KR20140097214A - 순차적 전력 펄스를 제공하기 위한 방법 - Google Patents

순차적 전력 펄스를 제공하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 소모 부품 및 캐소드 소자를 포함하는 PVD 스퍼터 캐소드용 전력 펄스의 제공 방법에 관한 것으로, 제너레이터의 전력 증가 간격 동안 전력 소모 부품의 전력이 감소된 후 캐소드 소자의 전력도 감소되도록 하여, 전력 우회 시 전력을 공급하는 제너레이터로부터의 전력 인출이 중단될 필요가 없도록 한다.

Description

순차적 전력 펄스를 제공하기 위한 방법 {METHOD FOR PROVIDING SEQUENTIAL POWER PULSES}
본 발명은 전력 펄스의 생성 방법에 관한 것이다.
이러한 전력 펄스는 예컨대 HiPIMS 기술과 관련해서 필요하다. HiPIMS( High Power Impulse Magnetron Sputtering)는 고전력 임펄스 마그네트론 스퍼터링을 의미한다. 이것은 진공 코팅 공정으로써, 여기서는 재료가 매우 높은 방전전류에 의해 캐소드로부터 스퍼터링되므로, 스퍼터링된 재료는 고도로 양이온화되는 것이 보장된다. 동시에 코팅될 기판에 음 전압이 인가되면, 그 결과 스퍼터링에 의해 발생하는 양이온이 기판의 방향으로 가속됨으로써, 고밀도 층이 형성된다. 이 경우 예컨대 40kW 이상의 전력이 사용된다. 그러나 짧은 전력 펄스의 범위에서만 캐소드로부터 재료를 스퍼터링하는 것이 가능한데, 이는 더 오랜동안 전력이 인가되는 경우 캐소드가 과열에 의해 손상을 입을수 있기 때문이다. 따라서 높은 전력에서 캐소드로부터 스퍼터링할 수 있는 지속 시간을 제한하는 것이 필요하고, 이는 최대 허용 펄스 지속시간이 된다.
이를 구현하기 위한 해결 방법은, 캐소드 전체를 부분 캐소드로 세분하고 전력을 순차적으로 차례로 부분 캐소드에 제공하는 것이다. 이러한 컨셉에 의해, 서로 절연된 다수의 캐소드들(이 경우, 부분 캐소드라고 함)이 코팅 설비에 제공되므로, 국부적으로 제한된 높은 전류의 발생이 가능하다. 이러한 접근에 대한 구현 가능사례가 독일 특허 출원 DE 102011018363 호에 기술되어 있다.
부분 캐소드에 작용하는 전력 펄스 동안 상기 캐소드로부터 높은 방전 전류 강도로 스퍼터링이 발생한다. 동시에, 다른 부분 캐소드(또는 캐소드들)는 다시 전력 펄스가 그들에 인가되기 전에 냉각될 수 있다.
그러나 발명자들은 펄스 지속시간 자체가 마그네트론 스퍼터링에 의해 형성된 층의 층 특성에 많은 영향을 미치는 것을 확인했다. 따라서, 매우 짧으면서도 비교적 길게 지속되는 고출력 펄스를 제공할 수 있는 제너레이터들이 필요하다.
일반적으로 제너레이터는 확실하게 정전류에서 정전압을 안정적으로 공급하며, 전력 공급 장치(power supply)로 불린다. 전술한 바와 같이, 고강도의 짧은 전력 펄스를 생성할 필요가 있을 때, 상황은 까다로워진다. 예컨대 40kW 출력을 제공하는 전력 공급 장치의 전원 스위치를 켰을 때, 시중에서 이용 가능한 전력원으로 완전한 전력 출력에 이를 때까지 약 700㎲의 시간이 경과한다. 이러한 경우처럼, 더 짧은 펄스 지속 시간을 갖는 전력 펄스를 필요로 하는 경우, 완전한 전력 수급이 이루어지기 전에 가용 시간이 이미 경과해 버린다. 따라서 이러한 펄스의 성능 특성은 조절되지 않고 동적이며, 이를 기반으로 한 스퍼터링 공정은 재현 가능성이 낮은, 기준에 미치지 못하는 특성을 갖는 층을 제공한다.
본 발명의 과제는 규정된 프로파일을 갖는 전력 펄스를 간단하게 달성할 수 있는 방법을 제공하는 것이고, 이 경우 전력 펄스의 지속 시간은 간단하게 넓은 간격에 걸쳐 스케일링될 수 있어야 한다.
본 발명에 따라 상기 과제는, 제 1 부분 캐소드에서 제 2 부분 캐소드로 전력의 우회 시 전력을 제공하는 제너레이터를 작동 중지시킬 필요 없으므로 제너레이터로부터 전력 인출이 중단되지 않고, 따라서 전력 증대가 이루어지지 않아도 되도록, 제 1 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격이 제 2 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격과 시간적으로 근소하게 중첩함으로써 해결된다. 두개의 전력 펄스 간격의 중첩 시간 동안 플라즈마는 제 1 부분 캐소드에서만 연소하는데, 그 이유는 이와 관련한 임피던스가 아직 점화되지 않은 제 2 부분 캐소드의 임피던스와 비교하여 현저히 낮기 때문이다. 제 1 전력 펄스 간격의 종료시 제 1 부분 캐소드가 제너레이터로부터 분리될 때 비로소 제 2 부분 캐소드에서 플라즈마가 점화되고, 이는 실질적으로 제너레이터로부터 연속적인 전력 인출이 이루어질 정도로 신속하다. 제 3 부분 캐소드가 제공되는 경우에, 제 3 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격이 제 2 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격과 (바람직하게는 근소하게) 중첩되도록 함으로써, 제 2 부분 캐소드에서 제 3 부분 캐소드로 전력 우회 시에도 또한 전력 인출이 중단될 필요가 없다. 본 경우에 있어 근소한 중첩이란 x*0.01ms (여기서 0.5 < x < 10) 범위의 중첩을 의미한다. 일반적으로, 제 n 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격은 제 (n-1) 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격과 (바람직하게는 근소하게) 중첩되도록 함으로써, 제 (n-1) 부분 캐소드에서 제 n 부분 캐소드로 전력 우회 시, 제너레이터로부터의 전력 인출의 중단이 방지된다. 전력이 최종 부분 캐소드로 우회되고, 상기 최종 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스가 제공된 경우에, 즉 전력 펄스 사이클이 - 하기에서 그룹이라고도 한다 - 완료되면, 제너레이터로부터의 전력 인출이 중단된다. 후속하는 전력 중단은, 제 1 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스가 다시 상응하는 간격으로 부분 캐소드들로 인가되기 전에 부분 캐소드들을 냉각하는 데 사용된다.
그러나 이러한 과정으로 인해, 적어도 제 1 부분 캐소드에 제공된 전력 펄스가 제너레이터의 전력 증대의 시간적인 범위에 있게 되고, 따라서 해당 전력 펄스가 바람직하지 않은 프로파일을 갖게 한다. 이에 따라 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제 1 부분 캐소드에 전력을 제공하기에 앞서, 적어도 대체로 전력 증대 간격 동안 소위 더미 캐소드(dummy cathode)로 전력을 인가한다. 더미 캐소드는 실질적으로 전력 흡수체(power absorber)로써 전력 인가에 사용되는 캐소드가 아니다. 제 1 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격이 근소하게 전력 증대 간격과 중첩되도록 함으로써, 더미 캐소드로부터 제 1 부분 캐소드로 전력 우회 시 제너레이터로부터의 전력 인출의 중단이 방지되고, 제 1 전력 펄스 간격의 범위에서 실질적으로 완전한 전력이 제공된다. 전술한 더미 캐소드는 예컨대 해당 전압이 강하하면 전력이 열로 변환되는, 옴 저항을 갖는 전류 회로에 의해 구현될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 전력 증대 간격은 약 700㎲ 범위이다. 상기 간격 동안에 제너레이터에 의해 더미 캐소드로 공급되는 전력은 코팅 공정에 도움을 주지 못하므로, 따라서 소실되고 손실을 형성한다. 만약 전력 펄스 사이클, 즉 그룹 간격(group interval)이 전력 증대 간격에 비해 크고 따라서, 전력 손실이 몇 퍼센트에 불과한 경우에는 문제가 되지 않는다. 그러나 전력 펄스 간격들이, 전력 증대 간격과 그룹 간격의 차이가 두드러질 정도로 작아지는 경우에는 문제가 된다. 이러한 경우 허용될 수 없는 상당한 손실이 발생한다.
이는 본 발명의 추가의 바람직한 실시예에 의해 방지될 수 있다. 발명자들 요컨대, 전력 펄스 간격들이 짧은 경우에, 부분 캐소드들의 냉각은 실질적으로 필요치 않다는 것을 인식하였다. 이러한 경우에 제 2 전력 펄스 사이클은 제 1 전력 펄스 사이클에 후속한다. 여기서는, 제 2 전력 펄스 사이클(즉, 제 2 그룹)의 제 1 전력 펄스 간격은 제 1 그룹의 제 1 전력 펄스 사이클의 최종 전력 펄스 간격과 근소하게 중첩되도록 하여, 최종 부분 캐소드에서 제 1 부분 캐소드로의 전력 우회가 제너레이터로부터의 전력 인출 중단 없이도 가능하다는 것을 주목할 필요가 있다. 이로 인해 제 2 그룹에 대한 전력 증대 간격 및 더미 캐소드로 전력 방출에 따른 전력 손실이 방지된다. 관련 방법으로 다수의 그룹들을 차례로 정렬 가능하며, 부분 캐소드들에서 발생하는 열 발생으로 인해 전력 공급의 실질적인 중단이 발생할 때까지 할 수 있다. 이러한 그룹 형성에서, 전력 증대 간격 동안에 더미 캐소드로 전력을 직접 안내하는 것은 구동의 시작시 한번만 필요하다.
본 발명은 전력 소모 부품 및 캐소드 소자를 포함하는 PVD 스퍼터 캐소드용 전력 펄스의 제공 방법에 관한 것으로, 제너레이터의 전력 증가 간격 동안 전력 소모 부품의 전력이 감소된 후 캐소드 소자의 전력도 감소되도록 하여, 전력 우회 시 전력을 공급하는 제너레이터로부터의 전력 인출이 중단될 필요가 없도록 한다.
본 발명은 이제 스퍼터 기술을 사용하는 실시예에 의해 상세히 그리고 도식적으로 설명된다.
도 1은 이러한 그룹 형성(group formation)에 대해 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 대한 레이아웃을 도시하고 있으며, 전원공급장치(3)는 마스터-슬레이브 유닛으로 구성된 제너레이터(g1 ~ g6)를 포함하며, 스위치들(s1 ~ s6)을 통해 부분 캐소드들(q1 ~ q6)과 연결 가능하다.
도 3은 도 2에 따른 레이아웃을 도시하고 있으며, 각각의 부분 캐소드가 제너레이터에 의해 직접 구동 가능하도록 마스터-슬레이브 유닛이 해체되어 있다.
이하의 실시예들에 다음의 약어들이 사용된다.
Pavg 평균 스퍼터 출력
Pmax 최대 스퍼터 출력 (펄스 전력)
tpn 펄스 길이
tdn 펄스 지연
N 그룹의 개수 (N = 0 ... 500)
n 채널 수 (= 부분 캐소드들의 수, n = 0 ... 6, n = 0은 더미 캐소드에 해당)
fr 반복 주파수
tr 반복 주기 = 1/fr
캐소드들의 과열을 방지하기 위해서, 전력 구동(power run) 내에서, 부분 캐소드에 전력이 인가되는 동안의 총 시간량은 100ms 미만이어야 한다는 것이 실시예에 의해 전제된다:
(tpn-tdn)*N < 100ms = Tmax
실시예 1
제 1 실시예와 관련하여, 전력이 더미 캐소드에 0.5ms 동안 인가되고, 즉 손실 간격(loss interval) tp0가 0.5ms 지속되며, 여기에는 물론 약 0.25ms의 전력 증대 간격(power buildup interval)을 포함한다. 또한 더미 캐소드 외에 6개의 부분 캐소드들이 사용된다. 하나의 그룹 내에서 부분 캐소드에 전력이 인가되는 동안의 전력 펄스 간격은 tp1-6 = 0.2ms로 정해지고, 전력 펄스 간격들의 중첩은 td1-6 = 0.02ms로 정해진다. 총 10개의 전력 펄스 사이클들이 실행되며, 즉 10개의 그룹이 함께 하나의 형태 또는 구동단위를 형성한다. 따라서 총 구동 간격(total run interval)은 10*6*(0.2ms-0.02ms)+0.5ms = 10.8ms+0.5ms = 11.3ms가 걸린다.
따라서 0.5ms의 손실 간격(loss interval)이 코팅을 위해 사용되는 10.8ms의 전력 공급을 위한 시간에 대해 상쇄(offset)된다. 더미 캐소드의 전력 손실과 비교해 보면, 코팅을 위해서는 20배 이상의 전력이 결국 사용된다.
그런 다음 전력 펄스 간격 동안 부분 캐소드로 40kW가 인가되고, 각 부분 캐소드에 5kW의 평균 스퍼터링 출력이 지정되면, 총 구동 간격은 69.4Hz의 주파수로 반복되어야 하는데, 왜냐하면 다음 식이 적용되기 때문이다:
(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0.18ms*10*40kW*69.4Hz = 5kW.
이는 더미 캐소드에서의 최대 0.5ms*40kW*69.4Hz = 1.39kW인 평균 전력 손실에 의해 상쇄된다. 69.4Hz의 반복 주파수는 14.4ms의 반복 주기에 상응한다. 총 구동 간격의 지속시간이 11.3ms라는 것은 구동 중간에 3.1ms의 휴지기(pause)가 삽입될 필요가 있다는 것을 말해준다.
실시예 2
제 2 실시예와 관련하여, 전력 펄스 간격은 0.07ms로 감소하고 그룹의 개수는 100으로 증가한다. 다른 매개변수들은 동일하게 유지된다. 따라서 총 구동 간격은 100*6*(0.07ms-0.02ms)+0.5ms=30ms+0.5ms=30.5ms가 걸린다.
따라서 0.5ms의 손실 간격이 코팅을 위해 사용되는 30ms의 전력 공급을 위한 시간에 대해 상쇄(offset)된다. 더미 캐소드의 전력 손실과 비교해 보면, 코팅을 위해서는 60배 이상의 전력이 결국 사용된다.
그런 다음 전력 펄스 간격 동안 부분 캐소드로 40kW가 인가되고, 각 부분 캐소드에 5kW의 평균 스퍼터링 출력이 지정되면, 총 구동 간격은 25Hz의 주파수로 반복되어야 하는데, 왜냐하면 다음 식이 적용되기 때문이다:
(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0.05ms*100*40kW*25Hz = 5kW.
이는 더미 캐소드에서의 최대 0.5ms*40kW*25Hz = 0.5kW인 평균 전력 손실에 의해 상쇄된다. 25Hz의 반복 주파수는 40ms의 반복 주기에 상응한다. 총 구동 간격의 지속시간이 30.5ms라는 것은 구동 중간에 9.5ms의 휴지기가 삽입될 필요가 있다는 것을 말해준다.
실시예 3
제 3 실시예와 관련하여, 전력 펄스 간격은 0.05ms로 감소하고 그룹의 개수는 1000으로 증가한다. 다른 매개변수들은 동일하게 유지된다. 따라서 총 구동 간격은 1000*6*(0.05ms-0.02ms)+0.5ms=180ms+0.5ms=180.5ms가 걸린다.
따라서 0.5ms의 손실 간격이 코팅을 위해 사용되는 180ms의 전력 공급을 위한 시간에 대해 상쇄(offset)된다. 더미 캐소드의 전력 손실과 비교해 보면, 코팅을 위해서는 360배 이상의 전력이 결국 사용된다.
그런 다음 전력 펄스 간격 동안 부분 캐소드로 60kW가 인가되고, 각 부분 캐소드에 5kW의 평균 스퍼터링 출력이 지정되면, 총 구동 간격은 2.7Hz의 주파수로 반복되어야 하는데, 왜냐하면 다음 식이 적용되기 때문이다:
(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0.03ms*1000*60kW*2.7Hz = 4.86kW.
이는 더미 캐소드에서의 최대 0.5ms*60kW*2.7Hz = 81W인 평균 전력 손실에 의해 상쇄된다. 2.7Hz의 반복 주파수는 360ms의 반복 주기에 상응한다. 총 구동 간격의 지속시간이 180.5ms라는 것은 구동 중간에 179.5ms의 휴지기가 삽입될 필요가 있다는 것을 말해준다.
실시예 4
제 4 실시예와 관련하여, 전력 펄스 간격은 0.05ms로 감소하고 그룹의 개수는 1000으로 증가한다. 다른 매개변수들은 동일하게 유지된다. 따라서 총 구동 간격은 1000*6*(0.05ms-0.02ms)+0.5ms=180ms+0.5ms=180.5ms가 걸린다.
따라서 0.5ms의 손실 간격이 코팅을 위해 사용되는 180ms의 전력 공급을 위한 시간에 대해 상쇄(offset)된다. 더미 캐소드의 전력 손실과 비교해 보면, 코팅을 위해서는 360배 이상의 전력이 결국 사용된다.
제 3 실시예에서처럼 전력 펄스 간격동안 부분 캐소드에 60kW가 인가되지 않고 33kW만 인가되며, 각 부분 캐소드에 5kW의 평균 스퍼터링 출력이 지정되면, 총 구동 간격은 5.05Hz의 주파수로 반복되어야 하는데, 왜냐하면 다음 식이 적용되기 때문이다:
(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0.03ms*1000*33kW*5.05Hz = 5kW.
이는 더미 캐소드에서의 최대 0.5ms*33kW*5.05Hz = 83W인 평균 전력 손실에 의해 상쇄된다. 5.05Hz의 반복 주파수는 198ms의 반복 주기에 상응한다. 총 구동 간격의 지속시간이 180.5ms라는 것은 구동 중간에 17.5ms의 휴지기가 삽입될 필요가 있다는 것을 말해준다.
상기에 언급된 실시예에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 손실 전력이 무시할 정도로 낮은 경우에, 펄스 지속 시간, 펄스 높이, 펄스 반복 주파수뿐만 아니라 펄스 프로파일의 정확한 규정에 대해 간단한 스케일링(scaling)을 가능하게 한다. 스케일링 가능한 펄스 특성이라는 표제로 통합될 수 있는 상기 모든 변수들은 스퍼터링 시 그리고 특히 HiPIMS 기술과 관련해서, 형성되는 층의 특성에 직접적인 영향을 미친다. 본 발명에서는 스퍼터 기술의 틀 안에서 전력 펄스의 공급을 설명하고 있으나, 펄스와 관련해서 상대적으로 높은 출력이 부하로 인가되어야 하는 모든 곳에 적용 가능한 이점을 가진다.
도 1은 통합된 구동뿐만 아니라 부분 캐소드들에서의 손실 간격(0) 및 전력 펄스 간격(1~6)들로 분할된 구동 등 두가지 예에 해당되는 상황을 도시한다. 여기서 가로축은 시간축을 나타내고, 세로축은 제너레이터에 의해 공급된 전력을 나타낸다. 그러나 도에서는 단 3개의 그룹만이 도시되어 있다.
상술한 바와 같이 더비 캐소드의 도입에 의해, 정밀하게 규정된 전력 펄스 프로파일을 각각의 부분 캐소드들로 적용하는 것이 가능한데, 그 이유는 더미 캐소드가 전력 증대 간격 동안에 공급된 전력을 처리할 수 있기 때문이다. 그러나 발명자들이 발견한 바와 같이, 이 더미 캐소드는 또한 스퍼터링 시 소위 아크발생(arcing) 시 유용하다. 실제로 이러한 아크발생이 - 또한 플래싱(flashing)으로 부름 - 검출장치에 의해 검출되면, 일반적으로 제너레이터는 작동 중지되는데, 이는 구동 내에서 제너레이터에 의한 전원이 더이상 중단없이 공급되지 못함을 의미한다. 이에 반해 더미 캐소드라는 수단을 사용하면, 전력을 이 캐소드로 전용 가능하고 제너레이터가 그 전력을 방해나 중단없이 공급하도록 할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 순차 전력 펄스 제공 방법은 구성이 간단한 제너레이터의 사용이 가능하다는 점에 주목하여야 한다. 예컨대 제너레이터는 마스터-슬레이브 유닛(master-slave unit)으로 구성된 전원 공급 장치일 수 있다. 마스터-슬레이브 구성은 둘 또는 여러개의 제너레이터들의 출력을 병렬 스위칭(parallel switching) 하는 것으로 이해되며, 제너레이터 중 하나(마스터)에 설정될 전력이 선택되면, 다른 제너레이터들은 설정에서 마스터에 후속하도록 하는 방식으로 전기로 연결되어 있다. 이는 특히, HiPIMS 스퍼터링에서 기존 스퍼터링으로 전환할 필요가 있을 때, 마스터-슬레이브 구성을 해체하고, 마스터 또는 슬레이브를 부분 캐소드들로 할당 가능한 이점을 또한 가진다.
부분 캐소드들은 각각 바람직하게는 뒤쪽에, 각 레이스트랙(racetrack)을 각 부분 타깃으로 이동하도록 해 주는 타깃 이동 마그넷 시스템(targets moving magnet systems)을 포함한다. 본 발명에 따른 바람직하게는 부분 타깃들 뒤쪽에서 회전하는 마그넷 시스템은, 설비가 HiPIMS 모드로 작동되면, 바람직하게는 스퍼터링 소스의 반복 전력 펄스들의 주파수를 가진 합리적인 비율을 형성하지 않는 주파수로 이동한다. 이로 인해 재료는 타깃 표면으로부터 균일하게 제거된다.
PVD 스퍼터 캐소드의 작동을 위한 스케일링 가능한 전력 펄스 간격을 가진 전력 펄스를 제공하기 위한 방법이 설명되었으며, 상기 PVD 스퍼터 캐소드는 제 1 부분 캐소드 및 제 2 부분 캐소드를 포함하고, 이 경우 부분 캐소드들에 대해 최대 평균 전력 공급이 사전 설정되며 전력 펄스 간격의 지속시간이 사전 설정되고, 상기 방법은 다음 단계들을 포함하며:
a) 사전 설정된, 바람직하게는 적어도 접속 후에 및 전력 증대 간격의 경과 후에 일정한 전력을 공급하는 제너레이터를 제공하는 단계;
b) 제너레이터의 작동 스위치를 켜는 단계;
c) 제너레이터로부터의 전력이 제 1 부분 캐소드로 인가되도록, 제 1 캐소드를 제너레이터에 연결하는 단계;
d) 제 1 부분 캐소드에 대응하는 사전 설정된 제 1 전력 펄스 간격의 종료 후, 제너레이터를 제 1 부분 캐소드로부터 분리하는 단계;
e) 제너레이터로부터의 전력이 제 2 부분 캐소드로 인가되도록, 제 2 부분 캐소드를 제너레이터에 연결하는 단계;
f) 제 2 부분 캐소드에 대응하는 사전 설정된 제 2 전력 펄스 간격의 종료 후, 제너레이터를 제 2 부분 캐소드로부터 분리하는 단계;
여기서 제 1 전력 펄스 간격은 시간적으로 제 2 전력 펄스 간격 전에 시작하고 제 1 전력 펄스 간격은 시간적으로 제 2 전력 펄스 간격 전에 종료하며, 상기 d) 및 e) 단계는 제 1 전력 펄스 간격 및 제 2 전력 펄스 간격이 시간적으로 중첩되고 모든 전력 펄스 간격이 제 1 그룹을 함께 형성하도록 수행됨으로써, 제너레이터로부터의 전력이, 제 1 전력 펄스 간격의 시작에서 제 2 전력 펄스 간격의 종료까지 중단없이 연속적으로 공급되고 제 2 전력 증대 간격이 나타나지 않도록 한다.
제 1 전력 펄스 간격 및 제 2 전력 펄스 간격의 시간적인 중첩은 바람직하게는 전력 펄스 간격들의 x% 를 넘지 않고, 또는 제 1 전력 펄스 간격과 제 2 전력 펄스 간격의 지속시간이 상이한 경우에는 더 짧은 지속시간 쪽의 전력 펄스 간격의 x% 를 넘지 않으며, 여기서 x는 20보다 작거나 같고, 바람직하게는 x는 10보다 작거나 같다.
PVD 스퍼터 캐소드는 적어도 하나의 추가적인 부분 캐소드, 바람직하게는 다수의 추가적인 부분 캐소드를 포함할 수 있고, 상기 추가적인 부분 캐소드는 e) 및 f) 단계에 따라 제너레이터로부터 연결 또는 분리되며, 차례가 돌아오는 각각의 추가적인 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격은 바로 직전의 부분 캐소드에 대응하는 전력 펄스 간격과 시간적으로 중첩되고, 제 1, 제 2 및 추가적인 적력 펄스 간격(들)은 시간적으로 중단되지 않는 제 1 그룹을 형성함으로써, 제 1 그룹에 의해 형성된 그룹 간격 동안 제너레이터로부터의 전력이 중단되지 않고 연속해서 공급되고 제 2 전력 증대 간격이 나타나지 않도록 한다.
제 1 그룹과 제 2 그룹을 연결하여, 상호 중첩된 전력 펄스 간격들 내에서 전력 펄스들을 제 1 그룹에 대응하는 제 1, 제 2 및 경우에 따라 추가적인 부분 캐소드들로 인가시키는 것이 가능하며, 이 경우 상기 제 2 그룹은, 제 2 그룹의 제 1 전력 펄스 간격이 제 1 그룹의 최종 전력 펄스 간격과 중첩되도록 제 1 그룹에 연결 가능하므로, 제 1 그룹의 제 1 전력 펄스 간격의 시작에서 제 2 그룹의 최종 전력 펄스 간격의 종료까지 제너레이터로부터의 전력이 중단되지 않고 연속해서 공급되고 제 2 전력 증대 간격이 나타나지 않도록 한다.
그룹 1 및 그룹 2의 배합 조건에 따라, N개의 그룹을 서로 연결 가능하며, 여기서 N은 정수 > 1 이다.
그룹의 개수 N은 바람직하게는 최대로, 각각의 부분 캐소드(n)에 대해 모든 그룹(1 내지 N)의 각각의 중첩(tdn)을 공제한 상기 각각의 부분 캐소드에 할당된 전력 펄스 간격의 합(tpn)이 최대 시간인 100ms를 초과하지 않을 정도로만 선택되어야 한다.
손실 간격 동안, 제너레이터에 의해 공급된 출력은 예컨대 코팅에 사용하지 않는 부하로 방출될 수 있으며, 상기 손실 간격은 적어도 전력 증대 간격을 포함하고, 상기 손실 간격은 제 1 그룹의 제 1 전력 펄스 간격과 중첩하며, 상기 손실 간격은 그룹들과 함께 구동이 중단되지 않게 한다.
상기 설명된 방법은 여러번 반복될 수 있고, 최종 그룹의 최종 전력 펄스 간격 후에 휴지기(pause) 동안 제너레이터는 작동 정지될 수 있으며, 상기 휴지기는 부분 캐소드들에서 공급된 시간적 평균 출력이 휴지기를 고려하여 사전 설정된값에 상응하도록 선택될 수 있다.
상기 설명된 방법으로 HiPIMS 프로세스의 수행이 가능하며, 제너레이터의 사전 설정된 출력은 적어도 20kW, 바람직하게는 적어도 40kW, 및 더 바람직하게는 60kW 이다.
HiPIMS 방법과 관련하여, 매개변수들은 바람직하게는 부분 캐소드들에 공급된 시간적 평균 출력이 10kW 보다 작도록, 바람직하게는 5kW가 되도록 선택될 수 있으며, 부분 캐소드들에서 간헐적으로 및 국부적으로 퍼져있는 방전 전류 밀도는 바람직하게는 0.2A/cm2 보다 크다.
PVD 스퍼터 캐소드의 작동을 위한 스케일링 가능한 전력 펄스 간격을 갖는 전력 펄스를 제공하기 위한 방법으로써, 상기 PVD 스퍼터 캐소드는 전력 소모 부품(power consumption component) 및 제 1 캐소드를 포함하고, 이 경우 부분 캐소드에 대해 최대 평균 전력 공급이 사전 설정되며 전력 펄스 간격의 지속시간이 사전 설정되고, 상기 방법은:
a) 사전 설정된, 바람직하게는 적어도 접속 후에 및 전력 증대 간격의 경과 후에 일정한 전력을 공급하는 제너레이터를 제공하는 단계;
b) 제너레이터의 작동 스위치를 켜는 단계;
c) 전력 증대 간격 동안 제너레이터로부터의 전력이 전력 소모 부품으로 인가되도록, 전력 소모 부품을 제너레이터에 연결하는 단계;
d) 전력 증대 간격의 종료 후, 제너레이터를 전력 소모 부품으로부터 분리하는 단계;
e) 제너레이터로부터의 전력이 제 1 부분 캐소드(first partial cathode)로 인가되도록, 제 1 부분 캐소드를 제너레이터에 연결하는 단계;
f) 제 1 부분 캐소드에 대응하는 사전 설정된 제 1 전력 펄스 간격의 종료 후, 제너레이터를 제 1 부분 캐소드로부터 분리하는 단계;를 포함한다.
상기 방법은 상기 d) 및 e) 단계가, 제 1 부분 캐소드를 제너레이터에 연결시 제 2 전력 증대 간격이 나타나지 않도록 수행되고, 이는 바람직하게는 전력 증대 간격과 제 1 전력 펄스 간격이 시간적으로 중첩되고 제너레이터의 전력 공급이 중단될 필요가 없도록 하여 구현되는 것을 특징으로 한다.
설명에서, 단어 "더미 캐소드"는 일부 주파수와 함께 사용되었다. 이는 반드시 실제의 캐소드는 아니나, 전력 소모 부품과 동일한 것으로 이해되어야 한다. 전력 소모 부품은 코팅되거나 처리될 기판용 재료 공급원(material supplier)으로 사용되지 않는 특징을 가진다.
설명에서, 단어 "부분 캐소드"는, 다수의 전기적으로 절연된 캐소드들이 하나의 캐소드 시스템을 형성하고, 이러한 캐소드들은 상기 시스템의 부분으로 및 따라서 부분 캐소드들로 디자인되는 것으로 이해되어야 한다.
상기 방법은 다음과 같은 단계들을 추가적으로 포함할 수 있으며:
g) 제너레이터로부터의 전력이 제 2 부분 캐소드로 인가되도록, 제 2 부분 캐소드를 제너레이터에 연결하는 단계,
h) 제 2 부분 캐소드에 대응하는 사전 설정된 제 2 전력 펄스 간격의 종료 후, 제너레이터를 제 2 부분 캐소드로부터 분리하는 단계,
여기서, f) 및 g) 단계는 제너레이터로부터의 전력이, 전력 증대 간격의 시작에서 제 2 전력 펄스 간격의 종료까지 중단없이 지속적으로 공급되고 제 2 전력 증대 간격이 발생하지 않도록 수행되며, 이는 바람직하게는 제 1 전력 펄스 간격과 제 2 전력 펄스 간격이 시간적으로 중첩되어 구현되도록 하고, 제 1 전력 펄스 간격은 시간적으로 제 2 전력 펄스 간격 전에 시작하고, 제 1 전력 펄스 간격은 시간적으로 제 2 전력 펄스 간격 전에 종료한다.
f), g) 및 h) 단계에 따라 n개의 추가적인 부분 캐소드들을 순차적으로 차례차례 제너레이터로 연결하거나 분리 가능하며, 바람직하게는 n-1번째 전력 펄스 간격이 n번째 전력 펄스 간격과 시간적으로 중첩된다.
아크발생(arcing) 검출을 위한 수단의 제공 및, 아크발생이 검출되는 경우, 전력 소모 부품을 제너레이너로 연결하고 현재 연결되어 있는 부분 캐소드를 제너레이터로부터 분리 가능토록 함으로써 제너레이터로부터의 전력 공급이 중단되지 않도록 한다.
본 설명에서, 아크발생은 주로 전기적 고장으로 이해되며, 갑작스런 전압의 붕괴 및/또는 전류의 증가를 유발한다.

Claims (4)

  1. PVD 스퍼터 캐소드의 작동을 위한 스케일링 가능한 전력 펄스 간격을 갖는 전력 펄스를 제공하기 위한 방법으로써, 상기 PVD 스퍼터 캐소드는 전력 소모 부품(power consumption component) 및 제 1 캐소드를 포함하고, 이 경우 캐소드에 대해 최대 평균 전력 공급이 사전 설정되며 전력 펄스 간격의 지속시간이 사전 설정되고, 상기 방법은:
    a) 사전 설정된, 바람직하게는 적어도 접속 후에 및 전력 증대 간격의 경과 후에 일정한 전력을 공급하는 제너레이터를 제공하는 단계;
    b) 제너레이터의 작동 스위치를 켜는 단계;
    c) 전력 증대 간격 동안 제너레이터로부터의 전력이 전력 소모 부품으로 인가되도록, 전력 소모 부품을 제너레이터에 연결하는 단계;
    d) 전력 증대 간격의 종료 후, 제너레이터를 전력 소모 부품으로부터 분리하는 단계;
    e) 제너레이터로부터의 전력이 제 1 부분 캐소드(first partial cathode)로 인가되도록, 제 1 부분 캐소드를 제너레이터에 연결하는 단계;
    f) 제 1 부분 캐소드에 대응하는 사전 설정된 제 1 전력 펄스 간격의 종료 후, 제너레이터를 제 1 부분 캐소드로부터 분리하는 단계;를 포함하며,
    상기 d) 및 e) 단계는 제 1 부분 캐소드를 제너레이터에 연결시 제 2 전력 증대 간격이 나타나지 않도록 수행되고, 이는 바람직하게는 전력 증대 간격과 제 1 전력 펄스 간격이 시간적으로 중첩되고 제너레이터의 전력 공급이 중단될 필요가 없도록 하여 구현되는 것을 특징으로 하는 전력 펄스를 제공하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    제 1 부분 캐소드는 부분 캐소드(partial cathode)이고, 상기 방법은 추가적으로:
    g) 제너레이터로부터의 전력이 제 2 부분 캐소드로 인가되도록, 제 2 부분 캐소드를 제너레이터에 연결하는 단계;
    h) 제 2 부분 캐소드에 대응하는 사전 설정된 제 2 전력 펄스 간격의 종료 후, 제너레이터를 제 2 부분 캐소드로부터 분리하는 단계;를 포함하며,
    상기 f) 및 g) 단계는 제너레이터로부터의 전력이, 전력 증대 간격의 시작에서 제 2 전력 펄스 간격의 종료까지 중단없이 지속적으로 공급되고 제 2 전력 증대 간격이 나타나지 않도록 수행되며, 이는 바람직하게는 제 1 전력 펄스 간격과 제 2 전력 펄스 간격이 시간적으로 중첩되어 구현되도록 하고, 제 1 전력 펄스 간격은 시간적으로 제 2 전력 펄스 간격 전에 시작하고, 제 1 전력 펄스 간격은 시간적으로 제 2 전력 펄스 간격 전에 종료하는 전력 펄스를 제공하기 위한 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    f), g) 및 h) 단계에 따라 n개의 추가적인 부분 캐소드들을 순차적으로 차례차례 제너레이터로 연결하거나 분리 가능하며, 바람직하게는 n-1번째 전력 펄스 간격이 n번째 전력 펄스 간격과 시간적으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 전력 펄스를 제공하기 위한 방법.
  4. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    아크발생 검출을 위한 수단이 제공되어, 아크발생이 검출되는 경우, 전력 소모 부품을 제너레이너로 연결하고 현재 연결되어 있는 부분 캐소드를 제너레이터로부터 분리함으로써 제너레이터로부터의 전력 공급이 중단되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 전력 펄스를 제공하기 위한 방법.
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