KR100326503B1 - 차폐된보조애노드를이용한전기적절연물질의dc반응성플라즈마기상증착장치및방법 - Google Patents

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Abstract

직류 스퍼터링 방법을 이용하여 전기 절연재료를 증착하기 위한 플라즈마 증착 반응장치에서, 바람직하게 주 애노우드에 대한 양전위로 유지된 보조 애노우드를 제공함으로써 플라즈마가 스퍼터링 효율을 유지시키는 안정된 상태가 된다. 보조 애노우드는 스퍼터링된 재료의 흐름으로 부터 노출되지 않도록 차폐되어 있으며, 플라즈마로 부터 전자를 끌어들이기에 충분한 플라즈마 방전이 제공된다. 반응 스퍼터링에 있어서, 스퍼터링 챔버는 아르곤 등과 같은 스퍼터링 가스 및 산소와 같은 반응가스를 포함하고 있다. 스퍼터링 가스의 양이온이 스퍼터링될 재료로 이루어진 타겟에 충격을 준다. 타겟재료의 스퍼터링된 원자들이 챔버내의 모든 방향으로 방출되며, 그 중 일부가 스퍼터링 코우팅 될 기판의 표면상에 떨어진다. 이러한 표면 또는 챔버내에서 이들 원자가 반응가스와 화학적으로 결합한다. 이에 따라서, 화학적 결합에 의해 기판상에 전기 절연 코우팅이 형성된다. 동일한 절연재료가 스퍼터링된 원자의 흐름에 노출된 다른 모든 표면에도 코우팅 된다. 본 발명의 일실시예예서, 스퍼터링된 원자들로 부터 차폐된 양전위의 보조 애노우드는 전기 절연재료로 코우팅 되지 않으며, 따라서 플라즈마로 부터 전자를 끌어내는 작용을 계속 유지시킬 수 있다.

Description

차폐된 보조 애노드를 이용한 전기적 절연 물질의 DC 반응성 플라즈마 기상 증착 장치 및 방법
본 발명은 기판 상에 절연층을 반응성 스퍼터링에 의해 플라즈마 기상 증착시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, DC 플라즈마 방전을 이용하여 스퍼터링 코팅을 행하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
기판 상에 박막 물질을 증착시키기는 기술로 스퍼터링 코팅이 널리 사용되고 있다. 이러한 기술의 형태중 하나로 공지된 DC 스피터링은, 애노드와 타겟 캐소드 사이에 형성되는 플라즈마 방전으로부터 방출된 양이온이 타겟에 이끌려 타겟을 때려줌으로써 타겟 표면으로부터 원자들이 방출되거나 스퍼터링되는 방법이다. 이와 같이 이동된 원자들의 일부는 기판 표면상에 떨어져서 코팅을 형성한다. 반응성 스퍼터링시에, 기판 표면에는 가스 핵종(species)이 존재하며, 어떤 실시예에서는 이러한 핵종들이 타겟 표면에서 방출된 원자와 반응하여, 원하는 코팅 물질을 형성한다. 이러한 물질은 스퍼터링된 원자들에 노출되어 있는 임의의 다른 표면상에 증착되기도 한다. 종래 기술에서는, 코팅 물질이 금속 산화물과 같은 전기적 절연 물질인 경우, 상기 절연 물질이 스퍼터링 장치의 다른 부품 상에 축적되어 문제를 일으켰었다. 특히, 플라즈마의 전하 균형을 유지하는 것이 요구됨에 따라, 애노드상의 절연 코팅 축적은 플라즈마로부터 전자를 제거하는 애노드의 능력을 방해한다. 이는 플라즈마를 불안정하게 하며 증착 제어를 방해한다. 결과적으로, 절연 물질의 층을 증착하기 위해서는 통상적으로 RF 스퍼터링과 같은 다른 스퍼터링 기술이 사용된다. 그러나, RF스퍼터링은 DC 스퍼터링에 비해 효율성이 적고 제어가 불가능하여 프로세스 비용이 많이 든다.
피나르바시(Pinarbasi)는 수소를 함유한 비정질 실리콘층의 증착을 실험하는 도중 이러한 문제점을 발견했다. 그의 연구는 "Growth, Properties and electrical Stability of DC Magnetron Reactive Sputtered Hydrogenated Amorphous Silicon thin Films" 란 제목으로 일리노이 대학의 1989 박사 학위 논문으로 Thin Films, 171 (1989) Pp.217-233에 개시되어 있다. 파나르바시는 앞에서 언급된 문제점을 감소시키기 위해서, 양전압으로 바이어스된 애노드 차폐판을 갖는 애노드를 플라즈마로부터 전자 전류를 이동시키기 위해 차폐시켰다. 이는 실험 막의 증착을 수행하는데 있어 문제점을 크게 감소시켰다(특히 26폐이지 및 도 7참조). 그러나, 파나르바시에 의한 연구는 일시적인 것으로 여겨지며, 문제점은 충분히 제어되지 않는 것으로 나타난다. 이러한 문제점은 제조 설정과 같은 프로세스에서 오래 사용할 때 심각한 영향력을 미칠 수 있다.
본 발명에서는, 보조 애노드 전극이 스퍼터링 챔버내에 포함되어 있어, 스퍼터링된 원자의 흐름이 차폐되도록 위치된다. 이러한 보조 애노드는 전기적 절연 물질의 코팅을 필요로 하지 않으며 플라즈마 전하의 균형을 유지시키도록 플라즈마로부터 전자를 충분히 끌어들일 수 있는 능력이 유지된다. 이는 절연 물질의 증착을 위해서 DC 스퍼터링을 효율적으로 사용할 수 있게 하며, 비효율적이고 제어 불가능한 RF 스퍼터링 기술을 사용하기 위해 일반적으로 고려돼야 했던 요구 조건이 없다.
DC 스퍼터링 장치에 있어서, 주애노드와 타겟 홀더 사이에 형성된 전계는 스퍼터링 물질의 타겟을 유지시킨다. 타겟과 타겟 홀더가 캐소드를 형성한다. 전계가 스퍼터링 챔버내에서 대기압 이하로 유지된 스퍼터링 가스를 이온화시켜서 플라즈마 방전을 형성한다. 플라즈마로부터 방출된 양이온이 타겟에 흡착되어 타겟을 때려 주면, 타겟 표면으로부터 원자들이 방출된다. 원자들은 타겟 표면으로부터 모든 방향으로 방출된다. 이들 원자는 거의 대부분이 중성 전하이기 때문에, 이들의 경로는 직선형이고 전계 또는 자계에 의해서 아무런 영향도 받지 않는다. 이들은 이들이 떨어지는 임의의 표면상에 증착 및 코팅된다. 이들은 기판, 스퍼터링 챔버의 벽 그리고 주애노드 상에 떨어져 코팅된다. 증착되는 물질이 전기적으로 절연되는 경우에, 예를 들어서 스퍼터링된 원자들이 챔버 내부 및 주애노드에 존재하는 반응가스 종들과 화학적으로 결합되는 경우, 주애노드상의 절연 코팅은 플라즈마로부터 전자를 흡수하는 애노드의 능력을 방해한다. 본 발명에 따라서, 보조 애노드가 스퍼터링된 원자들의 흐름으로부터 차페된 상태로 설치됨으로써, 이러한 코팅 증착을 방지 또는 문제를 일으킬 수 있는 수준 이하로 코팅 증착이 감소될 수가 있다. 예를 들어서, 보조 애노드는 차폐 부재의 뒤쪽의 리세스부 안에 또는 차폐 부재의 숄더 뒤쪽으로 위치될 수가 있는데, 상기 위치는 보조 애노드가 타겟 표면의 기하학적 시선(geometric line of sight)에서 벗어나 있는 위치이다. 플라즈마로부터 전자를 끌어내는 보조 애노드의 효율성은, 주애노드로부터 이러한 보조 애노드를 전기적으로 절연시키고 주애노드에 비해 보조 애노드에 양전압을 제공함으로써 향상될 수가 있다.
기판 상에 절연 물질을 플라즈마 기상 증착시키기 위한 본 발명의 장치는 DC 스퍼터링 기술을 사용한다. 이러한 DC 스퍼터링 기술은, 기존의 RF 스퍼터링 기술에 비해서, 보다 저렴한 전력을 소비할 뿐만 아니라 단일 챔버의 사용을 가능케 한다. 더욱이, DC 스퍼터링 기술은 보다 빠르면서도 증착 제어를 가능케 한다. 이러한 기술에 있어서, 양전압으로 바이어스된 애노드 전극과 상대적으로 음전압으로 바이어스된 캐소드 전극 사이에 전계가 형성된다. 이들 전극은 대기압 이하의 압력으로 가스(일반적으로는 아르곤과 같은 희가스)를 유지하는 배기가능한 챔버내에 장착된다. 전계는 일부가스 원자의 이온화, 전계에서의 이온 가속화, 다른 원자와의 충돌, 및 궁극적으로 플라즈마 방전 유지를 달성하도록 충분히 강하다. 전자 및 양이온 모두를 포함하고 있는 방전 영역은 양이온이 음전압으로 바이어스된 캐소드를 때려 중성화되고 전자가 양전압의 애노드에 흡수됨에 따라 전하는 거의 중성적이며 그 중성이 유지된다. 플라즈마 영역에 적절한 기하학적 형상 및 세기의 전계 부가는 플라즈마를 원하는 영역에 제한하는데 도움이 된다. 이러한 방법은 소위 "마그네트론 기술(magnetron technique)" 로 공지되어 있다.
스퍼터링, 즉 타겟으로부터 원자의 방출은 타겟이 양의 플라즈마 이온의 경로에 설치되었을 때 이들 원자가 캐소드 전극 쪽으로 가속화됨에 따라서 발생한다. 타겟이 금속인 경우, 타겟 자체가 캐소드 전체 또는 일부를 구성할 수 있다. 스퍼터링 가스의 활성화된 양이온이 타겟 표면에 충돌하여 타겟 표면과 충돌된 원자들이 마치 당구공처럼 표면 밖으로 튕겨져 나온다. 원자들은 타겟 표면으로부터 임의의 모든 방향으로 방출된다. 타겟 물질의 스퍼터링된 원자들은 이들이 부딪히는 것에 부착되어, 기판이 코팅된다. 이들 원자는 애노드 전극, 챔버 및 챔버 벽의 다른 구조물에 부착된다.
가스 형태의 또다른 종을 스퍼터링 챔버내로 유입시킴으로써, 타겟물질 및 또다른 화학적 종이 조합된 증착막이 형성될 수 있다. 이는 "반응성 스퍼터링(reactive sputtering)" 이라고 공지되어 있다. 타겟 종 및 반응성 가스 종의 화학적 조합은 챔버 또는 기판 표면상에서 발생할 수 있다. 예를들면, PZT(lead zirconate titanate)로서 공지된 강유전체 물질이 원하는 조성의 산화물을 형성하기 위해서 스퍼터링 챔버에서 산소와 함께 납, 지르코늄 및 티타늄을 함유한 타겟을 사용하여 증착될 수 있다. 산화 절연 코팅이 플라즈마 불안정성으로 인해 애노드 전극상에 형성되기 때문에, 지금까지는 이러한 산화막이 바람직하지 못한 RF 스퍼터링 기술에 의해 상업적으로 제조되어 왔다. RF 기술은 고주파수(예를 들어 15MHz) 전력원의 고전력(예를들어 수백 와트) 및 전력원에 전기적으로 부합되도록 세심하게 설계된 챔버를 필요로 한다. 또한, RF기술은 상기 막의 금속 성분 소스로서 유독 가스의 금속 성분을 사용한다.
본 명세서에 개시된 장치에서, 보조 애노드는 절연 코팅의 형성을 방지하기 위해 스퍼터링된 원자로부터 차페된다.
따라서, 보조 애노드는 플라즈마로부터 전자를 흡수하는 능력 및 플라즈마의 전하 균형을 유지시킬 수가 있다. 상기 보조 에노드는, 주애노드와 전기적으로 절연될 수 있고 전자를 흡수하는 능력을 강화시키기 위해서 주애노드에 비해 양전압으로 바이어스된다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 예시적 장치를 도 1에 개략적으로 나타냈다. 장치는 수직 축 부근에서 실린더형 대칭이다. DC 스퍼터링 챔버(10)는 밀봉되어 있고, 펌프(11)에 의해서 배기될 수 있다. 스퍼터링 가스원(12)으로부터 챔버(10)속으로 스퍼터링 가스가 유입된다. 일반적으로, 스퍼터링 가스는 아르곤과 같은 희가스이다. 필요에 따라서, 반응 가스원(13)으로부터 챔버(10) 속으로 반응 가스가 유입될 수도 있다. 일반적으로 챔버(10)는 장치의 전기적 접지로 고려된다.
플라즈마 방전이 일어나는 영역(14)은 챔버(10)에서 전압을 유지하고 있는 주애노드 (15), 스퍼터링되는 물질로 이루어진 타겟(17)을 지지하는 캐소드(16), 및 기판(19)을 지지하는 기판 지지체(18)로 구성된다. 전기적 절연시일(20)이 장치를 밀폐시켜 유지시키고 있으며 DC 전원(21)은 캐소드(16)를 주애노드(15)에 비해 음전압 상태로 유지시킨다. 특정한 치수의 플라즈마 영역에 특정 압력으로 특정한 종의 가스로 플라즈마 방전을 지지하는데 요구되는 음전압의 크기, 및 이들의 특징 얼마나 관련되어 있는지는 기술상 공지되어 있다. 예를 들어서, 약 2 내지 20 밀리토르 (mtorr)의 압력으로 아르곤 가스내에서 300 내지 400V의 전압을 유지시키기 위한 애노드와 캐소드의 간격은 1 내지 10cm 정도이다.
장치는 또한 보조 애노드(22)를 포함한다. 보조 애노드(22)와의 전기적 연결은 밀폐된 바이어스 수단(23)을 통해서 이루어진다. 플라즈마 방전으로부터 전자를 끌어내는 보조 애노드(22)의 능력을 강화시키기 위해 보조 애노드(22)를주애노드(15)의 진압으로 또는 주애노드(15)에 비해 양전압으로 유지시킬 수 있도록 바이어스 전원(24)를 가변적이다. 10 내지 200V 범위의 양전압 바이어스는 25 내지 100V의 다른 시스템에 따라 효과를 나타낸다.
상기된 본 발명의 스퍼터링 방법을 요약하면; 애노드에 비해 타겟을 음전압으로 바이어스시킴으로써 스퍼터링 챔버내에 있는 타겟 물질의 타겟을 DC 스퍼터링하여, 상기 타겟 물질의 입자들이 상기 타겟으로부터 평행하게 간격을 두고 있는 기판상에 스퍼터되는 단계; 상기 타겟으로부터 입자의 흐름을 차폐하는 보조 애노드를 상기 주애노드에 비해 양전압으로 바이어스시키는 단계로 구성된다. 또한, 상기 타겟 입자와 상기 반응 가스가 반응하여 상기 기판상에 증착되는 절연 물질을 형성하도록 상기 챔버에 반응 가스를 첨가하는 단계를 더 포함한다.
보조 애노드(22)는 차폐 부재(25)에 의해 타겟(17)으로부터 방출되는 스퍼터링된 원자들의 흐름과 차폐되어 있다. 차폐 부재(25)는 보조 애노드(22)의 모든 부분들이 타겟(17)의 모든 부분에서 직선상 노출되지 않도록 충분하게 연장되어야 한다. 스퍼터링된 원자들은 스퍼터링 가스의 원자들과의 충돌로 인하여 분산되기 때문에, 차폐 부재는 최소한 이러한 상태에서 보조 애노드가 노출되지 않도록 연장될 필요가 있다. 그러나, 너무 길게 연장되면, 차폐 부재(25)는 플라즈마 방출로부터 보조 애노드(22)로의 전자 흐름을 방해하게 된다. 진자 충격으로 인한 보조 애노드의 가열은 스퍼터링된 물질의 증착을 감소시키는데, 이는 물질이 증착되면서 증발되어 버리기 때문이다. 따라서, 보조 애노드는 이러한 가열에 대한 저항 부재를 포함할 수도 있다. 스퍼터링된 원자의 흐름으로부터 보조 애노드(22)를 차단시키기위한 많은 다른 구조적 배열이 가능하다는 것을 당업자는 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어서, 제 2도는 보조 애노드(30)가 타겟 홀더(33)를 지지하는 부재(32)의 그루브(31) 내에 장착된 것을 나타낸다.
제 1 도는 차폐 부재에 의해 타겟 표면으로부터 차폐된 보조 애노드를 갖춘 본 발명의 스퍼터링 장치의 측단면도.
제 2도는 리세스내에 설치된 보조 애노드를 갖춘 본 발명의 스퍼터링 장치의 일부 측단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 :챔버 11 :펌프
12 : 스피터링 가스원 13 : 반응 가스원
14 : 플라즈마 방전 영역 15 : 주애노드
16 : 캐소트 17 : 타겟
18 : 기판 지지체 19 :기판
20 :시일 21 : DC전원
22,30 :보조 애노드 23 : 바이어스 수단
24 : 바이어스 전원 25 : 차폐 부재
31 : 리세스 32 : 지지 부재
33 : 타겟 홀더

Claims (14)

  1. 기판 상에 전기적 절연 물질을 코팅하는 DC 스퍼터 장치에 있어서,
    DC 전원과 연결되는 스퍼터 물질의 타겟;
    상기 타겟과 평행하게 간격을 두고 있고 스퍼터 코팅되며 기판 지지체상에 장착되는 기판;
    상기 기판을 둘러싸는 주애노드;
    상기 타겟과 상기 기판 사이에 플라즈마를 형성하는 스퍼터링 가스원;
    상기 플라즈마로부터 전자를 흡수하여 상기 플라즈마의 전하 균형을 유지하도록 차폐 부재에 의해 상기 타겟과 차폐되어 있는 전기적으로 절연된 보조 애노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 스퍼터링 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 보조 애노드를 상기 주애노드에 비해 양전압 바이어스로 유지시키기 위한 제 1 바이어스 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 스퍼터링 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 양전압 바이어스로 10V 내지 200V의 전압범위를 가지는 것을 특징으로 하는 DC 스퍼터링 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 차폐 부재는 상기 타겟으로부터 방출되어 스퍼터된원자의 흐름으로부터 보조 애노드를 차폐시키도록 설치된 것을 특징으로 하는 DC 스퍼터링 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 차폐 부재는 금속성이며 상기 주애노드에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특정으로 하는 DC 스퍼터링 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 타겟 홀더, 및 상기 타겟 홀더와 상기 주애노드 사이에서 DC 플라즈마 방진을 발생시키기 위해서 상기 타겟 홀더를 상기 주애노드에 비해 음전압 바이어스로 유지시키기 위한 제 2바이어스 수단을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 DC 스퍼터링 장치.
  7. 스퍼터링 가스가 주입될 수 있는 스퍼터링 챔버;
    상기 챔버내에 위치되고 제 1 전압으로 바이어스되는 스퍼터링 타겟;
    기판을 보유하기 위해 타겟으로부터 평행하게 간격을 두고 상기 챔버내에 위치되는 기판 홀더;
    상기 챔버내에 위치되고 상기 제 1 전압보다 양전압인 제 2 전압으로 바이어스되는 주애노드; 및
    상기 타겟에 대해 시선밖의 위치에서 상기 챔버내에 위치되고, 상기 제 2 전압보다 양전압으로 바이어스되는 보조 애노드를 포함하며,
    상기 스퍼터링 타겟과 상기 주애노드 사잉에 플라즈마가 형성되고, 상기 기판상에 상기 스퍼터링 타겟으로부터 스퍼터되는 입자들이 증착되는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 보조 애노드와 상기 타겟 사이에 배치된 차페 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 차폐 부재가 상기 제 2 전압으로 바이어스되는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 챔버내에 반응 가스 공급원을 더 포함하며, 상기 반응 가스는 상기 기판상에 전기적 절연 물질을 증착시키기 위해 상기 입자들과 반응하는 것을 특징으로 하는 증착장치.
  11. 애노드에 비해 타겟을 음전압으로 바이어스시킴으로써 스퍼터링 챔버내에 있는 타겟 물질의 타겟을 DC 스퍼터링하여, 상기 타겟 물질의 입자들이 상기 타겟으로부터 평행하게 간격을 두고 있는 기판상에 스퍼터되는 단계;
    상기 타겟으로부터 입자의 흐름을 차폐하는 보조 애노드를 상기 주애노드에 비해 양전압으로 바이어스시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 타겟 입자와 상기 반응 가스가 반응하여 상기 기판상에 증착되는 절연 물질을 형성하도록, 상기 챔버에 반응 가스를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 방법.
  13. 제 6항에 있어서, 스퍼터링 가스 및 반응 가스를 상기 타겟 홀더, 상기 주애노드 및 상기 기판을 포함하는 경계의 공간안으로 유입시키는 수단을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 DC 스퍼터링 장치.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 보조 애노드는 가열될 수 있는 것을 특징으로 하는 DC 스퍼터링 장치.
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