KR100456287B1 - 스퍼터링 증착장치의 스퍼터 건 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막 증착에 사용되는 스퍼터링 증착장치의 증착원인 스퍼터 건에 관한 것으로서, 원판형 대면적 스퍼터 건을 제작함에 있어 제작상의 단순함 뿐만 아니라 기판 물질의 고른 식각으로 인한 대면적 박막의 균일도를 높이기 위한 효과를 제공하는데 있다.

이를 실현하기 위한 본 발명은 스퍼터 건의 내부에 영구자석을 하트 모양으로 배치하고, 넓은 면적의 균일한 자기장 영역을 확보하기 위하여 하트 모양의 영구자석 사이에 반대극의 영구자석을 배치하며, 이들 자석을 고정한 자석 고정틀을 모터로 회전시켜 줌으로써, 대면적 박막 제작이 가능하도록 한 것이다.

Description

스퍼터링 증착장치의 스퍼터 건{Sputter gun of sputtering system for film deposition}

본 발명은 스퍼터링 증착장치의 스퍼터 건에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 물리적 박막 제조용 스퍼터링 증착장치에서 대면적 박막의 제조를 위한 스퍼터 건의 자석 배열방식을 변경하여 박막의 균일도 및 증착율을 높일 수 있도록 한 스퍼터링 증착장치의 스퍼터 건에 관한 것이다.

일반적으로 스퍼터링 박막 증착방식은 플라즈마를 발생시켜 얻은 이온들이 높은 에너지를 가지고 타겟물질에 충돌함으로써 타겟물질을 뜯어낼 수 있도록 하는 방식으로 실제 반도체 등의 소자공정에 많이 적용되고 있는 기술이다.

스퍼터링 증착장치의 구조적인 방식은 사용하는 목적에 따라 여러 가지의 형태로 발전되어 왔으나, 그의 수율을 증가시키려는 노력은 아직도 많이 진행되고 있다.

스퍼터링 증착장치는 진공용기 속에 이온화가 잘 일어날 수 있는 최적의 가스압력을 유지하면서 "+", "-"의 양극을 설치하고, 양단의 전극에 직류 또는 교류의 전압을 걸어 플라즈마를 발생시키는 용량성 저온 플라즈마를 이용한 박막 제조장치이다.

상식적으로 생각하면 플라즈마 속에 존재하는 "+" 이온들은 "-" 인가 전극쪽으로 진행을 하게 되고, "-" 이온들은 반대로 "+" 인가 전극쪽으로 돌진하게 된다.

이때, "+" 이온들은 질량이 크고 높은 전기적 에너지를 가지고 있기 때문에"-"의 타겟면에 충돌하는 순간 타겟물질들을 튕겨 나오게 할 수 있으며, 뜯겨져 나온 타겟물질을 마주보고 있는 "+" 전극의 기판에 증착시킬 수 있게 된다.

반면에 플라즈마 속에 존재하는 "-" 이온들은 타겟이 아닌 "+" 전극의 기판 방향으로 돌진하여 어렵게 쌓아놓은 박막물질들을 다시 뜯어내는 리스퍼터링(re-sputtering) 현상을 일으키게 된다.

발생된 플라즈마에 자기장을 인가하면 플라즈마 내의 전자들에 로렌쯔 힘을 가할 수 있고, 스퍼터 타겟 뒷면에 부착한 자석의 배열형태에 따라 원하는 플라즈마 밀도 분포를 얻을 수 있다.

이를 마그네트론 스퍼터링이라 한다.

따라서, 마그네트론 스퍼터링은 리스퍼터링을 방지할 수 있고, 플라즈마 밀도를 높일 수 있는 장점을 가지고 있다.

실제적으로 가장 많이 응용되고 있는 형태는 직경이 2∼3인치 정도되는 둥근 원판형의 스퍼터 건으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 타겟(10)의 뒷면 중앙에 1개의 자기극(11)을 두고 둘레에 반대극(12)을 배치하여 2개의 자기극(11),(12) 사이에 균일한 자기장(13)을 형성시켜 줌으로써, 도너츠 모양의 플라즈마 환을 만들어 사용하는 것이다.

이때, 타겟(10)의 면에서 식각되는 식각 부분(14)은 타겟면과 평행하게 형성되는 자기장(13)의 영역에서 집중적으로 일어나기 때문에 도너츠 모양의 환형으로 식각이 일어난다.

그러나, 타겟면이 6인치 이상되는 대면적일 때에는 도너츠 모양의 자석배열을 사용하면 박막의 균일도 및 타겟의 소모율이 효율적이지 못하기 때문에 다른 형태의 자석 배열방식을 채택하고 있다.

도 2는 기존에 많이 사용하고 있는 자석 배열방식을 보여주고 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 여기서는 네모난 직육면체의 자석(15)들을 하트 모양으로 배열하여 플라즈마를 하트 모양으로 발생시키고, 이것을 모터에 연결하여 회전시키는 방식을 채택하고 있다.

여기서, 미설명 부호 16은 자석 고정틀을 나타낸다.

위의 자석 배열방식에서는 아래와 같은 2가지의 단점이 있다.

첫번째는 가공상의 문제이다.

한면이 사각형을 하고 있는 자석을 고정시키기 위해서는 자석홈을 단면이 사각형인 모양으로 가공하여야 하므로 가공이 까다로운 단점이 있다.

두번째는 균일한 자기장의 영역이 짧은 문제이다.

자석의 양쪽 극에서 발생된 자기장이 서로 결합하는 것이기 때문에 균일한 자기장의 영역은 길이에 의존하므로 위와 같은 자석 배열방식은 자기장의 영역이 짧은 단점이 있다.

스퍼터링 박막 증착방식으로 제조되는 박막은 치밀도가 매우 좋을 뿐만 아니라 방식에 따라서 대면적 양산용 박막 제조장비로 적용이 가능한 장점을 가지고 있다.

그러나, 원판형 스퍼터 건의 경우 자석의 배열조건에 의하여 증착면적과 박막두께의 균일도를 향상시키는데 한계가 있다.

더욱이, 도 1에 도시한 바와 같이, 고정된 영구자석에 의한 스퍼터링 박막 증착방식은 타겟 표면의 식각형태가 균일하지 않기 때문에 타겟의 손실문제도 해결해야 하는 과제중의 하나로 받아들여지고 있었다.

도 2에 도시한 바와 같이, 하트 모양으로 배열된 영구자석들을 모터에 연결하여 사용할 경우 타겟면에서 형성된 하트 모양의 자기장이 회전하면서 식각이 일어나기 때문에 박막두께의 균일도와 식각되는 타겟물질의 소모 효율성을 획기적으로 향상시키게 되었다.

그러나, 위와 같은 형태는 가공상의 어려움과 타겟면에 나란한 자기장의 영역이 짧기 때문에 증착율을 높일 수 없는 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명에서는 원통형 영구자석을 채용함으로써 가공성을 좋게 하였을 뿐만 아니라 하트 모양의 회전형 스퍼터 건에 적용된 자기장 인가방식을 더욱 개선한 것으로서, 플라즈마의 이온들이 미치는 자기장의 인가영역을 더욱 넓히고 이와 동시에 식각할 수 있는 타겟면적을 크게 하였으며, 이로 인한 박막두께의 균일도 및 소모되는 스퍼터 타겟의 효율성을 높일 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 실현하기 위한 본 발명은 영구자석들을 하트 모양으로 배열하고 이를 모터로 회전시킴으로써 발생된 플라즈마가 회전할 수 있도록 한 것에 특징이 있으며, 이때 자석의 배열방식을 내부와 외부로 규정하여 외부에는 S극 자석들을 배치하고 내부에는 공통의 N극 자석들을 배치하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착장치의 스퍼터 건을 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 소면적 스퍼터 건을 보여주는 개략도

도 2는 종래의 대면적 스퍼터 건에서 영구자석의 배치를 보여주는 개략도

도 3은 본 발명의 대면적 스퍼터 건에서 영구자석의 배치를 보여주는 개략도

도 4는 본 발명의 대면적 스퍼터 건에 의한 고밀도 플라즈마 형태를 보여주는 개략도

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 타겟 11 : 자기극

12 : 반대극 13 : 자기장

14 : 식각 부분 15 : 자석

16 : 자석 고정틀 17 : 진공 차폐막

18 : 외부 자석 19 : 내부 자석

20 : 자석홈 21 : 철판

22 : 축 23 : 고밀도 플라즈마 형태

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 스퍼터 건의 바람직한 구현예를 설명하면 다음과 같다.

도 3에 도시한 바와 같이, 진공 차폐막(17)에 의해 구분되는 진공 영역과 대기압 영역에는 각각 타겟(10)과 자석 고정틀(16)을 배치하고, 이때의 자석 고정틀(16)은 축(22)에 의해 회전가능하게 한다.

상기 자석 고정틀(16)에는 소정의 모양, 예를 들면 하트 모양으로 배열되는 다수의 외부 자석(18)을 고정시키고 그 안쪽에는 다수의 내부 자석(19)을 고정시킨다.

상기 하트 모양으로 배열되는 외부 자석(18)들과 그 안쪽의 내부 자석(19)들은 자석 고정틀(16)의 중심에 대해 한쪽으로 편중되게 하고, 특히 내부 자석(19)은 반원호 모양으로 배열하여 하트 모양의 외부 자석(18)과 균형을 이룰 수 있도록 한다.

상기 외부 자석(18)과 내부 자석(19)은 원통형으로 제작한 후, 원형으로 되어 있는 자석 고정틀(16) 내의 자석홈(20)에 삽입하고, 철판(21)으로 마감한다.

이를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 스퍼터링 박막 증착방식을 이용하여 반도체 등의 물질을 박막 형태로 제작할 수 있는 스퍼터링 증착장치의 스퍼터 건으로서, 6인치 이상의 대면적원판형 스퍼터 타겟에 관한 영구자석의 배열방식을 변경한 것을 특징으로 한다.

이를 위하여, 진공 챔버의 내부에 고정된 타겟(10)은 진공 차폐벽(17)으로 격리시켜 타겟물질이 고정되어 있는 부분은 진공 영역으로 조성하고, 반면에 자석 고정틀(16)이 배치되어 있는 부분은 대기압 영역으로 조성한다.

대기압에 노출되어 있는 자석 고정틀(16)의 재질은 구리로서, 영구자석인 Nd계열 자석의 큐리온도가 300℃ 정도이고 동작온도가 100℃ 이하이기 때문에 자석 주위에 냉각수를 흘려야 한다.

이때의 냉각수는 외부에서 냉각수 입력선과 배출선을 설치하여 강제적으로 순환시켜준다.

구리 재질의 자석 고정틀(16)에 영구자석, 즉 내부 자석(19)과 외부 자석(18)을 고정시키기 위하여 직경이 자석의 직경보다 약간 크고 깊이는 자석의 길이만큼 가공하여 원형의 자석홈(20)을 만든 다음, 이곳에 내부 자석(19)과 외부 자석(18)을 삽입한 후, 뒷부분을 철판(21)으로 덮는다.

이때의 자석의 삽입방향은 내부 자석(19)의 경우 N극이 타겟(10)측을 향하도록 하고, 외부 자석(18)의 경우 S극이 타겟(10)측을 향하도록 한다.

구리 재질로 이루어진 자석 고정틀(16)은 자기장에 영향을 주지 않기 때문에 타겟(10)이 있는 방향으로 자기장(13)이 나올 수 있으며, 뒷쪽에는 자화력이 좋은 스틸 재질의 철판(21)을 붙혀서 요코 코일(York coil)의 역할을 하게 한다.

스퍼터링에 필요한 자기장의 세기는 200가우스 이상이면 충분하기 때문에 공정상에는 문제가 없다.

영구자석의 크기는 내부 자석(19)과 외부 자석(18)의 자기장 세기가 동일한 균형 마그네틱 영역(Balanced magnetic field)과 자기장 세기가 균일하지 않은 불균형 마그네틱 영역(Unbalanced magnetic field)으로 구분되는 2개의 영역을 고려하여 결정하는데, 특별한 경우를 제외하고 일반적인 경우에는 불균형 마그네틱 영역을 많이 사용하고 있다.

예를 들면, 가운데의 내부 자석(19)은 Nd계열의 원통형 자석으로 직경 15mm, 높이 10mm 정도가 바람직하며, 둘레의 외부 자석(18)은 동일계열로 직경 10mm, 높이 10mm 정도인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

여기서, 영구자석의 수는 타겟(10)의 크기에 따라 달라질 수 있다.

이렇게 내부 자석(19)과 외부 자석(18)을 포함하여 완성한 자석 고정틀(16)을 DC 모터의 축(22)에 연결하여 회전시키는 것으로 스퍼터링 증착장치의 스퍼터 건에 대한 구성을 완료할 수 있다.

따라서, 내부 자석(19)과 외부 자석(18)을 포함하는 자석 고정틀(16)을 일정한 속도, 예를 들면 모터의 회전속도를 기준하여 100∼300rpm 정도의 속도로 회전시키면, 도 4에 도시한 바와 같이, 타겟(10)의 표면에 고밀도 플라즈마 형태(23)를 얻을 수 있다.

즉, 타겟(10)의 뒷쪽에 Nd계열의 영구자석이 둘레의 하트 모양 및 가운데의 반원호 모양으로 배열되었을 때, 도 4에 도시한 바와 같은 고밀도 플라즈마 형태(23)가 형성된다.

이것을 모터를 이용하여 도면의 화살표 방향으로 회전시키면, 플라즈마에 의해 식각되는 면적은 타겟 전체에 고르게 분포될 수 있다.

플라즈마의 밀도가 높아서 형성되는 하트 모양의 플라즈마 형태는 도 2의 경우보다 자기극 간의 거리가 넓기 때문에 폭을 넓게 할 수 있고, 원통형 자석의 채용으로 제작적인 측면도 단순하여 경제성이 좋은 장점이 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 원통형의 자석 형태와 하트 모양의 외부 자석 및 반원호 모양의 내부 자석을 포함하는 스퍼터 건을 제공함으로써 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

1) 기존의 사각형 자석에 비해 장착하기 위한 가공방식을 한층 쉽게 할 수 있으므로 스퍼터 건의 생산성 향상 효과가 있다.

2) 자기장 형성을 위해 1개의 자석을 사용하는 기존의 경우에 비해 2개의 독립된 자석을 사용하여 자기장을 형성시키기 때문에 균일한 자기장 영역이 넓어지고 고밀도 플라즈마 영역을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

3) 균일한 고밀도 플라즈마 영역이 넓어지기 때문에 타겟물질의 식각율이 높아지고 이로 인한 증착율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 회전가능한 자석 고정틀과 이곳에 고정되는 다수의 자석을 포함하며, 상기 자석은 서로 다른 자기극을 띄는 외부 자석과 내부 자석으로 구분되면서 자석 고정틀상의 가운데 부분과 그 둘레 부분에 배열되는 스퍼터링 증착장치의 스퍼터 건에 있어서,

   상기 외부 자석과 내부 자석은 각각 바깥쪽의 하트 모양과 안쪽의 반원호 모양으로 배열되면서 자석 고정틀의 중심에 대해 한쪽으로 편심되게 배치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착장치의 스퍼터 건.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 외부 자석과 내부 자석은 서로 간에 자기장의 균형을 위해 그 단면적에 차이가 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착장치의 스퍼터 건.
4. 삭제
5. 삭제