KR20130112057A - 마그네트론 소스, 마그네트론 스퍼터링 장치 및 마그네트론 스퍼터링 방법 - Google Patents

마그네트론 소스, 마그네트론 스퍼터링 장치 및 마그네트론 스퍼터링 방법 Download PDF

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KR20130112057A
KR20130112057A KR1020137019901A KR20137019901A KR20130112057A KR 20130112057 A KR20130112057 A KR 20130112057A KR 1020137019901 A KR1020137019901 A KR 1020137019901A KR 20137019901 A KR20137019901 A KR 20137019901A KR 20130112057 A KR20130112057 A KR 20130112057A
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양차오 리
보 겡
수에웨이 우
궈칭 치우
수 리우
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베이징 엔엠씨 씨오., 엘티디.
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Abstract

본 발명의 마그네트론 소스는, 타겟 재료; 타겟 재료 상부에 구비되는 마그네트론; 및 마그네트론과 연결되어 마그네트론이 타겟 재료의 상부에서 이동하는 것을 제어하는 스캐닝 기구;를 포함한다. 스캐닝 기구는, 그 상부에 마그네트론이 이동 가능하게 구비되는 복숭아 모양 트랙; 그 하단부가 복숭아 모양 트랙의 극좌표의 원점과 연결되어, 복숭아 모양 트랙이 그 축선 주위를 회전하도록 구동하는 제1 구동축; 제1 구동축과 연결되어, 제1 구동축이 회전하도록 구동하는 제1 구동기, 및 마그네트론이 전동 조립체를 통해 복숭아 모양 트랙을 따라 이동하도록 구동하는 제2 구동기;를 포함한다. 또한 마그네트론 소스를 포함하는 마그네트론 스퍼터링 장치 및 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하는 마그네트론 스퍼터링 방법을 제공한다.

Description

마그네트론 소스, 마그네트론 스퍼터링 장치 및 마그네트론 스퍼터링 방법 {MAGNETRON SOURCE, MAGNETRON SPUTTERING DEVICE AND MAGNETRON SPUTTERING METHOD}
본 발명은 반도체 기술과 관련되며, 특히 마그네트론 소스, 마그네트론 소스를 포함하는 마그네트론 스퍼터링 장치 및 마그네트론 스퍼터링 방법과 관련된다.
마그네트론 스퍼터링은, 물리 기상 증착이라고도 하며, 집적 회로의 제조 과정에서 금속층 및 관련 재료를 증착하기 위해 널리 사용되는 방법이다.
도8은 전형적인 마그네트론 스퍼터링 장치를 보여준다. 챔버 본체(9’)의 내부는 고진공 처리 챔버(high vaccum process chamber)이며, 스퍼터링되는 타겟 재료(10’)는 챔버 본체(9’)의 최상부에 설치되며. 타겟 재료(10’)의 상부에는 상부 덮게(11’)가 구비되며, 상부 덮게(11’)와 타겟 재료(10’) 사이에는 탈이온수(12’)가 채워지며, 웨이퍼(7)를 지지하는 정전기 척(electrostatic chuck)(8’)은 고진공 처리 챔버에 구비되며, 펌핑 챔버(pumping chamber)는 고진공 처리 챔버의 하부와 연통된다.
스퍼터링 효율을 제고하기 위하여, 마그네트론(2’)은 타겟 재료(10’)의 후면에 구비되고, 극성이 서로 다른 자석(3’ 및 4’)을 포함하며, 또한 트랙이 제한되는 상황에서 자석(3’ 및 4’)과 인접한 챔버 부분에 자기장을 형성한다. 자기 이온화 플라즈마(SIP : self-ionized plasma) 스퍼터링의 경우, 마그네트론(2’)은 작은 둥지형 구조(nested structure) 로서, 그 내부 트랙(inner track)은 하나 또는 그 이상의 자석으로 구성되고, 외부 트랙에 의해 포위되며, 외부 트랙(outer track)은 내부 트랙을 형성하는 자석의 극성과 반대 극성인 자석으로 형성된다. 자기장은 전자를 제한하여 전자의 운동범위를 제한하며, 아울러 전자의 운동 궤적을 연장함으로써, 원자를 최대한 이온화하여 이온을 형성해 이온 농도를 대폭 제고할 수 있어, 마그네트론(2’)과 인접한 챔버 부분에 고밀도 플라즈마 구역을 형성한다. 균일한 스퍼터링 목적을 달성하기 위하여, 마그네트론(2’)은 모터(1’)에 의해 구동되어, 타겟 재료(10’)의 중심 주위를 고정된 트랙을 따라 이동한다(이를 스캐닝이라고도 한다).
도9는 종래기술에 있어서 마그네트론의 구동 기구(driving mechanism)를 나타낸다. 여기서, 모터는 축(101’)을 통해 기어(103’)가 기어(102’) 주위에 회전하도록 구동하며, 기어 (103’)는 기어(104’)를 구동하며, 기어(104’)는 마그네트론(105’)과 균형추(bob-weight)(106’)가 회전하도록 구동하며, 또한 마그네트론(105’)과 균형추(106’)는 축(101’) 주위를 회전하며, 균형추(107’)는 전체 구동 기구의 균형을 유지하기 위한 것으로서, 토오크에 의한 불균형을 제거하여 전동의 안정성을 제고한다. 도10은 타겟 재료의 표면을 스캔하는 동안 마그네트론(105’)의 운동 궤적을 보여주며, 도 11은 시뮬레이션에 의해 획득된 타겟 재료(target material)의 충격 그래프를 보여주는데, 여기서 타겟 재료 이용율은 약 53%이며, 타겟 재료 중심 부근과 주변부(periphery)의 이용율은 낮다.
결론적으로, 상기 종래기술에서 마그네트론이 타겟 재료의 다른 부분을 스캔할 때, 상기 구동 기구에 의해 구동되는 마그네트론의 운동 속도를 제어하는 것은 어려우며, 타겟 재료의 이용율이 증가할 것으로 기대된다.
본 발명은 종래기술의 문제에 있어서 적어도 하나의 문제를 해결하고자 한다.
따라서 본 발명은 마그네트론 소스를 제공하여 타겟 재료 중심과 주변부를 스캐닝하는 마그네트론의 운동 속도를 조절함을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 마그네트론 소스를 구비한 마그네트론 스퍼터링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용한 마그네트론 스퍼터링 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 방면에 따른 실시예에서, 마그네트론 소스는, 타겟 재료; 타겟 재료 상부에 구비되는 마그네트론; 및 마그네트론과 연결되어 마그네트론이 타겟 재료의 상부에서 이동하는 것을 제어하는 스캐닝 기구;를 포함한다. 스캐닝 기구는, 그 상부에 마그네트론이 이동 가능하게 구비되는 복숭아 모양 트랙; 그 하단부가 복숭아 모양 트랙의 극좌표의 원점과 연결되어, 복숭아 모양 트랙이 그 축선 주위를 회전하도록 구동하는 제1 구동축; 제1 구동축과 연결되어, 제1 구동축이 회전하도록 구동하는 제1 구동기; 및 마그네트론이 전동 조립체를 통해 복숭아 모양 트랙을 따라 이동하도록 구동하는 제2 구동기;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 소스에 있어서, 한편으로, 제1 구동기는 제1 구동축을 통해 복숭아 모양 트랙이 제1구동축의 축선 주위를 회전하도록 구동하며(즉, 복숭아 모양 트랙(14)과 마그네트론(12)이 타겟 재료의 위에서 함께 회전하게 함), 제2 구동기는 전동 조립체를 통하여 마그네트론이 복숭아 모양 트랙을 따라 이동하도록 구동함으로써, 타겟 표면에서 마그네트론의 운동 궤적은 복숭아 모양 트랙의 회전 및 복숭아 모양 트랙에 따른 마그네트론의 운동이 중첩되어 형성되어, 마그네트론의 운동 궤적이 전체 타겟 재료를 커버할 수 있다. 다른 한편으로, 제2 구동기는 제1 구동기와 독립적으로 복숭아 모양 트랙을 따른 마그네트론의 운동 속도를 제어하여 타겟 재료의 중심과 주변부에서 마그네트론의 스캐닝 속도를 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 소스에서, 타겟 재료의 이용율이 제고될 수 있으며, 타겟 재료의 이상적인 충격 효과가 실현될 수 있으며, 금속 이온화율이 향상될 수 있어, 스퍼터링 과정에서 이상적인 스퍼터링 효과가 얻어질 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따른 마그네트론은 다음과 같은 추가적인 기술 특징을 구비한다.
본 발명의 실시예에 따라, 전동 조립체는, 제2 구동기와 연결되며, 제2 구동기에 의해 구동되는 제1 전동 기어; 제1 구동축에 회전 가능하게 구비되는 중공축과, 상기 중공축 상에 구비되어 상기 제1 전동 기어와 치합하는 제2 전동기어; 중공축에 장착되는 선 기어; 유성기어가 장착되는 유성기어축과, 유성기어축이 회전하도록 구동하기 위하여 선 기어와 치합되는 유성기어; 그 일단이 유성 기어축과 연결되며, 그 타단이 마그네트론에 연결되어 마그네트론이 복숭아 모양 트랙을 따라 이동하도록 구동하는 신축 링크 로드; 및 그 일단이 제1 구동축에 고정되며, 그 타단에 유성 기어축이 회전 가능하게 구비되는 선 기어 랙;을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따라, 신축 링크 로드는, 그 일단이 유성 기어축에 연결되는 내부 로드; 및 그 일단이 마그네트론과 연결되고, 그 타단이 신축 부재를 통해 내부 로드와 연결되는 외부 로드;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따라, 내부 로드의 타단에는 축방향 홀이 구비되어, 외부 로드의 타단이 축방향 홀에 삽입되며, 신축 부재는 축방향 홀에 구비되는 스프링으로, 스프링을 통해 외부 로드의 타단과 내부 로드를 연결한다.
본 발명의 실시예에 따라, 제1 구동축의 축선은 타겟 재료의 중심을 통과한다.
본 발명의 실시예에 따라, 마그네트론이 복숭아 모양 트랙의 선단에 위치할 때, 마그네트론의 최외연부 엣지와 타겟 재료의 주변부의 수평면 상의 투영은 일치한다.
본 발명의 실시예에 따라, 복숭아 모양 트랙은 X축에 대하여 대칭이며, X축 상의 복숭아 모양 트랙의 부분은 공식 r=a×θ+b에 의해 정의된다.
상기 공식에서, r은 복숭아 모양 트랙 상의 한 점에서 복숭아 모양 트랙의 극좌표의 원점까지 거리이며, θ는 상기 복숭아 모양 트랙 상의 점과 상기 복숭아 모양 트랙 상의 극좌표의 원점을 연결하는 선과 X축의 정방향 사이의 각이며, 0≤θ≤π이며, 또한 a와b는 모두 0보다 크다.
본 발명의 실시예에 따라, 제1 구동기와 제2 구동기는 각각 모터이다.
본 발명의 제2 방면의 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치는, 챔버가 구비된 챔버 본체; 및 본 발명의 제1 방면의 실시예에 따른 마그네트론 소스;를 포함하며, 마그네트론 소스의 타겟 재료는 챔버 본체 내의 상단부에 구비되며, 마그네트론 소스의 하부 표면은 챔버로 노출된다.
본 발명의 제2 방면의 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용한 본 발명의 제3 방면의 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 방법은, 마그네트론 스퍼터링 장치의 복숭아 모양 트랙이 회전하도록 제어하고, 타겟 재료를 충격하도록 상기 마그네트론이 상기 복숭아 모양 트랙을 따라 이동하도록 제어한다.
본 발명의 실시예에 따라, 마그네트론이 복숭아 모양 트랙의 첨단부로부터 복숭아 모양 트랙을 따라 일주하는 1 주기 동안에, 마그네트론은 제1 1/2 주기 동안 복숭아 모양 트랙을 따라 가속하며, 제2 1/2 주기 동안 복숭아 모양 트랙을 따라 감속한다.
본 발명의 실시예에 따라, 마그네트론이 가속할 때 각 가속도는 6.28×10-4rad/s2이며, 마그네트론이 감속할 때 각 가속도는 -6.28×10-4rad/s2이다.
본 발명의 실시예에 따라, 마그네트론이 상기 복숭아 모양 트랙의 첨단부로부터 복숭아 모양 트랙 따라 일주하는 1 주기 동안에, 마그네트론은 차례로 제1가속 운동, 제1 등속 운동, 제2 가속 운동, 제1 감속 운동, 제2 등속 운동 및 제2 감속 운동을 수행한다.
본 발명의 실시예에 따라, 제1 가속 운동, 제1 등속 운동, 제2 가속 운동, 제1 감속 운동, 제2 등속 운동 및 제2 감속 운동의 이동시간이 서로 동일하다.
본 발명의 실시예에 따라, 제1 가속 운동과 제2 가속 운동의 각 가속도는 6.28×10-4rad/s2이며, 제1 감속 운동과 제2 감속 운동의 각 가속도는 -6.28×10-4rad/s2이다.
본 발명 추가적인 방면과 이점은 다음에서 설명되며, 이들은 다음 설명에서 명확해지거나 본 발명의 실행을 통해 이해된다.
본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 소스에 의하면, 마그네트론의 운동 궤적이 전체 타겟 재료를 커버할 수 있다. 또한, 타겟 재료의 이상적인 충격 효과가 실현될 수 있으며, 금속 이온화율이 향상될 수 있어, 스퍼터링 과정에서 이상적인 스퍼터링 효과가 얻어질 수 있다.
본 발명의 상기 및/또는 추가된 방면 및 장점은 아래 도면을 결합한 실시예의 설명을 통해서 명확해지고 이해하기 쉽게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 소스의 개념도이다.
도 2는 도 1 A-A의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복숭아 모양 트랙(peach-shaped track) 의 극좌표 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 방법에서 마그네트론이 복숭아 모양 트랙에서 이동할 때 각 가속도와 시간과의 관계를 보여준다.
도 5는 도4의 관계에 근거하여 타겟 재료를 충격하기 위해 마그네트론을 제어하는 것을 보여주는 타겟 재료 충격 시뮬레이션 곡선이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 방법에서 마그네트론이 복숭아 모양 트랙에서 이동할 때 각 가속도와 시간과의 관계를 보여준다.
도 7은 도6의 관계에 근거하여 타겟 재료를 충격하기 위해 마그네트론을 제어하는 것을 보여주는 타겟 재료 충격 시뮬레이션 곡선이다.
도 8은 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치의 개념도이다.
도 9는 종래의 구동 기구의 개념도이다.
도 10은 도9의 스캐닝 기구를 이용하여 제어된 마그네트론의 운동 궤적이다.
도 11은 종래의 타겟 충격 곡선이다.
다음은 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 대해 상세히 설명하며, 도면에는 본 발명의 예시적인 실시예가 도시된다. 명세서 전반에 걸쳐 동일 또는 유사 번호는 동일 또는 유사한 부품을 표시하거나, 동일 또는 유사한 기능의 부품을 표시한다. 첨부 도면을 참고하여 설명된 실시예는 단지 예시적으로 발명을 설명하기 위한 것이며, 발명을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다.
본 발명의 설명에 있어서, 용어 “세로”, “가로”, “위”, “아래”, “앞”, “뒤”, “좌”, “우”, “수직”, “수평”, “상부”, “하부”, “내부”, “외부” 의 방위 또는 위치의 관계는 도면에 도시된 방위 또는 위치의 관계와 관련된 것으로, 단지 본 발명을 쉽게 설명하고 설명을 간략하게 하기 위한 것이므로, 장치 또는 부재가 반드시 특정한 방위를 구비하거나 또는 특정한 방위로 구성 또는 조작되어야 한다는 것을 지시하거나 암시하는 것은 아니다.
또한, 용어 “제1”, “제2”는 단지 설명을 위한 것이므로, 상대적인 중요성을 지시하거나 암시하는 것으로 이해해서는 아니 된다.
본 발명의 설명에 있어서, 달리 특정되거나 한정되는 경우를 제외하고는, 용어 “장착”, “연결” 및 “링크”는 넓게 이해되어야 하는바, 예를 들면, 이들은 기계적 연결 또는 전기적 연결일 수도 있고, 두 부재간의 연통일 수도 있으며, 이들은 직접 연결일 수도 있고, 매개물을 통한 간접 연결일 수도 있는데, 해당 기술분야의 기술자는 특정 상황에 근거하여 상기 용어의 의미를 이해할 수 있다.
다음은 도 1과 도 2를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 소스를 설명한다.
도면에 도시된 바와 같이, 마그네트론 소스는 타겟 재료(미도시), 마그네트론(12) 및 스캐닝 기구(scanning mechanism)로 구성된다. 구체적으로 마그네트론(12)은 타겟 재료의 위에 구비된다. 스캐닝 기구는 마그네트론(12)과 연결되어 있어 마그네트론(12)은 상기 타겟 재료 위로 이동할 수 있다.
상기 스캐닝 기구는 복숭아 모양 트랙(peach-shaped track)(14), 제1 구동축(3), 제1 구동기(1) 및 제2 구동기(2)를 포함하며, 구체적으로 마그네트론(12)은 복숭아 모양 트랙(14) 상에 이동 가능하게 구비된다. 제1 구동축(3)의 하단은 복숭아 모양 트랙(14)의 극좌표 원점(도2의 원점 O)과 연결되며, 제1 구동축(3)의 하단은 복숭아 모양 트랙(14)이 제1구동축(3)의 축선 주위를 회전하도록 구동한다. 제1 구동기(1)는 제1 구동축(3)과 연결되어, 제1 구동축(3)이 회전하도록 구동한다. 제2 구동기(2)는 전동 조립체(transmission assembly)를 통해 마그네트론(12)이 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 이동하도록 구동한다. 선택적으로, 제1 구동기(1)와 제2 구동기(2)는 각각 모터이다.
본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 소스에 있어서, 한편으로, 마그네트론(12)의 운동 궤적은 타겟 재료의 전체 표면을 실질적으로 커버하는데, 구체적으로 제1 구동기(1)는 제1 구동축(3)을 통해 복숭아 모양 트랙(14)이 제1구동축(3)의 축선 주위를 회전하도록 구동하며(즉, 복숭아 모양 트랙(14)과 마그네트론(12)이 타겟 재료의 위에서 함께 회전하게 함), 제2 구동기(2)는 전동 조립체를 통하여 마그네트론(12)이 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 이동하도록 구동함으로써, 타겟 표면에서 마그네트론(12)의 운동 궤적은 복숭아 모양 트랙(14)의 회전 및 복숭아 모양 트랙(14)에 따른 마그네트론(12)의 운동이 중첩되어 형성되어, 마그네트론(12)의 운동 궤적은 이러한 중첩을 통하여 타겟 재료의 표면을 커버할 수 있다. 다른 한편으로, 본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 소스에서, 마그네트론(12)이 타겟 재료의 중심 및 엣지를 스캔하는 스캔 시간은 조정될 수 있는데, 구체적으로, 제1구동축(3)의 축선 주위를 회전하는 복숭아 모양 트랙(14)의 속도와 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 운동하는 마그네트론(12)의 속도는 제1 구동기(1)와 제2 구동기(2)를 통해 각각 독립적으로 제어될 수 있으므로, 마그네트론(12)이 타겟 재료의 중심 및 엣지를 스캔하는 스캔 시간은 필요에 따라 제1 구동기(1) 및/또는 제2 구동기(2)를 조정함으로써 제어될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 소스에서, 마그네트론(12)의 운동 궤적과 마그네트론(12)이 다른 부분을 스캔하는 스캐닝 시간은 상기 수단에 의해 제어될 수 있어, 타겟 재료의 이용율이 제고될 수 있으며, 타겟 재료의 이상적인 충격 효과가 실현될 수 있으며, 금속 이온화율이 향상될 수 있으며, 나아가 스퍼터링 과정에서 이상적인 스퍼터링 효과가 얻어질 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 전동 조립체(transmission assembly)는 제1 전동 기어(4), 중공축(5)과 제2 전동 기어(6), 선 기어(7), 유성 기어축(16)과 유성 기어(8), 신축 링크 로드(retractable link rod) 및 선 기어 랙(15)을 포함한다.
구체적으로, 제1 전동 기어(4)는 제2 구동기(2)와 연결되며, 제2 구동기(2)에 의해 구동된다. 중공축(5)은 제1 구동축(3)의 외부에 회전 가능하게 구비되며, 제2 전동 기어(6)는 중공축(5)에 장착되어 제1 전동 기어(4)와 치합된다. 선 기어(7)는 중공축(5)에 장착된다. 유성 기어(8)는 유성 기어축(16)에 장착되며, 선 기어(7)와 치합하여 유성 기어축(16)이 회전하도록 구동한다. 신축 링크 로드의 일단은 유성 기어축(16)과 연결되며, 그 타단은 마그네트론(12)과 연결되어 마그네트론(12)이 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 이동하도록 구동한다. 선 기어 랙(15)의 일단은 제1 구동축(3)에 고정되며, 유성 기어축(16)은 선 기어 랙(15)의 타단에 회전 가능하게 장착된다. 마그네트론(12)과 신축 링크 로드의 연결 방식은 특별한 제한이 없다. 예를 들면, 도1에 도시된 바와 같이, 마그네트론(12)은 장착축(11)을 통하여 신축 링크 로드의 단부에 연결될 수 있다.
다음은 도면 1 및 도면 2를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 소스의 스캐닝 과정을 설명한다.
먼저 복숭아 모양 트랙(14)의 운동에 대해 설명한다. 도면에 도시된 바와 같이 제1 구동기(1)는 제1 구동축(3)이 회전하도록 구동하며, 제1 구동축(3)의 하단에 장착된 복숭아 모양 트랙(14)이 제1구동축(3)의 축선 중심(축 중심은 또한 복숭아 모양 트랙(14)의 극좌표 원점임) 주위를 회전하도록 구동함으로써, 복숭아 모양 트랙(14)의 운동 궤적이 타겟 재료의 전체 표면을 커버할 수 있다.
이어서, 마그네트론(12)의 운동에 대해 설명한다. 도면에 도시된 바와 같이, 먼저 제2 구동기(2)는 제1 전동 기어(4)가 회전하도록 구동하며, 나아가 제1 전동 기어(4)와 치합된 제2 전동 기어(6)가 회전하도록 구동하여, 제2 전동 기어(6) 내부의 중공축(5)이 회전하도록 구동한다. 중공축(5)은 그 위에 장착된 선 기어(7)가 일정한 각속도로 회전하도록 구동하여, 선 기어(7)와 치합된 유성 기어(8)가 회전하도록 구동된다. 즉, 유성 기어(8)의 내부의 유성 기어축(16)이 회전하도록 구동하며, 나아가 유성 기어축(16)과 연결된 신축 링크 로드를 통하여 마그네트론(12)이 운동하도록 구동한다. 마그네트론(12)은 복숭아 모양 트랙(14) 상에 이동 가능하게 구비되며, 그 이동은 복숭아 모양 트랙(14)에 의해 제한되기 때문에, 마그네트론(12)은 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 이동하도록 제어된다. 결론적으로, 제2 구동기(2)를 통해 마그네트론(12)은 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 이동하도록 구동된다. 다른 한편으로는, 유성 기어축(16)은 유성 기어 랙(15)을 통해 제1 구동축(3)과 연결되므로, 제1 구동기(1)는 복숭아 모양 트랙(14)이 제1구동축(3)의 축선 주위를 회전하도록 구동하며, 유성 기어 랙(15)은 유성 기어축(16)이 동일한 각속도로 제1구동축(3)의 축선 주위를 회전하도록 한정하며, 또한 유성 기어축(16)은 신축 링크 로드를 통하여 마그네트론(12)이 제1 구동축(3)의 주위를 회전하도록 구동한다. 결론적으로, 마그네트론(12)은 한편으로는 제2 구동기(2)의 구동하에 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 이동하며, 다른 한편으로는 제1 구동기(1)의 구동하에 제1구동축(3)의 축선 주위를 회전함으로써, 전체 타겟 재료의 표면에 대한 스캐닝을 실현할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 소스에서, 제2 구동기(2)는 마그네트론(12)이 복숭아 모양 트랙(14)를 따라 이동하도록 구동할 수 있으며, 제1 구동기(1)는 마그네트론(12)이 제1구동축(3)의 축선 주위를 회전하도록 구동할 수 있으며, 또한 상기 전동 조립체를 구비한 마그네트론 소스는 구조가 안정적이고, 전동이 안정적이며, 또한 조작이 간단한 이점이 있어, 마그네트론(12)의 실용성을 제고한다.
본 발명에 따른 실시예에서, 신축 링크 로드는 내부 로드(9)와 외부 로드(10)를 포함하며, 구체적으로, 내부 로드(9)의 일단은 유성 기어축(16)과 연결된다. 외부 로드(10)의 일단은 마그네트론(12)과 연결되며, 그 타단은 신축 부재(13)를 통해 내부 로드(9)와 연결된다. 선택적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 내부 로드(9)의 타단에는 축방향 홀(axial hole)이 구비되며, 외부 로드(10)의 타단은 축방향 홀에 삽입된다. 신축 부재(13)는 축방향 홀에 구비되는 스프링이며, 외부 로드(10)의 타단은 스프링을 통해 내부 로드(9)와 연결된다. 그러므로, 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 마그네트론(12)이 이동하는 동안, 신축 링크 로드의 길이는 유성 기어축(16)으로부터 복숭아 모양 트랙(14)의 까지의 거리의 변화에 따라 계속 변하게 되어, 마그네트론(12)이 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 이동하는 것을 보장한다.
본 발명에 따른 실시에에서, 제1구동축(3)의 축선은 타겟 재료의 중심을 통과한다. 선택적으로, 마그네트론(12)이 복숭아 모양 트랙(14)의 첨단(tip)에 위치할 때, 마그네트론(12)의 최외연부 엣지(즉, 제1 구동축으로부터 가장 먼거리에 있는 엣지)와 타겟 재료의 주변부(periphery)의 수평면 상의 투영(projection)은 일치한다. 그러므로, 마그네트론(12)의 운동 궤적이 전체 타겟 재료를 커버하는 것을 보장할 수 있다. 즉, 마그네트론(12)이 타겟 재료의 전체 표면을 스캔할 수 있다. 바람직하게는, 도 2에 도시된 바와 같이, 복숭아 모양 트랙(14)은 X축에 대하여 대칭이며, X축 상측에 위치한 복숭아 모양 트랙(14)의 부분은 다음 공식에 의하여 정의된다:
r=a×θ+b
상기 공식에서, r은 복숭아 모양 트랙 상의 한 점에서 복숭아 모양 트랙의 극좌표의 원점까지 거리이며, θ는 상기 복숭아 모양 트랙 상의 점과 상기 복숭아 모양 트랙 상의 극좌표의 원점을 연결하는 선과 X축의 정방향(forward direction) 사이의 각이며, 0≤θ≤π이며, 또한 a와b는 모두 0보다 큰 상수이며, aπ+b는 타겟 재료의 반경과 같다. 소위, X축은 복숭아 모양 트랙의 대칭축으로, 공식을 쉽게 설명하기 위한 것이므로, 복숭아 모양 트랙의 운동을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다는 것을 유념하여야 한다.
a와b는 0보다 큰 상수이며 , aπ+b는 타겟 재료의 반경과 같다는 조건을 만족하기만 하면, a와b의 값에 대한 특별한 제한은 없다. 여기서, b는 극좌표의 원점으로부터 복숭아 모양 트랙의 오목부(concave end) B까지의 거리를 나타내며, b가 0보다 크기만 하면, 마그네트론(12)의 운동궤적이 타겟 재료의 전체 표면을 커버하는 것을 보장할 수 있다. 다음은 본발명 실시예의 마그네트론 스퍼터링 장치에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치는 챔버 본체와 마그네트론 소스를 포함한다. 그 중, 챔버 본체 내에는 챔버가 있다. 마그네트론 소스는 상기 실시예 중의 어느 하나에 따른 마그네트론 소스이며, 마그네트론 소스의 타겟 재료는 챔버 본체 내에 구비되며, 마그네트론 소스의 하부 표면은 챔버로 노출된다. 본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치를 통하여, 한편으로는 복숭아 모양 트랙의 회전에 의해 마그네트론의 운동 궤적이 타겟 재료의 전체 표면을 커버할 수 있고, 다른 한편으로는 필요에 따라 제2 구동기를 조절하여 마그네트론(12)이 타겟 재료 엣지 및 중심을 스캔하는 스캐닝 시간을 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치를 통해서, 타겟 재료의 이용율을 제고할 수 있으며, 높은 금속 이온화율에 의해 이상적인 충격 효과가 실현될 수 있으며, 또한 스퍼터링 과정에서 이상적인 스퍼터링 효과가 얻어질 수 있다.
다음은 도 4 내지 도7을 참고하여 마그네트론 스퍼터링 방법 및 그 효과에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 방법은, 마그네트론 스퍼터링 장치의 복숭아 모양 트랙(14)이 회전하도록 제어하는 것과, 타겟 재료를 충격하도록 마그네트론이 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 이동하도록 제어하는 것을 포함하고 있어, 마그네트론 스퍼터링 장치의 복숭아 모양 트랙(14)의 회전을 제어하여 마그네트론(12)의 운동 궤적이 타겟 재료의 전체 표면을 커버하는 것을 보장할 수 있다. 마그네트론(12)이 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 이동하는 속도를 제어하여 타겟 재료의 중심 및 엣지의 이용율을 제고할 수 있어, 전체 타겟 재료의 이용율을 제고할 수 있으며, 또한 이상적인 충격 효과가 실현될 수 있고, 금속 이온화율이 높아, 스퍼터링 과정에서 이상적인 스퍼터링 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 마그네트론(12)이 복숭아 모양 트랙(14)의 첨단부(tip end) A를 출발하여 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 일주하는 1 주기 동안, 마그네트론(12)은 제1 1/2 주기(first half period) 동안 복숭아 모양 트랙을 따라 제1 가속 운동을 하며, 제2 1/2 주기(second half period) 동안 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 제1 감속 운동을 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 도4에 도시된 바와 같이, 마그네트론(12)은 복숭아 모양 트랙(14)의 첨단부 A인 최초 위치에서 0m/s의 최초 속도로 출발하며, 제1 1/2 주기(즉, 0~T/2) 동안, 마그네트론(12)은 6.28×10-4rad/s2의 각 가속도로 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 가속 이동한다. 제2 1/2 주기 동안(즉, T/2~T), 마그네트론(12)은 -6.28×10-4rad/s2의 각 가속도로 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 감속 이동한다. 따라서, 마그네트론(12)은 타겟 재료의 엣지에서 느리게 이동하며, 타겟 재료의 중심에서 빠르게 이동한다. 다음은 구체적인 타겟 재료와 복숭아 모양 궤도(14)를 가지고 예를 들면, 타겟 재료의 반경이 9.68인치이고, 마그네트론(12) 중심으로부터 그 최외연부 엣지(utmost edge)까지의 거리가 2,34인치이면, 복숭아 모양 피치(14)의 공식은 r=1.97θ+1.15(인치 단위)이다. 즉, 복숭아 모양 트랙(14)의 극좌표의 원점으로부터 요홈부 B까지의 거리는 1.15인치이며, 극좌표의 원점으로부터 복숭아 모양 트랙(14)의 첨단부 A까지의 거리 r은 7.34인치이며(여기서 θ는 최대값인 π를 취함), 마그네트론(12)이 복숭아 모양 트랙(14)의 첨단부 A에 위치할 때, 마그네트론(12)의 최외연부 엣지와 타겟 재료의 주변부의 수평면 상의 투영은 일치한다. 즉, 복숭아 모양 트랙(14)의 회전에 따라, 마그네트론(12)은 타겟 재료의 전체 표면을 커버할 수 있다. 도5에 도시된 타겟 재료 엣칭(etching) 커브는 타겟 재료와 복숭아 모양 트랙(14)의 상기 파라메터 들을 사용하여 시뮬레이션하여 얻어질 수 있다. 도5를 통해서, 타겟 재료는 그 엣지 부근에서 충격이 크며, 그 중심 또한 일정 정도(약 40%) 충격됨을 알 수 있다. 면적을 계산해 볼 때, 타겟 이용율은 62%임을 알 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 있어서, 마그네트론(12)이 복숭아 모양 트랙(14)의 첨단부(tip end) A로부터 복숭아 모양 트랙(14)을 따라 일주하는 1 주기 동안에, 마그네트론(12)은 차례로 제1가속 운동, 제1 등속 운동, 제2 가속 운동, 제1 감속 운동, 제2 등속 운동, 제2 감속 운동을 수행한다. 바람직하게는, 제1 가속 운동, 제1 등속 운동, 제2 가속 운동, 제1 감속 운동, 제2 등속 운동 및 제2 감속 운동의 이동 시간이 서로 동일한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 도6에 도시된 바와 같이, 마그네트론(12)은 복숭아 모양 트랙(14)의 첨단부 A인 최초 위치에서 0m/s의 최초 속도로 출발하며, 마그네트론(12)은, 제1 1/6 주기(즉, 0~T/6) 동안 제1 가속 운동을 하고, 제2 1/6 주기 동안(즉, T/6~T/3) 제1 등속 운동을 하고, 제3 1/6 주기 동안(즉, T/3~T/2) 제2 가속 운동을 하고, 제4 1/6 주기 동안(즉, T/2~2T/3) 제1 감속 운동을 하고, 제5 1/6 주기 동안(즉, 2T/3~5T/6) 제2 등속 운동을 하고, 제6 1/6 주기 동안(즉, 5T/6~T) 제2 감속 운동을 한다. 제1 가속 운동과 제2 가속 운동의 각 가속도는 6.28×10-4rad/s2이며, 제1 감속 운동과 제2 감속 운동의 각 가속도는 -6.28×10-4rad/s2이다. 이러한 운동을 통하여, 마그네트론(12)은 타겟 재료의 엣지에서 느리게 이동할 수 있으며, 타겟 재료의 중심에서 빠르게 이동할 수 있다. 동일하게, 구체적인 타겟 재료와 복숭아 모양 궤도(14)를 가지고 예를 들면, 타겟 재료의 반경이 9.68인치이고, 마그네트론(12)의 중심으로부터 그 최외연부 엣지까지의 거리가 2,34인치이면, 복숭아 모양 피치(14)의 공식은 r=1.97θ+1.15(인치 단위)이며, 도 7에 도시된 타겟 재료의 엣칭 곡선은 시뮬레이션에 의해 얻어질 수 있다. 도7로부터 타겟 재료의 중심에서의 충격율이 상기 실시예와 비교하여 더 증가함을 알 수 있다. 즉, 약 40%로부터 50% 이상으로 증가한다. 동일하게, 타겟 재료의 엣지에서 충격이 최대이면 이상적인 충격 효과에 도달하며(즉, 타겟 재료의 엣지에서 이용율이 이상적임), 전체 타겟 재료의 이용율은 67%까지 증가하게 된다.
상기 실시예에서 타겟 재료의 반경, 마그네트론(12)의 크기 및 복숭아 모양 트랙(14)의 트랙 공식은 단지 예시적인 것이며, 실제에 있어서는 필요에 따라 설계될 수 있음을 유의하여야 한다.
본 명세서에서, 용어 “실시예”, “일부 실시예”, “예시”, “구체적 예시”, “일부 예시”는 상기 실시예 또는 예시를 결합하는데 있어 설명하는 구체적인 특징, 구조, 재료 및 특성이 본 발명의 실시예 또는 예시의 적어도 하나에 포함됨을 의미한다. 본 명세서에서 상기 용어의 함축성은 반드시 동일한 실시예 또는 예시를 가리키지 아니한다. 또한 구체적인 특징, 구조, 재료 또는 특성은 하나 또는 그 이상의 실시예 또는 예시에서 적절한 방법으로 조합될 수 있다.
본 발명의 실시예가 도시되고 설명되었다 할지라도, 본 영역의 기술자는 본 발명의 원리와 범위를 벗어나지 아니하고 다양한 변경, 수정, 대체 및 변형을 할 수 있으며, 본 발명의 보호범위는 청구항과 그 균등에 의하여 한정된다.

Claims (15)

  1. 타겟 재료;
    상기 타겟 재료 위에 구비되는 마그네트론; 및
    상기 마그네트론과 연결되어 상기 마그네트론이 타겟 재료 위에서 이동하는 것을 제어하는 스캐닝 기구를 포함하며,
    상기 스캐닝 기구는,
    그 위에 상기 마그네트론이 이동 가능하게 구비되는 복숭아 모양 트랙;
    그 하단이 상기 복숭아 모양 트랙의 극좌표의 원점과 연결되어, 상기 복숭아 모양 트랙이 그 축선 주위를 회전하도록 구동하는 제1 구동축;
    상기 제1 구동축과 연결되어, 제1 구동축이 회전하도록 구동하는 제1 구동기; 및
    상기 마그네트론이 전동 조립체를 통해 상기 복숭아 모양 트랙을 따라 이동하도록 구동하는 제2 구동기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 소스.
  2. 청구항1에 있어서,
    상기 전동 조립체는,
    상기 제2 구동기와 연결되며, 상기 제2 구동기에 의해 구동되는 제1 전동 기어;
    상기 제1 구동축의 외부에 회전 가능하게 구비되는 중공축과, 상기 중공축 상에 구비되어 상기 제1 전동 기어와 치합하는 제2 전동기어;
    상기 중공축에 장착되는 선 기어;
    유성기어가 장착되는 유성기어축과, 상기 유성기어축이 회전하도록 구동하기 위하여 상기 선 기어와 치합되는 유성기어;
    그 일단은 상기 유성 기어축과 연결되며, 그 타단은 상기 마그네트론에 연결되어 상기 마그네트론이 상기 복숭아 모양 트랙을 따라 이동하도록 구동하는 신축 링크 로드; 및
    그 일단은 상기 제1 구동축에 고정되며, 그 타단에는 상기 유성 기어축이 회전 가능하게 구비되는 선 기어 랙;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 소스.
  3. 청구항2에 있어서,
    상기 신축 링크 로드는,
    그 일단이 상기 유성 기어축에 연결되는 내부 로드; 및
    그 일단이 마그네트론과 연결되고, 그 타단이 신축 부재를 통해 내부 로드와 연결되는 외부 로드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 소스.
  4. 청구항3에 있어서,
    내부 로드의 타단에는 축방향 홀이 구비되어, 외부 로드의 타단이 삽입되며, 상기 신축 부재는 외부 로드의 타단과 내부 로드를 연결하기 위하여 축방향 홀에 구비되는 스프링인 것을 특징으로 하는 마그네트론 소스.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제1 구동축의 축선은 타겟 재료의 중심을 통과하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 소스.
  6. 청구항5에 있어서,
    상기 마그네트론이 상기 복숭아 모양 트랙의 선단부에 위치할 때, 마그네트론의 최외연부 엣지와 타겟 재료의 주변부의 수평면 상의 투영은 일치하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 소스.
  7. 청구항6에 있어서,
    상기 복숭아 모양 트랙은 X축에 대하여 대칭이며, X축 상의 복숭아 모양 트랙의 부분은 공식 r=a×θ+b에 의해 정의되며,
    상기 공식에서, r은 복숭아 모양 트랙 상의 한 점에서 복숭아 모양 트랙의 극좌표의 원점까지 거리이며, θ는 상기 복숭아 모양 트랙 상의 점과 상기 복숭아 모양 트랙 상의 극좌표의 원점을 연결하는 선과 X축의 정방향 사이의 각이며, 0≤θ≤π이며, 또한 a와b는 모두 0보다 큰 상수인 것을 특징으로 하는 마그네트론 소스.
  8. 청구항1에 있어서,
    제1 구동기와 제2 구동기는 각각 모터인 것을 특징으로 하는 마그네트론 소스.
  9. 챔버가 구비된 챔버 본체; 및
    청구항 1 내지 8 중 어느 하나의 마그네트론 소스;를 포함하며,
    상기 마그네트론 소스의 타겟 재료는 챔버 본체 내의 상단부에 구비되며, 마그네트론 소스의 하부 표면은 챔버로 노출됨을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  10. 마그네트론 스퍼터링 장치의 복숭아 모양 트랙이 회전하도록 제어하고, 타겟 재료를 충격하도록 상기 마그네트론이 상기 복숭아 모양 트랙을 따라 이동하도록 제어함을 특징으로 하는 청구항 9의 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용한 마그네트론 스퍼터링 방법.
  11. 청구항10에 있어서,
    마그네트론이 복숭아 모양 트랙의 첨단부로부터 복숭아 모양 트랙을 따라 일주하는 1 주기 동안에, 마그네트론은 제1 1/2 주기 동안 복숭아 모양 트랙을 따라 가속하며, 제2 1/2 주기 동안 복숭아 모양 트랙을 따라 감속하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 방법.
  12. 청구항11에 있어서,
    마그네트론이 가속할 때 각 가속도는 6.28×10-4rad/s2이며, 마그네트론이 감속할 때 각 가속도는 -6.28×10-4rad/s2인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 방법.
  13. 청구항10에 있어서,
    상기 마그네트론이 상기 복숭아 모양 트랙의 첨단부로부터 복숭아 모양 트랙 따라 일주하는 1 주기 동안에, 상기 마그네트론은 차례로 제1가속 운동, 제1 등속 운동, 제2 가속 운동, 제1 감속 운동, 제2 등속 운동 및 제2 감속 운동을 수행하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 방법.
  14. 청구항13에 있어서,
    제1 가속 운동, 제1 등속 운동, 제2 가속 운동, 제1 감속 운동, 제2 등속 운동 및 제2 감속 운동의 이동시간이 서로 동일한 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 방법.
  15. 청구항13 또는 14에 있어서,
    제1 가속 운동과 제2 가속 운동의 각 가속도는 6.28×10-4rad/s2이며, 제1 감속 운동과 제2 감속 운동의 각 가속도는 -6.28×10-4rad/s2인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 방법.
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