KR100421249B1

KR100421249B1 - 스퍼트링 자기회로 제작

Info

Publication number: KR100421249B1
Application number: KR1020020072106A
Authority: KR
Inventors: 박장식
Original assignee: 박장식
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-03-04

Abstract

본 발명은 디스플레이, 반도체 및 전자재료 제작에서 스퍼트링 박막공정에 사용 되어지는 타켓트의 사용효율에 관한 것으로 상세하게는 박막의 부착속도를 높이고 파티클의 발생을 감소시킬수 있는 캐소드의 자기회로에 관한 것이다. 자기회로의 주자석과 주변자석의 사이에 보조자석 및 공통자석을 설치해서 자기력선이 타켓트의 표면으로 부터 약 0.5 mm ~ 20 mm 높이에서 도 1과 같이 1개의 최소점(Y)과 2개의 최고점(X, Z)을 갖고 타켓트와 나란히 형성되도록 함으로 타켓트의 전영역에 플라즈마를 균등하게 형성하여 스퍼트링을 일으킴으로 타켓트의 사용효율을 종래보다 2배 이상으로 향상시켜 박막제작의 재료비를 절감시키고 생산성을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

스퍼트링 자기회로 제작{sputtering magnetic circuit production}

디스플레이, 반도체 및 전자재료의 제작공정에서 박막을 제작하는 방법으로는 CVD, 진공증착 등이 있으나 성막속도가 빠르고 막의 부착력이 우수한 마그네트론 스퍼트링(magnetron sputtering) 방법이 넓게 사용된다. 마그네트론 스퍼트링 방법은 진공쳄바 내부에 불활성가스 및 반응성가스를 주입하고 타켓트를 백킹플레이트 (backing-plate)에 본딩해서 그 하부에 도 3과 같이 자기회로를 설치하고 타켓트에 음극전위를 인가해서 전자가 드리프트(drift)운동을 하면서 사이클로트론 (cyclotron) 운동을 함으로 가스를 이온화시켜 플라즈마를 발생시키고 타켓트의 표면상부에서 형성되는 시스(sheath)영역에서 플라즈마중의 이온을 가속시켜 타켓트에 충돌시킴으로 타켓트로 부터 스퍼트링된 입자를 기판에 부착시켜 박막을 제작하는 방법이다. 플라즈마의 시스(sheath)영역은 가스압력, 입가전력 등의 성막조건에 따라 차가 있으나 타켓트의 표면에서 약 0.5 mm ~ 15 mm 높이에 있다. 도 3는 종래의 자기회로를 사용해서 플라즈마를 발생시키는 캐소드 부분을 나타낸 것이다. 자기회로는 철판(1)상부의 중앙부분에 설치된 영구자석인 중앙자석(2a)과 주변부에 설치된 영구자석인 주변자석(2f)으로 구성되며 중앙자석 및 주변자석의 상부극성을 각각 N극, S극으로 설치하고 자기력선을 형성한다. 자기회로는 방전개시전압을 낮추고 플라즈마의 밀도를 높여 안정된 방전상태에서 박막제작의 속도를 빠르게 한다. 타켓트 주변부에는 접지되어 있는 어스실드(7, earth shield)를 설치하여 백킹플레이트가 플라즈마에 의해서 스퍼트링되는 것을 방지한다. 절연체(6)은 자기회로와 어스실드와의 접촉을 방지하기 위한 것이다.

도 3과 같이 자기회로에 의한 자기력선이 타켓트의 표면상부에 타원형 형태로 형성되어 타켓트로부터 발생하는 전자는 타원형의 자기력선을 따라 운동을 하면서 가스를 이온화 시켜 플라즈마를 발생시키고 플라즈마의 밀도를 높인다. 플라즈마의 밀도는 타원형 자기력선의 2개의 최고점에서 높아지고 그 영역에 대응하는 타켓트가 집중적으로 스퍼트링되어 일정한 두께의 타켓트 수명이 끝나므로 타켓트의 사용효율이 20 ~ 25% 밖에 되지 않고 국부적으로 스퍼트링 된 에로죤(erosion)영역에서 스퍼트링 됨으로 박막의 부착속도도 낮아지며 박막의 두께 분포가 나빠지는 문제점이 있다. 타켓트 사용효율은 타켓트 스퍼트링 하기 전의 무게에 대한 스퍼트링 된 타켓트의 무게의 비이다. 또한 스프터링되지 않는 영역에 박막이 재부착되어 파티클의 소스(source)로서 작용해서 박막제작 공정에서 파티클의 증가 요인이 된다.

상기와 같이 타켓트 일부분이 깊게 스퍼트링됨에 따라 타켓트의 사용효율이 낮아지고 막의 부착속도가 늦고 박막의 두께분포가 나쁘며 파티클의 발생이 증가되는 문제점에 대해서 타켓트의 전영역에 플라즈마를 균등하게 형성시켜 스퍼트링 함으로 타켓트의 에로죤(erosion)의 깊이가 균일하게 되어 타켓트의 사용효율을 향상시키고 박막의 부착속도를 높이며 두께분포를 향상시키려 함이다. 또한 타켓트의 전면을 스퍼트링함으로 박막의 재부착에 의한 파티클의 발생이 감소한다.

도 1는 자기회로의 작용을 설명하기 위한 개념도이며 A는 직사각형 형태의자기회로의 단면도 B는 평면도.

도 2는 실시예 1의 자기회로를 포함한 캐소드의 단면도.

도 3는 종래형의 자기회로를 포함한 캐소드의 단면도.

도 4는 실시예 2의 자기회로의 단면도.

도 5는 실시예 3의 자기회로의 단면도.

도 6는 실시예 4의 자기회로의 단면도.

도 7는 실시예 5의 자기회로의 단면도.

(도면의 부호의 설명)

1:철판, 2a,12a,22a,32a,42a,52a:중앙자석, 2f,12f,22f,32f,42f,52f:주변자석, 3:자기력선, 4:타켓트, 5:백킹플레이트(backing-plate), 6:절연체, 7,17:어스실드(earth shield), 12b,12c:중앙자석의 보조자석, 12d,12e:주변자석의 보조자석, 13:자기력선, 14:타켓트, 15:백킹플레이트, 16절연체, 18:플라즈마, 22b:중앙자석의 보조자석, 22c:공통자석, 22d:주변자석의 보조자석, 32b:중앙자석의 보조자석, 32c:주변자석의 보조자석, 42b:중앙자석의 보조자석, 42c:주변자석의 보조자석, 52b:공통자석

도 2와 같이 백킹플레이트(15)에 타켓트(14)를 본딩해서 설치하고 그 하부에는 자기회로, 타켓트 주변부에는 어스실드(17)를 설치한다. 자기회로에 의해서 타켓트의 상부에는 도 1과 같이 자기력선이 타켓트와 나란하게 형성한다. 도 1은 도 2의 캐소드 구조에 의한 플라즈마 발생을 나타내는 개략도이다. 자기회로에 의한 자기장과 타켓트에 인가되는 음극전위에 의한 전기장에 의해서 전자가 드리프트 운동을 하면서 사이클로트론 운동을 함으로 플라즈마가 발생되고 타켓트와 나란한 자기력선을 따라 전자가 운동함으로 타켓트 상부의 플라즈마분포는 균등하게 형성되어 타켓트를 스퍼트링함으로 타켓트에는 균일한 에로죤이 형성된다. 타켓트와 나란한 자기력선은 타켓트 표면으로부터 시스영역에 가까운 약 0.5 mm ~ 20 mm 높이에서 1개의 최소점(Y)과 2개의 최고점(X, Z)을 갖도록 하며 타켓트의 표면에서 높이 X, Z는 다를 수도 있다. 플라즈마의 시스영역은 스퍼트링의 압력, 입력전력 등에 따라 차가 있으나 타켓트의 표면에서 0.5 mm ~ 15 mm 높이 영역에 있으며 이 영역에서 전자의 밀도가 가장 높아 가스의 이온화가 가장 활발히 일어난다.이온화 된 이온은 전장에 의해 타켓트에 수직으로 입사하여 타켓트 입자는 스퍼트링 되고 전자, 광자 등이 타켓트의 표면으로 부터 에너지 분포와 방향성을 갖고 플라즈마 공간중에 방출된다. 방출된 전자의 많은 부분이 타켓트와 나란한 자기력선을 따라 운동하면서 가스를 이온화 시킴으로 타켓트 전체의 상부에 균일한 플라즈마가 형성되어 타켓트의 전면에 균일한 에로죤을 얻어서 타켓트의 사용효율을 종래보다 2배이상 높일 수 있다. 자기회로는 기본적으로 도 1 에서 주자석인 중앙자석(12a)과 주변자석(12f)과 주자석의 자기력선을 조정해 주는 보자석인 보조자석(12b ~ 12e)과 공통자석으로 구성하여서 도 1 과 같이 자기력선이 형성되도록 한다. 중앙자석 및 주변자석의 보조자석은 각 해당자석의 자기력선을 조정해 주는 역할을 하며 공통자석은 주자석을 공통으로 조정해 주는 역할을 한다. 각 자석의 폭은 다르며 주자석은 보자석보다 5 mm ~ 50 mm 높게하여 자기력선의 조정을 용이하게 하며 자기회로의 형태는 사각형, 타원형 및 원형으로 한다. 주자석과 보자석의 사이에 갭을 두지 않고 설치할 수 있다. 전체자석의 극성을 반대로 설정하여도 동일한 결과를 얻을 수 있으며 자석으로는 영구자석 및 전자석을 사용할 수 있다.

실시예 1에서는 도 2와 같이 중앙자석(12a)과 주변자석(12f)에 사이에 각각의 2개의 보조자석(12b ~ 12e)으로 구성된 자기회로가 설치된 캐소드를 나타낸 것이다. 도 1의 A는 도 2에 의해서 형성되는 자기력선과 플라즈마의 상태를 개략적으로 나타낸 것이다. 중앙자석의 상부를 N극으로 하며 그것의 2개의 보조자석의 상부를 각각 S극, N극으로 해서 자기력선을 조정하고 주변자석(12f)의 상부를 S극으로 하고 그것의 2개의 보조자석의 상부를 각각 N극, S극으로 해서 자기력선을 조정해서 중앙자석과 주변자석으로부터 발생하는 자기력선이 도 1과 같이 타켓트와 나란히 형성하여 스퍼트링을 실시하였다.

이와 같은 자기회로의 구조에 의해서 타켓트의 사용효율을 50% 를 얻었다. 도 1의 (B)는 자기회로의 평면도로 사각형 형태를 한 것을 나타내며 자기회로가 원형 형태에도 적용된다.

실시예 2에서는 도 4와 같이 철판상부에 중앙자석의 보조자석(22b) 1개, 주변자석의 보조자석(22d) 1개, 그리고 공동자석(22c) 1개를 설치하여 자기력선을 도 1과 같이 타켓트와 나란히 형성해서 스퍼트링을 발생시킴으로 타켓트의 사용효율을 높인다. 중앙자석과 그 보조자석의 상부를 각각 N극, S극으로 주변자석과 그 보조자석의 상부를 각각 S극, N극으로 설정하고 공통자석의 상부를 N극 혹은 S극으로 한다.

실시예 3에서는 도 5와 같이 철판상부에 중앙자석의 보조자석(32b) 1개, 주변자석의 보조자석(32c) 1개로 타켓트 상부에 도 1과 같이 자기력선을 타켓트와 나란히 형성해서 스퍼트링을 발생시킴으로 타켓트의 사용효율을 높인다. 중앙자석과 그 보조자석의 상부를 각각 N극, S극으로 주변자석과 그 보조자석의 상부를 각각 S극, N극으로 설정한다.

실시예 4에서는 도 6와 같이 철판상부에 중앙자석의 보조자석(42b) 1개, 주변자석의 보조자석(42c) 1개로 타켓트 상부에 도 1과 같이 자기력선을 타켓트와 나란히 형성해서 스퍼트링를 발생시킴으로 타켓트의 사용효율을 높인다. 각각의 보조자석의 극성이 철판의 상부에 있도록 설정해서 2개의 보조자석(42b, 42c)를 S극, N극으로 서로 마주보게 한다.

실시예 5에서는 도 7와 같이 중앙자석과 주변자석의 사이에 공통자석(52b) 1개를 설치하여 타켓트 상부에 도 1과 같이 자기력선이 타켓트와 나란히 형성해서 스퍼트링을 발생시킴으로 타켓트의 사용효율을 높인다. 공통자석의 N, S 극성이 철판표면에 있도록 설정하고 중앙자석을 향하는 쪽을 N극으로 하며 공통자석과 중앙자석 및 주변자석사이는 일정한 갭을 둔다.

LCD의 고정세화, 반도체의 고집적화의 시장 요구에 대해서 타켓트의 순도, 밀도 등의 특성향상이 되어 가격이 높아짐에 따라 타켓트의 사용효율을 높여 재료비 절감에 대한 요청이 높아지고 있다. 타켓트의 전영역에 플라즈마를 균등하게 형성하여 스퍼트링을 발생시킴으로 타켓트의 사용효율을 45%이상, 종래의 사용효율의 2배이상으로 향상시켜 박막제작공정의 원가절감(LCD의 TN/STN 제품에서는 재료비의 30% ~ 40%의 절감)과 박막의 부착속도를 30% 이상 높여 박막제작의 생산성 향상과 박두께의 분포의 향상 및 박막의 재부착이 없으므로 파티클의 발생을 감소시킬 수 있는 특성을 갖으므로 타사 제품에 비해 우수한 경쟁력을 갖는다.

Claims

마그네트론 스퍼트링장비의 캐소드에 있어서,

철판위에 주자석인 중앙자석과 주변자석 사이에 보조역활을 하는 보조자석과 공통자석을 가지고 자석의 극성을 반대로 설치할 수 있으며 자석의 상부에 설치된 타켓트와 나란한 자기력선은 타켓트의 표면으로 부터 약 0.5 mm ~ 20 mm 높이에 1개의 국부 최소점과 2개의 국부 최고점을 가지며 평면도가 사각형, 원형 및 타원형을 갖는 자기회로.
청구항 1에서 중앙자석과 주변자석의 각각은 2개의 보조자석을 갖고 중앙자석과 주변자석의 상부의 극성은 각각 N, S극으로 하며 2개의 보조자석의 각각은 서로 다른 극성이며 중앙자석과 주변자석에 인접한 보조자석의 상부 극성이 각각 S, N극을 갖는 자기회로.
청구항 1에서 중앙자석과 주변자석의 각각은 1개의 보조자석을 갖고 보조자석의 사이에는 공통자석을 갖지며 중앙자석과 보조자석의 상부의 극성은 각각 N, S극으로 하며 그것들의 보조자석은 서로 다른 극성이며 중앙자석과 주변자석에 인접한 보조자석의 상부극성은 각각 S, N극을 갖으며 공통자석은 N극 혹은 S극을 갖는 자기회로.
청구항 1에서 중앙자석과 주변자석의 각각은 1개의 보조자석을 갖고 중앙자석과 주변자석의 상부의 극성은 각각 N, S극으로 하며 중앙자석과 주변자석에 인접한 보조자석의 극성은 각각 S, N극을 갖는 자기회로
청구항 1에서 중앙자석과 주변자석의 각각은 1개의 보조자석을 갖고 중앙자석과 주변자석의 상부의 극성은 각각 N, S극으로 하며 보조자석의 극성이 철판과 평형하며 각각의 보조자석은 중앙자석 및 주변자석에 연결되어 있으며 마주보는 중앙자석과 주변자석의 보조자석은 갭을 가지며 그 극성은 각각 S, N극으로 하는 자기회로
청구항 1에서 중앙자석과 주변자석의 사이에 1개의 공통자석을 갖고 중앙자석과 주변자석의 상부의 극성은 각각 N, S극으로 하며 공통자석은 철판과 평행하며 중앙자석과 주변자석을 향하는 쪽의 극성을 각각 N, S극으로 하며 보조자석이 중앙자석과 주변자석과는 일정한 갭을 갖는 자기회로.