KR100944868B1 - 마그네트론 스퍼터링 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 챔버내 지지대에 놓여지는 증착하고자 하는 대상이 되는 기판과, 상기 기판에 증착하고자 하는 물질로 이루어진 타겟에서 원자를 방출하여 기판에 박막을 증착시키는 마그네트론 스퍼터링 장치에 있어서, 자기장을 형성시키기 위해 상기 타겟 상부에 구비되는 영구자석, 상기 타겟의 하부에 구비되는 전극에 전압을 인가하여 플라즈마 생성을 위해 플라즈마 생성수단으로 구비되는 스퍼터링부로 구성되고, 상기 스퍼터링부는 적어도 2개 이상 구비되며, 스퍼터링부의 사이로 자기장의 왜곡을 방지하기 위해 구비되는 왜곡 방지부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 본 발명은 대면적 기판에 균일한 박막을 얻을 수 있고 보다 신속하게 증착할 수 있는 이점이 있다.

스퍼터링, 마그네트론, 플라즈마, 타겟

Description

마그네트론 스퍼터링 장치{MAGNETRON SPUTTERING APPARATUS}

본 발명은 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 높일 균일도를 확보하여 타겟을 증착시킬 수 있는 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자나 발광 소자의 제조 공정에서 금속 배선이나 전극은 스퍼터링(sputtering) 방법으로 형성한다. 진공 분위기에서 금속 또는 금속 화합물로 이루어진 타겟(Target)에 고전압을 인가하여 타겟 주위에 플라즈마 방전을 발생시켜 플라즈마 방전 영역 내의 양이온들이 전기적인 힘에 의해 상기 타겟의 표면과 충돌하게 되면, 그에 따라 상기 타겟 원자가 방출됨으로써 상기 기판 상에 상기 방출된 원자가 코팅되도록 하는 기술이다.

이 때 박막의 증착 속도는 플라즈마의 밀도에 비례하므로 자기장을 형성하여 플라즈마 밀도록 증가시키는데, 이러한 방법을 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 방법이라 한다.

도 1은 종래 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략적인 구성도로서, 가스 주입구(10)가 형성된 챔버(11) 내부에 기판(20)을 지지하기 위한 지지대(12)가 설치되며, 지지대(12) 상부에는 증착 물질로 이루어진 타겟(13)이 설치되고, 타겟(13) 상부에는 타겟(13)의 하부에 자기장을 형성하기 위한 영구 자석(14)이 설치된다.

기판(20)을 챔버(11) 내부로 이송하여 지지대(12) 상에 위치시킨 다음 타겟(13)과 기판(20) 사이에 소정의 전압을 인가하고 가스 주입구(10)를 통해 챔버(11) 내부로 공정 가스를 공급한다.

통상적으로 타겟(13)에 음전압을 인가하면 방전에 의해 생성된 전자가 가스 분자와 충돌하여 타겟(13)하부에 플라즈마가 생성된다. 즉, 전자가 이동하는 과정에서 가스 분자와 충돌함으로써 공정 가스가 이온화되어 플라즈마 상태로 여기 된다.

이와 같이 생성된 플라즈마 내의 전자들은 도 1에 도시된 바와 같이 영구 자석(14)에 의해 타겟(13) 하부에 전기장과 수직 방향으로 형성되는 자기장에 의해서 자기장 방향을 축으로 선회 운동을 하며 전기장과 자기장에 수직인 방향 즉, E×B의 방향으로 힘을 받게 되어 타겟면을 따라서 회전 운동을 하게 되는데, 이때 타겟(13) 부근에 잔류하는 시간이 길어지게 되므로 가스 분자와의 충돌이 빈번해져 플라즈마 밀도가 증가한다.

따라서 고밀도 플라즈마 이온이 타겟(13)의 표면에 충돌하고, 충돌 에너지에 의해 타겟(13) 표면의 원자들이 많이 떨어져 나와 기판(20)에 박막이 증착된다.

상기와 같이 구성되는 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치는 영구 자석(14)의 형상과 위치에 따라 자기력선이 분포되는데, 영구 자석(14)의 형상과 위치가 고정되기 때문에 자기력선의 궤적이 일정하고 밀도가 높은 부분에서만 지속적으로 스퍼터링이 이루어지게 되므로 타겟(13)이 불균일하게 소모될 뿐만 아니라 증착되는 박막의 두께도 불균일해진다. 이러한 문제점은 대면적 기판을 사용하는 공정에서 더욱 심하게 나타난다.

또한, 챔버내에 다수의 마그네트론 스퍼터링 장치를 설치한 경우 인접한 스퍼터링 장치 영구자석의 자기장에 영향을 받아 단일 설치한 경우와 비교하여 자기장의 왜곡이 발생되어 증착 박막의 균일도를 떨어뜨리는 문제점이 발생한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 챔버내에 설치된 인접한 스퍼터링부간에 자기장 영향을 최소화 하여 증착 박막의 균일성 저하를 해소하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 챔버내 지지대에 놓여지는 증착하고자 하는 대상이 되는 기판과, 상기 기판에 증착하고자 하는 물질로 이루어진 타겟에서 원자를 방출하여 기판에 박막을 증착시키는 마그네트론 스퍼터링 장치에 있어서, 자기장을 형성시키기 위해 상기 타겟 상부에 구비되는 영구자석, 상기 타겟의 하부에 구비되는 전극에 전압을 인가하여 플라즈마 생성을 위해 플라즈마 생성수단으로 구비되는 스퍼터링부로 구성되고, 상기 스퍼터링부는 적어도 2개 이상 구비되며, 스퍼터링부의 사이로 자기장의 왜곡을 방지하기 위해 구비되는 왜곡 방지부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지지대는, 상/하 높이 조절과 회전이 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 영구자석은, 상기 타겟의 상부면으로 다수개 구비되되, 외측 영구자석은 내측 영구자석보다 자기력이 더 높은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 왜곡 방지부는, 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni)을 포함하는 강자 성체 또는 니켈-철(Ni-Fe), 니켈-코발트(Ni-Co), 순철(pure iron)을 포함하는 soft magnetic 합금 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기판은, 상기 기판과 타겟 사이의 거리가 L인 경우 상기 기판 크기의 1/2는 전극 최외각으로부터 상기 기판 중심까지의 거리가 X일 때 R/2 = X +0.577 * L에 만족하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 왜곡 방지부는, 상기 스퍼터링부의 길이 보다 길게 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 인접한 스퍼터링부 사이에 자기유도가 가능한 왜곡 방지부를 구비하여 자기장 왜곡을 최소화함으로써 박막 증착 시 균일도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 다수의 스퍼터링부를 구비하고 기판 회전을 통해 증착시킴으로써 대면적 기판에 용이하게 형성시킬 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략적인 단면도, 도 3은 본 발명에 따른 마그네론 스퍼터링 장치의 사시도, 도 4는 본 발명에 따른 마그 네론 스퍼터링 장치를 통한 기판의 스퍼터링 영역을 나타낸 평면도, 도 5는 본 발명에 따른 다른 실시예로 스퍼터링 장치의 사시도, 도 6은 도 5에 따른 기판의 스퍼터링 영역을 나타낸 평면도이다.

본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치는, 챔버(100)내 지지대(500)에 놓여지는 증착하고자 하는 대상이 되는 기판(400)과, 상기 기판에 증착하고자 하는 물질로 이루어진 타겟(320)에서 원자를 방출하여 기판에 박막을 증착시키는 마그네트론 스퍼터링 장치에 있어서, 상기 타겟 상부에 구비되는 영구자석(310)과, 상기 타겟의 하부에 구비되는 전극(330)에 전압을 인가하여 플라즈마 생성을 위해 플라즈마 생성수단(600)으로 구비되는 스퍼터링부(300)로 구성되되, 상기 스퍼터링부는 적어도 2개 이상 구비되며, 스퍼터링부의 사이로 자기장의 왜곡을 방지하기 위해 구비되는 왜곡 방지부(200)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명의 마그네트론 스퍼터링 장치는, 영구자석(310), 타겟(320) 및 전극(320)으로 구성되는 하나의 스퍼터링부(300)가 적어도 2개 이상 구비되고, 상기 스퍼터링부(300) 사이로 자기장 왜곡 방지를 위한 왜곡 방지부(200)가 구비되는 것을 주요 기술적 요지로 한다.

우선, 하나의 스퍼터링부(300)는 하나의 타겟(320)을 구비하고, 상기 타겟 상부측으로는 자기장을 형성하는 다수의 영구자석(310)이 구비된다.

상기 타겟(320)은 알루미늄(Al)과 같은 금속이나 절연물질로 이루어지며, 전압이 인가됐을 때 타겟 표면의 원자들이 떨어져 나와 기판(400)으로 박막 증착이 이루어지게 된다.

타겟의 상부측으로 설치되는 영구자석은 자기장을 형성하여 챔버 내부에 플라즈마 밀도를 증가시키는 것으로, 하나의 타겟에 구비되는 영구자석의 다수개로 구비되되, 그 중 외측으로 설치되는 영구자석은 다른 자석보다 높은 자력을 가지는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성되는 스퍼터링부가 적어도 2개 이상 구비될 때에는 각각의 스퍼터링부에 구비된 영구자석을 통해 자기장 왜곡을 방지하기 위하여 왜곡 방지부(200)가 스퍼터링부 사이에 설치된다.

상기 왜곡 방지부(200)는 자기장 왜곡을 최소화하기 위한 자기유도가 가능한 재질로, 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni)을 포함하는 강자성체 또는 니켈-철(Ni-Fe), 니켈-코발트(Ni-Co), 순철(pure iron)을 포함하는 soft magnetic 합금 등이 사용될 수 있다.

이때, 상기 왜곡 방지부는 하나의 스퍼터링부(300) 외측에 구비되는 자기력이 높은 영구자석과 극성이 반대되도록 구비된다. 이것은 다른 하나의 스퍼터링부 외측 영구자석과 극성에 의한 자기장의 휨 현상을 방지하여 자기장의 왜곡 없이 다수의 스퍼터링부가 하나의 스퍼터링부로 작용하면서 높은 증착율과 균일한 분포를 가져온다.

또한, 하나의 스퍼터링부에서는 자기장 형성 방향에 따른 플라즈마 분포가 기판의 1/2이상으로 유지함으로써 균일한 증착 분포를 유지한다.

또한, 본 발명에서는 도 2에 도시된 바를 참조하여 기판 사이의 거리가 L인 경우 기판 크기의 1/2는 전극 최외각으로부터 중심까지의 거리가 X일 때 R/2=X+tanθ * L의 수식에 따른다.

여기서 θ는 스퍼터된 입자의 각 분포로서 일반적으로 법선 방향에서 30도를 형성하는 것을 고려하면 기판의 크기는 R/2=X +0.577 * L의 크기를 가지는 것이 바람직하다. 따라서 상기 R/2=X+tanθ * L의 수식에 만족을 위하여 전극의 길이, 타겟과 기판의 거리, 기판의 크기를 고려하여 배치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 왜곡 방지부(300)는 하나의 스퍼터링부보다 하부측으로 더 길게 형성하여 스퍼터링부에 구비된 외각측 자기장의 영향을 최소화하도록 한다.

플라즈마 생성수단(전원공급부 ; 400)은 상기 기판으로 박막을 증착하기 위해 전압(DC 또는 RF)을 인가하는 것으로, 상기 전극(330)에 음(-)극을 인가함으로써 플라즈마를 생성시킨다. 따라서 챔버 내부로 고밀도 플라즈마를 발생시켜 박막이 증착된다.

더불어 공정 가스를 상기 챔버 내로 공급하기 위한 가스공급수단(600)이 구비된다. 상기 챔버는 진공 분위기를 형성하기 위한 것으로 별도의 배기펌프를 통해 챔버 내부를 진공 상태로 유지시키며, 상기 가스공급수단(600)은 챔버 내부로 아르곤(Ar)이나 산소(O) 등과 같은 공정 가스를 공급한다. 따라서 타겟에 공급된 전압을 통해 방전에 의해 생성된 전자와 가스 분자와 충돌함으로써 공정 가스가 이온화되어 플라즈마가 생성된다. 언급한 상기 챔버(500)와 가스공급수단(600)은 당업자로부터 용이하게 실시할 수 있는 공지의 기술로써 상세한 설명은 생략하기로 한다.

지지대(500)는 기판이 놓여지는 곳으로, 본 발명에서는 상기 지지대(500)가 별도 회전수단(구동모터)과 상/하 조절수단을 통해 좌/우 회전 및 상/하 높이 조절이 가능하도록 준비된다.

도 4를 도면 하나의 기판으로 최초 스퍼터링 영역(점선)으로 기판에 박막이 형성된 후 기판을 회전시키면서 나머지 영역으로 증착을 수행한다. 또한, 상기 지지대(500)를 상/하로 조절하여 스퍼터링 영역을 결정할 수 있는 것이다.

도 5와 도 6은 본 발명에 따른 다른 실시예로 3개의 스퍼터링부(300)가 구비되어 빠르고 높은 균일도를 가지는 박막 증착을 달성할 수 있다. 이때, 왜곡 방지부(200)는 각 스퍼터링부(300) 사이를 방지할 수 있도록 3개가 설치된다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 균일한 증착막을 성장시킬 수 있는 것으로써, 다수의 스퍼터링부가 구비되고 기판을 회전시켜 증착함에 따라 대면적 스퍼터링이 용이한 이점이 있다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다.

오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 일반적인 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략적인 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략적인 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 마그네론 스퍼터링 장치의 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 마그네론 스퍼터링 장치를 통한 기판의 스퍼터링 영역을 나타낸 평면도,

도 5는 본 발명에 따른 다른 실시예로 스퍼터링 장치의 사시도,

도 6은 도 5에 따른 기판의 스퍼터링 영역을 나타낸 평면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 챔버 200 : 왜곡 방지부

300 : 스퍼터링부 310 : 영구자석

320 : 타겟 330 : 전극

400 : 기판 500 : 지지대

600 : 플라즈마 생성수단 700 : 가스 공급수단

Claims (6)

1. 챔버내 지지대에 놓여지는 증착하고자 하는 대상이 되는 기판과, 상기 기판에 증착하고자 하는 물질로 이루어진 타겟에서 원자를 방출하여 기판에 박막을 증착시키는 마그네트론 스퍼터링 장치에 있어서,

   자기장을 형성시키기 위해 상기 타겟 상부에 구비되는 영구자석;

   상기 타겟의 하부에 구비되는 전극에 전압을 인가하여 플라즈마 생성을 위해 플라즈마 생성수단;으로 구비되는 스퍼터링부로 구성되고,

   상기 스퍼터링부는 적어도 2개 이상 구비되며, 스퍼터링부의 사이로 자기장의 왜곡을 방지하기 위해 구비되는 왜곡 방지부;를 포함하며,

   상기 지지대는 상/하 높이 조절과 회전이 가능하고,

   상기 왜곡 방지부는, 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni)을 포함하는 강자성체 또는 니켈-철(Ni-Fe), 니켈-코발트(Ni-Co), 순철(pure iron)을 포함하는 soft magnetic 합금 중 어느 하나를 사용하며,

   상기 기판은, 상기 기판과 타겟 사이의 거리가 L인 경우 상기 기판 크기의 1/2는 전극 최외각으로부터 상기 기판 중심까지의 거리가 X일 때 R/2 = X +0.577 * L에 만족되도록 구비되며, 여기서 R은 기판의 반지름인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.

   .
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 영구자석은,

   상기 타겟의 상부면으로 다수개 구비되되, 외측 영구자석은 내측 영구자석 보다 자기력이 더 높은 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서, 상기 왜곡 방지부는,

   상기 스퍼터링부의 길이 보다 길게 구비되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치.

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