KR101243273B1

KR101243273B1 - 마그네트론 스퍼터링 증착 장치 및 마그네트론 스퍼터링 증착 시스템

Info

Publication number: KR101243273B1
Application number: KR1020100078943A
Authority: KR
Inventors: 윤경병
Original assignee: 서강대학교산학협력단
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2010-08-16
Publication date: 2013-03-13
Also published as: KR20120016510A

Abstract

기판을 수용하는 챔버; 상기 기판을 향하여 타겟 물질을 방출시키는 스퍼터 건; 및 상기 타겟 물질의 이동 경로를 향하여 이온 빔을 방출시키는 이온 건을 포함하는 마그네트론 스퍼터링 증착 장치로서, 상기 이온 건은 복수개 마련되며, 상기 기판 상에 적층되는 타겟 물질의 결정성 및 결정방향을 제어하기 위하여, 상기 이온 건에서 방출되는 이온 빔의 세기, 상기 이온 건의 위치, 또는 상기 이온 건의 배향이 조절 가능한 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 증착 장치가 제공된다.

Description

마그네트론 스퍼터링 증착 장치 및 마그네트론 스퍼터링 증착 시스템{MAGNETRON SPUTTERING DEPOSITION APPARATUS AND MAGNETRON SPUTTERING DEPOSITION SYSTEM}

본 발명은 마그네트론 스퍼터링 장치 및 마그네트론 스퍼터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스퍼터 건 및 이온 건을 구비한 마그네트론 스퍼터링 장치 및 시스템에 관한 것이다.

스퍼터링(sputtering)은, 고에너지를 가진 입자를 재료(타겟 물질)의 표면에 충돌(bombardment)시키고 이때의 운동량 교환으로 재료의 표면으로부터 재료가 이탈/방출되게 하는 과정이다. 스퍼터링은 화학적 또는 열적 반응이 아닌 기계적 반응이며, 따라서 어느 재료든 타겟 물질로 사용할 수 있다. 또한, 스퍼터링시 피처리물, 예컨대 기판을 양극으로 활용하여 글로우 방전을 시키면, 스퍼터링에 의해 기판 표면의 산화물 및 불순물을 제거할 수 있으며, 또한 기판의 표면이 활성화되므로 증착층의 접착성이 우수하다.

마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)은 이온 스퍼터링의 하나이다. 마그네트론 스퍼터링은, 타겟 물질의 이온화를 증가시키기 위하여 판형 다이오드의 음극 후면에 마그네트론을 설치하여 전자가 타겟물질 주위의 전기장 및 자기장에 머무르게 하여 이온화를 계속하는 방식이다. 마그네트론을 이용하면 스퍼터링이 집중적으로 일어나 이온화를 유발하고, 이로 인해 기판의 증착율이 크게 증가한다. 또한, 마그네트론 스퍼터링은 대규모의 증착에 유리하며, 또한 비교적 저온에서도 기판 상에 박막을 성장시킬 수 있다.

마그네트론 스퍼터링을 이용한 증착에 있어서, 스퍼터링된 타겟 물질에 이온 빔을 가하는 방법이 종래 알려져 있다. 이와 같이 스퍼터링된 타겟 물질에 이온 빔을 가함으로써, 타겟 물질에 운동에너지를 전달하여 박막의 성장성을 높이도록 할 수 있다.

그런데, 종래의 마그네트론 스퍼터링 증착 장치에서는 이온 빔을 방출하는 이온 건이 하나만 설치되어 있고, 그 위치 및 배향도 고정되어 있었다. 따라서, 박막의 성장 공정을 정밀하게 제어하는 것이 곤란하였다. 특히, 본원의 발명자들은 이온 빔의 방출이 기판 상에서 성장하는 박막의 결정성 및 결정방향에 큰 역할을 하게 됨을 발견하였으나, 종래의 마그네트론 스퍼터링 증착 장치로는 박막의 결정성 및 결정방향을 원하는 수준으로 제어할 수 없었다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 박막의 결정성 및 결정방향을 정밀하게 제어할 수 있는 마그네트론 스퍼터링 증착 장치 및 마그네트론 스퍼터링 증착 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따르면, 기판을 수용하는 챔버; 상기 기판을 향하여 타겟 물질(target material)을 방출시키는 스퍼터 건(sputter gun); 및 상기 타겟 물질의 이동 경로를 향하여 이온 빔(ion beam)을 방출시키는 이온 건(ion gun)을 포함하는 마그네트론 스퍼터링 증착 장치로서, 상기 이온 건은 복수개 마련되며, 상기 기판 상에 적층되는 타겟 물질의 결정성 및 결정방향을 제어하기 위하여, 상기 이온 건에서 방출되는 이온 빔의 세기(intensity), 상기 이온 건의 위치, 또는 상기 이온 건의 배향이 조절 가능한 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 증착 장치가 제공된다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따르면, 마그네트론 스퍼터링 증착 시스템에 있어서, 스퍼터 건으로부터 방출되어 기판으로 향하는 타겟 물질로 운동에너지를 전달하는 이온 빔을 방출시키는 2개 이상의 이온 건을 포함하며, 상기 2개 이상의 이온 건에 의하여 기판 상에 적층되는 타겟 물질의 결정성 및 결정방향이 제어되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 증착 시스템이 제공된다.

본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 증착 장치 및 마그네트론 스퍼터링 증착 시스템에 의하면, 박막의 결정성 및 결정 방향성을 정밀하게 제어할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터링 증착 장치 및 마그네트론 스퍼터링 증착 시스템에 의하면, 비교적 저온에서도 대규모의 증착이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 마그네트론 스퍼터링 증착 장치를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 2는 도 1의 마그네트론 스퍼터링 증착 장치의 스퍼터 건을 나타낸 상세 단면도이다.
도 3은 도 1의 마그네트론 스퍼터링 증착 장치의 이온 건을 나타낸 상세 단면도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 마그네트론 스퍼터링 증착 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 마그네트론 스퍼터링 증착 장치를 개략적으로 나타낸 측단면도, 도 2는 도 1의 마그네트론 스퍼터링 증착 장치의 스퍼터 건을 나타낸 상세 단면도, 도 3은 도 1의 마그네트론 스퍼터링 증착 장치의 이온 건을 나타낸 상세 단면도이다.

도시된 바와 같이, 마그네트론 스퍼터링 증착 장치(1)는 챔버(10), 챔버(10)의 상부벽에 설치된 두 개의 마그네트론 스퍼터 건(20; 22), 스퍼터 건(20; 22)과 마찬가지로 챔버(10)의 상부벽에 설치된 하나의 이온 건(30), 챔버(10)의 일측벽에 설치된 다른 하나의 이온 건(32), 기판(S)을 챔버(10) 내외로 이송하는 기판이송유닛(40), 및 챔버(10) 내에서 기판(S)을 지지하는 적재대(50)를 포함한다.

챔버(10)는 기판(S)을 수용하는 내부공간(10A)을 가지며, 이 내부공간(10A)에서 스퍼터링 및 증착이 이루어진다. 챔버(10)에는 배기구(11)가 마련되며, 이 배기구(11)에 연결된 배기유로(미도시)에는 진공펌프(미도시)가 설치될 수 있다. 이로써, 내부공간(10A)은 공정시 고진공으로 유지될 수 있다.

스퍼터 건(20; 22)은 기판(S)을 향하여 타겟 물질을 방출시킨다. 스퍼터 건(20; 22)은 밸브(202; 222)를 개재해 예컨대 N₂ 가스 공급원(204; 224)과 연결될 수 있다. 또한, 스퍼터 건(20; 22)은 코일 전원(206; 226)과 연결될 수 있다.

도 2를 참조하여 스퍼터 건(20)의 구성을 더 구체적으로 살펴보기로 한다. 스퍼터 건(20)은 하우징(2010) 내에 마련된 영구자석(2020), 일면이 영구자석(2020)에 대향되도록 배치된 캐소드(2040); 캐소드(2040)의 타면에 배치된 타겟(T), 영구자석(2020)의 양측면에 각각 배치된 전자기 코일(2030)을 포함한다.

영구자석(2020)은 스퍼터링 공정시 타겟(T)을 거치는 전자이동을 제한하도록 자기장을 제공하며, 이에 의해 조밀한 플라즈마가 생성될 수 있다. 영구자석(2020)은 3개 이상의 극(pole)이 교대로 배치된 형태이며, 전자기장 형태에 따른 타겟(T)의 불균일 마모를 억제하기 위해 무빙(moving) 방식으로 설치되는 것도 가능하다.

코일(2030)은 코일 전원(206)과 연결되어 이로부터 전류를 공급받는다. 코일 전원(206)은 예컨대 0 내지 10.0 A의 전류를 공급할 수 있다. 코일(2030)의 면적 및 감은 횟수(No. of turns)에 따라 전류 밀도가 상이하게 되며, 이로써 타겟(T) 주위의 자기장 분포가 조절된다.

캐소드(2040)에는 미도시된 전원이 연결될 수 있으며, 이 전원은 캐소드(2040)에 예컨대 전압 0 내지 1000 V, 전류 5.0 A를 공급할 수 있다.

일반적으로 타겟(T) 물질은 에너지 공급원이 가해질 경우 타겟으로부터 스퍼터되어 기판 상에 증착될 수 있는 임의의 적절한 물질로 이루어진다. 이러한 타겟(T) 물질은 금속, 합금, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 황화물, 금속 인화물 중 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이러한 예로 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 타겟 물질은 Al, Cu, Au, Ag, W, Ta, Ga, Sn, Ba, Be, Ca, Ce, Cs, Hf, La, Mg, Nd, Sc, Sr, Y, Mn, V, Si, Zr, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Y, B, C, La, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Er, Pt, Pb, Yb, Pd, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 또는 합금, 상기 금속의 산화물, 상기 금속의 질화물, 상기 금속의 황화물, 상기 금속의 질화물일 수 있다. 도 2에는 타겟(T)의 일례로 Cu가 도시되어 있다. 타겟 물질은 스퍼터 건(20)에서 방출되어 기판(S)에 이르게 된다.

한편, 스퍼터 건(20)의 구성은 상기 설명으로 한정되지는 않으며, 공지된 다른 형태의 스퍼터 건(20)을 이용하는 것도 가능하다.

이온 건(30; 32)은 타겟 물질의 이동 경로를 향하여 이온 빔을 방출시킨다. 이온 건(30; 32)은 밸브(302, 322)를 개재해 예컨대 Ar 가스 공급원(304; 324)과 연결되어 있다. 또한, 이온 건(30; 32)은 코일 전원(306; 326)과 연결되어 있다.

도 3을 참조하여 더 구체적으로 살펴보면, 이온 건(30)은 Ar 가스의 진행 방향을 따라 배치된 코일(3010), 애노드(3020), 및 필라멘트(3030)를 포함한다.

코일(3010)은 코일 전원(306)으로부터 전류를 공급받으며, 코일 전원(306)은 예컨대 0 내지 10.0 A의 전류를 공급할 수 있다. 애노드(3020)는 미도시된 전원에 연결될 수 있으며, 이 전원은 애노드(3020)에 예컨대 전압 0 내지 250 V, 전류 0 내지 5.0 A를 공급할 수 있다. 또한, 필라멘트(3030)는 미도시된 전원에 연결될 수 있으며, 이 전원은 필라멘트(3030)에 0 내지 35.0 A의 전류를 공급할 수 있다.

상기 이온 빔은 타겟 물질에 에너지를 전달할 수 있는 가스류의 물질로 형성되며, 예컨대 H₂, He, N₂, O₂, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn 중 어느 하나일 수 있다. 그러나, 이러한 예로 한정되는 것은 아니다. 도 3에는 이온 빔의 일례로 Ar⁺가 도시되어 있다.

이온 건(30)에서 방출된 이온 빔은 스퍼터 건(20; 22)으로부터 방출되어 기판(S)으로 향하는 타겟 물질에 운동에너지를 전달한다. 따라서, 이온 건(30)으로부터 방출된 이온 빔의 흐름은 기판(S) 상에 적층되는 타겟 물질의 결정성에 중대한 영향을 끼친다. 한편, 이온 건(30)의 구성은 상기 설명된 것으로 한정되는 것은 아니며, 기판(S)을 향하는 타겟 물질과 운동에너지의 교환이 가능한 이온 빔을 방출시킬 수만 있다면, 다른 형태의 이온 건(30)을 이용하는 것도 가능하다.

이온 빔의 흐름에 영향을 끼칠 수 있는 중요한 인자는 이온 빔의 세기(intensity), 이온 건(30; 32)의 위치(position), 및 이온 건(30, 32)의 배향(coordination)이다. 따라서, 기판(S) 상에 적층되는 타겟 물질의 결정성 및 결정방향을 제어하기 위해, 이온 건(30; 32)에서 방출되는 이온 빔의 세기, 이온 건(30; 32)의 위치, 또는 배향을 조절한다.

본 발명에 있어서, “이온 건의 위치를 조절”한다는 것은 챔버(10)에 있어서 이온 건(30; 32)이 배치되는 장소를 임의로 정할 수 있다는 것을 의미하며, “이온 건의 배향을 조절”한다는 것은 이온 건(30; 32)이 챔버(10)와 이루는 각도를 임의로 정할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 증착 장치(1)에서는, 이온 건(30; 32)을 복수개 마련하고, 각각의 이온 건(30; 32)의 위치 및 배향을 독립적으로 제어함으로써 기판(S) 상에 적층되는 타겟 물질의 결정성 및 결정 방향성을 정밀하게 조절할 수 있음을 확인하였다. 또한, 본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 증착 장치(1)를 이용하여 상온에서 ITO 등의 타겟 물질이 기판(S) 상에 성공적으로 증착됨을 확인하였다.

이상, 본 발명의 일실시예에 의한 마그네트론 스퍼터링 증착 장치(1)의 일례를 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 이온 건(30A; 30B; 30C)은 3개 마련되며, 이러한 3개의 이온 건(30A; 30B; 30C)은 챔버(10)의 상부벽 및 두 측벽에 각각 배치될 수 있다. 즉, 기판(S)에 대해 X, Y, Z축 방향으로 각각 이온 빔을 방출하도록 이온 건이 배치될 수 있다. 이온 건의 개수나 위치를 제외한 나머지 구성은 전술한 실시예와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 3개의 이온 건(30A; 30B; 30C)이 챔버(10)의 상부벽 및 두 측벽에 각각 배치되되, 두 측벽에 배치된 2개의 이온 건(30B; 30C)이 측벽에 대해 경사를 이루도록 배치될 수도 있다. 즉, 도 4에 도시된 실시예와 달리, 도 5에 도시된 실시예에서는 측벽에 배치된 2개의 이온 건(30B; 30C)에서 방출하는 이온 빔의 흐름이 기판(S)에 대해 수직이 아닌 각도를 유지하게 된다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 2개의 이온 건(30A; 30B)이 챔버(10)의 상부벽 및 일측벽에 각각 배치되되, 측벽에 배치된 이온 건(30B)이 측벽에 대해 경사를 이루도록 배치될 수도 있다. 즉, 본 실시예에서는 측벽에 경사진 하나의 이온 건(30B)만이 배치된다는 점에서 도 5에 도시된 실시예와 차이가 있다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 이온 건(30D; 30E)은 2개 마련되며, 이러한 2개의 상기 이온 건(30D; 30E)은 모두 챔버(10)의 상부벽에 배치될 수도 있다. 상부벽에 배치된 2개의 이온 건(30D; 30E)은 상부벽에 대해 경사를 이루며, 따라서, 2개의 이온 건(30D; 30E)에서 방출하는 이온 빔의 흐름이 기판(S)에 대해 수직이 아닌 각도를 유지하게 된다.

이상 여러 실시예에서 살펴본 바와 같이, 이온 건의 개수, 위치, 및 배향은 기판 상에 성장시키고자 하는 타겟 물질의 결정성이나 결정방향을 제어하기 위해 적절히 선택될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

기판을 수용하는 챔버;
상기 기판을 향하여 타겟 물질(target material)을 방출시키는 스퍼터 건(sputter gun); 및
상기 타겟 물질의 이동 경로를 향하여 이온 빔(ion beam)을 방출시키는 이온 건(ion gun)을 포함하는 마그네트론 스퍼터링 증착 장치로서,
상기 이온 건은 복수개 마련되며,
상기 복수개의 이온 건 중 2개의 상기 이온 건은 상기 챔버의 상부 벽에 배치거나, 또는 상기 복수개의 이온 건 중 2개의 상기 이온 건은 상기 챔버의 상부 벽 및 일측 벽에 각각 배치되고,
상기 기판 상에 적층되는 타겟 물질의 결정성 및 결정방향을 제어하기 위하여, 상기 이온 건에서 방출되는 이온 빔의 세기(intensity), 상기 이온 건의 위치, 또는 상기 이온 건의 배향이 조절 가능한 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 증착 장치.
제1항에 있어서,
상기 스퍼터 건은, 영구자석, 및 상기 영구자석의 양측면에 배치된 전자기 코일(electromagnetic coil)을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 증착 장치.
삭제
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 이온 건은 3개 마련되며, 3개의 상기 이온 건은 상기 챔버의 상부벽 및 두 측벽에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 증착 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 타겟 물질은 금속, 합금, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 황화물, 금속 인화물 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 증착 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 이온 빔은 가스류의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 증착 장치.
제 1 항에 따른 마그네트론 스퍼터링 증착 장치를 이용한 마그네트론 스퍼터링 증착 방법에 있어서, 스퍼터 건으로부터 방출되어 기판으로 향하는 타겟 물질로 운동에너지를 전달하는 이온 빔을 방출시키는 2개 이상의 이온 건을 포함하며, 상기 2개 이상의 이온 건에 의하여 기판 상에 적층되는 타겟 물질의 결정성 및 결정방향이 제어되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 증착 방법.