KR100599924B1 - 반응성 스퍼터링용 장치 - Google Patents

반응성 스퍼터링용 장치 Download PDF

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Abstract

음극에 플라즈마용 방전 전압이 인가되고, 작동 가스 및 반응성 가스가 스퍼터 챔버 내에 도입되는 반응성 스퍼터링용 장치에 관한 것이다. 스퍼터 챔버 내의 전체 가스 유량은 밸브의 도움을 받아 제어되고, 두 가지 가스의 분압(partial pressure)의 비는 일정하게 유지된다.
플라즈마, 방전 전압, 음극, 스퍼터 챔버, 작동 가스, 반응성 가스, 반응성 스퍼터링용 장치, 제어 가능한 밸브, 조절회로.

Description

반응성 스퍼터링용 장치{DEVICE FOR REACTIVE SPUTTERING}
도 1은 본 발명에 따른 스퍼터 장치의 개략도이다.
도 2는 음극 전압과 반응성 가스 유량 사이의 제1 관계를 나타내는 다이어그램이다.
도 3은 음극 전압과 반응성 가스 유량 사이의 제2 관계를 나타내는 다이어그램이다.
도 4는 스퍼터 음극을 지나 이동되는 기판의 위치와 음극 전압 사이의 관계를 나타내는 다이어그램이다.
본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 반응성 스퍼터링용 장치에 관한 것이다.
반응성 스퍼터링에서, 일반적으로, 적어도 2개의 가스가 이용되는데, 주로 불활성이며 이온화된 형태에서는 타겟으로부터 입자를 떼어내는 한 가지 가스, 및 떼어낸 입자와 화합물을 형성하는 반응성 가스가 이용된다. 이 화합물은 후에 기판, 예로서 유리 시트 상에 얇은 층으로서 증착된다.
불활성 가스의 이온이 타겟으로 향해 가속되기 위해, 전압이 이 타겟에 인가되어야만 한다. 타겟과 반대극(反對極)(antipole) 사이의 이 전압은 스퍼터 챔버 내에서 얻어진 가스 압력에 의존한다. 코팅될 전기적으로 비전도성인 기판이 스퍼터 챔버를 통해 이동되면, 전압은 기판의 특정 위치에 대해서도 의존한다.
따라서 압력에 대한 전압의 의존성은, 더욱 높은 압력에서 가스 볼륨 내에 여전히 원자가 존재하여, 더욱 많은 전하 캐리어가 생성된다고 설명될 수 있다. 따라서 동일한 전력에서 더욱 높은 방전 전류가 흐르고 전압은 감소된다.
기판의 위치에 대한 전압의 의존성은 다음과 같이 설명될 수 있다.
전기적으로 비전도성인 기판이 타겟을 가진 스퍼터 음극 아래를 지나서 이동되면, 기판은 타겟 아래의 점점 더 많은 양극 볼륨을 덮는다. 따라서, 양극은 더욱 작게 되고, 이것이 동일한 전력에서 요구되는 전류를 유도하기 위해 양극 전압이 증가되어야만 하는 이유이다.
플라즈마는 오염 효과로 인해서 추가로 영향을 받는데, 오염 효과로 인해 반응성 부산물이 타겟 상에 증착된다.
반응성 부산물이 금속 타겟보다 더 많은 2차 전자를 방출시키면, 플라즈마의 전기적으로 충전된 입자의 비율이 증가된다. 따라서 플라즈마 임피던스가 감소되어, 일정한 전력에서 증가된 전류가 더욱 낮은 전압에서 흐른다. 이러한 효과는 불활성 가스에 대한 반응성 가스의 비율이 증가되면 강화된다.
예로서 알루미늄 타겟이 산소 함유 분위기에서 스퍼터링되면, 발생되는 알루미늄 산화물은 금속 알루미늄에 비해 7배 증가된 2차 전자를 방출시킨다. 한편, 반 응성 부산물의 스퍼터율은 종종 순수 금속의 스퍼터율보다 낮다.
상기 효과의 결과, 방전 전압은 반응성 비율이 증가함에 따라 감소되고, 동일한 전력에서 더욱 높은 전류가 더 낮은 전압에서 흐른다.
음극 전력이 규정된 작동치로 설정될 수 있게 하는 조절 회로를 포함하는 스퍼터 코팅 장치가 이미 알려졌다(DE 101 35 761 A1, EP 1 197 578 A2). 음극 전력에 추가하여, 반응성 가스의 가스 유량이 퍼지 논리 시스템의 도움을 받아 조절된다.
더욱이, 음극 전류를 규정하는 측정치와 전압 강하를 규정하는 측정치를 얻는 조절 회로를 포함하는 스퍼터 코팅 장치가 알려졌는데, 이러한 측정치의 함수로서의 전압 강하는 퍼지 논리 시스템에 기초하여 반응성 가스의 가스 유량을 제어한다(DE 101 35 802 A1).
본 발명은 반응성 코팅 장치의 음극 전압을 일정하게 유지하면서 동시에 균일한 높은 코팅율을 유지하는 문제를 중점적으로 다룬다.
이 문제는 특허청구범위 제1항의 특징에 따라 해결된다.
따라서, 본 발명은, 플라즈마용 방전 전압이 음극에 인가되고, 작동 가스 및 반응성 가스가 스퍼터 챔버 내에 도입되는 반응성 스퍼터링용 장치에 관한 것이다. 스퍼터 챔버 내의 전체 가스 유량은 밸브의 도움을 받아 제어되고, 2개의 가스의 분압(partial pressure)의 비는 일정하게 유지된다.
본 발명의 한 이점은, 인라인(inline) 작동 동안에 연속적 기판을 통해 전압 관계가 변동되어도 방전 전압은 역시 일정하게 유지될 수 있다는 것이다.
본 발명의 한 실시예가 도면에 나타내어지고 다음에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 스퍼터 장치(1)의 원리를 나타내는데 스퍼터 장치(1)는 스퍼터 챔버(2), 음극(3), 양극(4), 차폐부(5), 전압원(6), 및 조절회로(7)를 포함한다. 음극(3)은 스퍼터링될 타겟(9)이 플렌지 형태로 형성된 터브형(tub-form) 음극부(8)를 포함한다. 요크(13)를 가로질러 서로 연결된 3개의 영구 자석(10, 11, 12)이 터브형 음극부(8)에 배치된다.
음극부(8)는 밀봉부(14)를 통해서 스퍼터 챔버(2)내의 개구의 가장자리 상에 놓인다. 전압원(6)의 전압은 한 극(15)은 음극부(8)에 다른 극(16)은 양극(4)에 연결된 조절회로(7)를 통해 전도된다. 조절회로(7)는 전압원(6)의 전압이 변동되더라도 양극-음극 경로에 대한 전압 출력을 일정하게 유지한다. 방전 전압의 변동은 실질적으로 통과하는 기판을 통해 이루어진다. 전압을 일정하게 유지하는 것은 가스 라인(17, 18)을 통해 스퍼터 챔버(2)내로 도입된 전체 가스의 유량이 조절 가능한 밸브(19)에 의해 조절됨으로써 달성된다. 여기에서 다른 가스의 분압은 동일한 비로 유지된다. 이것은 예로서 3개의 압력 센서(20, 21, 22)와 3개의 제어가능 밸브(23, 24, 25)를 포함하며 가스 실린더(26, 27, 28)로부터의 가스의 특정 압력을 조절할 수 있는 구성을 통해 달성된다. 가스의 분압의 비는 조절회로(29)에 의해 항상 일정하게 유지된다. 이 조절회로(29)는 또한 조절회로(7) 내에 통합될 수 있다.
스퍼터 챔버(2) 내의 양극(4)의 아래에는, 코팅될 판(32)이 좌로부터 우로 밀려질 수 있게 하는 2개의 개구(30, 31)가 제공된다. 판(32) 아래에는, 펌프(도시되지 않음)와 연결되고 스퍼터 챔버(2) 내에 준진공을 생성되게 할 수 있는 2개의 퇴출 포트(33, 34)가 배치된다. 도면부호(35, 36)는 타겟(9) 앞에 아치의 형태로 분산되는 플라즈마 구름을 나타낸다.
가스 실린더(26)는 예로서 불활성 가스를 포함할 수 있고, 가스 실린더(27, 28) 내에는 다른 반응성 가스가 포함된다.
밸브(19)는 버터플라이 밸브일 수 있다. 그러한 버터플라이 밸브의 구조는 카뷰레터(carburetor)의 스로틀 밸브에 대응된다. 둘러싸는 튜브에 단면적이 적응된 디스크는 그 대칭축에 대해 회전 가능하게 지지된다. 튜브의 단면적에 대해 디스크의 설정각에 따라, 튜브 단면의 더 크거나 작은 양의 면적이 열린다. 90도 위치에서 가장 큰 개방이 달성되고, 0도의 위치에서 개구는 닫힌다.
도 2는 음극 전압과 반응성 가스 유량 사이의 관계를 나타낸다. 이러한 관계를 나타내는 곡선이 히스테리시스를 갖는다는 것은 명백하다. 반응성 가스 비율이 증가함에 따라 방전 전압이 감소되는 것을 알 수 있다. 따라서, 동일한 전력에서 더 높은 전류가 더 낮은 전압에서 흐른다.
도 2의 곡선에서 삼각형으로 표시된 특정한 점에서 시작하여, 타겟의 스퍼터링 표면은, 반응성 부산물의 낮은 스퍼터 율로 인해서 감소된 표면 비율을 가진 순수 금속 서퍼터링용 반응성 가스의 양이 너무 높아, 타겟 표면이 반응성 부산물로 완전하게 코팅될 정도로 반응성 부산물로 코팅된다. 이 점 위에서, 삼각형으로 표 시된 준안정 동작점이 가능하다. 히스테리시스에 관한 더 이상의 상세사항은 예로서 US 6 511 584의 도 1 및 도 2에서 볼 수 있다.
도 2에 나타내어진 히스테리시스는 타겟 재료와 반응성 가스의 특정한 조합에 의존한다. 또한 도 2에 따른 히스테리시스 곡선에 거울-대칭인 히스테리시스 곡선이 있다. 일정한 불활성 가스 유량에서 반응성 가스 유량을 변경시키거나 일정한 반응성 가스 유량에서 불활성 가스 유량을 적응시키는 것이 가능하다. 간단히 말해서, 주로 작동 가스로서의 불활성 가스는 타겟 재료를 부식시키고, 반응성 가스는 주로 화학 반응을 위해 필요하다는 것을 생각할 수 있다.
본 발명에서의 문제는 양극과 차폐부에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 스퍼터 음극을 가진 장치에서 음극의 방전 전압을 일정하게 유지하는 것이다.
코팅될 기판(32) 뒤에는 제2 기판(도 1에 도시되지 않음)이 가까이 뒤따라, 2개의 기판 사이에 공간이 형성된다. 따라서 포트(33, 34)에 연결된 펌프의 퇴출용량은 손상되어, 즉, 퇴출용량이 변동된다. 가스가 스퍼터 챔버(2)로부터 펌핑되는 포트(33, 34)의 단면은 기판(32)이 우측으로 이동될 때 기판(32)에 의해 점점 더 덮여, 결국에는 양극(4) 사이와 2개의 연속하는 기판 사이의 좁은 공간을 통해 펌핑 아웃하는 것만 가능하게 된다. 기판(32)의 이동으로 인해, 퇴출용량은 최대치로부터 최소치로 감소된다. 가스 공급이 일정하게 유지되면, 음극(3) 앞의 볼륨 내의 압력은 증가된다. 그러나, 반응성 프로세스에 따라, 압력의 증가는 방전 전압의 감소 또는 증가를 발생시킨다. 이 경우에, 기판의 위치에 의존하는 도 4에 나타내어진 전압 곡선이 형성된다. 퇴출 포트를 덮고 따라서 퇴출용량의 변화를 발생시켰던 기판이 퇴출 단면을 다시 열면, 방전 전압은 다시 원래의 값을 갖게 된다. 공간 좌표(x) 대신에, 도 4에서 시간 좌표를 규정하는 것도 가능한데, 왜냐하면 위치는 관계 v=x/t를 통해 시간의 함수이기 때문이다.
퇴출 단면을 덮는 것으로 인한 이러한 전압 변경은 본 발명에 따라 가스 유량의 조절에 의해 조절된다.
음극에서의 전압 및 가스 압력은 예로서 가용성 기판이 위로 말려 올라가거나 증착된 층이 기판으로부터 찢겨 위로 말려 올라가는 이유가 될 수 있는 예로서 증착된 층 내의 기계 응력과 같은 층 성질을 설정하는 중요한 파라미터이다. 이러한 파라미터를 통해서, 표면 조도, 층의 전기 저항 또는 줄기 모양(stem-like)에 더 가깝거나 벌크 재료에 더욱 유사한 층 구조, 기공, 결정의 정도 등과 같은 증착된 층의 성장이 영향을 받을 수 있다.
여기에서 이용된 전압 조절은 스퍼터 기법에서 종래에 이용된 전압 조절이 아니다. 이 종래의 전압 조절은 특히 전류 또는 전력이 일정하게 유지되는 전류 또는 전력 조절과는 대조적으로 출력 전압이 일정하게 유지되는 스퍼터 전력 공급용 조절 변화이다.
전압을 일정하게 유지하는 것과 일정한 분압비에서의 압력의 조절 사이의 관계는 복잡하다. 첫 번째 근사화(approximation)에서, 스퍼터 전력은 실제로 스퍼터 율에 비례한다. 스퍼터 율은 부식되고 후에 반응성 가스와 반응하는 타겟 재료의 양을 나타낸다. 반응성 가스에 대한 부식된 재료의 비는, 동일한 반응성 부산물이 형성되기 위해서 일정하게 유지되어야만 하는데, 다시 말해서, 스퍼터 전력은 실제 로 가스 압력과 함께 일정하게 유지될 필요가 있다.
또한 근사화로서, 전력 외에도, 작동 가스로서의 프로세스 가스의 불활성 가스 비가 스퍼터 율을 결정하며, 반응성 가스 비가 화학 반응을 결정한다는 것이 적용된다. 그러한 이유로, 분압비는 일정하게 유지되어야만 한다.
한편, 스퍼터 전압이 층 성장에 영향을 주며 결과적으로 층 성질에 영향을 주어, 전압을 일정하게 유지하는 것이 합리적이라는 것이 알려졌다. 여러 가지 효과가 서로 중첩되어 서로 보상하고, 전압이 일정하게 유지되는가 또는 전력이 일정하게 유지되는가 하는 것의 측정 가능한 차이는 없다는 것이 가능하다. 예로서, 제안된 조절에서, 스퍼터 방전의 전류가 요구되는 조절 범위에서 최소한으로만 변하며, 따라서 첫 번째 근사화로서 일정하게 유지되고, 한편, 전압이 일정하게 유지되면, 스퍼터 전력과 또한 스퍼터 율이 일정하게 유지된다.
일정 전압에서 방전 전류가 압력의 함수로서 변하는 정도는 전류-전압 특성 및 전압-압력 특성에 의해 결정된다. 둘 다 사용된 마그네트론의 구조에 의존하는 디바이스 성질이다.
본 발명의 반응성 스퍼터링용 장치는 반응성 코팅 장치의 음극 전압을 일정하게 유지하면서 동시에 균일한 높은 코팅율을 유지한다.

Claims (8)

  1. 플라즈마용 방전 전압이 인가되는 적어도 하나의 음극(3), 및
    스퍼터 챔버(2) 내에 적어도 하나의 작동 가스와 적어도 하나의 반응성 가스
    를 포함하는 반응성 스퍼터링용 장치에 있어서,
    상기 스퍼터 챔버(2) 내로 전체 가스가 흐를 수 있게 하는 제어 가능한 밸브(19), 및
    적어도 2개의 가스의 분압(partial pressure)의 비를 일정하게 유지시키는 조절회로(29)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링용 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    처리될 기판(32)이 상기 음극(3)으로부터 간격을 두고 상기 음극(3)을 지나 이동 가능한 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링용 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스퍼터 챔버(2)의 가스용 퇴출 포트(33, 34)가 처리될 상기 기판(32) 아래에 설치된 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링용 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    제어 가능한 밸브(23 내지 25)가 각각 설치된 복수 개의 가스 용기(26 내지 28)를 포함하며, 상기 밸브(23 내지 25)에 의해 제어된 가스는 공통 가스 라인에 공급되는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링용 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브(23 내지 25)에 의해 도입되는 가스의 압력을 측정하는 압력 센서(20 내지 22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링용 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판(32)과 상기 음극(3) 사이에 차폐부(5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링용 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 작동 가스는 아르곤인 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링용 장치.
  8. 복수 개의 기판이 스퍼터 챔버를 통해 순차적으로 이동되고, 2개의 상기 기판 사이에 갭이 형성된 인라인 장치(inline installation)에서 반응성 스퍼터링 동안의 방전 전압을 조절하는 방법에 있어서,
    상기 방전 전압이 전체 가스 스트림을 변경시킴으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 방전 전압 조절 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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