KR20010093512A - 금속 스퍼터 이온빔 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 진공챔버와; 상기 진공챔버 내에 설치되어 있는 금속타겟과; 상기 금속타겟을 둘러싸여 있어 접지 역할을 하는 절연쉴드와; 상기 금속타겟에 대해서 소정의 이격 거리를 두고 시편을 지지하는 시편지지부와; 상기 금속타겟과 상기 시편지지대에 전원을 각각 공급하는 전원공급부를 구비한 금속 스퍼터 이온빔(Metal Sputter Ion Beam)장치에 관한 것으로서, 상기 금속타겟에 인접하여 세슘가스를 분사하는 세슘가스공급부와, 상기 시편지지부 상의 시편을 향해 반응가스를 분사하는 반응가스공급부와, 상기 세슘가스와 상기 반응가스 분사영역 사이에 불활성가스로 이루어진 분위기 가스를 공급하는 분위기가스공급부를 가지고 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 증착속도가 높고, 양질의 금속 및 금속산화막을 얻을 수 있는 새로운 금속 스퍼터 이온빔 장치를 제공할 수 있다.

Description

금속 스퍼터 이온빔 장치{Metal Sputter Ion Beam System}
본 발명은, 진공챔버와; 상기 진공챔버 내에 설치되어 있는 금속타겟과; 상기 금속타겟을 둘러싸여 있어 접지 역할을 하는 절연쉴드와; 상기 금속타겟에 대해서 소정의 이격거리를 두고 시편을 지지하는 시편지지부와; 상기 금속타겟과 상기 시편지지대에 전원을 각각 공급하는 전원공급부를 구비한 금속 스퍼터 이온빔 장치에 관한 것이다.
일반적으로 화상표시장치(Plasma Display Panel: PDP)의 보호막으로서 적용되는 산화마그네슘(MgO)막을 형성하는 장치는, 높은 증착속도 때문에 전자빔(E-Beam) 방식이 널리 사용되어 왔다. 그런데 균일도(Uniformity)가 떨어지는 단점을 가지고 있기 때문에, 넓은 면적에 균일하게 산화막을 형성할 수 있는 기술로 직류 전압을 이용한 스퍼터링 방법인, 금속 스퍼터 이온빔 방식이 개발되었다. 이는 불활성 아르곤 가스를 매개체로 하여 DC 전압에 의해서 이온화된 아르곤 가스가 금속 타겟에 충돌하면서 생기는 금속이온이 기판에 증착되고, 이렇게 증착된 막질이 희석된 산소(O2)가스와 반응하여 산화됨으로써, 금속산화막인 산화마그네슘(MgO)막을 형성하는 원리이다. 이러한 금속 스퍼터 이온빔 방식은 넓은 화상표시장치의 판넬에서의 막질 균일성은 뛰어나지만, 막질 형성 속도가 느린 특성이 있다.
도 1은 종래의 금속 스퍼터 이온빔 장치의 구조를 나타내는 단면도이다. 도시된 바와 같이, 진공챔버(1)와, 진공챔버(1) 내에 위치한 금속타겟(4)과, 상기 금속타겟(4)에 대하여 일정거리 이격되어 시편(3)을 올려놓는 시편지지대(2)와, 진공챔버(1)에 분위기 가스인 불활성 가스(Ar)를 공급해주는 분위기가스공급부(8)와, 금속타겟(4)과 시편지지대(2)에 각각 전압을 공급하는 전원공급부(9)로 이루어져 있다.
상기와 같이, 종래의 기술은, 진공챔버(1) 내부를 진공상태로 유지하고, 전원공급부(9)에서 음극의 전압을 금속타겟(4)에 인가하면서, 불활성 가스인 아르곤을 공급하여 주면, 아르곤이 이온화 되어 Ar+가되고 이온이 금속타겟(4)에 충돌하여 금속이온이 방출된다. 방출된 금속이온은 금속타겟(4)과 시편지지대(2)에 인가된 DC 전압에 의해서 시편지지대(2) 쪽으로 가속이 되어 시편(3)에 증착하게 된다. 이때, 희석된 산소가스를 분위기가스인 아르곤과 함께 분위기가스분사관(10)을 통해 불어넣어 주면, 시편(3) 표면에 증착된 금속과 산소 가스가 반응하여 금속 산화막(MgO)을 형성한다. 그런데, 이렇게 주입되는 산소 가스는 그 유량이 많아지면 금속타겟에서의 산소와 금속이온이 반응하여 산화막 형성이 되면서 이로 인해 방전현상(arcing)이 발생한다. 따라서, 이를 방지하기 위해서, 소량의 희석된 산소가스만 공급 해야하므로, 증착속도가 매우 느리다.
따라서, 본 발명의 목적은, 상기의 문제를 해결하고자, 증착속도를 촉진시키는 세슘가스를 금속타겟 부분에 공급하고, 금속산화막 형성을 위해서 공급되는 산소가스를 시편지지대 쪽에 집중시키는 별도의 반응가스공급관과, 반응가스분사 영역과 세슘가스 분사영역을 분리하는 위치에 별도의 분위기가스공급관을 설치하여, 고증착율을 가진 금속 스퍼터 이온빔 장치를 제공하고자 한다.
도 1 은 종래의 금속 스퍼터 이온빔 장치의 단면도,
도 2 는 본 발명에 따른 금속 스퍼터 이온빔 장치의 단면도,
도 3 은 본 발명에 따른 반응가스공급관의 상세도,
도 4 는 세슘분사관로의 확대도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 진공챔버 2 : 시편지지대
3 : 시편 4 : 금속타겟
5 : 절연쉴드(종래 기술) 6 : 전극단자
7 : 영구자석 8 : 분위기가스공급부
9 : 전원공급부 10 : 분위기가스분사관
11 : 세슘가스분사관로 12 : 반응가스분사관
13 : 절연체 55 : 절연쉴드(본 발명)
71 : 세슘저장고 72 : 세슘가스연결관
81 : 분위기가스공급기 82 : 분위기가스연결관
91 : 반응가스(산소)공급기 92 : 반응가스연결관
상기 목적은, 본 발명에 따라, 진공챔버와; 상기 진공챔버 내에 위치한 금속타겟과; 상기 금속타겟과 대응하여 소정의 거리를 이격하여 위치한 시편을 올려놓는 시편지지부와; 상기 금속타겟과 시편지지부에 각각 전압을 공급하는 전원공급부를 구비한 금속 스퍼터 이온빔 장치에서, 상기 금속타겟에 인접하여 세슘가스를 분사하는 세슘가스공급부와, 상기 시편지지부 상의 시편을 향해 반응가스를 분사하는 반응가스공급부와, 상기 세슘가스와 상기 반응가스 분사영역 사이에 불활성가스로 이루어진 분위기 가스를 공급하는 분위기가스공급부에 의해 달성된다.
여기서, 상기 금속 스퍼터 이온빔 장치는, 상기 세슘가스공급부는, 세슘저장부와 상기 금속타겟으로부터 상기 시편지지부를 향해 소정거리 이격된 위치에서 상기 금속타겟을 향하는 다수의 분사공을 갖고 고리형으로 배치되는 분사관로와, 세슘저장부 사이를 분사관로로 연결하는 세슘공급관과, 상기 세슘공급관을 가열하는 가열장치와, 상기 절연쉴드는 상기 금속타겟의 둘레영역에서 상기 시편지지대를 향해 소정 길이 연장된 연장부를 가지며, 상기 분사관로는 상기 연장부에 수용되어 있는 것과, 세슘가스는 금속타겟의 판면에 수평하게 공급되는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 금속 스퍼터 이온빔 장치를 나타내는 단면도이다. 도시된 바와 같이, 진공챔버(1) 내부에 금속타겟(4)이 위치하고, 금속타겟(4)과 대하여 일정 간격의 거리를 두고 시편(3)을 올려놓는 시편지지부(2)가 있으며, 접지 역할을 하는 절연쉴드(55)가 금속타겟(4)을 둘러싸고 있다. 금속타겟(4) 이면에는 영구자석(7)이 중심에 한 개 그리고 그 주변을 둘러 원형으로 설치되어 중심에 있는 자석과 주변 자석들의 서로 반대의 극으로 배치되어 있고, 전원공급부(9)의 전극(6)과 연결되어 있다. 이 전극에서 인출된 도선은 인출부위에서 주변과 절연하기 위해서 절연체(13)로 둘러싸여 있고, 이 도선은 금속타겟(4)과 시편지지부(2)에 각각 전압을 공급할 수 있는 전원공급부(9)와 연결되어 있다. 금속타겟(4)을 둘러싸고 있는 절연쉴드(55)에는 금속타겟(4) 면상에 세슘가스를 분사할 수 있는 분사관로(11)가 수용되어 있다. 또한, 상기 세슘가스분사관로(11)에 세슘가스를 공급하기 위해서 세슘저장고(71)가 있고, 세슘저장고(71)와 세슘분사관로(11)를 연결하는 연결관(72)이 있다. 이 연결관(72)은 가스의 공급량을 조절하는 조절기(73)와 연결되어 있고, 세슘저장고(71)와 함께 가열장치(74)가 장착되어 있다. 진공챔버(1) 내의 분위기 가스를 공급하기 위해서 분위기가스공급기(가스봄베, 81)와 분위기가스분사구(82) 및 분위기가스공급기(81)와 분위기가스분사구(82)를 연결하는 분위기가스연결관(83)이 있다. 시편(3)을 올려놓는 시편지지대(2)와 소정의 거리를 이격하여 고리 모양의 반응가스공급관(12)이 있고, 이 관은 연결관(92)을 통하여 반응가스공급장치(91)에 연결되어 있다. 그리고, 상기의 분위기가스공급부의 가스분사구(82)는 반응가스 분사영역과 세슘가스 분사영역을 분리하는 중간 위치에 설치된다.
도 3은 반응가스공급관의 상세도이다. 도시된 바와 같이,반응가스공급관(12)의 분사구는 고리형으로 생겼고, 고리 주변으로 분사구가 형성이 되어 있는데, 이 분사구들은 가스를 시편(3)위로 집중 분사할 수 있도록 시편(3) 쪽으로 각도가 적당히 경사져 있다.
도 4는 도 2의 세슘가스분사관로 부분을 나타낸 확대도 이다. 도시된 바와 같이, 절연쉴드(55)에 있는 세슘가스분사관로(11)는 금속타겟(4) 면에서 소정 거리 시편지지대(2) 방향으로 연장 돌출되어 있으며, 그 돌출된 절연쉴드(55)를 따라서 세슘가스분사관로(11)가 고리형으로 형성되어 있다. 금속타겟(4) 방향으로 가스를 분사하기 위해서 세슘가스분사관로(11)에는 금속타겟(4) 표면을 향하여 내측으로 틈이 좁은 열개 부가 구멍형이나 선형으로 형성되어 있다. 상기 열개 부는 촉매가스가 분출될 때, 금속타겟(4) 표면과 수평 방향으로 타겟표면을 따라 균일한 층류(laminar flow)가 흐르도록 형성되어 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 금속 스퍼터 이온빔 장치는 진공챔버(1) 내에 적정 압력(저압)을 유지하면서, 분위기가스인 아르곤이 주입되고, 절연쉴드(55)에 있는 세슘분사관로(11)에서는 세슘가스가 금속타겟(4) 표면으로 수평 하게 공급되면서, 음극의 DC 전압을 금속타겟(4)에 공급해 주어 공정이 진행된다. 이때, 금속타겟에 걸어주는 전압은 교류의 RF 전원을 인가하여도 가능하다. 금속표면의 세슘가스와 분위기 가스인 불활성가스(아르곤)가 공간 방전(global discharge)되면서 이온화된 가스상태(plasma 상태)로 변화된다. 이 이온화 된 가스는 금속타겟(4)에 충돌하여 그 금속타겟의 금속원자들에 높은 에너지를 전해 주어 이온화 된 금속이온을 방출하게 된다. 이와같이 방출된 금속이온은 금속타겟(4)과 시편지지대(2) 사이에 인가된 전압에 의한 전계효과로 가속이 되어, 시편지지대(2)위에 위치한 시편(3) 쪽으로 투사가 되면서 시편 표면에 침적된다. 이때, 시편 표면에는 양극의 전압이 인가된 상태에서 반응가스분사관(12)을 통하여 계속적으로 산소가스가 공급되고 있어서, 시편 표면에 침적 된 금속원자들과 산화 반응을 일으켜 산화막을 형성한다. 공정이 진행되는 동안, 진공챔버(1) 내에 공급되는 가스들은 각각 세슘가스는 금속타겟(4)에 집중되고, 반응가스인 산소는 시편(3)에 집중되어, 이 들 가스분사영역 사이에는 분위기가스인 불활성 가스(아르곤)가 분사되고 있어 반응가스(산소)와 세슘가스가 섞이지 않는다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 금속 스퍼터 이온빔 장치는 금속타겟(4)에 직접적으로 촉매 작용을 하는 세슘가스가 공급되므로 금속이온 방출을 증대시킬 수 있고, 산화막을 형성하기 위한 산소 가스 공급도 반응가스분사관(12)을 통하여 시편(3) 위에 집중하여 공급할 수 있도록 분사되므로 적은 가스량에서도 효율적으로 막질을 형성할 수 있다. 반응가스와 촉매 작용 가스인 세슘 가스분사영역 사이에 분위기가스인 불활성 가스(아르곤)가 공급되고 있기 때문에 산소가스가 세슘가스와 만나 산화반응을 일으킴으로써 발생되는 아-크(arcing) 현상을 방지할 수 있다. 위의 세슘가스는 플라즈마화된 상태에서 금속타겟(4)의 원소인 마그네슘과 에너지 교환이 매우 활발하여, 타겟금속의 방출을 촉진하는 역할을 하는데, 산소가스가 개입되면 세슘가스와 반응하여 실제 금속타겟과 충돌하는 숫자가 적어지므로 상기의 촉진효과가 감소하게 된다. 따라서, 본 발명에 의하면, 촉매가스인 세슘가스와 분위기가스 공급방법에 의해서, 균일하고 밀도가 높은 플라즈마를 생성하므로 양질의금속 산화막을 빠르고 효율적으로 형성할 수 있는 금속 스퍼터 이온빔 장치를 제공할 수 있다. 실제로 실시된 실험에서도 상기의 발명에 의한 장치에서 좋은 결과를 얻을 수 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 금속타겟에 공급되는 촉매가스의 효율을 높여 금속 산화막의 성장속도를 상승시키고 양질의 금속박막 및 금속산화막을 제공할 수 있는 금속 스퍼터 이온빔 장치를 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 진공챔버와; 상기 진공챔버 내에 설치되어 있는 금속타겟과; 상기 금속타겟을 둘러싸고 접지 역할을 하는 절연쉴드와; 상기 금속타겟에 대해서 소정의 이격거리를 두고 시편을 지지하는 시편지지부와; 상기 금속타겟과 상기 시편지지대에 전원을 각각 공급하는 전원공급부를 구비한 금속 스퍼터 이온빔 장치에 있어서,
    상기 금속타겟에 인접하여 세슘가스를 분사하는 세슘공급부와, 상기 시편지지부 상의 시편을 향해 반응가스를 분사하는 반응가스공급부와,
    상기 세슘가스와 상기 반응가스 분사영역 사이에 불활성가스로 이루어진 분위기 가스를 공급하는 분위기가스공급부를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 금속 스퍼터 이온빔 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 세슘공급부는, 세슘저장부와 상기 금속타겟으로부터 상기 시편지지부를 향해 소정거리 이격된 위치에서 상기 금속타겟을 향하는 다수의 분사공을 갖고 고리형으로 배치되는 세슘분사관로와, 세슘저장부 사이를 세슘분사관로로 연결하는 세슘공급관과, 상기세슘공급관을 가열하는 가열 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 스퍼터 이온빔 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 절연쉴드는 상기 금속타겟의 둘레영역에서 상기 시편지지대를 향해 소정 길이 연장된 연장부를 가지며, 상기 세슘분사관로는 상기 연장부에 수용되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 스퍼터 이온빔 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항에 있어서,
    상기 세슘가스는 금속타겟의 판면에 수평하게 공급되는 것을 특징으로 하는 금속 스퍼터 이온빔 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 반응가스공급부는 고리관 형태를 갖는 분사관을 가지며, 고리관 내부에 적정한 각도를 가지고 시편으로 향하는 다수의 분사공을 가지는 것을 특징으로 하는 금속 스퍼터 이온빔 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 금속타겟에 공급되는 전압은 교류 RF 전압이거나 DC 전압인 것을 특징으로 하는 금속 스퍼터 이온빔 장치.
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