KR100253082B1 - 반도체마그네트론스퍼터링설비의마그네트장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치는, 마그네트 고정판, 상기 마그네트 고정판의 중심으로부터 양측으로 설치되는 복수의 자석 및 보조자석, 상기 마그네트 고정판을 회전시키는 모터를 구비하여 이루어지는 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치에 있어서, 상기 마그네트 고정판 상에서 상기 자석의 중심과 다른 위치에 그 중심을 가지도록 상기 자석의 반대편에 대칭적으로 설치되고 상기 자석보다 그 크기나 자기장의 세기가 작은 보조자석이 하나 이상 더 구비되며, 상기 자석과 보조자석의 중간에 자속을 차폐할 수 있는 쉴드가 설치된 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 의하면 마그네트론 스퍼터링 설비에서 타겟의 수명을 연장하고, 스퍼터링 공정에서 웨이퍼에 형성되는 막을 균일한 두께를 가진 양질의 것으로 할 수 있다는 효과가 있다.

Description

반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치{Magnet apparatus of magnetron sputtering equipment for manufacturing semiconductor device}

본 발명은 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비에서 타겟면의 식각이 고르게 이루어지게 하는 마그네트 장치에 관한 것이다.

반도체장치의 콘택이나 회로배선을 이루는 방법으로 웨이퍼 전면에 알루미늄같은 금속재료를 스퍼터링하여 금속막을 적층하고 포토리소그래피와 에칭을 통해 회로패턴을 형성하는 방법이 많이 사용되고 있다.

스퍼터링은 공정챔버의 상부에 막의 재료가 되는 타겟을 놓고, 아래에는 웨이퍼를 위치시킨 상태에서 진공을 형성하고, 타겟을 음극으로 형성하고, 아르곤 원자 혹은 양이온화된 아르곤 입자 등의 충돌입자를 투입하여 타겟에 충돌시키고 그 파편이 웨이퍼에 쌓여 막을 형성시키는 공정이다.

따라서, 스퍼터링 설비는 공정챔버와 공정챔버에 놓이는 웨이퍼 스테이지, 타겟, 공정챔버에 전장을 인가시키는 전원, 진공인가장치 및 충돌입자 공급장치를 기본적으로 구비하여 이루어진다.

스퍼터링 설비의 타겟에서 튕겨나온 타겟의 파편들은 막이 형성되는 웨이퍼에 대해 선호되는 방향성을 가지고 있지 않다. 따라서, 막을 입히고자 하는 기판에 콘택같은 작은 구멍이 있다면, 파편이 그 구멍을 메우기도 전에 구멍의 입구가 먼저 막혀서 홀 내부에 공간이 형성되는 현상이 발생하는 경우가 많았다.

이러한 문제를 방지하기 위해 스퍼터링 설비에는 타겟 파편들의 방향성을 제어하기 위한 노력이 이루어졌다. 그 대표적인 방식이 타겟 파편들의 방향성에 따라 선별하는 일종의 필터를 이용하는 컬리메이터 방식과, 스퍼터링 설비에서 타겟과 웨이퍼의 간격을 띄어 파편들의 정면으로의 입사율을 높이는 저압 원거리 스퍼터링 방식이다.

그러나 이러한 방식들을 통해 홀에 공간이 생기는 문제를 일부 해결한 경우에도, 충돌입자와 타겟의 충돌효율이 떨어져서 공정진행에 장시간이 소요되고, 형성된 막의 두께 균일성이 떨어지며, 작은 홀의 내부나 돌출부위 근방에서 막 두께의 차이를 유발하는 비대칭현상이 문제가 된다. 이러한 문제에 대하여, 근래의 대부분의 반도체용 스퍼터링 설비들은 충돌입자와 타겟 사이의 충돌효율을 높이고, 적층되는 막의 균일성을 높이기 위해 타겟의 위쪽에 영구자석을 이용하는 마그네트론 음극을 사용하고 있으며, 이들 마그네트론 음극은 각 설비회사별 고유의 마그네트론 구조를 가지고 있고, 이들 마그네트론 구조의 몇 가지 예가 미국특허번호 4,746,417. 4,872,964. 4,995,958. 등에 나타나 있다.

도1은 종래의 마그네트론 스퍼터링 설비의 개략적인 구성을 나타내는 측단면도이다.

마그네트 장치를 제외한 나머지 부분은 진공과 전장이 인가되고, 상부에 타겟(11)이, 그리고 하부에 웨이퍼 스테이지(12)가 놓이는 공정챔버(10)와 같은 공통적인 스퍼터링 설비의 구성을 가지고 있다. 거기에 타겟(11) 상부로 일정 간격 이격되어 설치되는 마그네트 고정판(13), 마그네트 고정판의 중심에서 편재되어 그 중심이 위치하게 되는 자석(14), 고정판의 무게균형을 위한 밸런스 웨이트(15), 고정판을 회전시키기 위한 모터(16)와 축(17)이 마그네트 장치(18)를 구성하고 있다.

자석에 의한 자기장은 타겟면 주변에 형성되므로, 공정챔버 내에서 발생된 전자들이 타겟면 부근에 밀집되고, 공정챔버에 입사된 아르곤 원자와 충돌하여 다시 타겟과 충돌할 수 있는 하전입자의 수를 증가시킬 수 있게 된다.

일반적으로 마그네트론 스퍼터링 설비에서는 대부분이 고정된 자석의 고정판을 회전시키는 형태를 취하고 있으므로 회전되는 고정판의 속도와 영구자석의 배치가 스퍼터링에 의해 형성되는 막질의 특성과 두께 균일성에 중요한 영향을 미치게 된다.

그런데, 종래의 마그네트론 스퍼터링 설비의 경우, 마그네트 장치의 고정된 사양들에 의해 타겟의 일정한 부분들은 많이 식각되고, 다른 부분들은 잘 식각되지 않아 마치 물결 파동과 같은 형태를 타겟 표면에 나타내게 된다.

도2은 종래의 마그네트론 스퍼터링 설비에서 공정이 상당기간 진행된 상태의 타겟의 측단면을 나타내는 개념도이다.

마그네트론 스퍼터링 설비에서 공정진행에 따라 타겟면(21)이 도2와 같이 불균일하게 파형을 그리면서 식각될 경우, 타겟(20)의 수명이 짧아지고, 다시 스퍼터링 과정에서 웨이퍼 위에 형성되는 막의 균일성이 떨어지는 문제점이 발생한다.

본 발명의 목적은, 마그네트론 스퍼터링 설비에서 타겟의 수명을 연장하고, 스퍼터링 공정에서 웨이퍼에 형성되는 막을 균일한 두께를 가진 양질의 것으로 할 수 있는 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치를 제공하는 데 있다.

도1은 종래의 마그네트론 스퍼터링 설비의 개략적인 구성을 나타내는 측단면도이다.

도2은 종래의 마그네트론 스퍼터링 설비에서 공정이 상당기간 진행된 상태의 타겟의 측단면을 나타내는 개념도이다.

도3은 보조자석을 이용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트 장치를 나타내는 평면도이다.

도4는 도3의 마그네트 장치를 A-A선에 따라 절단한 경우에 볼 수 있는 측단면도이다.

도5는 본 발명의 실시예를 채택하여 스퍼터링 공정이 진행된 경우의 타겟전면의 변화를 나타내는 개념도이다.

도6은 마그네트 고정판이 회전운동에 더하여 선형운동을 할 수 있도록 구성한 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트 장치의 정면도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 공정챔버 11, 20, 50, 66: 타겟

12: 웨이퍼 스테이지 13, 31, 65: 마그네트 고정판

14, 33: 자석 15: 밸런스 웨이트

16, 61: 모터 17: 축

18: 마그네트 장치 21: 타겟면

32: 보조자석 고정판 34: 보조자석

35: 쉴드 51: 식각면

62: 회전축 63: 마그네트축

64, 67: 기어 68: 지지대(68)

69: 기어박스 70: 이송축

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치는, 마그네트 고정판, 상기 마그네트 고정판의 중심으로부터 양측으로 설치되는 복수의 자석 및 보조자석, 상기 마그네트 고정판을 회전시키는 모터를 구비하여 이루어지는 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치에 있어서, 상기 마그네트 고정판 상에서 상기 자석의 중심과 다른 위치에 그 중심을 가지도록 상기 자석의 반대편에 대칭적으로 설치되고 상기 자석보다 그 크기나 자기장의 세기가 작은 보조자석이 하나 이상 더 구비되며, 상기 자석과 보조자석의 중간에 자속을 차폐할 수 있는 쉴드가 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 마그네트 장치는 부가적인 설비의 필요가 없도록 자석과 보조자석을 영구자석으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 보조자석은 마그네트 고정판의 기준 설치위치에서 주변으로 다소간 위치를 변동시킬 수 있도록 위치조정나사 등 위치조정수단을 구비하는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치는, 마그네트 고정판, 상기 마그네트 고정판의 중심으로부터 양측으로 설치되는 복수의 자석 및 보조자석, 상기 마그네트 고정판을 회전시키는 모터를 구비하여 이루어지는 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치에 있어서, 상기 모터에는 스플라인 형태의 회전축이 연결되고, 상기 회전축에는 수직으로 설치되는 마그네트축에 동력을 전달할 수 있도록 베벨기어쌍의 한 쪽이 상기 회전축의 축방향으로 이동이 가능하게 설치되며, 상기 마그네트 고정판과 수직하게 연결되어 상기 마그네트 고정판을 회전시키는 상기 마그네트축의 단부에는 베벨기어쌍의 나머지 한 쪽이 설치되고, 상기 베벨기어쌍은 일체로 형성되어 선형으로 동작하는 지지대에 의해 지지되고, 상기 지지대의 상부는 회전축과 평행하게 설치되며, 한 끝이 기어박스에 연결되어 모터의 동력을 전달받는 이송축에 연결되고, 상기 기어박스는 여러 기어와 감속기를 이용하여 지지대가 이송축을 따라 왕복 직선운동을 할 수 있도록 구성된 이송수단이 더 구비되어 상기 마그네트 고정판을 선형이동시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 기어박스의 기어의 회전방향은 상기 이송축에 설치된 리미트 스위치를 이용하여 제어되도록 한 것이다.

본 발명에서 마그네트 고정판을 이동시킬 수 있는 이송수단은 상기 모터를 포함하는 수단일 수도 있고, 선형이송만을 위한 별도의 동력전달장치를 사용하는 것일 수도 있다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도3은 보조자석을 이용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트 장치를 나타내는 평면도이다.

도4는 도3의 마그네트 장치를 A-A선에 따라 절단한 경우에 볼 수 있는 측단면도이다.

종래의 마그네트론 고정판(31)에 보조자석 고정판(32)이 부착되고 보조자석 고정판(32)에는 원래의 자석(33)과 중심대칭적으로 보조자석(34)이 설치된다. 원래의 마그네트 장치에 사용되는 자석(33)이 보조자석(34)에 비해 조금 크고, 두 자석의 가운데에는 두 자석의 중심을 잇는 선과 수직으로 길게, 두 자석에서 발생되는 자기장의 상호 간섭을 차폐하는 쉴드(35)가 설치된다.

도5는 본 발명의 실시예를 채택하여 스퍼터링 공정이 진행된 경우의 타겟전면의 변화를 나타내는 개념도이다.

영구자석의 영향으로 물리적 식각이 이루어지는 패턴을 나타내는 선 'B'와 보조자석의 영향으로 물리적 식각이 이루어지는 패턴을 나타내는 선 'C'에서 집중적 식각이 이루어지는 영역이 교차적으로 나타나며, 그 결과 타겟은 전면에 걸쳐 고르게 식각되는 식각면(51)을 나타내고 있다. 그 결과로 타겟(50)의 사용효율은 80%이상 증가될 수 있고, 타겟(50)의 표면 요철에 따른 불균일한 스퍼터링 양상을 개선시킬 수 있다.

또한 타겟의 충돌효율도 복수개의 보조자석을 더 설치하게 되므로 높아질 수 있다. 한편, 보조자석의 위치를 조절할 수 있으므로 원래의 자석과 보충적으로 가장 높은 사용효율을 가질 수 있도록 공정의 진행에 따라 보조자석의 위치를 옮겨줄 수 있다.

도6은 마그네트 고정판이 회전운동에 더하여 선형운동을 할 수 있도록 구성한 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트 장치의 정면도이다.

모터(61)에는 스플라인 형태의 회전축(62)이 연결되고, 회전축(62)에는 수직으로 설치되는 마그네트축(63)에 동력을 전달할 수 있도록 베벨기어쌍의 한 쪽 기어(64)가 설치되며, 이 기어(64)는 회전축(62)의 축방향으로 이동이 가능하다. 마그네트 고정판(65)은 스퍼터링 설비의 타겟(66)과 평행하게 설치되고, 마그네트 고정판(65)과 수직하게 연결되어 고정판을 회전시키는 마그네트축(63)의 단부에는 베벨기어쌍의 나머지 한 쪽 기어(67)가 설치된다. 베벨기어쌍은 일체로 형성되어 선형으로 동작하는 지지대(68)에 의해 지지된다. 지지대(68)의 상부는 회전축(62)과 평행하게 설치되며, 한 끝이 기어박스(69)에 연결되어 모터(61)의 동력을 전달받는 이송축(70)에 연결된다. 기어박스(69)는 여러 기어와 감속기를 이용하여 지지대(68)가 이송축(70)을 따라 일정한 속도로 왕복 직선운동을 할 수 있도록 설치된다. 기어박스(69)의 기어의 회전방향은 이송축에 설치된 리미트 스위치(미도시) 등을 이용하여 제어될 수 있다.

따라서, 모터의 회전과 함께 마그네트 고정판이 회전하면서, 지지대에 의해 지지되는 회전축의 기어, 마그네트축의 기어 및 마그네트축에 연결된 마그네트 고정판은 지지대와 함께 이송축을 따라 직선 왕복운동을 하게 된다.

이때, 마그네트 고정판의 회전주기와 직선 왕복운동의 주기가 조화되어 전체가 짧은 주기를 이룰 경우, 타겟 전면이 그 주기에 따른 일정 패턴으로 식각될 수 있으므로 회전주기와 직선운동주기의 조화가 이루어지지 않도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 특히 스퍼터링이 이루어지는 웨이퍼의 좌, 우, 상, 하의 모서리 부분에서 나타나는 비대칭 현상의 개선효과를 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면 공통적으로 마그네트론 스퍼터링 설비에서 타겟의 수명을 연장하고, 스퍼터링 공정에서 웨이퍼에 형성되는 막을 균일한 두께를 가진 양질의 것으로 할 수 있다는 효과가 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (6)

1. 마그네트 고정판, 상기 마그네트 고정판의 중심으로부터 양측으로 설치되는 복수의 자석 및 보조자석, 상기 마그네트 고정판을 회전시키는 모터를 구비하여 이루어지는 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치에 있어서,

   상기 마그네트 고정판 상에서 상기 자석의 중심과 다른 위치에 그 중심을 가지도록 상기 자석의 반대편에 대칭적으로 설치되고 상기 자석보다 그 크기나 자기장의 세기가 작은 보조자석이 하나 이상 더 구비되며, 상기 자석과 보조자석의 중간에 자속을 차폐할 수 있는 쉴드가 설치된 것을 특징으로 하는 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 자석과 상기 보조자석중 적어도 하나는 영구자석으로 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 보조자석의 상기 마그네트 고정판에서의 위치를 조절할 수 있는 위치조절수단을 구비한 것을 특징으로 하는 상기 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조자석의 상기 마그네트 고정판에서의 위치를 조절할 수 있는 위치조절수단을 구비한 것을 특징으로 하는 상기 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치.
5. 마그네트 고정판, 상기 마그네트 고정판의 중심으로부터 양측으로 설치되는 복수의 자석 및 보조자석, 상기 마그네트 고정판을 회전시키는 모터를 구비하여 이루어지는 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치에 있어서,

   상기 모터에는 스플라인 형태의 회전축이 연결되고, 상기 회전축에는 수직으로 설치되는 마그네트축에 동력을 전달할 수 있도록 베벨기어쌍의 한 쪽이 상기 회전축의 축방향으로 이동이 가능하게 설치되며, 상기 마그네트 고정판과 수직하게 연결되어 상기 마그네트 고정판을 회전시키는 상기 마그네트축의 단부에는 베벨기어쌍의 나머지 한 쪽이 설치되고, 상기 베벨기어쌍은 일체로 형성되어 선형으로 동작하는 지지대에 의해 지지되고, 상기 지지대의 상부는 회전축과 평행하게 설치되며, 한 끝이 기어박스에 연결되어 모터의 동력을 전달받는 이송축에 연결되고, 상기 기어박스는 여러 기어와 감속기를 이용하여 지지대가 이송축을 따라 왕복 직선운동을 할 수 있도록 구성된 이송수단이 더 구비되어 상기 마그네트 고정판을 선형이동시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 기어박스의 기어의 회전방향은 상기 이송축에 설치된 리미트 스위치를 이용하여 제어되는 것을 특징으로 하는 상기 반도체 마그네트론 스퍼터링 설비의 마그네트 장치.

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