KR101094995B1 - 스퍼터링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스퍼터링 장치에 관련한 것으로서, 구체적으로는, 타겟표면의 넓은 범위에 자장의 꼭지점(합치점)을 발생시키는 것이 가능한 자기장 확산 수단을 가지는 스퍼터링 장치를 제공한다. 이에 의해, 플라즈마를 타겟표면의 넓은 범위에 발생시키는 것이 가능한 자장 분포도를 실현하여, 자기장의 꼭지점 부위만 급속히 소모되는 타겟 재료의 이용효율을 향상시킬 수 있도록 자기장 꼭지점을 확산시켜 보다 많은 꼭지점을 제공하는 것을 가능하게 하기 위한 수단으로서, 진공챔버와, 상기 진공챔버 내에 배치된 타겟과, 상기 타겟의 이면 측에 설치되고 자석 유니트를 포함한 자기회로와, 상기 타겟의 표면 측에 배치되어 기판을 유지하는 기판 유지구를 구비한 스퍼터링 장치에 있어서, 상기 자석 유니트는 상기 타겟의 이면의 외주부에, 자석이나 코일이 타원형으로 둘러싸는 형태로 설치되고, 상기 자기 유니트로 이루어진 자기 회로와 상기 타겟 사이에는 상기 타원형의 일측 반원형부와 이 곡선부의 양측에 연결된 직선형부를 커버하는 형상의 판상의 자기장 확산변형 수단이 적층 배열된 것을 특징으로 한다.

Description

스퍼터링 장치{Sputtering system}
본 발명은 스퍼터링 장치로서, 플라즈마를 타겟표면의 넓은 범위에 발생시키는 것이 가능한 자장 분포도를 실현 가능케 하는 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
스퍼터링이란, 진공 속에 기판과 타겟(target)(스퍼터링 막의 원재료가 되는 부재)을 배치하고, 그 진공 속에서 플라즈마를 발생시킴으로써 기판에 막을 형성하는 기술이다. 플라즈마를 이용한 스퍼터링에 의하면, 높은 에너지의 스퍼터링된 입자가 기판에 도달하기 때문에, 스퍼터링된 입자의 기판과의 부착력이 높아진다. 그 때문에, 플라즈마를 이용한 스퍼터링은, 치밀한 막을 형성할 수 있다는 이점이 있어, 전자 부품이나 광학 박막 등 많은 제품의 양산에 이용되고 있다.
또, 스퍼터링 가운데 마그네트론 스퍼터(magnetron sputter)에서는, 타겟의 이면(裏面)에 자기회로(磁氣回路)를 설치하고, 타겟 표면에 자기(磁氣) 터널을 형성한다. 이 자력선에 의해 전자를 포착함으로써, 전리(電離)확률이 높아져 고밀도 플라즈마를 발생시켜 성막속도를 높일 수 있다. 그 때문에, 마그네트론 스퍼터의 공업적 이용이 급속적으로 진행되었다.
그렇지만, 마그네트론 스퍼터에서는, 타겟상의 극히 일부에 자기 터널이 한정된 곳에 존재하기 때문에, 플라즈마가 한정된 곳에 존재하여 타겟의 극히 일부가 선택적으로 침식된다. 실제로는, 타겟 중 약 10~20% 밖에 스퍼터링에 의해 방출되지 않는다. 이 문제를 해결하기 위해, 예를 들면, 타겟의 이면에 배치한 자석을 회전시킴으로써 타겟의 이용효율을 높이려고 하는 방법이나, 타겟의 이면에 배치한 자석을 요동시킴으로써 플라즈마 생성영역을 시간적으로 이동시키는 방법이나, 전자석 등에 의해 플라즈마를 이동시키는 방법 등이 제안되어 있다.
그렇지만, 이러한 방법은 스퍼터링 장치에 가동부를 추가할 필요가 있기 때문에, 장치의 기구가 복잡해져서 설비 코스트도 높아지기 십상이었다.
한편, 타겟의 이면에 배치한 자석을 고정한 채 타겟 표면의 넓은 영역에 플라즈마를 발생시키는 수단으로서, 타겟의 이면에 '타겟면에 대해서, 수직 방향으로 자화(磁化)된 자석과, 평행 방향으로 자화된 자석의 조합으로 된 자기회로'를 배치하는 방법(특허 문헌 1 내지 3을 참조)이 제안되어 있다.
[특허 문헌 1] 일본 특허공표 평7-507360호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허공표 평11-500490호 공보
[특허 문헌 3] 미국 특허 제4964968호 명세서
위와같이, 일반적으로, 자장 시뮬레이션 및 플라즈마 시뮬레이션을 이용하여, 타겟 표면상의 넓은 범위에 플라즈마를 형성할 수 있는 자기회로를 검토하고 있다. 우선, 타겟의 이면에 배치하는 자기회로의 기본형을, 도 2에 도시된 바와 같이, '타겟 표면에 대해서 수직 방향으로 자화된 중심 수직자석(101)과 외주 수직자 석(102)(수직자석 유니트)과, 타겟 표면에 대해서 평행 방향으로 자화된 내측 평행자석(103)과 외측 평행자석(104)(평행자석 유니트)'의 조합으로 하고 있다. 그리고, 자석의 배치 위치 등을 적절히 조정하여, 타겟 표면의 넓은 범위에 플라즈마를 발생시킬 수 있는 자기회로를 검토하고 있다.
도 1은, 종래의 실시형태 1의 스퍼터링 장치의 개략도이다. 도 1에 표시된 스퍼터링 장치는, 진공챔버(1); 타겟(2)과 수냉 자켓(11)과 자기회로(10)를 포함하는 마그네트론 전극; 기판(4)을 가진다. 진공챔버(1)에는, 가스 도입 장치(5), 배기 장치(6), 배기구(7), 밸브(8)가 설치된다. 배기 장치(6)는 진공챔버(1) 내부를 음압(마이너스 압력)으로 할 수 있다. 가스 도입 장치(5)는 진공챔버(1)의 내부에 스퍼터링 가스를 도입할 수 있다. 스퍼터링 가스는 일반적으로 Ar가스 등의 불활성 가스이다.
마그네트론 전극은, 성막 재료로 이루어진 타겟(2), 타겟(2)에 접속된 고전압 인가 전원(3), 타겟(2)의 이면(기판(4)이 배치된 면과는 반대쪽의 면) 측에 배치된 자기회로(10)를 가진다. 자기회로(10)와 타겟(2) 사이에는 수냉 자켓(11)이 배치되어 있다. 또, 타겟(2)은 배킹 플레이트(20)에 붙어 있다. 그리고, 마그네트론 전극의 주위에는 접지 차폐(shield)(9)가 배치되어 있다. 타겟의 재질은 성막하고 싶은 막의 성분에 따라 임의로 선택할 수 있다.
또, 기판(4)은 기판 유지구(4')에 유지되어 있으며, 타겟(2)에 대향하는 위치에 설치되어 있다. 자기회로(10)는, 중심 수직자석(101)과 외주 수직자석(102)으로 이루어진 수직자석 유니트; 내측 수평자석(103)과 외측 수평 자석(104)으로 이 루어진 수평 자석 유니트：중심 수직자석(101)과 외주 수직자석(102)을 자기적으로 결합하는 요크(105)를 가진다.
한편, 특허 문헌 1 내지 3에 기재된 바와 같이, 타겟면에 대해서 수직 방향으로 자화된 자석과, 평행 방향으로 자화된 자석의 조합으로 된 자기회로를 이용하면, 타겟 표면의 넓은 영역에 플라즈마를 발생시킬 수 있는 경우가 있다.
그러기 위해서는, 자기회로와 타겟의 간격을 좁게 하여 서로를 접근시킬 필요가 있었다. 예를 들면, 특허 문헌 3에 개시된 마그네트론 스퍼터 장치는, 제1 내지 제4 자석을 포함한 자기회로를 갖고 있지만, 타겟 표면의 넓은 범위에 플라즈마를 발생시키기 위해, 각 자석에 의한 자기 로브(magnetic robe)를 실질적으로 스퍼터 영역내에 배치할 필요가 있다. 그 때문에, 타겟과 자기회로의 거리를 짧게 하지 않으면 안되어, 도 2에 예시된 바와 같이, 타겟의 일부 지점만이 빨리 소모되는 변동을 초래하게 된다.
이 변동은, 성막율나 막두께의 면내 균일성 등에 영향을 주기 때문에, 제품의 품질 저하나 제품수율 악화의 원인이 되는 등의 단점을 내포하고 있었다.
따라서, 본 발명은, 타겟 스퍼터링 사용 시 자력이나 자장 형상에 확산 변동 작용을 가미하여, 타겟의 일부만이 급속도록 소모되어 깊은 골이 파이는 현상을 지연시켜, 타겟의 장기간 사용을 가능케 하는 데 기술적 해결과제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은,
진공챔버와, 상기 진공챔버 내에 배치된 타겟과, 상기 타겟의 이면 측에 설치되고 자석 유니트를 포함한 자기회로와, 상기 타겟의 표면 측에 배치되어 기판을 유지하는 기판 유지구를 구비한 스퍼터링 장치에 있어서,
상기 자석 유니트는 상기 타겟의 이면의 외주부에, 자석이나 코일이 타원형으로 둘러싸는 형태로 설치되고,
상기 자기 유니트로 이루어진 자기 회로와 상기 타겟 사이에는 상기 타원형의 일측 반원형부와 이 곡선부의 양측에 연결된 직선형부를 커버하는 형상의 판상의 자기장 확산변형 수단이 적층 배열된 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 타겟표면의 넓은 범위에 자장의 꼭지점(합치점)을 발생시키는 것이 가능한 자기장 확산 수단을 가지는 스퍼터링 장치를 제공한다. 이에 의해, 플라즈마를 타겟표면의 넓은 범위에 발생시키는 것이 가능한 자장 형상을 실현하여, 자기장의 꼭지점 부위만 급속히 소모되는 타겟 재료의 이용효율을 향상시킬 수 있도록 자기장 꼭지점을 확산시켜 보다 많은 꼭지점을 제공함으로써, 타겟의 장기간 사용이 가능케 되는 등의 매우 뛰어난 장점이 있는 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 자기장 확산변동 수단이 개재된 타겟 스퍼터링 장치에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 자기장 확산변동 수단이 개재된 타겟 스퍼터링 장치를 분해하여 나타낸 분해사시도이며, 그리고 도 4는 종래의 자기장 꼭지점이 예시된 도 2에 대응하여 꼭지점이 여러개로 확산된 상태를 예시한 자기장 작용 상태도이다. 도 4는 2차원 전자기 해석 소프트웨어인 Maxwell 2D를 사용해서 타겟 상부에 형성되는 자기력선 분포, 에로죤 단면적, 표면에로죤 형상을 나타낸 결과이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 스퍼터링 장치는 진공챔버와, 상기 진공챔버 내에 배치된 타겟과, 상기 타겟의 이면 측에 설치되고 자석 유니트를 포함한 자기회로와, 상기 타겟의 표면 측에 배치되어 기판을 유지하는 기판 유지구를 구비하여, 타겟팅하는 스퍼터링 장치의 일환으로 도출되었다.
또, 상기 자석 유니트는 상기 타겟의 이면의 외주부에, 자석이나 코일이 타원형으로 둘러싸는 형태로 설치되고, 상기 자석 유니트로 이루어진 자기 회로와 상기 타겟 사이에는 상기 타원형의 일측 반원형부와 이 곡선부의 양측에 연결된 직선형부를 커버하는 형상의 판상의 자기장 확산변형 수단이 적층 배열된 구조로 되어 있다.
본 발명에서는 강자성체(ferromagnetic)인 Ni, Fe 등의 재료에 적합한 박막 제작속도가 높고 타깃 사용효율이 높은 마그네트론 스퍼터링용 DE(double errosion) 캐소드를 채용함이 바람직하다.
DE 캐소드를 배치형(batch type) 스퍼터링 장치에장착해서 1kW ~3 kW 인가전력, 4 mtorr와 8 mtorr 공정압력 및 0~80% 산소유량비에서 Ni 타겟을 사용해서 반응성 스퍼터링법으로 NiO 박막을 제작하여 히스테리시스의 방전특성, 박막 두께, 단면구조 및 표면구조 등을 조사 평가하였다.
[실험예]
DC 반응성 마그네트론 스퍼터링(reactive magnetron sputtering) 방법으로 99.99% 순도의 Ni 타겟(길이 457 mm, 폭: 127 mm, 두께: 3.2 mm)을 배치형의 스퍼터링 장치에 설치하고, 기판 글라스(길이: 300 mm, 폭: 100 mm, 두께: 1~10mm)를 기판 홀더에 장착하였다. 초기 진공도는 약 2 × 10 -5 torr 이하로 배기하고 실온에서 인가전력 1kW ~ 3kW, 순도 99.99% 가스를 약 4 mtorr 와 8 mtorr의 공정압력에서 일정한 가스유량 (O2 가스 유량 + Ar 가스유량)에 대해서 O2 가스 유량비율[(O2 가스 유량 × 100/(O2 가스유량 + Ar 가스 유량))} 을 MFC(mass flow controller)로 조정하여 0~80% 변화시키고 6 rpm 으로 기판을 회전시키면서 15분간 성막을 실시하여 NiO 박막을 제작하였다.
타겟의 표면 오염을 제거하기 위해 Ar 이온으로 스퍼터링을 10분간 실시한 후에 기판에 박막을 제작하였다.
종래의 마그네트론 스퍼터링 장치는 타겟 상부에 한 개의 플라즈마 트랙(track)에 의한 에로죤이 형성되는 SE(single erosion) 캐소드를 사용하고 있다.
본 실험에서는 도 3과 같이 타겟 하부와 냉각수가 흐르는 백킹 플레이트와 타겟 사이에 투자율이 약 2000 정도의 1~10 mm 철판(steel plate)을 설치하여 타겟 상부에 두 개의 플라wm마 트랙에 의한 에로죤이 형성되는 성막속도가 높고 타겟 사용효율이 높은 DE 캐소드를 개발하여 사용하였다.
박막의 특성 분석을 위하여 박막의 두께는 α-step, 표면과 단면의 구조는 FE-SEM, 표면의 거칠기는 Atomic Force Microscopy(AFM)을 사용하였다.
마그네트론 스퍼터링 장치는 대면적 기판에 균일한 박막을 재현성 있게 성막할 수 있는 장점을 갖고 있으나 강자성체인 Ni 타겟을 사용할 경우, Ni 타겟 하부에 설치된 자기회로에 의해 발생하는 자기력선이 타겟에 흡수되어 타겟을 통과해서 나오는 자기력선의 세기는 낮아지고, 스퍼터링되어서 나오는 자기력선의 세기는 낮아지고, 스퍼터링되어서 형성되는 에로죤폭이 좁아져 타겟의 사용효율이 약 15% 이하이며, 성막속도가 낮은 것이 단점이다.
본 발명에서는 이러한 단점을 해결하기 위해서 자기력선 시뮬레이션을 통해서 종래의 타깃상부에 형성되는 에로죤 수를 2배로 증가시킨 DE(double erosion) 캐소드를 개발하였다.
도 4는 2차원 전자기 해석 소프트웨어인 Maxwell 2D를 사용해서 타겟 상부에 형성되는 자기력선 분포, 에로죤 단면적, 표면에로죤 형상을 나타낸 결과이다.
마그네트론 스퍼터링에서는 타겟 상부에서 전자밀도가 높고 자기력선을 따라 전자가 운동을 함으로 타겟 상부의 자기력선 분포는 에로죤 형상을 결정하는데 중요한 역할을 한다.
도 2 및 도 4에서 보는 바와 같이, 종래의 SE 캐소드의 타겟 상부의 형성되는 자기력선의 꼭지점은 2개이며, 타겟에는 2개의 에로죤이 형성되며, 타겟 상부의 자기력선 꼭지점의 위치는 에로죤의 중심 위치와 일치함을 보여준다.
타깃에 인가된 전력과 자기력선에 의해 타겟 상부에서 플라즈마가 형성되는 데 플라즈마의 밀도는 자기력선의 탄젠트 성분이 0가 되는 자기력선 꼭지점에서 가장 높게 형성된다.
Wendt 등은 마그네트론 스퍼터링에서 타겟의 에로죤 형상과 플라즈마 전류밀도 시뮬레이션 결과가 잘 일치하는 것을 보여주었으며 플라즈마 밀도가 가장 높은 영역은 자기력선의 탄젠트 값이 0가 되는 위치에 해당하는 것을 보여주었다.
본 바렴에서는 타겟과 배킹 플레이트 사이에 투자율 2000의 철판(steel plate)으로 이루어진 자기장 확산변동 수단을 설치해서 타겟 상부에 4개의 자기력선 꼭지점을 형성하여 4지점에서 플라즈마 밀도가 높도록 하였다.
도 4는 DE 캐소드에 의해서 형성되 타겟의 에로죤 단면 형상을 나타내고 있다. 이 에로죤의 최저 깊이 위치와 자기력선 꼭지점의 위치는 서로 일치하는 것을 보여준다.
따라서, DE 캐소드는 타깃 상부에 2개의 플라즈마 트랙에 의해서 4개의 에로죤 형상을 만드는 것이다.
에로죤 깊이가 도 2의 꼭지점 영역이 도 4의 꼭지점 영역보다 깊은 것은 자 기력선의 세기가 크기 때문이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 타겟표면의 넓은 범위에 자장의 꼭지점(합치점)을 발생시키는 것이 가능한 자기장 확산 수단을 가지는 스퍼터링 장치를 제공함에 따라, 플라즈마를 타겟표면의 넓은 범위에 확산 발생시키는 것이 가능한 자기장 형상을 실현하여, 자기장 꼭지점을 확산시켜 보다 많은 꼭지점을 제공함으로써, 자기장의 꼭지점 부위만 급속히 소모되는 종래에 비해 훨씬 더 높은 타겟 재료의 이용효율을 도모할 수 있는 등의 매우 뛰어난 효과가 있는 것이다.
도 2 및 도 4에 예시된 바와 같이, 기존 SE Cathode를 채용한 스퍼터링 장치에서는, 강자성체인 Ni 타깃을 사용할 경우, Ni 타깃 하부에 설치된 자기회로에 의해 발생하는 자기력 선이 타깃에 흡수하고, 타깃을 통과해서 나오는 자기력선의 세기는 낮아지며, Sputtering되어서 형성되는 Erosion폭이 좁아져 타깃의 사용효율이 저조하고 성막 속도가 낮아지는 단점이 있는데 반해, 본 발명의 자기장 확산변동 수단으로서의 DE Cathode를 채용한 스퍼터일 장치에서는, 강자성체 자기력선 시뮬레이션을 통해서 종래의 타깃상부에 형성되는 Erosion 수를 2배로 증가시킬 수 있음이 판명된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 스퍼터링 장치의 개략적인 측면 구조도,
도 4는 종래의 자기장 꼭지점이 집중된 상태를 예시한 자기장 작용 상태도,
도 3은 본 발명에 따른 자기장 확산변동 수단이 개재된 타겟 스퍼터링 장치를 분해하여 나타낸 분해사시도,
도 4는 종래의 자기장 꼭지점이 예시된 도 2에 대응하여 꼭지점이 여러개로 확산된 상태를 예시한 자기장 작용 상태도로서, 2차원 전자기 해석 소프트웨어인 Maxwell 2D를 사용해서 타겟 상부에 형성되는 자기력선 분포, 에로죤 단면적, 표면에로죤 형상을 나타낸 결과를 가시적으로 나타낸 예시도, 및
도 5는 본 발명에 따른 자기장 확산변동 수단이 채용된 DE 캐소드를 상세히 예시한 분해 사시도.

Claims (3)

  1. 진공챔버와, 상기 진공챔버 내에 배치된 타겟과, 상기 타겟의 이면 측에 설치되고 자석 유니트를 포함한 자기회로와, 상기 타겟의 표면 측에 배치되어 기판을 유지하는 기판 유지구를 구비한 스퍼터링 장치에 있어서,
    자기 회로와 상기 타겟 사이에는 타원형의 일측 반원형부와 이 곡선부의 양측에 연결된 직선형부를 커버하는 형상의 판상의 자기장 확산변형 수단이 적층 배열된 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기장 확산변형 수단은 상기 타겟 하부와 냉각수가 흐르는 백킹 플레이트의 사이에 개재된 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 자기장 확산변형 수단은, 투자율이 2000인 1~10 mm 철판(steel plate)인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
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