KR100398699B1

KR100398699B1 - 스퍼터링에의해기판상에박막을형성하는방법

Info

Publication number: KR100398699B1
Application number: KR10-1998-0047754A
Authority: KR
Inventors: 제정호; 도석주
Original assignee: 학교법인 포항공과대학교
Priority date: 1998-11-05
Filing date: 1998-11-05
Publication date: 2004-02-05
Also published as: KR20000031627A

Abstract

본 발명은 산소 음이온이 기판상의 박막내로 입사되는 것을 최소화시키고, 박막의 에피택시 정도를 증가 시킬 수 있는, 스퍼터링에 의해 기판상에 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법은 진공조내에 놓여진 기판의 상부에 그리드를 설치하고, 상기 그리드에 (+) 바이어스를 가하면서, 산소 플라즈마를 포함하는 플라즈마를 이용하여 기판상에 스퍼터링 증착을 수행한다.

Description

스퍼터링에 의해 기판상에 박막을 형성하는 방법

본 발명은 기판상에 박막을 형성하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판상에 산화물을 스퍼터링 증착하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

스퍼터링 증착은 진공조에서 발생시킨 플라즈마내에 존재하는 양이온이 음으로 대전된 타깃쪽으로 가속되어 타깃과 충돌하여 타깃에서 떨어져 나온 물질을 기판상에 침착시킴으로써 증착시키는 방법이다.

도 1은 스퍼터링 증착을 위해 종래 일반적으로 사용되는 장치의 개략도 이다. 도 1을 참조하면, 진공조(1)내에는 캐소우드(3)가 설치되고, 캐소우드(3)의 하부에는 타깃(2)이 부착되어 있다. 그리고, 타깃(2)과 동일 축상으로 애노우드(4)가 설치되고, 애노우드(4)의 상부에는 기판(5)이 위치한다. 또한, 진공조(1)내부의 산소 및 알콜과 같은 기체를 이용하여 플라즈마를 발생시키기 위하여 플라즈마 전력원(6)이 설치되고, 진공조(1)내부의 진공발생을 위하여 진공 시스템(7)이 설치된다. 이와같은 장치를 이용하여 스퍼터링 증착을 수행할 때, 플라즈마 전력원(6)으로 인해서 발생한 +로 이온화된 플라즈마 기체가 음의 바이어스전압이 가해진 타깃(2)에 충돌하여 타킷(2)의 물질을 스퍼터링시킨다. 이렇게 타깃(2)으로부터 떨어져 나온 입자가 기판(5)쪽으로 날아가서 기판(5)에 증착된다.

그러나, 산화물을 증착시킬 때 플라즈마내에는 필연적으로 산소 음이온이 발생한다. 또한 박막의 질을 향상시킬 목적으로 쓰이는 산소 가스로 인해 산소 음이온이 발생한다. 이와같이 발생되는 산소 음이온은 기판에 증착된 박막을 손상시키는 주요 요인으로 작용한다. 참고문헌[K.Tominaga등, Jpm.J. Appl. Phys. Vol.23, 1985, pp28]. 이와같은 산소 음이온에 의한 박막 손상을 최소화하기 위해 종래에는 한가지 방법으로서 진공조의 압력을 크게하여 산소 음이온을 충돌 산란시키는 방법을 사용했다. 참고문헌[K. Tominaga, S. Iwamura, Y. Shintani 및 O. Tada, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 21, 1982, pp 688]. 그러나, 산소의 분압을 크게하는 경우 진공조의 압력을 크게 하여도 산소 음이온 충돌 횟수를 줄여줄 뿐 충돌을 완전히 배제할 수 없으며 과다한 압력의 증가는 증착 효율을 크게 낮추는 원인이 된다. 또한, 스퍼터링 장치의 특성상 공정 압력이 수십 mTorr 이내로 다른 공정에 비해서 낮으므로 산소 음이온의 입사를 산소 분압으로 조절하는 방법에는 한계가 있다.

산소 음이온에 의한 박막 손상을 최소화하기 위한 다른 방법은, 도 2에 도시한 바와같이, 타깃(2)과 캐소우드(3)의 축에서 벗어난 위치에 기판(5)을 놓아두는 것이다. 참고문헌[I. Petrov 및 V. Orlinov, Thin Solid Films, 120, 1984, pp55-67]. 도 2에서 도 1에서와 동일 기능을 하는 동일 부재에 대하여는 동일도면 부호가 사용된다.

그러나, 이 방법에 있어서는, 산소 음이온이 타깃의 수직축과 20°정도 벌어진 각도까지 영향을 미친다는 보고가 있으므로 박막에 대한 산소 음이온의 충돌을 배제할 수는 없다. 참고문헌[Thin Solid Films, 204, 1991, pp229].

산소 음이온에 의한 박막 손상을 최소화하기 위한 또 다른 방법은 도 2에서 도시한 바와같이, 타깃(2)과 캐소우드(3)의 축에서 벗어난 위치에 기판(5)을 놓아둠과 동시에 기판(5)과 타깃(2)의 사이에 가림판(8)을 설치하는 것이다. 참고문헌[ 제정호, PAT 0616]. 도 3에서, 도 1에서와 동일 기능을 하는 동일 부재에 대하여는 동일 도면 부호가 사용된다. 그러나, 이 방법에 있어서, 가림판은 산소 음이온의 입사뿐만 아니라 증착시키고자 하는 물질의 증착을 방해하는 방해물로 작용하므로 스퍼터링 증착 효율을 아주 저하시킨다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 산소 음이온이 기판에 증착되는 박막내로 입사되는 것을 최소화할수 있는, 기판상에 박막을 형성하는 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 기판에 증착된 박막의 에피택시 정도를 증가시킬 수 있는, 기판상에 박막을 형성하는 방법을 제공함에 있다.

도 1은 종래에 일반적으로 사용되는 스퍼터링 증착 장치의 개략도.

도 2는 타깃의 축에서 벗어난 위치에 기판이 놓여지는 종래 스퍼터링 증착 장치의 개략도.

도 3은 타깃과 기판의 사이에 가림판이 놓여지는 종래 스퍼터링 증착 장치의 개략도.

도 4는 본 발명에 따른 박막 형성 방법을 수행하기 위해 사용될 수 있는 스퍼터링 증착 장치의 일례를 도시한 개략도.

도 5는 도 4에 따른 장치에 구비된 그리드의 평면도.

도 6은 비교예 1 및 본 발명의 실시예 1 내지 4에 따라 증착된 박막의 X선 회절 측정 결과를 보여주는 회절도.

도 7a 및 7b는 각각, 비교예 1 및 본 발명의 실시예 1 내지 4에 따라 증착된 박막의 세타락킹의 반가폭과, 도메인 사이즈를 보여주는 그래프.

도 8a 및 8b는 각각, 비교예 2 및 본 발명의 실시예 5 내지 7에 따라 증착된 박막의 세타락킹의 반가폭과, 도메인 사이즈를 보여주는 그래프.

도 9는 본 발명의 실시예 4에 따라 증착된 박막의 X선 반사법에 의한 측정을 보여주는 그래프.

도 10은 본 발명의 실시예 4에 따라 증착된 박막의 인플레인 ZnO(101)에서의 스캔을 보여주는 그래프.

도 11a 내지 11d 는 각각, 비교예 1, 본발명의 실시예 3, 비교예 2 및 본발명의 실시예 5에 따라 증착된 박막의 표면 거칠기를 AFM으로 측정한 사진.

도 12는 본 발명에 그리드가 설치된 플라즈마 증착장치에서 기판에 가해지는 산소이온이 백분율을 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 진공조 6 : 플라즈마 전력원

2 : 타깃 7 : 진공 시스템

3 : 캐소우드 8 : 가림판

4 : 애노우드 9 : 그리드

5 : 기판 10 : 직류 전원 공급 장치

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 플라즈마를 발생시킬 수 있고 내부에서 산화물 타깃을 구비하는 진공조내에 기판을 배치하는 단계와 상기 기판의 상부에 그리드를 설치하여, 상기 기판이 상기 그리드에 의해 상기 산화물 타깃으로 부터 가리워지도록 하는 단계와; 상기 그리드에 양(+)의 바이어스전압을 가하면서, 상기 진공조내에서 산소 플라즈마를 포함하는 플라즈마를 발생시켜서 상기 기판상에 산화물을 스퍼터링 증착하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명은 특히 스퍼터링 증착동안에, 기판상에 설치된 그리드에는 양(+)의 바이어스 전압이 인가되는 것을 주요한 특징으로 한다. 그리고, 본 발명에 따른 방법에 사용되는 반응조내에 구비되는 산화물 타깃으로는, 모든 종류의 산화물이 사용되는 데, 바람직한 예로는, 바륨-페라이트 산화물, Y₁Ba₂Cu₃O_X,Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_X와 같은 고온초전도 산화물, MgO, TiO₂, RuO₂, SiO₂와 같은 산화물등이 있다.

본 발명에 따른 방법을 수행하기 위하여 도 4에서 개략적으로 도시된 스퍼터링 증착 장치를 이용할 수 있다. 도 4에서, 도 1에서와 동일 기능을 하는 동일 부재에 대하여는 동일 도면 부호가 사용된다.

도 4에서 도시된 스퍼터링 증착 장치는, 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 전력원(6)이 연결되고 화살표로 도시된 바와 같이, 내부에 산소 및 알곤과 같은 기체가 도입되는 진공조(1)를 포함한다. 진공조(1)의 내부에, 기판(5)은 음으로 대전된 타깃(2)와 동일한 축상에 배치되고, 기판(5)의 상부에는 기판(5)과 소정거리 이격된 위치에서 그리드(9)가 설치되어 있다. 그리드(9)는 도 5에서 도시된 바와같은 다수개의 관통공(9a)을 갖는 평판으로 이루어져 있다. 그리고, 그리드(9)에는 그리드(9)에 양(+)의 바이어스전압을 인가하기 위한 직류전원 공급장치(10)가 연결되어있다.

이와같은 스퍼터링 증착 장치를 이용하여 기판상에 박막을 형성하는데 있어서, 플라즈마 전력원(6)으로 인해서 발생한 (+)로 이온화된 플라즈마 기체는 음으로 바이어스가 가해진 타깃(2)에 충돌하여 스퍼터링된 후, 소정의 온도로 유지되는 기판(5)에 날아가서 증착된다. 이러한 증착동안, 플라즈마내에 필연적으로 발생되는 산소 음이온은 양(+)의 바이어스전압이 가해지는 그리드(9)쪽으로 유도되어 중성화되거나 그리드(9)로부터 튕겨져 나가게 되어 기판(5)상에 입사되는 것이 방지된다. 또한, 그리드(9)는 중성 산소이온, 알곤 입자 등을 차단시키는 역할도 겸하게 되어 증착된 박막의 에피택시 정도를 증가시킨다.

이하, 타깃물질로 산화아연(ZnO)을 사용한 실시예에 의해 본 발명을 더욱 자세히 설명하기로 한다.

비교예 1

도 1에서 도시된 장치를 이용하여 하기의 조건에 따라 기판에 대한 스퍼터링 증착을 수행했다:

기본압력: 10^-6Torr

플라즈마 기체: 알곤(99.99%), 산소 (99.999%)

공정압력: 12x10^-3Torr

파워: 20W

기판: 사파이어 (0002)

타깃: ZnO

기판온도: 450℃

증착시간: 5시간

그리드 바이어스 전압: 인가되지 않음

이 실시예에서 기판상에 형성된 박막에 대하여 측정된 X선 회절법에서 세타락킹 (θ-rocking) 반가폭(FWHM)은 2.53°로 비교적 크고, 표면 거칠기도 109Å으로 컸다. 여기서, 세타락킹 반가폭이 작을수록 에피탁시 정도는 큰 것이고, 표면 거칠기가 작을수록 산소 음이온의 기판에 대한 입사가 적은 것이다.

실시예 1

도 4에 도시된 장치를 이용하여 하기의 조건에 따라 기판에 대한 스퍼터링 증착을 수행했다:

기본압력 : 10^-6Torr

플라즈마 기체 : 알곤 (99.99%), 산소 (99.999%)

공정압력 : 12x10^-3Torr

파워 : 20W

기판 : 사파이어 (0002)

타깃 : ZnO

기판온도 : 450℃

증착시간 : 5시간

그리드 바이어스: 20V

이렇게 증착된 박막에 대하여 측정된 세타락킹 반가폭은 1.84°였고, 표면 거칠기도는 63A°였다.

실시예 2

그리드 바이어스가 50V라는 것을 제외하곤, 실시예 1에서와 동일한 조건에 따라 스퍼터링 증착을 수행했다. 이렇게 증착된 박막의 세타락킹 반가폭은 1.57°였고, 표면 거칠기도는 70A°였다.

실시예 3

그리드 바이어스가 100V라는 것을 제외하곤, 실시예 1에서와 동일한 조건에 따라 스퍼터링 증착을 수행했다. 이렇게 증착된 박막의 세타락킹 반가폭은 1.21°였고, 표면 거칠기도는 15A°이다.

실시예 4

그리드 바이어스가 150V라는 것을 제외하곤, 실시예 1에서와 동일한 조건에따라 스퍼터링 증착을 수행하였다. 이렇게 증착된 세타락킹 반가폭은 1.73°였고, 표면거칠기도는 17A°였다.

비교예 2

기판 온도가 200℃라는 것을 제외하곤, 비교예 1에서와 동일한 조건에 따라 스퍼터링 증착을 수행하였다. 이렇게 증착된 박막의 세타락킹 반가폭은 2.46°였고, 표면 거칠기도는 약 28 A°였다.

실시예 5

기판 온도가 200℃라는 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 동일한 조건에 따라 스퍼터링 증착을 수행하였다. 이렇게 증착된 박막의 세타락킹 반가폭은 1.82°였고, 표면 거칠기도는 약 15 A°이었다.

실시예 6

기판온도가 200℃라는 것을 제외하고는, 실시예 2에서와 동일한 조건에 따라 스퍼터링 증착을 수행하였다. 이렇게 증착된 박막의 세타락킹 반가폭은 3.09°였고, 표면 거칠기도는 9A°였다.

실시예 7

기판온도가 200℃라는 것을 제외하고는, 실시예 4에서와 동일한 조건에 따라 스퍼터링 증착을 수행하였다. 이렇게 증착된 박막의 세타락킹 반가폭은 4.82였고, 표면 거칠기는 18A°였다.

이상의 비교예 1 및 2 및 실시예 1 내지 7의 결과를 종합하면, 스퍼터링 증착동안에 ZnO의 타킷물질을 사용하여 스퍼터링시키는 경우, 기판은 약 200 ℃ 내지약 450℃의 온도로 유지되는 데, 약 200℃이하에서는 ZnO 박막의 결정성이 불량하며, 또한 약 450℃이상의 온도에서는 온도가 높을수록 후속공정에서 문제가 야기될 수 있으므로 위의 범위로 제한하는 것이 바람직하다. 이는 타킷물질의 종류에 따라서 변할 수 있음은 물론이다. 또한 바이어스 전압은 약 20V 내지 약 150 V가 바람직하며, 약 20 V이하에서는 효과가 미미하고, 바이어스 전압이 약 150 V이상에서는 오히려 역효과가 나타난다. 바이어스 전압 또한 산화물 타깃의 종류에 따라서 다양하게 변경될 수 있다. 기판의 온도를 약 450℃로 유지하는 경우에는 도 6에서 도시한 바와같이, 그리드를 하지 않았을 때 (비교예 1) 보다 100V정도의 적당한 그리드 바이어스를 가했을 때 (실시예 3) X선 회절 피크의 강도가 가장 커진다. 이것으로부터 ZnO의 결정성 및 모자이크 성(mosaicity)는 약 100 V의 그리드 바이어스 전압을 인가하였을 때 가장 양호하였음을 알 수 있다. 또한, 에피택시의 정도를 가늠할 수 있는 세타락킹의 반가폭에 있어서도, 도 7a에서 도시한 바와같이, 그리드 바이어스를 가하지 않았을 때 (비교예 1)보다 그리드 바이어스를 가했을 때 (실시예 1 내지 4)가 적다. 이는 본 발명에 따라 증착된 박막이 종래기술에 따라 증착된 박막에 비해 에피택시 정도가 윌등함을 의미하는 것이다. 이와같은 경향은 도 7b에서 도시한 바와같이 인 플레인(in-plane), 아웃오브플레인(out-of-plane)방향의 도메인 크기에서도 관찰된다. 즉, 그리드가 없을 때(비교예 1)보다 그리드를 가했을 때 (실시예 1 내지 4)가 도메인의 크기가 커지며, 특히 실시예 3와 같이 적당한 그리드 바이어스를 가했을 때 박막의 도메인이 크게 성장했다. 이는 박막의 결함이 매우 감소하였음을 의미하는 것이다.

기판의 온도가 200℃로 유지되는 경우에는, 도 8a에서 도시한 바와같이, 그리드 바이어스가 20V(실시예 5)일 때 세타락킹의 반가폭이 가장 작다. 그리고, 도메인의 크기는 도 8b에서 도시한 바와같이, 20V의 그리드 바이어스를 가했을 때 (실시예 5) 가장 크다. 따라서, 기판의 온도를 200℃로 유지하는 경우에 있어서는 실시예 7에서와 같이 20V의 그리드 바이어스를 가했을 때 박막의 에피택시성이 좋아지고 도메인의 크기로 커진다. 또한, 본 발명의 실시예 1 내지 7에서와 같이 그리드 바이어스를 가했을 때는 박막의 표면과 계면이 평탄하게 증착되고, 표면 반사율도 높고, 에피택시로 증착된다. 특히, 기판온도가 450℃로 유지되고 그리드 바이어스가 100V인 조건하에서 증착되는 박막(실시예 3)은 X선 반사법에 의한 측정을 보여주는 도 9에서 도시한 바와같이, 표면과 계면이 아주 평탄하게 증착되고, 표면 반사율도 높다. 도 9의 그래프에서 X선 반사율이 아주 크게 관찰되고, 또한 오실레이션이 명확하게 관찰되었다는 것은 박막의 표면 및 계면이 매우 평탄함을 알 수 있다. 그리고, 실시예 3에서 증착된 박막은 인플레인상에서 ZnO(101)를 관찰한 도면인 도 10에서 도시한 바와같이, 60°간격으로 회절피크가 존재하는 것으로 보아 에피택시로 증착되었음을 알수 있다.

또한, 그리드 바이어스를 가하면, 증착되는 박막의 표면 거칠기를 감소시킨다. 도 11a 내지 11d는 비교예 1(도 11a), 본 발명의 실시예 3(도 11b), 비교예 2(도 11c) 및 본 발명의 실시예 5(도 11d)에서 증착된 박막의 표면 거칠기를 AFM(Atomic Force Microscope)으로 측정한 것을 보여주는 사진이다. 비교예 1(도11a) 비교예 2(도11c)와 같이 그리드 바이어스를 가하지 않았을 때 보다 실시예 3(도11b) 및 실시예 5(도11d)와 같이 그리드 바이어스를 가했을 때 표면 거칠기도가 감소되었다.

도 12는 본 발명에 따른 그리드의 주위에 형성된 전기장이 형성되었을 때의 전기장이 형성되었을 때의 기판에 가해지는 전체 이온에너지 및 기판에 도달하는 산소이온의 백분율을 나타낸다. 도12에 근거하여 본 발명에 따른 그리드의 작용을 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 살펴보면, 일단 그리드 주위에 도12와 같은 전기장이 형성되게 된다. 그 결과, 다수의 관통공을 갖는 그리드에 인가하는 (+) 전압이 증가하면, 산소음이온이 기판에 도달하는 퍼센티지가 급격히 줄어 듬을 알 수 있었고, 산소음이온이 기판에 주는 전체에너지는 어떤 일정한 전압에서 최소화됨을 알 수 있었다.

본 발명은 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 실시예는 하나의 예시에 불과하다. 본 실시예에서는 타깃물질로서 ZnO을 사용한 경우에 대한 실시예를 제시하고 있지만, 모든 산화물에도 본 발명의 원리가 적용될 수 있음은 이 분야의 통상의 지식을 가진자에게 자명하다. 예를 들면, 바륨-페라이드 산화물, Y₁Ba₂Cu₃Ox,Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃Ox와 같은 고온초전도 산화물, MgO, TiO₂, RuO₂, SiO₂, Bi₂O₃, Zr-Ce 산화물, CeO₂, WO₃, CdO, ITO, NiO, FeO, Fe₂O₃, Al₂O₃, ZrO₂, SnO₂, VO₂, V₂O₅, Ta_xO_y와 같은 산화물의 타깃물질에도 본 발명의 원리가 적용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와같이, 본 발명의 박막 형성 방법은 진공조내에서 스퍼터링 증착동안 그리드에 양(+)의 바이어스 전압을 인가함으로써, 산소 음이온이 기판상의 박막내로 입사되는 것을 최대한 방지하여, 박막의 구조에 나쁜 영향을 미치는 요인을 제거할 수 있다. 특히 산소 음이온에 의한 표면 거칠기의 증가를 감소시킬 수 있다. 그리고, 본 발명의 방법은 그리드에 양(+)의 바이어스전압을 이용함으로써, 증착되는 박막의 C-축 배향성을 크게 할 수 있으며, 박막이 단결정, 즉 에피택시로 성장할 경우에는 에피택시의 정도를 크게 할 수 있다.

Claims

플라즈마를 발생시킬 수 있고 내부에서 산화물 타깃을 구비하는 진공조내에 기판을 배치하는 단계와;

상기 기판의 상부에 그리드를 설치하여, 상기 기판이 상기 그리드에 의해 상기 타깃으로부터 가리워지도록 하는 단계와;

상기 그리드에 (+)바이어스를 가하면서, 상기 진공조내에서 산소 플라즈마를 포함하는 플라즈마를 발생시켜서 상기 기판상에 산화물을 스퍼터링 증착하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 기판상에 박막을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 산화물 타깃은 ZnO, 바륨-페라이드 산화물, Y₁Ba₂Cu₃Ox,Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃Ox, MgO, TiO₂, RuO₂, SiO₂, Bi₂O₃, Zr-Ce 산화물, CeO₂, WO₃, CdO, ITO, NiO, FeO, Fe₂O₃, Al₂O₃, ZrO₂, SnO₂, VO₂, V₂O₅, Ta_xO_y로 이루어진 그룹에서 선택된 산화물로 구성됨을 특징으로 하는 기판상에 박막을 형성하는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 산화물 타깃은 ZnO이며, 기판은 증착동안 200℃ 내지 450℃의 온도로 유지되고, 상기 그리드에 가해지는 바이어스는 20V 내지 150V인 것을 특징으로 하는 기판상에 박막을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 기판은 상기 진공조내에서 상기 산화물 타깃과 동일한 축상에 배치되는 것을 특징으로 하는 기판상에 박막을 형성하는 방법.