펄스 레이저 증착: 연구실에서 생산 현장으로
PLD는 첨단 배터리 연구부터 초전도 테이프의 대량 생산에 이르기까지, 모든 종류의 박막을 화학량론적 비율로 제조하기 위해 고출력 엑시머 레이저를 활용합니다.
2023년 1월 25일 작성자 Coherent
전자, 광학 및 광자학 분야에 적용되는 다양한 종류의 박막을 제조하는 방법은 열 증발, 반응성 스퍼터링, 화학 기상 증착 등 여러 가지가 있습니다. 하지만 최근 몇 년간 펄스 레이저 증착 PLD) 은 순수한 실험실 연구 도구에서 벗어나 대량 생산을 지원하는 기술로 발전하며, 많은 신흥 박막 응용 분야에서 선호되는 기술로 자리 잡았습니다. PLD의 작동 원리, 주요 장점, 그리고 몇 가지 흥미로운 응용 분야를 살펴보겠습니다.
PLD 공정에서는 ‘타겟’이라 불리는 얇은 재료의 고체 덩어리를, 박막을 증착할 기판 근처의 진공 챔버 내에 배치합니다. 그런 다음 재료의 특성에 따라 193nm, 248nm 또는 308nm 파장에서 작동하는 고에너지 자외선 엑시머 레이저의 펄스를 타겟에 조사합니다. 높은 플루언스의 엑시머 레이저 펄스는 높은 이온화도와 높은 운동 에너지를 가진 원자 종을 생성합니다. 이러한 원자들은 기판 위에 증착되어 서서히 박막을 형성합니다.
화학량론적 결과
화학양론 물질 내 서로 다른 원소들의 비율을 가리키는 화학 화학양론 . 예를 들어, 화학양론 수소와 탄소의 비율이 2:1입니다. PLD 공정에서 흑연(즉, 탄소 원자로만 구성된)과 같은 원소 타겟 물질을 사용할 경우, 다른 가능성이 없기 때문에 박막은 항상 타겟과 동일한 조성을 갖게 됩니다.
그러나 많은 중요한 신소재들은 화학 조성이 상당히 복잡합니다. 대표적인 예로는 고온 초전도체(HTS)와 차세대 태양광을 포함한 새로운 광학 소자에 사용되는 페로브스카이트 물질이 있습니다. 여기서 과제는 타겟에서 물질을 기화시켜, 원래 타겟 형태와 동일한 화학양론 모든 원자를 기판에 증착하는 것입니다. 이 공정을 화학량론적 증착이라고 하며, 이렇게 만들어진 박막을 화학량론적 박막이라고 부릅니다.
화학량론적 PLD는 타겟과 동일한 조성의 박막을 형성합니다.
엑시머 레이저를 이용한 PLD의 주요 장점 중 하나는 공정이 적절히 최적화되었을 때 극도로 정량적인 박막을 형성할 수 있다는 점입니다. 두 가지 이상의 물질이 교대로 쌓인 층에 기능이 좌우되는 첨단 소자의 경우, 다양한 재료에 대해 이러한 특성을 구현할 수 있다는 점이 더욱 중요합니다. 반면, 다른 여러 증착 공정은 이 점에서 종종 어려움을 겪는데, 특히 물질이 질량과 화학적 성질이 매우 다른 원자들이 혼합되어 있는 경우에는 더욱 그렇습니다.
적합한 엑시머 레이저
성공적인 PLD를 위해서는 세 가지 레이저 파라미터가 매우 중요합니다. 여기서 성공이란 두께가 균일하고 화학양론 정확한 고밀도 박막을 높은 수율로 제조하는 것을 의미합니다.
첫 번째는 높은 빔 균일성입니다. 빔 강도가 균일하면, 동일한 최적화된 플루언스 조건에서 더 넓은 표적 영역을 에이블레이션할 수 있습니다. 빔의 핫스팟이나 약한 부분이 발생하면 이러한 최적화가 저해되어 박막의 품질과 균일성이 떨어질 수 있습니다. 같은 이유로, PLD 공정에는 펄스 간 엑시머 레이저 필요합니다. 마지막으로, PLD 공정에서는 생산 라인에서 공정의 규모 확대를 가능하게 하기 위해 높은 펄스 에너지 고출력을 갖춘 엑시머 레이저가 필요합니다.
Coherent COMPex 엑시머 레이저는 이러한 모든 요구 사항을 충족하므로 PLD 응용 분야에서 가장 선호되는 제품입니다. 최대 750 mJ의 펄스 에너지와 30와트 이상의 출력을 갖춘 이 레이저들은 0.75%(RMS)라는 타의 추종을 불허하는 펄스 안정성을 제공하여 높은 플루언스 제어를 보장합니다.
그렇다면 PLD는 어디에 사용되고 있나요?
고온 초전도 테이프
PLD(펄스 레이저 증착) 방식으로 증착된 희토류 바륨 구리 산화물(REBCO) 초전도층을 포함하는 다층 고온 초전도(HTS) 테이프는 핵융합, MRI, 입자 가속기용 차세대 자석과 저손실 전력망 부품의 핵심 소재입니다. 실제 산업 현장에 적용 가능한 HTS 박막을 생산할 수 있는 것으로 입증된 기술은 엑시머 레이저 PLD뿐입니다.
고주파 피에조 필터
압전성 질화알루미늄(AlN) 박막을 기반으로 한 고주파(RF) 필터는 이동통신 인프라에 널리 사용되고 있습니다. 5G 및 차세대 Wi-Fi 표준은 정밀한 도판트 농도를 지닌, 더 얇고 압전 활성이 뛰어난 결정질 박막에 의존하고 있습니다. PLD 공정은 기존의 스퍼터 증착 공정보다 훨씬 저렴한 비용으로 우수한 RF 박막을 생산합니다. 이 공정은 5G 및 6G 시대에 바로 적용 가능한 균일한 RF 특성을 지닌 고도로 정렬된 박막을 생성합니다.
다이아몬드 유사 탄소 층
마모 저항성이 뛰어나고 기계적 안정성이 높은 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 코팅은 마찰 계수가 극히 낮아, 고부하가 가해지는 공구 및 부품을 비용 효율적으로 사용하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 엑시머 레이저는 저온 PLD 공정을 통해 수소가 포함되지 않은 DLC 층을 증착하며, 엑시머 레이저 결합할 경우 다양한 소재에 대해 매우 우수한 접착력을 보장합니다.
박막 웨이퍼
박막 제조 기술은 MEMS, 반도체, 태양광, OLED 디스플레이, RF 프런트엔드 필터 등 웨이퍼 기반 시장의 다양한 분야에 적용되고 있습니다. 최대 300mm 크기의 산업용 웨이퍼에서 성숙된 PLD 공정을 통해 시스템 공급업체들은 스퍼터링, 원자층 증착(ALD) 또는 화학 기상 증착(CVD)과 같은 기존 방식을 넘어, 제조 역량과 박막의 복잡성 및 기능성을 확장할 수 있게 되었습니다.
고체 박막 배터리
고체 전해질을 기반으로 한 배터리 셀은 성장하는 전기 이동성 시장에 더 긴 주행 거리와 빠른 충전 성능을 제공할 것으로 기대됩니다. PLD 기술은 밀도와 화학양론 조절할 수 있을 화학양론 나노미터 단위의 두께 정밀도 갖춘 양극 및 음극 소재를 포함하여, 최첨단 이온 전도성 고체 전해질의 개발을 가능하게 합니다.
투명 전도성 산화물
할라이드 페로브스카이트 태양전지를 비롯한 다양한 유형의 태양전지에서, 민감한 유기층 위에 투명 전도성 전극을 증착하는 것은 주요 과제 중 하나입니다. 웨이퍼 기반 PLD(플라즈마 증착) 기술을 활용하면 버퍼층이 없는 반투명 페로브스카이트 태양전지를 위한 고품질 투명 전극을 제작할 수 있습니다.
