KR101194645B1 - 교류 마그네트론 스퍼터링 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판의 열화를 방지할 수 있는 교류 마그네트론 스퍼터링에 관한 것으로, 본 발명의 교류 마그네트론 스퍼터링 장비(AC Magnetron Sputtering Apparatus)는 스퍼터링 챔버; 상기 스퍼터링 챔버의 일측에 형성되는 고진공 펌프; 상기 스퍼터링 챔버 내 일측에 설치되어 기판을 지지하는 기판 지지대; 상기 기판 지지대에 대향되며, 인접 배치되는 적어도 한 쌍의 타겟; 상기 타겟의 배면에 위치하여 상기 챔버 내에 자기장(Magnetic field)을 인가하는 마그넷(Magnet); 상기 마그넷을 고정시키기 위한 마그넷 지지대; 및 상기 한 쌍의 타겟에 교류 전원을 공급하여, 상기 한 쌍의 타겟이 교대로 스퍼터링 캐소드(Cathode)와 애노드(Anode)로 작용하게 하는 교류 전원장치를 포함하여 구성되며, 상기 타겟 표면에서의 자기장 세기가 400 gauss 이상으로 유지됨을 특징으로 한다. 또한, 본 발명 교류 마그네트론 스퍼터링 방법은 스퍼터링 장비에 로딩(Loading)하는 단계; 상기 스퍼터링 장비에서 타겟(Target)의 증착 물질을 이온화시키는 단계; 및 상기 이온화된 증착 물질을 상기 기판 상에 증착하는 단계를 포함하여 이루어지며, 이때, 상기 타겟 표면 영역에서 자기장의 세기가 400 gauss 이상으로 유지됨을 특징으로 한다.
교류 마그네트론 스퍼터링, 기판, 자기장

Description

교류 마그네트론 스퍼터링{AC MAGNETRON SPUTTERING}
도 1은 스퍼터링 발생 원리를 나타내는 도면.
도 2a는 본 발명에 따른 교류 마그네트론 스퍼터링 장치를 나타내는 도면.
도 2b는 본 발명에 따른 마그넷의 배치상태를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 타겟 상부에서의 자장 분포를 나타내는 도면.
도 4는 스퍼터링 과정에서 백화 현상이 발생한 기판을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 교류 마그네트론 스퍼터링으로 성막한 기판을 나타내는 도면.
***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***
1, 101, 101a, 101b: 타겟 4, 104: 기판
102: 아르곤 이온 103: 증착 물질
106: 플라즈마 형성공간 108: 교류 전원 장치
110: 스퍼터링 챔버 120, 120a, 120b, 120c: 마그넷
121: 마그넷 지지대 125: 자장 분포
본 발명은 교류 마그네트론 스퍼터링(AC Magnetron Sputtering)에 관한 것으로, 특히 기판의 열화를 방지할 수 있는 교류 마그네트론 스퍼터링 장비 및 스퍼터링 방법에 관한 것이다.
최근, 정보화 시대로 급진전함에 따라 최첨단 전자장치의 소비가 늘고 있고, 이러한 장치의 경량화와 박형의 추세에 따라, 내부에 탑재되는 소자들 또한 작아지고 있다.
이들 소자와 이 소자를 잇는 미소 배선을 형성하기 위한 다양한 박막 형성방법이 사용되고 있으며 그 한 예로 스퍼터링 방법(Sputtering method)을 들 수 있다.
스퍼터링 증착 기술은 이온화된 불활성 기체가 타겟 표면에 충돌하여 증착물질인 타겟 물질을 직접 기화시키는 것으로서 간략한 구조 및 운동방향을 도 1 에 나타내었다.
스퍼터링 증착 기술의 원리를 살펴보면, 진공 용기 내 캐소드(Cathode, 1)의 타겟에 일정한 압력과 전압을 공급하여, 진공 용기 내 중성 원자로 존재하던 아르곤(Ar)을 플라즈마(30) 상태로 만들고, 이와 같이 형성되어 방전 영역에 존재하는 아르곤 이온(Ar+)(2)이 전위차에 의해 이끌리어 타겟의 표면을 가격하게 한다. 이때, 가격하는 아르곤 이온(2)의 운동 에너지가 타겟 표면에 존재하는 원자들에 전달되는데, 이 에너지가 가격 당하는 타겟 물질을 구성하는 원자들의 결합 에너지보다 크면 타겟 원자(3)들은 타겟으로부터 방출되어 나오게 되고, 애노드(Anode)의 기판(4) 표면에 증착막을 형성한다.
그런데, 상기 스퍼터링 기술의 가장 큰 단점은 이극법을 사용할 경우, 피막 형성 속도가 낮아 생산성이 떨어지는 점이었다. 이런 점을 보완한 것이 자기력을 이용함으로써, 전자의 운동을 제어하여 이온화 확률을 높일 수 있는 구조이다.
이러한 자기력을 이용하는 마그네트론 스퍼터링법은 타겟 뒤쪽에 자석을 배치함으로써 N극과 S극을 형성시켜 전자들의 운동을 직선운동에서 나선운동으로 변형시키고, 스퍼터링 과정에서 발생하는 2차 전자들을 트랩핑(Trapping)하게 된다. 따라서, 동일압력조건에서 전자 밀도 및 전자들의 이동거리가 증가됨에 따라, 이온화 확률을 높이므로써 빠른 증착속도를 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이, 방전공간에 전기장과 직교하는 자기장이 형성되고, 전자들이 전기장과 자기장의 쌍방으로 직교하는 방향으로 운동하는 전자의 궤적 경로를 그린 것 같은 방전을 이용하는 방식을 마그네트론 스퍼터링이라 부른다. 이상적인 마그네트론 스퍼터링에서는 전자는 가스 분자와 충돌하지 않으면 언제까지라도 같은 궤적을 회전해서 언제까지라 해도 기판에 도달하지 않는다.
그러나, 이와 같은 원리의 종래 마그네트론 스퍼터링에서 마그넷에 의해 상기 2차 전자 들의 트랩핑이 제대로 이루어지지 않을 경우, 즉 2차 전자들의 리크(Leak) 현상이 나타나게 될 경우, 스퍼터링 챔버 내 캐소드와 기판 사이의 전위차에 의해 가속된 2차 전자들이 성막될 기판을 가격하게 됨으로써, 결과적으로 기판에 전자들의 활성화 에너지(Activation energy)가 전달되고, 결국 기판의 열화를 유발하여, 백화(Milky) 등의 불량을 발생시키게 되었다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 타겟 표면에서의 자기장의 세기를 강화하여, 기판의 열화를 방지할 수 있는 교류 마그네트론 스퍼터링 장비 및 스퍼터링법을 제공함을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 이루기 위해, 본 발명에 따른 교류 마그네트론 스퍼터링 장비(AC Magnetron Sputtering Aparatus)는 스퍼터링 챔버; 상기 스퍼터링 챔버의 일측에 형성되는 고진공 펌프; 상기 스퍼터링 챔버 내 일측에 설치되어 기판을 지지하는 기판 지지대; 상기 기판 지지대에 대향되며, 인접 배치되는 적어도 한 쌍의 타겟; 상기 타겟의 배면에 위치하여 상기 챔버 내에 자기장(Magnetic field)를 인가하는 마그넷(Magnet); 상기 마그넷을 고정시키기 위한 마그넷 지지대; 및 상기 한 쌍의 타겟에 교류 전원을 공급하여, 상기 한 쌍의 타겟이 교대로 스퍼터링 캐소드(Cathode)와 애노드(Anode)로 작용하게 하는 교류 전원장치를 포함하여 구성되며, 상기 타겟 표면에서의 자기장 세기가 400 gauss 이상으로 유지됨을 특징으로 한다.
상기 마그넷 지지대는 이동이 가능하여, 상기 타겟과의 거리 조절이 가능함을 특징으로 한다.
상기 마그넷은 장방형의 격자를 이루는 마그넷과, 상기 격자의 중앙부에 반대의 극성을 갖는 또하나의 마그넷이 배치된 구조를 가짐을 특징으로 한다. 이때, 상기 장방형 격자의 마그넷은 상기 격자의 가로를 형성하는 두 개의 짧은 마그넷과, 격자의 세로를 구성하는 두 개의 긴 마그넷으로 구성되거나, 혹은 일체형으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 마그넷은 철(Fe) 계열의 마그넷이나 혹은 표면자력이 400 gauss 이상의 보론(B)계열 마그넷일 수 있다.
상기 타겟의 증착 물질은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 아연(Zn), 구리(Cu), 실리콘(Si), 백금(Pt), 금(Au) 및 인듐-틴-옥사이드(ITO)를 포함하는 일군에서 선택된 하나일 수 있다.
또한, 상기 스퍼터링 장비를 통해 박막 또는 패턴을 형성할 기판은 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display), EL(Electric Luminescence) 및 VFD(Vacuum Fluorescent Display) 등의 평판표시패널 제조용 기판일 수 있다.
한편, 상기한 바와 같은 목적을 이루기 위한 본 발명의 교류 마그네트론 스퍼터링 방법(AC Magnetron Sputtering Method)은 기판을 스퍼터링 장비에 로딩(Loading)하는 단계; 상기 스퍼터링 장비에서 타겟(Target)의 증착 물질을 이온화시키는 단계; 및 상기 이온화된 증착 물질을 상기 기판 상에 증착하는 단계를 포함하여 이루어지며, 이때, 상기 타겟 표면 영역에서 자기장의 세기가 400 gauss 이상으로 유지됨을 특징으로 한다.
그리고, 상기 자기장의 세기를 수직 자기장 성분과 수평 자기장 성분의 벡터 값으로 분리할 경우, 수직 자기장 성분이 0인 지점에서 수평 자기장의 세기가 400 gauss 이상이 됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 교류 마그네트론 스퍼터링 방법은 상기 고진공 펌프를 통해 상기 스퍼터링 챔버를 진공상태로 만드는 단계; 상기 진공 상태의 스퍼터링 챔버 내에 인접 배치되는 적어도 한 쌍의 타겟을 제공하는 단계; 상기 진공 상태의 스퍼터링 챔버 내에 불활성 가스를 주입하는 단계; 및 상기 타겟에 교류 전원을 인가하여, 상기 불활성 가스를 이온화하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도면에 도시된 바와 같이, 마그네트론 스퍼터링 장비는 스퍼터링 챔버(110)와, 상기 스퍼터링 챔버(110)의 일측에 형성되어, 챔버(110) 내부를 진공으로 유지시키는 고진공 펌프(130)를 구비한다. 상기 고진공 펌프(130)로는 Cryo 펌프 또는 터보 펌프 등이 이용될 수 있다.
또한, 상기 스퍼터링 챔버(110) 내에는 기판(104)이 로딩(Loading)되는 기판 고정대(105)가 마련되고, 상기 기판 고정대(105)에 대향되는 지점에는 증착 물질인 타겟(101a, 101b)이 적어도 한 쌍 인접 배치된다. 타겟(101)의 증착 물질은 형성하고자 하는 막에 따라, 알루미늄(Al)이나 알루미늄 합금 (AlNd), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 아연(Zn), 구리(Cu), 실리콘(Si), 백금(Pt), 금(Au) 등으로 다양하게 구성할 수 있다. 그리고, 상기 타겟(101a, 101b)과 기판(104) 사이에는 플라즈마 형성공간(106)이 마련된다.
또한, 상기 타겟(101a, 101b)의 배면에는 교류 전원장치(108)가 설치되어, 상기 타겟(101)에 지속적으로 교류 전원을 공급함으로써, 상기 한 쌍의 타겟(101a, 101b)이 교번하여 스퍼터링 캐소드(Cathode) 또는 애노드(Anode)로 작용하도록 한 다.
한편, 상기 한 쌍의 타겟(101a, 101b)의 배면에는 각각 자기장(Magnetic field)을 발생시키는 마그넷(120)이 구비된다. 상기 마그넷(120)은 마그넷 지지대(121) 상에 형성되어, 플라즈마 형성공간(106)에 존재하는 플라즈마를 기판(104) 가까이 포집하며, 상기 타겟(101a, 101b)에서 이탈되는 2차 전자(109)의 산란을 막아 전자(109)를 타겟(101a, 101b) 표면의 근처에 구속하여 이온의 생성효율을 높이도록 한다.
상기 마그넷(120)은 장방형의 격자를 이루는 마그넷과, 상기 격자의 중앙부에 반대의 극성을 갖는 또 하나의 마그넷이 배치된 구조를 갖는다. 도 2b는 스퍼터링 장비에서 상기 마그넷(120)의 배치를 나타내는 평면도로서, 도면에 도시된 것 같이, 사각 막대형의 S극(120a)을 중심으로 그 상하좌우로 N극(120b, 120c)이 배치되는 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 장방형 격자의 N극 마그넷(120b, 120c)은 상기 격자의 가로를 형성하는 두 개의 짧은 마그넷(120b)과, 격자의 세로를 구성하는 두 개의 긴 마그넷(120c)으로 구성되거나, 혹은 도면에 도시되지는 않았지만, 일체형으로 구성될 수 있다.
이와 같이 구성된 스퍼터링 장비의 챔버(110) 내부에 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체를 주입한 후 이를 방전시켜 음이온과 양이온이 공존하는 플라즈마 상태로 여기시키고, 상기 타겟(101a, 101b)에 교류 전원을 걸리도록 함으로써, 이온화된 불활성 기체(Ar+)를 상기 캐소드 타겟(101a) 쪽으로 가속시킨다. 이때, 상기 캐소드 타겟(101a)을 향해 가속된 이온은 수십 KeV이상의 운동에너지를 가지고 있는 데, 상기 타겟(101a)에 부딪히면서 타겟(101a) 표면의 원자에 이 운동 에너지를 일부 전달하여, 타겟(101a)의 표면으로부터 분리시킨다. 이와 같이 타겟(101a)으로부터 분리된 증착물질은 전기장(Electric field)과 자기장(Magnetic field)의 영향으로 상기 기판(104) 상에 빠르게 증착하여 막을 형성하게 된다.
한편, 아르곤 양이온이 상기 캐소드 타겟(101a)을 가격할 때 상기 타겟으로부터 분리되는 2차 전자(109)는 타겟(101a, 101b) 상부의 전기장과 자기장에 의해 애노드 상태의 타겟(101b) 상부에 트래핑 되는데, 이때, 상기 2차 전자(109)들을 효과적으로 트래핑 하기 위해서는, 타겟 상부(101a, 101b)에서의 자기장 세기가 400 gauss 이상이 되는 조건 하에서 스퍼터링을 진행하여야 한다.
교류 마그네트론 스퍼터링에서는 인접하는 두 타겟(101a, 101b)이 교류 전원을 인가받아, 교번하여 스퍼터링 캐소드와 애노드로 작용하게 되는데, 이때 만일 타겟(101a, 101b) 표면에서의 자기장 세기가 400 gauss에 못 미치게 되면, 캐소드와 애노드의 변환 과정 중에 애노드 상부의 2차 전자(109)들이 이동하면서 일부가 리크(Leak)되는 현상이 나타나게 된다. 다시 말하면, 에노드의 위치가 바뀌는 과정 동안 에노드 영역 상부에 트래핑 되는 2차 전자(109) 역시 애노드를 따라 이동하면서, 전자(109)들이 세어 나오는 것이다.
이와 같이 리크된 2차 전자들은 타겟(101a, 101b)과 기판(104) 사이의 전위차(Potential difference)에 의해 가속화되어, 기판(104)을 가격하게 되고, 상기 2차 전자(109)들의 활성화 에너지를 기판(104) 상에 전달하여, 결국, 기판(104)의 열화를 일으킨다. 또한, 상기한 바와 같은 2차 전지(109)의 리크 현상은 타겟 (101a, 101b) 상부의 전자 밀도를 감소시켜, 상대적으로 타겟(101a, 101b) 상부의 전압을 높이게 됨으로써, 스퍼터링 되는 입자들의 활성화 에너지를 증가시키고, 결국 기판(104)의 온도 상승을 야기하게 된다. 결과적으로, 특히 녹는점이 낮은 증착 물질의 스퍼터링일 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판 열화로 인한 백화(Milky) 현상 등의 불량이 발생되게 된다.
따라서, 본 발명의 교류 마그네트론 스퍼터링에서는 타겟(101a, 101b) 표면에서의 자기장 세기를 400 gauss 이상이 되는 조건 하에 스퍼터링 공정을 진행함으로써, 이와 같은 문제를 해결한다.
타겟(101a, 101b) 표면에서의 자기장 세기를 400 gauss 이상으로 조절하는 방법에는 표면 자력이 400 gauss 이상이 보론(B) 계 영구 자석을 사용하는 방법이 있고, 또 다른 방법으로는 상기 이동이 가능한 마그넷 지지대(121)를 이동시켜, 타겟-마그넷 거리(TM 거리)를 조절함으로써, 타겟(101a, 101b) 표면에서의 자기장 세기를 증가시키는 방법이 있다.
상기 마그넷 지지대(121)를 이동시키는 하나의 방법은 마그넷 지지대(121) 자체에 휠(Wheel) 등의 이동수단을 구비함으로써, TM 거리를 조절하는 것인데, 이외에도 일반적인 이동 방법이 모두 적용 가능하다.
한편, 상기 자기장의 세기를 벡터량으로 표현하면, 수평 자기장(Bx) 성분과 수직 자기장(By)으로 분리가 가능한데, 본 발명의 자기장 세기는 특히, 타겟 상부에서 수직 자기장(By)이 제로(zero)인 지점에서 수평 자기장(Bx)이 400 gauss 이상임을 특징으로 한다.
이를 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 타겟(101) 상부에서의 자장 분포를 표현하는 개념도로서, 도면에 도시된 바와 같이, 마그넷(120)에 의한 자기장(125)은 타겟(101) 표면에서 포물선 모양의 띠형태로 형성된다. 따라서, 플라즈마 입자 혹은 타겟으로부터 분리된 전자(109)들은 상기 띠형태의 자장 분포를 따라 나선 운동(도면에서 점선의 화살표 경로)을 하게 되는데, 특히, 상기 포물선의 꼭지점 영역, 즉, 나선 운동에서 수직방향으로의 자기 영향력이 제로인 지점(By=0)에서 수평방향으로의 자기장(By)을 400 gauss 이상이 되도록 제어하여, 전자(109)들이 나선 운동의 루프를 빠져나가지 못하도록 구속한다.
도 5는 이와 같이 타겟 표면에서 특히, 수직 자기장이 제로인 지점에서 수평 자기장이 400 gauss 이상인 교류 마그네트론 스퍼터링의 결과 형성된 기판을 도시한 것으로, 도 4의 백화된 기판과 달리, 열화에 의한 손상 없는 기판으로 획득된다.
결과적으로, 본 발명의 교류 마그네트론 스퍼터링 장비 및 스퍼터링 방법은 타겟 표면에서의 자기장의 세기를 강화하여, 전자의 리크를 최소화함으로써, 기판의 열화를 방지하게 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 교류 마그네트론 스퍼터링에서 타겟 표면의 자기장 세기를 400 gauss 이상이 되도록 제어함으로써, 스퍼터링 과정에서 발생하는 2차 전자의 트랩핑을 강화하고, 상기 2차 전자에 의해 대상 기판의 온도가 상승되 는 현상을 억제한다. 결국, 본 발명의 교류 마그네트론 스퍼터링은 기판의 온도 상승에 기인한 기판의 백탁 현상을 방지할 수 있으며, 이로 인한 면저항의 균일성 악화 및 스트레스의 심화 현상을 해결하여, 제품의 불량 생산률을 감소시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 스퍼터링 챔버;
    상기 스퍼터링 챔버의 일측에 형성되는 고진공 펌프;
    상기 스퍼터링 챔버 내 일측에 설치되어 기판을 지지하는 기판 지지대;
    상기 기판 지지대에 대향되며, 인접 배치되는 적어도 한 쌍의 타겟;
    상기 타겟의 배면에 위치하여 상기 챔버 내에 자기장(Magnetic field)을 인가하는 마그넷(Magnet);
    상기 마그넷을 고정시키며, 휠(wheel)로 구성된 이동수단을 통해 상기 타겟과 상기 마그넷 간의 거리를 조절하여 상기 타겟 표면에서의 자기장세기를 조절하는 마그넷 지지대; 및
    상기 한 쌍의 타겟에 교류 전원을 공급하여, 상기 한 쌍의 타겟이 교대로 스퍼터링 캐소드(Cathode)와 애노드(Anode)로 작용하게 하는 교류 전원장치를 포함하여 구성되며,
    상기 마그넷 지지대는 상기 휠로 구성된 이동수단을 통해 상기 타겟과 상기 마그넷 간의 거리를 조절하여 상기 타겟 표면과 수직한 자기장 세기가 0인 지점에서 상기 타겟 표면과 수평한 자기장 세기가 400 gauss 이상으로 유지되도록 하는 교류 마그네트론 스퍼터링 장비.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 마그넷은 장방형의 격자를 이루는 마그넷과, 상기 격자의 중앙부에 반대의 극성을 갖는 또하나의 마그넷이 배치된 구조를 가짐을 특징으로 하는 교류 마그네트론 스퍼터링 장비.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 장방형 격자의 마그넷은,
    상기 격자의 가로를 형성하는 두 개의 짧은 마그넷; 및
    격자의 세로를 구성하는 두 개의 긴 마그넷으로 구성됨을 특징으로 하는 교류 마그네트론 스퍼터링 장비.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 장방형 격자의 마그넷은 일체형으로 형성됨을 특징으로 하는 교류 마그네트론 스퍼터링 장비.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 마그넷은 철(Fe) 계열의 마그넷이나 혹은 표면자력이 400 gauss 이상의 보론(B)계열 마그넷임을 특징으로 하는 교류 마그네트론 스퍼터링 장비.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 타겟의 증착 물질은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 아연(Zn), 구리(Cu), 실리콘(Si), 백금(Pt), 금(Au) 및 인듐-틴-옥사이드(ITO)를 포함하는 일군에서 선택된 하나임을 특징으로 하는 교류 마그네트론 스퍼터링 장비.
  8. 인접 배치되는 적어도 한 쌍의 타겟과 상기 타겟의 배면에 배치되는 마그넷 및 마그넷 지지대를 포함한 스퍼터링 챔버 내에 기판을 로딩(Loading)하는 단계;
    고진공 펌프를 통해 상기 스퍼터링 챔버를 진공상태로 만드는 단계;
    상기 스퍼터링 챔버 내에 불활성 가스를 주입하는 단계;
    상기 타겟에 교류 전원을 인가하여, 상기 불활성 가스를 이온화하는 단계;
    상기 스퍼터링 챔버에서 타겟(Target)의 증착 물질을 이온화시키는 단계; 및
    상기 이온화된 증착 물질을 상기 기판 상에 증착하는 단계를 포함하여 이루어지며,
    휠로 구성된 이동수단을 통해 상기 마그넷 지지대를 이동시켜 상기 타겟과 상기 마그넷 간의 거리를 조절하여 상기 타겟 표면과 수직한 자기장세기가 0인 지점에서 상기 타겟 표면과 수평한 자기장 세기가 400 gauss 이상이 되도록 유지하는 것을 특징으로 하는 교류 마그네트론 스퍼터링 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 기판은 평판표시패널 제조용 기판임을 특징으로 하는 교류 마그네트론 스퍼터링 방법.
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