KR100531991B1

KR100531991B1 - 스퍼터링 장치

Info

Publication number: KR100531991B1
Application number: KR1019970053816A
Authority: KR
Inventors: 히사하루 오비나따; 야스시 히구찌; 모로히사 다무라; 다까시 고마쓰
Original assignee: 가부시키가이샤 아루박
Priority date: 1996-10-21
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 2006-01-27
Also published as: EP0837491A3; US6290826B1; TW424113B; EP0837491A2; KR19980032987A

Abstract

본 발명의 스퍼터링 장치는 진공조와, 기판홀더와, 복수의 타겟 간에 차폐물이 설치된 복합 스퍼터링 캐소드를 가지고 있다. 각 타겟은 스퍼터링 장치내에 반입된 기판에 대해 대향하도록 되어 있다. 타겟으로부터 튀어나온 스퍼터링 입자 중, 기판에 경사방향으로부터 입사하려고 하는 스퍼터링 입자는 차폐물에 충돌하여 기판에 도달할 수 없으므로 기판에는 스퍼터링 입자의 양이 수직방향으로부터 입사한다. 따라서, 애스펙트비가 높은 미세구멍 내를 박막으로 커버리지 좋게 충전할 수 있다. 기판과 복합 스퍼터링 캐소드를 상대회전시키도록 하면 면내 막두께 분포가 향상된다.

Description

스퍼터링 장치

본 발명은 스퍼터링 기술에 관한 것이며, 특히 복수의 타겟을 갖는 복합 스퍼터링 캐소드 및 그 복합 스퍼터링 캐소드를 갖는 스퍼터링 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게 말하면, 복합 스퍼터링 캐소드에 의해 고 애스펙트비의 미세구멍에 커버리지가 좋은 박막을 형성하는 기술에 관한 것이다.

스퍼터링 장치는 반도체나 액정표시 장치 등의 전자 기기를 제조하는 공정에 사용되고 있고, 도 10 에 나타내는 바와 같이 진공조 (110) 내에 배치된 캐소드 전극 (104) 에 타겟 (105) 을 장착하고, 타겟 (105) 과 대향 배치된 기판 홀더 (111) 상에 기판 (112) 을 배치하고, 타겟 (105) 표면에 플라즈마를 발생시켜, 타겟 (105) 의 구성 재료를 스퍼터링 입자로서 튀어나오게 하여 기판 (112) 표면에 부착시켜 박막을 형성하는 것이다.

그러나, 상술한 스퍼터링 장치 (108) 에서는 기판 (112) 과 타겟 (105) 의 거리가 약 6 ㎝ 정도로 근접하고 있기 때문에 기판 (112) 표면에는 도면부호 120 의 화살표로 나타내는 바와 같이 스퍼터링 입자가 여러 방면으로부터 입사한다. 따라서, 기판 (112) 의 단부에서는 스퍼터링 입자의 최저 입사 각도 (e) 가 아주 작아져 버린다.

또 한편, 최근에는 반도체 디바이스 등의 전자기기기 집적도가 향상되고, 기판 표면에 형성된 미세구멍 패턴의 애스펙트비 (미세구멍의 깊이/직경) 가 커지고 있다.

이러한 고 애스펙트비의 미세구멍을 갖는 기판에 대해 박막을 형성하는 경우, 상술한 스퍼터링 장치에서는 미세구멍의 개구부에 박막의 오버행이 생기게 되고, 미세구멍의 저면에는 박막이 형성될 수 없게 된다는 문제가 있다.

그래서, 종래 기술에서도 대책이 세워지고 있으며, 도 11 에 나타내는 바와 같이 타겟 (205) 과 기판 (212) 의 거리 (d) 를 크게 하고, 또 스퍼터링을 행할 때의 진공도를 향상시킴으로써 스퍼터링 입자의 평균 자유행도를 크게 하고, 스퍼터링 입자의 최저 입사 각도 (θ) 를 크게 하고 있다.

그러나 상기한 바와 같이 기판 (212) 과 타겟 (205) 의 거리 (d) 를 크게 하는 것만으로는 기판 (212) 단부 위치의 미세구멍 (215) 에서는 내부의 바닥 커버리지가 불균일하게 되어 버린다.

그 원인은, 기판 (212) 에는 도면부호 221 의 화살표로 나타내는 바와 같이 타겟 (205) 의 도면 우측 단부로부터 좌측 단부까지의 광범위로부터 튀어나온 스퍼터링 입자가 날아 오는데, 예를 들면 기판 우측 단부에서는 좌측으로부터 입사하는 스퍼터링 입자가 많고, 우측으로부터 입사하는 스퍼터링 입자가 적어진다.

그 때문에 미세구멍 (215) 내의 저면 (217) 에서는 도면부호 221₁ 의 화살표로 나타내는 바와 같이, 우측에는 다수의 방향으로부터 다량의 스퍼터링 입자가 도달하고, 또 한 편 도면부호 221₂ 의 화살표로 나타내는 바와 같이 좌측에는 극히 적은 방향으로부터 소량의 스퍼터링 입자밖에 도달할 수 없다.

그 때문에 저면 (217) 에 형성되는 박막 (218) 의 막두께는 우측에서는 두껍고, 좌측에서는 얇아지며, 바닥 커버리지가 비대칭이 되어 버린다.

이러한 기판 (212) 단부에서의 바닥 커버리지의 비대칭성은 기판 (212) 과 타겟 (205) 의 거리를 더 멀어지게 하여 스퍼터링 입자가 기판에 수직으로 입사하게 하면 해결되지만, 기판에 입사하는 스퍼터링 입자가 감소하는 결과, 막형성율이 저하되는 문제가 있다.

또 한 편, 도 12 에 나타내는 스퍼터링 장치 (302) 에서는, 진공조 (310) 내의 캐소드 전극 (304) 에 장착된 타겟 (305) 과 그 타겟 (305) 과 대향배치된 기판 홀더 (311) 의 사이에 콜리메이터 (307) 를 설치, 타겟 (305) 으로부터 여러 방향(320) 으로 튀어나온 스퍼터링 입자를 콜리메이터 (307) 를 통함으로써 기판 홀더 (311) 상의 기판 (312) 에 대하여 수직방향 (도면부호 327 의 화살표로 나타내는 방향) 으로 입사하는 스퍼터링 입자만을 통과시켜 다른 방향으로 입사하도록 하는 스퍼터링 입자를 콜리메이터 (307) 에 부착시키고, 바닥 커버리지가 대칭하도록 하고 있었다.

그러나 콜리메이터 (307) 에 부착한 스퍼터링 입자가 증가하면 콜리메이터 (307) 의 개구부가 좁아지고, 콜리메이터 (307) 를 통과하는 스퍼터링 입자가 점차 감소하며, 막형성율이 저하된다. 또 콜리메이터 (307) 에 부착한 스퍼터링 입자가 박리하고 기판 (312) 상에 낙하하면 더스트의 원인이 되어버린다.

또 타겟 (305) 을 대구경 (大口徑) 으로 하면 그 표면에 형성되는 플라즈마 밀도의 농담차가 커지는 결과, 타겟 (305) 표면의 위치에 의한 스퍼터링량의 차가 커져버린다는 문제도 있었다.

본 발명은 상기 종래 기술의 불편한 점을 해결하기 위해 창작된 것이고, 그 목적은 기판상에 형성된 패턴에 대하여 대칭인 바닥 커버리지의 박막을 형성할 수 있는 기술을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 복합 스퍼터링 캐소드에서는 복수의 타겟을 갖고 있고, 상기 각 타겟 간에 차폐물이 설치되어 있다.

따라서, 타겟으로부터 경사방향으로 튀어나온 스퍼터링 입자는 차폐물에 부착하고 기판에 도달할 수 없기 때문에, 기판에 입사하는 스퍼터링 입자의 최저 입사 각도가 커진다.

또 본 발명의 복합 스퍼터링 캐소드에서는 상기 타겟 표면으로부터 상기 차폐물 선단까지의 길이가 적어도 상기 타겟의 직경 이상으로 구성되어 있다.

따라서, 예를 들면 애스펙트비가 2 인 미세구멍에 대해 50 % 의 바닥 커버리지로 대칭성 좋게 박막을 형성할 수 있다.

또한 본 발명의 복합 스퍼터링 캐소드에서는 상기 차폐물이 통 형상체에 의해 구성되고, 상기 각 타겟 주위는 상기 통 형상체에 의해 각각 덮혀 있다.

게다가, 또한, 본 발명의 복합 스퍼터링 캐소드에서는 복수의 타겟 중, 다른 종류의 재질로 구성된 타겟이 존재하고 있어도 된다.

이 경우, 다른 재질의 타겟을 함께 스퍼터링하면, 합금박막 등의 박막을 형성할수 있다. 따로따로 스퍼터링하면 다층막을 형성할수 있다. 또 스퍼터링을 행하는 타겟을 전환하면서 박막을 성장시키면, 막두께 방향에서 재질이 다른 박막을 형성할 수 있다.

본 발명의 스퍼터링 장치에서는 진공조와, 기판홀더와, 상기의 복합 스퍼터링 캐소드를 갖고 있고, 상기 기판홀더 상에 기판을 배치하면 상기 기판과 상기 각 타겟이 대향하도록 구성되어 있다.

그리고, 본 발명의 스퍼터링 장치에서는 상기 기판홀더와 상기 복합 스퍼터링 캐소드는 평행하게 상대회전할 수 있도록 구성되어 있다.

따라서, 기판면 내의 바닥 커버리지의 균일성이 한층 더 향상되고, 박막의 면내 막두께 분포 (面內膜厚分布) 가 균일해진다.

또한 상기 상대회전이 행해졌을 때, 상기 기판표면이 가능한한 타겟의 유효 영역내를 통과하도록 구성되어 있다.

이 경우에는 한층 더 바닥 커버리지가 향상되고, 또 면내 막두께 분포도 향상된다.

게다가, 또한 본 발명의 스퍼터링 장치에서는 상기 복수 타겟 중, 적어도 2개 이상의 타겟에 다른 크기의 전력을 투입할 수 있도록 구성되어 있다.

따라서, 타겟으로의 투입 전력을 제어함으로써 바닥 커버리지나 면내 막두께 분포의 균일성을 제어할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 제 1 예의 스퍼터링 장치 (2) 를 나타내고 있고, 상측이 평면도이고 하측이 그 모식적인 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이다.

이 스퍼터링 장치 (2) 는 진공조 (10) 와, 그 진공조 (10) 의 상부에 설치된 캐소드 홀더 (19) 를 갖고 있고, 도시하지 않은 진공 펌프에 접속되어 진공조 (10) 내를 진공배기할 수 있도록 구성되어 있다.

진공조 (10) 의 저판상에는 기판 홀더 (11) 가 설치되어 있고, 캐소드 홀더 (19) 에는 7 개의 스퍼터링 캐소드 (3₁ ∼ 3₇) 가 그라운드 전위의 진공조 (10) 와는 절연된 상태로 설치되고, 캐소드 홀더 (19) 와 7 개의 스퍼터링 캐소드 (3₁ ∼ 3₇) 에 의해 복합 스퍼터링 캐소드 (1) 가 구성되어 있다.

각 스퍼터링 캐소드 (3₁ ∼ 3₇) 는 캐소드 전극 (4₁ ∼ 4₇) 과 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 과 원통형 형상의 통 형상체 (6₁ ∼ 6₇) 를 갖고 있다.

각 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 은 각 캐소드 전극 (4₁ ∼ 4₇) 상에 각각 고정되어 원통형의 통 형상체 (6₁ ∼ 6₇) 는 개구부를 하방으로 향하게 한 상태로 각 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 주위를 덮도록 고정되어 있다. 또 각 통 형상체 (6₁ ~ 6₇) 는 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 과 거의 수직으로 되어 있다.

각 스퍼터링 캐소드 (3₁∼ 3₇) 의 상대적인 위치 관계를 도 3a 에 나타낸다. 이 스퍼터링 장치 (2) 의 복합 스퍼터링 캐소드 (1) 에서는 하나의 스퍼터링 캐소드 (34) 를 중심으로 하여 그 주위에 다른 스퍼터링 캐소드 (3₁ ∼ 3₃, 3₅ ∼ 3₇) 가 동일 원주상에 등거리로 배치되어 있다.

각 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 은 동일한 금속재료로 구성되어 있고, 기판 홀더 (11) 와 거의 평행하게 대향하도록 배치되어 있다. 따라서, 기판 홀더 (11) 상에 기판을 올려놓으면 기판과 각 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 은 거의 평행해진다.

이 스퍼터링 장치 (2) 에서는 각 스퍼터링 캐소드 (3₁ ∼ 3₇) 내의 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 에 개별로 전력을 투입할 수 있도록 구성되어 있고, 투입전력을 다르게 하거나 소정 타겟만을 스퍼터링할 수 있도록 구성되어 있다.

이러한 스퍼터링 장치 (2) 의 기판 홀더 (11) 상에 기판 (12) 을 배치하고 진공조 (10) 내를 고진공 상태로 한 후, 스퍼터링 가스를 도입하여 10^-4 Torr 대의 압력으로 각 스퍼터링 캐소드 (3₁ ∼ 3₇) 에 직류 전압을 인가하였다. 각 캐소드 전극 (4₁ ∼ 4₇) 내에는 각각 마그네트론 자석이 설치되어 있고, 직류 전압이 인가되면 그 자장에 따라 각 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 표면에 고밀도 플라즈마가 개별로 발생하고, 각 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 이 스퍼터링된다.

이 스퍼터링 시, 각 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 으로부터 경사 방향으로 튀어나온 스퍼터링 입자는 통 형상체 (6₁ ∼ 6₇) 의 벽면에 부착하고 기판 (12) 으로 도달할 수 없다. 따라서, 기판 (12) 의 표면에는 도 2 의 도면부호 21 에 나타내는 바와 같은 거의 수직으로 입사하는 스퍼터링 입자에 의해 박막이 형성된다.

각 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 의 직경은 150 ㎜, 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 표면으로부터 통 형상체 (6₁ ∼ 6₇) 의 단부까지의 길이를 그 직경과 동일한 크기로 하고, 직경 300 ㎜ 인 기판 (12) 표면에 박막을 형성했더니 기판 (12) 에 설치된 애스펙트비가 2 인 미세구멍에 대하여 50 % 의 바닥 커버리지를 얻을 수 있었다. 그 미세구멍의 바닥 커버리지는 대칭이었다.

각 통 형상체 (6₁ ∼ 6₇) 의 하단부로부터 기판 (12) 까지의 거리를 20 ㎜ 로 했을 때 도 2 의 도면부호 22 의 화살표로 나타내는 바와 같이 스퍼터링 입자가 인접한 통 형상체의 아래 부분의 기판 (12) 표면에도 입사하고 있었다. 또 각 통 형상체 (6₁ ∼ 6₇) 를 구성하는 차폐물 사이 위치에도 박막은 형성되어 있고, 대구경의 타겟과 콜리메이터를 사용한 경우보다도 면내 막두께 분포는 양호하였다.

상술한 통 형상체 (6₁ ∼ 6₇) 의 길이는 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 의 직경과 동일한 길이였지만, 애스펙트비 (R) 의 미세구멍에 대해 50 % 이상의 바닥 커버리지의 박막을 얻는 데는 타겟 표면으로부터 통 형상체 (6₁ ∼ 6₇) 단부까지의 길이를 L, 타겟의 직경을 D 라고 한 경우,

라고 하면 된다.

단, 통 형상체 (6₁ ∼ 6₇) 의 길이 (L) 가 길어지면 통 형상체 (6₁ ∼ 6₇) 의 내벽에 부착하고 기판 (12) 에 도달할 수 없는 스퍼터링 입자가 증가하므로 막형성 속도가 저하된다. 따라서, 바닥 커버리지의 필요조건을 만족하는 범위에서 통 형상체의 길이를 짧게 하는 편이 효율이 좋다.

또 한 편, 통 형상체 (6₁ ∼ 6₇) 단부와 기판 (12) 의 거리에 대해서는 필요한 면내 막두께 균일성을 만족하는 범위에서 가능한한 짧게 하는 편이 바닥 커버리지의 대칭성은 좋아진다.

또 상술한 통 형상체 (6₁ ∼ 6₇) 는 원통형이고, 각 전극 (4₁ ∼ 4₇) 에 개별로 부착하였지만 본 발명은 그에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 도 3b 에 나타내는 바와 같이 벌집 형상이며 일체구조의 통 형상체 (7) 로 해도 된다.

또한 본 발명의 복합 스퍼터링 캐소드에서는, 예를 들면 도 3c 와 같이, 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 의 사이는 차폐되어 있으나 그 이외의 부분은 개방된 차폐판 (8) 에 의해 차폐물을 구성해도 된다. 요약하면 본 발명의 복합 스퍼터링 캐소드에서는 각 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 간에 차폐물이 설치되어 있으면 된다.

상술한 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 에 대해서는 동일한 크기로 하였지만, 다른 크기의 타겟을 사용하여 복합 스퍼터링 캐소드를 구성해도 된다. 예를 들면, 중앙의 스퍼터링 캐소드 (3₄) 의 캐소드 전극 (4₄) 과 타겟 (5₄) 을 크게 하고 그 주위의 스퍼터링 캐소드 (3₁ ∼ 3₃, 3₅∼ 3₇) 와 그 캐소드 전극 (4₁ ∼ 4₃, 4₅ ∼ 4₇) 및 타겟 (5₁ ∼ 5₃, 5₅ ∼ 5₇) 을 작게 하는 등, 필요로 하는 면내 막두께 분포의 균일성과 바닥 커버리지의 대칭성에 따라 타겟의 크기를 선택할 수 있다.

각 스퍼터링 캐소드 (3₁ ∼ 3₇) 로 투입하는 전력은 개별로 제어해도 되고, 타겟의 위치에 따라 바꾸도록 해도 된다. 예를 들면 중심에 위치하는 스퍼터링 캐소드 (3₄) 로의 투입 전력과 그 주위에 배치된 스퍼터링 캐소드 (3₁ ∼ 3₃) 로의 투입전력을 따로따로 제어할 수 있다. 또한 다른 크기의 타겟에 투입하는 전력을 제어해도 된다. 전원에 대해서는 반드시 스퍼터링 캐소드마다 설치할 필요는 없다. 투입 전력에 대해서는 직류이어도 고주파이어도 된다.

또 복수의 타겟을 다른 재료로 구성해도 된다. 그 경우에는 타겟의 재질에 따라 투입 전력을 제어해도 된다. 또한 하나의 기판 상의 어느 위치에도 다른 타겟 재료의 스퍼터링 입자가 입사하도록 구성해두어도 된다.

또 상술한 직경 150 ㎜ 의 타겟 (5₁ ∼ 5₇) 과 기판 (12) 의 거리는 15 ㎝ 이상, 전형적으로는 15 ㎝ 이상 60 ㎝ 이하로 하는 것이 좋다.

이상과 같이, 제 1 예의 스퍼터링 장치 (2) 에서는 바닥 커버리지가 좋고, 면내 막두께 분포가 균일하다.

그러나, 기판 (12) 에 형성된 미세구멍 중, 각 캐소드 (3₁ ∼ 3₇) 간에 위치하고 대향하는 스퍼터링 캐소드가 없는 미세구멍의 경우, 바닥 커버리지성이 다른 미세구멍보다도 악화되는 일이 있다. 예를 들면, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 근접하는 스퍼터링 캐소드가 우측에 있는 미세구멍 (13) 에는 스퍼터링 입자 (23)가 경사 우측 방향으로부터 입사하기 때문에 그 미세구멍 (13) 내에 형성되는 박막 (17) 은 좌측이 두껍고, 우측이 얇아지기 쉽다.

그와 반대로, 근접하는 스퍼터링 캐소드가 좌측에 있는 미세구멍 (14) 에서는 스퍼터링 입자 (23) 는 경사 좌측 방향으로부터 입사하기 때문에 그 미세구멍 (14) 내에 형성되는 박막 (17) 은 우측이 두껍고, 좌측이 얇아지기 쉽다.

그래서 상기 제 1 예의 스퍼터링 장치 (2) 를 개량하여 본 발명의 제 2 예의 스퍼터링 장치가 발명되었으며, 바닥 커버리지가 한 층 균일하게 되어 있다.

도 5 를 참조하여 본 발명의 제 2 예의 스퍼터링 장치 (52) 는 진공조 (60) 를 갖고 있고, 도시하지 않은 진공 펌프가 접속되며, 내부를 진공배기할 수 있도록 구성되어 있다. 진공조 (60) 의 상부에는 캐소드 홀더 (69) 가 설치되어 있다. 캐소드 홀더 (69) 에는 6 개의 스퍼터링 캐소드 (53₁ ∼ 53₆) 가 고정되어 있고 (도 5 에서는 도면부호 53₁, 53₃, 53₅ 를 부착한 3 개의 스퍼터링 캐소드를 나타낸다), 캐소드 홀더 (69) 와 각 스퍼터링 캐소드 (53₁ ∼ 53₆) 에 의해 복합 스퍼터링 캐소드 (51) 가 구성되어 있다.

진공조 (60) 의 저벽 상에는 지지대 (61) 가 배치되고 그 지지대 (61) 상에는 지지대 (61) 의 직경보다도 소직경인 직경 200 ㎜ 의 핫 플레이트 (63) 가 설치되어 있다.

핫 플레이트 (63) 상에 핫 플레이트 (63) 와 거의 동일 직경의 기판 (62) 을 배치한 상태로 스퍼터링 캐소드 (53₁ ∼ 53₆) 와 기판 (62) 등의 상방으로부터 본 상대 위치 관계를 도 6 에 나타낸다. 도 5 는 이 도 6 의 A-A 선 절단면도에 상당한다.

각 스퍼터링 캐소드 (53₁ ∼ 53₆) 는 각각 캐소드 전극 (54₁ ∼ 54₆) 을 가지고 있고, 각 캐소드 전극 (54₁ ∼ 54₆) 상에는 지지대 (61) 상의 기판 (62) 에 대해 평행하도록 각각 타겟 (55₁ ∼ 55₆) 이 고정되어 있다.

각 스퍼터링 캐소드 (53₁ ∼ 53₆) 는 통 형상체 (56₁ ∼ 56₆) 를 갖고 있고, 각 통 형상체 (56₁ ∼ 56₆) 는 하단부를 지지대 (61) 측을 향해 내부에 각 타겟 (55₁ ∼ 55₆) 이 들어 있다. 따라서, 각 타겟 (55₁ ∼ 55₆) 의 주위는 통 형상체 (56₁ ∼ 56₆) 에 의해 둘러싸여져 있고 통 형상체 (56₁ ∼ 56₆) 의 하단부로부터 기판 (62) 과 대향하도록 되어 있다.

지지대 (61) 의 뒷면에는 회전축 (67) 의 일단이 고정되고, 그 회전축 (67) 의 타단은 진공조 (60) 밖으로 도출되어 도시하지 않은 모터에 접속되어 있으며, 그 모터를 기동하면 지지대 (61) 는 도면부호 68 에서 나타내는 회전축선을 중심으로 하여 수평면내에서 회전할 수 있게 되어 있다.

지지대 (61) 가 회전하면, 기판 (62) 은 각 타겟 (55₁ ∼ 55₆) 과 평행한 상태를 유지한 채, 핫 플레이트 (63) 와 함께 회전한다. 진공조 (60) 와 회전축 (67) 사이의 틈 (70) 은 자성유체로 밀봉되어 있고, 지지대 (61) 가 회전할 때에도 진공조 (60) 내의 진공 상태를 유지할 수 있게 구성되어 있다.

도 6 의 도면부호 0 는 회전중심이고, 지지대 (61) 가 회전할 때 기판 (62) 은 회전중심 (0) 을 중심으로 하여 각 타겟 (55₁ ∼ 55₆) 과 평행한 상태로 회전한다.

이러한 스퍼터링 장치 (52) 를 사용하여 기판 (62) 표면의 미세구멍을 박막으로 충전하는 경우에는 먼저 핫 플레이트 (63) 상에 기판 (62) 의 기판 중심을 회전중심 (0) 에 거의 일치시킨 상태로 배치하고, 진공조 (60) 내를 진공배기하여 소정 압력이 되었을 때 스퍼터링 가스를 도입한다. 이 때, 핫 플레이트 (63) 에 통전하여 기판 (62) 을 소정 온도로 가열해 둔다.

각 스퍼터링 캐소드 (53₁ ∼ 53₆) 에는 개별로 전원이 설치되어 있고, 상술한 모터를 기동, 기판 (62) 을 회전시킴과 동시에 투입 전력을 제어하면서 각 스퍼터링 캐소드 (53₁ ∼ 53₆) 에 전압을 인가하면, 통 형상체 (56₁ ∼ 56₆) 내에 개별로 스퍼터링 가스 플라즈마가 발생하고, 타겟 (55₁ ∼ 55₆) 의 스퍼터링이 개시된다.

타겟 (55₁ ∼ 55₆) 은 직경이 약 48 ㎜ 인 원반상으로 성형되어 있고, 통 형상체 (56₁ ∼ 56₆) 의 하단부 (개구단부) 와 핫 플레이트 (63) 상의 기판 (62) 의 사이에는 소정 틈이 설치되어 있다.

도 6 의 도면부호 59₁ ∼ 59₆ 는 기판 (62) 상에서 회전중심 (0) 을 중심으로한 반경 20, 40, 60, 80, 100, 120 ㎜ 의 동심원을 나타내고 있다. 각 동심원 (59₁ ∼ 59₆) 의 간격은 20 ㎜ 이고, 각 스퍼터링 캐소드 (53₁ ∼ 53₆) 는 타겟 중심(58₁ ∼ 58₆) 이 각 동심원 (59₁ ∼ 59₆) 의 연직선상에 위치하도록 배치되어 있다.

이 타겟 (55₁ ∼ 55₆) 에서는 타겟 바로 아래 위치에 직경 40 ㎜ 의 범위가 커버리지성이 좋은 유효영역이 되어 있는데, 각 타겟 (55₁ ∼ 55₆) 의 반경 (24 ㎜) 은 동심원 (59₁ ∼ 59₆) 의 간격보다도 크게 되어 있고, 유효 영역의 반경 (20 ㎜) 이 동심원 (59₁ ∼ 59₆) 의 간격과 비슷하게 되어 있다.

따라서, 기판 (62) 표면의 어느 부분도 적어도 1 개의 타겟의 유효 영역내를 타겟 (55₁ ∼ 55₆) 과 대향하는 위치를 통과한다.

이 경우, 기판 (62) 표면이 유효 영역내를 타겟과 대향하여 통과할 때에 다량의 스퍼터링 입자가 기판 (62) 표면에 수직으로 입사하기 때문에 기판 (62) 의 미세구멍의 저면에 스퍼터링 입자가 퇴적하고 박막으로 균일하게 충전된다. 따라서, 면내 막두께 분포의 균일성이나 바닥 커버리지성이 한 층 향상한다.

기판 (62) 표면으로 형성된 박막의 단면을 관찰하였을 때, 애스펙트비 5.0 인 미세구멍은 50 % 이상의 바닥 커버리지로 충전되어 있었다.

다음에 상기 제 2 예의 스퍼터링 장치 (52) 와는 달리 제 1 예의 스퍼터링 장치 (2) 를 개량한 제 3 예의 스퍼터링 장치 (72) 를 설명한다.

도 7 의 도면부호 72 는 그 제 3 예의 스퍼터링 장치를 나타내고, 진공조 (80)를 갖고 있다. 진공조 (80) 의 저벽 상에는 기판 홀더 (81) 가 배치되어 있으며, 천정측에는 캐소드 홀더 (79) 가 배치되어 있다. 진공조 (80) 는 도시하지 않은 진공 펌프에 접속되어 내부를 진공배기할 수 있도록 구성되어 있다.

캐소드 홀더 (79) 에는 스퍼터링 캐소드 (73) 가 10 개 달려있고, 캐소드 홀더 (79) 와 10 개의 스퍼터링 캐소드 (73) 에 의해 복합 스퍼터링 캐소드 (71) 가 구성되어 있다 (도 7 에서는 3 개의 스퍼터링 캐소드를 나타낸다).

각 스퍼터링 캐소드 (73) 는 상술한 스퍼터링 캐소드 (53₁ ∼ 53₆) 와 동일한 구성이며, 도 8 에 나타내는 바와 같이 전극 (74), 타겟 (75), 마그네트론 자석 (77), 통 형상체 (76) 를 갖고 있다.

타겟 (75) 은 통 형상체 (76) 내에 들어가 전극 (74) 의 기판 홀더 (81) 측의 면에 고정되어 있고, 그 반대측 전극 (74) 의 뒷면에는 마그네트론 자석 (77) 이 배치되어 있다.

통 형상체 (76) 는 하단부를 기판 홀더 (81) 측을 향해서 거의 수직이 된 상태로 상단부를 캐소드 홀더 (79) 에 고정하고 있고, 타겟 (75) 은 통 형상체 (76) 의 하단부 개구부분으로부터 기판 홀더 (81) 에 면하도록 되어 있다.

도 9 에 스퍼터링 캐소드 (73) 나 캐소드 홀더 (79) 등과의 상대적인 위치 관계를 나타낸다. 도면부호 73₁ ∼ 73₁₀ 은 10 개의 스퍼터링 캐소드를 나타내고 있고, 캐소드 홀더 (79) 의 중심 (Q) 을 중심으로 하며 비대칭으로 배치되어 있다.

캐소드 홀더 (79) 의 상면에는 회전축 (85) 의 하단부가 수직으로 부착되어 있으며 그 상단부는 페로실 (87) 을 통하여 진공조 (80) 밖으로 기밀하게 도출되며, 모터 (86) 에 부착되어 있다.

그리고, 모터 (86) 를 기동하면, 캐소드 홀더 (79) 와 각 스퍼터링 캐소드 (73₁ ∼ 73₁₀) 는 중심 (Q) 를 회전중심으로 하여 함께 회전한다. 도 7 의 도면 부호 88 은 그 회전의 회전축선을 나타내고 있다.

각 스퍼터링 캐소드 (73₁ ∼ 73₁₀) 를 스퍼터링할 때, 기판 홀더 (81) 상에 기판을 올려놓은 상태로 캐소드 홀더 (79) 를 회전시킨다. 이 경우, 기판은 정지하고 있지만 스퍼터링 캐소드 (73₁ ∼ 73₁₀) 가 회전하는 결과, 기판과 복합 스퍼터링 캐소드 (71) 가 상대 회전하고, 기판 표면의 어느 위치에서도 타겟 (75) 의 유효영역 내를 통과, 기판 표면에는 타겟 (75) 으로부터 수직으로 튀어 나오는 스퍼터링 캐소드 입자가 입사한다.

이처럼 제 1 예의 스퍼터링 장치 (2) 에서는 기판과 복합 스퍼터링 캐소드 (1) 는 정지하고 있는 것에 대해, 제 2 예, 또는 제 3 예의 스퍼터링 장치 (52, 72) 에서는 기판과 복합 스퍼터링 캐소드 (51, 71) 가 상대적으로 회전할 수 있으므로, 미세구멍의 바닥 커버리지나 면내 박막 분포의 균일성이 한 층 향상된다.

또한 기판과 복합 스퍼터링 캐소드의 일방을 회전시키는 경우에 포함되지 않고, 스퍼터링 캐소드와 기판을 서로 역방향으로 회전시켜도 된다.

또 상술한 스퍼터링 장치 (2, 52, 72) 에서, 막두께 분포가 균일하게 되도록 각 타겟으로의 투입전력을 다르게 할 수 있다.

또 한 편, 기판의 외측 스퍼터링 캐소드를 촘촘히 배치하면 투입 전력을 비슷하게 해도 면내 막두께 분포를 균일하게 할 수 있다.

상기 타겟 간을 차폐하기 위해 통 형상체를 사용하였는데, 통 형상체가 아니라 판상의 차폐물을 설치해도 된다.

이들 차폐물의 전위는 플로팅 또는 임의로 전위로 제어할 수 있다. 또한, 차폐물의 위치는 캐소드 홀더에 직접 고정되지 않아도 된다.

또한, 스퍼터링 캐소드는 자기회로를 갖는 마그네트론 캐소드이거나, 자기회로가 없는 스퍼터 캐소드이어도 된다.

스퍼터 전원은 DC, RF, HF 전압, 및 이들 전압을 중첩시킨 것도 사용할 수 있다. 또한, 기판에 바이어스 전압을 인가하여도 된다. 이 바이어스 전압의 종류는 DC, RF, HF 전압 및 이들을 중첩시킨 전압이더라도 된다.

각 타겟은 원형으로 하였지만, 사각형이나 육각형 등의 형상이어도 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 대형 기판에 대해서도 대칭성이 좋은 바닥 커버리지를 수득할 수 있다. 또 복합 스퍼터링 캐소드 내의 개개의 타겟의 사이즈를 작게 할 수 있으므로, 타겟의 제조가 용이해지고, 저비용이다.

또한 투입 전력의 제어를 스퍼터링 캐소드마다 행하면, 면내 막두께 분포를 제어하기 쉽다. 타겟 간을 차폐하는데 통 형상체를 사용하면 진공조 내의 청소가 용이해진다.

또한 다른 재료로 구성된 타겟을 사용하면 막두께 방향으로 재질이 다른 박막이나 합금 등의 복합 물질로 이루어지는 박막을 형성할 수도 있다.

도 1 은 본 발명의 복합 스퍼터링 캐소드와 그 캐소드를 갖는 스퍼터링 장치의 제 1 예를 나타내는 도면,

도 2 는 기판으로의 스퍼터링 입자의 입사 상황을 설명하기 위한 도면,

도 3a 는 원통형상의 통 형상체를 갖는 복합 스퍼터링 캐소드의 예를 나타내는 도면,

도 3b 는 벌집형상의 통 형상체를 갖는 복합 스퍼티링 캐소드의 예를 나타내는 도면,

도 3c 는 차폐물을 갖는 복합 스퍼터링 캐소드의 예를 나타내는 도면,

도 4 는 바닥 커버리지의 비대칭성을 설명하기 위한 도면,

도 5 는 본 발명의 스퍼터링 장치의 제 2 예를 나타내는 도면,

도 6은 그 복합 스퍼터링 캐소드를 설명하기 위한 도면,

도 7 은 본 발명의 스퍼터링 장치의 제 3 예를 나타내는 도면,

도 8 은 그 스퍼터링 장치의 스퍼터링 캐소드를 설명하기 위한 도면,

도 9 는 그 스퍼터링 장치의 복합 스퍼터링 캐소드를 설명하기 위한 도면,

도 10 은 종래 기술의 스퍼터링 장치의 예를 나타내는 도면,

도 11 은 그 스퍼터링 장치의 스텝 커버리지를 설명하기 위한 도면,

도 12 는 콜리메이터를 사용한 종래 기술의 스퍼터링 장치를 나타내는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 복합 스퍼터링 캐소드 2 : 스퍼터링 장치

3₁ ∼ 3₇ : 스퍼터링 캐소드 4₁ ∼ 4₇ : 캐소드 전극

5₁ ∼ 5₇ :타겟 6₁ ∼ 6₇ : 통 형상체

10 : 진공조 11 : 기판 홀더

19 : 캐소드 홀더

Claims

진공조와

상기 진공조에 배치된 캐소드 홀더와

상기 캐소드 홀더 위에 배치된 복수의 캐소드 전극과

상기 각 캐소드 전극 위에 각각 배치된 복수의 타겟과

상기 각 타겟에 대향하는 기판홀더와

상기 각 타겟 사이를 차폐하는 복수의 차폐물을 갖고,

타겟의 표면으로부터 상기 차폐물의 선단까지의 길이가 적어도 상기 타겟의 직경 이상으로 구성되고,

상기 캐소드 홀더와 상기 기판홀더는 서로 평행한 상태를 유지하면서 상대적으로 회전하도록 구성되고,

상기 상대적인 회전의 중심을 중심으로 하고, 원주가 상기 각 타겟의 중심을 각각 통과하는 복수의 동심원 중 상기 복수의 타겟 중 하나의 타겟이 위치하는 동심원의 원주와 그 동심원에 인접하는 동심원의 원주 사이의 거리보다 상기 하나의 타겟의 반경이 크게 된 스퍼터링 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 차폐물은 통형상체에 의해 구성되고,

상기 각 통형상체의 개구 단부는 상기 기판홀더를 향하게 되고,

상기 각 타겟은 상기 통형상체를 통해 상기 기판홀더에 대향하도록 배치된 스퍼터링 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 각 캐소드 전극은 전원에 접속되고, 상기 각 캐소드의 표면에 플라즈마를 형성할 수 있도록 구성되고, 상기 각 캐소드 전극에 투입되는 전력은 개별적으로 제어할 수 있도록 구성된 스퍼터링 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 복수의 타겟에는 다른 종류의 재질로 구성된 타겟이 포함되는 스퍼터링 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 복수의 타겟에는 다른 크기의 것이 포함되는 스퍼터링 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 각 타겟은 상기 캐소드 홀더의 중심의 둘레에 비대칭으로 배치된 스퍼터링 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 기판홀더 위에 배치된 기판 표면에는 상기 타겟으로부터 방출된 스퍼터링 입자 중 거의 수직으로 방출된 스퍼터링 입자만 도달하도록 구성된 스퍼터링 장치.