[논문 리뷰] An upgraded ultra-high vacuum magnetron-sputtering system for high-versatility and software-controlled deposition

Arnaud le Febvrier, Ludvig Landälv외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 16.

Metal and Thin Film Mechanics참고 문헌 31인용 수 86

한 줄 요약

이 논문은 고도로 유연한 금속, 산화물, 질화물, 산화질화물 필름 증착을 위한 초고진공(UHV) 마그네트론 스퍼터링 시스템의 업그레이드된 버전을 제시한다. 시스템은 실시간 로깅, 셔터 타이밍, 바이어스 전압 적용, 코ils를 통한 플라즈마 밀도 향상 등 정밀하고 재현 가능한 공정 제어를 위한 커스텀 LabVIEW 소프트웨어 기반 자동화를 통합하여, 파라미터 동기화와 CSV 기반의 레이어 정의를 통한 프로그래머블 시퀀스를 통해 복잡한 다층 및 수퍼레이어 구조의 증착이 가능하다.

ABSTRACT

Magnetron sputtering is a widely used physical vapor deposition technique. Reactive sputtering is used for the deposition of, e.g, oxides, nitrides and carbides. In fundamental research, versatility is essential when designing or upgrading a deposition chamber. Furthermore, automated deposition systems are the norm in industrial production, but relatively uncommon in laboratory-scale systems used primarily for fundamental research. Combining automatization and computerized control with the required versatility for fundamental research constitutes a challenge in designing, developing, and upgrading laboratory deposition systems. The present article provides a detailed description of the design of a lab-scale deposition chamber for magnetron sputtering used for the deposition of metallic, oxide, nitride and oxynitride films with automated controls, dc or pulsed bias, and combined with a coil to enhance the plasma density near the substrate. LabVIEW software (provided as Supplementary Information) has been developed for a high degree of computerized or automated control of hardware and processes control and logging of process details.

연구 동기 및 목표

• 기초 연구를 위한 실험실 규모의 물리적 증착 시스템에서 고도의 유연성과 자동화된 컴퓨터 제어를 동시에 구현하는 데 도전하는 데 목적이 있다.
• 초고진공 조건에서 금속, 산화물, 질화물, 산화질화물 필름을 정밀하고 재현 가능하게 증착할 수 있도록 하는 것.
• 다층 및 수퍼레이어를 포함한 복잡한 증착 시퀀스를 제어할 수 있는 소프트웨어 기반 시스템을 개발하여, 셔터, 바이어스, 플라즈마 강화 기능의 동기화 제어를 가능하게 하는 것.
• 다른 증착 시스템에 쉽게 복제 및 응용할 수 있도록 자유롭게 수정이 가능한 오픈소스 LabVIEW 소프트웨어 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 시스템은 저탄소 스테인리스강으로 제작된 UHV 챔버(기저 압력 < 3.9×10⁻⁷ Pa)를 포함하며, 샘플 이송을 위한 로드락을 탑재하고 있다.
• 네 개의 마그네트론 스퍼터링 소스는 DC, RF 또는 펄스형 DC 전원를 지원하여, 아르곤, 산소, 질소 기체를 사용한 다양한 물질의 증착이 가능하며, 질량 유량 조절기를 통해 제어된다.
• 기판 바이어스 공급원과 외부 코ils를 사용하여 플라즈마 밀도를 향상시키고 증착 중 이온 빔 에너지를 제어한다.
• 커스텀 LabVIEW 소프트웨어 인터페이스를 통해 압력, 기체 유량, 전력, 전압, 전류, 온도, 아크 수 등 모든 공정 변수의 실시간 모니터링, 로깅 및 자동 제어가 가능하다.
• 다층 및 수퍼레이어를 포함한 증착 시퀀스는 각 레이어의 시간, 셔터 상태, 바이어스, 코ils 설정을 정의한 콤마로 구분된 값(CSV) 파일을 통해 프로그래밍된다.
• 시스템은 반응성 기체 부분 압력의 실시간 모니터링과 잔류 기체 분석을 위해 퀀드루플로우 질량 분석기를 탑재하고 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실험실 규모의 마그네트론 스퍼터링 시스템은 초고진공 조건에서 어떻게 금속, 산화물, 질화물, 산화질화물 필름의 증착에 대해 고도의 유연성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 소프트웨어 기반 제어를 통해 연구용 시스템에서 달성할 수 있는 자동화 수준과 공정 제어 수준은 어느 정도이며, 이는 재현성 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 기판의 회전과 코일을 통한 플라즈마 밀도 향상은 기판 상의 증착 입자 농도 분포와 에너지 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 커스텀 LabVIEW 소프트웨어 프레임워크는 다층 및 수퍼레이어와 같은 복잡한 증착 시퀀스를 다중 시스템 구성 요소의 동기화 제어와 함께 얼마나 효과적으로 지원할 수 있는가?
• RQ5 실시간 로깅과 파라미터 동기화 통합은 기본 재료 연구에서 실험의 추적성과 재현성 향상에 상당한 기여를 할 수 있는가?

주요 결과

• 140 °C에서 48시간 동안 베이킹 처리 후 시스템의 기저 압력이 3.9×10⁻⁷ Pa 이하로 유지되어 고진공 무결성이 확보되었다.
• 0.33 Pa(2.5 mTorr) 아르곤 압력에서 최대 216 l/s의 효과적 펌프링 속도를 측정하여 반응성 스퍼터링 공정에서의 히스테리시스를 최소화하였다.
• 기판의 회전은 증착 균일성을 향상시키며, 기판 영역에서 입자 농도 변동률이 비회전 상태의 50%에서 회전 상태의 9%로 감소하였다.
• LabVIEW 소프트웨어를 통해 최대 6개의 공정 변수를 동시에 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 전체 데이터 로깅과 셔터, 바이어스, 코ils 전력의 자동 제어가 가능하다.
• CSV 기반의 레이어 정의 파일을 활용함으로써 무제한의 레이어 시퀀스와 복잡한 파라미터 조합이 가능해져 다층 및 수퍼레이어 필름의 증착이 용이해졌다.
• 시스템은 자동 타겟 세척 절차와 다중 구성 요소의 동기화 제어를 지원하며, 셔터 및 전원 공급 장치 간의 시간 정확도 확보를 위해 1초의 대기 시간을 포함하고 있다.