KR100422184B1 - 진공 아크를 이용한 고품위 박막 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공 아크를 이용한 고품위 박막 형성 방법에 관한 것으로서, 특히 아크 스팟의 속도를 최대한으로 높일 수 있으며, 저융점 타겟 물질과 저열전도성 타겟 물질에도 적용할 수 있는 진공아크를 이용한 박막 형성방법을 통해 고품질의 박막을 형성할 수 있는 박막 형성방법에 관한 발명이다. 본 발명에서는 진공 아크법을 이용한 박막 증착에서 타겟 물질의 사용율을 극대화 할 수 있도록 하는 타겟상의 자력선 형성 방법 및 이동 방법과 함께, 진공 아크 플라즈마원의 아크 스팟 고속도 직선 주사 이동 방법을 제시하였다.

Description

진공 아크를 이용한 고품위 박막 형성 방법{Method for forming high quality thin film using a vacuum arc}

일반적으로 진공 아크를 이용한 박막 증착 방법은 타겟물질을 증발시키기 위한 수단으로 타겟상에 진공아크를 발생시키는데, 이때 생성되는 타겟 물질의 플라즈마는 통상 저진공부터 고진공에 이르기까지 넓은 압력범위에서 동작하며, 80∼100%에 달하는 높은 이온화율과 수십∼수백 eV에 달하는 높은 에너지로 인하여, 반응성이 뛰어나고 저온의 기판 상에서도 품질 특성이 우수한 박막을 증착 형성시킬 수 있는 조건을 두루 갖추고 있다.

그러나, 진공 아크 발생시 방전을 유지하는 아크 스팟은 자체의 아크 기둥에서 발생되는 자장의 영향으로 임의 방향으로 스스로 이동하고, 이때 타겟표면상의 아크스팟 부위에서는 전계와 열집중 현상으로 국부적인 폭발 이 발생하여 수많은 작은 타겟 물질 덩어리가 비산함에 따라 증착되는 박막 품질이 현격히 떨어지게 된다. 특히 이러한 현상은 저융점 타겟 재료와 저전도성 타겟 재료의 경우에 극심하다.

또한 아크 스팟 이동의 임의성으로 인하여 타겟이 넓은 경우 균일한 증발이 어려워 큰 기판 상의 박막 균일도의 저하가 야기된다.

이와 같은 진공 아크를 이용하여 박막 증착을 할 때 생기는 타겟 물질의 덩어리 비산을 줄이고 넓은 면적의 증착 균일도 개선을 목적으로 타겟 표면상에 자력선을 형성시켜 자력선과 아크 스팟을 작용시켜 아크 스팟의 이동 속도를 높여 타겟물질의 폭발 현상을 줄이는 방법이 강구되고 있다. 이 때, 타겟의 표면 상에 아크 스팟을 타겟표면의 공간적 폐로상에서 제한적으로 이동시키므로 타겟 물질의 국부적 증발을 야기시켜 타겟의 사용율이 현저히 떨어지고, 아크 스팟의 이동 속도가 자체의 관성력으로 인하여 회전 가능 속도에 의한 제한을 받게 되어 타겟 덩어리의 비산을 크게 줄이기가 어렵고 특히 저융점 물질의 경우는 타겟으로 사용이 거의 불가능한 단점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 극복하기 위한 방법으로, 타겟상에 아크 스팟을 발생시키고, 발생된 아크 스팟의 이동 속도를 회전에 의해 제한 받지 않토록 하기위해 직선형으로 이동시킨후, 타겟의 끝 부분에 도달 되기전에 아크 유지전원을 제어하여 아크 스팟을 소거시키는 일련의 반복된 펄스형태로 아크전류를 투입하여, 아크 스팟의 이동속도를 최대한으로 높일 수 있도록 함으로써, 진공 아크를 이용한 고품위 박막 공정을 저융점 타겟 물질과 저열전도성 타겟 물질에서도 적용할 수 있도록 하고, 이와 동시에 발생되는 낮은 타겟의 사용율을 극복하기위해, 아크 스팟을 직선형태로 고속 이동하도록 유도하는 자력선 발생 구조물을, 아크 스팟의 고속 이동방향과 수직 방향으로 저속으로 왕복이동 시켜, 타겟표면을 균일하게 주사하여 타겟의 사용율을 극대화 할 수 있는, 고품위 박막 증착용 진공아크 플라즈마원의 아크 스팟 고속도 직선 주사 이동 방법을 제시하였다.

도 1 은 본 발명을 이루기 위해 타겟상에서 아크 스팟을 제어할 수 있는 예각의 자력선을 형성시키는 형태도이다.

도 2 는 본 발명의 진공 아크를 이용한 고품위 박막 형성 방법을 실현하기 위한 회로 및 부품 구성도이다.

도 3 은 본 발명에 의해 고품위 박막 형성 방법을 실현하기 위한 진공아크 발생 및 진행 과정과 소거의 반복 과정을 시간대별로 표시한 일 실시예이다.

상기 목적 달성을 위해 창안된 본 발명에 의한 진공 아크 플라즈마를 이용한 고품위 박막 형성 방법은 다음과 같은 단계로 이루어진다.

즉, 아크 스팟으로부터 타겟 물질 덩어리의 비산을 최소화하고 타겟의 사용율을 극대화시키기 위해, 진공 아크를 이용하여 타겟 물질을 플라즈마 상태의 증기를 발생시켜 기판에 박막을 증착 형성시키는 방법에 있어서,

통상의 기계적 또은 전기적 방식에 의해 타겟 표면상에 아크 스팟을 형성하는 단계와,

상기 형성된 아크 스팟을 타겟의 길이 방향으로 고속 이동시키기 위해 타겟 표면에서의 자력선의 방향을 아크 스팟의 직선 이동 궤적과 수직이 되며, 아크 스팟의 직선 이동 예정 궤적을 감싸고 형성되는 좌우의 자력선이 타겟표면과 90°이하의 예각을 이루도록 타겟 표면 주위의 자력선을 형성하게 하는 단계와,

타겟 표면에서 아크 스팟을 발생시키고, 타겟 표면에 형성시킨 자력선에 의해 아크 스팟을 직선 이동시킨 후, 아크 스팟이 타겟 물질 밖으로 벗어나지 않토록 하기 위해, 아크 스팟이 타겟의 끝지점에 도달하기 전에 아크 스팟의 전류 공급을 차단하고, 일정 시간 후 또는 즉시 상기 아크 스팟을 형성하는 단계부터 아크 스팟의 전류 공급을 차단하는 단계를 반복하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 의한 고품위 박막 형성 방법은, 박막 증착시 타겟의 사용률을 높히기 위해 아크 스팟이 타겟 표면상에서 직선형으로 고속 이동하는 궤적을 타겟면상에서 왕복 주사하도록 하도록, 타겟 표면상에 서로 마주보고 형성된 예각의 자력선 중심 부위를, 아크 스팟 직선 이동 궤적과 수직인 타겟의 폭 방향으로 왕복 이동시키는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 진공 아크를 이용한 고품위 박막 형성 방법은 타겟 표면상에 마주보는 자력선 예각을 형성시키기 위해 마그네트를 타겟의 배면에 배치시키는 단계를 추가하되, 타겟 표면상의 마주보는 예각 자력선의 예각의 정도를 크게 하여 아크 스팟의 포획의 안정성을 높이기 위해 타겟 배면의 마그네트를 아크 스팟의 직선이동 궤적과 수직방향이 되도록 마그네트의 자화방향을 배치하는 것이 바람직하다.

또한 상기 아크 스팟이 타겟의 끝지점에 도달하기 전에 아크 스팟의 전력 공급을 차단하여 아크 스팟을 소거하는 단계는, 아크 스팟의 급작스런 제거시 타겟 음극 절연부위에서 발생될 수 있는 고전압에 의한 절연 파괴와 타겟의 이상 비산을 방지시키기 위해 아크 전류를 시간에 따라 감소시킨 후에 아크를 소거시키는 것이 바람직하다.

한편, 아크 스팟이 타겟 표면의 끝에 도달했는지 여부를 확인하는 수단으로는, 아크 스팟의 이동에 따라 발생하는 시간적 및 공간적 자장변화를 코일을 이용하여 감지하되, 코일에 유기된 전류로서 아크 스팟의 위치를 감지하는 것이 바람직하다.

도 1 은 본 발명을 이루기 위해 타겟상에서 아크 스팟을 제어할 수 있는 예각의 자력선을 형성시키는 형태도이다.

도 2 는 본 발명의 진공 아크를 이용하여 고품위 박막 형성 방법을 실현하기 위한 회로 및 부품 구성도이다.

이하 도 1과 도 2 를 참조하여 본 발명에 의한 고품위 박막 형성 방법 및 동작원리를 설명하면 다음과 같다.

진공 중에서 아크 스팟의 생성은 통상 기계적 접촉 방식이나 고전압 인가방식에 의하여 이루어진다. 생성된 아크 스팟은 도1 에 보인 것처럼 캐소드(타겟) 이면에 놓여진 마그네트 구조물에 의해 타겟 표면에 형성된 자력선의 예각 방향으로힘을 받으므로, 캐소드의 폭 방향으로는 타겟 표면의 두 예각의 중앙점에 안정된 형태로 모아지고, 타겟 표면의 아크 스팟을 통해 흐르는 전류와 타겟의 폭 방향으로 형성된 자력선의 작용을 받아 도 2의 그림처럼 타겟의 길이 방향으로 아크 스팟이 이동된다.

아크 스팟의 길이 방향 이동 속도는 아크 스팟에 흐르는 전류벡터(Ⅰ)와 아크 스팟에 작용하는 타겟 표면 자장벡터(B)의 벡터적(Ⅰ×B)값에 의존하게 되므로, 자장의 크기를 크게하여 아크 스팟의 속도를 증대시킬 수 있다.

이와 같이 아크 스팟은 타겟 길이 방향으로 고속으로 이동하면서, 아크 스팟을 통해 큰 값의 전류(Ⅰ)가 흐르게 되며, 이 때 흐르는 전류(Ⅰ)에 의해서 주변에 자장이 형성된다. 이 때 형성되는 자장은 아크 스팟의 이동에 따라 공간적으로 자장의 크기를 변화시키게 되므로 이 공간적 자장의 변화를 폐회로로 구성된 자장 피킹 코일에 생성되는 전류에 의해 고속 감지됨으로서, 아크 스팟의 타겟 길이 방향의 특정위치에 도달 하는 것을 감지할 수 있다. 이처럼 자장 파킹 코일에 아크 스팟이 감지되면 일정 시간 후 아크 전류를 제어하여 강제 차단시키며 아크 스팟을 소멸시킨다.

아크 스팟의 길이 방향 도달 순간을 상기 언급처럼 자장 피킹 코일에 의해서 정밀하게 측정할 수 있고, 또 다른 방법으로서는 광수광 센서나 근접 전류 센서에 의해서도 측정이 가능하다. 그러나 광센서의 경우 수광창의 오염에 의해 수명의 보장이 어렵고, 전류 센서의 경우도 내부의 아크 플라즈마 증착 물질의 오염과 함께 증착에 영향을 끼칠 수 있는 단점이 있다.

아크 스팟을 소거하기 위해 기계적인 차단과 같이 순간적인 차단을 시키는 경우 타겟 음극과 양극 사이에 존재하는 리액턴스(L)와 시간적 전류 차단률(di/dt)에 비례하는 고전압(L.di/dt)이 발생하여 캐소드의 절연 파괴와 타겟의 손상, 전원장치의 손상을 야기시키는 문제가 있다.

본 발명에서는 반복적인 아크 전류발생과, 고속 차단을 위하여 아크 스팟의 특정 위치 도달을 감지하여 소거시키는 방법으로서, 자장 피킹 코일과 이 신호를 가공하여 아크 유지 전류의 값을 제어하여 점차 줄여 차단함으로써, 전원장치의 보호는 물론 타겟 음극과 양극 사이의 절연 보호, 타겟 물질의 이상 비산 등을 억제한다.

도 3 은 본 발명에 의해 고품위 박막 형성 방법을 실현하기 위한 진공아크 발생과 진행과 소거의 반복 과정을 시간대별로 나타낸 것이다.

트리거 신호에 의해 고전압의 트리거 방전이 이루어지기 전에는 음극의 타겟과 양극사이에 진공 아크유지 전원에 의하여 직류전원이 인가되어 있어도 아크 전류는 생성되지 않는다. 도 3 에 보인 것처럼 트리거 신호가 인가되면, 진공 아크가 발생되면서 아크전류가 흐르기 시작하면서 아크전류가 증가되고, 이때 생성된 아크 스팟이 타겟의 직선 궤적을 따라 이동하는 동안 아크 유지전원에서 제어하는 일정한 전류가 아크 스팟을 통해 흐른다. 아크 스팟이 타겟 주위에 설치된 자장 피킹 코일 주위를 지나게되면, 도 3 에 예시된 것처럼 피킹 코일 전류가 증가후 감소하게된다. 피킹 코일 전류가 감소하는 시점을 회로에서 인식하고 펄스 아크 차단신호를 아크 유지전원으로 보내어, 아크 유지전원의 전류를 제어하기 시작하며, 타겟의끝에 아크 스팟이 도달되기 전에 아크전류를 충분히 줄여 아크 스팟을 안정되게 소거한다. 아크 스팟이 완전히 소거되면 다시 트리거신호를 발생시켜 아크를 재 점화시켜 동일한 과정을 반복한다. 이러한 반복 과정 중에 타겟의 면을 아크 스팟이 주사할수있도록 마그네트를 아크 스팟 직선 이동경로와 수직인 폭 방향으로 왕복 이동시켜 타겟의 이용율을 크게 증대시킬 수 있다.

본 발명은 진공아크법을 이용한 박막 증착에서, 타겟상의 아크스팟으로 부터 생성된 박막중의 타겟물질 덩어리 결점을 최소화하고, 저융점 타겟 물질과 저열전도성 타겟 물질로도 진공아크 박막증착법을 적용할 수 있는, 진공 아크 플라즈마를 이용한 고품위 박막 형성방법으로서, 타겟 물질의 사용율을 극대화 할 수 있는 장점이 있다.

Claims (7)

1. 진공 아크를 이용하여 타겟 물질을 플라즈마 상태의 증기로 만들어 기판에 박막을 증착 형성시키기 위해, 아크 스팟으로부터 타겟 물질 덩어리의 비산을 최소화하고, 타겟의 사용율을 극대화시키기 위한 방법에 있어서,

   통상의 기계적 또는 전기적 방식에 의해 타겟 표면상에 아크 스팟을 형성하는 단계;와

   상기 형성된 아크 스팟을 타겟의 길이 방향으로 고속 이동시키기 위해 타겟 표면에서의 자력선의 방향을 아크 스팟의 직선 이동 궤적과 수직이 되며, 아크 스팟의 직선 이동 예정 궤적을 감싸고 형성되는 좌우의 자력선이 타겟표면과 90°이하의 예각을 이루도록 타겟 표면 주위의 자력선을 형성하게 하는 단계;

   타겟 표면에서 아크 스팟을 발생시키고, 타겟표면에 형성시킨 자력선에 의해 아크스팟을 직선 이동시킨 후, 아크 스팟이 타겟물질 밖으로 벗어나지 않토록 하기위해, 아크스팟이 타겟의 끝지점에 도달하기 전에 아크 스팟의 전류 공급을 차단하고, 일정 시간 후 또는 즉시 상기 아크 스팟을 형성하는 단계부터 아크 스팟의 전류 공급을 차단하는 단계를 반복하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 진공 아크를 이용한 고품위 박막 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 진공 아크를 이용한 고품위 박막 형성 방법은,

   박막 증착시 타겟의 사용률을 높이기 위해 아크 스팟이 타겟 표면상에서 직선형으로 고속 이동하는 궤적을 타겟면상에서 고르게 왕복 주사하도록, 타겟 표면상에 서로 마주보고 형성된 예각의 자력선 중심 부위를 아크 스팟 직선 이동 궤적과 수직인 타겟의 폭 방향으로 왕복 이동시키는 단계를 추가로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 진공 아크를 이용한 고품위 박막 형성 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 진공 아크를 이용한 고품위 박막 형성 방법은 타겟 표면상에 마주보는 자력선 예각을 형성시키기 위해 마그네트를 타겟의 배면에 배치시키는 단계를 추가하되, 타겟 표면상의 마주보는 예각 자력선의 예각의 정도를 크게 하여 아크 스팟의 포획의 안정성을 높이기 위해 타겟 배면의 마그네트를 아크 스팟의 직선 이동 궤적과 수직방향이 되도록 마그네트의 자화방향을 배치하는 것을 특징으로 하는, 진공 아크를 이용한 고품위 박막 형성 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 아크 스팟이 타겟의 끝지점에 도달하기 전에 아크 스팟의 전력 공급을 차단하여 아크 스팟을 소거하는 단계는, 아크 스팟의 급작스런 제거시 타겟 음극 절연부위에서 발생될 수 있는 고전압에 의한 절연 파괴와 타겟의 이상 비산을 방지시키기 위해 아크 전류를 시간에 따라 감소시킨 후에 아크를 소거시키는 것을 특징으로 하는, 진공 아크를 이용한 고품위 박막 형성 방법.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 아크 스팟이 타겟의 끝지점에 도달하기 전에 아크스팟의 전력 공급을 차단하여 아크 스팟을 소거하는 단계는, 아크 스팟의 급작스런 제거시 타겟 음극 절연부위에서 발생될 수 있는 고전압에 의한 절연 파괴와 타겟의 이상 비산을 방지시키기 위해 아크 전류를 시간에 따라 감소시킨 후에 아크를 소거시키는 것을 특징으로 하는, 진공 아크를 이용한 고품위 박막 형성 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 아크 스팟이 타겟 표면의 일정 위치에 도달했는지 여부를 확인하는 수단으로, 아크 스팟의 이동에 따라 발생하는 시간적 및 공간적 자장변화를 코일을 이용하여 감지하되, 코일에 유기된 전류로서 아크 스팟의 일정위치 도달을 감지하는 것을 특징으로 하는, 진공 아크를 이용한 고품위 박막 형성 방법.
7. 제 5 항에 있어서, 아크 스팟이 타겟 표면의 일정 위치에 도달했는지 여부를 확인하는 수단으로, 아크 스팟의 이동에 따라 발생하는 시간적 및 공간적 자장변화를 코일을 이용하여 감지하되, 코일에 유기된 전류로서 아크 스팟의 일정위치 도달을 감지하는 것을 특징으로 하는, 진공 아크를 이용한 고품위 박막 형성 방법.