개요
비전도성 SEM 시료를 코팅하는 SEM 스퍼터 코터에서는, 접지된 시료 스테이지와 타깃 사이에 고전압을 걸어 약 2×10-1~2×10-2 mbar의 진공도에서 플라즈마를 만듭니다. 스퍼터 가스로는 아르곤(Ar)을 쓰며, 챔버를 배기하면서 동시에 조절식 니들 밸브로 아르곤 유량을 제어해 가스 압력을 유지합니다. 원하는 진공도로 맞추기 전에 진공 챔버를 아르곤으로 두 번 퍼지(flush)하는 것이 좋습니다. 아르곤은 불활성 기체라 시료나 타깃 재료와 반응하지 않고, 비교적 무거운 기체라 스퍼터링 효율도 높습니다. 최신 스퍼터 코터는 타깃 헤드(타깃 뒤쪽)에 자석을 넣어 플라즈마를 타깃 앞 가까이에 가둡니다. 타깃 헤드 둘레는 접지된 암부 실드(dark space shield)가 감싸고 있습니다.
플라즈마는 양이온 상태의 아르곤 이온과 전자로 이루어져 있습니다. 아르곤 양이온이 타깃에 충돌해 재료를 떼어내고, 떨어져 나온 재료가 시편(과 챔버 내부의 다른 부분)에 증착됩니다. 잘 설계된 장비에서는 전자가 주로 암부 실드로 모입니다.
탁상형 SEM용 비전도성 시료에 금을 코팅하는 경우처럼, 일부 용도에서는 공기를 공정 가스로 쓸 수도 있습니다.
스퍼터링 변수
스퍼터 코터를 사용할 때 증착 속도, 스퍼터링 공정, 코팅 품질에 영향을 주는 변수는 여러 가지입니다.
- 스퍼터 전류
- 스퍼터 전압
- 시료 챔버 내 압력(진공도)
- 타깃과 시료 사이 거리
- 스퍼터 가스
- 타깃 두께
- 타깃 재료
- 시료 재료
변수가 이렇게 많기 때문에 증착 속도를 계산으로 구하기는 거의 불가능합니다. 두께 모니터로 실제 증착된 코팅 두께를 측정하는 편이 낫습니다.
스퍼터 속도(sputter rate)는 타깃에서 떨어져 나간 재료의 양이고, 증착 속도(deposition rate)는 시료 표면에 쌓인 타깃 재료의 양입니다.
스퍼터 타깃 사용 효율 높이기와 비용 절감
최신 DC 마그네트론 스퍼터 코터는 타깃 뒤의 고리형 자석이 플라즈마를 도넛 모양으로 가두고, 1kV 미만의 고전압을 사용합니다. 그 덕분에 시료 표면에 도달하는 전자가 적어 열 손상 없이 매우 효율적으로 스퍼터링됩니다. 단점은 타깃에서 재료가 깎여 나가는 부위가 특정 영역에 집중된다는 점입니다. 이 영역은 경주 트랙(race track)처럼 보입니다. 플라즈마가 타깃을 "뚫고" 지나가기 전까지 실제로 쓰이는 양은 타깃 전체의 일부에 불과합니다. 즉, 시료 코팅에 실제로 쓰인 재료는 적은데도 타깃을 교체해야 합니다. 타깃 사용 효율을 높이는 간단한 방법은 다음과 같습니다.
- 타깃–시료 거리를 줄입니다. 거리가 짧을수록 증착 속도가 높아집니다.
- 코팅 두께를 줄입니다. 시료 재료마다 저항률은 크게 다릅니다. 대전(charging) 없이 이미징할 수 있을 만큼의 두께면 충분합니다. 모든 시료를 반짝이는 금빛 층으로 덮을 필요는 없습니다.
- 두께 모니터로 최적 코팅 두께를 측정합니다. 상당한 비용 절감으로 이어집니다.
- 한 번의 코팅 사이클에 여러 시료를 코팅합니다. 시료가 1개든 12개든 타깃 소모량은 같습니다.
- 시료 챔버의 아르곤 압력을 낮춥니다. 아르곤이 적을수록 산란이 줄어 챔버 벽으로 손실되는 양이 줄고 코팅 효율이 높아집니다.
- 가능하면 더 저렴한 코팅 재료를 검토합니다. 저·중배율에서는 은(Ag)이 훌륭한 저가 대안이며, 제거하기도 더 쉽습니다.
- 스퍼터 가스로 공기 대신 아르곤을 씁니다. 아르곤이 더 효율적입니다.
- 레이스트랙 바깥 영역의 타깃 표면을 깨끗하게 유지합니다. 타깃 전체 면의 전도성을 유지하기 위해서입니다.
- 더 두꺼운 타깃을 사용합니다. 두께가 2배면 사용 가능한 재료가 약 15% 늘어나고, 두꺼운 타깃은 무게당 가격이 낮아 전체적으로 25~30%의 비용 효율을 얻을 수 있습니다.