KR100353238B1 - 대면적 마그네트론 소스와 백 플레이트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기장의 세기를 균일화하도록 한 대면적 마그네트론 소스와 백 플레이트에 관한 것이다.

본 발명에 따른 대면적 마그네트론 스퍼터링장치의 마그네트론 소스는 자기장의 세기를 균일화하도록 한 대면적 마그네트론 소스는 제1 극성으로 자화되며 중앙부와 가장자리의 폭이 상이한 제1 영구자석과, 제2 극성으로 자화되며 양 가장자리가 반원으로서 소정의 갭을 사이에 두고 제1 영구자석을 둘러싸는 제2 영구자석을 구비한다.

Description

대면적 마그네트론 소스와 백 플레이트{Large Area Magnetron Source and Back Plate}

본 발명은 대면적의 기판 상에 박막을 형성하기 위한 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것으로 특히, 자기장의 세기를 균일화하도록 한 대면적 마그네트론 소스와 백 플레이트에 관한 것이다.

최근, 액정 표시장치(Liquid Crystal Display : LCD), 전계방출 표시장치(Field Emission Display : FED), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel : PDP) 등의 평판 표시장치(Flat Panel Display : FPD)의 개발이 가속화되고 있다. 또한, 메모리 분야는 반도체공정의 발달에 힘입어 초미세화, 대용량화의 발달을 거듭하고 있다.

평판 표시장치 또는 메모리의 제조공정에는 금속배선이나 전극의 증착공정이 수반된다. 예를 들어, 인듐틴옥사이드(Indium Tin Oxide : ITO)와 같은 투명 도전성 전극물질은 마그네트론 스퍼터링장치를 이용하여 기판 상에 증착되고 있다.

마그네트론 스퍼터링 장치는 기판이 안착된 진공챔버를 최저 도달 진공도(<10^-7Torr)까지 배기장치를 이용하여 배기시킨 후, 스퍼터링기체로 사용되는 아르곤(Ar) 등의 불활성 기체를 진공챔버 내에 유입시킨다. 그리고 마그네트론 소스에 전압을 인가하여 플라즈마 방전을 일으킴으로써 아르곤 가스를 이온화시키고, 이를 증착하고자 하는 물질의 타겟 쪽으로 가속시킨다. 그러면 이온화된 아르곤 이온들이 마이너스로 인가된 타겟에 충돌되고, 이에 의해 타겟 원자들이 방출된다. 방출된 원자들은 기판 쪽으로 확산되어 기판 상에 증착된다.

마그네트론 스퍼터링 장치에 있어서, 마그네트론 소스는 도 1에 나타낸 바와 같이 증착하고자 하는 물질의 타겟(Target)(21), 타겟(21)이 접합된 백 플레이트(Back Plate)(22), 백 플레이트(22) 내에 설치되는 냉각라인(Cooling Line)(23), 백 플레이트(22)의 위쪽에 설치되는 마그네트(Magnet)(24)를 구비한다. 기판(26)은 타겟(21)의 아래쪽에 설치된다. 백 플레이트(22)는 높은 열전달, 높은 전기 전도도, 비자성, 높은 기계적 강도 등의 특성이 요구된다. 이를 위하여, 백 플레이트(22)는 통상, 알루미늄, 구리, 구리/스테인레스 스틸, 알루미늄/스테인레스 스틸 등의 금속으로 제작된다. 냉각라인(23)은 타겟 스퍼터링시 발생되는 높은 열을 냉각하는 역할을 한다. 마그네트(24)는 자기장을 발생한다. 이 마그네트(24)의 배면에는 자기장이 전면 쪽으로 강하게 집중되게 하는 폴피스(Pole piece)(25)가 체결된다. 폴피스(25)는 주로 순철로 제작된다.

마그네트(24)는 도 2에서 알 수 있는 바, N극으로 자화된 사각띠(24a)와, 소정 갭(27)을 사이에 두고 사각띠자석(24a)에 의해 둘러싸이며 S극으로 자화된 막대자석(24b)를 포함한다. 이러한 마그네트(24)의 자화배열은 이온화에 사용되는 전자의 운동이 플레밍의 왼손법칙에 따라 시계반대 방향으로 운동하므로 이 전자를 클로즈드 패스(Closed Path) 내에서 타겟(21) 쪽으로 집중하게 한다.

마그네트(24)의 자화배열에 있어서, N극과 S극 사이의 갭(27)에서 자기장의 세기가 가장 세다. 이 때문에 갭(27)에서 타겟 스퍼터링이 집중적으로 일어난다. 특히, 마그네트(24)의 양가장자리가 N극으로 자화된 사각띠(24a)의 직각부분이 존재하기 때문에 이 부분(28a,28b)에서 자기장의 세기가 집중된다. 그 결과, 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치에 있어서, 마그네트 소스의 양 가장자리(28a,28b)에서 플라즈마가 왜곡되는 형태로 형성되기 때문에 기판(26) 상에 증착되는 박막의 균일도가 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치는 기판(26)이 대면적화될수록 기계적 강도의 관리가 어려울뿐 아니라, 그에 따른 자기장의 세기를 안정된 수준으로 관리하기 어려운 문제점이 있다. 이를 상세히 하면, 기판이 대면적화 될수록 진공챔버의 크기가 증가되므로 진공챔버의 내외부에서 진공과 대기압이 접하는 위치에 존재하는 백 플레이트(22)에는 1 기압의 압력차에 의해 발생되는 힘이 가해진다. 이 때 힘은 압력이 가해지는 단면적에 비례하므로 진공챔버가 커지게 되면 백 플레이트(22)에 가해지는 힘이 커지기 때문에 백 플레이트(22)의 기계적 강도가 진공챔버의 크기에 비례하여 커져야 한다. 그러나 백 플레이트(22)의 기계적 강도를 크게 하기 위하여, 백 플레이트용 금속의 두께를 증가시키면 자기장의 세기가 백 플레이트 두께의 세제곱에 반비례하므로 자기장의 세기는 그 만큼 감소하게 된다. 한편, 마그네트론 스퍼터링이 안정되게 일어나기 위해서는 타겟(21)의 표면 자기장의 세기가 200∼500G 정도이어야 한다.

이러한 문제점들 이외에, 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치는 스퍼터링에 의해 타겟(21)의 온도가 고온으로 상승하기 때문에, 이러한 고열을 냉각하기 위하여 냉각라인(23)이 필요할 뿐 아니라 냉각라인(23)이 백 플레이트(22) 내에 설치되므로 백 플레이트(22)의 기계적 강도가 약해지는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 자기장의 세기를 균일화하도록 한 대면적 마그네트론 소스와 백 플레이트를 제공함에 있다.

도 1은 종래의 마그네트론 스퍼터링장치에 있어서 마그네트론 소스를 나타내는 단면도.

도 2는 도 1에 도시된 마그네트의 자화배열을 나타내는 평면도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링장치에 있어서 마그네트론 소스를 나타내는 단면도.

도 4는 도 3에 도시된 마그네트의 자화배열을 나타내는 평면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1,21 : 타겟 2,9,22 ; 백 플레이트

3,23 : 냉각라인 4,24 : 마그네트

5,25 : 폴 피스 6,26 : 기판

7,27 : 갭 10 : 진공층

11 : 스크류

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 대면적 마그네트론 스퍼터링장치의 마그네트론 소스는 자기장의 세기를 길이방향으로 균일화하도록 한 대면적 마그네트론 소스는 제1 극성으로 자화되며 중앙부와 가장자리의 폭이 상이한 제1 영구자석과, 제2 극성으로 자화되며 양 가장자리가 반원으로서 소정의 갭을 사이에 두고 제1 영구자석을 둘러싸는 제2 영구자석을 구비한다.

본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링장치용 백 플레이트는 기판 상에 증착하고자 하는 물질이 포함된 타겟과, 열전도도가 큰 금속으로 선택되어 타겟을 지지하며 제1 백 플레이트와, 기계적 강도가 큰 금속으로 선택되어 제1 백 플레이트와 체결되는 제2 백 플레이트와, 제1 백 플레이트와 제2 백 플레이트 사이에 형성되는 진공층을 구비한다.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부한 도면들을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 마그네트론 소스는 타겟(1)과, 타겟(1)이 접합된 제1 백 플레이트(9)와, 제1 백 플레이트(9)가 고정되는 제2 백 플레이트(2)와, 제2 백 플레이트(2)의 위쪽에 설치되는 마그네트(4)를 구비한다. 기판(6)은 타겟(1)에 대면되게끔 진공챔버 내에 설치된다. 제1 백 플레이트(9)는 스퍼터링에 의해 가열되는 타겟(1)의 열을 방열 및 냉각을 지지하는 역할을 한다. 이를 위하여, 제1 백 플레이트(9)는 열전도도가 높은 금속 예를 들면, 알루미늄(Al)으로 제작되며 그 내부에 냉각수가 공급되는 냉각라인들(3)이 소정 간격을 두고 설치된다. 여기서, 냉각수의 압력은 소정기압(대략 1.5기압) 이하로 제어되게 하여 냉각수 라인의 수압과 외부의 진공상태의 압력차에 의한 변형을 방지한다. 제1 백 플레이트(9) 내에는 비교적 충분한 크기의 냉각라인(9)이 설치될 수 있으므로 냉각효율이 그 만큼 증대될 수 있다. 제2 백 플레이트(2)는 스크류(11)에 의해 제1 백 플레이트(9)가 고정되어 제1 백 플레이트(9)를 지지하는 역할을 한다. 이 제2 백 플레이트(2)는 진공챔버의 내외부 압력차에 의해 자신에게 가해지는 힘을 충분히 견딜 수 있도록 기계적 강도가 큰 금속 예를 들면, 스테인레스(SUS)로 제작된다. 또한, 제2 백 플레이트(2)의 저면에는 제2 백 플레이트(2)의 변형이 제1 백 플레이트(1)에 전달되지 않도록 홈(2a)이 형성된다. 이 홈(2a)에 의해 제1 백 플레이트(9)와 제2 백 플레이트(2) 사이에는 소정 두께(대략 5mm)의 진공층(10)이 형성된다. 이 진공층(10)의 진공도를 유지시키기 위하여, 진공층(10)은 진공챔버 내에 노출되는 제1 백 플레이트(9)와 그 배면에 고정되는 제2 백 플레이트(2)에 의해 기밀유지되며, 제1 백 플레이트(9)나 제2 백 프레이트(2) 또는 그 사이에 진공층(10) 내의 공기를 외부로 뽑을 수 있는 패스(Path)가 형성된다.

이렇게 백 플레이트가 냉각라인(3)이 설치되는 제1 백 플레이트(9)와 이를 지지하는 제2 백 플레이트(2)로 나누어지게 되므로 타겟(1)과 제1 백 플레이트(9)를 지지하고 진공챔버의 내외부 압력차에 의해 힘을 받는 제2 백 플레이트(2)의 기계적 강도가 커지게 된다. 또한, 제2 백 플레이트(2)에 가해지는 힘에 의한 제2 백 플레이트(2)의 변형 또는 휨을 고려하여 제1 백 플레이트(9)와 제2 백 플레이트(2) 사이에 진공층(10)이 형성되기 때문에 제1 백 플레이트(9)의 변형이 제1 백 플레이트(9) 및 타겟(1)에 전달되지 않는다.

마그네트(4)는 자기장을 발생하며, 그 배면에는 자기장이 전면 쪽으로 강하게 집중되게 하는 폴피스(5)가 체결된다. 이 마그네트(4)는 도 4에서 알 수 있는 바, N극으로 자화된 외부링자석(4a)과, 소정 갭(7)을 사이에 두고 외부링(4a)에 의해 둘러싸이며 S극으로 자화된 다중 폭 막대자석(4b)을 포함한다. 중앙에 배치된 다중 폭 막대(4b)의 중앙부 광폭부분의 폭(W1)은 외부링(4a)의 폭(W3)에 대하여 2 배 크게끔 설정된다. 이는 다중 폭 막대(4b)를 기준으로 양측에 배치된 외부링자석(4a)의 직선구간에 비례적으로 자장이 균일하게 형성되게 한다. 외부링자석(4a)과 다중 폭 막대자석(4b) 사이에 위치한 갭(7)의 폭(W2)은 다중 폭 막대자석(4b)의 폭(W1)과 동일하게 유지된다. 마그네트(4)의 양 가장자리(8a,8b)는 자기장의 세기가 중앙부에 비하여 상대적으로 크기 때문에 이를 완화하여 마그네트(4)의 전면에 자기장이 균일하게 분포되도록 외부링자석(4a)의 양 가장자리(8a,8b)는 반원자석이조립된다. 또한, 다중 폭 막대자석(4b)의 양 끝단에는 협폭(W4)으로 날개자석(4c)과, 중앙부 광폭부분과 같은 직경(d)의 반원판자석(4d)이 연결된다.

기판(6)은 다중 폭 막대자석(4b)의 중앙부 광폭부분 내에 위치하도록 마그네트론 스퍼터링 장치의 크기가 결정되어야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 대면적 마그네트론 소스와 백 플레이트는 마그네트(4)의 구조를 개선하여 마그네트(4)의 전면에서 자기장의 세기를 균일하게 분포시킨다. 따라서, 마그네트(4)의 중앙부와 가장자리의 자기장 분균형에 의해 초래되는 플라즈마 왜곡이 방지될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 대면적 마그네트론 소스와 백 플레이트에 의하면, 백 플레이트의 구조를 개선하여 대면적 기판(6)에 의한 대형화 추세에 의해 증대되는 진공챔버 내외부의 압력차에도 백 플레이트의 기계적 강도를 안정되게 유지할 수 있음은 물론 백 플레이트의 변형이 타겟에 전달되지 않도록 한다. 또한, 본 발명에 의하면 두 부분으로 분리된 백 플레이트들(2,9)에 의해 백 플레이트들(2,9)의 전체 두께(t_back)를 종래와 거의 같은 수준으로 유지하더라도 기계적 강도를 종래보다 강화할 수 있다. 따라서, 백 플레이트의 두께를 크게 할 필요가 없으므로 마그네트론 소스로부터 발생되는 자장의 세기를 일정 수준 이상으로 유지할 수 있다. 나아가, 본 발명에 의하면 타겟이 고정되는 제1 백 플레이트(9)가 열전도도 및 열방출 특성이 큰 금속으로 제작되고 그 내부에 냉각라인이 설치되므로 냉각효율이 향상된다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (11)

1. 기판 상에 박막을 형성하기 위한 마그네트론 스퍼터링장치에 있어서,

   제1 극성으로 자화되며 중앙부와 가장자리의 폭이 상이한 제1 영구자석과,

   제2 극성으로 자화되며 양 가장자리가 반원으로서 소정의 갭을 사이에 두고 상기 제1 영구자석을 둘러싸는 제2 영구자석을 구비하는 것을 특징으로 하는 대면적 마그네트론 소스.
2. 제 1 항에 있어서,

   기판 상에 증착하고자 하는 물질을 포함한 타겟과,

   전면에 상기 타겟이 부착되며 배면이 상기 제1 및 제2 영구자석과 대면되는 백 플레이트를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 대면적 마그네트론 소스.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 영구자석은 균일한 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 대면적 마그네트론 소스.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제1 영구자석의 중앙부에 위치한 중앙부자석은 상기 제2 영구자석의 폭보다 큰 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 대면적 마그네트론 소스.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제1 영구자석의 중앙부 폭은 상기 제2 영구자석의 폭보다 두 배로 설정되는 것을 특징으로 하는 대면적 마그네트론 소스.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 제1 영구자석의 중앙부 양 끝단에는 협폭의 날개자석과,

   상기 중앙부의 폭과 같은 직경으로 된 반원판자석이 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 대면적 마그네트론 소스.
7. 기판 상에 박막을 형성하기 위한 마그네트론 스퍼터링장치에 있어서,

   상기 기판 상에 증착하고자 하는 물질이 포함된 타겟과,

   열전도도가 큰 금속으로 선택되어 상기 타겟을 지지하며 제1 백 플레이트와,

   기계적 강도가 큰 금속으로 선택되어 상기 제1 백 플레이트와 체결되는 제2 백 플레이트와,

   상기 제1 백 플레이트와 제2 백 플레이트 사이에 형성되는 진공층을 구비하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링장치용 백 플레이트.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제1 백 플레이트는 알루미늄으로 제작되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링장치용 백 플레이트.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 제2 백 플레이트는 스테인레스로 제작되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링장치용 백 플레이트.
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 제1 백 플레이트는 냉각수가 공급되는 냉각라인들이 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링장치용 백 플레이트.
11. 제 7 항에 있어서,

    상기 제1 백 플레이트의 저면은 상기 진공층이 마련되도록 소정 깊이의 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링장치용 백 플레이트.