KR20050019030A - 음극 스퍼터링 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공 내에서 기판(17)을 코팅하기 위한 음극 스퍼터링 장치(8)와 관련되고, 길이 방향의 축 주위로 회전 가능한 스퍼터링이 되어야할 물질을 위한 기본적으로 관 형태가 되는 지지대, 상기 지지대(2) 외부에서 냉각 장치와 결합하여 관 형태의 지지대(2) 내에서 냉각 매개체를 회전시키기에 적당한 냉각 시스템, 전력 회로에게 연결시키기 위한 장치 및 길이 방향의 축 주위로 관 형태의 지지대의 회전 구동을 위한 장치를 포함한다. 상기 장치에는 또한 스퍼터링이 되는 물질로 만들어진 표적 근처에 설치된 플라즈마의 자기 한정을 위하여 축을 따라 연장되는 마그네틱 시스템이 설치되고, 상기 마그네틱 시스템은 자극 편(9, 10), 자기 투과 금속으로 만들어진 마그네트 요크(12, 13) 및 상기 마그네트 시스템 내에서 자속을 발생시키기에 적당한 자화 수단(5)으로 구성된다. 마그네트 시스템 내에서 하나의 극성의 자극들은 관 형태의 표적 지지대(2)의 외부에 설치되고 그리고 프레임과 유사한 방법으로 상기 지지대(2)를 둘러싸고 그리고 반대편 자극은 관 형태의 회전 가능한 표적 지지대(2) 내에 설치된다.

Description

음극 스퍼터링 장치{Cathodic Sputtering Apparatus}

본 발명은 청구항 1의 전제에 따라 음극 스퍼터링에 의하여 기판을 코팅하기 위한 장치와 관련된다.

음극 스퍼터링을 위한 장치는 진공 코팅 기술에서 적용을 찾을 수 있다. 마그네트론 스퍼터링 음극은 표적으로 언급되는 전기적으로 전도성이며, 전체적으로 금속성인 재료 공급을 포함하고, 상기 재료 공급은 스퍼터링이 되고 그리고 위와 같은 방법으로 음극과 관련하여 적당하게 위치된 기판에 적용된다. 표적 뒤쪽에 위치한 마그네트 시스템은 자기장을 발생시켜 표적을 투과하고 그리고 연속적인 루프 형태로서 표적 표면 위에 자기장 터널(a magnetic tunnel)을 형성한다. 전기장과 자기장의 상호 작용은 플라즈마 내의 전자가 나선 형태로 움직이고 그리고 위와 같은 터널 내부에서 자기장을 횡단하여 높은 속도로 이동하도록 만든다. 이에 의하여 전자는 표적 표면 근처 긴 트랙 위에 유지되고 그리고 높은 운동 에너지를 가지게 되면서, 상기 전자들이 고정 가스의 중성 원자를 이온화하는 것이 가능하게 된다. 기본적으로, 음의 전위에서 음극 내 표적으로부터 인력의 정전기력은 공정 가스의 양으로 대전된 이온에 대하여 작용한다. 위와 같은 작용은 이온들이 표적 표면을 향하여 가속되도록 만들고, 표적 표면에서 이온들은 펄스 전송에 의하여 표적으로 원자를 방출한다. 단위 시간 당 많은 수의 원자가 표적 표면으로 방출됨으로 인하여 , 금속 표적이 사용될 때 기본적으로 금속 증기와 같이 행동하는 입자 스트림이 얻어진다. 위와 같은 금속 증기는 다른 부분 중에서도 표적 물질의 얇은 층이 성장하는 표면 위의 기판을 향하여 흐른다.

예를 들어 공정 가스(process gas)를 이용하여 산소 또는 질소와 같은 반응 가스를 혼합하는 것은 금속 산화물 또는 금속 질화물을 생산한다. 위와 같은 반응 스퍼터링으로 언급되는 위와 같은 코팅 과정에서 기판(substrates) 및 실즈(shields) 뿐만 아니라 스퍼터링 공정에 의하여 부식되지 않는 표적의 영역이 일반적으로 전기적으로 부도체인 반응 생산물(재증착)을 이용하여 점차적으로 코팅이 된다. 전형적으로 수천 볼트의 전위를 가지는 표적의 표면 위에 단지 수십 볼트의 플라즈마 전위가 되는 표면을 가지는 매우 얇은 유전체 층이 성장하고, 양쪽의 기준 전위는 접지에 대하여 음극이 된다. 이리하여 위와 같은 코팅 물질 내에서 발생된 매우 높은 전기장은 유전체 파열을 발생시키며, 상기 유전체 파열은 이 분야에서 전기 방전으로 가시적으로 되는 "아크(arcing)"로 알려져 있다. 상기 아크는 다른 매개 변수 중에서도 플라즈마 방출의 균일성 및 기판 위에 증착된 층의 질을 손상시키고, 이와 같은 이유로 방전의 발생은 회피된다. 위와 같은 문제의 해결책은 실린더형으로 이루어진 회전 가능한 표적을 가지는 음극의 사용을 포함한다. 스퍼터링 과정에서 표적은 정적 마그네트 시스템의 앞쪽에 있는 길이 방향의 축 주위로 연속적으로 회전하고, 이로 인하여 표적에 대한 코팅 물질 후방-산란은 연속적인 층을 형성하기 위한 충분한 시간을 가지지 못한다. 유전체 물질로 가볍게 코팅된 표적 영역이 한 번의 완전한 회전 후에 플라즈마 영역으로 다시 진입하는 경우, 물질이 표적 표면으로부터 새롭게 제거되고, 이로 인하여 상기와 같은 표적은 유전체 코팅이 실질적으로 없는 상태가 된다.

만약 플라즈마 루프가 좁게 설계된 자기장의 결과로서 너무 작은 표적 표면의 서브 영역으로 압축이 된다면, 스퍼터링 과정에 의하여 표적 내부로 도입된 전력은 작은 표면 영역 위에 집중된다. 이것은 열 스트레스(thermal stresses)를 초래하거나 또는 표적의 국소적 융해를 발생시킬 수 있다. 표면 전력 밀도는 플라즈마가 표적 표면의 보다 큰 영역 위에 작용하는 결과를 이용하여 자기장 터널을 넓히는 것에 의하여 낮추어질 수 있다. 그러나 실린더형 표적을 가지는 스퍼터링 음극을 위하여 공간이 실린더형 표적 유지 내부에 설치된 마그네트 시스템에 제한됨으로 인하여 마그네트 시스템의 요크 암(yoke arm)을 서로 서로로부터 충분히 분리된 상태로 멀리 설치하는 것은 간단한 문제가 아니다. 표적 유지의 기하학적 형태로 인하여, 요크 암이 표적 유지 내에서 너무 멀리 분리되어 위치하는 경우 표적 표면의 앞쪽에 형성된 자기장은 더 이상 충분한 강도를 가지지 못하며, 이는 위와 같은 경우 보다 높은 자계 강도(field intensites)를 가지는 자기장이 표적 유지 내부로 연장되기 때문이다. 위와 같은 문제에 대한 해결 방법을 제공하는 것이 본 발명의 추가적인 특징이 된다.

위와 같은 장치는 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 적절하게 공지되어 있고, 그리고 예를 들어 EP 0 070 899에 기술되어 있다. 표적 물질의 보다 큰 공급을 통하여 음극의 보다 긴 가용 수명을 이루기 위하여 또는 표적 물질을 다른 물질로의 보다 빠른 변환을 위하여 새로운 표적 물질이 스퍼터링 영역 내부로 유입될 수 있도록 하기 위하여 실린더형 표적이 회전 가능하도록 설치된다. 위와 같이 공지된 장치에 있어서, 마그네트는 영구 자석으로 설계되고, 그에 의하여 "경주 트랙(racetrack)"으로 알려진 관 형태의 표적(the tubular target)의 길이 방향의 축에 대하여 평행한 연속적인 루프의 형태 내에 있는 트랙 위의 플라즈마 내에 있는 전자를 유도하기 위하여 필요한 마그네트가 표적 유지의 내부에 설치된다. 하나의 변형 실시 형태로서, 서로 서로로부터 일정한 거리에서 평행하게 유지된 두 개의 관 형태의 음극은 경주 트랙의 길이 방향의 트랙을 형성하고, 두 개의 기본적으로 직선 형태의 트랙은 두 개의 표적 사이에 위치하는 두 개의 U-형태의 마그네트에 의하여 실린더형 표적의 각각의 끝 부분에 닫힌 곡선에 연결된다. 실린더형 표적 지지대(cylindrical target supports) 내부에 있는 마그네트 시스템은 거울 대칭 형태로 설계되고, 이로 인하여 하나의 극성(one polarity)의 같은 극(like poles)이 서로 서로를 향하여 접하는 위와 같은 장치의 측면 위에 위치하고, 그리고 다른 극성의 동일 극은 서로로부터 분리된 형태로 마주보는 외부 측면 위에 설치된다. 두 개의 표적 사이에 설치되는 U-형태 영구 마그네트는 양쪽 표적 지지대 내부에 자기장을 연결하여 닫힌 자기장 터널을 형성하는 방법으로 방향성이 만들어진다.

위와 같은 장치의 불리한 점은 실린더형 표적의 끝 부분 위에 위치한 물질이 음극 스퍼터링에 의하여 제거되지 않고, 그리고 이로 인하여 기판의 코팅을 위하여 사용될 수 없다는 사실이다. 더욱이, 표적 물질의 스퍼터링 속도가 좁은 자기장 터널에 의하여 형성된 좁은 플라즈마 영역에 의하여 낮게 유지된다는 점에 문제가 존재한다. 그러나 관 형태의 표적 유지 내에 있는 마그네트 시스템의 두 개의 극(poles) 사이의 거리를 임의적으로 증가시키는 것은 가능하지 않다. 스퍼터링 속도는 또한 플라즈마 방출이 작동되는 전력을 증가시키는 것에 의하여 또한 성취될 수 있다. 그러나 위와 같은 방법은 표적 물질 및 표적 유지 위에 매우 강한 열 스트레스가 좁은 플라즈마 루프 내에 만들어지고, 깨어지기 쉬운 표적 물질로 인하여 상기 열 스트레스는 열 스트레스 균열을 초래하거나 또는 낮은 융해점을 가지는 물질에 대하여 상기 열 스트레스는 표적 물질의 국소적 융해를 발생시킬 수 있다. 만약 적당하게 형성된 표적 타일이 주석 접합(tin solder)과 같은 형태에 의하여 관 형태의 표적 지지대에게 연결되지 않는다면, 높은 국소적 온도의 유도는 표적 타일의 융해를 발생시킬 수 있다.

더욱이, 자기장에 의하여 강화된 전기적 방전 내에서 진공 기술 공정을 실행하기 위한 장치가 DD 123 952에서 제안되었고, 상기 기술 공정은 자기장 발생 장치 및 음의 전위 및 양극을 포함하고, 상기 음의 전위 및 양극 사이에는 전기 방출 아크가 발생하고, 그에 의하여 자극 편(pole shoes)를 가지는 자기장 발생 장치는 음극에 대하여 동심원을 형성하는 환형 설계를 가지고, 그리고 실행되어야 할 진공 기술 공정에 따라 관 형태의 표적 내부에 설치되거나 또는 관 형태의 표적을 둘러싸도록 외부적으로 설치되고 그리고 축 방향으로 제한되는 균일하지 않는 토로이드 형태의 자기장을 발생시키고, 그리고 표적의 영역 내에서 주요 자기장 방향은 표적의 축 방향에 평행하게 된다. 자기장 발생 장치가 표적의 내부에 설치되는 경우 양극은 관 형태로서 표적을 둘러싸고, 그리고 자기장 발생 장치가 표적의 주위로 설치되는 경우 양극은 튜브 또는 견고한 물질로서 표적 내에 설치되고, 이로 인하여 자기장 발생 장치, 관 형태의 표적 및 양극은 서로에 대하여 이동 가능하게 된다. 개시된 모든 예시적인 실시 형태에서, 자기장을 발생시키는 장치는 단일한 장치가 되고 그리고 단지 스퍼터링이 되어야할 표적의 측면에 반대되는 표적의 측면 위에만 설치된다.

더욱이, 플라즈마트론(plasmatron) 원칙에 따른 높은 속도의 스퍼터링을 위한 장치가 DD 217 964에 공지되어 있고, 상기 장치는 환형 틈(an annular gap)을 가지는 자기장 발생 장치, 냉각된 관형 표적 및 양극을 포함하고, 그에 의하여 자기장 발생 장치는 길고 연속적인 환형 틈을 가지고 그리고 자기장 발생 장치의 장축이 표적 축에 평행하게 움직이도록 하는 방법으로 위치하고, 그리고 양극은 환형 틈이 열리도록 하기 위하여 표적을 둘러싸고 그리고 양극과 표적 표면 사이의 거리는 조절 장치를 사용하여 고정된 값으로 설정될 수 있다. 드라이브가 표적 및 자기장 발생 장치 사이에 설치되어 장축 주위로 상대적인 운동을 만들도록 하고, 그리고 하나의 장치가 자기장 발생 장치와 표적 사이의 거리를 변화시키도록 하기 위하여 자기장 발생 장치 위에 설치된다. 마찬가지로 위와 같은 스퍼터링 장치에서, 자기장 발생 장치는 단일한 형태가 되고, 그리고 단지 스퍼터링이 되는 표적의 측면 반대편 표적의 측면 위에만 설치된다.

음극 스터퍼링 장치는 또한 DE 27 07 144에 개시되어 있고, 상기 장치는 스퍼터링이 되어야할 표면을 가지는 음극 및 음극 근처 그리고 자기력선(magnetic lines of force)의 발생을 위하여 스퍼터링이 되어야할 표면 반대편 측면 위에 위치하는 마그네틱 장치를 포함하고, 상기 자기력선의 적어도 일부는 공간적으로 분리된 교차영역에서 스퍼터링이 되어야할 표면으로 들어가서 벗어나고, 상기 상호 영역 사이에는 자기력선은 스퍼터링이 되어야할 표면으로부터 일정한 거리에서 연속적인 아치 형태의 단편(arched segments)을 형성한다. 스퍼터링이 되어야할 표면과 함께 자기력선은 둘러싸인 영역을 위한 경계를 형성하고, 이에 의하여 스퍼터링이 되어야할 표면 위에서 형성된 통로 위에 위치한 터널 형태 영역을 만든다. 대전된 입자는 터널-형태 영역 내에서 제한되고 그리고 터널 형태의 영역을 따라서 이동하는 경향을 나타낸다. 음극 스퍼터링 장치는 또한 음극의 근방에서 양극을 가지고, 그리고 음극과 양극을 위한 전력원에 대하여 연결되고, 그에 의하여 적어도 스퍼터링이 되어야할 표면이 비워질 수 있는 컨테이너 내부에 위치하고, 공간적인 관계를 유지하는 한편 운동의 방향이 자기장과 스퍼터링이 되어야할 표면 사이에 상대적인 운동을 발생시키기 위하여 제공되고, 그리고 기준이 된 경로는 나머지 경로에 의하여 차지된 표면 영역보다 더 큰 표면 영역 내에서 스퍼터링이 되어야할 표면을 덮는다.

본 명세서에서 기술된 실린더형 음극 스퍼터링 장치에 있어서, 실린더형 지지대에게 부착된 마그네틱 장치는 전체 표면 위에서 스퍼터링을 만들 수 있도록 하기 위하여 앞 뒤로 움직일 수 있을 뿐만 아니라 회전할 수 있다. 그러나 전체 마그네틱 장치가 표적의 하나의 측면 위에 설치되는 상태에서 특정한 영역을 선택하는 것이 가능하다. 그러나 기술된 모든 예시적인 실시 형태에서 자기장을 발생시키는 장치는 단일한 형태가 되고 그리고 표적의 단지 한쪽 측면 위에만 설치된다.

또한 진공 내에서 음극 스퍼터링을 위한 장치가 선행기술(EP 0 461 035)에 포함되고, 상기 선행 기술은 축 주위로 회전할 수 있는 회전 고체 형태의 속이 빈 형태의 몸체를 포함하고, 그리고 축을 따라 연장되는 측면 벽 및 기본적으로 축에 대하여 수직이 되는 두 개의 끝 부분 전면을 가지고, 그리고 상기 몸체는 적어도 측면 벽의 외부에서 스퍼터링이 되는 물질로부터 형성되고; 표적의 근처에서 제공되는 자기장의 한정(magnetic confinement)을 위한 자기 회로; 부분적으로 자기장이 투과할 수 있는 극 및 자기 회로 내에서 자속(a magnetic flex)을 발생시키기에 적당한 자화 수단(magnetization menas); 속이 빈 몸체 내에서 냉각 액체를 순환시키기 위하여 냉각 회로에 연결시키기 위한 장치; 전기 공급 회로에게 연결되는 장치; 축 주위로 속인 빈 몸체를 회전시키기 위한 장치, 그리고 자기 회로는 속이 빈 몸체와 관련하여 주변으로 연장되고, 자화 수단은 속인 빈 몸체의 외부에 설치되고, 그리고 자기 회로의 극은 위와 같은 속이 빈 몸체의 두 개의 발생 라인을 따라 제공되고; 그리고 표적의 스퍼터링 영역을 형성하고 위와 같은 두 개의 발생 라인 사이에 위치하는 속이 빈 몸체의 측면 벽 내에 있는 아치(arch)를 포함한다.

실린더형 표적을 가지는 위와 같은 음극 스퍼터링 장치에서, 자기장을 발생시키는 장치는 영구 자석, 전자석, 마그네트 요크 및 자극 편(pole shoes)을 포함하고, 그리고 기본적으로 표적의 외부에 위치하여 표적 지지대의 내부를 통하여 흐르는 냉각액의 증가된 흐름을 보장하고, 그리고 자기장을 발생시키는 양 극성의 자극(the magnetic poles of both polarities)은 표적의 외부에 위치한다.

마지막으로, 전기 에너지를 사용하여 회전 가능한 관 형태의 표적의 표면의 스퍼터링에 의하여 기판을 코팅하기 위한 장치가 DE 196 23 359에 제안되었고, 상기 문헌에서는 자기 전도성을 가지는 물질로 만들어진 자극 편이 표적 내에 위치하고, 그에 의하여 표적 외부에서 자속 유도 장치가 제공되고, 상기 자속 유도 장치는 마그네트를 통하여 상호 연결된 속이 빈 몸체를 향하도록 만들어진 세 개의 자극 편을 가지고, 그리고 상기 마그네트는 좁을 틈을 가로질러 표적을 통하여 자속을 표적 내부에 위치한 자극 편에게 전달하고 그리고 기판을 마주보는 장치의 측면 위에 터널 형태의 자기장을 발생시키고, 이로 인하여 스퍼터링 표면으로부터 흘러나와 다시 되돌아가는 자기력선은 연속적인 루프 형태를 가지는 방전 영역(discharge region)을 형성한다.

실린더형 표적을 가지는 위와 같은 음극 스퍼터링 장치에 있어서, 영구 자석, 자극 편 및 두 개 극성의 자극을 가지는 마그네트 요크를 포함하는 자기장 발생 장치는 표적의 외부에 위치하고, 그리고 표적의 내부에서 자기 투과 금속(magnetically permeable metal)으로 만들어진 단지 일부만이 제공되어 실린더형 표적을 통하여 자기력선을 전도하고, 그에 의하여 자기장 발생 장치는 스퍼터링 영역으로부터 직경 방향으로 반대편에 위치함으로서 스퍼터링 과정에서 표적 내로 유입되는 열 스트레스에 노출되지 않는다. 그러나, 표적 부식이 발생하는 표적의 활성대의 영역에서 위에서 개시된 자속 시스템에 의하여 발생된 자기장은 회전 가능한 관 형태의 표적 유지 내부에서 독립적으로 위치된 마그네트 시스템에 의하여 발생될 수 있는 자기장과 실질적으로 다르지 않고, 이로 인하여 회전 가능한 관 형태의 표적의 앞쪽에서 마그네트 터널을 넓히거나 강화하는 것은 가능하지 않다.

본 발명의 목적은 자기장 세기가 표적 부식(target erosion)이 발생하는 표적의 활성대의 영역에서 증가되는 방법으로 위에서 언급된 형태의 장치를 설계하는 것이며, 그리고 상기 활성대가 또한 보다 넓게 만들어져 표적 물질의 스퍼터링 속도를 증가시키고 그리고 이와 동시에 표적 물질 내부로 유입되는 열 전력 밀도를 낮추도록 하는 것이다.

위와 같은 목적은 음극 스퍼터링을 위한 마그네트론에 의하여 본 발명에 따라 만들어지고, 상기 마그네트론은 길이 방향의 축 주위로 회전 가능한 표적 지지대를 가진 관 형태의 표적; 표적에게 직접적으로 인접하는 플라즈마의 자기장 한정(magnetic confinement of plasma)을 위한 마그네트 시스템, 그리고 자기 투과 금속 및 마그네트 시스템 내에서 자기장을 발생시키기 위한 자화 수단; 및 표적을 위한 냉각 시스템과 전기 회로를 포함한다. 상기 마그네트 시스템은 두 개의 부분으로 구성되고, 하나의 부분은 관 형태의 표적 유지 내부에 위치하는 하나의 자극을 가지고, 그리고 마그네트 시스템의 두 번째 부분은 표적에 대한 전기 접촉이 없는 상태의 프레임-유사 방법으로 관 형태의 표적 지지대를 둘러싸고 있는 반대편 극성을 가진다.

관 형태의 표적 외부에 설치된 마그네트 시스템 부분은 보다 높은 자기장 세기가 표적 앞쪽에 발생될 수 있도록 하고, 그에 의하여 보다 높은 플라즈마 밀도가 이루어지도록 한다. 마그네트 시스템의 두 번째 부분은 관 형태의 표적의 외부에서 플라즈마 루프를 형성하지 않는 자기력선이 마그네트 요크를 경유하여 가장 짧은 거리로 자화 수단의 극 표면으로부터 플라즈마로부터 분리된 상태로 마주보는 특히 반대편에 위치하는 자극으로 되돌아가는 방법으로 만들어진다. 위와 같은 목적을 위하여, 관 형태의 표적의 내부 및 외부에서 자극편 부분들은 가능한 가장 짧은 거리로 분리된 상태로 서로 마주보게 된다. 이와 같은 방식으로 음극의 뒤쪽 부분에 있는 자기장 유도 장치로부터 방출되는 자기장이 존재하지 않은 상태로 관 형태의 표적의 앞쪽에 위치하는 연속적인 터널 형태의 자기장 분포를 만드는 것이 가능하고, 이것은 서브플라즈마의 생성에 이르도록 한다. 관 형태의 표적 내부에 독립적으로 위치하는 마그네트 시스템에 대하여 표적 위에 스퍼터링 영역을 연장하기 위하여 플라즈마의 신뢰할 수 있는 점화가 더 이상 보장되지 않는 플라즈마 영역을 형성하기 위한 외부적으로 방출되는 터널 형태의 자기장의 장기간의 약화가 발생하는 일이 없이 서로에 대하여 보다 먼 거리에 위치하는 두 개의 자극을 위치시키는 것은 가능하지 않을 수 있고, 그리고 플라즈마의 자기 한정을 이루는 것이 가능하지 않을 수 있다. 추가적으로, 만약 자극이 너무 멀리 분리가 된다면, 자기력선은 곡선 형태로 되고, 상기 곡선 형태에서는 플라즈마를 한정하기 위하여 요구되는 계강도가 표적 내부에 위치하고, 이와 같은 결과로서 표적의 앞쪽에서 플라즈마의 자기 제한은 더 이상 가능하지 않게 된다.

본 발명에 따른 마그네트 시스템의 추가적인 이점은 마그네트 시스템의 프레임-형태 부분을 위치시킬 수 있는 가능성이고, 상기 플라즈마 시스템은 표적 부식이 발생하는 표적의 활성대의 외부의 영역을 전체적으로 둘러싸고 있는 상자 형태의 음극 엔클로져 위에서 관 형태의 표적의 바깥쪽에 설치된다. 위와 같은 상자 형태의 음극 엔클로져 내부로 스퍼터 가스 혼합물 또는 그들의 구성 성분을 공급하는 것은 가스가 마그네트 자극 편과 표적 표면 사이의 좁은 틈을 통과하고 그리고 플라즈마 방전 내부로 직접적으로 들어가고, 상기 플라즈마 방전에서 상기 가스는 적어도 부분적으로 이온화된다. 위와 같은 방법으로 공정 가스 혼합물로부터 반응 가스는 보다 높은 강도로 활성화가 될 수 있고, 이에 의하여 표적 물질과 반응 가스 사이에 화학적 반응을 이용하고 그리고 보다 높은 질의 증착 표면을 얻는다.

위와 같은 형태의 가스 공급 및 표적의 부분적인 둘러쌈은 좁은 틈을 통하여 가스 혼합물 또는 선택된 가스 성분의 보다 빠른 속도의 결과로서 표적으로부터 스퍼터링이 된 물질이 표적 부식이 발생하는 표적의 활성대의 영역 외부 또는 근처에서 표적 표면 위에 재-증착이 되는 것을 방지한다. 반응 공정을 위하여, 물질 구성 성분이 생산되고, 상기 구성 성분은 전기적으로 비전도성이고 그리고 이로 인하여 플라즈마 방전에 부정적인 영향을 미친다. 박스 형태의 음극 엔클로져는 스퍼터링이 된 반응 물질 또는 오염 물질이 표적 부식이 발생하는 표적의 활성대 바깥쪽에 보다 먼 거리에 위치하는 표적 영역에 도달하는 것을 방지한다. 그러므로 본 발명에 따른 장치는 높은 작용 신뢰성을 가지고 그리고 특히 안정된, 아크가 발생하지 않는 코팅 공정을 허용한다.

상기 마그네트 시스템은 비견되는 장치에 대하여 공통적인 영구 자석을 포함하지만, 하나 또는 그 이상의 전자석을 사용하는 것이 또한 가능하다.

위와 같은 목적을 이루기 위하여 본 발명은 길이 방향의 축 주위로 회전 가능한 스퍼터링이 되어야할 물질을 위한 기본적으로 관 형태가 되는 지지대, 상기 지지대(2)에 외부에서 냉각 장치와 결합하여 관 형태의 지지대(2) 내에서 냉각 매개체를 회전시키기에 적당한 냉각 시스템, 전력 회로에게 연결시키기 위한 장치 및 길이 방향의 축 주위로 관 형태의 지지대의 회전 구동을 위한 장치를 포함한다. 상기 장치에는 또한 스퍼터링이 되는 물질로 만들어진 표적 근처에 설치된 플라즈마의 자기 한정을 위하여 축을 따라 연장되는 마그네틱 시스템이 설치되고, 상기 마그네틱 시스템은 자극 편(9, 10), 자기 투과 금속으로 만들어진 마그네트 요크(12, 13) 및 상기 마그네트 시스템 내에서 자속을 발생시키기에 적당한 자화 수단(5)으로 구성된다. 마그네트 시스템 내에서 하나의 극성의 자극들은 관 형태의 표적 지지대(2)의 외부에 설치되고 그리고 프레임과 유사한 방법으로 상기 지지대(2)를 둘러싸고 그리고 반대편 자극은 관 형태의 회전 가능한 표적 지지대(2) 내에 설치된다. 외부적으로 위치한 마그네트 시스템은 음극 엔클로져(11)에게 연결되고 그리고 상기 엔클로져(11)는 음극을 반구형으로 둘러싸고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세하게 기술되고, 청구항에서 요약에 독립적인 본 발명의 추가적인 특징, 세세한 사항 및 이점을 밝히게 된다.

도면에서는 동일한 또는 대응되는 장치는 동일한 참조부호를 사용하여 표시된다.

아래에서 기술되는 모든 장치를 위하여, 만약 진공 챔버, 진공 펌프, 밸브, 록 및 압력 장치의 예시가 생략된다고 할지라도 스퍼터링이 되어야할 표면은 진공 상태에 있다. 냉각, 표적의 회전 및 전기적 접촉을 위하여 필요한 선행 기술에 따른 수단은 마찬가지로 생략된다.

도 1은 선행 기술에 따라 표적 지지대(2)를 가지는 회전 가능한 실린더형 표적을 가지는 음극 스프터링 장치(1)의 단면도를 예시적으로 도시한 것이다. 자기 투과 금속으로 만들어진 마그네트 요크(4) 및 다수 개의 영구 자석(5)을 포함하는 내부에 설치된 마그네트 시스템(3)은 표적 지지대(2)를 가지는 안쪽 실리더형 표적의 관 형태의 벽 근처에 설치된다. 자기력선(6)은 마그네트 요크로부터 분리되어 마주보는 영구 자석(5)의 극 표면으로 방출되어 표적 지지대(2)를 가진 관 형태의 표적을 통과한다; 도면에서 위와 같은 두 개의 성분은 개별적으로 도시되지 않았다. 극성을 다르게 만드는 자극 사이에는 플라즈마 방전(7)을 한정하기 위한 스케치가 된 자기력선(6)이 형성된다. 표적의 냉각 및 회전, 마그네트 시스템(3)이 부착 및 표적에 대한 전력 공급을 위한 연결 장치와 같은 작동을 위하여 필요한 수단 및 장치는 도 1에 도시되어 있지 않다. 도 1에 도시된 화살표는 중심 단면에 의하여 표시된 회전 축 주위로 표적이 회전할 수 있는 가능성을 보여주기 위한 것이며, 회전의 방향은 화살표와 동일한 방향 또는 반대 방향이 될 수 있다.

도 2는 선행 기술에 따른 마그네트 어셈블리의 도식적인 형태를 도시한 것이며, 상기 마그네트 어셈블리는 단지 단면으로만 예시된 곡선 형태의 측면 표면을 가지는 표적 아래쪽에 설치되고, 자기장은 개략적인 형태로 도시된 표적을 통과한다. 마그네트 시스템(3)은 표적(20)의 측면 표면에게 평행하게 설치된 세 개의 자극 편을 가지는 근사적인 사각형 형태를 취하고, 중앙 자극 편은 길이 방향으로 연장된 직선 영역 위에서 차지하는 너비만큼 외부 극 편자로부터 동일한 거리에서 마그네트 시스템의 끝 부분 영역에서 종단된다. 위와 같은 방법으로 마그네트 시스템(3)은 스케치가 된 자기력선(6)에 의하여 자기 터널을 만들고, 상기 자기 터널은 관 형태의 표적의 길이 방향의 축에 평행하고 두 개의 직선 영역 및 두 개의 곡선 영역으로 구성된 닫힌 루프의 형태로서 트랙 위에서 플라즈마(도시되지 않음)를 둘러싸고 있으며, 이는 "경주트랙(racetrack)"으로 알려져 있다. 표적의 끝 부분 영역에서 플라즈마가 반원형 자기 터널에 의하여 첫 번째 트랙에 평행하고 그리고 반대편 방향으로 만들어지는 트랙 위에서 회전하여 되돌아가고, 그에 의하여 두 번째 커브가 지나간 후에 루프를 닫게 된다. 자기장은 마그네트 요크와 마주보는 자화 수단(5)의 극 면 위에 있는 공간에는 방출되지 않으며, 이는 자기장이 보다 높은 자화율을 가지는 연성-자기 마그네트 요크 내에서 완전하게 흡수되고 그리고 반대편 극으로 되돌아가기 때문이다.

도 3은 본 발명에 따른 음극 스퍼터링 장치(8)의 기본적인 구성 장치를 개략적으로 예시한 것으로, 표적 지지대(2)를 가지는 회전 가능한 실린더형 표적을 가진다. 도시되어 있지는 않지만 하나의 극성의 자극은 실린더형 표적(2)의 정점 라인 아래쪽에서 표적(2)의 안쪽에 설치되는 한편, 자기 반대 극을 구성하는 마그네트(5)는 표적(2)의 바깥쪽으로 주위에 설치된다. 마그네트(5)의 자극 표면으로부터 마그네트 요크(4)의 외부 부분으로 방출되는 자속은 도시되지 않은 마그네트 요크의 내부 부분으로 동일한 방법으로 유도되고 그리고 비-자성 표적을 통하여 유도된다. 마그네트(5) 극 표면으로부터 외부 자극 편(9, 10)을 향하여 벗어나는 자속(도시되지 않은)은 자기력선의 일정 부분이 표적 내부로 관통되는 것과 동일한 방법으로 외부 표적 표면(18)으로 유도되고, 반면에 보다 큰 부분은 실린더형 표적(2)의 정점 라인으로 표적의 앞쪽에서 아치 형태로 유도되고, 상기 실린더형 표적(2)에서 상기 자기력선의 보다 큰 부분은 표적을 통과하고 그리고 내부 자극에 도달한다. 서로에 대하여 근사적으로 평행하게 만들어지는 두 개의 연장된 플라즈마 영역을 이용하여 연속적인 루프 내부로 플라즈마를 형성하는 반원형 자기 터널 내부에 있는 실린더형 표적(2)의 두 개의 끝 부분 영역에서 자기장을 형성하기 위하여, 음극(8)의 끝 부분 전면 위에 자극 편(10)이 실린더형 표적(2)의 곡률 반지름을 형성하도록 만들어진다. 음극(8)의 끝 부분 전면 위에 있는 자화 수단(2)은 도시된 것처럼 직선 형태로 위치하고, 그리고 자속은 자극 편(10)을 통하여 적당한 방법으로 표적에 유도된다. 그러나 곡선 형태의 자기장의 특별한 효과 또는 형성을 이루기 위하여 , 음극(8)의 끝 부분 전면 위에 있는 마그네트(5)가 또한 실린더형 표적이 길이 방향의 축에 대하여 수직인 평면 위에 놓여 있는 곡선 형태의 선 위에 위치할 수 있다.

음극의 후면은 마그네트 시스템의 외부 구성 장치를 위한 유지 장치로서 동시에 사용될 수 있는 박스-형태의 실드 또는 음극 엔클로져(11)에 의하여 둘러싸여 있다. 회전 가능한 실린더형 표적을 위한 버팀대(suspension), 회전을 위한 드라이브 및 전기 에너지 및 냉각액을 위한 공급 라인은 음극 엔클로져(11) 내부에 설치되어 무엇보다도 이러한 장치들이 표적으로부터 제거되는 물질에 의하여 코팅되는 것이 방지된다.

본 발명에 따른 마그네트 시스템은 하나 또는 그 이상의 마그네트 코일 또는 영구 자석을 포함하고, 그리고 특히 외부 부분을 위하여 간단한 기술적 해결 방법을 가지며, 이는 현행 피드스루(feedthrough)는 회전하는 부분을 통하여 유도될 필요가 없기 때문이다.

도 4는 본 발명에 따른 스퍼터링 장치(8)의 단면도를 도시한 것이다. 표적 지지대(2)를 가지는 표적은 마그네트 시스템(5, 9, 13) 및 실드(14)를 위한 지지장치로서 동시에 사용될 수 있는 상자 형태의 실드 또는 음극 엔크로져(11)에 의하여 둘러싸여 있다. 마그네트 시스템을 위한 요크는 내부 구성 장치(12)와 외부 구성 장치(13)로 나누어진다. 자극 편(9)은 마그네트 시스템의 외부 부분으로부터 표적(2)을 향하여 자기력선(6)을 적당하게 유도하기 위하여 설치된다. 상기 자극 편은 비자성 물질로 만들어진 실드(14)를 사용하는 것에 의하여 코팅 및 손상으로부터 보호된다. 자기력선(6)은 표적(2) 근처에서 자극 편(9)을 벗어나고 그리고 아치형을 만들어 내부적으로 설치된 반대 극성의 자극으로 유입된다. 상기 반대편 극성으로부터, 자기력선은 요크(12)의 내부 부분에서 관 형태의 회전 가능한 표적 내부로 유도되고, 상기 표적 내부에서 자기력선은 비자성 표적 및 표적 지지대(2)를 관통하고 그리고 마그네트 요크(13)의 외부 부분에 이르는 짧은 거리로 인하여 자계 강도의 추가적인 손실이 없이 외부적으로 위치한 자화 수단(5)으로 되돌아간다.

박스 형태의 실드 또는 음극 엔클로져(11)는 한편으로는 마그네트 시스템의 외부 부분을 지지할 수 있고, 그리고 다른 한편으로 표적 지지대(2)를 이용하여 회전 가능한 표적을 위한 지지 장치로서 이용될 수 있고, 그리고 또한 공정 가스 흐름의 유도된 공급으로 사용된다. 유도된 공급을 위하여, 가스 공급(15)이 상자 형태의 실드 또는 음극 엔클로져(11)의 후면 위에 설치되고, 상기 상자 형태의 실드 또는 음극 엔클로져(11)를 통하여 반응 가스, 불활성 가스 또는 공정 가스 혼합물이 음극 엔클로져(11)의 내부로 통과한다. 상기 가스는 외부 표적 표면(18)과 요크(13)의 외부 부분, 자화 수단(5), 자극 편(9) 및 실드(14) 사이의 좁은 틈을 통하여 흐른다. 위와 같은 방법으로 상기 공정 가스는 플라즈마 영역(7) 내부로 직접적으로 유도되고, 그에 의하여 보다 높은 이온화 속도를 이루고 그리고 이로 인하여 반응 코팅 공정을 위하여 표적 물질과 반응 가스 사이에 향상된 화학적 반응을 성취한다.

도 4에서 표시된 화살표는 중앙 단면에 의하여 표시된 회전 축 주위로 표적의 회전 가능성을 나타내기 위한 것이며, 회전의 방향은 화살표와 동일한 또는 반대편 방향이 될 수 있다.

도 4에 도시된 것처럼, 외부 마그네트(5), 표적의 측 방향 표면에 평행한 자극 편(9) 및 실드(14)는 마그네트 시스템의 중앙 마그네트를 향하는 경향을 가질 수 있고, 그에 의하여 예를 들어 마그네트 요크(13) 또는 자극 편(9)의 외부 부분(도시되지 않음)은 적당한 횡단면을 가진다. 마찬가지로 위와 같은 부분들은 또한 도 3에 도시된 것처럼 사각형 횡단면으로 설치되고, 이로 인하여 기판으로 향해진 전방 표면이 내부 중앙 마그네트(5) 및 회전축의 중간 지점에 의하여 형성된 평면에 대하여 직각으로 만들어진다.

본 발명의 다른 실시 형태는 도 5에 도시된 것처럼 또한 음극(8) 및/또는 극에 대한 거리가 변할 수 있는 제어 자화 수단(19)을 위하여 기판(17) 뒤에 설치된 설치 장치(16)를 또한 포함한다. 상기 설치 장치는 코팅이 되어야할 기판(17) 표면의 영역에서 플라즈마(7)-유도 자기장(6)을 수정하기 위하여 사용될 수 있고, 이로 인하여 플라즈마 밀도 분포는 특별한 공정 제어가 될 수 있고, 그리고/또는 플라즈마는 기판 표면에 작용할 수 있다. 도 5에 도시된 것처럼, 제어 자화 수단(19)은 영구 자석으로 구성되지만, 그러나 마그네트 코일이 설치되고, 그에 의하여 설치 장치가(16)에 극 편자 또는 영구 자석(19) 대신 철심 코어(도시되지 않음)가 설치된다.

도 5에서 도시된 화살표는 횡단면에 의하여 표시된 회전 축 주위로 표적이 회전할 가능성을 보여주고, 회전의 방향은 화살표와 동일한 방향 또는 반대편 방향이 될 수 있다.

본 발명에 따르면 자기장 세기가 표적 부식(target erosion)이 발생하는 표적의 활성대의 영역에서 증가시키고 그리고 상기 활성대가 또한 보다 넓게 만들어져 표적 물질의 스퍼터링 속도를 증가시키고 그리고 이와 동시에 표적 물질 내부로 유입되는 열 전력 밀도를 낮추도록 하는 것이 가능하도록 한다.

아래의 도면은 개략적인 것이다.

도 1은 선행 기술에 따라 회전 가능한 표적을 가지는 음극 스퍼터링 장치의 단면도를 도시한 것이다.

도 2는 곡선 형태의 측면 표면을 가지는 표적 아래에 설치되는 선행기술에 따른 마그네트 어셈블리의 예시적인 사시도의 다이어그램을 도시한 것이다.

도 3은 마그네트 시스템의 외부 구성 장치에 의하여 부분적으로 둘러싸인 회전 가능한 표적을 가지는 본 발명에 따른 음극 스터퍼링 장치의 사시도를 도시한 것이다.

도 4는 회전 가능한 표적을 가지는 본 발명에 따른 음극 스퍼터링 장치의 단면도를 도시한 것이다.

도 5는 마그네트 시스템의 추가적인 실시 형태로서 회전 가능한 표적을 가지는 본 발명에 따른 음극 스퍼터링 장치의 단면도를 도시한 것이다.

※도면 주요 부호의 표시

1 : 회전 가능한 표적 또는 음극을 가지는 음극 스퍼터링 장치

2 : 표적 지지대를 가지는 실린더형 표적

3 : 마그네트 시스템

4 : 자기장 유도 장치, 마그네트 요크

5 : 자화 수단, 영구 자석

6 : 자기력선

7 : 플라즈마 방전, 플라즈마

8 : 본 발명에 따른 음극 스퍼터링 장치, 음극

9 : 마그네트 어셈블리 외부 길이 방향 부분에 있는 자극 편

10 : 마그네트 어셈블리 외부 끝 부분 위의 자극 편

11 : 상자 형태 음극 엔클로져 또는 실드

12 : 표적 지지대 내부에 설치된 창의적인 마그네트 요크의 구성 장치

13 : 창의적인 마그네트 요크의 외부 부분

14 : 실드

15 : 가스 공급

16 : 제어 자화 수단을 위한 설치 장치

17 : 기판

18 : 외부 표적 표면

19 : 제어 자화 수단

20 : 곡선 형태의 측 방향 표면을 가지는 표적의 영역

Claims (8)

1. 길이 방향의 축 주위로 회전 가능하고 스프터링이 되어야할 물질을 위하여 기본적으로 관 형태가 되는 지지대; 자극 편(9, 10), 자기 투과 금속으로 만들어진 마그네트 요크(12, 13) 및 자속을 발생시키기에 적당한 자화 수단(5)으로 구성되고 스퍼터링이 되어야할 물질로 만들어진 표적(2) 근처에 설치되는 플라즈마의 자기장 한정(magnetic confinement)을 위하여 길이 방향을 축을 따라 연장되는 마그네트 시스템; 지지대 외부에 냉각 장치와 결합되어 관 형태의 지지내 내에서 냉각 매개체를 회전시키기에 적당한 냉각 시스템; 전력 회로에 연결시키기 위한 장치; 및 길이 방향의 축 주위로 관 형태의 회전 가능한 지지대의 회전 구동을 위한 장치를 포함하는 진공 내에서 기판을 코팅하기 위한 음극 스퍼터링 장치(8)에 있어서,

   상기 마그네트 시스템의 하나의 극성의 자극들이 관 형태의 회전 가능한 지지대(2)의 외부에 위치하고 그리고 상기 지지대(2)를 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   실린더형 표적의 끝 부분 영역에 있는 외부 자극 편(10)은 표적의 곡률에 기본적으로 적합하도록 된 것을 특징으로 하는 음극 스터퍼링 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   외부 자화 수단(5)은 표적의 회전 가능한 축에 수직한 평면 내에서 마그네트 시스템의 전면 위에 위치하고 그리고 상기 평면에서 곡선 형태로 되는 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 장치.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,

   외부적으로 위치한 마그네트 시스템은 음극 엔클로져(11)에게 연결되고 그리고 상기 엔클로져(11)는 음극을 반구형으로 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 장치.
5. 청구항 4에 있어서,

   공정 가스 또는 공정 가스 혼합물의 일부는 음극을 반구형으로 둘러싸고 있는 음극 엔클로져(11)의 내부를 통하여 공급되는 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 장치.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나의 항에 있어서,

   제어 마그네트 시스템(16, 19)이 음극 마그네트 시스템 반대편 및 기판의 뒤쪽에 설치되는 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 장치.
7. 청구항 6에 있어서,

   제어 마그네트 시스템(19)은 영구 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 장치.
8. 청구항 6에 있어서,

   제어 마그네트 시스템은 마그네틱 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 장치.