KR20010017191A - 스퍼터링 설비 - Google Patents

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KR20010017191A
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최황규
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Abstract

본 발명은 스퍼터링 설비의 금속 타겟(metal target)의 형상을 개량하여 금속 타겟의 사용 시간을 대폭 증가시킨 스퍼터링 설비에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 금속 타겟의 중앙 부분에 비하여 소모량이 큰 부분의 두께를 증가시켜 금속 타겟의 중앙 부분의 모두 소모될 때까지 금속 타겟의 사용이 가능하여 고가의 금속 타겟을 교체하는데 소요되는 비용 절감은 물론 공정 진행중 원하지 않는 금속 박막이 형성되는 것을 방지한다.

Description

스퍼터링 설비{Sputtering equpiment}
본 발명은 스퍼터링 설비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스퍼터링 설비의 금속 타겟(metal target)의 형상을 개량하여 금속 타겟의 사용 시간을 대폭 증가시킨 스퍼터링 설비에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 공정에서 스퍼터링(sputtering)이라 함은 반도체 소자에 금속 박막을 형성하는 메탈 공정을 의미한다. 스퍼터링에 의하여 형성된 금속 박막은 에칭 등의 공정을 거쳐 반도체 소자 내부에 형성된 박막 트랜지스터, 박막 커패시턴스, 박막 저항 등의 반도체 소자와 반도체 소자를 배선하는 배선이 된다.
특히 액정표시장치(Liquid crystal display device;LCD)에서는 신호선 예를 들면, 게이트 라인, 데이터 라인 및 게이트 라인과 데이터 라인의 단부에 형성되는 입출력 패드들이 이 스퍼터링 방식에 의하여 형성된다.
최근에는, 스퍼터링 방법으로 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 방법이 주로 사용되고 있는 바, 마그네트론 스퍼터링 방법은 10-8torr 이상의 고진공 상태를 유지하는 프로세스 챔버의 내부에 형성된 금속 박막의 종류에 부합하는 정제된 금속 덩어리인 금속 타겟을 음극 전극판에 설치한다.
이 금속 타겟과 소정 거리 이격된 곳에는 양극 극성을 갖음과 동시에 대지에 그라운드된 양극 전극판이 설치되고, 양극 전극판에는 금속 박막이 형성될 웨이퍼 또는 LCD 글래스가 올려진다.
이후, 프로세스 챔버의 내부에는 이온화 에너지가 작고, 중성 입자가 적으며, 온도가 높을수록 플라즈마가 용이하게 형성되는 플라즈마 가스, 예를 들어 아르곤(Ar)과 같은 플라즈마 가스를 이미 고진공 상태가 된 프로세스 챔버 내부로 공급함과 동시에 음극 전극판에 직류 전원을 인가하여 음극 전극판과 양극 전극판 사이에 소정 전위차를 갖는 전계(electric field)가 형성되도록 한다.
이와 같은 상태에서 플라즈마 가스는 이온화되면서 동수의 이온화된 원자, 전자, 중성자가 함께 섞여 있는 플라즈마 상태가 된다.
이때, 이온화되면서 전자를 잃어버려 양극 극성을 갖는 플라즈마 가스의 원자는 전계에 의하여 음극 극성을 갖는 음극 전극판 측으로 매우 빠른 속력으로 가속되면서 진행하다가 금속 타겟에 부딪치면서 금속 타겟의 금속 원자 구조를 깨뜨려 금속 원자가 금속 타겟으로부터 이탈되도록 하고, 금속 타겟으로부터 분리된 금속 원자는 포토레지스트 등에 의하여 패터닝된 상태로 양극 전극판에 안착된 웨이퍼난 LCD 글래스의 상면에 눈송이 쌓이듯이 차곡차곡 증착(depo)된다.
이때, 이온화된 플라즈마 가스의 밀도와 증착률(depo rate)는 비례함으로, 증착률을 높이기 위하여 음극 전극판의 후면에 상호 반대 극성을 갖는 영구자석을 적어도 2 개 이상 연속하게 위치시켜 동심원 형상의 자장(magnet field)를 형성할 경우, 전자 및 원자들은 자력선의 주위를 나선형으로 돌게 되어 플라즈마 밀도가 크게 증가되면서 단위 시간당 더 많은 금속 원자가 금속 타겟으로부터 방출되어 증착률이 크게 증가되도록 한다.
사용예로 금속 타겟을 순수 알루미늄 덩어리로 사용하고, 플라즈마 가스로 아르곤 가스를 사용하면서 아르곤 가스에 산소나 질소를 소량 첨가할 경우 산소와 알루미늄이 화학 반응을 일으켜 웨이퍼나 LCD 글래스의 상면에는 내산화막인 Al2O3피막이 형성되고, 티타늄 금속 덩어리를 타겟으로 사용하고 플라즈마 가스로 아르곤 가스를 사용하면서 질소를 첨가할 경우에는 경도가 매우 높은 초경 피막인 질화티타늄(TiN) 피막이 형성된다.
그러나, 이와 같은 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용할 경우 금속 타겟의 소모량이 불균일하게 되어 금속 타겟의 수명이 짧아지는 문제점이 발생한다.
이는 영구자석이 일방향으로 진행하다 금속 타겟의 에지 부분에서 멈춘 후, 다시 역진하여 왕복운동하기 때문에 금속 타겟의 에지 부분에서 영구자석이 위치하는 시간이 금속 타겟의 중앙에 비하여 약 2 배 가까이 되기 때문이다.
이와 같이 영구자석이 금속 타겟의 에지 부분에 위치하는 시간이 금속 타겟의 중앙 부분보다 길 경우 금속 타겟의 에지 부분에서의 소모량이 금속 타겟의 중앙 부분에서의 소모량보다 훨씬 커지게 되어 결국 금속 타겟의 에지 부분에는 소정 깊이의 홈이 형성되기 시작한다.
이처럼 금속 타겟의 에지에 소정 깊이로 점차 깊어지는 홈이 금속 타겟의 두께만큼 깊어질 경우 금속 타겟이 고정되는 고정 지지부재가 플라즈마에 노출되면서 원하지 않는 금속이 웨이퍼 또는 금속 박막에 증착되는 결과를 가져옴으로 금속 타겟의 에지를 제외한 나머지 부분의 두께가 충분히 남아 있더라도 고가의 금속 타겟을 교체하여야 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 종래와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 본 발명의 목적은 금속 타겟의 에지 부분에서의 소모량이 금속 타겟의 중앙 부분의 소모량보다 많더라도 금속 타겟이 중앙 부분이 모두 소모될 때까지 금속 타겟을 사용할 수 있도록 하여 금속 타겟의 이용 효율을 극대화함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 후술될 본 발명의 상세한 설명에 의하여 보다 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 스퍼터링 설비의 구성을 설명하기 위한 개념도.
도 2는 본 발명에 의한 금속 타겟과 금속 타겟 고정부의 형상을 도시한 설명도.
이와 같은 본 발명의 목적을 구현하기 위한 본 발명에 의한 스퍼터링 설비는 소정 극성을 갖는 제 1 전극판과, 상기 제 1 전극판과 소정 거리 이격되며 사이에 전계가 형성되도록 소정 극성을 갖는 제 2 전극판과, 제 1, 제 2 전극판 사이로 이온화되면서 상기 제 1 전극판과 반대 극성을 갖도록 이온화되는 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급장치와, 제 1 전극판에 설치되는 금속 타겟과, 금속 타겟을 제 1 전극판에 고정시키는 금속 타겟 지지부재를 포함하며, 금속 타겟중 소모량이 많은 부분의 두께는 금속 타겟중 소모량이 적은 부분보다 두꺼운 두께를 갖는다.
이하, 본 발명에 의한 스퍼터링 설비의 보다 구체적인 구성 및 작용 효과를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
첨부된 도 1에는 본 발명에 의한 스퍼터링 설비의 전체적인 구조 및 구성이 도시되고 있다.
첨부된 도면을 참조하면, 스퍼터링 설비(100)는 웨이퍼나 LCD 글래스가 공정을 진행하기 이전에 임시적으로 공정 대기하는 엔트런스 챔버(10), 엔트런스 챔버(10)에 인접 설치되며, 1차적으로 공정 환경이 조성되는 공정 환경 조성 챔버(20), 공정 환경 조성 챔버(20)에 인접 설치되며 스퍼터링 공정이 진행되는 프로세스 챔버(30), 프로세스 챔버(30)에서 스퍼터링 공정이 진행된 후 배출된 고온의 웨이퍼 또는 LCD 글래스가 급속 냉각되면서 코팅된 금속 박막에 열팽창 등에 의하여 크랙이 발생하는 것을 방지하기 위하여 설치된 쿨링 챔버(40), 쿨링 챔버(40)에 인접 설치되어 냉각된 웨이퍼 또는 LCD 글래스가 배출되기 이전에 임시로 대기하는 배출 챔버(50)로 구성된다.
이때, 스퍼터링 설비(100)는 웨이퍼나 LCD 글래스를 엔트런스 챔버(10) - 공정 환경 조성 챔버(20) - 프로세스 챔버(30) - 쿨링 챔버(40) - 배출 챔버(50)를 연속적으로 취급할 수 있도록 인-라인 설비로 구성된다.
이때, 엔트런스 챔버(10), 공정 환경 조성 챔버(20), 쿨링 챔버(40), 배출 챔버(50)에는 챔버 내부에 진공압을 형성시키는 진공압 발생장치(60)가 설치된다.
특히, 프로세스 챔버(30)에는 대기중에 섞여 있는 불순물이 화학 반응을 일으켜 원하지 않는 불순물이 포함된 금속 박막이 형성되지 않도록 약 10-8torr 정도의 진공압을 발생시키는 고진공 펌프(cryo pump;65)가 설치되는 것이 바람직하다.
이 프로세스 챔버(30)에는 플라즈마를 형성하는데 필수적인 금속 타겟(32)이 전면에 부착된 음극 전극(이하, 캐소드라 칭하기로 한다;39), 양극 전극(이하 애노드라 칭하기로 한다;36), 플라즈마 밀도 증대 장치(38) 및 플라즈마 가스 공급장치(31)가 설치된다.
보다 구체적으로 도 1 또는 도 2를 참조하면 프로세스 챔버(30)의 내부에 형성된 캐소드(34)에는 금속 타겟(32)을 지지하기 위한 금속 타겟 지지부(34)가 설치된다.
이때, 금속 타겟(32)의 에지 부분이 금속 타겟(32)의 중앙 부분부다 소모량이 많기 때문에 금속 타겟(32)의 에지 부분의 소모에 따라서 금속 타겟(32)의 교체가 결정되는 것을 감안하여 본 발명에서는 금속 타겟(32) 및 금속 타겟 지지부(34)를 도 2와 같이 개량하였다.
구체적으로 금속 타겟(32)은 소모량이 많은 부분을 도 2에서와 같이 금속 타겟(32)의 중심에 비교하였을 때, 두께가 두껍도록 금속 타겟 수명 연장부(32a)를 형성하고, 금속 타겟(32)이 지지되는 금속 타겟 지지부(34)중 금속 타겟 수명 연장부(32a)와 대향하는 부분에는 금속 타겟 수명 연장부(32a)가 맞춤 결합되도록 요홈(34a)이 형성된다.
이와 같은 형상을 갖는 금속 타겟(32)이 금속 타겟 지지부(34)에 지지된 상태에서 금속 타겟 지지부(34)는 캐소드(39)에 결합된다.
한편, 프로세스 챔버(30)의 내부 기저면에는 웨이퍼 또는 LCD 글래스가 안착되는 서셉터(suscepter)가 설치되고, 서셉터의 상면에 웨이퍼 또는 LCD 글래스가 안착된 상태에서 웨이퍼의 플랫 존 또는 LCD 글래스의 에지를 제외한 나머지 부분에 링 형상 또는 개구가 형성된 사각형 플레이트 형상의 애노드 전극판(36)이 위치한다.
한편, 금속 타겟(32)의 후면에는 플라즈마 밀도 증대 장치(38)가 설치되는 바, 플라즈마 밀도 증대 장치(38)는 복수개의 영구 자석, 영구자석이 고정되는 고정판, 영구자석이 고정된 고정판을 직선왕복운동시키는 직선왕복운동기구로 구성된다.
이와 같은 플라즈마 밀도 증대 장치(38)가 금속 타겟(32)의 상부에서 플라즈마의 밀도를 증대시키기 위하여 왕복운동할 때 금속 타겟(32)중 플라즈마 밀도 증대 장치(38)가 머무르는 시간이 가장 긴 금속 타겟(32)의 에지 부분에서의 금속 타겟(32)의 소모량이 가장 크지만 앞서 설명하였듯이 금속 타겟(32)의 에지 부분에는 금속 타겟 수명 연장부(32a)가 형성되어 있기 때문에 금속 타겟(32)은 금속 타겟(32)의 중앙 부분이 거의 모두 소모될 때까지 사용이 가능하다.
이상에서 상세하게 설명한 바와 같이 금속 타겟의 중앙 부분에 비하여 소모량이 큰 부분의 두께를 증가시켜 금속 타겟의 중앙 부분의 모두 소모될 때까지 금속 타겟의 사용이 가능하여 고가의 금속 타겟을 교체하는데 소요되는 비용 절감은 물론 공정 진행중 원하지 않는 금속 박막이 형성되는 것을 방지하는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 소정 극성을 갖는 제 1 전극판과, 상기 제 1 전극판과 소정 거리 이격되며 사이에 전계가 형성되도록 소정 극성을 갖는 제 2 전극판과;
    상기 제 1, 제 2 전극판 사이로 이온화되면서 상기 제 1 전극판과 반대 극성을 갖도록 이온화되는 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급장치와;
    상기 제 1 전극판에 설치되는 금속 타겟과;
    상기 금속 타겟을 상기 제 1 전극판에 고정시키는 금속 타겟 지지부재를 포함하며,
    상기 금속 타겟중 소모량이 많은 부분의 두께는 금속 타겟중 소모량이 적은 부분보다 두꺼운 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 설비.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 타겟의 중앙부분 보다 상기 금속 타겟의 에지 부분의 두께가 두꺼운 것을 특징으로 하는 스퍼터링 설비.
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