QCM 센서, 퀄츠 크리스탈 센서로 두께 측정하기

 크리스탈 퀄츠 센서

 

 써멀이나 이빔, 스퍼터 등의 물리 증착 시스템에서 QCM은 박막의 두께를 손쉽게 측정 할 수 있는 중요 부품이다.

 보통 초당 증착 속도와 박막의 두께를 실시간으로 확인 할 수 있기 때문에, 정확한 박막의 두께를 제어 할 수 있고, 안정정인 증착 속도를 확인하면서 자동으로 파워를 조절하여 자동 공정에서는 필수 적인 부품으로 자리잡고 있다.

 

 크리스탈 센서는 육각기둥처럼 생긴 다면체의 수정막대기에서 만들어진다. 수정 막대기를 얇은 원형 웨이퍼 형태로 가공한다. 보통 1/10000인치로 알려져 있다. 가공된 크리스탈의 한쪽면에 윤곽을 그리고, 세정한 후 얇은 금속막으로 한쪽면을 코팅한다. 뒷면은 열쇠구멍 모양으로 코팅한다.

 동작하는 기본 원리는 수정과 같은 결정체가 압력을 받거나 눌리면 전지처럼 전압이 발생하다는 것을 발견하였고, 이런 성질을 piezoelectric effect라고 한다. 이러한 특성을 응용하여 전압을 크리스탈에 가하게 되면, 크리스탈 센서가 커지거나 수축하게 되는데, 이것을 빠르게 껏다 켯다 하면 크리스탈 센서가 진동하게 된다. 1950년대 독일 George Sauerbrey라는 독일 과학자는 크리스탈 표면에 박막을 증착하면 쿼츠크리스탈의 진동수가 줄어들 수 있다는 사실을 확인했다. 이러한 진동수의 변화는 코팅 두께와 밀도의 연관성이 있으며, 덕분에 우리는 크리스탈 박막모티터를 사용 할 수 있게 되었다.

 

 박막모니터는 보통 크리스탈 센서를 6MHz(5MHz를 사용하기도 한다.) 정도 떨리도록 한다. 박막의 두께가 증가하면서 진동수는 감소하게 되고 이러한 변화를 두께로 환산하여 보여주게 된다.

 

 박막모니터를 이용하면서, 단순히 두께만 확인 하는 것이아니라. 다음과 같은 여러가지를 활용하고 있다.

 

1. 박막의 두께

2. 층착 속도

3. 센서의 수명

4. 총 경과시간

5. 박막 증착 장비의 자동화

6. 그래프등을 이용한 시각화, 데이터화 등등

 

 퀄츠 크리스탈은 박막의 원자 두께정도의 크기를 감지 할 만큼 민감한 부품이며, 정확한 측정을 위해서는 몇가지가 필요하다.

 

1. 정확한 물질의 밀도

2. 박막의 코팅 두께 및 최대 코팅률

3. 기계적인 위치 보정값(tooling factor)

4. Z값, 어쿠스틱 저항이라고 한다.

 

참고, 어쿠스틱 저항 값은 1000nm 이상으로 두꺼운 경우에만 적용하며, 두꺼운 막이 크리스탈위에 있을 경우 크리스탈 센서의 진동방법을 교정하여 두꺼워지면서 감소하는 정확도를 보정한다.

 

 크리스탈 센서는 매우 민감한 부품으로 피코그램의 무게도 감지가 가능하다. 또한 온도에도 민감하여 1/100의 온도 변화에도 변화가 생긴다. 응력에도 민감하여 증착 공정중에 크맇스탈에 증착된 물질이 냉각되면서 발생하는 응력에도 민감하게 반응한다.

 특히 응력과 온도의 변화는 정확한 박막의 변화를 측정하는데 방해요소가 되기도 한다. 이것은 고온의 증착 물질과 고응력의 물질을 증착할 때는 어려움을 겪을 수 있음을 의미한다. 이러한 물질들은(MgF2, Zr, Cr 과 같은 물질들) 크리스탈이 이상하게 동작하게 하여 안정적인 증착을 어렵게 한다.

  비단 이런 물질들 뿐만이 아니라, 보통의 물질을 사용할 때에도 매우 민감한 부품이기 때문에 주의해서 사용해야 한다.

 항상 청결하게 유지해야 하고, 해드에 센서를 장착한 후 건조한 공기나, 질소, 아르곤 등으로 표면을 불어서 먼지를 제거해 주는 것이 좋다.

 냉각수의 온도는 변화가 없이 유지가 되어야 하며, 최대 온도는 50도가 넘지 않게 하는 것이 좋은데, 다만 고온의 물질을 사용 하는 경우에는 냉각수의 온도를 50도 이하에서 환경과 장비의 구성에 맞게 고온으로 유지해 주는 것이 좋다.

 

 현재 가장 많이 사용되고 있는 크리스탈 센서는 증착된 물질에 따라, gold, silver, alloy로 생각해 볼 수 있다. 

 증착되는 물질에 따라서 적합한 크리스탈 센서를 선택하는 것은 매우 중요한 일이다.

 

 Al. Au, Cu, Ag등 상온에서 대체적으로 압축, 인장응력이 낮은 물질들은 연하고, 쉽게 긁힌다. 이런 물질은 센서의 종류에 크게 상관이 없다. 보통 금의 경우에는 6000nm, 알루미늄은 50000nm 정도 까지 증착이 가능하다.

 

 Ni, Cr, Mo, Ge, Zr, Ni/Cr, Ti, Inconel, Ta, SiOC  등의 박막은 증착시에 높은 응력이 나타난다. 이러한 박막은 10nm 이상 증착하게 되면, 박막의 스트레스가 발생하면서 안정성이 떨어지게 된다. 이러한 박막은 silver나 alloy 센서를 사용하는 것이 좋다. 이러한 물질들은 박막의 응력이 증가하지 않도록 증착하는 것이 중요하다.

참고 자료, 한국 인피콘

 

 MgF2, TiO2, SiO2, SiO, Al2O3, ThF4와 같은 유전체들은 제어하기가 어려운데, 이러한 박막들은 우선 온도가 200도 이상 올라가지 않으면, 잘 붙지 않는 것이 원인이다. 수냉식 크리스탈의 경우 응력으로 인한 문제가 발생하면서, 100nm 이상의 박막증착에 적합하지 않은 경우가 많다. 이러한 물질의 경우에는 alloy 센서를 사용하는 것이 좋다. 냉각수의 온도도 50도 정도로 상승시켜 주는 것이 안정성에 도움이 된다.

 50도 정도에서도 문제가 발생한다면 센서를 최대 90도 정도까지 상승 시킬 수 있다. 이 경우에는 하드웨어적 구성을 신중이 고려해야 한다.

 

 그밖에도 최근 많이 응용되고 있는 OLED 공정에서는 다양한 물질이 사용되고, 아주 낮은 증착률을 확인해야 하는 경우가 많다.

 이런 물질들은 증착률 노이즈가 큰 경우가 많은데, Premium AT-Cut 쿼츠 크리스탈에 특수 표면처리 된 센서를 사용하면 노이즈를 감소 시킬 수 있다.

 RC 퀄츠 크리스탈은 스트레스와 방사열에 둔감한 특성이 있어서 ITO 증착에서 사용되는 방사열 히터 등으로 인한 열적 노이즈에 강한 장점이 있다.

 그런면에서 이 센서는 셔터의 동작 순간에 발생하는 열충격으로 증착률 변화가 문제되는 환경이나 고온 공정 등에서 발생하는 문제를 해결하기위해 적합하다.