KR100497933B1 - 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치 및 방법 - Google Patents

요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치 및 방법에 관한 것으로, 스퍼터링 건(sputtering gun)내의 타겟 후면에 설치된 정적자석(static magnet)열과 요동자석(rocking magnet)열에 의한 폐쇄자장터널(closed-loop magnetic field tunnel)의 요동에 의해서 타겟이 고르게 침식(erosion)되도록 함으로써 타겟수명(타겟주기)의 연장과 기판위에 증착되는 타겟물질의 증착균일성(deposition uniformity)을 증가시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치 및 방법{apparatus and method for magnetron sputtering of rocking magnet type}
본 발명은 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 스퍼터링 건(sputtering gun)내의 타겟 후면에 설치된 정적자석(static magnet)과 요동자석(rocking magnet)에 의한 폐쇄자장터널(closed-loop magnetic field tunnel)의 요동에 의해서 타겟이 고르게 침식(erosion)되도록 함으로써 타겟수명(타겟주기)의 연장과 기판위에 증착되는 타겟물질의 증착균일성(deposition uniformity)을 향상시켜 생산성을 향상시키기 위한 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치 및 방법에 관한 것이다.
이하, 종래 기술에 따른 마그네트론 스퍼터링장치에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도1은 종래 기술에 따른 마그네트론 스퍼터링장치의 일예를 나타낸 도면이고, 도2는 도1의 자석조립체에 의한 타겟면에 평행한 자기벡터포텐셜(A//) 분포와 타겟침식단면의 비교도를 나타낸 도면이며, 도3a 및 도3b는 종래 기술에 따른 마그네트론 스퍼터링장치의 회전자석방식 예를 나타낸 도면이다.
이와 같은 종래 기술에 따른 마그네트론 스퍼터링장치의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도1에 도시된 바와 같이, 공정기체가 유동되는 유입구(1a)와 유출구(1b)가 형성된 반응기(1) 내부에 타겟(3a) 물질을 증착할 기판(2)이 한 쪽에 설치되고, 그 반대편에 상기 기판(2)과 대향되도록 증착원이 될 타겟(3a)이 장착된 스퍼터링 건(3)이 설치된다.
상기 스퍼터링 건(3)에 인가전원을 연결하여 적절한 DC/AC 전력을 공급하면 상기 스퍼터링 건(3)과 기판(2) 사이의 불활성 기체가 전리되면서 플라즈마가 발생하게 된다.
이때, 상기 타겟(2) 후면에 위치한 요크(yoke:3c)에 부착된 자석배열(3b)들이 형성하는 타겟(3a) 표면에 평행한 자기력 성분(4)에 의해서 플라즈마내 전자들이 로렌츠힘에 의해 타겟(3a) 표면에 집속되게 되는 폐쇄자장터널(closed-looped) magnetic field tunnel:5)이 형성된다.
이렇게 타겟(3a) 표면에 형성된 폐쇄자장터널(5) 내부에 자기적으로 집속된 플라즈마(magnetically focused plasma)에 의해서 플라즈마에 의한 타겟(3a)의 스퍼터링 효율을 효과적으로 향상시키게 된다.
그러나, 도1에 의한 마그네트론 스퍼터링장치는 플라즈마가 타겟(3a) 표면에 평행한 자기력성분을 가진 폐쇄자장터널(5) 내부에만 집중되므로, 스퍼터링에 의한 타겟(3a)면의 침식이 폐쇄자장터널(5)의 아랫부분에 집중된다.
이로 인하여 마크네트론 스퍼터링 건(3)에 장착하는 타겟수명(교체주기)이 짧아지고, 기판(2)에 증착되는 타겟(3a)물질의 증착균일성(deposition uniformity)이 떨어지는 문제점이 있다.
도2에 도시된 바와 같이, 타겟(3a) 표면의 국부적인 침식율은 자기벡터포텐셜(magnetic vector potential, A//:6)의 크기와 대체적으로 비례하며, 자기벡터포텐셜 세기가 영인 타겟 중심부에서는 전혀 스퍼터링에 의한 타겟의 침식이 발생하지 않음을 알 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 시도되어진 정적개선법들로는 타겟 표면에 균일한 폐쇄자장터널이 형성되도록 자석 및 요크(3c)의 형상 및 배치를 최적화하거나 타겟 후면에 션트(shunt)를 부착하는 방법들이 있다.
그러나, 이러한 정적개선법들은 타겟 중심부를 폐쇄자장터널(5)이 지나도록 자기장을 형성하는 것이 불가능하기 때문에 타겟 중심부의 침식을 유발할 수 없는 문제점이 있다.
상기 타겟 중심부의 침식을 유발하기 위해서 개발되어진 동적개선방법들로는 자석배열이 부착된 요크판(yoke plate)을 운동시키는 동적 요크(moving yoke)방식과 요크에 부착된 정적자석열 사이에 회전운동하는 동적자석열을 설치하는 동적자석(moving magnet)방식 등이 있다.
자석이 부착된 요크판을 왕복/회전운동시켜줌으로써 타겟 표면에 형성되는 폐쇄자장터널이 타겟 중심부를 지나도록 동적요크방식중에 평판형 마크네트론 스퍼터링장치에 적용되어진 종래 기술로는 하나의 요크판을 왕복운동시키는 방식과 다수의 요크판들을 타겟 후면에서 회전시키는 방식 등이 있다.
이중 하나의 요크판을 왕복시키는 방식은 왕복운동하는 요크판에 의해서 폐쇄자장터널 역시 왕복운동하게 되므로 폐쇄자장터널의 이동경로가 중첩되는 타겟 중심부나 가장자리에 침식이 집중되는 문제가 발생하게 된다.
그리고 다수의 요크판들을 타겟 후면에서 회전시키는 방식은 다수의 폐쇄자장터널들이 타겟 표면에서 형성-이동-소멸되는 과정을 반복하므로 증착속도가 떨어지고, 다수의 요크판 이송에 필요한 복잡한 기구들을 필요로 하므로 스퍼터링건이 대형화되고 복잡해지는 문제가 있다.
한편, 동적자석방식이 적용된 종래 기술로는 요크판에 부착된 정적자석(static magnet)과 자화방향에 수직으로 회전운동하도록 장착된 회전자석(rotary magnet)을 적절히 조합하여서 주기적으로 폐쇄자장터널이 타겟 표면의 여러 곳에 고르게 생성되도록 고안된 회전자석(rotary magnet)방식의 스퍼터링방치가 있다.
도3a 및 도3b에 도시된 바와 같이, 정적자석열들(11a) 사이에 위치한 회전자석열들(11b, 11c)이 서로 반대방향으로 회전함에 따라 타겟(11d) 표면에 형성되는 자기력선들(11e)과 그에 의해 형성되는 폐쇄자장터널(11f)의 형상을 45도 간격으로 회전각도가 0도(11), 45도(12), 90도(13), 135도(14), 180도(15), 225도(16), 270도(17), 315도(18)인 경우에 대해서 보여주고 있다.
이러한 회전자석방식은 기존 동적요크방식들에 비해서 타겟의 균일 침식이 가능하고, 기구적으로 동적요크방식에 비해서 간단하다는 장점을 지니지만, 회전자석의 한 회전주기내에 타겟표면에서의 폐쇄자장터널(11f) 세기가 약화 및 소멸되는 구간들(13, 17)이 반드시 존재하게 되므로, 이에 따른 증착율 저하 및 불균일을 초래하게 된다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 스퍼터링 건(sputtering gun)내의 타겟 후면에 설치된 정적자석(static magnet)열과 요동자석(rocking magnet)열에 의한 폐쇄자장터널(closed-loop magnetic field tunnel)의 요동에 의해서 타겟이 고르게 침식(erosion)되도록 함으로써 타겟수명(타겟주기)의 연장과 기판위에 증착되는 타겟물질의 증착균일성(deposition uniformity)을 증가시켜 생산성을 향상시키도록 하기 위한 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 특징은, 요크와, 타겟을 구비한 마크네트론 스퍼터링장치에 있어서, 상기 요크상의 외곽에 형성되어, 자기장을 발생하는 외곽 정적자석열과, 상기 외곽 정적자석열 사이의 중심에 형성되어, 일정 요동각으로 요동되어 상기 타겟의 표면에 요동하는 폐쇄자장터널을 형성하는 요동자석열과, 상기 요동자석열을 일정 요동각으로 요동시키는 구동부를 포함하여 구성되는데 있다.
상기 요동자석열은 단일 또는 다수 요동자석으로 형성되는 것을 다른 특징으로 하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링방법의 특징은, 자기장을 이용하는 타겟의 표면에서 플라즈마 밀도를 높이는 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링방법에 있어서, 외곽 정적자석열 사이의 중심에 단일 또는 다수의 동적자석열을 형성하는 단계와, 상기 단일 또는 다수의 동적자석열을 일정 요동각으로 요동시켜 상기 타겟의 표면에 요동하는 폐쇄자장터널을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
상기 요동자석열의 일정 요동각은 요동자석방식에 따라 가변적임을 다른 특징으로 하는데 있다.
상기 폐쇄자장터널은 상기 요동자석열의 일정 요동각에 따라 상기 타겟의 표면에 비대칭적으로 형성되는 것을 또다른 특징으로 하는데 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도4는 본 발명에 따른 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 일실시예인 단일 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치를 나타낸 도면으로서, 스퍼터링건 외벽(101)과, 스퍼터링건 몸체(102)와, 절연체(103)와, 인가전원케이블(104)과, 요크(105)와, 백플레이트(106)와, 타겟(107)과, 접지쉴드(108)와, 외곽 정적자석열(109)과, 요동자석열(110)과, 폐쇄자장터널(111)과, 구동부(112)를 포함하여 구성된다.
상기 스퍼터링건 외벽(101) 상에 절연체(103)가 부착되고, 절연체(103)상에 스퍼터링건 몸체(102)가 부착되며, 상기 스퍼터링건 외벽(101)과 절연체(13)를 통해 스퍼터링건 몸체(102)에 인가전원케이블(104)이 부착된다.
상기 절연체(103)는 상기 스퍼터링건 외벽(101)과 스퍼터링건 몸체(102)를 절연시키게 된다.
상기 요크(105)는 상기 스퍼터링건 몸체(102)에 부착되며, 요크(105)상의 양측에 외곽 정적자석열(109)이 부착되고, 외곽 정적자석열(109) 사이의 중심에 요동자석열(110)이 형성되어 있으며, 상기 스퍼터링건 몸체(102) 상에 백플레이트(106)가 부착되고, 백플레이트(106)상에 타겟(107)이 부착되며, 상기 접지쉴드(108)가 상기 구성요소를 감싸서 상기 스퍼터링건 몸체(102)에 인가된 전기장을 차폐시키게 된다.
상기 외곽 정적자석열(109)은 상기 요크(105)상의 외곽에 형성되어 자기장을 발생하게 된다.
상기 요동자석열(110)은 상기 외곽 정적자석열(109) 사이의 중심에 형성되어, 일정 요동각으로 요동되어 상기 백플레이트(106)에 부착된 타겟(107)의 표면에 폐쇄자장터널(111)을 형성하게 된다.
상기 구동부(112)는 상기 요동자석열(110)을 일정 요동각으로 요동시키게 된다.
상기 구동부(112)는 에어 실린더(112a)와, 피스톤로드(112b)와, 랙(rack)(112c)과, 제1 피니언(pinion)(112d)과, 제1 타이밍 벨트(112e)를 포함하여 구성된다.
상기 에어 실린더(112a)는 상기 요동자석열(110)을 일정 요동각으로 요동시키기 위한 압축공기에 의해 작동되게 된다.
상기 피스톤로드(112b)는 상기 에어 실린더(112a)의 작동에 따라 왕복운동을 수행하게 된다.
상기 랙(rack)(112c)은 상기 피스톤로드(112b)에 형성되어 상기 피스톤로드(112b)와 연동되게 된다.
상기 제1 피니언(pinion)(112d)은 상기 랙(rack)(112c)의 왕복운동을 회전운동으로 변환하게 된다.
상기 제1 타이밍 벨트(112e)는 상기 제1 피니언(pinion)(112d)의 회전운동에 따라 요동자석열(110)을 일정 요동각으로 요동시키게 된다.
도5a 및 도5b는 도4의 단일 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 자석조립체에 의한 요동자기장의 전산 모사도를 나타낸 도면이다.
도6은 본 발명에 따른 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 다른 실시예인 이중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치를 나타낸 도면으로서, 상기 도4의 구성요소에서 요동자석열이 이중으로 형성된 것으로, 스퍼터링건 외벽(201)과, 스퍼터링건 몸체(202)와, 절연체(203)와, 인가전원케이블(204)과, 요크(205)와, 백플레이트(206)와, 타겟(207)과, 접지쉴드(208)와, 외곽 정적자석열(209)과, 요동자석열(210a)(210b)과, 폐쇄자장터널(211)과, 구동부(212)를 포함하여 구성된다.
상기 스퍼터링건 외벽(201) 상에 절연체(203)가 부착되고, 절연체(203)상에 스퍼터링건 몸체(202)가 부착되며, 상기 스퍼터링건 외벽(201)과 절연체(203)를 통해 스퍼터링건 몸체(202)에 인가전원케이블(204)이 부착된다.
상기 절연체(203)는 상기 스퍼터링건 외벽(201)과 스퍼터링건 몸체(202)를 절연시키게 된다.
상기 요크(205)는 상기 스퍼터링건 몸체(202)에 부착되며, 요크(205)상의 양측에 외곽 정적자석열(209)이 부착되고, 외곽 정적자석열(209) 사이의 중심에 요동자석열(210)이 형성되어 있으며, 상기 스퍼터링건 몸체(202) 상에 백플레이트(206)가 부착되고, 백플레이트(206)상에 타겟(207)이 부착되며, 상기 접지쉴드(208)가 상기 구성요소를 감싸서 상기 스퍼터링건 몸체(202)에 인가된 전기장을 차폐시키게 된다.
상기 외곽 정적자석열(209)은 상기 요크(205)상의 외곽에 형성되어 자기장을 발생하게 된다.
상기 요동자석열(210)은 상기 외곽 정적자석열(209) 사이의 중심에 형성되어, 일정 요동각으로 요동되어 상기 백플레이트(206)에 부착된 타겟(207)의 표면에 폐쇄자장터널(211)을 형성하게 된다.
상기 구동부(212)는 상기 요동자석열(210)을 일정 요동각으로 요동시키게 된다.
상기 구동부(212)는 에어 실린더(212a)와, 피스톤로드(212b)와, 랙(rack)(212c)과, 제1 피니언(pinion)(212d)과, 제1 타이밍 벨트(212e)와, 제2 피니언(pinion)(212f)과, 제2 타이밍 벨트(212g)를 포함하여 구성된다.
상기 에어 실린더(212a)는 상기 요동자석열(210a)(210b)을 일정 요동각으로 요동시키기 위한 압축공기에 의해 작동되게 된다.
상기 피스톤로드(212b)는 상기 에어 실린더(212a)의 작동에 따라 왕복운동을 수행하게 된다.
상기 랙(rack)(212c)은 상기 피스톤로드(212b)에 형성되어 상기 피스톤로드(212b)와 연동되게 된다.
상기 제1 피니언(pinion)(212d)은 상기 랙(rack)(212c)의 왕복운동을 회전운동으로 변환하게 된다.
상기 제1 타이밍 벨트(212e)는 상기 제1 피니언(pinion)(212d)의 회전운동에 따라 요동자석열(210a)을 일정 요동각으로 요동시키게 된다.
상기 제2 피니언(pinion)(212f)은 상기 랙(rack)(212c)의 왕복운동을 회전운동으로 변환하게 된다.
상기 제2 타이밍 벨트(212g)는 상기 제2 피니언(pinion)(212f)의 회전운동에 따라 요동자석열(210b)을 일정 요동각으로 요동시키게 된다.
도7은 도6의 요크 어셈블리 개략도를 나타낸 도면이고, 도8a 및 도8b는 도6의 이중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 자석조립체에 의한 요동자기장의 전산 모사도를 나타낸 도면이고, 도9는 도6의 이중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 요동자석열이 시계방향(-) 45도 위치에 있는 경우에 자속조립체에 의한 타겟면에 평행한 자기벡터포텐셜(A//) 분포의 길이방향 단면도를 나타낸 도면이며, 도10은 도6의 이중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 요동자석열이 시계방향(-) 45도 위치에 있는 경우에 자속조립체에 의한 타겟면에 평행한 자기벡터포텐셜(A//) 분포의 타겟 표면에서의 단면도를 나타낸 도면이다.
도11은 본 발명에 따른 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 또다른 실시예인 삼중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치를 나타낸 도면으로서, 상기 도4의 구성요소에서 요동자석열이 삼중으로 형성된 것으로, 스퍼터링건 외벽(301)과, 스퍼터링건 몸체(302)와, 절연체(303)와, 인가전원케이블(304)과, 요크(305)와, 백플레이트(306)와, 타겟(307)과, 접지쉴드(308)와, 외곽 정적자석열(309)과, 요동자석열(310a)(310b)(310c)과, 폐쇄자장터널(311)과, 구동부(312)를 포함하여 구성된다.
상기 스퍼터링건 외벽(301) 상에 절연체(303)가 부착되고, 절연체(303)상에 스퍼터링건 몸체(302)가 부착되며, 상기 스퍼터링건 외벽(301)과 절연체(303)를 통해 스퍼터링건 몸체(302)에 인가전원케이블(304)이 부착된다.
상기 절연체(303)는 상기 스퍼터링건 외벽(301)과 스퍼터링건 몸체(302)를 절연시키게 된다.
상기 요크(305)는 상기 스퍼터링건 몸체(302)에 부착되며, 요크(305)상의 양측에 외곽 정적자석열(309)이 부착되고, 외곽 정적자석열(309) 사이의 중심에 요동자석열(310a)(310b)(310c)이 형성되어 있으며, 상기 스퍼터링건 몸체(302) 상에 백플레이트(306)가 부착되고, 백플레이트(306)상에 타겟(307)이 부착되며, 상기 접지쉴드(308)가 상기 구성요소를 감싸서 상기 스퍼터링건 몸체(302)에 인가된 전기장을 차폐시키게 된다.
상기 외곽 정적자석열(309)은 상기 요크(305)상의 외곽에 형성되어 자기장을 발생하게 된다.
상기 요동자석열(310a)(310b)(310c)은 상기 외곽 정적자석열(309) 사이의 중심에 형성되어, 일정 요동각으로 요동되어 상기 백플레이트(306)에 부착된 타겟(307)의 표면에 폐쇄자장터널(311)을 형성하게 된다.
상기 구동부(312)는 상기 요동자석열(310a)(310b)(310c)을 일정 요동각으로 요동시키게 된다.
상기 구동부(312)는 에어 실린더(312a)와, 피스톤로드(312b)와, 랙(rack)(312c)과, 제1 피니언(pinion)(312d)과, 제1 타이밍 벨트(312e)와, 제2 피니언(pinion)(312f)과, 제2 타이밍 벨트(312g)와, 제3 피니언(pinion)(312h)과, 제3 타이밍 벨트(312i)를 포함하여 구성된다.
상기 에어 실린더(312a)는 상기 요동자석열(310a)(310b)(310c)을 일정 요동각으로 요동시키기 위한 압축공기에 의해 작동되게 된다.
상기 피스톤로드(312b)는 상기 에어 실린더(312a)의 작동에 따라 왕복운동을 수행하게 된다.
상기 랙(rack)(312c)은 상기 피스톤로드(312b)에 형성되어 상기 피스톤로드(312b)와 연동되게 된다.
상기 제1 피니언(pinion)(312d)은 상기 랙(rack)(312c)의 왕복운동을 회전운동으로 변환하게 된다.
상기 제1 타이밍 벨트(312e)는 상기 제1 피니언(pinion)(312d)의 회전운동에 따라 요동자석열(310a)을 일정 요동각으로 요동시키게 된다.
상기 제2 피니언(pinion)(312d)은 상기 랙(rack)(312c)의 왕복운동을 회전운동으로 변환하게 된다.
상기 제2 타이밍 벨트(312e)는 상기 제2 피니언(pinion)(312d)의 회전운동에 따라 요동자석열(310b)을 일정 요동각으로 요동시키게 된다.
상기 제3 피니언(pinion)(312h)은 상기 랙(rack)(312c)의 왕복운동을 회전운동으로 변환하게 된다.
상기 제3 타이밍 벨트(312i)는 상기 제3 피니언(pinion)(312h)의 회전운동에 따라 요동자석열(310c)을 일정 요동각으로 요동시키게 된다.
도12a 및 도12b는 도11의 삼중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 자석조립체에 의한 요동자기장의 전산 모사도를 나타낸 도면이고, 도13은 도4, 도6, 도11의 자석조립체의 의한 타겟면에 평행한 자기벡터포텐셜(A//) 분포 비교도를 나타낸 도면이다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치 및 방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도4에 도시된 바와 같은 단일 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치에 전원이 인가전원케이블(104)을 통해 인가되면 전류가 스퍼터링건 몸체(102)와 백플레이트(106)를 통해 타겟(107)에 전달되어 타겟(107)과 기판(전술한 도1의 2) 사이의 기체를 전리시키게 된다.
이와 같은 상태에서, 구동부(112)는 상기 외곽 정적자석열(109) 사이의 중심에 형성된 요동자석열(110)을 일정 요동각(90°)으로 요동시키게 된다. 즉, 구동부(112)의 에어 실린더(112a)는 상기 요동자석열(110)을 일정 요동각(90°)으로 요동시키기 위한 압축공기에 의해 작동되게 된다. 그러면, 피스톤로드(112b)는 상기 에어 실린더(112a)의 작동에 따라 왕복운동을 수행하게 된다. 이어, 랙(rack)(112c)은 상기 피스톤로드(112b)에 형성되어 피스톤로드(112b)와 연동되게 된다. 그러면 제1 피니언(pinion)(112d)은 상기 랙(rack)(112c)의 왕복운동을 회전운동으로 변환하게 된다. 이에 따라 제1 타이밍 벨트(112e)는 상기 제1 피니언(pinion)(112d)의 회전운동에 따라 요동자석열(110)을 일정 요동각(90°)으로 요동시키게 된다. 여기서, 상기 외곽 정적자석열(109) 사이의 중심에 형성된 요동자석열(110)의 요크 어셈블리 개략도는 도7에 도시된 바와 같으며, 상기 요동자석열(110)이 단일로 형성된 것이 다른 것이다.
그러면 요동자석열(110)은 상기 구동부(112)에 의해 일정 요동각(90°)으로 요동되어 타겟(107)의 표면에 폐쇄자장터널(111)을 형성하게 되는데, 도5a 및 도5b에 도시된 바와 같이, 요동자석열(110)의 시계방향(-) 45°위치와 반시계방향(+) 45°위치에 따라 비대칭 폐쇄자장터널(111a)(111b)이 형성되게 된다.
또한, 도6에 도시된 바와 같이, 이중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치에 전원이 인가전원케이블(204)을 통해 인가되면 전류가 스퍼터링건 몸체(202)와 백플레이트(206)를 통해 타겟(207)에 전달되어 타겟(207)과 기판(전술한 도1의 2) 사이의 기체를 전리시키게 된다.
이와 같은 상태에서, 구동부(212)는 상기 외곽 정적자석열(209) 사이의 중심에 형성된 요동자석열(210a)(210b)을 일정 요동각(90°)으로 각각 요동시키게 된다. 즉, 구동부(212)의 에어 실린더(212a)는 상기 요동자석열(210a)(210b)을 일정 요동각(90°)으로 요동시키기 위한 압축공기에 의해 작동되게 된다. 그러면, 피스톤로드(212b)는 상기 에어 실린더(212a)의 작동에 따라 왕복운동을 수행하게 된다. 이어, 랙(rack)(212c)은 상기 피스톤로드(212b)에 형성되어 피스톤로드(212b)와 연동되게 된다. 그러면 제1 피니언(pinion)(212d)은 상기 랙(rack)(212c)의 왕복운동을 회전운동으로 변환하게 된다. 이에 따라 제1 타이밍 벨트(212e)는 상기 제1 피니언(pinion)(212d)의 회전운동에 따라 요동자석열(210a)을 일정 요동각(90°)으로 요동시키게 된다. 아울러 제2 피니언(pinion)(212f)은 상기 랙(rack)(212c)의 왕복운동을 회전운동으로 변환하게 된다. 이에 따라 제2 타이밍 벨트(212f)는 상기 제2 피니언(pinion)(212f)의 회전운동에 따라 요동자석열(210b)을 일정 요동각(90°)으로 요동시키게 된다. 여기서, 상기 외곽 정적자석열(209) 사이의 중심에 형성된 요동자석열(210a)(210b)의 요크 어셈블리 개략도는 도7에 도시된 바와 같으며, 상기 요동자석열(210a)(210b)이 이중으로 형성된 것이다.
그러면 요동자석열(210a)(210b)은 상기 구동부(212)에 의해 일정 요동각(90°)으로 요동되어 타겟(207)의 표면에 폐쇄자장터널(211)을 형성하게 되는데, 도8a 및 도8b에 도시된 바와 같이, 요동자석열(210a)(210b)의 시계방향(-) 45°위치(210a-1)(210b-2)와 반시계방향(+) 45°위치(210b-1)(210b-2)에 따라 비대칭 폐쇄자장터널(211a)(211b)이 형성되게 된다.
상기 도6의 이중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 요동자석열이 시계방향(-) 45도 위치에 있는 경우에 자속조립체에 의한 타겟면에 평행한 자기벡터포텐셜(A//) 분포의 길이방향 단면도와 도6의 이중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 요동자석열이 시계방향(-) 45도 위치에 있는 경우에 자속조립체에 의한 타겟면에 평행한 자기벡터포텐셜(A//) 분포의 타겟 표면에서의 단면도는 도9 및 도10에 나타낸 바와 같으며, 여기서, 도9에서 72는 타겟(207) 중심부를, 71, 73은 타겟(207)의 양 끝부분을 각각 나타내며, 타겟 중심부(72)에서는 두 채널로 분리되었다가 양 끝부분(71)(73)에서 다시 합쳐져서 비대칭적 폐쇄자장터널을 형성하게 된다. 도10에서 좌우로 비대칭적인 폭을 가지는 폐쇄자장터널(211a)이 형성되는 것을 확인할 수 있으며, 타겟의 길이방향 양끝단(75)에서 직각형의 자기벡터포텐셜(A//) 분포가 형성되는 것을 확인할 수 있는데, 이로부터 타겟(207)의 길이 방향 양 끝단(75)에서의 침식율이 타겟(207) 중심부와 크게 차이가 나지 않음을 알 수 있다. 이로 인하여 요동자석방식의 스퍼터링장치는 종래 기술에 의한 스퍼터링장치에 비해서 박막의 두께균일성이 보장되는 기판영역이 넓어지는 장점을 가지게 된다.
또한, 도11에 도시된 바와 같이, 삼중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치에 전원이 인가전원케이블(304)을 통해 인가되면 전류가 스퍼터링건 몸체(302)와 백플레이트(306)를 통해 타겟(307)에 전달되어 타겟(307)과 기판(전술한 도1의 2) 사이의 기체를 전리시키게 된다.
이와 같은 상태에서, 구동부(312)는 상기 외곽 정적자석열(309) 사이의 중심에 형성된 요동자석열(310a)(310b)(310c)을 일정 요동각(90°)으로 요동시키게 된다. 즉, 구동부(312)의 에어 실린더(312a)는 상기 요동자석열(310a)(310b)(310c)을 일정 요동각(90°)으로 요동시키기 위한 압축공기에 의해 작동되게 된다. 그러면, 피스톤로드(312b)는 상기 에어 실린더(3112a)의 작동에 따라 왕복운동을 수행하게 된다. 이어, 랙(rack)(312c)은 상기 피스톤로드(312b)에 형성되어 피스톤로드(312b)와 연동되게 된다. 그러면 제1 피니언(pinion)(312d)은 상기 랙(rack)(312c)의 왕복운동을 회전운동으로 변환하게 된다. 이에 따라 제1 타이밍 벨트(312e)는 상기 제1 피니언(pinion)(312d)의 회전운동에 따라 요동자석열(310a)을 일정 요동각(90°)으로 요동시키게 된다. 아울러 제2 피니언(pinion)(312f)은 상기 랙(rack)(312c)의 왕복운동을 회전운동으로 변환하게 된다. 이에 따라 제2 타이밍 벨트(312g)는 상기 제2 피니언(pinion)(312d)의 회전운동에 따라 요동자석열(310b)을 일정 요동각(90°)으로 요동시키게 된다. 그리고 제3 피니언(pinion)(312h)은 상기 랙(rack)(312c)의 왕복운동을 회전운동으로 변환하게 된다. 이에 따라 제3 타이밍 벨트(312i)는 상기 제3 피니언(pinion)(312h)의 회전운동에 따라 요동자석열(310c)을 일정 요동각(90°)으로 요동시키게 된다. 여기서, 상기 외곽 정적자석열(309) 사이의 중심에 형성된 요동자석열(310a)(310b)(310c)의 요크 어셈블리 개략도는 도7에 도시된 바와 같으며, 요동자석열(310a)(310b)(310c)이 삼중으로 형성된 것이 다른 것이다.
그러면 요동자석열(310a)(310b)(310c)은 상기 구동부(312)에 의해 일정 요동각(90°)으로 요동되어 타겟(307)의 표면에 폐쇄자장터널(311)을 형성하게 되는데, 도12a 및 도12b에 도시된 바와 같이, 요동자석열(310a)(310b)(310c)의 시계방향(-) 45°위치(310a-1)(310b-1)(310c-1)와 반시계방향(+) 45°위치(310a-2)(310b-2)(310b-2)에 따라 비대칭 폐쇄자장터널(311a)(311b)이 형성되게 된다.
상기한 도4, 도6 및 도11의 자석조립체의 의한 타겟면에 평행한 자기벡터포텐셜(A//) 분포 비교도는 도13에 나타낸 바와 같으며, 61, 62, 63은 각각 단일, 이중, 삼중 자기벡터 포텐셜(A//) 분포를 나타내며, 81, 82, 83은 각각 단일, 이중 삼중 자기벡터 포텐셜(A//) 분포의 한 요동주기 내의 평균값을 나타낸다.
본 발명에 따른 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치 및 방법은 단일/이중/삼중 요동자석방식뿐만아니라 다중 요동자석방식 마크네트론 스퍼터링장치 및 방법에도 적용가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치 및 방법은 스퍼터링 건(sputtering gun)내의 타겟 후면에 설치된 정적자석(static magnet)열과 요동자석(rocking magnet)열에 의한 폐쇄자장터널(closed-loop magnetic field tunnel)의 요동에 의해서 타겟이 고르게 침식(erosion)되도록 함으로써 타겟수명(타겟주기)의 연장과 기판위에 증착되는 타겟물질의 증착균일성(deposition uniformity)을 증가시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위 및 그와 균등한 것들에 의하여 정해져야 한다.
도1은 종래 기술에 따른 마그네트론 스퍼터링장치의 일예를 나타낸 도면
도2는 도1의 자석조립체에 의한 타겟면에 평행한 자기벡터포텐셜(A//) 분포와 타겟침식단면의 비교도를 나타낸 도면
도3a 및 도3b는 종래 기술에 따른 마그네트론 스퍼터링장치의 회전자석 방식 예를 나타낸 도면
도4는 본 발명에 따른 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 일실시예인 단일 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치를 나타낸 도면
도5a 및 도5b는 도4의 단일 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 자석조립체에 의한 요동자기장의 전산 모사도를 나타낸 도면
도6은 본 발명에 따른 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 다른 실시예인 이중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치를 나타낸 도면
도7은 도6의 요크 어셈블리 개략도를 나타낸 도면
도8a 및 도8b는 도6의 이중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 자석조립체에 의한 요동자기장의 전산 모사도를 나타낸 도면
도9는 도6의 이중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 요동자석열이 시계방향(-) 45도 위치에 있는 경우에 자속조립체에 의한 타겟면에 평행한 자기벡터포텐셜(A//) 분포의 길이방향 단면도를 나타낸 도면
도10은 도6의 이중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 요동자석열이 시계방향(-) 45도 위치에 있는 경우에 자속조립체에 의한 타겟면에 평행한 자기벡터포텐셜(A//) 분포의 타겟 표면에서의 단면도를 나타낸 도면
도11은 본 발명에 따른 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 또다른 실시예인 삼중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치를 나타낸 도면
도12a 및 도12b는 도11의 삼중 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치의 자석조립체에 의한 요동자기장의 전산 모사도를 나타낸 도면
도13은 도4, 도6, 도11의 자석조립체의 의한 타겟면에 평행한 자기벡터포텐셜(A//) 분포 비교도를 나타낸 도면
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101, 201, 301 : 스퍼터링건 외벽 102, 202, 302 : 스퍼터링건 몸체
103, 203, 303 : 절연체 104, 204, 304 : 인가전원케이블
105, 205, 305 : 요크 106, 206, 306 : 백플레이트
107, 207, 307 : 타겟 108, 208, 308 : 접지쉴드
109, 209, 309 : 외곽 정적자석열
110, 210, 310 : 요동자석열 111, 211, 311 : 폐쇄자장터널
112, 212, 312 : 구동부

Claims (7)

  1. 요크와 타겟을 구비한 마그네트론 스퍼터링장치에 있어서,
    상기 요크상의 외곽에 설치되어, 자기장을 발생하는 외곽 정적자석열;
    상기 외곽 정적자석열 사이에 상기 외곽 정적자석열과는 이격되고 요동가능하게 설치되며, 일정 요동각으로 요동되어 상기 타겟의 표면에 요동하는 폐쇄자장터널을 형성하는 요동자석열; 및
    상기 요동자석열을 일정 요동각으로 요동시키는 구동부를 구비하는 것을 특징으로 하는 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 요동자석열은 단일 또는 다수 요동자석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 요동자석열의 일정 요동각은 요동자석방식에 따라 가변적임을 특징으로 하는 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐쇄자장터널은 상기 요동자석열의 일정 요동각에 따라 상기 타겟의 표면에 비대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치.
  5. 요크와 타겟을 갖춘 마그네트론 스퍼터링장치에서의 스퍼터링방법에 있어서,
    상기 요크상의 외곽에 정적자석열을 설치하고, 상기 외곽의 정적자석열 사이에 단일 또는 다수의 요동자석열을 설치하는 단계; 및
    상기 단일 또는 다수의 요동자석열을 일정 요동각으로 요동시켜 상기 타겟의 표면에 요동하는 폐쇄자장터널을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 요동자석열의 일정 요동각은 요동자석방식에 따라 가변적임을 특징으로 하는 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 폐쇄자장터널은 상기 요동자석열의 일정 요동각에 따라 상기 타겟의 표면에 비대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 요동자석방식 마그네트론 스퍼터링방법.
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