sputtering manual

블로그의 다른 글들도 마찬가지지만 이 글은 특히나 나만 보는용. sputter와 그 주변 장비를 무엇을 선택했냐 어떻게 구성했냐에 따라 동작 방법 순서가 변함으로 나에게만 유용한 내용이다.

Part 1 

Wafer cutting

실리콘 웨이퍼에는 두 가지 종류가 있다. 

(001) crystal structure를 가진 웨이퍼 

(111) crystal structure를 가진 웨이퍼

shape anisotropy가 존재하기 때문에 substrate의 모양을 정갈하고 일정하게 유지시킬 필요가 있다.

1) 손의 크기에 맞는 장갑을 낀다. 

너무 끼는 것도 안 좋지만 전반적으로 딱 맞는 장갑을 선택하는 것이 좋다.

2) 핀셋과 diamond knife를 짧게 잡는다.

큰 wafer의 경우 핀셋을 가장자리에 가깝게 두고 diamond knife로 cutting 한다.

작게 잘린 wafer의 경우 핀셋을 wafer의 중앙에 대고 자른다.

자르고자 하는 선이 핀셋 두 다리 정중앙에 오도록 핀셋을 wafer 위에 살짝 둔다.

 wafer의 크기는 어떠한 형태이던 크게 상관없지만 일반적으로 2 mm 이상, 아무리 커도 20 mm 이하여야 한다. 아직은 무슨 장비인지 기억이 안 나지만 20 mm 면 측정할 수 없는 측정 장비가 있다고 한다.

3) 중간중간 블로어로 먼지를 털어준다. 

블로어로 먼지를 털고 자른 wafer의 조각을 중간중간 따로 보관해야 하는 이유가 있다. 미세 조각으로 웨이퍼의 증착 면이 손상 가는 것을 막고 잘라놓은 웨이퍼들이 블로어에 인해 날아가는 것을 방지하기 위함이다.

항상 여분의 wafer를 준비한다. 

4) 일반적으로 최대한 동일한 크기의 wafer를 두 개를 자른다.

증착된 박막 중 하나가 망가질 우려도 있고 

측정 시 손상이 될 가능성이 높은 실험 방식도 있기 때문에 동일한 조건에서 만들 여분의 wafer를 하나 더 만들어 두어야 한다.

단 우리는 실리콘 기판에 SiO2 가 증착된 것을 사용한다. 실리콘은 반도체이며 증착할 증착 시료 (100 nm~200 nm)에 비해 너무 두꺼워서 면저항이 낮다.

(면저항은 막의 두께가 두꺼울수록 낮은 값을 가진다)

따라서 그냥 실리콘 위에 금속재료를 증착 시킨 후 저항을 흘려준다던가 자기력을 측정하게 되면 실리콘에 영향이 가기 때문에 실리콘 위에 si02가 증착된 기판을 사용한다.

 

Part 2 

Wafer cleaning

아세톤과 에탄올로 세척을 한다.

1) 아세톤

아세톤은 유기물을 세척하는데 사용된다.

기판(wafer다. 여기서부터는 기판으로 통일한다) 딤퍼에 꼽는다.

아세톤이 들어간 비커에 딤퍼를 넣는다.

5분 동안 초음파세척을 한다. (sonic 버튼을 누른다)

2) 에탄올

에탄올은 아세톤을 포함하여 무기물을 세척하는데 사용된다.

비커 안에 에탄올을 넣는다.

아세톤 처리했던 것과 마찬가지로 초음파세척을 한다.

단 여기서 아세톤에서 기판을 넣고 터는 행위 같은 것은 하지 않는다. 

행여나 아세톤이 증발하면서 기판에 얼룩이 남는 것을 방지하기 위함.

3) 질소 건

기판이 산소와 반응하는 것을 막기 위해 질소 건을 사용하여 기판을 말린다.

질소 건을 사용하기 전에 꼭 질소 건을 멀리 떨어진 곳에서 눌러 질소 건의 세기를 확인한다.

조금만 눌러도 세기가 상당히 세기 때문에 말리려는 기판(substrate)이 날아가 버릴 수도 있다.

기판을 바닥에 대고 핀셋으로 잘 잡은 후에 질소 건으로 옆에서 불어준다. 

빛에 반사시켜 얼룩이 있는지 확인한다.



Part 3 

Load lock 

1) Sample stage에 고정

- 캡톤 테이프 를 사용하여 substrate를 sample stage에 고정시킨다.

 일반적인 테이프를 사용하지 않고 캡톤 테이프를 사용하는 이유는 저 진공 상태에서도 분해되거나 반응을 하지 않는 테이프이기 때문이다.

- 사용되는 캡톤 테이프는 양면테이프이므로 핀셋으로 테이프를 떼어낸다.

- 기판을 sample stage에 고정시키고 난 후 cassette에 sample stage를 올려놓는다.

2) Cassette

sample stage를 cassette에 넣었다면 이제는 cassette를 load lock에 넣을 차례이다.

vent 버튼을 눌러 질소 가스를 load lock 내부로 넣어주어 대기압의 상태인 760 Torr가 되는지 확인한다. 가장 아랫줄에 있는 load 가 진공도를 나타낸다.

아래 이미지는 jog 조작기를 나타낸 것이다.

CH는 chamber를 의미하고 LD는 load lock , STB는 Stand By를 의미한다.

아랫줄은 PLD, 조그의 멈춤, Sputtering을 의미한다.

우리가 사용할 기기는 sputter이고 jog를 가장 끝에 있는 대기 상태로 만들기 위해

아랫줄에 있는 SPUTT 버튼을 누르고 윗줄에 있는 STB 버튼을 누른다.

jog 조작기

load lock 내부 진공도가 760 Torr가 되면 load lock을 열어 cassette에 파여진 홈과 load lock 밑부분의 튀어나온 부분이 정확히 일치하도록 천천히 넣는다.

load lock을 닫는다.

vent는 ventilate의 약자로 진공상태인 load lock 내부를 환기시켜 외부의 공기를 들어오게 하는 과정이다. 여기서 일반적인 공기를 사용하면 진공상태의 load lock 내부와 크게 반응하여 load lock이 크게 오염될 수 있음으로 질소 가스를 주입해 준 것이다.

system 상 cassette에 지정된 번호가 있다.

아래 이미지는 cassette로 위에서부터 1번 2번 3번 순으로 numbering 되어있다.

Cassette numbering

3) load lock의 진공도 맞추기

이제 본격적으로 펌프를 이용해서 load lock의 진공을 맞춘다.

아래 이미지는 load lock으로 chamber 보다 상대적으로 작아 진공상태를 더 빠르게 만들 수 있다. load lock을 사용하면 chamber의 진공상태를 덜 자주 깰 수 있다. chamber의 부피는 load lock보다 크기 때문에 chamber의 진공을 한번 깨면 다시 진공상태로 만드는데 많은 시간이 소모된다.

Image of load lock

파란불은 장비의 꺼짐/ 밸브의 닫힘

빨간불은 장비의 켜짐/ 밸브의 열림

- rotary pump를 키고 예열시킨다.

Image of Rotary pump 

- rotary pump와 load lock이 연결된 roughing valve를 연다.

rotary pump는 오일을 사용하는 1차 펌프이다. 이후 chamber가 2차 펌프로 고진공이 된 후에는 절대 roughing valve를 열지 않도록 하자. rotary pump가 역류하여 고장이 날 수도 있으며 심지어는 chamber/loadlock 내부로 오일이 들어가 chamber/loadlock을 손상시킬 수 있을 뿐 아니라 증착하고 자 하는 기판에도 오일이 들어갈 수 있다.

- load lock의 진공 gauge를 읽는다. 4번째 줄의 load에 적혀 있으며 1.0E-4 Torr가 되는지 확인한다.

- TMP 펌프를 작동하기 전에 roughing valve를 닫는다.

- rotary pump와 tmp를 연결하는 foreline valve2를 뜻하는 Fore/V2를 누른다.

1차 펌프인 rotary pump로 10E-4 Torr의 진공을 잡아두었기 때문에 2차 펌프인 TMP를 가동할 수 있는 상황이다.

- TMP 펌프를 5분간 예열시킨다. (tmp 버튼을 누른다)

- TMP가 충분히 예열되었다면 LL TMP 50% 등에 불이 들어온다.

Image of TMP pump

- LL TMP 50%에 불이 들어왔다면 TMP pump와 load lock이 연결되어 있는 Gate/V2를 연다.

Gate/V2를 연다는 것은 Gate/V2의 버튼이 빨간 불이 들어어오도록 클릭해야 한다는 것이다.

일반적으로 TMP를 시작하고 18~20분이 지나면 load lock과 chamber의 진공도가 유사하게 된다. (10E-7 Torr)

- 아래 그림을 참고하여 ionization guage를 확인한다.

아래 방향의 화살표로 어떤 gauge를 선택할지 고른다. 우리는 ionization gauge를 확인하고자 함으로 load1이 선택 되도록 아래 방향의 화살표를 이용하여 선택한다.

그 후 +,- 키로  FIL 1 on이 되면 ok 버튼을 누른다. 이온 게이지로 진공도를 확인한 후 이온 게이지를 바로 끈다. 이온게이지를 끄는 방법은 +,-키로 off가 되면 이온게이지가 꺼진다.

gauge monitor

저 진공 즉 기체 분자가 많을 때 이온게이지를 키면 이온게이지의 필라멘트가 타버린다. 따라서 이온게이지는 tmp 펌프로 load lock의 진공도를 10분 이상 높여주었을 때 키고 확인 후에는 이온게이지를 바로 꺼준다.

앞서 확인했던 1차 펌프로 뽑은 진공 gauge는 항상 켜둔 상태이다. load 위에 있는 load1이 이온 게이지이다.

- JOG를 LD로 이동시키기 전에 위치에 맞는 번호를 선택해서 enter를 누른 후 unload 버튼을 누른다. 이 과정이 없으면 jog가 크게 손상될 수 있다.

Image of jog

- 뒤로 돌아가서 load lock 내부를 확인하여 jog가 잘 이동했는지 확인한 후 load 버튼을 눌러 샘플 스테이지를 jog에 장착시킨다.





Part 4 

Pre-sputtering

Pre-sputtering 이란? 산화된 부분이나 불순물을 제거하는 과정으로 물질이나 target의 상태에 따라 적정시간은 다르다. 금속이나 산화물이 반응성 gas에 노출되면 target의 표면이 반응할 것이다. Target을 계속해서 진공상태에 보관한 상태라도 반응한다. 왜냐하면 진공이라는 개념은 외부 대기압에 비해 내부 기체분자가 현저하게 적어서 상대적인 기압이 상당히 낮은 것을 의미하는 것이지 진공상태에서 기체분자가 하나도 없다는 것은 아니다. 개날연 블로그의 설명에 따르면 개날연 교수님이 사용했던 chamber에는 진공상태에도 수십억개의 기체분자가 있을 것이라고 계산했다.(이상기체로 가정)

전압계를 확인하여 sputter를 할 때 전압이 변하지 않는 상태, 즉 전압변화가 없는 안정된 상태가 pre-sputtering을 마칠 시간이다.

- jog를 load lock에서 chamber로 이동시키기 전에 load lock과 chamber를 연결하는 gate valve 4를 개방한다.

TMP (turbo molecular pump)로 load lock의 진공도를 chamber의 진공도와 유사하게 만들었으므로 gate valve 4를 열어도 상관없다. 만약 load lock과 chamber의 진공도가 차이 난다면 큰 문제가 생길 수 있으므로 항상 각 부품의 진공도를 확인한다.

- CH 버튼을 눌러 jog를 load lock에서 chamber로 이동시킨다. 이때 load 버튼은 눌려져 있는 상태이다.

실험실에서 사용하는 큰 chamber
E-9 torr 이상급의 진공을 만들기 위한 작은 chamber는 따로 있다.

여기서의 과정이 정확하게 기록되어 있지 않고 기억이 나지 않는다. 명확하고 구체적으로 확인해야 할 필요가 있다. chamber와 jog가 만나는 부분(증착 높이)을 들어서 올려준 상태에서 jog를 빼서 sample stage를 빼낸다.

- jog를 load lock으로 옮긴다.

- 증착 높이를 다시 28로 낮춘다.

- jog가 load lock으로 이동한 것을 확인한 후 load lock과 chamber가 연결되어 있는 gate valve 4를 닫는다.





아래 그림은 chamber 내부의 gun과 target의 위치를 정면에서 바라본 것으로 그린 것이다.

각 번호는 target의 번호를 의미한다.

(아래쪽이 정면이다, 즉 1번과 2번 사이가 우리가 챔버를 정면으로 보는 방향이다.)

처음 substrate는 3번 위치에 있고 모니터 정지 버튼을 클릭하면 클릭당 60 degree 간격으로 반시계 방향으로 움직인다.

numbering of gun

-  pre-sputtering 과정을 거치기 위해 모니터 정지 버튼을 클릭하여 증착하고자 하는 target과 정 반대 방향에 둔다.

- Ar 가스를 주입하기 전에 load-lock과 연결된 gate valve 4를 닫는다.

load-lock의 진공을 깨지 않게 하기 위함이다.

아래 그림은 chamber에 주입되는 gas valve를 모식화 한 것이다. 주황색은 밸브를 의미한다.

Gas Valve

- 위 그림의 모식도에 따라 gas valve 를 열고난 후 

( 우선 chamber 쪽의 밸브, 그다음으로 Ar의 밸브)

- MFC를 작동시킨다. (Mass flow controller)

위 그림에 표시된 밸브를 열어두고 MFC를 작동시켜야한다. 밸브를 열어두지 않고 가스를 주입시키면 밸브에 문제가 간다. 상식적으로 잠겨있는 관에 기체를 계속 주입시키면 문제가 갈 것은 자명하다.

MFC  실제 모습

- MFC의 on 버튼을 누르고 3번 버튼 (3번은 Ar)을 누르면 진공도가 1.6mTorr가 된다. 

- 아래 그림과 같이 MFC  장치 옆에 butterfly valve를 조절하는 장치가 있다. 챔버 내에서 turbo molecular pump로 빠져나가는 Ar의 양을 줄이기 위해 butterfly valve를 조절한다. 

Pos의 %를 조절하여 chamber와 TMP pump를 연결하는 butterfly vlave의 개폐 정도를 조절하면 된다.

* butterfly valve를 사용하는 이유 

: 플라즈마를 만들 수 있는 working pressure 상태로 만들기 위함이다.

* POS : Position의 약자로 butterfly valve의 개폐 정도를 나타낸 것이다.

- MFC 옆의 butterfly valve를 조정하는 장치에서 mode A를 누른다.

(mode A 에 진공도가 2.0mTorr가 잡히게 설정되어 있다. (POS 34%)

butterfly valve를 이용하는 이유 : gate valve는 고진공과 고진공 사이를 연결하는 valve이다. 특정 %만큼 개폐한다는 것은 부적절하다. 완전히 열거나 완전히 닫는 용도로만 유용하다.

- gun shutter의 조작부를 클릭하여 셔터를 개방할 곳의 위치를 확인하고 open을 클릭한다.

예 : 2 Gun open, close

- target에 따라 DC를 사용할 것인지 RF를 사용할 것인지 결정해야한다.

아래 나타난 그림은 실험실에 setting된 전류시스템으로 상황에 맞게 교류전류를 사용해야 할 때도 있다.

전류 시스템

Part 5 

Sputtering

pre-sputtering으로 voltage가 낮아진 것을 확인할 수 있을 것이다.

- Gun shutter 조작 부분을 누르면 target의 셔터를 열고 닫을 수 있다.

- Ref를 0W로 맞춘다.

- Sputter 작동 방식도 어떻게 했는지 기억도 안 나고 메모도 되어있지 않다. 나중에 다시 수정 추가해야할 부분이다.

Part 6 

After sputtering

- 증착을 다하면 플라즈마를 끄기 위해 power supply의 전원을 끈다.

- Butterfly valve 조절 장치에서 open을 눌러 POS 100% 상태가 되도록 한다.

- MFC off 클릭 후 3번을 클릭한다. (3번은 Ar 위치)

- 기체 밸브관을 위에서 했던 방식의 역순으로 끈다. 

즉 아르곤 기체 쪽 valve를 닫고 chamber와 연결된 valve를 닫는다.

1번 2번 순서로 끈다.

- Chamber와 Load lock이 연결된 gate valve 4를 연다.

- 스텝 모터 세팅을 하고 (19~20 정도) jog를 Load lock으로 이동시킨다.

- Gate valve 4를 닫는다.

- jog의 시스템상 레이저를 가려 위치를 조정하는데 레이저 가리개 자체의 두께가 있기 떄문에 jog를 stb로 조금 보낸 후 5~6초후 다시 Load lock 위치로 보낸다.

- Unload 한 후에 std 위치로 jog를 보낸다.

- Gate valve 2 를 닫고 TMP를 끈다.

- TMP가 완전히 정지될 때까지 18분 정도의 시간이 걸린다. (타이머 사용)

- vent/valve로 질소를 주입하고 760Torr가 되면 load lock 으로부터 cassette를 떼어낸다.

Part 7 

detaching substrate

- 아래 그림에서 화살표 방향으로 substrate를 분리한다. 

- 테이프와 수직하게 약간 밀듯이 뗀다.

- 진공상태에서 사용하는 물건은 진공상태에서 보관하는 것이 좋다. Cassette를 Load lock에 보관한 후에 Rotary 펌프로 Load lock의 진공상태를 유지시키고 실험 뒷정리를 한다. 

즉 Load lock의 경우 Rotary Pump를 계속 켜둔채 보관하고 Chamber의 경우 TMP 펌프를 켜둔채 보관한다. TMP 펌프를 200시간 연속 켜두어도 문제가 없다. 실제로 TMP 펌프 제조 회사에서 추천하는 TMP 펌프 수명이 1만시간 정도이고 그 정도 되어서 문제가 된다면 TMP 펌프를 교체한다. 물론 사용하다가 TMP 펌프가 평소의 진공도를 뽑아내지 못한다면 여러 문제의 원인중 하나로 펌프의 수명상태를 의심할 수 있다.

- 완성된 기판은 네임펜으로 날짜, Sample 번호, 구조, 물질, 조건 등을 기록하고 보관한다.

추가 주의사항

1. 유지 보수 정검시 나사를 조이거나 풀때 시계방향 혹은 반시계방향으로 풀지 않는다. 항상 대각선 방향으로 조이거나 푼다. 12시를 풀었으면 6시를 풀고 1시를 풀었으면 7시를 풀고.

한쪽 방향 순서로 계속 조이면 판이 틀어지거나 꽉 닫히지 않는다.

2. 증착할 떄 substrate의 temperature에 변화를 주어 증착시키고 싶을 때가 있다.