KR20040004742A - 대향타겟식 스퍼터링법을 이용한 고배향성 박막 제작법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대향타겟식 스퍼터법을 이용하여 제작하는 박막의 고품질, 고배향정을 위한 기능성 박막 증착 방법에 관한 것으로써, 박막 증착시 발생되는 높은 에너지를 갖는 입자들의 기판충돌에 의한 막의 손상을 최대한 줄이고 0.1∼수십mTorr의 가스압력 하에서도 결정성이 양호한 막을 고속으로 제작할 수 있는 방법이며, 박막의 품질을 높이기 위해 하지층을 도입함으로 고품위 박막 제작을 가능케 한 대향타겟식스퍼터링(FTS) 장치의, 고배향성 박막제작법이다.

[색인어]

1) 스퍼터링 : 가속된 입자가 고체 표면에 충돌한 경우 운동량의 교환에 의해 고체를 구성하는 원자가 공간으로 방출되는 현상을 총칭해서 스퍼터링현상이라 함. 2) 하지층 : 박막 제작시 막의 증착 및 보다 안정된 상태등을 위하여 보조로 막과 기판 중간에 삽입하여주는 기능성 박막 및 층 3) 플라즈마 : 이온, 전자, 중성자등이 혼성되어 있고, 즉, 양과 음의 하전입자 군을 포함하며 전체로서 전기적으로 거의 중성(모든 입자들의 평균이 중성)인 이온과 전자의 집단을 말한다. 또는 물질의 제 4상태라고도 한다. 4) 기능성박막 : 박막의 제작에 있어 품질에 관한 내용이 기능성을 가지고 있으며 일정한 계(System)의 한 부분으로 그 기본 성질을 수행할 수 있는 박막 5) r전자 : r작용에 의해 방출되는 전자 r작용이라 함은 양이온이 음극에 충돌해서 2차 전자(전자나 이온의 입사에 의해 고체 표면으로부터 방출되는 전자)를 방출시키는 작용을 함 6) 증착 : 스퍼터링 현상에 의해 타겟으로부터 방출된 입자들이 기판상에 쌓이는 현상 7) 증착속도 : 일정 시간동안 기판에 증착된 정도 일반적으로 [Å/min]의 단위를 사용 8) 기판온도 : 박막을 제작하는데 있어 결정을 성장시키는데 기준이 되는 기판의 온도가 박막의 품질에 기능적 영향을 미침.

Description

대향타겟식 스퍼터링법을 이용한 고배향성 박막 제작법{omitted}

1) 본 기능성 박막을 제작하는데 사용된 대향타겟식 스퍼터링 장치는 고배향성 박막제작을 위하여 설계된 것으로 기판홀더에 히터가 설치되어 있어 300℃까지 온도를 조절하며 박막제작 환경을 제어할 수 있다.

2) 고 배향성 박막은 박막제작 환경에 밀접한 영향을 받는다. 따라서 안정된 스퍼터를 위하여 박막제작에 적합한 환경을 조성하여야 한다. 우선 고진공 상태(10^-7mTorr이상)를 유지하며 대향타겟식 스퍼터링 장치의 사용으로 박막을 고속 증착한다.

3) 도 1은 본발명의 실험장인 대향타겟식스퍼터링 장치이다. 두 개의 타겟이 서로 마주보게 배치 되어 있으며, 도 2에서 보여지는바와 같이 자계가 타겟면에 수직으로 분포하도록 영구자석을 타겟 뒷면에 배치시켰으며 두 타겟에 (-)의 전위가 인가되고 챔버와 기판의 전위는 접지전위가 인가된다. 따라서 r-전자의 회전운동을 유발시킴과 동시에 하나의 타겟은 맞은편 타겟에서 방출된 r-전자의 반사전극이 되어 r-전자는 두 개의 타겟 사이를 왕복 운동하게된다.

타겟 사이의 r-전자가 왕복 회전운동을 함으로서 분위기 가스의 이온화율이 다른 스퍼터링 장치의 이온화율보다 높아 낮은 가스압력(0.1mTorr)에서도 고밀도 플라즈마의 형성과 안정적인 방전이 가능하다.

4) 두 타겟의 뒷면에 장착된 영구 자석에 의해 발생되는 자계는 타겟 표면에 평행한 방향이 아니고 수직한 방향으로 인가된다. 즉 하나의 타겟에서 인가되는 자계가 N극이라면 다른 쪽의 타겟에서 발생되는 자계는 S극으로 되어 있기 때문에 타겟이 자성체, 비자성체에 준하지 않고 모든 물질의 고속 스퍼터가 가능하다.

5) 도 1에 나타낸 두 타겟은 상 ·하 이동이 가능하여 타겟 사이의 자계의 세기를 조절할 수가 있다. 또한 기판을 지지하는 기판 홀더 역시 두 타겟 중심부로 전 ·후 이동이 가능하여 기판 위치를 변화시킬 수가 있다. 따라서 고배향성 박막의 제작을 위하여 이층막의 스퍼터링이 가능하며 하지층 도입에 따른 박막 품질의개선을 기대할 수 있다.

(6) 기판의 배치는 플라즈마로부터 이격되어 있는 상태(플라즈마-프리)에 있기 때문에 스퍼터링시에 발생되는 높은 에너지를 갖는 입자들의 기판 충돌을 최대한 억제할 수가 있다. 따라서 r 전자뿐 아니라 음 이온에 기인한 높은 에너지를 갖는 입자의 기판충돌도 완전히 제거된다.

이 때문에 기판의 손상이나 조성의 어긋나는 문제가 극복 될 뿐만 아니라 결정성이 극히 양호한 막이 제작될 수 있다는 특징을 가진다.

고품위 박막의 제작은 IT 산업의 활발한 진행과 더불어 발전되고 있는 이동통신 및 차세대 고밀도 저장장치등에 적합한 기능성 박막으로서 이의 활용분야는 무한하다 할 정도로 그 폭이 넓다. 따라서 기능성 박막의 품질에서 가장 중요한 배향성에 주안점을 두고 고배향성 박막을 제작하고자 함에 있어 대향 타겟식 스퍼터링 장치를 사용하였으며, 또한 막의 품질을 개선하기 위하여 하지층을 사용하였다. 대향 타겟 스퍼터링 장치는 1mTorr 이하인 0.1mTorr의 낮은 방전 가스압력에서도 고밀도의 플라즈마가 생성 될 수 있고, 1분간 수 천 Å정도의 막 증착 속도 또한 쉽게 달성될 수 있다. 또한 기판과 박막과의 강한 부착력 그리고 고속의 증착 속도로를 갖기 때문에 박막의 대량생산에 적합한 특징을 가지고 있다. 또한 막의 고 배향성을 위하여 하지층을 사용함에 따라 기능성 박막에 맞게 우수한 배향성을 유도함으로 고품질의 박막을 제작할 수 있다. 따라서 본 출원의 목적은 대향타겟식 스퍼터링 장치를 이용하여 박막을 제작하는 데 있어서 하지층을 사용하지 않고 제작한 박막의 경우나 대향타겟식이 아닌 장치보다도 고속 ·저온, 저압하에서 고품질,고배향성 박막의 증착이 가능하다는 것을 설명하며, 스퍼터링 장치와 하지층의 도입으로 인해 얻어지는 막의 우수성을 설명하여 앞으로의 스퍼터링 기술의 진보를 도모하고자 한다.

본 발명은 스퍼터법을 이용한 박막의 증착에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 두 개의 타겟이 서로 마주보고 있으며, 기판의 위치가 플라즈마와 이격되어 있는 구조를 갖는 대향타겟식 스퍼터장치에 관한 것이다.

기존 제작된 박막들은 적합한 하지층의 선택과 제작 환경등의 요인에 따라 기능성 박막의 결정 배향성에 크게 영향을 주지 못하였고 이를 위해 다양한 연구가 계속적으로 시도되고 있다. 종래의 마그네트론 스퍼터법은 도 3에 나타낸 바와 같이 기판의 위치와 타겟 뒷면의 영구자석의 배치를 갖는다. 타겟과 기판이 서로 마주보고 있으며 고전압이 타겟과 기판에 인가되면, 방전현상이 일어나 타겟에서 방출된 스퍼터된 입자들이 기판에 증착되는 방법이다. 이때 높은 에너지를 갖는 입자(중성자, 양이온, 전자 등)들의 기판 충돌은 타겟 뒷면의 영구자석에 의해 어느정도 억제 할 수는 있지만 자석의 중심부 즉 자극 부분에 해당되는 타겟에서 방출되는 입자들은 억제할 수가 없게 된다. 따라서 이 부분에 상응하는 기판 면은 온도가 국부적으로 고온이 되어 양질의 막을 얻기가 어렵다. 또한 도 5에 나타난바와 같이 타겟이 자성체인 경우 영구자석에 의한 자계의 발생이 억제되기 때문에(자성체 타겟이 자로를 형성하게 되어 타겟 외부로의 자계가 형성되기 힘듬) r-전자를 구속하지 못하기 때문에 고밀도 플라즈마, 고속 증착을 할 수 없는 문제점이 발생하고 있다.

스퍼터링법에 의한 박막 제작 기술의 진보에 의해 스퍼터법은 반도체 공업을 시작으로 넓은 범위의 분야에서 이용되어 왔다. 그렇지만, 강자성체의 고속 ·저온 스퍼터의 실현과 타겟으로부터 방출되는 음 이온에 의한 기판충격의 제거 등, 해결해야만 하는 문제점이 많이 남겨져 있다. 본 발명의 목적은 이와같은 문제점을 해결할 수 있도록 장치적인 부분에서는 기판의 위치가 타겟과 마주보고 있지 않기 때문에 기판상에 증착되는 박막의 손상을 억제 할 수 있으며, 고순도의 박막 제작을 위한 고진공상태(0.1mTorr)에서도 r-전자의 왕복 회전운동으로 이온화율을 극대화 시켜 안정적인 방전을 유지시키며 박막을 제작할 수 있는 제작 환경을 제공하였고, 박막제작에 있어 배향성에 직접 영향을 미치는 하지층의 도입에 따른 고배향성 박막제작방법의 개발이다.

도 1은 대향타겟식 스퍼터링 장치의 개략도

도 2는 대향타겟식 스퍼터링 장치의 타겟 배치도

도 3은 마그네트론 스퍼터장치의 자계 분포도

도 4는 대향타겟식 스퍼터링 장치의 자계 분포도

도 5는 강자성체 타겟의 경우 자계 분포

도 7은 실제 박막을 제작하는 대향타겟식 스퍼터링 장치의 사진

도 6은 박막 증착시 하지층은 사용하였을때의 개략도이다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 1과 도 2에 나타난 것처럼 두 개의 타겟은 서로 마주보는 위치에 있다. 챔버 내부에는 분위기 가스 Ar(혹은 O₂)이 주입되며, 직류의 (-) 전위가 두 타겟에 인가되면 타겟과 shield ring 사이에 국부 방전이 형성된다. 이와 같이 전압인가 후 초기 국부 방전이 일어나면 챔버 내부에 주입된 가스의 이온화가 타겟 사이에서 촉진되어 두 타겟 사이에는 방전 형태의 플라즈마가 생성된다. 이러한 플라즈마에는 r-전자, 음이온, 양이온 등으로 이루어져 있다.

이때 r-전자는 주입 가스의 이온화를 시키는 주요한 역할을 하게 된다. 대향타겟식스퍼터링 장치의 경우 r-전자가 타겟 사이를 왕복 회전 운동하기 때문에 Ar 가스 보다 이온화율이 낮은 산소 가스를 주입가스로 사용할지라도 종래의 스퍼터링 장치보다 높은 증착 속도를 갖는다.

따라서 산소 가스를 이용한 즉 반응성 스퍼터링을 이용하여 박막을 증착하는 경우에도 높은 증착 속도를 구현 대향 생산에 적합한 방법이라 할 수 있다.

음이온은 기판이 타겟과 마주보는 위치에 있는 종래의 스퍼터링법의 경우 기판으로 입사하여 증착되는 박막에 충돌하여 치명적인 손상을 초래하기 때문에, r-전자나 음이온의 기판 충돌을 억제하기 위해 도 3에 나타난 것처럼 타겟의 뒷면에 영구 자석을 배치하여 r 전자나 음이온의 기판 충돌을 억제하였다. 또한 r-전자의 경우 타겟 표면에 형성된 누설자계에 의해 구속되어 타겟 근방에서 분위기 가스의 이온화 율을 높여 고밀도의 플라즈마가 형성된다. 그러나 도 3에 나타난 바와 같이 영구자석의 자극 중심부에서의 r-전자는 타겟 표면에 형성되는 누설자겟에 포획되지 않고 타겟에 인가된 전압에 상응하는 높은 에너지를 가진 채 기판으로 충돌하게 되어 증착되는 막의 손상을 입힘에는 변함이 없다.

따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 고밀도의 플라즈마를 형성함과 동시에 기판의 위치가 타겟과 마주보고 있지 않은 상태에서 박막의 제작이 이루어져 한다. 도 4에 도시된 바와 같이 기판의 위치를 타겟과 마주 보지 않게 하여 박막 증착중 발생되는 높은 에너지를 갖는 입자들의 기판 충돌을 최대한 억제하여 막의 손상을 줄일 수가 있다.

도 5는 자성체 타겟을 이용한 경우를 나타낸 것이다. 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치의 경우 타겟 외부로의 누설 자계가 형성되지 않게 되어 방전 자체가 어렵게 된다. 그러나 대향타겟식스퍼터링 장치의 경우 자성체 타겟을 이용하더라도 도 5에 나타낸 바와 같이 고밀도의 플라즈마를 형성, 높은 증착 속도를 구현할 수 가있다.

이상에서 본 바와 같이 대향타겟식 스퍼터링 장치를 이용하여 종래의 스퍼터링 방식에서 많은 문제가 되었던 높은 에너지를 갖는 입자들의 기판 충돌로 인해 증착되는 박막의 손상과 자성체 타겟을 이용한 박막 증착의 어려움 등을 고속의 증착 속도를 갖음과 동시에 해결할 수가 있었으며 하지층 도입함으로 고 배향성 박막 제작이 가능하였다. 때문에 스퍼터링을 이용한 박막 증착을 사용하는 산 ·학 ·연 분야에 큰 기여를 할 것으로 예상된다.

Claims (7)

1. 두 개의 타겟이 서로 마주 보는 배치
2. 히터를 이용한 기판온도의 제어와 이에따른 박막의 고품질화, 고배향성화
3. 하지층의 도입에 의한 박막 품질의 개선
4. 하지층 두께 조절에 의한 박막의 품질개선
5. 이층막의 연속 공정에 의한 박막제작
6. 각 타겟 뒷면의 영구자석

   (타겟 1은 N극 타겟 2는 S극)
7. 두 타겟 사이의 중심부에서 이격된 기판의 배치