KR102263414B1 - 스퍼터 전극체 - Google Patents

Abstract

스퍼터 전극체가 개시되어 있다.
본 발명에 따른 스퍼터 전극체는 내부에 냉각챔버를 갖는 통형의 캐소드 바디; 냉각챔버의 개방된 상부를 덮은 채 캐소드 바디에 결합되는 덮개와, 덮개의 냉각챔버를 향하는 면에 설치되는 복수의 자석을 포함하는 자석조립체; 캐소드 바디의 내벽과 덮개의 외주면 사이에 마련되어, 냉각챔버로 냉각수가 입출되는 냉각수 입출구; 냉각챔버의 개방된 하부를 차단한 채, 클램프에 의해 캐소드 바디에 결합되는 쿨링판; 쿨링판의 저면에 면접촉되게 결합되는 배킹 플레이트를 포함하는 타겟;으로 이루어짐을 포함하며; 쿨링판은, 캐소드 바디의 저면에 클램프에 의해 결합되는 결합부; 결합부의 안쪽 영역에 마련된 채, 타겟과 면접촉되어 냉각수의 전도열에 의해 타겟을 냉각시키는 쿨링부; 결합부와 쿨링부 사이에 마련된 채 냉각수의 수압이 작용할 때 응력이 집중되어 변형되는 변형부로 구성된 것을 더 포함하고, 쿨링판은 결합부, 쿨링부 및 변형부가 동일 두께로 되고, 쿨링판의 횡길이는 배킹 플레이트를 포함하는 타겟의 횡길이보다 길게 된 것을 더 포함하며, 쿨링판의 두께는 냉각수의 수압이 2 ~ 3 kgf／㎝² 일 때를 기준으로 10㎛ ~ 2mm인 것을 더 포함하고, 냉각수의 수압은 냉각수 입구의 크기 대비 냉각수 출구의 크기를 작게 하여 조절하는 것을 더 포함하며, 클램프의 내주면과 배킹 플레이트를 포함하는 타겟의 외주면 사이에는 쿨링판의 변형시 변형부가 위치하게 되는 간극이 마련되어, 쿨링판의 변형시 쿨링부 면적과 배킹 플레이트의 면적이 같도록 한 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스퍼터 전극체{Sputter electrode body}

본 발명은 스퍼터링 장치에 적용되는 스퍼터 전극체에 관련한 것이다.

특히, 타겟을 냉각시키기 위한 쿨링판을 후판형에서 박판형으로 개선하여, 이 박판형 쿨링판에 외력이 작용할 때 적어도 타겟과 접촉되어 있는 부분은 균등 가압되도록 함으로써 타겟과의 접촉밀도를 높일 수 있는 스퍼터 전극체에 관한 것이다.

스퍼터링(Sputtering)은 집적회로 생산라인 공정에서 많이 쓰이는 진공 증착법의 일종으로, 비교적 낮은 진공도에서 이온화된 아르곤 등의 가스를 가속하여 타겟에 충돌시키고, 원자를 분출시켜서 웨이퍼나 유리 같은 기판 상에 막을 형성하는 공정을 말한다.

스퍼터링은 타겟의 후방(스퍼터링 면의 배향측)에, 지지판 상에서 번갈아 극성을 바꾸는 복수의 자석이 설치된 자석 조립체를 배치하고, 자석 조립체에 의해서 타겟의 전방(스퍼터링 면)에 터널 형상의 자속을 형성하며, 타겟의 전방에 전리된 전자 및 스퍼터링에 의해 생성된 2차 전자를 포착하므로써, 타겟 전방에서의 전자밀도를 높이고, 이들 전자와 진공 챔버 내에 도입된 희가스의 가스분자와의 충돌확률을 높여 플라즈마 밀도를 높일 수 있다. 이 때문에 막형성 속도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

스퍼터링은 수백 eV ~ 수십 keV 에너지를 가진 하전 입자가 타겟에 입사하기 때문에 스퍼터링 과정에서 점차 타겟의 온도가 상승하게 되고, 심하게는 열균열이 일어나고 파손되기도 한다. 따라서, 타겟의 냉각을 위하여 타겟과 접촉되어 있는 쿨링부재에 냉각수를 공급하여 타겟의 온도 상승을 방지하고 있다.

타겟과 접촉되어 있는 쿨링부재는 타겟에 전기장을 인가하는 전극의 역할과, 타겟의 열을 흡수하여 냉각시키는 역할을 함께 수행한다. 그러므로 쿨링부재는 전도성이 우수하고 경제적인 구리(Cu)가 사용되고 있다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 스퍼터 전극체는 캐소드 바디(10)와 클램프(20) 사이에 타겟(40)의 냉각을 위하여 쿨링블록(30)이 결합된다.

쿨링블록(30)은 그 내부로 유입되는 냉각수의 수압과 냉각챔버(c) 내외측의 압력차(이하, '외력'이라 함)에 의해 이상 변형이 발생하게 되므로, 외력에 대응할 수 있도록 쿨링블록(30)의 두께를 두껍게 설계하고 있다.

그러나, 쿨링블록(30)의 두께를 두껍게 할 경우, 자석(50)과 타겟(40)의 거리가 멀어지게 되고, 이로 인해 자기장의 세기가 감소될 수 있다는 점을 감안해야 하므로 두께를 무작정 두껍게 설계할 수는 없다.

이러한 이유로, 쿨링블록(30)의 두께 보강은 한계가 존재하므로 외력에 의한 변형은 정도의 차이가 있을 뿐 필연적으로 발생할 수 밖에 없다.

두꺼운 후박형 쿨링블록(30)의 변형은 역학적으로 볼 때, 도 2에서와 같이, 외력(P)이 작용할 때 중앙부위에서 변형률이 가장 크다고 할 수 있다. 따라서, 쿨링블록(30)의 하부에 결합된 타겟(40)과의 접촉밀도는 중앙부위에서 가장 치밀한 반면, 가장자리로 갈수록 접촉밀도는 떨어지는 현상(A부분)이 발생하게 되므로 전체적으로 접촉밀도가 불균일하게 나타나게 된다.

그러므로, 타겟(40)과의 냉각효율이 저하되어 타겟의 수명에 악영향을 미친다.

또한, 앞서 설명하였듯이, 종래의 후박형 쿨링블록(30)은 중앙 처짐 현상으로 인하여 그 하부에 결합된 타겟(40)의 중앙부위를 국부적으로 가압하게 되므로 타겟이 균열되거나 파손되는 문제도 발생하게 된다.

또한, 종래 후박형 쿨링블록(30)은 그 두께가 두꺼워질수록 소재비용이 상승할 뿐만 아니라 자석(50)과 타겟(40) 사이의 거리가 멀어지게 되어 자기장의 세기가 약화되므로 스퍼터링 효율이 저하되는 문제도 발생하게 된다.

이러한 점들을 고려하여 볼 때, 종래의 후박형 쿨링블록(30)은 여러 가지 측면에서 부작용이 크다 할 것이므로 이에 대한 대응 대책이 필요하다.

문헌 1 : 등록특허공보 제10-1298165호 문헌 2 : 등록특허공보 제10-1040076호

본 발명은 상기한 문제점들을 모두 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 쿨링판을 기존 대비 박판형으로 개선하여, 박판형 쿨링판에 외력이 작용할 때 적어도 타겟과 접촉되어 있는 부분은 변형없이 수평상태를 유지하면서 전면(全面)에 걸쳐 균등하게 가압되므로써 쿨링부와 타겟의 접촉밀도를 높일 수 있는 스퍼터 전극체를 제공함에 있다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 상기한 목적에 따라, 내부에 냉각챔버를 갖는 통형의 캐소드 바디; 냉각챔버의 개방된 상부를 덮은 채 캐소드 바디에 결합되는 덮개와, 덮개의 냉각챔버를 향하는 면에 설치되는 복수의 자석을 포함하는 자석조립체; 캐소드 바디의 내벽과 덮개의 외주면 사이에 마련되어, 냉각챔버로 냉각수가 입출되는 냉각수 입출구; 냉각챔버의 개방된 하부를 차단한 채, 클램프에 의해 캐소드 바디에 결합되는 쿨링판; 쿨링판의 저면에 면접촉되게 결합되는 배킹 플레이트를 포함하는 타겟;으로 이루어짐을 포함하며; 쿨링판은, 캐소드 바디의 저면에 클램프에 의해 결합되는 결합부; 결합부의 안쪽 영역에 마련된 채, 타겟과 면접촉되어 냉각수의 전도열에 의해 타겟을 냉각시키는 쿨링부; 결합부와 쿨링부 사이에 마련된 채 냉각수의 수압이 작용할 때 응력이 집중되어 변형되는 변형부로 구성된 것을 더 포함하고, 쿨링판은 결합부, 쿨링부 및 변형부가 동일 두께로 되고, 쿨링판의 횡길이는 배킹 플레이트를 포함하는 타겟의 횡길이보다 길게 된 것을 더 포함하며, 쿨링판의 두께는 냉각수의 수압이 2 ~ 3 kgf／㎝² 일 때를 기준으로 10㎛ ~ 2mm인 것을 더 포함하고, 냉각수의 수압은 냉각수 입구의 크기 대비 냉각수 출구의 크기를 작게 하여 조절하는 것을 더 포함하며, 클램프의 내주면과 배킹 플레이트를 포함하는 타겟의 외주면 사이에는 쿨링판의 변형시 변형부가 위치하게 되는 간극이 마련되어, 쿨링판의 변형시 쿨링부 면적과 배킹 플레이트의 면적이 같도록 한 것을 더 포함하는 스퍼터 전극체가 제공된다.

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바람직하게, 쿨링판은 구리 또는 구리 합금으로 될 수 있다.

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본 발명의 실시예에 따르면, 쿨링판을 후판형에서 박판형으로 개선하여, 이에 외력이 작용할 때, 적어도 타겟과 접촉되어 있는 부분은 외력에 의해 균등 가압되도록 함으로써 타겟과의 접촉밀도를 높일 수 있다. 이에 따라 쿨링판으로부터 타겟으로의 열전도율이 증대되어 타겟의 냉각효과를 높일 수 있고, 나아가 냉각불량으로 인한 타겟의 균열이나 파손을 미연에 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 앞선 장점과 연관하여, 쿨링판에 균일하게 외력(응력)이 작용되므로 이와 밀착된 타겟은 전면적으로 균등 가압됨으로써 기존의 문제점으로 지적되었던 국부 가압에 의한 타겟의 물리적 손상을 미연에 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 박판형 쿨링판이 적용됨에 따라 이의 소재비용을 절감할 수 있고, 자석과 타겟 사이의 거리를 좁힘으로써 자기장의 세기를 강화할 수 있으므로 스퍼터링 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 종래 스퍼터 전극체의 단면 구성도
도 2는 외력에 의해 변형된 상태의 종래 쿨링블록의 단면도
도 3은 본 발명에 따른 스퍼터 전극체의 단면 구성도
도 4는 외력에 의해 변형된 상태의 본 발명에 따른 쿨링판의 단면도

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.

또한, 본 명세서의 각 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다.

또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.

또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

한편, 하기의 설명에서 사용된 용어 "전방", "후방", "상부", "하부", "전단" 및 "하단"등은 도면을 기준으로 정의한 것이며, 이 용어에 의하여 각 구성요소의 형상 및 위치가 제한되는 것은 아니다.

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

첨부된 도 3은 본 발명에 따른 스퍼터 전극체의 단면 구성도, 도 4는 외력에 의해 변형된 상태의 본 발명에 따른 쿨링판의 단면도이다. 참고로, 도 4는 쿨링판의 변형된 상태를 도시한 것이나, 명확한 표현을 위해 과장된 것임을 전제한다.

도 3 및 4를 참조하면, 본 발명에 따른 스퍼터 전극체(100)는 캐소드 바디(110), 자석조립체(120), 냉각수 입출구(131,132), 쿨링판(140), 배킹 플레이트(151)를 포함하는 타겟(150) 및 클램프(160)로 구성될 수 있다.

캐소드 바디(110)는 그 내부에 냉각챔버(111)를 갖는 통형상(원통, 사각통, 다각통 등을 포괄한다)을 이룬다. 여기서, 냉각챔버(111)는 상,하부가 개방된 형태를 가질 수 있다.

자석조립체(120)는 타겟(150)의 상측에 터널 형상의 자속을 형성하는 역할을 하는 것으로, 냉각챔버(111)의 개방된 상부를 덮은 상태로 캐소드 바디(110)에 결합되는 덮개(121)와, 덮개의 냉각챔버(111)를 향하는 면에 설치되는 복수의 자석(122)으로 구성될 수 있다.

여기서, 타겟(150)에는 음의 직류전압 또는 교류전압을 인가하여 타겟을 스퍼터링할 때, 자석에서 타겟 방향으로 전리된 전자 및 스퍼터링에 의하여 발생된 이차 전자를 포집하여 타겟 상측에서의 전자밀도를 높이고, 이들 전자와 진공챔버 내로 도입되는 희가스의 가스분자와 충돌 확률을 높임으로써 플라즈마 밀도를 높일 수 있다.

냉각수 입출구(131,132)는 캐소드 바디(110)의 내주면과 덮개(121)의 외주면 사이에 방사상으로 배치되어, 냉각수가 냉각챔버(111)로 입출되는 통로 역할을 한다.

예컨대, 방사상으로 배치되는 냉각수 입출구(131,132) 중, 절반은 냉각수 입구(131)가 되고, 이에 대향되는 나머지 절반은 냉각수 출구(132)가 될 수 있다.

여기서, 냉각수의 수압은 냉각수 입구(131)로 유입되는 냉각수의 유량을 조절함으로써 강약을 조절할 수 있으며, 이와는 달리 냉각수 출구(132)의 크기를 조절함으로써 강약을 조절할 수도 있다.

후자의 경우, 냉각수 입구(131) 대비 냉각수 출구(132)의 크기를 줄이게 되면 냉각챔버(111)로 공급되는 양보다 배출되는 양이 작으므로 냉각챔버 내에서의 수압은 당연히 커질 수 밖에 없다. 따라서, 냉각수의 공급과 배출의 비율을 조절하면 수압의 크기를 조절할 수 있다. 본 실시예에서 냉각수의 수압은 2 ~ 3 kgf／㎝² 가 바람직하다.

쿨링판(140)은 파워 서플라이(P)로부터 전원이 공급된다. 참고로 도 4에서 미설명된 점선은 파워 서플라이(P)로부터 쿨링판(140)으로 전원공급하기 위한 전원선이다.

쿨링판(140)은 냉각챔버(111) 내의 냉각수 온도를 타겟(150)으로 전도하여 타겟이 냉각되도록 하는 냉각 매개체 역할을 하는 것으로, 냉각챔버(111)의 개방된 하부를 차단한 채 클램프(160)에 의해 캐소드 바디(110)의 저면에 결합될 수 있다. 이는 기존과 동일하다.

다만, 본 실시예의 쿨링판(140)은 외력에 의해 쉽게 변형될 수 있도록 박판형으로 된 것을 특징으로 한다. 쿨링판(140)의 두께는 10㎛ ~ 2mm로 되는 것이 바람직하다. 이는 앞서 언급한 냉각수의 수압이 2 ~ 3 kgf/cm² 일 때를 기준으로 설정된 두께이다.

여기서, 냉각수의 수압이 위 범위일 때 쿨링판(140)의 두께가 10㎛ 미만이면 두께가 얇은 관계로 내구성에 문제가 발생할 수 있고, 2mm 이상이면 두께가 과도하게 두꺼워져서 기존의 문제점이었던 중앙처짐 현상이 발생할 수 있다.

쿨링판(140)은 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 캐소드 바디(110)의 저면에 클램프(160)를 매개로 결합되는 결합부(141)와, 결합부의 안쪽 영역에 마련된 채 타겟(150)과 면접되어 냉각수의 전도열에 의해 타겟을 냉각시켜주는 쿨링부(142)와, 결합부와 쿨링부 사이에 마련된 채 냉각수의 수압이 작용될 때 응력(수압)이 집중되어 변형되는 변형부(143)로 구성될 수 있다.

이러한 구성에 따라, 냉각수의 수압이 상기한 기준 범위 이내인 경우에는 쿨링판(140)은 냉각수의 기준 수압에 의해 적어도 타겟(150)과 접촉된 쿨링부(142)가 변형없이 전면에 걸쳐서 균등하게 가압된다.

부연하면, 쿨링판(140)은 기존 대비 박판형이므로 외력에 의해 물리적으로 변형되기 쉬운 상태이다.

특히, 쿨링판(140)의 설치형태로 보았을 때, 결합부(141)는 캐소드 바디(110)와 클램프(160) 사이에 지지되어 있고, 쿨링부(142)는 타겟(150)을 매개로 클램프(160)에 하단에 지지되어 있으므로 외력에 대응할 수 있는 구조를 갖추고 있는 반면, 변형부(143)는 별도로 지지되어 있지 않으므로 외력이 작용했을 때 이 부분이 국부적으로 변형된다.

앞서 언급하였듯이 쿨링판(140)은 박판형이므로 변형부(143)는 외력에 의해 비교적 쉽게 하향 변형이 이루어지고, 상대적으로 구조적으로 보다 나은 강도를 갖는 쿨링부(142)는 변형되지 않는 대신 수평상태를 유지하면서 전면적으로 고르게 하향 가압된다.

이처럼, 쿨링부(142)가 전면적으로 가압되면 그 하부에 면접촉 되게 결합된 배킹 플레이트(151)와의 접촉밀도가 증가하게 되므로, 배킹 플레이트(151)를 포함한 타겟(150)의 냉각효율이 향상된다. 타겟(150)의 냉각효율이 향상되면 균열이나 파손을 예방할 수 있으므로 타겟의 수명 연장에 기여된다.
한편, 클램프(160)의 내주면과 배킹 플레이트(151)를 포함하는 타겟(150)의 외주면 사이에는 쿨링판(140)의 변형시 변형부(142)가 위치하게 되는 간극(g)이 마련될 수 있다. 따라서, 쿨링판(140)의 변형시 쿨링부 면적과 배킹 플레이트(151)의 면적이 같아져서 냉각효율을 보다 향상시킬 수 있게 된다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 스퍼터 전극체를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

100 : 스퍼터 전극 110 : 캐소드 바디
120 : 자석조립체 131 : 냉각수 입구
132 : 냉각수 출구 140 : 쿨링판
141 : 결합부 142 : 쿨링부
143 : 변형부 150 : 타겟
160 : 클램프

Claims (6)

1. 내부에 냉각챔버를 갖는 통형의 캐소드 바디; 냉각챔버의 개방된 상부를 덮은 채 캐소드 바디에 결합되는 덮개와, 덮개의 냉각챔버를 향하는 면에 설치되는 복수의 자석을 포함하는 자석조립체; 캐소드 바디의 내벽과 덮개의 외주면 사이에 마련되어, 냉각챔버로 냉각수가 입출되는 냉각수 입출구; 냉각챔버의 개방된 하부를 차단한 채, 클램프에 의해 캐소드 바디에 결합되는 쿨링판; 쿨링판의 저면에 면접촉되게 결합되는 배킹 플레이트를 포함하는 타겟;으로 이루어짐을 포함하며;
   쿨링판은, 캐소드 바디의 저면에 클램프에 의해 결합되는 결합부; 결합부의 안쪽 영역에 마련된 채, 타겟과 면접촉되어 냉각수의 전도열에 의해 타겟을 냉각시키는 쿨링부; 결합부와 쿨링부 사이에 마련된 채 냉각수의 수압이 작용할 때 응력이 집중되어 변형되는 변형부로 구성된 것을 더 포함하고,
   쿨링판은 결합부, 쿨링부 및 변형부가 동일 두께로 되고, 쿨링판의 횡길이는 배킹 플레이트를 포함하는 타겟의 횡길이보다 길게 된 것을 더 포함하며,
   쿨링판의 두께는 냉각수의 수압이 2 ~ 3 kgf／㎝² 일 때를 기준으로 10㎛ ~ 2mm인 것을 더 포함하고,
   냉각수의 수압은 냉각수 입구의 크기 대비 냉각수 출구의 크기를 작게 하여 조절하는 것을 더 포함하며,
   클램프의 내주면과 배킹 플레이트를 포함하는 타겟의 외주면 사이에는 쿨링판의 변형시 변형부가 위치하게 되는 간극이 마련되어, 쿨링판의 변형시 쿨링부 면적과 배킹 플레이트의 면적이 같도록 한 것을 더 포함하는 스퍼터 전극체.
   
2. 삭제
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5. 청구항 1에 있어서,
   쿨링판은 구리 또는 구리 합금으로 된 것을 특징으로 하는 스퍼터 전극체.
   
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