KR101275673B1

KR101275673B1 - 스퍼터링 마그네트론

Info

Publication number: KR101275673B1
Application number: KR1020110040446A
Authority: KR
Inventors: 석창길; 윤성호; 강창훈
Original assignee: (주)울텍
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-04-29
Publication date: 2013-06-17
Also published as: KR20120122354A

Abstract

본 발명에 따른 스퍼터링 마그네트론은, 원통형 타겟; 원통형 타겟을 접착하기 위한 백킹튜브; 상기 백킹튜브 내부 중심부에 이격거리를 두고 배치되는 제1, 2자석군을 포함하는 고정형 자석단; 상기 백킹튜브 내부 양끝부분에 이격거리를 두고 배치되는 제3, 4, 5자석군을 포함하는 회전형 자석단; 백킹튜브 및 회전형 자석단을 각각 회전시키기 위한 구동 시스템을 포함함으로써 상기 고정형 자석단을 고정한 상태에서 상기 회전형 자석단의 회전에 따라 원통형 타겟 양끝부분 표면에서 생성되는 플라즈마 레이스 트랙을 이동시키는 것을 특징으로 한다.

Description

스퍼터링 마그네트론 {sputtering magnetron}

본 발명은, 스퍼터링(sputtering) 장치의 스퍼터링 마그네트론(sputtering magnetron)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전 원통형 타겟(target) 양 끝부분의 침식 영역을 제어함으로써 전체 타겟 사용 효율을 높이도록 한 스퍼터링 마그네트론에 관한 것이다.

일반적으로 스퍼터링(sputtering) 장치의 스퍼터링 마그네트론(sputtering magnetron)은, 금속 혹은 유기물, 무기물의 증착에 사용되며, 타겟(target), 자석단(magnet assembly) 등을 포함하여 구성된다. 타겟은 스퍼터링 마그네트론의 구조에 따라 고정형 타겟, 회전 원통형 타겟으로 구분될 수 있다. 예를 들어 고정형 타겟은, 반도체 등에 사용되는 원형 타겟과 일반산업용에 많이 적용되는 대면적의 사각형 타겟으로 크게 구분된다. 회전 원통형 타겟은 고정형 타겟에 비하여 타겟의 사용 효율을 크게 향상 시킬 수 있어 최근 많이 사용되고 있다.

회전 원통형 타겟과 고정형 자석단을 가지는 스퍼터링 마그네트론을 사용하는 스퍼터링 장치의 한 예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시한 바와 같이 스퍼터링 장치는 스퍼터링 마그네트론(10), 챔버(20), 타겟 구동 시스템(30), 기판(40), 롤러(50)로 구성된다. 스퍼터링 마그네트론(10)은 진공 상태로 유지되는 챔버(20) 내부에 놓이고 기판(40)은 스퍼터링 마그네트론(10)과 일정한 거리를 두고 놓이며 기판이송수단, 예를 들어 롤러(50)에 의해 이송된다. 이때, 원통형 타겟(201)은 백킹튜브(backing tube)(202)에 접착되어 타겟 구동 시스템(30)에 의하여 회전할 수 있도록 구성된다.(스퍼터링을 위한 전원인가단, 가스(gas) 주입부, 진공 펌핑부는 통상적으로 사용되는 부분이므로 생략하였다.)

회전 원통형 타겟과 고정형 자석단을 가지는 종래의 스퍼터링 마그네트론(10)의 내부 구조를 설명하기 위하여 그 단면(도 1의 A-A')을 도 2에 도시하였다. 도 2에 도시한 바와 같이, 스퍼터링 마그네트론(10)에서는 원통형 타겟(201)이 백킹튜브(backing tube)(202) 외벽에 접착되고, 백킹튜브(202) 내부에 고정형 자석단(300)이 놓인다. 고정형 자석단(300)의 각 자석군(301, 302)은, 자기보존 철편으로서의 자성 플레이트(magnetic plate)(203) 상에 배치된다. 자성 플레이트(203)는, 지지용 플레이트(204)에 의해 지지됨으로써 지지용 플레이트(204) 상에 고정되어 있다. 이때, 고정형 자석단(300)은, 원통형 타겟(201)의 표면에서 일정한 자기력선을 형성하면서 플라즈마 레이스 트랙을 발생시키도록 제1자석군(301)과 제2자석군(302)으로 구성된다. 제1자석군(301)이 일직선 형태로 배열되고, 제2자석군(302)이 제1자석군(301)과 이격 간격을 두고 제1자석군(301)을 둘러싸는 형태로 배열된다(도 3의 평면도 참조). 제1자석군(301)의 제1자극부, 예를 들어 원통형 타겟(201)에 인접한 자극부가 S극을 형성하고, 제1자석군(301)의 제2자극부가 제1자극부와 반대되는 자화방향을 가진 자극인 N극을 형성한다. 제2자석군(302)의 제1자극부, 예를 들어 원통형 타겟(201)에 인접한 자극부가 N극을 형성하고, 제2자극부가 제1자극부와 반대되는 자화방향을 가진 자극인 S극을 형성한다. 이와 같이 구성된 제1자석군(301)과 제2자석군(302)에 의해 형성되는 자기력선(401) 중 원통형 타겟(201)과 수평을 이루는 자기력 성분(전기장과는 수직을 이룸)에 의하여 플라즈마 레이스 트랙이 형성되며 그에 따라 원통형 타겟(201) 표면이 스퍼터링 되어 침식된다.

이와 같은 구조를 가진 종래의 스퍼터링 마그네트론(10)은, 기판(40)을 이송수단인 롤러(50)에 의해 수평 이송하면서 스퍼터링을 진행함에 따라 원통형 타겟(201)의 물질을 기판(40)의 상면 상에 증착시킨다.

그런데, 종래의 스퍼터링 마그네트론(10)은, 양끝부분이 U자형인 고정형 자석단(300)을 구비하고 있으므로 도 4에 도시된 바와 같이 양끝부분이 U자형인 플라즈마 레이스 트랙(403)을 원통형 타겟(201) 표면에 형성하게 된다. 즉, 고정형 자석단(300)인 제1자석군(301)과 제2자석군(302)에 의해 생성되는 자기력선의 의한 플라즈마 레이스 트랙(403)의 양끝부분이 U자형으로 되어 있어, 도 5에 도시한 타겟침식형상(404)과 같이 원통형 타겟(201) 양끝 국부적인 영역에서 침식이 더 많이 일어나게 된다. 그에 따라, 원통형 타겟(201)의 수명은 타겟 침식이 많이 일어나는 원통형 타겟(201) 양끝부분의 침식된 홈의 깊이에 의해 제한을 받게 되므로 사용 효율이 낮을 수밖에 없다.

따라서 본 발명의 목적은, 회전 원통형 타겟(target) 양끝부분의 침식 영역을 제어함으로써 전체 타겟 사용 효율을 높이도록 한 스퍼터링 마그네트론을 제공하는 데 있다.

따라서 본 발명에 따른 스퍼터링 마그네트론은, 원통형 타겟; 원통형 타겟을 접착하기 위한 백킹튜브; 상기 백킹튜브 내부의 중심부(백킹튜브의 길이방향)에 이격거리를 두고 배치되는 제1, 2자석군을 포함하는 고정형 자석단; 상기 백킹튜브 내부 양끝부분에 이격거리를 두고 배치되는 회전형 자석단을 포함함으로써 원통형 타겟 표면에 형성되는 플라즈마 레이스 트랙을 제어하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1, 2자석군을 포함하는 고정형 자석단은, 제1, 2자석군을 자기적으로(magnetically) 부착하여 지지하기 위한 자성 플레이트(magnetic plate) 상에 배치하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 제3, 4, 5자석군을 포함하는 회전형 자석단은, 제3, 4, 5자석군을 자기적으로(magnetically) 부착하여 지지하기 위한 자성 튜브(magnetic tube) 상에 배치하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 회전형 자석단의 자석군은, 자성 튜브의 원주방향을 따라 S자 형태로 자성 튜브 상에 배치하는 것이 바람직하나 플라즈마 레이스 트렉을 조정하기 위하여 배열의 변경이 가능하다.

바람직하게는, 원통형 타겟 및 회전형 자석단은 개별 회전할 수 있도록 각각의 구동 시스템에 의하여 연결되는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 원통형 타겟의 균일한 침식을 위하여 원통형 타겟과 회전형 자석단은 회전 시 각각의 속도를 다르게 하여 회전하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 회전형 자석단의 자석군이, 자성 튜브의 바깥쪽으로 갈수록 자석의 세기가 큰 것이 바람직하나 플라즈마 레이스 트렉을 조정하기 위하여 자석의 세기의 변경이 가능하다.

바람직하게는, 상기 백킹튜브의 내부에는 상기 원통형 타겟을 냉각하기 위하여 냉매를 유통하기 위한 통로가 형성된 냉매순환튜브를 가지는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 백킹튜브에는 스퍼터링을 위한 전원인가를 위하여 전원인가단을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 스퍼터링 마그네트론은, 원통형 타겟 내부 중심부에 배치되는 고정형 자석단과, 원통형 타겟 내부 양끝단에 배치되는 회전형 자석단을 구비하고, 회전형 자석단을 회전함으로써 원통형 타겟표면 양끝단에 형성되는 플라즈마 레이스 트랙을 제어할 수 있다. 그에 따라 타겟의 침식영역이 넓어지므로 타겟의 사용 효율이 높아진다.

도 1은, 원통형 타겟과 고정형 자석단을 가지는 스퍼터링 마그네트론을 사용하는 스퍼터링 장치의 개략도이다.
도 2는, 원통형 타겟과 고정형 자석단을 가지는 종래의 스퍼터링 마그네트론의 단면도이다.
도 3은, 종래의 스퍼터링 마그네트론에 사용되는 고정형 자석단의 배열을 나타낸 평면도이다.
도 4는, 종래의 스퍼터링 마그네트론에 사용되는 고정형 자석단의 배열에 의하여 형성되는 플라즈마 레이스 트랙의 형상을 나타낸 평면도이다.
도 5는, 종래의 스퍼터링 마그네트론을 이용하여 원통형 타겟 침식시 나타나는 타겟 침식 형상의 측면도이다.
도 6은, 본 발명에 따른 스퍼터링 마그네트론 구조를 나타낸 측면도이다.
도 7은, 본 발명에 따른 스퍼터링 마그네트론의 고정형 자석단 및 회전형 자석단의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 8의 (a) 내지 도 8의 (c)는, 본 발명에 따른 스퍼터링 마그네트론의 회전형 자석단 회전 시 자석군의 위치에 따른 플라즈마 레이스 트랙 형상이다.
도 9는, 본 발명의 스퍼터링 마그네트론을 이용하여 원통형 타겟 침식시 나타나는 타겟 침식 형상의 측면도이다.

이하, 본 발명에 따른 스퍼터링 마그네트론의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하기로 한다. 도 6은, 본 발명에 따른 스퍼터링 마그네트론의 구조를 나타낸 측면도이고, 도 7은, 도 6의 스퍼터링 마그네트론이 가지는 고정형 자석단과 회전형 자석단의 구조를 설명하기 위하여 B-B'선을 따라 하측 면에서 바라본 사시도이다. 설명의 편의상 도 6 및 도 7을 연합하여 스퍼터링 마그네트론의 구조를 설명하기로 한다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 스퍼터링 마그네트론(60)은 원통형 타겟(701), 백킹튜브(backing tube)(702), 냉매순환튜브(703), 자성 튜브(magnetic tube)(704), 지지용 튜브(705), 회전 튜브(706), 자성 플레이트(magnetic plate)(707), 지지용 튜브(708), 베어링(709), 고정용 플레이트(710), 타겟 구동 시스템(711), 회전형 자석단 구동 시스템(712), 고정형 자석단(500), 회전형 자석단(600)을 포함하여 구성된다.(DC, DC pulse, RF, MF 등과 같은 전원인가를 위한 전원인가단 및 냉매순환을 위한 입출력포트는 통상적으로 사용되는 부분이므로 생략하였다.)

여기서, 원통형 타겟(701)은 백킹튜브(backing tube)(702) 외벽에 접착된다. 백킹튜브(702)는 모터 등으로 이루어진 타겟 구동 시스템(711)과 연결되어 회전이 가능하도록 구성된다. 스퍼터링 공정 중 발생하는 플라즈마 열에 의한 타겟의 용융 및 박리 방지와 내부 자석의 탈자를 방지하기 위하여 백킹튜브(702) 내부에 냉매순환튜브(703)를 장착하여 냉매를 유통함으로써 백킹튜브(702)에 접착되는 원통형 타겟(701)을 냉각시키고 내부 고정형 자석단(500) 및 회전형 자석단(600)으로의 열전도를 차단한다. 냉매순환튜브(703) 내부에는 고정형 자석단(500)과 회전형 자석단(600)이 놓여진다.

고정형 자석단(500)의 제1, 2자석군(501, 502)은, 제1, 2자석군(501, 502)을 자기적으로(magnetically) 부착하여 지지하기 위한 자기보존 철편으로서의 자성 플레이트(magnetic plate)(707) 상에 배치된다. 자성 플레이트(707)는 지지용 튜브(708)에 의해 지지됨으로써 지지용 튜브(708) 상에 고정되어 있다. 지지용 튜브(708)는 회전 튜브(706)가 회전하여도 고정될 수 있도록 고정용 플레이트(710)에 연결되어 있으며, 회전 튜브(706)가 원활히 회전할 수 있도록 베어링(709)으로 격리되어 있다.

이때, 고정형 자석단(500)은, 회전형 자석단(600)과 결합하여 원통형 타겟(701)의 표면에 일정한 자기력선을 형성하면서 플라즈마 레이스 트랙을 발생시키도록 제1자석군(501)과 제2자석군(502)으로 구성된다. 제1자석군(501)이 일직선 형태로 배열되고, 제2자석군(502)이 제1자석군(501)과 이격 간격을 두고 제1자석군(501) 좌, 우에 일직선 형태로 배열된다. 제1자석군(501)의 제1자극부, 예를 들어 원통형 타겟(701)에 인접한 자극부가 S극을 형성하고, 제1자석군(501)의 제2자극부가 제1자극부와 반대되는 자화방향을 가진 자극인 N극을 형성한다. 제2자석군(502)의 제1자극부, 예를 들어 원통형 타겟(701)에 인접한 자극부가 N극을 형성하고, 제2자극부가 제1자극부와 반대되는 자화방향을 가진 자극인 S극을 형성한다.

또한, 회전형 자석단(600)은, 상기 고정형 자석단(500)과 결합하여 원통형 타겟(701)의 표면에 일정한 자기력선을 형성하면서 플라즈마 레이스 트랙을 발생시키도록 제3자석군(601), 제4자석군(602), 제5자석군(603)으로 구성된다. 제3자석군(601), 제4자석군(602), 제5자석군(603)은, 제3자석군(601), 제4자석군(602), 제5자석군(603)을 자기적으로(magnetically) 부착하여 지지하기 위한 자성 튜브(magnetic tube)(704) 상에 자성 튜브(704)의 원주방향 경로를 따라 S자형으로 배치된다. 회전형 자석단(600)의 자석군(601,602,603)의 제1자극부, 예를 들어 원통형 타겟(701)에 인접한 자극부가 N극을 형성하고, 제2자극부가 제1자극부와 반대되는 자화방향을 가진 자극인 S극을 형성한다. 이때, 자성 튜브(704)는 지지용 튜브(705)와 장착되고, 지지용 튜브(705)는 회전 튜브(706)와 차례로 연결되므로 모터 등으로 구성된 회전형 자석단 구동 시스템(712)을 이용하여 회전 튜브(706)가 회전하게 되면 같이 회전할 수 있게 된다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 스퍼터링 마그네트론(60)에 있어서, 회전형 자석단 구동 시스템(712)에 의해 회전형 자석단(600)이 시계방향으로 회전하게 되면 상기 고정형 자석단(500)과 결합하여 원통형 타겟(701)의 표면에 자기력선을 형성하면서 플라즈마 레이스 트랙이 생성된다. 회전형 자석단(600)의 제1,2,3자석군(601,602,603) 위치에 따라 도 8의 (a), (b), (c)와 같이 원통형 타겟(701) 표면상에 각기 다른 플라즈마 레이스 트랙(801, 802, 803)을 생성하게 된다. 즉, 고정형 자석단(500)의 제1자석군(501)과 회전형 자석단(600)의 제3자석군(601)이 일직선상에 놓이게 되면 플라즈마 레이스 트랙(801)은 원통형 타겟(701) 양끝부분으로 이동하여 형성하게 된다(도 8의 (a)). 또한, 고정형 자석단(500)의 제1자석군(501)과 회전형 자석단(600)의 제4자석군(602)이 일직선상에 놓이게 되면 플라즈마 레이스 트랙(802)은 원통형 타겟(701)의 중심부로 이동하게 된다(도 8의 (b)). 마찬가지로 고정형 자석단(500)의 제1자석군(501)과 회전형 자석단(600)의 제5자석군(603)이 일직선상에 놓이게 되면 플라즈마 레이스 트랙(803)은 원통형 타겟(701)의 중심부로 더욱 이동하게 된다(도 8의 (c)).

이와 같이, 회전형 자석단(600)의 회전에 따라 원통형 타겟(701) 양끝부분의 표면에 생성되는 플라즈마 레이스 트랙이 이동하게 됨으로써 타겟 침식영역을 증가시킬 수 있게 된다. 그에 따라 도 9에 도시한 타겟침식형상(901)과 같이 원통형 타겟(701)의 사용 효율을 높일 수 있다.

이상으로 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만, 본 발명에 따른 스퍼터링 마그네트론의 구성은 상술한 예에 한정되지 아니 하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 변형, 변경, 치환 등이 가능하다.

10 : 스퍼터링 마그네트론
20 : 챔버
30 : 타겟 구동 시스템
40 : 기판
50 : 롤러
60 : 스퍼터링 마그네트론
201 : 원통형 타겟
202 : 백킹튜브(backing tube)
203 : 자성 플레이트(magnetic plate)
204 : 지지용 플레이트
300 : 고정형 자석단
301 : 제1자석군
302 : 제2자석군
401 : 자기력선
402 : 타겟침식영역
403 : 플라즈마 레이스 트랙
404 : 타겟침식형상
500 : 고정형 자석단
501 : 제1자석군
502 : 제2자석군
600 : 회전형 자석단
601 : 제3자석군
602 : 제4자석군
603 : 제5자석군
701 : 원통형 타겟
702 : 백킹튜브(backing tube)
703 : 냉매순환튜브
704 : 자성 튜브(magnetic tube)
705 : 지지용 튜브
706 : 회전 튜브
707 : 자성 플레이트(magnetic plate)
708 : 지지용 튜브
709 : 베어링
710 : 고정용 플레이트
711 : 타겟 구동 시스템
712 : 회전형 자석단 구동 시스템
801 : 플라즈마 레이스 트랙 (고정형 자석단의 제 1자석군과 회전형 자석단의 제3자석군이 일직성상에 있을 때의 플라즈마 레이스 트랙)
802 : 플라즈마 레이스 트랙 (고정형 자석단의 제 1자석군과 회전형 자석단 제4자석군이 일직성상에 있을 때의 플라즈마 레이스 트랙)
803 : 플라즈마 레이스 트랙 (고정형 자석단의 제 1자석군과 회전형 자석단 제5자석군이 일직성상에 있을 때의 플라즈마 레이스 트랙)
901 : 타겟침식형상

Claims

원통형 타겟;
원통형 타겟을 접착하기 위한 백킹튜브;
상기 백킹튜브 내부 중심부에 이격거리를 두고 배치되는 제1, 2자석군을 포함하는 고정형 자석단;
상기 백킹튜브 내부 양끝부분에 이격거리를 두고 배치되는 제3, 4, 5자석군을 포함하는 회전형 자석단;
백킹튜브 및 회전형 자석단을 각각 회전시키기 위한 구동 시스템을 포함함으로써 고정형 자석단을 고정한 상태에서 상기 회전형 자석단의 회전에 따라 원통형 타겟 양끝부분 표면에서 생성되는 플라즈마 레이스 트랙을 이동시키는 것을 특징으로 스퍼터링 마그네트론.
제1항에 있어서, 상기 제1, 2자석군을 포함하는 고정형 자석단은, 제1, 2자석군을 자기적으로(magnetically) 부착하여 지지하기 위한 자성 플레이트(magnetic plate) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 마그네트론.
제1항에 있어서, 상기 제3, 4, 5자석군을 포함하는 회전형 자석단은, 제3, 4, 5자석군을 자기적으로(magnetically) 부착하여 지지하기 위한 자성 튜브(magnetic tube) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 마그네트론.
제3항에 있어서, 상기 제3, 4, 5자석군이 자성 튜브의 원주방향을 따라 S자 형태로 자성 튜브 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 마그네트론.
제4항에 있어서, 상기 제3, 4, 5자석군이 자성 튜브 양끝부분으로 갈수록 자석의 세기가 더 크도록 배치되는 것을 특징으로 스퍼터링 마그네트론.
제1항에 있어서, 상기 백킹튜브 내부에는 상기 원통형 타겟을 냉각하기 위하여 냉매를 유통하기 위한 냉매순환튜브를 갖는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 마그네트론.
제1항에 있어서, 상기 백킹튜브 및 회전형 자석단이 각각의 구동 시스템에 의해 회전될 때, 회전속도가 서로 다른 것을 특징으로 하는 스퍼터링 마그네트론.
제1항에 있어서, 상기 백킹튜브에는 DC, DC pulse, RF, MF와 같은 전원인가를 위하여 전원인가단을 갖는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 마그네트론.