KR102552593B1 - 각도 조절형 스퍼터건 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각도 조절형 스퍼터건에 관한 것이다. 이는, 진공챔버 내에 설치되고 외주면에 증착대상물을 고정하는 드럼과, 상기 증착대상물에 증착막을 형성하는 스퍼터부를 포함하는 스퍼터장치에 설치된 상태로 상기 증착대상물과의 사이에 플라즈마를 형성하고, 외부로부터 주입된 산소를 이온화시켜 증착대상물에 가하는 것으로서, 수직으로 배치되며 일정간격으로 이격된 한 쌍의 자계형성바디와; 각 자계형성바디의 전방으로 자기력을 출력하는 자력출력부와; 자계형성바디의 사이에서 자계형성바디를 회동 가능하게 지지하는 센터홀더와; 상기 자계형성바디를 회동 운동시켜, 자계형성 바디 전방의 출력 자기장의 패턴을 변경시키는 각도조절수단을 구비한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 각도 조절형 스퍼터건은, 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 있어 활용범위가 넓다. 또한, 자기장의 패턴을 필요에 따라 자유롭게 또한 적절히 변경하여 유도된 플라즈마의 영역을 능동적으로 조절할 수 있다.

Description

각도 조절형 스퍼터건{Angle adjustable sputter gun}

본 발명은 기판 증착공정에 사용되는 스퍼터건에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 영구자석의 배열 방식을 개선하여 스퍼터건 전방의 플라즈마 영역을 확장시킴과 아울러 자기장 패턴을 필요에 따라 능동적으로 조절할 수 있는 각도 조절형 스퍼터건에 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 적층방법들은 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.

기본적으로, PVD 방식 증착은, 진공이 유지되는 진공챔버 내부에서 진행되는데, 그 과정에는, 영구 자석을 이용해 타겟의 표면에 자기장을 유지한 상태로, 진공챔버내에 불활성 기체인 아르곤(Ar)을 도입하고, 상기 타겟에 음극 전력을 인가하여 플라즈마를 형성하는 절차를 포함한다.

주입된 아르곤 가스는 플라즈마에 의해 이온화 되고, 이온화된 아르곤의 양이온이 타겟 소스에 고속으로 충돌하여 타겟에 충돌에너지를 가함으로써, 타겟으로부터 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 스퍼터링 방식은 음극 스퍼티링이다. 음극 스퍼터링이 많이 사용되는 이유는, 양이온이 가속되기 쉽고 또한 타겟에 충돌하기 직전 타겟으로부터 방출되는 전자에 의하여 중성화되어 중성 원자로서 타겟에 충돌하기 때문이다.

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, 스퍼터건의 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 스퍼터건은, 스퍼터건이 고정형 타입이므로 출력하는 자기장 패턴을 변화시킬 수 없다는 한계도 있었다. 말하자면, 유도된 플라즈마의 영역을 능동적으로 조절할 수 없다는 것이다.

국내공개특허공보 제10-2011-0033362호 (고균일 박막제조를 위한 방전용 양전극을 구비하는 스퍼터 건) 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 각도 조절형 스퍼터건을 제공함에 목적이 있다.

또한, 자기장의 패턴을 필요에 따라 자유롭게 또한 적절히 변경할 수 있어 유도된 플라즈마의 영역을 능동적으로 조절할 수 있는 각도 조절형 스퍼터건을 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 각도 조절형 스퍼터건은, 진공챔버와, 상기 진공챔버 내에 회전 가능하도록 설치되고 그 외주면에 증착대상물을 고정하는 드럼과, 상기 드럼에 대향 배치되며 상기 증착대상물에 증착막을 형성하는 스퍼터부를 포함하는 스퍼터장치에 설치된 상태로 상기 증착대상물과의 사이에 플라즈마를 형성하고, 외부로부터 주입된 산소를 이온화시켜 증착대상물에 가하는 것으로서, 상기 진공챔버 내에 수직으로 배치되며 일정간격으로 이격된 한 쌍의 자계형성바디와; 각 자계형성바디에 구비되어 자계형성바디의 전방으로 자기력을 출력하는 자력출력부와; 일측 자계형성바디와 타측 자계형성바디의 사이에 설치되며, 자계형성바디를 회동 가능하게 지지하는 센터홀더와; 상기 자계형성바디를 회동 운동시켜, 자계형성 바디 전방의 출력 자기장의 패턴을 변경시키는 각도조절수단을 구비한다.

또한, 상기 자계형성바디의 후방에는, 상기 자력출력부를 보호하는 하우징이 더 구비되고, 상기 각 자계형성바디는 상기 센터홀더에 회동축을 통해 회동 가능하도록 링크된 상태로 반대방향으로 연장되고, 각각의 연장단부에는 막대형 슬라이더가 구비되며, 상기 하우징에는, 상기 슬라이더를 그 내부에 위치이동 가능하게 수용하는 가이드장공을 구비한 고정블록이 형성되고, 상기 각도조절수단은, 상기 하우징에 지지된 상태로 센터홀더를 전후진시켜, 상기 자계형성바디의 사이각을 변동시키는 액츄에이터를 포함한다.

아울러, 상기 자력출력부는; 일측 자계형성바디의 배면에 고정되며 자계형성바디의 전방으로 N극의 자기력을 출력하는 다수의 제1영구자석과, 타측 자계형성바디의 배면에 고정된 상태로 자계형성바디의 전방으로 S극의 자기력을 출력하는 다수의 제2영구자석을 포함한다.

또한, 상기 각 자계형성바디의 전면에, 자계형성바디의 전면에 대해 착탈 가능한 판상의 보호커버가 설치된다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 각도 조절형 스퍼터건은, 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 있어 활용범위가 넓다.

또한, 자기장의 패턴을 필요에 따라 자유롭게 또한 적절히 변경하여 유도된 플라즈마의 영역을 능동적으로 조절할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른 각도조절형 스퍼터건을 구비한 스퍼터장치의 전제적인 구성을 도시한 평단면도이다.
도 2 및 도 3은 상기 도 1에 도시한 각도조절형 스퍼터건의 구성 및 작동을 설명하기 위한 도면이다.

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

도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른 각도조절형 스퍼터건(31)을 구비한 스퍼터장치(10)의 전제적인 구성을 도시한 평단면도이다. 또한, 도 2 및 도 3은 상기 도 1에 도시한 각도조절형 스퍼터건(31)의 구성 및 작동을 설명하기 위한 도면이다.

본 실시예에 따른 각도조절형 스퍼터건(31)의 설명에 앞서, 스퍼터건(31)이 장착되는 스퍼터장치(10)에 관한 설명을 먼저 하기로 한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 스퍼터장치(10)는, 진공챔버(12), 드럼(20), 제1,2스퍼터부(14,16), 산소이온발생부(30), 진공펌프(18) 등의 기본 구성을 갖는다.

상기 진공챔버(12)는, 다수의 진공펌프(18)에 의해 진공을 유지하는 내부공간(12a)을 제공하며, 그 내부에 드럼(20)을 회전 가능하게 수용한다. 진공챔버(12)의 적절한 위치에 드럼 구동용 모터(미도시)가 구비되어 있음은 물론이다.

상기 드럼(20)은 가령 50rpm 내지 70rpm 정도의 속도로 회전하는 것으로서, 그 외주면에 글래스기판(22)을 갖는다. 상기 글래스기판(22)은 그 표면에 SiO2나 TiO2를 증착할 증착대상물이다. 글래스기판(22)은 적절한 지그를 통해 드럼(20)의 외주면에 고정되며, 드럼의 회전에 따라 수평의 링형 경로를 따라 공전(公轉)한다. 말하자면 제1스퍼터부(14)와 산소이온발생부(30)와 제2스퍼터부(16)의 앞을 반복적으로 통과하는 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 환경으로 유도하여 이온화시켜, 실리콘이나 티타늄이 증착되고 있는 글래스기판(22)에 가하는 것이다.

상기 스퍼터건(31)과 드럼(20)의 사이에 형성된 플라즈마영역 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.

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. 여하튼, 도 1의 경우, 스퍼터건(31)은 타겟소스를 가지지 않아, 산소를 이온화시키거나, 산소나 복합가스를 사용하여 기판의 반응성 처리 및 표면 트리트먼트의 기능을 할 수 있다.

상기, 스퍼터건(31)의 기능이 어떠하든, 스퍼터건(31)의 전방에는 플라즈마영역이 형성된다. 플라즈마영역의 넓이는 최대로 조절할 수 있으면 좋다. 글래스기판(22)과의 사이에 형성된 플라즈마를 이용하여 산소를 이온화시키기 때문이다. 플라즈마영역이 넓으면 그만큼 산소의 반응속도가 신속해진다.

도 2 및 도 3을 통해 상기 스퍼터건(31)의 구성과 작동을 설명하면 다음과 같다. 도시한 바와 같이, 스퍼터건(31)은, 일정간격으로 이격된 한 쌍의 자계형성바디(35)와, 각각의 자계형성바디(35)에 고정되는 자력출력부와, 상기 자계형성바디의 사이에 위치하는 센터홀더(39)와, 자계형성바디(35)를 회동 운동시키는 각조조절수단을 포함한다.

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, 각 자계형성바디(35)의 배면에는 제1,2영구자석(37a,37b)이 고정된다.

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. 상기 제1영구자석(37a)은, 말하자면, N극이 드럼(20)을 향하도록 배치된 자석을 의미하고, 제2영구자석(37b)은 S극이 드럼(20)을 향하도록 위치된 자석을 의미한다.

제1,2영구자석(37a,37b)이 상기한 배치 구조를 가짐에 따라, 스퍼터건(31)의 전방에는 화살표 a방향의 자기장이 넓게 형성된다. 스퍼터건(31)의 전방 대부분에 자기력이 미치는 것이다. 플라즈마영역은 자기력의 범위와 관련되므로, 결국, 스퍼터건(31)의 전방에 충분히 넓은 플라즈마영역이 형성된다.

한편, 상기 센터홀더(39)는 자계형성바디(35)의 사이에 위치한 상태로, 자계형성바디(35)를 회동 가능하게 지지한다. 이를 위하여 각 자계형성바디(35)는 센터홀더(39)에 대해 회동축(35b)을 통해 연결된다.

상기 자계형성바디(35)는, 센터홀더(39)를 중심으로 대칭을 이루며, 센터홀더(39)측 단부에 제1탭부(35a)를 가지고 반대편 단부에는 제2탭부(35c)를 구비한다. 제1탭부(35a)는 센터홀더(39)의 내측으로 진입한 상태로 센터홀더(39)에 대해 회동축(35b)을 통해 링크된다. 각 자계형성바디(35)는 회동축(35b)을 중심으로 화살표 c방향 또는 그 반대방향으로 회동운동 가능하다.

아울러 상기 제2탭부(35c)에는 슬라이더(35d)가 고정되어 있다. 상기 슬라이더(35d)는 회동축(35b)과 평행한 방향으로 연장된 막대형 또는 핀형 부재로서, 고정블록(32b)에 형성되어 있는 가이드장공(32c) 내에 끼워진다. 슬라이더(35d)는, 센터홀더(39)가 전후진 할 때, 가이드장공(32c)의 길이방향을 따라 왕복운동 한다.

상기 고정블록(32b)은, 도면상, 하우징(32)의 양단부에 고정된 구조체로서 상기한 가이드장공(32c)을 갖는다. 하우징(32)은 자계형성바디(35)의 후방에 밀폐공간부(32a)를 제공하여, 자력출력부, 즉 제1,2영구자석(37a,37b)을 보호하는 커버형 케이싱이다. 결국, 각각의 자계형성바디(35)는, 그 양단부가 회동축(35b)을 통해 센터홀더(39)에, 슬라이더(35d)에 의해 고정블록(32b)에 지지되는 것이다.

한편, 상기 각도조절수단은, 센터홀더(39)의 후방에 수평으로 설치되는 액츄에이터(41)를 포함한다. 액츄에이터(41)의 실린더(41a)는 하우징(32)에 고정되어 수평을 유지한다. 또한 피스톤로드(41b)는 그 선단부가 센터홀더(39)에 결합한다.

상기 액츄에이터(41)를 통해 센터홀더(39)를 화살표 R방향으로 후퇴시키면, 양측 자계형성바디(35)의 사이각이 좁아진다. 이 때 슬라이더(35d)가 가이드장공(32c)의 내부에서 화살표 m방향으로 이동함은 물론이다. 액츄에이터(41)를 반대방향으로 전진시키면, 슬라이더(35d)는 화살표 m방향의 반대방향으로 이동하며, 자계형성바디(35)의 사이각이 커진다. 가령 도 3과 같이 180도 각도로 까지 벌어질 수도 있는 것이다.

상기한 바와 같이, 양측의 자계형성블록(35)의 사이에는 자기장이 형성되는데, 상기 자기장의 패턴은 자계형성블록(35)의 사이각에 따라 달라진다. 이를테면 자계형성블록(35)의 사이각이 좁아지면 자기장의 영역이 좁아지는 대신 자기력이 상승하고, 사이각이 커지면 자기장의 영역이 넓어지며 자기력은 감소한다.

이러한 자기장 및 자기력의 변화는 상기한 리스퍼터링 현상을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 즉, 플라즈마 내의 음이온의 위치에 의도적 변화를 주는 것이다. 다시 말하면, 상기 사이각의 제어를 통해 플라즈마 영역을 능동적으로 조절하여, 작업 중 발생하는 다양한 환경변화에 적절히 대응할 수 있는 것이다.

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 32c:가이드장공
33:커버 35:자계형성바디
35a:제1탭부 35b:제2탭부
37a:제1영구자석 37b:제2영구자석
39:센터홀더 41:액츄에이터
41a:실린더 41b:피스톤로드

Claims (4)

1. 진공챔버와, 상기 진공챔버 내에 회전 가능하도록 설치되고 그 외주면에 증착대상물을 고정하는 드럼과, 상기 드럼에 대향 배치되며 상기 증착대상물에 증착막을 형성하는 스퍼터부를 포함하는 스퍼터장치에 설치된 상태로 상기 증착대상물과의 사이에 플라즈마를 형성하고, 외부로부터 주입된 산소를 이온화시켜 증착대상물에 가하는 것으로서,
   상기 진공챔버 내에 수직으로 배치되며 일정간격으로 이격된 한 쌍의 자계형성바디와;
   각 자계형성바디에 구비되어 자계형성바디의 전방으로 자기력을 출력하는 자력출력부와;
   일측 자계형성바디와 타측 자계형성바디의 사이에 설치되며, 자계형성바디를 회동 가능하게 지지하는 센터홀더와;
   상기 자계형성바디를 회동 운동시켜, 자계형성 바디 전방의 출력 자기장의 패턴을 변경시키는 각도조절수단과;
   상기 자계형성바디의 전면에 대해 착탈 가능한 판상의 보호커버와;
   상기 자계형성바디의 후방에 상기 자력출력부를 보호하는 하우징이 포함되고,
   상기 각 자계형성바디는 상기 센터홀더에 회동축을 통해 회동 가능하도록 링크된 상태로 반대방향으로 연장되고, 각각의 연장단부에는 막대형 슬라이더가 구비되며,
   상기 하우징에는, 상기 슬라이더를 그 내부에 위치이동 가능하게 수용하는 가이드장공을 구비한 고정블록이 형성되고,
   상기 각도조절수단은, 상기 하우징에 지지된 상태로 센터홀더를 전후진시켜, 상기 자계형성바디의 사이각을 변동시키는 액츄에이터를 포함하고,
   상기 자력출력부는;
   일측 자계형성바디의 배면에 고정되며 자계형성바디의 전방으로 N극의 자기력을 출력하는 다수의 제1영구자석과,
   타측 자계형성바디의 배면에 고정된 상태로 자계형성바디의 전방으로 S극의 자기력을 출력하는 다수의 제2영구자석을 포함하는 각도 조절형 스퍼터건.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 센터홀더는 자계형성바디의 사이에 위치한 상태로 자계형성바디를 회동 가능하게 지지하기 위하여, 각 자계형성바디가 센터홀더에 대해 회동축을 통해 연결되고,
   상기 자계형성바디의 센터홀더측 단부에 센터홀더의 내측으로 진입한 상태로 센터홀더에 대해 상기 회동축을 통해 링크되는 제1탭부를 가지고, 반대편 단부에는 제2탭부를 구비하는 각도 조절형 스퍼터건.
   
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