박막 코팅 정밀도를 향상할 수 있는 광학 모니터링 시스템
PG&O
박막 코팅 : 지나온 문제들
광학 박막 코팅의 정확성을 높이기 위해 극복할 과제가 많다. 예전에는 코팅 설계와 제조에서 TFCalc와 같은 박막 설계 소프트웨어를 썼다. 이 소프트웨어는 분석, 광학 데이터, 최적화, 결과, 코팅 파일을 제공한다(그림 1 참조). 코팅 설계자는 높은 중형 혹은 낮은 굴절률 재료를 써서 이론 설계를 설계하기 위해 코팅 디자인을 개발할 것이다. 코팅 설계는 비교적 쉽다. 다만 코팅 챔버 내부의 설계 두께와 재료 지수를 오류 없이 복제하는 데 어려움이 있다.
레이어 두께가 정확하지 않으면 모든 박막 코팅이 영향을 받는다. 두께 변화가 모든 코팅에 영향을 미치는 것은 사실이지만, 경사면이 있는 코팅(장파장, LWP : long-wave pass 혹은 단파 통과, SWP : long-wave pass와 같은 경우)은 두께 변화에 훨씬 더 영향을 받는 경우가 많다는 점에 유의해야 한다. 두께의 변화는 기울기를 움직이게 하고, 이는 반사 값과 투과 값의 변화를 가져온다. 효과적인 공정 모니터링 시스템을 갖추는 것이 꼭 필요한 이유다.
이전에는 레이어를 코팅하기 위해서 레이어를 모니터링하는 두 가지 방법을 썼다. 한 가지 방법은 크리스털을 사용해 각 층의 물리적 두께를 모니터링하는 것이다. 그러나 크리스털은 온도와 압력에 매우 민감하다. 이는 온도가 ±5% 정도로 정확하기 때문에 문제가 된다. 많은 코팅이 50개의 층을 가질 수 있으며, ±5%의 오차가 있는 경우 더 이상 규격에 맞지 않는 코팅이 될 것이다.
두 번째 방법이자 더 나은 선택은 오버슈트(overshoots)가 있는 1/4파 모니터링 시스템을 쓰는 것이다. 레이어 두께와 작업 대 모니터 비율을 바탕으로, 올바른 레이어 두께를 얻기 위해 필요한 1/4 파장을 계산할 수 있다. 이 기술은 수정 모니터링보다 나은 결과를 산출한다. 정확도는 ±2%이다. 그러나 ±2%의 요인은 특히 긴 시간 동안 실행할 때 심각한 문제가 될 수 있다.
논의된 두 가지 방법 모두 근본적인 결함이 있다. 재료의 색인 분산이 실제 증발 공정에서 원래 설계와 동일하게 유지되는지 여부를 알 수 있는 확실한 방법이 없다는 것이다. 재료 지수가 다른 경우 코팅이 고객의 사양을 충족할 수 없다. 이러한 문제는 코팅 회사가 더 낫고 정확한 해결책을 찾는 촉매가 됐다.
박막 코팅에서의 혁신
PG&O가 구현한 실시간 광학 모니터링 시스템은 각 레이어의 두께를 설계 두께의 1 nm 이내로 계산할 수 있다. 또한 코팅 공정 중에 인덱스 분산이 무엇인지 정확하게 보여줄 수 있으므로, 문제가 있는지 그리고 언제 발생하는지 알 수 있다. Eddy Company의 SpectraLock 시스템은 완전 스펙트럼(full-spectrum) 광학 모니터링과 속도 제어 시스템으로 이전에 달성할 수 없었던 높은 정확도와 정밀도를 가진 단층과 다층 박막을 제작할 수 있었다.
파장의 함수로서 물질의 굴절 지수 변화를 지표 분산이라고 한다. 새로운 모니터링 시스템은 이 고유한 기술을 바탕으로 하며 IDEM(index dispersion enhanced monitoring, 인덱스 분산 향상된 모니터링)이라고 한다. 오류 또는 반복 없이 매번 광학 설계와 정확히 일치하는 광학 코팅을 생산할 수 있다. 또한 코팅 작업자가 각 증착 물질의 실제 지표 분산과 개별 코팅 챔버 특성을 정확하게 일치시킬 수 있으므로, 박막 설계가 실제 생성된 코팅과 일치할 수 있다(그림 2 참조).
IDEM 기술 혁신에 앞서, 박막 필름 디자인 프로그램과 광학 코팅 시스템은 코팅 설계와 모니터링에서 굴절률 분산을 위한 표준 재료 참조 테이블 값을 사용해 왔다. 불행히도 주어진 광학 코팅 공정에서 각각의 물질에 대한 굴절률 분산은 표준에서 약간 벗어난다.
위에서 언급했듯이, 이러한 작은 오류는 적용된 낱낱의 추가 레이어에 따라 배가된다. 이전에는 성공적인 결과를 얻기 위해 고도로 숙련된 코팅 전문가를 통한 보상이 필요했다. 새로운 IDEM 시스템을 설치하면 코팅 두께는 0에서 1 nm까지, 인덱스 분산은 1 nm에서 볼 수 있다. 반복적으로 각각의 광학 코팅이 계층화됨에 따라 IDEM 방법은 각 층 전체에 걸쳐 속도 제어와 공정 모니터링을 제공한다.
IDEM 공정
새로운 색인 분산 강화 모니터링은, 사용된 각 재료 기판과 공정에 대한 정확한 굴절률 분산을 보정하는 자동화된 전체 스펙트럼 광학 시스템이다(그림 3 참조). 설계된 코팅 제작이 시작되기 전에 2,000 nm - 3,000 nm 보정 층이 감시칩과 샘플 기판에 쌓인다. 각 감시칩에 대한 코팅의 굴절률 분산을 측정하고 곡선을 나중에 쓰기 위해 저장한다. 그런 다음 기판 샘플을 측정하여 각 재료에 대한 모니터 대 작업 비율을 결정한다.
이러한 공정 지수 분산과 모니터 대 작업 비율은, 각 레이어에서 정확한 코팅 두께 제어를 위해 박막 디자인 소프트웨어 프로그램과 SpectraLock 컨트롤러로 변환돼 로드된다(그림 4 참조). 이것은 코팅 기계를 통해 생성된 광대역 광학 지수 분산을 현장에서 측정할 수 있는 맨 처음 상용화된 장비이다.
다중 코팅층의 문제점
Eddy Company의 Wayne Rodgers 사장은 “IDEM 시스템을 개발할 때 상대적으로 정확하게 칩에 몇 개의 레이어를 배치할 수 있는지 염려했습니다. 그래서 칩당 1층, 칩당 2층, 칩당 3층, 그리고 칩 하나에 최대 5층까지 해서, 5층 코팅을 한 것입니다. 이 밖에도 두 개의 단층 코팅을 수행했습니다. 컴퓨터와 모니터 사이의 USB 연결을 끊어서 모든 것을 차단했습니다. 그리고 이 과정을 다시 연결하고 공정을 다시 시작했습니다. 전체 스펙트럼 모니터링 이전에는 단일 파장 모니터링을 썼으며 일반적으로 1% 이내로 실행됐습니다. 우리는 이 1%는 기본적으로 모니터 대 작업 비율 변화에 원인을 둔다고 가정했습니다. 이러한 실행 후 0.19% 또는 0.2%의 편차를 보였으며, 편차의 주요 원인은 모니터링 기술이고 아마도 0.2%가 모니터 대 작업 비율 문제의 어딘가에 있다는 것을 깨달았습니다.”고 말했다.
그는 “지수 분산 시스템과 정확한 모니터 대 작업 비율을 통해 37단 디자인을 만들고 평범하게 코팅할 수 있습니다. 우리가 측정한 것은 디자인과 일치합니다. 테스트 실행은 필요 없으며 이점이 없습니다. 모니터링 공정 중에 재료의 인덱스 분산이 드리프트 또는 기타 요인에서 변경됐는지 확인할 수 있기 때문입니다.”라고 덧붙였다.
요약
IDEM 시스템을 활용해서 쓸 수 있는 새로운 기능을 고려할 때 회사는 설계 프로그램과 완벽히 일치하는 광학 박막을 생산하며, 광학 두께 모니터링과 제어로 코팅 챔버가 생산하는 필름을 1 nm에서 5,000 nm 이상으로 정확하게 예측한다(그림 5). 이 공정은 새로운 광학 박막 필름을 이전보다 약 10배 더 정밀하게 만든다.
자료 제공 : PG&O(www.pgo.com)
