스퍼터 건(Gun)의 구조는 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering) 에서 자기장의 효과를 설명할때 그림과 함께 간단히 나마 언급을 했었습니다. 사실상 그 이상 특별히 언급할 만한 복잡한 구조가 있는것도 아닙니다. 그림을 다시 한번 보실까요?
Copy & paste 에 의해 다시 등장한 마그네트론 스퍼터 건(Magnetron Sputter Gun)
냉각수 라인, 전원선, 자석과 Cu plate. 그리고 이것을 둘러싸고 있는 원통형 지지대를 합쳐서 우리는 건(Gun) 이라고 부릅니다. 그리고 Cu plate 위에 타겟(target)을 올려놓고, shield 를 씌우게 되죠. 먼저 타겟(target)을 한번 봅시다. 일반적으로 사용하는 원형 타겟들 입니다.
여러가지 원형 타겟(target)들
왼쪽 위는 타겟이 아니라 진공 파이프의 연결구 마개로 쓰이는 부품입니다. 가운데 주황색 링은 구리(Cu)로 된 실링용 링(ring) 입니다. 수도꼭지에서 물새는거 막는 고무 패킹의 역할을 여기서는 저 구리링이 하고 있습니다. 개스킷(gasket) 이라고 해도 되겠죠. 어쩌다 같이 찍게 되었는데 혼동하실까봐 말씀드립니다. 오른쪽 위는 ZnO 인 세라믹 타겟이고 아래쪽은 탄탈륨(Ta) 과 타이타늄(Ti) 타겟들 입니다. 타겟 안쪽에 동그랗게 원형으로 파인 부분이 확인됩니다. 여기가 바로 erosion area 죠. 자기장의 효과로인해 스퍼터링이 집중적으로 발생하여 생긴 부분입니다. 화살표는 그리지 않았지만, ZnO 에도 나타나 있음을 알아볼 수 있습니다. 참고로, 형태가 경기장 트랙처럼 동그랗게 생겨서 race track 이라고 부르는 표현도 있습니다.
위 사진은 모두 Ti 타겟 입니다. 그런데 앞에서 본 사진과 어딘가 다르죠? Erosion area가 심하게 보이진 않지만 노랗고, 파랗고 하며 이쁜 색을 나타내고 있습니다. 이것은 반응성 스퍼터링을 하고난 타겟 입니다. 왼쪽은 질소(N2) 가스를 넣어 TiN 박막을 형성시키고 난 후의 타겟 입니다. TiN 은 여러분들이 숟가락, 포크 등에서 아주 흔히 보는 내식성과 내마모성이 매우 우수한 금색으로 반짝이는 재료입니다. 그래서 타겟 표면이 금색을 띄고 있구요, 오른쪽은 산소를 주입하여 TiO2를 형성하고 난 후의 타겟입니다. 그래서 표면에 TiO2 산화막이 두껍게 입혀져 있는 상태입니다. 그러나 TiO2는 막 두께에 따라 색이 달라지므로 언제나 저렇게 파란색을 띄진 않습니다.
이들 타겟을 건(Gun)에 장착하기 위해서, 건(Gun)의 제일 표면 부분인 Cu plate(Cu backing plate) 위에 올려놓게 됩니다. 보통은 그냥 올려놓고 나사 등으로 고정시키기도 합니다만, 때로는 완전한 고정과 냉각효율향상, 전기전도 향상을 위해 Cu plate와 타겟 사이에 전도체 paste를 바르고 붙이는 경우도 있습니다. 이때의 전도체 paste는 보통 Silver paste가 많이 사용되며, 인듐(Indium)을 사용하기도 합니다. Silver paste는 공기중에 노출되면 굳기 때문에 간단한 접착을 할 수 있습니다. 완전히 건조되기 위해서 상온에서 1~2시간 정도 두거나, 80℃ 정도로 유지된 오븐(oven)에서 20여분 정도면 건조가 가능합니다. 인듐을 이용한 Indium bonding은 금속인 인듐을 Cu plate 표면에서 녹인뒤 타겟을 위에 올려 굳히게 되는데, 용접 방법중 솔더링(soldering)을 이용한 접합이라 보면 될것 같습니다. 인듐도 열전도와 전기전도가 높아서 매우 효과적으로 작용하는 물질이지만, 인듐의 녹는점이 156℃ 밖에 안되기 때문에 타겟의 온도를 이보다 낮게 유지해야만 합니다. 사실 많은 경우 이 범위에서 사용이 가능하지만, 타겟온도가 더 올라가는 경우는 고온에서 사용가능한 Silver paste 가 있으니 사용환경에 맞게 선택해서 쓰면 됩니다.
타겟과 Cu plate 사이를 확대해보면 생각외로 빈 공간이 많음을 알수있다.
빈 공간은 공기층이므로 열전도, 전기전도가 나쁨.
Silver paste는 타겟과 Cu plate 사이의 접촉면적을 높여 열전도, 전기전도를 향상시켜 줌.
이러한 접착 paste가 냉각효율을 향상시키고 전기전도도를 향상시킬 수 있는 이유는 단지 paste 자체가 열전도나 전기전도가 높아서는 아닙니다. 타겟과 Cu plate 사이는 서로 완전히 평행하게 경면처리가 된것이 아니기 때문에 모든 면이 완벽하게 밀착이 이루어 지지 않습니다. 즉, 접촉되지 않고 들뜬 빈 공간이 상당히 많이 존재하게 되며, 표면기공이 많은 세라믹의 경우는 이런 현상이 더욱 심할 수 있습니다. 그렇게 되면 겉보기와는 달리 실제 접촉 면적이 매우 적기 때문에 열전도나 전기전도가 좋을수가 없게 됩니다. 이때 Silver paste 나 Indium bonding은 타겟과 Cu plaste 사이에 존재하는 빈 공간을 모두 채워서 접촉 면적을 극대화 시켜주는 역할을 하게되고, 그로인해 열전도, 전기전도가 증가하게 됩니다. 여러분들이 사용하는 컴퓨터를 보면, CPU 에 냉각을 위한 팬이 달린 냉각핀(방열핀)을 설치하는것을 모두 알고있을 겁니다. 이때 CPU 위에 서멀 그리스 또는 열전도 그리스 라고 해서 치약 같은것을 바른뒤 냉각핀을 설치하는데, 이때 서멀 그리스도 CPU와 냉각핀 사이를 채우면서 접촉 면적을 증가시키는 역할을 합니다.
Silver paste로 붙여도 깨집니다... 쓰다보면 깨져요...ㅠㅠ
그러나 깨져도 사용이 가능합니다.
그리고 Silver paste와 Indium bonding 가 가진 또하나의 주된 역할은 타겟의 파괴를 억제해줄 수 있다는것 입니다. 많은 세라믹 타겟들은 스퍼터링시 열충격으로 인해 크랙이 나타나거나 심하면 몇조각으로 깨지는 현상이 나타나는데, 이런 파괴 현상을 최대한으로 억제해줄수 있습니다. 또한 비록 파괴가 되어도 그자리에 고정되어 있기 때문에 별 문제없이 지속적인 사용이 가능해집니다.
Cu plate 위에 silver paste로 고정한 Ti target
위 사진에서는 Cu plate 를 따로 분리해 놨습니다만, Cu plate는 보통 건(Gun)에 장착되어 나옵니다. Cu plate의 역할은 대단히 중요한데, 타겟의 지지, 타겟의 냉각, 타겟으로의 전원전달의 역할을 모두 담당합니다. 매우 순도높은 Cu 로 제조되어야 하기때문에 제조방법은 전해동이 많이 사용됩니다. 건(Gun)에서 냉각수의 역할은 수없이 말해도 모자라지 않을 정도로 대단히 중요합니다. 만약 어떠한 이유로 인해 냉각수가 끊기거나, 대책없이 냉각수 온도가 올라가는 일이 발생한다면 다음과 같은 현상도 볼 수 있습니다.
뭔가 처참하게 발가벗겨진 건(Gun)의 수줍은 자태
위 사진은 shield를 제거한 건(Gun)의 모습입니다. Cu plate가 그대로 노출되어 있죠. 저 Cu plate 위에 타겟을 장착하게 됩니다. 그런데 사진으로 봐도 뭔가 조금 어색한점 없으십니까?
열변형되어 볼록해진 Cu plate의 불쌍한 모습
옆에서 보게 되면 Cu plate 한가운데가 볼록 튀어나와 있는것을 확인 할 수 있습니다. 스퍼터링 시에는 타겟표면을 Ar 이온들이 수없이 충돌하게 되기 때문에 그로 인해 타겟의 온도가 계속 상승하게 됩니다. 보통 수백 ℃ 이상 올라가는건 흔한 일입니다. 경우에 따라서는 타겟이 완전히 새빨개 질 정도로 뜨겁게 달궈지게 되죠. 그정도 되면 못해도 섭씨 4~500℃는 상승했다고 봐야합니다. 이때, 건(Gun)쪽에서 냉각이 원활하지 않다면 타겟의 온도가 그대로 건(Gun)에 전달됩니다. Cu plate 는 그 높은 온도를 견디지 못하고 변형이 될 수 밖에 없고 바로 문제가 터져나옵니다. 위 사진처럼 변형이 되어버리면 건(Gun)본체와 Cu plate를 나사로 조여 밀봉시켜 놓았는데, 변형되면서 틈새가 벌어지게 되고, 그 틈새로 냉각수가 분수처럼 뿜어져 나옵니다. 그렇게 되면 진공이 바로 파괴되고 전기적으로 누전이나 합선이 발생할 수 있기 때문에 위험할 수도 있습니다. 또한 Cu plate가 변형되면서 타겟에 힘을 가해 타겟이 파괴되는 경우도 있습니다. 세라믹 타겟이라면 더더욱 그렇습니다. 이렇게 한번 변형된 건(Gun)은 다시 쓰기 어렵습니다. 만약 Cu plate만 교체할 수 있다면 다행이지만, 대부분은 그 내부까지 변형이 되어 새로 제조해야 하는 경우가 많죠.
챔버내 음극 타겟의 온도를 떨어트릴 수 있는 방법은, 냉각수에 의존하고 있습니다. 냉각수로는 그냥 상온의 수돗물을 사용하기도 하고, 추가로 냉각장치와 필터를 달아 순환시키기도합니다. 장비에 따라서는 어는점이 영하 몇십도 되는 부동 액체를 냉각해서 쓰거나, 심지어 액체질소를 사용하는 경우도 있긴 합니다. 그런데 그건 거기에 맞춰 건(Gun)의 재료도 특별하게 구성되어야 겠죠. 냉각수에 의한 타겟의 냉각 능력과 파워와의 관계는 언제나 사용자가 알고 있어야 합니다. 냉각능력보다 스퍼터링이 더 많이 발생한다면 제아무리 냉각을 시켜도 타겟의 온도 상승을 막을 수가 없습니다. 그렇게 되면 전류를 줄이든가 해야합니다. 사실 전류량을 조금 낮추거나 가스량을 조절해서 스퍼터링율을 줄이면 온도증가는 생각외로 많이 억제할 수 있습니다. 온도 상승이 타겟의 위쪽 표면부터 발생하고, 냉각수에 의한 냉각은 타겟의 아래에서 이뤄진다는걸 생각한다면, 표면의 온도상승을 억제하는 것이 역시 훨씬 효과적입니다. 그런데 실험실에서야 상관없지만 업체에서는 효율 문제때문에 그렇게 하긴 어렵겠죠. 개인적으로 타겟의 냉각을 위해 이런 저런 시도를 해봤었는데, 효율을 떨어트리지 않고 가장 효과적이었던 방법은 타겟의 두께를 얇게 하는것이었습니다. 두께가 두꺼울 수록 표면까지 냉각이 어려운건 사실이니까요. 대신 타겟 교체를 자주해야 하니까 비용적인 측면에서는 추천할 방법은 아닙니다.
어쨌든, 이런 저런 고생 해가면서 최종적으로 조립에 완성한 건(Gun)은 이런 모습이 될겁니다.
조립 완료된 마그네트론 스퍼터 건(Magnetron Sputter Gun) 배경을, 책상위에 그냥 올려놓고 찍었더니 뭔가 정말 없어보입니다. ㅠㅠ
뒤쪽 노란색으로 나와있는 두가닥 파이프가 냉각수 라인이고, 검은색 선이 파워선 입니다. 오른쪽 원 안에 타겟(target)이 보이는데 저건 제가 예전 실험시에 사용했던, 투명전극으로 이용되는 ITO(Indium Tin Oxide) 입니다. 그리고 그 주위를 shield 가 감싸고 있죠. 이게 전형적인 원형 건(Gun)의 모습입니다. 건(Gun)의 모양이야 사각형으로 만들수도 있고 기다란 원통형으로 만들수도 있습니다만, 기본 원리는 어느 건(Gun)이든 간에 모두 똑같습니다. 물론, 이것을 설계한다거나 유지보수 한다거나 할때엔 분해하고, 수리하고, 청소하고, 조립해야 하므로, 내부에 대해서 더 자세히 알아야 합니다. 각각의 재료는 뭘로 하고, 내부 영구자석의 형태와 배열은 어떻게 하고 등등.. 하지만 그것들은 실제로 연구와 실험을 해가면서 연구자가 직접 찾아야 할 몫이라 생각합니다. 이 글을 보는 분들 모두가 똑같은 건(Gun)을 사용하고, 그에 대한 메뉴얼을 설명하는게 아닌이상은 여기서 이건 이거다 저건 저거다 라고 결정해 놓을 일은 아닌듯 싶습니다.
