KR100881954B1 - 반응성 스퍼터링 증착 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반응성 스퍼터링 증착 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응 기체를 효과적으로 이온화하기 위해 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP)를 사용하는 반응성 스퍼터링 증착 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 반응성 스퍼터링 증착 장치는 플라즈마 기체를 내부로 유입하는 유입구 및 반응성 스퍼터링 증착에 사용된 기체를 외부로 배기하는 배기구를 구비하는 챔버; 상기 챔버의 상부에 위치하고 반응 기체를 이온화하여 상기 챔버의 내부에 주입하는 ICP 생성기; 및 상기 챔버의 측면에 위치하고 타겟을 지지하는 적어도 하나 이상의 스퍼터 건로 구성된다. 본 발명은 유도결합 플라즈마를 이용하여 반응 기체의 이온화율을 향상시킴으로써, 공정의 온도를 낮출 수 있고 비교적 적은 비용으로도 박막 증착의 균일성 및 스텝 커버리지을 향상시킬 수 있다.
반응성 스퍼터링, 스퍼터링 장치, ICP

Description

반응성 스퍼터링 증착 장치{Apparatus for Reactive Sputtering Deposition}
본 발명은 반응성 스퍼터링 증착 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응 기체를 효과적으로 이온화하기 위해 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP)를 사용하는 반응성 스퍼터링 증착 장치에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-079-02, 과제명: 투명전자 소자를 이용한 스마트 창].
금속 산화물 박막을 증착하는 방법으로는 화학기상 증착법(CVD), 스퍼터링(Sputtering), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 및 전자빔(E-beam) 등이 있으며, 이 중 스퍼터링 증착방법은 아르곤 가스 등과 같은 불활성 기체로 플라즈마를 형성하고 불활성 기체의 양이온을 타겟 물질과 충돌시켜 분리된 타겟 물질을 기판에 증착하는 방식이다.
일반적인 스퍼터링 증착 장치는 플라즈마를 발생시키는 직류전원(DC), RF 플 라즈마 소스 및 마그네트론 건 등을 포함하는 비교적 간단한 구조를 가진다. 이러한 스퍼터 증착 장치를 이용하여 증착을 수행할 경우, 상온에서도 증착 가능할 뿐만 아니라 대면적 증착이 가능하다는 장점이 있으나 증착입자의 직진성과 화학적 특성으로 인해 스텝 커버리지가 낮고 박막의 치밀성과 흡착성이 떨어지는 문제점이 있다.
스퍼터링 중에서도 특히 타겟 물질의 증착을 유도하기 위해 반응 기체를 사용하는 반응성 스퍼터링(Reactive Sputtering)의 경우, 위와 같은 문제를 해결하기 위해 마이크로 웨이브, 필라멘트 및 이온건 등을 사용하여 반응 기체의 이온화율을 높임으로써 박막의 품질을 향상시키는 방법들이 제안된 바 있다. 그러나, 마이크로 웨이브를 사용하는 경우 높은 비용이 소비되고, 필라멘트를 사용하는 경우 유지 및 관리상의 어려움과 오염문제가 있으며, 이온건을 사용하는 경우 대면적 증착에 부적합하다는 문제점이 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 반응성 스퍼터링 증착 공정에서 효율적으로 반응 기체의 이온화율을 높일 수 있는 반응성 스퍼터링 증착 장치를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은 플라즈마 기체를 내부로 유입하는 유입구 및 반응성 스퍼터링 증착에 사용된 기체를 외부로 배기하는 배기구를 구비하는 챔버; 상기 챔버의 상부에 위치하고 반응 기체를 이온화하여 상기 챔버의 내부에 주입하는 ICP 생성기; 및 상기 챔버의 측면에 위치하고 타겟을 지지하는 적어도 하나 이상의 스퍼터 건을 포함하는 반응성 스퍼터링 증착 장치를 제공한다.
본 발명은 유도결합 플라즈마를 이용하여 반응 기체의 이온화율을 향상시킴으로써, 공정의 온도를 낮출 수 있고 비교적 적은 비용으로도 박막 증착의 균일성 및 스텝 커버리지을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 스퍼터 건에 고정된 타겟을 상하로 이동시킴으로써 타겟 전체를 균일하게 소모하여 재료비를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명은 스퍼터 건과 기판을 수직으로 배치하여 입자의 운동에너지에 의한 기판손상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응성 스퍼터링 증착 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 반응성 스퍼터링 증착 장치(100)는 그 내부에서 증착 공정이 수행되는 챔버(110), 반응 기체를 이온화하는 ICP 발생기(Inductively Coupled Plasma Generator:120), 스퍼터링되는 타겟을 지지하는 스퍼터 건(130), 챔버(110) 내부로 기체를 주입하거나 외부로 배기하기 위한 유입구(140) 및 배기구(150)를 포함한다.
ICP 발생기(120)는 고주파 발생기로부터 발생된 주파수 영역에서 유도코일을 사용하여 플라즈마를 발생시키는 장치로서 챔버(110)의 상부에 위치한다. 증착 공저에서, ICP 발생기(120)는 질소 또는 산소 등의 반응 기체를 이온화하여 챔버(110) 내부로 주입한다. 일 실시예에서, ICP 발생기(120)는 13.56MHz 내지 27.12MHz의 주파수 영역을 이용하여 반응 기체를 이온화할 수 있다. 이 때, ICP 발생기(120) 및 기판(160)간의 상하 거리는 ICP 발생기(120)의 벨로즈(121)를 이용하여 조절할 수 있다.
ICP 발생기(120)에 의해 유입되는 반응 기체 이외에도, 챔버(110)의 상부에 위치하는 유입구(140)를 통해 플라즈마화된 반응 기체 및 스퍼터링 기체를 포함하 는 플라즈마 기체가 챔버(110) 내로 유입될 수 있다. 여기서, 상기 스퍼터링 기체는 아르곤 등의 불활성 기체를 포함한다. 또한, 증착 공정에서 사용되는 기체는 배기구(150)을 통해 챔버(110) 외부로 배출될 수 있다.
ICP 발생기(120)가 위치하는 챔버(110)의 상부에는 이온화된 기체의 측면 유입을 차단할 수 있는 원통 형태의 차단막(122)이 설치된다. 차단막(122)을 통하여 ICP 발생기(120)를 보호하고, 증착의 효율성을 위해 이온화된 기체를 스퍼터 건(130) 사이에 집중시킬 수 있다. 일 실시예에서, 보호 및 집중의 효율을 위해 차단막(122)의 높이는 챔버(110)의 상부면 및 스퍼터 건(130) 간의 거리에 절반 정도이고, 차단막(122)의 직경은 ICP 발생기(120) 직경의 120% 내지 200%가 될 수 있다. 또한, 차단막(122)의 내부는 이온화된 기체로부터 보호하기 위하여 알루미나 등의 세라믹 재질로 코팅될 수 있다.
타겟을 지지하는 적어도 하나 이상의 스퍼터 건(130)은 챔버(110)의 측면에 기판(160)과 수직 방향으로 설치되고, 기판(160)의 수직 방향에서 45도 범위로 기울기 조절이 가능하다. 이와 같이, 스퍼터 건(130)과 기판(160)을 축외(off-axis) 형태로 배치함으로써 스퍼터링된 입자에 의한 기판(160)의 손상을 감소시킬 수 있다.
스퍼터 건(130) 상부에는 ICP 발생기(120)에 의해 이온화된 기체로부터 스퍼터 건(130)을 보호하고 오염을 방지하기 위한 건 셔터(131)가 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 건 셔터(131)는 이온화된 기체에 잘 견디는 스테인레스로 구성되거나 세라믹 등의 재질로 코딩될 수 있다. 또한, 스퍼터 건(130) 사이의 거리는 스퍼터 건(130)과 결합된 스퍼터 건 지지대(132)를 이용하여 조절될 수 있고, 스퍼터 건 지지대(132)는 챔버(110)의 측면벽을 통과하여 외부에서 제어될 수 있다.
ICP 발생기(120)를 통해 이온화된 반응 기체와 스퍼터 건(130) 사이에 플라즈마 영역(170)이 형성된다. 플라즈마 영역(170)은 스퍼터 건(130)의 각도, ICP 발생기(120)와 기판(160)간의 거리 및 증착 조건에 따라 변할 수 있다.
기판(160)은 스퍼터 건(130)과 수직 방향이고, ICP 발생기(120)와 마주보도록 기판 지지대(161) 상에 고정된다. 증착의 균일도 등을 최적화하기 위하여, 기판 지지대(161)는 회전 및 상하 높이 조정이 가능하다. 기판(160) 상부에는 외부의 제어에 따라 기판(160)과 챔버(110) 내부의 기체를 차단할 수 있는 기판 셔텨(162)를 설치하여 예비 스퍼터링 동안 기판(160)을 보호하고 기판(160)에 증착되는 박막 두께를 효과적으로 조절할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응성 스퍼터링 장치의 평면도이다.
도 2를 참조하면, 복수의 스퍼터 건(210)이 설치될 경우 증착의 균일도를 최적화하기 위한 스퍼터 건(210) 사이의 각도 및 거리는 기판(220) 크기 등을 고려하여 조정될 수 있다. 일 실시예, 챔버(230) 측면에 2개 내지 4개의 스퍼터 건(210)을 90도 내지 180도의 간격으로 설치함으로써 우수한 품질의 박막을 증착할 수 있다. 여기서, 스퍼터 건(210) 간의 거리는 상술한 바와 같이 스퍼터 건 지지대(211)를 이용하여 조정될 수 있다.
또한, 각각의 스퍼터 건(210)은 박막의 조성에 따라 같은 종류 또는 다른 종류의 타겟 물질을 사용할 수 있고, 스퍼터 건(210)의 길이는 증착의 균일도를 보장 하기 위하여 기판(220)의 직경보다 10% 내지 50% 크게 제작될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응성 스퍼터링 장치에 포함된 스퍼터 건의 전면을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 타겟(310)을 플라즈마에 노출시키기 위한 개구부(321)를 구비하는 스퍼터 건 덮개(320)는 조임쇄를 이용하여 스퍼터 건의 전면에 고정되고, 타겟(310)은 스퍼터 건과 스퍼터 건 덮개(320) 사이에서 스퍼터 건에 의해 지지된다. 일 실시예에서, 스퍼터 건은 직사각형 모양의 마그네트론 건으로 구성될 수 있다.
일반적으로 마그네트론 스퍼터 건은 스퍼터 건 상의 타겟의 일부에서만 스퍼터링이 발생하는 단점이 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해, 스퍼터 건은 모터 등을 이용하여 특정 부분(311)이 소모된 타겟(310)을 상하 이동시킴으로써 타겟(310)의 나머지 부분을 스퍼터 건 덮개(320)의 개구부(321) 배면에 위치시킬 수 있다. 이에 따라, 타겟(310)의 나머지 부분도 스퍼터링에 의해 소모되도록 함으로써 타겟(310)의 전체적인 활용도를 높일 수 있다. 일 실시예에서, 타겟(310)은 상하 이동이 가능한 바 타겟(310)을 스퍼터 건보다 10% 내지 20% 크게 제작함으로써 스퍼터링 증착 공정에서 사용할 수 있는 타겟(310)의 양을 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응성 스퍼터링 증착 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응성 스퍼터링 장치의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응성 스퍼터링 장치에 포함된 스퍼터 건의 전면을 나타내는 도면이다.

Claims (18)

  1. 반응 기체를 이용하여 기판상에 반응성 스퍼터링 증착을 수행하는 장치에 있어서,
    플라즈마 기체를 내부로 유입하는 유입구 및 상기 반응성 스퍼터링 증착에 사용된 기체를 외부로 배기하는 배기구를 구비하는 챔버;
    상기 챔버의 상부에 위치하고 상기 반응 기체를 이온화하여 상기 챔버의 내부에 주입하는 ICP 생성기; 및
    상기 챔버의 측면에 위치하고 타겟을 지지하는 적어도 하나 이상의 스퍼터 건
    을 포함하는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 ICP 생성기의 하부에 위치하고 상기 ICP 생성기 및 상기 기판 간의 수직 거리를 조정하는 벨로즈를 더 포함하는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 ICP 생성기는 3.56MHz 내지 27.12MHz의 주파수를 이용하여 상기 반응 기체를 이온화하는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 ICP 생성기의 하부에 위치하고 상기 유입구로부터 유입되는 상기 플라즈마 기체를 상기 ICP 생성기와 차단하는 차단막을 더 포함하는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 차단막은 상기 ICP 생성기의 직경보다 120% 내지 200% 큰 직경을 가지는 원통 형태로 형성되는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 차단막은 알루미나를 포함하는 세라믹 재질로 코팅되는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 스퍼터 건의 기울기는 상기 기판의 수직방향을 기준으로 0도 내지 45도의 각도로 조정되는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 챔버의 측면에 위치하고 일 측은 상기 적어도 하나 이상의 스퍼터 건을 지지하고 타 측은 상기 챔버의 측벽을 관통하여 외부로 연결되는 스퍼터 건 지지대를 더 포함하는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 스퍼터 건 간의 거리는 상기 스퍼터 건 지지대를 이용하여 조절되는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 스퍼터 건의 상부에 고정되고 상기 ICP 생성기에 의해 이온화된 상기 반응 기체로부터 상기 적어도 하나 이상의 스퍼터 건을 보호하는 건 셔터를 더 포함하는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 건 셔터는 스테인레스로 구성되거나 세라믹 재질로 코팅되는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 스퍼터 건은 서로 상이한 종류의 타겟을 지지하는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 스퍼터 건의 길이는 상기 기판의 직경보다 10% 내지 50% 큰 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 챔버의 하부에 위치하고 상기 기판을 고정하는 기판 지지대를 더 포함하는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 기판 지지대는 상하로 이동하거나 회전하는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 기판의 상부에 위치하고 상기 플라즈마 기체를 상기 기판과 차단하는 기판 셔터를 더 포함하는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 타겟은 상기 적어도 하나 이상의 스퍼터 건의 전면에서 상하로 이동하는 반응성 스퍼터링 증착 장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 타겟은 상기 적어도 하나 이상의 스퍼터 건보다 10% 내지 20% 큰 반응성 스퍼터링 증착 장치.
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