Heat Transfer Analysis of a Pulse Magnetron Sputtering Cathode

한국표면공학회지 J. Kor. Inst. Surf. Eng.

Vol. 41, No. 6, 2008.

<연구논문>

펄스 마그네트론 스퍼터링 음극의 열전달 해석

주 정 훈^*

군산대학교 공과대학 신소재공학과, 플라즈마 소재 응용 센터

Heat Transfer Analysis of a Pulse Magnetron Sputtering Cathode

Junghoon Joo^*

Department of Materials Science and Engineering and Plasma Materials Research Center, Kunsan National University, Kunsan 573-701, Korea

(Received December 4, 2008 ; revised December 20, 2008 ; accepted December 30, 2008)

Abstract

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

^o

C, the maximum surface temperature was 45.8

^o

C for a flat new target and 156

^o

C for a target eroded by 1/3 of its thickness, respectively.

Keywords: Plasma, Magnetron sputtering, Heat transfer, Numerical analysis

1. 서 론

마그네트론 스퍼터링은 많은 산업적 응용을가지 고 있는데 금속 및 세라믹 타겟에 대한 대면적 고 속 증착 성능이 요구되고 있다¹⁾

.

^{고속 증착을 위해}

서는 필히 높은 전력 밀도를 인가할 수 있어야 하

므로 타겟

,

^본딩층

, backing plate,

^{수냉 채널을 포}

함하는 전체 모듈의 종합적인 설계 능력이 요구된 다²⁾

.

본 연구에서는 대표적인 금속 타겟인 알루미

늄과

ITO

^{의 대체 물질로 고려되고 있는}

AZO(Al

doped zinc oxide)

^{타겟을 대상으로 높은 전력 밀도}

에서 타겟의 침식 형상에 따른 열응력 분포를 여러 가지 냉각 조건에 따라서

3

^{차원 모델링하였다}

.

^고

출력을 사용하여 높은 생산성을 목표로 하는 경우 에는 타겟의 냉각과 함께 기판으로의 발열도 최소 화 하여야 한다

.

^{냉각롤을 사용하는 필름 증착의 경}

우는 비교적 문제가 적으나³⁾ 평판 기판을 이송용

캐리어에 장착하여 사용하는 공정의 경우에는 진공 중에서 유일한 열전달 기구인 복사의 효율이 낮아 서 기판이 쉽게 가열될 수 있다

.

^{타겟 모듈의 열전}

달 특성은 열전도도가 낮은 세라믹 타겟

,

^{분말 성}

형 타겟

,

^{취성이 강한 소재 타겟에서 심각한 문제}

가 된다

.

^{특히 타겟의 사용이 진행되어서 플라즈마}

밀도가 높은

race track

^{영역의 두께가 얇아지면 플}

라즈마와 닿는 면의 온도와 냉각판 사이의 온도 구 배가 커져서 더욱 크랙이 발생할 확률이 증가한다

.

크랙이 일단 발생하면 횡방향으로의 열전달이 차단 되어 더욱 가열이 심해지고이에 따른 국부 용융까 지 발생할 수 있다

.

^{타겟을 부착하는 냉각판의 후}

면에 냉각 유로를 설계하게되는데 두 가지의 특성 을 요구하게 된다

.

^{최대 열전달 속도와 냉각수 압}

력에 의한 변형 정도이다

.

^{대기압에서는 변형 문제}

가 없는 경우라도 타겟 부분이 진공에 노출되면

1 kg/cm

^{2의 압력이 추가되므로 통상적으로 사용하}

는 냉각수 압력

2 kg/cm

²에서

50%

증가된 응력을

받게 된다

.

^{따라서 진공에서의 응력}

-

^{변형률 특성을}

*Corresponding author. E-mail : [email protected]

예측하려면 실제사용할 냉각수 압력에 추가로

1 kg/

cm

^{2의 정압력을 올려서 실험을 해야 한다}

.

^{본 연구}

에서는

1

^{차적으로 열전달 해석만을 고려하였다}

.

^타

겟은

Al

^{이 도핑된}

ZnO

^{를 대상으로 하였으며 전체}

가 하나의 덩어리로되어 있는 경우에 대해서 모델 링하였고

3

^{차원 수치 모델을 작성하여 실제 실험에}

서 사용하고 있는 냉각 유로에 대한 계산과 스퍼터 링에 의해서 침식된 타겟의 형상을 모델화 하여 그 영향을 살펴보았고 타겟에서 자기장에 의한 플라즈 마 밀도의 분포를 이용하여 침식 형상을 구성하고 그에 따른 전력 밀도를 가열원으로 사용하였다

.

2. 실험 방법 및 수치 모델의 구성

본 연구에 사용한 평판형 마그네트론 음극의 냉 각판의 냉각 채널 구조는 그림

1

^{에나타낸 바와 같}

다

.

자석의 종류는

Nd-Fe-B

이며 여러 개의 사각형

조각 자석을 순철판 요크에 고정시켜서사용하였다

.

타겟의 배면부에는 전기동으로 제작한 냉각판이 있

으며

3

^{차원 유동과 열전달 해석에는 상용}

multi-

physics analysis

^패키지인

CFD-ACE+

^{를사용하였다}

.

실제 평판형 마그네트론의 음극은 가로

127 mm,

세로

635 mm

^{의 타겟을 가지고 있으면 주변으로 가}

스 배분링이 설치되어 있고

,

^기판은

400 mm

^{의 정}

방형으로 챔버 외부에서 스텝 모터로 움직이는 캐 리어 위에 얹혀 있다

.

기판과 타겟 사이의 거리는

통상

70 mm

^{로 운영되며 타겟은}

Al

^과

2 wt% Al

^이

혼합된

ZnO

^이다

.

^{열전달 해석의 주 변수는 냉각수}

의 온도와 유량

,

^{그리고 타겟 표면 가열을 유발하}

는 플라즈마 밀도의 국부적 분포이다

.

^{이 부분은 타}

겟의 침식 형상에서 추출한 데이터를 이용하여 전 력 밀도 비를 계산하여 사용하였다

. Al

^{타겟의 경}

우 열전도도가 높고 변형에 잘 견디지만

AZO

^타

겟의 경우에는 열응력에 의한 크랙 발생 확률이 높 아서 고출력 고속 스퍼터링 공정을 위해서는 타겟 전체를 하나로 제작하지 않고 여러 개의 분할 타겟 의 집합으로 제작하는 것이 보통이다

.

^{본 연구에서}

는 타겟의 분할 조건에 따른 열전달 해석을 통해서 최종 열응력 분포를 구하여 최적의 타겟 구성 방법

을 제안하는 것을 목표로 하였다

.

^{한 방향으로 냉}

각수가 흐르는 본 연구의 수치 모델은 대칭성이없 으므로 완전한

3

^{차원 구조로 하였으며 하부의 수냉}

채널 부분은 수치해의 수렴성이 뛰어난 구조형 사 각 격자로 만들고 냉각판과 본딩층

,

^{분할 타겟 부}

분은 복잡한 기하적 형상의 표현에 유리한 사면체 격자를 사용하였다

.

^{분할 타겟의 경우}

1 mm

^정도

의 작은 틈을 갖게 되어서

3

차원 수치 모델의 제 작에 어려움이 많이따른다

.

^{사용된 셀의 개수는약}

56

^만

-100

^{만 개이고}

,

^{통상적인 계산 시간은}

Intel

Core2Quad 2.4 GHz CPU

^{에서 약}

28

^{시간 정도 소}

요되었다

.

3. 모델링 결과 및 고찰

3.1 냉각판의 유로내의 유동 및 열전달 특성 그림

1

에 나타낸 냉각판의 유로 구조는 실제로 사용하고 있는 것으로써 일반 전기동판에 밀링을 이용하여 가공한 것이다

.

^{최종 표면은 특별한 처리}

를 하지 않은 일반적인 기계 가공 수준이다

.

^냉각

수의 기준 압력은 실제 실험실에서 많이 사용하는

값인

2 kg/cm

^{2로 하였다}

.

^{냉각수의 입력 속도를 조}

절하여 실제 유량이

1 liter/min

^{이 되도록 하였으며}

이 때의 계산 결과를 그림

2

^{에 나타내었다}

.

^최고

속도

0.5 m/s

^에서

0.05 m/s

^{까지 밀도 그래프로 나타}

낸 결과를 보면 폭

19 mm

에 깊이

3 mm

의 단면에

서 회전 내경 방향의 면에서 유동 속도가 높음을

Fig. 1. A cooling channel design of a sputtering cathode backing plate.

Fig. 2. Calculated cooling water velocities at flow rate of

1 liter/min showing that heat exchange at corners

is less efficient that straight sections.

알 수 있다

.

^{모서리 부위의 곡률 반경은}

9.5 mm

^이

며 이 부위의 유동 속도는

0.05 m/s

^{로 아주 낮아서}

열전달의 효율을 떨어뜨리고있는 것을 알수있다

.

장방형 타겟의 경우 유로의 기본 설계 방향을 가로 방향의 굴곡 형으로 할 것인지 세로 방향의 굴곡 형으로 할 것인지의문제에서 타겟 표면 부위의 온 도 경사를 가로 또는 세로 방향 중에 어느 것으로 할 것인지를 선택해야 한다

.

마그네트론의 방전 링 이 형성되는 모양에 따라서 냉각 유로를 설계 한다 면 세로 방향이 유리하다

.

^{그러나 기계적인 강도도}

중요한 고려 인자가 되므로 실제로 중요한 결론은 열전달 해석과 아울러 냉각수의 압력과 타겟의 온 도 증가에 따른 복합적인 응력 해석을 마친 후에 가능할 것으로 보인다

.

^{설계 개선점으로 냉각판의}

두께를 늘리고 유로의 단면적을 늘리는 문제를 고 려할 수 있다

.

^즉

,

^{냉각판의변형을 초래할 수 있는}

압력 증가를 피하면서 냉각수량을 늘릴 수 있는 기 본적인 형상을 갖추는 방향으로 개선하는 것을 말 하는데 기계적 강도를 유지하기 위해서는 유로의 단면적을 종 방향으로 증가시키는 것은 바람직하지 않다

.

3.2 ZnO 타겟 부착시의 냉각 특성 해석

그림

3

^에는

ZnO

^{타겟을 부착하고}

3 kW

^{의 스퍼}

터링 전력을 인가한 경우의 냉각판 쪽의 온도 분포 를 나타내고 있다

.

최대

86

^o

C

의 온도 상승을 보이 고 있다

.

^{일반적인 전기동의 경우 온도에 의한 열}

팽창 계수는⁴⁾

16.5

^×

10

^-6

/

^o

C

^{이고 열전전도는}

3.9 W/

cm K

^{이며 탄성 계수는}

120 GPa

^이다

.

^{그러나 타겟}

과 접합용으로 많이 사용되는 인듐의 경우 열팽창 계수가 두배가량 커서

33

^×

10

⁻⁶

/

^o

C

^이고

ZnO

^는

8.6

×

10

⁻⁶

/

^o

C

^이다

.

^{따라서 인듐}

,

^타겟

,

^{냉각판의 접합력}

이 좋지 않으면 복합적인응력 하에서 문제가 발생 할 소지가 있다

.

^{타겟 제조사에서는 인듐 접합 후}

의 초음파 검사에서접합 면적을

90%

이상으로 보

고하고 있지만 타겟 모듈을 볼트로 고정하는 작업 에서의 균일 조임력의 차이가 가져올 변형을 고려

하면 충분한 접합력이 확보 된다 하더라도 상당한 응력이 접합층에 인가되고 이것이 기계적 강도가 약한

ZnO

^{와 같은 세라믹 타겟의 박리 현상을 초래}

할 확률이 있다

.

^그림

4

^에는

ZnO

^{타겟 표면의 온}

도 분포 계산 결과를

3 kW

의 스퍼터링 전력에 대

해서 나타내었다

.

^{이 때 타겟의 좁은 방향의 단면}

온도 분포에서 최고 온도는

45.8

^o

C

^이다

.

^{이 온도분}

포는 타겟의 자기장 해석과 이를 근거로

3

^차원

Monte Carlo

^{전산 모사를 한 결과와 잘 일치하고}

있다⁵⁾

.

^{생산 현장에서 스퍼터링에 의한 수율을 올}

리기 위한방법은 투입 전력을 증가 시키는 일이다

.

여기에 제한 조건은 타겟의 열 충격에 의한 크랙 발생인데 본 연구에 사용한 크기의 타겟의 평균 전 력 밀도

(

총 스퍼터링 투입 전력

/

타겟의 겉보기 면 적

)

^는

3 kW/(12.5

^×

52.5 cm

²

)=4.6 W/cm

^{2로써일반적}

으로 세라믹 타겟에인가하는 값보다 큰 편이다

.

^타

겟에 인가하는 전원의 종류에 따라서도 차이를 보 이는데 가장 저렴한 직류 전원 장치의 경우보다펄 스를 인가하는 경우가 더 높은 투입 가능 전력 밀 도를 보인다

.

^{플라즈마에 의한 표면의 가열 현상은}

이온 충돌에 의한 운동 에너지 전달

,

^{이온의 중성}

Fig. 3. Calculated temperature profile at the backing plate and a ZnO target with a water cooling condition of 1 liter/

min at 10

^o

C.

Fig. 4. Calculated surface temperature profile of a ZnO

target operated at 3 kW with cooling water flow

of 1 liter/min at 10

^o

C.

Fig. 5. An eroded target surface model for heat transfer analysis.

Fig. 7. Calculated temperature profile of a 125625 mm ZnO target with a water cooled backing plate kept at 10

^o

C, 1 liter/min.

Fig. 6. Temperature distribution of a ZnO target when eroded by 1/3.

화에 의한 열방출

,

^{플라즈마에서 방출되는 가시광}

및 적외선에 의한 가열 등으로 구분할 수 있는데

Yang

^{등에 의하면6) 마그네트론 플라즈마에서}

7 cm

떨어진 유리 기판의 표면 온도가

170

^o

C

^{까지 도달}

한다

.

^{유리 표면은 정전하의 축적에 의해서 지속적}

인 이온의 중성화가 진행되지 않는 지역이다

.

^따라

서 가열 메커니즘의 하나인 이온 중성화의 비중이 낮다

.

따라서 타겟 표면의 온도는 이 보다 높게 올 라갈 것을 예측할 수 있다

.

^{특히 타겟의 침식이 진}

행되면 더욱 좁은 영역에 이온 충돌이 집중되므로 높은 전력 밀도에 의한 고온 가열 현상이 발생할 우려가 있다

.

3.3 타겟 침식에 따른 냉각 특성 해석

타겟 침식에 따른 집중 가열에 의한 타겟 표면 온도 상승을 모델링하기 위하여

ZnO

^{타겟 전체에}

3 kW

의스퍼터링 전력을 투입했을때 실제로 스퍼

터링이 일어나는 영역을

3D

^{전산 모사로 구한 값}

을 기준으로전력을

5

^{영역으로나누어 배분하였다}

.

보다 정밀한 모델링을 위해서는 그림

4

^{에 있는 것}

과 같은 침식 깊이 그래프를 좁은 구간으로 나누어 서 하면 된다

.

^{본 연구에서는 타겟의 직선 구간과}

구석의 곡선 구간을 나누어서 격자 생성을 진행 하 였다

.

^{표면에 곡률이 있는 경우의}

3

^{차원 격자 생성}

은 수치해의 안정성과 연계되어 매우 까다로운 문 제이다

.

^{따라서 불필요한 격자수의 증가를 방지하}

고 안정적인 수치해를 얻기 위한 전략으로 타겟의 침식 영역을 그림

5

^{와 같이}

5

^{개 영역으로 나누고}

모두 평면으로 처리했다

.

^{이 때의 총 격자수는}

104

만 개 정도 였다

.

^그림

6

^{에 온도 계산 결과를 나타}

내었는데 타겟 길이 방향으로 최고 온도가 차이가 있고 그 중 가운데에 해당하는 부분의 좁은 폭 방 향의 단면을 표시하였다

.

^{이 때의 최고 온도는 최}

대

379.3 K

^{인 영역과}

296.6 K

^{인 냉각수 근접 영역}

이 존재한다

.

^{전도에 열전달 플럭스는 q}

=

^h

(

^T2−T1

)

^로

주어진다

. h

는 열전달 계수가 되고

T

는 온도이다

.

즉

,

^{타겟과 냉각판}

,

^{접착층에서의 열전달 효율을 올}

리기 위해서는 타겟 자체의 열전도도가 제한되어 있는 만큼 접착층과 타겟의 계면에서 열전도를 잘 할 수 있도록 접촉 면적을 넓히고 보다 치밀한 접 촉이 이루어 질 수 있도록 해야 한다

.

^{일부에서 사}

용하고 있는 냉각 유로 표면의 엠보싱 처리는 현재 까지의 투입 전력에서는 큰효과가 있을 것으로 예 상되지 않는다

.

^{현재까지의 투입 전력 밀도에서 가}

장 중요한 것은 냉각수와 냉각판 사이의 열전도 면 적을 늘려서 총 이동 열량을 높이는 것이 아니라 타겟 상부의 보다 많은 면적이 고르게 냉각 될 수 있도록 하는 것이다

.

^{현재 고려되어 있지 않은 냉}

각 기구는 진공 챔버 내부로의 복사인데 원리상

q

=

^σ

(

^T4−Tw4

)

^{로 주어지므로 온도가 비교적 낮은 범}

위에서는 그 기여도가 낮다

.

^{타겟의 길이 방향으로}

온도 분포를 그림

7

^{에서 보면 총길이}

535 mm

^에서

집중 침식 영역을 제외한 영역에서는 폭 방향으로 상당히 균일한 온도 분포를 보이지만 길이 방향으 로 양단간의 온도차는 약

40

^o

C

^{를 나타내고 있으며}

전체 타겟에서 최고 온도 도달 영역은 냉각수 배출

구 쪽의 코너 부분으로

155.9

^o

C

^이다

.

3.4 적외선 열화상 카메라를 이용한 타겟 표면의 온 도 분포 측정

스퍼터링으로 타겟의 표면 온도가 올라가 있는 상태에서 적외선 이미지를 촬영하기 위해서는 두 가지 난점이 있다

.

^{하나는 촬영에 사용되는 적외선}

의 파장이

8-14

^μ

m

^{로 길어서 특수한 재료}

(ZnSe)

^를

이용하여야 하며 본 연구와 같이 대면적 타겟의 경 우 작은 시창으로는 넓은 면적을 촬영하기 곤란하 다는 점이다

.

또증착에 의해서 표면의 방사율이 변 화하므로 정확한 온도를 측정하기 어려운 점이 있 다

.

^그림

8

^{에는 스퍼터링 후 일정 시간 대기하고}

진공 시스템을 대기 중에 노출시켜 놓은 상태에서 타겟부위의 온도분포를 촬영한 결과를 나타내었다

. 3 kW

^{로 스퍼터링을 하였으나 타겟의 파손을 방지}

하기 위하여 일정 시간 진공 냉각 후 대기압에 노

출 시킨 때문인지 타겟 부위의 온도는

22.3

^o

C,

^주

변 부위는

27.5

^o

C

^{로 측정되었다}

.

^추후

ZnSe

^창을

설치하고 이를 통하여 스퍼터링시작 후 타겟 표면 부위의 온도 변화를 시각별로 측정하여 모델 결과

와 비교할 계획이다

.

4. 결 론

폭

125 mm,

^길이

525 mm

^{의직사각형 타겟을위}

한 마그네트론 음극 모듈의

3

^{차원 열전달 해석을}

통하여 타겟

,

^접착층

,

^냉각판

,

^{냉각수 유로 형상이}

타겟 표면의 온도 분포에 미치는 영향을 알아보았

다

.

^폭

19 mm,

^깊이

3 mm

^{의 유로 단면 형상에서}

2 kg/cm

^{2의압력으로}

1 liter/min

^{의유량을 주었을때}

3 kW

^{의 전력에서 타겟 표면 온도는}

55.9

^o

C

^{까지 상}

승하였다

.

^{타겟의 침식에 따른 변화를 알아보기 위}

하여 침식 단면을

3

^차원

Monte Carlo

^{전산 모사의}

이온 전류 밀도 분포에 따라서

5

^{개 영역으로 구분}

하여 열 유입량으로 설정하고 계산한 결과 타겟 두 께의

1/3

^{이 침식 되었을 때}

156

^o

C

^{까지 상승할 수}

있음을 보였다

.

후 기

본 연구는 산업자원부 소재원천기술개발사업의 연구비 지원으로 수행되었습니다

.

참고문헌

1. J. Hupkes ^{et al.,} Solar Energy Mat. Cells, 90 (2006) 2. F. Ruske 3054 ^{et al.} , Thin Solid Films, 502 (2006) 44 3. Y. M. Chung ^{et al.} , Surf. Coat. Technol., 200 (2005) 4. Ed. David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry 936 and Physics, 76th Edition, Chemical Rubber Publishing company, New York, (1995-1996), 12- 5. ^주정훈 190. , ^{한국표면공학회지} , 41(5) (2008) 205.

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Fig. 8. Temperature distribution image of a ZnO target

taken by an IR Thermal Imaging camera (T(target

surface)= 22.3

^o

C, T(peripherals)= 27.5

^o

C).