KR20130118154A - 마그네트론 스퍼터링 장치 - Google Patents

마그네트론 스퍼터링 장치 Download PDF

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Abstract

마그네트론 스퍼터링 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치는, 챔버 내에서 증착 위치에 놓인 기판을 향해 증착 물질을 제공하는 스퍼터 소스(sputter source)로서의 타겟; 및 타겟의 일측에 배치되며, 기판에 대한 증착 효율의 향상을 위하여 기판과의 사이에 증착을 위한 자기력선을 발생시키는 마그네트 유닛을 포함하며, 마그네트 유닛은, 메인 자기력선을 발생시키는 다수의 메인 마그네트; 및 다수의 메인 마그네트 사이 영역에서 다수의 메인 마그네트 중 적어도 어느 하나와의 자기모멘트(N극/S극) 방향이 서로 다르게 배치되어 메인 자기력선을 변형시키는 적어도 하나의 서브 마그네트를 포함한다.

Description

마그네트론 스퍼터링 장치{Magnetron sputtering apparatus}
본 발명은, 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 마그네트의 크기와 배열을 종래와 달리 이상적으로 구현함으로써 타겟의 침식면이 불균일하게 침식되는 현상을 예방할 수 있으며, 이에 따라 고가인 타겟의 사용 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 장기간 사용할 수 있도록 한 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
마그네트론 스퍼터링 기술은, 반도체, 태양광, 그리고 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel) 및 OLED(Organic Light Emitting Diodes) 등의 평판디스플레이를 제조하는 공정에서 기판 상에 박막을 형성하는 기술로 사용되고 있다.
마그네트론 스퍼터링 기술이 적용되는 마그네트론 스퍼터링 장치는, 장치 조절의 용이성, 고증착율, 낮은 제조단가, 방출 전자 제한, 내화 금속 및 화합물에의 적용 가능성 등의 다양한 장점으로 인해 특히, LCD, PDP, OLED 등의 평판디스플레이 제조에 폭넓게 사용되고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 구조도이고, 도 2는 도 1에 적용된 타겟의 식각 프로파일을 보여주는 이미지이다.
도 1을 먼저 참조하면, 마그네트론 스퍼터링 장치의 경우, 박막을 생성하는 물질로 이루어진 타겟(1)과 기판이 챔버(11) 내에서 서로 대응하도록 배치된다.
그리고 아르곤 기체와 같은 방전 가스는 고진공으로 유지된 챔버(11) 내부로 주입된다. 챔버(11)의 외부에는 타겟(1) 쪽으로 전원을 공급하는 전원공급부(21)가 마련된다.
방전은 타겟(1)에 음전압을 인가함으로써 시작되며, 방전으로 인해 이온화된 가스 분자, 즉 이온은 음전압에 의해 가속되어 타겟(1)에 충돌되고 타겟(1)의 표면으로부터 코사인 법칙에 따라 다양한 방향으로 스퍼터링(sputtering)된 원자를 방출시킴에 따라 스퍼터링된 원자들의 일부가 기판 상에 증착됨으로써 기판 상에 박막이 형성될 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 마그네트론 스퍼터링 장치의 경우, 타겟(1) 주위에 자기력선(6)을 발생시키는 제1 및 제2 마그네트(3,4)가 요크(2)에 결합된 상태로 더 배치된다.
제1 및 제2 마그네트(3,4)가 배치되면, 제1 및 제2 마그네트(3,4)로부터의 자기력선(6)이 발생되기 때문에 타겟(1)의 표면으로부터 방출된 스퍼터링된 원자들에 영향을 주어 증착 효율을 높일 수 있다.
이와 같이, 마그네트(3,4)를 적용하는 경우, 증착 효율을 높이는 데에 유리하지만 마그네트(3,4)로 인해 타겟(1)의 침식면이 도 2처럼 불균일하게 침식될 수 있는 문제점이 있다.
즉 타겟(1)이 침식됨에 있어 타겟(1)의 표면과 평행을 이루면서 조금씩 또한 고르게 침식되는 것이 이상적이지만 마그네트(3,4)의 크기와 배열에 따라 타겟(1)의 표면에는 침식이 많이 되는 부분(5)과 상대적으로 침식이 적게 되는 부분이 생길 수밖에 없고, 이로 인해 타겟(1)의 침식면이 도 2처럼 불균일하게 침식될 수 있다.
도 2처럼 타겟(1)의 침식면이 불균일하게 침식되는 경우, 고가인 타겟(1)의 사용 효율을 낮아질 수밖에 없어 장기간의 사용이 불가능하므로 이에 대한 효율적인 대안이 요구된다.
대한민국특허청 공개번호 제10-2004-0043046호
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 마그네트의 크기와 배열을 종래와 달리 이상적으로 구현함으로써 타겟의 침식면이 불균일하게 침식되는 현상을 예방할 수 있으며, 이에 따라 고가인 타겟의 사용 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 장기간 사용할 수 있도록 한 마그네트론 스퍼터링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 챔버 내에서 증착 위치에 놓인 기판을 향해 증착 물질을 제공하는 스퍼터 소스(sputter source)로서의 타겟; 및 상기 타겟의 일측에 배치되며, 상기 기판에 대한 증착 효율의 향상을 위하여 상기 기판과의 사이에 증착을 위한 자기력선을 발생시키는 마그네트 유닛을 포함하며, 상기 마그네트 유닛은, 메인 자기력선을 발생시키는 다수의 메인 마그네트; 및 상기 다수의 메인 마그네트 사이 영역에서 상기 다수의 메인 마그네트 중 적어도 어느 하나와의 자기모멘트(N극/S극) 방향이 서로 다르게 배치되어 상기 메인 자기력선을 변형시키는 적어도 하나의 서브 마그네트를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치가 제공될 수 있다.
상기 다수의 메인 마그네트는, 상기 타겟의 중앙 영역에 대응되는 위치에 배치되는 제1 메인 마그네트; 상기 제1 메인 마그네트의 반경 방향 외측에 배치되는 제2 메인 마그네트; 및 상기 타겟의 사이드 영역에 대응되는 위치에 배치되는 제3 메인 마그네트를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 서브 마그네트는 상기 제1 내지 제3 메인 마그네트 사이 영역 중 적어도 어느 일 영역에 배치되는 다수의 서브 마그네트일 수 있다.
상기 다수의 서브 마그네트는, 상기 제2 메인 마그네트의 반경 방향 외측에 배치되는 제1 서브 마그네트; 및 상기 제1 서브 마그네트와 상기 제3 메인 마그네트 사이에 배치되는 제2 서브 마그네트를 포함할 수 있다.
상기 제1 메인 마그네트의 자기력선은 상기 제2 메인 마그네트의 자기력선과 동일한 방향일 수 있다.
상기 제1 메인 마그네트와 상기 제2 메인 마그네트의 자기모멘트(N극/S극) 방향은, 상기 제3 메인 마그네트와 상기 제1 서브 마그네트의 자기모멘트(N극/S극) 방향과 반대 방향일 수 있다.
상기 제2 서브 마그네트의 자기모멘트(N극/S극) 방향은 상기 제1 메인 마그네트의 자기모멘트(N극/S극) 방향에 대하여 교차 배치될 수 있다.
상기 제1 메인 마그네트는 원기둥 형상을 가질 수 있으며, 상기 제2 및 제3 메인 마그네트, 그리고 상기 제1 및 제2 서브 마그네트는 고리 형상을 가질 수 있다.
상기 다수의 메인 마그네트와 상기 적어도 하나의 서브 마그네트는 영구자석으로 마련될 수 있다.
상기 타겟은 원반 형상을 가질 수 있다.
상기 타겟과 상기 마그네트 유닛 사이에 배치되어 상기 타겟을 지지하는 캐소드 백킹 플레이트(cathode backing plate); 및 상기 타겟을 상기 캐소드 백킹 플레이트에 클램핑시키는 클램핑 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 캐소드 백킹 플레이트의 내부에는 냉각수 유로가 형성될 수 있으며, 상기 마그네트 유닛을 향한 상기 캐소드 백킹 플레이트의 측벽에는 상기 다수의 메인 마그네트와 상기 적어도 하나의 서브 마그네트 중 적어도 어느 하나가 배치되는 마그네트 그루브가 더 형성될 수 있다.
상기 캐소드 백킹 플레이트와 이격 배치되는 캐소드 플랜지; 상기 캐소드 백킹 플레이트와 상기 캐소드 플랜지 사이에 배치되는 캐소드 인슐레이터(cathode insulator); 및 일단부는 상기 캐소드 플랜지에 결합되고 타단부는 상기 타겟의 전면까지 연장되어 상기 타겟의 중앙 영역으로 일부 절곡 형성되는 애노드를 더 포함할 수 있다.
상기 클램핑 유닛은, 상기 타겟의 중심부를 상기 캐소드 백킹 플레이트에 클램핑시키는 중심부 타겟 클램프; 및 상기 타겟의 외곽부를 상기 캐소드 백킹 플레이트에 클램핑시키는 외곽부 타겟 클램프를 포함할 수 있다.
상기 중심부 타겟 클램프 및 상기 외곽부 타겟 클램프와 접하는 상기 타겟에는 각각 단차가 형성될 수 있다.
상기 타겟의 중심부는 상기 중심부 타겟 클램프가 배치되는 장소를 형성하되 상기 타겟의 나머지 침식면보다 낮은 함몰부를 형성할 수 있다.
상기 마그네트 유닛을 지지하는 요크; 및 상기 마그네트 유닛과 연결되어 상기 마그네트 유닛을 상기 타겟에 대해 접근 또는 이격 구동시키는 유닛 구동부를 더 포함할 수 있다.
상기 기판은 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel) 또는 OLED(Organic Light Emitting Diodes)를 포함하는 평면디스플레이 기판일 수 있으며, 상기 타겟의 크기는 11인치에서 12인치일 수 있다.
본 발명에 따르면, 마그네트의 크기와 배열을 종래와 달리 이상적으로 구현함으로써 타겟의 침식면이 불균일하게 침식되는 현상을 예방할 수 있으며, 이에 따라 고가인 타겟의 사용 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 장기간 사용할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 구조도이다.
도 2는 도 1에 적용된 타겟의 식각 프로파일을 보여주는 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략적인 구조도이다.
도 4는 도 3의 요부확대도로서 마그네트 유닛이 타겟에 접근된 상태의 도면이다.
도 5는 마그네트 유닛이 타겟으로부터 이격된 상태의 도면이다.
도 6은 마그네트들의 배치 구조도이이다.
도 7은 마그네트 유닛에 대한 자기장의 분포를 보여주는 컴퓨터 시뮬레이션 도면이다.
도 8은 도 7에 대응되는 자기력선의 힘의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 9는 타겟과 요크 사이의 거리에 따른 식각의 균일도를 나타내는 그래프이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도면 대비 설명에 앞서, 이하에서 설명될 기판이란 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel) 및 OLED(Organic Light Emitting Diodes) 등의 평면디스플레이 기판이거나 아니면 태양전지용 기판, 혹은 반도체 웨이퍼 기판일 수 있는데, 이하에서는 별도의 구분 없이 기판이라는 용어로 통일하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략적인 구조도이고, 도 4는 도 3의 요부확대도로서 마그네트 유닛이 타겟에 접근된 상태의 도면이며, 도 5는 마그네트 유닛이 타겟으로부터 이격된 상태의 도면이고, 도 6은 마그네트들의 배치 구조도이이다.
이들 도면을 참조하되 주로 도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치는, 챔버(110, chamber)와, 챔버(110) 내에서 증착 위치에 놓인 기판을 향해 증착 물질을 제공하는 스퍼터 소스(sputter source)로서의 타겟(140)과, 타겟(140)의 일측에 배치되며, 기판에 대한 증착 효율의 향상을 위하여 기판과의 사이에 증착을 위한 자기력선을 발생시키는 마그네트 유닛(170)을 포함한다.
챔버(110)는 외관 벽체를 형성하는 부분으로서 증착 공정 시 그 내부는 밀폐되면서 고진공 상태를 유지한다. 이를 위해, 챔버(110)의 하부 영역에는 게이트 밸브(111)가 마련되고, 게이트 밸브(111) 영역에는 진공 펌프(112)가 마련된다. 이에, 게이트 밸브(111)가 개방된 상태에서 진공 펌프(112)로부터의 진공압이 발생되면 챔버(110)의 내부는 고진공 상태를 유지할 수 있다.
챔버(110)의 일측벽에는 챔버(110)의 내부로 기판이 인입되는 기판입구(113a)가 형성되고 챔버(110)의 타측벽에는 챔버(110)로부터의 기판이 인출되는 기판출구(113b)가 형성된다. 편의를 위해 도시는 생략하였으나 기판입구(113a)와 기판출구(113b)에도 별도의 게이트 밸브가 마련될 수 있다.
챔버(110)의 상부 영역에는 타겟(140)을 비롯하여 마그네트 유닛(170) 영역 전체를 외부에서 둘러싸는 형태로 챔버(110)와 결합되는 커버(114)가 마련된다. 커버(114)는 챔버(110)에 대해 개폐 가능하다.
챔버(110) 내에는 기판을 이송 가능하게 지지하는 기판 이송 지지부(130)가 마련된다. 즉 기판 이송 지지부(130)는 챔버(110) 내의 중앙 영역에 배치되어 기판을 지지함과 동시에 기판입구(113a)로 인입된 기판이 증착되도록 하면서 기판출구(113b)로 이송시키는 역할을 한다.
기판 이송 지지부(130)는 롤러로 적용될 수 있는데, 통상 챔버(110)의 내부가 고온 상태를 유지한다는 점을 감안할 때 기판 이송 지지부(130)는 내열성 및 내구성이 우수한 재질로 제작되는 것이 바람직하다.
이러한 기판 이송 지지부(130)의 하부 영역에는 기판 이송 지지부(130) 상에 놓인 기판을, 특히 기판의 증착면을 가열하는 히터(131)가 마련된다. 히터(131)는 타겟(140)으로부터 제공되는 증착 물질이 기판에 잘 증착될 수 있도록 기판을 수백도 이상으로 가열하는 역할을 한다.
이러한 히터(131)는 기판의 전면을 골고루, 또한 급속으로 가열할 수 있도록 기판의 사이즈와 유사하거나 그보다 큰 사이즈를 가질 수 있다.
타겟(140)은 챔버(110)의 상부 영역에 마련되어 기판 이송 지지부(130) 상에서 증착 위치에 놓인 기판을 향하여 증착 물질을 제공하는 스퍼터 소스(sputter source)의 역할을 한다.
통상적으로 타겟(140)과 마그네트 유닛(170) 영역이 음극(cathode)을 형성하고 기판 영역이 양극(anode)을 형성할 수 있으나 반드시 그러한 것은 아니다.
본 실시예에서 타겟(140)은 평면 타입의 타겟(140), 즉 고정된 해당 위치에서 하부 영역의 기판을 향해 증착 물질을 제공하는 평면 타입의 타겟(140)으로 마련된다. 특히, 본 실시예에서 타겟(140)은 11인치에서 12인치 정도(300mm)의 크기를 갖는 원반 형상을 갖는다. 물론, 이러한 수치에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.
본 실시예에서 타겟(140)과 기판 사이의 거리는, 스퍼터링 공정 압력으로 사용되는 10-2 내지 10-3 Pa에서 방출된 타겟(140)으로부터의 원자가 방전 가스 분자와 충돌하지 않고 도달할 수 있는 거리인 30 내지 60mm 정도일 수 있다.
그리고 원반 형상의 타겟(140)은 기판의 직경보다 더 큰 것이 사용될 수 있는데, 이처럼 기판의 직경보다 큰 타겟(140)이 사용됨으로써 보다 균일한 두께의 박막을 얻는데 유리한 조건을 형성할 수 있다. 물론, 이러한 사항은 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 권리범위를 제한하지 못한다.
타겟(140)이 설치되기 위해 타겟(140)의 일측에는 캐소드 백킹 플레이트(120, cathode backing plate)가 마련된다. 다시 말해, 캐소드 백킹 플레이트(120)는 타겟(140)과 마그네트 유닛(170) 사이에 배치되어 타겟(140)을 지지한다.
타겟(140)이 지지되는 구조 설명에 앞서, 캐소드 백킹 플레이트(120)의 특징 및 그 주변 구조에 대해 먼저 설명한다.
캐소드 백킹 플레이트(120)는 RF 또는 DC 전원의 파워(121, power)와 전기적으로 연결된다. 캐소드 백킹 플레이트(120)의 내부에는 냉각수 유로(122)가 형성된다. 냉각수 유로(122)에는 냉각수 유입 파이프(123a)와 냉각수 배출 파이프(123b)가 연결되며, 각 파이프(123a,123b)와 냉각수 유로(122)를 따라 냉각수가 유동됨으로써 타겟(140)에 대한 냉각이 진행될 수 있다.
마그네트 유닛(170)을 향한 캐소드 백킹 플레이트(120)의 측벽에는 마그네트 유닛(170)을 이루는 제2 메인 마그네트(182)가 배치되는 마그네트 그루브(120a)가 형성된다.
도면에는 마그네트 그루브(120a)에 제2 메인 마그네트(182)의 단부가 배치되고 있으나 경우에 따라 마그네트 유닛(170)을 이루는 제1 및 제3 메인 마그네트(181,183), 그리고 제1 및 제2 서브 마그네트(191,192)가 배치될 수도 있으며, 이러한 경우에는 제1 및 제3 메인 마그네트(181,183), 그리고 제1 및 제2 서브 마그네트(191,192)가 배치된 영역에 홈(groove)이 형성되면 된다.
마그네트 유닛(170)을 사이에 두고 캐소드 백킹 플레이트(120)의 반대편에는 캐소드 백킹 플레이트(120)와 나란하게 캐소드 플랜지(124)가 배치된다. 그리고 캐소드 백킹 플레이트(120)와 캐소드 플랜지(124) 사이에는 캐소드 인슐레이터(125, cathode insulator)가 배치되어 이들을 전기적으로 절연시킨다.
타겟(140)의 외측에는 그 일단부는 캐소드 플랜지(124)에 결합되고 타단부는 타겟(140)의 전면까지 연장되어 타겟(140)의 중앙 영역으로 일부 절곡 형성되는 애노드(126)가 마련된다.
한편, 앞서도 기술한 바와 같이, 실시예로서 원반 형상을 갖는 타겟(140)은 캐소드 백킹 플레이트(120)에 결합된다.
종전에는 타겟(140)을 캐소드 백킹 플레이트(120) 또는 별도의 동판에 본딩(bonding)하여 왔으나 타겟(140)의 효율적인 사용을 위하여, 또한 타겟(140)에 대한 냉각 효율을 극대화시킬 수 있도록 본 실시예의 경우, 클램핑 방법으로서 타겟(140)을 캐소드 백킹 플레이트(120)에 클램핑시키고 있다. 이를 위해, 클램핑 유닛(150)이 적용된다.
다시 말해, 클램핑 유닛(150)은 타겟(140)을 캐소드 백킹 플레이트(120)에 클램핑시키는 역할을 한다. 이처럼 클램핑 유닛(150)을 이용하여 타겟(140)을 캐소드 백킹 플레이트(120)에 클램핑시키는 경우, 타겟(140)의 효율적인 사용이 가능해질 뿐만 아니라 냉각수 유로(122)가 형성된 캐소드 백킹 플레이트(120)에 타겟(140)이 직접 접촉되기 때문에 타겟(140)에 대한 냉각 효율을 극대화시킬 수 있다.
이러한 효과를 제공하는 클램핑 유닛(150)은, 타겟(140)의 중심부를 캐소드 백킹 플레이트(120)에 클램핑시키는 중심부 타겟 클램프(151)와, 타겟(140)의 외곽부를 캐소드 백킹 플레이트(120)에 클램핑시키는 외곽부 타겟 클램프(152)를 포함한다.
중심부 타겟 클램프(151)와 외곽부 타겟 클램프(152)가 해당 위치에서 타겟(140)의 중심부와 외곽부를 견고하게 클램핑할 수 있도록 중심부 타겟 클램프(151) 및 외곽부 타겟 클램프(152)와 접하는 타겟(140)각각 단차(141a,141b)가 형성된다. 즉 타겟(140)의 중심부와 외곽부는 중심부 타겟 클램프(151)와 외곽부 타겟 클램프(152)에 대응되게 단차(141a,141b) 가공된다.
특히, 중심부 타겟 클램프(151)가 타겟(140)의 중심부에 클램핑될 수 있도록 타겟(140)의 중심부는 중심부 타겟 클램프(151)가 배치되는 장소를 형성하되 타겟(140)의 효율적 사용을 위하여 타겟(140)의 나머지 침식면보다 낮게 함몰 형성되는 함몰부(141c)를 형성한다.
한편, 마그네트 유닛(170)은 타겟(140)의 일측에 배치되며, 기판에 대한 증착 효율의 향상을 위하여 기판과의 사이에 증착을 위한 자기력선을 발생시키는 역할을 한다.
다시 말해, 마그네트 유닛(170)은 타겟(140)의 일측, 다시 말해 요크(160)에 지지되어 기판과의 사이에 증착을 위한 자기장(자기력선)을 발생시키는 역할을 한다. 이와 같이, 마그네트 유닛(170)으로부터 자기력선이 발생되면 타겟(140)의 표면으로부터 방출된 스퍼터링된 원자들에 영향을 주어 증착 효율을 높일 수 있다.
즉 타겟(140)의 뒷면에 마그네트 유닛(170)이 배열됨으로써 전기장(RF 또는 DC)에 의해 타겟(140)으로부터 방출되는 전자를 타겟(140) 바깥으로 형성되는 자기장 내에 국부적으로 모아 아르곤(Ar) 기체 원자와의 충돌을 촉진시킴으로써 스퍼터링 공정에 따른 증착 효율을 높일 수 있다.
이러한 마그네트 유닛(170)은, 메인 자기력선을 발생시키는 제1 내지 제3 메인 마그네트(181~183)와, 제2 및 제3 메인 마그네트(182,183) 사이에서 제1 내지 제3 메인 마그네트(181~183) 중 적어도 어느 하나와의 자기모멘트(N극/S극) 방향이 서로 다르게 배치되어 메인 자기력선을 변형시키는 제1 및 제2 서브 마그네트(191,192)를 포함한다.
본 실시예의 경우, 타겟(140)이 11인치에서 12인치 정도(300mm)의 크기를 갖는 원반 형상을 가지고 있기 때문에, 마그네트 유닛(170)이 제1 내지 제3 메인 마그네트(181~183)와, 제1 및 제2 서브 마그네트(191,192)로 마련되나 이들의 개수는 스퍼터링 장치마다 달라질 수 있다.
특히, 제1 및 제2 서브 마그네트(191,192)가 제2 및 제3 메인 마그네트(182,183) 사이에 배치되고 있으나 이들의 위치 역시 적절하게 바뀔 수 있다.
뿐만 아니라 제1 내지 제3 메인 마그네트(181~183)와, 제1 및 제2 서브 마그네트(191,192)의 사이즈는 도면에 도시된 것을 벗어나 다양할 수 있다.
그리고 본 실시예에서 제1 내지 제3 메인 마그네트(181~183)와, 제1 및 제2 서브 마그네트(191,192)는 모두 영구자석으로 적용된다. 하지만, 이들은 전자석일 수도 있다.
참고로, 본 실시예에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 메인 마그네트(181)만이 원기둥 형상을 가질 뿐 제2 및 제3 메인 마그네트(182.183), 그리고 제1 및 제2 서브 마그네트(191,192)는 고리 형상을 가질 수 있다.
마그네트(181~183,191,192)들의 위치에 대해 살펴본다. 제1 메인 마그네트(181)는 타겟(140)의 중앙 영역에 대응되는 위치에 배치된다. 제2 메인 마그네트(182)는 제1 메인 마그네트(181)의 반경 방향 외측에 배치된다. 제3 메인 마그네트(183)는 타겟(140)의 사이드 영역에 대응되는 위치에 배치된다.
그리고 제1 서브 마그네트(191)는 제2 메인 마그네트(182)의 반경 방향 외측에 배치되며, 제2 서브 마그네트(192)는 제1 서브 마그네트(191)와 제3 메인 마그네트(183) 사이에 배치된다.
이처럼 마그네트(181~183,191,192)의 크기와 배열, 특히 배열을 종래와 달리 이상적으로 구현함으로써 특히, 마그네트(181~183,191,192)의 배열을 최적화함으로써 종래와 달리 자기장(자기력선)을 제어할 수 있게 되고, 이로써 타겟(140)의 침식면이 불균일하게 침식되는 현상을 예방할 수 있으며, 이에 따라 고가인 타겟(140)의 사용 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 장기간 사용할 수 있게 된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 메인 마그네트(181)의 자기력선은 제2 메인 마그네트(182)의 자기력선과 동일한 방향을 갖는다. 즉 실시예이긴 하지만 제1 메인 마그네트(181)와 제2 메인 마그네트(182)의 자기모멘트(N극/S극) 방향은 S극이 타겟(140)을 향하도록 배치된다.
하지만, 제3 메인 마그네트(183)와 제1 서브 마그네트(191)의 자기모멘트(N극/S극) 방향은 제1 메인 마그네트(181)와 제2 메인 마그네트(182)의 자기모멘트(N극/S극) 방향과 반대 방향이다. 즉 제3 메인 마그네트(183)와 제1 서브 마그네트(191)의 자기모멘트(N극/S극) 방향은 N극이 타겟(140)을 향하도록 배치된다.
이때, 제2 서브 마그네트(192)의 자기모멘트(N극/S극) 방향은 나머지 마그네트(181~183,191)들의 자기모멘트(N극/S극) 방향에 대하여 교차 배치된다. 즉 도면을 기준으로 제2 서브 마그네트(192)의 자기모멘트(N극/S극) 방향은 N극과 S극이 각각 좌측과 우측을 향하도록 배치된다.
이와 같은 구조의 마그네트 유닛(170)이 적용됨으로써 타겟(140)의 침식면과 나란한 자기력선(도 6 참조)을 생성시킬 수 있다.
따라서 종전처럼 타겟(140)의 침식면이 불균일하게 침식되는 현상을 예방할 수 있으며, 타겟(140)의 식각 면적을 넓혀 타겟(140)의 이용 효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
이러한 마그네트 유닛(170) 즉, 제1 내지 제3 메인 마그네트(181~183), 그리고 제1 및 제2 서브 마그네트(191,192)는 요크(160)에 의해 지지된다.
자세히 도시하지는 않았으나 제1 내지 제3 메인 마그네트(181~183), 그리고 제1 및 제2 서브 마그네트(191,192)가 요크(160)에 착탈 가능하게 결합될 수도 있는데, 이러한 경우에는 자기장의 조절이 용이해질 수 있는 장점이 있다.
그리고 요크(160)는 유닛 구동부(165)에 연결되어 유닛 구동부(165)를 통해 구동된다. 즉 유닛 구동부(165)에 의해 요크(160)에 지지된 마그네트 유닛(170)이 타겟(140)에 대해 도 4처럼 접근되거나 도 5처럼 이격될 수 있으며, 이로써 자기장의 변화를 제어할 수 있다.
이처럼 유닛 구동부(165)에 의한 마그네트 유닛(170)의 이동에 기초하여 자기장의 변화를 제어함으로써 기판에 증착된 박막의 균일도 및 증착률의 변화를 꾀하여 공정조건을 개선할 수 있다.
한편, 도 7은 마그네트 유닛에 대한 자기장의 분포를 보여주는 컴퓨터 시뮬레이션 도면이고, 도 8은 도 7에 대응되는 자기력선의 힘의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 8에서 A선은 포텐셜 값을 나타낸 것이며, C선은 자기력선의 수평 힘을 나타낸 것이며, B선은 자기력선의 수직 힘을 나타낸 것이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 타겟(140) 상부의 표면에서 자기력선이 타겟(140)의 범위 안에서 폐루프 곡선을 그리는 최상층의 자기력선(A선)의 X점과 Y점 사이에서 침식 및 스퍼터링이 이루어질 수 있는데, 이때, 수평 자기모멘트의 힘의 크기가 a점에서 b점까지는 비례적으로 감소하는 형태를 보인다.
원반 형상의 타겟(140)의 효율을 증대시키기 위해서는 타겟(140)의 외각부에서 중심부로 들어갈수록 그에 비례하여 자기장의 가우스를 증대시켜야 함을 의미한다.
타겟(140)의 식각에 지대한 영향을 미치는 인자로서 자기장의 수평 자기모멘트의 힘이 중요한데, 원형의 자석구조체의 특성상 최외각으로 갈수록 자기모멘트의 중첩이 더더욱 커지게 되는데, 그러한 중첩과 힘의 크기를 고려하여 중심부 측의 수평 자기모멘트의 힘을 증대시킴과 동시에 최외각으로 갈수록 비례하여 감소시키는 것이 중요하다.
c ~ d점 사이에서 식각이 균등하게 이루어지며, 제일 많이 식각이 일어나는 부위로써 그 범위를 최대한 가져가야 한다. 또한 박막의 균일도에 지대한 영향을 미치는 구간으로 타겟(140)과 증착시키고자 하는 물체 사이의 거리와도 상관된다. b 점선은 식각되어진 타겟(140)의 프로파일을 도시한 것이다.
도 9는 타겟과 요크 사이의 거리에 따른 식각의 균일도를 나타내는 그래프이다.
도 9의 그래프를 살펴보면, 우측의 범례를 참조하여, 타겟(140)과 마그네트 유닛(170) 사이의 거리가 좁아짐에 따라 가우스의 크기가 증가하는 것을 볼 수 있으며, 그에 따른 가우스가 위치에 따라 달라지는 것을 관찰할 수 있다.
타겟(140)과 마그네트 유닛(170) 사이의 간극, 즉 이격 거리를 전술한 유닛 구동부(165)로 제어함으로써, 타겟(140)의 효율과 박막의 균일도를 최대한 끌어올릴 수가 있다. 뿐만 아니라 타겟(140)의 식각에 따른 가우스의 변화를 막을 수 있으며, 이와는 반대로 가우스의 변화를 꾀할 수도 있다.
도면에는 개략적으로 도시되어 있으나 유닛 구동부(165)는 실린더 혹은 서보모터일 수 있는데, 서보모터를 사용함으로써 파워 인가량에 따른 마그네트 유닛(170)의 상하이동, 즉 타겟(140)에 대한 접근 또는 이격 거리를 자동으로 제어할 수도 있을 것이며, 이러한 경우, 타겟(140)의 효율과 박막의 균일도를 최대한 끌어올릴 수가 있을 것이다.
이러한 구성을 갖는 스퍼터 장치의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.
챔버(110)의 기판입구(113a)를 통해 기판이 유입되어 기판 이송 지지부(130) 상의 증착 위치로 배치되고 증착 공정이 개시된다. 즉 챔버(110) 내로 예컨대 아르곤(Ar) 가스가 충진되고, 챔버(110)는 그 내부가 밀폐되면서 고진공을 유지한다.
이 상태에서 파워(121)로부터 타겟(140) 쪽에 음극 전압이 가해지면, 타겟(140)으로부터 방출된 전자들이 아르곤(Ar) 가스와 충돌하여 아르곤(Ar) 가스가 이온화된다.
이온화된 아르곤(Ar) 가스는 전위차에 의해 타겟(140) 방향으로 가속되어 타겟(140)의 표면과 충돌하게 되고, 이때 타겟(140) 원자, 즉 증착 물질이 타겟(140)으로부터 발생되어 기판의 증착면에 떨어지면서 기판의 증착 공정이 진행된다.
증착 공정이 완료되면, 챔버(110) 내의 진공이 해제되고 기판출구(113b)가 열리면서 기판출구(113b)를 통해 기판이 취출되고, 다시 새로운 기판이 기판입구(113a) 쪽으로 유입되어 증착 공정을 진행하게 된다.
이와 같은 구조와 동작을 갖는 본 실시예에 따르면, 마그네트(181~183,191,192)의 크기와 배열을 종래와 달리 이상적으로 구현함으로써 타겟(140)의 침식면이 불균일하게 침식되는 현상을 예방할 수 있으며, 이에 따라 고가인 타겟(140)의 사용 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 장기간 사용할 수 있게 된다.
특히, 본 실시예의 경우, 마그네트(181~183,191,192)의 크기와 배열을 변화시켜 자기장(자기력선)을 제어함으로써 타겟(140)의 사용효율을 증대시킬 수 있으며, 유닛 구동부(165)에 의한 마그네트 유닛(170)의 이동에 기초하여 자기장의 변화를 제어함으로써 기판에 증착된 박막의 균일도 및 증착률의 변화를 꾀하여 공정조건을 개선할 수 있다.
또한 효과는 높으면서도 구조는 도 3처럼 단순화될 수 있어 제작 및 유지관리, 분해, 조립을 손쉽게 할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
110 : 챔버 120 : 캐소드 백킹 플레이트
121 : 파워 122 : 냉각수 유로
123a : 냉각수 유입 파이프 123b : 냉각수 배출 파이프
124 : 캐소드 플랜지 125 : 캐소드 인슐레이터
126 : 애노드 130 : 기판 이송 지지부
131 : 히터 140 : 타겟
150 : 클램핑 유닛 151 : 중심부 타겟 클램프
152 : 외곽부 타겟 클램프 160 : 요크
165 : 유닛 구동부 170 : 마그네트 유닛
181~183 : 제1 내지 제3 메인 마그네트
191,192 : 제1 및 제2 서브 마그네트

Claims (18)

  1. 챔버 내에서 증착 위치에 놓인 기판을 향해 증착 물질을 제공하는 스퍼터 소스(sputter source)로서의 타겟; 및
    상기 타겟의 일측에 배치되며, 상기 기판에 대한 증착 효율의 향상을 위하여 상기 기판과의 사이에 증착을 위한 자기력선을 발생시키는 마그네트 유닛을 포함하며,
    상기 마그네트 유닛은,
    메인 자기력선을 발생시키는 다수의 메인 마그네트; 및
    상기 다수의 메인 마그네트 사이 영역에서 상기 다수의 메인 마그네트 중 적어도 어느 하나와의 자기모멘트(N극/S극) 방향이 서로 다르게 배치되어 상기 메인 자기력선을 변형시키는 적어도 하나의 서브 마그네트를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 메인 마그네트는,
    상기 타겟의 중앙 영역에 대응되는 위치에 배치되는 제1 메인 마그네트;
    상기 제1 메인 마그네트의 반경 방향 외측에 배치되는 제2 메인 마그네트; 및
    상기 타겟의 사이드 영역에 대응되는 위치에 배치되는 제3 메인 마그네트를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 서브 마그네트는 상기 제1 내지 제3 메인 마그네트 사이 영역 중 적어도 어느 일 영역에 배치되는 다수의 서브 마그네트인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다수의 서브 마그네트는,
    상기 제2 메인 마그네트의 반경 방향 외측에 배치되는 제1 서브 마그네트; 및
    상기 제1 서브 마그네트와 상기 제3 메인 마그네트 사이에 배치되는 제2 서브 마그네트를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 메인 마그네트의 자기력선은 상기 제2 메인 마그네트의 자기력선과 동일한 방향인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 메인 마그네트와 상기 제2 메인 마그네트의 자기모멘트(N극/S극) 방향은, 상기 제3 메인 마그네트와 상기 제1 서브 마그네트의 자기모멘트(N극/S극) 방향과 반대 방향인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2 서브 마그네트의 자기모멘트(N극/S극) 방향은 상기 제1 메인 마그네트의 자기모멘트(N극/S극) 방향에 대하여 교차 배치되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 메인 마그네트는 원기둥 형상을 가지며,
    상기 제2 및 제3 메인 마그네트, 그리고 상기 제1 및 제2 서브 마그네트는 고리 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 메인 마그네트와 상기 적어도 하나의 서브 마그네트는 영구자석으로 마련되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 타겟은 원반 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 타겟과 상기 마그네트 유닛 사이에 배치되어 상기 타겟을 지지하는 캐소드 백킹 플레이트(cathode backing plate); 및
    상기 타겟을 상기 캐소드 백킹 플레이트에 클램핑시키는 클램핑 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 캐소드 백킹 플레이트의 내부에는 냉각수 유로가 형성되며,
    상기 마그네트 유닛을 향한 상기 캐소드 백킹 플레이트의 측벽에는 상기 다수의 메인 마그네트와 상기 적어도 하나의 서브 마그네트 중 적어도 어느 하나가 배치되는 마그네트 그루브가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 캐소드 백킹 플레이트와 이격 배치되는 캐소드 플랜지;
    상기 캐소드 백킹 플레이트와 상기 캐소드 플랜지 사이에 배치되는 캐소드 인슐레이터(cathode insulator); 및
    일단부는 상기 캐소드 플랜지에 결합되고 타단부는 상기 타겟의 전면까지 연장되어 상기 타겟의 중앙 영역으로 일부 절곡 형성되는 애노드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 클램핑 유닛은,
    상기 타겟의 중심부를 상기 캐소드 백킹 플레이트에 클램핑시키는 중심부 타겟 클램프; 및
    상기 타겟의 외곽부를 상기 캐소드 백킹 플레이트에 클램핑시키는 외곽부 타겟 클램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 중심부 타겟 클램프 및 상기 외곽부 타겟 클램프와 접하는 상기 타겟에는 각각 단차가 형성되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 타겟의 중심부는 상기 중심부 타겟 클램프가 배치되는 장소를 형성하되 상기 타겟의 나머지 침식면보다 낮은 함몰부를 형성하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 마그네트 유닛을 지지하는 요크; 및
    상기 마그네트 유닛과 연결되어 상기 마그네트 유닛을 상기 타겟에 대해 접근 또는 이격 구동시키는 유닛 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel) 또는 OLED(Organic Light Emitting Diodes)를 포함하는 평면디스플레이 기판이며,
    상기 타겟의 크기는 11인치에서 12인치인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
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