KR20020091949A - 타겟 이동형 스퍼터링 장치 - Google Patents

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KR20020091949A
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삼성전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스퍼터링 공정시 타겟보다 큰 반지름을 가지는 기판에 효과적으로 증착 공정을 시킬 수 있는 스퍼터링 장치에 관한 것이다. 방전가스 인입구 및 가스 토출구를 포함하는 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내부에 마련된 기판 홀더; 상기 기판 홀더와 대향하며 형성된 타겟 전극부; 및 상기 타겟 전극을 상기 기판 중심축을 중심으로 원운동 시키며 상기 기판 중심축으로 부터 거리를 조절하는 회동 수단;을 포함하는 스퍼터링 장치를 제공하여, 기판보다 상대적으로 작은 타겟을 사용한 경우에도 매우 우수한 균일성을 지니는 박막을 형성시킬 수 있으므로, 큰 타겟을 사용하는 경우의 비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있다.

Description

타겟 이동형 스퍼터링 장치{Sputtering system with moblie target}
본 발명은 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스퍼터링 공정시 타겟보다 큰 반지름을 가지는 기판에 효과적으로 증착 공정을 시킬 수 있는 타겟 이동형 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
미소 두께를 지니는 박막을 제조하기 위해서 사용되는 공정은 크게 물리 기상 증착(PVD : physical vapor depositon)법과 화학 기상 증착(CVD : chemical vapor deposition)법이 있다. 화학 기상 증착법은 화학적 반응을 통하여 원하는 물성을 지닌 박막을 얻는데 비해, 물리 기상 증착법은 원하는 물질에 에너지를 가하여 운동에너지를 지니게 하여 기판 상에 쌓이도록 함으로써 박막층을 형성할 수 있도록 하는 것이다.
이러한 물리 기상 증착법은 크게 스퍼터링(sputtering)과 증발법 (evaporation)으로 나눌 수 있다. 여기서, 이베포레이션(증발법)은 원하는 물질을가열하여 기화된 물질을 기판상에 증착시키는 것이고, 스퍼터링은 고 에너지를 지니는 입자를 원하는 물질로 이루어진 타겟에 충돌시켜 튀어 나오는 물질을 기판에 증착시키는 것이다. 이러한 스퍼터링은 넓은 면적의 비교적 균일한 박막의 두께 조절이 가능하고, 또한, 합금 박막을 형성시킬 경우 그 조성비를 조절하는 것이 다른 증착법에 비해 용이하다. 따라서 반도체나 다른 전자 소자의 제조 과정에서 많이 사용되고 있다.
일반적인 스퍼터링 장치는 원하는 박막의 재료가 되는 타겟과 박막이 형성될 기판이 진공 챔버 내부에 서로 대향되도록 배치된다. 챔버 내부에 일정한 진공도가 유지되면 아르곤과 같은 진공 가스가 챔버 내부에 인입되고, 타겟에 가해진 음전압에 의해 방전이 일어난다. 그리하여, 전기 방전에 의해 이온화된 가스 분자, 중성자 및 전자로 이루어진 플라즈마가 형성되고, 가스 분자가 음전압에 의해 가속되어 타겟에 충돌된다. 충돌에 의해 타겟 표면의 원자가 운동에너지를 얻어 타겟으로 부터 튕겨 나오게 되며, 이러한 원자들이 기판 상에 박막의 형태로 증착된다. 이때, 증착되는 박막의 두께는 가해주는 전압, 진공도, 증착 시간 등에 의해 결정되게 된다.
도 1에서는 통상적인 스퍼터링 장치를 나타내고 있다. 진공 챔버 내부(11)에 기판(15)을 안착시키는 기판 홀더(14)가 위치하고 있으며, 상기 기판 홀더(14)에 대향하여 타겟 전극(17)이 위치한다. 마그네트론 스퍼터링 장치에서는 상기 타겟 전극(17) 후방에 자석(19)을 배치하여 일정한 방향의 자기력선(20)을 형성시킨다. 또한, 공정시 상기 타겟 전극(17)에 전압을 인가할 수 있도록, 상기 진공 챔버(11)외부에는 전원 공급부(21)가 마련되어 있다. 그리고, 상기 진공 챔버(11)에는 방전 가스를 주입할 수 있도록, 가스 인입구(12)가 마련되어 있으며, 또한 진공을 유지하기 위해 방전 가스등을 배출시키는 토출구(13)가 마련되어 있다. 상기 토출구(13)는 초기 고진공을 얻거나, 공정중에 원하는 진공도를 유지시키기 위한 것으로, 고성능 펌프와 연결되어 있다.
통상적인 스퍼터링 공정에서는 타겟(18)과 기판(15) 사이의 거리는 스퍼터링 공정 압력으로 사용되는 10-2내지 10-3Pa에서 방출된 타겟(18) 원자가 방전 가스 분자와 충돌하지 않고 도달할 수 있는 거리인 30 내지 60mm 정도이며, 타켓(18)은 기판(15)의 직경보다 일반적으로 1.5배 더 큰 것이 사용된다. 반도체 소자 또는 다른 전자 소자의 제조 공정에 있어서도, 일반적으로 타겟(18)의 직경은 기판(15)의 직경보다 큰 것이 사용되며, 이는 보다 균일한 두께의 박막을 얻는데 유리하기 때문이다. 큰 직경을 가지는 타겟(18)이 비용적 측면에서도 고가이며, 스퍼터링 되는 부위가 타겟(18)의 일부위에 한정되므로 작은 타겟을 사용하는 경우에 비하여 비효율적이다. 그러나, 종래의 스퍼터링 장치에서는 작은 타겟을 사용할 경우 균일한 박막을 얻기에는 많은 어려움이 있다.
본 발명에서는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 기판보다 작은 타겟을 채용한 경우에도 기판 상에 보다 균일한 두께를 지니는 박막을 형성시킬 수 있는 스퍼터링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 종래 기술에 의한 스퍼터링 장치를 단순화시킨 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 스퍼터링 장치를 단순화시킨 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 스퍼터링 장치에 있어서, 타겟 전극을 기판 중심축을 중심으로 원운동 시키며 상기 기판 중심축으로 부터 거리를 조절하는 회동 수단을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 스퍼터링 장치에 있어서, 공급축 부분을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 스퍼터링 장치를 이용한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11... 진공 챔버 12... 방전 가스 인입구
13... 토출구 14... 기판 홀더
15... 기판 16... 타겟 전극부
17... 타겟 전극 18... 타겟
19... 자석 20... 자기장
21... 전원 공급부 22... 회동 수단
23... 피드 드루(feed through) 24... 공급축
25... 벨로우즈 26... 회전축
27... 제 1 편심 조절축 28... 물림 기어
29... 제 2 편심 조절축 30... 프레임
31... 에어 실린더 32... 힌지 결합
33... 입출력 포트
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는
방전가스 인입구 및 가스 토출구를 포함하는 진공 챔버;
상기 진공 챔버 내부에 마련된 기판 홀더;
상기 기판 홀더와 대향하며 형성된 타겟 전극부; 및
상기 타겟 전극을 상기 기판 중심축을 중심으로 원운동 시키며 상기 기판 중심축으로 부터 거리를 조절하는 회동 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 회동 수단은 상기 타겟 전극부를 원운동 시키는 회전 수단; 및 상기 타겟 전극의 상기 기판 중심축으로 부터의 거리를 조절하는 편심 조절 수단;을 포함하는 이중축인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 편심 조절 수단은 외부 모터로 부터 동력을 공급 받는 제 1 편심 조절 축; 상기 제 1 편심 조절 축에 형성된 물림 기어; 상기 타겟 전극부에 연결되며, 상기 물림 기어와의 치합에 의해 구동하는 제 2 편심 조절 축;을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 회동 수단은 상기 진공 챔버를 관통하며, 상기 진공 챔버의 관통부에는 이중축 피드 드루가 형성된 것을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 타겟 전극부에 전압 공급 수단 및 냉각수 공급 수단이 이송되는 공급축을 포함하며, 상기 공급축이 관통하는 상기 진공 챔버 외부는 상기 진공 챔버의 진공을 유지하는 벨로우즈 봉합 수단;상기 공급축의 상기 진공 챔버로의 입출력 운동시 압력 변화를 보상하는 압력 조절 수단;을 포함하는 것을특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 압력 조절 수단은 상기 공급축에 형성된 프레임; 그 일측부가 상기 프레임과 연결되며, 그 타측부가 상기 진공 챔버에 결합된 에어 실린더이며, 상기 에어 실린더는 가스의 입출력 포트를 포함하여 가스의 입출력에 의해 상기 공급축의 입출력 운동시의 압력 차를 보상하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참고하면서 본 발명에 의한 스퍼터링 장치에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다. 도 2는 본 발명에 의한 스퍼터링 장치의 구조 및 작동 원리를 단순화 시켜 나타낸 단면도이다.
아르곤과 같은 방전 가스를 주입하기 위한 방전 가스 인입구(12)와 그 내부의 진공도를 일정하게 유지시키기 위해서 가스를 방출시키기 위한 토출구(13)가 형성된 진공 챔버(11)는 그 내부에 원하는 박막이 형성될 기판(15)을 안착시키기 위한 기판 홀더(14)가 마련되어 있으며, 상기 기판 홀더와 대향하여 타겟(18)을 고정하는 타겟 전극(17)이 마련된다. 여기서, 타겟 전극(17)은 공정시 타겟(18)을 안착시킨다. 타겟(18) 및 타겟 전극(17)을 포함하는 타겟 전극부(16) 마그네트론 스퍼터링 장치의 경우 그 내부에 자석(19)을 포함하여 자기장을 발생시킨다.
여기서, 상기 타겟 전극부(16)는 상기 진공 챔버(11)를 관통하는 회동 수단(22)축과 연결되어 그 회전 및 편심 거리를 조절된다. 도 2에 나타낸 본 발명의 일실시예에서는 상기 타겟 전극부(16)가 상기 기판 홀더(14)에 대해서 편심되어 원운동하는 것을 특징으로 하며, 상기 타겟 전극부(16)는 상기 진공 챔버(11)를 관통하는 공급축(24)에 연결된다. 상기 공급축(24)은 상기 타겟 전극(17)에 전원을공급하는 전원 공급부(21)와 연결된다. 상기 전원 공급부(21)는 공정시 상기 타겟 전극(17)에 전원을 공급한다. 또한, 상기 타겟 전극부(16)의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 냉각수 공급관이 상기 공급축(24)을 통하여 상기 타겟 전극부(16) 내로 들어온다.
도 2에서 나타낸 일실시예는 상기한 바와 같이 타겟 전극부(16)에 전원 및 냉각수 공급을 원할히 하기 위해 공급축(24)을 이용하였으나, 상기 회동 수단(22)에 의해 이러한 전원 및 냉각수가 공급되는 경우에는 따로 공급축(24)을 포함하지 않아도 된다.
도 3a은 본 발명에 의한 스퍼터링 장치에서 타겟 전극부(16)와 연결된 회동 수단(16)이 진공 챔버(11)를 관통하는 부위를 나타낸 단면도이다. 여기서 상기 회동 수단(16)을 둘러싸며 형성된 이중축 피드 드루(Feed Through)(23)가 상기 진공 챔버(11)의 외부에 마련되어 있다. 여기서, 상기 회동 수단(16)은 상기 타겟 전극부(16)를 원운동 시키는 회전 수단(26) 및 상기 타겟 전극부의(16) 상기 회동 수단의 중심축으로 부터의 거리를 조절하는 편심 조절 수단(27, 28, 29)을 포함하는 이중축의 형태로 이루어진 것을 나타내었다.
이러한 편심 조절 수단(27, 28, 29)은 외부 동력을 전달하는 제 1 편심 조절축(27), 상기 제 1 편심 조절축의 동력을 전달하는 물림 기어(28)와 상기 물림 기어(28)와 치합하여 상기 타겟 전극부(16)의 편심 거리를 조절하는 제 2 편심 조절축(29)을 포함하게 된다. 도 3b에서는 상기 물림 기어(28)와 치합된 제 2 편심 조절축(29)에 의해 타겟 전극부(16)의 편심 거리가 변화하는 원리를 나타내었다. 또한, 상기 회전축(26)은 상기 타겟 전극부(16)를 상기 기판 홀더(14)와 같은 중심축을 지니는 회동부(22)의 중심축을 기준으로 원운동을 시키게 된다. 상기 회전축(26) 및 제 1 편심 조절축(27)은 진공 챔버(11) 외부의 예를 들어, 모터에 의해 동력을 전달하여 구동된다.
도 4는 본 발명에 의한 공급축(24)이 상기 진공 챔버(11)를 관통하는 부위를 확대한 단면도이다. 상기 고정축(24)은 진공 챔버(11)를 관통하며, 관통부는 벨로우즈에 의해 상기 진공 챔버(11) 내부의 진공이 유진된다. 상기 프레임(30)은 상기 진공 챔버(11)와 힌지 결합(32)된 에어 실린더와 연결되어 있다. 상기 에어실린더(31)는 공기를 입력 및 출력하기 위한 입출력 포트(33)가 마련되어 상기 공급축(24)의 전진 및 후진 작동시 압력의 차이를 보상한다.
이하에서, 도 2 내지 도 4를 참고하여 본 발명에 의한 스퍼터링 장치의 작동 방법에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다.
기판 홀더(14)에 원하는 박막을 증착 시킬 기판(15)을 고정시키고, 타겟 전극(17)에 증착시킬 물질을 포함하는 타겟(18)을 안착시킨다. 그리고, 진공 챔버(11) 내부의 진공을 예를 들어, 10-7Torr 정도의 고진공을 유지시킨 후, 방전 가스 인입구(12)를 통하여 방전 가스를 상기 진공 챔버(11) 내부로 주입시킨다. 방전 가스의 주입으로 예를 들어, 10-2내지 10-3Pa 정도의 진공도를 유지시킨 다음 전원 공급부(21)에서 기판 홀더(14)와 타겟 전극부(16)로 전압을 인가하면 상기 방전 가스에서 방전이 일어나 플라즈마가 형성된다.
방전 가스 주입이 된 만큼 일정한 진공도를 유지시키기 위해 진공 펌프와 연결된 토출구(13)로 계속 가스를 방출시킨다. 제 1편심 조절축(27)이 회전하여 물림 기어(28)를 구동시키고, 이에 의해 제 2 편심 조절축(29)이 이동하여 타겟 전극부(16)를 이동시킨다. 여기서, 상기 제 1편심 조절축(27)은 상기 기판 홀더(14)의 중심축과 일치하도록 설계하는 것이 바람직하다. 따라서, 제 1 편심 조절축(27) 및 상기 회전축(26)을 포함한 상기 회동수단(22)구동시키면, 상기 타겟 전극부(16)는 상기 기판 홀더(14)에 안착된 기판(15)을 중심으로 편심되어 원운동을 하게 된다. 따라서, 기판(15)으로 부터의 거리를 조절하면서 원운동을 시키게 되면 상기 타겟(18) 보다 큰 기판(15)의 전 표면에 대해 균일한 박막을 형성하는 것이 가능해진다.
이러한 공정 도중 타겟 전극부(16)부에 전원 및 냉각수를 공급시키게 되는데, 이때 상기 회동축 내로 전원 공급 수단 및 냉각수 공급 수단을 형성시키는 경우에는 따로 공급축을 형성시킬 필요가 없다. 별도의 공급축을 형성시키는 경우에는 타겟 전극부(16)의 회전 운동에 의해 공급축(24)이 진공 챔버(11)내부로 입출 운동을 하게 되므로, 그에 따른 압력차를 보상할 수 있는 압력 보상 수단이 필요하다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 공급축(24)이 상기 진공 챔버(11)를 관통하는 부분에 벨로우즈(25)가 형성되어 상기 진공 챔버(11)의 진공도를 유지하게 되며, 상기 공급축(24)의 입출 운동으로 인한 압력차를 보상하기 위해 상기 공급축(24)에 고정된 프레임(30)이 에어 실린더(31)와 연결되어 있다. 여기서 상기에어실린더(31)는 상기 공급축(24)이 상기 타겟 전극부(16)의 원운동시 상기 입출력 포트(33)를 통하여 공기를 입출력시켜 상기 챔버 내부의 압력 변화를 보상하게 된다. 즉, 공급축(24)이 타겟 전극부(16)를 따라 입출입 운동을 하면, 상기 진공 챔버(11)와 힌지 결합(32)된 에어 실린더(31)의 펌핑 작용으로 공기가 입출력 포트(33)로 출입하게 되는 것이다. 상기 타겟 전극부(16)부의 기판(15) 중심축으로 부터의 거리 변화 및 타겟 전극부(16)의 원운동에 의해 상기 공급축(24)은 진공 챔버(11)를 통과하여 일정 부분 입출 운동을 계속하게 된다.
여기서는 상기 타겟 전극이 기판 홀더의 상방에 위치한 일실시예를 나타내었으며, 상기 기판 홀더가 상기 타겟 전극 상방에 위치한 경우에도 모두 적용가능하다.
도 5는 본 발명에 의한 스퍼터링 장치를 이용하여 기판 상부에 박막을 형성시켰을 때의 기판 중심으로 부터 증착된 박막의 두께를 나타낸 시뮬레이션 그래프이다. 여기서, 타겟의 직경은 5mm, 기판의 반경은 100mm, 스퍼터링된 물질의 질량은 5g이며, 기판상의 박막의 밀도는 2.7g/cm3이다. 그리고, 기판과 타겟과의 거리는 40mm를 유지시켰다. 이때, 상기 편심 조절축을 조절하여 기판의 중심축과 일치하는 편심 조절축의 중심으로 부터 80mm거리에서 150초 동안 먼저 회전시켰고, 다음으로 중심으로 부터 40mm 거리에서 46초 동안, 마지막으로 기판 중심에서 6.5초동안 스퍼터링을 실시하였다. 도면에 나타낸 바와 같이 기판보다 상대적으로 매우 작은 타겟을 사용하여 증착시킨 경우에도 매우 오차범위가 작은 두께로 박막이 형성되었음을 알 수 있다. 이러한 편심 거리 및 증착 시간은 시뮬레이션과 실험을 통한 오차의 수정으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하여 기판보다 상대적으로 작은 타겟을 사용한 경우에도 매우 우수한 균일성을 지니는 박막을 형성시킬 수 있으므로, 큰 타겟을 사용하는 경우의 비용을 크게 절감할 수 있으며, 또한, 이러한 스퍼터링 장치를 사용하여 기판상에 연속적인 박막 증착을 위한 one 챔버 시스템을 구성하는 경우 설비 자체의 크기를 감속시킬 수 있으므로 경제적으로 매우 효과적이다.

Claims (8)

  1. 방전가스 인입구 및 가스 토출구를 포함하는 진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내부에 마련된 기판 홀더;
    상기 기판 홀더와 대향하며 형성된 타겟 전극부; 및
    상기 타겟 전극을 상기 기판 중심축을 중심으로 원운동 시키며 상기 기판 중심축으로 부터 거리를 조절하는 회동 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 회동 수단은 상기 타겟 전극을 원운동 시키는 회전 수단; 및
    상기 타겟 전극의 상기 기판 중심축으로 부터의 거리를 조절하는 편심 조절 수단;을 포함하는 이중축인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 편심 조절 수단은 외부 모터로 부터 동력을 공급 받는 제 1 편심 조절 축;
    상기 제 1 편심 조절 축에 형성된 물림 기어;
    상기 타겟 전극에 연결되며, 상기 물림 기어와의 치합에 의해 구동하는 제 2 편심 조절 축;을 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 회동 수단은 상기 진공 챔버를 관통하며, 상기 진공 챔버의 관통부에는 이중축 피드 드루가 형성된 것을 포함하는 스퍼터링 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 타겟 전극에 전압 공급 수단 및 냉각수 공급 수단이 이송되는 공급축을 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 공급축이 관통하는 상기 진공 챔버 외부는 상기 진공 챔버의 진공을 유지하는 벨로우즈 봉합 수단;
    상기 공급축의 상기 진공 챔버로의 입출력 운동시 압력 변화를 보상하는 압력 조절 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 압력 조절 수단은 상기 공급축에 형성된 프레임; 및
    일측부가 상기 프레임과 연결되며, 그 타측부가 상기 진공 챔버에 결합된 에어 실린더인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 에어 실린더는 가스의 입출력 포트를 포함하여 가스의 입출력에 의해 상기 공급축의 입출력 운동시의 압력 차를 보상하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
KR1020010030771A 2001-06-01 2001-06-01 타겟 이동형 스퍼터링 장치 KR20020091949A (ko)

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