KR20050087104A - 원형 마그네트론 스퍼터링 장치 - Google Patents

원형 마그네트론 스퍼터링 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20050087104A
KR20050087104A KR1020040012324A KR20040012324A KR20050087104A KR 20050087104 A KR20050087104 A KR 20050087104A KR 1020040012324 A KR1020040012324 A KR 1020040012324A KR 20040012324 A KR20040012324 A KR 20040012324A KR 20050087104 A KR20050087104 A KR 20050087104A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
permanent magnet
target
circular
permanent
magnetic field
Prior art date
Application number
KR1020040012324A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100559246B1 (ko
Inventor
한전건
정윤모
Original Assignee
학교법인 성균관대학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 학교법인 성균관대학 filed Critical 학교법인 성균관대학
Priority to KR1020040012324A priority Critical patent/KR100559246B1/ko
Publication of KR20050087104A publication Critical patent/KR20050087104A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100559246B1 publication Critical patent/KR100559246B1/ko

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3407—Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54—Controlling or regulating the coating process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54—Controlling or regulating the coating process
    • C23C14/548—Controlling the composition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
    • H01J37/3405—Magnetron sputtering

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

본 발명은 기존의 원형 마그네트론 증착원의 단점인 고균일, 대면적 증착의 문제를 자장설계 및 편심 구동방식을 통하여 극복하여 고균일, 대면적 증착이 가능한 마그네트론 스퍼터링 장치를 개시한다. 절연된 원형 타겟 장착부를 챔버에 장착한 후 장착부 뒤편에서 영구자석을 통하여 폐회로를 형성한 자장 구동부가 편심 회전구동을 함으로써, 균일한 침식을 통한 고효율 타겟 수율을 실현함과 동시에 대면적 균일 코팅을 특징으로 한다. 대면적 원형 타겟의 중심과 외곽부위의 선속도 차이에 의한 증착 불균형을 해소하기 위하여 타겟 정중심의 증착을 억제하고 중앙부위의 자장을 균일 배열하며, 외곽부분은 비대칭 자장배열을 통한 고속 증착을 가능하게 하는 대면적 원형 증착원으로서, 고자장 영구자석의 조합으로 이루어지는 영구자석 폐회로부와, 이러한 영구자석 폐회로부를 타겟 표면에 평행한 방향으로 회전시키는 회전부 및 진공확보가 가능하며 챔버와 절연된 타겟 장착부로 구성된다. 이러한 조합에 의하여 타겟 전면에 균일한 방전트랙을 형성시키고 타겟 전면이 균일하게 침식됨에 따라 대면적, 균일 코팅이 가능하게 하고, 타겟의 사용효율을 80%이상 증가시키는 것을 특징으로 한다.

Description

원형 마그네트론 스퍼터링 장치{Sputtering apparatus of circle magnetron}
본 발명은 스퍼터링을 이용하여 물리적으로 박막을 형성하는 박막 형성장치에 관한 것으로, 특히 대면적에 걸쳐서 균일한 막의 형성을 가능하게 하는 원형 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
일반적으로 마그네트론 스퍼터링법(magnetron sputtering)은 타겟(target)에 전기장과 자기장을 인가하여 타겟 근처에서 이온화율을 높여 스퍼터링 율(sputter rate)을 향상시키는 물리적 기상 증착법(PVD)의 일종으로서, 증착된 박막의 우수한 밀착력과 표면 미려도 및 높은 밀도로 인해 널리 사용되고 있는 방법이다.
마그네트론 방전을 위해 타겟에 전기장과 자기장이 인가되면 타겟에서 방출된 전자는 인가된 전기장과 자기장 및 방출되는 전자의 속도에 의해 타겟 표면의 일정 부위에서 나선운동과 호핑(Hopping) 운동을 하며 집속되고, 이러한 전자의 국부적인 밀집지역에서 이온화율이 증대되어 스퍼터링 율이 향상된다. 따라서 고효율의 마그네트론 증착원의 개발을 위해서는 전기장과 자기장의 제어가 필요하며 특히 자기장의 제어가 중요하다.
종래의 원형 마그네트론 증착원은 크게 세가지 방식이 있는데, 첫 번째는 영구자석 및 전자석 등을 타겟 뒤에 장착하여 폐회로를 형성함으로써 원형 링 형태의 플라즈마 방전을 형성시키는 예로서, 스퍼터링의 경우 고가의 타겟 사용 효율이 30% 이하로 머물고 있을 뿐만 아니라, 증착 균일도 측면에서도 불균일한 단점을 가지고 있어서 대면적 증착을 필요로 하는 산업 적용의 한계를 가지고 있다.
두 번째는, 이러한 원형 마그네트론의 대면적화와 고균일, 고효율이라는 한계를 극복하기 위한 방법으로 8인치 이상의 타겟 후면부에 첫 번째와 같은 소형의 자장 폐회로를 여러 개 배열하여 구동하는 방법으로 충분한 증착 균일도를 만족할 수 없으며, 타겟 수율이 낮은 단점을 가지고 있다.
세 번째로, 대면적 타겟 후면부에 대면적 자장 폐회로를 형성시키고 이를 회전하여 균일 증착을 이루는 경우로 높은 타겟 수율을 획득할 수 있고, 균일한 증착을 이룰 수 있으나 자장 시뮬레이션을 통한 설계가 어렵고 형상에 따른 고가의 자석을 사용하여야 함으로 경제성 및 증착원 개발에 있어서 많은 어려움을 가지고 있다.
이러한, 종래 마그네트론 스퍼터링 장치의 예로는 도 1이 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 주로 영구자석(3)을 이용하여 음극 타겟(2) 전체에 하나의 큰 타원형 자장 폐회로(4)를 형성한다. 이 자장 폐회로(4)를 따라 마그네트론 방전트랙이 형성되는데, 이 방전트랙에 대응하는 부분이 스퍼터되고 침식된다.
그러나, 종래의 영구자석(3)에 의하여 형성되는 방전트랙은 고정 상태이기 때문에 타겟(2)의 침식은 플라즈마가 고밀도로 있는 부분(5)에서만 이루어지고, 그 부분(5)에서 국부적으로 가속된다.그 결과, 도 1b에 도시된 바와 같이, 타겟(2)의 대응 부분(6)의 침식을 집중시켜 "v'자 형태의 침식부(D)를 형성시킨다. 이처럼, 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치가 대면적 코팅에 적용될 때 코팅 균일도를 일정하게 제어하기가 힘들며, 또한 도 1b와 같이 침식된 타겟(2)은 더 이상 사용이 불가능하여 고가의 타겟 사용효율이 30%이하로서 매우 낮다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 타겟 정중심의 증착을 억제하고 중앙부위의 자장을 균일 배열하며, 외곽부분은 비대칭 자장배열을 통한 고속 증착을 통하여, 대면적 원형 타겟의 중심과 외곽부위의 선속도 차이에 의한 증착 불균형을 극복함으로써 타겟 전면에 균일한 방전트랙을 형성시키고 타겟 전면이 균일하게 침식됨에 따라 대면적, 균일 코팅이 가능하게 하고, 타겟의 사용효율을 80%이상 증가시키는 원형 마그네트론 스퍼터링 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 원형 마그네트론 스퍼터링 장치는, 원형의 타겟을 고정하고 절연시키는 원형의 타겟 장착부; 상기 타겟에 자기장을 인가하기 위해 상기 타겟면과 평행한 영구자석 폐회로를 포함하되, 영구자석 폐회로는 중앙부에 ∏자 형상으로 배치된 복수개의 제1영구자석부와, 상기 제1영구자석부의 주위에 □자 형상 및 그 가운데 수직하게 위치한 복수개의 제2영구자석부와, 각 영구자석간의 간격을 유지하기 위한 비자성체 자석고정부를 포함하는 영구자석부; 및 상기 영구자석부를 상기 타겟 표면에 평행한 원형 궤도를 따라 회전시키는 회전부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제1영구자석부는 영구자석 폐회로 구성시 그 내부에 균일 대칭 자장 배열로 배치되고, 상기 제2영구자석부는 영구자석 폐회로 구성시 그 외부에 비대칭 자장 배열로 배치되는 것으로, 상기 제1영구자석부의 주위에 □자 형상으로 복수개의 영구자석이 배치되고, □자 형상의 가운데에 수직하게 위치한 복수개의 영구자석이 상기 제1영구자석부의 ∏자 형상 중앙부를 관통하게 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 원형의 타겟을 고정하고 절연시키는 원형의 타겟 장착부; 상기 타겟에 자기장을 인가하기 위해 상기 타겟면과 평행한 영구자석 폐회로를 포함하되, 영구자석 폐회로는 내부는 좁고 외부로 갈수록 넓어지는 직선 형상으로 배치된 복수개의 제1영구자석부와, 상기 제1영구자석부의 주위에 내부는 좁고 외부로 갈수록 넓어지는 링 형상으로 배치된 복수개의 제2영구자석부를 포함하는 영구자석부; 및 상기 영구자석부를 상기 타겟 표면에 평행한 원형 궤도를 따라 회전시키는 회전부를 포함하여 구성되고, 상기 영구자석 폐회로 구성시 내부는 균일 대칭 자장 배열로 배치되고, 외부로 향할수록 비대칭 자장 배열로 배치되는 기판 전류밀도 제어에 따라 내부는 좁고 외부로 갈수록 넓어지는 직선형 또는 링 형태의 방전형상제어를 구현하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 원형의 타겟을 고정하고 절연시키는 원형의 타겟 장착부; 상기 타겟과 소정거리 이격되어 상기 타겟에 자기장을 인가하기 위해 고자장 영구자석의 조합으로 이루어진 영구자석 폐회로를 포함하되, 영구자석 폐회로는 중앙부에 ∏자 형상으로 배치된 복수개의 제1영구자석부와, 상기 제1영구자석부의 주위에 □자 형상으로 배치된 복수개의 제2영구자석부와, 상기 제2영구자석부의 □자 형상 가운데 수직하게 위치하여 상기 제1영구자석부의 ∏자 형상 중앙부를 관통하게 배치된 복수개의 제3영구자석부와, 각 영구자석간의 간격을 유지하기 위한 비자성체 자석고정부를 포함하는 영구자석부; 및 상기 영구자석부를 상기 타겟 표면에 평행한 원형 궤도를 따라 회전시키는 회전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 원형 마그네트론 스퍼터링 장치의 단면도이고, 도 3은 도 2의 원형 마그네트론 스퍼터링 장치의 영구자석부의 구성도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 원형 마그네트론 스퍼터링 장치는, 마그네트론 방전이 형성되어 코팅물질이 증발되는 금속(Ti, Cr, Al, Cu, Zr 등) 및 세라믹(ITO, Al2O3 등) 재질의 타겟(10)과, 상기 타겟(10)이 고정 설치되고, 절연성의 테프론 재질을 포함하는 타겟 장착부(20)와, 상기 타겟 장착부(20)의 하부에서 상기 타겟(10)과 소정거리 이격되어 타겟(10)에 자기장을 인가하기 위한 영구자석(340) 폐회로를 형성하는 영구자석부(30)와, 상기 영구자석부(30)를 상기 타겟(10) 표면에 평행한 원형 궤도를 따라 회전시키는 회전부(40)를 포함하여 구성된다.
음극으로 기능하는 상기 타겟(10)은 타겟 장착부(20)의 상부에 안치되어 있으며 기판(도시안됨) 위에 형성하고자 하는 막과 동일한 성분을 갖는 재료로서, 전기장에 의해 방출되는 전자들은 아르곤(Ar)과 같은 스퍼터링 가스와 충돌하여 아르곤(Ar) 양이온을 생성시키고, 이 아르곤(Ar) 양이온이 타겟(10)에 충돌하여 타겟(10)으로부터 타겟(10) 원자와 이온을 방출하여 마그네트론 방전을 생성한다. 타겟(10)을 구성하는 재료로서 여러 가지 금속과 세라믹 재료가 사용될 수 있는데, 본 실시예에서는 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 지르코늄(Zr)과 같은 금속재나 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide:ITO), 알루미나(Al2O3) 등과 같은 세라믹이 사용될 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만 전기장의 형성을 위하여 타겟(10)에는 음극 전위가 인가되고 타겟(10)과 대향하는 기판지지대에는 무전위 또는 음극 전위가 인가된다.(한국특허출원 제2000-3268호 참고)
상기 타겟 장착부(20)는 원형의 챔버 플랜지 하부에 가스켓을 매개로 설치되어 있는 8인치 이상의 대면적 원형 플랜지로서, 상기 타겟(10)을 둘러싸서 타겟(10)을 고정하는 동시에, 인접한 다른 주변의 전도성 부재들(도전체)로부터 상기 타겟(10)을 전기적으로 절연시키도록 테프론 절연부(25)를 포함하고 있고, 상기 챔버 플랜지(50)에도 테프론 절연부(55)가 포함되어 있으며, 상기 챔버 플랜지와 타겟(10) 사이에는 타겟 프레스 바(70)가 볼트에 의해 결합되어 있다.
한편, 도 2 및 도 3에 도시하지는 않았지만 상기 타겟(10)의 하부에는 냉각부가 설치되어 있어 스퍼터링동안 고온상태로 되는 타겟(10)과 타겟 장착부(20)를 소정온도 이하로 냉각시키도록 선택적으로 설치되며, 냉각수가 순환하는 냉각수 순환통로를 포함한다. 이외에도, 상기 타겟(10)에서 증발된 물질에 의한 타겟 장착부(20)의 절연 파괴를 방지하기 위하여 차폐부가 선택적으로 설치됨이 바람직하다.(한국특허출원 제2000-3268호 참고)
상기 영구자석부(30)는 상기 타겟(10)에서 방출되는 전자를 타겟(10) 위에 밀집시키기 위하여 고자장 영구자석(340)의 조합으로 이루어지는 폐회로를 형성시킨다.
도 3은 상기한 영구자석부(30)의 상세한 구성을 보여준다.
도 3을 참조하면, 영구자석부(30)는 자성체인 철에 니켈(Ni) 도금을 한 폐회로 장착부로서, 영구자석(340) 폐회로 구성시 내부는 균일 대칭 자장 배열을 하고, 외부는 비대칭 자장 배열을 하여 기판 전류밀도(자장세기)를 제어하도록 설계되어 있으며, 이러한 영구자석(340) 폐회로는 중앙부에 ∏자 형상으로 9개의 영구자석(340)이 배치되어 균일 대칭 자장 배열을 하는 제1영구자석부(310)와, 상기 제1영구자석부(310)의 주위에 □자 형상으로 22개의 영구자석(340)이 배치되고 그 가운데 수직하게 위치한 7개의 영구자석(340)이 상기 제1영구자석부(310)의 ∏자 형상 중앙부를 관통하게 배치되어 비대칭 자장 배열을 하는 제2영구자석부(320)와, 상기 제1 및 제2영구자석부(310,320)의 각 영구자석(340)간의 간격을 유지하고 경량화를 위해 알루미늄(Al) 합금으로 제작된 비자성체 자석고정부(330)를 포함하여 구성된다.
여기서, 각 영구자석(340)은 네오디뮴-철(Nd-Fe)계 합금 또는 사마륨(Sm)계 합금의 고자장 영구자석(340)으로 만들어지고, 타겟(10) 표면 자장이 약 300가우스(Gauss)이상 구현할 수 있는 Nd-Fe-B와 같은 것이 사용된다.
상기 제1영구자석부(310)의 9개 영구자석(340)은 N극 또는 S극이 동일하게 위치하도록 배치되고, 제2영구자석부(320)의 29개 영구자석(340)은 제1영구자석부(310)의 9개 영구자석(340)과 인력이 작용하도록 제1영구자석부(310)의 N극에 근접한 곳에는 S극이 마주보도록 S극과 근접한 곳에서는 N극이 마주보도록 배치된다.
한편, 상기한 제2영구자석부(320)의 29개 영구자석(340) 가운데 상기 제1영구자석부(310)의 주위에 □자 형상으로 배치된 22개의 영구자석(340)을 별도의 제2영구자석부로 구성하고, □자 형상 가운데 수직하게 위치하여 상기 제1영구자석부(310)의 중앙부를 관통하는 7개의 영구자석(340)을 별도의 제3영구자석부로 구성할 수도 있다.
바람직하게는, 다수의 영구자석(340) 폐회로가 결합된 양단에 자장의 손실을 막기 위하여 별도의 자석이 각각 배치될 수도 있다.
상기 회전부(40)는 영구자석(340) 폐회로를 타겟(10)의 하부에서 타겟(10) 표면에 평행한 원형 궤도를 따라 회전시키기 위하여 제공되는 것으로, 상기 영구자석부(30)를 회전시키기 위한 구동력을 제공하는 모터(410)와, 상기 모터(410)와 영구자석부(30)를 연결해주는 모터연결부(420)와, 상기 모터(410)를 고정하기 위한 모터지지대(430) 및 모터고정부(440)와, 상기 모터(410)의 회전운동을 전달하는 편심 회전축(450)과, 상기 모터(410)의 회전을 원활하게 하는 유씨에프엘(UCFL) 베어링 유니트(460)를 포함한다.
한편, 미설명 부호 470은 스크류이고, 480, 490은 스페이스(SPACE)이며, 이외에도 다수의 볼트 및 공심볼트를 포함한다.
상기한 구성을 갖는 원형 마그네트론 스퍼터링 장치에서 막의 형성은 다음과 같은 과정을 통하여 이루어진다.
먼저, 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 지르코늄(Zr)과 같은 금속재나 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide:ITO), 알루미나(Al2O3) 등과 같은 세라믹 중 선택된 타겟(10)이 타겟 장착부(20)에 안치되면, 아르곤(Ar)과 같은 스퍼터링 가스가 챔버(도시안됨)로 공급되고, 음극 타겟(10)에 고전위가 인가된다. 고전위의 인가에 의하여 타겟(10)에서 전자가 방출되고 이 전자가 영구자석부(30)에 의하여 형성된 자장에 의해 나선운동과 호핑(hopping)운동을 하여 고밀도의 전자밀집부를 형성한다.
고밀도 전자밀집부에서 전자는 아르곤(Ar)과 충돌하여 아르곤(Ar) 양이온을 발생시키고 이 아르곤(Ar) 양이온이 타겟(10) 표면에 충돌함에 따라 타겟(10)이 침식되고, 타겟(10)의 침식에 의하여 생성된 타겟(10)의 원자와 이온들은 챔버의 상부에 설치된 기판쪽으로 이끌려서 기판의 표면에 부착되는 것에 의하여 기판위에 박막을 형성한다.
박막의 형성동안, 영구자석부(30)의 폐회로는 모터(410)로부터 구동력을 전달받은 모터연결부(420)가 타겟(10) 표면에 대하여 평행한 원형 궤도를 따라 일방향으로 회전운동을 함에 따라 영구자석부(30)도 함께 회전한다.
상기 영구자석부(30)의 회전운동에 따라 영구자석부(30)에 포함된 제1영구자석부(310)와 제2영구자석부(320)의 영구자석(340) 폐회로에 의하여 타겟(10) 표면의 영구자석(340) 폐회로에 대응하는 위치에 방전트랙이 형성되어 타겟(10) 표면 전체를 아래에서 위로, 또는 위에서 아래로 이송하여 타겟(10) 전면이 균일하게 침식되고, 그 결과 기판의 표면에는 균일한 막이 형성된다.
본 발명에서 제시하는 핵심기술은 도 3의 영구자석(340) 폐회로 구성 및 도 4의 실제 방전 그림에서 볼 수 있듯이 영구자석(340) 폐회로 내부에 자기장 설계를 통한 제어로 타겟(10)의 중심부는 대칭구조를 가진 마그네트론 증착원 방식을 취하고 외부는 비대칭 구조의 마그네트론 증착원의 설계를 가진다.
즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 영구자석부(30)는 그 중앙부에 ∏자 형상으로 9개의 영구자석(340)이 균일 대칭 자장 배열을 하는 제1영구자석부(310)를 배치하고, 외부는 상기 제1영구자석부(310)의 주위에 □자 형상으로 22개의 영구자석(340)이 배치되고 그 가운데 수직하게 위치한 7개의 영구자석(340)이 상기 제1영구자석부(310)의 ∏자 형상 중앙부를 관통하는 비대칭 자장 배열을 하는 제2영구자석부(320)를 배치하여 상기 모터(410)의 회전에 의한 대면적 원형 타겟(10)의 중심과 외곽 부위의 선속도 차이에 의한 증착 불균형을 극복함으로서 타겟(10) 전면에 균일한 방전 트랙을 형성시키고 타겟(10) 전면이 균일하게 침식됨에 따라 대면적, 균일 코팅이 가능하게 하는 것이다.
도 5에서 보듯이, 대칭구조로 자기장을 설계할 경우(도 5(c)), 자기장의 Bz값이 0이 되는 널 포인트(Null point)가 비대칭구조로 설계한 경우(도 5(a))보다 상대적으로 타겟(10)으로부터 가까운 곳에 위치하게 되고, 이러한 결과로 피코팅재 기판으로의 전류밀도가 비대칭의 경우보다 낮아지게 된다.
반대로, 비대칭 자기장 구조의 증착원의 경우는 기판으로의 전류밀도가 상승하게 되어 증착율 측정시 보다 높은 값을 갖게 된다.
기존의 대면적 원형 증착원의 경우, 비대칭 또는 대칭 균일 구조의 단일 방식으로 구성하여, 회전시 자기장의 형상 제어를 통하여 균일 증착을 제어하였으나, 본 실시예에서 제시하는 발명의 경우 비대칭과 대칭구조의 복합구조로서, 기판 전류 밀도 제어를 통한 증착율을 국부적으로 달리하여 균일 증착을 하는 설계이다.
또한, ∏자 모양의 방전형상제어를 통하여 타겟(10) 면적의 70%를 확보하는 플라즈마 방전을 형성함으로써, 고속증착이 가능한 설계이다.
이러한 영구자석(340) 폐회로를 통해 타겟(10) 표면에는 ∏자 모양의 마그네트론 방전이 도 4와 같이 영역별로 크기와 세기를 달리하여 발생되며, 회전부를 통해 영구자석(340) 폐회로를 타겟(10)과 균일한 거리에서 회전시킴으로써 타겟(10) 표면에서의 방전트랙이 타겟(10) 표면 전체를 회전을 통하여 도 6과 같이 타겟(10) 전면이 균일하게 침식됨에 따라 DVD 및 CD 기판 증착을 위한 증착원의 경우 ±5% 이하로 대면적에 균일한 코팅이 가능하고, 타겟(10)의 사용효율이 80%이상으로 증가한다.
그리고, 본 실시예에서 제시하는 발명의 경우 비대칭과 대칭구조의 복합구조로서, 영구자석(340) 폐회로 구성시 내부는 균일 대칭 자장 배열을 하고 외부로 향할수록 비대칭 자장 배열을 하는 마그네트론 증착원의 설계를 하여 기판 전류 밀도를 제어하는 영구자석부(35)의 다른 예를 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.
도 7은 도 2의 원형 마그네트론 스퍼터링 장치의 다른 실시예에 의한 영구자석부 구성도이다.
도 7을 참조하면, 영구자석부(35)는 영구자석(340) 폐회로 구성시 내부는 좁고 외부로 갈수록 넓어지는 직선 형상으로 4개의 영구자석(340)이 중앙부에 배치되어 균일 대칭 자장 배열을 하는 제1영구자석부(352)와, 상기 제1영구자석부(352)의 주위에 내부는 좁고 외부로 갈수록 넓어지는 사다리꼴에 가까운 링 형상으로 19개의 영구자석(340)이 배치되어 비대칭 자장 배열을 하는 제2영구자석부(354)와, 상기 제1 및 제2영구자석부(352,354)의 각 영구자석(340)간의 간격을 유지하고 경량화를 위해 알루미늄(Al) 합금으로 제작된 비자성체 자석고정부(330)를 포함하여 구성된다.
상기 제1영구자석부(352)의 4개 영구자석(340)은 N극 또는 S극이 동일하게 위치하도록 배치되고, 제2영구자석부(354)의 19개 영구자석(340)은 제1영구자석부(352)의 4개 영구자석(340)과 인력이 작용하도록 제1영구자석부(352)의 N극에 근접한 곳에는 S극이 마주보도록 S극과 근접한 곳에서는 N극이 마주보도록 배치된다.
상기한 영구자석부(35)의 영구자석(340) 폐회로 구성에 따라 기판 전류 밀도를 제어하게 되면, 도 8(a),(b)와 같이 내부는 좁고 외부로 갈수록 넓어지는 직선형 또는 링 형태의 방전형상제어를 통하여 타겟(10) 면적의 70%를 확보하는 플라즈마 방전을 형성함으로서 회전에 의한 선속도 차이에 따른 증착율 변화를 극복한 설계이며, 이를 통해 타겟(10)의 사용효율이 80%이상으로 증가하게 된다.
한편, 본 발명에서는 상기한 실시예 이외에도 외부는 □자(사각형) 형상으로 영구자석(340)을 배치하고, 내부는 역사다리꼴(역삼각형에 가까운) 형상으로 영구자석(340)을 배치하는 영구자석(340) 폐회로 구성시 내부는 균일 대칭 자장 배열을 하고 외부로 향할수록 비대칭 자장 배열을 하는 마그네트론 증착원의 설계를 하여 기판 전류 밀도를 제어하게 되면, 도 8(c)와 같이 □자(square) 형상에 가까운 방전형상제어를 통하여 타겟(10) 면적의 70%를 확보하는 플라즈마 방전을 형성함으로서 회전에 의한 선속도 차이에 따른 증착율 변화를 극복한 설계도 구현 가능함은 물론이다.
또한, 상기한 영구자석(340) 폐회로를 두 개 이상 구성하여 기판 전류 밀도를 제어하게 되면, 도 9와 같은 형상의 방전형상제어를 통하여 타겟(10) 침식 영역을 확대하여 고속 증착을 구현할 수 있고, 타겟(10) 상단에 부과 자장을 인가하여 자장을 타겟(10) 내부로 집속시켜 플라즈마 방전의 외부 손실 및 전자의 보다 효율적인 집속을 통하여 고속 증착을 구현할 수도 있으며, 영구자석(340) 폐회로 외부의 비대칭 자장 배열에 따른 자장의 외부 손실효과를 감소하기 위하여 영구자석(340) 폐회로부에 외곽 자장과 같은 극성을 부가적으로 장치하여 자장을 타겟(10) 내부로 집속시켜 플라즈마 방전의 외부 손실 및 전자의 보다 효율적인 집속을 통하여 고속 증착을 구현할 수도 있다.
상기에서 설명한 것은 본 발명에 의한 원형 마그네트론 스퍼터링 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
상기의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 원형 마그네트론 스퍼터링 장치에 의하면, 기존의 원형 마그네트론 증착원의 단점인 낮은 타겟 수율, 고균일 증착의단점으로 대면적화를 통한 산업적용의 한계를 극복하기 위하여, 8인치 이상의 대면적 원형 타겟 장착부 뒤에 편심 회전 자장 구동부를 장착하여 타겟 정중심의 증착을 억제하고 중앙부위의 자장을 균일 배열하며, 외곽부분은 비대칭 자장배열을 통한 고속 증착을 통하여, 대면적 원형 타겟의 중심과 외곽부위의 선속도 차이에 의한 증착 불균형을 극복함으로써 타겟 전면에 균일한 방전트랙을 형성시키고 타겟 전면이 균일하게 침식됨에 따라 대면적, 균일 코팅이 가능하게 하고, 타겟의 사용효율을 80%이상 증가시킨다는 효과가 있다.
도 1a는 종래 기술에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략적 구성도,
도 1b는 도 1a의 장치를 이용하여 스퍼터링을 수행한 타겟의 부분 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 원형 마그네트론 스퍼터링 장치의 단면도,
도 3은 도 2의 원형 마그네트론 스퍼터링 장치의 영구자석부 구성도,
도 4는 도 3의 영구자석 폐회로 구성시 실제 방전 그림을 나타낸 도면,
도 5는 도 3의 영구자석 폐회로 구성시 자장 설계를 통한 전류밀도 변화를 나타낸 도면,
도 6은 도 3의 영구자석 폐회로 구성시 증착율 변화를 나타낸 그래프,
도 7은 도 2의 원형 마그네트론 스퍼터링 장치의 다른 실시예에 의한 영구자석부 구성도,
도 8은 도 7의 영구자석 폐회로 구성시 기판 전류밀도 제어에 따른 방전형상을 나타낸 도면,
도 9는 도 7의 영구자석 폐회로를 두 개 이상 구성시 기판 전류밀도 제어에 따른 방전형상을 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 타겟 20 : 타겟 장착부
30, 35 : 영구자석부 40 : 회전부
50 : 챔버 플랜지 310 : 제1영구자석부
320 : 제2영구자석부 330 : 자석고정부
340 : 영구자석 410 : 모터
420 : 모터연결부 450 : 편심회전축

Claims (9)

  1. 원형의 타겟을 고정하고 절연시키는 원형의 타겟 장착부;
    상기 타겟에 자기장을 인가하기 위해 상기 타겟면과 평행한 영구자석 폐회로를 포함하되, 영구자석 폐회로는 중앙부에 ∏자 형상으로 배치된 복수개의 제1영구자석부와, 상기 제1영구자석부의 주위에 □자 형상 및 그 가운데 수직하게 위치한 복수개의 제2영구자석부와, 각 영구자석간의 간격을 유지하기 위한 비자성체 자석고정부를 포함하는 영구자석부; 및
    상기 영구자석부를 상기 타겟 표면에 평행한 원형 궤도를 따라 회전시키는 회전부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 원형 마그네트론 스퍼터링 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1영구자석부는 영구자석 폐회로 구성시 그 내부에 균일 대칭 자장 배열로 배치되는 것을 특징으로 하는 원형 마그네트론 스퍼터링 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2영구자석부는 영구자석 폐회로 구성시 그 외부에 비대칭 자장 배열로 배치되는 것으로, 상기 제1영구자석부의 주위에 □자 형상으로 복수개의 영구자석이 배치되고, □자 형상의 가운데에 수직하게 위치한 복수개의 영구자석이 상기 제1영구자석부의 □자 형상 중앙부를 관통하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 원형 마그네트론 스퍼터링 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1영구자석부는 9개의 영구자석으로 구성되고, 제2영구자석부는 29개의 영구자석으로 구성된 것을 특징으로 하는 원형 마그네트론 스퍼터링 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1영구자석부의 9개 영구자석은 N극 또는 S극이 동일하게 위치하도록 배치되고, 상기 제2영구자석부의 29개 영구자석은 상기 제1영구자석부의 9개 영구자석과 인력이 작용하도록 상기 제1영구자석부의 N극에 근접한 곳에는 S극이 마주보도록, S극과 근접한 곳에서는 N극이 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 원형 마그네트론 스퍼터링 장치.
  6. 원형의 타겟을 고정하고 절연시키는 원형의 타겟 장착부;
    상기 타겟에 자기장을 인가하기 위해 상기 타겟면과 평행한 영구자석 폐회로를 포함하되, 영구자석 폐회로는 내부는 좁고 외부로 갈수록 넓어지는 직선 형상으로 배치된 복수개의 제1영구자석부와, 상기 제1영구자석부의 주위에 내부는 좁고 외부로 갈수록 넓어지는 링 형상으로 배치된 복수개의 제2영구자석부를 포함하는 영구자석부; 및
    상기 영구자석부를 상기 타겟 표면에 평행한 원형 궤도를 따라 회전시키는 회전부를 포함하여 구성되고,
    상기 영구자석 폐회로 구성시 내부는 균일 대칭 자장 배열로 배치되고, 외부로 향할수록 비대칭 자장 배열로 배치되는 기판 전류밀도 제어에 따라 내부는 좁고 외부로 갈수록 넓어지는 직선형 또는 링 형태의 방전형상제어를 구현하는 것을 특징으로 하는 원형 마그네트론 스퍼터링 장치.
  7. 원형의 타겟을 고정하고 절연시키는 원형의 타겟 장착부;
    상기 타겟과 소정거리 이격되어 상기 타겟에 자기장을 인가하기 위해 고자장 영구자석의 조합으로 이루어진 영구자석 폐회로를 포함하되, 영구자석 폐회로는 중앙부에 ∏자 형상으로 배치된 복수개의 제1영구자석부와, 상기 제1영구자석부의 주위에 □자 형상으로 배치된 복수개의 제2영구자석부와, 상기 제2영구자석부의 □자 형상 가운데 수직하게 위치하여 상기 제1영구자석부의 ∏자 형상 중앙부를 관통하게 배치된 복수개의 제3영구자석부와, 각 영구자석간의 간격을 유지하기 위한 비자성체 자석고정부를 포함하는 영구자석부; 및
    상기 영구자석부를 상기 타겟 표면에 평행한 원형 궤도를 따라 회전시키는 회전부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 원형 마그네트론 스퍼터링 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1영구자석부는 9개의 영구자석으로 구성되고, 제2영구자석부는 22개의 영구자석으로 구성되며, 제3영구자석부는 7개의 영구자석으로 구성된 것을 특징으로 하는 원형 마그네트론 스퍼터링 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1영구자석부의 9개 영구자석은 N극 또는 S극이 동일하게 위치하도록 배치되고, 상기 제2영구자석부의 22개 영구자석과 제3영구자석부의 7개 영구자석은 상기 제1영구자석부의 9개 영구자석과 인력이 작용하도록 상기 제1영구자석부의 N극에 근접한 곳에는 S극이 마주보도록, S극과 근접한 곳에서는 N극이 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 원형 마그네트론 스퍼터링 장치.
KR1020040012324A 2004-02-24 2004-02-24 원형 마그네트론 스퍼터링 장치 KR100559246B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040012324A KR100559246B1 (ko) 2004-02-24 2004-02-24 원형 마그네트론 스퍼터링 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040012324A KR100559246B1 (ko) 2004-02-24 2004-02-24 원형 마그네트론 스퍼터링 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20050087104A true KR20050087104A (ko) 2005-08-31
KR100559246B1 KR100559246B1 (ko) 2006-03-15

Family

ID=37270433

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020040012324A KR100559246B1 (ko) 2004-02-24 2004-02-24 원형 마그네트론 스퍼터링 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100559246B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009129115A3 (en) * 2008-04-14 2010-01-21 Angstrom Sciences, Inc. Cylindrical magnetron
US8951394B2 (en) 2010-01-29 2015-02-10 Angstrom Sciences, Inc. Cylindrical magnetron having a shunt

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010115189A1 (en) * 2009-04-03 2010-10-07 General Plasma, Inc. Rotary magnetron

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009129115A3 (en) * 2008-04-14 2010-01-21 Angstrom Sciences, Inc. Cylindrical magnetron
US8500972B2 (en) 2008-04-14 2013-08-06 Angstrom Sciences, Inc. Cylindrical magnetron
US8951394B2 (en) 2010-01-29 2015-02-10 Angstrom Sciences, Inc. Cylindrical magnetron having a shunt
US9812304B2 (en) 2010-01-29 2017-11-07 Angstrom Sciences, Inc. Method of fine tuning a magnetron sputtering electrode in a rotatable cylindrical magnetron sputtering device

Also Published As

Publication number Publication date
KR100559246B1 (ko) 2006-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2553138B1 (en) Target utilization improvement for rotatable magnetrons
US6864773B2 (en) Variable field magnet apparatus
KR100216900B1 (ko) 마그네트론 스퍼터링장치
JPH0352534B2 (ko)
KR100345924B1 (ko) 평판 마그네트론 스퍼터링 장치
US20050034981A1 (en) Cathodic sputtering apparatus
US20110220494A1 (en) Methods and apparatus for magnetron metallization for semiconductor fabrication
CN108004516B (zh) 磁控溅射腔室、磁控溅射设备以及磁控管
US5688388A (en) Apparatus for coating a substrate
KR101950857B1 (ko) 스퍼터 증착 소스, 스퍼터링 장치 및 그 동작 방법
JP2000073167A (ja) 真空チャンバ内で基板をコ―ティングするための装置
KR100559246B1 (ko) 원형 마그네트론 스퍼터링 장치
KR20040050064A (ko) 플랫 마그네트론
US7022209B2 (en) PVD method and PVD apparatus
JPH11158625A (ja) マグネトロンスパッタ成膜装置
JP3411312B2 (ja) マグネトロン・スパッタカソードおよび膜厚分布の調整方法
KR100344188B1 (ko) 평판 마그네트론 스퍼터링 장치
JP4680352B2 (ja) スパッタリング装置および成膜方法
KR100963413B1 (ko) 마그네트론 스퍼터링 장치
CN111996504A (zh) 铁磁性靶材磁控溅射装置
JP3237000B2 (ja) マグネトロンスパッタ装置
JP4056112B2 (ja) マグネトロンスパッタ装置
RU2782416C1 (ru) Магнетронная распылительная система
JP2002004044A (ja) スパッタリング装置
KR940005324B1 (ko) 차폐전극을 갖는 금속피복장치

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130111

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140106

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150115

Year of fee payment: 10

LAPS Lapse due to unpaid annual fee