KR20140074687A - 스퍼터링 장치 - Google Patents

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손필국
김성수
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

기판에 박막을 형성하기 위해 사용되는 스퍼터링 장치에 관한 것이다. 스퍼터링 장치는 진공 챔버와, 상기 진공 챔버 내에 배치되어 기판을 지지하는 기판 홀더와, 상기 진공 챔버 내에서 상기 기판 홀더와 마주하게 배치된 마그네트론 건과, 상기 기판과 마주하게 상기 마그네트론 건에 장착된 타겟 및 상기 타켓의 주위에 설치되어 상기 타겟에서 방사된 스퍼터 입자들을 상기 기판으로 유도하는 자기장 인가부를 포함한다.

Description

스퍼터링 장치{sputtering apparatus}
본 발명은 박막의 단위 시간당 증착률을 향상시킬 수 있는 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 금속막 또는 투명 도전막 등의 무기막을 성막하는 대표적인 장치로, 스퍼터링 장치가 알려져 있다.
스퍼터링 장치는 TFT LCD나, 유기 전계 발광 표시 장치 등의 평판 표시장치, 또는 각종 전자 디바이스 제작 공정의 성막 공정에서 대표적으로 사용되는 방법으로, 광범위한 응용범위를 가진 건식 프로세스 기술로 알려져 있다.
이러한 스퍼터링 장치는 진공 용기 내에 아르곤(Ar) 가스와 같은 희유 가스를 도입하고, 스퍼터링 타겟을 포함하는 캐소드 직류(DC) 전력 또는 고주파(RF) 전력을 150V 이상의 고압으로 공급하여 글로우(glow) 방전을 통하여 성막(成膜)을 형성한다.
한편, 종래에는 이극직류 스퍼터링을 사용하여 단위시간당 박막의 증착률이 낮은 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위해, 타겟과 기판 사이에 자기장 인가부를 설치하여 전자의 비행거리를 증가시키도록 하였으나, 이는 자기장 인가부가 타겟과 이격되도록 형성됨으로써 박막의 증착 효율이 낮은 단점이 있었다.
공개특허공보 10-2000-0038762(2000.07.05 공개)
본 발명의 과제는 타겟 주위에 솔레노이드를 설치하여 박막의 단위 시간당 증착률을 향상시키는 스퍼터링 장치를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 스퍼터링 장치는 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내에 배치되어 기판을 지지하는 기판 홀더; 상기 진공 챔버 내에서 상기 기판 홀더와 마주하게 배치된 마그네트론 건; 상기 기판과 마주하게 상기 마그네트론 건에 장착된 타겟; 및 상기 타켓의 주위에 설치되어 상기 타겟에서 방사된 스퍼터 입자들을 상기 기판으로 유도하는 자기장 인가부;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 솔레노이드를 타켓의 주위에 설치한 후 솔레노이드의 파워를 증가시키면 박막의 단위 시간당 증착률을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 솔레노이드의 파워를 증가시키면 가시광선 영역에서 유전체의 박막 투과율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 도시한 도면.
도 2는 도 1에 있어서, 솔레노이드의 파워에 따른 구리 박막의 증착률을 도시한 도면.
도 3은 도 2에 있어서, 솔레노이드의 위치 변화에 따른 구리 박막의 증착률을 도시한 도면.
도 4는 도 1에 있어서, 솔레노이드의 파워에 따른 SiO2 박막의 증착률을 도시한 도면.
도 5는 도 4에 있어서, 솔레노이드의 위치 변화에 따른 SiO2 박막의 증착률을 도시한 도면.
도 6은 도 1에 있어서, 솔레노이드의 파워에 따른 SiO2 박막의 가시광선 영역에서 투과율을 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치(100)를 도시한 도면이다. 여기서, 스퍼터링 장치(100)는 진공 증착법의 일종으로, 각종 평면 디스플레이 등의 제조에 있어 기판(10)에 박막을 형성하기 위해 이용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 스퍼터링 장치(100)는 진공 챔버(110)와, 기판 홀더(120)와, 마그네트론 건(130)과, 타겟(140) 및 자기장 인가부(150)를 포함한다.
진공 챔버(110)는 가스 공급부로부터 가스를 공급받으며, 챔버 내부를 진공으로 형성함으로써 챔버 내부에 위치한 타겟의 산화 및 불순물의 영향을 배제하고, 내부에 가스의 도입시 방전 가능한 저압을 유지시켜 준다.
이때, 진공 챔버(110) 내부로 공급되는 가스는 스퍼터링 공정시 반응을 일으켜 플라즈마를 형성할 수 있게 하는 반응성 가스로서, 아르곤(Ar) 가스 등이 이용될 수 있다.
기판 홀더(120)는 진공 챔버(110) 내에 배치되어 기판(10)을 지지하도록 형성된다. 기판 홀더(120)는 진공 챔버(110)의 상측에 연결되는 것이 바람직하나, 이는 실시자의 필요에 따라 달라질 수 있다.
마그네트론 건(130)은 진공 챔버(110) 내에서 기판 홀더(120)와 마주하도록 배치된다. 마그네트론 건(130)은 지지부(131)와 자극부(132)를 구비하며, 지지부(132)의 내부에 극성이 서로 다르게 배열된 자극부(132)를 포함하도록 형성된다.
즉, 도시된 예와 같이, 자극부(132)의 N극이 타겟(140)을 향하도록 타겟(140)면의 양측에 배치되면 S극은 N극과 대향되도록 N극의 사이에 배치된다. 이는 자극부(132)에 의해 타겟(140)면에 수직인 방향으로 자기력선을 발생시킬 수 있도록 하기 위함이다.
한편, 지지부(131) 내부에는 냉각 수단이 더 설치되어 타겟(140)으로부터 발생한 열을 냉각시킬 수 있다. 따라서, 스퍼터링 공정 동안 타겟(140)의 열 변형에 의해 스퍼터링 공정에 악영향을 미치는 것을 미연에 방지할 수 있게 된다.
타겟(140)은 기판(10)과 마주하도록 마그네트론 건(130)에 장착되며, 방전을 일으켜 챔버 내의 스퍼터링 가스로부터 플라즈마를 형성하여 기판(10)에 증착하고자 하는 증착 물질을 방출한다. 즉, 타겟(140)은 전원 공급부로부터 음의 전압을 인가받아서 캐소드(cathode) 전극으로 작용하며, 기판(10)은 접지되어 애노드(anode) 전극으로 작용하는 것이다.
이처럼, 타겟(140)이 캐소드 전극으로 작용하고, 기판(10)이 애노드 전극으로 작용하게 되면, 타겟(140)과 기판(10) 사이에는 방전이 일어나게 된다. 이에 따라, 타겟(140)으로부터 전자가 방출되며, 방출된 전자가 진공 챔버(110) 내의 스퍼터링 가스 입자와 충돌하여 양이온을 생성하게 되어 플라즈마가 형성된다. 이렇게 형성된 플라즈마는 자극부에 의해 타겟(140)의 주위에 머물게 되고, 이 상태에서 타겟(140)은 음의 전압이 인가된 상태이므로 양이온이 타겟(140)으로 이동하여 타겟(140)과 충돌하게 된다. 그러면, 타겟(140)으로부터 타겟(140) 입자와 함께 새로운 전자가 튀어나와 스퍼터링 가스 입자를 전리시켜 전자의 증식 작용을 함으로써 플라즈마 상태가 유지되는 것이다.
한편, 타겟(140)은 메탈과 유전체 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 여기서, 메탈은 Cu, Al, Mo, Ni, Fe, Ag, W 중 선택된 어느 하나로 이루어지며, 유전체는 SiO2, Al2O3, Fe2O3, WO3, ZrO2, TiO2 중 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
자기장 인가부(150)는 타겟(140)의 주위에 설치되어 타겟(140)에서 방사된 스퍼터 입자들을 기판(10)으로 유도하는 역할을 한다. 이와 같이, 타겟(140)의 주위에 자기장 인가부(150)가 설치됨에 따라, 자기장의 세기를 이용하면 단위 시간당 박막의 증착률을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 자기장 인가부(150)는 중공을 갖고 양쪽 부위가 개구되어 개구된 한쪽 부위를 통해 상기 타겟(140)을 수용하는 지지체(151)와, 지지체(151) 내에 장착된 솔레노이드(152)를 포함할 수 있다.
솔레노이드(152)는 도선을 촘촘하게 원통형으로 말아 만든 기구로, 솔레노이드(152)에 전기를 흘려 자기장을 만들 수 있어 전자석으로 주로 이용된다. 이때, 전류의 세기를 조절하면, 자기장의 세기를 조절할 수 있게 된다.
도 2는 도 1에 있어서, 솔레노이드(152)의 파워에 따른 구리 박막의 증착률을 도시한 도면이다.
본 실험은 진공 챔버(110) 내부에 아르곤 가스 50 sccm, 산소 1sccm를 공급하였으며, 초기진공은 10-6torr, 작업진공은 4*10-3 torr 이며, 기판(10)은 슬라이드 글라스를 사용하여 100nm의 증착두께로 증착하였다. 또한, 솔레노이드(152)는 길이가 6cm로, 구리 소재의 코일을 사용하였으며, 밀폐형으로 제작하여 솔레노이드(152)의 파워를 0에서 31.5W까지 공급하였다.
도 2에 도시된 바와 같이, 솔레노이드(152)를 타켓의 주위에 설치한 후 솔레노이드(152)의 파워를 증가시키면 메탈물질인 구리 박막의 단위 시간당 증착률을 향상시킬 수 있게 된다.
도 3은 도 2에 있어서, 솔레노이드(152)의 위치 변화에 따른 구리 박막의 증착률을 도시한 도면이다. 실험 조건은 상기 실험과 동일하며, Sample1은 솔레노이드(152)가 타겟(140)과 기판(10) 사이에 위치하였을 때의 결과 그래프이며, Sample2는 솔레노이드(152)가 기판(10) 주위에 위치하였을 때의 결과 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 솔레노이드(152)의 위치가 타겟(140)에서 멀어지면, 솔레노이드(152)의 파워를 증가시켜도 구리 박막의 단위 시간당 증착률의 변화가 미미한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 솔레노이드(152)는 타겟(140)의 주위에 설치하는 것이 가장 바람직하다.
도 4는 도 1에 있어서, 솔레노이드(152)의 파워에 따른 SiO2 박막의 증착률을 도시한 도면이다.
본 실험은 진공 챔버(110) 내부에 아르곤 가스 50 sccm, 산소 1sccm를 공급하였으며, 초기진공은 10-6torr, 작업진공은 4*10-3 torr 이며, 기판(10)은 슬라이드 글라스를 사용하여 100nm의 증착두께로 증착하였다. 또한, 솔레노이드(152)는 길이가 6cm로, 구리 소재의 코일을 사용하였으며, 밀폐형으로 제작하여 솔레노이드(152)의 파워를 0에서 31.5W까지 공급하였다.
도 4에 도시된 바와 같이, 솔레노이드(152)를 타겟(140)의 주위에 설치한 후 솔레노이드(152)의 파워를 증가시키면 SiO2 박막의 단위 시간당 증착률을 향상시킬 수 있게 된다.
도 5는 도 4에 있어서, 솔레노이드(152)의 위치 변화에 따른 SiO2 박막의 증착률을 도시한 도면이다. 실험 조건은 상기 실험과 동일하며, Sample1은 솔레노이드(152)가 타겟(140)과 기판(10) 사이에 위치하였을 때의 결과 그래프이며, Sample2는 솔레노이드(152)가 기판(10) 주위에 위치하였을 때의 결과 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 솔레노이드(152)의 위치가 타겟(140)에서 멀어지면, 솔레노이드(152)의 파워를 증가시켜도 유전체인 SiO2 박막의 단위 시간당 증착률의 변화가 미미한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 솔레노이드(152)는 타겟(140)의 주위에 설치하는 것이 가장 바람직하다.
도 6은 도 1에 있어서, 솔레노이드(152)의 파워에 따른 SiO2 박막의 가시광선 영역에서 투과율을 도시한 도면이다. 여기서, 솔레노이드(152)의 파워는 0에서 31.5W까지 공급하였다.
도 6에 도시된 바와 같이, 솔레노이드(152)의 파워를 증가시키면 유전체인 SiO2 박막의 투과율을 94.4%에서 97.1%까지 높일 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치(100)는 솔레노이드(152)를 타켓의 주위에 설치한 후 솔레노이드(152)의 파워를 증가시키면 박막의 단위 시간당 증착률을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 솔레노이드(152)의 파워를 증가시키면 가시광선 영역에서 유전체의 박막 투과율을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10.. 기판 100.. 스퍼터링 장치(100)
110.. 진공 챔버 120.. 기판 홀더
130.. 마그네트론 건 131.. 지지부
132.. 자극부 140.. 타겟
150.. 자기장 인가부 151.. 지지체
152.. 솔레노이드

Claims (4)

  1. 진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내에 배치되어 기판을 지지하는 기판 홀더;
    상기 진공 챔버 내에서 상기 기판 홀더와 마주하게 배치된 마그네트론 건;
    상기 기판과 마주하게 상기 마그네트론 건에 장착된 타겟; 및
    상기 타켓의 주위에 설치되어 상기 타겟에서 방사된 스퍼터 입자들을 상기 기판으로 유도하는 자기장 인가부;
    를 포함하는 스퍼터링 장치.
  2. 제2항에 있어서,
    상기 자기장 인가부는,
    중공을 갖고 양쪽 부위가 개구되어 개구된 한쪽 부위를 통해 상기 타겟을 수용하는 지지체와,
    상기 지지체 내에 장착된 솔레노이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 타겟은 메탈과 유전체 중 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 메탈은 Cu, Al, Mo, Ni, Fe, Ag, W 중 선택된 어느 하나로 이루어지며,
    상기 유전체는 SiO2, Al2O3, Fe2O3, WO3, ZrO2, TiO2 중 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019031647A1 (ko) * 2016-10-07 2019-02-14 소문숙 Rf 스퍼터링 장치를 이용한 oled용 유기 박막층 형성 방법 및 상기 rf 스퍼터링 장치, 그리고 상기 rf 스퍼터링 장치에서 사용되는 타겟을 성형하는 장치
KR102243631B1 (ko) * 2019-11-18 2021-04-22 가천대학교 산학협력단 금속산화물 스퍼터링 타겟을 이용한 에피택셜 박막의 제조 방법, 및 스퍼터링 장치

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