KR20130121078A - 지정된 전기장을 갖는 아크 증착 소스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아크 증착 장치에 관한 것으로, 캐소드와 아노드, 그리고 전압 소스를 포함하며, 상기 전압 소스는 캐소드에 비해 양(positive)의 포텐셜로 아노드에 공급한다. 상기 장치는 또한 자기 발생수단을 포함하는데, 상기 자기 발생수단은 캐소드 표면에 자기장을 유발하고, 상기 아노드는 캐소드 표면에서 나온 자기장 라인이 아노드에 부딪히도록 캐소드 부근에 배치되어 있다.

Description

지정된 전기장을 갖는 아크 증착 소스 {ARC DEPOSITION SOURCE HAVING A DEFINED ELECTRIC FIELD}
본 발명은 청구항 1의 전제분에 따른 아크 증착 장치에 관한 것이다. 본 발명에서 아크 증착 장치는 전기 아크(electric arc)를 사용하는 장치를 말하며, 상기 전기 아크에 있어 아크 스팟(arc spot)이 캐소드 위에 있고 진공상태에서 점화될 수 있으며, 상기 캐소드(= 타겟)에 의해 증착 물질이 생성되는데 아크 스팟은 타켓 물질의 증착을 유발한다.
아크 증착 소스는 종래기술에서 많이 알려져 있다. 스내퍼(Snaper)는 미국 특허 US 3,625,848에서 캐소드와 아노드를 가진 빔 건(beam gun)을 개시하고 있는데, 상기 빔 건은 스파크 방전이 캐소드와 아노드 사이에서 발생하도록 배치되어 있다. 이 기술에서 캐소드는 증착되는 재료로 구성되어 있다. 아노드는 경사지는(tapering) 형상을 하고 있으며, 원통형 캐소드의 바로 인근에 위치해 있다. 본 기술에 따른 배치도가 도 1에 도시되어 있다. 본 배치도에서 자기 발생수단(magnetic means)은 사용되지 않는다. 따라서 타겟 상에서 아크 스팟의 이동은, 그들은 당시에는 매우 빠르다고 했지만, 현재의 기준으로 보면 매우 느리다. 아크 스팟의 느린 이동은, 다른 무엇보다도, 아크 증착 소스 수단에 의해 생성된 층들(layers)의 거칠기(roughness)를 증가시킨다.
이에 비해, 클라크 버그만(Clark Bergman)의 미국 특허 US 4,620,913은 자기 발생수단(magnetic means)이 사용되는 다중 아크 진공 시스템(multi arc vacuum system)을 개시하고 있다. 이 시스템은 아노드 배열(anode array)을 지닌 아크 소스인데, 챔버(chamber) 또는 전기적으로 절연 도입된 아노드(insulated introduced anode)가 사용된다. 본 기구의 단점은, 타겟으로부터 나온 자기장(magnetic field)의 극히 일부만이 아노드로 유도된다는 점이다. 한편, 본 발명의 장점은, 특히 낮은 방전 전류에서 안정된 스파크를 유도한다는 것이다. 챔버와 도입된 아노드(introduced anode) 사이의 전류 분포는 도입된 아노드에 양 전압(positive voltage)를 추가적으로 공급하여 이루어진다.
따라서, 일정하고 높은 증착 비율로 낮은 표면 거칠기(surface roughness)의 막(layers)을 형성할 수 있는 아크 증착 소스에 대한 수요가 있다. 이러한 아크 증착 소스를 제안하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 따른 아크 증착 소스에 의해 달성된다. 종속 청구항들에서는, 본 발명에 따른 아크 증착 소스의 여러 다른 장점을 가진 실시예들이 기술되어 있다.
본 발명에 따른 아크 증착 소스는 캐소드(타켓(target))와, 아노드와, 자기 발생수단(magnetic means)을 포함하며, 상기 자기 발생수단은 장기장 라인들(magnetic field lines)로 하여금 타겟 표면으로부터 아노드까지 짧은 거리로 연결될 수 있게끔 한다.
아노드는 부식되기 쉬운 캐소드 바로 부근에 배치되어, 아노드와 캐소드의 연결로 타겟 표면의 어느 지점에서도 증착이 가능하도록 전기장 라인을 보장한다.
상기의 연결에서, 자기 발생수단은, 타겟 표면에 평행한 요소가 타켓 표면에 수직인 요소보다 상대적으로 더 크도록 디자인된다. 500 가우스(Gause)까지 자기장력(magnetic field force)이 사용될 수 있으며, 다시 말하여, PVD 기술에서 사용되는 자기장력보다 상대적으로 훨씬 크다.
따라서 종래기술과 비교하여, 본 발명의 아크 소스는 매우 균일하고 부드러운 막을 형성하며 높은 코팅율을 보인다.
본 발명의 아크 소스는 진공에서도 작동될 수 있으며, 매우 높은 스파크 속도가 얻어진다. 그리고 아크 소스는 금속 모드에서 작동된다. 이에 따라 Cr+, Ti+와 같이 생성된 금속 이온은, 기판 위로 별다른 방해 없이 도달할 수 있어 금속 이온 에칭(etching)의 용도로 사용된다. 또한 낮은 방전 전류에서도 작동이 가능하다.
이른바 프리-바이어싱(pre-biasing)에 의해, 본 발명의 아노드로 이온 에너지를 신뢰성 있게 조절하는 것이 가능하다.
본 발명은 예시적으로 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 아크 증착 소스를 나타낸다.
도 2는 종래기술에 따른 아크 증착 소스를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 아크 증착 소스의 일 실시예를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 아크 증착 소스의 진공 장치를 나타낸다.
도 5는 종래기술에 따른 아크 증착 소스를 가진 진공 장치를 나타낸다.
도 6은 도 5에 따른 장치에 대한 포텐셜 비율(potential ratios)를 나타낸다.
도 7은 도 4에 따른 본 발명의 장치에 대한 포텐셜 비율을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 진공 장치에 대한 다른 실시예를 나타낸다.
도 9는 도 8에 따른 본 발명의 장치에 대한 포텐셜 비율을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 장치에 대한 또 다른 실시예를 나타낸다.
도 11는 도 10에 따른 본 발명의 장치에 대한 포텐셜 비율을 나타낸다.
본 발명에 대한 이해를 넓히기 위해, 종래기술에 따른 아크 소스를 사용한 사례가 많이 논의될 것이다. 도 2는 종래기술에 따른 소스 캐소드(209)와 아노드(203) 간에 일정 거리를 둔 아크 증착 배치(201)를 나타낸다. 소스 캐소드는 냉각장치(211)에 의해 냉각되고, DC 전류 공급기의 음극(negative pole)에 연결되어 있다. 소스 캐소드 뒤쪽에는 자기 발생수단(215)이 위치하여, 자기장이 타켓 표면 위로 생성되도록 하는 역할을 한다. 아크 스팟(arc spot)(205)은 높은 전류를 방출하며, 이에 따라 증착 챔버 내에 많은 수의 전자를 발생시킨다. 아크 플라즈마는 전도성 매체로 사용될 수 있다. 이러한 종래기술에서는, 아노드(205)가 아크 스팟(205)의 바로 부근에 있지 않으므로, 대전된 입자는 더 멀리 떨어진 아노드로 가는 중에 자기장을 통과해야만 한다. 관계되는 것은 전기장 E(r) 및 자기장 B(r) 내에서, 거리 r에서서의 속도 v, 전하 q, 질량 m, 을 가지는 대전된 입자의 움직임이다. 이와 관련하여, 다양한 힘의 컴포넌트들이 작용할 것인데, B 장에 평행한 움직임에 대해선, qE에 비례하는 힘이 작용할 것이며, 자기장에 수직한 방향의 움직임에 대해선,
Figure pct00001
에 비례하는 힘이 작용하여 ExB에 드리프트(drift)에 의해 중첩된 나선 운동(gyration movement)을 발생시킨다. 이것이, 도 2에 표시된 가상 전류 경로("virtual" current path)(207)를 유도한다. 리모트 아노드(remote anode)까지 가는 도중 나선을 연상시키는 경로를 이동할 때, 코팅 챔버(coating chamber)내에 존재하는 작동 가스(예: Ar, N2)는 매우 높은 비율로 이온화된다. 이로써 가스 이온들이 생성되고, 방전 전압 증가 및 캐소드 앞에서 포텐셜의 점프(jump)가 초래된다. 또한 코팅율이 감소할 수 있다.
도 3은 본 발명의 아크 증착 소스(301)에 대한 실시예를 나타낸다. 본 실시예는 단지 예시적으로 주어진 변형이며, 다양한 실행 방법들을 통해 얻어질 수 있다. 캐소드(309)는 증발되는 재료로 구성되어 있으며, 전원 연결을 통해 전류 소스의 음극에 연결되어 있다. 자기 발생수단(305)를 통해, 스파크의 빠른 이동을 가능하도록 자기장이 음극 표면에 생성된다.
타겟 표면으로부터 나온 자기장 라인은, 넓은 영역에 있어서 대부분의 컴포넌트들이 캐소드(309) 표면에 평행하게 배열되도록, 그리고 아노드(303)까지의 연결을 매우 짧게 함으로써, 캐소드 에지 둘레에 링 형상으로 연장되도록 디자인된다. 하지만, 도 3에 도시된 아크 증착 소스는, 축방향으로 대칭인 원형의 캐소드와 직사각형의 캐소드, 모두로도 실행 가능하다. 중앙 또는 중앙선을 따라 캐소드 영역은 항상 타겟 표면에 수직으로 자기장 라인을 발생하므로 이에 따라 부식이 발생하지 않는다. 이것은 셔터(shutter) 또는 필드 리세스(filled recess)(둘다 표시되지 않음)에 의해 얻어질 수 있다. 자기장 세기는 40 ~ 500 가우스(Gauss)에 이른다. 60 ~ 100 가우스의 범위가 이점이 많은 것으로 증명되었고, 200 ~ 500 가우스 범위는 특히 부드러운 증착의 형성에 이점이 있다. 자기장 분포와 조합된, 본 발명에서 제안한 아노드의 배치는, 높은 자기장으로 작동을 가능하게 한다. Ti, TiAl, AlCr, TiSi, Cr 등과 같은 기계적 내구성을 지닌 코팅 재료가 캐소드(309)의 타겟 재료로 사용될 수 있다.
도 3에 따른 아크 증착 배치에서, 자기 발생수단(305)에 의해 생성된 자기장과 연계되어 있는 아노드(303)는 캐소드(309)의 바로 부근에 위치함으로써, 자기장 라인이 아크 스팟(315)에서 아노드(303)까지 곧바로 전류 경로(current path)(307)를 발생하게 할 수 있다. 전기장이 자기장에 기본적으로 평행하게 흐를 때, 상기에 설명된 드리프트(drift)는 기본적으로 피할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 이것이, 적용된 전압(applied valtage) 및 활성 자기장(active magnetic field)에서 달성되도록, 그리고 중앙 자기장 라인을 제외한 자기장 라인의 전부 또는 적어도 대부분이 아노드로 유도되도록, 아노드가 디자인되어 있다. 전자의 경로는 라머 반경(Larmor radius)에 의해 특성화되고 필드 라인(field line) 경로 주위에서 회전(gyration)을 발생시킨다. 전자의 회전 반경(gyration radius)은 10 가우스에서 대략 1mm, 100 가우스에서 대략 0.1mm에 이른다. 대응되는 자기장 세기에서, 경로는 결국 필드 라인(field line)을 따라 잘 국지화된다. 이러한 배치의 효과로 방전 전압이 감소되고, 코팅율이 높아질 수 있다. 타겟 부근의 작동 가스는 아주 무시할 정도로만 이온화된다.
본 발명을 유리하게 사용할 수 있는 용도는 금속 마그네트론 이온 에칭(MIE, Magnetron Ion Etching)이다.
이는 본 발명의 아크 증착 소스의 추가적 특성에 의해 가능하다. 이 특성은, 1E-03Pa 보다 낮은 압력을 가진 진공 상태하에서 작동 가스 없이도 안정적인 작동이 가능하다는 것에 있다. 아노드에서 아크 스팟의 양호한 전기 연결은, 메탈 플라즈마의 전기적 전도성(electric conductivity)이, 캐소드에서 아노드로 전류를 이송하기에 충분해지는 것을 가능하게 한다. 아크 소스로부터 나온 메탈 스팀(metal steam)은 높은 단계까지 개별적으로 높이 이온화되고 바이어스 전압에 의해 기판 위로 가속될 수 있다. 에에 따라 마그네트론 이온 에칭(MIE)이 효과적으로 달성될 수 있다. 이에 해당하는 MIE 장치(401)가 도 4에 도시되어 있는데, 진공 챔버(405) 내에 배치된 아크 증착 소스(403)와 기판 홀더(407)를 포함한다. 에칭될 기판(도시되지 않음)이 부착된 기판 홀더는 전압 소스(408)에 의해 음의 포텐셜을 갖도록 함으로써, 아크 증착 소스에서 생성된 양 이온을 기판 쪽으로 가속시킨다.
진공 상태에서의 작동은 매우 낮은 전류 세기에서도 유지될 수 있다는 것을 주목할 필요가 있으며, 상기에 언급된 MIE 공정(process)의 매개변수 범주들을 선정할 때, 아크 방전시의 매우 낮은 방전 전류에서조차도 안정적인 작동이 가능하다는 것이 놀라웠다. 자기장 라인 때문에 아노드의 포텐셜은 타겟 표면 직전까지 이어지며, 이러한 수단에 의해 전류 경로는 유지될 수 있다.
알루미늄의 경우, 10A 바로 전까지, 티타늄의 경우 40A 바로 전까지 전류 세기가 강하되어도 안정적인 프로세스가 이루어짐이 관찰되었다. 본 발명의 아크 증착 소스를 사용한 메탈 이온 에칭은, 예컨대 Cr, Nb, Ta, 및 높은 이온화 등급과 높은 다중 이온화 비율을 가진 여타 금속들과 같은 다른 재료에서도 안정된 방법으로 수행될 수 있다.
본 발명의 아크 증착 소스는 다른 배치로도 만들어질 수 있는데, 이들 자체들이 모두 창의적이다.
우선, 발명에 대한 이해의 폭을 넓히기 위해, 다시 한번 종래기술에 따른 아크 증착 소스가 사용된 상태가 간략 설명될 것이다. 이에 따라 종래기술에 따른 배치가 도 5에 나타나 있다.
도 5에서, 진공 챔버(505)의 챔버 벽(wall)이 아노드를 형성한다. 타겟으로부터 나온 자기장 라인은 아노드와 직접적인 연결이 되어 있지 않다. 도 5는 코팅 장치(501)을 도시하고 있으며, 이 코팅 장치(501)는, 진공 챔버(505) 내에 위치한 아크 증착 소스(503)과 진공 챔버(505) 내에 더 배치된 기판 홀더(507)을 포함하며, 상기 기판 홀더는 전압 소스(508)에 의해 음 전압을 설정하는 것이 가능하다. 특히, 층의 거칠기(layer roughness)에 긍정적 영향을 갖는 높은 자기장 세기에서, 작동 가스(예를들면 N2)가 강력하게 이온화되며, 따라서 타켓 앞에서 방전 전압의 증가와 포텐셜 강하를 각각 발생시킨다. 또한 방전 전압(2eV-5eV)의 높은 전자 온도는 도 6에 도시된 바와 같이, 기판 앞에서 포텐셜의 왜곡을 발생시킨다.
이와 대조적으로, 본 발명의 실시 예가 그림 4에 서술되었고, 이미 상세하고 자세히 설명된 바 있다.
높은 등급의 이온화로 증착된 캐소드 재료는 바이어스 전압(408)에 의해 기판으로 가속된다. 전기 시스템 캐소드와 아노드는 챔버 매스(chamber mass)에 비해 상대적으로 유동적으로 실행된다.
본 실시예에서, 플라즈마 포텐셜(Uplasma)는 챔버 벽으로 넘겨진다.
아크 소스의 방전 전류는 캐소드에서 아노드로 흐른다. 이 예시에서 약 -16에서 -25V의 캐소드 전압이 아노드(4)에 대해 형성된다. 제너레이터(408)로부터 나온 기판 바이어스는 플라즈마 포텐셜셜 Uplasma을 가진 플라즈마로부터 나온 이온을 기판에 대해 가속시킨다. 도 7에 도시된 바와 같이, 이러한 플라즈마의 전자 온도는 약 0.3eV에서 1Ev에 불과하므로, 기판 앞에서 포텐셜은 더 이상 변형되지 않는다.
진공 챔버(805) 내에 아크 증착 소스(803)를 가진 코팅 장치(801)의 추가 실시예가 도 8에 도시되어 있으며, 기판 홀더(807)가 진공 챔버 내에 추가로 위치하여 전압 소스(808)에 의해 음 전압이 설정될 수 있다. 본 실시예에서는 도 4와 비교하여, 도 4의 유동 캐소드-아노드 시스템(floating cathod-anode system)의 캐소드가 챔버 매스(mass)에 연결되어 있다는 것(접지, ground)이 다른 점이다. 이에 의해 포텐셜은 도 9에 나타나 있듯이 쉬프트(shift)된다. 캐소드 포텐셜은 챔버 매스 쪽으로 쉬프트된다. 아크 방전 전류는 캐소드에서 아노드로 흐른다. 전압 소스(바이어스 공급, 808)에 의해 생성된 전압(본 실시예에서는 40V)은 추가부분 UBIAS + Uplasma 의 이온 가속을 발생시킨다.
도 8에서, 음극은 챔버에 핫와이어(hot-wire) 되어 있고, 따라서 챔버 매스에 배치되어 있다. 그러나 전압 소스를 통해 캐소드와 챔버를 연결하는 것도 가능하며, 이에 따라 포텐셜의 추가 쉬프트를 얻을 수 있다. 이리하여 적어도 아노드 앞에서 아주 강한 양(positive)의 플라즈마 포텐셜을 얻을 수 있다. 이는 도 10과 11에 도시되어 있다.

Claims (7)

  1. 증발될 물질로 된 표면을 포함하는 캐소드(cathode);
    상기 표면 위에 자기장을 유도하는 자기 발생수단(magnetic means);
    증발 프로세스 동안 캐소드로부터 빠져나온 전자들을 흡수하는 아노드(anode);
    상기 아노드를, 상기 캐소드에 비해 적어도 부분적으로 양(positive)의 포텐셜에 놓이게 하기 위한 전압 소스(voltage source);
    를 포함하는 아크 증착 장치(arc deposition device)에 있어서,
    상기 캐소드 부근에 위치하는 아노드는, 상기 캐소드의 표면으로부터 자기장 라인들(magnetic field lines)이 캐소드의 중심 구역에서 나오지 않는 한, 상기 아노드에 부딪히도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 아크 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드와 관련하여 아노드의 위치 및 형상은, 자기장 라인들이 45도 이상의 각도로, 바람직하게는 기본적으로 수직의 각도로 상기 아노드 표면에 부딪히도록 선정되는 것을 특징으로 하는 아크 증착 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 캐소드와 관련하여 상기 아노드의 위치 및 형상은, 상기 아노드에 부딪히는 자기장 라인들과 전기장 라인들(electric field lines)이 기본적으로 서로 평행하게 흐르도록 선정되는 것을 특징으로 하는 아크 증착 장치.
  4. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증착 장치의 작동중, 중심 구역에서의 부식 방지를 위한 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 아크 증착 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제공된 수단은, 상기 캐소드 표면의 중심구역 내에 셔터(shutter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 증착 장치.
  6. 전술한 항들 중 어느 한 항에 따른 아크 증착 장치와,
    진공 챔버,
    그리고 기판 홀더,
    를 지닌 진공 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 아크 증착 장치의 캐소드는, 진공 챔버와 관련하여 같은 극성 또는 양(positive)으로, 유동하는 하나의 포텐셜로 유지되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 진공 처리 장치.
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