KR101700735B1

KR101700735B1 - 물리 기상 퇴적 장치

Info

Publication number: KR101700735B1
Application number: KR1020157017062A
Authority: KR
Inventors: 펑 첸; 멍신 자오; 페이준 딩; 호우공 왕; 슈에웨이 우; 지안셩 리우; 보 겅; 구오칭 치우; 리후이 웬
Original assignee: 베이징 엔엠씨 씨오., 엘티디.
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2017-01-31
Also published as: CN103849848B; KR20150088315A; CN103849848A; SG11201504014TA; TW201420796A; WO2014082554A1; TWI480405B

Abstract

본 발명은 물리 기상 퇴적 장치를 공개한 것으로서, 반응 챔버; 상기 반응 챔버의 하부에서 상기 스퍼터링 타겟과 대향하여 배치되는 기판 지지부재; 상기 스퍼터링 타겟에 커플링 결합되는 직류 전원; 상기 스퍼터링 타겟에 커플링 결합되고, 분배 링 및 상기 분배 링의 주변을 따라 교대로 배치되는 다수의 분배 스트립을 포함하여, 상기 분배 링이 커플링 결합되어, 상기 분배 링이 상기 분배 스트립을 통해 상기 스퍼터링 타겟에 커플링 결합되는 무선주파수 전원을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 물리 기상 퇴적 장치는 타겟에 발생된 네가티브 바이어스를 저하시켜 기판 또는 웨이퍼에 발생되는 손상을 감소시킬 수 있으며, 또한 퇴적 속도를 뚜렷하게 증가시킴으로써 공정 효율을 제고시켰다.

Description

물리 기상 퇴적 장치{Physical Vapor Deposition Apparatus}

본 발명은 반도체 제조기술 분야에 관한 것으로서, 특히 물리 기상 퇴적 장치에 관한 것이다.

물리 기상 퇴적(Physical Vapor Deposition, PVD) 스퍼터링 공정설비는 통상적으로 스퍼터링 타겟에 네가티브 바이어스(negative bias)를 인가하여 반응 챔버 내의 Ar(아르곤가스) 등과 같은 공정가스를 플라즈마체로 여기시키고, 플라즈마체 중의 이온들이 상기 타겟을 충격하기 위해 흡인됨으로써 타겟 물질을 스퍼터링하여 웨이퍼 또는 기판에 퇴적시킨다. 상이한 응용 분야(예를 들어 반도체, 태양에너지, 발광다이오드(light emitting diode, LED)등)마다 통상적으로 스퍼터링 전압, 스퍼터링 속도 등 공정 파라미터에 대한 요구가 다르다. 특히 태양에너지, LED 등 응용 분야에 사용되는 산화 인듐주석(indium tin oxide, ITO), 산화 알루미늄아연(aluminum zinc oxide, AZO) 또는 동류물을 포함하는 도전막층의 경우, 스퍼터링 및 퇴적에 의해 형성되는 박막의 양호한 공정 성능을 보장하도록 비교적 낮은 스퍼터링 전압이 요구된다.

전술한 바와 같이, 종래의 물리 기상 퇴적장치에서는, 직류 전원이 직류 전력원에 의해 타겟에 인가되어 상기 가스를 플라즈마체로 여기시키고, 상기 타겟에 네가티브 바이어스를 인가하여 상기 플라즈마체 중의 이온들을 흡인하여 상기 타겟을 충격하도록 함으로써, 스퍼터링된 타겟 물질이 베이스에 탑재된 기판에 퇴적된다. 그러나, 종래의 물리 기상 퇴적 장치는 일부 특수 응용 분야(예를 들어 LED 분야의 ITO 스퍼터링 등)의 경우 비교적 큰 문제를 가져올 수 있다. 먼저, 직류 스퍼터링은 타겟 물질에 예를 들어 약 수백 볼트의 매우 큰 전압을 발생시킬 수 있고, 또한 기판 표면에 예를 들어 약 수십 볼트의 비교적 큰 직류 바이어스 전압을 발생시킬 수 있다. LED 분야의 ITO 스퍼터링 등의 경우, 높은 타겟 전압 또는 비교적 큰 직류 바이어스는 모두 기판 또는 웨이퍼를 손상시킬 수 있다. 이밖에, 일정한 직류(direct current, DC) 전력에서, 직류 스퍼터링에 의해 발생되는 플라즈마체의 밀도가 비교적 낮아, 상대적으로 퇴적 속도가 낮아질 수 있다.

스퍼터링 네가티브 바이어스가 지나치게 큰 문제를 해결하기 위하여, 현재 본 분야에서는 타겟 물질에 무선주파수(RF)와 직류(DC)를 동시에 인가하는 방식을 이용하여 스퍼터링을 실시하기 시작하였다. 예를 들어 중국 특허 출원 No.200980143935.2에서는 RF 전력을 실린더형 전극을 통해 타겟에 급전(feeding)한다. 그러나, 상기 실린더형 전극과 포위(enclosing) 부재의 외벽 사이에 비교적 큰 커플링 커패시턴스가 존재하기 때문에, 일부 RF 전력이 상기 커플링 커패시턴스로 인해 손실되고, 심지어 플라즈마체가 글로우 방전을 형성하기 어려우며, RF 전력의 낭비를 초래한다.

본 발명의 목적은 적어도 종래 기술에 존재하는 기술문제 중의 하나를 해결하고자 하는 데 있다.

이를 위해, 본 발명의 하나의 목적은 전극 구조의 변경을 통해 마그네트론 구동부재의 배치에 영향을 주지 않으면서 타겟의 균일한 스퍼터링을 구현할 수 있는 물리 기상 퇴적 장치를 제공하고자 하는 데 있다.

본 발명의 실시예에 따라 제공되는 물리 기상 퇴적 장치는, 상부 벽, 상기 상부 벽에 인접한 스퍼터링 타겟 및 반응 챔버에 설치되어 상기 스퍼터링 타겟과 상호 대향하는 기판 지지부재를 구비하는 반응 챔버; 상기 스퍼터링 타겟과 커플링 결합되는 직류전원; 출력단이 RF 매칭부 및 RF 급전부재와 순차적으로 결합되는 RF 전원을 포함하고, 상기 RF 급전부재는 분배 링 및 상기 분배 링의 원주방향을 따라 이격 설치되는 다수의 분배 스트립을 포함하며, 상기 분배 링은 상기 분배 스트립을 통해 상기 스퍼터링 타겟에 커플링 결합되고, 상기 RF 급전부재는 상기 분배 링을 통해 상기 RF 전원에 커플링 결합된다.

본 발명의 실시예에 따라 제공되는 물리 기상 퇴적 장치는 급전 전극 구조의 변경을 통해 마그네트론 구동부재의 배치에 영향을 주지 않는다는 전제 하에 마그네트론 구동부재에 대한 영향을 최소화하였다. 또한, 분배 링 형태의 RF 급전부재를 통해, 타겟에 대한 균일한 스퍼터링을 최대한 구현하였다.

이밖에, 본 발명에 따른 물리 기상 퇴적 장치는 이하의 부가적인 기술 특징을 더 구비한다:

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분배 링은 다수 개이며, 다수의 상기 분배 링은 서로 평행하면서 상기 분배 링의 축방향을 따라 이격 설치되며, 인접한 2개의 분배 링 사이는 상기 분배 스트립를 통해 서로 연결된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분배 링은 그 방사상 단면의 투영 형상이 원형이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다수의 분배 스트립는 상기 분배 링의 원주방향을 따라 균일하게 분포된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분배 스트립의 횡단면의 폭은 5mm보다 크거나 같고, 두께는 0.1mm보다 크거나 같다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 RF 급전부재는 구리, 은 또는 금으로 제작된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 각각의 상기 분배 스트립는 적어도 2개의 분배구간을 구비하며, 또한 인접한 2개의 분배구간 사이에 연결구간이 연결된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분배구간은 상기 분배 링의 축방향을 따라 연장된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분배 구간은 상기 분배 링의 축방향에 대하여 내측으로 또는 외측으로 경사지게 연장된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연결구간은 상기 분배 링이 소재하는 평면에 평행하게 연장된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연결구간은 상기 분배 링이 소재하는 평면에 대해 상측 또는 하측으로 경사지게 연장된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 RF 전원의 주파수는 2MHz 내지 27.12MHz 사이의 범위 내에 있으며, 더욱 구체적으로는 2MHz, 13.56MHz 또는 27.12MHz이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 물리 기상 퇴적 장치는 기판의 직류 바이어스를 조절하도록 상기 기판 지지부재와 접지의 사이에 직렬 연결되는 가변 저항 부재를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가변 저항 부재는 가변 커패시터, 가변 인덕터 또는 가변 커패시터와 인덕턴터로 구성되는 회로이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스퍼터링 타겟은 금속 산화물 타겟이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 산화물 타겟은 산화인듐주석(indium tin oxide, ITO) 타겟, 산화 알루미늄아연(alumimum zinc oxide, AZO) 타겟이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화인듐주석 타겟 중 산화인듐은 전체 산화 인듐주석 함량의 0.1% 내지 20%이다.

본 발명의 부가적 측면과 장점은 아래의 설명에서 일부가 제시될 것이고, 일부는 이하 설명에서 더욱 명확해지거나, 또는 본 발명의 실현을 통해 이해될 것이다.

본 발명의 상술한 및/또는 부가적인 태양들과 장점들은 이하 도면을 결합한 실시예에 대한 설명을 통해 명확하고 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 물리 기상 퇴적 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제공되는 물리 기상 퇴적 장치에서 전극의 제1 실시예의 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제공되는 물리 기상 퇴적 장치에서 전극의 제2 실시예의 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제공되는 물리 기상 퇴적 장치에서 전극의 제3 실시예의 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제공되는 물리 기상 퇴적 장치에서 전극의 제4 실시예의 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제공되는 물리 기상 퇴적 장치에서 전극의 제5 실시예의 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제공되는 물리 기상 퇴적 장치에서 전극의 제6 실시예의 도면이다.
도 8은 다른 일 실시예에 따라 제공되는 물리 기상 퇴적 장치의 개략도이다.
도 9a 내지 9c는 도 8의 물리 기상 퇴적 장치에서 가변 저항부재의 개략도이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 상기 실시예의 예시는 도면에 도시하였으며, 그 중 동일하거나 유사한 부호는 동일하거나 유사한 구성 요소를 표시하거나 또는 동일하거나 유사한 기능을 갖는다. 이하 참조도면을 통해 묘사되는 실시예는 예시적인 것으로서, 단지 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하는 것으로 이해되어서는 안 될 것이다.

본 발명의 설명 중, 이해하여야 할 점으로, 용어 "상", "하", "좌", "우", "상부", "하부", "내측", "외측" 등이 가리키는 방위 또는 위치 관계는 도면에 도시된 방위 또는 위치관계에 따른 것이며, 단지 본 발명을 설명하기 편하고 묘사를 단순화하기 위한 것이지, 지시하는 장치 또는 구성 부재가 반드시 특정한 방위를 갖거나, 특정한 방위로 구성 및 조작되어야 하는 것을 가리키거나 또는 암시하는 것이 아니므로, 본 발명을 제한하는 것으로 이해되어서는 안 될 것이다. 이밖에, "제1", "제2"라는 용어는 단지 목적을 설명하기 위한 것일 뿐, 상대적인 중요성을 지시하거나 암시하거나 또는 가리키는 기술 특징의 수량을 암묵적으로 지명하는 것으로 이해되어서는 안 될 것이다. 따라서, "제1", "제2"로 한정된 특징은 하나 이상의 상기 특징을 명시 또는 암묵적으로 포함할 수 있다.

본 명세서에 별도로 명확하게 규정 및 한정하지 않는 한, 용어 "설치", "상호 연결", "연결"은 넓은 의미로 이해되어야 한다. 예를 들어, 고정 연결일 수도 있고, 탈착 가능하게 연결되거나 또는 일체형으로 연결될 수 있으며, 기계적인 연결이거나 전기적인 연결일 수도 있고; 직접 상호 연결되는 것일 수도 있고, 중간 매개를 통해 간접적으로 상호 연결되는 것일 수도 있으며, 2개의 구성부재 내부가 연통되는 것일 수도 있다. 본 분야의 통상의 기술자라면 본 발명 중 상기 용어의 구체적인 의미를 구체적인 상황에 따라 이해할 수 있을 것이다. 또한 본 발명에서, 별도로 명확하게 규정 및 한정하지 않는 한, 제1 특징은 제2 특징의 "상위" 또는 "하위"에 직접 접촉되는 제1 및 제2 특징을 포함할 수도 있고, 직접 접촉되지 않으면서 이들 사이의 별도의 특징을 통해 접촉될 수 있는 제1 및 제2 특징을 포함할 수도 있다.

본 발명의 기본 원리는 종래의 RF 접속 방식의 변경을 통해, 즉 본 발명의 급전(feeding) 전극 구조(아래에 상세히 설명할 것이다)의 변경을 통해, 마그네트론 구동부재의 배치를 변경하지 않는다는 전제 하에 마그네트론 구동부재에 대한 영향을 최소화하는데 있다. 또한, 분배 링 형태의 RF 급전 부재의 사용을 통해, 타겟의 균일한 스퍼터링을 최대한 구현하였다. 이하 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

물리 기상 퇴적 장치

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 상기 원리를 상세히 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 물리 기상 퇴적 장치(100)에 따르면, 상기 물리 기상 퇴적 장치(100)는 스퍼터링 타겟(200)을 스퍼터링하고, 스퍼터링된 타겟 물질을 웨이퍼 또는 기판(미도시)에 퇴적하기 위한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예가 제공하는 물리 기상 퇴적 장치(100)는 반응 챔버(1), 백 플레이트(2), 기판 지지부재(3), 차폐커버(4), 마그네트론(5), RF 급전부재(61) 및 RF 전원(62)을 포함할 수 있다.

반응 챔버(1)의 상부는 개방되고 하부에 개구(11)가 형성되며, 또한 상기 반응 챔버(1)는 접지된다.

백 플레이트(2)의 저면에 반응 챔버(1)의 상부 벽(22)이 형성되어, 스퍼터링 타겟(200)이 상기 상부 벽(22)에 설치되며, 실제 응용에서 스퍼터링 타겟(200)과 백 플레이트(2)는 용접 방식으로 고정 연결되어 서로 연통될 수 있다. 백 플레이트(2)는 절연부재(21)를 통해 반응 챔버(1)의 상부에 설치되어 반응 챔버(1)의 상부를 밀폐한다. 기판 지지부재(3)는 기판을 탑재하기 위한 것으로서, 기판(미도시)이 스퍼터링 타겟(200)과 마주보게 설치되도록 개구(110)를 통해 반응 챔버(1) 내에 장착된다. 선택적으로, 기판 지지부재(3)는 정전 척(chuck)일 수 있다.

선택적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 반응 챔버(1)는 베이스(11)와 측벽(12)을 더 포함하며, 개구(110)가 베이스(11)에 형성되고, 베이스(11)는 접지된다. 측벽(12)이 베이스(11)에 설치되어, 반응 챔버(1)가 베이스(11)와 측벽(12)에 의해 한정되며, 절연부재(21)가 측벽(12)의 상부와 백 플레이트(2) 사이에 설치되어 백 플레이트(2)와 반응 챔버(1) 사이를 전기적으로 절연시킴으로써, 백 플레이트(2)에 고정된 스퍼터링 타겟(200)을 지면과 절연시킨다.

도 1에 도시된 바와 같이, 차폐 커버(4)는 금속 재료로 제작되고, 전자기를 차폐하도록 백 플레이트(2)의 상방에 설치되며, 차폐 커버(4)와 백 플레이트(2)로 차폐공간(40)을 한정한다. RF 급전부재(61)는 차폐 커버(4) 내에 설치되어 상기 차폐 커버(4)와 서로 연결되며, RF 급전부재(61)의 하단은 백 플레이트(2)의 가장자리에 연결된다.

RF 전원(62)은 RF 매칭부(63)를 통해 RF 급전부재(61)에 연결되어 RF 전력을 백 플레이트(2)로 전송하며, 즉 RF 전력을 백 플레이트(2)로 급전함으로써 스퍼터링 타겟(200)에 커플링 결합된다. RF 매칭부(63)는 RF 전력을 RF 급전부재(61)로 최대한으로 전송할 수 있다. RF 급전부재(61)의 구조는 이하 도 2-6을 참조하여 더욱 상세히 설명할 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 마그네트론(5)은 차폐 공간(40) 내에 설치되어 백 플레이트(2)의 상부에 위치한다. 가스 소스(142)에 의해 반응 챔버(1) 내로 공정가스, 예를 들어 아르곤가스, 또는 하나 이상의 산소 함유 가스 또는 질소 함유 가스가 공급되면, 상기 공정 가스는 스퍼터링 재료와 반응하여 기판에 막층을 형성할 수 있다. 반응 후의 공정 가스와 반응 부산물은 진공펌프(미도시)를 통해 반응 챔버(1)로부터 배출된다.

동작 시, 가스 소스(142)로부터 반응 챔버(1) 내로 공정 가스(예를 들어 아르곤가스)가 유입되면, RF 전원(62)이 RF 전력을 RF 매칭부(63)와 RF 급전부재(61)를 통해 스퍼터링 타겟(200)에 인가하여, 반응 챔버(1) 내의 아르곤 가스를 플라즈마체로 여기시키고, 또한 스퍼터링 타겟(200)에 네가티브 바이어스를 발생시킨다. 상기 네가티브 바이어스는 아르곤 이온을 흡인하여 스퍼터링 타겟(200)에 충격을 가하며, 스퍼터링 타겟(200)의 물질을 스퍼터링함과 아울러, 기판 지지부재(3)상의 기판 또는 웨이퍼에 퇴적시킨다.

도 1에 도시된 바와 같이, 반응 챔버(1)는 컨트롤러(미도시)에 의해 제어될 수 있으며, 상기 컨트롤러는 통상적으로 반응 챔버(1)를 제어하도록 설계되고, 또한 통상적으로 중앙처리유닛(central processing unit, CPU)(미도시), 메모리(미도시) 및 보조 회로(즉, I/O)(미도시)를 포함한다. CPU는 임의의 유형의 컴퓨터 프로세서일 수 있으며, 상기 컴퓨터 프로세서는 각종 시스템 기능, 기판 이동 등, 및 모니터링 공정(예를 들어 기판 지지부재의 온도, 챔버 공정 시간, I/O 신호 등)을 제어하기 위한 공업 환경에 사용된다. 메모리는 CPU에 연결되고, 또한 메모리는 획득이 용이한 하나 또는 다수의 메모리일 수 있으며, 상기 메모리는 예를 들어 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM), 리드 온리 메모리(read only memory, ROM), 플로피 디스크, 하드 디스크, 또는 임의의 기타 형식의 디지털 메모리, 로컬 또는 원격 메모리이다. 소프트웨어 명령과 데이터는 CPU가 조작을 수행하도록 명령하기 위해 인코딩되어 메모리에 저장될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 물리 기상 퇴적 장치(100)는 직류 전원(즉 DC 전원)(71)을 더 포함하며, 직류 전원(71)은 차폐 커버(4) 부근에 설치되고, DC 커넥터(미도시)를 통해 백 플레이트(2)에 연결됨으로써, 스퍼터링 타겟(200)에 DC 전력을 인가한다. 공정을 진행하는 과정에서, 직류 전원(71)과 RF 전원(62)을 통해 동시에 DC 전력과 무선주파수(radio frequency, RF) 전력을 스퍼터링 타겟(200)에 인가하면 비교적 높은 밀도의 플라즈마체를 생성함으로써, 타겟 전압을 현저하게 낮추어 기판 또는 웨이퍼에 초래할 수 있는 손상을 감소시킬 수 있으며, 또한 고밀도의 플라즈마체가 가져오는 높은 입자 플럭스는 퇴적 속도를 뚜렷하게 향상시켜 공정 효율을 높일 수 있다.

또한, 이러한 이중 소스 구조(직류 전원(71)과 RF 전원(62)을 동시에 사용하는 구조)의 물리 기상 장치(100)를 이용하기 때문에, 재료의 침투력이 증가하여, 종래의 Cu 타겟을 스퍼터링하는데 응용될 수 있을 뿐만 아니라, ITO 또는 AZO 박막을 형성하기 위한 타겟에도 사용 가능하며, 따라서 상기 물리 기상 장치(100)의 응용 재료 범위를 확대시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 물리 기상 퇴적 장치를 ITO 타겟을 스파터링하는데 이용할 경우, 타겟 중 산화주석의 함량은 0.1% 내지 20%일 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 물리 기상 퇴적 장치(100)는 RF 필터(72)를 더 포함하며, RF 필터(72)는 RF 전력을 여과하기 위해 직류 전원(71)과 RF 급전부재(61) 사이에 설치된다. 따라서, DC 전력이 정상적으로 전송된다는 전제 하에, RF 전력을 직류 전원(71)과 RF 급전부재(61) 사이의 DC 회로로부터 여과하여 RF 전압이 직류 전원(71)을 손상시키는 것을 방지할 수 있다.

상기 실시예에서, RF 전원(62)의 주파수는 2MHz, 13.56MHz 또는 27.12MHz 등 고주파수일 수 있으며, RF 전력은 3000와트(W) 미만일 수 있다.

선택적으로, 본 발명의 일 실시예에서, RF 전원(62)의 RF 전력과 직류 전원(71)의 DC 전력의 비율을 조정함으로써 기판 지지부재(3)상의 기판의 직류 바이어스를 조절할 수 있다. 예를 들어 RF 전원(62)의 RF 전력을 600W로, 직류 전원(71)의 DC 전력을 100W로 조정하면 기판상의 바이어스는 기본적으로 0이며, 따라서 기판의 손상을 피할 수 있다.

본 발명의 일 예시에서, 기판 지지부재(3)는 전위가 플로팅(floating)될 수 있다. 본 발명의 또 다른 예시에서, 기판 지지부재(3)는 접지될 수 있다. 그리고 본 발명의 또 다른 실시예에서, 물리 기상 퇴적 장치(100)는 전극(91)과 RF 전원(92)을 더 포함할 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 전극(91)은 기판 지지부재(3)에 연결되고, RF 전원(92)은 매칭부(93)를 통해 전극(91)에 연결되어 RF 전력을 기판 지지부재(3)로 전송함으로써 RF 바이어스를 생성한다.

전극 구조

이하 상기 RF 급전부재(61)의 전극 구조에 대해 상세히 설명한다. 상기한 바와 같이, RF 전원(62)은 RF 매칭부(63)를 통해 RF 급전부재(61)에 연결되어 RF 전력을 백 플레이트(2) 가장자리로 전송한다. RF 매칭부(63)는 한편으로는 RF 전력을 RF 급전부재(61)로 최대한 전송하고, 한편으로는 스퍼터링 타겟(200)에 연결된 기타 전원(예를 들어 직류 전원)이 RF 매칭부(63) 자체 및 RF 전원(62)에게 입힐 수 있는 손상을 차단할 수 있다. 스퍼터링 타겟(200)의 중앙축이 소재하는 위치에 통상적으로 마그네트론 구동부재(미도시) 등과 같은 기타 부재들이 자리를 차지하고 있기 때문에, RF 전원(62)이 방출하는 RF전력은 스퍼터링 타겟(200)의 비중앙축 위치로부터 입력될 수밖에 없으며, 이는 불균일한 RF 급전을 초래하고, 나아가 최종적으로 반응 챔버(1) 내에 생성된 플라즈마체의 분포의 균일성에 영향을 줄 수 있다.

따라서, 본 발명은 분배 링(611) 급전 방식을 이용하여, 분배 링(611)을 통해 RF 급전을 점 급전으로부터 면 급전으로 변경해 줌으로써 무선주파수가 고르게 급전되는 목적을 이룰 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이, RF 급전부재(61)는 분배 링(611)과 상기 분배 링(611)의 원주 방향을 따라 이격 설치되는 다수의 분배 스트립(612)을 포함하며, 도 2에 도시된 바와 같이 분배 링(611)은 RF 매칭부(63)를 통해 RF 전원(62)과 커플링 결합된다. 각각의 분배 링(611)은 분배 스트립(612)을 통해 백 플레이트(2)와 연결됨으로써, 스퍼터링 타겟(미도시)에 커플링 결합된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 분배 링(611)은 RF 전력의 균일한 분배를 구현할 수 있도록 방사상 단면의 투영 형상이 원형을 구성할 수 있다.

물론, 반응 챔버(1) 내에 더욱 균일한 플라즈마체를 생성하기 위하여, 다층 분배 링(611) 방식을 이용하여 RF 급전을 실시할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, RF 급전부재(61)는 다수의 분배 링(611)(도 3에서는 2층 분배 링(611)을 도시하였다)을 포함할 수 있다. 상기 다수의 분배 링(611)은 서로 평행하며, 또한 분배 링(611)의 축방향(Y)을 따라 이격 설치되고, 인접한 2개의 분배 링(611) 사이는 분배 스트립(612)을 통해 상호 연결되며, 또한, 스퍼터링 타겟(200)에 가장 가까운 분배 링(611)은 분배 스트립(612)을 통해 백 플레이트(2)와 연결됨으로써 스퍼터링 타겟(미도시)에 커플링 결합된다.

RF 전력 급전을 실시할 때, RF 전력은 먼저 최상층의 분배 링(611)에 입력된 다음, 분배 스트립(612)를 통해 위에서 아래로 순차적으로 RF 전력을 최상층 분배 링(611) 하방에 위치한 분배 링(611)으로 급전한다. 이에 따라, 본 발명 중의 "둥지(nest)"형상의 RF 급전 구조는 종래의 원통형 급전 구조에 비해, RF 전력을 여러 차례 분배할 수 있어 RF가 더욱 균일하게 급전될 수 있다. 또한, 상기 "둥지"형상의 구조를 통해 RF 전력을 여러 차례 분배하기 때문에, RF 전력이 더욱 균일하게 분배될 수 있으며, 이는 종래의 비교적 짧은 거리에서 RF 전력을 전송할 때 고주파 성분이 비교적 많음으로 인해 정재파 효과(standing wave effect)를 초래하는 것에 비해, RF 전력이 백 플레이트(2)에 도달한 후 즉시 스퍼터링 타겟(미도시)에 균일하게 도달할 수 있도록 함으로써, 스퍼터링 타겟의 균일한 스퍼터링을 보장하여, 정재파 효과를 피할 수 있다.

스퍼터링 타겟의 중심을 통해 전도성 중공의 실린더 구조를 이용하여 RF전력을 인가하는 종래의 구조와 비교하여, 본 발명의 전극 구조는 마그네트론 구동부재의 배치에 영향을 주지 않으므로, 마그네트론 구동부재에 대한 영향을 최저로 낮출 수 있다. 또한, 종래 설계에 영향을 주지 않는 상황에서, 스퍼터링 타겟에 대한 균일한 스퍼터링을 최대한 구현하였다.

본 발명의 일 예시에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 분배 링(611)은 그 방사상(분배 링의 축방향에 수직인 방향)의 단면의 투영 형상이 직사각형으로 형성된다. 물론, 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 본 발명의 기타 예시에서, 분배 링(611)은 그 방사상 단면상의 투영 형상이 원형(도 2 참조), 고리형 또는 3각형 이상의 다각형 등 임의의 형상으로 형성될 수도 있고, RF 전력을 분배할 수 있는 원주방향의 고리형 구조라면 모두 이용될 수 있으며, 원형인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 인접한 2개의 분배 링(611) 사이의 분배 스트립(612)의 수량 및 스퍼터링 타겟에 가장 가까운 분배 링(611)과 스퍼터링 타겟 사이의 분배 스트립(612)의 수량은 서로 다를 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 최상층 분배 링(611)과 최하층 분배 링(611) 사이에 위치한 분배 스트립(612)의 수량은 최하층 분배 링(611)과 백 플레이트(2) 사이에 위치한 분배 스트립(612)의 수량과 다르다. 설명해야 할 점으로, 분배 스트립(612)의 수량은 RF 전력의 균일한 분배를 구현할 수 있으면 되며, 특정한 제한이 없다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 분배 링(611)이 각자 둘러싸고 있는 면적은 수직 방향(즉, 분배 링의 축방향)을 따라 스퍼터링 타겟(미도시)을 향해 순차적으로 증가할 수 있으며, 즉 스퍼터링 타겟에 가까울수록 분배 링(611)이 둘러싸는 면적이 커진다. 따라서, 수직방향이면서 스퍼터링 타겟을 향하는 방향에서 RF 전력의 분배는 순차적으로 균일해진다. 여기서의 용어 "수직 방향"이 가리키는 것은 RF 급전부재(61)가 백 플레이트(2)에 설치되는 방향이며, 도 3에 도시된 바와 같이, 수직방향은 분배 링(611)의 축방향(Y)이다.

본 발명의 일부 예시에서, 각 층마다 모두 원주방향에 균일하게 분포되는 적어도 3개의 분배 스트립(612)을 포함한다. 선택적으로, 분배 스트립(612)은 구리와 같은 금속 재료로 제작된다. 물론, 분배 스트립(612)은 기타 금속 재료, 예를 들어 알루미늄, 은, 금, 스테인리스강, 합금 등으로도 제작 가능하다. 바람직하게는, 분배 스트립(612)의 폭은 5mm보다 크거나 같고, 두께는 0.1mm보다 크거나 같다.

이하, 도 4를 참조하여 RF 급전(61) 구조에 대해 좀 더 설명한다. 도 4는 1층의 분배 링(611)을 구비한 RF 급전부재(61)의 구조를 나타낸 것이다. 도 4에 도시된 예시에서, 분배 링(611)은 그 방사상 단면의 투영 형상이 직사각형을 형성하며, 또한 RF 급전부재(61)는 스퍼터링 타겟(미도시)의 원주방향을 따라 균일하게 분포되는 4개의 분배 스트립(612)을 포함하고, 4개의 분배 스트립(612)의 상단은 각각 직사각형 분배 링(611)과 상호 연결되며, 4개의 분배 스트립(612)의 하단은 백 플레이트(2)의 가장자리에 균일하게 이격되어 연결된다. 이에 따라, RF 전력은 RF 매칭박스(63)를 통해 분배 링(611)으로 전송되며, 또한 4개의 분배 스트립(612)을 통해 백 플레이트(2)에 균일하게 전송된 후, 스퍼터링 타겟에 전달됨으로써 스퍼터링 타겟에 네가티브 바이어스를 발생시킨다.

이하, 도 3 내지 도 8을 예로 분배 스트립(612)의 예시성 구조에 대해 설명한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 분배 스트립(612)은 2개의 분배구간(6121) 및 하나의 연결구간(6122)을 구비하며, 상기 연결구간(6122)은 2개의 분배구간(6121) 사이에 연결되고, 분배 링(611)이 소재한 평면에 평행하게 연장된다. 또한 연결구간(6122)의 양단은 각각 2개의 분배구간(6121)의 일단과 연결되며; 분배 링(611)에 가까운 분배구간(6121)의 타단은 분배 링(611)과 연결되고; 스퍼터링 타겟(200)에 가까운 분배구간(6121)의 타단은 백 플레이트(2)와 연결된다. 선택적으로, 연결구간(6122)은 분배 링(611)이 소재하는 평면에 대하여 상향 또는 하향으로 경사지게 연장될 수도 있으며, 즉 연결구간(6122)의 연장 방향이 분배 링(611)이 소재하는 평면과 예각을 이룰 수 있으며, 그 양단이 각각 인접한 2개의 분배구간과 연결되기만 하면 된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 다수의 분배구간(6121)은 분배 링(611)의 축방향(즉, 수직방향)으로 스퍼터링 타겟(미도시)을 향하는 방향을 따라 서로 평행하게 연장될 수 있다. 선택적으로, 도 5, 6에 도시된 바와 같이, 다수의 분배구간(6121)은 분배 링(611)의 축방향에 대해 스퍼터링 타겟을 향하는 방향으로 외측 또는 내측을 향해 경사지게 연장될 수도 있으며, 즉 분배구간(6121)의 연장방향이 분배 링(611)의 축방향과 예각을 이룰 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 상기 분배 스트립(612)은 3개 및 그 이상의 분배구간(6121)을 구비할 수도 있으며, 이때 연결구간(6122)의 수량은 상응하게 다수이고, 각각의 연결구간(6122)의 양단은 인접한 2개의 분배구간(6121) 사이에 연결되며, 또한 분배 링(611)이 소재하는 평면에 평행하게 연장된다. 선택적으로, 연결구간(6122)은 분배 링(611)이 소재하는 평면에 대해 상향 또는 하향으로 경사지게 연장될 수도 있으며, 분배 링(611)에 가장 가까운 분배구간(6121)의 타단은 분배 링(611)과 연결되고, 백 플레이트(2)에 가장 가까운 분배구간(6121)의 타단은 스퍼터링 타겟(200)과 연결된다. 상기 분배 스트립(612)의 구체적인 구조를 통해 RF 전력의 분배의 균일성을 한층 더 높일 수 있다.

물론 실제 응용에서, 각각의 분배 스트립(612)은 구간을 구분하지 않고 연결구조를 채택하여, 다수의 분배 스트립(612)을 분배 링(611)의 축방향을 따라 분배 링(611)으로부터 스퍼터링 타겟(미도시)을 향하는 방향을 따라 서로 평행하게 연장할 수도 있다. 그러나, 각각의 분배 스트립(612)은 분배 링(611)의 축방향에 대하여, 분배 링(611)으로부터 스퍼터링 타겟을 향하는 방향으로 외측 또는 내측을 향해 경사지게 연장될 수도 있다.

가변 저항 조절

이하, 도 8을 참조하여 본 발명에 따라 제공되는 물리 기상 퇴적 장치(100)의 하부 전극의 가변 저항 조절구조에 대해 설명한다. 본 발명의 일 실시예에서, 물리 기상 퇴적 장치(100)는 가변 저항 부재(8)를 더 포함하며, 도 8에 도시된 바와 같이, 가변 저항 부재(8)는 기판의 직류 바이어스를 조절하도록 기판 지지부재(3)와 지면 사이에 직렬 연결된다. 구체적으로, 가변 저항 부재(8)는 가변 커패시터(도 9a 참조), 가변 인덕터(도 9b 참조) 또는 가변 커패시터와 인덕터의 병렬 회로(도 9c 참조)이다. 이때, 기판 지지부재(3) 상의 기판(미도시)은 플라즈마체의 로드(load)의 일부분이므로, 그 위에 가변 저항 부재(8)를 부가함으로써 RF 회로 에서 기판의 전위를 조절하고, 이에 따라 기판 상의 직류 바이어스 전압을 조절할 수 있다. 예를 들어 가변 저항 부재(8)가 가변 커패시터일 때, 약 300피코패럿(picofarad, PF)의 커패시턴스를 사용하여 기판 상의 직류 바이어스 전압을 0으로 조절할 수 있다.

물리 기상 퇴적 장치(100)에서, 전극의 접지 저항 제어를 통해 기판 표면의 충격을 조정함으로써, 단차 피복성과 퇴적막의 특성 등에 영향을 줄 수 있으며, 상기 특성은 결정입자 크기, 박막 응력, 결정체 배향, 박막 밀도, 조도(roughness) 및 박막 성분을 포함한다. 따라서, 가변 저항 부재(8)는 퇴적 속도, 에칭 속도 등의 변경에 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 전극/기판의 접지저항을 적절히 조정함으로써, 가변 저항 부재(8)가 퇴적 또는 에칭을 실시하거나, 또는 퇴적 또는 에칭을 방지할 수 있다. 가변 커패시터(610)의 설치는 접지저항을 조정하여, 처리하는 동안의 플라즈마체 중의 이온과 기판 사이의 상호 작용을 조정하기 위한 것이다.

공정 과정

이하, 도 1 및 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 제공되는 물리 기상 퇴적 장치의 공정 과정을 설명하며, RF전원(62)과 직류 전원(71)이 함께 스퍼터링 타겟(200)에 전력을 인가하는 것을 예로 들어 설명한다. 이때, RF 전력만 인가하는 경우와 비교하여, RF와 DC 전력원의 결합은 처리하는 동안 비교적 낮은 전체 RF 전력을 사용하므로, 플라즈마체가 기판에 입히는 손상을 감소시켜 소자의 생산량을 제고시키는데 도움을 줄 수 있다. 물론, RF 전원(62)만 단독으로 사용하여 스퍼터링 타겟(200)에 RF 전력을 인가할 수도 있다.

동작 시, 밸브(141)를 통해 가스 소스(142)로부터 반응 챔버(1)에 이르는 공정 가스의 공급을 제어하며, 예를 들어 도관(144)을 통해 아르곤 가스를 공급한다. 이때, RF 전원(62)은 RF 급전부재(61)를 통해 RF 전력을 스퍼터링 타겟(200)에 인가하여, 반응 챔버(1) 내의 아르곤가스를 플라즈마체로 여기시킨다. 이와 동시에, 직류 전원(71)은 DC 전력을 역시 RF 급전부재(61)를 통해 스퍼터링 타겟(200)에 전달하며, 이를 통해 스퍼터링 타겟(200)에 네가티브 바이어스를 발생시킨다. 본 발명의 RF 급전부재(61)로 "둥지"형상의 RF 급전 구조를 채택하였기 때문에, RF 전력을 여러 차례 분배할 수 있으며, 이는 RF 전력과 직류 전압이 스퍼터링 타겟(200)에 균일하게 인가될 수 있게 함으로써, 비교적 고밀도의 플라즈마체를 생성할 수 있으며, 또한 플라즈마체의 쉬스(sheath) 바이어스 전압은 그 밀도와 반비례를 이루기 때문에, 타겟에 생성된 네가티브 바이어스 전압을 현저하게 낮춤으로써, 기판 또는 웨이퍼에 입히는 손상을 감소시킬 수 있다. 이밖에, 고밀도 플라즈마체가 가져오는 높은 입자 플럭스는 퇴적 속도를 뚜렷하게 높여 공정 효율을 제고시킬 수 있다.

스퍼터링 타겟(200)에 가해지는 상기 네가티브 바이어스 전압은 아르곤 이온을 흡인하여 스퍼터링 타겟(200)에 충격을 가할 수 있으며, 스퍼터링 타겟(200)의 물질을 스퍼터링함과 아울러 기판 지지부재(3) 상의 기판에 퇴적시킴으로써 공정을 완료한다.

이때, RF 전원(62)의 RF 전력과 직류 전원(71)의 DC 전력의 비율을 조정하거나(도 1 참조), 또는 가변 저항 부재(8)(도 8 참조)를 통해 기판 지지부재(3) 상의 기판의 직류 바이어스를 조절한다.

본 발명의 실시예에 따른 물리 기상 퇴적 장치의 기타 구성 및 동작은 본 분야의 통상의 기술자라면 모두 이미 알고 있는 것이므로, 여기서는 설명을 생략한다.

본 명세서의 설명 중, 참고 용어인 "일 실시예", "일부 실시예", "도식적 실시예", "예시", "구체적 예시", 또는 "일부 예시" 등의 설명은 상기 실시예 또는 예시와 결합되는 구체적인 특징, 구조, 재료 또는 특성이 본 발명의 적어도 일 실시예 또는 예시에 포함됨을 의미한다. 본 명세서에서, 상기 용어에 대한 도식적 표현은 반드시 동일한 실시예 또는 예시를 가리키는 것은 아니다. 또한 묘사되는 구체적인 특징, 구조, 재료 또는 특성은 임의의 하나 또는 다수의 실시예 또는 예시 중, 적합한 방식으로 결합될 수 있다.

비록 본 발명의 실시예를 도시 및 설명하였다 하더라도, 본 분야의 통상의 기술자라면 본 발명의 원리와 목적을 벗어나지 않는 경우 이러한 실시예에 대해 다양한 변화, 수정, 교체 및 변형을 실시할 수 있으며, 본 발명의 범위는 청구항 및 그 등가물에 의해 한정됨을 이해할 수 있을 것이다.

1: 반응 챔버 2: 백 플레이트
3: 기판 지지부재 4: 차폐 커버
5: 마그네트론 8: 가변 저항 부재
11: 베이스 12: 측벽
21: 절연부재 22: 상부 벽
40: 차폐 공간 61: RF 급전부재
62: RF 전원 63: RF 매칭부
71: 직류 전원 72: RF 필터
91: 전극 92: RF 전원
93: 매칭부 100: 물리 기상 퇴적 장치
110: 개구 141: 밸브
142: 가스 소스 144: 도관
200: 스퍼터링 타겟 610: 가변 커패시터
611: 분배 링 612: 분배 스트립
6121: 분배구간 6122: 연결구간
Y: 축방향

Claims

상부 벽, 상기 상부 벽에 인접한 스퍼터링 타겟, 및 반응 챔버에 설치되며 상기 스퍼터링 타겟과 상호 대향하는 기판 지지부재를 포함하는 반응챔버;
상기 스퍼터링 타겟과 커플링 결합되는 직류 전원; 및
RF(Radio Frequency) 전원;을 포함하며,
상기 RF 전원의 출력단이 RF 매칭부 및 RF 급전부재와 순차적으로 결합되고, 상기 RF 급전부재는 분배 링 및 상기 분배 링의 원주방향을 따라 이격 설치되는 다수의 분배 스트립을 포함하며, 상기 분배 링은 상기 분배 스트립을 통해 상기 스퍼터링 타겟에 커플링 결합되고, 상기 RF 급전부재는 상기 분배 링을 통해 상기 RF 전원에 커플링 결합되는 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.
제1 항에 있어서,
상기 분배 링은 다수 개이며, 다수의 상기 분배 링은 서로 평행하면서 상기 분배 링의 축방향을 따라 이격 설치되며, 인접한 2개의 분배 링 사이는 상기 분배 스트립를 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.
제1 항에 있어서,
상기 분배 링은 방사상 단면의 투영 형상이 원형인 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.
제1 항에 있어서,
상기 분배 스트립의 단면의 폭은 5mm보다 크거나 같고, 두께는 0.1mm보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.
제1 항에 있어서,
상기 RF 급전부재는 구리, 은 또는 금으로 제작되는 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.
제1 항 내지 제5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
각각의 상기 분배 스트립은 적어도 2개의 분배구간을 구비하며, 연결구간이 인접한 2개의 분배구간 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.
제6 항에 있어서,
상기 분배구간은 상기 분배 링의 축방향을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.
제6 항에 있어서,
상기 분배 구간은 상기 분배 링의 축방향에 대하여 내측으로 또는 외측으로 경사지게 연장되는 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.
제6 항에 있어서,
상기 연결구간은 상기 분배 링이 위치하는 평면에 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.
제6 항에 있어서,
상기 연결구간은 상기 분배 링이 위치하는 평면에 대해 상측으로 또는 하측으로 경사지게 연장되는 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.
제1 항에 있어서,
상기 RF 전원의 주파수는 2MHz 내지 27.12MHz 사이의 범위 내인 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.
제1 항에 있어서,
기판 상의 직류 바이어스 전압을 조절하기 위해 상기 기판 지지부재와 접지 사이에 직렬 연결되는 가변 저항 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.
제12 항에 있어서,
상기 가변 저항 부재는 가변 커패시터, 가변 인덕터, 또는 가변 커패시터와 인덕터를 포함하는 회로인 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.
제1 항에 있어서,
상기 스퍼터링 타겟은 금속 산화물 타겟인 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.
제14 항에 있어서,
상기 금속 산화물 타겟은 산화인듐주석 타겟 또는 산화알루미늄아연 타겟인 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.
제15 항에 있어서,
상기 산화인듐주석 타겟에서 산화인듐의 함량은 0.1% 내지 20%인 것을 특징으로 하는 물리 기상 퇴적 장치.