KR20020027241A - 수동 바이폴라 아크 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

수동 바이폴라 아크 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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제프씨. 셀러스
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스트라타코스 존 지.
이엔아이 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 수동 회로를 지닌 DC 스퍼터링 시스템내의 아크를 제어하기 위한 방법 및 시스템이다. 아크 제어 스트템은 애노드를 지지하는 스퍼터링 챔버와 캐소드로서 작용하며 타깃 재료로부터 형성된 스퍼터링 타겟을 포함한다. DC 전원은 캐소드와 애노드 사이에 DC 전압을 제공하여, 캐소드 전류가 애노에서 캐소드로 흐르게 한다. 공진 네트워크는 DC 전원와 챔버사이에 연결된다. 공진 네트워크는 아크 반응시, 캐소드 전류가 영(zero)에서 공진하여 캐소드와 애노드 사이에 포지티브 전압이 인가되도록 충분한 Q를 갖는다. 리버스 전압 클램프는 소정의 리버스 전압까지 캐소드 전압을 클램프하기 위하여 공진 네트워크 양단에 결합된다. 리버스 캐소드 전압은 스퍼터링 타깃상에 절연된 적층물을 포지티브로 방전함으로써 연속적인 아크를 억제한다. 아크 제어 시스템은 아크에 의해 손실되는 에너지의 양을 제한한다.

Description

수동 바이폴라 아크 제어 시스템 및 방법{PASSIVE BIPOLAR ARC CONTROL SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 일반적으로 플라즈마계 박막 공정과 관련된다. 보다 구체적으로, 본 발명은 아크(arc)상태에서의 회복 시간을 감소시키기 위한 DC 스퍼터링 시스템용 아크 조절 장치와 관련된다.
CD, DVD, MD, MO, DLC 막 및 하드 디스크와 같은 광학 디스크 미디어에 대한 요구가 증가함에 따라, 이러한 미디어의 제조에 사용되는 스퍼터링 공정의 중요성이 계속적으로 증가하고 있다. 수많은 형태의 스퍼터링 시스템에서, 모든 스퍼터링 시스템은 반도체에서 드릴 비트까지의 범위에 걸친 디바이스 상에 절연 또는 도전성 코팅층을 증착하는 데 적용된다. 광학 디스크 미디어에 일반적으로 적용되는 막은 일반적으로 스퍼터링 기체에 대해서 강력한 조절을 하지 않는 스퍼터링 공정으로 제조되는 데, 즉 대기 및 석유화학의 휘발성 물질의 상당부분이 초기 공정단계에 챔버 내에 위치한다.
초기 스퍼터링 단계에서, 대기는 타킷 물질과 혼합되도록 플라즈마가 유도된다. 생성된 화합물, 일반적으로 산소 및 질화물은 타킷의 표면상에 막을 형성할 것이다. 이것은 타킷 오염(target poisoning)이라고 불리는 데, 이것은 DC 스퍼터링에서 아크상태를 야기시킨다. 아크 상태는 이러한 공정에서 필수적이기는 하나, 혼합된 상태일 수 있다. 아크상태는 종종 오염물질을 타킷에서 제거하나, 기판이나 디스크를 손상시키는 바람직하지 않은 입자를 또한 생성할 수 있을 것이다. 아크 소스는 수분, 대기 기체, 함유물과 같은 오염물질을 포함하고, 워크피스로부터지나가면 아크상태를 야기시킬 것이다.
입자의 결점 이외에, 아크상태는 일반적으로 도 1에서 도시된 바와 같은 마우스바이트(mousebite)라고 일반적으로 알려진 결점을 가질 것이다. 마우스바이트(9)는 워크피스 코팅 끝단을 따라 일반적으로 발생되는 비균일성이다. 마우스바이트가 일어나는 것은 전원공급기의 형태 및 부착된 에너지 저장 컴포넌트와 관련된다. CD를 코팅하는 것과 같은 응용예에서, 마우스바이트의 효과는 코팅으로부터 마스크된 끝단에 인접한 워크피스 부분을 증가시킴으로써 감소될 수 있다. 그러나, 마스킹은 워크피스로 사용되는 면적을 한정하여, 이에 따라 유지할 필요성을 증가시키는 데, 즉 코팅을 증가시켜 마스크를 대체한다.
아크상태를 조절하기 위해서 종래의 DC 스퍼터링 시스템은 전원 공급기에 부착되거나 결합된 아크 억제 시스템을 포함한다. 아크 억제 시스템은 두 그룹으로 나누어질 것이다. 제 1 타입인 주기적 아크 조절 시스템은 아크 상태를 피하기 위한 시도로서 음극 전압에 반대되는 전압 또는 음극 전압의 중단을 주기적으로 야기시킨다. 제 2 타입인 아크 초기화된 조절 시스템은 아크상태가 검출된 후에 중단을 야기시킨다. 주기적 억제 시스템은 전류의 흐름을 방해하거나 음극에 반대전압을 인가하도록 최소한 하나의 능동 스위치(음극에 병렬 또는 직렬로)를 보편적으로 채용한다. 스위치의 주파수 및 진폭은 일반적으로 아크상태가 억제되도록 설정되는데, 따라서 타킷 오염 또는 이와 관련된 아크상태 때문에 발생되는 결점을 줄인다. 음극 전압을 주기적으로 중단시키는 방법의 단점은 음극 전압이 계속적으로 적용되는 동안 기본적인 증착 비율이 감소된다는 것이다. 주기적인 압축 시스템의또 다른 단점은 능동 소자 및 관련 제어 회로에 추가적인 비용이 든다는 것이다. 일반적으로, 주기적인 압축 시스템은 반도체의 제조와 같이 결점이 없는 증착이 요구될때만 사용된다.
아크 개시 제어는 낮은 비용 및 감소된 증착 시간이 주요 필요조건인 소자의 생산을 위해 사용된다. 통상적으로, 아크 개시 제어 시스템은 아크의 개시를 감지하고, 그에 대한 응답으로 캐소드를 구동하는 전력 공급 장치를 디스에이블한다. 일반적으로, 이러한 제어 시스템은 캐소드에 인가된 전력을 디스에이블하기 전에 상당한 양의 에너지가 아크가 소모되도록 한다. 아크에서 소모된 에너지의 양은 또한 아크 개시 제어 시스템이 장착된 전력 공급 장치의 타입에도 의존한다. 아크 제어 시스템이 주기적인 압축 시스템과 같이 아크를 완전하게 방지하지는 않지만 대신에, 아크의 검출에 응답하여 반응하기 때문에, 변화도에 대한 미립자 결점이 발생할 것이다. 또한, 전력 공급 장치 및 아크 개시 제어 시스템의 조합으로, 마우스바이트(mousebite) 결점도 발생할 수 있다. 또한, 아크가 발생하는 동안에는 기판에 증착이 이루어질 수 없기 때문에 증착 시간에도 좋지 않은 영향을 미친다.
종래 기술이 DC 스퍼터링 시스템을 제공하는데 사용될 수 있는 반면에, 증착 시간 또는 코팅 품질에 좋지 않은 영향을 미치지 않는 저가의 아크 제어를 제공할 수 있음을 증명하지는 못했다. 따라서, 프로세스의 증착율과 타협하지 않는 저가의 결점 아크 제어 시스템을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 제품으로부터 결점을 제거하는 것이 바람직하다. 또한, 타깃 중독에 의해 야기된 증착 결점을 감소시키는 것도 가능하다.
본 아크 제어 시스템 및 방법은 아크를 제어하기 위한 시스템을 제공한다. 아크 제어 시스템은 양극을 둘러싸는 스퍼터링 챔버 및 타깃 재료로부터 형성되었으며 음극 역할을 하는 스퍼터링 타깃을 포함한다. DC 전력 공급 장치는 DC 음극 전압을 제공하여 음극 전류가 양극에서 음극으로 흐르도록 한다. 공진 네트워크가 DC 전력 공급 장치 및 챔버 사이에 연결된다. 공진 네트워크는 충분한 Q를 갖고 아크의 발생에 반응하여, 음극 전류는 종래 기술에서 알려진 바와 같이 음의 값까지 공진된다. 역 전압 클램프는 공진 네트워크에 걸쳐 연결되어 음극 전압을 소정의 역전압 값으로 클램프시키고, 공진 파형중 음의 부분이 음극을 구동시키고 타깃 표면을 역충전시킨다. 따라서, 네트워크의 역전류는 방해받지 않고 음극으로 흘러갈 수 있다. 이 역전류는 음극을 클램프된 양전압으로 충전한다.
본 발명, 그 목적 및 효과의 더 완전한 이해를 위해, 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조한다.
도1은 마우스바이트를 가지는 가공물(workpiece)을 도시한 도면.
도2는 본 발명의 특징에 따라 구성된 스퍼터링 시스템의 블록도.
도3은 본 발명의 바람직한 실시예의 개략도.
도3a는 전압 클램프의 개략도.
도3b는 다른 전압 클랩프의 개략도.
도4a는 전압 반전 동안의 스퍼터링 시스템을 도시한 도면.
도4b는 전압 반전 동안의 종래의 스퍼터링 시스템을 도시한 도면.
도4c는 전압 반전 동안 본 발명의 원리에 따른 스퍼터링 시스템을 도시한 도면.
도5는 아크와 연관된 음극 전류 및 전압 파형을 도시한 신호도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : DC 스퍼터링 시스템 11 : 진공 펌프
12 : 스프터링 챔버18 : 스퍼터링 타겟
24 : DC 파워 서플라이
도2에는 본 발명에 따른 DC 스퍼터링 시스템(10)이 도시되어 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, DC 스퍼터링 시스템(10)은 워크피스(16)상에 코팅을 증착하기 위하여 DC 스퍼터링 공정을 사용한다. 본 실시예에서 워크피스가 CD 및 VCD와 같은 광학 디스크 저장 매체일지라도, 드릴 비트, 글라스 패널, 토이, 커팅 툴, 어떤 기판에 대한 광학 장비, 또는 스퍼터링된 박막과 같은 다른 품목들을 코팅하는 것은 본 발명의 범위내에 있다. 이 공정은 증착 공정의 개시시에 스퍼터링챔버내에 50퍼센트 대기인 것이 일반적이지는 않다. 공기의 산소 및 질소는 실행의 제1부분에 대해 일부 알루미늄 증착을 Al2O3및 AlN 증착으로 전환할 수 있다. 이 공정의 초기 부분 동안, 탈기, 대기 오염등으로 인해 아크가 발생할 수 있다.
스퍼터링 시스템(10)은 증착 공정에 대해 제어된 환경을 제공하는 스퍼터링 챔버(12)를 포함한다. 진공 펌프(11)는 제어된 압력에서 스퍼터링 챔버(12)를 유지하는데 사용된다. 워크피스는(16) CD, DVD, 컷팅 블레이드, 또는 코팅될 다른 품목일 수 있다. 음극으로서 구성된 스퍼터링 타겟(18)은 코팅을 위한 소스 재료로서 기능한다. 바람직한 실시예에서 타겟(18)은 다른 적합한 재료 및 금, Si, Ta, B, 및 Ti와 같은 합금이 사용될 수 있다 하더라도 알루미늄으로 형성된다. 스퍼터링 챔버(12)내의 도전성 재료의 다른 가공물은 양극(20)으로서 기능한다. 음극(18) 및 양극(20)은 스퍼터링 챔버(12)내에 플라즈마를 유도하기 위해 전기 에너지를 공급하는 DC 파워 서플라이(24)에 결합되어 있다. 바람직한 실시예에서, 공정의 시작시에 유입되는 대기 가스는 오염물이다. 플라즈마내에 흐르는 음이온을 제공하기 위한 제어된 양의 스퍼터링 가스는 스퍼터링 챔버(12)에 공급된다. 전형적으로 아르곤이나 다른 불활성 가스가 스퍼터링 가스로서 사용된다.
본 발명의 이러한 응용에 대해, 광학 디스크는 코팅되며, 한 쌍의 실드는 워크피스(16)로서 사용되는 광학 디스크의 외부 및 내부 에지를 마스킹하기 위해 챔버내에 포함되어 있다. 실드는 광학 디스크에 대한 한정된 외부 및 내부 반경을 제공한다. 외부 실드(14)는 외부 에지상에 코팅 재료의 증착을 방지하기 위하여타겟 재료(18)와 광핫 디스크(16) 사이에 위치된다. 내부 실드(17)는 광학 디스크의 내부 에지의 코팅을 방지하기 위하여 유사하게 위치된다.
DC 파워 서플라이(24)는 스프터링 공정동안 전기 에너지를 공급한다. 파워 서플라이(24)는 조절되지 않은 AC 라인 파워를 스퍼터링 시스템(10)을 파워링하는데 적당한 조절된 DC 파워로 전환한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, DC 파워 서플라이(24)는 스위치 모드 전력 공급기이지만, 본 발명은 파워 서플라이의 타입에 제한받지 않는다. 예를 들어, SCR 및 다이오드-변압기 파워 서플라이와 같은 다른 타입의 파워 서플라이가 사용될 수도 있다. DC 파워 서플라이(24)의 포지티브(26) 및 네거티브(28) 출력은 각각 양극(20) 및 음극(18)에 커플링된다. 파워 서플라이(24)는 스퍼터링 챔버(12)에 요구되는 전압/전류를 제공한다. 당업자에게 인식되는 바와 같이, 표준 전압은 타겟 재료 및 스퍼터링 동작이 수행되는데 적당하다. 따라서, 본 발명의 영역은 넓은 범위의 전압을 사용하는 스퍼터링 프로세스를 포함한다. 공진 네트워크(30) 및 전압 클램프(32)는 DC 파워 서플라이(24)와 음극(18) 및 양극(20) 사이에 접속된다. 공진 네트워크(30)는 아크시에 음극(18)과 양극(20)에서 전압 반전이 유도되는 전기 에너지를 저장한다. 공진 네트워크(30)가 전력 공급기(24)로부터 분리된 것으로 도시되어 있지만, 본 발명의 범위내에서 공진 네트워크(30)는 파워 서플라이(24)와 통합될 수도 있다. 실제로, 이후에 설명되는 바와 같이, 공진 네트워크(30)의 성능은 파워 서플라이(24)의 출력 필터와 상관된다. 전압 클램프(32)는 아크동안 음극(18)과 양극(20)에 대하여 인가된 전압 반전의 크기를 제한하며, 또한 파워 서플라이(24)와 워크피스(16)를보호하기 위하여 초과 표준 전압을 클램프하도록 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 스퍼터링 시스템(10)의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. DC 파워 서플라이(24)는 다른 엘리멘트에 더하여 출력 인덕터(34)와 출력 캐패시터(36)를 포함하는 출력 필터(32)를 포함한다. 당업자는 본 발명에 따라 동작하는 여러 출력 필터 구성이 존재한다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 다단 필터, 댐핑된 출력 필터 및 고임피던스 출력 필터들이 본 발명의 범위내에서 모두 가능하다.
공진 네트워크(30)는 표준 시스템(10) 동작동안 에너지를 저장하도록 구성된다. 저장된 에너지는 시스템 응답을 강화하기 위하여 아크 발생동안 스퍼터링 챔버(12)에 연속적으로 방출된다. 공진 캐패시터(38)는 DC 파워 서플라이(24)의 포지티브 및 네거티브 출력(26 및 28)에 걸쳐 접속된다. 본 발명의 일 실시예에서, 0.1㎌ 폴리프로필렌 필름 캐피시터가 공진 캐패시터(38)에 대하여 사용될 수 있지만, 여러 값들이 파워 서플라이(24)와 마그네트론 음극(18)의 출력 설계에 따라 사용될 수 있다. 공진 인덕터(40)는 공진 캐패시터(38)로부터 전압 클램프(32)에 접속된다. 공진 인덕터(40)는 아크에 응답하여 사용될 에너지를 저장하고, 또한 아크동안 출력 전류의 증가율을 제한한다. 본 발명의 일 실시예에서, 공진 인덕터(40)는 12㎌이지만, 다른 값이 사용될 수도 있다.
전압 클램프(32)는 스퍼터링 챔버(12)에 인가된 전압크기를 제한한다. 전압 클램프(32)는 음극(18)에서 양극(20)에 접속된 반전 전압 클램핑 장치(44)를 포함한다. 반전 전압 클램핑 장치(44)는, 아크를 소화시키는데 도움이 되지만 백 스퍼터링(back sputtering) 또는 마우스바이트(mousebite)를 방지하는데 있어 충분히 낮은 레벨로, 스퍼터링 챔버(12)에 인가된 반전 전압을 제한한다. 본 발명의 일 실시예에서, 포워드 전압 클램핑 장치(42)는 반전 전압 클램핑 장치(44)와 직렬 연결되지만, 본 발명의 범위는 포워드 클램핑 장치없는 반전 전압 클램핑 장치(44)외에(도 3A 참조, 전압 클램프(32A)), 포워드 클램핑 장치(42)와 병렬로 반전 전압 클램핑 장치(44)를 접속하는 것(도 3B 참조, 전압 클램프(32B))을 포함한다. 바람직한 실시예에서 역전압 클램핑 장치(44)는 순방향 전압 클램핑 장치(42)와 직렬로 연결된 단방향 제너 다이오드(트랜스오브 : transorb)이다. 두 개의 덜 바람직한 실시예가 전압 클램프(32A 및 32B)로서 도 3A 및 3B에 도시된다. 전압 클램프(32A)에서, 역방향 전압 클램핑 장치(44)는 역 바이어스된 다이오드와 직렬로 연결된 일련의 단방향 제너 다이오드이다. 전압 클램프(32B)에서, 역방향 전압 클램핑 장치(44)는 일련의 단방향 제너 다이오드와 직렬의 양방향 제너 다이오드이다.
순방향 전압 클램핑 장치(42)는 과도한 순방향 출력 전압으로부터 스퍼터링 시스템(10)을 보호한다. 순방향 전압 클램핑 장치의 선택 및 실행은 당업자에게 잘 공지되어 있다. 바람직한 실시예에서 일련의 단방향 제너 다이오드는 순방향 전압 클램핑 장치로서 사용된다.
코팅의 실제 증착은 스프터링 챔버(12)내의 플라즈마의 점화를 요구한다. 플라즈마는 적어도 일부의 스퍼터링 가스를 이온화시키기에 충분히 높은 전압을 애노드(20) 및 캐소드(18) 사이에 인가함으로써 형성된다. 인가된 전압과 연관된 강한 전기장은 가스 원자로부터 전자를 분리하여, 플라즈마내에서 흐르는 음이온과 전자를 형성한다. 음이온은 정상 상태 전기장에 의해 충분한 운동 에너지를 가지고 타깃(18)으로 가속되어 음이온이 타깃(18)의 원자를 때린다. 몇몇의 자유로와진 타깃 원자는 처리 초기에 스퍼터링 챔버(12)내에 존재하는 공기와 결합한다. 결합되지 않은 나머지 자유로운 타깃 원자는 노출된 표면을 코팅하는 스퍼터링 챔버(12)에서 분산된다. 처리 동안, 아킹이 타깃 오염으로 인해 간헐적으로 발생하고, 워크피스(16)로부터의 배기물, 즉 오염물, 및 얇은 조각이 발생한다.
도 3 및 5를 참조하여, 아크 동안 스퍼터링 시스템(10)의 동작이 기술될것이다. 아크가 발생할때, 캐소드(18)로부터 애노드(20)로의 임피던스가 크게 감소하여, 캐소드 전류(48)가 빠르게 상승한다. 캐소드 전류(48)는 출력 캐패시터(36) 및 공진 캐패시터(28)에 저장된 에너지로부터 공급되어 증가된다. 일시적인 전류가 계속하여 흐르기 때문에, 출력 캐패시터(36) 및 공진 캐패시터(38)에 저장된 에너지는 공진 인덕터(40)로 전달된다. 캐소드 전류(48)는 캐패시터(36 및 38) 양단 전압이 0으로 공진할때 피크 값에 도달한다. 당업자가 인식하는 바와같이, 캐소드 전류(48)의 피크 값은 공진 인덕터(40) 및 캐패시터(36 및 38)에 저장된 에너지의 비율과 연관된다. 이런 비율은 일반적으로 필터의 Q로서 불리운다. 캐소드 전류(48)가 감소하기 시작할때, 에너지는 공진 인덕터(40)에서 캐패시터(36 및 38)로 다시 전달되어, 캐패시터들을 역으로 충전시킨다. 충전과 반대의 캐소드(18)로부터 애노드(20)로 인가된 전압, 캐소드 전압(50)은 캐패시터(36 및 38)로 계속하여 흐른다.
캐소드(18)에 인가된 역전압의 크기는 역전압 클램핑 장치(42)가 활성화될때까지 계속하여 증가한다. 하나의 종래 기술은 이 전압이 정상 캐소드 전압(+500 볼트 내지 -500 볼트)과 거의 같은 값으로 리버스되도록 한다. 다른 종래 기술은 0 볼트 또는 약 0 볼트로 음의 전압을 클램핑하여, 역방향 전류가 캐소드로 흐르지 않도록 한다. 바람직한 실시예에서, 역전압 클램핑 장치(42)는 바람직하게 200 볼트 이하의 전압으로 캐소드(18)를 클램핑하도록 선택된다. 본 발명은 애노드(20)를 통과하는 상당량의 역 파워에 의해 마우스바이트가 초래된다는 점을 인식한다. 따라서, 발생하는 마우스바이트를 위해, 캐소드(18)에 인가되는 역 전류 이외에 상당량의 역 전류가 인가되야 한다. 충분한 역 전압 및 역 전류가 인가될 때 마우스바이트는 워크피스(workpiece)로부터의 백 스퍼터링에 의해 발생된다. 본 발명의 실시예에서, 백 스퍼터링은 200 볼트 이상의 역 전압 레벨에서 발생하기 시작한다. 마우스바이트는 워크피스의 경계에서 발생하는데, 이는 최고 전계 밀도의 위치, 및 이에 따라 반응성 가스를 브레이크 다운시키는 제 1 위치가 존재하여 역 전류가 흐를 수 있게 되기 때문이다. 아킹(arcing)을 소거하기에 충분하지만 마우스바이트를 발생시키는 백 스퍼터링 전압 미만인 클램핑 디바이스(42)용 클램핑 전압을 선택하는 것은 본 발명의 범위 내에 있다.
본 발명은 또한 아크(arc) 동안 스퍼터링 전압 미만의 역 전압을 제공하면 스퍼터링 시스템(10)의 회복 시간을 감소시킬 수 있다는 것을 인식한다. 캐소드(18)에 인가되는 역 전압은 아크 소거용이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 스퍼터링 시스템(10)은 약 6μ초 이내에 아크로부터 회복된다. 또한, 적은 에너지가 아크 내에서 방산(dissipate)되는데, 이는 에너지 저장 컴포넌트로부터의 일부 에너지가 역 전압 클램핑 디바이스(42) 내에서 방산되기 때문이다. 아크에 의해 발생되는 미립자의 양이 감소되는데, 이는 적은 에너지가 아크 내에서 방산되며 아크 주기가 짧기 때문이다. 또한, 캐소드(18)에 역 전압을 인가하면 타겟 재료 및 절연 혼합물로부터 형성되는 기생 캐패시턴스에 의해 저장되는 전하를 감소시킴으로써 반응성 증착 프로세스 동안 차후의 아킹 경항을 감소시킨다.
아크가 소거된 후에, 캐소드 전류는 계속해서 공진된다. 캐소드 전류(48)가 제로 암페어를 통과할 때, 캐소드 전압(50)은 스퍼터링 전압 및 파워를 재형성한다.
도 4a, 4b, 및 4c에서, 전압 반전 동안 스퍼터링 시스템(10) 상태는 통상적인 스퍼터링 시스템과 대조된다. 도 4b는 전압 반전 동안 통상적인 스퍼터링 시스템의 동작을 설명한다. 도 4c는 전압 반전 동안 스퍼터링 시스템의 바람직한 실시예의 동작을 설명한다. 아크 발생 이전의 정상 동작 동안, 캐소드(18)로부터 스퍼터링된 타겟 재료는 워크피스(16) 상에 코팅부(19)를 형성한다. 상기 코팅부(19)가 형성될 때, 저-레벨의 음 전하가 상기 코팅부(19) 내부 및 코팅부(19)의 표면을 따라 축적된다. 전압 반전이 발생될 때, 캐소드(18) 상의 전압은 애노드(20)에 대해 양성으로 진동(swing)한다. 역 전압의 크기가 증가될 때, 이전에 캐소드(18)에 유인된 양극의 음이온 격퇴(repel)는 증가된다.
통상적인 스퍼터링 시스템(도 4b 참조)에 있어서, 양극의 음이온은 캐소드(18)를 향해 유동하는 대신에, 음 하전 워크피스(16)을 향해 증가 상태로 유동된다. 음이온이 워크피스(16)을 향해 유동할 때, 음이온은 코팅부(19)의 외부 및 내부 에지 영역에 존재하는 고 전계로 인해 코팅부(19)의 외부 및 내부 에지로 유인된다. 음이온이 코팅부(19)를 가격할 때, 운동량(momentum) 전이가 발생하여 코팅부(19)의 일부의 백 스퍼터링이 초래되며, 대다수의 스퍼터링이 에지를 따라 발생된다. 마우스바이트(9)는 코팅부(19)의 에지를 따라 백 스퍼터링이 지속될 때 나타난다. 더 작은 비율의 Al2O3를 갖는 주로 알루미늄을 포함하는 후면 스퍼터링 코팅(19)은 실드(14, 17) 및 캐소드(18)를 포함하는 스퍼터링 챔버(12)의 내부 표면상에 증착된다.
스퍼터링 시스템(10)의 현재 바람직한 실시예에서, 전압 반전의 크기는 음으로 충전되는 워크피스(workpiece)(16)에 대한 양의 아니온의 흐름을 방지하기 위해 충분히 낮은 전압으로 클램핑된다. 아니온은 코팅(19)에 충돌하지 않기 때문에, 종래의 스퍼터링 시스템을 번거롭게 했던 마우스바이트(mousebite)(9)는 현재의 바람직한 실시예에서 발생하지 않도록 방지된다.
본 발명의 아크 제어 시스템은 아크로부터 복구되는 시간을 최소화하고, 그로인해 재로의 증착이 발생하는 동안의 프로세스 시간의 비율을 증가시킨다. 부가적으로, 상기 시스템은 아크동안 마우스바이트의 형성을 방지한다.
또한, 아크 제어 시스템은 챔버내에 분산되어 있는 아크 에너지를 감소시키며, 그로인해 워크피스의 결함을 감소시킨다. 게다가, 후속 아크가 발생하기 전의 시간 주기가 길어지고, 다시 재료 증착이 일어나는 동안의 프로세스 시간을 증가시킨다.
더욱이, 아크 제어 시스템은 비교적 적은 수의 수동 소자들로 설계된다.
따라서 본 발명의 결과로서, DC 스퍼터링 시스템에 대한 아크 제어 방법은 서로간에 완전히 달성되는 주요 목적물들에 의해 제공된다. 변조 및/또는 변경이 본 발명을 벗어나지 않고서 도시된 실시에에서 이루어질 수 있는 것은 명백할 것이다. 따라서, 앞선 기술 및 첨부한 도면은 바람직한 실시예의 도시의 목적으로만 의도되었으며, 제한하는 것이 아니고, 본 발명의 정신 및 범위는 첨부한 청구항 및 법적 등가물에 의해서 결정될 것이다.
본 발명에 따르면 아크에 의해 손실되는 에너지의 양이 제한된다.

Claims (17)

  1. DC 스퍼터링 시스템의 아크(arc)에 응답하기 위한 아크 제어 시스템으로서,
    애노드(anode)와, 타겟 물질로부터 형성되고 캐소드(cathode) 역할을 하는 스퍼터링 타겟을 수용(house)하는 스퍼터링 챔버;
    캐소드 전류가 상기 애노드와 상기 캐소드를 통해 흐르도록 하는 직류 캐소드 전압을 제공하는 DC 전원;
    상기 DC 전원과 상기 스퍼터링 챔버 사이에 접속되며, 아크의 발생에 반응하여 상기 캐소드 전류가 리버스(reverse) 전류 레벨로 공진하도록 하는 Q를 갖는 공진 네트워크; 및
    상기 공진 네트워크를 통해 상기 캐소드 전압을 소정의 클램프 전압으로 클램핑하는 리버스 전압 클램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공진 네트워크가 커패시터-인덕터 필터인 것을 특징으로 하는 아크 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 리버스 전압 클램프가 리버스 바이어스된 다이오와 직렬 접속된 적어도 하나의 제너 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 리버스 전압 클램프와 직렬 접속된 포워드 전압 클램프를 더 포함하며, 상기 리버스 전압 클램프는 적어도 하나의 양방향(bi-directional) 제너 다이오드를 포함하며, 상기 포워드 전압 클램프는 적어도 하나의 일방향(unidirectional) 제너 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 DC 전원은 SCR 전원, 스위치모드(switchmode) 전원, 및 다이오드-변압기 전원의 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 아크 제어 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 소정의 클램프 전압은 백스퍼터링(backsputtering) 전압 이하인 것을 특징으로 하는 아크 제어 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 DC 스퍼터링 시스템은 DC 리엑티브(reactive) 스퍼터링 시스템인 것을 특징으로 하는 아크 제어 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 타겟 물질은 금속성(metallic) 물질, 금속성 화합물, 아루미늄, 실리콘, 티타늄, 탄탈, 지르콘, 탄소, 및 보론의 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 아크 제어 시스템.
  9. DC 리엑티브 스퍼터링 시스템의 아크에 응답하기 위한 아크 제어 시스템으로서,
    애노드(anode)와, 금속성 물질로부터 형성되는 타겟 물질로부터 형성되고 캐소드(cathode) 역할을 하는 스퍼터링 타겟을 수용(house)하는 스퍼터링 챔버;
    캐소드 전류가 상기 애노드로부터 상기 캐소드로 흐르도록 하는 캐소드 전압을 제공하는 DC 전원;
    상기 DC 전원과 상기 스퍼터링 챔버 사이에 접속되며, 상기 캐소드 전류가 네가티브(negative) 전류에 공진하도록 하는 Q를 갖는 커패시터-인덕터 필터; 및
    상기 캐소드 전류가 상기 네가티브 전류에 공진하는 경우에 상기 커패시터-인덕터 필터를 통해 상기 캐소드 전압을 소정의 리버스 전류로 클램핑하도록 접속되는 직렬 접속된 양방향 제터 다이오드 및 일방향 제너 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 제어 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 DC 전원이 약 200볼트 내지 800볼트 범위의 포워드 전압을 제공하고 상기 소정의 리버스 전압이 약 75볼트 내지 200볼트 범위인 것을 특징으로 하는 아크 제어 시스템.
  11. DC 스퍼터링 시스템 내의 제품(workpiece)을 코팅하는 방법으로서,
    애노드와, 타겟 물질로부터 형성되고 캐소드 역할을 하는 스퍼터링 타겟을 갖는 스퍼터링 챔버를 제공하는 단계;
    상기 캐소드와 애노드 사이에 전류가 흐르도록 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 직류 캐소드 전압을 공급하는 단계;
    상기 제품 상에 박막을 증착하는 단계;
    아크에 반응하여 상기 캐소드 전류가 리버스 전류 레벨에 공진하도록 상기 캐소드 전류를 필터링하는 단계; 및
    소정의 리버스 전압으로 상기 캐소드 전압을 클램핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 스퍼터링 타겟과 반응하도록 상기 스퍼터링 챔버에 반응성 가스를 도입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 증착 단계는,
    노블(noble) 가스로부터 이온을 형성하는 단계;
    상기 이온을 상기 스퍼터링 타겟에 향하게 하여 타겟 물질을 격퇴(dislodge)시켜서, 이에 의해 격퇴된 타겟 물질이 유전체를 형성하는 상기 반응성 가스와 결합되게 하는 단계; 및
    상기 유전체가 누적되도록 상기 제품을 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 타겟 물질은 알루미늄이고 상기 유전체는 알루미늄산화물인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 소정의 리버스 전압이 백스퍼터링 전압 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 직류 캐소드 전압이 약 430볼트이며 상기 소정의 리버스 전압이 약 75볼트 내지 200볼트의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 필터링 단계는 상기 아크 도중에 상기 캐소드 전류의 증가를 감쇄시키는 직렬 인덕터를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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