KR100295617B1 - High vacuum magnetron sputtering method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 진공 증착법 중의 하나인 마그네트론 스퍼터링에서 타겟 주위에 이온과 전자를 공급시켜 고진공에서도 마그네트론 스퍼터링을 작동시킬 수 있도록 한 고진공 마그네트론 스퍼터링방법에 관한 것으로, 마그네트론 스퍼터링장치를 사용하여 마그네트론 스퍼터링 작업을 행함에 있어서, 타겟(18)을 향하여 설치되어 방전가스를 공급하는 가스주입구(12)의 주위에 필라멘트(9)를 설치하고, 상기 필라멘트(9)의 주위에 양극(8)과 영구자석(7)을 설치한 후, 상기 필라멘트(9)에 전원을 공급하고 상기 양극(8)에 전압을 공급함으로써, 상기 필라멘트(9)에서 발생되는 전자와 상기 영구자석(7)의 자기장에 의해 이온화된 방전가스 이온이 상기 타겟(18)을 향하여 공급되도록 함을 특징으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high vacuum magnetron sputtering method in which magnetron sputtering can be operated in high vacuum by supplying ions and electrons around a target in magnetron sputtering, which is one of vacuum deposition methods. In this case, the filament 9 is provided around the gas inlet 12 provided toward the target 18 to supply the discharge gas, and the anode 8 and the permanent magnet 7 are disposed around the filament 9. After installation, by supplying power to the filament (9) and supplying voltage to the anode (8), the discharge gas ions ionized by the electrons generated in the filament (9) and the magnetic field of the permanent magnet (7) It is characterized in that the supply toward the target 18.

Description

고진공 마그네트론 스퍼터링방법High vacuum magnetron sputtering method

본 발명은 진공 증착법 중의 하나인 마그네트론 스퍼터링에서 타겟 주위에 이온과 전자를 공급시켜 고진공에서도 마그네트론 스퍼터링을 작동시킬 수 있도록 한 고진공 마그네트론 스퍼터링방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high vacuum magnetron sputtering method, in which magnetron sputtering, which is one of vacuum deposition methods, supplies ions and electrons around a target to operate magnetron sputtering even in high vacuum.

일반적으로 마그네트론 스퍼터링방법은 수 mTorr의 방전 가스를 주입시킨 후 타겟에 음의 전위를 인가하여 방전 플라즈마를 발생시키고 타겟의 표면에 평행한 자장을 인가할 경우 기판 사이에서 이온화된 가스 중 양의 이온이 타겟의 주위에 많이 한정되어 타겟을 스퍼터링시키는 방법을 이용한 증착방법이다.In general, the magnetron sputtering method injects a discharge gas of a few mTorr, generates a discharge plasma by applying a negative potential to the target, and when a magnetic field parallel to the surface of the target is applied, positive ions in the ionized gas are transferred between the substrates. It is a vapor deposition method using the method of sputtering a target which is largely defined around a target.

이러한 마그네트론 스퍼터링방법은 대형 기판에 균일하게 박막을 성장시킬 수 있을 뿐만 아니라, 낮은 온도에서 증착이 가능하며, 동작이 간편하기 때문에 광학 코팅 및 반도체 공정에 널리 쓰이고 있다.The magnetron sputtering method is widely used in optical coating and semiconductor processes because it can not only grow a thin film uniformly on a large substrate, but also can be deposited at a low temperature and is easy to operate.

그러나, 이러한 마그네트론 스퍼터링방법은 방전 플라즈마를 발생시키기 위하여 방전가스인 아르곤을 수 mTorr정도 주입시켜야 하는데, 이러한 저진공에서는 분위기 기체들에 의한 충돌로 증착율의 제한이 있으며, 박막의 밀도 및 밀착력의 저하를 가져오는 단점이 있다.However, this magnetron sputtering method has to inject a few mTorr of argon discharge gas in order to generate a discharge plasma, in such a low vacuum there is a limit of the deposition rate due to the collision by the atmosphere gases, the decrease in density and adhesion of the thin film There are drawbacks to this.

또한, 광학 코팅은 코팅층의 밀착력을 확보하기 위해서 보조 이온빔이 사용되고 있으나, 이 이온빔은 고진공에서 작동되므로 마그네트론 스퍼터링과 동시에 사용하기가 어려운 문제점이 있다.In addition, the optical coating has a secondary ion beam is used to secure the adhesion of the coating layer, but since the ion beam is operated in a high vacuum it is difficult to use simultaneously with the magnetron sputtering.

즉, 종래에는 수 mTorr 정도의 방전 가스를 주입시킨 후 마그네트론 스퍼터링을 작동시켜 박막을 제조하였으나, 저진공 분위기에서는 낮은 증착율을 가지므로 두꺼운 박막은 제조하기 어려우며, 광학 코팅 등의 고진공을 원하는 공정이나, 보조장치로 이온빔을 사용할 경우에는 사용이 불가능하였다.That is, conventionally, a thin film was manufactured by injecting a discharge gas of about several mTorr and then magnetron sputtering, but in a low vacuum atmosphere, it is difficult to manufacture a thick thin film because it has a low deposition rate, and a process that requires high vacuum such as optical coating, It was not possible to use the ion beam as an auxiliary device.

미국특허 제5,525,199호는 이러한 단점에 착안하여 마그네트론 스퍼터링장치에 가스주입구를 설치하여 타겟 주위에서는 수 mTorr의 저진공이지만 진공용기 내에는 1x10-4 Torr 인 고진공을 유지시키는 방법을 이온빔과 동시에 쓰는 방법 및 장치를 제안하였다.U.S. Patent No. 5,525,199 addresses these drawbacks by installing a gas inlet in a magnetron sputtering device to simultaneously use a method of maintaining a high vacuum of several mTorr around a target but maintaining a high vacuum of 1x10-4 Torr in a vacuum vessel simultaneously with an ion beam. The device is proposed.

그러나, 이러한 방법은 마그네트론 스퍼터링장치마다 가스주입구를 설치하여야 하며, 진공용기 내에는 고진공을 유지하지만 타겟주위에는 수 mTorr이므로 증착율의 향상보다는 이온빔을 동시에 사용할 수 있는 환경을 제시한 것이다.However, this method requires a gas inlet for each magnetron sputtering device, and maintains a high vacuum in the vacuum vessel but a few mTorr around the target, thus suggesting an environment in which ion beams can be used simultaneously rather than improving deposition rate.

또한, 미국특허 제4,793,908호는 마그네트론 스퍼터링을 사용하지 않고 이온빔을 이용하여 타겟을 스퍼터링함과 동시에, 보조 이온빔을 이용하여 동시 증착하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 이러한 방법은 이온빔의 크기의 제한이 있기 때문에 보통 직경 10 cm로 보다 넓은 면적의 기판에서 균일한 박막을 제조하는 것은 어려운 실정으로 현실적인 생산 공정에 적용하기가 어렵다.In addition, U.S. Patent No. 4,793,908 relates to a method and apparatus for simultaneously depositing a target using an ion beam while sputtering a target using an ion beam without using magnetron sputtering. Therefore, it is difficult to manufacture a uniform thin film from a substrate having a larger diameter of 10 cm in diameter, and thus it is difficult to apply to a realistic production process.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 기존 마그네트론 스퍼터링의 타겟 주위에 전자와 이온을 공급하는 장치를 설치하여 고진공에서도 마그네트론 스퍼터링이 작동되고, 증착율을 향상시킬 수 있도록 하는 고진공 마그네트론 스퍼터링방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention for solving the above problems, by providing a device for supplying electrons and ions around the target of the conventional magnetron sputtering to provide a high vacuum magnetron sputtering method to operate the magnetron sputtering even in high vacuum, to improve the deposition rate Has its purpose.

도 1는 본 발명에 사용되는 고진공 마그네트론 스퍼터링장치의 개략도.1 is a schematic diagram of a high vacuum magnetron sputtering apparatus used in the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1 : 진공용기 2 : 마그네트론 스퍼터링1: vacuum container 2: magnetron sputtering

3 : 타겟 셔터 4 : 기판 셔터3: target shutter 4: substrate shutter

5 : 기판 홀더 6 : 이온빔5 substrate holder 6 ion beam

7 : 영구자석 8 : 양극7: permanent magnet 8: anode

9 : 필라멘트 12 : 가스주입구9: filament 12: gas inlet

13 : 방전가스용기 14 : 반응가스용기13: discharge gas container 14: reaction gas container

15 : 전압인가장치 16 : 필라멘트 전원공급장치15: voltage application device 16: filament power supply device

17 : DC전원공급장치 18 : 타겟17 DC power supply 18 Target

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고진공 마그네트론 스퍼터링방법은, 마그네트론 스퍼터링장치를 사용하여 마그네트론 스퍼터링 작업을 행함에 있어서, 타겟(18)을 향하여 설치되어 방전가스를 공급하는 가스주입구(12)의 주위에 필라멘트(9)를 설치하고, 상기 필라멘트(9)의 주위에 양극(8)과 영구자석(7)을 설치한 후, 상기 필라멘트(9)에 전원을 공급하고 상기 양극(8)에 전압을 공급함으로써, 상기 필라멘트(9)에서 발생되는 전자와 상기 영구자석(7)의 자기장에 의해 이온화된 방전가스 이온이 상기 타겟(18)을 향하여 공급되도록 함을 특징으로 한다.In the high vacuum magnetron sputtering method of the present invention for achieving the above object, in the magnetron sputtering operation using a magnetron sputtering apparatus, it is installed toward a target 18 and supplies a discharge gas around the gas inlet 12. Install a filament 9 at the periphery, install a positive electrode 8 and a permanent magnet 7 around the filament 9, supply power to the filament 9, and apply voltage to the positive electrode 8. By supplying, the discharge gas ions ionized by the electrons generated in the filament 9 and the magnetic field of the permanent magnet 7 are supplied to the target 18.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 사용되는 고진공 마그네트론 스퍼터링장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a high vacuum magnetron sputtering apparatus used in the present invention.

도면 중에서 1은 진공용기, 2는 마그네트론 스퍼터링, 3은 타겟 셔터, 4는 기판 셔터, 5는 기판 홀더, 6은 이온빔, 12는 가스주입구, 13은 방전가스용기, 14는 반응가스용기, 15는 전압인가장치, 17은 DC전원공급장치, 18은 타겟이다.1 is a vacuum vessel, 2 is a magnetron sputtering, 3 is a target shutter, 4 is a substrate shutter, 5 is a substrate holder, 6 is an ion beam, 12 is a gas inlet, 13 is a discharge gas container, 14 is a reaction gas container, and 15 is a A voltage application device, 17 is a DC power supply, and 18 is a target.

본 발명에 사용되는 장치에서는 종래의 마그네트론 스퍼터링장치에 방전가스용기(13)에 저장되어 있는 방전가스를 공급하는 가스주입구(12)의 둘레에 필라멘트(9)를 설치하고, 이 필라멘트(9)를 둘러 싸도록 양극(8)과 영구자석(7)을 설치하고, 상기 필라멘트(9)에는 필라멘트 전원공급장치(16)를 연결하고, 상기 양극(8)에는 전압인가장치(15)를 연결하여 구성함을 특징으로 하고 있다.In the apparatus used in the present invention, the filament 9 is provided around the gas inlet 12 for supplying the discharge gas stored in the discharge gas container 13 to the conventional magnetron sputtering device. A positive electrode (8) and a permanent magnet (7) is installed to enclose, the filament (9) is connected to the filament power supply device 16, the positive electrode (8) is configured by connecting a voltage applying device (15) It is characterized by.

이와 같이 구성된 본 발명에 사용되는 장치를 사용하여 고진공하에서 스퍼터링작업을 진행하는 과정을 설명하면 다음과 같다.Referring to the process of the sputtering operation under high vacuum using the apparatus used in the present invention configured as described above are as follows.

먼저 진공용기(1)를 터보분자펌프를 이용하여 배기하여 1 x 10-6Torr 정도에 도달하였을 때 방전가스용기(13)에 담겨 있는 아르곤가스를 가스주입구(12)를 통하여 주입시켜 1 x 10-5Torr로 반응용기(1) 내를 채운다.First, the vacuum vessel 1 is evacuated using a turbomolecular pump to reach 1 x 10 -6 Torr. Then, argon gas contained in the discharge gas vessel 13 is injected through the gas inlet 12 to 1 x 10. Fill the reaction vessel (1) with -5 Torr.

그 후, 상기 필라멘트 전원공급장치(16)를 통하여 필라멘트(9)를 작동시키고 양극(8)에 100 V의 전압을 인가시키면, 상기 필라멘트(9)에서 나온 전자의 일부는 타겟(18)을 향하게 되고, 일부는 양극(8)으로 향하게 되는데, 이 때 영구자석(7)의 자기장의 영향으로 아르곤가스를 이온화시켜 이 이온들을 타겟(18)으로 보낸다.Thereafter, when the filament 9 is operated through the filament power supply 16 and a voltage of 100 V is applied to the anode 8, some of the electrons from the filament 9 are directed toward the target 18. And, part is directed to the anode (8), in which the argon gas is ionized by the magnetic field of the permanent magnet (7) to send these ions to the target (18).

이 때 DC전원공급장치(17)를 통하여 타겟(18)에 400 V 이상의 전압을 인가시키면 마그네트론 스퍼터링(2)이 작동되어 타겟(18)의 주위에 플라즈마를 발생하게 된다.At this time, when a voltage of 400 V or more is applied to the target 18 through the DC power supply 17, the magnetron sputtering 2 is activated to generate plasma around the target 18.

동시에 반응가스용기(14)에 있는 아르곤과 질소를 가스주입구(12)를 통하여 이온빔(6)으로 주입시킨 후, 이온빔(6)을 작동시키면 원하는 화합물 박막을 기판의 표면에 증착시킬 수 있다.At the same time, after argon and nitrogen in the reaction gas container 14 are injected into the ion beam 6 through the gas inlet 12, the ion beam 6 can be operated to deposit a desired compound thin film on the surface of the substrate.

하기의 표 1은 본 발명의 방법으로 티타늄 박막을 제조하였을 경우를 기존의 마그네트론 스퍼터링, 이온빔 스퍼터링과 비교하여 증착율과 증착면적을 나타낸 것이다.Table 1 below shows the deposition rate and deposition area when the titanium thin film was manufactured by the method of the present invention in comparison with the conventional magnetron sputtering and ion beam sputtering.

실시예Example 이온빔 스퍼터링Ion beam sputtering 기존 마그네트론 스퍼터링Conventional Magnetron Sputtering 증착율(Å/sec)(1 x 10-4Torr)Deposition Rate (Å / sec) (1 x 10 -4 Torr) 2 - 42-4 0.2 - 20.2-2 작동 안됨Not working 증착면적Deposition area 타겟 크기에 의존Depends on target size 이온빔 크기에 의존Depends on ion beam size 타겟 크기에 의존Depends on target size

위의 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 진공도가 1 x 10-4Torr 일 때 이온빔 스퍼터링인 경우는 티타늄 타겟에 대하여 증착율이 최대 2 Å/sec 정도 나오며, 기존 마그네트론 스퍼터링은 방전 플라즈마가 발생하지 않아서 작동이 안된다.As can be seen in Table 1, in the case of ion beam sputtering when the vacuum degree is 1 x 10 -4 Torr, the deposition rate is about 2 mW / sec for the titanium target, and the conventional magnetron sputtering does not generate a discharge plasma. It does not work.

본 발명의 실시예에서는 증착율이 2-4 Å/sec 정도로 이온빔 스퍼터링의 2 배 정도 향상된 증착율이 나오게 된다.In the embodiment of the present invention, the deposition rate is about 2-4 μs / sec, and the deposition rate is about 2 times higher than that of the ion beam sputtering.

또한, 증착면적을 비교할 경우 이온빔 스퍼터링은 이온빔의 크기에 따라 결정되는데 보통 상용화된 이온빔의 크기는 직경 10 cm 내외로 대면적 코팅을 원할 경우는 기판과 타겟의 거리를 멀리 두어야 하는데 이럴 경우에는 증착율이 현저히 떨어지기 때문에 상용화 하기가 힘들다.In addition, when comparing the deposition area, ion beam sputtering is determined according to the size of the ion beam. Usually, the size of commercialized ion beam is about 10 cm in diameter, and when the large area coating is desired, the distance between the substrate and the target should be far away. It is difficult to commercialize because it is drastically dropped.

그러나, 본 발명은 기존의 마그네트론 스퍼터링을 이용하면서도 고진공에서 플라즈마를 발생시킬수 있도록 이온과 전자를 공급시키면서 발생된 플라즈마가 유지되도록 하기 때문에 타겟의 크기에 의존하므로 대면적의 코팅이 용이하다.However, the present invention is easy to coat a large area because it depends on the size of the target because the generated plasma is maintained while supplying ions and electrons to generate a plasma in high vacuum while using the conventional magnetron sputtering.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명 고진공 마그네트론 스퍼터링방법을 사용하면, 고진공하에서도 기존의 마그네트론 스퍼터링장치를 사용할 수 있도록 함으로써 증착율을 높일 수 있고, 타겟의 크기에 따라 대면적의 증착이 가능한 효과가 있다.As described in detail above, by using the high vacuum magnetron sputtering method of the present invention, an existing magnetron sputtering apparatus can be used even under high vacuum, thereby increasing the deposition rate, and the large area can be deposited according to the size of the target.

Claims (1)

진공용기 내에서 기판상에 증착시키기 위한 물질로 이루어진 타겟 주위에 플라즈마를 형성시키는 마그네트론 스퍼터링장치를 사용하여 마그네트론 스퍼터링 작업을 행함에 있어서, 타겟(18)을 향하여 설치되어 방전가스를 공급하는 가스주입구(12)의 주위에 필라멘트(9)를 설치하고, 상기 필라멘트(9)의 주위에 양극(8)과 영구자석(7)을 설치한 후, 상기 필라멘트(9)에 전원을 공급하고 상기 양극(8)에 전압을 공급함으로써, 상기 필라멘트(9)에서 발생되는 전자와 상기 영구자석(7)의 자기장에 의해 이온화된 방전가스 이온이 상기 타겟(18)을 향하여 공급되도록 함을 특징으로 하는 고진공 마그네트론 스퍼터링방법.In performing a magnetron sputtering operation by using a magnetron sputtering apparatus that forms a plasma around a target made of a material for deposition on a substrate in a vacuum vessel, a gas inlet installed toward the target 18 to supply discharge gas ( A filament 9 is installed around the filament 9, and a positive electrode 8 and a permanent magnet 7 are installed around the filament 9, and then power is supplied to the filament 9 and the positive electrode 8 is provided. High voltage magnetron sputtering to supply electrons generated from the filament 9 and discharge gas ions ionized by the magnetic field of the permanent magnet 7 toward the target 18. Way.
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