KR100295618B1 - High vacuum magnetron sputtering method using ion beam - Google Patents
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Abstract
본 발명은 진공 증착법 중의 하나인 마그네트론 스퍼터링방법에서 이온빔을 이용하여 타겟 주위에 이온을 공급시켜 고진공에서 마그네트론 스퍼터링을 작동시킬 수 있도록 한 이온빔을 이용한 고진공 마그네트론 스퍼터링방법에 관한 것으로, 마그네트론 스퍼터링장치를 사용하여 마그네트론 스퍼터링 작업을 행함에 있어서, 마그네트론 스퍼터링을 이온빔을 향하여 경사지게 설치함으로써, 상기 이온빔에서 발생되어 나오는 방전가스 이온이 타겟과 기판의 양쪽을 향하게 함을 특징으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high vacuum magnetron sputtering method using an ion beam in which a magnetron sputtering method, which is one of vacuum deposition methods, supplies ions around a target using an ion beam to operate magnetron sputtering at high vacuum. In the magnetron sputtering operation, the magnetron sputtering is inclined toward the ion beam, so that discharge gas ions generated in the ion beam are directed to both the target and the substrate.
Description
본 발명은 진공 증착법 중의 하나인 마그네트론 스퍼터링방법에서 이온빔을 이용하여 타겟 주위에 이온을 공급시켜 고진공에서 마그네트론 스퍼터링을 작동시킬 수 있도록 한 이온빔을 이용한 고진공 마그네트론 스퍼터링방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high vacuum magnetron sputtering method using an ion beam in which a magnetron sputtering method, which is one of vacuum deposition methods, supplies ions around a target using an ion beam to operate magnetron sputtering at high vacuum.
일반적으로 마그네트론 스퍼터링방법은 수 mTorr의 방전가스를 주입시킨 후 타겟에 음의 전위를 인가하여 방전 플라즈마를 발생시키고, 타겟의 표면에 평행한 자장을 인가할 경우 기판 사이에서 이온화된 가스 중 양의 이온이 타겟의 주위에 많이 한정되어 타겟을 스퍼터링시키는 방법을 이용한 증착방법이다.In general, the magnetron sputtering method injects a discharge gas of several mTorr, generates a discharge plasma by applying a negative potential to the target, and positive ions in the ionized gas between the substrates when a magnetic field parallel to the surface of the target is applied. It is a vapor deposition method using the method which sputter | spatters a target which is largely defined around this target.
이러한 마그네트론 스퍼터링방법은 대형 기판에 균일하게 박막을 성장시킬 수 있을 뿐만 아니라, 낮은 온도에서 증착이 가능하며, 동작이 간편하기 때문에 광학 코팅 및 반도체 공정에 널리 쓰이고 있다.The magnetron sputtering method is widely used in optical coating and semiconductor processes because it can not only grow a thin film uniformly on a large substrate, but also can be deposited at a low temperature and is easy to operate.
그러나, 이러한 마그네트론 스퍼터링방법은 방전 플라즈마를 발생시키기 위하여 방전가스인 아르곤을 수 mTorr정도 주입시켜야 하는데, 이러한 저진공에서는 분위기 기체들에 의한 충돌로 증착율의 제한이 있으며, 박막의 밀도 및 밀착력의 저하를 가져오는 단점이 있다.However, this magnetron sputtering method has to inject a few mTorr of argon discharge gas in order to generate a discharge plasma, in such a low vacuum there is a limit of the deposition rate due to the collision by the atmosphere gases, the decrease in density and adhesion of the thin film There are drawbacks to this.
또한, 광학 코팅은 코팅층의 밀착력을 확보하기 위해서 보조 이온빔이 사용되고 있으나, 이 이온빔은 고진공에서 작동되므로 마그네트론 스퍼터링과 동시에 사용하기가 어려운 문제점이 있다.In addition, the optical coating has a secondary ion beam is used to secure the adhesion of the coating layer, but since the ion beam is operated in a high vacuum it is difficult to use simultaneously with the magnetron sputtering.
즉, 종래에는 수 mTorr 정도의 방전 가스를 주입시킨 후 마그네트론 스퍼터링을 작동시켜 박막을 제조하였으나, 저진공 분위기에서는 낮은 증착율을 가지므로 두꺼운 박막은 제조하기 어려우며, 광학 코팅 등의 고진공을 원하는 공정이나, 보조장치로 이온빔을 사용할 경우에는 사용이 불가능하였다.That is, conventionally, a thin film was manufactured by injecting a discharge gas of about several mTorr and then magnetron sputtering, but in a low vacuum atmosphere, it is difficult to manufacture a thick thin film because it has a low deposition rate, and a process that requires high vacuum such as optical coating, It was not possible to use the ion beam as an auxiliary device.
미국특허 제5,525,199호는 이러한 단점에 착안하여 마그네트론 스퍼터링에 가스주입구를 설치하여 타겟 주위에서는 수 mTorr의 저진공이지만 진공용기 내에는 1 × 10-4Torr인 고진공을 유지시키는 방법을 이온빔과 동시에 쓰는 방법 및 장치를 제안하였다.U.S. Patent No. 5,525,199 addresses these drawbacks by installing a gas inlet at the magnetron sputtering to simultaneously write a method of maintaining a high vacuum of several mTorr around the target but maintaining a high vacuum of 1 × 10 -4 Torr in the vacuum vessel. And an apparatus.
그러나, 이러한 방법은 마그네트론 스퍼터링장치마다 가스주입구를 설치하여야 하며, 진공용기 내에는 고진공을 유지하지만 타겟주위에는 수 mTorr이므로 증착율의 향상보다는 이온빔을 동시에 사용할 수 있는 환경을 제시한 것이다.However, this method requires a gas inlet for each magnetron sputtering device, and maintains a high vacuum in the vacuum vessel but a few mTorr around the target, thus suggesting an environment in which ion beams can be used simultaneously rather than improving deposition rate.
또한, 미국특허 제4,793,908호는 마그네트론 스퍼터링을 사용하지 않고 이온빔을 이용하여 타겟을 스퍼터링함과 동시에, 보조 이온빔을 이용하여 동시 증착하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 이러한 방법은 이온빔의 크기의 제한이 있기 때문에 보통 직경 10cm로 보다 넓은 면적의 기판에서 균일한 박막을 제조하는 것은 어려운 실정으로 현실적인 생산 공정에 적용하기가 어렵다.In addition, U.S. Patent No. 4,793,908 relates to a method and apparatus for simultaneously depositing a target using an ion beam while sputtering a target using an ion beam without using magnetron sputtering. As a result, it is difficult to manufacture a uniform thin film from a substrate having a larger diameter of 10 cm, which is difficult to apply to a realistic production process.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 이온빔을 이용하여 타겟 주위에 이온을 공급시켜 고진공에서 마그네트론 스퍼터링을 작동시킬 수 있도록 한 이온빔을 이용한 고진공 마그네트론 스퍼터링방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a high vacuum magnetron sputtering method using an ion beam that supplies ions around a target using an ion beam to operate magnetron sputtering in high vacuum.
도 1은 본 발명에 사용되는 이온빔을 이용한 고진공 마그네트론 스퍼터링장치의 개략도,1 is a schematic diagram of a high vacuum magnetron sputtering apparatus using an ion beam used in the present invention,
도 2는 본 발명에 의해 제조된 다이아몬드 성질을 가진 카본박막의 라만 스펙트럼을 나타낸 그래프.Figure 2 is a graph showing the Raman spectrum of the carbon thin film having diamond properties prepared by the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 진공용기 2 : 마그네트론 스퍼터링1: vacuum container 2: magnetron sputtering
3 : 기판 4 : 기판셔터3: substrate 4: substrate shutter
5 : 기판홀더 6 : 이온빔5 substrate holder 6 ion beam
7 : 타겟 8 : 반응가스용기7: target 8: reactive gas container
9 : 방전가스용기 10 : 이온빔 전원공급장치9: discharge gas container 10: ion beam power supply device
11 : 스퍼터링 전압인가장치 12 : 가스주입구11: sputtering voltage application device 12: gas inlet
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은의 이온빔을 이용한 고진공 마그네트론 스퍼터링방법은, 마그네트론 스퍼터링장치를 사용하여 마그네트론 스퍼터링 작업을 행함에 있어서, 마그네트론 스퍼터링을 이온빔을 향하여 경사지게 설치함으로써, 상기 이온빔에서 발생되어 나오는 방전가스 이온이 타겟과 기판의 양쪽을 향하게 함을 특징으로 한다.The high vacuum magnetron sputtering method using the ion beam of the present invention for achieving the above object, by performing a magnetron sputtering operation using a magnetron sputtering device, by installing the magnetron sputtering inclined toward the ion beam, coming out of the ion beam Discharge gas ions are directed to both the target and the substrate.
또한, 본 발명은 상기 발명에 있어서, 질소, 산소, 메탄 등의 반응성가스 이온빔을 조사하여 화합물 박막을 제조함을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that for producing a compound thin film by irradiating a reactive gas ion beam such as nitrogen, oxygen, methane.
또한, 본 발명은 상기 발명에 있어서, 이온빔을 조사함과 동시에 진공용기에 질소, 산소, 메탄 등의 반응성가스를 주입하여 화합물 박막을 제조함을 특징으로 한다.In the present invention, the compound thin film is prepared by irradiating an ion beam and injecting a reactive gas such as nitrogen, oxygen, or methane into a vacuum vessel.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 사용되는 이온빔을 이용한 고진공 마그네트론 스퍼터링장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a high vacuum magnetron sputtering apparatus using an ion beam used in the present invention.
도면 중에서 1은 진공용기, 2는 마그네트론 스퍼터링, 3은 기판, 4는 기판셔터, 5는 기판홀더, 6은 이온빔, 7은 타겟, 8은 반응가스용기, 9는 방전가스용기, 10은 이온빔 전원공급장치, 11은 스퍼터링 전압인가장치, 12는 가스주입구이다.1 is a vacuum vessel, 2 is a magnetron sputtering, 3 is a substrate, 4 is a substrate shutter, 5 is a substrate holder, 6 is an ion beam, 7 is a target, 8 is a reaction gas container, 9 is a discharge gas container, and 10 is an ion beam power source. A supply device, 11 is a sputtering voltage application device, and 12 is a gas inlet.
본 발명에서 사용되는 장치에서는 기판(3)과 평행하게 설치되어 있던 종래의 마그네트론 스퍼터링(2)의 설치각도를 대략 45도 정도 이온빔(6)을 향하여 기울어 지도록 설치함을 특징으로 하고 있다.The device used in the present invention is characterized in that the installation angle of the conventional magnetron sputtering 2, which is installed in parallel with the substrate 3, is inclined toward the ion beam 6 by approximately 45 degrees.
이와 같이 구성된 본 발명에 사용되는 장치를 사용하여 고진공하에서 이온빔을 이용하여 스퍼터링작업을 진행하는 과정을 설명하면 다음과 같다.Referring to the process of the sputtering operation using the ion beam under high vacuum using the apparatus used in the present invention configured as described above are as follows.
먼저, 진공용기(1)를 터보분자펌프를 이용하여 배기하여 1 × 10-6Torr 정도에 도달하였을 때 방전가스용기(9)에 있는 아르곤가스를 가스주입구(12)를 통하여 주입시켜 1 × 10-4Torr로 반응용기(1) 내를 채운다.First, when the vacuum container 1 is evacuated using a turbo molecular pump to reach about 1 × 10 −6 Torr, argon gas in the discharge gas container 9 is injected through the gas inlet 12 to 1 × 10. Fill the reaction vessel (1) with -4 Torr.
그 후, 이온빔(6)을 작동시키고 그 이온빔(6)에서 발생된 이온을 타겟(7)과 기판(3)에 동시에 공급시킨다.Thereafter, the ion beam 6 is operated and ions generated in the ion beam 6 are simultaneously supplied to the target 7 and the substrate 3.
종래의 마그네트론 스퍼터링장치와는 달리 본 발명에서의 장치는 마그네트론 스퍼터링(2)을 상기 이온빔(6)을 향하여 경사지게 설치하였기 때문에, 이 이온빔(6)으로부터 발생되어 나오는 이온이 상기 마그네트론 스퍼터링(2)에 설치된 타겟(7)과 기판(3)을 향하여 양쪽으로 보내지는 것이다.Unlike the conventional magnetron sputtering apparatus, since the apparatus in the present invention is provided with the magnetron sputtering 2 inclined toward the ion beam 6, the ions generated from the ion beam 6 are transferred to the magnetron sputtering 2. It is sent to both the target 7 and the board | substrate 3 which were provided.
이때 스퍼터링 전압인가장치(11)를 통하여 상기 타겟(7)에 400V 이상의 전압을 인가시키면 마그네트론 스퍼터링(2)이 작동되어 상기 타겟(7)의 주위에 플라즈마를 발생하게 된다.In this case, when a voltage of 400 V or more is applied to the target 7 through the sputtering voltage applying device 11, the magnetron sputtering 2 is activated to generate plasma around the target 7.
동시에 반응가스용기(8)에 있는 산소나 질소를 가스주입구(12)를 통하여 진공용기(1)에 주입시키면 원하는 화합물 박막을 증착시킬 수 있다.At the same time, when oxygen or nitrogen in the reaction gas container 8 is injected into the vacuum container 1 through the gas inlet 12, a desired compound thin film can be deposited.
하기의 표 1은 본 발명의 방법으로 다이아몬드 성질을 가진 박막을 제조하였을 경우를 기존 마그네트론 스퍼터링, 이온빔 스퍼터링과 비교하여 증착율과 증착면적을 나타낸 것이다.Table 1 below shows the deposition rate and the deposition area when the thin film having diamond properties was manufactured by the method of the present invention compared with the conventional magnetron sputtering and ion beam sputtering.
위의 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 진공도를 1×10-4Torr일 때 이온빔 스퍼터링인 경우는 흑연 타겟에 대하여 증착율이 최대 1Å/sec정도 나오며, 기존 마그네트론 스퍼터링은 방전 플라즈마가 발생하지 않아서 작동이 안된다.As can be seen in Table 1 above, in the case of ion beam sputtering when the degree of vacuum is 1 × 10 -4 Torr, the deposition rate is about 1 μs / sec for the graphite target, and the conventional magnetron sputtering does not generate a discharge plasma. This should not be.
본 발명의 실시예에서는 증착율이 2-3 Å/sec 정도로 이온빔 스퍼터링의 2배정도 향상된 증착율이 나오게 된다.In the embodiment of the present invention, the deposition rate is about 2-3 Å / sec, and the deposition rate is improved by about twice the ion beam sputtering.
또한, 증착면적을 비교할 경우 이온빔 스퍼터링은 이온빔의 크기에 따라 결정되는데 보통 상용화된 이온빔의 크기는 직경 10cm 내외로 대면적 코팅을 원할 경우는 기판과 타겟의 거리를 멀리두어야 하는데 이럴 경우에는 증착율이 현저히 떨어지기 때문에 상용화 하기가 힘들다.In addition, when comparing the deposition area, ion beam sputtering is determined according to the size of the ion beam. Usually, the size of commercialized ion beam is about 10cm in diameter, and when the large area coating is desired, the distance between the substrate and the target should be far away. It is difficult to commercialize because it falls.
그러나, 본 발명은 기존의 마그네트론 스퍼터링을 이용하면서도 고진공에서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 이온빔에서 이온을 공급시키면서 발생된 플라즈마가 유지되도록 하기 때문에 타겟의 크기에 의존하므로 대면적의 코팅이 용이하다.However, the present invention facilitates coating of a large area because it depends on the size of the target because the generated plasma is maintained while supplying ions from the ion beam to generate plasma in a high vacuum while using the conventional magnetron sputtering.
도 2는 본 발명에 의해 제조된 다이아몬드 성질을 가진 카본 박막의 라만 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 다이아몬드 성질을 가진 카본 박막의 전형적인 그래프로 두 개의 피크가 나타나며, 1350cm-1인 피크는 다이아몬드 성질을 나타내며 1580cm-1인 피크는 흑연의 성질을 가지게 된다.Figure 2 is a graph showing the Raman spectrum of the carbon thin film having a diamond property prepared by the present invention. The two peaks appear in a typical graph of the carbon thin film having a diamond properties, 1350cm -1 peak represents a peak of 1580cm -1 diamond properties will have the properties of the graphite.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 이온빔을 이용한 고진공 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하면, 이온빔을 이용하여 마그네트론 스퍼터링 타겟 주위에 이온을 공급하여 고진공하에서도 마그네트론 스퍼터링을 작동시킬 수 있고, 동시에 기판에 이온충돌효과를 통해 고밀도의 박막을 제조할 수 있는 효과가 있다.As described in detail above, using the high vacuum magnetron sputtering method using the ion beam of the present invention, by supplying ions around the magnetron sputtering target using the ion beam to operate the magnetron sputtering under high vacuum, and at the same time ion collision on the substrate The effect is to produce a thin film of high density.
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