KR100793569B1 - Magnetron sputtering apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 챔버 내부에 위치하며 기판이 장착되는 지지대, 기판과 대향되도록 위치되며 증착 물질로 이루어진 타겟, 타겟과 기판 사이에 플라즈마를 형성하기 위한 플라즈마 발생 수단, 타겟에 교류 자기장을 형성하는 자계 발생 수단, 자계 발생 수단으로 교류 전류를 공급하는 전원부 및 교류 전류의 크기 및 주파수를 가변하기 위한 주파수 변환기를 포함한다. 교류 전류의 크기 및 주파수를 조절하여 타겟의 전체에 특정 주파수의 시변 자기장(time-varying magnetic field)을 형성함으로써 플라즈마 이온의 밀도가 증가되어 스퍼터링 효율이 증대됨으로써 증착 속도가 향상되며, 자기장의 균일한 분포에 의해 타겟의 전표면이 균일하게 소모된다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetron sputtering apparatus, comprising: a support located inside a chamber, a support on which a substrate is mounted, a target facing the substrate, a target made of a deposition material, plasma generating means for forming a plasma between the target and the substrate, and alternating the target A magnetic field generating means for forming a magnetic field, a power supply unit for supplying an alternating current to the magnetic field generating means, and a frequency converter for varying the magnitude and frequency of the alternating current. By controlling the magnitude and frequency of the alternating current to form a time-varying magnetic field of a specific frequency throughout the target, the density of plasma ions is increased, the sputtering efficiency is increased, and the deposition rate is improved. The entire surface of the target is consumed uniformly by the distribution.
마그네트론 스퍼터링, 전자석, 교류 전원, 주파수 변환기, 타겟 Magnetron Sputtering, Electromagnets, AC Power, Frequency Converters, Targets
Description
도 1은 종래 마그네트론 스퍼터링 장치를 설명하기 위한 구성도.1 is a configuration diagram for explaining a conventional magnetron sputtering device.
도 2는 종래 마그네트론 스퍼터링 장치에서 증착이 이루어지는 과정을 설명하기 위한 개념도.2 is a conceptual diagram for explaining a process in which deposition is performed in a conventional magnetron sputtering apparatus.
도 3은 불균일하게 소모된 타겟의 단면도.3 is a cross-sectional view of a heterogeneously consumed target.
도 4는 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치를 설명하기 위한 구성도.4 is a block diagram for explaining a magnetron sputtering apparatus according to the present invention.
도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 자계 발생 수단의 실시예를 설명하기 위한 평면도.5A and 5B are plan views illustrating an embodiment of the magnetic field generating means shown in FIG.
도 6은 주파수 변화에 따른 플라즈마 이온의 밀도 변화를 도시한 그래프.6 is a graph showing the density change of plasma ions with a frequency change.
도 7은 교류 자기장에 의한 식각비와 식각 균일도의 변화를 도시한 그래프.7 is a graph illustrating changes in etching ratio and etching uniformity due to an alternating magnetic field;
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10, 110: 가스 주입구 11, 111: 챔버10, 110:
12, 112: 지지대 13, 113: 타겟12, 112:
14: 영구 자석 20, 120: 기판14:
130: 전원부 140: 주파수 변환기130: power supply 140: frequency converter
150: 자계 발생 수단 151: 코어150: magnetic field generating means 151: core
152: 코일152: coil
본 발명은 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스퍼터링 효율이 높고 타겟(target)의 전표면이 균일하게 소모될 수 있는 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetron sputtering apparatus, and more particularly, to a magnetron sputtering apparatus having a high sputtering efficiency and capable of uniform consumption of the entire surface of a target.
일반적으로 반도체 소자나 발광 소자의 제조 공정에서 금속 배선이나 전극은 스퍼터링(sputtering) 방법으로 형성한다. 스퍼터링 방법은 증착 물질로 이루어진 타겟 하부에 플라즈마를 형성하고 플라즈마 이온을 타겟에 충돌시켜 그 에너지에 의해 타겟 표면의 원자들이 떨어져 나와 박막이 증착되도록 한다. 이 때 박막의 증착 속도는 플라즈마의 밀도에 비례하므로 자기장을 형성하여 플라즈마 밀도를 증가시키는데, 이러한 방법을 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 방법이라 한다.In general, metal wires or electrodes are formed by a sputtering method in a process of manufacturing a semiconductor device or a light emitting device. The sputtering method forms a plasma under a target made of a deposition material and bombards the plasma ions with the target so that atoms of the target surface are separated by the energy to deposit a thin film. At this time, since the deposition rate of the thin film is proportional to the density of the plasma, a magnetic field is formed to increase the plasma density. This method is called a magnetron sputtering method.
도 1은 종래 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략적인 구성도로서, 가스 주입구(10)가 형성된 챔버(11) 내부에 기판(20)을 지지하기 위한 지지대(12)가 설치되며, 지지대(12) 상부에는 증착 물질로 이루어진 타겟(13)이 설치되고, 타겟(13) 상부에는 타겟(13)의 하부에 자기장을 형성하기 위한 영구 자석(14)이 설치된다.FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a conventional magnetron sputtering apparatus, in which a
기판(20)을 챔버(11) 내부로 이송하여 지지대(12) 상에 위치시킨 다음 타겟(13)과 기판(20) 사이에 소정의 전압을 인가하고 가스 주입구(10)를 통해 챔버(11) 내부로 공정 가스를 공급한다. 통상적으로 타겟(13)에 음전압을 인가하면 방전에 의해 생성된 전자가 가스 분자와 충돌하여 타겟(13) 하부에 플라즈마가 생성된다. 즉, 전자가 이동하는 과정에서 가스 분자와 충돌함으로써 공정 가스가 이온화되어 플라즈마 상태로 여기된다.The
이와 같이 생성된 플라즈마 이온은 도 2에 도시된 바와 같이 영구 자석(14)에 의해 타겟(13) 하부에 전계와 수직 방향으로 형성되는 자기장(30) 방향을 축으로 하는 나선 운동을 하게 되는데, 이 때 타겟(13) 부근에 잔류하는 시간이 길어지게 되므로 가스 분자와의 충돌이 빈번해져 플라즈마 밀도가 증가한다. 따라서 고밀도의 플라즈마 이온이 타겟(13)의 표면에 충돌하고, 충돌 에너지에 의해 타겟(13) 표면의 원자들이 많이 떨어져 나와 기판(20)에 박막이 증착된다. As shown in FIG. 2, the generated plasma ions are subjected to a helical motion based on the direction of the
상기와 같이 구성되는 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치는 영구 자석(14)의 형상과 위치에 따라 자기력선이 분포되는데, 영구 자석(14)의 형상과 위치가 고정되기 때문에 자기력선의 궤적이 일정하고 밀도가 높은 부분에서만 지속적으로 스퍼터링이 이루어지게 되므로 도 3의 A 부분과 같이 타겟(13)이 불균일하게 소모될 뿐만 아니라 증착되는 박막의 두께도 불균일해진다. 이러한 문제점은 대면적 기판을 사용하는 공정에서 더욱 심하게 나타난다. 또한, 영구 자석(14)의 자력이 시간에 따라 감소하기 때문에 자기장의 크기가 감소되어 증착 속도가 감소된다. In the conventional magnetron sputtering device configured as described above, magnetic force lines are distributed according to the shape and position of the
본 발명의 목적은 교류 자기장에 의해 타겟의 균일한 소모가 이루어지도록 한 마그네트론 스퍼터링 장치를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a magnetron sputtering device in which a target is uniformly consumed by an alternating magnetic field.
본 발명의 다른 목적은 교류 전류의 크기와 주파수를 조절하여 스퍼터링 효율을 극대화시킬 수 있는 마그네트론 스퍼터링 장치를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a magnetron sputtering device capable of maximizing sputtering efficiency by adjusting the magnitude and frequency of alternating current.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치는 챔버, 상기 챔버 내부에 위치하며 기판이 장착되는 지지대, 상기 기판과 대향되도록 위치되며 증착 물질로 이루어진 타겟, 상기 타겟과 상기 기판 사이에 플라즈마를 형성하기 위한 플라즈마 발생 수단, 상기 타겟에 교류 자기장을 형성하는 자계 발생 수단, 상기 자계 발생 수단으로 교류 전류를 공급하는 전원부, 상기 교류 전류의 크기 및 주파수를 가변하기 위한 주파수 변환기를 포함한다.Magnetron sputtering apparatus according to an aspect of the present invention for achieving the above object is a chamber, a support located in the chamber and the substrate is mounted, a target positioned opposite to the substrate and made of a deposition material, the target and the substrate Plasma generating means for forming a plasma therebetween, magnetic field generating means for forming an alternating magnetic field in said target, a power supply for supplying alternating current to said magnetic field generating means, and a frequency converter for varying the magnitude and frequency of said alternating current; do.
그러면 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following embodiments are provided to those skilled in the art to fully understand the present invention, and may be modified in various forms, and the scope of the present invention is limited to the embodiments described below. no.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략 적인 구성도이다.4 is a schematic diagram of a magnetron sputtering apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
가스 주입구(110)가 형성된 챔버(111) 내부에 기판(120)을 지지하기 위한 지지대(112)가 설치되며, 지지대(112) 상부에는 금속이나 절연물과 같은 증착 물질로 이루어진 타겟(113)이 설치되고, 타겟(113) 상부에는 타겟(113)의 일면에 교류 자기장을 형성하기 위한 자계 발생 수단(150)이 설치된다. 타겟(113)과 기판(120)에는 플라즈마 생성을 위한 전원부(도시안됨)로부터 직류 또는 교류 전원이 인가되며, 자계 발생 수단(150)에는 전원부(130)로부터 교류 전류가 공급되는데, 주파수 변환부(140)에 의해 교류 전류의 크기 및 주파수가 조절될 수 있다.A
자계 발생 수단(150)은 교류 전류에 의해 교류 자기장이 타겟(113) 전체에 균일하게 분포될 수 있도록 구성된 코일이나 코어와 코일로 이루어지는 전자석을 포함한다. 일 예로서, 도 5a에 도시된 바와 같이 타겟(113)과 중첩되도록 타겟(113)보다 크거나 같은 크기를 갖는 판 또는 원통 형태의 코어(151) 전체에 코일(152)이 감긴 형태로 구성되며, 코일(152)에는 전원부(130)로부터 공급되는 교류 전류가 흐른다. 또는 다른 예로서, 도 5b에 도시된 바와 같이 코어(151)에 다수의 코일(152)이 일정 간격으로 감긴 형태로 구성되며, 각 코일(152)에는 각각의 전원부(130)로부터 공급되는 교류 전류가 흐른다.The magnetic field generating means 150 includes a coil or a core configured to allow an alternating magnetic field to be uniformly distributed throughout the
그러면 상기와 같이 구성된 본 발명의 마그네트론 스퍼터링 장치에서 금속이 증착되는 과정을 설명하기로 한다.Next, a process of depositing a metal in the magnetron sputtering apparatus of the present invention configured as described above will be described.
먼저, 알루미늄(Al)과 같은 금속이나 절연물질로 이루어진 타겟(113)을 준비한다. 기판(120)을 챔버(111) 내부로 이송하여 지지대(112) 상에 위치시킨 다음 타 겟(113)과 기판(120) 사이에 소정의 전압을 인가하고 가스 주입구(110)를 통해 챔버(111) 내부로 아르곤(Ar)이나 산소(O)와 같은 공정 가스를 공급한다. 타겟(113)에 음전압을 인가하면 방전에 의해 생성된 전자가 가스 분자와 충돌하여 타겟(113) 하부에 플라즈마가 형성된다. 즉, 전자가 이동하는 과정에서 가스 분자와 충돌함으로써 공정 가스가 이온화되어 플라즈마 상태로 여기된다.First, a
이와 같이 생성된 플라즈마 이온은 타겟(113) 하부에 전계와 수직 방향으로 형성되는 자기장 방향을 축으로 하는 나선 운동을 하게 되는데, 이와 같은 나선 운동에 의해 타겟(113) 부근에 잔류하는 시간이 길어지게 되므로 가스 분자와의 충돌이 빈번해져 플라즈마 밀도가 더욱 증가하게 된다. 따라서 고밀도의 플라즈마 이온이 타겟(113)의 표면에 충돌하고, 충돌 에너지에 의해 타겟(113) 표면의 많은 원자들이 떨어져 나와 기판(120)에 박막이 증착된다. The plasma ions generated as described above undergo a spiral motion around the direction of the magnetic field formed in the direction perpendicular to the electric field under the
상기와 같은 과정을 통해 기판(120)에 박막이 증착될 때 타겟(113)의 둘레에는 자계 발생 수단(150)에 의해 교류 자기장 즉, 특정 주파수의 시변 자기장(time-varying magnetic field)이 형성되는데, 자기장의 방향이 일정한 주기로 변화하기 때문에 자기장의 변화에 따른 전자의 회전 및 이동이 더욱 가속되어 플라즈마 이온의 밀도는 더욱 증가하게 된다. 또한, 교류 자기장이 타겟(113) 전체를 둘러싸도록 형성되기 때문에 타겟(113)의 전표면이 고밀도 플라즈마 이온에 의해 균일하게 소모된다. When the thin film is deposited on the
예를 들어, 주파수 변환기(140)에 의해 전원부(130)로부터 공급되는 교류 전류는 1 내지 10A 정도의 범위로 조절되고, 주파수는 20 내지 200Hz 정도의 범위로 조절될 수 있는데, 도 6에 도시된 바와 같이 산소(O) 가스 분위기에서는 80Hz 정도의 주파수에서 플라즈마 이온의 밀도가 극대화될 수 있고, 아르곤(Ar) 가스 분위기에서는 40Hz 정도의 주파수에서 플라즈마 이온의 밀도가 극대화될 수 있다. 따라서 타겟과 공정 가스의 종류에 따라 다르지만, 40 내지 170Hz의 주파수 범위 내에서 플라즈마 이온의 밀도를 극대화시키는 동시에 타겟(113)의 전표면이 고밀도 플라즈마 이온에 의해 균일하게 소모되도록 할 수 있다. For example, the alternating current supplied from the
주파수 변환기(140)에 의한 교류 전류의 크기 및 주파수 조절은 유도 결합 플라즈마(ICP) 식각 장치에서 교류 자기장을 이용하여 플라즈마 이온의 밀도를 증가시켜 식각 속도(etch rate)를 향상시키는 기술이 개재된 논문 등을 참조하면 스퍼터링 효율이 극대화되도록 용이하게 조절할 수 있을 것이다(O. Beom-hoan et al., "The magnetization frequency dependence of enhanced inductively coupled plasma", Surface and Coating Technology 146-47 (2001) 528-531, Beom-hoam O et al., "Improvement of ICP plasma with periodic control of axial magnetic field", Surface and Coating Technology 120-131 (1999) 752-756 참조).The control of the magnitude and frequency of the alternating current by the
도 7을 참조하면, 유도 결합 플라즈마(ICP) 식각 장치에서 교류 자기장을 이용하여 플라즈마 이온의 밀도를 증가시키는 경우 직류 전원(0Hz)을 인가하거나 자기장을 형성시키지 않은 경우에 비해 식각비(etch rate)와 식각 균일도(uniformity)가 크게 향상될 수 있음을 알 수 있다. 따라서 타겟을 식각하여 증착이 이루어지도록 하는 스퍼터링 증착의 경우에도 높은 식각비와 식각 균일도에 의해 박막의 증착 속도가 향상될 수 있으며, 타겟의 소모도 균일하게 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 7, in the case of increasing the density of plasma ions using an alternating magnetic field in an inductively coupled plasma (ICP) etching apparatus, an etch rate is compared with a case in which DC power (0 Hz) is applied or a magnetic field is not formed. And it can be seen that the etching uniformity (uniformity) can be greatly improved. Therefore, even in the case of sputter deposition for etching the target to be deposited, the deposition rate of the thin film can be improved by the high etching ratio and the etching uniformity, and the consumption of the target can be made uniform.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, the preferred embodiment of the present invention has been disclosed through the detailed description and the drawings. The terms are used only for the purpose of describing the present invention and are not used to limit the scope of the present invention as defined in the meaning or claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
상술한 바와 같이 본 발명은 교류 전류의 크기 및 주파수를 조절하여 타겟의 전체에 특정 주파수의 시변 자기장을 형성함으로써 플라즈마 이온의 밀도가 증가되어 스퍼터링 효율이 증대됨으로써 증착 속도가 향상되며, 자기장의 균일한 분포에 의해 타겟의 전표면이 균일하게 소모되므로 제조 비용을 감소시킬 수 있다.As described above, the present invention adjusts the magnitude and frequency of the alternating current to form a time-varying magnetic field of a specific frequency throughout the target to increase the density of plasma ions, thereby increasing the sputtering efficiency, thereby improving the deposition rate, and increasing the uniformity of the magnetic field. Since the entire surface of the target is uniformly consumed by the distribution, the manufacturing cost can be reduced.
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