KR20160004796A

KR20160004796A - 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드 및 이를 포함하는 스퍼터링 시스템

Info

Publication number: KR20160004796A
Application number: KR1020140083797A
Authority: KR
Inventors: 서춘성
Original assignee: (주)에스앤파워
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2016-01-13

Abstract

본 발명은 스퍼터링 캐소드 및 이를 포함하는 스퍼터링 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 스퍼터링 캐소드의 상면에 자기회로부의 개구를 위치시키고 상기 개구 안에 타겟을 부착하여, 상기 타겟의 상부에 형성되는 자기장이 상당 부분 수평 성분에 집중되도록 함으로써, 스퍼터링율을 높이고 불순물 농도를 줄여 형성되는 박막의 순도를 높일 수 있으며, 또한 공정 비용을 줄이고, 나아가 타겟을 반복 사용하더라도 형성되는 박막의 품질을 균일하게 할 수 있는 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드 및 이를 포함하는 스퍼터링 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 타겟; 및 하나 이상의 자석과 하나 이상의 자성체가 연결되어 이루어지며, 자기장이 폐회로를 이루는 자기회로부를 포함하며, 상기 자기회로부의 상면에는 소정의 형상을 가지는 개구가 존재하고, 상기 타겟은 상기 자기회로부의 개구 안에 위치하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 캐소드를 개시한다.

Description

수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드 및 이를 포함하는 스퍼터링 시스템 {Sputtering cathode using horizontal magnetic field and sputtering system including the same}

본 발명은 스퍼터링 캐소드 및 이를 포함하는 스퍼터링 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 스퍼터링 캐소드의 상면에 자기회로부의 개구를 위치시키고 상기 개구 안에 타겟을 부착하여, 상기 타겟의 상부에 형성되는 자기장이 상당 부분 수평 성분에 집중되도록 함으로써, 스퍼터링율을 높이고 불순물 농도를 줄여 형성되는 박막의 순도를 높일 수 있으며, 또한 공정 비용을 줄이고, 나아가 타겟을 반복 사용하더라도 형성되는 박막의 품질을 균일하게 할 수 있는 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드 및 이를 포함하는 스퍼터링 시스템에 관한 것이다.

종래, 반도체나 평판 디스플레이의 제조를 위하여 필요한 박막층을 형성하거나 특정 소재의 표면에 박막을 입혀 개질하는 등 여러 분야에서 박막(thin film)을 형성하기 위한 다양한 방법이 연구되어 왔다. 이에 따라 현재 박막 제조를 위하여 여러 공정이 사용되고 있는데, 예를 들어 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition), 진공증착법, 이온플레이팅(Ion Plating) 및 스퍼터링(sputtering) 등을 들 수 있다. 상기한 여러 박막 제조 공정 중 필요한 박막의 특성과 생산성의 균형 등을 고려하여 적절한 박막 제조 공정이 선택될 수 있는데, 그 중에서도 합금계 재료의 박막을 형성하는 경우나 대면적으로 균질한 박막을 형성하여야 하는 경우 등에는 일반적으로 스퍼터링(sputtering)이 많이 사용되고 있다. 예를 들어, 액정 디스플레이(LCD) 또는 플라즈마 디스플레이(PDP) 등의 대면적의 유리 기판 상에 ITO(Indium Tin Oxide)막 등의 산화물계 투명 전도막을 균일한 막두께로 대면적으로 형성하기 위하여 스퍼터링(sputtering) 공정을 이용하는 것이 가능하다. 이때, 상기 스퍼터링 장치에서는 타겟(target)의 이면에 복수의 자기 회로를 배치하고, 타겟의 표면 방향으로는 기판이 배치되며, 상기 자기 회로에서 발생하는 자기장에 의해 타겟 표면 근방에 아르곤 등의 플라즈마를 발생시켜 타겟(target)으로 충돌시키면서 타겟의 원자들이 기판으로 이동하여 기판의 표면에 박막을 형성하게 된다. 도 1(a)에서는 통상의 스퍼터링 시스템의 구성을 예시하고 있고, 도 1(b)에서는 통상의 스퍼터링 캐소드(cathode)의 단면 및 타겟(target)의 원자들에 의한 기판 표면에서의 박막 형성을 예시하고 있다.

또한, 도 2에서는 종래 스퍼터링 캐소드(200)의 단면도를 보여주고 있는데, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래의 스퍼터링 캐소드(200)는 캐소드 본체(210) 내부에 타겟(230) 표면의 환형 자기장을 형성하기 위한 중앙 영구자석(250)과 외곽 영구자석(260) 및, 상기 중앙 영구자석(250)과 외곽 영구자석(260)을 연결하여 자기 회로를 구성할 수 있도록 순철 등으로 이루어지는 자성체(240)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 타겟(230)은 전도성 냉각판인 백킹 플레이트(220)에 부착되어 캐소드 본체(210)에 고정될 수 있다. 캐소드 본체(210)의 내부에는 냉각수 등을 사용하여 스퍼터링 공정에 따른 온도 상승을 억제할 수 있는 냉각 모듈(270)이 포함될 수 있다. 나아가, 상기 타겟(230)이 부착된 캐소드 본체(210)의 외곽에 방전이 일어나지 않는 최소 거리를 고려하여 이격하여 절연된 양극(280)을 포함하여 스퍼터 캐소드(200)를 구성할 수 있다. 상기한 구조의 종래 스퍼터 캐소드(200)의 경우 타겟(230) 표면 상부에 환형의 자기장이 형성되게 되며, 이때 상기 자기장의 곡률은 상당히 크게 나타나게 된다(도 2의 (A)).

그런데, 상기와 같이 종래 기술에 따른 스퍼터링에 있어, 자기 회로를 사용하게 되어 곡률이 큰 자기장이 타겟(230) 표면에 형성되는 경우, 스퍼터링에 따른 타겟(230)의 사용 효율은 20~30% 정도에 그치게 되고, 이에 따라 타겟(230)의 수명도 짧아지게 되어, 타겟(230)의 재료비, 타겟(230) 교환 작업을 위한 인건비, 타겟(230)의 본딩에 소요되는 비용 등이 증가하고 생산성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 도 3(a)에서는 종래 기술에 따른 스퍼터링 캐소드(200)의 상면도를 예시하고 있고, 도 3(b)에서는 종래 기술에 따라 스퍼터링을 진행하는 경우의 타겟(230)의 단면도(도 3(a)의 A-A')를 도시하고 있다. 도 3(a)에서 볼 수 있는 넓은 면적의 타겟(230) 중 도 3(b)의 일부 영역만이 스퍼터링에 따라 소모되어 타겟(230)의 사용 효율이 크게 떨어질 수 있다는 점을 확인할 수 있다.

또한, 타겟(230)의 사용 기간이 길어짐에 따라 초기 스퍼터링에서 형성되는 박막과 후기 스퍼터링에서 형성되는 박막의 품질 편차가 커질 수 있다는 문제도 나타날 수 있으며, 또한 높은 곡률의 자기장은 타겟(230)의 환형 영역으로부터 전자를 이탈시켜 전자의 드리프트 손실을 야기할 수 있어 투입 전력 대비 스퍼터링율을 떨어뜨리는 문제도 발생하게 된다. 도 3(b)에서는 타겟(230)의 사용 기간에 따라 형성되는 타겟(230)의 단면의 형상이 달라지게 되는 바, 이에 따라 형성되는 박막의 품질 편차도 커질 수 있다는 것을 알 수 있다.

나아가, 도 3(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 타겟(230)의 면적이 상당히 넓기 때문에 백킹 플레이트(220)로의 접촉성이 떨어질 수 있어, 효율적인 냉각을 위하여 인듐 등의 접착제를 추가로 사용해야 하는 단점도 나타날 수 있고, 또한 장시간 스퍼터링을 하는 경우 양극(280)의 표면이 가열되어 불순물 소스로 동작하면서 형성되는 박막의 품질을 저하시키는 문제점을 야기할 수도 있다.

이에 따라, 종래 스퍼터링 캐소드(200)가 가지는 낮은 타겟(230)의 사용 효율 및 그에 따르는 비용 상승 및 생산성의 저하, 타겟(230)의 사용 기간에 따라 나타날 수 있는 박막의 품질 편차, 전자의 드리프트 손실에 따른 투입 전력 대비 스퍼터링 효율의 저하, 넓은 타겟(230) 면적에 따른 추가적인 접착제의 사용, 양극(280)이 불순물 소스로 기능하게 되는 문제점 등을 해결할 수 있는 스퍼터링 캐소드(200) 및 이를 이용하는 스퍼터링 시스템이 지속적으로 요구되고 있으나, 이에 대한 적절한 해법이 아직 제시되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 스퍼터링 캐소드가 넓은 타겟을 사용하는데 따르는 낮은 타겟의 사용 효율, 그에 따르는 비용 상승 및 생산성의 저하를 해결할 수 있는 스퍼터링 캐소드 및 이를 이용하는 스퍼터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 타겟의 사용 기간에 따라 나타날 수 있는 박막의 품질 편차, 전자의 드리프트 손실에 따른 투입 전력 대비 스퍼터링 효율의 저하, 넓은 타겟 면적에 따라 별도의 접착제를 사용하여야 하는 문제점을 해결할 수 있는 스퍼터링 캐소드 및 이를 이용하는 스퍼터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 낮은 스퍼터링율에 따라 박막에 포함되는 불순물 농도가 높아지게 되어 박막의 순도가 떨어지고, 이에 따라 박막의 두께를 늘려야 함에 따라 타겟 비용이 늘어나는 문제점을 해결할 수 있는 스퍼터링 캐소드 및 이를 이용하는 스퍼터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 타겟 영역을 벗어나는 전자 드리프트를 억제하여 전자 증식률을 높이고, 이에 따라 스퍼터링율을 높이며 전력 소비를 줄일 수 있는 스퍼터링 캐소드 및 이를 이용하는 스퍼터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 장시간의 스퍼터링에 의하여 양극이 가열되면서 불순물 소스로 기능하게 되는 문제점 등을 해결할 수 있는 스퍼터링 캐소드 및 이를 이용하는 스퍼터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 기판의 온도 상승을 억제할 수 있어, 플라스틱 기판 등 저온 공정이 요구되는 공정에도 적용이 가능하며, 나아가 니켈 등과 같은 자성체의 스퍼터링에도 적용할 수 있는 스퍼터링 캐소드 및 이를 이용하는 스퍼터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 스퍼터링 캐소드는 타겟; 및 하나 이상의 자석과 하나 이상의 자성체가 연결되어 이루어지며, 자기장이 폐회로를 이루는 자기회로부를 포함하며, 상기 자기회로부의 상면에는 소정의 형상을 가지는 개구가 존재하고, 상기 타겟은 상기 자기회로부의 개구 안에 위치하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 개구는 자성체로 둘러싸인 형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 개구는 상기 자기회로부 상면의 외곽에 위치하는 자성체와 중간에 위치하는 자성체의 사이에 위치할 수 있다.

또한, 상기 타겟은 상기 개구의 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 자기회로부를 둘러싸는 양극; 및 상기 양극의 상면을 포함하는 소정의 영역을 냉각시키기 위한 양극 냉각부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 자석으로서 전자석을 사용할 수 있다.

또한, 상기 개구에서의 수평 성분 자기장의 세기는 500 내지 2000 가우스 범위 내에 있을 수 있다.

또한, 상기 타겟의 중심점을 기준으로 타겟의 폭의 50% 이내의 영역에서, 수평 성분 자기장의 세기 변화율이 20% 이내에 있을 수 있다.

또한, 상기 타겟의 외곽에서의 수직 성분 자기장의 세기는, 상기 타겟의 중심 영역에서의 수평 성분 자기장의 세기 대비 30% 이상일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 스퍼터링 시스템은 앞서 기재된 스퍼터링 캐소드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 스퍼터링 캐소드가 넓은 타겟을 사용하는데 따르는 낮은 타겟의 사용 효율, 그에 따르는 비용 상승 및 생산성의 저하를 개선할 수 있는 스퍼터링 캐소드 및 이를 이용하는 스퍼터링 시스템을 제공할 수 있는 효과를 가진다.

또한, 본 발명에 따르면, 스퍼터링율을 높이게 됨으로써 박막에 포함되는 불순물 농도가 적어지게 되어 박막의 순도가 높아지고, 이에 따라 박막의 두께를 줄일 수 있어 타겟 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 박막의 밀착력도 높일 수 있는 효과를 가진다.

또한 본 발명에 따르면, 균일한 수평 성분 자기장을 사용하여 스퍼터링을 진행하게 됨으로써 자기장 타겟의 사용 기간에 따라 나타날 수 있는 박막의 품질 편차를 줄여 박막의 재현성을 높일 수 있고, 넓은 타겟 면적에 따라 별도의 접착제를 사용하여야 하는 문제점도 해결할 수 있는 스퍼터링 캐소드 및 이를 이용하는 스퍼터링 시스템을 제공할 수 있는 효과를 가진다.

또한 본 발명에 따르면, 타겟 영역을 벗어나는 전자 드리프트를 억제하여 전자 증식률을 높이고, 이에 따라 스퍼터링율을 높이고 전력 소비를 줄일 수 있는 효과를 가진다.

또한 본 발명에 따르면, 장시간의 스퍼터링에 의하여 양극이 가열되면서 불순물 소스로 기능하게 되는 문제점 등을 개선할 수 있는 스퍼터링 캐소드 및 이를 이용하는 스퍼터링 시스템을 제공할 수 있는 효과를 가진다.

또한 본 발명에 따르면, 기판의 온도 상승을 억제할 수 있어, 플라스틱 기판 등 저온 공정이 요구되는 공정에도 적용이 가능하며, 나아가 니켈 등과 같은 자성체의 스퍼터링에도 수월하게 적용할 수 있다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 스퍼터링 시스템 및 스퍼터링 캐소드의 구조도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 스퍼터링 캐소드의 단면도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 스퍼터링 캐소드의 상면도 및 타겟의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 캐소드의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스퍼터링 캐소드의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 캐소드의 상면도 및 타겟의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 캐소드에서의 자기장 분포에 대한 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 캐소드에서의 전자구름띠에 대한 예시도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

종래 기술에 따른 스퍼터링 캐소드에서는 실제로 스퍼터링에 사용되지 않는 상당한 영역을 포함하는 넓은 타겟을 사용하는데 따른 낮은 타겟의 사용 효율, 그에 따르는 비용 상승 및 생산성의 저하의 문제점이 나타날 수 있고, 또한, 타겟의 사용 기간에 따라 나타날 수 있는 박막의 품질 편차, 전자의 드리프트 손실에 따른 투입 전력 대비 스퍼터링 효율의 저하, 넓은 타겟 면적에 따라 별도의 접착제를 사용하여야 하는 문제점이 나타날 수 있었다. 또한, 종래 스퍼터링 캐소드는 낮은 스퍼터링율에 따라 박막에 포함되는 불순물 농도가 높아지게 되어 박막의 순도가 떨어지고, 이에 따라 박막의 두께가 늘어나게 됨에 따라 타겟 비용이 늘어나는 문제점도 나타날 수 있고, 나아가 장시간의 스퍼터링에 의하여 양극이 가열되면서 불순물 소스로 기능하게 되는 문제점 등을 가질 수 있었다.

본 발명에서는 상기한 문제점들에 착안하여, 스퍼터링 캐소드의 상면에 자기회로부의 개구를 위치시키고 상기 개구 안에 타겟을 부착하여, 상기 타겟의 상부에 형성되는 자기장이 상당 부분 수평 성분에 집중되도록 하고, 나아가 상기 개구 및 타겟이 환형의 형상을 이루도록 함으로써, 스퍼터링율을 높이고 불순물 농도를 줄여 형성되는 박막의 순도를 높일 수 있으며, 또한 타겟을 별도의 접착제를 없이 고정할 수 있고, 공정 비용을 줄일 수 있으며, 나아가 타겟을 반복 사용하더라도 형성되는 박막의 품질을 균일하게 할 수 있는 등의 장점을 가지는 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드 및 이를 포함하는 스퍼터링 시스템을 개시한다. 이와 함께, 상기 스퍼터링 캐소드의 양극을 냉각시킬 수 있는 수단을 구비함으로써, 스퍼터링에 따른 양극의 가열을 억제하여 불순물 발생을 방지할 수도 있게 된다.

이하에서는, 본 발명에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드 및 이를 포함하는 스퍼터링 시스템의 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)의 단면도를 도시하고 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)는, 타겟(440) 및 하나 이상의 영구 자석(450) 또는 전자석(510) 등의 자석과 하나 이상의 자성체(410)가 연결되어 자기장이 폐회로를 이루는 자기회로부를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 자기회로부의 상면에는 소정의 형상을 가지는 개구가 존재하고, 상기 타겟(440)은 상기 자기회로부의 개구 안에 위치하는 구조를 가질 수 있다.

또한, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)는 스퍼터링이 진행됨에 따라 나타날 수 있는 타겟(440) 및 스퍼터 캐소드(400)의 온도 상승을 억제하기 위한 냉각 모듈(420)을 포함할 수도 있으며, 나아가 상기 자기회로부를 둘러싸는 양극(460), 및 상기 양극(460)의 상면을 포함하는 소정의 영역을 냉각시키기 위한 양극 냉각 라인(430)을 더 포함할 수도 있다.

아래에서는 도4(a)와 도4(b)를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)를 보다 자세하게 설명한다.

먼저, 영구 자석(450)과 자성체(410)가 연결되어 구성되는 자기회로부에 대하여 살핀다. 앞서 도2에서 살펴본 바와 같이 종래 기술에 따른 스퍼터링 캐소드(200)에서는 타겟(200)의 하부에 중앙 영구자석(250)과 외곽 영구자석(260)이 위치하게 되면서, 타겟(200)의 상부에는 도 2의 (A)에서 볼 수 있는 바와 같이 곡률이 큰 타원 형상의 자기장이 형성되게 되어, 앞서 살핀 바와 같은 여러가지 문제점들이 나타나게 된다.

이에 대하여, 본 발명에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)에서는 자기회로부의 일부 영역에 형성된 개구에 타겟(440)을 위치시킴으로써, 도 4(a)의 (A)에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 타겟(440)의 상부에 형성되는 자기장의 곡률이 작아지면서 자기장의 상당 부분이 수평 성분에 집중되는 분포를 가지게 된다. 따라서, 종래 기술에 따른 스퍼터링 캐소드(200)에서는 도 3(b)에서와 같이 타겟(230)의 사용 기간이 길어짐에 따라 스퍼터링되는 타겟(230)의 형상이 달라지게 되어 기판에 형성되는 박막의 품질이 달라질 수 있는데 반하여, 본 발명에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)에서는 타겟(440)의 사용 기간이 길어지더라도 스퍼터링에 따른 타겟(440) 형상의 변화가 일정하게 되어 기판에 형성되는 박막의 품질을 일정하게 유지할 수 있게 된다.

또한, 상기와 같이 자기장의 곡률을 낮추어 줌으로써, 측면으로 빠져나가 손실되는 전자의 양을 크게 줄여줄 수 있어, 투입 전력에 대한 스퍼터링 효율을 개선할 수 있게 된다.

또한, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 자기회로부 상면의 외곽에 위치하는 자성체와 중간에 위치하는 자성체를 포함하여 개구를 형성하고, 상기 타겟(440)을 상기 개구의 안에 배치할 수도 있는데, 이때 종래 스퍼터링에 실질적으로 이용되지 못하였던 영역에 상기 중간에 위치하는 자성체를 배치함으써, 종래 20% 내지 30%에 그쳤던 타겟(440)의 사용률을 50% 이상까지 크게 높일 수 있게 된다. 이에 대한 일 실시예로서, 도 6(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 환형 형상의 개구를 형성하고, 그 안에 타겟(440)을 배치하는 경우를 들 수 있다. 또한, 상기와 같은 구조를 통하여 개구의 폭이 줄어들게 됨으로써 타겟(440)의 폭도 줄일 수 있게 되어, 인듐 등의 별도의 접착제를 사용하지 않고 기계적인 눌림만으로도 타겟(440)을 충분하게 밀착시켜 스퍼터링의 진행에 따른 타겟(440)의 온도 상승을 효과적으로 억제할 수 있다는 장점도 가질 수 있다.

도 4(a)와 도 4(b)에서는 본 발명의 일 실시예로서 자기회로부의 하부 영역에 영구 자석(450)을 배치하는 경우와 자기회로부의 중간 영역에 영구 자석(450)을 배치하는 경우를 각각 도시하고 있다. 이외에도 스퍼터링에 요구되는 자기장의 세기 등 필요한 규격들을 고려하여 적절한 구조를 선택하는 것도 가능하다. 또한, 도 5에서는 전자석(510)을 사용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)를 구성하는 경우를 예시하고 있다. 예를 들어, 도 5의 (B)의 순철 등으로 이루어지는 자성체를 코어로 하고 도 5의 (A) 영역에 금속 와이어 등을 사용하여 상기 코어를 와인딩하여 전자석(510)을 구성하는 것도 가능하다. 상기와 같이 전자석(510)을 사용하여 자기회로부를 구성하는 경우, 필요에 따라 자기장의 세기를 조절할 수도 있다는 장점을 가질 수 있다.

또한, 상기 자기회로부를 구성하기 위한 자성체로는 순철, 니켈, 니켈 합금, SS400 등 자석과 연결되어 자기회로를 구성할 수 있는 자성체 물질이라면 특별한 제한없이 적용하는 것이 가능하다.

다음으로, 타겟(440)에 대하여 살핀다. 타겟(440)은 기판의 표면에 형성하고자하는 박막의 재료로서 기능하게 된다. 상기 자석 등을 이용하여 자기장을 발생시키고 이를 이용하여 아르곤(Ar) 가스 등의 플라즈마를 형성시키면, 아르곤 이온이 캐소드의 전기장에 이끌려 가속되면서 상기 타겟(440)으로 충돌하게 되고, 상기 아르곤 이온의 운동 에너지로 인하여 상기 타겟(440)의 일부 원자들이 이탈하면서 기판으로 이동하여 그 표면에 박막을 형성하게 된다.

도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 캐소드(400)의 상면도 및 타겟(440)의 단면도를 도시하고 있다. 도 6(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 실제 스퍼터링에 사용되는 영역을 중심으로 환형 구조의 개구 및 타겟(440)을 사용함으로써, 앞서 살핀 바와 같이 타겟 사용율을 크게 높일 수 있게 된다.

도 6(b)에서는 스퍼터링이 진행됨에 따른 타겟(440)의 단면(도 6(a)의 B-B')을 도시하고 있다. 도 6(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 타겟(440)이 실제 스퍼터링에 사용되는 영역을 중심으로 배치되어 타겟 사용율을 높일 수 있음을 다시 한번 확인할 수 있고, 특히 상기 타겟(440)의 상부에 형성되는 자기장이 수평 성분에 집중되도록 함으로써, 타겟(440)의 사용 기간이 길어지더라도 스퍼터링에 따른 타겟(440)의 형상의 변화가 일정하게 되어 기판에 형성되는 박막의 품질을 일정하게 유지할 수 있게 된다.

도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)에서의 자기장 분포를 종래 기술에 따른 스퍼터링 캐소드(200)의 경우와 비교하여 보여주고 있다.

보다 구체적으로 도 7(a)에서는 종래 기술에 따른 스퍼터링 캐소드(200)에서의 자기장 분포를 보여주고 있다. 도 7(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 종래 기술에 따른 스퍼터링 캐소드(200)에서는 타겟(230)의 하부에 자석(250, 260)이 위치하게 되므로 자기장이 스퍼터링에 기여하게 되는 타겟(230)의 상부에서는 곡률이 큰 타원형의 자기장 분포를 가지게 된다. 이에 반하여, 도 7(b)에서 볼 수 있는 본 발명에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)에서는 자기회로부의 개구 안에 상기 타겟(440)이 위치하게 되는 바, 도 7(b)에서 볼 수 있는 바와 같이 타겟(440) 주변으로 곡률이 현저하게 줄어든 자기장 분포를 나타내게 된다. 즉, 종래 기술에 따른 스퍼터링 캐소드(200)에서의 경우와 달리, 본 발명에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)에서는 자기장의 수평 성분(Bp2)가 자기장의 수직 성분(Bt2)보다 현저하게 큰 값을 가지게 된다(Bp2 >> Bt2).

이에 따라, 종래 기술에 따른 스퍼터링 캐소드(200)에서는 타겟(230)의 사용 기간이 길어짐에 따라 스퍼터링되는 타겟(230)의 형상이 달라지게 되어 기판에 형성되는 박막의 품질이 달라질 수 있는데 반하여, 본 발명에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)에서는 타겟(440)의 사용 기간이 길어지더라도 스퍼터링에 따른 타겟(440) 형상의 변화가 일정하게 되어 기판에 형성되는 박막의 품질을 일정하게 유지할 수 있게 된다는 것은 앞서 살핀 바와 같다.

또한, 도 7(a)에서와 같이 종래 기술을 적용할 경우 전자 증식 작용에 직접 기여할 수 있는 수평 성분 자기장의 세기를 키우기 어려우나, 도 7(b)에서와 같이 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)의 경우 수평 성분 자기장의 세기를 수월하게 키울 수 있어, 전자 증식을 효과적으로 진행할 수 있게 된다. 그런데, 수평 성분 자기장의 세기를 지나치게 크게하는 경우 전자의 자이로 운동 반경이 너무 작아져서 이온화 확률이 줄어들 수 있으므로, 상기 수평 성분 자기장의 세기는 500 내지 2000 가우스의 범위에서 적절한 값을 선정하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.

타겟(440) 상에서의 수평 성분 자기장은 E x B (전기장 x 자기장) 드리프트에 의하여 전자 증식에 기여하게 되지만, 수직 성분 자기장은 전자를 외부 방향으로 이동하도록 작용하게 되어 타겟(440) 상부에서 소실시키게 되면서, 불순물을 유입시키는 부정적인 역할을 하게 된다. 그런데, 상기 타겟(440)의 가장자리에서의 자기장의 수평 성분에 대한 수직 성분의 크기가 일정한 수준에 다다르면 마그네틱 미러 효과가 나타나 전자를 가두는 효과가 나타날 수 있고, 또한 타겟(440)의 가장자리 근처에 위치하는 캐소드가 스퍼터링되는 것을 억제해줄 수 있다. 따라서, 효과적인 스퍼터링을 위해서는 상기한 양 측면을 모두 고려하여, 타겟(440)의 중심 영역에서는 자기장의 수평 성분 비율이 큰 경우가 바람직하며, 타겟(440)의 가장자리에서는 적절한 크기의 수직 성분 자기장이 분포되도록 하는 것이 바람직하게 된다. 상기한 전자의 증식 작용과 마그네틱 미러 효과에 의한 캐소드 보호 측면을 고려할 때, 효과적인 스퍼터링을 위해서는 타겟(440)의 중심 영역을 기준으로 50% 폭 내에서는 자기장 수평 성분의 변화가 5 ~ 20% 이내의 범위에 있는 것이 바람직하고, 또한 상기 타겟(440)의 가장자리에서의 수직 성분 자기장의 세기는, 타겟(440)의 중심 영역에서의 수평 성분 자기장의 세기 대비 30% 이상인 것이 바람직하다고 할 수 있다.

도 8에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)에서의 전자구름띠에 대한 예시도를 보여주고 있다. 보다 구체적으로 도 8(a)에서는 종래 기술에 따른 스퍼터링 캐소드(200)에서의 전자구름띠(810)를 도시하고 있다. 도 8(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래 기술에 따른 스퍼터링 캐소드(200)에서는 곡률이 큰 자기장 분포를 가지게 되는 바, 중심 영역에서 수평 성분 자기장의 크기가 상대적으로 작기 때문에 전자 증식 작용에 따른 전자구름띠(810)의 크기가 상대적으로 작게 나타나게 되는 반면, 도 8(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)에서는 중심 영역에서의 자기장의 대부분이 수평 성분에 집중되게 되는 바, 전자 증식이 효과적으로 일어나게 되고, 또한 외곽 영역에서는 적절한 수직 성분 자기장이 형성되어 전자의 외부 유출을 막을 수 있게 되는 바, 전자구름띠(820)의 크기가 상대적으로 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)는 상기 자기회로부를 둘러싸는 양극(460) 및 상기 양극(460)의 상면을 포함하는 소정의 영역을 냉각시키기 위한 양극 냉각 라인(430)을 더 포함할 수도 있다. 상기 양극(460)은 상기 타겟(440)이 위치하는 영역을 제외하고 상기 자기회로부를 둘러싸는 형상을 가지되, 상기 자기회로부와의 방전이 일어날 수 있는 최소 거리를 고려하여 이격시킨 후, 절연하여 구성될 수 있다. 나아가, 상기 양극(460)은 장시간 스퍼터링에 노출되는 경우 표면이 가열되면서 불순물의 소스로 작용하여 박막의 품질을 저하시킬 수 있으므로, 이를 억제하기 위하여 상기 양극(460)의 상면을 포함하는 소정의 영역을 냉각시켜 줄 수 있는 양극 냉각 라인(430) 또는 기타 냉각 수단을 구비할 수도 있다. 상기 양극 냉각 라인(430)은 물을 이용하는 수냉 방식의 냉각 수단일 수도 있고, 기타 상기 양극(460)을 효과적으로 냉각시킬 수 있는 수단이라면 특별한 제한없이 적용하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)는 스퍼터링이 진행됨에 따라 온도가 상승할 수 있는 타겟(440) 등을 효과적으로 냉각시켜줄 수 있는 냉각 모듈(420)을 포함할 수도 있다. 상기 냉각 모듈(420)은 특별한 어려움 없이 종래 기술에 따라 구현하고 운용할 수 있으므로, 여기서는 자세하기 살피지 아니한다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 스퍼터링 시스템은 앞서 기재한 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기와 같이 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드(400)를 포함하여 스퍼터링 시스템을 구성함으로써, 앞서 살핀 바와 같이 스퍼터링율을 높이고 불순물 농도를 줄여 형성되는 박막의 순도를 높일 수 있으며, 또한 공정 비용을 줄이고, 나아가 타겟을 반복 사용하더라도 형성되는 박막의 품질을 균일하게 할 수 있는 등의 장점을 가질 수 있게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

200 : 종래 기술에 따른 스퍼터링 캐소드
210 : 캐소드 본체
220 : 백킹 플레이트
230 : 타겟
240 : 자성체
250 : 중앙 영구자석
260 : 외곽 영구자석
270 : 냉각 모듈
280 : 양극
400 : 수평 자기장을 이용한 스퍼터링 캐소드
410 : 자성체
420 : 냉각 모듈
430 : 양극 냉각 라인
440 : 타겟
450 : 영구 자석
460 : 양극
510 : 전자석
810, 820 : 증식된 전자구름띠

Claims

타겟; 및
하나 이상의 자석과 하나 이상의 자성체가 연결되어 이루어지며,
자기장이 폐회로를 이루는 자기회로부를 포함하며,
상기 자기회로부의 상면에는 소정의 형상을 가지는 개구가 존재하고,
상기 타겟은 상기 자기회로부의 개구 안에 위치하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 캐소드.
제1항에 있어서,
상기 개구는 자성체로 둘러싸인 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 캐소드.
제2항에 있어서,
상기 개구는 상기 자기회로부 상면의 외곽에 위치하는 자성체와 중간에 위치하는 자성체의 사이에 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 캐소드.
제1항에 있어서,
상기 타겟은 상기 개구의 형상에 대응하는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 캐소드.
제1항에 있어서,
상기 자기회로부를 둘러싸는 양극; 및
상기 양극의 상면을 포함하는 소정의 영역을 냉각시키기 위한 양극 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 캐소드.
제1항에 있어서,
상기 자석으로서 전자석을 사용하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 캐소드.
제1항에 있어서,
상기 개구에서의 수평 성분 자기장의 세기는 500 내지 2000 가우스 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 캐소드.
제1항에 있어서,
상기 타겟의 중심점을 기준으로 타겟의 폭의 50% 이내의 영역에서,
수평 성분 자기장의 세기 변화율이 20% 이내인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 캐소드.
제1항에 있어서,
상기 타겟의 외곽에서의 수직 성분 자기장의 세기는,
상기 타겟의 중심 영역에서의 수평 성분 자기장의 세기 대비 30% 이상인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 캐소드.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기재된 스퍼터링 캐소드를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 시스템.