KR100841915B1 - 알루미늄 또는 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟 내의알루미늄 산화물 함유물에 대한 임계 크기 결정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스퍼터링 동안에 아킹을 방지하기 위해 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟(42) 내의 Al₂O₃ 함유물(38)의 직경에 대한 임계 크기를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 아르곤 플라즈마를 갖는 스퍼터링 장치를 제공하는 단계를 포함한다. 플라즈마는, 선택된 스퍼터링 환경하에서 Al₂O₃ 함유물이 없는 스퍼터링 표면을 갖는 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟을 스퍼터링하는 동안 알려진 두께의 플라즈마 쉬쓰를 가진다. 선택된 스퍼터링 환경에 대해 쉬쓰의 두께가 알려지면, Al₂O₃ 함유물(38)에 대한 임계 크기는 쉬쓰의 두께에 기초하여 결정될 수 있다. 보다 구체적으로, Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟(42) 내의 Al₂O₃ 함유물(38)의 직경은, 아킹을 방지하기 위해 상기 선택된 스퍼터링 환경하에서 스퍼터링하는 동안 플라즈마 쉬쓰의 두께보다 작아야만 한다.

스퍼터링, 플라즈마 쉬쓰, 아킹

Description

알루미늄 또는 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟 내의 알루미늄 산화물 함유물에 대한 임계 크기 결정 방법{A METHOD FOR DETERMINING A CRITICAL SIZE FOR AN ALUMINUM OXIDE INCLUSION IN AN ALUMINUM OR AN ALUMINUM ALLOY SPUTTER TARGET}

본 발명은 대체로 알루미늄 산화물(Al₂O₃) 함유물을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 타겟에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 스퍼터링 동안에 바이폴라 아킹(bipolar arcing)을 방지하기 위해 알루미늄 또는 알루미늄 합금 타겟 내의 Al₂O₃ 함유물의 임계 크기를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.

알루미늄 또는 알루미늄 합금 타겟 내의 Al₂O₃ 함유물의 존재는, 타겟이 스퍼터링 장치에서 스퍼터링될 때 아킹을 초래한다. 스퍼터링 동안에, 스퍼터링 장치에는 타겟과 애노드 사이에서 전계가 형성된다. 이 전계는 스퍼터링 장치 내의 아르곤과 같은 가스를 이온화한다. 전형적으로, 플라즈마 쉬쓰(plasma sheath), 또는 암 공간(dark space)은 플라즈마의 포지티브 컬럼을 스퍼터링 타겟으로부터 분리한다. 이 쉬쓰는 소정의 두께를 가진다. 타겟 표면상에 Al₂O₃의 도입은 전계를 왜곡시켜 포지티브 컬럼과 플라즈마 쉬쓰의 형상을 변경한다.

시간이 지남에 따라, Al₂O₃ 함유물 부근에는 전하들이 증강될 수 있다. 전하 불평형이 충분히 강해지면, 고전류 밀도 음극 아크가 형성된다. 고전류 밀도 음극 아크는 타겟 표면의 작은 구획을 가열하여, 종종 그 구획 내의 타겟 물질을 녹인다. 아크 압력은, 액체 금속 액적들이 고속의 타겟 표면 스퍼터링으로부터 방출되어 실리콘 칩과 같은 목적된 기판을 타격하도록 한다. 액적들, 또는 매크로 입자들은 기판 상에서 응고하여 그 표면상에 큰 결함을 생성한다. 이들 매크로 입자들은 직경이 1 ㎛ 이하로부터 50 ㎛ 이상에 이르기까지 그 크기가 다양하며, 예를 들어, 집적 회로 제조시에 장치 수율을 상당히 감소시킬 수 있다.

유전체 함유물과 표면 층들은 진공 스파크 갭뿐만 아니라 플라즈마 방전에서 아킹을 유발하는 것으로 오랫동안 알려져 있다. 보다 최근에, 스퍼터링 플라즈마에서의 아킹에 관한 연구는 알루미늄 스퍼터링 타겟으로부터의 함유물 및 표면 산화물 유도된 용융된 금속 방출을 유발하여 기판 상에 입자 결함을 생성함을 보여준다. 고농도 도핑된 알루미늄-알루미늄 산화물 스퍼터링 타겟으로부터의 아킹에 대한 고속 비디오 분석은, 방출된 금속 매크로 입자들이 500 m/sec 이상의 속도를 가지며 3000K의 온도를 갖는 것으로 보여준다.

0.1 mA/㎠의 방전 전류; 2.7 내지 13 Pa의 수소 압력; 및 100 내지 500 볼트의 음극 바이어스에서, 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛ 사이의 유전체 함유물은 수소 플라즈마 내에 아크를 유발한다고 보고되었다. 또한, 캐소드 표면상의 Al₂O₃ 함유물에서, 10¹⁴ 이온/㎤ 아르곤, 수소 및 질소 플라즈마로 스퍼터링되는 알루미늄 타겟으로부터 아킹이 보고되었다. 결국, 수소 토카막(tokomak) 플라즈마 내의 함유물로부터의 아크 개시를 위한 임계 크기에 대한 증거가 보고되었으나 임계 함유물 크기가 측정되지는 않았다.

함유물 크기를 측정하면서 상기 결과들을 재현하기 위한 시도들이 이루어졌다. 그 결과, 아크는 표면 오염의 결과이지 함유물의 크기는 아니라고 판정되었다. 명백하게, 초기에 보고되었던 아크 개시를 위한 함유물의 작은 값의 임계 크기는 표면 오염 효과에 기인한 것으로 보였다. 이와 같이, 아크 개시에 미치는 함유물 크기의 영향을 검사할 때 오염물 없는 스퍼터링 타겟을 제공하는 것이 중요하다.

결과적으로, Al₂O₃ 함유물을 갖는 Al 또는 Al 합금 타겟 내의 바이폴라 아킹을 방지하기 위한 방법이 필요하다. 이와 같은 방법들은 장치 수율을 향상시키고 스크랩을 감소시키도록 계산되어, 집적 회로 제조와 같은 분야에서 제조 비용을 감소시키게 된다.

본 발명은 스퍼터링 동안에 아킹을 방지하기 위해 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟 내의 Al₂O₃ 함유물에 대한 임계 크기를 결정하기 위한 방법을 제공한다.

이 방법은 아르곤과 같은 플라즈마 컬럼을 갖는 스퍼터링 장치의 제공을 포함한다. 플라즈마는, Al₂O₃ 함유물이 없는 표면을 갖는 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟의 선택된 스퍼터링 환경하에서의 스퍼터링 동안에 알려진 두께의 플라즈마 쉬 쓰를 갖는다. 만일 쉬쓰의 두께가 알려지지 않으면, 선택된 스퍼터링 환경 하에서의 스퍼터링을 위한 Al₂O₃ 함유물이 없는 스퍼터링 표면을 갖는 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟을 제공하여 측정하는 것이 바람직하다. 쉬쓰 두께는, Child-Langmuir 법칙을 이용하여, 스퍼터링 전압, 이온량, 이온 전류 밀도를 포함한 선택된 스퍼터링 환경에 대한 알려진 조건들로 팩터링(factoring)함으로써 계산될 수 있다.

선택된 스퍼터링 환경에 대하여 쉬쓰의 두께가 알려지거나 측정되면, Al₂O₃ 함유물에 대한 임계 크기는 쉬쓰의 두께에 기초하여 결정될 수 있다. 보다 구체적으로, Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟 내의 Al₂O₃ 함유물의 직경이나 유효 직경은 아킹을 방지하기 위해 선택된 스퍼터링 환경하에서 스퍼터링 동안에 플라즈마 쉬쓰의 두께보다 작아야 한다. 일단 Al₂O₃ 함유물에 대한 임계 크기가 결정되면, 플라즈마 쉬쓰의 두께보다 작은 알려진 직경의 Al₂O₃ 함유물을 갖는 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟이, 상기 선택된 스퍼터링 환경하에서 스퍼터링 장치에서의 스퍼터링을 위해 제공되어, Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟의 바이폴라 아킹이 방지될 수 있다. 스퍼터링 타겟의 스퍼터링은 스퍼터링 표면에서 수행되기 때문에, Al₂O₃ 함유물의 직경 측정은 스퍼터링 표면과 실질적으로 평행한 평면에서 이루어지는 것이 바람직하다.

Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟 내의 Al₂O₃ 함유물의 임계 크기를 결정할 수 있게 되면, 예를 들어, 집적 회로 제조시 장치 수율 증가를 허용하고, 스크랩된 제 품이 줄게되어, 결과적으로 비용절감으로 이어진다.

따라서, 본 발명의 목적은 스퍼터링 장치에서 플라즈마하에서 스퍼터링되는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟 내의 Al₂O₃ 함유물에 대한 임계 크기를 결정하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 Al₂O₃ 함유물을 갖는 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟의 스퍼터링 동안에 아킹을 방지하는 것이다.

본 발명의 역시 또 다른 목적은 함유물이나 표면 산화물 크기가 스퍼터링 플라즈마의 아크 성향에 어떻게 영향을 미치는지를 이해하고, 함유물 크기, 스퍼터링 전력, 아킹 성향 및 용융된 매크로 입자 방출간의 관계를 파악하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 이점들은 이하의 상세한 설명, 첨부 도면 및 특허청구범위로부터 명백해질 것이다.

도 1은 지지 플레이트 및 타겟을 갖는 종래의 스퍼터링 타겟 어셈블리의 투시도.

도 2는 알루미늄 산화물 함유물이 제공된 스퍼트 트랙을 갖는 알루미늄 타겟의 개략적 투시도.

도 3은 알루미늄 산화물 함유물이 제공된 알루미늄 스퍼터링 타겟의 부분 상 투시도.

도 4는 스퍼터링 타겟의 스퍼터링 후의 도 3의 도면.

도 5는 실리콘 웨이퍼 상의 알루미늄 마이크로입자의 부분 상부 투시도.

도 6은 스퍼터링 전력 밀도와 함유물 크기에 따른 실리콘 웨이퍼 상에서 발견되는 전체 입자 밀도를 나타내는 그래프.

도 7은 타겟 스퍼터 트랙 내의 2940 ㎛ 함유물과 더불어, 각각 8, 16, 24, 및 32 W/㎠의 전력 밀도에서의 스퍼터링 이후 실리콘 웨이퍼 상에서 발견되는 입자 크기 분포를 나타내는 그래프.

도 8은 8, 16, 24, 및 32 W/㎠의 스퍼터링 전력 밀도에 대한 임베딩된 함유물 크기와 더불어 스퍼터링한 이후 웨이퍼상의 전체 입자 결함 밀도에서의 변동을 나타내는 그래프.

도 9는 8, 16, 24, 및 32 W/㎠ 스퍼터링 전력 밀도에서 임베딩된 Al₂O₃ 함유물 크기의 함수로서의 아크 레이트를 나타내는 그래프.

도 10은 입자 밀도 및 아크 레이트 측정을 위해 스퍼터링 전력 밀도에 관한 함유물 임계 크기에서의 변동을 나타내는 그래프.

도 11은 아크 레이트와 웨이퍼 상에서 발견되는 전체 입자 결함 밀도간의 상관관계를 나타내는 그래프.

도 12는 스퍼터링 타겟상에 위치한 Al₂O₃ 함유물에 의해 유발되는 함유물 전하축적에 의한 스퍼터링 장치 내의 플라즈마 왜곡의 개략도.

스퍼터링 장치 내의 플라즈마에서 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟의 스퍼터링 동안에 아킹 및 용융된 매크로 입자 방출을 개시하기 위해서는 Al₂O₃ 함유물의 임계 크기가 존재한다는 것을 예기치 않게 발견하였다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스퍼터링 타겟 어셈블리(10)는 양호하게는 지지 플레이트(12) 및 이와 접합된 타겟(14)을 포함하며, 여기서 타겟(14)과 지지 플레이트(14) 양자 모두 Al 또는 Al 합금으로 만들어진다. 타겟(14)은 (도시되지 않은) 스퍼터링 장치 내에서의 스퍼터링을 위한 스퍼터링 표면(16)을 포함하며, 양호하게는 높은 등급의 Al 또는 Al 합금을 포함한다. 타겟(14) 및 지지 플레이트(12)에서 이용하기 위한 양호한 Al 합금은 Al-Cu를 포함한다. (도시되지 않은) 중간층이 타겟과 지지 플레이트 사이에 제공될 수도 있다.

양호하게는 아르곤 플라즈마와 같은 플라즈마에서 타겟을 스퍼터링하는데 이용되는 종래의 가용 스퍼터링 장치가 이용될 수 있다. 이들 종래 장치의 플라즈마는선택된 스퍼터링 환경하에서 알려진, 또는 측정가능한 두께를 갖는 플라즈마 쉬쓰를 형성한다. 쉬쓰의 두께가 알려지지 않으면, 스퍼터링 장치에서 선택된 스퍼터링 환경하의 스퍼터링을 위해 Al₂O₃ 함유물이 없는 스퍼터링 표면을 갖는 오염물 없는 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟을 제공함으로써 측정된다. 쉬쓰 두계는, 양호하게는 Child-Langmuir 법칙을 이용하여, 스퍼터링 전압, 이온량, 및 이온 전류 밀도를 포함한 선택된 스퍼터링 환경에 대한 알려진 조건에서 팩터링함으로써 측정된다. 보다 구체적으로는, MKS 단위의 쉬쓰 두께

이며, 여기서 V는 스퍼터링 전압을 나타내고, M_i는 이온량, J_i는 이온 전류 밀도를 나타낸다.

선택된 스퍼터링 환경에 대하여 쉬쓰의 두께가 알려지거나 측정되면, Al₂O₃ 함유물의 임계 크기는 쉬쓰의 두께에 기초하여 결정될 수 있다. 보다 구체적으로, Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟 내의 Al₂O₃ 함유물의 직경 또는 유효 직경은 아킹을 방지하기 위해 선택된 스퍼터링 환경하에서의 스퍼터링 동안에 플라즈마 쉬쓰의 두께보다 작아야만 한다. 일부 함유물들은 직경 측정이 용이하도록 실질적으로 원형이지만, 불규칙하거나 비원형의 형상을 갖는 Al₂O₃ 함유물에 대해서도 최소 유효 직경이 구현될 수 있다는 것을 알아야 한다. 따라서, 직경이라는 말은 최소 유효 직경(minimum effective diameter)이라는 말과 상호교환적으로 이용된다. 플라즈마 쉬쓰의 측정된 두께와 비교되는 것은 바로 측정된 직경이다. 추가적으로, 스퍼터링 타겟의 스퍼터링은 스퍼터링 표면에서 수행되기 때문에, Al₂O₃의 함유물의 직경 측정은 스퍼터링 표면과 실질적으로 평행한 평면을 따라 취해진다.

Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟의 스퍼터링 표면상에 위치한 Al₂O₃ 함유물들은 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy) 또는 임의의 다른 측정 장치나 수단을 통해 비교적 간단하게 측정될 수 있다. 대조적으로, 표면이 아닌, 스퍼터 타켓 내부에 제공된 함유물은 미국특허 제5,406,850호에 공개된 초음파 스캐닝 방법등으로 측정되어야 한다. 적절한 또 다른 측정 방법으로는, 2000년 11월 9일 출원된 발명의 명칭이 "Method and Apparatus for Quantiative Sputter Target Cleanliness and Characterization"인 미국특허출원 제09/700,268호, 200년 4월 14일 가출원된 발명의 명칭이 "Macroparticle Free Metallic Sputtering Targets"인 미국특허출원 제60/197,790호, 2001년 8월 9일 가출원된 발명의 명칭이 "Method and Apparatus for Non-Destructive Target Cleanliness and Characterization by Types of Flaws Sorted by Size and Location"인 미국특허출원 제60/311,152호, 및 2001년 5월 4일 출원된 발명의 명칭이 "Cleanliness Evaluation in Sputter Targets using Phase"인 국제특허출원번호 PCT/US01/14403가 있다.

Al₂O₃ 함유물이 쉬쓰 두께보다 작은 직경을 가질 때, 함유물이 스퍼터링 플라즈마에 노출될 때에도 아킹 반응은 방지된다. 함유물이 플라즈마 쉬쓰와 실질적으로 같거나 더 큰 직경을 가진다면, 바이폴라 아킹이 발생하여, 스퍼터링 플라즈마와 하전된 유전체 함유물의 상호작용으로부터 용융된 금속 매크로 입자들의 방출과 함께 스퍼터링 동안에 상당한 아킹 활동을 유발할 것이다. 이와 같이, Al 또는 Al 합금 타겟 내의 Al₂O₃ 함유물은 직경이 너무 크다면, 이 타겟은 거부된다.

일단 Al₂O₃ 함유물에 대한 임계 크기가 결정되면, 선택된 스퍼터링 환경하에서 스퍼터링 장치에서 스퍼터링하기 위해 플라즈마 쉬쓰의 측정된 두께보다 더 큰 직경을 갖는 Al₂O₃ 함유물을 전혀 갖지 않는 오염물 없는 Al 또는 Al 합금 스퍼트 타겟이 제공될 수 있다. 결국, 스퍼터링 타겟이 선택된 스퍼터링 환경하에서 스퍼터링 장치에서 스퍼터링될 수 있어, 아킹이 방지된다.

예

이하의 예들은 설명하기 위함이다.

I. 실험 절차

Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟 내의 Al₂O₃ 함유물의 크기가 스퍼터링 동안에 스퍼터링 장치 내의 플라즈마가 아킹하는 경향에 어떻게 영향을 미치는지를 이해하기 위해, 직경 7.6 cm의 일루미늄 스퍼터링 타겟을 이용하여 저온펌프 진공 챔버내에서 이하의 스퍼터링 실험이 행하여졌다. 이 연구에서의 플라즈마 쉬쓰의 두께가 제어되어 이하에서 논의되는 선택된 스퍼터링 환경하에서 알루미늄 타겟의 스퍼터링 동안에 300 내지 600 ㎛ 사이가 되도록 결정되었다.

우선, 스퍼터링 타겟 면에 작은 구멍들이 드릴링되었으며, 핀셋(tweezers)을 이용하여 작은 (0.01 내지 3 mm) Al₂O₃ 함유물들이 이 구멍들 내에 놓여졌다. 본 실험 목적을 위해, 종횡비가 약 1인 Al₂O₃만이 테스팅되었다.

알루미늄의 연성과 Al₂O₃ 함유물의 경성은 함유물들이 알루미늄 타겟의 스퍼터링 표면에서 기계적 고정되는 것을 허용하였다. 함유물 입자들은, 마그네트론 침식 중심부 또는 스퍼터링이 비교적 자주 발생하는 타겟의 스퍼터 트랙상에 놓였다.

도 2는, 알루미늄 타겟 플레이트(18)이 스퍼터링 표면(21)에서 임베딩된 Al₂O₃ 함유물(20)을 갖는 실험 배치의 개략도를 도시하고 있다. 각각의 알루미늄 타겟 플레이트(18)는 (도시되지 않은) 스퍼터링 장치에 배치되어, 전력 범위가 8 W/㎠ 내지 60 W/㎠이고 아르곤 압력이 0.5 Pa인 스퍼터링 환경하에서 스퍼터링되었다. 이렇게 발생된 아르곤 플라즈마는 자기적으로 유지되어 타겟은 DC 마그네톤-스퍼터링 모드에서 동작한다. 이 연구에서 이용된 10 kW 스위칭 스퍼터링 전원은 Advanced Energy 모델 2012-061-m MDX-10K이었다. 타겟/기판 간격은 143 mm이었다. 스퍼터링 전력 밀도는 스퍼터링 전력을, 각각 12.7 ㎠인 스퍼터링 트랙(23)의 영역으로 나눔으로써 계산되었다.

이하의 표 1은 이 연구에서 이용된 스퍼터링 조건으로서 스퍼터링 전압, 전류, 이온 전류 밀도, 및 쉬쓰 두께를 제공한다.

전력 밀도 (W/㎠)	V (Volts)	I (Amps)	Ji (A/㎡)	s (mm)
8	405	0.26	194	0.60
16	459	0.46	344	0.49
24	486	0.64	479	0.44
32	496	0.82	613	0.39
40	505	1.00	748	0.36
48	518	1.16	868	0.34
56	503	1.40	1047	0.30

이온 전류 밀도는 2차 전자 계수 0.045를 가정하여 계산되었다. 스퍼트 트랙에서의 쉬쓰 두께는 Childs-Langmuir 법칙을 이용하여 계산되었다. 표 1로부터, 이 연구에서 이용된 실험 조건을 위한 쉬쓰 두께는 저전력 조건에서의 600 ㎛로부터 고전력 조건에서의 300 ㎛로 감소한다. 24 W/㎠ 스퍼터링 전력에 대한 쉬쓰 두께는 440 ㎛ 였다.

도 3 및 4는, 각각 스퍼터링 전과 후에 대해, 알루미늄 타겟 플레이트(26)의 스퍼터링 표면에 임베딩된 확대된 ~ 3mm 크기의 Al₂O₃ 함유물(22)을 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 함유물(22)은, 스퍼터링 이후 크기와 형상에서 극히 적은 변동을 가지며 스퍼터링 표면(34)에 잘 부착되어 있다. 스퍼터링 공정은 스퍼터링 표면(24)을 침식하여 도 4에 암시된 바와 같이 스퍼터링 이후에 어느 정도의 그레인 경계 구조(28)를 볼수 있다.

이들 실험들에 있어서 150 mm 직경의 광택 실리콘 웨이퍼가 이용되었다. Tencor 6420 표면 분석기를 이용하여 피착된 막에 대한 입자 결함이 분석되었다. 각각의 웨이퍼는 1분동안 스퍼터 코팅 이후에 분석되었다. 피착된 막의 입자 결함은 0.5 내지 12 ㎛범위의 크기별로 그룹화되었다. 임베딩된 함유물없이 웨이퍼 상에 알루미늄 막을 피착하여 백그라운드 입자 밀도가 측정되었다. 백그라운드 전체 입자 밀도는 8.5 ㎝^-2이었다.

아크 레이트는, 전원으로부터 스퍼터링 캐소드로 이어지는 주전력 상의 검출된 전류 펄스를 모니터링함으로써 측정되었다. 캐소드 전원선 주위에 유도적으로 배치된 코일은 아크가 발생할 때의 전류 펄스를 검출하였다. 감지 코일 내에 유도된 전압 펄스는 오실로스코우프와 펄스 카운터 상에 기록되었다. 아크 레이트는 피착막에 의해 분할된 전체 아크 개수이다.

II. 결과

스퍼터링 타겟의 아킹 동안의 용융된 매크로 입자 방출은 그들의 용융된 근원으로부터 발생하는 특정한 형태를 갖는 결함을 생성한다. 도 5는 알루미늄 스퍼터 피착동안에 실리콘 웨이퍼(32) 상에 포착된 매크로 입자들(30)을 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이 비교적 큰 부피의 매크로 입자(34)와 납작한 형상들이 매크로 입자들 내에서 관측된다. 아크 초기 단계 동안에 방출되거나 표면 오염의 결과로서 방출된 매크로 입자들(30)은 더 작으면서 형태가 구형인 경향이 있다. 응고된 이후의 매크로 입자들(30)의 형상은, 액체의 표면 장력 및 웨이퍼(32) 상에서 동결되기 이전의 매크로 입자 액적의 직경에 의존한다.

타겟 침식 트랙의 표면에 임베딩된 함유물들의 크기를 다양하게 하여, 다양한 스퍼터링 전력별로, 1분 동안 스퍼터링한 이후의 웨이퍼 상에서 발견된 전체 매크로 입자 밀도에 대한 측정이 이하의 표2에 제공되어 있으며 도 6에 도시되어 있다.

	함유물 크기(㎛)
전력	130		340		450		460		1200		2940
밀도	Ra	Pd	Ra	Pd	Ra	Pd	Ra	Pd	Ra	Pd	Ra	Pd
(W/㎠)	(sec-1)	(㎝-2)	(sec-1)	(㎝-2)	(sec-1)	(㎝-2)	(sec-1)	(㎝-2)	(sec-1)	(㎝-2)	(sec-1)	(㎝-2)
8	0	3.9	0		0	7.0	0	2.5	0	6.6	5	17
16	0	2.7	0		0.2	3.8	0.9	3.4	0.6	38	433	72
24	0	3.0	0		3.4	3.1	99	16	356	59	10718	368
32	1.6		0	1.4	81	19	914	39	2456	269	8934	377
40			0	2.2
48			0	3.5
56			0	12

표 2에서, R_a 및 P_d는 아크 레이트와 웨이퍼 상에서 발견된 입자들의 측정된 밀도를 나타낸다. 낮은 스퍼터링 전력 밀도에서, 백그라운드 레벨 이상에서 어떠한 매크로 입자도 발견되지 않았다. 340 ㎛ 보다 작은 직경을 갖는 함유물들은 50 W/㎠ 이상의 전력 밀도에서조차 측정가능한 매크로 입자의 방출을 유발하지 않았다. 함유물들의 직경이 340 ㎛로부터 증가함에 따라, 웨이퍼 상에서 발견되는 전체 입자 밀도는 증가하였다. 또한, 웨이퍼 상에 입자 결함을 발생하는데 필요한 스퍼터링 전력 밀도는 직겨 2940 ㎛를 갖는 함유물에 대한 지점까지 감소하였다. 16 W/㎠ 정도의 스퍼터링 전력 밀도에서 웨이퍼상의 입자 결함 밀도는 상당히 증가하였다.

따라서, 이 데이터로부터 다음과 같은 사항을 유추할 수 있다, 즉 스퍼터링 타겟으로부터 매크로 입자들의 방출을 제어하는데에는 2가지 요인이 있다: 플라즈마 상태와 유전체 함유물의 크기. 유전체 함유물의 직경이 임계값 아래로 떨어지면, 매크로 입자 방출은 발생하지 않는다.

타겟 표면에서 2940 ㎛의 함유물과 함께 스퍼터링한 이후 웨이퍼상의 매크로 입자 결함의 크기 분포가 도 7에 도시되어 있다. 이 데이터로부터, 스퍼터링 전력 밀도가 증가함에 따라, 웨이퍼 상의 입자 결함 수는 모든 크기에 있어서 증가하였다. 또한, 다수의 입자 결함(> 60%)이 그 크기가 1.1 ㎛이하였다. 이러한 유형의 매크로 입자 크기 분포는 청정 금속 표면에서의 진공 아크에 의해 방출된 매크로 입자 크기 분포의 측정과 일치한다. 아크 동안에, 방출된 대다수의 입자는 작았으며, 캐소드면에서 30˚각도로 방출되어 빠르게 움직이는 입자들이었다. 이들은 도 5에 도시된 유형의 입자들이며 크기순으로 도 7에 도시되어 있다.

도 8은 전력 밀도가 8 W/㎠로부터 328 W/㎠까지 증가함에 따라 웨이퍼상의 전체 입자 밀도가 임베딩된 함유물 크기에 따라 어떻게 변하는지를 도시한다. 약 500 ㎛ 함유물 크기 이하에서, 결함 입자 밀도는 웨이퍼상의 백그라운드 입자 밀도 이상으로 구별되지 못한다. 340 ㎛ 이상의 함유물 크기에 대해 데이터의 최소 자승 적합화(least-squares fits)를 수행함으로써, 백그라운드 레벨 이상으로 웨이퍼상에서 매크로 입자를 발생하기 위한 임계 함유물 크기가 각각의 전력 밀도에 대해 결정되었다. 도 8의 라인들은 다양한 전력 밀도에 대한 데이터의 최소 자승 적합화를 도시한다. 입자 밀도 대 함유물 크기 라인의 기울기는 스퍼터링 전력에 따라 증가한다는 것이 분명하다. 그러나, x-교차부는 스퍼터링 전력에 따라 크게 변하지 않는다. 모든 x 축 교차는 500 ㎛ 함유물 크기 부근인 것으로 나타난다.

아크 레이트를 함유물 크기에 관한 함수로서 도시한다면 유사한 결과가 얻어진다. 이 데이터는 도 9에 도시되어 있다. 다시 한번, 전력 밀도가 증가함에 따라, 아크 레이트 대 함유물 크기 곡선의 기울기는 증가하는 반면, x 교차는 비교적 일정하게 유지된다. 24 및 32 W/㎠에 있는 곡선들의 경우, 양쪽 곡선 모두의 기울기는 실헌적 오차 범위 내에서 동일하다. 이것은, 아크 레이트는 24 W/㎠에서 포화 상태에 도달하여 스퍼터링 전력 밀도를 증가시키더라도 더 이상의 아크 레이트 증가는 발생하지 않는다는 것을 암시한다.

각 데이터 세트에 대한 아킹 개시와 용융된 매크로 입자 방출을 위한 임계 크기가 스퍼터링 전력 밀도의 함수로서 도 10에 도시되어 있다. 도 8 및 9의 최소 자승 적합화로부터 얻어진 추정치의 에러로부터 에러 바(error bar)들이 유도된다. 도 10의 데이터는, 440±160 ㎛의 임계 함유물 크기에 대하여 평균값을 준다. 도 10으로부터 임계 함유물 크기는 스퍼터링 전력 밀도와는 독립되어 실험적 오차 범위 내에 있음을 알 수 있다. 임계 크기는, 본 연구에서 이용된 조건들에 대해 440±160 ㎛로서, 플라즈마 쉬쓰의 두께는 300 내지 600 ㎛ 범위이다.

200-mm 직경의 실리콘 웨이퍼 상에서의 알루미늄 합금 피착을 위해 이용되는 상업용 스퍼터링 소스를 이용하여 이들 단일 함유물 실험이 반복되었다. 이 스퍼터링 소스는 플라즈마 구속과 개선돈 막 균일성과 타겟을 이용을 위해 회전 자석을 이용했다. 크기가 450 및 730 ㎛인 함유물들이 알루미늄 스퍼터링 타겟 표면에 임베딩되었고 타겟은 0.5 Pa 아르곤 압력과 10.6 kW 전력에서 스퍼터링되었다. 1분동안의 스퍼터링 이후 200 mm 실리콘 웨이퍼상의 입자 결함 밀도와 아크 레이트의 측정은, 7.6 cm 직경의 타겟에 대해 여기서 보고된 데이터와 일치하는 결과를 보여주었다. 아크 레이트는 450 ㎛ 함유물에서는 2.5 sec^-1이었고 730 ㎛ 함유물이 임베딩되었을 때에는 52 sec^-1로 증가하였다. 마찬가지로, 450 ㎛ 함유물이 이용되었을 때 실리콘 웨이퍼 상에서 검출된 전체 입자 결함 밀도는 3 cm^-2였고 730 ㎛ 함유물에 대해서는 11 cm^-2로 증가하였다. 이들 값들은 23 W/cm²의 전력 밀도에 대해 도 9 및 10의 데이터에 적합하다.

III. 논의

상기에 비추어, 임계 함유물 크기는 아크를 개시하기 위한 조건들에 관련되어 있으며 타겟 표면상에 용융된 금속을 형성하는 조건이나 캐소드 표면으로부터 용융된 매크로 입자들의 방출을 위한 용융된 금속 표면 장력을 파괴하기 위한 조건에는 관련없는 것처럼 보인다. 아크에 의해 캐소드 표면상에 가해지는 힘은 표면 장력을 극복하고 용융된 매크로 입자들을 방출하기에 충분한 정도 이상임을 이미 보였다. 따라서, 일단 아크가 발생하면 매크로 입자가 방출될 소지가 높다. 이것은 웨이퍼상의 입자 결함 밀도의 특정치와 아크 레이트를 비교함으로써 확인된다. 도 11은 웨이퍼 상에서 발견된 입자 결함 밀도 Pd와 막 피착 동안의 아크 레이트 Ra간의 관계를 보여준다. 본 연구에서 이용된 타겟-기판 지오메트리의 경우, 약 2500 sec^-1 이하의 아크 레이트에서 매 10회의 아크 이벤트마다 하나의 입자가 웨이퍼 상에서 검출된다.

소정의 동작 원리에 구속되기를 바라지 않으며, 아크 형성과 용융된 금속 매크로 입자들의 방출은, 함유물의 유전체 표면과 스퍼터링 플라즈마와의 상호작용에 기초하는 것처럼 보인다. 도 12는, Al₂O₃ 함유물(38)의 직경(d)가 Al₂O₃ 함유물이 없는 타겟 플레이트(42)의 영역 위에 놓여있는 플라즈마 쉬쓰(44)의 두께(s)보다 더 크게 되도록 하여, Al₂O₃ 함유물(38)이 타겟 플레이트(42)의 캐소드 스퍼터링 표면(40) 상에 존재하는 때의 플라즈마(36)의 개략도를 도시한다. 플라즈마 쉬쓰(44)는 플라즈마(36)의 포지티브 컬럼과 캐소드 스퍼터링 표면(40)을 분리한다. 타겟 플레이트(42)의 스퍼터링 표면(40) 상의 함유물(38)의 도입은 플라즈마(36)와 쉬쓰(44)의 왜곡을 초래한다. 타겟 플레이트(42)의 스퍼터링은 스퍼터링 표면(40)에서 수행되기 때문에, Al₂O₃ 함유물(38)의 직경(d)의 측정은 스퍼터링 표면(40)과 실질적으로 평행한 평면(45)을 따라 취해진다.

도 12에 화살표(46)로 표시된 바와 같은 쉬쓰 붕괴와 아크 형성으로 이어지는 과정의 상세한 검사는, 스퍼터링 공정 동안 이온 폭격으로부터 유전체 표면층의 하전(charging)에서부터 시작한다. 이 전하는 유전체 영역 주변의 암 공간(dark space) 내의 전계를 왜곡한다. 이 전계 왜곡의 심각성은 유전체 함유물의 직경(d)와 쉬쓰 두께(s)간의 관계에 의존한다. 작은 직경의 함유물에 대해, 플라즈마에 노출된 함유물이 쉬쓰 두께보다 상당히 작아질 때, 암 공간 내의 전계에 대한 붕괴는 함유물 부근에 집중된다. 사실상, 플라즈마에 노출된 유전체 함유물 크기가 플라즈마 쉬쓰 두께(s)보다 훨씬 작다면, 함유물 표면 상부 및 격지에서의 플라즈마 쉬쓰의 붕괴는 무시할만하다.

플라즈마(36)에 노출된 함유물(38)이 쉬쓰 두께(s)와 같거나 더 큰 직경(d)에 근접함에 따라, 함유물(38) 상의 전하는 함유물(38) 위의 초기 쉬쓰 영역 내의 전계를 거의 대부분 중화하는 역할을 한다. 이것은, 플라즈마 포지티브 컬럼이 하전된 함유물(38) 위의 공간으로 확산함에 따라 플라즈마 경계가 함유물(38) 쪽으로 내려앉고 함유물(38) 위쪽의 플라즈마 쉬쓰 두께가 감소하도록 유발한다. 플라즈마 컬럼이 안쪽으로 확산하고 플라즈마(36)를 캐소드로부터 분리하는 필드 장벽이 줄어듦에 따라, 플라즈마 채널이 함유물 위에 형성된다. 이 플라즈마 채널은 플라즈마(36)의 주로 플라즈마(36)의 방사방향 확산에 의해 성장된다.

함유물이 완전 대칭형이기를 기대하기 어렵기 때문에, 함유물 부근의 전계 분포도 역시 대칭적이지 않을 것이다. 전계 왜곡은 함유물 비대칭을 모방하는 경향이 있기 때문에, 플라즈마 채널의 방사방향 성장도 역시 비대칭일 것이다. 플라즈마 채널이 성장함에 따라, 브레이크다운이 허용되고 함유물 부근의 캐소드 표면상의 위치와 플라즈마 채널사이에 아크가 발생하게되는 지점에 도달한다. 아크가 발생할 때, (도시되지 않은) 전원 및 (도시되지 않은) 접속 케이블에 저장된 저장된 에너지는 아크로서 방전된다. 이 아크는, 일단 형성되면, 캐소드 표면(40)을 자유로이 횡단하며 아크 트랙을 생성하고 용융된 매크로 입자들을 방출한다.

상술한 바와 같이, 이 모델에서 아크 지점은 함유물(38) 부근의 금속 캐소드 표면(40) 상에서 발생하는 경향을 가질 것이다. 이것은 아크 트랙이 함유물(38)을 교차하지 않고 함유물(38) 부근에 있다는 관측과 일치한다.

만일 이 모델이 옳다면, 함유물(38)의 종횡비는 1이 아닐 때, 작은 크기의 함유물(38)은 함유물(38) 위쪽의 전계 분포 왜곡을 제어할 것이고 따라서 쉬쓰 왜곡의 정도와 아킹 성향을 제어할 것이다. 따라서, 우리의 모델로부터, 함유물(38)의 종횡비는 중요한 변수가 될 것이다. 이 모델은 아크 레이트는 함유물(38)의 영역에 비교적 덜 민감할 것임을 예언하고 있다. 예를 들어, 큰 면적을 갖는 매우 폭이 좁은 함유물은, 종횡비가 1이고 그 크기가 훨씬 더 큰 면적의 폭이 좁은 함유물의 폭과 동일한 폭을 갖는 함유물과 동일한 속도로 아크(arc)할 것이다.

또한, 아크 레이트는 로컬 전류 밀도 및 쉬쓰 두께에 관하여 함유물의 위치에 의존할 것이다. 즉, 스퍼터링 표면(40)은 스퍼터링 장치 내의 (도시되지 않은) 가상 표면에 댕으한다면, 로컬 임계 직경은 그 가상 표면을 따르는 위치에 의존할 것이다. 전형적인 고정 자석 평면 마그네트론 스퍼터링 시스템에서 타겟 위의 전류 밀도는 대단히 불균일하므로, 쉬쓰 두께는 로컬 전류 밀도에 의존하여 역시 불균일할 것이다.

Child-Langmuir 법칙으로부터, 예를 들어, 50 mA/㎠ 전류 밀도와 함께 전형적인 스퍼터링 조건의 스퍼터 트랙 영역 내의 쉬쓰의 두께는 0.4 mm가 될 것이다. 그러나, 스퍼터 트랙으로부터 전류 밀도가 10 mA/㎠로 감소하는 영역으로 이동하면 쉬쓰 두께는 0.9 mm로 증가할 것이다. 따라서, 고정 자석 시스템에서 아킹을 위한 임계 함유물 크기는 타겟 표면(40) 상에서의 함유물의 위치에 의존한다. 임계 함유물 크기는 스퍼터 트랙 영역(높은 전력 밀도 및 더 작은 쉬쓰 두께)에서 감소하고 비-스퍼트 트랙 영역(낮은 전력 밀도 및 더 큰 쉬쓰 두께)에서 증가한다. 마지막으로, 스퍼터링 타겟 표면상에 얇은 함유물이 존재할 때, 아킹은 함유물의 두께 종횡비가 이 과정에서 중요한 역할을 하지 않는다는 것을 가리키는 결과를 보인다.

본 발명의 양호한 실시예들을 통해 방법들이 기술되었지만, 본 발명은 기술된 그대로의 방법들로만 제한되는 것은 아니며, 특허청구범위에 첨부된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (48)

1. 스퍼터링 장치에서 이용하기 위한 하나 이상의 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟들을 선택하기 위한 방법에 있어서:

   a) 상기 스퍼터링 장치에서 플라즈마 쉬쓰 두께(plasma sheath thickness)를 결정하는 단계;

   b) 복수의 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟들의 각 타겟의 표면을 따라 Al₂O₃ 표면 함유물들의 직경들을 결정하는 단계; 및

   c) 상기 복수의 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟들 중, 상기 플라즈마 쉬쓰 두께보다 작은 상기 Al₂O₃ 표면 함유물들의 직경들을 갖는 스퍼터링 타겟들만을 선택하는 단계를 포함하는, 하나 이상의 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟 선택 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 단계 a)는, Al₂O₃ 함유물들이 없는 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟을 스퍼터링 전압에서의 이온량(ion mass)을 한정하는 가스로 상기 스퍼터링 장치에서 스퍼터링하는 단계; 상기 이온량을 결정하는 단계; 상기 스퍼터링 전압을 결정하는 단계; 상기 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟의 표면에서의 이온 전류 밀도를 결정하는 단계; 및 상기 이온량, 상기 스퍼터링 전압, 및 상기 이온 전류 밀도를 이용하여 상기 플라즈마 쉬쓰 두께를 추정하는 단계를 포함하는, 하나 이상의 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟 선택 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 단계 a)는, Al₂O₃ 함유물들이 없는 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟을 스퍼터링 전압(V)에서의 이온량(M_i)을 한정하는 가스로 상기 스퍼터링 장치에서 스퍼터링하는 단계; 상기 이온량(M_i)을 결정하는 단계; 상기 스퍼터링 전압(V)을 결정하는 단계; 상기 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟의 표면에서의 이온 전류 밀도(J_i)를 결정하는 단계; 및 방정식

   

   를 이용하여 상기 플라즈마 쉬쓰 두께(s)를 추정하는 단계를 포함하는, 하나 이상의 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟 선택 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 쉬쓰 두께는 300 ㎛ 내지 600 ㎛ 사이에 있는, 하나 이상의 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟 선택 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 스퍼터링 장치는 8 W/㎠ 내지 60 W/㎠ 의 스퍼터링 전력으로 아르곤 분위기(argon atmosphere)에서 스퍼터링할 수 있는, 하나 이상의 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟 선택 방법.
6. Al₂O₃ 함유물을 갖는 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟에서 아킹(arcing)을 방지하는 방법에 있어서:

   a) 선택된 스퍼터링 환경하에서, Al₂O₃ 함유물이 없는 스퍼터링 표면을 갖는 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟의 스퍼터링 동안 공지된 두께의 플라즈마 쉬쓰와 함께 플라즈마를 갖는 스퍼터링 장치를 제공하는 단계; 및

   b) 상기 선택된 스퍼터링 환경하에서, 상기 스퍼터링 장치에서 스퍼터링하기 위해 하나 이상의 Al₂O₃ 함유물들과 스퍼터링 표면을 갖는 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟을 제공하는 단계로서, 상기 하나 이상의 Al₂O₃ 함유물들은 상기 플라즈마 쉬쓰의 상기 공지된 두께보다 작은 직경을 포함하는, 상기 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟을 제공하는 단계; 및

   c) 상기 선택된 스퍼터링 환경하에서, 상기 스퍼터링 장치에서 상기 하나 이상의 Al₂O₃ 함유물들을 갖는 상기 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟을 스퍼터링하여 아킹이 방지되는 단계를 포함하는, 아킹 방지 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 플라즈마는 아르곤인, 아킹 방지 방법.
8. 제6항에 있어서, 상기 하나 이상의 Al₂O₃ 함유물들의 상기 직경은 상기 하나 이상의 Al₂O₃ 함유물들을 갖는 상기 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟의 상기 스퍼터링 표면과 평행한 평면에 위치한, 아킹 방지 방법.
9. 제6항에 있어서, 상기 하나 이상의 Al₂O₃ 함유물들은 종횡비가 1인, 아킹 방지 방법.
10. 제6항에 있어서, 상기 Al₂O₃ 함유물이 없는 스퍼터링 표면을 갖는 상기 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟과, 상기 하나 이상의 Al₂O₃ 함유물들과 함께 상기 타겟 플레이트를 갖는 상기 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟은 표면 오염이 없는, 아킹 방지 방법.
11. 제6항에 있어서, 상기 플라즈마 쉬쓰의 상기 측정된 두께는 300 내지 600 ㎛인, 아킹 방지 방법.
12. 제6항에 있어서, 상기 스퍼터링 환경은 0.5 Pa 아르곤 압력과, 8 W/㎠ 내지 60 W/㎠의 스퍼터링 전력을 포함하는, 아킹 방지 방법.
13. 제6항의 단계 b)에 있어서, 상기 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟은 상기 Al₂O₃ 함유물이 없는 스퍼터링 표면을 갖는 상기 Al 또는 Al 합금 스퍼터링 타겟과 형상 및 크기가 유사한, 아킹 방지 방법.
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
26. 삭제
27. 삭제
28. 삭제
29. 삭제
30. 삭제
31. 삭제
32. 삭제
33. 삭제
34. 삭제
35. 삭제
36. 삭제
37. 삭제
38. 삭제
39. 삭제
40. 삭제
41. 삭제
42. 삭제
43. 삭제
44. 삭제
45. 삭제
46. 삭제
47. 삭제
48. 삭제

Images