KR19980071461A - 반응성 스퍼터링 장치 및 이를 이용하는 박막 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 높은 증착 속도로 평면 내에서 균일한 두께와 광학적 및 전기적 특성을 가진 넓은 면적의 박막을 형성하기 위해, 기판을 지지하는 기판 지지 수단(7)과, 타겟(1)을 지지하는 타겟 지지 수단(12)과, 반응 챔버 내에 타켓 스퍼터링하는 스퍼터 가스를 공급하는 스퍼터 가스 공급 수단(3)과, 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 수단(4)과, 타겟과 기판 사이에서 방전을 발생시키는 전력을 공급하는 전력 공급 수단(8)을 포함하는 반응성 스퍼터링 장치에 있어서, 타겟과 기판 사이에 다수의 개구를 가진 격벽 부재(6)를 제공하고, 스퍼터 가스 공급 포트 및 배기 통로(20) 모두와 반응 가스 공급 포트 및 배기 통로(21) 모두를 서로로부터 분리되게 제공하여 스퍼터 가스는 타겟과 격벽 부재 사이의 공간에서 공급 및 배기되고 반응 가스는 기판과 격벽 부재 사이의 공간에서 공급 및 배기되는 반응성 스퍼터링 장치를 제공한다.

Description

반응성 스퍼터링 장치 및 이를 이용하는 박막 형성 방법
본 발명은 반응성 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상기 장치를 이용하여 반도체 소자용 전극 또는 보호막, 액정 장치용 전극 또는 보호막, 광자기 기록 매체용 보호막, 광학 제품용 (반사 방지 피막을 포함하는) 반사 방지막 또는 반사 증가막 등을 형성하기에 적합한 박막 형성 방법의 기술 분야에 속한다.
종래 기술에 의한 반응성 스퍼터링은 스퍼터 가스와 반응 가스의 혼합 가스가 반응 챔버 내에 유입되고 금속 타겟이 반응 가스와 함께 타겟의 구성 원자의 화학 반응에 의해 금속 화합물 박막을 형성하도록 스퍼터링되는 공정이다. 상기 경우에, 반응 가스는 타겟면 상의 금속 타겟과 반응하여 타겟면 상에 금속 화합물을 형성할 수도 있다. 대개는 금속 화합물에 대한 스퍼터링 수율이 금속에 대한 스퍼터링 수율의 약 10%이기 때문에, 증착 속도는 반응성 스퍼터링에서 낮아질 수도 있다. 반응 가스가 수율을 향상시키기 위해 더 낮은 유량이 공급되면, 금속 화합물 박막은 더 높은 금속 원자의 함량을 가지면서 형성될 수도 있고, 대개는 화학양론비(stoichiometric ratio)를 만족시키는 박막이 될 수 없어, 결국 (굴절률 또는 투과율 등의) 광학 특성의 면에서 박막 특성 등이 열악하게 된다.
따라서 상기 기술적 문제점을 해결하고자 하는 시도가 여러 차례 제안되었다.
도8은 일본 특허 공개 공보 소62-56570호에 개시된 반응성 스퍼터링 장치의 개략도이다. 참고 부호 1은 타겟을 나타내고, 참고 부호 2는 기판, 참고 부호 3은 스퍼터 가스로서 역할하는 아르곤(Ar)용 공급관, 참고 부호 4는 반응 가스로서 역할하는 산소(O2)용 공급관, 참고 부호 9는 반응 챔버, 참고 부호 12는 타겟 홀더, 참고 부호 7은 기판 홀더를 나타낸다.
상기 공개 공보는 스퍼터 가스와 반응 가스가 별도로 유입되고, 스퍼터링은 타겟 근방에서 우선적으로 발생하고 산화 반응은 기판 근방에서 우선적으로 발생하기 때문에, 도8에 도시되어 있는 장치를 이용하면 스퍼터링 속도가 더 커지게 되고 산화 특성이 개선된다고 기재하고 있다.
그러나 실제로 스퍼터 가스와 반응 가스는 양자 모두의 혼합 플라즈마를 형성하도록 타겟과 기판 사이의 구역에서 혼합된다. 특히 박막이 넓은 면적의 기판 상에 형성되는 경우에, 기판과 타겟 사이의 방전 영역이 너무 넓어 스퍼터 가스와 반응 가스가 분리하여 존재하는 어려움이 있게 된다. 따라서 막질과 스퍼터링의 속도는 기대한 만큼 크게 개선될 수 없다.
한편 도9는 일본 특허 공개 공보 평6-41733호에 개시된 반응성 스퍼터링 장치의 개략도이다. 참고 부호 1은 타겟을 나타내고, 참고 부호 2는 기판, 참고 부호 3은 스퍼터 가스로서 역할하는 아르곤(Ar)용 공급관, 참고 부호 4는 반응 가스로서 역할하는 산소(O2)용 공급관, 참고 부호 7은 기판 홀더, 참고 부호 8은 전원, 참고 부호 9는 반응 챔버, 참고 부호 12는 타겟 홀더, 참고 부호 13은 차압판(differential pressure plate), 참고 부호 14는 고주파 전원, 참고 부호 15는 코일, 참고 부호 16은 자석, 참고 부호 17은 냉매 순환용 파이프, 참고 부호 18은 배기 펌프를 나타내고 있다.
상기 장치에서, 진공 펌프와 연통하는 배기구는 반응 챔버(9)의 상부에 제공되고, 차압판(13)을 이용하여 스퍼터 가스와 반응 가스가 분리될 수 있도록 반응 챔버 상부와 반응 챔버 하부 사이의 압력차를 생성시킨다.
일본 특허 공개 공보 평7-335553호는 상기 장치의 목적과는 상이한 목적을 얻기 위해 제안된 반응성 스퍼터링 장치를 개시하고 있다. 상기 장치에는 타겟과 기판 사이에 콜리메이터를 제공하여 반도체 소자의 접촉 구멍(contact hole)을 채우도록 되어 있다.
미국 특허 제5,415,753호의 명세서와 도면 및 1993년에 개최된 스퍼터링과 플라즈마 공정에 대한 제2 국제 심포지엄, 페이지 269-274 공보도 타겟과 기판 사이에 천공된 판을 제공하고 스퍼터 가스와 반응 가스를 분리하여 공급되도록 구성되어 있는 반응성 스퍼터링 장치를 개시하고 있다.
그러나 도9에 도시되어 있는 장치에서, 차압판(13)의 개구(13a)의 크기가 기판(2)보다 더 커서, 실제로 스퍼터 가스는 차압판(13)의 개구(13a)를 원하지 않는데도 통과하여 기판(2)측에 유동하게 된다. 따라서 상기 장치에서도 스퍼터링 속도와 막질은 기대한 만큼 크게 개선될 수 없다.
미국 특허 제5,415,753호에 개시되어 있는 장치도 가스 배기에 대한 충분한 대책을 가지고 있지 못하고, 스퍼터링 속도와 막질은 기대한 만큼 크게 개선될 수 없다.
본 발명의 목적은 반응성 스퍼터링 장치와, 평면 내에서 균일한 두께와 광학적 및 전기적 특성을 가진 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반응성 스퍼터링 장치와, 높은 증착 속도로 균일하고 넓은 면적의 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 기판을 지지하는 기판 지지 수단과, 타겟을 지지하는 타겟 지지 수단과, 반응 챔버 내에 타겟을 스퍼터링하는 스퍼터 가스를 공급하는 스퍼터 가스 공급 수단과, 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 수단과, 타겟과 기판 사이에서 방전을 발생시키는 전력을 공급하는 전력 공급 수단을 포함하는 반응성 스퍼터링 장치에 있어서, 타겟과 기판 사이에 다수의 개구를 가진 격벽 부재를 제공하여 타겟과 격벽 부재 사이에는 제1 공간이 그리고 기판과 격벽 부재 사이에는 제2 공간이 형성되고, 상기 제1 공간으로 스퍼터 가스를 공급하는 스퍼터 가스 공급 포트와 상기 다수의 개구를 통과하지 않고 상기 제1 공간으로부터 스퍼터 가스의 적어도 일부를 배기하는 배기 통로가 제1 공간에 제공되며, 상기 제2 공간으로 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 포트와 상기 다수의 개구를 통과하지 않고 제2 공간으로부터 반응 가스의 적어도 일부를 배기하는 배기 통로가 제2 공간에 제공되는 반응성 스퍼터링 장치를 제공한다.
본 발명은 기판을 지지하는 기판 지지 수단과, 타겟을 지지하는 타겟 지지 수단과, 반응 챔버 내에 타겟을 스퍼터링하는 스퍼터 가스를 공급하는 스퍼터 가스 공급 수단과, 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 수단과, 타겟과 기판 사이에서 방전을 발생시키는 전력을 공급하는 전력 공급 수단을 포함하는 반응성 스퍼터링 장치를 이용하여 박막을 형성하는 박막 형성 방법에 있어서,
다수의 개구를 가진 격벽 부재가 사이에 개재되도록 기판과 타겟을 배치하는 단계와, 타겟과 격벽 부재 사이의 제1 공간에 스퍼터 가스를 공급하고 상기 다수의 개구를 통과하지 않고 제1 공간으로부터 스퍼터 가스의 적어도 일부를 배기하는 단계와, 기판과 격벽 부재 사이의 제2 공간에 반응 가스를 공급하고 상기 다수의 개구를 통과하지 않고 제2 공간으로부터 반응 가스의 적어도 일부를 배기하는 단계와,
타겟과 기판 사이에 방전을 발생시켜 기판 상에 타겟의 구성 원자와 반응 가스의 구성 원자를 함유한 박막을 형성하는 단계를 포함하는 박막 형성 방법도 제공한다.
본 발명에 따르면, 스퍼터 가스의 유동과 반응 가스의 유동은 경계선으로서 격벽 부재에 의해 서로 분리되어 있다. 따라서 스퍼터 가스의 플라즈마는 우선적으로 타겟을 스퍼터링하는 역할을 하므로, 기판 상의 증착 표면에 손상을 주지 않게 된다. 한편 반응 가스는 증착 표면 상에서 우선적으로 타겟의 스퍼터링된 구성 원자와 반응하기 때문에, 반응 가스 성분(예컨대, 산소, 질소 또는 불소)의 과다 또는 부족이 야기되지 않아 양호한 화합물 박막을 형성할 수 있다. 또한 타겟과 반응 가스의 반응이 제한될 수 있기 때문에, 타겟의 스퍼터링 속도가 증가될 수 있어 증착 속도를 개선시키게 된다.
도1은 본 발명의 양호한 실시예의 반응성 스퍼터링 장치의 개략 단면도.
도2는 본 발명의 반응성 스퍼터링 장치에서 사용된 격벽 부재의 평면도.
도3은 본 발명의 반응성 스퍼터링 장치에서 사용된 격벽 부재의 단면도.
도4는 본 발명에서 사용된 다른 격벽 부재의 일부분의 단면도.
도5는 본 발명의 다른 실시예의 반응성 스퍼터링 장치를 도시한 개략도.
도6은 본 발명의 또 다른 실시예의 반응성 스퍼터링 장치를 도시한 개략도.
도7은 본 발명의 또 다른 실시예의 반응성 스퍼터링 장치를 도시한 개략도.
도8은 종래 기술의 반응성 스퍼터링 장치의 일례를 도시한 개략도.
도9는 종래 기술의 반응성 스퍼터링 장치의 다른 일례를 도시한 개략도.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
1 : 타겟
2 : 기판
3, 4 : 가스 샤워 헤드
5 : 플라즈마
6 : 격자판
7 : 기판 홀더
8 : 전원
9 : 반응 챔버
10 : 스퍼터 가스 공급구
11 : 반응 가스 공급구
도1은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 반응성 스퍼터링 장치의 개략 단면도이다.
반응성 스퍼터링 장치
도1에 도시되어 있는 것처럼 반응성 스퍼터링 장치는 기판(2)을 지지하는 기판 지지 수단으로서 기판 홀더(7)와, 타겟(1)을 지지하는 타겟 지지 수단으로서 타겟 홀더(12)와, 반응 챔버(9) 내에 타겟(1)을 스퍼터링하는 스퍼터 가스(GA)를 공급하는 스퍼터 가스 공급 수단으로서 가스 샤워 헤드(3)와, 반응 가스(GB)를 공급하는 반응 가스 공급 수단으로서 가스 샤워 헤드(4)와, 타겟(1)과 기판(2) 사이의 방전에 의해 플라즈마(5)를 발생시키는 전력을 공급하는 전력 공급 수단으로서 전원(8)을 가지고 있다.
다수의 개구(6a)를 가진 격벽 부재로서 격자판(6)은 타겟(1)과 기판(2) 사이에 제공되어 있다. 타겟(1)과 격자판(6) 사이에 형성된 제1 공간에는 제1 공간으로 스퍼터 가스(GA)를 공급하는 스퍼터 가스 공급 포트(10)와, 개구(6a)를 통과하지 않고 제1 공간으로부터 스퍼터 가스의 적어도 일부분을 배기하는 배기 통로(20)가 제공되어 있다.
또한 기판(2)과 격자판(6) 사이에 형성된 제2 공간에는 제2 공간으로 반응 가스(GB)를 공급하는 반응 가스 공급 포트와, 개구(6a)를 통과하지 않고 제2 공간으로부터 반응 가스의 적어도 일부분을 배기하는 배기 통로(21)가 제공되어 있다.
상기 방식으로, 가스 공급 포트(10, 11)의 위치와 배기구로서 기능하는 배기 통로(20, 21)의 위치는 스퍼터 가스(GA)와 반응 가스(GB)가 격자판(6)의 개구(6a)를 통해 가능한 한 상호 확산되지 않도록 결정된다. 특히 본 실시예에서, 연통 개구(24)는 격자판(6)을 횡단하여 놓여 있는 방식으로 타겟(1)과 기판(2) 사이에 제공되어 상기 상호 확산을 방지할 수 있는 배기 통로가 배기 펌프와 연통하는 연통 개구(24)에 형성되도록 되어 있다.
본 실시예에 따르면, 스퍼터 가스의 유동과 반응 가스의 유동은 경계선으로서 격자판(6)에 의해 서로 분리되어 있다. 이와 같이 스퍼터 가스의 플라즈마는 격자판(6)과 타겟(1) 사이에 제한되어 있다. 이와 같이 우선적으로 타겟을 스퍼터링하는 역할을 하도록 제한된 플라즈마 입자는 격자판(6)을 지나 기판에 거의 도달할 수 없으므로, 기판 상의 증착 표면에 손상을 주지 않게 된다. 한편 반응 가스는 격자판(6)과 기판(2) 사이에 존재하여, 격자판(6)의 개구를 통과하여 타겟측에 거의 확산되지 않는다. 이와 같이 반응 가스는 증착 표면 상에서 우선적으로 타겟의 스퍼터링된 구성 원자와 반응하므로, 반응 가스 성분(예컨대, 산소, 질소 또는 불소)의 과다 또는 부족이 야기되지 않아 양호한 화합물 박막을 형성할 수 있다. 또한 타겟과 반응 가스의 반응이 제한될 수 있기 때문에, 타겟의 스퍼터링 속도가 증가될 수 있어 증착 속도를 개선시키게 된다.
본 발명의 기타 부분들은 이하에 설명되어 있는 것처럼 구성되어 있다.
도2는 본 발명에서 사용된 격자판(6)의 일례를 도시하고 있는 평면도이다. 도3은 도2에 도시되어 있는 격자판(6)의 단면도이다. 격벽 부재로서 역할하는 격자판(6)은 적어도 그 표면이 스퍼터될 타겟(1)의 구성 재료에 따라 선택되는 것이 양호할 수도 있다. 바꿔 말하면, 격자판(6)용 재료는 형성될 피막의 구성 재료에 따라 선택되는 것이 양호할 수도 있다. 예컨대, 실리콘 산화막이 형성되어 있는 경우에는 실리콘(Si)으로 된 부재를 사용하고, 탄탈륨 산화막이 형성되어 있는 경우에는 탄탈륨(Ta)으로 된 부재를 사용하며, 알루미늄 산화막이 형성되는 있는 경우에는 알루미늄(Al)으로 된 부재를 사용한다. 이와 같이 격자판 재료는 실리콘, 탄탈륨, 알루미늄, 인듐, 티타늄, 구리, 텅스텐 등으로부터 선택될 수도 있다. 격자판은 타겟 재료에 관계없이 선택된 전도성, 절연성 또는 반도체성 재료로 제조된 기부재를 포함하고 타겟(1)측에 면하는 적어도 기부재의 표면 상에 타겟과 동일한 재료로 된 피막이 형성된 판형 부재일 수도 있다.
격자판(6)에 제공된 다수의 개구(6a)가 가진 종횡비는 모든 개구(6a)에서 1.0 보다 작은 것이 좋으며, 0.6 보다 작은 것이 더 좋다. 상기 덕분에 적절한 증착 속도로 박막의 형성이 가능하고, 모든 면적에 걸쳐 균일한 두께를 가진 피막을 얻을 수 있다. 한편 종래 기술에 의한 콜리메이터가 상기 목적으로 사용되면, 콜리메이터는 종횡비가 너무 커서 스퍼터링된 원자가 기판 표면에 작은 각도로 입사하게 되어, 균일하고 넓은 면적의 연속적인 피막을 형성하기 어렵게 된다.
개구는 격자판의 상부에서 보면 원통형, 정방형 기둥 등의 3차원 형상을 가질 수도 있다. 평면 형상 즉 개구 형상(2차원 형상)에 대해, 개구는 원형, 타원형, 정방형, 삼각형 등 임의의 형상을 가질 수도 있다.
개구(6a)의 종횡비(AR)는 각각의 개구 깊이(D, 판 두께)를 개구의 면적과 동일한 면적을 가진 진원(true circle)의 직경(L)으로 나누어서 얻은 값(D/L)으로 정의된다. 또한 기판 표면이 원형 형상을 가질 경우에, 직경(L)은 기판(2)의 직경에 대해 1% 내지 15％인 것이 좋으며, 4％ 내지 10％인 것이 더 좋다.
균일한 피막을 형성하기 위해, 격자판(6)의 다수의 개구(6a)는 규칙적인 형태로 분포되어 있을 수도 있고, 그 개구 백분율은 5％ 내지 90％인 것이 좋으며, 20％ 내지 70％인 것이 더 좋다.
격자판(6)은 스퍼터링이 수행되고 있는 상태에서 전기적으로 부동(floating)되어 있는 것이 좋거나, 또는 격자판과 타겟 사이에 전위차를 발생시키도록 소정 전위로 유지되어 있는 것이 더 좋다. 문자 부호(SW)는 격자판(6)의 전위를 설정하는 전위 스위칭 수단으로서 역할하는 스위치를 나타낸다. 격자판(6)과 기판(2)은 동일한 전위 또는 상이한 전위를 가지도록 설정되어 있을 수도 있다. 또한 격자판(6)과 반응 챔버는 서로 상이한 전위를 가지도록 설정되어 있을 수도 있다. 스퍼터링 속도를 향상시키기 위해, 공급되는 전력을 더 높게 할 수도 있다. 그러나 상기와 같이하면, 스퍼터링된 원자가 너무 많이 기판 상에 충돌해서 기판 온도의 과도한 상승을 야기하게 된다. 그렇게 되면, 열변형을 받게 되는 이들 기판에 피막을 형성할 수 없다. 본 실시예에서, 격자판은 스퍼터링된 원자를 부분적으로 포획하여 상기 문제점을 해결할 수 있다. 격자판에 타겟에 대해 양전위 바이어스를 가하면, 음이온은 격자판에 의해 포획되어 피막이 손상받는 것을 방지하게 된다. 격자판에 타겟에 대해 음전위 바이어스를 가하면, 음이온은 타겟으로 되튀어 피막이 손상받는 것을 방지한다.
스퍼터 가스 공급 포트(10)는 타겟 근방에서 도1에 도시되어 있는 것처럼 다수개 제공되어 타겟(1)을 둘러싸는 것이 좋다. 도1에 도시되어 있는 장치에서, 스퍼터 가스 공급 포트(10)를 파이프 중심에 대해 타겟(1)측에 제공하여 우선적으로 가스를 타겟(1)측으로 불어 넣도록 되어 있다. 스퍼터 가스 공급 포트(10)는 순환 공급 파이프인 가스 샤워 헤드(3)에 실질적으로 동일한 간격으로 배열되어 있다. 바꿔 말하면 다수의 공급 포트는 원주에 대칭적으로 제공되어 있다.
마찬가지로 반응 가스 공급 포트(11)는 기판(2) 근방에 다수개 제공되어 기판(2)을 둘러싸는 것이 좋다. 도1에 도시되어 있는 장치에서, 반응 가스 공급 포트(11)는 파이프 중심에 대해 기판(2)측에 제공되어 우선적으로 가스를 기판측으로 불어 넣도록 되어 있다.
반응 가스 공급 포트(11)는 순환 공급 파이프인 가스 샤워 헤드(4)에 실질적으로 동일한 간격으로 배열되어 있다. 바꿔 말하면 다수의 공급 포트는 원주에 대칭적으로 제공되어 있다.
기판 지지 수단으로서 기판 홀더(7)는 스퍼터링 중에 1 내지 50 rpm까지 회전 가능하도록 구성되어 있다. 이 덕분에 더 균일한 피막을 형성할 수 있게 된다.
자석도 타겟 홀더(12)에 제공하여 반응 마그네트론 스퍼터링을 수행할 수도 있다. 상기의 경우에, 스퍼터 가스 플라스마는 타겟 근방에서 더 제한될 수 있다. 전원으로는 DC 전원 또는 AC 전원을 사용한다. AC 전원으로는 13.56 ㎒의 RF 전원이 있고, 선택적으로 DC 바이어스를 중첩되게 할 수도 있다. 스퍼터링 속도를 증가시켜 박막 증착 속도를 훨씬 개선시키고자 하는 경우에는 DC 전원을 사용하여 DC 스퍼터링을 수행하는 것이 좋다.
반응 챔버(9)의 배기구는 (도시되지 않은) 배기 펌프에 접속되어 있다. 배기 펌프는 예컨대 주배기용 터보 분자 펌프 또는 크라이오펌프와 조배기(rough exhaust)용 로터리 펌프의 조합으로 구성할 수도 있다.
본 실시예의 장치에서, 스퍼터 가스(GA)는 타겟(1)과 격자판(6) 사이의 공간 내에 유입되고, 계속해서 타겟(1)의 모서리와 격자판(6)의 모서리에 의해 형성된 배기구로서 기능하는 부분(20)을 통해 화살표(22)에 의해 도시되어 있는 연통 개구(24)를 향해 유동한다.
한편 반응 가스(GB)는 격자판(6)과 기판(2) 사이의 공간 내에 유입되고, 기판(2)의 모서리와 격자판(6)의 모서리에 의해 형성된 배기구로서 기능하는 부분(21)을 통해 화살표(23)에 의해 도시되어 있는 연통 개구(24)를 향해 유동한다. 상기 배기 통로의 컨덕턴스는 격자판(6)의 개구(6a)의 컨덕턴스보다 충분히 크므로, 개구(6a)를 통한 양자 모두의 가스의 상호 확산은 실질적으로는 무시할 정도이다. 또한 플라스마는 격자판(6)의 전위를 협동하여 설정함으로써 격자판과 타겟 사이의 공간에 제한되어, 그에 따라 양호한 박막을 형성할 수 있다.
피막 형성 방법
이하에서는 상술한 반응성 스퍼터링 장치를 사용하여 박막을 형성하는 박막 형성 방법을 설명하기로 한다.
우선 타겟(1), 기판(2) 및 격자판(6)은 도1에 도시되어 있는 방법으로 반응 챔버(9)에 배열되어 있다. 여기에서 타겟(1)과 격자판(6)은 동일한 재료로 선택되는 것이 좋다.
우선 다수의 개구를 가진 격자판(6)을 배치한다. 다음에는 타겟 홀더(12)에 타겟(1)을 설치한다. 다음에는 기판 홀더(7)에 기판(2)을 설치한다.
반응 챔버(9)의 내부는 연통 개구(24)를 통해 진공을 만들고, 기판(2)은 필요한 경우에 가열하거나 냉각시킨다.
가스 샤워 헤드(3)의 공급 포트(10)를 통해 타겟(1)과 격자판(6) 사이의 공간 내에 스퍼터 가스(GA)를 공급하고, 가스 샤워 헤드(4)의 공급 포트(11)를 통해 기판(2)과 격자판(6) 사이의 공간 내에 반응 가스(GB)를 공급한다.
스퍼터 가스(GA)는 배기 통로(20)를 통해 연통 개구(24)를 향해 배기하고, 반응 가스(GB)는 배기 통로(21)를 통해 연통 개구(24)를 향해 배기한다.
반응 챔버의 내부 압력을 대략 0.05 내지 13 Pa로 유지시키고, 0.1 내지 1.3 Pa로 유지시키는 것이 더 좋으며, 상기 상태에서 DC 전압 또는 RF 전압을 격자판(6)과 타겟(1) 사이에 인가하여 스퍼터 가스의 플라즈마(5)를 형성하도록 방전을 발생시킨다. 상기 상태에서, 형성된 플라즈마(5)는 개구(6a)를 통해 격자판(6)과 기판(2) 사이의 공간 내에 확장된다. 플라즈마 입자로 스퍼터링된 경우에 타겟의 구성 원자는 격자판(6)의 개구(6a)를 통과하여 기판(2)의 표면에 도달하게 된다. 여기에서 타겟 구성 원자에 반응할 수 있는 반응 가스가 격자판(6)과 기판(2) 사이의 공간에 제공되므로, 양자 모두가 기판 표면 상에서 서로 반응하여 타겟 구성 원자 및 반응 가스 구성 원자를 함유한 피막을 기판 상에 형성할 수 있다.
격자판(6)이 타겟(1)과 동일한 재료로 구성되는 경우에, 기판(2)에 형성된 박막은 플라즈마 입자가 격자판(6)에 스퍼터링되었다고 하더라도 영향을 주지 않게 된다. 또한 격자판(6)과 배기 통로(20, 21)는 반응 가스가 타겟측에 불어 넣어지는 것을 방지할 수 있으므로, 반응 가스와 타겟의 스퍼터링된 구성 원자의 반응은 우선적으로 기판 표면 상에서 일어나게 된다. 이와 같이 스퍼터링 속도는 저하되지 않고, 화학양론비를 만족하는 박막을 큰 증착 속도로 형성할 수 있다.
본 발명에서 사용된 격벽 부재용 그리고 타겟용 표면 재료는 실리콘, 마그네슘, 알루미늄, 탄탈륨, 인듐, 주석, 탈륨, 구리, 아연 및 텅스텐으로부터 선택될 수도 있다.
스퍼터 가스는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논 등으로부터 선택될 수도 있다.
반응 가스는 산소(O2), 오존(O3), 질소(N2), 불소(F2), 불화 질소(NF3) 등으로부터 선택될 수도 있다.
기판은 광투과성 또는 비광투과성일 수도 있고, 기판용 재료는 실리콘, GaAs 등의 반도체 재료와, 유리, 석영, 형석(fluorite) 등의 절연 재료와, 스텐레스강, 알루미늄 등의 금속 재료로부터 선택될 수도 있다.
본 실시예에 따라 형성될 수 있는 박막은 실리콘 산화막, 알루미늄 산화막, 탄탈륨 산화막, 인듐 산화막, 주석 산화막, 티타늄 질화막, 구리 산화막, 아연 산화막, 텅스텐 질화막, 마그네슘 불화막, 알루미늄 불화막 등이다.
본 발명의 반응성 스퍼터링 장치는 광학적 박막이 광투과성 절연 기판의 오목한 또는 볼록한 표면에 형성되는 경우에 특히 효과적이다. 본 발명의 박막 형성 방법에 의해 얻어진 광학적 박막은 고에너지를 가진 KrF 엑시머 레이저 및 ArF 엑시머 레이저 광학 시스템용 반사 방지막 또는 반사 증가막으로서 우수한 특성을 나타내고 있다.
다른 실시예
상이한 조성의 피막이 동일한 반응성 스퍼터 장치를 사용하여 형성되는 경우에, 격벽 부재로서 격자판은 교체 가능한 것이 좋다.
스퍼터링된 원자가 격자판의 표면 상에 부착될 수도 있는 경우, 특히 타겟측의 개구의 코너에 부착하여 개구를 채우는 경우가 존재하고 있다. 따라서 개구의 코너는 테이퍼를 가진 형상으로 경사져 개구를 채우지 않도록 되어 있는 것이 좋다. 도4는 격자판(6)의 테이퍼를 가진 개구(6a)를 도시하는 부분 단면도이다. 도3과 비교하면 명백하게 알 수 있는 것처럼 코너부(6b)는 경사져 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 양호한 실시예를 설명하기로 한다.
도5는 도1에 도시되어 있는 상기 실시예의 변형예를 도시하고 있으며, 원통 형상의 차폐 부재(31)는 격자판(6) 주위에 제공되어 있다. 차폐 부재(31)는 스퍼터링된 타겟 구성 원자가 반응 챔버의 내벽 상에 증착되는 것을 방지하는 증착 방지판으로서의 기능과, 스퍼터 가스를 제한하는 효과 및 반응 가스를 제한하는 효과를 개선시키는 기능을 가지고 있다. 본 실시예에서, 차폐 부재(31)의 상단부와 타겟(1) 사이의 간극은 배기 통로(20)를 형성하고 있고, 차폐 부재(31)와 가스 샤워 헤드(4) 사이의 간극과 가스 샤워 헤드(4)와 기판(2) 사이의 간극은 배기 통로(21)를 형성하고 있다. 스퍼터 가스(GA)는 화살표(22)로 도시되어 있는 것과 같은 배기 통로를 통해 연통 개구(24)를 향해 유동한다. 반응 가스(GB)는 화살표(23)로 도시되어 있는 것과 같은 배기 통로를 통해 연통 개구(24)를 향해 유동한다. 배기 통로(22, 23)의 컨덕턴스가 격자판(6)의 개구(6a)의 컨덕턴스보다 충분히 크게 되어 있으므로, 피막 형성에 악영향을 줄 수도 있는 상호 확산을 제한할 수 있다.
차폐 부재(31)는 격자판(6)과 동일한 재료로 형성되는 것이 좋다. 또한 차폐 부재의 전위도 격벽 부재로서의 격자판(6)과 동일한 전위 상태로 유지되는 것이 좋다. 차폐 부재(31)는 반응 챔버의 저부면에 제공된 절연 부재로서 절연 애자(33)에 설치된 지지 레그(33)에 의해 지지되어 있다. 스위치(SW)는 도1에 도시되어 있는 스위치(SW)와 동일한 방식으로 구성되어 있거나, 또는 동일한 기능을 가지도록 구성되어 있는 스위치를 사용할 수도 있다.
도5에 도시되어 있는 실시예의 장치의 부분 및 구성은 이하에서 설명된 차이점을 제외하고는 도1에 도시되어 있는 장치와 동일하다.
도6은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 개략도이다. 본 실시예는 격자판(6)과 타겟(1) 사이에 공간을 스퍼터 가스를 배기하는 배기용으로 배타적으로 이용하는 연통 개구(25) 그리고 격자판(6)과 기판(2) 사이의 공간을 반응 가스를 배기하는 배기용으로 배타적으로 이용하는 연통 개구(26)가 제공되는 것을 특징으로 하고 있다.
격자판(6) 위의 차폐 부재(31)에는 배기 통로로서 연통 개구(25)를 형성하도록 배기 파이프가 접속되어 있다. 참조 번호 27은 밸브를 나타내고 있으며, 이를 통해 배기 루트를 개폐할 수 있고 그 컨덕턴스를 조정할 수 있다.
격자판(6) 아래의 차폐 부재(31)에는 배기 통로로서 연통 개구(26)를 형성하도록 다른 배기 파이프가 접속되어 있다. 참조 번호 28은 밸브를 나타내고 있으며, 이를 통해 배기 통로를 개폐할 수 있고 그 컨덕턴스를 조정할 수 있다.
2개의 배기 통로의 도중에는 절연 부재로서 절연 애자(29)가 제공되어 반응 챔버는 차폐 부재로부터 절연되게 된다.
또한 반응 챔버(9)에도 도5에 도시되어 있는 장치와 마찬가지로 연통 개구(24)가 제공되어 있다. 피막 형성 중에 밸브(30)를 개방하여 배기를 수행할 수 있다.
본 실시예에서, 스퍼터 가스가 연통 개구(25)로부터 배기되는 압력은 반응 가스가 연통 개구(26)로부터 배기되는 압력보다 높게 되어 있어서, 플라즈마 발생 공간 내의 압력이 기판측의 공간보다 높게 될 수 있는 것이 좋다. 이로 인해 반응 가스가 플라즈마 발생 공간 내에 유동하는 것을 더 어렵게 한다. 구체적으로 말하자면, 밸브(27, 28, 30)를 개방하여 반응 챔버의 내부를 진공 상태가 되게 한다. 다음에는 밸브(30)를 밀폐하여 배기 통로를 변경하고 그와 동시에 스퍼터 가스와 반응 가스를 각각 가스 샤워 헤드(3, 4)를 통해 반응 챔버 내에 유입되게 한다. 이와 같이, 스퍼터 가스는 공급 포트(10)를 통해 제1 공간 내에 유입되고, 연통 개구(25)를 통해 제1 공간으로부터 배기되게 한다. 반응 가스는 공급 포트(11)를 통해 제2 공간 내에 유입되고, 연통 개구(26)를 통해 제2 공간으로부터 배기되게 한다. 스위치(SW)는 도1에 도시되어 있는 스위치(SW)와 동일한 방식으로 구성되어 있거나, 또는 동일한 기능을 가지도록 구성되어 있는 것을 사용할 수도 있다.
도6에 도시되어 있는 실시예의 장치의 부분 및 구성은 이하에서 설명된 차이점을 제외하고는 도1에 도시되어 있는 장치와 동일하다.
본 발명에 따르면, 바람직하지 못한 불순물의 혼입을 제한할 수 있고, 평면에서 균일한 두께와 광학적 및 전기적 특성을 가지고 있는 화합물 박막을 형성할 수 있다.
이하에는 도7을 참조하여 본 발명의 다른 실시예를 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 반응성 스퍼터링 장치는 도1에 도시되어 있는 장치의 일부를 변형한 변형예이다.
장치는 개구(6a)가 제공되지 않은 격자판(6)의 모서리가 스퍼터 가스와 반응 가스를 분리 및 배기하는 성능을 개선할 수 있도록 연장되어 있다는 점과, 반응 챔버(9)의 벽에 제공된 연통 개구(24)의 직경을 도1에 도시되어 있는 것보다 크게 하여 연통 개구(24)가 더 높은 컨덕턴스를 가질 수 있다는 점에서 변형되어 있다.
또한 마그네트론 방전을 발생시키기 위해, 타겟 홀더(12)에는 자기장 발생 수단으로서 자석(16)이 제공되어 있다. 다른 구성은 도1의 경우에 설명되어 있는 것과 마찬가지이다.
본 실시예에 따르면, 타겟 및 기판의 면적보다 큰 면적을 가지고 있고 그 중심 근방에 다수의 개구가 제공되는 격벽 부재를 사용하여, 2종류의 상이한 가스를 더 효과적으로 분리하고 배기할 수 있다.
본 발명에 따르면, 바람직하지 못한 불순물의 혼입을 제한할 수 있으며, 박막의 두께와 광학적 및 전기적 특성을 기판 평면에서 균일하게 되도록 할 수 있다. 또한 높은 증착 속도로 균일하고 넓은 면적의 화합물 박막을 형성할 수 있다.

Claims (21)

  1. 기판을 지지하는 기판 지지 수단과, 타겟을 지지하는 타겟 지지 수단과, 반응 챔버 내에 타겟을 스퍼터링하는 스퍼터 가스를 공급하는 스퍼터 가스 공급 수단과, 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 수단과, 타겟과 기판 사이에서 방전을 발생시키는 전력을 공급하는 전력 공급 수단을 포함하는 반응성 스퍼터링 장치에 있어서, 타겟과 기판 사이에 다수의 개구를 가진 격벽 부재가 제공되어 타겟과 격벽 부재 사이에는 제1 공간이 그리고 기판과 격벽 부재 사이에는 제2 공간이 형성되고, 상기 제1 공간으로 스퍼터 가스를 공급하는 스퍼터 가스 공급 포트와 상기 다수의 개구를 통과하지 않고 상기 제1 공간으로부터 스퍼터 가스의 적어도 일부를 배기하는 배기 통로가 제1 공간에 제공되며, 상기 제2 공간으로 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 포트와 상기 다수의 개구를 통과하지 않고 제2 공간으로부터 반응 가스의 적어도 일부를 배기하는 배기 통로가 제2 공간에 제공되는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
  2. 제1항에 있어서, 차폐 부재가 격벽 부재 주위에 제공되는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
  3. 제2항에 있어서, 스퍼터 가스 배기 통로는 차폐 부재와 타겟 사이의 간극이고, 반응 가스 배기 통로는 차폐 부재와 기판 사이의 간극인 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
  4. 제1항에 있어서, 반응 가스 배기 통로는 반응 가스 공급 파이프와 기판 사이의 간극인 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
  5. 제1항에 있어서, 반응 챔버의 내부의 배기용 배기 포트, 제1 공간의 배기용 배기 포트 및 제2 공간의 배기용 배기 포트는 서로 분리되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
  6. 제1항에 있어서, 적어도 격벽판의 표면은 타겟과 동일한 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
  7. 제2항에 있어서, 격벽 부재와 차폐 부재는 동일한 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
  8. 제1항에 있어서, 격벽 부재의 다수의 개구의 종횡비는 1.0 미만인 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
  9. 제8항에 있어서, 다수의 개구의 종횡비는 0.6 미만인 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
  10. 제1항에 있어서, 격벽 부재는 규칙적인 형태로 분포된 다수의 개구를 가진 판형 부재인 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
  11. 제1항에 있어서, 격벽 부재는 알루미늄, 탄탈륨, 실리콘 및 마그네슘으로부터 선택된 재료로 된 표면을 가진 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
  12. 제1항에 있어서, 스퍼터 가스 공급 포트는 타겟 근방에 다수가 제공되어 있고, 반응 가스 공급 포트는 기판 근방에 다수가 제공되어 기판을 둘러싸도록 된 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
  13. 제1항에 있어서, 격벽 부재는 전기적으로 부동되는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
  14. 제1항에 있어서, 격벽 부재는 소정 전위로 유지되는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
  15. 제1항에 있어서, 기판 지지 부재는 평면에서 회전 가능한 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
  16. 기판을 지지하는 기판 지지 수단과, 타겟을 지지하는 타겟 지지 수단과, 반응 챔버 내에 타겟을 스퍼터링하는 스퍼터 가스를 공급하는 스퍼터 가스 공급 수단과, 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 수단과, 타겟과 기판 사이에서 방전을 발생시키는 전력을 공급하는 전력 공급 수단을 포함하는 반응성 스퍼터링 장치를 이용하여 박막을 형성하는 박막 형성 방법에 있어서,
    다수의 개구를 가진 격벽 부재가 사이에 개재되도록 기판과 타겟을 배치하는 단계와,
    타겟과 격벽 부재 사이의 제1 공간에 스퍼터 가스를 공급하고 상기 다수의 개구를 통과하지 않고 제1 공간으로부터 스퍼터 가스의 적어도 일부를 배기하는 단계와,
    기판과 격벽 부재 사이의 제2 공간에 반응 가스를 공급하고 상기 다수의 개구를 통과하지 않고 제2 공간으로부터 반응 가스의 적어도 일부를 배기하는 단계와,
    타겟과 기판 사이에 방전을 발생시켜 기판 상에 타겟의 구성 원자와 반응 가스의 구성 원자를 함유한 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  17. 제16항에 있어서, 타겟은 알루미늄, 탄탈륨 및 실리콘으로부터 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  18. 제16항에 있어서, 기판은 광투과성 절연 기판인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  19. 제16항에 있어서, 스퍼터 가스는 헬륨, 아르곤, 네온, 크립톤, 크세논으로부터 선택된 적어도 하나의 가스인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  20. 제16항에 있어서, 반응 가스는 산소 가스, 질소 가스 및 불소 가스 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  21. 제16항에 있어서, 기판은 오목한 또는 볼록한 표면을 가진 광투과성 절연 기판인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
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