KR101537883B1 - 순차적 전력 펄스를 제공하기 위한 방법 - Google Patents

순차적 전력 펄스를 제공하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부분 캐소드로 세분되는 PVD 스퍼터링 캐소드를 위한 전력 펄스를 제공하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 경우 부분 캐소드에 작용하는 전력 펄스 간격들은 중첩되도록 선택되므로, 전력을 제공하는 제너레이터로부터 전력 인출이 중단되지 않아도 된다.

Description

순차적 전력 펄스를 제공하기 위한 방법{METHOD FOR SUPPLYING SEQUENTIAL POWER IMPULSES}
본 발명은 전력 펄스를 제공하기 위한 방법에 관한 것이다.
이러한 전력 펄스는 예컨대 HIPIMS-기술과 관련해서 필요하다. HIPIMS는 고전력 임펄스 마그네트론 스퍼터링(High Power Impulse Magnetron Sputtering)이다. 이것은 진공 코팅 방법과 관련되고, 상기 방법에서 매우 높은 방전 전류에 의해 캐소드로부터 재료가 스퍼터링되므로, 스퍼터링된 재료는 고도로 양극 이온화되는 것이 보장된다. 동시에 코팅될 기판에 음극 전압이 인가되면, 그 결과 스퍼터링에 의해 발생하는 양극 이온이 기판의 방향으로 가속되므로 고밀도 층이 형성된다. 이 경우 예를 들어 40 kW 이상의 전력이 사용된다. 그러나 짧은 전력 펄스의 범위에서만 캐소드로부터 재료의 스퍼터링이 가능한데, 이는 더 오래 전력의 작용 시 과열에 의해 손상을 일으킬 수 있기 때문이다. 따라서 캐소드로부터 높은 전력으로 스퍼터링될 수 있는 지속 시간은 제한되어야 하고, 이는 최대 허용 펄스 지속 시간이 된다.
이를 구현하기 위한 해결 방법은, 캐소드 전체를 부분 캐소드로 세분하고 전력을 순차적으로 차례로 부분 캐소드에 제공하는 것이다. 이러한 컨셉에 의해, 서로 절연된 다수의 캐소드들(이 경우, 부분 캐소드라고 함)이 코팅 장치에 제공되므로, 국부적으로 제한되어 높은 방전 전류가 제공될 수 있다. 이러한 해결 방법의 가능한 구현은 독일 특허 출원 DE 102011018363 호에 기술되어 있다.
부분 캐소드에 작용하는 전력 펄스 동안 상기 캐소드로부터 높은 방전 전류 밀도로 스퍼터링된다. 동시에 다른 부분 캐소드(들)는 다시 전력 펄스가 작용하기 전에 냉각될 수 있다.
발명자는, 펄스 지속 시간 자체가 마그네트론 스퍼터링에 의해 형성된 층의 층 특성에 많은 영향을 미치는 것을 확인했다. 따라서 매우 짧게 및 비교적 길게 지속되는 높은 전력 펄스를 제공할 수 있는 제너레이터들이 필요하다.
제너레이터들은 일반적으로 확실하게 일정한 전류에서 일정한 전압을 제공한다. 상기 제너레이터들을 영어로 "power supply"라고 하고, 이는 전력 공급 장치를 의미한다. 전술한 바와 같이 더 높은 전력의 짧은 전력 펄스를 형성하는 것에 관련되면, 상황은 까다로워진다. 예컨대 40 kW의 전력을 제공하는 전력 공급 장치의 접속 시 시중에서 구매 가능한 전압원으로 완전한 전력 출력에 이를 때까지 약 700 μs의 시간이 경과한다. 이러한 경우처럼 더 짧은 펄스 지속 시간을 갖는 전력 펄스를 필요로 하는 경우에, 완전한 전력 수급 전에 가용 시간이 경과한다. 이러한 펄스의 전력 프로파일은 따라서 조절되지 않고 동적이고, 그것에 기초한 스퍼터링 방법은 양호하지 않게 재현될 수 있고 차선적 특성을 갖는 층을 제공한다.
본 발명의 과제는 규정된 프로파일을 갖는 전력 펄스를 간단하게 달성할 수 있는 방법을 제공하는 것이고, 이 경우 전력 펄스의 지속 시간은 간단하게 넓은 간격에 걸쳐 스케일링될 수 있어야 한다.
본 발명에 따라 상기 과제는, 제 1 부분 캐소드에서 제 2 부분 캐소드로 전력의 우회 시 전력을 제공하는 제너레이터가 차단되어야 하는 것이 아니라 제너레이터로부터 전력 인출이 중단되지 않고 실행됨으로써, 다시 전력 증대가 이루어지지 않아도 되도록, 제 1 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격이 제 2 캐소드 부분에 할당된 전력 펄스 간격과 근소하게 시간적으로 중첩함으로써 해결된다.
2개의 전력 펄스 간격의 중첩 시간 동안 플라즈마는 제 1 부분 캐소드에서만 연소하는데, 그 이유는 이와 관련한 임피던스가 아직 점화되지 않은 제 2 부분 캐소드의 임피던스에 비해 현저히 낮기 때문이다. 제 1 전력 펄스 간격의 종료 시 제 1 부분 캐소드가 제너레이터로부터 분리될 때 비로소 제 2 부분 캐소드에서 플라즈마가 점화되고, 이는 실질적으로 제너레이터로부터 연속적인 전력 인출이 이루어질 정도로 신속하다. 제 3 부분 캐소드가 제공되는 경우에, 제 3 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격은 제 2 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격과 근소하게 중첩되므로, 제 2 부분 캐소드에서 제 3 부분 캐소드로 전력 우회 시 전력 인출이 중단되지 않는다. 일반화하면, 제 n 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격이 제 (n-1) 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격과 근소하게 중첩되고, 이로써 제 (n-1) 부분 캐소드에서 제 n 부분 캐소드로 전력 우회 시 제너레이터로부터 전력 인출의 중단이 방지된다. 전력이 마지막 부분 캐소드로 우회되고, 상기 마지막 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스가 제공된 경우에, 즉 전력 펄스 사이클이 - 하기에서 그룹이라고도 한다 - 완료되면, 제너레이터로부터 전력 인출이 중단된다. 후속하는 전력 중단은, 다시 제 1 부분 캐소드에 적절한 간격으로 상기 캐소드에 할당된 전력 펄스가 제공되기 전에 부분 캐소드를 냉각하는데 이용된다.
그러나 이러한 과정으로 인해, 적어도 제 1 부분 캐소드에 제공된 전력 펄스가 제너레이터의 전력 증대의 시간적인 범위에 있게 되고, 해당 전력 펄스가 바람직하지 않은 프로파일을 갖게 한다. 따라서 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 먼저 적어도 대체로 전력 증대 간격 동안 제 1 부분 캐소드에 전력을 제공하기 위해 소위 더미-캐소드에 전력이 제공된다. 그리고 나서 제 1 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격은 근소하게 전력 증대 간격과 중첩하게 되고, 이로 인해 더미-캐소드로부터 제 1 부분 캐소드로 우회 시 제너레이터로부터 전력 인출의 중단이 방지되고, 제 1 전력 펄스 간격의 범위에서 실질적으로 완전한 전력이 제공된다. 전술한 더미-캐소드는 예를 들어 옴 저항을 갖는 전류 회로에 의해 구현될 수 있고, 상기 회로에서 해당 전압이 강하하고, 따라서 전력이 열로 변환된다.
전술한 바와 같이, 전력 증대 간격은 700 μs의 범위이다. 상기 간격 동안 제너레이터로부터 더미-캐소드에 제공되는 전력은 코팅 공정에 도움이 되지 않고, 즉 소실되고, 손실을 형성한다. 이는 전력 펄스 사이클, 즉 그룹 간격이 전력 증대 간격에 비해 크고 따라서 전력 손실이 작은 퍼센티지에 불과한 경우에는 문제가 되지 않는다. 그러나, 그룹 간격과 전력 증대 간격의 차이가 두드러질 정도로 전력 펄스 간격들이 작아지는 경우에 문제가 된다. 이러한 경우에 허용될 수 없는 상당한 전력 손실이 발생한다.
이는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 의해 방지된다. 발명자는 요컨대, 전력 펄스 간격들이 짧은 경우에 부분 캐소드의 냉각은 전혀 필요하지 않다는 사실을 인식하였다. 이러한 경우에 제 2 전력 펄스 사이클은 제 1 전력 펄스 사이클에 후속한다. 이 경우, 제 2 전력 펄스 사이클(즉 제 2 그룹)의 제 1 전력 펄스 간격은 제 1 그룹의 제 1 전력 펄스 사이클의 마지막 전력 펄스 간격과 근소하게 중첩하므로, 마지막 부분 캐소드에서 제 1 부분 캐소드로 전력의 우회는 제너레이터로부터 전력 인출을 중단하지 않고 가능하다. 이로 인해 제 2 그룹의 경우에 전력 증대 간격과 더미-캐소드로 전력의 방출에 따른 전력 손실이 방지된다. 따라서 부분 캐소드에서 나타나는 열 발생으로 인해 전력 공급의 실질적인 중단이 이루어져야 할 때까지 다수의 그룹들을 나란히 정렬할 수 있다. 이러한 그룹 열(train)에서, 열의 시작 시 전력을 전력 증대 간격 동안 더미-캐소드로 안내하는 것은 한 번만 필요로 할 수 있다.
본 발명은 세부적으로 도면을 참고로 스퍼터링 기술에 의해 예시적으로 설명된다.
도 1은 부분 캐소드(1-6)에서 하나의 열로서 및 손실 간격(0)과 전력 펄스 간격으로 분할되어 실시예에 해당하는 상황들을 도시한 도면으로서, 수평축은 시간축이고, 수직축은 제너레이터로부터 제공된 전력이고, 중첩 영역(예컨대 td1)에서 전력은 2개의 부하로 세분되어야 하고, 이는 도면에 도시되지 않는다. 도면에는 3개의 그룹만이 도시된다.
캐소드 과열을 방지하기 위해, 전력 열(train) 내에서 부분 캐소드에 전력이 제공되는 동안의 전체 시간은 100 ms 보다 작아야 하는 것이 전제된다:
(tpn-tdn)*N < 100 ms = Tmax
실시예 1
제 1 실시예와 관련해서 더미-캐소드에 0.5 ms 동안 전력이 제공되고, 즉 손실 간격 tp0은 0.5 ms이고, 물론 약 0.25 ms의 전력 증대 간격을 포함한다. 더미-캐소드 외에 6개의 부분 캐소드들이 사용된다. 하나의 그룹에서 하나의 부분 캐소드에 전력이 제공되는 동안의 전력 펄스 간격은 tp1-6 = 0.2 ms로 정해지고, 전력 펄스 간격들의 중첩은 td1-6 = 0.02 ms로 정해진다. 총 10개의 전력 펄스 사이클이 주파되고, 즉 10개의 그룹은 손실 간격과 함께 하나의 열을 형성한다. 따라서 전체 열 간격은 10*6*(0.2 ms-0.02 ms)+0.5 ms = 10.8 ms+0.5 ms = 11.3 ms가 걸린다.
따라서 0.5 ms의 손실 간격은 코팅을 위해 사용되는, 10.8 ms의 전력 출력을 위한 시간에 대비된다. 더미-캐소드에서의 전력 손실과 비교해 보면 코팅을 위해서는 20배 이상의 전력이 사용된다.
전력 펄스 간격 동안 부분 캐소드에 40 kW가 인가하고 각각의 부분 캐소드에 5 kw의 평균 스퍼터링 전력이 사전 설정된 경우에, 전체 열 간격은 69.4 Hz의 주파수로 반복되고, 이에 하기식이 적용된다:
(tpn-tdn)*N*Pmax*fr = 0.18 ms*10*40 kW*69.4Hz = 5 kW.
이에 더미-캐소드에서 최대 0.5 ms*40 kW*69.4Hz = 1.39 kW의 평균 전력 손실이 대비된다. 69.4 Hz의 반복 주파수는 14.4 ms의 반복 지속 시간에 상응한다. 11.3 ms의 전체 열 간격의 지속 시간에서 이는, 열 사이에 3.1 ms의 휴지기가 삽입되는 것을 의미한다.
실시예 2
제 2 실시예와 관련해서 전력 펄스 간격은 0.07 ms로 감소하고, 그룹의 개수는 100으로 증가한다. 다른 파라미터들은 유지된다. 따라서 전체 열 간격은 100*6*(0.07 ms-0.02 ms)+0.5 ms = 30 ms+0.5 ms = 30.5 ms가 걸린다.
따라서 0.5 ms의 손실 간격은 코팅을 위해 사용되는, 30 ms의 전력 출력을위한 시간에 대비된다. 더미-캐소드에서의 전력 손실과 비교해 보면 코팅을 위해서는 60배 이상의 전력이 사용된다.
전력 펄스 간격 동안 부분 캐소드에 40 kW가 인가하고 각각의 부분 캐소드에 5 kw의 평균 스퍼터링 전력이 사전 설정된 경우에, 전체 열 간격은 25 Hz의 주파수로 반복되고, 이에 하기식이 적용된다:
(tpn-tdn)*N*Pmax*fr = 0.05 ms*100*40 kW*25 Hz = 5 kW.
이에 더미-캐소드에서 최대 0.5 ms*40 kW*25 Hz = 0.5 kW의 평균 전력 손실이 대비된다. 25 Hz의 반복 주파수는 40 ms의 반복 지속 시간에 상응한다. 30.5 ms의 전체 열 간격의 지속 시간에서 이는, 2개의 열 사이에 9.5 ms의 휴지기가 삽입되는 것을 의미한다.
실시예 3
제 3 실시예와 관련해서 전력 펄스 간격은 0.05 ms로 감소하고, 그룹의 개수는 1000으로 증가한다. 다른 파라미터들은 유지된다. 따라서 전체 열 간격은 1000*6*(0.05 ms-0.02 ms)+0.5 ms = 180 ms+0.5 ms = 180.5 ms가 걸린다.
따라서 0.5 ms의 손실 간격은 코팅을 위해 사용되는, 180 ms의 전력 출력을 위한 시간에 대비된다. 더미-캐소드에서의 전력 손실과 비교해 보면 코팅을 위해서는 360배 이상의 전력이 사용된다.
전력 펄스 간격 동안 부분 캐소드에 60 kW가 인가하고 각각의 부분 캐소드에 대략 5 kw의 평균 스퍼터링 전력이 사전 설정된 경우에, 전체 열 간격은 2.7 Hz의 주파수로 반복되고, 이에 하기식이 적용된다:
(tpn-tdn)*N*Pmax*fr = 0.03 ms*1000*60 kW*2.7 Hz = 4.86 kW.
이에 더미-캐소드에서의 최대 0.5 ms*60 kW*2.7 Hz = 81 kW의 평균 전력 손실이 대비된다. 2.7 Hz의 반복 주파수는 360 ms의 반복 지속 시간에 상응한다. 180.5 ms의 전체 열 간격의 지속 시간에서 이는, 2개의 섹션 사이에 179.5 ms의 휴지기가 삽입되는 것을 의미한다.
실시예 4
제 4 실시예와 관련해서 전력 펄스 간격은 0.05 ms로 유지되고, 그룹의 개수는 1000으로 유지되고, 다른 파라미터들도 유지된다. 따라서 전체 열 간격은 1000*6*(0.05 ms-0.02 ms)+0.5 ms = 180 ms+0.5 ms = 180.5 ms가 걸린다.
따라서 0.5 ms의 손실 간격은 코팅을 위해 사용되는, 180 ms의 전력 출력을 위한 시간에 대비된다. 더미-캐소드에서의 전력 손실과 비교해 보면 코팅을 위해서는 360배 이상의 전력이 사용된다.
실시예 3에서처럼 전력 펄스 간격 동안 부분 캐소드에 60 kW가 인가하는 것이 아니라, 하나의 부분 캐소드에 33 kw만이 사전 설정되고, 각각의 부분 캐소드에 약 5 kW의 평균 스퍼터링 전력만이 사전 설정된 경우에, 전체 열 간격은 5.05 Hz의 주파수로 반복되고, 이에 하기식이 적용된다:
(tpn-tdn)*N
*Pmax*fr = 0.03 ms*1000*33 kW*5.05 Hz = 5 kW.
이에 더미-캐소드에서의 최대 0.5 ms*33 kW*5.05 Hz = 83 kW의 평균 전력 손실이 대비된다. 180.5 ms의 전체 열 간격의 지속 시간에서 이는, 2개의 열 사이에 단지 17.5 ms의 휴지기가 삽입되는 것을 의미한다.
전술한 실시예에 제시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 손실 전력이 거의 사라져 낮은 경우에 펄스 지속 시간, 펄스 높이, 펄스 반복 주파수 및 펄스 프로파일의 정확한 규정의 간단한 스케일링을 가능하게 한다. 스케일링 가능한 펄스 특성이라는 표제로 통합될 수 있는 상기 모든 변수들은 스퍼터링 시 그리고 특히 HIPIMS-기술과 관련해서 형성되는 층의 특성에 직접 작용한다. 본 발명의 상세한 설명이 스퍼터링 기술과 관련해서 전력 펄스의 제공을 설명하더라도, 본 발명은 펄스와 관련해서 비교적 높은 전력이 부하에 제공되어야 하는 모든 곳에 바람직하게 적용될 수 있다.
Pavg 평균 스퍼터링 전력
Pmax 최대 스퍼터링 전력(펄스 전력)
tpn 펄스 길이
tdn 펄스 지연
N 그룹의 개수(N = 0...500)
n 채널 번호
(=부분 캐소드의 개수, n=0 ...6, n=0은 더미-캐소드에 해당함)
fr 반복 주파수
tr 반복 지속 시간 = 1/fr

Claims (10)

  1. 제 1 부분 캐소드와 제 2 부분 캐소드를 포함하는 PVD-스퍼터링 캐소드의 작동을 위한 스케일링 가능한 전력 펄스 간격을 갖는 전력 펄스를 제공하는 방법으로서, 이 경우 부분 캐소드에 대해 최대 평균 전력 공급이 사전 설정되고, 전력 펄스 간격들의 지속 시간이 사전 설정되며,
    a) 스위칭 온(switching on)되고 나서 전력 증대 간격이 경과된 후 일정한 전력 출력을 가지는 제너레이터를 제공하는 단계,
    b) 제너레이터를 스위칭 온 하는 단계,
    c) 제 1 부분 캐소드에 제너레이터로부터 전력이 제공되도록 제너레이터에 제 1 부분 캐소드를 접속하는 단계,
    d) 제 1 부분 캐소드에 대응하여 사전 설정된 제 1 전력 펄스 간격이 경과 된 후에 상기 제 1 부분 캐소드와 제너레이터를 분리하는 단계,
    e) 제 2 부분 캐소드에 제너레이터로부터 전력이 제공되도록 제너레이터에 제 2 부분 캐소드를 접속하는 단계,
    f) 제 2 부분 캐소드에 대응하여 사전 설정된 제 2 전력 펄스 간격이 경과 된 후에 상기 제 2 부분 캐소드와 제너레이터를 분리하는 단계
    를 포함하고, 상기 제 1 전력 펄스 간격은 시간적으로 제 2 전력 펄스 간격 전에 시작되고, 상기 제 1 전력 펄스 간격은 시간적으로 상기 제 2 전력 펄스 간격 내에 종료되는 방법에 있어서,
    상기 단계 d)와 e)는, 제 1 전력 펄스 간격과 제 2 전력 펄스 간격이 시간적으로 중첩되고, 모든 전력 펄스 간격은 함께 제 1 그룹을 형성함으로써, 제너레이터로부터 전력 출력이 제 1 전력 펄스 간격의 시작부터 제 2 전력 펄스 간격의 종료까지 중단없이 연속해서 지속되어, 제 2 전력 증대 간격이 나타나지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전력 펄스 간격과 상기 제 2 전력 간격 펄스의 시간적인 중첩은 전력 펄스 간격들의 x%를 넘지 않고, 또는 제 1 전력 펄스 간격과 제 2 전력 펄스 간격의 지속 시간이 다른 경우에, 더 짧은 지속 시간의 전력 펄스 간격의 x%를 넘지 않고, 이 경우 x는 20보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, PVD-스퍼터링 캐소드는 적어도 하나의 다른 부분 캐소드를 포함하고, 이 경우 상기 다른 부분 캐소드는 단계 e) 및 f)에 따라 제너레이터에 접속되고, 상기 제너레이터와 분리되고, 차례가 돌아오는 각각의 다른 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격은 바로 직전의 부분 캐소드에 해당하는 전력 펄스 간격과 시간적으로 중첩하고, 제 1, 제 2 및 다른 전력 펄스 간격(들)은 함께 시간적으로 중단되지 않는 제 1 그룹을 형성하므로, 제 1 그룹에 의해 형성된 그룹 간격 동안 제너레이터로부터 전력 출력이 중단되지 않고 연속해서 지속되고, 제 2 전력 증대 간격은 나타나지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 제 2 그룹은 제 1 그룹에 관련되고, 상기 제 2 그룹 내에서 제 1 그룹에 상응하게 제 1, 제 2 및 경우에 따라서 다른 부분 캐소드에 중첩하는 전력 펄스 간격 내의 전력 펄스들이 제공되고, 이 경우 상기 제 2 그룹은, 제 2 그룹의 제 1 전력 펄스 간격이 제 1 그룹의 마지막 전력 펄스 간격과 중첩하도록 제 1 그룹에 관련되므로, 제 1 그룹의 제 1 전력 간격의 시작부터 제 2 그룹의 마지막 전력 간격의 종료까지 중단되지 않고 연속해서 제너레이터로부터 전력 출력이 지속되고, 제 2 전력 증대 간격은 나타나지지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 그룹 1과 2에 대해 형식화된 조건에 따라 N개의 그룹들이 차례로 연결되고, 이 경우 N은 정수 > 1인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 그룹의 개수 N은 최대로, 그러나 각각의 부분 캐소드들(n)에 대해 모든 그룹(1 내지 N)의 각각의 중첩(tdn)을 제외한 상기 각각의 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격(tpn)의 합이 100 ms의 최대 시간을 초과하지 않을 정도로만 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 손실 간격 동안 제너레이터로부터 출력된 전력이 코팅을 위해 사용되는 부하에 제공되지 않고, 이 경우 상기 손실 간격은 적어도 전력 증대 간격을 포함하고, 상기 손실 간격은 제 1 그룹의 제 1 전력 펄스 간격과 중첩하고, 상기 손실 간격은 그룹과 함께 중단되지 않는 열을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 a) 내지 f) 단계가 복수회 반복되고, 마지막 그룹의 마지막 전력 펄스 간격 후에 휴지기 동안 제너레이터는 차단되고, 상기 휴지기는 부분 캐소드에 제공되는 시간 평균 전력이 휴지기를 고려하여 사전 설정된 값에 상응하는 길이로 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법을 포함하는 HIPIMS-방법으로서,
    제너레이터의 사전 설정된 전력은 적어도 20 kW인 것을 특징으로 하는 HIPIMS-방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 파라미터들은 부분 캐소드에 제공된 시간 평균 전력이 10 kW보다 작도록 선택되고, 이 경우 간헐적으로 및 국부적으로 부분 캐소드의 방전 전류 밀도는 0.2 A/㎠보다 큰 것을 특징으로 하는 HIPIMS-방법.
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