다양한 변형 스퍼터링 장치들

이제 스퍼터링 장치에 이야기가 막바지로 접어들었습니다. 타겟(target)이나 건(gun) 등의 세부적 장치 이야기는 추가적으로 하기로 하고, 장치에 관한 전반적인 이야기는 이번으로 끝낼까 싶습니다.

스퍼터링은 사용자의 의도와 요구에 따라 그 변형이 매우 자유롭습니다. 저는 이것을 '자유도가 높다' 라고 표현하고 있습니다만, 표현 방법이야 어떻든 스퍼터링 장치는 기본 구조 내에서 몇몇개의 악세사리 추가로 성능이나 효과를 아주 손쉽게 업그레이드가 가능합니다. 우선 가장 기본적인 스퍼터링 장치 구조를 보겠습니다. 아시겠지만 골방에 쳐박혀서 그림 하나하나 그린 노력이 눈물겹게 가상하니, 무단 카피는 아니되옵니다. - _-

 기본적인 2극 직류(DC) 스퍼터링 장치

DC Diode Sputter

자, 이 2극 직류 스퍼터링 장치를 시작으로, 앞에서 다뤘던 내용이지만 하나씩 업그레이드 시키면서 성능이 어떻게 향상되고 변화하는지 봅시다. 전원으로 DC 파워를 쓰게 되면, 타겟이 부도체 일 경우 스퍼터링이 어렵습니다. 그래서 파워를 RF 로 바꿉니다. 다른거 필요없이 파워만 바꾸면 되겠습니다. 그러면 이제 부르는 명칭도 달라집니다. 직류 스퍼터링 장치에서 고주파 스퍼터링 장치로 말이죠. 이름에 '고주파'가 들어가니 뭔가 있어보입니다.

 

고주파(RF) 스퍼터링 장치

RF Sputter

이제 부도체 타겟도 마음대로 스퍼터링을 시킬 수 있게 되었습니다. 파워란 놈은 직류(DC)를 달든 고주파(RF)를 달든, 어차피 전원만 연결이 되면 그만입니다. DC와 RF 두대를 가지고 교대로 연결을 하든, 동시에 연결을 하든 상관할 바가 아니죠. 그런데 효율을 더 올려보고 싶습니다. 이온화율을 더 높여서 증착속도와 증착막 품질의 향상도 가져오면서 말이지요. 그래서 건(gun)에다가 마그네트(magnet)를 추가합니다. 그래서 이제 DC/RF 마그네트론 스퍼터링 장치가 되었습니다.

 

DC/RF 마그네트론 스퍼터링 장치
DC/RF Magnetron Sputter

뭔가 장치도 멋져지고, 이름도 복잡해 지면서 전문화 되는 느낌이 듭니다. 그러나 여기서 멈추면 정말 섭섭하겠죠. 우리는 또 산화물이나 질화물 박막을 원하는 조성으로 증착하고 싶습니다. 그래서 추가적으로 가스를 공급하여 반응을 일으킬 수 있습니다. 그러면서 반응성 스퍼터링으로 업그레이드가 이뤄지죠.

 

 

 

DC/RF 반응성 마그네트론 스퍼터링 장치

DC/RF Reactive Magnetron Sputter

이정도 되면 진짜로 뭔가 있어보입니다. 이름만 길어진게 아니라 장치도 길어졌습니다. 혹시 여기서 끝이라고 생각하십니까...? 그러면 정말 섭섭하죠. 자유도가 높다는 표현이 겨우 이정도로 나오진 않습니다. 이온플레이팅의 장점 기억하시죠? 이온충돌 효과로 밀착력을 극대화 시킨 경우죠. 스퍼터링은 이온플레이팅에 비해 밀착력이 낮다는 단점이 있습니다. 연구자들은 그걸 해결하고자 했죠. 해결법은 사실 간단합니다. 스퍼터링으로 증착을 하는 동시에, 증착막에 이온을 쏴줘버렸습니다. 바로 이렇게요.

 

DC/RF 마그네트론 이온빔 보조 스퍼터링 장치

DC/RF Magnetron Ion Beam Assisted Sputter

이거 뭐.. 막 단어만 가져다 붙이면 걍 이름이 되고있습니다. 제 맘대로 이러는게 아니라 본래 이렇게들 하고 있습니다. -_ - 마그네트론이 앞으로 가든 뒤로가든 순서는 그다지 신경 쓰지 않습니다. 저는 그냥 앞에 붙이고 있습니다만.. 어쨌든 이온건을 장착해서 증착막에 이온을 마구 쏴준덕에 박막의 강도를 증가시키고 밀착력을 극대화 시킬 수 있죠. 이쯤 되면 또 이런생각이 듭니다. 합금을 만드는데 굳이 합금타겟을 만들어서 써야할까? 타겟은 이미 합금의 조성이 정해져 있는데, 만들면서 합금의 조성을 자유로이 변화시킬 수는 없나? 아니면 Fe 를 입히고 그 위에 Cu 를 입히려면, 중간에 타겟을 교체해야 하는데 한번에 가능한 방법은? 뭐.. 문제 될거 있습니까? 그냥 건(Gun)을 원하는 만큼 더 달아버리면 되죠. 일명 듀얼건 스퍼터링 장치입니다.

 

DC/RF 마그네트론 듀얼건 스퍼터링 장치
DC/RF Magnetron Dual Gun Sputter

처음 접하는 사람들은 이게 뭐야, 변신합체로봇이냐? 할지도 모르겠습니다만, 정말 진지하게 나온 장치입니다. 현재 제가 쓰는건 듀얼건이 아니라 트리플 건 입니다. 타겟 3개가 동시에 스퍼터링 되고 있죠. 말씀드린대로 건(Gun)의 갯수는 달고싶은 만큼 달 수 있습니다. 공간만 허용된다면 열개든 스무개든, 어떤 방식으로 장착하든 문제될 것이 없습니다. 기차처럼 한줄로 길게 달아도 되고, 원형으로 동그랗게 배열해도 됩니다. 그리고 정말 이때쯤, 연구자들은 단지 악세사리 추가-제거가 아닌 방법적인 개선을 시도합니다. 스퍼터링 현상이란, 결국 타겟에서 물질을 떼어내고 그것을 기판에 붙이는 작업이고, 그러기 위해서 가스를 주입하고 플라즈마를 발생시켰습니다. 어찌보면 100년전에 찾아낸 고전적인 방법을 그대로 지금까지 사용하고 있었습니다. 핵심은 이거죠. 타겟의 물질을 떼어내서 기판에 붙이기만 하면 되는거 아닌가? 그렇다면 지금의 기술로 굳이 정밀하게 조절하기 어려운 가스를 넣어 방전을 해야만 하는 이유는 없지 않나? 그래서 건(gun)의 형태를 완전히 바꾸는 것을 시도합니다.

 

이온빔 스퍼터링 장치

Ion Beam Sputter

  이제는 타겟에 전원을 공급할 필요가 없습니다. 가스를 이온화시켜 그 이온을 전기장의 가속으로 타겟에 충돌시키는게 아니라, 처음부터 이온건을 사용해서 타겟에 직접 이온 빔을 쏴버리면 되니까요. 그 이온들이 타겟에 충돌하여 스퍼터링을 일으키고, 스퍼터된 입자들은 기판에 증착되죠. 그래서 이 방법은 아르곤 같은 방전 가스도 필요없고, 타겟이 도체냐 부도체냐 걱정하면서 DC 를 연결할까 RF 를 연결할까 고민할 이유도 없습니다. 여기에 밀착력 향상을 더 이루고 싶으면 이온건 하나 더 달아서 타겟에 쏴주면 되겠죠. 그래서 듀얼(Dual) 이온빔 입니다. 만약 산화물을 증착하고 싶다면 산소를 이온화 해서 쏴주면 됩니다. 산소 뿐 아니라 다른 화합물도 마찬가지죠. 건(Gun) 부위만 확대해서 보면 이렇습니다.

 

 

듀얼 이온빔 스퍼터링 장치

Dual Ion Beam Sputter

 

하지만 현재 이온빔 스퍼터링 장치는 그다지 널리 사용되고 있지는 않습니다. 장비가 워낙 고가인데다, 타겟이 작으면 몰라도 대면적의 타겟이 필요한 상업용에는 아직 사용 하기 어렵기 때문입니다. 그래서 실험실 같은 작은 장비에나 간혹 쓰이고 있지요. 그런데 이온건을 쓰면 정말 플라즈마가 필요없을까요? 그렇지는 않습니다. 플라즈마는 이온건 내에서 발생합니다.  이온 건 내에 전극이 있고, 전기장이 가해지며, 마그네트론이 장착되어 있습니다. 우리가 쓰는 건이 축소되어 들어가 있다고 보시면 됩니다. 그래서 이온건 내에 Ar을 주입하면 우리가 익히 알고있는 방전에 의한 Ar의 이온화가 나타납니다. 그렇게 발생한 Ar 이온을 이온건 밖으로 쏴서 타겟에 충돌시키는 것입니다. 

지금까지 스퍼터링 장치들의 다양한 변신 합체 모습들을 봤습니다. 물론 이게 전부는 아닙니다. 너무 많다보니 중간에 다루지 않은것들이 많이 있죠. 3극 스퍼터링이나, ICP 장치같은 것들은 언급하지도 않았습니다. 이 외에도 계속해서 끊임없이 좋은 장비와 더 효율적인 방법들이 개발되고 있습니다. 연구자로서, '뭔가 이런게 있으면 좋겠다' '이 부분이 더 효과적이면 좋을텐데' 라고 생각했던 것이 실제로 등장 했을때의 두근거림, 그리고  앞으로 얼마나 더 좋은 것들이 나올지 기대감을 갖는것도 참 즐거운 일이죠.  

처음에 말씀드린 대로 단순히 장치 소개하는 부분은 이것으로 마무리 할까 합니다. 사실 앞으로 갈 길이 멉니다. 이젠 장치 소개가 아니라 실제로 연구와 실험을 하면서 나타나는 문제에 접근해야 하니까요.

...by 개날연..





파워포인트로 그림질 하다가 오십견에 걸렸는지..아님 거북목 증후군에 걸렸는지..
목과 어깨, 손목에 무리가... ;ㅁ; 
너무 쑤셔서 마사지와 찜질에 잠도 잘 못자고...  개고생이 풍년입니다...- _-