KR100297373B1

KR100297373B1 - 스퍼터링 장치

Info

Publication number: KR100297373B1
Application number: KR1019980043969A
Authority: KR
Inventors: 김대광
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1998-10-20
Filing date: 1998-10-20
Publication date: 2001-08-07
Also published as: KR20000030946A

Abstract

메탈 공정에서 메탈 소스가 되는 금속 타겟이 전면적에 걸쳐서 동일한 비율로 소모되도록 한 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 금속 타겟의 소모량과 비례하는 플라즈마 밀도를 금속 타겟의 중앙 부분과 에지 부분에서 균등하게 하여 타겟의 전면적이 고르게 소모되도록 하여 타겟 사용 시간을 크게 증대시킨다.

Description

스퍼터링 장치{SPUTTERING EQUIPMENT}

본 발명은 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 특히 메탈 공정에서 메탈 소스가 되는 금속 타겟이 전면적에 걸쳐서 동일한 비율로 소모되도록 하여 금속 타겟의 수명을 연장한 스퍼터링 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 공정에서 스퍼터링(sputtering)이라 함은 반도체 소자에 금속 박막을 형성하는 메탈 공정을 의미한다. 스퍼터링에 의하여 형성된 금속 박막은 에칭 등의 공정을 거쳐 반도체 소자 내부에 형성된 단위 소자와 소자를 배선하는 배선이 된다. 특히 LCD(Liquid Crystal Device)에서는 신호선, 예를 들면, 게이트 라인, 데이터 라인 및 게이트 라인과 데이터 라인의 단부에 형성되는 입출력 패드들이 스퍼터링 방식에 의하여 형성된다.

최근, 스퍼터링 방법으로 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 방법이 대부분 사용되고 있는 바, 마그네트론 스퍼터링 방법은 10^-8torr 이상의 고진공 상태를 유지하는 프로세스 챔버의 내부에 금속 박막의 종류에 부합하는 정제된 금속 덩어리인 금속 타겟(target)을 캐소드 전극에 설치하고, 캐소드 전극에는 (-)극성을 갖는 직류 전압을 전원인가 장치에 의하여 인가한다.

이 금속 타겟과 소정 거리 이격된 곳에는 (+) 극성을 갖음과 동시에 대지(earth)에 그라운드된 애노드 전극이 형성되고, 애노드 전극에는 금속막이 코팅될 웨이퍼 또는 LCD 글래스가 올려진다.

이후, 플라즈마 가스 공급유닛에 의하여 이온화 에너지가 작고, 중성 입자가 적으며, 온도가 높을수록 플라즈마가 용이하게 되는 플라즈마 가스, 예를 들어, 아르곤(Ar)과 같은 플라즈마 가스를 이미 고진공 상태가 된 프로세서 챔버 내부로 공급함과 동시에 캐소드에 (-)극성을 갖는 직류 전원을 인가하여 캐소드 전극과 애노드 전극 사이의 전위차에 대응하는 전계가 형성되도록 한다.

캐소드와 애노드의 사이에 전계가 형성됨과 동시에 공급된 플라즈마 가스는 이온화되면서 동수의 이온화된 원자, 전자, 중성자가 함께 섞인 플라즈마 상태가 된다.

이때, 이온화되면서 전자를 잃어버려 (+) 극성을 갖는 플라즈마 원자는 전계에 의하여 (-) 극성을 갖는 캐소드 전극 측으로 가속되면서 초고속으로 진행하다금속 타겟에 부딪치면서 금속 타겟의 금속 원자 구조를 깨트려 금속 원자가 금속 타겟으로부터 방출되도록 하고, 금속 타겟으로부터 분리된 금속 원자는 포토레지스트 등에 의하여 패터닝된 애노드에 놓인 웨이퍼나 LCD 글래스에 차곡차곡 증착된다.

이때, 플라즈마의 밀도와 데포율(depo rate)은 비례함으로 데포율을 높이기 위하여 캐소드의 후면에 상호 반대 극성을 갖는 영구자석을 적어도 2 개 이상 연속하게 위치시켜 동심원 형상의 자장(magnetic field)을 형성할 경우, 전자 및 원자들은 자력선의 주변을 나선형으로 돌게 되어 플라즈마 밀도가 크게 증가되면서 단위 시간당 더 많은 금속 원자가 금속 타겟으로부터 뜯겨져 방출됨으로 데포율이 높아지게 된다.

한편, 금속 타겟을 순수 알루미늄 금속 덩어리로 사용하고, 플라즈마 가스로 아르곤 가스를 사용하면서 아르곤 가스에 산소(O₂)나 질소(N₂)를 소량 첨가할 경우 산소와 알루미늄이 화학 반응을 일으켜 웨이퍼나 LCD 글래스에는 내산화막인 Al₂O₃피막이 형성되고, 티타늄(Ti) 금속 덩어리를 타겟으로 사용하고 플라즈마 가스로 아르곤 가스를 사용하면서 질소를 첨가할 경우에는 경도가 매우 높은 초경 피막인 질화티타늄(TiN) 피막이 형성된다.

그러나, 이와 같은 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용할 경우 금속 타겟의 부분에 따라서 금속 타겟의 소모량이 변경되어 금속 타겟의 수명이 짧아지는 문제점이 발생한다.

이는 영구자석이 일방향으로 진행하다 금속 타겟의 에지 부분에서 멈춘 후, 다시 역진하여 직선왕복운동하기 때문에 금속 타겟의 에지 부분에서 영구자석이 머므르는 시간이 금속 타겟의 중앙에 비하여 약 2 배 가까이 되기 때문이다.

더욱이 금속 타겟의 에지 부분은 웨이퍼나 LCD 글래스의 소자 형성 영역에 금속 원자가 증착되도록 소자 형성 영역이 아닌 웨이퍼나 LCD 글래스의 에지 부분을 클램프하고 있는 이유로 애노드 전극과 이루는 거리가 금속 타겟의 중앙 부분과 애노드 전극이 이루는 거리보다 짧은 이유로 금속 타겟의 에지 부분은 금속 타겟의 중앙 부분에서보다 더 큰 플라즈마 밀도를 갖게 되어 금속 타겟 소모량보다 금속 타겟의 에지에서의 금속 타겟 소모량이 더욱 커지게 된다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 타겟의 에지 부분과 타겟의 중앙 부분에서의 타겟 소모량이 동일하도록 함에 있다.

본 발명의 다른 목적들은 후술될 본 발명의 상세한 설명에서 보다 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 스퍼터링 장치의 개념도.

도 2는 본 발명에 의한 프로세서 챔버의 내부를 도시한 부분 절개 사시도.

도 3은 도 2의 A-A 단면도.

도 4는 프로세서 챔버 내부의 구성 요소의 분해 사시도.

도 5는 도 4의 B-B 단면도.

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 캐소드와 자장 발생유닛의 사이에 타겟 소모량 조절유닛이 개재되며, 타겟의 소모량이 큰 에지 부분이 차단되고 중앙 부분이 개구되도록 한 플레이트 형상을 갖는다.

이하, 스퍼터링 공정을 진행하는 본 발명에 의한 스퍼터링 장치의 구성 및작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 1은 스퍼터링 장치를 전체적으로 도시한 개념도이다.

스퍼터링 장치(100)는 웨이퍼나 LCD 글래스가 공정을 진행하기 이전에 임시적으로 공정 대기하는 엔트런스 챔버(10), 엔트런스 챔버(10)에 인접 설치되며, 1 차적으로 공정 환경이 조성되는 공정 환경 조성 챔버(20), 공정 환경 조성 챔버(20)에 인접 설치되며 스퍼터링 공정이 진행되는 프로세서 챔버(30), 프로세서 챔버(30)를 기준으로 공정 환경 조성 챔버(20)의 타측에 설치되며 프로세서 챔버(30)에서 배출된 고온의 웨이퍼 또는 LCD 글래스가 급속 냉각되면서 코팅된 금속 박막에 크랙이 발생하는 것을 방지하기 위하여 설치된 쿨링 챔버(40), 쿨링 챔버(40)에 인접 설치되어 냉각된 웨이퍼 또는 LCD 글래스가 배출되기 전에 임시로 대기하는 배출 챔버(50)로 구성된다.

이때, 엔트런스 챔버(10), 공정 환경 조성 챔버(20), 쿨링 챔버(40), 배출 챔버(50)에는 챔버 내부에 진공압을 형성시키는 진공압 발생장치(60)가 설치된다.

특히, 프로세서 챔버(30)에는 대기중에 섞여 있는 불순물이 화학 반응을 일으켜 원하지 않는 불순물이 포함된 금속 박막이 형성되지 않도록 약 10^-8torr 정도의 진공압을 발생시키는 고진공 펌프(cryo pump;65)가 설치되는 것이 바람직하다.

이 프로세서 챔버(30)에는 플라즈마를 형성하는데 필수적인 금속 타겟(32)이 전면에 부착된 캐소드(34), 애노드(36) 및 프로세서 챔버(30)에서 발생한 플라즈마의 밀도가 금속 타겟 부분에서 증대되도록 하는 플라즈마 밀도 증대 장치(38)와,플라즈마 밀도 증대 장치(38)에 의하여 금속 타겟이 불균일하게 소모되는 것을 방지하는 타겟 소모량 조절 장치(39) 및 플라즈마 가스 공급유닛(31)가 설치된다.

이와 같은 구성을 첨부된 도 2, 도 3을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

프로세서 챔버(30)의 내부 기저면에는 웨이퍼 또는 LCD 글래스(1)가 안착되는 서셉터(suscepter;2)가 설치되고, 서셉터(2)의 상면에 웨이퍼 또는 LCD 글래스(1)가 안착된 상태에서 웨이퍼의 플랫 존 또는 LCD 글래스(1)의 에지를 제외한 나머지 부분에는 링 형상 또는 개구가 형성된 사각형 플레이트 형상의 애노드 전극(36)이 위치한다. 이때, 애노드 전극(36)은 대지(earth)에 접지되도록 한다.

애노드 전극(36)의 상부에는 상면, 하면이 개구되어 4 개의 측면만 남은 사각형 프레임 형상의 다크 스페이스 프레임(dark space frame;37)이 설치되는데, 다크 스페이스 프레임(37)의 내측면에는 내측면을 따라서 돌출된 리브(rib;37a)가 설치된다.

이 다크 스페이스 프레임(37)의 내측면에 형성된 리브(37a)의 상면에는 리브(37a)에 안착되는 금속 타겟(32)이 설치되고, 다크 스페이스 프레임(37)은 애노드 전극(36)과 마찬가지로 대지에 그라운드된다.

이로써, 다크 스페이스 프레임(37)에 의하여 금속 타겟(32)의 측면 및 후면 부분에서는 플라즈마 가스가 플라즈마 상태가 되지 못함으로써 금속 타겟(32)의 측면 및 후면은 플라즈마 가스로부터 보호된다.

금속 타겟(32)의 후면에는 다시 플레이트 형상으로 (-) 직류 전원이 인가되는 캐소드 전극(34)이 설치되고, 캐소드 전극(34)과 금속 타겟(32)의 사이에는 타겟 소모량 조절 장치(magnetic field shelter;39)가 설치된다.

타겟 소모량 조절 장치(39)는 자장을 차폐하는 성질을 갖는 재질이면 무엇이든 무방하다. 예를 들어, 자장이 감소되거나 차폐되는 플레이트 형태로 자기 성분이 포함된 철판인 것이 무방하다.

타겟 소모량 조절 장치(39)는 금속 타겟(32)의 크기와 대등한 평평한 플레이트 형상으로 금속 타겟(32)의 에지 부분에 도달되는 자장은 감소시키고, 금속 타겟(32)의 중앙 부분에 도달되는 자장은 감소되지 않도록 예를 들어, 웨이퍼의 경우 웨이퍼의 플랫 존을 제외한 에지 부분을 차폐하도록 소정 폭을 갖는 링 형상이면 되고, LCD 글래스의 경우 LCD 글래스의 에지를 감싸도록 사각형 플레이트에 사각형 형상의 개구를 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 타겟 소모량 조절 장치(39)의 후면에는 다시 (-) 직류 전원이 인가되도록 전원인가 장치(미도시)와 연결된 전원인가 플레이트(33)가 설치된다.

앞서 설명한 구성 요소들, 애노드 전극(36)-캐소드 전극(34)-타겟 소모량 조절 장치(39)-전원인가 플레이트(33)는 모두 프로세서 챔버(30)의 내부에 설치되고, 프로세서 챔버(30)의 외부중 전원인가 플레이트(33)에 대향하는 부분에는 플라즈마 밀도 증대 장치(38)가 설치된다.

플라즈마 밀도 증대 장치(38)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 복수개의 영구 자석(38a)과 영구 자석 고정판(38b)과, 영구 자석 고정판(38b)을 직선왕복운동시키는 직선왕복운동 기구(38c)로 구성된다.

보다 구체적으로, 영구자석 고정판(38b)은 직사각형 플레이트 형상으로 금속 타겟(32)의 일측면 길이와 대등한 길이를 갖는다.

이와 같은 영구자석 고정판(38b)의 밑면에는 복수열로 N 극성 및 S 극성이 형성된 영구자석(38a)이 설치되는데, 각각의 영구자석(38a) 극성은 인접한 영구자석(38a)의 극성과 반대되도록 복수개가 설치된다. 이처럼 영구자석(38a)을 복수개 서로 극성이 반대되도록 배열함으로써 영구자석(38a)과 영구자석(38a)의 사이에는 동심원 형상의 자계가 발생하게 된다.

이는 어느 하나의 영구자석(38a)에서 방출된 자장이 인접한 영구자석으로 들어가도록 함으로써, 프로세서 챔버(30) 내부의 전자 및 이온이 곡선 자장에 싸이클론(cyclon) 형태로 구속되도록 하여 즉, 전자 및 이온의 운동을 직선 운동에서 곡선운동으로 전환시켜 플라즈마의 밀도를 증가시킨다.

이와 같이 플라즈마의 밀도를 증대시키는 영구자석(38a)이 밑면에 설치된 영구자석 고정판(38b)의 상면에는 다시 암나사부가 형성된 부싱(38d)이 용접 등의 방법으로 설치된다.

이 부싱(38d)에는 수나사부가 설치된 리드스크류(38e)가 나사 결합되고, 리드스크류(38e)의 단부는 서보 모터(servo motor;38f)의 회전축에 설치되어 서보 모터(38f)의 회전축 회전에 의하여 플라즈마 밀도 증대 장치(38)는 금속 타겟(32)의 상면에서 직선 왕복 운동한다.

만일 플라즈마 밀도 증대 장치(38)가 금속 타겟(32)의 일측 단부로부터 출발한다고 가정하였을 때, 플라즈마 밀도 증대 장치(38)는 금속 타겟(32)의 중앙을 지나 타측 단부를 향하게 되고, 타측 단부에 도달한 플라즈마 밀도 증대 장치(38)는 다시 역진하여 반대편 단부를 향하게 되는데, 이때 금속 타겟(32)의 단부에는 플라즈마 밀도 증대 장치(38)가 왕복하여 움직이게 됨으로 금속 타겟(32)의 중앙에 비하여 약 2 배정도 머무르는 시간이 증가되지만, 금속 타겟(32)의 후면 양단부는 플라즈마 밀도 증대 장치(38)에서 나오는 자장을 차폐하는 기능을 갖는 타겟 소모량 조절 장치(39)가 형성되어 있기 때문에 자장이 차폐되면서 자장의 세기가 감소되어 금속 타겟(32)의 중앙부나 금속 타겟(32)의 에지면에서의 금속 타겟(32) 소모량은 비슷해진다.

다른 실시예로 서보 모터(38f)는 특정 구간에서 회전축의 회전 속도가 증가하거나 감소 가능하도록 하여 영구자석 고정판(38b)의 이송 속도를 증대 또는 감소 가능토록 하는 기능을 부가적으로 갖고 있는 것이 무방하다.

이상에서 상세하게 설명한 바와 같이, 타겟의 표면에 플라즈마 밀도를 증대시키기 위하여 설치된 플라즈마 밀도 증대 장치에 의하여 타겟의 중앙보다 더 큰 타겟 소모량을 갖는 타겟의 에지 부분의 플라즈마 밀도를 인위적으로 감소시켜 타겟의 중앙 부분과 타겟의 에지 부분의 타겟 소모량을 비슷하게 하여 타겟의 전면적이 고르게 소모되도록 하여 타겟 사용 시간을 크게 증대시키는 효과가 있다.

Claims

스퍼터링 대상물이 로딩된 앤트런스 챔버와, 상기 앤트런스 챔버로부터 이송된 상기 스퍼터링 대상물에 스퍼터링 공정을 진행하는 프로세서 챔버와, 상기 프로세서 챔버로부터 공정이 종료된 상기 스퍼터링 대상물이 배출되는 배출 챔버를 포함하며, 상기 프로세서 챔버는

소정 극성의 직류 전원이 인가되며 금속 타겟의 후면에 부착된 캐소드와;

상기 금속 타겟과 소정 거리 이격되어 설치되며 상기 캐소드 전극과 반대 극성 전원이 인가된 애노드와;

상기 캐소드와 상기 애노드 사이로 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급유닛와;

상기 캐소드의 상부에서 왕복운동하면서 자장을 발생시키는 자장 발생유닛과;

상기 캐소드와 상기 자장 발생유닛의 사이에 개재되며, 상기 타겟의 소모량이 큰 에지 부분이 차단되고 중앙 부분이 개구되도록 하여 상기 타겟의 소모량이 균일하게 되도록 한 타겟 소모량 조절유닛을 포함한 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 자장 발생유닛은

플레이트와;

상기 플레이트의 밑면에 설치된 복수개의 영구자석과;

상기 플레이트의 상면에 형성된 부싱과;

상기 부싱과 나사 결합된 리드스크류와;

상기 리드스크류를 정/역회전시키는 서보 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 타겟 소모량 조절유닛은 자성물질의 플레이트 형상인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 타겟의 에지 부분은 상기 리드스크류의 방향 전환이 발생하는 부분인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 애노드는 개구가 형성된 사각형상의 플레이트인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.