WO2019160273A1 - 마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체 - Google Patents

마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체 Download PDF

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WO2019160273A1
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electromagnet
permanent magnet
target
yoke
magnet assembly
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PCT/KR2019/001559
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김정건
소병호
고무석
변동범
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한국알박(주)
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
    • H01J37/3405—Magnetron sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
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    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
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    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering

Definitions

  • the present invention relates to a magnet assembly of a magnetron sputtering device.
  • Sputtering apparatus is a device for depositing a thin film on a substrate in the manufacture of semiconductors, FPD (LCD, OLED, etc.) or solar cells.
  • the sputtering apparatus may also be used in a roll to roll apparatus.
  • the magnetron sputtering device injects gas into a vacuum chamber to generate a plasma, collides with the target material to be deposited, and then collides with the target material to be deposited.
  • Techniques for depositing sputtered particles on a substrate are used.
  • the magnet unit is disposed on the rear surface of the target so as to form a magnetic force line on the target. That is, the substrate is provided on the front surface of the target, and a magnet unit is formed on the rear surface of the target.
  • Such a magnetron sputtering apparatus is widely used because of the advantages of being able to manufacture a thin film at a relatively low temperature, the ions accelerated by the electric field are densely deposited on the substrate, and the deposition rate is high.
  • inline or cluster systems are used to deposit thin films on large area substrates.
  • In-line and cluster systems are provided with a plurality of processing chambers between the load chamber and the unload chamber so that the substrate loaded into the load chamber passes through the plurality of processing chambers and proceeds in a continuous process.
  • the sputtering apparatus is provided in at least one processing chamber, and magnet units are installed at regular intervals.
  • the erosion of the target surface is determined by the plasma density by the electric field and the magnetic field.
  • the magnet unit since the magnet unit has a ground potential applied to an edge, that is, at least one end in the longitudinal direction, the plasma density of the edge of the substrate is larger than that of other regions, and thus the sputtering speed of the target is faster than that of other regions. Therefore, the thickness distribution of the thin film deposited on the substrate is not uniform, causing a problem of deterioration of the film quality distribution, and a problem of decreasing the target efficiency due to excessive erosion of a specific portion of the target due to the plasma density difference.
  • Another way to solve the problem is to adjust the strength of the magnetic field on the target surface using a shunt or the like, adjust the distance using a liner at the edge of the magnet, or use a Z-axis motor at the edge of the magnet. How to add it.
  • all of these methods increase manufacturing costs, require manual adjustment of the strength of the magnetic field, and require several repetitive operations because the adjustment of the magnetic field strength is not performed locally. There is.
  • An object of an embodiment is a position where a vertical magnetic field becomes zero on a target (hereinafter, referred to as B ⁇ 0), that is, a horizontal magnetic field is locally maximized, so that the plasma density is larger than that of other regions, and thus target consumption (erosion) It is to provide a magnet assembly of the magnetron sputtering apparatus that can move the position where the is concentrated not only in the left-right direction (X axis) but also in the up-down direction (Y axis).
  • the permanent magnet may have a '' 'shape.
  • the position where the vertical magnetic field is zero on the target of the magnetron sputtering device may move.
  • the electromagnet is fixed on the yoke, the core provided inside the permanent magnet; And a coil wound around the core.
  • the magnet assembly of the magnetron sputtering apparatus may further include a controller for changing the power applied to the coil.
  • the distance from the electromagnet to the center of the permanent magnet may be greater than the distance from the electromagnet to the side of the permanent magnet.
  • local excessive erosion of the target may be prevented by moving the B ⁇ 0 formed on the target in the vertical direction as well as the left and right directions.
  • FIG. 1 is a side view schematically showing a structure of a sputtering apparatus according to an embodiment.
  • FIG 2 is a top view of a magnet assembly according to one embodiment.
  • FIG 3 is a plan view of a magnet assembly showing a position where a vertical magnetic field is zero (hereinafter, referred to as B ⁇ 0) according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 4 is a side view of a magnet assembly schematically showing how B ⁇ 0 changes as the intensity of the electromagnet increases according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 5 is a plan view of the magnet assembly of FIG. 4.
  • FIG. 5 is a plan view of the magnet assembly of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a side view schematically illustrating how B ⁇ 0 changes as the intensity of an electromagnet decreases according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view of the magnet assembly of FIG. 6.
  • FIG 8 is a top view of a magnet assembly according to one embodiment.
  • FIG. 9 is a top view of a target showing B ⁇ 0 on a target according to an embodiment.
  • FIG. 10 is a top view illustrating a target in which B ⁇ 0 changes according to a change in intensity of an electromagnet, according to an exemplary embodiment.
  • 11 is a cross-sectional view of the target cut along the line I-I of FIG. 10.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the nature, order or order of the components are not limited by the terms. If a component is described as being “connected”, “coupled” or “connected” to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but between components It will be understood that may be “connected”, “coupled” or “connected”.
  • FIG. 1 is a side view schematically showing a structure of a sputtering apparatus according to an embodiment
  • FIG. 2 is a top view of a magnet assembly according to an embodiment
  • FIG. 3 is a view showing a position where a vertical magnetic field is zero according to an embodiment. Top view of one magnet assembly.
  • the magnet assembly 10 may be provided with two or more in the case of depositing a thin film on the large-area substrate 20 larger than the magnet assembly 10.
  • the at least two magnet assembly 10 may be provided in the same size and the same structure and spaced apart at equal intervals.
  • the yoke 13 has a plate shape and can support the plurality of electromagnets 11 and 91 and the permanent magnet 12.
  • the yoke 13 may have a shape extending in the longitudinal direction.
  • the permanent magnet 12 may include a central portion 12a and both side portions 12b and 12c which protrude in the same direction from both ends of the central portion 12a.
  • the electromagnet 11 may be disposed between both side portions 12b and 12c of the permanent magnet 12.
  • the plurality of electromagnets 11 and 91 and the permanent magnet 12 may form B'0 which forms a closed curve on the target 40.
  • the upper portion of the permanent magnet 12 may be an N pole, and the lower portion may be an S pole.
  • the upper portion of the electromagnet 11 may be an S pole.
  • the electromagnets 91 form three rows, and the upper part of the electromagnets 91 disposed in the middle column may be the same S pole as the electromagnet 11, and the electromagnets disposed in the left and right columns ( The upper portion of 91 may be the same north pole as the permanent magnet 12.
  • the plurality of electromagnets 11 and 91 and the permanent magnet 12 may form B'0 that is substantially elliptical on the target 40.
  • “upper” refers to a part spaced apart from the yoke 13, and refers to the part shown in FIG.
  • lower part is the part which contact
  • the permanent magnet 12 may have a horseshoe shape opened in a direction parallel to the yoke 13.
  • the permanent magnet 12 may have a 'c' shape.
  • the 'c' shaped permanent magnet 12 may include a portion that becomes larger or smaller in width toward the opening.
  • the width of the permanent magnet 12 may gradually increase or decrease toward the opening. Openings of the permanent magnets 12 disposed at both ends of the yoke 13 may face each other.
  • the electromagnet 11 may be provided inside the permanent magnet 12. As the electromagnet 11 is provided inside the permanent magnet 12, the electromagnet 11 and the permanent magnet 12 may form a B '0 having a substantially' U 'shape.
  • the substrate seating portion 30 fixes the substrate 20 so that the deposition material may be uniformly deposited on the substrate 20.
  • the substrate seating unit 30 may fix the edge of the substrate 20 using fixing means or the like, or fix the substrate 20 at the rear surface of the substrate 20.
  • the substrate seating unit 30 may be provided in a substantially rectangular or circular shape having a shape of the substrate 20 to support and fix all of the rear surfaces of the substrate 20.
  • the substrate seating portion 30 is provided with four bars having a predetermined length spaced apart from each other at predetermined intervals to fix the edge portion of the substrate 20, and the edges of the bars are in contact with each other, so that the center portion has an empty rectangular frame shape. Can be prepared as.
  • the target 40 is fixed to the backing plate 50 and is made of a material to be deposited on the substrate 20.
  • the target 40 may be a metal material or an alloy including the metal material.
  • the target 40 may also be a metal oxide, metal nitride or dielectric.
  • the target 40 is selected from Mg, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, In, C, Si, Sn, etc.
  • a material based on the element to be used may be used.
  • the backing plate 50 and the target 40 may have a total thickness of about 5 mm to 50 mm.
  • the backing plate 50 is provided between the magnet assembly 10 and the substrate seating portion 30.
  • the target 40 is fixed to one surface of the backing plate 50. That is, the target 40 is fixed to one surface of the backing plate 50 facing the substrate 20.
  • FIG. 4 is a side view of the magnet assembly schematically showing how B ⁇ 0 changes as the intensity of the electromagnet changes
  • FIG. 5 is a plan view of the magnet assembly of FIG. 4.
  • the position of the target 40 is indicated by a dotted line.
  • B ⁇ 0 when the strength of the electromagnet 11 is increased, for example, when 5A and 10A are applied to the electromagnet, B ⁇ 0 may be wider than 0A, that is, when no power is applied to the electromagnet. In other words, B ⁇ 0 can move from the electromagnet 11 toward the permanent magnet 12. 4 and 5, B′0 in the initial state is shown as B′0 (0A), and B′0 when 5A of current flows through the electromagnet 11 is shown as B′0 (5A). , B ⁇ 0 when a current of 10A flows through the electromagnet 11 is shown as B ⁇ 0 (10A).
  • FIG. 6 is a side view schematically illustrating how B ⁇ changes as the intensity of an electromagnet increases
  • FIG. 7 is a plan view of the magnet assembly of FIG. 6.
  • the position of the target 40 is indicated by a dotted line.
  • the distance L2 from the electromagnet 11 to the center portion 12a of the permanent magnet 12 is from the electromagnet 11 to the side portions 12b and 12c of the permanent magnet 12. It may be greater than or equal to the distance of. While the intensity of the electromagnet 11 is changed, the vertical displacement D2 of B ⁇ 0 may be greater than the horizontal displacement D1.
  • the electromagnet 11 may be greatly influenced by the N pole of the permanent magnet 12, and thus the vertical displacement D2 of B ⁇ 0 may be greater than the horizontal displacement D1.
  • the up-down displacement portion (Y-axis direction) of the permanent magnet of the N pole located at the periphery of the electromagnet is positioned more than the left-right displacement portion (X-axis direction).
  • the large unit area can be more affected by changes in electromagnet intensity.
  • the magnetron sputtering apparatus may include a driving unit (not shown) for driving the magnet assembly 10 (see FIG. 1) in left and right directions.
  • the magnetron sputtering apparatus can sufficiently secure the up-down direction changing range of B'0 through the control unit, and can sufficiently secure the left / right direction changing range of the B'0 through the driving unit.
  • FIG. 10 is a top view illustrating a target in which B ⁇ 0 changes according to a change in direction and / or intensity of an electric current applied to an electromagnet
  • FIG. 11 is a cutaway view taken along II of FIG. 10. A cross section of the target.

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Abstract

일 실시 예에 따르면 마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체는, 요크; 상기 요크 상에 배치되고, 상기 요크에 수직한 방향을 기준으로 서로 다른 자극을 갖는 전자석; 및 상기 요크 상에 상기 전자석으로부터 이격하여 배치되고, 상기 전자석과 반대로 형성된 자극을 갖고, 상기 전자석의 적어도 일부를 둘러싸는 영구 자석을 포함할 수 있다.

Description

마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체
본 발명은 마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체에 관한 것이다.
스퍼터링 장치는 반도체, FPD(LCD, OLED 등) 또는 태양 전지 제조 시 기판 상에 박막을 증착하는 장치이다. 또한, 스퍼터링 장치는 롤투롤(roll to roll) 장치에도 이용될 수 있다. 그 중 하나인, 마그네트론 스퍼터링(Magnetron sputtering) 장치는 진공 상태의 챔버(chamber) 내로 가스를 주입하여 플라즈마를 생성시키고, 이온화된 가스 입자를 증착하고자 하는 타겟(target) 물질과 충돌시킨 후 충돌에 의해 스퍼터된 입자를 기판에 증착시키는 기술을 이용한다. 이 때, 타겟에 자기력선을 형성하기 위해 자석 유닛이 기판에 대향하여 타겟 후면에 배치된다. 즉, 타겟 전면에 기판이 마련되며 타겟 후면에 자석 유닛이 마련되는 배치를 형성한다.
이러한 마그네트론 스퍼터링 장치는 상대적으로 저온에서 박막을 제조할 수 있고, 전기장에 의해 가속된 이온들이 기판에 치밀하게 증착되고 증착 속도가 빠른 장점 때문에 널리 사용되고 있다.
한편, 대면적의 기판 상에 박막을 증착하기 위해 인라인 또는 클러스터 시스템을 이용한다. 인라인 및 클러스터 시스템은 로드 챔버와 언로드 챔버 사이에 복수개의 처리 챔버가 마련되어 로드 챔버로 로딩된 기판이 복수개의 처리 챔버를 통과하면서 연속된 공정을 진행하게 된다. 이러한 인라인 및 클러스터 시스템에서 스퍼터링 장치는 적어도 하나의 처리 챔버 내에 마련되며, 자석 유닛이 일정 간격을 두고 설치된다.
그런데, 자석 유닛에 의한 고정적인 자기장이 존재하기 때문에 타겟 표면의 침식은 전기장 및 자기장에 의한 플라즈마 밀도에 의해 결정된다. 특히, 자석 유닛은 가장자리, 즉 길이 방향의 적어도 일 단부에 그라운드 전위가 인가되기 때문에 기판의 가장자리의 플라즈마 밀도가 다른 영역에 비해 크고, 그에 따라 타겟의 가장자리가 다른 영역에 비해 스퍼터링 속도가 빠르게 된다. 따라서, 기판 상에 증착되는 박막의 두께 분포가 균일하지 못해 막질 분포 저하 문제를 발생시키고, 플라즈마 밀도 차이에 의한 타겟의 특정 부분의 과도 침식에 의한 타겟 효율 감소 문제를 발생시킨다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 가장자리의 두께가 중앙부의 두께보다 두꺼운 타겟을 이용하는 방법이 있다. 이러한 타겟을 제조하기 위해서는 평면 타겟의 중앙부를 연마하여 두께를 얇게 하는 등 추가적인 공정을 이용하여 평면 타겟을 필히 가공해야 한다. 그러나, 이는 평면 타겟을 가공함으로써 재료의 손실이 발생되고, 추가적인 공정에 의한 비용이 발생하는 문제가 있다. 또한, 타겟을 가공하는 과정에서 타겟이 손상되는 등의 문제도 발생할 수 있다.
문제 해결의 다른 방법으로, 션트(shunt) 등을 이용하여 타겟 표면의 자기장의 강도를 조절하는 방법, 자석의 가장자리에 라이너를 이용하여 거리를 조절하는 방법, 또는 자석의 가장자리 위치에 Z축 모터를 추가하는 방법 등이 있다. 그러나, 이러한 방법들은 모두 제조 비용이 증가하며, 수작업으로 자기장의 강도를 조절해야 하고, 자기장 강도의 조정이 국소적으로 이루어지지 않기 때문에 수회의 반복 작업이 필요하여 작업 시간이 많이 소요하는 등의 문제가 있다.
일 실시 예의 목적은, 타겟 상에서 수직 자장이 제로가 되는 위치(이하, B⊥0) 즉, 국소적으로 수평 자장이 최대가 되어, 플라즈마 밀도가 다른 영역에 비해 크고, 이에 따라 타겟 소모(침식)가 집중되는 위치를 좌우 방향(X축)뿐만 아니라 상하 방향(Y축)으로도 이동시킬 수 있는 마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체를 제공하는 것이다.
또한, 일 실시 예의 목적은, 간단한 제어 방식으로 B⊥0를 이동시킬 수 있는 마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따르면 마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체는, 요크; 상기 요크 상에 배치되고, 상기 요크에 수직한 방향을 기준으로 서로 다른 자극을 갖는 전자석; 및 상기 요크 상에 상기 전자석으로부터 이격하여 배치되고, 상기 전자석의 적어도 일부를 둘러싸는 영구 자석을 포함할 수 있다.
상기 영구 자석은 상기 요크에 평행한 방향으로 개구된 말굽 형상을 갖고, 상기 전자석은 상기 영구 자석의 내측에 구비될 수 있다.
상기 영구 자석은 'ㄷ'자 형상을 가질 수 있다.
상기 전자석에 인가되는 전력이 변화함에 따라, 상기 마그네트론 스퍼터링 장치의 타겟 상에서 수직 자장이 제로인 위치가 이동할 수 있다.
상기 전자석은, 상기 요크 상에 고정되고, 상기 영구 자석 내측에 구비되는 코어; 및 상기 코어에 감기는 코일을 포함할 수 있다.
상기 마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체는 상기 코일에 인가되는 전력을 변화시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 전자석으로부터 상기 영구 자석의 중앙부까지의 거리는, 상기 전자석으로부터 상기 영구 자석의 측부까지의 거리 보다 클 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 타겟 상에 형성되는 B⊥0를 좌우 방향뿐만 아니라 상하 방향으로도 이동시킴으로써 타겟의 국부적인 과도한 침식을 방지할 수 있다.
또한, 전자석의 세기를 제어하는 방식을 통해, 간단한 방식으로 타겟 상에 형성되는 B⊥0를 이동시킬 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 스퍼터링 장치의 구조를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 자석 집합체의 상면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 수직 자장이 제로인 위치(이하, B⊥0)를 도시한 자석 집합체의 평면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 전자석의 세기가 증가함에 따라 B⊥0가 변화하는 모습을 개략적으로 도시한 자석 집합체의 측면도이다.
도 5는 도 4의 자석 집합체의 평면도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 전자석의 세기가 감소함에 따라 B⊥0가 변화하는 모습을 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 7은 도 6의 자석 집합체의 평면도이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 자석 집합체의 상면도이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 타겟 상에 B⊥0를 도시한 타겟의 상면도이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 전자석의 세기 변화에 따라 B⊥0가 변화하는 모습을 도시한 타겟의 상면도이다.
도 11은 도 10의 I-I를 따라 절개한 타겟의 단면도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 스퍼터링 장치의 구조를 개략적으로 도시한 측면도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 자석 집합체의 상면도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 수직 자장이 제로인 위치를 도시한 자석 집합체의 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 스퍼터링 장치(1)는 자석 집합체(10), 기판(20), 기판 안착부(30), 타겟(40), 백킹 플레이트(50) 및 제어부(60)를 포함할 수 있다.
자석 집합체(10)는 복수 개의 전자석(11, 91), 영구 자석(12) 및 요크(13)를 포함할 수 있다. 자석 집합체(10)는 전자석(11) 및 영구 자석(12)을 이용하여 타겟(40) 상에 일정한 강도의 고정 자기장을 형성할 수 있다. 고정 자기장과 외부로부터 인가된 전기장에 의해 타겟(40) 표면에 플라즈마가 형성될 수 있다. 플라즈마의 밀도는 고정 자기장 및 인가된 전기장에 의해 결정된다. 플라즈마로 인해 타겟(40) 표면에서 스퍼터링이 발생하여 기판(20) 상에 박막이 증착될 수 있다.
자석 집합체(10)가 타겟(40) 상에 형성하는 고정 자기장은, 수직 자장 및/또는 수평 자장을 포함할 수 있다. 타겟(40) 표면에 있어서, 수직 자장(타겟 표면과 수직인 자력선 성분)이 제로인 위치(이하, B⊥0라고 함)에서, 국소적으로 수평 자장(타겟 표면과 평행한 자력선 성분)이 최대가 되고, 해당 영역에서 플라즈마 밀도가 다른 영역에 비해 크므로, 스퍼터링 속도가 빠를 수 있다. 도 3에서, 점선으로 표시된 B⊥0는, 기판(40)의 표면에서 형성되는 B⊥0를 개념적으로 도시한 것이다. B⊥0는 전자석(11) 및 영구 자석(12) 사이에서 형성될 수 있다. B⊥0의 위치는 자석 집합체(10)로부터 타겟(40)이 이격된 거리에 따라 달라질 수 있다.
자석 집합체(10)는 자석 집합체(10) 보다 큰 대면적 기판(20)에 박막을 증착하는 경우에 둘 이상 구비될 수 있다. 이때, 적어도 둘 이상의 자석 집합체(10)는 동일 크기 및 동일 구조로 마련되고 동일 간격으로 이격될 수 있다.
요크(13)는 플레이트 형상을 갖고, 복수 개의 전자석(11, 91) 및 영구 자석(12)을 지지할 수 있다. 예를 들어, 요크(13)는 길이 방향으로 연장된 형상을 가질 수 있다.
복수 개의 전자석(11, 91) 중 요크(13)의 양 단부에 배치되는 전자석(11)은 영구 자석(12)에 둘러싸일 수 있다. 전자석(11)은 요크(13) 상에 영구 자석(12)으로부터 이격하여 배치될 수 있다. 전자석(11)은 외부에 구비되는 제어부(미도시)에 의해 제어되어 세기가 제어될 수 있다. 예를 들어, 전자석(11)은 코일(111) 및 코어(112)를 포함할 수 있다. 코일(111)은 코어(112) 외표면을 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 감길 수 있다. 코일(111)은 자기장을 생성할 수 있다. 코어(112)는 코일(111)이 생성하는 자기장을 증폭시킬 수 있다. 코어(112)는 요크(13) 상에 고정되고, 영구 자석(12)의 내측에 구비될 수 있다. 예를 들어, 코어(112)는 철심 또는 영구자석일 수 있다.
복수 개의 전자석(11, 91) 중 요크(13)의 중앙부에 배치되는 전자석(91)은, 요크(13)의 양 단부에 배치되는 영구 자석(12) 사이에 배치될 수 있다. 전자석(91)은 복수 개의 열, 예를 들어 3개의 열을 이룰 수 있다.
영구 자석(12)은 요크(13)의 양 단부에 배치될 수 있다. 영구 자석(12)은 요크(13) 상에 전자석(11)으로부터 이격하여 배치되고, 전자석(11)의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다. 영구 자석(12)은 전자석(11)과 상호작용하여 자기장을 생성할 수 있다.
영구 자석(12)은 중앙부(12a)와, 중앙부(12a)의 양 단부로부터 같이 방향으로 돌출 형성되는 양 측부(12b, 12c)를 포함할 수 있다. 영구 자석(12)의 양 측부(12b, 12c) 사이에는 전자석(11)이 배치될 수 있다.
복수 개의 전자석(11, 91) 및 영구 자석(12)은 타겟(40) 상에서 폐곡선을 이루는 B⊥0를 형성할 수 있다. 예를 들어, 영구 자석(12)의 상부는 N극이고, 하부는 S극 일 수 있다. 전자석(11)의 상부는 S극일 수 있다. 또한, 도 2를 기준으로 전자석(91)은 3개의 열을 이루는 데, 가운데 열에 배치된 전자석(91)의 상부는 전자석(11)과 동일한 S극일 수 있고, 좌측 열 및 우측 열에 배치된 전자석(91)의 상부는 영구 자석(12)과 동일한 N극일 수 있다. 이 경우, 복수 개의 전자석(11, 91) 및 영구 자석(12)은 타겟(40) 상에서 대략 타원형을 이루는 B⊥0를 형성할 수 있다. 여기서 "상부"란 요크(13)로부터 이격된 부분을 말하며, 도 2에서 나타난 부분을 말한다. 한편, "하부"는 요크(13)와 접하고 있는 부분이며, 도 2에서 감춰진 부분을 말한다.
다른 예로, 영구 자석(12)의 상부는 S극일 수 있고, 전자석(11)의 상부는 N극일 수 있다. 또한, 도 2를 기준으로 전자석(91)은 3개의 열을 이루는 데, 가운데 열에 배치된 전자석(91)의 상부는 전자석(11)과 동일한 N극일 수 있고, 좌측 열 및 우측 열에 배치된 전자석(91)의 상부는 영구 자석(12)과 동일한 S극일 수 있다.
영구 자석(12)은 요크(13)에 평행한 방향으로 개구된 말굽 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 영구 자석(12)은 'ㄷ'자 형상을 가질 수 있다. 'ㄷ'자 형상의 영구 자석(12)은, 개구부로 갈수록 폭이 커지거나 작아지는 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 영구 자석(12)의 폭은 개구부로 갈수록 점차적으로 커지거나 작아질 수 있다. 요크(13)의 양단에 배치된 영구 자석(12) 각각의 개구부는 서로 마주할 수 있다. 전자석(11)은 영구 자석(12)의 내측에 구비될 수 있다. 전자석(11)이 영구 자석(12)의 내측에 구비됨에 따라, 전자석(11) 및 영구 자석(12)은 대략 'U'자 형상의 B⊥0를 형성할 수 있다. 전자석(11)에 인가되는 전력이 변화함에 따라, 타겟(40) 상에서 수직 자장이 제로인 위치, 즉 B⊥0가 이동할 수 있다. 예를 들어, B⊥0의 폭이 증가 또는 감소하거나, B⊥0가 위 또는 아래로 이동할 수 있다. 다시 말하면, 전자석(11)만을 제어하는 방식으로 B⊥0를 상하 좌우로 이동시킬 수 있다. B⊥0의 이동에 대한 구체적인 내용은 도 4 내지 도 7에서 후술하기로 한다.
기판(20)은 반도체, FPD(LCD, OLED 등), 태양 전지 등을 제조하기 위한 기판일 수 있으며, 실리콘 웨이퍼, 글래스 등 일 수 있다. 또한, 기판(20)은 롤투롤에 적용되는 필름형 기판일 수도 있다.
기판 안착부(30)는 자석 집합체(10)와 서로 대향되도록, 즉 서로 마주보거나 일정 각도가 기울어진 상태로 소정 거리가 이격되어 마련될 수 있다. 이때, 기판 안착부(30)는 장치 내에 상측, 하측 또는 측부에 마련될 수 있고, 이와 마주보도록 자석 집합체(10)가 마련될 수 있다. 예를 들어, 기판 안착부(30)가 하측에 마련되면 자석 집합체(10)는 상측에 마련되고, 기판 안착부(30)가 상측에 마련되면 자석 집합체(10)는 하측에 마련될 수 있다. 또한, 기판 안착부(30)가 측면에 수직으로 마련될 경우 자석 집합체(10)는 이와 대면하는 타 측면에 마련될 수 있다.
기판 안착부(30)는 증착 물질이 기판(20)에 균일하게 증착될 수 있도록 기판(20)을 고정한다. 기판 안착부(30)는 기판(20)이 안착되면 고정 수단 등을 이용하여 기판(20)의 가장자리를 고정하거나, 기판(20)의 뒷면에서 기판(20)을 고정할 수 있다. 기판 안착부(30)는 기판(20)의 뒷면을 모두 지지하여 고정하기 위해 기판(20)의 형상을 갖는 대략 사각형 또는 원형의 형상으로 마련될 수 있다. 또한, 기판 안착부(30)는 기판(20)의 가장자리 부분을 고정하기 위해 소정 길이를 갖는 네 개의 바가 상하좌우에 소정 간격 이격되어 마련되고 바의 가장자리가 서로 접촉됨으로써 중앙부가 빈 사각의 틀 형상으로 마련될 수 있다. 한편, 기판 안착부(30)는 기판이 안착된 상태에서 일 방향으로 이동할 수 있다. 예를 들어, 일 방향으로 진행하면서 기판(20) 상에 박막을 증착할 수 있다. 따라서, 기판 안착부(30)의 기판이 안착되지 않은 면에는 기판 안착부(30)를 이동시키는 이동 수단(미도시)이 마련될 수 있다. 이동 수단은 기판 안착부(30)와 접촉하여 이동시키는 롤러와, 기판 안착부(30)와 이격되어 자기력으로 이동시키는 자기 이송 수단 등을 포함할 수 있다. 물론, 기판 안착부(30)의 일부가 이동 수단으로 기능할 수도 있다. 또한, 정지형 스퍼터링 장치일 경우 고정 수단이 필요하지 않을 수 있다. 이때, 기판 안착부(30)는 기판(20)을 리프트 시키는 리프트 핀을 구비할 수 있다.
타겟(40)은 백킹 플레이트(50)에 고정되며, 기판(20)에 증착될 물질로 구성된다. 이러한 타겟(40)은 금속 물질 또는 금속 물질을 포함하는 합금일 수 있다. 또한, 타겟(40)은 금속 산화물, 금속 질화물 또는 유전체일 수도 있다. 예를 들어, 타겟(40)은 Mg, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, In, C, Si 및 Sn 등에서 선택되는 원소를 주성분으로 하는 재료가 이용될 수 있다. 한편, 백킹 플레이트(50)와 타겟(40)은 총 두께가 5㎜~50㎜ 정도로 형성될 수 있다.
백킹 플레이트(50)는 자석 집합체(10)와 기판 안착부(30) 사이에 마련된다. 또한, 백킹 플레이트(50)의 일면에는 타겟(40)이 고정된다. 즉, 타겟(40)은 기판(20)과 대면하는 백킹 플레이트(50)의 일면에 고정된다. 한편, 백킹 플레이트(50)를 마련하지 않고, 자석 집합체(10) 상측에 타겟(40)을 마련하는 것도 가능하다.
제어부(60)는 전자석(11)에 인가되는 전력을 변화시킬 수 있다. 제어부(60)는 예를 들어 코일(111)에 인가되는 전압 또는 전류의 크기를 변화시킬 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 전자석의 세기가 변함에 따라 B⊥0가 변화하는 모습을 개략적으로 도시한 자석 집합체의 측면도이고, 도 5는 도 4의 자석 집합체의 평면도이다. 도 4에서 타겟(40)의 위치를 점선으로 표시하였다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 자석 집합체(10)는 B⊥0를 이동시킬 수 있다. 제어부(60)가 전자석(11)에 인가되는 전류 및/또는 전압을 변화시킬 때, 전자석(11) 및 영구 자석(12) 상호 간에 발생하는 자기장은 변화할 수 있다. 이에 따라, 타겟(40) 상에 형성되는 B⊥0가 이동할 수 있다.
도 5를 참조하면, 전자석(11)의 세기가 증가할 때, 예컨데 전자석에 5A, 10A를 인가하였을 때, B⊥0는 0A, 즉 전자석의 전력 비인가시 보다 바깥쪽으로 벌어질 수 있다. 다시 말하면, B⊥0는 전자석(11)으로부터 영구 자석(12)을 향해 이동할 수 있다. 도 4 및 도 5 상에서, 초기 상태에서의 B⊥0는 B⊥0(0A)로 도시되고, 전자석(11)에 5A의 전류가 흐를 때의 B⊥0는 B⊥0(5A)로 도시되고, 전자석(11)에 10A의 전류가 흐를 때의 B⊥0는 B⊥0(10A)로 도시된다.
도 6은 일 실시 예에 따른 전자석의 세기가 증가함에 따라 B⊥0가 변화하는 모습을 개략적으로 도시한 측면도이고, 도 7은 도 6의 자석 집합체의 평면도이다. 도 4에서 타겟(40)의 위치를 점선으로 표시하였다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 전자석(11)의 세기가 감소할 때, B⊥0는 안쪽으로 모일 수 있다. 다시 말하면, B⊥0는 영구 자석(12)으로부터 전자석(11)을 향해 이동할 수 있다. 도 6 및 도 7 상에서, 초기 상태에서의 B⊥0는 B⊥0(0A)로 도시되고, 전자석(11)에 -5A의 전류가 흐를 때의 B⊥0는 B⊥0(-5A)로 도시되고, 전자석(11)에 -10A의 전류가 흐를 때의 B⊥0는 B⊥0(-10A)로 도시된다.
도 8은 일 실시 예에 따른 자석 집합체의 상면도이고, 도 9는 일 실시 예에 따른 타겟 상에 B⊥0를 도시한 타겟의 상면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 전자석(11)으로부터 영구 자석(12)의 중앙부(12a)까지의 거리(L2)는, 전자석(11)으로부터 영구 자석(12)의 측부(12b, 12c)까지의 거리보다 같거나 클 수 있다. 전자석(11)의 세기가 변화하는 동안, B⊥0의 상하 방향 변위(D2)는 좌우 방향 변위(D1)보다 클 수 있다.
예를 들어, 전자석(11)은 영구 자석(12)의 N극의 영향을 많이 받을 수 있고, 그에 따라 B⊥0의 상하 방향 변위(D2)가 좌우 방향 변위(D1)보다 클 수 있다. 전자석(11)과 영구자석(12) 사이에 형성되는 자기력선의 분포 중, 상하 방향 변위부분(Y축 방향)은 좌우 방향 변위부분(X축 방향) 보다, 전자석 주변부에 위치한 N극의 영구자석의 단위 면적이 넓어, 전자석 세기 변화에 더 큰 영향을 받을 수 있다.
예를 들어, 마그네트론 스퍼터링 장치는 자석 집합체(10, 도 1 참조)를 좌우 방향으로 구동하는 구동부(미도시)를 포함할 수 있다. 마그네트론 스퍼터링 장치는 제어부를 통해 B⊥0의 상하 방향 변경 범위를 충분히 확보하고, 구동부를 통해 B⊥0의 좌우 방향 변경 범위를 충분히 확보할 수 있다. 물론 구동부 없이도 전자석(11)의 세기 조절만으로 B⊥0 상하 좌우 변경 범위를 확보할 수 있다.
도 10은 일 실시 예에 따른 전자석에 인가되는 전류의 방향 및/또는 세기의 변화에 따라 B⊥0가 변화하는 모습을 도시한 타겟의 상면도이고, 도 11은 도 10의 I-I를 따라 절개한 타겟의 단면도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 초기 상태의 B⊥0(a)는 좌우로 이동하며 타겟(40) 표면 상에 스퍼터링을 발생시키고, 확장된 B⊥0(b) 및 축소된 B⊥0(c) 역시 좌우로 이동하며 타겟(40) 표면 상에 스퍼터링을 발생시킬 수 있다. 중복 영역(A)에서는 국부적인 과도한 침식이 발생할 수 있는데, 자석 집합체(10, 도 1 참조)는 B⊥0의 경계를 이동시킴으로써, 중복 영역(A)을 확장시킬 수 있으며, 중복 영역(A)에서의 침식 깊이를 감소시킬 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (7)

  1. 요크;
    상기 요크 상에 배치되고, 상기 요크에 수직한 방향을 기준으로 서로 다른 자극을 갖는 전자석; 및
    상기 요크 상에 상기 전자석으로부터 이격하여 배치되고, 상기 전자석의 적어도 일부를 둘러싸는 영구 자석을 포함하는 마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 영구 자석은 상기 요크에 평행한 방향으로 개구된 말굽 형상을 갖고,
    상기 전자석은 상기 영구 자석의 내측에 구비되는 마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 영구 자석은 'ㄷ'자 형상을 갖는 마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전자석에 인가되는 전력이 변화함에 따라, 상기 마그네트론 스퍼터링 장치의 타겟 상에서 수직 자장이 제로인 위치가 이동하는 마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전자석은,
    상기 요크 상에 고정되고, 상기 영구 자석 내측에 구비되는 코어; 및
    상기 코어에 감기는 코일을 포함하는 마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 코일에 인가되는 전력을 변화시키는 제어부를 더 포함하는 마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자석으로부터 상기 영구 자석의 중앙부까지의 거리는,
    상기 전자석으로부터 상기 영구 자석의 측부까지의 거리 보다 같거나 큰 마그네트론 스퍼터링 장치의 자석 집합체.
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