KR100235573B1 - 진공으로 기판을 코팅하는 장치 - Google Patents

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Abstract

진공으로 기판(14)을 코팅하는 장치에 있어서, 이 장치는 가스방전으로 스퍼터되는 타겟과 전기적으로 상호작용하는 비어있는 코팅챔버(15)안에 배치된 2개의 음극(6,7)에 연결되어 있고 그 스퍼터된 입자가 기판(14)상에 침착하는 교류전류원 (2)으로 이루어져 있는 한편, 프로세스가스가 코팅챔버(15)내로 이동되어지고, 그리고 필터로서 역할을 하고 변압기(3)와 추가의 코일(5, 12, 13) 및 콘덴서(4, 8, 9, 10, 11)로 이루어져 있고, 안정한 코팅프로세스를 확보한다.

Description

진공에서 기판을 코팅하는 장치
제1도는 음극쌍을 위한 전원의 개략 다이어프램, 및
제2도는 저항에 대한 전력의 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 네트워크 3 : 절연변압기
4, 8, 9, 10, 11 : 콘덴서 5, 12, 13 : 코일
6,7 : 음극 14 : 기판
15 : 코팅챔버
본 발명은, 스퍼터링되는 타겟과 전기적으로 상호 작용하며, 그 스퍼터링된 입자가 기판상에 증착되는 진공의 코팅챔버안에 배치된 2개의 음극에 연결되어 있는 교류원으로 구성되고, 처리 가스가 코팅챔버내로 도입될수 있으며, 교류원과 음극쌍 사이에서 필터로서의 역할을 하는, 변압기, 코일 및 콘덴서로 이루어진 네트워크가 배치되어 있는 진공내에서 기판을 코팅하는 장치에 관한 것이다.
얇은 코팅을 제조하기 위한 스퍼터링 장치는 이미 알려져 있으며 (DD 252 205), 이것은 자기시스템과 코팅위에 배열된 스퍼터링되는 재료의 적어도 2개의 전극으로 이루어져 있고, 이들 전극은 이들이 교대로 가스방전의 음극 및 양극이 되도록 전기적으로 배치되어있다. 이 전극은 이 목적을 위하여 50Hz의 정현파 교류전압에 연결되는 것이 바람직하다.
이 공지된 스퍼터링장치는 반응스퍼터링에 의해서 유전코팅을 침착시키는데 특히 적당하다. 약 50Hz에서 이 장치를 작동시키는 것은 양극에 플레이크의 형성을 방지하고, 금속코팅의 경우에 전기단락(아킹(arcing)으로서 알려져 있는)을 생기게 한다.
스퍼터링에 의해서 얇은 필름을 도포하는 다른 또 하나의 공지된 장치에서는 서로 다른 재료의 층이 침착되는 속도가 제어가능하다(DE 39 12 572).
얇은 패킷의 층을 달성하기 위하여 적어도 2개의 서로 다른 종류의 역전극 (counter-electrode)이 음극측에 구비되어 있다.
게다가, 전기 절연재료, 예를 들어 실리콘 디옥사이드(SiO2)로 기판의 반응코팅을 위한 코팅 챔버안에 배치되어 있는 , 타겟과 상호 작용하는 자석을 포함하는 음극에 연결되어 있으며, 교류원의 2개의 비접지출력이 타겟베어링(target-bearing) 음극과 각각 연결되어 있고 양쪽 음극은 플라즈마 영역에서 나란히 코팅챔버안에 제공되어 있으며, 마주보고 있는 기판으로부터 대략 동일한 거리로 떨어져 있는 각각의 교류원으로 이루어져 있는 방법 및 장치가 공지되어 있다(DOS 41 06 770).
방전전압의 유효값은 유효전압 검전기에 의해서 측정되고, 측정전압은 설정전압과 같아지도록 제어밸브에 의해서 콘테이너로부터 분배라인으로 반응가스흐름을 향하게 하는 컨덕터를 통하여 직류전류로서 공급된다.
최근에, 기판의 반응코팅을 위한 장치가 공지되어 있는데(DOS 41 36 655.7) 여기서 음극은 진공챔버로부터 전기적으로 분리되어 있고 마그네트론 음극으로서 형성되며, 그리고 서로로부터 전기적으로 분리된 2부분으로 이루어져 있으며, 커패시터의 삽입으로 한쪽부분으로서 요크 및 자석이 있는 타겟기본몸체는 직류전류 전압공급원의 음극에 연결되어 있고, 그리고 타겟은 컨덕터를 통하여 다른 한쪽부분으로서 초크 및 거기에 평행한 저항기의 삽입으로 전원에 연결되어 있으며, 타겟은 다른 하나의 커패시터를 통하여 전원의 양극에 그리고 차례로 저항기의 삽입으로 그라운드 퍼텐셜에 있는 양극에 연결되어 있는 한편, 저유도 커패시터와 일련으로 인덕턴스가 저항기에 그리고 초크에 분기선으로 삽입되어 있고, 여기서의 저항값은 일반적으로 2,000옴과 10,000옴 사이이다. 이 종래의 장치는 코팅공정동안 발생하는 현저한 수의 아크를 억제하고, 아크의 에너지를 감소시키고, 그리고 아크후 플라즈마의 재발호를 향상시킬 수 있도록 구성되어 있다.
스퍼터링 공정의 실용성은 공정의 안정성과 결부되어 있다. 다시말해서, 이 시스템은 장시간(300h)에 걸쳐서 안정해야 하고, 그리고 코팅에 대한 전기적 요건(음극 전류, 전력)과 광학적 성질(굴절율, 두께 및 두께분포)을 보장해야 한다.
음극의 길이를 크게 하면 할수록, 필요한 전력은 더 커지고, 그리고 안정성 요구를 만족시키기는 더욱 어려워진다. 이것은 전압이 압력, 가스의 종류 및 타겟표면의 질에 의해서 결정되는 한편, 전류는 길이에 비례하여 증가한다는 물리적 배경지식을 확인시켰다. 타겟표면의 질의 작은 변화는 작은 전압변동을 생기게 하나, 이는 긴 음극길이로부터 생긴 높은 전류에 의해서 배가되어, 타겟이 국부적으로 융융될수 있을 정도로 큰 높은 전력 변동을 유도하게 된다.
높은 전력에서 침착된 코팅의 산화도를 유지하는 것도 특히 문제이다. 이 문제점은, 건축유리의 넓은 표면을 코팅하는 경우, 금속타겟의 스퍼터링이 특정 산화물 변형을 얻기 위해서 산소-아르곤 혼합물로 수행될 때, 무엇보다도 산화물이 침착된다는 사실에 의한 것이다. 이 산화물 변형은 예를 들어 코팅시스템의 색상 또는 내식성을 설정하는 경우 요구된다.
산소함유량의 공급이 증가되면 음극은 산화물 모드로 기울어진다. 산소함유량이 이 ＂기울어진 점＂을 넘어 단지 약간만 증가된다면 그때 음극은 전력을 증가시킴으로써 금속모드로 되돌려질수 있다.
음극이 수행하는 2개의 기본방법이 공지되어 있다.
타입1 : 음극의 저항은 반응가스 함유량을 증가시킴에 따라 감소한다.
타입2 : 음극의 저항은 반응가스 함유량을 증가시킴에 따라 증가한다.
어느 타입인가 하는 것은 재료 및 반응가스의 종류에 따라 정해진다.
대부분, ＂작업점＂으로서 ＂기울어진 점＂에 근접한 전력에 대한 산소함유량의 비율을 사용한다. 그 이유는 이 범위에서 가장 높은 산화물 코팅율이 달성되기 때문이다. 이 시스템의 작동을 위해서 이 작업점은 대단히 바람직스럽지 못한데, 그 이유는 전력, 산소 또는 음극환경에서의 약간의 변동이 모드의 변화를 가져와서 생산품이 원하는 결과를 성취할 수 없기 때문이다.
음극이 더 커지면 전력변동은 크게 증가하고, 음극의 안정한 작동을 위한 여지는 작아지므로, 추가의 수단없이 Si 및 SiO2와 같은 재료를 필요로하는 큰 음극은 더 이상 사용될수 없다.
본 발명의 목적은 자기 안정에 의해서 높은 전력에서 조차 용이한 작동을 보장하는 것이다.
본 발명의 목적은 진공에서 기판을 코팅하는 장치에 있어서, 상기장치는 진공 코팅 챔버에 배열된 두 개의 음극에 연결된 교류원을 포함하고, 상기 음극은 스퍼터링될 타켓과 전기적으로 상호 작용하며, 타겟의 스퍼터링된 입자가 기판에 증착하는 한편, 처리가스는 코팅 챔버내로 도입될 수 있고, 교류원과 한쌍의 음극 사이에는 필터로 작용하며, 변압기, 추가의 코일과 콘덴서로 구성되는 네트워크가 배치되며, 교류원의 주파수는 필터의 어느 고유주파수와도 다르고, 교류에 대한 가스방전을 행하는 음극저항의 함수로 표시되는 음극전력의 특성은, 작업점에서의 음극저항이 최대점에서의 저항과 상이하도록, 선택되는 최대점을 가지며, 네트워크의 임피던스가 한 공정상태에서 다른 공정상태로의 변화를 억제하는 것을 특징으로 하는 장치에 의하여 달성된다.
이러한 본원 발명의 구성에 의하면, 진공 코팅 챔버는 처리가스를 내부로 도입하는 수단을 가지고 두 개의 음극과 코팅될 기판을 지지하고 있으며, 교류원은 주파수를 가지는 교류전류를 공급한다. 또한, 네트워크는 교류원과 연결되어 그로 부터의 교류전류를 수용하고 있으며, 이 교류전류로부터 유도된 음극전압을 음극에 전달하는데, 네트워크의 모든 고유주파수는 교류원의 교류전류의 주파수와 상이하다. 음극은 타겟과 전기적으로 상호 작용하여 처리가스가 코팅챔버내로 공급되는 동안 타겟의 스퍼터링된 입자가 기판상에 증착하게 된다. 그리고, 처리가스와 음극전압에 의해 이들 음극간에는 저항(r)이 발생하게 되며, 증착도중, 음극은 최대 전력 레벨을 가지게 되는데, 이에 따라 음극간에는 최대 저항(Rmax)이 존재하게 된다. 여기서, 네트워크는 작업점에서의 전력레벨에서의 음극저항(r)이 최고전력레벨에서의 음극저항(Rmax)과 상이하도록 선택되는 작업지점의 전력레벨에서 음극전력을 전달하며, 또한, 네트워크는 이 작업점에서의 전력레벨로부터 음극전력이 일탈(상승)하는 것을 억제하는 임피던스를 가지고 있다. 이러한 네트워크는 시스템을 안정화시키므로, 고전력하에서도 높은 신뢰성을 가진 작동을 보장할 수 있다.
본 발명은 다양한 실시예를 허용하며 그중 하나가 도면에 도시되어 있다. 에너지는 공진회로에서 중저파수 발생기(2)로부터 얻어진다. 회로가 공급라인에 전기적으로 연결되어 있는 구조 때문에, 분리형 변압기(3)는 네트워크(1)안에 포함되어 있어야 한다. 변압기(3)가 삽입되는 네트워크안의 지점은 여기서는 중요하지 않다.
본 실시예에서, 콘덴서(4) 및 코일(5)은 변압기의 공진회로측에 배치되어 있고 나머지 구성요소는 음극(6 및 7)측에 배치되어 있다. 또한, 변압기(3)가 공진회로(2)에 직접 연결되고, 모든 콘덴서 및 코일이 음극측에 배열되어 있는 회로도 본 발명의 실시예로 적용될 수 있다.
콘덴서(8)의 크기는 이것이 회로의 진동수 특성에 거의 영향을 미치지 않을 정도로 크게 선택된다. 이것은 2개의 음극(6 및 7)의 특성의 차이로 인하여 변압기(3)의 작동을 손상시키는 모든 직류흐름에 대하여 변압기(3)를 보호하는 역할을 한다.
변압기가 공진회로에 직접 연결되어 있는 경우에 콘덴서(4)는 콘덴서(8)의 기능을 대신할 수 있다.
콘덴서(9 및 10)는 매우 높은 진동수의 전류를 접지시킴으로써 아크 억제 역할을 한다. 이들 매우 높은 진동수의 전류는 또한 플라즈마에서의 스위칭 작동에 의해서 생기게 된다.
자기 안정화(self-stabilization)에 의해서 가능한 실제 특성은 콘덴서(4 및 11)와 코일(5, 12, 13)에 의해서 달성된다. 형식적으로, 12 및 13은 하나의 코일을 형성하도록 연결될 수 있다.
코일(12 및 13)을 동일한 크기로 제작하면, 전체적으로 시스템에 양호한 대칭성을 부여할 수 있다.
1. 계산을 위한 기준값은 스퍼터링 부위(X1)의 등가의 저항이며, 이하에서는 r로 표기된다. 이것은 순간 전력에서 음극(6 및 7)간의 유효전압(Vcat)과 순간 전력에서 음극 전류의 유효치(Icat)의 몫으로써 계산된다. 즉, r=Vcat/Icat이다.
2. 음극에 대한 자기 안정(self stabilization)은, 저항 (r)을 감소시킬때 음극 (6 및 7)에서의 전력이 증가하는 경우 타입1의 태양에 따라 얻어진다. 제조프로세스에서 안정을 위한 충분한 리웨이(leeway)를 제공하기 위하여 저항(Rmax)은 최고 전력(M)에 도달하도록 선택되므로, 즉, 자기 안정의 끝단계로써 정격 전력에서의 Rmax = 0.5…0.75xr로써 선택된다. 정격 전력에서의 작업점(A)은 제2도에 나타나 있다.
3. 작업진동수에서 네트워크(1)의 입력저항은 유도적(inductive)이고, 음극측상에서 측정된다.
4. 네트워크(1)의 입력저항(Rin)은 Rmax와 비교하여 크고, 그리고 작업진동수 아래의 진동수에서 최저점(첫번째 영점(null point))까지 감소한다.
5. 작업진동수에서 입력저항(Rin)은 1.414 × Rmax의 값에 이르고, 즉 입력저항(Rin)의 허수부분과 실수부분은 Rmax와 동일하다.
6. 진동수가 한층 더 증가하면 입력저항(Rin)은 최고점으로 상승하고나서 두번째 최저점(두번째 영점)으로 감소한다. 이 두번째 영점의 진동수는 작업진동수의 대략 3배이다.
구성요소에 대한 실제값은:
작업진동수 : 40kHz
C1(커패시터 4) = 0.6㎌, C2(커패시터 8) = 18㎌,
C3(커패시터11) = 108㎋ C4(커패시터 9) = 8 ㎋
C5(커패시터10) = 8㎋ L1(코일 5) = 16μH
L2(코일12) - L3(코일13) = 23 μH 변압비 1 : 2
실시예(제2도)에서는, 125 ㎾ 정격전력에서 스퍼터링부위의 등가 저항(r)은 2Ω에 달하며; 최고 전력에서의 저항(Rmax)은 1Ω에 달한다.
전력은, 회로해석에 대한 커르히호프 법칙에 따라 등가저항의 함수로 계산되며, 따라서 다음식이 산출된다.
P(r)=r/(bo＋b2r2)
여기서, bo는 필터의 선형성분, b2는 r2과 조합된 모든 값은 나타내는 성분이다.

Claims (5)

  1. 진공에서 기판(14)을 코팅하는 장치에 있어서, 상기장치는 진공 코팅 챔버(1)에 배열된 두 개의 음극(6,7)에 연결된 교류원(2)을 포함하고, 상기 음극은 스퍼터링될 타겟과 전기적으로 상호 작용하며, 타겟의 스퍼터링된 입자가 기판(14)에 증착하는 한편, 처리가스는 코팅 챔버(15)내로 도입될 수 있고, 교류원(2)과 한쌍의 음극(6,7) 사이에는 필터로 작용하며, 변압기(3), 추가의 코일과 콘덴서로 구성되는 네트워크(1)가 배치되며, 교류원(2)의 주파수는 필터의 어느 고유주파수와도 다르고, 고류에 대한 가스방전을 행하는 음극저항(r)의 함수로 표시되는 음극전력(P)의 특성은, 작업점(A)에서의 음극저항이 최대점(M)에서의 저항과 상이하도록 선택되는 최대점을 가지며, 네트워크(1)의 임피던스가 한 공정상태에서 다른 공정상태로의 변화를 억제하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 음극전력(P)과 음극저항(r)간의 관계가 식 P(r) = r/(bo ＋ b2r2)로 표시되는 것을 특징으로 하는 장치(여기서, bo는 필터의 선형성분, b2는 r2과 조합된 모든 값을 나타내는 성분인 상수값이다.)
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전력최고점(M)에서의 저항보다 작업점(A)에서 음극저항이 대략 2배 더 크도록 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 음극으로부터 네트워크쪽으로 측정된 임피던스가 유도적인 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 음극(6,7)의 모든 공정상태에서의 음극저항이 전력최고점(M)에서의 저항(Rmax)보다 더 큰 것을 특징으로 하는 장치.
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