스퍼터링시 갑자기 방전이 꺼지는 현상
이번에는 스퍼터링시 가장 문제점중 하나인 방전불량의 원인 몇개만 알아봅시다. 기껏 박막 미세조직 들어갔는데 왜 다시 방전으로 돌아가냐고 하시면 그닥 할말은 없습니다만 -_ -... 그래서 오늘은 조금 간단하게만 다룰까 합니다. 그동안 방전불량 문제에 대해서는 틈나는대로 이야기를 좀 했었는데 그것들과 내용이 중복되는 부분도 조금 있습니다. 언제 어느때 말하고 강조해도 이상하지 않은 부분입니다. 하지만 지금 이야기 전개상 이게 나올 순서는 아닌데요, 본래 이 부분은 애당초 미세조직 부분 끝나고 유지관리 부분에다 넣을까 싶었습니다. 그런데 아무래도 스퍼터링 중에 나오는 현상이다 보니 유지관리보다는 조금 미리 나와줘야 줘야 사용하는데 지장이 없지않나는 생각이 들어서요.. 그러나 무엇보다도 제 맘이죠 -_-
스퍼터링시에 방전 안정화. 즉, 플라즈마의 안정화는 결과적으로 박막의 특성에 지대한 영향을 미칩니다. 일반적인 보호용 내마모 박막 등이라면 그다지 민감한 영향은 없을 수도 있겠지만, Å 나 nm 단위로 입혀지는 전자기 박막 같은경우 국부적인 아크 발생만 나타나도 박막두께 불균일, 미세조직 변화, 불순물 발생, 국부용융, 박막층 파괴 등 심각한 불량을 만들어 낼 수가 있습니다. 때문에 온갖 방법을 동원해서 아크나 코로나 등을 방지하고 있죠. 그러나.. 작동중에 예상치 못하게 나타나는 문제는 예측이 어렵고 당연히 예방도 어렵습니다.
스퍼터링시 나타나는 불안한 방전들의 대표적인 것은 타겟표면의 불순물 입니다. 타겟이 아래에 놓여져 있고, 기판이 위에 있을 경우에 증착도중 생성되는 물질들중 일부가 아래로 떨어지는 경우가 있습니다. 특히 반응성 스퍼터링을 할때 반응성 가스가 필요이상으로 많아지면 흔히 볼 수가 있죠. 탄화물 박막을 형성시킬 때는 챔버 바닥에 고순도의 탄소 가루가 푹신하게 쌓여있는걸 보기도 합니다. -_ - 그런것들이 플라즈마 내에서 플라즈마 기체들과 충돌하면서 방전불량을 야기시키기도 하고, 타겟 표면으로 떨어져 불꽃을 튕기면서 타버리기도 하죠. 이 문제를 해결하기 위해서 타겟을 위로 올리고 기판을 아래로 놓으면 되지만, 기판이 아래로 가면 반대로 그 불순물들이 기판위로 떨어지게 되어 박막손상을 가져올 수 있죠. 이러지도 저러지도 못하고 도대체 어쩌란 말이냐.. 하는 이 문제가 '시편 장착, 스퍼터 작동 및 세팅확인'(http://marriott.tistory.com/117)에서 잠시 등장했었습니다.
이 두가지 문제를 모두 해결하는 방법은 없을까 생각해 본다면, 방법이야 많이 나올수 있겠지만 가장 현실적으로 이미 사용하고 있는 해결법을 여러분들이 알고 있습니다. 변형스퍼터링장치(http://marriott.tistory.com/97) 이야기를 할때, 듀얼건 스퍼터링 장치 기억하실려나 모르겠습니다. 동시에 두개 이상의 타겟물질을 하나의 기판에 입히는 방법으로 타겟을 기울여 놓았죠.
[내그림 펌] DC/RF 마그네트론 듀얼건 스퍼터링 장치
이 방법을 쓰게 되면 타겟표면에 불순물이 떨어지는 확률도 매우 줄어들고, 기판도 깨끗해 집니다. 단점으로는 기판에서 타겟과의 거리가 위치마다 달라지게 되죠. 그러면 박막두께의 편차가 커지게 되므로 기판을 반드시 회전시켜 줘서 박막이 고루 입혀지도록 해야 합니다. 그리고 증착입자가 기판으로 들어가는 에너지도 경사진 만큼 손해를 보게 되며, 타겟과 기판이 마주보고 있는 경우와는 미세조직도 차이가 나게 되므로 이 부분을 감안해야 한다는 문제가 있습니다. 하지만 그런 것들을 감수하더라도 증착시 플라즈마가 안정화 된다는 것은 매우 큰 이익입니다.
그러나 그런다고 타겟표면에서 방전불량이 모두 없어지지는 않습니다. 타겟 자체가 불순물을 포함하고 있는 경우에는 이건 방법이 없습니다. 제아무리 고순도의 타겟일지라도 어쩌다 나타나는 불순물이나 기공등에 의해 방전불량은 나타날 수 있습니다. 현실적으로 이런건 그냥 마음을 비우고 해탈한 마음으로 바라봐주는 수 밖에 없다는게 안타까울 뿐 입니다. -_- 그래도 가능한 고순도와 고밀도의 타겟을 쓰시기를 권장합니다. 별수없이 돈을 발라야 할 경우가 있습니다. 때로 연구는 돈이죠... -_ -
그리고... 뭔가 서론이 무지 길었습니다. 이제 제가 진짜 말하려던 내용을 꺼내야겠습니다. 오래전에 어느 학생이 찾아와서 이런 질문을 한적이 있습니다
"스퍼터링 하는 도중에 갑자기 플라즈마가 꺼졌어요.. ;ㅁ; "
아니면 이런 질문도 있죠.
"아무리 파워를 올려도 플라즈마가 안떠요... ;ㅁ; "
사실 대부분의 경우에 한번씩은 겪어볼수 있는 문제입니다. 정말 흔하게 나타나기도 하죠. 그런데 보통 그 현상이 나타나기 전에 뭘 했는가, 혹은 어떤 일이 일어났냐고 물어보면 아무것도 없었다고 합니다. 솔직히 장비에 어떠한 문제가 나타났다면 정말 90% 정도는 사용자가 바로 그 전에 했던 어떤 행동을 했거나 증상을 알아차리지 못했거나, 아니면 증상이 나와도 무시했을 경우입니다. 그러나 본인은 자기가 뭘 했는지를 모르고 있고, 비록 어떤것을 봤어도 그게 정상이라고 생각을 하고 있으니 아무것도 없었다고 대답을 하죠. -_- 그런데 정말 간혹 아무일 없었어도 그럴 수는 있습니다. 그러나 문제를 여러가지로 분석해 보면 기기는 어째서 문제가 생겼는지 그 원인을 말해줍니다. 거의 대부분 이 경우는 전기적인 문제로 야기됩니다. 그래서 보통 이저런 질문이 들어오면 저는 상대방에게 이렇게 물어봅니다.
"혹시 supply 에서 전류는 뜨는데 전압은 0 이냐? "
간혹 다른 대답도 나오긴 하지만, 대부분 그렇다는 대답이 돌아오죠. 사실, 그렇다면 해답은 99% 나온겁니다. 이 의미를 생각해 봅시다. 전류는 흐르지만 전압은 0 이다.. 라는 것. 솔직히 생각할 필요도 없이 어딘가에서 전기적으로 쇼트가 났다는 의미죠. 타겟은 (-) 음극입니다. 그리고 상대적으로 기판은 양극이고, 그렇다면 타겟과 기판사이는 전위차가 있습니다. 그런데 V 가 0 이라는건 그 전위차가 없다는 거죠. 즉, 음극과 양극이 닿아있어서 구분이 안된다는 뜻이 됩니다.
그러면 대체 어디서 이런 접촉이 일어났을까요. 문제를 찾아보면 거의 대부분 쉴드(shield)와의 접촉입니다. 아시겠지만, 타겟 위에는 쉴드(shield)가 달려있습니다. 쉴드는 제거해도 방전 자체는 문제없이 되지만 타겟에 균일한 스퍼터링이 나타나게 하고, 원하는 부분만 스퍼터링 시키기 위해서 장착이 되어있습니다. 쉴드가 없으면 타겟을 잡고있는 홀더나 노출된 Cu plate 까지 스퍼터링 되어버립니다.
쉴드는 비록 건(Gun)에 달려있지만 음극인 타겟과는 다릅니다. 타겟과는 전기적인 영향을 받지않도록 절연물로 차단이 되어있고, 오히려 챔버와 닿아있습니다. 즉, 양극의 역할을 하고있습니다. 때문에 쉴드가 타겟과 접촉했다는 것은 음극과 양극의 직접적인 연결을 의미하고, 그로인해 전위는 0 이 되어버리기 때문에 방전이 일어나지 않게 됩니다.
쉴드는 타겟에서 부터 보통 몇 mm 의 간격을 두고 떨어져 있는데, 그 거리는 딱히 정해진 것이 없습니다. 장비나 실험조건에 따라서 적당한 거리가 모두 다르기 때문에, 여러번 실험을 해보면서 맞는 거리를 찾아 조절해야 합니다. 그런데 스퍼터링을 오래 하다 보면 쉴드를 고정했던 나사가 느슨해져서 쉴드가 조금씩 내려오는 경우가 있습니다. 혹은 타겟을 교체할때 쉴드의 높이를 조절안하고 너무 가깝게 장착하기도 하죠. 또한 스퍼터링을 오래 하다 보면 쉴드 모서리에 조금씩 증착물이 쌓이게 되는데, 이것들은 시간이 지나면서 벗겨지거나 떨어지거나 해서 타겟표면을 더럽힙니다. 그러다 그중 큰 덩어리가 떨어져 타겟과 접촉이 이루어지면 바로 쇼트가 일어나면서 스퍼터링 잘 하고 있는 도중에 갑자기 플라즈마가 꺼지게 되는거죠. 그렇게 되면 바로 전원을 차단하고, 챔버를 열어 쉴드표면을 깨끗이 닦아주고, 타겟과의 간격을 조절하여 다시 장착해주는 수 밖에 없습니다. 어렵게 비싼 시편 구해서 며칠을 준비하고 몇시간을 힘들게 증착을 하고있는데 그런일이 일어나면, 그때의 기분은 정말 .. 아햏햏 하죠. -_ - 때문에 평소 쉴드 청소와 관리도 잘 해줄 필요가 있습니다.
쉴드 문제 외에도 방전불량은 원인도 다양하면서 그 이유를 알 수 없는 경우가 대단히 많습니다. 또한 증상은 하나인데 원인이 여러개 일수도 있죠. 이런 타겟의 불순물이나 기판 말고도 어떤 전기적 문제로 인해, 가스압의 불균일, 펌프의 문제, leak 에 의해서, 또는 스퍼터링 자체 설계에 의한 구조적인 문제등에 의해서 정말 다양하게 발생합니다. 그중에는 정말로 원인을 찾을 수 없는 경우도 많이 있지요. 때문에 연구자나 작업자는 언제나 장비를 살펴보고 관리하고, 순간순간을 체크하며 지켜봐야 할 필요가 있습니다.
...by 개날연..
오랜만의 업데이트란 소리가 이제 입에 붙을것 같습니다.
게을러서 자주 글을 못올린다는 말의 다른 표현같은데 말이죠..-_-
어깨도 계속 아픈데다가, 신경쓸일이 좀 생겨서 그거에 골머리를 앓다보니..라는 핑계는 안먹힐려나요? ;
그러고 보니 대학교가 이제 개강을 했군요.
스퍼터링을 배울 대학생, 대학원생 여러분들 ... 흑.. 안타까와서 어케해... ㅠㅠ
근데 난 새벽 3시에 이지롤;;
글 : 개날라리연구원
그림 : 개날라리연구원
업로드 : 개날라리연구원
발행한곳 : 개날라리연구소
........ - _-y~