지금까지의 공정에는 공통점이 하나 있었습니다. 코팅도, 열처리도, 레이저도, 도핑도 — 전부 진공 챔버 안에서 벌어졌다는 점입니다. 이제 남은 공정(증착·식각)은 아예 진공과 플라즈마 없이는 성립하지 않습니다. 증착 장의 첫 회인 이번 편은 그 무대 장치 자체를 다룹니다.
진공이란 무엇인가
진공(vacuum)은 라틴어 vacua, '비어 있는 곳'에서 왔습니다. 이상적인 진공의 압력은 0이지만 현실에는 존재하지 않습니다. 공학적으로는 대기압보다 낮은 압력의 공간을 뜻하며, 얼마나 비었느냐로 등급을 나눕니다(Vacuum).
숫자로 보면 감이 옵니다. 이상기체 상태식에서 분자 수 밀도는 압력을 볼츠만 상수와 온도의 곱으로 나눈 값입니다.
분자 수 밀도 n = P ÷ (k × T) (k = 1.381×10⁻²³ J/K)
20℃·1기압(101,325Pa)을 넣으면 1cm³ 안에 분자가 약 2.5×10¹⁹개라는 값이 나옵니다. 진공을 만든다는 것은 이 숫자를 줄이는 일입니다.
왜 진공이어야 하는가
진공은 세 가지를 제공합니다.
- 깨끗한 공간 — 공기 중 산소·수분·먼지가 없어야 원하는 물질만 막이 됩니다. 잔류 기체는 그대로 막의 불순물이 됩니다.
- 증발이 쉬운 저압 — 압력이 낮으면 물질이 쉽게 기화하고, 기화한 원자가 다른 분자와 부딪히지 않고 기판까지 직진할 수 있습니다. 이 '평균 자유 행로'가 챔버 크기보다 길어야 증착이 성립합니다.
- 특별한 환경 — 압력을 낮추면 끓는점이 내려갑니다. 3편에서 본 감압 건조가 바로 이 원리였습니다.
평균 자유 행로의 산수 — 진공도를 숫자로 읽기
"진공이 좋다"는 말은 실제로 무엇을 뜻할까요. 기체 분자 하나가 다른 분자와 부딪히기 전까지 날아가는 평균 거리, 즉 평균 자유 행로(mean free path, λ)가 그 답입니다(Mean free path). 강체 구 모형에서 λ는 다음과 같이 계산됩니다.
λ = k·T ÷ (√2 × π × d² × P) (d = 분자의 유효 지름)
여기에 상온(20℃)의 질소를 넣어 보겠습니다. 질소 분자의 유효 지름을 0.37nm로 두고, 압력만 바꿔 가며 λ를 계산한 결과가 아래 표입니다. 같은 표에 단분자층 형성 시간도 함께 넣었습니다 — 깨끗한 표면이 잔류 기체에 뒤덮여 한 겹의 분자층이 생기기까지 걸리는 시간으로, 기체 분자의 충돌 플럭스 P ÷ √(2π·m·k·T)를 표면 흡착 자리 밀도(1cm²당 약 10¹⁵개)로 나눠 구했습니다. 흡착 확률은 1로 가정한 최단 시간입니다.
| 압력 | 등급 | 분자 수 밀도(cm⁻³) | 평균 자유 행로 λ | 단분자층 형성 시간 |
|---|---|---|---|---|
| 760 Torr (대기압) | — | 2.5×10¹⁹ | 66nm | 3.4ns |
| 1 Torr | 저·중진공 | 3.3×10¹⁶ | 50μm | 2.6μs |
| 1 mTorr (10⁻³ Torr) | 고진공 문턱 | 3.3×10¹³ | 50mm | 2.6ms |
| 10⁻⁶ Torr | 고진공 | 3.3×10¹⁰ | 50m | 2.6초 |
| 10⁻⁹ Torr | 초고진공 | 3.3×10⁷ | 약 50km | 약 43분 |
이 표는 진공 공정의 거의 모든 판단을 설명합니다.
- 대기압에서는 아무것도 날아갈 수 없습니다. λ가 66nm — 사람 머리카락 굵기의 1000분의 1입니다. 원자 하나가 표적에서 튀어나와도 1μm도 못 가서 공기와 부딪힙니다.
- 1mTorr 부근이 갈림길입니다. λ가 50mm — 챔버 안 표적과 기판 사이 거리와 같은 자릿수입니다. 이 대역에서는 입자가 몇 번 부딪히며 오므로, 직진성이 약간 흐트러지는 대신 기판 전면에 고르게 뿌려집니다. 10편의 스퍼터링이 이 압력대를 쓰는 이유입니다.
- 10⁻⁶ Torr 이하는 완전한 직진의 세계입니다. λ가 50m — 챔버보다 두 자릿수 큽니다. 증발원에서 나온 원자는 단 한 번도 부딪히지 않고 기판에 도달합니다. 그림자 지는 부분에는 막이 전혀 쌓이지 않는 이유이기도 합니다.
- 깨끗함에는 시간 제한이 있습니다. 10⁻⁶ Torr에서는 갓 만든 깨끗한 표면이 3초 만에 잔류 기체로 덮입니다. 표면을 정말 깨끗한 상태로 다루려면 초고진공까지 내려가 시간을 분 단위로 벌어야 합니다. 증착 직전 세정과 증착 사이의 대기 시간을 관리하는 것이 왜 중요한지가 여기서 나옵니다.
진공은 펌프 하나로 만들지 않는다
진공 장비는 생각보다 복잡한 배관 시스템입니다. 챔버, 여러 개의 밸브(러핑·메인·역류 방지·리크), 압력대별 게이지, 그리고 두 종류의 펌프로 구성됩니다.
왜 펌프가 둘일까요. 고진공 펌프는 대기압에서 작동하지 못하기 때문입니다. 앞의 표가 이유를 보여 줍니다 — 터보분자 펌프는 고속으로 회전하는 날개가 분자를 한 방향으로 때려 보내는 장치인데, 이것이 성립하려면 분자가 날개에 부딪히기 전에 다른 분자와 부딪히지 않아야 합니다. 즉 λ가 날개 간격보다 커야 합니다. 대기압에서 λ는 66nm뿐이므로 날개는 그저 공기를 휘저을 뿐입니다. 그래서 먼저 저진공 펌프(로터리·루츠 계열)로 대략 비운 뒤, 메인 밸브를 열어 고진공 펌프에 넘깁니다.
펌프는 작동 원리로도 나뉩니다 — 기체를 밀어내는 이송식(로터리·루츠·터보분자)과 기체를 붙잡아 가두는 포집식(크라이오·이온·흡착)입니다(Vacuum pump).
| 펌프 | 분류 | 동작 원리 | 주 사용 압력대 |
|---|---|---|---|
| 로터리(회전 날개식) | 이송식 | 편심 회전자가 기체를 압축해 대기로 배출 | 대기압 → 10⁻³ Torr |
| 루츠(기계식 부스터) | 이송식 | 맞물린 두 로터가 대용량 기체를 밀어냄 | 10 → 10⁻⁴ Torr |
| 터보분자 | 이송식 | 고속 회전 날개가 분자에 방향성 운동량을 부여 | 10⁻³ → 10⁻¹⁰ Torr |
| 크라이오(저온) | 포집식 | 극저온 표면에 기체를 응축·흡착시켜 가둠 | 10⁻³ → 10⁻¹⁰ Torr |
| 이온(스퍼터 이온) | 포집식 | 이온화한 기체를 전극에 묻어 가둠 | 10⁻⁵ → 10⁻¹¹ Torr |
터보분자 펌프의 계보는 흥미롭습니다. 회전 날개로 분자를 밀어낸다는 발상 자체는 오래되었지만, 실용화의 관건은 날개의 형상과 축을 어떻게 지지할 것인가였습니다. 방사형으로 뻗은 날개를 비틀어 겹치게 배치하는 로터 구조가 특허로 정리되었고(US 3,477,381 — Turbo-molecular pump), 이후 축을 접촉 없이 띄우는 자기 베어링이 도입되면서 윤활유가 챔버로 역류할 위험이 사라졌습니다(US 4,111,595 — Turbomolecular pump with magnetic mounting). 반도체·디스플레이 공정이 요구하는 무유(oil-free) 진공은 이 계보 위에 서 있습니다.
포집식 펌프에는 결정적인 성질이 하나 있습니다 — 기체를 밖으로 내보내지 않고 안에 쌓아 두므로, 언젠가는 포화합니다. 크라이오 펌프를 주기적으로 데워 붙잡은 기체를 털어내는 재생(regeneration) 작업이 필요한 이유이며, 이 시간은 그대로 설비 가동률에서 빠집니다.
압력을 재는 눈 — 하나의 계기로는 안 된다
압력을 재는 게이지도 한 종류로는 안 됩니다. 앞의 표에서 본 것처럼 다뤄야 할 압력은 대기압에서 10⁻⁹ Torr까지 열두 자릿수에 걸쳐 있는데, 어떤 물리량도 그 범위 전체에서 선형으로 반응하지 않기 때문입니다.
- 열전도 방식(피라니·열전대) — 가열된 가는 선에서 기체가 빼앗아 가는 열량이 압력에 따라 달라지는 것을 이용합니다. 이 원리는 1930년대에 이미 미세한 압력 변화를 재는 계기로 정리되었습니다("The Pirani Gauge for the Measurement of Small Changes of Pressure," Phys. Rev. 37, 1102 (1931)). 다만 압력이 아주 낮아지면 기체가 열을 나를 만큼 남아 있지 않아 감도를 잃습니다.
- 격막 방식(정전용량) — 얇은 막이 압력에 밀려 휘는 정도를 전기 용량으로 읽습니다. 기체 종류에 무관하다는 큰 장점이 있어 공정 압력 제어의 기준으로 쓰입니다.
- 이온화 방식 — 기체를 전자로 때려 이온화하고 그 이온 전류로 압력을 환산합니다. 고진공·초고진공의 표준인데, 초기 형태에는 한계가 있었습니다. 전자가 전극에 부딪혀 나오는 연X선이 수집극에 전류를 만들어 실제보다 높은 압력을 가리키는 바닥을 만들었던 것입니다. 수집극을 가는 선으로 바꿔 이 바닥을 낮춘 개량이 오늘날 고진공 게이지의 원형이 되었습니다("Extension of the Low Pressure Range of the Ionization Gauge," Rev. Sci. Instrum. 21, 571 (1950)).
플라즈마 — 제4의 물질 상태
진공 챔버가 무대라면, 그 위에서 실제로 일하는 배우가 플라즈마입니다. 플라즈마는 이온화된 기체로, 전기적으로 하전된 입자와 중성 입자가 뒤섞여 있으면서도 양전하와 음전하의 밀도가 같아 거시적으로는 중성(quasi-neutral)인 상태입니다(Plasma (physics)).
흔히 '제4의 물질 상태'라 부르며, 우주 물질의 대부분이 이 상태입니다. 네온사인, 형광등, 오로라, 태양이 모두 플라즈마입니다. '플라즈마'라는 이름과 그 안에서 전하가 집단으로 진동한다는 성질은 1920년대 말 이온화 기체 연구에서 정리되었습니다("Oscillations in Ionized Gases," Phys. Rev. 33, 195 (1929)).
왜 공정에 플라즈마를 쓰는가 — 두 개의 온도
이유는 단 하나, 온도입니다. 반응 기체를 분해하려면 에너지가 필요한데, 열로만 하려면 수백~수천 ℃가 필요합니다. 유리 기판은 그 온도를 못 견딥니다.
플라즈마는 이 문제를 우회합니다. 전기장으로 가속된 전자가 중성 기체 분자와 충돌해 대신 분해해 주기 때문입니다. 여기서 핵심은 전자와 기체의 온도가 서로 다르다는 점입니다. 온도를 에너지로 환산해 보면 그 격차가 드러납니다.
1eV = 1.602×10⁻¹⁹ J ÷ 1.381×10⁻²³ J/K ≈ 11,600K / 상온 293K ≈ 0.025eV
| 구성원 | 대표 에너지 | 온도로 환산 | 공정에서 맡는 일 |
|---|---|---|---|
| 전자 | 수 eV (예: 2eV) | 약 23,000K | 충돌로 분자를 분해·이온화 — 화학 반응의 방아쇠 |
| 이온 | 0.03~0.1eV 수준 | 수백 K | 시스 전위에 끌려가 표면을 때림 |
| 중성 기체 | 약 0.03eV | 수백 K (300~600K) | 반응의 원료이자 열의 담지자 |
같은 공간 안에 2만 도가 넘는 전자와 수백 도의 기체가 공존합니다. 열역학적 평형이라면 있을 수 없는 상태이므로 이런 방전을 비평형 플라즈마 또는 저온 플라즈마라고 부릅니다. 왜 평형이 되지 않을까요. 답은 질량 차이입니다.
- 전자는 질소 분자보다 약 5만 배 가볍습니다. 같은 전기장에서 전자만 압도적으로 세게 가속됩니다.
- 가벼운 공이 무거운 공에 부딪히면 에너지를 거의 넘겨주지 못합니다. 탄성 충돌에서 전자가 넘겨주는 에너지 비율은 대략 질량비의 두 배 — 즉 충돌 한 번에 10만분의 4(약 0.004%)에 지나지 않습니다. 전자는 아무리 부딪혀도 기체를 데우지 못합니다.
- 대신 전자가 분자를 깨거나 이온화하는 비탄성 충돌에서는 에너지를 한꺼번에 넘깁니다. 그래서 에너지는 열이 아니라 화학 반응으로 흘러갑니다.
이것이 저온 플라즈마 공정의 전부입니다. 기체 전체를 데우지 않고 전자만 뜨겁게 만들어 화학만 일으키는 것 — 덕분에 유리 기판 위에서도 250~400℃ 수준에서 막을 쌓을 수 있습니다. 실제 방전에서 전자의 에너지 분포는 단일한 값이 아니라 폭넓게 퍼져 있고, 그 분포를 탐침으로 측정해 공정 조건과 맞춰 보는 것이 플라즈마 진단의 기본 작업입니다("Langmuir probe diagnostics of electron energy distributions with optical emission spectroscopy in capacitively coupled rf discharge in nitrogen," J. Appl. Phys. 110 (2011)).
플라즈마를 만드는 방법
플라즈마를 켜는 방식은 몇 갈래로 나뉩니다.
- DC 방전 — 두 전극 사이에 직류 전압을 걸어 방전을 일으킵니다. 단순하지만 절연체를 다룰 수 없습니다 — 표면에 전하가 쌓여 방전이 멈추기 때문입니다.
- RF 방전(용량 결합) — 고주파 전력을 씁니다. 산업 표준 주파수는 13.56MHz로, 국제적으로 산업·과학·의료용에 할당된 대역입니다(ISM radio band). 통신 대역이 아니므로 전파 간섭 규제가 느슨하다는 지극히 현실적인 이유로 정착했습니다. 전압의 극성이 계속 바뀌므로 절연체 표면에도 전하가 쌓이지 않아 절연막 증착·식각이 가능합니다.
- 고밀도 플라즈마 — 유도 결합(ICP), 마이크로파, ECR, 헬리콘 등으로 플라즈마 밀도를 크게 높이는 방식입니다. 전자 온도는 낮추면서 밀도는 올릴 수 있어 손상이 적고 균일성이 좋습니다. 자기장으로 전자를 공명시켜 아주 낮은 압력에서도 조밀한 플라즈마를 만드는 ECR 방식이 대표적입니다("Very-low-pressure deposition by electron cyclotron resonance plasma chemical vapor deposition method," J. Appl. Phys. 67, 6281 (1990)).
| 방식 | 전력 결합 | 플라즈마 밀도 | 이온 에너지 제어 | 성격 |
|---|---|---|---|---|
| DC 방전 | 직류 전극 | 낮음 | 인가 전압과 얽힘 | 구조가 단순, 절연체 불가 |
| RF 용량 결합(CCP) | 평행 평판 전극 | 중간 | 자기 바이어스로 결정 — 밀도와 얽힘 | 절연막 가능, 범용 |
| ICP·ECR 등 고밀도 | 코일·마이크로파 (+ 별도 기판 바이어스) | 높음 | 밀도와 분리해 독립 제어 | 낮은 압력·낮은 손상·좋은 균일성 |
표의 오른쪽 두 칸이 고밀도 플라즈마가 등장한 이유를 요약합니다. 용량 결합 방식에서는 전력을 올리면 밀도와 이온 에너지가 함께 올라갑니다. "반응은 활발하게, 그러나 이온은 살살"이라는 조합을 만들 수 없다는 뜻입니다. 플라즈마 생성과 기판 바이어스를 별도의 전원으로 나누면 이 족쇄가 풀립니다.
RF 방전에서 알아둘 현상이 하나 있습니다. 전자는 이온보다 훨씬 가볍고 빨라서 전극에 더 많이 도달합니다. 그 결과 전극이 음(-)으로 대전되어 자기 바이어스(DC self-bias)가 생기고, 플라즈마와 전극 사이에 전위차가 형성됩니다. 이 전위차가 이온을 기판 쪽으로 끌어당기는데 — 증착에서는 막의 치밀도를 높이는 데 쓰이고, 식각에서는 수직 방향으로 깎는 힘이 됩니다(14·15편에서 다시 만납니다).
양날의 검 — 플라즈마 손상
플라즈마가 만능은 아닙니다. 20eV 이상의 높은 에너지를 가진 이온이 기판을 때리면 막에 손상을 줄 수 있습니다. 앞의 환산을 다시 쓰면 20eV는 약 23만K에 해당하는 운동 에너지이고, 실리콘 격자의 결합을 끊기에는 차고 넘칩니다. 또 낮은 온도에서 반응이 일어나므로 부산물 기체가 불완전한 상태로 배출되어 배기 계통에 부담을 주기도 합니다.
그래서 공정 방식마다 손상·밀도·균일성의 균형점이 다릅니다. DC는 저온·중간 손상, RF 용량 결합은 중간 밀도, ICP·ECR 같은 고밀도 플라즈마는 낮은 전자 온도·높은 밀도·매우 낮은 손상·좋은 균일성을 냅니다. 목적에 따라 무대 장치를 골라 쓰는 셈입니다.
흔한 오해
- "진공은 아무것도 없는 공간이다" — 아닙니다. 표에서 보듯 10⁻⁶ Torr의 '고진공'에도 1cm³당 분자가 330억 개나 있습니다. 진공은 비어 있음의 문제가 아니라 남은 분자가 얼마나 방해가 되느냐의 문제입니다.
- "진공도를 무조건 높이면 좋다" — 아닙니다. 스퍼터링은 플라즈마를 유지할 기체가 필요하므로 오히려 mTorr 대역으로 일부러 되올립니다. 목표 진공도는 "가능한 한 낮게"가 아니라 "공정이 요구하는 λ에 맞게"입니다.
- "플라즈마는 뜨겁다" — 태양이나 아크는 그렇지만, 공정용 저온 플라즈마의 기체 온도는 수백 K에 지나지 않습니다. 뜨거운 것은 전자뿐이고, 전자는 질량이 너무 작아 손에 닿는 온도를 만들지 못합니다.
- "펌프 용량만 키우면 빨리 배기된다" — 배기 속도는 펌프가 아니라 배관의 컨덕턴스가 결정하는 경우가 많습니다. 고진공에서는 분자가 벽에 부딪히며 무작위로 오가므로, 배관이 가늘거나 길면 아무리 큰 펌프를 달아도 그 목만큼만 빠집니다.
무엇이 왜 중요한가 — 관리 포인트 3
- 도달 진공도와 리크 — 챔버가 목표 압력까지 내려가는지, 그리고 그 압력을 유지하는지. 펌프를 잠근 뒤 압력이 올라가는 속도(상승률)를 재면 누설과 탈가스를 구분해 진단할 수 있습니다. 미세한 누설은 막의 불순물로 곧장 나타납니다.
- 플라즈마 안정성 — 인가 전력, 반사파, 압력이 흔들리면 막의 두께·응력·조성이 함께 흔들립니다. 특히 반사파는 정합 회로와 챔버 상태를 동시에 비추는 지표라 매 런 기록해 추세로 봅니다.
- 챔버 청정도 — 벽에 쌓인 증착물이 어느 순간 떨어져 파티클이 됩니다. 정기적인 챔버 세정(플라즈마 클리닝 포함)과 부품 교체 주기 관리가 곧 수율입니다.
무대와 배우가 준비되었습니다. 다음 편(10편)에서는 이 무대 위에서 벌어지는 첫 번째 공연 — 스퍼터링으로 금속 배선을 쌓는 일을 봅니다.
참고 자료
- "Oscillations in Ionized Gases," Physical Review 33, 195 (1929) : 플라즈마라는 이름과 집단 진동의 정리
- "The Pirani Gauge for the Measurement of Small Changes of Pressure," Physical Review 37, 1102 (1931) : 열전도식 압력 측정의 원리
- "Extension of the Low Pressure Range of the Ionization Gauge," Review of Scientific Instruments 21, 571 (1950) : 고진공 이온화 게이지의 측정 하한을 낮춘 개량
- "Very-low-pressure deposition by electron cyclotron resonance plasma chemical vapor deposition method," Journal of Applied Physics 67, 6281 (1990) : 아주 낮은 압력에서의 고밀도 플라즈마 증착
- "Langmuir probe diagnostics of electron energy distributions with optical emission spectroscopy in capacitively coupled rf discharge in nitrogen," Journal of Applied Physics 110 (2011) : 전자 에너지 분포의 실측 진단
- US 3,477,381 — Turbo-molecular pump : 회전 날개로 분자를 밀어내는 로터 구조
- US 4,111,595 — Turbomolecular pump with magnetic mounting : 자기 베어링으로 접촉·윤활을 없앤 구성
- Vacuum — Wikipedia : 진공의 정의와 압력 등급
- Mean free path — Wikipedia : 평균 자유 행로의 정의와 강체 구 모형 식 — 본문 표 계산의 근거
- Vacuum pump — Wikipedia : 이송식·포집식 펌프의 종류와 작동 범위
- Plasma (physics) — Wikipedia : 플라즈마의 정의와 준중성
- ISM radio band — Wikipedia : 13.56MHz가 산업용 표준 주파수인 배경
- ※ 위 목록 가운데 Wikipedia 문서에서 인용한 부분은 CC BY-SA 4.0 라이선스를 따릅니다.