KR102123455B1 - 스퍼터링 장치 및 산화물 반도체 물질의 스퍼터링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 기판이 위치하는 반응영역을 정의하는 챔버와; 상기 챔버 내부에 설치되어 상기 기판과 일정간격 이격하여 일면이 대응되며 다수개가 서로 일정 간격 이격하여 배열되는 타겟과; 상기 각각의 타겟의 타면에 위치하여, 상기 각각의 타겟을 고정하는 다수의 백킹플레이트와; 상기 서로 이웃하는 백킹플레이트 사이에 위치하는 그라운드 쉴드를 포함하며, 상기 각 타겟은 스퍼터링 진행에 의해 침식영역과 비 침식영역이 형성되며, 상기 그라운드 쉴드는 상기 백킹플레이트 및 타겟의 측면에 위치하는 제 1 영역과 상기 제 1 영역의 상부에 위치하는 제 2 영역으로 이루어지며, 상기 제 2 영역은 이웃한 상기 타겟 상부로 연장하며 상기 타겟의 비 침식 영역을 가리도록 형성된 것이 특징인 스퍼터링 장치 및 원치 않은 아킹 발생을 억제할 수 있는 산화물 반도체 물질의 스퍼터링 방법을 제공한다.

Description

스퍼터링 장치 및 산화물 반도체 물질의 스퍼터링 방법{Sputtering apparatus and method for sputtering of oxide semiconductor material}

본 발명은 평판표시장치 제조에 이용되는 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 산화물 반도체 물질을 증착하는데 이용되는 스퍼터링 장치 및 기판 전면에 위치별 두께 편차없이 고른 스퍼터링이 이루어질 수 있는 산화물 반도체 물질의 스퍼터링 방법에 관한 것이다.

근래에 들어 사회가 본격적인 정보화 시대로 접어듦에 따라 대량의 정보를 처리 및 표시하는 디스플레이(display) 분야가 급속도로 발전해 왔고, 이에 부응하여 여러 가지 다양한 평판표시장치가 개발되어 각광받고 있다.

이 같은 평판표시장치의 구체적인 예로는 액정표시장치(Liquid Crystal Display device : LCD), 플라즈마표시장치(Plasma Display Panel device : PDP), 전계방출표시장치(Field Emission Display device : FED), 전기발광표시장치(Electroluminescence Display device : ELD) 등을 들 수 있는데, 이들 평판표시장치는 박형화, 경량화, 저소비전력화의 우수한 성능을 보여 기존의 브라운관(Cathode Ray Tube : CRT)을 빠르게 대체하고 있다.

이중 특히 액정표시장치는 콘트라스트 비(contrast ratio)가 크고 동화상 표시에 적합하며 소비전력이 적다는 특징을 보여 노트북, 모니터, TV 등의 다양한 분야에서 활용되고 있는데, 이의 화상구현원리는 액정의 광학적 이방성과 분극성질을 이용하는 것으로, 액정은 분자구조가 가늘고 길며 배열에 방향성을 갖는 광학적 이방성과, 전기장 내에 놓일 경우 그 크기에 따라 분자배열 방향이 변화되는 분극성질을 띤다.

또한, 유기전계 발광소자는 높은 휘도와 낮은 동작 전압 특성을 가지며, 스스로 빛을 내는 자체발광형이기 때문에 명암대비(contrast ratio)가 크고, 초박형 디스플레이의 구현이 가능하며, 응답시간이 수 마이크로초(㎲) 정도로 동화상 구현이 쉽고, 시야각의 제한이 없으며 저온에서도 안정적이고, 직류 5 내지 15V의 낮은 전압으로 구동하므로 구동회로의 제작 및 설계가 용이하므로 최근 평판표시장치로서 주목 받고 있다.

이러한 액정표시장치와 유기전계 발광소자에 있어서 공통적으로 화소영역 각각을 온(on)/오프(off) 제거하기 위해서 필수적으로 스위칭 소자인 박막트랜지스터를 구비한 어레이 기판이 구성되고 있다.

이와 같은 어레이 기판을 제조하기 위해서는 소정물질의 박막을 형성하는 박막증착(thin film deposition), 포토리소그라피(photo??lithography), 식각(etching) 등 여러 가지 서로 다른 공정이 수반된다.

이중에서 박막 증착은 어레이 기판을 구성하는 일 구성요소인 투명한 절연기판 상부에서 라디컬(radical)의 화학반응을 유도하여 그 반응결과물인 박막입자를 낙하 및 흡착시키는 증착방식의 화학기상증착(chemical vapour deposition : CVD)과, 박막입자를 직접적으로 기판에 충돌 및 흡착시키는 물리적 증착방식의 스퍼터링(sputtering)으로 구분될 수 있다.

여기서, 스퍼터링은 스퍼터링 챔버 내에서 이루어지며, 이때, 스퍼터링 챔버 내부에는 상기 기판 상에 증착되는 물질로 이루어진 타겟과, 상기 타겟이 안착되는 백킹 플레이트와, 그라운드 쉴드 및 마그넷(Magnet)을 포함하여 구성된다.

스퍼터링의 박막 증착원리 및 동작을 간단히 설명하면, 챔버 내부를 진공으로 조성한 후, 백킹 플레이트로 전압을 가하면서 진공 영역에 아르곤(Ar) 등의 스퍼터가스를 주입한다.

그러면 스퍼터가스의 입자는 플라즈마(plasma) 상태로 이온화되고, 이온화된 입자들은 타겟에 충돌하는데, 이때 이온화된 입자들이 가진 운동에너지가 타겟을 이루는 원자들에 전달됨으로써, 타겟을 이루는 원자들이 타겟으로부터 튀어나오게 되는 스퍼터링 현상이 일어나게 된다.

그리고, 타겟으로부터 방출된 원자들은 기판 쪽으로 확산되어 기판에 증착됨으로써 기판에 박막을 형성시킨다.

이때, 타겟의 배면에 위치한 마그넷의 N극과 S극의 자계의 영향으로 인하여, 이온화된 입자들의 이온화 확률을 높임으로써 스퍼터링 현상이 빠르게 일어나게 된다.

한펀, 이러한 기판상에 박막을 증착하는 스퍼터링 장치는 크게 인라인 방식과 매엽식 두 가지가 있다.

매엽식의 스퍼터링 장치는 진공 챔버와, 상기 진공 챔버 내부에 타겟이 안착된 백킹플레이트와, 상기 백킹플레이트 양측에 위치하는 그라운드 쉴드와, 상기 백킹플레이트의 배면에 위치하는 마그넷을 포함하여 구성되고 있으며, 한매의 기판이 진공 챔버 내부에 위치하게 되면 상기 백킹플레이트와 상기 그라운드 쉴드에 서로 다른 전압이 인가됨으로서 이들 두 구성요소에 발생되는 전위차에 의해 아킹(arcing)이 발생하며 이러한 아킹(arcing)에 의해 스퍼터가스가 여기(exite)되어 플라즈마(plasma)화 됨으로서 스퍼터링이 진행되는 것이다.

그리고 인라인 방식의 스퍼터링 장치는 특정 패스(path)를 갖는 긴 진공 챔버와, 다수의 타겟이 안착된 백킹플레이트와, 상기 백킹플레이트 양측에 위치하는 그라운드 쉴드와, 상기 백킹플레이트의 배면에 위치하는 마그넷을 포함하여 구성되고 있으며, 기판이 캐리어에 장착된 상태로 상기 진공 챔버 내부를 일정한 속도를 가지며 이동함으로서 스캔 타입으로 증착이 이루어짐으로서 다수의 기판을 연속적으로 처리할 수 있는 것이 특징이다.

한편, 최근에는 액정표시장치 및 유기전계 발광소자에 있어서 이동도 특성 향상 및 별도의 오믹콘택층 형성이 필요없는 산화물 반도체층을 구비한 어레이 기판을 포함하여 구성되고 있다.

이러한 산화물 반도체층은 스퍼터링 장치를 통해 상기 어레이 기판에 증착함으로서 이루어지고 있다.

하지만, 이러한 산화물 반도체층은 전술한 구조를 갖는 종래의 매엽식 또는 인라인 방시의 스퍼터링 장치를 통해 기판 상에 증착하는 경우 기판의 위치별로 증착되는 박막의 두께가 변하는 문제가 발생되고 있다.

이러한 산화물 반도체층은 박막트랜지스터에 있어서 채널을 형성하는 중요 구성요소이고 두께 차이에 기인하여 박막트랜지스터의 특성을 변화시키는 요인이 되므로 기판 상의 위치별로 큰 두께 차이가 발생되는 경우, 박막트랜지스터의 문턱전압전압(Vth)의 크기를 변화시켜 박막트랜지스터의 스위칭 또는 구동 특성을 변화시킴으로서 구동 불량을 야기시키거나, 또는 구동 차이에 의해 얼룩이 발생됨으로서 표시품질을 저하시키고 있다.

따라서 산화물 반도체 물질의 증착은 기판의 위치별 고른 두께를 갖도록 증착되는 것이 매우 중요한 팩터가 되고 있다.

하지만, 종래의 스퍼터 장치에 있어, 매엽식의 스퍼터링 장치의 경우 기판은 진공 챔버 내부로 로딩되면 고정된 상태를 이루게 되며, 챔버 내부에 구성되는 타겟과 쉴드 또한 고정된 상태에서 플라즈마 상태를 발현시킴으로서 산화물 반도체물질이 기판 상에 증착되도록 하고 있으며, 이 경우 타겟에 대응되는 부분과 쉴드에 대응되는 부분간에 산화물 반도체 물질의 증착량이 차이가 발생됨으로서 기판 상의 위치별 두께 차이를 발생시키고 있다.

또한 인라인 방식의 스퍼터링 장치의 경우, 진공 챔버 내부에서는 플라즈마가 발현된 상태를 유지하고 있으며, 캐리어에 안착된 기판이 상기 진공 챔버 내부를 일정 속도를 가지며 이동하며 산화물 반도체 물질이 증착됨으로서 타겟과 쉴드의 위치에 기인하는 증착 두께차이는 발생되지 않지만, 캐리어에 고정된 기판의 일끝단의 소정폭에 대해서는 타 영역 대비 산화물 반도체 물질의 두께 차가 심하게 발생되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기판 상에 위치별 두께 차이 없이 산화물 반도체 물질의 증착이 이루어질 수 있는 스퍼터링 장치 및 이을 이용한 산화물 반도체 물질층의 스퍼터링 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치는, 기판이 위치하는 반응영역을 정의하는 챔버와; 상기 챔버 내부에 설치되어 상기 기판과 일정간격 이격하여 일면이 대응되며 다수개가 서로 일정 간격 이격하여 배열되는 타겟과; 상기 각각의 타겟의 타면에 위치하여, 상기 각각의 타겟을 고정하는 다수의 백킹플레이트와; 상기 서로 이웃하는 백킹플레이트 사이에 위치하는 그라운드 쉴드와; 상기 타켓의 폭방향으로 제 1 길이만큼 직선 왕복하는 요동 수단을 포함하며, 상기 제 1 길이는 서로 이웃한 타겟 중앙부간의 이격간격이 되며, 상기 기판은 상기 챔버내에 플라즈마 발현 시 상기 요동 수단에 의해 상기 제 1 길이만큼 직선 왕복운동을 진행하는 것이 특징이다.

이때, 상기 챔버 내부에 스퍼터 가스 및 반응가스를 공급하는 다수의 가스공급관이 구비되며, 상기 백킹플레이트 배면에 마그넷이 구비된다.

또한, 상기 제 1 길이는 100 내지 300mm인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 방법은 기판이 위치하는 반응영역을 정의하는 챔버와; 상기 챔버 내부에 설치되어 상기 기판과 일정간격 이격하여 일면이 대응되며 다수개가 서로 일정 간격 이격하여 배열되는 타겟과; 상기 각각의 타겟의 타면에 위치하여, 상기 각각의 타겟을 고정하는 다수의 백킹플레이트와; 상기 서로 이웃하는 백킹플레이트 사이에 위치하는 그라운드 쉴드와; 상기 타켓의 폭방향으로 제 1 길이만큼 직선 왕복하는 요동 수단을 포함하며, 상기 제 1 길이는 서로 이웃한 타겟 중앙부간의 이격간격이 되며, 상기 기판은 상기 챔버내에 플라즈마 발현 시 상기 요동 수단에 의해 상기 제 1 길이만큼 직선 왕복운동을 진행하는 것이 특징인 스퍼터링 장치를 이용하는 스퍼터링 방법에 있어서, 상기 기판을 상기 챔버 내부에 안착시키고, 플라즈마를 발현시킨 상태에서 상기 기판을 상기 요동 수단에 의해 상기 제 1 길이를 상기 타겟의 폭 방향으로 직선 왕복 운동시키며 산화물 반도체 물질을 상기 기판면에 증착시키는 것이 특징이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스퍼터링 장치는, 반응영역을 정의하는 챔버와; 상기 챔버 내부에 설치되어 상기 기판과 일정간격 이격하여 일면이 대응되며 다수개가 서로 일정 간격 이격하여 배열되는 타겟과; 상기 각각의 타겟의 타면에 위치하여, 상기 각각의 타겟을 고정하는 다수의 백킹플레이트와; 상기 서로 이웃하는 백킹플레이트 사이에 위치하는 그라운드 쉴드와; 상기 챔버 내부에서 일 방향으로 이동하며 기판을 안착시키며 금속물질로 이루어진 테두리 프레임과 상기 테두리 프레임에 구비되며 안착된 상기 기판을 고정시키는 다수의 클램프를 포함하는 캐리어를 포함하며, 상기 테두리 프레임에 있어 상기 기판의 일끝단 외측으로 노출된 상기 타겟과 마주하는 저면에 제 1 폭을 가지며 상기 기판을 이루는 동일한 재질로 이루어진 보조기재가 구비된 것이 특징이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따를 스퍼터링 장치는, 반응영역을 정의하는 챔버와; 상기 챔버 내부에 설치되어 상기 기판과 일정간격 이격하여 일면이 대응되며 다수개가 서로 일정 간격 이격하여 배열되는 타겟과; 상기 각각의 타겟의 타면에 위치하여, 상기 각각의 타겟을 고정하는 다수의 백킹플레이트와; 상기 서로 이웃하는 백킹플레이트 사이에 위치하는 그라운드 쉴드와; 상기 챔버 내부에서 일방향으로 이동하며 기판을 안착시키며 금속물질로 이루어진 테두리 프레임과 상기 테두리 프레임에 구비되며 안착된 상기 기판을 고정시키는 다수의 클램프를 포함하는 캐리어를 포함하며, 상기 캐리어의 테두리 프레임 표면은 프릿(frit) 또는 세라믹(ceramic) 재질로 코팅된 것이 특징이다.

이때, 상기 테두리 프레임에 있어 상기 기판의 일끝단 외측으로 노출된 상기 타겟과 마주하는 저면에 제 1 폭을 가지며 상기 기판을 이루는 동일한 재질로 이루어진 보조기재가 구비된 것이 특징이다.

그리고, 상기 보조기재는 유리재질인 것이 특징이다.

또한, 상기 챔버 내부에 스퍼터 가스 및 반응가스를 공급하는 다수의 가스공급관이 구비되며, 상기 백킹플레이트 배면에 마그넷이 구비된다.

위에 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치는 기판을 타겟의 폭 방향으로 소정폭 직선 왕복운동을 하도록 하는 직선 왕복수단이 구비됨으로서 플라즈마 구현에 의한 스퍼터링 진행 시 기판 전면에 균일한 두께를 갖는 산화물 반도체 박막이 증착되도록 하는 효과를 갖는다.

또한 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치는 기판이 안착시켜 플라즈마가 발현된 진공 챔버로 이송시키는 역할을 하는 캐리어의 테두리 프레임의 저면에 기판과 인접하여 기판을 이루는 동일한 물질로 이루어진 보조기재가 구비되거나, 또는 상기 테두리 프레임 자체의 표면 전체가 프릿 또는 세라믹 재질로 코팅된 상태를 가짐으로서 진공 챔버 내부의 발현되는 플라즈마가 기판만이 투입되는 동일한 환경을 구현함으로서 플라즈마를 안정화하여 퍼터링 진행 시 기판 전면에 균일한 두께를 갖는 산화물 반도체 박막이 증착되도록 하는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 매엽식 스퍼터링 장치를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 종래의 기판이 고정되는 매엽식 스퍼터링 장치와 본 발명의 실시예에 따른 매엽식 스퍼터링 장치를 통해 스퍼터링을 진행하여 산화물 반도체 물질이 증차된 기판의 위치(좌측에서 우측 방향(타겟의 폭 방향)으로의 위치)별 문턱전압(Vth)을 측정한 결과를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인 라인 방식 스퍼터링 장치에 대한 개략적인 단면도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 인라인 방식 스퍼터링 장치의 일 구성요소인 캐리어를 도시한 도면으로, 도 3에 개시된 캐리어와 다른 구성을 갖는 것을 도시한 도면.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 매엽식 스퍼터링 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 매엽식 스퍼터링 장치는 밀폐된 반응영역을 정의하는 공정챔버(100)를 필수적인 구성요소로 하고 있다.

조금 더 상세히 공정챔버의 내구 구조에 대해 설명한다.

상기 공정챔버(100)는 그 내부로 기판(101) 상에 박막을 증착 및 식각하기 위한 밀폐된 반응영역을 제공하는데, 도면상에 도시하지는 않았지만, 공정챔버(100)에는 기판(101)의 출입을 위한 개구(미도시)가 형성된다.

그리고, 상기 공정챔버(100)에는 타겟(120)과 반응하여 상기 타겟(120)을 입자 상태로 만들기 위하여 질소(N₂), 아르곤(Ar) 등의 비활성기체인 스퍼터가스(S1)를 상기 챔버(100) 내부로 공급하기 위한 제 1 가스주입수단(150)이 구비되고 있으며, 상기 챔버(100) 내부를 고진공으로 만들기 위해 흡기시스템(미도시)과 연결된 배기포트(170)가 구비되고 있다.

상기 제 1 가스주입수단(150)은 제 1 가스공급배관(151)이 상기 공정챔버(100)의 측벽에 구성되어, 상기 제 1 가스공급배관(151)을 통해 스퍼터가스(S1)가 상기 공정챔버(100) 내부로 공급된다.

그리고 상기 배기포트(170)는 외부의 흡기시스템(미도시)을 통해서 내부 반응영역의 잔류가스를 배출하고 진공압력을 유지할 수 있도록 이루어지고 있다.

이러한 구성을 갖는 상기 공정챔버(100) 내부로는 처리대상물인 기판(101)이 공급되어 안착되며, 상기 기판(101)이 안착된 상기 공정챔버(100)의 반응영역 내로 소정의 스퍼터가스(S1)를 유입시킨 후 이를 활성화시켜 목적하는 산화물 반도체 물질의 박막 공정을 진행한다.

한편, 상기 스퍼터링 장치의 공정챔버(100) 내부 일측에는 타겟(target : 120), 백킹플레이트(backing plate : 130), 마그넷(magnet : 140)이 구비되고 있으며, 상기 타겟(120)과 마주보는 공정챔버(100)의 타측에는 히터(heat : 180)가 구비되고 있다.

이때, 상기 기판(101)은 타겟(120)과의 일정한 간격을 갖도록 위치함으로서 상기 기판(101)과 타겟(120) 사이에는 반응영역 즉, 플라즈마 형성공간(E)이 형성되고 있다.

그리고, 상기 히터(180)에서 제공된 열은 기판(101)에 전달되고, 이와 같이 전달된 열에 의해 기판(101) 상에 증착되는 막의 두께를 일정하게 유지할 수 있어, 막의 균일성을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 공정챔부(100) 내부의 가장 자리에는 상기 기판(101)에 대한 증착 공정 수행 시, 증착 물질이 공정챔버(100)의 내벽에 증착되는 것을 방지하는 챔버쉴드(190)가 구비된다.

여기서, 상기 타겟(120)은 기판(101) 상에 증착될 증착물질과 동일한 물질로 이루어지는데, 형성하고자 하는 막에 따라, 알루미늄(Al)이나 알루미늄합금 (AlNd)과 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등으로 다양하게 구성할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 매엽식 스퍼터링 장치에 있어서는 전술한 금속물질 이외에 상기 타겟(120)은 산화물 반도체 물질 예를들면 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide) 중 어느 하나로 이루어지고 있다.

이러한 물질로 이루어진 상기 타겟(120)은 일정 폭을 갖는 긴 바(bar) 형상으로 복수개가 구비되는데, 상기 각각의 타겟(120)은 서로 일정간격 이격하여 나란하게 배열된다.

그리고, 상기 백킹플레이트(130)는 복수개의 타겟(120) 각각에 대응되도록 구비되어, 상기 각각의 타겟(120)을 고정시키는 역할을 한다.

이때, 상기 백킹플레이트(130)에는 외부의 전압원(미도시)과 연결되어 상기 외부의 전압원(미도시)으로부터 전압이 인가되며, 이러한 백킹플레이트(130)는 캐소드 전극의 역할을 하는 것이 특징이다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 스퍼터링 장치에 있어서 가장 특징적인 구성으로서, 서로 이웃하는 타겟(120) 사이에는 애노드(anode) 전극의 역할을 하는 다수의 그라운드 쉴드(ground shield : 210)가 구비되고 있다.

이때, 상기 다수의 각 그라운드 쉴드(210)는 상기 백킹플레이트(130) 및 타겟(120)과 접촉되지 않도록 백킹플레이트(130) 배면에 위치하는 티베이스(T-base : 220)를 통해 그 위치가 각각 고정된다.

이때, 티베이스(220)는 절연물질로 이루어진다.

따라서, 백킹플레이트(130)는 제1전극의 역할을 하고 그라운드 쉴드(210)는 제2전극 역할을 함으로써, 백킹플레이트(130)에 외부로부터 전압이 인가되면, 제1전극(즉, 백킹플레이트(130))과 제2전극(즉, 그라운드 쉴드(210)) 사이에 전위차에 의한 방전이 발생하며, 이 방전에 의해 스퍼터가스(S1)가 여기되어 플라즈마화된다

그리고, 각각의 백킹플레이트(130)의 배면에는 일정간격 이격하여 티베이스(220)와 접촉하지 않도록 자계를 생성하는 다수의 마그넷(140)이 배치된다.

다수의 마그넷(140)은 각각의 타겟(120)에 대응되어, N극과 S극이 좌우로 번갈아 배치되어, 마그넷(140)의 N극과 S극 사이에는 자계가 형성되도록 함으로써, 마그넷(140)의 N극과 S극 사이의 자계에 의해 플라즈마 형성공간(E)에 형성된 플라즈마를 기판(101) 가까이로 포집하여, 타겟(120)에서 이탈되어 스퍼터가스(S1)와 충돌하여 타겟(120)에서 이탈된 이온화된 입자들의 산란을 막아, 입자를 기판(101) 표면의 근처에 구속하여 입자들의 이온의 생성효율을 높이도록 한다.

이와 같이, 마그넷(140)을 각각의 타겟(120)에 대응하여 위치함으로써, 각각의 타겟(120)에 걸친 자계를 제어하고 조정할 수 있다.

이러한 다수의 마그넷(140)은 이동유닛(141)에 결합되어 타겟(120)의 배열방향을 따라 평행하게 왕복 운동하게 되는데, 이를 통해 타겟(120)에 대한 사용 효율을 향상시키게 된다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 매엽식 스퍼터링 장치는 반응성 스퍼터링을 위한 반응가스(S2)를 공정챔버(100) 내부로 공급하기 위한 제 2 가스주입수단(160)이 더욱 구비된다.

그리고, 이러한 제 2 가스주입수단(160)은 상기 제 1 가스주입수단(150)과 마주하도록 배치되거나, 또는 상기 제 1 가스주입수단(150)과 인접하여 이와 이격하여 배치될 수 있다. 이때, 상기 제 2 가스주입수단(160)은 제 2 가스공급배관(161)을 포함한다.

이러한 구성에 의해 본 발명의 실시예에 따른 스퍼터링 장치는 스퍼터가스(S1)와 함께 HBr, Cl₂, 산소(O₂)와 같은 반응가스(S2)를 도입하여 반응성 스퍼터링 현상을 통해 기판(101) 상에 박막을 형성할 수 있다.

상기 반응성 스퍼터링은 반응가스(S2)를 공정챔버(100) 내부에 공급하여, 반응가스(S2)가 타겟(120)으로부터 방출된 원자들과 반응되도록 함으로써, 기판(101) 상에 직접 스퍼터링되거나 또는 자유 타겟 재료와 재차 반응시켜서 기판(101) 상에 스퍼터링되는 막을 생산하게 된다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 매엽식 스퍼터링 장치에 있어서 가장 특징적인 것으로 상기 진공챔버(100) 내부에 안착되는 기판(101)이 상기 그라운드 쉴드(210)와 타겟(120)의 길이 방향에 수직한 방향 즉 상기 타겟(120)의 폭 방향으로 서로 이웃한 타겟(120)의 중심에서 중심부까지의 제 1 거리만큼 일정속도를 가지며 직선 왕복운동을 하도록 하는 직선 왕복 수단(250)이 구비되고 있다는 것이다.

이러한 직선 왕복수단(250)에 의해 상기 기판(101)은 상기 매엽식 스퍼터링 장치의 진공 챔버(100) 내부에서 고정된 상태가 아니라 타겟(120)의 폭 방향으로 제 1 거리만큼 직선 왕복 운동을 하며 플라즈마를 통한 스퍼터링이 진행되는 것이 특징이다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 매엽식 스퍼터링 장치는 종래의 매엽식 스퍼터링 장치에서와 같이 기판이 진공 챔버 내부에서 고정되어 타겟에 대응되는 부분과 쉴드에 대응되는 부분간 증착되는 산화물 반도체 물질의 두께가 달라지는 박막의 두께 균일성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 상기 제 1 거리는 진공챔버(100)의 크기와 타겟(120) 및 그라운드 쉴드(210)의 폭에 따라 달라질 수 있지만, 100mm 내지 300mm 정도가 되는 것이 특징이다.

도 2는 종래의 기판이 고정되는 매엽식 스퍼터링 장치와 본 발명의 실시예에 따른 매엽식 스퍼터링 장치를 통해 스퍼터링을 진행하여 산화물 반도체 물질이 증차된 기판의 위치(좌측에서 우측 방향(타겟의 폭 방향)으로의 위치)별 문턱전압(thresh hold voltage: Vth)을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.

기판이 진공 챔버 내부에서 공정된 매엽식 스퍼터링 장치를 이용하여 산화물 반도체 물질의 스퍼터링을 진행한 경우, 기판에 있어 타겟에 대응되는 부분과 쉴드에 대응되는 부분이 고정됨으로서 타겟에 대응되는 부분에서는 각 타겟의 중심부에서 가장 큰 문턱전압을 갖고 점진적으로 작아지며 쉴드가 형성된 부분에서 가장 작은 문턱전압이 형성됨으로서 산화물 반도체층은 타겟과 쉴드가 교대하며 배치된 구성에 의해 산화물 반도체층은 마치 사인파 형태로서 그 두께가 주기적으로 커졌다 작아졌다 하는 형태로 형성됨을 알 수 있다.

반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 매엽식 스퍼터링 장치를 이용하여 산화물 반도체 물질의 스퍼터링을 진행한 경우, 플라즈마 발현에 의해 스퍼터링이 진행되는 동안 기판(도 1의 101)의 일 방향으로의 직선 왕복 운동에 의해 기판(도 1의 101)의 특정 위치에 타겟(도 1의 120)과 그라운드 쉴드(도 1의 210)가 고정되지 않음으로서 직선 왕복 운동의 거리에 따라 차이가 있지만 종래대비 문턱전압(Vth)의 피크치 간의 차이가 줄어들었음을 알 수 있으며, 특히 직선왕복 운동의 폭(제 1 길이)이 가 250mm인 경우 기판의 좌우 방향으로의 위치별 차이에 관계없이 거의 변화없는 문턱전압(Vth)이 형성됨을 알 수 있다.

따라서, 기판(도 1의 101)상에 스퍼터링을 통해 형성된 산화물 반도체층의 두께는 위치별 유의차 없이 고른 두께를 가지며 형성되었음을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인 라인 방식 스퍼터링 장치에 대한 개략적인 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인 라인 방식 스퍼터링 장치의 경우, 진공 챔버(300) 내부의 구성요소는 상기 매엽식 스퍼터링 장치와 유사하다.

즉, 인라인 방식의 스퍼터링 장치에 있어서도 진공 챔버(300) 내부에 타겟(target : 320), 백킹플레이트(backing plate : 330), 마그넷(magnet : 미도시)이 구비되고, 타겟(320)과 마주보는 공정챔버(300)의 타측에는 히터(heat : 380)가 구비되고 있다.

그리고, 타겟(320)과 반응하여 상기 타겟(320)을 입자 상태로 만들기 위하여 질소(N₂), 아르곤(Ar) 등의 비활성기체인 스퍼터가스(미도시)를 상기 챔버(300) 내부로 공급하기 위한 제 1 가스주입수단(미도시)과 반응가스(S2)를 공정챔버(300) 내부로 공급하기 위한 제 2 가스주입수단(미도시)이 구비되고 있으며, 상기 챔버(300) 내부를 고진공으로 만들기 위해 흡기시스템(미도시)과 연결된 배기포트(170)가 구비되고 있다.

한편, 인라인 방식 스퍼터링 장치에 있어 매엽식 스퍼터링 장치와 차이가 있는 점은 매엽식 스퍼터링 장치는 기판(도 1의 100)이 로딩시와 언로딩 시 플라즈마는 발현되지 않는 데 반해 인라인 방식 스퍼터링 장치의 진공챔버(300)는 플라즈마 발현 상태를 지속적으로 유지하면 연속적으로 기판(301)이 캐리어(500)에 장착되어 로딩되는 구성을 이루고 있다는 것이다.

이러한 구성적 특징에 의해 기판(301)은 금속재질로 이루어져 상기 기판(301)의 가장자리를 안착시키고, 상기 기판(301)의 중앙부에 대응해서는 개구를 갖는 캐리어(500)에 안착된 상태에서 상기 진공챔버(300) 내부를 일 방향으로 통과하며 상기 캐리어(500)의 개구에 대응되는 부분에 노출된 기판(301)면에 산화물 반도체 물질의 증착이 이루어지는 것이 특징이다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 인 라인 방식 스퍼터링 장치는 매엽식 스퍼터링 장치에 구비되는 진공 챔버(도 1의 100)내에 기판(도 1의 101)이 안착되는 수단(미도시)과 상기 기판(도 1의 101)을 일방향으로 직선 왕복시키는 직선 왕복 수단(도 1의 250)은 구비되지 않고, 이를 대신하여 진공챔버(300) 내에서 일방향으로 일정한 속도로 이동하는 캐리어(500)가 구비되는 것이 특징이다.

이러한 캐리어(500)는 크게 금속물질로 이루어지며 기판(301)을 안착시키는 테두리 프레임(505)과, 상기 테두리 프레임(505) 내에 구비되며 기판(301)을 고정시키는 다수의 클램프(520)와, 본 발명의 일 실시예에 있어 가장 특징적인 것으로 상기 다수의 클램프가 구비되는 상기 테두리 프레임(505)의 저면에 위치하며 상기 기판(301)의 일끝단과 이웃하며 상기 기판(301)을 이루는 동일한 물질로 이루어지며 제 1 폭을 갖는 보조기재(510)가 구성되고 있다는 것이다.

한편, 인 라인 방식의 스퍼터링 장치의 상기 캐리어(500)에 의해 플라즈마가 지속적으로 발현되고 있는 스퍼터링 장치의 진공 챔버(300)로 투입되는데, 기판(301)을 안착 고정시키는 캐리어(500)는 그 자체 더욱 정확히는 테두리 프레임(505)은 금속재질로 이루어짐으로서 상기 진공챔버(300) 내에 캐리어(500)가 우선적으로 투입됨에 의해 플라즈마 상태 변화를 야기함으로서 기판(301)의 일끝단의 소정폭에 있어서는 증착되는 산화물 반도체층의 두께가 타 영역 대비 큰 차이를 갖게 된다.

따라서, 이러한 종래의 인 라인 방식의 스퍼터링 장치의 문제점을 해결하고자 본 발명의 일 실시예에 따른 인 라인 방식의 스터터링 장치는 캐리어(500)에 상기 기판(301)을 이루는 동일한 재질 일례로 유리재질로 이루어진 보조기재(510)를 상기 기판(301)을 고정시키는 클램프(520)가 구비된 부분에 구비한 것이 특징이다.

한편, 기판(301)을 이루는 동일한 물질로 이루어진 보조기재(510)가 상기 캐리어(500)의 테두리 프레임(505) 저면(진공 챔버(300) 내에서 타겟(320)과 그라운드 쉴드(410)와 마주하는 면)에 상기 기판(301)의 일끝단과 이웃하여 구비됨으로서 상기 기판(301)이 상기 캐리어(500)에 장착되어 상기 진공챔버(300)로 투입되는 시점에서 상기 진공챔버(300) 내에 발현된 플라즈마는 캐리어(500)의 일 끝단이 투입되는 시점에서 소정의 상태 변화를 갖는다.

하지만, 상기 캐리어(500)가 일 방향으로 진행하게 되면 상기 보조기재(510)가 플라즈마 상태에 노출되며 이러한 보조기재(510)는 기판(301)과 동일한 재질로 이루어짐으로서 실질적으로는 상기 기판(301)이 연장 형성된 것과 같은 역할을 하게 됨으로서 플라즈마는 안정화되며 기판(301)의 일 끝단이 플라즈마에 노출되는 시점에서는 완전히 안정화되어 기판(301)의 일 끝단부터 타 끝단까지 안정화된 플라즈마에 노출됨으로서 종래와는 달리 기판(301) 전면에 균일한 두께를 갖는 산화물 반도체층이 형성된다.

이때, 상기 보조기재(510)의 폭은 상기 기판(301)의 일 끝단에 타 영역 대비 산화물 반도체층의 두께 차이가 크게 발생되는 부분의 폭(통상 기판의 일 끝단으로부터 20 내지 40mm정도의 크기를 가짐)과 같거나 이보다 더 큰 폭을 갖는 것이 바람직하다.

통상적으로 기판(301)이 안착된 상태에서 상기 기판(301)의 일 끝단으로부터 상기 캐리어(500)의 일 끝단까지의 폭은 통상 80mm 내지 110mm 정도가 되며, 본 발명의 실시예에 따른 인라인 방식 스퍼터링 장치는 이러한 기판(301)의 일끝단 외측으로 노출되는 캐리어(500)의 폭 중 증착되는 산화물 반도체층의 두께 차이가 발생되는 부분의 폭인 20 내지 40mm 정도 또는 그 이상(상기 테두리 프레임의 폭의 크기인 80mm 내지 110mm)의 폭에 대응하여 상기 캐리어(500)의 저면에 보조기재(510)를 구비함으로서 전술한 금속물질로 이루어진 캐리어(500)에 의한 플라즈마의 상태 변화로 기인하는 산화물 반도체층의 두께 차이 발생을 억제하는 것이 특징이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 인라인 방식 스퍼터링 장치에 있어 상기 캐리어의 구성은 다양하게 변형할 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 인라인 방식 스퍼터링 장치의 일 구성요소인 캐리어를 도시한 도면으로, 도 3에 개시된 캐리어와 다른 구성을 갖는 것을 도시한 도면이다.

인 라인 방식의 스퍼터링 장치의 경우, 캐리어(500)의 테두리 프레임(505)이 금속재질로 이루어지며, 캐리어(500)의 테두리 프레임(505)의 일끝단이 우선적으로 플라즈마가 발현된 부분에 투입됨에 의해 플라즈마 상태 변화로 인해 스퍼터링에 의해 증착되는 산화물 반도체 물질의 양이 차이를 갖는 것이므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 인라인 방식 스퍼터링 장치의 일 구성요소인 캐리어(500)는 기판(301)과 동일한 재질로 이루어진 상기 보조기재(510)와 더불어 더욱 진공 챔버(도 3의 300) 내에 발현되는 플라즈마 상태 변화를 더욱 억제시키기 위해 금속재질로 이루어진 테두리 프레임(505)의 표면에 유리재질과 유사한 프릿(frit) 또는 세라믹(ceramic) 물질을 코팅한 코팅층(550)이 구성된 것이 특징이다.

이렇게 금속재질로 이루어진 테두리 프레임(505) 표면에 유리재질과 유사한 프릿(frit) 또는 세라믹(ceramic) 물질이 코팅된 경우, 도 4b를 참조하면 상기 기판(301)과 동일한 재질로 이루어진 보조기재(510)는 생략될 수도 있다.

이러한 표면이 프릿(frit) 또는 세라믹(ceramic) 물질이 코팅된 코팅층(550)을 구비한 테두리 프레임(505)을 갖는 캐리어(500)의 경우도, 진공챔버(도 3의 300) 내에 발현된 플라즈마에 노출 시 실질적으로는 기판(301)이 투입된 상태와 유사한 환경이 조성되므로 상기 플라즈마의 급격한 상태 변화를 억제하여 상기 캐리어(500)에 안착된 기판(301)의 전면에 균일한 두께를 갖는 산화물 반도체층이 형성되도록 하는 효과를 갖는다.

본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

300 : 진공챔버
320 : 타겟
330 : 백킹플레이트
380 : 히터
410 : 그라운드 쉴드
420 : 티베이스
500 : 캐리어
505 : 테두리 프레임
510 : 보조기재
520 : 클램프

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 기판이 위치하는 반응영역을 정의하는 챔버와;
   상기 챔버 내부에 설치되어, 상기 기판과 일정간격 이격하여 일면이 대응되며 다수개가 서로 일정 간격 이격하여 배열되는 타겟과;
   상기 각각의 타겟의 타면에 위치하여, 상기 각각의 타겟을 고정하는 다수의 백킹플레이트와; 상기 서로 이웃하는 백킹플레이트 사이에 위치하는 그라운드 쉴드와;상기 챔버 내부에서 일 방향으로 이동하며, 상기 기판의 가장자리를 지지하는 금속물질로 이루어진 테두리 프레임과, 상기 테두리 프레임에 구비되며 상기 기판을 고정시키는 다수의 클램프를 포함하는 캐리어와; 상기 테두리 프레임의 상기 타겟과 마주하는 저면에 제 1 폭을 가지며, 상기 기판의 일끝단 외측으로 위치하는 보조기재를 포함하며,
   상기 보조기재는 상기 기판을 이루는 동일한 재질로 이루어지며,
   상기 다수의 클램프는 일단이 상기 보조기재와 접촉되며, 타단은 상기 기판과 접촉되는 인라인 스퍼터링 장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 테두리 프레임은 프릿(frit) 또는 세라믹(ceramic) 재질로 코팅된 것이 특징인 인라인 스퍼터링 장치.
   
7. 삭제
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 보조기재는 유리재질인 것이 특징인 인라인 스퍼터링 장치.
   
9. 제 5 항에 있어서,
   상기 챔버 내부에 스퍼터 가스 및 반응가스를 공급하는 다수의 가스공급관이 구비되며,
   상기 백킹플레이트 배면에 마그넷이 구비된 인라인 스퍼터링 장치.
   

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