1. 서 론

최근 유기 발광형 소자 기술 및 OLED (Organic Light Emiiting Diode) 기반 디스플레이 기술의 급속한 성장에 따라 제조 경쟁성 확보를 위한 대면적 저손상 공정장비에 대한 요구가 증가하고 있다. 수분과 산소에 대한 높은 민감도를 가지는 유기 전계 발광 디스플레이의 특성 향상을 위해서는 효과적인 encapsulation 공정이 필요하다. 유리, 금속 및 에폭시 접착제 등을 통한 방법등이 제시되고 있지만 대면적 플렉서블 또는 투명 OLED 생산에 한계점을 보인다. 고품질의 TFE(Thin Film Encapsulation) 박막 형성을 위해서는 굽힘 시 균열을 방지하기 위한 목적으로 낮은 응력과 높은 유연성, 기판과의 높은 접착 특성을 가지는 박막의 생성이 요구된다⁽¹⁾. 이에 따라 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법을 활용한 Nitride 공정 기반 고성능 passivation 막 증착 기술에 대한 수요가 증가하고 있다⁽²⁾. 동시에 저손상 고속 증착이 가능한 특징을 가지는 초고주파 플라즈마 장비(Microwave plasma)에 관한 연구의 필요성이 증가하고 있는 실정이다⁽³⁾.

초고주파 플라즈마 장비는 1-100 GHz 구동 주파수를 인가하여 전자를 가열시키는 형태로써, wave induced heated 방식의 플라즈마 발생 장치를 뜻한다. 초고주파 플라즈마 장비는 크게 자기장을 이용한 전자 싸이클로트론 공명 플라즈마(Electron Cyclotron Resonance, ECR) 발생 방식과 싸이클로트론 공명을 사용하지 않는 evanescent wave mode, surface wave mode 방식으로 분류되며 공정 압력대(100mTorr ~ 1Torr)가 비교적 높은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장비에는 후자의 형태 장치가 주로 사용되고 있다⁽⁴⁾.

대면적 플라즈마 증착을 위해서는 비교적 구조가 간단하며 선형적으로 길이가 긴 원통형의 선형 마이크로파 플라즈마(Linear Microwave Plasma Source, LMPS) 발생장치가 주로 사용되고 있다. 해당 장치는 Duo-line plasma 장비로 초기 설계 되었으며, 이후 Roth&Rau 사(또는 Meyer burger 사)에서 계속 개발을 통하여 그림 1과 같은 Roll to Roll 형태의 장비로 응용, 대면적 증착이 필요한 Display, 태양광 제조 공정 등에 사용되고 있다⁽³⁾.

Roll-to-Roll 장비는 대면적 증착 공정이 용이한 형태로 롤 위에 증착 기판을 올려, 롤을 움직임에 따라 연속 증착 공정을 진행하는 형태의 공정 장치를 뜻한다. 롤투롤 장비에서 플라즈마 기반 증착을 위해서는 substrate heating 장치, 진공부, 플라즈마 발생부 및 기판을 수송하는 roll 장치 등이 필요하다. 해당 장치에서 공정효율을 상승시키기 위해서는 플라즈마 발생부에서의 효율 상승이 필수적으로 요구된다⁽²⁾.

기존 Roth&Rau type 선형 마이크로파 발생 장치는 quasi-coaxial TEM 웨이브 기반의 플라즈마 발생을 특징으로 하며 inner conductor에서 방사되는 전계가 quartz tube 전면으로 방사되어 전자를 가열하는 구조를 가지고 있다. 해당 장치의 경우 특정 증착 면에서 플라즈마 발생 효율이 떨어지는 문제가 발생한다. 이를 극복하고 증착 효율을 상승시키고자 그림 2와 같이 circular TE₁₁ wave mode 기반의 도파관 방사형 장비에 대한 개발이 진행되고 있으며, 해당 장치를 통해 선택 증착 면에서 기존 장비 대비 동일인가 파워에서 30%이상의 증착 효율 증가가 가능함이 보고되고 있다⁽⁴⁾.

기존 연구에서 제시된 Circular TE₁₁ 도파관 전파 구조의 장비는 원통형 전계 분포 특성으로 인하여 슬랏 방사면에서 선택적 플라즈마 발생 효율은 높은 반면, 초고주파 구동에 따른 장비 크기 대비 짧은 파장 특성으로 인하여 웨이브 진행 방향에 따른 불균일 전계 형성이 공정 균일도를 저해하는 요소로 작용하고 있다⁽⁴⁾. 해당 장비의 성능 개선을 위해서는 웨이브 진행 방향에 따른 플라즈마 파워 인가 균일도 개선이 요구되며, 특히 슬랏 안테나 두께에 따른 파워 방사 균일도 최적화가 필요하다. 이에 따라 본 연구에서는 균일 전계 방사에 중요한 요인이 되는 slot 안테나 두께에 따른 플라즈마 특성 및 균일도 개선에 관한 연구를 진행하였다. 3-D plasma fluid simulation 모델을 구성하여 사용하였으며 실제 공정에 주로 사용되는 300~500mTorr 공정 압력 대에서 Ar 플라즈마 발생 특성을 slot 두께(1~7mm)의 영향에 관한 연구를 진행하였다⁽⁴⁾.

2. 시뮬레이션 구성 및 방법

그림 3은 3차원 플라즈마 시뮬레이션 모델에 사용된 선형 초고주파 챔버 개략도 및 설정된 메시(Mesh) 형상을 나타낸다. 진공 챔버는 기존 연구를 기반으로 원통형으로 반경 205mm, 높이 120mm로 가정하였으며, 가운데 중심축을 기준으로 3차원 원통형 구조의 모델을 설정하였다. ROll-to-Roll PECVD 장비에 적용이 가능한 형태로 실제 공정을 가정하여 원통형 quartz($\varepsilon_{r}$=4)의 외경은 46mm 내경은 40mm로 설정하였다.

quartz 내부에는 외경 40mm 내경 36mm 의 copper 구조의 conductor를 위치 시켰으며, 그림 2,3과 같이 conductor 표면에는 quartz window의 표면에 평행한 방향의 전계를 형성하기 위하여 두께 1~7mm에 해당하는 전계방사형 slot antenna(air condition)를 형성시켰다. conductor 내부에는 웨이브 전파를 위하여 직경 36mm의 유전체를 삽입하였으며, fc11=1.841/2πa$\sqrt[]{\mu\epsilon}$ (fc11:cut-off frequency of TE₁₁ modes, a : circular waveguide inner radius, $\mu$ : permeablity of material, $\varepsilon$ : permittivity of materal) cut-off 주파수 대비 높은 구동주파수 형성이 가능하도록 $\varepsilon_{r}$=9 의 알루미나 소재로 설정하였다⁽⁴⁾.

그림 4와 같이 선형 마이크로웨이브 장비에서 주로 증착이 진행되는 quartz window 표면으로부터 25mm 떨어진 공간에서 200mm 길이의 substrate를 가정하여 증착 균일도를 관찰하였다. 주입 가스의 경우에는 Ar 가스를 설정하였으며, 챔버 내부 압력은 실제 공정을 반영하여 300~500 [mTorr]로 가변하며 시뮬레이션을 진행하였다. Microwave 구동주파수는 2.45 GHz를 사용하였으며 인가 파워는 600W로 고정하였다. 메시 형상은 웨이브 전송을 위한 도파관 부와 플라즈마 영역을 조밀하게 형성하여 약 172,820개 요소(Element)와 27,960개의 경계 영역(Boundary)으로 구성하였다.

공정 가스 주입에 따른 선형 초고주파 플라즈마 시뮬레이션 해석을 위해 Comsol Multiphysics tool을 사용하였다.전자 가열 및 Electromagnetic wave에 의한 전계 계산을 위한 wave equation, 플라즈마 내의 전자 거동 해석을 위한 입자 보존 및 에너지 보존 방정식, 중성 입자와 이온에 대한 보존 방정식, 플라즈마 전위를 계산을 위한 Poisson’s equation 등의 지배방정식이 사용되었다^(4-5). 주파수 영역(frequency domain)에서 원통형 도파관을 진행하는 wave equation은 non-magnatized 플라즈마 매질을 가정하여 다음과 같이 정의 하였다.

여기서 $\epsilon_{0}$는 진공의 유전율, $\epsilon_{r}$은 상대 유전율, $\mu_{0}$는 진공의 투자율, $\mu_{r}$은 상대 투자율, $\omega$는 각 주파수(Angular frequency, 2π x 2.45 GHz), $\vec{E}$는 전계 (electric field),$k_{0}$는 자유공간에서 wave number($k_{0}=w\sqrt[]{\mu_{0}\epsilon_{0}}$), $\sigma$는 전기 전도도이다. 원통형 도파관을 따라 진행하는 웨이브에서 slot 안테나를 통해 전계가 방사되고, 플라즈마 영역의 전자들은 가열되면서 전력 전달이 이루어진다⁽⁶⁾.

플라즈마의 상대 유전율은 식(2)와 같이 구동 주파수와 플라즈마 주파수에 의해 결정된다. 플라즈마 주파수는 전자 밀도($n_{e}$)와 전자 질량($m_{e}$)에 의해 표현된다. 플라즈마 전기 전도도(plasma conductivity) $\sigma_{plasma}$는 위의 식(4)와 같이 정의된다^(3,6). $q_{e}$는 전자 전하량, $m_{e}$는 전자 질량, $n_{e}$는 전자밀도, $\nu_{en}$은 충돌 주파수(electron-neutral collision frequency for momentum transfer)를 의미한다.

$Q_{h}$ 는 microwave power에서 플라즈마로 흡수되는 파워의 크기를 의미하며, 플라즈마 전기전도도, 전계 $\vec{E}$ 와 complex conjugate $\vec{E}^{*}$ 값의 곱에 대한 실수부의 값을 나타낸다.

전자와 전자 에너지에 대한 보존 방정식은 Drift-diffusion 근사식에 의해 다음과 같이 나타난다⁽⁶⁾.

$R_{e}$는 전자 생성, $R_{\varepsilon}$는 충돌에 의한 전자 에너지 변화량, $\vec{\Gamma_{e}}$와 $\vec{\Gamma_{\varepsilon}}$는 각각 전자와 전자 에너지의 Flux, $P_{dep}$는 플라스마 deposited power density, $-\vec{u}\nabla n_{e}$와 $-\vec{u}\nabla n_{\varepsilon}$는 대류에 의한 성분을 나타낸다. 전계와 확산에 의한 전자와 전자 에너지 플럭스는 다음과 같이 계산된다^(5-7).

$\vec{\Gamma_{e}}= -(\mu_{e}\bullet\vec{E})n_{e}-\nabla(D_{e}n_{e})$

$\mu_{\varepsilon}$는 전자의 에너지 이동도(Mobility), $\mu_{e}$는 전자 이동도(electron Mobility), $D_{e}$는 전자의 확산 계수(Diffusivity), $D_{\varepsilon}$는 전자 에너지 확산 계수를 나타낸다. $\mu_{e}$ 는 BOLSIG+를 통하여 전자 에너지에 관한 값으로 계산되었다. 해당 플럭스 계산에 요구되는 전계 $\vec{E}$ 및 전위 $V$ 는 Poisson 방정식으로 계산된다.

$\omega_{k}$는 $k$ 종의 질량 분율, $\rho$는 혼합 가스 밀도, $R_{k}$는 $k$ 종에 대한 반응 계수, $\vec{j_{k}}$는 $k$ 종에 관한 확산 선속 벡터(Diffusive flux vector)를 뜻한다. 플라스마 Wall에서의 전자에너지와 전자에 대한 경계조건은 위의 식(13)-(14) 같이 나타난다. $\vec{n}$은 법선 벡터(Normal vector)를, $v_{eth}$는 열 속도(Thermal velocity)를 의미한다. 표면에서 여기종 혹은 이온에 의한 챔버 벽면에서의 2차 전자 방출을 고려되지 않았다. 전자밀도 계산에 사용된 경계 조건은 다음식 (15)-(16) 과 같이 적용 되었다⁽⁸⁾.

기존 실험 및 시뮬레이션 비교 연구에서 사용된 방식과 동일한 형태의 전자, Ar 종 등을 포함하여 표 1과 같이 총 9개의 서로 다른 화학 반응식과 2가지 표면 반응식(Ar*→Ar, Ar+→Ar)이 플라스마 유체 시뮬레이션 수행에 사용되었다.

3. 시뮬레이션 결과 및 고찰

4. 결 론

본 논문에서는 상용 유한요소 시뮬레이션을 이용하여 TE₁₁ circular wave 전파 기반 선형 초고주파 플라즈마 장치를 설계하고 slot 두께 및 공정 압력 변화에 따른 플라즈마 파워 흡수율 변화, 전자 거동 특성 변화등을 분석하였다. 슬랏의 두께가 감소할수록 전계 형성 위치가 국부적으로 집중 됨에 따라 원통형 도파관에 인가되는 파의 공간에 따른 플라즈마 흡수 파워 균일도는 개선됨을 확인하였다. 대신 슬랏의 두께가 증가함에 따라 전체 플라즈마 흡수 파워 양은 증가하며 마이크로파 인가부에서 플라즈마 발생이 집중되는 경향이 나타났다. 공정 압력이 증가함에 따라서는 쿼츠 윈도우 근접 부에서 최대 전자밀도의 크기는 증가하며, 최대 밀도 생성 위치는 윈도 표면으로 이동하는 현상이 나타났다. 압력이 증가함에 따라 윈도우 표면으로부터 거리에 따른 전자밀도의 감쇠비는 증가하며 이에 따라 총 플라즈마 흡수 파워 및 플라즈마 내 총 전자 생성 개수 또한 감소하는 현상을 보였다. 하지만, 슬랏의 두께를 1mm로 최소화 하였을 경우 standing wave 현상에 의하여 파워 인가부 및 반사부에서 전계 세기가 증가하여 균일도를 저해하는 현상이 나타났으며 슬랏 3mm 두께에서 전자밀도의 균일도가 가장 높게 나타남을 확인하였다.