써멀 증착기(Thermal Deposition System)로 알루미늄(Al) 증착 할 경우 참고 사항

 반도체나 디스플레이 업종에서 알루미늄 박막은 활용도가 높습니다. 거의 필수 소재라고 할 수 있습니다.

 최근 디스플레이에 활용되는 OLED에서도 알루미늄은 빠질 수 없는 소재입니다.

 이런 알루미늄 박막은 흔히 말하는 PVD 써멀 증착기를 이용해서 만들어지게 됩니다.

 진공 장치가 필요하고, 얇은 박막을 제조하다 보니 QCM 센서가 필요합니다. 그리고, 알루미늄을 녹이기 위한 보트, 즉 히터가 필요합니다.

 개중에는 섭스트레이트 히팅을 필요로 하는 경우도 있으나, 알루미늄 박막은 히팅 보다는 오히려 냉각이 필요한 경우가 더 많습니다.

 먼저 진공시스템에 대해서 살펴보면, 알루미늄 박막은 아주 높은 진공상태를 필요로 합니다. 그 이유는 알루미늄이 활성 금속이기 때문입니다. 반응을 잘 한다는 의미입니다. 특히 산소와 반응이 문제가 되는데, 진공시스템은 챔버의 내부에서 발생하는 아웃개싱에 의해서 증착되는 알루미늄이 반응하여 산화알루미늄이 증착될 가능성이 있습니다. 그런면에서 빠른 배기 속도와 낮은 얼티메이트 진공도를 확보하는 것이 박막의 질에 많은 영향을 줍니다.

 최소한 알루미늄 박막을 깨끗하게 얻기 위해서는 E-6 Torr 영역이하로는 가야하며, 2.0E-7 Torr이하의 챔버에서 진공 박막을 형성해야 질이 좋은 박막을 증착 할 수 있습니다.

 그리고, 함께 여러 물질을 사용하는 챔버인 경우, 갈바닉 반응이 일어날 수 있는 금속들은 동시에 사용을 하지 않는 것이 좋습니다. 어쩔수 없다면, 크리닝 작업을 자주 해주어야 합니다.

양극 차트에서 알루미늄과 멀리 떨어져 위치하는 것은 피하는 것이 좋습니다.

 양극 차트를 참고하여 멀리 위치한 금속은 갈바닉 반응을 고려해야 합니다.

 그리고, 이런 상극의 물질들을 사용하는 챔버에서는 전하가 쌓이면서 그라운드 레벨이 무너지게 되고, 이로인해 전기적인 문제가 발생하는 경우가 있습니다. 또, 부품 내부에 부식이 발생하면서 부품이 고장나는 경우도 있습니다.

 보통 이런 문제는 챔버 내부의 저전압 측정 센서나 고전압 측정센서에 많이 발생하게 되는데, 대표적인 것이 진공게이지와 QCM센서와 같은 것들입니다.

 알루미늄을 사용하는 챔버는 배기 초기에 발생하는 수증기 응축을 방지하기 위해 소프트 펌핑과, 챔버 베이킹이 효과적입니다. 시스템을 구성 할 때 이런 점을 반영해 주는 것이 좋습니다.

 다음으로 박막의 두께를 확인하는 QCM 센서를 보면, QCM센서는 알루미늄의 두께를 측정하는데 적합한 센서입니다. 알루미늄과 금, 은, 구리는 모두 압축, 인장 응력이 다른 금속에 비해 낮은 편이기 때문에 센서의 사용 수명이 길다고 할 수 있습니다. 최근 많이 사용하는 6MHz QCM 센서는 알루미늄 단일 증착의 경우 최대 50마이크로 정도 측정이 가능하다고 보면 됩니다.

 알루미늄을 증착하다가 보면, 굉장히 많은 파워가 필요하다는 것을 알게 됩니다. 알루미늄은 녹는점은 높지 않지만, 실제 증착되기 시작하는 온도가 굉장히 높습니다. 그래서 좋은 진공도가 반드시 필요한 것이고, 최대한 베이퍼 되는 온도를 낮추는 것이 중요한 이유입니다. 베이퍼 되는 온도를 낮추어야 챔버의 온도도 낮아지고, 이것은 다시 연쇄적으로 아웃개싱과 진공도에 영향을 줍니다.

 고품질의 박막을 얻기 위한 최고의 방법은 낮은 진공도와 최대한 빠른 공정시간입니다. 알루미늄은 박막의 질은 증착속도에 많은 영향을 받습니다. 이때 증착 속도는 QCM센서를 보고 확인하게 되는데, 초당 10옴스트롱 이상의 증착속도로 증착을 하게 되면 박막의 질이 개선되는 경우가 많습니다.

 다음은 써멀 보트를 보겠습니다. 써멀 보트는 흔히 사용하는 재질이 텅스텐 입니다. 그냥 간단하게 텅스텐에 전압과 전류를 가해서 가열시키는 히터라고 보면 됩니다. 다만, 알루미늄은 이전에 언급했다시피 반응성이 좋은 금속이기 때문에 텅스텐 보트를 사용하는 경우 3번이상 사용이 불가능 하다고 봐야 합니다. 이런 텅스텐 보트의 단점은 알루미늄을 자동으로 증착하기에 매우부적합하다는 의미입니다. 제어하기가 어렵다고 봐야 합니다.

 이런면에서 텅스텐 보트 보다는 크라파이트히터에 BN이 코팅되어 있는 보트가 알루미늄에는 적합합니다. 상당히 많은 양의 소스를 충전 할 수 있고, 영구 사용이 가능하며, 소스 피딩 장치를 구성하면, 만족할 만한 진공도를 유지하면서 자동 증착이 가능합니다. 사실 OLED 장치에서 알루미늄으로 인한 진공배기 손실을 줄이기 위해서는 소스 피딩 장치가 필수적으로 있어야 합니다. 대부분의 진공상태가 깨지는 이유는 알루미늄 소스때문이라고 봐야 하기 때문입니다.

 BN 보트의 경우 10V, 350A 정도의 파워가 필요한데, 생각보다 굉장히 많은 파워를 소모하기 때문에, 파워를 낮게 유지하기 위해서는 진공도가 중요하다는 점을 잊으면 안됩니다.