KR101432514B1 - 플라즈마 보조 물리 기상 증착원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용한 물리 기상 증착원 관한 것으로서, 고진공에서 박막을 형성하는 열적 물리 기상 증착원(Thermal Physical Vapor Deposition)에 플라즈마를 결합하는 기술에 관한 것이다.

Description

플라즈마 보조 물리 기상 증착원 {Plasma Aided physical Vapor Deposition Source}

본 발명은 플라즈마를 이용한 물리 기상 증착원 관한 것으로서, 고진공에서 박막을 형성하는 열적 물리 기상 증착원(Thermal Physical Vapor Deposition)에 플라즈마를 결합하는 기술에 관한 것이다.

통상적으로 건식도금법의 일종인 PVD(Physical Vapor Deposition)법은 그 원리에 따라 증발(Evaporation)과 스퍼터링(Sputtering), 이온 플레이팅(Ion plating) 등으로 분류될 수 있는데, 장식용으로부터 초경과 같은 공업용, 그리고 전자분야에 이르기까지 폭넓게 사용되는 증착법이다.

열을 이용한 물리적 기상 증착(Thermal Vapor Deposition) 기술은 일반적으로 고진공하에서 진행이 되고, 고진공 상태에서 진행되기 때문에 플라즈마를 동시에 함께 이용하는 것이 불가능하였다. 그 이유를 살펴보면 다음과 같다.

일반적인 열적 물리 기상 증착원은 고진공에서 사용되어, 챔버 내의 입자가 플라즈마를 발생시키기에는 충분하지 못한 환경에서 사용된다. 플라즈마 발생을 위해 챔버의 진공도를 낮게 하는 경우에는 분위기 압력과 재료의 증기압 간의 차이가 적어져서 증발률이 떨어지게 된다. 증발률 저하를 방지하기 위해 증착원의 온도를 올리는 경우에는 증착원의 복사열에 의해 기판의 온도가 올라가게 되어, 저온 공정을 필요로 하는 제품에는 사용하기 어렵다.

또한, 기판에 별도의 가열장치를 설치하지 않는 한 증착되는 입자는 증착원의 온도에 해당하는 에너지만을 갖게 되고, 이 경우 증착되는 입자는 충분한 에너지를 갖지 못해서 양질의 박막을 형성하는데 어려움이 있다.

본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위해 물리 기상 증착원을 플라즈마 보조 물리 기상 증착원으로 구성하였고, 이를 위해 증착원의 노즐 형상을 특별하게 하였으며, 이에 의해 내부 압력을 조절하였다. 이에 대한 자세한 내용은 이하에서 설명하도록 하겠다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 다음과 같이 해결하였다. 그 방법은, 챔버의 압력은 플라즈마를 생성하기 위한 조건을 만족시키기 힘들지만 증발되는 재료의 경우 증착원의 노즐 형상에 의해 내부 압력을 조절할 수 있으므로 이를 이용하여 증착원 내부를 플라즈마가 발생하기 적합한 압력으로 유지하여 플라즈마를 발생시키는 것이다.

증착원 내부에 플라즈마가 발생 되는 경우, 증발되는 입자가 플라즈마와 반응 하여 증착원의 열 에너지에 더해서 플라즈마에 의한 에너지를 가지게 된다. 이렇게 되면, 기판에 추가적인 가열 없이, 양질의 박막을 얻을 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 보조 물리 기상 증착원은, 내부에 플라즈마 발생 공간을 갖는 도가니; 상기 도가니의 상면에 형성되어 있는 노즐; 상기 도가니의 길이 방향을 따라 도가니 내부로 일정 길이만큼 삽입되어 있는 플라즈마 발생용 전극; 상기 플라즈마 발생용 전극에 연결된 플라즈마 발생용 전원 장치; 상기 플라즈마 발생용 전극의 하부의 일부분을 감싸며 도가니 내부의 일부분을 채우는 절연체; 및 상기 절연체 위에 쌓여 있는 증발 물질을 포함하고, 상기 노즐은 노즐의 크기가 변경 가능하며, 이에 의해 상기 도가니 내부의 플라즈마 발생 공간에서 플라즈마가 발생 가능한 압력이 유지되는 것을 특징으로 한다.

이 경우 상기 도가니의 외부 둘레에 배치된 히터를 추가로 포함할 수 있으며, 또한 히터의 외부 둘레에 배치된 방열판을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 도가니; 상기 히터 및 상기 방열판을 모두 내부에 포함하고 있는 본체를 추가로 포함할 수 있다.

플라즈마 발생용 전극은 그 일부분이 상기 도가니 내의 플라즈마 발생공간까지 삽입될 수 있다.

플라즈마가 발생 가능한 압력의 범위는 10^-3 mTorr 이상인 것이 바람직하다.

노즐의 크기는 노즐의 구멍 크기를 조절하는 노즐 구멍 조절부에 의해 조절될 수 있다.

본 발명에 의하면 고진공하에서 증착하는 경우에도 증착원 내부의 압력은 플라즈마 발생이 가능한 압력이고, 노즐의 형상을 조절함으로써 증착원 내부의 압력을 조정할 수 있다. 플라즈마 발생은 RF, 마이크로파, DC 펄스 등 다양한 방법으로 구현 가능할 수 있다.

증착원 내부에서만 플라즈마를 발생시킴으로써 플라즈마에 의한 기판 온도 상승이나, 플라즈마 하전 입자에 의한 기판 손상 등의 문제도 발생하지 않는다.

도 1은 종래의 PVD 챔버의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 보조 물리 기상 증착원의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 보조 물리 기상 증착원의 사용 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 보조 물리 기상 증착원의 노즐 구멍의 크기를 조절하기 위한 노즐 구멍 조절부의 모습을 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.

하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.

도 1은 종래의 PVD 챔버를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 타겟(10)은 디스크(Disk) 또는 플레이트(Plate) 타입으로 되어 있고, 프로세스 기체 공급부(40)로부터 공급되는 프로세스 기체(아르곤(Ar)가스)와 충돌로 인해 표면의 원자가 튀어나오도록 되어 있다.

금속타겟(10)의 하부에는 히터(30)의 상부에 웨이퍼(W)가 설치되어 있어, 금속타겟(10)으로부터 튀어나온 원자가 웨이퍼(W)에 증착되도록 되어 있다. 상기 금속타겟(10)의 상부에는 마그넷(20)이 설치되어 있는데, 도시되지 않은 회전수단에 의해 상기 마그넷(20)이 회전되면서 자장을 발생시키고, 그 자장에 의해 프로세스기체가 금속타겟(10)의 표면에 충돌하게 된다.

본 발명의 목적은 기존의 열을 이용한 물리적 증착원에 플라즈마 발생원을 결합하여 증착입자가 증착원의 열에너지에 더하여 플라즈마에 의한 에너지를 갖게 하여 증착 막 품질을 향상시키는 플라즈마 보조 물리 기상 증착원(Plasma Aided physical Vapor Deposition Source)을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해서, 통상적인 PVD 챔버와 달리, 본 발명에 따른 플라즈마 보조 물리 기상 증착원(1)은, 내부에 플라즈마 발생 공간(200)을 갖는 도가니(100); 도가니의 상면에 형성되어 있는 노즐(300); 도가니의 길이 방향을 따라 도가니 내부로 일정 길이만큼 삽입되어 있는 플라즈마 발생용 전극(400); 플라즈마 발생용 전극(400)에 연결된 플라즈마 발생용 전원 장치(500); 플라즈마 발생용 전극(400)의 하부의 일부분을 감싸며 도가니 내부의 일부분을 채우는 절연체(600); 및 절연체 위에 쌓여 있는 증발 물질을 포함한다.

이러한 구성들은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 보조 물리 기상 증착원의 단면도를 도시하는 도 2에서 잘 나타나 있다.

도가니(100)는 그 내부에 플라즈마 발생 공간(200)을 포함하고 있으며, 이 플라즈마 발생 공간에서 플라즈마가 발생하게 된다. 플라즈마의 발생은 기존의 열적 물리 증착원(Thermal Physical vapor deposition source)에 플라즈마 발생용 전극(400)을 삽입 가능한 구조로 형성하여(도 2 참고) 도가니 내부의 플라즈마 발생 공간에서 플라즈마의 발생이 이루어진다.

도가니의 상면에 형성되어 있는 노즐(300)은 플라즈마 발생 공간에서 발생된 플라즈마가 도가니 외부로 배출되는 통로 역할을 한다. 이 경우 노즐의 크기를 조정하면 플라즈마 보조 물리 기상 증착원의 내부의 압력을 변화시킬 수 있다. 노즐의 크기 변경에 의해 도가니 내부의 플라즈마 발생 공간에서 플라즈마가 발생 가능한 압력이 유지될 수 있다. 플라즈마가 발생 가능한 압력의 범위는 10^-3 mTorr 이상인 것이 바람직하다. 따라서 원하는 공정에 따라서 원하는 노즐 크기를 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 노즐 크기의 선택을 위해 후술하는 것처럼 도 4에서는 노즐의 크기를 조절하는 구성을 개시하고 있다.

플라즈마 발생용 전극(400)은 도 2에서 보는 것처럼 도가니 내부로 도가니의 길이 방향을 따라 일정 길이만큼 삽입되어 있다. 이 경우 플라즈마 발생용 전극은 그 일부분이 상기 도가니 내의 플라즈마 발생공간까지 삽입되어 있을 수 있다.

플라즈마 발생용 전극(400)은 플라즈마 발생용 전원 장치(500)와 연결되어 있다. 플라즈마 발생용 전원은 DC, RF, MW 등이 가능하며, 도 2에서는 MW(micro wave)를 이용하여 발생시키는 예로서 동축 구조의 전극을 도가니 내부로 삽입 가능하도록 배치한 형상을 도시하고 있다.

또한, 전극의 형상도 동축 구조의 형상을 도시하고 있으나, 그 이외에 다양한 형상의 전극이 이용 가능하다.

절연체(600)는 플라즈마 발생용 전극(400)의 하부의 일부분을 감싸며 도가니 내부의 일부분을 채우고 있다. 절연체는 2000 미만의 유전 상수를 갖는 절연성 물질이 바람직한데, 그 예로는 MgO, MgF₂, LiF, CaF₂, 알루미나, 유리, 세라믹, 산화마그네슘 등이 있다.

증발 물질은 알루미늄, 마그네슘, 은, 갈륨, 구리, 인듐, 셀레나이드 등이 가능하며 특별히 제한되는 것은 아니다.

도 2에서와 같이 증발 물질을 도가니 안에 넣은 후 플라즈마 발생용 전원에 의해 전압이 인가되면 플라즈마 발생 공간에서 플라즈마가 발생되며 발생된 플라즈마는 노즐을 통해 배출된다. 이와 같이 물리 증착원 내부에서 플라즈마의 발생이 가능한 구조를 형성함으로써 플라즈마 보조 물리 기상 증착이 이루어지는 것을 가능하게 하였고, 이에 의해 기판에 추가적인 가열 없이, 양질의 박막을 얻을 수 있게 된다.

또한, 증착원 내부에서만 플라즈마를 발생시킴으로써 플라즈마에 의한 기판 온도 상승이나, 플라즈마 하전 입자에 의한 기판 손상 등의 문제도 발생하지 않는다.

한편, 도가니의 외부 둘레에 배치된 히터(700)를 추가로 포함할 수 있고, 히터의 외부 둘레에 배치된 방열판(800)을 추가로 포함할 수 있다. 또한, 본체는 도가니(100); 히터(700) 및 방열판(800)을 모두 내부에 포함하고 있을 수 있다.

히터(700)는 도가니를 가열하여 온도를 올리는 역할을 하는 부분이고, 방열판(800)은 도가니를 가열하고 불필요한 부분은 가열되지 않게 복사열을 차단하는 구조물이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 보조 물리 기상 증착원의 사용 사시도이다.

도 2에 따른 플라즈마 보조 물리 기상 증착원(1)은 플라즈마 발생용 전원 장치(500)에 연결된 채로 챔버의 내부로 삽입되어 있고, 챔버 내부에는 노즐에 대향한 위치에 처리 대상 기판이 존재한다. 노즐(300)은 그 크기를 조절 가능한 구성을 가짐으로써 플라즈마 물리 기상 증착원의 내부 압력을 플라즈마 발생이 가능한 압력(10^-3 mTorr 이상)으로 조절 가능하게 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 보조 물리 기상 증착원의 노즐 구멍의 크기를 조절하기 위한 노즐 구멍 조절부의 일 실시예의 모습을 도시한다. 도 4에서 보면 노즐의 끝단에 노즐 구멍 조절부가 결합될 수 있고, 이러한 노즐 구멍 조절부의 구멍 크기는 다양하게 제작될 수 있어서 필요에 따라 적절한 구멍 크기를 갖는 노즐 구멍 조절부를 노즐의 끝단에 장착하면 된다. 이 경우 노즐 구멍 조절부의 외부 원주 상에 나사산이 형성되어 있어 노즐의 내부에 형성된 나사산과 맞물려 결합됨으로써 밀폐식으로 단단하게 결합될 수 있다.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. 내부에 플라즈마 발생 공간을 갖는 도가니;
   상기 도가니의 상면에 형성되어 있는 노즐;
   상기 도가니의 길이 방향을 따라 도가니 내부로 일정 길이만큼 삽입되어 있는 플라즈마 발생용 전극;
   상기 플라즈마 발생용 전극에 연결된 플라즈마 발생용 전원 장치;
   상기 플라즈마 발생용 전극의 하부의 일부분을 감싸며 도가니 내부의 일부분을 채우는 절연체; 및
   상기 절연체 위에 쌓여 있는 증발 물질을 포함하고,
   상기 노즐은 노즐의 크기가 변경 가능하며, 이에 의해 상기 도가니 내부의 플라즈마 발생 공간에서 플라즈마가 발생 가능한 압력이 유지되는 것을 특징으로 하는,
   플라즈마 보조 물리 기상 증착원.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 도가니의 외부 둘레에 배치된 히터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는,
   플라즈마 보조 물리 기상 증착원.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 히터의 외부 둘레에 배치된 방열판을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는,
   플라즈마 보조 물리 기상 증착원.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 플라즈마 발생용 전극은 그 일부분이 상기 도가니 내의 플라즈마 발생공간까지 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는,
   플라즈마 보조 물리 기상 증착원.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 도가니; 상기 히터 및 상기 방열판을 모두 내부에 포함하고 있는 본체를 추가로 포함하는,
   플라즈마 보조 물리 기상 증착원.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 노즐의 크기는 노즐 구멍 조절부에 의해 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는,
   플라즈마 보조 물리 기상 증착원.
   

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