스퍼터링 공정변수 #2. 기판온도

  공정변수 두번째 이야기 입니다. 이번에 다룰 변수는 '온도' 입니다. 설마 타겟이나 플라즈마의 온도라고 생각하는 분은 안계실테고, 예상하신대로 기판의 온도 입니다. 스퍼터링 변수중에서 인가전력(파워), 온도, 작업압력은 박막의 상을 결정하는 중요한 변수라고 했습니다. Thornton 아저씨는 물론이고 Movchan, Messier 의 Zone Model(http://marriott.tistory.com/137)에서 다뤘던 변수들이 뭔지를 기억에서 꺼내옵시다. 그러면 Zone Model 에서 온도는 언제나 중요한 한 축을 담당하고 있으며, 다른 두가지에 비해서도 가장 눈에띄는 현란한(?) 변화를 보여주고 있다는 것을 알 수 있습니다. 기판 온도를 약간만 변화시켜도 미세조직을 바꿔놓을 수 있다는 것이죠. 그래서 실험을 하다보면 다른 두 조건인 전력이나 압력이 약간 부족하다 싶더라도 온도가 충분하면 원하는 상을 얻을 수 있는 경우가 자주 등장합니다. 

   혹시나 해서 미리 말씀드리는데, 제가 보여드리는 XRD 데이터나 미세조직 등의 사진에서 여러분들이 꼭 기억하셔야 할 것이 있습니다. 저는 이해를 돕기위해 실험의 '예'를 보여드리는 것 뿐이고, 일반적인 조건일때 그것이 변화하는 전체적인 경향은 이렇다는 것을 보여드릴 뿐 입니다. 여러분들이 실험했을때 꼭 이렇게 나온다거나, 혹은 이렇게 나와야 정상이란 뜻이 아닙니다. 원하는 특성을 맞추기 위해 미세조직 등을 제어하면서 세밀한 변수들이 모두 다르므로 측정결과는 언제나 서로 다를 수 있기 때문입니다. 제가 변수들의 값을 자세히 말하지 않는 이유가 여기 있습니다.

요롷코롬 생긴 할로겐 히터(or 램프)

필라멘트 보다 연결부위가 잘 끊어짐

   기판의 온도는 보통 기판 뒤편에 열선이 장착되어 있어서 온도를 조절하게 되는데, 많은 경우에 니크롬이나 텅스텐 열선이 달린 할로겐 히터를 사용합니다. 위 사진은 제가 쓰는 할로겐 히터 사진인데요, 길이가 12cm 정도 되는 작은 넘인데 대단히 고성능을 자랑합니다. 고출력 히터라면 3~4개 장착해서 600~800℃ 정도는 쉽게 올리는게 가능합니다. 열선과 마찬가지로 오래 사용하면 선이 끊어지게 되는데, 제품에 따른 편차가 있지만 내부 필라멘트가 아니라 전극 연결부가 끊어져 버리는 경우가 흔하게 발생합니다. 전극 연결부위를 알루미늄 호일로 잘 싸주면 좀더 오래쓸 수 있긴 합니다만, 가격은 비싸지 않아 큰 부담없이 교체해가며 쓰고 있습니다. 유리관 봉입이 되지 않은 열선은 고온에서 반응성기체와 반응할 수 있기때문에 사용에 제한이 있습니다.

기판온도 증가에 따른 증착속도의 변화라고나 할까

   위 그림은 인가전력과 작업압력을 고정시키고 기판온도만 증가시켜 가며 증착시켜 본 TiO₂ 박막의 증착속도 입니다. 상온에서 증착속도는 약 4nm/min 의 속도를 나타내었는데, 기판온도를 450℃로 올려도 별 차이가 나타나지 않는다는 것을 알 수 있죠. 인가전력 변수에서 보았던 증착속도와는 꽤나 큰 차이를 나타내는데, 인가전력은 그 변수가 작용하는 부분이 '타겟' 입니다. 그래서 스퍼터링율에 직접적인 영향을 미치게 되죠. 그러나 기판온도는 스퍼터링율과 관계가 없습니다. 이미 정해진 스퍼터링율에 의해 스퍼터된 입자들은 기판온도가 높든 낮든 상관없이 모두 기판에 들어올 수 있기 때문에 증착속도에는 별로 영향을 주지 않습니다. 그러나 기판에 들어왔을때 적당한 온도가 유지되고 있다면 입자들이 에너지를 얻어서 기판표면위에서 이동도가 증가합니다. 그렇게 되면 입자들끼리 이동하며 서로 쉽게 모일 수 있고, 임계크기를 넘은 안정한 클러스터를 형성하여 박막으로 성장 할 수 있게 되죠. 그러나 온도가 낮은 경우에는 입자들의 이동이 어렵고 임계 크기 이상의 클러스터 형성이 되지 않는다면 초기 박막 형성 속도는 느려질 수 있습니다. 그래서 온도가 증가하면 약간이지만 증착속도가 올라갈 수 있게 됩니다. 또한 기판온도에 의한 입자의 이동도 증가는 박막의 밀도를 크게 향상시킬 수가 있지요. 온도가 증가하면 shadowing effect 를 억제할 수 있다고 했던것을 기억해 주세요. 이 내용들은 '핵의 성장과 연속된 박막의 형성(http://marriott.tistory.com/128)과 박막의 성장과 미세조직 #2(http://marriott.tistory.com/139)을 같이 보시면 되겠습니다. 그러나 온도를 계속 올리다 보면 증착속도가 다시 감소하는 경향이 나타날 수도 있는데, 이것은 박막 표면온도가 너무 높아지면 표면에서 재증발 및 리스퍼터링 현상이 나타나기 때문입니다. 하지만 저융점 재료라면 몰라도, 과연 그정도 까지 온도를 올릴일이 있을지는 모르겠습니다. - _-

 

X-ray diffraction patterns of ITO
역시 이런 그림이 있으니 뭔가 좀 전문적 같다.
XRD가 뭐냐는 질문은 여전히 받지 않는다. 물어도 대답 안한다. -_ -

   온도변화에 따른 XRD 그래프를 한번 보겠습니다. 말씀드렸듯이 XRD가 뭐냐고 물었다간 안됩니다.-_ - 어쨌든 위 그림은 다른 변수들을 고정시키고 기판의 온도만 변화시켜 가며 형성시킨 ITO 박막의 XRD 측정결과입니다. 갑자기 TiO₂ 는 어디가고 ITO 냐 하신다면, 많은 분들이 ITO 박막을 하시는것 같아서 서비스 차원에서 가져왔습니다. -_ - 먼저 상온에서는 약한 ITO 결정의 (400), (440) 피크가 검출되고, 비정질 피크도 같이 검출되어 비정질과 결정질이 혼재하는 것을 알 수 있는데요, ITO뿐 아니라 상당수의 재료에서 기판온도가 상온일때엔 비정질이 형성되는 경우가 많습니다. 기판온도가 100℃로 증가하면 비정질 영역에 ITO 결정의 (222) 피크가 새롭게 나타나기 시작하는걸 알 수 있죠.  기판온도가 350℃ 까지 증가하면 비정질 영역은 사라지고 ITO 피크만 볼 수 있습니다. 보통 ITO 를 박막으로 입힐때 결정화가 시작되는 온도는 약 150℃ 내지 200℃ 부근에서 부터 나타나곤 합니다. 그런데 박막의 미세조직의 변화는 앞에서도 말씀드렸듯이 온도 뿐 아니라 인가전력과 작업압력도 관여하기 때문에, 결정화 시작온도도 조건에 따라 달라진다는 것을 알고계셔야 합니다. XRD 데이터에서 한가지 추가로 말씀드리고 가겠습니다. XRD 그래프를 보면 한가지 특이한 점을 찾을 실 수 있습니다. 100℃ 에서의 XRD 그래프에서는 (222) 피크가 제일 높았는데, 350℃ 으로 가니까 갑자기 (400) 피크가 제일 높아지는 것이 나타났죠. 상대적으로 다른 피크들의 높이는 줄어들었습니다. 이런 현상을 (400) 면으로 우선방향(preferred orientation) 또는 우선방위가 나타났다고 하는데요, 우선방향에 따라 박막의 전기적, 광학적, 기계적 특성들이 달라지기 때문에 박막을 평가시 우선방향 특성을 중요하게 여길때가 많습니다. XRD로 우선방향을 더욱 정확히 측정하기 위해서는 Rocking 커브 같은 Omega 스캔이나 Phi 스캔 등의 방법을 사용하게 되는데요, 박막의 우선방향에 대해서는 나중에 측정법을 이야기 할 때 기회가 있으면 한번 다뤄보도록 하겠습니다.  

이놈 기판온도 상온

이놈 기판온도 350℃

이놈 기판온도 550℃
온도 증가에 따른 TiO₂ 박막 표면의 변화.

ITO 어디가고 왜 다시 TiO₂ 냐 라고 하신다면, 다양성을 추구한다고 하겠어요.

 

   그럼 온도에 따라서 박막의 미세조직이 어떻게 변하는지 살펴봅시다. 촬영에는 FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope) 라는, 그냥 SEM 보다 뭔가 더 있어보이는 이름의 전자현미경이 수고해 주셨습니다. 이 장비가 온도를 마구 올려가면서 만든 TiO₂ 박막의 표면을 마구 찍어댔는데, Thornton의 Zone Model에서 보는 것 처럼, 낮은 온도에서 보였던 입자와 입자사이가 벌어져 있는 open structure의 형태가 온도가 올라가면서 치밀해지고 표면은 평평해 지는 것을 확인할 수 있습니다. 

이넘, ITO 박막온도 상온

걍 맨질맨질.. 비정질이다.

이넘, ITO 박막온도 250℃

줄무늬가 주룩주룩. 주상정이다.

온도 증가에 따른 ITO 박막 단면의 변화

TiO₂ 어디가고 왜 다시 ITO냐 라고 하신다면, 다양성을 추구하다 헷갈렸다고 하겠어요.

   까짓거 이왕 이렇게 된거 박막의 단면도 함 봅시다. 박막을 뚝- 반으로 잘라서 관찰을 했습니다. 상온에서 입혀진 박막은 흐릿한 세로 줄무늬가 일부 보이긴 하지만 대부분 단면이 뭔가 밋밋하고 매끈한 부위가 많습니다. 이것은 박막이 비정질의 형태이기 때문에 그렇습니다. 비정질은 어떤 경계면을 찾아보기 어렵죠. 그런데 기판온도 250℃의 단면에서는 위아래로 줄이 선명하게 보입니다. 지겹지만 다시 Thornton의 Zone Model의 단면을 떠올려 보시면 '주상구조' 로 성장하고 있다는 것을 아실 수 있습니다. 앞쪽의 XRD 결과와도 비교해 보시면 딱 맞아 떨이지고 있습니다. 결국 기판온도는 박막이 비정질이냐 결정질이냐를 결정짓는 대단히 중요한 변수입니다. 그 뿐 아니라 비정질-결정질의 차이는 ITO 성능중 핵심인 전기전도도와 투과율에도 영향을 주는 아주 무서운 놈 입니다. -_ -

  이렇듯 스퍼터링시 기판의 온도는 박막의 최종적인 상과 미세구조를 결정짓는 매우 중요한 인자로 작용하게 됩니다. 그렇기 때문에 박막 형성 시에 우리가 원하는 미세조직으로 만들고 제어하기 위해서는 온도에 의해 변화하는 막의 특성을 정확하게 알고있어야 할 필요가 있습니다. 그런데, 주의해야 할 점이 있습니다. 온도는 즉각적 반응을 하지 못한다는 점이죠. 전력이나 압력은 다이얼만 돌리면 바로 변화시킬 수 있고, 어느정도 순간적으로 세밀한 조절이 가능합니다. 그러나 온도는 그게 안됩니다. 세팅온도를 변화시켜도 기판온도가 그 온도로 맞춰지려면 시간이 걸립니다. 만약 300℃ 에서 박막을 증착하려면 미리 온도를 올려놓고 충분히 안정화 시킨다음에 스퍼터링을 시작해야 하는거죠. 온도를 감소시킬때는 더 오래걸립니다. 온도가 너무 높아져서 내리려고 해도, 진공중에서 냉각 시간은 생각외로 오래걸릴수 밖에 없습니다. 그래서 장비의 특성을 잘 알고 원하는 온도를 유지시킬 수 있도록 실험조건을 짜야 합니다. 또한, 앞의 인가전력(http://marriott.tistory.com/142)에서 강조했듯이 기판의 온도를 일부러 올리지 않아도 타겟의 복사열이나 2차전자의 충돌 등으로 인해 기판의 온도가 어느정도 상승합니다. 그래서 타겟과의 거리를 충분히 띄우거나, 기판을 충분히 회전시켜 온도 상승을 억제하거나, 자기장이나 기판의 위치를 조절해서 2차전자의 영향을 가능한 줄이기도 합니다. 그래야 서로 독립적으로 정확히 변수 조절이 가능할 테니까요. 하지만 현실적으로는 어느정도 영향을 감안하고 사용해야 하는 경우가 많습니다.

...by 개날연..

글을 다 써놓고 나서 보니까..

어째 급조한 파워포인트가 하나도 없다는게 비극입니다.. ;ㅁ;

변수 이야기 끝나면 다시 등장하겠지요.. -_ -

그나저나.. 연휴 내내 쳐박혀 이걸 만들고 있었다니.. ㅠㅠ 

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



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