KR940005324B1 - Metal coating apparatus with a shielding electrode - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 음극 차폐판을 구비한 종래의 아크방전식 금속피복장치의 단면도.1 is a cross-sectional view of a conventional arc discharge type metal coating device having a negative electrode shield plate.
제2도는 방전구속링을 구비한 종래의 금속피복장치의 단면도.2 is a cross-sectional view of a conventional metal coating apparatus having a discharge confinement ring.
제3도는 본발명의 차폐전극을 구비한 금속피복장치의 단면도.3 is a cross-sectional view of a metal coating device having a shielding electrode of the present invention.
제4도는 자석의 작동상태를 나타낸 단면도.4 is a cross-sectional view showing the operating state of the magnet.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 진공 챔버 2 : 음극 지지체1: vacuum chamber 2: cathode support
3 : 타켓 12 : 통체3: target 12: cylinder
13 : 절연체 14 : 자장 발생부13: insulator 14: magnetic field generating unit
15 : 수냉관 16 : 차폐전극15: water cooling tube 16: shielding electrode
17 : 영구자석 18 : 함체17: permanent magnet 18: enclosure
19 : 축 20 : 직선 베어링19: axis 20: linear bearing
21 : 지지체 22 : 핸들21 support 22 handle
(A) : 전압전원 (B) : 차폐전극 전압 전원(A): Voltage power supply (B): Shielding electrode voltage power supply
본 발명은 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 특히 아크방전의 효율적인 구속 및 제어로서 균일한 피막과 불순물 발생의 억제 및 음극 지지체의 보호에 적합한 차폐전극을 갖는 금속피복장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sputtering apparatus, and more particularly, to a metal coating apparatus having a shielding electrode suitable for the uniform coating and suppression of the generation of impurities and the protection of the cathode support as an efficient restraint and control of arc discharge.
아크방전을 이용한 스퍼터링 기술에 있어서 음극 아크점(cuthode arc spot)에서 발생하는 금속 입자는 높은 이온의 에너지로서 타겟판 위를 빠른 속도로 움직여 모재인 기판표면에 강하고 조밀한 피막을 형성시킨다.In sputtering technology using arc discharge, the metal particles generated at the cathode arc spot (highly energy) move on the target plate at high speed as energy of high ions to form a strong and dense film on the surface of the substrate.
이와 같은 기술에서는 음극 지지체의 보호, 불순물 발생의 억제, 아크방전의 안정적 유지와 기판표면에 입자덩어리(droplet)형성을 억제하기 위하여 음극 아크점을 타겟판 영역에 제한시켜 움직이는 분포를 전체적으로 균일화시켜야 한다.In this technique, in order to protect the cathode support, to suppress impurities, to stably maintain arc discharge, and to suppress particle formation on the surface of the substrate, the cathode arc point should be limited to the target plate region to make the moving distribution uniform. .
이와 같은 음극 아크점을 타겟 표면에 제한시키는 선행기술을 제1도 및 제2도와 같다.The prior art of limiting such a cathode arc point to a target surface is shown in FIGS. 1 and 2.
제1도의 경우는 진공 챔버(1)내의 음극 지지체(2)에 타겟(3)을 올려 놓고 이들을 고정부재(4)에 의해 고정하고 타겟 상방에서 음극 차폐판(5)과 아크 발생부(6)에 연결된 아크 발생 전극(7)을 배치한 구조로 되어 있다.In the case of FIG. 1, the target 3 is placed on the cathode support 2 in the vacuum chamber 1 and fixed by the fixing member 4, and the cathode shield plate 5 and the arc generator 6 are located above the target. The arc generating electrode 7 connected to the structure is arrange | positioned.
이런 구조에서는 타겟(3)에서 발생한 금속 입자중 주변부로 방출되는 각도를 갖는 금속 입자는 음극 차폐판(5)에 부딪친 다음 스퍼티 입자는 모재인 기판(8)상부로 진행하도록 하고 있다.In this structure, the metal particles having an angle emitted to the periphery of the metal particles generated in the target 3 hit the negative electrode shielding plate 5, and then the sputter particles proceed to the upper portion of the substrate 8 as the base material.
그러나 이와 같은 구조에서는 타겟(3)이 소형(약Φ100㎜ 이하)인 경우에 유용하게 사용할 수 있으나 하나의 타겟으로는 넓은 영역의 기판(8)에는 균일한 피막이 어려워 타겟을 비롯한 이온원을 여러 곳에 설치하여야 하는 번잡성이 있고, 측면 각도를 갖는 덩어리(droplet)입자가 음극 차폐판에 충돌하여 기판에 불균일 피막을 형성시키거나 타겟이 아닌 다른 곳으로 방전이 일어나 불순물이 발생되는 등의 문제점이 있다.In such a structure, however, the target 3 may be useful when the target is small (about Φ 100 mm or less). However, as a single target, a uniform coating is difficult on the substrate 8 in a large area. It is complicated to install, and droplet particles having a lateral angle collide with the negative electrode shielding plate to form a non-uniform coating on the substrate, or discharge occurs to a place other than a target, resulting in impurities. .
또한 제2도의 경우는 하나의 타겟(3)의 크기를 Φ250㎜ 이상으로 크게 하여 넓은 기판(8)면에 대해 적용하도록 한 구조로서, 음극 지지체(2)와 타겟(3)사이에 자장코일(9) 또는 영구자석과 같은 자장 발생부를 배치하고, 음극 지지체(2) 주변부에는 아크 방전구속링(10)으로하여 타겟을 고정하여 결속하며, 음극타겟 상부에는 양극이 연결된 차단링(11)을 설치하고 있다.In addition, in FIG. 2, the size of one target 3 is increased to Φ250 mm or more to be applied to the wide substrate 8 surface. The magnetic field coil between the cathode support 2 and the target 3 ( 9) Alternatively, a magnetic field generating unit such as a permanent magnet is disposed, and a target is fixed by using an arc discharge binding ring 10 around the cathode support 2, and a blocking ring 11 is connected to the anode target. Doing.
이런 구성에서는 타겟(3)과 양극에 연결된 차단링(11) 사이에서 아크방전스팟(spot)을 유지하도록 하고 있으나, 타겟표면에서 발생한 아크스팟(arc spot)에 의한 금속입자의 진행은 타겟과 차단링사이에서만 일어나는 것이 아니라, 빠른 속도로 불규칙하게 움직이다가 순간적으로 타겟표면에서 음극 지지체(2)로 옮겨가게 되면서 방법이 약하게 되거나, 측면으로 반사되는 각도를 갖는 금속입자는 부도체인 방전구속링(10) 또는 그 외각 주변부인 챔버(도시생략)등에도 충돌하게 되어 불순물을 발생시키거나 또는 입자덩어리들이 기판(8)에 피착될 우려를 갖게 되고 또한 별도의 차단링(11)을 설치하여야 함에 따른 장치의 복잡성을 야기시키는 문제점이 있었다.In this configuration, the arc discharge spot is maintained between the target 3 and the blocking ring 11 connected to the anode, but the progress of the metal particles by the arc spot generated at the target surface is blocked by the target. Not only happens between the rings, but also move rapidly and irregularly from the target surface to the cathode support (2), the method is weakened, or metal particles having an angle reflected to the side is discharge conductor ring (nonconductor) ( 10) or a chamber (not shown), which is an outer periphery thereof, may cause impurities or particles to be deposited on the substrate 8, and a separate blocking ring 11 must be provided. There was a problem that caused the complexity of the device.
특히, 방전구속링(10)은 일반적으로 질화물로 이루어진 부도체로서 기계적 충격시 쉽게 파손되는 고가의 재료이며, 또한 표면경도가 높아 형상제작이 곤란하는등, 타겟과 접촉부위에서 파손이 발생되어 그 교체가 빈번하게 이루어지는 문제점이 있어 왔다.Particularly, the discharge constraining ring 10 is an insulator made of nitride, which is an expensive material that is easily broken during mechanical impact, and also has a high surface hardness, which makes it difficult to manufacture a shape. There have been frequent problems.
이에 본 발명은 종래의 방전구속링을 개선함으로서, 경사 각도를 이루며 사라지는 약한 방전의 소멸방지는 물론 입자덩어리(droplet)와 불순물 발생을 억제하여 균일한 피착물을 얻는 수 있는 장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to improve the conventional discharge confinement ring, to provide a device that can obtain a uniform deposit by preventing the disappearance of the weak discharge disappearing in the inclination angle as well as the generation of particles and impurities. There is a purpose.
이하 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described.
제3도는 본 발명의 구조를 나타낸 단면도로서, 진공 챔버(1)내에 설치된 통체(12)내의 절연체(13)를 놓고 이 지지체 상면에는 타겟(3)을 지지하는 음극 지지체(2)와 자장 코일과 같은 자장 발생부(14)와 수냉관(15)을 구성하고, 통체(12)와 타겟(3)사이에는 음극 지지체(2)상면주변부를 감싸는 단면이 "ㄱ"자 형상으로 된 차폐전극(16)을 배치한다. 그리고 진공 챔버(1)바깥에는 아크 발생전압 전원(A)과 차폐전극 전압 전원(B)을 구비하여 전압전원(A)의 -극은 음극 지지체(2)와 접촉되고 있는 냉각수관(15)에 접지하고 +극은 통체(12)에 연결한다.3 is a cross-sectional view showing the structure of the present invention, in which the insulator 13 in the cylinder 12 installed in the vacuum chamber 1 is disposed, and on the upper surface of the support, a cathode support 2 and a magnetic field coil supporting the target 3; The shielding electrode 16 constitutes the same magnetic field generating unit 14 and the water cooling tube 15, and has a cross-section surrounding the upper surface of the negative electrode support 2 between the cylinder 12 and the target 3 to have an "a" shape. ). An arc generating voltage power source (A) and a shielding electrode voltage power source (B) are provided outside the vacuum chamber (1), and the negative pole of the voltage power source (A) is connected to the cooling water pipe (15) in contact with the negative electrode support (2). Ground and the + pole is connected to the cylinder (12).
또한 차폐전극 전압 전원(B)의 -극은 진공 챔버(1)에 접지하고 +극은 차폐전극(16)에 연결한다.In addition, the negative electrode of the shielding electrode voltage power source B is grounded to the vacuum chamber 1 and the positive electrode is connected to the shielding electrode 16.
상기 구성에서는 자장 발생부(14)에서는 자장 코일만을 표시하였으나, 영구자석을 내장시킬 수도 있는바 자장코일에 국한하지 않는다.In the above configuration, the magnetic field generating unit 14 displays only the magnetic field coil, but is not limited to the magnetic field coil, in which the permanent magnet may be embedded.
이와 같은 구성에서 본 발명의 특징은 -극을 갖는 타겟(3)과 +극이 연결되는 통체(12) 사이에 또다른 +극을 갖는 차폐전극(16)을 구성하는데 있다.The feature of the present invention in such a configuration is to configure a shielding electrode 16 having another + pole between the target 3 having the pole and the cylinder 12 to which the + pole is connected.
이런 장치에 따라 모재인 기판(8)에 피막을 형성함에 있어서는 소정의 진공도를 유지시킨 진공 챔버(1)내를, 예를 들면 아르곤(Ar)가스등의 분위기로 한 후 아크 발생 전압 전원(A)에 전압을 인가하면 전류는 -극을 갖는 타겟을 지나 +극의 통체(16)로 흐름과 함께 기판(8)에 -전압을 인가함에 따라, 타겟(3)의 표면위에 자장 코일에 의해 발생하는 원호상의 자계에 따라서 플라즈마가 집속되어 스퍼터가 가스이온이 타겟(3)면의 자계영역에 충돌을 일으켜 스퍼터입자가 모재의 기판(8)에 증착하게 된다.In forming a film on the base material substrate 8 according to such a device, after setting the inside of the vacuum chamber 1 which maintained the predetermined vacuum degree to atmosphere, such as argon (Ar) gas, for example, the arc generation voltage power supply A When a voltage is applied to the current, the current flows through the target having the pole to the cylinder 16 of the plus pole and, as a result of applying a negative voltage to the substrate 8, generated by a magnetic field coil on the surface of the target 3. Plasma is condensed according to the arc-shaped magnetic field, and sputtering causes gas ions to collide with the magnetic field region of the target 3 surface, and sputter particles are deposited on the substrate 8 of the base material.
이때 타겟(3)과 양극 통체(12)로 된 구조에서는 종래 기술에서 언급한 바와같이 타겟이 아닌 다른 곳의 아크방전이 발생함으로서 기판(8)에 불순물이 증착되거나 덩어리 입자 또는 방전 입자가 음극 지지체(2)에 이르게 되어 방전이 사라지게 된다.At this time, in the structure consisting of the target 3 and the positive electrode body 12, as described in the prior art, an arc discharge occurs other than the target, whereby impurities are deposited on the substrate 8 or lump particles or discharge particles are deposited on the negative electrode support. It reaches (2), and discharge disappears.
그러나 본 발명에서는 음극이 연결된 타겟(3)과 양극이 연결된 통체(12)사이에 또다른 +극에 연결된 차단전극(16)을 설치하고 이에 도통되는 -극을 진공 챔버(1에 연결함으로서, 타겟(3)으로부터 통체(12)에 흐르는 도통흐름에 대해 폐쇄 회로를 이루게 하여 차폐전극(16) 상방 부근에는 금속 입자가 이동되지 않고 타겟 상부 방향으로 이동하게 된다.However, in the present invention, by installing the blocking electrode 16 connected to another + pole between the target 3 connected to the cathode and the cylinder 12 connected to the anode, and connecting the negative electrode to the vacuum chamber 1, A closed circuit is formed in the conduction flow flowing from (3) to the cylinder 12 so that the metal particles do not move around the shielding electrode 16 but move toward the upper direction of the target.
따라서 덩어리 입자 내지는 불순물 입자가 모재(8)에 증착되는 것을 억제하게 된다.Therefore, it is suppressed that agglomerate particles or impurity particles are deposited on the base material 8.
즉, 여기에서 폐쇄회로라 함은 전압 전원(A)의 전압은 타겟(3)에서 통체(12)로 흐르는데 반해 차폐전극 전압 전원(B)의 전압은 진공 챔버(1)에서 차폐전극(16)에 흐르게 됨으로서 타겟(3)과 통체(12)사이에서 흐르는 전류에 대해 폐쇄회로를 이루게 하는 것이다. 이때 폐쇄회로라 하여 타겟과 통체사이에 회로를 완전차단하는 것이 아니라 각각에 인가되는 전압을 조절하여 금속입자의 주변부이동을 억제시키는 정도의 폐쇄회로를 의미한다.That is, here, the closed circuit means that the voltage of the voltage power source A flows from the target 3 to the cylinder 12, whereas the voltage of the shielding electrode voltage power source B is applied to the shielding electrode 16 in the vacuum chamber 1. By flowing in, it makes a closed circuit with respect to the electric current which flows between the target 3 and the cylinder 12. FIG. In this case, the closed circuit means a closed circuit that does not completely block the circuit between the target and the cylinder, but controls the voltage applied to each to suppress the movement of the peripheral portion of the metal particles.
이와 같이 함으로서 차폐전극 상부에는 금속입자가 미치지 못하게 되는바 덩어리 입자 및 불순물 입자의 증착을 억제한다.In this manner, the metal particles do not reach the upper portion of the shielding electrode, thereby suppressing deposition of lump particles and impurity particles.
본발명에서는 타겟(3)과 차폐전극(16)사이에 다소 틈이 있으나 이 간격은 이온의 평균 이온의 평균 자유 행로(mean free path)보다 짧은 거리이므로 아크스팟이 음극 지지체(2)로 가기보다는 차폐전극(16)의 상방인 타겟방향으로 확산하게 된다.In the present invention, there is a slight gap between the target 3 and the shielding electrode 16, but the spacing is shorter than the mean free path of the average ions of the ions, so the arc spot does not go to the cathode support 2 It diffuses in the target direction above the shielding electrode 16.
제4도는 영구자석(또는 자장 코일)의 이동상태를 나타낸 단면도로서, 차폐전극(16)을 배치하되 음극 지지체(2)의 하방 공간부를 길게 하여 영구자석(17)이 내장된 함체(18)를 좌, 우 방향으로 이동시키거나 또는 함체(18)를 상, 하 이동시키게 하는 구조로 되어 있다.4 is a cross-sectional view showing the movement state of the permanent magnet (or magnetic field coil), the shielding electrode 16 is arranged, but the lower space portion of the negative electrode support (2) to extend the housing 18 containing the permanent magnet (17) It is structured to move left and right, or to move the housing 18 up and down.
즉, 축(19)에 결합된 직선 베어링(20)에 함체(18)를 고정한 상태에서 영구자석이 내장된 함체를 축(19)을 따라 일정속도로 직선왕복운동시키면 되고(여기에서 이동수단은 필요에 따라 동력 전달 기어를 이용하거나 수동등으로 할 수 있는바 이에 대한 도시는 생략함), 영구자석(17)을 상, 하 이동시킬 때는 영구자석 지지체(21)를 나선이 형성된 핸들(22)축에 고정함으로서 핸들의 화동에 따라 지지체(21)를 상, 하 이동시킨다.That is, a linear reciprocating motion of the enclosure with permanent magnets along the shaft 19 at a constant speed in a state in which the housing 18 is fixed to the linear bearing 20 coupled to the shaft 19 (where the moving means is If necessary, the power transmission gear can be used by manual light or the like, and the illustration thereof will be omitted). When the permanent magnet 17 is moved up and down, the handle 22 having a spiral formed thereon the permanent magnet support 21. By fixing to the shaft, the support body 21 is moved up and down in accordance with the movement of the handle.
이와 같이 영구자석을 좌우 또는 상하 방향으로 이동시킴에 따라, 자장분포는 아크스팟의 이동에 큰 영향을 미치므로 타겟의 소모패턴을 결정한다.As the permanent magnet is moved in the left and right or up and down directions as described above, the magnetic field distribution greatly affects the movement of the arc spot, thereby determining the consumption pattern of the target.
즉, 영구자석의 이동에 따른 적절한 자장의 배열이 방전의 안정화 및 타겟의 사용율을 최대화하는데 중요한 역할을 수행한다.That is, the proper arrangement of the magnetic field due to the movement of the permanent magnet plays an important role in stabilizing the discharge and maximizing the utilization of the target.
따라서 좌우, 상하이동은 타겟의 소모를 균일하게 한다.Therefore, left and right, Shanghai dong makes the consumption of the target uniform.
또한 제4도와 같은 영구자석의 극과 극사이에 자장 코일(23)을 배치함으로서 타겟 표면에서의 자장의 세기 및 평활성을 조절할 수 있다.In addition, by placing the magnetic field coil 23 between the pole and the pole of the permanent magnet as shown in Figure 4 it is possible to adjust the intensity and smoothness of the magnetic field on the target surface.
즉, 아크 방전시에는 자장의 세기가 100가우스(Gauss) 이상으로 증가될 경우 아크스팟의 위치가 더욱 집중되어 타겟의 사용을 극히 저하시킴으로 자장의 분포를 균일하게 하기 위하여 N-S-N의 극과 극사이에 자장 코일(23)을 설치한 것이다.In other words, when the intensity of the magnetic field increases more than 100 gauss during arc discharge, the position of the arc spot is more concentrated, and the use of the target is extremely reduced, so that the distribution of the magnetic field is uniform. The magnetic field coil 23 is provided.
이상에서와 같이 본 발명은, 음극 타겟과 양극 통체사이에 또 다른 금속입자가 +극이 연결된 차폐전극을 구성함으로서 타겟상방이외의 주변부로의 금속입자가 흐르는 것을 억제하여 불순물 입자와 덩어리 입자의 발생억제 및 음극 지지체를 보호할 수 있게 되고, 또한 영구자석을 좌우이동시킴에 따라 타겟의 균일한 소모 및 자장분포를 균일하게 할 수 있게 되는 효과를 가지게 된다.As described above, the present invention, by forming a shielding electrode in which another metal particle is connected to the positive electrode between the negative electrode target and the positive electrode body to suppress the flow of metal particles to the peripheral portion other than the target surface to generate impurities particles and lump particles It is possible to protect the suppression and the negative electrode support, and also to move the permanent magnet to the left and right to have an effect of uniform consumption and magnetic field distribution of the target.
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