KR20010107143A - 균일한 막질 형성을 위한 스퍼터링 장치 - Google Patents

균일한 막질 형성을 위한 스퍼터링 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display: LCD) 제조 공정에서 기판 위에 성막하는 스퍼터링 장치에 관한 것이다. 본 발명은 종래의 스퍼터링 장비와 달리 자석을 복수개로 나눈 단형 자석(step shaped magnet)으로 대체하여 후면판과 자석 사이의 간격을 각 부분마다 독립적으로 조절하여 자기장의 세기를 조절함으로써 균일한 박막을 형성하고자 한다. 본 발명의 스퍼터링 장치를 LCD 기판에 적용하여 형성된 균일한 두께의 금속막, ITO 막 등의 박막은 LCD의 회로 반응을 향상시킬 수 있으며, 종래에는 박막의 두께 관리를 위하여 실시했던 점검 공정의 횟수를 줄일 수 있어 공정 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

균일한 막질 형성을 위한 스퍼터링 장치{SPUTTERING APPARATUS TO PRODUCE FILM HAVING UNIFORM THICKNESS}
본 발명은 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display: LCD) 제조 공정에서 기판 위에 성막하는 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 더 상세히 설명하면 TFT LCD(Thin Film Transistor LCD)의 기판에 배선용 금속을 증착하는 데 사용되는 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
스퍼터링 장치는 플라즈마에 의해 이온을 가속시켜 이온을 타겟(target)에 충돌하게 하여 기판(subtrate)에 타겟 물질을 성막(forming film)하는 장비이다. 고온에서 진행되는 화학 증착 장치에 비해 스퍼터링 장치는 타겟(substrate)을 저온 상태(400℃)로 유지하면서 박막을 형성할 수 있다는 장점이 있어 수지(resin)에 성막하는 공정에도 적용할 수 있다. 스퍼터링 장치는 비교적 간단한 구조로 짧은 시간에 막을 형성할 수 있기 때문에 반도체 소자 생산과 LCD 제조에 널리 이용되고 있다. 이 방식은 알루미늄(Al), 탄탈(Ta), 크롬(Cr) 등의 금속 박막을 형성하거나 ITO(Indium Tin Oxide) 박막 형성, SiO2등의 절연막 형성에 사용된다. 특히, LCD의 기판(glass)에 형성되는 것은 TFT 기판의 트랜지스터 전극 및 배선용 금속, 화소 전극 ITO 등의 전도성 물질이다.
도 1은 종래의 스퍼터링 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참고하여 스퍼터링 장치의 구성을 살펴보면 다음과 같다.
종래 스퍼터링 장치를 크게 분류하면 공정 챔버, 전원부, 타겟부 및 기판부로 구성된다. 공정 챔버(process chamber)(4)는 스퍼터링 공정이 진행되는 챔버이고 원활한 공정 진행을 위하여 진공 상태로 유지되는 밀폐된 공간이다. 전원부는 고주파 발생기(radio frequency generator: RF generator)(2)와 직류 전원(direct current power supply: DC power supply)(3)으로 구성되며 각 단자는 기판((substrate)(12)과 타겟에 연결되어 그 사이에 전기장을 형성하여 플라즈마가 발생하도록 환경을 조성한다. 타겟부는 성막할 물질을 지지하는 부분으로 타겟(target)(7) 외에 후면판(backing plate)(14), 냉각계(cooling system)(11) 및 자석(magnet)(8)으로 구성된다. 후면판은 타겟을 고정하고 지지하는 판이며, 냉각계는 타겟부를 냉각시키는 구성 요소이다. 자석은 발생한 전자의 낭비를 방지하여 스퍼터링 효율을 향상시키기 위해 타겟 전방에 자기장을 발생시키는 구성 요소이다. 기판부는 성막할 대상인 기판(substrate)(12) 외에 이를 지지하는 서셉터(susceptor)(9) 및 냉각계(11')로 구성된다. 그리고 스퍼터링 장치는 공정 챔버의 압력을 조절하기 위하여 펌프(pump)(5)와 가스 소스(gas source)(6)를 구비한다. 기판부 상부에는 셔터(shutter)(10)가 배치되어 기판부를 차단 또는 개방하여 스퍼터링의 진행을 제어한다.
전술한 스퍼터링 장치로 박막이 기판에 형성되는 메커니즘(mechanism)은 다음과 같다. 타겟부와 기판부를 각각 전원의 음극단(cathode)과 양극단(anode)에 연결하고, 고주파를 발생시키면서 DC 전원을 인가하면 전기장의 작용으로 타겟에서 전자가 발생하고 이 전자들은 양극단으로 가속된다. 이 때 가속 전자들이 공정 챔버에 공급된 가스(주로 Ar 가스를 사용한다.)와 충돌하여 가스가 이온화 된다. 아르곤 양이온(Ar+)은 전기장의 작용으로 음극단에 연결된 타겟을 가격하여 타겟 표면에서 타겟 원자들이 이탈되는 스퍼터링 현상이 발생된다. 한편 타겟에서 방출되어 양극단으로 가속되는 전자는 중성원자와 충돌하여 여기(excitation)되고 이때 플라즈마가 발생한다. 플라즈마는 외부의 전위가 유지되고 전자가 계속 발생할 경우 유지된다.
도 2는 도 1에 도시한 스퍼터링 장치의 타겟부와 기판부를 도시하고, 이 때 형성된 플라즈마와 박막의 두께를 도시한 도면이다. 도 2에 도시한 바와 같이 플라즈마 분포(15)는 타겟의 가장자리부가 더 두꺼운 오목한 형상을 갖는다. 플라즈마의 형상은 성막되는 박막의 두께에 영향을 준다. 타겟부의 가장자리와 같이 플라즈마가 두텁게 형성되는 곳에서는 막이 상대적으로 두껍게 형성된다.(16) 박막이 기판에 균일하게 형성되지 않으면 LCD 완제품에 악영향을 주는데 그 이유는 다음과 같다. 기판에 타겟을 성막할 때 정해진 두께, 반사율, 저항 등의 공정 조건에 맞춰 진행된다. 형성된 막은 패턴에서 전극 역할 뿐만 아니라 배선의 역할도 하기 때문에 정해진 두께로 형성되지 않으면 콘덴서의 저항이 증가하여 정상적으로구동되지 않는다. 그래서 LCD의 패턴 공정에서 성막의 두께를 공정 관리의 항목으로 정하여 관리하고 있다.
전술한 문제를 해결하기 위하여 자기장을 약화시키는 차폐판을 사용하기도 하였다. 도 3은 플라즈마 분포를 조절하기 위하여 차폐판을 사용하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 플라즈마의 분포는 기판부와 타겟부에 형성된 자기장과 전기장의 영향을 받는데, 특히 자기장의 세기와 플라즈마의 형성 두께는 비례한다. 그러므로 종래에는 불균일한 막두께 형성을 방지하는 한가지 방법으로써, 자석의 가장자리 부위에 차폐판(chant)(17)을 배치하였다. 후면판과 자석 사이에 배치된 차폐판은 금속으로 제조된 것으로 자기장을 차단하는 작용을 한다. 그런데 차폐판을 설치하는데 문제가 있다. 후면판(14)과 자석(8)은 약 15㎜ 정도 떨어져 있으며 차폐판은 그 두께가 약 10㎜ 이다. 게다가 자석의 자력은 약 350 가우스(Gauss)로 그 세기가 강하여 도 2에 도시한 바와 같이 잘못 설치되기 쉽고 차폐판이 기울어져 자석에 부착되는 경우에는 차폐판의 위치 수정이 곤란한 문제가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 기판 상의 불균일한 박막 형성을 해결하기 위한 것으로, 챔버 내의 자기장을 균일하게 조성하여 박막의 두께가 균일하게 형성되도록 하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 스퍼터링 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면;
도 2는 도 1에 도시한 스퍼터링 장치의 타겟부와 기판부를 도시하고, 이 때 형성되는 플라즈마와 성막 두께를 설명하기 위한 도면;
도 3은 차폐판(chant)을 사용하여 플라즈마 분포를 조절하는 종래 방법을 설명하기 위하여 도시한 타겟부의 사시도;
도 4는 본 발명의 일 실시예로서 단형 자석(step shaped magnet)을 적용한 경우 타겟부와 기판부를 도시한 도면 및;
도 5는 도 4에 도시한 단형 자석의 사시도 및 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 스퍼터링 장치
2: 고주파 발생기(radio frequency generator)
3: 직류 전원(dirrect current power supplies)
4: 공정 챔버(process chamber) 5: 펌프(pump)
6: 가스 소스(gas source) 7: 타겟(target)
8: 자석(magnet) 9: 서셉터(susceptor)
10: 셔터(shutter) 11, 11': 냉각계(cooling system)
12: 기판(substrate) 13: 개폐 밸브(isolation valve)
14: 후면판(backing plate) 17: 차폐판(chant)
18: 단형 자석(step shaped magnet)
본 발명은 종래의 스퍼터링 장비와 달리 자석을 복수개로 나눈 단형 자석(step shaped magnet)으로 대체하여 후면판과 자석 사이의 간격을 각 부분마다독립적으로 조절하여 자기장의 세기를 조절함으로써 상기한 목적을 달성하고자 한다.
LCD 제조 공정에서 사용되는 스퍼터링 설비을 기판(glass)를 운반하여 가열 챔버(heat chamber)로 이동하기 전에 대기하는 장소인 카세트 챔버(cassette chamber), 증착된 기판의 온도를 높이는 열 챔버(heat chamber), 기판에 배선 재료(Al, Cr, ITO)를 증착하는 스퍼터링 챔버(sputtering chamber), 기판을 카세트에서 카세트 챔버로 운반하는 로봇(robot), 상술한 여러 챔버로 배분하는 운송 챔버(transfer chamber) 및 증착 전후에 카세트를 대기시켜 놓는 테이블(load-unload table)로 구성된다. 이 중 본 발명은 실제로 스퍼터링이 진행되는 스퍼터링 챔버에 구비된 장치에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예의 구성과 작용을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로서 자기장 조절 장치를 적용한 스퍼터링 장치의 타겟부와 기판부를 도시한 도면이다. 그리고 도 5는 도 4에 도시한 장치의 구성 요소 중 단형 자석(step shaped magnet)의 사시도 및 단면도를 도시한 도면이다. 도 4와 도 5를 참고하여 일 실시예의 구성을 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 종래의 스퍼터링 장치와 같이 공정 챔버, 전원부, 타겟부, 기판부, 펌프 및 가스 소스를 구비하고 있다. 도 4에 도시한 바와 같이 타겟부는 단형 자석(18), 후면판(14) 및 타겟(7)으로 구성된다. 단형 자석(18)은 도 4에 도시한 바와 같이 다수의 분리된 자석으로 구성되어 있다. 자석의 각 구성부(18a, 18b,18c, 18d)는 독립적으로 제어가 가능하여 후면판과의 간격이 각각 조절될 수 있다. 단형 자석의 형상은 도 5에 도시한 바와 같이 각 단의 내부에 자석이 배치되어 있다. 그리고 단형 자석의 양극(N극과 S극)은 도 5의 단면도에 도시한 바와 같이 배치된다. 후면판(14)은 타겟(7)을 지지하는 구성 요소이다. 한편 기판부는 기판(12)과 서셉터(susceptor)(9)로 구성된다. 서셉터(9)는 기판(12)을 지지하는 구성 요소이다. 그리고 스퍼터링 장치는 직류 전원(3)과 고주파 발생기(2)를 구비하고 있다. 고주파 발생기(2)와 직류 전원(3)의 음극단은 후면판(14)에 연결되고, 직류 전원 전원(3)의 양극단은 서셉터(9)로 연결된다. 도 4에 도시한 바와 같이 기판부와 타겟부는 대향하여 배치된다.
전술한 바와 같이 후면판과 자석의 간격은 타겟과 기판 사이에 형성되는 플라즈마 분포에 영향을 주는 요소이다. 즉, 자기장의 세기와 플라즈마의 집중도는 비례하는 관계가 있다. 플라즈마 영역이 다른 부위에 비해 상대적으로 두텁게 형성되는 18a, 18d 부분의 자기장을 18b, 18c 부분보다 약화시킬 필요가 있다. 그러므로 도 4에 도시한 바와 같이 단형 자석의 가장자리 부분인 18a, 18d 부분을 중앙부보다 후면판으로부터 멀리 배치시킬 수 있다. 실제 제조 라인에 적용되는 장치를 구체적으로 설명하면 종래에 후면판으로부터 1 ~ 8 ㎜ 의 간격으로 획일적으로 배치되던 자석을 본 발명의 단형 자석으로 능동적으로 각 단을 1 ~ 10 ㎜ 의 간격으로 플라즈마의 밀도에 따라 배치할 수 있다. 이와 같이 단형 자석을 배치하면 균일한 플라즈마 분포(15')가 형성된다.
이상에서 본 발명의 구체예에 대해서 상세히 설명하였지만 이는 단형 자석을사용하여 불균일한 플라즈마 분포를 개선하는 방법을 예시한 것이다. 그러므로 공정 관리자는 상황에 따라 형성된 기판상의 박막 두께의 분포를 점검하여 단형 자석의 각 부분과 후면판과의 간격을 조절하여야 할 것이다.
이상에서 본 발명의 구체예에 대해서 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 자명한 것이다. 이를테면 상술한 실시예에서는 단형 자석이 4개로 구성되어 있으나 그 갯수는 필요에 따라 조정할 수 있는 것은 당연한 것이다.
전술한 본 발명의 스퍼터링 장치를 LCD 기판의 박막 형성에 적용하면 기판의 전 영역에 균일한 막을 형성할 수 있게 된다. 균일한 두께의 금속막, ITO 막 등의 박막은 LCD의 회로 반응을 향상시킬 수 있으며, 종래에는 박막의 두께 관리를 위하여 자주 실시했던 점검 공정의 횟수를 줄일 수 있어 공정 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (2)

  1. 액정 디스플레이 기판 제조에 사용되는 스퍼터링 장치에 있어서:
    전원;
    상기 전원의 양극에 연결되며, 상기 기판을 지지하는 서셉터;
    상기 전원의 음극에 연결되며, 상기 서셉터에 대향하여 배치되는 후면판;
    상기 후면판에 장착되어 상기 기판과 대향하는 타겟; 및
    상기 타겟이 설치된 후면판 반대쪽에 배치되며, 다수의 자석으로 구성된 단형 자석을 포함하여,
    상기 단형 자석의 자석들과 상기 후면판의 간격이 서로 다르게 조절되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단형 자석의 자석들을 독립적으로 구동시키는 구동부를 포함하여,
    상기 단형 자석의 자석들과 상기 후면판의 간격이 독립적으로 조절되어 상기 타겟과 상기 기판 사이에 균일한 플라즈마가 형성되어 균일한 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
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