펄스레이저 증착법: 연구부터 제작까지
PLD는 고급 배터리 연구에서 초전도 테이프의 대량 생산에 이르기까지 다양한 박막 필름의 화학양론적 생산을 위해 강력한 엑시머 레이저에 의존합니다.
2022년 12월 12일, Coherent
열 증발, 반응성 스퍼터링, 화학 기상 증착과 같은 전자공학, 광학 및 광자 응용 분야를 위한 다양한 유형의 박막 필름을 생산하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 그러나 최근 몇 년 동안 펄스레이저 증착법(PLD)이 많은 신흥 박막 필름 응용 분야에서 선택받는 기술이 되었으며, 순수한 실험실 연구 도구에서 이제 대량 제작도 지원하는 도구로 전환되었습니다. PLD의 작동 방식, 주요 이점 및 몇 가지 흥미로운 응용 분야를 살펴보겠습니다.
PLD에서는 필름이 증착될 기판에 가까운 진공 챔버 내부에 얇은 재료의 단단한 덩어리(타겟)가 배치됩니다. 그런 다음 재료 특성에 따라 193nm, 248nm 또는 308nm에서 작동하는 고에너지 자외선 엑시머 레이저의 펄스가 타겟에 조사됩니다. 엑시머 레이저 펄스의 높은 플루언스는 이온화 정도가 높고 운동 에너지가 높은 원자종을 생성합니다. 이 원자는 기판에 증착되어 재료의 필름을 천천히 형성합니다.
화학양론적 결과
화학양론은 재료의 서로 다른 원자의 비율을 나타내는 화학 용어입니다. 예를 들어 에틸렌의 화학양론은 수소와 탄소의 비율이 2:1입니다. 흑연과 같은 원소 타겟 재료(즉, 탄소 원자만)가 PLD에 사용되는 경우 다른 가능성이 없기 때문에 필름은 항상 타겟과 동일한 조성을 보유하게 됩니다.
그러나 중요한 신규 필름 유형 중 대다수는 화학양론이 상당히 복잡합니다. 눈에 띄는 예는 고온 초전도체(HTS)와 차세대 태양광을 포함한 새로운 광자 장치에 사용되는 페로브스카이트 재료입니다. 문제는 원래 타겟 형태에서와 동일한 비율(동일한 화학양론)로 타겟에서 물질을 증발시키고 모든 원자를 기판에 증착하는 것입니다. 이 공정을 화학양론적 증착이라고 하며 필름을 화학양론적 필름이라고 합니다.
그림 2. 화학양론적 PLD는 타겟과 동일한 구성으로 필름을 생성합니다.
엑시머 레이저를 사용하는 PLD의 주요 장점 중 하나는 공정을 적절하게 최적화했을 때 매우 화학양론적인 필름을 생산할 수 있다는 것입니다. 다양한 재료로 이 작업을 수행할 수 있는 역량은 여러 재료의 교대 층에 따라 기능이 달라지는 고급 장치에서 훨씬 더 중요합니다. 반면 몇몇 다른 증착 공정은 특히 재료가 매우 다른 질량과 화학적 특성을 가진 원자의 혼합을 포함하는 경우 흔히 이와 관련하여 어려움을 겪습니다.
알맞은 엑시머 레이저
균일한 두께와 알맞은 화학양론을 보유한 고밀도 필름의 수율이 높아야 성공이라 할 수 있는 성공적인 PLD를 위해서는 3가지 레이저 매개변수가 매우 중요합니다.
첫 번째는 높은 빔 균일성입니다. 균일한 빔 강도를 통해 타겟의 더 넓은 영역을 모두 동일한 최적화된 플루언스로 제거할 수 있습니다. 빔 핫스폿이나 약점은 이 최적화를 손상시키고 필름 품질과 균일성을 감소시킬 수 있습니다. 같은 이유로 PLD에는 펄스 간 안정성이 우수한 엑시머 레이저가 필요합니다. 마지막으로 생산 라인에서 공정의 대량 확장을 실현하려면 PLD에는 높은 펄스 에너지와 높은 전력을 가진 엑시머 레이저가 필요합니다.
Coherent 엑시머 레이저 COMPex 시리즈는 이러한 모든 요구 사항을 충족하기 때문에 PLD 응용 분야를 위한 최고의 선택입니다. 최대 750mJ의 펄스 에너지와 30와트 이상의 전력을 제공하는 이 레이저는 0.75%(rms)라는 타의 추종을 불허하는 펄스 안정성을 구현하여 높은 플루언스 제어를 보장합니다.
그렇다면 PLD는 어디에 사용되고 있을까요?
고온 초전도 테이프
희토류 바륨 구리 산화물(REBCO)의 PLD 증착 초전도층을 포함하는 다층 고온 초전도(HTS) 테이프는 핵융합, MRI 및 입자 가속기, 손실이 낮은 전력망 부품의 차세대 핵심 요소입니다. 엑시머 레이저 기반 PLD만이 실제 산업 응용 분야에 적용할 수 있는 HTS 필름을 제작할 수 있음이 입증되었습니다.
무선 주파수 압전 필터
압전 질화알루미늄(AlN) 박막 필름을 기반으로 하는 무선 주파수(RF) 필터는 이동 통신 인프라에 널리 사용됩니다. 5G 및 차세대 Wi-Fi 표준은 도펀트 농도가 정밀하면서 더 얇고 더 압전 활성형인 결정질 박막 필름에 의존합니다. PLD 방법은 기존의 스퍼터 증착 공정보다 훨씬 낮은 비용으로 우수한 RF 박막 필름을 생산합니다. 5G 및 6G 시대에 대비한 균일한 RF 특성으로 고도로 정렬된 박막 필름을 생성합니다.
다이아몬드 탄소 층
마찰 계수가 매우 낮으며 내마모성이 우수하고 기계적으로 안정적인 다이아몬드 탄소(DLC) 코팅은 높은 응력을 받는 도구 및 구성 요소를 비용 효율적으로 사용하는 데 핵심입니다. 엑시머 레이저는 저온 PLD 공정에서 수소가 없는 DLC 층을 증착하며, 엑시머 레이저 어닐링과 함께 이용했을 때 광범위한 물질에 대한 탁월한 접착력을 보장합니다.
박막 필름 웨이퍼
박막 필름 제조는 MEMS, 반도체, 광전지, OLED 디스플레이 및 RF 프런트 엔드 필터와 같은 다양한 웨이퍼 기반 시장에 적용됩니다. 최대 300mm의 산업 웨이퍼 크기에 대한 성숙한 PLD 공정을 통해 시스템 공급업체는 스퍼터링, 원자층 증착 또는 화학 기상 증착과 같은 기존 방법을 넘어 역량 및 필름 복잡성/기능을 확장할 수 있습니다.
고체 박막 필름 배터리
고체 전해질 기반 배터리 셀은 확장된 범위와 성장하는 e-모빌리티 시장을 위한 고속 충전 기능을 약속합니다. PLD는 나노미터 범위의 두께 정밀도뿐만 아니라 밀도 및 화학량 조절이 가능한 음극 및 양극 재료를 포함한 첨단 이온 전도 고체 전해질의 성장을 실현합니다.
투명 전도성 산화물
할라이드 페로브스카이트 광전지를 비롯한 여러 태양광 셀 유형의 경우, 민감한 유기 층 위에 투명 전극을 증착시키는 것이 큰 과제 중 하나입니다. 웨이퍼 기반 PLD는 버퍼가 없는 반투명 페로브스카이트 태양광 셀용 고품질 투명 전극 제작을 가능하게 합니다.
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