KR100472046B1 - Sputtering apparatus - Google Patents
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Abstract
고온 초전도체 테이프 선재용 후막 등을 제조하기에 적합한 스퍼터링 장치에 관해 개시한다. 본 발명의 장치는, 냉매에 의해 냉각되며 스퍼터링 공정시 회전하는 원형띠 형상의 스퍼터링 타겟을 사용하므로 파워를 증가시켜도 타겟이 과열되지 않는다. 따라서, 빠른 스퍼터링을 통해 증착속도를 높일 수 있다. A sputtering apparatus suitable for producing a thick film for a high temperature superconductor tape wire rod or the like is disclosed. The apparatus of the present invention uses a spherical target of circular band shape, which is cooled by a refrigerant and rotates in the sputtering process, so that the target is not overheated even when the power is increased. Therefore, it is possible to increase the deposition rate through fast sputtering.
Description
본 발명은 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 특히, 고온 초전도체 테이프 선재용 후막 등을 제조하기에 적합한 스퍼터링 장치에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a sputtering apparatus, and more particularly, to a sputtering apparatus suitable for producing a thick film for a high temperature superconductor tape wire rod or the like.
현재, 고온 초전도 선재로서 비스므스 계열의 물질을 활용하는 기술이 상용화되어 있다. 그러나 이보다 자기적 성질이 우수한 이트리움 계열의 고온 초전도체를 활용한 기술은 아직 충분하게 개발되어 있지 않다. 고온 초전도 선재는 그 활용성이 극히 중대하므로 반드시 그 제작기술이 개발되어져야 한다. 이러한 고온 초전도체는 산화물 완충층이 증착된 테이프 형태의 금속기판 위에 박막으로 증착된 상태로 초전도 선재로서 사용될 수 있다. 이 때, 초전도체를 증착하는 방식에는 여러 가지가 있는데, 예를 들자면, 펄스 레이저를 이용한 방식, 열증발 증착을 이용한 방식, 스퍼터링 방식, MOCVD 방식, MOD 방식, BaF2 후-열처리 방식 등이 있다. 이 중에서, 스퍼터링 방식은 고유한 장점을 가지고 있음에도 불구하고 그 단점이 개선되지 않아서 유용하게 쓰이고 있지 못하다. 특히, 기존의 오프-액시스(off-axis) 방식과, 중공 음극(hollow-cathode) 방식은 타겟 냉각이 비효율적이어서 파워를 크게 할 수 없었다.At present, a technology of utilizing a bismuth-based material as a high temperature superconducting wire has been commercialized. However, the technology using the high temperature superconductor of Yttrium series, which has better magnetic properties, has not been sufficiently developed. High-temperature superconducting wire is extremely important for its utilization, so its manufacturing technology must be developed. The high temperature superconductor may be used as a superconducting wire in a state in which a thin film is deposited on a tape-shaped metal substrate on which an oxide buffer layer is deposited. At this time, there are various methods of depositing a superconductor, for example, a pulse laser method, a thermal vapor deposition method, a sputtering method, a MOCVD method, a MOD method, a BaF2 post-heat treatment method, and the like. Among these, sputtering methods have their own advantages, but their disadvantages are not improved and thus are not useful. In particular, the conventional off-axis method and the hollow-cathode method can not increase the power because the target cooling is inefficient.
즉, 스퍼터링 방식으로 고온 초전도체를 증착할 때 발생하는 문제는 두 가지로 요약할 수 있다. 첫째는 증착속도가 매우 느리다는 것이며, 둘째는 기판 표면에 대한 플라즈마의 영향으로 물질 합성이 방해된다는 것이다. 증착속도를 증가시키기 위해서는 파워를 올려야 하는데, 이를 위해서는 타겟을 빠른 속도로 움직이게 하면서 냉각해야 한다. 또한, 증기가 효율적으로 기판에 이송되게 하기 위해서는 이송가스를 사용해야 하고, 증기의 손실이 없는 이송통로가 형성되어야 한다. 플라즈마의 영향을 제거하기 위해서는 오프-액시스(off-axis)가 되어야 하며, 자기장에 의한 플라즈마 감금이 발생하여야 한다. 또한, 기판에 적절한 전위가 가해짐으로써 이온 영향이 최소화되어야 한다. That is, the problems occurring when the high temperature superconductor is deposited by the sputtering method can be summarized into two things. The first is that the deposition rate is very slow, and the second is that the synthesis of the material is hampered by the effect of plasma on the substrate surface. To increase the deposition rate, power must be increased, which requires cooling the target while moving the target at high speed. In addition, in order for the vapor to be efficiently transferred to the substrate, a transfer gas should be used, and a transfer passage without loss of steam should be formed. In order to eliminate the influence of the plasma, it must be off-axis, and the plasma confinement by the magnetic field must be generated. In addition, the ionic influence should be minimized by applying an appropriate potential to the substrate.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 증착속도가 개선되어 고온 초전도체 등의 신속한 증착에 적합한 스퍼터링 장치를 제공하는 것이다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a sputtering apparatus suitable for rapid deposition of a high temperature superconductor, such as improved deposition rate.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 기판에 대한 플라즈마의 영향을 줄일 수 있는 스퍼터링 장치를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a sputtering apparatus capable of reducing the influence of plasma on a substrate.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 스퍼터링 장치는: 나란한 회전 중심축을 가지며, 이격된 상태로 위치한 두 개의 외부 실린더들과; 상기 외부 실린더들의 각각의 외면을 일주하도록 설치되되, 서로 항상 대향하도록 위치한 스퍼터링 타겟들과; 상기 외부 실린더들의 각각의 내부에 마련되어 상기 스퍼터링 타겟들을 냉각시키는 냉각수단들과; 스퍼터링 가스가 상기 스퍼터링 타겟들의 대향 중심 부근을 지나도록 공급하는 스퍼터링 가스 주입관과; 상기 스퍼터링 가스 주입관과 대향하도록 위치하며, 상기 외부 실린더들의 각각의 회전 중심축과 대략 나란하게 움직이도록 공급되는 테이프형 기판과; 상기 스퍼터링 가스를 이온화시켜 플라즈마로 만들기 위한 플라즈마 전력공급수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.A sputtering apparatus according to the present invention for achieving the above technical problem comprises: two outer cylinders having a parallel axis of rotation and spaced apart; Sputtering targets installed around the outer surface of each of the outer cylinders and positioned to face each other; Cooling means provided in each of the outer cylinders to cool the sputtering targets; A sputtering gas injection tube for supplying a sputtering gas to pass near the opposite center of the sputtering targets; A tape-type substrate positioned to face the sputtering gas injection tube and supplied to move approximately in parallel with a central axis of rotation of each of the outer cylinders; And plasma power supply means for ionizing the sputtering gas into a plasma.
본 발명에 있어서, 상기 냉각수단들의 각각이: 상기 외부 실린더들의 각각의 내부에, 상기 외부 실린더보다 작은 크기로 동심을 갖도록 고정 설치된 중공의 내부 실린더와; 상기 내부 실린더들의 각각의 내부에 1차 냉각매질을 공급하는 수단과; 상기 내부 실린더와 외부실린더 사이의 공간에 2차 냉각매질을 공급하는 수단으로 이루어지도록 할 수 있다.According to the present invention, each of the cooling means includes: a hollow inner cylinder fixedly installed in each of the outer cylinders so as to have concentricity with a size smaller than that of the outer cylinder; Means for supplying a primary cooling medium into each of said inner cylinders; It may be made by means for supplying a secondary cooling medium to the space between the inner cylinder and the outer cylinder.
상기 스퍼터링 타겟들의 대향 위치 근방의 상기 내부 실린더들의 각각의 외면에 부착 설치되어, 상기 스퍼터링 가스의 플라즈마에 대한 감금작용을 하는 자석들을 더 구비하는 것이 바람직하다.It is preferable to further include magnets attached to each outer surface of the inner cylinders near the opposing positions of the sputtering targets to confine the sputtering gas to the plasma.
또한, 상기 스퍼터링 타겟들의 각각이 상기 외부실린더의 외면에 원형띠 형상으로 설치되도록 할 수도 있다.In addition, each of the sputtering target may be installed in a circular band shape on the outer surface of the outer cylinder.
상기 스퍼터링 가스로서, 알곤과 산소의 혼합가스를 사용할 수 있다.As the sputtering gas, a mixed gas of argon and oxygen can be used.
한편, 상기 테이프형 기판을 가열하기 위한 가열장치를 더 구비하는 것도 바람직하다.On the other hand, it is also preferable to further provide a heating device for heating the tape substrate.
상기 제1 냉각매질로서 물을, 상기 제2 냉각매질로서 확산 펌프 오일(diffusion pump oil)을 각각 사용하여도 좋다.Water may be used as the first cooling medium and diffusion pump oil may be used as the second cooling medium.
또한, 상기 테이프형 기판으로 금속을 사용할 경우, 상기 기판의 전위를 조절하기 위해 상기 기판에 직류전압 인가장치를 연결하는 것이 바람직하다.In addition, when using a metal as the tape-type substrate, it is preferable to connect a DC voltage applying device to the substrate in order to adjust the potential of the substrate.
그리고, 상기 자석에 의해 형성된 자기장에 상기 테이프형 기판이 오프-액시스 상태가 되도록 상기 테이프형 기판이 위치하는 것이 바람직하다.In addition, the tape-like substrate is preferably positioned so that the tape-like substrate is in an off-axis state in a magnetic field formed by the magnet.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 스퍼터링 장치의 측단면도이다. 도 1a를 참조하면, 공정실(10) 내에 두 개의 회전하는 원형띠 형상의 스퍼터링 타겟(30)들이 마련된다. 각각의 원통형 스퍼터링 타겟(30)에 관련한 구성요소는, 회전 중심축(22)의 회전방향을 제외하고는 동일하므로 어느 하나에만 참조번호를 부여하기로 한다. 더 상세히 보자면, 두 개의 외부 실린더(20)들이 서로 나란한 회전 중심축(22)을 가지며 이격된 상태로 위치하고 있다. 외부 실린더(20)는 베어링(62)에 의해 지지되고 회전하도록 되어 있다. 스퍼터링 타겟(30)은 외부 실린더(20)들의 각각의 외면을 일주하는 원형띠 형상으로 설치되어, 외부 실린더(20)들이 회전하더라도 항상 대향하는 위치에 놓이게 된다. 외부 실린더(20)들의 각각의 내부에는, 외부 실린더(20)보다 작은 크기의 중공의 내부 실린더(40)가 동심으로 고정 설치된다. 내부 실린더(40)들의 각각의 내부에는 1차 냉각매질로서 냉각수(45)가 냉각수관(60)을 통해 공급 또는 배출된다. 내부 실린더(40)는 회전 중심축(22)을 중심으로 서로 반대방향으로 회전하는 외부 실린더(20)와는 달리 고정되어 있다. 내부 실린더(40)와 외부실린더(20) 사이의 공간에는 2차 냉각매질에 해당하는 확산 펌프 오일(25)이 채워져서, 이것이 스퍼터링 타겟(30)을 냉각시키기 위한 열전달을 행한다. 즉, 냉각수(45)에 의하여 냉각된 내부 실린더(40)가 확산 펌프 오일(25)을 통하여 외부 실린더(20)에 마련된 스퍼터링 타겟(30)까지 냉각시킨다. 한편, 알곤 및 산소로 이루어진 스퍼터링 가스는 스퍼터링 타겟(30)들의 대향 중심 부근을 지나도록 스퍼터링 가스 주입관을 통해 분사된다. 상기 스퍼터링 가스 주입관과 대향하도록 위치한 테이프형 기판(70)은 외부 실린더(20)들의 각각의 회전 중심축(22)과 대략 나란하게 움직이도록 연속적으로 이송, 공급된다. 스퍼터링 타겟(30)들의 대향 위치 근방의 내부 실린더(40)들의 각각의 외면에는 상기 스퍼터링 가스의 플라즈마(52)에 대한 감금작용을 하는 자기장을 발생시키는 자석(50)들이 부착 설치되어 있다. 한편, 증착이 일어나는 테이프형 기판(70)의 면의 반대면에는 테이프형 기판(70)을 가열하기 위한 가열장치(72)가 마련되어 있다. 가열장치(72)는 스퍼터링 가스 주입관에 의해 스퍼터링 가스가 분사되는 곳에 위치하고 있어서 스퍼터링 가스의 플라즈마(52)에 의해 스퍼터링되는 타겟물질이 테이프형 기판(70)에 쉽게 증착되도록 해준다. 본 실시예에서 테이프형 기판(70)은 금속 재질로 만들어 진 것으로서, 기판(70)의 전위를 적절하게 조절하여 플라즈마 영향을 줄이기 위해 기판(70)에 직류전압 인가장치(80)가 연결되어 있다. 도 1a에서 스퍼터링 가스 주입관은 테이프형 기판(70)과 가열장치(72)에 가려져 도시되지 않았으며, 테이프형 기판(70)은 자석(50)에 의해 발생된 자기장과 오프-액시스(off-axis) 상태임을 명확히 알 수 없으나, 아래의 도 1b에서는 명확하게 도시되고 설명될 것이다.1A is a side cross-sectional view of a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1A, two rotating circular band-shaped sputtering targets 30 are provided in the process chamber 10. Components associated with each cylindrical sputtering target 30 are the same except for the direction of rotation of the central axis of rotation 22, and therefore only one of them will be given a reference number. In more detail, the two outer cylinders 20 are spaced apart from each other with the central axis of rotation 22 parallel to each other. The outer cylinder 20 is supported by the bearing 62 and adapted to rotate. The sputtering target 30 is installed in a circular band shape around the outer surface of each of the outer cylinders 20, so that the outer cylinders 20 are always placed in opposite positions even when the outer cylinders 20 rotate. Inside each of the outer cylinders 20, a hollow inner cylinder 40 of a smaller size than the outer cylinder 20 is fixedly installed concentrically. Inside each of the inner cylinders 40, the coolant 45 is supplied or discharged through the coolant pipe 60 as a primary cooling medium. The inner cylinder 40 is fixed unlike the outer cylinder 20 which rotates in opposite directions with respect to the rotation center axis 22. The space between the inner cylinder 40 and the outer cylinder 20 is filled with a diffusion pump oil 25 corresponding to the secondary cooling medium, which conducts heat transfer to cool the sputtering target 30. That is, the inner cylinder 40 cooled by the cooling water 45 cools to the sputtering target 30 provided in the outer cylinder 20 through the diffusion pump oil 25. On the other hand, the sputtering gas made of argon and oxygen is injected through the sputtering gas injection pipe so as to pass near the opposite center of the sputtering targets 30. The tape-shaped substrate 70 positioned to face the sputtering gas injection tube is continuously conveyed and supplied to move approximately in parallel with each of the rotational central axes 22 of the outer cylinders 20. On the outer surface of each of the inner cylinders 40 near the opposing positions of the sputtering targets 30, magnets 50 are attached which generate a magnetic field for confining the plasma 52 of the sputtering gas. On the other hand, a heating device 72 for heating the tape type substrate 70 is provided on the opposite side of the surface of the tape type substrate 70 on which the vapor deposition takes place. The heating device 72 is located where the sputtering gas is injected by the sputtering gas inlet tube so that the target material sputtered by the plasma 52 of the sputtering gas can be easily deposited on the tape type substrate 70. In this embodiment, the tape-type substrate 70 is made of a metal material, and a DC voltage applying device 80 is connected to the substrate 70 to appropriately adjust the potential of the substrate 70 to reduce the plasma effect. . In FIG. 1A, the sputtering gas inlet tube is not shown hidden by the tape type substrate 70 and the heating device 72, and the tape type substrate 70 has a magnetic field generated by the magnet 50 and an off-axis. axis) state, but will be clearly shown and described in FIG. 1B below.
도 1b는 도 1a의 A-A' 선에 따른 단면도이다. 도 1b를 참조하면, 스퍼터링 가스, 예컨대 알곤과 산소 가스는 스퍼터링 가스 주입관(90)을 통해 분사된다. 스퍼터링 가스 주입관(90)의 반대편에는 가열장치(72)에 의해 가열되는 테이프형 기판(70)은 자석(50)에 의해 발생된 자기장과 오프-액시스(off-axis) 상태로 연속적으로 이송, 공급된다. 스퍼터링 장치에서 통상적으로 사용되는 플라즈마 발생용 전원장치의 연결은 자명한 것이므로, 편의상 도 1a 및 도 1b에 굳이 나타내지는 않았다.FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1A. Referring to FIG. 1B, sputtering gases such as argon and oxygen gas are injected through the sputtering gas injection pipe 90. On the opposite side of the sputtering gas injection tube 90, the tape-like substrate 70 heated by the heating device 72 continuously transfers the magnetic field generated by the magnet 50 to the off-axis state, Supplied. Since the connection of the power generation device for plasma generation that is commonly used in the sputtering apparatus is self-explanatory, it is not shown in FIGS. 1A and 1B for convenience.
이어서, 도 1a 및 도 1b를 함께 참조하면서, 본 발명의 장치에 의한 증착공정에 대해 설명한다. 외부 실린더(20)들의 각각이 회전하면, 스퍼터링 타겟(30)의 스퍼터링되는 부분은 외부 실린더(20)의 회전과 더불어 이동하므로 스퍼터링 타겟의 한 부분에 스퍼터링 가스의 플라즈마가 연속적으로 타격되어 발생하는 스퍼터링 타겟의 과열이 방지된다. 따라서, 스퍼터링 타겟(30)에 대해서 스퍼터링 파워를 충분히 올릴 수 있다. 또한, 두 개의 스퍼터링 타겟(30)들의 스퍼터링되는 면은 서로 마주보고 있고 그 사이의 공간에 자석(50)에 의해 형성된 자기장 분포는 스퍼터링 가스의 플라즈마(52)를 감금해준다. 한편, 스퍼터링 가스 주입관(90)을 통해 분사되는 알곤과 산소 가스는 스퍼터링 공간을 가로질러 화살표 B로 표시된 방향으로 흐르게 되며, 스퍼터링된 물질의 증기는 테이프형 기판(70) 위에 증착된다. 전체적으로 외부 실린더(20)들의 사이 공간이 가스 흐름에 대한 통로역할을 할 수 있도록 장치의 형태가 이루어져 있다. 따라서, 스퍼터링된 물질의 증기는 효과적으로 테이프형 기판(70)의 표면 위로 이송된다. 한편, 공정실(10)은 그 내부를 감압할 수 있도록, 전체적으로 펌프가 연결된 챔버 속에 설치되어 있다. 이와 같이, 두 개의 회전 스퍼터링 타겟을 사용한 이유는, 플라즈마가 증착에 간섭하는 것을 방지하기 위함이다.Next, the vapor deposition process by the apparatus of this invention is demonstrated, referring FIG. 1A and 1B together. When each of the outer cylinders 20 rotates, the sputtered portion of the sputtering target 30 moves with the rotation of the outer cylinder 20, so that sputtering caused by the continuous blow of the plasma of the sputtering gas to a portion of the sputtering target Overheating of the target is prevented. Therefore, the sputtering power can be sufficiently increased with respect to the sputtering target 30. In addition, the sputtered surfaces of the two sputtering targets 30 face each other and the magnetic field distribution formed by the magnet 50 in the space therebetween confines the plasma 52 of the sputtering gas. On the other hand, argon and oxygen gas injected through the sputtering gas injection tube 90 flows in the direction indicated by the arrow B across the sputtering space, and vapor of the sputtered material is deposited on the tape type substrate 70. In general, the device is shaped such that the space between the outer cylinders 20 serves as a passage for the gas flow. Thus, the vapor of the sputtered material is effectively transferred over the surface of the tape-like substrate 70. On the other hand, the process chamber 10 is installed in a chamber to which the pump is connected as a whole so as to reduce the pressure inside. As such, the reason for using two rotary sputtering targets is to prevent the plasma from interfering with the deposition.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 타겟의 과열이 방지되므로 스퍼터링 파워를 매우 크게 할 수 있으며, 이에 따라 증착속도를 높일 수 있다. 또한, 자석에 의해 발생하는 자기장이 오프-액시스로 이루어진 것이므로 기판으로 흐르는 플라즈마를 효율적으로 차단하고 감금한다. 그리고, 전체적으로 스퍼터링 가스가 기판을 향하여 연속된 흐름을 갖도록 통로가 마련되므로 스퍼터링 물질의 증기를 기판으로 효율적으로 이송하여 증착속도를 높일 수 있다.According to the present invention as described above, since the overheating of the target is prevented, the sputtering power can be made very large, thereby increasing the deposition rate. In addition, since the magnetic field generated by the magnet is made of off-axis, it effectively blocks and confines the plasma flowing to the substrate. In addition, since the passage is provided so that the sputtering gas has a continuous flow toward the substrate as a whole, the vapor deposition rate of the sputtering material may be efficiently transferred to the substrate to increase the deposition rate.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.The present invention is not limited to the above embodiments, and it is apparent that many modifications are possible by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 스퍼터링 장치의 측단면도; 및1A is a side cross-sectional view of a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention; And
도 1b는 도 1a의 A-A' 선에 따른 단면도이다.FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1A.
* 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 *Explanation of reference numbers for the main parts of the drawings
10 : 공정실10: process room
20 : 외부 실린더20: outer cylinder
22 : 회전 중심축22: rotation center axis
25 : 확산 펌프 오일(2차 냉각매질)25: diffusion pump oil (secondary cooling medium)
30 : 스퍼터링 타겟30: sputtering target
40 : 내부 실린더40: inner cylinder
45 : 냉각수(1차 냉각매질)45: cooling water (primary cooling medium)
50 : 자석50: magnet
52 : 플라즈마52: plasma
60 : 냉각수관60: cooling water pipe
62 : 베어링62: bearing
70 : 테이프형 기판70: tape type substrate
72 : 가열장치72: heating device
80 : 직류전압 인가장치80: DC voltage applying device
90 : 스퍼터링 가스 주입관90 sputtering gas injection pipe
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| A201 | Request for examination | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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Payment date: 20090130 Year of fee payment: 5 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |