KR930001231B1 - 다중극 자장억류 원리를 이용한 대용량 이온플레이팅 방법 및 그장치 - Google Patents

Abstract

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Description

다중극 자장억류 원리를 이용한 대용량 이온플레이팅 방법 및 그장치

제1도는 종래 이온플레이팅 장치의 개략도.

제2도는 본 발명에 의한 이온플레이팅 장치의 개략도.

제3도는 본 발명과 종래 방법에 의한 피막 물성분포 비교도.

제4도는 다중극 자장에 의한 플라즈마 억류이론 설명도.

제5도는 본 발명 장치를 복합적으로 표현한 횡단면도로서, 좌측반절부(a) 자장원이 영구자석인 경우이고 우측 반절부(b)는 자장원이 코일인 경우의 예시도임.

제6도는 자장원이 코일인 경우의 본 발명장치의 사시도.

제7도는 본 발명장치의 제1변형 실시예의 횡단면도.

제8도는 본 발명장치의 제2변형 실시예의 횡단면도.

제9도는 본 발명장치의 제3변형 실시예의 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 자장발생코일 2 : 다중극 자장

3 : 극소자기장 4 : 억류된 플라즈마

5 : 진공용기 6 : 진공용기 외벽

7 : 영구자석 8 : 균일극소자기장 영역

9 : 자장 코일전원 10 : 가변저항

11 : 진공배기구 12 : L-형 굽힘관

13 : 고진공 밸브 14 : 오일트랩

15 : 확산펌프 16 : 코팅영역 하한선

17 : 진공용기 지지대 18 : 시창구

19 : 음극 20 : 음극전원

21 : 고주파전원 22 : 진공계기

23 : 바이어스전원 24 : 회전테이블

25 : 발생이온 26 : 진공펌프 시스템

27 : 모재 예열히터 28 : 히터전원

29 : 냉각판 30 : 회전테이블 구동모터

31 : 모재 32 : 접지차폐(ground shield)

33 : 다중극 자장원 34 : 반응기체

35 : 밸브 36 : 타겟

37 : 피막 물성곡선 38 : 히팅코일

39 : 가열장치 40 : 진공차폐 상하이동장치

41 : 양극 42 : 손실영역

43 : 다선코일(multi-couductor cable)

44 : 연결케이블 45 : 방전발생전극

46 : 전류제한저항 47 : 불순물 차폐막

48 : 동축 케이블(coaxial cable)

49 : 반응 기체주입

본 발명은 다중극 자장억류 원리를 이용한 대용량 이온플레이팅 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

이온플레이팅 법은 타겟 표면에서 발생한 미세 금속중기(metal vapor)입자를 이온화 전극 또는 바이어스 전원에 의해 이온화 시킨후 모재에 인가된 부전압의 가속에 의해 입자를 모재 표면에 강하고 조밀하게 부착시키는 피막 형성 기술인바 최근 발전된 마그네트론 스퍼터링원 및 아크이온원은 높은 이온화율(20-100%) 높은 증착속도 (0.1-2um/min)등의 장점을 가지며 피막의 부착력 및 조밀성을 높일 수 있다. 그러나 이같은 이온원을 사용한 이온플레이팅 장치라 할지라고 대용량 이온플레이팅 장치로 갈수록 다음의 문제점에 부딪힌다.

즉, 첫째, 타겟에서 발생한 미세금속 증기 입자들은 반응기체의 압력에 관계된 평균 자유행로(mean free path), 타겟 면적에 대비된 타겟과 모재간 거리의 비율(solid angle)등 증착조건에 의해 공간적으로 불균일한 분포로 확산 됨에 따라 특히 600mm이상의 대용량 이온플레이팅 용기인 경우 타겟 및 음극의 크기, 갯수가 증착 영역의 전면을 감당할 수 없는 경우 제3도와 같이 모재에 입혀진 피막물성(피막의 두께, 피막과 모재간 부착력, 피막의 조밀성, 금속증기입자와 반응기체간 반응도 (reactivity) 등)에 있어서(증발원과 전면으롱 향하는)모재중심부와(증발원을 비스듬히 바라보는)외면부측간에 심한 불균형 상태를 보이고, 둘째, 타겟과 모재간 거리, 반응 기체의 압력, 금속타겟의 증발률에 따라 정도 차이는 있으나 피막 표면에 5㎛이상의 덩어리(microdroplet)가 많이 형성되어 피막의 물성을 저하시키게 되며, 특히 아크 이온원을 사용할 경우 더욱 문제가 되며, 셋째, 앞서의 첫째 문제점을 개선하기 위해 타겟의 면적을 충분히 크게 할 경우 각 위치에 따른 타겟의 소모율이 달라지므로 타겟 사용율 저하로 인한 비효율성 문제가 된다.

이에대한 해결책으로 미국특허 제4,556,471호와 같은 4″이하 타겟 크기를 갖는 소형증발원을 여러 방향 여러 위치에 분포시켜 사용하는 방법이 있고 또는 미국 특허 제4,724,058호와 같이 타겟 뒷면에 자장분포를 형성하여 10″이상의 큰 타겟을 균일하게 소모 시키는 방법이 있으나, 전자의 경우에는 진공 용기 용량에 비해 이온원 갯수 및 음극 전원 갯수가 증가되어야 하는 문제와, 이온원 갯수 증가로 인한 장치의 복잡화 및 동작 보수 유지에 관련된 번거로운 점이 있으며 후자의 경우에는 자장 형성 코일을 진공 용기 내부에 장착하는 것에서 기인하는 누설가스 발생으로 인해 진공 용기의 진공도를 5×10^-6mbar이상의 고진공으로 유지하기 어려우며 타겟면적이 클지라도 이온발생 빈도, 이온 충돌로 인한 모재의 온도 증가 효과가 타겟 중심에 수직한 지점이 가장 높기 때문에 첨부도면에 제3도에서 점선으로 나타내는 피막물성 곡선 분포도를 갖게된다. 또한 모재에 비해 타겟의 크기가 더 커야 하므로 대용량 장치로 갈수록 타겟의 면적이 비례적으로 커지게 된다. 이로인해 타겟이 진공장치 내부로 향하는 바깥면과 냉각수가 흐르는 안쪽면 사이 압력차에 의한 수지력(vertical forces)이 증가되어 타겟이 국부적으로 소모될 때 타겟 사용효율이 급격히 저하 되는 문제점들이 있었다.

본 발명은 진술한바 대용량 이온플레이팅 장치에서 발생되는 제문제들을 단순한 구조로 해결할뿐 아니라 피막 물성은 더욱 향상 시키는데 그 목적이 있는 것으로서, 이와같은 목적의 본 발명은 진공 용기 외벽 전체에 걸쳐서 균일한 분포의 다중극 자장을 형성하여 금속이온원에서 발생한 플라즈마가 진공용기 내의 차거운 내주벽, 주변의 차거운 가스입자, 차거운 전극등에 충돌하여 낮은 에너지 상태의 중성입자 상태로 환원되려는 경향을 방지하고 플라즈마를 자장으로 둘러싸인 일정공간 영역내에 거두어져 고밀도로 유지함으로써 플라즈마내의 이온, 전자 중성입자간의 충돌이 활발히 이루어지도록 촉진하여 타겟표면에서의 국부불균일 방전을 억제하도록 함과 함께 균일한 플라즈마 밀도의 분포로 인하여 타겟 표면 전체에 균일한 아크스팟(arc spot)이 일어 나도록 형성하므로서 코팅의 균일화 및 코팅 영역 확대와 피막층 덩어리 생성의 억제 및 타겟 소모의 균일화 목적을 달성할 수 있도록 창출한 것인바, 이하 본 발명을 첨부도면에 의하여 구제적으로 설명하면 다음과 같다.

도면 제1도는 종래의 이온플레이팅 장치를 개념적으로 나타낸 개략도로서 비자성 재료인 스텐레스로 진공 용기외벽(6)을 구성하고, 타겟(36), 음극(19) 및 양극(41)에 의해 전극을 구성하며 음극전원(20)에 의해 방전이 일어나 타겟의 재료가 이온(25) 및 중성 입자의 형태로 튀어 나오게 된다. 모재(31)에는 바이어스 전원(23)의 음극이 인가되어 이온의 경우에 는 직접 끌어 당기고 중성 입자의 경우에는 글로우 방전에 의한 전자 충돌로 이온화 시켜 모재 표면에 가속되어 피막을 형성한다. (진공펌프 시스템 및 반응기체 주입에 대한 도시는 생략)진공 용기 자체는 안전을 위하여 접지되어 있으며, 타겟 표면이외의 음극재료가 스퍼터링되어 파손되거나 증발되는 것을 방지하기 위해 평균 자유행로(mean free path)이내 거리(약 1-5mm정도)로 접지 차폐(ground shield) (32)를 함으로서 타겟 표면이외에서는 전기방전이 일어나는 것을 억제하였다.

음극 타겟(36)으로부터 발생한 금속 증기가 모재 표면(31)에 피막(film)을 형성하게 되는바, 반응기체의 압력 P, 타겟과 모재 사이의 거리 d, 타겟의 면적 A₁, 모재의 면적 A₂, 음극된 인가된 방전 에너지 P인 조건에서 음극에서 발생하는 이온 선속(ion flux)이 모재 표면에 분포되는 형태는 ″source flux distribution across a substrate″(from C.E. Wood in'Physice of Thin Films', vol.11, p39)로부터 다음과 같은 cosine-분포를 나타낸다.

이 식에서 보듯이 이온원 타겟으로 부터 발생하는 이온선속은 이온원 타겟을 정면으로 대하는 지점(c)을 중심으로 cosine분포를 가지고 입사되므로 이로 인하여 모재에 형성되는 피막은 이온원 타겟과 정면으로 대하는 지점(c)을 중심으로 역시 같은 코사인 분포(cosine distributon)를 나타내게 되어 결국 제3도의 점선(37')과 같은 분포도를 보이게 된다.

물론 위에 기술된 식은 공정 조건에 따라 전체적인 형태는 변하지 않으나 그 기울기, 폭 등이 변화될 수 있는데, 특히 모재 면적(A₂)-타겟면적(A₁)-거리(d)-이온원 출력의 관계에 따라서 변화될 수 있다. 예를들어 모재의 면적(A₂)에 비하여 이온원 타겟의 면적(A₁)을 아주 크게 한다든지, 또는 모재와 이온원 사이의 거리(d)를 아주 멀게 한다면 피막의 균일도는 크게 향상될 수 있을 것이다. 그러나 전자의 경우에는 코팅하고자 하는 모재에 비하여 큰 이온원 타겟을 사용하여야 한다는 문제-따라서 비경제적인 구조이어야 한다는 문제가 있고, 후자의 경우 역시 코팅 속도(증착률)가 떠러진다는 비경제적인 요인을 감수해야 할 것이다. 그러나 본 발명은 일반적인 이온원 타겟 모재의 조건하에서 피막의 균일도를 높이고자 하는데에 목적이 있다.

이 식을 기준으로 피막의 균일도에 대하여 실험적으로 다시 구성하면 다음과 같다.

피막의 균일도=K d²(A₁/A₂)^c(1/P)^e................................(2)

여기서 K : 비례장수

c, e : 실험적 상수들

(2)식을 설명하면 다음과 같다. d에 대한 비례관계는 이미 윗식으로 부터 알 수 있는 것이다. 또한 면적 비율(A₁/A₂)의 관계는 코팅 장치의 geometry, 이온원 출력 P등의 함수이다. 또한 압력에 대한 관계가 있는데(1/P)^e,만일 압력이 올라가게 되면 타겟 표면에서 발생된 증기 입자의 평균 자유행로(mean free path)가 작은 값으로 떨어지게 되어 거리에 따른 피막의 불균일성이 커진다. 반면에 압력이 작아지게 되면 타겟에서 발생된 증기 입자의 평균 자유행로가 커지게 되므로 먼 거리를 충돌없이 움직일 수 있게 된다. 이는 다시 말해 증기 입자가 이온 플레이팅 장치내에서 거리, 구조 (geometry)에 큰 구애없이 이동할 수 있다는 뜻이며, 따라서 압력이 작으면 작을 수록 피막의 균일성은 높아지게 되는데, 이는 타겟-모재의 구조(geometry) 및 이온원 출력 P에 따라서 비례 계수가 결정된다.

수식(2)에서 피막의 균일도라 함은 피막의 물성 즉, 피막두께, 피막-모재의 부착력, 피막의 조밀성, 피막의 경도 및 화학적 조성등에 대해(특정지점에서의 수치/모재 중심에서의 수치)비율 변화정도의 역수를 의미하는바, 이것을 다시 모재 중심에서의 피막물성을 기준으로 피막의 모재의 외연부측까지 어느 정도 균일하게 형성되었는가의 정도를 나타낸다.

제1도에 도시한 종래의 장치는 수식(2)에서 보듯이 물리 변수에 따라 차이가 있으나 제3도 그래프의 점선곡선과 같은 피막물성 곡선(37')즉, 피막물성이 모재의 외연부측으로 갈수록 급격히 저하 되는 것을 나타낸다.

제2도는 제1도와 동일한 장치에 대해 진공용기 외벽(6)에 다중극 자장원(33)을 설치한 본 발명 장치의 개략도로서, 다중극 자장원(33)은 영구자석 이거나 자장형성 코일을 선택적으로 사용할 수 있고 이 다중극 자장원(33)은 진공용기 외벽(6)주위와 상면부 그리고 음극(19)의 주위에 설치한 것이다. 이와같은 본 발명에 의한 이온플레이팅 장치에 의하면 제4도에서 설명되는 바의 다중극자장에 의한 플라즈마 억류이론에 의하여 제3도 실선곡선으로 나타나는 피막물성 곡선(37)에서 보는 바와같이 피막 물성이 중심에 대해 50%되는 영역까지 이용가능하다고 가정할때 다중극 자장원(33)이 설치되지 않은 경우 모재의 유효한 크기는 점선곡선(37')에서와 같이 A로는 협소함에 대하여 B까지 그 이용범위를 확대할 수 있게 되어 코팅 영역의 확장을 이룰수 있는바 그 구체적인 효과에 대해서는 발명의 효과 설명부분에서 더 자세히 다루겠다.

제4도는 다중극 자장원에 의한 플라즈마 구속 이론을 도시적으로 나타낸 것이다. 자장형성코일(1)의 방향에 따라방향으로 자장이 형성되는데 제4도와같이 서로 반대인 방향으로 교대로 배열하면 다중극 자장(2)의 형성되며 중심에는 극소자기장(3)이 생성된다. 플라즈마(이온 및 전자)는 자신을 기준으로 볼록 튀어나온 형태의 자장에 대해서는 밀리는 힘을 받기 때문에 다중극 자장 안에서 생성된 플라즈마(4)는 대부분의 진공용기 내주벽면에 대해 안으로 밀리고 다만 두 자장이 서로 일직선이 되는 손실영역 (42)으로만 손실된다. 따라서 플라즈마는 다중극 자장이 없을때 보다 플라즈마 손실 영역이 훨씬 줄어들어 극소 자기장(3)을 중심으로 밀도가 높은 억류 플라즈마를 형성하게 된다.

제4도에서 부포 ⊙ 및는 각각 지면에 대해 수직으로 들어가고 나오는 전류의 각 반대방향을 표시한다.

제5도는 다중극 자장원을 실제 이온플레이팅 장치에 적용시킨 본 발명 장치를 복합적으로 도시한 예시도로서 진공용기 외벽(6)의 횡단면도를 보여 주는데 중심선을 기준으로 좌측 반절부(가)는 영구자석(7)에 의한 다중극 자장(2)을 형성한 경우를, 우측반절부(나)는 자장형성 코일(1)에 의한 다중극 자장(2)을 형성한 경우를 함께 보여주는 것이다. 이때 진공용기 외벽(6)의 크기는 지름이 500mm이상이다. 제5도의 (가)에서 영구자석(7)을 페라이트계로 사용할 경우 표면 자장 세기는 1300가우스 이상이어야 하며 이때는 내부 균일 극소자기장영역(8)의 위치에서성분의 자장 세기가 10가우스 이상되도록 자석 사이의 거리(D₁)를 조절하여야 한다. 영구자석이 Sm-Co나 Nd-Fe-B계 자석일 때에는 표면 자장세기가 4,000가우스 이상이므로 자석과 자석 사이의 거리(D₁)를 크게 하여도 내부 균일 극소자기장영역(8)의 위치에서성분의 자장세기가 훨씬 강해져 플라즈마 구속 효과를 더 크게 하며, 자석렬의 갯수가 줄므로 손실부의 영역이 줄어들어 플라즈마 밀도를 효과적으로 높일 수 있다. 다마 Sm-Co나 Nd-Fe-B계열의 자석은 페라이트 계열의 자석에 비해 큐리점(Curie point)온도가 낮으므로 이온충돌에 의한 가열 효과를 보완해 줄장치(예를들면 냉각수를 주변에 순환시킴)가 필요하다.

제5도의 (b)는 영구자석(7) 대신 자장형성코일(1)을 사용하여 다중극 자장(2)을 형성한 경우인바, 자장형성 코일(1)에 의한 자장의 세기는 코일 전류에 비례하므로 코일전원(9), 가변저항(10) 및 코일간의 거리(D₂)를 조절하여 내부 균일 극소자기장 영역(8)의 위치에서 성분의 자장 세기를 조절한다. 단선코일을 사용하면 필요한 자장을 생성하기 위해 큰 전류가 필요하므로 코일(1)에 다선코일(mueti-conductor cable) (43)을 사용함으로써 코일 전원(9)의 용량, 코일(1)의 굵기를 줄일 수 있다.

진공용기 외벽(6)의 내측면에 다중국 자장(2)이 형성되면 진공용기(5)내부공간에서는 자장의 공간적 변화 분포가 균일한 극소 자기장 영역(8)이 형성되어 용기의 중심에 이르기까지 자장의 분포의 거의 균일화 되고 이에 따라 극소자지장 영역(8)이내의 공간이 플라즈마(4)의 구속 및 균일화 영역이 되어 제3도의 실선으로 나타낸 피막물성 곡선(37)과 같이 균일 코팅 영역을 확대 시키게 된다. 제5도의 균일 극소 자기장 영역(8)의 크기 B'는 제3도의 B와 연관을 갖게 되는데 여기서 주목할 것을 다중극 자장(2)의 세기가 클 수록 손실 영역(42)의 크기가 줄어들고 대신 극소자기장 영역(8)의 크기 B'가 진공용기 외벽(6)의 내주벽 쪽으로 확대 된다는 것이다. 이것은 곧 다중극 자장의 세기 및 간격(D₁, D₂)를 조절함으로써 플라즈마 밀도의 증대 및 균일성을 이루며 넓은 영역에 걸쳐 균일한 코팅막을 얻을 수 있다는 것을 의미한다.

제6도는 자장원이 코일(1)인 경우의 본 발명 장치의 일실시예의 사시도로서 이 예의 의한 장치는 용기 외벽(6)에 의해 원통형 진공용기(5)의 형태를 이루며 진공용기 지지대(17) 배기구(11) L-형 굽힘관(12) 고진공밸브(13) 오일트랩(14) 확산펌프 (15)등에 의해 진공펌프 시스템을 이루게 된다. 자장형성코일(1)을 진공용기 외벽(6)의 외주면에 수직방향으로 지그재그 상으로 배열함으로써 진공용기(5)내부에 다중극 자장(2)이 형성된다. 자장 형성코일(1)이 진공용기(5)의 옆면을 도면과 같이 지그재그 상으로 통과 하다가 진공배기구(11)를 만날 경우에는 좌우 대칭적으로 코일이 갈라져 배열되며 코팅 영역 하한선(16)까지만 배열된다. 진공용기(5) 윗면의 경우에는 원판형 이므로 인접 2개 코일의 전류방향(1') (1″)을 태극 무늬가 형태가 되도록 엇갈리게 배열함으로써 옆면과 같은 효과를 얻을 수 있다. 이 때 주의 할것은 진공용기(5)상측 모서리에 위치하는 인접한 2개의 자장형성 코일(1)의 전류방향(1')(1″)이 서로 반대가 되도록 배열함으로써 진공용기 모서리면에서 다중극 자장의 효과를 얻을 수 있다. 만일 이때 모서리부에서 자장형성 코일(1)을 배열하다보니 인접 2개 코일(1)의 전류방향(1') (1″)이 어쩔수 없이 같은 방향이 될 경우에는 그 인접 2개이 코일(1)을 자장형성코일(1)을 되도록 가까이 접근시켜 배열함으로써 다중극 자장 효과를 그대로 유지할 수 있다.

또 한편, 제6도 예의 본 발명 장치에 의하면 다중극 자장원으로서 전술의 자장 형성코일(1) 대신에 제5도(가)에서 보는 바의 영구자석(7)을 배열 부착 하여서도 코일(1)과 동일한 다중극 자장의 효과를 얻을 수 있는바, 이와같은 영구자석(7)을 사용할 경우에는 옆면의 경우 코일(1)과 같이 지그재그상으로 꺾을 필요없이 코팅 영역 하한선(16)로부터 윗면 모서리 까지 일직선으로 배열하며 진공용기 윗면에서도 옆면에 이어 일직선으로 영구자석(7)을 배열하면 된다. 이 예에서 도면 중 미설명 부호 9는 코일전원, 10은 가변저항, 18은 시창구, 43은 다선코일 44는 연결 케이블을 각각 표시한다.

제7도는 본 발명 장치의 제1변형 실시에의 횡단면도로서, 이예에 의하면 이온 플레이팅 장치는 2개의 아크(또는 마그네트론) 이온원인 음극(19)과 타겟(36) 및 양극 (41)과 음극전원(20)으로 이루어진 방전에 의해 이온(25) 및 중성입자가 발생하며 방전의 점화를 위해 방전 발생전극(45) 및 고주파전원(21)이 음극(19)과 양극(41)중간부에 설치되었다. 이온플레이팅 하고자 하는 모재(31)는 양쪽 이온원 중간에 설치된 공전 및 자전을 하는 회전테이블(24)위에 놓이게 되면 바이어스 전원(23)의 음극이 전류제한 저항(46)을 통해 모재에 인가된다. 진공용기(5)의 진공도는 고진공밸브(13) 오일트랩(14)확산펌프(15)등으로 이루어진 진공펌프 시스템(26)에 의해 유지된다.

진공용기 외벽(6)을 둘러싸며 다중극 자장원(33) (33') (33″)이 설치되어 영구자석 또는 자장코일에 의해 다중극 자장이 형성되는데 특기할점은 각 다중극 자장원(3) (33') (33″)의 자장 세기가 각각 다르게 코일전원(9)의 출력을 조정할 수 있어야 한다는 것이다. 다중극 자장(33)이 설치된 옆면의 경우 용기면 전체가 플라즈마의 손실부이므로 상대적으로 강한 다중극 자장이 요구되며 다중극 자장원(33') 및 다중극 자장원(33″)인 경우에는 플라즈마 발생부의 옆면 및 뒷면이므로 상대적으로 옆면쪽 다중극자장원(33)에 비해 낮게 하며 대신 이온원인 음극(19) 및 타겟(36)의 방전형태 및 타겟 사용 효율을 고려하여 알맞게 조절하는데 중점을 둔다. 도면에서 보듯이 진공요기(5)안쪽으로 내부 균일극소 자기장 영역(8)이 형성되며 플라즈마(4)의 밀도는 다중극 자장(33)이 없는 경우에 비해 균일 극소자장 영역(8)내에서 10배 이상 증가되어 이온플레이팅 한 피막 물성의 균일도를 높일 수 있게 된다. 다중극 자장원(33)과 2개의 이온원인 음극(19)과 타겟(36)을 사용할 경우 다중극 자장원이 없고 4개의 이온원을 사용한 이온 플레이팅 장치로서 얻을 수 있는 균일성 및 코팅 영역의 확대 효과를 얻을 수 있게 된다.

도면중 부호 22는 진공계기를 표시한다.

제8도는 이온플레이팅 하고자 하는 모재(31)가 환상의 회전 테이블(24)위에 놓이는 경우의 본 발명 장치의 제2변형 실시예의 횡단면으로서 이 예에서는 공전 및 자전을 하는 회전 테이블(24)위에 모재(31)의 바깥면에서 음극(19)과 타겟(36)으로 이루어지는 4개의 이온원이 설치 되었으며 모재의 예비가열을 위해 히터(27)가 진공용기(5)내부의 모재 인접부위에 설치되었다. 이 예의 의하면 다중극 자장원(33) (33')은 진공 용기 외벽(6) 및 이온원인 음극(19)과 타겟(36)주위에 배열될뿐 아니라 환상의 회전 테이블(24)안쪽에도 다중극 자장원(33″')이 배열된다. 히터(27)에 의한 내외측 다중극 자장원(33, 33″')의 파손을 방지 하기 위해 다중극 자장원 안쪽으로 수냉각판(29)이 설치되었다. 이 예의 경우 내외측 다중극 자장원(33) (3″')은 같은 크기의 자장을 형성하여 플라즈마를 구속하여 이온원주위의 다중극 자장원(33') (33″'), 은 제7도의 예에서와 같이 이온원의 방전 형태 및 타겟 사용 효율을 고려하여 알맞게 조절하는데 중점을 둔다.

제8도에서 첨가적으로 생각할 수 있는 이온플레이팅 장치의 형태는 이온원인 음극(19)과 타겟(36)이 진공용기(5)의 바깥쪽에 있지 아니하고 내측 다중극 자장원 (33″')의 안쪽으로 있는 경우이다. 이때는 모재(31)가 놓인 환상 회전 테이블(24)의 구조가 좀더 진공용기 외벽(6)쪽으로 접근하여 이온(25)의 발생은 용기내부 안쪽에서 바깥쪽으로 향하여 이루어진다. 이 경우 이온원에서 발생한 이온(25)은 다중극 자장원 (33)에 의해 생성된 안쪽으로 주름진 다중극 자장을 바라보게 되어 손실 영역의 크기가 줄어 들므로 플라즈마(4)의 손실률이 상대적으로 줄어들게 된다. 이같이 제8도에 비해 역전된 형태의 이온플레이팅 장치 배열은 타겟(36)에 대한 진공 용기외벽(6)의 곡면도가 클때 그리고 다중극 자장의 세기가 클때 좋은 효과가 있다. 그러나 진공용기 외벽(6)의 크기가 커서 거의 평면과 같은 경우에는 역전된 형태라도 제8도의 경우와 비슷한 효과를 얻을 수 있다.

제9도는 모재(31) 배열의 형태가 전체적으로 원통형인 경우의 본 발명 장치의 제3변형 예를 종단면으로 나타낸 것이다. 제7도의 예와 비슷한 형태라 할 수 있으나 이온원인 음극(19)과 타겟(36)이 진공 용기 외벽(6)의 내부에 들어간점, 수직이동 예비가열 히터 코일(38)을 사용한 점이 구조적으로 다른 점이다. 이온원은 제7도 예에서와 같은 메카니즘에 의해 발생 유지되며 모재(31) 및 회전 테이블(24)은 구동모터(30)에 의해 공전, 자전 하게 된다. 진공용기 전체의 진공은 L-형 굽힘관(12)을 통해 연결된 진공펌프 시스템(26)에 의해 유지되며 먼저 가루에 의한 진공펌프 파손을 방지하기 위해 불순물 차폐막(47)을 설치하였다. 이 예에 이하면 모재의 에비 가열을 위해 히팅코일(38)이 링 형태로 모재(31)를 둘러싸며 설치되어 있는데 진공 차폐 상하이동장치(40)에 의해 상. 하로 운동하면서 모재(31)를 균일하게 예비가열하며, 이온플레이팅이 시작되면 모재(31)윗면으로 이동하여 고정된다. 이 히팅코일(38)은 모재(31)가 거의 매끈한 원통형인 경우에는 KHz단위 주파수의 고주파 유도 가열장치 (39)를 사용하고 모재 표면이 요철 경사진 경우에는 사용주파수(60-240Hz)교류전원에 의한 적외선 가열 방식을 사용한다.

다중극 자장원(3)은 진공용기(5)의 윗면, 옆면 및 이온원 밑면에 설치되는데 특히 밑면의 경우 발생이온(25) 및 회전 테이블(24)에 인가된 고전압 방전으로 부터 파손을 방지하기 위해 접지차폐(2)안쪽으로 설치하였다. 이예와 같은 본 발명 장치에 의하면 이온원인 음극(19)과 타겟(36)이 진공 용기외벽(6)안쪽에 있으므로 다중극 자장원 (33)이 제7도 및 제8도의 예에서와 같이 복잡하게 구성될 피요가 없다. 반면에 이온원과 떨어진 이 진공 용기외벽(6)면의 경우에는 다중극 자장원(33)의 배열을 좀더 촘촘히 하고 이온원 부근 및 바로 뒷면에서는 이온원 방전형태 특성을 고려하여 좀더 성글게 혹은 촘촘히 배열함으로서 전체적으로 플라즈마(4)밀도 증대 및 균일화와 피막물성의 향상 및 타겟 사용을 향상의 효과를 얻을 수 있다. 도면중 부호 48은 동축케이블, 49은 반응기체가 주입되는 것을 각각 표시한다.

이상과 같은 본 발명 방법 및 장치는 다음과 같은 여러가지의 개선된 효과를 나타내게 된다. 첫째, 코팅 영역의 확대 및 균일화를 증대시킬 수 있다는 것이다. 즉, 진공용기 외벽(6)자체는 플라즈마(4)의 소멸원으로 작용하여 피막의 두께, 부착력, 조밀성, 화학적 성분등의 피막 물성의 급격한 변화가 있게 되어 모재(31)중심부에 대한 피막 물성 변화가 50%이내인 영역을 균일 코팅 영역이라 할때 제3도에서 A와 같은 좁은 영역이 됨에 비하여, 본 발명은 다중극 자장원(33)을 설치함으로써 진공용기(5)내부에 균일극소 자기장 영역(8)이 형성되어 소멸원으로 작용했던 부분에서의 플라즈마 밀도를 높여 전체적으로 균일 플라즈마 영역을 확대 시킬 수 있는바, 다중극 자장원(33)에 의해 균일 극소자기장 영역(8)위치에서의방향 자장세기가 10-20가우스 이상될때 동일지점 플라즈마 밀도는 10배 이상 증가되어 피막 물성 곡선(37)은 제3도의 실선곡선의 형태를 보였으며 균일 코팅 영역은 제3도에서 보듯이 A에서 B로 확대되었다.

본 발명과 종래 방법과의 효과상의 차이에 대하여 코팅 피막의 제 물성중 피막의 두께를 일예로서 비교 시험한 예를 나타내면 다음의 비교표와 같다.

시험조건 : 모재 : Si

이온원 : Ti

다중극 자장세기 : B=20가우스

모재와 이온원간이 거리 : d=20Cm

코팅시간 : 20분

위의 비교표에 의하면 종래 방법은 피막의 두께가 모재 중심부에서 외연부측으로 갈수록 급격히 얇아져 균일 코팅 영역의 범위가 좁음에 대하여 본 발명의 경우는 두께가 모재의 외연부측으로 가더라도 비교적 완만한 폭으로 얇아지므로 그 만큼 균일 코팅 영역의 범위를 확대할 수 있어서 제3도의 피막 물성곡선과 잘 부합됨을 알 수 있다.

따라서, 이와같은 본 발명에 의하면 같은 용량의 이온플레이팅 장치에 대해 다중극 자장원을 설치함으로써 상대적으로 작은 크기의 이온원, 적은 수의 이온원으로도 동일한 피막 형성의 효과를 거둘 수가 있어서 코팅 영역의 확대 및 피막의 균일화를 증대 시킬 수 있는 효과를 나타내게 된다. 둘째, 피막층 덩어리(droplet)형성을 억제할 수 있는 효과를 나타낸다. 즉, 피막층 덩어리의 발생은 특히 음극 아크 방전을 이용한 이온플레이팅 장치에서 심각한 것으로서, 타겟 표면에서의 순간적 국부 불균일 방전, 타겟-모재간 거리와 이온원 출력 반응기체 압력의 불균형에 의해 그 정도가 달라지는바, 본 발명은 다중극 자장을 설치함으로써 타겟 표면에서의 국부불균일 방법을 억제하며 타겟 앞면에서 전자 구속 효과에 의한 전자-발생 입자의 충돌을 활발히 함으로써 같은 물리 조건하에서 덩어리(droplet)형성 억제 및 피막 조도를 향상 시킬 수 있게 된다. 셋째, 타겟 소모의 균일화를 달성할 수 있는 효과를 나타낸다. 즉, 다중극 자장에 의해 타겟 표면에서 N-S-N-S-N…패턴의 자장분포(10-20가우스내외)가 형성되므로 음극 아므 방전의 경우 타겟 표면에 걸쳐 균일한 아크 스팟(spot)이 일어나 미국특허 제4,724,058호와 같은 특수한 형태의 자장 형성 코일 설치 효과를 얻을 수 있으며 균일한 타겟 소모를 이룰 수 있다.

마그네트론 스퍼터링원의 경우 마그네트론 자장에 의한 타겟 표면 자장 세기가 400-800가우스 이므로 다중극 자장원에 의한 방전패턴의 변질 우려는 불식할 수 있으며 오히려 플라즈마 밀도 증대로 인한 동작압력(operating pressure) 및 인가전압의 감소 및 타겟 균일 소모 증진 효과를 얻을 수 있다.

Claims (14)

1. 반응기체를 주입하게 된 대용량 진공용기내에 이온화 전극과 타겟 및 모재를 각각 음극전원과 바이어스 전원에 연결되도록 설치하여 타겟의 재료를 음극전원과 바이어스 전원의 방전에 의하여 이온화시킨 후 모재에 가해진 부전압 가속에 의하여 모재의 표면에 강하고 조밀하게 부착시켜서 피막을 형성함에 있어서, 진공용기의 내부에 균일 극소 자기장 영역을 형성되도록 용기의 외주 전체에 균일한 분포의 다중극 자장을 형성하여 그 다중극 자장이 발생 이온을 균일한 분포의 다중극 자장을 형성하여 그 다중극 자장이 발생 이온을 균일 극소 자기장 영역내의 고밀도로 구속 억류 시킴과 동시에 타겟 표면에서의 국부 불균일 방전의 억제와 균일한 아크스팟 및 전자와 발생입자의 활발한 충돌을 유도하여 피막물성을 향상시킴과 함께 타겟의 소모가 균일히 이루어 지게 함을 특징으로 하는 다중극 자장 억류 원리를 이용한 대용량 이온플레이팅 방법.
2. 진공펌프시스템(26)으로 진공을 유지하고 반응기체를 주입하도록 된 진공용기 (5)의 비자성체 진공용 기외벽(6)내에 이온원인 음극(19)과 타겟(36) 및 양극(41), 그리고 모재(31)를 각각 음극 전원(20)과 바이어스전원(23)에 연결되도록 설치하여 타겟(36)의 재료를 음극전원(20)과 바이어스 전원(23)의 방전에 의하여 이온화 시킨후 모재(31)에 가해진 부전압 가속에 의하여 모재(31)의 표면에 강하고 조밀하게 부착시켜서 피막을 형성하게 된 것에 있어서, 진공용기(5)의 내부에 발생이온을 고밀도로 구속 억류 시킴과 함께 균일 방전을 유도하는 균일 극소 자기장 영역(8)이 형성되도록 진공용기 외벽(6)의 외주면 전체에 균일한 분포의 다중극 자장원(33) (33') (33″) (33″')을 배열 설치하여서 형성된 것을 특징으로 하는 다중극 자장억류 원리를 이용한 대용량 이온플레이팅 장치.
3. 청구범위 제2항에서, 다중극 자장원(33) (33') (33″)(33″')은 서로 인접된 자장원의 극이 서로 반대 방향으로 배열된 영구자석(7)임을 특징으로 하는 이온플레이팅 장치.
4. 청구범위 제2항에서, 다중극 자장원(33) (33') (33″)(33″')은 다선 코일 (43)을 전류방향이 엇갈리도록 배열한 자장 형성 코일(1)임을 특징으로 하는 이온플레이팅 장치.
5. 청구범위 제2항 또는 제4항에서, 진공용기 외벽(6)의 옆면에 배열되는 자장형성코일(1)은 지그재그상으로 배열된 것이고, 진공용기외벽(6)의 윗면에 배열된 자장 형성코일(1)은 태극무늬 형태로 배열 된 것임을 특징으로 하는 이온플레이팅 장치.
6. 청구범위 제2항에서, 다중극 자장원(3) (33″)은 이온원인 음극(19)과 타겟 (36)의 옆면과 뒷면에 배열되어 타겟의 균일 소모와 덩어리 생성 억제를 꾀하게 된 것임을 특징으로 하는 이온 플레이팅 장치.
7. 청구범위 2항에서, 장치는 2개의 이온원인 음극(19)과 타겟(36)이 진공용기 (5)의 양측에서 대향지게 설치되고 모재(31)가 용기중앙에서 공전 및 자전을 하는 회전 테이블(24)위에 놓이게 형성된 것을 특징으로 하는 이온플레이팅 장치.
8. 청구범위 제7항에서, 장치는 각 다중극 자장원(33) (33') (33″)의 세기가 각각 다르게 코일 전원(9)의 출력을 조절할 수 있도록 형성된 것임을 특징으로 하는 이온플레이팅 장치.
9. 청구범위 제2항에서, 장치는 4개의 이온원인 음극(19)과 타겟(36)이 진공용기 외벽(6)의 4주위에 설치되고 모재(31)는 공전 및 자전하는 환상의 회전테이블(24)위에 놓이며 회전테이블(24)내측에 모재(31)를 사이에 두고 외측 다중극 자장원(33)과 대향되게 내측 다중극 자장원(33″″)을 환상으로 배열설치하여서 형성된 것을 특징으로 하는 이온플레이팅 장치.
10. 청구범위 9항에서, 장치는 진공용기 외벽(6)내측 일부와 회전테이블(24)사이에 모재 예열용 히터(27)가 설치되었고 그 예열히터(27)의 내외측에 다중극 자장원(3) (33″')을 보호하기 위한 수냉각판(29)을 설치하여서 형성된 것임을 특징으로 하는 이온플레이팅 장치.
11. 청구범위 제2항에서, 장치는 2개의 이온원인 음극(19)과 타겟(36)이 진공용기 외벽(6)내측에서 대향지게 설치되고 용기 중심부에 있는 회전테이블(24)위에 원통형의 모재(31)가 놓이며 그 모재(31)의 외주에 가열장치(39)로 가열되는 링형태의 히팅코일(38)을 설치하여서 형성된 것임을 특징으로 하는 이온플레이팅 장치.
12. 청구범위 제11항에서, 장치는 히팅코일(38)의 가열장치(39)의 전원으로 모재 (31)가 매끈한 원통 형태인 경우 고주파 전원을 사용하는 것임을 특징으로 하는 이온플레이팅 장치.
13. 청구범위 제11항에서, 장치는 히팅코일(38)의 가열장치(39)의 전원 모재(31)가 요철이 심한 형태의 경우 상용 주파수(60-240Hz)전원을 사용한 적외선 가열 방식을 사용하는 것임을 특징으로 하는 이온플레이팅 장치.
14. 청구범위 제11항에서, 히팅코일(38)은 진공차폐 상하 이동장치에 의하여 상하로 이동되도록 형성하여서 된 것임을 특징으로 하는 이온플레이팅 장치.