드디어 스퍼터링!! #3. 스퍼터링과 박막증착

    2편에서  pre-sputtering 을 시작하는 것 까지 이야기를 했습니다. pre-sputtering은 타겟 표면의 불순물을 제거하는 작업이기 때문에 시간이 걸리더라도 빼먹지 않고 확실하게 해줘야 합니다. 만약 pre-sputtering이 부족하면, 증착 초기에 기판위로 타겟 산화물 등의 불순물이 섞여 박막이 형성되기 때문에 밀착력 저하를 가져오고, 전기전도나 투과율 불량, 또는 예기치 못한 거대 핵의 성장으로 미세구조의 변형 등을 야기시킬 수 있습니다. 어찌 생각하면 기판의 세척 불량 상태와 비슷한 결과를 가져옵니다. 그래서 세척의 중요성은 기판에만 있는 것이 아니라, 타겟에도 그대로 적용됩니다.

   그렇게  pre-sputtering을 시작하면서 주어진 변수를 가능한 실제 박막형성 조건에 맞춥니다. 작업진공, 기판온도, 방전가스 및 반응가스량, 전류-전압, 기판의 회전 등등.. 조절할 수 있는 모든 변수들을 세팅합니다. 그래서 언제든 셔터만 열면 바로 기판에 증착이 시작될 수 있도록 해놔야 하죠. 그 상태로 충분한 시간을 두어 플라즈마를 안정화 시키고 pre-sputtering을 끝냄과 동시에 셔터를 열면 드디어 증착이 시작됩니다. 그런데 셔터는 타겟과 기판 사이를 가로막고 있기 때문에 전기적 연결의 방해물입니다. 그래서 셔터를 여는 순간 방해물이 사라지면서 전류-전압에 약간의 변동이 발생할 수 있습니다. 그럴때면 즉시 원하는 값으로 조절해 줘야 합니다.

   요즘 장비들은 장치 옵션으로 셔터에 타이머가 같이 달려 있어서 셔터를 열면 자동으로 시간을 체크합니다만, 예전 장비들은 타이머가 없는 것들이 많습니다. 그러니 잊지말고 스톱워치를 꼭 가져다가 증착 시간을 계산해야 합니다. 그렇게 이제 아름다운 플라즈마와 함께 박막이 형성되는 것을 기다리면 됩니다. 여기까지 작업이 정상적으로 이루어졌다면 여러분들은 아마 이런 모습을 보고있을 겁니다.

쨔잔~~~

오늘도 급조한 파워포인트 작품 한점. 간만에 걸작이다.

아니 내가 무슨 그림쟁이도 아니고 이걸 왜 그리고 있던거냐;; 이거 그리느라 업뎃이 늦었;;

   이제 모든 것이 정상적이라면 그저 박막이 모두 입혀지기 까지 기다리면 됩니다. 하지만 예기치 못한일은 언제든지 발생할 수 있죠. 어떤 이유인지는 말하기 어렵지만 순간적으로 진공도가 급변하면서 플라즈마가 변할 수 있고, 타겟에서 아크가 발생할 수도 있고, 파워의 문제로 전류-전압 불안정 등등이 발생할 수 있기 때문에 연구자는 가능한 모든 디스플레이를 체크하고 작동를 확인하며 모니터링을 하고 있어야 합니다. 이것은 컴퓨터로 자동 제어되는 장비든, 사람이 수동으로 제어하는 장비든 마찬가지 입니다. 문제가 생기면 그 즉시 조치를 취하는 것은 사람이 해야 하는 일이니까요.

   10분, 30분, 60분 혹은 몇시간이든 원하는 만큼 증착을 했다면 이제 잘 되었나 보기위해서 시편을 꺼내야 합니다. 굳이 순서야 꼭 이렇게 지키지 않아도 되겠습니다만, 일반적인 순서를 말해보겠습니다. 언제나 조립은 분해의 반대 라는것을 잊지 맙시다. 증착을 끝낸답시고 파워부터 꺼버리면 곤란합니다. 먼저 셔터를 닫는게 좋습니다. 때론 1초 단위로 증착을 시키는 경우도 있는데, 파워로는 그 시간을 조절하기 힘들뿐 아니라 셔터를 닫지않고 파워를 급히 내리게 되면 파워서플라이에 무리가 가해질 수도 있습니다(물론, Output on-off 스위치가 있어 순간출력을 제어하거나, 전압-전류 보호장치가 달린 것도 있습니다만, 그런건 옵션이라 장비마다 다르니 기본적인 부분만 이야기 합시다). 또한, 전류를 내리는 동안 플라즈마 상태가 변함으로 인해서 박막의 최상단부는 다른 성질의 박막이 형성될 수 있습니다. 과연 이정도가 얼마나 영향을 주겠냐 라고 생각할 수 있지만, 이것은 전자기 부품이나 반도체 등의 섬세한 성질의 박막에서는 피해야 할 문제입니다. 그런데 솔직히 정말 그정도로는 영향이 없을 수 있습니다. 때로는 제가 봐도 그 차이로 측정값이 달라질 정도의 문제가 아닙니다. 하지만 '겨우 그정도로 무슨 영향이 있겠냐. 괜찮다'라고 생각하는 것은 연구자가 가져야할 생각이 아닙니다. 원칙적으로 그런 말을 하려면 영향이 없다는것을 실험적으로 먼저 증명을 해내야죠. 연구자는 '이정도는 괜찮아' 라는 생각이 아니라, 어떻게 해서든 정확한 변수 제어를 한다는 생각이 필요한 것이니까요. 그러니 전원을 차단하여 어떠한 문제도 없이 순간적으로 플라즈마를 꺼버리면서 증착을 멈출 수 있다면 몰라도, 전원을 내리는 동안 플라즈마가 서서히 꺼진다면 먼저 셔터를 닫아서 증착 자체를 차단하는게 좋겠죠. 그런 뒤에 전류를 내려 0 으로 만들고, 전압도 0으로 내려 전원을 끕니다. 스퍼터내에 타이머 장치가 달린 장비는 정해진 시간이 되면 자동으로 셔터를 닫아줍니다만, 그런 옵션이 모두 달린건 아니겠지요. 혹시 기판가열 장치를 가동시켰다면 이것도 미리 꺼주고 플라즈마가 완전히 사라져 있는것을 확인 한 다음에 MFC 를 닫아 방전기체인 Ar 의 유입도 차단합니다. 그러면 처음에 2차펌프까지 진공을 뽑아서 고진공을 유지하고 있던 상태로 돌아가게 되는겁니다.

   이제는 진공을 깨야 할 순서입니다. 먼저 고진공 밸브를 닫아서 2차펌프와의 연결을 차단합니다. 그다음 챔버에 직접 연결된 밸브를 열어 챔버내에 외부 기체를 집어넣어 대기압과 같게 만드는데, 이것을 벤트(Vent) 라고 합니다. 벤트는 밸브를 열면 그냥 대기중의 공기가 그대로 들어가게 만든 보기에도 좀 어이가 없는 매우 저렴한(?) 것이 있고, 별도의 가스관과 연결시켜 Ar이나 N₂ 기체가 들어가도록 만든 조금 고급(?)형이 있습니다. 선택을 한다면 당연 후자입니다. 전자의 경우, 벤트시에 챔버내에 공기중의 먼지나 수분이 그냥 빨려들어가는 것을 생각하면 소름이 끼칩니다.. -_ -   어차피 챔버를 열게되면 결국 외부에 노출이 되니 똑같지 않냐고 할 수 있지만, 이것은 엄연히 다릅니다. 진공상태에서 수분과 먼지가 그대로 유입되면 시편은 물론이고 챔버 구석구석 무서운 속도로 흡착을 해버립니다. Ar 이나 N₂ 등으로 압력을 맞춘 후 챔버를 열면 그런 증상을 조금이나마 줄일 수 있습니다. 

(이쯤에 그림하나 있어줘야 심심하지 않을것 같은데, 마땅히 넣을 그림이 없다.. ;ㅁ; )

   벤트를 하기전에 주의 할 점 하나는, 아직 기판의 온도는 여전히 충분히 높다는것을 기억해야 합니다. 스퍼터링시 기판의 온도는 타겟온도 상승에 의한 복사열과 증착입자 및 2차전자들의 충돌로 인해 점차 상승하게 됩니다. 물론 조건에 따라 모두 다르지만, 제가 일부러 별도로 기판온도를 올리지 않고, 스퍼터링만으로 기판온도 상승이 얼마나 되는지 실험해 보았을때 150~200℃ 정도는 십여분 만에 쉽게 올라가더군요. 파워를 증가시키면 수백℃ 이상 치고 올라가기도 합니다. 그런데 이런 상태에서 벤트를 시켜 외부에서 차가운 기체가 순간적으로 유입되면 급격한 온도차이로 열충격이나 기판과 박막의 열팽창 차이로 응력이 가해져 박막이 깨질 수가 있습니다.  때문에 가능한 충분히 온도가 내려간 뒤에 벤트를 시키는 것을 권장합니다.

   벤트 후에는 챔버를 열고 박막이 입혀진 시편을 소중하게 꺼내면 되겠습니다. 그다음 다른 시편을 넣고 챔버를 닫은뒤 진공을 뽑는 작업부터 다시 반복해야 겠지요. 실험을 그만 할지라도 챔버는 진공으로 만들어놓고 유지해야 합니다. 2차 펌프는 필요할때마다 작동시키지만, 1차펌프는 오랜시간 사용을 안한다거나 청소하거나 하는 경우를 제외하면 24시간 계속 가동시켜서 챔버내 진공을 유지시켜 오염을 방지하는게 좋습니다. 챔버를 여는 순간, 앞의 벤트에서 설명한 것처럼 외부에서 먼지등의 불순물과 수분이 챔버내를 가득 채우게 됩니다. 그러므로 비록 사용하지 않더라도 챔버내는 가능한 청정한 진공상태로 유지해 놔야 합니다. 그렇지 않으면 내부 오염이 지속적으로 증가해서 깨끗한 진공을 만드는데 매우 힘이 들어집니다. 최상의 장비 상태를 유지하기 위해서는 무엇보다도 철저한 관리가 중요하다는 것을 잊으시면 안됩니다.
 
 




...by 개날연..





드디어 스퍼터링 3부작이 끝났습니다. 오랜만의 업데이트인데 왠지 별 써먹을거 없는 맥이 빠지는 내용이군요.. 그러나 이번 3부작은 처음 하는 분 한테나 도움이 되는 기본적인 내용이라고 미리 말씀드렸으니 괜찮겠지요? - _- 반지의 제왕 처럼 라스트도 걸작이어야 하지만 저는 제작비가 없어서 마무리가 비리비리 힘이 없나봅니다.;; 하지만 할 이야기가 아직 많이 남았으니 스스로 기대해 보겠습니다... - _-;;

다음에는 박막이 형성되는 메카니즘을 다루고, 그담엔 증착변수에 대해 이야기 해볼까 생각중입니다.









글 : 개날라리연구원
그림 : 개날라리연구원
업로드 : 개날라리연구원
발행한곳 : 개날라리연구소


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