KR100450380B1

KR100450380B1 - 박막형성장치 및 박막형성방법

Info

Publication number: KR100450380B1
Application number: KR10-2001-0052298A
Authority: KR
Inventors: 이와세히데오; 카메야마마코토; 키타니코지; 호시요이치
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2004-09-30
Also published as: JP2002069634A; US6562200B2; EP1184483A2; EP1184483A3; TWI224149B; US20020023831A1; EP1184483B1; DE60143335D1; KR20020018083A

Abstract

본 발명은 박막형성방법 및 장치에 있어서, 타게트와 기판이 스퍼터공간 및 성막공간 내에 각각 위치하고, 성막공간내의 압력은 스퍼터공간내의 압력보다 낮게 유지되고, 스퍼터입자가 그리드판과 기판사이의 거리보다 긴 평균자유행정으로 성막공간내에서 운동하기에 충분한 압력으로 유지되며, 타게트를 스퍼터하여 기판상에 박막을 형성하는 것이다.

Description

박막형성장치 및 박막형성방법{THIN-FILM FORMATION SYSTEM AND THIN-FILM FORMATION PROCESS}

본 발명은 박막형성장치 및 박막형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기본적으로 스퍼터공간과 성막공간으로 이루어진 챔버와 상기 스퍼터공간과 상기 성막공간사이에 배치된 그리드판을 가진 박막형성장치와, 이 장치를 사용하는 박막형성방법에 관한 것이다.

박막형성방법중의 하나인 스퍼터법은, 글로우방전에 의해 발생된 정이온입자를 부의 전위가 인가된, 타게트라 불리우는 막재료에 입사시키고, 진공중에 방출된, 스퍼터입자라 불리우는 박재료를 스퍼터링현상에 의해 기판에 퇴적시키는 박박형성방법이다.

증착법에 비해서 스퍼터법은, 스퍼터입자가 보다 높은 운동에너지를 가지기때문에 보다 우수한 특성을 가진 막을 형성 할 수 있다. 또, 이온 플레이팅과 같은, 기판에 재료입자를 입사시키기 위해 고에너지가 사용되는 다른 방법과 비교해도 장치의 구성이 간단하고, 우수한 프로세스재현성을 가진다고하는 특징을 가진다. 이러한 이유로, 스퍼터법은 예를들면 유리막의 코팅이나 반도체소자의 성막프로세스등, 박막의 공업적생산에 있어서 현재 가장 빈번하게 사용되는 성막법중의 하나이다.

그러나, 종래의 스퍼터법은 음주타게트와 양극챔버사이에 발생되는 글로우방전을 이용하기 때문에 진공챔버의 내부를 압력수백 mPa의 스퍼터가스라 불리우는 희귀가스로 채워야만 하였다.

도 1은 일반적인 스퍼터법을 실시하는 종래의 박막형성장치의 구성도이다. 여기에 도시한 진공챔버(2)는 타게트(3)와 성막시키기 위한 기판(8)이 서로 대략 평행하게 배치되어 있다. 상기 타게트(3)는 마그네트론스퍼터용의 음극부재에 고정되어있다. 이 음극부재는 타게트가 고정되고, DC전원으로부터 음극전압이 인가되는 백플레이트(4)와, 타게트(3)와 대략 평행한 면에 자계를 발생하는 복수의 자석과, 스퍼터링 현상으로부터 타게트(3)이외의 부재를 보호하는 시일드판(5)과, 타게트(3)를 냉각시키는 냉각수순환기(10)를 가진다.

진공펌프(1)가 진공챔버(2)에 부착되고, 이 진공챔버(2)에는, 플로우콘트롤러(9)를 통해서 아르곤가스가 도입된다. (11)은 아르곤분자를, (12)는 스퍼터입자를 나타낸다.

이 도면으로부터 알 수 있는 바와같이. 상기 진공챔버(2)내에 배치된 기판(8)과 타게트(3)는 성막중에 항상 스퍼터가스에 노출되어 있다.

한편, J. Vac. Sci. Technol., Vol. 11, No.4, July/Aug. 1974, pp. 666-670에는 상기 종래의 박막형성장치에 있어서의 막특성과 스퍼터가스사이의 관계에 대해서 간결하게 기술되어있다. 이에 의하면, 스퍼터가스의 압력의 증가와 함께 공기구멍(기포)이 많아지고 섬유구조를 가진 막이되는 것을 알 수 있다. 많은 기포와 섬유구조를 가진 막은 물리적으로 약하고, 화학적으로도 불안정하여, 많은 경우에 공업적 사용으로 부적합하다.

또, Electrochimica Acta 44(1999), PP. 3945-3952에는 스퍼터가스의 압력, 스퍼터가스의 기판에의 입사각(θ) 및 스퍼터입자의 운동에너지의 관계에 대하여 기재되어있다. 이에 의하면, 스퍼터가스의 압력이 높으면, 스퍼터입자는 낮은 운동에너지를 가지며, 기판에의 입사각(θ)은 크게 되는 것을 알 수 있다.

일반적으로, 낮은 운동에너지를 가진 막재료입자는 기판에 충돌한 후에 기판표면을 이동하는 거리가 짧아지고, 막표면의 최적의 위치에서 인정화할 가능성이 낮다. 또, 큰 입사각(θ)으로 낙하해서 기판에 비스듬히 입사하는 입자가 증가하면, 기판표면의 凹凸에 의한 사영(射影)효과 때문에 막은 많은 공극과 구멍을 가지게 된다.

상술한 바와같이, 스퍼터가스가 고압으로 되면, 타게트로부터 방출된 스퍼터입자는 기판에 도달하기 전에 스퍼터가스에 의해 산란되고, 큰 입사각(θ)으로 기판에 낙하하여, 막재료입자는 그 운동에너지를 잃고, 따라서 막질의 열화가 불가피하게 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 성막중에 스퍼터가스의 압력을 저하시키거나, 또는 스퍼터가스에 의해 야기되는 스퍼터입자의 산란효과를 제거하는 방법을 개발하는 것이 필요하게 되어왔다.

저압에서 실행할수 있는 스퍼터법으로써는, 예를들면, 진공, Vol. 35, No.2 (1992), pp. 70-75에 기재된 저전압스퍼터법과 J. Vac., Sci. Technol. All(6), Nov./ Dec. (1993), pp. 2980-2984에 기재된 셀프스퍼터법이 있다.

저전압스퍼터법은, 타게트에 인가되는 전위와 타게트표면에서의 자계강도를 올리는 것에 의해 플라즈마밀도를 올려서 저압력에서도 글로우방전을 계속시킬수 있는 방법이다.

셀프스퍼터법은, 스퍼터가스 대신에 막재료입자를 사용해서 플라즈마를 형성하는 방법이고, 진공챔버에 어떠한 스퍼터가스를 공급하지 않고 플라즈마를 형성할 수 있는 방법이다.

그러나, 이들 두 방법은, 어느 것이나 글로우방전을 안정화하기 어렵고, 낮은 성막속도를 가지며, 종래의 스퍼터법과 비교하여 막재료를 자유로 선택할 수 없다고 하는 실용상의 문제를 포함하고 있다.

또, 일본국 특개평 6-192829호에는 스퍼터실과 성막실을 분리하고, 스퍼터실과 성막실을 연결하는 구멍을 통해 스퍼터입자를 성막실로 도입하는 방법이 기재되어 있다.

이 방법은 성막실내의 압력을 스퍼터실보다 낮게하는 것이 가능하기 때문에, 성막 실내에서 막재료입자가 산란하는 것을 억제할 수 있다. 그러나, 스퍼터실의 내부는 종래의 스퍼터법의 경우와 대략 동일한 압력의 스퍼터가스로 채워져 있고, 스퍼터실내에서 산란된 막재료입자는 정류없이 기판에 도달한다. 이와같이, 이것은 스퍼터입자의 산란을 억제해서 기판에의 입사각을 완전히 균일하게 할 수 있는 방법은 아니다.

스퍼터가스의 압력을 내리지 않고 행해지는, 스퍼터입자의 정류만에 착안한 스퍼터법으로써는 콜리메이션(collimation)이 있다. 이 콜리메이션은 기판에의 스퍼터입자의 입사각을 제어하기 위해 기판과 타게트사이에 콜리메이터를 설치하는 방법이다. 그러나, 이 방법은 콜리메이터를 통과한 입자가 기판에 도달하기 전에 스퍼터가스에 의해 불필요하게 산란될 가능성이 있다.

상기한 바와같이, 종래의 스퍼터법은 스퍼터가스에 의해 야기되는 스퍼터입자의 산란의 영향을 완전히 제거할 수 없고, 양호한 바텀커버리지(bottom coverage)를 가지는 치밀하고 고품질의 박막을 제조하는 것이 어렵다.

본 발명의 목적은 상기한 종래기술이 가지는 문제점을 해결하고, 양호한 바텀카버리지를 가진 치밀하고 고품질의 박막을 형성할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 박막형성장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 박막형성장치의 제 1실시예를 나타내는 개략도.

도 3은 본 발명에서 사용되는 그리드판의 예를 나타내는 개략도.

도 4는 그리드판의 개구구멍의 횡단면과 여기를 통과하는 스퍼터입자의 모양을 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 박막형성장치의 제 2실시예를 나타내는 개략도.

도 6은 도 2에 도시한 성막챔버에 부착된 진공펌프가 500ℓ/sec.의 배기량을 가지는 경우의 그리드판의 개구구멍과 타게트의 부식영역사이의 위치관계를 나타내는 도면.

도 7은 본 발명에 따른 박막형성장치의 제 4실시예를 나타내는 개략도.

도 8은 본 발명에 따른 박막형성장치의 제 5실시예를 나타내는 개략도.

도 9는 본 발명에 따른 박막형성장치의 제 6실시예를 나타내는 개략도.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

(1),(21),(21'): 진공펌프 (2),(22): 진공챔버

(3),(23),(31): 타게트 (4),(24): 백플레이트

(25): 시일드판 (26): 스퍼터용 전원

(27): 자석 (8),(28): 기판

(28'): 기판홀더 (9),(29): 플로우콘트롤러

(30): 냉각수순환기 (11),(31): 이르곤분자

(12),(32): 스퍼터입자 (33): 게이트밸브

(34): 스퍼터공간 (35): 성막공간

(36): 그리드판 (36'): 망형상의 전극

(37): 격리벽 (38): 개구구멍

(39'): 가변전원 (40): 부식영역

(41): 그리드판의 고정지그 (41'): 진동발생기구

(42): 홀더고정부분 (43) 고정지그

(43'): 회전운동발생기구

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 스퍼터공간과 성막공간으로 이루어진 챔버와 상기 스퍼터공간과 성막공간사이에 배치된 그리드판을 가진 스퍼터장치에 의해 박막을 형성하는 방법에 있어서, 스퍼터공간과 성막공간에 각각 타게트와 기판을 위치시키는 단계와;

스퍼터공간내의 압력보다 성막공간내의 압력을 더 낮은 압력으로 유지하고, 스퍼터입자가 그리드판과 기판사이의 거리보다 긴 평균자유행정으로 성막공간내에서 운동하기에 충분한 압력으로 유지하는 단계와;

기판에 박막을 형성하기 위해 타게트를 스퍼터링하는 단계로 이루어진 박막형성방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 또,

내부에 타게트를 위치시키기 위한 스퍼터공간과 내부에 박막이 형성되는 기판을 위치시키기 위한 성막공간으로 이루어진 챔버와;

스퍼터공간과 성막공간 사이에 배치된 그리드판과;

성막공간내의 압력을 스퍼터공간내의 압력보다 낮게 유지하고, 스퍼터입자가 그리드판과 기판사이의 거리보다 긴 평균자유행정으로 성막공간내에서 이동하기에 충분한 압력으로 유지하는 압력제어수단으로 이루어진 박막형성장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 있어서, 스퍼터는 기본적으로 스퍼터공간과 성막공간으로 이루어진 진공실내에서 행해진다, 그리드(그리드판)는 스퍼터공간과 성막공간 사이에설치되고, 성막공간내의 압력은 스퍼터공간 내의 압력보다 낮은 압력으로 유지되고, 스퍼터입자가 그리드판과 기판사이의 거리보다 긴 평균자유행정으로 성막공간내에서 이동하기에 충분하 압력으로 유지된다.

본 발명에서 발하는 "평균자유행정"이라는 것은 운동하는 어느 입자가 다른 입자와 충돌할 때까지의 평균거리를 의미하는 것으로, 일반적으로, 2개의 성분(A) 및 (B)을 포함하는 기체의 평균자유행정은 각 기체의 분자수밀도와 분자반경에 의존한다. 그러나, 스퍼터가스의 분자수밀도는 스퍼터입자의 분자수밀도보다 충분히 크고, 스퍼터입자는 스퍼터가스와 같이 통상 단원자이기 때문에, 그 분자반경은 스퍼터가스의 것과 크게 다르지는 않다. 따라서, 이러한 조건하에서 평균자유행정(λ)은 다음과 같이 표현할 수 있다.

λ= 3.1 ×10^-24×T/(σ²P)

여기에서, 스퍼터가스의 압력은 P(㎩), 직경은σ(m), 온도는 T(K)이다.

일반적으로 스퍼터법에 있어서는, 진공실의 내부는 0.1∼1㎩의 스퍼터가스로 채워져 있다. 예를들어, 0.4㎩의 압력과 25℃의 온도를 가진 아르곤가스가 사용되는 것으로 가정하면, 평균자유행정(λ)은 1.8㎝이다. 스퍼터공간의 내부는 스퍼터를 행하기 위한 상태로 유지되어있다. 글로우방전을 일으키기 위해, 타게트와 그 리드사이의 거리는 적어도 1㎝이상으로 유지되어야 한다. 타게트와 그리드사이의 거리를 1.8㎝로 가정하면, 스퍼터가스는 그리드를 통과할 때까지 평균해서 1회정도 스퍼터가스와 충돌한다.

그러나, 성막공간내의 압력이 스퍼터공간내의 압력보다 낮으면, 예를들면, 성막공간내의 압력이 0.04㎩이면, 평균자유행정(λ)은 18㎝이고, 여기에서 그리드와 기판사이의 거리가 4㎝라고 가정하면, 스퍼터입자는 약 0.22회 스퍼터가스와 충돌한다. 평균해서 약 0.22회의 충돌회수는 성막을 위해서는 거의 무시할 수 있는 회수이다.

이러한 상황하에서, 어느 방향으로의 속도를 가진 입자만을 그리드에 의해 성막공간으로 인도할 수 있는 한, 그리드를 통과하여 정류된 스퍼터입자는 스퍼터가스에 의해 산란되는 일없이 동일한 입사각으로 기판표면에 낙하한다. 따라서, 이것은 양호한 바텀커버리지를 가진 치밀하고 고품질의 박막의 형성을 가능하게 한다.

또, 본 발명에 있어서는, 기판에 입사하는 전기적으로 정 또는 부의 입자의 양을 그리드의 전위 또는 망형상의 전극의 전위에 따라서 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예를 유첨도면을 참조해서 이하 설명한다.

(실시예 1)

도 2는 본 발명에 따른 박막형성장치의 제 1실시예를 나타내는 개략도이다. 도 2에 있어서, (21)은 배기수단으로써 기능하는 진공펌프, (22)는 진공챔버, (23)은 타게트, (24)는 백플레이트, (25)는 시일드판, (26)은 글로우방전을 일으키기 위한 스퍼터용 전원, (27)은 자석, (28)은 기판, (28')는 기판홀더, (29)는 가스공급계에 설치된 플로우컨트롤러, (30)은 타게트(23)를 냉각시키는 냉각수단으로써의 냉각수순환기, (31)은 아르곤분자, (32)는 스퍼터입자이다.

진공챔버(2)의 내부는 1이상의 어스펙트비를 가진 복수의 개구구멍(38)을 가진 그리드판(36)과 격리벽(37)에 의해 타게트(23)가 설치된 스퍼터공간(34)과 성막시키기 위한 기판(28)이 설치된 성막공간(35)으로 나누어진다.

스퍼터공간(34)의 제 2배기수단으로써 기능하는 진공펌프(21')에 연통되어 있다. 이 진공펌프(21')는 공기와 같은 불순물로써 잔류한 가스를 성막전에 배기하는 수단이며, 그 게이트밸브(33)가 성막중 닫혀지도록 구성되어 있다.

도 3은 본 발명에서 사용되는 그리드판(36)의 예를 나타낸다. 이 예에 있어서, 그리드판(36)은 각 대각선(h)의 길이가 5㎜인 6각형프리즘형태의 약 250개의 개구구멍이 직경 13㎝ 및 두께 10㎜의 스테인리스-스틸원판에 형성된 형상을 하고 있다. 각 개구구멍을 6각형의 횡단면을 가지게 하는 것에 의해, 개구구멍을 그리드판위에 상당한 정도로 치말하게 배치할 수 있다. 예를들면, 아르곤가스를 흐르게하면, 개구구멍은 각각 0.6ℓ/sec의 콘덕턴스를 가지며, 전체의 그리드는 150ℓ/sec.의 콘덕턴스를 가진다. 또, 개구구멍은 3각형, 4각형, 또는 5각형과 같은 다른 다각형의 횡단면을 가져되 되며, 원형이나 타원형의 횡단면을 가져도 된다.

이 박막형성장치를 이용한 박막의 형성은 다음과 같은 방법으로 행해진다.

타게트(23)를 백플레이트(24)를 개재해서 마그네트론스퍼터용의 음극에 고정하고, 또 기판홀더(28')상에 기판(28)을 설치한다. 그리고, 진공펌프(21) 및 (21')를 동작시켜 진공챔버(22)의 내부를 배기시킨다. 그 후, 플로우콘트롤러(29)를 통해 진공챔버(22)에 아르곤가스(Ar)와 같은 스퍼터가스를도입한 상태에서 게이트밸브를 폐쇄하고, 진공챔버는 동작을 계속시킨다.

스퍼터공간(34)내의 압력과 성막공간(35)내의 압력을 각각 소정의 압력으로 유지하고, 전원(26)으로부터 DC전압을 인가하여 스퍼터가스의 글로우방전을 일으킨다. 여기에서, 성막공간(35)내의 압력은, 스퍼터입자가 그리드판(36)과 기판(28)사이의 거리보다 평균자유행정으로 이동하도록 제어된다. 타게트(23)앞에서 글로우방전에 의해 발생된 정의 아르곤이온은 타게트에 입사하고(충돌하고), 이에의해 타게트표면이 스퍼터링된다. 이렇게해서 깨어져나온 타게트구성입자(즉, 스퍼터입자)의 일부는 그리드판(36)의 개구구멍(38)을 통과하고 성막공간(35)을 거쳐서 기판(28)의 표면에 도달해서 그 위에서 막을 퇴적된다.

도 4는 그리드판(36)의 개구구멍(38)의 횡단면과 여기를 통과하는 스퍼터입자(38)의 모양을 도시한다. 스퍼터공간(34)으로부터 그리드판(36)의 개구구멍(38)으로 들어가는 스퍼터입자(2)는 여러방향으로의 속도를 가진다. 그러나, 도 4로부터 알 수 있는 바와같이, 그리드판(36)에 충돌하지 않고 개구구멍(38)을 통과하는 스퍼터입자(32)는 θ= tan^-1(D/T)로 표현되는 통과임계각(θ)이하의 입사각을 가지는 것들만이고, 그보다 큰 입사각을 가지는 것들은 그리드판(36)에 충돌하여 거기에서 포획되고, 그리드판을 통과할 수 없다. 여기에서, D는 개구구멍의 직경의 최대치이고, T는 개구구멍의 깊이이며(여기에서는 그리드판의 두께와 동일하다), T/D는 어스펙트비로 칭해진다.

예를들면, 10㎜/5㎜=2의 어스펙트비를 가진 개구구멍(38)을 가진그리드판(36)이 사용되는 경우, θ= 27°보다 작은 각도로 그리드판(36)에 입사하는 스퍼터입자만이 그리드판(36)을 통과할 수 있다.

예를들면, 이르곤에 대해 2000ℓ/sec의 배기량을 가진 펌프를 진공펌프(21)로서 사용하는 경우, 스퍼터공간(34)과 성막공간(35)은 모두 성막도중 상기 진공펌프(21)만을 사용해서 배기되기 때문에, 아르곤가스가 플로우콘트롤러(29)를 개재해서 33sccm의 유속으로 스퍼터공간(34)에 공급되어 글로우방전을 일으킨다. 이 경우, 그리드판(36)은 콘덕턴스와 진공펌프(21)의 배기량 사이의 관계 때문에, 스퍼터공간(34)내의 압력과 성막공간(35)내의 압력은 0.4㎩ 및 0.028㎩로 각각 되고, 이와같이하여 1자리수(figure)이상의 차압을 부여할수 있다.

여기에서, 스퍼터공간내의 스퍼터입자의 평균자유행정은 1.8㎝이고, 성막공간내의 스퍼터입자의 평균자유행정은 26㎝이다. 그리드판(36)과 타게트(23)사이의 거리(L1)를 2㎝로 설정한다고 가정하면, 그리드판(36)과 기판(28)사이의 거리(L2)는 4㎝이고, 스퍼터입자(32)는 기판(28)에 도달할 때까지 스퍼터공간(34)내에서 약 1.1회, 그리고 성막공간내에서 약 0.15회 스퍼터가스(아르곤분자(31), 도 2참조)와 충돌한다. 이와같이하며, 27°보다 작은 입사각때문에 그리드판(36)을 통과할 수 있는 스퍼터입자(32)는 스퍼터가스(아르곤분자(31))에 의해 성막공간(35)내에서 거의 산란되지 않으며, 그들의 입사각분포를 유지하면서 기판(28)에 도달할 수 있다.

(실시예 2)

도 5는 본 발명에 따른 박막형성장치의 제 2 실시예를 나타내는 개략도이다.이 실시예에 있어서, 상술한 실시예 1의 구성외에, 인가전압의 극성과 전압치를 변경할 수 있는 가변전압DC(직류)전원(39)이 그리드판에 접속된다. 도 5에 있어서, 도 2에서와 동일한 부재에는 그에 관한 상세한 설명의 반복을 피하기 위해 동일한 참조번호를 표시하였다. 참조번호(36')으로 표시한 구성 부품은 그리드판(36)과 기판(28)사이에 필요에 따라 설치되는 망형상의 전극이다. 그리고, 망형상의 전극의 전위가 플라즈마의 전위와는 다르도록, 전압인가수단으로써의 가변전압전원(39')으로부터 망형상의 전극(36')에 소정의 전압이 인가된다.

종래의 스퍼터법에 있어서는, 기판(28)앞에서 플라즈마가 형성되고, 이와같이 하여, 높은 에너지를 가진 이온 또는 전자가 기판(28)에 입사하는 것을 방지할 수 없고, 따라서 형성된 막의 특성은 이러한 고에너지 하전입자에 의해 영향을 받는다.

또 5에 도시한 바와같이, 가변전압DC전원(39)은 그리드판(36)에 접속되고, 챔버에 대한 스퍼터공간(34)의 전위는 소정의 값으로 설정되고, 이에의해 기판(28)에 입사하는 하전입자를 제어할 수 있다. 통상, 플라즈마는 챔버벽에 대하여

+20∼+30V만큼 더 높은 전위로 된다. 따라서, 그리드판(36)이 플라즈마전위보다 더 높은 전위를 가질 수 있도록 그리드판(36)에 정의 전압을 인가해도되며, 이렇게 하여 플라즈마의 정의 아르곤입자가 성막공간(35)에 침입하여 기판에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 역으로, 소정의 전압(예를들면, 부의 전압)을 그리드판(36)에 인가하여, 플라즈마전위보다 낮은 전위를 가질 수 있도록해도 되며, 이에의해 부의 이온(예를들면, 전자)이 성막공간(35)에 입사하는 것을 방지할 수 있다.

플라즈마의 정이 아르곤이온이 기판(28)에 입사하는 것을 방지하기 위한 다른 수단으로써, 도 5에 도시한 바와같이 그리드판(36)과 기판(28)사이에, 플라즈마 전위보다 높은 전위로 설정하고, 콘덕턴스의 변화를 무시할 수 있는 수준인 망형상의 전극을 설치해도 된다. 이것은 플라즈마의 전위가 영향을 거의 받지않는 것을 가능하게 하고, 더욱 바람직한 효과를 가져온다. 또, 기판(28)에 적당한 바이어스전압을 인가해서 기판(28)이 플라즈마전위보다 높은 전위를 가질 수 있게 하여도 된다.

예를들면, 본 실시예의 박막형성장치는 바람직하게는 탄탈과 같은 복수의 결정구조를 가정할 수 있는 재료의 막을 형성할 때 사용해도 된다. 하전입자가 막에 격렬하게 충돌하면, β-Ta(정방정계)뿐만 아니라 α-Ta(체심입방정계)가 형성되는 경향이 있다. 따라서, 그리드판에 인가되는 바이어스전압 또는 기판에 인가되는 바이어스 전압을 제어해서 상기한 경향을 이용하여 소망의 결정구조를 가진 탄탈막을 형성할 수 있도록 해도된다.

(실시예 3)

상기한 실시예 1 및 2에 있어서, 성막공간(35)에 취부된 진공펌프(21)가 작은 배기량을 가지는 경우, 도 3에 도시한 그리드판(36)을 사용하면 배기량과 그리드판컨덕턴스의 비를 너무 작게하여 충분한 차압을 얻을 수 없다. 이 경우, 전체 그리드판의 콘덕턴스를 저하시키기 위하여 그리드판내의 개구구멍의 백분률을 저하되어야한다.

도 6은 도 2에 도시한 성막공간(35)에 취부된 진공펌프(21)가 500ℓ/sec의배기량을 가진 경우에 그리드판(36)의 개구구멍(38)과 타게트(23)의 부식(erosion) 영역사이의 관계를 도식화한 것이다. 이 배기량의 경우에, 실시예 1과 동일한 차압을 제공하기 위하여는 38ℓ/sec의 콘덕턴스를 가져야한다. 따라서, 개구구멍(38)의 수는 약 25(실시예 1에서는 약 250)로 감소되어야 한다. 개구구멍의 수가 한정되기 때문에, 스퍼터입자가 통과해서 고속으로 막이 형성될 수 있도록 개구구멍(38)은 그리드판(36)위에 배치되어야 한다.

만일 스퍼터공간(34)내에서 스퍼터가스(아르곤분자(31))에 의한 스퍼터입자의 산란을 무시하면, 도 6에 도시한 바와같이, 타게트의 부식영역(40)으로부터 방출된 스퍼터입자(32)는 직선의 궤도(α)를 그리면서 그리드판(36)의 개구구멍(P)을 통과한다. 그러나, 개구구멍(Q)과 개구구멍(R)은 부식영역(40)으로부터 날라오는 스퍼터입자를 통과시킬수 없다. 따라서, 그리드판(36)의 개구구멍은 도 6의 점선으로 그려진 원(C1)의 외부에 그리고, 원(C2)의 내부에 배치되어야 한다. 즉, 성막공간(35)쪽으로부터 그리드판(36)의 개구구멍을 통해 부식영역(40)을 볼 수 있는 이러한 개구구멍만이 스퍼터입자(32)를 통과시킬 수 있고, 이와같이하여, 이러한 영역에만 개구구멍이 형성된다.

도 6에 도시한 예에 있어서, 타게트(23)는 직경 110㎜의 원형을 가진다. 그 부식영역(40)은 타게트중앙을 중심으로한 반경 2㎝의 원주와 반경 4㎝의 원주사이의 영역에 있고, 그것은 도너츠(링형상)을 하고 있다. 그리고, 실시예 1에서 기술한 바와같이 개구구멍의 어스펙트비는 2이고, 그리드판(36)과 타게트(23)사이의 거리 L1은 2㎝이기 때문에, 원(C1)은 반경 0.5㎝를 가진 원이고, 원(C2)는 반경5.5㎝를 가진 원이다. 모든 개구구멍은 이들 원(C1)과 (C2)사이에 끼워진 링형상의 영역내에 형성되어 있다. 도 6으로부터 알 수 있는 바와같이, 부식영역(40)은 성막공간쪽으로부터 상기 영역내에 있는 개구구멍(38)을 통해 볼 수 있다.

스퍼터공간(34)에 있어서는, 스퍼터가스의 압력이 높기 때문에, 스퍼터입자의 산란이 일어난다. 그러나, 스퍼터입자가 그리드판(36)에 도달할 때까지 평균산란회수는 1회정도이기 때문에, 스퍼터입자가 산란되지 않는 것으로 가정하고 개구구멍이 배치되는 영역을 결정하여도 실용상 문제는 발생하지 않는다.

(실시예 4)

도 7은 본 발명에 따른 박막형성장치의 제 4실시예를 나타내는 개략도이다. 본 실시예는 막두께의 균일성을 개선하기 위한 기구가 상술한 각 실시예에 막두께의 균일성을 높이기 위한 기구가 설치된 것이다. 도 7에 있어서, 도 2∼도 6과 동일한 부재에는 동일한 참조번호를 부여하고 그에 관한 각각의 상세한 설명의 반복은 생략한다. 도 7을 참조하면, 그리드판(36)은 격리벽(37)로부터 떨어져 설치되고, 도시된 바와같이 그리드판을 좌우로(타게트(23)에 평행한 방향으로)진동시키는 진동발생기구(41')를 가진 고정지그(41)에 의해 지지되어 있다. 그리드판(36)의 일부는 스퍼터입자를 통과시키지 않기때문에, 그리드판(36)과 기판(28)을 고정시킨 상태에서 성막하면, 막의 표면에는 개구구멍(38)의 형상에 의존하는 凹凸이 생길 수 있다. 이러한 막의 凹凸은 그리드판(36)을 좌우로 진동시켜서 기판에 대하여 개구구멍(38)의 위치를 시프트시킴으로써 방지할 수 있다.

필요에 따라서는 기판(28)을 고정하는 기판홀더(28')와 홀더의 고정부분(42)의 각각에 성막시에 기판을 움직이게하는(회전시키는)기구를 취부함으로써, 막두께를 더욱 균일하게 할 수 있다.

(실시예 5)

도 8은 본 발명에 따른 박막형성장치의 제 5실시예를 나타내는 개략도이다. 도 8에 있어서, 도 2∼도 7과 동일한 부내에는 동일한 참조번호를 부여하고, 그 각각에 관한 상세한 설명의 반복을 생략한다. 도 8을 참조하면, 실시예 4와 마찬가지로, 그리드판(36)은 격리벽(37)으로부터 떨어져서 설치되고, 도시된 바와같이 그리드판을 좌우로(타게트(23)에 평행한 방향으로)진동시키는 진동발생기구(41')를 가진 고정지그(41)에 의해 지지되어 있다.

도 8에 도시된 바와같이, 기판(28)을 고정하는 기판홀더(28')와 홀더고정부분(42)의 각각에는 성막시에 기판을 자전 및 공전시키는 기구를 취부하여 막두께를 더욱 균일하게 할 수 있다.

실시예 2와 마찬가지로, 그리드판(36)과 기판(28)사이에는 망형상의 전극(36')을 또 설치해도 된다. 그리고, 망형상의 전극의 전위가 플라즈마전위와는 다르도록 망형상의 전극(36')에 가변전원(39')으로부터 소정의 전압을 인가해서, 하전입자의 기판에의 입사는 제어(또는 촉진)한다.

(실시예 6)

도 9는 본 발명에 따른 박막형성장치의 제 6실시예를 나타내는 개략도이다. 도 9에 있어서, 도 2∼도 8과 동일한 부재에는 동일한 참조번호를 부여하고, 그 각각에 관한 상세한 설명의 반복을 생략한다. 도 7 및 도 8에 도시한 장치에 있어서, 기판(28) 및 타게트(23)과 평행하게 그리드판(36)이 진동되는 예가 도시되어 있다. 막이 개구구멍(38)의 형상에 의존하여 凹凸로 되는 것을 방지하기 위하여, 진동발생기구(41')를 축으로써 그리드판(36)이 그 중앙을 중심으로 회전하도록 하는 회전운동발생기구(43')를 가진 고정지그(43)로 대치하는 경우에도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 통상 그리드판(36)과 기판(48)사이의 거리가 짧을수록, 막은 그리드의 개구구멍 때문에 凹凸이 더욱 현저하게 된다. 따라서, 막이 그리드의 개구구멍에 의존해서 凹凸로 되는 것을 방지할 수 있도록 그리드판은 진동 및/또는 회전된다. 이것은 그리드판(36)과 기판(28)사이의 거리를 훨씬 더 짧게하는 것을 가능하게 한다. 이 경우, 스퍼터입자가 성막공간내에서의 산란을 보다 적게 할 수 있다.

그리드판의 진동 및/또는 회전은 그리드판(36)의 설치에 의해 막이 凹凸로 되는 것을 방지하는 것이고, 그리드판이 설치되지 않을 때에도 야기되는 막두께의 분포를 보정할 수는 없다. 후자의 경우에 있어서, 성막시에 기판을 이동(회전)시킬 수 있는 상기한 기구를 기판(28)을 고정하는 기판홀더(28')와 홀더고정부분(42)의 각각에 취부하는 경우에 막두께의 분포를 균일하게 할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예 이외에 다양하게 변형할 수 있으며, 청구의 범위를 벗어나지 않는한, 본 발명은 이러한 모든 변형을 포함한다.

이상 설명한 바와같이, 본 발명의 박막형성방법 및 장치에 의하면, 스퍼터가스에 의한 스퍼터입자의 산란의 영향을 없게하고, 기판표면에 정류된 스퍼터입자를입사시키는 것에 의해 박막중의 공기구멍(기포)의 발생을 억제하고, 치밀하고 고품질의 박막을 작성할 수 있다. 또, 스퍼터입자를 기판표면에 형성한 홈에 수직으로 입사시킨 경우, 바텀커버리지를 비약적으로 향상시킬 수 있다.

또, 지금까지의 스퍼터법에서는 제어할 수 없었던 고에너지하전입자의 기판에의 입사를, 그리드판에 전위를 인가하는 것에 의해 제어하는 것이 가능하게 되고, 필요에 따른 막특성을 얻을 수 있다.

그리드판에 의해 스퍼터입자의 통과가 제한되는 것에 의해 발생하는 막의 표면의 凹凸은 그리드판을 타게트에 대하여 평행하게 진동,또는 회전운동시키는 것에 의해 없앨수 있다.

본 발명은 이상과 같이 방전의 안정성이나 막재료의 선택 등을 실용화하는 데 있어서의 제약을 받는 일없이 뛰어난 특성의 박막을 제조할 수 있다.

또, 실시예 3에서와 같이, 그리드판위에 개구부를 적절하게 배치하는 것에 의해 실용상의 문제가 없는 성장속도를 얻을 수 있다.

상기한 발명의 효과는 박막을 보다 고도한 디바이스 등에 이용해가는 데에 중요한 것이고, 본 발명은 이들을 가능하게 하는 대단히 가치있는 것이다.

Claims

스퍼터공간과 성막공간으로 이루어진 챔버와, 상기 스퍼터공간과 상기 성막공간 사이에 배치된 그리드판을 가진 스퍼터장치에 의해서 박막을 형성하는 박막형성방법에 있어서,

스퍼터공간과 성막공간내에 각각 타게트와 기판을 설치하는 단계와;

성막공간내의 압력을 스퍼터공간내의 압력보다 낮은 압력으로 유지하고, 또한 스퍼터링 가스의 압력을 P(pa), 스퍼터링 입자의 직경을 σ(m), 상기 그리드판과 기판 사이의 거리를 L로 놓으면,

3.1 × 10^-24× T / (σ²P) > L

의 식을 만족시키도록 하는 압력으로 유지하는 단계와;

상기 타게트를 스퍼터링하여 기판에 박막을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
제 1항에 있어서, 상기 그리드판은 각각 1이상의 어스펙스비를 갖는 개구구멍을 가지는 것을 특징으로하는 박막형성방법.
제 1항에 있어서, 박막형성시에 그리드판의 전위가 스퍼터공간내에서 발생되는 플라즈마전위와는 다르도록 전압이 그리드판에 인가되는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
제 1항에 있어서, 상기 스퍼터장치는 상기 그리드판과 상기 기판사이에 망형상의 전극을 가지며, 박막형성시에, 망형상의 전극의 전위가 스퍼터공간내에서 발생되는 플라즈마의 전위와는 다르도록 전압이 망형상의 전극에 인가되는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
제 1항에 있어서, 박막형성시에, 기판의 전위가 스퍼터공간내에 발생되는 플라즈마의 전위보다 높게되도록 전압이 기판에 인가되는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
제 1항에 있어서, 박막형성시에, 상기 그리드판이 타게트에 평행하게 진동하는 것을 특징으로하는 박막형성방법.
제 1항에 있어서, 박막형성시에, 상기 그리드판이 회전하는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
제 1항에 있어서, 박막형성시에, 상기 기판이 챔버내에서 이동하는 것을 특징으로하는 박막형성방법.
제 1항에 있어서, 상기 그리드판이 각각 3각형, 4각형 및 6각형중 어느 하나의 횡단면형상을 가진 개구구멍을 가진 것을 특징으로하는 박막형성방법.
제 1항에 있어서, 상기 그리드판은 그리드판위에 뷸균일하게 분포하도록 배치된 복수의 개구구멍을 가진 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
제 1항에 있어서, 상기 그리드판은 그리드판위에 불균일하게 분포하도록 배치된 복수의 개구구멍을 가진 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
내부에 타게트를 설치하기 위한 스퍼터공간과 내부에 박막이 형성되는 기판을 설치하기 위한 성막공간으로 이루어진 챔버와;

스퍼터공간과 성막공간사이에 배치된 그리드판과;

성막공간내의 압력을 스퍼터 공간내의 압력보다 낮은 압력으로 유지하고, 또한 스퍼터링 가스의 압력을 P(pa), 스퍼터링 입자의 직경을 σ(m), 상기 그리드판과 기판 사이의 거리를 L로 놓으면,

3.1 × 10^-24× T / (σ²P) > L

의 식을 만족시키도록 하는 압력을 유지하기 위한 압력제어수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형성장치.
제 12항에 있어서, 상기 그리드판은 각각 1이상의 어스펙스비를 가진 개구구멍을 가진 것을 특징으로하는 박막형성장치.
제 12항에 있어서, 그리드판의 전위가 스퍼터공간내에 발생된 플라즈마전위와는 다르도록 그리드판에 전압을 인가하는 전원을 또 구비한 것을 특징으로하는 박막형성장치.
제 12항에 있어서, 그리드판과 기판사이에 배치된 망형상의 전극과, 망형상의 전극의 전위가 스퍼터공간내에서 발생되는 플라즈마의 전위와는 다르도록 망형상의 전극에 전압을 인가하는 전원을 또 구비한 것을 특징으로하는 박막형성장치.
제 12항에 있어서, 기판의 전위가 스퍼터공간내에서 발생되는 플라즈마의 전위보다 높도록 기판에 전압을 인가하는 전원을 또 구비한 것을 특징으로하는 박막형성장치.
제 12항에 있어서, 그리드판을 타게트에 평행하게 진동시키는 구동수단을 또 구비한 것을 특징으로하는 박막형성장치.
제 12항에 있어서, 상기 그리드판을 회전시키는 구동수단을 또 구비한 것을 특징으로하는 박막형성장치.
제 12항에 있어서, 챔버내에서 기판을 이동시키기 위한 구동수단을 또 구비한 것을 특징으로하는 박막형성장치.
제 12항에 있어서, 상기 그리드판을 각각 3각형, 4각형 및 6각형중 어느 하나의 횡단면형상을 가진 개구구멍을 가지는 것을 특징으로하는 박막형성장치.
제 12항에 있어서, 상기 그리드판은 그리드판위에 불균일하게 분포되도록 배치된 복수의 개구구멍을 가진 것을 특징으로하는 박막형성장치.
제 12항에 있어서, 상기 그리드판은 개구구멍을 통해 타게트를 볼 때 부식영역이 보여지도록 그리드판위에 분포하여 배치된 복수의 개구구멍을 가진 것을 특징으로하는 박막형성장치.