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전원 공급 장치 품질 평가
프로세스에 적합한 전원 공급 장치를 결정하려면 프로세스 전원 공급 방식과 제품 공급업체를 선택해야 합니다. 이상적인 방식을 선택하여 최적으로 설정한 경우에도 실제 상황에서 오류가 잘 발생하는 장치를 선택했다면 이러한 노력이 수포로 돌아갈 수 있습니다. 그러므로 반드시 평판이 좋은 고품질 제품을 선택해야 합니다.
가스공급이 차단되었을 때 어떤 일이 발생할까요?
전원 공급 장치가 고장이 나면 프로세스가 멈춥니다. 고품질 전원 공급 장치는 프로세스 처리량 및 자본 투자를 보호합니다. 까다로운 프로세스 요구 조건에도 적합하며, 가스통을 교체하지 않은 경우와 같이 유지 관리 실수를 저지른 경우에도 장비를 안전하게 보호해 줍니다.
전원 공급 장치의 여섯 가지 필수 성능 테스트
가스가 떨어진 경우 전원 공급 장치가 저절로 고장 납니까? 기존 전원 공급 장치의 품질을 확인하거나 새 전원 공급 장치를 선택하려면 다음 테스트를 고려하십시오. 이 테스트는 품질이 좋지 않은 장치를 배제하는 극단적이지만 현실적인 조건을 제시합니다.
이 절차를 수행하면 저품질 전원 공급 장치는 저절로 고장 날 수 있습니다. 사용 중인 전원 공급 장치가 이러한 조건에 적합한지 여부를 확신하지 못하거나 새 전원 공급 장치 구입을 고려하는 경우 다음 질문을 이론적으로만 고려하십시오. 모든 AE 전원 공급 장치 는 여기에서 언급된 까다로운 조건에 적합하도록 설계했으며 그 테스트에 합격했습니다.
경고!
잘못된 전원 공급 장치를 사용하는 경우 여기에서 설명한 조건에서 위험에 처할 수 있습니다. 직원 및 장비를 보호하는 데 필요한 모든 예방 조치를 취한 후에 테스트를 수행하십시오.
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첫 번째 테스트
전원 공급 장치를 정격 출력으로 작동시킨 다음 가스 공급을 갑자기 중단하십시오. 이는 가스통에 가스를 다시 채우지 않거나 가스통을 교체하지 않은 경우와 동일한 조건입니다. 전원 공급 장치가 어떻게 반응합니까? 계속 정상적으로 작동합니까? 고압 개회로 상태로 "바뀔" 뿐입니까? 아니면 고장(예: 연기, 불꽃 또는 기타 명백한 오작동 발생)이 납니까?
전원 공급 장치가 여전히 정상적으로 작동하는 경우 다음 테스트를 진행하십시오.
두 번째 테스트
가스를 다시 공급하십시오. 첫 번째 테스트를 통과한 전원 공급 장치가 고장이 납니까? 아니면 정상적으로 재작동합니까?
전원 공급 장치가 여전히 정상적으로 작동하는 경우 다음 테스트를 진행하십시오.
세 번째 테스트
첫 번째 테스트와 두 번째 테스트를 마친 전원 공급 장치를 최대 Metal Mode(고전압 저전류)로 작동시키십시오.
전원 공급 장치가 여전히 정상적으로 작동하는 경우 다음 테스트를 진행하십시오.
네 번째 테스트
중간-4 압력 범위(mid-4 Torr Range)로 압력을 천천히 줄이십시오. 전원 공급 장치는 이와 같은 가스 부족 상태를 견뎌야 합니다.
전원 공급 장치가 여전히 정상적으로 작동하는 경우 다음 테스트를 진행하십시오.
다섯 번째 테스트
전원 공급 장치가 빠르고 극단적인 임피던스 변화(아래 이력 곡선 참조)를 처리하는 능력을 테스트하려면 최대 아르곤 상태에서 최대 Metal Mode (고전압, 저전류)로 작동시키십시오. 정격 전원 및 최대 응답 모드에서 최대 산소 상태로 신속하게 전환하십시오. 그런 다음 정격 전원에서 최대 아르곤 상태로 다시 전환하십시오.
이력 곡선
전원 공급 장치가 여전히 정상적으로 작동하는 경우 다음 테스트를 진행하십시오.
여섯 번째 테스트
전원 공급 장치가 상기 다섯 가지 테스트를 모두 통과한 경우 극단적인 아크 방전(arcing) 상태에서 관찰하십시오. 박막이 손상되기 전에 전원 공급 장치가 아크 방전을 즉시 인식하고 꺼집니까?
결론
전원 공급 장치가 이 테스트 중 하나라도 합격하지 못한 경우 프로세스 처리량 및 자본 투자를 보호할 만한 충분한 품질을 갖추지 못했음을 나타냅니다. 이와 같은 까다로운 조건에 적합하도록 설계되었으며 그 테스트에 합격한 전원 공급 장치를 구하려면 AE에 연락하십시오. 모든 AE 전원 공급 장치는 여기에서 언급한 조건을 포함하는 다양한 실제 조건에서 성능을 유지하도록 만들었습니다. 필요한 경우 고급 보호 회로가 차단되어 전원 공급 장치의 손상을 방지합니다.
'Ask Doug!'에서 다루었음
이 테스트를 수행할 때 무엇을 관찰했습니까? 결과(긍정적인, 부정적인, 당황스러운 결과 등)를 sputtering@aei.com 으로 보내 주십시오. 설명, 데이터 및 사진을 함께 보내 주시면 더 좋습니다.*
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*다음 회보에서 해당 정보를 사용할 수 있는 권한을 AE에 위임한다는 글을 전자 메일에 포함해 주시고 고객님의 실명을 사용해도 되는지, 아니면 익명으로 게시되기를 원하는지 여부도 알려 주십시오.
새벽에 호출되는 번거로움 없앰: 가장 흔한 프로세스 문제 해결
갑작스러운 플라스마 손실, 예기치 않은 핀홀 (Pinholes) 발생 및 박막 품질의 급격한 저하는 공정 기술자가 새벽에 호출되는 3가지 주요 이유입니다. 다음 장에서는 이 현상에 대한 일반적인 원인에 대해 설명하며, 호출 없이 프로세스를 정상으로 돌려 놓을 수 있는 해결책을 제시합니다.
갑작스러운 플라스마 손실
일반적으로 프로세스 전원 공급 방식은 갑작스러운 플라스마 손실의 근본 원인 중 하나입니다. 전압을 정기적으로 역방향으로 가하지 않는 방식(예: 응답 모드에서의 일반 DC)을 사용하는 경우 양극에서 유전체 박막이 커질 수 있습니다. 이 경우 전자가 음극에서 양극으로 통하지 못합니다. 그러면 임피던스가 증가하여 전압이 상승하게 됩니다. 이 상태에서는 아크 방전이 심화되어 그대로 두면 플라스마가 손실될 때까지 악화되며 프로세스가 완전히 중단됩니다.
프로세스에서 치명적인 아크 방전이 발생하지 않도록 하려면 어떻게 해야 합니까? 전원 공급 방식을 AC 또는 펄스 DC로 바꾸어 보십시오. 의사 결정 과정에 대한 자세한 내용은 2007년 1사분기 Sputter Spotlight 회보 에서 프로세스 전원 선택 매트릭스 를 참조하십시오.
약한 자석, 저질 타겟 물질, 정전 등의 이유 때문에도 플라스마 손실이 발생할 수 있습니다. 갑작스러운 플라스마 손실에 대한 기타 원인 및 해결 방법에 대한 자세한 내용이 필요한 경우 Doug에게 문의하십시오.
핀홀 (Pinholes)
핀홀의 기본적인 원인은 과도한 아크 에너지입니다. 아크 방전 시 전원 공급 장치가 적은 저장 에너지를 유지하지 못하거나 아크 방전 처리 설정이 올바르지 않은 경우 핀홀이 발생합니다.
적은 저장 에너지를 유지하는 능력은 전원 공급 장치의 고유 기능이므로 매우 적은 에너지를 저장하는 전원 공급 장치를 처음부터 선택하십시오. AE 전원 공급 장치는 프로세스 전원 산업의 선두 주자로서 매우 적은 수준의 저장 에너지를 잘 유지합니다. 예를 들어, Crystal AC 전원 공급 장치 는 1mJ/kW를 저장합니다.
출시 중인 일부 전원 공급 장치는 설정이 너무 복잡하여 이해하는 데 시간만 낭비할 수 있거나 잘못 설정할 수 있으므로 해당 기능을 비활성화하는 것이 좋습니다. 아크 방전 처리 매개 변수를 쉽게 이해 및 설정할 수 있는 전원 공급 장치를 선택하십시오. AE 전원 공급 장치를 사용하면 시간, 유휴 시간 및 비상 정지 수준을 쉽게 설정할 수 있습니다.
선택한 프로세스 전원 공급 방식은 핀홀 발생의 원인이 될 수도 있습니다. AC 및 펄스 DC 를 사용하면 핀홀발생을 것을 쉽게 예방할 수 있습니다. 의사 결정 과정에 대한 자세한 내용은 2007년 1사분기 Sputter Spotlight 회보에서 프로세스 전원 선택 매트릭스 를 참조하십시오.
저품질 박막형성
갑작스러운 박막품질 저하의 원인은 주로 오래된 타겟, 가스 게이지 및/또는 압력계 고장 또는 진공챔버 누출 때문입니다.
평면 타겟이 유효 수명에 근접한 경우 트랙 홈을 탁탁 튀며 교차하기 시작합니다. 이 경우 플라스마 분자 충돌이 발생하여 아크 방전이 심화될 수 있습니다. 이 충돌이 트랙 반대쪽에도 발생하여 아크 방전이 더 심화될 수 있습니다. 아크 방전은 계속 심화되어 결국 프로세스가 정지됩니다. 타겟을 바꾸면 이 문제는 해결됩니다.
트랙 부식 패턴
가스 게이지 오작동은 가스 혼합 오류를 유발하며, 압력계가 고장이 나면 압력이 바람직한 수준을 초과할 수 있습니다. 압력이 증가하면서 플라스마 분자 충돌이 더 많이 발생하므로 증착 박막에 구멍이 더 많이 생깁니다. 어느 경우이든지 트랙의 박막 품질을 정상화하려면 가스 게이지 및/또는 압력계를 바꾸십시오.
진공실 누출도 박막 품질 문제의 일반적인 원인이므로 진공실의 무결성을 확인하십시오.
덕에게 물어보십시오!
스퍼터링 공정이 여러분을 짜증나게 만듭니까?
덕 펠레이마운터(Doug Pelleymounter), AE 선임 필드 어플리케이션 엔지니어는 32년 (개의 나이로 224년)동안 모든 유형의 도전적인 스퍼터링 어플리케이션 작업을 수행한 경험을 보유하고 있습니다. 덕은 까다로운 어플리케이션 질문에 답변해 드릴 것입니다.
sputtering@aei.com 으로 질문이나 의견을 보내주십시오.
- 평면 타겟과 회전식 타겟을 사용할 때의 차이점은 무엇입니까?
- 평면 타겟과 회전식 타겟의 서로 다른 부식 패턴이 타겟의 수명 동안 프로세스에 어떤 영향을 미칩니까?
- 일반적으로 펄스 DC 및 AC 전원은 일반 DC보다 더 나은 박막을 생성한다고 했는데 실제로 박막 품질에는 어떤 차이가 있습니까?
- 답변: 스퍼터링 속도를 어떻게 최적화할 수 있습니까?
- HPPMS라는 차세대 기술이 완전 평면 균일 박막을 생산하고 있지만 이 기술은 아직 보편화되지 않고 있다고 들었는데 현재 이용 가능한 장비로 유사한 결과를 낳는 대안이 있습니까?
- 평면 타겟과 회전식 타겟을 사용할 때의 차이점은 무엇입니까?
답변: 일반적으로 평면 타겟의 경우 35% 정도 사용 가능하고 회전식 타겟의 경우 85% 정도 사용 가능합니다. 이 수치는 사용 중인 프로세스 전원 공급 방식 또는 타겟 물질과 무관합니다. 그러나 회전식 음극은 RF 전원 과 호환되지 않으며, 일반적으로 AC, DC 또는 펄스 DC 전원 프로세스에 적합합니다.
- 평면 타겟과 회전식 타겟의 서로 다른 부식 패턴이 타겟의 수명 동안 프로세스에 어떤 영향을 미칩니까?
답변: 평면 타겟과 회전식 타겟이 서로 다른 방식으로 부식하지만 타겟의 수명 동안 프로세스 전원을 처리하는 방법은 실제로 차이가 거의 없습니다. 회전식 타겟의 경우 타겟 두께가 균일하게 줄어들며, 그로 인해 자석이 타겟 표면에 더 가까워집니다. 그 결과로 전류는 증가하고 전압은 감소합니다. 평면 타겟은 균일하지 않게 부식하지만 전류는 감소하고 전압은 증가합니다.
- 일반적으로 펄스 DC 및 AC 전원은 일반 DC보다 더 나은 박막을 생성한다고 했는데 실제로 박막 품질에는 어떤 차이가 있습니까?
답변: 다음 사진은 박막 품질에 상당히 큰 차이가 있음을 보여줍니다.
일반 DC 전원으로 생성한 박막 품질(위) vs. 펄스 DC 전원으로 생성한 박막 품질(아래)
출처: 영국 샐포드 대학교 신소재 및 표면 공학 센터
일반 DC 전원으로 생성한 박막 품질(위) vs. AC 전원으로 생성한 박막 품질(아래)
- 스퍼터링 속도를 어떻게 최적화할 수 있습니까?
답변: "Ask Doug"의 "What sputtering rates can I achieve?(어느 수준의 스퍼터링 속도에 도달할 수 있습니까?)"라는 질문에서 이에 대해 답했습니다.
일반적으로 압력이 낮을수록 플라스마 분자 충돌은 더 적고 플라스마 도달 거리(스퍼터링된 분자가 타겟에서 기판에 도달하는 능력)가 더 멀기 때문에 스퍼터링 속도 및 박막 품질이 더 좋습니다. 따라서 최저 압력에서 스퍼터링하되 가스가 부족하지 않도록 주의하십시오. 가스가 부족하게 되면 전원 공급 장치에 문제가 발생할 수 있습니다. (위의 전원 공급 장치 품질 평가 를 참조하십시오.)
둘째, 가우스 미터를 사용하여 마그네트론의 균형을 확인하십시오. 불균형 마그네트론은 플라스마 도달 거리를 넓히고 전자를 지나치게 많이 생성하므로 기판 온도와 박막 품질에 영향을 미칩니다. 균형 마그네트론의 경우 도달 거리가 집중적으로 분포하는데 이는 특히 음극과 기판 사이의 거리가 클 때 스퍼터링 속도가 좋습니다.
불균형 마그네트론(위) vs. 균형 마그네트론(아래)
셋째, 자석 강도를 확인하십시오. 자석 강도를 높이면 플라스마 도달 거리가 늘어납니다. 이 경우 스퍼터링 속도와 박막 밀도가 향상되지만 자석 강도가 세면 타겟에 홈이 깊게 패여 수명이 단축됩니다.
즉, 스퍼터링 속도는 다각적으로 고려해야 할 복잡한 문제입니다. 구체적인 상황에 대한 조언이 필요한 경우 sputtering@aei.com 으로 문의하십시오.
- HPPMS라는 차세대 기술이 완전 평면 균일 박막을 생산하고 있지만 이 기술은 아직 보편화되지 않고 있다고 들었는데 현재 이용 가능한 장비로 유사한 결과를 낳는 대안이 있습니까?
답변: 있습니다. HPPMS(high-power, pulsed magnetron sputtering: 고성능 펄스 마그네트론 스퍼터링) 기술과 유사한 수준의 평면도를 제공하며 쉽게 사용할 수 있는 기존 기술이 있습니다. 이 기술은 RF와 펄스 DC라는 두 프로세스 전원 공급 방식을 결합한 기술입니다. 비교적 새로운 방식인 RF 보강 펄스 DC(RF-superimposed pulsed DC)는 오랫동안 사용되어 왔으며 그것에 대한 정보가 어느 정도 축적되어 있습니다. 이 방법에 대한 자세한 내용은 AE의 전원 공급 선택 매트릭스 와 RF 보강 DC 프로세스에서 아크 처리 주의 사항 을 참조하십시오.