스퍼터링 장치란?
스퍼터링 장비는 대상물 표면에 아주 얇은 막을 균일하게 형성하는 스퍼터링을 하는 장비입니다.
스퍼터링은 진공증착이나 이온 도금과 마찬가지로 물리 기상 성장법(PVD법) 중 하나입니다. 주로 반도체, 액정 성막을 비롯한 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 또한, 대상물의 표면을 깨끗하게 하는 데 사용되기도 합니다.
스퍼터링 장비의 사용 용도
스퍼터링 장비는 반도체, 액정, 플라즈마 디스플레이 등의 박막 제작에 활용되고 있습니다. 또한, 다른 PVD 방식의 증착장치에 비해 스퍼터링 장비는 융점이 높은 금속이나 합금의 성막이 가능하기 때문에 용도가 다양하다는 특징이 있습니다.
최근에는 플라스틱, 유리, 필름의 표면에 금속을 성막하여 전도성을 부여하고, 투명 전극이나 터치패널의 배선으로도 활용되고 있어 스퍼터링 장비의 활용 범위가 더욱 넓어지고 있습니다.
이외에도 광촉매 작용을 하는 산화티타늄을 표면에 코팅하여 항균 작용을 하는 의료기구나 잡화 등도 판매되고 있습니다. 또한, 주사형 전자현미경(SEM)의 시료 준비 등 분석 용도로도 활용되고 있습니다.
스퍼터링 장치의 구조
그림 1. 스퍼터링 장치의 구조
스퍼터링 장비는 주로 다음과 같이 구성되어 있습니다.
- 진공 챔버
- 시료대
- 스퍼터링 타겟
- 배기장치 (로터리 펌프 등)
- 가스 공급계
- 전원 (고주파, 고압 전원 등)
진공 챔버 내에 기판을 고정하는 시료대와 스퍼터링 재료를 공급하는 스퍼터링 타겟이 있으며, 진공 펌프와 가스 공급계가 챔버에 연결되어 있습니다.
스퍼터링 장치의 원리
그림 2. 스퍼터링 원리
스퍼터링 장비의 원리는 진공 상태에서 고전압을 가해 막 재료의 원자를 튕겨내어 대상물 표면에 성막하는 것입니다. 먼저 펌프를 통해 챔버 내부를 충분히 감압한 후, 아르곤과 같은 불활성 가스를 일정한 압력으로 장치 내부에 채웁니다.
박막의 재료가 되는 타겟에 높은 음전압을 걸어 글로우 방전을 일으키면, 장치 내에 미리 채워져 있던 아르곤이 플라즈마화되어 음극 위의 타겟에 충돌하면서 타겟의 원자와 분자가 튕겨져 나오게 됩니다. 튕겨져 나온 타겟 원자가 양전압을 가한 대상물 표면에 증착되어 박막을 제작할 수 있습니다.
스퍼터링 장비의 종류
스퍼터링 방식에는 다양한 종류가 있습니다.
그림 3. 주요 스퍼터링 장비의 종류
1. DC 방식
직류 전압을 전극 사이에 가하는 방식입니다. 구조가 간단한 등 다양한 장점이 있지만, 시료가 고온의 플라즈마에 의해 손상될 수 있고, 스퍼터링 타겟이 절연체일 경우 제막이 정상적으로 이루어지지 않는 등의 단점이 있습니다.
2. RF 방식
고주파의 교류전압을 전극 사이에 가하는 방식으로, DC 방식에서 제막할 수 없는 세라믹, 실리카 등의 산화물이나 금속산화물, 질화물 등의 물질도 제막할 수 있습니다.
3. 마그네트론 방식
타겟 측에 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마를 타겟 부근에 머무르게 하는 방식입니다. 시료의 플라즈마에 의한 손상이 감소할 뿐만 아니라, 플라즈마 생성 속도가 향상되어 제막 속도가 빨라집니다. 직류, 교류, 고주파 교류 등 다양한 전원 방식으로 이용할 수 있습니다. 반면, 타겟의 감소가 불균일하여 이용 효율이 낮은 경향이 있습니다.
4. 이온빔 방식
이온을 타겟이나 시료와 다른 곳에서 만들어 타겟에 가속하여 쏘는 방식입니다. 챔버 내에서 방전을 하지 않기 때문에 시료에 미치는 영향을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 불순물 부착이나 타겟의 전도성 등을 고려할 필요가 없습니다.
이 외에도 전자 사이클로트론(ECR) 등 다양한 종류의 스퍼터링 장비가 있으며, 용도와 예산에 따라 적절히 선택해야 합니다.
스퍼터링 장비의 기타 정보
스퍼터링 장비의 특징
스퍼터링 장비에 의한 성막은 막의 두께를 균일하게 만들 수 있고, 전기적 특성을 이용하기 때문에 막의 강도를 높일 수 있습니다. 다른 PVD 방법으로는 어려운 내화 금속이나 합금 소재의 막을 제작할 수 있습니다. 또한, 아르곤과 같은 불활성 가스 대신 산소를 충전하여 산화물을 성막하는 방법도 있습니다.
반면, 성막에 걸리는 시간이 다른 PVD 방식에 비해 길고, 발생된 플라즈마로 인해 스퍼터링 대상물이 손상될 위험이 있다는 단점이 있습니다.