KR100599922B1

KR100599922B1 - 마그네트론 및 타깃을 구비한 스퍼터 장치

Info

Publication number: KR100599922B1
Application number: KR1020040026226A
Authority: KR
Inventors: 로프안드레아스; 지셰크안드레아스; 가이슬러미헬; 프파이퍼헤베르트; 크렘펄-헤스요크
Original assignee: 어플라이드 필름스 게엠베하 운트 컴퍼니 카게
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2004-04-16
Publication date: 2006-07-12
Also published as: KR20050082411A; EP1566827A1; DE102004007813A1; CN1657646A; US20050178660A1; TWI257432B; CN100523281C; TW200528572A; JP2005232582A

Abstract

본 발명은 상대적으로 이동가능한 마그네트론 및 타깃을 구비한 스퍼터 장치에 관한 것이다. 마그네트론은 두 개의 길이방향 측면이 서로 거리(C)만큼 이격된 유사 직사각형 플라스마 튜브를 형성하는 자석 시스템을 포함한다. 타깃 및 자석 시스템이 거리(C)에 대략 대응하는 경로만큼 서로 상대적으로 이동하는 경우, 자석 시스템은 플라스마 튜브의 말단의 폭이 플라스마 튜브의 직경보다 더 작거나 또는 동일하도록 배치된다. 그러나, 상대적인 이동 경로가 거리(C)보다 작은 경우, 자석 시스템은 플라스마 튜브의 말단의 폭(d)이 플라스마 튜브의 직경의 2배보다 더 작거나 또는 동일하도록 배치된다.

마그네트론, 타깃, 스퍼터 장치, 플라스마 튜브, 자석 시스템

Description

마그네트론 및 타깃을 구비한 스퍼터 장치 {SPUTTER ARRANGEMENT WITH A MAGNETRON AND A TARGET}

도 1은 타깃 위를 이동하는 자석 시스템의 기본적인 도면이다.

도 2는 도 1의 구성의 단면도이다.

도 3은 타깃의 균일한 침식(erosion)을 얻을 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 자석 시스템의 도면이다.

도 4는 타깃의 균일한 침식을 얻을 수 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자석 구성의 도면이다.

도 5는 도 3 또는 도 4에 따른 자석 구성으로 얻을 수 있는 플라스마 튜브(tube)의 도면이다.

도 6은 3개의 중앙 자석을 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자석 시스템의 도면이다.

도 7은 도 6에 따른 자석 시스템으로 생성된 플라스마 튜브의 도면이다.

본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 자석 구성에 관한 것이다.

스퍼터 장치에서 플라스마는 진공 하의 스퍼터 챔버 내에서 생성된다. 플라스마의 양이온은, 이른바 타깃이 제공된 캐소드의 음전위에 의하여 끌어 당겨진다. 양이온이 상기 타깃 상에 충돌하여 작은 입자로 파괴되어 기판 상에 퇴적될 수 있다. 이들 입자의 파괴를 "스퍼터링"이라고 한다. 플라스마는, 비반응성 스퍼터링의 경우에는 불활성 가스, 예를 들면 아르곤과 같은 가스로 이루어진다. 반응성 스퍼터링의 경우에는, 예를 들면 산소만 단독으로 사용되거나 또는 불활성 가스와 함께 사용된다.

스퍼터 효과를 개선하기 위하여, 플라스마를 타깃 상에 유지시키는 자계를 갖는 자석이 타깃 근방에 사용된다. 자계는 플라스마 내의 전자를 특정의 경로 내로 유도되도록 한다. 전자는 중성 가스, 예를 들면 아르곤을 상기 경로 상에서 이온화하여 양이온을 발생한다. 이들 양이온은 전자보다 훨씬 무겁고 실제로는 전혀 영향을 받지 않는다. 대신에, 이들 양이온은 음전극 또는 캐소드로서 작용하는 타깃 상에 낙하하여 이 타깃을 스퍼터링한다. 이온화는 자계 벡터가 타깃 표면과 평행하게 연장되는 곳에서 실질적으로 발생한다. 여기서, 플라스마가 가장 조밀하기 때문에 타깃이 가장 강력하게 침식된다. 이하, 자계에 의하여 결정된 플라스마 경로를 또한 플라스마 튜브라고 칭한다.

제1 극성의 막대 자석이 제2 극성의 직사각형 자석에 의하여 둘러싸인 평면 자석 시스템을 사용하는 경우, 이들 자석 사이에 직사각형의 침식 트랙이 생기고, 직사각형의 모서리가 둥글게 된다.

고정 자석 응집체에 대해 회전하는 회전식 원통형 타깃 또한 이미 공지되어 있다(DE 41 17 518 A1). 직사각형의 침식 트랙은 타깃 원주의 모든 부위에 도달한다. 침식 직사각형의 좁은쪽에는 함몰부가 타깃에 형성된다. 타깃은 바람직하지 않은 함몰부가 발생된 플라스마 직사각형의 좁은쪽의 부위를 제외하고는 균등하게 침식된다.

또한, 고정식 타깃인 경우 침식 트랙이 직사각형이 아닌 6각형으로 형성된 자석 구성이 공지되어 있다(WO 96/21750). 상기 6각형은 좌우측 상에 삼각형이 인접하는 형태의 두 개의 커다란 측면으로 구성된다. 삼각형을 인접시키는 대신에, 포물선형 또는 반타원형 또한 제공될 수 있다. 자석의 위치를 변화시킴에 따라 변경된 침식 형태가 얻어진다. 본 명세서에서 자석은 고정식으로 배치되고 타깃은 이 자석에 대하여 회전하지만, 타깃을 고정시키고 자석을 회전하게 할 수도 있다.

그러나, 자석 구성이 드라이브에 의하여 타깃의 평면과 평행하게 이동하는 스퍼터 장치 또한 공지되어 있다(US 5 873 989). 상기 자석 구성은 전후방향으로 이동하고, 즉 타깃의 말단에서 자석의 이동 방향이 반전된다. 플라스마는 기다란 타원형 형태를 갖는 플라스마 트랙을 형성한다. 상기 타원형의 길이 방향은 이동 방향과 수직으로 연장된다. 상기의 자석 구성에서는, 타깃의 양단에 근접하여 함몰부가 또한 형성되고, 이 함몰부는 타깃의 나머지 영역의 침식보다 더 크다. 타깃을 더 양호하게 사용하기 위하여, 자석 구성은 두 개의 추가적인 함몰부가 이미 형성된 함몰부와 수직으로 형성되도록 소정의 기간 후에 90도로 회전된다. 이러한 직선 배열인 경우, 타깃의 가장자리에는 회전식 구성과 동일한 방식으로 홈을 가진 트랙이 형성된다.

본 발명의 목적은 자석이 타깃에 대해서 이동하는 직선형 스퍼터 장치에서 타깃의 가장자리에 침식 함몰부가 형성되는 것을 방지하는 것이다.

상기 목적은 특허청구범위 제1항 또는 제2항의 특징에 따라 달성된다.

따라서, 본 발명은 서로 상대적으로 이동가능한 마그네트론 및 타깃을 구비한 스퍼터 장치에 관한 것이다. 마그네트론은 두 개의 기다란 측면이 서로 거리(C)만큼 이격된 유사 직사각형 플라스마 튜브를 형성하는 자석 시스템을 포함한다. 타깃 및 자석 시스템이 거리(C)에 대응하는 경로만큼 서로 상대적으로 이동하는 경우, 자석 시스템은 플라스마 튜브의 말단의 폭이 플라스마 튜브의 직경보다 더 작거나 또는 동일하게 되도록 위치한다. 그러나, 상대적인 이동 경로가 거리(C)보다 더 작은 경우, 자석 시스템은 플라스마 튜브의 말단의 폭(d)이 플라스마 튜브의 직경의 2배 이하가 되도록 구성된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 타깃(2) 상측에 배치된 자석 시스템(1)의 도면이다. 타깃(2)은 도 1에 도시되지 않은 기판 상에 스퍼터 및 퇴적되는 소정의 재료로 구성된다. 자석 시스템(1)은 프레임(frame) 형태의 외측 자석(3) 및 막대(bar) 형태의 내측 자석(4)을 포함한다. 프레임(1)은 2개의 기다란 막대 자석(5, 6) 및 2개의 짧은 막대 자석(7, 8)으로 구성되며, 짧은 막대 자석(7, 8)은 기다란 막대 자석(5, 6)과 수직으로 배열된다. 도시된 길고 짧은 막대 자석(5, 6, 7, 8)은, 예를 들면, S극인 반면, 도시된 내측 자석(4)은 N극이다. 타깃(2)과 대면하는 분명하지 않은 부분 상의 극 관계는 반대이다. 상기 측면 상으로 연장되는 자계는, 분명하지 않지만, 포물선 형태로 만곡되고 외측 자석(3)으로부터 타깃(2)을 통과해서 내측 자석(4)으로 연장된다. 이들 자계를 통하여, 전극은 플라스마 튜브(9)가 형성되도록 편향되는 한편, 플라스마 튜브 내의 양전하 입자, 예를 들면, 아르곤 이온은 자계를 통하여 타깃 상으로 가속된다. 플라스마 튜브(9)는 수직 영역(16, 17) 및 수평 영역(18, 19)을 포함한다. 플라스마 튜브(9)에 대응하여, 이온 또한 플라스마 튜브 형태의 타깃(2)의 눈에 보이지 않는 후측으로부터 입자를 파괴하고, 즉 타깃 내에는 플라스마 튜브(9) 형상의 함몰부가 형성된다. 자석 시스템(1)이 고정 상태에 있는 타깃(2) 위를, 화살표(10) 방향으로 우측 위치까지 이동하는 경우, 타깃(2)의 후측 상에 타깃(2)의 외측 가장자리 영역을 제외하고 실질적으로 동일한 재료 침식이 일어난다. 가장자리 영역에는 함몰부 또는 침식 채널(11, 12)이 형성된다. 이러한 함몰부(11, 12)가 형성되는 원인은, 플라스마 튜브(9)의 수직 및 수평 영역의 동일한 폭 또는 두께(d)에서. 플라스마 입자는 내측 자석(4) 또는 영역(18, 19)의 길이에 의하여 형성된 중앙 영역에서는 타깃(2)의 2d의 스트립 상에 충돌하지만, 플라스마 튜브(9)의 상단 및 하단 곡률 영역(18, 19)의 근방에서는 d x B의 스트립 상에 충돌하고, 여기서 B는 플라스마 튜브의 곡률 영역 폭이며 d는 플라스마 튜브의 직경이다. d x B ＞ d x 2이기 때문에, 타깃(2)의 상단 및 하단 영역이 중앙 영역보다 더욱 강력하게 이온으로 충격을 받는다. 따라서, 침식 트렌치(erosion trench)라고도 하는 함몰부(11, 12)가 형성된다.

우측에 도시된 자석 시스템(1')은 좌측에 도시된 자석 시스템(1)과 동일하다. 이 도면은 단지 상이한 위치를 가정하는 것으로서, 도면 부호에 대시를 부가하였다. 세그멘트(A)는 자석 시스템(1)이 우측으로 타깃(2) 상측을 이동한 세그멘트를 나타낸다. 수많은 경우에, 섹션(A)은 섹션(C), 즉 플라스마 튜브(9)의 2개의 기다란 부분(16, 17) 사이의 거리에 대응하도록 선택된다.

우측으로의 이동 거리가 거리(C)에 대응하는 경우, 이동하는 도중에 후측 타깃면의 각 부분이 플라스마에 의하여 한 차례 커버(cover)되도록 자계는 이동한다. 타깃(2)의 영역이 큰 경우 여러 개의 인접하여 배치된 자석 시스템(1)으로 구현될 수 있다. 이동 방향은 일반적으로 거리(C)를 가로지른 후에 반전된다. 이 경우 타깃(2)의 침식 깊이는 드라이브 경로를 따라 침식율을 적분함으로써 계산될 수 있다. 근사치로서, 침식은 타깃면의 한 지점으로 이동하는 플라스마 튜브(9)의 암(arm)(16, 17)의 폭(d)으로 또한 계산될 수 있다.

상기의 경우에, 플라스마 튜브의 상측 및 하측 말단에는 플라스마 밀도가 일정하다면 B≤d인 경우 함몰부 또는 침식 채널(11, 12)이 형성되지 않는다.

제2 실시예(1)에 있어서, 자석 시스템(1)이 이동한 세그멘트(A)는 암(16, 17) 사이의 거리(C)보다 더 크다. 자석 시스템(1)의 자계는, 이동하는 도중에 타깃면의 각 부분이 플라스마 튜브(9)의 수직인 암 양자 모두에 의하여 한 차례 커버되도록 이동한다. 이것은 나란히 배치된 여러 개의 자석 시스템(1)으로 또한 구현될 수 있다. 이동 방향은 타깃의 외측 가장자리가 도달했을 때 반전된다. 이 경우 침식 깊이는 드라이브 경로를 따라 침식율을 적분함으로써 계산될 수 있다. 침 식은 타깃의 한 지점으로 이동하는 플라스마 튜브의 폭 모두의 합에 의하여 대략 계산될 수 있다. 플라스마 튜브(9)의 상측 및 하측 말단(18, 19)에는 플라스마 밀도가 일정하다면 플라스마 튜브(9)의 하측 또는 상측 암(19, 18)의 폭(B)이 수직 암의 플라스마 튜브의 폭(d)의 최대 2배에 대응하는 경우, 즉 B≤2d인 경우에만 침식 트렌치(11, 12)가 발생되지 않는다.

도 2에는 도 1에 따른 장치의 선 I-I를 따라 절취된 단면도가 도시되어 있다. 도면에서 자계(30, 31)는 타깃(2)을 포물선 형태로 관통하고 있는 것이 명백하다. 타깃(2) 하측에는 타깃(2)으로부터 파괴된 입자로 코팅된 기판(20)이 배치되어 있다. 타깃(2)과 기판(20) 사이의 공간에는 도시되지 않은 음이온 상으로 양이온이 가속되는 플라스마가 배치되어, 일반적으로 타깃(2)이 자석 시스템 근방에 배열되며 상기 방식으로 타깃(2)으로부터 입자를 파괴하는 유닛을 형성한다.

도 2에 도시된 장치 전체는 진공 코팅 챔버(29) 내에 위치된다.

도 3은 2개의 수직으로 기다란 막대 자석(32, 33) 및 4개의 보다 작은 막대 자석(34, 35, 36, 37)을 포함하는 특정의 자석 시스템(25)의 도면이고, 각각의 경우에 상기 보다 작은 막대 자석 중 2개(34, 35 또는 36, 37)는 기다란 막대 자석(32, 33)의 말단에서 한정되는 지붕 형태를 형성한다.

내측 자석(38)은 길이방향으로 직경이 상이하며, 중앙부의 직경(m)이 크고 외측부의 직경(n, o)이 작다.

도 4는 2개의 기다란 막대 자석(27, 28), 서로에 대하여 오프셋 상태로 배치된 2개의 사각형 자석(40, 41 또는 42, 43), 서로 일치되지 않게 배치된 2개의 짧 은 막대 자석(44, 45 또는 46, 47), 및 서로 수직으로 연장되는 2개의 짧은 막대 자석(48, 49 또는 50, 51)을 포함하는 다른 자석 시스템(26)의 도면이다.

내측 자석은, 단차(53, 54 또는 55, 56)로 형성된 직경이 작은 2개의 축소부를 자신의 말단에 포함하는 막대 자석(52)으로 형성된다.

도 5는 도 4에 따른 자석 시스템에 의하여 얻어지는 플라스마 튜브(57)의 도면이다.

도 6에는, 외측 자석에 의하여 둘러싸인 3개의 내측 자석(61, 62, 63)을 포함하는 다른 자석 구성(60)이 도시되어 있다. 이들 외측 자석은 2개의 외측 기다란 막대 자석(64, 65), 이들 기다란 막대 자석 사이에 배치된 2개의 짧은 막대 자석(66, 67), 막대 자석(64, 65)과 수직으로 각각 연장되는 3개의 말단 자석(68, 69, 70, 71, 72, 73), 비스듬하게 연장되며 막대 자석(66)의 하측 말단과 말단 자석(68 또는 69)을 연결하는 2개의 얇은 막대 자석(74, 75), 및 비스듬하게 연장되며 막대 자석의 상측 말단과 말단 자석(71, 72)을 연결하는 2개의 얇은 막대 자석(76, 77)을 포함한다. 또한, 말단 자석(69, 70 또는 72, 73)은 얇은 막대 자석(90. 91 또는 78, 79)을 거쳐 막대 자석(67)의 말단과 또한 연결된다.

도 7에는, 도 6에 따른 자석 시스템(60)을 사용하는 경우에 얻어지는 3개의 플라스마 튜브(80, 81, 82)가 도시되어 있다.

거리(B, d, C)의 결정에 관한 한, 플라스마 폭(B)은 직접 결정되지 않는다. 따라서, B 및 d는 플라스마 구성을 결정하는 자계를 통해 정의될 수 있다. 본질적으로, 플라스마는 자계 라인, 즉 자계 벡터가 타깃면과 평행으로 연장되는 장소에서 부식시킨다. 이들 장소에서, 타깃면에 대하여 직각인, 자계 벡터의 성분은 제로이다. 이들 장소는 타깃면 상의 자계 강도를 측정함으로써 실험적으로 결정될 수 있다. 따라서, 플라스마 튜브의 두 개의 영역(16, 17) 사이의 거리(C)는 상대적인 이동 방향으로 타깃면 상의 위치 간의 거리, 즉 자계 벡터의 수직 성분이 제로인 거리에 의하여 정의된다. 따라서, 플라스마 튜브(9)의 폭(d)은 상대적인 이동 방향으로 타깃면 상의 위치들 간의 거리, 즉 자계 벡터가 타깃면과 20°의 각도를 형성하는 위치들 간의 거리로서 형성된다. 이것은 자계 라인이 타깃면과 20°의 각도로 교차하는 장소들에 해당한다. 상기 장소들은 타깃(2)의 길이방향 중앙, 즉 도 1에서 약자 C가 위치하는 장소에 대략 위치하고 있다. 좁은 측의 플라스마 튜브의 폭(B)은 타깃면 상의 위치들, 즉 자계 벡터가 타깃면과 20°의 각도를 형성하는 위치들 간의 상대적인 이동 방향으로의 최대 거리로 정의된다. 이와 관련하여 최대 거리는 도 3에 위치된 이중 화살표를 대략 의미한다. 상기 화살표가 상하로 이동하는 경우, 거리는 더 작아진다.

따라서, 값(B, d, C)은 측정 및/또는 계산을 통해 정밀하게 결정될 수 있다.

Claims

마그네트론 및 타깃을 구비한 스퍼터 장치에 있어서,

상기 마그네트론 및 상기 타깃은 서로 상대적으로 이동하며, 상기 마그네트론은 적어도 하나의 내측 자석 및 상기 내측 자석을 둘러싸는 적어도 하나의 외측 자석을 갖는 자석 시스템을 포함하고,

상기 자석 시스템은, 상기 내측 자석과 상기 외측 자석 사이에, 서로 거리(C)만큼 이격된 두 개의 영역을 포함하는 적어도 하나의 폐쇄된 플라스마 튜브를 형성하며, 상기 플라스마 튜브는 직경(d)을 갖고 기판에 대하여 상기 마그네트론이 이동하는 방향과 실질적으로 수직으로 연장되며,

상기 타깃(2)과 상기 자석 시스템(1)이 경로 = C만큼 상대적으로 이동하는 경우, 상기 자석 시스템(1)은 상기 플라스마 튜브(9)의 말단의 폭(B)이 조건 B ≤ d를 충족시키도록 배치되는

것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
마그네트론 및 타깃을 구비한 스퍼터 장치에 있어서,

상기 마그네트론 및 상기 타깃은 서로 상대적으로 이동하며, 상기 마그네트론은 적어도 하나의 내측 자석 및 상기 내측 자석을 둘러싸는 적어도 하나의 외측 자석을 갖는 자석 시스템을 포함하고,

상기 자석 시스템은, 상기 내측 자석과 상기 외측 자석 사이에, 서로 거리(C)만큼 이격된 두 개의 영역을 포함하는 적어도 하나의 폐쇄된 플라스마 튜브를 형성하며, 상기 플라스마 튜브는 직경(d)을 갖고 기판에 대하여 상기 마그네트론이 이동하는 방향과 실질적으로 수직으로 연장되며,

상기 타깃(2)과 상기 자석 시스템(1)이 경로 ＞ C만큼 상대적으로 이동하는 경우, 상기 자석 시스템(1)은 상기 플라스마 튜브(9)의 말단의 폭(B)이 조건 B ≤ 2d를 충족시키도록 배치되는

것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 플라스마 튜브(9)의 상기 두 개의 영역(16, 17) 사이의 거리(C)는 상대적인 이동 방향으로 상기 타깃(2)의 표면 상의 두 개의 위치 간의 거리에 의하여 정해지고, 상기 거리에서 상기 타깃(2)의 표면과 수직인 자계 벡터의 성분은 제로인 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 플라스마 튜브(9)의 직경은 상대적인 이동 방향으로 상기 타깃(2)의 표면 상의 길이방향 중앙의 두 개의 위치 간의 거리에 의하여 정해지고, 상기 거리에서 상기 자계 벡터는 상기 타깃(2)의 표면과 20°의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 플라스마 튜브(9)의 말단의 폭(B)은 상대적인 이동 방향으로 상기 타깃(2)의 표면 상의 위치 간의 최대 거리에 해당하고, 상기 최대 거리에서 상기 자계 벡터는 상기 타깃(2)의 표면과 20°의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 상대적인 이동은 전후방향으로의 이동인 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 외측 자석(25)은, 지붕을 형성하는 2개의 작은 막대 자석(34, 35; 36, 37)에 의하여 한정되는 2개의 기다란 평행 막대 자석(32, 33)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
제7항에 있어서,

상기 내측 막대 자석은 말단부의 직경(n, o)의 중앙부의 직경(m)보다 더 작은 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

3개의 내측 자석(61 내지 63) 및 여러 개의 외측 자석(64 내지 75)을 구비하며,

제1 외측 자석(67)의 영역은 제2 외측 자석의 영역을 동시에 형성하며, 제2 외측 자석(66)의 영역은 제3 외측 자석의 영역을 동시에 형성하는

것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
제9항에 있어서,

상기 제1 및 제3 외측 자석은 서로 평행하게 배치된 2개의 막대 자석(64, 66; 65, 67)을 포함하며, 상기 2개의 막대 자석 중 하나의 막대 자석(66, 67)은 다른 하나의 막대 자석(64, 65)보다 더 짧고,

상기 2개의 막대 자석의 말단은 L자형 자석((70, 91; 73, 79 또는 68, 74; 71, 76)에 의하여 서로 연결되는

것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.