KR20010042128A - 2축으로 텍스처된 코팅의 침착 방법 및 장치 - Google Patents

2축으로 텍스처된 코팅의 침착 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

특별히 조정된 각도 하에서 활성입자에 의한 침착중 충격에 의해 2축 텍스처링이 유도되는 2축으로 텍스처된 코팅의 제조에 대한 침착방법 및 장치가 기술되었다. 기판(6)상에 2축으로 텍스처된 코팅의 침착방법은 침착될 재질의 플럭스와 조정가능한 방향을 갖음으로써 기판(6)상의 입사각을 조절할 수 있는 활성입자의 플럭스 모두를 생성하는 하나 이상의 마그네트론 스퍼터링 장치(1)를 이용한다. 마그네트론 스퍼터링 장치(1)는 침착될 재질과 함께 활성입자의 빔(5)을 발생하고, 상기 빔(5)은 2축으로 텍스처된 코팅이 기판(6)상에 침착되는 방법으로 조정된 각도하에서 기판(6)으로 향하도록 상기 소스가 조정된다.

Description

2축으로 텍스처된 코팅의 침착 방법 및 장치{Method and apparatus for deposition of biaxially textured coatings}
2축으로 텍스처된 코팅은 2개의 결정학적 방향이 인접 입자들(grains)과 평행한 코팅이다. 기판표면에 대해서 90°이하의 각도 아래로 침착시에 유도된 활성입자의 플럭스(flux)가 코팅시에 2축 텍스처링을 유도할 수 있는 것은 알려져 있다. 또한, L.S.Yu, J.M.Harper, J.J. Cuomo 및 D.A. Smith, J.Vac.Sci.Technol.A4(3).p.433, 1986, R.P.Reade, P. Berdahl, R.E.Russo, S.M. Garrison, Appl.Phys, Lett. 61(18), p.2231, 1992. N.Sonnenberg, A.S.Longo, N.J.Cima, B.P.Chang, K,G.Ressler, P.C.Mclntyre, Y.P.Liu, J.Appl.Phys.74(2), p.1027, 1993, Y.ijima, K.Onabe, N.Futaki, N,Tanabe, N.Sadakate, O.Kohno, Y.IKeno, J.Appl.Phys.74(3), p.1905. 1993. X.D.Wu, S.R.Foltyn, P.N.Arendt, D.E.Peterson, High Temperature Superconducting Tape Commercialization Coference, Albuquerque, New Mexico, July 5-7, 1995 에서 알려진 바와 같이 침착될 재질의 결정구조에 따라서 2축 텍스처링의 가장 높은 정도(degree)가 되는 활성입자에 대한 최적의 입사각이 있게 될 것이다.
2축으로 텍스처된 코팅을 준비하기 위한 몇몇 침착방법이 기술되어고 있다. 이들 침착방법의 중요한 결점은 침착되는 재질의 서플라이(supply)와 활성입자의 플럭스가 별개의 소스(source)에 의해 발생된다는 것이다. 이것은 소스 모두가 동일한 진공 챔버내에 있는 것을 요구한다. 이것은 양립작업을 이루기 위한 조작범위에서 어떤 절충을 요구하는 소스 사이에서 상반성을 일으킨다. 일반적으로 이온소스(ion source)는 기판을 향하는 조정된 각도와 기판상에서 글로잉(growing)하는 코팅 아래로 유도된 활성이온의 플럭스를 발생하는데 사용된다. 다른 침착장치(예를 들어 이온 빔 스퍼터링, 펄스 레이저 침착, e-빔 침착, 마그네트론 스퍼터링(상기 참조))가 침착될 재질을 발생시키는데 사용되고 있다. 이것은 침착될 재질의 발생과 활성입자의 플럭스에 대한 두 가지 별개 소스를 필요로하며, 숙달하기 더 어렵고, 조정하기 더 어렵고, 광범위한 용도에 덜 적합하며, 더 많은 비용이 드는 침착방법을 일으킨다.
플라즈마 어시스트 침착방법(plasma assisted deposition)을 이용하는 침착중에 활성입자 충돌(예를 들면 이온에 의한)로 재질을 침착하는 효과적인 방법이 기술되고 있다. 이들 플라즈마 어시스트 침착방법 또는 이온 어시스트 침착방법은 코팅의 밀도를 증대시키고, 코팅의 강도를 증대시키고, 코팅에 있어 압력을 증대시키고, 코팅에 있어서 광특성 등에 영향을 미치는데 광범위하게 사용되고 있다. 이들 목적을 위한 마그네트론 스퍼터링 장치의 사용이 서술되어 있다. 또한, 마그네트론 스퍼터링 소스의 능률은 자기장 형상을 변경함으로써 크게 영향을 받을 수 있는 것이 기술되어 있다. 예를 들어, W.D. Sproul은 재료과학 및 공학(Material Sciences and Engineering) vol. A136, 페이지 187(1993)에서 자기장 형상을 변경함으로써 기판의 활성입자의 밀도를 증대시키는 방법을 기술하고 있다. Applied Physics Letters, vol.62, 페이지 528(1993)의 Savvides 및 Katsaros와 Applied Physics Letters, vol.70, 페이지 2816(1997)의 S.Gnanarajant 등은 기판 및 글로잉 코팅에서 활성입자 충돌을 감소시키는 방법을 기술한다. 그러나 이러한 모든 방법에 있어서는, 기판상의 활성입자의 방향과 입사각의 조정은 기술하고 있지 않기 때문에 2축 텍스처링에는 적합하지 않다.
이온 어시스트 침착용 불균형 마그네트론의 사용이 다른 응용으로 기술되고 있다.(Window,J.Vac.Sci.Technol.A7(5),p.3036,1989,및B.Window,G.L.Harding,j.Vac.Sci.Technol.A8(3),p.1277,1990 참조)
따라서, 간단한 장비를 포함하는 2축으로 텍스처된 코팅 침착방법 및 장치가 요구된다. 이러한 방법 및 장치는 이상적으로는 마스터 및 제어하기 용이해야 하며 광범위하게 응용하는데 적합해야 한다. 본 발명 이전에는, 침착될 재질 및 활성입자의 흐름에 대해서 단일 소스를 이용하는 이러한 2축 텍스처용 방법 및 장치는 존재하지 않았다.
따라서, 본 발명의 목적은 보다 간단하게 실행하고 조정하는 2축으로 텍스처된 코팅을 침착하는 방법 뿐만 아니라 이러한 방법을 실행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 특별히 조정된 각도하에 활성입자에 의한 침착중 충격에 의해 2축 텍스처링(texturing)이 유도되는 2축으로 텍스처(texture)된 코팅의 침착방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일시예에 따른 평면 마그네트론 스퍼터링 소스의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일시예에 따른 회전하는 캐소드 마그네트론 스퍼터링 소스의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일시예에 따른 평면 및 회전하는 마그네트론 스퍼터링 소스의 자계선들(magnetic field lines)의 개략도이다.
도 4a-4d는 본 발명의 어느 한 실시예가 사용될 수 있는 정전기 편향 실드들(shields)의 개략도이다.
도 5 및 6은 본 발명의 실시예에 따른 복수 평면 및 회전하는 캐소드 스퍼터링 소스의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면 마그네트론 스퍼터링 소스의 개략도이다.
본 발명은 침착될 입자와 2축 텍스처링을 유도하는 활성입자의 유도된 플럭스 모두의 소스로서 하나 이상의 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 기판상에 2축으로 텍스처된 코팅을 침착하는 방법을 제공한다.
본 발명은 스퍼터 가스를 포함하는 불균형 마그네트론의 사용과 기판상에 타겟 재질을 스퍼터링하기 위한 타겟을 또한 포함함으로써 2극성 확산에 의해 실질적으로 스퍼터 가스의 이온으로 이루어진 이온 빔을 발생한다.
본 발명은 침착될 재질의 플럭스와 조정가능한 방향을 가지는 활성입자의 플럭스 모두를 발생하는 하나 이상의 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 기판 상에 2축으로 텍스처된 코팅을 침착하여 기판상의 입사각을 조절할 수 있는 방법을 또한 제공한다.
본 발명은 2축으로 텍스처된 코팅이 기판상에 침착되는 이러한 방법으로 조정되는 각도 아래에서 기판을 향해서 침착될 재질과 함께 활성입자의 빔을 발생하는 마그네트론 스퍼터 소스를 또한 포함한다.
기판 상에 코팅을 텍스처링 하는데 사용되고 코팅을 형성하기 위해 기판상에 입자를 침착하는데 또한 사용되는 이온 빔에 대해서는 단일 소스를 이용함으로써, 이들 2개의 다른 빔에 대해서 하나의 진공 챔버내에서 다른 소스 사이의 상반성(incompatibility)을 갖는 문제는 제거된다.
독립항들은 본 발명의 종속 실시예를 더 포함한다. 이제 본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 기술된다.
본 발명은 일정한 실시예와 일정한 도면을 참조해서 설명되지만 본 발명은 여기에 한정되는 것은 아니며 청구항에 의해서만 한정된다.
이하에서 상세하게 기술되는 본 발명에 따른 2축으로 텍스처된 코팅을 침착하는 방법은 코팅 정지기판, 회전기판, 일단의 기판 및 연속적인 코팅처리에 사용될 수 있다. 마그네트론 스퍼터링 장치 또는 장치들은 예를 들면 평면 원형 타겟 또는 평면 직각 타겟 또는 회전장치를 갖는 마그네트론을 적합하게 스퍼터링하는데 사용될 수 있다. 진공 챔버, 타겟을 장착 및 냉각시키는 장치, 타겟 캐소드를 전원 공급기에 전기적으로 접속하는 장치, 스퍼터링 장치의 일정한 부분의 원하지 않은 스퍼터링을 방지하고 원호(arcing) 등을 방지하기 위한 그라운드 실드(ground shield)와 같은 침착시스템을 구성하고 조작하기 위해 필요한 다른 구성요소들과 스퍼터링 장치들의 기판장착 및/또는 기판 이동의 일반전인 양태는 이 기술분야에 숙련된자들에게 잘 알려져 있다. 따라서, 이들 구성요소는 여기에서 상세히 설명하지 않는다. 이 기술에 숙련된자들은 예를 들면 스퍼터 청소, 글로우 방전(glow discharge)에 대한 노출, 전자 사이클로트론 공진 플라즈마 또는 다른 방법으로 생성된 플라즈마에 대한 노출, 진공내에서 가열 등에 의해 청소 침착전에 기판을 청소할 필요성을 알게 될 것이다.
평면 마그네트론 스퍼터링 장치(1)에 대해서 도 1에 개략적으로 도시한 바와 같이, 타겟(3) 재질은 그 일측에 자석 어셈블리(magnet assembly)(2)를 갖는 진공 챔버(도시 생략)에 위치되며 스퍼터 코팅될 기판(6)은 그 타측에 위치된다. 진공 챔버의 공기에는 아르곤과 같은 스퍼터링 가스가 포함될 수 있고 반작용 스퍼터링이 실행될 때 산소 또는 질소와 같은 반작용 가스가 또한 포함될 수 있다. 기판(6)은 정지판이거나 이동 재질의 조각일 수 있다. 타겟(3) 재질은 예를 들면 진공챔버로부터 영향을 받지 않는 워터 서킷(water circuit)(도시 생략)에 의해 냉각될 수 있다. 전원 공급기(도시생략)의 음극은 타겟(3)에 접속된다. 타겟(3) 위쪽의 교차전극과 자기장의 결합은 타겟(3) 위쪽의 플라즈마(4)를 발생한다. 일반적으로 플라즈마(4)는 자석 어셈블리(2)의 자석 어레이(8,9)에 의해 발생된 고자기장 영역에 있다. 도시한 바와 같이 자석 어셈블리(2)에는 타겟(3)으로 향하는 하나의 극성(N극 또는 S극 중 어느 하나)을 갖는 중심 자석 어레이(9)와 타겟(3)으로 향하는 다른 극성(S극 또는 N극)을 갖는 외부 자석 어레이(8)가 포함될 수 있다. 타겟(3)이 원형이면, 자석 어레이(8,9)는 원형으로도 될 수 있다. 자석 어레이(8,9)는 연질 자성재질 키퍼(soft magnetic material keeper)(7) 예를 들면 연철(soft iron)에 위치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 회전하는 캐소드 마그네트론 스퍼터링 장치(1)의 개략도이다. 일반적으로 원통형 타겟(3)은 상기 기술된 바와 같이 스퍼터링 가스 또는 가스들을 갖는 진공챔버(도시 생략)내에 설치된다. 자석 어셈블리(2)는 타겟(3)내에 설치되며 타겟(3)과 자석 어셈블리(2) 사이의 반작용 작동을 발생하는 수단이 또한 설치된다. 일반적으로 타겟(3)은 회전되며 자석 어셈블리(2)는 정체되어 유지된다. 전원공급기(도시 생략)는 음극 전위에서 타겟(3)을 유지한다.
자석 어셈블리(2)의 자석 어레이(8,9)는 타겟(3)의 내부면에 가깝게 위치되어 타겟(3) 위쪽의 자기장을 발생한다. 교차된 전기장을 갖는 이들 자기장은 일반적으로 타겟(3) 위쪽에 "레이스-트랙(race-track)" 형태로 플라즈마(4)를 발생한다. 타겟(3)의 맞은편과 진공챔버내에는 기판(6)이 위치된다. 기판(6)은 정지판 또는 이동 재질의 조각일 수 있다.
상기 기술된 본 발명의 목적을 이루기 위해서, 마그네트론 스퍼터링 장치(1) 및 기판(6)은 도 1 또는 도 2에 개략적으로 나타낸 바와 같이 2축 텍스처링의 최대 정도가 주어지는 특정한 각도(α) 하에 기판(6)으로 향하는 마그네트론 스퍼터링 장치(1)로부터 나온 활성입자의 플럭스를 갖으면서 형성될 수 있다.
각도(α)는 침착되는 재질에 달려있다. 예를 들어, 코팅에 있어서 큐빅(cubic) 재질에 대해서, α는 거의 54.74°와 같다. 활성입자의 플럭스(5)는 실질적으로 이 플럭스(5)을 제공할 뿐만 아니라 텍스처될 기판(6)상에 코팅을 스퍼터하는 스퍼터링장치(1)에 의해서만 발생된다. 플럭스(5)는 타겟재질로부터 어떤 이온이 실질적으로 없는 상태일 수 있다. 플럭스(5)는 실질적으로 이온화된 가스 원자 또는 분자 예를 들면 스퍼터 가스로 구성할 수 있다.
마그네트론 스퍼터장치로 부터 활성입자의 유도된 플럭스(5)는 타겟(3)에서 방출된 2차 전자들과 플라즈마(4)에서 발생된 전자들로 하여금 기판(6)을 향해 자계선을 따라 이동시키고 그 결과 2극성 확산을 통해서 활성이온의 유도된 플럭스(5)가 기판(6)을 향하게 하는 불균형 자석 어셈블리(2)를 이용함으로써 얻어진다. 균형 마그네트론에 있어서는, 자석 어셈블리의 한 극성을 떠난 대부분의 자계선은 자석 어셈블리의 반대 극성에서 모아진다. 불균형 마그네트론에 있어서는, 일극성으로부터의 자계선 일부는 다른 극성에서 모아지지 않는다. 불균형은 다양한 방법 예를 들면 강도가 다른 자석을 이용함으로써, 크기가 다른 자석을 이용함으로써, 어셈블리 극성중 하나에 가깝게 반대 극성의 자석을 놓아 자석 어셈블리의 일부를 약화시킴으로써, 극성중 하나에 가깝게 필적하는 전자석을 위치시킴으로써 이루어질 수 있다. 도 3a 또는 3b에서 마그네트론 스퍼터링 장치(1)의 자석 어셈블리(2)를 개략적으로 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라서 평면(도 3a) 또는 회전 캐소드(도 3b) 중 어느 하나는 자석 어셈블리(2)에 있어서 외측 자석 어레이(8)로부터 방출되는 다수의 실질적인 자계선(11)이 기판 표면을 가로지는 방법으로 형성된다. 이것은 내측 자석 어레이(9)와 비교해서 현저하게 더 강한 자석 어레이(8)에 의해 이루어질 수 있다. 이러한 방법으로 불균형 마그네트론 스퍼터링 장치(1)의 결과는 내측 자석 어레이(9)에서 모아지는 것이 아닌 외측 자석 어레이(8)의 자계선(11)에 의해 한정되는 3차원용적(three-dimensional volume)(12)을 생성한다. 프라즈마(4)로부터의 일부 전자들은 자계선(11)으로 흐름으로써 그 전자들에 의해 높은 에너지의 정이온, 전형적으로 가스 주위의 이온의 흐름을 또한 "지연"시킨다. 이러한 흐름을 2극성 흐름이라 부른다. 플럭스(5)는 용적(12) 안쪽 및 주위의 기판(6)을 향하게 되어 정상적인 스퍼터링 작용에 의해 기판(6)상에 스퍼터 되는 코팅을 텍스처할 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따라서 플럭스(5)는 한정 가능한 방향을 갖게된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판을 향하는 자계선(11)을 따르는 전자에너지는 중요한 이온화를 일으키는 것은 바람직하지 않다. 특히, 플럭스(5)내의 전자가 기판(6)의 표면에서 또는 기판(6)의 표면과 가까운데서 중요한 플라즈마를 일으키지 않거나 지지하지 않는다면 바람직하다. 중요한 플라즈마는 플럭스(5)내의 높은 에너지 이온의 방향성을 방해하는 플라즈마를 의미하는 것으로 이것은 코팅의 표면 텍스처를 유도한다. 이 코팅의 텍서처링을 허가하는 침착된 코팅의 결정구조는 이 방향성과 그 관계에 있다. 그러므로, 본 발명에 따라서 발생된 이온빔은 한정된 각도에서 기판(6)에 부딪쳐야 한다. 플럭스(5)내의 전자 에너지는, 바람직하게는 30eV이상, 좀 더 바람직하게는 50eV이상 그리고 가장 바람직하게는 50 ∼ 70eV가 되는 것이 기대된다. 방해 플라즈마가 기판표면에서 발달되면, 그 효과는 마그네트론 스퍼터링 장치(1)의 불균형 각도를 변경하여 줄어들게 됨으로써 입자에너지 특히 플럭스(5)내의 전자가 감소하게 된다.
도 4a ∼도 4d에서 개략적으로 나타낸 바와 같이, 불균형 마그네트론 스퍼터링 장치(1)로부터 활성입자의 유도된 플럭스(5)는 자계선(11)을 따라서 이동함으로써 기판(6)에 도달하는 다수의 전자들을 증가시키는 정전기 편향 실드(13)를 이용함으로써 확대될 수 있다. 편향 실드(13)는 전자를 반발하기 위해서 음전위로 유지되는 것이 바람직하다. 편향 실드(13)는 영역(12)내로 너무 깊이 연장되지 않는 것이 바람직하다. 그렇지 않으면 이들은 플럭스(5)내에 정이온을 트랩(trap)해야 한다. 이러한 편향 실드 형상의 일부 예들은 평면 마그네트론 형상의 단부에 있어서 도 4에 개략적으로 나타내었다. 예를 들면, 도 4a에 있어서 타겟(3)에 대해 일정한 방향으로 향하는 수직 실드(13)가 사용될 수 있다. 타겟(3)이 원형 타겟이라면, 실드(13)는 원통형으로 형성될 수 있다. 도 4b 및 4c에 있어서 실드(13)는 각각 단부에서 "V"형이거나 기판을 향해 안쪽으로 기울어져 형성된다. 이러한 실드(13)는 기판(6)을 향해서 넓은 궤도를 갖으면서 어떤 전자를 채널링(channeling) 하는데 도움을 준다. 선택적으로, 실드는 도 4d에 개략적으로 나타낸 바와 같이 외부로 기울어 질 수 있기 때문에 타겟(3)에 가깝게 흐르는 전자를 집중한다. 도 4a ∼ 4d에 나타낸 편향 실드(13)는 회전 마그네트론 장치로도 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2에 개략적으로 나타낸 형상에서 기판(6) 상의 코팅 침착의 어떤 불균등성은 동일한 진공 챔버내에서 다수의 불균형 마이크론 스퍼터 장치(1)를 이용함으로써 극복될 수 있다. 이들 각각의 장치들로부터 활성입자의 플럭스(5)는 그것이 경쟁되는 텍스처 처리를 피하기 위해서 동일한 각도(α)로 도달하도록 유도되어 있다. 2개의 불균형 마그네트론 스퍼터링 장치(1)를 갖는 본 발명의 실시예를 평면 마그네트론에 대해서는 도 5에, 회전 캐소드 마그네트론에 대해서는 도 6에 개략적으로 나타내었다.
이 구성에 있어서, 마그네트론 스퍼터링 장치(1)의 표면기판에 대한 노멀(normal)과 타겟(3)에 대한 2개의 노멀들은 동일한 평면이다. 2개이상의 불균형 마그네트론 스퍼터링 장치(1)가 사용되면, 그 형상은 기판(6)상의 글로잉 코팅(glowing coating) 재질의 결정구조와 원하는 2축으로 텍스처된 구조로 결정될 것이다. 4개의 장치를 가지고, 예를 들면 기판 노멀에 대해서 수직인 (100)축과 인접 그레인에 평행한 다른 결정학적 축(예를 들어 111 또는 110)을 갖는 2축으로 텍스처링 하는 큐빅 재질에 대해서, 2개의 불균형 마그네트론 장치는 타겟(3)의 표면에 대해 노멀로 형성된 평면과 2개의 원래 장치의 대응 평면에 수직이되는 기판(6)을 가지면서 상기 도 5, 6의 형상에 부가될 수 있다.
큐빅 결정학적 구조를 갖는 재질에 대해서, 예를 들면 활성입자에 대한 기판 표면 노멀에 관해서 최대 입사각은 2제곱근의 역탄제트(inverse tangent)와 같고 이것은 기판 표면에 대해 수직 코팅으로 모든 그레인의 결정학적 (100)평면과 코팅에 있어 인접한 그레인과 평행인 다른 결정학적 방향(예를 들면 111)을 갖는 2축 텍스처링을 얻기 위해서 거의 54.74˚가 된다.
기판(6)을 향하도록 유도된 활성입자의 플럭스(5)에 영향을 주기 위해서 부가 자석(10)이 기판(6) 뒤에 놓인 본 발명의 다른 실시예를 도 7에 개략적으로 나타내었다. 도 7에 나타낸 구성을 이용하여, 타겟(3) 뒤의 외측 자석 어레이(8)에서 발산된 자계선은 기판(6) 뒤의 자석(10)에 도달하게 될것이며 자기장이 더 집중될 것이다. 이것은 플라즈마 플럭스를 집중시키고 플라즈마 플럭스의 방향을 더 조정시킨다. 이 형상에 있어서 기판(6) 뒤의 자석(10)의 부가는 기판(6)에서 자기장을 증가시키게 한다. 자기장의 이러한 증가는 전자의 선회속도를 증가시키는데 이것은 자계선에 평행한 감소속도에서의 에너지 보존 때문이다. 또한 이것은 2극성 확산에 따라서 지연되는 다수의 전자이온을 감소시킨다. 또한 이들 이온 에너지도 감소된다. 필요한 활성입자량과 특정한 코팅의 2축 텍스처링을 이루기 위해 필요한 에너지에 의거해, 기판(6) 뒤의 이러한 부가 자석(10)은 본 발명의 실시예 따라서 미세-조정(fine-tune) 2축 텍스처링에 사용될 수 있다. 자석(10)은 조정 가능한 전자석이 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서 불균형 마그네트론 스퍼터링 장치로부터의 활성입자의 플럭스를 갖는 실험이 실행되어 있다. 실험 중에, 도 1에 나타낸 것과 동일한 스퍼터 소스가 사용된다. 자석 어레이는 외측 자석 어레이(8)의 자석 플럭스가 내측 자석 어레이(9)의 자석 플럭스보다 훨씬 높게되는 방법으로 형성된다. 이렇게 하여 기판(6)을 가로지르는 외측 자석 어레이(8)에서 발산하는 자계선을 갖는 강한 불균형 마그네트론이 이루어진다. 이하에 기술된 바와같이, 이 자기장 형상은 기판(6)을 향하는 활성입자의 플럭스를 발생 시켰다. 3개의 다른 자석 어레이들, 즉 외측 자석플럭스와 내측 자석 플럭스의 비율이 9/1인 것과, 비율이 4/1인 것과 비율이 2/1인 것이 조사된다.
타겟(3)에서 그리고 플라즈마(4)에서 발생된 전자는 자계선 주위를 선회하고 기판(6)을 향하는 이들 자계선을 따라서 유도된다. 2극성 확산에 의해, 이온들이 지연되고 이온들의 유도된 플럭스와 중성자(이온들의 중성화로부터 나온)가 발생된다. 또한 2극성 확산에 의거하는 전자 사이크로트론 공진 플라즈마(Electron Cyclotron Resonance Plasma)에서 페러데이 컵(Faraday cup)을 갖는 측정으로부터, 자기장의 기울기와 총 가스압력에 의거해, 이들 이온들(및 중성 입자들)은 10eV로부터 70eV까지의 에너지를 이룰 수 있다. ECR플라즈마를 갖는 시각적 관찰과 유사하게, 발광 플라즈마 플럭스는 불균형 마그네트론으로 관찰될 수 있다. 이 플라즈마 플럭스의 형태는 자계선 패턴과 분명히 대응되고 3개의 다른 자석 어레이에 대해서 3개의 다른 형태가 관찰된다.
높은 불균형 마그네트론(비율 9/1)을 갖으면서, 활성입자의 유도된 플럭스가 이루어지며 자계선을 따라서 이동하는 전자들은 가스원자를 바로 이온화한 것보다 더 이온화 되었다. 다른 구성을 가지는 금속 Zr + Y레이어들의 침착속도의 측면 분배에 대한 총 가스 압력의 영향이 조사되었다. 이들 실험중에 RF스퍼터링은 100Watt의 입력전원과 50mm의 타겟-기판 간격과, 0.2Pa 및 0.7 Pa 사이의 아르곤-압력과 기판 가열 또는 기판 냉각이 없이 실행되었다. 이들 실험을 위해서 유리 기판이 사용되었다. 자석 플럭스에 대해서 2/1의 비율을 갖는 형상에 있어서, 침착속도는 0.7Pa로부터 0.2Pa 까지의 총 가스 압력을 줄임으로써 약 ∼10%정도 감소되었다. 측면 분배는 가스 압력의 기능 때문에 변경되지 않았다. 그러나 9/1의 자석 플럭스 비율을 갖는 구성의 경우에 있어서 침착속도는 기판의 가장자리(∼15%)에서보다 기판의 중심(∼35%)에서 압력을 줄임으로써 더 많이 감소되었다. 이것은 중심에서 글로잉 필름(growing film)의 재스퍼터링이 발생하는 것을 의미한다. 가장 강한 재스퍼터링을 갖는 영역은 유도된 플라즈마 플럭스가 기판(6)에 도달하는 영역에 대응한다. 이들 실험은 플라즈마 플럭스에서의 입자 에너지가 재스퍼터링을 일으키기에 매우 충분한(아마도〉 50eV) 것을 나타낸다.
활성입자의 플럭스의 방향성 때문에, 조정된 각도 아래에서 글로잉 필름에 대한 활성입자의 입사가 조사될 수 있다. 이들 실험은 50 및 25Watt 사이의 입력전원을 갖는 DC 및 RF스퍼터링 모두로 실행되었다. 타겟-기판 간격은 6.5cm 및 13.5cm 사이에서 변경된다. 약 150 sccm Ar 과 10 sccm O2의 혼합 가스는 약 0.4Pa의 총 가스압력에서 사용되었다. 이트리아 안정화 지르코니아(Yttia Stabilized Zirconia)레이어들은 반작용 처리로 다른 구성을 갖는 금속 Zr + Y타겟(Zr/Y = 85/15에서 Zr/Y = 55/45까지)으로부터의 스퍼터링에 의해 침착된다. 대부분의 레이어들은 플라즈마 플럭스와 기판 노멀 사이에서 55˚각도로 침착된다. X-Ray 회절 극성 수 측정(Diffraction pole figure measurements)으로부터, 2축 텍스처링은 금속(NiFe, Ti, Fecralloy) 및 유리기판 모두에서 발생했다. 프시-각도(psi-angle)(평면 배향의 외부에대한 특성)에 대해서 ∼11°그리고 프시-각도(psi-angle)(평면 배향의 내부에대한 특성)에 대해서 ∼22°의 최대값 반으로 9/1전폭의 자기 플럭스 비율을 갖는 것이 유리 기판에서 얻어졌다. 2축 텍스처링 보다 적은 9/1비율과 금속기판을 갖는 것이 관찰되었다(FWHM psi∼25°/FWHM phi ∼30°=, 이것은 유리와 비교해서 보다 거친 표면에 의해 일어날 수 있다). 4/1의 자석 플럭스 비율에서 2축 텍스처링은 다소 감소되지만 훨씬 명확하게 나타난다.
타겟 기판 거리의 감소는 활성입자 충돌을 증가시킨다. 또한 DC스퍼터링 대신에 RF스퍼터링을 이용하는 것이 활성입자 충돌을 증가시킨다. 작은 타겟 기판 거리에서 그리고 높은 전원 RF스퍼터링에 의해, 격렬한 입자 충돌이 얻어지기 때문에 침착되는 레이어는 완전히 스퍼터 에치(sputter etched)되어 음(negative) 침착속도가 생긴다.
이들 실험은 기판을 향해서 조정된 각도 아래에서 지나치게 균형을 잃은 스퍼터 소스에 있어서의 2극성 확산에 의해 발생된 활성입자 플럭스를 유도하는 것에 의해 2축 텍스처링이 발생되는 것을 설명한다. 포함된 다른 파라미터를 조정함으로써, 처리를 최적으로 이용할 수 있고 수치화 과정(scalable process) 뿐만 아니라 상당히 높은 침착 속도로 고정도의 2축 텍스처링을 얻을 수 있다.

Claims (10)

  1. 침착될 입자와 2축 텍스처링을 포함하는 활성입자의 유도된 플럭스 모두의 소스로서 하나 이상의 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 기판상에 2축으로 텍스처된 코팅을 침착하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 침착될 재질의 플럭스와 조정가능한 방향을 갖는 활성입자의 플럭스 모두를 발생하는 하나 이상의 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 기판상에 2축으로 텍스처된 코팅을 침착함으로써 기판상의 입사각을 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 마그네트론에는 타겟이 포함되고 활성입자의 유도된 플럭스는 실질적으로 타겟 재질의 이온들이 없는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 마그네트론에는 스퍼터 가스와 타겟이 포함되고 활성입자의 유도된 플럭스는 실질적으로 스퍼터 가스로부터의 이온들로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마그네트론에는 타겟이 포함되고, 마그네트론을 불균형하게 하는 단계를 더 포함하여 타겟의 외측 부위에서 발생된 자기력 선속이 타겟의 내측 위치에서 발생된 자기력 선속과 다르게 되어 활성입자 플럭스의 2극성 확산을 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 침착될 재질과 함께 활성입자의 빔을 스퍼터링 작용으로 발생하는 마그네트론 스퍼터 소스에 있어서,
    2축으로 텍스처된 코팅이 기판에 형성되는 방법으로 조정된 각도 하에서 상기 빔이 기판으로 향하도록 상기 소스가 적용되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 소스.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 활성입자 빔 주위에 위치된 적어도 하나의 정전기 실드(electrostic shied)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 소스.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    타겟과 타겟의 내부 부위로 향해 위치되고 하나의 자석 극성 중 자기장을 발성하는 하나의 자석 어레이(magnet array)와 타겟의 외부 부위로 향해 위치되고 다른 극성의 자기장을 발생하는 다른 자석 어레이를 포함하는 자석 어셈블리(magnet assembly)를 더 포함하고, 외부 자석 어레이에 의해 발생된 자기력 선속이 내부 자석 어레이에 의해 발생된 자기력 선속과 다르게 되도록 상기 자석 어셈블리가 적용되어 2극성 확산에 의해 활성 입자의 빔을 발생하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 소스.
  9. 제 6항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소스는 평면 또는 회전 캐소드 마그네트론인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 소스.
  10. 제 6항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    활성입자의 빔으로부터 기판의 떨어진 측면에 위치한 자석 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 소스.
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