KR100704862B1

KR100704862B1 - 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치 및 화합물 박막의 제조방법

Info

Publication number: KR100704862B1
Application number: KR1020030099962A
Authority: KR
Inventors: 가도쿠라사다오; 안푸쿠히사나오
Original assignee: 가부시키가이샤 에후·티·에스 코포레이션
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-12-30
Publication date: 2007-04-10
Also published as: KR20050013485A; JP2005048227A; TW200504238A; TWI247821B; JP3965479B2; DE60303866D1; US20050023129A1; DE60303866T2; CN100537832C; EP1505170B1; CN1576389A; US7135097B2; EP1505170A1

Abstract

저온에서 기초층(underlying layer)에 손상을 주지 않으면서 고품질의 화합물 박막을 형성할 수 있는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치를 개시한다. 상기 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 유닛과 진공 챔버를 포함하며, 상기 스퍼터링 유닛은 6면을 가지며 그 중 하나를 개구한 개구면으로 하는 직육면체형 프레임과 한 쌍의 대향 타겟 유닛을 포함한다. 상기 한 쌍의 대향 타겟 유닛은 타겟과, 상기 타겟을 둘러싸도록 설치되며 상기 타겟 면에 수직 방향으로 연장하는 대향 모드 자계와 상기 타겟 면에 평행한 방향으로 연장하는 마그네트론 모드 자계를 형성하는 영구 자석으로 이루어지는 자계 발생 수단을 포함한다. 상기 한 쌍의 대향 타겟 유닛은 상기 개구면에 인접하는 프레임의 제1 대향면에 설치되고, 상기 프레임의 제2 대향면과 나머지 면은 차폐된다. 상기 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 유닛은 개구면이 진공 챔버 및 상기 진공 챔버 내에 배치되어 박막이 형성되는 기판을 향하도록 상기 진공 챔버에 설치된다. 상기 스퍼터링 장치는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 유닛의 내부에 마련되는 플라스마 구속 공간에 전자를 흡수하는 보조 전극을 더 포함한다.

대향 타겟식, 스퍼터링, 화합물박막, 보조전극, 대향모드, 마그네트론모드

Description

상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치 및 화합물 박막의 제조 방법 {BOX-SHAPED FACING-TARGETS SPUTTERING APPARATUS AND METHOD FOR PRODUCING COMPOUND THIN FILM}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치의 부분 단면을 포함하는 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치의 타겟 유닛의 개략 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시한 타겟 유닛의 A-A선에서의 개략 수직 단면도이다.

도 4는 도 3에 도시한 타겟 유닛의 B-B선에서의 개략 수평 단면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 사용한 보조 전극의 사시도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 사용한 보조 전극의 사시도이다.

도 7은 종래의 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 유닛의 사시도이다.

본 발명은 상자형 대향 타겟 스퍼터링 유닛 및 진공 챔버를 포함하며,상기 스퍼터링 유닛은 6면을 가지며 6면 중의 하나를 개구한 개구면으로 하는 직육면체 프레임과 한 쌍의 대향 타겟 유닛을 포함하며, 상기 한 쌍의 대향 타겟 유닛은 각각 타겟과, 상기 타겟을 둘러싸도록 설치되며 상기 타겟 면에 수직 방향으로 연장하는 대향 모드 자계와 상기 타겟 면에 평행한 방향으로 연장하는 마그네트론 모드 자계를 형성하는 영구 자석으로 이루어지는 자계 발생 수단을 포함하고, 상기 한 쌍의 대향 타겟 유닛은 상기 개구면에 인접하는 프레임의 제1 대향면에 설치되고, 상기 프레임의 제2 대향면과 나머지 면은 차폐되며, 상기 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 유닛은 개구면이 진공 챔버 및 상기 진공 챔버 내에 배치되어 박막이 형성되는 기판을 향하도록 상기 진공 챔버에 장착되는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치의 개량에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 개량된 스퍼터링 장치를 사용한 화합물 박막의 제조 방법에 관한 것이다.

전술한 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 유닛을 구비한 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치는 본 발명자가 일본 특허공개공보 평10-330936호에서 제안한 것으로 이하에 설명하는 바와 같이 구성으로 되어 있다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 유닛(70)은 직육면체형 프레임(71)의 개구부가 되는 개구면(71f)에 인접한 4면(71a∼71d)[5면(71a∼71e) 중] 중 대향하는 면(71a, 71b)에 대향 타겟 유닛(100a, 100b)를 장착되고, 3면(71c∼71e)은 차폐판(72c∼72e)으로 각각 차폐하도록 구성된다. 타겟 유닛(100a)은 타겟(110a)과 상기 타겟(110a) 주위를 둘러싸도록 설치된 영구 자석으로 이루어지는 자계 발생 수단을 포함하고, 타겟 유닛(100b)은 타겟(110b)(도시하지 않음)과 상기 타겟(110b) 주위를 둘러싸도록 설 치된 영구 자석으로 이루어지는 자계 발생 수단을 포함한다.

상기 스퍼터링 유닛(70)의 외형은 입방체를 포함하는 직육면체 상자형이라 하자. 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치는 다음과 같은 구성을 갖는다. 구체적으로는 도 1에 나타낸 바와 같이, 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치는 스퍼터링 유닛의 개구면(71f)이 진공 챔버에 대면하도록 진공 챔버에 접속되고, 박막이 형성되는 기판은 상기 개구면(71f)과 대면하도록 진공 챔버 내에 배치된다.

전술한 구성을 갖는 스퍼터링 장치에서, 스퍼터링 플라스마를 생성하고 구속하는 자계는 예를 들면 일본 특허공개공보 평10-8246호에 개시되어 있는 바와 같이, 종래의 대향 타겟식 스퍼터링 장치와 마찬가지로 형성된다. 자세하게는, 자계 발생 수단을 포함하는 대향 타겟 유닛의 대향하는 타겟 사이에 마련된 공간(이하 이 공간을 "(플라즈마) 구속 공간"이라 한다) 내에서, 타겟에 수직 방향으로 연장하는 대향 모드 자계가 타겟 전역에 형성되고, 이에 더하여 그 타겟면 근방에는 타겟면에 평행 방향으로 연장하는 마그네트론 모드의 자계가 타겟의 주변 에지를 둘러싸도록 형성된다. 그 결과, 고밀도 플라스마가 타겟의 전면에 걸쳐 생성된다.

따라서, 개구면을 제외한 5면을 차폐한 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 유닛을 포함하는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치에서는 스퍼터링된 입자는 개구면을 통하여 고진공으로 배기되고 내부에 기판이 배치된 진공 챔버로 날아와 기판 상에 퇴적되어 박막을 형성한다.

전술한 종래의 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치는 컴팩트한 구성이며, 저온에서 고품질의 박막을 형성할 수 있다. 따라서 상기 스퍼터링 장치는 다양한 막 형성에 응용되어 왔다. 예를 들어, 상기 스퍼터링 장치는 최근 주목을 끌고 있는 상품화 개발이 활발한 유기 EL 디바이스의 전극 형성에 응용되었으며, 상기 전극의 형성에 대한 상기 스퍼터링 장치의 응용에 대해 다양한 연구가 수행되고 있다.

이러한 전극은 유기층의 상에 형성되어야 한다. 따라서, 상기 전극은 기초층(underlying layer)이 되는 유기층을 손상시키지 않도록 형성되어야 한다. 나아가 상기 전극은 고품질 박막(예를 들면 저저항의 박막)의 형태이어야 하며, 어떤 경우에는 우수한 투명성을 나타내는 박막이어야 한다. 또, 유기층에 보호층이 형성되는 경우에 그 보호층은 기초층이 되는 유기층에 어떠한 손상도 입히지 않도록 형성되어야 하며, 상기 보호층은 우수한 보호 특성(예를 들어 방습성)과 투명성을 나타내는 박막의 형태이어야 한다.

상기 경우와 마찬가지로, 투명 단열 필름 등의 고기능성 필름을 제조하는 경우에, 화합물 박막(예를 들어 금속 산화물 박막 또는 금속 질화물 박막)이 기초층 상에 형성될 때, 원하는 특성을 나타내는 고품질의 박막은 상기 기초층에 어떠한 손상도 입히지 않도록 형성되어야 한다.

따라서, 종래의 진공 증착법을 사용하여 형성하는 대신에, 이러한 박막은 우수한 균일성을 나타내는 고밀도 막을 형성할 수 있는 스퍼터링법을 사용하여 형성하여야 한다.

본 발명은 상기 과제에 감안하여 이루어진 것으로, 전술한 요구조건을 충족 하는 저온에서 기초층에 손상을 입히지 않으면서 고품질의 박막을 형성할 수 있는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치를 제공하는 것을 제1 목적으로 한다. 또한 본 발명은 예를 들어 투명 도전성막 또는 패시베이션막 등에 이용되는 화합물 박막(예: 금속 산화물 박막 또는 금속 질화물 박막)을 저온에서 고품질로 제조할 수 있는 화합물 박막의 제조 방법을 제공하는 것을 제2 목적으로 한다.

전술한 목적은 이하의 본 발명에 의해 달성된다. 본 발명의 제1 특징에 따르면, 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 유닛, 및 진공 챔버(a vacuum chamber)를 포함하는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치로서, 상기 스퍼터링 유닛은 6면 중 하나를 개구면으로 하는 직육면체형 프레임; 및 타겟과, 상기 타겟 주위를 둘러싸도록 설치되는 영구 자석으로 이루어지며, 타겟면에 수직 방향으로 뻗는 대향 모드의 자계와 상기 타겟면에 평행한 방향으로 뻗는 마그네트론 모드의 자계를 형성하는 자계 발생 수단을 각각 구비한 한 쌍의 대향 타겟 유닛을 포함하며, 상기 한 쌍의 대향 타겟 유닛은 상기 개구면에 인접하여 위치한 상기 프레임의 제1 대향면에 설치되고, 상기 프레임의 제2 대향면과 나머지 하나의 면은 차폐되며, 상기 스퍼터링 유닛은 상기 개구면이 상기 진공 챔버 및 상기 진공 챔버 내에 배치된 박막이 형성되는 기판을 향하도록 설치되고, 상기 스퍼터링 유닛 내부에 제공되는 플라스마 구속 공간에 전자를 흡수하는 보조 전극을 더 포함하는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치가 제공된다.

본 발명의 제2 특징에 따르면 상기 보조 전극을 구비한 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치를 사용하여 화합물 박막을 제조하는 방법이 제공된다.

전술한 본 발명은 이하에 설명하는 바와 같이 이루어지는 것이다.

종래의 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치를 사용하여 막을 형성하는 과정 중에 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 유닛 내에서는 대향 타겟의 표면으로부터 타겟들 사이의 중간 지점으로 향해 뻗는 대향 모드 자계에 의한 모래시계형(hourglass-shaped) 발광 성분과, 마그네트론 모드의 자계에 의한 타겟 표면 근방의 단면이 반구인 주발형(bowl-shaped) 발광 성분으로 이루어지는 플라스마 발광이 관찰되며, 또한 나머지 공간에서 스퍼터링 장치의 개구부 바깥쪽으로 뻗는 미발광(subtle emission)이 관찰된다. 이 미발광에 대하여 여러 가지 고찰한 결과, 미발광은 타겟 표면으로부터 방출된 높은 에너지의 전자가 상자형 스퍼터링 유닛의 플라즈마 구속 공간 내에서 왕복 드리프트 하면서 스퍼터링 가스 입자와 충돌하고, 전자의 에너지가 이온화 등으로 소비되어 낮은 에너지의 열전자가 되고, 이 열전자가 자속의 구속을 벗어나 진공 챔버로 확산하는 과정에서 부유하는 가스와 충돌하여 가스를 여기시킴으로써 발생하는 가스 입자의 여기 상태를 주로 나타내는 것으로 추측되었다. 저에너지의 열전자는 에너지를 소실하는 과정에서 플라스마 구속 공간 내에서의 자속에 의한 구속을 점차 벗어나게 된다. 종래의 측면이 개방된 대향 타겟식 스퍼터링 장치의 경우에는 열전자는 장치 주위의 공간으로 비산되고, 따라서 플라스마 구속 공간은 열전자로 충만되지 않았다. 이와는 대조적으로 측면이 차폐된 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 유닛에서는 열전자의 일부는 양극으로 작용하는 면을 차폐하는 차폐판으로 흐르고, 열전자의 나머지는 상자형 대향 타겟식 스퍼티링 유닛의 플라스마 구속 공간에 체류한다. 즉, 플라스마 구속 공간은 열전자로 충만하고, 이 열전자가 스퍼터링 유닛의 개구면으로부터 흘러나오므로, 개구부 외측으로 뻗는 미발광이 생긴 것이라고 추측하였다. 그리고, 저에너지의 열전자가 기판 표면에 도달하면, 경우에 따라 기판 또는 기판 상에 형성된 막을 통하여 흘러 주울 열(Joule heat)을 발생시키고, 즉 열전자가 기판의 가열의 중요한 인자가 되거나, 기판 상에 형성되는 막품질을 떨어뜨리는 것으로 추측했다. 전술한 바와 같이, 본 발명자는 스퍼터링 유닛의 개구면을 통하여 기판으로 흐르는 열전자를 제거함으로써 스퍼터링 장치의 성능을 효과적으로 향상될 것이라고 생각하여, 이 열전자를 플라스마 구속 공간 내에서 직접 흡수하는 보조 전극을 개발하였다.

본 발명자는 여러 가지 연구 검토한 결과, 보조 전극을 포함하지 않는 종래의 스퍼터링 장치의 경우에 비해 보조 전극을 포함하는 스퍼터링 장치가 기판의 온도 상승을 크게 억제할 수 있고, 저온에서의 막 형성이 가능하며, 매우 고품질의 막 형성이 가능하고, 또 막 형성 속도를 증가시킬 수 있는 등의 여러 가지의 실용상 중요한 효과를 나타내는 것을 알았다. 본 발명자는 또는 보조 전극이 설치되는 경우 전술한 목적을 충분히 달성되며, 스퍼터링 장치가 전술한 효과 이외에도 뛰어난 효과를 나타냄을 알았다. 보조 전극은 견해를 바꾸면 성막 조건을 조정하기 위해 새롭게 설치된 수단으로 볼 수가 있다. 따라서 새롭게 설치된 성막 조건 조정 수단을 포함하는 본 발명의 대향 타겟식 스퍼터링 장치는 융통성이 강화된다. 다시 말해 이 대향 타겟식 스퍼터링 장치는 여러 분야에 적용될 수 있다.

또한, 후술하는 성막 실험예에 나타낸 바와 같이, 본 발명자는 종래의 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치를 사용하여 박막을 형성하는 경우에 비해 이 보조 전극을 설치한 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치를 사용한 경우,

저온에서 기판 상에 화합물 박막(구체적으로는 산화물 박막 또는 질화물 박막)을 형성할 수 있고, 기판의 온도를 조절하지 않고 실온에 방치한 상태에서 안정적으로 막 형성이 가능하며, 형성된 박막은 품질이 향상되며, 막 형성 속도가 증가한다는 것을 알았다. 본 발명의 제2 특징에 따른 발명은 이러한 발견에 따라 이루어진 것이다.

본 발명의 스퍼터링 장치에서, 보조 전극의 설치 위치는 플라스마 구속 공간 내이면 특히 한정되지 않지만, 의도된 목적에 따라 적당하게 선정된다. 저온에서의 막형성 면에서나 막형성 속도의 관점에서, 보조 전극은 플라스마 구속 공간의 중심부에 설치되는 것이 바람직하고, 구체적으로 과잉 전자를 효과적으로 흡수할 수 있는 플라스마 구속 공간의 타겟에 평행한 중심선 상 또는 중심선의 근방에 설치되는 것이 바람직하다. 막품질 향상의 관점에서, 보조 전극은 대향 모드 자계와 마그네트론 모드의 자계가 교차하고 열전자가 체류하기 쉬운 전자 반사 수단의 근방 공간이 설치되는 바람직하다. 나아가 보존 전극은 전자 반사 수단의 주위 전체를 따라 연장되도록 설치되는 것이 더욱 바람직하다.

기판 방향으로의 열전자 등의 이동을 더욱 억제하는 관점에서는, 보조 전극은 스퍼터링 유닛의 개구부의 근방에 설치되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 보조 전극은 개구부의 주위 전체를 따라 연장되고 실질적으로 개구부를 둘러싸도록 설치된다.

보조 전극은 열전자를 흡수할 수 있으면 그 전위는 특히 한정되지 않는다. 통상 보조 전극의 전위는 양극의 전위와 동일하도록 조정되고 접지되지만, 적당한 양의 값(positive value)으로 조정될 수도 있다.

본 발명에서, 보조 전극은 전자가 충만하기 쉬운 플라스마 구속 공간인 경우, 즉 플라스마가 공간 내에서 강하게 구속되는 경우에 효과적이다. 보조 전극의 효과를 강화하는 관점에서, 스퍼터링 장치는 각 타겟 유닛의 영구 자석의 자극을 자기적으로 결합하는 요크 수단을 포함하는 것이 바람직하며, 자극은 타겟 유닛의 바깥쪽에 위치한다(이하, 이 자극을 "개방측 대향 자극"이라 한다).

특히, 콤팩트한 구성의 실현과 기판 및 그 위에 형성되는 박막에의 열전자의 악영향 방지의 관점에서, 요크 수단은 각 타겟 유닛의 지지체 상에 영구 자석의 자극을 덮도록 설치된 자성재로 이루어지는 폴부와, 폴부를 자기적으로 결합도록 상자형 스퍼터링 유닛의 표면에 설치된 자성재로 이루어지는 결합부를 포함하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 결합부는 개구부를 구비하며, 상자형 스퍼터링 유닛의 개구면에 설치되는 평판으로 이루어진다.

플라스마 구속 강화의 관점면에서, 보조 전극은 각 타겟의 배면에 주로 마그네트론 모드의 자계를 조정하는 자계 조정 수단을 설치하여 마그네트론 모드의 자계를 이용하여 플라스마의 구속을 높인 구성과의 조합으로 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법은 온도 제어 또는 막형성 속도의 관점 등에서 스퍼터링법을 이용하여 형성하는 것이 어렵다고 하는 금속 산화물 또는 금속 질화물 등의 화합물 박막의 형성에 특히 효과적이다. 본 발명의 방법을 이용하여 산화물 박막 을 형성하는 경우, 타겟에 박막을 형성하는 산화물을 주성분으로 하는 타겟과 산소가 1용량% 이하로 함유된 스퍼터링 가스를 사용하여 막을 형성하는 것이 기초층에 대한 반응성 가스의 영향 방지의 관점 및 스퍼터링 프로세스의 안정성의 관점에서 바람직하다.

본 발명의 방법은 은막, 유기막 등 산화하기 쉬운 표면층 상에 산화물 박막을 형성하는 데 특히 효과적이다. 본 발명의 방법을 이용하여 질화물 박막을 형성하는 경우, 저온 막 형성, 막 형성 속도 및 막 품질의 관점에서 산소를 1용량% 이하로 함유하는 질소 함유 불활성 가스를 스퍼터링 가스로 사용하고, 가스 성분을 함유하지 않는 박막을 구성하는 원소를 주성분으로 함유하는 타겟으로 막을 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 방법은 반도체 디바이스, 평판 패널 디스플레이, 특히 유기 반도체 디바이스, 유기 EL 등의 유기 디바이스의 제조에 바람직하게 적용된다. 본 발명의 방법을 이용하여 막이 형성되는 기판 또는 기판의 표면층이 유기물로 이루어지는 경우나, 본 발명의 방법이 다층 박막으로 이루어지는 투명 단열 필름과 같은 치밀하고 손상되지 않은 계면을 필요로 하는 기능성 박막의 제조에 이용되는 경우에, 본 발명의 방법은 뚜렷한 효과를 보인다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 종래의 스퍼터링 유닛을 사용하여 막을 형성하는 경우에 비해, 상당히 낮은 온도에서 품질이 매우 향상된 막을 형성할 수 있는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치를 제공할 수 있다. 본 발명의 스퍼터링 장치는 종래의 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치의 플라스마 구속 공간에 보조 전극을 설치함으로써 실현한 것이다. 본 발명의 스퍼터링 장치는 스퍼터링법을 이용하여 형성하는 것이 어렵다고 하던 분야, 예를 들면 유기 EL 디스플레이 등의 전극층, 반도체 디바이스의 각종 박막, 그리고 투명 단열 필름 등의 고기능성 박막 등의 박막 형성에 널리 적용할 수 있다. 특히 본 발명의 스퍼터링 장치는 열이 가해지거나 고에너지 입자가 충돌하는 경우 그 기능이 손상되는 예를 들어 유기물층이나 기능성층과 같은 기초층(underlying layer) 상에 막을 형성하는 경우에 매우 효과적이다.

본 발명의 전술한 목적 및 다른 목적은 본 발명의 신규한 특징과 함께 이하의 상세한 설명을 첨부도면을 참조하여 읽는 경우에 더욱 명백해질 것이다.

여기서, 본 발명을 예시적인 실시예를 참조하여 설명한다. 이 기술 분야의 당업자라면 본 발명의 기술적인 가르침을 이용하여 많은 다른 실시예를 구현할 수 있으며, 본 발명이 목적을 설명하기 위해 예시된 실시예로 한정되지 않는다는 것을 알 것이다.

[실시예]

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치의 부분 단면을 포함하는 사시도이다. 본 실시예의 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 유닛(이하, 상자형 유닛으로 약칭함 )(70)은 타겟 유닛(100a, 100b)을 진공 챔버(10)의 챔버벽(11)에 직접 장착하는 종래의 대향 타겟식 스퍼터링 장치와는 달리, 타겟 유닛(100a, 100b)이 각각 직육면체형 프레임(71)의 대향면(71a, 71b)에 밀봉하여 장착되고(도 1 참조), 기판(20)에 면하는 아래쪽에 위치하는 개구면(71f) 이외의 면 (71c~71e)(앞쪽의 면(71c)은 도시하지 않음)을 차폐판(72c~72e)(앞쪽에 위치하는 면(71c)에 대응하는 차폐판(72c)은 도시하지 않음)으로 각각 기밀하게 차폐한다. 즉, 개구면(71f)을 제외한 면들은 기밀하게 차폐된다. 본 발명의 대향 타겟식 스퍼터링 장치는 이러한 콤팩트한 구성으로 인해 장치의 보전성(maintenace)이 향상되고, 높은 생산성의 공업생산용으로 적합하다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 스퍼터링 장치를 상세하게 설명한다. 도 3에 도시한 타겟 유닛의 B-B선에서의 개략 수평 단면도인 도 4에서, 폴부(191a)는 도시 생략되었다. 도 2 내지 도 4를 참조하여 타겟 유닛(10Oa, 100b)에 대해 상세하게 설명한다.

도 2 내지 도 4로부터 명백한 바와 같이, 본 실시예의 타겟 유닛(100a, 100b)의 기본적인 구성은 자계 조정 수단과 요크 수단을 제외하고 일본 특허공개공보 평10-330936호에 명시된 타겟 유닛의 구성과 같다. 도 2 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 대향하는 타겟 유닛(100a, 100b)은 프레임(71)에 착탈 가능하게 장착된다. 도 2 내지 도 4는 타겟 유닛(100a)에 대한 구성을 나타낸다. 타겟 유닛(100a, 100b)은 자계 발생 수단으로 작용하는 영구 자석(130a)과 자계 조정 수단으로 작용하는 영구 자석(180a)의 자극 N, S의 배치가 역으로 되는 점을 제외하고, 그 구성이 동일하므로, 타겟 유닛(100b)의 상세도는 생략한다.

도 2로부터 명백한 바와 같이, 타겟 유닛(100a)은 지지체 유닛(150a)의 플랜지 부(155a)를 이용하여 프레임(71)에 교환 가능하게 장착되어 있다. 이하에 설명하는 바와 같이 타겟 유닛(100a)은 지지체 모듈과 타겟 모듈을 포함한다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 타겟 모듈은 타겟(110a), 배킹 유닛(backing unit)(113a), 및 전자 반사 수단(170a)을 포함하며, 지지체 모듈을 구성하는 지지체 유닛(150a) 전면 상에 형성된 수용부(152a)에 일정 간격으로 배치된 볼트(11la)에 의해 교환 가능하게 장착되어 있다.

전술한 일본 특허공개공보 평10-330936호에 명시된 스퍼터링 장치의 경우와 달리, 본 실시예에서는 냉각 쟈켓(160a)은 배킹 유닛(113a) 내부에 설치되어 있다. 특히, 냉각 쟈켓(160a)은 도 2에 점선으로 나타내는 형상의 냉각 홈(161a)을 형성하는 격벽(162a)을 구비한 중공부(hollow section)가 두꺼운 판형 부재로 이루어지는 배킹 본체(114a) 후부에 그 크기가 가능한 타겟(110a)과 같아지도록 형성되고, 냉각 홈(161a)에 접속하는 접속구(connection port)(163a)를 구비한 덮개 (115a)가 중공부에 용접되어 형성된다. 배킹 유닛(113a)과 격벽(162a)은 열전도성 재료, 구체적으로 본 실시예에서는 동으로 형성된다. 또, 도시 생략 했지만 합성 수지로 만들어진 튜브가 관통공(154a, 193a)을 통해 설치되고 접속도구에 의해 접속구(163a)에 접속되어 냉각 쟈켓(160a)에 냉각수가 통과할 수 있도록 하고 있다.

타겟(110a)은 배킹 유닛(113a)의 전면에 열전도성 접착재(본 실시예에서는 인듐을 사용함)로 접착되고, 도 3 도시한 바와 같이 전자 반사 수단(170a)이 그 측벽에 나사(도시 생략)로 장착되어 타겟 모듈을 형성한다. 전자 반사 수단(170a)은 자계 발생 수단의 자극으로도 사용할 수 있도록 강자성체(본 실시예에서는 철판)로 이루어진다. 도 3에 도시한 바와 같이, 전자 반사 수단(170a)은 타겟(110a)의 주변부 면하는 폭을 갖는 전자 반사판(171a)을 포함한다. 전자 반사판(171a)은 내부에 자계 발생 수단이 수납되는 지지체 유닛(150a)의 주위 벽부(153a)의 전면을 덮도록 설치된다. 전자 반사판(171a)은 단면이 L자형이고 동(즉 열전도성 재료)으로 이루어지는 장착부(172a)에 의해 지지된다. 따라서, 전자 반사판(171a)은 장착부(172a)를 통하여 효과적으로 냉각된다. 전자 반사판(171a)은 타겟(110a)의 외측에 설치된 영구 자석(130a)의 전면(즉, 주위 벽부(153a)의 전면)에 날아오는 전자를 반사하는 것이면 특히 한정되지 않는다. 경우에 따라 전자 반사판(171a)은 스퍼터링될 수도 있으므로, 타겟(110a)과 동일한 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 전자 반사판(171a)이 비자성재로 형성되는 경우에는 전자 반사 수단을 구비하지 않은 경우와 마찬가지로 영구 자석(130a)은 N극이 타겟(110a) 전면에서 측정될 때 소정의 길이만큼 진공 챔버의 안쪽으로 돌출하도록 배치하는 것이 바람직하다. 후술하는 실험예에서는 막 형성에 이러한 구성의 스퍼터링 장치를 사용하며, 전자 반사판(171a)은 타겟(110a)과 같은 재료로 형성된다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 이 타겟 모듈은 지지 본체부(151a)의 전면에 형성된 수용부(receiving section)(152a)에 소정 간격으로 배치된 볼트(111a)에 의해 배킹 유닛(113a)의 후면이 수용부(152a)의 표면에 직접 접촉하도록 장착된다. 도 3에서, 도면 부호 116a는 진공 실링용(vaccum sealing) O링이며, O링에 의해 타겟 모듈과 지지체 유닛(150a) 사이의 진공 실링이 이루어진다. 냉각 쟈켓(160a)이 용접으로 실링되고, 지지체 유닛(150a)과 타겟 모듈 사이가 O링(116a)으로 실링되기 때문에 진공 챔버(10) 내로의 냉각수의 누수는 없다. 또한 0링은 냉각수와 격리되므로, 종래의 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치에서 발생한 것과 같은 O링과 냉각수의 직접 접촉에 의해 발생되는 시간 경과에 따른 실링 성능의 열화 등의 문제도 없고, 신뢰성 및 보전성이 향상된다. 지지체 유닛(150a)은 알루미늄 등의 경량이고 값싼 재료로 이루어질 수 있다.

지지체 모듈은 기계 가공에 의해 열도전성 재료(구체적으로 본 실시예에서는 알루미늄의 블록)로 형성된 지지체 유닛(150a)을 포함한다. 지지체 유닛(150a)을 구성하는 플랜지부(155a)는 전기 절연재(구체적으로, 본 실시예에서는 내열성수지)로 이루어지는 패킹(156a) 및 진공 실링용 O링(117a, 118a)을 통해 일정 간격으로 배치된 볼트(112a)에 의해 프레임(71)에 기밀하게 장착되어 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 지지체 유닛(150a)은 직육면체형의 지지 본체부(151a)와, 프레임(71)에 장착될 수 있도록 소정 폭을 갖는 플랜지부(155a)를 포함한다. 타겟 모듈이 장착되는 수용부(152a)는 지지 본체부(151a)의 전면에 형성되고, 도 3에 도시한 바와 같이 자계 발생 수단의 영구 자석(130a)을 수납하는 수납부(131a)는 수용부(152a)를 둘러싸는 주위 벽부(153a)에 설치된다. 전술한 바와 같이, 전자 반사 수단(170a)은 주위 벽부(153a)의 전면에 형성되어 있다. 전자 반사 수단(17Oa)을 설치하지 않는 경우, 타겟(110a)이 자성재로 이루어지는 경우라도 주위 벽부(153a)는 영구 자석(130a)의 전단부가 타겟(110a) 전면에서 측정될 때 소정 길이만큼 진공 챔버의 안쪽으로 돌출하도록, 그리고 타겟(110a) 주변 에지의 전면 근방에서 마그네트론 모드의 자계가 확실하게 형성될 수 있도록 설치되는 것이 바람직하다.

도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 수납부(131a)는 진공 챔버의 외부에서 자계 발생 수단으로 작용하는 영구 자석(130a)을 안에 넣을 수 있도록 바깥쪽으로 개구된 소정 깊이의 구멍을 구비한다. 영구 자석(130a)은 수납부(131a)의 구멍 안에 도 3에 도시한 바와 같이 자극이 배치되도록 설치된다. 본 실시예에서는 영구 자석(130a)은 소정 길이와 폭의 시판 영구 자석(예를 들어, AlNiCo 자석)으로 형성된다. 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 소정 개수의 영구 자석(130a)이 타겟(110a)의 주위를 둘러싸도록 설치된다. 본 실시예에서 영구 자석(130a)은 수납부(131a)에 전기 절연재, 구체적으로 얇은 수지판으로 이루어지는 고정판(132a)으로 고정된다.

따라서, 영구 자석(130a)과 진공 챔버(10) 사이는 완전한 실링상태가 유지되고, 영구 자석(130a)과 직접 접촉하는 열전도성 지지 본체부(151a)와 배킹 유닛(113a)을 통하여 영구 자석(130a)은 냉각 쟈켓(160a)에 열적으로 접속된다. 그러므로 영구 자석(130a) 효과적으로 냉각된다. 따라서, 종래의 스퍼터링 장치에서 발생되었던 것과 같은, 영구 자석(130a)으로부터의 불순 가스로 인한 진공 챔버(10)의 오염 문제를 방지할 수 있고, 또 시간 경과에 따른 영구 자석(130a)의 열화도 상당히 감소되며, 결과적으로 신뢰성, 장기 안정성, 및 보전성이 향상된다. 이러한 스퍼터링 장치에서, 지지 본체부(151a)와 배킹 유닛(113a) 사이의 계면에 냉각 쟈켓이 설치된 종래의 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치로 얻은 것과 실질적으로 동등한 냉각 효과를 얻을 수 있다.

전술한 구성을 갖는 도 1에 나타낸 바와 같은 스퍼터링 장치에서, 타겟 유닛(100a)에 대향하는, 타겟 유닛(100b)에 설치되는 영구 자석(130a) 및 영구 자석(130b)은 플라스마를 가두는 자계, 즉 구속 공간(120)을 둘러싸듯이 타겟(110a, 110b)에 수직인 방향으로 뻗는 대향 모드의 자계와, 전자 반사판(171a)의 주변 에지로부터 타겟(110a)에 평행한 방향으로 뻗는 원호형 마그네트론 모드의 자계를 형성하며, 주변 에지는 타겟(110a)에 대향하며, 타겟(110a)의 중심부로 향한다. 대향 모드의 자계는 타겟(110a) 중심부의 스퍼터링이 지배적이고, 마그네트론 모드의 자계는 타겟(110a) 주변부의 스퍼터링이 주로 지배적이다. 그 결과, 종래의 대표적인 스퍼터링법인 평면 마그네트론식 스퍼터링법(planar-magnetron-type sputtering method)에 비해 타겟의 표면 전체가 거의 균일하게 스퍼터링된다.

본 실시예에서는 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 마그네트론 모드의 자계를 주로 조정하는 자계 조정 수단이 다음과 같이 설치되어 있다.

지지체 유닛(150a)의 지지 본체부(151a) 후면의 기판과 평행한 지지 본체부(151a)의 중심선 상의 위치에 소정 깊이와 폭으로 홈부(trench)(181a)가 형성되어 있다. 홈부(181a)는 자계 조정 수단으로 작용하는 영구 자석(180a)을 장착하기 위해 설치된다. 본 실시예에서, 홈부(181a)는 타겟(110a)의 폭 방향으로 뻗도록 형성되어 자계 조정 수단으로 작용하는 영구 자석(180a)의 위치를 타겟(110a)으로 작용하는 재료의 변경 등에 따라 용이하게 조정할 수 있도록 한다. 본 실시예에서는 마그네트론 모드의 자계를 전체적으로 강하게 하기 위해 도 4에 나타낸 바와 같이, 자계 조정 수단으로 작용하는 소정 길이의 판형 영구 자석(180a)을 홈부(181a)의 전체에 배치하고, 영구 자석(180a)은 고정판(132a)을 형성하는 데 사용 된 얇은 수지판으로 이루어지는 고정판(182a)에 의해 홈부(181a)에 고정된다. 본 실시예에서는 도 3에 도시한 바와 같이, 자계 조정 수단으로 작용하는 영구 자석(180a)과 자계 발생 수단으로 작용하는 영구 자석(130a)은 고정판(182a, 132a)을 통하여 후술하는 요크 수단의 폴부(191a)에 자기적으로 연결되어 있다.

도 3에 2점 쇄선으로 나타낸 바와 같이, 마그네트론 모드 자계는 자계 발생 수단인 영구 자석(130a)의 N극으로부터 전자 반사판(171a) 및 타겟(110a)을 경유하여 자계 조정 수단인 영구 자석(180a)의 S극으로 뻗는다. 또한, 마그네트론 모드 자계는 영구 자석(180a)의 N극으로부터 고정판(182a), 폴부(191a) 및 고정판(132a)을 경유하여 자계 발생 수단을 작용하는 영구 자석(130a)의 S극으로 뻗는다.

종래의 자계 조정 수단이 없는 대향 타게식 스퍼터링 장치와 달리, 타겟(110a)의 전면 근방에서 뻗는 마그네트론 모드 자계는 자계 조정 수단으로 조정할 수 있다. 그러므로, 마그네트론 모드 자계에 의해 지배되는 타겟의 주변 에지부의 플라스마 구속을 대향 모드 자계에 의해 지배되는 플라즈마 구속과 독립적으로 조정할 수 있어, 타겟을 균일하게 침식할 수 있고, 폭 방향으로 두께가 균일하게 박막을 형성할 수 있다.

자계 조정 수단으로 이와 같은 효과를 얻을 수 있는 이유는 다음과 같이 생각할 수 있다. 자계 조정 수단을 사용함으로써 마그네트론 모드 자계는 타겟의 중심부로 뻗는다. 따라서, 자계 조정 수단이 설치되는 위치 근방에서 대향 모드 자계와 마그네트론 모드 자계 사이의 상호 작용이 강해진다. 그 결과, 플라스마의 구속이 국소적으로 증가하고, 스퍼터링 속도(즉, 막두께)가 조정된다. 특히 이 효 과는 직사각형 타겟의 길이 방향의 양단부에서 현저하다. 따라서, 본 실시예에서 설명한 바와 같이 자계 조정 수단을 타겟의 중심부 전체를 따라 연장하도록 설치하면 타겟이 균일하게 침식되는 타겟의 길이 방향 부분의 영역이 증가된다. 마그네트론 모드의 자계의 강도를 조정하면, 대향 모드 자계와 마그네트론 모드 자계 사이의 상호작용을 조정할 수 있다. 따라서 스퍼터링 속도를 국부적으로 조정할 수 있다. 마그네트론 모드 자계의 연장 방향, 자계의 연장 정도, 또는 자계의 강도는 스퍼터링 목적에 따라 적절하게 결정된다.

전술한 바와 같이 자계 조정 수단이 구성되는 경우, 타겟 전면은 균일하게 침식된다. 전술한 바와 같이 종래의 대향 타겟식 스퍼터링 장치가 사용되는 경우, 직사각형 타겟의 대각 모서리부의 제1 쌍에 대한 침식의 정도는 타겟의 대각 모서리부의 제2 쌍의 침식의 정도와 약간 차이가 있다. 이와는 대조적으로, 본 실시예의 스퍼터링 장치를 사용하는 경우, 자계 조정 수단에 의해 이러한 차이는 발생하지 않고, 타겟의 이용 효율이 약10% 향상된다. 이 효과는 직접적으로 막 제조 비용의 삭감과 공업 생산 실현에 크게 기여한다.

자계 조정 수단은 마그네트론 모드의 자계 강도만을 조정할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 자계 조정 수단이 요크 수단과 조합하여 사용되는 경우, 자계 조정 수단은 플라스마를 구속하는 대향 모드 자계와 마그네트론 모드 자계의 자속 분포를 최적화 하는 데 놀랄만한 효과를 발휘한다.

전술한 것으로부터 명백한 바와 같이, 자계 조정 수단은 타겟(110a)의 전면 근방에 플라스마를 구속하는 마그네트론 모드의 자계를 조정할 수 있는 것인 한, 특히 한정되지 않는다. 그러므로, 자계 조정 수단은 영구 자석 대신에 고투자율의 자성재 등으로 형성될 수 있다. 자계 조정 수단이 설치되는 위치와 사용되는 자석의 강도는 타겟의 재질 및 타겟 주위에 설치된 구성요소의 배치 및 치수 등을 포함하는 많은 인자에 의해 영향을 받는다. 따라서 자계 조정 수단의 위치 등은 실험 데이터와 이를 사용한 시물레이션에 의해 결정하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 타겟 유닛(100a)의 전부가 지지체 유닛(150a) 상에 설치된다. 타겟 유닛(100a)의 플랜지부(155a)는 전기 절연재, 구체적으로는 내열성 수지로 이루어지는 진공 실링용 O링(117a, 118a)을 통하여 전기 절연재로 이루어지는 부시(도시 생략)와 소정 간격으로 배치된 볼트(112a)에 의해 프레임(71)에 장착된다. 따라서 도 1에 나타낸 바와 같이 타겟 유닛(100a)은 프레임(71)에 전기적으로 절연된 상태로 기밀하게 설치되어 이하에서 설명하는 상자형 유닛(70)이 구성된다.

이 상자형 유닛(70)은 알루미늄으로 이루어지는 직육면체형 프레임(71)을 포함한다. 전술한 바와 같이 타겟 유닛(100a, 100b)은 각각 패킹(156a, 156b)을 통해 프레임(71)의 면(71a, 71b)에 기밀하게 장착되어 프레임(71)과 전기 절연된다.

기판(20)에 대향하는 개구면(71f)을 제외한 면(71c∼71e)에 차폐판(72c∼72e)이 O링(도시 생략)을 통하여 볼트(도시 생략)로 기밀하게 장착된다[면(71c) 및 그에 대응하는 차폐판(72c)은 도시하지 않음]. 차폐판(72c∼72e)은 내열성이 있고 진공 실링할 수 있으면 되고, 그 재료는 특히 한정되지 않으므로, 통상의 구조재로 형설될 수 있다. 본 실시예에서 차폐판(72c∼72e)은 프레임(71) 을 형성하는 데 사용된 알루미늄으로 형성된다. 필요에 따라각 차폐판(72c∼72e)의 외측에 차폐판을 냉각하기 위한 냉각관 등이 설치된다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 상자형 유닛(70)은 대향하는 영구 자석(130a, 130b)의 개방단측 자극을 결합하는 이하에 설명하는 요크 수단을 포함하여 폐쇄 자기 회로를 형성한다. 구체적으로, 요크 수단은 강자성체(본 실시예에서는 철판)로 이루어지는 직사각형 폴부(191a, 191b)와 폴부(191a, 191b)를 자기적으로 연결하는 연결부(192)를 포함한다. 폴부(191a)는 지지 본체부(151a)의 배면 전체를 덮도록 설치되고, 그 위에 타겟 유닛(100a)의 영구 자석(130a)의 고정판(132a) 및 자계 조정 수단인 영구 자석(180a)의 고정판(182a)이 장착되고, 폴부(191b)는 지지 본체부(151b)의 배면 전체를 덮도록 설치되고, 그 위에 타겟 유닛(100b)의 영구 자석(130b)의 고정판(132b) 및 자계 조정 수단인 영구 자석(180b)의 고정판(182b)이 장착된다. 연결부(192)는 개구부를 구비한 철판으로 이루어지며 개구부를 제외한 개구면(71f) 전체를 덮도록 설치된다. 본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 폴부(191a, 191b)의 양 하단부는 연결부(192)에 접속된다. 폴부 (101a, 191b)와 연결부(192)는 영구 자석(1301, 130b)의 자력을 이용하여 충분히 강하게 장착될 수 있다. 그러나 본 실시예에서는 안전면에서 폴부 (101a, 191b)와 연결부(192)는 예를 들어 나사(도시 생략) 등을 이용하여 고정된다.

전술한 스퍼터링 장치에서, 폴부(191a, 191b)는 타겟 유닛(100a, 100b)의 배면과 전기 절연되고, 요크 수단은 연결부(192)에 의해 프레임(71)과 전기적으로 접속된다. 따라서 요크 수단이 전기적으로 접지되는 경우, 상자형 유닛(70)의 진공 챔버(10)의 외부에 있는 모든 면은 접지된다. 본 실시예의 스퍼터링 장치는 안전하고 구성이 간단하며(즉, 판상체의 어셈블리) 현존하는 상자형 유닛에 용이하게 적용될 수 있다. 이 구성은 기판측에의 자계 누설이 감소하므로, 특히 기초층의 손상 방지의 면에서 바람직하다. 본 실시예의 구성에서, 연결부(192)는 프레임(71)에 O링(도시 생략)을 통하여 기밀하게 볼트(도시 생략)로 장착되어, 연결부(192)와 결합된 상자형 유닛(70)은 챔버벽(11)에 O링(도시 생략)을 통하여 기밀하게 고정된다. 외부에의 누설 자계의 감소의 면에서는 본 실시예예와 같이 폴부(191a, 191b)를 유닛(70)의 대응하는 면 전부를 덮는 판상체로 형성하고, 폴부가 설치되는 면 이외의 면에 설치하여, 요크 수단으로 유닛(70)의 면 전부를 덮는 것이 바람직하다. 요크 수단은 영구 자석(130a, 130b)의 대향 자극의 반대쪽인 개방측 대향 자극을 자기적으로 결합할 수 있어 실질적으로 폐쇄 자로를 만들 수 있는 것이면 되고, 특히 한정되지 않는다. 따라서, 폴부와 연결부 모두 반드시 상자형 유닛의 면 전체를 덮을 수 잇는 판상체로형성될 필요는 없고, 자극과 폴부, 또는 폴부와 연결부 사이에 미소한 에어 갭이 있을 수도 있다. 본 실시예에서 연결부(192)는 개구면에 설치되었지만, 개구면이 아닌 다른 면을 따라 설치될 수도 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상자형 유닛(70)은 그 개구부(즉, 프레임(71)의 개구면(71f))가 진공 챔버(10)에 면하도록 요크 수단의 연결부(192)를 통하여 진공 챔버(10)의 챔버벽(11)에 기밀하게 장착된다. 따라서, 진공 챔버(10)는 장착 볼트에 의해 프레임(71)과 전기적으로 접속된다. 본 실시예의 대향 타겟식 스퍼터링 장치는 기판(20)을 반송(convey)하면서 막을 형성하도록 구성된다. 도 1에 도시되지 않았지만, 공지의 기판 공급실과 기판 제거실이 진공 챔버(10)의 위쪽 및 아래쪽에 접속되어, 기판(20)을 반송 롤러(22)에 의해 일정 속도로 반송하면서 막을 형성할 수 있다. 물론, 기판(20)을 상자형 유닛의 개구부 바로 밑에 정지시켜 막을 형성할 수도 있다. 후술하는 실험예에서 막 형성은 기판(20)이 정지된 상태에서 행하였다.

전술한 구성을 갖는 상자형 유닛(70)에서, 대향 타겟(110a, 110b)은 서로 소정 거리 떨어져 배치되고, 플라스마를 구속하는 자계는 도 7에 도시한 종래의 스퍼터링 장치와 같이 형성된다. 따라서 스퍼터링 전원이 양극으로 작용하는 진공 챔버(10)의 챔버벽(11)과 음극으로 작용하는 타겟 유닛 (100a, 100b)에 접속되고, 스퍼터링 전력이 공급되면, 종래의 스퍼터링 장치의 경우와 마찬가지로 타겟의 스퍼터링이 수행된다.

본 실시예의 스퍼터링 장치에서 기판에 면하는 개구면(71f)을 제외한 구속 공간(120)의 모든 측면은 차폐판으로 차페되어 있기 때문에, 스퍼터 입자는 개구부만(즉, 면 71f)을 통해 진공 챔버(10) 내의 기판(20)을 향해 이동한다. 따라서, 종래의 구속 공간의 측면들이 개방된 종래의 측면 개방형 스터링 장치의 경우에 비해 진공 챔버(10) 내에서의 기판 이외에 부분으로의 스퍼터 입자의 비산이 감소되어, 타겟 이용 효율 및 장치의 보전성이 향상된다. 복수의 상자형 유닛(70)이 배치되는 경우라도 수 cm 이상의 간격이 있으면 상자형 유닛간 상호작용을 실질적으로 방지할 수 있어, 콤팩트한 구성의 스퍼터링 장치로 다층막의 형성이 실현될 수 있다. 또, 도 1로부터 명백한 바와 같이, 본 실시예의 스퍼터링 장치에서 스퍼터링 유닛이 상자형의 콤팩트한 구성이며 진공 챔버(10)의 외측에 설치된다. 따라서 기판을 수납하고 반송하기 위한 진공 챔버의 크기는 크게 감소되어 장치의 보전성이 향상된다. 또한, 진공 챔버의 용적이 감소되기 때문에 진공 챔버의 진공 흡인 시간도 감소된다. 즉 설비 가동율이 향상되고, 결과적으로 설비 비용 감소와 생산성 향상을 얻을 수 있다.

본 실시예에서는 요크 수단이 형성된다. 따라서, 전술한 바와 같이 요크 수단이 없는 종래의 스퍼터링 장치의 경우에 비해 대향 모드 자계의 강도가 증가하고, 개구부의 단부로부터 상자형 유닛(70)의 외부에 뻗는 자계의 세기는 감소된다. 이러한 자계의 강도의 변화에 의해 구속 공간 내에서의 플라스마의 구속, 특히 개구부에서의 플라즈마의 구속이 강화되고, 기판에 전자 등을 유도하는 외부로 뻗는 자계 강도가 약해진다. 따라서, 플라스마, 전자 등의 기판에의 누설이 감소되어, 종래의 스퍼터링 장치의 경우에 비해 저온에서의 막 형성이 가능하고, 기초층의 손상이 적은 막 형성이 가능하다. 게다가, 플라스마 구속이 강화되므로 더 한층 고진공에서 막 형성이 수행될 수 있으며, 불순물 함유량이 적은 고품질의 막을 형성할 수 있다.

요크 수단을 포함하는 스퍼터링 장치에서, 타겟면에 평행한 방향을 따라 상자형 유닛(70) 내의 자계 분포(즉, 마그네트론 모드 자계의 분포)는 개구부의 외부로 뻗는 자계의 세기가 저하됨에 따라 변화한다. 본 실시예의 스퍼터링 장치는 마그네트론 모드 자계만을 조정할 수 있는 자계 조정 수단을 포함하기 때문에, 전술 한 자계 분포는 자계 조정 수단, 구체적으로는 영구 자석(180a, 180b)에 의해 조정될 수 있으므로, 자계 분포는 최적화될 수 있다.

전술한 바와 같이, 자계 조정 수단을 요크 수단과 조합하여 사용하는 경우, 플라스마 구속용의 자계 분포를 각종 막의 형성에 적합하도록 조정할 수 있다. 형성하는 막에 따라서는 자계 분포 변화의 영향을 실질적으로 무시할 수도 있고, 이이 경우는 자계 조정 수단에 의한 자계 분포의 조정은 불필요하다. 자계 분포는 형성하는 막에 적합하도록 조정되어야 한다.

통상 실제의 시험 제작 단계에서 자계 분포의 조정은 결정되지만, 시험 데이터를 사용한 시뮬레이션에 기초하여 결정될 수도 있다.

전술한 바와 같이 상자형 유닛에서는 종래의 측면 개방형 스퍼터링 장치의 경우에 비해 유닛의 구속 공간 내에의 전자 구속이 강화된다. 특히 플라스마 구속이 강화되면, 전자의 구속은 현저히 강화되어 개구부로부터의 열전자 누설을 초래한다. 이러한 문제는 금속 산화물 막 등이 반응성 스퍼터링에 의해 형성되는 경우에 두드러지게 분명하였다.

전술한 것으로 인해, 전술한 구성의 실시예의 스퍼터링 장치는 본 발명의 특징인 플라스마 구속 공간으로부터 직접 전자를 흡수하는 보조 전극을 더 포함한다. 보조 전극은 후술하는 바와 같이 설치된다. 본 실시예에서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 보조 전극은 막대형 전극(201)으로 이루어지고, 상자형 유닛의 플라스마 구속 공간 내의 타겟에 평행한 방향으로 연장하는 중심선상 또는 그 중심선의 근방에 설치된다. 구체적으로는 도 5에 나타낸 바와 같이, 막대형 전극(201)은 소정 길 이의 직선으로 뻗는 본체부(201a)와 이것을 지지하는 각부(201b, 201c)를 포함하고, U자형이다. 지지 각부(201b, 201c)는 개구면(71f)에 대면하는 면(71e)을 차폐하는 차폐판(72e)에 장착되며, 본체부(201a)가 소정 위치에 설치될 수 있도록 소정 길이를 갖는다. 구체적으로, 지지 각부(201b, 201c) 각각의 길이는 차폐판(72e)이 프레임(71)에 장착될 때 본체부(201a)가 기판(20)의 공급 방향에 수직인 방향으로 플라스마 구속 공간 내에서 연장하는 전술한 중심선의 근방에 위치하도록 조정된다. 본 실시예에서, 본체부(201a)와 지지 각부(201b, 201c)는 한 개의 연속한 동 파이프로 이루어진다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 지지 각부(201b, 201c)는 차폐판(72e)을 관통하여 외부로 연장하여, 외부로부터 냉각수를 강제 순환시켜 동 파이프를 냉각할 수 있도록 한다. 지지 각부(201b, 201c)는 용접에 의해 차폐판(72e)에의 기밀하게 장착되어 있다.

보조 전극의 크기 및 배치는 특히 한정되지 않는다. 이상의 실시예에서 보조 전극은 열전자를 포함하는 과잉 전자를 흡수하는데 가장 효과적이라고 생각되는 플라스마구속 공간의 중심부에 설치에 설치된다. 하지만 열전자의 효과적인 흡수라는 관점에서는 도 6에 나타낸 것처럼, U자형의 동 파이프로 이루어지는 두 개의 막대형 전극 (202, 203)을 차폐판(72e)의 타겟에 수직 방향의 양단부에 설치하는 것이 바람직하다. 막대형 전극(202)을 구성하는 본체부(202a) 및 각부(202b, 202c)의 길이와, 막대형 전극(203)을 구성하는 본체부(203a) 및 각부(203b, 203c)의 길이는 이들 전극이 열전자의 체류하기 용이한, 타겟 주위를 둘러싸도록 설치된 전자 반사판(171a)의 전면 근방에 위치하도록 조정된다.

이들 보조 전극을 설치하면, 전자가 플라스마 구속 공간 내에 체류할 때 발생하는 발광이 매우 감소하는 것이 확인되었고, 막 형성 과정 동안에 기판의 온도 상승도 억제되는 것이 확인되었다. 또한, 보조 전극이 없는 종래의 스퍼터링 장치를 사용하여 막 형성을 수행한 경우에 비해 전술한 종래의 막형성 조건과 거의 동일한 조건에서 본 실시예의 스퍼터링 장치를 사용하여 막을 형성한 경우, 경우에 따라서는 놀랍게도 결과 막의 품질이 향상되고, 막 형성 속도가 증가된 것을 알았다.

금속 산화물 등의 화합물 박막을 형성하기 위해, 전술한 보조 전극을 포함하는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치로 막을 형성하는 본 발명의 화합물 박막의 제조 방법의 경우, 고품질인 막이 내열성 등이 낮은 폴리에스테르 필름 기판과 같은 유기 필름 기판 등에 기판을 실온 방치한 채로 안정하게 형성될 수 있다.

따라서, 본 발명의 방법은 특히 유기 EL 디바이스 등의 제조에 필요한 유기물층 상에 예를 들어 전극 또는 보호막을 형성하는데 효과적이다. 본 발명의 방법을 효과적으로 적용할 수 있는 전극의 예로는 인듐·주석산화물(ITO) 전극과 산화아연 전극 등을 포함한다. 본 발명의 방법을 효과적으로 적용할 수 있는 보호막의 예로는 산화규소막와 질화규소막 등을 포함한다. 본 발명의 방법을 효과적으로 적용할 수 있는 기판의 예로는 유기물층을 형성한 기판, 폴리에스테르 등으로 이루어진 플라스틱판, 및 플라스틱 필름 등을 포함한다.

본 발명의 방법으로 산화물 박막을 형성하는 경우, 산소 농도를 매우 낮은 수준으로 유지하는 경우에도 고품질의 화합물 막이 형성된다. 본 발명의 방법이 사용되는 경우, 산소 농도가 1용량% 이하로 유지되더라도 충분한 품질의 막이 형성된다. 따라서, 본 발명의 방법은 막 형성하는 과정 중에 사용되는 산소에 의해 유발되는 기초층의 손상 방지와, 기초층 상에 연속적으로 적층되는 층에 대한 기초층의 불리한 영향 방지의 면에서 큰 효과가 있다. 이러한 문제를 방지하는 면에서, 산소의 농도는 1용량% 이하가 바람직하다. 본 발명의 방법은 타겟 산화물을 주성분으로 함유하고 적당한 도전성을 나타내는 스퍼터링 타겟을 사용하는 경우, 투명성 및 도전성이 모두 우수한 막이 비교적 높은 막 형성 속도로 형성될 수 있기 때문에, 투명한 도전성의 산화물 막의 형성에 유리하게 적용될 수 있다.

이하에 설명하는 바와 같이, 본 발명의 제조 방법에 의해 막이 형성되고(작용예), 보조 전극이 없는 종래의 스퍼터링 장치로 막이 형성된다(비교예).

실험예 1

작용예 1에서, 스퍼터링 전원은 직류로, 타겟으로 실리콘 타겟을, 가스로 아르곤, 질소 및 미량의 산소로 이루어진 혼합 가스를 사용하는 조건에서 반응성 스퍼터링에 의해 도 1에 도시한 스퍼터링 장치를 사용하여 유리 기판 상에 미량의 산소를 함유하는 실리콘의 질화물막을 형성하였다. 비교예 1에서, 종래의 보조 전극이 없는스퍼터링 장치(즉, 도 1의 장치의 차폐판(72e)을 보조 전극을 구비하지 않은 판으로 교체하여 제조된 스퍼터링 장치)를 사용하는 것을 제외하고는 작용예 1의 절차를 반복하여 유리 기판 상에 미량의 산소를 함유하는 실리콘의 질화물막을 형성하였다. 작용예 1과 비교예 1 각각에서, 기판에 장착된 열전대를 사용하여 기판 온도를 측정하였다. 형성된 막의 광 투과율은 파장 510nm에서 측정하였고, 표면 전기 저항은 길이 1.5cm의 전극을 각각 1.5cm의 간격으로 막 상에 평행에 배치하여 측정하였으며, 막 두께는 접촉형 두께 계측장치(contact-type thickness meter)를 사용하여 측정하였다. 그 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.

[표 1]

표 1로부터 명백한 바와 같이, 본 발명 방법으로 막을 형성하면 종래의 보조 전극이 없는 종래의 장치를 사용하는 경우에 비해 막 형성 속도는 저하되지만, 기판의 온도 상승은 상당히 억제된다. 기판 온도의 측정 결과는, 본 발명의 방법에 의해 기판을 실온 방치한 채, 즉 기판을 냉각 처리하지 않고도 기판을 전혀 손상시키지 않고 기판으로 작용하는 유기 필름(예: 폴리에스테르 필름) 상에 화합물 박막 을 형성할 수 있음을 나타내고 있다. 따라서, 본 발명 방법은 놀랄 정도로 실용상의 효과를 나타낸다.

실험예 2 및 3

작용예 2에서, 표 2에 나타낸 막 형성 조건 하에서 인듐·주석산화물(ITO) 타겟과 직류 전원(스퍼터링 전원)으로 도 1에 도시한 스퍼터링 장치를 사용하여 유리 기판 상에 ITO막을 형성하였다. 작용예 3에서, 도 1의 장치의 보조 전극을 도 6의 보조 전극으로 바꿔 제조된 스퍼터링 장치를 사용하는 것 이외에는 작용예 2의 절차를 반복하여 유리 기판 상에 ITO막을 형성하였다. 비교예 2에서, 종래의 스퍼터링 장치(즉, 도 1의 장치의 차폐판(72e)을 보조 전극을 구비하지 않은 판으로 교체하여 제조된 스퍼터링 장치)를 사용하고 가스 압력을 표 2에 나타낸 바와 같이 변경하는 것을 제외하고는, 작용예 2의 절차를 반복하여 유리 기판 상에 ITO막을 형성하여 비교하였다. 이렇게 형성된 ITO막들을 서로 비교하였다.

필름 각각에 대한 광 투과율, 표면 전기 저항 및 두께는 작용예 1에서와 동일한 방법으로 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

[표 2]

표 2에 나타낸 바와 같이, 작용예 2의 경우 비교예 2의 경우에 비해 막 형성 과정 동안의 온도 상승이 감소되고, 막형성 속도가 증가되었다. 따라서, 종래의 스퍼터링 장치를 사용하여 형성된 막과 동일한 막 두께를 작용예 2에서 사용된 장치를 사용하여 형성하는 경우, 기판 온도의 상승은 종래의 장치를 사용한 경우에 비해 크게 억제된다. 작용예 2의 막에서는 투명 도전성막의 품질을 결정하는 데 중요한 인자인 광 투과율과 표면 전기 저항은 저하된다. 이러한 품질 열화는 막 형성 속도가 증가된 것에 영향이 있는 것으로 생각된다. 막 품질에 대한 막 형성 속도의 영향은 이하에 설명하는 작용예 4의 결과로부터도 분명하다.

표 2로부터 명백한 바와 같이, 작용예 3의 필름의 광 투과율과 표면 전기 저항은 비교예 2의 경우에 비해 크게 향상되었다. 작용예 3의 경우에 막 형성 과정 동안에 기판 온도 상승은 비교예 2의 경우에 비해 약간 억제되었다. 그러나 기판 온도 상승의 점에서는 작용예 3과 비교예 2 사이에는 큰 차이가 없는 것으로 관찰되었다. 한편, 작용예 3의 경우 막 형성 속도는 비교예 2의 경우에 비해 감소되었다. 표 2로부터 명백한 바와 같이, 작용예 3의 ITO막은 막 두께가 얇은데도 불구하고 낮은 전기 저항, 즉 고품질을 나타낸다.

작용예 1∼3의 결과는 보조 전극에 의해 기판의 온도 상승을 억제할 수 있고, 보조 전극의형상 또는 배치를 변경하면 막 형성 속도를 향상킬 수 있거나 막 품질을 향상시킬 수 있다는 것을 나타낸다. 보조 전극의 구성은 의도하는 목적에 따라 시험 데이터에 기초하여 적절하게 결정된다. 따라서 보조 전극은 스퍼터링의 막 형성 조건을 제어하는 수단으로 사용된다.

실험예 4

작용예 2에서 형성된 막의 품질을 개선하기 위해, 아르곤과 미량의 산소 가스로 이루어진 혼합 가스를 스퍼터링 가스로 사용한다. 작용예 2와 마찬가지 방법으로, 도 1의 장치를 사용하여 유리 기판 또는 두께 40㎛의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름 기판 상에 ITO막을 형성하였다. 필름 각각에 대한 광 투과율, 표면 전기 저항 및 두께는 작용예 1에서와 동일한 방법으로 측정하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.

[표 3]

표 3으로부터 명백한 바와 같이, 스퍼터링 가스에 미량의 산소(0.8%)를 첨가하는 경우, 결과 ITO막의 품질이 개선된다. 즉, 산소 농도가 이처럼 낮은 레벨에서도 스퍼터링 가스는 실질적으로 기초층에 불리한 영향이 없고, ITO막은 충분한 성능을 나타낸다. 역시 표 3으로부터 명백한 바와 같이, PET 필름 상에도 형성된 ITO막도 고품질을 나타낸다. PET 기판 상에 형성된 ITO막의 컬링(curling), 구체적으로 PET 기판이 오그라드는 것과 같은 형태의 PET 기판 및 ITO막의 컬링은 최소 범위로 억제되는 것을 알았다. 또한, ITO막이 PET 필름(즉, 기초층)을 손상시키지 않고 낮은 온도 저항의 PET 필름 상에 형성될 수 있다는 것을 알았다. 작용예 4에 서, 막형성 속도는 작용예 2에 비해 약간 감소된다.

이상 설명한 바와 같이, 보존 전극을 구비한 본 발명의 스퍼터링 장치를 사용하는 경우, 종래의 스퍼터링 장치를 사용하여 필름을 형성하던 조건과 상이한 막 형서 조건에서 고품질의 막을 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 스퍼터링 장치를 사용하면, 막 형성 조건을 의도하는 목적에 따라 유통성 있게 결정할 수 있다. 또한, 본 발명의 스퍼터링 장치는 스퍼터링에 의한 막 형성이 적용되지 않았던 분야에도 적용될할 수 있다.

Claims

상자형 대향 타겟식 스퍼터링 유닛, 및

진공 챔버

를 포함하는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치로서,

상기 스퍼터링 유닛은

6면 중 하나를 개구면으로 하는 직육면체형 프레임, 및

타겟과, 상기 타겟 주위를 둘러싸도록 설치되는 영구 자석으로 이루어지며, 타겟면에 수직 방향으로 뻗는 대향 모드의 자계와 상기 타겟면에 평행한 방향으로 뻗는 마그네트론 모드의 자계를 형성하는 자계 발생 수단을 각각 구비한 한 쌍의 대향 타겟 유닛

을 포함하며,

상기 한 쌍의 대향 타겟 유닛은 상기 개구면에 인접하여 위치한 상기 프레임의 제1 대향면에 설치되고, 상기 프레임의 제2 대향면과 나머지 하나의 면은 차폐되며,

상기 스퍼터링 유닛은 상기 개구면이 상기 진공 챔버 및 상기 진공 챔버 내에 배치된 박막이 형성되는 기판을 향하도록 설치되고,

상기 스퍼터링 유닛 내부에 제공되는 플라스마 구속 공간에 전자를 흡수하는 보조 전극을 더 포함하는

상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
제1항에서,

상기 한 쌍의 대향 타겟 유닛은 각각

중심부에서 상기 타겟을 수용하는 수용부,

상기 수용부를 형성하는 주위 벽 내에 영구 자석을 수납하는 수납부, 및

전자를 반사하는 전자 반사 수단(electron reflection means)

을 구비한 지지체를 포함하고,

상기 전자 반사 수단은 상기 주위 벽의 전단부 또는 상기 전단부의 근방에 배치되는

상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
제2항에서,

상기 보조 전극은 상기 전자 반사 수단의 전방에 설치되는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
제1항에서,

상기 보조 전극은 상기 플라즈마 구속 공간의 중심선 상에 또는 상기 중심선의 근방에 설치되며, 상기 중심선은 상기 타겟에 평행하게 연장되는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
제4항에서,

상기 중심선은 상기 타겟의 긴 쪽 면에 평행한 방향을 따라 연장되는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
제1항에서,

상기 보조 전극은 도전성 재료로 이루어지는 U자형 전극이며, 상기 개구면에 대향하는 면을 차폐하는 차폐판에 장착되는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
제1항에서,

상기 보조 전극은 도전성 재료의 파이프로 이루어지며, 상기 보조 전극을 냉각하기 위해 대응하는 면을 차폐하는 차폐판에 장착되는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
제1항에서,

상기 각 대향 타겟 유닛의 영구 자석의 개방측 대향 자극(magnetic pole)을 자기적으로 결합하는 요크 수단을 더 포함하며, 상기 자극은 상기 대향 타겟 유닛의 외부면에 위치되는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
제8항에서,

상기 요크 수단은 상기 한 쌍의 대향 타겟 유닛의 상기 지지체 상에서

상기 영구 자석의 상기 개방측 자극을 덮도록 설치된, 자성 재료로 이루어지는 폴부, 및

상기 폴부를 자기적으로 결합하도록 상기 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 유닛의 면에 설치된, 자성 재료로 이루어지는 결합부

를 포함하는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
제9항에서,

상기 결합부는 개구부를 구비한 평판으로 이루어지며, 상기 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 유닛의 상기 개구면에 설치되는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
제1항에서,

상기 각 타겟의 후면에 형성되는 마그네트론 모드의 자계를 조정하는 자계 조정 수단을 더 포함하는 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
제11항에서,

상기 자계 조정 수단은 영구 자석인 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
화합물 박막을 형성할 때, 제1항에 기재된 상자형 대향 타겟식 스퍼터링 장치로 상기 박막을 형성하는 화합물 박막의 제조 방법.
제13항에서,

상기 화합물 박막은 산화물 박막 또는 질화물 박막인 화합물 박막의 제조 방법.
제14항에서,

상기 화합물 박막은 산화물 박막이며,

상기 박막은 스퍼터링 가스로 작용하며, 산소가 1 용량% 이하로 함유된 불활성 가스의 존재하에서 상기 박막을 구성하는 산화물을 포함하는 산화물 타겟을 사용하여 형성되는 화합물 박막의 제조 방법.
제15항에서,

상기 산화물 박막은 투명 도전성 박막인 화합물 박막의 제조 방법.
제16항에서,

상기 산화물 박막은 인듐주석 산화물 박막인 화합물 박막의 제조 방법.
제13항에서,

상기 화합물 박막은 질화물 박막이며,

상기 박막은 스퍼터링 가스로 작용하며, 산소가 1용량% 이하로 함유된 질소 함유 불활성 가스 및 질소를 제외한 질화물 구성 원소를 포함하는 타겟을 사용하여 형성되는 화합물 박막의 제조 방법.
제18항에서,

상기 질화물 박막은 실리콘 질화물 박막인 화합물 박막의 제조 방법.
제13항에서,

상기 박막은 상기 기판을 실온에 방치한 상태에서 형성되는 화합물 박막의 제조 방법.
제13항에서,

상기 스퍼터링에 사용되는 전류는 직류인 화합물 박막의 제조 방법.
제13항에서,

상기 박막이 형성되는 상기 기판 또는 상기 기판의 표면층은 유기물로 이루어지는 화합물 박막의 제조 방법.