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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 평판 혹은 회전형 마그네트론 소스의 증착속도, 타겟 사용 효율을 개선하고 대면적에 걸쳐서 균일한 증착특성을 가지는 회전자석형 마그네 트론 소스를 개발하고 그 성능 및 특성을 시험하였다. 마그네트론 소스 구조에서 중심부 및 가장자리에 놓여 지는 자석 크기 변화에 따른 자속밀도를 해석하였다.
- 본 연구에서는 기존의 평판 혹은 회전형 마그네트론 소스의 증착속도, 타겟 사용 효율을 개선하고 대면적에 걸쳐서 균일한 증착특성을 가지는 회전자석형 마그네트론 소스 개발하고 Roll-to-Roll 스퍼터 시스템에 적용하여 그 성능 및 특성을 실험하였다. 이를 위하여 먼저, Maxwell program을 사용하여 마그네트론 소스의 자석 배열에 따른 스퍼터 타겟 표면에서의 자장 밀도 분포를 전산모사(simulation)하여 target erosion특성을 해석하고, 그 결과를 바탕으로 하여 마그네트론 소스를 설계 · 제작하여 Roll-to-Roll 스퍼터 시스템에 장착하여 박막 증착 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 제작된 마그네트론 소스를 Roll-to-Roll 시스템에 장착하여 성능평가를 위하여 박막 증착 테스트를 진행하였다. AZO(나노신소재, ZnO2 : Al2O3 = 98 : 2)박막의 증착 속도 및 균일도에 영향을 미치는 주요 변수를 참고하여 선행공정을 통하여 공정조건을 구하여 공정을 진행하였다. 사용된 기판은 도레이 첨단소재 PET film(model:XG-6SF2, thickness: 100 um, width: 1580 mm)을 사용하였다.
- 마그네트론 소스 구조에서 중심부에 놓여지는 자석폭 변화에 따른 수평 자속밀도(Bxy)를 전사모사하였다. 가장자리에 놓이는 자석의 폭을 10 mm로 고정하고 중심부에 놓이는 자석의 폭을 16, 18, 20, 22, 24 mm로 변경하여 해석하였다. 중심부 자석 폭에 따른 전사모사 결과와 Bxy 분포를 Fig.
- 개발 마그네트론 소스의 타겟 사용 효율을 3차원 측정기(Hexagon Metrology, ALPHA 25501)를 사용하여 측정하였다. Fig.
- 93 W/cm2), Ar gas flow rate 1000 sccm, 5 mTorr에서 25분간 공정진행 후, 면저항 및 두께 측정 결과를 Table 2에 나타내었다. 두께 측정은 폭 500 mm 지점에서 3지점(좌측;A, 중앙;B, 우측;C)을 선택하여 측정하였다. 면저항과 두께 균일도는 ±4.
- 또한, 중심부와 가장자리에 놓이는 자석의 각도를 조정하여 좌 · 우 왕복 운동시 타겟의 전면적이 균일하게 식각될 수 있도록 좌석의 최적크기와 위치를 전산모사하였다.
- 본 연구에서는 기존의 평판 혹은 회전형 마그네트론 소스의 증착속도, 타겟 사용 효율을 개선하고 대면적에 걸쳐서 균일한 증착특성을 가지는 회전자석형 마그네 트론 소스를 개발하고 그 성능 및 특성을 시험하였다. 마그네트론 소스 구조에서 중심부 및 가장자리에 놓여 지는 자석 크기 변화에 따른 자속밀도를 해석하였다. 중심부 자석 폭의 길이 20 mm, 가장 자리 부 자석 폭의 길이 10 mm로 설정하고 자석간의 간격이 56도 일때 타겟 사용 효율이 가장 좋은 것으로 나타났다.
- 마그네트론 소스 구조에서 중심부에 놓여지는 자석폭 변화에 따른 수평 자속밀도(Bxy)를 전사모사하였다. 가장자리에 놓이는 자석의 폭을 10 mm로 고정하고 중심부에 놓이는 자석의 폭을 16, 18, 20, 22, 24 mm로 변경하여 해석하였다.
- 마그네트론 소스를 제작하기 전 타겟 식각 특성을 사전에 검증하기 위하여 자석 배열에 관한 전산모사를 하였다. 전산모사는 Maxwell program을 이용하여 자석 배열에 따른 타겟 표면의 자계 분포를 해석하는 방식으로 수행하였다.
- 이를 위하여 먼저, Maxwell program을 사용하여 마그네트론 소스의 자석 배열에 따른 스퍼터 타겟 표면에서의 자장 밀도 분포를 전산모사(simulation)하여 target erosion특성을 해석하고, 그 결과를 바탕으로 하여 마그네트론 소스를 설계 · 제작하여 Roll-to-Roll 스퍼터 시스템에 장착하여 박막 증착 특성을 분석하였다.
- 자석 배열에 따른 해석 결과를 바탕으로 500 mm 기판용 마그네트론 소스를 제작하여 AZO박막 증착하였다. 증착된 박막의 두께 및 면저항 균일도는 각각±1.
- 제작된 마그네트론 소스를 Roll-to-Roll 시스템에 장착하여 성능평가를 위하여 박막 증착 테스트를 진행하였다. AZO(나노신소재, ZnO2 : Al2O3 = 98 : 2)박막의 증착 속도 및 균일도에 영향을 미치는 주요 변수를 참고하여 선행공정을 통하여 공정조건을 구하여 공정을 진행하였다.
- 중심부 자석 폭을 20 mm로 고정하고 가장자리의 자석 폭을 6, 8, 10, 12, 14 mm로 변경하여 가장자리 자석의 폭에 따른 Bxy의 영향을 전산모사하였으며, Fig. 4에 정리하였다. 가장자리 자석의 폭이 커질수록 Bxy 크기 및 Bxy 최대값 사이의 거리가 증가하였다.
- 중심부 자석, 가장 자리 자석의 폭을 각각 2 0mm, 10 mm로 설정하고 자석간의 간격을 56도로 고정한 상태에서 Yoke를 좌, 우로 이동 시켰을 때 타겟 표면의 자장 밀도 경향에 대한 해석을 수행하였다. 이 때 타겟 표면의 Bxy 분포를 Fig.
- 중심자석을 폭 120 mm 타겟의 중심축에, 가장자리 자석을 타겟의 가장자리영역을 둘러싸며 배치하여 최대 수평 자속밀도(Bxy)가 중심자석에서 30 mm 떨어진 영역에서 발생하도록 하고, Yoke부를 좌 · 우 30 mm 회전시켜 타겟 전체영역이 균일한 자속을 경험하도록 설계하였다.
- 타겟 사용 효율을 극대화하기 위하여 Fig. 1과 같은 자석구조에서 자석의 높이를 20 mm로 고정하고 자석폭 및 배열 각도를 변화에 따른 수평 자속밀도(Bxy)의 영향을 전산모사하였다. 전산모사에 사용된 자석은 NdFeB 이며, 중심부에 놓이는 자석의 폭과 가장자리 부에 놓이는 자석의 폭을 조정하여 10mm 두께의 타겟을 부착하였을 때 수평 자속밀도(Bxy)가 500~600 Gauss를 가지도록 하였다.
- 1은 전산모사에 사용된 회전자석형 마그네트론 소스의 구조를 나타내었다. 타겟의 직경 및 Backing plate의 크기는 현재 일반적으로 사용되고 있는 규격으로 선정하여 향후 호환성 및 확장성을 고려하였다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 타겟 및 Backing plate의 규격은 Table 1과 같다.
대상 데이터
- 본 연구에서 제작한 마그네트론 소스는 타겟, 타겟 접착이 가능하도록 구성된 Backing plate, 자기 보존 철편으로서 자석 배열을 위한 홈을 가지는 Yoke, Yoke를 좌우 왕복 회전 및 연속 회전이 가능하도록 구성되는 회전용 모터로 구성되어 있다. 500 mm 폭의 기판에 균일한 박막 증착을 위하여 타겟 전체길이는 700 mm, 두께는 9 mm로 제작하였다.
- 길이 20 mm인 NdFeB 자석을 사용하였으며, 중심 자석 및 가장자리 자석의 크기는 각각 20 mm × 15 mm, 10 mm × 15 mm, 자속밀도는 각각 4,750 Gauss, −4,680 Gauss 이었다.
- 7에 나타내었다. 본 연구에서 제작한 마그네트론 소스는 타겟, 타겟 접착이 가능하도록 구성된 Backing plate, 자기 보존 철편으로서 자석 배열을 위한 홈을 가지는 Yoke, Yoke를 좌우 왕복 회전 및 연속 회전이 가능하도록 구성되는 회전용 모터로 구성되어 있다. 500 mm 폭의 기판에 균일한 박막 증착을 위하여 타겟 전체길이는 700 mm, 두께는 9 mm로 제작하였다.
- AZO(나노신소재, ZnO2 : Al2O3 = 98 : 2)박막의 증착 속도 및 균일도에 영향을 미치는 주요 변수를 참고하여 선행공정을 통하여 공정조건을 구하여 공정을 진행하였다. 사용된 기판은 도레이 첨단소재 PET film(model:XG-6SF2, thickness: 100 um, width: 1580 mm)을 사용하였다. DC pulse power 2.
- 자석 배열에 따른 타겟 식각 특성 해석 결과를 바탕으로 500 mm 기판용 마그네트론 소스를 제작하였으며, 제작된 실물 사진을 Fig. 7에 나타내었다. 본 연구에서 제작한 마그네트론 소스는 타겟, 타겟 접착이 가능하도록 구성된 Backing plate, 자기 보존 철편으로서 자석 배열을 위한 홈을 가지는 Yoke, Yoke를 좌우 왕복 회전 및 연속 회전이 가능하도록 구성되는 회전용 모터로 구성되어 있다.
- 1과 같은 자석구조에서 자석의 높이를 20 mm로 고정하고 자석폭 및 배열 각도를 변화에 따른 수평 자속밀도(Bxy)의 영향을 전산모사하였다. 전산모사에 사용된 자석은 NdFeB 이며, 중심부에 놓이는 자석의 폭과 가장자리 부에 놓이는 자석의 폭을 조정하여 10mm 두께의 타겟을 부착하였을 때 수평 자속밀도(Bxy)가 500~600 Gauss를 가지도록 하였다. 또한, 중심부와 가장자리에 놓이는 자석의 각도를 조정하여 좌 · 우 왕복 운동시 타겟의 전면적이 균일하게 식각될 수 있도록 좌석의 최적크기와 위치를 전산모사하였다.
이론/모형
- 마그네트론 소스를 제작하기 전 타겟 식각 특성을 사전에 검증하기 위하여 자석 배열에 관한 전산모사를 하였다. 전산모사는 Maxwell program을 이용하여 자석 배열에 따른 타겟 표면의 자계 분포를 해석하는 방식으로 수행하였다.
성능/효과
- 개발 마그네트론 소스의 타겟 사용 효율을 3차원 측정기(Hexagon Metrology, ALPHA 25501)를 사용하여 측정하였다. Fig. 8과 같이 타겟 식각전 후의 형상을 실측하여 도면화한 후 전체 부피 대비 사용 부피를 계산한 결과 약 53.7% 사용효율[(702-324.9) cm3/702 cm3= 53.7]을 가질 것으로 판단된다. 시뮬레이션과 실제테스트 사이의 오차를 감안하여 자석 구조를 개선하면 사용효율을 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
- 가장자리 자석의 폭이 커질수록 Bxy 크기 및 Bxy 최대값 사이의 거리가 증가하였다. 가장자리 자석의 크기가 10 mm 일 때 좌, 우 Bxy 최대값 간의 거리가 60 mm 로 나왔으며, 가장 최적의 값을 가졌다.
- 면저항과 두께 균일도는 ±4.13%, 1.62% 이내였으며, 비저항값은 2.79 × 10−3 Ω·cm 로 다소 높게 나왔다.
- 앞선 선행테스트 결과에서 유추할 때 Roll-to-Roll 시스템의 기저압력(base pressure)이 5 × 10−6 Torr 로 다소 높은 점과, PET film 자체의 수분이 완전히 제거되지 않아 지속으로 Outgasing이 발생하는 것에 그 원인이 있다고 판단된다.
- 마그네트론 소스 구조에서 중심부 및 가장자리에 놓여 지는 자석 크기 변화에 따른 자속밀도를 해석하였다. 중심부 자석 폭의 길이 20 mm, 가장 자리 부 자석 폭의 길이 10 mm로 설정하고 자석간의 간격이 56도 일때 타겟 사용 효율이 가장 좋은 것으로 나타났다.
- Bxy는 중심부 자석에서 좌 · 우측영역으로 진행함에 따라 는 증가하며, 약 30 mm 근처에서 최대치를 형성한 후 감소하였다. 중심부 자석의 폭이 커질수록 Bxy는 490에서 630 Gauss로 증가하였으며, 좌, 우 Bxy값이 최대인 구간 사이의 거리(Fig. 2의 (a))가 멀어짐을 볼 수 있다.
후속연구
- 7]을 가질 것으로 판단된다. 시뮬레이션과 실제테스트 사이의 오차를 감안하여 자석 구조를 개선하면 사용효율을 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
- 향후 타겟 사용 효율이 높은 마그네트론 소스의 개발을 위해서는, 시뮬레이션과 실제 테스트 사이의 오차를 감안하여 자석 구조를 개선해야 할 것으로 판단된다.
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