KR20240043891A - 마그네트론 스퍼터링 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 마그네트론 스퍼터링 장치는, 스퍼터가스가 수용되고, 워크피스 배치되는 내부공간을 제공하는 챔버, 상기 내부공간에 형성되는 전기장에 의하여 상기 워크피스에 증착물질을 제공하는 스퍼터링 타겟 및 상기 스퍼터링 타겟의 일측에 배치되어 자기장을 형성하는 마그네틱을 포함하는 이온소스 유닛, 상기 이온소스 유닛 측으로 전력을 제공하는 전원공급 유닛, 및 상기 챔버의 외측에 설치되는 냉각장치 및 상기 냉각장치에서 상기 내부공간의 이온소스 유닛으로 직접 연결되는 금속재의 콜드헤드를 포함하여 냉매 유입이 없는 냉각 유닛을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
스퍼터링이란 반도체, FPD(LCD, OLED 등) 또는 태양 전지 제조 시 이용되는 기판 상에 박막을 증착하기 위하여, 플라즈마가 형성될 수 있는 진공을 이용하는 대표적인 물리증착(physical vapor deposition; PVD) 기술의 하나이다.
스퍼터링 장치는 다양한 요소에 의해서 효율이 달라질 수 있는데, 여러 스퍼터링 장치 중에서 효율을 향상시키기 위하여 마그네틱을 이용하는 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 장치가 있다.
마그네트론 스퍼터링 장치는, 일반적으로 챔버와 챔버 내부에 배치되는 구성으로서, 박막물질로 형성되는 스퍼터링 타겟, 스퍼터링 타겟이 결합되는 백킹 플레이트, 그리고 마그네틱을 포함한다.
마그네트론 스퍼터링 장치는 챔버 내부를 진공으로 조성한 후, 백킹 플레이트로 전압을 가하면서 챔버 내부에 아르곤 가스와 같은 스퍼터가스를 주입한다. 그러면, 스퍼터가스의 입자는 플라즈마 형태로 이온화되고, 이온화된 스퍼터가스의 입자는 스퍼터링 타겟에 충돌하는데, 이때 이온화된 스퍼터가스의 입자가 가진 운동에너지가 스퍼터링 타겟을 이루는 원자에 전달됨으로써, 스퍼터링 타겟을 이루는 원자들이 스퍼터링 타겟으로부터 방출되는 스퍼터링 반응이 형성될 수 있다.
그리고, 스퍼터링 타겟으로부터 방출된 원자들은 기판 쪽으로 확산되어 기판에 증착됨으로써 기판에 박막을 형성시킨다. 이때, 스퍼터링 타겟의 배면에 위치한 마그네틱에 의한 자기장의 영향으로 인하여, 이온화되는 입자들의 이온화 확률을 높임으로써 스퍼터링 현상이 빠르게 일어나게 된다.
스퍼터링 반응은 스퍼터가스와 함께 O, N2, N2O 등과 같은 반응가스를 도입하여 반응성 스퍼터링 현상을 통해 기판 상에 박막을 형성할 수 있는데, 반응성 스퍼터링은 반응가스를 챔버 내부에 도입하고 타겟으로부터 방출된 원자들과 반응시켜서, 기판 상에 직접 스퍼터링되거나 또는 자유 타겟 재료와 재차 반응시켜서 기판 상에 스퍼터링되는 막을 생산하게 된다.
마그네트론 스퍼터링 장치에서 마그네틱은 NdFeB의 소재의 영구자석이 사용될 수 있는데, 이러한 영구자석은 온도 증가에 따라 자기장의 세기가 급격하게 감소하게 된다. 따라서, 마그네트론 스퍼터링 장치는 플라즈마의 발생에 의하여 가열되고, 마그네틱이 열화되어 장치의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 스퍼터링 타겟과 마그네틱 사이에서 백킹 플레이트가 가열에 의하여 변형되거나, 스퍼터링 타겟의 일부 영역에 국부적인 침식이 발생하여 스퍼터링 타켓의 활용성이 저하되거나, 또는 자성체 타겟과 마그네틱(NdFeB 자석) 사이 자기장 간섭으로 인해 플라즈마가 형성되지 않아 얇은 자성체 타겟을 사용할 수밖에 없는 자성체 타겟 두께의 활용성에 대한 문제점을 가지고 있다. 그리고, 극저온 냉각온도를 유지시키기 위해 액화가스를 주입하는 경우 액화가스 튜브 연결 영역 및 액화가스 이동관 길이에 따라 냉매의 소비량 및 손실량에 대한 문제점을 가지고 있다.
이를 해결하기 위하여 수냉 방식의 냉각장치를 포함하여 마그네트론 스퍼터링 장치를 냉각시킬 수 있으나, 수냉 방식에서는 냉각 성능에 한계가 있고, 마그네트론 스퍼터링 장치의 구동이 활성화됨에 따라 냉각 성능이 열화되기 쉬우며, 나아가 스퍼터링 구동률이 높아지는 경우 장치가 과열되어 냉각장치가 변형되어 발생하는 누수, 자석 산화 등의 문제를 비롯하여, 자성체 타겟 두께에 대한 제약, 냉각 시스템 구조에 따른 냉매 소비량 및 손실량 등의 문제점이 아울러 발생할 수 있다.
본 발명은 마그네트론 스퍼터링 장치의 성능을 향상시키기 위하여, 효과적인 냉각이 이루어질 수 있는 맥동관 냉동기 결합을 통한 일체형 냉각 시스템을 제공하기 위한 것이다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로서, 이에 의한 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 마그네트론 스퍼터링 장치는, 스퍼터가스가 수용되고, 워크피스 배치되는 내부공간을 제공하는 챔버, 상기 내부공간에 형성되는 전기장에 의하여 상기 워크피스에 증착물질을 제공하는 스퍼터링 타겟 및 상기 스퍼터링 타겟의 일측에 배치되어 자기장을 형성하는 마그네틱을 포함하는 이온소스 유닛, 상기 이온소스 유닛 측으로 전력을 제공하는 전원공급 유닛, 및 상기 챔버의 외측에 설치되는 냉각장치 및 상기 냉각장치에서 상기 내부공간의 이온소스 유닛으로 직접 연결되는 금속재의 콜드헤드를 포함하는 냉각 유닛을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 콜드헤드는 상기 콜드헤드를 감싸는 진공층이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 열전도를 이용하여 상기 마그네틱이 -270 ~ 20 ℃를 유지하도록, 상기 콜드헤드가 상기 이온소스 유닛 및 상기 냉각장치를 직접 연결할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 냉각장치는 연결부에 의해 상기 챔버에 설치되고, 상기 연결부는 방진부와 상기 방진부의 양단에 형성되는 결착부를 포함하고, 상기 방진부는 상기 콜드헤드를 감싸는 금속 벨로우즈를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 냉각장치는 맥동관 냉동기로 제공되어 상기 챔버와 일체로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 마그네틱은 상기 스퍼터링 타겟에 대하여 상이한 극으로 배치되는 제1 마그네틱 및 제2 마그네틱을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이온소스 유닛은 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 마그네틱이 설치되는 프레임을 포함하고, 상기 프레임의 일측에 복수의 코어가 수나사 형태로 삽입되고, 상기 콜드헤드는 상기 프레임의 일측면으로 노출되는 상기 복수의 코어와 면 접촉할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이온소스 유닛은 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 마그네틱이 설치되는 프레임을 포함하고, 코어, 및 내주면이 상기 코어의 외주면과 접하고 상기 코어의 연장방향을 따라 이격 배치되는 복수의 디스크가 상기 프레임에 삽입되고, 상기 콜드헤드는 상기 프레임의 일측면으로 노출되는 상기 코어와 면 접촉할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이온소스 유닛은 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 마그네틱이 설치되는 프레임을 포함하고, 상기 프레임의 일측면은 요부 및 철부를 갖는 형태로 형성되고, 상기 콜드헤드의 단부는 상기 프레임의 일측면과 상보적인 형태로 형성되어 상기 프레임의 일측면과 결합할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 냉각 유닛 및 상기 전원공급 유닛을 제어하는 제어 유닛, 및 상기 이온소스 유닛의 온도를 측정할 수 있는 센싱 유닛을 더 포함할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명에 의하면 마그네트론 스퍼터링 장치의 냉매가 필요 없는 일체형 냉각 시스템을 통해 냉각 성능을 개선하여 마그네트론 스퍼터링 장치의 성능 및 효율을 향상시킬 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치를 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 이온소스 유닛의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 이온소스 유닛의 구성 일부에 대한 단면도이다.
도 4는 도 1의 마그네트론 스퍼터링 장치의 온도변화에 따라 마그네틱에 의한 자기장의 세기를 도시한 시뮬레이션 데이터 값을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 1의 챔버에 냉각 유닛이 설치된 상태를 도시하는 도면이다.
도 6은 도 5에서 이온소스 유닛과 제1 냉각유닛의 연결 부분을 도시하는 도면이다.
도 7은 도 6과 다른 실시예의 이온소스 유닛과 제1 냉각유닛의 연결 부분을 도시하는 도면이다.
도 8은 도 6과 또 다른 실시예의 이온소스 유닛과 제1 냉각유닛의 연결 부분을 도시하는 도면이다.
도 9는 도 5에서 이온소스 유닛과 제2 냉각유닛의 연결 부분을 도시하는 도면이다.
도 10은 도 9와 다른 실시예의 이온소스 유닛과 제2 냉각유닛의 연결 부분을 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 이온소스 유닛의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 이온소스 유닛의 구성 일부에 대한 단면도이다.
도 4는 도 1의 마그네트론 스퍼터링 장치의 온도변화에 따라 마그네틱에 의한 자기장의 세기를 도시한 시뮬레이션 데이터 값을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 1의 챔버에 냉각 유닛이 설치된 상태를 도시하는 도면이다.
도 6은 도 5에서 이온소스 유닛과 제1 냉각유닛의 연결 부분을 도시하는 도면이다.
도 7은 도 6과 다른 실시예의 이온소스 유닛과 제1 냉각유닛의 연결 부분을 도시하는 도면이다.
도 8은 도 6과 또 다른 실시예의 이온소스 유닛과 제1 냉각유닛의 연결 부분을 도시하는 도면이다.
도 9는 도 5에서 이온소스 유닛과 제2 냉각유닛의 연결 부분을 도시하는 도면이다.
도 10은 도 9와 다른 실시예의 이온소스 유닛과 제2 냉각유닛의 연결 부분을 도시하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예를 들어, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 이하의 실시예는 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결되는 경우뿐만 아니라 영역, 구성요소들 중간에 다른 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치(1)를 도시하는 도면이고, 도 2는 도 1의 이온소스 유닛(40)의 분해 사시도이며, 도 3은 도 2의 이온소스 유닛(40)의 구성 일부에 대한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 마그네트론 스퍼터링 장치(1)는 챔버(10), 가스공급 유닛(20), 전원공급 유닛(30) 및 이온소스 유닛(40)을 포함할 수 있다.
챔버(10)는 외부와 밀폐되는 내부공간을 갖고, 내부공간에 스퍼터가스가 수용되고 워크피스(W)가 배치되어 워크피스(W)의 증착 공정이 이루어질 수 있다. 워크피스(W)는, 예를 들어 반도체, FPD 또는 태양 전지 제조 시 이용되는 기판일 수 있다.
챔버(10)는 진공펌프에 의하여 내부공간이 진공상태로 형성될 수 있다. 챔버의 내부공간에는 워크피스(W)와 워크피스(W)를 지지하는 홀더(3)가 구비될 수 있다.
챔버의 내부공간에서 워크피스(W)의 대향되는 위치에는 이온소스 유닛(40)이 배치될 수 있다. 챔버의 내부공간에서 워크피스(W)와 이온소스 유닛(40) 사이에 형성되는 플라즈마(P)에 의해 워크피스(W)에 박막이 증착 형성될 수 있다. 플라즈마(P)는 챔버의 내부공간에 제공되는 스퍼터가스의 입자가 이온화되면서 형성될 수 있다.
가스공급 유닛(20)은 가스공급장치(21), 질량 유량계(23) 및 가스 공급관(25)을 포함하여 챔버의 내부공간으로 스퍼터가스를 공급할 수 있다. 일 실시예로, 가스 공급관(25)은 질량 유량계(23) 및/또는 가스공급장치(21)와 연결되어, 챔버(10) 내부로 스퍼터가스를 공급할 수 있다. 스퍼터가스는, 예를 들어 아르곤(Ar) 가스일 수 있다. 다만, 스퍼터가스는 아르곤 가스에 한정되지 아니하고, 네온(Ne) 가스와 같은 불활성 기체 또는 질소(N) 가스와 같이 불활성 기체와 유사한 성질을 갖는 기체로 대체될 수 있다.
가스공급 유닛(20)은 챔버의 내부공간으로 스퍼터가스와 아울러 반응가스를 제공할 수 있다. 반응가스는, 예를 들어 O, N2, N2O 등을 포함하는 가스일 수 있다. 반응가스는 챔버의 내부공간에서 직접 원자를 방출하여 워크피스(W) 상에 박막을 형성할 수 있다.
도 1을 참조하면, 가스 공급관(25)이 챔버(10)의 일 측면으로 연결되도록 도시되었으나, 이에 한정되지 아니하고 이온소스 유닛(40)에 인접하게 배치되어 스퍼터링 타겟(41)으로 직접적으로 아르곤 가스를 제공할 수 있다.
질량 유량계(23), 즉 MFC(Mass Flow Controller)는 가스공급장치(21)로부터 챔버(10) 내부로 제공되는 가스의 양을 정확하게 측정하고 제어하는 장치로서, 가스의 종류 또는 스퍼터링 타겟(41) 등에 따라 복수로 포함할 수 있다.
전원공급 유닛(30)은 전원공급장치(31) 및 전원 케이블(33)을 포함하고, 이온소스 유닛(40)으로 전력을 공급하여, 챔버의 내부공간으로 제공되는 스퍼터가스를 이온화시킬 수 있다.
전원공급 유닛(30)은 이온소스 유닛(40)으로 전류를, 보다 바람직하게는 직류 전류를 제공하여 챔버의 내부공간에서 전기장을 형성할 수 있다. 챔버의 내부공간에 형성되는 전기장에 의하여 챔버의 내부공간에 수용되는 스퍼터가스의 입자가 플라즈마 형태로 이온화될 수 있다.
이온소스 유닛(40)은 워크피스(W)와 대향하여 배치되고, 워크피스(W)로 증착되는 원자를 제공할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 이온소스 유닛(40)은 스퍼터링 타겟(41), 마그네틱(42), 백킹 플레이트(43), 프레임(44) 및 쉴드(45)를 포함할 수 있다.
스퍼터링 타겟(41)은 Al, Mo, Ti, Cu나 ITO 등 워크피스(W) 상에 증착시키려는 박막의 조성에 대응하여 마련되고, 스퍼터링의 재료로 사용되도록 고순도로 제조될 수 있다. 일 실시예로, 스퍼터링 타겟(41)은 분말야금법에 의해 소정의 두께를 갖는 평판의 형태로 제조될 수 있다.
스퍼터링 타겟(41)은 챔버의 내부공간에 형성되는 자기장에 의하여 워크피스(W)에 증착물질을 제공할 수 있다.
스퍼터링 타겟(41)의 일측에는 마그네틱(42)이 배치되어 자기장(B)을 형성할 수 있다. 일 실시예로, 마그네틱(42)은 스퍼터링 타겟(41)을 사이에 두고 워크피스(W)와 대향하도록 배치될 수 있다.
마그네틱(42)은 복수 개로 마련될 수 있다. 일 실시예로, 마그네틱(42)은 스퍼터링 타겟(41)에 대하여 상이한 극으로 배치되는 제1 마그네틱(421) 및 제2 마그네틱(422)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 마그네틱(421)은 스퍼터링 타겟(41)을 향하여 N극을 갖도록 배치되고, 제2 마그네틱(422)은 스퍼터링 타겟(41)을 향하여 S극을 갖도록 배치될 수 있다.
일 실시예로 도 2를 참조하면, 제1 자성체는 중심영역이 개방된 원통 형상으로 단면이 환형으로 형성되고, 제2 자성체는 제1 자성체의 내주면과 이격되어 제1 자성체의 중심영역에 삽입 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 스퍼터링 타겟(41)의 일측(하측)에서, 복수의 마그네틱(42)이 스퍼터링 타겟(41)에 대하여 N극과 S극이 교번하도록 배치되어, 스퍼터링 타겟(41)의 타측(상측)에서 폐루프의 터널 모양의 자속을 갖는 자기장(B)이 형성될 수 있다. 스퍼터링 타겟(41)의 타측(상측)에서 전리한 전자 및 스퍼터링에 의해 생긴 2차 전자가 자기장(B)에 의해 포착되어, 플라즈마의 밀도가 높아지고, 스퍼터링율을 향상시킬 수 있다.
스퍼터링 타겟(41) 및 마그네틱(42) 사이에는 백킹 플레이트(43)가 배치될 수 있다. 스퍼터링 공정 중에 챔버의 내부공간의 온도는 상온과 대략 150℃ 사이를 오가며 운행되므로, 백킹 플레이트(43)는 스퍼터링 타겟(41)의 빠른 냉각과 가열 과정 중 스퍼터링 타겟(41)의 변형을 최소화시킬 수 있는 부품으로 열전도율이 우수한 금속 소재로 선택될 수 있다. 일 실시예로, 백킹 플레이트(43)는 Cu 플레이트로 마련될 수 있다. 백킹 플레이트(43)는 스퍼터링 타겟(41)의 일측면에 본딩될 수 있다.
백킹 플레이트(43)에는 전원공급 유닛(30)으로부터 전력이 인가되어 스퍼터링 타겟(41)으로 인가된 전력을 전달할 수 있다. 스퍼터링 타겟(41)은 인가된 전력에 의해 플라즈마를 형성하여 워크피스(W)에 증착물질을 증착시킬 수 있다.
프레임(44)은 이온소스 유닛(40)의 외관을 형성하고, 스퍼터링 타겟(41), 마그네틱(42) 및 백킹 플레이트(43)가 설치되는 공간을 제공하고, 해당 공간에서 발생되는 열이 방출되도록 열전도성이 뛰어날 재료, 예를 들어 Cu를 포함하는 재료로 형성될 수 있다.
프레임(44)의 내측 가장자리에는 충진재가 충진될 수 있으며, 충진재는 열전도율이 낮은 고압 유리 섬유, 발포 폴리스틸렌 및 플라스틱으로 마련되어 이온소스 유닛(40)의 단열 성능을 향상시킬 수 있다. 프레임(44)은 아래에서 설명되는 냉각 유닛에 의하여 저온으로 냉각될 수 있는데, 이때 충진재는 프레임(44) 내부를 저온 상태로 유지하는 데에 도움이 될 수 있다.
스퍼터링 타겟(41)의 타측에는 쉴드(45)가 배치될 수 있다. 일 실시예로, 쉴드(45)는 환형의 형태로 스퍼터링 타겟(41)의 외측을 감쌀 수 있다. 쉴드(45)는 백킹 플레이트(43) 및 스퍼터링 타겟(41)과 통전되지 않도록 배치될 수 있다.
쉴드(45)가 애노드 역할을 하여, 캐소드 역할을 하는 스퍼터링 타겟(41)과 전기장을 형성할 수 있다. 쉴드(45)와 스퍼터링 타겟(41)에서 형성되는 전기장에 의해, 스퍼터가스가 여기되어 플라즈마를 형성하도록 할 수 있다.
도 4는 도 1의 마그네트론 스퍼터링 장치(1)의 온도변화에 따라 마그네틱(42)에 의한 자기장의 세기를 도시한 시뮬레이션 데이터 값을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 스퍼터링 타겟(41)의 온도가 상온 상태(R. T, 섭씨 25도) 및 극저온 상태(화씨 150K, 섭씨 영하 123도) 상태인 경우에, 스퍼터링 타켓의 타측에서 형성되는 자기장 세기를 도시한 그래프이다.
X축은 스퍼터링 타겟(41)의 상면의 중심부를 0 mm 기준으로 설정한 위치이며, 제1 마그네틱(421)이 배치되는 위치는 0 mm ~ 5mm 사이이고, 제2 마그네틱(422)이 배치되는 위치는 20 mm ~ 25 mm 사이의 위치이다. 그리고, Y 축은 스퍼터링 타겟(41)의 타측에서 각 위치에 대응되는 자기장의 세기를 도시한 것이다.
스퍼터링 타겟(41)의 타측에서 상온 상태에 비하여 저온 상태일 때 자기장의 세기가 20 % 정도 증가한 것을 확인할 수 있다.
이온소스 유닛(40)의 온도를 저온으로 유지하는 경우, 챔버의 내부공간에서 형성되는 자기장의 세기가 증가하고, 마그네트론 스퍼터링 장치(1)의 구동 효율, 박막 형성 속도, 박막의 품질이 개선될 수 있으며, 백킹 플레이트(43) 및/또는 스퍼터링 타겟(41)의 열화를 방지하고 활용도를 높일 수 있다.
이에, 이온소스 유닛(40)을 저온 상태로 유지하기 위한, 냉각 유닛이 제공될 수 있다.
도 5는 도 1의 챔버(10)에 냉각 유닛이 설치된 상태를 도시하는 도면이다. 마그네트론 스퍼터링 장치(1)는 냉각 유닛, 센싱 유닛(49) 및 제어 유닛(미도시)을 포함하여, 챔버의 내부공간의 온도, 바람직하게는 이온소스 유닛(40)의 온도를 조절할 수 있다.
도 5를 참조하면, 센싱 유닛(49)은 이온소스 유닛(40)의 온도를 측정하도록 제공될 수 있다. 일 실시예로, 센싱 유닛(49)은 챔버(10)의 외부에서 이온소스 유닛(40)과 연결되는 케이블을 통하여 이온소스 유닛(40)의 온도를 감지할 수 있다. 예를 들어, 센싱 유닛(49)은 프레임(44)을 통해 마그네틱(421, 422)의 온도를 감지할 수 있다.
제어 유닛은 센싱 유닛(49)으로부터 감지되는 이온소스 유닛(40)의 온도를 기반으로, 전원공급 유닛(30) 및 냉각 유닛을 제어할 수 있다.
냉각 유닛은 이온소스 유닛(40)을 냉각시키기 위해 마련되고, 제1 냉각 유닛(50) 및 제2 냉각 유닛(60)을 포함할 수 있다.
제1 냉각 유닛(50)은 제1 냉각장치(51), 연결수단(52) 및 콜드헤드(53)를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 제1 냉각장치(51)는 맥동관 냉동기로 제공될 수 있다. 맥동관 냉동기는 압축기, 재생기, 맥동관, 그리고 흡입(고압) 및 배기(저압) 밸브로 구성되며, 밸브 개폐를 제어함으로써 작동유체(냉매가스)를 맥동관 속으로 충진하거나 맥동관에서 외부로 팽창 배출하여 저온의 냉매 가스가 생성되게 하는 원리로 동작할 수 있다.
제1 냉각장치(51)는 연결수단(52)을 통하여 챔버(10) 외부의 일 측에 설치될 수 있다. 제1 냉각장치(51)는 챔버(10)와 일체로 형성될 수 있다.
연결수단(52)은 제1 냉각장치(51)와 챔버(10)의 안정적인 결합을 형성하되, 제1 냉각장치(51)에서 발생하는 진동이 챔버(10) 측으로 전달되는 것을 방지하도록 마련될 수 있다.
일 실시예로, 연결수단(52)은 방진부(521)와 방진부(521) 양 단부에 형성되는 결착부(522)를 포함할 수 있다.
방진부(521)는 제1 냉각장치(51)에서 발생하는 진동이 챔버(10) 측으로 전달되는 것을 방지할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 방진부(521)는 콜드헤드(53)를 감싸는 금속재의 벨로우즈를 포함할 수 있다. 벨로우즈의 내측에는 충진재가 충진되어 콜드헤드(53)의 열손실을 막을 수 있다. 충진재는 열전도율이 낮은 고압 유리 섬유, 발포 폴리스틸렌 및 플라스틱으로 마련될 수 있다. 그리고, 방진부(521)는 벨로우즈 외측을 감싸는 방진패드를 더 포함할 수 있다. 방진패드는 벨로우즈와 함께 제1 냉각장치(51)에서 발생하는 진동을 흡수함과 아울러, 금속재의 벨로우즈의 내구성과 단열 효과를 향상시킬 수 있다.
결착부(522)는 제1 냉각장치(51)와 챔버(10)의 안정적인 결합을 이룰 수 있는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 결착부(522)는 방진부(521)의 양 단에서 각각 방진부(521)의 연장방향과 교차하는 방향으로 연장되는 플랜지 형태로 마련될 수 있다. 결착부(522)는 각각 제1 냉각장치(51)와 챔버(10)에 결합될 수 있다. 이때, 볼트와 너트와 같은 결합부재가 사용될 수 있다.
제1 냉각 유닛(50)은 콜드헤드(53)를 통하여 이온소스 유닛(40)에 연결되어 이온소스 유닛(40)을 냉매 없이 냉각시킬 수 있다. 이는, 콜드헤드(53)가 맥동관 냉동기로 마련되는 제1 냉각장치(51)와 이온소스 유닛(40)을 직접 연결함으로써, 제1 냉각 유닛(50)과 이온소스 유닛940) 사이를 유동하는 냉매가 요구되지 않음을 의미할 수 있다. 일 실시예로, 콜드헤드(53)는 이온소스 유닛(40) 또는 마그네틱(42)이 저온 상태, 예를 들어 -270℃(영하) ~ 20℃(영상)로 유지되도록, 챔버(10)의 외측에 설치되는 제1 냉각장치(51)에서 챔버의 내부공간의 이온소스 유닛(40)으로 직접 연결되어, 이온소스 유닛(40)에서 발생하는 열을 열전도 방식으로 제1 냉각 유닛(50)에 전달할 수 있다.
콜드헤드(53)는 열전도성이 뛰어난 재료로 제조될 수 있다. 일 실시예로, 콜드헤드(53)는 금속재, 가령 구리를 포함하는 금속재로 제조될 수 있다. 콜드헤드(53)는 챔버(10)의 외부에 설치되는 제1 냉각장치(51) 측에서부터 챔버의 내부공간에 설치되는 이온소스 유닛(40) 측까지 연장되고, 콜드헤드(53)는 콜드헤드(53)를 감싸는 진공층이 형성될 수 있다.
도 6은 도 5에서 이온소스 유닛(40)과 제1 냉각유닛의 연결 부분을 도시하는 도면이고, 도 7은 도 6과 다른 실시예의 이온소스 유닛(40)과 제1 냉각유닛의 연결 부분을 도시하는 도면이며, 도 8은 도 6과 또 다른 실시예의 이온소스 유닛(40)과 제1 냉각유닛의 연결 부분을 도시하는 도면이다.
일 실시예로 도 6을 참조하면, 콜드헤드(53)는 프레임(44)과 결합하되, 프레임(44)의 일측면과 면접촉할 수 있다. 이때, 프레임(44)의 일측에는 프레임(44)에 삽입되는 복수의 코어(461)가 마련되고, 콜드헤드(53)는 프레임(44)의 일측면으로 노출되는 코어(461)와 면접촉을 할 수 있다.
코어(461)는 이온소스 측에서 발생하는 열의 전도를 향상시킬 수 있도록, 열전도성이 뛰어난 재료로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 코어(461)는 금속재, 가령 구리를 포함하는 금속재로 형성될 수 있다.
코어(461)는 프레임(44)의 일측면에 소정의 간격으로 이격되어 일정 패턴을 갖도록 배치될 수 있다.
코어(461)는 프레임(44)의 두께 방향을 향해 소정의 깊이 삽입될 수 있다. 예를 들어, 코어(461)는 프레임(44)이 제조될 때 프레임(44)에 삽입된 상태로 프레임(44)과 함께 제조될 수 있다. 또는, 코어(461)는 콜드헤드(53)가 프레임(44)에 결합될 때 프레임(44)에 형성된 홀에 삽입될 수 있다. 이때, 코어(461)는 프레임(44)에 형성된 홀에 나사결합되는 수나사 형태로 마련될 수 있다.
다른 실시예로 도 7을 참조하면, 콜드헤드(53)는 프레임(44)의 일측면과 면접촉함과 아울러, 프레임(44)의 일측면으로 노출되는 코어(461)와 면접촉을 할 수 있다. 이때, 코어(461)는, 내주면이 코어(461)의 외주면과 접하고 코어(461)의 연장방향을 따라 이격 배치되는 복수의 디스크(462)와 프레임(44)에 삽입 설치될 수 있다.
코어(461)는 디스크(462)의 내주면을 통과하며 프레임(44)의 두께 방향을 향해 소정의 깊이 연장될 수 있다. 예를 들어, 코어(461)는 프레임(44)에 디스크(462)와 함께 삽입된 상태로 프레임(44)과 함께 제조될 수 있다. 또는, 콜드헤드(53)가 프레임(44)에 결합될 때, 코어(461)는 프레임(44)에 형성된 디스크(462)의 외주면을 통과하는 경로로 형성된 홀을 통하여 삽입될 수 있다. 이때, 코어(461)는 프레임(44)에 형성된 홀에 나사결합되는 수나사 형태로 마련될 수 있다.
코어(461)는 프레임(44)의 일측면에 대하여 중앙부에 하나 마련될 수 있지만, 프레임(44)의 일측면에 소정의 간격으로 이격되어 일정 패턴을 갖도록 배치되도록 복수 개 마련될 수 있다. 이때, 각각의 코어(461)의 외주면은 디스크(462)를 두께방향으로 관통하며 디스크(462)와 면접촉할 수 있다.
또 다른 실시예로 도 8을 참조하면, 프레임(44)의 일측면은 요부(441) 및 철부(442)를 갖는 형태로 형성될 수 있다. 철부는 요부에 비하여 돌출형성된 부분으로, 요부와 철부에서 단차가 형성될 수 있다.
콜드헤드(53)는 프레임(44)의 일측면과 접촉하는 단부가 요부 및 철부를 갖는 프레임(44)의 일측면과 상보적인 형태로 형성되어 프레임(44)의 일측면과 결합할 수 있다. 예를 들어, 콜드헤드(53)의 단부가 프레임(44)의 일측면에 접촉하는 상태에서, 프레임(44)의 일측면에 형성된 요부에 콜드헤드(53)의 단부에 형성된 철부와 삽입되고, 프레임(44)의 일측면에 형성된 철부는 콜드헤드(53)의 단부에 형성된 요부에 삽입된 상태로 결합을 이룰 수 있다.
도 6 내지 도 8에 도시된 이온소스 유닛(40)과 제1 냉각유닛의 연결 구조는 이온소스 유닛(40)으로부터 제1 냉각유닛으로의 연전달을 향상시킬 수 있다.
한편, 제1 냉각 유닛(50)과 함께, 또는 제1 냉각 유닛(50)과 별도로 제2 냉각 유닛(60)이 제공될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제2 냉각 유닛(60)은 제2 냉각장치(61)와 냉매공급관(62) 및 냉매회수관(63)을 포함할 수 있다.
제2 냉각장치(61)는 컴프레셔 및 펌프를 포함할 수 있다. 제2 냉각장치(61)는 컴프레셔를 이용하여 냉매를 냉각시키고, 냉각된 냉매는 펌프를 이용하여 냉매공급관(62)을 통해 이온소스 유닛(40) 측으로 유동할 수 있다. 그리고, 이온소스 유닛(40)에서 순환되어 배출되는 냉매는 냉매회수관(63)을 통해 제2 냉각장치(61)로 유동할 수 있다. 이때, 냉매는 액화 질소, 액화 헬륨 또는 액화 수소와 같은 액화 가스로 마련될 수 있다.
도 9는 도 5에서 이온소스 유닛(40)과 제2 냉각 유닛(60)의 연결 부분을 도시하는 도면이고, 도 10은 도 9와 다른 실시예의 이온소스 유닛(40)과 제2 냉각 유닛(60)의 연결 부분을 도시하는 도면이다.
일 실시예로 도 9를 참조하면, 프레임(44)은 순환유로(471), 그리고 순환유로(471)와 연통하는 유입관(471a) 및 배출관(471b)이 구비될 수 있다.
순환유로(471)는 프레임(44) 내부에서 제1 마그네틱(421) 및 제2 마그네틱(422)과 이격 배치되어, 스퍼터링 타겟(41), 제1 마그네틱(421), 제2 마그네틱(422), 백킹 플레이트(43) 및 프레임(44)을 냉각시킬 수 있는 냉매를 순환시킬 수 있다.
순환유로(471)는 프레임(44) 내부에서 복수 개로 마련되는 마그네틱(42)을 냉각시키기에 이온소스 유닛(40)의 발열원에 인접하여 배치될 수 있다.
순환유로(471)는 유입관(471a) 및 배출관(471b)과 연통할 수 있다. 챔버(10)의 외부에서 냉매공급관(62)을 통하여 공급되는 냉매는 유입관(471a)을 통하여 순환유로(471)로 유입될 수 있다. 유입관(471a)으로 유입된 냉매는 순환유로(471)를 따라 유동한 후 배출관(471b)을 통하여 배출될 수 있다. 냉매는 제2 냉각장치(61)와 이온소스 유닛(40) 내부를 순환하며 이온소의 유닛에서 발생되는 열을 제2 냉각장치(61)로 전달할 수 있다.
유입관(471a)과 배출관(471b) 및 냉매공급관(62)과 냉매회수관(63)은 내부가 진공 상태로 유지되어, 관 내부를 유동하는 냉매가 관 내부에 잔존하는 공기 또는 외부와 열 교환하는 것을 최소화할 수 있다. 그리고, 이들은 단열 소재로 이루어질 수 있고, 외부에 진공층이 형성될 수 있다.
다른 실시예로 도 10을 참조하면, 프레임(44)은 냉각 플레이트(481)가 더 구비될 수 있다.
냉각 플레이트(481)는 프레임(44) 내부에서 제1 마그네틱(421) 및 제2 마그네틱(422)과 이격 배치될 수 있다. 냉각 플레이트(481)는 프레임(44) 내부를 순환하는 냉매와 열교환을 하며, 이온소스 유닛(40)을 냉각시킬 수 있다. 일 실시예로, 프레임(44) 내부에 형성되는 순환유로(471)는 냉각 플레이트(481)의 표면을 따라 형성될 수 있다.
냉각 플레이트(481)는 열전도율이 우수한 소재로 선택될 수 있다. 예를 들어, 냉각 플레이트(481)는 구리와 같은 금속 소재를 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 마그네트론 스퍼터링 장치
10: 챔버
20: 가스공급 유닛
30: 전원공급 유닛
40: 이온소스 유닛
49: 센싱 유닛
50: 제1 냉각유닛
60: 제2 냉각유닛
W: 워크피스
P: 플라즈마
B: 자기장
10: 챔버
20: 가스공급 유닛
30: 전원공급 유닛
40: 이온소스 유닛
49: 센싱 유닛
50: 제1 냉각유닛
60: 제2 냉각유닛
W: 워크피스
P: 플라즈마
B: 자기장
Claims (10)
- 스퍼터가스가 수용되고, 워크피스 배치되는 내부공간을 제공하는 챔버;
상기 내부공간에 형성되는 전기장에 의하여 상기 워크피스에 증착물질을 제공하는 스퍼터링 타겟 및 상기 스퍼터링 타겟의 일측에 배치되어 자기장을 형성하는 마그네틱을 포함하는 이온소스 유닛;
상기 이온소스 유닛 측으로 전력을 제공하는 전원공급 유닛; 및
상기 챔버의 외측에 설치되는 냉각장치 및 상기 냉각장치에서 상기 내부공간의 이온소스 유닛으로 직접 연결되는 금속재의 콜드헤드를 포함하는 냉각 유닛;을 포함하는,
마그네트론 스퍼터링 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 콜드헤드는 상기 콜드헤드를 감싸는 진공층이 형성되는,
마그네트론 스퍼터링 장치. - 제1 항에 있어서,
열전도를 이용하여 상기 마그네틱이 -270 ~ 20 ℃를 유지하도록, 상기 콜드헤드가 상기 이온소스 유닛 및 상기 냉각장치를 직접 연결하는,
마그네트론 스퍼터링 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 냉각장치는 연결부에 의해 상기 챔버에 설치되고,
상기 연결부는 방진부와 상기 방진부의 양단에 형성되는 결착부를 포함하고,
상기 방진부는 상기 콜드헤드를 감싸는 금속 벨로우즈를 포함하는,
마그네트론 스퍼터링 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 냉각장치는 맥동관 냉동기로 제공되어 상기 챔버와 일체로 형성되는,
마그네트론 스퍼터링 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 마그네틱은 상기 스퍼터링 타겟에 대하여 상이한 극으로 배치되는 제1 마그네틱 및 제2 마그네틱을 포함하는,
마그네트론 스퍼터링 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 이온소스 유닛은 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 마그네틱이 설치되는 프레임을 포함하고,
상기 프레임의 일측에 복수의 코어가 수나사 형태로 삽입되고,
상기 콜드헤드는 상기 프레임의 일측면으로 노출되는 상기 복수의 코어와 면 접촉하는,
마그네트론 스퍼터링 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 이온소스 유닛은 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 마그네틱이 설치되는 프레임을 포함하고,
코어, 및 내주면이 상기 코어의 외주면과 접하고 상기 코어의 연장방향을 따라 이격 배치되는 복수의 디스크가 상기 프레임에 삽입되고,
상기 콜드헤드는 상기 프레임의 일측면으로 노출되는 상기 코어와 면 접촉하는,
마그네트론 스퍼터링 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 이온소스 유닛은 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 마그네틱이 설치되는 프레임을 포함하고,
상기 프레임의 일측면은 요부 및 철부를 갖는 형태로 형성되고,
상기 콜드헤드의 단부는 상기 프레임의 일측면과 상보적인 형태로 형성되어 상기 프레임의 일측면과 결합하는,
마그네트론 스퍼터링 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 냉각 유닛 및 상기 전원공급 유닛을 제어하는 제어 유닛; 및
상기 이온소스 유닛의 온도를 측정할 수 있는 센싱 유닛;을 더 포함하는,
마그네트론 스퍼터링 장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020220122858A KR20240043891A (ko) | 2022-09-27 | 2022-09-27 | 마그네트론 스퍼터링 장치 |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220122858A KR20240043891A (ko) | 2022-09-27 | 2022-09-27 | 마그네트론 스퍼터링 장치 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220122858A KR20240043891A (ko) | 2022-09-27 | 2022-09-27 | 마그네트론 스퍼터링 장치 |
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