[나의 역사] Sputter

나는 석사때 유기물 기반의 트랜지스터, 태양광 전지 소자 연구를 했었다.

 

나는 태양광전지 소자로 논문을 썼지만, 막상 취업은 OLED 연구를 하고 싶었다.

 

근데 Sputter 엔지니어가 되었다.

 

처음 라인에 들어가서 Sputter 설비를 보고는 

 

'와 이건 뭐 재밌긴 하겠다' 

 

Sputter에 대해서 오늘 조금 소개 정도 하겠다. 

 

 

 

 

Sputter는 Plasma를 이용한 박막 Depo 공정이다.

대상 물질은 주로 금속(Al, Ti, Mo, Cu...), Oxide 물질(ITO, IZO, IGZO) 이다.

 

평평한 금속을 만들어서 챔버에다가 붙여놓는데 그걸 타겟이라고 한다.

 

챔버에다가 타겟을 매달아 놓고 Ar 가스를 넣은 다음 전압을 줘서 Plasma를 만든다

그럼 Ar이 이온이 되고 금속 타겟쪽으로 이동한다.

이동한 Ar 이온은 금속에 충돌하게 되고 금속이 뜯겨져 나오게 된다.

뜯겨져 나온 금속이 그대로 반대편으로 이동해서 Depo 되게 된다.

 

주로 박막Depo 공정은 CVD, Sputter 두가지로 나누는데 가장 큰 차이점은 화학적 반응이 있냐 없냐이다.

무기막 형성의 CVD는 Si 계열의 박막을 형성하는데, Plasma를 통한 화학적 박막형성이다.

CVD 박막은 화학적 반응이라 Depo 대상에 Depo될 때 방향성이 없이 똑같은 두께로 Depo되는 특성이 있다.

 

그에 반해 Sputter는 물리적 성질의 Depo이다. 주로 사용하는 금속 박막형성시 화학적 반응 없다.

그리고 뜯겨진 금속은 야구공처럼 방향성을 가지고 주욱 이동해서 Depo대상에 Depo 된다.

그래서 Sputter는 방향성을 가지기 때문에 노출이 된 부분은 많이 Depo되고, 노출이 적은 부분은 적게 Depo 된다.

 

Sputter는 금속물질 Depo에 많이 사용한다. 물리적 Depo 특성상 금속물질의 온전한 성질 그대로 Depo 대상에 옮길 수 있다는 것이 최고의 장점이다.

 

Sputter는 재료와 원리의 특성상 굉장히 고진공도를 필요로 한다.

다른 챔버공정에 비해 공정 온도는 낮고, 진공도는 고진공이다. 10^-4승 Pa정도는 되어야한다.

 

첫번째는 상식적으로 금속재료의 산화 때문에 진공상태가 필요하다.

두번째는 Plsma내 다른 이물질이 없어야 온전한 물리적인 Depo가 가능하다.

 

 

 

그리고 Plsma는 Sputter의 핵심인데, 이제 Mean Free path 개념이 나오게 된다. 그리고 이 이야기는 박막의 결정도와 Stress로 이어지게 된다. 대부분 엔지니어들은 이런건 관심이 좀 없다. 그냥 쉽게 이야기 하겠다.

 

Plasma에 뜯겨진 금속물질은 Depo 대상으로 이동을 시작하는데, 야구공이 출발하면 공기에 저항을 받듯이 방전 중인 Plasma 밀도에 영향을 받게 된다. (Plsma는 뭐가 아니다 그냥 이온화 된 가스다. 공기랑 같은 개념이다)

 

Plsma 밀도가 높다는 말은 야구공이 출발해서 공기의 저항을 많이 받으며 Depo 대상에 도착하게 된다는 말이다.

그럼 야구공은 처음에 출발할때 보다 천천히 움직이게 되고, 가지고 있던 진동에너지를 잃게 된다.

반대로 Plsma 밀도가 낮으면 처음 출발했던 속도와 비슷한 에너지를 가지고 Depo되게 된다. 

 

도착한 물질의 에너지는 결국 Depo되면서 박막을 형성하고 안정화 되며, 그런 에너지 상태에 따라 박막의 결정도가 결정된다. 결정도 결정에 따른 박막 형질은 Stress을 Tensile/Compressive로 바꾸게 된다. 

그래서 Plsma 밀도는 어떻게 조절하느냐 처음에 말한대로 Ar으로 Plasma를 만든다. Ar으로 하는거다.

 

여기까지 이해하면 어디가서 Sputter에서 심화정도까지는 알고 있는 것이다.

 

Sputter는 금속 타겟이나 Oxide 물질 타겟을 진공챔버에서 사용하는 방식이다. 그래서 진행을 많이 하면 할수록 타겟의 양은 점점 줄어들게 되고, 챔버는 오염되게 된다. Sputter가 그래서 다른 공정들 보다 제일 작업이 많다.

 

타겟 표면과 챔버내 쉴드에서 발생하는 nudule은 Sputter 대표 Defect 원인이다.

Nodule은 Sputter 진행간 발행하는 기형돌기로 Plasma 인가시 전자가 쌓이게 되고 피뢰침 역할을 하게 되고 터진다. 

그 영향으로 하나가 터지면 타겟에 다시 여러개의 Nodule이 만들어지고, 일은 점점 더 커지게 된다.

 

이러한 Nodule은 Sputter 진행이 안하고 쉬고 있을 때 생기는 경우도 있어, 연속진행이 좋으며 쉬는 시간이 길어지면 Pre sputtering이라고 Depo진행 전 Target표면을 전체적으로 깎아주는(?) 작업을 해주는 것이 좋다. 

 

 

생각나는데 까지 최대한 쉽게 적었다. 더 많지만 너무 깊게 들어가면 회사에 잡혀갈 거 같다.

회사에 와서 보니 이 정도 내용은 Display 전공수업 같은데서 가르쳐 준다는 것을 알았다.

아.. 나는 왜 그런거 하나도 안듣고 와서는 그렇게 혼자 논문쳐다보면서 배웠나 모르겠다.

Sputter는 여러 공정들 중 설비 일은 제일 힘들고, 공정 엔지니어링은 쉬운 공정에 속하는 것 같다.

5년 정도 Sputter를 했지만 결국 저런 이론들 보다 회사일을 잘하려면 설비 구조를 이해하고 개선점을 찾는 것이 제일 중요한 것 같다.

어쩌다 들어와서 이 글을 읽었다면 설비 구조에 대해 더 찾아서 공부하길 바란다.