KR20010005515A - 산화 마그네슘 스퍼터링 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속 반응성 스퍼터링 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 스퍼터 증착 속도가 반응되지 않은 금속의 증착 속도에 달하는 반응성 금속 콤파운드 막 스퍼터 증착 장치와 방법에 관한 것이다. 보다 명확하게 말하면, 본 발명은 스퍼터 증착 타겟이 일반적인 기판으로부터의 거리 보다 더 멀리 배치되고, 타겟 금속성 침식 트랙이 일반적인 현용의 시스템에서 보다 더 협소한 폭으로 형성된다.

Description

산화 마그네슘 스퍼터링 장치{MAGNESIUM OXIDE SPUTTERING APPARATUS}

박막 코팅은 평면 패널 디스플레이, 유리상의 에너지 제어 코팅, 광학적 간섭 필터, 반도체내의 다양한 부분 등을 포함하는 다양한 용도를 가지고 있다. 박막을 증착하는데에는 종종 진공 증발 가공법(vacuum evaporation process)이 사용된다. 이 가공법은 매우 높은 속도로 다양한 종류의 재료를 가공할 수 있지만, 넓은 면적에 걸쳐 균일하게 적용하는 것이 어렵다. 화학적 증착법(chemical vapor deposition)도 사용되지만, 증발 가공법과 유사한 단점을 가지고 있는데다가 가스 상태의 고속 반응에 대해 미립자 오염 문제가 부가된다. 자기 보강 스퍼터 증착법(magnetically ehanced sputter deposition)이라 공지되어 있는 또 다른 방법에 있어서는 양호한 균일성이 제공되지만 대부분의 반응 금속 콤파운드(reacted metal compound)에 대해 증발 코팅법 보다 빠르지 못하다. 특히, 스퍼터 증착을 사용할때, 다수의 금속 산화물 스퍼터는 순수 금속 보다 매우 느리다. 이 느린 속도는 잘 알려져 있는 문제점이고, 다양한 해결 방법들이 제시되어 왔다. 예로서, 스코비(Scobey) 등에게 1989년 7월 25일자로 허여된 미국 특허 제 4,851,095 호를 참조하기 바란다. 본 발명은 금속 산화물 또는 다른 종류의 콤파운드를 향상된 속도로 스퍼터 증착하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

스퍼터 증착 가공에 있어서, 기판이라 지칭되는 코팅 대상물은 스퍼터 챔버내에 위치되게 되고, 상기 스퍼터 챔버는 1기압 보다 현저히 낮은 가스 압력을 갖고 있다. 일반적인 스퍼터 증착 압력은 대략 2×10^-3torr(0.3 파스칼)이다. 일반적으로, 비반응성 스퍼터링에 사용되는 가스는 아르곤 또는 아르곤 혼합물이고, 반응성 스퍼터링에서는 반응성 가스가 사용된다.

기판상에 스퍼터될 재료는 타겟이라 지칭된다. 일반적으로, 타겟은 직류(DC) 전위의 음극측에 전기적으로 접속되어 있다. 아노드와 타겟 사이의 전위는 일반적으로 100 내지 1000볼트 사이이다. 선택적으로, 맥동 DC(pulesd DC)가 사용될 수 있으며, 여기서 캐소드상의 전위는 타겟 표면의 방전 절연 영역에 대해 매우 짧고, 미세하게 양성적인 펄스를 발생시켜 아크의 발생을 방지하는 것을 돕지만, 타겟은 대부분의 시간 동안 현저히 음성적인 상태로 남아 있게 된다. 또한, 선택적으로, 라디오 주파수 전원이 사용될 수 있지만, 마찬가지로 타겟은 현저히 음성적인 상태로 남아 있게 된다. 라디오 주파수와 DC 전원의 조합도 사용된다.

아노드와 타겟 사이의 전기장은 챔버내의 가스를 이온화한다. 가스 이온은 전기장에 의해 타겟 재료를 분리해내기에 충분한 에너지로 타겟내로 구동되게 된다. 타겟으로부터 타겟 재료가 분리되어 나오는 속도를 침식율이라 지칭한다. 분리된 재료는 전기적으로 중성이며, 타겟으로부터 기판으로 이동되어 박막 코팅을 형성하게 된다.

1970년대까지, 전자를 평면 타겟에 인접하게 유지할 수 있는 효과적인 방법이 개발되어 있지 않았기 때문에 대부분의 평면 스퍼터 증착의 형태 가공이 느렸다. 이때, 자기 보강 평면 마그네트론 스퍼터링 증착법이 발명되었다. 적절하게 정렬된 자석의 사용은 전자 보유 자장(magnetic containment field for electron)을 발생시킨다. 전자를 유지함으로써, 단위 면적당 전력과 스퍼터 증착 가공의 속도가 현저히 향상되었다. 전자 보유 자장은 회전식 원통형 타겟의 증착 속도를 증가시키는데도 사용된다. 평면 타겟에서, 자장은 타겟 재료가 선택적으로 침식되는 침식 폭을 한정한다.

스퍼터 증착은 스퍼터될 재료가 금속이고, 원하는 박막이 동일한 금속층일때 양호하게 수행된다. 그러나, 일부 응용에서는 산소 또는 질소 등의 반응성 가스와 금속 사이의 화학 반응의 산물의 박막이 필요하다. 이런 막은 대부분 일반적으로 원하는 반응성 가스와 아르곤의 조합인 반응성 분위기에서 금속 타겟을 스퍼터링하여 생산된다. 이런 가공을 "반응성 스퍼터링"이라 지칭한다. 단순화를 위해, 일반적인 반응성 가스로서 산소를 사용하지만, 본 명세서의 설명은 불소, 질소, 다른 가스 화합물 또는 원소들 등의 다른 반응성 가스에도 동일하게 적용된다.

스퍼터 증착 챔버내로 산소를 도입하는 것은 타겟상에 몇가지 문제를 유발한다. 먼저, 산소는 타겟의 노출된 금속과 반응한다. 그후, 아르곤 이온이 타겟 표면에서 금속 산화물에 충격을 줄때, 금속 산화물들은 금속성 재료 보다 작게 스퍼터되게 된다. 그 이유는 일반적으로 금속대 산소의 결합을 분해하는데 소요되는 에너지가 금속대 금속의 결합을 분해하는데 소요되는 에너지보다 훨씬 크기 때문이다. "스퍼터량(sputter yield)" 또는 아르곤 이온당 스퍼터된 재료의 양은 일반적으로 금속만인 경우에 비해 금속 산화물인 경우가 보다 작다(표 1 참조). 부가적으로, 반응성 스퍼터일의 경우에, 산소가 새로이 노출된 금속을 다시 산화시키도록 산소 자체를 스퍼터링하는데 에너지가 낭비된다. 부가적으로, 전기 절연성 금속 산화물층이 금속 타겟의 부분들을 덮기 때문에 아크가 발생할 수 있다. 금속 타겟의 표면과 산소의 반응에 의해 유발되는 이런 문제점들을 "타겟 포이즈닝(target poisoning)"이라 지칭한다. 타겟이 포이즈닝되게 되는 속도는 침식율과, 산소와 타겟 재료의 반응 속도와, 산소 압력의 함수이다. 타겟 전력이 일정할때, 침식 폭이 넓어질 수록, 단위 면적당 국부 침식율(local erosion rate)이 낮아지고, 타겟 포이즈닝의 문제점이 커진다.

항상은 아니지만 일반적으로는 산화물의 스퍼터량(아르곤 이온당 스퍼터된 원자 또는 분자)은 금속에 비해 낮다. 상기 스퍼터량은 기화 압력에 도달하기 위해 소요되는 온도에 영향을 미치는 화학적 결합 강도에 영향을 받는 것으로 생각된다.

금속	스퍼터량	금속산화물	스퍼터량
	(가)600eV		(나)500eV	(가)600eV	(나)500eV
Al	1.24	1.0	Al2O3	0.18	0.05
Cr	1.30	1.2	Cr2O3	0.18
Mg	0.52		MgO	0.36
Fe	1.26	0.8	Fe2O3	0.71
Si	0.53	0.5	SiO2	1.34	0.23

(가) 600eV Ar⁺이온에 대한 스퍼터량 데이타; Glow Discharge Process, Brian Chapman, pp. 394-396, Wiley, NY(1980).

(나) 500eV Ar 이온 빔에 대한 스퍼터량 데이타; Ion Beam Etch Rates and Sputter Yields, Commonwealth Scientific Corp., Alexandria, VA(~1994).

반응성 스퍼터링의 문제점은 다수의 금속 산화물의 이차 전자 방출 특성(secondary electron emission characteristic)이 높기 때문에 더욱 심해진다. 이들 전자를 음의 캐소드 타겟으로부터 아노드로 가속하는데 에너지가 낭비된다. 전자 충격으로 인한 이차 전자에 관련하여 금속 산화물과 금속의 비교가 표 2에 나타나 있으며, 아르곤 이온 충격이 아날로그형인 상황으로 생각한다.

전자 충격으로부터의 최대 이차 전자 방출(전자 하나당 방출된 전자수)
금속	최대 이차 전자 방출	금속 산화물	최대 이차 전자 방출
Al	1.0	Al2O3	2 내지 9
Be	0.5	BeO	3.4
Mg	0.95	MgO	20 내지 25
Si	1.1	SiO2	2.1 내지 4

Secondary Electron Emission; pp.12-115 내지 12-116, CRC Handbook of Chemistry ＆ Physics, 75th Edition, D. R. Lide, CRC Press(1994).

낮은 스퍼터량과 높은 이차 전자 방출을 가지는 금속 산화물의 단적인 예는 산화 마그네슘이다. 산화 마그네슘은 이들 두 특성으로 인해 플라즈마 표시장치내의 최종층으로서 사용된다. 높은 이차 전자 방출은 표시장치의 작동 전압을 감소시키고, 낮은 스퍼터 속도는 표시장치의 수명을 증가시킨다. 플라즈마 표시장치 시스템은 실제로, 소형 스퍼터 증착 챔버와 매우 유사하다. 플라즈마 표시장치에 있어서, 전극들 사이의 전위는 흑백 표시장치에서는 직접적으로 불활성 가스를 이온화하여 빛을 방출하게 하고, 컬러 표시장치에서는 인과 상호작용하여 불활성 가스를 이온화하여 빛을 방출하게 한다. 따라서, 플라즈마 표시장치의 수명을 연장하기 위해서는 본질적으로 스퍼터에 느린 금속 화합물의 최종층을 갖는 것이 특히 바람직하다. 결론적으로, 플라즈마 표시장치 시스템의 대부분의 최종층은 스퍼터 증착법 대신 증발 가공법을 사용하여 제조된다. 플라즈마 표시장치는 매우 대형인 표시장치의 벽감(niche)을 가질 수 있다. 대각선 길이가 106cm인 표시장치가 제조되고 있으며, 대각선의 길이가 152cm인 것도 시도되고 있다. 패널 크기가 증가될 때 균일한 층 두께를 유지하기 어렵기 때문에 이런 큰 크기의 제조 체적이 큰 경우에 대해서는 증발 가공법이 실용적이지 못하다는 것을 알 수 있다.

따라서, 일반적으로 금속의 스퍼터 증착에서 나타나는 넓은 면적에 걸친 균일성과 비교적 높은 속도라는 장점을 가지고 있으면서, 반응성 금속 콤파운드에도 사용될 수 있는 제조 방법 및 장치가 필요하다.

반응성 금속 콤파운드의 느린 증착 속도에 대한 다양한 해결 방법이 제시되어왔다. 예로서, 켈리포니아의 산타 로사에 소재하는 광학적 코팅 제조소는 "메타 모드(meta mode)"라 지칭되는 방법을 개발했다. 이 메타 모드 코팅법은 일 챔버내에서 금속의 원자층 하나를 스퍼터 증착하고, 그후, 다음 챔버에서, 상기 금속 박층을 반응성 가스에 노출시켜 반응 금속 콤파운드를 형성한다. 이 가공법은 원하는 두께의 반응 금속 복합물이 얻어질때 까지 상기 챔버들 사이를 전후로 사이클링된다. 반응성 스퍼터링의 느린 속도를 해결하기 위한 다른 방법은 반응성 가스 종류를 펄스형으로 도입하고, 스퍼터링 챔버내에서 반응성 가스로부터 스퍼터링 가스를 분리하는 것을 포함한다. 이런 시도는 반응 금속 복합물의 증착 속도를 증가시킬 수 있지만, 단순한 방법으로 금속 자체의 증착 속도에 근접하는 전체적인 증착 속도를 얻을 수는 없다.

[일반적인 기하학적 형상]

일반적으로, 평면 스퍼터 증착 타겟은 "레이스트랙(racetrack)" 패턴으로 침식된다. 상기 레이스트랙의 폭은 타겟 교체시까지 스퍼터될 타겟 재료의 가용량을 증가시키기 위해 크게 제조된다. 일반적인 레이스 트랙의 각 부분은 대략 4cm의 폭이다. 따라서, 기판이 일반적으로 레이스트랙의 두 부분을 가로지르는 방향으로 타겟을 통과하여 이동하기 때문에 타겟 폭 중 대략적으로 총 8cm가 침식되게 된다. 타겟의 침식되지 않는 부분은 신속하게 반응 금속 콤파운드로 코팅되어 버린다.

체적을 유지하기 위해서, 그리고, 그에 따른 진공 시스템의 필요성으로 인해, 타겟과 기판 사이의 이격 거리는 일반적으로 작게 유지된다. 예로서, 플라즈마 표시장치 스크린을 위한 도전성 전극을 제조할때, 타겟에 대한 기판의 이격 거리는 7cm인 것이 일반적이다. 대규모 건축 유리 코팅 장비의 타겟에 대한 기판의 이격 거리도 일반적으로 20cm를 넘지 않는다.

[배경과 개념]

긴 마그네트론 스퍼터 소스 근방에서 이동하는 기판은 타겟을 향한 표면상에 균일한 박막이 형성되게 된다. 기판은 일반적으로 대기로부터 진공으로의 갑문을 통과하고, 타겟을 지나 이동하여, 진공으로부터 대기로의 갑문을 통과하게 된다. 이런 구성을 "인라인 스퍼터링(in-line sputtering)"이라 지칭한다. "투사(throw)" 거리는 타겟의 침식 영역에 대한 기판의 가장 짧은 경로 또는 거리이다. 긴 선형 소스에 있어서, 기판상의 단위 면적당 최대 국부 증착율(maximum local deposition rate)은 대략 투사 거리에 역비례한다.

하기의 두가지 이유로 인해, 타겟 금속과 가스의 반응은 이동중인 상태에서 발생하지 않고 성장 막과 타겟의 표면에서 발생되는 것으로 생각된다. 첫번째는 금속 원자들이 일반적으로 타겟과 기판 사이에서 이동하는 동안 보다 타겟과 기판 표면상에서 반응성 가스에 보다 장시간 동안 노출된다는 것이다. 두번째는 에너지와 운동량 보존을 만족시키면서 이동중인 반응성 원자와 금속 원자가 결합하는 것이 잘 발생하지 않는다는 것이다.

스퍼터 증착의 다른 속성은 기판과 타겟 사이의 압력차를 유지하는 것이 어렵다는 것이다. 적합하게 크기 설정된 진공 펌프는 단지 소량의 가스 유동만을 허용한다. 예로서, 스퍼터 챔버에서 25cm 직경의 펌프의 펌핑 속도(S)는 초당 1000리터 정도이다. 일반적인 스퍼터 압력(P)인 0.3파스칼에서, 전체 가스 유동은 S×P 또는 초당 단지 300파스칼 리터이다. 한편, 타겟과 기판 사이의 진공 컨덕턴스는 일반적으로 매우 크다. 145cm×15cm의 타겟 표면적과 145cm×100cm의 기판 표면적에 대하여, 진공 컨덕턴스는 타겟으로부터 기판으로 초당 100,000리터 정도이다(두 면적의 평균을 내고, 11.6리터/초/cm²의 단위 면적당 간극 컨덕턴스를 사용한다). 만약 총 초당 300 파스칼 리터의 가스가 기판의 영역으로 도입된다면, 기판과 타겟 사이의 압력차는 단지 스퍼터 압력의 1/100 또는 0.003 파스칼일 수 있다. 타겟과 기판 사이의 컨덕턴스를 줄이기 위해 둘 사이에 하드웨어를 삽입하는 것은 스퍼터된 재료가 기판에 도달하기 전에 방해를 받게 된다는 단점을 가지고 있다. 반응성 가스 압력이 기판에서와 타겟에서 대략 동일하기 때문에, 성장 막을 실질적으로 산화시키는 동안 타겟의 표면을 현저히 산화되지 않은 상태로 유지하는 것은 매우 어렵다. 그래서, 타겟 근방의 반응성 가스 압력을 낮게 하고, 기판 근방의 반응성 가스 압력을 높게한 상태로 유지하여 반응성 스퍼터링의 문제를 해결하려는 시도는 난점을 가지고 있다.

도 1은 일반적인 평면 마그네트론 스퍼터 증착 장치를 도시하는 도면.

도 2는 기판이 경사지게 타겟을 통과하여 이동하는 본 발명에 따른 평면 스퍼터 증착 장치를 도시하는 도면.

도 3은 평면 타겟이 기판에 대해 경사지게 배열되어 있는 세번째 선택적인 평면 마그네트론 스퍼터 장치를 도시하는 도면.

도 4는 원통형 마그네트론 스퍼터 증착 장치를 도시하는 도면.

도 5는 원통형 마그네트론 스퍼터 증착 장치의 선택적인 배열을 도시하는 도면.

[협소한 침식 경로]

본 발명의 일 특성은 타겟상의 침식 경로의 폭을 감소시키는 것이다. 침식 경로내의 금속이 반응성 가스와 반응할 때, 상술한 문제점(아크의 발생, 금속 대신 반응성 콤파운드를 스퍼터링하는데 낭비되는 에너지, 이차 전자로 인해 낭비되는 에너지를 포함하는 문제점)이 발생된다. 침식 트랙을 협소화함으로써, 단위 면적당 높은 전력 밀도가 적용될 수 있고, 결과적으로 단위 면적당 높은 침식율을 얻을 수 있다. 단위 면적당 전력 밀도를 증가시키는 것은 타겟 표면에 인접한 단위 면적당 방전 전류 밀도를 향상시킴으로써, 산소를 활성화시키고 타겟 표면의 온도를 증가시켜 다소 타겟 반응 속도를 증가시킬 수 있게 해준다. 그러나, 현저한 효과는 타겟을 보다 신속하게 침식시키는 것이고, 따라서, 타겟 표면이 보다 금속성 상태로 남아 있도록 해주는 것이다. 침식 경로의 폭을 감소시킴으로써, 침식 경로내의 반응하지 않은 금속에 대한 반응 금속의 비율은 감소되며, 타겟의 포이즈닝도 감소된다.

침식 트랙의 폭을 제어하는 단순한 방법은 침식 경로의 에지를 한정하도록 자극편을 사용한다. 이들 자극편은 철 등의 강자성 재료로 제조되거나 또는 타겟 재료 보다 투자율이 큰 다른 재료로 제조될 수 있다. 철판의 경사형 에지는 소정의 침식 트랙 경계에 인접하게 위치된다. 철이 타겟의 표면상에 위치된다 하더라도 철 자체는 실질적으로 침식되지 않기 때문에 침식 에지를 한정하는데 매우 효과적이다. 만약, 철의 침식이 중요한 문제가 되는 경우에는 철은 타겟 재료로 코팅된 상태로 타겟의 표면 아래에 삽입될 수 있거나, 타겟과 동일한 전위가 되지 않도록 타겟과 다소 이격되도록 배치되어 타겟으로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 자장을 형성할 수 있고 침식 경로를 한정할 수 있는 다른 재료로서는 니켈, 코발트, 철과 니켈과 코발트의 합금 등을 포함한다.

[증가된 타겟에 대한 기판의 거리]

침식 트랙의 폭을 단순히 감소시키는 것은 타겟의 작용을 향상시키지만, 그자체로 반응성 금속 콤파운드의 증착을 향상시키지는 않는다. 실제로, 순수 금속 원자의 배출량이 커지면, 원하는 반응 금속 콤파운드 보다는 바람직하지 못한 금속층의 증착이 유발될 수 있다. 타겟을 일반적인 상태보다 현저히 멀리 이격되도록 이동하는 것은 타겟상의 단위 면적당 증착율을 감소시킨다. 이 증착율의 감소는 반응이 필요한 기판상에 반응을 발생시키기 위한 부가적인 시간을 효과적으로 제공한다. 동시에, 증착이 발생하는 전체 면적은 일반적으로 증가된다. 타겟과 기판 사이의 거리를 증가시키고, 단위 면적당 증착율이 감소시키는 반면 증착이 발생하는 면적을 증가시킴에 의해, 타겟에 인접하게 이동하는 기판상의 막 두께는 실질적으로 동일하게 남아 있지만 막에서는 보다 많은 반응이 발생하게 된다.

[기하학적 균형]

침식 경로 폭을 감소시키는 것은 타겟 재료의 가용 인벤토리를 감소시킨다. 타겟대 기판 거리를 증가시키는 것은 긴 타겟의 단부 근방에서 이동하는 기판상으로 내려앉는 두께가 저하되게 되기 때문에, 일반적인 타겟 보다 더 긴 타겟이 소요되게 된다. 그래서, 하나의 형상을 많이 변화시키는 것 보다 양자 모두의 기하학적 형상 변화를 조합하는 것이 보다 바람직하다.

침식 면적에 대한 증착 면적의 비율로서 생각하는 것이 편리하다. 본 발명은 일반적인 비율들 보다 이 면적비를 증가시킨다. 반응성 가스 압력은 타겟의 포이즈닝 없이 기판상에서 소정의 반응 정도를 얻을 수 있도록 조절된다. 만약, 이 조절이 달성될수 없다면, 면적비가 증가되어야 한다.

투사 거리에 비해 긴 타겟에 대하여, 전체 침식 경로 폭에 대한 기판과 타겟 거리의 비율은 거의 동등한 비율이다. 마찬가지로, 만약 반응성 가스가 타겟의 포이즈닝 없이 기판상에서 원하는 반응 정도를 제공하도록 조절될 수 없다면, 이 거리 비율은 증가되어야 한다.

상술한 면적과 거리비율은 기하학적 균형을 경제적으로 모델링할 수 있도록 해준다. 침식 경로를 보다 협소하게 하는 것은 타겟 재료의 인벤토리를 감소시키고, 타겟 교체에 대한 휴지 시간을 증가시키며, 직접적인 재료 비용을 증가시킨다. 투사 거리를 증가시키는 것은 일반적으로 타겟 단부 근방에서 막의 균일성을 얻기 위해 더 긴 타겟을 필요로하게 되며, 원가와 직접적인 재료 비용이 높아지게 한다.

상술한 최소 허용 비율은 원하는 재료의 반응 정도에만 주로 의존하며, 재료 자체에는 그다지 의존하지 않는 것으로 생각된다. 상이한 재료 또는 상이한 반응 가스의 경우에 타겟의 표면의 반응성은 마그네슘 및 산소의 경우보다 다소 크거나 작을 수 있다. 그러나, 막 표면에서의 반응성은 거의 동일한 정도이다. 예로서, 마그네슘 산화물은 플라즈마 패널에 사용되기 위해서는 완전히 산화되어야만 하며, 이 완전 산화를 달성하기 위해서는 16의 거리비가 사용되어 왔다. 알루미늄 산화물의 완전 산화막은 동일한 기하학적 형상으로 제조될 수 있다. 그러나, 다수의 평면 패널 표시장치에 공용되는 투과성 전도체인 인듐 주석 산화물("ITO")은 산소가 부족할때 그 최상의 특성을 갖게 된다. ITO는 16 미만의 거리비로 제조되는 것이 효과적이다.

거리비를 감소시키는 다른 요인은 타겟 표면 온도보다 실질적으로 높게 기판 온도를 상승시키는 것이다. 더 뜨거운 막 표면의 반응성은 타겟의 반응성보다 높아질 수 있으며, 그래서 더 낮은 거리비로 원하는 막 반응성을 얻을 수 있다.

인듐-주석, 인듐 주석 산화물, 아연 및 다른 타겟 재료에서 발생되는 현상은 현저한 타겟 침식 이후에 타겟의 표면상에 "블랙 노듈(black nodule)"이 형성되는 것이다. 이 노듈들은 명백히 스퍼터 저항성을 가진 상승된 영역이다. 상기 노듈들은 노듈의 산화가 증가되기 때문에 외관상 무광택의 검정색을 띄게 되며, 노듈 측면상에 증착된 재료가 거칠때에는 더욱 심해진다. 블랙 노듈의 밀도는 매우 커질 수 있고, 그때, 타겟 전체의 침식율은 감소되게 된다.

ITO 타겟 표면의 표면 온도를 대략 300℃ 까지 증가시키면 블랙 노듈이 현저히 감소된다는 것이 공지되어 있다. 그래서, 극편을 사용하여 단위 면적당 전력 밀도를 증가시키면 ITO 타겟의 표면 온도를 증가시킬 수 있고, 그래서 블랙 노듈을 현저히 감소시킬 수 있다.

[기하학적 보강 금속-콤파운드 스퍼터링(GEMS) 구성]

본 발명의 GEMS 구성은 일반적인 상태 보다 투사 거리가 증가되며, 그래서, 기판상의 모든 영역에서 막 증착 속도가 더 낮아지게 된다. 마찬가지로, 스퍼터 타겟상의 침식 경로는 더 협소해지게 된다. 이 침식 폭을 한정하는 하나의 방법은 타겟의 표면에 철 극편을 부가하는 것이다. 철 극편이 사용될 때, 주어진 스퍼터 전력에서, 단위 면적당 전력 밀도와 단위 면적당 침식율은 보다 커지게 된다. 본 발명의 전체적인 구성은 증착이 발생하는 면적을 증가시키고 침식이 발생하는 면적을 감소시킴으로써 단위 면적당 증착율에 대한 단위면적당 침식율의 비율을 증가시킨다.

[발명의 결과]

경사형 철 극편을 사용함으로써 침식 경로의 폭이 감소되고, 타겟과 기판의 이격 거리가 증가되며, 침식 경로내의 타겟 표면이 비교적 반응되지 않은 상태로 남아있게되는 동시에, 막은 실질적으로 반응하게 된다. 상대적으로 반응되지 않은 표면의 더 높은 침식율은 이 개선된 스퍼터링 가공의 에너지 효율(단위 에너지당 스퍼터된 재료의 체적)이 마그네슘 산화막에 대한 종래의 반응성 스퍼터링에서 보다 대략 다섯배 정도가 되게 한다. 에너지 효율의 개선은 양호한 재료 특성이며, 반응 금속의 스퍼터링 효율에 대한 금속 스퍼터링의 에너지 효율의 비율에 의존한다.

타겟 표면을 보다 금속성인 상태로 남아있게 함으로써 타겟 표면상의 절연 영역의 양을 감소시키고, 이들 절연 영역이 형성되는 속도를 감소시킨다. 이들 절연 영역에 대한 아크 주파수는 일반적으로 일 내지 이등급 정도 감소된다.

반응성 스퍼터링의 다른 현상은 아노드가 절연 재료로 코팅된다는 것이다. 아노드가 코팅되어 "가려지게"되는 것을 방지하려는 노력에도 불구하고, 일반적으로 아노드는 결국은 코팅되게 된다. 이 현상은 "아노드 소실 효과(disappearing anode effect)"라 지칭되고, 아크를 유발시킬 수 있으며, 전기적인 방전을 소멸시켜버릴 수도 있다. 본 발명에서는 타겟에 인접하게 아노드를 위치시킴으로써, 아노드상의 막이 실질적으로 전기적으로 도전성인 상태로 제조될 수 있다. 따라서, 글로우 방전(glow discharge)이 보다 안정해진다.

본 발명에서, 기화 효율(vapor efficiency) 또는 단위 에너지당 스퍼터된 재료의 양은 산화 마그네슘에 대하여 대략 5정도의 계수로 증가될 수 있으며, 막 두께는 대략 3.5의 계수로 증가될 수 있다. 예로서, 본 발명에 따라, 1m당 2.59kW의 선형 캐소드 전력 밀도와 분당 0.1m의 속도에서 하나의 긴 캐소드 옆으로 이동하는 기판은 175nm 두께의 산화 마그네슘막을 얻을 수 있게 한다. 동일한 속도와 전력 밀도하에서 종래의 방법을 사용하면 단지 49nm의 두께만을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 평면 마그네트론 스퍼터 증착 장치를 도시하고 있다. 상기 장치에 있어서, 타겟(3)은 타겟 접촉면(2)에서 타겟 홀더(1)와 접촉하도록 위치되어 있다. 타겟은 타겟 홀더에 접합되거나, 스크류(도시되지 않음) 등의 기계적 수단을 사용하여 부착될 수 있다. 타겟 표면(4)은 이온(10)에 의해 충격을 받음으로써 침식되게 된다. 타겟(3)은 판(13)에 부착된 자석(7)에 의해 발생되는 자장에 의해 한정되는 침식 경로 폭(5a, 5b)을 갖는 침식 경로(6)를 통해 침식된다.

침식 경로 폭은 동일한 것이 바람직하며, 전체 침식 경로 폭이 대략 8cm을 넘지 않고 각각 대략 4cm보다 작은 것이 바람직하다. 각 침식 경로 폭(5a, 5b)은 전체 침식 경로 폭이 대략 6cm을 넘지 않고 각각 대략 3cm 보다 작은 것이 더욱 바람직하다. 각 침식 경로 폭(5a, 5b)은 전체 침식 경로 폭이 대략 4cm을 넘지 않고 각각 대략 2cm보다 작은 것이 한층 더 바람직하다. 각 침식 경로 폭(5a, 5b)은 전체 침식 경로 폭이 대략 3cm을 넘지 않고 각각 대략 1.5cm 보다 작은 것이 가장 바람직하다.

기판 캐리어(20)는 기판(25)을 유지하며, 기판(25)을 침식 경로(5a, 5b)에 대하여 도면에 21로 도시된 방향으로 이동시킨다. 필수적이지는 않지만 일반적으로, 상기 방향(21)은 침식 경로(5a, 5b)의 중앙선에 수직이다. 기판 캐리어(20)는 타겟 접촉면(2)으로부터 22로 도시된 거리만큼 이격된 기판 접촉면(24)을 구비한다. 상기 거리(22)는 타겟 접촉면(2)으로부터 기판 접촉면(24)까지의 최소 거리이다.

상기 거리(22)는 대략 31cm 보다 큰 것이 바람직하다. 상기 거리(22)는 대략 41cm 보다 큰 것이 보다 바람직하다. 상기 거리(22)는 대략 46cm 보다 큰 것이 가장 바람직하다.

작동에 있어서, 기판(25)은 타겟 표면으로부터 23으로 도시되어 있는 거리만큼 이격된 표면(26)을 갖는다. 상기 거리(23)는 타겟 표면으로부터 코팅될 기판 표면까지의 최소 거리이며 "투사 거리"라 지칭된다. 상기 거리(23)는 30cm 이상인 것이 바람직하다. 상기 거리(23)는 40cm 이상인 것이 더욱 바람직하다. 상기 거리(23)는 45cm 이상인 것이 한층 더 바람직하다. 상기 거리(23)는 47.5cm 이상인 것이 가장 바람직하다.

타겟 재료(11)는 타겟(3)으로부터 기판(25)으로 이동한다. 반응성 가스(12)는 기판 표면(26)과 타겟 표면(4)에서 타겟 재료(11)와 반응한다. 선택적으로, 타겟(3)의 투자율 보다 큰 투자율을 갖는 재료가 타겟 표면(4)에 근접하게 위치될 수 있다. 이 선택적인 극편(9)은 침식 경로 폭을 한정하는 자장을 형성한다.

도 2는 도 1의 장치와 유사한 장치를 도시하고 있다. 그러나, 상기 도 2의 장치에서는 코팅될 기판이 경사지게 타겟을 지향하고 있다. 기판 캐리어, 선택적인 극편 및 자석은 도 2 및 도 3에는 도시되어 있지 않다. 도 1의 방향이 보다 일반적이며, 도 2의 방향은 본 발명에 따른 것이다. 마찬가지로, 도 3은 타겟이 기판 이동 방향에 대해 경사지게 지향하고 있는 평면 마그네트론 스퍼터 증착 장치를 도시하고 있다. 도 3의 방향은 본 발명에 따른 것이다.

도 4 및 도 5는 회전 실린더상에 타겟 재료가 배치되어 있는 평면 마그네트론 스퍼터 증착 장치를 도시하고 있다. 일부 구성에 있어서, 원통형 타겟 재료는 부가적인 지지 실린더를 갖지 않는 자립형 구조를 가지고 있다. 마찬가지로, 도 4 및 도 5의 구성은 본 발명에 따른 것이다.

도 4 및 도 5에서는 선택적인 극편이 도시되어 있지 않다. 도 4 및 도 5 양자 모두는 타겟이 회전되지 않고, 그래서, 침식 경로 폭이 측정될 수 있는 상태로 도시되어 있다. 사용시에, 타겟 표면은 균일하게 침식되게 되고 침식경로는 도 4 및 도 5에는 도시되어 있지 않다.

실린더형 마그네트론에 대한 침식 경로 폭을 결정하기 위해, 타겟 재료는 반드시 회전되지 않는 고정된 상태이어야만 한다. 비록 이것이 제조 과정에서 일반적인 것은 아니지만, 본 발명의 특징의 측정을 위해서는 필수적이다. 일단 측정치가 얻어지면, 원통형 타겟은 종래의 과정에서와 같이 사용동안 회전되게 된다. 평면 마그네트론을 위한 침식 경로 폭은 평면 투사에 기초한 침식 경로 중앙에서 침식이 전체 침식의 2%인 지점을 측정함에 의해 결정된다. 자극편이 사용되지 않을 때, 원통형 마그네트론의 침식 경로 폭은 원래의 원통 치수로부터 최대 편차를 비교하고, 최대 침식 높이에 비해 2%의 재료가 침식되는 지점으로부터의 아크의 길이를 측정함으로써 측정된다.

자극편이 침식 트랙의 폭을 제어하기 위해 원통형 타겟의 표면에 근접하게 위치되었을때, 침식 트랙 폭은 자극편의 에지 사이의 평균 거리로서 한정된다. 원통형 타겟을 사용할때, 자극편이 타겟의 표면과 접촉하지 않고 그 치수의 안정성을 유지하도록 적절히 냉각되는 것이 바람직하다.

도 4에 도시된 바와 같은 원통형 타겟을 사용할 때, 투사 거리(23)는 타겟의 표면으로부터 기판의 표면까지로 측정된다. 자립형 타겟에 대해, 타겟 지지면으로부터 기판 지지면까지의 거리는 기판에 가장 근접한 침식 경로의 중앙점을 통한 타겟의 중앙축으로부터의 라인이 타겟의 내측면과 교차하는 타겟의 내측면상의 지점으로부터 측정된다.

본 발명이 일반적인 속도로 회전하는 실린더형 타겟과 함께 사용될 수 있지만 타겟의 회전 속도를 감소시킴으로써 부가적인 장점을 얻을 수 있다. 일반적으로, 회전 속도가 느려질 수록 침식 경로내에 있지 않은 타겟 표면이 보다 완전하게 산화된다. 놀랍게도, 본 발명의 협소한 침식 경로 폭을 사용할때, 회전 속도가 느려지면 평면 소스에 대하여 상술한 바와 같이 침식 경로가 실질적으로 금속성이 되게 된다.

본 발명의 목적을 위해, 초단위로 표현되는 침식 지속 시간은 회전 속도와 타겟 재료의 실린더의 내주를 승산한 값으로 침식 경로 폭을 나눔으로써 한정된다. 따라서, 대략 13cm의 내주를 가진 원통형 타겟, 10RPM의 회전 속도, 4cm의 침식 경로 폭이라면 침식 지속 시간은 대략 0.6초가 된다((4·40)/(5·π·10)).

침식 지속 시간은 1초 이상인 것이 바람직하다. 침식 지속 시간은 5초 이상인 것이 더욱 바람직하다. 침식 지속 시간은 10초 이상인 것이 한층 더 바람직하다. 침식 지속 시간은 15초 이상인 것이 가장 바람직하다.

[기하학적 강화 금속 콤파운드 스퍼터링]

[바람직한 거리비]

전체 침식폭에 대한 "최적의" 투사 거리의 비율은 막내의 원하는 산화 정도와 적용 분야에 따라 변화된다. 전체 침식 경로 폭(5a, 5b)에 대한 투사 거리(23)의 비율은 대략 4 이상인 것이 바람직하다. 전체 침식 경로 폭에 대한 투사 거리(23)의 비율은 대략 7 이상인 것이 더욱 바람직하다. 상기 비율은 대략 10 이상인 것이 한층 더 바람직하다. 전체 침식 경로 폭(5a, 5b)에 대한 투사 거리(23)의 비율은 대략 15 이상인 것이 가장 바람직하다.

증착 영역은 단위 면적당 증착율이 단위 면적당 최대 증착율의 1/2 이상인 영역으로서 정의된다. 침식 영역에 대한 상기 증착 영역의 비율은 대략 5 이상인 것이 바람직하다. 침식 영역에 대한 상기 증착 영역의 비율은 대략 9 이상인 것이 더욱 바람직하다. 상기 증착 영역의 비율은 대략 14 이상인 것이 한층 더 바람직하다. 막의 완전 산화를 위한 침식 영역에 대한 상기 증착 영역의 비율은 대략 18인 것이 가장 바람직하다.

상술한 "최적의" 비율은 산화 마그네슘 막을 제조하는 동안, 그리고, 후술할 피드백 제어를 사용하는 동안 신뢰성있는 결과를 제공한다. 완전 산화된 다른 막 재료도 동일한 비율을 사용하여 제조될 수 있는 것으로 생각된다. 피드백 제어의 사용을 피하기 위해서는 더 높은 비율을 사용해야만 한다.

[특정 실시예]

하기의 실시예는 평면 패널 플라즈마 표시장치용으로 제조된 산화 마그네슘 막에 관한 것이다. 산화 마그네슘은 플라즈마 표시장치에 사용되는 바람직한 특성 중 하나인 현저히 낮은 스퍼터율을 가지고 있다.

본 발명 이전에, 일반적인 투사 거리는 대략 8cm이며, 두 침식 경로 폭의 합은 대략 1의 거리비에 대하여 대략 8cm 이다. 본 발명을 산화 마그네슘에 대하여 실행할때, 바람직한 투사 거리는 대략 48cm이며, 대략 16의 거리비에 대하여 두 침식 경로 폭 전체는 대략 3cm이다. 이런 큰 거리비를 본 발명에서 사용함으로써, 산화 마그네슘의 기화 효율은 거의 표 3에 나타난 마그네슘 금속 기화 효율만큼 크다. 이를 비교하기 위해, Mg 금속막의 두께가 동일한 산화 마그네슘막으로 환산되어 있다. 마그네슘과 산화 마그네슘 양자 모두는 동일한 밀도를 가지며, 그래서, 산화 마그네슘 막내의 단위 체적당 마그네슘은 마그네슘 막 내에서보다 작다. 기화 효율은 단위 스퍼터 에너지당 기판상에 수집되고 스퍼터된 재료의 체적이다. 상기 체적은 Å㎠으로 표현된다. 표 3의 실시예는 18.75인치의 투사거리와 대략 1.47cm의 침식 폭을 사용하여 제조된 것이다.

Mg와 MgO의 비교
캐소드 막	캐소드volts	두께(Å)	Mol. Wt.(그램/몰)	등가 MgO(Å)	기화 효율(Å·㎠/joule)
Mg	-460	1350	24.3	2239	12.1
MgO	-360	1700	40.3	1700	11.8
MgO	-220	250	40.3	250	2.8

캐소드 전류 = 10amp, 캐소드 길이 = 146cm, 기판 속도 = 10.2cm/min, Mg와 MgO의 밀도=1.74g/㎤.

대조적으로, 표 3의 마지막 열은 보다 많이 산화된 타겟 표면으로부터의 막을 도시한다. 이 예는 큰 투사 거리와 협소한 침식 폭으로 제조된 것이지만 타겟은 정상적인 작동 조건과는 대조적으로 고의적으로 산화되도록 한 것이다. 에너지 효율은 더 낮고, 산소 유동을 증가시킴에 의해 전압의 등급은 220V로 감소되었다. 비교를 위해 산화 마그네슘에 대하여 2.38(Å·㎠/joule)의 기화 효율로 비교 시편을 제조한다. 단지 기화 효율의 측면에서, 본 발명은 일반적인 캐소드 전압이 사용될때 비교예의 가공에 비해 5배 더 효율적이다. 비교예는 표 3의 최종 열에 비해서도 에너지 효율이 더 낮은 비교예의 가공에 기초한 산화된 타겟 표면을 사용하는 것을 알수 있다.

[다중 캐소드]

단위 면적당 증착율을 낮게 유지하는 설계 개념에 수반하여, 인접한 캐소드 사이의 이격 거리는 단위 면적당 최대 증착율이 실질적으로 하나의 캐소드의 최대치보다 커지지 않도록 되어야만 한다. 예로서, 만약, 캐소드가 근접하게 이격되어 있다면, 두 캐소드 사이의 코팅 영역내의 단위 면적당 증착율은 단 하나의 캐소드의 최대값보다 거의 두배가 될 수 있으며, 이 근접하게 이격되어있는 상태는 바람직하지 못하다.

[캐소드 구성]

0.70cm × 14.3cm × 146cm의 마그네슘 판이 외주 둘레의 대략 30개소에서 스크류로 유지되어 있고, 중앙은 수냉식 구리 보강판까지 낮춰진다. 마그네슘과 구리 사이의 열전달을 증가시키기 위한 다른 단계 없이도 이 구성은 타겟 또는 타겟 지지 시스템에 손상을 주지 않고 대략 4000와트의 스퍼터 전력을 사용할 수 있게 해준다.

자석은 세라믹(8)이다. 외부 자석은 폭이 1.4cm이며, 자화 방향으로는 2.5cm이다. 중앙 자석은 폭이 2.5cm이며 자화 방향으로는 2.1cm이다. 그러나, 재료 선택과 크기는 결정적인 것으로 생각되지는 않는다. 극편은 자장을 집중시켜서 약한 자석을 사용할 때의 상술한 문제점이 발생되지 않도록 해준다.

마그네슘의 스퍼터된 면에 고 투자성 재료의 극편을 부착함으로써 침식 경로는 대략 1.5cm으로 협소화된다. 30°경사를 가진 냉간 압연된 0.32cm 두께의 철 극편이 바람직하다. 경사부의 날카로운 에지는 0.03cm 반경으로 무뎌지도록 가공된다. 가용한 극편은 두께, 경사, 투자율의 측면에서 광범위하게 변화될 수 있다. 그러나, 더 강한 또는 더 넓은 자석은 날카로운 극편을 포화시켜 날카로운 에지 근방에서 자장 형상이 변화되게 만들 수 있다. 포화되지 않은 극편에서는 극편 중앙에서 자장이 극편 표면에 수직하게 방출되지만, 포화 극편에서는 그렇지 못하다. 포화되지 않은 상태가 극편이 보다 정확하게 침식 경로의 에지를 한정하는 것을 도우며, 극편의 침식을 막아주는 것으로 생각된다. 상술한 선택된 형상의 극편 단부는 대략 0.2테슬라의 자장 강도를 갖도록 계산된 것이고, 냉간 압연 강철의 포화도는 대략 2.1테슬라이다.

극편(9)이 침식 경로의 양쪽 측면상의 타겟의 표면상에 사용될때, 침식 폭은 침식 경로의 대향 측면상의 극편의 에지 사이의 최소 거리로서 한정된다. 단지 하나의 극편이 사용되거나, 극편이 사용되지 않을 때, 침식폭은 교체가 필요한 시점까지 침식된 타겟상에서 측정된다. 완전히 사용된 타겟상에서 프로필로메터(profilometer)를 사용하여 침식되지 않은 표면 평면으로부터 침식된 표면 까지의 거리를 측정한다. 침식 폭은 침식 트랙의 중앙선에 수직인 방향으로 측정이 취해졌을 때, 프로필로메터가 처음 최대 편차의 2%의 편차를 나타내는 위치로부터, 처음 최대 편차의 2% 미만을 나차내는 위치까지의 거리이다.

[제어]

16보다 큰 거리비에 있어서도, 피드백 제어 시스템을 사용하지 않고 보다 금속성인 상태로 타겟 표면을 유지하는 것이 가능하다. 이 경우에 있어서, 제어는 스퍼터 전력, 반응성 가스 유동 또는 양자 모두를 수동으로 조절해주기만 한다. 그러나, 대략 16의 거리비에 있어서는 반응성 가스 제어가 바람직하다. 매우 양호하게 작동하는 두가지 피드백 제어 시스템이 있다. 제 1 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 마그네슘 타겟의 표면 산화도를 반영하는 캐소드 전압을 감지한다. 제 2 피드백 시스템은 글로우 방전으로부터의 광 방출을 감지한다. 선택적으로, 브루트 포스(brute force) 시스템은 매우 높은 펌핑 속도와 높은 반응성 가스 유동을 사용한다. 이들 제어 방법 각각을 하기에 설명한다.

1. 전압 제어

평면 마그네트론은 광범위한 전류에 걸쳐 전압이 매우 일정한 장치이다. 그러나, 표 3에서 알수 있는 바와 같이, 전압은 타겟 표면의 상태에 대한 양호한 척도이다. 금속성 마그네슘 표면과 산화된 마그네슘 표면 사이의 캐소드 전압의 모노토닉 컨티넘(monotonic continuum)이 있다. 막의 광학적 흡수성의 측면에서 양호한 조건을 가진 산화된 산화 마그네슘 막을 생성하면서 높은 증착율을 가지는 전압은 대략 -280 내지 -400 볼트이다. 양호한 전압의 등급은 새로운 타겟일 때의 더 높은 값으로부터 타겟이 침식됨에 따라 더 낮은 값으로 감소된다.

캐소드 전압에 비례하는 전기적 신호는 PID 루프 제어기로 공급된다. 조작자는 전압 설정점을 PID 제어기로 입력하고, 상기 제어기는 소정 전압을 유지하도록 가스 비율 제어 유닛을 조절한다. 가스 비율 제어기는 하나의 밸브로부터 다음 밸브로의 유동의 비율을 소정 값으로 유지하도록 하나 이상의 가스 유동 밸브를 조절한다. 가스 비율 제어기는 하나 내지 다섯개(둘인 것이 양호함)의 산소 밸브를 조절하며, 상기 밸브 각각은 대략 분당 20 내지 200(100인 것이 바람직함) 표준 cm³의 용량을 가진다. 제어 루프는 캐소드 전압이 조작자가 설정한 수준에서 유지되도록 산소를 제어하도록 작용한다.

이 제어 시스템의 변형은 조작자에 의해 설정된 고정된 산소 유동을 사용한다. 타겟 전압 신호는 PID 제어기로 공급된다. 조작자는 전압 설정점을 PID 제어기로 입력한다. PID 유닛의 출력은 스퍼터 전원의 전류를 제어하여 타겟 전압을 소정 수준으로 유지한다. 이 시스템에서는 전류 상한값을 두는 것이 바람직하다.

2. 광방출 제어

글로우 방전으로부터의 광은 상기 원소로부터의 뚜렷이 날카로운 스펙트럼 방출선을 갖는다. 예로서, 마그네슘은 강렬한 384 및 518nm 선을 갖는다. 아르곤과 산소는 이들 파장 근방에 간섭이 거의 없다. 선의 방출의 강도는 방전에 존재하는 원소의 양을 나타낸다. 방전내의 타겟으로부터의 원소의 양은 스퍼터링 속도에 의존하며, 순차적으로 타겟의 산화도에 의존한다. 따라서, 방출선의 강도는 타겟 표면의 산화도에 대한 간접적인 척도가 될 수 있다.

배플 구조는 글로우로부터의 직접적인 광만을 통과시키며, 코팅이 적층됨에 따라 반사율이 변화될 수 있는 다른 면이나 기판 등의 디동 표면으로부터 반사되어나온 빛을 통과시키지는 않는다. 이 직접광은 공기 윈도우와 그다음의 스펙트럼 필터(즉, 마그네슘에 대하여 518nm)를 통과하며, 상기 스펙트럼 필터는 채색된 유리나 박막 간섭 필터 일 수 있으나, 박막 간섭 필터인 것이 바람직하다. 모노크롬마그네틱 광은 대략 1cm²의 면적을 가진 실리콘 p.i.n.(p-형 Si, 인트린식(intrinsic) Si, n-형 Si) 포토 검출기를 자극한다. 더낮은 전류 신호는 전류 대 전압 트랜스앰플리파이어(일반적으로 나노앰프 단위의 낮은 입력-임피던스 피코앰프메터(picoampmeter))에 의해 증폭되고, 그후, PID 제어기로 공급된다. PID 제어기로부터의 출력은 가스 유동 비율 제어기로 들어가며, 상기 가스 유동 비율 제어기는 각각 100 표준 cm³의 용량을 가진 하나 내지 10개(두개인 것이 바람직함)의 산소 밸브를 제어한다. 산소 유동은 스펙트럼선 광을 설정된 강도로 유지하도록 제어된다.

전압 및 광 방출 제어 시스템에 있어서, 두개의 진공 펌프가 증착 영역의 각 측면상에 대칭으로 위치되며, 상기 진공 펌프는 스퍼터 챔버에서 각각 대략 초당 1000 내지 5000 리터(2000인 것이 바람직함)의 펌핑 속도를 갖는다. 기계적으로 장착된 마그네슘 판을 가진 146cm 길이의 타겟에 대하여, 스퍼터 전류는 일반적으로 4 내지 20 암페어(12 암페어인 것이 바람직함)이다. 산소 제어 밸브는 스퍼터 챔버에 인접하게(30cm 이내) 배치되고, 상기 챔버 입구는 캐소드에 인접하게(50cm 이내) 배치된다. 상기 가스 입구는 캐소드의 일측면을 따라 균일하게 이격되어 있다. 선택된 조건하에서의 결과적인 가스 유동은 대략 총 45 표준 cm³의 산소와 180 표준 cm³의 아르곤이다. 물론 이들 값은 진공 펌프, 챔버 형상 등에 대한 가스 입구의 위치에 따라 광범위하게 변화될 수 있고, 캐소드 길이, 전력, 타겟 재료에 의해서도 변화된다.

3. 높은 가스 유동 제어

상술한바 보다 덜 바람직한 세번째 제어 방법은 높은 매우 높은 펌핑 속도의 진공 펌프와 보다 높은 반응성 가스 유동을 사용하는 것이다. 이 시도는 반응성 공정에 잘 공지되어 있는 히스테리시스와 기체 제거의 효과를 억제한다. 이 제어 시스템은 상술한 바 보다 대략 세배정도 많은 가스 유동이 필요하다. 매우 높은 속도의 펌프의 작동 비용과 높은 원가는 일반적으로 상술한 피드백 제어 시스템이 보다 비용의 측면에서 효과적이되게 한다.

Claims (29)

1. 타겟 접촉면을 구비한 타겟 홀더와, 기판 접촉면을 구비한 기판 캐리어와, 상기 타겟 홀더에 인접하게 위치되어 하나 이상의 침식 경로를 한정하는 하나 이상의 자장을 형성하는 복수개의 자석을 포함하는 스퍼터 증착 장치에 있어서,

   상기 타겟 접촉면으로부터 상기 기판 접촉면 까지의 거리를 상기 하나 이상의 침식 경로의 전체 폭으로 나눈 비율이 4 보다 큰 스퍼터 증착 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 비율은 7 보다 큰 스퍼터 증착 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 비율은 10 보다 큰 스퍼터 증착 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 비율은 15 보다 큰 스퍼터 증착 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 타겟 홀더에 부착되어 있고, 타겟 표면을 가지는 재료의 타겟을 추가로 포함하는 스퍼터 증착 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 스퍼터될 타겟의 표면에 근접하게 위치된 상기 타겟의 투자율보다 큰 투자율을 가진 하나 이상의 투자성 재료편을 추가로 포함하는 스퍼터 증착 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 하나 이상의 투자성 재료편은 상기 타겟 홀더에 인접하게 위치된 하나 이상의 자석과 정렬되는 스퍼터 증착 장치.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 투자성 재료편은 철, 니켈, 코발트 또는 그 합금들을 포함하는 스퍼터 증착 장치.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 투자성 재료편은 영구 자석 합금을 포함하는 스퍼터 증착 장치.
10. 제 6 항에 있어서, 상기 투자성 재료는 침식된 타겟의 표면에 적용될 단위 면적당 전력 밀도가 상기 자성 재료가 없는 상태의 전력 밀도 보다 증가되게 하는 스퍼터 증착 장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 증가된 전력 밀도는 타겟의 표면상의 블랙 노듈의 양을 감소시키는 스퍼터 증착 장치.
12. 타겟 접촉면을 가지는 타겟 홀더와, 기판 접촉면을 가지며 기판을 타겟 접촉면에 대해 상대적인 방향으로 이동시킬 수 있는 기판 캐리어를 포함하는 스퍼터 증착 장치에 있어서,

    상기 기판 접촉면에 대한 상기 타겟 접촉면의 가장 근접한 접근 거리는 31cm 이상인 스퍼터 증착 장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 타겟 홀더에 근접하게 배치된 하나 이상의 자석을 추가로 포함하고,

    상기 하나 이상의 자석은 대략 4cm 이하의 폭을 갖는 타겟 침식 경로를 한정하는 자장을 발생시키는 스퍼터 증착 장치.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 타겟 홀더에 근접하게 배치된 복수개의 자석을 추가로 포함하고,

    상기 복수개의 자석은 복수개의 타겟 침식 경로를 한정하는 복수개의 자장을 가지며,

    상기 복수개의 타겟 침식 경로는 상기 타겟 홀더에 대한 상기 기판 캐리어의 이동 방향으로 대략 8cm 이하인 전체 폭을 갖는 스퍼터 증착 장치.
15. 제 12 항에 있어서, 상기 타겟 접촉면으로부터 상기 기판 접촉면 까지의 거리는 대략 41cm 이상인 스퍼터 증착 장치.
16. 제 12 항에 있어서, 상기 타겟 접촉면으로부터 상기 기판 접촉면 까지의 거리는 대략 46cm 이상인 스퍼터 증착 장치.
17. 제 14 항에 있어서, 상기 복수개의 타겟 침식 경로는 대략 6cm 이하의 전체 폭을 갖는 스퍼터 증착 장치.
18. 제 14 항에 있어서, 상기 복수개의 타겟 침식 경로는 대략 4cm 이하의 전체 폭을 갖는 스퍼터 증착 장치.
19. 제 14 항에 있어서, 상기 복수개의 타겟 침식 경로는 대략 3cm 이하의 전체 폭을 갖는 스퍼터 증착 장치.
20. 타겟 홀더에 근접하게 둘 이상의 자석을 위치시켜서 상기 둘 이상의 자석 사이에 하나 이상의 폐쇄 자장을 형성하여 하나 이상의 침식 경로를 한정하는 단계와, 스퍼터 증착 챔버내의 타겟 홀더에 스퍼터될 재료로 구성된 표면을 갖는 타겟을 부착하는 단계와, 타겟과 아노드 사이에 전위를 형성하는 단계와, 반응성 스퍼터링 분위기를 형성하는 단계와, 반응적으로 코팅될 표면을 가지는 기판을 상기 스퍼터 증착 챔버내로 도입하는 단계를 포함하는 반응성 스퍼터 증착 가공 방법에 있어서,

    상기 타겟 표면으로부터 상기 기판 표면 까지의 거리를 상기 하나 이상의 침식 경로의 전체 폭으로 나눈 비율은 4 보다 큰 스퍼터 증착 가공 방법.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 비율은 7 보다 큰 스퍼터 증착 가공 방법.
22. 제 20 항에 있어서, 상기 비율은 10 보다 큰 스퍼터 증착 가공 방법.
23. 제 20 항에 있어서, 상기 타겟의 투자율보다 큰 투자율을 가진 하나 이상의 투자성 재료편을 상기 타겟 표면에 인접하게 위치시키는 단계를 추가로 포함하는 스퍼터 증착 가공 방법.
24. 제 23 항에 있어서, 상기 하나 이상의 투자성 재료편을 상기 둘 이상의 자석 중 하나와 정렬시켜 침식 경로의 에지를 한정하는 단계를 추가로 포함하는 스퍼터 증착 가공 방법.
25. 타겟을 구비한 타겟 홀더와 기판 증착 영역을 포함하고, 상기 타겟상에 침식 영역을 한정하는 하나 이상의 자장을 형성하는 복수개의 자석이 상기 타겟 홀더에 인접하게 배치되어 있는 스퍼터 증착 장치에 있어서,

    기판 코팅 영역에 대한 전체 침식 영역의 비율은 4 보다 큰 스퍼터 증착 장치.
26. 제 25 항에 있어서, 상기 타겟 침식 영역에 대한 기판 코팅 영역의 비율은 7 보다 큰 스퍼터 증착 장치.
27. 제 25 항에 있어서, 상기 비율은 10 보다 큰 스퍼터 증착 장치.
28. 제 25 항에 있어서, 상기 비율은 15 보다 큰 스퍼터 증착 장치.
29. 제 25 항에 있어서, 상기 타겟에 근접하게 배치된 아노드를 포함하고,

    상기 아노드에 의해 수집된 스퍼터 재료가 실질적으로 금속성이며, 실질적인 전기 도전성인 상태로 남아있게 되는 스퍼터 증착 장치.