KR100274709B1 - 막을 증착하는 방법 및 스퍼터링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서, 기판의 표면은 대부분의 입자가 스퍼터링에 의하여 타겟으로 부터 방출되는 방향에 수직되게 설치될 수 있도록 상기 기판이 챔버내에 위치된다. 상기 기판의 중심을 통과하는 기판에 수직인 선은 타겟의 중심을 통과한다. 또한, 챔버내의 압력은 기판의 중심과 타겟사이의 거리가 불활성 가스 분자의 평균 자유 경로보다 더 짧게 되는 상태하에서 조정된다. 그리고, 상기 기판의 중심과, 타겟사이의 거리는 기판의 직경보다 더 길게 된다. 상기 기판은 기판의 표면에 수직인 축주위에서 회전된다.

Description

막을 증착하는 방법 및 스퍼터링 장치
본 발명은 막을 증착하는 방법과, 금속 막 또는 금속 합금막(금속막의 합성물)을 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착하기 위한 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
LSI 용으로 사용되는 반도체 기판위의 금속막은 주로 스퍼터링에 의하여 증착된다. 왜냐하면, 불순물 함량이 작은 양질의 균일한 금속막이 기판 표면에 어떠한 손상을 발생시키지 않고 안정된 방법의 고속으로 상기 기판 표면 위에 증착될 수 있기 때문이다.
LSI 등과 같은 반도체 장치에서, 관통 구멍(또는 접촉 구멍)은 반도체 소자와 결선부를 연결하기 위하여 반도체 기판위의 중간층의 절연막으로 형성된다. "관통 구멍의 깊이/관통 구멍의 직경"의 비로써 계산되는 애스팩터 비(aspect ratio)는 LSI에서 보다 높은 집적을 향하는 최근 경향에 따라서 증가된다. 그러므로, 통상의 스퍼터링 기술이 사용될지라도, 높은 정확성을 가지고 금속막으로 관통 구멍의 내부벽 표면을 피복하는 것은 어렵다.
따라서, 시준되는 스퍼터링 기술과 롱 스로우 스퍼터링 기술(long throw sputtering technique)이 비록 높은 애스펙트 비의 경우라도 관통 구멍의 저부위에 형성된 금속막의 피복 능력을 향상시키기 위한 방법으로서 제안되었다. 이러한 방법들은 기판의 표면에 거의 수직인 방향을 따라서 진행하는 입자의 비가 스퍼터링에 의하여 증가되는 것이 일반적이다. 이러한 스퍼터링 방법은 아래에 보다 상세히 설명될 것이다.
이러한 시준되는 스퍼터링 기술은 예를 들면, 미심사된 일본 특허출원 헤이 제 1-116070 호에 기재되어 있는데, 여기에서 타겟(target)과 기판은 챔버에 위치되어, 다수의 구멍을 가진 시준판이 타겟과 기판사이에 위치된다. 입자중에서 기판에 거의 수직인 방향을 진행하는 입자만이 상기 시준판을 관통하는 기판을 향하여 진행하고, 다른 것은 시준판에 의하여 잡혀진다.
상기 롱 스로우 스퍼터링 기술은 예를 들면 1994년 티.키요타(T. KIYOTA)등이 저술한 "시준기가 없이 스퍼터링을 사용하여 높은 애스펙트 비를 가진 접촉 구멍을 충전하는 기술"이라는 제목의 논문 225-230 페이지에 기재되어 있다. 도 1은 금속막이 롱 스로우 스퍼터링 기술에 의하여 기판의 표면 위에 증착될 때 스퍼터링 장치를 도시하는 통상적인 도면이다. 기판 홀더(29)는 챔버(22)에 위치되고, 예를 들면 직경이 8 인치인 반도체 기판(28)은 기판 홀더(29)위에 위치된다. 타겟(25)은 기판(28)위에 위치되고, 음 전극(26)은 상기 전극(26)이 타겟(25)의 상부면위에 접촉될 수 있는 방법으로 위치된다. 상기 음 전극(26)은 챔버(22)외부에 위치된 직류 전원(27)에 연결된다. Ar 가스가 통과하여 챔버(22)내로 도입되는 가스 입구 포트(24)는 측벽에 형성된다. 챔버(22)내의 가스가 통과하여 방출되는 진공 배출포트(23)는 챔버(22)의 저부벽에 형성된다.
타겟(25)의 직경은 예를 들면 300 mm이고, 타겟(25)과 기판(28)사이의 거리는 예를 들면 300 mm이다. 자석(도시않음)은 대부분의 입자가 방출되는 영역이 타겟의 직경이 150 mm인 영역이 될 수 있도록 타겟(25)의 후방측 근처(음 전극(26)의 측부 근처)에 위치된다.
이와 같이 구성된 스퍼터링 장치에서, 타겟(25)과 기판(28)사이의 거리는 일반적인 스퍼터링 기술의 직경보다 더 길게 되고, 스퍼터링은 낮은 압력에서 수행됨으로써, 입자는 스퍼터링 가스의 분자에 의해 분산되지 않고 기판(28)에 도달할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 Ti 막이 롱 스로우 스퍼터링 기술에 의하여 기판의 표면 위에 각각형성될 때, Ti 막의 피복상태를 도시하는 단면도이다. 산화 규소막(42)은 상기 기판(28)위에 형성되고, 관통 구멍(42a 및 42b)은 산화 규소막(42)에 형성된다. 도 2a에 도시된 관통 구멍(42a)은 기판(28)의 중앙부 근처에 형성되고, 도 2b에 도시된 관통 구멍(42b)은 기판(28)의 원주부에 형성된다. Ti막이 도 1에 도시된 스퍼터링 장치를 사용하여, 관통 구멍(42a,42b)의 내부벽 표면과 산화 규소막(42)의 상부면위에 형성된다면, 입자는 스퍼터링에 의하여 균일한 방법으로 관통 구멍(42a)의 내부 공간을 통하여 배출된다. 그러므로, 도 2a에 도시된 바와 같이, 균일한 Ti막(41)은 관통 구멍(42a)의 내부벽 표면위(측면 및 저부면)에 형성된다.
한편, 상기 기판(28)의 원주부에서, 스퍼터링에 의하여 타겟(25)의 원주영역으로부터 배출되는 입자의 수는 타겟(25)의 중앙부로부터 방출되는 입자수보다 작게 된다. 따라서, 산화 규소막(42)에 형성된 관통 구멍(42b)에서, 상기 내부벽 표면에 형성된 Ti막은 기판(28)의 중앙에 보다 가까이 있는 부분에서의 두께보다 기판의 원주부에 더 가까운 부분에서 더 두꺼운 두께를 가진다. 이와 같은 방법에서, 도 1에 도시된 스퍼터링을 사용할지라도, 기판(28)의 원주부에 형성된 관통 구멍(42b)의 내부벽 표면에 형성되는 Ti막은 기판을 가로질러서 불균일한 막 두께를 가진다.
스퍼터링 장치는 미심사된 일본 특허출원 소화제 63-162862 호에 기재되어 있고, 여기에서 기판의 원주부에서 중간층의 절연막에 형성된 관통 구멍의 내부벽 표면에 형성되는 금속막과, 중간층의 절연막의 표면위에 형성된 금속막사이의 균일성은 향상된다. 상기 스퍼터링 장치에서, 타겟 또는 기판이 경사지고, 미끄러지거나 또는 회전하며, 조합되는 방법이 관통 구멍의 내부벽 표면위의 금속막을 균일한 방법으로 형성하기 위하여 사용가능하다.
타겟 또는 기판이 서로에 대하여 경사진 상태로 위치되는 기판위에서 금속막을 형성하기 위한 방법 또는 장치는 미심사된 일본 특허출원 소화 제 62-70568 호와, 미심사된 일본 특허출원 헤이 제 4-311842 호와, 미심사된 일본 특허출원 헤이 제 5-78831 호와, 미심사된 일본 특허출원 헤이 제 6-81145 호에 기재되어 있다.
미국특허 제 4,664,935 호에 기재된 방법에서, 기판은 0° 내지 45°에서 타겟에 대하여 경사지며, 기판은 두께, 단계 적용범위, 스퍼터링에 의하여 형성되는 금속막의 표면형태의 균일성을 향상시키기 위하여 회전될 동안에 스퍼터링이 수행된다. 상기 방법에서, 타겟에 대한 기판의 경사는 보다 두꺼운 금속막이 관통 구멍의 상부위에 형성되는 것을 방지하고, 상기 관통 구멍이 부분적으로 폐쇄(자체적인 섀도잉(shadowing))되는 것으로부터 방지하기 위하여 10 내지 45°로 조정된다.
그러나, 금속막이 상술된 종래의 방법 및 장치중의 하나를 사용하여 기판의 표면위에 형성될 때, 다음과 같은 문제가 발생한다. 이중의 하나는 상기 관통 구멍의 저부면위에 형성된 금속막의 피복비는 낮게 된다는 것이고, 다른 하나는 타겟의 사용 효율(또는 하나의 타겟으로 형성될 수 있는 금속막의 최대 두께)이 낮게 된다는 것이다
본 발명의 제 1 목적은, 균일한 금속막이 작은 폭과 큰 깊이를 가지는 관통 구멍의 측벽 표면과 저부면위에 될 수 있으므로, 미세한 관통 구멍을 가진 고집적 LSI가 쉽게 제조될 수 있는 막을 증착하는 방법과 스퍼터링 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 제 2 목적은, 타겟의 사용 효율이 증가되고, 스퍼터링의 작동비가 증가되며 낮은 가격으로 인하여 생산성이 향상되는 막을 증착하는 방법과 스퍼터링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 특징은 타겟과 기판을 챔버내에 위치시키는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다. 상기 기판은 기판의 표면이 대부분의 입자가 스퍼터링에 의하여 타겟으로 부터 방출되는 방향에 수직으로 배향되며, 기판의 중심을 관통하는 기판에 수직인 선은 타겟의 중심을 거의 관통할 수 있는 방법으로 상기 기판이 위치된다. 그다음 스퍼터링 가스가 챔버내로 도입된다. 결과적으로, 스퍼터링 가스의 분자의 평균 자유 경로가 타겟의 중심과 기판사이의 거리보다 더 길게 되면서, 상기 기판은 기판의 표면에 수직인 축주위에서 회전될 수 있는 상태에서, 입자는 스퍼터링에 의하여 타겟으로부터 방출된다.
본 발명의 제 2 특징은, 타겟과 기판을 챔버내에 위치시키는 상술된 단계에서, 기판의 표면은 대부분의 입자가 스퍼터링에 의하여 타겟으로부터 방출되는 방향에 수직으로 배향되는 방법에 관한 것이다. 상기 기판은 이 기판에 수직인 선이 타겟에 보다 가까이 있는 방향을 따라 이격된 제 1 위치를 통과하고, 기판의 중심으로부터 기판의 반쪽 반경의 거리에 의하여 대부분의 입자가 스퍼터링에 의하여 타겟으로부터 방출되는 영역에서 기판에 가장 가까운 타겟위의 제 2 위치를 통과할수 있도록 위치된다. 타겟으로부터의 스퍼터링되는 입자를 방출하는 단계에서, 스퍼터링 가스의 분자의 평균 자유 경로가 기판위의 제 1 위치와, 타겟위의 제 2 위치사이의 거리보다 더 길게 되도록 상태가 설정된다. 이러한 단계 이전에, 기판의 표면에서 중심 아래의 선에 의하여 분할되는 2개의 반쪽중의 하나인 타겟으로부터 보다 먼 측부영역은 스퍼터된 입자가 상기 보다 먼 영역에 도달하지 않도록 된다.
상기 대부분의 입자가 스퍼터링에 의하여 타겟으로부터 방출되는 방향은 타겟의 표면에 수직인 방향이 일반적으로 아니다. 예를 들면, 대부분의 입자가 튀어나오는 방향은 본원의 청구범위 제 2 내지 제 4항에 청구된 방향이다. 본 발명에서, 기판의 표면은 대부분의 입자가 스퍼터링에 의하여 타겟으로부터 방출되는 방향에 거의 수직으로 배향된다. 또한, 스퍼터링 가스의 분자의 평균 자유 경로가 타겟의 중심과 기판사이의 거리보다 더 길기 때문에, 스퍼터된 입자는 이것이 기판에 도달할 수 있기 전에, 스퍼터링 가스의 분자에 의하여 스퍼터될 기회가 작아질 수 있다. 따라서, 금속 막은 중앙부 및 원주부의 근처에 각각 형성된 관통구멍의 내부면위에 균일하게 증착될 수 있다. 그 외에도, 본 발명에서는, 상기 기판이 막 증착시에 기판의 표면에 수직인 축주위로 회전되기 때문에, 기판의 표면위에서 금속 막의 두께 분포는 균일하게 된다.
본 발명의 막 증착의 다른 방법에서, 입자가 스퍼터링에 의하여 타겟으로 부터 방출되는 단계는 다음과 같은 상태에서 수행되는데, 상기 상태는 스퍼터링 가스의 분자의 평균 자유 경로가 타겟에 가까이에 있는 방향을 따라 반쪽 반경의 길이에 의하여 중심으로부터 이격된 기판의 표면 위의 제 1 위치와, 모든 입자가 스퍼터링에 의하여 방출되는 영역에서 기판에 가장 가까운 타겟 위의 제 2 위치사이의 거리보다 더 길게 되는 상태이다. 상기 기판의 표면에서 상기 중심 아래의 선에 의하여 분할되는 2개의 반쪽중의 하나인 타겟으로 부터의 보다 먼 측부 영역은 스퍼터된 입자가 상기 보다 먼 측부 영역에 도달하지 않을 수 있도록 차폐된다. 이러한 상태에서, 금속막이 기판의 표면에 차폐되지 않는 나머지 영역위에 증착될지라도, 기판이 막 증착시에 회전되기 때문에, 금속막은 상기 모든 표면을 가로질러 균일하게 형성될 수 있다. 또한, 상기 장치는 금속막이 보조 상태에서 중심아래의 선에 의하여 분할되는 2개의 반쪽중의 하나의 영역을 피복만 하도록 형성될 수 있기 때문에, 막의 균일한 두께를 실현하는 종래의 기판의 직경보다 더 큰 직경을 가지는 기판의 표면을 가로질러 큰 직경의 타겟과 금속막이 형성될 필요가 없다. 그러므로, 타겟의 사용효율은 향상되고, 스퍼터링 장치의 작동비는 증가될 수 있고, 반도체 장치의 제조 생산성 또한 낮은 가격으로 향상될 수 있다.
도 1은 롱 스로우 스퍼터링 기술(long throw sputtering technique)에 의하여 금속 막이 기판의 표면위에 증착될 때에 스퍼터링 장치를 도시하는 도면.
도 2a 및 도 2b는 Ti막이 롱 스로우 스퍼터링 기술에 의하여 기판의 표면위에 각각 형성될 때, Ti막의 피복 상태를 도시하는 단면도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 도시하는 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 막 증착의 방법에서 단계를 도시하는 흐름도.
도 5a 및 도 5b는 금속막이 본 발명의 제 1 실시예에 따른 막 증착 방법에 의하여 기판의 표면 위에 증착될 때 금속막의 피복 상태를 도시하는 단면도.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 도시하는 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1: 챔버 2: 진공 배출 포트
3: 가스 입구포트 4: 타겟
5: 음 전극 6: 직류 전원
7: 기판 8: 기판 홀더
9: 회전 축
첨부 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 도시하는 도면이다. 기판(7)과 기판 홀더(8)는 챔버(1)내에 위치된다. 모터(10)는 중간에 있는 회전 축(9)을 가진 각각의 기판 홀더(8)에 장착되고, 기판을 유지하는 기판 홀더(8)는 모터(10)의 구동부에 의하여 각각 회전된다. 챔버(1)의 상부 공간에서, 타겟(4)과 음 전극(5)은 타겟(4)를 고정되게 유지하면서, 타겟(4)의 상부면에 접촉하는 전극이 위치된다. 상기 음 전극(5)은 챔버(1) 외부에 위치되는 직류 전원(6)에 연결된다. 도 3에서는, 2개의 기판(7)이 도시되고, 하나의 기판은 챔버(1)에 위치될 수 있거나, 챔버(1)에 위치된 기판의 수는 본 발명에서 3개 이상이 될 수 있다.
챔버로부터 가스를 배출하기 위한 진공 배출 포트(2)는 챔버(1)의 저부벽에 형성되고, 진공 펌프(도시 않음)는 진공 배출 포트(2)에 연결된다. 또한, 챔버(1)내로 Ar 가스와 같은 불활성 가스를 도입하기 위한 가스 입구 포트(3)는 챔버(1)의 측벽에 형성된다. 즉, 챔버(1)내의 압력은 가스 입구 포트(3)를 통하여 챔버(1)내로 불활성 가스를 도입함으로써 소정의 압력으로 유지할 수 있도록 조정될 수 있다.
자석(도시 않음)은 타겟(4)의 후방측 근처 즉, 측부의 근처에 위치되고, 여기에서 음 전극이 접촉된다. 스퍼터링에 의하여 대부분의 입자가 방출되는 타겟(4)의 영역은 자석의 위치에 따라서 결정된다. 또한, 본 실시예에서, 기판(7)의 표면은 이 표면이 대부분의 입자가 스퍼터링에 의하여 타겟(4)으로부터 방출되는 방향에 수직으로 배향될 수 있는 방법으로 위치된다. 즉, 기판에 수직(기판의 중심에서 기판에 수직인)으로 된 기판(7)의 중심을 통과하는 선(30)은 타겟(4)의 중심을 통과한다. 또한, 기판(7)의 중심과 타겟(4)의 중심사이의 거리(L1)은 챔버(1)내의 압력이 소정의 압력에서 조정될 때 불활성 가스의 분자의 평균 자유 경로보다 더 짧게 될 수 있도록 설정될 뿐만 아니라, 기판(7)의 직경보다 더 길게 설정된다.
상기와 같이 구성된 스퍼터링 장치를 사용하는 막 증착 방법은 도 4의 흐름도를 참고로 하여 아래에 보다 상세히 설명될 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(7)은 먼저 기판 홀더(8)위에 설정된다(단계 S1). 이러한 이유로 인하여, 상기 단계(S1)은 수행되고, 챔버(1)내의 압력을 대기압으로 설정한다. 그러나, 상기 단계(S1)가 대기압하에서 수행된다면, 다음 단계에서 챔버(1) 내부로부터 가스를 방출하는데 긴 시간이 요구된다. 그러므로, 상기 기판(7)은 아래에 설명되는 방법에 따라서 진공하에 챔버(1)의 기판 홀더(8)에 설정된다. 즉, 하중 록크 룸(도시 않음)은 챔버(1) 근처에 위치되고, 기판(7)이 상기 룸에 위치된 다음에, 상기 룸은 진공으로 된다. 그 다음, 기판(7)은 진공하에서 챔버(1)내에 설정된다. 상기 단계(S1)가 이와 같이 방법으로 수행된다면, 다음 단계가 간단하게 될 수 있다.
기판(7)을 설정한 후에, 가스는 예를 들면, 1×10-7Torr 이하의 압력으로 진공 펌프를 구동함으로써 챔버(1)의 내부로부터 배출된다(단계 S2). 상기 하중 록크 룸 등이 상기 단계(S1)에 사용된다면, 기판(7)은 챔버(1)내에 위치되며, 챔버(1)내의 압력은 단계 S2에서 1×10-7Torr 이하로 조정되며, 단계(S2)의 작동은 삭제될 수 있다.
그다음, Ar 가스와 같은 불활성 가스는 가스 입구 포트(3)를 통하여 챔버(1)내로 도입된다. 이러는 동안에, Ar 가스 흐름비는 챔버(1)내의 압력이 소정의 압력으로 설정될 수 있도록 질량 흐름 제어기 등을 사용하여 직접 제어된다. 상기 소정의 압력은 Ar 분자의 평균 자유 경로가 타겟(4)의 중심과 각각의 기판(7)사이의 거리(L1)보다 더 길게 되는 압력이다. 필요하다면, 챔버(1)내의 압력이 소정의 압력으로 설정될 수 있도록 진공 배출 포트(2)의 컨덕턴스(conductance)는 변경된다(단계 S3).
챔버내의 압력이 소정의 압력으로 설정된 후에, 상기 기판(7)이 각각 설정되는 기판 홀더(8)는 기판(7)에 수직인 각각의 축(9)주위에서 회전된다(단계 S4). 상기 회전 중심은 기판(7)의 중앙부에 있을 필요가 없다. 그러나, 회전의 중심이 기판(7)의 중심부로부터 이격된다면, 기판(7)의 회전이 관할하는 공간은 넓게 되고, 하나의 챔버(1)내에 다수의 기판(7)을 위치시키는 것은 어렵다. 따라서, 각각의 기판(7)과 이것의 회전축(9)은 회전축(9)이 각각의 기판(7)의 중심부 근처에 위치될 수 있도록 설정되는 것이 양호하다.
그 다음, 직류 전원(6)의 스위치는 온 상태로 작동됨으로써, 음의 전압이 글로우 방전을 시작하기 위하여 음 전극(5)에 적용된다(단계 5). 그럼으로써, Ar가스가 이온화되고, 이온화된 가스 분자는 타겟(4)위에 충돌하기 위하여 가속되고, 타겟(4)의 물질은 입자로서 제거된다. 그 다음, 금속막이 각 기판(7)의 표면위에 형성된다.
상기 금속막이 바람직한 두께로 각 기판(7)의 표면위에 증착될 때, 직류 전원의 스위치는 글로우 방전을 중단하기 위하여 오프 상태로 작동됨으로써, 막 증착이 종료된다(단계 S6). 그 다음, 기판 홀더(8)의 회전은 중단되고, 각각의 막 증착이 완료되는 기판(7)은 챔버(1)의 바깥쪽으로 배출된다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 막 증착 방법에 의하여 기판의 표면위에 증착될 때 금속막의 피복 상태를 도시하는 단면도이고, 도 5a는 기판의 중심부 근처에 형성되는 관통 구멍(32a)의 내부면위에서 금속 막의 피복 상태를 도시하고, 도 5b는 기판의 원주부 근처에서 기판(7)위의 산화 규소막(32)에 형성된 관통 구멍(32b)의 내부면 위의 금속막의 피복 상태를 도시한다.
단계 S5에서, 대부분의 입자가 스퍼터링에 의하여 방출되는 방향은 타겟(4)의 표면에 수직인 방향이 아니고, 타겟(4)의 표면으로 부터 20 내지 50°의 각도로 경사진 방향이다. 종래의 기술에서는, 타겟과 기판사이의 각도는 적절하지 않다. 그 외에도, 스퍼터링이 종래 기술의 사용에서 통상의 압력하에서 수행된다면, 스퍼터된 입자는 타겟으로부터의 입자가 기판에 도달할 때까지 불활성 가스의 분자와 충돌할 기회가 많고, 그럼으로써 진행되는 원래의 방향을 변경시킨다.
상기 실시예에서, 기판(7)의 표면은 대부분의 입자가 스퍼터링에 의하여 타겟(4)으로 부터 방출되는 방향에 수직으로 위치된다. 또한, 챔버(1)내의 압력은 Ar 분자의 평균 자유 경로가 타겟(4)의 중심과 기판(7)사이의 거리(L1)보다 더 길게되는 압력에서 조정된다. 그럼으로써, 상기 실시예에서, 스퍼터된 입자는 이 입자가 기판(7)에 도달할 때 까지 스퍼터링 가스의 분자에 의하여 분산되는 기회가 작아지게 된다. 상기 실시예에서, 타겟(4)의 중심과 기판(7)사이의 거리(L1)는 기판(7)의 직경보다 더 길게 되고, 대부분의 입자는 기판(7)에 수직인 방향으로 방출된다. 따라서, 도 5a, 도 5b에 도시된 바와 같이, 관통 구멍(32a 및 32b)을 가지는 상기 산화 규소막(32)이 기판(7)의 표면 위에 형성되고, 균일한 금속막은 기판(7)의 중심부의 근처에 위치되는 관통 구멍(32a)의 저부면 위에 증착될 수 있고, 상기 관통 구멍(32b)은 기판(7)의 원주부의 근처에 위치된다.
상기 실시예에서, 기판(7)이 금속막의 증착시에 회전되기 때문에, 기판(7)의 표면을 가로지르는 금속막의 두께는 균일하게 되고, 상기 단계 적용 범위 또한 양호하게 된다.
Al합금 막이 도 3에 도시된 스퍼터링 장치를 사용하여 기판(7)의 표면 위에 실질적으로 증착될 때 상태와 결과가 상세히 설명된다. 가스는 진공펌프에 의하여 진공 배출 포트(2)를 통하여 챔버(1)로부터 배출되고, 챔버(1)내의 압력은 10-8이하의 압력에서 조정된다. 상기 챔버(1)내에서, (100) 표면의 평면을 가질 수 있도록 설치되는 다결정 구조의 Al 합금 타겟(4)은 음 전극(5)위에서 유지된다. 상기 음 전극(5)은 챔버(1) 외부에 위치되는 직류 전원(6)에 연결된다. 상기 타겟의 직경은 예를 들면, 300 mm 이다.
챔버(1)에서, 4개 세트의 기판 홀더(8)와 모터(10)등은 4개의 기판(7)이 동시에 설정될 수 있도록 위치된다. 도 3에서, 상기 다른 기판(7)용으로 각각 사용되는 2개 세트의 기판 홀더(8)와 모터(10)가 생략된다. 직경이 8인치이며 실리콘으로 제조된 기판(7)은 정전기적인 접착제에 의하여 기판 홀더(8)위에 각각 고정된다. 상기 기판 홀더(8)은 모터(10)의 회전 축(9)위에 각각 유지된다. 그럼으로써, 상기 기판(7)은 각각 회전의 중심으로써 중심부 주위에서 회전한다.
상기 기판(7)은 선(30)이 타겟의 중심부를 대략적으로 통과하는 기판의 중심을 통과하는 기판(7)에 수직으로 될 수 있는 방법으로 챔버(1)에 위치되고, 각각의 기판(7) 표면은 약 45°의 각도에서 타겟(4)의 표면으로부터 상대적으로 경사지게 된다. Ar 가스를 챔버(1)내로 도입하기 위한 가스 입구 포트(3)는 챔버(1)의 측벽에 형성된다. 따라서, 챔버(1)내의 압력은 가스 흐름비가 질량 흐름 제어기에 의하여 제어될 동안에 챔버(1)내로 Ar 가스를 도입함으로써 소정의 압력으로 조정될 수 있다.
상기 기판(7)의 중심과 타겟(4)사이의 거리(L1)는 예를 들면 250 mm이다. 챔버(1)내의 압력이 도입되는 Ar가스에 의하여 0.3 mTorr 로 조정된다면, Ar 가스 분자의 평균 자유 경로는 기판(7)의 중심과 타겟(4)사이의 거리(L1)보다 더 길게되는데, 이것은 상기 평균 자유 경로가 약 300 mm이기 때문이다.
이와 같이 구성된 스퍼터링 장치를 사용하여 기판(7)의 표면위에서 Al 합금막을 증착하는 방법이 상세히 설명된다. 8인치의 직경을 가지는 상기 기판(7)이 먼저 기판 홀더(8)위에 설정된다(단계 S1). 하중 록크 룸이 챔버(1)의 근처에 위치되고, 기판(7)이 하중 록크 룸에 의하여 챔버(1)에 설정된다면, 상기 기판(7)은 챔버(1)내의 진공을 감소시키지 않고 챔버(1)내로 운송될 수 있다. 이러한 경우에, 시간 주기는 배출의 시간 주기에 의하여 다음 단계에서 짧게 될 수 있다. 그럼으로써, 단위 시간당 처리되는 기판의 수는 증가되고, 타겟(4) 표면의 산화 및 오염은 방지된다.
4개의 기판이 각각의 기판 홀더(8) 위에 설정된 이후에, 진공 펌프는 챔버(1)로 부터 1×10-7Torr 이하의 압력으로 가스를 배출하기 위하여 작동된다(단계 S2). 상기 실시예에서, 기판(7)이 단계 S1에서 하중 록크 룸에 의하여 챔버(1)내로 위치되기 때문에, 챔버(1)내의 압력은 1×10-7Torr 이하로 일정하게 유지된다. 이러한 경우에, 단계 S2의 작동은 생략된다. 상기 하중 록크 룸이 사용될 때, 운반이 진공하에서 실행되기 때문에, 상기 기판(7)은 스퍼터링 가스인 Ar 가스가 챔버(1)내로 흐르게되는 상태에서 운반된다. 그럼으로써, 챔버(1)내의 압력이 하중 록크 룸의 압력보다 더 높게 되기 때문에, 산소, 질소등과 같은 불순물 가스는 하중 록크 룸으로부터 챔버(1)내로 흐르는 기회가 작아지게 된다. 이러한 경우, 특히 챔버(1)의 배출은 필요하지 않게 된다.
그다음, Ar 가스 등과 같은 불활성 가스는 가스 입구 포트(3)를 통하여 챔버(1)내로 도입된다. Ar 분자의 평균 자유 경로를 짧게 하기 위하여, 스퍼터링 압력이 감소될 필요가 있다. 즉, 진공 배출 포트(2)의 밸브는 완전히 개방되고, Ar 가스 흐름비는 직접 제어되며, 그래서 챔버(1)내의 압력은 0.3 mTorr 로 조정된다. 이러한 상태에서, 평균 자유 경로는 약 300 mm 이고, 타겟(4)의 중심과 기판(7)사이의 거리(L1;250 mm)보다 더 길게 된다(단계 S3).
챔버내의 압력이 조정된 다음에, 기판(7)이 설정된 기판 홀더(8)은 기판(7)에 수직인 회전 축(9)주위를 회전하게 된다(단계 S4). 회전의 중심은 기판(7)의 중심부에 설정된다. 회전 속도는 분당 약 10 내지 100 공전의 범위로 될 수 있으며, 예를 들면 분당 50 공전이 사용된다.
그다음, 직류 전원의 스위치는 작동되고, 음의 전압이 음 전극(5)에 적용됨으로써, 글로우 방전이 시작된다(단계 S5). 스퍼터링의 전력은 예를 들면 20 kW이다. 이러한 상태에서, Ar 가스는 이온화되며, 타겟(4)위에 충돌하기 위하여 가속되며, Ar 합금으로 제조된 타겟(4)으로부터 Al 합금 입자를 방출시킨다. 상기 실시예에서, 타겟(4)은 도 3에 도시된 바와 같이, 기판의 평면(100)을 가질수 있도록 설치된 Al 합금으로 제조되기 때문에, 타겟(4)으로부터 튀어나오는 모든 입자의 방향은 타겟(4)의 표면으로 부터 45°경사진 방향이다.
본 실시예에서, 각각의 기판(7)은 각 기판(7)의 표면이 타겟(4)의 표면으로 부터 45°각도 경사질 수 있도록 위치된다. 챔버(1)내의 압력은 낮게 되며, Ar 가스 분자의 평균 자유 경로는 길게 되고, 타겟(4)으로부터 방출되는 입자는 이 입자가 각 기판(7)의 표면에 도달할 때까지 Ar 분자에 의하여 스퍼터되는 기회가 작게 되다. 그럼으로써, 많은 입자가 스퍼터링에 의하여 각 기판(7)의 표면에 수직인 방향에 기판(7)의 표면에 충돌할 수 있도록 제조된다.
따라서, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 균일한 금속막은 기판(7)의 중심부 근처에 위치된 관통 구멍(32a)의 저부면 위에 증착될 수 있고, 상기 관통 구멍(32b)은 기판의 원주부 근처에 위치된다. 따라서, Al 합금 막의 균일한 증착은 종래의 스퍼터링 장치가 사용되는 경우와 비교하여, 보다 미세하고 보다 깊은 관통구멍의 내부벽 표면위에서도 실현가능하게 된다. 그외에도, 각각의 기판(7)이 회전하기 때문에, 각 기판(7)의 표면을 가로지르는 두께 분포는 균일하게 되며, 단계의 집중성 또한 향상된다.
약 90 초의 스퍼터링이 각 기판(7)의 표면위에서 1.0 ㎛의 금속막을 증착시키기 위하여 수행된 후에, 직류 전원(6)의 스위치는 글로우 방전을 중단시키기 위하여 오프상태로 작동됨으로써, Al 합금막의 막 증착이 완료된다(단계 S6). 그 다음, 각 기판 홀더(8)의 회전은 정지되고, 막 증착이 완료되는 4개의 기판(7)은 챔버(1)의 바깥쪽으로 취출된다. 결과적으로, Al 합금막이 다른 기판의 표면위에 부가로 증착된다면, 단계 S1 내지 S6를 포함하는 공정이 반복된다.
본 실시예에서, (100)으로 배향된 평면을 가질수 있도록 설치된 타겟(4)이 사용되고, 물질 마킹의 질과, 타겟의 평면의 배향이 변경된다면, 타겟과 기판사이의 각도용으로 각 타겟에 따라서 변경될 필요가 있다. 예를 들면, Al 합금 타겟이 타겟(4)으로써 사용될지라도, 타겟(4)이 (111)으로 배향된 평면을 가질수 있도록 설치된다면, 각각의 기판(7)은 각 기판(7)의 수직면이 55°의 각도에서 타겟의 표면으로부터 상대적으로 경사지게 될 수 있도록 위치될 수 있다. 즉, 기판(7)의 표면은 35°의 각도에서 타겟(4)의 표면으로부터 상대적으로 경사지게 된다. 또한, Ti 타겟이 사용될 때, 타겟(4)이 (002)의 평면을 가질 수 있도록 배향된다면, 각 기판(7)은 기판(7)의 표면에 대한 수직면이 55°의 각도에서 타겟의 표면(35°의 각도에서 타겟의 표면으로 부터의 각 기판의 표면)으로 부터 상대적으로 경사지게될 수 있도록 위치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 도시하는 도면이다. 기판(17)을 유지하는 기판 홀더(18)는 챔버(11)에 위치된다. 모터(20)는 중간에 있는 회전 축(19)을 가진 기판 홀더(18)에 각각 장착되고, 각각의 기판 홀더(18)는 모터(20)에 의하여 회전가능하다. 챔버(11)의 상부 공간에서, 타겟(14)의 상부면위에 고정되게 유지되는 음 전극(15)과, 타겟(14) 및 자석(도시않음)이 위치된다. 상기 음 전극(15)은 챔버(11)외부에 위치된 직류 전원(16)에 연결된다.
진공 배출 포트(12)는 챔버(11)의 내부로부터 가스를 배출하기 위한 목적용으로 챔버(11)의 저부에 형성되고, 진공 펌프(도시 않음)는 진공 배출 포트(12)에 연결된다. 가스 입구 포트(13)는 Ar 가스 등과 같은 불활성 가스의 도입용의 챔버(11)의 측벽에 형성된다. 즉, 챔버(11)내의 압력은 가스 입구 포트(13)를 통하여 챔버(11)내로 불활성 가스를 도입함으로써 소정의 압력으로 될 수 있도록 조정될 수 있다. 챔버(11)의 내부의 구성은 제 1 실시예와 유사하다. 상기 실시예에 도시된 바와 같이, 기판 홀더(18)가 2개의 대향된 위치에 정렬될 때, 금속막은 2개의 기판(17)위에 동시에 배치될 수 있다.
각각의 기판(17)은 각 기판(17)의 표면이 대부분의 입자가 타겟(14)으로부터 방출되는 방향에 수직으로 될 수 있도록 위치된다. 그러나, 제 2 실시예에서, 기판의 중심부를 통과하는 각각의 기판(17)에 수직인 선(40)(기판의 중심부에서 각 기판(17)에 수직)은 타겟(14)의 중심부를 통과하지 않지만, 기판의 중심부로부터 이격된 위치는 통과한다. 선(50)은 타겟(14)에 보다 가까이 있는 방향을 따라 기판의 반쪽 반경의 길이에 의하여 기판의 중심부로부터 이격된 기판(17) 위의 제 1 위치(50a)를 통과하고, 가장 높은 밀도의 플라즈마가 발생하고 대부분의 입자가 타겟(14)으로부터 방출되는 타겟(14) 위의 제 2 위치를 통과한다.
차폐판(차폐 부재; 21)은 타겟(14)이 중심과 각 기판(17)사의 연결선보다 더 낮은 영역을 피복할 수 있도록 위치된다. 금속 막이 증착되는 각 기판(17) 표면의 영역은 타겟(14)에 보다 가까이 있는 기판의 반쪽중의 하나에만 증착된다. 그러나, 각각의 기판(17)이 모터(20)에 의하여 회전되기 때문에, 상기 금속막은 각 기판(17)의 전체 표면을 가로질러 증착될 수 있다.
이와 같이 구성된 스퍼터링 장치를 사용하는 경우에, 작동은 도 4에 도시된 작동과 유사하다. 단계 S3에서, 챔버(11)내의 압력은 가스 입구 포트(13)를 통하여 Ar가스를 도입함으로써 소정의 압력으로 조정된다. 상기 제 2 실시예에서, 소정의 압력은 Ar 가스 분자의 평균 자유 경로가 거리(L2)보다 더 길게되는 압력이다. 상기 거리(L2)는 제 1 위치(50a)와, 각 기판(17)에 수직인 선(50)이 타겟(14)의 표면을 가로지르는 제 1 위치(50a)를 통과하는 제 2 위치(50b)사이의 거리이다. 그리고 상기 거리(L2)는 각 기판(17)의 반경보다 더 길게 제조된다.
또한, 상기 실시예에서, 각 기판과 타겟(14)사이의 각도와, 스퍼터링 상태등이 적절하게 설정되기 때문에, 제 1 실시예와 유사한 효과가 성취될 수 있다. 상기 제 2 실시예에서, 금속막이 각 기판(17)의 반쪽중의 하나에만 증착되기 때문에, 이와 같은 상태는 기판(17)의 직경의 반쪽의 직경을 가지는 기판위에 증착되는 경우와 유사하다. 그러므로, 타겟(14)의 직경이 증가되지 않고, 균일한 두께를 가지는 금속막이 보다 큰 직경을 가지는 기판의 표면을 가로질러 증착된다. 예를 들면, 타겟(14)이 기판(17)의 직경과 동일한 직경을 가질지라도, 보다 균일한 금속막이 성취될 수 있다.

Claims (22)

  1. 기판의 표면은 가장 많은 입자가 스퍼터링에 의하여 타겟으로부터 배출되는 방향에 수직으로 설치될 수 있도록 기판이 설치되며, 상기 기판의 중심을 통과하는 기판에 수직인 선은 타겟의 중심을 통과하는 타겟과 기판을 챔버내에 위치시키는 단계와;
    스퍼터링 가스를 챔버내로 도입하는 단계 및;
    상기 스퍼터링 가스 분자의 평균 자유 경로가 타겟의 중심과 기판의 중심사이의 거리보다 더 길게 되면서, 상기 기판은 기판의 표면에 수직인 축주위를 회전하는 상태에서 스퍼터링에 의하여 타겟으로부터 입자를 방출하는 단계를 포함하는 막 증착 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 타겟은 (100) 평면을 가질 수 있도록 설치된 Al 또는 Al 합금으로 제조되며, 상기 기판은 입자가 방출되는 타겟의 표면과 기판의 표면사이의 각도가 45°로 될 수 있도록 위치되는 막 증착 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 타겟은 (111) 평면을 가질 수 있도록 설치된 Al 또는 Al 합금으로 제조되며, 상기 기판은 상기 기판은 입자가 방출되는 타겟의 표면과, 기판의 표면사이의 각도가 35°로 될 수 있도록 위치되는 막 증착 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 타겟은 (002) 평면을 가질 수 있도록 설치된 Ti 로 제조되며, 상기 기판은 상기 기판은 입자가 방출되는 타겟의 표면과 기판의 표면사이의 각도가 35°로 될 수 있도록 위치되는 막 증착 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 타겟의 중심과 기판의 중심사이의 거리는 기판의 직경보다 더 길게 설정되는 막 증착 방법.
  6. 기판은 이 기판의 표면이 가장 많은 입자가 스퍼터링에 의하여 타겟으로부터 방출되는 방향에 수직으로 설치될 수 있도록 위치되며, 상기 기판에 수직인 선은 타겟에 보다 가까이 있는 방향을 따라 이격되는 기판 위의 제 1 위치를 통과하고, 기판의 반쪽 반경의 거리에 의하여 상기 기판의 중심으로부터, 가장 많은 입자가 스퍼터링에 의하여 타겟으로부터 방출되는 영역에서 상기 기판에 가장 가까이 있는 타겟 위의 제 2 위치를 관통하는 기판과, 타겟을 챔버내에 위치시키는 단계와;
    스퍼터된 입자가 보다 먼 측부 영역에 도달하지 않도록 상기 기판이 표면에서 중심아래의 선에 의하여 분할되는 2개의 반쪽중의 하나인 상기 타겟으로부터 보다 먼 측부 영역을 차폐하는 단계와;
    스퍼터링 가스를 상기 챔버내로 도입하는 단계 및;
    상기 기판이 기판의 표면에 수직인 축주위를 회전하는 동안에, 상기 스퍼터링 가스 분자의 평균 자유 경로가 상기 기판위의 제 1 위치와, 타겟위의 제 2 위치사이의 거리 보다 더 길게 되는 상태에서 상기 타겟으로 부터 스퍼터링 입자를 방출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 막 증착 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 타겟은 (100) 평면을 가질 수 있도록 설치된 Al 또는 Al 합금으로 제조되며, 상기 기판은 입자가 방출되는 타겟의 표면과 기판의 표면사이의 각도가 45°로 될 수 있도록 위치되는 것을 특징으로 하는 막 증착 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 타겟은 (111) 평면을 가질 수 있도록 설치된 Al 또는 Al 합금으로 제조되며, 상기 기판은 입자가 방출되는 타겟의 표면과 기판의 표면사이의 각도가 35°로 될 수 있도록 위치되는 것을 특징으로 하는 막 증착 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 타겟은 (002) 평면을 가질 수 있도록 설치된 Ti 로 제조되며, 상기 기판은 입자가 방출되는 타겟의 표면과 기판의 표면사이의 각도가 35°로 될 수 있도록 위치되는 것을 특징으로 하는 막 증착 방법.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 기판위의 제 1 위치와, 타겟위의 제 2 위치사이의 거리는 기판의 반경보다 더 길게 설정되는 막 증착 방법.
  11. 챔버와;
    상기 챔버내로 스퍼터링 가스를 도입하는 가스 입구 포트와;
    상기 챔버내에 설정되는 스퍼터링에 의하여 입자를 방출하는 타겟과;
    기판의 표면은 가장 많은 입자가 스퍼터링에 의하여 타겟으로부터 방출되는 방향에 수직으로 설치되며, 상기 기판의 중심을 통과하는 기판에 수직인 선은 타겟의 중심을 관통하며, 상기 타겟의 중심과 기판의 중심사이의 거리는 스퍼터링 가스 분자의 평균 자유 경로보다 더 짧게 될 수 있도록 기판을 유지하는 기판 홀더와 및;
    상기 기판의 표면에 수직인 축주위에서 기판을 회전시키는 회전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 타겟은 (100) 평면을 가질 수 있도록 설치된 Al 또는 Al 합금으로 제조되며, 상기 기판은 입자가 방출되는 타겟의 표면과 기판의 표면사이의 각도가 45°로 될 수 있도록 위치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 타겟은 (111) 평면을 가질 수 있도록 설치된 Al 또는 Al 합금으로 제조되며, 상기 기판은 입자가 방출되는 타겟의 표면과 기판의 표면사이의 각도가 35°로 될 수 있도록 위치되는 스퍼터링 장치.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 타겟은 (002) 평면을 가질수 있도록 설치된 Ti 로 제조되며, 상기 기판은 입자가 방출되는 타겟의 표면과 기판의 표면사이의 각도가 35°로 될 수 있도록 위치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 타겟의 중심과, 기판의 중심사이의 거리는 기판의 직경보다 더 길게 설정되는 스퍼터링 장치.
  16. 챔버와;
    스퍼터링 가스를 상기 챔버내로 도입하는 가스 입구 포트와;
    상기 챔버내에 설정된 스퍼터링에 의하여 입자를 방출하는 타겟과;
    상기 기판의 표면은 대부분의 입자가 스퍼터링에 의하여 타겟으로부터 방출되는 방향에 수직으로 설치되며, 상기 기판에 수직인 선은 타겟에 보다 가까이 있는 방향을 따라 이격되는 기판위의 제 1 위치를 통과하고, 기판의 반쪽 반경의 거리에 의하여 상기 기판의 중심으로부터, 가장 많은 입자가 스퍼터링에 의하여 타겟으로부터 방출되는 영역에서 상기 기판에 가장 가까이 있는 타겟위의 제 2 위치를 관통하며, 상기 기판위의 제 1 위치와 타겟 위의 제 2 위치 사이의 거리는 스퍼터링 가스 분자의 평균 자유 경로보다 더 짧게 될 수 있도록 기판을 유지하는 기판 홀더와;
    스퍼터된 입자가 보다 먼 측부 영역에 도달하지 않도록 상기 기판의 표면에서 중심아래의 선에 의하여 분할되는 2개의 반쪽중의 하나인 상기 타겟으로부터 보다 먼 측부 영역을 차폐하고, 타겟과 기판사이에 위치된 차폐부재 및;
    상기 기판의 표면에 수직인 축 주위에서 기판을 회전시키는 회전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 타겟은 (100) 평면을 가질 수 있도록 설치된 Al 또는 Al 합금으로 제조되며, 상기 기판은 입자가 방출되는 타겟의 표면과 기판의 표면사이의 각도가 45°로 될 수 있도록 위치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 타겟은 (111) 평면을 가질 수 있도록 설치된 Al 또는 Al 합금으로 제조되며, 상기 기판은 입자가 방출되는 타겟의 표면과 기판의 표면사이의 각도가 35°로 될 수 있도록 위치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 타겟은 (002) 평면을 가질 수 있도록 설치된 Ti 로 제조되며, 상기 기판은 입자가 방출되는 타겟의 표면과 기판의 표면사이의 각도가 35°로 될 수 있도록 위치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 기판 위의 제 1 위치와, 타겟 위의 제 2 위치 사이의 거리는 기판의 반경보다 더 길게 설정되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  21. 스퍼터링에 의해 기판에 박막을 형성하는 막 증착 방법에 있어서,
    타겟으로 가장 많이 스퍼터된 입자가 스퍼터링된 방향에 대하여 수직으로 기판을 배치하고, 또한 스퍼터링중 상기 기판을 면 내에서 회전시키고,
    상기 타겟에 대하여 경사지게 배치된 웨이퍼의 중심 수직선이 타겟의 중심을 통하도록 타겟과 웨이퍼가 배치되는 막 증착 방법.
  22. 스퍼터링에 의해 기판에 박막을 형성하는 막 증착 방법에 있어서,
    타겟으로부터 가장 많이 스퍼터된 입자가 스퍼터링된 방향에 대하여 수직으로 기판을 배치하고, 또한 스퍼터링중 상기 기판을 면 내에서 회전시키고,
    상기 타겟에 대하여 경사지게 배치된 웨이퍼의 중심으로부터 반경 1/2을 통하는 수직선이 타겟의 플라즈마가 가장 높고, 스퍼터링 방출량이 많은 위치를 통하도록 타겟과 웨이퍼가 배치되는 막 증착 방법.
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