박막의 두께 분포

   예고드린 대로, 박막의 두께 분포 이야기를 해보겠습니다. 사실 이 내용은 '박막 두께의 결정(http://marriott.tistory.com/134)' 글에 바로 이어져서 나왔어야 하지 않나 싶긴 한데요, 일단 박막을 성장시켜야 두께분포도 알수있는것 아닌가 싶어서 박막 성장 이야기 뒤로 뺐습니다. -_ - 정말 별 쓰잘데 없는 이유죠 -_-  

   박막의 두께 결정 내용에서 박막 두께가 부위에 따라 다를수 있다고 이야기를 했었습니다. 그리고 특히 실험실에서 작은 원형 타겟을 사용하는 경우에는 두께 편차가 크게 나타나기도 합니다. 그리고 정말 자연스럽게 나타나죠. 그 이유들을 간단하게 몇가지 확인해 봅시다.

   먼저 진공증착(http://marriott.tistory.com/73) 에서 말했던 증발원의 위치에 따른 증착분포 이야기를 다시 꺼내오겠습니다. 일단 증발되는 부위는 점(point) 처럼 아주 작다고 가정을 해봅시다. 이렇게 작은 부위에서 증발되게 만든 증발소스를 흔히 크누센 셀(Knudsen cell) 이라고 부르는데, 이 증발 소스에서 증발되어 나온 입자는 모든 방향으로 직선운동을 하며 진행하여 기판까지 날아가게 됩니다. 스퍼터링에서도 마찬가지 입니다. 타겟에서 스퍼터링 되어 나온 입자는 기판까지 직진하는 것으로 가정해보죠. 문제는 기판의 면적은 보통 타겟의 면적보다 넓다는 데 있습니다. 이것은 곧, 타겟과 기판과의 거리가 모든 부위에서 동일하지 않다는 것을 말해줍니다.

타겟과 기판과의 거리에 따른 박막 두께 분포

기판 중심에서 외각으로 갈 수록 거리가 멀어져 도달 입자 수가 적다

 

 

 

 

 

그래서 최종적으로 형성된 박막 두께 분포는 이렇다.

   타겟과 최단거리로 마주보고 있는 기판의 중심부에는 스퍼터링된 입자들이 많이 쌓이고, 기판의 외각으로 갈 수록 타겟과의 거리는 멀어지고 각도도 커지게 됩니다. 결국 외각쪽은 들어오는 입자 수가 적어지게 되어 두께가 얇아지는 현상이 발생하게 되죠. 이렇게 방향에 따라 두께 차이가 발생하는 것을 코사인(cosine) 법칙이라고 부르는데, 타겟과 기판과의 최단거리를 r, 타겟과 스퍼터된 물질이 진행하는 방향과의 각도를 θ 라고 하면, 단위 면적당 두께는 거리의 제곱인 r²에 반비례하고 cosθ 에는 비례한다고 말하고 있습니다. 그리고 이 코사인 법칙은 타겟과 기판과의 거리가 멀어짐에 따라 θ가 증가하기 때문에, 결국 shadowing 효과를 유발시키는 원인으로도 작용합니다. 즉, 모든 기판 표면에서 박막 두께를 균일하게 하기 위해서는 타겟과 기판과의 거리를 모두 일정하게 해야한다는 이야기가 됩니다. 

 

 

 

바로 이렇게 기판을 위치시켜야 한다는 소리가 된다.

 

 

   넓은 면적을 가진 기판이 타겟과의 거리가 모두 동일하려면 기판이 아치형으로 굴곡져 있거나, 위 그림처럼 타겟을 중심으로 원을 그리면서 설치되어야 합니다. 그러나 애당초 원통형(cylindrical) 타겟을 사용하여 원형으로 기판을 설치할 수 있도록 만들어 졌으면 몰라도, 진공증착이 아닌 스퍼터에서는 위와 같은 그림의 형태로 기판을 위치시키기는 현실적으로 쉽지 않은 경우가 많습니다. 원형 타겟을 사용하도록 건(Gun)의 형태나 크기, 위치 등이 이미 설계되고 제조된 스퍼터장치는 구조 변경 자체가 불가능한 경우가 많기 때문이죠. 본인이 실험하는 스퍼터의 챔버를 열었을때 그 안의 공간이 얼마나 협소하고 복잡한지 잘 알고있을겁니다. 또한 구조를 변경시켰을때 또 다른 전기적, 기계적 문제점도 발생할 수가 있습니다. 그래서 이러한 문제는 가급적이면 스퍼터를 제조하는 처음부터 고려해줘야 합니다. 그런데, 혹시 이 문제가 기판보다 타겟의 크기가 작아서 그렇다면 타겟의 크기를 키우거나 하면 될 것 아닌가 싶기도 합니다. 그러나 정말 타겟의 크기를 키워서 균일하게 입히고자 한다면, 기판보다 훨씬 크기가 커야 하기 때문에 건의 크기도 따라서 커져야 하고 그에 따라 챔버의 크기나 다른 부품들에도 영향을 주게 됩니다. 결국 비용의 상승은 물론이고 작업하기도 힘들어져서 상당히 비 효율적이기 때문에 그냥 기판을 회전시켜서 모든 면에 골고루 입혀지도록 하는게 훨씬 좋은 선택이 될것 같습니다.

   타겟 아래에는 대부분 마그네트론이 장착되어 있는데, 이런 경우는 조금 다릅니다. 마그네트론은 스퍼터링 효율을 크게 증대시켰지만, 대신에 타겟에 집중적으로 스퍼터링이 발생하는 영역이 생기게 되고 그 부분을 erosion 영역이라고 했습니다. 이것을 박막의 입장에서 생각해 본다면 결국 erosion 영역과 바로 마주보고 있는 기판부분은 스퍼터링 되어 들어오는 입자수가 가장 많다는 뜻이 됩니다. 그래서 박막의 두께는 웨이브를 그리며 변화하여 중심부가 얇아지는 현상이 나타나는데, 이 현상은 항상 그런것이 아니며 타겟과 기판과의 거리에 따라서 오히려 중심부의 두께가 두껍게 나타나기도 합니다. 

 

박막 두께 분포가 타겟의 erosion 영역 모습과 일치하면서 두께가 변화함

 

 

타겟과의 거리가 멀어지면 이렇게 될수도 있음

거리를 적절히 조절하다 보면 중심부 두께가 균일하게 되는 지점이 있다

 

 

   타겟의 erosion 에 의해 박막의 두께 편차가 발생한다 할지라도 타겟과 기판과의 거리를 적절히 조절하면 중심부 두께를 어느정도 일정하게 만드는 것이 가능합니다만, 생각외로 거리조절이 아예 안되는 장치도 있고, 조절을 해도 두께 편차를 없애지 못하는 경우도 있습니다. 이렇듯 거리조절 만으로는 박막의 균일도를 어느 이상 향상시키기 어렵고, 균일도 향상을 위해서 타겟과 기판의 거리를 멀리 떨어트려 놓으면 증착속도가 감소하거나 물성변화가 나타날 수도 있습니다. 때문에 적당한 거리에서 기판을 회전시키거나 이동시켜서 두께를 균일하게 조절하는 방법을 사용하게 됩니다. 또한 타겟에서 마그네트론의 위치를 계속 바꿔주기도 하고, 자기장의 세기를 조절하여 박막 균일도를 가능한 향상시킬 수 있도록 하는 여러 방법이 사용되고 있습니다.  

 

  박막의 두께 변화는 단지 스퍼터된 입자와 기판과의 각도나 거리에 따라서만 발생하지는 않습니다. 실제로는 직진하지 않고 플라즈마 내에서 입자간의 충돌이 일어나고, 작업 압력에 따라서도 평균자유행로의 변경으로 인해 변수가 발생하게 되죠. 또한 타겟이나 기판의 형태와 모양에 따라서도 모두 다릅니다. 이렇게 기판 위치에 따른 박막의 두께 변화는 어찌보면 필연적으로 나타나는 문제이기 때문에 박막 두께를 균일하게 만드는 것은 생각외로 어렵습니다. 기판 장착시 대면적 기판은 필히 회전을 시켜서 균일성을 증가시켜야 할 필요가 있고, 작은 크기의 시편은 언제나 장착위치를 동일하게 해줘야 합니다.  이렇듯 실험실은 물론이고 산업체의 라인에서는 박막에 두께 편차가 생기게 되면 바로 불량으로 이어지기 때문에 여러 방법들을 이용해서 이 문제들을 해결하고 있습니다. 보통 라인의 연속스퍼터링(continuous sputtering)에서는 길이 몇 m 의 대면적 타겟이나 원통형 타겟을 쓰면서 마치 스캐너 처럼 기판 or 타겟을 이동시키며 스퍼터링을 시키는 방법으로 언제나 균일한 두께를 유지하도록 조절할 수가 있고, 배치형 챔버에서도 전후좌우상하의 다양한 방향으로 회전을 시킬 수 있습니다. 실험실에서는 보통 몇 인치 정도의 원형 타겟을 사용하고 챔버도 작기 때문에 조건이 제한적이지만 기판 로테이션 장치가 있으면 어느정도 면적 범위에 균일한 증착이 가능합니다. 

 

 

 

 

 

 

 

보통 라인에서 대면적 기판에 스퍼터링 할때 쓰는 방법

걍 스윽 왔다리 갔다리 몇번 지나가면 끝. 마치 스캐너 같져?

 

 

   두께 분포에 의한 불균일성은 ITO 같은 투명한 박막을 입히게 되면 두께가 달라짐에 따라 반사되는 색이 변화하기 때문에 눈으로도 확인이 가능합니다. 무지개빛 같은 간섭무늬 색이 보이게 되죠.  불투명한 금속이나 세라믹 박막은 눈으로 확인하기가 어렵습니다만. 박막 위치를 달리하면서 혹은 타겟과의 거리에 따라 면저항 등을 측정해 본다면 경우에 따라 불과 몇 mm 의 거리 차이에서도 면저항 값이 수십배씩 변화하기도 합니다. 그래서 분명히 조건에 맞게 박막은 잘 입혀놓고, 측정값이 달라서 잘못입혔다고 착각을 하는 경우를 흔히 봅니다. 랜덤하게 여러군데를 측정해서 평균을 내야 하는 경우도 있지만, 이렇게 위치에 따라서 두께가 어떤 규칙성을 가지고 변화하는것을 알고 있는 경우에는 기판이나 시편을 장착할 때도 언제나 같은 자리로 해 줘야 하고, 박막 특성을 측정하는 위치도 언제나 동일한 곳으로 해줘야 합니다. 어느 시편은 박막의 한가운데를 측정하고, 또 다른 시편은 외각쪽을 측정해놓고 왜 측정값이 다를까 고민하면 안된다는 이야기 입니다. 자신이 만든 박막의 두께 분포가 어떻게 되어있는지를 알고 있다면, 광학적, 기계적, 전기적 특성들을 제어하는데 상당한 도움을 줄 수 있습니다. 장비 특성상, 또는 사용자의 인식이나 관심 부족으로 두께가 균일하지 않는 경우가 상당 수 존재하기 때문에 연구자들은 균일도를 향상시키고 일정하게 유지하기 위해 언제나 많은 시간과 노력을 투자하며 신경을 쓰고 있습니다.

 

 

...by 개날연..

 

 

 

 

 

 

 

겨우 4월 지나기전에 끝냈네...ㅠㅠ

이거.. 건강문제가 계속 신경을 쓰게 만드는 군요 -_ -

어디 하루 공기좋은데 가서 쉬었다 오려해도 여의치가 않고..ㅜㅜ

그나마 주말에 어벤져스를 보고왔... -_ -

마리아 힐 짱 -_-b 조으다~ 조으다~ 

 

 

 

 

 

 

 

 

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



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