KR100800643B1

KR100800643B1 - 마그네트론 스퍼터링 장치, 회전가능한 마그네트론 및 스퍼터링 방법

Info

Publication number: KR100800643B1
Application number: KR1020000062307A
Authority: KR
Inventors: 마이클 로젠스타인; 지안밍 푸; 라이프에릭 디로렌티스; 제임스 반고흐; 알렌 리우
Original assignee: 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 1999-10-22
Filing date: 2000-10-23
Publication date: 2008-02-01
Also published as: TW480532B; EP1094495A2; JP2001240964A; SG90183A1; KR20010051193A; US6228236B1; JP4739506B2

Abstract

본 발명은 증착 과정 동안 더 작은 직경으로 세척 과정 동안 더 넓은 직경으로 회전할 수 있는 직류 마그네트론 스퍼터링 반응기에서 이용되는 마그네트론에 관한 것으로서, 마그네트론에 의하여 증착 스퍼터링 트랙 바깥쪽으로 재증착되는 스퍼터링 물질은 세척 과정 동안 제거된다. 마그네트론이 다른 방향으로 회전될 때, 마그네트론과 냉각수의 수조 사이의 유체 역학적 힘은 마그네트론이 피벗 축을 피벗하도록 한다. 두 개의 기계적 멈춤쇠는 피벗의 한계를 고정시켜 두 개의 회전 직경을 형성한다.

Description

마그네트론 스퍼터링 장치, 회전가능한 마그네트론 및 스퍼터링 방법{MAGNETRON SPUTTERING APPARATUS, A ROTABLE MAGNETRON, AND A SPUTTERING PROCESS}

도 1은 통상의 직류 마그네트론 스퍼터링, 반-이온화 금속 플라즈마 스퍼터링(semi-ionised metal plasma sputtering), 또는 지속형 자체-스퍼터링(sustained self-sputtering)에 이용되는 직류 마그네트론 스퍼터링 반응기의 개략도.

도 2는 본 발명에 이용되는 마그네트론 자석 분포의 평면 다이어그램.

도 3은 도 2의 3-3선을 따라 취한 마그네트론의 횡단면도.

도 4는 도 3의 횡단면도에 대응하는 증착 위치에 있는 본 발명의 이중-직경 마그네트론 실시예의 평면도.

도 5는 세척 위치에 있는 도 4의 이중-직경 마그네트론의 평면도.

도 6의 6-6선을 따라 취한 도 5의 이중-직경 마그네트론의 횡단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 설명 *

50 : 마그네트론

60 : 타겟 중심 62 : 회전 축

82 : 폴 표면 84 : 폴 표면

86 : 요크 90 : 외부 단부

92 : 제 1 직경 94 : 슬롯

96 : 스윙 아암 98 : 피벗 조인트

100 : 조인트 축선 102 : 평형추

104 : 나사 108 : 제 2 직경

본 발명은 일반적으로 스퍼터링에 의한 물질의 증착에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 스퍼터링을 강화시키는 자장을 발생시키는 마그네트론에 관한 것이다.

현대의 반도체 집적 회로의 제조에 있어서 활성 반도체 소자와 함께 다단계 금속 접점을 실리콘 또는 다른 반도체 기판에 증착 및 패턴화하고 상기 반도체 소자를 외부 도전성 라인에 연결하는 공정들을 필요로 한다. 전형적으로, 실리카에 기초한 물질과 같은 유전층이 증착된다. 그후, 사진 평판화 공정이 유전체 안으로 일련의 수직 확장 콘택 또는 비아 홀(contact or via hole) 및 가능한 다른 상호연결하는 구조물들을 패턴화하는데 사용된다. 이후, 대부분의 설명이 유전층에 형성된 콘택 홀 및 다른 금속 구조물들에 동등하게 적용될 수 있지만, 단지 비아 홀만을 지칭할 것이다. 알루미늄과 같은 상호연결 금속은 구멍 안으로 유전층의 상부에 채워진다. 과거에, 수평 상호연결은 금속 에칭 공정에 의해 전형적으로 에칭되었다. 그러나, 최근에, 다마신(damascene) 공정이 발전되었다. 금속 증착에 앞서, 수평 상호연결 패턴은 트렌치의 형태로 유전체 안으로 에칭된다. 그리고나서 금속은 비아들, 트렌치들 안으로, 그리고 유전체의 상부에 증착된다. 화학적 기계적 연마는 트렌치 상부의 어떤 금속이라도 제거한다. 또한, 최근에, 낮은-유전상수(low-k) 유전체는 이산화규소 또는 규산염 유리 유전체를 대체하도록 발전되어 왔고, 금속화 공정으로써 구리로 알루미늄을 대체하는 공정도 발전되어 왔다.

물리 기상 증착(PVD)으로도 불리는 스퍼터링은 금속을 증착시키는데 선호되는 기술이다. 화학 기상 증착(CVD)과 비교하여, 스퍼터링은 상대적으로 빠르고 스퍼터링 장비와 물질은 상대적으로 비싸지 않고 장비가 더 신뢰성을 가진다. 기술들은 깊은 비아 홀 안으로 구리를 전기 도금하도록 최근에 발전되어왔다. 그러나, 규산염-기반의 유전체 위에 증착된 대부분의 다른 금속도금물과 같이 전기 도금된 구리는 부착 층, 다음 공정의 증착을 위한 시드(seed) 층, 그리고 금속과 유전체 사이의 원자 이동을 방지하는 장벽 층으로서 비아 홀의 측면 및 바닥에 먼저 증착되는 하나 이상의 얇은 층들을 필요로 한다. 이러한 장벽 및 다른 층들은 전형적으로 알루미늄 금속도금용 Ti/TiN 및 구리 금속도금용 Ta/TaN으로 구성되지만, 다른 금속들도 가능하다. 스퍼터링은 유전층 위에 증착되는 적어도 몇몇의 이러한 초기 층을 위하여 여전히 선호된다.

진보한 반도체 집적 회로 구조물은 조밀하게 메워지고 비아들은 채워지거나 코팅될 구멍의 최소폭에 대한 깊이의 비율을 말하는 종횡비가 점점 더 커지고 있으며 그 값은 4 이상이 요구되고 있다. 그러나, 통상의 스퍼터링은 깊고 좁은 비아 홀의 바닥에 도달하는 낮은 가능성을 갖는 스퍼터링된 입자들을 넓은 각도 분포로 발생시키기 때문에 이런 높은 종횡비를 가지고 홀 안으로 등각 증착하는데 부적합하다.

그럼에도 불구하고, 높은 종횡비의 비아들을 더 양호하게 충전시킬 수 있는 스퍼터링 장비 및 기술들이 발전되어 왔다. 한가지 방법으로, 이온화 금속 플라즈마(IMP) 스퍼터링으로 불리는 RF 코일은 고밀도 플라즈마(HDP)를 발생시키기 위해 추가적인 에너지를 스퍼터링 플라즈마에 연결한다. 그러나, 이러한 방법은 높은 고가 장비를 필요로 한다.

자체-이온화 플라즈마(SIP) 스퍼터링으로 종종 불리우는 또다른 방법은 IMP 스퍼터링의 많은 효과를 성취하기 위해 변형된 직류 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하는 것인데 이는 몇몇의 상황에서 더욱 양호한 박막을 증착시키는 것으로 알려졌다. SIP 스퍼터링을 위해 발전된 장비는 후술되는 바와 같이 아르곤 작업 가스가 필요하지 않은 SIP 스퍼터링을 위해 발전된 장비는 후술되는 바와 같이 아르곤 작업 가스가 필요하지 않은 구리의 자체 유지되는 스퍼터링(Sustained self-sputtering:SSS)에 이용될 수 있다.

SSS 또는 SIMP 스퍼터링에 대한 약간 변형된 통상의 PVD 반응기(10)가 도 1에 개략적인 횡단면도로 도시된다. 이에 대한 설명은 캘리포니아 산타 클라라에 소재한 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드로부터 시판되는 엔듀 PVD를 기초로한다. 반응기(10)는 웨이퍼 클램프(22)에 의해 히터 받침대 전극(20)위에 지지되는 웨이퍼(18) 상에 스퍼터 증착되도록, 보통 금속으로 구성된 PVD 타겟(16)에 세라믹 절연체(14)를 통해 밀봉된 진공 챔버(12)를 포함한다. 웨이퍼 클림프(22)에 선택적으로, 정전기 척이 받침대(20) 내부에 결합되거나 웨이퍼가 제자리에 지지됨 없이 받침대(20)에 위치될 수 있다. 타깃 물질은 알루미늄, 구리, 알루미늄, 티타늄, 탄탈륨, 일부 비율의 합금 구성 원소를 함유하는 이들 금속의 합금, 또는 직류 스퍼터링에 적합한 다른 금속일 수 있다. 챔버 내에 유지되는 차폐물(24)은 스퍼터링된 물질로부터 챔버 벽(12)을 보호하고 애노드 접지면을 제공한다. 선택 가능하고 제어 가능한 직류 전원(26)은 차폐물(24)에 대해 약 -600VDC까지 타겟을 음으로 바이어스한다. 통상적으로, 받침대(20) 및 웨이퍼(18)은 전기적으로 뜨게 되지만, SSS 및 SIP 스퍼터링의 몇몇 형태에 대해, RF 전원(28)은 교류 커플링 캐패시터(30)나 더 복잡한 매칭 분리 회로를 통해 받침대(18)에 연결되어, 받침대 전극(20)이 고밀도 플라즈마에서 발생된 스퍼터링 양이온으로 충전된 높은 종횡비 구멍 안으로 깊게 끌어 당기는 직류 자체(self)-바이어스 전압을 발전시키도록 허용한다. 받침대(20)가 전기적으로 부양된 때조차, 이는 몇몇의 직류 자체-바이어스를 발전시킨다.

제 1 가스 소스(34)는 스퍼터링 작업 가스, 전형적으로 아르곤을 질량 흐름 제어기(36)를 통해 챔버(12)에 제공한다. 예컨대, 티타늄 질화물 또는 탄탈륨 질화물의 반응적인 금속 질화물 스퍼터링에서, 질소는 질소 자체 질량 흐름 제어기(40)를 통해 또다른 가스 소스(38)로부터 제공된다. 산소는 또한 AL₂O₃와 같은 산화물을 발생시키도록 공급된다. 가스들은 도시된 바와 같이 챔버(12)내부의 바닥 근처에 있는 여러 위치들로부터 유입되며, 상기 바닥에는 차폐물(24)의 뒤쪽에 가스를 공급하는 하나 이상의 유입구 파이프를 가진다. 가스는 차폐물(24)의 바닥에 있는 개구를 통해 또는 웨이퍼 클램프(22)와 차폐물(24) 및 받침대(20) 사이에 형성된 갭(42)을 통해 퍼져 나간다. 넓은 펌핑 포트(46)을 통해 챔버(12)에 연결된 진공 시스템(44)은 낮은 압력으로 챔버(12)의 내부를 유지한다. 베이스 압력이 약 10^-7 토르 또는 훨씬 더 낮게 유지될 수 있다 하여도, 아르곤 작업 가스의 통상 압력은 전형적으로 약 1과 1000밀리 토르 사이에서 유지된다. 그러나, 반-이온 스퍼터링에 대해, 압력은 예로 아래로 0.1 밀리토르까지 약간 낮을 수 있다. SSS 스퍼터링에 대해, 일단 플라즈마가 연소되면, 아르곤의 공급은 멈춰질 수 있고, 챔버 압력은 매우 낮게 만들어질 수 있다. 컴퓨터-기반 제어기(48)는 직류 전원(26) 및 질량 흐름 제어기(36,40)를 포함하는 반응기를 제어한다.

아르곤이 챔버내에 유입되면, 타겟(16)과 차폐물(24) 사이의 직류 전압은 아르곤을 플라즈마 안에서 연소시키고 양으로 충전된 아르곤 이온은 음으로 바이어스된 타겟(16)에 끌려진다. 이온은 타겟(16)과 실재의 에너지로 부딪히고 타겟 원자 또는 원자 클러스터가 타겟(16)으로부터 스퍼터되도록 한다. 몇몇의 타겟 입자들은 웨이퍼(18)와 부딪쳐 증착되고 타겟 물질의 박막을 형성한다. 금속 질화물의 반응 스퍼터링에서, 질소는 챔버(12)에 추가적으로 유입되고 스퍼터된 금속 원자와 반응하여 웨이퍼(18)에 금속 질화물을 형성한다.

효과적인 스퍼터링을 제공하기 위하여, 마그네트론(50)은 타겟(16)의 뒤에 위치된다. 자석(52,54)의 근처의 챔버 내에 자기장을 발생시키는 자기 요크(yoke; 56)에 의해 연결된 대립된 자석(52,54)을 갖는다. 자기장은 전자를 포획하고, 전하 중성을 위해, 이온 밀도는 또한 마그네트론(50)에 인접한 챔버 내에 고밀도 플라즈마 영역(58)을 형성하도록 증가된다. 타겟(16)의 전지역에 걸친 스퍼터링을 달성하기 위해, 마그네트론(50)은 모터(64)에 의해 구동된 축(62)에 의해 타겟(16)의 중앙(60)을 중심으로 회전한다. 전형적인 회전 속력은 80 내지 95 rpm이다. 통상의 마그네트론에서, 자석(52, 54)에 대해 고정된 축선(57)은 타겟 중앙(60)과 일치하고, 마그네트론(50)은 타겟 중앙(60) 주위에 일정한 트랙을 지나간다.

1999년 8월 12에 출원된 미국 특허 출원 번호 09/373,097호에서 퓨(Fu)는 SSS 및 SIP를 위해 이용되는 마그네트론의 몇몇의 설계를 설명한다. 마그네트론은 강한 자기장을 발생시키고 작은 지역을 가진다. 회전은 그럼에도 불구하고 완전한 타겟 적용범위를 제공한다. 마그네트론은 외부 자석(54)과 관련된 상대편 극성의 연속적인 외부 폴(pole)에 둘러쌓인 내부 자석(52)에 관련된 내부 폴을 포함해야 한다. 내부 및 외부 폴들은 외부 폴에 의해 발생된 전체 자속이 내부 폴에 의해 발생된 것보다 실질적으로 더 크다는 점에서 비대칭이다. 그래서, 자기력선은 웨이퍼(16) 쪽으로 챔버 안에서 깊게 확장한다. 설명된 자석 분포는 오직 암시적으로 의도되고, 퓨에 허여된 특허는 완전한 이해를 위해 참고되어야 한다. 직류 전원(26)에 의해 타겟(16)에 공급된 전력은 200 mm 웨이퍼에 대한 약 20kW 계수로 커야 한다. 높은 전력과 작은 마그네트론 영역의 결합은 마그네트론(50) 아래에 더 구체적으로 조절된 고밀도 플라즈마 지역(58)에 RF 유도 코일에 의해 제공되는 추가적인 플라즈마 소스원의 이용없이 매우 높은 전력 밀도를 발생시킨다.

타겟에 인도된 큰 양의 파워를 상쇄시키기 위해, 타겟(16)의 후위는 후위 챔버(66)에 밀봉될 수 있다. 냉각된 물은 타겟(16)을 냉각시키기 위하여 후위 챔버(66)의 내부(68)에서 순환한다. 마그네트론(50)은 냉각수에 전형적으로 적셔지고, 타겟 회전 축(62)은 회전 밀봉(70)을 통해 후위 챔버(66) 내에까지 관통한다.

마그네트론에 의한 타겟의 완전한 적용 범위는 균일성 및 타겟 이용에 대하여 뿐만 아니라 스퍼터링되지 않은 타겟의 어떤 결과적인 부분도 남기지 않도록 요구된다. 사실상 스퍼터링은 몇몇의 스퍼터링되는 물질(예컨대, 알루미늄 또는 구리)이 타겟에 재증착되는 부분적으로 균형 맞춰진 공정이다. 회전하는 마그네트론의 트랙에 재증착되는 스퍼터링된 물질은 다음 공정에서 재스퍼터링되어, 새로운 소정의 타겟 물질을 항상 노출시키기 때문에 문제를 제공하지 않는다. 그러나, 스퍼터링된 물질이 [고밀도 플라즈마 지역(58)의 유효한 범위에 대해 조절된]마그네트론에 의해 스캔된 지역의 바깥쪽에 재증착된다면 재증착된 스퍼터링 물질은 타겟 표면의 상부에 축적된다. 재증착된 박막은 특히 온도 순환의 관점에서, 얇은 조각으로 벗겨지는 충분한 두께로 커져서 챔버 내에 입자들을 발생시킨다. 이러한 입자들은 처리되는 웨이퍼에 가라앉기 쉽다. 입자 발생은 조밀한 집적 회로의 제조에 주된 문제이다. 집적 회로 다이스 틀에 떨어지는 최소 모양 사이즈와 대략 같거나 더 큰 크기의 단일 입자는 그 집적 회로가 초기 테스트에서 실패하거나 집적 회로가 구입되고 시스템에 설치된 후에 신뢰 문제를 일으킬 수 있다. 재증착 문제는 예컨대, 티타늄 질화물 및 탄탈륨 질화물의 반응 스퍼터링에서 특히 민감하다. 스퍼터링된 티타늄 또는 탄탈륨은 질화물 형태로 재증착되기 쉽다. 질화물 물질은 더 얇은 조각으로 벗겨지기 쉽다. 이들은 마그네트론 트랙에 가깝게 인접하여 축적되고, 가장 많은 오염 지역은 트랙의 가장 바깥 가장자리 근처에서 발생한다. 질화물 층은 절연되기 때문에, 질화물 타겟 표면은 타겟 표면 상에 국부적인 전기 이상(abnormalities)을 더 초래할 수 있고, 이러한 이상은 스플랫(splat)이라 불리우는 약 밀리미터까지의 직경을 갖는 스퍼터링 되는 입자를 타겟의 대부분으로부터 배출하게 할 수 있다. 금속이 비교적 순수한 형태로 증착된다 하여도, 스퍼터링 공정에 영향을 주는 바람직하지 않은 결정체 특성을 가진다.

재증착 문제는 통상의 또는 IMP 스퍼터링보다 SIP 또는 SSS 스퍼터링을 취급하기 더 어렵다. 통상 또는 IMP 스퍼터링에서, 마그네트론 강도와 직류 전력 밀도가 낮아서 재증착되는 물질을 덜 축적한다. 그러나, 실질적으로 통상적인 직류 마그네트론 반응기에서 SIP 또는 SSS를 위해 요구되는 높은 타겟 전력 밀도를 얻기 위해, 마그네트론 강도의 크기는 더 작은 지역에 촛점 맞춰져야 한다. 결과적으로, 도 1에서 도시된 것과 같은 챔버의 형태로 실행된 SIP 또는 SSS에서, 마그네트론이 지나가는 것보다 약간 더 큰 직경의 바깥쪽 지역의 스퍼터링은 그런 낮은 비율이어서 재증착 물질은 마그네트론 트랙 바깥쪽의 타겟에 축적되기 쉽다.

따라서, 본 발명은 스퍼터링 타겟에 증착되는 스퍼터링 물질의 축적을 방지하고자 하는 것이다.

본 발명은 다른 회전 직경, 양호하게는 두 개의 직경으로 작동할 수 있는 회전 마그네트론으로서 요약된다.

본 발명의 한 이용에서, 스퍼터링 발생 장치는 더 작은 직경에 배열된 마그네트론으로 수행되고, 타겟은 더 큰 직경에 배열된 마그네트론으로 세척된다.

세척 과정 동안, 반응기의 스퍼터링 조건은 증착 과정 동안과 같게 설치되거나, 스퍼터링 조건이 바뀔 수 있다.

본 발명의 일 양태에서, 마그네트론은 회전할 때 한 방향으로 한 직경을 나타내고 반대 방향으로 회전할 때, 또다른 직경을 나타낸다.

양호하게, 어떤 제품의 웨이퍼도 세척 과정 동안 챔버로부터 제거될 수 있으나, 모형 웨이퍼가 웨이퍼 받침대를 보호하기 위하여 삽입된다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 편심 기구(80)는 마그네트론(50)이 자석(52, 54) 분포 영역 내부의 두개의 상이한 점을 중심으로 회전하도록 하기 위하여 회전 축(62)과 마그네트론(50) 사이에 삽입된다. 그리하여, 마그네트론(50)에 의해 스위핑되는 트랙의 직경은 조절 가능하다. 더 작은 직경은 생산 웨이퍼의 스퍼터링 증착 과정 동안 이용되고 스퍼터링에서 관찰되는 보통의 부식 패턴을 발생시킨다. 더 큰 직경은 보통 타겟 부식의 영역 뿐만 아니라 방사상의 부식 패턴 바깥쪽에 있는 환형의 영역에서 타겟(14)을 세척하는데 이용된다. 그리하여, 환형의 지역에 재증착되는 어떤 스퍼터링 물질은 얇은 조각으로 벗겨지게 하는 플레이킹(flaking)의 원인이 되는 두께로 축적되기 전에 스퍼터되어 사라진다.

내부 및 외부 자석(52,54)의 자석 분포의 예가 도 2의 평면도로 도시되고 도 2의 3-3선을 따라 취한 도 3의 횡단면도이다. 외부 자석(54)의 정확한 분포 때문에, 어떤 외부 자석(54)도 횡단면도의 오른편에 도시되지 않는다. 단자극성(one magnetic polarity)의 내부 자석(52)은 자기력이 투과되는 물질의 내부 폴 표면(82) 하단부에 고정된다. 유사하게, 다른 자극성의 외부 자석(54)은 자기적으로 투과되는 물질의 외부 폴 표면(84) 하단부에 고정된다. 폴 표면(82,84)은 각각의 자석(52,54)의 분포에 대응하는 형상 및 영역을 갖는다. 모든 자석의 상단부는 자기적으로 투과되는 물질의 단일 자기 요크(yoke,86)에 고정되고, 반대 자극성의 자석(52, 54)을 자기적으로 연결한다. 도 2의 평면도는 자기 요크(86) 아래에서 취해져서 요크는 도시되지 않았다.

자석(52,54)은 각각 두개의 축선 단부에 폴 표면(82,84) 및 요크(86)의 각각의 구멍(89)에 의해 고정되는 탭(88)을 가진다. 도시되지 않은 나사는 폴 표면(82,84)과 요크(86)사이에 기계적 강성을 제공한다. 자석(52,54)은 (도 3에 수직하게) 축선의 방향을 따라 자기를 띠게 된다. 단부가 폴 표면(82,84)에 고정되는 개별적인 자극성이 결정되면서, 자석들은 동일한 크기 및 구성이다. 그러나, 타겟의 스퍼터링 균일성을 증가시키거나 그렇지 않으면 변화시키기 위해 직경 또는 구성을 변화시켜 자석의 강도를 변화시키는 것이 때로는 유리하다.

도 2 및 도 3에 도시된 증착 위치에서, 마그네트론(50)의 외부 단부(90)은 제 1 직경의 제 1 동심원(92)의 궤적을 그린다. 200mm 웨이퍼에 있어서, 제 1 직경은 웨이퍼에 더 균일한 스퍼터링이 성취되도록 약 350mm일 수 있다.

마그네트론 요크(86)는 또한 기계적 지지판을 제공한다. 고정된 회전 직경의 통상적인 마그네트론에서, 요크(86)는 타겟의 중앙(60)에 정렬된 자기 축선(57)을 갖는 회전 축(62)에 고정된다. 그러나, 본 발명의 실시예에서, 3-3선을 따라 취한 도 3의 횡단면도 및 도 4의 평면도에서 도시된 대로, 모터 회전 축(62)은 요크(86)에 있는 방사상으로 확장된 구멍 또는 슬롯(94)을 자유롭지만 폐쇄적으로 통과하고 요크(86)의 바닥 밑으로 약간 연장된다. 모터 축(62)은 요크(86)에 고정되는 대신에 스윙 아암(96)에 고정된다. 스윙 아암(96)의 다른 단부는 축선 피벗 조인트(98)의 하나의 축선 단부에 고정된다. 피벗 조인트(98)의 다른 축선 단부는 자기 요크(86)에 고정된다. 축선 피벗 조인트(98)의 두 단부는 상이한 방위각 방향으로 회전하는데 자유로워서 마그네틱 요크(86)는 타겟 중앙(60)으로부터 오프셋된 피벗 조인트(98)의 축선(100)을 중심으로 스윙 아암(96)에 대해 자유롭게 피벗한다. 축선 피벗 조인트(98)는 냉각수 안에서 작동되고 낮은 마찰을 제공하여야 한다. 이런 축선 피벗 조인트의 예는 뉴욕 우티카에 소재한 루커스 에어로스페이스에서 부품 번호 5032-800으로서 상업적으로 시판되는 프리-플렉스 피벗(Free-Flex Pivot)이다.

비-자기 물질의 평형추(102)는 3 개의 나사(104)에 의해 자기 요크(86)에 고정되어 마그네트론(50) 및 평형추(102)가 타겟 중앙에 대해 모터 축(62)에 의해 연속적으로 회전할 때 축 토크의 균형을 맞춘다.

증착 과정 동안, 모터(64) 및 부착된 모터 축(62)은 위에 도시된 대로 냉각수의 수조(bath of cooling water)(68)에서 시계 방향으로 마그네트론(50) 및 평형추(102)를 회전시킨다. 마그네트론(50) 및 평형추(102)에 의해 제공되는 큰 축선 이탈(off-axis) 영역 때문에, 냉각수 수조(68)는 피벗 중심 주위에 상당한 반 시계 방향의 힘을 발생시킨다. 유체역학력은 요크(86) 및 부착된 마그네트론(50) 및 평형추(102)가 요크(86)의 확장 슬롯(94)의 반시계 방향(도시된 대로) 가장자리가 모터 축(62)과 접할 때까지 시계 방향으로 회전하도록 한다. 요크(86)는 일단 형성된 맞물림이 마찰이 없도록 모터 축(62)과 함께 회전한다. 슬롯(94)의 하나의 가장자리와 축(62)은 마그네트론(50)이 제 1 직경(92)에 의해 외부에 한정된 궤적으로 회전하도록 유지하는 멈춤쇠로서 작용한다. 선택적으로, 블록은 스윙 아암(96)의 운동을 제한하고 마그네트론(50)이 축선(100)을 중심으로 피벗할 수 있는 범위를 결정하기 위해 요크(86)에 장착될 수 있다. 마그네트론(50)이 냉각수의 수조(68)에서 오랜 기간 동안 회전한 후에, 유체는 마그네트론(50)과 함께 빙빙 돌기 시작하여 멈춤쇠 위치에서 마그네트론(50)을 유지하는 유체역학력을 감소시킨다. 그러나, 그 위치에서 소정의 유체역학력이 마그네트론(50)을 지속적으로 원활하게 유지시키는 상당한 벽 마찰력이 있다. 내부 멈춤쇠 위치로의 이동은 모터가 축(62)을 회전시키기 시작할 때 발생하는 가속력에 의해 촉진된다. 고정판(86)의 관성(inertia)은 판(86)이 도시된 위치에 조인트 축선(100)에 대해 회전하도록 하는 가속도를 억제한다. 유체역학력이 멈춤쇠 위치가 도달되었는지를 결정하는 힘을 제공하도록 선호된다 하여도, 같은 결과를 성취하기 위해 원심력에 의존하는 것이 가능하다.

전술한 대로, 마그네트론 스퍼터링은 스퍼터링된 물질이 재증착되고 순수한 금속이 스퍼터링 과정 동안 증착되도록 하는 내부 원형 영역의 바로 바깥쪽 환형의 영역에 있는 타겟 표면에 축적되게 한다. 재증착되는 물질의 환형 영역은 마그네트론(50)이 증착 과정 동안에는 지나가지만 스퍼터링 조건에 따라 그것의 안쪽 또는 바깥쪽일 수 있는 제 1 직경(92)과 일반적으로 관련되어 있다. 본 발명의 실시에 따라, 세척 사이클을 주기적으로 수행하면서 재증착되는 물질의 대부분이 제거된다. 세척 공정이 불특정한 조성물 및 결정체의 재증착 물질을 스퍼터링하고 더 큰 입자들을 용이하게 배출하기 때문에, 스퍼터링된 재증착 물질들이 제조 중인 웨이퍼에 증착되지 않아야 한다. 즉, 세척은 챔버에서 어떤 제조 중인 웨이퍼 없이 수행되어야 한다. 그러나, 받침대(20)는 받침대(20)의 웨이퍼 지지 영역에 원하지 않는 물질의 축적을 초래하는 세척 공정동안 해롭게 스퍼터 코팅될 수 있다. 그래서, 모형 웨이퍼가 세척 공정 동안 받침대(20)에 위치되는 것이 추천된다.

세척 공정 동안, 제어기(48)는 모터(64)가 반대 방향으로 회전하도록 한다. 도 5의 평면도 및 도 5의 6-6선을 따라 취한 도 6의 횡단면도에 도시된 대로, 마그네트론(50) 및 평행추(102)는 반시계 방향으로 회전된다. 냉각수의 수조(68)는 이때 마그네트론(50)에 시계 방향 힘을 발생시키고, 요크(86)의 내부에 있는 슬롯(94)의 반시계 방향(오른쪽) 측면이 모터 축(62)을 만날 때까지 마그네트론은 요크(86) 및 부착된 마그네트론(50)이 피벗 중앙(100)에 대해 시계 방향으로 회전하도록 한다. 이러한 힘에 추가되어, 도 4의 시계 방향 회전으로의 감속 및 도 5의 반시계 방향으로의 가속은 피벗 중앙(100)에 대해 판(86)의 회전을 더 촉진시킨다. 슬롯(94)의 제 2 측면 및 모터 축(62)은 마그네트론 외부 가장자리(88)가 제 2 직경을 갖는 제 2 원형을 따르도록 방사상의 위치에서 마그네트론(50)을 유지하는 제 2 멈춤쇠로서 작용한다. 제 2 직경은 약 370mm일 수 있다. 전술한 대로, 요크(86)에 장착된 블록은 선택적으로 멈춤쇠로서 작용한다.

마그네트론이 확장된 외부 직경으로 회전하면서, 직류 마그네트론 스퍼터링 반응기는 타겟을 스퍼터링하도록 작동한다. 반지름의 여분 10mm는 정상적인 증착 사이클 동안 두껍게 증착되기 쉬운 영역에서 스퍼터링되고 세척된다. 여분의 10mm에 대응하는 환형의 영역은 새로운 타겟과 마그네트론 트랙 사이의 관계에 따라 두 직경(92,108)사이의 환형의 안쪽 또는 바깥쪽일 수 있다. 세척 공정 동안 소정의 스퍼터링된 물질이 훨씬 더 바깥쪽에 증착되는 반면, 세척은 생산 증착보다 훨씬 덜 빈번하게 수행되고 챔버에 제공되는 생산 웨이퍼 없이 수행된다. 결과적으로, 외부 재증착은 타겟의 유한한 수명 동안 특별한 문제를 발생시키지 않을 것처럼 보인다.

세척 과정 동안 스퍼터링 조건은 생산 증착 과정 동안과 같을 수 있고 또는 균일하고, 높은 질의 박막을 증착시키는 것보다 오히려 세척하는 필요를 반영하기 위해 변화될 수 있다. 더 높은 전력은 질화물 층을 헤치고 나가도록 이용될 수 있다. 예컨대, TiN 또는 TaN의 반응 스퍼터링을 위해 이용되는 챔버에서 세척 과정 동안 질화물을 공급할 필요없다. 오직 아르곤 작업 가스가 공급될 수 있다. 세척은 재증착된 물질을 제거하고 새로운 타겟 물질을 노출시키기 충분한 시간동안 계속되어야 한다.

간단하게 전술된 역회전 기구가 스퍼터링 직경의 원하는 변화를 달성한다 하여도, 다른 형태의 편심의 기구(80)는 아주 동일한 효과를 달성하기 위하여 도 1의 반응기에 이용될 수 있다. 이러한 기구들은 회전 축(62) 내에 쉽게 수용된 제어 라인을 가지고 회전 축(62)과 마그네트론(50)에 삽입된 기계적, 전기적, 및 유체적 또는 공기 액츄에이터를 포함한다. 선택적으로, 외부 멈춤쇠 위치는 전술된 역회전 기구 내에서 능동적으로 제어될 수 있다. 이러한 능동적으로 제어된 기구들은 마그네트론 스위핑이 두 개의 직경 이상에 제어되도록 허용하는 더 많은 잇점을 갖는다. 전술된 실시예의 회전으로 유도되는 편심의 잇점은 모터(64)에 역회전 명령을 내리는 제어기(48)를 넘어서 더이상의 제어를 필요로하지 않는다는 것이다.

전술된 이중-직경 마그네트론이 오직 전기 용량성의 커플링에 의존하는 직류 마그네트론 스퍼터링 반응기에서 이용된다 하여도, 본 발명의 마그네트론은 그렇게 제한되지 않는다. 다양한 직경의 회전 가능한 마그네트론은 RF 스퍼터링에서 그리고 유도성 연결 고밀도 플라즈마 스퍼터링 반응기와 같이, 보조의 플라즈마 소스에 의존하는 스퍼터링 반응기에서 유리하게 이용할 수 있다.

상기한 본 발명에 의해, 스퍼터링 타겟에 증착되는 스퍼터링 물질의 축적을 방지할 수 있으며, 이로써 구조 및 작동의 변화를 최소화시키면서 미립자의 생성을 현저하게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

마그네트론 스퍼터링 장치로서,

스퍼터 코팅되도록 기판을 유지할 수 있는 지지대에 대향하는 타겟을 포함하도록 구성된 플라즈마 스퍼터링 챔버;

상기 타겟의 중앙을 중심으로 회전 가능한 축에 연결된 모터;

상기 지지대에 대향하는 상기 타겟의 측부 상에 위치된 대향하는 자기 폴을 포함하는 마그네트론; 및

상기 타겟의 중앙을 중심으로 회전하는 상기 마그네트론의 회전 직경을 변화시키도록 상기 축에 상기 마그네트론을 연결하는 편심 기구

를 포함하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
제 1항에 있어서,

상기 편심 기구는 상기 회전 직경이 상기 축의 역회전 사이의 제 1 및 제 2 값 사이에서 변화되게 하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
제 2항에 있어서,

상기 편심 기구는,

상기 축의 제 1 단부에 고정되고 상기 축의 축선으로부터 오프셋된 방향으로 연장하는 아암, 및

상기 아암의 제 2 단부에 고정된 제 1 피벗 부분 및 상기 마그네트론에 고정된 제 2 피벗 부분을 갖춘 조인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
제 2항에 있어서,

상기 마그네트론이 내부에서 회전하는 냉각수의 수조를 더 포함하고,

상기 마그네트론과 상기 냉각수의 수조 사이의 유체역학력이 상기 회전 직경을 상기 제 1 및 제 2 값들 사이에서 변하게 하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
제 3항에 있어서,

제 1 및 제 2 피벗 방향으로 상기 조인트를 중심으로 상기 마그네트론의 피벗 양을 제한하는 두개의 멈춤쇠를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
제 1항에 있어서,

상기 편심 기구는 능동적으로 제어되는 엑츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
마그네트론 스퍼터 반응기용 회전 가능한 마그네트론으로서,

하나의 평면에서 연장하는 지지판에 모두 고정되고 상기 지지판의 평면에 수직으로 연장하는 제 1 축을 갖는, 반대 극성의 제 1 및 제 2 폴;

제 2 축선 - 상기 제 2 축선은 상기 제 1 축선과 오프셋됨 - 으로 연장하는 회전 축; 및

상기 지지판과 상기 회전 축을 연결하고 상기 제 1 및 제 2 축선 사이에서 변화 가능한 오프셋을 제공하는 편심 기구

를 포함하며, 상기 마그네트론이 상기 변화가능한 오프셋에 대응하여 가변 직경으로 회전가능한 마그네트론.
제 7항에 있어서,

상기 편심 기구는 상기 제 2 축선으로부터 오프셋된 제 3 축선을 중심으로 연장하는 피벗을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 가능한 마그네트론.
제 8항에 있어서,

상기 편심 기구는 상기 제 3 축선을 중심으로 상기 지지판의 제 1 및 제 2 방향으로의 회전을 제한하는 두개의 멈춤쇠를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 가능한 마그네트론.
제 8항에 있어서,

상기 마그네트론의 제 1 방향으로의 회전은 상기 제 1 방향과 반대 방향으로 상기 마그네트론 상에 힘을 가하고, 선택된 회전 방향은 상기 변화가능한 오프셋을 두개의 오프셋 중 선택된 하나의 오프셋으로 제어하는 것을 특징으로 하는 회전 가능한 마그네트론.
스퍼터링 방법으로서,

(a) 플라즈마 스퍼터링 챔버의 측부를 형성하는 스퍼터링 타겟의 후방 측부에서 상기 스퍼터링 타겟의 중앙을 중심으로 마그네트론을 회전시키는 단계;

(b) 상기 타겟을 플라즈마 스퍼터링하는 단계;

(c) 상기 단계 (a) 및 (b)를 포함하고 상기 중앙에 대해 제 1 직경을 갖는 트랙 주위로 상기 마그네트론을 회전시키는 증착 단계; 및

(d) 단계 (a) 및 (b)를 포함하고 상기 마그네트론이 회전 중심에 대해 상기 제 1 직경보다 더 큰 제 2 직경을 갖는 트랙을 따라 회전하게 하는 세척 단계

를 포함하는 스퍼터링 방법.
제 11항에 있어서,

상기 단계 (c)에서 상기 마그네트론은 상기 회전 중심 둘레로 제 1 방향으로 회전하고 상기 단계 (d)에서 상기 마그네트론은 상기 회전 중심 둘레로 상기 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 방법.
제 11항에 있어서,

제품 웨이퍼는 상기 플라즈마 스퍼터링에 의해 코팅되도록 상기 단계 (c) 동안 상기 챔버 내에 위치하고, 모형 웨이퍼가 상기 단계 (d) 동안 상기 챔버 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 방법.