한국과학창의재단 / 한국나노기술원

교사용 중학생용

나노이야기 (1)

박막형성과 에칭 : 진공플라즈마

(나노STEAM 아웃리치 프로그램)

한국과학창의재단 / 한국나노기술원

2

나노가 만드는 무한한 세상

(NANO-STEAM 아웃리치 프로그램)

플라즈마 그 안에서 무슨 일들이 일어날까?

상황제시

위의 그림은 북극 지방 밤하늘에서 볼 수 있는 오로라입니다. 오로라는 태양에서 방 출된 플라즈마의 일부가 지구 자기장에 이끌려 대기로 진입하면서 공기 분자와 반응 하여 빛을 내는 현상입니다. 너무나 아름답죠?

이렇게 아름다운 빛을 낼 수 있게 만든 플라즈마는 과연 무엇일까요?

▶ 플라즈마가 무엇일지 생각해보고, 내가 가지고 있는 플라즈마에 대한 이미지를 그림으로 표현해 봅시다.

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● 나노의 주요 기술인 플라즈마

일반적으로 물질의 상태를 고체, 액체, 기체 세 가지로 나눌 수 있습니다. 여기에 덧붙여 제4의 물질 상태라고 불리는 플라즈마가 있습니다. 고체에 에너지를 가하면 액체, 기체가 되고 다시 이 기체 상태에 높은 에너지를 가하면 원자 속의 전자가 분리되어 플라즈마 상 태가 됩니다.

기체의 온도가 2,000도쯤 올라가면 가스 분자가 쪼개져 원자 상태가 되고, 약 3,000도에서는 원 자에서 전자가 떨어져 나가 이온화가 됩니다. 이 런 상태의 가스를 플라즈마라고 부릅니다. 이때는 전하 분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로 음 과 양의 전하수가 같아서 중성을 띠게 됩니다.

우주 전체의 99퍼센트는 플라즈마 상태로 존재 합니다. 지구에서도 흔히 플라즈마를 관측할 수 있습니다. 지구 에너지의 원천인 태양, 지구를 둘 물질의 상태 변화

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● 나노의 주요 기술인 플라즈마

point 동영상을 통해 우리에게 친숙한 플라즈마에 대해 알아보자

영화 속 플라즈마

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● 나노기술에서 왜 진공이 필요할까?

우주는 진공의 대표적인 예이다. 우주에서 야구공을 던진다고 생각해보자. 처음 야구공 이 움직이다 무언가에 부딪힐 때까지 거리를 측정한다고 하면 다음 중 어떤 상황에서 야구 공이 더 멀리 움직일 수 있을까?

이동제약이 많은 2번 상황보다 1번 상황에서 야구공은 충돌 없이 더 멀리 움직일 것이다.

이러한 거리를 평균자유경로(Mean Free Path)라 하며, 박막증착 시 평균자유경로의 수 치가 높을수록 균일하고 정확하게 박막을 증착할 수 있다.

평균자유경로는 어떤 물체가 직선 운동을 할 때 충돌 없이 이동하는 거 리를 의미하며, 고진공으로 갈수록

상황1. 깨끗한 대기 상황2. 소운석 가득한 대기

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* 알아둘 개념 *

박막 증착 : 코팅의 일종인 박막 증착은 반도체 제조 공정 중의 하나로, 고전압에 의해 이 온화된 아르곤 가스를 사용하여 타겟에 금속입자를 떼어내어 금속 박막을 Wafer에 입히 는 방법을 말한다.

스퍼터링(Sputtering)법

플라즈마를 설명할 때, 음극전압강하로 인해 양이온은 전기장의 힘을 받 아 음극으로 가 속되는 현상이 나타난다. 이때 가속된 양이온은 결국엔 음극과 충돌하게 되고, 충돌에너 지가 충분히 큰 경우에는 음극을 구성하고 있는 물질의 표면에서 원자를 떼어낼 수 있게 된다. 이것을 공업적으로 응용한 것이 스퍼터링이다.

● 나노기술에서 왜 진공이 필요할까?

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● 나노기술에서 왜 진공이 필요할까?

위 그림에서 보는 것처럼 이온이 매우 높은 에너지를 가지고 음극물질에 충돌하게 되면 충돌 주면의 원자들에게 에너지가 전달되고, 이때 전달되는 에너지가 원자들 간의 결합력 보다 크다면 원자들 중 일부는 결합을 끊고 외부로 튕겨 나가게 된다. 이 현상 자체를 스퍼 터링 현상이라 부르며, 튕겨나간 원자들이 음극 반대편에 위치한 기판까지 날아가 붙으면 서 증착이 이루어지게 되는 것이 스퍼터링법이다. 스퍼터링법은 증착시킬 소스 물질에 운 동량을 직접 전달한다는 특징이 있다.

스퍼터링 장치의 챔버 구성

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위 그림은 스퍼터링 장치의 챔버입니다. 복잡해보일 수도 있지만 기본 작동 장치는 간단 합니다. 중요한 것은 이렇게 간단한 장치가 대단한 일을 하고 있다는 것이죠. 장치들에 번 호에 따라서 하나씩 살펴봅시다.

① Pumping : 챔버에서 연결된 배출구로 펌프가 연결되어 있는 부분입니다. 1차, 2차 펌프가 연결이 되어 있습니다. 가스밸브와 유사하게 90도로 꺾어서 열고 닫았다할 수 있는 밸브입니다. 손으로 작동하여 동일한 펌프의 작동 하에 서 배기속도와 진공도를 조절할 수 있습니다. 추가로 가스역류방지 장치 를 장착할 수도 있습니다. 순간 정전 같은 비상시 챔버내로 기체나 오일이 역류하는 것을 차단해주는 역할을 합니다.

② Power Supply : 음극에 전원을 공급하는 파워서플라이입니다. D.C(직류) 또는 교류 를 사용할 수 있고 보통 일반 교류가 아닌 고주파(RF) 교류를 사용합 니다. 13.56MHz의 진동수를 가지고 있습니다.

③ Gun : 타겟을 장착하고 전원과 연결되어 있는 어셈블리라고 생각하시면 됩니다.

Gun의 구조는 내부에는 타겟의 냉각을 위한 냉각수가 흐르고 있고, Power supply로부터 전원을 공급받기 위한 전선이 달려있습니다. 그리고 타겟을 올려 놓는 부분인 Cu plate가 장착되어 타겟과 직접 접촉하여 냉각과 전원공급을 해 주고 있습니다.

④ Target : 타겟은 기판에 코팅을 시키고자 하는 물질을 말합니다. Gun의 위쪽에 장착 되어 플라즈마 발생에 의해 이온이 타겟을 때립니다. 그리고 타겟 표면의 원 자 및 분자가 튕겨져 나가 기판에 달라붙게 되죠. 타겟물질은 금속, 세라믹, 고분자 모두 가능합니다.

⑤ Substrate : 기판이라고 합니다. 사용자의 목적에 따라 다양하게 사용 가능합니다.

기판부에는 필요에 따라 기판을 가열하기 위한 히터가 달려있기도 합니 다. 그리고 냉각을 위한 냉각시스템도 있습니다. 고르게 증착시키기 위하 여 회전도 가능하게 설계되어 있습니다.

● 나노기술에서 왜 진공이 필요할까?

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⑥ Shutter : 셔터는 기판과 타겟 사이를 차단하는 개폐식 문입니다. 원하는 곳에 원하 는 시간 만큼 증착을 하기 위해 순간적으로 차폐해주는 장치로 실험할 때는 반드시 필요한 필수 장치의 하나입니다.

⑦ Gas System : 챔버 내에 Ar 가스를 공급하는 장치입니다. MFC(Mass Flow Controllor)가 가스종류 한 개당 하나씩 달려있습니다. MFC는 말 그 대로 질량유량계를 뜻하는 것으로 원하는 양의 가스를 정확히 챔버내 에 주입합니다. 이때 가스의 양은 sccm 이라는 단위로 들어가게 되 는데 sccm은 Standard Cubic Centimeter per Minute를 의미합 니다. 즉 Ar 가스 1 sccm이라고 하면 1분동안 가로-세로-높이가 각 1cm인 부피에 해당하는 만큼의 Ar 가스가 흘러들어간다는 뜻입니다.

⑧ Cathode Shield : 쉴드라고 부르는데 장착된 타겟에서 원하는 부위만 스퍼터링 되게 하고, 방전의 안정성 유지를 위해 장착합니다. 타겟에는 Gun을 통 해서 음극이 걸리게 되는데 쉴드는 절대로 타겟과 전기적 접촉이 일어나선 안됩니다. 전기적 접촉이 있다면 방전이 일어나지 않아 플라즈마가 발생하지 않게 됩니다.

음극반응, 스퍼터링시 음극에서는 무슨 일이 일어날까?

스퍼터링 반응의 핵심은 음극입니다. 스퍼터링 시에 음극 표면에서 어떠한 현상이 일어 나고 있는지 그 과정을 그림과 함께 자세히 살펴봅시다.

● 나노기술에서 왜 진공이 필요할까?

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스퍼터링 현상은 음극물질쪽으로 이온이나 원자가 충돌해서 음극물질을 떼어내는 것입 니다. 스퍼터링 장치에서 음극은 타겟이 대신하고 있으므로, 똑같은 현상이 타겟에서 발 생하게 됩니다. 스퍼터링에서는 방전을 시켜주기 위한 방전용 가스로 보통 Ar(아르곤) 가 스를 사용하고 있으므로 Ar을 예로 들어 설명하겠습니다. 먼저 챔버내에 진공을 충분히 뽑은 뒤에 방전가스인 Ar을 주입하여 적당한 챔버내 압력을 조절합니다. 그리고 타겟에 직류 음극의 전기장을 공급하게 되면 방전이 시작되어 플라즈마가 발생하게 되고 Ar은 1 차 및 2차 전자와의 충돌로 이온화 되어 양이온인 Ar+와 전자로 분리됩니다. 이때 Ar 양 이온은 전기적으로 (+) 이기 때문에 전기장의 힘을 받아 음극인 타겟쪽으로 가속되어 끌 려가기 시작합니다. 이렇게 가속된 Ar 양이온이 타겟과 충돌하여 타겟 표면에 에너지를 전달하고 그 에너지로 인해 타겟물질이 튀어나오게 됩니다, 이것이 바로 스퍼터링 현상입 니다.

그런데 여기서 의문이 하나 발생합니다. 타겟과 충돌한 양이온은 대체 어디로 가는가?

타겟 표면에 Ar 양이온들이 계속해서 쌓이게 되는건 아닌가?

이 문제의 대답은 스퍼터링시 음극 반응이 단순히 양이온의 충돌로 이루어지고 끝나지 않는다는데 있습니다. 좀더 복잡한 반응들이 발생하고 있기 때문입니다. 어떤 일이 일어 나는지 살펴봅시다.

● 나노기술에서 왜 진공이 필요할까?

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먼저 타겟에서 양이온으로 전하이동입니다. 그림에서 양이온은 녹색의 원에 +를 넣은 것 으로 표현되어있습니다. 붉은 알갱이는 전자입니다. Cathode는 말 그대로 음극이면서 스 퍼터링에서는 타겟이 음극 역할을 공동으로 담당합니다. 그리고 음극이므로 표면에 전자 가 엄청 많이 널려있습니다. 이제 다시 Ar 양이온이 타겟에 접근하는 것을 생각해봅시다.

Ar 양이온이 전기장에 의해 가속되어 타겟표면에 매우 가까이 접근하게 되면 타겟표면에 존재해 있던 여분의 전자들, 또는 갓 튀어나온 2차 전자들 중 일부가 양이온쪽으로 이동하 여 결합하게 됩니다. 즉, 전하이동이 발생하여 양이온을 중성화 시켜버리는 것입니다. 이 렇게 중성화된 Ar이 타겟에 충돌합니다.

● 나노기술에서 왜 진공이 필요할까?

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성입자로 변화했다면 이제는 전기장에 영향을 받지 않습니다. 그렇다면 음극인 타겟으로 끌려가서 충돌할 이유가 없어진다고 생각할 수 있습니다. 그러나 실제로는 초기 가속력을 가지고 그대로 충돌을 합니다. 그 이유는 전하이동이 발생하기 전 양이온 이었을 때, 전기 장으로 가속되었던 에너지가 거의 그대로 남아있기 때문입니다. 그래서 그 운동에너지를 유지하면서 음극과 충돌하게 되는 것이죠. 바로 관성의 법칙 때문입니다.

그렇다면 전하이동을 일으키지 않고 그냥 양이온 상태로 타겟과 충돌하는 경우는 없는 가? 물론 있겠습니다만, Ar 양이온이 타겟과 충돌하기 위해 표면에 닿는 바로 그 순간, Ar 양이온은 타겟의 전자를 받아 중성화가 됩니다. 결과적으로 양이온의 충돌보나는 중성 입자의 충돌로 보는 것이 더 가깝습니다.

이렇게 플라즈마 쪽으로 튕겨져 나간 Ar 중성입자들은 플라즈마 내에서 또다시 전자와 충돌하여 이온화하여 양이온이 되고, 다시 음극의 전기장에 이끌려 가속되어 음극에 충돌 하는 스퍼터링 현상을 계속해서 반복하게 됩니다.

● 나노기술에서 왜 진공이 필요할까?

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박막 증착의 원리 : 비교적 낮은 진공에서 플라즈마를 발생시켜 이온화한 아르곤 등의 가 스를 가속으로 주입하여 타겟에 충돌시킨다. 이때 충돌시켜 원자를 분출하고 그 근방에 있 는 기판에 막을 만드는 방법을 말한다.

박막 증착의 원리

진공 : 대기압보다 낮은 기체의 압력상태, 기체가 완전히 존재하지 않는 상태가 아닌 기 체의 수가 매우 줄어들어 대기압보다 낮은 압력을 유지한 상태를 말한다.

진공을 표현하는 단위

1기압 (atm) = 760 Torr(mmHg) = 1.013 x 105Pa 1Pa = 1N/m2 = 0.0075 Torr = 7.5Torr

● 나노기술에서 왜 진공이 필요할까?

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진공펌프는 반도체 전체 공정 중 50%를 차지하는 진공공정에서 불순물 등 오염 없는 청 정상태를 유지하며 치밀한 나노 박막 형성을 가능케 하는 역할을 한다.

진공 중이 아니라면 이렇게 내보내는 알갱이가 공기 분자에 의해 충돌하여 산란이 일어 나게 된다. 그렇기 때문에 내부를 텅 빈 상태로 두어야 외부에서 발사하는 이온 또는 물질 이 아무런 방해 없이 기판 표면에 도달하기 때문에 반드시 진공을 맞춰 주어야 한다.

플라즈마를 발생시키는데 있어서 진공을 사용하는 이유는 전자를 충분히 가속시키기 위 해서이다. 대기 중에는 수많은 기체 분자들이 존재하기 때문에 대기 중에서 전자를 방출 시킬 경우, 방출된 전자는 대기 중의 수많은 분자들과 충돌하여 대부분의 운동에너지를 상 실하게 된다. 그래서 진공상태, 즉 기체 분자를 최대한 제거한 상태에서 플라즈마를 발생 시키게 되는 것이다.

쉽게 설명하면, 자동차로 뻥 뚤린 고속도로를 달린다고 하면 시속 100km 이상으로 달리 는 것이 매우 쉽지만, 나무가 우거진 숲을 달린다고 하면 100km/h은 고사하고 앞으로 가 지도 못한다.

그래서 진공에서 플라즈마를 방생시킬 때는 보통 고전압(전자의 가속 속도) 저전류(방출 되는 전자의 양)를 사용한다. 전자를 조금만 방출 시켜도 방출된 전자가 충분히 가속되기 때문에 플라즈마를 발생 및 유지 시킬 수가 있다.

반면 상압에서 플라즈마를 발생시킬 때는 저전압, 고전류를 많이 사용한다. 그 이유는 어 차피 전자를 가속시킬 수가 없기 때문에 양으로 승부하는 것이다.

● 나노기술에서 왜 진공이 필요할까?

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1. 정리하기

평균자유경로

2. 정리하기

진공, 고진공을 표현하는 단위

3. 정리하기

박막 증착

● 나노기술에서 왜 진공이 필요할까?

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● 도전~! 나도 나노 전문가! (청정실체험)

나노기술의 시작점인 청정실에 대하여 알아보고, 청정실의 규칙 및 방진복을 입는 순서 등에 대하여 익힌 후 청정실을 방문해보자.

활동 목표

(1) 청정실이 무엇을 하는 곳이고, 왜 필요한지 이해할 수 있다.

(2) 일반 실험실과 청정실의 다른 점을 찾을 수 있다.

(3) 청정실에서의 규칙을 이해하고, 준수한다.

(4) 방진복을 입는 이유를 알고, 방진복 입는 순서를 익힐 수 있다.

(5) 청정실에서 어떠한 일들이 이루어지는 이해할 수 있다.

준비물

방진복, 마스크, 속장갑, 라텍스장갑, 헤어캡, 방진화, 화장리무버 설계과정

[STEP 1　： 청정실은 무엇을 하는 곳인가?]

1. 청정실에 대하여 알아보자.

-청정실이란, 공기중에서 먼지의 갯수가 규정된 한도 내에서 관리되고 있는 영역을 말한 다. 한국나노기술원의 청정실에서는 ‘반도체’공정이 이루어지고 있다.

여기서 잠깐!!! 지구상에서 가장 먼지의 개수가 적은 곳은 어디일까요?

지구환경의 청정 수준은?

대기의 위치 CLASS 수준 비고

성층권 상층이상 CLASS 1,000

상공으로 올라갈수록 CLASS 수준은 높아진다.

한라산 정상 윗부분 CLASS 10,000

고원지대 CLASS 100,000

대도시 CLASS 1,000,000

공장지역 CLASS 10,000,000

- 청정도 "CLASS"란 미연방 규격에 의하면 1ft³(입방피트)의 공기 중에 포함된 0.5㎛

이상의 먼지 허용 개수를 말한다.

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● 도전~! 나도 나노 전문가! (청정실체험)

▣ 청정실

-청정실은 나노미세가공을 하는 공간을 인위적으로 깨끗하게 만든 공간이다. 나노미터 단위에서 먼지의 한 입자는 매우 큰 불순물에 해당된다. 이에 대기 중의 먼지와 미생물을 제거하기 위하여 청정실에서는 고성능 필터를 통해 공기를 순환하여 먼지의 수를 항상 일 정 수준 이하로 억제 하고, 필요에 따라서 온도, 습도, 압력 등 환경 조건도 관리가 이루어 지는 공간이다.

▣ 초청정실 등급

class 등급 먼지크기(㎛) 누적입자수

class 1 0.1㎛ 이상 1개 이하

class 10 0.1㎛ 이상 1개 이상 10개 이하 class100 0.1㎛ 이상 10개 이상 100개 이하 class1000 0.1㎛ 이상 100개 이상 1000개 이하

▣ 청정실 종류

공업용 청정실 생물학적 청정실 초청정실

단순히 먼지 등 분진 제거 -전자, 광학기계, 정밀기계

부품을 제조

공기 중에 떠다니는 미생물질 분진 제거 - 병원, 제약회사, 식품 제조

0.1㎛ 크기의 먼지 입자와 미생물까지도 제거 -첨단 반도체 산업, 유전공학

-class 1을 지향

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▣ 청정실 먼지 발생 원인

▣ 사람에 의해 발생되는 각종 오염물

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[STEP ２ : 청정실에 들어갈 준비하기(방진복 입기)]

- 청정실에 들어가기 전, 청정실에서 지켜야할 규칙에 대하여 알아봅시다.

▣ 청정실 규칙 1. 방진복을 입는 순서 지키기

■ 방진복의 구성과 명칭 알아보기

① 속장갑

- 맨손으로 방진복을 만지면 오염되기 때문에 속장갑을 끼고 옷을 입기 시작합니다.

② 헤어캡

- 모든 머리카락은 헤어캡 안으로 들어오게 정리합니다. 머리카락은 나노세계에서 매 우 큰 오염물질입니다. [머리카락의 두께는 100μm = 100,000nm]

③ 마스크.

- 마스크는 코, 입, 턱을 모두 감싸서 가리도록 늘려서 착용합니다. 코 쪽에 있는 철심 을 구부려서 얼굴에 밀착하도록 착용합니다.

④ 방진모

- 방진모에 달린 목 끈을 턱에 딱 맞도록 조입니다.

⑤ 방진복

- 방금 입은 방진모가 방진복 안으로 들어오게 입고 지퍼를 올립니다. 방진복에 달린 앞가리개를 닫습니다.

⑥ 방진화

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<활동> 다음은 청정실에서 착용해야 하는 방진용품을 나열한 것입니다.

방진복을 입어야 하는 순서대로 나열하고, 그렇게 생각한 이유를 설명해보세요.

( ) ▶ ( ) ▶ ( ) ▶ ( ) ▶ ( ) ▶ ( ) ▶ ( )

※ 방진복을 벗는 순서는 위의 순서의 반대로 수행하면 됩니다.

참고로 방진복 및 방진모는 바닥에 닿지 않도록 조심하면서 사용합니다. 바닥에 닿으면 먼지에 오염되기 때문입니다.

방진복

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● 도전~! 나도 나노 전문가! (청정실체험)

▣ 청정실 규칙 2. 입실과 퇴실 규칙 지키기

■ 입 실

(1) 외부로 부터의 오염물 반입 및 오염물의 발생을 최대한으로 막아야 한다.

(2) 노란선 밖에서 신발을 벗고 나무 길을 따라 들어가야 한다. 절대로 화장실이나 개 인적인 용무로 개인 신발을 신고 안으로 노란 선을 넘는 일이 없도록 한다.

(3) 사복 및 사물은 지정된 장소에 보관하고, 지정 의복으로 바꾸어 입고 화장은 지운다.

(4) 세면실에서 씻은 후, 청정한 공기로 건조시킨다.

(5) 청정실용 의복은 바닥이나 물건과 접촉시키지 않고 입는다.

(6) 의복 착용 후, 에어샤워를 거친다.

(7) 에어샤워시(20~30초) 절차에 따라 청정한 공기류에 의한 인체, 의복 등의 표면에 부착된 오염물을 제거하고 청정실에 입실한다.

(8) 청정구역 입실시 접착매트를 밟고 지나간다.

■ 퇴 실

(1) 청정실에서 의복 교체구역에 들어갈 때까지 방진복은 벗지 않는다.

(2) 방진복은 바닥, 책상 등의 비품에 접촉되지 않게 벗고 정해진 장소에 보관한다.

(3) 청정실에서 퇴실할 때는 에어샤워를 할 필요가 없다.

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■ 청정수칙 위반사례

[STEP 3 : 청정실 체험하기]

- 학교의 과학실험실과 나노기술원의 청정실의 차이점은 무엇인지 알 수 있다.

<활동> 미션! 학교의 과학실험실과 청정실의 차이점은 무엇인지 청정실을 둘러보고 5개 이상 찾아보세요.

● 도전~! 나도 나노 전문가! (청정실체험)

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[STEP 4 : 10년 후, 반도체공정 연구원]

-방진복을 입은 내 사진을 붙이고, 10년 후 내가 반도체관련 연구원이 된다면, 어떤 제 품에 들어갈 반도체를 만드는 연구원이 되고 싶은지 생각해봅시다.

-STEP1 활동을 참고하여, 사진 옆에 한마디를 써봅시다.

● 도전~! 나도 나노 전문가! (청정실체험)

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나도 나노 전문가가 되어 진공 시스템 시뮬레이션을 작동해보고 실제 박막증착 실험을 통해 나노기술에 대하여 이해해보자!

활동 목표

(1) 진공 시스템 시뮬레이션을 작동하고 원리를 이해할 수 있다.

(2) 앞에서 배운 이론을 바탕으로 실제 박막증착을 실현할 수 있다.

(3) 조별실습을 통해 협동심을 기를 수 있다 준비물

EquipSim 프로그램, Worksheet, RF마그네트론 스퍼터, 유리기판, 스퍼터링가스 설계과정

1. 진공 시스템 시뮬레이션

1. 컴퓨터에 설치된 EquipSim 폴더를 찾아 EquipSim3 파일을 실행시킨다.

● 도전~! 나도 나노 전문가!(박막증착 실습)

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2. 나누어준 시뮬레이션 Worksheet <진공 펌핑> 내용에 따라 진행한다.

● 도전~! 나도 나노 전문가!(박막증착 실습)

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● 도전~! 나도 나노 전문가!(박막증착 실습)

진공시스템 시뮬레이션 실험 Worksheet

EquipSim Vacuum Simulator Activity #1

아래 질문에 답하시오.

1. Roughing Line (Bypass Line)을 통한 펌핑: 아래 질문에 답하시오

1-1.Mechanical pump를 작동시켰을 때(VB Close) Roughing Line (Bypass Line) 에 위치한 게이지로 읽은 최종도달진공도(Base Pressure)는 얼마인가? ________

1-2. Base Pressure에 빨리 도달했는가 아니면 서서히 도달했는가?

_________

1-3. VB를 열고 챔버에 위치한 게이지로 측정한 base pressure값은?

_________

1-4. 왜 챔버의 base pressure 도달시간이 mechanical pump단보다 더 걸릴까?

__________________________________________________________

1-5. 신속하게 진공을 뽑는 경우 장점은 무엇인가?

__________________________________________________________

1-6. 천천히 진공을 뽑는 경우 장점은 무엇인가?

__________________________________________________________

2. 터보펌핑 Line을 통한 Mechanical 펌핑: 아래 질문에 답하시오 (VB Close, V1, V2 Open)

2-1. 챔버는 어떤 base pressure에 도달하는가? _________________

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● 도전~! 나도 나노 전문가!(박막증착 실습)

2-2. 펌핑속도에는 어떤 영향이 있는가? ______________________

3. Mechanical과Turbo 동시 펌핑: 아래 질문에 답하시오.

(V1 Open, Turbo On, V2 Open)

3-1. V1 and V2 밸브를 연후에 어떤 base pressure에 도달하였는가?

_________________

3-2. 터보펌프를 켰을 때 Mech 펌프 쪽 압력에는 어떤 반응이 나타났는가?:

Mechanical Pump? _________________

Turbo Pump 와 챔버? _________________

4. 챔버 벤팅 (Venting)

4-1. Vent 속도에 영향을 미치는 요인은 무엇인가?

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4-2. 빠른 벤트의 장점을 설명하시오

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나노가 만드는 무한한 세상

(NANO-STEAM 아웃리치 프로그램)

● 도전~! 나도 나노 전문가!(박막증착 실습)

3. 나누어준 시뮬레이션 Worksheet <Gas Flow> 내용에 따라 진행한다.

진공시스템 시뮬레이션 실험 Worksheet

EquipSim Vacuum Simulator Activity #2

Gas Flow Module

1. ‘Gas Flow’ tab을 클릭하면 아래 화면이 나타난다.

2. 가스유량 조절을 통한 압력제어

기계식 펌프 (Mechanical Pump), 터보분자 펌프(Turbo Molecular Pump)와 그 사이 에 연결된 밸브들을 정해진 순서대로 작동시킨 뒤 Throttle Valve를 완전히 연다 (100%)

순서: 모든 밸브 Close à Mechanical Pump On à VB Open à 챔버압력이 2.3X10- 3Torr가 될 때 까지 대기 à VB Close à V1 Open à Turbo On à Foreline의 압력 이 2.3X10-3Torr가 될 때 까지 대기 à Turbo Pump On à V2 Open à Throttle Valve Open (100%) à 챔버압력이 4.9X10-6Torr가 될 때 까지 대기

챔버압력이 10-6Torr이하가 되면 MFC를 10sccm으로 설정하고MFC DSV를 열어 가 스가 챔버 속으로 흘러 들어가게 하면서 챔버압력의 변화를 살펴본다.

그 다음 MFC를 10배인 100sccm으로 설정하고 챔버압력의 변화를 살펴라

나노가 만드는 무한한 세상

(NANO-STEAM 아웃리치 프로그램)

● 도전~! 나도 나노 전문가!(박막증착 실습)

2-1. 가스유량을 10 sccm 으로 설정하였을 때의 챔버 압력 ___________________

2-2. 가스유량을 100 sccm 으로 설정하였을 때의 챔버 압력 __________________

2-3. 가스유량을 어느 정도 설정하여야 챔버압력이 3.7 X 10-3Torr가 될까?

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3. ThrottleValve를 활용한 압력제어.

3-1. Throttle Valve를 100% 열어놓고 가스유량을 100 sccm 으로 설정했을 때 챔버 압력은? ________________

3-2. Throttle Valve를 50% 열어놓고 가스유량을 100 sccm 으로 설정했을 때 챔버압 력은? ________________

3-3. Throttle Valve를 20% 열어놓고 가스유량을 100 sccm 으로 설정했을 때 챔버압 력은? ________________

3-4. Throttle Valve를 10% 열어놓고 가스유량을 100 sccm 으로 설정했을 때 챔버압 력은? ________________

3-5. 가스유량을 100 sccm 으로 설정했을 때 Throttle Valve를 어느 정도 열어야 챔버 압력이 8.7mTorr (8.7X10-3Torr)가 될까? ________________

4. 가스유량조절과 Throttle Valve 조합을 통한 압력제어

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● 도전~! 나도 나노 전문가!(박막증착 실습)

2. 박막증착 실험

진공시스템의 구성

1. 유리기판위에 원하는 마스크를 올려놓고, RF마그네트론 스퍼터 챔버(진공플라즈마 실습장치) 에 넣는다. 이 때 유리기판과 마스크는 절대 손으로 만지지 않고 트위저를 이 용한다.

2. 챔버를 고진공 상태로 만든다.

3. 스퍼터링가스 (아르곤, 질소)를 넣는다.

4. 고주파 에너지를 인가하여, 플라즈마를 만든다.

5. 플라즈마가 안정화 되면 셔터를 연다.

6. 원하는 시간이 지나면, 셔터를 닫고 챔버를 대기압상태로 만든 뒤 유리기판을 꺼낸다.

7. 유리기판위에 만들어진 금속박막저항을 확인 한다.

8. 박막의 저항을 측정해보고 박막의 두께를 구해본다.

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● 도전~! 나도 나노 전문가!(박막증착 실습)

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● 도전~! 나도 나노 전문가!(박막증착 실습)

저항의 크기는 도선의 길이에 비례하고 단면적에 반비례한 다. 따라서 전류의 세기는 전압에 비례하고 도선의 저항에 반비례한다.

R





  

 ・ 

 (Ω)

저항의 길이(L) 저항의 단면적의 너비(W) 측정한 저항값(단위:Ω)

저항 A 27.0 mm 1.0 mm

저항 B 75.0 mm 2.0 mm

저항 C 75.0 mm 1.0 mm

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● 도전~! 나도 나노 전문가!(박막증착 실습)

1 2 2

증착한 시간 (단위:초)

측정한 저항의 크기(단위 : Ω) 박막의 두께 (단위：nm)

*ρ는 티타늄의 비저항이다. 비저항은 물질 고유의 성질이지만, 나노단위가 되면 물질의 두께에 따라 비저항의 크기가 달라진다. 이 실습에서는 420nΩ·m 라고 가정한다.

8

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실생활에서 플라즈마가 사용된 곳은 어디 있을까? 그 원리는 무엇일까?

플라즈마를 응용한 제품은 우리 주변에 많이 있습니다. 위의 플라즈마 응용의 여러 분야 중 본인이 관심 있는 분야를 선택하고 그 분야에서 플라즈마를 응용한 기술은 무엇이 있 는지 찾아봅시다(제품의 경우 도면을 작성하고, 그 안에서의 플라즈마 원리를 설명해봅시 다).

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제품명 : 제품의 구조 :

제품의 원리 :