KR100922487B1 - 박막 형성 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 막 두께 분포의 변화를 고려하고 막 두께 원주의 분포를 고려하여 막 두께를 보정할 수 있는 효과적인 박막 형성 장치, 및 이와 같은 막 형성 장치를 이용하여 박막을 형성하기 위한 방법을 제공한다. 방법은, 셔터 (8) 내의 개구부 (8a) 를 통해 두께로부터의 소정의 퍼센트로 박막을 형성하는 제 1 단계, 제 1 단계에서 형성된 박막의 두께 분포를 측정하기 위해 막 두께 모니터 (10) 를 이용하는 제 2 단계, 및 기판 (4) 과 스퍼터링 캐소드 (6) 사이의 셔터 (8) 내의 개구부 (8b) 에 의해 막 형성 속도를 제 1 단계에 비해 감소시키고, 제 2 단계의 막 두께 모니터 (10) 에 의해 측정된 막 두께의 분포에 대응하여 기판 (4) 과 스퍼터링 캐소드 (6) 사이의 제 1 막 두께 보정판 (13) 내의 개구부 (13a) 에 의해 박막의 두께를 보정하는 제 3 단계를 포함한다. 이 때, 박막 두께 모니터 (10) 를 이용하여 제 3 단계에서 형성된 박막의 두께 분포를 측정하는 동안, 제 2 단계를 다시 수행한다. 또한, 제 3 및 제 2 단계를 반복적으로 수행한다.
유전 박막, 스퍼터링 장치
Description
도 1은 통상의 반응 스퍼터링 장치의 개략적인 단면도.
도 2는 도 1의 셔터 (막 형성 속도 제어판) 의 상부도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 유형에 따른 반응 스퍼터링 장치의 개략적인 단면도.
도 4는 도 3의 셔터 (막 형성 속도 제어판) 의 상부도.
도 5는 도 3의 제 1 막 두께 보정판의 상부도.
도 6은 도 3의 제 2 막 두께 보정판의 상부도.
도 7은 본 발명의 실시예 3에 이용되는 제 3 막 두께 보정판의 상부도.
도 8은 본 발명의 제 2 실시 유형에 따른 반응 스퍼터링 장치의 개략적인 단면도.
도 9는 도 8의 제 1 셔터 및 제 2 셔터 (막 형성 속도 제어 부재) 의 상부도.
도 10은 비교예 7에 이용되는 셔터판 (막 형성 속도 제어 부재) 의 상부도.
＊도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＊
1 : 장치 챔버
2 : 회전 샤프트
3 : 기판 홀더
4 : 기판
5 : 타겟
6 : 스퍼터링 캐소드
8 : 셔터
9 : 회전 샤프트
10 : 막 두께 모니터
12a, 12b : 가스 주입 포트
13, 14 : 제 1 및 제 2 막 두께 보정판
본 발명은 기판 상에 박막을 형성하는 장치와 이 장치를 이용하여 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다. 예를 들면, 스퍼터링 그레인 (sputtering grain) 이 기판 상의 소망의 위치에 배치되는 경우, 스퍼터링 장치 등을 이용하여 유리 기판 상에 박막이 형성되면, 막 형성 조건이 균일하게 되도록 하기 위해 의도된 기판의 회전에도 불구하고, 그러한 박막은, 막 두께의 분포가 회전 가능한 기판의 방사방향으로 타겟 중심에 대응하는 기판의 일부분에 피크를 제공하도록 형성되는 경향이 있다. 또한, 회전 가능한 기판의 원주 방향으로 회전된 기판상에서, 막 형성이 시작되고 완료되는 위치에 의존하여, 그러한 막 두께의 분포는 이러한 위치가 분포의 시작 및 완료 포인트를 구성하도록 획득되는 경향이 있다. 그러한 막 두께의 분산 (dispersion) 은 소망의 막 두께 값으로부터 수 퍼센트 (percent) 로 벗어나는 경향이 있다. 그러나, 광학 디바이스와 광학 필터 등에서의 사용을 위한 광학 박막의 분야에서는, 막 두께에 의존하여 변화하는 광학 막 두께를 제어하기 위해 매우 정확하고 균일한 두께를 갖는 박막 (막 두께 × 굴절 지수) 을 형성하는 것이 바람직하다.
도 1에 나타난 바와 같이, 막 형성 조건을 균일하게 하기 위해 기판을 회전시키고, 이러한 기판 상에 박막을 형성하는, 통상의 스퍼터링 장치가 구성되어 있다. 이 장치에서, 회전 샤프트 (2) 에 의해 회전될 수 있도록 지지되는 기판 홀더 (3) 는 장치 챔버 (1) 의 상부에 제공된다. 유리 기판 (4) 은 홀더 (3) 상에 탑재된다. 또한, 장치 챔버 (1) 는, 막 형성 소오스로서 그 일면 영역의 단면 하부에 배치된 기판 (4) 과 마주보는 Ti 타겟 (5) 을 갖는 스퍼터링 캐소드 (6) 를 갖는다. 보호 커버 (7) 는 Ti 타겟으로 구성된 스퍼터링 타겟과 스퍼터링 캐소드 (6) 외측에 위치된다. 또한, 원형 개구부 (8a) 를 갖는 셔터 (8) 는 장치 챔버 (1) 의 하부에 제공되고, 셔터 (8) 는 회전 샤프트 (9) 에 의해 지지되어 그 둘레를 회전할 수 있도록 한다 (도 2 참조).
도 1 의 스퍼터링 장치에서, 기판 홀더 (3) 의 회전 샤프트 (2) 및 셔터 (8) 의 회전 샤프트 (9) 는 각각의 독립적인 회전 속도로 회전될 수 있다. 또한, 기판 (4) 상에 형성된 박막의 두께를 측정하기 위해, 기판 홀더 (3) 및 기판 (4) 은 그 위에 제공된 막 두께 모니터 (10) 를 갖는다. 막 두께 모니터 (10) 는 각각 광학 방사부 (light emitting section, 10a1 내지 10a3), 및 광학 방사부 (10a1 내지 10a3) 에 대응하는 광학 수신부 (light receiving section; 10b1 내지 10b3) 로 구성된다. 광학 방사부 (10a) 와 광학 수신부 (10b) 의 결합은 제 1 모니터 (10a1-10b1), 제 2 모니터 (10a2-10b2) 및 제 3 모니터 (10a2-10b3) 를 포함한다. 따라서, 광학 방사부 (10a1 내지 10a3) 및 광학 수신부 (10b1 내지 10b3) 로 구성되는 광학 센서는 모니터들의 시리즈 (제 1 내지 제 3 모니터) 를 구성함으로써, 막 두께 모니터 (10) 가 유리 기판 (4) 과 박막 사이의 투과율을 측정할 수 있도록 하여, 박막의 두께의 균일성을 모니터링한다. 또한, 장치 챔버 (1) 는 배기 펌프 (11) 에 의해 배기될 수 있다. 또한, 가스 주입 포트 (12a) 는 이를 통해 반응성 가스가 주입될 수 있도록 장치 챔버 (1) 단면의 하부의 스퍼터링 타겟-측 영역내에 제공된다. 가스 주입 포트 (12b) 는 이를 통해 반응 가스를 주입할 수 있도록, 장치 챔버 (1) 의 단면의 하부 내의 기판 홀더 (3) 에 근접하도록 위치된다.
유리 기판 (4) 상에 막을 형성하기 위해, 먼저, 사전-처리로서 진공 펌프 (11) 에 의해 챔버 (1) 의 내부를 배기시킨다. 다음으로, 가스 주입 포트 (12a) 를 통해 스퍼터링 가스로서 Ar 가스를 주입한다. 다음으로, 셔터 (8) 를 회전 샤프트 (9) 둘레로 회전시켜, 개구부 (8a) 를 타겟 (5) 위를 제외한 위치로 조절한다. 다음으로, 스퍼터링 캐소드 (6) 에 전력을 인가하여 프리-스퍼터링 (presputtering) 함으로써, 타겟 (5) 의 표면이 세정된다. 다음으로, 가스 주입 포트 (12a) 를 통해 스퍼터링 가스로서 Ar 가스를 주입하면서, 동시에 가스 주입 포트 (12b) 를 통해 반응 가스로서 산소 가스를 주입한다. 또한, 셔터 (8) 를 회전 샤프트 (9) 둘레로 회전시켜 개구부 (8a) 가 타겟 (5) 위의 위치에 있도록 조절한다. 전력을 스퍼터링 캐소드 (6) 에 인가하여, 스퍼터링 캐소드 (6) 상의 Ti 타겟 (5) 을 스퍼터링한다. 따라서, 산화막, TiO2 가 기판 (4) 상에 형성된다. 이 때, 기판 홀더 (3), 및 즉, 기판 (4) 은 회전 샤프트 (2) 둘레를 회전한다. 다음으로, 소정의 시간 동안 기판 (4) 상의 TiO2를 연속적으로 형성하면서, 막 두께 모니터 (10) 를 이용하여 기판 (4) 상에 형성된 박막의 두께를 측정한다. 일단, 막이 소망의 두께로 형성되면, 셔터 (8) 는 다시 회전하여, 타겟 (5) 위를 제외한 위치로 개구부 (8a) 를 조절한다. 다음으로, 막 형성은 완료된다.
이와 같은 통상의 장치에서, 셔터 (8) 는 막 형성의 시작 및 완료를 스위칭하는 수단 또는 프리-스퍼터링 단계 동안 타겟 물질이 기판 (4) 으로 유입되는 것을 방지하는 수단으로서 이용된다. 그리고, 개구부 (8a) 형상에 의해, 셔터 (8) 또한 기판 (4) 상의 박막 두께의 분포를 보정하는 기능을 갖는다. 일본 특허 공개 제 H4-173972 호에는, 도 5에, 셔터 (막 두께보정판) 가 개구부 (8a) 를 갖는 전술한 방법으로 막 두께가 보정될 수 있는 형상의 개구부를 갖는 셔터 (막 두께 보정판) 를 포함하는 스퍼터링 장치가 개시되어 있다.
그러나, 고정된 형상이 구비된 개구부를 갖는 셔터 (막 두께 보정판) 로, 다양한 스퍼터링 조건의 변화 (진공도, 주입된 가스량, 챔버로부터 방출된 가스량, 스퍼터링 전압, 스퍼터링 전류 등) 를 해결하는 것은 어렵다. 특히, 반응 스퍼터링 장치를 이용하여 산화 또는 질화막과 같은 박막이 형성되도록 하고, 이 경우의 막 형성 속도 및 막질이 타겟의 표면 상태에 의존한다는 것이 광학 박막 분야에서 공지되어 있다. 타겟의 표면 상태는 반응 가스의 분압과 관련된다. 통상, 막 형성 속도 및 반응 가스의 분압은 히스테리시스 커브 (hysteresis curve) 에 나타난 바와 같은 상관성을 갖는다. 또한, 전력 입력 시 히스테리시스 커브는 현저하게 변화하여, 불안정한 상태를 유발한다. 따라서, 전술한 스퍼터링 조건은 변화하기 쉽다.
한편, 일본 특허 공개 제 S61-183464 호에는, 도 2에 가동성의 복수개의 막 두께 보정판을 개구부의 형상을 조절하는 막 두께 보정 부재로 구성함으로써, 막 두께 분포의 변화를 해결하는 장치가 개시되어 있다. 그러나, 이 장치는, 막 두께 보정판에 대한 구동 작업이 수행되면, 챔버내의 진공도를 유지하는 것이 실패할 수도 있다. 따라서, 이 장치는 취급의 관점에서 효율적일 수 없다.
또한, 일본 특허 공개 제 H4-173972 호 및 제 S61-183464 호에 개시된 전술한 통상의 기술은, 방사 방향으로 회전 가능한 기판 상에 형성된 박막의 두께의 분포를 보정한다. 이 효과는, 회전의 시작 또는 완료 시 부여된, 원주 방향의 막 두께 분포를 보정하는 것이 확실하지 않다.
본 발명의 목적은, 전술한 문제의 관점에서, 막 두께를 효과적으로 보정하 여, 다양한 스퍼터링 조건에서 유발되는 막 두께의 방사 분포의 변화를 해결할 수 있고, 막 두께의 원주 분포를 해결할 수 있는 박막 형성 장치, 및 이와 같은 막 형성 장치를 이용하여 박막을 형성하는 방법을 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 실시 유형은, 서로 대향하여 위치되는 기판 및 막 형성 소오스를 포함하는 박막 형성 장치를 제공하고, 장치는 기판 상에 형성된 박막 형성 속도를 제어하기 위해 사용되는 개구부를 갖는 막 형성 속도 제어 부재, 및 기판 상에 형성된 박막의 두께를 보정하기 위해 사용되는 개구부를 갖는 막 두께 보정 부재를 더 포함하며, 막 형성 속도 제어 부재 및 막 두께 보정 부재는 기판과 막 형성 소오스 사이로 삽입되고 그로부터 제거되도록 제공된다.
이 경우, 장치에서, 막 형성 속도 제어 부재 및 막 두께 보정 부재는 기판과 막 형성 소오스 사이에 삽입되고, 이러한 구성들은 기판, 막 두께 보정 부재, 막 형성 속도 제어 부재, 및 막 형성 소오스의 순서로 배치된다.
막 형성 속도 제어 부재는 각각 면적이 상이한 둘 이상의 개구부를 갖고, 각각의 개구부는 개구부의 면적의 스케일 (scale) 의 순서로 선택될 수 있다. 이 때, 각각의 개구부는 막 형성 속도를 효과적으로 제어하도록 선택된다.
또한, 막 형성 속도 제어 부재는 개구부를 갖는 둘 이상의 막 형성 속도 제어판이고, 막 형성 속도 제어판내의 개구부는 각각 면적이 상이하고, 각각의 막 형성 속도 제어판은 선택될 수 있다. 또한, 이 경우, 각각의 막 형성 속도 제어판은 막 형성 속도를 효과적으로 제어할 수 있도록 선택된다.
반면에, 막 두께 보정 부재는 각각 상이한 형상을 갖는 둘 이상의 개구부를 갖고, 각각의 개구부는 기판 상의 박막의 두께의 분포에 의존하여 선택될 수 있다. 이 때, 각각의 개구부는 막 두께를 효과적으로 보정하기 위해 선택되도록 한다.
또한, 막 두께 보정 부재 내의 개구부는 둘 이상의 선택 가능한 가동성 셔터를 갖고, 개구부의 면적은 기판 상의 박막 두께 분포에 의존하여 선택적으로 셔터를 이동시킴으로써 증가 또는 감소될 수 있다. 이 때, 막 두께를 효과적으로 보정하기 위해, 각각의 가동성 셔터는 개구부의 면적을 증가 또는 감소시키도록 선택할 수 있다.
이러한 경우, 특히, 외부 전기 신호는 셔터를 이동하기 위해 이용된다. 이 때, 셔터의 이동은 챔버 외측에서 제어되므로, 챔버 내부에서의 진공 상태의 깨어짐과 같은 취급 관점에서의 단점을 제거할 수 있다.
전술한 막 형성 장치를 이용하는 박막 형성 방법은, 먼저, 두께로부터의 소정의 퍼센트로 박막을 형성하는 제 1 단계, 다음으로, 제 1 단계에서 형성된 박막의 두께 분포를 측정하는 제 2 단계, 및, 추가로, 제 1 단계의 것보다 더 낮은 막 형성 속도를 이루기 위해 기판과 막 형성 소오스 사이에 막 형성 속도 제어판을 삽입하고, 박막의 두께를 보정하는 제 2 단계에서 측정된 막 두께의 분포에 대응하여 기판과 막 형성 소오스 사이에 막 두께 보정판을 삽입하는 제 3 단계를 포함한다. 이러한 단계는 연속적으로 수행된다. 이 때, 제 1 단계 동안 박막을 소망의 두께로부터 벗어난 지배적인 퍼센트 (약 95% 이상) 로 형성한 후, 제 2 단계 동안 막 두께의 분포를 모니터링하면서, 제 3 단계 동안 막 두께를 보정하기 위해 막 두께 보정판을 이용할 수 있다. 따라서, 소망하는 균일한 막 두께가 획득된다.
이 경우, 제 3 단계에서 형성된 박막 두께의 분포를 측정하기 위해 제 2 단계를 다시 수행하고, 다음으로, 현재의 제 3 단계 및 현재의 제 2 단계를 동일한 사이클로 반복적으로 수행하며, 현재의 제 3 단계는, 박막의 두께를 보정하기 위한 선행된 제 3 단계보다 더 낮은 막 형성 속도를 이루기 위해, 막 형성 속도를 제어할 수 있는, 개구부를 갖는 막 형성 속도 제어판을 기판과 막 형성 소오스 사이에 삽입하는 동작, 및 선행된 제 3 단계 후 다시 수행되는 선행된 제 2 단계에서 측정된 막 두께의 분포에 대응하도록 박막의 두께를 보정할 수 있는, 개구부를 갖는 막 두께 보정판을 기판과 막 형성 소오스 사이에 삽입하는 동작을 동시에 수행하고, 현재의 제 2 단계는 현재의 제 3 단계에서 형성된 박막의 두께의 분포를 측정한다. 다음으로, 현재의 제 3 단계 및 현재의 제 2 단계는 동일한 사이클로 반복하여 수행된다. 다음으로, 소망의 두께를 갖는 박막을 최종적으로 획득한다. 소망의 두께를 갖는 박막의 형성은 현재의 제 2 단계의 측정에 의해 확인된다.
또한, 동일한 사이클 동안, 제 2 단계는 제 1 단계 및 제 3 단계와 함께 동시에 수행된다. 다음으로, 막 두께 모니터에 의한 측정을 보다 빠르게 피드백한다. 이는 막 두께의 분포가 보다 효과적으로 보정되도록 한다.
본 발명에 따른 막 형성 장치의 제 2 실시 유형에 따르면, 전술한 장치에서, 특히, 기판으로서 회전 가능한 기판을 이용하고, 막 두께 측정 수단은 회전 가능한 기판의 반경을 따라 복수개의 측정 포인트에서 박막의 두께를 측정하도록 제공되며, 막 형성 속도 제어 부재에는 회전 가능한 기판의 반경을 따라 경사진 막 형성 속도 구배에 작용하는 개구부, 및 개구부의 개방 정도를 증감시킬 수 있는 개폐 셔터가 제공되며, 가동성 셔터를 막 두께 보정 부재로 이용하여 기판 상의 박막의 형성을 중단한다.
본 장치는 막 두께 측정 수단에 의해 측정된 값에 대응하여 막 형성 속도 제어 부재로 제공된 개폐 셔터를 이동시켜, 막 형성 속도 제어 부재 내의 개구부의 개방 정도를 증감시킬 수 있다. 이는 박막이 기판 상에 형성되는 속도를 제어할 수 있다. 또한, 장치는, 막 두께 측정 수단에 의해 측정된 값에 대응하여, 셔터, 즉 막 두께 보정 부재를 이동시켜, 기판의 특정 영역 내의 막 형성을 중단할 수 있다. 따라서, 가동성 셔터를 사용함으로써 소망의 막 두께가 달성된 막 형성 영역내의 막 형성을 중단함으로써, 막 형성 속도 제어 부재 및 그것의 개폐 셔터에 의해, 회전 가능한 기판의 반경을 따라 정확하게 경사진, 방사 방향으로의 막 두께의 분포를 보정하여 소망의 막 두께로 평평하게 할 수 있다. 이 때, 개폐 셔터가 막 형성 속도 제어 부재내의 개구부의 개방 정도를 감소시키도록 이동됨으로써, 박막이 형성되는 속도를 감소시킨다. 또한, 이는 기판 상의 박막 두께의 원주 분포를 보정하여, 평평하게 되도록 한다.
또한, 이 때, 회전 가능한 기판의 반경을 따라 복수개의 포인트들에서 박막의 두께를 측정함으로써, 박막 두께의 방사 및 원주 분포를 보다 민감하게 측정할 수 있을뿐 아니라, 회전 가능한 기판의 방사 방향으로 경사진 막 두께의 분포 또한 정확하게 관찰할 수 있다.
전술한 제 2 실시 유형에 따른 박막 형성 장치를 이용한 박막을 형성하는 방법은, 먼저, 막 형성 속도 제어 부재 및 막 두께 보정 부재 중에서, 막 형성 속도 제어 부재만을 기판과 막 형성 소오스 사이에 삽입하고, 막 형성 속도 제어 부재의 개폐 셔터를 개방하여 유지하면서 소망의 두께로부터의 소정의 퍼센트로 박막을 형성하는 제 1 단계, 다음으로, 제 1 단계 동안 막 형성 속도 제어 부재만을 기판과 막 형성 소오스 사이에 삽입하여 유지하면서, 제 1 단계 동안 막 두께 측정 수단에 의해 측정된 값에 대응하여 막 형성 속도 제어 부재의 개폐 셔터를 이동시키고, 그에 의해, 개구부의 개방 정도를 제 1 단계에 비해 감소시키는 제 2 단계, 및 다음으로, 제 2 단계 동안 감소된 막 형성 속도 제어 부재의 개방 정도를 감소시켜 유지하면서, 제 2 단계 동안 막 두께 측정 수단에 의해 측정된 값에 대응하여 기판과 막 형성 소오스 사이에서 셔터를 이동시키고, 그에 의해, 소망의 막 두께가 달성된 기판 상의 막 형성 영역 내의 막 형성을 중단하는 제 3 단계를 포함한다. 이러한 단계는 이 순서로 수행된다.
본 방법에서, 제 1 단계 동안, 소망의 두께의 대부분의 퍼센트 (최대 막 두께부에서 약 95%) 가 되도록 박막을 형성한다. 다음으로, 제 2 단계 동안, 소망의 두께가 상대적으로 낮은 막 형성 속도로 정확하게 달성되고, 막 두께의 원주 분포는 보정되어 평평해지도록 한다. 또한, 제 3 단계 동안, 막 두께 보정 부재는 소망의 막 두께가 달성된 기판 상의 막 형성을 중단시킨다. 따라서, 막 두께의 방사 분포는 보정되어 최후에는 평평해질 수 있으므로, 소망의 균일한 막 두께를 획득할 수 있다.
제 1 및 제 2 실시 유형에 따른 전술한 막 형성 장치에서, 스퍼터링 캐소드로서 막 소오스가 제공되면, 두 가지 모두 일반적인 스퍼터링 장치로 취급될 수 있다.
이 경우, 스퍼터링 캐소드, 희가스 (rare gas) 를 포함하는 스퍼터링 가스, 및 반응 가스를 이용하는 반응 스퍼터링 공정에 의해, 타겟 재료와 반응 가스의 반응에 의한 유전 박막을 형성할 수 있다.
이와 같은 반응 가스는, 산소, 질소, 탄소등과 같은 원소를 포함하는 가스일 수도 있다. 그러나, 이와 같은 단일-재료 가스 (O2, O3, N2 등) 또는 화합물 가스 (N2O, H2O, NH3 등) 뿐 아니라 이들의 혼합 가스를 사용할 수도 있다.
이 경우, 막 형성 장치는, 기판 상에 금속 박막을 형성하기 위해, 스퍼터링 캐소드의 스퍼터링 타겟 금속을 스퍼터링하는 희가스를 포함한 스퍼터링 가스를 이용한 금속막 형성 수단, 및 반응 가스를 이용하여 기판 상에 형성된 금속 박막을 산화 또는 질화시키는 산화 또는 질화 수단을 더 포함한다. 이 장치는 스퍼터링 영역과 반응 영역을 분리함으로써, 유전 박막이 보다 효과적으로 형성될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 유형에 따른 반응 스퍼터링 장치를 개략적으로 나타낸다. 이 장치는, 2개의 막 두께 보정판, 즉, 제 1 및 제 2 막 두께 보정판 (13, 14) 으로 구성된 막 두께 보정 부재가 기판 홀더 (3) 와 근접하여 제공된다는 점에서, 도 1의 반응 스퍼터링 장치와 상이하다. 제 1 및 제 2 막 두께 보정판 (13, 14) 은 모두 회전 샤프트 (15) 에 의해 지지되고, 샤프트 둘레를 독립적으로 회전할 수 있다. 또한, 도 4는 도 3의 셔터 (8) 의 상부도이다. 도 3의 막 형성 장치에 이용되는 셔터 (8) 는, 그 곳에 제공되고 각각 면적이 상이한 개구부 (8a, 8b, 8c) 를 갖는다. 이 셔터 (8) 는 회전 샤프트 (9) 둘레를 회전하여, 개방 면적의 스케일의 순서로 각각의 개구부 (8a, 8b, 8c) 를 선택하도록 허용한다. 또한, 도 5는 제 1 막 두께 보정판 (13) 의 상부도이다. 도 6은 제 2 막 두께 보정판 (14) 의 상부도이다. 도 5의 제 1 막 두께 보정판 (13) 은 그 곳에 제공된 개구부 (13a) 를 갖는다. 도 6의 제 2 막 두께 보정판 (14) 은 그 곳에 제공된 개구부 (14a) 를 갖는다. 개구부들 (13a, 14a) 의 형상은 상이하다.
도 3의 막 형성 장치를 이용하여 유리 기판 (4) 상에 막을 형성하기 위해, 먼저, 도 1의 경우와 같이 사전-처리 및 프리-스퍼터링 단계를 수행한다. 다음으로, 스퍼터링 가스로서 Ar 가스를 가스 주입 포트 (12a) 를 통해 주입하고, 반응 가스로서 산소 가스를 가스 주입 통로 (12b) 를 통해 주입한다. 또한, 셔터 (8) 를 회전 샤프트 (9) 둘레로 회전시켜, 타겟 (5) 상에 개구부 (8a) 가 위치되도록 한다. 다음으로, 전력이 스퍼터링 캐소드 (6) 에 인가되고, 그에 따라 스퍼터링 캐소드 (6) 상의 Ti 타겟에 인가된다. 따라서, TiO2로 구성되는 산화막을 기판 (4) 상에 형성한다. 이 때, 기판 홀더 (3), 및 이에 따른, 기판 (4) 은 회전 샤프트 (2) 둘레를 회전한다. 다음으로, 기판 (4) 상의 TiO2를 소정의 시간 동안 연속적으로 형성한다. 일단, 박막이 소망의 두께로부터 약 95%로 형성되면, 셔터 (8) 는 다시 회전되어 개구부 (8a, 8b, 8c) 가 타겟 (5) 상에 위치되지 않도록 한다. 다음으로, 막 형성은 완료된다.
본 실시 유형에서, TiO2를 구성하는 산화막은 유전 박막으로 형성된다. 그러나, 가스 주입 포트 (12b) 를 통해 반응 가스로서 질소 가스를 주입함으로써 질화막을 형성할 수도 있다.
다음으로, 막 두께 모니터 (10) 를 이용하여 기판 (4) 상에 형성된 박막의 두께를 측정한다. 막 두께 모니터 (10) 는 기판 상의 박막의 두께를 3개의 포인트에서 측정한다. 매 소정의 시간마다 이러한 3개의 포인트 데이터를 획득하는 것은, 기판 홀더 (3) 의 회전 원의 방사 방향으로 박막 두께의 분포의 모니터링을 가능하게 한다.
또한, 제 1 및 제 2 막 두께 보정판 (13, 14) 은 측정의 결과에 의해 나타난 막 두께의 분포를 보정하는데 적합한 것으로 선택되고, 회전 샤프트 (15) 둘레를 회전함으로써 기판 (4) 과 타겟 (5) 사이로 삽입된다. 동시에, 셔터 (8) 는 회전되어 타겟 (5) 위로 개구부 (8b) 를 위치시킨다. 다음으로, 박막 형성을 재시작하여 소망의 두께로부터의 잔류 부분 (약 5% 이하) 을 달성하도록 한다.
이 경우, 선행된 막 형성 단계에 비해, 개방 면적, 및 이에 따른, 막 형성 속도를 감소시키기 위해, 셔터 (8) 의 개구부 (8a) 를 개구부 (8b) 로 변화시킨다. 박막의 두께에 대한 소망하는 매우 정교한 균일성을 달성하기 위해, 셔터가 개방되어 막 형성이 시작되거나 또는 폐쇄되어 막 형성이 완료되면, 막 두께의 원주 분포의 형성은 막이 형성되었는지의 유무에 현저하게 의존하지만, 이 의존성은 전술한 바와 같이 막 형성 속도를 감소시킴으로써 저하될 수 있다. 이와 같이, 개구부 (8a, 8b, 8c) 를 갖는 셔터 (8) 는, 서로 상이한 면적인 각각의 개구부 (8a, 8b, 8c) 를 선택하여 그의 개방 면적을 변화시킬 수 있도록 함으로써, 막 형성 속도 제어 부재의 기능을 갖는다. 또한, 스퍼터링 캐소드 (6) 에 인가되는 전력 감소에 의해 영향받는 막 형성 속도 감소의 경우와 다르게, 타겟 (5) 의 표면 상태와 반응 가스의 분압 등은 변동되지 않기 때문에, 막 형성 속도의 감소는 스퍼터링 조건에 영향을 미치지 않는다.
본 실시 유형에서는, 복수개의 개구부를 갖는 단일 셔터를 이용한다. 그러나, 각각의 셔터 내의 개구부가 상이한 면적을 갖는, 각각 하나의 개구부를 갖는 둘 이상의 셔터는, 그 셔터들 중 임의의 셔터가 각각의 셔터를 적절히 선택함으로써 막 형성 속도를 제어하는데 사용될 수 있도록 이용될 수도 있다.
이 때, 기판 (4) 상의 TiO2를 소정의 시간 동안 연속적으로 형성한다. 일단, 대부분의 박막 (잔류 5%로부터의 약 95%) 이 형성되면, 셔터 (8) 는 다시 회전하여, 개구부들 (8a, 8b, 8c) 이 타겟 (5) 상에 위치되지 않도록 한다. 막 형성은 완료된다.
또한, 막 두께 모니터 (10) 는 기판 (4) 상에 형성된 박막의 두께를 측정한다. 이 때, 측정 결과에 의해 나타난 막 두께의 분포를 보정하기에 적합한 것으로 제 1 및 제 2 막 두께 보정판 중 하나를 선택한다. 선택된 막 두께 보정판은 회전 샤프트 (15) 둘레를 회전하면서 기판 (4) 과 타겟 (5) 사이에 삽입된다. 동시에, 셔터 (8) 는 회전하여 개구부 (8c) 가 타겟 (5) 위로 위치된다. 다음으로, 박막 형성을 재시작하여, 소망의 두께로부터의 잔류 부분을 달성하도록 한다.
이와 같은 공정을 반복하고, 박막 모니터 (10) 에 의해 측정된 값이 막 두께에 대해 소정의 값을 나타내면, 모든 막 형성 공정은 완료된다.
본 실시형태에서, 막 두께 보정 부재는 고정된 개구 형상을 갖는 제 1 및 제 2 두께 보정판 (13, 14) 을 갖도록 설계된다. 그러나, 각각 상이한 형상을 구비하는 둘 이상의 개구부를 갖는 단일 막 두께 보정판이 대신 사용될 수도 있다. 또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 개구부의 개방 형상 (16a) 이 변화될 수 있는 제 3 막 두께 보정판 (16) 을 이용할 수 있다 (제 3 막 두께 보정판의 상세한 설명은 후술되는 실시예 3을 참조할 것). 제 1 내지 제 3 막 두께 보정판 (13, 14, 16) 은 외부 전기 신호에 의해 이동될 수 있도록 구성되며, 이 때, 막 두께 보정판은 챔버 외부에서 제어될 수 있다. 이는 챔버 내부의 진공 상태의 깨어짐과 같은 취급의 관점에서의 단점을 제거한다.
본 실시형태에서, 막 두께 보정 부재는 고정된 개구 형상을 갖는 제 1 및 제 2 두께 보정판 (13, 14) 을 갖도록 설계된다. 그러나, 각각 상이한 형상을 구비하는 둘 이상의 개구부를 갖는 단일 막 두께 보정판이 대신 사용될 수도 있다. 또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 개구부의 개방 형상 (16a) 이 변화될 수 있는 제 3 막 두께 보정판 (16) 을 이용할 수 있다 (제 3 막 두께 보정판의 상세한 설명은 후술되는 실시예 3을 참조할 것). 제 1 내지 제 3 막 두께 보정판 (13, 14, 16) 은 외부 전기 신호에 의해 이동될 수 있도록 구성되며, 이 때, 막 두께 보정판은 챔버 외부에서 제어될 수 있다. 이는 챔버 내부의 진공 상태의 깨어짐과 같은 취급의 관점에서의 단점을 제거한다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시 유형에 따른 반응 스퍼터링 장치를 개략적으로 나타낸다. 본 장치는, 제 1 셔터 (21a) 와 제 2 셔터 (22a, 22b) 로 구성된 막 형성 속도 제어 부재가 도 1의 셔터 (8) 대신 제공된다는 점, 기판 홀더 (3) 와 근접하는 막 두께 보정 부재로서 판-형 가동성 셔터 (23) 가 추가적으로 제공된다는 점, 및 산화 반응을 촉진하기 위해 플라즈마 소오스 (24) 가 추가적으로 제공된다는 점에서, 도 1의 반응 스퍼터링 장치와 다르다.
이와 같은 구성 요소 중, 제 1 셔터 (21a) 와 제 2 셔터 (22a, 22b) 의 상부도를 도 9에 나타낸다. 도 9를 참조하면, 제 1 셔터 (21a) 는 개방 각도 (θ) 를 갖는 개구부 (21b), 개구부 (21c), 및 제 2 셔터 (22a, 22b) 를 갖는다. 구동 작업 (미도시) 이 회전 샤프트 (9) 와 동축으로 구동 기어 (22c) 를 회전시키면, 제 2 셔터 (22a, 22b) 는 셔터 (21a) 내의 개구부 (21b) 의 개방 정도를 증가 또는 감소시킬 수 있다.
또한, 셔터 (23) 는 기판 (4) 과 평행하게 이동될 수 있다. 구동 작업 (미도시) 에 의해 가동적 셔터 (23) 가 스퍼터링 장치 (1) 로 삽입되면, 기판 (4) 과 스퍼터링 캐소드 (6) 사이에 위치되어, 스퍼터링에 의해 기판 (4) 상의 막 형성은 중단된다.
도 8의 막 형성 장치 (1) 를 이용하여 유리 기판 (4) 상에 막을 형성하기 위해, 먼저, 도 1의 경우와 같이 사전-처리 및 프리-스퍼터링 단계를 수행한다. 다음으로, 스퍼터링 가스로서 가스 주입 포트 (12a) 를 통해 Ar 가스를 주입하면서, 반응 가스로서 가스 주입 포트 (12b) 를 통해 산소 가스를 주입한다. 또한, 셔터 (23) 를 기판 (4) 외부 위치로 이동시키고, 그 회전 원으로부터 충분히 멀어지도록 하여 대기시킨다. 다음으로, 제 1 셔터 (21a) 를 회전 샤프트 (9) 둘레로 회전시키면서, 제 2 셔터 (22a, 22b) 의 충분한 개방 정도를 유지시켜, 타겟 (5) 위의 제 1 셔터 (21a) 내에 개구부 (21b) 가 위치되도록 한다. 다음으로, 전력을 스퍼터링 캐소드 (6) 에 인가하여, 스퍼터링 캐소드 (6) 상에 Ti 타겟 (5) 을 스퍼터링하기 시작한다. 따라서, TiO2로 구성되는 산화막이 기판 (4) 상에 형성된다. 이 때, 기판 홀더 (3), 및 이에 따른, 기판 (4) 을 회전 샤프트 (2) 둘레로 회전시킨다.
본 실시형태에서, 유전 박막으로서 TiO2로 구성되는 산화막을 형성한다. 그러나, 반응 가스로서 가스 주입 포트 (12b) 를 통해 질소 가스를 주입함으로써 질화막을 형성할 수도 있다.
TiO2로 구성되는 산화막이 형성되면, 제 1 셔터 (21a) 는 외측 회전 원이 회전 가능한 기판 (4) 의 반경을 따라 확장하도록 형성된 개구부 (21b) 형상을 구비하기 때문에, 막 형성 속도가 증가할수록 기판 (4) 상에 형성된 박막 두께의 분포는 외부 회전 원이 회전 가능한 기판 (4) 의 반경을 따라 확장하는 경향을 나타내므로, 막 두께는 더욱 증가된다.
다음으로, 기판 (4) 상의 TiO2는 소정의 시간 동안 연속적으로 형성된다. 다음으로, 막 두께 모니터 (10) 가 막의 가장 두꺼운 영역의 두께가 소망의 두께로부터 약 95%인 것으로 검출하면, 제 1 셔터 (21a) 의 구동 기어 (22c) 는 제 2 셔터 (22a, 22b) 의 개방 정도를 감소시킨다. 이는 제 1 셔터 (21a) 내의 개구부 (21b) 를 감소시킨다. 이 때, 각각의 개방 면적을 감소시킴으로써 초기 상태보다 감소된 막 형성 속도를 이루기 위해, 셔터 (22a, 22b), 및 이에 따른, 제 1 셔터 (21a) 의 개구부 (21b) 의 개방 정도는 감소된다. 박막의 두께에 대해 더욱 정교한 균일성을 실현하기 위해, 막 두께의 원주 분포의 평평도는, 셔터가 개방되어 막 형성이 시작 또는 폐쇄되어 막 형성이 완료되는 순간 막이 형성되었는지의 유무에 현저하게 의존하지만, 전술한 바와 같은 막 형성의 방식으로 막 형성 속도를 감소시킴으로써 이 의존도를 감소시킬 수 있다. 그 결과, 막 두께의 평평한 분포는 원주 방향으로 획득될 수 있다. 이 경우, 제 2 셔터 (22a, 22b) 를 갖는 제 1 셔터 (21a), 즉 개폐 셔터는 개구부 (21b) 의 개방 면적을 변화시킬 수 있으므로, 막 형성 속도 제어 부재로서의 기능을 갖는다. 또한, 스퍼터링 캐소드 (6) 에 인가되는 전력을 감소시킴으로써 막 형성 속도를 감소시키는 경우와는 달리, 타겟 (5) 의 표면 상태와 반응 가스의 분압 등은 변동되지 않으므로, 막 형성 속도의 감소는 스퍼터링 조건에 영향을 미치지 않는다.
한편, 각각의 3개의 측정 포인트 (101, 102, 103) 에서 기판 (4) 상의 박막 두께를 측정하기 위해, 막 두께 모니터 (10) 는 제 1 모니터 (10a1-10b1), 제 2 모니터 (10a2-10b2), 및 제 3 모니터 (10a3-10b3) 를 이용한다. 매 소정의 시간마다 이러한 세-점 데이터를 획득하는 것은 기판 홀더 (3) 의 회전 원의 방사 방향으로 박막 두께 분포의 모니터링을 가능하게 한다. 도 8에서, 참조 번호 (101＇, 102＇, 103＇) 는, 각각 막 두께 모니터 (10) 에 속하는 포인트들 (101, 102, 103) 에 대응하는 각각의 동심원 상에서 기판 (4) 의 막 형성 영역에 위치된 포인트를 나타낸다.
다음으로, 제 2 셔터 (22a, 22b) 의 개방 정도를 보다 작게 유지하면서, 소정의 시간 동안 기판 (4) 상에 TiO2를 연속적으로 형성한다. 일단, 막 두께 모니터 (10) 가 제 1 모니터 (10a1-10b1) 에 의해 막 두께가 소정의 값에 도달한 것으로 검출하면, 셔터 (23) 가 이동되어, 셔터 (23) 의 단부 (23a) 가 동심원의 위치들 (101＇, 102＇), 즉, 측정된 위치들 (101, 102) 에 대응되는 위치들 (101＇, 102＇) 사이의 소정의 영역을 충분히 커버링한다. 따라서, 측정 위치 (101) 에 근접하는 영역의 막 형성은 중단되어 완료된다.
다음으로, 전술한 상태에서, 소정의 시간 동안 기판 (4) 상에 TiO2를 연속적으로 형성한다. 일단, 막 두께 모니터 (10) 가 제 2 모니터 (10a2-10b2) 에 의해 막 두께가 소망의 값에 도달한 것으로 검출하면, 셔터 (23) 가 이동되어, 셔터 (23) 의 단부 (23a) 가 동심원의 위치들 (102＇, 103＇), 즉, 측정된 위치들 (102, 103) 에 대응하는 위치들 (102＇, 103＇) 사이의 소정의 영역을 충분히 커버링한다. 따라서, 측정된 위치 (102) 에 근접하는 영역의 막 형성은 중단되어 완료된다.
다음으로, 전술한 상태에서, 소정의 시간 동안 기판 (4) 상에 TiO2를 연속적으로 형성한다. 일단, 두께 모니터 (10) 가 제 3 모니터 (10a3-10b3) 에 의해 막 두께가 소망의 값에 도달한 것으로 검출하면, 셔터 (23) 는 단부 (23a) 가 기판 (4) 의 중심 위치 (4a) 에 도달하도록 이동하여, 기판 (4) 의 반이 가동성 셔터 (23) 로 완전하게 커버링된다. 따라서, 기판 (4) 상의 막 형성은 중단되고 동시에 모든 막 형성 공정은 완료된다.
본 실시형태에서, 박막 두께의 분포는 외부 회전 원이 회전 가능한 기판 (4) 의 반경을 따라 확장되는 경향을 나타내고, 막 두께가 증가할수록, 외부 회전원이 회전 가능한 기판 (4) 의 반경을 따라 확장되도록 형성된 개구부 (21b) 를 갖는 제 1 셔터 (21a) 를 이용하므로, 막 형성 속도는 더욱 증가된다. 막 형성을 회전원의 외부에서 내부로 연속적으로 중단시키기 위해, 셔터 (23) 를 회전원의 외부에서 내부로 이동시킴으로써, 반경 방향 내에서 경사진 막 두께의 분포가 평평해지므로, 연속적으로 균일한 소망의 막 두께를 갖는 박막이 획득된다.
그러나, 본 발명은 이와 같은 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 역으로, 내부 회전원이 회전 가능한 기판 (4) 의 반경을 따라 확장하도록 경사진 미리 형성된 막 두께 분포를 가지므로써 평평한 분포의 막 두께를 획득하는 것이 가능하며, 막 두께가 두꺼워질수록, 회전 원의 내부로부터 외부로 막 형성을 연속적으로 중단할 수 있다.
또한, 막 두께 모니터 (10) 의 많은 수의 측정 위치를 이용하여 막 두께의 분포를 보다 정확하게 제어할 수 있다. 또한, 셔터 (23) 를 단계적으로 이동하는 대신 연속적으로 이동시킴으로써 막 두께의 분포를 보다 정확하게 제어할 수 있다.
실시예
실시예 1
도 3의 스퍼터링 장치는, 기판 홀더 (3) 상에 200mm의 직경을 갖는 광학적으로 연마된 도우넛-형상의 유리 기판을 위치시키도록 이용되었다. 다음으로, 챔버 (1) 의 내부를 1×10-5 Pa 이하의 압력으로 배기하였다. 다음으로, 가스 주입 포트 (11) 를 통해 20sccm의 Ar 가스를 주입하고, 가스 주입 포트 (12b) 를 통해 5sccm의 산소 가스를 주입하였다. 따라서, 챔버 (1) 의 내부를 0.5Pa의 압력으로 유지하였다. 제 1 및 제 2 막 두께 보정판 (14, 14) 이 기판 상에 위치되지 않도록 유지하였다. 셔터 (8) 내의 개구부 (8a, 8b, 8c) 가 스퍼터링 캐소드 (6) 상에 위치되지 않은 것을 확인한 후, 기판 홀더 (3) 를 회전 샤프트 (2) 둘레로 약 1500rpm으로 회전시켰다. 다음으로, 비정상적인 방전을 방지하기 위해 대기해왔던 2-kW의 펄스 DC 유전 전력을 스퍼터링 캐소드 (6) 에 인가하여 방전을 시작하였다. 타겟 재료는 Ti였다. 셔터 (8) 내의 개구부 (8a) 를 스퍼터링 캐소드 (6) 상에 위치시켰고, 막 형성을 시작하였다. 이 때, TiO2를 200Å/min의 속도로 형성하였다. 막 두께 모니터 (10) 가 이미 1990Å의 막 두께 (측정 포인트에서 획득된 최대값) 를 나타냈던 것으로 조절되면, 셔터 (8) 를 폐쇄하였다.
다음으로, 막 두께 모니터에 의해 수행된 측정 결과에 대응하여, 개구부 형상 (13a) 을 갖는 제 1 막 두께 보정판 (13) 을 스퍼터링 캐소드 (6) 와 기판의 표면 (4) 사이로 이동시켰다. 다음으로, 셔터 (8) 의 개구부 (8b) 를 스퍼터링 캐소드 (6) 위로 이동시켰다. 이 때, 막은 20Å/min 의 속도로 형성되었다. 막 두께 모니터 (10) 가 총 2000Å의 막 두께 (측정 포인트에서 획득된 최대값) 를 나타내면 셔터 (8) 를 폐쇄하였다.
막을 형성한 후, 기판 (4) 를 꺼내었다. 엘립소메터 (ellipsometer) 를 이용하여 기판 (4) 상의 박막의 두께와 막 두께의 분포를 측정하였다. 그 결과, 평균 막 두께는 2000.3Å이였고, 막 두께의 분포는 평균 막 두께에 대해 ±0.08%의 분산을 가졌다. 또한, 동일한 실험을 5차례 반복하여 재생산성을 측정하였다. 그 결과, 평균 막 두께 및 분포는 2000.0ű0.08%, 2000.5ű0.05%, 1998.8ű0.08%, 2000.1ű0.06%, 및 1999.6ű0.07%로 나타났다.
실시예 2
도 3의 스퍼터링 장치를 이용하여 도 1과 같은 동일한 조건하에서 막 형성을 시작하였다. TiO2를 200Å/min의 속도로 형성하였다. 다음으로, 막 두께 모니터 (10) 가 1990Å의 막 두께를 나타내면, 먼저, 셔터 (8) 를 폐쇄하였다. 막 두께 모니터는 원-포인트 (one-point) 측정이 수행되였고, 기판 (4) 의 방사 방향으로 이동하면서 기판 (4) 상의 복수개의 포인트들에서 막 두께를 측정하였다.
다음으로, 개구부 (13a) 를 갖는 제 1 막 두께 보정판 (13) 과 셔터 (8) 내의 개구부 (8b) 를 이용하여 20Å/min에서 막 형성을 수행하였다. 막 두께 모니터 (10) 가 총 1996Å의 막 두께를 나타낼 때, 셔터 (8) 를 다시 폐쇄하였다.
다음으로, 막 두께 모니터 (10) 가 5Å/min의 막 형성 속도에서 2000Å의 총 두께를 나타내면, 개구부 (14a) 를 갖는 제 2 막 두께 보정판 (14) 과 셔터 (8) 내의 개구부 (8c) 를 이용하여 셔터 (8) 를 다시 폐쇄하였다.
막이 형성된 후, 기판 (4) 을 꺼낸다. 엘립소메터를 이용하여 박막의 두께와 기판 (4) 상의 막 두께의 분포를 측정한다. 그 결과, 평균 막 두께는 2000.0Å이었고, 막 두께의 분포는 평균 막 두께에 대해 ±0.02%의 분산을 가졌다.
실시예 3
도 7에 나타낸 바와 같이, 도 3의 스퍼터링 장치의 제 1 및 제 2 막 두께 보정판 (13, 14) 대신 제 3 막 두께 보정판 (6) 을 이용하였다. 제 3 막 두께 보정판 (16) 은, 셔터 스플라인 (spline) (181 내지 1814) 이 마이크로실린더 (171 내지 1714) 에 각각 연결되었고, 각각의 마이크로 실린더 (171 내지 1714) 가 회전 샤프트 (19) 를 통해 연장하는 신호 케이블 (20) 을 이용하여 늘어날 수 있으며, 개구부 (16a) 의 형상이 스플라인 (181 내지 1814) 를 이동시킴으로써 임의로 변화할 수 있는 구조를 갖는다.
제 1 및 제 2 막 두께 보정판 (13, 14) 대신, 제 3 막 두께 보정판 (16) 을 이용한 것을 제외하고, 실시예 2와 거의 동일한 조건하에서 제 3 막 두께 보정판 (16) 내의 개구부 (16a) 의 형상을 적절하게 변화시켜 막을 형성하였다. 그 결과, 평균 막 두께는 2000.0Å이었고, 막 두께의 분포는 평균 막 두께에 대해 ±0.03%의 분산을 가졌다.
비교예 1
도 1의 스퍼터링 장치를 사용하여, 200mm 직경을 갖는 광학적으로 연마된 도우넛 형상의 유리 기판을 기판 홀더 (3) 상에 위치시켰다. 다음으로, 챔버의 내부를 1×10-5Pa 이하의 압력으로 배기시켰다. 다음으로, 가스 주입 포트 (11) 를 통해 20sccm의 Ar 가스를 주입하고, 가스 주입 포트 (12b) 를 통해 5sccm의 산소 가스를 주입하였다. 따라서, 챔버 (1) 의 내부를 0.5Pa의 압력으로 유지하였다. 셔터 (8) 내의 개구부 (8a) 가 스퍼터링 캐소드 (6) 위에 위치되지 않은 것을 확인한 후, 기판 홀더 (3) 를 회전 샤프트 (2) 둘레로 1500rpm으로 회전시켰다. 다음으로, 비정상적인 방전을 방지하기 위해 대기해온 2-kW의 펄스 DC 전력을 스퍼터링 캐소드 (6) 에 인가하여 방전을 시작하였다. 타겟 재료는 Ti였다. 셔터 (8) 내의 개구부 (8a) 를 스퍼터링 캐소드 (6) 상에 위치시키고, 막 형성을 시작하였다. 이 때, TiO2를 200Å/min의 속도로 형성하였다. 막 두께 모니터 (10) 가 이미 2000Å의 막 두께로 나타난 것으로 조절되면 셔터 (8) 를 폐쇄하였다.
막을 형성한 후, 기판 (4) 을 꺼내었다. 엘립소메터를 이용하여 기판 (4) 상의 박막의 두께와 막 두께의 분포를 측정하였다. 그 결과, 평균 막 두께는 2004.6Å이었고, 막 두께의 분포는 평균 막 두께에 대해 ±3.2%의 분산을 가졌다.
비교예 2 내지 6
비교예 1과 동일한 완전한 실험을 5차례 반복하였다. 그 결과, 평균 막 두께 및 분포는 1998.7ű0.6%, 1997.7ű4.5%, 2001.0ű2.1%, 1998.0ű1.4% 및 2003.3ű1.8%로 나타났다.
실시예 4
도 8의 스퍼터링 장치를 이용하여 200mm의 직경을 갖는 광학적으로 연마된 도우넛-형상의 유리 기판을 기판 홀더 (3) 상에 위치시켰다. 다음으로, 챔버 내부를 1×10-5Pa 이하의 압력으로 배기하였다. 다음으로, 가스 주입 포트 (11) 를 통해 20sccm의 Ar 가스를 주입하면서, 가스 주입 포트 (12b) 를 통해 5sccm의 산소 가스를 주입하였다. 따라서, 챔버 (1) 의 내부를 0.5Pa의 압력으로 유지하였다. 셔터 (23) 를 기판 (4) 상에 위치되지 않도록 유지하였다. 제 1 셔터 (21a) 의 개구부 (21b, 21c) 가 스퍼터링 캐소드 (6) 상에 위치되지 않은 것을 확인한 후, 기판 홀더 (3) 를 회전 샤프트 (2) 둘레로 1500rpm으로 회전시켰다. 다음으로, 비정상적인 방전을 방지하기 위해 이미 대기해온, 2-kW의 펄스 DC 전력을 스퍼터링 캐소드 (6) 에 인가하여 방전을 시작하였다. 타겟 재료는 Ti였다.
다음으로, 제 1 셔터 (21a) 의 개구부 (21a) 를 스퍼터링 캐소드 (6) 위에 위치시키고, 방전을 시작하였다. 또한, Ti의 산화 반응을 촉진하기 위해, 600-W 전력을 플라즈마 소오스 (24) 에 인가하여 플라즈마를 방출하였다. 제 1 셔터 (21a) 의 개구부 (21c) 를 통해 기판 (4) 과 근접하여 플라즈마가 제공되도록 하였다. 이 때, TiO2를 150Å/min의 속도로 형성하였다. 광학 막 두께 모니터 (10) 가 막 두께가 최외측 측정 포인트 (101) 에서 1990Å에 도달하여 탐지된 것으로 이미 조절되면, 구동 작업 (미도시) 은 구동 기어 (22c) 를 이동시켜, 막 형성 속도를 제어했던, 제 2 셔터 (22a, 22b) 의 개방 정도를 감소시켰다. 이 개구부의 각도가 제 1 셔터 (21a) 내의 개구부 (21b) 개방 각도 (θ) 의 약 십분의 일에 도달하면, 제 2 셔터 (22a, 22b) 의 개방 정도를 감소시키는 작업을 일시 정지하였다.
일시 정지 직전에, 기판 (4) 상의 박막의 두께는 외부 회전원이 기판 (4) 의 반경을 따라 확장되려는 경향을 갖게 되어 막 두께가 증가된다. 이 때, 제 1 모니터 (10a1-10b1), 제 2 모니터 (10a2-10b2) 및 제 3 모니터 (10a3-10b3) 는 각각 1990Å, 1980Å, 1965Å의 막 두께 값을 나타내었다. 제 2 셔터 (22a, 22b) 를 이동시켜 제 1 셔터 (21a) 의 개방 정도가 감소될 때, 막 형성 속도는 15Å/min이였다.
전술한 상태에서 박막을 연속적으로 형성하였다. 제 1 모니터 (10a1-10b1) 가 2000Å의 막 두께를 나타내면, 셔터 (23) 를 이동시켜, 단부 (23a) 가 제 1 모니터 (10a1-10b1)에 대해 측정된 위치 (10a) 에 대응하여, 기판 (4) 상의 막 형성 위치 (101′) 를 충분히 커버링한다. 따라서, 회전 가능한 기판 (4) 의 외부 에지와 막 형성 위치 (101′) 의 근접 범위 사이의 영역 내에서 막 형성을 형성하는 것을 중단하었다. 그 결과, 이 영역에서, 막 두께는 2000Å이 되었고, 막 형성은 완료되었다. 이 때, 제 2 모니터 (10a2-10b2) 및 제 3 모니터 (10a3-10b3) 는 각각 1988Å 및 1971Å의 막 두께값을 나타내었다.
전술한 상태에서 박막을 연속적으로 형성하였다. 제 2 모니터 (10a2-10b2) 가 2000Å의 막 두께를 나타내면, 셔터 (23) 를 이동시켜, 제 1 모니터 (10a2-10b2) 에 대해 측정된 위치 (102) 에 대응하여, 단부 (23a) 가 기판 (4) 상의 막 형성 위치 (102′) 를 충분히 커버링한다. 따라서, 막 형성을 회전 가능한 기판 (4) 의 외부 에지와 막 형성 위치 (102′) 의 근접 범위 사이의 영역에서 막 형성을 형성하는 것을 중단하였다. 그 결과, 이 영역에서, 막 두께는 2000Å이 되었고, 막 형성은 완료되었다. 이 때, 제 3 모니터 (10a3-10b3) 는 1980Å의 막 두께 값을 나타내었다.
전술한 상태에서 박막을 연속적으로 형성하였다. 제 3 모니터 (10a2-10b3) 가 2000Å의 막 두께를 나타내면, 셔터 (23) 를 이동시켜 그 단부 (23a) 가 기판 (4) 상의 중심부에 도달하게 하여, 기판 (4) 의 절반이 가동성 셔터 (23) 전체로 커버링될 수 있었다. 다음으로, 기판 (4) 상의 막 형성을 중단한다. 그 결과, 기판 (4) 상에 2000Å의 균일한 막 두께가 연속적으로 획득되었고, 따라서, 막 형성은 완료되었다.
막을 형성한 후, 기판 (4) 를 꺼낸다. 엘립소메터를 이용하여 기판 (4) 상의 박막의 두께와 막 두께의 분포를 측정하였다. 그 결과, 평균 막 두께는 2000.0Å이였고, 막 두께의 분포는 평균 막 두께에 대해 ±0.01%의 분산을 가졌다. 분포값은 우수했다.
비교예 7
막 형성 속도를 제어하는, 제 1 셔터 (21a) 및 제 2 셔터 (22a, 22b) 대신 셔터판 (25a) 을 이용하였다. 도 10을 참조하면, 셔터판 (25a) 은 통상의 장치에서 사용된 개구부 (25b) 와 도 9의 개구부 (21c) 와 동일한 형상을 갖는 개구부 (25b) 를 가졌다. 개구부 (25c) 는, 실시예 4와 거의 동일한 조건 하에서, 플라즈마가 기판 (4) 의 근접 범위에 도달하도록 하였다. 셔터판 (25a) 을 이용한다는 점을 제외하고 실시예 4와 거의 동일한 조건 하에서, 도 8에 도시된, 스퍼터링 장치 (1) 를 이용하여 박막을 형성하였다. 획득된 기판 (4) 의 측정을 수행하였다. 그 결과, 막 두께의 분포는 기판 (4) 의 중심 위치 (4a) 로부터 40mm 이격되어 위치되는 원주 방향의 막 형성 위치에서, 평균 막 두께 및 분포는 2007.2ű1.3%로 나타난 것으로 획득되었다. 또한, 획득된 막 두께의 분포는 기판 (4) 의 중심 위치 (4a) 로부터 80mm 이격된 원주 방향 내의 막 형성 위치에서, 평균 막 두께 및 분포는 2006.9ű1.0%로 나타나도록 획득되었다. 기판 전체는 평균 막 두께 및 분포가 2007.1ű1.8%로 나타나는 상태를 갖는다.
전술한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 막 형성 장치와 막 형성 방법을 이용하여, 소망의 두께로부터의 지배적인 퍼센트로 박막을 형성하였다. 다음으로, 기판상에 형성된 박막 두께 및 막 두께의 분포의 측정 결과와 대응하여, 가장 적합한 막 두께 보정판을 선택하여 셔터 내의 개방 면적을 조절함으로써, 막 형성 속도를 감소시키고, 감소된 속도에서의 막 두께의 잔류 부분을 형성하였다. 따라서, 회전 가능한 기판의 방사 및 원주 방향으로 매우 정확하게 균일한 막 두께 분포를 갖도록, 박막을 형성할 수 있다.
또한, 전술한 측정 결과에 대응하여 더 낮은 막 형성 속도에서 막 두께의 보정을 반복함으로써, 보다 정확하고 균일한 막 두께의 분포를 갖는 박막을 효과적으로 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 통상의 막 형성 방법 및 막 형성 장치를 이용하여 소망의 두께를 지배적인 퍼센트로 벗어난 박막을 형성한다. 다음으로, 기판 상에 형성된 박막의 두께 및 막 두께 분포의 측정 결과에 따라, 개폐 셔터를 이동시켜, 막 형성 속도 제어 부재내의 개구부의 개방 정도를 조절하여, 막 형성 속도를 감소시킬 수 있도록, 감소된 속도에서 막 두께의 잔류 부분을 형성한다. 또한, 기판 상에 형성된 박막의 두께 및 막 두께의 분포에 부합하여, 셔터를 이동시켜 기판의 막 형성 영역의 막 형성을 중단하여, 소망의 막 두께가 획득되도록 할 수 있다. 즉, 기판의 특정 영역내에서 소망의 막 두께가 획득되면, 그 영역의 막 형성은 완료된다. 따라서, 기판의 모든 막 형성 영역내에서의 막 형성이 완료되면, 회전 가능한 기판내의 방사 및 원주 방향에서의 막 두께의 분포가 정교하고 균일하게 나타날 수 있도록 박막을 형성할 수 있다.
Claims (14)
- 상호 대향하여 위치된 기판 및 막 형성 소오스를 포함하는 박막 형성 장치로서,상기 장치는 상기 기판 상에 형성된 박막의 막 형성 속도를 제어하는데 이용되는 개구부를 갖는 막 형성 속도 제어 부재, 및 상기 기판 상에 형성된 상기 박막의 두께를 보정하는데 이용되는 개구부를 갖는 막 두께 보정 부재를 더 포함하며,상기 막 형성 속도 제어 부재는 상기 기판과 상기 막 형성 소오스 사이에 삽입되고, 상기 막 두께 보정 부재는 상기 기판과 상기 막 형성 소오스 사이에 삽입되고 상기 기판과 상기 막 형성 소오스 사이로부터 제거되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 박막 형성 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 막 형성 속도 제어 부재 및 상기 막 두께 보정 부재가 상기 기판과 상기 막 형성 소오스 사이에 삽입되는 경우, 이러한 구성 요소들은 상기 기판, 상기 막 두께 보정 부재, 상기 막 형성 속도 제어 부재 및 상기 막 형성 소오스의 순서로 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 형성 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 막 형성 속도 제어 부재는, 각각 면적이 상이한 2 이상의 개구부를 가지며, 상기 개구부의 각각은 상기 개구부의 면적의 스케일 (scale) 의 순서로 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는 박막 형성 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 막 형성 속도 제어 부재는 각각이 개구부를 갖는 2 이상의 막 형성 속도 제어판이고, 상기 막 형성 속도 제어판들의 개구부들은 각각 면적이 상이하며, 상기 막 형성 속도 제어판의 각각은 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는 박막 형성 장치.
- 제 1 항 또는 2 항에 있어서,상기 막 두께 보정 부재는 각각 상이한 형상을 갖는 2 이상의 개구부를 가지며, 상기 개구부의 각각은 상기 기판 상의 박막의 두께의 분포에 의존하여 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는 박막 형성 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 막 두께 보정 부재 내의 개구부는 2 이상의 선택 가능한 가동성 셔터를 가지며, 상기 기판 상의 박막의 두께의 분포에 의존하여 상기 셔터를 선택적으로 이동시킴으로써 상기 개구부의 면적이 증가 또는 감소될 수 있는 것을 특징으로 하는 박막 형성 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 박막 형성 장치를 이용하여 박막을 형성하는 방법으로서,먼저, 목표 두께로부터의 소정의 퍼센트로 상기 박막을 형성하는 제 1 단계,다음으로, 상기 제 1 단계에서 형성된 상기 박막의 두께 분포를 측정하는 제 2 단계, 및추가로, 상기 제 1 단계보다 낮은 막 형성 속도를 이루도록 상기 기판과 상기 막 형성 소오스 사이에 상기 막 형성 속도 제어 부재를 삽입하고, 상기 박막의 두께를 보정하도록 상기 제 2 단계에서 측정된 막 두께의 분포에 대응하여 상기 막 두께 보정 부재를 삽입하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 제 2 단계를 다시 수행하여 상기 제 3 단계에서 형성된 상기 박막의 두께 분포를 측정하고, 현재의 제 2 단계의 결과로서 목표 두께를 갖도록 상기 박막이 측정될 때까지 현재의 제 3 단계 및 상기 현재의 제 2 단계를 동일한 사이클로 순차적으로 반복하여 수행하고, 상기 현재의 제 3 단계는, 상기 선행된 제 3 단계보다 더 낮은 막 형성 속도를 이루기 위해, 막 형성 속도를 제어할 수 있는 개구부를 갖는 상기 막 형성 속도 제어 부재를 상기 기판과 상기 막 형성 소오스 사이에 삽입하고, 상기 선행된 제 3 단계 후 다시 수행된 상기 선행된 제 2 단계에서 측정된 상기 막 두께의 분포에 대응하여 상기 박막의 두께를 보정할 수 있는 개구부를 갖는 상기 막 두께 보정 부재를 상기 기판과 상기 막 형성 소오스 사이에 삽입하며, 상기 현재의 제 2 단계는 상기 현재의 제 3 단계에서 형성된 박막의 두께 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
- 제 7 항에 있어서,동일한 사이클 동안, 상기 제 2 단계는 상기 제 1 단계 및 상기 제 3 단계와 함께 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 기판은 회전 가능한 기판을 포함하고, 막 두께 측정 수단이 상기 회전 가능한 기판의 반경을 따라 복수개의 측정 포인트들에서 상기 박막의 두께를 측정하도록 제공되고, 상기 막 형성 속도 제어 부재에는 상기 회전 가능한 기판의 반경을 따라 경사진 막 형성 속도 구배에 작용하는 개구부 및 상기 개구부의 개방 정도가 증감될 수 있는 개폐 셔터가 제공되며, 상기 기판 상에서 박막의 형성을 중단하기 위해 가동성 셔터를 상기 막 두께 보정 부재로서 이용하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 장치.
- 제 10 항에 기재된 박막 형성 장치를 이용하여 박막을 형성하는 방법으로서,먼저, 상기 막 형성 속도 제어 부재와 상기 막 두께 보정 부재 중에서, 상기 막 형성 속도 제어 부재만을 상기 기판과 상기 막 형성 소오스 사이에 삽입하고, 상기 막 형성 속도 제어 부재의 개폐 셔터를 개방하여 유지하면서 목표 두께로부터의 소정의 퍼센트로 상기 박막을 형성하는 제 1 단계,다음으로, 상기 제 1 단계 동안 상기 막 형성 속도 제어 부재만을 상기 기판과 상기 막 형성 소오스 사이에 삽입하여 유지하면서, 상기 제 1 단계 동안 상기 막 두께 측정 수단에 의해 측정된 값에 대응하여 상기 막 형성 속도 제어 부재의 개폐 셔터를 이동시키고, 그에 의해, 상기 제 1 단계에 비해 상기 개구부의 개방 정도를 감소시키는 제 2 단계, 및상기 제 2 단계 동안 감소된 상기 막 형성 속도 제어 부재 내의 개구부의 개방 정도를 감소시켜 유지하면서, 상기 제 2 단계 동안 상기 막 두께 측정 수단에 의해 측정된 상기 값에 대응하여 상기 셔터를 상기 기판과 상기 막 형성 소오스 사이에서 순차적으로 이동시키고, 그에 의해, 목표 막 두께가 달성된 상기 기판 상의 막 형성 영역 내의 막 형성을 중단하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 막 형성 소오스가 스퍼터링 캐소드로서 제공되는 것을 특징으로 하는 박막 형성 장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 스퍼터링 캐소드를 이용한 반응 스퍼터링 공정에 의한 타겟 재료와 반응 가스의 반응에 의해 유전 박막이 형성되며, 상기 스퍼터링 가스는 희가스 (rare gas) 와 반응 가스로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 형성 장치.
- 제 13 항에 있어서,상기 스퍼터링 캐소드의 타겟 재료를 스퍼터링하기 위해 희가스를 포함하는 상기 스퍼터링 가스를 이용하여 상기 기판상에 금속 박막을 형성하는 금속 막 형성 수단, 및상기 반응 가스를 이용하여 상기 기판 상에 형성된 상기 금속 박막을 산화 또는 질화시키고, 그에 의해, 유전 박막을 형성하는 산화 또는 질화 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 장치.
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