KR20000062666A - 박막 증착에 사용하기 위한 내화물 코팅된 유도 코일 및그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

이온화 금속 플라즈마 또는 플라즈마-증진 물리 기상 박막 증착에 사용하기 위한 내화재 또는 절연재 코팅된 박막 코일의 유도 코일(16) 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 코일 형상으로 쉽게 형성되는 플라스틱 금속으로 만들어진 코일 기판은 통상 열분사 기술에 의해, 필름 오염을 방지하기 위해 박막으로 증착될 재료와 동일한 재료가 코팅된다. 마찬가지로, 플라즈마 증진 화학 기상 박막 증착에 사용하기위한 내화성 또는 절연성 재료로 코팅된 샤워헤드의 제조 방법이 제공된다.

Description

박막 증착에 사용하기 위한 내화물 코팅된 유도 코일 및 그 제조 방법{Refractory coated induction coil for use in thin film deposition and method for making}

본 발명은 반도체 장치상의 박막 코팅의 물리적 및 화학적 기상 증착에 사용하기 위한 내화물 코팅된 유도 코일과 샤워헤드 및, 그 제조 방법에 관한 것이다.

이온화된 금속 플라즈마(IMP:Ionized Metal Plasma) 물리 기상 증착(PVD:Physical Vapor Deposition)은 박막 증착 기술로서 대중성을 얻고 있다. 종래의 PVD 기술에 비해, IMP는 반도체 장치 금속화에 있어서 보다 양호한 배선 라인 및 바이어스 충진을 제공한다. 박막이 증착될 반도체 웨이퍼와 스퍼터 타겟 사이에 유도 코일을 배치하므로써, 이온 충격에 의해 스퍼터 타겟 표면으로부터 떨어져나간 금속 원자들은 바이어스 웨이퍼상에 증착되기전에 이온화될 것이다.

도 1 에 도시되어 있듯이, 프로세스 챔버(18)내에서 코일(16)에 무선 주파수(RF)를 인가하므로써 타겟(12)과 반도체 웨이퍼(14) 사이에 유도 커플링된 아르곤 플라즈마(10)가 생성된다. 이후 이온화된 금속 원자(20)가 플라즈마 퍼텐셜(∼20V)과 웨이퍼 부동(floating) 퍼텐셜(∼-20V)간의 차이에 의하여 웨이퍼(14)를 향하게 된다. 박막의 오염을 방지하기 위하여, 상기 유도 코일은 증착된 박막과 동일한 재료일 것이 요망된다. 텅스텐 및 탄탈과 같은 통상 전도성 플러그 및 확산 배리어로서 사용되는 내화성 재료에 있어서, 코일의 형성은, 특히 유도 코일이 1.59 ㎜ (0.0625 인치)로 얇고 279 ㎜ (11인치)의 직경과 50.8 ㎜ (2인치)의 폭을 갖는 어떤 장비 설계에서 어렵다. 따라서, 증착될 박막이 바이어스 및 확산 배리어를 전도시키기 위한 것일때 IMP PVD 장치를 제조하는 것은 어렵다. 이들 유도 코일의 제조는 비용이 많이 들고 시간이 걸리는 공정인 것으로 판명되었다. 또한 상기 유도 코일은 증착 공정 중에 부식되고 동시에 타겟 재료에 의해 코팅된다. 그 결과, 유도 코일은 통상적으로 매 두개의 타겟 재료마다 교체되어야 한다. 유사한 문제가, 예를 들어 플라즈마 증진 PVD(PEPVD)에서 사용되는 유도 코일과, 플라즈마 증진 화학 기상 증착(PECVD)에 사용되는 샤워헤드/전극에도 존재한다. PECVD 에서, 샤워헤드는 웨이퍼 근처의 플라즈마를 여기(excite)시키기 위한 전극으로서 작용하도록 RF 에너지에 의해 바이어스된다. RF 필드의 경로에서 증착 챔버에 콤포넌트가 존재하는 임의의 CVD 또는 PVD 공정에 있어서, 이 콤포넌트는 증착되는 박막의 오염의 원인이 될수 있다.

미국 특허 제 5,707,498 호에는 원위치 페이스팅 및 코팅 공정(in situ pasting and coating process)이 증착 챔버내에서 이루어지는 유도 코일 제공 기술이 개시되어 있다. 이 유도 코일에 대한 RF 전력 공급이 끊어지고, "더미(dummy)"웨이퍼가 물리 기상 증착에 의해 코팅된다. 이 페이스팅 공정 중에, 타겟이 스퍼터링되고, 타겟 재료는 이온화된 타겟 입자에 노출되는 코일 표면위에 코팅된다. 상기 "더미"웨이퍼는 이후 실제 웨이퍼로 교체되고, 코일로의 RF 전력은 턴 온되고, 필름 증착 공정이 시작되었다. 이 공정은 코일 코팅의 부식시에 반복될 수 있다.

이러한 원위치 페이스팅 공정이 갖는 한가지 결점은, 특정 횟수의 웨이퍼 증착을 위해, 상기 공정이 원(original) 코일 재료가 스퍼터링 공정중에 노출되지 않을것을 보장하기 위해 동등한 페이스팅 기간을 요구한다는 것이다. 따라서, 소정 갯수의 웨이퍼를 증착시키기 위한 공정 기간이 배로 늘어난다. 다른 결점으로는 수천 옹스트롬 및 수백 마이크로미터를 넘지 않는 초박막 코팅이 포함되며, 코일의 일부만이 코팅되고 나머지 부분이 노출되어 오염을 초래하고, 매끄러운 코팅 표면은 이어지는 증착중에 벗겨짐(flaking)을 방지하기 위해 불충분한 표면 거칠기를 갖는 것이 있다.

따라서, 유도 코일, 샤워헤드 및, 기타 이온화되고 플라즈마 증진된 CVD 및 PVD 장치에 사용된 콤포넌트를 제조하기 위한 보다 경제적이고 시간적으로 효율적인 방법이 필요하게 되었다.

본 발명은 얇은 코일, 샤워헤드 및, 기타 이온화된 금속 플라즈마 및 플라즈마 증진 박막 증착에 사용되는 콤포넌트의 코팅 방법을 제공한다. 전기 전도성 코일형상 코어 또는 샤워헤드는 통상 열 분사(thermal spray) 기술에 의해, 박막으로서 증착될 재료와 거의 동일한 내화성 또는 절연성 재료로 코팅된다. 상기 열 분사 기술 또는 스퍼터링, 전기도금이나 화학기상증착은 복잡한 형상을 갖는 얇은 코일을 코팅하는데 유용하며, 따라서 통상 플라스틱 금속과 같은 성형성 재료로 만들어진다.

본 발명의 상기 및 기타 목적과 장점들은 첨부도면을 참조한 후술하는 내용으로부터 명백해질 것이다.

도 1 은 이온화된 금속 플라즈마 증착 장치 및 방법의 개략 도시도.

본 발명은 IMP PVD 및 PEPVD 장치에 사용되는 유도 코일, PECVD 에 사용되는 샤워헤드 및, 박막의 오염을 초래할 수 있는 이들 장치내의 다른 콤포넌트를 제조하기 위해 열 분사 기술 또는 유사 기술을 사용한다. 이를 위해 본 발명에 따르면, 얇은 플라스틱 금속과 같은 성형성 재질의 전기 전도성 코어가, 원하는 코일 형상 또는 샤워헤드 형상으로 형성되고, 박막으로 증착될 재료와 동일한 내화성 또는 절연성 재료로 코팅된다. 본 발명은 스퍼터 타겟과 반도체 웨이퍼 사이에 배치되어 유도 코일로부터 박막의 오염이 전혀 일어나지 않도록 타겟으로부터 분리된 금속 원자를, 웨이퍼상에 증착되기 전에 이온화시키 위해, 스퍼터 타겟과 반도체 웨이퍼 사이에 배치된 유도 코일을 제조하기 위한 간단하고도 비용면에서 효율적인 수단을 제공한다. 본 발명은 또한 샤워헤드로부터 오염이 전혀 발생되지 않도록 박막 증착용 반응 가스와 플라즈마를 송출하기 위해 PECVD 에 사용되는 샤워헤드를 코팅하기 위한 간단한 수단을 제공한다.

열 분사 코팅은, 비말(飛沫:droplets)로 용융되어 코일이나 샤워헤드 기판상으로 밀려나가는 와이어 또는 분말 재료로 제조된다. 충돌시에, 상기 비말은 표면에 접합되는 작은판(platelets)을 형성하고, 기판 구조에 대한 아무런 변경없이 조밀한 코팅을 생성한다. 본 발명에 유용한 열분사 기술에는 플라즈마 분사, 플레임(flame:화염) 분사, 고속 산소 연료 분사, 전기 아크 분사가 포함된다. 진공 플라즈마 분사(VPS)로도 알려져 있는 저압 플라즈마 분사(LPPS:Low Pressure Plasma Spray)는 10 torr 이하로 진공처리된 진공 챔버에서 이루어지는 플라즈마 분사 기술이다. 상기 플라즈마 분사는 고(high)-킬로와트 전기 아크로부터 유동증진 노즐을 통과하는 플라즈마-형성 가스로의 열전달을 이용하여 달성된다. 플라즈마 건(gun)은 구리 양극과 텅스텐 음극을 포함하며, 이들은 모두 물로 냉각된다. 분사 장치내에서, 가스 유동 챔버는, 링 양극을 형성하는 노즐에 인접한 축방향 스틱 음극(stick cathode)을 구비한다. 아르곤, 질소, 수소 또는 헬륨의 플라즈마 가스는 음극 주위로 유동하며, 수축 노즐로서의 형상을 갖는 양극을 통해 유동한다. 상기 플라즈마는 음극과 양극 사이에서 국부 이온화 및 직류 아크용 전도성 경로가 형성되게 하는 고전압 방전에 의해 시작된다. 상기 아크로부터의 저항 가열은 가스가 5538 ℃ (화씨 10,000 도) 이상의 초고온에 도달하여 분해 및 이온화되어 플라즈마를 형성하게 한다. 상기 플라즈마는 자유 또는 중성 플라즈마 플레임, 즉 전류를 운반하지 않는 플라즈마로서 양극 노즐을 빠져나간다. 상기 양극 노즐 출구 부근에 장착된 외부 분말 포트를 거쳐 분말이 플라즈마 플레임내로 이동되며, 이는 고온 가스내에서 용융되고 고속으로 코일 표면으로 밀려나간다. 분사 플룸(plume:깃털모양)의 높은 속도는 용융 금속 비말을 코일이나 샤워헤드 기판에 대해 마하 2 이상의 속도로 추진시키므로써 조밀한 코팅을 생성한다. 이 공정은 진공 챔버 내에서의 공정이므로 먼지가 없고 환경적으로 청정한 작업이다. 이 진공 환경은 분말의 재생을 가능하게 한다. LPPS 는 이론 밀도의 통상 99 % 인 조밀하고 소공이 없는(pore-free) 코팅을 제공한다. 또한, 상기 코팅은 산화물이 없이 고순도이다. 기판을 고온으로 예비가열하면 추가로 열응력이 낮은 코팅을 생성하며 이는 두꺼운 코팅이 가능하게 한다. 코팅 이전에 기판을 세척하게 되면 코팅과 기판 사이에 산화물 없는 깨끗한 금속학적 접합을 생성하는데 기여하게 된다. 따라서, LPPS 는 코팅의 고순도, 저산화물 오염, 고 접합 강도, 고밀도 특성으로 인해 본 발명에 특히 적합하다.

내화성 및 절연성 재료를 코일형상 코어 및 샤워헤드 기판에 코팅하기 위한 다른 기술에는 스퍼터링, 전기도금, 화학기상증착이 포함된다. 유도 코일 및 샤워헤드는 박막 증착용 챔버에 배치되기 전에 코팅되며, 따라서 필름 증착 공정은 종래의 원위치 코팅 방법에서처럼 오래 걸리지 않는다.

텅스텐, 탄탈, 코발트, 티타늄, 몰리브덴, 백금, 크롬, 니오브, 니켈 및 그 합금과 같은 내화성 재료, 또는 텅스텐 질화 규소, 산화 탄탈, 탄화 규소와 같은 절연성 재료가 본 발명의 방법에 의해, 구리, 알루미늄, 티탄, 스틸 및 기타 원하는 코일 형상으로 쉽게 형성될 수 있는 금속 재료와 같은 성형성 플라스틱 금속상에 코팅되거나, 니켈 합금과 같은 샤워헤드용으로 사용되는 통상의 재료상에 코팅된다. 상기 코팅 재료는 박막의 오염을 방지하기 위하여 박막으로서 증착될 재료와 동일해야 한다. 추가로 오염을 방지하기 위하여 고순도의 내화성 및 절연성 재료가 사용된다. 본 발명의 원리에 따르면, 코팅은, 잠재적으로 박막을 오염시킬수 있는 비코팅면이 전혀 노출되지 않도록 코일이나 샤워헤드의 전체 표면에 적용된다. 본 발명의 열분사 또는 유사 기술은 도 1 에 도시되어 있듯이 대략 1.27 내지 12.7 ㎜(0.05 내지 0.5 인치)의 두께(T)와, 대략 25.4 내지 762 ㎜(1.0 내지 30.0 인치)의 직경(D)과, 대략 12.7 내지 101.6 ㎜(0.5 내지 4.0 인치)의 높이(H)를 갖는 유도 코일을 준비하는데 유용하다. 상기 코팅은 대략 0.254 내지 7.62 ㎜(0.01 내지 0.3 인치)의 두께로 적용된다. 종전의 방법에 의해 적용된 코팅에 비해 두꺼운 코팅 두께는 코일이 대체되거나 재코팅되어야 하기 전에 유도 코일이 많은 개수의 웨이퍼에 대해 사용될 수 있게 한다. 본 발명의 코팅된 얇은 코일은 종래 방법에 비해 제조가 용이하고 저렴하며 제조 기간도 짧다. 열분사 코팅은 추가로 증착중에 코팅의 벗겨짐을 방지하도록 유도 코일에 대해 바람직한 고 표면 인성을 제공한다.

본 발명을 그 실시예로서 예시하고 상세히 기술하였지만, 청구범위의 범위를 그것에 한정하려는 의도가 아니며, 추가적인 장점 및 수정은 당업자에게 있어 명백할 것이다. 따라서 광범위한 특징의 본 발명은 도시 및 개시된 장치와 방법 및 예시적인 실시예에 한정되지 않는다. 따라서, 출원인의 종합적 발명 사상의 범위 및 취지를 벗어나지 않은 채로 이러한 세부사항으로부터 출발이 이루어질수 있다.

Claims (27)

1. 증착 챔버내에 배치되고 그 내부에 플라즈마를 생성하여 웨이퍼상으로의 소정 재료 증착을 보조하는 코팅된 콤포넌트의 제조 방법으로서,

   상기 소정 재료와 다른 재료로 제조되어 증착 챔버의 내부에 들어맞게 될 전기 전도성 코어를 형성하는 단계와,

   상기 코어를 증착 챔버 내에 배치하기 전에 소정 재료와 거의 동일한 재료로 열분사 코팅하는 단계를 포함하는 콤포넌트 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 콤포넌트는 물리 기상 증착 챔버내에 배치될 수 있는 유도 코일이며, 상기 코어는 코일 형상으로 형성되는 콤포넌트 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 콤포넌트는 화학 기상 증착 챔버내에 배치될 수 있는 샤워헤드이며, 상기 코어는 샤워헤드 기판으로서 형성되는 콤포넌트 제조 방법.
4. 스퍼터 증착 챔버내에 배치되고 그 내부에 플라즈마를 생성하여 소정 재료의 타겟으로부터의 스퍼터 증착을 보조하는 유도 코일 제조 방법으로서,

   상기 소정 재료와 다른 성형성 재료로 제조된 전기 전도성 코어를 증착 챔버 내부에 들어맞는 코일 형상으로 형성하는 단계와,

   상기 코일 형상 코어를 증착 챔버 내에 배치하기전에 타겟 재료와 거의 동일한 재료로 코팅하는 단계를 포함하는 유도 코일 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 코팅은 탄탈, 티탄, 텅스텐, 니켈, 몰리브덴, 백금, 크롬, 니오브, 코발트 및 그 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 내화성 재료를 포함하는 유도 코일 제조 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 코팅은 절연체를 포함하는 유도 코일 제조 방법.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 코팅은 열분사, 스퍼터링, 전기 도금, 화학 기상 증착으로 이루어진 그룹에서 선택된 방법에 의해 적용되는 유도 코일 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 코팅은 플라즈마 분사, 플레임 분사, 고속 산소 연료 분사, 전기 아크 분사로 이루어진 그룹에서 선택된 열분사 기술에 의해 적용되는 유도 코일 제조 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 코팅은 저압 플라즈마 분사에 의해 적용되는 유도 코일 제조 방법.
10. 제 4 항에 있어서, 상기 코일형상 코어는 1.27 내지 12.7 ㎜(0.05 내지 0.5 인치)의 두께와, 25.4 내지 762 ㎜(1.0 내지 30.0 인치)의 직경과, 대략 12.7 내지 101.6 ㎜(0.5 내지 4.0 인치)의 높이를 갖는 유도 코일 제조 방법.
11. 제 4 항에 있어서, 상기 코일형상 코어는 플라스틱 금속을 포함하는 유도 코일 제조 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 플라스틱 금속은 구리, 알루미늄, 티탄, 스틸 및 그 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 금속인 유도 코일 제조 방법.
13. 제 4 항에 있어서, 상기 코팅은 0.254 내지 7.62 ㎜(0.01 내지 0.3 인치)의 두께로 적용되는 유도 코일 제조 방법.
14. 스퍼터 증착 챔버내에 배치되고 그 내부에 플라즈마를 생성하여 소정 재료의 타겟 재료로부터 스퍼터 증착을 보조하는 유도 코일의 제조 방법으로서,

    상기 소정 재료와 다른 성형성 재료로 제조된 전기 전도성 코어를 1.27 내지 12.7 ㎜(0.05 내지 0.5 인치)의 두께와, 25.4 내지 762 ㎜(1.0 내지 30.0 인치)의 직경과, 대략 12.7 내지 101.6 ㎜(0.5 내지 4.0 인치)의 높이를 갖는 코일 형상으로 형성하는 단계와,

    상기 코일형상 코어를 증착 챔버내에 배치하기 전에 0.254 내지 7.62 ㎜(0.01 내지 0.3 인치)의 두께로 코팅하는 단계를 포함하며,

    상기 코팅은 타겟 재료와 거의 동일한 재료이고,

    상기 코팅은 열분사, 스퍼터링, 전기 도금, 화학 기상 증착으로 이루어진 그룹에서 선택된 방법에 의해 적용되는 유도 코일 제조 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 코팅은 탄탈, 티탄, 텅스텐, 니켈, 몰리브덴, 백금, 크롬, 니오브, 코발트 및 그 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 내화성 재료를 포함하는 유도 코일 제조 방법.
16. 제 14 항에 있어서, 상기 코팅은 절연성 재료를 포함하는 유도 코일 제조 방법.
17. 제 14 항에 있어서, 상기 코팅은 플라즈마 분사, 플레임 분사, 고속 산소 연료 분사, 전기 아크 분사로 이루어진 그룹에서 선택된 열분사 기술에 의해 적용되는 유도 코일 제조 방법.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 코팅은 저압 플라즈마 분사에 의해 적용되는 유도 코일 제조 방법.
19. 제 17 항에 있어서, 상기 코일형상 코어는 플라스틱 금속을 포함하는 유도 코일 제조 방법.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 플라스틱 금속은 구리, 알루미늄, 티탄, 스틸 및 그 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 금속인 유도 코일 제조 방법.
21. 스퍼터 증착 챔버내에 배치되고 그 내부에 플라즈마를 생성하여 소정 재질의 타겟으로부터의 증착을 보조하는 유도 코일로서,

    상기 타겟 재료와 다른 성형성 재료로 형성되고, 스퍼터 증착 챔버내에 배치되는 유도 코일 형태로 형상을 가지며, 1.27 내지 12.7 ㎜(0.05 내지 0.5 인치)의 두께와, 25.4 내지 762 ㎜(1.0 내지 30.0 인치)의 직경과, 대략 12.7 내지 101.6 ㎜(0.5 내지 4.0 인치)의 높이를 갖는 전기 전도성 코어와,

    상기 타겟 재료와 거의 동일한 재료를 포함하고 0.254 내지 7.62 ㎜(0.01 내지 0.3 인치)의 두께를 갖는 상기 코어상의 코팅을 포함하는 유도 코일.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 전기 전도성 코어는 구리, 알루미늄, 티탄, 스틸 및 그 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 플라스틱 금속을 포함하는 유도 코일.
23. 제 21 항에 있어서, 상기 코팅은 탄탈, 티탄, 텅스텐, 니켈, 몰리브덴, 백금, 크롬, 니오브, 코발트 및 그 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 내화성 재료를 포함하는 유도 코일.
24. 제 21 항에 있어서, 상기 코팅은 절연성 재료를 포함하는 유도 코일.
25. 소정 재료의 타겟으로부터 웨이퍼를 코팅하는 플라즈마 스퍼터 코팅 방법으로서,

    스퍼터 증착 챔버내에 소정 재료의 타겟을 배치하는 단계와,

    스퍼터 증착 챔버내에 웨이퍼를 타겟으로부터 이격 관계로 배치하는 단계와,

    상기 스퍼터 증착 챔버내에 타겟 재료와 다른 성형성 재질의 전기 전도성 코어 및 상기 코어상에 타겟 재료와 거의 동일한 재질의 코팅을 갖는 유도 코일을 배치하는 단계와,

    상기 챔버내에 플라즈마를 생성하고 타겟으로부터 웨이퍼 상으로 재료를 스퍼터 증착하도록 유도 코일을 여기시키는 단계를 포함하는 플라즈마 스퍼터 코팅 방법.
26. 화학 기상 증착 챔버내에 배치되고 그 내부에 플라즈마를 생성하여 반응성 가스를 송출하여 소정 재료를 웨이퍼상에 증착하는 것을 보조하는 샤워헤드의 제조 방법으로서,

    상기 소정 재료와 다른 재료로 제조되고 증착 챔버내에 들어맞게 될 샤워헤드 기판을 형성하는 단계와,

    상기 샤워헤드 기판을 증착 챔버내에 배치하기 전에 상기 소정 재료와 거의 동일한 재료로 열분사 코팅하는 단계를 포함하는 샤워헤드 제조 방법.
27. 소정 재질의 타겟으로부터의 웨이퍼를 플라즈마 스퍼터 코팅하기 위한 장치로서,

    스퍼터 증착 챔버와,

    상기 챔버내의 소정 재질의 타겟과,

    상기 챔버내에서 타겟으로부터 이격관계에 있는 웨이퍼와,

    상기 챔버내에 배치되고, 상기 타겟과 다른 성형성 재질의 전기 전도성 코일형상 코어와 이 코어상에 위치하고 상기 타겟과 거의 동일 재질인 코팅을 갖는 유도 코일과,

    상기 유도 코일에 연결되고, 챔버내에 플라즈마를 생성하여 재료를 타겟으로부터 웨이퍼상으로 스퍼터 증착하기 위해 유도 코일을 여기시키는 전력 공급원을 포함하는 플라즈마 스퍼터 코팅 장치.