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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 회전속도 및 정밀한 위치(각)제어의 한계를 지닌 AC모터와 상용화된 제어소프트웨어를 스핀코팅 박막 두께와 회전속도에 관한 연구를 하기 위해 연구자가 용이하게 사용할 수 있도록 GUI(Graphic User Interface)형태인 LABVIEW 소프트웨어를 이용하여 하부 기판을 회전시키는 스텝모터를 원하는 속도와 위치제어를 할 수 있도록 스핀 코팅 장치 제어시스템을 개발하였다.
제안 방법
- DC 스퍼터링 스핀코팅 방법으로 박막 형성 재료인 탄탈륨(tantalum)을 이용하여 스텝 모터 회전속도 증가에 따른 박막 두께 감소에 대한 선형적 관계식을 유도하였다. 이를 위해 실험을 통해 획득한 속도 변수 6개(1, 5, 10, 25, 50, 100)PPS 값 중 박막두께 측정값이 부정확한 100PPS를 제외한 나머지 5개의 SEM 측정 데이터 값을 통해 Fig.
- Fig. 3은 개발한 전체 시스템의 개요를 나타내며 개발한 LABVIEW기반 제어 소프트웨어를 사용자가 원하는 위치(각)와 속도 PPS(Pulse Per Second)를 입력하면 RS 232 시리얼 통신을 통해 모션 컨트롤러에서 디지털(digital)스텝 신호를 생성하여 모터드라이버에 신호(signal)을 전송하면 모터 드라이버에서 스텝 신호를 읽어 들인 후에 한 스텝(one step)당 분해능(resolution) 0.1° 만큼 스텝 모터(step motor)가 회전할 수 있도록 제어시스템을 설계하였다.
- JOG Mode에서는 사용자가 원하는 위치로 수동조작(manual operation)을 할 수 있도록 CW(Clock Wise) 시계방향과 CCW(Counter Clock Wise) 반시계방향으로 회전할 수 있도록 설계하였고 실시간 현재 위치(realtime current position)를 사용자가 볼 수 있도록 그래프 형태, 숫자형 인디케이터(indicator) 및 게이지(gauge)형태의 세 가지 형태로 확인 할 수 있도록 설계하였다.
- 4와 5는 스핀코터의 하부기판을 제어하기 위해 LABVIEW소프트웨어를 이용하여 개발한 제어 프로그램이다. PC와 스텝모터 모션 컨트롤러 사이의 RS 232통신을 위한 통신포트(communication port)설정 메뉴와 위치(각)을 제어하기 위한 증분형(incremental type)과 절대형(absolute type)두 가지 형태로 제작하였다. 증분형은 사용자가 위치각을 60°씩 입력한 후 시작버튼을 6회 클릭 할 경우 360° 회전할 수 있도록 설계하였으며, 절대형의 경우 위치각에 360°를 입력하면 시작 버턴을 1번만 클릭하면 360° 회전할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 DC스퍼터링(direct current sputtering)방식의 스핀코팅 장치의 하부기판을 회전시키기 위해 기존에 장착되어 있는 AC모터의 회전속도 및 회전각에 대해 정밀제어가 가능한 스텝모터(step motor)를 활용하여 GUI(Graphic User Interface)방식의 LABVIEW 소프트웨어를 이용한 제어시스템을 개발한 후 스텝모터의 속도(PPS : Pulse Per Second)1, 5, 10, 25, 50, 100으로 입력 값 설정 후 하부기판을 회전시켜 6개의 탄탈륨 박막 샘플을 제작하였다. SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 6개의 샘플의 박막 두께를 측정한 후 속도증가에 따른 박막 두께 감소에 대한 선형적(linear)관계를 분석하고 회귀분석법(regression analysis)의 일종인 커브피팅(urve fitting)을 이용하여 회전속도에 따른 탄탈륨 박막 두께의 정량적 데이터 신뢰성을 검증하고 탄탈륨 박막 두께에 대한 선형적 수학 모델을 제안하고자 한다.
- 최초 1회 회전을 한 경우 박막 두께가 너무 얇아서 측정이 불가능하여 10회로 설험조건을 변경하여 실험을 진행하였다. nm사이즈의 탄탈륨(TA) 박막층과 SI모재 층의 경계층 구분을 분명히 하기 위해 실리콘 모재의 Fig. 7의 우측부분과 같이 SI모재 층 일부를 알루미늄으로 감싼 후 실험을 진행하였다. Fig.
- 개발한 스핀 코팅 장치 제어시스템으로 회전속도 1, 5, 10, 25, 50, 100PPS(Pulse Per Second)로 설정한 후 박막소재인 탄탈륨(TA)을 이용하여 SI기판위에 코팅을 한 후 6개의 샘플을 제작하였다. SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 6개의 샘플의 박막두께에 대해 측정한 후 회전속도 증가에 따른 박막 두께 감소에 관한 선형적 상관관계(corelation)를 검증하기 위해 너무 얇은 박막두께 평균값 6.
- 스텝모터의 회전속도(PPS)와 박막 두께(thin film thickness) 의 선형적 상관관계를 검증하기 위해 스핀코터 장치의 상부에 위치한 기존의 AC모터를 스텝모터로 교체하였다. 또한 3단계(10, 100, 1000) RPM(Revolution Per Minute)의 속도 입력만 가능한 회전속도의 제약을 지니는 상용소프트웨어를 하부기판 속도와 위치각을 사용자가 원하는 설정 값으로 입력할 수 있도록 LABVIEW 소프트웨어로 제어시스템을 개발하여 본 연구에 대한 실험을 수행 할 수 있도록 Fig. 9와 같이 장치를 구성하였다.
- 1° 만큼 스텝 모터(step motor)가 회전할 수 있도록 제어시스템을 설계하였다. 또한 사용자가 원하는 속도(PPS : Pulse Per Second)로 설정한 후 신호를 전송하면 스텝모터가 사용자가 원하는 제어 조건으로 동작하도록 설계하였다.
- 증분형은 사용자가 위치각을 60°씩 입력한 후 시작버튼을 6회 클릭 할 경우 360° 회전할 수 있도록 설계하였으며, 절대형의 경우 위치각에 360°를 입력하면 시작 버턴을 1번만 클릭하면 360° 회전할 수 있도록 하였다. 또한 속도를 1~3,600PPS(Pulse Per Second)까지 입력할 수 있도록 설계하였다. 3,600이상인 경우에서는 스텝모터가 회전하지 않고 진동(vibration)만 하는 탈조현상이 발생하여 최대값(peak value)에 대해 상한값(limit value)을 3600 PPS로 설정하였다.
- 본 연구에서는 DC스퍼터링(direct current sputtering)방식의 스핀코팅 장치의 하부기판을 회전시키기 위해 기존에 장착되어 있는 AC모터의 회전속도 및 회전각에 대해 정밀제어가 가능한 스텝모터(step motor)를 활용하여 GUI(Graphic User Interface)방식의 LABVIEW 소프트웨어를 이용한 제어시스템을 개발한 후 스텝모터의 속도(PPS : Pulse Per Second)1, 5, 10, 25, 50, 100으로 입력 값 설정 후 하부기판을 회전시켜 6개의 탄탈륨 박막 샘플을 제작하였다. SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 6개의 샘플의 박막 두께를 측정한 후 속도증가에 따른 박막 두께 감소에 대한 선형적(linear)관계를 분석하고 회귀분석법(regression analysis)의 일종인 커브피팅(urve fitting)을 이용하여 회전속도에 따른 탄탈륨 박막 두께의 정량적 데이터 신뢰성을 검증하고 탄탈륨 박막 두께에 대한 선형적 수학 모델을 제안하고자 한다.
- 본 연구에서는 기존의 정밀한 위치제어의 문제점을 지닌 AC(Alternating Current)모터와 3단계(10, 100, 1000)rpm 속도제어만 가능한 상용화 소프트웨어를 오토닉스社의 스텝모터로 교체한 후 스핀코터 하부기판의 정밀한 위치제어(position control) 및 속도제어(speed control)를 할 수 있도록 내쇼날 인스트루먼트社의 LABVIEW 소프트웨어를 사용하여 제어시스템을 개발하였다. Fig.
- 본 연구에서는 진공 챔버에 아르곤 가스를 주입하여 플라즈마(plasma)상태로 만든 후 내부 압력이 높은 상태에서 아르곤 가스를 제거하여 내부 압력을 8mTorr로 유지시켰다. 진공 챔버 내부의 실리콘 모재에 50W의 전력을 공급하고 박막 재료를 위한 코팅 타겟 물질인 탄탈륨 TA를 타겟 건(target gun)을 통해 주입시켜 지그(zig)위에 SI실리콘 기판을 탑재 한 후 스텝모터를 이용한 DC 스퍼터링 방식의 스핀코팅 장비의 하부 기판을 1, 5, 10, 25, 50, 100 PPS(Pulse Per Second)로 10회 동안 회시킨 후 6개의 샘플을 제작하였다.
- 스텝모터의 회전속도(PPS)와 박막 두께(thin film thickness) 의 선형적 상관관계를 검증하기 위해 스핀코터 장치의 상부에 위치한 기존의 AC모터를 스텝모터로 교체하였다. 또한 3단계(10, 100, 1000) RPM(Revolution Per Minute)의 속도 입력만 가능한 회전속도의 제약을 지니는 상용소프트웨어를 하부기판 속도와 위치각을 사용자가 원하는 설정 값으로 입력할 수 있도록 LABVIEW 소프트웨어로 제어시스템을 개발하여 본 연구에 대한 실험을 수행 할 수 있도록 Fig.
- 증분형은 사용자가 위치각을 60°씩 입력한 후 시작버튼을 6회 클릭 할 경우 360° 회전할 수 있도록 설계하였으며, 절대형의 경우 위치각에 360°를 입력하면 시작 버턴을 1번만 클릭하면 360° 회전할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 진공 챔버에 아르곤 가스를 주입하여 플라즈마(plasma)상태로 만든 후 내부 압력이 높은 상태에서 아르곤 가스를 제거하여 내부 압력을 8mTorr로 유지시켰다. 진공 챔버 내부의 실리콘 모재에 50W의 전력을 공급하고 박막 재료를 위한 코팅 타겟 물질인 탄탈륨 TA를 타겟 건(target gun)을 통해 주입시켜 지그(zig)위에 SI실리콘 기판을 탑재 한 후 스텝모터를 이용한 DC 스퍼터링 방식의 스핀코팅 장비의 하부 기판을 1, 5, 10, 25, 50, 100 PPS(Pulse Per Second)로 10회 동안 회시킨 후 6개의 샘플을 제작하였다.
- 최초 1회 회전을 한 경우 박막 두께가 너무 얇아서 측정이 불가능하여 10회로 설험조건을 변경하여 실험을 진행하였다. nm사이즈의 탄탈륨(TA) 박막층과 SI모재 층의 경계층 구분을 분명히 하기 위해 실리콘 모재의 Fig.
데이터처리
- Fig. 12는 탄탄륨 박막 두께 평균값의 2차(quadratic polynomial)커브피팅(curve fitting)방법을 이용하여 선형적 관계 및 피팅(fitting)된 데이터의 선형 근사 곡선과 실험한 5개의 데이터의 잔류 값(residual value)을 검증하기 위해 MATLAB 소프트웨어를 사용하여 나타내었다. 2차 커브피팅 곡선에서 오차의 최솟값(min value)을 가지는 데이터는 50PPS에 나타났으며, 최댓값(max value)은 10PPS에서 나타남을 확인할 수 있다.
- Fig. 13은 Fig. 12와 동일한 방식으로 탄탈륨 박막 두꼐의 평균값을 이용하여 3차(cubic polynomial) 커브피팅(curve fitting) 방법을 이용하여 선형적 관계를 검증하기 위해 피팅(fitting)된 데이터 선형 근사 곡선과 실험한 5개의 데이터의 잔류 값 (residual value)을 검증하기 MATLAB소프트웨어를 사용하여 표현하였다. 3차 커브피팅 곡선의 경우 50PPS에서는 오차가 발생하지 않았으며 오차의 최솟값을 가지는 데이터는 25PPS에서 확인할 수 있으나 오차 값이 0.
- 65%의 데이터 신뢰성(credibility)을 지님을 확인할 수 있었다. 또한 5개의 탄탈륨 박막 샘플들의 실험결과 데이터로 회귀분석 (regression analysis)법을 이용하여 수학적 선형 모델 방정식을 유도하였다. 본 연구 결과를 바탕으로 스핀 코팅을 위한 하부 기판의 회전속도제어 및 정밀 위치(각)제어에 관한 다양한 연구를 위해 개발한 스핀코터 제어시스템이 활용될 것으로 기대하며 또한 박막소재인 탄탈륨에 대해 박막두께와 회전속도의 선형적 상관관계에 대한 수학적 모델 방정식을 유도함으로써 실험하지 않은 속도들에 대해 박막두께 예측이 가능하다.
- 9965이었다. 이는 실험한 데이터의 신뢰성 이 3차 선형곡선에 대해 99.65%의 신뢰성을 가지므로 3차 선형 곡선 모델이 탄탈륨을 이용한 본 연구 실험에 대해 회전속도와 박막 두께의 선형적 관계를 확인할 수 있으며 3차 커브 피팅 곡선을 통해 회귀분석(regression analysis)법을 이용하여 수학적 모델을 유도하고 회전속도와 두께에 관한 선형적 관계를 식(1)에 나타내었다.
- DC 스퍼터링 스핀코팅 방법으로 박막 형성 재료인 탄탈륨(tantalum)을 이용하여 스텝 모터 회전속도 증가에 따른 박막 두께 감소에 대한 선형적 관계식을 유도하였다. 이를 위해 실험을 통해 획득한 속도 변수 6개(1, 5, 10, 25, 50, 100)PPS 값 중 박막두께 측정값이 부정확한 100PPS를 제외한 나머지 5개의 SEM 측정 데이터 값을 통해 Fig. 6과 같이 샘플의 박막 두께 좌, 우 데이터의 평균값(mean value)를 구한 후 MATLAB 소프트웨어를 이용하여 커브피팅(curve fitting)방법으로 선형 근사곡선을 표현하여 회귀분석(regression analysis)법을 이용하여 선형적 근사식 모델을 유도하였다.
성능/효과
- 12와 동일한 방식으로 탄탈륨 박막 두꼐의 평균값을 이용하여 3차(cubic polynomial) 커브피팅(curve fitting) 방법을 이용하여 선형적 관계를 검증하기 위해 피팅(fitting)된 데이터 선형 근사 곡선과 실험한 5개의 데이터의 잔류 값 (residual value)을 검증하기 MATLAB소프트웨어를 사용하여 표현하였다. 3차 커브피팅 곡선의 경우 50PPS에서는 오차가 발생하지 않았으며 오차의 최솟값을 가지는 데이터는 25PPS에서 확인할 수 있으나 오차 값이 0.02nm이하이며, 최댓값은 5PPS에서 0.3nm이하임을 확인할 수 있다.
- 개발한 스핀 코팅 장치 제어시스템으로 회전속도 1, 5, 10, 25, 50, 100PPS(Pulse Per Second)로 설정한 후 박막소재인 탄탈륨(TA)을 이용하여 SI기판위에 코팅을 한 후 6개의 샘플을 제작하였다. SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 6개의 샘플의 박막두께에 대해 측정한 후 회전속도 증가에 따른 박막 두께 감소에 관한 선형적 상관관계(corelation)를 검증하기 위해 너무 얇은 박막두께 평균값 6.44nm의 값을 나타내 는 100PPS를 제외한 5개의 샘플의 측정된 데이터에 대해 3차 커브 피팅을 이용한 결과 50PPS에서는 선형곡선에 대해 일치 하였다. 또한 25PPS에서는 선형곡선에서 최소 오차(least error) 값이 0.
- 또한 실험한 데이터로 3차 커브피팅을 통해 데이터 분석을 한 결과 SSE(Sum of Square Error)의 값은 0.1521, RSEM(Root Square Means Error)의 값은 0.39로 각각 나타났으며, Adjusted R-square의 값이 0.9965이었다. 이는 실험한 데이터의 신뢰성 이 3차 선형곡선에 대해 99.
- 2차 커브피팅 곡선에서 오차의 최솟값(min value)을 가지는 데이터는 50PPS에 나타났으며, 최댓값(max value)은 10PPS에서 나타남을 확인할 수 있다. 실험한 데이터로 2차 커브 피팅을 통해 데이터 분석을 한 결과 SSE(Sum of Square Error)의 값은 20.11, RSME(Root Sqaure Means Error)의 값은 3.171로 각각 나타났으며, Adjusted R-square의 값이 0.7717이었다. 이는 실험한 데이터의 신뢰성이 2차 선형곡선에 대해 77.
- 3nm이하의 값을 가졌다. 이에 대해 3차 커브 피팅 곡선에 대해 99.65%의 데이터 신뢰성(credibility)을 지님을 확인할 수 있었다. 또한 5개의 탄탈륨 박막 샘플들의 실험결과 데이터로 회귀분석 (regression analysis)법을 이용하여 수학적 선형 모델 방정식을 유도하였다.
후속연구
- 또한 5개의 탄탈륨 박막 샘플들의 실험결과 데이터로 회귀분석 (regression analysis)법을 이용하여 수학적 선형 모델 방정식을 유도하였다. 본 연구 결과를 바탕으로 스핀 코팅을 위한 하부 기판의 회전속도제어 및 정밀 위치(각)제어에 관한 다양한 연구를 위해 개발한 스핀코터 제어시스템이 활용될 것으로 기대하며 또한 박막소재인 탄탈륨에 대해 박막두께와 회전속도의 선형적 상관관계에 대한 수학적 모델 방정식을 유도함으로써 실험하지 않은 속도들에 대해 박막두께 예측이 가능하다. 따라서 박막 코팅 타겟(target)으로 사용되고 있는 다른 물질들에 대해 회전속도와 박막두께에 관한 선형적 관계를 연구하는데 중요한 참조 모델로 이용될 수 있다.
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