생기게 된 potential을 sheath라 합니다. 

여기서 중요하게 짚고 넘어가야 할 점이 있습니다.

바로 Radical이라는 개념인데 바로 dissociation에 의해 완전하지 않은 화학적 bonding을 이루고 있는 이온 또는 이온들을 지칭하는 말입니다. 이때 이 원자들은 전기적으론 중성입니다.

예를들어 F, Cl, O, H, OH, CF, CF2와 같은 것들이

즉 이온은 아니지만(위 화학식에서도 이온이 아닌것이 radical입니다.) 불안정하여 화학적으로 결합가능한 상태, 즉 active한 원자를 말합니다.

이들은 높은 비율로 잘 발생하게 도하며(필요한 에너지가 작습니다.) 이온보다 더 잘 살아 남아(ion보다는 비교적 안정합니다.) 플라즈마 상태에서 양이 더 많습니다. 

이 radical은 plasma surface chemistry을 구성하며, ionization potential보다 더 낮은 전자에너지를 만듭니다.

이 plasma는 Deposition(CVD-저온용, PVD), Plasma treatment(surface oxidation, nitridation, activation(일정영역만 증착), implantation(doping))할때나 Dry etching(reactive ion etching(RIE), Focused ion beams(ion milling))할때 쓰입니다.

(Plasma 끝)

이제 이 plasma로 Ar+이온이 target을 때려 target에서 입자가 방출되는 상황을 보겠습니다.

위 그림 (a)를 본다면, 가스 이온 A가 타겟과 충돌하고 원자 B로 모멘텀이 전달하다가 타겟내의 원자 C가 방출되게 됩니다.

충돌후 이온은 중성상태로 되돌아가고 이온화 된 후 다시 충돌하는 과정으로 계속 Ar은 재활용되게 됩니다.

이떄 Ar+이온이 충돌한뒤 위 그림 (c)를 참조해 본다면,

1. Ar+이온이 중성화가 되면서 반사하게 되는 과정이 있고, 2. Ar+이온이 Target 내부에 박혀벼릴 수 있으며(ion implantation),

3. 전자가 Target에서부터 방출되기도 하는데 이는 secondary electron이라 합니다.

4. 원자사이에서느 연쇄적인 충돌이 일어나서 원자가 결국 방출되는데 이게 바로 공학자들이 원하는 것이고 이를 sputtering이라 합니다.

5. Target 표면에서 결정성이 깨져 구조적인 재 배열(reordering)이 일어나고 표면층에 결정구조의 변화가 있습니다. 마지막으로 

6. 대부분의 에너지가 떨리는 격자로 영향을 주어 표면을 뜨겁게하는데로 변환 됩니다. 따라서 Target층에 heating을 식혀줄 cooling이 필요합니다.

이 Target에서 일어나는 6가지 일 모두 인가되는 전압에 따라 그 정도가 다르며, 특히 ion implantation의 경우 박히는 깊이가 달라집니다. 이를 이용해 도핑을 하기도 합니다. 

그렇다면 이때 4. sputtering에 대해서만 다시 본다면 위 그림 (b)와 같이 incident particle, 다시말해 Ar+가 들어오면 multiple collisions에 의해 target을 이루고있는 sputtering particle이 방출됩니다. (그냥 target원소인데 이름만 그렇게 붙인 것 입니다.)

이때 Ar+이온과 첫 충돌로 바로 원자가 방출되는 경우는 없으며 무조건 여러번 충돌을 해야합니다.

만약 elastic이라 가정하면 대략적으로 에너지 전달률은

이 되어 sputtered atoms의 에너지는 보통 E=1~10eV가 됩니다. 이 에너지를 가지고 원자는 substrate로 돌진하며, 이 에너지가 높다면 substrate에서 에너지를 다쓸때까지 열역학적으로 안정한 자리를 찾아갑니다.

식에서 보듯 mass의 비가 엄청 중요합니다.

이식에 대해 Sigmund이론이 있는데 바로 sputtering 입자가 갈때 박박이 얼마나 빨리 만들어지는가를 가늠해 볼 수있습니다.(sputtering yield)

즉 이에대해선 

이 식을 본다면, S는 mass와 energy,incident angle of the impinging ion에 의존하며, Target의 물질에도 의존을 합니다.

Ion energy가 1Kev를 기준으로 나눈이유는 1KeV이하의 에너지에서는 sputtering이 발생하지만

이후에는 ion implantation이 발생하여 Target안에 ion이 들어가 박히게 되어 이후 S가 증가하지 않게됩니다.

그러나 target의 온도나 이온화의 충돌양에는 큰영향을 받지 않습니다. 

보통 sputtering gas의 에너지 E1이 0.5~1.0Kev일때 0.01~4정도이며 Target 물질의 질량과 sputtering gas의 에너지가 증가할수록 증가합니다.

보통 binding energy의 4배정도가 될때 부터 뜯겨져 나오며  sputtering gas energy가 큰놈일 수록 잘 뜯겨저나오며 그 큰 에들중 가장 저렴한것이 Ar이므로 이 sputtering gas로 보통 Ar를 씁니다

sputtering이라는 원리를 이용해서 만든것이 sputter인데 이 sputter는 종류가 다양합니다. 위의 그림 같은경우는 DC sputtering deposition으로 직류전원을 이용한 sputtering입니다.

위에 sputtering에서 다루었던것에서 전압 인가방식을 DC로 하여 DC power에 의해 플라즈마를 발생시키고 sheath potential에 의해 이온을 가속을 시켜 이온이 target에 충돌해 target에서 원자가 방출되어 방출된 원자가 기판에 증착되는 원리입니다.

이때 sputtering시작은 위 그림 (a)에서 shutter를 열고닫아 진행합니다.

그림 (b)에서와 Ar을 주입하여 가한 압력에 따라 sputtering yield가 다른데, 압력이 감소하면 전자의 mean free path가 증가하고 ionization efficiency가 감소하지만, 압력이 증가하면 전자의 mean free path가 감소하고 ionization efficiency가 증가하여 sputtered atom과 gas분자간의 충돌이 증가하여 증착률이 저하됩니다. 즉 적정한 압력을 맞춰 증착속도를 조절해야합니다

이때 10mTorr보다 적어지면 plasma가 발생하지 않고 100mTorr보다 증가하면 너무 mean free path가 낮고 낮은 ion energy로 보통 DC에서는 

30mTorr에서 100mTorr사이가 operating pressure range입니다

이런 DC sputtering deposition은

구조가 가장 간단하며, 박막 성장 속도가 여러종류의 금속에 대해 거의 일정하며, 두께 조절이 용이하고, RF sputtering에 비해 박막 성장 속도가 빠릅니다.

그러나 Target재료가 금속에 한정되어 비금속재료를 증착할 수 없습니다.

왜냐하면 비금속인 경우 그림(c)와 같이 Ar이 충돌한 뒤 +전하가 source를 통해 빠져나가지 않아 쌓이게 됩니다.

이렇게 쌓이면, Ar+이온이 Target에 쌓인 +전하와 정전기적 반발력으로 접근하지 못해 충돌하지 못하고 sputtering도 못하게 됩니다.

또한 높은 Ar압력이 필요하고(10~15mTorr) 기판이 가열되기 쉽습니다.

위의 DC sputtering의 문제를 해결하기위해 RF sputtering이라는게 나왔고 target 표면에 전하가 축적되는 것을 인가 전압의 극성을 계속 바꿔주어 축적되는 것을 막습니다.

이 모식도는 위의 왼쪽 그림입니다.

이 RF는 다른 주파수와 신호간섭을 피하기 위해 원래는 50kHz이상만 되어도 전자가 가스를 이온화 할 수 있고 전자와 이온이 frequency 변화에 따라 이동하지만, 13.56MHz를 사용합니다.

이렇게 금속 이외 비금속, 절연체, 산화물, 유전체의 sputtering을 할 수 있었고 여기에 효율을 높이기 위해

위 그림 중간과 오른쪽 그림과 같이 Target의 뒷면에 영구자석이나 전자석을 배열하여 전기장에 의해 Target에서 방출되는 전자를 전자석에 의한 자기장내의 국부에 모아(hopping electron) Ar기체 원자와의 충돌을 촉진시켜 sputter yield를 높입니다.

이를 Magnetron sputter이라 합니다.

또한 ion beam sputtering이라는 방법이 있는데,

위 그림과 같이 이전까지의 sputtering방식은 mangnetron이외 작용가스의 압력을 독립적으로 조절이 안됬는데, ion beam  sputtering은 plasma가 ion beam발생기 안에만 있어 ion beam으로 이온원에 의해 생성된 이온빔을 결사지게 입사시켜 방출되는 가속된 이온이 target에만 때려 sputtering을 하므로 target을 선택한 에너지와 flux, 밀도를 조절할 수 있어 다층 박막 형성에 유리합니다.

증착률이 높아 얇은 막을 control할 수 있고 압력이 엄청 낮아야 합니다. 보통 하나하나 입자가 붙어가며 진행을 합니다.

이 ion beam sputtering은 낮은 증착온도를 가지고, 모든 물질을 증착할수있으며, ion source를 개별적으로 control하여 증착분위기를 제어할 수 있습니다.

또한 박막의 균일성과 재연성이 우수하며, 박막 두께 제어가 용이하여 무반사, 고반사 코티오가 같은 다층박막을 형성할 수 있으나 장비 가격과 운영비가 비싸며 증착속도가 낮으며 surface damage와 induced heating effects의 영향을 많이 받습니다.

이때 박막을 한가지 물질로만 증착하지 않고 여러 성분을 합쳐 증착할 떄도 있을첸데,

이떄는 다른 물질 둘을 한번에 증착하는 것이므로, 위 그림과 같이 서로 다른 sputtering yield를 가진 물질을

같은 sputtering yield로 맞춰줘야 합니다. 그렇지 않으면 박막에 물질마다 다른 비율로 증착이 되게 될 것입니다.

이들을 multi component 박막 증착이라 하며 서로 다른 독립적인 yield의 물질을 가진 homogeneous alloy target을 사용할때 고려해야하며 이때는 Target 표면에서 B가 더 빨리 sputtering 되어 표면에서 결국 B의 농도가 낮아지게 됩니다.

따라서 어느 일정한 시간이 지나면 비교적 B의 농도가 낮아져 sputtering되는 조성은 bulk와 같아집니다.

이 조성이 같아지는 지점을 steady state라 한다면 steady state가 되었을때 sputtered flux의 조성과 bulk target의 조성과 같아집니다. 특히 두번째 그래프의 경우 steady state으로 농도차이가 있다가 다시 농도가 동일하게 되는 깊이가 있는데 이 평형상태로 도달하는 두께는 target물질마다 다르며 수십에서 수천 nm에 해당합니다.

이때 안정적인 증착을 위해서는 농도차이가 유지되어야 하므로 열에의해 다시 평형상태로 돌아가지 못하도록 냉각을 시키며 확산을 막습니다.

이런 alloy나 compound 박막을 증착하는 경우 stoichiometry의 문제가 생길 수있는데, Target 물질과 다른 조성을 갖는 것입니다.

예를 들어 quartz film의 경우

 Target이 sputtering할때 Ar이 산소에 대해 deficient하여 로 증착되게 됩니다.

이렇듯 가스에서 deficient가 되고 다른 volatile한 성질이 있는 경우를 non-stoichiometry라 합니다.이런 문제는 reactive sputtering이라 하여 주입가스에 Ar뿐만 아니라 산소도 미량 주입하는 것입니다.

또한 Oxide나 Nitride의 박막을 증착하고자 할때 O2나 N2를 가스상태로 주입하는데, 이러한 경우 플라즈마에서 negative ion으로 간주되어 anode로 가속되어 substrate에 부딪혀 resputtering하게 됩니다.

즉 박막을 etching하게 됩니다. 위그림의 그래프와 같이 어느정도 산소가 넘어가면 이런 문제가 생깁니다. 

이러한 문제는 target과 substrate의 배치를 바꿔서 해결 간으한다 위 그림 아래와 같이 negative ion이 흐르는 이동로(stream)에서 기판을 빗겨 위치시키면 가능합니다. 즉 chamber design과 관련됩니다.

 마지막으로 poisoning effect라하여 Y, Al, Cr, Ti, Ta에 산소를 Ti에 N2를 섞어쓰는 reactive sputtering에  hysteresis loop가 존재하는데 그것은 다음과 같습니다.

reactive gas인 산소와 질소의 flow rate가 증가하면서,

아무런 flow rate도 없는 A에서는 metal target이 순수한 Ar로 sputter되다가 B에서 reactive gas가 target으로 흡수되는 비율이 높아지다가 C에 이르면target 표면에 compound layer가 형성되어 target은 poisoned됩니다. 이대 sputtering yield가 떨어지게 됩니다. 

만약 poisoned된 상태에서 flow rate을 감소시킨다면, 다시 metallic mode로 가게 됩니다.

다음은 PVD의 다른 방식인 evaporation deposition에 대해 보겠습니다.

evaporation deposition은 말뜻그대로 물질은 증발시켜서 증발된 물질을 이동시켜 기판위에 증착시키는 것입니다.

이 증발, 즉 evaporation은 heating과 e-beam으로 하는데 heating은 Thermal evaporation으로 열에의해 증발하는 것입니다.

이떄 증착시키는 물질을 source물질이라하고 이때 박막의 오염이 되면 안되고, evaporation 된 source물질이 기상에서 분자와 충돌하여 scattering하는것을 막기위애 엄청난 고진공이 요구됩니다.(10^-6 Torr이하로 해야합니다.)

이때 evaporation시키는 Thermal evaporation방법에는 resistance heating과 arc discharge or induction방법이 있고, E-beam방법에는 electron beam과 laser로 녹여주는 방법이 있습니다.

resistance heating의 source는 대표적으로 single bend, helix type, coil & basket, dimpled, dimpled with a coating of alumina, shallow boat로 되어있고 induction heating sources는 자기유도전자로 열을 가하는데 RF heated aluminum source가 녹입니다.

그러나 electron beam evaporation의 경우

아래 왼쪽 그림처럼 자기장에 의해 filament에서 전자가 나와 metal에 전달됩니다. 이 전자의 에너지에 의해 metal이 가열되어 증발됩니다.

이것은 clean하며 thick film을 만들기 용이하며, 높은 melting point를 가진 물질에서 잘 쓰입니다.

그러나 큰에너지 이기때문에 X-ray와 같은 radiation damage가 있습니다. 물론 X-ray는 인체에 유해하다는 단점입니다.

아래 오른쪽 그림은 Laser ablation(Pulsed laser deposition, PLD)인데, 이것은 증발시키는 것이 아니라, laser beam을 쏘아 플라즈마를 발생시켜 증착 시킵니다.

이때 evaporation의 정도를 계산할 수 있는데, 이 evaporation rate를 단위 면적당, 단위 시간당 증발되는 분자의 갯수로 따진다면

로 증기압이 높을 수록 기화가 잘되며

이 계수들은 각각

: coefficient of evaporation

: equilibrium vapor pressure at the evaporant surface

(온도를 가하면 급격히 증가함)

: hydrostatic pressure acting on the surface resulting from the evaporant atom or molecules in the gas phase(vacuum chamber의 압력)

: # of evaporated atoms/ unit area time

방출하는게 위와 같았다면, substrate에 도달하는 양은 어떻게 될까요??

아래그림과 같은 기하로 따진다면,

Thermal evaporation으로 표상되는 point source의 경우 그 점으로부터 원을 이루며 

이것은 substrate에 도달하는 양은

다음과 같은 상수를 정의한다면,

Mr: total mass received by surface element.

Ar: the area of the surface element receiving deposit.

Me: total mass evaporated.

Ae: the area of the source element.

ϕ: angle from the normal to the plane of the source.

θ: angle of the substrate relative to the vapor stream.

입니다. cos의 경우 꺾일수록 deposition rate가 떨어진다는 것을 의미하며, deposited mass per unit area를 의미합니다.

e-beam evaporation으로 표상되는 small area flat source의 경우에는 kinetic theory와 experiment 경험치로 

입니다.

따라서 planetary substrate holder의 경우 rho를 film density라하고 m을 mass evaporation rate라 하면

이라 할 수 있습니다. 즉 substrate의 각도에 따라 박막에 두께가 달라질수 있습니다.

또한 윗 증착 속도에 따라 substrate중간에서 멀어질수록 증착한 film의 두께가 얇아질텐데,

위에서 구한 값을 정리한다면, 가장 중간에 증착된 film의 두깨를 d0라 한다면

surface source라 하면

point source라하면

이며 그 양은 위 오른쪽 그래프와 같습니다.

이때 대면적 기판을 사용할때는 두께의 uniformity를 고려하여 증착조건을 설계해야하며, 이 uniformity를 고려하지 않는것이 가장 큰 단점이며 보통 이를 극복하기 위해 l에대해 h를 엄청 길게 합니다.

따라서 chamber가 엄청 큽니다.

아니면 substrate holder를 이동시키거나 회전시키며, 많은 source를 사용하거나 source의 모양을 변화시킵니다. 

이 evaporation deposition은 위 그림의 위와 같이 shadowing effect와 step coverage가 안좋은 단점이 있는데,

이는 일직선으로만 입자가 가서 홈이 파진곳에 균일하게 쌓이지 않는것입니다.

evaporation만 그런게 아니라 PVD는 전반적으로 step coverage가 안좋으며 이를 극복하기 위해

입자가 왔다갔다하게 하기위해 에너지를 높여주거나(heating), 돌려준다.

이것은 문제점으로만 작용되지 않고, 이러한 특성을 이용하여 위그림 아래처럼 porous film을 만들어 박막의 기공률이나 굴절률을 제어할 수 있습니다.

이것이 glancing angle deposition이라합니다.

또한 metals의 경우 evaporate가 단일 조성으로만 되지만, compounds의 경우 inorganic물질의 대부분은 stoichiometry가 깨집니다.

따라서 단일조성일땐 evaporate가 유리하지만 oxide일땐 evaporation이 진행될 수록 source의 조성이 초기와 달라질 수 있다는 문제점이 있습니다.