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스퍼터링(Sputtering) 결과 레포트

결과 레포트Thin Film 공정 : Sputtering윤영훈차례1. 실험 목적2. 실험 원리1) 글로우 방전2) 스퍼터링3) RF4) 기타 도구 및 용어3. 실험 과정4. 실험 결과5. 실험 고찰1. 실험 목적RF - Magnetron Sputtering을 이용하여 500℃에서 ZnO 박막의 증착 및 분석2. 실험 원리(1) Glow Discharge (글로 방전)방전관 안에 적당한 압력의 기체를 채워 넣고 양쪽 전극에 직류 전압을 인가하면 양이온은 천천히 음극으로, 전자는 상대적으로 가볍기 때문에 빠르게 양극으로 이동한다. 음극 쪽으로 가속되며 이동한 양이온은 결국 음극과 충돌하게 되는데, 이 충격으로 음극에서 다량의 전자가 방출된다. 이렇게 충돌로 인해 발생한 전자들이 바로 2차 전자이며, 이 전자들과의 충돌에 의한 이온화로 생성된 전자들은 또다시 주위의 기체원자와 연쇄적으로 충돌하며 또 다른 이온화를 시키게 되는데, 이 현상을 사태 (Avalanche)라고 한다. 사태로 인한 다량의 2차 전자들의 발생으로 이온화가 충분하게 이루어지면 방전이 유지되기 시작하는데, 이때 전극에서 많은 전하가 순간적으로 빠져나가게 되기 때문에 이 현상을 전기를 방출한다는 의미로 방전이라고 부른다. 방전을 일으키는데 필요한 전압의 최소크기를 무턱전압이라 하고, 이때의 방전을 타운젠트 방전이라고 부른다. 타운젠트 영역에서는 이온화가 적기 때문에 발광을 볼 수 없거나 아주 희미한 빛만 관찰되어 암방전이라고 부르기도 한다. 전류가 증가하여 이차전자와 이온이 충분히 많아지게 되면 어느 순간 플라즈마의 저항이 감소하면서 전압도 급격하게 강하한 뒤 다시 안정화되는 영역이 나타난다. 이 영역에서는 이온의 생성되는 양과 없어지는 양의 비율이 같으며, 방전에 필요한 전자와 이온이 충분하기 때문에 안정하게 방전이 유지되고 밝은 빛의 발광인 글로우 (Glow)가 음극에서 나타나게 된다. 이 구간을 정상 글로우 방전 (Normal Glow Discharge) 영역이라고 한다. 여기서 전류가 더 증ow Discharge) 영역이다. 스퍼터링 박막 공정에서 사용하는 영역은 바로 비정상 글로우 방전 영역이다.Sputtering을 일으키기 위해서는 공정 중에 지속적인 양이온의 생성을 필요로 하는데, 이를 위해서는 증착 공정 중 진공조 내부는 플라즈마 상태를 유지하여야 한다. 일반적으로 Sputtering으로 박막을 증착할 때는 비교적 압력과 온도가 낮은 상태인 Glow Discharge가 이용된다. 진공관의 양단 전극에 전기장을 가하면, 음극에서 발생한 전자가 양극으로 가속되면서 에너지의 증가를 일으키게 된다. 이때 가속된 전자가 중성 기체와 비탄성 충돌을 하여 이온화 및 활성화가 일어나게 된다. 이렇게 발생한 양이온은 전기장에 의해 다시 음극으로 가속되어 음극과 충돌하고, 이 과정에서 2차 전자를 방출하면서 이온화 경향이 급증하게 되어 플라즈마가 형성되고, 유지하게 된다.위의 글로우 방전은 모두 DC 글로 방전이다. 전극이 금속 등의 도체인 경우에는 앞의 이야기대로 음극 쪽으로 가속된 양이온들의 충돌에 의해 전극에서 2차 전자들이 나와 사태를 일으키고 그로 인해 플라즈마가 지속될 수 있다. 하지만 전극이 도체가 아니라 세라믹이나 비금속 등의 부도체라면 방전을 지속시킬 수 없다. 이를 해결하기 위해서 전극의 극성을 매우 빠르게 바꿔준다. 음극과 양극이 매우 빠른 속도로 바뀌기 때문에 전극표면에 양이온들이 축적될 시간적 여유를 주지 않아 방전을 계속할 수 있는데 이가 바로 RF 글로우 방전이다.(2) 스퍼터링 (Sputtering)플라즈마를 가속하여 에너지를 증가시킨 다음 충돌시키면 물질의 표면에서 원자를 떼어낼 수 있다. 이것을 공업적으로 이용한 것이 스퍼터링이다. 아래의 그림처럼 이온이 매우 높은 에너지를 가지고 음극물질에 충돌하게 되면 충돌 주변의 원자들에게 에너지가 전달되고, 이 때 에너지가 원자들 간의 결합력보다 크다면 원자들 중 일부는 결합을 끊고 외부로 튕겨 나가게 된다. 이 현상을 스퍼터링 현상이라 하며, 튕겨나간 원자들이 음극 반대편에 위치한 접 전달한다는 점이다.스퍼터링은 DC Magnetron, RF Magnetron, BIAS, Reactive 등 스퍼터링 원리를 이용한 다양한 장비가 있다.- DC Sputtering직류 전원을 이용한 Sputtering 방법이다. 구조가 간단하며 가장 표준적인 Sputtering 장치이다. 성막속도가 여러 종류의 금속에 대해 거의 일정하고 전류량과 박막두께가 거의 정비례하므로 조절이 쉽다. 또한 박막의 균일도가 크고 높은 에너지의 공정이어서 밀착강도가 높다. 하지만 Target 재료가 금속에 한정되고 높은 Ar 압력이 필요하여 기판이 과열되기 쉽다.- RF SputteringDC Sputtering에서는 Target이 산화물이나 절연체일 경우 Sputtering 되지 않는다. 이러한 단점은 RF Sputtering함으로써 해결될 수 있으며 특히 낮은 Ar 압력에서도 Plasma가 유지될 수 있다. RF Sputtering은 금속 외에도 비금속, 절연체, 산화물, 유전체 등의 Sputtering이 가능하다.- Magnetron SputteringMagnetron Sputtering이란 Target (Cathode)의 뒷면에 영구자석이나 전자석을 배열함으로써, 전기장에 의해 Cathode로부터 방출되는 전자를 Target 바깥으로 형성되는 자기장 내에 국부적으로 모아 Ar 기체원자와의 충돌을 촉진시킴으로써 Sputtering Yield를 높이는 방법이다. 이 방법은 Sputtering 효율이 증가하고 전자의 와류운동으로 전자의 기판 및 박막에의 충돌을 감소시켜 기판온도 상승효과가 적다. 절연제의 경우에도 성막속도가 크며 영구자석의 적절한 배열과 Shield 사용으로 박막두께의 균일도를 쉽게 조절할 수 있다. 하지만 자기장의 방향을 조절해야하고 자기장 근처에서의 선택적인 Sputtering으로 Target의 소모성이 크며 자성이 있는 재료의 경우 증착이 어렵다.(3) RF - Magnetron Sputtering 부수장비의 구성(4) 기타 도구 및 용어① Pump- 오일 로터리 펌프 (Oil Rotary Pump)기본구조는 Rotor, Vane, Cylinder로 구성된다. Rotor의 중심이 Cylinder 중심의 편심으로 의해 Cylinder 내벽에 밀착된 상태로 회전하게 된다. 이때 Vane과 Vane 사이에 공차 (Cell)이 생기게 되며, 이 공간의 용적 변화에 의해 Air 또는 Gas를 흡입, 팽창, 압축, 배기시킨다. 이때 Vane에 윤활과 밀봉작업을 하는 오일은 흡입차등 압력으로 별도의 오일펌프 없이 지속적으로 실린더로 공급되어지고 오일통 중간으로 공기와 같이 배출된다.- 터보 펌프 (Turbo Pump)동축이 회전자 (Rotor)와 고정자 (Stator)로 구성되어 있다. 수천 내지 수만 rpm의 고속으로 회전하는 회전자의 날개들이 그들의 영역으로 들어온 분자를 쳐 그 운동 방향을 펌프의 배출구 쪽으로 향하게 하는 것이다. 날의 각은 배출구 쪽으로 갈수록 더 많이 기우는데 이는 흡입구에서는 진공용기와의 압력차가 크지 않고 또한 많은 기체를 받아들일 수 있도록 하기 위함이고 배출구 쪽에서는 압력차가 커지기 때문에 이를 유지하기 위함이다. 고정자는 역류를 방지하는 Baffle의 역할과 함께 회전자에서 튀어나온 분자를 아래쪽을 향하도록 각을 유지하고 있다.② Power Supply음극에 전원을 공급하는 역할을 한다. 보통 RF 교류를 사용하며 13.56MHz 진동수를 가지고 있다.③ GunTarget을 장착하고 전원과 연결되어 있는 장치이다. 내부에는 Target의 냉각을 위한 냉각수가 흐르고 있다.④ Target기판에 코팅을 시키고자 하는 물질이다. Gun의 위쪽에 장착되어 플라즈마 발생에 의해 이온이 Target을 때리면 Target 표면의 원자 및 분자가 튕겨져 나가 기판에 달라붙게 된다. Target 물질은 금속, 세라믹, 고분자를 가리지 않는다.⑤ Substrate기판이라고 하며 기판부에는 기판을 가열하기 위한 히터, 냉각을 위한 냉각 시스템, 고른 증착을 위하여 회전도 가능하다.⑥ Shutter셔tem챔버 내에 가스를 공급하는 장치이다. MFC가 가스 종류당 하나씩 연결되어 있다.⑧ Cathode Shield쉴드는 Target에서 원하는 부위만 스퍼터링을 일으키게 하고 방전의 안정성을 유지시킨다.⑨ MFC (Mass Flow Controller, 질량유량계)MFC는 기체의 흐름을 측정하고 제어하는 장치이다. MFC는 가스의 종류와 흐름 속도의 범위에 따라서 특별하게 설계되었고 보정되어 있다. MFC는 정해진 범위에서 설정 값을 0%에서 100%까지 조절할 수 있지만 일반적으로 최고의 정확도에 접근하기 위해서 10%에서 90% 범위만 사용한다. MFC는 설정 값에 따라서 질량 흐름을 제어할 것이다. MFC는 아날로그 방식과 디지털 방식이 있지만, 디지털 흐름 제어기가 아날로그 흐름 제어기보다 일반적으로 정밀한 제어가 가능하다. 반면에, 아날로그 제어기는 보정할 수 있는 가스가 제한되어 있다.모든 MFC는 흡입구, 배기구, 질량 흐름 센서가 있고 제어 값에 비례한다. MFC는 운용자 (혹은 외부회로 / 컴퓨터)가 입력 신호를 인가할 수 있는 페루프 제어 시스템이 탑재되어 있다. 이는 질량 흐름 센서 값과 비례된 조정 값을 비교하여 요구되는 흐름을 얻을 수 있다. 흐름율은 조정할 수 있는 전체 흐름 영역과 MFC에 인가되는 전압신호의 퍼센트로 정해져 있다.MFC는 특정 압력범위를 지니는 가스의 공급이 요구된다. 저압 가스는 MFC의 가스를 부족하게 하여 설정 값을 얻는 데 실패하게 될 것이다. 고압가스는 흐름율의 안정성을 떨어뜨릴 것이다.⑩ Vacuum Gage (진공 게이지)진공도를 측정하는 장비이다. 압력 게이지라고도 한다.- 이온 게이지 (Ion Gauge)내부에 필라멘트와 그리드 (Grid)라고도 불리는 전자 콜렉터와 이온 콜렉터가 있다. 필라멘트에 전류 · 전압을 공급하여 가열되기 시작하면 여기서 열전자가 방출되고, 열전자는 주변 기체들과 충돌하여 이온화시킨다. 이온화되면서 나온 전자는 그리드에 포획되어 전류로 변화하고, 양이온은 이온 콜렉터로 수

공학/기술| 2015.05.18| 11페이지| 1,500원| 조회(385)

Sputtering, 박막, film, 스퍼터링

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스퍼터링 장비(펌프,게이지,Sccm)

예비보고서 (4/27)윤영훈주제 : RF-magnetron sputtering을 이용하여저온증착 ZnO 및 고온증착 ZnO 박막의 증착 및 분석1. 오일로터리 펌프, 터보 펌프2. 이오닉게이지, 컨벡션게이지, 바라트론 게이지 작동원리3. Sccm단위 알아오기1. 오일로터리 펌프, 터보 펌프1-1. 오일로터리 펌프오일 로터리 펌프는 두가지 단계로 나눈다면 가스배출방식과 가스포집방식으로 구분 할 수 있다. 가스를 모아 펌프 내에서 밖으로 이동시켜 배기시키는 방법을 말한다.-. 세부단계1. 흡입로터가 회전하면 흡입구를 통해 기체분자가 펌프 안으로 들어온다.2. 고립베인이 픕입구를 차단하여 기체분자들은 외부와 완전히 고립된 상태가 된다.3. 압축 기체분자들이 배기구 쪽으로 밀어 올려진다.4. 배기배기구에서 기체가 배출되고 반대쪽 흡입구에서 다시 기체 분자의 흡입이 루어진다.-. 펌프 내에 원통형의 공간이 있고 기체분자가 들어오는 흡입구와 밖으로 내보내는 배출구가 있다. 그리고 실린더 안에는 오일이 있어 윤활유의 역할과 마찰열의 냉각, 그리고 장치들의 틈을 막아주는 역할을 하고 있다. 또한 중앙에는 원형의 로터가 달려 있어서 매우 빠르게 회전하고 있다. 로터에는 베인이라는 장치가 있다. 1차 펌프로 사용하여 초기 배기를 하고 있기 때문에 아주 중요한 역할을 한다.-. 내구력이 크고 수명이 길며 쉬운 운영 및 유지보수가 가능하다. 효율 또한 상당히 높고 크기와 진동이 작은 편이다.1-2. 터보 펌프터보펌프는 고속 모터의 중심에 간격을 따라 회전디스크(로터)와 고정디스크가(스테이터) 번갈아 달려있고 각각의 디스크에는 날개(블레이드)가 촘촘히 달려있다. 터보는 보통 20,000rpm 이상의 고속으로 축에 달린 디스크를 회전시키고 이때, 흡기구를 통해 디스크 사이로 공기가 유입되면 블레이드에 충돌하게 되어 배기구 쪽으로 이동하게 된다. 각각의 블리이드들은 배기구 쪽으로 갈수록 각도가 깊고 촘촘하다. 터보펌프는 상당히 고속으로 회전하기 때문에 매우 정밀하게 가공되어야 하고 정확한 수평으로 균형이 잡혀야한다. 보통 2차 펌프로 사용되는데 1차펌프가 필요한 진공도 까지 먼저 배기를 해놓아야 한다. 배기능력이 저하되면 배기구쪽에서 흡기구쪽으로 역류 할 가능성도 있는데 옆의 그림에서 보면 두 개의 칼날이 있다. 회색 칼날은 고속으로 회전하는 로터이고 초록색 칼날은 스테이터 이다. 로터에 의해 공기 분자가 부딪혀 스테이터 방향으로 날아가면 스테이터의 방향과 모양 때문에 다시 역류를 방지하는 역할을 하게 된다.2. 이오닉게이지, 컨벡션게이지, 바라트론 게이지 작동원리2-1. 이오닉 게이지고진공에서 흔히 사용하는 게이지로 이오닉 게이지는 원자나 분자에 에너지를 가하면 전자를 잃고 전하를 띠는데 이 전하를 띤 양이온들을 이온전류로 바꿔 측정하는 방법이다. 필라멘트에 전류/전압을 가해 가열되기 시작하면 열전자가 방출되고 열전자는 주변 기체들을 이온화 시킨다. 이때 이온화된 전자는 그리드에 포획되어 전류로 변하고 양이온은 이온 콜렉터로 수집되 이때의 이온젼류를 압력으로 변환한다.단점으로는 높은 압력일 때 작동시키면 필라멘트가 타버릴 수 있다는 점이다.2-2. 컨벡션 게이지켄벡션 게이지는 피라니 게이지의 대류에 의한 냉각효과를 강화시켜 고압영역에서 정확도가 떨어지는 피라니게이지의 단점을 보완해 측정범위를 넓히도록 고안된것이다. 켄벡션게이지의 기본구조는 피라니게이지와 동일하지만 내부부피를 늘리고 필라멘트가 수평으로 놓이도록 해서 대류현상이 원활하게 함으로써 100Torr이상의 압력을 측정할때 정확도를 높여주도록 설계되어 있다.

공학/기술| 2015.05.18| 6페이지| 1,000원| 조회(377)

Sputtering, 펌프, 박막, film, 스퍼터링, 이오닉, SCCM, 바라트론, 컨벡션

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