KR100495885B1 - 스퍼터 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스퍼터(sputter) 표적물(target) 이용률을 제고하는 사전 스퍼터 방법에 관한 것으로, 스퍼터 표적물을 제공하는 단계, 이 스퍼터 표적물에 대해 이온 충격을 가하는 단계, 충격 과정에서 등속 방식으로 장형(長型: 긴 모양) 자석을 구동하여 이 스퍼터 표적물의 배면에서 왕복 주사(스캐닝)하는 단계, 그리고 이 스퍼터 표적물 표면 상의 이물질이 제거된 다음 스퍼터 표적물의 사전 스퍼터를 완성하는 단계를 포함한다.

Description

스퍼터 방법 {METHOD FOR SPUTTERS}

본 발명은 사전 스퍼터에 사용되는 방법에 관한 것으로, 특히 스퍼터 표적물 이용률을 제고하는 사전 스퍼터 방법에 관한 것이다.

스퍼터(sputter)는 금속 박막 침적을 형성하는 반도체 제조 방법으로서, 그 주요 원리는 플라즈마를 스퍼터 장치의 반응실에 넣고 이온 가속 방법으로 스퍼터 표적물(target)에 대해 충격을 가하여 이 스퍼터 표적물 표면(정면) 상의 표적물 재료 원자가 탈락되어 기판 표면에 금속 박막 침적 층을 형성하는 것이다.

도 1은 자기 제어식 요동 주사형 스퍼터 장치(10)를 나타내는 도면으로서, 반응실(11), 스퍼터 표적물(20), 받침대(13) 및 장형 자석(14)을 포함하며, 이 반응실(11)은 진공 펌프(도시하지 않음)에 의해 내부가 1내지 10mmtorr의 진공을 유지하며, 전하를 갖는 플라즈마 이온을 이 반응실(11) 내에 주입하며(예를 들면 정 전하를 갖는 아르곤 이온), 이 스퍼터 표적물(20)은 스퍼터 표적물 배면판(12)과 표적물 재료(16)로 구성되며, 이 스퍼터 표적물(20)과 받침대(13)는 각기 음극 및 양극과 연결된다. 스퍼터 장치(10)는 스퍼터 표적물(20)과 받침대(13) 사이에 형성된 전위차로 정 전하를 갖는 아르곤 이온을 구동하여 이 스퍼터 표적물(20)에 대해 이온 충격을 가하여 표적물 재료(16) 원자가 받침대(13) 상에 침적되도록 하며, 이 받침대(13) 표면에는 웨이퍼나 유리기판과 같은 스퍼터를 하려고 하는 기판(15)이 설치되어 있으므로 이 표적물 재료(16) 원자가 순조롭게 이 기판(15) 상에 스퍼터 되어 박막 침적을 형성한다. 장형 자석(14)은 스퍼터 표적물 배면판(12)의 배면에 설치되며 왕복 요동 방식으로 이 스퍼터 표적물 배면판(12) 배면에서 왕복 주사 이동하며, 그 목적은 자기 제어 방식을 이용하여 기판(15) 표면에 박막을 침적하는 균일도와 속률을 개선하는 것이다.

도 2는 스퍼터 장치가 스퍼터 과정에서 장형 자석의 이동 거리와 속도의 관계를 나타내는 관계도다. 이 주사 방법은 "계단식 변속법"이라 하며, 주사 속도는 160mm/s에서 가속하여 340mm/s로 된 다음 다시 160mm/s로 되는 계단식 변화를 한다. 이때 장형 자석이 스퍼터 표적물 중간 대부분 구역에서의 주사 속도는 350mm/s이며, 그 목적은 기판 표면의 박막 침적의 균일도를 개선하기 위한 것이다. 이러한 속도에서 기판이 획득하는 저항(Rs)과 박막의 두께는 비교적 균일하고 품질도 비교적 좋으나 이러한 계단식 변속법은 중간에서 빠르고 양단에서 늦은 속도로 주사하며, 장형 자석이 왕복 주사하는 과정에서 잠시 정류하는 현상을 나타내므로 이 스퍼터 표적물의 양단에서 부식 소모 속률(erosion rate)이 중간 구역보다 빠른 현상이 발생한다.

상기 스퍼터 과정에 사용되는 계단식 변속법은 일반적으로 스퍼터 설비 제공업체에서 제공하며 다음 제조업체에서는 일반적으로 이 설비 제공업체에서 제공한 기술에 따라 작업을 한다. 그러나 기판에 대하여 스퍼터를 실시하기 전에는 일반적으로 사전 스퍼터(pre-sputter)를 한다. 그 목적은 스퍼터 표적물 표면 상에 산화에 의해 생성된 이물질을 제거하기 위한 것이다. 이러한 사전 스퍼터 과정에서 상기 받침대 표면에 설치된 것은 스퍼터 하려고 하는 기판이 아니며 특별히 사전 스퍼터에 사용되는 시험기판(dummy substrate)으로 대체된다.

그러나 장형 자석이 사전 스퍼터 과정에서의 조작 방식(주사속도)에 대해서 설비 공급자는 스퍼터 제조과정과 같은 조작 방식 즉, "계단식 변속법"을 채용할 것을 요구하나 사전 스퍼터 과정에서도 스퍼터 목표물에 대해 계단식 변속법을 채택할 경우 스퍼터 표적물 표면 양단은 장형 자석이 양단에서의 주사 속도 감소 및 장형 자석이 주사 경로 양단에서의 왕복 시 발생하는 잠시 정류 현상으로 인하여 부식 소모 속률(erosion rate)이 중간 구역보다 크므로 이 스퍼터 표적물이 사전 스퍼터 과정에서 전체 표면이 균일하게 부식 소모되지 못한다.

도 3을 참조하면 상기 스퍼터 표적물(20)은 사전 스퍼터 과정에서 중간 구역의 이물질을 제거하려면 반드시 두께가 d인 표적물 재료(16)를 부식 소모해야 하며, 그러면 양단은 주사 속도가 늦고 왕복 과정에서 잠시 정류하는 현상으로 인하여 중간 구역보다 d′만한 두께를 더 부식 소모한다. 그 다음 이 스퍼터 표적물(20)로 기판에 대해 스퍼터를 하고 장형 자석은 역시 같은 주사 속률(계단식 변속법)로 주사할 경우 이 스퍼터 표적물(20) 양단의 부식 소모는 더욱 심하게 되어 보다 빠르게 스퍼터 표적물 배면판(12)에 접근하여 이 스퍼터 표적물(20)의 폐기를 가속시킨다. 이로 인하여 대부분의 스퍼터 표적물(20)에 있어서 이 스퍼터 표적물(20)의 양단의 표적물 재료(16) 부분이 과다하게 부식 소모된 외에 대부분 중간 구역의 표적물 재료(16)의 소모량이 많지 않아 일정한 시간 동안 계속하여 사용할 수 있으나 이 양단의 표적물 재료(16)의 소모가 스퍼터 표적물 배면판(12)에 접근하여 폐기해야 하므로 사용률이 높다고 할 수는 없다. 이러한 상황은 제조업체에 대해 말할 때 중대한 낭비일 뿐만 아니라 스퍼터 표적물(20)의 자주 교체로 인하여 유지보수에 소요되는 시간과 인력도 낭비하게 된다.

상기와 같은 문제점으로 인하여 반도체 생산과 연구에 종사하는 인원들은 사전 스퍼터 방법의 개량과 종래 기술 문제점을 개선하여 스퍼터 표적물의 사용률을 제고하고 사전 스퍼터 시간을 단축하며 인력의 낭비를 방지하는데 힘쓰고 있다.

본 발명의 주요 목적은 스퍼터 사용률을 제고하는 사전 스퍼터 방법을 제공하는 것으로, 본 발명에 따른 사전 스퍼터 방법은 스퍼터 표적물의 표적재료가 사전 스퍼터 과정에서 균일하게 부식 소모되어 스퍼터 표적물이 특정 구역에서 과도하게 부식 소모되어 사용률이 저하되는 것을 방지한다.

본 발명에 따른 사전 스퍼터 방법은 스퍼터 표적물을 제공하는 단계, 이 스퍼터 표적물에 대해 이온 충격을 가하는 단계, 충격 과정에서 등속 방식으로 장형(長型: 긴 모양) 자석을 구동하여 이 스퍼터 표적물의 배면에서 왕복 주사(스캐닝)하는 단계 및 이 스퍼터 표적물 표면 상의 이물질이 제거된 다음 스퍼터 표적물의 사전 스퍼터를 완성하는 단계를 포함한다. 상기 사전 스퍼터 과정은 스퍼터 반응실 내에서 진행되며, 장형 자석의 주사 속도는 140mm/s에서 200mm/s 범위로 하는 것이 비교적 좋으며 특히 160mm/s로 하는 것이 가장 좋다. 이 속도는 계단식 변속법의 시초 주사 속도이며, 또한 사전 스퍼터 과정에서 상기 받침대에 설치되어 박막을 침적하려고 하는 것은 유리재질로 된 시험 기판(dummy substrate)이다.

본 발명에 따른 사전 스퍼터 과정은 등속 방식으로 장형 자석을 제어하여 상기 스퍼터 표적물의 배면에서 왕복 주사하므로 스퍼터 표면의 부식 소모가 비교적 균일하게 되며 종래 기술에서의 스퍼터 표적물 표면 중 일부 구역의 표적물 재료가 과다하게 부식 소모되는 현상을 극복하였으므로 스퍼터 표적물의 사용률을 제고한다. 또한 본 발명에서 채택한 주사 속도는 종래 기술보다 늦으므로 장형 자석이 매 번 주사 과정에서 제거하는 이물질의 두께가 비교적 두꺼움으로 장형 자석이 주사에 의한 왕복 차수를 감소하였다. 왕복 차수가 적어지면 사전 스퍼터에 소요되는 전력과 표적물 재료의 사용량도 상대적으로 감소하며 시험기판의 사용량 및 보수 재시동에 걸리는 시간도 상대적으로 감소하여 사전 스퍼터에 소용되는 재료 원가와 시간을 상대적으로 절감할 수 있다.

본 발명의 목적, 특징 및 기능에 대한 이해를 돕기 위하여 아래에 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

본 발명은 스퍼터 표적물 사용률을 제고하는 사전 스퍼터 방법에 관한 것으로, 이 사전 스퍼터 방법은 스퍼터 표적물의 사용률을 높이며 사전 스퍼터의 전력 소비와 표적물 재료의 사용량을 절감할 뿐만 아니라 시험 기판의 사용량과 유지보수 및 재 시동에 걸리는 시간을 절약한다. 상세한 실시예와 관련 실시 방법은 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 스퍼터 표적물의 사용률을 제고하는 사전 스퍼터 방법의 순서도이다. 도시한 바와 같이, 먼저 스퍼터 표적물을 스퍼터 반응실 내부(41)에 설치하고, 플라즈마를 이 반응실 내부에 주입하며, 스퍼터 표적물과 받침대 사이에 형성된 전위차를 이용하여 플라즈마 이온을 구동하여 이 스퍼터 표적물에 대해 이온 충격(42)을 가하며, 이 충격 과정에서 등속 방식으로 장형 자석을 구동하여 이 스퍼터 배면에서 왕복 주사(43)하도록 하여 이 스퍼터 표적물 표면의 이물질이 완전히 제거된 후 이 스퍼터 표적물의 사전 스퍼터(44)를 완성한다.

이 실시예에서는 ULVAC(일본진공)에서 제조한 SMD-650C형 스퍼터 장치로 상기 사전 스퍼터를 진행하였으며, 상기 스퍼터 반응실 내부의 압력은 1내지 10mmtorr 사이로 제어하며, 상기 장형 자석의 주사 속도는 140mm/s에서 200mm/s 범위로 하는 것이 비교적 좋으며 특히 160mm/s로 하는 것이 가장 좋다. 이 속도는 계단식 변속법의 초기 주사 속도다. 도 5는 장형 자석의 이동 거리와 속도와의 관계를 나타내는 도면이다. 상술한 바와 같이, 본 발명에서는 ULVAC(일본진공)에서 제조한 SMD-650C형 스퍼터 장치를 사용하여 사전 스퍼터를 하였으나, 이것으로 본 발명을 한정하는 것은 아니며 기타 제조업체에서 제조한 스퍼터 장치를 사용할 수 있는 것은 물론이다. 상기 본 발명에 따른 방법을 이용하여 140mm/s내지 200mm/s 범위 내에서 부동한 유형에 따라 주사 속도를 조정함으로써 상기 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 또한 사전 스퍼터 과정에서 상기 받침대에 설치하여 박막을 침적하려고 하는 것은 유리재질로 된 시험 기판(dummy substrate)이다.

여기에서 특별히 강조하여야 할 것은 본 발명의 (43)단계에서 제기한 장형 자석의 주사 속도가 반드시 등속이여야 한다는 의미는 종래 기술에서의 계단식 변속법에서 장형 자석의 주사 속도가 중간 구역에서 빠르고 양단에서 늦음으로 인해 스퍼터 표적물의 양단에서 발생하는 부식 속률이 과다하다는 단점을 해결하기 위한 것이다. 또한 상기에서 제기한 장형 자석의 주사 속도가 반드시 등속이여야 하나 주사 속도가 계단식 변속법에서의 160mm/s로 하는 것이 바람직하다는 의미는 장형 자석이 주사 왕복 과정에서 생성되는 잠시 정류 현상을 해결하여 이러한 잠시 정류 현상으로 인해 스퍼터 표적물 양단의 부식 소모 속도를 가속시켜 스퍼터 표적물의 조기 폐기를 방지하는 것이다. 때문에 본 발명에서 계단식 변속법 중의 160mm/s로 등속 주사하면 장형 자석이 왕복 과정에서 발생하는 잠시 정류 현상을 감소할 수 있을 뿐만 아니라 채용한 속도는 계단식 변속법 중의 초기 주사 속도이므로 그러한 주사 속도에서의 설비 매개 변수의 조정 및 작업 환경의 설정을 확보할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 등속 균일법으로 스퍼터 표적물에 대해 사전 스퍼터를 할 때 표면에서 발생되는 부식 소모를 나타내는 설명도다. 도면에 도시한 바와 같이, 스퍼터 표적물(30)은 스퍼터 표적물 배면판(28)과 표적물 재료(26)로 구성되며, 본 발명에서는 등속으로 장형 자석을 140mm/s에서 200mm/s 범위에 제어하며, 특히 160mm/s로 하는 것이 가장 좋다. 도 3과 비교하면 알 수 있듯이, 본 발명의 스퍼터 표면의 표적물 재료의 부식 소모는 도 3보다 더 균일하다. 사전 스퍼터 과정에서 스퍼터 표적물 표면 상의 표적물 재료를 두께(d)를 제거하고 계단식 변속법을 채택하면 그 결과는 도 3에서 도시한 것과 같다. 이때 스퍼터 표적물의 중간 구역의 표적물 재료는 순조롭게 d두께 만 제거되나 그 양측의 표적물 재료도 주사 속도가 상대적으로 늦고 잠시 정류 현상으로 인하여 두께(d+d′)만 제거되며, 이 제거된 두께(d′)의 표적물 재료 두께가 종래 기술이 사전 스퍼터 과정에서의 단점이며 또한 본 발명에서 극복하려는 중점이다. 본 발명에 따른 등속 주사법으로 스퍼터 표적물에 대해 사전 스퍼터를 하고 본 발명에서 제의한 주사속도로 주시할 경우 그 결과는 도 6에서 도시한 것과 같이, 스퍼터 표적물 전체로부터 제거된 표적물 재료 두께(d)는 비교적 균일하며 과분하게 부식되는 현상이 없으므로 본 발명은 스퍼터 양측에서 표적물 재료를 두께(d′)를 더 소모하는 것을 감소하여 스퍼터 표적물의 사용률과 수명을 제고할 수 있다.

상기 설명으로부터 알 수 있듯이, 본 발명은 사전 스퍼터 시간을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 사전 스퍼터 시 스퍼터의 부식 소모를 감소 시킬 수 있으며, 또한 스퍼터 장치가 사전 스퍼터 과정에서 단위 시간 내에 출력하는 전력이 같고 본 발명은 사전 스퍼터 하는 시간을 감소할 수 있으므로 사전 스퍼터에 소요되는 전력소모도 절감할 수 있다. 이 외에도 시험 기판 표면에 침적되는 박막이 이론상에서 허용하는 두께를 초과할 경우 이 시험 기판은 폐기해야 하며, 본 발명에 따른 스퍼터 표적물이 사전 스퍼터 시 표적물 재료의 부식 소모량이 적으므로 이 시험 기판 표면에 침적되는 박막의 두께도 비교적 작고 종래 기술과 비교하면 이론상의 안전 두께에 도달하기 더 어려움으로 본 발명은 시험 기판의 사용량을 더 감소할 수 있다.

도 7은 본 발명과 종래 기술을 이용하여 사전 스퍼터를 한 비교 분석도이다. 도면에서 알 수 있듯이 종래 기술에서 스퍼터 표적물의 사전 스퍼터를 하려면 5시간 54분 34초가 소요되고 소모한 시험 기판은 5조이며 전기 소모량은 89킬로와트시인 반면 본 발명에서는 5시간 9분이고 소모한 시험 기판은 4조이며 전력소모량은 71킬로와트시이다. 매 조는 24개의 시험 기판을 포함한다. 전체적으로 볼 때 본 발명은 시험 기판의 사용량, 전력소모 및 사전 스퍼터 시간 등은 종래 기술보다 약 20%이상 절약하므로 제조 원가를 절감 할 수 있을 뿐만 아니라 스퍼터 표적물의 사용률을 제고할 수 있다.

또한 본 발명에서 사전 스퍼터 과정 중 장형 자석의 주사 속도를 140mm/s에서 200mm/s 범위에 한정하는 것은 아니며, 등속 주사의 원칙에 부합되기만 하면 스퍼터 표적물 표면에 균일한 부식 소모를 할 수 있으므로 종래 기술처럼 스퍼터 표적물 양단에 과도한 부식 소모를 발생시키지 않는다. 그러나 장형 자석의 주사 속도가 늦을수록 스퍼터 표적물의 부식 소모량이 증가되므로 이로 인해 장형 자석의 주사 왕복 차수를 감소할 수 있다. 본 발명은 시험 과정에서 160mm/s의 주사 속도를 채택하는 원인은 이 속도가 계단식 주사법에서의 시초 주사 속도이기 때문이다. 과거에 이러한 주사 속도 하에서 기계 설비 변수의 조정 및 작업환경의 설정에 대하여 시험한 결과 제품에 나쁜 영향을 주지 않았으므로 본 발명에서 주사속도 범위를 140mm/s에서 200mm/s로 하는 것이 바람직하고 특히 160mm/s로 할 경우 가장 바람직하다. 물론 본 발명에서 주사속도를 이 것에 한정하는 것은 아니며 실제 상황에 따라 조정할 수 있다.

상기 설명은 본 발명에 따른 스퍼터 표적물 이용률을 제고하는 방법의 실시예일 뿐 본 발명의 실시범위를 한정하는 것은 아니며, 이 기술 분야에 능숙한 기술자가 본 발명의 정신을 위배하지 안는 상황에서의 개정은 본 발명의 청구범위에 속하므로 본 발명의 보호범위는 청구범위를 근거로 한다.

본 발명의 주요 목적은 스퍼터 사용률을 제고하는 사전 스퍼터 방법을 제공하는 것으로, 본 발명에 따른 사전 스퍼터 방법은 스퍼터 표적물의 표적재료가 사전 스퍼터 과정에서 균일하게 부식 소모되어 스퍼터 표적물이 특정 구역에서 과도하게 부식 소모되어 사용률이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 자기 제어식 요동 주사형 스퍼터 장치를 나타내는 도면이다.

도 2는 스퍼터 장치가 스퍼터를 할 때 장형 자석의 이동 걸이와 속도와의 관계를 나타내는 관계도이다.

도 3은 종래에 계단식 변속법을 이용하여 스퍼터 표적물에 대해 사전 스퍼터를 할 때 표면에 발생되는 부식 소모를 나타내는 설명도다.

도 4는 본 발명에 따른 스퍼터 표적물의 사용률을 제고하는 사전 스퍼터 방법의 순서도이다.

도 5는 본 발명에 따른 방법으로 사전 스퍼터를 할 때 장형 자석의 이동 거리와 속도와의 관계를 나타내는 관계도이다.

도 6은 본 발명에 따른 등속 균일법으로 스퍼터 표적물에 대해 사전 스퍼터를 할 때 표면에서 발생되는 부식 소모를 나타내는 설명도이다.

도 7은 본 발명과 종래 기술을 이용하여 사전 스퍼터를 한 비교 분석도이다.

참조 부호의 간단한 설명

10 스퍼터 장치 11 반응실

12 스퍼터 배면판 13 받침대

14 장형 자석 15 기판

16 표적물 재료 20 스퍼터 표적물

26 표적물 재료 28 스퍼터 표적물 배면판

30 스퍼터 표적물

Claims (4)

1. 스퍼터 방법에 있어서,

   스퍼터 반응실 내에 스퍼터 표적물을 설치하는 단계,

   시험 기판을 받침대에 설치하는 단계;

   상기 표적물에 대해 이온 충격을 가하는 단계,

   장형 자석을 상기 스퍼터 표적물의 배면에서 등속으로 왕복 주사하도록 구동하여 상기 표적물로부터 이물질을 제거함으로써, 상기 표적물에 대한 사전 스퍼터를 완료하는 단계,

   상기 시험 기판을 실제 기판으로 대체하는 단계,

   상기 표적물에 대해 이온 충격을 가하는 단계, 및

   상기 장형 자석을 상기 스퍼터 표적물의 배면에서 계단식 변속법에 따라 변속으로 왕복 주사하도록 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 방법.
2. 제1항에서,

   상기 스퍼터 반응실은 진공 펌프에 의해 내부가 1 내지 10mmtorr의 진공을 유지하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 방법.
3. 제1항에서,

   상기 장형 자석의 등속 주사 속도는 140mm/s에서 200mm/s 인 것을 특징으로 하는 스퍼터 방법.
4. 제1항에서,

   상기 장형 자석의 등속 주사 속도는 160mm/s 인 것을 특징으로 하는 스퍼터 방법.