KR20000038762A - Sputtering evaporation source of unbalance magnetron - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금속, 세라믹 그리고 플라스틱 등의 소재에 박막을 형성시키거나, 각종 소재의 표면처리에 활용하는 피막물질을 증발시키는데 사용되는 마그네트론 스퍼터링 증발원에 관한 것으로, 보다 자세하게는 기존의 마그네트론 스퍼터링 증발원을 개량하되, 외부에 별도의 자장을 인가하여 기판과 증발원 사이의 코팅가능한 거리를 증가시키며, 이온화율을 대폭 향상시킴으로써 궁극적으로 피막특성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 고성능의 비평형 마그네트론 스퍼터링 증발원에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetron sputtering evaporation source used to form a thin film on materials such as metals, ceramics and plastics, or to evaporate coating materials used for surface treatment of various materials, and more particularly, to improve existing magnetron sputtering evaporation sources. However, by applying a separate magnetic field to the outside to increase the coatable distance between the substrate and the evaporation source, it relates to a high-performance non-balanced magnetron sputtering evaporation source, characterized in that the ultimately improved film properties by greatly improving the ionization rate.
스퍼터링이란 불활성기체 분위기에서 타겟 형상의 물질에 고전압을 인가하여 방전시키면 이온화된 불활성기체가 타겟에 충돌하게 되고 따라서 타겟으로부터 증발물질이 튀어나와 기판(피코팅체)에 달라 붙는 일종의 물리증착기술을 말하는 것으로, 각종 기계 및 공구의 표면 코팅은 물론 장식품 및 전자재료 그리고 반도체의 금속코팅에 이르기까지 그 응용이 매우 다양한 기술을 말한다.Sputtering refers to a kind of physical vapor deposition technique in which an ionized inert gas collides with a target when a high voltage is applied to a target-shaped material in an inert gas atmosphere, thereby causing an evaporated material to protrude from the target and stick to a substrate (coated body). It refers to a wide variety of applications, from surface coatings of various machines and tools, as well as decorative and electronic materials and metal coating of semiconductors.
글로우 방전에 대한 특허(US-2146025)가 처음 발표되면서 스퍼터링에 대한 신개념이 도입되었고, 그 이후에 이를 이용한 이극 직류 스퍼터링 장치(US-3282816 참조)가 선보이면서 스퍼터링은 진공증착과 더불어 박막제조 또는 코팅산업에 본격적으로 사용되었다.When the patent on glow discharge (US-2146025) was first published, a new concept of sputtering was introduced. Since then, a bipolar direct current sputtering device (see US-3282816) using the same has been introduced. Used in earnest for industry.
그러나, 이극직류 스퍼터링의 경우는 글로우 방전을 위해 타겟에 높은 전압 (수 kV 이상)을 인가해야 하고, 높은 가스압(10-2Torr 이상)을 유지해야 하는 반면에 증발율이 낮은 문제점이 있기 때문에, 그 후 이를 해결하고자 하는 많은 연구가 진행되었다.However, in the case of bipolar DC sputtering, a high voltage (above several kV) must be applied to the target for the glow discharge, and a high gas pressure (10 -2 Torr or more) must be maintained, while the evaporation rate is low. Afterwards, many studies have been conducted to solve this problem.
그러다가 1975년에 이르러 타겟 아래에 영구자석을 설치하여 이 자장에 의해 전자의 비행거리를 증가시키는 소위 마그네트론 방식의 스퍼터링 방법(US-3878085, US-4166018 참조)이 개발되었다.Then, in 1975, a so-called magnetron-type sputtering method was developed (see US-3878085, US-4166018), in which permanent magnets were placed under the target to increase the electron's flight distance.
이와 같은 마그네트론 스퍼터링 증발원은 기존의 직류 스퍼터링에 비해 증발율이 현저히 높고, 방전 압력을 10배 이상 낮추었으며, 타겟에 인가하는 전압도 수백 볼트로 끌어내린 것이 가장 큰 특징이다.The magnetron sputtering evaporation source is characterized in that the evaporation rate is significantly higher than that of the conventional direct current sputtering, the discharge pressure is reduced by more than 10 times, and the voltage applied to the target is also lowered to several hundred volts.
그러나, 기존의 마그네트론 스퍼터링 증발원은 증발율은 크게 향상되었으나, 증발원(타겟)과 기판 사이의 거리가 5∼10㎝ 이내로 제한되고, 기판에 흐르는 이온의 전류가 낮아 피막의 밀도 및 밀착력 등 피막의 특성 향상에는 만족할 만한 성과를 얻지 못하였기 때문에, 이를 해결하기 위해 80년대 이후 많은 기술개발이 진행되어 왔다(1986년 윈도우(Window) 등:JVST A4(2), 196 (1986), JVST A4(3), 453, 504 (1986), 1989년 카드렉(Kadlec) 등: 서프.코트.테크놀.(Surf.Coat.Technol.) 39, 487 (1989), US-5556519 참조).However, in the conventional magnetron sputtering evaporation source, the evaporation rate is greatly improved, but the distance between the evaporation source (target) and the substrate is limited to within 5 to 10 cm, and the current of ions flowing through the substrate is low, thereby improving the film characteristics such as density and adhesion of the film. In order to solve this problem, many technical developments have been underway since the 1980s (JVST A4 (2), 196 (1986), JVST A4 (3), 453, 504 (1986), Kadlec et al., 1989: Surf.Coat. Technol. 39, 487 (1989), US-5556519).
이러한 기술은 소위 비평형 마그네트론 방식으로 알려진 것으로, 기존의 마그네트론에서는 자장이 타겟에서만 형성되어 타겟 안에서 갖히는 것에 비해 비평형 마그네트론에서는 내부의 자석과 외부의 자석의 자장의 세기를 달리하여 일부의 자장이 기판쪽으로 향하게 하여 기판 부근에서도 이온화가 일어나 피막의 밀도 및 특성을 향상시킨 것이 가장 큰 장점이라고 할 수 있다.This technique is known as a non-balanced magnetron method. In the conventional magnetron, a magnetic field is formed only at the target, and in the non-balanced magnetron, the magnetic field of the internal magnet and the external magnet is different from each other in the magnetic field. The biggest advantage is that ionization occurs in the vicinity of the substrate toward the substrate to improve the density and properties of the coating.
그러나, 상기와 같은 공지의 비평형 마그네트론 증발원에서 전자석을 이용할 경우 충분한 비평형도를 유지하고 이온화율을 향상시키기 위해서는 전자석에 10A이상의 전류를 흘려 주어야 하기 때문에, 이는 필연적으로 전자석에 열을 발생시키고 따라서 이 전자석에서 발생되는 자장이 변하거나 별도의 냉각장치를 설치하여야 할 필요가 있는 문제점이 있고, 불필요한 전력손실의 문제점도 있다.However, in the case of using an electromagnet in such a known non-equilibrium magnetron evaporation source, in order to maintain sufficient unbalance and improve ionization rate, a current of 10 A or more must be flowed into the electromagnet, which inevitably generates heat in the electromagnet. There is a problem that the magnetic field generated in the electromagnet is changed or need to install a separate cooling device, there is also a problem of unnecessary power loss.
또한, 기존의 비평형 마그네트론 방식은 자장의 비평형에 기인한 증발율의 저하가 큰 문제점으로 지적되어 왔다.In addition, the conventional non-equilibrium magnetron method has been pointed out that the lowering of the evaporation rate due to the non-equilibrium of the magnetic field.
이와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 비평형 마그네트론 방식을 그대로 이용하되, 전자석에 의해 발생되는 자장을 집속하는 금속으로 만들어진 보강판을 전자석 주위에 설치함으로써, 증발율이 높고 또한 이온화율이 높으며 기판과 타겟사이의 거리를 30㎝ 이상까지도 증가시킬 수 있도록 하는 비평형 마그네트론 스퍼터링 증발원을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention for solving this problem is to use a non-equilibrium magnetron method as it is, by installing a reinforcing plate made of metal focusing the magnetic field generated by the electromagnet around the electromagnet, high evaporation rate and high ionization rate and It is an object of the present invention to provide an unbalanced magnetron sputtering evaporation source capable of increasing the distance between targets up to 30 cm or more.
도 1은 본 발명을 설명하기 위한 장치의 개략도,1 is a schematic diagram of an apparatus for explaining the present invention,
도 2는 본 발명을 설명하기 위한 비평형 효과를 나타낸 그래프로, 타겟과 기판사이의 거리에 따른 기판전류의 변화를 전자석 전류를 변화시키면서 그린 그래프.Figure 2 is a graph showing the non-equilibrium effect for explaining the present invention, a graph of the change in the substrate current according to the distance between the target and the substrate while changing the electromagnet current.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞<Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
1 : 타겟 2 : 타겟지지판1: target 2: target support plate
3 : 영구자석 4 : 쉴드판3: permanent magnet 4: shield plate
5 : 자석지지판 6 : 냉각수라인5: magnetic support plate 6: cooling water line
10 : 전자석 11 : 보강판10: electromagnet 11: reinforcement plate
20 : 진공용기 21 : 기판홀더20: vacuum vessel 21: substrate holder
22 : 기판 23 : 가스도입구22 substrate 23 gas inlet
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 불활성가스 분위기에서 타겟에 고전압을 인가하여 발생된 이온을 이용하여 물질을 증발시키는데 사용되는 마그네트론 스퍼터링 증발원에 있어서, 증발원 외부에 별도의 자장을 인가하여 기판의 이온화율을 증대시켜 피막의 특성을 향상시키는 비평형 마그네트론 방식을 이용하되, 전자석의 주위를 금속으로 이루어진 보강판으로 감쌈으로서 증발율을 향상시키면서 동시에 낮은 전자석 전류에서도 이온화율을 향상시키도록 한 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object, in the magnetron sputtering evaporation source used to evaporate a material using ions generated by applying a high voltage to the target in an inert gas atmosphere, by applying a separate magnetic field to the outside of the evaporation source of the substrate The non-equilibrium magnetron method is used to increase the ionization rate to improve the properties of the film, but the ionization rate is improved by wrapping the reinforcement plate made of metal around the electromagnet to improve the evaporation rate and at the same time the low electromagnet current. do.
또한, 본 발명은 상기 비평형 마그네트론 스퍼터링 증발원에 있어서, 전자석을 감싸는 상기 보강판이 순철인 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that in the non-balanced magnetron sputtering evaporation source, the reinforcing plate surrounding the electromagnet is pure iron.
여기서 전자석을 금속으로 감싸는 이유는 자장을 타겟 방향으로 모아주도록 하기 위한 것이고, 이를 위해서는 강자성의 투자율이 큰 금속을 사용하여야 효과를 극대화할 수 있다. 이와 같은 물질 중에서도 순철은 가격이 저렴하고 구입이 용이하기 때문에 본 발명에서는 상기 보강판의 재질로서 순철을 사용한 것이나, 이러한 조건을 만족하는 재질이면 이에 한정되는 것은 아니다.The reason why the electromagnet is wrapped with metal is to collect the magnetic field in the target direction, and in order to achieve this, the effect of maximizing the magnetic permeability of the ferromagnetic material can be maximized. Among such materials, since pure iron is inexpensive and easy to purchase, in the present invention, pure iron is used as the material of the reinforcing plate, but the material is not limited thereto.
또한, 본 발명은 상기 비평형 마그네트론 스퍼터링 증발원에 있어서, 상기 전자석의 전류가 2∼5A인 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that the electromagnet has a current of 2 to 5 A in the non-balanced magnetron sputtering evaporation source.
기존의 비평형 마그네트론 방식에서는 대체로 10A 전후의 비교적 큰 전자석 전류를 사용하였으나, 이 경우에는 필연적으로 냉각수단이 필요하게 되므로, 본 발명에서는 낮은 전류만으로도 효과를 얻을 수 있도록 하여 불필요한 장치의 설치를 배제한 것이다.In the conventional non-balanced magnetron method, a relatively large electromagnet current of about 10A is used, but in this case, since a cooling means is inevitably required, in the present invention, it is possible to obtain an effect even with a low current, thereby eliminating unnecessary installation. .
따라서, 본 발명은 기존의 방식에서의 전자석의 주위를 금속으로 이루어진 보강판으로 감쌈으로서 증발율을 향상시키면서 동시에 낮은 전자석 전류에서도 이온화율을 향상시키도록 하고, 이로부터 기판과 타겟 사이의 거리를 30㎝ 이상으로 늘릴 수 있게 된다.Therefore, the present invention is to improve the evaporation rate while improving the evaporation rate at the same time by wrapping the reinforcement plate made of metal around the electromagnet in the conventional manner, from which the distance between the substrate and the target 30 cm We can increase more than this.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명 비평형 마그네트론 스퍼터링 증발원에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the non-equilibrium magnetron sputtering evaporation source of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 기본적으로 마그네트론형 방식의 원리를 채택하고 있다.The present invention basically adopts the principle of the magnetron type.
도 1은 본 발명을 설명하기 위한 비평형 마그네트론 스퍼터링 증발원과 본 발명을 실현하기 위한 장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of an unbalanced magnetron sputtering evaporation source for explaining the present invention and an apparatus for implementing the present invention.
증발원의 구성을 보면, 기존의 마그네트론 방식이 채택하고 있는 타겟(1)과, 이를 지지하기 위한 타겟지지판(2)과, 그 타겟지지판(2)의 뒤쪽에 설치된 영구자석(3)과, 이온충돌로부터 증발원 및 타겟(1)을 보호하기 위한 쉴드판(4)과, 자장을 집속하여 자석을 지지하기 위한 자석지지판(5)과, 상기 타겟(1)을 냉각시키기 위한 냉각수 라인(6) 등으로 구성되어 있다.In the configuration of the evaporation source, the target 1 adopted by the existing magnetron method, the target support plate 2 for supporting it, the permanent magnet 3 installed at the rear of the target support plate 2, and the ion collision A shield plate 4 for protecting the evaporation source and the target 1 from the target, a magnetic support plate 5 for focusing the magnetic field to support the magnet, a cooling water line 6 for cooling the target 1, and the like. Consists of.
한편, 본 발명의 비평형 마그네트론에서 새롭게 시현한 전자석(10) 및 보강판(11)이 상기 영구자석(3)의 양측에 각각 추가되어 있다.On the other hand, the electromagnet 10 and the reinforcing plate 11 newly demonstrated in the non-balanced magnetron of the present invention is added to both sides of the permanent magnet (3), respectively.
상기 보강판(11)으로서는 강자성의 투자율이 큰 금속을 사용하여야 전자석에 의해 발생된 자장을 타겟 방향으로 모아 줄 수 있고, 본 발명에서는 구입이 용이하고 가격이 저렴한 순철을 사용함이 바람직하다.As the reinforcing plate 11, the magnetic field generated by the electromagnet can be collected only by using a metal having a high magnetic permeability, and in the present invention, it is preferable to use pure iron which is easy to purchase and inexpensive.
또한, 본 발명에서는 종래의 방식에서의 10A 전후의 비교적 큰 전류가 아닌 2∼5A 의 전자석 전류만을 흘려 주면 된다.In addition, in the present invention, only the electromagnet current of 2 to 5 A may be flown instead of the relatively large current of 10 A around the conventional system.
이는 2A 이하에서는 비평형 효과가 그다지 크게 나타나지 않고, 5A 이상에서는 전자석에 열이 발생하여 별도의 냉각장치를 설치해야 하기 때문이다.This is because the non-equilibrium effect does not appear much less than 2A, heat is generated in the electromagnet at 5A or more, and a separate cooling device must be installed.
한편, 도 1에 있어서, 진공용기(20)와, 기판홀더(21), 기판(22), 그리고 가스도입구(23)는 본 발명의 효과를 시현할 수 있는 공지의 스퍼터링용 진공장치이다.On the other hand, in Fig. 1, the vacuum vessel 20, the substrate holder 21, the substrate 22, and the gas introduction port 23 are known sputtering vacuum apparatuses that can demonstrate the effects of the present invention.
이하, 본 발명을 실시예와 비교예를 통해 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through Examples and Comparative Examples.
발명예 1은 본 발명의 목적을 이루기 위해 본 발명의 방법으로 티타늄을 증발시킬 경우를 예로 든 것이다. 이때 사용된 기판은 스테인레스 강판으로 크기는 10 ×10㎠ 였다.Inventive Example 1 exemplifies a case where titanium is evaporated by the method of the present invention to achieve the object of the present invention. At this time, the substrate used was a stainless steel sheet size was 10 × 10 cm 2.
우선, 티타늄 타겟(1)과 기판(22)을 진공용기(20)에 장착하고 타겟과 기판사이의 거리를 20㎝로 맞춘 후, 진공펌프(도면에 표시하지 않음)를 이용하여 배기시켰다. 진공용기(20)의 진공이 원하는 값에 도달하면 가스도입구(23)를 통해 아르곤가스를 주입하여 가스 압력이 3×10-3Torr가 되도록 조절하였다. 다음에 전자석(10)에 4.5A의 전류를 흘려 외부자장을 형성시킨 후 타겟지지판(2)에 500V의 전압을 인가하여 글로우 방전을 유도시킨 후 타겟(1)에 2A의 전류가 흐르도록 조절하였다. 이렇게 하여 이온전류를 측정하면서 10분간 증착시켜 기판(22)에 박막을 형성시켰다.First, the titanium target 1 and the board | substrate 22 were attached to the vacuum container 20, the distance between the target and the board | substrate was adjusted to 20 cm, and it exhausted using the vacuum pump (not shown in figure). When the vacuum of the vacuum vessel 20 reached a desired value, argon gas was injected through the gas inlet 23 to adjust the gas pressure to be 3 × 10 −3 Torr. Next, an external magnetic field was formed by flowing a current of 4.5 A through the electromagnet 10, and a voltage of 500 V was applied to the target support plate 2 to induce a glow discharge, and then a current of 2 A was flowed through the target 1. . In this way, the film was deposited for 10 minutes while measuring the ion current to form a thin film on the substrate 22.
발명예 2는 발명예 1과 다른 조건은 동일하되, 전자석 전류를 2A로 조절한 것이며, 발명예 3은 코팅거리를 그리고 발명예 4는 증발원의 전력을 각각 변화시킨 것이다.Inventive Example 2 is different from the invention example 1, but the electromagnet current is adjusted to 2A, Inventive Example 3 is the coating distance and Inventive Example 4 is to change the power of the evaporation source, respectively.
한편, 비교예 1 내지 비교예 3은 기존의 평형 마그네트론 방식을 이용하여 코팅한 것으로, 기판의 이온전류가 본 발명의 발명예 1 내지 발명예 4에 비해 낮음을 알 수 있다.On the other hand, Comparative Examples 1 to 3 are coated using the conventional balanced magnetron method, it can be seen that the ion current of the substrate is lower than the Inventive Examples 1 to 4 of the present invention.
비교예 4는 기존의 비평형 마그네트론 방식을 이용하여 코팅한 것으로, 전자석의 전류를 10A로 하였어도 이온전류가 그다지 상승하지 않으며 증발율이 기존의 평형 마그네트론 방식에 비해 떨어짐을 알 수 있다.Comparative Example 4 is a coating using a conventional non-balanced magnetron method, even if the current of the electromagnet is 10A it can be seen that the ion current does not increase much and the evaporation rate is lower than the conventional balanced magnetron method.
이 결과를 표로 나타내면 다음의 표 1과 같고, 여기서 증발율은 10㎝의 간격을 두고 기판을 설치하고 티타늄 금속을 증발시킬 경우에 기판에 증착되는 양을 환산하여 분당 증착된 양으로 계산한 것이다.The results are shown in the following Table 1, where the evaporation rate is calculated as the amount deposited per minute in terms of the amount deposited on the substrate when the substrate is installed at intervals of 10 cm and the titanium metal is evaporated.
도 2는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 것으로, 기판과 타겟사이의 거리에 따른 기판에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 것이다.2 is for explaining the effect of the present invention, it shows a change in the current flowing through the substrate according to the distance between the substrate and the target.
그래프에서 ■로 표시한 것은 전자석을 이용하지 않는 기존방식(평형 마그네트론)의 증발원을 사용한 결과이고, 그외의 것은 전자석을 사용하는 본 발명의 방식을 사용한 것으로, 전자석에 흐르는 전류를 각각 0, 2, 5, 8A로 변화시킨 것이다.In the graph, denoted by ■ is the result of using the evaporation source of the conventional method (equilibrium magnetron) that does not use the electromagnet, and the other uses the method of the present invention using the electromagnet, and the current flowing through the electromagnet is 0, 2, It was changed to 5 and 8A.
이 그래프에서 명확히 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 특징 중의 하나는 전자석에 전류를 전혀 흘리지 않아도(그래프에 ●로 표시) 기판에 흐르는 전류가 기존방식에 비해 2배 가량 증가한다는 것이다. 이는 본 발명의 핵심이라 할 수 있는 보강판(11)의 존재 유무에 기인하는 것으로 설명할 수 있다.As can be clearly seen in this graph, one of the characteristics of the present invention is that the current flowing through the substrate increases by about twice as much as the conventional method even when no current flows through the electromagnet (marked with a graph). This can be explained as being due to the presence or absence of the reinforcing plate 11 which can be said to be the core of the present invention.
또한, 전자석의 전류가 2A 이상만 되면 전류가 그 이상 증가하여도 기판에 흐르는 전류에 큰 차이가 보이지 않음을 알 수 있다.In addition, if the current of the electromagnet is 2A or more, even if the current increases more, it can be seen that there is no significant difference in the current flowing through the substrate.
본 발명의 비평형 마그네트론 스퍼터링 증발원은 이온화율이 높으면서도, 증발율이 우수하기 때문에, 각종 박막의 제조는 물론, 특히 시계와 같은 대인 장식용 제품의 장식성 향상 및 공구나 기계류 그리고 금형과 같은 제품의 수명향상을 위하여 사용되는 화합물 박막의 제조에 유용하게 사용될 수 있는 효과가 있다.Since the non-equilibrium magnetron sputtering evaporation source of the present invention has a high ionization rate and an excellent evaporation rate, it is possible not only to manufacture various thin films, but also to improve the decorative properties of interpersonal decorative products such as watches and the life of products such as tools, machinery, and molds. There is an effect that can be usefully used in the preparation of the compound thin film used for.
또한, 본 발명은 낮은 전자석 전류를 사용하기 때문에 별도의 냉각장치를 설치할 필요가 없는 이점이 있고, 기판과 타겟 사이의 간격을 획기적으로 증가시킬 수 있는 효가가 있다.In addition, the present invention has the advantage that there is no need to install a separate cooling device because it uses a low electromagnet current, there is an effect that can significantly increase the distance between the substrate and the target.
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1998
- 1998-12-09 KR KR1019980053863A patent/KR100298600B1/en not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Publication date |
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| KR100298600B1 (en) | 2001-09-22 |
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