KR101124868B1

KR101124868B1 - 마그네트론 스퍼터링을 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101124868B1
Application number: KR1020067011309A
Authority: KR
Inventors: 베른트 찌즈카; 안드레아스 플루그
Original assignee: 프라운호퍼-게젤샤프트 츄어 푀르더룽 데어 안게반텐 포르슝에.파우.
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2012-03-27
Also published as: US20070158177A1; EP1697555A2; WO2005059197A2; KR20070010116A; DE502004010751D1; US7763150B2; PL1697555T3; DE10359508A1; ATE457371T1; ES2338887T3; WO2005059197A3; DE10359508B4; EP1697555B1

Abstract

본 발명은 마그네트론 코딩 시스템으로서, 제1 코팅 디바이스, 보조기판, 마그네트론 및 보조기판의 영역 밀도를 결정하기 위한 수단을 포함한다. 보조기판은 그 때문에 제1 코팅 디바이스와 코팅될 기판을 수신하기 위해 제공되는 영역 사이에 배열되며, 마그네트론을 위한 캐소드를 형성한다. 본 발명은 더 나아가 얇은 레이어를 데포지션하기 위한 방법에 관한 것인데, 이 방법은 레이어가 제1 코팅 디바이스에 의해 보조기판 위에 데포지션되고, 이 보조기판은 마그네트론에 의한 기판 코팅을 위한 음극으로서 사용되며, 보조기판의 영역 밀도가 결정되는 방법이다.

마그네트론, 보조기판, 음극, 양극, 티타늄 다이옥사이드

Description

마그네트론 스퍼터링을 위한 방법 및 장치{Method and device for magnetron sputtering}

본 발명은 마그네트론 스퍼터링을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 이 기술들은 기능적 레이어(박막을 말한다) 및 마무리 레이어의 데포지션을 위하여 사용된다. 마그네트론 스퍼터링은 산업생산에서 예로서 건축용 유리의 코팅과 같은 분야에서 이미 대규모로 사용되고 있다.

여러 개의 화학 성분들로 구성된 코팅 처리 과정은 기술적으로 특히 중요하다. 티타늄 다이옥사이드(Titanium dioxide)가 그 한 예이다. 이러한 형식의 코팅 처리에 있어서, 금속 성분이 종종 금속 타겟을 스퍼터링 함으로써 공급된다. 다른 레이어 구성물은 기체 형태로 처리 장치에 투입된다. 높은 코팅률과 최선의 레이어 품질은 반응 코팅 처리(reactive coating process)에 얻어지는데, 불안정한 동작점(예, 변이 모드)의 공간에서 이 공정이 진행될 때만 이루어질 수 있다. 이러한 변이 모드에서의 특징은, 한편으로 데포지션을 위해 충분한 반응 기체(reactive gas)를 공급하기 위하여 많은 양의 반응 개스를 충분히 공급하여야 하지만, 다른 한편으로는 이 반응 개스로 인하여 스퍼터링 타겟의 오염을 줄이기 위하여 반응 개스 공급을 줄여야 한다는 점이다. 특히 이러한 불안정한 동작점들과 함께, 코팅의 지속적인 품질과 반복 실현을 위하여 마그네트론 스퍼터링 시스템이 복합적인 제어 루프(complex control loops)의 도움이 필요하게 된다,

선행 기술들에 따르면, 마그네트론 스퍼터링 소스들은 반응기체 흐름(flow) 이나 공급되는 전력에 의하여 영향을 받을 수 있다. 필요한 제어 신호는 다른 파라미터들을 측정함으로써 얻어질 수 있다. 따라서, 예를 들어, EP 1 232 293 B1 에서는 방전의 전기적 파라미터들의 고조파 내용을 제어 변수로서 사용하는 것이 제시되었다.

반응기체의 부분적 압력은 적합한 프로브(probe)로 결정하는 것이 EP 0 795 623 A1에 알려져 있다. 따라서, 예를 들어, 람다(lambda) 프로브로 측정된 산소 부분 압력은 제어 변수로서 사용될 수 있다. 플라스마 임피던스를 측정함으로써 마그네트론 스퍼터링 소스를 제어하는 것은 J. Affinito et al., J. Vac. Sci. Technol. A2(1984), p. 1275-1284 에 소개되어 있다. 또 다른 가능성으로서, J. Struempfel의 논문(Prozessstabilisierung beim reaktiven Hochratenzerstaeuben mittels optischer Emissionsspektroskopie zur industriellen Herstellung von lndium-Zinn-Oxidschichten und Titandioxidschichten, Chemnitz 1991)은 마그네트론 스퍼터링 소스들의 플라스마의 선택된 스펙트럼선들의 강도 측정에 대해 기술하고 있다.

또한, 불안정한 변환 범위에서 시행된 마그네트론 스퍼터링 소스의 데포지션 비율은 전혀 알려지지 않았다. 따라서 기판 위에 제작된 레이어들의 두께는 데포지션 후에 결정되어야 한다. 포토메트리(photometry)나 엘립소메트리(ellipsometry) 와 같은 광학적 측정은 이러한 목적에서 우선적으로 사용된다.

코팅 시스템의 개별적인 각각의 스퍼터링 소스를 위한 장치에 있어서 위와 같은 비용들은 일정한 레이어 품질과 일정한 레이어 구조, 그리고 일정한 레이어 두께를 지키기 위하여 필요하다. 이것은 다른 한편으로, 손상에 대한 민감함을 높이는 결과뿐만 아니라 이 코팅 시스템을 구입하고 운전하는 데 있어서 높은 비용을 초래한다. 이것은 특히 규모가 큰 인라인(in-line) 시스템에 적용한다.

스틸 밴드 기판 코팅이나 건축용 유리의 코팅은 이러한 형식의 인라인 시스템과 함께 산업의 규모로 연속적인 공정으로 수행된다. 이러한 코팅 시스템들은 많은 수의 마그네트론 스퍼터링 소스들을 가지고 있다. 대략 20개 내지 30개 정도의 소스들을 가지는 것이 통상적이지만, 60개의 마그네트론 스퍼터링 소스들을 가진 시스템도 사용되고 있다. 산업적 생산을 위해 중요한 것은 이러한 모든 개별적인 스퍼터링 소스들의 상호 작용인데, 그래서 몇몇 소스들은 종종 한 물질 및 같은 물질을 데포지션한다. 오직 매우 많은 비용을 사용하여야만, 모든 소스들이 레이어 속성, 코팅률 및 균질성에 대해 동일한 결과들을 가져 올 수 있다.

각 소스 스퍼터링 후의 레이어 속성들의 광학적 측정은 특별히 어렵다는 것이 증명되었다. 높은 비용에 더하여, 다수의 광학적 측정 시스템을 가지고 있는 이런 전체 시스템의 높은 손상 민감도 때문에 이러한 방법들은 실제로 적용하기 어렵다.

본 발명의 목적은 데포지션된 레이어를 모니터하지 않고 또한 복합적 제어 루프들 없이도, 정해진 속성들과 정해진 코팅 비율로 레이어를 데포지션하는 것이 가능한 스퍼터링 소스를 제공하는 것이다. 또한, 티타늄 다이옥사이드와 같이 굴절률이 높은 물질들을 위한 이전의 기술들과 비교해 볼 때 더 높은 코팅률을 가진 스퍼터링 소스(디바이스)를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적은 독립 청구항 1에 따른 마그네트론 코팅 시스템과 독립 청구항 7에 따른 얇은 레이어의 데포지션 방법을 통해 달성된다. 바람직한 실현은 각 종속항들에 구체화된다.

본 발명에 따른 마그네트론 코팅 시스템은 제1 코팅 디바이스, 상기 제1 코팅 디바이스와 코팅될 기판을 받기 위해 제공되는 영역 사이에 위치되는 보조기판, 코팅될 기판에 코팅하는 역할을 하는 마그네트론, 그리고 보조기판의 표면 물질의 밀도를 결정하는 물질밀도결정수단을 포함한다. 여기서 보조기판은 이 마그네트론의 음극 역할을 한다.

기판 위에 레이어를 데포지션하기 위해서는, 먼저 제1 코팅 디바이스에 의해 공지된 데포지션률로 보조기판 위에 제1 레이어가 데포지션된다. 이 보조기판은 기판을 코팅하기 위한 마그네트론의 스퍼터링 음극으로서 작용하게 된다. 물론, 보조기판 위에 데포지션 된 제1레이어 뿐 아니라 그 보조기판 자체의 물질 또한 스퍼트링 물질로 사용될 수 있다. 이러한 경우 두 물질은, 선택적으로는 기체 형태로 공급되는 구성물과 함께, 기판 위에 최종 레이어를 형성한다.

보조기판에 코팅할 표면 물질의 밀도를 결정하기 위하여, 보조기판의 물질 밸런스에 의하여 밀도를 결정할 수 있다. 제1코팅 디바이스로는, 예를 들면 평면(프래너) 마그네트론, 타켓을 스퍼터링하거나 크세논이나 임플랜트하는 선형 이온 소스, 레이저 융제(ablation) 원칙에 기초하는 선형 소스, 혹은 선형 증발 소스가 제1코팅 디바이스로서 적합하게 사용될 수 있다.

보조기판은 회전하는 원통형의 형태로 구현되는 것이 바람직하다. 제1 코팅 디바이스를 향하고 있는 보조기판의 영역들에는 제1코팅소스에 의하여 연속적으로 코팅이 이루어지고 있고, 한편, 이와 동시에 기판을 향하고 있는 보조기판의 영역에서는 기판 코팅을 위한 스퍼터링 음극으로 작용하여 보조기판에서 스퍼터링된 물질이 기판에 코팅되며, 보조기판에는 이러한 코팅과 스퍼터링이 연속적으로 일어나게 할 수 있다. 따라서 보조기판은 제1코팅 디바이스에 대하여는 코팅될 양극으로 작용하고, 코팅할 기판에 대하여는 마그네트론의 스퍼터링 음극으로 역할을 하며 코딩 대상 기판은 양극으로 역할을 하게 된다. 원통형의 보조기판의 내부는 텅 비어있을 수 있으며, 따라서 튜브의 형태일 수 있고, 또는 속이 찬 막대형으로 구현될 수도 있다. 제1코팅 디바이스에 의해 스퍼터링 된 물질은 연속적으로 보조기판으로 옮겨지고, 보조기판의 회전을 통해서 기판에 대향하는 위치에서는 스퍼터링 음극으로 되어 스퍼터링된 물질이 기판에 데포지션된다.

특별히 유리한 실시 예에 있어서는, 제1코팅디바이스는 프래너(평면)마그네트론이다. 이 제1코팅디바이스(제1마그네트론)은 순수한 비활성 기체 안에서 작동된다. 따라서 코팅률은 알려진 스퍼터링률과 전기 방전 파라미터로부터 결정될 수 있다.

만약 이제 마그네트론인 제2마그네트론이 반응기체 혹은 비활성기체 및 반응기체의 혼합물과 함께 작동된다면, 기판의 코팅률은 이 시점에서 항상 변화하는 반응기체의 부분 압력 때문에 오직 부적절하게만 정량될 수 있다. 그러나 보조기판 위에 코팅되는 물질의 밀도가 결정되면, 기판의 코팅률은 보조기판의 물질의 질량 균형으로부터 정확하게 결정될 수 있다.

경우에 따라서 제1 코팅 디바이스는 코팅 소스를 오염시킬 반응기체 성분들의 침투를 막기 위해 쉴드(차폐물) 안에 배치될 수 있다.

유리하게도, 보조기판에 코팅되는 물질 밀도는 엑스-레이 형광에 의해 결정된다. 이러한 방식으로 기판의 코팅률은 에러 0.1% 이하로 결정될 수 있다.

특히 아르곤은 제1 마그네트론을 동작하기 위한 비활성기체로서 적절하다. 이것은 큰 기술적 어려움 없이 낮은 가격으로 가능하다. 게다가, 아르곤은 비활성기체로서 높은 이온화 전위를 가지고 있으며, 비록 높은 온도에서도 비활성 상태를 유지한다. 질소 및/또는 산소 및/또는 특별히 메탄은 반응기체로서 적절하다. 따라서 금속 스퍼터링 타겟가 함께 사용하여 질화물, 산화물 또는 탄화물은 기판에 얇은 레이어로서 데포지션될 수 있다.

특히 100 나노미터 이하의 두께를 가진 금속 레이어, 바람직하게는 보조기판 위에 데포지션되고 특별히 10 나노미터 이하의 두께를 가진 레이어가 금속 타겟으로 적합하다. S. Berg, J. Vac. Sci. Techhnol. A 10(1992), p. 1592-1596 로부터 알려진 것은 무거운 원자로 임플랜트된 물질들의 스퍼터링률은 순수 물질의 스퍼터링률에 비하여 볼 때 확연히 높다는 것이다. 따라서 본 발명에 따른 마그네트론 코팅 시스템에 의하면, 변이 모드 이외의 조건들로 동작되어도 높은 데포지션 율을 성취할 수 있다. 높은 굴절률을 가진 물질들, 즉, 티타늄 다이옥사이드 같은 물질들에 대하여, 본 발명에 따른 장치는 50% 이상의 코팅율을 실현한다.

특별히 코팅률의 높은 증가는, 제1 마그네트론에 의해 데포지션된 금속 레이어가 보조기판의 물질의 평균 질량(mass)값 보다 더 높은 질량값을 가질 때, 일어난다. 따라서, 예를 들어 알루미늄 보조기판 위에서의 2 나노미터 두께의 텅스텐의 스퍼터링률은 동질의 텅스텐 타겟의 스퍼터링률보다 3배 정도 더 높다.

이전의 기술로부터 알려진 바와 같이, 제2 마그네트론(마그네트론)은 DC 볼트 혹은 펄스 DC 볼트로 작동되는 독립된 마그네트론으로 동작 될 수 있다. 그러나 유리하게도, 본 발명에 따른 장치는 대략 10 kHz 에서 100 kHz의 AC 볼트로 작동되는 이중 마그네트론(즉 제1마그네트론 및 제2마그네트론)으로서 동작된다. 주파수 40 kHz 에서의 동작은 특별히 유리하다. 이중 마그네트론으로서의 작동과 함께, 도 1에서 보이는 두개의 배열들은 AC 전원 전극들에 연결된다. 그래서 각 보조기판은 양극으로 또 음극으로 번갈아가며 스위칭 된다. 이와 같은 보조기판 표면의 효과적인 통합은 보조기판의 교류 전자 충돌을 통해서 일어난다. 이것은 공정의 안정성을 증가시킨다.

더욱이, 이중 마그네트론으로서 보조기판의 두개 동작은 매우 높은 플라즈마 밀도를 이끌어 내고, 따라서 바람직한 레이어 속성들을 개선시키게 된다.

따라서 본 발명에 따른 마그네트론 코팅 시스템은, 종합 측정 기술(integral measuring technique)의 도움으로 간단한 방식으로 미리 결정된 레이어 두께 달성을 모니터링하는 것을 처음으로 가능하게 한다. 이러한 기술의 도움으로, 지금까지 유효한 광학적 진단 시스템과 제어 방법을 가지고 다룰 수 없었던, 다수의 코팅 스테이션을 가진 큰 인라인 스퍼터링 시스템들도 실현될 수 있다.

도 1을 기초로 한 실시예를 아래에서 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 마그네트론 코팅 모듈의 도식적 구조를 보여준다.

도 1에서 가운데에는 원통형 보조기판(2)이 설치되는데, 이 보조기판(2)은 세로축을 중심으로 화살표 방향과 같이 회전하게 되어 있다. 코팅될 기판(1)은 원통형 보조기판 아래에 배열되어 있다. 이 기판은 예를 들어, 건축용 유리일 수 있다. 기판(1)은 코팅 시스템 아래를 통과하여 이동된다. 플라즈마는 보조기판(2)과 기판(1) 사이의 영역(3)에서 보조기판(2)에 공급된 전압에 의하여 점화된다. 따라서 보조기판은 막대형 음극을 형성하는데, 이 음극으로부터 물질이 떨어져 나와서(sputtered off) 양극으로 된 기판(1)을 코팅시킨다. 비활성기체와 반응기체의 혼합물이 영역(3)에 위치된다. 이 혼합물은 다성분 레이어의 데포지션을 가능하게 한다. 차폐물(4)안의 평면 마그네트론(5: planar magnetron)는 보조기판(2)에 대하여 영역(3)의 반대편에 위치된다. 이 경우에 보조기판(2)는 양극으로 스위칭 되는데, 플라즈마 영역(7)에서 양극인 보조기판(2)은 평면 마그네트론(5)의 캐소드(음극)의 물질로 코팅된다. 영역(7)에서의 알려진 스퍼터링률과 전기적 파라미터들로부터 데포지션 비율이 결정될 수 있도록 하기 위하여, 영역(7)에서의 기체는 오로지 비활성기체만을 포함한다. 기판(1)의 코팅 비율은 보조기판(2) 위의 물질 밸런스에 의하여 결정된다. 이미 알고 있는 영역(7)안의 코팅률에 덧붙여서, 영역(3)에서의 스퍼터링 처리 후의 물질 밀도가 필요하게 된다. 이 때문에 엑스레이 형광성을 결정하기 위한 장치(6)가 플라즈마 영역(3) 후에 설치된다. 그래서 장치(6)는 보조기판(2)를 비추기 위한 엑스레이 소스와, 보조기판으로부터 반사되는 엑스레이 방사를 결정하기 위한 광검출기를 가지고 있다.

본 발명의 장치를 사용하여 제1 코팅 디바이스에 의해 보조기판 위에 레이어를 데포지션하고, 보조기판은 기판을 코팅하는 마그네트론의 캐소드로 작용한다.

본 발명에 따른 마그네트론 코팅 시스템은, 간단한 방식으로 미리 결정된 레이어 두께 달성을 가능하게 한다. 이러한 기술의 도움으로, 지금까지 유효한 광학적 진단 시스템과 제어 방법을 가지고 다룰 수 없었던 다수의 코팅 스테이션을 가진 큰 인라인 스퍼터링 시스템들도 실현할 수 있다.

Claims

제1코팅디바이스(5);

상기 제1코팅디바이스와 코팅될 기판(1)을 수납하기 위한 영역 사이에 배치되고, 제1코팅디바이스에 의하여 코팅되는 보조기판(2);

보조기판(2)을 음극으로 가지는 마그네트론; 그리고

보조기판(2)의 표면 물질의 밀도를 결정하는 물질밀도결정수단6)을 포함하여 이루어지고,

여기서 상기 물질밀도결정수단은,

보조기판의 회전방향과 관련하여, 보조기판과 코팅될 기판(1) 사이의 플라즈마 영역(3) 뒤에 오는 위치의 보조기판의 물질밀도를 결정하고, 상기 위치는 보조기판의 회전방향과 관련하여, 보조기판과 제1코팅디바이스 사이의 플라즈마 영역(7) 전에 위치하고 있고,

상기 물질밀도결정수단은, 상기 위치에 있는 보조기판을 비추기 위한 엑스레이 소스와, 보조기판으로부터 반사되는 엑스레이 방사를 결정하기 위한 광검출기로 이루어지는 것인 마그네트론 코팅 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 보조기판이 원통형으로 형성되고, 상기 보조기판(2)을 음극으로 가지는 마그네트론은 막대형 음극 마그네트론을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 코팅 시스템.
청구항 1에 있어서.

상기 제1코팅디바이스가 평면마그네트론을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 코팅 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 제1코팅디바이스가 차폐물(4)을 가지는 것을 특징으로 하는 마그네트론 코팅 시스템.
청구항 1에 있어서

물질밀도결정수단(6)은 엑스레이 형광성을 결정하기에 적합한 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 코팅 시스템.
청구항 1에 있어서,

추가의 보조기판을 더 포함하고,

상기 보조기판(2)을 음극으로 가지는 마그네트론은 추가의 보조기판으로 구성되는 추가의 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 코팅 시스템.
기판을 코팅하는 방법으로서,

제1코팅디바이스에 의해 보조기판 위에 레이어를 데포지션하고,

보조기판을 음극으로 하는 마그네트론에 의하여 기판을 코팅하고,

상기 보조기판의 물질 밀도를 결정하고,

제1코팅디바이스와 보조기판 사이의 플라즈마 영역에의 데포지션율을 결정하고,

상기 보조기판의 물질 밀도를 결정한 후에, 상기 보조기판의 물질밸런스로부터 기판의 물질밀도를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
청구항 7에 있어서,

상기 보조기판 위에 데포지션된 레이어의 두께가 100나노미터 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 8에 있어서,

상기 보조기판 위에 데포지션된 레이어의 두께가 10 나노미터 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 7에 있어서,

상기 보조기판에 데포지션된 레이어가 금속 레이어인 것을 특징으로 하는 방법.
제 10항에 있어서,

상기 금속 레이어는 상기 보조기판 물질의 평균 질량수 보다 더 높은 질량수를 가지는 성분을 포함하는 것을 특징을 하는 방법.
청구항 7에 있어서,

제1코팅디바이스를 평면 마그네트론에 비활성 기체를 사용하여 작동시키고,

보조기판을 음극으로 하는 마그네트론을 적어도 하나의 비활성 기체와 반응기체를 사용하여 작동시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제 12항에 있어서,

비활성기체가 아르곤을 포함하고, 반응기체가 질소, 산소, 메탄 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 7에 있어서,

보조기판의 물질밀도결정이 기판의 코팅 후에 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법
청구항 7에 있어서,

보조기판의 물질밀도결정이 엑스레이 형광에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 7에 있어서,

보조기판을 음극으로 하는 마그네트론을 DC 볼트 또는 펄스 DC 볼트로 동작시키는것을 특징으로 하는 방법.
청구항 7에 있어서,

보조기판을 음극으로 하는 마그네트론은 하나 이상의 추가 음극을 가지고, 10 kHz 에서 100 kHz 의 주파수로 하나 이상의 추가 음극을 가진, 보조기판을 음극으로 하는 마그네트론을 작동시키는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 7에 있어서,

기판의 코팅이 티타늄 다이옥사이드를 포함하는 레이어를 데포지션하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.