KR20130007452A - 접합되지 않는 회전 반도성 표적 및 스퍼터링 방법 - Google Patents
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Abstract
종방향 길이를 갖고 외측 표면(18)을 형성하는 관형 부재(11)와, 상기 관형 부재(11)의 길이를 따라 종방향으로 연장되는 제 1 종방향 브라켓(20a)과, 상기 관형 부재(11)의 길이를 따라 종방향으로 연장되는 제 2 종방향 브라켓(20b)을 포함하는, 회전 스퍼터링 캐소드(10)가 제공된다. 추가적인 종방향 브라켓(20)(예를 들어, 제 3(20c), 제 4(20d), 제 5(20e), 등)이 상기 관형 부재(11)의 길이를 따라 또한 포함될 수 있다. 스퍼터링 물질을 포함하는 표적(12)은, 후방 표면(16)이 상기 관형 부재(11)의 외측 표면(18)과 면하도록 위치할 수 있다. 상기 제 1 종방향 브라켓(20a) 및 제 2 종방향 브라켓(20b)은 사이에 상기 표적(12)을 탈착가능하게 보지하여, 상기 표적(12)의 후방 표면(16)이 상기 관형 부재(11)의 외측 표면과 면하게 된다. 접합되지 않는 표적(12)을 스퍼터링하기 위한 방법이 또한 제공된다.
Description
여기서 개시되는 발명은 일반적으로, 접합되지 않는 반도성 표적과, 기판 상의 반도성층의 스퍼터링 중 이러한 반도성 표적의 이용에 관한 것이다.
광-반응 구성요소로서 카드뮴 설파이드(CdS)와 짝지어진 카드륨 텔루라이드(CdTe)에 기초한 박막 광기전(PV) 모듈("태양 전지판"이라고도 함)이 넓은 수용성을 얻고 있고 산업계에서 관심을 모으고 있다. CdTe는 태양 에너지를 전기로 변환시키기에 특히 적합한 특성을 갖는 반도체 물질이다. 예를 들어, CdTe는 약 1.45eV의 밴드갭 에너지를 갖고, 이는 태양 전지 분야에 종래에 사용되는 낮은 밴드갭의 반도성 물질(예를 들어, 실리콘의 경우 약 1.1eV)에 비해, 태양 스펙트럼으로부터 더 많은 에너지를 변환시킬 수 있게 한다. 또한, CdTe는 낮은 밴드갭 에너지 물질에 비해 낮거나 확산성의 광 조건의 복사 에너지를 변환하며, 따라서, 다른 종래의 물질에 비해 주간 시간 동안 또는 구름낀 환경에서도 더 긴 유효 변환 시간을 갖는다.
n-형층과 p-형층의 정션은, CdTe PV 모듈이 태양광과 같은 광 에너지에 노출될 때 일반적으로, 전위 및 전류를 발생시킬 책임이 있다. 특히, 카드뮴 텔루라이드(CdTe)층 및 카드뮴 설파이드(CdS)는 p-n 헤테로정션을 형성하여, CdTe가 p-형층(즉, 전자 수용층)으로 작용하고 CdS층은 n-형층(즉, 전자 도네이팅층)으로 작용하게 된다. 자유 캐리어쌍이 광 에너지에 의해 생성되고 p-n 헤테로정션에 의해 분리되어 전류를 생성한다.
CdS층은 다른 층들(예를 들어, 카드뮴 틴 옥사이드의 투과성 전도 옥사이드층)과 함께, 스퍼터링 프로세스(물리적 기상 증착이라고도 알려짐)를 통해 형성될 수 있고, 소스 물질은 반도성 표적(예를 들어, 카드뮴 설파이드, 카드뮴 틴 옥사이드, 등)으로부터 공급된다. 일반적으로, 카드뮴 설파이드 반도성 표적은 수냉되는 백킹 플레이트(backing plate)에 접합되어, 스퍼터링 작용을 수행하는 마그네트론(캐소드) 내로 배치된다. 반도성 표적은 인듐 땜납 또는 전도성 에폭시를 이용하여 백킹 플레이트에 접합되는 것이 일반적이다. 접합은 반도성 표적과 수냉 백킹 플레이트 사이에서 우수한 열 및 전기 접촉부를 제공한다. 따라서, 반도성 표적의 대향하는 양 측부 상에서 플라즈마에 의해 생성되는 열이 수냉 백킹 플레이트에 의해 표적으로부터 멀리 운반되고 소산될 수 있다.
반도성 표적이 스퍼터링됨에 따라, 반도성 물질이 표적으로부터 침식된다. 반도성 표적이 침식됨에 따라, 노듈(nodules)이 표적의 표면 상에 형성되어, 스퍼터링 중 증착 속도를 변화시킬 수 있고, 결과적인 박막의 특성에 영향을 미칠 수 있다. 추가적으로, 이러한 노듈은 스퍼터링 챔버 내에 아크를 발생시킬 수 있다. 연장된 주기에 걸쳐 스퍼터링 후 생기는 이러한 변수들은 카드뮴 텔루라이드 기반 박막 광기전 소자의 상업적 제작 중과 같이, 대규모 제작 환경에서 증착되는 반도성층의 박막 변화를 야기할 수 있다.
따라서, 실질적으로 균일한 층의 증착을 위해 더욱 균일한 스퍼터링 프로세스가 필요하다.
발명의 형태 및 장점들은 다음의 성명에서 부분적으로 제시될 것이고, 또는, 상세한 설명으로부터 명백할 수 있으며, 또는, 본 발명의 실제 구현을 통해 학습될 수 있다.
회전 스퍼터링 캐소드가 일반적으로 제공된다. 상기 캐소드는 종방향 길이를 갖고 외측 표면을 형성하는 관형 부재와, 상기 관형 부재의 길이를 따라 종방향으로 연장되는 제 1 종방향 브라켓과, 상기 관형 부재의 길이를 따라 종방향으로 연장되는 제 2 종방향 브라켓을 포함한다. 추가적인 종방향 브라켓(예를 들어, 제 3, 제 4, 제 5, 등)이 상기 관형 부재의 길이를 따라 또한 포함될 수 있다. 스퍼터링 물질을 포함하고 스퍼터링 표면 및 스퍼터링 표면에 대향된 후방 표면을 형성하는 표적은, 상기 후방 표면이 상기 관형 부재의 외측 표면과 면하도록 위치할 수 있다. 상기 제 1 종방향 브라켓과 제 2 종방향 브라켓 사이에 상기 제 1 표적을 탈착가능하게 보지하여, 상기 제 1 표적의 후방 표면이 상기 관형 부재의 외측 표면과 면하게 된다.
접합되지 않는 표적을 스퍼터링하기 위한 방법이 또한 일반적으로 제공된다. 첫 번째로, 스퍼터링 표적의 스퍼터링 표면을 노출시키도록 제 1 브라켓과 제 2 브라켓 사이에서 회전 스퍼터링 캐소드 내로 상기 스퍼터링 표적이 탈착가능하게 삽입될 수 있다. 상기 스퍼터링 표적이 상기 외측 표면에 인접하여 위치하고 접합되지 않도록, 상기 스퍼터링 캐소드는 외측 표면을 형성하는 관형 부재를 포함한다. 그 후, 상기 스퍼터링 표적의 스퍼터링 표면으로부터 원자가 방출되도록, 상기 스퍼터링 표적의 스퍼터링 표면이 플라즈마와 접촉될 수 있다.
본 발명의 이와 같은, 그리고 그외 다른, 특징, 형태, 및 장점이 다음의 상세한 설명 및 첨부 청구범위를 참조하여 더욱 잘 이해될 것이다. 본 명세서의 일부분을 구성하며 포함된 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 제시하며, 상세한 설명과 함께, 발명의 원리를 설명하는 기능을 한다.
당 업자에게 있어, 본 발명의 최적 모드를 포함한, 본 발명의 완전하고 구현가능한 개시 내용이, 첨부 도면을 참조하여 명세서에서 제시된다.
도 1은 복수의 접합되지 않는 반도성 표적을 포함하는 예시적인 회전 스퍼터링 캐소드의 사시도이며,
도 2는 표적없이 도 1의 예시적인 회전 스퍼터링 캐소드의 확대 사시도이며,
도 3은 도 2의 예시적인 회전 스퍼터링 캐소드의 단면도이며,
도 4는 도 1의 예시적인 회전 스퍼터링 캐소드와 함께 이용하기 위한 예시적인 표적의 사시도이며,
도 5는 스퍼터링 중 도 1의 예시적인 회전 스퍼터링 캐소드의 단면도이며,
도 6은 탈착형 브라켓 캡을 갖는 예시적인 회전 스퍼터링 캐소드의 단면도이며,
도 7은 또 다른 예시적인 스퍼터링 캐소드의 단면도이며,
도 8은 도 7의 예시적인 회전 스퍼터링 캐소드의 단면도이다.
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도 7은 또 다른 예시적인 스퍼터링 캐소드의 단면도이며,
도 8은 도 7의 예시적인 회전 스퍼터링 캐소드의 단면도이다.
본 명세서 및 도면에서 도면 부호의 반복적 사용은 동일한 또는 유사한 특징부 또는 요소를 표현하고자 한다.
지금부터 본 발명의 실시예를 상세하게 참조할 것이며, 그 중 하나 이상의 예가 도면에 도시된다. 각각의 예는 발명의 설명을 통해 제공되며, 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 실제로, 본 발명의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않으면서 본 발명에 다양한 변형예 및 변화가 구현될 수 있음은 당 업자에게 명백하다. 예를 들어, 일 실시예의 일부분으로 설명되거나 제시된 특징들이 다른 실시예와 함께 이용되어, 또 다른 실시예를 도출할 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에서 이러한 변형예 및 변화를 포괄한다.
접합되지 않는 회전 반도성 표적은 일반적으로, 이러한 접합되지 않는 회전 표적을 채택하는 스퍼터링 캐소드와 함께 제공된다. 접합되지 않는 회전 표적은 표적의 스퍼터링 표면에 형성되는 노듈을 감소시키면서, 또는 실질적으로 제거하면서, 스퍼터링될 수 있다. 따라서, 접합되지 않는 회전 표적은 증착 프로세스 중 더욱 균일하게 스퍼터링될 수 있고, 단일 기판 상에, 그리고 제작 프로세스 전반에 걸쳐(즉, 기판으로부터 기판까지), 더욱 균일한 박막층(예를 들어, 카드뮴 설파이드 박막층, 카드뮴 틴 옥사이드층, 등)의 형성을 유도할 수 있다.
도 1은 관형 부재(11) 및 접합되지 않는 복수의 표적(12)을 포함하는, 예시적인 회전 스퍼터링 캐소드(10)를 도시한다. 일반적으로 원통형의 형상(예를 들어, 일반적으로 원형인 단면을 갖는 드럼)을 갖는 것으로 도시되지만, 관형 부재(11)는 임의의 적절한 회전가능한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 관형 부재(11)는 다각형과 같은 단면을 가질 수 있고, 꼭지점들의 수는 아래 설명되는 바와 같이 종방향 브라켓(20)의 수와 일반적으로 일치한다.
각각의 표적(12)은 도 4, 6, 8에 구체적으로 도시되는 바와 같이, 스퍼터링 표면(14)과, 스퍼터링 표면(14)에 대향되는 후방 표면(16)을 형성한다. 도 2, 3, 6, 8에 구체적으로 도시되는 바와 같이, 각각의 표적(12)의 후방 표면(16)은, 회전 스퍼터링 캐소드(10)에 의해 형성되는 외측 표면(18)에 접합되지 않는 상태를 유지한다. 여기서 사용되는 바와 같이, "접합되지 않는"(non-bonded)이라는 용어는 표적(12)이 표적(12)의 후방 표면(16)과 회전 스퍼터링 캐소드(10)의 외측 표면(18) 사이에서 어떤 부착 물질로부터도 자유로움을 의미한다(즉, 용접, 납땜, 접착, 또는 그외 다른 부착 물질이 표적(12)의 후방 표면(16) 사이에 존재하지 않는다). 이와 같이, 표적(12)은 제공되는 장착 구조물(예를 들어, 브라켓(20))의 임계치 내에서 외측 표면(18)에 대해 자유롭게 움직일 수 있다.
표적(12)이 외측 표면(18)에 접합되지 않기 때문에, 그 사이에서의 열 전도가 금지될 수 있고, 특히, 스퍼터링 중 존재하는 스퍼터링 분위기의 비교적 낮은 진공 압력(예를 들어, 약 1mTorr 내지 약 50mTorr)에서 금지될 수 있다. 따라서, 표적(12)은 스퍼터링 챔버 내에서 복사 열원과, 스퍼터링 챔버 내의 플라즈마로 인해 뜨거워질 수 있다. 실질적으로 일정한 스퍼터링 프로세스의 경우에(즉, 마그네트론 파워, 스퍼터링 압력, 및/또는 스퍼터링 온도가 실질적으로 일정한 경우에), 표적(12)은, 스퍼터링 표면(14)을 따라 흡수되는 열 에너지가 표적(12)의 후방 표면(14)으로부터 외측 표면(18)으로 복사되는 열 에너지와 실질적으로 동일할 때, 비교적 안정한 스퍼터링 온도에 도달할 수 있다. 예를 들어, 표적(12)의 스퍼터링 온도는 사용되는 특정 스퍼터링 파라미터에 따라 약 100℃ 내지 약 1000℃에 놓일 수 있다.
플라즈마가 스퍼터링 중 표적(12)을 가열함에 따라, 표적(12)은, 표적(12)에 추가적인 열 에너지를 제공하기 위해 추가적인 가열 요소를 필요로 하지 않으면서, 플라즈마에 의해 제공되는 열로 인해 스퍼터링 중 스퍼터링 온도를 유지할 수 있다. 그러나, 스퍼터링 온도가 요망 온도 미만으로 감소할 경우, 스퍼터링 온도를 요망하는 바와 같이 상승시키기 위해 표적(12)에 추가적인 열 에너지를 제공하도록 가열 요소(도시되지 않음)가 포함될 수 있다. 일 특정 실시예에서, 표적(12)은 스퍼터링 이전에(예를 들어, 플라즈마 필드 형성 이전에), 외측 표면(18) 내에서, 또는 상에서, 가열 요소(17)를 통해 예열될 수 있다. 따라서, 표적(12)은 스퍼터링 온도로 가열될 수 있고, 이러한 스퍼터링 온도는 전체 스퍼터링 프로세스 중 실질적으로 유지되어 균일한 스퍼터링 파라미터를 제공할 수 있다. 표적(12)의 스퍼터링 중, 표적(12)의 스퍼터링 온도는 표적(12)을 가열시키는 플라즈마 및/또는 가열 요소(존재할 경우)로 인해 유지될 수 있다.
일 특정 실시예에서, 표적(12)의 스퍼터링 표면(14)의 온도를 모니터링하기 위해 스퍼터링 챔버 및/또는 스퍼터링 캐소드(10) 상에 또는 내에, 온도 센서(도시되지 않음)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 온도 센서는 고온계(pyrometer)와 같은 비-접촉식 온도 센서일 수 있다.
표적(12)의 이러한 비교적 높은 스퍼터링 온도는 표적(12)의 물질을, 실질적인 크랙형성 또는 용융없이 표적(12)의 두께를 통해 형성되는 임의의 잠재적 온도 구배 및 이러한 스퍼터링 온도에 견딜 수 있는 물질로 제한한다. 일 특정 실시예에서, 접합되지 않는 표적은 카드뮴 텔루라이드 기반 박막 광기전 소자에 사용하기 위해서와 같이, 기판 상에 스퍼터링을 통해 카드뮴 설파이드층을 형성하기 위한 방법에 사용되는 카드뮴 설파이드를 포함할 수 있다. 카드뮴 설파이드로 구성될 때, 접합되지 않는 카드뮴 설파이드 표적은, 실질적으로 동일한 증착 속도를 여전히 달성하면서, 동일하지만 접합된 표적에 대해 실질적으로 요구되는 것보다 낮은 파워 세팅에서 스퍼터링될 수 있다. 추가적으로, 접합되지 않는 카드뮴 설파이드 표적은 고갈시 쉽게 상호교환될 수 있어서, 시간 및 비용을 상당히 절감할 수 있다. 대안으로서, 표적(12)의 물질은, 예를 들어, 카드뮴 텔루라이드 기반 박막 광기전 소자에 사용하기 위해, 예를 들어, 기판 상에 투명 전도성 옥사이드층을 형성하기 위해, 카드뮴 틴 옥사이드 및/또는 인듐 틴 옥사이드를 포함할 수 있다. 물론, 가장 넓은 범주에서, 표적(12)의 물질은 주어진 표면에 사용자가 스퍼터링-증착하고자 하는 임의의 스퍼터링 물질로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 표적(12)은 임의의 스퍼터링 물질로 구성될 수 있고, 내화, 세라믹, 및/또는 반도체 물질에 대해 특히 유용할 수 있다.
표적(12)은 브라켓 또는 다른 접합되지 않는 부착 메커니즘을 통해 관형 부재(11)의 외측 표면(18) 상에 보지되거나 이러한 외측 표면에 인접하여 놓일 수 있다. 도면에 도시되는 바와 같이, 각각의 표적(12)은 일반적으로, 관형 부재(11)의 길이를 따라 종방향으로 연장되는 한 쌍의 종방향 브라켓(20) 사이에 위치한다. 도 1은 제 1 슬롯(22a)을 형성하기 위해 표적(12)의 대향 에지(21, 23)(즉, 제 1 에지(21) 및 제 2 에지(23))를 따라 각각 위치하는 제 1 브라켓(20a) 및 제 2 브라켓(20b)을 도시한다. 이와 같이, 표적(12)의 후방 표면(16)이 접합되지 않는 상태를 유지하면서 관형 부재(11)의 외측 표면(18)과 면할 수 있도록, 표적(12)은 한 쌍의 종방향 브라켓(20)(즉, 제 1 브라켓(20a) 및 제 2 브라켓(20b)으로 일반적으로 설명됨) 사이에서 탈착가능하게 보지될 수 있다. 8개의 슬롯(즉, 제 1 슬롯(220a), 제 2 슬롯(220b), 제 3 슬롯(220c), 제 4 슬롯(220d), 제 5 슬롯(220e), 제 6 슬롯(220f), 제 7 슬롯(220g), 제 8 슬롯(220h))을 사이에 형성하는 8개의 종방향 브라켓(20)(즉, 제 1 브라켓(20a), 제 2 브라켓(20b), 제 3 브라켓(20c), 제 4 브라켓(20d), 제 5 브라켓(20e), 제 6 브라켓(20f), 제 7 브라켓(20g), 제 8 브라켓(20h))이 도시되지만, 임의의 적절한 개수의 브라켓(20)이 요망되는 바에 따라 이용될 수 있다. 이와 같이, 종방향 브라켓(20)의 개수는 관형 부재(11) 주위로 형성된 슬롯(22)의 개수와 일치할 수 있고, 소정의 실시예에서, 약 3개 내지 약 12개일 수 있다(예를 들어, 약 4개 내지 약 10개, 또는 약 5개 내지 약 8개일 수 있다).
각각의 슬롯(22)은 스퍼터링 중 거쳐가는 기판(5)의 길이와 일치하거나 기판(5)의 길이를 넘어서는 종방향의 길이를 가질 수 있다. 이와 같이, 복수의 표적(12)이 각각의 슬롯(22)의 길이를 따라 단부에서 단부까지의 방식으로 위치할 수 있다.
제 1 브라켓(20a) 및 제 2 브라켓(20b) 모두가 각자의 선단 에지(25, 27)로부터 연장되는 오버행 플랜지(24, 26)를 형성한다. 따라서, 제 1 브라켓(20a) 및 제 2 브라켓(20b)은 스퍼터링 캐소드(10) 내에서 그 사이에 표적(12)을 탈착가능하게 수용하기 위한 슬롯(22)을 형성한다. 슬롯(22)은 각자의 브라켓(20a, 20b)으로부터 연장되는 각각의 오버행 플랜지(24, 26)의 내측 표면과, 제 1 브라켓(20a) 및 제 2 브라켓(20b)의 각자의 측부 에지(28a, 28b), 및 외측 표면(18)에 의해 경계를 형성한다.
제 1 브라켓(20a) 및 제 2 브라켓(20b)으로부터 각각 연장되는 제 1 오버행 플랜지(24) 및 제 2 오버행 플랜지(26)는 표적(12)의 각자의 에지(즉, 제 1 에지(21) 및 제 2 에지(23))를 따라 스퍼터링 표면(14)의 일부분에 겹쳐지도록 위치한다. 각각의 오버행 플랜지(24, 26)가 커버하는 스퍼터링 표면(14)의 겹쳐진 부분은 외측 표면(18)에 인접하게 스퍼터링 캐소드 내에서 표적을 보지하기에 충분하다. 그러나, 오버행 플랜지(24, 26)에 의해 커버되는 스퍼터링 표면(14)의 겹쳐진 부분은, 표적 물질의 낭비를 방지하도록, 최소한인 것이 바람직하며, 이는, 표적(12)의 제 1 에지(21) 및 제 2 에지(23)를 따른 겹쳐진 부분이 증착 프로세스 중 스퍼터링 금지될 것이기 때문이다. 예를 들어, 각각의 오버행 플랜지(24, 26)는 표적(12)의 제 1 에지(21) 및 제 2 에지(23)로부터 연장되는 스퍼터링 표면(14)의 약 0.5% 내지 약 5%(예를 들어, 스퍼터링 표면(14)의 약 1% 내지 약 4%)를 커버할 수 있다.
제 1 브라켓(20a) 및 제 2 브라켓(20b)은, 후방 표면(16)이 스퍼터링 중 외측 표면(18)과 면하도록, 스퍼터링 캐소드(10) 내에 표적(12)을 보지 및 고정할 수 있다. 이와 같이, 표적(12)의 후방 표면(16)은 외측 표면(18)에 인접하여 놓이거나 외측 표면(18)과 직접 접촉할 수 있다. 후방 표면(16)이 외측 표면(18)에 접합되지 않기 때문에, 표적은 슬롯(22)의 구획 내에서 외측 표면(18)에 대해 자유롭게 이동한다.
종방향 브라켓(20)들은 종방향 브라켓(20) 각각 사이에 슬롯(22)을 형성하도록 서로 실질적으로 평행하게 도시되어, 종방향으로 슬라이딩함으로써 회전 스퍼터링 캐소드(10)로부터 표적(12)을 삽입하거나 제거할 수 있다. 도면에 도시되는 실시예에 도시된 바와 같이, 각각의 종방향 브라켓(20)은 접선 평면의 종방향으로 관형 부재(11)의 외측 표면(18) 상에, 일반적으로 동일한 간격으로, 위치한다. 그러나, 다른 구조(가령, 간격이 다른 구조)도 요망되는 바에 따라 사용될 수 있다.
각각의 종방향 브라켓(20)은 한 상의 오버행 플랜지(24, 26)를 일반적으로 형성하며, 제 1 오버행 플랜지(24)는 제 1 측부 상의 인접 브라켓(20)을 향해 제 1 방향으로 연장되고, 제 2 오버행 플랜지(26)는 (대향된) 제 2 측부 상의 인접 브라켓(20)을 향해 제 2 방향으로 연장된다. 각각의 오버행 플랜지(24, 26)는 그 사이에서 표적(12)을 탈착가능하게 보징하도록 설계된다.
일 특정 실시예에서, 표적(12)은, 슬롯(22)의 길이를 따라서만 표적을 실질적으로 움직일 수 있도록, 슬롯(22) 내에 확고하게 끼워맞춰지는 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 브라켓(20a) 및 제 2 브라켓(20b)의 각자의 대향 측부 에지(28a, 28b) 사이의 간격은, 제 1 에지(21)와 제 2 에지(23) 사이에 형성되는 표적(12)의 폭의 약 100.1% 내지 약 105% 일 수 있으며, 예를 들어, 100.5% 내지 약 104%, 특히 약 101% 내지 약 103% 일 수 있다. 마찬가지로, 오버행 플랜지(24, 26)와 외측 표면(18) 사이의 간격은 스퍼터링 표면(14)과 후방 표면(16) 사이에 형성되는 표적의 두께의 약 100.1% 내지 약 110%일 수 있고, 예를 들어, 약 100.5% 내지 약 105%, 특히, 약 101% 내지 약 103%일 수 있다. 따라서, 표적(12)의 스퍼터링 표면(14)의 90% 내지 약 99.8%가 노출된 상태로 스퍼터링-가용하도록 유지될 수 있고, 예를 들어, 약 92% 내지 약 99%, 특히 약 96% 내지 약 98%가 이와 같이 유지될 수 있다.
슬롯(22) 내의 추가 공간은 상온(예를 들어, 약 20℃ 내지 약 25℃)에서 표적을 비교적 용이하게 이동할 수 있게 하지만, 캐소드가 수직으로 또는 뒤집혀서 장착될 때 표적(12)이 떨어져 나가지 않도록 고정할 것이다. 예를 들어, 추가 공간은 고온 스퍼터링시(예를 들어, 약 100℃ 또는 그 이상) 표적을 열팽창시키면서, 표적이 열팽창 범위 내에서 기계적으로 제한되기 때문에, 표적(12)의 열-유도 크랙 형성을 제한 및 방지한다.
도 1은, 표적(12)의 후방 표면(16)은 외측 표면(18)과 직접 접촉하는, 도 1의 스퍼터링 캐소드(10)의 일 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 후방 표면(16)과 외측 표면(18) 사이에 어떤 다른 물질도 존재하지 않는다. 예를 들어, 오버행 플랜지(24, 26)와 외측 표면(18) 사이의 간격은 스퍼터링 표면(14)과 후방 표면(16) 사이에 형성되는 표적(12)의 두께의 약 100.1% 내지 약 102%일 수 있고, 예를 들어, 약 100.2% 내지 약 101.%, 특히, 약 100.5% 내지 약 101%일 수 있다. 따라서, 특히 표적(12)이 가열되어 열팽창을 야기할 때, 오버행 플랜지(24,26)와 외측 표면(18) 사이에서 표적(12)이 이동하기 위해 가용한 공간이 거의 없다.
일 실시예에서, 표적(12)에 면하는 외측 표면(18)의 표면 상에 유전 물질층(예를 들어, 카드뮴 설파이드)이 포함될 수 있다. 이러한 유전 물질층은 표적(12) 고갈시, 외측 표면(18)이 스퍼터링되는 것을 방지할 수 있다. 일 실시예에서, 유전 물질층은 표적(12)과 실질적으로 동일한 물질(예를 들어, 실질적으로 동일한 구조를 갖는 물질)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전 물질층과 표적(12)이 카드뮴 설파이드를 포함할 수 있다.
대안으로서, 표적(12)의 후방 표면(16)과 외측 표면(18) 사이에 갭이 존재하여, 제 1 및 제 2 브라켓(20a, 20b)의 오버행 플랜지(24, 26)와 외측 표면(18) 사이에서 특정 양의 부동(float)을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 오버행 플랜지(24, 26)와 외측 표면(18) 사이의 간격은 스퍼터링 표면(14)과 후방 표면(16) 사이에 형성되는 표적(12)의 두께의 약 102% 내지 약 105%일 수 있다. 이러한 구조에 따라, 표적(12)이 비교적 쉬운 상호호환성으로 슬롯(22) 내에서 용이하게 슬라이딩할 수 있다.
스퍼터링 캐소드(10)의 또 다른 대안의 실시예에서, 스페이서 또는 바이어싱 부재(도시되지 않음)가 표적(12)의 후방 표면(16)과 외측 표면(18) 사이에 위치하여, 후방 표면(16)과 외측 표면(18) 사이에 갭이 존재하게 된다. 예를 들어, 스페이서는 외측 표면(18)과 표적(12)의 후방 표면(16) 사이의 각각의 슬롯(28) 내에 위치할 수 있다. 스페이서의 크기는 후방 표면(16)과 외측 표면(18) 사이의 거리를 제어하도록 요망되는 바에 따라 제어될 수 있다. 바이어싱 부재는 외측 표면(18)과 표적(12) 사이에 위치하여, 표적(12)을 브라켓(20)에 대해 밀어내는 힘을 제공할 수 있다.
표적(12)의 후방 표면(16)과 외측 표면(18) 사이에 존재할 때, 갭은, 스퍼터링 프로세스 중 표적(12)의 평형 스퍼터링 온도를 제어하도록 조정될 수 있어서, 증착 속도 및/또는 증착 균일성을 우수하게 제어할 수 있다. 소정의 실시예에서, 갭은 약 100㎛ 내지 약 1cm, 예를 들어, 약 200㎛ 내지 약 0.5cm 일 수 있다.
브라켓(20)과 외측 표면(18) 사이의 간격은 표적(12)의 두께와 슬롯(22) 내에 존재할 요망 양의 부동에 따라 필요한 대로 조정될 수 있다. 도 6에 도시되는 실시예에서, 예를 들어, 각각의 브라켓(20)에서 관형 부재(11)의 외측 표면(18)으로부터 연장되는 오버행 플랜지(24, 26)의 거리를 조정하기 위해 패스너(30)(예를 들어, 볼트, 나사, 핀, 등)가 포함될 수 있다.
브라켓(20)(및/또는 관형 부재(11))이, 일 실시예에서, 스퍼터링 중 형성되는 자기장에 대한 영향을 피하기 위해, 비-자성 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 브라켓(20)은 비-자성 금속 물질(예를 들어, 304 타입 스테인레스강 또는 316 타입 스테인레스강과 같은 스테인레스강)로 형성될 수 있다. 일 특정 실시예에서, 표적(12)이 카드뮴 설파이드를 포함할 때와 같은 경우에, 브라켓(20)의 노출된 표면은, 브라켓(20)이 증착 프로세스 중 스퍼터링되는 경우에, 카드뮴으로 코팅될 수 있다. 제 1 및 제 2 브라켓(20)의 표면 상의 카드뮴층은 브라켓(20) 자체의 스퍼터링을 방지할 수 있고, 따라서, 스퍼터링 챔버(및 결과적으로 증착된 박막)의 오염을 방지한다. 예를 들어, 도 6은 (오버행 플랜지(24, 26)를 포함한) 브라켓(20)의 노출된 표면이 패스너(30)를 통해 관형 부재(11)에 고정되는 브라켓 캡(32)으로부터 형성되어, 브라켓(20)을 형성함을 도시하고 있다. 이러한 브라켓 캡(32)은 표적(12)에 포함된 물질(예를 들어, 카드뮴)로부터 형성될 수 있다. 이와 같이, '브라켓"이라는 용어의 사용은, 단일-피스 브라켓(예를 들어, 관형 부재(11)의 외측 표면에 용접되거나 연결된 부분)과, 복수-피스 브라켓(예를 들어, 브라켓 캡(32), 패스너(30), 등과 같이, 복수의 구성요소로부터 형성됨)을 모두 포함한다.
외측 표면(18)은 냉각 시스템(도시되지 않음)에 연결되어, 관형 부재(11)의 외측 표면(18)으로부터 열 에너지를 수집 및 제거하는 것을 도울 수 있다.
일 특정 실시예에서, 표적(12)은 실질적으로 평행한 변들을 갖는 장방형이다. 이러한 장방형 구조는 표적(12)으로 하여금 스퍼터링 캐소드(10) 내의 복수의 표적들 간에 실질적으로 균일한 스퍼터링 표면을 쉽게 형성하게 할 수 있다. 따라서, 인접 표적(12)들 사이의 갭을 피할 수 있고, 따라서, 스퍼터링 프로세스 중 아래의 외측 표면(18)의 스퍼터링을 방지할 수 있다. 추가적으로, 장방형 구조에 따라, 표적(12)이 슬롯(22)을 이용하여 쉽게 변경 및 교체될 수 있다.
도 1 내지 6에 도시되는 실시예에서, 표적(12)은 스퍼터링 이전에, 브라켓(20) 사이의 관형 부재(11)의 실질적으로 평면형인 외측 표면(18)과 함께, 실질적으로 평면형인 스퍼터링 표면(14) 및 후방 표면(16)을 갖는다. 그러나, 도 7 및 도 8은 관형 부재(11)의 외측 표면(18)이 브라켓(20) 사이에서 곡선형인(예를 들어, 호형인)대안의 실시예를 도시한다. 이와 같이, 표적(12)은 관형 부재(11)의 외측 표면(18)에 의해 형성되는 곡선에 실질적으로 평행할 수 있는 곡선형 후방 표면(16)을 가질 수 있다. 즉, 곡선형 후방 표면(16)의 호는, 관형 부재(11)가 원통형인 예에서, 외측 표면(18)의 인접한 곡선의 호와 일치할 수 있다. 추가적으로, 스퍼터링 표면(14)은, 스퍼터링 이전에, 관형 부재(11)의 외측 표면(18)에 의해 형성되는 곡선에 실질적으로 평행하게 곡선형(예를 들어, 호형)일 수도 있다. 이러한 곡선형 구조에 따라, 스퍼터링 중 관형 부재(11)가 진동함에 따라, 기판(5)과 스퍼터링 표면(14)의 가장 가까운 점 사이의 거리가 실질적으로 균일하게 유지될 수 있고, 이는 스퍼터링 중 균일성 개선으로 나타날 수 있다. 일 특정 실시예에서, 예를 들어, (스퍼터링 표면(14), 후방 표면(16), 및/또는 외측 표면(18)의) 곡선형 표면은, 인접한 브라켓(20)(예를 들어, 제 1 브라켓(20a), 제 2 브라켓(20b))들 사이에서 형성되는 세그먼트에서 원형의 단면을 가질 때, 관형 부재(11)의 원주를 일반적으로 따를 수 있다.
관형 부재(11)는 중공 실린더-형 구조를 갖는 것으로 도시된다. 그러나, 지지 구조물(예를 들어, 스포크(spokes), 자석, 냉각 장치, 등)와 같은 내부 요소들이 관형 부재(11)의 구조 내에 포함될 수 있다.
스퍼터링 캐소드(10)는 임의의 스퍼터링 프로세스와 함께 이용될 수 있다. 스퍼터링 증착은 일반적으로, 표적을 플라즈마와 접촉시킴으로써 물질 소스인 표적으로부터 물질을 방출시키는 과정을 포함한다. 방출된 물질은 그 후 기판 상에 증착되어 박막을 형성한다. DC 스퍼터링은 일반적으로, 스퍼터링 챔버 내에 기판(즉, 애노드) 근처에 위치하는 금속 표적(즉, 캐소드)에 전압을 인가하여 직류 전류 방출을 형성하는 과정을 포함한다. 스퍼터링 챔버는 금속 표적과 기판 사이에 플라즈마 필드를 형성하는 반응성 분위기(예를 들어, 산소 분위기, 질소 분위기, 플루오르 분위기)를 가질 수 있다. 반응성 분위기의 압력은 마그네트론 스퍼터링의 경우에 약 1mTorr 내지 약 20mTorr 사이일 수 있다. 전압 인가시 금속 원자가 표적으로부터 방출될 때, 금속 원자는 플라즈마와 반응하여 기판으 표면 상에 증착되게 된다. 예를 들어, 분위기가 산소를 포함할 때, 금속 표적으로부터 방출된 금속 원자는 기판 상에 금속 옥사이드층을 형성할 수 있다. 역으로, RF 스퍼터링은 일반적으로, 표적(예를 들어, 세라믹 소스 물질)과 기판 사이에 교류 전류(AC) 또는 RF(Radio-Frequency) 신호를 인가함으로써 용량성 방전을 여기시키는 과정을 포함한다. 스퍼터링 챔버는 비활성 분위기(예를 들어, 아르곤 분위기)를 가질 수 있고, 비교적 낮은 스퍼터링 압력(예를 들어, 약 1mTorr 내지 약 20mTorr)을 가질 수 있다.
일 특정 실시예에서, 표적(12)은 기판에 카드뮴 설파이드층을 증착시키기 위해 스퍼터링 캐소드(10)가 이용될 수 있도록, 카드뮴 설파이드를 포함한다. 상술한 바와 같이, 접합되지 않는 반도성 표적은 스퍼터링 캐소드 내로 삽입될 수 있고, 선택적으로, 가열 요소를 통해 스퍼터링 온도로 예열되어, 그 후, 플라즈마와 접촉하여 표적의 스퍼터링 표면으로부터 원자를 방출하게 된다. 소정의 실시예에서, 스퍼터링 온도는 스퍼터링 캐소드 내에 위치하는 온도 센서를 통해 표적의 가열 및 스퍼터링 전반에 걸쳐 모니터링될 수 있고(예를 들어, 약 100℃ 내지 약 1000℃), 가열 요소의 출력을 증가 또는 감소시킴으로써 요망되는 바에 따라 조정될 수 있다.
스퍼터링 프로세스 중, 관형 부재(11)는 스퍼터링되는 표적(12)을 보지하는 한 쌍의 브라켓(20) 사이에서 회전하면서 발진할 수 있다. 예를 들어, 제 1 브라켓(20a)과 제 2 브라켓(20b) 사이에 형성되는 호 길이 상의 제 1 슬롯(22a)의 원주점은, 그외 다른 슬롯(22b-22h)에서 표적(12)의 스퍼터링을 일으키지 않으면서 제 1 위치에서 원주적으로 왕복 이동할 수 있다. 이와 같이, 표적(12)은 실질적으로 균일한 방식으로 스퍼터링되어, 고정 표적을 스퍼터링하면서 통상적으로 나타나는 "레이스-트랙" 고갈을 최소화시킬 수 있다. 발진 모터(도시되지 않음)가 관형 부재(10)에 연결되어, 이러한 회전 발진을 생성할 수 있다. 회전 발진 중 이동하는 거리는 일반적으로, 스퍼터링 중 자석(36)에 의해 생성되는 전자기장(34) 내에서 슬롯(22)의 표적(12)을 스퍼터링시키기에 충분한 양이다. 도 5를 참조하면, 예를 들어, 캐소드(10)는 제 1 브라켓(20a)과 제 2 브라켓(20b) 사이에서 회전적으로 발진할 수 있어서, 제 1 슬롯(22a) 내의 표적(12)을 전자기장(34) 내에 유지시킬 수 있고, 동시에, 기판(5)이 증착을 위해 전자기장(34)을 지나친다. 기판(5)의 표면 간에 실질적으로 일정한 증착 속도로 증착을 유지시키기 위해, 전자기장(34)을 지나치는 기판(5)의 속도보다 일반적으로 빠른 속도로 회전 발진이 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 제 1 슬롯(22a) 내의 제 1 표적(12)의 스퍼터링은, 캐소드(10)의 제 1 위치를 형성하는 기판(5)을 향해 제 1 슬롯(22a)을 면함으로서(그리고, 선택적으로, 발진시킴으로써) 달성될 수 있다. 스퍼터링을 통해 제 1 슬롯(22a) 내의 제 1 표적(12)이 고갈되면, 전체 관형 부재(11)가 제 1 위치로부터 제 2 위치로 회전할 수 있고, 제 2 위치에서 제 2 슬롯(22b)의 제 2 표적(120이 기판(5)에 면하여 스퍼터링될 수 있다. 그리고, 스퍼터링을 통해 제 2 슬롯(22b) 내의 표적(12)이 고갈되면, 전체 관형 부재(11)가 제 2 위치로부터 제 3 위치로 회전할 수 있고, 제 3 위치에서 제 3 슬롯(22c) 내의 제 3 표적(12)이 기판과 면하여 스퍼터링될 수 있다. 이러한 회전은 각각의 슬롯(22)에 대해 반복될 수 있고, 캐소드(10)는 각각의 슬롯(22)에 대한 스퍼터링 위치를 형성한다. 따라서, 회전 스퍼터링 캐소드(10)는, 고갈된 표적(12)을 보충하기 위해 제작 프로세스를 중단시킬 필요없이, 일련의 슬롯(22)을 통해 제작 세팅 내에서 스퍼터링될 수 있다. 이러한 장점에 따라, 제작 프로세스의 중단이 적어져서, 슬롯(22)의 표적(12)이 고갈될 때마다 진공(즉, 스퍼터링 압력)을 다시 유도할 필요가 없기 때문에, 시간을 절약할 수 있을 뿐 아니라, 소모되는 에너지의 양도 절감할 수 있다.
스퍼터링 후 고갈된 표적(12)은 제 1 단부 플레이트(55) 및/또는 제 2 단부 플레이트(56)를 제거함으로써 쉽게 교환될 수 있어서, 슬롯(22)의 길이에 이어지는 열린 단부를 향해 표적을 슬라이딩시킴으로써 슬롯(22)으로부터 표적(12)을 제거할 수 있게 된다. 그 후, 대체 표적(12)이 열린 단부를 통해 슬롯(22) 내로 삽입되어, 스퍼터링 프로세스에 대해 새로운 소스 물질을 제공할 수 있다. 제 1 단부 플레이트(55) 및 제 2 단부 플레이트(56)는 임의의 적절한 메커니즘(가령, 볼트 연결)에 의해 스퍼터링 캐소드(10)에 탈차가능하게 부착될 수 있다.
이러한 서면 설명은 예를 이용하여, 최적 모드를 포함하여, 발명을 개시하며, 또한, 임의의 장치 또는 시스템의 제작 및 이용과, 채택된 방법의 실행을 포함하여, 당 업자로 하여금 본 발명을 실시할 수 있게 한다. 발명의 특허가능한 범위는 청구범위에 의해 규정되고, 당 업자에게 나타나는 다른 예들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 예들은, 청구범위의 글자 그대로의 기재와 다르지 않은 구조적 요소들을 포함할 경우, 또는, 청구범위의 글자 그대로의 기재와 실질적 차이가 없는 등가의 구조적 요소들을 포함할 경우, 청구범위의 범위 내에 있다고 간주된다.
5 : 기판 10 : 회전 스퍼터링 캐소드
11 : 관형 부재 12 : 접합되지 않는 표적
16 : 후방 표면 18 : 외측 표면
20 : 종방향 브라켓 20a : 제 1 브라켓
20b : 제 2 브라켓
11 : 관형 부재 12 : 접합되지 않는 표적
16 : 후방 표면 18 : 외측 표면
20 : 종방향 브라켓 20a : 제 1 브라켓
20b : 제 2 브라켓
Claims (15)
- 회전 스퍼터링 캐소드(10)에 있어서,
종방향의 길이를 갖고 외측 표면(18)을 형성하는 관형 부재(11)와,
상기 관형 부재(11)의 길이를 따라 종방향으로 연장되는 제 1 종방향 브라켓(20a)과,
상기 관형 부재(11)의 길이를 따라 종방향으로 연장되는 제 2 종방향 브라켓(20b)과,
제 1 스퍼터링 물질을 포함하고 제 1 스퍼터링 표면(14) 및 제 1 후방 표면(16)을 형성하는 제 1 표적(12)을 포함하며,
상기 제 1 후방 표면(16)은 상기 제 1 스퍼터링 표면(14)에 대향하고, 상기 관형 부재(11)의 외측 표면(18)과 면하도록 위치하며, 상기 제 1 종방향 브라켓(20a)과 제 2 종방향 브라켓(20b) 사이에 상기 제 1 표적(12)을 탈착가능하게 보지하여, 상기 제 1 표적(12)의 제 1 후방 표면(16)이 상기 관형 부재(11)의 외측 표면(18)과 면하지만, 접합되지는 않는
회전 스퍼터링 캐소드. - 제 1 항에 있어서,
상기 관형 부재(11)의 길이를 따라 종방향으로 연장되는 제 3 종방향 브라켓(20c)과,
제 2 스퍼터링 표면(14) 및 제 2 후방 표면(16)을 형성하는 제 2 스퍼터링 물질을 포함하는 제 2 표적(12)을 포함하며,
상기 제 2 후방 표면(16)은 상기 제 2 스퍼터링 표면(14)에 대향하고 상기 관형 부재(11)의 외측 표면(18)과 면하도록 위치하며, 상기 제 2 종방향 브라켓(20b)과 제 3 종방향 브라켓(20c) 사이에 상기 제 2 표적(12)을 탈착가능하게 보지하여, 상기 제 2 표적(12)의 제 2 후방 표면(16)이 상기 관형 부재(11)의 외측 표면(18)에 면하지만, 접합되지는 않는
회전 스퍼터링 캐소드. - 제 2 항에 있어서,
상기 관형 부재(11)의 길이를 따라 종방향으로 연장되는 제 4 종방향 브라켓(20d)과,
제 3 스퍼터링 표면(14) 및 제 3 후방 표면(16)을 형성하는 제 3 반도성 물질을 포함하는 제 3 표적(12)을 포함하며,
상기 제 3 후방 표면(16)은 상기 제 3 스퍼터링 표면(14)에 대향하고 상기 관형 부재(11)의 외측 표면(18)에 면하도록 위치하며, 상기 제 3 종방향 브라켓(20c)과 제 4 종방향 브라켓(20d) 사이에 상기 제 3 표적(12)을 탈착가능하게 보지하여, 상기 제 3 표적(12)의 제 3 후방 표면(16)이 상기 관형 부재(11)의 외측 표면(18)과 면하는
회전 스퍼터링 캐소드. - 제 1 항에 있어서,
상기 외측 표면(18)은 실질적으로 평면형인 표면을 형성하는
회전 스퍼터링 캐소드. - 제 1 항에 있어서,
상기 외측 표면(18)은 실질적으로 곡면형인 표면을 형성하는
회전 스퍼터링 캐소드. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 스퍼터링 표면(14)은 실질적으로 곡면형인 표면을 형성하는
회전 스퍼터링 캐소드. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 종방향 브라켓(20a) 및 제 2 종방향 브라켓(20b) 모두는 한 쌍의 오버행 플랜지(24, 26)를 형성하는
회전 스퍼터링 캐소드. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 종방향 브라켓(20a)은 노출된 표면을 형성하고, 상기 노출된 표면은 스퍼터링 물질을 포함하는
회전 스퍼터링 캐소드. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 종방향 브라켓(20a)에 부착되어 스퍼터링 중 노출되는 제 1 브라켓 캡(32)과,
상기 제 2 종방향 브라켓(20b)에 부착되어 스퍼터링 중 노출되는 제 2 브라켓 캡(32)을 더 포함하는
회전 스퍼터링 캐소드. - 접합되지 않는 표적(12)을 스퍼터링하는 방법에 있어서,
스퍼터링 표적(12)의 스퍼터링 표면(14)을 노출시키도록 회전 스퍼터링 캐소드(10)의 슬롯(22) 내로 상기 스퍼터링 표적(12)을 탈착가능하게 삽입하는 단계로서, 상기 스퍼터링 캐소드(10)는, 상기 스퍼터링 표적(12)이 상기 외측 표면(18)에 인접하여 위치하지만 접합되지는 않도록 외측 표면(18)을 형성하는 관형 부재(11)를 포함하는, 상기 삽입 단계와,
상기 스퍼터링 표적(12)의 스퍼터링 표면(14)으로부터 원자가 방출되도록, 상기 스퍼터링 표적(12)의 스퍼터링 표면(14)을 플라즈마와 접촉시키는 단계를 포함하는
접합되지 않는 표적을 스퍼터링하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 스퍼터링 표적(12)의 스퍼터링 표면(14)을 스퍼터링 온도로 가열시키는 단계를 더 포함하는
접합되지 않는 표적을 스퍼터링하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
플라즈마와 초기 접촉시 상기 스퍼터링 표적(12)의 스퍼터링 표면(14)의 온도가 상승하는
접합되지 않는 표적을 스퍼터링하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 회전 스퍼터링 캐소드(10)를 발진시키는 단계를 더 포함하는
접합되지 않는 표적을 스퍼터링하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
제 2 스퍼터링 표적(12)이 플라즈마와 접촉하는 위치에 놓이도록, 상기 회전 스퍼터링 캐소드(10)를 제 1 위치로부터 제 2 위치로 회전시키는 단계를 더 포함하는
접합되지 않는 표적을 스퍼터링하는 방법. - 회전 스퍼터링 캐소드(10)에 있어서,
외측 표면(18)을 형성하는 관형 부재(11)와,
상기 관형 부재(11)의 외측 표면(18) 주위로 위치하는 복수의 종방향 브라켓(20)을 포함하며,
인접한 종방향 브라켓(20)들 사이에는 슬롯(22)이 형성되고, 또한 인접한 종방향 브라켓(20) 사이에는 스퍼터링을 위한 접합되지 않는 표적(12)이 탈착가능하게 보지되는
회전 스퍼터링 캐소드.
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