KR100390576B1 - 박막제조장치 - Google Patents

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이병수
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Abstract

반응성 스퍼터링 증착의 경우 반응기체가 플라즈마화 되어 반응의 안정성에 나쁜 영향을 주게된다. 또한 반응기체가 스퍼터링 타겟 표면과 반응하여 스퍼터링 속도 및 박막 조성의 균일성이 떨어지게 된다. 그러나, 본 발명에 따른 박막제조장치에 의하면, 반응기체가 존재하는 반응공간과 스퍼터링 증착이 일어나는 스퍼터링 공간을 서로 분리하고 그 사이에 반응기체 및 스퍼터링용 기체를 배출하기 위한 펌핑 공간을 마련함으로써 두 기체의 혼합이 방지된 상태에서 박막을 제조할 수 있게된다. 그리고, 기판이 반응공간과 스퍼터링 공간을 번갈아 왕복할 수 있도록 되어 있기 때문에 증착공정과 반응공정이 연속적으로 이루어질 수 있게 된다. 따라서, 양질의 화합물 박막을 얻을 수 있게 된다.

Description

박막제조장치{Apparatus for fabricating thin film}
본 발명은 박막제조장치에 관한 것으로서, 특히 반응성 스퍼터링 과정에서 반응기체가 플라즈마화되어 나타나는 문제점을 해결할 수 있도록 반응기체와 스퍼터링용 기체가 서로 혼합되지 않도록 하여 화합물 박막을 얻는 박막제조장치에 관한 것이다.
스퍼터링법은 박막을 제작하는 일반적인 방법 중의 하나이다. 그 중에서 반응성 스퍼터링 증착(reactive sputtering deposition)은 스퍼터링용 기체와 반응 기체가 혼합되어 형성된 플라즈마 분위기에서 이루어진다.
이러한 반응성 스퍼터링 증착의 경우는 반응기체가 플라즈마 공간 내에 존재하기 때문에 공정의 안정성에 다음과 같은 나쁜 영향을 미치게 된다.
첫째는, 스퍼터링 타겟의 표면이 반응기체와 먼저 반응함으로써 스퍼터링 속도(sputtering rate) 및 박막 조성이 일정치 않게 되는 것이고, 둘째는 반응기체가 플라즈마 상태로 존재하게 되기 때문에 반응기체와 스퍼터링 되어 나오는 타겟 원소와의 화학반응이 안정치 못하게 된다.
도 1은 종래의 박막제조장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 스퍼터링 챔버(10)에는 기체주입구(10a) 및 기체배출구(12a)가 마련되어 있다. 기판(22)은 기판 지지대(20)에 부착 지지되며, 스퍼터링 타겟(32)은 스퍼터링 타겟 지지대(30)에 의해 지지된다. 플라즈마를 발생시키기 위하여 스퍼터링 타겟 지지대(30)에는 RF 바이어스가 인가된다. 그리고, 기판 지지대(20)에는 기판(22)을 가열하기 위한 가열수단(미도시)이 설치된다.
이러한 박막제조장치를 이용하여 예컨대 TiO2박막을 제조하는 방법을 설명한다.
스퍼터링 타겟(32)으로는 Ti 금속 타겟을 사용하고, 기판(22)으로는 실리콘 기판을 사용한다. 그리고, 기체주입구(10a)를 통하여 아르곤과 산소 기체를 주입시키면서 스퍼터링 타겟 지지대(30)에 RF 바이어스를 인가한다.
그러면 스퍼터링 챔버(10) 내에 아르곤 및 산소의 혼합기체에 의한 플라즈마가 형성되게 된다. 아르곤 이온에 의해 주로 스퍼터링 타겟(32)의 스퍼터링이 일어나고 스퍼터링 타겟(32)에서 스퍼터링 되어 나오는 Ti 원소와 활성화된 산소 원소가 반응하면서 기판(22)에 TiOx 박막이 증착되게 된다. 이 때, 기판 지지대(20)에 설치된 가열수단을 통하여 기판(22)을 적절한 온도로 가열하면 결정질의 TiO2박막을 얻을 수 있게 된다.
이 경우, 반응기체로 사용되는 산소 기체가 플라즈마화되어 활성화되어 있기 때문에 순수 금속으로 이루어진 스퍼터링 타겟(32)의 표면이 활성화된 산소 이온과 쉽게 반응하게 되어 스퍼터링 타겟(32)의 표면상태가 스퍼터링 시간에 따라 변하게 된다. 따라서, 스퍼터링 속도 및 박막 조성이 일정치 않게 된다. 또한, 스퍼터링 타겟(32)으로부터 스퍼터링되어 떨어져 나오는 Ti 원소와 산소와의 반응이 플라즈마의 세기 또는 산소/아르곤의 비율에 의해 민감하게 영향을 받기 때문에 공정 마진이 매우 작게된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 반응기체와 스퍼터링용 기체의 혼합을 방지하면서 화합물 박막을 제조함으로써 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 박막제조장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 종래의 박막제조장치를 설명하기 위한 개략도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막제조장치를 설명하기 위한 도면;
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막제조장치를 설명하기 위한 도면;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막제조장치를 설명하기 위한 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >
10, 110: 스퍼터링 챔버 10a: 기체주입구
12a, 112a: 기체배출구 20, 120: 기판 지지대
22, 122: 기판 30, 130: 스퍼터링 타겟 지지대
32, 132: 스퍼터링 타겟 100: 프로세스 챔버
100a: 수직 격벽 111a: 스퍼터링용 기체 주입구
112: 펌핑챔버 114: 반응챔버
114a: 반응기체 주입구
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 박막제조장치는; 수직 격벽에 의하여 좌측으로부터 반응챔버, 펌핑챔버 및 스퍼터링 챔버의 세 부분으로 분할되며, 상기 수직격벽에는 관통구멍이 형성되어 있어 상기 세 부분이 실질적으로는 연통되는 프로세스 챔버; 상기 반응챔버에 반응기체를 주입하기 위하여 상기 반응챔버에 설치되는 반응기체 주입구; 상기 스퍼터링 챔버에 스퍼터링용 기체를 주입하기 위하여 상기 스퍼터링 챔버에 설치되는 스퍼터링용 기체주입구; 상기 반응챔버 및 상기 스퍼터링 챔버에 있는 기체들을 외부로 배출하기 위하여 상기 펌핑챔버에 설치되는 기체 배출구; 기판을 지지하기 위하여 상기 스퍼터링 챔버에 설치되되 상기 수직격벽의 관통구멍을 통하여 상기 스퍼터링 챔버에서 상기 펌핑챔버를 거쳐 상기 반응챔버로 좌우 왕복 이송 가능하도록 설치되는 기판 지지대; 및 스퍼터링 타겟을 지지하기 위하여 상기 스퍼터링 챔버에 설치되는 스퍼터링 타겟 지지대를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판 지지대 및 상기 스퍼터링 타겟 지지대는 상하로 서로 대향하도록 상기 스퍼터링 챔버에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 예에 따른 박막제조장치는; 수직 격벽에 의하여 좌측으로부터 반응챔버, 펌핑챔버 및 스퍼터링 챔버의 세 부분으로 분할되며, 상기 수직격벽에는 관통구멍이 형성되어 있어 상기 세 부분이 실질적으로는 연통되는 프로세스 챔버; 상기 반응챔버에 반응기체를 주입하기 위하여 상기 반응챔버에 설치되는 반응기체 주입구; 상기 스퍼터링 챔버에 스퍼터링용 기체를 주입하기 위하여 상기 스퍼터링 챔버에 설치되는 스퍼터링용 기체주입구; 상기 반응챔버 및 상기 스퍼터링 챔버에 있는 기체들을 외부로 배출하기 위하여 상기 펌핑챔버에 설치되는 기체 배출구; 상기 펌핑챔버에 설치되되 원통형태를 하며 그 외측면에는 기판이 부착 설치되고 길이방향의 중심축을 기준으로 하여 회전가능하도록 설치되어 이 회전운동에 의하여 상기 기판을 상기 반응챔버에서 상기 스퍼터링 챔버로 또는 그 반대로 이송하는 기판 지지대; 및 스퍼터링 타겟을 지지하기 위하여 상기 스퍼터링 챔버 내에 설치되는 스퍼터링 타겟 지지대를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판이 부착 설치되는 기판 지지대의 외측면은 평평한 것이 바람직하다. 그리고, 상기 기판 지지대 및 상기 스퍼터링 타겟 지지대는 좌우로 서로 대향하도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 기판 지지대의 원통 직경은 상기 펌핑챔버의 좌우 폭보다 더 큰 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 예에 따른 박막제조장치는; 수직 격벽에 의하여 좌측으로부터 반응챔버, 펌핑챔버 및 스퍼터링 챔버의 세 부분으로 분할되며, 상기 수직격벽에는 관통구멍이 형성되어 있어 상기 세 부분이 실질적으로는 연통되는 프로세스 챔버; 상기 반응챔버에 반응기체를 주입하기 위하여 상기 반응챔버에 설치되는 반응기체 주입구; 상기 스퍼터링 챔버에 스퍼터링용 기체를 주입하기 위하여 상기 스퍼터링 챔버에 설치되는 스퍼터링용 기체주입구; 상기 반응챔버 및 상기 스퍼터링 챔버에 있는 기체들을 외부로 배출하기 위하여 상기 펌핑챔버에 설치되는 기체 배출구; 원판형태를 하며 중심을 기준으로 수평 회전가능하게 상기 펌핑챔버에 설치되어, 원판의 가장자리 부위에 부착 설치되는 기판을 상기 회전운동에 의하여 상기 반응챔버에서 상기 스퍼터링 챔버로 또는 그 반대로 이송하는 기판 지지대; 및 스퍼터링 타겟을 지지하기 위하여 상기 스퍼터링 챔버에 설치되는 스퍼터링 타겟 지지대를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판 지지대의 원판 직경은 상기 펌핑챔버의 좌우 폭보다 더 큰 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에 있어서, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막제조장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 프로세스 챔버(100)는 수직 격벽(100a)에 의하여 좌측으로부터 반응챔버(114), 펌핑챔버(112) 및 스퍼터링 챔버(110)의 세 부분으로 분할된다. 수직격벽(100a)에는 관통구멍이 형성되어 있어 상기 세 부분은 실질적으로 연통된다.
반응챔버(114)에는 반응챔버(114)에 반응기체를 주입하기 위한 반응기체 주입구(114a)가 설치된다. 스퍼터링 챔버(110)에는 스퍼터링 챔버(110)에 스퍼터링용 기체를 주입하기 위한 스퍼터링용 기체주입구(111a)가 설치된다. 펌핑챔버(112)에는 반응챔버(114) 및 스퍼터링 챔버(110)에 있는 기체들을 외부로 배출하기 위한 기체 배출구(112a)가 설치된다.
스퍼터링 챔버(110)에는 기판(122)이 부착 지지되는 기판 지지대(120)와 스퍼터링 타겟(132)을 지지하기 위한 스퍼터링 타겟 지지대(130)가 각각 설치된다. 여기서, 기판 지지대(120) 및 스퍼터링 타겟 지지대(130)는 상하로 서로 대향하도록 설치된다. 그리고, 기판 지지대(120)는 수직격벽(100a)의 관통구멍을 통하여 스퍼터링 챔버(110)에서 펌핑챔버(112)를 거쳐 반응챔버(114)로 좌우 왕복 이송 가능하도록 설치된다.
도시되지는 않았지만 스퍼터링 챔버(110)에는 RF 바이어스를 인가받아 플라즈마를 형성하는 플라즈마 전극이 설치된다. 경우에 따라서는 별도의 플라즈마 전극을 설치하지 않고 스퍼터링 타겟 지지대(130)에 RF 바이어스를 인가함으로써 스퍼터링 타겟 지지대(130)를 플라즈마 전극으로 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 박막제조장치를 이용하여 예컨대 TiO2박막을 제조하는 방법을 설명한다.
스퍼터링 타겟(132)으로는 Ti 금속 타겟을 사용하고 기판(122)으로는 실리콘 기판을 사용한다. 스퍼터링용 기체주입구(111a)를 통하여 아르곤 기체를 주입하면서 플라즈마 전극에 RF 바이어스를 인가하여 플라즈마를 형성시킨다. 그러면 아르곤 이온에 의해서 스퍼터링 타겟(132)의 Ti 원소가 스퍼터링되어 기판(122)에 증착되게 된다.
Ti 박막을 증착한 후에는 기판 지지대(120)를 좌측으로 이송하여 반응챔버(114)에 장입시킨다. 반응기체 주입구(114a)를 통하여는 산소기체가 주입된다. 반응챔버(114)에는 기판(122)을 가열하기 위한 적절한 열처리 수단(미도시)이 구비되는데, 이러한 열처리 수단은 기판 지지대(120)에 설치될 수도 있다. 열처리 수단을 통하여 기판을 가열하게 되면 기판(122) 표면의 Ti 박막이 산소와 반응하여 결정질 TiO2박막 형성되게 된다.
산소기체 및 아르곤 기체는 기체 배출구(112a)를 통하여 외부로 배출된다. 기체 배출구(112a)는 반응챔버(114)와 스퍼터링 챔버(110) 사이에 위치하는 펌핑챔버(112)에 설치되기 때문에 반응챔버(114)에 주입된 산소기체가 스퍼터링 챔버(110)로 흘러 들어가거나, 반대로 스퍼터링 챔버(110)에 주입된 아르곤 기체가 반응챔버(114)로 흘러 들어가는 양은 극히 희박하다. 도면에 표시된 점선은 기체의 흐름을 나타낸 것이다.
따라서, 반응기체로 사용된 산소기체와 스퍼터링용 기체로 사용된 아르곤 기체의 혼합은 펌핑챔버(112) 부분에서만 나타나고 실질적인 공정이 이루어지는 반응챔버(114) 및 스퍼터링 챔버(110)에서는 발생하지 않는다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막제조장치를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 2와의 차이점은 기판 지지대(120)의 형태 및 스퍼터링 타겟 지지대(130)의 배치관계이다.
도 3을 참조하면, 기판 지지대(120)는 도 2와 달리 스퍼터링 챔버(110)가 아닌 펌핑챔버(112)에 설치되는데, 원통 형태를 하며 길이방향의 중심축(120a)을 기준으로 하여 회전가능하도록 설치된다.
이 때의 회전은 기판 지지대(122)가 수평하게 설치되어 수직방향으로 이루어질수도 있고, 기판 지지대(122)가 수직하게 설치되어 수평방향으로 이루어질수도 있다. 도면에서는 전자의 경우가 도시되었다. 도 2에서 설명한 바와 같이 기판 지지대(120)의 내부에는 가열수단이 마련될 수도 있다.
기판(122)은 원통의 외측면에 부착 설치되기 때문에, 기판 지지대(120)가 회전운동하면 기판(122)이 스퍼터링 챔버(110)에서 반응챔버(114)로 장입되거나, 반대로 반응챔버(114)에서 스퍼터링 챔버(110)로 장입된다. 기판(122)이 제대로 고정 지지되도록 기판(122)이 부착되는 부분은 평평한 것이 바람직하다.
기판 지지대(120)에 부착된 기판(122)은 반응챔버(114) 및 스퍼터링 챔버(110) 내부 공간에 노출되는 것이 바람직하다. 따라서, 기판(122)이 수직격벽(100a)의 관통구멍을 통하여 스퍼터링 챔버(110) 및 반응챔버(114) 내에 위치하도록 기판 지지대(120)의 원통 직경은 펌핑챔버(112)의 좌우 폭보다 더 커야한다.
스퍼터링 타겟(132)은 기판(122)과 대향하도록 위치하는 것이 바람직하므로 스퍼터링 타겟 지지대(130)는 스퍼터링 챔버(110) 내부의 오른쪽 공간에 설치된다. 즉, 기판 지지대(120)와 스퍼터링 타겟 지지대(130)는 좌우로 서로 대향하도록 설치된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막제조장치를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 2와의 차이점은 기판 지지대(120) 수평왕복운동하는 것이 아니라 펌핑챔버(112)에 설치되어 수평회전운동한다는 것이다.
도 4을 참조하면, 기판 지지대(120)는 원판형태를 하며 도 2와 달리 스퍼터링 챔버(110)가 아닌 펌핑챔버(112)에 설치되는데, 수평왕복운동이 아닌 수평회전운동 가능하도록 설치된다. 수평회전운동은 기판 지지대(120)의 중심을 기준으로 하여 이루어진다. 기판(122)이 스퍼터링 챔버(110) 및 반응챔버(114) 내에 위치할 수 있도록 원판의 직경은 펌핑챔버(112)의 좌우 폭보다 더 크고, 기판(122)은 원판형 기판 지지대(120)의 가장자리 부위에 부착 설치되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 박막제조장치에 의하면, 반응기체와 플라즈마용 기체가 서로 혼합되지 않는 상태에서 박막제조가 이루어지므로, 반응기체가 플라즈마화될 염려가 없게 되어 박막제조공정이 안정되고 신뢰성 있게 이루어진다. 또한, 기판이 대기 중에 노출됨이 없이 스퍼터링 증착과 열처리에 의한 화학반응공정이 연속적으로 수행될 수 있으므로 파티클(particle)에 의한 오염을 염려할 필요가 없다.
본 발명에 따른 박막제조장치에 의하면, 양질의 화합물 박막, 예컨대 YBCO 고온 초전도체 박막, TiO2박막, 또는 BaTiO3박막 등을 얻을 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (11)

  1. 수직 격벽에 의하여 좌측으로부터 반응챔버, 펌핑챔버 및 스퍼터링 챔버의 세 부분으로 분할되며, 상기 수직격벽에는 관통구멍이 형성되어 있어 상기 세 부분이 실질적으로는 연통되는 프로세스 챔버;
    상기 반응챔버에 반응기체를 주입하기 위하여 상기 반응챔버에 설치되는 반응기체 주입구;
    상기 스퍼터링 챔버에 스퍼터링용 기체를 주입하기 위하여 상기 스퍼터링 챔버에 설치되는 스퍼터링용 기체주입구;
    상기 반응챔버 및 상기 스퍼터링 챔버에 있는 기체들을 외부로 배출하기 위하여 상기 펌핑챔버에 설치되는 기체 배출구;
    기판을 지지하기 위하여 상기 스퍼터링 챔버에 설치되되 상기 수직격벽의 관통구멍을 통하여 상기 스퍼터링 챔버에서 상기 펌핑챔버를 거쳐 상기 반응챔버로 좌우 왕복 이송 가능하도록 설치되는 기판 지지대; 및
    스퍼터링 타겟을 지지하기 위하여 상기 스퍼터링 챔버에 설치되는 스퍼터링 타겟 지지대를 구비하는 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스퍼터링 타겟이 금속 타겟인 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판 지지대 및 상기 스퍼터링 타겟 지지대가 상하로 서로 대향하도록 상기 스퍼터링 챔버에 설치되는 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  4. 수직 격벽에 의하여 좌측으로부터 반응챔버, 펌핑챔버 및 스퍼터링 챔버의 세 부분으로 분할되며, 상기 수직격벽에는 관통구멍이 형성되어 있어 상기 세 부분이 실질적으로는 연통되는 프로세스 챔버;
    상기 반응챔버에 반응기체를 주입하기 위하여 상기 반응챔버에 설치되는 반응기체 주입구;
    상기 스퍼터링 챔버에 스퍼터링용 기체를 주입하기 위하여 상기 스퍼터링 챔버에 설치되는 스퍼터링용 기체주입구;
    상기 반응챔버 및 상기 스퍼터링 챔버에 있는 기체들을 외부로 배출하기 위하여 상기 펌핑챔버에 설치되는 기체 배출구;
    상기 펌핑챔버에 설치되되 원통형태를 하며 그 외측면에는 기판이 부착 설치되고 길이방향의 중심축을 기준으로 하여 회전가능하도록 설치되어 이 회전운동에 의하여 상기 기판을 상기 반응챔버에서 상기 스퍼터링 챔버로 또는 그 반대로 이송하는 기판 지지대; 및
    스퍼터링 타겟을 지지하기 위하여 상기 스퍼터링 챔버 내에 설치되는 스퍼터링 타겟 지지대를 구비하는 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 기판이 부착 설치되는 기판 지지대의 외측면은 평평한 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 스퍼터링 타겟이 금속 타겟인 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 기판 지지대 및 상기 스퍼터링 타겟 지지대가 좌우로 서로 대향하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  8. 제4항에 있어서, 상기 기판 지지대가 수직방향으로 회전운동할 수 있도록 수평하게 설치되는 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  9. 제4항에 있어서, 상기 기판 지지대의 원통 직경이 상기 펌핑챔버의 좌우 폭보다 더 큰 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  10. 수직 격벽에 의하여 좌측으로부터 반응챔버, 펌핑챔버 및 스퍼터링 챔버의 세 부분으로 분할되며, 상기 수직격벽에는 관통구멍이 형성되어 있어 상기 세 부분이 실질적으로는 연통되는 프로세스 챔버;
    상기 반응챔버에 반응기체를 주입하기 위하여 상기 반응챔버에 설치되는 반응기체 주입구;
    상기 스퍼터링 챔버에 스퍼터링용 기체를 주입하기 위하여 상기 스퍼터링 챔버에 설치되는 스퍼터링용 기체주입구;
    상기 반응챔버 및 상기 스퍼터링 챔버에 있는 기체들을 외부로 배출하기 위하여 상기 펌핑챔버에 설치되는 기체 배출구;
    원판형태를 하며 중심을 기준으로 수평 회전가능하게 상기 펌핑챔버에 설치되어, 원판의 가장자리 부위에 부착 설치되는 기판을 상기 회전운동에 의하여 상기 반응챔버에서 상기 스퍼터링 챔버로 또는 그 반대로 이송하는 기판 지지대; 및
    스퍼터링 타겟을 지지하기 위하여 상기 스퍼터링 챔버에 설치되는 스퍼터링 타겟 지지대를 구비하는 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 기판 지지대의 원판 직경이 상기 펌핑챔버의 좌우 폭보다 더 큰 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
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