KR100397751B1 - 자성체 재료 코팅용 마그네트론 원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지지판(11)과 차폐판(12) 사이에 자석(13)(14) 및 절연체(16) 등이 개재되고, 자기장을 생성하여 자성체 물질을 코팅하는 마그네트론 원에 있어서: 자성체 순금속 또는 자성체 화합물로 성형되어 상기 지지판(11) 상에 거치되고, 자기장의 인출부인 중앙부(10a)와 가장자리부(10c)가 제거되는 동시에 상기 중앙부(10a)의 주위로 통기공(10b)을 구비하는 타겟(10); 상기 타겟(10) 표면에서의 전자의 흐름을 유도하도록 전기적으로 양극을 이루고, 지지판(11)에서의 방전으로 인한 박막내의 불순물 유입을 방지하는 양극판(17); 및 상기 타겟(10)의 통기공(10b)에 금속관(19)을 개재하여 연결되어 Ar 등의 방전용 가스를 공급하는 가스주입기(18)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

따라서, 자석부에서 타겟 표면에 인가되도록 인출되는 자기장이 자성체 물질인 타겟으로 흡수되는 현상을 최소화하여 타겟 표면으로 인출되는 자가장의 밀도와 세기를 증대시킴에 따라 타겟의 사용효율과 증착속도를 향상하는 효과가 있다.

Description

자성체 재료 코팅용 마그네트론 원{Magnetron apparatus for ferro-magnetic materials}

본 발명은 자성체 재료 코팅용 마그네트론 원에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 타겟 표면으로 인출되는 자가장의 밀도와 세기를 증대시켜 타겟의 사용효율과 증착속도를 향상하는 자성체 재료 코팅용 마그네트론 원에 관한 것이다.

마그네트론 스퍼터링법(magnetron sputtering)은 타겟(target)에 전기장과 자기장을 인가하여 타겟 근처에서 이온화율을 높여 스퍼터링율(sputter rate)을 향상시키는 물리적 기상 증착법(PVD)의 하나로 증착된 박막의 우수한 밀착력과 표면 미려도 및 높은 밀도로 인해 널리 사용되고 있는 방법이다.

마그네트론 방전(magnetron discharge)을 위해 타겟에 전기장과 자기장이 인가되면, 타겟에서 방출된 전자는 전기장과 자기장 및 방출되는 전자의 속도에 의해 타겟 표면의 일정부위에서 나선 운동과 호핑(hopping) 운동을 하며 이러한 전자의 국부적인 밀집지역에서 이온화율이 증대되고, 스퍼터링율이 향상된다.

따라서 타겟의 표면에서 고밀도 자장의 구현을 위하여 적절한 형상과 세기의 전자석 및 영구자석을 타겟 뒷편에서 장착하는데 일반적으로 장착되는 자석의 타겟 반대면에는 철 등의 강자성체 물질과 접촉시켜 타겟쪽으로의 자장세기를 강화하는 방법이 사용되고 있다.

이러한 종래의 마그네트론 스퍼터링법은 상기의 설명과 같이 자기장을 이용하여 타겟 물질을 증착하는 방법이므로 타겟물질이 강자성체인 경우에는 타겟에서의 자기장 손실이 높아 타겟 표면으로 인출되는 자가장의 밀도 및 세기가 매우 낮으므로 코팅에 많은 제약이 따른다.

그러므로 마그네트론 원을 이용한 자성체 물질의 코팅시에는 자장의 투과를 위하여 매우 얇은 타겟(예컨대 1/16∼1/8″)을 사용하고 있어 타겟의 잦은 교체가 요구되므로 타겟의 사용효율이 낮은 실정이다.

또한 타겟 표면으로 인출되는 자기장의 밀도 및 세기가 매우 낮아 고전류를타겟에 인가할 수가 없으므로 증착속도가 약 1㎛/hr 정도로 매우 낮은 실정이다.

그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자석부에서 타겟 표면에 인가되도록 인출되는 자기장이 자성체 물질인 타겟으로 흡수되는 현상을 최소화하여 타겟 표면으로 인출되는 자가장의 밀도와 세기를 증대시킴에 따라 타겟의 사용효율과 증착속도를 향상하는 자성체 재료 코팅용 마그네트론 원을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 마그네트론 원의 요부를 나타내는 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 마그네트론 원을 평면에서 나타내는 구성도,

도 3은 본 발명의 변형예에 따른 마그네트론 원의 평면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10 : 타겟 11 : 지지판

12 : 차폐판 13, 14 : 자석

15 : 냉각관 16 : 절연체

17 : 양극판 18 : 가스주입기

19 : 금속관

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 지지판(11)과 차폐판(12) 사이에 자석(13)(14) 및 절연체(16) 등이 개재되고, 자기장을 생성하여 자성체 물질을 코팅하는 마그네트론 원에 있어서: 자성체 순금속 또는 자성체 화합물로 성형되어 상기 지지판(11) 상에 거치되고, 자기장의 인출부인 중앙부(10a)와 가장자리부(10c)가 제거되는 동시에 상기 중앙부(10a)의 주위로 통기공(10b)을 구비하는 타겟(10); 상기 타겟(10) 표면에서의 전자의 흐름을 유도하도록 전기적으로 양극을 이루고, 지지판(11)에서의 방전으로 인한 박막내의 불순물 유입을 방지하는 양극판(17); 및 상기 타겟(10)의 통기공(10b)에 금속관(19)을 개재하여 연결되어 Ar 등의 방전용 가스를 공급하는 가스주입기(18)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징으로서, 상기 타겟(10)의 중앙부(10a)는 최대 내부자석(13)의 직경이하로 제거되고, 가장자리부(10c)는 외부자석(14)의 외경이하로 제거된다.

본 발명의 다른 특징으로서, 상기 타겟(10)의 중앙부(10a)는 하나 이상의 원형 또는 직사각형으로 이루어진다.

본 발명의 다른 특징으로서, 상기 타겟(10)의 통기공(10b)은 0.1∼5㎜ 범위의 크기를 지닌 적어도 2개 이상의 원형, 원호형 또는 사각형 중 택일되고, 타겟(10)의 최대 침식부 주위의 동심 원주상에 배치된다.

이에 따라, 자석(13)(14)에서 타겟(10) 표면에 인가되도록 인출되는 자기장이 자성체 물질인 타겟(10)으로 흡수되는 현상을 최소화하여 타겟(10) 표면으로 인출되는 자기장의 밀도와 세기를 증가시키고, 또한 통기공(10b)에서 발생되는 할로우캐소드 방전에 의해 통기공(10b)으로 주입되는 Ar등의 방전가스가 이온화되어 방전특성을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 마그네트론 원의 요부를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 마그네트론 원을 평면에서 나타내는 구성도이다.

본 발명은 지지판(11)과 차폐판(12) 사이에 자석(13)(14) 및 절연체(16) 등이 개재되고, 자기장을 생성하여 자성체 물질을 코팅하는 마그네트론 원을 개량하는 사항에 관련된다.

지지판(11)은 타겟(10)을 고정시켜 주고 방전 가스가 진공을 유지하면서 효과적으로 타겟(10) 표면에 인가되도록 한다. 자석(13)(14)은 전자석 또는 여러 개의 영구자석의 폐회로로 구성되고, 타겟(10)에 자기장을 인가하고 자속 밀도를 증가시킨다. 차폐판(12)은 지지판(11)과 함께 자석(13)(14)을 수용하고, 철판 소재로 성형되어 자기장을 밀폐한다. 절연체(16)는 테프론 등의 절연재질로 성형되어 차폐판(12)을 감싸도록 장착되고, 마그네트론 원 및 이를 수용하는 챔버간의 전기적 절연을 유지한다. 미설명 부호 15는 타겟(10)과 기타 장치의 방열을 위한 냉각관이다.

본 발명은 자기장이 강자성체 물질인 타겟(10)으로 흡수되는 효과를 최소화하기 위해 중앙부(10a)와 가장자리부(10c)가 일정 범위로 제거되는 동시에 흡수된 자기장으로 인해 약화된 방전을 강화시키기 위해 타겟(10)의 최대 침식부에 통기공(10b)이 설치된다.

타겟(10)은 마그네트론 방전이 형성되어 코팅물질이 증발되는 부분으로, Fe, Ni, Co등의 자성체 순금속 또는 Nd-Fe-B, Al-Ni-Co, Sm-Co등의 자성체 화합물로 성형된다. 타겟(10)은 자석(13)(14)에서 인가된 자기장이 자성체 물질인 타겟(10)으로 흡수되는 효과를 최소화하도록 자기장의 인출부인 중앙부(10a)가 관통되고 가장자리부(10c)가 축소된 형상을 지닌다.

이때 중앙부(10a)는 대부분 원형으로써 그 직경이 최소 1㎜이상, 최대 내부자석(13)의 직경이하로 제거되고, 가장자리부(10c)는 외부자석(14)의 외경이하로 제거된다. 이는 내부자석(13) 또는 외부자석(14)에서 방출되어 외부자석(14) 또는 내부자석(13)으로 인입되는 형상의 자기장 배열을 유지하는 마그네트론 원에서 자기장 방출 및 인입부에서의 자성체 타겟(10)으로 인한 자기장 손실을 최소화하기 위한 설계이다.

즉 자기장의 성분분포 상 타겟(10)과 수직한 성분의 자기장값이 주류를 이루는 중앙부(10a)와 가장자리부(10c)를 제거하여 자기장의 방출 및 인입세기를 증가시키고 그 크기는 최대한 크게 유지하되 지지판(11)에서의 방전으로 인한 박막내의 불순물 유입을 방지할 수 있는 크기 이하로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 타겟(10) 표면에서의 전자의 흐름을 유도하도록 전기적으로 양극을 이루고, 지지판(11)에서의 방전으로 인한 박막내의 불순물 유입을 방지하는 양극판(17)이 사용된다. 양극판(17)은 외측으로 챔버에 지지되면서 내측으로 타겟(10)의 외주면에 근접하도록 설치되며, 필요에 따라 다단계로 절곡하여 일정한 간격을 유지한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 타겟(10)의 통기공(10b)에 금속관(19)을 개재하여 연결되어 Ar 등의 방전용 가스를 공급하는 가스주입기(18)가 설치된다. 금속관(19)은 타겟(10)에 직접 방전가스(Ar 등)를 주입하도록 통기공(10b)까지 연장되고, 가스주입기(18)에 의해 할로우 캐소드(Hollow Cathode) 현상을 발생시켜 타겟(10) 표면에서의 이온화율을 높일 수 있다.

이때, 도 1 및 도 2와 같은 원판형 형상의 자성체 타겟(10)의 경우 중앙부(10a)는 원형이 일반적이며, 사각형상의 자성체 타겟(10)의 경우 중앙부(10a)는 최소한 하나 이상의 직사각형 또는 원형으로 형성한다.

도 3은 본 발명의 변형예에 따른 마그네트론 원의 평면도가 도시된다.

전술한 바와 같이 통기공(10b)은 일반적으로 최소한 2개 이상의 원형으로 이루어지나, 도 3과 같이 확장된 원형(원호형)이나 사각형(직사각형)의 형상도 가능하다. 이러한 통기공(10b)의 크기는 0.1∼5㎜ 사이로 한정하는 것이 바람직한데, 원형은 직경, 원호형은 폭, 사각형은 변의 길이를 의미한다. 이는 할로우 캐소드 방전이 발생할 수 있는 최소 크기이면서 중앙부(10a)에서의 방전으로 인한 박막내의 불순물 유입을 방지할 수 있는 최대 크기로 정의된다. 어느 경우에나 복수의 통기공(10b)은 대칭적인 위치에 형성되도록 한다.

또한 통기공(10b)의 위치는 타겟(10) 표면에서 타겟(10)과 수평한 자장 성분이 주를 이루는 부분, 즉 최대 침식부 및 그 주위로 선정하고 실험적 검증을 거치는 것이 바람직하다.

작용에 있어서, 종래의 경우 자성체 타겟(10)으로 인해 타겟(10)에 흡수된 자기장은 타겟(10) 표면에서의 자기장 밀도 및 세기를 약화시킴에 따라 마그네트론 방전 형성시 낮은 이온화율로 인하여 고전류를 인가시킬 수 없기 때문에 증착속도가 저하된다. 본 발명은 이러한 낮은 이온화율로 인한 방전 저하를 개선하기 위하여 타겟(10)의 침식부에 통기공(10b)을 설치하고 가스주입기(18) 및 금속관(19)을 통하여 방전가스(Ar 등)를 타겟(10) 표면에 직접 인입한다. 이렇게 인입된 방전가스는 마그네트론 원에 인가되는 직류 또는 교류전류에 의해 전기적으로 타겟(10)과 절연상태가 아닌 금속관(19) 내부에서 할로우 캐소드 방전이 형성되어 이온화가 이루어지고, 타겟(10) 표면에서는 통기공(10b)에서 할로우 캐소드 방전이 형성되어 자성체 타겟(10)으로 인해 감소된 이온화율을 증대시켜 준다.

이와 같은 본 발명의 마그네트론 원을 이용하는 경우 타겟(10) 표면에서의 자기장 세기 및 밀도가 향상되고, 할로우 캐소드 현상을 이용한 인입가스의 이온화및 타겟 표면에서의 이온화율이 증대되기 때문에 자성체 타겟(10)의 두께를 증가시킬 수 있고, 증착속도를 약 5㎛/hr 이상으로 구현할 수 있다.

이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 자석부에서 타겟 표면에 인가되도록 인출되는 자기장이 자성체 물질인 타겟으로 흡수되는 현상을 최소화하여 타겟 표면으로 인출되는 자가장의 밀도와 세기를 증대시킴에 따라 타겟의 사용효율과 증착속도를 향상하는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (4)

1. 지지판(11)과 차폐판(12) 사이에 자석(13)(14) 및 절연체(16) 등이 개재되고, 자기장을 생성하여 자성체 물질을 코팅하는 마그네트론 원에 있어서:

   자성체 순금속 또는 자성체 화합물로 성형되어 상기 지지판(11) 상에 거치되고, 자기장의 인출부인 중앙부(10a)와 가장자리부(10c)가 제거되는 동시에 상기 중앙부(10a)의 주위로 통기공(10b)을 구비하는 타겟(10);

   상기 타겟(10) 표면에서의 전자의 흐름을 유도하도록 전기적으로 양극을 이루고, 지지판(11)에서의 방전으로 인한 박막내의 불순물 유입을 방지하는 양극판(17); 및

   상기 타겟(10)의 통기공(10b)에 금속관(19)을 개재하여 연결되어 Ar 등의 방전용 가스를 공급하는 가스주입기(18)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자성체 재료 코팅용 마그네트론 원.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 타겟(10)의 중앙부(10a)는 최대 내부자석(13)의 직경이하로 제거되고, 가장자리부(10c)는 외부자석(14)의 외경이하로 제거되는 것을 특징으로 하는 자성체 재료 코팅용 마그네트론 원.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 타겟(10)의 중앙부(10a)는 하나 이상의 원형 또는 직사각형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자성체 재료 코팅용 마그네트론 원.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 타겟(10)의 통기공(10b)은 0.1∼5㎜ 범위의 크기를 지닌 적어도 2개 이상의 원형, 원호형 또는 사각형 중 택일되고, 타겟(10)의 최대 침식부 주위의 동심 원주상에 배치되는 것을 특징으로 하는 자성체 재료 코팅용 마그네트론 원.