스퍼터링 공정변수 #3. 작업압력
호..혹시 오래기다리신 분이 계셨을까여? ;ㅁ; 뭔가 재미없으면서 지겹게 반복되는 공정변수 3번째인 작업압력(working pressure) 입니다. 작업압력은 초기진공 이후, Ar을 주입하고 플라즈마를 형성시킨뒤 실제 박막을 증착하는 동안의 압력을 말합니다. Thornton의 Zone Model 에서 Ar 의 압력이 한축을 당당히 차지하는 있다는 것을 기억해 주세요. 그리고 추가로, 압력의 종류에는 분압(partial pressure)라는 것이 있습니다. 이것은 반응성 스퍼터링(reactive sputtering)을 할 때 반응성 가스가 추가되기 때문에 전체 가스압과 반응성 가스압과의 비를 말하는 것인데요, 분압의 효과에 관해서는 반응성 스퍼터링에서 다시 이야기해 보겠습니다.
작업압력 증가에 따른 증착속도의 변화라고나 할까
본래는 TiO2 그래프 였는데, 뒤지다 보니 Ta 에 대해 실험했던 오래된 골동품 데이터가 있어서 교체;;
인가전력과 기판온도 이야기에서 했던 순서대로 먼저 증착속도가 어떻게 변하는가를 확인해 봅시다. 위 그래프는 전력과 온도등 다른 변수들을 고정시키고 작업진공도만 높여가면서 측정해본 Ta 의 증착속도 입니다. 압력이 증가하면서 증착속도가 증가하다가 7x10-3~1x10-2 torr 정도에서 최대를 찍고 그 이후 감소하는 경향을 보이고 있습니다. 그 이유는 이미 충분히 아시겠지만 초기에는 Ar의 양의 적어서 이온화율과 스퍼터링율이 낮기 때문에고, Ar의 양이 많아지면서 점차 이온화율이 증가하여 증착속도도 증가하는 모습을 보입니다. 그러다가 어느정도까지 압력이 높아지게 되면 이제는 평균자유행로가 줄어들기 때문에 다시 이온화율이 낮아지면서 증착속도가 감소하게 되죠. 또한, 압력이 필요이상으로 증가하면 스퍼터링된 입자들도 Ar과의 충돌이 발생하여 기판까지 들어가는 것이 방해받습니다. 그런데 이때 최대 증착속도를 보이는 압력이 7x10-3 torr 라고 해서 이 압력으로 정하고 실험을 하는건 아닙니다. 최대 증착속도를 보인다고 해서 그 곳이 박막의 품질이 제일 좋은 영역이라는 말은 절대로 아니니까요. 여기서 작업압력이란 변수는 단지 최대증착속도를 구하는것이 목적이 아니라, 우리가 원하는 가장 우수한 특성을 나타내는 압력 부분이 어딘가를 찾고자 하는 것이기 때문입니다. 최대 속도를 찾는다면 그것은 최고 품질을 나타내는 조건 하에서 이루어 져야 합니다. 생산율을 증대시킨다고 품질을 저하시키는 일은 적어도 여러분들은 하지 않기를 바랍니다. 그리고, 지난 글에서 말씀드렸듯이 데이터에서 보여주는 수치들은 저의 조건에서 나온 결과일뿐, 여러분들의 실험 결과에서 그래야 한다는 법은 없기 때문에 이런 경향을 나타낸다 정도만 참고하셔야 합니다.
그럼, 이번엔 XRD 결과를 보실까요. 뭔가 심심한 그래프의 모양이 나왔는데, 역시 다른 변수는 고정시키고 작업 압력만 변화시켜 가면서 증착시킨 ITO 박막의 XRD 결과 입니다.
X-ray diffraction patterns of ITO
세번째 말하지만 XRD가 뭐냐는 질문은 여전히 받지 않는다.-_ -
혹시 이전의 XRD 에서 보던 뾰족하고 높은 피크(peak)가 왜 안보이냐고 물으신다면 이건 기판온도를 상온에서 증착해서 그렇습니다. Thornton 의 Zone Model 을 보시면 알겠지만, 압력변화에 의한 미세조직의 차이는 온도변화에 의한 차이보다 효과가 적습니다. 그래서 만약 온도를 충분히 올려놓게 되면, 온도의 영향 때문에 작업압력만의 효과를 뚜렷하게 알 수 없는 경우가 나타날 수 있기 때문에 일부러 상온에서 실험을 했습니다. 또한 인가전력도 가능한 낮췄습니다. 저는 섬세한 남자거든요. -_ - 어쨌든..;; 아래쪽에서 부터 살펴보면, 7x10-3torr의 조건에서는 ITO의 피크가 나타나지 않고 모두 비정질 박막이 입혀졌다는 것을 알 수 있습니다. 압력을 더 낮춰 진공도를 4x10-3torr로 높이면 별다른 변화는 없지만, 무언가 (440)의 피크 자리에 어떤 변화가 보이는것이 나타납니다. 물론 이정도로 뭐라 말하기는 어렵지만, 부분적으로 나마 결정성이 변화하고 있다고 보여집니다. 압력을 더욱 낮춰서 8x10-4torr에서 증착된 박막에서는 (440) 피크의 강도가 증가하면서 (222)면의 피크도 같이 나타난 것이 확인됩니다. 즉, 약간이지만 작업 압력이 감소함에 따라 결정성이 향상되는 효과가 있다는 거죠. 압력이 높을때에는 모두 비정질 이었던 박막이 압력이 감소함에 따라 결정화가 진행되는 것은, 진공 챔버 내에 존재하는 Ar 기체의 수가 감소하여 타겟에서 스퍼터링된 입자들의 평균자유행로가 증가하기 때문에 Ar과 충돌로 손실되는 에너지를 줄일 수 있어 기판 표면에서 결정성이 향상되었기 때문입니다. 다시 말해서, 압력이 높으면 스퍼터링된 입자가 기판까지 도달하는데 Ar 과의 잦은 충돌로 직진하지 못하고 산란되며, 기판으로 들어오는 속도와 운동에너지를 잃어버리게 됩니다. 스퍼터링 입자가 이렇게 낮은 에너지를 가지고 기판에 들어오게 되면 기판 표면위에서 원자이동도(surface mobility)가 낮기 때문에 결정을 형성하기 위한 평형 위치로 이동이 어려워 지므로, 결국 결정을 만들지 못하고 비정질을 나타내는 경우가 많습니다. .
이거 압력 8x10-4 torr
이거 압력 1x10-3torr
이거 압력 7x10-3torr
압력 변화에 따른 ITO 박막 표면의 변화
TiO2를 올릴까, ITO를 올릴까, 또 다른걸 올릴까 하다가 눈감고 찍었더니 ITO 당첨
XRD 결과에서는 작업압력이 감소함에 따라 결정성이 증가했다는 것을 보여줬습니다. 그렇다면 사진으로도 역시 그런가 확인해 봅시다. 역시 FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope) 라는 뭔가 좀 있어보이는 이름의 전자현미경 께서 수고해 주십니다. -_ - 위 사진에서 압력이 8x10-4 torr 로 낮은 경우에는 경계가 뚜렷하고 잘 발달된 덩어리 입자 들이 확인 됩니다. 두번째의 압력이 1x10-3torr인 경우에는 입자의 형태가 작아지면서 경계도 전체적으로 흐릿해지는 것을 알 수가 있죠. 그리고 압력이 7x10-3torr로 더욱 증가하면 이제는 경계는 확인하기 어려울 정도로 흐려지고 표면도 평활해 지는 조직형태를 보여주고 있는데요, 이런 매끈한 느낌은 XRD 측정결과에서 보여주는 바와 같이 비정질 조직이 많이 포함되었을 것으로 예상됩니다. 이 순서를 다시 정리해 본다면, 압력이 증가할 수록 결정입자는 작아지고, 경계들의 구분이 어려워져 최종적으로 비정질화 되고 있습니다. 이것을 산란효과로 설명하기도 하는데요, 압력이 증가하여 충돌에 의한 산란이 증가하면 스퍼터링된 입자들이 기판으로 수직으로 들어오지 못하고 동시에 모든 방향에서 불규칙하게 들어오게 됩니다. 이러한 불규칙한 경사입자들의 수가 증가하면 기판 표면에 지속적으로 많은 핵을 형성시킬 수 있기 때문에 결정입자들의 크기가 감소하는 효과가 나타날 수 있습니다. 그래서 적당한 압력 조절은 미세조직을 제어하는데 도움을 줍니다. 그러나 과도한 산란으로 인해 에너지를 모두 잃어버리고 기판으로 들어오는 입자들은 단지 결정성 감소뿐 아니라, 기판과 충돌에너지가 적으므로 밀착력 감소를 가져오기도 합니다. 그렇다면 당연히 기계적, 전기적 특성등의 박막의 물성에도 영향을 주게 될 겁니다.
이거 압력 8x10-4torr
매끈반 거칠반
이거 압력 7x10-3torr
이넘 매끈매끈
압력 변화에 따른 ITO 박막 단면의 변화
이왕 나온거 저번처럼 단면도 까봅시다. -_ - 작업압력이 8x10-4torr로 낮은 상태에서는 약간이지만 주상조직의 경계를 확인할 수 있을 정도로 결정성이 있다는 것을 보여줍니다. 그런데 작업압력이 7x10-3torr로 높아지면, 박막의 단면은 대부분 매끈매끈한 비정질의 특징을 보여주고 있습니다. 마치 유리를 잘라서 단면을 보는듯한 느낌이죠. 이러한 작업압력에 따른 미세조직의 변화는 역시 앞의 XRD 결과와 잘 일치하는 것을 알 수 있는데요, 챔버 내에 존재하는 기체입자들의 수가 감소함에 따라 기판에 충돌하는 입자의 에너지가 증가하고, 결정형성에 필요한 에너지를 얻었기 때문입니다. 왠지 아까부터 똑같은 소리만 자꾸 반복하는 듯한 느낌이..;ㅁ; 그러나, 압력이 결정성을 향상시킬 수는 있다는 것을 보여주고는 있지만 압력 조절만으로는 결정성 증가에 한계가 있습니다. 또한 결정성을 증가시킨다고 압력을 계속 떨어트리게 되면 파센법칙에 의해 방전 자체가 어려워 지게 되게 됩니다. 그래서 현실적으로는 적당한 압력을 선택하고 온도를 변화시키는 것이 훨씬 효과적입니다
이렇게 인가전력, 기판온도, 그리고 작업압력 까지 가장 중요하다고 말했던 3가지의 공정변수를 끝냈습니다. 작업압력 한가지만 본다면 인가전력이나 기판온도를 조절하는 것 보다는 상대적으로 변화의 크기가 낮다는 것을 알 수 있습니다. 그러나, 이들 3가지 변수들을 조합하게 되면 다양한 조건들을 만들 수 있고, 그에따라 박막의 상이 결정되며 대단히 큰 특성변화를 나타내게 하는 것이 가능합니다. 그래서 각 부분에 대해 좀더 자세히 다뤘으면 좋았겠지만, 연구자들의 실험 목적과 조건이 모두 다르기 때문에 여기서는 세밀하게 다루는 것 보다는 크게 경향만 보는 쪽으로 다뤘습니다. 원하는 박막을 만들어 낸다는 것은, 연구자가 이들 변수에 의한 영향을 과연 얼마나 깊이 이해하고, 얼마나 정확하게 제어할 수 있느냐에 달려있습니다.
이 외에 변수 또 하나를 들자면 박막두께가 있는데요, 두께가 변화함에 따라서도 막의 미세조직과 특성들이 많이 달라질 수 있습니다. 그래서 다음 글을 두께로 할지, 아니면 그냥 반응성 스퍼터링으로 넘어갈지 고민중입니다.. ;ㅁ;
...by 개날연..
어째서 난 토요일 새벽 3시에 이짓을... ;;
비몽사몽 써서 뭔소릴 썼는질 모르겠네... ;ㅁ;
그나저나 이넘의 어깨는 언제 낫는걸까.. ;ㅁ;
아니 그보다 어디 하루 여행이라도 갔으면.. ;ㅁ;
글 : 개날라리연구원
그림 : 개날라리연구원
업로드 : 개날라리연구원
발행한곳 : 개날라리연구소
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