KR101050983B1 - 박막형성 장치 및 박막형성 방법 - Google Patents

박막형성 장치 및 박막형성 방법 Download PDF

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Abstract

기판에 대향하도록 원료 공급 소스들 즉, 타겟과 마이크로파 총을 진공 챔버에 제공하고, 주배기구를 양쪽 원료 공급 소스들 중 마이크로파 총에 더 근접하게 배치한다. 제어 시스템은 소정의 아르곤 가스 유량 하의 산소 가스 유량과, 그 산소 가스 유량에 따라 고속, 중속, 및 저속의 3 가지 모드 즉, 고속 금속종 막형성 모드, 저속 화합물종 막형성 모드, 및 중간 막형성 모드로 이루어지는 스퍼터 막형성 속도를 참조 데이터로서 기억한다. 소정의 아르곤 가스 유량하의 막형성시에, 고속 금속종 막형성 모드에 대응하는 산소 가스 유량과 아르곤 가스 유량을 선택한다. 그 후, 그 선택된 산소 가스 및 아르곤 가스의 양쪽 유량 비율을 유지하도록 양쪽 가스 유량을 제어하고, 가까이에 산소 가스 도입구와 산소 배기구를 가지는 마이크로파 총을 작동시키는 반응 공정과 가까이에 아르곤 가스 도입구를 가지는 스퍼터 타겟을 작동시키는 막형성 공정을 교대로 실행하여 펄스형상의 막형성 공정을 실행한다.
박막형성 장치

Description

박막형성 장치 및 박막형성 방법 {THIN FILM FORMING APPARATUS AND THIN FILM FORMING METHOD}
도 1 은 종래의 회전식 컨베이어 (carousel) 타입의 박막형성 장치의 개략 단면도.
도 2 는 종래의 기판 회전 타입의 박막형성 장치의 개략 단면도.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 박막형성 장치의 개략 단면도.
도 4 는 소정의 유량의 아르곤 가스하에서 산소 가스 유량과 막형성 속도 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 박막형성 장치의 개략 단면도.
도 6 은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 박막형성 장치의 개략 단면도.
도 7 은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 박막형성 장치의 개략 단면도.
도 8 은 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 박막형성 장치의 개략 단면도.
도 9 는 본 발명의 제 6 실시형태에 따른 박막형성 장치의 개략 단면도.
도 10 은 본 발명의 제 1 실시예의 막형성 공정과 산화 공정의 공정 사이클도.
도 11 은 본 발명의 제 3 실시예의 막형성 공정과 산화 공정의 공정 사이클도.
도 12 는 본 발명의 제 4 실시예의 막형성 공정과 산화 공정의 공정 사이클도.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 20, 30, 50, 60 : 박막형성 장치 14, 24, 34 : 타겟
15, 25, 35 : 스퍼터 캐소드
16, 26, 36 : 스퍼터가스 도입구
17, 27, 37 : 마이크로파 여기 플라즈마 발생기 (마이크로파 총)
18, 28, 38 : 반응가스 도입구 19, 29, 39 : 기판
40 : 반응가스 배기구
41 : 제 1 컨덕턴스 밸브 (컨덕턴스 조정 밸브)
42, 52, 62, 81, 91 : 제 2 컨덕턴스 밸브 (컨덕턴스 조정 밸브)
43, 53, 63 : 주배기구 77 : 충격전극
82 : 산소가스도입밸브 83 : 마이크로파 전원
87: 이온 총
본 발명은 박막형성 장치 및 박막형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 화합물막형성 장치 및 그 장치에 사용되는 박막형성 방법에 관한 것이다.
스퍼터법을 이용하여 높은 정밀도로 고속으로 금속 화합물박막 (산화막, 질화막, 불소막 등) 을 형성하는 것이 광학 장치 분야에서 요구되고 있다.
그러나, 스퍼터법에 따른 박막형성의 경우, 금속박막형성의 경우와 다르고, 예를 들어 금속산화물과 같은 금속 화합물로 이루어지는 타겟을 사용하면, 박막 증착 속도가 매우 지연된다. 따라서, 스퍼터 분위기에 반응가스 (예를 들어, 산소, 질소, 불소 가스 등)를 도입하는 반응성 스퍼터법에 의해 금속 화합물 박막을 때때로 형성할 수도 있지만, 반응 가스가 과량으로 공급되면, 스퍼터 막형성속도가 현저하게 감소할 수도 있다.
따라서, 개시된 방법에 따르면 (예를 들어, 특허 문헌 1 내지 4), 높은 막형성속도를 유지하기 위하여, 처음에, 스퍼터법에 따라 금속으로 이루어지는 초박막을 기판상에 증착한 후, 반응가스로부터 발생하는 플라즈마 또는 활성종을 이러한 초박막에 조사하여 금속 화합물 박막으로 변환시킨다. 그 후, 초박막을 증착하고 상기 화합물 박막으로 변환하는 프로세스를 수 회 반복함으로써, 소망의 막 두께를 가지는 금속화합물막을 형성한다.
그러나, 종래의 막형성 장치에는, 스퍼터 영역과 반응 영역 사이에 기판을 반복하여 이동시키기 때문에, 막 두께를 높은 정밀도로 제어하는 것이 어렵고, 장치 구조의 대형화 및 복잡화를 수반하는 또 다른 문제점이 존재한다.
즉, 특허 문헌 1, 2 에 개시된 스퍼터 장치는 도 1 의 개략 단면도에 의해 나타낸 바와 같이 회전식 컨베이어 (carousel) 타입으로 구성된다. 도 1 을 참조하면, 이 장치 (10) 는 스퍼터 막형성 영역 (금속막형성영역)(11), 산화 영역 (반응 영역)(12)(이들 영역들은 이 도면의 좌우 방향으로 배치됨), 및 기판 회전 기구 (13)(중앙에 배치됨) 를 구비한다. 그 후, 스퍼터 막형성 영역 (11) 은 타겟 (14), 그 타겟과 일체적으로 구성된 스퍼터 캐소드 (15), 및 이들의 근방에 제공되는 스퍼터 가스 도입구 (16) 를 포함한다. 산화 영역 (12) 은 마이크로파 여기 플라즈마 발생장치 (17) 와 그 근방에 제공되는 산소가스 도입구 (18) 를 포함한다. 기판 회전 기구 (13) 는 그 기구 위에 배치되는 기판과 함께 회전하는 회전 드럼 (19a) 으로 구성된다.
이런 방식으로 구성된 스퍼터 장치 (10) 에서, 소정의 압력 조건이 설정된 진공 챔버에, 스퍼터 가스 도입구 (16) 와 산소 가스 도입구 (18) 를 통하여 소정의 유량의 아르곤 가스 및 산소 가스를 도입한다. 회전 드럼 (19a) 이 회전하고, 타겟 (14) 과 플라즈마 발생장치 (17) 가 기판 (19) 과 대향할 때, 막형성 공정 및 산화 공정이 반복적으로 실행된다.
특허 문헌 3, 4 에 개시된 스퍼터 장치는 도 2 의 개략 단면도에 의해 나타낸 바와 같이 기판을 회전시키도록 구성된다. 도 2 를 참조하면, 상기 장치 (20) 는 스퍼터 영역 (금속막형성 영역)(21) 과 산화 영역 (반응막형성 영역)(22)을 포함하며, 이들 영역은 이 도면의 좌우 방향에 배치되어 있다. 금속막형성 영역 (21) 은 타겟 (24), 그 타겟과 일체적으로 구성된 스퍼터 캐소드 (25), 및 이들 구성요소들 근방에 제공되는 스퍼터 가스 도입구 (26) 로 이루어져 있다. 산화 영역 (22) 은 마이크로파 여기 플라즈마 발생장치 (27) 및 그 근방에 제공되는 산소 가스 도입구 (28) 로 이루어져 있다. 회전 기판 홀더 (도시되지 않음) 에 의해 유지된 회전 기판 (29) 을 금속막형성 영역 (21) 과 산화 영역 (22) 위에 제공한다. 이 장치 (20) 에서, 소정의 유량의 아르곤 가스와 산소 가스를 스퍼터 가스 도입구 (26) 및 산소 가스 도입구 (28) 를 통하여 소정의 압력 상태로 설정된 진공 챔버로 도입한다. 회전 기판 (29) 이 회전하고, 타겟 (24) 과 플라즈마 발생장치 (27) 가 기판 (29) 과 대향하는 경우, 막형성 공정과 산화공정이 교대로 실행된다.
상기 종래의 장치는 막형성 공정이 실행되는 스퍼터 막형성 영역 (11, 21) 과 반응 공정이 실행되는 반응 영역 (12, 22) 에 교대로 출입할 수 있도록, 기판 (19, 29) 을 회전시키는 시스템을 채용한다. 막형성 대상인 기판 위치가 항상 변화하기 때문에, 안정되고 신뢰성이 높은 막형성을 행하기가 어렵다. 또한, 상술한 바와 같이, 이러한 장치 구성이 요구하는 회전 기구는 그 구성의 대형화 및 복잡화를 수반한다.
도 1 및 도 2 를 참조하면, 스퍼터 막형성 영역 (11, 21) 과 반응 영역 (12, 22) 을 격벽 (10a, 20a) 에 의해 공간적으로 분할하고 있다. 그러나, 각 영역을 밀폐시켜 유지하는 것이 구조의 관점에서 보면 어렵기 때문에, 기판이 막형성 영역과 반응 영역 사이를 이동할 때, 반응 공정에 도입한 산소가스 등의 반응 영역내의 반응 분위기를 스퍼터 막형성 영역에 제공한다. 그 결과, 타겟 표면의 품질이 저하될 수도 있다. 즉, 막형성 조건이 불안정해 질 수 있다는 우려가 항상 존재하므로, 이는 안정한 품질의 막형성을 방해하는 중요한 요인으로 된다.
이러한 방식으로 막형성 공정에 제공된 잔류 가스의 간섭을 배제하기 위해서는, 반응공정이 종료하는 경우, 반응 가스의 공급을 정지하고, 상당한 시간의 진공동작을 수행하여, 반응 가스를 효과적으로 제거해야 한다. 그러나, 이러한 방법은 공정 전환에 대하여 긴 시간을 필요로 하므로, 매우 비효율적이다.
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 평11-256327 호 (도 1)
특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 평3-229870 호 (도 8)
특허 문헌 3 : 일본 공개특허공보 평8-19518 (도 4)
특허 문헌 4 : 미국특허 제 4420385 호 (도 2, 4)
상기 문제점을 고려할 때, 본 발명의 목적은 간단한 구조를 가지며 신뢰성있는 막을 효율적으로 형성할 수 있는 박막형성 장치, 및 그 장치가 사용되는 경우에 적용되는 박막형성 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원료 공급 소스 즉, 모두 기판에 대향하는 스퍼터 막형성 소스와 반응가스 공급 소스를 포함하는 박막형성 장치를 제공하며, 여기서 진공 챔버의 배기를 수행하는 주배기구가 양 소스 중 반응 가스 공급 소스에 더 근접하게 배치되며, 박막형성 장치는 반응가스 도입구와 반응가스 배기구가 제공되는 반응가스 공급소스를 작동시키는 반응 공정과, 스퍼터 가스 도입구가 제공되는 스퍼터 막형성 소스를 작동시키는 막형성 공정을 실행하는 제어 시스템을 더 구비한다.
그 결과, 진공 챔버내의 주 배기구를 통하여 배기함으로써, 막형성시에, 스퍼터 가스 흐름 경로를 주배기구와 스퍼터 막형성 소스 사이에서 항상 확립할 수 있다. 따라서, 반응 가스 소스로부터 방출되는 반응 가스는, 소망의 반응을 위하여 여기되어 기판쪽으로 조사되는 것 이외에는 상술한 스퍼터 가스 흐름의 가스 커튼에 의해 차폐되므로, 반응 가스가 스퍼터 타겟과 같은 스퍼터 막형성 소스 부근에 잔류하는 것을 방지한다. 따라서, 반응 가스 공급 소스로부터 방출되는 반응 가스의 공급을 정지시키지 않고, 반응 가스를 반응 가스 공급 소스로부터 항상 공급하더라도, 적절한 조건하에서 막형성 속도의 저하를 피할 수 있다.
반응 가스를 포함한 반응 가스 소스를 상술한 가스 커튼에 의해 분리할 수 있으므로, 반응 가스 소스를 작동시키는 반응 공정과, 스퍼터 가스 도입구가 제공되는 스퍼터 막형성 소스를 작동시키는 막형성 공정은, 상기 양쪽 공정을 제어하는 제어 시스템에 의해, 서로 간섭되는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 종래의 장치와 다르게 기판을 회전시켜 막형성 영역과 반응 영역을 교대로 이동시킬 필요가 없게 된다.
한편, 막형성 공정과 반응 공정 사이의 간섭을 방지하는 상술한 구조를 가지는 박막형성 장치를 사용하는 경우, 막형성 속도가 고, 중, 저의 3 가지 영역 즉, 고속 금속막형성 영역, 저속 반응막형성 영역, 및 중간 막형성 영역으로 이루어지는 속도 곡선상에 플롯됨을 알 수 있었다. 이들을 제어함으로써, 신뢰성이 높은 막형성을 수행할 수 있다.
더 상세하게, 이러한 제어는 2 가지 타입을 가진다. 즉, 하나는 반응 공정과 막형성 공정 중 어느 하나를 다른 하나의 공정이 종료한 이후에 개시하여, 양 공정을 어떤 중복없이 교대로 수행하게 하는 것이다. 다른 하나는 반응 공정을 지속한 상태로 시간 간격을 삽입하면서 막형성 공정을 반복시키는 것으로, 즉 막형성 공정을 반응 공정의 동작하에 펄스형상의 방식으로 수행한다.
물론, 양 경우에 있어서, 기판이 정지되어 있는 고정 막형성이 가능하게 되며, 막형성 공정을 펄스형상의 방식으로 ON/OFF 시킬 수 있어, 높은 전력을 이용하여 막형성을 수행할 수 있다.
반응 공정과 막형성 공정의 분리가 이들의 배치에만 의존하는 종래의 구조에 있어서, 막형성 공정에 사용되는 스퍼터 타겟 표면이 반응 가스 소스로부터의 산소 가스에 의해 산화되므로, 막형성 효율이 저하하는 결점이 생길 수도 있다. 그 대책으로서, 높은 전력을 이용하여 막형성 공정을 수행하는 것이 바람직하지만, 양 공정 사이의 간섭을 야기할 수 있는 종래 기술의 경우에는, 요구되는 전력이 추정된 것보다 더 높게되고 또한 그 더 높은 전력을 연속적으로 인가해야 하므로, 막 두께가 증가하는 또 다른 문제점이 발생한다. 이 때문에, 기판상에 증착되는 초박막을 금속 화합물 박막으로 변환하는 경우에 고려되어야 할 파라미터가 변화하므로, 이것이 제어를 어렵게 한다.
이와 반대로, 본 발명은 가스 커튼에 의한 간섭방지 뿐만 아니라 막형성 공정을 펄스형상 방식으로 ON/OFF 하므로, 막 두께가 증가하는 새로운 문제점을 발생시키지 않고 신뢰성이 높은 막형성을 달성할 수 있다.
박막형성 장치의 특정 구성에 대하여, 반응 가스 소스로서, 마이크로파 플라즈마 발생기, 이온 총, 또는 충격 기구와 같은 반응 가스 플라즈마 발생기를 사용하고, 이 플라즈마 발생기의 근방에 제공되는 주배기구와 반응가스 배기구에는 각각 컨덕턴스 조정 밸브를 제공한다. 그 결과, 반응 가스의 상시 공급을 계속하는 상태가 달성된다.
즉, 이러한 컨덕턴스 조정 밸브를 사용하면 스퍼터 가스와 반응 가스의 유량을 조정할 수 있다. 상술한 구조를 가진 박막형성 장치를 사용하는 경우, 스퍼터 막형성 속도는, 스퍼터 가스 유량과 반응 가스 유량을 변수로서 사용하고, 고, 중, 저의 3 가지 영역 즉, 고속 금속막형성 영역, 저속 반응막형성 영역, 및 중간 막형성 영역으로 이루어지는 속도 곡선상에 플롯되는 상관관계를 가지는 것으로 인정된다. 즉, 스퍼터 막형성 속도를 소정의 스퍼터 가스 유량하의 반응가스의 유량에 따라 고, 중, 저의 3 가지 영역으로 제어할 수 있으므로, 상술한 컨덕턴스 조정 밸브가 유량 조정 기능을 수행한다.
이러한 박막형성 장치를 사용하면, 막형성시에 스퍼터 가스와 반응 가스를 연속적으로 공급하더라도 반응 가스에 의한 막형성 공정에 대한 영향 및 타겟 재료의 변질을 억제할 수 있다. 따라서, 막형성 공정과 반응 공정을 신속하게 교체시킬 수 있다. 또한, 막형성 공정과 반응 공정을 교체할 수 있기 때문에, 막형성 공정을 펄스형상의 전력을 인가하여 실행함으로써 소망의 막 두께를 가진 막형성을 달성할 수 있으므로, 신뢰성이 높고 효율적인 막형성을 달성할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 기판을 고정시킬 수 있으므로, 회전 기판 기구의 탑재에 의해 수반되는 구조의 복잡화 및 비용 증가를 피할 수 있다. 또한, 상기 장치를 회전 기판 기구에 적용하기 어려운 인라인 스퍼터 막형성에 적용할 수 있다.
막형성시에 스퍼터 가스 및 반응 가스를 박막형성 장치에 연속적으로 공급하는 상태하에서, 양 원료 공급 소스들 중 스퍼터 막형성 소스만을 작동시켜 금속 초박막의 고속 막형성을 실행하는 공정과, 반응 가스 소스만을 작동시켜 금속 초박막의 막두께 방향쪽으로 화학 반응을 실행하는 반응 공정을, 상술한 2 가지 방식 중 어느 하나에 따라서 교대로 반복함으로써, 우수한 막 품질을 가지는 금속 화합물막을 소망의 막 두께까지 효율적으로 형성할 수 있다.
이러한 교대 동작에서, 하나의 타입은 막형성 공정과 반응 공정 중 어느 하나의 공정을 다른 하나의 공정이 종료한 이후에 개시함으로써 양 공정을 교대로 수행할 수 있고, 나머지 다른 타입은 반응 공정을 지속한 상태로 시간 간격들을 삽입하면서 막형성 공정을 반복할 수 있다. 또한, 상기 타입들 중 임의의 것을 실행할 수 있다.
즉, 스퍼터 막형성 소스를 펄스형상의 방식으로 ON/OFF 동작시켜, 반응 가스 소스가 연속적으로 작동되는 경우를 포함하여, 기판상에서 금속 박막 (초박막) 의 막형성이 우세한 공정과, 반응 공정 (금속 화합물 박막으로의 변환) 이 우세한 공정이, 교대로 반복되므로, 우수한 막 품질을 가지는 금속 화합물막을 소망의 막 두께까지 효율적으로 형성할 수 있다.
즉, 박막형성 장치의 제어 시스템은, 소정의 스퍼터 가스 유량하의 반응 가스 유량과, 그 반응 가스 유량에 따라 선택되는 고속, 중속, 저속의 3 가지 모드 즉, 고속 금속종 막형성 모드, 저속 화합물종 막형성 모드, 중간 막형성 모드로 이루어지는 스퍼터 막형성 속도를 참조 데이터로서 기억한다. 소정의 스퍼터 가스 유량하의 막형성시에, 고속 금속종 막형성 모드에 대응하는 반응 가스 유량과 스퍼터 가스 유량을 선택한 후, 그 선택된 양 가스 유량 (반응 가스 유량 및 스퍼터 가스 유량) 사이의 비율을 유지하도록 양 가스 유량을 제어한다. 그 결과, 스퍼터 막형성 속도의 저하를 피할 수 있고, 막형성 공정이 반응 공정보다 더 우세한 상태 또는 반응 공정이 막형성 공정보다 더 우세한 상태를 선택할 수 있으므로, 어느 하나의 공정이 다른 공정보다 더 우세한 상태들을 교대로 반복하여, 소망의 막 두께의 막형성을 달성할 수 있다.
이 경우, 이 막형성 공정 중의 박막의 막두께 성장을 각 막형성 공정에서 20Å 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 그 결과, 막형성 공정에서 증착된 박막의 막 두께에 의해 방해받지 않고, 초박막의 전체 층으로 후속의 반응 공정의 화학 반응이 확산되므로, 우수한 막 품질을 가지는 금속 화합물막을 생성할 수 있다.
본 발명의 박막형성장치에 의해, 기판상에 화학 화합물막을 형성하는 경우, 스퍼터 가스 흐름에 의해 반응 가스 흐름에 대한 차폐 효과가 획득되므로, 반응 가스가 타겟 근방에 잔류하는 것을 억제하면서 막형성 공정과 반응 공정을 진행시킬 수 있다. 스퍼터 가스와 반응 가스를 연속적으로 공급한 상태에서도, 펄스형상으로 스퍼터 가스의 공급을 ON/OFF 시킴으로써, 막형성 공정에서의 금속종 막형성 특유의 높은 막형성 속도로 막형성이 달성된다. 반응 공정에서, 적절한 량의 반응 가스를 사용하여 전체 막 두께 방향으로 반응을 전체적으로 행한다. 그 결과, 막 두께의 어떤 예기치 않은 증가없이, 소망의 막 두께의 박막을 효율적으로 형성할 수 있다. 아르곤 가스 흐름에 의해 스퍼터 소스와 반응 가스 소스가 분리되므로, 막형성 안정성이 우수한 정지기판 막형성 시스템을 사용할 수 있다. 이러한 막형성 시스템은 구조를 간단하게 하여 비용을 감소시킨다.
또한, 상기 장치를 인라인 시스템에 적용한 경우, 고정 타입의 막형성뿐만 아니라 통과 타입의 막형성을 수행할 수 있다. 상기 장치를 이러한 시스템에 탑재함으로써, 막형성 효율을 증가시킬 수 있다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 박막형성 장치를 나타내는 개략 단면도이다. 도 3 에서, 장치 챔버 (30) 의 저면의 한 측면 부근의 영역에는 일체적으로 형성되는 Si 타켓 (34) 을 가지는 캐소드 (35) 가 제공되어 있다. 일체적으로 구성된 타겟 (34) 및 캐소드 (35) 각각은 입자출사방향을 제외하고 스퍼터 가스 도입구 (36) 를 포함하는 방착판 (protector plate; 31) 으로 커버된다. 한편, 캐소드 (35) 는 DC 전원에 의해 작동된다.
마이크로파 총 (37) 을 장치 챔버 (30) 의 저면의 다른 측면 부근의 영역에 제공하고, 그 마이크로파 총 (37) 을 마이크로파 조사 방향을 제외하고 산소 가스 도입구 (38) 를 포함하는 방착판 (32) 으로 커버한다. 또한, 방착판 (32) 으로 커버되는 저면에는 제 1 컨덕턴스 밸브 (41) 를 통하여 터보분자 펌프 (33) 에 접속되는 산소 가스 배기구 (40) 를 제공하여, 마이크로파 총 (37) 을 굴뚝 (chimney) 구조로 형성한다.
상부 영역에는 기판 홀더 (39a) 에 의해 유지되는 기판 (39) 을 고정하고, 타겟 (34) 및 마이크로파 총 (37) 을 기판 (39) 에 대향하도록 배치한다. 장치 챔버 (30) 의 측면에는 제 2 컨덕턴스 밸브 (42) 를 통하여 진공 펌프 (도시되지 않음) 에 접속되는 주배기구 (43) 가 제공된다.
제 1 및 제 2 컨덕턴스 밸브 (41, 42) 는 그 개방 정도를 제어 시스템 (도시되지 않음) 에 의해 제어할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 장치 챔버 (30) 의 저면의 중앙에 격벽 (44) 을 제공한다. 격벽 (44) 은 서로 대향하는 기판 (39) 과 타겟 (34) 의 최측단들을 접속하여 형성되는 가상스퍼터입자 비행영역과 서로 대향하는 기판 (39) 과 마이크로파 총 (37) 의 최측단들을 접속하여 형성되는 가상 마이크로파 조사영역으로 돌출하지 않도록 배치된다.
박막형성 장치 (30) 에 의한 막형성시에 요구되는 것은, 산소 가스의 유입에 의한 타겟 (34) 표면의 변질을 피하면서 효율적으로 막을 형성하는 것이다. 본 발명은 도 3 의 스퍼터 가스 흐름으로 나타낸 아르곤 가스에 의한 차폐 효과를 이용한다.
상술한 바와 같이, 스퍼터법에 따라 금속의 초박막을 증착하고, 반응 가스로부터 발생하는 플라즈마 또는 활성종을 이 초박막에 조사하여, 이 초박막을 금속 화합물 박막으로 변환한 후, 초박막 증착과 화합물 박막 변환의 공정을 수회 반복한다. 스퍼터 가스를 소정의 유량으로 산소 가스 유량을 고정한 상태로 변경하면, 각각의 산소 가스 유량과 막형성 속도 사이의 상관관계를 도 4 에 나타낸다 (여기서, 스퍼터 가스로서 아르곤을 100 sccm 공급하고, 그 막형성 압력을 0.3 Pa 로 설정한 것으로 가정한다). 도 4 에서 스퍼터 막형성 속도가 높은 레벨로 변화하는 영역은 높은 막형성 속도를 보증하는 금속종 (金屬種) 막형성 모드 (금속 모드) 에 대응하고, 스퍼터 막형성 속도가 낮은 레벨로 변화하는 영역은 작은 막형성 속도를 보증하는 산화물종 막형성 모드 (산화물 모드) 에 대응한다. 또한, 금속종 막형성 모드로부터 산화물종 막형성 모드로의 변환 부분을 중간 막형성 모드로서 지칭하고, 스퍼터 막형성 속도를 고속 모드, 중속 모드, 저속 모드의 3 가지 모드로 분류할 수 있다.
상술한 금속종 막형성 모드하에서, 아르곤 가스의 차폐 효과에 의해 산소 가스의 유입이 방지되고, 기판에 증착되는 증착종이 거의 금속종으로 이루어져, 금속종 특유의 높은 막형성 속도가 유지된다. 한편, 산화물종 막형성 모드하에서는, 산소가스 유량이 증가함에 따라, 아르곤 가스의 차폐 효과가 저하하고 산소 가스를 포함한 반응 분위기가 생성되어, 타겟 특성이 저하하므로 막형성 속도의 저하가 야기된다. 금속종 막형성 모드하에서 대부분 금속종으로 이루어진 증착종은 화학적으로 활성이므로, 상당히 큰 두께로 형성되기 이전이면, 기판에 증착된 이후에도 그 증착종은 반응성이 풍부하다. 따라서, 어느 정도의 막 두께로 형성된 이후에 산화 반응을 실행함으로써, 증착막이 전체적으로 막 두께의 방향으로 산화된다. 결과물로서 금속 산화물막이 형성되지만, 상기의 상당히 큰 막두께를 가지는 박막의 형성을 소망하는 경우, 이는 금속종의 초박막 증착 및 산화 반응을 반복하는 것에 의해 달성될 수 있다. 이 때의 금속 산화물막의 막형성속도는 금속종 막형성 모드하의 금속종의 높은 막형성 속도와 증착된 금속종의 산화반응속도에 따라 결정되고, 그 속도는 산화물종 막형성 모드하의 막형성 속도보다 더욱 크다. 본 발명의 장치는 효율적인 막형성을 실행하기 위하여 스퍼터 가스와 반응 가스의 유량 조정 기구 및 증착막 반응 기구를 포함한다.
도 3 에 나타낸 장치 챔버 (30) 를 이용하여 기판 (39) 상에 SiO2 막을 형성하는 경우, 주배기구 (43) 를 통하여 배기를 수행하여 장치 챔버 (30) 내부를 소정의 압력상태로 유지한다. 그 후, 스퍼터가스 도입구 (36) 를 통하여 소정량의 아르곤 가스를 도입하면서, 산소가스 도입구 (38) 를 통하여 소정량의 산소 가스를 도입하여 장치 챔버 (30) 내부를 소정의 압력상태로 유지한다. 이 때의 아르곤 가스와 산소 가스의 유량은 제어 시스템 (도시되지 않음) 하에 제 2 컨덕턴스 밸브 (42) 를 조정함으로써 조정되며, 예를 들어 0.3 Pa 의 일정한 압력하에서 100 sccm 의 아르곤 가스에 대하여 약 50 sccm 의 산소 가스가 확보된다. 이 유량비는 타겟 (34) 의 표면이 산화되지 않도록 아르곤 가스의 차폐 효과를 충분히 발휘하여, 비교적 높은 스퍼터 막형성 속도를 유지할 수 있도록 설정된다. 도 3 의 장치내부에 제공되는 이온 게이지 (gauge) A (아르곤 가스용) 및 이온 게이지 B (산소가스용) 에 의해 개략적으로 유량의 경향을 체크할 수 있다.
DC 전원 (도시되지 않음) 을 통하여 Si 타겟 (34) 에 소정의 전력 (예를 들어, 1 kw) 을 인가함으로써, 캐소드 (35) 를 출력대기상태로 한다. 한편, 마이크로파 총 (37) 에 접속되는 마이크로파 전원 (도시되지 않음) 을 이용하여 소정의 전력 (예를 들어, 0.5 KW) 을 인가함으로써, 마이크로파 플라즈마의 조사를 출력대기상태로 한다.
이러한 상태하에서, 캐소드 전원의 작동에 의한 막형성 공정과 마이크로파 전원의 작동에 의한 산화공정 (반응 공정) 을 소정의 시간동안 상기 제어 시스템에 의해 반복적으로 그리고 교대로 수행한다. 막형성 공정 및 산화 공정에 걸쳐 산소 가스의 유량보다 더 높은 유량의 아르곤 가스 흐름 경로가, 아르곤 가스 도입 구 (36) 의 근방으로부터 주배기구 (43) 의 방향으로 항상 확립된다. 따라서, 산소가스 도입구 (38) 로부터 도입되는 산소가스는 마이크로파 전원의 작동에 의한 마이크로파에 의해 여기되고, 산소 플라즈마로서 기판 (39) 을 향하여 조사되는 것을 제외하고 상술한 아르곤 가스 흐름에 합류하여 주배기구 (43) 로부터 배출된다. 따라서, 산소가스가 산소가스 도입구 (38) 로부터 항상 도입되더라도, 아르곤 가스 흐름이 그 차폐 효과를 발휘하여 에어 커튼으로서 기능하므로, 산소 가스가 타겟 (34) 의 근방에 잔류하는 것이 억제된다. 따라서, 타겟의 산화에 의한 막형성 속도의 변화 및 막 품질의 변화가 방지된다. 또한, 기판 (39) 상의 증착은 상술한 금속종 막형성 모드로 유지되기 때문에, 비교적 높은 막형성 속도가 확보된다.
또한, 본 발명의 박막형성 장치 챔버 (30) 에 있어서, 방착판 (32) 으로 둘러싸인 공간내에 보조수단으로서 산소가스 배기구 (40) 를 제 1 컨덕턴스 밸브 (41) 를 통하여 제공하여, 산소가스 배기구 (40) 와 주배기구 (43) 를 통하여 차동배기를 수행함으로써, 산소 가스의 배출을 조정한다. 그 결과, 타겟의 산화를 확실히 방지한다. 이는 스퍼터 가스의 유량이 적은 경우이거나 또는 스퍼터 막형성이 보다 낮은 압력하에서 실행되는 경우에 유리하게 된다. 제 1 및 제 2 컨덕턴스 밸브 (41, 42) 를 조정하는 제어 시스템은 소정의 아르곤 가스 유량하의 산소가스 유량 및 스퍼터 막형성 속도를 참조 데이터로서 저장하며, 상기 스퍼터 막형성 속도는 각각 산소가스 유량에 의존하는 3 가지 모드 (고, 중, 저) 즉, 고속 금속종 막형성 모드, 저속 화합물종 막형성 모드, 중간 막형성 모드로 분류된다. 소정의 스퍼터 가스유량하에서 막형성하는 경우, 고속 금속종 막형성 모드에 대응하는 산소가스 유량과 아르곤가스 유량을 선택한 후, 산소 가스와 아르곤 가스 사이에서 선택된 유량비를 유지하도록 이러한 유량들을 제어한다.
산소가스 배기구 (40) 를 통하여 스퍼터 가스 흐름내에 포함되는 아르곤 가스도 또한 배출되지만, 주배기구 (43) 의 배기용량이 비교적 우세하기 때문에, 아르곤 가스 도입구 (36) 의 근방으로부터 주배기구 (43) 의 방향으로 확립되는 아르곤 가스 흐름경로는 크게 변화하지 않는다. 이러한 조건은 0.3 Pa 의 일정한 압력하의 아르곤 가스 100 sccm 과 산소 가스 50 sccm 의 유량으로, 주배기구 (43) 에 12 인치의 크라이어펌프 (cryopump) 를 접속하고, 산소가스 배기구 (40) 에 6 인치의 터보분자 펌프 (33) 를 접속함으로써 달성된다.
도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 박막형성 장치의 개략 단면도이다. 이 장치는 장치 챔버 (50) 가 인라인 타입의 막형성 장치 내의 막형성 챔버로서 구성된다는 점에서 도 3 에 나타낸 박막형성 장치와 다르다. 이러한 인라인 타입의 막형성 장치는 최근의 프로세싱 공정의 증가와 기판의 대형화에 따라 종종 사용되며, 이 실시형태에서, 기판 (39) 은 도 5 의 도면의 수직 방향으로 반송된다. 이 장치는 종래예와 다르게 움직이지 않게 구성되므로, 장치의 구성이 보다 간단해져, 인라인 시스템에 사용될 수 있다.
도 5 에 나타낸 바와 같이 구성된 장치 챔버 (50) 내의 기판 (39) 에 SiO2 막을 형성하는 경우, 반송 방향 (도 5 의 도면의 수직방향) 으로 기판 (39) 을 그 챔버로 반입한다. 기판 챔버 (50) 를 소정의 압력상태로 설정한 후, 스퍼터 가스 도입구 (36) 를 통하여 소정의 유량의 아르곤 가스를 도입하면서, 산소가스 도입구 (38) 를 통하여 소정의 유량의 산소 가스를 도입하여, 막형성 챔버내의 압력을 일정한 상태로 유지한다. 이 때, 제어 시스템 (도시되지 않음) 을 이용하여 제 2 컨덕턴스 밸브 (52) 를 조정함으로써, 도 3 에 나타낸 장치 (30) 의 경우와 같이 아르곤 가스의 차폐 효과가 확립된다.
DC 전원 (도시되지 않음) 으로부터 Si 타겟 (34) 에 소정의 전력을 인가함으로써, 캐소드 (35) 를 출력대기상태로 설정한 후, 마이크로파 총 (37) 에 접속되는 마이크로파 전원 (도시되지 않음) 에 소정의 전력을 인가함으로써, 마이크로파 플라즈마의 조사를 출력 대기 상태로 설정한다.
이러한 상태하에서, 캐소드 전원의 작동에 의한 막형성 공정과 마이크로파 전원의 작동에 의한 산화 공정을 상술한 제어 시스템에 의해 반복적으로 그리고 교대로 수행한다. 이 때, 양 공정에 걸쳐 아르곤가스 도입구 (36) 의 근방으로부터 주배기구 (53) 의 방향으로 아르곤 가스 흐름이 확립된다. 산소가스 도입구 (38) 를 통하여 도입되는 산소 가스는, 마이크로파 전원에 의한 마이크로파에 의해 여기되어 산소 플라즈마로서 기판 (39) 을 향하여 조사되는 것을 제외하고, 아르곤 가스 흐름에 합류하여 주배기구 (53) 를 통하여 배기된다.
즉, 산소 가스 도입구 (38) 를 통하여 산소 가스가 항상 도입되더라도, 아르곤 가스 흐름이 산소 가스를 차폐하는 에어 커튼으로 기능하여, 타겟의 산화에 의한 막형성 속도의 변화와 막 품질의 저하를 방지한다. 그 결과, 도 3 에 나타낸 박막형성 장치 (30) 와 유사하게, 금속종 증착모드 특유의 비교적 높은 막형성 속도가 확보된다. 또한, 박막형성 장치 챔버 (50) 에 있어서, 도 3 에 나타낸 박막형성 장치 챔버 (30) 와 유사하게, 방착판 (32) 으로 둘러싸인 공간내의 보조 수단으로서 산소 가스 배기구 (40) 가 제공되며, 산소가스 배기구 (40) 와 주배기구 (53) 의 배기 컨덕턴스를 적절히 조정함으로써 차동 배기를 수행하고, 또한 산소 가스의 배기 조정을 실행하고 타겟의 산화를 확실하게 방지하고, 또한 제 1 및 제 2 컨덕턴스 밸브 (41, 52) 를 제어 시스템에 의해 조정한다.
제 2 실시형태에 따르면, 도 3 에 나타낸 장치 챔버 (30) 와 같은 고정된 기판상에 박막을 형성하였지만, 기판 (39) 을 인라인 장치의 반송 방향 (도 5 의 수직 방향) 으로 반송하면서 막형성을 수행할 수도 있다. 이러한 방법에 의해 인라인 장치 고유의 택트 (tact) 시간을 줄일 수 있는 막형성을 효율적으로 행할 수 있다.
도 6 은 이러한 타입의 통과 막형성용의 인라인 장치의 개략 단면도를 본 발명의 박막형성 장치의 제 3 실시형태로서 나타낸다. 이 장치는 장치 챔버 (60) 의 주배기구 (63) 가 마이크로파 총 (37) 근방의 저면에 제공된다는 점에서 도 5 에 나타낸 박막형성 장치 챔버 (50) 와 다르다. 이러한 인라인 장치에서, 도 6 의 도면의 좌우방향으로 기판 (39) 이 반송된다.
도 6 에 나타낸 바와 같이 구성된 막형성 장치 챔버 (60) 내의 기판 (39) 에 SiO2 막을 형성하는 경우, 분할 밸브 (partition valve; 64, 65) 를 통하여 기판 (39) 을 반송하여, 장치 챔버내부에서 소정의 압력상태를 유지한다. 그 후, 스퍼터가스 도입구 (36) 를 통하여 소정의 유량의 아르곤 가스를 도입하면서, 산소가스 도입구 (38) 를 통하여 소정의 유량의 산소 가스를 도입하여 막형성 장치 챔버내부의 압력을 일정하게 유지한다. 이 때, 제어 시스템 (도시되지 않음) 에 의해 제 2 컨덕턴스 밸브 (62) 를 조정함으로써, 도 5 에 나타낸 장치 챔버 (50) 와 유사하게 아르곤 가스의 차폐 효과가 확립된다.
DC 전원 (도시되지 않음) 에 의해 Si 타겟 (34) 에 소정의 전력을 인가함으로써, 캐소드 (35) 를 출력 대기 상태로 하고, 마이크로파 총 (37) 에 접속되는 마이크로파 전원 (도시되지 않음) 에 소정의 전력을 인가함으로써, 마이크로파 플라즈마의 조사를 출력대기상태로 한다.
도 6 의 좌우방향으로 반송되는 기판 (39) 의 전단 (前端) 이, 타겟 (34) 에 의해 행해진 가상 스퍼터 입자 비행영역과 마이크로파 총 (37) 에 의해 행해진 가상 마이크로파 조사영역 사이의 중복 영역으로 침입하는 경우, 캐소드 전원의 작동에 의한 막형성 공정과 마이크로파 전원의 작동에 의한 산화 공정을, 각각의 소정의 시간 동안 반복적으로 그리고 교대로 수행한다. 그 후, 기판 (39) 의 후단이 상술한 중복 영역을 통과한 경우에, 양 공정을 종료한다. 양 공정에서, 아르곤 가스 도입구 (36) 의 근방으로부터 주배기구 (63) 의 방향으로 아르곤 가스 흐름이 확립된다. 산소가스 도입구 (38) 로부터 도입되는 산소 가스는, 마이크로파 전원의 작동에 의한 마이크로파에 의해 여기되어 기판 (39) 을 향하여 조사되는 것을 제외하고, 아르곤 가스 흐름에 합류하여 주배기구 (63) 를 통하여 배기된다.
따라서, 타겟의 산화에 의한 막형성 속도의 변화 및 막 품질의 변화가 방지된다. 그 결과, 금속종 증착모드 특유의 비교적 높은 막형성 속도가, 도 5 에 나타낸 박막형성장치 챔버 (50) 의 경우와 같이 확보된다. 또한, 제어 시스템 (도시되지 않음) 에 의해 산소가스 배기구 (40) 와 주배기구 (63) 의 배기 컨덕턴스를 조정함으로써 타겟의 산화를 확실히 방지할 수 있다.
도 7 은 본 발명의 제 4 실시형태를 나타낸다. 이 실시형태는 산화 소스로서의 충격 (bombardment) 전극 (77) 이 막형성 챔버 (50) 의 측벽에 제공된다는 점에서 도 5 에 나타낸 제 2 실시형태와 다르다.
도 7 에 나타낸 바와 같이 구성된 막형성 장치 챔버 (50) 내의 기판 (39) 에 SiO2 막을 형성하는 경우, 기판 (39) 을 반송방향 (도 7 의 도면에 수직방향) 으로 반송하고, 장치 챔버를 소정의 압력상태로 조정한 후, 스퍼터 가스 도입구 (36) 를 통하여 소정의 유량의 아르곤 가스를 도입한다. 그와 동시에, 산소가스 도입구 (38) 를 통하여 소정의 유량의 산소 가스를 도입하여 막형성장치 챔버 내부에서 소정의 압력을 유지한다. 도 3 에 나타낸 장치 (30) 와 같이 제어 시스템 (도시되지 않음) 에 의해 제 2 컨덕턴스 밸브 (52) 를 조정함으로써, 도 5 의 제 2 실시형태와 같이, 아르곤 가스의 차폐 효과를 확립한다.
그 후, DC 전원으로부터 Si 타겟으로 소정의 전력을 인가하여, 캐소드 (35) 를 출력 대기 상태로 하고, 충격 전극 (77) 에 접속되는 RF 전원 (도시되지 않음) 으로부터 소정의 전력을 인가하여, 충격 전극 (77) 을 출력 대기 상태로 설정한다.
이러한 상태하에서, 캐소드 전원의 작동에 의한 막형성 공정을, RF 전원의 작동에 의한 산화 공정을 지속적으로 유지하면서 시간 간격에 따라 반복한다. 이 때, 양쪽 공정에 걸쳐 아르곤 가스 도입구 (36) 의 근방으로부터 주배기구 (53) 쪽으로 아르곤 가스 흐름이 확립된다. 산소가스 도입구 (38) 를 통하여 도입되는 산소 가스는 RF 전원의 작동에 의해 지속적으로 여기되어 충격 전극 (77) 의 표면에 산소 플라즈마를 발생한다. 플라즈마에 의해 생성된 원자상태의 산소 또는 산소 이온이 기판 (39) 의 전면(前面) 을 통과한다. 간헐적인 막형성 공정에 의해 기판 (39) 상에 증착되는 매우 얇은 금속막 (초박막) 이, 막형성 공정의 시간 간격으로 층마다 산화되므로, 시간 경과에 따라 소정의 막 두께의 산화막을 획득할 수 있다.
반응가스 도입구 (38) 로부터 도입되는 가스는 O3 가스를 함유할 수도 있다.
도 8 은 본 발명의 제 5 실시형태를 나타낸다. 이 실시형태는 마이크로파 전원 (83)(도시되지 않음) 에 접속되는 이온 총 (87) 이 산화 소스로서 기판 (39) 부근에 제공되고, 이온 총 (87) 이 반응 가스 도입 밸브 (82) 를 통하여 O2 가스를 공급할 수 있고, 기판 (39) 의 이면에 자장 (磁場) 발생용 자장 회로 (80) 를 제공하는 등의 점에서 도 6 에 나타낸 제 3 실시형태와 다르다.
도 8 에 나타낸 바와 같이 구성된 막형성 장치 챔버 (60) 내의 기판 (39) 에 SiO2 막을 형성하는 경우, 분할 밸브 (64, 65) 를 통하여 기판 (39) 을 챔버로 반송한다. 그 장치 챔버를 소정의 압력 상태로 설정한 후, 스퍼터 가스 도입구 (36) 를 통하여 소정의 유량의 아르곤 가스를 도입한다. 산소 가스 도입 밸브 (82) 를 작동시켜 소정의 유량의 산소 가스를 도입함으로써, 막형성 장치 챔버의 압력을 일정한 레벨로 조정한다. 제어 시스템 (도시되지 않음) 에 의해 제 2 컨덕턴스 밸브 (81) 를 조정함으로써, 아르곤 가스에 의해 차폐 효과가 확립될 때까지의 상태는, 도 6 에 나타낸 제 3 실시형태와 동일하다.
DC 전원 (도시되지 않음) 으로부터 Si 타겟 (34) 에 소정의 전원을 인가함으로써, 캐소드 (35) 를 출력대기상태로 하며, 이온 총 (87) 에 접속되는 마이크로파 전원 (83) 에 소정의 전력을 인가함으로써, 이온 총 (87) 의 조사를 출력대기상태로 한다.
좌우방향으로 반송된 기판 (39) 의 전단 (前端) 이, 타겟 (34) 에 의해 만들어진 가상 스퍼터 입자 비행영역과 이온 총 (87) 에 의해 만들어진 가상 이온총 조사 영역 사이의 중복영역으로 침입하는 경우, 마이크로파 전원 (83) 과 이온 총 (87) 의 작동에 의한 ECR 산화 공정을 지속적으로 유지하면서 막형성 공정을 시간 간격에 따라 반복한다. 이 때, 양쪽 공정에 걸쳐 아르곤 가스 도입구 (36) 의 근방으로부터 주배기구 (53) 쪽으로 아르곤 가스흐름이 확립된다. 산소 가스 도입 밸브 (82) 를 통하여 도입되는 산소 가스는 마이크로파 전원 (83) 과 이온 총 (87) 의 작동에 의해 지속적으로 여기되어, 산소 ECR 플라즈마를 생성한다. ECR 플라즈마 공정에 의해 생성되는 원자상태의 산소 또는 산소 이온이 기판 (39) 의 전면 (前面) 을 통과한다. 간헐적인 막형성 공정에 의해 기판 (39) 상에 증 착된 매우 얇은 금속막 (초박막) 이 막형성 공정의 시간 간격에서 층마다 산화되므로, 시간의 경과에 따라 소정의 두께의 산화막을 획득할 수 있다
도 9 는 본 발명의 제 6 실시형태를 나타낸다. 이 실시형태는 장치 챔버 외부의 AC 전원 (90) 에 접속되는 한 쌍의 O2 가스 노즐을 산화소스로서 기판 (39) 부근에 제공하는 점에서 제 5 실시형태와 다르다. 가스홀들은 기판 (39) 의 표면에 대하여 가스를 분출시키도록 제조되며, 실제로 AC 전력의 인가는 가스 노즐 (98) 이 제공된 2 개의 금속 파이프 (38) 를 통하여 수행된다.
도 8 의 제 5 실시형태와 같이, 좌우 방향으로 반송되는 기판 (39) 의 전단 (前端) 이 타겟 (34) 에 의해 만들어진 가상 스퍼터 입자 비행영역으로 들어가는 경우, AC 전원 (90) 의 작동에 의한 플라즈마 산화 공정을 지속적으로 유지하면서, 캐소드 전원의 작동에 의한 막형성 공정을 시간 간격에 따라 간헐적으로 반복한다. 이 때, 양쪽 공정에 걸쳐서 아르곤 가스 도입구 (36) 의 근방으로부터 주배기 밸브 (91) 쪽으로 아르곤 가스 흐름이 확립된다. 가스 노즐 (98) 을 통하여 도입되는 산소 가스가 AC 전원 (90) 의 작동에 의해 지속적으로 여기되어 산소 플라즈마를 생성하고, 그 플라즈마에 의해 생성된 원자상태의 산소 또는 산소 이온이 기판 (39) 의 전면 (前面) 을 통과한다. 간헐적인 막형성 공정에 의해 기판 (39) 에 증착되는 매우 얇은 금속막 (초박막) 이 막형성 공정의 시간 간격으로 층마다 산화되므로, 시간의 경과에 따라 소정의 막 두께의 산화막을 획득할 수 있다.
이 실시형태들에 따르면, 형성되는 박막을 SiO2 막으로 하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않고, 말할 필요도 없이 SiO2 막 대신에 TiO2 막 또는 Ta2O5 막을 형성하는 것이 허용될 수 있다. 이 경우에, 타겟 (34) 의 재료로서 Ti 또는 Ta 를 사용한다.
이 실시형태들에 따르면, 산화막을 형성하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않고, 질화막의 형성에 적용될 수도 있다.
[실시예 1]
도 3 에 나타낸 장치에서, 타겟 (34) 및 캐소드 (35) 로서 4 인치의 직경을 가진 Si 캐소드를 사용하였다. 기억된 참조 데이터에 기초한 제어 시스템의 지시하에, 스퍼터 가스 도입구 (36) 로부터 도입되는 아르곤 가스의 유량을 100 sccm 으로 조정하였고, 산소가스 도입구 (38) 로부터 공급되는 산소 가스의 유량을 50 sccm 으로 조정하였다. 그 후, DC 전원으로부터 Si 캐소드 (35) 에 1 kW 의 전력을 인가함으로써, 캐소드를 출력대기상태로 하고, 마이크로파 전원으로부터 0.5 kW 의 전력을 인가함으로써, 마이크로파 플라즈마의 조사를 출력대기상태로 하였다.
상술한 제어 시스템하에서, 캐소드 전원의 작동에 의한 막형성 공정을, ON 상태가 0.05 초이고 OFF 상태가 0.04 초가 되도록 설정하였다. 마이크로파 전원의 작동에 의한 산화 공정을, ON 상태가 0.02 초이고 OFF 상태가 0.07 초가 되도록 설정하였다. 양쪽 공정을 교대로 반복하였다 (도 10 참조). 이 때, 1 회의 막형성 공정에 의해 Si 금속막의 막두께는 2Å 만큼 성장하였다. 양쪽 공 정을 60 분간 반복한 후에, 막 두께는 12㎛ 로 성장하였다.
이 박막을 조사한 결과, 이 박막이 비정질(amorphous)막 구조를 가졌음을 알았다. 또한, 이 박막의 적외 (infrared) 영역에서의 광학 특성을 측정한 결과, 이 막이 1.46 의 굴절율과 3 ×10-4 의 소광 계수를 가지는 우수한 광학 박막 (SiO2 막) 임을 알았다.
[비교예 1]
산소 가스 도입구 (38) 로부터 산소 가스의 유량을 변경한 것 이외에는 동일한 방식으로 박막 (SiO2 막) 을 형성하였다.
이 때의 각 산소 가스 유량에 대하여, 표 1 은 도 3 에 나타낸 장치 챔버 (30) 내의 이온 게이지 설치장소 (A, B) 에서 측정된 압력값들을 나타낸다.
Figure 112003038200055-pat00001
표 1 은, 산소 가스 유량이 50 sccm 이하인 경우, 이온 게이지 설치 장소 (A, B) 사이에 충분한 차압(differential pressure)을 확보하였음을 나타낸다. 이는 아르곤 가스 흐름이 아르곤 가스 도입구 (36) 의 근방으로부터 주배기구 (43) 쪽으로 확립되어, 아르곤에 의한 산소 가스의 차폐 효과가 충분히 발휘됨을 나타낸다.
실시예 1 과 비교예 1 를 비교검토한 바, 본 발명의 박막형성 장치를 이용한 막형성 방법에 따르면, 아르곤 가스 흐름에 의한 산소 가스의 차폐 효과가 발휘되어 금속 타겟의 표면에 박막이 증착되고, 산화반응이 이 증착막으로 침투하여, 결과적으로 산화막이 형성되는 것으로 추측된다. 즉, 막형성이 금속막형성 특유의 높은 막형성 속도로 진행하므로, 본 발명의 방법에 의해 비교적 고속으로 막형성을 할 수 있다.
[실시예 2]
도 5 에 나타낸 장치 챔버 (50) 에서는, 타겟 (34) 및 캐소드 (35) 에 대하여 5 ×16 인치의 Si 캐소드를 채용하고, 스퍼터 막형성 장치 챔버 (50) 를 0.3 Pa 의 일정한 압력으로 유지하였다. 기억된 참조 데이터에 기초한 제어 시스템으로부터의 지시하에, 스퍼터 가스 도입구 (36) 로부터의 아르곤 가스 유량을 100 sccm 으로 조정하고, 산소 가스 도입구 (38) 로부터의 산소 가스 (10 용량 %의 O3 가스 함유) 를 50 sccm 으로 조정하였다. DC 전원으로부터 Si 캐소드 (35) 에 5 kW 의 전력을 인가함으로써, 캐소드를 출력대기상태로 하고, 마이크로파 전원으로부터 2.0 kW 의 전력을 인가함으로써, 마이크로파 플라즈마의 조사를 출력대기상태로 하였다.
상술한 제어 시스템에 의해 캐소드 전원의 작동에 의한 막형성 공정을, ON 상태가 0.05 초 동안 지속되고 OFF 상태가 0.04 초 동안 지속되도록 설정하였다. 그 후, 마이크로파 전원의 작동에 의한 산화 공정을, ON 상태가 0.02 초 동안 지속되고 OFF 상태가 0.07 초 동안 지속되도록 설정하였다. 양쪽 공정을 교대로 반복함으로써 (도 10 참조), 실시예 1 과 같이 1 회의 막형성공정에서 Si 금속막의 막 두께를 2Å 만큼 성장시켰다. 이러한 상태하에서, 기판 (39) 의 반송 캐리어 (도시되지 않음) 를 1m/분의 속도로 반송시키면서 막을 형성하였다. 이 박막을 정밀하게 조사한 결과, 이 막이 비정질막 구조를 가졌음을 알았다. 또한, 이 박막의 적외영역에서의 광학 특성을 측정한 결과, 이 막이 1.46 의 굴절율과 3 ×10-4 의 소광계수를 가지는 우수한 광학박막 (SiO2 막) 임을 알았다.
[실시예 3]
도 7 에 나타낸 장치 챔버 (50) 에서, 타겟 (34) 및 캐소드 (35) 에 대하여 5 ×16 인치의 Si 캐소드를 채용하고, 스퍼터 막형성 장치 챔버 (50) 를 0.3 Pa 의 일정한 압력으로 유지하였다. 기억된 참조 데이터에 기초한 제어 시스템으로부터의 지시하에, 스퍼터 가스 도입구 (36) 로부터의 아르곤 가스 유량을 100 sccm 으로 조정하고, 산소 가스 도입구 (38) 로부터의 산소 가스를 50 sccm 으로 조정하였다. DC 전원 (도시되지 않음) 으로부터 Si 캐소드 (35) 에 5 kW 의 전력을 인가함으로써, 캐소드를 출력대기상태로 하고, RF 전원으로부터 2.0 kW의 전력을 인가함으로써, 충격 전극 (77) 을 출력대기상태로 하였다.
상술한 제어 시스템하에, RF 전원으로부터 소정의 전력 (2kW) 을 인가함으로써 충격 전극 (77) 을 지속적으로 작동시켰다. 그 후, 캐소드 전원의 작동에 의한 막형성 공정을, ON 상태를 0.05 초 동안 지속하고 OFF 상태를 0.04 초 동안(간격) 지속하도록 설정하였다. 이 사이클을 반복함으로써 (도 11 참조), 실시예 1 과 같이 1 회의 막형성 공정에서 Si 금속막의 막 두께를 2Å 만큼 성장시켰다. 화합물막의 적외영역에서의 광학 특성을 측정한 결과, 최종적으로 획득되는 막은 1.46 의 굴절율과 7 ×10-4 의 소광계수를 가지는 우수한 광학막 (SiO2 막) 이었다.
[실시예 4]
도 8 에 나타낸 장치 챔버 (60) 에서, 상술한 바와 같이, 캐소드 (35) 와 이온 총 (87) 을 출력대기상태로 한 후, 제어 시스템하에서 마이크로파 전원 (83) 에 의해 소정의 전력 (2 kW) 을 인가함으로써 이온 총 (87) 을 지속적으로 작동시켰다. 그 후, ON 상태를 O.05 초 동안 지속하고 OFF 상태를 0.04 초 동안 (간격) 지속하도록, 1 kW 의 캐소드 전원의 작동에 의한 막형성 공정을 설정하였다. 이 사이클을 반복함으로써 (도 12 참조), 1 회의 막형성 공정에서 Si 금속막의 막 두께를 2Å 만큼 성장시켰다. 화합물막의 적외영역에서의 광학 특성을 측정한 결과, 최종적으로 획득된 막은 1.46 의 굴절율과 2 ×10-4 의 소광계수를 가지는 우수한 광학막 (SiO2 막) 이었다.
[실시예 5]
도 9 에 나타낸 장치 챔버 (60) 에서는, 상술한 제어 시스템하에 10 ㎑ 의 AC 전원으로부터 한 쌍의 금속 파이프 (38) 에 소정의 전력을 인가함으로써 산소 플라즈마를 생성하였다. 그 후에, ON 상태가 0.05 초 동안 지속되고 OFF 상태가 0.04 초 동안 (간격) 지속되도록, 2 kW 의 캐소드 전원의 작동에 의한 막형성 공정을 설정하였다. 이 사이클을 반복함으로써, 1 회의 막형성 공정에서 Si 금속막의 막 두께를 3Å 만큼 성장시켰다. 화합물막의 적외영역에서의 광학 특성을 측정한 결과, 최종적으로 획득된 막은 1.46 의 굴절율과 6 ×10-4 의 소광계수를 가지는 우수한 광학 박막 (SiO2 막) 이었다. 또한, 이 막형성 공정을 40 분동안 지속한 바, 막 두께는 12㎛ 로 성장하였다.
[비교예 2]
실시예 5 의 캐소드 전원의 ON/OFF 시간 (0.05 초 동안 ON/0.04 초 동안 OFF) 을 변경하여 항상 ON 이 되도록 설정함으로써, 획득되는 화합물막은 큰 흡수력을 가져 소망의 투명성을 획득할 수 없었다. 그 이유는, 금속 스퍼터 입자들이 기판에 연속적으로 증착하여, 막형성 공정이 간헐적으로 삽입되는 실시예 5 와 다르고, 전체적인 산화가 후속하지 않았기 때문이다.
[비교예 3]
실시예 5 의 캐소드 전원의 ON/OFF 시간 (0.05 초 동안 ON/0.04 초 동안 OFF) 을 변경하여 ON 시간을 0.5 초로 하였다. 1 회의 막형성 공정에서 Si 금속막의 막 두께를 30Å 만큼 성장시킨 결과, 1.52 의 굴절율과 8 ×10-2 의 소광계수를 가지며 높은 흡수력을 나타내는 막을 획득하였다. 그 이유는 실시예 5 의 금속 스퍼터 입자보다 금속 스퍼터 입자가 더 많기 때문에 산화가 후속하지 않아 SiO2 막과 금속 Si 막이 혼합되었기 때문이다.
[비교예 4]
실시예 5 에서 캐소드 전원 (2 kW) 에 인가된 전력을 변경시킴으로써, 캐소드 전력을 0.5 kW 로 변경하였다. 또한, ON 상태를 0.2 초 동안 지속하고 OFF 상태를 0.04 초 동안 지속하도록, 캐소드 전원의 ON/OFF 시간 (0.05 초 동안 ON/0.04 초 동안 OFF) 을 변경하였다. 또한, 1 회의 막형성 공정에서 Si 금속막의 막 두께를 3Å 만큼 성장시키도록 막형성을 40 분동안 지속하였다. 화합물막의 적외영역에서의 광학 특성을 측정한 결과, 최종적으로 획득되는 광학막 (SiO2 막) 은 1.46 의 굴절율과 4 ×10-4의 소광계수를 가지는 투명한 광학막이었다.
그러나, 막은 막 두께에 있어서 5.0㎛ 로 성장하였고, 막형성 속도가 매우 느림을 알았다. 그 결과, 스퍼터 타겟상에 소정량의 산소 가스가 어느 정도 남겨지게 된다. 스퍼터 전력이 높은 경우, 타겟의 표면이 매우 얇게 산화되더라도 아르곤을 사용한 강한 스퍼터가 발생한다. 따라서, 산화막을 제거하는 것을 항상 지속하므로, 금속모드의 막형성을 달성할 수 있다. 그러나, 이 전력이 작은 경우, 타겟의 표면이 산화된 상태로 유지되므로, 소위 산화 모드에 따라 스퍼터를 수행한다. 그 결과, 획득되는 박막은 투명한 SiO2 막이지만, 막형성 속도가 감소하는 단점이 수반된다.
[실시예 6]
실시예 5 에서 캐소드 전원 (2 kW) 에 인가된 전력을 변경시킴으로써, 캐소드 전력을 4.0 kW 로 변경하였다. 또한, ON 상태를 0.025 초 동안 지속하고 OFF 상태를 0.065 초 동안 지속하도록, 캐소드 전원의 ON/OFF 시간 (0.05 초 동안 ON/0.04 초 동안 OFF) 을 변경하였다. 또한, 1 회의 막형성 공정에서 Si 금속막의 막 두께를 3Å 만큼 성장시키도록 막형성을 40 분동안 지속하였다. 화합물막의 적외영역에서의 광학 특성을 측정한 결과, 최종적으로 획득되는 광학막 (SiO2 막) 은 1.46 의 굴절율과 5 ×10-4의 소광계수를 가지는 투명한 광학막이었다. 또한, 그 막의 두께가 24 ㎛ 로 성장하도록 막형성 공정을 40 분동안 실행하였다.
이러한 결과는, 1 회의 막형성 공정의 막두께가 3Å 이므로 충분한 산화를 달성할 수 있고, 또한 1 회 공정의 ON 시간 (0.05초) 이, 매 3Å 마다 막형성이 수행되는, 실시예 5 의 경우의 절반 (0.025 초) 으로 되기 때문에, 실시예 5 의 막형성 속도가 2 배로 증가하였음을 나타낸다.
본 발명은 고속의 막형성을 요구하는 광학 박막 분야에서 중요하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 박막형성 장치를 사용하면, 막형성시에 스퍼터 가스와 반응 가스를 연속적으로 공급하더라도 반응 가스에 의한 막형성 공정의 영향 및 타겟 재료의 변질을 억제할 수 있다. 따라서, 막형성 공정과 반응 공정을 신속하게 전환시킬 수 있다. 또한, 막형성 공정과 반응 공정을 전환할 수 있기 때문에, 막형성 공정을 펄스형상의 전력을 인가하여 실행함으로써 소망의 막 두께를 가진 막형성을 달성할 수 있으므로, 신뢰성이 높고 효율적인 막형성을 달성할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 기판을 고정시킬 수 있으므로, 회전 기판 기구의 탑재에 의해 수반되는 비용 증가 및 구조의 복잡화를 피할 수 있다. 또한, 상기 장치를 회전 기판 기구에 적용하기 어려운 인라인 스퍼터 막형성에 적용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 기판이 수용되는 진공 챔버 내에, 스퍼터 가스 도입구를 갖는 스퍼터 막형성 소스와 반응 가스 도입구 및 반응 가스 배기구를 갖는 반응 가스 공급 소스의 양 원료 공급 소스가 형성되어 있고, 상기 진공 챔버 내에 수용된 기판을 회전시키지 않고, 상기 스퍼터 가스 도입구로부터의 스퍼터 가스 도입하에 상기 스퍼터 막형성 소스를 작동시켜 상기 기판에 금속 박막을 성막하고, 상기 반응 가스 도입구로부터의 반응 가스 도입하에 상기 반응 가스 공급 소스를 작동시켜 상기 금속 박막을 금속 화합물화하는 것을 반복하여, 상기 기판에 금속 화합물의 박막을 형성하는 박막 형성 장치에 있어서,
    상기 진공 챔버의 배기를 행하는 주배기구가 상기 양 원료 공급 소스 중 상기 반응 가스 공급 소스에 더 근접하게 배치됨으로써, 스퍼터 가스 흐름 경로가 상기 주배기구와 상기 스퍼터 막형성 소스 사이에 형성되고,
    상기 반응 가스 도입구로부터의 반응 가스 및 상기 스퍼터 가스 도입구로부터의 스퍼터 가스의 양 가스의 도입하에 상기 반응 가스 공급 소스를 작동시키는 반응 공정과, 상기 스퍼터 막형성 소스를 작동시키는 막형성 공정을 각각 실행하는 제어 시스템을 더 포함하는, 박막형성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 반응 공정과 상기 막형성 공정 중 어느 하나를 다른 하나의 공정이 종료한 이후에 개시함으로써 교대로 상기 양 공정을 실행하는, 박막형성 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 상기 반응 공정을 지속하면서, 일정 시간 간격으로 상기 막형성 공정을 반복하는, 박막형성 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 가스 공급 소스는 반응 가스 플라즈마 발생기로 구성되며, 상기 반응 가스 플라즈마 발생기 부근에 배치되는 상기 주배기구와 상기 반응가스 배기구에는, 각각 컨덕턴스 조정 밸브가 제공되는, 박막형성 장치.
  5. 제 2 항에 기재된 박막형성 장치를 이용한 박막형성 방법으로서,
    막형성시에 스퍼터 가스 및 반응 가스를 연속적으로 공급하면서, 양 원료공급 소스들 중, 상기 스퍼터 막형성 소스를 작동시켜 수행되는 막형성 공정과 상기 반응 가스 공급 소스를 작동시켜 수행되는 반응 공정을, 이들 공정 중 어느 하나의 공정을 다른 하나의 공정이 종료한 이후에 개시함으로써 교대로 실행하는, 박막형성 방법.
  6. 제 3 항에 기재된 박막형성 장치를 이용한 박막형성 방법으로서,
    상기 스퍼터 막형성 소스를 작동시켜 수행되는 막형성 공정을 지속하면서, 상기 반응 가스 공급 소스를 작동시켜 수행되는 반응 공정을 일정 시간 간격으로 반복적으로 실행하는, 박막형성 방법,
  7. 박막 형성 방법으로서,
    제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 박막형성 장치의 제어 시스템이, 소정의 스퍼터 가스 유량하의 반응 가스 유량과, 상기 반응 가스 유량에 따라 선택되는 고속 금속종 막형성 모드, 저속 화합물종 막형성 모드, 및 중간 막형성 모드인 고속, 중속, 및 저속의 3 가지 모드로 이루어지는 스퍼터 막형성 속도를 참조 데이터로서 기억하여, 상기 소정의 스퍼터 가스 유량하의 막형성시에, 상기 고속 금속종 막형성 모드에 대응하는 상기 반응 가스 유량과 상기 스퍼터 가스 유량을 선택하고, 상기 선택된 반응 가스 유량과 스퍼터 가스 유량의 양쪽 가스 유량 사이의 비율을 유지하도록 양쪽 가스 유량을 제어하여, 상기 막형성 공정이 상기 반응 공정보다 더 우세한 상태를 선택하거나 또는 상기 반응 공정이 상기 막형성 공정보다 더 우세한 상태를 선택하는 것을 가능하게 하는, 박막형성 방법.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 막형성 공정의 박막 두께의 성장은 각 막형성 공정에서 20Å이하로 되는, 박막형성 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 막형성 공정의 박막 두께의 성장은 각 막형성 공정에서 20Å이하로 되는, 박막형성 방법.
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