KR19990004299A - 마그네트론 스퍼터링건 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속이나 반도체, 유전체, 그리고 자성체등과 같은 물질을 증착(deposition)할 때 원하는 물질을 스퍼터링(sputtering)하는 건(Gun(총))에 관한 것으로, 건의 머리부분은 차패접지머리(10a)와 차패접지(10)가 이동식몸체(4)에 나사결합되고, 그 내측으로는 타겟(14)을 잡아주기 위해 타겟고정대(3)가 냉각수조(8)와 나사결합되어 있으며, 상기 타겟(14)은 구리로 만든 냉각수로(12)와 전기적 열적 접촉을 이루도록 하였고, 상기 냉각수로(12)는 철합금의 자석받침대(11)와 냉각수조(8)가 접합되어 있으며, 건의 꼬리부분 전력콘넥터(1)는 콘넥터고정대(3)에 나사고정되어 연결잠금쇄(3a)와 결합되고, 연결잠금쇄(3a)는 냉각수조(8)와 전기적 전열을 위해 테프론(6)을 사이에 두고 결합나사(15a)로 체결하였으며, 상기 전력콘넥터(1)의 전력은 절연처리 된 전력공급선(5)을 통하여 냉각수조(8)로 연결하여서 된 것이다.

Description

마그네트론 스퍼터링건

본 발명은 금속이나 반도체, 유전체, 그리고 자성체등과 같은 물질을 증착(deposition)할 때 원하는 물질을 스퍼터링(sputtering)하는 전(Gun(총))에 관한 것이다.

스퍼터링 이란 가속시킨 이온을 이용하여 타겟(target)물질을 뜯어내는 것으로서, 타겟 표면에서는 복잡한 현상이 일어난다. 그러나 타겟(표면에 입힐 재료)에서 떨어져 나온 알갱이들은 기판(코팅이 이루어지는 표면)에 증착되어, 소위 코팅(coating)이 되는 것이다.

그러므로 스퍼터링건은 타겟을 포함하고 있으며, 이온을 가속시켜 타겟에 충돌시키므로서 중착하고자 하는 타겟 물질을 뜯어내어 기판으로 날아가게 하는 장치이다.

먼저 이온을 발생시키는 방법으로 높은 전압을 걸어주게 되면 음극으로부터 튀어나온 전자에 의해 진공조내의 가스가 이온화하여 플라즈마가 형성 된다.

플라즈마는 차패접지와 타겟의 음극사이에 발생한다. 이때 형성된 플라즈마가 타겟 근처에 머물러 있게 하기 위하여 자기장을 다양한 형태로 걸어주는데, 현재 많이 사용되는 것 가운데 원형타입(circular type) (최초 발명은 1965년도 Haykawa와 Wasa에 의해 말들어 졌다. 이를 circulartnagnetron 스터터링이라고 부른다)을 사용하고 있다.

영구자석을 이용한 고리모양의 강한 자기장을 만들기 위해, 고리모양과 평판형 영구자석으로 구성된 두 자석 사이에 자기장이 형성되게 하는 것이다. 플라즈마속의 이온들은 강한 전기장을 따라 타겟을 향하여 가속되면서 충돌을 일으키게 된다.

그러므로 타겟 바로 위에서 플라즈마가 잘 형성되도록 하는 것이 중요함을 알 수 있는데, 이것은 몇가지 파라메터(pararneter)에 의해서 크게 영향을 받는다.

첫째로 스퍼터링 가스로서 불활성 기체인 아르곤가스를 대개 사용하는데, 그 양이 너무 적을 경우 플라즈마가 발생하지 않는다. 이것은 음극에서 튀어나온 전자와 아르곤 원자가 서로 충돌할 확율이 작기 때문이다.

그래서 아르곤가스의 양이 많아질수록 플라즈마의 형성은 더욱 잘 이루어지지만 나무 많은 플라즈마는 타겟에서 떨어져 나온 알갱이들이 기판에 도달하는 것을 오히려 막는 결과를 초래하여 증착효과를 떨어뜨린다. 그러므로 적절한 가스의 양을 사용하여야 한다.

둘째로 스퍼터링건에 걸어주는 전력이 크면 클수록 플라즈마의 형성이 그 한계까지 커진다. 그러나 타겟물질을 뜯어내는 것은 전력을 많이 공급한다고만 해서 좋은 것은 아니다. 전력의 크기에 따라 항상 스퍼터링 yield가 높아지는 것이 아니라 컷·오프(cut off)되는 한계가 주어지기 때문이다. 그러므로 중착하고자 하는 물질의 특성에 따라 적절한 전력 조절이 필요하다.

셋째로 차패접지(shield ground)는 스퍼터링건의 제일 바깥 부분이며, 이것은 전극으로서 뿐만아니라 플라즈마가 가속되어 타겟으로 달려올 때 타겟 홀더(holder)를 때리지 않도록 설계된다.

상기 차패접지는 그 모양에 따라 양극사이에 형성된는 전기장의 모양이 달라지므로 플라즈마의 형성에 영향을 주게 된다. 따라서 가장 안정되고 높은 효율의 플라즈마를 형성하기 위해서는 차패접지의 가공과 그 구조에 신경을 써야 한다.

넷째로 타겟과 영구자석의 냉각이 필요하다. 영구자석의 경우 대개 섭씨 80℃와 100℃사이에서 자기력을 잃게되므로 냉각문제가 중요해진다.

종래의 스퍼터링건에서는 영구자석이 냉각수 속에 있기 때문에 부식문제가 심각해져서 영구자석의 수명을 짧게하고 있다. 여기서 주의해야 할 것은 냉각수가 전극과 연결되어 있으므로 냉각수를 통해 전력 손실이 생기지 않도록 해야 한다.

이와같은 스퍼터링 건의 문제점은 스퍼터링 건의 외경이 크기 때문에 여러총(multi-gun)을 이용한 박막 제조장치에서는 타겟들이 기판에 다가갈수 있는 거리에 한계가 있어서 증착 효율과 박막의 균일선(uniformity)을 조절하기 어렵고, 또한 영구자석이 냉각수속에 들어 있으므로 영구자석의 부식을 피하기 어렵다.

이러한 상기의 문제점을 해결하기 위해 영구자석에 파라핀을 입히는 사례가 있으나 이는 온도에 약하므로 효과적인 처방이 될 수 없었다.

그러나 타겟 전극과 차패접지 사이의 절연을 위해 테프론(taflon)을 가공하여 사용하고 있는데, 이는 진공을 유지할 수 없는 문제를 일으킬 수 있다. 왜냐하면 테프론은 미세한 다공질로 이루어져 있고 힘을 받을 경우 변형되기 쉽기 때문이다. 그래서 대체용으로 가공성 세라믹을 이용하기도 하지만 이 역시도 기계적 충격에 약하며 경제적이지 못하다.

또한 종래의 스퍼터링 건은 많은 0-링와 볼트를 사용하므로 분해, 조립이 번거러우며, 고진공(최소한10^-6torr이할고 초기진공을 만들어 주어야 한다)을 필요로 하는데 반하여 많은 0-링의 사용은 다루기가 쉽지 않고, 리크(Leak)문제를 많이 일으킨다.

또한, 전체 부피가 크고 무게가 무거워 다루기 힘들며, 제품에 따라서 진공조에 건을 설치, 해체하기가 불편하게 되어 있다.

그리고 타겟 두께에 따라 타겟 고정대를 조절할 수 없으므로 다양한 두께의 타겟에 대응하지 못한다. 그러므로 정해진 두께의 타겟 이외에는 사용할 수가 없다. 또한 타겟과 차패접지 상이의 간격을 조절할 수 없게 되어있다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 발명한 것으로, 나사결합과 접합을 통하여 전기적 열적인 접촉을 더 높일 수 있게 하였고, 단하나의 0-링을 이용하여 진공과 절연을 동시에 하였으며, 부피와 무게도 줄였고, 또한 자석과 냉각수를 분리함으로서 자석의 부식문제를 해소함은 물론, 더 나아가 타겟고정대와 차패접지가 어떠한 두께의 타겟에 대하여도 이동하여 조절할 수 있도록한 마그네트론 스퍼터링 건을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

이와같은 목적을 갖는 본 발명의 특징은 건의 머리부분은 차패접지머리와 차패접지가 이동식몸체에 나사 결합되어 있고, 그 안으로 타겟을 잡아 주기위해 타겟 고정대가 냉각수조와 나사결합되어 있으며, 상기 타겟은 구리로 만든 냉각수로와 전기적 열적접촉을 이루도록 하였고,

상기 냉각수로는 철합금의 자석받침대와 결합되어 있고, 자석받침대는 냉각수조와 접합되어 있으며, 건의 꼬리 부분 즉, 전력콘넥터는 콘넥터고정대에 나사고정되어 있으며 콘넥터 고정대는 연결잠금쇄와 나사결합되어 있고, 연결잠금쇄는 냉각수조와 전기적 절연을 위해 테프론을 그 사이에 두고 결합나사로 체결하였으며, 상기 전력콘넥터의 전력은 전열처리된 전력공급선을 통하여 냉각수조로 연결하여서됨에 의한다.

도 1은 본 발명의 마크네트론 스퍼터링건 단면 구성도.

도 2는 본 발명의 연결 잠금쇠와 테프론, 그리고 냉각수조의 결합을 나타내기 위해 연결잠금쇠를 위에서 본 상태도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 전력콘넥터 2 : 냉각수관

3 : 콘넥터고정대 3a : 연결잠금쇠

4 : 이동식몸체 5 : 전력공급선

6 : 테프론 7 : 0-링

8 : 냉각수조 9 : 타겟고정대

10 : 차패접지 10a : 차패접지머리

11 : 자석받침대 12 : 냉각수로

13 : 영구자석 14 : 타겟

15 : 냉각수 15a : 결합나사

본 발명은 도 1에서 도시된 바와같이 부피와 무게를 줄이기 위해 종래 스퍼터링건에 있는 0-링와 볼트를 없애고, 연결부위를 접합과 나사형 결합으로 바꾸었으며, 자석과 냉각수를 분리시켰다.

본 발명의 접합방식은 타겟(14)에 전력이 잘 전달될 수 있게 하기 위하여 전력콘넥터(1)와 냉각수조(8)에 전력공급선(5)이 접합되어 있고, 또한 상기 냉각수조(8), 자석받침대(11) 그리고 냉각수로(12)가 형성된 관이 서로 접합되어 있다.

또한 플랜지 결합방식은 부피와 무게가 커지는데 비해 접합방식과 나사형 결합방식은 건의 무게와 부피가 작아지고 볼트를 이용하는 것보다 분해, 조립이 간단하다.

그러므로 증착장치에 장착하는데 힘이 들지 않고 무리를 주지 않는다.

콘넥터 고정대(3)와 연결잠금쇠(3a) 사이의 나사형 결합, 냉각수조(8)와 자석받침대(11), 그리고 냉각수로(12)를 갖는관의 결합, 냉각수조(8)와 타겟고정대(9)의 나사형 결합을 이루고 있다.

한편, 냉각수관(2)은 도 1에서 도시된 바와같이 전력콘넥터(1) 쪽으로 냉각수관(2)이 곧바로 나오게 하므로써, 건이 완벽하게 조립된 상태에서 증착장치에 설치될 수 있도록 하였다.

그리고, 영구자석(13)의 부식을 원천적으로 막기 위해 냉각수와 영구자석(13)을 분리시켰다. 이때 영구자석(13)의 냉각을 위해 전기전도도와 열전도도가 좋은 구리를 사용하여 냉각수로(12)를 만들어 간접 냉각시키도록 하였고, 이때 냉각수로(12)는 타겟(14)에 직접 연결되므로 전기적 접촉 뿐만 아니라 열적 접촉을 더 좋게 만들었다.

또한 본 발명의 진공은 도 1에서 도시된 바와같이 두 전극사이에 단 하나의 0-링(7)을 사용하여 고 진공이 유지되도록 하였다.

또한, 타겟고정대(9)를 고정식이 아닌 이동식으로 하므로서 다양한 두께의 타겟(14)에 대응할 수 있게 함으로써, 어떤 두께의 타겟(14)이든지 사용할 수 있으므로 사용하던 타겟(14)의 두께가 얇아 지더라도 조정하여 다시 사용할 수 있다.

한편, 타겟(14)과 접지사이의 간격을 조정해 주기 위해 차패접지(10)도 조정할 수 있도록 하였다.

그리고 본 발명의 스퍼터링건은 크기가 줄었으므로 여러총(multi-gun)을 이용한 박막 제조장치에서는 타겟(14)들이 기판에 더 가까이 갈 수 있어서 증착 효율과 박막의 균일성(uniformity)을 더욱 높일 수 있게 되었다.

또한 건이 진공조에 고정되어 움직이지 못하는 것이 아니라, 타겟(14)과 기판 사이의 거리 조절을 위해 이동할 수 있도록 만들었다.

콘넥터 고정대(3)와 이동식 몸체(4)는 같은 지름을 가지며 서로 연이어 있고, 이 이동식 몸체(4)는 정밀가공(∇∇∇)되어 표면이 깨끗하고 진공조의 퀵 컨넥트(quick connect)(hand tighten vacuum compression 0-ring seal fitting)에 연결되고, 클램프(clamp)에 의해 임의 고정되어 진공을 유지하며, 그 길이 방향으로 움직일 수 있게 되어 기판과의 거리 조절이 가능하도록 되어 있다.

이와같은 본 발명의 스퍼터링건은 타겟(14) 앞쪽에 플라즈마가 발생되어 스퍼터링이 안정적이며 효과적으로 이루어 질 수 있도록 하기 위해서는 타겟(14)으로 전력이 손실없이 잘 전달되어야 한다.

전력은 전력콘넥터(1)에서 전력공급선(5)을 거쳐 냉각수조에 연결된다.

그리고 냉각수조(8)에 결합되어 있는 자석받침대(11)와 냉각수로(12)를 통해 타겟(14)으로 전력이 전달된다. 타겟(14)에 발생하는 열을 냉각하기 위해 냉각수가 냉각수관(2)을 통해 들어와서 냉각수조(8)를 거쳐 냉각수로(12)를 돌면서 열을 식힌다음 다시 냉각수조(8)를 통해 다른 냉각수관(2)으로 빠져 나간다.

이상과 같은 본 발명은 종래의 건에 비해 전력의 손실이 훨씬 적으므로 수 mtorr의 매우 낮은 아르곤 분압에서도 안정적으로 플라즈마가 형성되었고, 이로써 높은 증착효율을 얻을 수 있었다. 또한 종래의 건에서는 영구자석의 부식으로 인해 영구자석의 수명이 짧아 때 맞추어 교환해야 하는 어려움이 있었으나, 본 발명에서는 영구자석의 수명을 영구적으로 늘렸으므로 교환을 걱정할 필요가 없다.

그리고 본 발명의 건은 부피가 작고 가벼움으로 여러총(multi-gun)을 장착하는 시스템인 경우 취급이 용이하고 훨씬 많은 건을 장착할 수 있으며, 높은 증착효율과 정확한 증측두께를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 금속이나 반도체, 유전체 그리고 자성체등과 같은 물질은 증착할 때 원하는 물질을 스퍼터링 하는 건을 형성함에 있어서, 건의 머리부분은 차패접지머리(10a)와 차패접지(10)가 이동식몸체(4)에 나사결합되고, 그 내측으로는 타겟(14)을 잡아주기 위해 타겟고정대(3)가 냉각수조(8)와 나사결합되어 있으며, 상기 타겟(14)은 구리로 만든 냉각수로(12)와 전기적 열적 접촉을 이루도록 하였고, 상기 냉각수로(12)는 철합금의 자석받침대(11)와 냉각수조(8)가 접합되어 있으며, 건의 꼬리부분 전력콘넥터(1)는 콘넥터고정대(3)에 나사고정되어 연결잠금쇄(3a)와 결합되고, 연결잠금쇄(3a)는 냉각수조(8)와 전기적 전열을 위해 테프론(6)을 사이에 두고 결합나사(15a)로 체결하였으며, 상기 전력콘넥터(1)의 전력은 절연처리 된 전력공급선(5)을 통하여 냉각수조(8)로 연결하여서 된 구성을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 건.