박막형성법의 종류 #2. 진공증착

진공증착(Evaporation)

   사실상 건식 도금의 시작은 진공증착이다. 그만큼 가장 기본적인 방법이며, 대부분의 건식도금법은 진공증착을 기본으로 하여 약간의 형태가 변화한 것이라 봐도 무방하다. 증착이라고 부르는 현상은 기체상태로 증발된 원자나 분자 혹은 입자가 낮은 온도의 다른 물체(여기서는 기판을 의미)을 만나 표면에 다시 고체상태로 응축되는 현상을 말한다. 이것을 진공상태에서 일으키기 때문에 진공증착이라고 부르고 있다.

 

   혹시 경험이 있는지 모르겠지만, 가정에서 사용하는 백열전구가 오래되면 필라멘트와 가까운 전구의 유리벽이 검게 변하는 현상을 볼 수 있다. 수명이 다해 필라멘트가 끊어진 전구는 특히 그렇다. 형광등도 마찬가지다. 사용한지 오래된 형광등은 양쪽 전극 부위가 검게 변색이 되어있다. 이것은 전구나 형광등 내의 필라멘트가 가열되어 필라멘트의 원자나 입자가 증발하고, 그 증발된 원자가 유리벽까지 날아가서 달라붙었기 때문이다. 이것이 바로 진공증착이다. 그렇게 우리 주변에서 진공증착은 흔히 일어나고 있었다.

 

그림 . 진공증착(Thermal Evaporation)의 원리

 

   위 그림에 진공증착이 일어나는 원리와 구조를 간단히 나타내었다. 챔버는 펌프를 사용하여 높은 진공상태를 유지시키고, 아래쪽에는 증발시킬 재료인 소스(증발원)를 설치한다. 그리고 위쪽에는 기판을 장착한다. 보통 초기 진공도는 10^-4torr 이하로 고진공을 만들고, 전기적 저항을 주거나 전자빔 등으로 소스를 가열한다. 고진공 상태에서 소스를 원하는 고온까지 가열하면, 소스는 기체화 되어 증발하면서 챔버내로 분산되어 날아가게 된다. 이렇게 증발된 기체 원자 및 분자들은 기판까지 날아가고, 기판은 기체에 비하여 매우 낮은 온도를 가지고 있기 때문에 기판 표면에서 기체원자들이 응축되며 모이면서 박막이 만들어 지게 된다.  

진공증착기의 증발원(도가니형) 부분 

위 장비는 셔터 아래 모두 8개의 증발원이 있어 서로 다른 종류의 시료를 동시 증착하는것이 가능하다. 

셔터를 열면 시료를 담는 도가니가 있고, 그 아래에는 히터가 있어 도가니를 가열한다.

   여기에는 반드시 고려해야 할 사항이 있다. 먼저 증발물질은 '직진' 한다는 점이다. 진공증착에서는 소스가 가열되면 열에너지에 의해 원자가 결합을 끊고 이탈하며, 이순간의 에너지 만으로 기판까지 직진하며 날아가게 된다. 때문에 중간에 다른 기체나 불순물등에 충돌하게 되면 그 에너지를 잃고 기판이 아닌 다른곳으로 가서 증착될 수 있다. 그래서 추가로 다른 에너지를 가하여 주는 다른 PVD 법들에 비하여 가장 높은 진공도를 요구한다. 평균자유행로가 기판까지 유지되어야 하기 때문이다. 또한 진공증착은 물질을 증발시킨 기체상태의 입자를 이용하기 때문에, 증발기체가 많을수록 증착속도를 크게 할 수 있다. 정해진 온도에서 최대의 증발기체량이 얼마인가 하는 것이 그 물질의 증기압력이란 것을 고려하면 결국 이것이 포화증기압이 된다. 포화증기압이란 어느 온도에서 기체화 되어 증발하는 원자의 수와, 응축되어 고상(혹은 액상)이 되는 양이 같은 상태를 말하는데 포화증기압은 온도가 높을수록 높기 때문에 증착속도를 조절하기 위해서 원하는 증발온도를 선택해야 한다. 

 

  그림. 증발원의 위치에 따른 증착 분포

   진공증착에서 증발된 기체들은 오로지 열 에너지로 인한 것이므로 에너지가 충분히 높질 못하여 밀착력이 떨어질 수 있다는 단점이 있다. 또한 증발입자의 움직임은 직선운동을 하기 때문에 입체적 모양을 가진 시편등의 구석이나 뒷면에는 증착이 되지 않는다. 이를 위해 기판을 회전시키거나 증발원의 위치를 다양하게 조절해야 한다. 위 그림은 챔버 내에 증발원을 어디에 설치하느냐에 따른 분포를 나타낸 것이다. 증착원이 챔버의 한가운데, 즉 기판의 사이사이에 위치하게 되면 모든 방향으로 균일한 증착이 이루어진다. 그러나 바닥에 위치하게 되면 증발입자는 직진하므로 가까운곳에 더 많은 수의 증착이 이루어지므로 불균일한 증착두께가 나올 수 있다. 그림은 하나의 예를 든 것이며, 실제 증착업체에서는 챔버내 여러군데에 증발원을 설치하여 모든 기판에서 매우 균일한 증착이 이루어지도록 하고 있다.

...by 개날연..







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