KR20060018222A

KR20060018222A - 냉각판을 구비하는 마그네트론-스퍼터링 음극

Info

Publication number: KR20060018222A
Application number: KR1020057021615A
Authority: KR
Inventors: 외르크 크렘펠-헤세; 안드레아스 이쉬케; 우베 쉬슬러; 한스 볼프
Original assignee: 어플라이드 필름즈 게엠베하 ＆ 코. 케이쥐
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2004-02-07
Publication date: 2006-02-28
Also published as: WO2004112079A1; CN1795531B; JP2006526073A; DE10323258A1; EP1627414A1; EP1627414B1; TWI258788B; KR100760900B1; CN1795531A; JP4532475B2; US8715471B2; DE502004012062D1; US20060118412A1; TW200428453A; ATE493750T1

Abstract

본 발명의 목적은 비교적 넓은 마그네트론 스퍼터링 음극을 제공하는 것이다. 상기 목적은 뒷면에 배면판(背面板)(3)을 갖고 있는 스퍼터링 타깃(4)을 지지판(支持板)(2)의 진공측면(眞空側面)에 위치시킴으로써 달성된다. 상기 배면판(3)은 상기 지지판(2)에 대하여 간격(14)을 띄우고, 냉각판으로 형성되어 있다. 상기 배면판(3)의 내부에는 냉각관(15)이 설치되어 있고, 상기 지지판(2)을 관통하여 설치된 주입구/주입관(16)을 통하여 냉각관(15) 속으로 냉각액이 공급되며 배출구/배출관(17)을 통하여 다시 지지판(2) 밖으로 배출될 수 있도록 되어있다. 대기측면(大氣側面)에는 규칙적으로 배열된 자석장치(5)가 배치되어 있다.

마그네트론 스퍼터링 음극, 냉각판, 폐쇄판, 스퍼터링 타깃

Description

냉각판을 구비하는 마그네트론-스퍼터링 음극{MAGNETRON SPUTTER CATHODE COMPRISING A COOLING PLATE}

본 발명은 진공실벽의 개구부에 삽입됨으로써, 그 개구부를 기밀하게 폐쇄하여 주고, 상기 진공실벽으로부터 전기적으로 절연되어 있는 하나의 폐쇄판(閉鎖板)과, 상기 폐쇄판의 진공측면(眞空側面)에 설치된 하나의 스퍼터링 타깃(sputtering target)과, 상기 폐쇄판의 대기측면(大氣側面)에 다수의 자석들로 이루어지는 하나의 자석장치와 상기 스퍼터링 타깃을 냉각시키기 위하여 냉각제를 순환시키는 하나의 냉각판을 구비하는 마그네트론-스퍼터링 음극(陰極)에 관한 것이다.

전술한 바와 유사한 음극장치가 특히 미국 특허명세서 제US PS 5,458,759호에 기술되어 있다.

상기 미국 특허명세서에서 기술된 실시구조에 있어서, 폐쇄부는 스퍼터링 타깃의 배면판(backing plate)으로서 이루어져 있으며, 이때 상기 배면판에는 테두리가 형성되어 있어서 배면판을 진공실 벽체의 개구부에 기밀(氣密)하게 장착됨으로써 배면판에 결합된 스퍼터링 타깃이 진공실 안에 위치되도록 되어있다. 상기 배면판의 대기측면에 개방된 관로(管路)들을 갖고 있는 냉각판이 위치하며, 그 뒤쪽에 이동이 가능한 자석장치가 위치하여, 그의 자계(磁界)가 스퍼터링 타깃 앞으로 도달하도록 되어있다.

상기 음극으로부터 나오는 전자들이 상기 음극에 인가(印加)된 고전압에 의하여 가속되어, 진공실 안에서 활성가스의 가스분자들을 이온화 시킨다. 이때 발생하는 양(陽)으로 하전(荷電)된 이온들이 스퍼터링 타깃에 충돌하여 분자와 원자들을 공간 속으로 배출시켜서, 기판의 박막층 위에 퇴적(堆積)시킨다. 전자들은 자계에 의하여 상기 스퍼터링 타깃 앞에서 집속(集束)됨으로써, 이온쌍의 수율(收率)이 높아진다. 자계의 형태에 따라 스퍼터링 타깃 안에 이른바 경주 트랙(race-track)이 형성된다. 스퍼터링 재료의 균일한 마멸(磨滅)을 보장하기 위하여 자석장치를 시키도록 되어있다.

미국 특허명세서 제5,458,759호에서 기술된 장치는 수명이 짧은 소형 스퍼터링 타깃에 적합한 것이다. 상기 수명을 향상시키기 위하여, 스퍼터링 타깃을 확대하거나, 또는 다수의 스퍼터링 타깃들을 배면판에 장치하는 방법이 고려될 수 있다. 이때 다음과 같은 우려(憂慮)가 고려될 수 있다. 즉, 배면판의 역할을 하는 폐쇄판이 진공과 대기압 사이의 차압(差壓)에 노출되어 그 결과 긴 쪽으로 구부러질 수 있을 것이다. 이러한 현상은 또한 부서지기 쉬운 재료로 이루어진 스퍼터링 타깃이 파열되거나 균열을 일으키는 결과를 초래할 것이다. 또한 냉각판의 냉각수 순환관들을 배면판에 충분히 근접시켜 폐쇄시킬 수 없을 것이다. 따라서 그와 같이 확대하여 실시된 음극의 내구성은 그다지 높지 않다. 이 경우 상기 배면판을 좀 더 두텁고, 안정(安定)되게 실시하는 방법을 고려할 수도 있으나, 그러면 스퍼터링 타 깃에 대한 냉각작용을 감소시키는 결과를 가져올 것이다. 또한 자석장치와의 간격이 커지기 때문에 타깃 앞의 자계 강도가 작아지고, 따라서 이온쌍 수량이 감소하게 될 것이라는 문제가 일어난다.

따라서 본 발명은 지금까지 공지된 해결방법들과 비교하여 현저히 향상된 수명을 갖는 마그네트론-스퍼터링 음극을 제작하는 문제에 기초를 두고 있다.

문제를 해결하기 위하여 상기 냉각판을 상기 지지판으로서 형성된 폐쇄판과 스퍼터링 타깃 사이에 장치하는 것이 제안되었다.

이 실시형태는 냉각판이 진공 안에 위치하고, 따라서 타깃에 보다 더 접근함으로써, 냉각능력이 향상되는 장점을 갖는다. 상기 지지판 자체는 뚜렷한 만곡현상을 일으키지 않고 작용압력을 받고 지탱할 수 있도록 선별된 구조부품으로 이루어진다. 상기 실시형태에 있어서 냉각장치는 진공실 내부에 위치하기 때문에 상기 지지판에는 냉각제의 도입관(導入管)이 필요하다.

그러한 배치는 지지판이 배면판으로 이루어지지 않고, 부가되는 압력부하에 따라 설계될 수 있는 독립적인 구조부품으로 형성되기 때문에 근본적으로 보다 넓은 음극의 형성을 가능케 한다.

바람직하게도 상기 지지판은 냉각제의 도관을 가지고 있다.

상기 냉각판은 본 발명에 따라 차압(差壓)에 의하여 부하를 받지 않기 때문에, 상기 냉각판에 냉각제 도관들을 설치하고, 동시에 스퍼터링 타깃의 배면판으로 형성될 수 있다. 이때 상기 냉각판 내부의 냉각제 도관은 폐쇄된 단면을 갖고 있으므로 배면판의 한쪽 면은 이음매가 없이 스퍼터링 타깃에 대하여 연속적인 접촉면을 형성한다. 이러한 구조는 스퍼터링 타깃과 냉각판으로 형성된 배면판 사이의 결합(접합) 공정이 단순화 된다.

압력부하가 인가될 때 지지판의 내변형성(耐變形性)에 대한 부하가 너무 크게 가해지지 않도록 하기 위하여, 상기 배면판과 지지판 사이에 스페이서(spacer)들을 설치하고, 상기 스퍼터링 타깃의 반대쪽 배면판의 뒷면 가장자리를 상기 스페이서들과 면접/고정 시킴으로써, 상기 배면판의 중앙부위와 상기 지지판 사이에 공극(空隙)을 형성시키는 방법이 제안되었다. 상기 배면판을 지지판에 부착/고정할 때 상기 스페이서들이 횡방향 유격(遊隔)을 프리 세팅(preset)하게 되면, 배면판에 대하여 지지판의 만곡현상을 따르게 하는 강제작용이 일어나지 않게 된다. 따라서 상기 배면판은 똑바르게 유지되며, 스퍼터링 타깃이 배면판으로부터 유리(遊離)되는 위험이 없게 된다.

가장 간단한 방법으로서는, 상기 스페이서를 지지판과 일체로 형성된 웨브(web)를 형성시켜, 이 웨브의 내부를 통하여 냉각제 도관을 형성시킬 수 있다.

상기 구조는 상기 배면판의 도관들로 이르는 공급관을 배면판을 상기 웨브에 연결/고정시킴으로써 이루어질 수 있다.

또한 상기 자석들이 스퍼터링 타깃으로부터 너무 멀리 떨어져 있지 않도록 상기 지지판 자체를 너무 두텁지 않게 하기 위하여, 상기 지지판의 대기측면에서 적어도 긴 쪽의 양단에 각각 직립형(直立形) 가장자리 보강 리브(reinforcing rib)를 형성시키는 것을 제안하였다. 이 구조는 동시에 상기 지지판을 상기 개구부 속으로 맞추어 결합시키는 역할을 한다. 물론 연부보강판(緣部補强板)을 빙 둘러 형성시킴으로써 지지판이 하나의 여물통 모양의 형상을 갖도록 하는 것도 자명한 것이다.

그밖에 상기와 같이 확장된 음극의 실시형태에 있어서는 하나의 통합된 스퍼터링 타깃으로 장치하는 것이 아니라, 지지판에 각각 1개씩의 배면판을 갖고 있는 장방형 스퍼터링 타깃들을 적어도 2개 이상을 나란히 장치하고, 이때 각 스퍼터링 타깃에 하나의 경주트랙을 생성시키는 자석장치를 배치하도록 장치할 수 있다.

여러 개의 스퍼터링 타깃들을 장치하는 것은 각각의 스퍼터링 타깃들은 과도한 부하(중량)를 받지 않으며, 따라서 취급이 용이하다는 장점을 갖는다.

그러나 또한 개개의 장방형 스퍼터링 타깃들은 무게가 매우 무거울 수 있다. 따라서 각 스퍼터링 타깃은 서로 맞대어 결합되는 여러 개의 스퍼터링 타깃 구성부품들로 조립되도록 제안되었다. 또한 각 스퍼터링 타깃 구성부분에는 각각 고유한 독립된 배면판을 장치하며, 이때 상기 배면판도 마찬가지로 여러 개의 단편으로 분할하여 구성된다. 각 개별 구성부분은 독자적인 냉각수 공급 장치를 갖는 자체의 고유한 냉각수 순환회로가 장치된다. 원칙적으로는 상기 배면판 자체가 폐쇄판으로서의 역할을 할 경우에 분할 부품화(分割部品化)를 시도할 수 있는 것이다.

상기와 같은 구조는 냉각수의 순환거리가 그다지 길지 않기 때문에 냉각수의 순환이 종료될 때에도 충분한 냉각상태를 유지하며, 따라서 충분한 냉각용량을 보유하기 때문에 타깃이 전체적으로 균일한 온도를 유지할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

제1도는 본 발명에 따른 마그네트론-스퍼터링 음극의 원리를 보여주는 단면도이다.

제2도는 본 발명에 따른 복수의 구성부품들로 조립된 배면판을 보여주는 사시도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호설명※

마그네트론-스퍼터링 음극(1) 지지판(2)

배면판(3) 배면판 구성부분(3a, 3b, 3c)

스퍼터링 타깃(4) 자석장치(5)

개구부(6) 케이싱벽(7)

절연체(8) 지지판재(10)

가장자리 보강 리브(11) 갈지자형 플랜지(12)

웨브(13) 공극(空隙)(14)

냉각관(15) 주입구/주입관(16)

배출구/배출관(17) 냉각관 접속장치(18)

접속부(18a, 18b, 18c)

본 발명을 이해하기 쉽게 하기 위하여, 첨부도면 및 실시예를 참고하여 상세히 기술하면 다음과 같다.

상기 스퍼터링 음극(1)은 하나의 지지판(2)을 갖고 있고, 그 지지판(2)의 진공측면에 스퍼터링 타깃(4)을 위한 냉각판으로서 형성된 배면판(3)이 장치되어 있다. 한편 대기측면에는 자석장치(5)가 위치하고 있으며, 이 자석장치(5)는 도면에는 상세히 표시하지 않은 변위장치(變位裝置)에 의하여 스퍼터링 타깃(4)에 평행하게 전진 또는 후진할 수 있다.

상기 배면판(3)은 진공용기 케이싱벽(-壁)(7) 안의 개구부(6) 속으로 결합된다. 상기 배면판(3)을 결합하기 위하여 절연체(8)를 장치하여 한편으로는 상기 지지판(2)을 케이싱벽(7)에 대하여 전기적으로 절연시키고, 동시에 상기 배면판(3)과 지지판(2)을 기밀(氣密)하게 결합시키도록 보장하여 주는 역할을 한다.

상기 지지판(2)은 가장자리 주위를 둘러싼 보강리브(11)가 형성된 지지판재(支持板材)(10)로 이루어져 있으며, 이때 상기 보강리브(11)는 바깥쪽으로 갈지자형(?之字形)으로 단(段)을 이루는 플랜지(flange)(12)가 형성되어 있다. 상기 갈지자형 플랜지(12)와 케이싱벽(7) 사이에는 상기 절연체(8)가 설치되어 있고, 상기 절연체(8)는 가장자리 보강리브(11)의 바깥쪽에 위치하고 있다. 상기 보강리브(11)는 진공측면 쪽으로 연장되어 웨브(web)(13)가 형성되어 있어서, 그 웨브(13) 위에 배면판(3)이 면접(面接)하고 있기 때문에 상기 지지판(2)과 배면판(3) 사이에는 공극(空隙)(14)이 형성된다. 상기 진공실을 진공화(眞空化)시킬 때는 또한 상기 공극(14)도 동시에 진공화 시킴으로써 상기 배면판(3)과 함께 스퍼터링 타깃(4)이 압력 을 받지 않는다.

상기 배면판(3) 내부에는 냉각관(15)들이 장치되어 있으며, 상기 냉각관(15)에는 주입구/주입관(16)을 통하여 냉각액이 공급되며, 상기 냉각액은 배출구/배출관(17)을 통하여 다시 배출된다. 상기 주입구/주입관(16)과 배출구/배출관(17)은 상기 보강리브(11)와 웨브(13)를 관통하여 안내된다.

이미 전술한 바와 같이, 상기 구조는 상기 스퍼터링 타깃(4)과 배면판(3) 자신이 차압(差壓)에 노출되지 않으면서 상기 지지판(2)이 진공실(진공상태) 안에 지배하는 기압을 유지할 수 있도록 설계될 수 있다는 장점을 갖는다.

상기 공극(14)은 사실상 지지판(2)의 근소한 만곡을 일으키기는 하지만 이것이 상기 스퍼터링 타깃(4)에 불리한 작용을 하지는 않는다.

상기 지지판(2)의 안정성은 특히 가장자리의 직립형 보강 리브(11)에 의하여 이루어지며, 따라서 그의 지지판재(10)는 그다지 두텁게 실시할 필요가 없으므로 상기 자석장치(5)의 자석들은 상기 스퍼터링 타깃(4)에 비교적 가깝게 배치될 수 있다.

제2도에서 도시한 바와 같이, 상기 배면판(3)은 복수의 구성부분(3a, 3b, 3c)들로 조립될 수 있다. 이 구조는 특히 전체 타깃(4)이 비교 길게 연장되어야 할 경우에 적용하는 것이 바람직하다. 상기 지지판(2)은 또한 길이 방향으로 배치된 보강리브(11)와 웨브(13)가 형성된 하나의 연속된 판재(10)로 이루어져 있다. 상기 배면판(3)의 각 개별 구성부분(3a, 3b, 3c)들은 지지판(2)의 길이 방향에서 보아 서로 나란히 배치되고, 상기 지지판(2)을 한쪽 웨브(13)에서 맞은편의 웨브(13)로 걸쳐놓는다. 각 구성부분(3a, 3b, 3c)은 개별적으로 지지판(2)에 고정되며, 각각 독자적인 냉각수 순환회로를 가지고 있고, 이때 냉각수 순환회로는 지지판(2)의 주입관 및 배출관(16, 및 17)과 결합하기 위한 각각의 독자적인 접속부(18a, 18b, 18c)들을 가지고 있다.

본 발명에 따른 진공실벽의 개구부에 삽입됨으로써, 그 개구부를 기밀하게 폐쇄하여 주고, 상기 진공실벽으로부터 전기적으로 절연되어 있는 하나의 폐쇄판(閉鎖板)과, 상기 폐쇄판의 진공측면(眞空側面)에 설치된 하나의 스퍼터링 타깃(sputtering target)과, 상기 폐쇄판의 대기측면(大氣側面)에 다수의 자석들로 이루어지는 하나의 자석장치와 상기 스퍼터링 타깃을 냉각시키기 위하여 냉각제를 순환시키는 하나의 냉각판을 구비하는 마그네트론-스퍼터링 음극(陰極)을 제조함으로써, 공지의 마그네트론-스퍼터링 음극보다 현저히 향상된 수명을 갖는 마그네트론-스퍼터링 음극이 생산, 사용가능하다.

Claims

진공실벽의 개구부(6)에 삽입됨으로써, 그 개구부(6)를 기밀하게 폐쇄하여 주고, 상기 진공실벽으로부터 전기적으로 절연되어 있는 하나의 폐쇄판과, 상기 폐쇄판의 진공측면에 설치된 하나의 스퍼터링 타깃(4)과, 상기 폐쇄판의 대기측면에 다수의 자석들로 이루어지는 하나의 자석장치(5)와, 상기 스퍼터링 타깃(4)을 냉각시키기 위하여 냉각제를 순환시키는 하나의 냉각판을 구비하는 마그네트론-스퍼터링 음극에 있어서,

상기 진공측면의 냉각판은 하나의 지지판(2)으로서 형성된 폐쇄판과 상기 스퍼터링 타깃(4) 사이에 장치되는 것을 특징으로 하는 마그네트론-스퍼터링 음극.
제1항에 있어서,

상기 지지판(2) 내부에는 냉각제 도관들이 장치되어 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론-스퍼터링 음극.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 냉각판은 내부에 냉각관(15)들이 장치되어 있고, 상기 스퍼터링 타깃(4)의 배면판(3)을 형성하는 것을 특징으로 하는 마그네트론-스퍼터링 음극.
제3항에 있어서,

상기 냉각관(15)들은 상기 냉각판 내부에서 폐쇄된 단면을 가지고 있으며, 상기 스퍼터링 타깃(4)에 대한 연속된 접촉면을 이루는 것을 특징으로 하는 마그네트론-스퍼터링 음극.
제1, 2, 3 또는 4항에 있어서,

상기 배면판(3)과 지지판(2) 사이에 스페이서들을 설치하고, 상기 스퍼터링 타깃(4)의 반대쪽 배면판(3)의 뒷면 가장자리를 상기 스페이서들과 면접/고정 시킴으로써, 상기 배면판(3)의 중앙부위와 상기 지지판(2) 사이에 공극을 형성시키는 것을 특징으로 하는 마그네트론-스퍼터링 음극.
제5항에 있어서,

상기 스페이서들은 상기 지지판(2)과 일체로 형성된 웨브(13)들로서 형성되며, 냉각제 도관은 상기 웨브(13)들의 내부를 관통하여 장치되는 것을 특징으로 하는 마그네트론-스퍼터링 음극.
선행 청구항들 중 하나에 있어서,

상기 지지판(2)은 대기측면의 양쪽 가장자리에 형성된 2개의 직립형 보강리브(11)들을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론-스퍼터링 음극.
제7항에 있어서,

각각 1개씩의 배면판(3)을 가지고 있는 최소 2개 이상의 장방형 스퍼터링 타깃(4)들이 상기 지지판(2) 위에 나란히 장치되고, 각 스퍼터링 타깃(4)에는 각각 하나의 경주트랙 모양의 자계(磁界)를 발생시키는 자석장치(5)가 배치되는 것을 특징으로 하는 마그네트론-스퍼터링 음극.
선행 청구항들 중 하나에 있어서,

각 스퍼터링 타깃(4)은 서로 맞대어 장치된 복수의 스퍼터링 타깃 부분들로 조립되는 것을 특징으로 하는 마그네트론-스퍼터링 음극.
제9항에 있어서,

각각의 스퍼터링 타깃 부분에는 독립적으로 개별 배면판이 장치되며, 이 개별 배면판은 독자적인 냉각수 공급관을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론-스퍼터링 음극.