KR102446178B1 - 스퍼터링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치는, 공정 챔버와, 상기 공정 챔버 내부에 구비되는 스퍼터링 타겟과, 상기 스퍼터링 타겟에 대향 배치되고, 증착 물질이 증착되는 기판을 지지하는 기판 홀더, 및 상기 스퍼터링 타겟이 기울어지도록 상기 스퍼터링 타겟을 회전 구동시키는 스퍼터링 타겟 구동부를 포함한다.

Description

스퍼터링 장치{Sputtering Apparatus}
본 기재는 스퍼터링 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 기판 상에 박막을 증착하는 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
스퍼터링 장치는 플라즈마의 이온을 가속시켜 스퍼터링 타겟(Sputtering Target)에 충돌하게 하여 기판에 타겟 물질을 증착하는 장비이다. 진공 상태에서 전압을 인가하고, 아르곤(Ar) 가스나 산소(O2) 가스 등을 주입하면, 아르곤 가스나 산소 가스 등이 이온화되면서 이온들이 스퍼터링 타겟에 충돌한다. 이 때, 스퍼터링 타겟에서 원자들이 방출되고, 방출된 원자들은 반도체 소자용 기판이나 액정 표시 장치용 기판에 부착되어 박막을 형성한다.
스퍼터링 장치는 고온에서 진행되는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 공정에 비해 저온에서도 박막을 형성할 수 있고, 비교적 간단한 구조로 짧은 시간에 박막을 형성할 수 있다는 장점이 있어, 반도체 소자나 액정 표시 장치 제조시에 널리 이용되고 있다.
그런데, 기판이 대면적화되면서 스퍼터링 타겟은 복수로 구비되고, 플라즈마가 발생되는 공정 챔버의 크기도 증가하게 된다. 이 때, 공정 챔버 내부에 발생되는 플라즈마의 분포가 고르지 않아 기판에 형성되는 박막이 불균일하게 되는 문제점이 있었다. 이에, 복수의 스퍼터링 타겟 사이에 그라운드 실드(ground shield)를 배치하여 공정 챔버 내부의 플라즈마의 분포를 고르게 형성한다.
그러나, 그라운드 실드의 존재로 인해, 스퍼터링 타겟 상부의 마주하는 기판 부위와 그라운드 실드 상부의 마주하는 기판 부위에 형성되는 박막의 두께, 밀도가 상이하게 형성되어 박막의 균일성이 떨어지는 문제점이 있다. 특히, 막질의 미묘한 차이에 크게 반응하는 산화물 계열의 스퍼터링 타겟을 사용하는 경우 박막의 균일성 확보는 중요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에서는 스퍼터링 타겟을 회전 구동시켜 박막이 균일하게 형성되도록 하는 스퍼터링 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치는, 공정 챔버와, 상기 공정 챔버 내부에 구비되는 스퍼터링 타겟과, 상기 스퍼터링 타겟에 대향 배치되고, 증착 물질이 증착되는 기판을 지지하는 기판 홀더, 및 상기 스퍼터링 타겟이 기울어지도록 상기 스퍼터링 타겟을 회전 구동시키는 스퍼터링 타겟 구동부를 포함한다.
상기 스퍼터링 타겟은 복수 개로 구비되고, 상기 스퍼터링 타겟 구동부는 상기 복수 개의 스퍼터링 타겟 각각을 개별적으로 기울어지도록 구동할 수 있다.
상기 스퍼터링 타겟은 평면을 갖는 바(bar) 형상으로 형성될 수 있다.
상기 스퍼터링 타겟 구동부는, 상기 스퍼터링 타겟을 회전시키는 모터를 포함하며, 상기 모터는 상기 스퍼터링 타겟의 길이 방향에 평행한 방향으로 연장된 축을 중심으로 상기 스퍼터링 타겟을 회전 구동시킬 수 있다.
상기 스퍼터링 타겟은 25rpm 내지 35rpm의 속도로 회전될 수 있다.
상기 스퍼터링 타겟은 30도 내지 45도 각도 범위에서 회전될 수 있다.
상기 스퍼터링 타겟은 타겟 홀더에 의해 지지되며, 상기 타겟 홀더는 제1 전극에 연결되며, 상기 기판 홀더는 제2 전극에 연결되고, 상기 제1 전극 및 제2 전극에 반대 극성의 전압이 인가되어, 상기 공정 챔버 내부에 플라즈마를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치는, 상기 스퍼터링 타겟의 하부에, 상기 공정 챔버 내부에 형성되는 플라즈마가 상기 스퍼터링 타겟 상부에 유지되도록 하는 마그넷을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치는, 상기 스퍼터링 타겟과 상기 기판 홀더에 지지되는 기판 사이에 배치되는 증착 마스크를 더 포함할 수 있다.
상기 스퍼터링 타겟과 상기 기판 홀더에 지지되는 기판은 140mm 내지 160mm 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치는, 상기 스퍼터링 타겟은 적어도 둘 이상 구비되며, 상기 스퍼터링 타겟 사이에 배치되는 적어도 하나 이상의 그라운드 실드를 더 포함할 수 있다.
상기 그라운드 실드는 상기 스퍼터링 타겟의 길이 방향으로 연장되어 형성될 수 있다.
상기 그라운드 실드는 티타늄(Titanium)으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치는, 상기 공정 챔버의 내벽에 인접한 위치에 보조 그라운드 실드를 더 포함할 수 있다.
상기 보조 그라운드 실드는 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 기판 홀더 사이에 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 스퍼터링 타겟을 회전 구동시켜 기판에 증착되는 타겟의 성막 범위를 극대화시켜, 기판에 막질 차이가 발생되는 그라운드 실드 부위를 커버할 수 있으므로 기판의 막질 균일성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 타겟을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 타겟이 랜덤한 각도로 기울어진 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 타겟이 동일한 각도로 기울어진 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 타겟이 인접한 스퍼터링 타겟과 대칭되는 각도로 기울어진 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 일 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며, 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고, 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다. 어느 부분이 다른 부분의 “위에” 또는 “상에” 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 한 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 타겟을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 스퍼터링 장치(100)는 공정 챔버(10)와, 스퍼터링 타겟(20)과, 기판 홀더(40), 및 스퍼터링 타겟 구동부(50)를 포함한다. 공정 챔버(10)는 스퍼터링 공정을 위한 공간을 제공한다. 공정 챔버(10)는 스퍼터링 타겟(20)과 기판 홀더(40) 사이에 플라즈마를 생성하기 위한 반응 가스를 공급하는 주입구(80)를 포함할 수 있다. 공정 챔버(10)는 고진공 상태를 위해 반응 가스를 배기시키는 배기구(85) 및 배기구(85)에 연결되어 있는 진공 펌프(90)를 포함할 수 있다. 공정 챔버(10) 내의 기압은 약 10-3 Pa 이하로 설정될 수 있다. 반응 가스는 비활성 기체일 수 있으며, 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 및 크세논(Xe) 중 어느 하나일 수 있다. 반응 가스는 주입구(80)를 통해 수 밀리토르(millitorr, mmHg)의 압력을 유지하면서 공정 챔버(10) 내로 주입될 수 있다.
공정 챔버(10)의 내부 하단에 제1 전원(27)으로부터 교류 전압 혹은 직류 전압을 인가받는 타겟 홀더(25)가 설치될 수 있다. 타겟 홀더(25) 상에는 기판 홀더(40)에 의해 지지되는 기판(S)에 형성하려는 물질을 포함하는 스퍼터링 타겟(20)이 제공될 수 있다. 스퍼터링 타겟(20)은 금속, 산화물, 및 질화물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
공정 챔버(10) 내에는 기판 홀더(40)가 스퍼터링 타겟(20)에 대향하여 제공될 수 있다. 기판 홀더(40) 상에 제2 전원(29)으로부터 전압을 인가받는 제2 전극(60)이 제공될 수 있다. 제2 전원(29)은 제1 전원(27)과 전위가 다른 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 제어 및 스퍼터링 타겟(20) 물질의 증착이 용이하도록 제2 전극(60)에 기준 전압을 인가할 수 있다.
주입구(80)를 통해 공정 챔버(10)에 반응 가스가 유입된 후 제1 전극(타겟 홀더, 25)과 제2 전극(60)에 서로 전위가 다른 전압을 인가하여 플라즈마 방전이 일어날 수 있다. 플라즈마 방전에 의해 생성된 전자와 반응 가스가 공정 챔버 내에서 충돌하면 반응 가스가 이온화될 수 있다. 이온화된 반응 가스는 타겟 홀더(25)와 제2 전극(60) 사이에 인가된 전위차에 해당하는 운동 에너지를 가지고 스퍼터링 타겟(20)과 충돌할 수 있다. 이온화된 반응 가스가 스퍼터링 타겟(20)에 충돌하면 전기적으로 중성인 스퍼터링 타겟(20)의 원자들이 기판(S)을 향해 입사된다. 따라서, 스퍼터링 타겟(20)의 원자들은 기판(S) 상에 증착될 수 있다.
한편, 스퍼터링 타겟(20)은 평면을 갖는 바(bar) 형상으로 형성될 수 있고, 스퍼터링 타겟(20)을 지지하는 타겟 홀더(25)도 스퍼터링 타겟(20)의 형상에 대응하여 바 형상으로 형성될 수 있다. 타겟 홀더(25)는 스퍼터링 타겟(20)의 평면보다 더 큰 평면을 가질 수 있다.
타겟 홀더(25)의 일측에는 스퍼터링 타겟(20)이 기울어지도록 스퍼터링 타겟(20)을 회전 구동시키는 스퍼터링 타겟 구동부(50)가 설치된다. 스퍼터링 타겟 구동부(50)는, 스퍼터링 타겟(20)을 회전시키는 모터(미도시)를 포함할 수 있으며, 모터는 스퍼터링 타겟(20)의 길이 방향과 수직인 방향으로 모터축을 중심으로 스퍼터링 타겟(20)을 축회전 구동시킨다.
스퍼터링 타겟 구동부(50)의 모터축의 회전에 의해 스퍼터링 타겟(20)은 약 25rpm(revolution per minute) 내지 약 35rpm의 속도로 회전될 수 있다. 또한, 스퍼터링 타겟(20)은 약 30도 내지 약 45도 각도 범위에서 회전될 수 있다.
한편, 스퍼터링 타겟(20)은 복수 개로 구비될 수 있고, 스퍼터링 구동부(50)는 복수 개의 스퍼터링 타겟(20) 각각을 개별적으로 기울어지도록 구동할 수 있다. 또한, 스퍼터링 구동부(50)는 복수 개의 스퍼터링 타겟(20)을 그룹을 지어 그룹별로 독립 구동시킬 수 있다.
한편, 타겟 홀더(25)의 하부에는 공정 챔버(10) 내부에 형성되는 플라즈마가 스퍼터링 타겟(20) 상부에 유지되도록 하는 마그넷(70)을 더 포함할 수 있다. 마그넷(70)은 스퍼터링 타겟(20) 상부 공간에 자기장을 형성할 수 있으며, 플라즈마 내의 전자들을 자기장 내에 잡아두는 역할을 한다. 전자들은 플라즈마 내의 반응 가스와 충돌하고, 반응 가스의 전자가 분리되도록 하여, 반응 가스를 이온화시키는 방식으로 연쇄반응을 통해 플라즈마가 스퍼터링 타겟(20) 상부에 유지되도록 한다.
한편, 스퍼터링 타겟(20)과 기판 홀더(40)에 의해 지지되는 기판(S) 사이에는 증착 마스크(M)가 더 구비될 수 있다. 증착 마스크(M)는 성막하고자 하는 기판(S) 이외의 기판 홀더(40), 공정 챔버(10) 내벽 등의 부위에 스퍼터링 타겟(20) 물질이 증착되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
한편, 스퍼터링 타겟(20)과 기판 홀더(40)에 지지되는 기판(S)은 약 140mm 내지 약 160mm 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
스퍼터링 타겟(20)은 적어도 둘 이상 구비되는 멀티 타겟 구조일 수 있으며, 스퍼터링 타겟(20)들 사이에는 적어도 하나의 그라운드 실드(30)가 배치될 수 있다. 스퍼터링 타겟(20)들은 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 나란하게 배치되는, 평면을 갖는 바 형상으로 형성될 수 있으며, 각각의 스퍼터링 타겟(20)들을 타겟 홀더(25)들이 지지할 수 있다. 스퍼터링 타겟(20)들 사이에는 복수의 그라운드 실드(30)들이 배치되며, 그라운드 실드(30)들은 스퍼터링 타겟(20)들의 형상에 대응하여, 스퍼터링 타겟(20)의 길이 방향으로 연장된 형태로 형성될 수 있다.
그라운드 실드(30)는 티타늄(Titanium)으로 형성될 수 있으며, 공정 챔버(10) 내의 플라즈마가 골고루 분포되도록 하는 역할을 한다.
한편, 공정 챔버(10)의 내벽에 인접한 위치에 보조 그라운드 실드(35)를 더 포함할 수 있다. 보조 그라운드 실드(35)는 스퍼터링 타겟(20) 및 기판 홀더(40) 사이에 구비될 수 있다. 보조 그라운드 실드(35)는 스퍼터링 타겟(20)과 기판 홀더(40) 사이에 발생되는 플라즈마가 골고루 분포되도록 하여 기판의 막질 균일성을 한층 더 확보할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 타겟이 랜덤한 각도로 기울어진 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 타겟이 동일한 각도로 기울어진 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 타겟이 인접한 스퍼터링 타겟과 대칭되는 각도로 기울어진 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 타겟(20)은 평면을 갖는 바 형태로 형성되며, 타겟 홀더(25)에 의해 지지된다. 타겟 홀더(25)의 일측에는 모터가 설치될 수 있으며, 모터 축의 회전에 의해 스퍼터링 타겟(20)은 약 30도 내지 약 45도 각도 범위에서 축회전될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 스퍼터링 타겟(20)은 복수 개로 구비될 수 있으며, 복수의 스퍼터링 타겟(20) 각각은 랜덤한 방향으로 개별적으로 기울어지도록 구동될 수 있고, 각각 다른 속도로 회전될 수도 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 복수 개의 스퍼터링 타겟(20)은 모두 동일한 방향으로 동일한 각도로 기울어지도록 구동될 수 있고, 동일한 속도로 회전될 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수 개의 스퍼터링 타겟(20) 각각은 인접하는 스퍼터링 타겟(20)과 대칭되는 방향으로 기울어지도록 구동될 수 있고, 동일한 속도로 회전될 수 있다.
도 3 내지 도 5에 도시된 실시예와 다르게, 복수의 스퍼터링 타겟(20) 중 일부는 동일한 방향으로 기울어지고 일부는 랜덤한 방향으로 기울어지게 회전되도록 할 수도 있으며, 일부는 동일한 방향으로 기울어지고 일부는 대칭되는 방향으로 기울어지게 회전되도록 할 수도 있는 등, 복수 개의 스퍼터링 타겟(20)의 기울어지는 방향은 개별적으로 또는, 그룹을 지어 자유롭게 설정될 수 있다. 또한, 스퍼터링 타겟(20)의 회전 속도도 전부 동일하게 하거나 일부만 동일하게 하거나 모두 다르게 하는 등 개별적으로 또는, 그룹을 지어 자유롭게 설정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치에 의해서, 스퍼터링 타겟을 회전 구동시켜 기판에 증착되는 타겟의 성막 범위를 극대화시켜, 기판에 막질 차이가 발생되는 그라운드 실드 부위를 커버할 수 있으므로 기판의 막질 균일성을 확보할 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
100: 스퍼터링 장치 10: 공정 챔버
20: 스퍼터링 타겟 25: 타겟 홀더
27: 제1 전원 29: 제2 전원
30: 그라운드 실드 35: 보조 그라운드 실드
40: 기판 홀더 50: 스퍼터링 타겟 구동부
60: 제2 전극 70: 마그넷
80: 주입구 85: 배기구
90: 진공 펌프

Claims (15)

  1. 공정 챔버;
    상기 공정 챔버 내부에 배치된 복수의 스퍼터링 타겟;
    상기 스퍼터링 타겟에 대향 배치되고, 증착 물질이 증착되는 기판을 지지하는 기판 홀더;
    인접하는 스퍼터링 타겟 사이에 각각 배치된 복수의 그라운드 실드; 및
    상기 스퍼터링 타겟이 기울어지도록 상기 스퍼터링 타겟을 회전 구동시키는 스퍼터링 타겟 구동부
    를 포함하며,
    각각의 그라운드 실드는 상기 기판을 향하는 가장자리 부분을 포함하고, 상기 가장자리 부분은 상기 스퍼터링 타겟의 길이 방향으로 직선으로 연장하고, 상기 가장자리 부분은 상기 기판의 평면에 수직인 스퍼터링 장치.
  2. 제 1 항에서,
    상기 스퍼터링 타겟 구동부는 각각의 스퍼터링 타겟을 개별적으로 기울어지도록 구동할 수 있는 스퍼터링 장치.
  3. 제 1 항에서,
    상기 스퍼터링 타겟은 평면을 갖는 바(bar) 형상으로 형성되는 스퍼터링 장치.
  4. 제 1 항에서,
    상기 스퍼터링 타겟 구동부는,
    상기 스퍼터링 타겟을 회전시키는 모터를 포함하며,
    상기 모터는 상기 스퍼터링 타겟의 길이 방향에 평행한 방향으로 연장된 축을 중심으로 상기 스퍼터링 타겟을 회전 구동시키는 스퍼터링 장치.
  5. 제 1 항에서,
    상기 스퍼터링 타겟은 25rpm 내지 35rpm의 속도로 회전되는 스퍼터링 장치.
  6. 제 1 항에서,
    상기 스퍼터링 타겟은 30도 내지 45도 각도 범위에서 회전되는 스퍼터링 장치.
  7. 제 1 항에서,
    상기 스퍼터링 타겟은 타겟 홀더에 의해 지지되며, 상기 타겟 홀더는 제1 전극에 연결되며,
    상기 기판 홀더는 제2 전극에 연결되고,
    상기 제1 전극 및 제2 전극에 반대 극성의 전압이 인가되어, 상기 공정 챔버 내부에 플라즈마를 형성하는 스퍼터링 장치.
  8. 제 1 항에서,
    상기 스퍼터링 타겟의 하부에,
    상기 공정 챔버 내부에 형성되는 플라즈마가 상기 스퍼터링 타겟 상부에 유지되도록 하는 마그넷을 더 포함하는 스퍼터링 장치.
  9. 제 1 항에서,
    상기 스퍼터링 타겟과 상기 기판 홀더에 지지되는 기판 사이에 배치되는 증착 마스크를 더 포함하는 스퍼터링 장치.
  10. 제 1 항에서,
    상기 스퍼터링 타겟과 상기 기판 홀더에 지지되는 기판은 140mm 내지 160mm 간격으로 이격되어 배치되는 스퍼터링 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 항에서,
    상기 그라운드 실드는 티타늄으로 형성되는 스퍼터링 장치.
  14. 제 1 항에서,
    상기 공정 챔버의 내벽에 인접한 위치에 보조 그라운드 실드를 더 포함하는 스퍼터링 장치.
  15. 제 14 항에서,
    상기 보조 그라운드 실드는 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 기판 홀더 사이에 구비되는 스퍼터링 장치.
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