KR102147442B1 - 스퍼터링 장치 - Google Patents

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KR102147442B1
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다니엘 테오도르 크로울리
패트릭 로렌스 모르스
존 로버트 게르만
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뷔홀러 아게
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Abstract

회전식 타깃 캐소드를 위한 마그네트론 조립체는 강성의 지지 구조물, 상기 강성의 지지 구조물에 이동가능하게 부착된 자석 바 구조물, 및 상기 강성의 지지 구조물에 결합되고, 회전가능한 타깃 실린더의 표면으로부터 상기 자석 바 구조물의 거리를 변화시키도록 구성된 적어도 하나의 작동 기구를 포함한다. 상기 마그네트론 조립체는 상기 회전가능한 타깃 실린더의 표면에 대해 상기 자석 바 구조물의 위치를 측정하도록 동작가능한 위치 지시 기구를 더 포함한다. 통신 디바이스는 상기 마그네트론 조립체의 외부로부터 커맨드 신호를 수신하고 상기 마그네트론 조립체의 외부로 정보 신호를 송신하도록 구성된다.

Description

스퍼터링 장치{SPUTTERING APPARATUS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2013년 3월 1일에 출원된 미국 가특허 출원 제61/771,460호의 유익을 주장하며, 이 기초 출원은 참고로 본 명세서에 병합된다.
회전하는 타깃의 마그네트론 스퍼터링은 잘 알려져 있고 여러 기판 상에 여러 박막을 제조하는데 널리 사용되고 있다. 회전하는-타깃의 마그네트론 스퍼터링의 가장 기본적인 형태에서, 스퍼터링될 물질은 튜브 형상으로 형성되거나 강성의 물질로 만들어진 지지 튜브의 외부 표면에 부착된다. 마그네트론 조립체는 이 튜브 내에 배치되어 자속을 공급하며, 이 자속은 타깃을 투과하여 타깃의 외부 표면에 적절한 자속을 생성한다. 마그네트론 조립체에 의해 생성된 자기장은 타깃으로부터 방출된 전자를 보유하여 이 전자가 작업 가스와 이온화 충돌을 할 가능성을 증가시켜, 스퍼터링 공정의 효율을 개선시키는 방식으로 설계된다.
타깃 두께를 증가시켜 보다 민감한 처리 조건에서 스퍼터링 공정을 동작시키는 것이 바람직하기 때문에 타깃 부식 효과를 보상하는 것이 점점 더 중요해지고 있다. 세라믹 타깃의 제조 비용으로 인해 더 두꺼운 타깃이 대부분 요구되지만, 이는 또한 더 긴 코팅 캠페인을 이어가기 위하여 스퍼터링 코팅기에 사용가능한 물질의 재고를 더 많이 가지기 위해서도 더 두꺼운 타깃이 요구된다. 보다 민감한 처리 조건에서 공정을 동작시키는 요구는 더 높은 증착 속도를 취하는 요구에 의해, 반응 모드 스퍼터링에서, 및/또는 막의 화학 조성을 정밀하게 제어하기 위해 요구된다.
일부 물질, 특히 세라믹 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide: TCO) 물질의 타깃의 제조 비용은, 원료 물질의 비용에 비해 상대적으로 높다. 이들 타깃의 경제성을 개선시키기 위하여, 타깃 물질의 두께를 증가시키는 것이 요구된다. 이런 방식으로, 타깃은 제조 비용이 상당히 변하지 않기 때문에 타깃의 전체 비용을 단지 최소한으로 추가하면서 상당히 많은 물질을 사용가능하다. 단지 상당한 비용 증가는 사용되는 추가적인 원료 물질로 인한 것이다. 나아가, 더 두꺼운 타깃은 타깃 변화들 사이에 더 긴 제조 캠페인을 허용하는 추가된 이점을 제공한다.
그러나, 타깃 두께를 너무 증가시키면, 표준 마그네트론 조립체를 사용할 때 타깃 표면에 부적절한 자속을 초래할 수 있다. 최근 더 두꺼운 타깃에 요구되는 더 높은 자속을 제공하기 위해 더 높은 자속을 갖는 마그네트론 설계가 도입되었다.
반응 마그네트론 스퍼터링의 경우에, 금속 타깃이 산소 또는 질소와 같은 반응 가스를 포함하는 대기에서 스퍼터링된다. 스퍼터링된 물질은 반응 가스와 반응하여 타깃 물질과 반응 가스의 화합물로 구성된 막을 형성한다. 반응 가스는 또한 타깃 표면과 반응하여, 타깃 표면에 반응 화합물을 형성한다. 표면 화합물은 식각 속도를 크게 감소시킨다. 스퍼터링 효율을 개선시키기 위하여, 반응 가스의 양은 원하는 막의 화학 조성을 달성하면서 타깃 표면 반응을 최소화하기 위하여 주의 깊게 제어될 수 있다. 일부 경우에, 공정은 막의 화학 조성이 부-화학양론으로 되도록 제어될 필요가 있다.
처리 가스에 대한 이러한 정밀한 제어는 공정을 작은 교란에 민감하게 만든다. 산업계는 전력 전달과 처리 가스를 제어할 때 많은 처리 교란을 최소화하는 상당한 기술적 진보를 보여주었다. 그럼에도 불구하고, 플라즈마의 자기 밀폐 상태(magnetic confinement)의 변동을 최소화하려는 시도는 거의 이루어지지 않았다. 타깃이 부식됨에 따라, 작업 표면은 자성 조립체에 더 가까이 있게 되어 자기장이 더 강해진다. 이것은 플라즈마의 밀폐 상태를 변화시켜, 스퍼터링 공정의 동역학을 변화시킨다. 이것은 공정의 장기 안정성을 유지하는데 문제를 야기한다.
회전하는 캐소드를 위한 일반적인 마그네트론 조립체는 자기 회로를 완성하는 것을 도와주는 강철과 같은 자기 전도성 물질의 요크에 부착된 실질적으로 평행한 3행의 자석을 포함한다. 자석의 자화 방향은 스퍼터링 타깃의 주축에 대하여 방사방향이다. 자석의 중심 행은 2개의 외부 행의 자석과 반대 극성을 구비한다.
내부 행과 외부 행의 자석의 자속은 자석의 일측에서 자기 전도성 요크를 통해 링크된다. 요크와 대향하는 자석의 타측에, 자속은 자기 전도성 물질에 격납되지 않는다. 그리하여, 자속은 실질적으로 비 자성인 타깃을 통해 실질적으로 방해 없이 투과한다. 그리하여, 2개의 아크 형상의 자기장이 타깃의 작업 표면에 제공되고 이 작업 표면에 근접한다. 이 자기장은 전자를 보유하고 이 전자를 자석의 행과 평행한 자기장 라인과 수직한 방향으로 드리프트시킨다. 이것은 ExB 드리프트로 알려져 있다. 통상적인 배열에서, 이 드리프트 경로는 타깃의 주축과도 평행하다.
추가적으로, 자석의 외부 행은 약간 더 길어서, 외부 행과 동일한 극성의 내부 행의 자석과 추가적인 자석이 드리프트 경로의 소위 "턴어라운드" 영역을 형성하는 2개의 외부 행들 사이 조립체의 단부에 배치된다. 이것은 2개의 드리프트 경로들을 연결하여, 하나의 연속적인 타원형의 "경주 트랙" 드리프트 경로를 형성하는 효과를 제공한다. 이것은 전자의 보유를 최적화하여 스퍼터링 공정의 효율을 최적화한다.
타깃이 부식됨에 따라, 작업 표면은 자석 조립체에 더 가까이 오고, 작업 표면에서 자기장의 세기는 비선형 방식으로 증가한다. 정밀한 제어 공정을 위하여 타깃이 부식됨에 따라 자기장을 변경시켜, 공정의 변동을 최소화하여, 타깃 수명 동안 공정을 더 용이하게 제어할 수 있게 하는 것이 매우 바람직하다.
타깃이 부식될 때 자기장의 변경을 요구하는 것은 잘 알려져 있고, 평면 스퍼터링 캐소드의 경우에 이루어졌다. 그러나, 회전하는 캐소드에 조절가능한 마그네트론을 요구하는 것은 캐소드의 형상과 기계 구조물이 과제에 특히 문제를 야기하여 만족스럽지 않았다.
회전식 타깃 캐소드를 위한 마그네트론 조립체는 강성의 지지 구조물, 이 강성의 지지 구조물에 이동가능하게 부착된 자석 바(magnet bar) 구조물, 및 상기 강성의 지지 구조물에 결합되고, 회전가능한 타깃 실린더의 표면으로부터 상기 자석 바 구조물의 거리를 변경하도록 구성된 적어도 하나의 작동 기구를 포함한다. 상기 마그네트론 조립체는 상기 회전가능한 타깃 실린더의 표면에 대해 상기 자석 바 구조물의 위치를 측정하도록 동작가능한 위치 지시 기구(position indicating mechanism)를 더 포함한다. 통신 디바이스는 상기 마그네트론 조립체의 외부로부터 커맨드 신호를 수신하고 정보 신호를 상기 마그네트론 조립체의 외부로 송신하도록 구성된다.
도 1은 일 실시형태에 따른 회전가능한 타깃 캐소드를 위한 마그네트론 조립체의 사시도;
도 2는 도 1의 마그네트론 조립체의 단부도;
도 3은 도 1의 마그네트론 조립체의 측면도;
도 4는 도 2의 라인 4-4를 따라 취한 마그네트론 조립체의 측단면도;
도 5는 도 4의 라인 5-5를 따라 취한 마그네트론 조립체의 확대 단면도;
도 6은 도 3의 라인 6-6을 따라 취한 마그네트론 조립체의 단부 단면도;
도 7은 다른 실시형태에 따른 회전가능한 타깃 캐소드에서 마그네트론 조립체의 측단면도;
도 8은 도 7의 라인 8-8을 따라 취한 마그네트론 조립체의 확대 단면도;
도 9는 일 실시형태에 따른 스퍼터링 장치의 부분 측단면도; 및
도 10은 또 다른 실시형태에 따른 스퍼터링 장치의 개략도.
타깃이 부식될 때 스퍼터링 표면에서 자기장의 세기의 변동을 처리하여, 변하는 처리 조건을 초래하는 회전하는-캐소드 마그네트론 스퍼터링을 위한 장치 및 기술이 제공된다. 타깃 부식 효과를 자기적으로 보상하는 것에 의해, 본 접근법은 공정의 안정성을 개선시킨다.
일부 실시형태에서, 마그네트론 조립체의 위치를 조절하는 것은 스프링 부하식 기계 구조물(spring loaded mechanical structure)을 푸시하는 공압 또는 유압에 의해 이루어질 수 있다. 스프링은 공압 또는 유압이 반대 방향으로 스프링을 푸시하는 동안 타깃의 작업 표면으로부터 가장 가까운 거리 쪽으로 또는 가장 먼 쪽으로 마그네트론 조립체를 푸시할 수 있다. 인가된 압력은 조립체의 위치를 결정한다. 이러한 실시형태에서, 압력-전달 라인이 중심 물 튜브(water tube) 내에 배치될 수 있고, 이 튜브에 마그네트론 조립체가 일반적으로 장착된다. 이러한 위치지정은 물 튜브가 정적으로 유지되기 때문에 유리하다. 따라서, 이동하는 부분을 밀봉할 필요가 없어서 신뢰성이 최적화된다.
일 실시형태에서, 에너지가 타깃 조립체 내에 배치된 가압된 가스 실린더를 통해 공압 액추에이터에 제공된다. 고압 가스 실린더는 예를 들어 상업적으로 구입가능한 이산화탄소(CO2) 카트리지일 수 있다.
다른 예에서, 조절을 하기 위한 운동이 물 튜브 내에 배치될 수 있는 케이블에 의해 제공될 수 있다. 일 예에서, 이 케이블은 차량의 속도계에서와 같이 회전식일 수 있다. 다른 예에서, 이 케이블은 자전거의 핸드브레이크 케이블과 같은 푸시/풀(push/pull) 형식일 수 있다.
사용되는 캐소드의 특정 설계에 따라, 본 접근법의 일부 실시형태는 타깃 조립체의 축을 따라 물 튜브 내에 배치된 회전식 또는 선형 샤프트에 의하여 직접 운동을 제공할 수 있다. 이 샤프트는 회전식 밀봉과 같은 공기-물의 밀봉을 통해 공기로부터 물로 전달한다. 선형 운동의 경우에, 이 운동은 벨로우즈(bellows)를 통해 전달될 수 있고, 이 벨로우즈는 공기-물의 완전한 분리를 제공하고, 벨로우즈의 압축 또는 팽창을 통해 운동을 전달한다.
일부 캐소드 설계에서, 타깃 조립체의 일 단부는 모든 기능이 전달되는 단부-블록에 부착되고, 타깃의 타 단부는 캡핑(capped)된다. 이런 유형의 캐소드는 단일-종단의 캐소드라고 언급된다. 캡핑된 단부는 베어링에 의해 지지되거나 지지되지 않을 수 있다. 이런 유형의 캐소드 설계에서, 전술한 벨로우즈는 단부-캡 설계의 일부일 수 있다.
기계적인 피드쓰루(feed-through)를 제공하는 다른 방법은 자성을 이용한 것이다. 타깃 구조물 내 자성 조립체는 타깃 외부의 조립체에 자기적으로 결합될 수 있다. 외부 조립체의 운동은, 자기장 링크를 통해, 고체벽을 거쳐 변환될 수 있다. 이러한 배열은 대부분 단일-종단의 캐소드 설계의 단부-캡의 일부로 용이하게 구현될 수 있다.
다른 예에서, 조절하는 것은 정적 마그네트론/물-튜브 조립체에 대해 타깃 회전의 운동을 이용하여 이루어질 수 있다. 이것은 기어와 같은 기계 구조물을 제공하여, 타깃의 회전식 운동을 이용하여 조절을 수행하는데 사용되는 액추에이터를 구동하는 것에 의해 수행될 수 있다. 다른 실시형태에서, 조절하는 것은 물이 중심 물 바(water bar)를 통해 흐를 때 터빈 또는 물-휠(water-wheel) 기구에 의해 캐소드를 통해 물 흐름을 이용하여 이루어질 수 있다. 이러한 경우에 타깃이 회전하거나 또는 물이 흐르는 실시형태에서, 전술한 기계적인 피드쓰루 방법 중 어느 것을 사용할 수 있는 스위칭 기구와 같은 코팅기 외부로부터 기구와 맞물리거나 맞물림 해제하는 구조물을 제공하는 것이 필요하다.
또 다른 실시형태에서, 조절하는 것은 방수 하우징 내에 포함되거나 침수될 수 있는 타깃 조립체 내에 포함된 서보(servo) 또는 스테퍼 모터(stepper motor)와 같은 내부 모터에 의해 이루어질 수 있다. 이들 모터는 토크를 직접 조절 나사에 인가하거나 또는 중간 기계 부품일 수 있다. 중간 기계 부품은, 예를 들어, 운동 방향을 변화시키는 웜 기어, 베벨 기어, 또는 랙과 피니언일 수 있다. 이러한 기계 부품은 기어 감속으로 기능하여 모터의 출력 토크와 조절 나사에 인가되는 원하는 토크 사이에 상대적인 토크를 조절할 수 있다.
대안적인 접근법에서, 압전 모터가 작동 기구에 사용될 수 있다. 압전 모터는 선형 운동을 제공한다. 이 운동은 조절 나사에 부착된 기어에 접선력을 인가하는 것에 의해 회전식 운동으로 변환되어 조절 나사를 구동할 수 있다. 다른 선형 운동 옵션은 전기 솔레노이드와 공압 또는 유압 실린더를 포함한다.
내부 모터를 위한 전력이 물 바 조립체를 통해 이어지는 와이어에 의해 제공될 수 있으나, 캐소드에 인가되는 전기 전력으로부터 이 와이어를 차폐할 때 타깃을 조립할 때 추가적인 연결이 요구되기 때문에 곤란함이 발생할 수 있다. 대안적으로, 전력이 특히 단일-종단의 캐소드의 캡핑된 단부 상에 브러시 접촉에 의해 라우팅될 수 있다.
내부 모터를 구동하는 다른 방법은 타깃 공동 내에 배터리 팩을 제공하는 것이다. 이 접근법에서, 전력은 전술한 기구 중 어느 것에 의해 스위치 온 및 오프될 수 있다.
일반적으로, 액추에이터의 공압 실시형태는 모터로 구동되는 실시형태보다 더 적은 전력을 요구한다.
또 다른 실시형태에서, 전자 내부 제어 모듈은 타깃 조립체 내에 위치될 수 있다. 오퍼레이터(operator)와 내부 제어 모듈 사이에 커맨드와 피드백 통신은 캐소드의 상당한 변경을 요구하지 않는 여러 방법에 의해 수행될 수 있다.
내부 제어 모듈과 원격 통신하는 하나의 방법은 전력-라인 오버레이(overlay) 신호에 의한 것이다. 이 경우에, 통신 신호는 타깃에 인가되는 전력과 동일한 컨덕턴스 경로를 통해 전송한다. 그러나, 통신 주파수는 스퍼터링 전원의 임의의 전력 주파수과 매우 상이하도록 선택되어야 한다. 추가적으로, 경우에 따라 스퍼터링 공정에 의해 생성된 전기 잡음을 보상하기 위해 리던던트 신호를 송신하는 것이 필요할 수 있다. 이 통신 방법은 사실상 캐소드 구조물을 변경함이 없이 대부분의 회전식 캐소드 설계에 용이하게 구현될 수 있고 특별한 피드쓰루를 요구하지 않는 장점을 제공한다.
제어 모듈과 통신하는 대안적인 방법은 캐소드 또는 타깃 조립체에서 윈도우를 통해 신호를 전송하는 것을 포함한다. 이러한 윈도우에 가장 편리한 장소는 단일-종단 유형의 캐소드의 단부 캡의 중심이다. 이 윈도우를 통해 송신될 수 있는 신호의 예시적인 유형은 무선, 와이파이(Wi-Fi), 블루투스, 광, 자기 유도 등을 포함한다. 디지털 광통신은 스퍼터링 공정에 의해 생성된 전자기 잡음과 간섭이 없다는 장점을 제공하지만, 통신 경로는 광을 합리적으로 차폐할 것을 요구한다. 무선 및 와이파이 신호는 전자기 잡음을 차폐할 것을 요구한다. 자기 유도 통신은 서로 근접한 2개의 유도 코일을 수반하며, 여기서 제1 코일은 전기 전류에 의해 활성화되고 제2 코일은 제1 코일에 의해 생성된 자기장에 응답하여 전압 신호를 생성하는 픽업 코일로 작용한다. 이들 방법들은 전부 2방향 통신을 제공할 수 있다. 자기 유도 방법의 하나의 변형은 코일들 중 하나의 코일을 홀 센서(Hall sensor)로 대체하는 것이지만, 이것은 통신을 1방향으로 제한한다.
원격 통신의 다른 대안은 한 쌍의 초음파 트랜시버를 사용하는 것이다. 초음파 통신은 트랜시버들이 송신을 위한 시야(line-of-sight) 또는 임의의 특별한 윈도우를 요구하지 않기 때문에, 트랜시버들이 장착되는 것에 보다 다양성이 있다는 장점을 제공한다. 추가적으로, 초음파 트랜시버는 임의의 전자기 잡음, 광 잡음 또는 광 임피던스를 나타내지 않는다. 초음파 통신의 장점은 여러 제조사에 의해 생성된 캐소드를 개조하는 것을 더 용이하게 한다.
타깃 작업 표면에 대해 자석 조립체의 위치를 감지하는 방법이 더 제공된다. 하나의 접근법에서, 직접 측정은 아날로그 또는 디지털 선형 운동 지시자를 사용하여 수행된다. 운동이 서보 또는 스테퍼 모터에 의해 구동되면, 피드백 신호가 이들 모터로부터 이용가능하다. 위치를 감지하는 대안적인 방법은 공압 요소 내 가스 압력을 측정하는 것이다. 다른 방법은 조절이 이루어질 때 서로 상대적인 이동하는 자석과 홀 탐침(Hall probe)을 장치에 장착하는 것이다. 홀 탐침은 자석으로부터 거리에 따라 상이한 전압 출력을 제공할 수 있다.
본 명세서에 개시된 여러 기술은, 전체 자석 조립체를 단일 유닛으로 위치시키는데 사용되거나, 또는 자석 조립체의 길이를 따라 다수의 점을 위치시키는데 사용되어 공정의 균일성을 독립적으로 조절할 수도 있다.
도 1 내지 도 3 및 도 6은 일 실시형태에 따라 회전가능한 타깃 실린더를 위한 마그네트론 조립체(100)의 여러 도면을 도시한다. 일반적으로, 마그네트론 조립체(100)는 냉각제 튜브와 강성의 지지 구조물(102), 이 지지 구조물(102)에 이동가능하게 부착된 자석 바 구조물(104), 및 이 지지 구조물(102)에 결합된 하나 이상의 작동 기구(108)를 포함한다. 작동 기구(108)는 회전가능한 타깃 실린더의 표면으로부터 자석 바 구조물(104)의 거리를 변화시키도록 구성된다.
작동 기구(108)는 액추에이터 하우징(109)에 의해 커버된다. 위치 지시 기구는 액추에이터 하우징(109)에 위치되고, 회전가능한 타깃 실린더의 표면에 대해 자석 바 구조물(104)의 위치를 측정하도록 동작가능하다. 자석 바 구조물(104)은 도 6에 도시된 바와 같이 요크(112)에 부착된 실질적으로 평행한 행의 자석(110)의 어레이를 포함한다. 요크(112)는 자기 회로를 완성하는 것을 도와주는 강철과 같은 자기 전도성 물질로 구성된다.
제어 하우징(106)은 지지 구조물(102)을 부분적으로 둘러싸고, 마그네트론 조립체(100)의 외부로부터 커맨드 신호를 수신하고 마그네트론 조립체(100)의 외부로 정보 신호를 송신하도록 구성된 통신 디바이스를 포함한다. 제어 하우징(106)은 또한 작동 기구(108)와 동작가능하게 통신하는 전자 제어기를 에워싼다. 통신 디바이스는 전자 제어기에 동작가능하게 결합된 트랜시버일 수 있다. 트랜시버는 예를 들어 무선 주파수(RF) 트랜시버, 광 트랜시버 또는 초음파 트랜시버일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제어 하우징(106)은 위치 피드백 연결 포트(114)와 하나 이상의 작동 연결 포트(116)를 한정한다.
위치 지시 기구는 각 작동 기구(108)에서 내장된 위치 센서로 구현될 수 있다. 위치 센서는 직접 감지에 의해 또는 간접 계측에 의해 자석 바 구조물(104)의 위치를 측정할 수 있다. 예를 들어, 위치 지시 기구는 아날로그 센서에서 홀 탐침과 자석으로 구현될 수 있다. 대안적으로, 위치 지시 기구는 추가적인 처리 없이 오퍼레이터에 데이터를 직접 송신하는 플런저 스타일 디지털 지시자와 같은 디지털 지시자로 구현될 수 있다.
나아가, 전력 소스는 액추에이터 기구(108)와 전자 제어기에 전력을 공급하도록 제공될 수 있다. 전력 소스는 마그네트론 조립체의 볼륨 내에 완전히 자체 포함될 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩과 같은 전원은 제어 하우징(106)에 위치될 수 있다.
작동 기구(108)는 여러 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 작동 기구(108)는 스프링-부하식 공압 구조물(spring-loaded pneumatic structure) 또는 스프링 부하식 유압 구조물(spring loaded hydraulic structure)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 작동 기구(108)는 회전식 케이블 또는 푸시/풀 케이블을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 각 작동 기구(108)는 스프링-부하식 공압 벨로우즈, 블래더(bladder) 또는 실린더를 포함할 수 있다. 이 접근법에서, 조절 점은 반대 방향으로 푸시하는 공압 요소에 압력으로 스프링 부하식다. 조절을 하기 위한 예비 에너지는 CO2 가스 카트리지와 같은 압축 가스 공급부에 저장될 수 있다. 조절하는 것은 CO2 가스 카트리지로부터 압축 가스를 공압 요소로 방출하거나, 또는 공압 요소로부터 가스를 타깃 내 냉각수로 방출하는 조절 밸브에 의해 이루어질 수 있다.
내장된 위치 센서를 갖는 작동 기구(108)의 일 실시형태의 추가적인 상세는 도 4 및 도 5에 도시된다. 이 실시형태에서, 작동 기구(108)는 홀 탐침을 위한 센서 포트(120), 압축 가스를 수용하도록 구성된 공압 작동 포트(122), 및 공압 작동 포트(122)와 연통하는 용접된 벨로우즈와 같은 벨로우즈(124)를 포함한다. 제어 샤프트(130)는 자석 바 구조물(104)의 요크(112)와 벨로우즈(124)에 결합된다. 리턴 스프링(128)은 제어 샤프트(130)에 결합되고, 자석(126)은 홀 탐침 피드백을 위한 제어 샤프트(130)에 위치된다. 홀 탐침/자석은 이 실시형태에서 위치 감지를 위한 아날로그 검출기이다. 도 6은 도 4 및 도 5의 작동 기구(108)에 사용되는, 제어기를 위한 제어 보드(113), 하나 이상의 솔레노이드 밸브(115), 트랜시버(117), 이 솔레노이드 밸브와 유체 연통하는 CO2 가스 카트리지(118), 및 이 제어 보드를 동작시키는 배터리(119)에 대한 제어 하우징(106) 내의 예시적인 위치를 도시한다.
전술한 바와 같이, 작동 기구는 대안적으로 서보, 스테퍼 모터 또는 압전 모터와 같은 모터 구동식 구조물로 구현될 수 있다. 임의의 개수의 기계적인 구성이 구동 운동을 위해 사용될 수 있다. 하나의 예는 직각 기어 또는 감속 기어를 더 포함할 수 있는 나사 잭이다. 이들 실시형태에서, 자석 바의 위치 감지는 모터 구동식 구조물로부터 피드백을 통해 수행될 수 있다.
도 7 및 도 8은 일 실시형태에 따라 회전가능한 타깃 캐소드(170)에서 모터 구동식 구조물로 구현된 마그네트론 조립체(140)를 도시한다. 일반적으로, 마그네트론 조립체(140)는 타깃 실린더(172)의 내부에 배치되고, 강성의 지지 구조물(142), 이 지지 구조물(142)에 이동가능하게 부착된 자석 바 구조물(144), 및 이 지지 구조물(142)에 결합된 복수의 모터로 구동되는 작동 기구(146)를 포함한다. 모터로 구동되는 작동 기구(146)는, 예를 들어 100:1 기어 감속을 구비할 수 있는 기어식 스테퍼 모터(148)를 포함한다. 베벨 기어(150) 세트는 스테퍼 모터(148)에 동작가능하게 결합된다. 베벨 기어(150)는, 예를 들어 4:1 기어 감속을 구비할 수 있다. 나사산 형성된 하우징(152)은 각 베벨 기어(150)와 맞물린다. 나사산 형성된 포스트(154)는 자석 바 구조물(144)과 나사산 형성된 하우징(152) 사이에 결합된다. 액추에이터 하우징(155)은 모터로 구동되는 각 작동 기구(146)를 에워싼다.
마그네트론 조립체(140)는 모터로 구동되는 작동 기구(146)와 동작가능하게 통신하는 전자 제어기(156)를 더 포함한다. 초음파 트랜시버/트랜스듀서(158)와 같은 통신 디바이스는 전자 제어기(156)에 동작가능하게 결합된다. 스테퍼 모터(148)와 전자 제어기(156)를 위한 전력은 배터리 팩(160)에 의해 제공될 수 있다. 제어 하우징(162)은 전자 제어기(156)와 배터리 팩(160)을 에워싼다.
타깃 실린더(172)는 도 7에 도시된 바와 같이 단부 블록(174)에 회전가능하게 부착된다. 초음파 트랜시버/트랜스듀서(176)는 단부 블록(174)에 장착되고 초음파 트랜시버/트랜스듀서(158)와 통신한다.
도 9는 2방향 광통신을 위해 구성된 다른 실시형태에 따른 스퍼터링 장치(200)를 도시한다. 회전가능한 캐소드 타깃 실린더(210)는 외부 벽(215)을 구비하는 진공 챔버(212) 내에 배치된다. 타깃 실린더(210)는 진공 챔버(212)의 외부 외부 벽(215)에 장착된 모터(213)에 동작가능하게 결합된다. 도 1 내지 도 3에 대해 전술한 것과 같은 마그네트론 조립체(100)가 타깃 실린더(210) 내에 위치된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 광통신 박스(214)는 진공 챔버(212)의 외부 외부 벽(215)에 위치된다. 대기에서 제1 광섬유 케이블(216)은 광통신 박스(214) 내 제1 광 트랜시버에 광학적으로 결합된다. 광섬유 케이블(216)은 대기로부터 광섬유 케이블(216)을 위한 진공으로 피드쓰루를 제공하는 진공 커플러(218)에 더 결합된다. 제2 광섬유 케이블(224)은 타깃 실린더(210)의 캐소드 물 냉각 회로를 통해 제어 하우징(106) 내 제2 광 트랜시버에 결합된다. 타깃 실린더(210)의 단부 캡(222) 내 광섬유 윈도우(220)를 통해 광신호가 광섬유 케이블(216)과 광섬유 케이블(224) 사이에서 전송될 수 있다.
도 10은 진공 챔버(340) 내 회전식 캐소드 조립체(320) 내에 위치된 마그네트론 조립체(310)와, 진공 챔버(340)의 외부에 있는 외부 제어기(344) 사이에 2방향 초음파 통신을 위해 구성된 또 다른 실시형태에 따른 스퍼터링 장치(300)의 개략도이다. 마그네트론 조립체(310)는 자석 바 구조물(312), 및 이 자석 바 구조물(312)에 기계적으로 결합된 복수의 모터로 구동되는 작동 기구(314)를 포함한다. 내부 전자 제어기(316)는 2세트의 트위스티드 페어를 포함할 수 있는 모터 제어 케이블(318)을 통해 모터로 구동되는 작동 기구(314)와 동작가능하게 통신한다. 전자 제어기(316)에 수용된 배터리 팩은 모터로 구동되는 작동 기구(314)와 전자 제어기(316)에 전력을 제공한다.
회전식 캐소드 조립체(320)는 단부 블록(324)에 회전가능하게 결합된, 물로 충전될 수 있는 타깃 실린더(322)를 포함한다. 제1 초음파 트랜시버(326)는 타깃 실린더(322)의 내부에 장착되고, 하나의 트위스티드 페어를 포함할 수 있는 초음파 통신 와이어(328)를 통해 전자 제어기(316)와 신호 통신한다. 제2 초음파 트랜시버(330)는 절연체(332) 위에 단부 블록(324)에 장착되고, 초음파 트랜시버(326)와 초음파 통신한다. 사용자에 의해 동작될 수 있는 외부 제어기(344)는, 대기로부터 진공 챔버(340)로 피드쓰루를 제공하는 진공 커플러(336)를 통과하는 초음파 통신 와이어(334)를 통해 초음파 트랜시버(330)와 신호 통신한다.
일 구현예에서, 전자 제어기(316)는 자석 바 구조물(312)을 위한 최대 12개의 운동 축을 제어할 수 있고, 모터로 구동되는 작동 기구(314)의 단 하나의 모터만이 임의의 시간에 제어된다. 전자 제어기(316)를 위한 제어 이론은 주어진 시퀀스에서 작은 양만큼 각 모터를 이동시키도록 적응될 수 있다. 한 번에 단 하나의 모터를 제어하는 것은 제어 시스템을 간략화하고, 순간 전력 인출이 더 낮기 때문에 배터리 요구조건을 감소시킨다. 나아가, 제어 라인은 I-빔 지지물의 자석 바 측에 통신 버스로 라우팅될 수 있다. 방수를 위해 밀봉된 전기적 연결이 각 제어된 유닛과 통신 버스 사이에 사용될 수 있다.
다른 실시형태에서, 캐소드 타깃 조립체 내에 포함된 마그네트론 조립체와 진공 챔버의 외부 사이에 2방향 정보 전송을 위한 시스템이 더 제공될 수 있다. 예를 들어, 2방향 통신은 전략적으로 놓인 2개의 RF 트랜시버, 즉 타깃 조립체 내부에 있는 하나의 트랜시버와, 타깃 조립체 외부에 있으나 진공 챔버 내부에 있는 하나의 트랜시버에 의해 수행될 수 있고. 타깃 조립체 내부 트랜시버는 전자 제어기에 직접 연결된다. 진공 챔버 내 트랜시버는 챔버 벽에서 전기적 피드쓰루를 통해 외부에 연결된다. 통신 신호에 투명한 트랜시버 안테나들 사이에 윈도우를 제공하는 것이 필요하다. 이 윈도우는 단일-종단의 캐소드의 단부 캡의 일부로 위치될 수 있다.
예시적인 실시형태들
실시예 1은, 강성의 지지 구조물; 상기 강성의 지지 구조물에 이동가능하게 부착된 자석 바 구조물; 상기 강성의 지지 구조물에 결합되고, 회전가능한 타깃 실린더의 표면으로부터 상기 자석 바 구조물의 거리를 변화시키도록 구성된 적어도 하나의 작동 기구; 상기 회전가능한 타깃 실린더의 표면에 대해 상기 자석 바 구조물의 위치를 측정하도록 동작가능한 위치 지시 기구; 및 상기 마그네트론 조립체의 외부로부터 커맨드 신호를 수신하고 상기 마그네트론 조립체의 외부로 정보 신호를 송신하도록 구성된 통신 디바이스를 포함하는 마그네트론 조립체를 포함한다.
실시예 2는, 실시예 1에서, 상기 작동 기구가 스프링-부하식 공압 구조물 또는 스프링 부하식 유압 구조물을 포함하는 것인 마그네트론 조립체를 포함한다.
실시예 3은, 실시예 1에서, 상기 작동 기구가 회전식 케이블 또는 푸시/풀 케이블을 포함하는 것인 마그네트론 조립체를 포함한다.
실시예 4는, 실시예 1에서, 상기 작동 기구가 서보, 스테퍼 모터 또는 압전 모터를 포함하는 모터 구동식 구조물을 포함하는 것인 마그네트론 조립체를 포함한다.
실시예 5는, 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느 한 실시예에서, 상기 위치 지시 기구가 직접 감지에 의해 또는 간접 계측에 의해 상기 자석 바 구조물의 위치를 측정하는 것인 마그네트론 조립체를 포함한다.
실시예 6은, 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느 한 실시예에서, 상기 위치 지시 기구가 홀 탐침과 자석을 포함하는 것인 마그네트론 조립체를 포함한다.
실시예 7은, 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느 한 실시예에서, 상기 위치 지시 기구가 추가적인 처리 없이 오퍼레이터로 데이터를 직접 송신하는 디지털 지시자를 포함하는 것인 마그네트론 조립체를 포함한다.
실시예 8은, 실시예 4에서, 상기 위치 지시 기구가 상기 모터 구동식 구조물과의 직접 결합으로부터의 피드백을 포함하는 것인 마그네트론 조립체를 포함한다.
실시예 9는, 실시예 1 내지 실시예 8 중 어느 한 실시예에서, 상기 작동 기구와 동작가능하게 통신하는 전자 제어기를 더 포함하는 마그네트론 조립체를 포함한다.
실시예 10은, 실시예 9에서, 상기 작동 기구와 상기 전자 제어기에 전력을 공급하도록 구성된 배터리 전원을 더 포함하는 마그네트론 조립체를 포함한다.
실시예 11은, 실시예 9 또는 실시예 10에서, 상기 통신 디바이스는 상기 전자 제어기에 동작가능하게 결합된 트랜시버를 포함하는 것인 마그네트론 조립체를 포함한다.
실시예 12는, 실시예 11에서, 상기 트랜시버가 무선 주파수 트랜시버, 광 트랜시버 또는 초음파 트랜시버를 포함하는 것인 마그네트론 조립체를 포함한다.
실시예 13는, 실시예 1에서, 상기 작동 기구가 홀 탐침용 센서 포트; 압축 가스를 수용하도록 구성된 공압 작동 포트; 상기 공압 작동 포트와 연통하는 벨로우즈; 상기 벨로우즈 및 상기 자석 바 구조물에 결합된 제어 샤프트; 상기 제어 샤프트에 결합된 리턴 스프링; 및 홀 탐침 피드백을 위한 상기 제어 샤프트 내 자석을 포함하는 것인 마그네트론 조립체를 포함한다.
실시예 14는, 실시예 1에서, 상기 작동 기구가 스테퍼 모터; 상기 스테퍼 모터에 동작가능하게 결합된 베벨 기어; 상기 베벨 기어와 맞물린 나사산 형성된 하우징; 및 상기 자석 바 구조물과 상기 나사산 형성된 하우징 사이에 결합된 나사산 형성된 포스트를 포함하는 것인 마그네트론 조립체를 포함한다.
실시예 15는, 스퍼터링 장치를 위한 회전식 캐소드 조립체로서, 상기 회전식 캐소드 조립체가 내부 통로를 한정하는 내부 표면을 구비하는 회전가능한 타깃 실린더; 상기 타깃 실린더의 내부 통로 내에 위치된 냉각제 튜브; 상기 내부 통로 내 상기 냉각제 튜브에 이동가능하게 부착된 자석 바 구조물; 상기 냉각제 튜브에 결합되고, 상기 타깃 실린더의 내부 표면으로부터 상기 자석 바 구조물의 거리를 변화시키도록 구성된 복수의 작동 기구; 상기 작동 기구들 각각과 각각 연관되고, 상기 타깃 실린더의 내부 표면에 대해 상기 자석 바 구조물의 위치를 측정하도록 동작가능한 복수의 위치 지시 기구; 상기 타깃 실린더 내에 있고 상기 작동 기구와 동작가능하게 통신하는 전자 제어기; 상기 타깃 실린더 내에 위치되고 상기 전자 제어기에 동작가능하게 결합된 제1 트랜시버; 및 상기 타깃 실린더의 외부에 위치되고 상기 제1 트랜시버와 신호 통신하는 제2 트랜시버를 포함하되; 상기 타깃 실린더가 상기 스퍼터링 장치의 동작 동안 부식될 때, 상기 작동 기구가 상기 전자 제어기로부터의 제어 신호에 응답하여 상기 타깃 실린더의 내부 표면에 대하여 상기 자석 바 구조물의 위치를 조절하는 것인 회전식 캐소드 조립체를 포함한다.
실시예 16은, 실시예 15에서, 상기 제1 및 제2 트랜시버가 광 트랜시버를 포함하는 것인 회전식 캐소드 조립체를 포함한다.
실시예 17은, 실시예 16에서, 상기 제1 트랜시버에 결합되고 그리고 상기 제2 트랜시버에 결합된 제2 광섬유 케이블과 광통신하는 제1 광섬유 케이블을 더 포함하는 회전식 캐소드 조립체를 포함한다.
실시예 18은, 실시예 17에서, 상기 타깃 실린더 상에 단부 캡을 더 포함하되, 상기 단부 캡이 상기 제1 광섬유 케이블과 상기 제2 광섬유 케이블 사이에 광신호를 전송하는 윈도우를 구비하는 것인 회전식 캐소드 조립체를 포함한다.
실시예 19는, 실시예 15에서, 상기 제1 및 제2 트랜시버가 초음파 트랜시버를 포함하는 것인 회전식 캐소드 조립체를 포함한다.
실시예 20은, 실시예 19에서, 상기 제2 트랜시버가 사용자 조작식 외부 제어기와 신호 통신하는 것인 회전식 캐소드 조립체를 포함한다.
다수의 실시형태가 설명되었으나, 설명된 실시형태는 단지 예시적인 일뿐 비 제한적인 것으로 간주되는 것이고, 설명된 실시형태에 여러 변형이 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 이루어질 수 있는 것으로 이해될 것이다. 본 발명의 범위는 전술한 설명에 의해서가 아니라 첨부된 특허청구범위에 의해 표시된다. 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에 있는 모든 변형은 그들 범주 내에 포함되는 것이다.

Claims (21)

  1. 마그네트론 조립체로서,
    강성의 지지 구조물;
    상기 강성의 지지 구조물에 이동가능하게 부착된 자석 바 구조물;
    상기 강성의 지지 구조물에 결합되고, 회전가능한 타깃 실린더의 표면으로부터 상기 자석 바 구조물의 거리를 변화시키도록 구성된 적어도 하나의 작동 기구; 및
    상기 마그네트론 조립체의 외부로부터 커맨드 신호를 수신하고 정보 신호를 상기 마그네트론 조립체의 외부로 송신하도록 구성된 통신 디바이스를 포함하되,
    상기 작동 기구는,
    스테퍼 모터;
    상기 스테퍼 모터에 동작가능하게 결합된 베벨 기어;
    상기 베벨 기어와 맞물린 나사산 형성된 하우징; 및
    상기 자석 바 구조물과 상기 나사산 형성된 하우징 사이에 결합된 나사산 형성된 포스트를 포함하는,
    마그네트론 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 작동 기구는 스프링-부하식 공압 구조물(spring-loaded pneumatic structure) 또는 스프링 부하식 유압 구조물(spring loaded hydraulic structure)을 포함하는, 마그네트론 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 작동 기구는 회전식 케이블 또는 푸시/풀 케이블(push/pull cable)을 포함하는, 마그네트론 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 회전가능한 타깃 실린더의 표면에 대해 상기 자석 바 구조물의 위치를 측정하도록 동작가능한 위치 지시 기구(position indicating mechanism)를 더 포함하는, 마그네트론 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 위치 지시 기구는 직접 감지에 의해 또는 간접 계측에 의해 상기 자석 바 구조물의 위치를 측정하는, 마그네트론 조립체.
  6. 제4항에 있어서, 상기 위치 지시 기구는 홀 탐침(Hall probe)과 자석을 포함하는, 마그네트론 조립체.
  7. 제4항에 있어서, 상기 위치 지시 기구는 추가적인 처리 없이 데이터를 오퍼레이터(operator)에 직접 송신하는 디지털 지시자를 포함하는, 마그네트론 조립체.
  8. 제4항에 있어서, 상기 위치 지시 기구는 상기 작동 기구와의 직접 결합으로부터의 피드백을 포함하는, 마그네트론 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 작동 기구와 동작가능하게 통신하는 전자 제어기를 더 포함하는, 마그네트론 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 작동 기구와 상기 전자 제어기에 전력을 공급하도록 구성된 배터리 전원을 더 포함하는, 마그네트론 조립체.
  11. 제9항에 있어서, 상기 통신 디바이스는 상기 전자 제어기에 동작가능하게 결합된 트랜시버를 포함하는, 마그네트론 조립체.
  12. 제11항에 있어서, 상기 트랜시버는 무선 주파수 트랜시버, 광 트랜시버 또는 초음파 트랜시버를 포함하는, 마그네트론 조립체.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 스퍼터링 장치를 위한 회전식 캐소드 조립체로서, 상기 회전식 캐소드 조립체는,
    내부 통로를 한정하는 내부 표면을 구비하는 회전가능한 타깃 실린더;
    상기 타깃 실린더의 상기 내부 통로 내에 위치된 냉각제 튜브;
    상기 내부 통로 내 상기 냉각제 튜브에 이동가능하게 부착된 자석 바 구조물;
    상기 냉각제 튜브에 결합되고, 상기 타깃 실린더의 상기 내부 표면으로부터 상기 자석 바 구조물의 거리를 변화시키도록 구성된 복수의 작동 기구;
    상기 작동 기구 각각과 각각 연관되고, 상기 타깃 실린더의 상기 내부 표면에 대해 상기 자석 바 구조물의 위치를 측정하도록 동작가능한 복수의 위치 지시 기구;
    상기 타깃 실린더 내에 있고 상기 작동 기구와 동작가능하게 통신하는 전자 제어기;
    상기 타깃 실린더 내에 위치되고 상기 전자 제어기에 동작가능하게 연결된 제1 트랜시버; 및
    상기 타깃 실린더의 외부에 위치되고 상기 제1 트랜시버와 신호 통신하는 제2 트랜시버를 포함하되;
    상기 작동 기구는,
    홀 탐침을 위한 센서 포트;
    압축 가스를 수용하도록 구성된 공압 작동 포트;
    상기 공압 작동 포트와 연통하는 벨로우즈(bellows);
    상기 벨로우즈 및 상기 자석 바 구조물에 결합된 제어 샤프트;
    상기 제어 샤프트에 결합된 리턴 스프링; 및
    상기 홀 탐침 피드백을 위한 상기 제어 샤프트 내 자석을 포함하고,
    상기 타깃 실린더가 상기 스퍼터링 장치의 동작 동안 부식될 때, 상기 작동 기구는 상기 전자 제어기로부터의 제어 신호에 응답하여 상기 타깃 실린더의 상기 내부 표면에 대해 상기 자석 바 구조물의 위치를 조절하는,
    회전식 캐소드 조립체.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 트랜시버는 광 트랜시버를 포함하는, 회전식 캐소드 조립체.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 트랜시버에 결합되고 그리고 상기 제2 트랜시버에 결합된 제2 광섬유 케이블과 광통신을 하는 제1 광섬유 케이블을 더 포함하는, 회전식 캐소드 조립체.
  18. 제17항에 있어서, 상기 타깃 실린더에 단부 캡을 더 포함하고, 상기 단부 캡은 상기 제1 광섬유 케이블과 상기 제2 광섬유 케이블 사이에 광신호를 전송할 수 있는 윈도우를 구비하는, 회전식 캐소드 조립체.
  19. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 트랜시버는 초음파 트랜시버를 포함하는, 회전식 캐소드 조립체.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제2 트랜시버는 사용자 조작식 외부 제어기와 신호 통신하는, 회전식 캐소드 조립체.
  21. 마그네트론 조립체로서,
    강성의 지지 구조물;
    상기 강성의 지지 구조물에 이동가능하게 부착된 자석 바 구조물;
    상기 강성의 지지 구조물에 결합되고, 회전가능한 타깃 실린더의 표면으로부터 상기 자석 바 구조물의 거리를 변경하도록 구성된 적어도 하나의 작동 기구; 및
    상기 마그네트론 조립체의 외부로부터 커맨드 신호를 수신하고 상기 마그네트론 조립체의 외부로 정보 신호를 송신하는 통신 디바이스를 포함하되,
    상기 작동 기구는,
    홀 탐침을 위한 센서 포트;
    압축 가스를 수용하도록 구성된 공압 작동 포트;
    상기 공압 작동 포트와 연통하는 벨로우즈(bellows);
    상기 벨로우즈 및 상기 자석 바 구조물에 결합된 제어 샤프트;
    상기 제어 샤프트에 결합된 리턴 스프링; 및
    상기 홀 탐침 피드백을 위한 상기 제어 샤프트 내 자석을을 포함하는,
    마그네트론 조립체.
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