KR100909564B1

KR100909564B1 - 스퍼터링 증착 장치

Info

Publication number: KR100909564B1
Application number: KR1020050128579A
Authority: KR
Inventors: 박성철; 박종민; 송수석
Original assignee: 주식회사 삼양사
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2009-07-27
Also published as: KR20070067357A

Abstract

본 발명은 스퍼터링(sputtering) 증착법을 이용하여 기판 위에 금속을 박막 코팅 시 스퍼터링 캐소드(cathode) 주위를 내벽이 아연 또는 주석이 코팅된 하우징으로 둘러싸는 것이다. 본 발명의 스퍼터링 캐소드 하우징을 사용하여 금속을 스퍼터링 증착하면 박막에 형성되는 핀홀의 발생을 현저히 줄일 수 있고, 장시간 연속 사용이 가능하다.

핀홀, 스퍼터링, 진공 증착, 금속, 구리, 고분자, 마그네트론, 박막

Description

스퍼터링 증착 장치{Sputtering deposition apparatus}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류 마그네트론 스퍼터링 연속 증착 장치의 개략적 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11...가스 유입부 12...진공 챔버 13...진공 펌프

14...기판 15...전원 16...타겟

17...제1 롤러 18...캐소드 19...제2 롤러

20...하우징 21...메인 드럼 22...본체

24...코팅층

본 발명은 스퍼터링 증착 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스퍼터링 캐소드 주위가 특수 코팅된 하우징으로 둘러싸여진 스퍼터링 증착 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 스퍼터링 증착 공정은 반도체, 디스플레이, 회로기판 등의 분야에서 금속 배선, 배리어층, 투명전극, 광학막 등의 다양한 박막의 형성에 사용되고 있다. 이러한 스퍼터링 증착 공정은 기판 상에 증착될 박막과 동일한 재질의 입자를 진공 중에서 여러 가지 물리적인 방법에 의해 증착시키는 물리적 기상 증착법(Physical Vopor Deposition: 이하, 'PVD'라 함)의 일종으로서, 진공 상태에서 아르곤(Ar) 가스를 주입한 상태에서 금속 또는 금속 화합물로 이루어진 타켓트(target)에 고전압을 가하여 타겟 주위에 플라즈마 방전을 발생시켜 플라즈마 방전 영역 내의 양이온들이 전기적인 힘에 의해 타겟 표면을 가격하여 원자들을 방출시켜 그 원자들을 기판 상에 증착시키는 것이다.

스퍼터링 증착 공정은 플라즈마 방전 방식에 따라 직류(DC) 전압 또는 고주파(Radio Frequency) 전압을 이용하는 방식과 마그네트론(magnetron) 방식으로 구별된다.

직류 전압 스퍼터링 증착법은 금속의 타겟을 증착할 경우에 주로 이용되고, 고주파 전압 스퍼터링 증착법은 산화물 또는 절연체의 타겟을 증착할 경우에 주로 사용된다.

마그네트론 스퍼터링 증착법은 직류 전압 또는 고주파 전압을 이용하는 방식과 유사한 개념으로 사용되지만, 타겟 표면 부근에 자기장을 형성하기 위하여 영구자석을 타겟 상면에 설치하여 캐소드에서 애노드로 방출되는 전자를 캐소드 표면 근처에서 포집하고, 포집된 전자를 아르곤 가스와 충돌시켜 아르곤 양이온(Ar+)을 캐소드 표면의 타겟에 충돌시킴으로써 박막을 증착하는 방식으로서, 이것은 상대적으로 증착률이 높고, 넓은 면적의 증착이 가능하며, 캐소드가 가열되는 온도가 낮은 장점이 있어 널리 사용되고 있다.

또한, 스퍼터링 장치는 인쇄회로기판용 FCCL(flexible copper clad laminate)의 Cu 증착, 디스플레이의 ITO, Al, Cr 및 반도체의 Ti, TiN 등 수십 내지 수천 Å의 균일한 박막 코팅을 하는 경우에 사용된다.

그런데, 금속을 스퍼터링 증착할 때 수 내지 수백 ㎛의 직경을 가진 핀홀이 박막에 발생되는 문제점이 있으며, 이러한 핀홀은 회로 배선의 단락을 유발하는 등 제품의 치명적인 불량을 초래한다.

핀홀의 발생원인은 미세한 이물, 아크(arc) 또는 불안정한 플라즈마 방전 상태 등으로 알려져 있다. 특히, 스퍼터링 증착시 타겟의 일부 입자가 주위의 진공 챔버의 벽면에 증착되고 그 벽면에 증착된 타겟의 입자 중 접착이 불안정하여 떨어져 나오는 미세입자들에 의해 핀홀이 발생된다.

핀홀 발생의 문제점을 해결하기 위한 종래기술은, 일본 특개평 제8-81771호에서 알 수 있는 바와 같이, 진공챔버 내벽에 Al, Cu, Ti 등으로 이루어진 박리 방지막이 코팅된 방착판을 사용하여 핀홀 발생을 경감시키고자 하였다. 그러나, 이러한 방식은 타겟으로부터 방출된 입자들이 타겟으로부터 멀리 떨어진 진공챔버 내벽까지 이동하기 전에 진공 상태에서 공존하는 아르곤 가스와 같은 다른 분자들과 충돌해 그 속도가 감소되어 진공챔버의 내벽(보다 정확하게는 방착판)에 불안정하게 증착되기 때문에, 시간이 경과함에 따라 방착판으로부터 타겟의 입자가 탈착됨으로써 핀홀을 유발시키는 문제점을 완벽하게 해결할 수 없다.(참고적으로, 진공상태에서 존재하는 입자들은 서로 이동하면서 충돌하게 되는데, 충돌하기 전까지의 평균 이동 거리는 진공도에 따라 다르다. 일반적으로, 스퍼터링 공정 중의 진공도는 10^-3 내지 10^-2 torr이며, 이때 입자의 평균 이동 거리는 대략 5cm 이하 이다.)

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 스퍼터링 캐소드 주위에 아연 또는 주석이 코팅된 하우징을 마련함으로써 타겟 입자들이 충분한 속도로 하우징 벽면에 안정되게 증착되도록 함으로써 핀홀의 발생을 억제시킬 수 있도록 구조가 개선된 스퍼터링 증착 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스퍼터렁 증착 장치는, 스퍼터링 증착법으로 기판 위에 금속을 박막 코팅하기 위하여 타겟이 장착된 스퍼터링 캐소드와 비활성 기체 유입구가 형성된 진공 챔버를 구비하는 스퍼터링 증착 장치에 있어서, 상기 비활성 기체 유입구 및 상기 스퍼터링 캐소드 주위를 감싸도록 설치되며, 내벽이 아연 또는 주석으로 코팅된 코팅층을 가진 하우징을 구비한다.

바람직하게, 상기 코팅층은 스프레이, 아크, 스퍼터링, 도금 중 어느 하나의 공정에 의해 형성된다.

바람직하게, 상기 코팅층은 20㎛ 내지 1mm 두께로 스프레이 코팅에 의해 형성된다.

바람직하게, 상기 하우징은 상기 기판과 일정한 간격이 유지되도록 하우징 내부로 절곡된 절곡부를 포함한다.

바람직하게, 상기 타겟은 Cu, Ni, Cr, Ti, Al, ITO, TiO₂, 또는 이들의 합금 중 어느 하나이다.

바람직하게, 상기 기판은 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리테트라 플루오르 에틸렌, 폴리페닐렌 설파이드 중 어느 하나이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스퍼터링 증착 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 진공 챔버(12)와, 진공 챔버(12) 내부에 위치되며 기판(14)에 증착될 물질로 이루어진 타겟(16)과, 타겟(16)의 배면에 장착되는 스퍼터링 캐소드(18)와, 타겟(16) 주위에 비활성 가스를 공급하기 위한 비활성 기체 유입부(11), 및 스퍼터링 캐소드(18)와 기체 유입부(11) 주위를 감싸는 하우징(20)을 구비한다.

상기 진공 챔버(12)는 진공 펌프(13)에 의해 그 내부가 고진공으로 유지되는 구조이며, 진공 챔버(12) 내부에는 가스 유입부(11)를 통해 아르곤 등과 같은 저압의 비활성 가스가 유입된다. 진공 챔버(12)는 전원(15)에 의해 스퍼터링 캐소드(18)가 접속되어 있다.

상기 기판(14)은 피 스퍼터링 기재로서 폴리이미드(PI, 듀폰사의 Kapton 150E) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, 코오롱사의 ASTRON) 등과 같은 고분자 필름 형태인 것이 바람직하다. 기판(14)은 제1 롤러(17)에 감긴 상태에서 메인 드럼(21)을 통해 제2 롤러(19)로 연속적으로 이동하게 된다. 한편, 본 실시예에서 설명되지는 않지만, 기판은 광자기 기록 매체, 웨이퍼 등과 같이 평판 구조로서 홀더(미도시)에 안착될 수도 있음은 물론이다.

상기 타겟(16)은 기판(14)에 증착될 금속으로서 구리를 주로 이용하며, 니켈, 크롬, 티타늄 또는 이들의 합금이 이용될 수 있음은 물론이다.

상기 하우징(20)은 본체(22)와 본체(22)의 내벽에 아연(Zn) 또는 주석(Sn)으로 코팅된 코팅층(24)을 구비한다. 아연 또는 주석은 알류미늄 또는 구리 보다 증착되는 타겟(16)의 입자의 응력을 완화시켜 타겟 입자가 안정적으로 부착되어 탈착되는 것을 방지할 수 있다. 하우징(20) 내벽의 코팅층(24)은 스프레이, 아크, 스퍼터링, 도금 등의 방법에 의해 형성된다. 코팅층(24)은 타켓(16) 입자와 아연 또는 주석의 반응성, 물리, 화학적 성질을 감안하여 약 20㎛ 내지 약 1mm 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 만약, 코팅층(24)의 두께가 20㎛이하이면 스퍼터팅 방법으로 코팅을 형성하는 작업이 어려운 점이 있으며, 코팅층(24)의 두께 1mm이상이 되면 비경제적인 문제가 발생된다. 또한, 기판(14)의 굴곡면과 접하는 하우징(20)의 끝단에는 하우징(20)의 내측으로 절곡된 절곡부(26)가 형성된다. 상기 절곡부(26)는 타겟(16)의 입자가 하우징(20)의 외측으로 빠져나가는 것을 최대한 억제하기 위한 것으로서, 메인 드럼(21)의 곡률에 의해 형성되는 곡면과 거의 동일한 곡면 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스퍼터링 증착 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 진공 펌프(13)를 이용하여 진공 챔버(12) 내부를 배기시키고 고진공도를 유지한 상태에서 가스 유입부(11)를 통해 불활성 가스를 유입시키면서 타겟(16)에 마이너스 전압을 인가하면 불활성 가스가 전기적으로 가속되어 타겟(16)의 표면에 충돌하게 된다. 이에 따라 타겟(16)의 표면 원자 또는 분자는 방출되어 기판(14)의 표면에 부착되어 퇴적됨으로써 원하는 기판(14) 표면에 원하는 박막을 형성시킬 수 있다. 이때, 타겟(16)로부터 방출된 금속 입자의 일부는 하우징(20)의 코팅층(24)에 의해 입자의 응력이 완화되어 안정적으로 하우징 내벽에 부착되어 그 탈착이 방지될 수 있다.

실험예

본 발명의 실험에서는 스프레이 코팅방법으로 재질이 SUS인 하우징(20)의 내벽을 아연 또는 주석으로 100 ㎛ 두께 정도의 코팅층(24)을 마련하였으며, 비교를 위해 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)를 코팅한 하우징도 사용하였다. 기판(14)은 고분자 필름인 폴리이미드(PI, Dupont사의 Kapton 150 E)와 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, 코오롱사의 ASTRON)를 사용하였으며, 직류 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 구리(순도 99.99 %)를 기판(14)에 증착하였다.

본 실험에 따르면, 스퍼터링 증착은 비활성 기체로 아르곤 가스를 주입하여 1×10^-3 torr 정도의 진공도를 유지하고, 15 w/cm²의 직류 전압을 인가하였으며, 기 판(14)의 이동 속도를 0.5 m/min로 하여 각각의 필름 위에 구리를 연속 증착하였으며, 증착된 구리 박막의 두께는 2000Å정도로 되었다. 스퍼터링 증착 경과 시간에 따라 폭 30 cm, 길이 100 cm의 면적에 대해 육안 검사를 통해 핀홀의 개수를 측정하였다.

아래 표 1은 증착 조건에 따라 발생된 핀홀 개수에 대한 결과를 나타낸 도표이다.

[표 1]

		실험예			비교예
		1	2	3	1	2	3	4
고분자 필름		PI	PI	PET	PI	PI	PI	PET
캐소드 하우징		Zn/SUS	Sn/SUS	Zn/SUS	-	SUS	Al/SUS	Cu/SUS
증 착 시 간	30 분후	5	7	5	40	40	20	30
	60 분후	6	5	7	80	50	25	40
	90 분후	9	10	9	120	70	30	60
	120 분후	9	9	10	1180	100	50	90

비교예 1 에서와 같이, 하우징(20)을 사용하지 않고 구리를 증착하였을 경우 증착 시간이 경과함에 따라 핀홀 발생이 급격히 증가 하였으며, 비교예 2 에서와 같이, SUS 하우징과 알루미늄 또는 구리가 코팅된 SUS를 사용할 경우 핀홀 발생이 감소하였다. 한편, 실험예 1,2,3 에서 알 수 있는 바와 같이, 기판(14)의 종류에 상관없이 아연 또는 주석이 코팅된 SUS 하우징(20)을 사용할 경우 핀홀 발생이 현저히 감소하는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 가진다.

본 발명에서는 스퍼터링 캐소드 근처를 아연 또는 주석이 코팅된 하우징으로 감싸 타겟의 입자들이 충분한 속도로 하우징 벽면에 안정하게 증착되도록 함으로써 스퍼터링 공정에서의 핀홀 발생 빈도를 현저히 억제하였다.

Claims

스퍼터링 증착법으로 기판(14) 위에 금속을 박막 코팅하기 위하여 타겟(16)이 장착된 스퍼터링 캐소드(18)와 비활성 기체 유입구(11)가 형성된 진공 챔버(13)를 구비하는 스퍼터링 증착 장치에 있어서,

상기 비활성 기체 유입구(11) 및 상기 스퍼터링 캐소드(18) 주위를 감싸도록 설치되며, 내벽이 아연 또는 주석으로 코팅된 코팅층(24)을 가진 하우징(20)을 구비하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 장치.
제1항에 있어서,

상기 코팅층은 스프레이, 아크, 스퍼터링, 도금 중 어느 하나의 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 장치.
제2항에 있어서,

상기 코팅층은 스프레이 코팅된 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 코팅층은 20㎛ 내지 1mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 장치.
제1항에 있어서,

상기 하우징은 상기 기판과 일정한 간격이 유지되도록 하우징 내부로 절곡된 절곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 장치.
제1항에 있어서,

상기 타겟은 Cu, Ni, Cr, Ti, Al, ITO, TiO₂, 또는 이들의 합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 장치.
제1항에 있어서,

상기 기판은 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리테트라 플루오르 에틸렌, 폴리페닐렌 설파이드 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 장치.