KR0148007B1 - 반도체 웨이퍼의 스퍼터 코팅 장치 및 방법 - Google Patents

반도체 웨이퍼의 스퍼터 코팅 장치 및 방법

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KR0148007B1
KR0148007B1 KR1019890017526A KR890017526A KR0148007B1 KR 0148007 B1 KR0148007 B1 KR 0148007B1 KR 1019890017526 A KR1019890017526 A KR 1019890017526A KR 890017526 A KR890017526 A KR 890017526A KR 0148007 B1 KR0148007 B1 KR 0148007B1
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디.허위트 스티븐
와그너 이스라엘
지.히로니미 로버트
엔.반 너트 챨스
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다니엘 요크
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Abstract

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Description

반도체 웨이퍼의 스퍼터 코팅장치 및 방법
제1도는 본 발명의 원리들을 구체화하는 스퍼터링 시스템에 대한 개략선도로써, 스퍼터링 캐소오드 타겟을 축을 중심으로 하여 절취한 단면과 상기 시스템에 대한 제어회로의 블럭 및 논리선도.
제2도는 제1도의 스퍼터링 타겟에 대한 횡단면도로써, 제1도를 2-2선으로 절취한 부분 단면도.
제3도는 캐소오드 스퍼터링 타겟 조립체에 대한 개략도로써, 자기장의 자속선, 프라즈마 영역 및 본 발명의 일부 특징 및 본 발명에서는 생략된 또다른 특징을 갖는 타겟의 부식영역을 예시한 도면.
제4도는 제3도와 유사하지만 본 발명의 바람직한 실시예의 원리를 구체화하는 타겟의 개략선도.
제5a, 5b 및 5c도는 종래 기술의 타겟중 일부 타겟 디자인에서 나타나는 점진적인 부식 패턴을 예시한 도면.
제6a, 6b 및 6c도는 제5a-5c도와 유사하지만, 본 발명의 원리를 구체화하는 타겟에 대한 부식 패턴을 보인 단면.
제7a, 7b 및 7c도는 제 5a-5c도의 부식 패턴에 관련된 스퍼터링 방출 패턴을 예시한 도면.
제8a, 8b 및 8c도는 제 7a-7c도와 유사하지만, 제6a-6c도에 예시한 바와 같이 본 발명의 타겟에서 발생되는 부식 패턴에 대한 방출 패턴을 나타낸 도면.
제9a도는 종래기술의 플레이너 타겟에서 전형적으로 나타나는 기판 침착 패턴을 보인 도면.
제9b도는 제9a도와 유사하지만, 종래기술의 전형적인 두 개의 편을 갖는 타겟을 예시한 도면.
제10도는 제9a도 및 9b도와 유사하지만, 본 발명의 단일편 타겟을 예시한 도면.
제11도는 제3도에 나타낸 특징을 갖는 타겟과 관계하여 예시된 웨이터의 계단구역의 코팅 두께에 영향을 끼치는 현상을 예시한 도면.
제12도는 계단구역 분포를 예시한 도면.
제13도는 본 발명의 원리에 따라서 제1도의 타겟 디자인과 관계하여 예시된 기판상의 계단구역에서의 코팅 재료의 분포에 영향을 끼치는 일부 원리를 예시한 도면.
제14도는 제13도의 타겟의 다수 영역에 대한 타겟 부식 패턴을 보인 단면.
제15도는 스퍼터링 타겟의 서로 다른 영역에 대한 타겟 방출의 부식상승을 시간함수로 예시한 그래프.
제16도는 종래 기술의 타겟 조립체의 다수 방출 영역에 대한 제어 시스템을 예시한 블럭 선도.
제17a도는 본 발명의 원리에 따른 스퍼터링 타겟에 대한 제1도의 시스템 제어부의 개략 블럭 선도.
제17b는 제17a도의 시스템 제어부에 대한 또다른 실시예로써의 블럭 선도.
제18a, 18b 및 18c도는 제17a 및 17b도의 시스템에 대한 시간에 따른 제어 개념을 예시한 도면.
제19도는 제1도의 시스템 제어부의 동작을 예시한 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 스퍼터링 장치 11: 진공실
20 : 타겟 조립체 21 : 타겟
22 : 스퍼터링 표면 23 : 내부림
24 : 외부림 30 : 타겟 홀더
37 : 환상홈 40 : 자석 조립체
41, 42 : 자석권선 45 : 외부 극편
47 : 중간 극편 48 : 강자성체링
50 : 전압 및 제어회로 51, 52 : 전원
62, 63, 64 : 극편 71, 72 : 자속
84, 85 : 프라즈마 89, 90 : 자기장
105, 105' : 웨이퍼 107, 141 : 내부 타겟
108 : 외부 타겟 109a-109c : 계단
143, 144 : 환상 프라즈마 145, 146 : 자석
본 발명은 기판표면의 스퍼터 코딩에 관한 것으로, 특히 마그네트론 스퍼터링 타겟으로 부터 스퍼터되는 코팅 재료를 반도체 웨이퍼의 계단식 또는 비계단식 표면상에 균일하게 분포시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
스퍼터링 코팅은 스퍼터링 재료로 된 타겟표면을 이온적으로 충돌시켜 박막 필름과 같은 기판표면에 재침착되는 원자크기의 입자들을 방출시키는 공정을 포함한다. 이러한 공정은 이온원으로 아르곤과 같은 중성가스를 이용하는 진공실에서 실행된다. 이온화는 음(-) 전위로 타겟을 바이어스시켜서 이 타겟으로 부터 전자가 방출되도록 하고 다시 이 방출 전자들이 애노우드쪽으로 이동되도록 하므로써 성취된다. 이러한 이동과정에서, 전자들은 타겟표면상의 가스원자들과 충돌하여 이 가스원자들을 이온화시킨다. 이 결과로 형성된 양(+) 이온들은 타겟표면의 음전하에 의해 타겟표면쪽으로 끌려가며 충돌시에 운동량을 타겟표면에 전달하여 이 타겟표면으로 부터 코팅재료의 원자 또는 소립자들을 방출시킨다. 이 방출 원자들은 타겟표면상의 방출표면으로 부터 이동하여 그 이동경로내에 있는 기판표면부를 타격, 이 표면부에 부착된다.
마그네트론 스퍼터링은 자기장이 타겟표면 위에 형성되는 진보된 스퍼터링 방법으로써, 이 자기장은 타겟으로 부터 방출되는 전자들을 편향시켜, 이 전자들이 제한된 경로를 따라 이동하여 타겟표면상의 제한된 공간에 포획되도록 한다. 전자들을 제한된 공간에 국한시키므로 전자 밀도등이 증가하고 타겟표면 부근의 공간에서 전자와 가스원자간의 충돌이 발생하여 이온들의 유효 산출이 증가된다. 이렇게 산출된 이온농도는 타겟표면상의 제한된 공간에서 성장하는 프라즈마(plasma) 형태로 나타나게 되며 이 프라즈마에 인접한 타겟표면 영역에서 높은 비율의 이온 충돌이 있게 된다. 이렇게 하여, 스퍼터링 재료의 방출율이 증가하여 프라즈마에 인접한 타겟표면에서 신속한 부식(erosion)이 일어난다.
종래의 스퍼터링 기술에서의 주된 문제는 기판표면을 코팅하는데 있어서 균일성을 이루는데 있다. 기판은 흔히 전자회로를 형성하도록 전도성 재료로 코팅되는 웨이퍼이다. 스퍼터 공정을 행하기에 앞서 웨이퍼는 종종 이 웨이퍼가 다수의 회로층 침착을 이룰 수 있도록 다른 형태의 코팅이나 또는 에칭공정으로 처리된다. 이러한 공정으로, 표면층 또는 이 표면층을 통해 있는 홀(바이어스(vias)로 일컬음)에 선형 홈이 형성되는데, 이 선형홈의 수직 측부는 웨이퍼의 플러이너면과 수직을 이룬다. 스퍼터 코팅공정에서, 이 표면 또는 계단은 또한 계단식 표면으로 결합된 다수의 전도성 회로층들간에 전기적인 전도가 이루어지도록 코팅되어야 한다. 결과적으로, 웨이퍼를 균일하게 코팅하는 문제는 스퍼터링 공정에서 서로 수직을 이루고 서로 다르게 인접해 있는 웨이퍼 표면부분을 균일하게 코팅시켜야할 필요성으로 인해 복잡해지게 된다. 종래기술의 스퍼터 코팅장치는 기판에 요망 코팅분포를 이룰 수 있도록 하는데 있어서 여러형태의 문제점에 당면하게 되었으며, 어떤 문제점에 대해 제시된 해결책은 또다른 문제를 가증시켰다.
플레이너 타겟은 타겟영역상의 자기장에 의해 한정되는 플라즈마와 더불어 이용되었다. 참조로써 미합중국 특허 제3,878,085호 및 제4,166,018호를 보라. 종래기술에서 타겟의 부식을 고르게 하려는 시도가 빈번히 이루어져 왔다. 이러한 목적을 위해, 자기장의 이동이 이용되었으며, 이것은 기계적으로 자석요소를 이동시키므로써 그리고 자기 전류를 변화시켜 전기적으로 자기장을 이동시키므로써 시도되었다. 참조로써 미합중국 특허 제3,956,093호 및 제4,401,538호와 일본 공개번호 58171569를 보라.
종래기술의 일부 장치에서는 발생할 가능성이 있는 기판구역의 불균일성을 어느정도 보상하기 위해 스퍼터된 코팅재료의 자속을 특별하게 조정하려는 노력이 있었다. 이러한 기술은 예를 들어 미합중국 특허 제4,747,926호에 나타나 있다. 종래기술에서 이러한 노력으로 독립적 조정된 전원과 독립 분리된 타겟이 사용되었다. 미합중국 특허 제4,606,806호 및 제4,595,482호에 나타나 있는 것과 같은 이러한 타겟은 플레이너 타겟과 전기적으로 분리된 환상의 절두원추형 타겟으로 둘러싸인 플러이너 타겟으로 사용되었다. 독립 분리된 타겟을 사용할때, 각각의 타겟은 그 표면상에 자기장 및 프라즈마를 형성하는데, 이 프라즈마는 독립되어 있으며 다른 타겟표면에 독립적으로 영향을 끼친다. 독립된 전원은 각각의 타겟부분을 독립적으로 활성화시키기 위해 사용되었는바, 이 사항은 미합중국 특허 제4,595,482호에 기재되어 있다.
그러나, 다수의 타겟의 이용은 다수의 전원과 이중의 회로뿐만 아니라 타겟 캐소오드 전원 각각에 대한 제어와 자기장을 발생시키는 전극 전원 각각에 대한 제어가 필요로 된다.
기계적인 견지에서, 이러한 다수의 타겟의 이용은 또한 진공실을 진공상태에 있게 하기 위한 독립적인 봉합을 필요로 하고, 독립적인 설치 및 정돈 절차, 독립적인 제조단계뿐만 아니라 타겟이 양호하게 냉각되도록 하기 위한 독립적인 수단을 필요로 한다. 이러한 모든 필요사항으로 인하여 코스트가 높아지고 제조 또는 유지상의 문제와 기계의 준비 및 동작에 있어서 복잡성이 가중되게 된다.
종래기술의 단일편 타겟은 스퍼터링 표면상의 서로 다른 영역으로 부터 스프터링 세기 조정에 수정이 가능하지 않다. 종래기술의 단일편 타겟이 지니는 단점은 독립된 타겟영역으로 부터의 방출을 효과적으로 제어할 수 있는 능력이 결여되어 있다는 것으로, 결국은 이러한 고유의 단점을 지니는 다수의 타겟 조립체의 개발만을 부추기게 되었다.
종래의 기술로 개발된 단일편 타겟 또는 개별적인 타겟 구성소자로 이루어진 타겟 조립체는 미합중국 특거 제4,401,539호에 기재된 바와 같이 불균일한 부식을 방지하는데에만 그 노력이 집중되었다. 타겟표면은 종종 타겟표면의 기하학적인 특성을 변화시켜 초기의 타겟 방출 패턴을 벗어나게 하는 바람직하지 못한 부식 패턴을 나타낸다. 결과적으로 기판상에서의 침착 분포도 또한 타겟이 부식됨에 따라 변화하게 된다. 더우기, 타겟 표면 전역에서의 방출 세기의 변화 및 이에 따른 기판전역에서의 침착의 균일서에서의 변화가 시간에 따라서 계속된다. 따라서, 종래기술 예컨데 미합중국 특허 제4,100,055호에서 불규칙한 부식은 방지되어야할 현상으로 간주된다. 예컨데, 미합중국 특허 제4,622,121호에서 기재된 바와 같이 타겟의 부식을 고르게 하기 위해서 자석의 극을 재배치하거나 또는 자석극편을 이동시키는 방법이 사용되었다. 종래기술에서, 단일편 타겟의 불균일한 부식은 타겟표면 전역에서 타겟의 불균일한 소비로 인한 타겟 재료의 비효율적인 이용이 되는 것으로 간주되었다.
이러한 불균일한 부식은 또한 타겟이 부식될때 스퍼터링율의 변화(일반적으로 감소)를 야기하게 된다. 불균일한 타겟 부식으로 인한 이러한 스퍼터링율의 감소는 스퍼터링 표면전역에서 불균일하게 발생되며 결국은 타겟표면상에서 스퍼터링 세기의 분포에 있어서의 시간에 따른 변화뿐만 아니라 이에 따른 기판상에서 코팅재료의 총량 및 분포에서의 변화가 야기된다. 독립적으로 전기 분리된 타겟의 경우에서는 이러한 효과들이 조처될 수 있으며 전기 파라메터를 제어하므로써 보상이 이루어진다. 그러나, 단일편 타겟 또는 타겟 구성 소자의 경우에서, 이러한 효과들은 조처가 가능하지 않고 또한 스퍼터링 공정시에 제어될 수 없는 상태로 발생된다.
종래기술에서는 기판 웨이퍼 평판과 수직을 이루는 측부를 갖는 바이어스 및 계단을 구비하는 기판을 균일하게 코팅할 필요성이 충분하게 다루어지지 않았다. 불균일한 타겟 방출율 및 타겟 부식 제어는 종래의 기술, 특히 단일편 타겟인 경우에서 여전한 문제로 남아 있었다.
따라서, 계단을 이루는 기판 웨이퍼를 균일하게 코팅하기 위해서는 마그네트론 스퍼터링 타겟을 제공, 유지 및 제어할 필요성이 있다. 더우기, 상기한 종래 기술, 특히 단일편 스퍼터링 타겟에서의 문제점들을 해결하기 위해서는 종래와 양립될 수 없는 특징들을 이용할 더 구체적인 필요성이 있다.
본 발명의 제1 목적은 특히 기판 웨이퍼와 수직을 이루는 가운데 서로 반대방향으로 접하고, 서로 다른 웨이퍼 영역상에 위치되는 기판표면에 관계하여, 기판 웨이퍼상에 스퍼터 코팅 침착을 하는데 있어서 계단구역의 균일성을 향상시키는 것이다. 더 특별하게, 본 발명의 목적은 웨이퍼 기판 전역에 더 균일한 스퍼터 코팅을 침착시키는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 이 기판은 인접한 플레이너 및 수직 웨이퍼 표면영역에 형성된 계단을 구비한다.
본 발명의 또다른 목적은 타겟의 점진적인 부식에 의해 야기되는 타겟 표면의 기하학적인 변화로 인하여 균일한 계단구역상에서 발생되는 역시간 변화 효과를 최소화시키는 것이다.
본 발명의 상기 목적들의 성취는 부분적으로 웨이퍼 표면상의 어떤 포인트에서 스퍼터 코팅의 전개는 타겟 및 기판의 형상 및 상대공간을 확정하는 기하학과 타겟의 스퍼터링에 영향을 주는 자기장을 형상시키고 활성화시키는 기하학이 포함된 많은 파라메터의 기능에 따라 이루어진다는 이론의 착안에 기초된 것이다.
특히, 타겟 방출 표면 각각의 표면증분과 방출된 스퍼터링 재료가 침착되는 기판표면 각각의 증분간의 포인트 기하학은 상기 두 증분 사이에서의 전송율에 영향을 준다. 상기 증분과 입자 경로가 형성하는 각도 뿐만 아니라 그 경로 거리는 각 쌍의 증분 사이에서의 스퍼터링 전송율에 영향을 끼치는 기학적 파라메터이다.
추가로, 타겟 상부에 프라즈마를 집중시키는 자기장의 형상 및 세기, 타겟과 기판간의 전기장 및 전위 그리고 타겟과 기판을 통해 있는 회로에서의 전류, 전압 및 임피던스들은 기판상의 코팅분포에 영향을 주는 파라메터로 간주된다. 타겟과 기판 사이의 공간에서 이온 및 전자의 경로 및 이동에 대해서 그리고 결과적으로 생성된 스퍼터 입자의 방출 및 침착 패턴에 대해서 상기와 같은 파라메터들이 미치는 영향은 종래기술의 경우 단지 부분적으로만 제어되어 코팅의 균일성 유지가 불충분하게 되었다.
본 발명의 시도에서, 이러한 기하학적 및 전기적 파라메터들은 또한 타겟의 부식에도 영향을 주는 것으로 간주된다. 타겟으로 부터 방출되는 입자 또는 원자들은 무겁고 또한 중성인 전하를 띠므로 타겟상의 방출 포인트로 부터 기판상 또는 다른 부위에 있는 목적지까지 전송되는 것으로 간주된다. 따라서, 기판과 관련되는 타겟의 기하학과 타겟의 부식 패턴은 기판상에 침착되는 스퍼터링 재료의 분포와 서로 긴밀한 관계가 있는 것으로 여겨진다.
본 발명의 목적을 시행하는데 있어서, 자기장의 세기를 증가시키므로써 타겟영역중의 한 영역에 인접해 있는 프라즈마에 있는 포획된 전자의 밀도가 증가된다는 것이 고려되었다. 이러한 증가는 강화된 자기장 부근에 있는 영역의 타겟 표면상에서 이온 플럭스를 증가시키게 된다. 증가된 플럭스는 대개 부분적으로 특정 타겟영역과 애노우드 회로 사이에서 감소된 임피던스 형태로 나타나며 상기 타겟영역으로 부터 방출되는 코팅 원자의 수를 증가시킨다. 이렇게 하여 상기 영역에서 타겟의 부식율이 증가되는 한편 주로 상기 타겟영역에 놓인 기판 표면부상에서 침착율이 증가된다. 이렇게 증가된 침착은 이 타겟영역에 더 직접적으로 접하거나 또는 부근에 있는 기판표면에서 가장 현저하게 나타난다. 본 발명의 원리에 따르면 본 발명의 목적들은 개별적으로 에너지가 가해지는 다수의 부식영역과 더불어 오목형의 환상 스퍼터링 표면을 구비하는 단일편 타겟을 제공하므로써 부분적으로 성취된다. 오목형의 환상 타겟표면은 기판의 서로 다르게 접하는 계단표면과 거의 접하는 영역을 포함하고 있다. 바람직하게, 상기 환상 타겟표면은 모든 증분에서 윤곽이 고르게 연속을 이룬다. 타겟 표면상의 다수의 동심 부식영역은 타겟에 에너지가 가해짐과 동기하여 스위칭되는 프라즈마 유지 자기장으로 개별적으로 제어된다.
본 발명의 또다른 원리에 따르면, 본 발명의 목적들은 또한 스퍼터링 타겟의 서로 다른 영역의 전기 파라메터를 개별적으로 제어하므로써 부분적으로 성취된다. 이러한 파라메터의 제어를 통해 그리고 결과적인 각 타겟영역에서의 스퍼터링 에너지로 인해, 스퍼터 재료의 방출 및 다른 모든 타겟영역으로 부터의 기판표면 전역에서의 코팅 침착이 균일하게 된다. 이것은 개별타겟 영역에 번갈아 에너지를 가하므로써 이루어진다. 바람직한 실시예에서, 전자기 전류가 ON 및 OFF로 수위칭되어 타겟에 에너지가 가해지는 파우워 레벨이 자석이 스위칭됨과 동기하여 수위칭될때, 개별 타겟영역상에 프라즈마 유지 자기장이 번갈아 활성화된다. 이러한 스위칭 과정의 사용율(duty cycle)은 서로 다른 타겟 표면영역으로부터의 스퍼터링 량을 변화시키도록 제어되며, 캐소오드 파우워 또는 다른 전기 파라메터도 마찬가지로 제어될 수 있다. 이 제어는 부식의 측정에 응답하여 이루어진다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 상기 측정은 레이저 장치를 이용하여 침착율을 모니터하거나 또는, 스위칭으로 인해 파우워 소비가 에너지가 가해진 타겟영역에서만 국부적으로 일어나므로 단지 어느 타겟영역에만 관련되는 캐소오드 파우워와 같은 전기 파라메터를 검출 또는 조정하여 부식 표면을 직접 측정하므로써 이루어진다.
본 발명의 일부 다른 원리에 따르면, 타겟 하부에 놓이는 자석 극편은 타겟영역안으로 신장되어 상기 자석 극편단을 타겟의 스프터링 표면 부근에 이르게 하여 상기 극편 상부에 놓이는 비부식 영역의 폭을 줄이므로써 타겟 재료의 이용 효율을 증가시킨다. 이러한 피삽입 극편은 타겟 및 타겟 마운팅 장치를 외부로 방출되는 열팽창에 대해 구조적으로 강화시켜 열팽창으로 인한 원하지 않는 변형 가능성을 줄여주는 역할을 한다. 피삽입 극편 구조는 이온 폭발시에 열을 상승시키는 경향이 있는 타겟 체적안으로 추가적인 냉각을 도입하는 수단이다.
본 발명의 장점 및 특히 본 발명의 바람직한 실시예는 단일편으로 된 환상 오목형 타겟이 사용될 수 있다는 것으로 이 타겟의 표면은 예컨데 선반에 의한 단순한 공작단계를 거쳐 형성될 수 있다. 따라서, 상기 타겟은 복잡한 기하학을 갖는 복합편으로 된 타겟보다 더 쉽게 제작될 수 있다. 상기 단일편 타겟 구조는 스퍼터링 체임버와의 봉합이 더욱 용이하며 정돈, 조절, 변화 및 냉각이 더욱 용이하다. 표면의 예각은 계단식 웨이퍼의 서로 다르게 접한 표면에 대한 양호한 근접성 및 스퍼터링 각을 나타낸다. 개별 부식 영역에 대한 개별적인 제어를 통해 불균일한 타겟 부식을 이용하여 균일한 계단구역을 증가시키는 것이 가능하다. 타겟에 에너지가 가해짐과 동기하여 활성 르파즈마를 스위칭하므로써 두 개 또는 그 이상의 타겟영역에 대해 단일 전원이 사용될 수 있어 동일 타겟표면의 서로 다른 스퍼터링 영역에 대한 개별 제어가 가능해진다.
본 발명은 또한 단일편 타겟의 특정 영역으로 부터의 스퍼터링 량에 대한 국부적인 제어 그리고 타겟 부식에 대한 국부적인 제어 및 이에 따른 기판표면 전역에 침착 분포의 균일성에 대한 제어를 제공하는 또다른 장점을 갖는다. 따라서, 처음에 본 발명의 타겟에 대한 기하학적인 파라메터 및 타겟에 에너지를 가하는데 있어서의 전기 파라메터를 선택함으로써 제공되는 균일한 계단구역이 타겟이 부식될 때 시간에 따라 변화하는 타겟 성형에도 불구하고 유지될 수 있다. 본 발명의 특징과 관계하여, 영역별 타겟의 성능 및 상태를 제어하는데 있어 사용을 위해 단일편 타겟의 두 개 또는 그 이상의 영역에 대한 파라메터를 결정하고 서로 다르게 조정하는 것이 가능하다.
따라서, 추가적인 장점뿐만 아니라 단일편 타겟이 지니는 장점 및 두개의 편을 갖는 분리 타겟이 지니는 장점들이 본 발명의 원리에 따른 단일 타겟 조립체에 부여된다. 본 발명의 이러한 그리고 또다른 목적 및 장점들이 다음의 첨부한 도면에 의거한 상세한 설명을 통해 분명해질 것이다.
본 발명과 관계되는 마그네트론 스퍼터링 장치는 공동 양도되어 계류중인 다음의 특허출원들에 상세히 설명되고 있는바, 이 특허출원들은 본 출원과 내용이 결부된 것으로 참조로써 여기에 나타낸다.
현재 계류중인 특허출원(1987년 9월 10일자로 출원된 제095,100호의 스퍼터 코팅 장치용 캐소오드 타겟 설계)은 1986년 8월 4일 출원되어 현재는 포기된 제848,698호의 특허출원에 연속하는 것이고, 현재 계류중인 특허출원(1987년 9월 10일자로 출원된 제095,560호의 마그네트론 스퍼터링 시스템에서 이온폭발의 균일성 개선장치)은 1986년 4월 4일 출원되어 현재는 포기된 제848,750호의 특허출원에 연속하는 것이며 1988년 7월 20일 출원된 제222,328호의 특허 출원은 1987년 10월 22일 출원되어 현재는 포기된 제112,777호의 특허출원에 연속하는 것으로써 제112,777호의 특허출원은 또한 1986년 4월 4일 출원되어 현재는 포기된 제848,297호의 특허출원에 연속하는 것이다.
제1도와 관계하여, 본 발명의 원리에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치(10)가 도식으로 예시되어 있다. 상기 장치(10)는 도면부호 13의 전기 접지부에 연결된 진공실 벽(12)으로 속박된 진공실(11)을 구비한다. 진공실(11) 내부에는 워크피스(workpiece)(14)가 고정되는 지지부(도시하지 않음)가 있다. 이 워크피스(14)는 전형적으로 실리콘 웨이퍼 기판으로 되어 있는바, 이 기판상에서 상기 장치(10)와 더불어 수행되는 스퍼터링 공정에 의해 전도성 코팅이 침착된다. 기판(14)은 본 발명의 일실시예와 관계하여 제1도의 상부에 보인 바와 같이 보통 플레이너 또는 패턴화된 웨이퍼로 되어 있으며 때때로 원과 같은 형상을 이룬다. 웨이퍼(14)는 웨이퍼 기판(14)의 평면(16)과 직각을 이루는 중심축(15)으로 한정되는 기하학적인 중심을 구비한다. 기판(14)은 웨이퍼(14)의 평면(16)과 평행을 이루고 스퍼터링 소오스로 부터 스퍼터 코팅 침착을 받도록 행해진 표면(17)을 구비한다. 웨이퍼(14)를 스퍼터 코팅하기 위한 스퍼터링 재료 소슬 제공하는 캐소오스 타겟 조립체(20)가 0형 봉합링으로 지탱된채 진공실 벽(12)과 봉합 관계를 이루어 배치되어 있다. 예시한 실시예로서, 체임버 벽(12)에 배치될때 상기 타겟 조립체(20)는 또한 일반적으로 원형이며 웨이퍼(14)의 축(15)과 서로 동연(同延)을 이루는 축(19)을 구비한다. 타겟 조립체(20)에는 기판(14)의 표면(16)상에 스퍼터되는 재료로 형성된 스퍼터링 타겟(21)이 포함되어 있다.
제1도 및 제2도에 관계하여 더 잘 볼 수 있는 바와 같이, 타겟(21)은 환상형으로 되어 있어 기판(14)의 중심축(15)과 공동을 이루는 축(19)을 구비한다. 타겟(21)은 원형 내부림(23)과 원형 외부림(24)으로 속박되는 스프터링 표면(22)을 구비한다. 표면(22)은 내부림(23)으로 부터 외부림(24)에 이르기까지 고른 연속을 이룬다. 고른 연속을 이룬다라는 의미는 타겟(21)의 표면(22)이 림(23,24) 사이의 모든 포인트에서 연속적으로 변하는 경사를 이루고 이 경사가 수학적으로 한정되지 않는 각도나 포인트를 갖지 않는다는 것이다.
바람직하게, 표면(22)의 만곡은 모든 증분에서 오목형이다. 예시한 실시예에서, 표면(22)은 원의 반경(26)의 축(19)을 중심으로 회전하는 형태를 나타내는바, 상기 반경(26)의 시점은 축(19) 및 원(28)으로 부터 거리(29)로 이격된 포인트(27)에 있다. 또다른 실시예에서, 거리(29), 포인트(27) 및 반경(26)은 표면(22)상에서 축(19)으로 부터 서로 다른 거리로 고정되어 있지 않고 변화될 수 있으며 포물함수, 타원함수 또는 또다른 수학적 함수 또는 조합 또는 이것들의 배수에 관련되어 있다. 바람직한 일실시예에서, 회전 형태는 변형된 타원형태로 되어 있어서, 내부림(23) 부근의 거리에서의 표면, 외부림(24) 및 내부 및 외부림 중간의 포인트는 세개의 서로 다른 포인트에서 세개의 서로 다늘 반경을 이룬다.
타겟(21)의 외부림(24)의 직경은 웨이퍼(14)의 직경보다 더 크게 되어 있는바, 이에 대해서는 하기에 더 상세하게 설명하기로 한다. 바람직하게, 8인치에 이르는 웨이퍼의 직경에 대해 타겟 직경은 대략 11인치가 바람직하다. 외부림(24)은 타겟(21)상에서 웨이퍼(14)의 평면(16)과 가장 밀접해 있는 부분이다. 웨이퍼(14)의 직겨이 대략 4 내지 8인치이고 타겟(21)의 직경이 대략 6 내지 8인치인 경우, 웨이퍼(14)의 평면(16)으로 부터 타겟(21)의 외부림(24)간의 공간 거리는 대략 1인치가 바람직하다.
그러므로, 바람직한 기하학적인 구성으로, 타겟 표면(22)은 축(19)으로 부터의 반경(29)에서는 기판(14)의 평면(16)과 가장 멀리 떨어져 있고, 중앙림(23)에서는 기판(14)의 평면(16)과 가장 밀접하게 되고 그리고 타겟(21)의 외부림(24)에서는 기판(14)의 평면(16)과 가장 밀접하게 됨을 인식할 수 있을 것이다. 그럼에도 불구하고, 타겟 표면(22)은 외부림(24)에서 외부림(24)에 이르는 타겟(21)의 확장부 전역에 걸쳐 대체로 전체적인 오목형 표면을 나타낸다. 상기와 같은 윤곽을 이루는 타겟(21)은 하나의 스퍼터링 재료로 형성하는 것이 바람직하며, 선반으로 자르거나 기계 공작하므로써 형성된다.
타겟(21)은 축(19)과 동심을 이루는 대체로 원형인 백 플레이트(back plate)(31)를 구비하는 타겟 홀더(30)로 지지된다. 타겟 홀더(30)는 외부 원통벽(32)과 직립 원통 중간벽(33)을 구비한다. 외부 원통벽(32)은 타겟(21)의 외부림(24)을 포위한다. 타겟 홀더(30)는 백 플레이트(31), 외부벽(32) 및 타겟으로 부터 열을 유지 및 전도시키는 중간벽(33) 등을 속박하는 내부 표면(34)을 구비한다. 타겟(21)은 타겟 조립체(20)가 타겟 홀더(30)에 고정될때 타겟 홀더(30)의 내부 표면(34)과 긴밀한 냉각 접촉을 이루는 외부 냉각표면(35)을 구비한다. 타겟(21)은 또한 냉각표면(35)상에서 타겟 홀더(30)의 백 플레이트(31)의 내부표면(30)과 접촉을 이루는 냉각표면(35) 상에 있는 후부(36)를 구비한다. 타겟(21)의 후부(36)에 타겟 홀더(30)의 중간벽(33)과 부분적인 접촉을 이루는 내부 표면(38)을 구비하는 환상홈(37)이 있다. 상기한 바와 같은 타겟(21)의 모든 표면은 선반으로 깍을 수 있다.
타겟 홀더(30)는 열전도 재료, 대개는 구리로 만들어지며, 또한 홀더(30)가 낮은 온도를 유지할 수 있게 하고 따라서 가스이온 폭발시에 발생되는 타겟(21)으로 부터의 열을 방출시키기 위해 냉각액체와 연통하는 튜브 또는 이와 같은 수단(33)을 구비한다. 상기와 같은 수단은 단지 도식적으로만 나타내지만 스퍼터링 장치에서 여러가지 다양한 형태로 사용된다.
타겟 조립체(20)에는 바람직하게 한쌍의 전자석(41a, 42a)을 포함하는 자석 조립체(40)가 제공되어 있으며, 상기 전자석(41a, 42a)은 각각 제1도에 보인 바와 같이 타겟 홀더(30) 뒤에 있으며 축(19) 주위에서 중심을 이루고 이 축과 수직을 이루는 평판에 동심을 이루어 설치된다. 어떤 응용에서는 영구자석 또는 영구자석과 전자석의 조합체가 사용된다. 단단한 강자성체는 타겟 조립체(20)에 대한 구조적인 지지를 형성하고 전류가 권선(41, 42)에 인가될때 자석(41', 42')을 형성하는 자기 극편을 구성한다. 이 강자성체는 타겟 조립체(20)의 플레이너 배면 지지를 형성하는 원형 캡 편(cap piece)(44)을 포함하며 자석(41', 42')의 극편 사이에 가로방향의 자기장을 유지시킨다. 원형통의 외부 극편(45)은 홀더(30)의 외부벽(32)을 포위한다. 상부 노출 표면은 극편 표면의 스퍼터링을 방지하는 암흑 공간 시일드와 연관되는 시일드(45a)로 덮혀진다. 자체의 축으로써 축(19)을 갖는 원통형의 내부 극편(46)은 타겟(21)의 내부림(23)을 통해 돌출된다. 이 내부 극편(46)은 또한 시일드 또는 캡(46a)으로 덮혀진다. 자체의 축으로써 축(19)을 갖는 원통형의 중간 극편(47)은 타겟(21)의 환상홈(37) 밑에 놓인다. 단단한 강자성체로 되어 있으며 중간 극편(47)과 같은 직경을 갖는 링(48)이 타겟(21)의 배면에 있는 환상홈(37) 내부에 끼워진다. 중간극편(47)의 상단부는 또한 중간벽(33) 반대쪽의 백 플레이트(31) 표면에 있는 환상홈(49) 내부에 끼워진다. 강자성체(48)은 홀더(30)의 중간벽(33)을 둘러싸고 이것과 함께 타겟(21)의 후부(36)에 있는 환상홈(37)에 끼워진다.
링(48)과 함께 중간 극편(47)은 내부 및 외부 자석(41a, 42a)이, 공동으로 구비하는 극편을 형성한다. 링(48)은 티겟(21)의 환상홈(37)에서 유효 극편이 타겟(21)의 표면 바로 부근 하부로 신장되도록 중간 극편(47)과 자기적으로 결합된다. 강자성 링(48)이 단단한 강자성체로 되어 있기 때문에 이 링은 유연한 동으로 된 홀더(30)보다 실질적으로 강도가 세다. 이렇게 하여 상기 링(48)은 열에 의해 야기되는 타겟(21)의 래디알 팽창에 대해 타겟 홀더(30)의 중간벽(33)을 구조적으로 강화시키며 그러므로써 타겟(21)이 래디알 열팽창 되는 것을 억제한다.
진공실(11)의 벽(12)은 시스템 접지 연결부(13)을 통해 전기적으로 접지 전위에 유지된다. 웨이퍼(14)는 접지 전위에 또는 부근에 유지되도록 하거나 또는 접지에 대해 실질적으로 음(-)으로 바이어스되도록 하는 상태로 접속된다. 전압 및 제어회로(50)가 제공되어 타겟921)에 음전위를 인가시켜 자석(41', 42')을 활성화시키게 된다. 상기 회로(50)는 타겟(21)에 스퍼터링 전압을 공급하여 타겟(21)을 활성화시키는 타겟 전원(51), 자석권선(41, 42)에 전류를 공급하여 이들(41,42)을 구동시키는 하나 또는 그이상의 전원(52) 및 전원(51, 52)의 동작을 제어하는 제어회로를 포함하고 있다. 회로(50)는 시스템 접지 연결부(13)에 연결된 접지를 구비하며 진공실 벽(12)의 애노오드 접지 전위를 확립한다. 타겟(21)에 캐소오드 전원회로(51)의 출력선로(54)를 통해 음전위의 에너지가 가해진다. 자석 전원회로(52)는 각각의 자석권선에 연결된 출력(55, 56)을 통해 전자석 권선(41, 42)에 전류를 공급한다. 회로(50)의 구성 소자들과 이 회로(50)가 제어하는 동작에 대해서는 하기에 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 원리에 있어서, 스퍼터링 공정시에 타겟(21)의 부식에 대한 자석(41', 42')과 자석 극편(45, 46 및 47)의 관계는 제4도와 관계하여 상세하게 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 이해를 돕기 위해서 우선은 본 발명의 바람직한 실시예의 일부 특징들이 생략된 타겟 조립체를 보인 제3도와 관계하여 설명하기로 한다.
제3도에서, 홀더(도시안됨)로 지지된 환상형 단일편 타겟(61)이 중간 자석 극편(62)을 둘러싸고 다시 환상 극편(63)으로 둘러싸이는 형태로 중간 환상 극편(64)에 놓여진다. 극편(62, 63 및 64)의 자성은 영구자석이나 또는 제3도에 예시한 장치에서처럼 한쌍의 전자석 권선에 의해 유지되며 상기 내부권선 및 외부권선은 직류 전류가 중앙 극편(62)을 중심으로 서로 반대방향으로 흐르는 과정을 통해 활성화된다. 환상형 단일편 타겟(61)은 외부 절두원추형 표면(69)으로 둘러싸인 내부 플러이너 표면(68)을 구비하는데, 이 표면(69)은 원주(70)(제3도의 단면에서 한 포인트)에서 교차되어 표면(68)과 표면(69)사이에서 둔각을 이룬다.
제3도의 타겟에서, 캐소오드 타겟(61)에 음전위가 인가되면 타겟(61)으로 부터 전자가 방출되고 다시 이 전자가 접지된 애노오드 벽(12') 쪽으로 이동하게 되는데, 여기서 상기 애노오드 벽은 일반적으로 진공실(11')의 벽이다. 진공실(11')은 진공 상태를 유지하는데 그 내부에는 불활성 기체, 대개는 아르곤이 내포된다. 캐소오드 타겟(61)으로 부터 방출된 전자들은 아르곤 원자들과 충돌하는 한편 애노우드 벽(12')쪽으로 향하는 제2전자들을 방출시키고 이 경로상에서 다른 아르곤 원자들과 또한 충돌한다. 충돌 과정에서, 아르곤 원자들로 부터 전자들이 떨여져 양(+) 아르곤 이온이 생성된다. 양 아르곤 이온은 다시 음전하를 띠는 캐소오드 타겟(61)쪽으로 이끌려져 타겟(61)의 표면(68, 69)을 타격하게 되어 이곳으로 부터 캐소오드 재료의 입자 또는 원자들이 방출되게 한다. 캐소오드 타겟(61)으로 부터 스퍼터된 입자들은 타겟(61)의 방출 표면으로 부터 계속 이동하여 이둘중 많은 입자들이 기판(14')과 충돌, 이 기판(14')이 타겟 재료로 코팅된다.
제3도에 예시한 공정에 자기장을 도입 시키므로써, 이른바 마그네트론 스퍼터링이 이루어진다. 자속(71, 72)선이 상반되는 극편쌍(62, 64)과 (63, 64)사이에서 생성되어 뻣어 나가면서 타겟(61)의 각 표면(68, 69)상의 영역(74, 75)을 에워싸게 된다. 상반되는 극편쌍(62, 64)과 (63, 64)사이에 자속(71)선은 타겟(61)의 내부영역(74)을 둘러싸는 반면 외부 극편(63)과 중간 극편(64) 사이의 자속(72)선들은 타겟(61)의 외부영역(75)을 둘러싼다. 자기장(71, 72)은 타겟(61)의 내부영역(74) 및 외부영역(75) 위에 형성되는 자기장을 통해 이동하는 전하입자에 횡력을 가한다. 자기장을 통해 이동할때 생성되는 힘에 비해 타성이 낮은 무게가 가벼운 전자들이 편향되어 원 또는 나선경로를 통해 각각의 타겟영역(74, 75) 바로 상부에 있는 자기적으로 포위된 공간 주변으로 이동하게 된다. 따라서, 포위 원자들이 포획되어 가스원자들과의 충돌 가능성이 커지게 되고 더욱더 전자와 아르곤간에 충돌수가 증가하게 되어 타겟(61)의 영역(74, 75) 상에서의 아르곤 이온 생성이 증가된다. 이러한 이온 집중은 상기 가스 이온이 영역(74, 75)에 인접 성장되도록 하는바, 이러한 성장은 타겟 영역(74, 75)에 각각 인접한 한쌍의 환상구름 즉 프라즈마(84, 85)로써 나타난다.
마그네트론 스퍼터링을 이용함으로써 스퍼터링율이 증가하며 결과적으로 타겟 재료의 입자 또는 원자의 방출이 증가하게 된다. 그러나 이러한 방출은 또한 프라즈마(84, 85)의 국부화되는 성질로 인하여 타겟영역(74, 75)에서 국부적으로 나타나게 된다. 프라즈마가 점유하는 공간에 가스 이온의 생성을 집둥시키므로서 극편(64)의 내부 및 외부에 놓여 있는 타겟영역에서 불규칙한 부식 패턴(86, 87)이 각각 발생된다. 그러나, 자속(71, 72)선이 캐소오드(61)의 표면과 수직을 이루는 곳에서 방출 전자들이 편향됨이 자속선과 평행으로 이동한다. 따라서 전자들은 극편(64)상에 있는 영역에 포획되지 않고, 이 영역에서 프라즈마의 형성이 일어나지 않으며 이곳에서 상기 표면을 폭발시키는 이온들이 거의 없고 마그네트론 공정으로 인한 부식율의 증가가 일어나지 않는다. 그러므로, 부식되지 않은 부위가 넓거나 또는 소규모르 부식된 영역(88)이 극편(64) 바로위에 있는 타겟(61)상에 전개된다. 이 영역(88)은 영역(86)과 영역(87) 사이에서 극편(62)을 둘러싸며 타겟(61) 표면상의 극편(64) 위에 놓인다. 이러한 부식되지 않은 부위가 넓은 영역으로 인하여 타겟 재료의 이용이 비효율적으로 된다.
제4도에 예시한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 문제는 환상홈(33)을 이용하여 중간 극편(47')을 캐소오드 타겟(21)의 배면(36)에 삽입시키므로써 해결된다. 극편(47)을 타겟(21)이 표면(22)에 근접시키므로써 타겟 재료의 효율적인 이용을 증가시키는 두가지 효과를 갖게 된다. 첫째로, 자석 극편(47')의 원단을 타겟(21)의 표면(22)에 근접시키므로써 자기장(89, 90)이 대체로 타겟표면(22)과 직각을 이루는 극편(47')상의 영역을 좁게 할 수가 있다. 따라서, 극히 소규모의 영역을 구비하는 타겟영역을 이룰수 있어, 이 영역 상부에서 타겟표면과 평행을 이루는 자기장은 내부 및 외부 프라즈마(91, 92)를 유지하는데 있어 그 세기가 충분치 못하다. 따라서, 타겟(51)의 내부 및 외부영역(94, 95)은 각각 서로 밀접하게 되고 따라서 비부식 영역(96)이 제3도의 비부식 영역보다 매우 좁아지게 된다. 더우기, 너치 또는 홈(33)이 타겟 재료의 체적을 변위시켜 정상적으로 비부식(93) 하부에 나타날 수 있는, 하지만 스퍼터링 공정시에 사용되지 않는 재료가 타겟(21)으로 부터 생략되므로 원가를 저감할 수 있다.
더우기, 제3도에서 환상 단일편 타겟(61)은 도면부호(68, 69)의 표면과 같은 다수의 표면 단편으로 윤곽이 이루어져 있다. 이러한 표면들은 서로 결합되어 원형선(70)에서와 같이 제3도의 단면도에서 환상접합을 형성한다. 이러한 접합 부근에 있는 타겟 표면은 표면의 고른 영역보다 더 신속하게 부식되어, 제5도에 보인바처럼 깊은 첨단(cusp)을 나타내는 경향이 있음이 밝혀졌다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 변형된 타원 단면을 구비하는 일정한 만곡을 이루거나 또는 제4도에 보인 바와 같이 원형 단면을 이루는 경사가 연속적으로 변하는 고른 표면은 이러한 환상 접합을 방지하며 따라서 제5a-5c도에서의 점진적인 부식단계에서 나타나는 깊은 첨단 형태를 피할 수 있다.
제5a도에 종래기술의 타겟에서 나타나는 표면(81, 82)의 접합(70)이 예시되어 있다. 프라즈마(85)가 이 표면(69)상에 놓여, 표면(61)을 폭발시키는 이온의 주원이 된다. 이러한 이온이 표면(68, 69)의 접합(70) 부근에 있는 타겟(61)을 타격할때, 타겟 재료의 입자 및 원자들은 제5a도에서 분포 패턴(77)으로 예시한 것처럼, 대략적으로 코싸인 법칙을 따르는 분포와 방출각의 함수에 따라 변하는 비율로 방출된다. 이렇게 하여, 더 많은 입자들이 어떤 다른 각도보다는 표면과 직각을 이루어 스퍼터되며 각 표면 증분으로부터의 방출의 평균각이 표면과 직각을 이룬다. 그럼에도 불구하고, 예상할 수 있는 비율의 방출 원자들이 표면과 예각을 이루어 방출된다. 이것은 방출 패턴(77)에 나타나 있는데, 여기서 화살표의 길이는 각각의 방향에서의 대략적인 상대 방출율을 나타낸다.
접합(70) 형태의 예리한 접합부들이 정전계의 형상 및 타겟표면의 국부적인 부식율에 영향을 주는 다른 인자들에 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌다. 이러한 접합의 작용에 의해 접합(70) 밀접한 곳에서 부식율이 증가한다. 결과적인 부식은 각도(70)의 영역에서 타겟 표면의 경사가 증가되고 서로 반대방향으로 위치하는 벽을 구비하는 V형의 첨단 형태를 취하게 된다. 스퍼터링 공정이 계속될때 이러한 부식은 제5c도에 보인 바와 같이 접합(70) 영역에서 더욱더 두드러진다. 이러한 첨단 형태는 타겟을 통해 진척될 것이며 그러므로써 타겟의 수평이 줄어들게 된다. 이러한 형태의 부식으로 인해 상당량의 타겟 재료가 사용되지 못할 것이며 스퍼터링 효율이 접합(70) 부근의 부식영역에서 급격히 상승하게 될 것인바, 이에 대해서 하기에 추가로 설명하기로 한다.
이온들이 편평하지만은 제5a-5c도에서 도면 부호 70으로 나타낸 바와 같은 환상형 접합부를 포함하는 표면을 타격하는 곳에서, 접합 가까이에서 넓은 예각을 이루어 방출된 원자들이 바로 인접한 표면을 어느정도로 타격하게 될 것이다. 예컨데, 제5a도에서 화살표(79)로 나타낸 바와 같이 극히 작은 접합(70)에 바로 인접한 표면(68)상의 포인트(78)로부터 방출된 원자들이 표면(69)을 타격하게 될 것이다.
대조적으로, 본 발명의 원리에 따른 타겟(21)은 제6a-6c도에 보인 바와 같이 가속되는 부식작용을 더욱 광범위하게 분포시킨다. 본 발명의 고르게 연속되는 곡선으로된 표면(22)으로 인하여 부식작용이 균일하게 된다. 바람직하게, 표면(20)은 타원형의 단면부, 원형의 단면부 또는 이와 유사한 단면부를 구비한다. 표면(22)이 대략적으로 원형인 경우 방출된 원자가 인접한 타겟표면을 타격할 가능성은 상기 표면(22) 전역에서 균일하게 된다. 따라서, 부식에 있어서의 어떠한 불균일성은 예컨데, 프라즈마(92)를 집중시키는 자기장의 배치 또는 세기와 같은 또다른 제어가 가능한 인자들에 의해 야기될 것이다. 부식 패턴은 스퍼터링 공정이 진척될때 제6b도 및 6c도에 보인 형태와 더욱 유사하게 진전될 것이다.
타겟의 수명이 줄어드는 것 이외에 또다른 바람직하지 못한 첨단 형태의 작용은 캐소오드 상승 작용의 발생이다. 제5a-5c도에 보인 바와 같이 타겟이 부식될때 깊은 심도의 첨단으로 인해 더욱더 증가되는 방출 원자가 인접 타겟표면을 타격하게 된다. 이와 같은 현상이 일어나면 제7a-7c도에 보인 바와 같이 여러 단계를 통해 부식이 진전되며, 인접 표면이 차폐될때 자기투영(self-shadowing) 효과가 발생하고 방출된 원자가 타겟(61)의 표면을 통과할 수 있는 각도(97)(제7b도) 및 각도(97')(제7c도)를 좁히게 된다. 이것은 스퍼터링 효율의 손실을 일으키며 또한 기판(14')(제3도)과 부식영역의 타겟 표면부 사이의 양분을 증가시키는 원인이 된다. 이로 인한 기하학적인 특성의 변화로 인하여 스퍼터링율에 관계되는 전기적인 특성이 변하게 된다.
더우기, 이러한 상승작용으로 인해 스퍼터링 재료가 타겟 표면으로 부터 스퍼터되는 균일성 그리고 결과적으로 기판 전역에 코팅이 침착되는 균일성이 타겟 표면 전역에서 유지되지 못한다. 또한 자기투영 효과는 기판을 타격하고 또한 기판을 코팅할 가능성이 있는 스퍼터된 원자들을 차단하고, 더우기 타겟을 균일하게 코팅하도록 선택된 타겟 디자인의 기하학에 손상을 주게 된다. 대조적으로, 제6a-6c도에 보인 본 발명의 부식 패턴으로, 상기 현상으로 인한 자기투영 작용 및 캐소오드 상승 작용은 사실상 제거된다. 넓은 각도(98)(제8b도) 및 각도(98')(제8c도)에서 방출된 원자는 투영이 거의 없거나 아주 없이 타겟(21) 표면을 통과한다.
종래기술의 플레이너 및 일부 또다른 타겟 구성의 편평한 표면은 어느정도 상기 첨단 형성상의 문제를 벗어나기는 하지만 제9a도 및 제9b도와 관계하여 예시된 또다른 바람직하지 못한 특성을 나타낸다. 제9a도에 타겟(100)상에 두개의 동심 부식영역(103, 104)을 생성시키는 한쌍의 동심 프라즈마(101, 102)를 구비한 플레이너 타겟(100)이 예시되어 있다. 타겟(100)에 평행하게 위치될때 웨이퍼(105)는 제9a도에서 측면(106)으로 나타낸 바와 같이 프라즈마 영역 바로 반대쪽에 있는 영역에 더 과중한 코팅 분포를 진전시키게 된다. 이 작용은 더 큰 거리로 웨이퍼(105)를 타겟과 분리시키므로써 감소될 수 있지만 이러한 분리가 행해질때 스퍼터링 효율이 떨어지게 된다. 그럼에도 불구하고 중앙에 더 밀접한 웨이퍼부는 또한 타겟부에 더 밀접하게 되고, 따라서 타겟 웨이퍼 엣지 부근에 있는 영역에서보다 더 짙고 두꺼운 코팅층을 받게 된다.
제9b도는 기하학적으로나 전기적으로 독특한 타겟을 이용한 종래기술을 예시한 것이다. 이러한 장치에서, 타겟의 외부 엣지에 인접한 프라즈마(102')는 내부 프라즈마(101')와는 다른 밀도를 유지한다. 두개의 편으로된 타겟에서, 타겟(100')의 외부 엣지는 웨이퍼(105')의 엣지보다 범위가 크므로 따라서 타겟(100')의 직경이 기판 웨이퍼(105')의 직경보다 커지게 된다. 일부 종래 기술의 타겟 조립체에서, 외부 타겟(100')은 타겟(100')의 내부영역(107') 보다는 기판 웨이퍼(105')에 더 밀접하다.
일부 종래 기술의 장치에서, 외부 타겟(108)으로의 캐소오드 전기 에너지는 내부 타겟(107)에 인가되는 에너지와는 다른다. 그러나, 종래 기술에서, 타겟의 여러영역에 에너지를 가하므로써 타겟(100')의 내부영역과 타겟(100')의 외부 영역을 개별적으로 분리시켜 이에 따라 두개의 타겟을 이용하는 노력이 있었다. 이러한 노력들이 제9b도에 예시되어 있는바, 웨이퍼(105')상에서 전체적으로 균일한 코팅(106')을 이루지 못하는 것으로 나타났다.
제10도는 종래기술에서 시도되었지만 만족할 만한 성과를 거두지 못했던 목표를 달상서하는 본 발명의 양상을 예시한 것이다. 이러한 문제점들과 그리고 종래 기술의 문제점을 해결하는 본 발명의 가치들이 코팅되는 기판 웨이퍼가 표면 계단을 포함하는 곳에서 더욱 더 분명하게 되는바, 상기 표면 계단의 측부벽은 웨이퍼의 평판과 수직을 이루는 표면을 나타낸다. 이표면은 또한 웨이퍼의 플레이너 표면상에 침착되는 코팅과 비교하여 매우 두꺼운 코팅을 필요로 하는바, 이 사항에 대해서는 제11-13도와 관계하여 하기에 설명하기도 한다.
제11도는 제3도 배열에 대한 개략도이다. 코팅될 웨이퍼(14')가 계단으로 언급된 거의 수직을 이루는 측부를 구비하는 웨이퍼 표면(17')에서 홀 또는 선형홈(109a, 109b 및 109c)의 형태로 다수의 바이어스를 내포하고 있다. 계단(109a-c)은 또한 도전성 재료의 여러층들 사이에서 연결을제공하도록 타겟(61)으로 부터 스퍼터되는 재료로 코팅되어야만 한다. 이러한 계단(109a, 109b 및 109c)은 플레이너 표면(17')과 웨이퍼(14')의 평판(16')과 수직을 이루는 측부표면(110', 111')을 구비한다. 이 표면(110', 111')은 충분하고 그리고 극히 균일한 전도성을 유지하도록 평판(16')과 평행을 이루는 표면 두께의 실질 부분과 같은 두께로 코팅될 필요가 있다. 이들 계단(109a-109c)의 측부표면(110', 111')상에서의 코팅 두께는 상기 한 두현상 즉, (1) 기판과 관계하는 타겟의 상대 기하학, (2) 타겟의 부식 패턴과 관계하여 분석될 수 있다.
무엇보다도, 코팅 재료를 방출시키는 타겟(61)과 같은 타겟표면 어느 부분의 모든 증분은 기판(14') 표면의 어느 다른 소정 증분으로 부터의 일정한 거리를 유지한다. 이러한 거리는 타겟 증분으로 부터의 타겟 재료의 방출로 인하여 기판 증분상의 스퍼터 코팅 밀도에 영향을 준다. 또한, 타겟으로 부터의 방출각뿐만 아니라 충돌하는 스퍼터 코팅 입자 또는 원자의 기판상에서의 입사각은 기판표면상에서의 분포가 두 증분을 연결하는 선과 두 증분에 직각을 이루는 선 사이의 코싸인 각도에 비례하여 대략적으로 감소되도록 한다. 추가로, 스퍼터 입자 및 원자가 표면에 점착될 가능성은 만일 입사각이 너무 작을 경우 줄어들게 된다. 이것에 추가하여, 상기 제7도 및 8도와 관계하여 상술한 자기투영 효과는 타겟이 부식될때 기판 및 타겟의 일부분들을 서로 가리게 한다. 예각을 이루어 표면에 접근하는 충돌 스퍼터 입자 및 원자들은 또한 실질 표면 영역상에 넓게 분포된다. 계단 측부들은 또한 하부 타겟영역으로부터 방출되는 스퍼터 입자 또는 원자들의 농도에 영향을 주는 서로 다른 세기를 갖는 프라즈마에 접하게 된다. 이것은 또한 서로 다른 타겟 증분으로 부터 방출되는 코팅 재료의 양이 서로 다르게 한다.
요약해서 말하면, 상기 현상의 결과로 기판 표면의 소정 증분상에서의 코팅 두께는 기판표면의 각 증분위에 놓인 반구체상에서 여러 변수를 포함하는 적분의 결과가 될 것이다. 일반적으로, 종래 기술에 나타나는 불균일 계단 부위가 제12도에 예시되어 있다. 제11도의 기하학에서 볼 수 있는 바와 같이, 기여인자(contributing factor)로 인하여 웨이퍼(14')의 오부엣지 부근에 있는 계단(109a)과 같은 계단의 외부로 접하는 측부(110')가 내부로 접하는 측부면(111')보다 작은 코팅 두께를 이루게 된다. 다른 한편으로, 기판(14') 중앙 부근에 놓인 계단(109b)과 같은 동일 계단의 외부 및 외부로 접하는 측부면(110', 111')상에서의 코팅 침착 분포는 별로 영향을 받지 않는다.
침착 분포에 도달하도록 조정되어야 하는 파라메터에서는 상기한 기하학적 파라메터 및 타겟의 각 증분의 스퍼터링율에 영향을 주는 다른 파라메터가 포함된다. 이러한 파라메터에는 각 타겟영역상에 프라즈마 유지 자기장을 유지 및 형상화시키는 자석 전류의 세기, 타겟 회로에 인가되는 전류 및 전압, 사용율 및 각 타겟 영역에서의 에너지를 포함하는, 타겟의 국부영역에서의 스퍼터링 파우워에 관련된 전기 파라메터가 포함된다.
기판의 서로 다르게 접하는 표면상의 코팅 두께에 영향을 주는 기하학적인 인자가 본 발명의 타겟(21)의 윤곽이 다른 오목표면(22)과 관계하여 제13도에 예시되어 있다. 오목표면(22)에서의 방사 단면은 원, 다시 말해서 일정한 반경의 호를 이룬다. 오목표면(22)의 외부 엣지(24)는 웨이퍼(14)의 외부에 놓이지만 타겟표면(22)의 내부엣지(23)보다는 웨이퍼 평면(16)에 더 밀접하게 놓인다. 따라서, 기판(14)의 모든 증분은 적어도 상기 타겟표면(22)중의 일부를 바라보게 된다. 그러나, 본 발명에 있어서, 타겟(21)은 상기 증분상의 각 증분으로 부터 볼 수 있는 모든 타겟 영역으로 부터 스퍼터된 스퍼터링 재료의 총합이 기판의 각 증분에 대해 대략적으로 동등하게 형상되어 에너지가 가해지도록 되어 있다.
더 자세하게는, 증분(112)은 표면(22)상의 내부 엣지(23) 부근에 있게 된다. 증분(112)은 법선단위 벡터(115)로 나타낸 바와 같이 약간 외부로 접한다. 코팅 재료는 이러한 법선방향에서 상기 증분(112)에 있는 표면(22)에 방출된다. 그러나, 제5도 내지 8도에 관계하여 전술한 바와 같이, 코팅 재료는 타겟 표면(22)과 예각을 이루는 모든 각도에서 그러나 상기 법선방향에서보다는 세기가 약하게 방출된다. 제13도에 예시한 바와 같이, 특정 계단(109a)은 웨이퍼(14)의 엣지 부근의 내부로 접하는 측부를 구비한다. 기판 증분(111)은 법선 단위 벡터(115)로 부터의 각도(113)로 화살표(114) 방향 으로 방출 타겟 증분으로 부터 방출된 입자를 받게 된다. 화살표(114) 방향으로의 방출 세기는 화살표(114)의 길이로 표시되는데, 이 길이는 증분(112)과 법선을 이루는 벡터 또는 화살표(115)로 표시되는 세기에 관계되며 대략 코싸인각(113)의 비를 이룬다. 마찬가지로, 증분 또는 포인트(112)로 부터 방출된 입자 또는 원자는 각도(116)로 표면(111)에 부딪치게 된다. 이러한 입자 또는 원자는 또한 길이(117)로 나타낸 거리를 통해 비행한다. 입자가 길이(117)로 비행할때, 이 입자는 상궤를 벗어나게 되어 이 입자가 멀리 비행하면 할수록 타겟 증분으로 부터의 코팅 침착은 더욱 얇아진다.
내부로 접해 있는 계단 측부(111)는 스퍼터링 타겟(21)의 모든 증분 또는 포인트로 부터의 방출로 인한 스퍼터링 재료의 침착을 받게 되는바, 상기 스프터링 타겟(21)의 증분 또는 포인트는 전술한 바와 같이 거리 및 각도가 증가함에 따라 세기가 감소되는 증분(111)으로 부터 볼 수 있다.
따라서, 스퍼터링 재료는 타겟 증분(122)으로 부터 스퍼터되고 표면증분(122)과 직각인 단위 벡퍼(125)로 부터 각도(123)로 기판 증분(111)쪽으로 향하게 된다. 이 증분에 관계하는 벡터의 세기는 방향(25)에서 코싸인각(123)을 이루며 화살표(124)로 표시되어 있다. 이렇게 방출된 스퍼터링 재료는 거리(127)를 통해 비행을 하며 각도(126)로 직각 표면(111)을 구비하는 기판표면 증분(111)에 부딪치게 된다.
상대거리(117, 127)는 이 거리의 제곱에 대략적으로 반비례하여 표면증분(111)에 부딪치는 코팅 원자의 세기를 약화시킨다. 그러나 보이지 않는 포인트 또는 증분(130)과 같은 증분으로 부터의 어떠한 에너지도 포인트(130)가 표면증분(111)으로 부터 보이지 않기 때문에 표면증분(111)에 부딪치지 못할 것이라는 것이 이해될 수 있다. 그러나, 포인트(130)로 부터 방출된 원자 또는 입자는 외부로 접하는 계단표면(110)에 부딪친다. 전술한 각도 및 거리에 관한 동일관계는 표면증분(111)상의 포인트(112, 122)로 부터의 방출에도 적용이 된다.
증분표면(110)쪽으로 보다는 표면(111)쪽으로 타겟이 더 잘 보임을 바로 알 수 있을 것이다. 그러나, 제13도에 예시된 타겟 형상에서 타겟 포인트(130)는 타겟상의 포인트(112, 122)가 표면(111)에 이르는 것보다 표면(110)에 더 밀접하다. 이러한 밀접함은 타겟영역이 표면증분(110)쪽으로 잘 보이지 않는 것을 보상하게 된다. 추가로, 증분(130) 및 타겟(21)의 외부엣지(24) 부근에 있는 표면(22)의 또다른 증분들은 기판(14)의 평면(16)에 더 밀접하게 위치된다. 이렇게 해서, 타겟 엣지(24)에 더 가까운 표면(22)의 증분은 측부(110)와 같은 계단(109a)의 외부로 접하는 측부쪽으로 대체로 내향하는 한편 이 측부와 일직선을 이룬다. 그러므로, 증분 법선 벡터와 상기 증분들을 연력하는 선간의 각도가 작아 타겟 표면(22)의 엣지(24) 부근의 증분들로 부터 스퍼터되는 스퍼터 재료중 상당한 비율의 스퍼터 지료가 증분(110)내에 침착된다.
제13도와 관련된 기하학적 파라메터에 대한 상기 분석은 스퍼터 재료가 동일한 비율로 방출될때 타겟표면의 모든 증분을 다루고 있다. 그러나, 각 타겟표면 증분의 실질적인 방출율은 각 증분상에서의 어온 폭발율을 결정하는 전기 파라메터에 따라 좌우된다. 이러한 전기 파라메터는 주로 프라즈마의 세기 및 위치와 캐소오드 에너지의 세기 및 위치에 영향을 주는 파라메터이다.
따라서, 본 발명은 내부 프라즈마(91)로 부터 보다는 외부 프라즈마(92) 영역으로 부터의 부식율 및 입자 방출율의 증가에 대해 생각하기로 한다. 이러한 증가는 프라즈마(91)와 비교하여 프라즈마(92)의 상대 세기를 증가시킴으로써 행해진다. 또한 바람직하게 이러한 증가는 프라즈마(92)에 인가되는 전압을 증가시키르로써 성취된다. 이렇게 해서, 프라즈마(92) 하부에 놓인, 증분(130)과 같은 타겟영역으로 부터 표면(110)상의 코팅 침착율은 박약한 내부 프라즈마(91) 하부에 놓인 영역 예컨데 증분(112)으로 부터 표면(111)상의 침착율에 비해 증가된다. 또한 강한 프라즈마(92) 하부에 놓인 포인트(122)와 같은 포인트를 포함하는 타겟의 먼 측부상에 있는 영역으로 부터의 방출은 멀리까지 이동되며 코팅 두께에 극히 적게 영향을 준다.
프라즈마(91, 92)의 세기를 결정하는 전기 파라메터는 타겟(21)의 기하학을 알므로써 설정될 수 있다. 자석에 인가되는 전류는 프라즈마(91, 92)를 유지하는 자기장을 발생시킨다. 상기 자기장은 기판(14) 표면(17)상에 코팅 재료의 침착을 균일하게 분포시키는 레벨로 설정될 수 있다. 그러나 타겟의 부식이 일어날때 스퍼터링 공정이 진행되는 동안 추가적인 복합성이 야기된다.
전술한 기판표면의 균일 계단구역을 제공하기 위한 파라메터를 설정하는 특징은 타겟(21')으로 부터의 방출에 있어서 시간에 따른 변화를 설명하지 않는다.
제14도에 보인 바와 같이 그리고 제3-8도와 관계하여 상기한 바와 같이 타겟(21) 표면(22)의 부식으로 인하여 각각 프라즈마(91, 92) 하부에 놓인 국부영역(94, 95) 표면(22)의 오목부분이 증가하게 된다. 이것은 부식영역(94, 95)에 있는 타겟 표면(22)으로 부터 나오는 입자의 유효 방출율을 감소시킨다. 더우기, 상기 부식영역의 부식은 균일하지 못하게 된다.
종래 기술의 많은 노력에서 강조된 바와 같이 불균일한 부식의 방지는 부식에 의해 야기되는 시간에 따라 변화하는 방출에 대한 문제에 해결책이 되지는 못한다. 이것은 불균일한 부식이 기하학적인 인자들로 인하여 야기되는 불균일한 침착 분포를 교졍하는데 있어서 불균일한 프라즈마 세기의 이용에 의한 자연적인 결과이다. 내부영역(94)보다는 외부영역(95)이 더 활성적인 프라즈마(92)로 동작되기 때문에 이 외부영역(95)에서 부식이 불가피하게 더 커진다. 이러한 이유때문에, 본 발명의 타겟(21)은 영역(95) 하부가 어느 곳에서 보다도 두꺼워 불균일한 부식을 방지하기 위해 필요로 되는 재료를 제공한다. 그럼에도 불구하고, 부식상승 또는 타겟 부식의 결과로 인한 타겟 방출율의 감소는 제15도에서 그래프로 보인 바와 같이 내부 타겟영역(94)에서 보다는 외부 타겟영역(95)에서 더 커진다. 따라서, 설정된 전기 및 기하학적 파라메터는 코팅의 균일성이 타겟이 수명을 다할때까지 유지될 수 있는지의 여부를 선택적으로 조절할 수 있어야만 한다.
타겟의 특정 내부 및 외부영역으로 부터의 스퍼터링 재료의 방출율이 원하는 비율로 진척되는 가능성을 증가시키기 위해서, 캐소오드 타겟의 내부 및 외부영역 각각에 대한 스퍼터링 파우워는 본 발명에 ㄸ라서 특정하게 그리고 개별적으로 제어될 수 있다.
제16도는 종래기술의 캐소오드 구조(100')를 보인 것으로, 내부 타겟(141) 및 외부 타겟이 포함된 두개의 양분된 그리고 전기적으로 분리된 타겟부가 사용되었다. 이러한 타겟 구조는 종래기술에서 흔히 볼 수 있는 것으로 내부 타겟(141)은 플레이너 디스크 형상의 타겟으로 되어 있고 외부 타겟은 내부 타겟(141)을 둘러싸는 환상 절두원추형 타겟으로 되어 있다. 이러한 구성으로, 양분된 환상 프라즈마(143, 144)는 자석(145, 146)의 권선에 각각 에너지를 가하므로써 프라즈마를 유지하는 자기장의 발생을 통하여 타겟(141, 142)에 각각 인접하게 유지된다. 제16도에 보인 구조에서 자석(145, 146)을 포함하는 타겟 조립체(100')는 타겟(100')축에 있는 중앙 극편(147), 외부타겟(142)을 둘러싸는 외부 극편(148) 및 타겟(141)과 타겟(142) 사이의 틈에 놓이는 중간 극편(149)을 구비하고 있다. 상기 자석(145, 146)은 때때로 영구자석으로 되지만 흔히 코일(151, 152)에 각각 에너지가 가해지는 전자석으로 사용된다. 한쌍의 전원(153, 154)에 의해 각각 자석 코일(151, 152)에 에너지가 가해지고, 각각 전원(155, 156)에 의해 양분되고 전기적으로 분리된 내부 및 외부 타겟(141, 142)에 에너지가 가해진다. 전원(153-156)의 출력을 제어하기 위해 때때로 제어기(158)가 사용된다.
이러한 구성으로, 각각의 자기장(143, 144)의 세기 및 타겟(141, 142)에 공급되는 전압레벨을 조정할 수가 있다. 하지만 이러한 구성이 지니는 단점은 두개의 양분된 타겟이 사용되고 추가로 4개의 개별 전원 출력이 필요로 되어 장치의 복잡성 및 코스트를 가중시키게 된다는 것이다. 양분되고 전기적으로 분리된 타겟의 사용은 또한 추가적인 기계동작 및 구성, 두 타겟부의 전기적인 분리를 유지하기 위한 추가적인 주의, 복잡한 타겟으로 인해 나타난 여러 봉합으로 진공실을 봉하기 위한 추가 노력 및 수단을 필요로 하므로써 타겟의 복잡성을 가중시키며, 이러한 복잡하게 구성된 장치의 구조적인 세부사항에 나타나는 또다른 복잡성을 야기한다. 더우기, 타겟뿐만 아니라 타겟 조립체의 여러 부분도 다른 웨이퍼가 코팅될때에 변화시키거나 다시 설계되어야만 한다.
제17a도 및 17b도는 본 발명의 원리에 따른 스퍼터링 장치를 도식적으로 나타낸 것이다. 이 장치는 단일편으로된 고른 오목형 환상 타겟(21), 외부, 내부 및 중간 극편(45, 46, 47)을 각각 구비하는 자기 극편 조립체 및 각각의 내부 및 외부 전자석 권선(41, 42)을 포함하고 있다. 단일 전원(51)이 타겟에 에너지를 가하고 자석 전원(52)이 자석에 에너지를 가하며 제어회로(53)가 상기 전원(51, 52)을 제어한다.
제17a도에 보인 실시예에서, 자석 전원은 자석권선(41, 42)에 각각 에너지를 가하는 두개의 양분된 전원(161, 162)을 포함한다. 전원(161, 162)은 제어기 또는 제어회로(53)를 통해 개별적으로 제어된다.
제17b도의 실시예에서, 자석전원(52)은 단일 전원 소오스(165), 전원(165)의 출력을 출력선로(55, 56)를 통하여 외부 및 내부 자석권선(41, 42)에 각각 번갈아 인가되도록 하는 스위칭 회로(166)를 포함한다. 제어회로(53)는 스위칭 회로(166) 및 자석전원(165)을 동작시킨다.
제17a도 및 제17b도의 실시예에서, 양분되고 전기적으로 분리된 타겟을 사용하지 않고, 단일편으로 형성된 타겟(21)을 사용했다. 타겟(21)에 에너지를 가하기 위해 단지 하나의 단일 전원(51)이 제공되어 있다. 하나 아니면 두개의 자석전원이 권선(41, 42)을 동작시킨다.
본 발명의 원리에 따른 본 장치의 방법, 전반적인 동작 및 제어에 대해 제17a도 및 17b도에 의거 상세히 설명하고 그리고 나서 본 회로에 대한 세부사항은 다시 제1도에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
제18도에서, 파형 A 및 B는 자석전원(52)을 각각 내부 및 외부 자석권선(41, 42)에 연결시켜주는 출력선(55, 56)에서의 전류를 나타낸 것이다. 전류파형은 번갈아 ON 및 OFF 되는 구형파로써, 각 파형은 영(0)으로 부터 제어기(53)에 의해 미리 설정된 전류 레벨로 스위칭되어 자석권선(41, 42)에 레벌이 I1및 I2인 전류가 공급되고 이에 따라서 타겟표면(22)의 각 영역(94, 95)에 인접한 프라즈마 한정 자기장(제4도)이 각각 활성화된다. 전류(I1, I2)는 제17a도의 실시예에서 자석전원의 출력을 스위칭하거나 또는 제17b도의 실시예에서 출력 스위치(166)의 스위칭에 의해 각각의 출력(55, 56)에 번갈아 인가된다. 전류(I1, I2)는 제어기(53)에 의해 각각 설정된 소정의 주기 (T1, T2) 동안 지속되며 이렇게 하여 내부 및 외부 타겟영역 각각의 사용율(duty circle)을 구성한다.
제어회로(53)에 의해 동작이 제어되는 자석권선(41, 42)에서의 전류는 일실시예에서 번갈아 ON, OFF된다. 각각의 사용율의 적어도 일부동안 그리고 각각의 사용율 전체동안 다른 것이 ON에 있으면 두개의 자석권선(41, 42)은 모두 ON 되지 않는다. 이러한 효과는 두개의 프라즈마(91, 92)가 번갈아 활성화되도록 하고자 하는 것이다. 스퍼터링 비율은 플라즈마에 에너지가 가해지지 않은 경우보다는 타겟(21)의 각각의 영역(94, 95)에 존재하는 프라즈마에 에너지가 가해지는 경우에 실질적으로 크기 때문에 프라즈마링(91, 92)에 놓여 있는 영역(94, 95)으로 부터 번갈아 타겟(21)으로 부터 스퍼터링 재료가 스퍼터된다. 이렇게 하여, 전원(51)으로 부터 나온 전압이 내부영역(94)으로 거의 완전히 번갈아 인가되고 그리고 나서 내부 프라즈마(91)로 부터 외부 프라즈마(92)로의 스위칭에 따라 각각 타겟의 외부 영역(95)에 인가된다.
단지 내부 프라즈마에 에너지가 가해질때, 전원(51)의 모든 출력 또는 사실상 모든 출력은 프라즈마(91)에 놓인 영역(94)에 인가된다. 프라즈마에 에너지를 가하면 에너지를 받은 프라즈마에 놓인 타겟영역에서 임피던스를 줄일 수 있다. 다른 모든 타겟영역에서의 임피던스는 극히 높은 상태로 있게 된다. 따라서, 사실상 모든 타겟 에너지는 에너지가 가해진 영역(91)으로 확장된다. 다른 한편으로, 권선(42)에 에너지를 가하여 외부 프라즈마(92)만이 ON 되는 경우 전원(51)으로 부터의 모든 전압 또는 사실상 모든 전압은 프라즈마(91) 하부의 영역(95)에 인가될 것이다.
따라서 스퍼터링 에너지는 외부 및 내부영역(94, 95) 사이에서 거의 완전하게 스위칭될 것이며, 다른 영역에 에너지가 가해지는 동안은 어떠한 영역에서도 상당한 스퍼터링 재료를 발생시키거나 또는 방출시키지 못하게 될 것이다. 결과적으로, 단일 전원(51)의 임의로 설정된 전기 파라메터는 상기 영역에 에너지가 가해지는 시간동안에 타겟(20)의 단지 하나의 선택영역에만 관계한다. 더 중요하게는, 양분된 전기 파라메터는 타겟이 물리적으로 독특하거나 또는 전기적으로 분리된 부분으로 분리될 필요가 없이 타겟(20)의 다른 영역과 관계하여 설정된다. 이러한 파라메터는 예컨데 전류, 전압 및 또는 전원(51)에 의해 타겟(21)에 인가되는 전압의 사용율을 포함한다.
중요하게, 전원(51)으로 부터 단일편 타겟(21)의 특정 영역에 인가되는 파우워와 관련된 동작 전기 파라메터의 측정이 본 발명을 통해 가능하다. 이러한 측정으로 부터, 단일편 타겟(21)의 내부 및 외부영역(94, 95) 각각의 스퍼터링율 및 에너지량이 개별적으로 결정될 수 있다. 이러한 측정으로 내부 프라즈마 영역(91) 또는 외부 프라즈마 영역(92)에 에너지가 가해지는 각 주기동안 전원(51)으로 부터 인가되는 파우워량을 정확히 결정할 수 있다.
만일, 예컨데 캐소오드 전압과 같은 하나의 전기 파라메터가 타겟에 인가되면, 이 전압은 측정 및 조정될 수 있다. 추가로, 동작시에 타겟에 인가되는 전류의 변화가 모니터될 수 있다. 이러한 변화 및 기타 전기 파라메터에서의 변화는 타겟의 기하학적인 특성 또는 타겟 부식으로 인한 타겟표면의 또다른 기하학적인 특성에서의 변화의 결과로 발생될 수 있다. 상기 변화는 서로 다른 타겟영역(94, 95)에서 국부적으로 발생하게 되며, 본 발명에 있어서 전원(51)의 출력단에 있는 검출기에 의해 측정될 수 있다. 따라서, 각 타겟영역의 동작전기 파라메터에 대한 개별적인 측정으로 부터 나오는 정보를 이용하여 타겟 부식을 보상하고 기판표면 전역에 균일한 침착 분포를 유지시키기 위해 다른 조정된 전기 파라메터를 변화시키기 위한 변화가 제어기에 의해 이루어진다. 상기 제어에 응답하는 전원(51)의 출력이 제 18c도에 예시되어 있다.
제18c도에 나타낸 바와 같이, 전원(51)의 출력 레벨은 처음에 제1레벨 P1에서 제2레벨 P2로 스위칭되어 각각 내부영역(94)과 외부영역(95)사이에서 서로 다르게 파우워 레벨을 유지시키게 된다. 일단 설정된 파우워 레벨은 타겟이 원래의 상태에 있는 동안은 계속 유지된다. 그러나 타겟이 부식될때 이러한 레벨은 제18c도 우측에 보인 바와 같이 시간에 따라 변한다. 예컨데, 소량의 부식으로 인해 내부영역(94)은 처음에 활성화되었던 레벨보다는 약간 큰 새로운 레벨 P3에서 활성화된다. 외부영역(95)은 이 영역(95)에서 발생될 것으로 예상되는 더욱 깊은 부식으로 인하여 처음의 레벨 P2보다 상당히 큰 레벨인 P4레벨에서 활성화된다.
제어기능은 전원(51)으로 부터 나오는 파우워를 가지고 조정하는 것으로 상술되었지만, 전류, 전압, 임피던스 또는 이러한 파라메터 및 다른 관련 파라메터중 일부 또는 모든 파라메터의 조합에 대한 측정이 시간에 따라 이러한 또는 다른 파라메터들중 어느 것을 조절하거나 수정하도록 제어기(53)에 의해 이루어질 수 있다. 예컨데 측정들은 제 18a도 및 18b도에 보인 자석으로의 전류 철스의 세기 및 지속시간과 이에 따른 각 타겟영역의 사용율을 제어하는데 이용된다. 추가로, 두개의 타겟영역과 관계하여 실시예를 상술했지만 두개이상의 타겟영역이 이러한 방법으로 제어될 수 있다.
제18a-18c도의 파형은 영역에서 영역으로의 타겟에 번갈아 반복적으로 에너지를 가하므로써 타겟 방출 분포의 제어를 나타낸 것이다. 각각의 웨이퍼가 코팅되는 동안 반복적으로 타겟영역에 에너지를 가하는 것은 바람직한 것이다. 제18a-18c도는 또한 타겟영역에 에너지가 가해지는 시간을 예시한 것으로, 여기서 두 타겟영역에는 동시에 에너지가 가해지지 않는다. 이 과정에서, 각 타겟영역에서 신장되는 스퍼터링 에너지가 더 신속하게 구해질 수 있다. 따라서, 이러한 시간은 바람직하게 된다. 하나이상의 영역이 동시에 에너지를 받게 되는 곳, 다시 말해서 두 영역에 관한 파형이 동시에 일치하는 곳에서, 소비 에너지는 추가적인 측정, 분석 또는 계산없이는 한 타겟 영역에 관계될 수 없다. 마찬가지로, 전기동작 파라메터들에 대한 측정들이 단지 하나의 타겟영역에 에너지가 가해지는 시간에 취해질때, 이러한 측정들은 개별 타겟영역에 관계하는 더 직접적이고도 생산적인 정보가 된다. 따라서, 본 발명의 일부 특징들의 이해를 위해, 다른 영역에 에너지가 가해지지 않을때의 어떤 주기동안 타겟의 각 영역에 에너지가 가해져야 한다는 것은 중요한 사실이다. 본 발명의 여러가지 장점들을 이해하기 위해서, 모든 시간에 단지 하나의 타겟영역에 에너지가 가해지는 것은 중요하고도 바람직한 것이다.
이제 제1도에 돌아가서, 본 발명의 일실시예인 전기 제어부에 대해 더 상세히 설명하기로 한다. 제1도에 보인 바와 같이, 전기회로(50)는 마이크로 프로세서, 타이머 또는 여기서 상술한 단계를 수행하는 다른 소정의 회로들을 포함하는 제어회로(53)를 구비한다. 제어회로 또는 제어기(53)는 신호를 수반하는 한쌍의 아날로그 출력(172, 173)을 구비하는바, 이 신호들은 자석권선(41, 42)에 각각 연결된 출력선(55, 56)상의 자석전원에 대한 활성화 시간 및 에너지가 가해지는 레벨을 결정한다.
제18도에 예시한 바와 같이, 도면부호 176으로 표시된, 한 상태에서는 주기 T1을 갖고 회로(53)에 의해 제어될때 다른 상태에서는 주기 T2을 갖는 구형파가 스위칭 회로(166)의 선로(172, 173)상에 신호를 스위칭하기 위해 파형(176)을 인가시켜 제18도에 보인 바와 같이 선로(55, 56)사이에 자석 전원 출력 전류를 번갈아 스위칭시킨다. 파형(176)은 또한 마이크로프로세서(171)의 전류 레벨 출력(172, 173)에 연결된 스위치(179)의 트리거 입력(178)에 인가된다. 스위치(179)는 스위치(166)가 각각의 시간주기 T1, T2동안 각각의 자석권선(41, 42)에 고유전류 I1, I2를 공급함과 동시에 I1과 I2사이의 전류 레벨을 스위칭하는 동작을 한다.
마이크로프로세서(171)는 또한 한쌍의 아날로그 출력(181, 182)을 구비하는바, 이 아날로그 출력(181, 182)은 자석(41, 42)이 각각 구동되는동안 각각의 주기 t1, t2에서 전원(51)이 타겟(21)을 구동시켜야 하는 요망 전압 레벨을 나타낸다. 이 출력 레벨(181, 182)은 차동증폭기(183, 184)를 각각 통과하는바, 이 차동증폭기(183, 184)의 출력은 AND 게이트(185, 186)에 각각의 트리거 입력은 스위칭 회로(166)의 출력(55, 56)으로 부터 연결되어 자석(41', 42')이 활성화됨과 동기하여 각각의 레벨 세팅 출력(181, 182)을 동기시키며, 따라서 예컨데 출력증폭기(188)의 전압조정을 통해 전압을 조정한다.
타겟 전원(51)에 포함된 출력 증폭기는 또한 자석권선(41, 42)이 각각 구동됨과 동시에 제어기(53)에 의해 미리 결정된 두 레벨 사이에서 그 출력을 스위칭한다. 캐소오드 전원(51)의 출력 증폭기의 출력은 타겟(21)에 연결된 출력(54)에 연결된다. 캐소오드 전원(51)은 또한 동작전압, 임피던스, 전류, 전압 또는 기타 이러한 파라메터에 관하여 제어기(53)에 요망되는 정보를 통신하도록 제어기(53)에 연결된 출력(90)을 갖는다. 제어기(54)는 마찬가지로 전원(51)의 동작을 제어하는 제어 출력(191)을 갖는다. 이러한 제어는 일실시예에서 제18c도의 파형과 관계된다. 더 특별하게는, 검출된 신호는 출력(172, 173)에 의해 제어될때 자석권선(41, 42)에 인가되는 전류, 전원(51) 동작의 조정 레벨, 사용율 또는 시간주기(T1, T2)와 같은 전기 파라메터 또는 다른 전기적으로 제어가능한 파라메터를 재조정하거나 변화시키는데 사용된다. 이러한 제어는, 예컨데 기판(14)상에 코팅의 침착분포의 균일성을 유지시키기 위해 행해진다.
선로(190)상에서의 피드백 신호는 부식으로 인한 타겟의 기하학적인 특성에서의 변화와 관계된다. 그러나, 타겟부식 또는 스퍼터링율을 측정하는데 있어서, 제1도에 예시한 바와 같이 제어기(53)의 입력에 연결된 출력(197, 198)을 구비하는 타겟 부식 심도 모니터(195) 또는 타겟 침착율 모니터(194)를 사용하는 것과 같은 또다른 수단이 고려된다. 파라메터의 재조정은 각각의 선로(190, 197, 198)로 부터 나오는 신호 또는 예컨데 기하학적인 파라메터와 같은 파라메터에서의 변화, 예컨데 타겟 부식에 응답하는 그러한 신호에 따라서 제어기(53)에 의해 수행된다.
이렇게 하여 I1, I2, T1, T2와 같은 전기 파라메터, 구성소자(P1또는 P2), 또는 기타 다른 파라메터들이 재조정된다.
비록 본 발명의 실시예에 대한 설명이 전원(51)으로 부터의 전압을 제어하는 것에만 관련하여 나열되었지만 전압 또는 전류 레벨과 같은 다른 파라메터들이 유사한 방법 또는 제어기(54)내에 미리 확정된 논리 또는 파라메터에 따라서 다양한 다른 방법으로 제어될 수 있음이 인지되어야 한다.
부식 심도 모니터(195)는 거리를 측정하는 레이저 계기기술에 적용되며 이에 따라서 모니터(195)로 부터 발하는 레이저 빔이 직접 향하는 영역의 타겟표면(22)에 대한 부식을 측정하게 된다. 이러한 모니터는 기판 가까이에 설치된다.
침착율 모니터(194)는 스퍼터링 기술에서 이미 공지된 석영수정 형태나 또는 현재 개발중이거나 개발될 다른 형태로 만들어진다. 기판 가까이에 설치되는 이러한 모니터는 입사 스퍼터 재료를 측정하고 만일 기하학적인 관계가 계산되는 경우 타겟의 스프터링율에 비례하는 신호를 생성시킨다. 본 발명에서 이러한 신호는 서로 다른 타겟영역이 활성화될때 서로 다른 스퍼터링율을 나타낼 것이다. 따라서 만일, 상기 측정이 자석이 활성화됨과 동기하여 이루어지면, 이 측정은 제어기(53)로 동작을 제어하는데 사용하는 분리 타겟영역이 관계되는 정보를 제공하게 된다. 마찬가지로, 선로(90)상의 출력신호는 타겟영역 활성화에 동기될 것이다.
본 발명의 원리에 따라서, 상기에 상술한 장점 및 또다른 특징들이 실현되며 기판 전역에서 침착분포가 균일하게 유지될 것이다.
단일편 타겟의 서로 다른 영역의 동작과 관련되는 여러가지 파라메터들을 분리하고 개별적으로 측정하는 방법이 본 발명에 제공되었지만 파라메터를 모니터하는 또다른 수단들이 사용되거나 또는 후에 전개되어 본 발명의 장점들이 실현될 수 있을 것이다. 부식 심도 또는 침착율을 측정하는것 이외에 또는 대신에 캐소오드 전류, 전압, 임피던스, 성장방전 분광술, 필름분사 모니터링 또는 또다른 측정이 이용될 수 있다. 본 발명은 타겟영역 각각의 활성화 주기동안 여러방법으로의 측정을 통해, 상기 주기동안 스퍼터링 동작에 대응하는 파라메터를 측정할 수 있는 특별한 장점을 제공한다.

Claims (10)

  1. 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 장치에서 대체물질로서 적용된 스퍼터링 타겟(sputtering target)에 있어서, 스퍼터링이 일어나는 지역에 적어도 부드러운 모양의 연속되는 오목 스퍼터링 표면을 구비하는 단일 블럭의 스퍼터링 물질을 포함하고 스퍼터링 공정동안에 물질의 비-균일한 부분을 제거하기 위하여 블럭이 스퍼터링 표면의 수직 단면을 따라 두께가 변하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  2. 제1항에 있어서, 내부 축표면(inner axial surface)과 외부축 표면으로 둘러싸인 환상링을 포함하고, 스퍼터링 표면밑에 물질 두께가 내부 축표면에서 외부 축표면까지 첨차로 증가하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  3. 제2항에 있어서, 환상 막대 조각을 잡도록 그것의 후면에 원형 홈을 구비하고, 상기 홈은 타겟 내부와 외부 축표면 중간에 위치하는 스퍼터링 타겟.
  4. 분배가 제어된 코팅 물질을 기판상에 증착시키는 스퍼터링 장치에 있어서, 상기 장치는 스퍼터링 표면을 갖는 타겟을 포함하고, 각각의 영역에 플라즈마(plasma) 지지 제1 및 제2자계(magnetic field)를 선택적으로 설정하기 위해 상기 스퍼터링 표면의 제1 및 제2영역에 각각 인접한 최소한의 제1 및 제2자석(magnet)과 ; 각각의 자계를 제공함에 따라 상기 타겟의 상기 제1 및 제2영역으로 부터 상기 물질을 스퍼터하기 위해 상기 타겟을 전기적으로 활성화시키는 수단 및 ; 상기 모든 영역으로 부터 스퍼터된 물질 합의 증착이 기판 표면상에 필요하게 분배되도록 각각의 영역에 대한 개별 세트의 전기적인 작동 변수를 장치에서 설정하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  5. 기판상에 분배가 제어된 코팅 물질을 증착시키는 스퍼터링 장치에 있어서, 상기 장치는 스퍼터링 표면을 갖는 타겟을 포함하고, 제1 및 제2영역에 각각의 플라즈마 지지 자계를 선택적으로 설정하기 위해 상기 시프터링 표면 위에서 제1 및 제2영역에 각각 인접한 최소한의 제1 및 제2전자석과 ; 상기 제1 및 제2전자석을 양자택일적으로 구동하기 위한 전류 발생 수단과 ; 상기 모든 영역으로부터 스퍼터된 물질합의 증착이 기판 표면상에 필요한 만큼 분배되도록 상기 영역 각각에 대해 장치에서 개별 세트의 전기적인 동작 변수를 설정하는 제어 수단과, 전자석중 적어도 한개가 구동되고 다른 전자석이 동시에 비구동되는 식으로, 제1 및 제2전자석을 구동시키는 타이밍 회로를 포함하는 상기 제어 수단 및 ; 각각의 자속을 제공함에 다라 상기 타겟의 제1 및 제2영역으로 부터 상기 물질을 스퍼터하기 위해 상기 타겟을 전기적으로 활성시키는 수단으로, 대응하는 각가의 타겟 영역에 설정된 전기적인 변수에 따라 각 영역에 인접한 자계의 구동에 동기되어 상기 영역의 타겟을 활성화시키도록 동작가능한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  6. 제4항에 있어서, 자계의 구동에 대응하는 상기 타겟의 상태를 검출하는 수단과 ; 검출된 조건에 따라 상기 전기적 변수중 적어도 하나를 변화시키는데 이용되는 상기 제어 수단을 포함하는 스퍼터링 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 검출된 조건은 상기 타겟에 의해 소모된 전원에 역시 관계된 전기적 변수이고 상기 전원은 자계의 구동에 동기하여 상기 타겟의 상기 전기적 변수를 제어가능하게 하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 타이밍 회로는 상기 전자석의 구동 동안에 선택적으로 제어가능하고, 선택가능한 듀티 비율(duty ratio)로 전자석을 구동시키는 스퍼터링 장치.
  9. 상이한 비율로 침식시키는 타겟의 스퍼터링 표면의 상이한 영역으로 부터의 증착율을 제어하고 기판 표면상에 필요한 분배로 스퍼터된 물질을 증착시키는 방법에 있어서, 다수의 상이한 프러터링 영역으로 정의되는 스퍼터링 표면을 구비하는 타겟을 제공하는 단계와, 모든 영역으로 부터 스퍼터된 물질합의 증착이 기판 표면상에서 소정의 분배에 대응하도록 상기 각 영역에 대해 전기적인 변수에 대한 결정된 값을 설정하는 단계와 ; 상기 타겟이 활성화될 때 상기 제1타겟 영역에서 상기 타겟의 부식과 스퍼터된 물질이 방사되도록 상기 제1 타겟 영역에 인접한 제1플라즈마 지지 자계를 구동시키는 단계와 ; 상기 제1 자계가 구동되고 다른 자계가 비구동되는 동안에 상기 제1타겟 영역에 대해 설정된 전기적인 변수값에 따라 상기 타겟을 활성시키는 단계와, 상기 타겟이 활성화될 때 상기 제2영역에 상기 타겟의 부식과 스퍼터된 물질이 방사되도록 상기 제2타겟 영역에 인접한 제2플라즈마 지지 자계를 구동시키는 단계 및, 제2자계가 구동되고 다른 자계가 비구동될 때 상기 제2타겟 영역에 대해 설정된 전기적인 변수값에 따라 상기 타겟을 활성화시키는 단계로 이루어지는 스퍼터된 물질 증착 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 자계중 하나가 구동되고 상기 다른 자계가 비구동될 때 상기 타겟과 연관된 하나 이상의 전기적인 변수를 측정하는 단계와, 측정 단계의 결과에 따라 상기 영역중 적어도 하나와 연관된 전기적인 변수값중 적어도 하나를 개정하는 단계 및 상기 개정된 변수값에 따라 상기 구동 및 활성차 단계를 반복하는 단계로 이루어지는 스퍼터된 물질 증착 방법.
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