KR101002052B1 - 마그네트론 스퍼터링 장치 - Google Patents

마그네트론 스퍼터링 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마그네트론 스퍼터링 장치를 제공한다. 본 발명은 반응기 내에 위치하는 기판과, 반응기 내에서 기판에 대향하여 위치하는 타겟과, 타겟의 아래에 위치하고 타겟의 후면 전체에 대응하여 설치되는 회전 자석 셀 블록을 포함한다. 본 발명의 회전 자석 셀 블록은 가로 및 세로 방향의 매트릭스로 배열되는 복수개의 단위 회전 자석 셀 블록들을 포함하고, 단위 회전 자석 셀 블록은 지지부와, 지지부에 설치된 복수개의 회전 수단들과, 회전 수단들과 각각 연결된 복수개의 회전 자석 셀들을 포함하고, 단위 회전 자석 셀 블록에 포함되는 복수개의 회전 자석 셀들은 독립적으로 상기 타겟에 대하여 평행하게 회전할 수 있다.

Description

마그네트론 스퍼터링 장치{Magnetron sputtering apparatus}
본 발명은 박막 형성 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
디스 플레이 장치나 반도체 장치의 박막 제조 공정에 스퍼터링 장치가 사용된다. 스퍼터링 장치는 증착될 금속으로 이루어지는 타겟을 포함한다. 스퍼터링 장치는 플라즈마 내의 이온에 충분한 에너지를 걸어주면 타겟에 충돌되어 타겟으로부터 타겟 원자가 튀어나와, 즉 스퍼터되어 기판에 증착된다.
마그네트론 스퍼터링 장치(또는 마그네트론 스퍼터)는 도 2에 도시한 바와 같이 타겟(10)의 아래에 요크판(11, yoke plate)과 그 위에 자석(12)을 배치하여 자석(12)에서 나오는 자기장을 이용하여 타겟(10) 근처의 플라즈마(16)의 밀도를 높여 스퍼터링 효율을 향상시킨다.
그런데, 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치는 도 2에 도시한 바와 같이 자석(12)이 직선형이나 U자형으로 일렬로 배치된다. 이에 따라, 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치는 도 1에 도시한 바와 같이 타겟(10)의 표면에 형성되는 침식 영역(14)이 레이스 트랙 형태로 발생한다. 다시 말해, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 타겟(10)의 침식 영역(14)이 자석의 N극 및 S극 사이에서 국부적으로 발생한다. 도 2에서, 참조번호 15는 자기력선 라인을 나타낸다.
이렇게 타겟(10)의 침식 영역의 국부적으로 발생하게 되면, 마그네트론 스퍼터링 장치에서 타겟(10)의 두께가 20 내지 30% 줄게 되면 타겟(10)을 교체해야 한다. 타겟(10)을 자주 교체하게 되면 디스 플레이 장치나 반도체 장치의 제조 원가를 올리는 요인이 된다.
특히, 가로 3m 및 세로 3m 정도의 대형 타겟(10)을 이용하여 대형의 유리 기판에 박막을 증착하여 만들어지는 디스플레이 장치, 예컨대 PDP나 LCD 장치에 이용될 때, 대형의 타겟(10)을 자주 교체할 경우 막대한 비용이 발생하게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로써, 타겟을 국부적으로 침식시키지 않아 타겟 수명을 크게 향상시킬 수 있는 마그네트론 스퍼터링 장치를 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 예에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치는 반응기 내에 위치하는 기판과, 반응기 내에서 기판에 대향하여 위치하는 타겟과, 타겟의 아래에 위치하고 타겟의 후면 전체에 대응하여 설치되는 회전 자석 셀 블록을 포함하고, 회전 자석 셀 블록은 가로 및 세로 방향의 매트릭스로 배열되는 복수개의 단위 회전 자석 셀 블록들을 포함하고,
단위 회전 자석 셀 블록은 지지부와, 지지부에 설치된 복수개의 회전 수단들과, 회전 수단들과 각각 연결된 복수개의 회전 자석 셀들을 포함하고, 단위 회전 자석 셀 블록에 포함되는 복수개의 회전 자석 셀들은 독립적으로 타겟에 대하여 평행하게 회전할 수 있다.
회전 자석 셀 블록은 복수개의 단위 회전 자석 셀 블록들을 포함하여 구성되고, 단위 회전 자석 셀 블록은 회전 자석 셀들을 포함하여 이루어질 수 있다.
회전 자석 셀은 회전수단에 연결된 요크판 및 요크판에 부착된 회전 자석 어레이로 이루어질 수 있다. 요크판에는 서로 이격된 회전 자석 어레이들이 부착되어 있을 수 있다. 회전 자석 어레이는 복수개의 자석들로 이루어질 수 있다. 회전 수단은 지지부에 설치된 관통홀과, 관통홀에 설치된 베어링과, 관통홀 및 베어링에 설치된 회전축과, 회전축에 설치된 풀리를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 예에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치는 반응기 내에 위치하는 사각형의 기판과, 반응기 내에서 사각형의 기판에 대향하여 위치하는 사각형의 타겟과, 사각형의 타겟의 아래에 위치하고 타겟의 후면 전체에 대응하여 설치되는 회전 자석 셀 블록을 포함하여 구성된다. 회전 자석 블록은 가로 및 세로 방향의 매트릭스로 배열되는 사각형의 단위 회전 자석 셀 블록들을 복수개 조합하여 구성된다. 단위 회전 자석 셀 블록은 지지부와, 지지부에 설치된 복수개의 회전 수단들과, 회전 수단들과 각각 연결된 복수개의 회전 자석 셀들을 포함하고, 회전 자석 셀들은 독립적으로 상기 타겟에 대하여 평행하게 회전할 수 있다.
단위 회전 자석 셀 블록 내에 포함된 회전 자석 셀들 사이에 대응하는 타겟의 표면은 스퍼터링시 침식 영역(침식 라인)이 위치할 수 있다. 단위 회전 자석 셀 블록 내에 포함된 회전 자석 셀들은 타겟에 대하여 평행하게 독립적으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
본 발명의 마그네트론 스퍼터링 장치는 타겟의 아래에 회전 자석 셀 블록이 위치하고, 회전 자석 셀 블록 내에 포함되는 복수개의 회전 자석 셀들은 각각 독립적으로 타겟에 대하여 평행하게 회전한다. 이에 따라, 본 발명의 마그네트론 스퍼터링 장치는 스퍼터링시 타겟에 균일한 자기력을 인가하여 타겟의 표면 침식을 균일하게 할 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 마그네트론 스퍼터링 장치는 타겟의 수명을 크게 늘릴 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있 으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
본 발명의 마그네트론 스퍼터링 장치는 타겟의 아래에 위치하는 회전 자석 셀 블록을 포함한다. 회전 자석 셀 블록은 복수개의 단위 회전 자석 셀 블록들로 이루어진다. 회전 자석 셀 블록 내에는 복수개의 회전 자석 셀들이 포함되어 있고, 회전 자석 셀들은 독립적으로 타겟에 대하여 평행하게 회전한다.
이와 같이 타겟의 아래에서 회전 자석 셀들을 독립적으로 회전시킬 경우 스퍼터링시 타겟에 자기력을 균일하게 인가할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 회전 자석 셀 블록 상에 위치하는 타겟의 침식 영역을 균일하게 조절할 수 있어 타겟의 수명을 크게 향상시킬 수 있다.
이하에서 본 발명의 마그네트론 스퍼터링 장치(마그네트론 스퍼터)를 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서, 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략적인 단면도이고, 도 4는 도 3의 회전 자석 셀 블록을 도시한 평면도이다.
구체적으로, 본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치는 공정 기체가 유입되는 유입구(18)와 유출구(19)를 구비하는 반응기(20)와, 반응기(20) 내의 타겟 지지부(27)에 증착원이 될 타겟(28)이 장착된 스퍼터링 건(29)을 포함한다. 예컨대, 타겟(28)은 사각형이고, 가로 및 세로 방향으로 각각 3m 및 3m의 대면적으로 구성된다. 그리고, 타겟(28)의 대향면에 기판(24), 예컨대 유리 기판이 기판 지지 대(22)에 위치한다. 기판(24)은 사각형의 유리 기판으로 구성한다.
타겟(28)의 아래에는 타겟(28)에 자기력을 균일하게 제공하도록 부분적으로 또는 독립적으로 타겟(28)에 대하여 평행하게 회전할 수 있는 회전 자석 셀을 포함하는 회전 자석 셀 블록(34)이 위치한다. 회전 자석 셀 블록(34)은 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 가로 및 세로 방향으로 단위 회전 자석 셀 블록(34i, 하나의 회전 자석 블록)을 복수개로 조합하여 구성된다.
회전 자석 셀 블록(34)은 가로 및 세로 방향으로 각각 3m 및 3m의 대면적으로 구성될 수 있다. 단위 회전 자석 셀 블록(34i)은 가로 및 세로 방향으로 각각 30cm 및 30cm로 구성될 수 있다. 회전 자석 셀 블록(34) 및 단위 회전 자석 셀 블록(34i)의 크기는 필요에 따라 더 크게 또는 더 작게 구성할 수 있다. 여하튼, 본 발명의 회전 자석 셀 블록(34)은 대면적으로 구성될 수 있다.
회전 자석 셀 블록(34)은 지지부(30)에 설치된 복수개의 회전 자석 셀들(32)로 구성된다. 도 3에서, 하나의 회전 자석 셀(단위 회전 자석 셀)은 참조번호를 32i로 표시한다. 도 3에서, 지지부(30)는 전체적으로 한 몸체로 되어 있을 수도 있다. 도 3에서는 편의상 단위 지지부(30i)로 구획된 형태로 도시한다. 단위 회전 자석 셀 블록(34i) 내에 포함되는 회전 자석 셀들(32)은 타겟(28)에 대하여 평행하게 개별적으로 또는 독립적으로 회전하여 스퍼터링시 타겟(28)에 균일한 자기력을 제공한다.
스퍼터링 건(29)에 인가 전원을 연결하여 적절한 DC/AC 전력을 공급하면 스퍼터링 건(29)과 기판(24) 사이에 불활성 기체가 전리되면서 플라즈마가 발생하게 된다. 이때, 타겟(28) 아래에 형성된 회전 자석 셀 블록(34)의 회전 자석 셀(32)에 의해 타겟(28)의 표면에 평행한 자기력선 성분이 발생하고, 이에 따라 플라즈마가 집속된다. 이렇게 타겟(28)의 표면에 발생되는 자기력에 의하여 집속된 플라즈마가 타겟(28)의 스퍼터링 효율을 증가시키게 된다.
특히, 본 발명의 마그네트론 스퍼터링 장치는 앞서 설명한 바와 같이 개별적으로 또는 독립적으로 타겟(28)에 대하여 평행하게 회전하는 회전 자석 셀들(32)을 포함하는 회전 자석 셀 블록(34)을 구비하여 타겟(28)에 자기력을 균일하게 제공한다. 따라서, 본 발명의 마그네트론 스퍼터링 장치는 타겟(28)의 침식 영역(침식 라인)을 균일하게 할 수 있어 타겟(28)의 수명을 크게 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치의 단위 회전 자석 셀 블록의 사시도이고, 도 6 및 도 7은 본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치의 단위 회전 셀 블록에 연결된 회전 수단을 도시한 사시도이다.
구체적으로, 본 발명의 단위 회전 자석 셀 블록(34i)은 지지부(30i)에 설치된 회전 수단(38, 40, 42, 44, 46)과, 회전 수단(38, 40, 42, 44, 46)과 연결되어 회전할 수 있는 복수개의 회전 자석 셀들(32)로 구성된다. 도 6 및 도 7에서는 편의상 하나의 회전 자석 셀(32i, 단위 회전 자석 셀)만 도시한다.
회전 수단(38, 40, 42, 44, 46)은 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이 지지부(30i)에 설치된 관통홀(38)과, 관통홀(38)에 설치된 베어링(40)과, 관통홀(38) 및 베어링(40)에 설치된 회전축(42)과, 회전축(42)에 설치된 풀리(44)와, 풀리(44)와 연결된 벨트(46)를 포함한다. 풀리(44)는 도 7에 도시된 바와 같이 벨트(46)에 의하여 모터(48)와 연결된다. 따라서, 회전 자석 셀(32i)은 도 7에 도시한 바와 같이 개별적으로 또는 독립적으로 회전한다.
회전 자석 셀(32, 32i)은 요크판(32a) 및 요크판(32a)에 부착된 회전 자석 어레이(32b, 32c)로 이루어진다. 요크판(32a)에는 서로 이격된 회전 자석 어레이들(32b, 32c)이 부착되어 있다. 회전 자석 어레이(32b, 32c)는 복수개의 자석들(33)로 구성된다. 요크판(32a)은 회전 자석 어레이(32b, 32c)를 지지하고, 회전 자석 어레이(32b, 32c)를 자기적으로 연결시키는 역할을 수행한다. 회전 수단(38, 40, 42, 44, 46)에 의하여 회전 자석 셀들(32, 32i)이 회전된다. 회전 자석 셀들(32, 32i)의 회전에 대하여는 후에 보다 자세하게 설명한다.
도 8 내지 도 10은 본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치의 회전 자석 셀들의 다양한 회전 방식을 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 도 8 및 도 9와, 도 10은 각각 본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치의 단위 회전 자석 셀 블록(34i) 내에 포함되는 회전 자석 셀들(32)의 회전을 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다. 도 8 및 도 9에서는 회전 자석 셀이 편의상 도시되지 않는다. 회전 수단(38, 40, 42, 44, 46) 및 모터(48)에 의하여 회전 자석 셀들(32)이 회전된다. 즉, 회전 수단(38, 40, 42, 44, 46)을 구성하는 벨트(46)에는 모터(48)가 연결된다. 회전 수단(38, 40, 42, 44, 46) 및 모터(48)가 의하여 회전 자석 셀들(32)이 개별적으로 또는 독립적으로 회전된다.
도 8에서는, 하나의 모터(48)를 이용하여 회전 자석 셀들(32)이 회전하는 것을 보여주는 것이다. 도 9에서는 세 개의 모터를 이용하여 회전 자석 셀들(32)이 독립적으로 회전하는 것을 보여주는 것이다. 이외에도 회전 자석 셀들(32)의 회전 방식은 다양하게 구성할 수 있다. 예컨대, 가로 및 세로 방향으로 각각 모터(48)를 별도로 구성하고, 가로 및 세로 방향으로 각각 회전 자석 셀들(32)을 회전시킬 수 도 있다. 다양한 회전 자석 셀들(32)의 회전 방식도 본 발명의 범위 내에 포함된다.
도 11 및 도 12는 본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치의 회전 자석 셀들의 회전 방식 및 이에 따른 침식 라인(침식 영역)의 일 예를 설명하기 위한 평면도이다.
구체적으로, 도 3 및 도 4에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치의 회전 자석 셀 블록(34)은 평면적으로 가로 및 세로 방향으로 10개의 단위 회전 자석 셀 블록들(34i)로 구성된다. 단위 회전 자석 셀 블록(34i) 내에 포함되는 회전 자석 셀들(32)은 타겟에 평행하게 시계 방향 또는 반시계 방향으로 독립적으로 회전시킬 수 있다. 이에 따라, 단위 회전 자석 셀 블록(34i) 내에 포함되는 회전 자석 셀(32)의 회전 자석 어레이(32a, 32b)의 극성에 따라 침식 라인(52, 54)이 다르게 형성된다.
예컨대, 도 11에서 단위 회전 자석 셀 블록(34i)에 포함되는 회전 자석 셀(32)의 회전 자석 어레이(32a, 32b)의 극성에 따라 침식 라인(52)이 세로 방향으로 형성된다. 회전 자석 어레이(32a, 32b)의 N극 및 S극 사이로써 세로 방향으로 침식 라인이 형성된다. 타겟을 고려할 경우, 스퍼터링시 회전 자석 셀들 사이에 대응하는 타겟의 표면에 침식 영역(침식 라인)이 세로 방향으로 위치하게 된다.
그리고, 도 12는 도 11의 회전 자석 셀(32)이 회전하여 회전 자석 어레이(32a, 32b)의 극성이 변경된 경우이다. 도 12에 도시한 바와 같이 침식 라인(54)이 가로 방향으로 형성된다. 타겟을 고려할 경우, 스퍼터링시 회전 자석 셀들 사이에 대응하는 타겟의 표면에 침식 영역(침식 라인)이 가로 방향으로 위치하게 된다. 물론, 도 11 및 도 12에는 도시하지 않았지만 회전 자석 셀(32)의 회전 방향 및 회전 속도에 따라 침식 라인(미도시)이 대각선 방향으로도 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 회전 자석 셀들(32)의 독립적인 회전에 따라 단위 회전 자석 셀 블록들(34i) 상에 위치하는 타겟(28)의 표면에 위치하는 침식 라인(침식 영역, 52, 54)을 다양한 방향으로 위치시킬 수 있다. 다시 말해, 본 발명은 스퍼터링시 타겟(28)의 표면 침식 영역을 균일하게 할 수 있어 타겟(28)의 수명을 크게 할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치의 타겟 침식 영역을 설명하기 위한 도면들이고,
도 3은 본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략적인 단면도이고,
도 4는 도 3의 회전 자석 셀 블록을 도시한 평면도이고,
도 5는 본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치의 단위 회전 자석 셀 블록의 사시도이고,
도 6 및 도 7은 본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치의 단위 회전 셀 블록에 연결된 회전 수단을 도시한 사시도이고,
도 8 내지 도 10은 본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치의 회전 자석 셀들의 다양한 회전 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치의 회전 자석 셀 들의 회전 방식 및 이에 따른 침식 라인(침식 영역)의 일 예를 설명하기 위한 평면도이다.

Claims (10)

  1. 반응기 내에 위치하는 기판;
    상기 반응기 내에서 상기 기판에 대향하여 위치하는 타겟; 및
    상기 타겟의 아래에 위치하고 상기 타겟의 후면 전체에 대응하여 설치되는 회전 자석 셀 블록을 포함하고,
    상기 회전 자석 셀 블록은 가로 및 세로 방향의 매트릭스로 배열되는 복수개의 단위 회전 자석 셀 블록들을 포함하고,
    상기 단위 회전 자석 셀 블록은 지지부와, 상기 지지부에 설치된 복수개의 회전 수단들과, 상기 회전 수단들과 각각 연결된 복수개의 회전 자석 셀들을 포함하고, 상기 단위 회전 자석 셀 블록에 포함되는 복수개의 회전 자석 셀들은 독립적으로 상기 타겟에 대하여 평행하게 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 회전 자석 셀은 상기 회전수단에 연결된 요크판 및 상기 요크판에 부착된 회전 자석 어레이로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 요크판에는 서로 이격된 회전 자석 어레이들이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 회전 자석 어레이는 복수개의 자석들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 회전 수단은 상기 지지부에 설치된 관통홀과, 상기 관통홀에 설치된 베어링과, 상기 관통홀 및 베어링에 설치된 회전축과, 상기 회전축에 설치된 풀리를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  8. 반응기 내에 위치하는 사각형의 기판;
    상기 반응기 내에서 상기 사각형의 기판에 대향하여 위치하는 사각형의 타겟; 및
    상기 사각형의 타겟의 아래에 위치하고 상기 타겟의 후면 전체에 대응하여 설치되는 회전 자석 셀 블록을 포함하고,
    상기 회전 자석 블록은 가로 및 세로 방향의 매트릭스로 배열되는 사각형의 단위 회전 자석 셀 블록들을 복수개 조합하여 구성되고,
    상기 단위 회전 자석 셀 블록은 지지부와, 상기 지지부에 설치된 복수개의 회전 수단들과, 상기 회전 수단들과 각각 연결된 복수개의 회전 자석 셀들을 포함하고, 상기 회전 자석 셀들은 독립적으로 상기 타겟에 대하여 평행하게 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 단위 회전 자석 셀 블록 내에 포함된 회전 자석 셀들 사이에 대응하는 상기 타겟의 표면은 스퍼터링시 침식 영역(침식 라인)이 위치하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 단위 회전 자석 셀 블록 내에 포함된 회전 자석 셀들은 상기 타겟에 대하여 평행하게 독립적으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
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