한국표면공학회지 J. Korean Inst. Surf. Eng.
Vol. 52, No. 3, 2019.
https://doi.org/10.5695/JKISE.2019.52.3.171
<연구논문>
ISSN 1225-8024(Print) ISSN 2288-8403(Online)
회전형 마그네트론 음극의 냉각수 유동 및 열전달 해석
주정훈*
군산대학교 공과대학 신소재공학과
Flow and Heat Transfer Analysis of Cooling Water in a Rotating Magnetron Cathode
Junghoon Joo*
Department of Materials Science and Engineering Kunsan National University, 573-701 Kunsan, Korea
(Received 19 June, 2019 ; revised 27 June, 2019 ; accepted 28 June, 2019)
ABSTRACT
We have developed a numerical model to analyze flow dynamics and heat transfer characteristics of the cooling water in a circular rotating magnetron cathode by a moving boundary grid method realized in a commercial multiphysics package, CFD-ACE+. The numerical model is composed of a target, dual mass rotating cathode and cooling water connections. When the inlet and outlet of the cooling water are offset by the same distance from the rotation axis, the temperature at the center is higher by 50
oC at maximum.
At 5 mm away from the target surface, the temperature profile showed typical center high characteristic.
At heat input of 30 kW, the maximum temperature change of the cooling water hits 6
oC within 0.5 sec under 60 rpm. With a cooling water configuration of center in/edge out, the temperature of the center region of the target gets lowered. Within 100 seconds of plasma operation time, the cooling water temperature keeps getting higher.
Keywords : heat transfer analysis, numerical modeling, rotating magnetron, CFD-ACE+
1. 서 론
반도체, 디스플레이, 자동차를 비롯한 일반 기계 산업 부품의 표면에 박막을 형성할 목적으로 사용 되는 증착 장비는 물리적 증착과 화학적 증착으로 나눌 수 있고 마그네트론 스퍼터링은 가장 널리 사 용되는 방법의 하나가 되었다. 증착층을 형성하는 입자들 중 이온이 차지하는 분율이 높아지면 기판 에 인가한 전기장의 방향을 따라서 입사를 시킬 수 있으므로 높은 종횡비의 패턴에 균일한 증착층을
형성하는데 도움이 된다. 이를 위한 방법으로 유도 결합 플라즈마[1,2,3,4]를 부가적인 이온화원으로 이 용하기도 하고, 고전압의 펄스를 인가하여 짧은 시 간의 고밀도 플라즈마를 유도하는 방법도 사용되었 다[5,6].
마그네트론 스퍼터링 시스템의 핵심인 음극 구조 는 크게 자석배열, 타겟, 냉각, 회전 기구로 나눌 수 있다. 300 mm 웨이퍼를 기준으로 5 kW에서 30 kW 의 넓은 전력 영역을 갖는데 종횡비가 높은 패턴의 증착을 위해서는 이온의 비율이 높아야 하므로 음 극 설계 시에 냉각 효율을 중요시 하게 된다. 가장 널리 사용되는 자석 재료인 Nd-Fe-B는 SmCo에 비 해서 완전히 탈자되는 큐리 온도가 낮을 뿐 아니라 자화가 감소되기 시작하는 온도도 낮아서 국부적인 냉각 효율의 저하가 일어나지 않도록 자석 배열, 고
*
Corresponding Author: Junghoon Joo
Department of Materials Science and Engineering Kunsan National University, 573-701 Kunsan, Korea
Tel: +82-63-469-4736 ; Fax: +82-63-469-7436
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가 보고한 값은 1,000 ~ 1,500oC이다[8]. 평판 디스 플레이용 사각 타겟에 대해서는 저자[9]가 Al:ZnO 세라믹 타겟에서 3 kW의 투입 전력에 1 리터/분의 냉각수(10oC) 유량으로 표면 온도 피크 값을 55도 이내로 할 수 있는 후면 냉각 구조의 영향에 대해 서 수치 해석 결과를 보고한 바 있다. ZnO 타겟은 기계적 강도가 매우 약한 세라믹으로 고출력으로 운전할 수 없는 제약이 있다. 당시 사용한 타겟의 크기는 125 mm × 625 mm이므로 타겟 표면 전체에 대한 전력 밀도는 3,000/(12.5×62.5) = 3.84 W/cm2에 불과하다. 반도체용 금속 박막 증착용 스퍼터 타겟 의 직경을 450 mm로 가정하면 30 kW의 전력은 18.9 W/cm2에 해당하며 약 5배가 된다. 최근 반도 체 장비에 요구되는 조건은 성능 이외에도 환경 자 원의 절감, 내진성능 등 다양하다. 이중 냉각수의 사용량도 중요한 유지관리 포인트가 되는데 본 연 구에서는 자석 배열이 과열 되지 않는 범위 내에서 냉각수 라인의 공급, 배출 위치와 유량이 적절한 수 준인지 검증 할 수 있는 수치 모델의 개발에 중점 을 두었다.
개략도는 그림 3과 같은데, 하부의 전자석은 기판 에 인가하는 고주파 전력과 함께 입사 이온의 방향 제어를 주 목적으로 하고 있다. 일반적인 수치 모 델은 유한요소법이나 유한차분법을 사용하는데 한 번 설정된 격자의 이동이 허용되지 않으므로 냉각 수가 유입되고 그 안에서 자석 배열 모듈과 밸런싱
Fig. 1. A numerical model of a rotating magnetron cathode.
Fig. 2. Commercial magnetron modules with a difference cooling water connection (a) central inlet (b) peripheral
inlet.
면에서 자석 배열과 함께 열속이 이동하는 복잡한 경계 조건의 적용이 가능해야 한다. CFD-ACE+에 는 이런 경우를 위해서 임의 경계 조건법(arbitrary interface boundary condition)이라는 도구를 제공한 다[10]. 이 방법은 회전 영역과 고정 영역의 사이를 격자 하나 크기의 1/10이하로 분리하고 해석 과정 에서 요구되는 물리량들을 전달해주는 일종의 보간 법이다. 격자를 실제로 회전시킬 수 있는 grid deformation 방법과 함께 임의 경계 조건법을 활용 하면 회전형 마그네트론의 열전달 해석을 할 수 있 다. 본 연구에서는 냉각수 출입구와 자석 회전체의 상대 위치를 90도, 180도, 270도로 바꾸어 가면서 냉각수의 정상 상태 유동을 해석하고 위에 언급한 격자 회전 방법을 적용한 냉각수 유동을 해석 한 다음 타겟의 진공 쪽 표면에 도넛 형태의 마그네트 론 방전링이 회전하는 것을 열속으로 표현하여 열 전달 해석을 수행하였다. 수치 해석 모델의 대상은 동일한 크기를 갖는 자석 배열 모듈과 밸런싱 모듈 의 조합으로 하였다. 실제 자석 모듈은 소형 자석 의 배열로 이루어지거나 C자형 자석으로 설계되는 데 수치 모델에서는 일체형 실린더로 가정하였다.
계산 시간을 100초로 한 것은 실제 장비에서 웨 이퍼가 반입되고 스퍼터링이 이루어지고 다시 웨이 퍼가 반출되는 상황을 가정한 것이다.
3. 결과 및 고찰
3.1 냉각수 연결부와 회전 모듈의 상대적 위치에 따 른 유동 및 열전달 해석 결과
그림 4에는 자석 배열이 회전하여 냉각수 연결
부위와 직각이 되었을 때의 형상을 나타내었다. 타 겟 후면부를 직접 냉각할 수 있으므로 효율이 좋은 냉각수 흐름 상태로 보이나 타겟 물질의 열전도도 가 높지 않을 경우에는 중심부의 냉각이 불충분 할 수 있다. 그림 5에 나타낸 바와 같이 냉각수 입구 와 출구에 연결된 유선을 관찰하면 근본적으로 타 겟 모듈 내의 냉각수 유동은 난류이며 자석 배열 및 밸런싱 모듈의 부피가 증가하면 타겟 후면부를 균일하게 냉각 하기는 사실상 어렵다는 것을 알 수
Fig. 3. Schematic diagram of a commercial magnetron
sputtering system with a heart type magnet array and electro magnets.
Fig. 4. Relative motion of magnet and balancing module to cooling water connection
Fig. 5. Simulated cooling water traces from (a) inlet (b)
outlet at right angle position
있다. 반도체 공정에서는 주로 Cu, Ti, Ta을 타겟으 로 사용하는데 각각 순수한 물질의 경우 열전도도 는 385, 17, 54.4 W/m*K로 차이가 크다. 플라즈마 장비에 절연체로 많이 사용되는 알루미나의 경우 40 W/m*K의 열전도도를 가지므로 티타늄의 열전 도도는 매우 좋지 않음을 알 수 있다. 또한 타겟과 백 플레이트의 접합면의 공극이 많은 경우에는 냉 각수량을 증가시켜도 효과가 적다. 타겟과 백 플레 이트의 두께가 얇은 경우에도 횡단면으로 열전도가 제한되므로 역시 냉각 효과가 감소된다. 초기 타겟 과 사용 한계에 가까워진 타겟은 두께 차이가 많이 나므로 냉각열속의 차이가 증가하게 되는데 타겟의 사용 효율에 따라서 국부적인 두께 편차가 많이 발 생하므로 타겟 침식률이 높은 영역의 온도가 상대 적으로 많이 올라가게 된다.
그림 6에는 냉각수 입출구와 회전체의 상대적인 위치가 일치했을 때의 냉각수 유선을 나타내었는데 냉각수 라인에는 후방 압력이 인가되며 타겟 후면 부의 냉각수 유동은 방해를 받는 상황이 된다. 자 석 모듈의 회전수가 60 rpm이라면 1초에 두 번씩 이와 같은 상황이 되므로 냉각수 라인에서는 2 Hz 의 후방 압력파가 발생될 것이다. 반도체 장비의 상 태 체크에 중요한 센서의 하나로 진동 검출기가 활 용될 것으로 예상되는데 특히 스퍼터의 경우 무거
운 자석 배열과 밸런싱 모듈을 하나의 방수용 커플 러가 담당하게 되며, 상하 및 좌우의 진동이 발생 하게 된다. 그림 7에는 공자전 모듈을 갖는 경우에 대한 다중 물체 동역학 계산 결과를 나타내었는데 구동 기구로 사용하는 기어의 맞물림과 중량 밸런 스에 기인하는 회전 모멘트의 진동 발생 피크가 세 곳에 크게 나타나고 있다. 이에 대한 연구 결과는 추후에 상세히 보고할 계획이다.
3.2 이동형 경계 조건을 적용한 열속의 구현 그림 3에 나타낸 것과 같이 마그네트론 자석 배 열에 의해서 결정되는 타겟 표면의 침식 형상은 그 대로 열속으로 볼 수 있다. 간략히 도넛 형태로 가 정하고 일정한 주기로 회전하는 경우를 가정하여 온도 분포를 계산해 보았다. 그림 8에 타겟 표면에 인가한 열속 분포를 나타내었다. 6 rpm (revolution per minute)으로 회전하는 것으로 가정하였으며 도 넛의 경계부가 깨끗한 원을 이루지 못하는 것은 요 소 분할 크기에 의한 것이다. 플라즈마 방전 개시 후 2.57초 경과 했을 때의 타겟 표면의 온도 분포 를 그림 9에 나타내었다. (a)에는 2차원 분포를 (b) 에는 반지름 방향의 그래프로 표시하였다. 회전축 중심에서 피크를 나타내고 있으며 주변부에 있는 2 차 피크가 낮은 온도 분포를 보이는 이유는 동일한 각속도로 회전할 때 반지름에 비례해서 선속도가 결정되므로 보다 넓은 면적에 열속이 확산되기 때 문이다. 자석 배열에 따라서 이와 같은 열속의 형 상이 달라지는데 다중 트랙형처럼 타겟 전면부의 상당한 부분을 방전 영역이 차지하는 경우[11] 타 겟 전면에 균일한 열속을 가정하고 열전달 해석을 해도 큰 차이가 없을 것으로 예상된다. 냉각수 연 결부와 회전체 간의 상대적 위치에 따른 유속 형상
Fig. 6. Simulated cooling water traces from (a) inlet (b)
outlet at in-line position
Fig. 7. Calculated torque variation with rotation angle
의 차이가 크지 않기 때문이다. 그림 10에 반도체 용 양산 장비의 다중 트랙형 자석 배열에 대한 해 석 결과의 예를 나타내었다.
위와 같은 해석을 통해서 알 수 있는 점은 자석 의 배열 제한 조건이 타겟의 균일한 침식을 통한 사용 효율 증대와 기판 상의 박막 증착 두께 균일 도인데 비균형 자기장 방식의 이온화율 중대형 배 열의 경우 실제 방전 영역의 전력 밀도가 30 W/cm2 를 상회하게 되는데 이 때 타겟 표면 온도 설정 목
표에 따라서 음극 설계 전략이 변화하게 된다. 고 온 타겟 스퍼터링에 대해서는 Steenbeck[12]이 알곤 과 산소 분위기 하에서 실리콘 타겟에 대한 논문을 보고 한 것 등 많은 문헌 자료를 찾을 수 있는데 음극 입사 이온의 운동 에너지 집중을 이용한 고온 영역이 타겟 표면에 형성되면 산화물의 증발이 높 은 속도로 일어나기 때문이 이를 활용하려는 목적
Fig. 8. Heat flux with moving boundary condition
Fig. 9. (a) Calculated transient temperature profile at 2.57 sec after ignition of plasma (b) temperature graph
along radial cut line. Fig. 10. Cooling water flow and heat transfer analysis
results (a) steady state temperature profile (b) flow
pattern of a cooling water (c) traces of cooling water
from connection line.
이다. 1초에 2번의 모듈 통과가 이루어지는 것이 잘 나타나있는데 상후 방향의 유동이 +5 cm/s에서 -3 cm/s까지 발생되고 있음을 알 수 있다. 30 kW의 높은 열부하에 대해서 계산을 한 것인데 그림 11(b) 에 보인 바와 같이 반지름 80 mm 지역(회전 모듈의
부의 자석에 비해서 냉각 효율이 감소하므로 고출 력으로 장시간 반복 사용하는 경우에는 표면 자속 밀도의 감소가 발생할 소지가 있다. 실제로 양산 라 인에 사용된 음극 모듈을 관찰해보면 자석 배열 표 면에 불균일한 열 영향 영역이 관찰됨을 알 수 있
Fig. 11. Simulated results at 30 kW input power and 60 rpm with cooling water flow rate 36.6 liter/min. (a) water flow
velocity, (b) temperature.
다. 회전축의 가운데부터 가장 자리로 이 영향 영 역이 확대되고 있으며, 가장 자리보다 중앙부가 더 욱 심한 모습을 보이고 있다. 다중 트랙형의 경우 에는 냉각수를 넓게 공급하기 어렵다. 가운데 공급 용 홀을 내고 가장 자리에 배출용 관을 연결하는 방법을 사용한다. 자석의 과열을 방지하기 위해서 는 냉각수와의 충분한 열접촉 면적을 확보해야 하 는데 쉽지 않으므로 다중 트랙형 스퍼터 장비에서 는 자석 고정용 판과 자석을 나사로 가공하여 조립 함으로써 열전도 면적을 확보하려는 노력을 하고 있 다. 그러나 회전 관성을 증가시키지 않을 수 있으면 서 충분한 열전도 플럭스를 확보할 수 있는 소재 후 보가 많지 않다. 알루미늄의 경우에는 237 W/m·K 로 구리의 385에 비하면 62%정도지만 Ti보다는 14 배가량 높다. 즉, 중앙에서 차가운 냉각수를 지속적 으로 공급하고 냉각수가 직접 자석을 냉각하는 대 신 고정판의 열전도에 의존하는 설계가 가능하다.
그러나 고전력 밀도 운전의 경우에는 이 방식으로 는 자석 모듈의 온도 상승을 억제하는데 한계가 있 다. 따라서 양산 장비 제조사들이 자석 배열의 면 적을 줄여서 동일 투입 전력에서 전력 밀도가 높은 영역을 제한하는 방법을 사용하고 있다.
이중 회전 모듈 방식의 경우에는 방전 영역의 형 상이 도넛형으로 비교적 단순해서 조건식으로 방전 영역을 정의하는 일이 어렵지 않으나 다중 트랙 등 의 경우 간단한 논리식으로 방전 영역의 열속을 정 의하기는 어렵다. 이때에는 모델의 면 요소에 대한 열속 패턴을 회전 위상에 따라서 미리 정의를 해두 고 회전 위치에 따라서 가져다 쓰는 방식을 채택해 야 한다. 장방형 모델의 경우에는 이 방법을 쉽게 구현 할 수 있으나 원형의 경우에는 원을 포함하는 외접 사각형을 정의하고 이를 이용하여 2차원 배열 의 인덱스를 활용하면 된다. 위상에 따른 변화는 경 계 조건을 부여하는 서브루틴에 전달되는 정보가 요소의 중심 좌표와 시간이므로 현재 시간의 좌표 에 시간을 역으로 계산해서 원래의 좌표를 찾고 그 좌표에 해당하는 열속값을 읽어 오는 방식이 가능 하다. 이를 위해서는 자기장 해석을 위한 모델의 요 소 구조와 냉각수 유동 및 열전달 해석에 사용될 요소 구조가 차이날 수 있는 점과 배열의 위치를 찾는 루틴이 연산 시간을 상당히 늘릴 가능성이 있 는 점을 고려하여 등간격화된 배열 구조로 자기장 해석 결과를 보간법을 사용하여 매핑하고 이를 열 전달 해석 모듈에서 활용하는 방법이 적당할 것으 로 예상한다. 추후 연속된 연구에서 구현하고 결과 를 발표할 예정이다. 전역배열 변수에 각 위상에 따 른 값을 저장하고 매 시각 서브루틴에 넘겨지는 요
소의 위치 정보에서 배열의 요소 인덱스만 결정하 고 해당 요소의 열속값을 읽어 오면 되므로 전체 계산 시간에서 요소의 경계값 지정에 필요한 부분 이 차지하는 분율이 낮을 때에는 연산 시간 증가율 이 크지 않을 것으로 예상된다.
3.4 냉각수 출입구 위치에 따른 냉각 효과
앞 절에 냉각수의 출구와 입구의 상대적 위치에
Fig. 12. Used multi-track magnet array module showing heat affected surfaces of magnets and fixing guide.
Fig. 13. Water drop type magnetron and discharge
affected target surface profile.
따른 차이에 대해서 일부 언급했는데 그림 9에 나 타낸 반지름 방향의 단면에 따른 온도 분포를 보면 자석 모듈에 직접 차가운 냉각수가 닿을 수 있는 구조로 설계한 경우, 타겟의 중심부가 가장 높은 온 도를 보였다. 타겟의 보호가 목적이라면 중심부에 서 냉각수가 유입되고 주변부로 배출되는 구조를 하게 되는데, 타겟의 중심부 냉각 효율은 좋아지나 자석과 균형추 모듈이 회전하면서 발생시키는 유동 의 영향으로 소형 자석 배열이 촘촘하게 설계 되어 있는 경우에는 냉각 균일도를 확보하기 어려워진다.
그림 14에는 정 중앙으로 냉각수를 공급하고, 가장 자리로 배출시키는 구조에서 60 rpm으로 회전시킨 경우의 열속과 회전 모듈의 온도 분포를 나타내었 다. 실제와 달리 회전 모듈을 고체 덩어리로 가정 했기 때문에 표면의 온도 차이는 크지 않다.
또 하나의 중요한 모니터링 포인트는 회전체의 형 상에 의한 심한 와류 및 기포의 형성 가능성이다.
그림 12와 그림 13에 나타낸 양산형 장비의 회전 모듈에는 회전 방향과 수직을 이루는 구조물 모서 리가 고압으로 주입된 냉각수와 충돌하여 와류 및 기포를 만들어낼 가능성이 있음을 암시하고 있다.
이에 대한 해석은 현재 진행 중이고 후속 논문에서 상세히 다룰 계획이다.
4. 결 론
전산 유체 역학 프로그램을 사용하여 고출력 회 전형 마그네트론 스퍼터링 시스템의 냉각수 유동과 열전달 해석을 통하여 음극 모듈 내부의 유동과 온 도 분포를 수치 모델을 통하여 살펴보았다. 자석 모 듈의 회전 운동은 정지 격자와 회전 격자 사이에
셀 크기의 1/10 수준의 작은 갭을 두고 내삽하는 방법으로 구현하였으며, 냉각수의 반경 반향 온도 분포는 입구와 출구가 회전 모듈의 중심에 있을 때 중심부가 가장 높았으며, 유동의 방향은 음극과 균 형추 모듈의 회전에 따라서 진행 방향 기준으로 직 각 방향으로는 정류와 역류 상황을 나타냈다. 냉각 수의 온도는 모듈 회전에 따라서 60 rpm의 경우 0.5 초 동안 6K의 차이를 보였다. 냉각수의 입구를 중 앙부에 출구를 최외각에 설치했을 때에는 타겟의 중심부 온도가 올라가는 문제는 완화되었으나 자석 모듈 및 균형추 모듈의 중심부 쪽 온도가 주변부 보다 높은 현상을 나타내었다. 냉각수의 흐름에 방 해가 되는 구조인 다중 트랙형의 경우에는 자석 배 열의 고정을 위한 기판의 열전도가 자석의 냉각에 미치는 효과를 격자 회전 효과와 이동식 열속 경계 조건을 적용하여 해석할 필요가 있다.
감사의 글
본 논문은 신성장 동력 장비 경쟁력 강화사업의 일환인 “반도체 기판의 TSV 제조용 스퍼터 개발”
을 통해 얻은 결과임을 밝힙니다.
References
