3차원 DSMC를 이용한 박막증착공정에서 금속 증기의 적합한 분자모델 선정에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 Kinetic Theory와12-6 Lennard Jones intermolecular potential model을 이용한 이론적인 방법과 3차원의 직접모사 몬테카를로(DSMC)방법을 이용한 수치해석기법을 통해 증발증착공정에서 대표적으로 사용되는 금속 재료인 알루미늄, 티타늄,구리의 분자모델 매개변수 선정에 대한 연구를 수행하였다. 직접모사 몬테카를로 방법에 있어서 분자모델 매개변수는 분자간의 충돌을 지배하는 중요한 인자이며 대표적인 분자모델인 Variable Hard Sphere(VHS)의 경우 d_ref(Reference diameter)와 ω(Viscosity-Temperature index)가 이에 해당한다.일반적인 기체분자의 경우 기존연구를 통해 적절할 분자모델 매개변수 값이 제시되어 사용되고 있지만 증착 공정에서 사용되는 고온의 금속 증기의 경우에는 관련된 선행연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 Kinetic Theory와12-6 Lennard-Jones intermolecular potential model을 사용하여 고온의 금속 증기가 갖는 점성 계수에 대한 이론적 추측을 수행하고 그로부터 계산에 사용할 초기 분자모델 매개변수의 값을 계산하였다.또한 3차원의 DSMC방법을 이용하여계산된 초기 분자모델로부터 반복적인 계산과정을 통해 실험값을 가장 잘 모사할 수 있는 최적의 분자모델 매개변수 값을 제시하였다.; It is important to select the suitable molecular model to analyze the metal thin film deposition characteristics by direct simulation Monte Carlo (DSMC) method. However, since data on the viscosity of the metal vapor is not available, it has been difficult to determine a suitable molecular model for use in the DSMC method. In this study, we used the kinetic theory and the 12-6 Lennard-Jones intermolecular potential model to predict the variation in viscosity of metal vapors with temperature changes and from this, reference molecular diameter and temperature-viscosity index value of variable hard sphere (VHS) model was determined. Using the predicted molecular model, the electron beam physical vapor deposition process was modeled by three-dimensional DSMC method. In case for aluminum, titanium and copper, it was confirmed that the deposition rate distribution is well predicted which compared with the published experimental data. Also, the most suitable molecular models were analyzed for the three metals.