The pulsed-DC magnetron sputtering source is used to deposit an insulating thin film. Many researchers obtained the result that the deposition rate and the properties of a thin film were changed according to pulse frequency and duty cycle. It was thought that the change of the plasma irradiation energy was the cause of the change of the thin film properties. The mechanisms has not been yet revealed. In this thesis, the plasma in pulsed-DC magnetron sputtering source was diagnosed and analyzed by using various methods and the deposition rate was measured in various conditions to investigate the mechanism of the change according to pulse frequency and duty cycle.
First, a wave-cutoff probe was used to diagnose the plasma. The characteristic of two-step decay during off-phase was appeared. This two-step decay was enhanced when the pulse power increased and the duty cycle decreased. From this experimental results and other researchers` results, it was deduced that two-step decay was originated from the reversal of plasma potential caused by the positive net charge in target region, the block of electron flow by the magnetic confinement and the spatial difference of electron temperature. From a simple intuition based on the above deduction, the negative off-phase voltage was suggested and used to disappear the two-step decay. In result, the two-step decay characteristic was disappeared when the target voltage was negative in off-phase. It was thought that this result was an indirect evidence of the above deduction.
The change of the average plasma density and the substrate ion current according to pulse frequency and duty cycle was examined. These average values increased with pulse frequency and decreased with duty cycle. It was thought that the decrease in the plasma loss toward the target and the time delay of ion loss velocity were the cause of this change according to pulse frequency and duty cycle. It seemed that the decrease in the plasma loss toward the target was generated by the plasma confinement effect by the strong magnetic field and the reversal of plasma potential. It was thought that the time delay of ion loss velocity was caused by the inertia of ion. To examine the feasibility of this deduction, these two points were added to the zero-dimensional model about pulse plasma. In result, these two points added to the zero-dimensional model made not only average plasma density and substrate ion current but also the ion bombardment energy flux increase with pulse frequency and decrease with duty cycle. The tendency of these result agreed well with the properties of a thin film deposited in various pulse conditions.
A single Langmuir probe was used to measure the plasma density, electron temperature, EEPF, and plasma potential. In result, the high energy electrons flowing from the target region during on-phase was ascertained again like a DC-magnetron sputtering source. The loss of high energy electrons generating the plasma in the substrate region was varied according to the duty cycle. This made the plasma density vary with the electrical state of the substrate. Additionally, the spatial measurement was performed to observe the thing which other researchers explained as ion acoustic wave or soliton. It was concluded that this is not ion acoustic wave and soliton, but the same thing with a two-step decay.
The deposition rate was measured in various conditions to examine the change of the deposition rate according to pulse frequency and duty cycle. In result, the deposition rate per unit target power was varied according to not only duty cycle but also target power. From these results, it was deduced that the relation between the sputtering yield and ion energy was closely related with the deposition rate. To be sure of this deduction, the different target materials (Ti, Al, Cu), of which the relations between the sputtering yield and ion energy are different each other, was used and the deposition rate was measured. In the case of Al target, the deposition rate per unit target power was constant with the target power. In the cases of Cu and Ti target, the deposition rate per unit target power decreased with the target power. This agreed well with the relation with the sputtering yield and ion energy of each target material. It was deduced that the properties of the sputtering yield about ion energy made the deposition rate increased with duty cycle and decreased with pulse frequency. This tendency of the deposition rate expected by the deduction agreed well with the deposition rate measured by other researchers.
From the result about the deposition rate, a two step pulse was suggested to increase the deposition rate. But, the deposition rate of the two step pulse was the same with the conventional pulse. It was thought that this was due to the very large oscillation of the two step pulse voltage.
펄스 마그네트론 스퍼터링 소스의 여러 가지 특성을 조사하기 위하여 unipolar 펄스와 Ti 타겟을 가지고 비활성 가스 Ar의 조건에서 여러 가지 플라즈마 변수와 기판이온 전류, 증착율을 측정하였다.
먼저 off-phase에서 나타나는 진행하는 밀도 구조의 원인을 조사하기 위하여 wave-cutoff probe를 이용하였다. 그 결과 진행하는 밀도 구조의 크기는 펄스의 파워에 따라서 커졌다. 그리고 이것을 플라즈마 생성과 손실 관점에서 분석하였는데 off-phase에서 타겟 영역의 플라즈마 전위가 기판 영역보다 높아질 것으로 생각되었다. 그에 대한 근거로 다른 연구자들이 행하였던 실험에서 DC 방전의 off-phase의 초기에 나타나는 플라즈마 전위의 상승과 bipolar 펄스 마그네트론 스퍼터링 소스에서 측정한 플라즈마 전위의 결과가 제시되었다.[51, 52, 53] 그리고 off-phase 타겟 전압이 - 전압일 때 진행하는 밀도구조가 사라지는 결과가 나타났다. 이 결과는 off-phase 전압이 - 전압이 될 때 타겟 영역의 플라즈마 전위 상승이 사라지면서 나타나는 것으로 생각되었다.
펄스 주파수가 증가할수록 duty cycle이 감소할수록 기판에 입사하는 이온 충돌 에너지 플럭스가 증가하는 경향이 여러 연구자들에 의하여 보고가 되어 왔다.[20-28] 그러나 이러한 결과가 나타나는 원인에 대하여 아직 잘 밝혀지지 않고 있다. 그러므로 본 연구에서는 여러 가지 플라즈마 변수와 기판 이온 전류, 증착율 등을 측정하여 그 원인을 밝히고자 하였다.
먼저 펄스 주파수와 duty cycle에 따른 플라즈마 밀도와 기판 이온 전류를 비교하였다. 그 결과 펄스 주파수가 증가할수록 duty cycle이 작아질수록 플라즈마 밀도와 기판 이온 전류가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 이것을 설명하기 위하여 플라즈마 생성과 손실에 대하여 분석하였다. 플라즈마 생성의 경우에 펄스 주파수와 duty cycle에 따른 변화가 생기지 않을 것으로 생각하였다. 그러나 플라즈마 손실의 경우에는 3가지 원인에 의하여 펄스 주파수가 증가할수록 duty cycle이 감소할수록 플라즈마 손실이 감소할 것으로 생각되었다. 첫 번째는 off-phase에서 자기장의 감금 효과에 의하여 타겟 영역으로의 플라즈마 손실이 감소이었다. 두 번째는 off-phase 초기에 플라즈마 전위의 역전에 의한 플라즈마 손실 감소이고 마지막 세 번째는 플라즈마 손실 속도의 delay에 의하여 생기는 플라즈마 손실의 감소이었다. 이렇게 제안된 3가지 원인이 실제로 이온 충돌 에너지 플럭스를 증가시킬 수 있는지 알아보기 위하여 global model에 이 세 가지를 적용하여 보았다. 그 결과 이것을 적용하기 전에는 이온 에너지 플럭스가 duty cycle이 감소하면서 작아졌으나 적용할 경우 duty cycle이 감소할수록 커지고 펄스 주파수가 커질수록 증가하였다. 그리고 여러 가지 펄스 조건에서 단위 파워 당 기판 이온 전류를 측정하였는데 model의 결과와 잘 일치하는 것으로 나타났다.
여러 가지 펄스 조건에서 single Langmuir probe를 이용하여 여러 가지 플라즈마 변수를 측정하였다. substrate의 전기적 상태에 따라서도 플라즈마 변수의 변화를 측정하였다. floating 기판의 경우에 이온 충돌 에너지 플럭스를 측정된 플라즈마 변수로부터 계산하였다. 그 결과 펄스 주파수가 커질수록 duty cycle이 감소할수록 이온 충돌 에너지 플럭스가 증가하는 것을 다시 확인할 수 있었다.
펄스 주파수가 커지고 duty cycle이 작아질수록 증착율이 작아지는 현상이 보고되고 있다.[30, 31] 그러나 아직 이러한 현상을 잘 설명하지 못하고 있다. 본 연구에서는 먼저 Ti의 경우에 여러 가지 duty cycle 조건에서 인가한 평균 파워에 따른 증착율의 변화를 살펴보았다. 그 결과 duty cycle이 작은 조건에서 펄스 파워가 증가할수록 단위파워 당 증착율이 감소하였다. 이러한 현상이 sputter yield와 연관이 있을 것으로 생각하여 서로 다른 sputter yield 특성을 갖는 Al, Ti, Cu의 경우에 단위파워당 증착율이 인가한 파워에 따라 어떻게 달라지는지를 측정하였다. 그 결과 sputter yield의 특성이 단위파워 당 증착율 특성에 그대로 반영이 되는 것으로 나타났다. 그 결과로부터 펄스 주파수가 커지고 duty cycle이 작아질수록 증착율이 작아지는 원인이 펄스의 전압이 커지면서 단위 이온에너지당 sputter yield의 값이 낮아지기 때문인 것으로 분석되었다.
단위파워 당 이온 충돌에너지의 변화와 단위파워당 증착율의 변화를 보면 펄스 주파수가 커지고 duty cycle이 작아질수록 단위 증착율당 이온 충돌에너지의 크기가 커지는 것으로 나타났다. 이것은 이전의 박막 측정 결과를 잘 설명하고 있다.
