[논문]원통형 스퍼터링 장치로 제작한 Ti 및 Al 박막구조

오창섭; 한창석

doi:10.3740/mrsk.2014.24.7.344

문제 정의

저자들은 섬유강화 금속재료(FRM)를 제작하기 위하여 섬유표면에 대한 모상 용융금속과의 젖음성을 향상시키기 위한 목적으로 이와 같은 양극 인가방식에 의한 원통형 마그네트론 스퍼터장치를 이용하여 탄소섬유 표면에 알루미늄을 증착시킨 결과를 보고하였다.⁸⁾ 그 결과, 원통형 마그네트론 스퍼터장치를 이용하면 탄소섬유 전체표면에 균일하게 금속박막이 증착되었으며, 또한 일반재료의 증착에도 적용시키기 위해서는 장비특성을 더욱 명확하게 할 필요가 있다고 판단되어, 본 연구에서는 원통형 마그네트론 스퍼터장치의 특성을 파악하기 위하여 (1) 방전조건 및 기판 재질 등에 의한 양극-기판간 방전에 대한 방전특성 파악, (2) 기판접지 유무에 대한 증착된 박막구조의 차이에 대하여 조사하는 것을 목적으로 한다.
양극-타겟 간의 방전과 양극-도선 표면간의 방전에 미치는 영향에 대하여 검토하였다. 원통형 타겟의 중앙부를 길이 100 mm인 테프론 원통으로 교체하여 동일한 방법으로 측정하였다.
자장이 강한 경우, 타겟 내의 플라즈마는 벽면에 집중하여 음의 글로우 부분이 좁아진 점으로부터 이 현상은 타겟 부근의 음의 글로우가 넓어지는 것에 영향을 미친다고 생각할 수 있다. 이것을 확인하기 위하여 자장의 강도를 변화시켜 음의 글로우가 넓어지는 것에 대한 영향을 조사하였다. 전자코일에 흐르는 전류를 변화시켜 200 mA의 방전전류를 얻기 위해 필요한 방전전압과 이때의 바이어스전류를 측정한 결과가 Fig.
원통형 마그네트론 스퍼터장치는 원통형 타겟의 중심축 위에 가는 봉 또는 선 등을 설치하여 표면코팅을 연속적으로 할 수 있는 특징이 있다. 저자들은 섬유강화 금속재료(FRM)를 제작하기 위하여 섬유표면에 대한 모상 용융금속과의 젖음성을 향상시키기 위한 목적으로 이와 같은 양극 인가방식에 의한 원통형 마그네트론 스퍼터장치를 이용하여 탄소섬유 표면에 알루미늄을 증착시킨 결과를 보고하였다.⁸⁾ 그 결과, 원통형 마그네트론 스퍼터장치를 이용하면 탄소섬유 전체표면에 균일하게 금속박막이 증착되었으며, 또한 일반재료의 증착에도 적용시키기 위해서는 장비특성을 더욱 명확하게 할 필요가 있다고 판단되어, 본 연구에서는 원통형 마그네트론 스퍼터장치의 특성을 파악하기 위하여 (1) 방전조건 및 기판 재질 등에 의한 양극-기판간 방전에 대한 방전특성 파악, (2) 기판접지 유무에 대한 증착된 박막구조의 차이에 대하여 조사하는 것을 목적으로 한다.

가설 설정

11. X-ray diffraction patterns of (a) Ti and (b) Al thin films.
3) 기판을 접지시킨 상태와 접지시키지 않은 상태에서 기판전위를 변화시키면 형성된 박막의 구조가 다르다. 기판을 접지시키지 않고 전기적으로 부유상태로 하면 주상정구조를 갖는 박막이 형성되었으며, 기판을 접지시키면 Zone T에 속하는 치밀한 박막이 형성되었다.

제안 방법

Zone II와 Zone I의 중간에 위치하기 때문에 천이영역 Zone T(transition)이라고도 하며, 밀도가 높고 전기비저항은 낮으며, 광반사율이 높은 특성을 나타낸다. Zone T에 속하는 구조는 미세한 섬유상의 결정립으로부터 형성된 것이 특징이므로, 이것을 확인하기 위하여 FE-SEM 관찰을 실시하였으며, 그 결과가 Fig. 10이다. Fig.
또, 전자 마그네트론 운동용인 전자코일에는 2A를 통전시켰다. 각각의 타겟을 이용하여 탄소봉이 전기적으로 절연되어 있는 상태에서 증착한 경우(A법)와 winder의 진공 이외의 부분을 어스에 접지시켜 증착한 경우(B법)에 대해서 실시하였다. 증착된 탄소봉의 파단면을 SEM을 이용하여 단면을 관찰하였으며, 박막구조 및 탄소봉과의 밀착성에 대하여 검토하였다.
증착하는 동안에 도선 표면을 충격하는 (+)이온의 수나 에너지를 정확하게 파악할 수는 없지만, 기판을 충격하는 (+)이온은 박막구조에 영향을 미치며, 기판을 접지시켰을 때 바이어스 전류를 모니터링 하면 이온충격효과의 경향성을 알 수 있다고 판단된다. 따라서 본 스퍼터링 방법에서는 바이어스 스퍼터효과는 스퍼터링 조건에 의존하기 때문에 바이어스 전류를 모니터링 하여 스퍼터링 조건을 설정하여 증착실험을 실시하였다.
양극인가방식에 의한 원통형 마그네트론 스퍼터장치를 이용하여 Ti, Al 및 내열강의 박막을 제작하여 박막구조 및 원통형 마그네트론 스퍼터장치의 방전특성에 대하여 조사한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
양극-타겟 간의 방전과 양극-도선 표면간의 방전에 미치는 영향에 대하여 검토하였다. 원통형 타겟의 중앙부를 길이 100 mm인 테프론 원통으로 교체하여 동일한 방법으로 측정하였다. 이 경우, 금속타겟 상하부 및 도선은 음극으로 작용하며, 3곳으로 분리된 방전이 관찰되었다.
Winder는 챔버와 절연되어 있으며, 챔버 내에서 방전이 일어나게 되면 콘스탄탄선에 전류가 흐르게 되는데, 이 전류를 바이어스 전류라고 표기한다. 이 상태에서 방전전압과 전류 및 바이어스전류의 관계를 조사하였다.
일반적으로 Zone T구조는 단단하고 치밀하다. 이 점을 검토하기 위하여 SUS기판에 Al을 증착시켜 경도측정을 실시하였다. 증착조건은 탄소봉에 증착시킨 조건과 동일하며, 증착시간은 A법으로 7.
각각의 타겟을 이용하여 탄소봉이 전기적으로 절연되어 있는 상태에서 증착한 경우(A법)와 winder의 진공 이외의 부분을 어스에 접지시켜 증착한 경우(B법)에 대해서 실시하였다. 증착된 탄소봉의 파단면을 SEM을 이용하여 단면을 관찰하였으며, 박막구조 및 탄소봉과의 밀착성에 대하여 검토하였다.
챔버 내부를 1.33 × 10−3Pa 이하의 진공상태로 한 후, MFC를 이용하여 Ar가스를 주입하고 양극의 상하부에 (+)전압을 인가하여 글로우방전을 발생시켜 방전전압-전류를 측정하였다.
탄소봉이 전기적으로 절연되어 있는 상태에서 증착한 경우인 A법과 winder의 진공 이외의 부분을 어스에 접지시켜 증착한 경우인 B법으로 탄소봉에 증착시킨 Ti, Al, 내열강 박막을 SEM을 이용하여 관찰하였다. 그 결과를 Fig.

대상 데이터

Fig. 1은 본 실험에 사용한 양극 인가방식 원통형 마그네트론 스퍼터장치이며, 타겟은 길이 130 mm, 외경 100 mm, 내경 90 mm인 pure-Ti봉을 사용하였다.⁸⁾ 타겟의 상하부에는 스테인리스 재질의 양극을 배치하고, 타겟이 설치된 챔버 외부에는 마그네트론 운동을 발생시키기 위하여 자기코일을 감았으며, 기판인 wire(선재)에 연속적으로 증착시키기 위하여 winder(감는 장치)를 타겟의 상하부에 설치하였다.
33 × 10⁻³Pa 이하의 진공상태로 한 후, MFC를 이용하여 Ar가스를 주입하고 양극의 상하부에 (+)전압을 인가하여 글로우방전을 발생시켜 방전전압-전류를 측정하였다. 기판은 표준전기저항선 및 온도측정용 열전쌍 재료로 사용되는 콘스탄탄(constantan; 니켈에 구리 46 %를 첨가한 구리-니켈 합금, 전기저항; 2.41 Ω/m)선 및 철선(전기저항; 0.62 Ω/m)을 이용하였으며, 기판의 크기는 직경 0.508 mm, 길이 1000mm로 구성하였다. Winder장치의 한쪽 끝단 부분에 전류계를 설치하여 어스에 접속시켰다(Fig.
박막을 형성시키기 위해 사용한 기판은 직경 0.3 mm, 길이 100 mm인 탄소봉을 사용하였으며, 탄소봉은 상하부의 winder에 철선을 걸어 약 5 mm 정도 거리를 두고 다른 철선으로 체결하여 원통형 타겟 중심축 상에 설치하였다. 본 실험에서 사용한 타겟은 Ti, pure Al, 내열강(SUH310S) 등과 같이 3종류이며, 증착조건은 Ar 가스압력 4 Pa, 증착시간 7.
3 mm, 길이 100 mm인 탄소봉을 사용하였으며, 탄소봉은 상하부의 winder에 철선을 걸어 약 5 mm 정도 거리를 두고 다른 철선으로 체결하여 원통형 타겟 중심축 상에 설치하였다. 본 실험에서 사용한 타겟은 Ti, pure Al, 내열강(SUH310S) 등과 같이 3종류이며, 증착조건은 Ar 가스압력 4 Pa, 증착시간 7.2 ks이다. 방전전압은 방전전류가 500 mA가 되게 조절하였고, 전압은 타겟 종류에 따라 다르며 320~360 V 범위이다.
이것을 확인하기 위하여 자장의 강도를 변화시켜 음의 글로우가 넓어지는 것에 대한 영향을 조사하였다. 전자코일에 흐르는 전류를 변화시켜 200 mA의 방전전류를 얻기 위해 필요한 방전전압과 이때의 바이어스전류를 측정한 결과가 Fig. 4이며, 기판은 콘스탄탄선을 사용하였다. 전자코일 전류를 0~2 A 범위에서 증가시키는 것에 따라 방전전압과 바이어스전류 모두 뚜렷하게 감소하지만, 전자코일의 전류가 2 A 이상에서는 양쪽 모두 일정하게 되었다.

성능/효과

1) 양극-타겟 간의 방전 및 양극-도선 표면간의 방전은 동시에 일어나며, 방전전류는 분리되지 않고, 방전전압은 도선을 충격하는 (+)이온이 도선 표면 위에 집중되어 발생한 (+)전압 때문에 직접 인가한 방전전압보다 감소한다.
2) 자장을 강하게 하면 타겟 부근에 발생하는 플라즈마는 타겟 벽면에 집중되어 바이어스 전류값이 감소한다. 바이어스 전류값은 도선 위에 집중한 (+)이온의 양에 대응하며, 전자코일 전류를 증가시켰을 때 바이어스 전류가 감소하는 것은 집중된 (+)이온의 양이 감소하기 때문이다.
따라서 기판을 가열하지 않은 경우에는 Zone I의 구조로 될 가능성이 높다.⁶⁾ A법은 경사입사에 의한 영향이 포함되어 있지만, B법은 바이어스 효과로 인하여 경사입사에 의한 효과가 약하고, 치밀한 박막을 얻기에 유리하며, 기판과의 밀착성을 높일 수 있다고 판단된다.
그러나 Thornton 등이 개발한 원통형상의 타겟을 이용한 원통형 마그네트론 스퍼터장치는 원통형의 타겟 내부에 플라즈마가 집중되기 때문에 반드시 양극을 접지할 필요는 없다.⁶⁾ 즉, 양극을 접지하는 방법에 비해서 음극을 접지하고 양극에 (+)전압을 인가하여 스퍼터링 하는 방법(이하, 양극 인가방식)을 용이하게 적용시킬 수 있다.⁷⁾ 양극 인가방식은 기판을 접지시킨 경우 타겟과 기판이 거의 같은 전위가 되고, 기판표면이 이온충격을 받기 때문에 바이어스용 전원을 사용하지 않고 바이어스 스퍼터링 방법과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
⁶⁾ 즉, 양극을 접지하는 방법에 비해서 음극을 접지하고 양극에 (+)전압을 인가하여 스퍼터링 하는 방법(이하, 양극 인가방식)을 용이하게 적용시킬 수 있다.⁷⁾ 양극 인가방식은 기판을 접지시킨 경우 타겟과 기판이 거의 같은 전위가 되고, 기판표면이 이온충격을 받기 때문에 바이어스용 전원을 사용하지 않고 바이어스 스퍼터링 방법과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 원통형 마그네트론 스퍼터장치는 원통형 타겟의 중심축 위에 가는 봉 또는 선 등을 설치하여 표면코팅을 연속적으로 할 수 있는 특징이 있다.
8) 타겟 원통축상의 자장을 가우스미터로 측정한 결과, 전자코일에 2 A 통전시킨 경우는 1.4 × 10−2T, 5 A 통전시킨 경우는 3.5 × 10−2T이었다.
탄소봉을 절연시킨 A법으로 증착시킨 Ti, Al 및 내열강의 모든 박막에서 주상정구조가 확인되었다. Al박막은 주상정이 가장 뚜렷하게 성장하였고, 컬럼 사이에 공극이 확인되었으며(Fig. 8(a)), 내열강 박막은 두꺼운 컬럼의 주상정구조이다(Fig.
Fig. 2는 기판인 wire를 설치하지 않은 상태로 본 장치의 방전특성을 조사한 결과로써 타겟 외부에 감은 전자코일에 흐르는 전류를 높이면 방전전류는 증가하며, 자장이 효과적으로 작용하는 것을 알 수 있다.⁸⁾ 타겟 원통축상의 자장을 가우스미터로 측정한 결과, 전자코일에 2 A 통전시킨 경우는 1.
그러나 winder를 접지시킨 경우(B법)는 확실한 주상정구조가 나타나지 않았으며, 결정입계를 구분할 수 없는 치밀한 막이었다. 모든 박막이 막과 탄소봉과의 경계에 박리된 부분은 없었으며, 완전하게 밀착된 막이었다.
3이다. 방전전류를 높이는 것에 따라 바이어스전류도 증가하였으며, 바이어스전류는 전기저항이 작은 철선이 큰 값을 나타내었다. 전자코일에 5A를 통전시켜 동일한 방법으로 측정하면 바이어스전류는 2A인 경우에 비해 작아지는 경향을 나타내었다.
본 실험에서 제작한 박막구조를 Thornton모델을 이용하여 고찰하면, A법으로 증착된 모든 막은 Zone I에 속하는 구조이며, B법의 경우는 Zone T에 속하는 구조라고 판단된다.⁹⁾ Zone I은 가스압력이 높고, 기판온도가 낮은(T_s / T_M < 0.
4이며, 기판은 콘스탄탄선을 사용하였다. 전자코일 전류를 0~2 A 범위에서 증가시키는 것에 따라 방전전압과 바이어스전류 모두 뚜렷하게 감소하지만, 전자코일의 전류가 2 A 이상에서는 양쪽 모두 일정하게 되었다.
방전전류를 높이는 것에 따라 바이어스전류도 증가하였으며, 바이어스전류는 전기저항이 작은 철선이 큰 값을 나타내었다. 전자코일에 5A를 통전시켜 동일한 방법으로 측정하면 바이어스전류는 2A인 경우에 비해 작아지는 경향을 나타내었다. 즉, 자장이 강하게 되면 바이어스전류는 감소하는데, 이와 같은 경향은 Fig.
9의 (a)는 A법으로, (b)는 B법을 이용하여 증착한 박막이다. 탄소봉을 절연시킨 A법으로 증착시킨 Ti, Al 및 내열강의 모든 박막에서 주상정구조가 확인되었다. Al박막은 주상정이 가장 뚜렷하게 성장하였고, 컬럼 사이에 공극이 확인되었으며(Fig.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직류 2극 스퍼터링 방법이란 무엇인가?	스퍼터링 방법은 박막제작 기술의 하나로써 널리 이용되고 있다.1-5) 가장 기본적인 직류 2극 스퍼터링 방법은 음극인 타겟과 양극 사이에 직류전압을 인가하여 양 전극 간에 글로우방전을 발생시켜 스퍼터링 하는 방법이다. 양극에는 특정한 구조인 양극을 이용하는 경우와 금속 진공챔버 전체를 양극으로 하는 경우가 있지만, 두 가지 경우 모두 양극은 접지되며, 음극인 타겟에는 (−)전압이 인가된다.
	특정한 구조인 양극을 쓰는 경우와 금속 진공챔버 전체를 양극으로 하는 경우 둘 다 양극은 접지되고 음극에는 (-)전압이 인가되게 하는 이유는?	양극에는 특정한 구조인 양극을 이용하는 경우와 금속 진공챔버 전체를 양극으로 하는 경우가 있지만, 두 가지 경우 모두 양극은 접지되며, 음극인 타겟에는 (−)전압이 인가된다. 이와 같은 이유는 글로우방전에 의해 생성된 (+)이온이 타겟을 충격하여 챔버 벽 등에는 충격되지 않게 하기 위해서이다. 이 점에 대해서는 다른 스퍼터장치도 마찬가지이다.
	양극 인가방식이 바이어스용 전원을 사용하지 않고 바이어스 스퍼터링 방법과 같은 효과를 얻을 수 있는 이유는?	6) 즉, 양극을 접지하는 방법에 비해서 음극을 접지하고 양극에 (+)전압을 인가하여 스퍼터링 하는 방법(이하, 양극 인가방식)을 용이하게 적용시킬 수 있다.7) 양극 인가방식은 기판을 접지시킨 경우 타겟과 기판이 거의 같은 전위가 되고, 기판표면이 이온충격을 받기 때문에 바이어스용 전원을 사용하지 않고 바이어스 스퍼터링 방법과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 원통형 마그네트론 스퍼터장치는 원통형 타겟의 중심축 위에 가는 봉 또는 선 등을 설치하여 표면코팅을 연속적으로 할 수 있는 특징이 있다.

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