고효율 마그네트론 캐소드의 플라즈마

시뮬레이션 기술지원

2008. 2.

한국전기연구원

석원엔지니어링

산 업 자 원 부

관리번호:

종합기술지원사업 기술지원성과보고서

사 업 명 고효율 마그네트론 캐소드의 플라즈마 시뮬레이션 기술지원

지원책임자

소속 : 융합기술연구단

차세대X-선의료기기연구그룹

성명 : 손 채 화

지원기간2006. 10. 1.부터

2008. 1. 31.까지

사업비 규모

총 150 백만원

지원기관의

참여연구원김 대 호

정 부 출 연 금 : 75 백만원

기업부담금현금 : 45 백만원

현물 : 30 백만원

부품ㆍ소재종합기술지원사업운영요령 제18조의 규정에 의해 종합기술지원사업

수행에 대한 기술지원성과보고서를 제출합니다.

첨 부 : 기술지원성과보고서 5부

2008년 2월 29일

(작성자) 지 원 책 임 자 : 손 채 화

(지원기관장) 한국전기연구원 원장 : 박 동 욱

(확인자) 석원엔지니어링(지원기업) 대표 : 이 종 윤

한국부품소재산업진흥원장 귀하

기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 2006.10.1. ~ 2007.1.31

연구사업명 부품소재종합기술지원사업

지원과제명 고효율 마그네트론 캐소드의 플라즈마 시뮬레이션 기술지원

지원책임자 손채화 지원연구원수

총 : 2 명

내부 : 2 명

외부 : 명

총

사업비

정부: 75,000천원

기업: 75,000천원

계 :150,000천원

지원기관명 한국전기연구원 소속부서명산업기술연구단

전기물리연구그룹

참여기업 기업명 : 석원엔지니어링 기술책임자 : 김 욱 성

요 약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내) 보고서면수 39

진공중 플라즈마 현상을 이용하는 스퍼터링 공정은 반도체 및 특히 평판디스플

레이 분야에서 금속박막 또는 산화물박막을 형성하는 핵심공정에 해당하며, 특

히 이에 사용되는 타겟 재료가 매우 고가이며, 타겟 소모에 따른 타겟 교환에

의한 공정DOWN TIME은 생산성을 중시하는 이들 반도체 및 평판디스플레이 분

야에서 기슬적인 개선을 필요로 하는 부분이기도 하다.

그러나, 이러한 플라즈마 현상은 일반적으로 취급하기에는 어려운 기술이며, 이

를 검증하는 기술자체도 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서만 가능하여, 실험실적으로

검증하기에는 너무나 많은 시간, 인력, 자본이 소요되어 까다로운 기술 분야에

속한다. 본 과제에서는 이러한 문제점을 해결 하고자, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해

캐소드의 타겟사용 효율성을 검증하여, 이에 소요되는 시간, 금전, 인력을 절감

할 수 있는 방안을 국내 최초로 제시하였다.

구체적으로, 캐소드의 핵심장치인 마그네트론에서 타겟 표면상에 형성되는 자기

장의 형상이 타겟 식각현에 미치는 영향을 고려하여, 최적의 자기장 설계가 가

능하도록 하였으며, 최종적으로 실제적인 실험없이도 컴퓨터상으로 장기간의 인

력과 자원의 소모를 감소하도록 노력하였다. 그 결과, 고가의 재료인 ITO 타겟

의 경우, 기존보다 40% 이상 향상된 사용효율을 가지도록, 자기장의 형상을 개

선하였고, Cr 금속타겟용의 경우에는 미흡한 면은 있으나, 혁신적인 Double

Erosion 형성을 통하여, 타겟사용효율을 더욱 개선하는 방안을 제시하였다. 또

한, 이러한 정지식 캐소드 개념에서 확장하여, 국내처음으로 Moving식 캐소드에

서의 식각형상을 시뮬레이션하는데도 성과를 거두어, 이러한 기술을 적용하는

국내 초대형 TFT LCD용 스퍼터 장비에도 적용가능한 초석을 마련하였다.

이상과 같은 기술적 성과는, 선진국에서도 3개 업체 정도만 보유하여, 외부에

는 노출되지 않는 핵심기술로서, 단기간에 개발될 수 있는 기술이 아니지만, 목

표가 높기는 했지만, 국내 처음 시도하여 상당한 성과를 거두었고, 이를 좀더 발

전시킨다면 국내 전무한 스퍼터용 캐소드 기술에서도 우리산업이 기술을 선점할

수 있는 기초가 되었으며, 이러한 기술근거를 바탕으로 대당 백억원에 달하는

첨단 스퍼터 장비시장에 국내업체가 도전할 수 있는 기술력을 갖게 되는 계기가

되었다. 색 인 어

(각 5 개 이상)

한글 마그네트론, 스퍼터, 플라즈마, 시뮬레이션, 식각, 타겟

영어 magnetron sputter, plasma, simulation, erosion, target

기술지원성과 요약문

1. 사업목표

스퍼터 장비용 핵심부품인 캐소드 장치에서 타겟 사용효율을 향상시킬 수 있도

록 마그네트론의 자기장의 형상이 타겟 식각에 미치는 영향을 시뮬레이션하여,

기존에 엄청난 인력과 장비 및 고가재료를 통해서만 하던 예측 불가능했던 개선

안 마련과 그 검증방법을, 컴퓨터 시뮬레이션으로 개선안 마련과 검증을 할 수

있게 하여, 국내 최초로 고효율 스퍼터용 캐소드 기술을 진일보시키고, 이를 통

해 스퍼터 장비시장의 기술력 향상으로 반도체 및 디스플레이 산업에서 스퍼터

장비의 수입대체와 수출증대를 목표로 한다.

2. 기술지원내용 및 범위

스퍼터링 장치에서 핵심부품인 캐소드장치에서 타겟 사용효율을 높여 설비의 가

동시간을 향상시키고, 타겟재료를 절감할 수 있는 캐소드장치의 설계기술을 개

발하는 것이다. 주로 MAXWELL 이나 OPERA, comsol 등의 전자기장

SIMULATION S/W를 사용하여 최적의 자기장을 형성할 수 있도록 설계하고 이

를 실물에 적용하여 캐소드를 제작하여 그 효과를 검증하는 것이다.

<지원요청정개요>

1) 전자기장 SIMULATION S/W를 사용하여 고효율 마그네트론 캐소드에서 자기

장의 최적 설계기술 방법 지원

2) 플라즈마 거동을 감안한 최적의 고효율 캐소드용 설계기술 지원

3) 재료특성(주로 ITO타겟 및 금속 타겟 재료)에 따른 캐소드 설계기술 지원

4) 마그네트론 캐소드에서 타겟 식각 형태 SIMULATION 기술 지원

3. 지원실적

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

Cathode설계(자기장) 기존 설계 답습 수준시뮬레이션응용

설계능력확보특허출원중

플라즈마 거동 고려

(아노드설계)기술경험이 없었음

캐소드 설계시 아노드

영향도 같이 고려

타겟재료 식각 검증 단순 Try & Error방식사전 컴퓨터 시뮬레이션

이용 시간/인력/자본 절약

타겟재료 식각 예측 단순 Try & Error방식시뮬레이션 및 프로그램

이용 시간/인력/자본 절약

프로그램

등록중

스퍼터 원리 기존 경험 위주 이론적 배경 성립

4. 기술지원 성과 및 효과

1) 해당기술 적용제품

○ 적용제품명 : 스피터 캐소드

○ 모 델 명 : Cr타겟 면적 : 150 * 1000(㎜)

ITO타겟 면적 : 178 * 1114(㎜)

Cu타겟 면적 : 860 * 950(㎜)

2) 품질 및 가격

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

Cr타겟 사용효율 25% 25% 25%

ITO타겟 사용효율 25% 25% 36%

Cu타겟(Moving식) 시뮬레이션 불가 시뮬레이션가능

※ 객관화 된 DATA를 근거로 작성

3) 원가절감 효과

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 50백만원/년( 50%) 장비 1대 기준

인건비 절감 10백만원/년( 30%) 장비 1대 기준

계 62백만원/년( 45%)

4) 적용제품 시장전망(매출성과)

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 1,000 백만원/년 2,000 백만원/년 200 %

수 출 천달러/년 500 천달러/년 %

계 1,000백만원/년 2,500 백만원/년 316 %

참고) 1. 적용제품 주요수출국 : 일본

2. 작성당시 환율기준 : 910원

5) 수입대체효과

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

Metal cathode 2,000천달러/년 1,000천달러/년 1,000천달원/년 국내기준

ITO Cathode 2,000천달러/년 2,000천달러/년 1,000천달러/년 국내기준

Moving Cathode 4,000천달러/년 4,000천달러/년 1,000천달러/년 국내기준

계 8,000천달러/년 3,000천달러/년 3,000천달러/년 국내기준

6) 해당기술의 기술력 향상 효과

- ITO타겟의 사용효율이 기존 25%에서 36%로 증가되어 캐소드의 기술력증대

- Cr 등 Metal 캐소드에 대한 설계능력 향후 1년내 타겟 사용효율이 기존 25%

에서 40% 수준으로 증대 예상.

- 플라즈마 시뮬레이터 사용을 통한 설계 효율성 향상

- 식각 형상 및 깊이 예측 프로그램 활용을 통한 설계 효율성 제고

7) 기술적 파급효과

- 고가 타겟재료활용 분야인 ITO캐소드분야 고객중 수요 증대 예상.

- 금속박막 스퍼터링 분야에서 Metal 캐소드기술에 대한 기술영업력 증대.

- 신규 Cluster Type 스퍼터 장비분야 신규 시장 창출

- 국내․외 시장의 확장으로 지원기업의 이익 증대

5. 적용기술 인증, 지적재산권 획득여부

1) 규격, 인증획득

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

2) 지적재산권

종 류 명칭 번호발명자

(고안자)권리자 실시권자

비고

(등록,출원)

실용신안타겟 사용효율을 향상시

키는 백킹플레이트 구조

손채화,

김육성출원증

프로그램

등록

마그네트론 스퍼터의 식

각 깊이 및 형상 예측 프

로그램

손채화,

김욱성출원중

6. 세부지원실적

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 6 건고효율 식각기술, 논문의 전반적 파악

시뮬레이터 사용법 교육/전수시제품제작 2 건 고효율 스퍼터 실험용 장치공정개선 1 건 식각 효율 향상품질향상 1 건 HCD gun의 성능 향상시험분석 1 건 식각 데이터 확보수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 3 건

시뮬레이터 사용법 교육/시뮬레이터내의 플

라즈마 거동 및 결과 분석 교육/태양열 사업

관련 스퍼터의 응용 사례기술마케팅/경영자문 건정책자금알선 건논문게재 및 학술발표 건사업관리시스템

지원실적업로드 회수 건

지원기업 방문회수 8 건 고효율용 백킹 플레이트 설계 기술 완성기 타 건

7. 종합의견

고효율 스퍼터 캐소드 기술발전을 원하는 지원기업의 요구에 따라, 컴퓨터 시뮬

레이션으로 자기장 및 플라즈마를 시뮬레이션 하여 타겟의 사용효율을 높일 수

있는 스퍼터 캐소드를 개발하였고, 이를 통해 Customer 요청에 따른 고효율 캐

소드 개발기간 단축되고 기술력이 향상되어 이 분야의 국내/수출 매출확대가 가

능해지게 되었다.

□ 연구과제(세부과제) 성과

1. 과학기술 연구개발 성과

□ 논문게재 성과

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

(11) 저자(12)

학술지명

(13)

Vol.

(No.)

(14)

국내외

구분

(15)

SCI

구분주저자

교신

저자

공동

저자

2. 사업화 성과

□ 특허 성과

○ 출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2008타겟 사용효율을 향상시키는

백킹플레이트 구조손채화, 김욱성 한국 출원중

2008마그네트론 스퍼터의 식각 깊

이 및 형상 예측 프로그램손채화, 김욱성 한국 프로그램 등록중

○ 등록된 특허의 경우

특허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록인

(12)

등록국

(13)

등록번호

□ 사업화 현황

사업화 세부사항

(9)

사업화

명

(10)

사업화

내용

(11) 사업화 업체 개요(12)

기 매출액

(백만원)

(13)

당해연도

매출액

(백만원)

(14)

매출액

합계

(백만원)

업체명 대표자종업원

수

사업화

형태

고효율

캐소드

고효율

캐소드

제조

석원엔지

니어링이종윤 14 4 0

1,000

(예정)

1,000

(예정)

Dual

고효율

캐소드

Dual

고효율

캐소드

석원엔지

니어링이종윤 14 4 0

1,000

(예정)

1,000

(예정)

주11) 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 1. 연구책임자 창업, 2. 기술이전에 의한

창업, 3. 창업지원, 4. 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입

□ 고용창출 효과

고용창출 세부사항

(9)

창업

(명)

(10)

사업체 확장

(명)

(11)

합계

(명)

1

주9) 창업의 경우는 “2. 사업화 성과”에서 사업화 현황의 종업원 수를 기입

10) 사업체 확장에 의한 고용창출은 국가연구개발사업을 통해서 기업체의 팀이나

부서의 신규 생성 및 확대에 의한 것을 의미하며 확인된 경우만 기입

□ 세부지원실적 증빙 내용

1. 지원기업 현장방문 : 8건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2006.11.29리눅스시스템/시뮬레이션 코드 인스톨 완료

후 전달/사용법 및 결과 분석 토의출장근거서류

2 2007.02.083차원 자기장을 이용한 이전 시뮬레이션 연

구결과 발표 및 토의〃

3 2007.04.19 자기장 계산 결과 전달 및 토의 〃

4 2007.05.31 Cathode의 구조 설계에 대한 의논 〃

5 2007.12.11윈도우즈 상의 코드 시뮬레이션 방법 토의

애노드 구조 및 전압 인가 방법 토의〃

6 2008.01.15 새로운 자기장 하의 플라즈마 거동 토의 〃

7 2008.01.23 자기장 분석 데이터 전달 및 토의 〃

8 2008.01.30 자기장과 식각 형상 관계 분석 및 토의 〃

2. 기술정보제공 : 6건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2006 리눅스 시스템 및 시뮬레이션 코드 인스톨 전달

2 2007 마그네트롤 스퍼터 논문집 제본

3 2007 마그네트론 이전 연구 내용 발표 및 전달 전달

4 2007 플라즈마 시뮬레이션 동영상 파일로 전달

5 2007 윈도우즈 상에서 동장하는 리눅스/코드 인스톨 전달

6 2007애노드 효과 논문 전달 (A. Belkind et al.

surface and coatings, 99 p.52)전달

3. 시제품제작 : 2 건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2007 식각 실험용 챔버 장치

2 2007 고효율 캐소드용 백킹 플레이트

4. 시험 분석 : 1 건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무1 2007.04.24 구리테스트 타겟 식각 프로파일분석 유

4. 기술지원실적 업로드 : 건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내외 기술현황

제 1 절 미국/유럽의 기술

제 2 절 일본의 기술

제 3 절 한국의 기술

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1. 고효율 마그네트론의 제작 및 실험

가. SN 고효율 캐소드 실험

나. ITO 타겟을 이용한 식각 실험

2. 시뮬레이션을 통한 최적화 연구

가. 자기장 시뮬레이션 및 최적화

나. 시뮬레이션을 통한 플라즈마 거동 연구

다. 시뮬레이션을 통한 식각 예측

3. 실험과 시뮬레이션의 타겟 식각 비교

가. 구리 타겟의 경우

나. ITO 타겟의 경우

4. 소프트웨어를 이용한 타겟 식각 예측 및 보정

제 2 절 기술지원 성과

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 1 절 지원목표

제 2 절 목표달성도

제 3 절 관련분야 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

지원기업은 스퍼터링 용 고효율 캐소드 및 이를 활용한 스퍼터링 장비를 설계/제조

하는 업체로서, 기본적인 전자기장 S/W 활용기술은 일부 보유중이나, 설계된 마그

네트론 캐소드를 실제 적용했을 때, 나타나는 타겟 식각의 형태 등을 시뮬레이션을

할 수 있는 능력은 갖추지 못하여 많은 비용과 인력을 들여 이러한 테스트를 장,

기간에 걸쳐 실제로 실행해야 하며, 캐소드의 성능개선에도 한계가 되었다

반면, 영국의 Gencoa등 선진사에서는 이러한 타겟 식각의 예상형태는 플라즈마 시

뮬레이션을 통해 재현할 수 있는 기술을 보유하고 있어, 지원기업은 이러한 기술은

격차를 극복하기 힘든 처지에 있는, 이러한 기술력의 열세는 스퍼터 장비분야에서

지원기업이 유리한 기회를 선점하는데 있어 큰 난관이 되고 있어 이를 극복하는데

기술지원이 필요한 상황이었다.

제 2 절 기술지원 목표

마그네트론 스퍼터는 구리 등 금속 재료를 박막 증착하는 장비로 고순도의 원재료

를 식각하여 substrate에 증착하게 된다. 최근 원재료의 가격이 상승하여 재료비가

상승하고 이는 금속 재료를 사용하는 국내 디스플레인 제품의 가격 상승과 원가 상

승으로 이어지게 되었다. 반면 국산 스퍼터의 식각 효율이 낮아서 재료의 많은 부

분을 활용하지 못하고 있다. 따라서 재료의 식각 효율을 높여 재료의 활용도를 높

이는 연구가 필수적이다. 본 연구에서는 시뮬레이션 방법을 이용하여 자기장의 최

적화 및 스퍼터의 구조 개선을 통하여 모재료의 식각 효율을 높이는 방법을 연구하

는 것을 목표로 한다.

- 기술지원의 최종목표

: 전자기장하에서의 플라즈마 시뮬레이션을 통해, 스퍼터링시 타겟의 식각을 재현

(오차율 20% 이내)하고 타겟 사용 효율을 30% 인상으로 높일 수 있도록 함으로써

지원기업 측의 고효율 스퍼터 캐소드 기술개발을 활성화하고자 함.

본 기술의 주요 목표는 다음 표에 기술되어 있다.

제 3 절 기술지원 내용

- 플라즈마 시뮬레이션을 통한 타겟 식각 형상 시뮬레이션으로 타 기종 개발시에

테스트에 소요되는 시간/비용 단축

- 이전에 이루어진 마그네트론연구의 경험을 바탕으로 체계적인 플라즈마 연구

- 자기장을 시뮬레이션(그림1)을 통한 시스템 자기장 데이터 구축 및 실험과의

비교 (그림2)

- 자기장을 이용한 플라즈마 시뮬레이션으로 플라즈마 분포 및 캐소드 전류 계산

및 캐소드 전류를 이용한 식각 모양 계산 (그림 3)

- 플라즈마 시뮬레이션에 의한 식각 모양 계산과 실험에 의한 값을 비교 분석하여

오차를 목표값 이내로(20%) 줄이고 새로운 자기장을 고안하여 플라즈마 분포를

평탄화하고 캐소드 이용 효율을 올릴 수 있는 방안을 제시.

- 캐소드 재료에 따른 플라즈마의 변화 및 식각 형태 변화 예측

그림1-1. 자기장 시뮬레이션에 의한 결과 예시

그림1-2. 자기장 시뮬레이션에 의한 결과와 실험치의 비교

제 2 장 국내외 기술현황

제 1 절 미국/유럽의 기술

영국의 Gencoa등 선진회사들에서는 이러한 타겟 식각의 예상형태는 플라즈마 시뮬

레이션을 통해 재현할 수 있는 기술을 보유하고 있어 지원기업은 이러한 기술의 격

차를 극복하기 힘든 처지에 있고 이러한 기술력의 열세는 스퍼터 장비분야에서 지

원기업이 유리한 기회를 선점하는데 있어 큰난관이 되고 있어 이를 극복하고자 금

번 기술지원이 꼭 필요한 상황이다. 그러나, 타사에서는 이러한 시뮬레이션 기술을

실제로 적용하고 있으나 외부에 공개하지 않고 있어, 그 수준을 파악하기 어렵다.

그림 2-1 영국 Gencoa 사의 캐소드 시뮬레이션

발표된 논문들을 참고하면 미국의 일리노이 대학[1]과 버컬리 대학[2], 영국의 살

포드 대학[3] 등에서 이론 및 시뮬레이션을 이용한 스퍼터 연구가 많이 이루어졌고

시뮬레이터들이 많이 만들어졌다.

제 2 절 일본의 기술

일본에서는 스퍼터 장비의 대 marker인 ULVAC사 등에서 논문에서 일부 기술을 개

발하고 있는 수준단계이며, 산업용으로는 공개하지 않고, 자체 캐소드에만 적용하고

있는 수준이다. 시뮬레이션도 산학 협동으로 많은 연구가 이루어져 왔다.

토호쿠 그룹의 난부 교수는 3차원 PIC 시뮬레이션을 통하여 스퍼터 내의 플라즈마

분포와 여러 가지 물리에 대한 연구를 수행해 왔으며 [4] 사이타마 대학의 이도 교

수팀에서는 시뮬레이션을 통한 식각 형태에 대한 연구가 수행되어져 왔다.[5]

또한 나가사키 대학의 후지야마 교수는 실험과 이론을 검증하는 실험을 많이 수행

해 오고 있다[6].

제 3 절 한국의 기술

한국의 캐소드 시뮬레이션은 아직 개발 전단계 수준에 속하며, 산업적으로 학술적

으로 거의 진척되지 못하고 있다. LG 등에서 실험과 제작이 이루어졌지만 공개되지

않고 있으며 현재 산업계와 긴밀한 협력체제가 필요하지만, 이론과 실제의 차이 부

분에 대한 극복방안과 최적화 방안 등에 있어 경험이 미숙한 단계이다. 이론 및 시

뮬레이션에 대한 연구는 포항공대 이재구 교수팀이 발표한 논문[7] 외에는 괄목할

만한 연구가 진행되지 않고 있다.

제 3 장 기술지원 수행 및 결과

제1 절 기술지원 수행

1. 고효율 마그네트론 제작 및 실험

가. SN 고효율 캐소드 실험

각종 금속박막의 코팅에 대표적으로 사용되는 크롬 (Cr) 고효율 캐소드에 대한 실

험을 진행하였다. 본 캐소드는 개선방법은, 타겟 표면 수직자기장 (B丄)=0 이 되는

지점을 복수개 발생케 하여, 이(B丄)=0 부분에서 타겟 식각이 집중적으로 발생하

도록 하여, 이들 복수개의 Erosion 지역에서 동시다발적으로 타겟 식각이 발생케

하여 타겟 사용효율을 높이는 방식을 추구하였다.

실험내용 및 조건은 다음과 같다.

- Metal Cr 타겟 식각 테스트를 위한 실험

- 타겟 조건 : 150 * 1000 * 12t (Cr)

- 스퍼터 공정조건 :

○ 진공도 : 3mTorr

○ 분위기 gas : Ar

○ 스퍼터 전원 : DC 전원 ARC killer type

○ 스퍼터 전력 : 평균 3.5KW DC

(1) 기존 캐소드 실험

기존의 구식 페라이트 자석을 이용한 마그넷 조립체를 이용하여 타겟 식각을 실시

하였다. 그림3-1에 기존 캐소드의 모습을 보였다.

그림 3-1 구리 타겟을 이용한 기존 SN캐소드 테스트 실험

(기존 스퍼터링 공정 조건 : 공정압력 약3~5 mTorr, 스퍼터 인가전력3.5KW)

그림 3-2 스퍼터링용 DC전원 공급장치

그림 3-3 테스트용 캐소드가 장착된 챔버 1 (BOX 타입) 모습

그림3-4 테스트용 캐소드 냉각수 공급장치

그림3-5 테스트후 식각된 타겟 개선전 모습

그림 3-6 기존 캐소드의 모습 (Ferrite 자석을 이용한 대형 자석이용)모습

그림 3-7 기존 캐소드를 분해한 모습

기존의 일체형 자석에 의해 발생하는 자기장을 그림 3-8에 형상과 데이터를 나타

내었다.

그림 3-8 개선된 SN 캐소드 자기장 형상 및 측정치

그림 3-9 개선된 SN 캐소드 마그넷 구조

그림 3-10 개선전 SN 캐소드에 의한 타겟 식각 형상

(2) 개선된 SN 캐소드 실험

기존의 구식 페라이트 조립체를 개선하여 복수개의 Erosion 영역을 구현하여 타겟

의 사용효율을 높이는 방안을 실시하였다. 그림3-11은 개선된 SN 캐소드의 모습이

다.

그림 3-11 개선된 마그넷을 이용한 타겟 식각 모습과 션트 내장형 백킹 플레이트

그림 3-12 개선된 자기장을 가지는 마그넷 조립체

그림 3-13 개선후 SN 캐소드 자기장 형상 및 측정치

그림 3-14 개선 캐소드에 의한 타겟식각 상태

(개선후, Double Erosion 트랙 형성으로 타겟 식각효율 향상을 도모함)

그림 3-15 개선후 SN 캐소드 마그넷 구조

그림 3-16 개선후 SN 캐소드의 자기장 형태 도해

나. ITO 타겟을 이용한 식각 실험

금속 타겟 뿐만이 아니라 최근 디스플레이 등의 전극으로 주로 사용되는 ITO를 이

용하여 시험을 수행하였다. 다음 그림들은 ITO 실험의 실험장치들과 실험 결과를

나타낸 것이다.

그림 3-17 ITO 타겟을 이용한 캐소드 테스트 실험

(기존 스퍼터링 공정 조건 : 공정압력 약3~5 mTorr, 스퍼터 인가전력 3KW)

그림 3-18 스퍼터링용 공정가스 공급장치

그림 3-19 테스트용 캐소드가 장착된 챔버 1 (인라인형 챔버 타입)

그림 3-20 장착된 캐소드 및 ITO 타겟

그림 3-21 테스트후 식각된 타겟과 백킹 플레이트(션트 내장형)

표. ITO 코팅기판의 면저항 측정값

총36포인트 측정(측정 간격5 ㎝, 기판크기55.6×355.6×1.1㎜)

그림 3-22 ITO 코팅 기판의 코팅균일도(면저항) 측정모습

그림 3-23 캐소드 백킹 플레이트 도면

그림 3-24 캐소드 마그넷 플레이트 도면

그림 3-25 캐소드 단면도

그림 3-26 테스트용 구리 타겟을 이용한 식각 형상

2. 시뮬레이션을 통한 최적화 연구

가. 자기장 시뮬레이션 및 최적화

그림 3-27은 본 연구에서 사용된 실험장치의 개략도이다. 아래쪽에 있는 것이 세

개의 자석과 철심을 나타낸 것이고 위의 발생된 자기장에 의해서 타겟 바로 위에서

플라즈마의 밀도가 최대가 되도록 하도록 하는 것이 목적이다. 따라서 자기장의 계

산과 비교는 본 연구에서 가장 중요한 부분의 하나이다.

그림 3-27 실험에 사용된 장치의 자석과 타겟 부분의 개략도

먼저 그림 3-27과 같은 구조에서 아래 자석에 의한 자기장을 본 연구진이 보유한

자기장 시뮬레이션 소프트웨어(comsol) [8]를 이용하여 자기장을 계산하고 그 결

과를 비교 분석하였다. 그림 3-28은 시뮬레이션을 통하여서 계산한 결과를 보여주

는 것으로 경계 조건에 따라서 다른 결과를 보여주고 있다.

그림 3-28 comsol 소프트웨어를 이용한 자기장 계산 결과

그림 3-29은 캐소드 타겟 부분을 확대하여 나타낸 것이다. 자석에서 나온 자력선

이 철심 코어에 의해 집속되는 모습이 나타나고 자기력선의 모습이 전극 위에서 어

떤 모양이 되는지 알 수 있다. 또한 본 연구에서 새로이 제안된 캐소드 타겟 아래

의 재료 삽입에 의해서 자력선이 변화되는 모습도 나타나 있다. 이를 이용한 결과

는 아래쪽에서 부연 설명하도록 한다.

그림 3-29 자기장 계산 결과의 캐소드 부근 확대도

그림 3-27의 개략도를 살펴보면 캐소드 타겟과 자석 사이에 얇은 판이 들어 있다.

이것은 니켈 재료의 얇은 박막 (0.06㎜)으로 자기장의 최적화에 사용된 것이다. 이

박막의 유무에 따라서 자기장의 형태가 달라지게 된다. 마그네트론 스퍼터에서는

그림 3-1의 y 방향으로의 자기장이 중요한 의미를 갖게 되는데 대부분의 장치에서

는 y 방향 자기장이 0(zero)이 되는 부분에서 식각이 최대로 일어나게 된다[9]. 따

라서 자기장만으로도 식각의 최대 지점을 대략적으로 유추해 볼 수 있다. 또한 자

기장이 0이 되는 지점을 중심으로 플라즈마의 밀도가 높게 분포되므로 y 방향 자기

장이 0이 되는 영역 혹은 0에 가까운 자기장을 그림의 x (타겟에 평행한) 방향으로

넓게 분포하게 하는 것이 플라즈마 밀도를 넓게 분포하게 하여 캐소드의 식각 영역

을 넓히게 되고 따라서 식각 효율도 높아지게 된다.

그림3-30는 니켈 박막이 들어있지 않은 기존의 마그네트론 스퍼터에 사용된 자석

의 자기장을 시뮬레이션한 결과를 y 방향 캐소드의 표면에 수직한 방향 성분, By)

의 자기장을 캐소드 표면을 기준으로 -3㎜에서 3㎜ 사이에서 1㎜ 간격으로 그린

것이다. 이 경우에는 보통 0의 값을 갖는 지점이 좌우에 하나씩만 나타나는 것을

알 수 있다. 대체적으로 이 지점이 플라즈마 밀도와 식각이 최대가 되는 지점이 된

다.

그림 3-30 니켈 박막이 없는 경우의 y 방향 자기장 (캐소드 표면-3㎜에서 3㎜

사이)

반면 니켈 박막이 들어간 경우의 시뮬레이션 결과를 살펴보면 그림 3-31에서 그림

3-33에 나타난 것과 같이 중간지점이나 좌우측 가장자리는 비슷하지만 그 사이 지

점에서 By=0 인 지점을 통과하는 자기장의 형태가 박막이 없을 때와 큰 차이를 보

이는 것을 알 수 있다. 그림 3-5에서 그림 3-7은 박막이 삽입된 경우에 해당하며

박막의 위치가 캐소드 아래 1㎜, 3㎜, 5㎜에 위치한 경우에 대한 각각의 시뮬레이

션 결과이다. 그에 나타난 바와 같이 먼저 By=0이 되는 지점이 위치에 따라 좌우

측에 각각 세 경우가 나타난다. 또한 자기장의 형태가 By=0을 기준으로 편평한 형

태를 보이고 있다. 이를 물리적으로 생각해 보면 캐소드에 수직한 자기장은 거의

제로에 가깝고 수평한 성분만 존재한다. 따라서 전자의 거동이 자기장에 구속될 때

캐소드 표면에 수평하게 움직이게 되고 따라서 플라즈마의 밀도도 또한 기존의 형

태에 비해서 캐소드 표면에 대해 좀 더 넓게 분포하게 되고 따라서 식각도 기존 형

태보다 좀 더 넓어져서 캐소드의 활용도가 높아질 것을 예상할 수 있다. 박막이 있

는 세 가지 경우를 비교할 때 캐소드 아래쪽 표면에 근접한 경우일수록 y 방향 자

기장이 0에 가까운 부분이 더 넓게 분포함을 알 수 있다.

따라서 최대한 캐소드 표면에 근접한 형태를 실험에서 사용하였고 시뮬레이션을 통

하여서도 이를 확인하였다. 향후 다른 형태를 고안할 때에도 이러한 결과를 활용하

여 자기장의 형태를 최적화 하는 것이 가능하다는 것을 확인하였고 기존의 실험적

인 방법에만 의존하던 부분을 시뮬레이션을 통하여 확인하여 향후 시간과 노력을

줄이면서 장비를 설계할 수 있는 기반을 마련하였다고 할 수 있다.

그림 3-31 니켈 박막이 캐소드 아래 1㎜ 지점에 있는 경우의 y 방향 자기장

그림 3-32 니켈 박막이 캐소드 아래 3㎜ 지점에 있는 경우의 y 방향 자기장

그림 3-33 니켈 박막이 캐소드 아래 5㎜ 지점에 있는 경우의 y 방향 자기장

마지막으로 니켈 박막이 있는 경우와 없는 경우를 비교한 데이터를 그림3-34에 나

타내었다. 그림에서 original은 니켈 박막이 없는 경우, 나머지는 박막이 있는 경우

를 캐소드 위쪽 표면에서의 y 방향 자기장의 값을 비교하였다. 앞의 그림에서 보였

듯이 두 경우의 차이가 명확하게 구별 가능함을 알 수 있고 박막이 있는 경우에 y

방향 자기장이 0에 가까운 부분이 캐소드 표면에서 넓게 분포함을 알 수 있다.

그림 3-34 니켈 박막이 있는 경우와 없는 경우의 캐소드 표면의 By 값의 비교

나. 시뮬레이션을 통한 플라즈마 거동 연구

마그네트론 스퍼터는 플라즈마를 발생시켜 플라즈마내의 이온, 보통은 아르곤 가스

를 사용하므로 아르곤 이온이 캐소드 표면에 충돌함으로써 캐소드 표면을 식각하여

캐소드 재료를 원자 크기로 분산시켜 substrate에 증착시키는 방법으로 코팅을 하

는 장비이다. 따라서 정확한 플라즈마의 거동을 예측할 수 있게 되면 실험을 통하

지 않고서도 식각의 형태나 깊이를 예측할 수 있다. 정확한 플라즈마의 거동을 계

산 가능한 시뮬레이터가 존재하고 적절한 예측 이론이 수립되면 이와 같은 계산이

가능하다. 하지만 플라즈마 시뮬레이션도 많은 시간과 노력이 필요한 분야로 마그

네트론에 적합한 시뮬레이터가 그리 많지 않은 실정이다.

선진국, 특히 미국이나 일본에서는 이러한 시뮬레이터의 개발에 많은 연구역량을

집중해 왔다[7]. 본 연구에서는 미국 버컬리 대학에서 개발된 플라즈마 시뮬레이터

인 oopic [9]을 사용하여 입자 시뮬레이션을 수행하였다. 앞서 계산된 자기장을

input parameter로 하여 플라즈마 입자의 거동을 시뮬레이션을 통하여 살펴보았다.

그림 3-35과 그림 3-36는 oopic에서 읽어들인 자기장을 나타낸 것이다. 좌측이

Bx (캐소드에 수평한 방향 자기장)이고 우측이 By (캐소드에 수직한 방향의 자기장

에 해당한다. 그림 3-8은 니켈 박막이 없는 경우의 자기장이고 그림 3-36는 니켈

박막이 들어간 경우의 자기장 분포이다. 본 연구에서는 그림 3-1 의 개략도에서 캐

소드 타겟 위쪽의 10㎝ 영역이 플라즈마 시뮬레이션 영역이 되고 이는 앞서 실험에

서 보인 것처럼 실제 플라즈마가 발생하는 영역이다.

그림 3-35 oopic 시뮬레이터에서 읽어들인 자기장 (니켈 박막이 없는 경우)

그림 3-36 oopic 시뮬레이터에서 읽어들인 자기장 (니켈 박막이 있는 경우)

그림3-37과 그림3-38은 플라즈마 시뮬레이션의 결과로써 니켈 박막이 있는 경우

과 없는 경우를 비교한 것이다. 좌측이 전자의 분포이고 우측이 아르곤 이온의 분

포이다. 전자의 경우는 플라즈마 덥개가 존재하여 캐소드 바로 앞(x 축) 그리드에서

는 밀도가 거의 0에 가깝고 이온의 경우에는 밀도가 존재한다. 캐소드가 음의 전위

를 가지므로 전자는 반발력에 의해 밀려나고 이온은 끌려오게 되어 이온이 캐조드

로 에너지를 가지고 입사하게 된다.

이 경우는 그림 3-7에 나타난 것처럼 양극으로 작용하는 애노드가 캐소드 좌우측

위 2㎜ 지점에 위치하는 경우로 애노드 근처에 밀도가 집중되어 있음을 알 수 있

다. 이는 실제 실험과 다른 결과를 나타내는데 실제 실험에서는 양 끝단이 아닌 좀

더 안쪽에서 밀도의 피크가 나타나게 된다. 또한 이 결과는 자기장의 y 방향값이 0

이 되는 지점에서 밀도 분포가 최대가 된다는 사실과도 어긋나는 것이다. 이 문제

를 해결하기 위하여 지원기업과의 연구협의 및 논문을 참조한 결과 양극의 위치를

달리하는 것이 옳음을 알게 되었다[10]. 이 사실을 이용하여 애노드 위치를 바꾸어

서 시뮬레이션 하여 실험과 유사한 결과를 얻었다.

그림 3-37 니켈 박막이 없는 경우의 플라즈마의 밀도 분포

그림 3-38 니켈 박막이 있는 경우의 플라즈마의 밀도 분포

그림 3-39도 위와 같은 경우에 대한 공간상의 이온 분포를 니켈이 있는 경우와 없

는 경우에 대하여 보인 것이다. 좌측이 니켈 박막이 없는 경우이고 우측이 니켈 박

막이 있는 경우이다. 아래쪽 x축이 캐소드 평면이고 애노드는 좌우측 가장자리 벽

면 아래에서 2㎜ 지점에 위치하고 있다. 애노드 위치가 틀리기는 했지만 중심 부근

을 보면 자기장의 효과에 의해 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 니켈 박막이 있는 경

우가 없는 경우보다 캐소드쪽의 이온 밀도가 더 고르고 넓게 분포되어 있음을 알

수 있다.

이로써 자기장의 효과가 식각 형태에 유리한 쪽으로 바뀜을 알 수 있다.

그림 3-39 니켈 박막이 없는 경우(좌)와 있는 경우(우)의 플라즈마의 공간 분포

이 결과와 참고 문헌을 바탕으로 애노드의 위치를 변화시켜 가면서 플라즈마의 분

포 변화를 시뮬레이션하였다. 아래 그림들은 애노드의 위치를 캐소드와 반대편 장

치 벽면(substrate) 중앙에 두고 자기장의 형태가 니켈 박막에 의한 차이를 극대화

한 경우의 자기장 형태를 사용하여 시뮬레이션을 수행한 결과들이다. 이 경우를 살

펴보면 그림 3-40에 나타난 이온의 밀도 분포에서는 니켈 박막이 있는 경우에 캐

소드 표면에서 밀도 분포가 조금 넓게 보이는 것 외에는 별다른 차이를 보이지 않

지만 공간 분포를 살펴보면 차이를 알 수 있다.

그림 3-40 니켈 박막이 없는 경우(좌)와 있는 경우(우)의 이온의 밀도 분포

전자의 공간 분포를 그림 3-41에 나타내었는데 좌측은 니켈 박막이 없는 경우이고

우측은 니켈 박막이 있는 경우이다. 니켈 박막이 없는 경우는 플라즈마 덥개(쉬스)

가 나타나서 전자의 분포가 캐소드 표면에서 잘 나타나지 않는다. 또한 전자의 분

포가 반원형으로 나타남을 알 수 있다. 반면 니켈 박막이 존재하는 경우는 반원형

의 플라즈마 분포 외에도 좌우에 날개처럼 캐소드 표면으로 넓게 전자의 분포가 따

로 존재하는 것을 볼 수 있다.

이는 이온의 캐소드 충격에 의한 이차전자로 방출된 전자들이 앞서 보인 니켈 박막

에 의한 평행한 자기장의 효과로 인해 트랩되어서 나타난 결과로 보인다. 이러한

전자 분포는 이온의 공간 분포에도 영향을 주어 그림 3-42에 보인 바와 같이 캐소

드 표면에서의 이온 분포가 니켈 박막이 있는 경우가 없는 경우에 비해 넓다는 것

을 알 수 있다. 이온 분포가 넓다는 것은 캐소드로 입사하는 이온의 면적이 넓다는

것이고 이는 식각 면적의 확대로 해석할 수 있다.

그림 3-41 니켈 박막이 없는 경우(좌)와 있는 경우(우)의 전자의 공간 분포

그림 3-42 니켈 박막이 없는 경우(좌)와 있는 경우(우)의 이온의 공간 분포

실제로 캐소드로 입사하는 이온들을 분석해 보면 이와 같은 차이점을 좀 더 명확하

게 이해할 수 있다. 그림 3-43은 캐소드로 입사하는 입자들의 분포를 나타낸 것이

다. 좌측은 니켈 박막이 없는 경우의 이온(점선)과 전자(실)선의 분포이고 우측의

니켈 박막이 있는 경우이다. 전자의 입사 분포를 비교해 보면 전자의 겨우 니켈이

있는 경우가 없는 경우에 비해 큰 피크의 좌우측에 작은 크기의 피크들이 나타나서

그림 3-41의 공간분포와 일피하는 결과를 보이고 있다. 이온의 분포를 살펴보면

그림 3-42에서는 명확하지 않았지만 입사 이온의 분포를 보면 니켈 박막이 있는

경우가 없는 경우에 비해 훨씬 넓은 분포를 가짐을 알 수 있다. 따라서 식각 분포

도 이와 비례하여 넓게 분포하게 될 것을 예상할 수 있다. 그러므로 자기장의 변화

를 통하여 예측되었던 플라즈마의 분포 변화가 시뮬레이션을 통하여 확인되었고 실

험과의 일관성이 있음을 확인하였다.

그림 3-43 캐소드로 입사하는 입자분포 - 니켈 박막이 없는 경우(좌)와 있는

경우(우), 점선은 이온의 본포, 실선은 전자의 분포

다음으로 애노드가 캐소드의 반대쪽 substrate에 있는 경우를 시뮬레이션을 통하여

살펴보았다. 그림 3-44은 니켈 박막의 유무에 따른 전자 분포를 그림 3-45는 이온

의 공간 분포를 나타낸 것이다. 이 경우에는 앞서의 경우보다 더 명확히 차이를 구

분할 수 있다. 전자의 경우도 니켈 박막이 있는 경우가 좀 더 넓게 분포하며 좌우

측에 날개처럼 부가적인 부분이 나타나고 이온의 경우 캐소드 표면의 밀도 분포가

많은 차이를 보이고 있음을 알 수 있다.

그림 3-44 니켈 박막이 없는 경우(좌)와 있는 경우(우)의 전자의 공간 분포

그림 3-45 니켈 박막이 없는 경우(좌)와 있는 경우(우)의 이온의 공간 분포

입사하는 플라즈마 입자들의 분포를 살펴보면 그림 3-46와 같이 나타나는데 앞의

경우와 마찬가지로 전자의 분포와 이온의 분포에서 차이를 보인다. 특히 이온의 입

사 분포가 큰 차이를 보이고 이는 결국 식각 면적의 차이로 나타나게 된다.

그림 3-46 캐소드로 입사하는 플라즈마 입자들의 분포

다. 시뮬레이션을 통한 식각 예측

시뮬레이션을 통한 식각 예측은 입사하는 이온의 밀도나 플럭스에 기초하게 된다.

결국 입사하는 이온의 양에 비례하여 식각되는 형상이나 깊이가 좌우되게 되기 때

문이다. 본 연구에서는 앞서 구한 캐소드로 입사하는 이온의 분포를 이용하여 식각

을 예측하고자 하였다. 1차적으로 식각 형태는 입사하는 이온의 분포를 거꾸로 한

모양과 비슷할 것으로 예상하였다. 하지만 입사하는 이온의 에너지와 각도, 캐소드

재료의 물성 등 여러 가지 변수가 있지만 이 모든 것을 고려하기는 불가능하므로

입사 이온의 분포를 기준으로 하여 이후에 기술할 소프트웨어적인 방법을 이용하여

실험과의 비교를 통한 식각 예측 프로그램을 고안하였다. 그림 3-47에 입사하는

이온의 분포와 그것의 반전을 통한 식각 형태를 나타내었다.

그림 3-47. 캐소드로 들어오는 플라즈마 전류와 식각 모양 예측

3. 실험과 시뮬레이션의 타겟 식각 비교 및 예측

- 테스트용 Cu 타겟 및 ITO 타겟을 이용하여 다음과 같이 식각 테스트를 실시하였

다.

- 타겟 조건 : 178 * 1114 * 6t (ITO)

- 스퍼터 공정 조건 :

○ 진공도 : 5~7mTorr

○ 분위기gas : Ar

○ 스퍼터 전원 : DC 전원 ARC killer type

○ 스퍼터 전력 : 평균 3.0KW DC

- 개선 방법

니켈 박막을 추가하여 타겟 표면상에 최대한 평탄한 형상의 자기장 (B丄)을 발생되

도록 하여 타겟 식각 효율을 향상시키는 방법을 시도함.

- 테스트 결과 ITO 타겟 사용효율 36% 달성하는데 성공하였고 ITO 코팅막의 면저

항 및 균일도도 우수하게 나타났다. 실험결과로 구한 각 타겟의 식각 데이터를 그

림 3-8에 나타내었다.

그림 3-48 테스트용 구리 타겟과 ITO 타겟의 식각 비교

가. 구리 타겟의 경우

마그네트론 스퍼터에 의한 캐소드의 정확한 식각 형상을 얻기 위하여 시험의뢰를

하여 정밀한 데이터를 확보하였다. 또한 시뮬레이션의 결과와 비교함으로써 향후

실험을 수행하지 않고도 식각 형상을 예측하도록 하기 위하여 실험과 시뮬레이션

결과를 비교하였다.

그림 3-49은 실험을 통해 확보한 식각 형상과 시뮬레이션을 통한 식각 형상을 비

교한 것이다. 결과를 살펴보면 앞서 예측하였듯이 니켈 박막이 있는 경우가 없는

경우에 비해 넓은 식각 형태를 보이고 있는데 이는 자기장의 효과로 인해 입사이온

의 밀도 분포가 넓어졌기 때문이다. 하지만 두 경우 모두 실험과 비교할 때 식각

형태에 있어서는 큰 차이를 보이고 있다. 특히 식각폭에 있어서 차이가 크다는 것

을 알 수 있는데 이는 플라즈마 시뮬레이션이 정상 상태까지 이르지 못한 데 따른

결과이거나 실험과 시뮬레이션의 차이로 인한 것으로 보인다. 또 다른 이유는 이전

연구결과를 보더라도 비슷하게 나타나는데[12-13] 시간에 따라서 캐소드의 식각이

이루어지고 이에 따라서 식각이 이루어진 부분의 전기장과 자기장이 변화함에 따른

플라즈마의 분포 변화가 시뮬레이션에서는 고려되지 못하기 때문인 것으로 생각된

다. 식각된 형태를 가정하고 시뮬레이션을 수행한 경우 식각형태가 넓어지는 결과

를 보이는 것을 볼 때 이 부분이 오차가 나타나는 주요 원인 중의 하나로 보인다

[13].

그림 3-49 실험과 시뮬레이션의 식각 형태 비교

그림 3-49에서 나타난 최대 식각 위치의 오차를 해석하기 위하여 캐소드 표면의 y

방향 자기장과 식각 형태를 그림 3-50에 나타내었다. 시뮬레이션에 의한 자기장의

원으로 실험에서 사용된 자기장 형상은 네모로 시뮬레이션에 의한 식각은 +기호로

실험에 의한 식각 형태는 세모 형태로 나타나 있다. 그림에서 나타났듯이 y 방향

자기장이 0이 되는 위치와 시뮬레이션에 의한 최대 식각의 위치는 점선 화살표를

보면 거의 일치하고 있음을 알 수 있다. 또한 실험에서 사용된 자기장이 0이 되는

지점과 최대 식각 위치도 좌측의 경우는 거의 일치하고 있다.

오른쪽은 실험 데이터의 계측 오차가 있어서 정확히 비교하기가 힘들었지만 좌측의

형태로 볼 때 거의 일치하는 것으로 보여진다. 이처럼 실험과 시뮬레이션 각각의 y

방향자기장 0 지점과 최대 식각 위치가 일치하는 것으로 보아 시뮬레이션의 결과가

실험과 일관성이 있는 결과를 보여준다. 반면 시뮬레이션에 의한 최대 식각 위치와

실험에 의한 최대 식각 위치가 차이가 나타나는 것은 실험에서 사용한 자석과 자기

장 시뮬레이션에서 사용한 자석의 재료나 형상 차이에 의해 자기장의 분포에 차이

가 나서 식각 위치에 영향을 준 것으로 결론지을 수 있다.

그림 3-50 자기장과 식각 형태의 비교

실험과 시뮬레이션의 식각 형태를 보면 일관적으로 시뮬레이션의 경우 실험에 비해

식각 폭이 좁게 나타난다. 이를 보정하여 시뮬레이션 결과를 이용하여 실제 실험상

의 식각 형태를 예측하기 위하여 기존의 구리(Cu) 타겟 실험 결과를 활용하여 시뮬

레이션과 실험 결과 사이에 적절한 scale factor 를 도입하여 두 데이터 사이의 보

정 함수를 만들었다. 먼저 정확한 보정을 위하여 앞서 나타난 최대 식각 위치를 일

치 시켜 놓은 데이터가 그림 3-51의 좌측에 나타나 있다. 이를 이용하여 두 데이

터 사이의 비를 구하여 얻은 결과가 그림 3-51의 우측에 나타나 있다. scale

factor를 살펴 보면 최대 식각 위치 좌측보다는 우측에서 오차가 크게 나타나 시뮬

레이션에서는 식각이 좌우 대칭처럼 나타나지만 실제 실험에서는 타겟의 가운데 부

분쪽이 좀 더 식각이 많이 일어나는 것을 알 수 있다.

그림 3-51 구리 타겟의 식각 형태 비교와 scale factor

나. ITO 타겟의 경우

ITO 타겟의 경우 전기 전도도가 구리 타겟에 비해 떨어지기 때문에 실험적으로 볼

때 캐소드에 가해지는 전압이 구리 타겟에 비해 낮아서 식각율이 떨어지게 된다.

구리의 경우와 마찬가지로 ITO 타겟의 경우도 scale factor를 적용하면 식각 형상

의 예측이 가능하다. 실험적으로 얻은 ITO 타겟의 형상과 시뮬레이션으로 얻은 식

각 형상을 최대 식각 위치를 일치시켜 비교한 것이 그림 3-52의 좌측 그림이다.

ITO 타겟의 경우도 구리 타겟과 비슷한 양상을 보이는 것을 알 수 있다. 가장자리

의 데이터는 오차가 크므로 제의한 다음 cale factor를 그린 것이 그림 3-52의 우

측 그림이다. 구리의 경우와 유사한 것을 알 수 있다. 전체적인 패턴도 비슷하고 값

도 큰 차이를 보이지 않는다. 이는 두 타겟이 물성이 달라서 식각 깊이의 차이는

있지만 형상은 큰 차이를 보이지 않는다는 것이고 스퍼터 내의 플라즈마의 분포 또

한 큰 차이를 보이지 않는다는 것을 간접적으로 알 수 있다. 이처럼 scale factor를

이용하여 향후 실험 혹은 실제 공정에서 식각 형태를 큰 오차 없이 예측하는 것이

가능하다. 본 연구에서는 이러한 scale factor를 계산하고 이를 이용하여 식각 형상

을 예측하는 프로그램을 제작하여 지원기업에 전달하고 프로그램을 지적재산권으로

등록 중이다.

그림 3-52 ITO 타겟의 식각 형태 비교와 scale factor

4. 소프트웨어를 이용한 타겟 식각 깊이 예측

식각 형상에 대한 예측은 앞서 설명한 방법으로 가능하지만 식각 깊이에 대한 예측

은 시뮬레이션의 한계로 인해 시뮬레이션에서 직접적으로 구하기는 힘든 실정이다.

따라서 본 연구에서는 기존의 스퍼터에 대한 이론식을 바탕으로 실험 결과와의 보

정을 통하여 보정계수를 구하여 이를 적용함으로써 식각 깊이는 예측하는 방법을

사용하였다.

식각 깊이와 형상은 스퍼터의 가동 조건 및 성능에 따라서 달라지는 물리량으로 외

부 전력량 가해준 전압, 흐르는 전류, 외부 자기장의 세기와 형상 등에 의존하는 복

잡한 형태를 띄게 된다. 선진국에서는 이를 구하기 위하여 이론 및 실험을 통하여

많은 연구를 수행해 왔다[7]. 이러한 연구를 바탕으로 태소드에 흐르는 전류 밀도

를 이론적으로 연구한 결과가 Child-Langmuir 법칙인데[13] 이 법칙을 이용하면

가해준 전압과 플라즈마 쉬스 크기에 따른 전류 밀도를 구할 수 있다.

여기서 는 진공중의 permittivity, e 는 단위 전하량, M은 이온 질량, V는 전압, s

는 쉬스 크기이다. 외부에 흐르는 전체 전류는

로 나타낼 수 있는데 A는 전류가 흐른 면적에 해당한다. 따라서 전류가 흐른 면적

과 전류밀도를 구하면 전체 전류와의 관계를 알 수 있다. 역으로 스퍼터에 흐르는

전류를 재어서 면적으로 나누면 전류 밀도가 구해진다. 한편 쉬스 크기 s는 자기장

및 전기장에 의한 플라즈마의 거동에 의해 결정지어지는 것으로서 Larmor radius

로 대체될 수 있음을 밝혀내었다[6]. Larmor radius는

로 나타나는데 ⊥은 자기장에 수직한 전자 속도, m은 전자 질량, B는 자기장 크기

이다.

⊥은 대략적으로 정도의 크기이므로 외부에서 주어질 수 있는 상수 및 변수는

모두 알 수 있게 된다.

한편 스퍼터링 rate는 다음과 같은 식으로 주어진다.

여기서 는 스퍼터링 yield(～1), 는 구리의 atomic density (8.4636+)이

다. 이를 이용하면 스퍼터링 된 깊이를 구할 수 있다.

본 연구에서 사용된 구리 타겟의 실험을 예로 들면 공정조건은 다음과 같다.

1) 스퍼터 인가전력: 3.5KW

2) 소요시간: 약100 Hr

3) 인가전압: 약240 V

4) 인가전류： 14.6 A

5) 타겟 식각 깊이 : 5.1㎜

6) 전류 면적 : 114354.24 ㎟

이를 이용하여 이론적인 전류 밀도를 계산하면 (A/㎡)이 되고 실험적

인 전류밀도를 계산하면 (A/㎡)이 된다. ⑷식을 이용하여 계산해 보면

이론식에서 나온 전류밀도로는 14.9㎜, 실험에서 나온 전류밀도로는 3.4㎜가 된다.

본 실험에서는 최대 식각 깊이가 5.1㎜ 이므로 이로 계산된 효과 전류밀도 는

192(A/㎡)가 된다. 한편 전류 면적 (A)은 실험을 하지 않으면 구할 수 없어서 실험

적인 전류가 주어져도 실험조건이 바뀌면 실험전류밀도 구할 수 없지만 이론전류밀

도는 구할 수 있다. 따라서 이를 이용하여 향후 실험에서는 비례식로 이용하여

타겟 식각 깊이의 예측이 가능하다. 즉 이론전류밀도, 효과전류밀도와 이론식각 깊

이, 효과전류밀도에 대응하는 위의 실험에서 구한 타겟 식각 깊이를 이용하여 비례

식으로 식각깊이를 예측할 수 있다. 이를 이용하여 향후 구하고자 하는 식각깊이는

exp exp× exp exp

가 된다.

여기서 d는 예측 식각 깊이, 는 로 구한 식각 깊이, 는 에 해당하는 식

각 깊이인 위의 실험결과 5.1㎜가 된다. 본 연구에서는 이러한 과정을 정리한 식각

예측 프로그램을 지원기업에 전달하여 향후 식각 실험 및 공정 설계에 응용할 수

있게 하였다.

제 2 절 기술지원 성과

본 기술지원의 성과로는 ITO 캐소드에서 고효율 기술을 확보하는데 성공하였으며,

크롬같은 금속 타겟의 적용에도 큰 발전 가능성을 보였다. 그 외에 Moving 식 캐

소드 분야에도 적용하여 향후 새로운 캐소드 기술개발에도 진일보하게 되었다.

지원기업은 스퍼터링용 고효율 캐소드 및 이를 활용한 스퍼터링 장비를 설계/제조

하는 업체로서, 기본적인 전자기장 S/W 활용기술은 일부 보유중이나 설계된 마그

네트론 캐소드를 실제 적용했을때, 나타나는 타겟 식각의 형태 등을 시뮬레이션을

할 수 있는 능력은 갖추지 못하여 실제로 많은 비용과 인력을 들여 이러한 소모성

테스트를 장기간에 걸쳐 실제로 실행해야 하는 문제점이 있었고 이를 통한 캐소드

성능의 개선에도 한계가 있었다.

반면, 영국의 Gencoa 미국 AMAT사 일본 ULVAC사 등 선진사에서는 이러한 타겟

식각의 예상형태를 플라즈마 시뮬레이션을 통해 재현할 수 있는 기술을 보유하고

있어, 지원기업은 이러한 기술의 격차를 극복하기 힘든 처지에 있고, 이러한 기술력

의 열세는 스퍼터 장비분야에서 지원기업이 유리한 기회를 선점하는데 있어 큰 난

관이 되고 있어 이를 극복하고자 금번 기술지원이 꼭 필요한 상황이었으나, 국내에

는 이러한 기술이 아직 초보단계여서 난감한 처지였다.

물론 금번 기술개발을 통해 스퍼터내에서의 플라즈마의 거동에 대한 이론적인 지식

을 습득하게 되었고 장치의 구조와 전위 및 전기장의 분포에 대해 지식을 습득하고

실험에 활용하게 되었다. 또한 자기장 시뮬레이션 기술을 습득하여 실험과의 비교

를 통하여 향후 실험을 수행하지 않고도 최적의 자기장을 설계할 수 있는 기반 기

술과 지식을 확보하였다. 또한 식각 형태 및 깊이를 예측할 수 있는 프로그램을 개

발함으로 향후 새로운 장비 설계에 활용하여 시간과 금전과 노력을 줄이는 계기가

되었다. 단번에 선진기술 수준에 도달하는 할 수는 없으나, 이를 위한 기반기술을

마련한 것이며, 이를 발전시켜 선진수준으로 업그레이드 하여야 할 필요가 있다. 향

후 스퍼터 기술에도, TFT LCD등 평판디스플레이 산업분야에서, 이러한 기술개발을

통해 국내 스퍼터링 기술 및 스퍼터링 시뮬레이션 기술을 한층 발전시킬 필요가 있

을 것으로 판단된다.

제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도

제 1 절 지원목표

- 전자기장하에서의 플라즈마 시뮬레이션을 통해, 스퍼터링시 타겟의 식각을 재현

하고 타켓사용 효율을 30% 이상으로 높일 수 있도록 하여 지원기업측의 고효율 스

퍼터 캐소드 기술 개발을 활성화하고자 함.

제 2 절 목표달성도

기술지원의 목표 및 내용

타겟 사용효율을 높이기 위한 고효율 캐소드용 시뮬레이션 기술을 개발하여 ITO 캐

소드의 경우 당초목표 30% 보다 높은 타겟사용효율 36% 이상을 달성하였고 이를

위해 타겟 표면상에서 평탄한 자기장이 형성되도록 하는 자기장 패턴 형성을 추구

하였고, 금속타겟인 Cr 타겟의 경우 자기장 션트 기술을 강화하여 멀티 Erosion 기

술을 적용할 수 있는 기반을 준비하였으나, 현재로서는 기존 수준 그대로이나, 차기

에 이상을 달성할 수 있는 기반을 마련하였다. 또한 Moving 캐소드 기술에도 적용

하여 Moving 시 타겟 식각의 패턴을 정성적으로 재현하는데 성공하여 차기 새로운

캐소드 제품기술로 준비할 수 있게 되었다.

향후 이러한 캐소드 시뮬레이션 기술은 실제적인 Try & Error 식 실험 없이 마지막

검증단계로 간단히 해결할 수 있는 단계까지 목표로 하여 예측 프로그램까지 완성

하였으나 아직 실제 실험 data와의 매칭성, 최적화상수 등을 검증하는 데는 실험이

더 필요하다.

여러 가지 여건상 실험이 여러번 이루어지지 못한 점이 아쉽지만 향후 실험을 통하

여 개발된 프로그램들의 검증이 완료/보완될 것이다. 이로서 스퍼터링 시뮬레이션

관련 현 국내 기술수준을 한 단계 이끌어 올린 것으로 평가된다.

제 3 절 관련분야의 기여도

스퍼터링 기술 분야는 크게 다음의 3가지 분야를 들 수 있다. 즉, 평판 디스플레이

산업분야(반도체 분야 포함), 건축용 코팅유리 분야(Low-E 태양광 조절 유리 및 반

사유리 분야, 태양전지 분야 이다.

그러나, 스퍼터 장비는 보통 반도체 분야를 제외하고는 길이 30m 이상, 높이도 3m

이상의 대형장비이다. 따라서 이에 소모되는 타겟도 그 길이 및 폭이 매우 커지게

되고 스퍼터 장비의 특성상 24시간 연중무휴로 연속 가동하기 위해서는 Down

Time을 극소화하는 것이 우선 해결과제에 해당한다. 본 과제는 이와 같이 타겟 사

용효율 높여서, 보통 4～5일에 한번식 발생하는 소모성 타겟의 교환주기를 두 배

이상으로 연장시켜 제품과 공정의 안정성과 Down Time 감소로 인한 가동성 생산

성을 높일 수 있는 방안을 마련하였다. 이러한 기술은 자원과 에너지를 절감하기

위한 세계적인 추세에도 호응하여, 향후 장비의 경쟁력 확보를 위해서는 필수적인

기술이 될 수밖에 없게 되었다.

현재 국내에도 대형 인라인식 스퍼터 장비를 이용한 태양광전지가 적극적으로 검토

되고 있고, TFT LCD 유리기판용 스퍼터 코팅장치 그 타겟 길이가 3.5m 이상에 달

하는 초대형화로 치닫고 있다. 또한 냉난방 에너지 절감을 위한 건축용 코팅유리

분야에서도 이러한 대형화 추세와 스퍼터 장비의 Down Time 감소는 당연한 것이

며, 향후 건축용 유리에도 C02 저감 및 에너지 절감차원에서 Low-E 유리(저방사

코팅유리)가 필수적으로 채용되는 경우, 그 시장이 급격하게 증가할 것으로 예상된

다.

아직도 초대형 스퍼터 시장에는 국내기술이 미진한 것을 감안할 때, 이러한 본 과

제와 같은 핵심기술의 개발은 우리나라의 스퍼터 장비시장의 경쟁력 확보를 위해

필수적인 것이 될것이며, 금후 스퍼터 장비시장은 연간 최소 1,000 억원 이상의 국

내시장을 형성할 것으로 예상되어 관심이 집중된다.

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

앞서 기술되었듯이 스퍼터 장비시장의 응용 활용분야는 최근 엄청난 시장을 형성하

고 있다. 그런데 스퍼터장비에서 코팅을 담당하는 핵심 기능부분은 캐소드 장치가

맡고 있으며, 이러한 고효율캐소드 기술은 스퍼터 장비업체라면 누구나 가져가야

할 몫의 기술개발에 해당할 것이다. 기초기술이 부족한 국내기업들에 있어 금번 기

술지원사업을 근간으로 하여 더 한층 발전된 캐소드 기술과 이를 통한 우수한 스퍼

터 장비 설계 및 제조기술을 접목시켜 국내뿐 아니라, 해외에 대당 백억원에 달하

는 초대형 스퍼터 장비를 자랑스럽게 수출하는 분야에서 일익이 될 수 있게 계속

기술 지원을 하고 활용할 계획이다.

제 6 장 참고문헌

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