KR100278158B1 - 소형 스퍼터링 타게트를 이용한 고진공 스퍼터링 장치 - Google Patents

소형 스퍼터링 타게트를 이용한 고진공 스퍼터링 장치 Download PDF

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Abstract

이 발명은 처리되기 위한 기판과 소형의 스퍼터링 타게트가 서로 대향되게 배치되며, 상기 타게트는 상기 기판 직경의 1.5배 미만의 외경을 가지고 상기 기판에 대향하여 배치된 상기 타게트의 표면상에는 외주를 향하여 기울어진 경사면이 있으며, 스퍼터링을 위하여 내부압력이 1×10-3토르 미만으로 유지되는 것을 특징으로 하는 진공실로 구성됨으로써, 향상된 필름두께의 분포 및 스퍼터링을 위해 증진된 적용범위의 대칭을 갖는 고진공 스퍼터링 장치이다.

Description

소형 스퍼터링 타게트(sputtering target)를 이용한 고진공 스퍼터링 장치
본 발명이 소형 스퍼터링 타케트를 이용한 고진공 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
박막을 형성하기 위한 스퍼터링 기술의 장점은 박막에 사용될 수 있는 원료 물질에 있어서의 광범위한 이용가능성, 제조된 필름의 균질성 및 균일성, 합금 또는 화합물로 된 박막형성의 상대적인 용이함, 기판상에 형성되는 필름의 우수한 점착성, 작동상의 조절능력, 감응성 및 재생능력, 및 연장된 필름에 대한 적응성 등을 들 수 있다. 상기 장점들을 개발하도록 시도하는데 있어서, 라디오 주파수 스퍼터링법 및 마그네트론 스퍼터링법과 같은 다양한 스퍼터링 기술들이 제한되어 왔는데, 이 중 후자는 전기장과 자기장이 수직으로 교차하는 곳에서 마그네트론이 방전되는 현상을 이용한 것이다.
더 큰 기판을 처리하기 위하여 스퍼터링 장치들은 큰 타케트 및 음극(cathode)을 다루어야만 한다. 처리될 기판이 φ200㎜의 직경을 갖는 웨이퍼인 경우, 상응하는 타게트는 일반적으로 φ350㎜의 직경을 갖는다. 이러한 방식으로 φ300㎜의 직경을 갖는 웨이퍼들을 처리하는 경우, φ525㎜의 직경을 갖는 타게트들이 사용되어야 할 것이다. 상기와 같이 큰 타게트는 너무 무거워서 다룰 수 없거나 타게트에 이용되는 원료 물질에 따라 간단히 제조될 수 없기도하다. 혹 제조될 수 있다 하더라도, 가격이 매우 비싸다.
다른 한편으로, 스퍼터링에 의하여, 얻어지는 필름두께의 분포는 입자들이 타게트로부터 스퍼터링되는 각도분포 및 스퍼터링 장치내의 스퍼터링 된 입자들 및 기체 분자들 사이에서 발생될 수 있는 충돌에 따라 변한다. 입자들이 타게트로부터 스퍼터링 되는 방향의 분포는 타게트표면의 수직선에 대하여 코싸인 곡선을 나타내어, 필름두께의 균일한 분포는 단지 타게트의 직경보다 더 작은 범위에서만 달성될 수 있다는 것은 공지되어 있다.
필름두께의 분포가 타게트와 기판 사이의 거리의 함수에 따라 현저하게 변화된다는 것 역시 공지되어 있다.
최근, 스퍼터링은 높은 종횡비를 갖는 접촉 구멍내에 박막을 형성하기 위하여 이용된다. 첨부 도면 제1a도 및 제1b도를 참조하면, 타게트 A가 제1a도에 도시된 바와같이 매끈한 표면을 갖는 경우, 더 많은 스퍼터된 입자들이 타게트 A의 영역 a로부터 보다는 영역 b,c 및 d로부터 기판 B의 외부에 접근하여 위치된 접촉 구멍내로 올 수 있다. 그 결과, 접촉 구멍내에 형성된 필름은 제1a도에 도시된 바와같이 바닥부 및 측벽이 모두 비대칭이다. 이러한 문제점을 극복하거나 최소화하기 위하여, 스퍼터된 입자들이 가능한한 직각에 가까운 각도로 기판에 부딪히도록 할 필요가 있으며, 그럼으로써 기판의 전표면상의 접촉 구멍 각각에서 바닥부의 적용범위(coverage)를 전체적으로 증가시키도록 할 수 있다.
이러한 목적을 위해 개발된 기술로는 슬릿 시준기가 타게트 및 기판사이에 배열된 소위 시준 스퍼터링 기술이 있으며, 또한 타게트와 기판 사이에 큰갭을 형성하여 기판의 표면에 대하여 수직으로 향하여진 스퍼터된 입자들만이 기판에 부딪히도록 하는 소위 장거리 스퍼터링 기술이 있다.
그러나, 상기 시준 스퍼터링 기술은 슬릿 기준기에 필름이 강하게 부착되고, 부착된 필름이 분리되며, 시준기의 수명이 짧다는 등의 문제점을 가지며, 상기의 두가지 기술을 모두 큰 기판이 처리될 때마다 큰 타게트로 처리해야 한다는 문제가 있었다.
상기의 문제점들과 관련하여, 제조된 필름 두께의 균일성을 향상시키기 위하여 타게트 표면의 프로필을 조절함으로써 입자들이 스퍼터된 방향을 조절하도록 하는 새로운 스퍼터링 타게트가 제안되기도 하였다(일본 특허 공고 제 7-15144 참조).
그러나, 기체물질 원자들(분자들)의 평균 자유 경로 λ(㎝)는 10-2/p(Torr)이며, 스퍼터링 작업이 수행되는 압력은 약 2 내지 5×10-3토르로서 약 2㎝ 내지 5㎝에 상다아는 λ을 제공한다. 한편, 상기 타게트는 일반적으로 약 6㎝ 내지 8㎝ 만큼 기판으로부터 분리되어 있지만, 소위 장거리 스퍼터링을 위해서는 더 긴 거리가 상기 타게트와 기판 사이에 제공되어야 한다. 즉, 대부분의 스터된 입자들은 기판에 도달하기 전에 적어도 한번은 기체 원자들과 충돌한다.
따라서, 입자들이 스퍼터되는 방향을 조절하도록 고안된 타게트로는, 타게트로부터 스퍼터되는 대부분의 입자들이 기체 원자들과 충돌한 후 그 방향을 바꾸게 되며, 따라서 필름 두께의 분포 및 적용범위(coverage)의 대칭에 대한 개선은 접촉 구멍내에 형성되는 필름에 대하여는 실제로 이루어질 수 없다.
따라서 본 발명의 목적은 필름 두께의 일정한 분포를 이루고 큰 기판의 접촉 구멍내에 대칭적으로 배열된 필름을 형성할 수 있는 소형의 스퍼터링 타게트를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 타게트를 이용하는 고진공 스퍼터링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 상기의 첫번째 목적은 처리되는 위한 기판 직경의 1½배보다 더 작은 외부 직경을 가지고, 상기 기판에 대향하여 배치되는 표면에 외부를 향한 경사영역을 가지는 소형의 스퍼터링 타게트를 제공함으로써 달성된다.
바람직하게는, 상기 표면상의 외주를 향한 경사영역은 표면의 중앙에 위치될수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기의 두번째 목적은 처리되기 위한 기판과 소형의 스퍼터링 타게트가 서로 대향하여 배치되며, 스퍼터링을 위하여 내부 압력이 1×10-3토르 미만으로 유지되는 진공실로 이루어지는 고진공 스퍼터링 기계를 제공함으로써 달성되는데, 상기 소형 스퍼터링 타게트는 기판 직경의 1.5배 보다 더 작은 외경을 가지며, 기판에 대향하여 배치된 표면에 외주를 향하여 기울어진 경사영역을 갖는다.
즉, 본 발명에서는 진공실은 스퍼터링동안 내부압력이 1×10-3토르보다 낮게 유지되어야 하며, 기판은 소정의 직경을 이루도록 진공실에서 처리되어야 하며, 스퍼터링 타게트는 상기 진공실에 대향하여 배치되며, 처리되어야 할 기판의 직경이 1.5배 미만의 외경이 스퍼터링 표면을 가지며, 상기 스퍼터링 표면의 외주를 향하여 기울어진 경사면을 포함하고, 상기 스퍼터링 타게트의 기울어진 면은 스퍼터링 중앙에 위치하며, 외주에 의하여 한정되도록 한 것을 특징으로 한다.
이제, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하는 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명된다.
제1a도에는 본 발명에 의한 타게트의 일 실시예가 도시되어 있다. 타게트(1)는 원형 프로필을 가지며 처리되기 위한 기판(2)에 대향하여 배치된 상기 타게트의 표면에는 외주를 향하여 아래쪽으로 경사진 경사면(3)으로 중앙이 돌출된 단면을 갖는다. 상기 타게트(1)는 처리되기 위한 상기 기판(2) 직경의 1½배 보다 더 작은 직경을 갖는다. 예를들면, 기판(2)이 φ200㎜ 직경을 갖는 경우, 상기 타게트(1)는 φ300㎜ 보다 더 작은 직경을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 기판(2)이 φ300㎜의 직경을 갖는 경우, 상기 타게트(1)는 φ450㎜보다 더 작은 직경을 갖는다. 상기 타게트(1)의 경사면(3)의 경사각도는 상기 타게트(1)크기 및 상기 타게트(1)와 상기 기판(2) 사이의 거리에 따라 적당하게 선택된다.
상기한 구조를 갖는 타게트(1)로 인하여, 가판(2)의 외주에 근접하여 제공되어 있는 미세 구멍은 경사면(3)의 영역 c로부터 스퍼터된 입자들에 덜 노출되며, 또한 영역 d로부터 나오는 입자들에도 덜 노출되는데 이는 영역 d와 미세 구멍이 서로 멀리 떨어져 있기 때문이다. 따라서, 결과적으로, 제2b도의 확대도에 도시된 바와같이 주로 영역 a 및 b로부터 나오는 입자들에 의해 기판(2)의 구멍에 측벽 및 바닥부에 균일한 필름이 형성된다.
제3도는 경사면(3)이 타게트(1)의 전표면에 걸쳐 연장되어 있는 타게트의 또다른 바람직한 실시예를 도시한다. 다시 말하면, 상기 타게트(1)의 표면을 정해진 경사 각도로 외주를 향하여 중앙으로 부터 줄곧 기울어진다.
제4도는 제2도가에 도시된 타게트(1)를 이용한 고진공 마그네트론 스퍼터링 장치의 실시예를 개략적으로 도시한다. 제4도에서, 도면번호(4)는 타게트(1) 및 기판(2)이 서로에 대향하도록 배치되어 있는 진공실을 표시한다. 사이 진공실(4)의 내부압력은 1×10-3토르 보다 낮게 유지되어, 입자들이 기판(2)에 도달하기 전에 진공실 내에서 상기 타게트(1)로부터 스퍼터되는 입자들과 기체 원자들이 충돌한 가능성을 최소화한다. 상기와 같은 고진공 상태에서는, 상기 타게트(1)로부터 스퍼터된 대부분의 입자들이 어떠한 기체원자(분자)와도 충돌하지 않고 기판(2)에 도달할 수 있도록 하기 위하여 기체원자들(분자들)의 평균 자유경로 λ는 10㎝를 초과한다.
따라서, 타게트(1) 및 처리되기 위한 기판(2)으로 이루어지는 상기 진공실(4)의 내부압력을 고진공 상태로 유지함으로써, 통제되는 방법으로 상기 타게트(1)로부터 스퍼터된 입자들은 도중에 방향을 바꾸지 않고 상기 기판(2)에 직접 도달할 수 있다.
회전자석(5)은 진공실(4)의 외부로 타게트(1)의 뒤면과 접하는 면에 배치되며, 모터(6)에 의하여 회전되어 상기 타게트(1)의 전표면에 걸쳐 침식되도록 한다.
타게트에 대한 상기의 실시예들 중 하나는 중심 영역이 돌출되어 있고 나머지 영역은 편평하며, 다른 실시예에서는 전표면이 기울어져 있으나, 본 발명에 의한 타게트는 상기 실시예들과 다른 프로필을 가질 수도 있다.
예를들면, 중앙을 향하여 외주로부터 아래쪽으로 경사면을 갖는 프로필을 가질수 있다.
이제 본 발명에 대한 실시예들이 설명된다.
제2a도에 도시된 바와같이 돌출된 중심 영역을 가지며 직경이 φ200㎜인 타게트 및 직경이 φ200㎜인 기판을 서로로부터 80㎜ 떨어뜨려 진공실내에 배열하고, 상기 기판상에 형성된 필름의 두께분포를 다향한 내부압력 레벨에 대항 관찰하였다. 결과를 종래의 편평한 타게트에서 얻어지는 결과와 함께 하기에 나타내도록 한다.
제2가도에 도시된 바와같이 중앙이 돌출된 영역 또는 단면을 가지며 직경이 φ200㎜인 타게트 및 직경이 φ200㎜인 기판을 서로로부터 80㎜ 떨어뜨려 진공실내에 배열하고, 각각의 미세한 구멍내에 형성된 필름의 바닥부 적용범위 및 대칭율을 다양한 내부압력에 대하여 관찰하였다. 그 결과는 종래의 편평한 타게트로부터 얻어진 결과와 함께 하기에 나타내도록 한다.
상기로부터, 1×10-3미만의 고진공과 본 발명에 의한 타게트르르 결합시킴으로써 우수한 전폐율(h2+h1/2h)및 1.0에 가까운 우수한 대칭율이 얻어짐을 알 수 있다.
상술한 바와같이, 본 발명의 타게트는 처리될 기판의 직경의 1½배보다 더 작은 직경을 가지고 외주를 향하여 아래쪽으로 경사면을 갖기 때문에, 상기 타게트로부터 스퍼터된 입자들은 상기 입자들이 타게트의 표면을 출발하는 방향을 따라 조절되어 상기 타게트가 큰 기판을 수용할 수 있도록 한다.
본 발명에 의한 타게트와 고진공 스퍼터링 장치를 결합시킴으로써 필름 두께의 우수한 분포 및 우수한 대칭율이 기판상에 형성된 필름에 의하여 달성될 수 있다.
제 1a도는 서로 대향하도록 배치된 공지의 플레이트 패널형 타게트 및 기판의 개략도.
제 1b도는 제 1a도의 가판의 외주 영역내에 배치된 미세 구멍과 구멍에 형성된 필름을 도시하는 부분단면 확대도.
제 2a도는 서로 대향하도록 배치된 본 발명에 의한 타게트의 바람직한 실시예 및 기판의 개략도.
제 2b도는 제 2a도의 기판의 외주 영역내에 배치된 미세 구멍 및 그 구멍에 형성된 필름을 도시하는 부분단면 확대도.
제3도는 본 발명에 의한 타게트의 또 다른 바람직한 실시예의 개략도.
제4도는 본 발명에 의한 타게트를 이용한 고진공 마그네트론(magnetron)스퍼터링 장치의 개략도.
제5도는 기판내에 배치된 미세 구멍의 확대도로, 필름이 기판에 어떻게 형성되는지를 도시함.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 타케트 2 : 기판
3 : 경사면 4 : 진공실
5 : 회전자석 6 : 모터

Claims (1)

  1. 진공실은 스퍼터링동안 내부압력이 1×10-3토르보다 낮게 유지되어야 하며, 스퍼터링 타게트는 상기 진공실에 대향하여 배치되며, 처리되어야 할 기판의 직경이 1.5배 미만의 외경이 스퍼터링 표면을 가지며, 상기 스퍼터링 표면의 외주를 향하여 기울어진 경사면을 포함하고, 상기 스퍼터링 타게트의 기울어진 면은 스퍼터링 중앙에 위치하며, 외주에 의하여 한정되는 것을 특징으로 하는 소형 스퍼터링 타게트를 이용한 고진공 스퍼터링 장치.
KR1019960028388A 1995-07-14 1996-07-13 소형 스퍼터링 타게트를 이용한 고진공 스퍼터링 장치 KR100278158B1 (ko)

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