KR100229008B1

KR100229008B1 - 진공코팅시스템의 고정식 자전관 스퍼터링 음극

Info

Publication number: KR100229008B1
Application number: KR1019910018137A
Authority: KR
Inventors: 볼프람마아쓰; 울리히팟쯔
Original assignee: 코리네 보우라트, 페터 좀머캄프; 발제르스 운트 레이볼드 도이치란드 홀딩 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1990-12-07
Filing date: 1991-10-15
Publication date: 1999-11-01
Also published as: US5182003A; DE4039101A1; JPH04268075A; CH683777A5; JP3397799B2; KR920012514A; DE4039101C2

Abstract

순환 경로(K)를 따라 음극 앞을 통과하는 회전 기판홀더에 배열된 기판에 대한 진공 코팅장치용 고정식 자전관 스퍼터링 음극에 있어서, 요크 플레이트는 원반형이고, 폐쇄된 동그란 고리형의 자석열이 요크 플레이트의 바깥 가장자리에 배열되며 불규칙하지만 대칭형의 구조를 지닌 제2자석열은 요크 플레이트의 중심부에 설치된다. 기판 홀더의 축중심에서 순환경로 외곽의 요크 플레이트에 형성되는 자기터널의 길이는 순환경로 안쪽의 요크 플레이트의 자기 터널 길이보다 더 길게 형성된다.

본 발명의 목적은 코팅을 해야 할 기판의 코팅 두께를 균일하게 하고, 또한 타겟트 재료를 보다 효과적으로 사용할 수 있도록 앞에서 언급한 유형의 자전관 스퍼터링 음극을 개선하는 데 있다.

[색인어]

진공증착, 고정식, 연구자석, 자석그룹, 플라즈마, 코팅두께, 균질

Description

진공코팅 시스템용 고정식 자전관 스퍼터링 음극(STATIONARY MAGNETRON SPUTTERING CATHODE FOR A VACUUM COATING APPARATUS)

본 발명은 회전 기판홀더 위에 배열되어, 순환 경로(circular path)를 따라 음극의 전면을 통과하게 되는 기판의 진공증착(코팅) 장치용 고정식 자전관 스퍼터링 음극에 관한 것이다. 이 스퍼터링 음극은 타겟트 플레이트와 이것에 대해 평행한 면에 배열된 지지 플레이트로 구성되며, 아울러 타겟트 플레이트 뒤에 설치되는 여러 개의 영구 자석으로 이루어진 자석 시스템을 포함한다. 이 영구자석 중 제1자석 그룹(group) 혹은 제1자석 열(row)은 같은 자석을 지니며 제2자석그룹 또는 제2자석열은 반대 자극을 지니기 때문에, 제1군 혹은 제1열에서 나와 제2군 혹은 제2열로 들어가는 폐쇄된 자력선 터널(자기터널)이 상기 타겟트 플레이트 위에 형성된다.

자전관 스퍼터링 음극은 자장의 뒷받침이 없는 스퍼터링 시스템과 비교할 때, 10 내지 30배 더 높은 스퍼터링율을 가지게 된다. 그러나 이러한 장점은 필연적으로 타겟트 플레이트의 매우 불규칙한 스퍼터링이라는 단점을 수반한다. 이것은 자전관의 자기터널이 플라즈마를 수축시키므로 이에 상응하여 스퍼터링의 효과도 공간적으로 제한되기 때문이다. 이 경우 부식 홈의 가장 낮은 지점이 자력선이 집중하는 곳 아래에 생기기 때문에, 스퍼터링은 타겟트 물질이 단지 25% 내지 30% 정도 스퍼터링된 후에 끝내야 한다. 예컨대 음극과 기판 사이에서 상대적인 운동이 없는 고정식 코팅시스템에서는 이것 때문에 코팅 두께의 분포가 매우 불규칙해진다. 요컨대 이것은 부식홈이 기판 위에 마치 사진처럼 복사된다는 것을 의미한다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 일련의 시도에 따른 문제점은 특허 DE-OS 27 07 144와 DE-OS 36 19 194를 통해 공고된 바 있다. 이같은 해결 시도에는 특히, 환상의 타겟트 플레이트 뒤에서 중심을 달리하는 위치에서 회전하는 오직 하나의 자석시스템을 자체적으로 갖춘 자전관 스퍼터링 음극이 포함된다(특허 DE-OS 27 07 144의 제22도 내지 제25도 참조). 이들 자석은 2겹의 독립된 자석열을 형성하고 있다.

또한 특허 EP O 365 249 A2에 의해, 다수의 자석을 이 플레이트의 뒤에 일렬로 배열하되 이들 자석들이 비대칭형 고리를 형성하게 하고, 나머지 자석들을 마치 섬처럼 서로 연결하여 타겟트 플레이트의 중앙에 설치한, 원반형의 타겟트 플레이트로 구성된 회전 스퍼터링 음극이 공고되었다. 이 경우 고리를 형성하는 열의 자석 모두는 S극을 타겟트 플레이트 쪽으로 맞추고 아울러 섬처럼 배열하여 연결한 자석들은 모두 그 N극을 타겟트 플레이트로 향하도록 한 것이다.

또한, 대략 등변삼각형으로 스퍼터링 음극 타겟트 플레이트를 구성하고 이 자석들을 그 뒷면에 일렬로 배열한 것은 이미 발표되었다.("Vakuum-Information" VEB Hochvakumm Dresden 발행, 1983. 10. 31. 444 쪽, 그림 1). 이 자석열은 삼각형 플레이트의 두 모서리에 대해 평행하게 진행하고, 세 번째 모서리에서는 안쪽으로 굽은 경로를 따라 진행한다. 삼각형 플라즈마트론으로 명명되는 이 음극은 그 특별한 모양 때문에 순환 경로를 따라 타겟트 플레이트 앞을 통과하는 기판의 코팅두께를 일정하게 할 수 있다.

마지막으로 미극 특허 제4,631,106호를 통해(도 7), 회전하는 원반형의 요크플레이트 뒤에 여러 개의 자석들을 2개의 나선형 열로 배열하되, 동일한 극성을 띠는 일렬의 자석들을 반대극성을 띠는 평행한 일렬의 자석들과 마주보도록 배치한 방법도 공고되었다.

본 발명의 목적은 코팅을 해야 할 기판의 코팅 두께를 균일하게 하고, 또한 타겟트 재료를 보다 효율적으로 사용할 수 있도록 앞에서 언급한 유형의 저전관 스퍼터링 음극을 개선하는 데 있다.

제1도는 본 발명의 진공 코팅시스템의 평면도.

제2도는 본 발명의 진공 코팅시스템의 측단면도.

제3도 내지 제6도는 본 발명의 상이한 자석 배열을 한 여러 지지플레이트의 확대평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

3 : 프로세서 챔버 4 : 기판 플레이트(또는 기판홀더)

5 : 회전축 6 : 기어

7 : 전기모터 8 : 챔버바닥

9 : 챔버 덮개(케이싱 또는 하우징) 10 : 음극

11 : 절연 링 23 : 개구부

13 : 타겟트 플레이트 14 : 영구 자석

14a, 14b, 14a', 14b' .... : 자석 15 : 요크플레이트

16 : 음극본체(또는 지지플레이트) 17 : 기판

18 : 원통형 자석 19 : 보조 자석열

이러한 목적은 본 발명에 따라, 원반과 같은 구조를 가지는 타겟트 플레이트를 가지는 앞서 서술한 종류의 자전관 스퍼터링 음극에 의하여 달성된다. 구체적으로는 기본적으로 폐쇄된 원형 고리 모양이 제1자석 그룹(또는 열)을 타겟트 플레이트의 가장자리에, 그리고 불규칙하지만 대칭적인 구조를 지닌 제2자석그룹(또는 열)을 타겟트 플레이트의 중심부에 장치한다. 이 때 기판 홀더 회전축으로부터 떨어진 쪽의 타겟트 플레이트의 절반부 밖에서 형성되는 자기터널 부분의 총길이는 기판홀더 회전축 쪽의 타겟트 플레이트의 절반부 내에 형성되는 자기 터널보다 더 길다.

본 발명은 아주 다양하게 실시될 수 있다. 그 중의 실시예가 첨부된 도면에 따라 좀더 자세히 설명한다.

도 1과 도 2를 보자. 본 진공코팅장치는 원통형의 프로세스 챔버(3); 기판플레이트(4) ; 회전축(5)을 포함하여 구성되며, 이 회전축은 상기 챔버의 바닥(8)을 관통하는 회전축 단부와 연결된 기어(6)를 거쳐 전기모터(7)에 의해 구동된다. 또한 이 장치는 덮개(9)의 개구부 안에 위치한 하나의 음극(10)을 포함한다. 이 음극은 절연링을 개구부의 턱(12) 위에 놓고 그 위에 고정한다. 아울러 본 장치는 스퍼터링될 재료로 만들어진 타겟트(13)를 가지며, 이 타겟트 뒤에는 여러 개의 영구자석(14)이 배열된다. 이들 자석은 원반형의 요크 플레이트(15)를 매개로 하여 상기 타겟트(13)와 자석(14) 그리고 요크 플레이트(15)에 의해 서로 연결된다. 이 요크 플레이트(15)는 음극본체(16)(a cathode base : 또는 지지플레이트)와 연결되며 다음에는 이 음극본체가 원형의 고리모양의 칼라(collar)인 절연링(11) 위에 놓인다.

코팅 작업시 프로세스 챔버(3) 내부는 진공상태로 되며, 하우징 자체가 양극을, 부품(13) 내지 (16)가 음극을 이룬다. 이 음극으로부터 타겟트 물질이 기판(17) (17)'... 쪽으로 흐르게 된다. 이 때 기판은 기판 플레이트(4) 위에 고정되어 도 1에서 보는 바와 같이 순환 경로 K를 따라 음극(10) 앞을 천천히 통과하며, 기판 플레이트(4)는 챔버바닥(8)을 관통하는 회전축(5)과 연결된 전기모터(7)에 의해 구동된다.

음극(10)은 원반과 같은 횡단면 혹은 돌출면을 가지기 때문에, 이 돌출면 아래의 순환 경로 K 위를 통과하는 기판(17)의 코팅은, 음극(10)의 나머지 구조 특히, 자석(14)의 배열이 아주 균일하고 대칭적이라 할지라도 즉, 타겟트(13)의 아래에 형성되는 플라즈마 관(plasma tube)이 환상의 고리의 형태를 띨 경우, 불규칙해진다. 이러한 불규칙적인 코팅의 원인은 특히, 기판(17)이 음극(10)의 영향권 내에서 순환 경로 K 위를 통과할 때 기판(17) 개개 부분의 체재시간이 다양하기 때문이다.

본 발명의 경우, 자석 14a, 14b... 을 요크 플레이트(15)위에 배열하되(도3 내지 3 내지 도 6 참조), 상기 폐쇄 자기터널 t(도 3의 윗부분)가 요크 플레이트의 부분 Ⅰ(도 3의 바닥에서 같은 크기의 부분 Ⅰ)에서의 그것보다 요크 플레이트(15) Ⅳ 영역에서 더 길게 형성하도록 하였다. 그리하여 자기터널 t에 의해 결정되는 프라즈마 관은 음극(10)의 아래쪽 절반부(Ⅰ+Ⅱ ; 도 4의 자석배열 14a', 14b'에서 특히 잘 나타나 있음)에서보다 윗쪽 절반부(방사상의 바깥쪽 절반부 Ⅲ+Ⅳ)에서 훨씬 더 효과적이다. 따라서 방사상 바깥 쪽에 놓여 있어 보다 빠른 속도로 음극(10) 아래를 통과하는 기판(17)의 절반부 a는 기판(17)의 아래쪽 절반부 b와 마찬가지로 균일한 코팅 두께로 스퍼터링된다.

도 5와 도 6에 따른 실시예의 도면에서는 여러 부분과 영역의 도시가 생략되어 있다. 그러나, 본 자석배열 14a', 14b"와 14a'" 및 14b'"은 앞에서 설명한 조건 즉, 요크 플레이트(15) 혹은 타겟트 플레이트의 바깥쪽 절반부의 플라즈마 관들이 다른 절반부에서의 그것보다 더 길게 형성되는 구성요건을 충족시키고 있음을 분명히 알 수 있다. 본 도면에서는 이에 상응하는 자기 터널 t" 와 t'"의 경로가 파선으로 표시된다.

도 3을 보면 명백하듯이, 제1자석열(또는 그룹) 예컨대, 반원 안에 배열된 자석 14a 각각은 제2자석열 14b와 다른 자극을 가지며, 제2자석열을 폐쇄 고리를 형성하되 또 다른 하나의 직선의 자석열과 연결된다. 안 쪽에 놓여 있는 제1자석열은 S극이 기판(17) 쪽을 향하고 있는 반면, 제2자석 열은 N극이 기판 쪽을 향하고 있다. 물론, 도 4 내지 도 6의 실시 형태에서의 각 자석들도 같은 식으로 즉, 자극을 반대로 하여 배열된다.

특히, 도 5에서 알수 있듯이 각 자석열(또는 그룹) 14a", 14"의 각각의 자석들은 프라즈마의 경로와 그 효율에 영향을 줄 수 있는 각각 다른 자력과 크기를 지닐 수 있다.

반면, 선행기술의 자전관 원형 음극의 경우 영구자석이 요크 플레이트 위에 회전 대칭적으로 배열되지만, 본 발명에 따른 원형 음극의 경우 기판 홀더의 반지름선 Z를 중심으로 좌우 대칭형이거나 전혀 대칭 구조가 아닌 형태로 요크 플레이트 위에 배열된다.

어떤 경우에도 최종 목적은, 바라는 분포대로 기판의 증착을 얻을 수 있는 플라즈마 영역(race track)을 만들어 내는 것이다. 사용된 타겟트 물질, 사용된 스퍼터링 방법(DC-스퍼터링, RF-스퍼터링) 그리고 특정 장치와 그 형태가 무엇이냐에 따라 자석배열이 달라진다.

아울러 하나의 단일 배열에서는, 코팅층 두께의 균질도의 정밀한 교정을 위해 원통형 교정 자석(calibrating magnetic)의 크기나 위치는 어느 정도 미결정 상태로 둘 필요가 있다 (도 3의 실시예의 자석(18) 참조).

오늘날까지 원형 음극을 가지는 자전관에서 균일한 층의 두께를 얻기 위해서는 이른바 조리개 구명(aperture diaphragms)을 설치해야 가능하였다. 이 조리개 구멍은 음극으로부터 나오는 상기 물질의 빔이 집중되는 곳으로서 원하는 균질 층의 두께를 얻을 수 있게 한다. 그러나 조리개 판과 조리개 판 위에 쌓이는 피막층에 의해 스퍼터링의 효율이 감소하는 단점이 있다. 이러한 문제점은 앞에서 기술한 본 발명의 원형 음극에 의하여 해소된다.

본 발명의 원형 음극은 부채꼴 혹은 사다리꼴 음극에 비해 훨씬 더 단순하며 이 덕분에 제작비용을 절감할 수 있다. 아울러 본 음극을 기존에 장치에 거의 아무 문제없이 쉽게 설치할 수 있는데 이 자체가 큰 장점이다.

Claims

고정식 자전관 스퍼터링 음극 진공증착장치로서,

기판홀더(4) ;

타겟트 플레이트(13) ;

요크플레이트(15) ;

제1자석그룹(14b, 14b') ;

제2자석그룹(14a, 14b') 을 포함하여 구성되며,

상기 기판홀더(4) 위에 기판(17)을 고정하고, 이 기판홀더가 회전축(5)을 중심으로 회전 운동하되, 그 운동경로는 이 기판홀더가 회전할 때 상기 기판의 중심이 그리는 원으로 표현되는 순환경로 K이며;

상기 타겟트 플레이트(13)는 상기 순환경로와 평행하게 장치되고;

상기 요크 플레이트(15)는 상기 순환경로의 맞은 편의 상기 타겟트 프레이트(13)와 평행하게 장치되며;

상기 제1자석그룹은 사실상 서로 맞닿게 놓인 영구자석으로서 상기 요크플레이트상에 패쇄고리 모양으로 형성하되, 상기 타겟트 플레이트 방향으로 동일한 자극을 가지며; 그리고,

상기 제2자석그룹은 상기 폐쇄고리 모양 안쪽 상기 요크 플레이트 상에 사실상 서로 맞닿게 놓인 연구자석들로서, 상기 타겟트 방향으로 동일한 자극을 가지되, 상기 제1자석그룹의 자극과는 정반대로 배치함으로써, 상기 타겟트 플레이트 위에 상기 제1자석그룹과 제2자석그룹 사이에서 연장되는 자기 터널을 형성하며;

상기 제 1 및 제2자석그룹 안에 이들 영구자석을 놓되, 상기 순환경로 바깥쪽의 자기 터널 영역(Ⅲ+Ⅳ)이 순환경로 안쪽의 자기터널 영역(Ⅰ+Ⅱ)보다 더 길게 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 진공코팅 시스템용 고정식 자전관 스퍼터링 음극.
제 1항에 있어서,

상기 제1자석그룹(14b, 14b' ... )의 자석은 각기 서로 다른 크기를 가지며; 그리고 상기 제2자석그룹(14a, 14a' ... )의 자석도 각기 서로 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 진공코팅 시스템용 고정식 가전관 스퍼터링 음극.
제 1항 또는 제2항에 있어서

상기 제1자석그룹(14b, 14b')은 상기 요크플레이트(15)의 중심에 원통형 자석(18)과 하나의 자석열을 포함하여 구성하되, 이 자석열은 상기 원통형 자석으로부터 방사상으로 상기 폐쇄형 고리모양까지 연장되고, 이 고리 모양은 사실상 원형이며;

상기 제2자석그룹(14a)은 반원의 열린 고리모양으로서, 상기 원통형 자석(18)과 상기 폐쇄 고리모양으로부터 서로 등거리에 높인 것을 특징으로 하는 진공코팅 시스템용 고정식 자전관 스퍼터링 음극.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제2자석그룹(14a', 14")은 상기 요크 플레이트 중심에 X 또는 Ⅰ형으로 놓이되 대칭 배열되고, 이 때 대칭축 Z는 회전축(5)으로부터 상기 요크 플레이트 중심을 관통하는 직선과 거의 평행하며;

상기 제1자석그룹(14b', 14b")이 상기 제2자석그룹(14a', 14b")을 원형으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 진공코팅 시트템용 고정식 자전관 스퍼터링 음극.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제2자석그룹(14a'")은 상기 요크 플레이트의 중심에 U자형으로 배열되고, 이 제2자석그룹을 상기 제1자석그룹이 둘러싸며;

상기 제1자석그룹 원형부의 한 지점으로부터요크 플레이트의 중심부를 향하여 굽은 손가락 형태로 연장되는 보조자석열(19)을 추가로 포함하되, 상기 U자형의 양 다리가 대칭축 Z에 대하여 수직으로 만나는 직선과 평행하여 배치된 것을 특징으로 하는 진공코팅 시스템용 고정식 자전관 스퍼터링 음극.