[논문 리뷰] Influence of magnetic field on plasma parameters and thin film deposition along axial and radial distances in DC magnetron

Gopikishan Sabavath, I. Banerjee외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 21.

Metal and Thin Film Mechanics참고 문헌 32인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 DC 마그네톤 스퍼터링 시스템에서 자기장 분포가 플라즈마 파라미터와 박막 증착에 미치는 영향을 조사한다. 실험 측정과 COMSOL 시뮬레이션을 통해 캐소드에서 축방향 및 반경방향 거리가 증가할수록 전자 온도(Te)와 밀도(ne)가 감소하며, 증착 속도(De) 역시 유사한 경향을 보임을 입증하였다. 이는 입자-입자-몬테카를로 충돌 모델링(PIC-MCC)이 실험 데이터와 일치함을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Magnetic field (B) distribution of the magnetron was measured and discussed its effect on plasma parameters and deposition rate. Plasma parameters such as electron temperature (Te), electron number density (ne) were estimated using electron flux (EF) and electron energy distribution function (EEDF) methods as function of axial, radial distances from the cathode. Te and ne decreased with increasing of axial, radial distances from the cathode. Dr was obtained for the same positions where the above plasma parameters were measured, and found that similar profile with Te and ne. Magnetron configuration was simulated using COMSOL Multiphysics software and compared with the experimentally measured profile. Further, density distribution was simulated using measured B through particle in cell - Monte Carlo collision and found simulation results are well supported to the experimental results.

연구 동기 및 목표

• DC 마그네톤 스퍼터링 시스템에서 캐소드로부터 축방향 및 반경방향으로의 공간적 변화에 대해 플라즈마 파라미터인 전자 온도(Te)와 전자 수밀도(ne)의 변화를 분석한다.
• 이 플라즈마 파라미터들을 마그네톤 구조 내 다양한 위치에서의 증착 속도(De)와 연관지어 본다.
• COMSOL Multiphysics를 사용하여 마그네톤의 자기장 분포를 시뮬레이션하고 실험 측정 결과와 비교한다.
• 측정된 자기장 데이터를 기반으로 입자-입자-몬테카를로 충돌(PIC-MCC) 모델링을 통해 플라즈마 밀도 분포를 검증한다.
• 자기장 구조, 플라즈마 거동, 박막 증착 균일성 간의 정량적 연관성을 수립한다.

제안 방법

• DC 마그네톤 시스템에서 자기장(B) 분포를 실험적으로 측정하였다.
• 다양한 축방향 및 반경방향 위치에서 전자 플럭스(EF) 및 전자 에너지 분포 함수(EEDF) 방법을 사용하여 전자 온도(Te)와 전자 수밀도(ne)를 추정하였다.
• 플라즈마 파라미터를 평가한 동일한 위치에서 증착 속도(De)를 측정하였다.
• 실험 데이터와의 비교를 위해 마그네톤 기하구조와 자기장을 COMSOL Multiphysics로 시뮬레이션하였다.
• 측정된 B장 프로파일을 기반으로 실험적 자기장 데이터를 사용하여 플라즈마 밀도 분포의 PIC-MCC 시뮬레이션을 수행하였다.
• Te, ne, 및 De의 축방향 및 반경방향 거리에 따른 실험 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 대조하여 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DC 마그네톤에서 캐소드로부터 축방향 및 반경방향 거리에 따라 자기장 분포가 전자 온도(Te)에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 전자 수밀도(ne)는 캐소드로부터의 축방향 및 반경방향 거리에 따라 어떻게 공간적으로 변화하는가?
• RQ3 증착 속도(De)는 위치에 따라 어떻게 변화하며, Te 및 ne 프로파일과 상관관계가 있는가?
• RQ4 COMSOL를 사용한 자기장 시뮬레이션 결과는 실험 측정값과 얼마나 일치하는가?
• RQ5 측정된 B장 데이터를 기반으로 한 PIC-MCC 시뮬레이션은 실험 결과를 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• 전자 온도(Te)와 전자 수밀도(ne)는 모두 캐소드에서의 축방향 및 반경방향 거리가 증가할수록 감소한다.
• 증착 속도(De)는 Te 및 ne와 동일한 공간적 프로파일을 보이며, 플라즈마 파라미터와 직접적인 상관관계가 있음을 시사한다.
• COMSOL를 사용한 마그네톤 자기장 구조 시뮬레이션 결과는 실험 측정된 B장 분포와 양호한 일치를 보였다.
• 측정된 B장 데이터를 기반으로 한 PIC-MCC 시뮬레이션을 통한 플라즈마 밀도 분포는 실험 관측 결과와 매우 유사하게 재현되었다.
• 실험과 시뮬레이션을 통합한 접근법을 통해 자기장 구조가 DC 마그네톤 스퍼터링에서 플라즈마 균일성과 증착 속도에 결정적인 영향을 미친다는 것이 확인되었다.
• 이 연구는 측정된 자기장 데이터와 고급 시뮬레이션 기법을 활용하여 플라즈마 및 증착 거동을 예측할 수 있는 검증된 프레임워크를 수립하였다.