KR101002204B1 - 마그네트론 스퍼터링 장치 - Google Patents

마그네트론 스퍼터링 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치는 반응기와, 반응기 내부에 배치되고 기판이 장착되는 기판 지지대와, 평판 형상으로 기판 지지대와 대향되게 배치된 스퍼터링 타겟을 구비한다. 그리고 일 방향으로 길게 뻗은 형상으로 스퍼터링 타겟을 사이에 두고 기판 지지대와 마주보게 배치되며, 스퍼터링 타겟 표면에 자계를 발생시키는 마그넷 모듈을 구비한다. 또한, 마그넷 모듈과 마주보는 스퍼터링 타겟의 일면을 따라 마그넷 모듈을 이동시키되, 스퍼터링 타겟이 균일하게 소모되도록 마그넷 모듈이 소정의 구간에 머무르는 시간을 제어하는 마그넷 모듈 구동부를 구비한다. 본 발명에 따르면, 마그넷 모듈 구동부를 통해 스퍼터링시 마그넷 모듈을 소정의 구간에 머무르는 시간을 제어할 수 있게 되어 스퍼터링 타겟이 균일하게 소모된다. 따라서 스퍼터링에 의해 증착되는 박막의 균일도가 향상된다. 그리고 스퍼터링 시 마그넷 모듈에 인가되는 전원을 차단하지 않아도 되어, 전원의 공급 및 차단시 발생하는 스플래시 및 스파크의 발생 문제가 발생하지 않게 된다.
마그네트론, 스퍼터링, 레이스트랙, 플라즈마, 가변모터

Description

마그네트론 스퍼터링 장치{Magnetron sputtering apparatus}
본 발명은 박막 증착 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
스퍼터링은 반도체 집적회로 상에 박막을 증착하는 주된 방법이다. 특히 대면적의 박막을 증착하기 위해서 평면 마그네트론 스퍼터링이 일반적으로 이용되고 있다. 평면 마그네트론 스퍼터링은 평판 형상의 스퍼터링 타겟 후방에 한 쌍의 자극(magnetic pole)들을 가진 마그네트론을 배치시켜 스퍼터링 타겟 전면에 평행한 자계가 생성되도록 한다. 이러한 자계에 의해 마그네트론에 인접한 영역에 고밀도 플라즈마를 형성시킬 수 있어 스퍼터링 속도가 증가하게 된다.
그러나 평면 마그네트론 스퍼터링에서 스퍼터링 타겟 전면의 모든 영역에서 균일한 자계가 형성되지 않으므로, 소위 레이스트랙(racetrack)이라 불리는 홈(trench)이 형성된다. 스퍼터링 공정이 진행되면 레이스트랙이 점점 커져 스퍼터링 타겟의 일정 부분이 모두 스퍼터링되어 소모되면, 다른 부분에 충분한 스퍼터링 물질이 존재하더라도 더 이상 스퍼터링 타겟을 사용할 수 없게 된다. 이와 같은 이유로 인해 스퍼터링 타겟의 사용율이 40%를 넘지 않게 되어, 스퍼터링 타겟 비용이 증가할 뿐만 아니라 잦은 스퍼터링 타겟의 교체로 공정 시간의 증가 등의 문제도 야기된다. 또한 불균일한 자계에 의해 박막의 균일도가 저하되는 문제점도 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 스퍼터링 타겟 후방에 배치된 마그넷 모듈을 이동시켜서 균일한 자계를 형성하고자 하는 연구가 되고 있다. 이를 설명하기 위한 도면이 도 1이다.
도 1은 종래의 마그넷 모듈을 이동시키면서 스퍼터링하는 마그네트론 스퍼터링 장치에 있어서, 스퍼터링 타겟의 후방을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 스퍼터링 타겟(10) 후방에 바(bar) 형상의 마그넷 모듈(20)이 배치되고, 마그넷 모듈(20)은 리드 스크류(30)와 결합부재(40)를 통해 연결된다. 그리고 리드 스크류(30)는 정역회전하는 모터(50)에 연결되어 참조번호 60으로 표시된 화살표와 같이 마그넷 모듈(20)을 마그넷 모듈(20)의 길이방향과 수직한 방향으로 이동시킨다.
도 2는 마그넷 모듈의 시간에 따른 속도를 나타낸 도면이다. 여기서 양(+)의 속도는 도 1의 마그넷 모듈(20)이 오른쪽에서 왼쪽 방향으로 이동하는 것을 의미하고, 음(-)의 속도는 도 1의 마그넷 모듈(20)이 왼쪽에서 오른쪽 방향으로 이동하는 것을 의미한다.
도 2를 참조하면, 0에서 t3 시간까지는 도 1의 오른쪽에서 왼쪽방향으로 마그넷 모듈(20)이 도 1의 오른쪽에서 왼쪽 방향으로 이동하고, t3 시간에서 t6 시간까지는 도 1의 왼쪽에서 오른쪽 방향으로 이동한다. 이때, 마그넷 모듈(20)이 스퍼 터링 타겟(10)의 중앙부분을 움직이는 시간(t1과 t2 사이 및 t4와 t5 사이) 동안에는 일정한 속도로 마그넷 모듈(20)이 이동한다. 그러나 마그넷 모듈(20)이 스퍼터링 타겟(10)의 양단부를 움직이는 구간(0과 t1 사이, t2와 t4 사이 및 t5와 t6 사이) 동안에는 감속된 속도로 마그넷 모듈(20)이 이동한다. 이는 모터(50)가 스퍼터링 타겟(10)의 양단부에서 정회전(또는 역회전)되다가 역회전(또는 정회전)되는데 이를 위해서는 모터(50)의 감속이 필요하기 때문이다. 이와 같이 마그넷 모듈(20)이 스퍼터링 타겟(10)의 양단부에서는 감속되므로 마그넷 모듈(20)이 스퍼터링 타겟(10)의 양단부에 위치하는 시간이 길어진다.
도 3은 상술한 방법으로 마그넷 모듈(50)을 이동시키면서 마그네트론 스퍼터링하였을 때의 스퍼터링 타겟(10)의 위치에 따른 자계의 세기와 스퍼터링 타겟(10)의 잔존량을 나타낸 도면이다. 도 3의 x축은 스퍼터링 타겟(10)의 위치를 나타낸 것으로서 0 부근이 스퍼터링 타겟(10)의 중심부이고 양쪽이 스퍼터링 타겟(10)의 주변부에 해당한다.
도 3을 참조하면 참조번호 110으로 표시된 그래프가 자계의 세기를 나타낸 것이고, 참조번호 120으로 표시된 그래프가 스퍼터링 타겟(10)의 잔존량을 나타낸 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이 자계의 세기는 중앙부(150)가 약하고 양단부(130, 140)가 큼을 알 수 있다. 이에 따라 스퍼터링 타겟(10)의 중심부(180)가 스퍼터링이 활발하지 않아 상대적으로 덜 소모되고, 주변부(160, 170)가 많이 스퍼터링 되어 상대적으로 많이 소모되었음을 알 수 있다. 이는 마그넷 모듈(20)이 스 퍼터링 타겟(10)의 양단부에 오랜 시간 동안 머무르기 때문이다.
이를 해결하기 위해서는 마그넷 모듈(20)이 스퍼터링 타겟(10)의 양단부로 이동되었을 때, 마그넷 모듈(20)에 의해 인가되는 자계를 감소시키기 위해 마그넷 모듈(20)에 인가되는 전원을 차단한다. 그리고 다시 마그넷 모듈(20)이 이동할 때 전원을 공급하는 과정을 반복하는 방식으로 마그네트론 스퍼터링 할 수 있다. 그러나 전원을 차단하게 되면 전원의 차단으로 인한 기판 에치부의 효율이 떨어지는 문제가 있으며, 전원을 재공급시 스플래시 및 스파크의 발생으로 인해 박막의 물성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 스퍼터링시 스퍼터링 타겟의 위치에 따라 사용량이 균일하게 되는 마그네트론 스퍼터링 장치를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치는 반응기; 상기 반응기 내부에 배치되고, 기판이 장착되는 기판 지지대; 평판 형상으로 상기 기판 지지대와 대향되게 배치된 스퍼터링 타겟; 일 방향으로 길게 뻗은 형상으로 상기 스퍼터링 타겟을 사이에 두고 상기 기판 지지대와 마주보게 배치되며, 상기 스퍼터링 타겟 표면에 자계를 발생시키는 마그넷 모듈; 상기 마그넷 모듈과 마주보는 상기 스퍼터링 타겟의 일면을 따라 상기 마그넷 모듈을 이동시키되, 상기 스퍼터링 타겟이 균일하게 소모되도록 상기 마그넷 모듈이 소정의 구간에 머무르는 시간을 제어하는 마그넷 모듈 구동부;를 구비한다.
본 발명에 따르면, 마그넷 모듈 구동부를 통해 스퍼터링시 마그넷 모듈을 소정의 구간에 머무르는 시간을 제어할 수 있게 되어 스퍼터링 타겟이 균일하게 소모된다. 따라서 스퍼터링에 의해 증착되는 박막의 균일도가 향상된다. 그리고 스퍼터링 시 마그넷 모듈에 인가되는 전원을 차단하지 않아도 되어, 전원의 공급 및 차단시 발생하는 스플래시 및 스파크의 발생 문제가 발생하지 않게 된다. 또한, 마그넷 모듈에 구비되는 주변 마그넷을 마그넷 모듈의 길이방향의 중앙부는 중심 마그넷과 가깝게 배치하고 주변부는 멀게 배치하여 스퍼터링 타겟 표면에 발생하는 자계가 균일하게 된다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치에 대한 바람직한 일 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치(200)는 반응기(210), 기판 지지대(220), 스퍼터링 타겟(230), 마그넷 모듈(240) 및 마그넷 모듈 구동부(250)를 구비한다.
반응기(210)는 바닥부(211), 측벽부(212), 백킹 플레이트(backing plate)(213), 절연부(214)를 구비한다. 바닥부(211)는 판상으로 이루어져 있고, 측벽부(212)는 바닥부(211)의 가장자리로부터 상방으로 수직하게 연장 형성되어 폐곡면 형상으로 이루어져 있다. 그리고 측벽부(212)에는 기판(w)이 출입하는 기판(w) 이송통로(도면 미도시)가 형성되어 있으며 전지적으로 절연된다. 백킹 플레이트(213)는 판상으로 이루어져 측벽부(212)의 상면 상방에 배치되며, 후술할 스퍼터링 타겟(230)이 부착되도록 한다. 그리고 백킹 플레이트(213)는 백킹 플레이 트(213)에 부착된 스퍼터링 타겟(230)을 냉각시키는 수단을 구비하고, 플라즈마를 발생시키기 위한 DC 또는 RF 파워와 연결될 수 있다. 절연부(214)는 절연체로 이루어져 있으며, 백킹 플레이트(213)와 측벽부(212)의 상면을 결합시켜 반응기(210)가 실링되도록 한다. 그리고 반응기(210) 내부에 잔존하는 불필요 가스 및 파티클을 배출하기 위한 배기구(도면 미도시)가 바닥부(211) 또는 측벽부(212)에 마련되어 있다.
기판 지지대(220)는 반응기(210) 내부에 배치되며, 기판(w)이 장착되고 기판(w)이 고정될 수 있도록 지지하는 수단을 구비한다. 기판 지지대(220)에는 플라즈마 발생을 위한 전원(도면 미도시)이 연결된다. 이때 전원은 DC 또는 RF 파워일 수 있다.
스퍼터링 타겟(230)은 사각판 형상으로 백킹 플레이트(213)에 부착되어 기판 지지대(220)에 대향되도록 배치된다. 스퍼터링 타겟(230)은 Al, Ti, Mo 또는 ITO와 같은 증착물질로 이루어지며, 인듐이나 주석 등의 본딩제를 이용하여 백킹 플레이트(213)에 부착된다. 그리고 스퍼터링 타겟(230)의 주위에는 플라즈마를 안정되게 발생시키기 위하여, 스퍼터링 타겟(230) 주위를 둘러싸도록 어스 실드(earth shield)(도면 미도시)가 설치된다.
마그넷 모듈(240)은 일 방향으로 길게 뻗은 형상으로 스퍼터링 타겟(230)을 사이에 두고 기판 지지대(220)와 마주보게 배치되며, 스퍼터링 타겟(230) 전면에 자계를 발생시킨다. 스퍼터링 타겟(230), 기판(w) 및 마그넷 모듈(240)의 배치 및 상대적인 크기를 도 5에 개략적으로 나타내었다.
도 5를 참조하면, 스퍼터링 타겟(230)은 기판(w)보다 크게 형성되고, 백킹 플레이트(213)는 스퍼터링 타겟(230)보다 크게 형성된다. 마그넷 모듈(240)의 길이방향의 길이는 마그넷 모듈(240)의 길이방향에 대응되는 기판(w)의 길이보다는 길고, 스퍼터링 타겟(230)의 길이보다는 짧게 되도록 한다. 그리고 마그넷 모듈(240)은 후술할 마그넷 모듈 구동부(250)에 의해 도 5의 화살표와 같이 마그넷 모듈(240)의 길이방향과 직교하는 평면상에서 이동된다.
마그넷 모듈(240)의 개략적인 구성을 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 마그넷 모듈(240)은 마그넷 지지판(241), 중심 마그넷(243) 및 주변 마그넷(242)을 구비한다. 마그넷 지지판(241)은 스퍼터링 타겟(230)의 표면에 평행하게 일 방향으로 길게 뻗은 형상으로 형성된다. 중심 마그넷(243)은 도 6에 도시된 바와 같이 마그넷 지지판(241)의 중심부분에 스퍼터링 타겟(230)을 향하여 마그넷 지지판(241)의 길이방향으로 배열되도록 부착된다. 중심 마그넷(243)은 마그넷 지지판(241)과 접하는 부분이 N극이 되고, 스퍼터링 타겟(230)을 향한 부분이 S극이 되도록 부착된다.
주변 마그넷(242)은 마그넷 지지판(241)의 주변부분에 스퍼터링 타겟(230)을 향하여 부착된다. 그리고 주변 마그넷(242)은 도 6에 도시된 바와 같이 중심 마그넷(243)과 일정 거리 이격되어 중심 마그넷(243)을 둘러싸도록 마그넷 지지판(241)에 배치된다. 주변 마그넷(242)은 마그넷 지지판(241)과 접하는 부분이 S극이 되고, 스퍼터링 타겟(230)을 향한 부분이 N극이 되도록 부착된다. 스퍼터링 타겟(230)의 전면에 발생되는 자계의 세기가 균일하게 되도록 중심 마그넷(242)과 주 변 마그넷(243)은 동일한 크기의 자계를 가지며 동일한 크기인 마그넷이 이용된다.
다만, 동일한 크기이며 동일한 크기의 자계를 갖는 마그넷이 중심 마그넷(242)과 주변 마그넷(243)에 이용되더라도 완전하게 동일한 자계를 갖는 마그넷이 이용되기 어렵기 때문에 마그넷의 위치에 따라 발생되는 자계의 차이가 존재할 수 있다. 이를 해결하기 위해 마그넷 모듈(240)의 길이방향의 길이는 마그넷 모듈(240)의 길이방향에 대응되는 스퍼터링 타겟(230)의 길이보다 주변 마그넷(242)의 두 개 정도 짧게 마그넷 모듈(240)을 형성함이 바람직하다. 마그넷 모듈(240)의 길이방향의 길이를 이와 같이 설정하고, 마그넷 모듈(240)을 마그넷 모듈(240)의 길이방향으로 요동시키면, 스퍼터링 타겟(230)의 임의의 위치에 하나 이상의 주변 마그넷(242)과 중심 마그넷(243)이 대응되므로 각각의 마그넷의 자계의 차이로 인하여 발생하는 자계의 차이가 감소하게 된다.
그러나 주변 마그넷(242)을 도 6에 도시된 바와 같이 배치하게 되면, 마그넷 지지판(241)의 양단부에 배치된 주변 마그넷(242a)에 의해 마그넷 모듈(240)의 양단부에서 발생되는 자기력선속의 밀도가 마그넷 모듈(240)의 중앙부에서 발생되는 자기력선속의 밀도보다 크게 된다. 따라서 스퍼터링 타겟(230)의 전면에 발생되는 자계의 크기가 스퍼터링 타겟(230)의 위치에 따라 달라질 수 있다. 이를 해결하기 위한 마그넷 모듈(240)의 구조를 도 7에 나타내었다.
도 7에 도시된 마그넷 모듈(240')은 도 6에 도시된 마그넷 모듈(240)과 그 구성이 대부분 유사하다. 다만 주변 마그넷(244)의 배치가 다르다. 도 7에 도시된 바와 같이, 주변 마그넷(244)은 마그넷 지지판(241')의 길이방향의 중앙부에서는 중심 마그넷(243')과 가깝게 배치되고 마그넷 지지판(241')의 길이방향의 중앙부에서 주변부로 갈수록 중심 마그넷(243')과 멀게 배치된다. 이와 같이 주변 마그넷(244)를 배치하게 되면, 마그넷 지지판(241')의 양단부에 배치된 주변 마그넷(244a)에 의해 마그넷 모듈(240)의 양단부에서 발생되는 자기력선속의 밀도와 마그넷 모듈(240)의 중앙부에서 발생되는 자기력선속의 밀도의 차이가 크지 않게 된다. 주변 마그넷(244)의 배치를 적절히 조절하면 그 차이를 더욱 좁힐 수 있다. 따라서 스퍼터링 타겟(230)의 전면에 발생되는 자계의 크기가 스퍼터링 타겟(230)의 위치에 따라 거의 유사하게 조절하는 것이 가능하게 된다.
마그넷 모듈 구동부(250)는 마그넷 모듈(240)과 마주보는 스퍼터링 타겟(230)의 일면을 따라 마그넷 모듈(240)을 이동시킨다. 이때 마그넷 모듈 구동부(250)는 스퍼터링 타겟(230)이 균일하게 소모되도록 마그넷 모듈(240)이 소정의 구간에 머무르는 시간을 제어한다. 그리고 마그넷 모듈 구동부(250)는 마그넷 모듈(240)이 스퍼터링 타겟(230)의 표면과 평행한 평면 상에서 마그넷 모듈(240)의 길이방향과 평행한 방향 및 직교하는 방향으로 동시에 이동되도록 할 수 있다. 그리고 마그넷 모듈 구동부(250)는 스퍼터링 타겟(230)의 중앙부 구간에서 마그넷 모듈(240)의 이동속력 이상의 속력으로 마그넷 모듈(240)이 스퍼터링 타겟(230)의 주변부 구간을 통과하도록 할 수 있다.
마그넷 모듈 구동부(250)의 상세한 구성을 도 8 및 도 9에 나타내었다.
도 8은 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치에 구비되는 마그넷 모듈 구동부를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ 단면도이다.
도 8을 참조하면, 마그넷 모듈 구동부(250)는 제1구동유닛(710)을 구비한다.
제1구동유닛(710)은 마그넷 모듈(240)을 마그넷 모듈(240)의 길이방향과 직교하는 방향, 즉 도 8의 Y축 방향으로 이동시키기 위한 것이다. 제1구동유닛(710)은 제1프레임(720)과, 제1모터(730)와, 제1구동스프로킷(740)과, 제1종동스프로킷(745)과, 제1체인(750)과, 제1보조스프로킷(760)과, 제2보조스프로킷(765)과, 제2체인(780)과, 전달유닛(790)과, 보조전달유닛(795)을 포함한다.
제1프레임(720)은 전체적으로 직사각형 형상으로 형성되며, 마그넷 모듈(240)을 사이에 두고 스퍼터링 타켓(230)의 반대측에 배치된다.
제1모터(730)는 제1프레임(720)에 결합된다. 특히, 본 실시예의 경우 제1모터(730)는 후술하는 바와 같이 제1체인(750)의 회전속도를 변화시켜주기 위하여, 출력축의 회전속도를 변화시킬 수 있는 가변모터가 채용된다.
구동스프로킷(740)은 제1모터(730)의 출력축에 결합되며, 제1모터(730)의 구동시 출력축과 함께 회전한다.
종동스프로킷(745)은 구동스프로킷(740)과 Y축 방향으로 이격되게 배치되며, 제1프레임(720)에 회전가능하게 결합된다.
제1체인(750)은 구동스프로킷(740) 및 종동스프로킷(745)을 함께 감싸도록 결합되며, Y축 방향으로 길게 배치된다. 제1체인(750)은 구동스프로킷(740)의 회전시, 구동스프로킷(740)의 회전 구동력을 종동스프로킷(745)으로 전달하며, 구동스프로킷(740) 및 종동스프로킷(745)의 둘레를 따라 순환한다.
제1보조스프로킷(760)은 구동스프로킷(740)과 마그넷 모듈(240)의 길이방향, 즉 X축 방향으로 이격되게 배치된다. 제1보조스프로킷(760)은 제1프레임(720)에 회전가능하게 결합된다.
제2보조스프로킷(765)은 제1보조스프로킷(760)과 Y축 방향으로 이격되게 배치되며, 제1프레임(720)에 회전가능하게 결합된다.
제2체인(780)은 제1보조스프로킷(760) 및 제2보조스프로킷(765)을 함께 감싸도록 결합되며, Y축 방향으로 길게 배치된다.
전달유닛(790)은 마그넷 모듈(240)이 제1체인(750)이 결합되어 있는 형상에 대응되는 이동경로를 따라 순환하도록 하기 위한 것으로, 제1고정부재(791)와, 제2고정부재(792)를 포함한다. 도 9는 전달유닛(790)을 개략적으로 나타낸 분리 사시도이다.
도 9를 참조하면, 제1고정부재(791)는 제1체인(750)의 외측면에 결합되며, 중공부(870)와, 관통공(880)을 가진다. 중공부(870)는 원통 형상으로 제1고정부재(791)의 내부에 형성된다. 관통공(880)은 중공부(870)와 제1고정부재(791)의 일측면을 관통하며 형성된다. 제2고정부재(792)는 디스크부(890)와, 연결부(893)와, 고정부(896)를 가진다. 디스크부(890)는 중공부(870)의 형상에 대응되는 원통 형상으로 형성되며, 제1고정부재(791)의 중공부(870)에 배치된다. 디스크부(890)는 중공부(870) 내에서 마그넷 모듈(240)의 길이방향 및 제1체인(750)의 길이방향과 직교하는 방향, 즉 Z축이 회전축이 되도록 한다. 연결부(893)는 디스크부(890)의 일측면으로부터 Z축 방향으로 연장 형성되며, 관통공(880)에 끼워져 배치된다. 고정부(896)는 연결부(893)의 일측면으로부터 Z축 방향으로 연장 형성되며, 그 단부는 마그넷 모듈(240)에 고정된다.
보조전달유닛(795)은 제1보조고정부재(796)와, 제2보조고정부재(797)를 포함한다. 제1보조고정부재(796)는 제2체인(780)의 외측면에 결합되며, 그 세부적인 구성은 전달유닛(790)의 제1고정부재(796)와 동일하다. 제2보조고정부재(797)는 제1보조고정부재(796)에 대하여 Z축이 회전축이 되도록 회전가능하게 결합되며, 그 일단부는 마그넷 모듈(240)에 고정된다. 제2보조고정부재(797)의 세부적인 구성은 전달유닛(790)의 제2고정부재(792)와 동일하다.
상술한 바와 같이 구성된 제1구동유닛(710)에 있어서, 제1모터(730)를 참조번호 A로 표시된 화살표 방향으로 구동하면 이에 연결된 구동스프로킷(740)이 회전하고 이에 따라 제1체인(750)이 구동스프로킷(740) 및 종동스프로킷(745) 둘레를 따라 참조번호 B로 표시된 화살표 방향으로 순환하게 된다. 이와 같이, 제1체인(750)이 순환하면, 이에 결합된 전달유닛(790) 및 마그넷 모듈(240)이 이동하게 된다. 그리고 마그넷 모듈(240)이 이동함에 따라 마그넷 모듈(240)에 고정된 보조전달유닛(795)도 함께 이동하게 되는데, 이때, 전달유닛(790)의 제2고정부재(792)와 보조전달유닛(795)의 제2보조고정부재(797)가 일정한 간격으로 마그넷 모듈(240)에 고정되어 있으므로, 마그넷 모듈(240)은 그 길이방향, 즉 X축 방향에 대해 평행한 상태를 유지하면서 이동하게 된다.
한편, 마그넷 모듈(240)이 구동스프로킷(740) 및 제1보조스프로킷(760) 위치까지 이동한 후에는, 제1고정부재(791) 및 제1보조고정부재(796)는 각각 구동스프로킷(740) 및 제1보조스프로킷(760)을 따라 회전하게 된다. 이때, 앞서 설명한 바 와 같이 제2고정부재(792)와 제2보조고정부재(797)가 일정한 간격으로 마그넷 모듈(240)에 고정되어 있으므로, 제1고정부재(791)와 제2고정부재(792) 및 제1보조고정부재(796)와 제2보조고정부재(797) 사이에 상대회전이 발생하게 되며, 마그넷 모듈은 X축 방향에 대해 평행한 상태를 유지하면서 구동스프로킷(740) 및 제1보조스프로킷(760)을 따라 선회한 후 다시 이동하게 된다.
한편, 마그넷 모듈 구동부(250)는 마그넷 모듈(240)을 그 길이방향 즉 X축 방향으로 직선이동시키기 위한 수단을 더 구비할 수 있다. 이러한 구성을 도 10 및 도 11에 나타내었다.
도 10은 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치에 구비되는 마그넷 모듈 구동부에 대한 바람직한 다른 실시예를 나타낸 도면이고, 도 11은 도 10의 ⅩⅠ-ⅩⅠ 사시도이다.
마그넷 모듈 구동부(250)는 상술한 제1구동유닛(710)과 제2구동유닛(810)을 포함한다. 제2구동유닛(810)은 제1구동유닛(710)을 사이에 두고 마그넷 모듈(240)의 반대측에 배치된다. 그리고 제1구동유닛(710)과 제2구동유닛(720)을 연결하기 위해, 마그넷 모듈 구동부(250)는 지지부재(860)와 결합부재(865)를 구비한다. 지지부재(860)는 Y축 방향으로 길게 형성된 평판 형상으로 제1프레임(720)과 연결된다. 그리고 결합부재(865)는 지지부재(860)을 사이에 두고 제1프레임(720)의 반대편에 배치되며, 결합부재(865)의 일면은 지지부재(860)의 일면과 연결되며, 결합부재(865)의 타면은 제2구동유닛(810)과 결합된다. 이와 같이 지지부재(860)와 결합부재(865)에 의해 제1구동유닛(710)과 제2구동유닛(810)이 결합되어 제2구동유 닛(810)의 구동에 의해 제1구동유닛(710)이 이동하게 된다.
제2구동유닛(810)은 제2프레임(820)과, 제2모터(830)와, 리드 스크류(840)와, 너트(850)를 구비한다.
제2프레임(820)은 X축 방향으로 길게 형성되며, 제1프레임(720)을 사이에 두고 마그넷 모듈(240)의 반대측에 배치된다. 제2모터(830)는 제2프레임(820)의 일측 단부에 결합된다. 리드 스크류(840)는 X축 방향으로 길게 형성되며, 제2프레임(820)의 내부에 배치된다. 리드 스크류(820)는 제2모터(830)의 출력축에 결합되며, 출력축과 함께 제2프레임(820)에 대하여 회전한다. 너트(850)는 제2프레임(820)의 내부에 배치되며, 리드 스크류(840)에 끼워져 결합된다. 너트(850)는 리드 스크류(840)의 회전시 제2프레임(820)을 따라 X축 방향으로 직선이동된다. 그리고 너트(850)는 제2프레임(820)에 고정되어 있어, 도 11에 도시된 화살표와 같이 너트(850)의 직선이동시 결합부재(865) 및 지지부재(860)이 X축 방향으로 직선이동되고, 지지부재(860)에 결합된 제1구동유닛(710) 및 제1구동유닛(710)에 결합된 마그넷 모듈(240)이 함께 X축 방향으로 직선이동된다.
도 12 내지 도 14는 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치에 구비된 마그넷 모듈이 스퍼터 영역을 스캔하는 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 마그넷 모듈 구동부(250)가 제1구동유닛(710)만을 구비한 경우에 마그넷 모듈(240)이 이동하는 경로를 나타낸 도면이다. 도 12를 참조하면, 마그넷 모듈(240)은 참조번호 910으로 표시된 경로를 따라 스퍼터링 되는 전 영역을 스캔한다. 시간에 따라 마그넷 모듈은 참조번호 240으로 표시된 위치에서 참조번호 240a 및 참조번호 240b로 표시된 위치로 이동하게 된다.
도 13 및 도 14는 마그넷 모듈 구동부(250)가 제1구동유닛(710) 및 제2구동유닛(720)을 모두 구비한 경우 마그넷 모듈(240)이 이동하는 경로를 나타낸 도면이다. 이때 마그넷 모듈(240)의 길이방향의 길이는 상술한 바와 같이 마그넷 모듈(240)의 길이방향에 대응되는 스퍼터링 타겟(230)의 길이보다 주변 마그넷(242)의 두 개 정도 짧게 형성될 수 있다. 그리고 제1구동유닛(710)과 제2구동유닛(720)의 움직임을 적절히 조절하면 도 13의 참조번호 920으로 표시된 경로나 도 14의 참조번호 930으로 표시된 경로로 이동할 수 있다.
도 13의 경우는 시간에 따라 마그넷 모듈이 참조번호 240으로 표시된 위치에서 참조번호 240c 및 참조번호 240d로 표시된 위치로 이동하게 되고, 도 14의 경우는 시간에 따라 마그넷 모듈이 참조번호 240으로 표시된 위치에서 참조번호 240e 및 참조번호 240f로 표시된 위치로 이동하게 된다. 즉 마그넷 모듈(240)은 도 13의 참조번호 920으로 표시된 경로와 같이 일정한 주기를 갖고 스퍼터 영역을 스캔하거나 도 14의 참조번호 930으로 표시된 경로와 같이 주기를 변화하면서 스퍼터 영역을 스캔할 수 있다.
도 12 내지 도 14의 경우 모두 마그넷 모듈(240)은 도 8의 제1구동유닛(710)에 구비된 제1모터(730)의 회전에 의해 왕복운동을 하게 된다. 시간에 따른 제1모터(730)의 회전속도의 바람직한 일 예를 도 15에 나타내었다.
도 15를 참조하면, 제1모터(730)의 회전속도는 모두 양의 값을 갖는 것을 알수 있다. 따라서 제1모터(730)는 한 방향으로만 계속하여 회전할 뿐 정역회전하지 않는다. 종래에는 마그넷 모듈(240)을 왕복운동시키기 위해서는 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 같이 모터의 정역회전을 이용하였다. 따라서 마그넷 모듈(240)이 방향을 바꾸어 이동할 때에 모터의 감속이 필수적이었고 이에 따른 많은 문제점이 발생하였다. 그러나 본 발명의 경우에는 도 15에 도시된 바와 같이 모터의 정역회전 없이 일정한 방향으로 회전하게 되므로 모터의 감속 없이 마그넷 모듈(240)을 왕복운동시킬 수 있다. 따라서 모터의 감속에 따른 제반 문제점이 발생하지 않게 된다.
그리고 도 15에 도시된 바와 같이 모터의 회전속도가 변하는 가변모터를 제1모터(730)로 이용하게 되면, 마그넷 모듈(240)이 소정의 구간에 머무르는 시간을 제어할 수 있게 된다. 여기서 스퍼터 영역을 1회 스캔하는 시간은 t1에서 t5 시간에 해당한다. 그리고 소정의 구간(t1과 t2 사이 및 t3과 t4 사이)에서는 평균 속도보다 더 큰 속도로 제1모터(730)를 회전시킬 수 있다. 이를 이용하면 스퍼터링 타겟(230)이 균일하게 소모되도록 제어할 수 있다. 즉 사전에 마그넷 모듈(240)의 이동에 따른 자계의 변화를 측정하여 자계가 큰 구간은 마그넷 모듈(240)이 머무르는 시간을 짧게 제어하고, 자계가 작은 구간은 마그넷 모듈(240)이 머무르는 시간을 길게 제어할 수 있다. 그리고 실시간으로 스퍼터링 타겟(230)의 소모량을 측정하여 스퍼터링 타겟(230)이 많이 소모된 구간에서는 마그넷 모듈(240)이 머무르는 시간을 짧게 제어하고, 스퍼터링 타겟(230)이 적게 소모된 구간에서는 마그넷 모듈(240)이 머무르는 시간을 길게 제어하여 전체적으로 균일하게 스퍼터링 타겟(230)이 소모되게 할 수 있다.
일반적으로 스퍼터링 타겟(230)의 주변부의 자계가 크므로 스퍼터링 타겟(230)의 중앙부 구간에서의 마그넷 모듈(240)의 이동속도 이상으로 스퍼터링 타겟(230)의 주변부 구간을 통과시킬 수 있다. 특히 기판(w) 외부와 스퍼터링 타겟(230) 사이, 즉 도 5의 참조번호 281 및 282로 표시된 구간을 소정의 구간(t1과 t2 사이 및 t3과 t4 사이)에 대응시켜 기판(w) 외부와 스퍼터링 타겟(230) 사이를 마그넷 모듈(240)이 빠르게 통과시킬 수 있다.
그리고 도 13 및 도 14에서와 같이 마그넷 모듈(240)의 길이방향으로 마그넷 모듈(240)을 도 10의 제2구동유닛(810)에 의해 이동시킴으로서 중심 마그넷(243)과 주변 마그넷(242) 각각이 자계가 차이가 있는 경우에도 그 차이를 줄일 수 있게 된다.
결국, 스퍼터링 타겟(230)이 소모되는 양의 편차를 현저히 줄일 수 있어서 스퍼터링 타겟(230)의 사용 효율을 높일 수 있게 된다. 그리고 스퍼터링 타겟(230)의 위치에 따른 스퍼터링 되는 양의 편차가 감소함에 따라 기판(w)에 증착되는 박막의 균일도도 향상된다. 또한 상술한 바와 같이 마그넷 모듈(240)이 소정의 구간에 머무르는 시간을 제어할 수 있어 마그넷 모듈(240)에 인가되는 전원을 차단하지 않아도 되어 스플래시와 스파크 발생에 따른 기판(w)에 증착되는 박막의 물성의 저하를 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 종래의 마그넷 모듈을 이동시키면서 스퍼터링하는 마그네트론 스퍼터링 장치에 있어서, 스퍼터링 타겟의 후방을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 방법으로 마그넷 모듈을 이동시키는 경우 마그넷 모듈의 시간에 따른 속도를 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 방법으로 마그넷 모듈을 마그네트론 스퍼터링하였을 때의 스퍼터링 타겟의 위치에 따른 자계의 세기와 스퍼터링 타겟의 잔존량을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치에 대한 바람직한 일 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치에 있어서, 스퍼터링 타겟, 기판 및 마그넷 모듈의 배치 및 상대적인 크기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치에 이용되는 마그넷 모듈에 대한 바람직한 일 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치에 이용되는 마그넷 모듈에 대한 바람직한 다른 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 마그네트론 장치에 구비된 마그넷 모듈 구동부에 대한 바람직한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 마그네트론 장치에 구비된 마그넷 모듈 구동부에 대 한 바람직한 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 11은 도 10의 ⅩⅠ-ⅩⅠ 단면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치에 구비된 마그넷 모듈이 스퍼터 영역을 스캔하는 방법의 일 예를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치에 구비된 마그넷 모듈이 스퍼터 영역을 스캔하는 방법의 다른 예를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치에 구비된 마그넷 모듈이 스퍼터 영역을 스캔하는 방법의 또 다른 예를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치에 구비된 제1모터의 시간에 따른 속도의 변화를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200...마그네트론 스퍼터링 장치 210...반응기
213...백킹 플레이트 220...기판 지지대
230...스퍼터링 타겟 240...마그넷 모듈
250...마그넷 모듈 구동부 710...제1구동유닛
720...제1프레임 730...제1모터
740...구동스프로킷 745...종동스프로킷
750...제1체인 760...제1보조스프로킷
765...제2보조스프로킷 780...제2체인
790...전달유닛 791...제1고정부재
792...제2고정부재 795...보조전달유닛
796...제1보조고정부재 797...제2보조고정부재
810...제2구동유닛 820...제2프레임
830...제2모터 840...리드 스크류
850...너트 860...지지부재
870...중공부 880...관통공
890...디스크부 893...연결부
896...고정부

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 반응기;
    상기 반응기 내부에 배치되고, 기판이 장착되는 기판 지지대;
    평판 형상으로 상기 기판 지지대와 대향되게 배치된 스퍼터링 타겟;
    일 방향으로 길게 뻗은 형상으로 상기 스퍼터링 타겟을 사이에 두고 상기 기판 지지대와 마주보게 배치되며, 상기 스퍼터링 타겟 표면에 자계를 발생시키는 마그넷 모듈;
    상기 마그넷 모듈과 마주보는 상기 스퍼터링 타겟의 일면을 따라 상기 마그넷 모듈을 이동시키되, 상기 스퍼터링 타겟이 균일하게 소모되도록 상기 마그넷 모듈이 소정의 구간에 머무르는 시간을 제어하는 마그넷 모듈 구동부;를 포함하며,
    상기 마그넷 모듈 구동부는,
    상기 마그넷 모듈이 상기 스퍼터링 타겟의 표면과 평행한 평면 상에서 상기 마그넷 모듈의 길이방향과 평행한 방향 및 직교하는 방향으로 동시에 이동되도록 하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마그넷 모듈 구동부는,
    스퍼터링 할 때 상기 마그넷 모듈이 정지되지 않고 연속적으로 이동되도록 하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 마그넷 모듈 구동부는,
    상기 마그넷 모듈이 상기 스퍼터링 타겟의 중앙부 구간에서 이동하는 속력 이상의 속력으로 상기 스퍼터링 타겟의 가장자리부 구간을 통과하도록 상기 마그넷 모듈을 구동시키는 제1구동유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1구동유닛은,
    제1프레임과,
    상기 제1프레임에 결합되는 제1모터와,
    상기 제1모터의 출력축에 결합되는 구동스프로킷과,
    상기 구동스프로킷과 상기 마그넷 모듈의 길이 방향과 직교하는 방향으로 이격되며 상기 제1프레임에 회전가능하게 결합되는 종동스프로킷과,
    상기 구동스프로킷의 회전 구동력을 상기 종동스프로킷으로 전달하도록 상기 구동스프로킷과, 상기 종동스프로킷에 결합되는 제1체인과,
    상기 제1체인의 순환시, 상기 마그넷 모듈이 상기 제1체인이 결합되어 있는 형상에 대응되는 이동경로를 따라 구동스프로킷 및 종동스프로킷 사이에서 순환되되, 상기 마그넷 모듈이 그 길이방향과 평행한 상태를 유지하면서 순환되도록 상기 마그넷 모듈 및 상기 제1체인에 결합되는 전달유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전달유닛은,
    상기 제1체인의 외측면에 결합되는 제1고정부재와,
    상기 마그넷 모듈의 길이방향 및 상기 제1체인의 길이방향과 직교하는 방향을 회전축으로 회전가능하도록 상기 제1고정부재에 결합되며, 상기 마그넷 모듈에 고정되는 제2고정부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1고정부재는, 내부에 형성된 원통 형상의 중공부와, 상기 중공부와 상기 제1고정부재의 일측면을 관통하며 형성되는 관통공을 가지며,
    상기 제2고정부재는, 상기 중공부에 대응되는 원통 형상으로 형성되며 상기 중공부에 회전가능하게 배치되는 디스크부와, 상기 디스크부의 일측면으로부터 연장 형성되며 상기 관통공에 배치되는 연결부와, 상기 연결부의 일측면으로부터 연장 형성되며 상기 마그넷 모듈에 고정되는 고정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1구동유닛은,
    상기 구동스프로킷과 상기 마그넷 모듈의 길이방향으로 이격되며, 상기 제1프레임에 회전가능하게 결합되는 제1보조스프로킷과,
    상기 제1보조스프로킷과 상기 마그넷 모듈의 길이 방향과 직교하는 방향으로 이격되며, 상기 제1프레임에 회전가능하게 결합되는 제2보조스프로킷과,
    상기 제1보조스프로킷 및 상기 제2보조스프로킷에 결합되는 제2체인과,
    상기 마그넷 모듈 및 상기 제2체인에 결합되는 보조전달유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1모터는 출력축의 회전속도가 조절될 수 있는 가변모터인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 마그넷 모듈 구동부는 상기 마그넷 모듈을 상기 마그넷 모듈의 길이 방향으로 직선이동시키는 제2구동유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2구동유닛은,
    제2프레임과,
    상기 제2프레임에 결합되는 제2모터와,
    상기 마그넷 모듈의 길이방향으로 길게 형성되며 상기 제2프레임에 대하여 회전가능하도록 상기 제2모터의 출력축에 결합되는 리드 스크류와,
    상기 마그넷 모듈의 길이방향으로 직선이동가능하도록 상기 리드 스크류에 결합되며 상기 제1프레임에 고정되는 너트를 포함하는 것을 특징으로 마그네트론 스퍼터링 장치.
  12. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마그넷 모듈은,
    일 방향으로 길게 뻗은 형상으로 형성된 마그넷 지지판;
    상기 마그넷 지지판의 중앙부에 상기 마그넷 지지판의 길이방향으로 일렬로 배치되며, 자극의 방향이 동일하게 형성된 복수의 중심 마그넷; 및
    상기 복수의 중심 마그넷와 일정거리 이격되게 상기 복수의 중심 마그넷을 감싸도록 상기 마그넷 지지판의 주변부에 배치되며, 자극의 방향이 상기 중심 마그넷과 다르게 형성된 복수의 주변 마그넷;을 구비하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 주변 마그넷은,
    상기 마그넷 지지판의 길이방향의 중앙부분에서는 상기 중심 마그넷과 가깝게 배치되고, 상기 마그넷 지지판의 길이방향의 중앙부분과 멀어질수록 상기 중심 마그넷과 멀게 배치되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 중심 마그넷과 상기 주변 마그넷의 크기가 모두 동일하고,
    상기 마그넷 모듈의 길이방향의 길이는 상기 마그넷 모듈의 길이방향에 대응되는 상기 스퍼터링 타겟의 길이보다 상기 주변 마그넷의 두 개의 크기가 작은 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
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