KR102350978B1 - 다중 전극 이온 빔 발생 장치 및 이를 이용한 표면 개질 방법 - Google Patents

다중 전극 이온 빔 발생 장치 및 이를 이용한 표면 개질 방법 Download PDF

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Abstract

다중 전극 이온 빔 발생 장치가 개시되며, 상기 다중 전극 이온 빔 발생 장치는, 자기장 형성 공간이 폐 루프의 형상으로 형성되도록, 상기 폐 루프의 외부 둘레를 따라 복수의 외부자석이 폐 루프의 형태로 배열되는 외부자석부; 상기 외부자석부와 연계하여 상기 외부자석부와의 사이의 상기 자기장 형성 공간에 자기장이 형성되도록, 상기 폐 루프의 내부에 둘레를 따라 복수의 내부자석이 폐 루프의 형태로 배열되는 내부자석부; 및 상기 자기장 형성 공간에 전기장을 형성하도록 상기 폐 루프를 따라 형성되는 플라즈마 전극부를 포함하되, 상기 플라즈마 전극부는 복수 개의 전극을 포함하고, 상기 복수 개의 전극은 상호 절연되는 단락부가 2개의 전극 사이에 형성되도록 상기 폐 루프의 둘레 방향을 따라 이격되게 구비된다.

Description

다중 전극 이온 빔 발생 장치 및 이를 이용한 표면 개질 방법{PLURALITY ELECTRODES ION BEAM GENERATING APPARATUS AND SURFACE MODIFYING METHOD USING THE SAME}
본원은 동일한 폐쇄루프 자계 내에 다중의 전극을 구비하여 마그네트론 플라즈마를 형성하는 다중 전극 이온 빔 발생 장치 및 이를 이용한 표면 개질 방법에 관한 것이다.
진공 내에서 박막을 형성하거나 표면의 이물을 제거하거나 하는 표면개질의 방법으로 PVD, CVD 등으로 대별되는 증착 방법이 널리 사용되어 현재까지 반도체, 디스플레이, 산업용 응용분야에서 많이 사용되고 있다.
플라즈마를 이용한 박막형성, 표면처리의 경우 전자, 이온의 밀집도를 높여 다양한 진공 상황에서 적절히 운영하기 위해 자기장의 도움을 받아야 했다. 자기장의 형태는 연속적인 플라즈마의 발생을 위해 폐쇄루프 형태로 구성되어 운영되게 된다.
기존의 전통적인 마그네트론 스퍼터링 cathode의 경우는 1개의 전극에 1개의 폐쇄루프 자기장을 포함하는 1개의 모듈로 형성되었다. 폐쇄루프 자기장의 도움으로 수mtorr의 진공조건에서 400V 내외에서 플라즈마를 안정적이고 연속적으로 발생시켜 많은 산업 분야에서 양산용 기술로 자리잡고 있다.
더욱 발전적으로 일반 메탈, RF를 이용한 산화물 스퍼터링 기술이 아닌 반응성 스퍼터링 기술의 요구에 의해 직류전류에 펄스파를 이용한 방법을 적용하게 되었는데 장기간 양산에서는 챔버 등 주변구조물 부분에 대한 산화물의 코팅으로 인한 대응전극(양극, 진공챔버 등)의 소멸로 인해 공정조건의 변화, 아크발생 등의 문제를 야기시켜 사용수요가 감소하게 되고 이에 따라 듀얼 캐소드 방식의 반응성 스퍼터링이 개발되게 되었다.
듀얼 캐소드 방식의 스퍼터링은 동일 규모의 Cathode(1개의 전극, 1개의 폐쇄루프 자계로 구성된) Module 2개를 일정간격 이격하여 배치하고 교류전원(특정 주파수로 교번하는 AC, Bipolar Pulsed DC)의 두전극을 각각의 전극에 연결하여 제1 캐소드를 음극으로, 동시에 제2 캐소드에 양극을 인가시켜서 2개의 캐소드를 1개의 공정 module화 하여 사용한다. 이 2개의 개별전극에는 음극과 양극을 특정주파수로 교번 되면서 공급되는 전원장치에 의해 산화물 코팅으로 인한 전극의 소멸 현상을 피할 수 있고 공정변화가 없는 장점이 있으나 2개의 전극과 개별 2개의 폐쇄루프 자계가 필요하게 되므로 2배 이상의 공간적인 필요요인이 발생하게 될 수 있었다.
다른 범용화 된 기술로서 Co-sputtering 방식이 사용되고 있는데 이는 다른 물질 “A”, “B”의 타겟물질을 스퍼터링 함에 있어 A/B/A/B 적층이 아닌 원하는 조성(예를 들면 50:50, 30:70 등)의 물질 A+B를 동시에 증착해야 한다. 그런데 이러한 경우, 예전의 방식대로 2개의 Sputtering Cathode를 가지고 Co-Sputtering 할 경우 2개의 물질이 동시에 증착되어 일정조성을 가지게 할 수 있는 영역은 두개의 Cathode간 거리가 멀어 두 cathode의 각도를 조절한다 하더라도 만족할 만한 조성 범위를 얻으려면 극히 좁은 공간이어서 많은 부분을 포기하고 중앙부분만 사용하고 나머지는 가려야 하는 제약이 있었다.
실험실 기반에서는 캐소드의 크기가 작고, 또한 실험실 기반에서는 캐소드의 배치, 피코팅체 기판의 회전 등의 기법으로 원하는 조성의 동시 증착을 구현할 수 있으나 양산용 기계 설비는 예를 들면 듀얼 캐소드의 구성 등과 피코팅체 기판의 수평적이동 등의 제약이 있어, 원하는 조성의 동시 증착이 어렵다는 문제가 있다.
본원의 배경이 되는 기술은 등록특허공보 제10-1188604호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래 대비 작은 규모를 가져 공간을 절약하며 원하는 조성에 가깝게 이종 물질을 증착할 수 있고, 플라즈마의 공정 기여도를 향상시켜 플라즈마 발생 전극의 오염을 최소화할 수 있는 동일한 폐쇄루프 자계 내에 다중의 전극을 구비하는 다중 전극 이온 빔 발생 장치, 이를 이용한 표면 개질 방법, 스위칭 방법 및 PECVD 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들도 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 측면에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치는, 자기장 형성 공간이 폐 루프 형상으로 형성되도록, 폐 루프의 내부 둘레를 따라 복수의 내부자석이 폐 루프의 형태로 배열되는 내부자석부; 상기 내부자석부와의 사이의 상기 자기장 형성 공간에 자기장이 형성되도록 상기 폐 루프의 외부 둘레를 따라 복수의 외부자석이 배열되는 외부자석부; 및 상기 자기장 형성 공간에 전기장을 형성하도록 상기 폐 루프를 따라 형성(연장 형성)되는 플라즈마 전극부를 포함하되, 상기 플라즈마 전극부는 복수 개의 전극을 포함하고, 상기 복수 개의 전극은 상호 절연되는 단락부가 2개의 전극 사이에 형성되도록 상기 폐 루프의 둘레 방향을 따라 이격되게 구비될 수 있다.
본원의 일 측면에 따른 표면 개질 방법은, 상기 복수 개의 전극에 개별적으로 또는 연계적으로 전원을 인가하여 마그네트론 플라즈마를 생성할 수 있다.
본원의 일 측면에 따른 스위칭 방법은, 상기 복수 개의 전극은 2 배수 개수로 구비되고, 상기 2배수 개수의 전극에 단일의 교류 전원을 쌍으로 연결하여 대항되는 전위로 스위칭하여 상호 상대전극이 되게 하여 연계적인 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
본원의 일 측면에 따른 PECVD 방법은, 전구체 가스 분자를 상기 다중 전극 이온 빔 발생 장치에서 발생되는 플라즈마 내에서 발생한 이온과 접촉되도록 도입하고, 상기 전구체 가스 분자를 분해하여, 기판의 표면에 증착되는 코팅 재료를 형성할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 하나의 폐 루프에 대하여 서로 전기적으로 절연되는 복수 개의 전극이 구비되므로, 복수 개의 전극 각각에 개별적으로 타겟 물질이 구비되고, 개별적으로 전원 장치와 연결될 수 있어, 이종 물질의 Co-sputtering이 진행될 수 있다. 이에 따라, 종래의 폐 루프간의 거리가 큰 듀얼 캐소드 스퍼터링에 비해 작은 규모로 구비되어 이종 물질의 Co-sputtering을 진행할 수 있는 다중 전극 이온 빔 발생 장치가 구현될 수 있다.
또한, 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 하나의 폐 루프에 서로 전기적으로 절연된 복수 개의 전극이 구비되므로, 종래의 폐 루프간의 거리가 큰 듀얼 캐소드 스퍼터링에 비해 전기적으로 절연된 전극 간의 거리가 가까우므로, 밀고 당기는 힘이 커져 전자의 이동성이 높아질 수 있고, 이에 따라, 전자의 생성과 이온화의 효율의 증가되며, 플라즈마의 공정 기여도가 증가될 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 한 개의 폐 루프 자계와 다중 전극으로 구성된 이온 빔 발생 장치가 대상체의 표면을 개질 하기 위해 배치된 것을 도시한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치의 개략적인 개념 평면도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치의 내부자석이 1열로 폐 루프의 내부를 이루는 것을 설명하기 위한 개략적인 개념 평면도이다.
도 4a는 내부자석 및 외부자석이 각각의 일단 자극이 향하는 방향의 연장선이 상호 교차되도록 배치된 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치가 대상체의 표면을 개질하기 위해 배치된 것을 도시한 개략적인 단면도이다.
도 4b는 도 4a와 같이 내부자석 및 외부자석이 배치된 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치의 플라즈마 전극부, 내부자석부 및 외부자석부가 배치된 것을 도시한 개략적인 개념 평면도이다.
도 5는 진공 중 전자의 이동을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 6은 단락부가 회전 루프부의 입구단과 대응하는 위치에 형성된 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치의 개략적인 개념 평면도이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치의 플라즈마 밀도가 높은 부분을 설명하기 위한 개략적인 개념 평면도이다.
도 8a는 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치의 전자의 회전 운동시 작용하는 힘의 방향을 설명하기 위한 개략적인 개념 평면도이다.
도 8b는 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치의 자기장의 방향과 전기의 방향을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 9는 단락부의 상하 방향 단면이 사선 형태가 되도록 복수 개의 전극 중 서로 이웃하는 2개의 전극이 상하 방향으로 일부 중첩된 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치의 개략적인 개념 단면도이다.
도 10은 단락부의 상하 방향 단면이 계단 형태가 되도록 복수 개의 전극 중 서로 이웃하는 2개의 전극이 상하 방향으로 일부 중첩된 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치의 개략적인 개념 단면도이다.
도 11a 내지 도 11c는 단락부의 내외측 방향으로의 형성 경로를 설명하기 위한 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치의 플라즈마 전극부의 개략적인 개념 평면도이다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치의 중전위 구조물 및 플라즈마 전극부의 개략적인 개념 평면도이다.
도 13은 중전위 구조물이 배치된 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치의 개략적인 개념 단면도이다.
도 14는 공정 가스 매니폴드가 구비된 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치의 개략적인 개념 평면도이다.
도 15는 공정 가스 매니폴드가 구비된 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치의 개략적인 개념 단면도이다.
도 16은 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치가 진공 챔버, 직류의 전원 장치, 공급부 등과 연결되는 것을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 17은 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치가 진공 챔버, 교류의 전원 장치, 공급부 등과 연결되는 것을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되거나 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐만 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본원의 실시예에 관한 설명 중 방향이나 위치와 관련된 용어(상측, 하측 등)는 도면에 나타나 있는 각 구성의 배치 상태를 기준으로 설정한 것이다. 예를 들면, 도 1을 보았을 때, 전반적으로 12시 방향이 상측, 전반적으로 6시 방향이 하측 등이 될 수 있다.
본원은 동일한 폐쇄루프 자계 내에 다중의 전극을 구비하는 다중 전극 이온 빔 발생 장치, 이를 이용한 표면 개질 방법, 스위칭 방법 및 PECVD 방법에 관한 것이다.
먼저, 본원의 일 실시예에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치(이하 '본 이온 빔 발생 장치 '라 함)에 대해 설명한다.
본 이온 빔 발생 장치는 대상체(이를 테면, 기판)(9)의 표면을 개질(modify)하기 위한 것으로서 스퍼터링과 PECVD등의 응용분야에서 활용할 수 있는 기술에 적용될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 이온 빔 발생 장치는 내부자석부(11)를 포함한다. 내부자석부(11)는 후술하는 외부자석부(12)와 연계하여 외부자석부(12)와의 사이의 자기장 형성 공간에 자기장이 형성되도록 폐 루프(폐쇄 루프)의 내부에 복수의 내부자석(111)이 배열된다. 도 2를 참조하면, 내부자석(111)은 부분적으로 2열을 갖는 폐루프 형상으로 배열될 수 있고(도 2 참조), 또는 도 3을 참조하면, 내부자석(11)은 1열, 다시 말해, 직선(선형) 형태로 배열될 수 있다.
또한, 여기서, 내부자석부(11)가 외부석부(12)와 연계한다는 것은, 예를 들어, 내부자석부(11)와 외부자석부(12)가 서로 다른 극성끼리 쌍(Pair)을 이루어 자기장을 형성할 수 있도록 배치되는 관계를 의미할 수 있다.
참고로, 도 2 및 도 3을 참조하면, 폐 루프는 트랙(track) 형상일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 다른 예로, 폐 루프는 원형, 타원형 등의 폐쇄된 곡선 루프 형상 또는 각형 루프 형상일 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 이온 빔 발생 장치는 외부자석부(12)를 포함한다. 외부자석부(12)는 자기장 형성 공간이 폐 루프의 형상으로 형성되도록, 폐 루프의 외부 둘레를 따라 복수의 외부자석(121)이 폐 루프의 형태로 배열된다.
외부자석(121)과 내부자석(111) 사이에 자기장이 형성되기 위해, 외부자석(121)의 일단 자극(1211)과 내부자석(111)의 일단 자극(1111)은 서로 극성이 반대일 수 있다. 예시적으로, 도 1을 참조하면, 외부자석(121)은 일단 자극(1211)이 N극이고 타단 자극(1212)이 S극일 수 있다. 이러한 경우, 내부자석(111)은 일단 자극(1111)이 S극이고 타단 자극(1112)이 N극일 수 있다. 또한, 외부자석(121) 및 내부자석(111)은 일단 자극(1211, 1111)이 상측을 향할 수 있고, 타단 자극(1212, 1112)이 하측을 향할 수 있다.
또는, 도 4a를 참조하면, 내부자석(111) 및 외부자석(121)은 각각의 일단 자극(1111, 1211)이 향하는 방향의 연장선이 상호 교차되도록 배치될 수 있다. 참고로, 도 4b에는 도 4a와 같이 내부자석(111) 및 외부자석(121)이 배치된 경우의 내부자석부(11), 외부자석부(12) 및 후술할 플라즈마 전극부(13)의 평면도가 도시되어 있다.
또한, 예시적으로, 외부자석(121)및 내부자석(111) 각각은 영구 자석일 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 이온 빔 발생 장치는 플라즈마 전극부(13)를 포함한다. 플라즈마 전극부(13)는 자기장 형성 공간에 전기장을 형성하도록 폐 루프를 따라 형성(연장 형성)된다. 플라즈마 전극부(13)는 내부자석부(11)와 외부자석부(12)로 인해 발생한 자기장 영역 내에 복수의 전기장을 형성할 수 있다. 이에 따라, 자기장 형성 공간에 플라즈마 이온 또는 플라즈마 전자가 발생될 수 있다. 구체적으로, 플라즈마 전극부(130)는 전압(이를 테면 고전압)을 공급받아 전기장을 형성하여 공정 가스를 이온화할 수 있다(플라즈마 발생). 구체적으로, 플라즈마 전극부(130)에 전압이 걸리면 플라즈마 전극부(130)는 1차 전자를 방출하게 되고, 1차 전자가 공정 가스와 충돌하며, 공정 가스는 2차 전자를 내놓으면서 양이온(양전하)이되고, 양이온은 플라즈마 전극부(130)로 이동하면서 플라즈마 전극부(130)에 강하게 충돌하며, 이에 따라, 플라즈마 전극부(130)의 타겟 물질에 존재하는 원자들이 튀어나오게 되고 원자들이 대상체(9)에 증착되면서 박막을 형성할 수 있다.
또한, 내부자석부(11) 및 외부자석부(12)는 후술하는 플라즈마 전극부(13)에 의해 형성되는 전기장과의 연계를 통해 전자를 포집하여 가속시킴으로써 가스의 이온화율을 증대할 수 있다.
구체적으로, 플라즈마 전극부(130)는 외부자석부(12)와 내부자석부(11)가 형성하는 자기장의 도움으로 효과적으로 공정 가스를 이온화 할 수 있다. 이를 테면, 플라즈마 전극부(130)에 전압이 걸리면 플라즈마 전극부(130)는 1차 전자를 방출하게 되고, 내부자석(111)과 외부자석(121)이 1차 전자에 회전에너지를 주어, 1차 전자가 가속화되며 공정 가스와 충돌하게 되며, 이로 인해, 폐 루프 내에 존재하는 공정 가스의 이온화율이 높아지면서 플라즈마 이온 및 플라즈마 전자가 생성될 수 있다. 이에 따라, 전술한 바와 같이, 플라즈마 이온을 포함하는 양전하는 플라즈마 전극부(3)에 의하여 형성된 전기장에 의해 전방(상측)으로 튕겨져 조사(이온 빔 조사)되고, 플라즈마 전자를 포함하는 음전하는 로렌츠 힘의 작용에 의해 상술한 폐 루프를 따라 고속의 사이클로트론 운동을 하게 된다. 이러한 플라즈마 전자의 고속 회전 운동에 의해 폐 루프 내의 공정가스가 높은 밀도로 이온화될 수 있다.
즉, 내부자석부(11)와 외부자석부(12)에 의한 자기장과 플라즈마 전극부(13)에 의한 전기장에 의해 전자가 포집되어 공정가스가 이온화될 수 있고, 이에 따라, 내부자석부(11)와 외부자석부(12) 사이에 플라즈마 이온 및 플라즈마 전자가 발생될 수 있다. 다시 말해, 본 이온 빔 조사 장치에 의하면, 외부로부터 공급된 전원의 포텐셜에 의해 발생한 플라즈마 전자가 폐 루프를 고속으로 이동하면서 공정 가스를 이온화 시키고, 이온화된 양 전하는 양극의 척력과 음극의 인력에 의해 가속화되어 에너지를 가진 이온 소스로 공급될 수 있다.
도 2를 참조하면, 플라즈마 전극부(13)는 복수 개의 전극(131)을 포함한다. 참고로, 전극(131) 상에는 타겟 물질이 배치될 수 있는데, 본원에서 전극(131)은 전극(131)을 지칭하거나, 또는 전극(131) 및 전극(131) 상에 배치되는 타겟 물질을 포함하는 개념일 수 있다. 또한, 본원의 도면에는 전극(131)이 2 개 구비되는 것으로 도시되었지만, 이는 예시로서, 복수 개의 전극(131)이 2개만을 지칭하는 것은 아닐 수 있다. 즉, 본원에 있어서, 복수 개의 전극(131)은 2 개만이 아니라, 다양한 개수로 구비될 수 있다. 또한, 복수 개의 전극(131)은 4 개와 같은 2배수 개수로 구비될 수 있다.
또한, 복수 개의 전극(131)은 상호 절연되는 단락부(132)가 2 개의 전극(131) 사이에 형성되도록 폐 루프의 둘레 방향을 따라 이격되게 구비될 수 있다. 이에 따라, 예를 들어, 복수 개의 전극(131)이 2 개로 구비되는 경우, 단락부(132)는 2 개 형성될 수 있고, 다른 예로서, 복수 개의 전극(131)이 4 개로 구비되는 경우, 단락부(132)는 4 개 형성될 수 있다.
또한, 복수 개의 전극(131) 각각은, 그 각각에 대해 서로 전기적으로 연동되지 않도록 서로 별개의 전원 장치와 연결되도록 구비될 수 있다.
즉, 본 이온 빔 발생 장치에 의하면, 플라즈마 전극부(13)의 복수 개의 전극(131)은 전기적으로 절연되어 있으며 이 다중의 전극(131)은 개별적, 독립적으로 전원 장치를 연결되어 있으므로, 복수 개의 전극(131) 각각에 타겟 물질이 독립적으로 구비됨으로써, 이종 물질(다양한 물질)의 Co-sputtering이 진행될 수 있다. 즉, 본 이온 빔 발생 장치는, 하나의 본 이온 빔 발생 장치로도 Co-sputtering을 진행할 수 있다.
또한, 다른 예로서, 플라즈마 전극부(13)의 복수 개의 전극(131)은 전기적으로 절연되어 있으며, 이 다중의 전극(131)에는 연계적으로 전원이 인가될 수 있다. 예를 들어, 2배수의 다중의 전극(131)에는 교류 전원이 연결될 수 있다.
또한, 듀얼캐소드 보다 기구적으로 가깝게 구성된 전극(131)들의 특성상 전극(131)으로부터 발생된 전자의 이동도는 거리가 가까울 수록 높아 공정가스 이온들의 분해, 이온화율을 증가시키는 커다란 변수로 작용하게 될 수 있다. 전자의 생성과 이온화율의 증가는 곧 증착효과의 증대로 바로 나타 날 수 있다.
다시 말해, 전자가 발생하는 지점의 거리가 가까울수록 전자의 이동도는 높아질 수 있고, 공정 가스 이온들의 분해, 이온화율을 증가시키는 큰 변수로 작용하게 될 수 있다. 본 이온 빔 발생 장치는 전자가 발생하는 전극(131)들이 듀얼캐소드 보다 기구적으로 가깝게 구성된 특성 상, 전극(131)들 각각로부터 발생된 전자의 이동도가 높아 전자 생성과 이온화율의 증가가 곧 증착 효과의 증대로 바로 나타날 수 있다.
구체적으로, 전술한 바에 따르면, 하나의 폐 루프 형태의 자기장 골을 따라 흐르듯 1차 전자는 2개 이상의 전극(131)을 타고 넘으면서 마치 전극(131)이 하나로 구비된 것(전극(131)이 하나인 것) 같이 hopping motion을 하면서 주행하게 될 수 있다. 이때, 전원 장치의 특성에 따라 다른 양상을 나타낼 수 있는데 2개의 전극(131)에 각각 독립적으로 “-“ 전원만 인가하게 될 경우는 흡사 하나의 전극인 듯한 형상을 나타낼 수 있다. 2개의 전극(131)에 다른 물질의 타겟을 장착할 경우는 같은 “-“ 전원만 인가하더라도 고유특성인 전기 전도도의 영향으로 전위차가 발생하고 인가되는 전체 파워의 양은 다르게 될 것이다. 두 개의 조성을 맞추기 위해 각각의 파워량 등을 조절하는 방법을 사용할 수 있게 된다.
산화물, 질화물 등 무기물 박막의 생성을 위해서는 상대전극 역할을 해주는 구성이 필요하게 되는데 한쌍의 Main 전극하우징, Insulator, Cooling Plate, Close Loop Magnet Pack, Dark Space Shield, Target으로 구성되어지며 전극 하우징을 거쳐 target 에 교류전원 장치를 연결하여 특정 주파수로 교번되는 “-“ 전원에 의해 타겟 물질의 산화, 질화물이 피코팅체에 코팅되는 작업을 하게 되며 주변 오염상황과 더불어 “+” 전원이 인가되는 타겟 쪽도 같이 오염 되기는 하나 다시 “-“ 전원이 인가되면 다시금 스퍼터링 되어 Cross contamination을 제거하게 되어 전극으로 서의 역할은 계속 될 것이다.
이러한 듀얼캐소드 구조를 구현할 때 하나의 Main 하우징, Insulator, 2개의 Cooling Plate, 한 개의 Close Loop Magnet Pack, Dark Space Shield, 2개의 Target 물질로 전환하게 되면 2개의 cooling plate와 2개의 target 물질에 교류 전원을 인가하면 두 전극간의 거리가 극단적으로 가까워지므로 “-“, “+” 전원이 교번되면서 발생되는 전자간 이동이 많아지면서 공정가스의 이온화율도 증가될 수 있다.
스퍼터링 효율의 중요한 변수 중 하나는 연속적이고 안정적인 플라즈마의 형성, 1차 전자의 회전 운동, 왕복 운동에 의한 공정가스의 충격에서 비롯된 이온화율, 이온화된 공정 가스(Ar, O2)등의 target 가격 에너지 등이 될 수 있다.
도 5를 참조하면, 진공 중 전자의 이동도에 관한 내용은 다음과 같은 기초 수식으로 나타내어 질 수 있다.
[식 1] F=eE=eV/d[N]=m0α[N]
F는 전자가 B극판의 방향으로 받는 힘일 수 있다.
이때 [식 1]의 가속도 α는
[식 2] α=eE/m0=e/m0·V/d[m/s2]
위의 내용으로 볼 때 전기장에서 전자가 받는 힘의 크기는 거리에 반비례함을 볼 수 있다. 하나의 폐쇄루프 자기장 내에서 인접하여 구성된 2개의 전극(131) 간의 전자 이동은 듀얼 캐소드의 별도의 두 Cathode 간의 거리와는 비교할 수 없을 정도로 가까워 전극간 상호왕복 운동이 자유로워 이온화율을 증대시키는데 효과적일 수 있다. 스퍼터링이 이루어지고 있는 수mtorr의 진공도에서는 평균자유행로(Mean Free Path)는 1센티미터 내외이다. 이러한 진공상황에서 전극 간의 거리는 큰 의미를 가지는 변수일 수 있다.
같은 개념으로 플라즈마를 이용해 전구체를 해리, 결합하여 기판의 표면을 개질하는 PECVD 방법으로 전구체(precursor)와 반응가스를 해리, 이온화 시키는 요소는 플라즈마 내의 1차 전자의 량과 에너지에 의존할 수 있다. 교류 전원에서 공급되어지는 “+”, “-“ 전원을 인접한 두개의 전극에 각각 인가하여 하나의 폐쇄루프 자기장 내에서 마그네트론 플라즈마를 발생시키게 되면 두 전극 간의 전자 이동은 듀얼 이온건 모듈 보다 훨씬 밀집되고 이동도는 증대 될 것이다. 단위면적 기준으로 듀얼 이온건 모듈에 인가하는 파워보다 현저히 낮은 파워를 인가하더라도 같거나 높은 효율의 이온화율을 얻어 코팅공정 효율도 높아 질 수 있다.
이에 따라, 본 이온 빔 발생 장치는, 플라즈마를 이용한 방법으로 1개의 폐쇄 루프 자기장 내에 구성된 2개의 상기 마그네트론 플라즈마 전극(전극(131))에서 발생한 1차 전자가 2 개의 전극(131) 하나인 제 1 전극과 다른 하나인 제 2 전극을 왕래하면서 공정 가스와 전구체(precursor)를 이온화시켜 접촉, 결합 하도록 도입하여 상기 기판의 표면에 증착되는 구조를 가질 수 있다. 이 공정에서도 기존의 듀얼 이온건에서의 2개의 마그네트론 전극의 거리보다 한 개의 폐쇄루프 자계 내에서 존재하는 전극의 거리가 현저히 가까움으로, 이런 이유에서 전자의 이동은 전극간 거리에 반비례하여 힘을 받게 될 수 있다. 이는 전극이 가까우면 가까울 수록 밀고 당기는 힘이 커지게 될 수 있기 때문이다. 이런 이유에서 공정가스 및 전구체 가스의 이온화율을 높이여 높은 코팅 공정효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 이온 빔 발생 장치는, 복수 개의 전극(131)을 2배수의 개수로 구비하고, 복수 개의 전극(131)에 단일의 교류전원을 쌍으로 연결하여 서로 이웃하는 2개의 전극(131)을 대항되는 전위로 스위칭하여 상호 상대전극이 되게 하여 연계적으로 전원 장치를 연결함으로써, 산화물, 질화물 등의 무기물의 코팅에서도 상대전극의 전기적 소멸현상을 없애는 구조를 가질 수 있다.
즉, 본 이온 빔 발생 장치에 의하면, 플라즈마 전극부(13)가 복수 개의 전극(131)을 포함함으로써, 공간이 절약되고 플라즈마의 공정 기여도가 향상되어 플라즈마 전극부(13)의 오염이 최소화될 수 있으며, 필요한 조성(원하는 조성)에 가깝게 증착이 이루어질 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 1 개의 폐쇄루프 자계 내에 2개 이상의 전극(공전 전극)(131)이 구비되면, 전극(131) 간의 전위차에 의해 플라즈마 감쇄, 전극의 과소모, Arc발생, 같은 음극(같은 음극인 전극(131)) 사이 틈새에서 발생하는 할로우 캐소드 현상 등의 문제가 발생할 수 있고, 이는 스퍼터링 공정이나 PECVD 공정의 안정성, 재연성을 보장해 줄 수 없다. 또한 할로우 캐소드 현상은 Co-sputtering 시 개별 파워 제어 방식도 문제가 될 수 있다. 할로우 캐소드가 발생될 경우 전자의 밀집 등으로 인해 두개의 독립파워 중 하나의 파워소자에 Damage를 주어 고장을 일으키기도 한다. 그러나, 이러한 문제들은 이하와 같이 해소될 수 있다.
도 6을 참조하면, 폐 루프는 전자의 호핑 모션이 회전하는 형태로 이루어지는 전자 회전 운동에 대응하는 곡선 루프 형태의 회전 루프부(a)를 포함하고, 복수 개의 전극(131)은 단락부(132)가 회전 루프부(a)의 중심을 벗어난 위치에 형성되도록 구비될 수 있다.
전술한 바와 같이, 하나의 폐 루프 형태의 자기장 골을 따라 흐르듯 1차 전자는 2개 이상의 전극(131)을 타고 넘으면서 마치 전극(131)이 하나로 구비된 것(전극(131)이 하나인 것) 같이 hopping motion을 하면서 주행하게 될 수 있다. 이에 따라, 도 6을 참조하면, 전자는 폐 루프를 따라 이동할 수 있는데, 이때, 폐 루프 구간에 따라, 전자는 폐 루프의 직선 구간에서는 직선 운동할 수 있고, 폐 루프의 곡선 구간에서는 곡선 구간을 따라 회전 운동할 수 있다. 이와 같이, 전자의 회전 운동이 이루어지는 폐 루프의 곡선 구간이 회전 루프부(a)라 할 수 있고, 회전 루프부(a)의 중심은 회전루프부(a)의 둘레 방향을 기준으로 가운데 부분(영역/부채꼴의 중앙부)을 지칭할 수 있다. 다시 말해, 입구단으로부터의 둘레 방향(이를 테면, 전자의 회전 방향)으로의 이격 거리와 출구단으로부터의 둘레 방향(이를 테면, 전자의 회전 방향의 반대 방향)으로의 이격 거리가 동일한 부분(영역)이 회전 루프부(a)의 중심이라 할 수 있다. 예시적으로, 도 2를 참조하면, 단락부(131)가 형성된 부분이 회전 루프부(a)의 중심이라 할 수 있다.
단락부(132)의 위치 설정에 의해, 회전 루프부(a)에서 발생되는 전자 회전 운동의 원심력과 구심력에 의한 전극(131)의 손상이 단락부(132)가 회전 루프부(a)의 중심에 위치하는 경우(도 2 참조)와 대비하여 저감될 수 있다.
도 7을 참조하면, 회전 루프부(a)의 중심은 플라즈마 집중도가 높아 타겟부(플라즈마 전극부(13))의 소모량이 현저히 많은 부분일 수 있다. 도 2를 참조하면, 회전 루프부(a)의 중심에 단락부(132)가 위치하게 되면, 전자 회전의 원심력과 구심력에 의해 플라즈마 전극부(13)의 표면에 플라즈마의 감쇄, 이상 과다 전류의 집중 등의 현상이 있고, 단락부(132)에서 플라즈마 전극부(13)의 과소모, 용융 현상이 발생할 수 있다. 반면에, 본 이온 빔 발생 장치에 의하면, 단락부(132)가 회전 루프부(a)의 중심을 벗어나 위치하므로, 이러한 현상들이 방지될 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 폐 루프의 회전 루프부(a) 중 ‘회전 루프부(a), 출구단(회전 루프부(a)의 끝단)과 직선부 연결구간’에 플라즈마 집중도가 높아, 이 부분에서 전극부(13)(타겟 물질)의 소모량이 현저히 많이 발생할 수 있는데, 이 부분에 전극의 단락부를 위치시키게 되면 앞서 기술한 문제점들이 발생할 원인이 많아질 수 있다. 이를 피하기 위해서는 도 7에 나타난 바와 같이, 전자에 미치는 힘의 방향에 따라 주행하는 트랙의 직선구간에서 전극의 단락을 유도함이 바람직하다 할 수 있겠다.
또한, 도 8a를 참조하면, 회전 루프부(a)는 전자 회전 운동에 따라 전자가 진입하는 입구단 및 입구단을 통해 진입한 전자가 회전 루프부를 벗어나는 출구단을 포함하고, 단락부(132)는 폐루프의 둘레 방향을 따라 이루어지는 전자 회전 운동의 방향을 고려하여, 회전 루프부(a)의 중심을 기준으로 전자 회전 운동의 방향의 반대 방향인 입구단 측으로 회전 루프부의 중심을 벗어나게 위치할 수 있다.
도 6 및 도 8a를 함께 참조하면, 전자의 회전시 회전 루프부(a)로의 진입이 이루어지는 회전 루프부(a)의 전자의 회전 반대 방향을 향하는 부분은 입구단이 될 수 있고, 회전 루프부(a)의 전자의 회전 방향을 향하는 부분은 출구단이 될 수 있다. 이때, 회전 루프부(a)(특히 회전 루프부의 출구단 측)에 플라즈마가 집중된다는 점(도 7 참조), 회전 루프부(a)(타원형 자계의 양쪽 끝단)는 플라즈마 집중도가 높아 타겟부나 전극부의 소모량이 현저히 많고 전자 회전의 원심력과 구심력이 작용하는 부분인데, 회전 루프부(a)의 출구단 측에 단락부(132)가 위치하게 되면, 전자가 전극(131)에 대한 진입을 한 후 자계의 직선 구간을 지나 상기와 같은 회전 루프부(a)를 통과하여 출구단 측에 형성된 단락부(132)에 도달하게 되므로, 단락부(132)에서 전극의 과소모, 용융 현상 등이 발생할 수 있는 반면에, 회전루프부(a)의 입구단 측에 단락부(132)가 위치하게 되면, 전자가 전극(131)에 대한 진입을 시작한 후 자계의 직선 구간을 통과하지 않고 곧바로 회전 루프부(a)를 통과하게 되므로, 단락부(132)가 출구단 측에 위치하게 되는 것 대비 전극의 과소모, 용융 현상 등이 방지될 수 있다는 점을 고려하면, 단락부(132)에서 플라즈마 전극부(13)의 과소모, 용융 현상을 방지하기 위해, 본 이온 빔 발생 장치는 단락부(132)를 입구단 측으로 회전 루프부의 중심을 벗어나게 위치하게 할 수 있다.
예를 들어, 단락부(132)는 회전 루프부(a)의 입구단에 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
참고로, 도 8b를 참조하면, 플레밍의 왼손 법칙에서 보듯이 자기장의 방향과 직각으로 도선(전극(131)에서 진공챔버 방향)에 전류가 흐를 때 자기장의 방향과 전류(전기)의 방향으로 도선(전자)이 받는 힘의 방향이 결정되게 되는데 왼손의 검지를 자기장의 방향, 중지를 전류의 방향으로 했을 때, 엄지가 가리키는 방향이 도선(전자)이 받는 힘의 방향(도 7 및 도 8a 참조)이 될 수 있고, 이에 따라, 단락부(132)의 위치가 전술한 바와 같이 결정될 수 있다.
또한, 도 9 및 도 10을 참조하면, 단락부(132)는 복수 개의 전극(131) 중 폐루프의 둘레 방향을 따라 이웃하는 2개의 전극(131)이 단락부(132)를 사이에 두고 상하 방향(폐 루프 형성면에 직교하는 방향)으로 적어도 일부 중첩되도록 구비될 수 있다.
전극의 과소모, Arc발생으로 인해 2 개의 전극(131) 사이의 갭이 커질 경우, Cathode 몸체(전극)(131))의 노출이 발생할 때 원치 않는 물질의 스퍼터링이 발생할 수 있다. 구체적으로, 전술한 바와 같이, 플라즈마 전극부(전극(131))(13) 상에는 타겟 물질이 배치되어 있을 수 있는데, 스프터링에 의해 타겟 물질이 소모됨에 따라, 2 개의 전극(131) 사이의 갭(단락부(132)이 나타나고, 이에 따라, 전극(131)(Cathode body) 자체 물질도 스퍼터링 될 수 있다. 이러한 경우, 전극(131)이 대상체(9)에 스퍼터링될 수 있다. 그러나, 본 이온 빔 발생 장치에 의하면, 2 개의 전극(131)이 단락부(132)를 사이에 두고 상하 방향(폐 루프 형성면에 직교하는 방향)으로 적어도 일부 중첩(오버랩)되도록 구비됨으로써, 전극(131)의 노출이 발생할 때 원치 않는 물질이 스퍼터링 되는 것이 구조적으로 최소화될 수 있다. 참고로, 도 9에는 전극(131) 상에 배치된 타겟 물질이 해치로 표시되어 있다.
예를 들어, 2개의 전극(131) 중 하나의 일단과 다른 하나의 타단은 단락부(132)의 상하 방향 단면이 사선 형태(도 9 참조) 또는 계단 형태(도 10 참조)를 갖도록 오버랩될 수 있다.
또한, 도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 단락부(132)의 내외측 방향으로의 형성 경로는, 폐 루프의 둘레 방향에 대해 수직하게 형성(도 11a 참조)되거나, 또는, 비스듬하게 형성(도 11b 및 도 11c 참조)될 수 있다.
또한, 도 12 및 도 13을 참조하면, 본 이온 빔 발생 장치는, 복수 개의 전극(131) 중 서로 이웃하는 2개의 전극이 동일하게 (-) 전극일 경우에 2개의 전극(131) 간의 중전위(Floating)가 유지되도록, 단락부(132)에서 2개의 전극(131) 사이에 배치되는 중전위 구조물(14)을 포함할 수 있다.
한개의 폐쇄루프 자계 내에 2개 이상의 전극(공정전극)(131)을 구성하되, 서로 이웃하는 2개의 전극(131)이 같은 전위를 가진 (-) 전극일 경우 2 개의 전극(131)간 틈(단락부(132))에서 negative 전위, 즉 Cathode의 홈에서 발생하는 할로우 캐소드(Hollow Cathode) 현상이 발생하게 될 수 있다. 할로우 캐소드는 일반적인 스퍼터 공정인 수 mtorr보다 더 낮은 수십 mtorr의 진공도에서도 플라즈마가 발생되고 플라즈마 밀도가 높으며 이로 인해 높은 온도의 원인이 되어 순간적으로 타겟을 녹여 버릴 수도 있다.
이러한 할로우 캐소드 현상을 없애기 위해서는 2개 전극(131)의 전위차를 만들어 줘야 하는데, 이를 위해, 2개의 전극(131)간에 Dark area를 만들어 주는 기구 또는 전기적으로 중전위(0 / Floating 전위)를 만들어 주는 해결안이 필요할 수 있다. 중전위 구조물(14)은 전류가 0일 수 있다. 또한, 중전위 구조물은 전위가 고정된 상태를 가질 수 있다. 캐소드(-)(전극(131))의 입장에서 보면 진공 챔버 및 캐소드 바디가 상대적인 애노드(+)로 작용하여 전위차는 파워 서플라이에서 공급되는 전위차 그대로의 높이(Voltage)를 가지는데 중전위(0 / Floating) 구조물(14)이 이를 줄여줄 수 있다. 이때, 중전위 구조물(14)은 중전위를 만들어주면서도 2 개의 전극(131)간의 전자 이동도 저해하지 않아야 할 수 있다.
그런데, 2 개의 전극(131)의 전위차는 전극(131)의 재료, 전극(131)의 타겟 물질에 따라서 진공도, 자기장의 세기 등에 따라 달라지는데, 본 이온 빔 발생 장치에서는 2개의 전극(131)이 같은 진공도, 같은 자기장을 공유하게 되으로 전극(131)의 타겟물질에만 의존해 차이가 나게 될 수 있다.
이에 대하여, 본 이온 빔 발생 장치는, 동일한 전위(-)를 가지는 2개의 전극(131)간 틈(단락부(132)에서 발생하는 할로우 캐소드(Hollow Cathode) 현상을 예방하기 위한 방안으로 2 개의 전극(131) 사이에 중전위(Floating)된 구조물(중전위 구조물(14))을 삽입하므로 해결 할 수 있다.
또한, 중전위 구조물(14)은 본 이온 빔 발생 장치의 이온 빔 발생시 타 불순물이 발생되지 않도록, 2개의 전극(131) 중 적어도 하나와 동일한 물질을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
스퍼터링의 특성상 음전위인 캐소드(전극(131))에만 erosion이 일어나는 것은 아니다. 타겟(타겟 물질) 이외에 Dark space shield의 경우도 공정 가스(Ar)의 이온에 의해 sputtering 되어 erosion될 수 있다. 이때 타겟(타겟 물질, target)(전극(131)) 사이의 중전위 구조물(14)의 재질도 공정에 영향을 주지 않게 하기 위해서 중전위 구조물(14)은 2 개의 전극(131) 중 적어도 하나와 같은 재질로 형성될 수 있다. 이에 따라, 중전위 구조물(14)은 구조상으로는 2 개의 전극(131)을 전기적으로 분리는 시키되 구조적으로는 최소화되어 중전위 구조물(14)이 공정에 미칠 영향이 최소화될 수 있다.
또한, 도 13을 참조하면, 중전위 구조물(14) 하측에는 중전위 구조물(14)을 지지하는 절연체 구조물(15)을 구비될 수 있다.
또한, 본 이온 빔 발생 장치는, 서로 이웃하는 2 개의 전극(131)의 경계면에서 전자의 밀도와 거동이 제어되도록, 내부 자기장과 외부 자기장의 세기가 달라지게 하거나 약하게 하여 회전 루프부(a) 또는 단락부(132)에서의 플라즈마의 밀도를 낮추어 2개의 전극(131) 사이에 발생하는 플라즈마 영향을 최소화할 수 있다.
또한, 도 14 및 도 15를 참조하면, 본 이온 빔 발생 장치는 단락부(132)에 배치되어 공정 가스를 공급하는 공정 가스 매니폴드(17)를 포함할 수 있다.
일반적으로 플라즈마는 전기적 평형상태를 유지한다. 그러나 내부적 요인, 외부적 요인에 의해서 집중현상, 즉 아크 등이 발생할 수 있는데, 주요 원인으로는 타겟내 불순물, 날카로운 전극 구조, 진공 내 불순가스, 아웃개싱, 높은 공정 전위차(Voltage), 높은 진공도(낮은 공정 가스분압) 등이 있다. 이에 대하여, 본 이온 빔 발생 장치는 서로 이웃하는 2개의 전극(131) 사이의 경계면(단락부(132))가 존재하여 고려할 수 있는 날카로운 전극 구조에 의한 아크 원인을 감소시키기 위해 낮은 공정 가스 분압이 상대적으로 높아지도록, 2개의 전극(132) 사이의 단락부(132)에서 공정 가스를 공급할 수 있다. 이에 따라, 상기 문제들을 해결할 수 있다. 참고로, 단락부(132)에 배치되는 공정 가스 매니폴드는 보조 공정 가스 매니폴드라 할 수 있다.
또한, 도 1, 도 14 및 도 15를 참조하면, 본 이온 빔 발생 장치는 내부 자석부(11)의 내측에 배치되어 공정 가스를 공급하는 공정 가스 매니폴드(16)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 효율적인 공정이 유도될 수 있다. 구체적으로, 공정 가스가 내부 자석부(11)의 내측에 배치되는 공정 가스 매니폴드(16)로부터 배출되면 공정 가스는 플라즈마 전극부(13)(타겟 물질)의 상측을 지나며 외측으로 이동될 수 있으므로, 이에 따라, 공정 가스가 자연스럼게 타겟 물질의 표면을 주행하면서 이온화될 수 있기 때문이다.
예를 들어, 종래의 듀얼 캐소드 스퍼터링 방식에 의하면, 1 개의 전극(타겟물질)과 1개의 폐 루프 자계로 구성된 Sputtering Cathode 과 이웃 Sputtering Cathode 사이에서 공정 가스 공급이 이루어졌다. 이에 따라, 공정 가스의 타겟 물질로의 이동성이 낮아 공정 효율이 낮을 수 있었다. 그러나, 본 이온 빔 발생 장치에 의하면, 1개 폐 루프를 이루는 내부 자석부(11)의 내측으로부터 공정 가스가 공급되어 플라즈마 전극부(13) 상으로 용이하게 이동 가능하므로 공정 가스의 이온화가 종래 대비 용이할 수 있다.
단락부(132)에 배치되는 공정 가스 매니폴드(17)는 단락부(132)로부터 공정 가스를 배출하므로 이러한 효과는 단락부(132)에 배치되는 공정 가스 매니폴드(17)로부터도 발휘될 수 있다.
또한, 본 이온 빔 발생 장치의 공정 가스 매니폴드(16, 17)에 의한 전술한 효과들은 반응성 스퍼터링에서도 효율적인 공정을 유도할 수 있는데 타겟외부로 펌핑 플로우가 형성되므로 자연스럽게 공정가스가 타겟표면을 주행하면서 이온화 할 수 있게 된다.
또한, 참고로, 내부 자석부(11)의 내측에 배치되는 공정 가스 매니폴드(16)는 메인 공정 가스 매니폴드라 할 수 있다.
또한, 도 16 및 도 17을 참조하면, 본 이온 빔 발생 장치는 전술한 전원 장치(18a, 18b, 18c)를 포함할 수 있다.
도 16을 참조하면, 복수 개의 전극(131) 각각은 개별적으로 전원 장치(18a, 18b)와 연결될 수 있다. 이러한 경우, 복수 개의 전극(131) 각각과 연결되는 전원 장치(18a, 18b)는 직류 파워일 수 있다. 이러한 경우, 도 16의 도면 부호 18a는 제1 직류 파워일 수 있고, 도면 부호 18b는 제2 직류 파워일 수 있다.
또한, 도 17을 참조하면, 복수 개의 전극(131)에는 연계적으로 전원이 인가될 수 있는데, 예를 들어, 복수 개의 전극(131)에는교류 파워인 전원 장치(18c)가 연결될 수 있다.
또한, 도 16 및 도 17을 참조하면, 공정 가스 매니 폴더(16, 17)는 공급부(19)와 연결될 수 있다. 공정 가스 매니폴더(16, 17)는 공급부(19)로부터 공정 가스를 공급받을 수 있다. 또한, 공급부(19)는 전구체를 공급할 수 있다. 이에 따라, 본 이온 빔 발생 장치에는 전구체가 공급될 수 있다.
또한, 도 16 및 도 17을 참조하면, 본 이온 빔 발생 장치의 적어도 일부는 진공 챔버(2) 내에 위치할 수 있다. 이는 이물질이 박막에 유입되는 것을 최소화하기 위해, 본 이온 빔 발생 장치에 의한 공정은 진공 챔버(2) 내에서 이루어짐이 바람직하다.
또한, 도 16 및 도 17을 참조하면, 진공 챔버(2)에는 진공 펌프(3)가 구비될 수 있다. 진공 펌프(3)는 진공 챔버(2)의 내부를 진공 상태로 만들 수 있다. 진공 펌프(3)는 진공 챔버(2)의 내부의 진공도를 스퍼터링 공정에서 요구되는 진공도로 유지시키는 것일 수 있다.
전술한 바에 따르면, 본 이온 빔 발생 장치는 기존의 Magnetron Sputtering 방법의 개선된 형태로 1개의 폐쇄 루프 자계를 구성하되, 이 1개의 자계내에 서로 전기적으로 절연된 다중의 전극을 구성하여 다중의 마그네트론 플라즈마를 생성하여 대상체(9)(기판)의 표면을 개질할 수 있다.
구체적으로, 기존의 Magnetron Cathode의 구성은 1개의 전극(타겟물질)과 1개의 폐 루프 자계로 구성된 Sputtering Cathode로 구성되고 공정가스를 인입하고 1개의 전원을 인가하는 방식으로 스퍼터링 공정으로 표면 개질을 진행해 왔다. 여기서 발전되게는 상기 구성인 1개의전극(타겟물질)과 1개의 폐쇄루프로 구성된 Cathode를 2개 설치하여 단일의 교류전류 발생기에 +, - 한쌍의 전원을 각각 연결하여 스위칭 하면서 듀얼 캐소드 스퍼터링 방식의 반응성 스퍼터링 공정을 진행한 것이다.
본 이온 빔 발생 장치는 Magnetron Cathode를 구성함에 있어 1개의 폐 루프의 플라즈마 전극부(13)를 2개 이상의 전극(131)으로 구성하고, 복수 개의 전극(131) 각각을 전기적으로 독립시켜 전원을 독립적으로 운영할 수 있게 하고, 복수 개의 전극(131)이 1개의 폐 루프 자계 내에서 전자의 이동, 제어루프를 공유하면서 스퍼터링을 하게 할 수 있다.
이에 따라, 복수 개의 전극(131) 각각에 타겟물질이 독립적으로 구비될 수 있으므로, 독립적으로 다중의 타겟물질이 사용될 수 있으며, 복수 개의 전극(131) 각각의 파워 인가가 가능하므로, 조성을 조절 할 수 있는 Co-sputtering이 구현될 수 있다.
이에 의하면, 복수 개의 전극(131)이 동일한 폐 루프 자기장을 이용하기 때문에 동일한 자기장의 상황을 공유함으로써 종래의 듀얼캐소드 보다 공간 활용도가 높아질 수 있고, 균일한 공정 효과를 꾀할 수 있게 된다.
또한 본 이온 빔 발생 장치는, 전극(131)을 2배수로 구비하고, 2배수 개수의 전극(131)에 단일의 교류 발생기 쌍을 연결하여, 반응성 스퍼터링을 실시할 수도 있다.
정리하면, 본 이온 빔 발생 장치는, 기판의 표면을 개질(modify)하기 위한 방법에 적용될 수 있는 것으로서, 1개의(동일한) 폐쇄 루프 자계 내에 전기적으로 절연된 다중(복수)의 전극(131)을 구성하여 개별적으로 또는 연계적으로 전원을 인가하여 마그네트론 플라즈마를 생성할 수 있다.
또한, 본 이온 빔 발생 장치는, 복수의 전극(131)에 복수의 전원 장치을 이용하여 동일한 전위(+혹은-)를 인가하여 개별적인 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
또한, 본 이온 빔 발생 장치는, 복수의 전극(131)에 각각 다른 물질의 전극 재료(타겟 물질)를 사용하여 서로 다른 물질의 스퍼터링을 동시에 진행시킬 수 있다.
또한, 본 이온 빔 발생 장치는 2배수 개수로 전극(131)을 구비하고, 2배수 개수의 전극(131)에 단일의 교류전원을 쌍으로 연결하여 대항되는 전위로 스위칭하여 상호 상대전극이 되게 하여 연계적인 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
또한, 본 이온 빔 발생 장치는 플라즈마를 이용하는 방법으로서, 전구체 가스(precursor gas) 분자를 상기 마그네트론 플라즈마 내에서 발생하여 만들어진 이온과 접촉하도록 도입하고, 전구체 가스 분자를 분해하고 원하는 반응성 가스와의 결합을 진행하여, 대상체(9)의 표면에 증착되는 코팅 재료로 형성하여 대상체(9)에 증착시킬 수 있다.
또한, 본 이온 빔 발생 장치는 복수 개의 전극(131)간 간격을 유지하고 전기적으로 중전위를 유지할 수 있는 중전위 구조물(14)을 배치하여 전위차를 줄여 줄 수 있다.
또한, 본 이온 빔 발생 장치에 있어서, 중전위 구조물(14)은 전극간 간격을 유지하고 전기적으로 중전위를 유지할 수 있는 구조로서, 스퍼터링 시 타 불순물을 발생시키지 않기 위해 타겟 물질과 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 본 이온 빔 발생 장치는, 전극(131) 간 간격을 유지하고 전기적으로 중전위(0)를 유지할 수 있는 구조를 제공함에 있어서, 전극(131)간 전자, 플라즈마의 이동량을 제어하기 위한 터널을 구성할 수 있다.
또한, 본 이온 빔 발생 장치는, 복수의 전극(131)의 이격 영역(단락부(132))이 폐 루프 회전 루프부(a)의 중앙에 있지 않을 수 있다.
또한, 본원은 본원의 일 실시예에 따른 표면 개질 방법을 제공한다. 본원의 일 실시예에 따른 표면 개질 방법은 전술한 본 이온 빔 발생 장치를 이용한다. 구체적으로 본원의 일 실시예에 따른 표면 개질 방법은 복수 개의 전극(131)에 개별적으로 또는 연계적으로 전원을 인가하여 마그네트론 플라즈마를 생성할 수 있다. 즉, 본원의 일 실시예에 따른 표면 개질 방법은 1개의 폐쇄 루프 자계를 구성하되, 이 1개의 자계내에 서로 전기적으로 절연된 다중의 전극을 구성하여 개별적으로 또는 연계적으로 전원을 인가하여 마그네트론 플라즈마를 생성함으로써 대상체(9)(기판)의 표면을 개질할 수 있다.
또한, 본원은 본원의 일 실시예에 따른 스위칭 방법을 제공한다. 본원의 일 실시예에 따른 스위칭 방법은 전술한 본 이온 빔 발생 장치를 이용한다. 구체적으로, 본 이온 빔 발생 장치의 복수 개의 전극(131)은 2배수 개수로 구비되고, 본원의 일 실시예에 따른 스위칭 방법은 2배수 개수의 전극에 단일의 교류 전원을 쌍으로 연결하여 대항되는 전위로 스위칭하여 상호 상대전극이 되게 하여 연계적인 플라즈마를 발생시킨다.
또한, 본원은 본원의 일 실시예에 따른 PECVD 방법을 제공한다. 본원의 일 실시예에 따른 PECVD 방법은 본 이온 빔 발생 장치를 이용한다. 구체적으로, 본원의 일 실시예에 따른 PECVD 방법은 전구체 가스 분자를 상기 다중 전극 이온 빔 발생 장치에서 발생되는 플라즈마 내에서 발생한 이온과 접촉되도록 도입하고, 상기 전구체 가스 분자를 분해하여, 기판의 표면에 증착되는 코팅 재료를 형성한다. 다시 말해, 본 이온 빔 발생 장치는 전구체 가스(precursor gas) 분자를 상기 마그네트론 플라즈마 내에서 발생하여 만들어진 이온과 접촉하도록 도입하고, 전구체 가스 분자를 분해하고 원하는 반응성 가스와의 결합을 진행하여, 대상체(9)의 표면에 증착되는 코팅 재료로 형성하여 대상체(9)에 증착시킬 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
11: 내부자석부
111: 내부자석
1111: 일단 자극
1112: 타단 자극
12: 외부자석부
121: 외부자석
1211: 일단 자극
1212: 타단 자극
13: 플라즈마 전극부
131: 전극
132: 단락부
14: 중전위 구조물
15: 절연체 구조물
16: 공정 가스 매니폴드
17: 공정 가스 매니폴드
18a: 직류 전원 장치
18b: 직류 전원 장치
18c: 교류 전원 장치
19: 공급부
2: 진공 챔버
3: 진공 펌프

Claims (10)

  1. 이온 빔 발생 장치에 있어서,
    자기장 형성 공간이 폐 루프의 형상으로 형성되도록, 상기 폐 루프의 외부 둘레를 따라 복수의 외부자석이 폐 루프의 형태로 배열되는 외부자석부;
    상기 외부자석부와 연계하여 상기 외부자석부와의 사이의 상기 자기장 형성 공간에 자기장이 형성되도록, 상기 폐 루프의 내부에 복수의 내부자석이 배열되는 내부자석부; 및
    상기 자기장 형성 공간에 전기장을 형성하도록 상기 폐 루프를 따라 형성되는 플라즈마 전극부를 포함하되,
    상기 플라즈마 전극부는 복수 개의 전극을 포함하고,
    상기 복수 개의 전극은 상호 절연되는 단락부가 2개의 전극 사이에 형성되도록 상기 폐 루프의 둘레 방향을 따라 이격되게 구비되고,
    상기 폐 루프는 전자의 호핑 모션이 회전하는 형태로 이루어지는 전자 회전 운동에 대응하는 곡선 루프 형태의 회전 루프부를 포함하고,
    상기 복수 개의 전극은, 상기 단락부가 상기 회전 루프부의 중심을 벗어난 위치에 형성되도록 구비되고,
    상기 단락부의 위치 설정에 의해, 상기 회전 루프부에서 발생되는 상기 전자 회전 운동의 원심력과 구심력에 의한 상기 전극의 손상이 상기 단락부가 상기 회전 루프부의 중심에 위치하는 경우와 대비하여 저감되며,
    상기 회전 루프부는, 상기 전자 회전 운동에 따라 전자가 진입하는 입구단 및 상기 입구단을 통해 진입한 전자가 상기 회전 루프부를 벗어나는 출구단을 포함하고,
    상기 단락부는, 상기 폐루프의 둘레 방향을 따라 이루어지는 상기 전자 회전 운동의 방향을 고려하여, 상기 회전 루프부의 중심을 기준으로 상기 전자 회전 운동의 방향의 반대 방향인 상기 입구단 측으로 상기 회전 루프부의 중심을 벗어나게 위치하는 것인, 다중 전극 이온 빔 발생 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단락부는 상기 복수 개의 전극 중 상기 폐루프의 둘레 방향을 따라 이웃하는 2개의 전극이 상기 단락부를 사이에 두고 상하 방향으로 적어도 일부 중첩되도록 구비되는 것인, 다중 전극 이온 빔 발생 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극 중 서로 이웃하는 2개의 전극이 동일하게 (-) 전극일 경우에 상기 2개의 전극 간의 중전위(Floating)가 유지되도록, 상기 단락부에서 상기 2개의 전극 사이에 배치되는 중전위 구조물을 더 포함하되,
    상기 중전위 구조물은, 상기 다중 전극 이온 빔 발생 장치의 이온 빔 발생시 타 불순물이 발생되지 않도록, 상기 2개의 전극 중 적어도 하나와 동일한 물질을 포함하는 재질로 이루어지는 것인, 다중 전극 이온 빔 발생 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중전위 구조물의 하측에는, 상기 중전위 구조물을 지지하는 절연체 구조물이 구비되는 것인, 다중 전극 이온 빔 발생 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단락부에 배치되어 공정 가스를 공급하는 공정 가스 매니폴드를 더 포함하는, 다중 전극 이온 빔 발생 장치.
  8. 제1항에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치를 이용한 표면 개질 방법으로서,
    상기 복수 개의 전극에 개별적으로 또는 연계적으로 전원을 인가하여 마그네트론 플라즈마를 생성하는, 표면 개질 방법.
  9. 제1항에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치를 이용한 스위칭 방법으로서,
    상기 복수 개의 전극은 2 배수 개수로 구비되고,
    상기 2배수 개수의 전극에 단일의 교류 전원을 쌍으로 연결하여 대항되는 전위로 스위칭하여 상호 상대전극이 되게 하여 연계적인 플라즈마를 발생시키는, 스위칭 방법.
  10. 제1항에 따른 다중 전극 이온 빔 발생 장치를 이용한 PECVD 방법으로서,
    전구체 가스 분자를 상기 다중 전극 이온 빔 발생 장치에서 발생되는 플라즈마 내에서 발생한 이온과 접촉되도록 도입하고, 상기 전구체 가스 분자를 분해하여, 기판의 표면에 증착되는 코팅 재료를 형성하는, PECVD 방법.
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