KR20210115430A - 연속 대면적 플라즈마 스퍼터링 및 이를 사용한 코팅 제품 - Google Patents

연속 대면적 플라즈마 스퍼터링 및 이를 사용한 코팅 제품 Download PDF

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Abstract

본 명세서에서 개시하는 기술은 연속 대면적 플라즈마 스퍼터링을 적용한 진공 증착 방법 및 이를 사용한 코팅 제품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속, 산화물, 화합물 등 박막 증착 과정에서 웨이퍼, 글라스, 금속, 고분자, 섬유, 종이 등 다양한 기판 또는 다양한 구성품에 안정된 연속 대면적 플라즈마 스퍼터링을 형성하여 일정한 전하 흐름을 유도하고 제공하면서, 전하 흐름의 제어를 통해 열적인 기판의 손상을 최소화한 스퍼터링 증착 방법 및 이를 사용한 평면 및 유연 광도파로 등 응용 제품의 금속, 산화물, 화합물 코팅을 할 수 있다.

Description

연속 대면적 플라즈마 스퍼터링 및 이를 사용한 코팅 제품{Continuous Large sputtering, And the coating product including the same}
본 명세서에서 개시하는 기술은 연속 대면적 플라즈마 스퍼터링을 적용한 진공 증착 방법 및 이를 사용한 코팅 제품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속, 산화물, 화합물 등 박막 증착 과정에서 웨이퍼, 글라스, 금속, 고분자, 섬유, 종이 등 다양한 기판 또는 다양한 구성품에 안정된 연속 대면적 플라즈마 스퍼터링을 형성하여 일정한 전하 흐름을 유도하고 제공하면서, 전하 흐름의 제어를 통해 열적인 기판의 손상을 최소화한 스퍼터링 증착 방법이다. 이를 사용하여 평면 및 유연 광도파로 등 응용 소자 내의 금속, 산화물, 화합물 코팅을 할 수 있다.
기판 상에 박막을 형성하기 위하여 PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition) 등과 같은 다양한 방식이 사용되고 있다. 스퍼터 방식은 PVD 방식의 일례로 기판 상에 박막을 형성하기 위하여 많이 활용되는 기술이다. 스퍼터링 방식은 플라즈마 상의 양이온을 타겟과 충돌시켜서 타겟으로부터 비산되는 물질을 기판에 증착하여 기판 상에 박막을 형성하는 기술이다.
최근 산업 전반적으로 디스플레이, 태양전지, 터치패널, 윈도우 필름 등에 박막이 증착된 유연성 및 비유연성 기판에 많이 사용된다.
기존 스퍼터링법은 균일성, 생산 효율 장점을 가지고 있지만, 스퍼터링 증착율이 떨어지고, 또한 산소와 결합시 불안정한 화학적 성질 특성을 지니고 있었다.
본 개발은 연속 대면적 플라즈마 스퍼터링으로 인하여 증착율은 계속적인 방전 존에서 이루어지므로 지속적인 코팅이 저온에서 가능하다는 장점과 이로 인한 다양한 가스와의 결합에 있어서 작은 입자의 연속적인 스퍼터링으로 인한 산화물, 질화물, 삼중화합물 등 다양한 물질 증착에 있어서 화학적으로 안정된 물질을 연속적으로 증착할 수 있는 장점을 지니고 있다.
도 1에서 예로서 도시한 종래의 스퍼터링 장치는 증착되는 수평한 지그의 스캔(로딩)으로 인하여 증착되는 입자의 배열도 축적이 이루어지는 형상을 초래하므로 이로 인하여 기판에 박막을 증착하는 과정에서 기판에 증착되는 박막의 품질이 나빠지는 문제가 있다.
본 명세서에서는 종래의 폭이 좁은 캐소드에 반해 평행한 확장형 폭이 넓은 캐소드 구조로 대체한 안정된 대면적 연속 스퍼터링을 형성하여 일정한 전하 흐름을 유도하는 증착장치를 이용한 스퍼터링 방법을 제안한다. 본 명세서에서 개시하는 안정된 연속 플라즈마를 형성하는 스퍼터링 방법을 통하여 수평형의 웨이퍼, 필름, 섬유, 종이 등 유연 기판을 판(Plate), 시트(Sheet) 또는 롤(Roll)을 포함하여 다양한 구성품을 커버하는 스퍼터링이 가능하다. 이를 통하여 작은 입자의 안정적인 성막을 연속적으로 코팅할 수 있는 최대의 장점을 지닌다.
본 명세서에서 개시하는 기술은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 본 명세서에서 개시하는 증착장치를 이용한 스퍼터링 방법은 종래의 폭이 좁은 캐소드를 사용하지 않고 대면적 확장형 캐소드를 장착하여 이의 평행한 구조로 안정된 연속 대면적 플라즈마 스퍼터링으로 일정한 전하 흐름을 유도하는 증착장치를 이용한 스퍼터링 방법을 제안한다. 개발 기술은 웨어퍼, 필름, 섬유, 종이 등 평판 및 유연 기판을 판(Plate), 시트(Sheet) 또는 롤(Roll) 공정을 적용할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 증착장치를 이용한 스퍼터링 방법이 개시 (disclosure)된다. 상기 증착장치를 이용한 스퍼터링 방법은 기판배치과정, 플라즈마생성과정을 포함한다.
상기 기판배치과정에서는 서로 대향하여 배치되는 스퍼터링 챔버 내에 유연성 기판과 타겟을 서로 대향 배치시킨다. 상기 기판이 상기 타겟과 소정의 거리를 유지하도록 한다. 상기 플라즈마생성과정에서는 상기 챔버로 스퍼터링 가스를 주입하고, 전원부를 통하여 상기 기판과 상기 타겟 사이에 전압을 인가하여 상기 챔버 내부에 플라즈마를 생성한다.
자석배열에 따른 안정된 연속 대면적 플라즈마 스퍼터링을 형성하여 전자밀도를 통한 플라즈마 밀도와 온도를 조절할 수 있는 장점을 지닌다.
상기 타겟은 일면이 상기 기판에 대향하여 배치되며, 상기 플라즈마에 의한 스퍼터링에 의하여 상기 기판의 일면에 막을 증착한다.
본 명세서에서 개시하는 기술은 자석 배열체를 통한 자기장 인가과정을 통하여 기판에 대향하는 타겟의 일면에 인접한 영역에 전자밀도를 증가시킬 수 있어 박막 증착속도를 높일 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.
또한, 본 명세서에서 개시하는 기술은 사행 형상의 고정 자석 배열체를 사용함으로써 대면적 캐소드를 위한 유효자계의 범위를 용이하게 확보할 수 있으며, 동일한 자석 배열의 반복 형태를 증가시키면 증착률이 증가 된다.
전술한 내용은 이후 보다 자세하게 기술되는 사항에 대해 간략화된 형태로 선택적인 개념만을 제공한다. 본 내용은 특허 청구 범위의 주요 특징 또는 필수적 특징을 한정하거나, 특허청구범위의 범위를 제한할 의도로 제공되는 것은 아니다.
도 1은 종래의 스퍼터 장치를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 명세서에서 개시하는 안정된 연속 대면적 플라즈마 스퍼터링을 형성하여 일정한 전하 흐름을 유도하는 스퍼터건과 기판이 서로 대향하여 배치되는 스퍼터링 방법에 사용되는 기본 장치의 일 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 명세서에서 개시하는 스퍼터링 방법에 사용되는 자석 배열체의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고 자 한다. 본문에서 달리 명시하지 않는 한, 도면의 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시 예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시 예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 기술의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 당업자는 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고, 도면에 기재되는 구성요소들을 다양하게 다른 구성으로 배열, 구성, 결합, 도안할 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 고안되어지며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 개시하는 증착장치를 이용한 스퍼터링 방법을 설명하기에 도 1 내지 도 4를 활용하여 앞서 종래의 스퍼터 장치와 본 기술에서 사용한 스퍼터 장치의 구조를 먼저 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 스퍼터 기본 장치를 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 스퍼터 장치는 스퍼터건(1), 증착 지그(2), 플라즈마 분포(3)로 구성된다.
종래의 스퍼터 장치는 기판이 증착 지그(2)에 밀착 되어진다.
또 한편, 종래의 스퍼터 장치는 증착 증착 지그(2)의 표면에 대응되는 면을 가지는 복수의 스퍼터건(1)에 의하여 기판의 표면에 박막을 증착한다. 이 경우, 고정된 스퍼터건(1) 사이의 간격에 의하여 기판의 표면에 증착되는 박막은 계면층이 발생할 수 있는 입자 배열 성장이 이루어지며 이는 정밀하게 제어하기 어려운 문제가 있다.
도 2는 본 명세서에서 개시하는 장치의 일 실시 예를 나타내는 도면이다. 도 2는 본 명세서에서 개시하는 스퍼터건에 대향 배치되는 기판 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 3 및 도 4는 본 명세서에서 개시하는 장치에 적용 가능한 타겟의 다양한 배열을 설명하기 위한 도면이다.
몇몇 또 다른 실시 예들에 있어서, 도 2는 선택적으로 자석 배열체(190)를 더 포함할 수 있다. 몇몇 또 다른 실시 예들에 있어서, 도 2장치는 선택적으로 지지부를 더 포함할 수 있다.
웨이퍼, 글라스, 금속, 고분자, 섬유, 종이 등 다양한 기판을 적용 할 수 있다. 유연성 기판(flexible substrate)은 합성수지, 플라스틱 등 고분자소재, 섬유, 종이를 지칭한다. 일례로, 상기 유연성 기판은 플렉시블(flexible) 특성을 가지는 디스플레이, 태양전지, 터치패널, 윈도우 필름 등에 사용되는 유연성 기판이 예로서 사용될 수 있다. 상기 유연성 기판의 소재로는 예로서 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PC(polycarbonate), PES(polyethersulphone), PAR(polyarylate), PI(polyimide) 등 고분자로 이루어진 다양한 소재가 사용될 수 있다. 상기의 예시는 이해를 위한 예시로서 상기한 예시 이외에 도2 장치에 적용될 수 있는 유연한 성질을 가지는 소재를 상기 기판으로서 사용 가능하다. 또한
타겟(180)의 소재로는 다양한 금속 소재, 합금 소재, 산화물 소재 등이 사용될 수 있다. 스퍼터링에 의하여 비산되는 타겟 원자들은 상기 기판의 상기 일면에 증착되어 막을 형성하거나, 챔버로 주입되는 반응성 기체 이온과 반응하여 상기 기판의 상기 일면에 증착되어 막을 형성할 수도 있다. 일례로, 타겟(180)의 소재로 알루미늄(Al)을 사용하고, 챔버로 아르곤(Ar) 기체를 주입할 경우에 상기 기판에는 알루미늄(Al) 막이 형성될 수 있다. 다른 예로, 타겟(180)의 소재로 알루미늄(Al)을 사용하고, 챔버로 아르곤(Ar) 기체와 산소(O2) 기체를 주입할 경우에 상기 기판에는 산화알루미늄(AlxOy) 막이 형성될 수 있다. 상기의 예시는 이해를 위한 예시로서 상기한 예시 이외에 다양한 소재 및 기체가 각각 타겟(180)의 소재 및 반응성·비반응성 기체로 사용될 수도 있다. 다양한 소재로는 SiOx, SiOxNy, AlOx, AlOxNy 등 다양하다.
전원이 타겟(180)과 연계하여 상기 기판의 상기 일면에 막을 증착하는 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
챔버 내부에 진공 분위기가 형성된 상황에서 전원을 통하여 타겟(180)에 전압이 인가되면 타겟(180) 주위에는 플라즈마가 생성된다. 플라즈마는 챔버에 주입되는 기체에 의하여 형성된다. 상기 기체로는 아르곤(Ar) 등의 불활성 기체를 포함하는 비반응성 기체와 산소(O2), 질소(N2) 등을 포함하는 반응성 기체가 사용될 수 있다. 반응성 기체를 챔버에 주입할 경우에는 반응성 스퍼터링을 수행할 수 있다.
플라즈마 방전 영역 내의 양이온들, 예를 들면 Ar 양이온은 상기 기판과 타겟(180) 사이에 형성되는 전기장에 의하여 가속되어 타겟(180)과 출동한다. 이에 따라 타겟(180)으로부터 타겟 원자가 방출되며, 상기 기판의 상기 일면에는 타겟 원자가 코팅되어 막이 형성된다. 타겟(180)의 뒷면에 자석을 설치하는 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 방식이 사용될 수 있다. 스퍼터링 과정에서 전자를 타겟(180)의 상기 일면에 인접한 영역에 포획하여 양이온들, 예를 들면 Ar 양이온의 생성을 촉진할 수 있다. 이하 설명의 편의상 타겟(180)의 상기 일면에 인접한 상기 영역을 플라즈마 영역이라 칭하기로 한다. 상기 플라즈마 영역에서 양이온들의 생성이 촉진되면, 양이온들과 충돌하여 비산되는 타겟(180) 원자들의 생성을 촉진하여 이를 통하여 상기 기판에 형성되는 막의 증착 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 자석의 적절한 배열을 통하여 상기 기판에 형성되는 막의 균일도를 용이하게 제어할 수 있다.
자석 배열체(190)는 타겟(180)의 타면에 대향하여 배치되며, 자계를 생성하여 플라즈마 중의 전자를 상기 타겟 표면 영역으로 포획하여 상기 타겟 표면 영역에서의 전자밀도를 증가시켜 상기 타겟 표면영역에서의 상기 플라즈마의 밀도를 증가시킬 수 있다. 상기 타겟 표면 영역에 포획된 전자는 자석 배열에(190)에 의한 자계와 상기 기판과 타겟(180) 사이에 형성되는 전기장에 의하여 와류운동을 한다. 와류운동에 의하여 전자는 상기 타겟 표면 영역에 포획되며, 포획된 전자는 챔버 내의 기체와 충돌하며, 이를 통하여 상기 타겟 표면 영역에서의 상기 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 이를 통하여 스퍼터링 속도를 증가시킬 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 자석 배열체(190)는 내측자석(190a), 외측자석(190b) 및 비자성부재(190c)를 포함할 수 있다. 내측자석(190a)은 타겟(180)의 상기 일면에 실질적으로 수직인 방향으로 연장되며, N극 또는 S극이 타겟(180)에 대향되도록 배치될 수 있다. 외측자석(190b)은 타겟(180)의 상기 일면에 실질적으로 수직인 방향으로 연장되며, 내측자석(190a)으로부터 이격되어 내측자석(190a)을 둘러싸고, 내측자석(190a)과는 역의 자극이 타겟(180)에 대향되도록 배치될 수 있다. 비자성부재(190c)는 내측자석(190a)과 외측자석(190b) 사이에 배치되며, 내측자석(190a)과 외측자석(190b)의 간격을 유지하는 기능을 수행할 수 있다. 내측자석(190a)과 외측자석(190b)은 도 3의 (b)에서 예로서 도시한 바와 같이, 복수개의 원형상의 영구자석을 배열하여 얻어지거나, 복수개의 네모 형상의 영구자석을 배열하여 얻어지거나, 하나의 덩어리 영구자석을 배열하여 구현될 수 있다. 상기의 예시는 이해를 위한 예시로서 내측자석(190a)과 외측자석(190b)은 다양한 형상의 자석 및 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
도 3은 자석 배열체(190)의 구조가 예로서 표현되어 있다. 도 3의 (a)는 종래의 자석 배열체의 구조의 일례를 보여주는 도면이며, (b)는 본 명세서에서 개시하는 도 2 증착장치에 적용되는 자석 배열체(190)의 구조의 일례를 보여주는 도면이다. 도 3의 (a) 및 (b)는 각각 본 명세서에서 개시하는 자석 배열체(190)의 구조 및 자석 배열체(190)를 구성하는 단위 자석의 형태의 예시를 보여주는 도면이다.
도 3, 도 4를 참조하면, 타겟(180)에 대향되는 자극이 서로 다른 내측자석(190a) 및 외측자석(190b) 사이에는 자계가 형성된다.
본 명세서에서 개시하는 도 2 증착장치에 사용되는 자석 배열체(190)은 도 3의 (b)에 예로서 도시된 바와 같이, 내측자석(190a) 방향으로 돌출된 패턴을 가지는 외측자석(190b)과 외측자석(190b)의 상기 돌출된 패턴과 이격되며, 외측자석(190b)의 상기 돌출된 패턴을 중심으로 교호적으로 연결되어 사행(蛇行, meander)의 형상을 가지는 내측자석(190a)을 포함할 수 있다. 이 경우, 자석 배열체(190)는 상기 사행의 형상을 통하여 상기 타겟 표면 에로존 영역의 면적을 증가시킬 수 있어 대면적 캐소드를 구현할 수 있다. 다시 말하면, 상기 사행의 형상의 자석 배열체(190)를 사용하면 타겟(180)에 인접한 영역 또는 상기 타겟 표면 에로존 영역에서 전자가 연속적인 싸이클론 운동을 할 수 있다. 이를 통하여 스퍼터링에 활용되는 양이온들을 제공하는 플라즈마의 밀도를 높일 수 있다. 또한, 상기 사행의 형상을 가지는 자석 배열체(190)는 여러 개의 에로존 형상의 자석 배열을 통하여 구현된 자석 배열체와 달리 코너부를 최소화 할 수 있어 코너부 근방에서의 전자밀도 저하에 따른 문제점을 줄일 수 있다. 또한, 또한, 상기 사행의 형상을 가지는 자석 배열체(190)는 내측자석(190a) 및 외측자석(190b)의 형상 또는 간격 등을 조절할 수 있어 대면적 캐소드를 위한 유효자계의 범위를 용이하게 확보할 수 있다.
상술한 장점을 가지는 본 명세서에서 개시하는 증착장치는 기존의 5G, 광통신, 터치스크린, 디스플레이, 플렉시블 디스플레이, 반도체, 항공, 건축, 태양전지, 인쇄분야 등 다양한 산업분야에 적용이 가능하다. 또한, 본 명세서에서 개시하는 연속 대면적 플라즈마 스퍼터링을 적용한 진공 증착장치는 동일한 공간의 전자 밀도를 증가시켜 플라즈마 밀도를 높일 수 있으며 상대적으로 증착되는 기판 상의 온도는 낮으며, 또한 낮은 온도로 인하여 열적 기판 변형도 낮아진다. 상기 플라즈마 밀도를 증가시켜 높은 증착두께와 막 균일도를 제공하는 스퍼터링 공정이 가능한 장치를 제공할 수 있다. 증착되는 재료는 금속, 산화물, 화합물 등 다양한 재료를 사용할 수 있다. 낮은 온도와 막 균일도로 인한 5G 코어 절연 코팅, 유기발광소자, 무기이엘 등 다양한 산업 기술 적용이 가능하다. 또한, 본 명세서에서 개시하는 증착장치는 펄스 직류 스퍼터링 방식에 적용이 가능하다. 또한, 본 명세서에서 개시하는 증착장치는 교류 스퍼터링 방식에도 적용이 가능하다. 또한, 본 명세서에서 개시하는 증착장치는 자석 배열체(190)를 활용함으로써 막 증착률을 높일 수 있다.
1 : 스퍼터건
2 : 증착 지그
3 : 플라즈마 분포 영역
180 : 타겟
190 : 자석 배열체
190a : 내측자석
190b :　외측자석
190c　：비자성부재
200 : 기판

Claims (8)

  1. 서로 대향하여 배치되는 스퍼터링 챔버 내에 다양한 기판과 타겟이 구성되어 지며, 연속 대면적 플라즈마 스퍼터링을 형성하여 일정한 전하 흐름을 유도 할 수 있는 자석 배열 형태를 포함하는 캐소드건으로 인한 공정과정;
    상기 챔버로 스퍼터링 가스를 주입하고, 전원부를 통하여 상기 기판과 상기 타겟 사이에 전압을 인가하여 상기 챔버 내부에 플라즈마를 생성하는 플라즈마생성과정을 포함하며,
    상기 타겟은 금속, 산화물, 화합물 등을 포함하는 챔버 내부에 플라즈마를 생성하는 플라즈마생성과정을 포함하며,
    상기 자석배열은 타겟 하부 또는 측면에 배치되며, 상기 자석배열 및 반복적인 자석배열 형태를 포함하는 챔버 내부에 플라즈마를 생성하는 플라즈마생성과정을 포함하며,
    상기 타겟은 일면이 상기 기판에 대향하여 배치되며, 상기 플라즈마에 의한 스퍼터링에 의하여 상기 기판의 일면에 막을 증착하는 스퍼터링 증착 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판에 대향하여 배치되며, 상기 플라즈마에 의한 스퍼터링에 의하여 상기 5G Core 절연층을 증착하는 스퍼터링 증착 방법
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판에 대향하여 배치되며, 상기 플라즈마에 의한 스퍼터링에 의하여 상기 유기이엘소자의 일면에 봉지막을 증착하는 스퍼터링 증착 방법
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판에 대향하여 배치되며, 상기 플라즈마에 의한 스퍼터링에 의하여 상기 무기이엘소자의 일면에 봉지막을 증착하는 스퍼터링 증착 방법
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판에 대향하여 배치되며, 상기 플라즈마에 의한 스퍼터링에 의하여 상기 다양한 전자 소자의 일면에 봉지막을 증착하는 스퍼터링 증착 방법
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판에 대향하여 배치되며, 상기 플라즈마에 의한 스퍼터링에 의하여 상기 다양한 케이스, 골프공, 내·외장재, 액세서리 등 다양한 구성품들 상에 금속, 산화물, 화합물 등을 증착하여 다양한 색상을 구현하는 스퍼터링 증착 방법
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판에 대향하여 배치되며, 상기 플라즈마에 의한 스퍼터링에 의하여 상기 다양한 웨이퍼, 고분자, 글라스, 섬유, 종이, 금속 등 평면 또는 유연 기판 상에 금속, 산화물, 화합물 등을 증착하는 스퍼터링 증착 방법
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판에 대향하여 배치되며, 상기 플라즈마에 의한 스퍼터링에 의하여 상기 다양한 웨이퍼, 고분자, 글라스, 섬유, 종이, 금속 등을 기판으로 하는 다양한 디스플레이 소자, 전자 소자, 광소자 내에 구성되는 금속, 산화물, 화합물 등을 증착하는 스퍼터링 증착 방법
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