KR100683653B1 - Cathod for sputtering machine - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 양이온의 가격을 받는 피복 재료인 타겟과; 상기 타겟의 배면에 배치되어 타겟을 지지하는 백 플레이트와; 상기 타겟 및, 백 플레이트를 둘러싸서 보호하는 쉬일드(shield)와; 상기 백 플레이트의 배면에 연장된 냉각용 채널과; 상기 냉각용 채널들 사이에 배치된 마그네트론과; 상기 쉬일드의 하부에서 상기 마그네트론 및, 냉각용 채널을 감싸는 절연체;를 구비하는 스퍼터링 장치용 캐소드에 있어서, 상기 타겟에 근접한 곳에 가스 배출구를 가지는 가스 공급관이 일체로서 더 구비되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치용 캐소드가 제공된다.According to the present invention, there is provided a coating material comprising: a target, which is a coating material which receives a price of a cation; A back plate disposed on a rear surface of the target to support the target; A shield surrounding and protecting the target and the back plate; A cooling channel extending to the rear surface of the back plate; A magnetron disposed between the cooling channels; A sputtering device cathode comprising: the magnetron and an insulator surrounding a cooling channel at a lower portion of the shield, wherein the gas supply pipe having a gas outlet near the target is further integrally formed. A cathode is provided.

Description

스퍼터링 장치용 캐소드{Cathod for sputtering machine}Cathode for sputtering device {Cathod for sputtering machine}

도 1은 일반적인 원통형 모재를 피복시키기 위한 스퍼터링 장치에 대한 개략적인 구성도.1 is a schematic configuration diagram of a sputtering apparatus for coating a general cylindrical base material.

도 2는 도 1 에 구비된 스퍼터링 장치용 캐소드에 대한 단면도.FIG. 2 is a cross-sectional view of a cathode for a sputtering apparatus provided in FIG. 1. FIG.

도 3은 본 발명에 따른 스퍼터링 장치용 캐소드에 대한 단면도.3 is a cross-sectional view of a cathode for a sputtering apparatus according to the present invention.

< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 ><Brief Description of Major Codes in Drawings>

1. 캐소드 4.5. 진공 펌프Cathode 4.5. Vacuum pump

7.8. 구동 롤러 9. 플랜지7.8. Drive roller 9. flange

14. 모재 21. 타겟14. Base material 21. Target

22. 백플레이트 23. 쉬일드22. Backplate 23. Shield

24. 마그네트론 25. 냉각 채널24. Magnetron 25. Cooling Channel

26. 절연체 31. 가스 공급관26. Insulator 31. Gas supply line

32. 플라즈마 밀집 영역 33. 플라즈마 영역32. Plasma Dense Zone 33. Plasma Zone

본 발명은 스퍼터링 장치용 캐소드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스 공급관을 일체로서 구비하는 스퍼터링 장치용 캐소드에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cathode for sputtering apparatus, and more particularly, to a cathode for sputtering apparatus having a gas supply pipe as one body.

통상적으로 스퍼터링 장치는 이온화된 불활성 기체의 타겟 충돌 현상에 의해서 증착 물질을 직접 기화시키고 이를 모재에 증착시킴으로써 소정의 피복 작업을 수행하는 장치이다. 불활성 기체의 이온화 작용은 비평형 방전 영역에서 이루어지며 이온화된 기체는 전기장의 영향에 의해서 캐소드 표면을 가격하게 되므로, 스퍼터링 장치에서는 타겟(targert)을 캐소드로 사용하게 되며, 진공 용기 또는 진공 상태하에 있는 모재를 양극으로 사용하게 된다. 스퍼터링 작업을 수행하려면 진공 용기내에 타겟을 배치하고 타겟에 일정한 압력과 전압을 공급한다. 이렇게 하면 타겟 주위에 플라즈마가 발생되고 방전 영역에 존재하고 있던 양이온들이 전기적인 힘에 의해서 타겟 표면을 가격하게 된다. 이때 가격하는 양이온의 운동 에너지가 타겟 표면에 존재하는 원자들에게 전달되는데, 전달된 가격 에너지가 원자들의 결합 에너지보다 크면 타겟의 원자들은 타겟으로부터 방출되어 나오게 된다. 한편, 스퍼터링 방법에서는 자기력을 이용하기 위하여 타겟의 뒤쪽에 자석 또는 마그네트론으로 N 극과 S 극을 형성하여 전자들의 운동을 직선 운동에서 나선 운동으로 변형시킨다. The sputtering apparatus is a device that performs a predetermined coating operation by directly vaporizing the deposition material by the target collision phenomenon of the ionized inert gas and depositing it on the base material. The ionization of the inert gas takes place in the non-equilibrium discharge region, and the ionized gas strikes the cathode surface under the influence of the electric field, so the sputtering device uses a targert as the cathode, and in a vacuum vessel or under vacuum The base material is used as the anode. To perform the sputtering operation, a target is placed in a vacuum vessel and a constant pressure and voltage are applied to the target. This generates a plasma around the target and the cations present in the discharge region strike the target surface by electrical force. At this time, the kinetic energy of the charged cation is transferred to the atoms present on the target surface. If the delivered energy is greater than the binding energy of the atoms, the atoms of the target are released from the target. On the other hand, in the sputtering method, in order to use the magnetic force, the N pole and the S pole are formed with magnets or magnetrons on the back of the target to transform the movement of electrons from linear to spiral motion.

도 1은 통상적인 스퍼터링 장치를 개략적으로 도시한 것이며, 이것은 원통형의 모재를 진공 용기로 사용한 경우에 해당하는 것으로서, 특허 등록 제 183510 호로서 개시된 것이다.1 schematically shows a conventional sputtering apparatus, which corresponds to a case where a cylindrical base material is used as a vacuum container, and is disclosed as Patent Registration No. 183510.

도면을 참조하면, 원통형 모재(14)는 우측 단부의 직경이 점진적으로 확대되는 반면에 좌측 단부의 직경은 균일하게 형성되어 있다. 도 1에 도시된 스퍼터링 장치에서는 원통형 모재(14) 자체를 진공 용기로 하여 모재(14)의 내부 표면을 피복하려는 것이다. 스퍼터링을 수행하기 위하여 모재(14)의 양측 개구부는 플렌지(9)에 의해서 밀폐되며, 도면에 도시되지는 않았으나, 모재(14)의 내부에 플라즈마를 발생시키기 위하여 반응성 가스 및 플라즈마 발생용 가스를 공급하기 위한 가스 유입 장치 및, 캐소드(1)에 전압을 인가하기 위한 전원 공급 장치가 설치된다. 구동 롤러(7,8)는 모재(14)의 양단에서 모재(14)의 외표면에 밀착됨으로써 모재(14)를 스퍼터링 작업중에 회전시킬 수 있다. 한편, 모재(14)의 내부를 진공 상태로 만들기 위해서 플렌지(9)를 통해서 1 차 및 2 차 진공 펌프(4,5)의 진공 공급관이 연결된다. 가열 장치(10)는 모재(14)의 내부에 피복되는 피복층의 밀착력을 향상시키도록 모재의 표면에 열을 가하기 위한 것으로서, 예를 들면 할로겐 램프를 모재(14)의 외부 표면에 다수개 설치하여 적외선으로 가열하게 된다.Referring to the drawings, the cylindrical base material 14 is gradually enlarged in diameter at the right end, while the diameter at the left end is uniformly formed. In the sputtering apparatus shown in FIG. 1, the cylindrical base 14 itself is used as a vacuum container to cover the inner surface of the base 14. Both openings of the base material 14 are sealed by the flange 9 to perform sputtering, and although not shown in the drawing, a reactive gas and a gas for generating plasma are supplied to generate a plasma inside the base material 14. The gas inflow apparatus for this purpose and the power supply apparatus for applying a voltage to the cathode 1 are provided. The drive rollers 7 and 8 are in close contact with the outer surface of the base material 14 at both ends of the base material 14 to rotate the base material 14 during the sputtering operation. On the other hand, in order to make the inside of the base material 14 into a vacuum state, the vacuum supply pipes of the primary and secondary vacuum pumps 4 and 5 are connected through the flange 9. The heating device 10 is for applying heat to the surface of the base material to improve the adhesion of the coating layer coated on the inside of the base material 14, for example, by installing a plurality of halogen lamps on the outer surface of the base material 14 Infrared heating.

도 2 에 도시된 것은 도 1에서 모재(14)의 내부에 설치되는 캐소드에 대한 개략적인 단면도이며, 이것은 장방형으로 형성되는 캐소드(20)를 폭 방향으로 절단한 것이다.2 is a schematic cross-sectional view of a cathode installed in the base 14 in FIG. 1, which cuts the cathode 20 formed in a rectangular shape in the width direction.

도면을 참조하면, 캐소드(20)는 양이온의 가격을 받는 피복 재료인 타겟(21)과, 상기 타겟(21)의 배면에 배치되어 타겟(21)을 지지하는 백 플레이트(22)와, 상기 타겟(21) 및, 백 플레이트(22)를 둘러싸서 보호하는 쉬일드(shield, 23)를 구비한다. 백 플레이트(22)의 배면에는 냉각용 채널(25)이 연장되어 있다. 또한 위에서 설명한 바와 같이 자기력을 이용하기 위하여 마그네트론(24)이 백 플레이트(22)의 배면에서 냉각용 채널(25)들 사이에 배치된다. 절연체(26)는 쉬일드(23)의 하부에 서 상기 마그네트론(24)과 냉각용 채널(25)을 감싸게 된다. 한편, 가스 공급관(미도시)이 설치되는데, 가스 공급관은 상기 캐소드(20)와는 별도로 설치된다.Referring to the drawings, the cathode 20 includes a target 21 which is a coating material which receives a price of a cation, a back plate 22 disposed on the rear surface of the target 21 and supporting the target 21, and the target. 21 and a shield 23 that surrounds and protects the back plate 22. The cooling channel 25 extends on the back surface of the back plate 22. In addition, as described above, in order to use the magnetic force, the magnetron 24 is disposed between the cooling channels 25 at the rear of the back plate 22. The insulator 26 surrounds the magnetron 24 and the cooling channel 25 at the bottom of the shield 23. On the other hand, a gas supply pipe (not shown) is installed, the gas supply pipe is installed separately from the cathode (20).

위와 같은 구조를 가지는 스퍼터링 장치용 캐소드에 있어서, 가스 공급관(미도시)은 비록 타겟(21)에 근접하여 설치되기는 하지만, 실제에 있어서 플라즈마 방전 영역에 근접하지 않으므로 필요 이상으로 가스를 공급하여야 한다는 문제점이 있다. 또한 플라즈마의 밀도를 높이기 위해서 전류 밀도를 증가시키려면 단지 마그네트론의 자장의 크기를 변화시킬 수 밖에 없다는 한계가 있다.In the cathode for the sputtering apparatus having the structure as described above, although the gas supply pipe (not shown) is installed close to the target 21, in reality, the gas supply pipe (not shown) is not close to the plasma discharge region, so that the gas must be supplied more than necessary. There is this. In addition, in order to increase the current density in order to increase the plasma density, there is a limit that only the magnetic field of the magnetron can be changed.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 타겟의 플라즈마 방전 영역에 대한 가스 공급을 원활하게 할 수 있는 스퍼터링 장치용 캐소드를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a cathode for the sputtering device that can facilitate the supply of gas to the plasma discharge region of the target.

본 발명의 다른 목적은 가스 공급관이 일체로서 구비된 스퍼터링 장치용 캐소드를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a cathode for a sputtering apparatus, in which a gas supply pipe is integrally provided.

본 발명의 다른 목적은 가스 공급량을 조절함으로써 플라즈마 밀도를 조절할 수 있는 스퍼터링 장치용 캐소드를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a cathode for a sputtering apparatus which can adjust the plasma density by adjusting the gas supply amount.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 양이온의 가격을 받는 피복 재료인 타겟과; 상기 타겟의 배면에 배치되어 타겟을 지지하는 백 플레이트와; 상기 타겟 및, 백 플레이트를 둘러싸서 보호하는 쉬일드(shield)와; 상기 백 플레이트의 배면에 연장된 냉각용 채널과; 상기 냉각용 채널들 사이에 배치된 마그네트 론과; 상기 쉬일드의 하부에서 상기 마그네트론 및, 냉각용 채널을 감싸는 절연체;를 구비하는 스퍼터링 장치용 캐소드에 있어서, 상기 타겟에 근접한 곳에 가스 배출구를 가지는 가스 공급관이 일체로서 더 구비되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치용 캐소드가 제공된다.In order to achieve the above object, according to the present invention, the target is a coating material which is subjected to a cation price; A back plate disposed on a rear surface of the target to support the target; A shield surrounding and protecting the target and the back plate; A cooling channel extending to the rear surface of the back plate; A magnet ron disposed between the cooling channels; A sputtering device cathode comprising: the magnetron and an insulator surrounding a cooling channel at a lower portion of the shield, wherein the gas supply pipe having a gas outlet near the target is further integrally formed. A cathode is provided.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 가스 공급관은 상기 절연체와 백 플레이트를 관통하여 설치되며, 상기 타겟의 측면 외주면과 상기 쉬일드의 내표면 사이에는 틈새가 형성되어 상기 가스 공급관으로부터 유출된 가스가 상기 틈새를 통해서 상기 타겟의 표면으로 유출된다.According to another feature of the invention, the gas supply pipe is installed through the insulator and the back plate, a gap is formed between the outer peripheral surface side surface of the target and the inner surface of the shield so that the gas flowing out of the gas supply pipe It flows out through the gap to the surface of the target.

이하, 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to an embodiment shown in the accompanying drawings the present invention will be described in more detail.

도 3에는 본 발명에 따른 스퍼터링 장치용 캐소드에 대한 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 3 shows a schematic cross sectional view of a cathode for a sputtering apparatus according to the invention.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 캐소드(30)는 전체적으로 도 2 에 도시된 캐소드(20)와 유사하게 구성된다. 즉, 양이온의 가격을 받는 피복 재료인 타겟(21)과, 상기 타겟(21)의 배면에 배치되어 타겟(21)을 지지하는 백 플레이트(22)와, 상기 타겟(21) 및, 백 플레이트(22)를 둘러싸서 보호하는 쉬일드(shield, 23)와, 백 플레이트(22)의 배면에 연장된 냉각용 채널(25)과, 상기 냉각용 채널(25)들 사이에 배치된 마그네트론(24)과, 상기 쉬일드(23) 및 냉각용 채널(25)을 감싸는 절연체(26)를 구비한다.Referring to the drawings, the cathode 30 according to the present invention is constructed similarly to the cathode 20 shown in FIG. 2 as a whole. That is, the target 21 which is the coating material which receives the price of a cation, the back plate 22 which is arrange | positioned at the back surface of the said target 21, and supports the target 21, the said target 21, and the back plate ( A shield 23 surrounding and protecting 22, a cooling channel 25 extending to the rear surface of the back plate 22, and a magnetron 24 disposed between the cooling channels 25. And an insulator 26 surrounding the shield 23 and the cooling channel 25.

본 발명의 특징에 따르면, 캐소드(30)에는 가스 공급관이 일체로 구비된다. 도면에 도시된 실시예에서 가스 공급관은 도면 번호 31 로 표시되어 있으며, 캐소드의 양 측면에서 절연체(26)와 백 플레이트(22)를 관통하여 설치된다. 가스 공급관(31)의 가스 유출 단부는 도면에 도시된 바와 같이 백 플레이트(22)의 상면과 일치하도록 형성됨으로써, 백 플레이트(22)상에 지지된 타겟(21)의 저면과 근접하게 된다. 타겟(21)의 측면 외주면과 쉬일드(23)의 내표면 사이에는 틈새가 형성되어 있으며, 가스 공급관(31)으로부터 유출된 가스는 상기 틈새를 통해서 타겟(21)의 표면으로 유출하게 된다. 가스 공급관(31)은 장방형으로 형성되는 캐소드(30)에 있어서 소정 간격을 가지고 하나 이상 구비될 수 있다. 가스 공급관(31)을 통해서 반응성 가스 및 플라즈마 발생용 가스가 공급될 수 있는데, 예를 들면 아르곤, 산소, 수소등이 공급될 수 있다.According to a feature of the invention, the cathode 30 is integrally provided with a gas supply pipe. In the embodiment shown in the figure, the gas supply pipe is indicated by reference numeral 31 and is installed through the insulator 26 and the back plate 22 on both sides of the cathode. The gas outlet end of the gas supply pipe 31 is formed to coincide with the top surface of the back plate 22 as shown in the drawing, thereby bringing it closer to the bottom surface of the target 21 supported on the back plate 22. A gap is formed between the lateral outer circumferential surface of the target 21 and the inner surface of the shield 23, and the gas flowing out of the gas supply pipe 31 flows out to the surface of the target 21 through the gap. At least one gas supply pipe 31 may be provided at a predetermined interval in the cathode 30 having a rectangular shape. The reactive gas and the plasma generating gas may be supplied through the gas supply pipe 31, for example, argon, oxygen, hydrogen, or the like.

도면 번호 32 로 표시된 것은 플라즈마의 밀집 영역을 나타낸 것이며, 도면 번호 33 으로 표시된 것은 플라즈마의 발생 영역을 나타낸 것이다. 이러한 영역 표시로부터 알 수 있는 바와 같이, 플라즈마의 밀집 영역(32)은 가스 공급관(31)으로부터 유출된 가스가 우선적으로 도달할 수 있는 타겟(21)의 표면 부근에 형성되고, 플라즈마의 발생 영역(33)은 상기 플라즈마의 밀집 영역(32)과 근접한 곳에 형성된다. Reference numeral 32 denotes a dense region of the plasma, and reference numeral 33 denotes a plasma generating region. As can be seen from this region display, the dense region 32 of the plasma is formed near the surface of the target 21 to which the gas flowing out of the gas supply pipe 31 can preferentially reach, and the plasma generating region ( 33 is formed in close proximity to the dense region 32 of the plasma.

한편, 상기 가스 공급관(31)을 통한 가스의 공급 유량은 도시되지 아니한 통상의 유량 제어 장치에 의해서 제어될 수 있다. 본 발명에 따른 캐소드에서는 가스의 공급 유량이 스퍼터링 작업의 수행에 있어서 증착막의 형성에 직접적인 영향을 미칠 수 있으므로, 가스 유량을 조절함으로써 필요한 증착막을 형성할 수 있는 것 이다.On the other hand, the supply flow rate of the gas through the gas supply pipe 31 can be controlled by a conventional flow control device not shown. In the cathode according to the present invention, since the supply flow rate of the gas may directly affect the formation of the deposition film in performing the sputtering operation, it is possible to form the required deposition film by adjusting the gas flow rate.

본 발명에 따른 스퍼터링 장치용 캐소드는 스퍼터링 작업을 보다 효율적으로 수행할 수 있도록 해주는 장점이 있다. 예를 들면, 동일한 스퍼터링 작업을 수행하기 위해서 사용되는 가스의 사용량이 종전에 비해서 훨씬 절감되는데, 이는 물론 가스 공급관(31)으로부터 공급되는 가스가 타겟(21)의 표면에 집중될 수 있기 때문이다. 한편 방전이 발생되는 방전 전압도 종래에는 380 볼트 이상이 필요하였지만, 본 발명의 캐소드에서는 20 % 이상 하향된 310 볼트 이상에서도 충분히 방전이 발생하였다. 따라서 플라즈마내에서의 전류가 높아지게 되므로 증착률이 향상된다. 또한 방전 전압이 낮아짐으로 인하여 기판에 증착된 박막의 밀도가 증대됨과 동시에 보다 작은 그레인(grain)을 얻을 수 있어서 안정되고 치밀한 증착도를 얻을 수 있다.The cathode for the sputtering apparatus according to the present invention has an advantage of allowing the sputtering operation to be performed more efficiently. For example, the amount of gas used to perform the same sputtering operation is much lower than before, since the gas supplied from the gas supply pipe 31 can be concentrated on the surface of the target 21. On the other hand, the discharge voltage in which the discharge is generated was conventionally required to be 380 volts or more, but the cathode of the present invention sufficiently discharged even at 310 volts or more, which is 20% or more downward. Therefore, the current in the plasma is increased, so that the deposition rate is improved. In addition, as the discharge voltage is lowered, the density of the thin film deposited on the substrate is increased, and at the same time, smaller grains can be obtained, thereby achieving stable and dense deposition.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the accompanying drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Could be. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.

Claims (2)

양이온의 가격을 받는 피복 재료인 타겟과; 상기 타겟의 배면에 배치되어 타겟을 지지하는 백 플레이트와; 상기 타겟 및, 백 플레이트를 둘러싸서 보호하는 쉬일드(shield)와; 상기 백 플레이트의 배면에 연장된 냉각용 채널과; 상기 냉각용 채널들 사이에 배치된 마그네트론과; 상기 쉬일드의 하부에서 상기 마그네트론 및, 냉각용 채널을 감싸는 절연체;를 구비하는 스퍼터링 장치용 캐소드에 있어서,A target, which is a coating material that receives the price of a cation; A back plate disposed on a rear surface of the target to support the target; A shield surrounding and protecting the target and the back plate; A cooling channel extending to the rear surface of the back plate; A magnetron disposed between the cooling channels; In the cathode for the sputtering device comprising: the magnetron and the insulator surrounding the cooling channel in the lower portion of the shield, 상기 절연체와 상기 백 플레이트를 관통하여 설치된 가스 공급관을 더 구비하며, 상기 타겟의 측면 외주면과 상기 쉬일드의 내표면 사이에는 틈새가 형성되어 상기 가스 공급관으로부터 유출된 가스가 상기 틈새를 통해서 상기 타겟의 표면으로 유출되도록 상기 가스 공급관의 가스 배출구가 상기 타겟에 근접하여 위치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치용 캐소드.And a gas supply pipe installed through the insulator and the back plate, wherein a gap is formed between an outer circumferential surface of the target and an inner surface of the shield so that the gas discharged from the gas supply pipe passes through the gap. And a gas outlet of the gas supply pipe is positioned proximate to the target so as to flow out to the surface. 삭제delete
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