KR100328658B1

KR100328658B1 - 박막용 스퍼터링 타겟

Info

Publication number: KR100328658B1
Application number: KR1020000019996A
Authority: KR
Inventors: 나종갑
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2000-04-17
Publication date: 2002-03-20
Also published as: KR20010096075A

Abstract

마그네트론형 스퍼터링기에 사용되는 박막용 스퍼터링 타겟에 관한 것으로, 타겟의 수명 연장 및 박막의 피착속도 향상을 함께 도모하는 것을 목적으로 하여, 타겟이 평평하게 형성되었다면 누설자계가 크게 되어 스퍼터링시 소모율이 크게 되는 부위에 돌출부가 형성되어 타겟 중앙부와 타겟 가장자리부의 경계를 이루며, 상기 중앙부는 상기 가장자리부 보다 작은 두께를 갖도록 형성되는 박막용 스퍼터링 타겟을 제공한다. 이러한 구조의 박막용 스퍼터링 타겟을 사용하는 경우에는 돌출부의 존재에 의해 타겟의 수명이 연장되는 한편, 얇은 타겟 중앙부를 통한 충분한 누설자계가 존재할 수 있어 피착속도의 저하도 방지할 수 있다.

Description

박막용 스퍼터링 타겟{SPUTTERING TARGETS FOR THIN FILMS}

본 발명은 스퍼터링 타겟에 관한 것으로서, 특히 반도체, 컴퓨터 하드디스크, 박막형 인덕터, 박막저항등과 같은 전자부품에 사용될 수 있는 박막을 형성하는데 사용되는 박막용 스퍼터링 타겟에 관한 것이다.

전자부품에 사용되는 박막을 형성하기 위한 방법으로는 증착법, 전기도금법, 화학기상 성장법, 스퍼터링법 등이 있는데, 이중에서 박막의 미세조직 및 성분의 조절이 용이하고 양산성이 우수하다는 장점을 가진 스퍼터링법이 널리 사용되고 있다.

이러한 스퍼터링법은 금속이나 화합물형의 타겟에, 통상 아르곤 가스인 스퍼트가스의 이온을 충돌시켜 기계적인 운동량의 전달에 따라 타겟 구성원소를 방출시키고 방출된 입자가 기판에 퇴적되도록 하여 막을 형성하는 방법으로서, 피착된 박막의 특성은 타겟의 특성에 크게 의존하게 된다.

스퍼터링법을 행하는 스퍼터링기로는 보통 마그네트론형 스퍼터링기가 사용되는데, 도 1 에 개념적으로 도시한 바와 같이, 상기 마그네트론형 스퍼터링기는 타겟(1) 아래 부분에 자석(2,3)을 장치하여 점선 화살표로 개략적으로 도시된 바와 같은 자계를 발생시키고 타겟(1)의 상면으로 누설되어진 자계인 누설자계의 도움으로 플라즈마의 생성속도가 커져서 박막의 피착속도를 높이도록 한 스퍼터링기이다. 상기 마그네트론형 스퍼터링기의 구성을 보다 상세히 설명하면, 타겟(1)의 중앙부 하측에는 자석(2)의 하나의 극, 예를 들면 N 극이 위치되고, 타겟(1) 가장자리부 하측에는 타겟(1) 중앙부 하측의 자석(2)이 갖는 극과는 반대 극(도 1 에서는 S 극)을 타겟(1)의 저면으로 향하는 자석(3)이 타겟(1)의 가장자리부 전체에 걸치도록 설치된다. 그런데 이러한 마그네트론형 스퍼터링기를 사용할 경우에는 자석(2,3)이 배치된 구조에 의해서 타겟(1) 중앙부에서 약간 떨어진 부분에서 타겟(1) 상면으로의 누설자계의 크기가 가장 크게 되고 그 영향에 따라 타겟(1)의특정부위 즉 타겟(1) 중앙부에서 약간 떨어진 부위인 누설자계가 가장 큰 부위의 원소가 주로 방출되며 이에 따라 이 부분이 먼저 소모되어 다른 부위는 다 사용되지 않았는데도 타겟(1)을 폐기하여야 하는 문제점이 있었다.

마그네트론형 스퍼터링기에서 누설자계의 영향에 따라 타겟(1)이 불균형적으로 소모되고 그 결과 다른 부위는 다 사용되지 않았는데도 타겟(1)을 폐기하게 되는 상기 문제점을 해결하기 위한 몇 가지의 시도가 있어 왔는데 그 중 한가지로 대한민국 특허공개번호 제 87-2748 호 특허출원에 개시된 발명을 들 수 있다. 이 발명에서는 타겟(1) 아래에 장착되는 자석(2,3)이 고정되는 것이 아니라 스퍼터링 도중에 이동될 수 있도록 함에 의해 타겟(1)의 수명을 연장하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이 방법은 타겟(1) 아래의 자석(2,3)을 이동시킬 수 있도록 회전조립체(미도시), 플랜지(미도시) 등과 같은 복잡한 기계 장치를 설치하여야 하므로 비용이 많이 들고 기계적인 고장이 쉽게 발생될 수 있는 문제점이 있다. 한편, 대한민국 특허공개번호 제 98-050037 호 특허출원에는, 도 2 에 개략적으로 도시한 바와 같이, 타겟(10)의 형상을 변화시켜서 타겟(10)의 수명을 연장시키도록 의도한 발명이 개시되어 있는데, 그 발명은 통상의 평평한 형상의 타겟(1)을 사용하는 대신 누설자계의 영향으로 심하게 소모되는 부위, 즉 타겟(10)의 중앙부(10a)로부터 약간 떨어진 부위에 다른 부위 보다 두껍게 돌출부(10b)를 형성하도록 제작한 타겟(10)을 사용하므로써, 누설자계가 커서 소모율이 높은 상기 돌출부(10b)와 그외의 소모율이 낮은 부위가 균형있게 소모되도록 함에 의해 소모율이 낮은 부위가 모두 소모되기까지 타겟(10)을 사용할 수 있도록 하여 타겟(10)의 수명을 연장시키는 것을 요지로 하고 있다. 상기 돌출부(10b)는 경사면을 갖거나 둔턱 형상이 되도록 형성되어 있으며, 또 한편 상기 돌출부(10b)로 둘러싸인 타겟(10) 중앙부(10a)는 타겟(10)의 가장자리부(10c) 보다 두껍게 형성되어 있다.

그런데 상기한 형상으로 제조된 타겟(10)은 전체 부위가 균형있게 소모되어 타겟(10)의 수명을 연장할 수 있는 장점은 있으나 중앙부(10a)가 두꺼움에 따라 타겟 상면으로 누설되는 자계인 누설자계의 양이 작아져서 박막의 피착속도가 낮아지게 되며, 특히 누설자계의 양이 작을 수 밖에 없는 자성재료를 타겟으로 사용하는 경우 이러한 현상이 더욱 심해지게 되는 문제점이 있음을 본 발명자는 파악하게 되었다.

따라서 상기한 바와 같은 문제점을 인식하여 창출된 본 발명의 목적은 타겟의 전체 부위가 고르게 소모되도록 하여 타겟의 수명을 연장시킴과 아울러 누설자계의 양이 충분하여 박막의 피착속도 저하가 없는 박막용 스퍼터링 타겟을 제공하고자 하는 것이다.

도 1 은 마그네트론형 스퍼터링기에서의 타겟과 자석의 구조를 간단하게 보인 모식도.

도 2 는 중앙부가 두꺼운 종래의 타겟을 사용하여 마그네트론형 스퍼터링기에서 스퍼터링 공정을 행하는 경우의 누설자계 분포를 보인 모식도.

도 3 은 본 발명의 일실시예에 의한 박막용 스퍼터링 타겟을 사용하여 마그네트론형 스퍼터링기에서 스퍼터링 공정을 행하는 경우의 누설자계 분포를 보인 모식도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1,10,100: 타겟 10a,100a: 중앙부

10b,100b: 돌출부 10c,100c: 가장자리부

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 박막 형성을 위한 스퍼터링 공정에서 박막의 소재를 공급하기 위하여 사용되는 타겟으로서, 마그네트론형 스퍼터링기에서 사용되는 경우에 타겟이 평평하게 형성되었다면 누설자계가 크게 되어 스퍼터링시 소모율이 크게 되는 부위에 돌출부가 형성되어 타겟 중앙부와 타겟 가장자리부의 경계를 이루며, 상기 중앙부는 상기 가장자리부 보다 작은 두께를 갖도록 형성되는 박막용 스퍼터링 타겟이 제공된다.

또한, 상기한 발명에서 상기 중앙부의 두께는 상기 가장자리부의 두께의 1/5 내지 4/5 배이고, 상기 돌출부의 두께는 상기 가장자리부의 두께의 1.5 내지 3 배로 형성된 것을 특징으로 하는 박막용 스퍼터링 타겟이 제공된다.

또한, 상기 돌출부는 완만한 곡선의 둔턱 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 박막용 스퍼터링 타겟이 제공된다.

도 3 은 본 발명의 일실시예에 의한 박막용 스퍼터링 타겟이 사용되는 경우를 개략적으로 보인 모식도인데, 이에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 박막용 스퍼터링 타겟(100)은 중앙부(100a)와, 상기 중앙부(100a)에 인접한 부분으로서, 마그네트론형 스퍼터링기에서 타겟(100)이 사용되는 경우에 만약 타겟이 전체적으로 평평하였다면 누설자계가 집중되었을 부위에 형성된 돌출부(100b)와, 상기 돌출부(100b) 외측의 가장자리부(100c)로 구성되며, 상기 중앙부(100a)는 상기 가장자리부(100c) 보다 얇게 형성된다.

상기 중앙부(100a)는 그 두께가 상기 가장자리부(100c)의 두께의 1/5 내지 4/5 배가 되도록 형성되는 것이 바람직하며, 상기 돌출부(100b)의 두께는 상기 가장자리부(100c)의 두께의 1.5 내지 3 배가 되도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 돌출부(100b)는 완만한 곡선으로 둔턱진 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

타겟(100)의 중앙부(100a) 두께가 가장자리부(100c) 두께의 1/5 보다 작은 경우에는 제조하기가 어려울 뿐더러 스퍼터링 도중에 중앙부(100a)가 먼저 소모되어 없어질 우려가 있고, 4/5 보다 큰 경우에는 누설자계가 작게될 우려가 있기 때문이며, 또한 돌출부(100b)의 두께가 상기 범위 보다 작을 경우에는 수명연장 효과가 적었고, 이 보다 클 경우에는 제조상의 어려움이 있을 뿐 아니라 피착된 박막 두께가 불균일하게 되는 경향이 발생하였기 때문이다. 그리고 돌출부(100b)를 직선의 경사면들 대신 완만한 곡선의 둔턱진 형상으로 형성하는 경우에 박막의 두께가 균일해지는 경향이 있었기 때문이다.

상기한 바와 같은 구조로 되는 본 발명에 의한 박막용 스퍼터링 타겟의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 일반적인 마그네트론형 스퍼터링기에서 타겟(100)의 중앙부(100a) 아래로는 N 극 또는 S 극 중 한극이 위치하게 되고, 타겟(100c)의 가장자리부(100c) 아래로는 상기 중앙부(100a) 아래의 극의 반대극이 빙둘러서 위치하게 된다. 이러한 자석(2,3)의 배치로 인해서, 점선으로 도시된 자력선은 완만한 곡선을 그리면서 N 극에서 나와 S 극으로 들어가게 된다. 이때 N 극에서 나온 일부의 자력선은 타겟(100)의 상면 밖에까지 누설되었다가 다시 타겟(100)을 통과하여 S 극으로 돌아가게 되는데 이에 의해서 타겟(100)의 상면 상측으로 누설자계가 형성되게 되며 이러한 누설자계에 의해 플라즈마의 생성속도가 높아지게 되고 박막의 피착속도가 향상되게 된다.

그런데, 이러한 누설자계는 타겟(100) 전체에 걸쳐 고르게 분포되는 것이 아니라 자력선이 그리는 완만한 곡선의 정점 근방에서 특히 강하게 되어 그 근방의 타겟(100) 부분이 다른 부분 보다 빨리 소모되게 되며, 이러한 문제점은 빨리 소모되는 부분에 돌출부(100b)를 형성하여 그 부분의 소모될 수 있는 양을 늘려주는 것에 의해 해결되게 된다.

한편, 상기한 자석의 배치에 따라 N 극을 나온 자력선은 모두 타겟(100)의 중앙부(100a)를 지나게 되는 바, 중앙부(100a)의 두께는 누설자계의 세기에 직접적인 영향을 미치게 되며 특히 타겟(100)이 투자율이 1 보다 큰 자성재료로 만들어지는 경우에는 그 영향은 더욱 커지게 된다. 도 2 와 도 3 에 모식적으로 보인 바와 같이 중앙부(10a)의 두께가 두꺼운 경우에는 누설자계가 작은데 반해 중앙부(100a)의 두께가 얇은 경우에는 누설자계가 커서 플라즈마의 생성을 가속하는데 부족함이 없게 되는 것이다.

본 발명의 실시예들을 이하에서 살핀다.

[실시예 1]

순도 99.995% 인 니켈을 진공용해, 단조, 열간압연, 냉간압연 및 열처리의 일관공정을 통하여 판을 제조하였다. 계속해서 기계가공을 통하여 직경 100 mm의 디스크형 타겟을 제작하였는데, 가장자리부의 두께를 5 mm, 돌출부의 두께를 10 mm, 중앙부의 두께를 4 mm로 하여 제조하였다. 이 타겟을 사용하여 통상의 마그네트론형 스퍼터링기에서 400 DC V ×0.25 A의 입력전력으로 니켈박막을 제조하였는데 그 증착속도를 표 1 에 나타내었다. 또 니켈박막 중앙과 중앙에서 5 cm 떨어진 부위의 두께 편차도 측정하여 그 결과도 표 1 에 나타내었다.

[실시예 2]

순도 99.995% 인 니켈을 진공용해, 단조, 열간압연, 냉간압연 및 열처리의일관공정을 통하여 판을 제조하였다. 계속해서 기계가공을 통하여 직경 100 mm의 디스크형 타겟을 제작하였는데, 가장자리부의 두께를 5 mm, 돌출부의 두께를 15 mm, 중앙부의 두께를 2 mm로 하여 제조하였다. 이 타겟을 사용하여 통상의 마그네트론형 스퍼터링기에서 400 DC V ×0.25 A의 입력전력으로 니켈박막을 제조하였는데 그 증착속도를 표 1 에 나타내었다. 또 니켈박막 중앙과 중앙에서 5 cm 떨어진 부위의 두께 편차도 측정하여 그 결과도 표 1 에 나타내었다.

[실시예 3]

순도 99.995% 인 니켈을 진공용해, 단조, 열간압연, 냉간압연 및 열처리의 일관공정을 통하여 판을 제조하였다. 계속해서 기계가공을 통하여 직경 100 mm의 디스크형 타겟을 제작하였는데, 가장자리부의 두께를 5 mm, 돌출부의 두께를 7.5 mm, 중앙부의 두께를 1 mm로 하여 제조하였다. 이 타겟을 사용하여 통상의 마그네트론형 스퍼터링기에서 400 DC V ×0.25 A의 입력전력으로 니켈박막을 제조하였는데 그 증착속도를 표 1 에 나타내었다. 또 니켈박막 중앙과 중앙에서 5 cm 떨어진 부위의 두께 편차도 측정하여 그 결과도 표 1 에 나타내었다.

[비교예]

순도 99.995% 인 니켈을 진공용해, 단조, 열간압연, 냉간압연 및 열처리의 일관공정을 통하여 판을 제조하였다. 계속해서 기계가공을 통하여 직경 100 mm의 디스크형 타겟을 제작하였는데, 가장자리부의 두께를 5 mm, 돌출부의 두께를 10 mm, 중앙부의 두께를 7 mm로 하여 제조하였다. 이 타겟을 사용하여 통상의 마그네트론형 스퍼터링기에서 400 DC V ×0.25 A의 입력전력으로 니켈박막을 제조하였는데 그 증착속도를 표 1 에 나타내었다. 또 니켈박막 중앙과 중앙에서 5 cm 떨어진 부위의 두께 편차도 측정하여 그 결과도 표 1 에 나타내었다.

시료	피착속도(Å/분)	두께 편차(%)
실시예 1	600	±3
실시예 2	850	±5
실시예 3	960	±4
비교예	320	±8

표 1 에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 의한 박막용 스퍼터링 타겟을 사용하여 스퍼터링법으로 니켈박막을 성막하는 경우에는 비교예에 비해 피착속도도 월등히 높을 뿐 아니라 두께편차도 적음을 알 수 있다.

상기한 바와 같은 구성으로 되는 본 발명에 의한 박막용 스퍼터링 타겟을 사용하는 경우에는, 누설자계가 큰 부분에서 타겟이 먼저 소모되어 없어져 타겟을 조기에 폐기하게 되는 문제점이 완만한 곡선의 둔턱 형상으로 형성된 상기 돌출부(100b)의 존재로 인해 해소되어 타겟의 수명이 연장될 수 있음과 아울러, 중앙부(100a)가 가장자리부(100c) 보다 얇게 형성되어 있으므로 누설자계의 세기가 플라즈마의 생성을 가속화하는데 충분하여 박막의 피착속도 저하를 방지할 수 있게 된다.

Claims

박막 형성을 위한 스퍼터링 공정에서 박막의 소재를 공급하기 위하여 사용되는 타겟으로서, 마그네트론형 스퍼터링기에서 사용되는 경우에 타겟이 평평하게 형성되었다면 누설자계가 크게 되어 스퍼터링시 소모율이 크게 되는 부위에 돌출부가 형성되어 타겟 중앙부와 타겟 가장자리부의 경계를 이루며, 상기 중앙부는 상기 가장자리부 보다 작은 두께를 갖도록 형성되는 박막용 스퍼터링 타겟.
제 1 항에 있어서, 상기 중앙부의 두께는 상기 가장자리부의 두께의 1/5 내지 4/5 배이고, 상기 돌출부의 두께는 상기 가장자리부의 두께의 1.5 내지 3 배로 형성된 것을 특징으로 하는 박막용 스퍼터링 타겟.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 돌출부는 완만한 곡선의 둔턱 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 박막용 스퍼터링 타겟.