스퍼터 건과 타겟 (Sputter Gun and Target) #2. 다양한 타겟의 응용

   건과 타겟(Gun and Target) 1편( http://marriott.tistory.com/100 )을 잘 보셨는지 모르겠습니다. 여기서는 타겟에 대해서 조금더 실제적인 환경에 대해서 이야기 해보도록 하겠습니다. 스퍼터링시, 타겟은 재료의 구분없이 거의 모든 물질을 사용할 수 있습니다. 그리고 그 형태에 제한받지도 않습니다. 그러나 우리가 물질이나 형태를 고집하는 것은 결국엔 사용자가 이용하기 편하고, 스퍼터링 챔버 내에 타겟을 장착하는 부분의 크기와 형태가 정해져 있기 때문입니다. 그리고 타겟의 대부분은 순도 높은 순금속으로 제조된 것들을 많이 사용합니다.

   타겟이 금속이면 어떠한 직류 스퍼터링 장치를 사용하여도 원하는 박막을 제조할 수 있습니다. 금속이 아닌 부도체 타겟이라면 고주파 전원을 사용해서 가능합니다. 합금을 입힌다면 반응성 스퍼터링을 할 수 있죠. 아니면 처음부터 합금으로 제조된 타겟을 써도 되고, 듀얼건 스퍼터링 장치(http://marriott.tistory.com/97 참고)를 써도 되겠죠. 그런데, 언제나 이런 좋은 조건들이 주어진것은 아닙니다. 타겟은 어떠한 순금속 하나만 갖고있고, 다른 금속을 이용해서 합금을 제조하려고 한다면 다음과 같은 방법을 쓰기도 합니다.

 

칩(Chip) 과 링(Ring) 을 이용한 합금 제조용 타겟

칩(chip)이 올려져있는것을 자그만치 3차원으로 구현한 모습.

지금 생각해보니 굳이 이렇게 까지는 그리지 않아도 되는 일이었다. -_ -

   위 그림처럼 타겟의 위에 원하는 종류의 금속 조각(chip 이라고 부름)을 올려놓고 스퍼터링을 하면 금속 조각이 같이 스퍼터링 되면서 합금 박막을 형성할 수 있습니다. 즉, 알루미늄(Al) 타겟위에 구리(Cu) 칩을 올려 스퍼터링 하면 Al-Cu 합금을 만들 수 있습니다. 칩(chip)의 형태와 크기 등은 사각형, 원형, 원통형 등 다양합니다. 때론 오른쪽 그림 처럼 ring 형태로 만들어서 사용하기도 합니다. 칩의 형태를 어떻게 할 것인지, 몇개나 올릴지는 사용자가 선택할 문제입니다. 원하는 합금 비율이 나올때 까지 크기와 양을 늘려가면서 제조해보면 되는 것이니 까요.


   금속 칩(chip)의 종류를 여러개 동시에 올려도 됩니다. 그러면 3원계나 4원계 합금 박막도 원하는대로 제조할 수 있죠. 칩은 타겟에 올려놓기만 해도 되지만, 보통은 방전 안정성을 위해 접착제로 고정시켜 놓습니다. 이렇게 칩을 이용하는 방법은 타겟을 별도로 제조하지 않고 원하는 합금을 손쉽게 만들 수 있다는 뛰어난 장점이 있습니다만, chip 이 튀어나와 있기 때문에 아크나 코로나의 발생에 주의해야 합니다. 그래서 때로는 타겟에 홈을 파서 아예 못처럼 박아놓기도 합니다.

 

  올려놓거나 혹은 박아놓거나

일명 핀홀 타입 합금 타겟이라고 부른다
이렇게 점박이 처럼 많이 박아넣을 수도 있다.

   그런데, 칩이 많아지게 되면 이종금속이 접합되어 있으므로 타겟의 냉각시 열팽창계수의 차이로 인한 변형에도 주의 할 필요가 있습니다. 특히 고려해야 할 점 하나는, 재료마다 스퍼터링율이나 스퍼터 개시 전압이 다르다는 점 입니다. 만약 스퍼터율이 아주 낮거나, 스퍼터 개시 전압이 아주 높은 재료의 칩을 올렸을때, 이를 스퍼터 시키기 위해서는 파워를 높여줄 필요가 있습니다. 예를 들어, 사용하는 타겟은 100V 에서 스퍼터링이 일어나고, 칩 재료는 150V 는 되어야 스퍼터링이 일어나는 재료라 해봅시다. 그런데 이를 고려하지 못하고 100V 에서 플라즈마가 발생했다고 그대로 진행하면 타겟만 스퍼터링이 일어날 뿐, 칩(chip)은 스퍼터링이 일어나지 않습니다. 결국 아무리 오랜시간 스퍼터링을 해도 원하는 합금이 형성되지 못합니다. 보통 이러면 칩의 양이 부족한가 보다 하고 칩의 수를 늘리게 되는데, 그래선 소용이 없죠. 전압을 조절해서 타겟과 칩, 모두 스퍼터링을 시켰어도 문제는 발생할 수 있습니다. 두 물질의 스퍼터링율이 크게 차이가 나면, 스퍼터링이 많이 된 물질이 적게 스퍼터링 되는 물질 표면위를 미세하게 덮는 경우가 일어나기도 합니다. 이렇게 되면 스퍼터링율이 큰 물질이 더욱 많이 스퍼터링 되기 때문에 합금조성을 조절하기 어려워 집니다.    


   타겟을 만드는 법은 순금속 타겟일 경우, 용융제조된 제품을 절단하여 사용합니다. 보통은 주조물을 압연하여 크기와 모양대로 절단하여 만들곤 하죠. 이 외에 분말야금법으로 제조하기도 합니다. 텅스턴이나 몰리브덴 같은 고융점 재료는 가공이 쉽지 않으므로 분말야금법이 유리할 수 있습니다. 분말을 타겟형상의 틀에넣고 압축하여 모양을 만든 뒤, 전기로에서 소결하여 제조합니다. 단, 분말야금법은 그 특성상 분말과 분말 사이에 가스들이 포획될 수 있고, 높은 표면적 때문에 산화가 될 수 있는 가능성이 매우 높기 때문에 순도가 떨어질 수가 있습니다. 때문에 진공분위기 내에서 제조해야 합니다. 비금속인 세라믹 타겟들은 대부분 분말야금법으로 형태를 만들면서 동시에 고온-고압으로 소결하는 핫프레스(Hot press)법이 주로 사용됩니다. 그리고 그냥 분말 상태 그대로도 사용할 수 있습니다.

아예 분말을 그대로 타겟으로 사용할 수 있음. 우후훗-

   여러가지 금속 혹은 세라믹 분말을 섞어 원하는 조성비율을 맞추고 그걸 그대로 건(Gun)에 올려 타겟대신 쓸 수 있습니다. 분말 타겟을 담는 접시는 보통 구리나 스테인리스 등의 금속으로 Cu plate 위에 올려놓을 수 있으면 됩니다. 분말위를 다져서 표면을 평평하게 만든 뒤 사용하면 되죠. 하지만 앞에서 말한대로 분말일 경우 표면 산화나 가스들이 들어가 있을 가능성이 있으므로 순도를 제어하기 어렵다는 문제가 있습니다.

   아쉽게도 국내에서 제대로된 타겟 제조기술을 가진 곳을 많이 찾아보기가 어렵습니다. 여전히 많은 양을 일본이나 미국 등지에서 수입하고 있죠. 만드는 장비도 그렇거니와 순도가 따라주질 못하는 이유도 있습니다. 특히 합금이나 세라믹 타겟일 경우에 더욱 해외 의존성이 강합니다. 때문에 본래 비싼 재료도 아니고 3인치 정도 밖에 안되는 작은 타겟인데도 경우에 따라서 200만원을 훌쩍 넘어가기도 합니다.. 타이타늄(Ti)의 경우, 지름 3인치, 두께 1/4인치의 순도 99.95%의 타겟이 90년대 후반에 수입해서 130만원 정도에 구입했던 기억이 납니다. 이것이 2000년대 초에 국산화가 되었습니다. 같은 규격을 40만원 정도에 구할 수 있었으니까요. 그런데 순도는 98% 였습니다. 아무래도 당시에는 제조시 기술적 문제가 컸던것 같습니다. 연구하는 입장에서는 비싸더라도 순도가 높은 제품을 구입하고자 하는 욕심이 있습니다. 지금은 어느정도 순도와 가격을 갖고있는지는 잘 모르겠습니다. 다른쪽으로 연구를 하느라 Ti 타겟은 몇년간 써보질 않았으니까요. 3년전에 일본에서 구입한 ZnO 타겟은 170만원 이었습니다. 순도높은 세라믹 화합물 타겟은 여전히 대부분 수입에 의존하고 있습니다. 수입하게 되면 역시 가격도 비싸고 해외에서 주문해 오기 때문에 구입 시간이 무척이나 오래 걸립니다. 안타까운 일이죠. 하루빨리 국산화가 이루어지길 바랍니다.

...by 개날연..







써본 타겟중 제일 비싼것은 지름 3인치, 두께 1/5인치, 순도 99.99%의 Au 타겟 입니다.
한마디로 순금 덩어리죠 -_ -
1300 만원 이었습니다. -_-
박막을 입히는게 아니라 막 돈을 입혔죠 -_ -