KR100786713B1 - 스퍼터링 반응기 및 비균형 마그네트론의 이용 방법 - Google Patents

Abstract

대응된 타겟(16)에 배치되는 소형의 회전가능한 마그네트론(30)을 가지는 스퍼터링 장치에서, 마그네트론(30)은 제 1 자석 밴드(44) 및 제 1 자석 밴드(44)의 외부에 배치되는 대응된 극성의 제 2 자석 밴드(42)를 가진다. 제 1의 내부 자석 밴드(44)의 전체 자속은 제 2 외부 자석 밴드(42)의 전체 자속보다 작다. 제 2 자석 밴드(42)로부터 자속의 임의의 라인들은 제 1 자석 밴드(44)를 통과하며 제 2 자석 밴드(42)에서 종결된다. 제 2 자석 밴드(42)로부터 자속의 나머지 라인들은 제 1 자석 밴드(44)를 둘러싸며 제 2 자석 밴드(42)에서 종결되는 자속 루프를 형성한다. 결론적으로, 전자를 차폐하는 성능은 자속의 라인이 진공 챔버를 지나서 연장되지 않기 때문에 향상된다. 마그네트론은 자성 요크를 통하여 결합되는 대응된 극성의 비균형의 자석 쌍들로 실행되거나 타겟 중앙부 근처로부터 타겟 주변으로 및 밴드의 내부에 배치된 대응 극성의 내부 원통형 자석들(43b)로 연장되는 타원형 또는 원형 밴드에 배치되는 자극성의 외부 원통형 자석들(43a)로 실행된다. 외부 자석의 전체 자석 세기는 내부 자석들의 총 자석 세기의 15% 이상이다. 외부 밴드는 주축의 0.8보다 작지 않은 부축을 가지는 타원형상인 것이 바람직하며 원형상인 것이 더욱 바람직하다. 외부 밴드는 마그네트론 회전 축선을 통과하거나 축선으로부터 완전히 이격되어 배치된다.

Description

스퍼터링 반응기 및 비균형 마그네트론의 이용 방법{SPUTTERING REACTOR AND METHOD OF USING AN UNBALANCED MAGNETRON}

도 1은 본 발명의 마그네트론형 스퍼터링 반응기의 구성을 도시한 개략적인 단면도.

도 2는 자석 쌍들의 배열 위치를 도시한 평면도.

도 3은 자석 쌍 서브-유닛의 확대 단면도.

도 4, 도 5, 및 도 6은 자석에 의해 발생된 자기장을 설명하기 위해 밀접하게 관련된 자석들의 배열을 도시한 평면도.

도 7은 자석에 의해 발생된 자기장을 설명하기 위한 선택적인 자석 배열을 도시한 평면도.

도 8은 도 1의 스퍼터링 반응기 내에 형성된 자기장을 도시한 개략적인 단면도.

도 9 및 도 10은 도 1의 마그네트론과 상이한 마그네트론을 갖는 스퍼터링 반응기 내에 형성된 자기장을 도시한 다이아그램.

도 11은 네스트형 자석 밴드를 포함하는 마그네트론의 평면도.

도 12는 막대 자석을 사용한 본 발명의 마그네트론형 스퍼터링 반응기의 다른 실시예의 구성을 도시한 개략적인 단면도.

도 13 및 도 14는 반경방향으로 편평한 타원형 또는 원형으로 배열된 도 12의 막대 자석을 도시한 하부 평면도.

도 15는 도 12의 스퍼터링 반응기 내에 형성된 자기장을 도시한 개략적인 단면도.

도 16은 도 12의 자기장과 반대의 자기 불균형을 갖는 스퍼터링 반응기 내에 형성된 자기장을 도시한 개략적인 단면도.

도 17은 본 발명의 마그네트론의 다른 실시예의 개략도.

도 18은 상이한 크기의 자석을 포함하는 자석의 선택적인 배열을 도시한 하부 평면도.

도 19는 자기 불균형의 함수 대 시트 저항의 균일도를 작성한 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10, 10a, 11 : 스퍼터링 반응기 12 : 진공 챔버

13a : 절연체 13b : 절연부

14 : 하우징 15 : 기판

15a : 상부 증착면 16 : 타겟

16a : (소모성) 바닥면 16b : 타겟의 상부

18 : 받침대 18a : 상부

19 : 절연 캐패시터 20 : 배출 포트

21 : 진공 펌프 22 : 공급 포트

23 : 질량 흐름 제어기 24 : 타겟 전력 공급기

25 : 가스 공급원 26 : 실드

29 : 제어기 29a : 제어 라인

30, 30a, 30b, 31 : 마그네트론 32, 33 : 베이스 플레이트

32a : 바닥 적재면 33 : 장방형 탭

33a : 배치면 34, 34a, 34b : 자석 조립체(자석 쌍)

36 : 구동 모터 38 : 회전축선(중심 축선)

40 : (자기) 요크 41 : 자기성 커버

42, 44 : 자석 밴드 43a, 43b, 43c : 자석

46 : 나사 47 : 제 1 환형 부재

48, 50 : 자기 부재(자극 단편) 49 : 제 2 환형 부재

52, 54 : 자석 밴드 60, 62, 64, 66 : 링형 자석 밴드

68, 70 : 공간 80 : 외부 정렬 벨트

82 : 외부 정렬 벨트 84, 86 : 정렬 구멍

88 : 패스너 B : 자기장

B_H : 평행 성분 B_V : 수직 성분

R_S : 시트 저항 W : 웨이퍼

본 발명은 마그네트론 스퍼터링에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 회전가능한 마그네트론의 구성 및 배열에 관한 것이다.

플라즈마 스퍼터링 반응기는 일반적으로 스퍼터링 타겟, 스퍼터링 타겟의 소모성 부식 표면 쪽에 배열된 웨이퍼 지지 받침대, 및 스퍼터링 타겟의 내부 표면 쪽에 배열된 마그네트론을 포함한다. 마그네트론은 타겟의 부식 표면에 인접하게 자기장을 발생시켜서 플라즈마 밀도 및 스퍼터링 속도를 증가시킨다. 아르곤과 같은 공정 가스가 스퍼터링 반응기의 진공 챔버 내로 공급되어서 스퍼터링 타겟 부근에서 플라즈마를 발생시킨다. 스퍼터링 타겟으로부터 스퍼터링된 입자는 웨이퍼에 도달하여 박막을 형성한다.

소형 반도체 장치의 개발이 계속되면서 높은 종횡비를 갖는 비아 또는 콘택 홀과 같은 내부 연결 홀의 바닥을 완전히 덮는 것이 강하게 요구되어 왔다. 이러한 요구를 충족시키기 위해, 본 발명의 발명자들은 스퍼터링에 의해 달성될 수 있는 홀 내에 바닥 커버리지를 향상시키기 위한 방법을 연구하였다.

또한, 스퍼터링에 의해 기판상에 형성된 박막 두께의 평면 균일성을 향상시키는 것도 중요하다. 예컨대, 200mm 웨이퍼로부터 300mm 웨이퍼로의 변천에서 증명된 바와 같이 액정용 대형 유리 기판 및 대형 반도체 웨이퍼의 개발과 함께, 박막 두께의 평면 균일성을 보다 더 향상시킬 것을 요구하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 바닥 커버리지를 개선하기 위한 스퍼터링 반응기 및 스퍼터링 증착 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 박막 두께의 균일성을 향상시키기 위한 스퍼터링 반응기 및 스퍼터링 증착 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 균일한 스퍼터링 증착에 추가하여, 타겟 사용을 최적화시키기 위해 타겟의 부식 표면을 균일하게 스퍼터링하는 것이다.

본 발명은 마그네트론 스퍼터링 반응기 및 마그네트론이 스퍼터링될 재료로 구성된 타겟의 후방에 위치된 스퍼터링 방법을 제공한다. 마그네트론은 타겟의 중심 부근에서 회전하여서 균일한 스퍼터링 및 스퍼터링 증착을 제공한다.

본 발명의 제 1 양태에 따르면, 마그네트론은 일극성의 외부 자석 밴드 및 이러한 외부 자석 밴드에 의해 둘러싸여진 반대 극성의 내부 자석 밴드를 포함한다. 비록 통공(aperture)이 없는 내부 밴드가 소정의 구성에서는 바람직하더라도, 내부 자석 밴드는 바람직하게는 통공 없는 영구 자화 재료를 둘러싸고 있다. 각각의 밴드는 단일 자석 또는 실질적으로 평행한 밴드 형태로 배열된 다수 자석으로 형성될 수도 있다. 자석식 요크가 양 밴드의 자석을 지지할 수도 있고, 반대 극성의 밴드를 자기적으로 연결할 수도 있다. 밴드가 다수 자석으로 구성된 경우, 밴드 형태를 갖는 자석 극면은 요크와 마주하는 자석의 단부 상에 위치될 수도 있고, 동일한 극성의 자석을 자기적으로 연결시킬 수도 있으며, 이에 의해 분리된 자석들 사이의 영역이 연결된다.

본 발명의 제 2 양태에 따르면, 마그네트론은 불균형하고, 외부 자석 밴드에 의해 발생된 전체 자속은 내부 밴드에 의해 발생된 전체 자속 보다 1.5 배 이상 더 크다. 이에 의해, 자기장은 스퍼터링 코팅될 기판을 향해 진행될 수도 있다.

본 발명의 제 3 양태에 따르면, 마그네트론은 타겟 중앙부에 위치되고 타겟 중앙부 부근에서 마그네트론을 회전시키는 회전축의 일측면로 실질적으로 한정된다. 마그네트론의 외부로의 편위는 예컨대 타겟 반경의 15% 정도로 제한된다. 바람직하게, 외부 자석 밴드는 타겟 중앙부 위에 놓인다.

본 발명의 제 4양태에 따르면, 마그네트론의 작은 영역의 곡률 형태가 제한된다. 이러한 형태는 원형 및 부축선 대 주축선의 비가 적어도 0.8인 타원형을 포함한다. 타원형의 주축선은 바람직하게는 타겟 반경을 따라 배열되지만, 다른 방향도 가능하다. 그렇지만, 본 발명은 또한 삼각형, 원호 삼각형, 및 타겟 중앙부 부근으로부터 타겟 둘레 부근으로 연장하는 평행한 밴드를 갖는 레이스트랙을 포함하는 다른 형태의 마그네트론에 적용될 수도 있다.

본 발명의 제 5양태에 따르면, 마그네트론은 네스트형(nested) 여러 쌍의 자석 밴드를 포함한다.

본 발명의 제 6양태에 따르면, 마그네트론은 타원형 또는 원형의 외부 밴드 내에 배열된 일자극의 원통형 자석 및 외부 밴드 내에 배열된 다른 자극의 원통형 자석으로 구성된다. 바람직하게는, 외부 밴드 내의 자석들은 상이한 강도를 가지며, 보다 강한 자석은 타겟 둘레에 보다 가깝게 배치된다.

본 발명은 스퍼터링된 원자의 이온화를 증가시키며, 스퍼터링 코팅된 기판을 향해 가속되는 스퍼터링 이온의 자기 유도를 제공한다. 이에 의해, 깊은 홀(deep hole) 충진이 용이해지고, 중앙 대 에지의 균일성이 개선된다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 발명자들은 심도있는 연구를 수행하였다. 실험을 통해 상기한 불균일한 스퍼터링 증착의 경향이 감소되는 자기 배열이 얻어졌다. 하나의 실험에서, 박막 두께가 보다 두꺼운 중앙 부분에 인접한 영역에서 증착 재료량을 증가시키기 위해, 자석은 중앙 영역 부근에 배열되었다. 그렇지만, 실험 결과는 균일성을 증가시키려는 목적을 달성할 수 없는 것으로 나타났다.

두 개의 일반적인 결과를 알아내었다. 첫째로, 높은 종횡비를 갖는 연결 구멍 바닥에서의 바닥 커버리지가 스퍼터링 장치로 공급된 공정 가스의 압력을 감소시킴으로써 개선될 수 있음을 발견하였다. 두 번째로, 마그네트론을 회전시키는 개념이 가능한 것으로 여겨졌다. 즉, 만일 자석들이 기판의 중앙으로부터 외부를 향해 반경방향으로 배열되고 회전된다면, 자석은 타겟의 전체 소모성 표면 위를 통과할 수 없다.

그렇지만, 실험은 만일 공정 가스의 압력이 감소된다면, 스퍼터링에 사용되는 플라즈마가 유지될 수 없음을 보여주었다. 이러한 실험에 근거하여, 또한 압력이 감소된 경우 플라즈마가 유지될 수 없다는 이유는 전자의 공급이 또한 감소되기 때문인 것으로 여겨진다. 또한, 플라즈마 내의 전자는 어떤 도전성 표면에서 이탈하여 플라즈마로부터 소멸될 것이다.

이러한 전자 밀도의 감소는 (a) 새로운 전자 소오스를 추가하거나, (b) 전자들이 이탈하는 것을 방지하기 위해 발생된 전자들을 차폐(confining)시킴으로써 방지될 수 있다. 가스가 전자의 공급을 보충하기 위해 챔버로 공급될 때, 발생된 전자가 이탈하는 것을 방지하는 것은 중요하다. 따라서, 스퍼터링 장치의 구성은 전자의 이탈 경로에 대한 철저한 시험이 수행되었다. 발명자들은 진공 챔버 내에 배열된 실드(shield)가 접지됨을 알아내었다. 플라즈마 내의 약간의 전자는 플라즈마와 실드 사이의 전위차에 기인하여 실드로 흐른다. 결과적으로, 실드로 흐르는 전자의 수를 감소시킨다면, 전자 밀도는 증가될 수 있다.

실드로의 전자 흐름을 감소시키기 위해, 발명자들은 진공 챔버 내에서의 전기장과 자기장의 크기 및 방향 뿐만 아니라 전자기장 내의 전자의 이동에 대한 보다 많은 지식을 가져야함을 인지하였다.

대체로, 전자기장 내에서, 전자는 전기장의 방향에 대응하는 방향으로 곡선을 따라 이동하고, 나선형 궤적으로 나타나는 자기장 라인을 중심으로 회전한다. 마그네트론에 의해 발생된 자기장은 진공 챔버의 외부로 연장한다. 그 결과, 이러한 자기장 내에서, 자기 라인에 대해 나선형으로 이동하는 소정의 전자는 실드에 도달할 것이고, 이 지점에서 플라즈마로부터 접지될 것이다. 자기장은 플라즈마의 밀도를 증가시키기 위해 사용되지만, 발생된 전자를 완전하게 차폐시킬 수는 없다. 결과적으로, 본 발명자는 마그네트론이 전자를 차폐하는 자기장을 발생시키는 경우 상기 문제점이 해결될 수 있다는 결론을 내렸다.

본 발명의 스퍼터링 장치는 진공 챔버, 이러한 진공 챔버의 압력을 감소시키기 위한 진공 펌프, 진공 챔버로 스퍼터링 공정 가스를 공급하기 위한 가스 공급 수단, 진공 챔버 내에서 기판을 지지하기 위한 받침대, 스퍼터링 타겟, 및 마그네트론을 포함한다. 바람직하게는, 마그네트론을 회전시키기 위한 구동 모터를 더 포함한다. 스퍼터링 장치에서, 스퍼터링 타겟의 소모성 표면은 기판 받침대를 향하고 있다. 마그네트론은 기판 지지부로부터 스퍼터링 타겟의 반대 측면 상에 배열된다.

본 발명의 마그네트론은 반대 자극을 갖는 제 1 및 제 2 자석 밴드를 갖추고 있다. 제 2 자석 밴드는 제 1 자석 밴드 외부에 배치되어서, 제 1 자석 밴드를 둘러싸고 있다. 바람직하게, 제 1 및 제 2 자석 밴드는 일정한 갭에 의해 그들의 분극에서 분리되어 있다. 제 1 내부 자석 밴드에 의해 발생된 전체 자속이 제 2 자석 밴드의 자속 보다 작기 때문에, 마그네트론은 불균형을 이루게 된다. 낮은 자속 밀도를 형성하는 제 1 자석 밴드는 보다 높은 자속 밀도를 형성하는 제 2 자석 밴드의 내부 상에 배열되기 때문에, 외부 상의 제 2 자석 밴드로부터의 자속의 일부분은 내부 상의 제 1 자석 밴드로 도달하게 되고, 제 1 자석 밴드와 접촉하지 않으면서 제 1 자석 밴드의 내부를 통과하여, 제 2 자석 밴드 내에서 종착된다. 결과적으로, 진공 챔버 외부를 통과하는 자속이 감소할 수 있기 때문에, 전자의 차폐 능력은 개선될 수 있다.

제 1 및 제 2 자석 밴드는 다음의 형태 중 하나를 가질 수도 있다. 마그네트론은 다수의 제 1 및 제 2 자석을 갖출 수도 있다. 다수의 제 1 자석은 제 1 자극, 즉 N극이 밴드 내에서 타겟을 향하도록 배열된다. 다수의 제 2 자석은 제 2 자극, 즉 S극이 제 2 밴드 내에서 타겟을 향하도록 배열된다. 제 1 자석 밴드의 자기 분극은 제 2자기 밴드의 자기 분극과 반대이다. 만일 각각의 자석 밴드가 다수의 자석으로 구성된다면, 각각의 자석 밴드에 의해 발생된 자기장의 형태는 자석이 점유한 위치에 따라 변화될 수 있다. 보다 강한 제 2 자석 밴드는 최외 둘레에 배치된 자석들을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 구성에서, 제 2 자석 밴드의 내부에서의 플라즈마 내의 전자들은 차폐될 수 있다.

마그네트론은 제 1 및 제 2 자석 밴드와 함께 자기 회로를 형성하도록 배열된 자기 부재 또는 요크를 갖출 수도 있다. 예컨대, 마그네트론은 제 1 및 제 2 자석을 지지하고 자기적으로 연결하는 자석 요크를 가질 수도 있다. 만일 자석 회로가 형성된다면, 제 2 자석의 자속의 일부는 제 1 자석에 도달하고, 제 1 자석의 내부 및 자기 요크를 통과하여 제 2 자석에서 종착될 것이다. 또한, 나머지 자속은 자기 회로 경로 내에 제 1 자석을 포함하도록 연장하고, 제 1 자석의 내부를 통과하여, 제 2 자석에 의해 차폐될 것이다. 자기 회로가 마그네트론 내에 형성될 때, 다른 자기적 특성에 영향을 미치지 않으면서 전자를 차폐하기 위한 바람직한 형태를 가지도록 자기장을 제어하는 것이 가능하다.

본 발명의 스퍼터링 반응기에서, 다수의 제 2 자석은 다수의 제 1 자석을 둘러싸기 위해 링 또는 밴드의 형태로 배열될 수 있으며, 또한 다수의 제 1 자석은 링 또는 밴드의 형태로 배열될 수도 있다. 통공 없는 영구 자화 재료가 최내(inner-most) 밴드 내에 형성될 수도 있는데, 이러한 통공 없는 자석이 항상 필요한 것이 아니다.

본 발명의 스퍼터링 장치에서, 마그네트론은 제 1 및 제 2 자극 단편으로 보다 특정화된 제 2자기 요크를 더 포함할 수도 있다. 각각의 제 1 자극 단편은 제 1 자극과 함께 자기적으로 연결되도록 각각의 제 1 자석의 단부에 배열된다. 각각의 제 2 자극 단편은 제 2 자극과 함께 자기적으로 연결되도록 각각의 제 2 자석의 단부에 배열된다. 제 1 및 제 2 자극 단편은 인접한 자석들을 자기적으로 연결하도록 배열되기 때문에, 자속은 자석이 존재하지 않는 자석들 사이의 영역으로 유도될 수도 있다. 결과적으로, 각각의 자석에 의해 발생된 자속은 자극 단편에 의해 평균화될 수 있으며, 이후 스퍼터링 타겟에 적용된다. 이에 의해, 인접한 자석들 사이의 자속 밀도의 편차가 평균화된다.

본 발명의 스퍼터링 장치에서, 자기 요크는 각각의 제 1 및 제 2 자석의 타단부를 지지하기 위해 적절한 방식으로 배열된다. 제 1 자극 단편은 제 1 자석의 일단부를 연결하도록 링 형태로 배열된다. 제 2 자극 단편은 제 2 자석의 일단부를 연결하도록 링 형태로 배열된다.

본 발명의 마그네트론에서, 제 1 및 제 2 자석의 일단부에 의해 발생된 자속은 제 1 및 제 2자속 단편에 의해 여러 자석들 사이의 영역으로 분배된다. 따라서, 제 1 및 제 2 자석 각각은 소모성 표면 부근에 링형 자기장을 형성할 수 있다. 플라즈마는 2개의 링형 자기장들 사이에서 발생된다. 결과적으로, 자기장이 자속 루프 내에 내부 자석들을 포함하도록 발생될 때, 전자 차폐 능력이 개선될 수 있다. 외부 상의 제 2 자석의 타단부에서 발생된 자속은 제 1 자기 요크의 내부를 통과하여 제 2 자석의 타단부에 도달한다. 자속의 일부는 제 1 자석을 통과하고, 제 1 자석의 일단부에 도달하여, 제 2 자석의 일단부에 의해 발생된 자속과 함께 루프를 형성한다. 나머지 자속은 자기 요크로부터 연장하여 제 2 자석의 일단부에 의해 발생된 자속과 함께 루프를 형성한다. 만일 자기장이 상기한 자기 회로에 의해 제어된다면, 자속은 외부로 팽창하는 것이 방지될 수 있다. 결과적으로, 플라즈마의 전자 차폐 효율이 개선될 수 있다.

본 발명의 스퍼터링 장치는 Ti, Al, 및/또는 Cu를 포함하는 스퍼터링 타겟을 가질 수도 있으며, 다른 재료도 또한 가능하다.

상기한 실험은 타겟 증착의 부식의 균일성에 관한 것이다. 이들 실험에 근거하여, 발명자들은, 자석이 기판의 중앙 부분과 중앙 부분을 둘러싸는 영역의 박막 두께를 제어하기 위해 사용된 자석은 회전 중심을 포함하는 영역 내에 배열될 수 있으며, 또한 기판의 에지부에서의 박막 두께를 제어하기 위해 사용된 자석은 타겟의 둘레부에 대응하는 부분에 배열될 수 있으며, 소모성 표면의 스퍼터링 품질 및 기판상에 형성된 박막의 두께를 제어하는데 사용되는 자석은 중앙 영역과 에지 영역 사이에 배열될 수 있다는 결론을 내렸다.

스퍼터링 타겟은 소모성 재료가 기판 받침대를 향하도록 위치되어 있다. 마그네트론은 받침대에 대해 타겟의 반대 측면 상에 위치되며, 스퍼터링 타겟을 향하는 영역을 갖추고 있다. 구동 수단으로는 소모성 표면상의 소정의 지점(표면의 중앙)을 통과하는 회전 축선과 정렬된 축을 사용하는데, 이는 스퍼터링 타겟에 대해 마그네트론을 회전시킬 수 있다.

마그네트론은 진공 챔버 내에서 자기장을 발생시키는데 사용되는 전술한 제 1 및 제 2 자석 밴드를 갖추고 있다. 균일성을 증가시키기 위해, 자석 밴드는 회전 축선을 통과하는 마주하는 영역 중 어느 하나에 배열된다.

상기한 바와 같이, 제 1 자석 밴드는 스퍼터링 반응기 내에서 마주하는 영역 중 어느 하나에 배열된다. 따라서, 제 1 자석 밴드는 자기장이 타겟 중앙부 영역 및 둘레 영역에서 발생되도록 적절하게 배열될 수 있다. 또한, 제 1 자석 밴드는 소모성 타겟 표면의 스퍼터링 속도 및 중앙으로부터 둘레로 연장하는 영역에서 기판상에 증착되는 박막의 양을 제어하기 위해 적절하게 배열될 수 있다. 소모성 표면상에 스퍼터링 분포의 균일성에 대한 종래의 제한이 감소되기 때문에, 종래의 제한에 의해 강제되었던 조건과 상이한 조건 하에서 적절한 마그네트론 형태가 제 1 자석 세트의 형태에 대해 적용될 수 있다. 결과적으로, 자기장이 형성되는 영역의 형태는 단순화될 수 있으며, 소모성 표면의 스퍼터링 균일성 뿐만 아니라 박막의 균일성도 개선될 수 있다. 받침대 및 타겟 사이의 공간은 바람직하게는 기판 직경의 약 0.95배, 즉 200mm 웨이퍼에 대해 190mm이다.

또한, 제 1 자석 밴드는 마주하는 개별적인 영역 중 어느 하나에 배열될 수 있기 때문에, 스퍼터링 균일성이 보장되며, 플라즈마가 형성되는 소모성 표면 부근의 영역이 감소될 수 있다. 타겟에 인가된 전력은 이러한 마그네트론의 영역에 집중되기 때문에, 플라즈마 밀도는 인가된 전력을 증가시키지 않으면서 증가될 수 있다. 플라즈마 밀도가 증가되면, 전자 밀도 또한 증가된다. 결과적으로, 스퍼터링된 입자의 이온화율이 증가될 수 있다. 이온화된 스퍼터링 입자가 기판의 표면을 향해 가속되기 때문에, 기판 표면 방향의 속도 성분을 가지면서 기판으로 도달하는 스퍼터링된 입자의 수가 증가될 수 있다. 결과적으로, 대부분의 스퍼터링 입자는 플라즈마 영역 바로 아래의 영역에 도달하며, 박막은 전자 및 이온이 도달하는 기판의 영역에 우선적으로 증착된다. 따라서, 박막 두께 및 바닥 커버리지의 균일성이 개선될 수 있다.

본 발명은 다음의 여러 형태를 가질 수도 있다.

증가된 균일성을 달성하기 위한 본 발명의 스퍼터링 장치에서, 제 1 자석 세트는 하나 이상의 제 1 자석 및 하나 이상의 제 2 자석을 갖출 수도 있다. 제 1 자석은 제 1 자극을 형성하는 제 1 부분 및 반대의 제 2 자극을 형성하는 제 2 부분을 포함한다. 제 1 부분은 타겟을 향하도록 배열될 수 있다. 제 2 자석은 제 1 자극을 나타내는 제 3부분 및 반대의 제 2 자극을 나타내는 제 2 부분을 포함한다. 제 4부분은 타겟을 향하도록 배열될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 자석은 반대 자극성을 생성하도록 배열되어 있다.

만일 제 1 자석 세트가 상이한 자극을 갖는 하나 이상의 자석을 포함하는 경우, 타겟의 스퍼터링 균일성 및 기판상의 박막 두께의 균일성을 달성하기 위한 적절한 자기장 형태가 자석의 형태 및 배열에 대응하여 구현될 수 있다.

전술한 바와 같이, 제 1 자석 세트는 제 1 및 제 2 자석을 지지하기 위해 사용된 자기 요크를 갖출 수도 있다. 제 1 및 제 2 자석은 자기 요크에 자기적으로 연결될 수 있고, 단일 자기체로서 작용할 수 있다. 자석 조립체는 제 1 자기 요크 뿐만 아니라 제 1 및 제 2 자석에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 마그네트론에서, 하나 이상의 제 2 자석은 하나 이상의 제 1 자석의 외부에 링 형태로 배열될 수 있다. 이러한 배열은 자기장에 의한 플라즈마의 차폐에 대해 바람직하다.

본 발명의 마그네트론에서, 제 1 자석 밴드는 또한 제 1 및 제 2 자극 단편으로써 보다 특정화된 자석 부재를 포함할 수도 있다.

다수의 제 1 자석의 제 2 부분은 자석과 타겟 사이에 배열된 제 1 자극면을 통해 서로 자기적으로 연결되어 있다. 이러한 자기적 연결은 제 1 자석 상에 제 1 자극면을 지지함으로써 구현될 수 있다. 제 2 부분으로부터의 자속이 제 1 자극면의 내부를 통과하기 때문에, 여러 자석의 자기적 특성의 편차가 평균화될 수 있으며, 자석들 사이의 영역에서의 자기장이 보상될 수 있다. 유사하게, 다수의 제 2 자석의 제 3부분은 자석과 타겟 사이에 배열된 제 2 자석 부재면을 통해 서로 자기적으로 연결되어 있다. 이러한 자기적 연결은 제 2 자석 상에 제 2 자극면을 지지함으로써 구현될 수 있다. 제 3부분으로부터의 자속이 제 2 자극면의 내부를 통과하기 때문에, 여러 자석의 자기적 특성의 편차가 평균화될 수 있으며, 자석들 사이의 영역에서의 자기장이 보상될 수 있다. 자기장은 제 1 및 제 2 자극면에 의해 여러 자석들 사이로 유도되기 때문에, 플라즈마의 차폐가 개선될 수 있다.

본 발명의 마그네트론에서, 제 1 자석 밴드는 부가적으로 다수의 제 2 자석을 갖출 수도 있다. 또한, 마그네트론은 다수의 제 3 자석의 내부에 제 2 자석 밴드를 갖출 수도 있다. 제 2 자석 밴드는 다수의 제 4 자석을 갖출 수도 있다. 각각의 제 3 자석은 제 1 자극을 나타내는 제 5 부분 및 반대의 제 2 자극을 나타내는 제 6 부분을 갖추고 있다. 제 3 자석은 제 5 부분이 타겟을 향하도록 링 형태로 배열된다. 각각의 제 4 자석은 제 1 자극을 나타내는 제 7 부분 및 반대의 제 2 자극을 나타내는 제 8 부분을 갖추고 있다. 제 4 자석은 제 8 부분이 타겟을 향하도록 링 형태로 배열된다. 따라서, 제 3 및 제 4 자석은 서로 반대 방향 (antiparallel) 자극으로 배열된다.

본 발명의 마그네트론에서, 제 1 자석 밴드는 다수의 제 5 자석을 갖출 수도 있다. 또한, 마그네트론은 다수의 제 5 자석 외부에 배열된 제 3 자석 밴드를 갖출 수도 있다. 제 3 자석 부분은 다수의 제 6 자석을 갖출 수도 있다. 각각의 제 5 자석은 제 1 자극을 나타내는 제 9 부분 및 반대의 제 2 자극을 나타내는 제 10 부분을 갖추고 있다. 다수의 제 5 자석은 제 9 부분이 타겟을 향하도록 링 형태로 배열된다. 각각의 제 6 자석은 제 1 자극을 나타내는 제 11 부분 및 반대의 제 2 자극을 나타내는 제 12 부분을 갖추고 있다. 제 6 자석은 제 12 부분이 타겟을 향하도록 링 형태로 배열된다.

균일성을 개선시키기 위해, 본 발명의 스퍼터링 장치는 다음의 형태를 갖는 마그네트론이 장착된다. 마그네트론은 하나 이상의 자석 조립체 및 다수의 제 2 자석 조립체를 갖출 수도 있다. 제 1 자석 조립체는 자기장이 회전 중심 부근에 형성되도록 적절하게 배열된다. 다수의 제 2 자석 조립체는 회전축을 포함하는 평면에 의해 분리된 마주하는 영역 중 어느 하나에 위치되며, 제 1 자석 조립체와 함께 링형 패턴을 형성하도록 적절하게 배열된다.

마그네트론에서, 제 1 자석 조립체와 함께 링 형태로 배열된 제 2 자석 조립체는 마주하는 영역 중 어느 하나에 배치되기 때문에, 자석 조립체는 원하는 박막 두께의 균일성을 구현하도록 적절한 패턴으로 배열될 수 있다. 결과적으로, 소모성 표면의 스퍼터링 균일성을 증가시키고 박막 두께의 균일성을 증가시키기 위한 적절한 자기장을 형성하는 것이 가능하다. 만일, 자석 조립체가 플라즈마가 형성되는 영역을 감소시키도록 적절하게 배열될 수 있다면, 평면 박막 두께 균일성은 현저하게 개선될 수 있다.

바닥 커버리지를 증가시키기 위한 본 발명의 양태에서, 본 발명의 박막 형성 방법은, (1) 제 1 자극이 규정된 재료로 구성된 타겟을 향하도록 배열된 제 1 자석 세트 및 제 1 자극과 반대인 제 2 자극이 타겟을 향하도록 상기 제 1 자석 세트 외부에 배열된 제 2 자석 세트를 포함하며, 내부의 제 1 자석 밴드에 의해 발생된 자속 밀도가 외부의 제 2 자석 밴드에 의해 발생된 자속 밀도 보다 작은, 스퍼터링 반응기를 제공하는 단계, (2) 상기 타겟에 대향되게 기판을 설치하는 단계, (3) 진공 챔버 내로 아르곤과 같은 스퍼터링 공정 가스를 공급하는 단계, 및 (4) 기판상에 스퍼터링 입자를 증착함으로써 기판상에 규정된 재료로 구성된 박막을 형성하는 단계를 포함한다.

만일 마그네트론이 상기한 바와 같이 준비된다면, 플라즈마 내의 전자들은 플라즈마로 효율적으로 차폐될 수 있다. 결과적으로, 전자 밀도가 증가할 수 있기 때문에, 스퍼터링 입자들은 보다 완전하게 이온화된다. 이온화된 스퍼터링 입자들은 자기장에 의해 기판을 향해 가속된다.

공정 가스의 압력이 감소하더라도, 플라즈마가 유지될 수 있기 때문에, 플라즈마를 소멸시키거나 불안정화시키는 악영향 없이 공정 가스의 압력을 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 스퍼터링 입자가 공정 가스의 원자와 충돌하게 될 가능성이 감소될 수 있다. 따라서, 타겟으로부터 기판으로 편향되지 않고 이동하는 스퍼터링 입자의 수가 감소될 수 있다.

균일성을 증가시키기 위한 본 발명의 양태에서, 본 발명의 박막 형성 방법은, (1) 마그네트론의 회전 중심축을 포함하는 평면에 의해 분리된 영역들 중 어느 하나에 배열된 자석들을 갖춘 마그네트론이 장착된 스퍼터링 장치를 제공하는 단계, (2) 스퍼터링 타겟의 소모성 표면에 대향되게 기판을 설치하는 단계, (3) 진공 챔버 내로 스퍼터링 공정 가스를 공급하는 단계, 그리고 (4) 마그네트론이 회전하는 동안 기판상에 스퍼터링 입자를 증착시킴으로써 박막을 형성하는 단계를 포함한다.

자석은 마그네트론의 회전축을 포함하는 타겟의 표면에 수직한 평면에 의해 분리된 마그네트론의 영역들 중 어느 하나에 배열된다. 이러한 방식에서, 박막은 스퍼터링을 제어하는 동안 증착될 수 있다. 소모성 타겟 표면의 스퍼터링 균일성이 개선되고 플라즈마 영역이 감소될 수 있기 때문에, 플라즈마 영역은 감소될 수 있다. 그 결과, 전자 밀도는 인가 전력을 증가시키지 않으면서 증가될 수 있다. 스퍼터링 입자의 이온화는 증가된 전자 밀도에 의해 증가되며, 이온화된 입자는 기판의 표면을 향해 가속된다. 결과적으로, 대부분의 스퍼터링 입자는 플라즈마 영역 바로 아래의 영역으로 도달한다.

이하에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 도면에서 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였으며, 반복되는 설명은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 마그네트론 스퍼터링 반응기의 일실시예를 도시한 개략적인 다이아그램이다. 스퍼터링 반응기(10)는 진공 챔버를 형성하고 내부에 공정 공간(12)을 갖춘 하우징(14)을 포함하고 있다. 반응기(10)는 또한 하우징(14)의 상부에 형성된 개구를 밀봉하도록 적절하게 배열된 타겟(16)을 포함하고 있다. 하우징(14) 및 타겟(16) 모두는 도전성 재료로 구성되기 때문에, 절연체(13a)가 하우징(14)과 타겟(16) 사이에 끼워져 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 하우징(14)은 원형 바닥부 및 원형 바닥부로부터 규정된 높이로 연장된 원통형 측벽을 갖추고 있다. 예컨대, 관형 부분은 원통형 셀과 같이 형성되어 있다. 타겟(16)은 디스크와 같은 형상이다. 타겟(16)의 한쪽 원형면(16a)(바닥부로써 언급됨)은 타겟으로부터 재료를 스퍼터링함으로써 소모되는 소모성 표면으로써 사용된다.

받침대(18)는 진공 챔버(14)의 하우징(14) 내의 공정 공간(12) 내에 배열되어 있다. 기판 지지 수단(또한 기판 지지부라고도 함)으로써, 받침대(18)는 공정 공간(12) 내에서 기판(15)을 지지하는데 사용된다. 결과적으로, 받침대(18)는 반도체 웨이퍼(W) 또는 유리 기판과 같은 처리될 기판(15)을 지지한다. 받침대(18)의 상부(18a)는 타겟(16)의 소모성 바닥면(16a)을 향하도록 설치되어 있다. 기판(15)(웨이퍼(W))의 상부 증착면(15a)은 타겟(16)의 바닥면(16a)에 실질적으로 평행하게 받침대(18) 상의 규정된 위치에 유지된다. 기판(15)은 그의 중심이 타겟(16)의 중앙과 정렬하도록 동축선으로 배열된다. 스퍼터링 증착된 박막의 평면 균일성을 개선시키기 위해, 기판의 중앙은 마그네트론의 회전 중심축(38)과 일치하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 타겟(16)의 직경, 받침대(18)와 타겟(16) 사이의 거리는 전형적인 표준 스퍼터링 반응기의 직경 및 치수와 동일할 수 있다. 받침대(18)와 타겟(16) 사이의 공간은 스퍼터링 입자가 코팅되는 기판 직경의 약 0.95배, 즉 200mm 웨이퍼에 대해 약 190mm가 바람직하다. 이러한 공간은 짧은 스루우 스퍼터링(short throw sputtering)에 대응한다. 보다 긴 공간이 때때로 스퍼터링 입자, 특히 중성 입자를 조준하기 위해 사용된다.

스퍼터링 입자가 진공 챔버 하우징(14)의 측벽면에 도달하는 것을 방지하기 위해, 스퍼터링 반응기(10)는 스퍼터링 입자가 내부벽면에 도달하는 것을 방지하는 실드(26)를 포함하고 있다. 실드(26) 외부의 상단부는 하우징(14)과 절연체(13a) 사이에 끼워져 있으며, 하우징(14)의 상부 상의 개구의 에지에 고정되고 접지되어 있다. 실드(26)의 내부는 받침대(18)의 측면으로 도달한다. 내부의 에지부는 절연부(13b)를 통해 받침대(18)의 측면을 따라 고정되어 있다. 결과적으로, 실드(26)는 받침대(18)로부터 절연된다. 받침대(18)는 절연 캐패시터(19)를 통해 접지 전위와 같은 기준 전위에 연결되는데, 이러한 기준 전위는 받침대(18)가 플라즈마에 의해 발생된 전자에 의존하는 자가-바이어스 전압을 갖는 자가-바이어스 상태로 사용될 수 있도록 한다. 또한, 받침대는 절연 캐패시터(19)를 통해 고주파수를 가함으로써 RF-바이어스 상태로 사용될 수 있다. 이러한 경우, RF 전력 공급기와 같은 RF-바이어스 적용 수단으로써 공지된 바이어스 수단은 캐패시터(19)와 기준 전위 사이에 설치된다. 어느 경우든, 받침대(18)는 플라즈마 전위에 대해 네가티브하게 바이어스되고 접지된 실드(26)에 대해 네가티브 전위로 유지되는 것이 바람직하다.

하우징(14)내에는 배출 포트(20)가 형성되어 있다. 본 발명의 실시예에서, 저온 펌프 또는 다른 진공 펌프(21)는 배출 포트(20)에 연결되어 있고, 진공 펌프(21)는 진공 챔버(12)의 압력을 감소시키기 위해 사용된다. 배출 포트(20) 및 진공 펌프(21)는 감압 수단을 구성한다. 스퍼터링 공정 가스로서 아르곤과 같은 공정 가스 또는 반응성 가스로서 질소와 같은 공정 가스가 가스 공급원(25)으로부터 공급 포트(22)를 통해 진공 챔버(12)로 공급된다. 공급 포트(22)를 통한 가스의 유동은 질량 흐름 제어기(23)로 계측될 수 있다. 질량 흐름 제어기(23)를 개방 또는 폐쇄시킴으로써, 공정 가스의 공급량 및 공급 주파수를 제어할 수 있다. 공급 포트(22) 및 가스 공급원(25)은 공정 가스 공급 수단을 구성한다.

타겟 전력 공급기(24)의 애노드 및 캐소드는 타겟(16)과 실드(26) 사이에서 플라즈마 형성 수단으로써 연결된다. 아르곤 공정 가스가 진공 챔버(12)로 공급되고 음전압이 타겟(16)과 실드(18) 사이로 인가될 때, 글로우 방전이 발생하며, 아르곤 가스는 플라즈마를 형성하도록 여기된다. 글로우 방전에 의해 발생된 아르곤 양이온이 음으로 하전된 타겟(16)의 바닥면(16a)과 충돌할 때, 타겟 원자는 스퍼터링 입자로서 배출된다. 타겟 원자가 웨이퍼(W) 상에 증착될 때, 박막이 웨이퍼 상에 형성된다.

마그네트론(30)은 타겟의 바닥면(16a)과 마주하는 타겟(16)의 표면상에, 즉 공정 공간(12) 외부에 타겟(16)의 상부(16b) 위에 배열된다. 마그네트론(30)은 타겟(16)의 바닥면(16a)에 인접하게 자기장을 발생시키며, 타겟(16)의 소모성 표면(16a) 부근의 플라즈마 밀도를 증가시킨다.

스퍼터링 반응기(10)는 마이크로컴퓨터, 타이머 등으로 구성된 제어기(29)를 포함할 수도 있는데, 이러한 제어기는 전류를 공급 및 차단하고, 타겟 전류값을 조절하며, 아르곤 공급 및 다른 기능도 제어한다. 제어기(29)는 제어 라인(29a)을 통해 질량 흐름 제어기(23), 타겟 전력 공급기(24), 및 구동 모터(36)에 연결된다. 제어기(29)는 여러 장치를 제어하고 서로 연결시킬 수 있다. 따라서, 공정 가스의 공급, 공정 가스로 플라즈마의 발생 등이 원하는 타이밍으로 제어될 수 있다.

도 2는 마그네트론의 각각의 자석의 위치를 도시한 도 1의 선 2-2를 따라 취한 바닥 단면도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 마그네트론(30)은 바람직하게는 비자성인 원형의 베이스 플레이트(32) 및 이러한 베이스 플레이트(32)의 바닥 적재면(32a) 상에 규정된 방식으로 고정된 다수의 자석 조립체(34)를 갖추고 있다. 베이스 플레이트(32)는 받침대(18)에 대해 타겟(16)의 대향 측면 상에 배열되어 있다. 구동 모터(36)의 회전축(38)은 베이스 플레이트(32)의 상부 중앙에 연결되어 있다. 결과적으로, 구동 모터(36)가 베이스 플레이트(32)를 회전시키기 위해 작동될 때, 각각의 자석 조립체(34)가 타겟(16)의 상부를 따라 회전한다. 이러한 방식에서, 타겟(16)을 중심으로 자석 조립체(34)에 의해 발생된 자기장을 회전시킬 수 있으며, 타겟(16)의 부식이 보다 균일하게 된다.

자석 조립체(34)는 일반적으로 반대 극성의 한 쌍의 자석으로 구성되며, 보다 일반적인 개념이 공지되어 있지만, 이하에는 자석 쌍에 대한 용어들이 사용될 것이다. 예컨대, 말굽 자석은 요크를 포함하는 자석 쌍과 동일한 의미이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 자석 쌍(34)은 링 형태로 배열되어 있다. 각각의 자석 쌍(34)은 하나의 자극(도 2에 도시된 예에서는 N극)이 링의 외부에 배치되고 다른 자극(S극)이 링의 내부에 배치되도록 적절하게 배치된다. 자석 쌍(34)의 동일한 자극의 단부들은 자극 단편으로써 공지된 둘레방향으로 연장하는 자기 부재(48, 50)를 통해 각각 자기적으로 연결되어 있다. 자극 단편(48,50)(이들은 자석과 겹치지 때문에 도 2에서는 파선으로 도시됨)은 동일한 자극을 갖는 여러 자석 쌍의 단부를 연결시키기 위해 링 형태로 배열된 밴드형 부재이다. 외부 링형 영역 및 유사한 형태의 내부 영역은 밴드형 자극 단편으로부터 발생된 자기장에 대응하는 소모성 타겟 표면상에 형성된다. 외부 링형 영역에서, 예컨대 최외 둘레부에서 자석 그룹에 의해 발생된 자력선은 진공 챔버 내로 연장한다. 어떤 자력선은 내부를 향해 진행하고, 내부 링형 자기장 영역을 통과하여 내부 상의 자석 그룹에 도달한다(자석 쌍(34)의 S극).

자극 단편(48, 50)은 자석 쌍(34) 및 스퍼터링 타겟(16) 사이에 배열되어서 각각 일치된 인접하는 두 세트의 자극을 자기적으로 연결시킨다. 그 결과, 자속은 또한, 영역 내에 자석이 존재하지 않더라도 여러 자석들 사이의 영역으로 유도된다. 각각의 자석에 의해 발생된 자속은 자극 단편에 의해 평균화될 수 있고, 이후 스퍼터링 타겟으로 인가된다. 자석이 분리 형태로 배열되더라도, 규정된 강도의 연속적인 자기장이 자극 단편(48, 50)에 의해 형성될 수 있다. 연속적으로, 자기장에 의존하는 플라즈마의 차폐 능력이 개선될 수 있다. 또한, 인접하는 자석들 사이의 자속 밀도의 편차(자석들 사이의 개별적인 차이)가 또한 평균화될 수 있다. 이러한 인자는 전자의 차폐에 기여한다.

마그네트론(30)의 자석 쌍(34)은 하나 이상의 제 1 자석 쌍(34a) 및 하나 이상의 제 2 자석 쌍(34b)으로 구분된다. 베이스 플레이트(32)의 바닥면(32a)에서 내부 반평면 및 외부 반평면은 베이스 플레이트(32)에 수직하고 회전축선(38)을 포함하는 수직 평면에 의해 분리된다. 수직 평면은 내부 반공간 내의 마그네트론의 개재물을 최대화시키고 외부 반공간 내의 개재물을 최소화시키도록 배향된다. 제 1 자석 쌍(34a)은 회전축선(38) 부근의 자기장을 발생시키는데 사용된다. 결과적으로, 도 4 내지 도 7을 참조하여 이하에 기술한 바와 같이, 자석 조립체(34)는 다음의 방식 중 하나로 정렬될 수 있다. (i) 제 1 자석 쌍(34a)이 마그네트론 상의 반공간 중 하나에 배열될 수 있지만, 바람직하게는 외부 반공간 내에 부분적으로만 배열된다. (ii) 제 1 자석 쌍(34a)은 평면 라인을 가로질러서 양 반공간을 점유하도록 적절하게 배열될 수 있다. (iii) 제 1 자석 쌍(34a)의 외부 자석은 회전축선(38)을 포함하는 평면에 의해 분리된 마그네트론 상의 다른 영역 내에 배열된다. 각각의 경우에, 내부 반공간 내에 위치된 제 2 자석 쌍(34b)은 제 1 자석 쌍(34a)과 함께 링형 패턴을 형성하도록 적절하게 배열된다. 발명자들에 의해 수행된 실험에서, 특별히 바람직한 결과는 도 4, 도 6, 및 도 7에 도시된 배열에서 얻어질 수 있음을 알아내었다.

마그네트론(30)은 제 1 자극(도 2에 도시된 예에서는 N극)이 소모성 타겟 표면을 향하도록 배열된 외부 링형 자석 밴드, 및 제 2반대 자극(도 2에 도시된 예에서는 S극)이 소모성 표면을 향하도록 배열된 링형의 폐쇄된 내부 자석 밴드를 포함한다. 바람직하게, 내부 자석 밴드는 영구 자화 재료의 통공을 둘러쌈으로써, 과도하게 불균형을 이룬 자기장이 보다 약한 자석 밴드의 후방에 도달하도록 개구를 통해 흐를 수 있도록 한다. 내부 자석 밴드는 내부에 배열되고 외부 자석 밴드에 의해 둘러싸인 모든 자석을 포함할 수도 있다. 예컨대, 외부 자석 밴드는 최외 둘레부 상에 자석 그룹을 포함할 수도 있는 반면, 예컨대 내부 자석 밴드는 최외 둘레부 상에 자석들 내부에 자석 그룹을 형성할 수도 있다. 각각의 자석 밴드 또는 자석의 강도는 외부 자석 밴드의 전체 자속(밴드 표면상의 자속 밀도)이 내부 자석 부분의 자속 보다 크도록 특정화될 수 있다.

내부 자석 밴드는 전체적으로 낮은 자속(밴드 영역 상의 자속 밀도)을 생성하도록 구성되며, 높은 전체 자속을 생성하는 외부 자석 밴드 내에 배열된다. 그 결과, 외부 자석 밴드의 일부 자속 라인은 내부 자석 밴드 위로 진행하여 내부 자석 밴드의 방사형 내부를 통과하고 자기 요크로 진행하며, 외부 자석 밴드에서 종착한다. 외부 자석 밴드의 나머지 자속 라인은 둘레 자석 밴드 내에 한정된 내부 자석 밴드를 포함하는 자속 루프를 형성한다. 결과적으로, 진공 챔버를 넘어 방사형으로 연장하는 자속 라인이 감소하기 때문에, 전자의 차폐 능력이 개선될 수 있다.

도 3은 도 1의 스퍼터링 반응기(10)에 사용될 수 있는 자석 쌍(34)의 예를 도시한 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 자석 쌍(34)은 자기 요크(40) 및 원통형 막대 자석(42, 44)을 갖추고 있다. 요크(40)는 예컨대 강자성 재료와 같은 규정된 자기 재료로 제조된 판형 부재이다. 막대 자석(42, 44)의 일단부는 S극을 가지며, 타단부는 N극을 가진다. 외부 막대 자석(42)은 N극 단부가 타겟(16)을 향하도록 배열된 반면, 내부 막대 자석(44)은 S극 단부가 타겟을 향하도록 배열되어 있다. 물론, 이들 자극은 바뀔 수도 있다. 직사각형 형태 또는 다른 형태의 자석이 막대 자석(42, 44) 대신에 사용될 수도 있다. 막대 자석(42)의 S극 단부는 자기 요크(40)와 접촉하며, 자기 요크(40)의 단부에 고정된다. 막대 자석(44)의 N극 단부는 또한 자기 요크(40)와 접촉하며, 자기 요크(40)의 타단부에 고정된다. 두 개의 막대 자석(42, 44)은 반평형 방향을 가리키는 각각의 자극성을 갖는다. 자석 쌍(34)의 전체 형태는 거꾸로된 U자와 유사하다. 막대 자석(42)의 자유 단부는 N극 단부인 반면, 다른 막대 자석(44)의 자유 단부는 S극 단부이다. 또한, 자석(42, 44) 및 자기 요크(40)가 자기 회로를 형성하기 때문에, 이들은 상이한 자극이 동일한 방향을 가리키는 집적 자기체로서 작용할 수 있는 자기 수단을 구성한다. 이러한 방식에서, 전자(12)를 유리하게 차폐 제어할 수 있도록 자기장이 진공 챔버 내에 형성된다.

자석 쌍(34)에서, 제 1 자극 단편(48)은 외부 자석 밴드 내에 포함된 각각의 자석(42)의 N극 자유 단부에 설치되는 반면, 유사한 제 2 자극 단편(50)은 내부 자석 밴드 내에 포함된 각각의 반대 자석(44)의 S극 자유 단부에 설치된다. 상술된 바와 같이, 자극 단편(48)은 마그네트론 내의 하나의 자극의 자석(42)을 결합하기 위해 이용되며, 다른 자극 단편(50)은 다른 자극의 자석(44)을 결합하기 위해 이용된다.
도 2 및 도 3의 실시예에서, 각각의 자석 밴드는 다중 자석을 갖는다. 그러나 외부 및 내부 자석 둘다 또는 어느 하나는 각각 하나의 자석으로만 형성될 수 있다. 이러한 경우, 둘레 자석 밴드(자석(42))의 전체 자속은 내부 자석 밴드(자석(44))의 자속 보다 더 크다.

그렇지만, 자석 쌍(34)의 형태는 도 3에 도시된 실시예로 한정되지 않는다. 자석 쌍(34)(더욱 적절하게 조립체로서 언급됨)은 더욱 많은 자석 및 자석을 연결하거나 지지하는 자기 부재를 갖출 수도 있다. 각각의 자석 조립체(34)에 사용된 자석의 자속 밀도는 자석 쌍(34)의 배열 위치에서 공급될 자기장에 대해 결정된다. 결과적으로, 자석의 강도는 상이할 수 있다.

도 3에 도시된 자석 조립체(34)에서, 자석(42, 44)의 자유 단부는 소모성 타겟 표면(16a)의 반대편의 타겟 표면(16b)의 상부를 향하도록 적절하게 배열되어 있다. 자석 쌍(34)은 나사(46)와 같은 적절한 고정 수단에 의해 요크(40)의 후방측이 베이스 플레이트(32)와 접촉하도록 베이스 플레이트(32) 상에 고정된다. 이러한 방식에서, 베이스 플레이트(32) 상의 자석 조립체(34)의 고정된 위치는 베이스 플레이트(32)를 재보어링작업하고, 새로운 자극 단편을 밀링가공함으로써 원하는 대로 변화될 수 있다. 결과적으로, 자기장의 형태는 자석 조립체(34)의 위치를 재배열함으로써 용이하게 조절될 수 있다.

도 4 내지 도 7은 스퍼터링 장치(10) 내에서의 바람직한 자석 쌍의 배열을 도시한 다이아그램으로서, 여기서는 도 4, 도 6, 및 도 7의 자석 배열이 바람직하다. 각각의 다이아그램에서, 외부 자석 밴드(52) 및 내부 자석 밴드(54)는 다수의 자석 쌍의 개별적인 배열 위치를 나타내기 위해 사용된다. 이들 도면들은 자석 밴드(52)와 관련된 제 1 자극 단편(48) 및 내부 자석 밴드(54)와 관련된 제 2 자극 단편(50)이 각각 소모성 타겟 표면상에서 돌출하는 영역을 도시하고 있다. 마그네트론(30)은 중심 축선(38)을 중심으로 회전하기 때문에, 도시된 영역은 소정 시간에 자석 밴드(52,54)와 타겟(16) 사이의 상대적인 위치 관계를 나타낸다.

도 4, 도 6, 및 도 7에 도시된 바와 같이, 내부 자석 밴드(54)는 타겟(16)에 수직하고 회전축(38)을 포함하는 평면에 의해 분리되고 마그네트론(30) 상의 영역 중 하나에 배열된다(도 4 내지 도 7에 도시된 예에서, 영역의 상반부는 점선(56)으로 분리된다). 이러한 평면은 대칭인 마그네트론 형태를 따르는 방향으로 연장한다. 선택적으로, 평면은 비대칭인 마그네트론을 가로질러 연장한다. 외부 자석 밴드(52)는 내부 자석 밴드(54)를 둘러싸도록 배열된다.

회전 중심 부근에 자기장을 제공하기 위해, 외부 자석 밴드(52)는 회전 중심(38) 부근 또는 회전 중심을 통과하여 배열된다. 따라서, 도 4 및 도 7에 도시된 실시예에서, 외부 자석 밴드(52)는 회전 중심(38) 위에 위치된다. 도 6에 도시된 실시예에서, 외부 자석 밴드(52) 및 내부 자석 밴드(54) 모두는 평면(56)에 의해 분리된 단일 반공간 내에 위치된다. 이러한 경우, 외부 자석 밴드(52)는 회전 중심(38)과 일치하는 타겟 부식면 상의 위치에 원하는 자기장을 형성하도록 위치된다. 도 5에서, 외부 자석 밴드(52)는 회전 중심을 둘러싸도록, 즉 외부 자석 밴드(52) 내부 통공 내에 위치된다. 추가로, 도 6의 실시예는 도 5의 실시예 보다 우수한 결과를 제공한다.

회전 중심(38) 부근에서 자기장을 형성하기 위해, 외부 자석 밴드(52)는 회전 축선(38) 또는 그의 부근을 통과하도록 배열된다. 따라서, 도 4 내지 도 7에 도시된 배열에서, 외부 자석 밴드(52)는 회전 축선(38)과 걸쳐진다. 도 5에 도시된 배열에서, 외부 자석 밴드(52)의 위치는 그의 내부에 회전 축선(38)을 포함하도록 설정된다. 이러한 경우, 자석 밴드(52)는 회전 축선(38)에 대응하는 소모성 표면상의 위치에서 원하는 자기장을 발생시키도록 적절하게 배열된다. 도 5에 도시된 배열은 가장 바람직한 배열이 아니다. 도 6에 도시된 배열예에서, 외부 자석 밴드(52) 및 내부 자석 밴드(54)는 점선(56)으로 분리된 영역 중 하나에 배열된다. 이러한 경우, 외부 자석 밴드(52)는 회전 중심(38)에 대응하는 소모성 표면상의 위치에서 원하는 자기장을 발생하도록 배열된다. 어느 경우든, 회전 축선(38) 부근에서 발생된 자기장은 플라즈마 발생 및 전자의 차폐에 현저하게 기여한다.

도 4 내지 도 7의 실시예에서, 외부 자석 밴드(52)는 회전 축선(38) 위를 통과하거나 타겟(16)의 유효 반경, 즉 소모성 표면(16a)의 10% 이하 만큼의 작은 거리로 회전 중심(38)으로부터 분리된다. 또한, 작은 마그네트론 및 높은 타겟 전력 밀도에서, 회전 중심(38)에 가장 인접한 외부 자석 밴드(58)의 일부분은 마그네트론(30)의 주요 부분으로부터 멀어지는 측면 상에서 회전 중심(38)으로부터 유효 타겟 반경의 15%를 초과하지 않는 범위로 통과한다. 선택적으로, 외부 자석 밴드(52)(및 전체 마그네트론(30))는 원리적으로 타겟의 반원형 반부 영역 내에 놓이는데, 이러한 반원형 반부 영역은 점선(56)으로 도시된 제 2반원형 반부 영역과 경계를 이룬다. 최외 자석 밴드(52)는 타겟 반경의 15% 이하까지 제 2반공간 내로 연장한다.

도 4 및 도 6에 도시된 외부 자석 밴드(52) 및 내부 자석 밴드(54)에 있어서, 축선(56)을 따르는 방향으로의 프로파일의 폭은 축선(56)에 수직한 방향에서의 프로파일의 길이 보다 더 길다. 즉, 회전 축선(38)으로부터 타겟(10)의 주변으로 반경 방향으로 연장하는 마그네트론에 있어서, 그 형태는 반경 방향을 따르는 부축선 및 횡단하는 주축선을 갖춘 타원형을 이룬다. 반면, 도 7에 도시된 외부 자석 밴드(52) 및 내부 자석 밴드(54)에 있어서, 축선(56)을 따르는 방향에서의 프로파일의 폭은 축선(56)에 수직한 방향에서의 프로파일이 길이 보다 작다. 즉, 타원형 마그네트론은 반경방향을 따르는 주축선 및 횡단하는 부축선을 갖는다. 도 7에 도시된 자석 밴드(52)와 회전축(38) 사이의 위치적 관계는 도시된 자석 밴드와 동일한 방식으로 적용될 수 있다.

도 4, 도 6, 및 도 7의 자석 배열은 도 5의 배열 보다 우수한 결과를 제공함을 발견하였다. 즉, 회전 축선(38)은 외부 자석 밴드(52)의 내부 상에 포함되거나, 또는 회전 축선(38)은 외부 자석 밴드를 통과해야 한다. 후자의 경우, 바람직하게는 외부 자석 밴드(52)는 타겟 중앙부에서 회전 축선(38)으로부터 타겟 반경의 10% 이하의 거리까지 대부분의 마그네트론을 포함하지 않는 반공간의 영역을 통과하지 않아야 한다.

도 4 내지 도 7에서, 외부 자석 밴드(52) 및 내부 자석 밴드(54)에 의해 발생된 자기장은 회전 중심(38)을 포함하는 영역에서 자기장을 형성할 수 있는 하나 이상의 자석 쌍(도 2에서 34a) 및 회전 중심(38)으로부터 떨어진 영역에서 자기장을 발생시키기 위해 링 형태로 배열된 다수의 제 2 자석 쌍(도 2에서 34b)을 사용하여 구현된다. 제 2 자석 쌍(34b)은 중심축선(38)을 포함하는 평면에 의해 분리된 마그네트론(30) 상의 어느 한 영역에 배열된다. 외부 및 내부 자석 밴드(52,54) 및 이들 사이의 영역(58)에 추가하여, 마그네트론(30)이 자석 밴드(52,54)의 약간 외부의 영역에 자기장을 공급할 수 있기 때문에, 플라즈마는 이들 영역에 차폐될 수 있다.

도 4 내지 도 7에 도시된 마그네트론(30)은 일반적으로 타원형태를 갖는다. 그렇지만, 본 발명의 범위 내에 포함된 밴드형 마그네트론은 회전 중심(38)의 일측에 한정되고 이를 중심으로 회전하는 원형으로 수행될 수도 있다. 또한, 본 발명의 많은 장점은 삼각형, 원호형 삼각형, 또는 레이스트랙의 형태를 갖는 밴드형 마그네트론에서도 얻을 수 있다. 이러한 형태 및 다른 수용가능한 형태는 푸(Fu)에 의해 1999년 2월 12일자로 출원된 미국 특허 출원 제 09/249,468호, 푸(Fu) 등에 의해 2000년 4월 11일자로 출원된 미국 특허 출원 제 09/546,798호, 및 치앙(Chinag) 등에 의해 1999년 10월 8일자로 출원된 미국 특허 출원 제 09/414,614호에 개시되어 있다. 상기 특허들은 본 명세서에서 전체적으로 참조된다. 삼각형 및 원호 삼각형 마그네트론에서, 삼각형의 정점은 회전 중심 상에 또는 회전 중심 부근에 놓이며, 마주하는 원호형 측면은 타겟(16)의 주변에 인접하게 놓인다. 레이스트랙형 마그네트론은 서로에 대해 인접해 있고 회전 중심(38) 부근으로부터 타겟(16)의 주변으로 일반적으로 반경방향으로 진행하는 두 개의 평행한 측면을 포함한다. 평행한 부분은 타겟(16)의 중심 및 둘레부 부근의 반원형 부분에 의해 결합된다. 밴드형 마그네트론에서, 인용된 특허에 개시된 것과 상이하게, 내부 자극이 영구 자화 재료가 없는 폐쇄된 통공을 갖는 자석 밴드로서 수행된다.

마그네트론(30)이 스퍼터링 타겟(16)의 중앙에 대해 축선(38) 둘레를 회전하기 때문에, 자석 쌍(34)이 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이 배열되더라도, 플라즈마 영역은 소모성 타겟 표면(16a) 위를 거의 균일하게 진행할 수 있다. 결과적으로, 자기장 형성 영역이 작고 간단한 형태를 갖더라도, 소모성 표면 상의 스퍼터링 균일성은 증가된다. 또한, 외부 자석 밴드의 전체 자속이 내부 자석 밴드의 자속 보다 크도록 선택된다면, 플라즈마 차폐 능력이 개선될 수 있다. 결과적으로, 공정 가스의 압력이 감소되더라도 플라즈마가 유지될 수 있다.

그렇지만, 두 개의 자속 밀도가 거의 동일하거나 또는 상기한 설정에 대해 불균일한 관계를 가지게 될 가능성을 배제할 수 없다.

플라즈마 전자 밀도는 또한 플라즈마가 보다 차폐될 때 증가된다. 차폐된 전자 밀도가 증가할 때, 스퍼터링 입자의 이온 분율이 증가된다. 이온화된 스퍼터링 입자가 받침대(18)에 인접한 플라즈마 외피 양단의 전위차에 따라 기판 받침대(18)의 방향으로 끌어당겨지기 때문에, 이러한 방향으로의 속도 성분이 증가된다. 결론적으로, 박막 두께 및 바닥 커버리지의 균일성이 개량될 수 있다.

또한, 번갈아 이용가능한 타겟 영역의 중간부분보다 작은 마그네트론 부분의 거의 중간부분에 자석이 배치되기 때문에, 고 밀도 플라즈마 발생 부분은 자석 위치의 자석의 배치를 조정함으로써 감소될 수 있다. 목표 전력이 더 작은 부분에서 효과적으로 집중되기 때문에, 플라즈마 밀도는 총 목표 전력을 증가시키지 않고 증가될 수 있다. 전자 밀도는 플라즈마 밀도가 증가될 때 증가되기 때문에, 스퍼터링된 입자의 이온화가 증가된다. 이온화되고 스퍼터링된 입자는 기판의 표면을 향하여 가속화되며, 기판 표면을 향하는 속도 성분을 가지는 많은 스퍼터링된 입자가 증가된다. 결론적으로, 대부분의 스퍼터링된 입자는 플라즈마 부분 아래 직접적인 부분에 박막을 발생하기 위하여 플라즈마 부분 아래 직접적인 부분으로 도달할수 있다. 그러므로, 박막 두께의 균일성이 개선될 수 있다.

도 4, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 외부 자석 밴드(52)는 전술된 볼록형 패턴부(convex pattern)를 구성하는 타원형 형상의 주변에 배치된다. 볼록형 패턴부는 평면에서 폐쇄 라인 상의 임의의 두 개의 포인트를 연결하는 라인 부분이 항상 라인의 일 측면 또는 라인상에 직접 놓이는 것과 같은 패턴이다. 상기 패턴부는 곡선 및 가능하게는 직선을 포함한다. 특히, 밀폐된 곡선을 포함하는 패턴부 는 볼록 곡선으로서 공지된다. 볼록형 패턴에서, 직선은 패턴을 구성하는 곡선 및 직선의 연결 포인트에서 곡선에 접한다. 본 발명에서, 직선 및 곡선은 서로 매끄럽게 연결된다. 도 4 내지 도 7의 구성 또는 삼각형 또는 레이스트랙형(racetrack) 마그네트론에서 플라즈마를 발생하는 자기장의 형상은 볼록형으로서 특정된다. 등자기면은 동일한 자기 크기를 가지는 평면이며, 등자기선은 등자기면과 소모면에 평행한 면 사이의 교차선이다. 볼록형 자기장의 결과로서, 등자기면에서의 변화는 방지될 수 있다. 결론적으로, 플라즈마에서의 전자가 누전되는 것이 방지될 수 있다.

전자 차폐를 증진하기 위하여 전자 등자기면(선)의 형상을 조정함으로써, 플라즈마의 전자 밀도가 증가될 수 있다. 결론적으로, 스퍼터링된 입자의 이온화는 증가될 수 있다. 이온화되고 스퍼터링된 입자는 기판을 향하여 가속화되기 때문에, 기판을 향한 속도 성분이 증가된다. 또한, 공정 가스의 압력이 감소되는 경우, 스퍼터링된 입자들이 공정 가스의 원자와 충돌할 가능성이 감소될 수 있다. 이 방식으로, 기판에 수직한 방향으로 속도 성분을 가진 스퍼터링된 입자의 수는 증가될 수 있다. 결론적으로, 바닥 커버리지는 전자 밀도를 증가시킴으로써 개선될 수 있다.

또한, 도 4 내지 도 7에 도시된 외부 자석 밴드(52)는 전술된 밀폐형 곡선을 따라 배치된다. 본 발명에 따라, 도시된 타원형 마그네트론(30)에 대해, 밀폐형 곡선의 최소 곡률 반경은 최대 곡률 반경의 적어도 0.8배가 되는 것이 바람직하며, 볼록형 곡선의 최소 곡률 반경은 최대 곡률 반경의 적어도 0.8배가 되는 것이 바람직하다. 원형을 포함하여, 도 4, 도 5 및 도 6의 방사상으로 평탄한 타원형과 도 7의 접선방향으로 평행한 타원형 사이의 범위를 포함하는 것이 바람직하다. 이 비율들은 또한 일반적인 타원형의 주축선에 대한 최소 축의 비율들이다. 원은 높은 대칭 및 큰 최소 반경 때문에 특히 바람직하다.

실드(shield)로 유동하는 전자 흐름을 감소시키기 위하여, 전자기장에서 전자의 이동을 검사하는 연구가 있었다. 결론적으로, 비록 자기장의 크기가 상당히 변화되지 않는 경우에도 차폐된 자기장의 형상이 상당히 변하는 경우 용이하게 차폐되지 않는다는 것을 알 수 있었다. 전자기장내에서의 전자의 운동은 전기장의 방향의 힘 및 전자의 속도 및 자기장의 방향에 관한 힘에 의하여 결정된다. 전자는 전기장을 다른 곡선 및 자기장 라인의 방향 둘레를 따라 운동한다. 결론적으로, 예를 들면, 자기장이 상당히 변화될 때, 마그네트론은 전자의 진로가 자기장 주위로 곡선을 발생한 후 전자가 도달하는 부분에서 충분한 강도의 자기장을 발생할 수 없다. 과도한 곡률을 가진 마그네트론의 자기장은 전자의 진로가 자기장 주위로 곡선을 발생한 후 전자가 도달하는 부분에 도달하는 전자를 효과적으로 차폐할 수 없을 수 도 있으며, 상기 전자들의 이동 방향은 변화될 수 없다. 결론적으로, 전자들은 전기장으로 이끌리며 전기장으로 유입된다.

도 4 내지 도 7에 도시된 마그네트론(30)에 대해, 자기장을 발생하기 위하여 이용된 자석는 전자의 속력(전자의 이동방향 및 속도)을 고려하여 적절하게 배치되어야 한다는 것이 명백하며, 마그네트론에 의하여 발생된 자기장의 형상을 상당히 변화하지 않는 구성이 실현된다.

도 8은 자석 밴드에 대응되게 발생되기 위하여 배치된 도 2 및 도 3에 도시된 자석 조립체들(34)이 스퍼터 반응기(10)에서 이용될 때 발생된 자기장을 도시하는 개략도이다. 도 9는 내부 자석 밴드가 더 높은 자기 세기를 가질 수 있도록 자석 조립체들(34)이 내부 및 외부 밴드를 교체하는 상이한 방향으로 배치될 때 스퍼터 반응기(10a)에 발생된 자기장을 도시하는 개략도이다. 도 8 및 도 9에서, 마그네트론(30)의 각각의 자석 조립체(34)에 의하여 발생된 자기장은 파단선으로 표시된다. 각각의 서브 유닛에 의하여 발생된 자기장(B)은 소모 타겟면(16a) 근처에 소모 타겟면(16a)에 평행한 하나의 성분(평행 성분(B_H)) 및 상기 타겟아래의 공간에서 기판 받침대(18)를 향한 타겟(16)으로부터 지적하는 축선(기준 축선(18))의 방향에서 또 다른 성분(수직 성분(B_V))을 가진다.

도 8에 도시된 스퍼터링 장치에서, 외부 자석 밴드(도 4 내지 도 7의 밴드(52)) 하나의 극성을 가진 강한 외부 자석(42)들의 극들로부터 발생된 자기력의 라인은 마그네트론(30)의 내부를 향하여 연장되며, 자기 회로를 발생하는 자석 밴드형 요크부(40)의 내부를 통과하며, 상기 요크부(40)를 통하여 외부 자석(42)들의 대응된 극성의 극들에 도달한다. 자기력 라인들은 더 약한 내부 자석들(44)을 차단한다. 그러므로 외부 자석들(42)로부터 발생된 자기장은 마그네트론(30)의 내부로 향한다. 결론적으로, 전자의 궤적은 자기장의 곡률에 대응하는 마그네트론(30)의 내부로 향한다. 결론적으로, 접지된 실드(26)로 방사상 외부로 유동되는 전자 흐름은 감소될 수 있다.

한편, 도 9에 도시된 스퍼터 반응기(10a)에서, 더 강한 내부 자석 밴드(도 4 내지 도 7의 밴드(54))에 의하여 발생되지만, 더 약한 외부 밴드(52)에 대한 상대적인 세기로 재조정되는 자기장은 폐쇄되며, 상기 자기장은 마그네트론(30)의 외부로 향하며, 접지된 실드(26)를 차단한다. 이 같은 자기장은 실드(26)로 전자를 누설하기 때문에, 플라즈마를 덜 효과적으로 차단한다.

그럼에도 불구하고, 도 10에 도시된 스퍼터 반응기(10b)에서, 내부 및 외부 자석 밴드(52, 54)의 자기 세기는 조정됨으로써, 비록 도 4 내지 도 7의 내부 자석 밴드(54)가 더 강하지만, 내부 마그네틱 밴드(54)에 의하여 발생된 자기장은 마그네트론(30)의 외부로 향하지만 접지된 실드(26)를 차단하며 통과하지 못한다. 도 8 및 도 10에 도시된 두 개의 마그네트론(30a, 30b)은 본 발명의 스퍼터 반응기에 이용된다. 그러나, 더 강한 외부 자석 밴드를 가지며 도 8에 도시된 자기장을 발생하는 마그네트론은 플라즈마의 전자 밀도를 증가시키기 위해 더욱 적절하다.

상기에 설명된 바와 같이, 마그네트론(30)은 폐쇄형 링의 형상으로 배치되며, 또한 대응된 N극 및 S극이 자기 재료를 각각의 링의 형상으로 배치되며 마그네틱 물질의 자유 부분을 포함한다. 그러나 다중 링 형태의 마그네트론을 형성하는 것도 가능하다. 각 경우, 자기장은 차폐되며, 전자 밀도는 자기장 효과에 의하여 증가될 수 있다.

또한, 본 발명의 스퍼터 반응기(10)로 된 예에서, 마그네틱 밴드의 배치는 마그네트론(30)의 중간 부분으로 주로 제한된다. 그러나 본 발명은 이 배치로 제한 되지 않는다. 도 11은 자석 쌍들(34)의 상이한 배치를 도시하는 도 1의 2-2 단면선에 대응하는 단면을 따르는 평면도이다. 자석 쌍들(34)의 다양한 타입의 배치가 고려된다. 본 발명의 실시예에서, 도 11에 도시된 바와 같이, 자석 쌍들(34)은 이중 링의 형상으로 배치될 수 있다. 자석 쌍들은 링형 밴드(64 및 66)를 발생하기 위하여 배치된 내부 링형의 자석 쌍들(34_o) 및 링형 밴드(60, 62)를 발생하기 위하여 배치된 외부 자석 쌍들(34o)을 포함한다. 자석 쌍들(34i 및 34o)은 타겟(16)의 바닥부(16a) 근처의 공간에서의 자기장을 발생하는 자석 밴드들 사이의 공간(68 및 70)에 발생된 플라즈마를 제어할 수 있다.

도 11에 도시된 자석 쌍들(34i, 34o)의 배치에서, 최외각 자석 부분은 링형 자석 밴드(60)를 발생하는 반면, 내부 자석 부분은 링형 자석 밴드(62, 64 및 66)를 발생한다. 이 경우, 내부 자석 밴드(62, 64, 및 66)의 전체 자속은 타겟에 대한 최외각 자석 밴드(60)의 자속로부터 상이한 자극(magnetic pole)들의 자속을 합하며 주변 자석 부분으로서 동일한 자극들의 자속을 차감함으로써 유도될 수 있다. 내부 링형 자석 그룹에 대해, 외부 자석 밴드(64) 및 내부 자석 밴드(66)를 포함하는 구성을 적용하는 것이 또한 가능하다. 유사하게, 외부 자석 그룹에서, 외부 자석 밴드(60) 및 내부 자석 다음의 밴드(62)를 포함하는 구성을 적용하는 것이 가능하다. 각 경우, 차단된 자기장은 내부에 발생되며, 전자 밀도는 자기장에 의하여 증가될 수 있다.

상기에 설명된 스퍼터링 장치에서, 각각의 자석 쌍(34)은 소모 타겟면(16a)과 받침대(18)의 상부(18a) 사이의 진공 챔버(본 명세서에서 스퍼터링 공간으로서 지칭됨)의 처리 공간에서 발생된 자기장(B)의 형상을 제어한다. 일정한 간격이 발생된 스퍼터링에서의 전자를 차폐하는 적절한 자기장은 상기 자석들에 의하여 발생될 수 있다. 마그네트론(30)이 구동 모터(36)에 의하여 회전될 때, 각각의 자석 쌍(34, 34_i, 및 34_o)에 의하여 발생된 자기장은 구동축(38)의 축선 둘레를 60 내지 100 rpm의 범위에서의 속도로 실제로 회전한다. 결과적으로, 소모 타겟면(16a)은 거의 균일하게 스퍼터링될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 공개된 스퍼터링 장치(10)에서 이용된 타겟의 재료는 구리(Cu)로 제한되지 않는다. 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 또는 다른 합금을 이용하는 것도 가능하다. 합금은 통상적으로 10 원자 %로 제한된다.

공정 가스가 소모 타겟면(16a) 근처에서 이온화될 때, 입자들이 타겟의 소모면으로부터 스퍼터링된다. 자석 쌍(34)은 도 2 및 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이 배치된 경우, 소모면(16a)의 스퍼터링 균일성이 증가될 수 있다. 또한, 플라즈마가 발생되는 부분이 감소된 경우, 플라즈마 밀도는 목표 전력에서의 증가없이 증가될 수 있다. 결론적으로, 전자 흐름 밀도는 증가될 수 있다. 결론적으로, 스퍼터링된 입자의 이온화는 증가될 수 있다. 이온화되고 스퍼터링된 입자는 기판 지지부(18)를 향하여 가속된다. 결론적으로, 기판(W)에 수직한 속도 성분은 기판에 평행한 속도 성분에 대해 상대적으로 더 크게 되며 바닥 커버리지는 그럼으로써 개선된다.

또한, 기판에 수직한 속도 성분이 증가될 때, 박막은 회전형 마그네트론(30) 아래 직접 발생될 수 있다. 결론적으로, 기판 표면의 경사진 측방향으로부터 입사하는 스퍼터링된 입자에 의하여 박막 두께의 비 균일성이 감소될 수 있다. 이 같은 비 균일성은 광각으로 볼 때 중앙 기판 위치에서 타겟이 감소되는 것보다 주변 기판 위치로부터 타겟이 감소되는 것을 볼 수 있다.

도 12에는 더욱 용이하게 제조되며 설계시 부가적인 가요성을 제공하는 상이한 실시예에 따른 스퍼터링 반응기(11)가 도시된다. 스퍼터링된 반응기에서, 비록 도 1의 스퍼터링 반응기(10)에서 표시되는 동일한 도면 부호를 가진 부품과 동일한 부품을 이용하는 것이 요구되지 않지만 가능하다. 도 12에서, 마그네트론(31)은 도 1의 마그네트론(30) 대신 이용된다. 도 13은 마그네트론(31)에 대한 방사상으로 평탄한 타원형 배치를 도시하는 평면도인 반면, 도 14는 선택적인 원형 배치를 도시하는 평면도이다.

도 12, 도 13 및 도 14를 참조하면, 마그네트론(31)은 베이스 플레이트(33), 베이스 플레이트(33)의 배치면(33a)상에 놓이며 자기성 요크 재료로 제작되는 자기성 커버(41), 및 자기성 커버(41)의 배치면(41a)상에 표시된 배치에 놓이는 복수의 자석(43a, 43b)을 포함한다. 베이스 플레이트(33)는 자기성 커버 부재(41)를 지지한다. 그러므로, 자기성 부재(41)는 베이스 플레이트(33)의 상부면의 중앙에 제공된 회전 축(38)의 회전을 따라 회전한다. 바람직하게는, 베이스 플레이트(33)는 타겟 중앙부(38) 근처의 측면에 장방형 탭(33)으로 발생됨으로써, 부가적인 기계적 강도 및 동일한 평형을 제공한다.

도 12에서, 베이스 플레이트(33) 및 자기성 커버(41)는 분리된 부분으로서 도시되지만, 베이스 플레이트 자체가 자기성 요크 재료로 구성된 경우, 그때 베이스 플레이트는 두 가지 기능을 할 수 있으며, 이는 바람직하며 자기성 커버는 제거될 수 있다.

스퍼터 타겟(16)은 지지 받침대(18)의 기판 지지면(18a)이 타겟(16)의 부식면(16a)에 대응한다. 마그네트론(31)은 진공 챔버 내부에 자기장을 발생하기 위하여 지지 받침대(18)에 대한 타겟(16)의 대응 측면에 배치된 제 1 및 자석부를 가진다.

도 13의 반지름 방향으로 평탄한 타원형 장치에서, 복수의 하나의 자극을 가진 자석(43a)은 제 1 환형 부재(47)를 따라 배치되며, 상기 자석들(43a)의 각각은 타겟(16) 및 자기성 커버(41)와 직면하는 다른 자극(도 13에 도시되는 S 극)과 직면하는 하나의 자극(도 13에 도시되는 N 극)을 가진다. 부가적으로, 다른 자극을 가진 복수의 자석(43b)은 제 2 환형 부재(49)를 따라 배치되며, 상기 자석들은 타겟(16) 및 자기성 커버(41)와 직면하는 다른 자극(N 극)과 직면하는 하나의 자극(S 극)을 가진다. 도 13의 실시예에서, 제 1 및 제 2 환형 부재(47, 49)는 타겟(16)의 중앙부(38)에 대하여 방사상 평탄한 타원형상을 가진다. 제 1 및 제 2 환형 부재는 타겟 반경을 따라 연장되는 부축선(minor axes)을 가지며 타겟 반경에 대해 횡방향으로 주축선(major axes)을 가진다. 또한, 제 1 환형 부재(47)는 제 2 환형 부재(49)를 차단하며 타겟 중앙부(38)로부터 타겟 주변부로 연장된다. 선택적으로, 도 14의 실시예에서, 제 1 및 제 2 환형 부재(47, 49)는 원형으로서, 즉 동일한 부축선 및 주축선을 가진 타원형으로서 발생되며, 자석(43a, 43b)은 원내에 유사하게 배치된다.

제 1 및 제 2 환형 부재(47, 49)는 자극 단편(pole piece)과 같은 마그네틱 부재일 수 있다. 이 경우에는, 동일한 제 1 자극을 가지는 자석(43a)의 하부 단부들은 제 1 환형 부재(47)에 의하여 자기적으로 결합되며, 제 2 자극의 자석들(43b)의 하부 단부들은 제 2 환형 부재(49)에 의하여 자기적으로 결합된다.

도 13 또는 도 14의 마그네트론(31)에서, 모든 자석(43a, 43b)은 자기성 커버(41)(또는 마그네틱 지지판(31)) 및 자극 단편(47, 49)에 의하여 단일 마그네틱 회로를 발생한다.

마그네트론(31)에서, 자기성 커버(41)는 기판, 예를 들면 웨이퍼의 직경의 크기보다 더 큰 배치면(41a)을 가진다. 자기성 커버(41)는 자석(43) 모두와 베이스 플레이트(33) 사이에 배치된다. 부가적으로, 자극 부품(47, 49)은 모든 자석(43a, 43b)과 타겟(16) 사이에 배치된다. 결과적으로, 환형상으로 배치된 자석으로부터 자기장은 자극 부품(47, 49)을 통하여 타겟(16)으로 인가된다.

즉, 마그네틱 부재(41, 47 및 49)는 조합된 마그네틱 결합 수단으로서 기능한다. 자기성 커버(41)는 내부 배치에서 포함된 복수의 제 2 자석(43b)의 S 극(제 2 자극)으로 외부 배치에 포함된 복수의 제 1 자석(43a)의 N 극(제 1극)에 자기적으로 결합된다. 외부 자극 부품(47)은 외부 배치에 포함된 복수의 제 1 자석(43a)의 N 극과 함께 자기적으로 결합되며, 내부 자극 부품(49)은 외부 배치에 포함된 복수의 제 2 자석들(43b)의 S 극과 함께 자기적으로 결합된다. 즉, 마그네틱 결합 수단은 복수의 제 2 자석의 N 극과 복수의 제 1 자석의 S 극과 자기적으로 결합하기 위한 수단, 및 복수의 제 1 자석의 N 극과 함께 자기적으로 결합하기 위한 수단, 또는 복수의 제 2 자석의 S 극과 함께 자기적으로 결합하기 위한 수단을 가진다.

도 4, 도 6 및 도 7의 자석 배치는 스퍼터링 장치(11)에 마찬가지로 적용될 수 있다. 결론적으로, 다양한 바람직한 효과를 얻을 수 있다. 각각의 도면에서, 제 1 환형 부재(47)를 따라 배치된 외부 자석(43a)은 외부 자석부(53)에 대응되며, 제 2 환형 부재(49)를 따라 배치된 내부 자석(43b)은 내부 자석부(54)에 대응된다.

스퍼터링된 장치(11)에서, 제 1 및 제 2 환형 부재(47, 49)를 따라 배치된 별개의 자석들의 각각에 대한 자기력을 표시하며 설정하는 별개의 자석을 이용하는 것이 가능하다. 동일한 별개의 자석을 적용함으로써, 제 1 환형 밴드 및 제 2 환형 밴드를 포함하는 자석부를 구성하는 자석부의 총 자기력은 자석들의 수로부터 간단히 결정될 수 있음으로써, 용이하게 설정되는 전체 자기율을 가능하게 한다.

마그네트론(31)은 베이스 플레이트(33)의 배치면(33a)이 예를 들면 회전부(38)의 중앙축(38)을 포함하는 평면에 의하여 분리된 제 1 및 제 2반부 공간부를 가지며, 내부 자석 밴드에는 제 1반부 공간부가 제공되며, 외부 자석부는 제 1 및 제 2반부 공간부들 사이 또는 제 1 부분의 경계면상에 제공된다.

마그네트론(31)에서, 내부 자석 밴드는 제 1 및 제 2영역 사이 및 제 1 부분에서 경계면을 통과하기 위하여 배치된 제 1반부 공간 및 외부 자석부내에 완전히 배치되는 것이 바람직하다. 부가적으로, 외부 자석 밴드는 회전부(38)의 중앙부에 대응되는 위치를 통하여 통과할 수 있다. 특히, 도 12에 도시된 실시예에서, 외부 및 내부 자극 부품(47, 49) 사이의 부분은 제 1반부 공간부로 중복된다.

이 자석 배치를 따라, 플라즈마가 발생되는 타겟 부식면(16a)상의 부분을 감소시키는 것이 가능하다. 이 방식으로 타겟의 더 작은 부분에 전력이 인가될 수 있으므로, 플라즈마 밀도는 인가된 전력을 증가시키지 않고 상승될 수 있다. 플라즈마 밀도가 상승될 때, 전자 밀도도 증가되며, 그럼으로써 스퍼터링된 입자들의 이온화를 증진시킨다. 이온화되고 스퍼터링된 입자가 기판 표면을 향하여 가속화되기 때문에, 기판 표면의 방향으로 속도 성분을 가지는 많은 스퍼터링된 입자들이 발생한다. 그러므로, 스퍼터링된 입자는 주로 플라즈마 부분 아래로 직접 도달함으로써, 이 도달된 부분에서 박막 발생이 증진된다. 그러므로, 바닥 커버리지가 개선되는 동안 박막 두께의 균일성은 증가될 수 있다.

스퍼터링된 장치(11)에서, 자석 밴드는 각각의 차단 라인을 따르는 자기장을 제공하기 위하여 배치될 수 있다. 부식면(16a) 근처에, 플라즈마는 차단 라인 사이의 부분에 발생된다. 즉, 플라즈마가 발생되는 부분의 형상 및 면적은 두 개의 차단 라인에 의하여 발생된다. 차단 라인은 차단 곡선일 수 있다. 부가적으로, 차단 라인은 볼록형 곡선인 것이 바람직하다. 이 곡선들은 마그네트론의 제 1 부분에 제공되거나, 회전부(38)의 중앙부를 통과할 수 있다.

부가적으로, 마그네트론(31)에서, 외부 자석 밴드가 표시된 볼록 형상의 외부 주변 라인상에 배치될 때, 플라즈마를 발생시키는 자기장의 형상은 볼록 형상에 의하여 발생된다. 볼록 형상의 외주변 라인인 차단 볼록형 라인에 기초한 등자기선의 곡률에서의 변화의 범위는 차단 곡선의 곡률에서의 변화의 범위보다 더 작아 질 수 있다. 결론적으로, 플라즈마로부터 전자의 누설은 감소되며, 전자는 효과적으로 한정될 수 있다.

전자 밀도가 증가될 때, 스퍼터링된 입자들의 이온화는 증진되며, 이온화되고 스퍼터링된 입자는 기판의 방향으로 가속화됨으로써, 기판의 방향에서 속도 성분이 더 커진다. 부가적으로, 플라즈마내에서 전자 밀도가 증가될 때, 공정 가스의 압력은 감소될 수 있다. 압력이 감소되어, 스퍼터링된 입자들과 공정 가스 사이의 충돌 가능성이 낮아짐으로써, 기판에 수직한 방향으로의 속도 성분을 가지는 스퍼터링된 입자들의 수가 증가된다. 이 이유 때문에, 바닥 커버리지가 개선된다. 외부 자석부는 최외주변상에 배치된 자석을 포함하는 것이 바람직하다. 결론적으로, 전자는 최외각 전자 부분 내부에 한정된다.

도 15에는 내부 자석 밴드의 총 자기력이 외부 자석 밴드의 총 자기력보다 적을 때 마그네트론(31)에 의하여 발생된 자기장이 도시된다. 한편, 도 16에는 총 자기력 사이의 관계가 도 15의 총 자기력 사이의 관계에 대응될 때 마그네트론에 의하여 발생된 자기장을 도시한다. 도 15 및 도 16에는, 마그네트론(31)에 의하여 발생된 자기장이 점선에 의하여 표시된다.

도 15의 스퍼터링된 장치에서, 외부 자석 밴드(도 4, 도 6 및 도 7의 52)에 포함된 외부 자석(43a)의 N 극으로부터의 자기력 라인은 마그네트론(31)의 중앙부를 향하여 연장된다. 자기장의 부분은 내부 자석(43b)의 S 극에 도달하며, 자기성 커버(41)(또는 자기성 지지판(33))를 통과하며, 자기 회로를 발생하기 위하여 차단된다. 잔여 자기장은 중앙 축 근처로 마그네트론(31)의 중앙부를 향하여 연장되며, 그때 마그네트론(31)의 대응 측면로 연장하기 위하여 이 축방향에서 방향이 변화된다.

그러므로, 외부 자석(43a)으로부터의 자기장은 부식면(16a) 근처의 마그네트론(31)의 내부를 향하여 직면한다. 자기장의 곡률에 따라, 전자들의 이동 방향은 마그네트론의 내부로 바뀐다. 이 이유에 대해, 실드(26)로의 전자의 흐름은 적어 질 수 있다.

한편, 도 16의 스퍼터링 장치에서, 내부 자석 부분에 의하여 발생된 자기장은 마그네트론(30)의 외부에 직면하며 접지된 실드(26)를 통과한다. 그러므로, 실드(26)로부터 플라즈마를 차단하는 자기장의 작용이 약해진다.

상기에 설명된 바와 같은 스퍼터링 장치에서, 마그네트론(30, 31)은 받침대(18)의 부식면(16a) 및 상부면(18a) 사이의 진공 챔버 내부의 각각의 공간부(본 명세서에서는 스퍼터링 공간부로서 지칭됨)에서 형성된 자기장(B)의 형상을 제어한다. 마그네트론(30, 31)은 스퍼터링 공간부 내에 전자를 차폐하기 위해 적절한 자기장을 발생한다. 마그네트론(30, 31)은 구동 모터(36)에 의하여 회전됨으로써, 자석들에 의하여 발생된 자기장이 실제의 스퍼터링 장치(10, 11)에서 구동축(38) 둘레를 예를 들면 분당 약 60 내지 100회의 주파수로 회전된다.

본 발명의 더욱 특정되며 바람직한 일 실시예는 도 17의 정사영 도면에서 도시된다. 도 14와 관련하여, 마그네트론(11)은 모두 원주형의 로드 형상인 중앙축(38) 및 자극 부품(47, 49)에 대하여 회전하는 자석(43a, 43b)에 끼워진 자기성 베이스 플레이트(33)를 포함한다. 비 자기성 재료의 외부 정렬 벨트(80) 및 내부 정렬 벨트(82) 각각은 자석(43a, 43b)을 정렬 및 고정하기 위하여 복수의 각각의 정렬 구멍(84 및 86)을 가진다. 도시된 정렬 벨트(82, 84)는 원형이지만, 도 13에 도시된 바와 같이 타원형일 수 있다. 패스너(fasteners ; 88)는 정렬 벨트(82, 84)를 베이스 플레이트(33)로 고정하며, 나사와 같은 비도시된 고정 수단은 자극 단편(47, 49)을 베이스 플레이트(33)로 고정한다. 자기성 베이스 플레이트(33), 자석(43a, 43b), 및 자기성 자극 단편(47, 49)은 자기 회로를 형성하기 위하여 서로 결합된다.

도 17의 상이한 일 실시예는 도 18의 저면도에 도시된 자석 장치를 가진다. 이 실시예는 두 개의 크기를 가진 자석을 이용한다. 외부 자석(43a) 및 내부 자석(43b)이 접선방향으로 배치되기 위하여 이용되는 제 1크기는 예를 들면 1.7 cm의 큰 직경을 가지는 반면, 방사상 내부로 외부 자석(43)을 위하여 이용되는 제 2 크기는 예를 들면 1.4 cm의 더 작은 직경을 가진다. 두 개의 크기의 자석의 높이는 예를 들면 3.3 cm의 동일한 높이를 가진다. NdFeB로 제작된 크기가 큰 자석는 큰 자석의 단부로부터 2cm 위치에서 약 150 내지 200의 가우스의 자기장을 발생한다. 작은 자석에 대한 대응하는 자기장은 1.4/1.7 또는 1.4/1.7의 82%이다. 이 자석 재료는 선택적으로 SmCo, AlNiCo 또는 페라이트(ferrite)일 수 있다.

도 18에 도시된 바와 같이, 제 1 자극의 6개의 큰 자석들(43a)은 타겟 중앙부로부터 타겟(16)의 주변 근처에 외부 자극 단편(47) 상에 배치되며 제 1 자극의 18, 9 작은 자석들(eighteen nine small magnets; 43c)는 타겟 중앙부(38)에 더 근접한 외부 자극 단편(47) 상에 배치되며, 9개의 작은 자석(43c)은 6개의 큰 자석(43a)의 각각의 측면 상에 배치된다. 자석들(43a, 43c)은 원형 패턴 상에 배열된다. 한편, 제 2 자극의 10개의 큰 자석들(43b)은 타원형 패턴의 내부 자극 단편(49) 상에 배치된다. 비 자기적 정렬 칼라는 각각의 위치에서 모든 자석(43a, 43b, 43c)을 고정한다. 원형으로 형성된 환형 자극 부품은 외부 자석들(43a, 43c)에 부착되는 반면, 통공이 없는 타원형 자극 단편은 방사상으로 평탄한 타원형상에서 내부 자석들의 장치를 수용하기 위하여 내부 자석(43b)에 부착된다. 원형 외부 자석 밴드 및 타원형 내부 자석 영역은 일정하기 않은 갭을 초래한다.

타겟 주변 근처의 더 큰 외부 자석(43a)의 위치는 두 개의 측면에서 유용하다. 타겟 주변 근처의 더 강한 마그네틱 불균형은 접지된 실드로 평행하게 연장되는 더 강한 자기장을 형성함으로써, 실드로의 플라즈마 누설을 감소시킨다. 또한, 자기장은 타겟 주변 근처 및 타겟 중앙부로부터 마그네트론의 부분으로 더욱 강하게 차폐함으로써, 마그네트론의 효과적인 영역을 감소시키며 효과적인 목표 전력 밀도를 증가시키며 또한 마그네트론이 회전될 때 항상 스퍼터되는 타겟 중앙부에서의 스퍼터링 비율을 감소시킨다.

마그네트론(30, 31)으로부터 공정 가스가 부식면(16a) 근처의 플라즈마내로 여기될 때, 타겟(16)의 부식면(16a)으로부터 스퍼터링된 입자들이 형성된다. 도 2, 4, 6, 7, 13 및 14에서와 같이 마그네트론의 장치를 적용함으로써, 플라즈마를 유지하기 위하여 요구된 압력을 낮추는 것이 가능하다. 부가적으로, 플라즈마가 형성되는 부분을 감소시킴으로써 플라즈마 밀도를 올리는 것이 가능하다. 결론적으로, 전자 흐름 밀도는 증가될 수 있다. 결론적으로, 스퍼터링된 입자들의 이온화가 증진된다. 이온화되고 스퍼터링된 입자들은 기판 지지 받침대(18)의 방향에서 가속된다. 결론적으로 기판(W)을 교차하는 축의 방향을 따르는 속도 성분은 기판에 수직한 방향에서의 속도 성분보다 더 크게 됨으로써 바닥 커버리지를 향상시킨다. 부가적으로, 기판(W)에 수직한 속도 성분이 더 커질 때, 박막 형성은 회전 마그네트론(30, 31)이 통과하는 영역 하부에 직접 진행됨으로써, 유용한 바닥 커버리지를 구비한 박막이 형성된다.

이러한 타입의 스퍼터링 장치에서, 발명가에 의하여 수행된 실험의 결과에 따라, 종래의 장치의 적어도 10%의 박막 두께 균일성은 본 발명을 적용함으로써 5% 또는 5%보다 적게 감소된다. 여기서, 박막 두께 균일성은 두 개의 평균 막박 두께로 분할된 최대 및 최소 측정된 박막 두께 사이의 차이로서 한정될 수 있다.

상기에서 언급된 스퍼터링 장치에서 발명가에 의하여 수행된 실험에 따라, 외부 자석 부분의 전체 자속을 실제 목적을 위하여 전체 자속 힘의 1.5배로 설정하는 것이 바람직하다. 자석들이 동일한 마그네틱 구성인 경우, 자속의 비율은 대응된 극성을 가진 자석의 총 단면 영역의 비율에 의하여 결정될 수 있다.

도 19는 수평축선상의 총 마그네틱 불균형에 대한 수직축선상의 R_s(시트 저항(sheet resistance))의 균일성을 도시하는 실험 결과, 즉 외부 및 내부 밴드 사이의 전체 자속 비율을 보여준다. 시트 저항(R_s)은 박막 두께에 밀접하게 관련됨으로써 R_s 균일성은 두께 균일성과 거의 동일하다.

상기 측정은 다음과 같은 조건하에서 수행된다.

타겟 : Ti

전력 : 12 kW

압력 : 6.67 x 10^-2 Pa(0.5 mT)

박막 두께 : 100 nm

도 19에 따라, 전체 자속 비율이 1.5 보다 적은 경우 R_s 균일성이 저하되는 경향이 있는 반면, 총 자기력 비율이 1.5 이상일 때 전체 자속 비율이 증가될 때 향상된다.

부가적으로, 발명가가 인식하는 한, 공정 가스의 압력이 0.05 Pa(0.375 mTorr)보다 작은 경우 종래의 스퍼터링 장치는 플라즈마를 유지할 수 없다. 그러나, 상기에 설명된 스퍼터링 장치에서, 최소 방출 유지 압력은 0.02 Pa(0.15 mTorr)로 저하될 수 있었다. 이 같은 낮은 압력에서, 바닥 커버리지는 종래의 장치에서의 적어도 1.5배로 증가되었다.

전술된 바와 같이, 도 2, 4, 6, 7, 13, 및 14는 제 1 및 제 2실시예로 적용가능한 자석 장치를 보여준다. 이 장치들에서, 자석 부분들, 예를 들면 자석 부분(52)은 형상, 예를 들면 표시된 차단 곡선을 따르는 자극 단편의 형상에서 제공된다.

이 타입의 마그네트론에서, 발명가는 최대 곡룔 반경의 적어도 0.8배가 되는 차단 곡선의 최소 곡률 반경이 바람직하다고 믿는다. 외부 자석 부분이 표시된 차단 곡선을 따라 배치되는 경우, 플라즈마를 발생시키는 자기장의 형상는 이 차단 곡선에 의하여 한정된다. 등자기선들이 상기에 설명된 곡률 반경의 범위내에서 만곡되며, 등자기선들에 의하여 곡선이 되는 플라즈마로부터의 전자의 누설이 감소된다. 내부 자석들은 상기에 설명된 곡률 반경에 대한 조건을 충족시키는 경우 더욱 바람직한 결과를 얻을 수 있다. 특히, 도 14에 도시된 원형 자석 장치는 최고의 결과를 보여준다.

종래의 마그네트론을 구비한 스퍼터 반응기에서, 박막 두께의 편차는 항상 10% 또는 더 크다. 그러나 본 발명의 마그네트론을 구비한 본 발명의 발명가에 의하여 수행된 실험 결과를 따라, 박막 두께의 편차는 5% 또는 더 적게 개선될 수 있다. 이 경우, 박막 두께의 편차는 가장 두꺼운 지점에서 측정값 및 가장 얇은 지점에서의 측정값 사이의 차이가 박막 두께의 평균의 반으로 나누어 질 때 한정된다.

본 발명의 발명가에 의하여 수행된 실험에 따라, 실제 이용을 위한 내부 자석 밴드의 전체 자속의 적어도 1.5배가 되는 자석 밴드의 전체 자속을 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 최고의 지식에 대하여, 종래의 스퍼터링 장치에서, 공정 가스의 압력이 0.05 Pa(0.375 mtorr) 이하로 강하될 때 플라즈마가 유지되지 않는다는 것이다. 그러나, 전술한 스퍼터링 장치에서, 플라즈마 배출을 위하여 필요한 최하의 압력은 0.02 Pa(0.15 mtorr) 이하로 강하될 수 있다. 이 같은 낮은 압력에서, 바닥 커버리지는 종래의 경우에 비하여 적어도 1.5 배 향상될 수 있다.

전술된 스퍼터링 장치에 적절한 박막 형성 방법은 전술된 순서에서 수행될 수 있다. 첫 번째로, 전술된 재료로 제작된 타겟을 향하는 제 1 자극이 배열된 제 1 자석부 및 타겟을 향하여 제 2 자극을 구비한 전술된 제 1 자석부의 외부에 배치된 제 2 자석부를 구비한 스퍼터링 장치가 개시된다. 주변 자석부의 자속 밀도는 내부 자석부의 자속 밀도보다 더 크다. 그때, 기판은 타겟에 직면하여 적절히 배치된다. 그때 작동 가스는 타겟으로부터 플라즈마 스퍼터링 입자가 플라즈마를 발생시키기 위하여 진공 챔버로 공급된다. 스퍼터링된 입자들은 전술된 재료로 제작된 박막을 형성하기 위하여 기판에 증착된다. 스퍼터링에 의하여 발생된 입자들은 기판의 표면상에 연속적으로 증착되며, 유용한 바닥 커버리지를 구비한 박막은 기판상에 형성될 수 있다. 또한 상기 방법은 마그네트론의 회전축을 포함하는 평면에 의하여 분할된 부분들중의 하나의 부분에 배치된 자석를 가지는 마그네트론을 구비한 스퍼터링 장치에서 실시된다.

자기장은 중앙 부분 및 마그네트론의 회전 중앙 축을 포함하는 평면에 의하여 분할된 소모면의 부분들중의 하나의 부분에 형성된다. 결론적으로, 소모면의 스퍼터링 균일성은 증가될 수 있으며, 자기장이 형성되는 부분은 감소될 수 있다. 결론적으로, 플라즈마 형성 부분이 감소된다. 이 방식으로, 전자 밀도는 입력 전력의 증가없이 증가될 수 있다. 스퍼터링된 입자들의 이온화는 전자의 증가된 밀도에 의하여 증가되며, 이온화된 입자들은 기판의 표면을 향하여 가속화된다. 결론적으로, 대부분의 스퍼터링된 입자들은 플라즈마 부분 바로 아래의 영역에 도달한다.

전술된 마그네트론이 상기에 설명된 바와 같이 개시되는 경우, 플라즈마의 전자는 자기장의 전자 트래핑 효과(electron-trapping effect)에 의하여 효율적으로 차단될 수 있다. 결론적으로, 전자 밀도는 증가될 수 있다. 전자 밀도가 증가될 때, 스퍼터링된 입자들이 더욱 용이하게 이온화된다. 이온화되고 스퍼터링된 입자들이 전기장에 의하여 가속화되기 때문에, 기판을 향하여 이동하는 스퍼터링된 입자들의 수는 증가된다. 결론적으로, 대부분의 스퍼터링된 입자들은 플라즈마 부분 바로 아래 기판에 도달한다. 그러므로, 박막 두께 균일성은 증가될 수 있다.

또한, 작동 가스의 압력이 감소될 수 있으므로, 스퍼터링 공간의 진공 레벨도 작동 가스의 감소된 유동률과 동일한 부분 압력과 동일하게 많이 감소될 수 있다. 결론적으로, 스퍼터링된 입자들을 구비한 작동 가스 입자의 충돌 빈도수는 감소될 수 있다. 그러므로, 바닥 커버리지율은 더욱 향상된다.

상기에서 상세하게 설명된 바와 같이, 본 발명의 일 특징에 따라, 마그네트론은 진공 챔버내에 자기장을 발생하기 위하여 배치된 제 1 자석 밴드 및 제 2 자석 밴드를 가진다. 제 2 자석 밴드는 제 1 자석 밴드 외부에 배치되며, 제 1의 내부 자석 밴드의 전체 자속은 제 2외부 자석 밴드의 전체 자속보다 작다.

낮은 자속 밀도가 발생되는 제 1 자석 밴드가 더 큰 자속을 발생하는 제 2 자석 밴드의 내부에 배치되기 때문에, 외부 제 2 자석 밴드의 자속의 임의의 라인들은 내부 제 1 자석 밴드 너머 도달하며, 외부 제 1 자석 밴드의 내부 자석이 없는 부분을 통과하며, 자기성 요크를 통과한 후, 제 2 자석 밴드에 차폐된다. 제 2 자석 밴드의 자속의 나머지 라인들은 제 1 자석 밴드를 둘러싸며 제 2 자석 밴드에서 종결되는 자속 루프(magnetic flux loop)를 형성한다. 결론적으로, 외부로 연장되는 진공 챔버의 자속이 감소될 수 있기 때문에, 전자 차폐 성능이 향상될 수 있다. 본 발명의 박막 형성 방법을 이용함으로써, 박막은 우수한 전자 차폐 성능을 가진 자기장이 발생한 후 박막이 형성될 수 있다. 결론적으로, 본 발명은 바닥 커버리지를 향상시킬 수 있는 스퍼터링 장치 및 박막 형성 방법을 제공한다.

상기에 설명된 것에 추가하여, 본 발명의 또 다른 면에 따라, 마그네트론은 스퍼터링 타겟에 직면하는 부분에 배치된다. 마그네트론은 회전축을 포함하는 평면에 의하여 분할된 직면 부분들중 하나의 부분에 배치되는 자석 밴드를 가진다. 구동 수단은 회전 중앙부로서 전술된 소모면상에 정해진 지점을 통과하는 축을 이용한다. 자석 밴드가 스퍼터링 장치에서 직면하는 부분들중 하나에 배치되기 때문에, 자기장이 형성되는 부분의 형상이 단순화되며, 소모면상의 스퍼터링 균일성 뿐만 아니라 박막 두께의 균일성이 보장될 수 있다. 또한, 자석 밴드가 개별적인 직면 부분들중 하나의 부분에 배치될 수 있기 때문에, 스퍼터링 균일성이 증가될 수 있으며, 플라즈마가 형성되는 소모되는 타겟 표면 근처의 부분이 감소될 수 있다. 전력이 감소된 부분으로 인가될 수 있기 때문에, 플라즈마 밀도는 입력 전력의 증가없이 증가될 수 있다. 플라즈마 밀도가 증가되면, 전자 밀도 또한 증가된다. 결론적으로, 스퍼터링된 입자들의 이온화는 증가될 수 있다. 이온화되고 스퍼터링된 입자들이 기판의 표면을 향하여 가속화되기 때문에, 기판의 표면의 방향으로의 속도 성분을 가지는 스퍼터링된 입자들의 수는 증가될 수 있다. 결론적으로, 대부분의 스퍼터링된 입자들은 플라즈마 영역 바로 아래 영역으로 도달하며, 박막은 전자에 의하여 도달된 부분에 형성될 수 있다. 그러므로, 박막 및 바닥 커버리지 두께의 균일성이 향상될 수 있다. 본 발명의 박막 형성 방법을 따라, 박막은 회전 중앙부 근처 및 회전축을 포함하는 평면에 의하여 분할된 마그네트론상의 부분들중 하나의 부분에 발생된 자기장을 형성할 수 있다. 결론적으로, 본 발명은 박막 두께의 평면내의 균일성을 향상시키는 스퍼터링 장치 및 박막 형성 방법을 제공한다.

이와 같이, 본 발명은 바닥 커버리지를 개선시키기 위한 스퍼터링 반응기 및 스퍼터링 증착 방법을 제공하며, 박막 두께의 균일성을 향상시키기 위한 스퍼터링 반응기 및 스퍼터링 증착 방법을 제공하며, 균일한 스퍼터링 증착에 추가하여, 타겟 사용을 최적화시키기 위해 타겟의 부식 표면을 균일하게 스퍼터링시키는 효과가 있다.

Claims (29)

1. 진공 챔버,

   상기 챔버내에 배치되는 기판 지지체,

   상기 기판 지지체를 면하는 스퍼터링 타겟, 및

   상기 기판 지지체의 반대쪽의 상기 스퍼터링 타겟의 일 측면에 배치되고 제 1 자석 밴드 및 제 2 자석 밴드를 포함하는 마그네트론

   을 포함하며,

   상기 제 1 자석 밴드는 상기 스퍼터링 타겟을 면하는 제 1 측면 상에 제 1 자극의 제 1 전체 자속을 생성하며, 상기 제 2 자석 밴드는 상기 제 1 자석 밴드를 둘러싸며 상기 스퍼터링 타겟을 면하는 제 2 측면 상에 상기 제 1 자극과 상반되는 제 2 자극의 제 2 전체 자속을 생성하며, 상기 제 2 전체 자속은 상기 제 1 전체 자속 보다 큰, 마그네트론 스퍼터 반응기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 자석 밴드는 영구 자화 재료가 없는 통공을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 2 자석 밴드로부터 발생하는 임의의 자기장 라인은 상기 제 1 자석 밴드의 상기 제 1 측면에 접촉되지 않고 상기 통공을 통과하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 전체 자속은 상기 제 1 전체 자속의 1.5 배 이상인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 자석 밴드 및 상기 제 2 자석 밴드는 일정한 갭으로 분리되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 자석 밴드는 상기 제 1 자극을 가지는 제 1의 다수의 제 1 자석을 포함하고 상기 제 2 자석 밴드는 상기 제 2 자극을 가지는 제 2의 다수의 제 2 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 제 1 다수의 제 1 자석은 상기 제 2 다수의 제 2 자석과 동일하며 각각의 쌍의 상기 제 1 자석 및 상기 제 2 자석을 지지하고 자기적으로 결합시키는 제 1 다수의 자기 요크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 제 2 자석은 상기 제 1 자석을 둘러싸는 링 형상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 제 1 자석 모두를 상기 제 1 측면에 배치하여 자기적으로 결합시키는 하나 이상의 제 1 자극 부재, 및

   상기 제 2 자석 모두를 상기 제 2 측면에 배치하여 자기적으로 결합시키는 하나 이상의 제 2 자극 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 제 2 자석 밴드는 주축선 및 상기 주축선의 0.8배 보다 작지 않은 부축선을 가지는 타원 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 주축선 및 상기 부축선은 동일하며 원형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 마그네트론은 상기 타겟의 중앙부 부근에서 회전가능한 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
13. 제 1 항에 있어서,

    상기 제 2 자석 밴드는 상기 타겟의 중앙부를 통과하는 라인에 의하여 상기 타겟의 제 2 반부 영역으로부터 분리되는 상기 타겟의 제 1 반부 영역에 주로 배치되며,

    상기 제 1 자석 밴드는 상기 제 2 반부 영역으로 연장하지 않으며,

    상기 제 2 자석 밴드는 상기 타겟의 중앙부로부터 상기 타겟의 반경의 15% 보다 상기 제 2 반부 영역내로 더 이상 연장하지 않는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
14. 진공 챔버,

    상기 챔버내에 배치되는 기판 지지체,

    상기 기판 지지체를 면하는 스퍼터링 타겟,

    상기 기판 지지체의 반대쪽의 상기 스퍼터링 타겟의 일 측면에 배치되고 제 1 자석 밴드 및 제 2 자석 밴드를 포함하는 마그네트론

    을 포함하며,

    상기 제 1 자석 밴드는 상기 스퍼터링 타겟을 면하는 제 1 측면 상에 제 1 자극의 제 1 전체 자속을 생성하며, 상기 제 1 자석 밴드는 통공을 둘러싸며, 상기 제 2 자석 밴드는 상기 제 1 자석 밴드를 둘러싸고 상기 스퍼터링 타겟을 면하는 제 2 측면 상에 상기 제 1 자극과 상반되는 제 2 자극의 제 2 전체 자속을 생성하는, 마그네트론 스퍼터 반응기.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 제 2 전체 자속은 상기 제 전체 1 자속 보다 큰 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
16. 진공 챔버,

    상기 챔버내에 배치되는 기판 지지체,

    상기 기판 지지체를 면하며 중앙 축선을 가지는 스퍼터링 타겟, 및

    상기 기판 지지체 반대쪽의 상기 스퍼터링 타겟의 일 측면에 배치되며 상기 스퍼터링 타겟의 상기 중앙 축선 부근에서 회전가능하고 제 1 자석 밴드 및 제 2 자석 밴드를 포함하는 마그네트론

    을 포함하며,

    상기 제 1 자석 밴드는 상기 스퍼터링 타겟을 면하는 제 1 측면 상에 제 1 자극의 제 1 전체 자속을 생성하며 상기 제 1 자석 밴드는 영구 자화 재료가 없는 통공을 둘러싸며, 상기 제 2 자석 밴드는 상기 제 1 자석 밴드를 둘러싸고 상기 스퍼터링 타겟을 면하는 제 2 측면 상에 상기 제 1 자극과 상반되는 제 2 자극의 제 2 전체 자속을 발생하며, 상기 제 2 자석 밴드는 상기 중앙 축선을 통과하거나 또는 상기 스퍼터링 타겟의 반경의 단지 10%인 상기 중앙 축선의 거리 내에서 통과하는, 마그네트론 스퍼터 반응기.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 제 2 전체 자속은 상기 제 1 전체 자속보다 더 큰 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
18. 제 16 항에 있어서,

    상기 제 1 자석 밴드는 상기 스퍼터링 타겟의 제 1 반원 반부 영역으로 차폐되며 상기 제 2 자석 밴드는 상기 스퍼터링 타겟의 단지 15%의 반경 만큼 상기 스퍼터링 타겟의 제 2 반원 반부 영역으로 연장하며, 상기 두 개의 반부 영역은 상기 중앙 축선을 통과하는 경계부에 의하여 분리되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
19. 삭제
20. 진공 챔버,

    상기 챔버내에 배치되는 기판 지지체,

    상기 기판 지지체를 면하며 타겟 중앙부로부터 타겟 주변부로 연장하는 타겟 반경을 가지는 스퍼터링 타겟, 및

    상기 기판 지지체 반대쪽의 상기 스퍼터링 타겟의 일 측면 상에 배치되고, 상기 타겟 중앙부 부근에서 회전가능한 마그네트론

    을 포함하며, 상기 마그네트론은,

    상기 타겟 중앙부로부터 상기 타겟 반경의 15% 이내의 지점으로부터 상기 타겟 주변부를 향하여 연장하는 타원형 밴드의 제 1 부분을 따라 배치되는 제 1 직경을 가지는 제 1 자극의 다수의 제 1 원통형 자석,

    상기 제 1 부분 보다 상기 타겟 중앙부에 더 근접한 상기 타원형 밴드의 제 2 부분을 따라 배치되는 상기 제 1 직경 보다 작은 제 2 직경을 가지는 상기 제 1 자극의 다수의 제 2 원통형 자석, 및

    상기 타원형 밴드의 내부에 배치되며 상기 제 1 자극과 상반되는 제 2 자극의 다수의 제 3 원통형 자석

    을 포함하는, 마그네트론 스퍼터 반응기.
21. 제 20 항에 있어서,

    상기 제 1 원통형 자석 및 상기 제 2 원통형 자석의 총 단면적은 상기 제 3 원통형 자석의 총 단면적의 150 % 이상인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
22. 제 20 항에 있어서,

    상기 제 3 원통형 자석은 상기 제 1 원통형 자석과 동일한 제 3 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
23. 제 20 항에 있어서,

    상기 타원형 밴드는 원형상을 가지는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
24. 제 23 항에 있어서,

    상기 제 3 자석의 자유 단부와 함께 자기적으로 결합되는 방사상 평탄한 타원형 자극 단편을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
25. 진공 챔버,

    상기 챔버내에 배치되는 기판 지지체,

    상기 기판 지지체를 면하며 타겟 중앙부로부터 타겟 주변부로 연장하는 타겟 반경을 가지는 스퍼터링 타겟, 및

    상기 기판 지지체의 반대쪽의 상기 스퍼터링 타겟의 일 측면에 배치되고 상기 타겟 중앙부 부근에서 회전가능한 마그네트론

    을 포함하며, 상기 마그네트론은,

    상기 타겟 중앙부로부터 타겟 반경의 15% 이내의 지점으로부터 타겟 주변부를 향해 연장하는 폐쇄형 밴드에 배치되고 제 1 전체 자속을 가지는 제 1 자극의 다수의 제 1 자석, 및

    상기 폐쇄형 밴드 내부에 배치되며 상기 제 1 자극과 상반되는 제 2 전체 자속을 가지는 제 2 자극의 하나 이상의 제 2 자석

    을 포함하며, 상기 제 1 전체 자속은 상기 제 2 전체 자속의 150% 이상인, 마그네트론 스퍼터 반응기.
26. 제 25 항에 있어서,

    상기 밴드는 볼록형상인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
27. 제 26 항에 있어서,

    상기 볼록형상은 주축선 및 상기 주축선의 0.8보다 작지 않은 부축선을 가지는 타원형상인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
28. 제 27 항에 있어서,

    상기 주축선은 상기 부축선과 동일한 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.
29. 제 25 항에 있어서,

    상기 타겟 중앙부는 상기 밴드와 일치하거나 또는 상기 밴드의 외부 주변부의 외부에 놓이는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 반응기.

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