[논문]펄스 마그네트론 스퍼터링 음극의 열전달 해석

주정훈

doi:10.5695/jkise.2008.41.6.274

펄스 마그네트론 스퍼터링 음극의 열전달 해석
Heat Transfer Analysis of a Pulse Magnetron Sputtering Cathode 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.41 no.6, 2008년, pp.274 - 278

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3-dimensional numerical analysis for a rectangular magnetron cathode model is done to predict cooling characteristics of high power sputtering system for ZnO deposition. It includes cooling channel design, heat transfer analysis of a target, bonding layer and backing plate. In order to model erosion profiles of a target, ion current density distribution from 3D Monte Carlo simulation is used to distribute total sputtering power to 5 discrete regions. At 3 kW of sputtering power and cooling water flow of 1 liter/min at $10^{\circ}C$, the maximum surface temperature was $45.8^{\circ}C$ for a flat new target and $156^{\circ}C$ for a target eroded by 1/3 of its thickness, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Al 타겟의 경우 열전도도가 높고 변형에 잘 견디지만 AZO 타겟의 경우에는 열응력에 의한 크랙 발생 확률이 높아서 고출력 고속 스퍼터링 공정을 위해서는 타겟 전체를 하나로 제작하지 않고 여러 개의 분할 타겟의 집합으로 제작하는 것이 보통이다. 본 연구에서는 타겟의 분할 조건에 따른 열전달 해석을 통해서 최종 열응력 분포를 구하여 최적의 타겟 구성 방법을 제안하는 것을 목표로 하였다. 한 방향으로 냉각수가 흐르는 본 연구의 수치 모델은 대칭성이 없으므로 완전한 3차원 구조로 하였으며 하부의 수냉채널 부분은 수치해의 수렴성이 뛰어난 구조형 사각 격자로 만들고 냉각판과 본딩층, 분할 타겟 부분은 복잡한 기하적 형상의 표현에 유리한 사면체 격자를 사용하였다.

제안 방법

표면에 곡률이 있는 경우의 3차원 격자 생성은 수치해의 안정성과 연계되어 매우 까다로운 문제이다. 따라서 불필요한 격자수의 증가를 방지하고 안정적인 수치해를 얻기 위한 전략으로 타겟의 침식 영역을 그림 5와 같이 5개 영역으로 나누고 모두 평면으로 처리했다. 이 때의 총 격자수는 104만 개 정도 였다.
고속 증착을 위해서는 필히 높은 전력 밀도를 인가할 수 있어야 하므로 타겟, 본딩층, backing plate, 수냉 채널을 포함하는 전체 모듈의 종합적인 설계 능력이 요구된다²⁾. 본 연구에서는 대표적인 금속 타겟인 알루미늄과 ITO의 대체 물질로 고려되고 있는 AZO(Aldoped zinc oxide) 타겟을 대상으로 높은 전력 밀도에서 타겟의 침식 형상에 따른 열응력 분포를 여러 가지 냉각 조건에 따라서 3차원 모델링하였다. 고출력을 사용하여 높은 생산성을 목표로 하는 경우에는 타겟의 냉각과 함께 기판으로의 발열도 최소화 하여야 한다.
보다 정밀한 모델링을 위해서는 그림 4에 있는 것과 같은 침식 깊이 그래프를 좁은 구간으로 나누어서 하면 된다. 본 연구에서는 타겟의 직선 구간과 구석의 곡선 구간을 나누어서 격자 생성을 진행 하였다. 표면에 곡률이 있는 경우의 3차원 격자 생성은 수치해의 안정성과 연계되어 매우 까다로운 문제이다.
타겟 침식에 따른 집중 가열에 의한 타겟 표면 온도 상승을 모델링하기 위하여 ZnO 타겟 전체에 3 kW의 스퍼터링 전력을 투입했을 때 실제로 스퍼터링이 일어나는 영역을 3D 전산 모사로 구한 값을 기준으로 전력을 5 영역으로 나누어 배분하였다. 보다 정밀한 모델링을 위해서는 그림 4에 있는 것과 같은 침식 깊이 그래프를 좁은 구간으로 나누어서 하면 된다.
본 연구에서는 1차적으로 열전달 해석만을 고려하였다. 타겟은 Al이 도핑된 ZnO를 대상으로 하였으며 전체가 하나의 덩어리로 되어 있는 경우에 대해서 모델링하였고 3차원 수치 모델을 작성하여 실제 실험에서 사용하고 있는 냉각 유로에 대한 계산과 스퍼터링에 의해서 침식된 타겟의 형상을 모델화 하여 그 영향을 살펴보았고 타겟에서 자기장에 의한 플라즈마 밀도의 분포를 이용하여 침식 형상을 구성하고 그에 따른 전력 밀도를 가열원으로 사용하였다.
폭 125 mm, 길이 525 mm의 직사각형 타겟을 위한 마그네트론 음극 모듈의 3차원 열전달 해석을 통하여 타겟, 접착층, 냉각판, 냉각수 유로 형상이 타겟 표면의 온도 분포에 미치는 영향을 알아보았다. 폭 19 mm, 깊이 3 mm의 유로 단면 형상에서 2 kg/cm²의 압력으로 1 liter/min의 유량을 주었을 때 3 kW의 전력에서 타겟 표면 온도는 55.
본 연구에서는 타겟의 분할 조건에 따른 열전달 해석을 통해서 최종 열응력 분포를 구하여 최적의 타겟 구성 방법을 제안하는 것을 목표로 하였다. 한 방향으로 냉각수가 흐르는 본 연구의 수치 모델은 대칭성이 없으므로 완전한 3차원 구조로 하였으며 하부의 수냉채널 부분은 수치해의 수렴성이 뛰어난 구조형 사각 격자로 만들고 냉각판과 본딩층, 분할 타겟 부분은 복잡한 기하적 형상의 표현에 유리한 사면체 격자를 사용하였다. 분할 타겟의 경우 1 mm 정도의 작은 틈을 갖게 되어서 3차원 수치 모델의 제작에 어려움이 많이 따른다.

대상 데이터

실제 평판형 마그네트론의 음극은 가로 127 mm, 세로 635 mm의 타겟을 가지고 있으면 주변으로 가스 배분링이 설치되어 있고, 기판은 400 mm의 정방형으로 챔버 외부에서 스텝 모터로 움직이는 캐리어 위에 얹혀 있다. 기판과 타겟 사이의 거리는 통상 70 mm로 운영되며 타겟은 Al과 2 wt% Al이 혼합된 ZnO이다. 열전달 해석의 주 변수는 냉각수의 온도와 유량, 그리고 타겟 표면 가열을 유발하는 플라즈마 밀도의 국부적 분포이다.
분할 타겟의 경우 1 mm 정도의 작은 틈을 갖게 되어서 3차원 수치 모델의 제작에 어려움이 많이 따른다. 사용된 셀의 개수는 약 56만-100만 개이고, 통상적인 계산 시간은 Intel Core2Quad 2.4 GHz CPU에서 약 28시간 정도 소요되었다.
본 연구에 사용한 평판형 마그네트론 음극의 냉각판의 냉각 채널 구조는 그림 1에 나타낸 바와 같다. 자석의 종류는 Nd-Fe-B이며 여러 개의 사각형 조각 자석을 순철판 요크에 고정시켜서 사용하였다. 타겟의 배면부에는 전기동으로 제작한 냉각판이 있으며 3차원 유동과 열전달 해석에는 상용 multi-physics analysis 패키지인 CFD-ACE+를 사용하였다.
자석의 종류는 Nd-Fe-B이며 여러 개의 사각형 조각 자석을 순철판 요크에 고정시켜서 사용하였다. 타겟의 배면부에는 전기동으로 제작한 냉각판이 있으며 3차원 유동과 열전달 해석에는 상용 multi-physics analysis 패키지인 CFD-ACE+를 사용하였다.

성능/효과

냉각수의 입력 속도를 조절하여 실제 유량이 1 liter/min이 되도록 하였으며 이 때의 계산 결과를 그림 2에 나타내었다. 최고 속도 0.5 m/s에서 0.05 m/s까지 밀도 그래프로 나타낸 결과를 보면 폭 19 mm에 깊이 3 mm의 단면에서 회전 내경 방향의 면에서 유동 속도가 높음을 알 수 있다. 모서리 부위의 곡률 반경은 9.
9℃까지 상승하였다. 타겟의 침식에 따른 변화를 알아보기 위하여 침식 단면을 3차원 Monte Carlo 전산 모사의 이온 전류 밀도 분포에 따라서 5개 영역으로 구분하여 열 유입량으로 설정하고 계산한 결과 타겟 두께의 1/3이 침식 되었을 때 156℃까지 상승할 수 있음을 보였다.

후속연구

마그네트론의 방전 링이 형성되는 모양에 따라서 냉각 유로를 설계 한다면 세로 방향이 유리하다. 그러나 기계적인 강도도 중요한 고려 인자가 되므로 실제로 중요한 결론은 열전달 해석과 아울러 냉각수의 압력과 타겟의 온도 증가에 따른 복합적인 응력 해석을 마친 후에 가능할 것으로 보인다. 설계 개선점으로 냉각판의 두께를 늘리고 유로의 단면적을 늘리는 문제를 고려할 수 있다.
5℃로 측정되었다. 추후 ZnSe 창을 설치하고 이를 통하여 스퍼터링 시작 후 타겟 표면 부위의 온도 변화를 시각별로 측정하여 모델 결과와 비교할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고속 증착을 하기 위해 필요한 것은?	마그네트론 스퍼터링은 많은 산업적 응용을 가지고 있는데 금속 및 세라믹 타겟에 대한 대면적 고속 증착 성능이 요구되고 있다1). 고속 증착을 위해서는 필히 높은 전력 밀도를 인가할 수 있어야 하므로 타겟, 본딩층, backing plate, 수냉 채널을 포함하는 전체 모듈의 종합적인 설계 능력이 요구된다2). 본 연구에서는 대표적인 금속 타겟인 알루미늄과 ITO의 대체 물질로 고려되고 있는 AZO(Aldoped zinc oxide) 타겟을 대상으로 높은 전력 밀도에서 타겟의 침식 형상에 따른 열응력 분포를 여러 가지 냉각 조건에 따라서 3차원 모델링하였다.
	스퍼터링으로 타겟의 표면 온도가 올라가 있는 상태에서 적외선 이미지를 촬영하기 어려운 이유는?	스퍼터링으로 타겟의 표면 온도가 올라가 있는 상태에서 적외선 이미지를 촬영하기 위해서는 두가지 난점이 있다. 하나는 촬영에 사용되는 적외선의 파장이 8-14 μm로 길어서 특수한 재료(ZnSe)를 이용하여야 하며 본 연구와 같이 대면적 타겟의 경우 작은 시창으로는 넓은 면적을 촬영하기 곤란하다는 점이다. 또 증착에 의해서 표면의 방사율이 변화하므로 정확한 온도를 측정하기 어려운 점이 있다. 그림 8에는 스퍼터링 후 일정 시간 대기하고 진공 시스템을 대기 중에 노출시켜 놓은 상태에서 타겟부위의 온도 분포를 촬영한 결과를 나타내었다.
	평판형 마그네트론 음극에 사용된 자석의 종류는?	본 연구에 사용한 평판형 마그네트론 음극의 냉각판의 냉각 채널 구조는 그림 1에 나타낸 바와 같다. 자석의 종류는 Nd-Fe-B이며 여러 개의 사각형 조각 자석을 순철판 요크에 고정시켜서 사용하였다. 타겟의 배면부에는 전기동으로 제작한 냉각판이 있으며 3차원 유동과 열전달 해석에는 상용 multi-physics analysis 패키지인 CFD-ACE+를 사용하였다.

참고문헌 (6)

J. Hupkes et al., Solar Energy Mat. Cells, 90 (2006) 3054

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F. Ruske et al., Thin Solid Films, 502 (2006) 44

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Y. M. Chung et al., Surf. Coat. Technol., 200 (2005) 936

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Ed. David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 76th Edition, Chemical Rubber Publishing company, New York, (1995-1996), 12- 190
주정훈, 한국표면공학회지, 41(5) (2008) 205

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양원균, 주정훈, 한국표면공학회지, 40(5) (2007) 209

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