KR102548201B1 - 고효율 스퍼터장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 스퍼터장치에 관한 것이다. 이는, 진공챔버 내에 회전 가능하도록 설치되며 그 외주면에 증착대상물을 고정하는 드럼과; 상기 드럼에 대응 배치되며, 드럼의 회전에 따라 일정경로를 따라 공전하는 증착대상물의 표면에 증착막을 형성하는 스퍼터부와; 상기 증착대상물과의 사이에 플라즈마를 형성하고, 외부로부터 주입된 산소를 이온화시켜 증착대상물에 가하는 것으로서, 진공챔버 내에 수직으로 배치되며 일정간격으로 이격된 한 쌍의 자계형성바디와, 상기 각 자계형성바디에 구비되어 자계형성바디의 전방으로 자기력을 출력하되, 반대편 자계형성바디로부터 멀어질수록 상대적으로 큰 자기력을 출력하는 자력출력부와, 일측 자계형성바디와 타측 자계형성바디의 사이에 설치되는 센터홀더를 포함한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 고효율 스퍼터장치는, 상호 나란한 양측 자계형성바디에 배열된 영구자석의 극성을 자계형성바디 별로 동일하게 구성하며, 특히 자기장의 전 범위에서의 자력 밀도가 균일하여 증착막의 부착력이 양호하고 기계적 화학적 특성이 뛰어난 증착막을 제공할 수 있다. 또한 타겟을 장착하지 않고 산소 및 복합가스를 사용하여 기판의 반응성 처리 및 표면 트리트먼트의 용도로 사용할 수도 있다.

Description

고효율 스퍼터장치{High-efficiency sputtering device}

본 발명은 플라즈마를 이용하는 스퍼터장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 영구자석의 배열 방식을 개선하여 스퍼터건 전방의 프라즈마영역을 확장시킨 고효율 스퍼터장치에 관한 것이다.

글래스 기판 등의 대상물 표면에 박막을 적층하기 위한 적층방법으로서, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition), 증발법(Evaporation) 등이 알려져 있다. 상기한 적층방법은 각각의 장단점을 가져 필요에 맞추어 적절히 선택된다.

상기 CVD 방법은, 증착막이 균일하지 못하고 특성의 재현에 어려움이 있으며, 증착시 고온의 환경을 요구하므로 에너지 소모가 심하다는 단점이 있다. 또한, 증발법은 증착율이 높다는 장점이 있으나 증착막의 밀도나 밀착력이 떨어지는 불리한 점이 있다.

이에 비해, PVD 방식 증착방법은, 증착 조건을 제어하기 쉽고 대면적의 기판 증착에 적합하며, 특히 박막의 두께나 밀도 등과 같은 박막 특성의 균일화를 용이하게 구현할 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 이유로 반도체 분야나 전기전자분야는 물론 디스플레이 분야에 이르기까지 박막 형성을 위한 방법으로 PVD 방식이 널리 사용되고 있다.

상기 PVD 방식 증착방법은, 진공이 유지되는 진공챔버내에서 진행되는데, 자석을 이용해 타겟의 표면에 자기장을 유지한 상태로 챔버내에 불활성 기체인 아르곤(Ar)을 주입하고, 타겟에 음극 전력을 인가하여 플라즈마를 형성하는 과정을 포함한다.

상기 아르곤은 플라즈마에 의해 이온화 되고, 이온화된 아르곤의 양이온이 타겟 소스에 고속으로 충돌하여 타겟에 충돌에너지를 가함으로써 타겟으로 부터 원자들이 방출되게 한다. 타겟의 표면에서 방출된 타겟 물질은 타겟의 전방에 대기하고 있는 증착대상물, 가령, 기판으로 날아가 기판에 증착된다.

참고로, 충돌하는 입자들이 양이온이라면 음극 스퍼터링이라고 부르는데, 대부분의 스퍼터링은 음극 스퍼티링이다. 음극 스퍼터링이 많이 사용되는 이유는, 양이온이 가속되기 쉽고 또한 타겟에 충돌하기 직전 타겟으로부터 방출되는 전자에 의하여 중성화되어 중성 원자로서 타겟에 충돌하기 때문이다.

또한, 상기 증착과정에 있어서, 플라즈마 속에 존재하는 음이온에 의한 리스퍼터링(re-sputtering) 현상이 발생하기도 한다. 상기 리스퍼터링은 플라즈마 내부의 음이온이, 타겟이 아닌 증착대상물의 표면을 타격하여, 성막 중의 증착층에 손상을 주고 경우에 따라 증착물질을 증착대상로부터 다시 분리하는 현상이다.

이러한 리스퍼터링은, 타겟의 후방에 배치되어 있는 자석의 배열이나 출력 자기력을 조절함으로써 해결할 수 있다. 발생된 플라즈마에 자기장을 인가하면 플라즈마 내의 음이온에 로렌쯔 힘을 가하여 플라즈마의 밀도 분포를 달리할 수 있기 때문이다.

한편, 종래의 스퍼터장치는, 타겟의 전방에 형성되는 플라즈마 영역이 협소하다는 단점을 갖는다. 플라즈마 영역이 넓을수록 스퍼터링이나 이온화 과정이 활발하게 진행되어 작업속가 빠르고 생산성이 증가하지만, 종래 스퍼터장치의 경우 스퍼터건에 배치된 영구자석의 배치가, 자기장을 넓게 형성하는 배치구조를 가지지 못하고 있는 것이다.

국내등록특허공보 제10-0848851호 (플라즈마 데미지 프리 스퍼터 건 및 이를 구비한 스퍼터장치와 이를 이용한 플라즈마 처리장치 및 성막 방법) 국내등록특허공보 제10-0497933호 (요동자석방식 마그네트론 스퍼터링장치 및 방법)

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 충분한 범위의 플라즈마 영역을 유지하므로 증착막의 부착력이 뛰어나고, 기계적 화학적 특성이 양호한 증착막을 제공할 수 있으며, 필요에 따라 산소 및 복합가스를 사용하여 기판의 반응성 처리 및 표면 트리트먼트의 용도로 사용할 수도 있는 고효율 스퍼터장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고효율 스퍼터장치는, 공펌프에 의해 조성된 진공을 유지하는 진공챔버와; 상기 진공챔버 내에 회전 가능하도록 설치되며 그 외주면에 증착대상물을 고정하는 드럼과; 상기 드럼에 대응 배치되며, 드럼의 회전에 따라 일정경로를 따라 공전하는 증착대상물의 표면에 증착막을 형성하는 스퍼터부와; 상기 증착대상물과의 사이에 플라즈마를 형성하고, 외부로부터 주입된 산소를 이온화시켜 증착대상물에 가하는 것으로서, 진공챔버 내에 수직으로 배치되며 일정간격으로 이격된 한 쌍의 자계형성바디와, 상기 각 자계형성바디에 구비되어 자계형성바디의 전방으로 자기력을 출력하되, 반대편 자계형성바디로부터 멀어질수록 상대적으로 큰 자기력을 출력하는 자력출력부와, 일측 자계형성바디와 타측 자계형성바디의 사이에 설치되는 센터홀더를 포함하는 스퍼터건을 갖는다.

또한, 상기 자력출력부는; 상기 센터홀더로부터 일정간격으로 이격되는 다수의 기본영구자석과, 센터홀더를 기준으로 기본영구자석보다 멀리 떨어진 지점에 위치하는 보강영구자석을 포함하고, 상기 보강영구자석의 출력자기력은 기본영구자석의 출력자기력보다 상대적으로 크게 유지된다.

또한, 상기 기본영구자석과 보강영구자석의 드럼을 향하는 극성은, 하나의 자계형성바디 내에서 동일하다.

아울러, 상기 양측 자계형성바디의, 드럼에 대향하는 대향면은 둔각의 사이각을 가진다.

또한, 상기 자계형성바디의 후방에는 상기 자력출력부를 보호하는 하우징이 더 구비된다.

또한, 상기 스퍼터부는; 그 내부에 실리콘 캐소오드를 갖는 제1스퍼터부와, 티타늄 캐소오드를 구비한 제2스퍼터부를 포함한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 고효율 스퍼터장치는, 상호 나란한 양측 자계형성바디에 배열된 영구자석의 극성을 자계형성바디 별로 동일하게 구성하며, 특히 자기장의 전 범위에서의 자력 밀도가 균일하여 증착막의 부착력이 양호하고 기계적 화학적 특성이 뛰어난 증착막을 제공할 수 있다.

또한 타겟을 장착하지 않고 산소 및 복합가스를 사용하여 기판의 반응성 처리 및 표면 트리트먼트의 용도로 사용할 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 스퍼터장치의 전체적인 구성을 나타내 보인 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 스퍼터장치에 설치된 스퍼터건을 별도로 나타내보인 도면이다.
도 3은 도 1에 도시한 스퍼터장치에 설치될 수 있는 다른 형태의 스퍼터건의 구성도이다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 스퍼터장치(10)의 전체적인 구성을 나타내 보인 평단면도이고, 도 2는 도 1에 도시한 스퍼터건(31)을 별도로 나타내보인 도면이다. 또한, 도 3은 도 1에 도시한 스퍼터장치에 설치될 수 있는 다른 형태의 스퍼터건(31)의 구성도이다.

후술할, 본 실시예에 따른 고효율 스퍼터장치(10)는, 글래스기판(22)의 표면에 SiO2 또는 TiO2 층을 형성하기 위한 최적의 구조를 갖는 것이다. 글래스기판(22)에 대한 Si의 증착은 제1스퍼터부(14)에 의해 이루어지고, Ti의 증착은 제2스퍼터부(16)에 의해 구현된다. 제1스퍼터부(14)와 제2스퍼터부(16)는 동시에 작동할 수도 있고, 필요에 따라 하나만 동작할 수도 있다.

도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 스퍼터장치(10)는, 진공챔버(12), 드럼(20), 제1,2스퍼터부(14,16), 산소이온발생부(30), 진공펌프(18) 등을 포함한다.

상기 진공챔버(12)는, 다수의 진공펌프(18)에 의해 진공을 유지하는 내부공간(12a)을 갖는 챔버로서, 그 내부에 드럼(20)을 회전 가능하게 수용한다. 이를 위해 진공챔버(12)의 적절한 위치에 드럼 구동용 모터가 구비되어 있음은 물론이다.

상기 드럼(20)은 가령 50rpm 내지 70rpm 정도의 속도로 회전하는 것으로서, 그 주연부에 글래스기판(22)을 갖는다. 상기 글래스기판(22)은 가령 SiO2나 TiO2를 증착할 증착대상물이다. 글래스기판(22)은 적절한 지그를 통해 드럼(20)의 주연부에 고정되며 드럼의 회전에 따라 일정경로를 따라 공전(公轉)한다. 말하자면 제1스퍼터부(14)와 산소이온발생부(30)와 제2스퍼터부(16)의 앞을 반복적으로 스쳐 지나가는 것이다.

상기 제1스퍼터부(14)는, 두 개의 실리콘캐소오드(14a)와, 아르곤가스를 주입하는 가스공급관(14b)을 포함하며, 공지의 방법에 따라 글래스기판(22)에 실리콘층을 증착한다. 즉, 내부공간(12a)에 주입된 아르곤가스가 플라즈마에 의해 이온화된 상태로 실리콘캐소오드(14a)를 타격하고, 타격에 의해 실리콘캐소오드(14a)에서 발생하는 실리콘 원자가 글래스기판(22)에 증착되는 것이다.

제2스퍼터부(16)는, 두 개의 티타늄캐소오드(16a)와, 아르곤가스를 주입하는 가스공급관(16b)을 구비한다. 가스공급관(16b)을 통해 내부공간(12a)으로 주입된 아르곤가스는 플라즈마 분위기에서 이온화되고, 아르곤가스의 양이온이 티타튬캐소오드(16a)를 타격한다. 상기 타격에 의해 발생한 티타늄 원자가 글래스기판(22)의 표면으로 이동하여 증착됨은 마찬가지이다.

한편, 상기 산소이온발생부(30)는, 외부로부터 주입된 산소를 이온화시키는 스퍼터건(31)을 포함한다. 본 실시예에서의 산소이온발생부(30)의 기본 역할은, 외부로부터 공급된 산소를 플라즈마 환경을 통해 이온화시켜, 실리콘이나 티타늄이 증착되고 있는 글래스기판(22)에 가하는 것이다.

경우에 따라, 스퍼터건(31)의 전면, 즉, 드럼(20)을 향하는 면 (가령, 도 2의 커버(33) 자리)에 타겟소스(미도시)를 장착할 수도 있다. 타겟소스를 장착할 경우, 스퍼터건(31)을 통한 스퍼터링이 가능해짐은 물론이다. 어쨌든 도 1의 경우, 스퍼터건(31)은 타겟소스를 가지지 않아, 산소를 이온화시키거나, 산소나 복합가스를 사용하여 기판의 반응성 처리 및 표면 트리트먼트의 기능을 할 수 있다.

그런데, 스퍼터건(31)의 기능이 어떠하든, 스퍼터건(31)의 전방에는 플라즈마영역(P)이 형성된다. 플라즈마영역(P)은 넓을수록 좋다. 글래스기판(22)과의 사이에 형성된 플라즈마를 이용하여 산소를 이온화시키기 때문이다. 플라즈마영역이 넓으면 그만큼 산소의 반응속도가 신속해진다.

도 2에 도시한 바와 같이, 스퍼터건(31)은, 상기 진공챔버(12)의 내부에 수직으로 세워지며 상호 평행한 한 쌍의 자계형성바디(35)와, 자계형성바디(35)의 사이에 구비되는 센터홀더(39)와, 자계형성바디(35) 및 센터홀더(39)의 후방을 밀폐하는 밀폐공간(32a)을 갖는 하우징(32)과, 각 자계형성바디(35)의 배면에 구비되는 제1,2영구자석(37a,37b) 및 보강영구자석(37c,37d)을 포함한다.

본 설명에서, 상기 제1기본영구자석(37a)은, 말하자면, N극이 드럼(20)을 향하도록 배치된 자석을 의미하고, 제2기본영구자석(37b)은 S극이 드럼(20)을 향하도록 위치된 자석을 의미한다. 또한 보강영구자석(37c,37d)에 있어서, 도면상 우측 자계형성바디(35)에 배치된 제1제1보강영구자석(37c)은 제1기본영구자석(37a)과 같은 방향으로 자력을 출력하고, 좌측 자계형성바디(35)에 설치된 제2보강영구자석(37d)은 제2기본영구자석(37b)과 동일한 방향의 자력을 출력한다.

상기 자계형성바디(35)는, 진공챔버(12)의 바닥면에 대해 수직으로 세워진 부재로서 그 전면에 보호용 커버(33)를 갖는다. 필요에 따라 보호용 커버(33)를 분리하고 그 자리에 소스타겟을 장착할 수도 있음은 위에 언급한 바와 같다. 아울러, 자계형성바디(35)의 배면에는 제1,2영구자석(37a,37b) 및 보강영구자석(37c,37d)이 삽입 고정되는 다수의 자석설치홈(35a)이 형성되어 있다.

특히, 본 실시예에 따른 스퍼터장치(10)에 사용되는 스퍼터건(31)은, 출력 자기장의 방향이 자계형성바디(35) 별로 구분된다. 이를테면 도면상 우측 자계형성바디(35)는 전방으로 N극의 자기력을 출력하고 좌측 자계형성바디(35)는 전방으로 S극만 출력한다. 이에 따라 스퍼터건(31)의 전방에는 화살표 a방향의 자기장이 형성된다. 스퍼터건(31)의 전방 대부분에 자기력이 미치는 것이다. 상기한 바와 같이, 플라즈마영역은 자기력의 범위와 관련되므로, 결국, 스퍼터건(31)의 전방에 최대로 넓은 플라즈마영역(P)이 형성되는 것이다.

상기 보강영구자석(37c,37d)은, 제1,2영구자석(37a,37b)에 비해 보다 큰 자기력을 출력하는 것으로서, 각 자계형성바디(35)의 최외곽에 배치된다. 이와 같이, 자계형성바디(35)의 최외곽에 상대적으로 큰 자기력을 출력하는 보강영구자석(37c,37d)을 적용함으로써, 화살표 z방향으로의 자기력의 감소가 거의 없다. 즉, 스퍼터건(31) 전방에 형성되는 자기장에서의 자기력의 밀도는 균일하다. 자기력의 밀도가 균일하다는 것은 유지되는 플라즈마의 안정성이 높다는 의미이다.

한편, 상기 양측 자계형성바디(35)는 동일한 평면상에 위치하지 않고, 내측으로 꺾인 상태를 유지한다. 즉, 양측 자계형성바디(35)의 드럼을 향하는 대향면이 둔각의 사이각을 가지도록 배치된 것이다. 상기 사이각은 135도 내지 170도 일 수 있다.

도 3에 도시한 스퍼터건(31)의 경우, 각 자계형성바디(35)의 외측방향으로 갈수록 자기력이 순차적으로 더 커지는 영구자석을 구비한다. 설명의 편의상, 영구자석의 가로세로 사이즈(W,H)의 크기기 클수록 출력 자기력이 강한 것으로 가정하기로 한다.

먼저, 우측 자계형성장치(35)는, 센터홀더(39)를 기준으로 우측방향으로 갈수록 영구자석의 자기력이 커진다. 도면을 참조하면, 우측방향으로 갈수록 영구자석의 가로가 w1,w2,w3의 순서로, 세로가 h1,h2,h3로 증가함을 알 수 있다. 내측 두 개의 영구자석은 제1기본영구자석(37a)이고, 마지막 영구자석은 제2보강영구자석(37d)이라 정해도 무방하다.

마찬가지로, 좌측 자계형성장치(35)는, 센터홀더(39)를 기준으로 좌측방향으로 갈수록 출력 자기력이 증가한다. 도시한 것처럼, 좌측방향으로 갈수록 영구자석의 가로가 w1,w2,w3의 순서로, 세로가 h1,h2,h3로 증가함을 알 수 있다. 내측 두 개의 영구자석은 제2기본영구자석(37b)이고, 마지막 영구자석은 제2보강영구자석(37d)이다.

여하튼, 상기한 바와 같이, 센터홀더(39)를 기준으로 멀어지는 방향으로 갈수록 출력자기력이 증가하므로, 도 2에 설명한 바와 마찬가지 원리로, 스퍼터건(31) 전방에 형성된 부채꼴 형태의 자기장 내의 자력 균일하다. 도 1에 도시한 바와 같이, 스퍼터건(31)의 전방에 플라즈마영역(P)이 충분히 넓게, 또한 고른 에너지 밀도로 유지될 수 있는 것이다.

상기 스퍼터건(31)과 드럼(20)의 사이에 형성된 플라즈마영역(P) 내부로, 외부의 산소가 공급되면 산소는 플라즈마로부터 에너지를 받아 이온화되며 (실리콘이나 티타늄이 증착되고 있는) 글래스기판(22)에 가해져 글래스기판(22)상에 SiO2(이산화규소) 또는 TiO2(이산화티타늄)층을 형성한다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

10:스퍼터장치 12:진공챔버
12a:내부공간 14:제1스퍼터부
14a:실리콘캐소오드 14b:가스공급관
16:제2스퍼터부 16a:티타늄캐소오드
16b:가스공급관 18:진공펌프
20:드럼 21:스퍼터건
22:글래스기판 30:산소이온발생부
31:스퍼터건 32:하우징
32a:밀폐공간부 33:커버
35:자계형성바디 35a:자석설치홈
37a:제1기본영구자석 37b:제2기본영구자석
37c,37d:보강영구자석 39:센터홀더

Claims (6)

1. 진공펌프에 의해 조성된 진공을 유지하는 진공챔버와;
   상기 진공챔버 내에 회전 가능하도록 설치되며 그 외주면에 증착대상물을 고정하는 드럼과;
   상기 드럼에 대응 배치되며, 드럼의 회전에 따라 일정경로를 따라 공전하는 증착대상물의 표면에 증착막을 형성하는 스퍼터부와;
   상기 증착대상물과의 사이에 플라즈마를 형성하고, 외부로부터 주입된 산소를 이온화시켜 증착대상물에 가하는 것으로서, 상기 진공챔버 내에 수직으로 배치되고 상호 일정간격으로 이격된 한 쌍의 자계형성바디와;
   상기 각 자계형성바디에 구비되어 자계형성바디의 전방으로 자기력을 출력하되, 반대편 자계형성바디로부터 멀어질수록 상대적으로 큰 자기력을 출력하는 자력출력부와;
   상기 자계형성바디의 후방에 구비되어 상기 자력출력부를 보호하는 하우징과;
   상기 자계형성바디의 사이에 설치되는 센터홀더를 포함하며,
   상기 자력출력부는;
   상기 센터홀더로부터 일정간격으로 이격되는 다수의 기본영구자석과, 센터홀더를 기준으로 기본영구자석보다 멀리 떨어진 지점에 위치하는 보강영구자석을 포함하고, 상기 보강영구자석의 출력자기력은 기본영구자석의 출력자기력보다 상대적으로 크게 유지되는 고효율 스퍼터장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 기본영구자석과 보강영구자석의 드럼을 향하는 극성은, 하나의 자계형성바디 내에서 동일한 고효율 스퍼터장치.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 양측 자계형성바디의, 드럼에 대향하는 대향면은 둔각의 사이각을 가지는 고효율 스퍼터장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 스퍼터부는;
   그 내부에 실리콘 캐소오드를 갖는 제1스퍼터부와,
   티타늄 캐소오드를 구비한 제2스퍼터부를 포함하는 고효율 스퍼터장치.

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