코드 디스크 제조 공정
크롬 성막: 유리 위에 백 나노미터급 금속막을 입히다
글래스 코드 디스크의 검은 눈금선은 두께 약 0.1 μm의 크롬 막이다. 진공에서 어떻게 성막할까? 막 두께와 차광 능력은 어떤 관계일까? 막은 왜 벗겨지고 핀홀이 생길까? 이 글은 한 장의 애니메이션으로 크롬 성막을 설명한다.
글래스 코드 디스크 위의 검은 선 한 바퀴는 사실 크롬 막으로, 두께가 보통 0.1 μm 안팎, 머리카락 굵기의 수백분의 일 정도에 불과하다. 이렇게 얇은 금속층이 빛을 빈틈없이 막아야 하고, 유리 위에 단단히 ‘자리 잡아’ 이후의 현상, 에칭, 세정을 견뎌야 한다. 어떻게 입히는 것일까?
왜 반드시 진공에서 성막하는가
보통 공기 중에서는 크롬 원자가 얼마 날아가지 못하고 공기 분자와 부딪혀 방향이 흐트러지며, 먼저 산소와 반응할 수도 있다. 챔버를 진공으로 만들면 기체 분자가 줄어 크롬 원자가 거의 직선으로 유리까지 날아가고, 막은 순수하고 치밀해진다. 진공은 수증기와 불순물이 막에 섞일 기회도 줄인다.
두 가지 방법: 스퍼터링과 증착
스퍼터링: 챔버에 소량의 아르곤을 넣고 전압을 걸어 플라스마를 만든다. 양전하를 띤 아르곤 이온이 음전위의 크롬 타깃으로 끌려가 크롬 원자를 하나씩 ‘튕겨 내고’, 이 원자들이 유리에 내려앉는다(그림 1 참조). 타깃 뒤의 자석이 전자를 타깃 표면 가까이에 가두어 이온화 효율과 성막 속도를 높이는데, 이를 마그네트론 스퍼터링이라 한다. 스퍼터된 원자는 에너지가 비교적 높아 막이 대체로 치밀하고 밀착이 좋으며, 대면적 균일성도 확보하기 쉽다.
증착: 크롬을 가열해 다량 증발시키면 원자가 증발원에서 기판까지 직선으로 날아간다. 장비는 비교적 간단하지만 원자 에너지가 낮아 막의 치밀도와 밀착력이 기판 온도와 표면 상태에 더 크게 좌우된다.
막 두께와 광학 밀도: 차광 능력 계산
차광 능력은 광학 밀도로 나타낸다: OD = −lg T, T는 투과율.
| OD | 투과율 |
|---|---|
| 1 | 10% |
| 2 | 1% |
| 3 | 0.1% |
| 4 | 0.01% |
금속 안에서 빛은 지수적으로 감쇠한다. 막이 같은 두께만큼 늘어날 때마다 투과율에 1보다 작은 같은 계수가 곱해진다. 따라서 막이 연속막이 된 뒤에는 OD가 막 두께에 대략 비례해 늘어나며, 그림 1 오른쪽의 표시가 바로 이 관계다.
차광이 부족하면 신호 콘트라스트가 곧바로 떨어진다. 코드 디스크만 보고 투광 슬릿의 투과율을 1로 두면 변조도 M = (1 − T) ÷ (1 + T)는 OD 1에서 약 0.82, OD 2에서 약 0.98, OD 3에서 약 0.998이다. 막이 두꺼울수록 좋은 것도 아니다. 막이 두꺼울수록 에칭 시간이 길어지고 언더컷이 늘어 선폭 관리가 어려워진다. 그래서 막 두께는 ‘충분하면서 안정된’ 범위로 정하고 전면에서 균일해야 한다. 일부 코드 디스크는 크롬 막 표면에 산화크롬 층을 더해 반사를 낮추고 미광을 줄인다.
밀착력: 막이 유리 위에 ‘자리 잡아야’ 한다
크롬과 유리는 원래 결합이 잘되는 편이라 다른 금속막의 하지층으로도 자주 쓰인다. 단, 표면이 깨끗해야 한다는 전제가 있다. 유리에 눈에 보이지 않는 유막이 남아 있으면 크롬은 유막 위를 ‘덮고’ 있을 뿐이어서, 이후 현상과 에칭 때 들뜨고 벗겨진다. 일반적으로 성막 전에 철저히 세정하고, 챔버에 넣은 뒤 이온 충격으로 마지막 세정을 하며, 필요하면 기판을 가열한다. 밀착력은 테이프 박리로 확인할 수 있다. 테이프를 붙였다 떼어 내고 막이 딸려 나오는지 본다.
핀홀은 어디서 생기나
핀홀은 성막에서 가장 흔한 결함으로, 원인은 주로 세 가지다:
- 기판 위의 파티클: 파티클이 크롬 원자를 가려 그 아래가 성막되지 않고, 나중에 파티클이 떨어지면 작은 구멍이 남는다(그림 2 참조).
- 챔버 내 낙하물: 챔버 벽과 방착판에 쌓인 오래된 막이 벗겨져 기판에 떨어진다.
- 국부 오염: 기름 자국, 물 얼룩 부위는 막의 밀착이 나빠 후속 습식 공정에서 들려 나간다.
대책도 이에 대응한다. 세정과 기판 투입은 청정 환경에서 하고, 챔버를 정기적으로 청소하며, 성막 후 백라이트로 검사한다. 백라이트 아래에서 핀홀은 밝은 점이며, 눈금선 위에 있으면 빛샘 점이 된다.
요약
크롬 성막은 진공에서 크롬 원자를 한 층씩 유리 위에 쌓는 공정이다. OD는 막 두께에 대략 비례해 늘고, 투과율은 한 단계마다 십분의 일로 떨어진다. 막은 두께가 적절하고 균일하며 밀착이 좋고 핀홀이 없어야 하며, 이 모두는 깨끗한 표면과 깨끗한 챔버 없이는 불가능하다.
중국어 원문 기사 번역 (0022). ENC7 코드 디스크 제조사 (문의) · 기술 자료 · https://enc7.com
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