KR102471178B1

KR102471178B1 - 스퍼터링 장치

Info

Publication number: KR102471178B1
Application number: KR1020180062539A
Authority: KR
Inventors: 요시노리 후지이; 신야 나카무라
Original assignee: 가부시키가이샤 알박
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2022-11-25
Also published as: KR20180131497A; JP6871068B2; CN108977779A; JP2018204061A; TW201903180A; CN108977779B; TWI778032B

Abstract

[과제] 성막 대상물의 표면에 부착하는 파티클의 수를 가급적으로 줄일 수 있는 스퍼터링 장치를 제공한다.
[해결 수단] 카본제 타겟(2)이 설치되는 진공 챔버(1)와, 진공 챔버를 진공 흡인하는 진공 펌프(Vp)와, 진공 챔버 내에서 성막 대상물(W)을 유지하는 스테이지(4)를 구비하고, 진공 펌프에 의해 진공 챔버 내를 소정 압력으로 진공 흡인한 후, 타겟을 스퍼터링 함으로써, 성막 대상물 표면에 카본막을 성막하는 본 발명의 스퍼터링 장치(SM)는, 표면이 123K 이하의 온도로 냉각되는 흡착체(7)를 더욱 구비하고, 흡착체는, 성막 대상물에 대한 복사가 방지되는 진공 챔버 내의 소정 위치에 배치된다.

Description

스퍼터링 장치{SPUTTERING APPARATUS}

본 발명은, 스퍼터링 장치에 관하여, 보다 상세하게는, 피성막물의 표면에 카본막을 성막하는 것에 관한 것이다.

종래, 이 종류의 스퍼터링 장치는, 불휘발성 메모리 등 디바이스의 전극막으로서 카본막을 성막하는 것에 이용된다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이것은, 카본제 타겟이 설치되는 진공 챔버와, 진공 챔버를 진공 흡인하는 진공 펌프와, 진공 챔버 내에서 타겟에 대향 배치되어 성막 대상물을 유지하는 스테이지를 구비한다. 또한, 진공 챔버에는, 그 내벽으로부터 틈새를 두고 설치되어 타겟과 스테이지 사이의 성막 공간을 둘러싸는 실드판이 설치된다. 그리고, 진공 펌프에 의해 진공 챔버 내를 소정 압력으로 진공 흡인한 후, 타겟을 스퍼터링함으로써, 성막 대상물 표면에 카본막이 성막 된다.

여기서, 카본제 타겟을 스퍼터링하여 성막 대상물 표면에 성막했을 때, 성막 직후의 성막 대상물 표면에 미세한 파티클(particle)이 부착되는 경우가 있다. 이러한 파티클의 부착은 제품 수율을 저하시키는 원인이 된다는 점에서, 성막 대상물의 표면에의 파티클의 부착을 가급적으로 억제할 필요가 있다. 거기서, 본 발명자들은, 열심히 연구를 거듭하여, 진공 챔버 내에 부유하는 카본 입자가 미세한 파티클로서 성막 직후의 성막 대상물의 표면에 부착하는 것을 지견하는 데 이르렀다. 즉, 카본제 타겟을 스퍼터링하면, 타겟으로부터 비산하는 카본 입자는, 성막 대상물뿐만 아니라, 타겟 주변에 있는 부품이나 실드판의 표면에도 부착, 퇴적하지만, 이와 같이 부착한 카본 입자가 어떤 원인으로 재이탈하고, 이 재이탈한 카본 입자가, 진공 배기되지 않고 진공 챔버 내에서 부유하는 것에 기인한다고 생각할 수 있다.

특허문헌 1: 국제공개 제2015/122159호

본 발명은, 상기 지견에 근거해 이루어진 것으로, 성막 대상물의 표면에 부착하는 파티클의 수를 가급적 줄일 수 있는 스퍼터링 장치를 제공하는 것을 그 과제로 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 카본제 타겟이 설치되는 진공 챔버와, 진공 챔버를 진공 흡인하는 진공 펌프와, 진공 챔버 내에서 성막 대상물을 유지하는 스테이지를 구비하고, 진공 펌프에 의해 진공 챔버 내를 소정 압력으로 진공 흡인한 후, 타겟을 스퍼터링함으로써, 성막 대상물 표면에 카본막을 성막하는 본 발명의 스퍼터링 장치는, 표면이 123K 이하의 온도로 냉각되는 흡착체를 더욱 구비하고, 흡착체는, 성막 대상물에 대한 복사가 방지되는 진공 챔버 내의 소정 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 진공 챔버 내에서 부유하는 카본 입자가 일단 흡착체에 흡착되면, 이 흡착체의 표면이 123K 이하의 온도로 냉각됨으로써, 재이탈이 방지된다. 결과적으로, 진공 챔버 내에서 부유하는 카본 입자의 양이 줄어듦으로써, 성막 대상물의 표면에 부착하는 파티클의 수를 가급적으로 줄일 수 있다. 이 경우, 성막 대상물에 대한 복사가 방지되는 진공 챔버 내의 소정 위치에 흡착체가 배치되기 때문에, 막질이 변화하는 등의 성막 대상물에 대한 성막 프로세스에 악영향을 준다는 문제는 생기지 않는다.

본 발명에 있어서, 상기 타겟과 상기 스테이지가 대향 배치됨과 동시에 양자를 잇는 연장선에 대해서 직교하는 방향으로 국소적으로 팽출시킨 배기 공간부를 설치하고, 배기 공간부에 개설한 배기구에 상기 진공 펌프가 접속되고, 진공 챔버의 내벽면으로부터 틈새를 두고 설치되어 타겟과 스테이지 사이의 성막 공간을 둘러싸는 실드판을 가지는 경우에는, 상기 흡착체가 실드판의 외표면 부분에 틈새를 두고 설치하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 흡착체로부터의 복사로 실드판 자체가 소정 온도로 냉각됨으로써, 실드판 자체가 흡착체로서의 역할을 다하게 되고, 성막 공간을 화성하는 실드판으로 카본 입자를 흡착, 유지시킴으로써, 부유하는 카본 입자의 양을 보다 한층 줄일 수 있어, 유리하다.

이 경우, 상기 실드판의 외표면 부분을 상기 배기 공간부의 배기가스 유입구에 마주하는 범위로 하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 진공 챔버 내의 성막 공간으로부터 배기 공간부로 통하는 배기가스의 배기 경로 안에 흡착체를 둠으로써, 카본 입자를 보다 흡착시키기 쉽게 할 수 있어, 유리하다.

도 1은 본 발명의 실시형태의 스퍼터링 장치를 도시한 모식적 단면도이다.
도 2는 도 1의 II-II선에 따른 단면도이다.
도 3은 본 실시형태의 변형예를 도시한 도이다.

이하, 도면을 참조하여, 성막 대상물을 실리콘 웨이퍼(이하, 간단히 「기판(W)」라고 한다)라고 하고, 진공 챔버의 상부에 스퍼터링용 카본제 타겟, 그 하부에 기판(W)이 설치되는 스테이지가 설치된 것을 예로 본 발명의 스퍼터링 장치의 실시형태를 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하여, SM은, 본 실시형태의 마그네트론 방식의 스퍼터링 장치다. 스퍼터링 장치(SM)는 진공 챔버(1)를 구비하고, 진공 챔버(1)의 상부에 캐소드 유닛(Cu)이 착탈 가능하게 설치된다. 캐소드 유닛(Cu)은, 카본제 타겟(2)과, 이 타겟(2)의 위쪽에 배치된 자석 유닛(3)으로 구성된다.

타겟(2)은, 기판(W)의 윤곽에 따라 평면에서 보면 원형으로 형성된 것이다. 타겟(2)은, 냉각판(backing plate)(21)에 장착한 상태로, 그 스퍼터면(22)을 아래쪽으로 하고, 진공 챔버(1) 상벽에 설치한 절연체(Ib)를 통해 진공 챔버(1)의 상부에 장착된다. 또한, 타겟(2)에는, 공지의 구조를 가지는 스퍼터 전원(E)이 접속되고, 스퍼터링에 의한 성막 시, 음의 전위를 가진 직류 전력을 투입할 수 있도록 한다. 타겟(2)의 위쪽에 배치되는 자석 유닛(3)은, 타겟(2)의 스퍼터면(22)의 하부 공간에 자장을 발생시키고, 스퍼터 시에 스퍼터면(22)의 아래쪽에서 전리한 전자 등을 포착하여 타겟(2)로부터 비산한 스퍼터 입자를 효율적으로 이온화하는 폐쇄 자장 혹은 커스프 자장 구조를 가지는 것이다. 자석 유닛 자체로서는 공지의 것을 이용할 수 있으므로, 더 이상의 설명은 생략한다.

진공 챔버(1)의 저부 중앙에는, 타겟(2)에 대향시켜 스테이지(4)가 다른 절연체(Ib)를 통해 배치된다. 스테이지(4)는, 특히 도시하여 설명하지 않지만, 예를 들면 통 형상의 윤곽을 가지는 금속제 기대(基台)와, 이 기대의 상면에 접착되는 척 플레이트로 구성되어, 성막 중, 기판(W)을 흡착 유지할 수 있도록 한다. 또한, 정전 척의 구조에 대해서는, 단극형이나 쌍극형 등 공지의 것을 이용할 수 있으므로, 더 이상의 상세한 설명은 생략한다. 또한, 기대에는, 냉매 순환용 통로나 히터를 내장하여, 성막 중, 기판(W)을 소정 온도로 제어할 수 있도록 할 수도 있다.

또한, 진공 챔버(1) 내에는, 그 내벽면(1a)으로부터 틈새를 두고 설치되어 타겟(2)과 스테이지(4) 사이의 성막 공간(1b)을 둘러싸는 실드판(5)을 구비한다. 실드판(5)은, 타겟(2)의 주위를 둘러싸고, 또한, 진공 챔버(1)의 아래쪽으로 신장하는 거의 통 형상의 상판부(51)와, 스테이지(4)의 주위를 둘러싸고, 또한, 진공 챔버(1)의 위쪽으로 신장하는 거의 통 형상의 하판부(52)를 가지며, 상판부(51)의 하단과 하판부(52)의 상단을 원주방향(circumferential direction)에서 틈새를 두고 오버랩 시킨다. 또한, 상판부(51) 및 하판부(52)는 일체로 형성될 수도 있고, 또한, 원주방향에서 복수 부분으로 분할하여 조합하도록 할 수도 있다.

또한, 진공 챔버(1)에는 소정의 가스를 도입하는 가스 도입 수단(6)이 설치된다. 가스로서는, 성막 공간(1b)에 플라스마를 형성할 때에 도입되는 아르곤 가스 등의 희가스뿐만 아니라, 성막에 따라 적절하게 도입되는 산소 가스나 질소 가스 등의 반응 가스도 포함된다. 가스 도입 수단(6)은, 상판부(51)의 외주에 설치된 가스 링(61)과, 가스 링(61)에 접속된, 진공 챔버(1)의 측벽을 관통하는 가스관(62)을 가지며, 가스관(62)이 유량 제어기(mass flow controller)(63)를 통해 도시 생략한 가스원에 연통한다. 이 경우, 상세한 도시를 생략했지만, 가스 링(61)에는 가스 확산부가 부설되고, 가스관(62)으로부터의 스퍼터 가스가 가스 확산부에서 확산되고, 가스 링(61)에 원주방향에서 등간격으로 천공된 가스 분사구(61a)로부터 동등 유량으로 스퍼터 가스가 분사되도록 한다. 그리고, 가스 분사구(61a)로부터 분사된 스퍼터 가스는, 상판부(51)에 형성한 가스 구멍(도시하지 않음)으로부터 성막 공간(1b) 내에 소정의 유량으로 도입되어, 성막 중, 성막 공간(1b) 내의 압력 분포를 그 전체에 걸쳐 동등하게 할 수 있도록 한다. 또한, 성막 공간(1b) 내의 압력 분포를 그 전체에 걸쳐 동등하게 하기 위한 수법은, 이것으로 한정되는 것이 아니고, 다른 공지의 수법을 적절하게 채용할 수 있다.

또한, 진공 챔버(1)에는, 타겟(2)과 스테이지(4)를 잇는 중심선(연장선)(Cl)에 대해서 직교하는 방향으로 국소적으로 팽출시킨 배기 공간부(11)가 설치되고, 이 배기 공간부(11)를 구획하는 저벽면에는, 배기구(11a)가 개설된다. 배기구(11a)에는, 배기관을 통해 크라이오 펌프나 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프(Vp)가 접속된다. 성막 중, 성막 공간(1b)에 도입된 스퍼터 가스의 일부는 배기가스가 되고, 실드판(5)의 이음새나, 실드판(5)과 타겟(2) 또는 스테이지(4)와의 틈새로부터, 실드판(5)의 외표면과 진공 챔버(1)의 내벽면(1a) 사이의 틈새를 통해 배기가스 유입구(11b)로부터 배기 공간부(11)에 흘러, 배기구(11a)를 통해 진공 펌프(Vp)로 진공 배기된다. 이 때, 성막 공간(1b)과 배기 공간부(11) 사이에는, 수 Pa 정도의 압력차이가 생기게 된다.

기판(W)에 대해서 소정의 박막을 성막하는 경우, 도시되지 않은 진공 반송 로봇에 의해 스테이지(4) 상으로 기판(W)을 반입하여, 스테이지(4)의 척 플레이트 상면에 기판(W)을 설치한다(이 경우, 기판(W)의 표면이 성막면이 된다). 그리고, 진공 반송 로봇을 퇴피시킴과 동시에, 정전 척용 전극에 대해서 척 전원으로부터 소정 전압을 인가하고, 척 플레이트 표면에 기판(W)을 정전 흡착한다. 이어서, 진공 챔버(1) 안이 소정 압력(예를 들면, 1×10^-5Pa)까지 진공 흡인되면, 가스 도입 수단(6)을 통해 스퍼터 가스로서의 아르곤 가스를 일정 유량으로 도입하고, 이와 함께 타겟(2)에 스퍼터 전원(E)으로부터 소정 전력을 투입한다. 이것에 의해, 성막 공간(1b) 내에 플라스마가 형성되고, 플라스마 중의 아르곤 가스의 이온으로 타겟이 스퍼터링되고, 타겟(2)으로부터의 스퍼터 입자(카본 입자)가 기판(W)의 표면에 부착, 퇴적하여 카본막이 성막된다. 이와 같이 타겟(2)을 스퍼터링하여 카본막을 성막하는 경우, 진공 챔버(1) 내에 부유하는 카본 입자가 미세한 파티클로서 성막 직후의 성막 대상물의 표면에 부착하는 것을 지견하는 데 도달했다. 이것은, 타겟으로부터 비산하는 카본 입자는, 기판(W)만이 아니고, 타겟(2) 주변에 있는 부품이나 실드판(5)의 표면에도 부착, 퇴적하지만, 이와 같이 부착한 카본 입자가 어떤 원인으로 재이탈하고, 이 재이탈한 카본 입자가, 진공 배기되지 않고 진공 챔버(1) 내에서 부유하는 것에 기인한다고 생각할 수 있다.

거기서, 본 실시형태에서는, 성막 대상물(W)에 대한 복사(radiation)가 방지되는 진공 챔버(1) 내의 소정 위치에, 표면이 123K 이하의 온도로 냉각되는 흡착체(7)를 설치했다. 이 경우, 흡착체(7)는, 실드판(5)의 하판부(52)의 외표면 부분(52a)에 틈새를 두고 설치되고 생략한 냉동기 등의 냉각 기구에 의해 상기 온도로 표면이 냉각된다. 냉각 기구로서는 공지의 것을 이용할 수 있으므로, 여기에서는 상세한 설명을 생략한다. 흡착체(7)는, 모터 등의 승강 기구(7a)에 의해 상하 방향으로 이동 가능하게 구성되어 있지만, 진공 챔버(1)의 저벽면에 입설할 수도 있다.

이상에 따르면, 진공 챔버(1) 내에서 부유하는 카본 입자가 일단 흡착체(7)에 흡착되면, 이 흡착체(7)의 표면이 123K 이하의 온도로 냉각됨으로써, 재이탈이 방지된다. 결과적으로, 진공 챔버(1) 내에서 부유하는 카본 입자의 양을 줄임으로써, 기판(W)의 표면에 부착하는 파티클의 수를 가급적으로 줄일 수 있다. 이 경우, 기판(W)에 대한 복사가 방지되는 진공 챔버 내의 소정 위치에 흡착체(7)가 배치되기 때문에, 막질(film quality)이 변화하는 등의 기판(W)에 대한 성막 프로세스에 악영향을 준다는 문제는 생기지 않는다. 또한, 흡착체(7)로부터의 복사로 실드판(5) 자체가 123K 이하의 온도로 냉각됨으로써, 실드판(5) 자체가 흡착체로서의 역할을 하게 되어, 성막 공간(1b)을 구획하는 실드판(5)으로 카본 입자를 흡착, 유지시킴으로써, 부유하는 카본 입자의 양을 보다 한층 줄일 수 있어, 유리하다. 이 경우, 냉각된 실드판(5)으로부터의 복사로 기판(W)이 냉각되지 않게, 기판(W)과 실드판(5)을 10㎜ 이상 이간시키면 좋다.

이어서, 본 발명의 효과를 확인하기 위해, 이하의 발명 실험을 실시했다. 즉, 기판(W)을 직경 300㎜의 실리콘 웨이퍼, 타겟(2)을 Φ400㎜의 카본제인 것으로 하고, 상기 스퍼터링 장치(SM)를 이용하여 기판(W)에 카본막을 성막했다. 스퍼터 조건으로서, 타겟(2)과 기판(W) 사이의 거리를 60㎜, 스퍼터 전원(E)에 의한 투입 전력을 2kW, 스퍼터 시간을 120sec로 설정했다. 또한, 스퍼터 가스로서 아르곤 가스를 이용하여, 스퍼터링 중, 스퍼터 가스의 분압을 0.1Pa로 했다. 또한, 비교 실험으로서, 상기 스퍼터링 장치(SM)로부터 흡착체(7)를 제외하고, 동일한 조건으로 성막했다.

성막 전과 성막 후에 기판(W)에 부착하는 0.1㎛ 이상의 파티클의 수를 측정하여, 성막 중에 기판(W)에 부착한 파티클 수를 구했다. 이에 따르면, 발명 실험에서는 84개인 것에 비해, 비교 실험에서는 145개이며, 흡착체(7)를 설치함으로써 파티클 수를 줄일 수 있는 것을 알았다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태에서는, 배기 공간부(11)의 배기가스 유입구(11b)에 마주하는 범위의 실드판(5)의 하판부(52)의 외표면 부분(52a)을 틈새를 두고 덮도록 흡착체(7)를 설치하지만, 도 3에 도시한 바와 같이, 흡착체(7)의 양단이 진공 챔버(1)의 내벽면(1a)과 실드판(5)의 하판부(52) 사이의 틈새까지 더욱 신장하도록 설치할 수도 있다. 더욱이, 도 3에, 화살표는 배기가스의 흐름을 나타낸다. 이에 따르면, 실드판(5)을 효율적으로 냉각할 수 있으며, 게다가, 배기가스에 포함되는 카본 입자를 효율적으로 흡착, 유지시킴으로써, 배기가스 중의 카본 입자가 성막 공간(1b)에 흘러 기판(W)에 부착하는 것을 억제할 수 있어, 유리하다.

상기 실시형태에서는, 흡착체(7)에 의해 실드판(5)을 냉각하는 경우를 예로 설명했지만, 실드판(5)이외의 구성부품에서 카본 입자가 부착하는 것을 냉각하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.

SM: 스퍼터링 장치
Vp: 진공 펌프
W: 기판(성막 대상물)
1: 진공 챔버
1a: 진공 챔버(1)의 내벽면
11: 배기 공간부
11a: 배기구
2: 타겟
4: 스테이지
5: 실드판
7: 흡착체

Claims

카본제 타겟이 설치되는 진공 챔버와, 상기 진공 챔버를 진공 흡인하는 진공 펌프와, 상기 진공 챔버 내에서 성막 대상물을 유지하는 스테이지와 상기 진공 챔버의 내벽면으로부터 틈새를 두고 설치되어 상기 타겟과 상기 스테이지 사이의 성막 공간을 둘러싸는 실드판을 구비하고, 상기 진공 펌프에 의해 상기 진공 챔버 내를 소정 압력으로 진공 흡인한 후, 상기 타겟을 스퍼터링 함으로써, 성막 대상물 표면에 카본막을 성막하는 스퍼터링 장치에 있어서,
표면이 123K 이하의 온도로 냉각되는 흡착체를 더욱 구비하고, 상기 흡착체는, 상기 성막 대상물에 대한 복사가 방지되는 상기 진공 챔버 내의 소정 위치에, 상기 실드판의 외표면(outer surface) 부분에 틈새를 두고 설치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
청구항 1에 기재된 스퍼터링 장치에 있어서, 상기 타겟과, 상기 스테이지가 대향 배치됨과 동시에 양자를 잇는 연장선에 대해서 직교하는 방향으로 국소적으로 팽출시킨 배기 공간부를 설치하고, 상기 배기 공간부에 개설한 배기구에 상기 진공 펌프가 접속되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 실드판의 외표면 부분을 상기 배기 공간부의 배기가스 유입구에 마주하는 범위로 한 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.