KR102531159B1 - 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기존의 플라즈마 스퍼터링 장치에 전자 공급 수단으로서 전자빔 공급 모듈을 추가하여 스퍼터링의 공정 압력을 낮추어 줌으로써 증착 박막의 품질을 향상시킬 수 있도록 해주는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 그 방법을 제공하는데 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치는, 플라즈마 형성을 위해 공정 가스가 1 × 10-5 torr 이상이고 1 × 10-3 torr 미만인 저진공압으로 충진되어 있는 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내에 장착되고 전원이 공급되는 타겟, 상기 타겟의 표면에 형성되는 상기 플라즈마 내에 존재하는 상기 공정 가스의 양이온이 상기 타겟에 충돌함으로써 스퍼터링되는 타겟 원자가 날아가 증착되는 기판, 및 상기 플라즈마가 유지되도록 상기 플라즈마가 형성되는 상기 타겟의 표면을 향해 전자를 공급하는 전자빔 공급 모듈을 포함하고, 상기 전자빔 공급 모듈 및 상기 타겟 상에는 상기 전자빔 공급 모듈에서 조사되는 전자빔의 방향을 마주보지 않은 상기 타겟으로 유도하기 위한 자기장 통로를 형성하는 자기장 발생수단이 상기 전자빔 공급 모듈 및 상기 타겟의 양쪽 모두에 설치되며, 상기 타겟과 기판은 상기 진공 챔버의 상호 대향되는 제1 측면 및 제2 측면에 각각 설치되고, 상기 전자빔 공급 모듈은 상기 타겟과 대향되지 않도록 상기 타겟과 기판이 설치된 제1 측면 및 제2 측면이 아닌 다른 측면에 설치될 수 있다.
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Description
본 발명은 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 1 × 10-3 torr 미만의 저진공합 하에서도 플라즈마를 유지할 수 있도록 전자빔을 연속적으로 공급함으로써 스퍼터링된 증착 박막의 품질을 향상시킬 수 있도록 해주는 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 소자의 디자인 룰이 7nm. 5nm, 3nm 심지어는 2nm로 점점 더 미세 선폭을 가지는 상황으로 발전하는 것에 대응하여 미세 선 폭을 구성하는 박막의 조직이 더욱 치밀하고 박막 내부에 결함(defect)이 없고 또한 박막 표면의 거칠기를 낮추기 위한 다양한 박막 증착 방법의 연구가 진행되고 있다.
마그네트론 스퍼터(Magnetron sputter) 방법에 의해 증착된 박막은 일반적으로 박막 내 결함이 5.5개/60nm를 함유하고 있다. 이에 반해, 이온빔 스퍼터 증착(Ion Beam Sputter Deposition; IBD)으로 증착된 박막은 박막의 구조가 치밀하고 박막 내의 결함이 약 1/5로 줄어들어 1개/50nm가 되므로 높은 퀄리티의 반도체 박막을 얻을 수 있는 박막 증착 방법으로 주목 받고 있다.
하지만 이온빔 스퍼터 공정은 증착 속도가 기존 마그네트론 스퍼터 공정 대비 약 1/10 정도로 떨어지고 이온빔과 타겟 그리고 기판과의 위치, 이온빔 방향과 타겟 방향 그리고 스퍼터된 증착 입자의 비행 각도의 선정에 따른 복잡성, 이온빔 소스 내부에 있는 유전체 챔버의 오염 문제로 인한 이온빔 소스의 짧은 크리닝 주기 및 크리닝 공정의 어려움 등 기존 스퍼터에는 없었던 유지 보수의 어려움 등이 발생하여 쉽게 기존 반도체 소자 공정에 적용되기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 현재 반도체 뿐만 아니라 디스플레이 산업도 고급화된 고밀도 디스플레이를 위해 픽셀 사이즈가 점점 더 미세화되는 상황이기 때문에 생산공정에 현재 적용하고 있는 일반적인 스퍼터 방법의 한계를 극복할 수 있는 새로운 방법으로 박막의 퀄리티를 향상시키고자 하는 업계의 니즈가 증가되고 있다.
본 발명은 이러한 업계의 니즈를 충족시키고자 개발된 것으로서, 기존의 플라즈마 스퍼터링 장치에 전자 공급 수단으로서 전자빔 공급 모듈을 추가하여 스퍼터링의 공정 압력을 낮추어 줌으로써 증착 박막의 품질을 향상시킬 수 있도록 해주는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 그 방법을 제공하는데 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치는, 플라즈마 형성을 위해 공정 가스가 1 × 10-5 torr 이상이고 1 × 10-3 torr 미만인 저진공압으로 충진되어 있는 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내에 장착되고 전원이 공급되는 타겟, 상기 타겟의 표면에 형성되는 상기 플라즈마 내에 존재하는 상기 공정 가스의 양이온이 상기 타겟에 충돌함으로써 스퍼터링되는 타겟 원자가 날아가 증착되는 기판, 및 상기 플라즈마가 유지되도록 상기 플라즈마가 형성되는 상기 타겟의 표면을 향해 전자를 공급하는 전자빔 공급 모듈을 포함하고, 상기 전자빔 공급 모듈 및 상기 타겟 상에는 상기 전자빔 공급 모듈에서 조사되는 전자빔의 방향을 마주보지 않은 상기 타겟으로 유도하기 위한 자기장 통로를 형성하는 자기장 발생수단이 상기 전자빔 공급 모듈 및 상기 타겟의 양쪽 모두에 설치되며, 상기 타겟과 기판은 상기 진공 챔버의 상호 대향되는 제1 측면 및 제2 측면에 각각 설치되고, 상기 전자빔 공급 모듈은 상기 타겟과 대향되지 않도록 상기 타겟과 기판이 설치된 제1 측면 및 제2 측면이 아닌 다른 측면에 설치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 공정 가스 압력은 1 × 10-5 ~ 5 × 10-4 torr 범위 내 일 수 있다.
또한, 상기 진공 챔버 내부에는 상기 타겟의 표면으로 상기 공정 가스를 공급하도록 설치되는 공정 가스 공급부를 더 포함할 수 있으며, 상기 공정 가스 공급부에는 상기 공정 가스가 상기 타겟의 표면 방향으로 공급되도록 해주는 가림판이 설치될 수 있다.
또한, 상기 타겟과 기판은 상기 진공 챔버의 상호 대향되는 제1 측면 및 제2 측면에 각각 설치되고, 상기 전자빔 공급 모듈은 상기 타겟과 대향되지 않도록 상기 타겟과 기판이 설치된 제1 측면 및 제2 측면이 아닌 다른 측면에 설치될 수 있다.
또한, 상기 전자빔 공급 모듈과 상기 타겟이 장착되는 파이프의 원주 상에는 상기 전자빔 공급 모듈에서 조사되는 전자빔의 비행 방향을 상기 타겟으로 유도하기 위해 자기장 발생수단이 한쪽 또는 양쪽에 설치되며, 이 자기장 발생수단은 전자석 또는 영구자석일 수 있다.
또한, 상기 전자빔 공급 모듈은 상기 타겟을 향하여 전자빔을 공급하는 것과 상기 기판을 향해 전자빔을 공급하는 것 모두를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전자빔 공급 모듈은 상기 타겟을 향해 전자빔을 공급하는 것과 상기 기판을 향해 전자빔을 공급하는 것을 하나의 전자빔 공급 모듈에서 수행할 수 있도록 구성될 수 있으며, 상기 전자빔 공급 모듈이 2개 이상의 복수개로 구성되고, 상기 타겟을 향해 전자빔을 공급하는 것과 상기 기판을 향해 전자빔을 공급하는 것을 별개의 전자빔 공급 모듈에서 각각 수행할 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 진공 챔버 내에는 상기 타겟의 표면에 이온빔을 조사하여 타겟 원자를 스퍼터링시키는 이온빔 소스가 설치될 수 있다.
또한, 상기 타겟은 자성체 재료의 타겟일 수 있다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 방법은, 진공 챔버 내에 플라즈마를 형성하기 위해 공정 가스를 1 × 10-5 torr 이상이고 1 × 10-3 torr 미만인 저진공압으로 충진하고, 상기 진공 챔버 내에 장착된 타겟에 전원을 공급하며, 상기 타겟의 표면에 형성되는 상기 플라즈마 내에 존재하는 상기 공정 가스의 양이온이 상기 타겟에 충돌함으로써 스퍼터링되는 타겟 원자가 날아가 기판에 증착되는 플라즈마 스퍼터링 방법으로서, 상기 진공 챔버 내에 설치된 전자빔 공급 모듈에서 상기 플라즈마가 유지되도록 상기 타겟의 표면에 형성된 상기 플라즈마를 향해 타겟에 대향되지 않는 방향에서 전자빔을 공급하고, 상기 전자빔 공급 모듈 및 상기 타겟 상에는 상기 전자빔 공급 모듈에서 조사되는 전자빔의 방향을 마주보지 않은 상기 타겟으로 유도하기 위한 자기장 통로를 형성하는 자기장 발생수단이 상기 전자빔 공급 모듈 및 상기 타겟의 양쪽 모두에 설치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 공정 가스 압력은 1 × 10-5 ~ 5 × 10-4 torr 범위 내로 제어할 수 있다.
또한, 상기 진공 챔버 내부에 설치된 공정 가스 공급부에 의해 상기 타겟의 표면으로 상기 공정 가스를 별도로 공급할 수 있다.
또한, 상기 전자빔 공급 모듈과 상기 타겟 원주 상에 설치된 자기장 발생수단에 의해 상기 전자빔 공급 모듈에서 조사되는 전자빔의 방향을 상기 타겟으로 유도하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 전자빔 공급 모듈은 플라즈마 스퍼터링 증착 중에 상기 타겟을 향해 전자빔을 조사하고, 플라즈마 스퍼터링 증착이 일부 또는 전부 완료된 후에 상기 기판을 향해 전자빔을 조사하도록 구성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법에 따르면, 종래의 플라즈마 스퍼터링 장치 구성을 그대로 사용하면서도 진공 챔버 내의 공정 가스 압력을 낮추어 줌으로써, 스퍼터링된 타겟 원자가 기판을 향해 비행하며 날아가는 과정에서 공정 가스와의 충돌을 최대로 감소시켜 스퍼터링된 원자가 가진 에너지 손실을 최소화하여 높은 에너지를 유지한 상태로 기판 상에 증착 될 수 있도록 해주어 박막의 밀도가 높고 표면 거칠기는 낮으며 단위 면적당 결함 개수도 크게 감소한 고품질의 박막을 증착할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 이온빔 스퍼터링 장치를 사용하지 않고도 이온빔 스퍼터링 증착만큼 우수한 품질의 박막을 얻을 수 있다. 이에 의해 이온빔 소스를 사용함으로써 이온빔의 공간전하 효과(Space charge effect)에 의하여 생기는 증착 박막내의 오염원 도입 문제점도 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 기존에 사용하지 못했던 자성체 타겟을 사용할 수 있다.
도 1은 일반적인 플라즈마 스퍼터링 장치를 나타낸 도면.
도 2는 타겟을 향하고 있는 일반적인 이온빔 스퍼터링 장치를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 기본 개념을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 타겟을 향하고 있는 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 제1 실시 예를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 제2 실시 예를 나타낸 도면.
도 6은 도 5의 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치의 원리를 개략적으로 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 Multi Target 사용을 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 제3 실시 예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 제4 실시 예를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 제5 실시 예를 나타낸 도면.
도 2는 타겟을 향하고 있는 일반적인 이온빔 스퍼터링 장치를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 기본 개념을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 타겟을 향하고 있는 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 제1 실시 예를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 제2 실시 예를 나타낸 도면.
도 6은 도 5의 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치의 원리를 개략적으로 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 Multi Target 사용을 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 제3 실시 예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 제4 실시 예를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 제5 실시 예를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 설명되는 각 단계들은 특별한 인과관계에 의해 나열된 순서에 따라 수행되어야 하는 경우를 제외하고, 나열된 순서와 상관없이 수행될 수 있다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 그 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 일반적인 플라즈마 스퍼터링 장치를 나타낸 도면이다.
플라즈마 스퍼터링 장치에 따르면, 진공 챔버(10) 내에 있는 타겟(14)에 전원(15)을 넣어주고 외부 자기장을 가하면 이온과 전자의 집합체인 플라즈마(16)가 타겟(14)의 표면에 형성되고, 이 플라즈마(16) 속에서 양전하를 띠는 이온이 음극과 연결된 타겟(14) 쪽으로 가속 충돌되면 이 충돌에 의해 타겟 입자가 떨어져 나와 기판(17) 쪽으로 날아가 박막이 증착된다. 이와 같은 플라즈마를 이용한 타겟 에칭으로 타겟 입자가 떨어져 나와 기판에 타겟 물질이 증착되는 현상을 스퍼터 증착이라고 한다.
이 플라즈마 스퍼터링은 플라즈마(16)가 유지되어야 플라즈마에 의해 스퍼터링되고 그로부터 증착을 만들 수 있다. 플라즈마가 유지되기 위해서는 플라즈마로부터 무수히 플라즈마의 외부로 벗어나 날아가 버리는 전자를 연속적으로 공급해 주어야 가능하다. 이와 같은 전자의 공급은 타겟(14)에 연결되어 있는 전원(15)으로부터의 전류 공급에 의해 이루어진다. 타겟(14)에 공급된 전자는 플라즈마(16)가 있는 공간으로 방출되고, 방출된 전자가 에너지를 가지고 날아가는 동안 플라즈마 내의 공정 기체 원자와 충돌하여 기체 원자를 이온화시키는 순간 또 다른 전자를 추가적으로 만들게 된다.
이와 같이 제2, 제3의 연속 폭발적(Avalanching)으로 일어나는 전자와 기체 원자의 충돌은 결국 기체 이온과 전자가 주를 이루는 플라즈마를 지속시키는 원천이 되게 된다. 전자가 공정 가스와 충돌하여 만드는 전자의 갯수와 플라즈마 외부로 날아가 버리는 전자의 갯수가 어느 정도 평형이 이루어지면 플라즈마가 유지되지만, 만일 가스의 압력이 낮아서 전자가 원자와 충돌되는 횟수가 적어지면 새롭게 생성되는 전자의 숫자도 감소하므로 결국에는 플라즈마가 소멸되어 버리게 된다. 그러므로 플라즈마를 이루는 진공 챔버의 가스 압력은 일정 기준(~10-3 torr) 이상이 되어야 전자가 충돌할 가스 원자와 충돌할 확률을 확보하게 된다.
이러한 공정 가스 압력은 진공 챔버(10)와 밸브(12)을 통해 연결된 진공 펌프(11)에 의해 조절되며, 플라즈마를 형성하는 기체 원자는 기체 공급구(13)를 통해 공급되는데 통상적으로 아르곤(Ar)과 같은 비활성 기체가 사용된다.
또한 스퍼터링 중에 에칭된 타겟 원자들은 통상적으로 5 ~ 20eV의 에너지를 가지고 튀어나와 날아가는데, 기판을 향해 비행하는 동안에 공정 압력이 10-3 torr의 범위일 때 타겟 원자가 진공 챔버(10) 내의 공정 가스들과 평균거리 약 1cm 마다 충돌을 하므로 기판에 도달하기 전에 수십 번 충돌을 거쳐서 가지고 있는 에너지를 상당수 잃어버리고 기판에 도달하여 증착된다. 그 결과, 증착된 박막은 조밀하지 못하고 주상성장(columnar growth)을 하며 많은 공공(vacancy)나 결함(defect)을 가지고 공정가스의 포집 등이 일어나 낮은 밀도의 증착막을 형성하게 된다.
이러한 플라즈마 스퍼터링 공정상의 문제점은 공정 압력을 10-4 torr ~ 10-5 torr 정도까지 낮춤으로써 타겟 원자가 증착 전 충돌하는 횟수를 거의 1번 이하로 제한하는 것으로 해결할 수 있지만, 반면에 앞서 설명한 바와 같이 공정 압력이 낮아지면 전자의 생성 숫자가 감소하여 플라즈마가 유지되지 못하기 때문에 공정 압력을 일정 기준 이하로는 낮출 수 없게 된다. 그러므로 일반적인 플라즈마 스퍼터링 장치를 사용하는 경우에는 증착 박막의 품질을 일정 수준 이상으로 향상시킬 수 없는 기술적 한계가 존재하게 된다.
그러나 이러한 플라즈마 스퍼터링 장치의 기술적 한계를 극복하고 고품질의 증착 박막을 얻을 수 있는 방법으로 최근에 이온빔 스퍼터링 장치가 주목받고 있다.
도 2는 일반적인 이온빔 스퍼터링 장치를 나타낸다.
이온빔 스퍼터링 장치는 진공 챔버(20)가 밸브(22)를 통해 연결된 진공 펌프(21)에 의해 일정 공정 가스 압력(~ 10-4 torr)으로 유지된 상태로 이온빔 소스(23) 내에서 강한 에너지를 가지는 가스 이온이 타겟(25a,25b)으로 조사된다. 타겟(25a, 25b)은 다양한 원소로 된 증착층을 만들 수 있도록 복수 개로 구성되고, 이들 타겟(25a,25b)은 타겟 장착 테이블(24) 상에 회전 가능하게 장착된다. 도 2에는 2개의 서로 다른 물질로 형성된 타겟(25a,25b)이 타겟 장착 테이블(24) 상에 장착된 형태를 예시하고 있으나, 이에 한정되지 아니하고 3개 이상의 타겟이 장착될 수 있음은 당연하다 할 것이다.
상기 이온빔 소스(23)로부터 조사된 가스 이온이 타겟(25a,25b)과 가속 충돌되면 이 충돌에 의해 타겟 원자가 떨어저 나와 기판(26) 쪽으로 날아가 박막이 증착된다. 이온빔 스퍼터링 장치는 도 1을 참조로 설명한 플라즈마 스퍼터링 장치와 달리 타겟(25a,25b) 표면에 플라즈마가 형성되지 않기 때문에 이 플라즈마를 유지하기 위해 공정 가스 압력을 일정 기준치 이상(10-3 torr 이상)으로 유지할 필요가 없으므로, 앞서 설명한 바와 같이 이온빔 스퍼터링 장치는 통상적으로 10-4 torr 이하의 낮은 공정 가스 압력을 유지할 수 있다.
낮은 공정 가스 압력 하에서는 이온빔 스퍼터링 중에 에칭된 타겟 원자들이 진공 챔버(20) 내의 공정 가스들과 충돌하는 횟수가 크게 감소하여 스퍼터링 과정에서 가지게 된 높은 에너지를 유지한 채 기판(26)에 도달하여 증착될 수 있으며, 그 결과 조밀하고 결함이 적은 고밀도의 증착막을 형성하게 된다. 이러한 이유로 인해 이온빔 스퍼터링 장치에 의하면 플라즈마 스퍼터링 장치보다 높은 품질의 증착막을 얻을 수 있게 된다.
그러나, 이온빔 스퍼터링 장치는 이온빔 소스(23)로부터 조사된 높은 에너지의 이온빔이 타겟(25a,25b)을 조사하여 비행하는 동안에 이온빔의 공간전하 효과(Space charge effect)에 의하여, 즉 같은 양전하를 가진 이온끼리의 반발력에 의하여 비행경로를 벗어난 이온들이 타겟 주위의 장치 구성물을 때려서 이것이 스퍼터되어 오염원으로 도입하게 되고, 이러한 오염원 원자가 기판에 타겟 원자와 같이 증착되는 경우 불순물로 인한 결함이 되어 증착 박막의 품질에도 악영항을 미치게 된다.
본 발명은 도 1의 플라즈마 스퍼터링 장치를 그대로 사용하면서도 전자빔 장치를 이용하여 도 2의 이온빔 스퍼터링 장치에서와 같이 낮은 공정 가스 압력을 유지할 수 있도록 해 줌으로써, 2개의 스퍼터링 장치가 가지는 단점을 한꺼번에 해결할 수 있도록 개발된 것이다. 다시 말해, 본 발명의 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치에 따르면, 전자빔에 의해 충분한 전자가 공급되기 때문에 진공 챔버 내의 공정 가스 압력을 낮은 상태에서도 플라즈마를 유지할 수 있고, 그 결과 스퍼터링된 타겟 원자가 공정 가스와의 충돌을 최소화할 수 있어 높은 에너지를 유지한 채 기판 상에 증착되므로 치밀한 증착 박막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 이온빔 소스를 사용하지 않기 때문에 이온빔에 의한 타겟 주위의 구성물을 스퍼터링하여 오염원을 발생시키는 문제점도 미연에 방지할 수 있게 된다.
이하에서 도 3 내지 도 9를 참조로 본 발명에 따른 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법에 대한 다양한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 기본 개념을 나타내는 도면이다.
전자빔 어시스트 스퍼터링 장치는 기본적으로 도 1을 참조로 설명한 플라즈마 스퍼터링 장치와 구성이 유사하다. 즉, 진공 챔버(10) 내에 있는 타겟(14)에 전원(15)을 공급하여 음의 전하로 대전되도록 한 후, 외부 자기장을 가하면 이온과 전자의 집합체인 플라즈마(16)가 타겟(14)의 표면에 형성된다. 이 플라즈마(16) 속에서 양전하를 띠는 공정 가스 이온이 음극과 연결된 타겟(14) 쪽으로 가속 충돌되면 이 충돌에 의해 타겟 입자가 떨어져 나와 기판(17) 쪽으로 날아가 박막이 증착된다.
이 때, 플라즈마가 유지되기 위해서는 플라즈마의 외부로 무수히 날아가 버리는 전자를 연속적으로 공급해 주어야 가능하다. 이와 같은 전자의 공급은 타겟(14)에 연결되어 있는 전원(15)으로부터의 전류 공급에 의해 이루어진다. 타겟(14)에 공급된 전자는 플라즈마(16)가 있는 공간으로 방출되어 전자가 에너지를 가지고 날아가는 동안 플라즈마 내의 기체 원자와 충돌하여 기체 원자를 이온화시키는 순간 또 다른 전자를 추가적으로 만들게 된다. 이 때, 공정 가스의 압력이 낮아서 전자가 가스 원자와 충돌되는 횟수가 적어지면 새롭게 생성되는 전자의 숫자도 감소하므로 플라즈마가 소멸되어 버릴 수 있다. 그러므로 종래에는 플라즈마를 이루는 공간의 가스 압력은 일정 기준(~10-3 torr) 이상으로 유지하여 전자가 충돌할 가스 원자와 충돌할 확률을 확보할 수 있도록 하였다.
그러나, 진공 챔버(10)의 공정 가스 압력이 높으면 스퍼터링 중에 뜯겨진 타겟 원자들이 기판을 향해 비행하는 동안에 공정 가스들과 평균거리 약 1cm 마다 충돌을 하여 기판에 도달하기 전에 수십 번 충돌을 거치므로 가지고 있는 에너지를 상당수 잃어버리고 기판에 도달하여 증착된다. 그 결과, 증착된 박막은 조밀하지 못하고 주상성장(columnar growth)을 하며 많은 공공(vacancy)나 결함(defect)을 가지고 공정가스의 포집 등이 일어나 낮은 밀도의 증착막을 형성하게 된다는 것은 도 1을 참조로 설명한 바와 같다.
본 발명의 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치는, 진공 챔버(10) 내의 공정 가스 압력을 기존보다 크게 낮추어 스퍼터링된 타겟 원자가 진공 가스와의 충돌하는 것을 최소화함으로써 높은 에너지를 유지한 상태로 날아가 기판에 증착될 수 있도록 함과 동시에 낮은 압력에 의하여 플라즈마가 꺼져 버리는 것을 방지하기 위하여 별도로 설치된 전자빔 공급 모듈(30)을 통해 상기 타겟(14)의 표면에 전자를 별도로 공급함으로써 낮은 공정 가스 압력에서도 플라즈마를 유지하는데 충분한 전자를 공급할 수 있도록 해주는 것이다.
공정 가스 압력은 진공 챔버(10)와 밸브(12)을 통해 연결된 진공 펌프(11)에 의해 조절되며, 플라즈마를 형성하는 기체 원자는 기체 공급구(13)를 통해 공급되는데 통상적으로 아르곤(Ar)과 같은 비활성 기체가 사용된다. 본 발명에 따르면, 일반적인 플라즈마 스퍼터링 장치를 사용하면서도 공정 가스 압력을 기존보다 낮은 1 × 10-5 ~ 5 × 10-3 torr 범위 내로 조절할 수 있다.
상기 공정 가스 압력이 1 × 10-5 보다 더 낮으면 공정 가스 원자 자체가 숫자가 너무 작아져서 전자빔 공급 모듈을 통해 전자를 별도로 공급하여도 플라즈마를 유지하는데 필요한 전자와 공정 가스 원자와의 유효 충돌 횟수를 확보할 수 없고, 상기 공정 가스 압력이 5 × 10-3 보다 더 높으면, 스퍼터링된 타겟 원자가 공정 가스와의 충돌 횟수가 너무 많아져 에너지 손실이 증가함으로써 증착 박막의 품질을 향상시키고자 하는 본 발명의 목적을 달성하기 어렵게 된다.
더욱 바람직하게는 상기 공정 가스 압력은 1 × 10-5 ~ 5 × 10-4 torr의 최적화된 범위 내로 조절할 수 있으며, 이와 같이 압력이 낮을지라도 전자빔 공급 모듈(30)에 의해 공급되는 전자의 숫자에 의해 플라즈마를 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 공정 가스 압력이 높을 때 발생하는 과도한 이온 충돌로 인한 Mirco Arc가 없어 Macro particle의 발생이 적어 작은 사이즈의 타겟 원자만이 높은 에너지를 유지한 채 기판 상에 증착되므로 밀도가 높고 표면 조도가 낮은 Fine한 증착 박막을 얻을 수 있게 된다.
이 때, 상기 전자빔 공급 모듈(30)은 도 3에서와 같이 텅스텐 필라멘트 가열에 의한 열전자의 공급에 의한 방법, 직류 전원을 가한 텅스텐과 같은 금속 전극에서 나오는 Field Emission 전자를 이용한 방법, 플라즈마로부터 전자만을 선택적으로 추출하여 나온 전자빔의 공급에 의한 방법 등을 사용하여 구성될 수 있다.
이 때, 상기 플라즈마는 공정 가스를 넣어준 진공 챔버(10)에 ICP나 TCP 안테나에 의한 RF power 공급에 의해 만들어진 플라즈마, Hollow Cathode에 의한 플라즈마, 필라멘트 전극 가열로 공급된 열전자가 만든 플라즈마 등 어느 것을 사용하여도 무방하다. 또한, 전자빔 조사를 이용한 스퍼터링 증착 동안에 타겟(14)에 별도로 연결 가해주는 파워(15)는 금속 타겟의 경우 DC, Pulse DC, RF 등을 사용할 수 있지만 세라믹이나 Si과 같은 부도체 혹은 반도체의 경우 Pulse DC나 RF를 이용하여 증착하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 타겟을 향하고 있는 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따르면, 상기 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치는 진공 챔버(20)가 밸브(22)를 통해 연결된 진공 펌프(21)에 의해 일정 공정 가스 압력(1 × 10-5 ~ 5 × 10-3 torr 범위 내)으로 유지된 상태로 타겟을 향하여 전자빔을 조사한다. 이때 위치를 교체할 수 있는 2개의 타겟(25a,25b)중에 전자빔이 조사되는 위치에 있는 타겟에 전원(34)을 공급하면 타겟에 플라즈마가 형성되어 낮은 압력에서 스퍼터링이 일어난다. 그 후 타겟 주위에 외부 자기장(27)을 가하면 전자의 집중이 더 잘 이루어져 이온과 전자의 집합체인 플라즈마(31)가 타겟의 표면에 더욱 높은 밀도로 형성된다. 이 플라즈마(31) 속에서 양전하를 띠는 공정 가스 이온이 음극과 연결된 타겟(25a,25b) 쪽으로 가속 충돌되면 이 충돌에 의해 타겟 입자가 떨어져 나와 기판(26) 쪽으로 날아가 박막이 증착된다.
일반적인 플라즈마 스퍼터링 장치에서는 진공 챔버(20) 내 공정 가스 압력을 1 × 10-5 ~ 5 × 10-3 torr 범위 내로 낮게 유지하게 되면, 공정 가스 원자와 충돌하여 플라즈마를 생성하는데 필요한 전자의 숫자가 부족하여 플라즈마가 유지되지 못하게 된다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 진공 챔버(20) 내에 설치된 전자빔 공급 모듈(30)로부터 상기 플라즈마(31)가 형성되는 타겟(25a,25b)의 표면을 향해 전자빔을 조사하고, 이를 통해 상기 플라즈마(31) 내로 계속하여 필요한 전자를 공급할 수 있도록 구성된다.
앞서 도 2를 참조로 설명한 바와 같이, 이온빔 스퍼터링 장치는 플라즈마를 생성 및 유지할 필요가 없기 때문에 진공 챔버 내의 공정 가스 압력을 10-4 torr 이하로 낮게 유지할 수 있고, 이온빔의 조사에 의해 스퍼터링된 타겟 원자는 공정 가스와의 충돌을 최소화하여 높은 에너지를 유지한 채 기판 상에 증착되므로 고품질의 증착 박막을 생성할 수 있다. 따라서, 일반 플라즈마 스퍼터링 장치에서도 공정 가스 압력을 낮출 수 있게 되면 이온빔 스퍼터링 장치와 동일한 퀄리티의 박막을 증착할 수 있게 된다.
이를 위해서는 플라즈마를 낮은 공정 가스 압력에서도 유지하여 주는 것이 주요 관건이다. 플라즈마를 꺼지지 않게 계속적으로 충분한 양의 전자를 공급하여주는 것이 공정 압력이 낮은 상태에서도 플라즈마를 꺼지지 않게 하여서 스퍼터가 유지되게 해 주는 가장 중요한 요소가 된다.
본 발명의 일 실시예와 같이, 진공 챔버(20) 내에 전자빔 공급 모듈(30)을 별도로 설치하고, 이 전자빔 공급 모듈(30)이 상기 타겟(25a,25b) 위에 전원(34)의 연결을 통해 공급되는 전자와는 별도로 타겟(25a,25b) 표면에 충분한 양의 전자빔(31a)을 조사함으로써, 전자들이 플라즈마 외부로 사라지는 것보다 더 많이 공급되는 것에 의하여 낮은 공정 가스 압력 하에서도 플라즈마를 유지하는 것이 가능하도록 해준다. 즉 전자빔 조사에 의한 다량의 전자 공급은 낮은 공정 가스 압력 하에서도 타겟(25a,25b) 위에 플라즈마(31)를 유지하게 하고 그 플라즈마(31)에 의하여 스퍼터링이 가능하게 한다.
상기 타겟(25a, 25b)은 다양한 원소로 된 증착층을 만들 수 있도록 복수 개로 구성되고, 이들 타겟(25a,25b)은 타겟 장착 테이블(24) 상에 회전 가능하게 장착된다. 상기 복수 개의 타겟(25a,25b) 중에서 상기 전자빔 공급 모듈(30)로부터 전자빔을 조사받는 타겟에 플라즈마가 생성 및 유지되면서 스퍼터링된 타겟 원자가 낮은 공정 가스 압력 하에서 공정 가스와의 충돌을 최소화함으로써 높은 에너지를 유지한 채 기판(26)에 증착된다.
그러므로 본 발명의 일 실시예에 따르면 현재 상용화되고 있는 일반 플라즈마 스퍼터링 장치의 박막 제조공정을 이용하되 훨씬 더 치밀하고 결함이 적은 고품질의 박막을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 진공 챔버(20) 내부에 상기 타겟의 표면으로 상기 공정 가스를 공급하도록 설치되는 공정 가스 공급부(33)를 더 포함할 수 있다. 상기 진공 챔버(20) 내의 전체 공정 가스 압력이 낮기 때문에 타겟(25a,25b)의 표면에서도 공정 가스의 분포가 대체로 낮게 유지된다. 플라즈마를 생성하기 위해서는 전자와 충돌하는 진공 가스 원자의 숫자가 많아져야 하므로, 상기 공정 가스 공급부(33)를 통해 공정 가스를 타겟(25a,25b)의 표면에 직접 공급함으로써 플라즈마 생성에 보다 유리하도록 해준다. 이 때 공정 가스 공급부(33)를 통해 공급되는 진공 가스로 인해 진공 챔버(20) 내의 전체 공정 가스 압력이 더 높아지지는 아니하며, 앞서 설명한 1 × 10-5 ~ 5 × 10-3 torr 범위 내를 유지하도록 제어된다.
또한, 상기 공정 가스 공급부(33)에는 상기 공정 가스가 상기 타겟(25a,25b)의 표면으로 공급되도록 해주는 가림판(32)이 설치될 수 있다. 이 가림판(32)의 안쪽에서 상기 공정 가스 공급부(33)에 의해 공정 가스가 타겟(25a,25b)의 표면으로 분사되므로 확률적으로 타겟 위에서 전자와의 충돌에 의한 이온 생성을 높여줄 수 있게 된다.
또한, 상기 타겟(25a,25b) 상에는 자기장 발생수단(27)이 설치될 수 있다. 이 자기장 발생수단(27)은 전자빔 공급 모듈(30)로부터 조사되는 전자빔(30a)의 방향이 타겟(25a,25b)의 표면을 향하도록 가이드해줌으로써, 타겟의 표면 위에서 전자가 공정 가스와 충돌되는 확률을 높여 증착의 효율성을 향상시켜 준다. 이 자기장 발생수단(27)은 원형 또는 타원형 트랙 형태의 링형으로 만들어질 수 있으며, 전자석 또는 영구자석으로 구성될 수 있다.
다만, 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 타겟(25a,25b)과 기판(26)은 진공 챔버(20)의 상호 대향되는 제1 측면 및 제2 측면에 각각 설치되고, 상기 전자빔 공급 모듈(20) 또한 상기 기판(26)과 동일한 제2 측면에 설치되어 타겟(25a,26b)과 대향되도록 배치된다. 그 결과, 플라즈마에 의해 스퍼터링된 타겟 원자의 대부분(31a)은 기판(26)을 향해 날아가 증착되지만, 스퍼터링된 타겟 원자의 일부(31b)는 전자빔 공급 모듈(30)을 향해 날아가 증착됨으로써 전자빔 공급 모듈(30) 내부가 오염될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 제2 실시예를 나타낸 것으로서, 상기 전자빔 공급 모듈(30)의 오염 문제를 해결한 것이다.
본 실시예에 따르면, 상기 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치는 상기 타겟(25a,25b)과 기판(26)은 진공 챔버(20)의 상호 대향되는 제1 측면 및 제2 측면(수평 측면)에 각각 설치되고, 상기 전자빔 공급 모듈(30,40)은 타겟(25a,25b)과 대향되지 않도록 타겟(25a,25b)과 기판(26)이 설치된 제1 측면 및 제2 측면이 아닌 다른 측면(수직 측면)에 설치된다. 그리고, 상기 전자빔 공급 모듈(30,40) 각각에 링 형태의 자기장 발생수단(35,45)이 설치되고, 상기 타겟(25a,25b) 각각에도 링 형태의 자기장 발생수단(27a,27b)이 설치된다. 이 자기장 발생수단(35,45)(27a,27b)은 전자빔 공급 모듈(30,40)에서 조사되는 전자빔의 방향을 상기 타겟(25a,25b)으로 유도하기 위해 설치되는 것으로서, 원형 또는 타원형 트랙 형태의 링형으로 만들어질 수 있으며, 전자석 또는 영구자석으로 구성될 수 있음은 상기한 바와 같다.
도 5에 도시된 바와 같이, 우측 상단에 위치한 전자빔 공급 모듈(30)의 자기장 발생수단(35)과 좌측 하단에 위치한 타겟(25a)의 자기장 발생수단(27a)을 함께 제어하면, 2개의 자기장이 만나서 도 6에 도시된 바와 같이 곡면 튜브 형태의 B-Filed가 생성되고 전자빔 공급 모듈(30)로부터 조사된 전자빔(30a)이 상기 곡면 튜브 형태의 B-Filed 내부를 따라서 타겟(25a)의 표면으로 날아가게 된다. 그 결과, 비록 전자빔 공급 모듈(30)이 타겟(25a)가 대향되지 않는 측면(수직 측면)에 설치되어도 조사되는 전자빔의 대부분을 타겟(25a)의 표면으로 적절하게 유도할 수 있다.
반면에 플라즈마(31)에 의해 스퍼터링된 타겟 원자(31a)는 타겟(25a,25b)과 대향되는 측면(수평 측면)에 배치된 기판(26)으로 날아가 증착되고, 타겟(25a,25b)과 대향되지 않는 측면(수직 측면)에 배치된 전자빔 공급 모듈(30)은 스퍼터링된 타겟 원자(31a)가 날아오지 않아 이로부터 오염되는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 제3 실시 예를 나타낸 것으로서, 시스템을 위에서 내려다 본 평면 배치도이다. 본 실시 예에 따르면, 상기 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치는 진공 챔버(20)의 하부에 회전 가능하게 설치된 타겟 장착 테이블(24) 상에 4개의 타겟(25a,25b,25c,25d)이 장착되고, 진공 챔버(20)의 수직 측면에는 상기 4개의 타겟(25a,25b,25c,25d)과 대응되는 4개의 전자빔 공급 모듈(30,40,50,60)이 설치된다.
상기 4개의 전자빔 공급 모듈(30,40,50,60) 각각에는 링 형태의 자기장 발생수단(35,45,55,65)이 설치된다. 도시되어 있지 않지만, 상기 4개의 타겟(25a,25b,25c,25d) 각각에도 링 형태의 자기장 발생수단이 설치될 수 있다. 이 자기장 발생수단(35,45,55,65)은 전자빔 공급 모듈(30,40,50,60)에서 조사되는 전자빔의 방향을 상기 타겟(25a,25b,25c,25d)으로 유도하기 위해 설치되는 것으로서, 원형 또는 타원형 트랙 형태의 링형으로 만들어질 수 있으며, 전자석 또는 영구자석으로 구성될 수 있음은 상기한 바와 같다.
이와 같이 구성된 본 실시예의 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법에 따르면, 기판 상에 다양한 종류의 타겟 원자를 증착할 수 있다. 증착 원자는 주로 각종 금속 원소(Si, Ti, Mo, Cu, Al, Cr, Ni, C 등)나 각종 세라믹, 투명 전극(ITO) 등의 수많은 고체 물질이 사용된다. 예를 들어 반도체 EUV 리소 공정에 들어가는 블랭크 마스크의 경우 실리콘(Si), 몰리브덴(Mo)이 교대로 적층되는 다층 반사막이 형성되고, 그 위에 루테늄(Ru) 또는 루테늄 합금으로 된 보호막 및 탄탈륨(Ta) 또는 탄탈륨 합금으로 된 흡수체막이 차례로 적층된다. 따라서, 본 실시예의 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치에 따르면, 실리콘, 몰리브덴, 루테늄, 탄탈륨의 4개의 타겟(25a,25b,25c,25d)이 마련되고, 각각에 대응되는 4개의 전자빔 공급 모듈(30,40,50,60)이 차례로 작동하면서 기판 상에 4종류의 증착 박막을 형성할 수 있다. 이에 따르면, 하나의 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치만으로도 EUV용 블랭크 마스크를 제조할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 제4 실시예를 나타낸 것으로서, 시스템을 위에서 내려다 본 평면 배치도이다. 본 실시예에 따르면, 상기 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치는 진공 챔버(20)의 하부에 회전 가능하게 설치된 타겟 장착 테이블(24) 상에 4개의 타겟(25a,25b,25c,25d)이 장착되고, 진공 챔버(20)의 수직 측면에는 각각 2개의 전자빔 공급 모듈(30,40)과 2개의 이온빔 공급 모듈(70,80)이 각각 설치된다.
상기 2개의 전자빔 공급 모듈(30,40) 및 2개의 이온빔 공급 모듈(70,80) 각각에는 링 형태의 자기장 발생수단(35,45,75,85)이 설치된다. 도시되어 있지 않지만, 상기 4개의 타겟(25a,25b,25c,25d) 각각에도 링 형태의 자기장 발생수단이 설치될 수 있다. 이 자기장 발생수단(35,45,75,85)은 전자빔 공급 모듈(30,40)에서 조사되는 전자빔의 방향과 이온빔 공급 모듈(70,80)에서 조사되는 이온빔의 방향을 상기 타겟(25a,25b,25c,25d)으로 유도하기 위해 설치되는 것으로서, 원형 또는 타원형 트랙 형태의 링형으로 만들어질 수 있으며, 전자석 또는 영구자석으로 구성될 수 있음은 상기한 바와 같다.
이에 따르면, 상기 전자빔 공급 모듈(30,40)과 대응되는 2개의 타겟(25a,25b)에는 전자빔을 이용한 플라즈마 스퍼터링 공정이 적용될 타겟 물질이 장착되고, 상기 이온빔 공급 모듈(70,80)과 대응되는 2개의 타겟(25a,25b)에는 이온빔 스퍼터링 공정이 적용될 타겟 물질이 장착될 수 있다. 예를 들어, 상기 EUV용 블랭크 마스크를 제조함에 있어서, 실리콘 및 몰리브덴이 교대로 적층되는 다층 반사막은 이온빔 스퍼터링 공정에 의해 제조되고, 루테늄과 탄탈륨이 적층되는 보호막과 흡수체막은 플라즈마 스퍼터링 공정에 의해 제조되도록 구성될 수 있다. 이러한 이온빔 스퍼터링 공정 및 플라즈마 스퍼터링 공정이 교대로 사용되는 제조 공정을 본 실시예에 따른 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 하나만을 사용하여 제조할 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치 및 방법의 제5 실시예를 나타낸 것이다. 본 실시예에 따르면, 상기 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치는 기판(26)이 진공 챔버(20)의 내부에서 일정 거리만큼 이동 가능하게 설치된다. 이외에 상기 타겟(25a,25b)과 기판(26)은 진공 챔버(20)의 상호 대향되는 제1 측면 및 제2 측면(수평 측면)에 각각 설치되고, 상기 전자빔 공급 모듈(30,40)은 타겟(25a,25b)과 대향되지 않도록 타겟(25a,25b)과 기판(26)이 설치된 제1 측면 및 제2 측면이 아닌 다른 측면(수직 측면)에 설치되며, 상기 전자빔 공급 모듈(30,40) 각각에 링 형태의 자기장 발생수단(35,45)이 설치되고 상기 타겟(25a,25b) 각각에도 링 형태의 자기장 발생수단(27a,27b)이 설치되는 것은 상기 도 5의 실시예와 동일하므로, 각 구성요소의 기능에 대한 상세한 설명은 도 5의 설명 부분을 참조하기로 한다.
2개의 전자빔 공급 모듈(30,40)로부터 타겟(25a,25b)으로 조사되는 전자빔은 크게 2가지 기능을 수행한다. 하나는 앞서 설명한 바와 같이 타겟의 표면에 전자를 충분히 공급함으로써 낮은 공정 가스 압력 하에서도 플라즈마가 생성 및 유지될 수 있도록 해주는 것이며, 다른 하나는 전자빔이 기판 위의 증착 박막에 조사되는 동안에 박막 표면의 원자에 진동 에너지를 가하여 재배열되도록 해줌으로써 표면의 기포나 불순물을 제거해주는 것이다. 후자의 경우를 전자빔 어닐링 기능이라 하는데, 이를 통해 우수한 특성을 가진 증착 박막을 형성할 수 있도록 해준다
본 실시예에 따르면, 이러한 전자빔 어닐링 공정을 기판(26)에 대해서 적용할 수 있다. 먼저, 기판(26)을 진공 챔버(20)의 중앙부로 이동시킨 다음, 전자빔 공급 모듈(30)을 동작시켜 타겟(25a) 표면에 전자빔(30a)을 조사함으로써 플라즈마(31)를 형성하면, 이 플라즈마에 의해 스퍼터링된 타겟 원자(31a)가 높은 에너지를 유지한 채 날아가 기판(26) 상에 증착된다. 그 후, 기판(26)을 상부로 다시 이동시킨 다음, 전자빔 공급 모듈(30)에 장착된 링 형태의 자기장 발생수단(35)에 전류를 반대로 흘려 자기장의 방향을 바꾸어 주면 전자빔(30b)이 위쪽으로 향하여 조사되어 박막이 증착된 기판 위에 전자빔을 조사할 수 있게 된다.
그 결과, 진공 챔버(20)의 진공을 깨지 않으면서 전자빔에 의한 스퍼터링 증착(E-Beam sputtering) 또는 이온빔에 의한 스퍼터링 증착(Ion Beam sputtering)을 한 이후에 증착 박막의 표면에 전자빔을 조사하여 표면 원자를 재배열시킴으로써 박막의 표면 결함을 제거하는 등 박막의 특성을 향상시켜줄 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 리니어 타겟을 사용하는 경우에 리니어 타겟의 형태에 맞는 리니어 전자빔 공급 모듈을 사용하여 리니어 전자빔을 리니어 타겟을 향하여 조사하면 대면적 증착 시에도 증착의 효율성을 높일 수 있는 방법으로 사용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 기존에 불가능했던 자성체 재료의 타겟을 사용하는 스퍼터 공정에도 적용 가능하다. 일반적인 플라즈마 스퍼터 공정에서 타겟을 Fe, Co, Ni 와 같은 자성체 물질로 사용하게 되면 스퍼터 건 자체에 장착되어 있는 자석의 마그네틱 필드가 자성체 타겟 표면으로 나오기 어렵기 때문에, 즉 타겟이 자성체 물질인 경우 마그네틱 필드가 약해 플라즈마가 약하거나 꺼져 버리게 되므로 아예 스퍼터링 증착을 할 수 없게 된다.
하지만 본 발명을 이용한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치를 사용하면, 기판 방향으로 공급되는 전자들이 플라즈마 내 mean free path를 줄일 수 있어 낮은 공정 가스 압력 하에서도 작업이 가능하기 때문에 자성체 타겟도 사용이 가능하다. 이는 이온빔에 의해서도 가능하지만 공간전하 효과에 의한 오염원의 증착을 수반하지 않고서 증착이 가능하기 때문에 고순도의 증착을 수행할 수 있게 된다.
본 발명의 각 실시예에 개시된 기술적 특징들은 해당 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 서로 양립 불가능하지 않은 이상, 각 실시예에 개시된 기술적 특징들은 서로 다른 실시예에 병합되어 적용될 수 있다.
따라서, 각 실시예에서는 각각의 기술적 특징을 위주로 설명하지만, 각 기술적 특징이 서로 양립 불가능하지 않은 이상, 서로 병합되어 적용될 수 있다. 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 관점에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 본 명세서의 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10, 20: 스퍼터링 챔버 11, 21: 펌프
12, 22: 밸브 23: 이온빔 소스
24: 타겟 장착 테이블 14, 25a, 25b: 타겟
17, 26: 기판 27: 자기장 발생수단
30,40,50,60: 전자빔 공급 모듈 30a, 30b: 전자빔
16, 31: 플라즈마 31a, 31b: 타겟 원자
32: 가림판 33: 가스 공급부
15, 34: 전원 35,45,55,65: 자기장 발생수단
70,80: 이온빔 공급 모듈 75,85: 자기장 발생수단
12, 22: 밸브 23: 이온빔 소스
24: 타겟 장착 테이블 14, 25a, 25b: 타겟
17, 26: 기판 27: 자기장 발생수단
30,40,50,60: 전자빔 공급 모듈 30a, 30b: 전자빔
16, 31: 플라즈마 31a, 31b: 타겟 원자
32: 가림판 33: 가스 공급부
15, 34: 전원 35,45,55,65: 자기장 발생수단
70,80: 이온빔 공급 모듈 75,85: 자기장 발생수단
Claims (20)
- 플라즈마 형성을 위해 공정 가스가 1 × 10-5 torr 이상이고 1 × 10-3 torr 미만인 저진공압으로 충진되어 있는 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내에 장착되고 전원이 공급되는 타겟, 상기 타겟의 표면에 형성되는 상기 플라즈마 내에 존재하는 상기 공정 가스의 양이온이 상기 타겟에 충돌함으로써 스퍼터링되는 타겟 원자가 날아가 증착되는 기판, 및 상기 플라즈마가 유지되도록 상기 플라즈마가 형성되는 상기 타겟의 표면을 향해 전자를 공급하는 전자빔 공급 모듈을 포함하고,
상기 전자빔 공급 모듈 및 상기 타겟 상에는 상기 전자빔 공급 모듈에서 조사되는 전자빔의 방향을 마주보지 않은 상기 타겟으로 유도하기 위한 자기장 통로를 형성하는 자기장 발생수단이 상기 전자빔 공급 모듈 및 상기 타겟의 양쪽 모두에 설치되며,
상기 타겟과 기판은 상기 진공 챔버의 상호 대향되는 제1 측면 및 제2 측면에 각각 설치되고, 상기 전자빔 공급 모듈은 상기 타겟과 대향되지 않도록 상기 타겟과 기판이 설치된 제1 측면 및 제2 측면이 아닌 다른 측면에 설치되는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 공정 가스 압력은 1 × 10-5 ~ 5 × 10-4 torr 범위 내인 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 진공 챔버 내부에는 상기 타겟의 표면으로 상기 공정 가스를 공급하도록 설치되는 공정 가스 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 공정 가스 공급부에는 상기 공정 가스가 상기 타겟의 표면으로 공급되도록 해주는 가림판이 설치된 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 자기장 발생수단은 전자석 또는 영구자석인 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 전자빔 공급 모듈은 상기 타겟을 향하여 전자빔을 공급하는 것과 상기 기판을 향해 전자빔을 공급하는 것 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치. - 청구항 6에 있어서,
상기 전자빔 공급 모듈은 상기 타겟을 향해 전자빔을 공급하는 것과 상기 기판을 향해 전자빔을 공급하는 것을 하나의 전자빔 공급 모듈에서 전자빔의 방향을 바꾸어 수행할 수 있도록 해주는 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치. - 청구항 7에 있어서,
상기 기판은, 상기 진공 챔버 내부에서 상기 타겟에 대하여 연직으로 일정 거리만큼 이동 가능하게 설치되며,
상기 자기장 발생 수단은, 상기 기판이 하부로 이동하는 것에 대응하여 상기 전자빔 공급 모듈에서 조사되는 전자빔의 방향을 상기 타겟으로 유도함으로써 상기 타겟의 표면에 전자를 공급하여 낮은 공정 가스 압력 하에서도 상기 플라즈마가 생성 및 유지되도록 하고, 상기 기판이 상부로 이동하는 것에 대응하여 상기 전자빔 공급 모듈에서 조사되는 전자빔의 방향을 상기 기판으로 유도함으로써 상기 기판에 증착되는 타겟 원자에 진동 에너지를 가하여 재배열되도록 하는 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치. - 청구항 6에 있어서,
상기 전자빔 공급 모듈은 2개 이상의 복수개로 구성되고, 상기 타겟을 향해 전자빔을 공급하는 것과 상기 기판을 향해 전자빔을 공급하는 것을 별개의 전자빔 공급 모듈에서 각각 수행할 수 있도록 해주는 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 진공 챔버 내에는 상기 타겟 또는 별도의 타겟 표면에 별도의 추가 이온빔을 조사하여 타겟 원자를 스퍼터링시키는 이온빔 소스가 추가적으로 설치된 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 타겟은 자성체 타겟인 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 장치. - 진공 챔버 내에 플라즈마를 형성하기 위해 공정 가스를 1 × 10-5 torr 이상이고 1 × 10-3 torr 미만인 저진공압으로 충진하고, 상기 진공 챔버 내에 장착된 타겟에 전원을 공급하며, 상기 타겟의 표면에 형성되는 상기 플라즈마 내에 존재하는 상기 공정 가스의 양이온이 상기 타겟에 충돌함으로써 스퍼터링되는 타겟 원자가 날아가 기판에 증착되는 플라즈마 스퍼터링 방법으로서,
상기 진공 챔버 내에 설치된 전자빔 공급 모듈에서 상기 플라즈마가 유지되도록 상기 타겟의 표면에 형성된 상기 플라즈마를 향해 타겟에 대향되지 않는 방향에서 전자빔을 공급하고,
상기 전자빔 공급 모듈 및 상기 타겟 상에는 상기 전자빔 공급 모듈에서 조사되는 전자빔의 방향을 마주보지 않은 상기 타겟으로 유도하기 위한 자기장 통로를 형성하는 자기장 발생수단이 상기 전자빔 공급 모듈 및 상기 타겟의 양쪽 모두에 설치되는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 공정 가스 압력은 1 × 10-5 ~ 5 × 10-4 torr 범위 내로 제어하는 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 진공 챔버 내부에 설치된 공정 가스 공급부에 의해 상기 타겟의 표면으로 상기 공정 가스를 별도로 공급하는 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 전자빔 공급 모듈은 상기 타겟을 향하여 전자빔을 공급하는 것과 상기 기판을 향해 전자빔을 공급하는 것 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 방법. - 청구항 15에 있어서,
상기 전자빔 공급 모듈은 상기 타겟을 향해 전자빔을 공급하는 것과 상기 기판을 향해 전자빔을 공급하는 것을 하나의 전자빔 공급 모듈에서 전자빔의 방향을 바꾸어 수행할 수 있도록 해주는 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 방법. - 청구항 16에 있어서,
상기 기판은, 상기 진공 챔버 내부에서 상기 타겟에 대하여 연직으로 일정 거리만큼 이동 가능하게 설치되며,
상기 자기장 발생 수단은, 상기 기판이 하부로 이동하는 것에 대응하여 상기 전자빔 공급 모듈에서 조사되는 전자빔의 방향을 상기 타겟으로 유도함으로써 상기 타겟의 표면에 전자를 공급하여 낮은 공정 가스 압력 하에서도 상기 플라즈마가 생성 및 유지되도록 하고, 상기 기판이 상부로 이동하는 것에 대응하여 상기 전자빔 공급 모듈에서 조사되는 전자빔의 방향을 상기 기판으로 유도함으로써 상기 기판에 증착되는 타겟 원자에 진동 에너지를 가하여 재배열되도록 하는 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 방법. - 청구항 15에 있어서,
상기 전자빔 공급 모듈은 2개 이상의 복수개로 구성되고, 상기 타겟을 향해 전자빔을 공급하는 것과 상기 기판을 향해 전자빔을 공급하는 것을 별개의 전자빔 공급 모듈에서 각각 수행하는 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 방법. - 청구항 15에 있어서,
상기 전자빔 공급 모듈은 플라즈마 스퍼터링 증착 중에 상기 타겟을 향해 전자빔을 조사하고, 스퍼터링 증착이 이루어지고 있는 과정에, 또는 일부 혹은 전부 완료된 후에 상기 기판을 향해 전자빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 진공 챔버 내에는 이온빔 소스가 추가적으로 설치되어 상기 타겟 또는 별도의 타겟 표면에 별도의 추가 이온빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 저진공압 하에서 플라즈마를 유지하기 위한 전자빔 어시스트 스퍼터링 방법.
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