KR101824201B1 - 마그네트론과 마그네트론 스퍼터링 장치 - Google Patents

마그네트론과 마그네트론 스퍼터링 장치 Download PDF

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Abstract

마그네트론(100)과 마그네트론 스퍼터링 장치는 내부 자극(120) 및 반대 극성을 갖는 외부 자극(130)을 포함할 수 있다. 내부 자극(120)과 외부 자극(130) 둘다는 복수의 나선들(122, 124, 126, 132, 134, 136)을 포함할 수 있다. 외부 자극(130)의 나선들(132, 134, 136)은 내부 자극(120)의 나선들(122, 124, 126)을 둘러쌀 수 있고, 그들 사이에 갭(140)이 있을 수 있다. 또한, 갭(140)은 나선의 중심과 나선 주변 사이의 상이한 위치에서 상이한 폭들을 가질 수 있다. 게다가, 외부 자극(130)의 나선들(132, 134, 136)과 내부 자극(120)의 나선들(122, 124, 126) 둘 다 극 좌표 방정식을 따를 수 있다.
Figure 112016081445003-pct00025
(0<=n<=2, 0<=m<=2, c=0 또는 k=0) 내부 자극(120)과 외부 자극(130) 사이의 갭(140)은 나선의 이산 방향으로 상이한 폭들을 가지기 때문에, 상이한 위치에서 갭(140)의 폭 크기는 평면에서 자기장 세기 분포를 제어하기 위해 변경될 수 있다. 이에 따라, 막 두께의 균일성을 조절할 수 있다.

Description

마그네트론과 마그네트론 스퍼터링 장치{Magnetron and magnetron sputtering device}
본 발명은 스퍼터링 증착 기술 분야에 관한 것이며, 특히, 마그네트론과 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
일반적으로 박막을 제조하기 위해 물리적 방법을 이용한 박막 제조 공정에 관한 물리적 기상 증착 기술 또는 스퍼터링 증착 기술은 반도체 산업에서 박막 제조 기술의 가장 널리 사용되는 유형이다. 물리적 기상 증착 기술은 구리 상호 접속 기술, 패키징 분야의 스루 실리콘 비아 기술 등과 같은 다수의 공정 영역에 적용할 수 있다.
도 1은 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치의 구조체의 개략도이다. 마그네트론 스퍼터링 장치는 공정 챔버(1), 공정 챔버(1)의 내부에 제공되며 기판을 지지하기 위해 이용되는 정전 척(3), 및 공정 챔버(1) 위에 제공된 타겟 재료(2)과 마그네트론(4), 및 마그네트론 구동 모터(5)를 주로 포함할 수 있다. 에어 펌핑 장치(13)는 공정 챔버(1)의 측벽 또는 하단 상에 부착될 수 있다. 마그네트론 스퍼터링 공정에서, 플라즈마를 생성하기 위해 이용되는 공정 가스(예를 들면, 아르곤 등)는 공정 챔버(1) 내에 공급될 수 있다. 그리고 공정 챔버 내의 자기장과 전기장의 결합 효과 하에서, 전자는 마그네트론에 의해 발생된 자기장에 의해 제한되고, 전자의 운동 범위가 제한되며, 전자들의 이동 궤적이 연장될 수 있기 때문에, 가장 큰 크기의 이온화된 전자들을 발생시킬 수 있다. 이온들의 일부는 화합물을 형성하기 위해 타겟 재료의 표면과 반응할 수 있다. 그리고, 타겟 재료의 음 전압에 의해 부착된 이온들의 또다른 일부는 타겟 재료(2)의 표면에 충격을 가할 수 있고, 타겟 재료(2)의 표면 상의 원자 일부가 처리된 기판의 표면 상에 증착 및 낙하되는 것을 야기할 수 있다. 이에 따라, 원하는 막 층이 형성될 수 있다.
도 2a는 종래의 마그네트론의 반경 방향의 단면도이다. 그리고, 도 2b는 도 2a의 마그네트론에 의해 부식된 타겟 재료의 타겟 재료 부식 곡선이다. 도 2a 및 도 2b를 함께 참조할 수 있다. 마그네트론은 외부 자극(102)과 내부 자극(104)을 포함할 수 있다. 둘 다 나선형 링 형상을 가지고, 서로에 대해 끼워넣어져 있다. 그리고, 외부 자극(102)와 내부 자극(104) 내에, 다른 극성들을 갖는 마그넷들(108)이 타켓 재료의 표면에서 플라즈마와 경계를 형성하는 자기장을 형성하기 위해, 각각의 자극의 윤곽을 따라 균일하게 분포될 수 있다. 또한, 나선의 링 형상을 갖는 일정 갭(106)은 외부 자극(102)와 내부 자극(104) 사이에 형성될 수 있다. 일정 갭(106)은 타겟 재료의 전면에 인접한 플라즈마의 고밀도 영역을 정의하고, 플라즈마를 유지하기 위해 플라즈마 내에 폐쇄된 전류 루프를 형성하기 위해 이용될 수 있다. 공정 중에, 마그네트론은 회전 중심으로서 내부 자극(104)의 내측단(14)를 이용함으로써, 타겟 재료의 표면 상에 회전 주사(scanning)를 수행할 수 있다. 상기 마그네트론은 전체의 타겟 부식을 실현할 수 있고, 타겟 재료의 이용률은 매우 높을 수 있다.
그러나, 도 2b에 도시된 바와 같이, 도 2b는 도 2a의 마그네트론에 의해 부식된 타겟 재료의 타겟 재료 부식 곡선이다. 상기 마그네트론을 이용한 증착에 의해 획득된 박막의 두께는 불량한 균일성을 갖는 것을 도면으로부터 알 수 있다. 그 이유는 다음과 같다. 타겟 재료의 상이한 반경의 위치들에서 스퍼터된 입사들이 상이한 각도로 기판에 입사되고, 상세하게, 타겟 재료의 주변에 스퍼터된 입자들이 기판에 도달하는 전반적인 각도는 타겟 재료의 중심에 스퍼터된 입자들이 기판에 도달하는 전반적인 각도보다 작을 수 있기 때문에, 그 반경 방향으로 중심 영역에서 두껍고, 주변 영역에서 얇은 기판의 표면에 증착된 박막을 초래할 수 있다. 전체 막의 두께의 균일성은 3%이상일 수 있다. 이에 따라, 전체 막의 두께의 균일성은 불량할 수 있다. 또한, 갭(106)에 의해 형성된 궤적의 상대적으로 긴 경로 때문에, 상대적으 로 큰 글로 전압이 요구된다. 그리고, 상대적으로 큰 글로 전압은 추후 ITO 박막 증착 공정에서, P-GaN 기판의 표면에 손상을 줄 수 있다.
도 2c는 종래의 또 다른 마그네트론의 반경 방향의 단면도이다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 신장(kidney)과 유사한 형상을 가진 마그네트론은 서로 다른 극성들을 갖는 외부 자극(62) 및 내부 자극(64)과, 그들 사이에 형성된 고정된 폭을 갖는 갭(66)을 포함할 수 있다. 신장 형상의 마그네트론(60)의 궤적은 타겟 재료의 중심(즉, 회전 중심(14)을 완전히 커버하지 않고, 타겟 재료의 주변을 커버하지 않을 수 있기 때문에, 전체 타겟 주사(scanning)를 실현할 수 없다. 또한, 마그네트론의 궤적은 타겟 재료의 주변 영역과 중심 영역에 실질적으로 동일한 반경을 정의할 수 있다. 이에 따라, 짧은 범위의 스퍼터링에 대해, 증착된 박막이 중심은 두껍고 주변은 얇은 문제가 결국 발생할 수 있다.
종래 기술에서 전술된 2가지 유형의 결함을 고려하여, 통상의 기술자들이 흥미를 끄는 질문은 박막의 두께의 균일성을 증가시킬 수 있는 마그네트론을 제공하는 방법이다.
이것을 기초하여, 균일하게 스퍼터링하는 마그네트론과 이를 포함하는 마그네트론 스퍼터링 장치를 제공하는 것이 필요하다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 마그네트론은 반대된 극성들을 갖는 내부 자극과 외부 자극을 포함하고, 상기 내부 자극과 외부 자극은 복수의 나선 라인들이 각각 형성되고, 상기 내부 자극의 나선 라인들은 상기 외부 자극의 나선 라인들에 의해 감싸지고, 갭은 상기 내부 자극과 상기 외부 자극 사이에 제공되고, 상기 갭은 나선 중심으로부터 나선 주변까지의 상이한 위치들에서 상이한 폭들을 가지고, 상기 외부 자극의 나선 라인들과 상기 내부 자극의 나선 라인들은 다음의 극 좌표 방정식을 만족한다.
Figure 112016081445003-pct00001
(여기서, r과 θ는 극좌표이다; a, b, c, d는 상수들이다; 0≤n≤2, 0≤m≤2, c=0 또는 k=0)
선택적으로, 상기 갭의 폭은, 상기 나선 중심으로부터 상기 나선 주변까지 점진적으로 감소하거나 점진적으로 증가할 수 있다.
선택적으로, 상기 갭의 폭은 10mm 내지 60mm일 수 있다.
선택적으로, 상기 내부 자극과 상기 외부 자극이 형성하는 나선 라인들의 수량은 둘다 3개일 수 있다.
선택적으로, 상기 갭의 폭은 상기 나선 중심으로부터 나선 중간부까지 점진적으로 감소하며, 상기 나선 중간부로부터 상기 나선 주변까지 점진적으로 감소하고; 또는, 상기 갭의 폭은 상기 나선 중심으로부터 상기 나선 중간부까지 점진적으로 증가하며, 상기 나선 중간부로부터 상기 나선 주변까지 점진적으로 증가할 수 있다.
선택적으로, 상기 내부 자극의 3개의 나선 라인들에 대한 극좌표 방정식들은, 각각,
Figure 112016081445003-pct00002
(여기서, 1.5π≤θ≤2.6π);
Figure 112016081445003-pct00003
(여기서, 1.72π≤θ≤3.14π); 및
Figure 112016081445003-pct00004
(여기서, 1.1π≤θ≤1.72π)이고,
상기 외부 자극의 3개의 나선 라인들에 대한 극좌표 방정식들은, 각각,
Figure 112016081445003-pct00005
(여기서, 0.25≤θ≤2π);
Figure 112016081445003-pct00006
(여기서, 0≤θ≤1.15π); 및
Figure 112016081445003-pct00007
(여기서, 0.3≤θ≤1.14π)일 수 있다.
선택적으로, 상기 마그네트론은 표준 챔버에 적용되고; 상기 표준 챔버 내에서, 타겟 재료와 기판 사이의 거리는 80mm보다 작을 수 있다.
선택적으로, 상기 외부 자극의 3개의 나선 라인들 사이에서, 2개의 나선 라인들은 상기 갭의 주변에 정해진 위치에 대응되고, 상기 2개의 나선 라인들의 끝단들은 원호 라인에 의해 끝과 끝이 연결될 수 있다.
선택적으로, 상기 원호 라인은 다름의 극 좌표 방정식을 만족할 수 있다.
Figure 112016081445003-pct00008
(여기서, ρ와 θ는 극좌표이고, 1.2π≤θ≤2.2π)
또 다른 구현 예로서, 본 발명은 마그네트론 챔버, 진공 공정 챔버, 타겟 재료, 기판, 트레이 및 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 마그네트론을 포함하는 마그네트론 스퍼터링 장치를 더 제공한다. 상기 트레이는 진공 공정 챔버에 제공되고, 상기 트레이의 상면은 상기 기판을 지지하기 위한 지지면으로 이용되고, 상기 마그네트론은 상기 마그네트론 챔버에 제공되고, 상기 타겟 재료는 상기 마그네트론 챔버와 상기 진공 공정 챔버 사이에 제공되고, 상기 타겟 재료의 배면은 상기 마그네트론 챔버와 마주본다.
선택적으로, 상기 마그네트론 스퍼터링 장치가 금속 하드 마스크 TiN의 증착을 위해 이용될 때, 상기 타겟 재료와 상기 기판 사이의 거리는 50mm 내지 80mm일 수 있다.
선택적으로, 상기 마그네트론 스퍼터링 장치가 TiN 또는 금속 이외의 질화물의 증착을 위해 이용될 때, 상기 타겟 재료와 상기 기판 사이의 거리는 30mm 내지 90mm일 수 있다.
선택적으로, 상기 갭은 상기 마그네트론에 의해 상기 타겟 재료 상에 수행되는 스캔 중에, 상기 타겟 재료의 중심과 주변을 통과할 수 있다.
종래 기술과 비교하여, 본 발명의 유익한 효과는 다음과 같다.
본 발명에서 제공된 마그네트론은 상이한 극성들을 갖는 내부 자극 및 외부 자극과, 나선 중심과 나선 주변 사이의 상이한 위치들에서 상이한 폭들을 갖는 갭을 포함하기 때문에, 평면 내에서 자기장의 분포 세기는 균일한 경향이 있다. 그것 때문에, 박막의 두께의 균일성이 향상될 수 있다. 한편, 본 발명에서 제공된 마그네트론의 내부 자극과 외부 자극 사이의 갭은 대략 나선 형상일 수 있다. 그리고, 나선 형상의 사이클 수는 상대적으로 작을 수 있기 때문에, 상대적으로 짧은 플라즈마의 경로가 획득될 수 있고, 플라즈마의 글루 전압이 낮을 수 있다. 그 때문에, 추후의 ITO 박막 증착 공정 중에서, P-GaN 기판의 표면이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
바람직한 실시예로서, 갭의 폭은 나선 중심으로부터 나선 주변까지 점진적으로 감소할 수 있다. 이때, 나선 형상의 마그네트론은 타겟 재료의 중심에서 상대적으로 약한 자기장을 생성하고, 타겟 재료의 주변에서 상대적으로 강한 자기장을 생성할 수 있기 때문에, 기판 상의 상이한 위치에서 증착된 입자들의 수량은 반경 방향으로 실적으로 동일할 수 있다. 그 때문에, 막 두께의 균일성은 증가할 수 있다. 본 실시예에서 제공된 마그네트론을 적용하여 증착에 의해 획득된 박막의 두께는 3%이하일 수 있다.
도 1은 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치의 구조의 개략도이다.
도 2a는 종래의 마그네트론의 반경 반향의 단면도이다.
도 2b는 도 2a의 마그네트론에 의해 부식된 타겟 재료의 타겟 재료 부식 곡선이다.
도 2c는 종래의 다른 마그네트론의 반경 방향의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 제공된 마그네트론의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 제공된 마그네트론 스퍼터링 장치의 타겟 재료 부식 곡선이다.
박막의 두께의 불균일성의 문제를 해결하기 위해, 균일한 두께를 갖는 박막을 획득하기 위한 마그네트론 스퍼터링 장치와 마그네트론을 제안한다.
전술한 것과 다른 본 발명의 기술적 특징들과 이점들은 도면과 함께 아래에서 더 상세히 설명한다.
본 발명의 마그네트론의 개략도인 도 3을 참조하면, 마그네트론(100)은 서로반대의 극성을 갖는 내부 자극(120)과, 외부 자극(130)을 포함할 수 있다. 내부 자극(120)과 외부 자극(130)은 복수의 나선 라인들로 각각 형성될 수 있다. 내부 자극(120)의 나선 라인들은 외부 자극(130)의 나선 라인들에 의해 둘러싸일 수 있다. 그리고, 내부 자극(120)과 외부 자극(130)의 나선 라인들은 모두 다음의 극 좌표 방정식을 만족할 수 있다.
Figure 112016081445003-pct00009
좌표 원점(110)은 나선의 중심이고, ｒ과 θ는 극좌표이며, a, b, c, d는 상수이다.
c=0 또는 k=0; 0≤n≤2; 0≤m≤2 이다.
좌표 원점(110)은 내부 자극(120)의 나선 라인의 나선 중심일 수 있다. 그리고, 내부 자극(120)의 나선 라인들은 좌표 원점(110)의 주변에 있다. 또한, 좌표 원점(110)은 외부 자극(130)의 나선 라인의 나선 중심에 있다.
상세하게, 도 3에 도시된 바와 같이, 내부 자극(120)과 외부 자극(130)이 형성하는 나선 라인들의 수량은 둘다 3개이다. 내부 자극(120)이 형성하는 나선 라인들은 제1 내부 나선 라인(122), 제2 내부 나선 라인(124) 및 제3 내부 나선 라인(126)이다. 외부 자극(130)이 형성하는 나선 라인들은 제1 외부 나선 라인(132), 제2 외부 나선 라인(134) 및 제3 외부 나선 라인(136)이다.
본 실시예에서, 내부 자극(120)이 형성하는 제1 내부 나선 라인(122), 제2 내부 나선 라인(124) 및 제3 내부 나선 라인(126)을 위한 극좌표 방정식들은 각각 다음과 같다.
(1)
Figure 112016081445003-pct00010
, 여기서, 1.5π≤θ≤2.6π;
(2)
Figure 112016081445003-pct00011
, 여기서, 1.72π≤θ≤3.14π;
(3)
Figure 112016081445003-pct00012
,여기서, 1.1π≤θ≤1.72π.
외부 자극(130)이 형성하는 제1 외부 나선 라인(132), 제2 외부 나선 라인(134) 및 제3 외부 나선 라인(136)을 위한 극좌표 방정식들은 각각 다음과 같다.
(1)
Figure 112016081445003-pct00013
, 여기서, 0.25≤θ≤2π;
(2)
Figure 112016081445003-pct00014
, 여기서, 0≤θ≤1.15π;
(3)
Figure 112016081445003-pct00015
, 여기서, 0.3≤θ≤1.14.
본 실시예에서, 갭(140)의 주변에 대응하는 외부 자극(130)의 두 개의 나선 라인의 끝단들은 원호 라인에 의해 끝과 끝이 서로 연결될 수 있다. 즉, 제2 외부 나선 라인(134)과 제3 외부 나선 라인(136)은 그들 사이에 원호 라인을 이용하여 연결될 수 있다. 원호(138)가 위치된 원의 중심은 좌표계의 (-151.5, -70) 위치이다. 원호(138)의 반경은 44.5mm이고, 원호(138)를 위한 곡선 방정식은 다음과 같다.
Figure 112016081445003-pct00016
여기서, ρ와 θ는 극좌표이다. 1.2π≤θ≤2.2π.
제2 외부 나선 라인(134) 및 제3 외부 나선 라인(136)을 연결하는 원호(138)를 추가함으로써, 원호 라인은 외부 자극(130)의 3개 나선 라인들 사이와 외부 자극(130)의 3개 나선 라인들의 인접한 끝단들의 나머지 사이의 연결을 위해 이용될 수 있기 때문에, 내부 자극(120)이 형성하는 3개의 나선 라인들과 외부 작극이 형성하는 3개의 나선 라인들은 폐쇄된 갭(140)을 형성하기 위해 각각 매끄러운 곡선을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 제공된 마그네트론의 경우, 상기 극좌표 방정식에 따라 획득된 내부 자극과 외부 자극 사이의 갭은 대략 나선 형상일 수 있고, 나선 형상의 사이클 수는 상대적으로 작을 수 있다.(갭(140)은 평행하게 나선으로 1번 감긴 2개의 궤적으로 보여질 수 있다.) 이에 따라, 상대적으로 짧은 플라즈마 경로가 획득될 수 있고, 뿐만 아니라 플라즈마의 글로 전압이 저하될 수 있다. 그 때문에 이후 ITO 박막 증착 공정 중에, P-GaN 기판의 표면이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 갭(140)은 나선의 중심과 주변 사이의 상이한 위치들에서 상이한 폭들을 가질 수 있다. 상세하게, 도 3에 도시된 바와 같이, 갭은 폐쇄된 링 형상일 수 있고, 링 형상은 나선 방식으로 구부러질 수 있다. 갭(140)은 내부 자극(120) 또는 외부 자극(130)의 나선의 중심에 인접한 일단과, 나선의 중심 주위에서 외측으로 나선으로 연장된 타단을 가질 수 있다. 나선의 중심과 주변 사이의 갭(140)의 상이한 위치들은 나선의 중심에 인접한 그의 일단과 나선의 중심으로부터 먼 그의 일단 사이의 갭(140)의 상이한 위치들을 나타낼 수 있다. 상기 갭(140)의 폭이 더 커질수록, 갭(140)에서 자기장의 세기는 더 작아질 수 있다. 반면에, 상기 갭(140)의 폭이 작아질수록, 갭(140)에서 자기장의 세기는 더 커질 수 있다. 이에 따라, 평면 내에서 자기장의 세기 분포는 나선의 중심과 주변 사이의 상이한 위치들에서 갭(140)의 폭의 크기 변화에 따라 제어될 수 있다. 그 때문에, 박막의 두께의 균일성을 증가시킬 수 있다.
바람직하게, 갭(140)은 나선의 중심에 인접한 그의 끝단과 나선의 중심으로부터 먼 그의 끝단사이에서, 연속하여 세 부분들로 나누어질 수 있다. 세 부분들은 각각 나선 중심부, 나선 중간부 및 나선 주변부일 수 있다. 그리고, 반경 방향으로 기판의 표면 상의 박막의 두께 분포의 차이에 따라, 갭(140)의 폭은 나선 중심으로부터 나선 주변으로 점진적으로 증가 또는 점진적으로 감소할 수 있다. 또는 갭(140)의 폭은 나선 중간부로부터 나선 중심으로 점진적으로 감소할 수 있고, 나선 중간부로부터 나선 주변으로 점진적으로 감소할 수 있다. 또는 갭(140)의 폭은 나선 중간부로부터 나선 중심으로 점진적으로 증가할 수 있고, 나선 중간부로부터 나선 주변으로 점진적으로 증가할 수 있기 때문에, 박막의 두께는 결국 균일해지는 경향이 있다. 바람직하게, 갭(140)의 폭은 10mm에서 60mm 사이이다.
예를 들면, 박막이 중심이 두껍고 주변이 얇은 문제가 있는 경우, 갭(140)의 폭은 나선 중심에서 나선 주변까지 점진적으로 감소할 수 있고, 즉, d1>d2>d3, 나선 중심에서 마그네트론의 자기장을 약하게 발생시키고, 나선 주변에서 자기장을 강하게 발생시키고, 나선 중심에 스퍼터링된 입자들의 양을 감소시키고, 나선 주변에 스퍼터링된 입자들의 양을 증가시킬 수 있다. 그 때문에, 박막의 두께는 최종적으로 균일해지는 경향이 있다. 바람직하게, 나선 중심에서 d1=40nm인 갭(140)의 폭이 나선 주변에서 d3=30nm의 갭(140)의 폭으로 점진적으로 감소될 수 있다. 본 실시예에서 제공된 마그네트론을 적용하여, 증착에 의해 획득된 박막의 두께의 균일성은 3%이하일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 박막이 중간이 얇고, 주변이 두꺼운 문제를 가질 경우, 갭(140)의 폭은 마그네트론의 나선 중심으로부터 나선 주변까지 점진적으로 증가할 수 있다. 즉, d1<d2<d3이다. 또한, 컨트롤을 더 좋게 개선하기 위해, 갭(140)의 폭은 마그네트론의 나선 중간부로부터 나선 중심까지 점진적으로 감소할 수 있고, 뿐만 아니라, 갭(140)의 폭은 나선 중간부로부터 나선 주변까지 점진적으로 감소할 수 있다. 즉, d2>d1이고, d2>d3이다. 또는, 갭(140)의 폭은 마그네트론(100)의 나선 중간부로부터 나선 중심까지 점진적으로 증가할 수 있고, 뿐만 아니라, 갭(140)의 폭는 나선 중간부로부터 나선 주변까지 점진적으로 증가할 수 있다. 즉, d2>d1 이고, d2<d3이다.
바람직하게, 본 발명의 마그네트론 스퍼터링 장치의 타겟 재료 부식 곡선인 도 4를 참조한다. 내부 자극(120)의 나선 라인들의 나선 중심은 나선 형상의 마그네트론(100)의 좌표 원점(110)일 수 있다. 좌표 원점(110)는 수직하게 타겟 재료의 중심을 통과할 수 있다. 그리고, 외부 자극(130)의 나선 라인들은 타겟 재료의 주변을 덮을 수 있다. 그 때문에, 플라즈마의 경로는 전체 표적의 균일한 부식을 실현하기 위해, 타겟 재료의 중심과 주변을 통과할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 제공된 마그네트론은 박막의 두께의 균일성을 향상시킬, 뿐만 아니라, 금속 하드 마스크의 시트 저항의 균일성을 향상시킬 수 있다. 상세하게, 스퍼터링 증착 기술에서, 금속(예를 들면, 구리, 티타늄, 탄달 등)의 증착 또는 금속 화학물(예를 들면, 질화 탄탈)의 반응적인 스퍼터링이 수행되고, 시트 저항과 이들의 두께는 웨이퍼 전체에서 실질적으로 동일할 수 있고, 이러한 두개의 파라미터의 결과, 즉, 저항은 웨이퍼 전체에서 실질적으로 동일할 수 있다. 하지만, 경질 금속(예를 들면, TiN, AIN과 Ti 등과 같은)에 대해, TiN의 다양한 유형이 있기 때문에, 두 공정 특징, 즉, 두께의 균일성과 박막의 시트 저항의 균일성, 중 어느 하나가 좋으면, 나머지 하나는 나쁠 수 있다. 이러한 관점으로부터, 경질 금속이 스퍼터링될 때, 마그네트론의 플라즈마 경로가 너무 짧으면, 박막의 시트 저항의 균일성은 나빠질 수 있다. 그렇지 않으면, 마그네트론의 플라즈마 경로가 너무 길면, 시트 저항 균일성은 향상될 수 있지만, 후속 ITO 박막 증착 공정에서 P-GaN 기판의 표면에 손상을 줄 수 있는 높은 글로 전압이 요구될 수 있다. 이에 따라, 적절한 마그네트론의 플라즈마의 경로는 글로 전압을 낮게 유지하면서 시트 저항 균일성을 향상을 위해 선택되어져야한다. 종래와 비교하여, 본 발명의 실시예에서 제공된 마그네트론의 경우, 플라즈마의 경로는 도 1에 도시된 마그네트론의 플라즈마 경로보다 더 짧을 수 있고, 도 2a에 도시된 마그네트론보다 더 길 수 있기 때문에, 시트 저항 균일성은 글로 전압을 낮게 유지하면서 향상될 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예에서 제공된 마그네트론은 나선 중심과 나선 주변 사이의 상이한 위치에서 갭(140)의 폭의 크기를 변화시킴으로써, 평면 내에서 자기장의 세기 분포를 제어할 수 있다. 이에 따라, 박막의 두께의 균일성을 향상시킬 수 있어서, 박막의 두께 균일성과 시트 저항 균일성, 뿐만 아니라, 저항의 균일성이 향상될 수 있다.
본 발명에서 제공된 마그네트론을 이용하여 경질 금속의 증착을 수행할 때, 고온과 고압(>5mT)에서 획득된 박막의 경우, 시트 저항 균일성은 5%이하 이며, 두께 균일성은 3%이하 이고; 상온과 고압(>5mT)에서 획득된 박막의 경우, 시트 저항 균일성은 3%이하 이며, 두께 균일성은 6% 이하인 것이 실험 데이터에 의해 표시된다. 둘다 현 단계의 공정 조건을 만족시킬 수 있다. 또한, 본 실시예에서 제공된 마그네트론은 경질 금속의 반응적인 스퍼터링 증착에 적합할 뿐만 아니라, 스퍼터링 증착을 통한 3% 이하의 시트 저항 균일성을 갖는 경질 금속 박막을 획득할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 마그네트론 스퍼터링 장치도 본 발명에 제공될 수 있다. 마그네트론 스퍼터링 장치는 마그네트론 챔버, 진공 공정 챔버, 타겟 재료, 기판, 트레이와 상기 마그네트론(100)을 포함할 수 있다.
트레이는 진공 공정 챔버에 제공될 수 있다. 트레이의 상면은 기판을 지지하기 위한 지지면으로 이용될 수 있다. 마그네트론(100)은 마그네트론 챔버에 제공될 수 있다. 타겟 재료는 마그네트론 챔버와 진공 공정 챔버 사이에 제공될 수 있고, 타겟 재료의 배면은 마그네트론 챔버와 마주볼 수 있다.
스퍼터링 효율을 향상시키기 위해, 마그네트론(100)은 타겟 재료의 배면 상에 위치될 수 있다. 마그네트론(100)은 반대 극성들을 갖는 자석들을 포함할 수 있다. 즉, 다른 극성들을 갖는 하나 이상의 자석들은 나선 형태의 내부 궤적과 나선 형태의 외부 궤적을 각각 형성하기 위해, 내부 자극(120)과 외부 자극(130)을 각각 형성할 수 있다.
내부 자극(120)과 외부 자극(130)을 형성하는 자석들은 내부 자극(120)의 나선 라인들과 외부 자극(130)의 나선 라인들의 각각의 궤적들에 위치될 수 있다. 그리고, 자석들은 궤적들에 의해 경계를 이루고, 자석들에 가까운 챔버의 영역 내에 자기장을 발생시킬 수 있다.
마그네트론(100)의 내부 자극(120)은 외부 자극(130)의 다른 극성을 갖는 자석들에 의해 둘러싸질 수 있다.
균일한 스퍼터링을 위해, 마그네트론(100)은 모터에 의해 구동되고, 타겟 재료의 표면 상에 균일한 스캐닝을 수행할 수 있다. 모터의 회전 속도는 60 내지 100 rpm일 수 있다.
갭은 마그네트론에 의해 타겟 재료의 스캐닝 동안, 타겟 재료의 중심과 표적물질의 주변을 통과할 수 있기 때문에, 내부 자극(120)의 나선 라인들의 나선 중심은 나선 형태의 마그네트론(100)의 좌표 원점일 수 있다. 좌표 원점(110)은 타겟 재료의 중심을 수직하게 통과할 수 있다. 그리고, 외부 자극(130)의 나선 라인들은 타겟 재료의 주변을 덮을 수 있기 때문에, 플라즈마의 경로는 전체 표적의 균일한 부식을 실현하기 위해, 타겟 재료의 중심과 타겟 재료의 주변을 통과할 수 있다.
하나의 구현 가능 예로써, 마그네트론 스퍼터링 장치는 금속 하그 마스크 TiN의 증착을 위해 이용될 수 있고, 공정 압력은 2-15 mT일 수 있고, 전력은 20Kw 이하일 수 있고, 타겟 재료와 기판 사이의 거리는 50-80mm일 수 있다.
하나의 가능한 구현 예로써, 마그네트론 스퍼터링 장치는 TiN 또는 AlN, Cu, Ti 등과 같은 금속 이외의 질화물의 증착하기 위해 사용될 때, 공정 압력은 1-20mT일 수 있고, 전력은 40KW 이하일 수 있고, 타겟 재료와 기판 사이의 거리는 30 내지 90mm일 수 있다.
위 경우에, 우수한 스퍼터링 증착 효과가 획득될 수 있다. 마그네트론(100)과 마그네트론 스퍼터링 장치도 다양한 공정 조건 하에서 스퍼터링 증착에 적합하고, 넓은 응용 범위를 가질 수 있다.
전술한 구현 예들은 단지 본 발명의 원리를 설명하기 위해 사용된 예시적인 구현 예들로 이해될 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 취지 및 본질을 벗어남이 없이, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 다양한 변형 실시들 및 개량 실시들을 할 수 있고, 이러한 변형 실시들 및 개량 실시들은 본 발명의 보호 범위에 해당한다.

Claims (13)

  1. 반대 극성들을 갖는 내부 자극과 외부 자극을 포함하되,
    상기 내부 자극과 상기 외부 자극은 복수의 나선 라인들로 각각 구성되고,
    상기 외부 자극의 나선라인들은 상기 내부 자극의 나선 라인들을 둘러싸고,
    상기 내부 자극과 상기 외부 자극 사이에 갭이 제공되며, 상기 갭은 나선 중심으로부터 나선 주변까지의 상이한 위치들에서 상이한 폭들을 가지며,
    상기 외부 자극의 나선 라인들과 상기 내부 자극의 나선 라인들은 다음의 극좌표 방정식을 만족하는 마그네트론.
    Figure 112016081445003-pct00017

    (여기서, r과 θ는 극좌표이다; a, b, c, d는 상수들이다; 0≤n≤2, 0≤m≤2, c=0 또는 k=0)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 갭의 폭은, 상기 나선 중심으로부터 상기 나선 주변까지 점진적으로 감소하거나 점진적으로 증가하는 마그네트론.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 갭의 폭은 10mm 내지 60mm인 마그네트론.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내부 자극의 나선 라인들과 상기 외부 자극의 나선 라인들의 수량은 각각 3개인 마그네트론.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 갭의 폭은 상기 나선 중심으로부터 나선 중간부까지 점진적으로 감소하며, 상기 나선 중간부로부터 상기 나선 주변까지 점진적으로 감소하고; 또는
    상기 갭의 폭은 상기 나선 중심으로부터 상기 나선 중간부까지 점진적으로 증가하며, 상기 나선 중간부로부터 상기 나선 주변까지 점진적으로 증가하는 마그네트론.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 내부 자극의 3개의 나선 라인들에 대한 극좌표 방정식들은, 각각

    Figure 112016081445003-pct00018
    (여기서, 1.5π≤θ≤2.6π);
    Figure 112016081445003-pct00019
    (여기서, 1.72π≤θ≤3.14π); 및
    Figure 112016081445003-pct00020
    (여기서, 1.1π≤θ≤1.72π)이고,
    상기 외부 자극의 3개의 나선 라인들에 대한 극좌표 방정식들은, 각각,
    Figure 112016081445003-pct00021
    (여기서, 0.25≤θ≤2π);
    Figure 112016081445003-pct00022
    (여기서, 0≤θ≤1.15π); 및
    Figure 112016081445003-pct00023
    (여기서, 0.3≤θ≤1.14π)인, 마그네트론.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마그네트론은 표준 챔버에 적용되고; 상기 표준 챔버 내에서, 타겟 재료와 기판 사이의 거리는 80mm보다 작은 마그네트론.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 외부 자극의 3개의 나선 라인들 중, 2개의 나선 라인들은 상기 갭의 주변이 위치하는 곳에 대응되고, 상기 2개의 나선 라인들의 끝단들은 원호 라인에 의해 끝과 끝이 연결되는 마그네트론.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 원호 라인은 다음 극좌표 방정식을 만족하는 마그네트론.
    Figure 112016081445003-pct00024

    (여기서, ρ와 θ는 극좌표이고, 1.2π≤θ≤2.2π)
  10. 마그네트론 챔버, 진공 공정 챔버, 타겟 재료, 기판, 트레이 및 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 마그네트론을 포함하는 마그네트론 스퍼터링 장치에 있어서,
    상기 트레이는 진공 공정 챔버에 제공되고, 상기 트레이의 상면은 상기 기판을 지지하기 위한 지지면으로 이용되고,
    상기 마그네트론은 상기 마그네트론 챔버에 제공되고,
    상기 타겟 재료는 상기 마그네트론 챔버와 상기 진공 공정 챔버 사이에 제공되고, 상기 타겟 재료의 배면은 상기 마그네트론 챔버와 마주보는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마그네트론 스퍼터링 장치가 금속 하드 마스크 TiN의 증착을 위해 이용될 때, 상기 타겟 재료와 상기 기판 사이의 거리는 50mm 내지 80mm인 마그네트론 스퍼터링 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 마그네트론 스퍼터링 장치가 TiN 또는 금속 이외의 질화물의 증착을 위해 이용될 때, 상기 타겟 재료와 상기 기판 사이의 거리는 30mm 내지 90mm인 마그네트론 스퍼터링 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 갭은 상기 마그네트론에 의해 타겟 재료 상에 실행된 스캐닝 중에, 타겟 재료의 중심과 주변을 통과하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
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