KR20040012264A - 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치 - Google Patents

고효율 마그네트론 스퍼터링 장치 Download PDF

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KR20040012264A
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한전건
남경훈
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한전건
남경훈
정민재
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Abstract

본 발명은 스퍼터링 방법을 이용하여 물리적으로 박막을 형성하는 박막 형성 장치에 관한 것으로서, 특히 보조 전자 발생장치를 이용하여 전자를 공급하므로서 고밀도의 플라즈마를 구현하고, 바이어스가 인가되는 그리드에 의하여 타겟으로부터 인출된 이온 입자를 기판으로 이동시키며 플라즈마의 밀도와 반응성을 높이게 되어 박막형성의 효율을 높힌 마그네트론 스퍼터링 장치이다.
보다 상세하게, 본 발명은 진공챔버(1) 내에 설치되고 상기 진공챔버(1)의 외부로부터 전원이 공급되어 작동되며, 이온 입자 방출을 위하여 음극 또는 RF 전극으로 인가되는 타겟(10)과; 상기 타겟(10)의 후방에 설치되어 자기장을 인가하는 영구자석(20)과; 상기 타겟(10)의 전방에 설치고정되어 타겟(10)으로부터 방출된 이온 입자가 코팅되는 기판(30)과; 상기 타겟(10)과 기판(30) 사이의 위치에서 전압이 인가되어 상기 타겟(10)으로부터 이온을 인출시키며 생성된 플라즈마의 밀도와 반응성을 높히는 그리드(40)로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

고효율 마그네트론 스퍼터링 장치{High effective magnetron sputtering apparatus}
본 발명은 스퍼터링 방법을 이용하여 물리적으로 박막을 형성하는 박막 형성 장치에 관한 것으로서, 특히 보조 전자 발생장치를 이용하여 전자를 공급하므로서 고밀도의 플라즈마를 구현하고, 바이어스가 인가되는 그리드에 의하여 타겟으로부터 인출된 이온 입자를 기판으로 이동시키며 플라즈마의 밀도와 반응성을 높이게 되어 박막형성의 효율을 높힌 마그네트론 스퍼터링 장치이다.
특히, 그리드가 타겟과 등전위를 형성하도록 전기적으로 연결된 경우에는, 타겟과 그리드의 등전위 형성에 의하여 타겟부위에 형성된 가스방전에 의한 플라즈마와 이로 인한 타겟 표면에서 인출된 높은 에너지의 이온들이 기판에서 박막을 용이하게 형성하며, 또한 이온 입자를 타겟측으로부터 기판측으로 이동시킬 수 있도록 인가되는 그리드가 다수개로 배열되어 이루어지는 경우에는 기판에 바이어스를 인가하지 않아도 용이하게 증착할 수 있어서 절연체 기판에도 적용될 수 있도록 한것을 특징으로 한다.
종래의 마그네트론 스퍼터링 기술은 기판 위에 막을 형성하는 기술로서 저온공정이 가능하고 미려한 막 형성이 가능하다는 장점 때문에 널리 사용되고 있다.
그러나, 기판에 직접 바이어스를 인가하여 증착을 수행하는 경우에는 기판의 종류에 따라 인가전원의 제약을 받게 된다. 즉, 기판이 어느 정도 전기적으로 전도를 갖는 물질이라면 직류 바이어스 인가 전원을 사용할 수 있지만, 전기적으로 전류가 흐르지 않는 절연체일 경우 직류로 바이어스 전원을 인가할 수 없고 교류인 RF 고주파 전원이 이용되어야 한다. 이러한 경우, 고주파 전원 사용에 따른 많은 비용과 기술적인 문제에 제약이 있게 된다.
또한, 저압공정을 위한 고밀도 플라즈마 발생을 위하여 ECR(electron cyclotron resonance)이나 헬리콘(Helicon)원이 사용되는데, 이들 장비는 고가 장비로서 비용이 많이 들고 기술적으로 난해하기 때문에 많은 어려움이 수반되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 고밀도 플라즈마를 구현하고 기판의 전기적인 특성에 관계없이 바이어스 인가를 통한 박막의 기능성을 향상시키고, 또한 보조 전자 방출장치인 필라멘트를 이용하여 고밀도 플라즈마를 발생시키므로서 저압에서 보다 안정된 공정을 이행할수 있고 높은 효율을 갖도록 이루어진 마그네트론 스퍼터링 장치를 제공하는 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치의 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 다른 실시예이다.
도 2a는 본 발명에 따른 그리드의 실시예이다.
도 2b는 도 2a의 다른 실시예이다.
도 2c는 도 2a의 또 다른 실시예이다.
도 3a는 2개 그리드 구조에서 그리드 바이어스 비인가시 Ti 박막의 단면 SEM 이미지를 나타낸다.
도 3b는 2개 그리드 구조에서 그리드 바이어스 인가시 Ti 박막의 단면 SEM 이미지를 나타낸다.
도 4는 2개 그리드 구조에서 그리드 바이어스 증가에 따라 증착되는 Ti 박막의 표면형태를 측정한 AFM 이미지를 나타낸다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1: 진공챔버10: 타겟
20: 영구자석30: 기판
40: 그리드42: 제 1 그리드
44: 제 2 그리드50: 애노드
60,61: 전원장치62: 제 1 전원장치
64: 제 2 전원장치
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치는 진공챔버 내에 설치되고 상기 진공챔버의 외부로부터 전원이 공급되어 작동되며, 입자 방출을 위하여 음극 또는 RF 전극으로 인가되는 타겟과, 상기 타겟의 후방에 설치되어 자기장을 인가하는 영구자석과, 상기 타겟의 전방에 설치고정되어 타겟으로부터 방출된 입자가 코팅되는 기판과, 상기 타겟과 기판 사이의 위치에 설치되며 인가되는 전압에 의하여 플라즈마의 밀도와 반응성을 높히는 그리드로 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치를 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명에 따른 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치의 단면을 나타낸 실시예이고, 도 1b는 도 1a의 다른 실시예이다. 보다 상세하게, 그리드가 장착되어 있는 그리드 장착형 마그네트론 스퍼터링 장치를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치는 진공챔버(1) 내에 설치구성되는 타겟(10)과, 영구자석(20)과, 기판(30)과, 그리드(40)로 구성되며, 진공챔버(1)의 외부로부터 전원이 공급되어 작동된다.
상기 타겟(10)은 이온 입자 방출을 위하여 음극 또는 RF 전극으로 인가되고, 상기 기판(30)은 타겟(10)의 전방에 설치고정되어 타겟(10)으로부터 방출된 이온 입자가 증착된다. 그리고, 상기 영구자석(20)은 상기 타겟(10)의 후방에 설치되어 자기장을 인가하게 된다.
타겟(10), 애노드(50), 그리드(40), 기판(30)의 순서대로 배열되고, 상기 타겟(10)과 그리드(40) 사이의 위치에 설치되는 상기 애노드(50)에 양극을 인가하므로서 방전전압을 낮출 수 있게 하며, 목적에 따라 선택적으로 설치되어 사용된다.
도 1a는 1개의 그리드(40)로 구성된 것으로서, 증착원으로 이용되는 전원장치(60)는 양극이 애노드(50)와 진공챔버(1)에 연결되고, 음극이 타겟(10)과 그리드(40)에 동시에 연결되어 상호 등전위를 형성하며, 플라즈마 발생을 그리드(40) 앞단까지 유도하고, 이 사이에 할로우캐소드(hollow cathode) 형태의 방전을 형성하여 플라즈마 밀도와 반응성을 증가시키고 기판(10)에 양질의 이온을 유도한다. 또한, 상기 기판(20)에는 타겟(10)측으로부터 인출된 이온 입자를 기판(20)측으로 이동시켜 증착하기 위하여 바이어스를 인가하는 전원장치(61)가 별도로 구비되며, 상기 그리드(40)에 인가되는 전압은 직류, 펄스 직류, 교류 중 선택적으로 사용된다.
상기 그리드(40)와 타겟(10)은 등전위를 형성하게 되어 타겟(10) 부근에 형성된 플라즈마와 이로 인한 타겟(10) 표면으로부터 인출된 높은 에너지의 이온들이 기판(30)에서 박막형성을 용이하게 한다.
또한, 상기 그리드(40)는 타겟(10)과의 거리를 조정할 수 있도록 이동가능하게 장착되며(도면 미도시), 타겟(10)과 동일한 음전위(도 1a 참조)에 의해 플라즈마 내의 공간전하효과(space charge effect)로 인한 쉬쓰효과(sheath effect)로 형성된 이온들 또는, 저항(70)에 의해 타겟(10)과 그리드(40) 간의 전압차(도면 미도시, 도 1b 와 동일)로 형성된 이온들을 상기 그리드(40)를 통하여 가속시키므로서 기판(30)에 고밀도 고에너지의 이온 플럭스를 갖는 박막을 형성하게 된다.
여기서, 상기 그리드(40)가 이동가능하게 설치구성된 것은 타겟(10)과 그리드(40) 사이의 거리가 멀어짐에 따라 이온 인출시 타겟(10)으로부터 방출된 이온에 의한 플라즈마 플럭스(flux)가 감소하기 때문이다.
상기에서, 기판(30)에 바이어스를 인가한 것은 코팅의 효율을 높이기 위한 것이고 바이어스를 인가하지 않아도 이온 입자의 증착으로 박막은 형성되며, 상기 기판(30)에 바이어스가 인가되는 것이 바람직하다.
한편, 그리드(40)와 타겟(10)에 연결되는 음극은 그 사이에 저항(70)이 연결되어 그리드(40)와 타겟(10) 사이에 전압강하가 발생되도록 하여 더 높은 이온의 가속과 전자의 에너지 증가로 높은 플라즈마 밀도가 발생되도록 하며, 이에 양질의 이온을 인출할 수 있도록 한다.
그리고, 저압공정을 위한 고밀도 플라즈마 구현을 위하여, 타겟(10) 전방의 측면부위에 필라멘트(도면 미도시)를 설치하여 외부전원 공급으로 보조 전자를 공급하여 플라즈마가 발생되는 타겟(10)의 전면 부위에 조사되도록 한다. 이에, 상기 보조 전자가 공급되므로서 고밀도 플라즈마가 구현되며, 이를 통하여 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치보다 수배의 전자밀도를 형성하게 되어 낮은 방전전압을 유지할 수 있을 뿐만아니라 낮은 공정압력(저압공정, 〈10-4torr)을 유지할 수 있게 된다.
도 1b는 2개의 그리드(42,44)가 사용된 구조로서, 2개 그리드(42,44) 사이에 세라믹(도면 미도시)이 사용되어 간격유지 및 절연이 이루어지고, 전극간의 간격은 최적의 이온 인출을 위하여 거리를 조정할 수 있으며, 상기 2개 그리드(42,44)의 형상은 1개 그리드 구조와 동일하게 이루어진다.
1개 그리드 구조의 마그네트론 스퍼터링 장치에서, 기판(30)은 타겟(10)에 연결된 전원장치(60)외에 별도의 전원장치(61)로 바이어스를 인가하여 이온 인출을 유도하는 반면에, 2개 그리드 구조의 마그네트론 스퍼터링 장치는 제 1 그리드(42)와 제 2 그리드(44)에 각각 전압을 인가하고 기판(20)에는 별도의 바이어스를 인가하지 않는다. 즉, 제 1 그리드(42)에는 피드스루(feedthrough) 전극을 장입연결하여 전압을 인가하고 제 2 그리드(44)는 진공챔버(1)에 접지되어, 2개 그리드(42,44)의 전압차에 의하여 이온 입자를 기판(20)측으로 이동시킬 수 있게 하며, 2개 그리드(42,44)는 세라믹(도면 미도시)으로 절연된다.
2개 그리드 구조를 통한 방전은 1개 그리드 구조 시스템과 유사하지만 이온 입자의 인출 형태에서 많은 차이점이 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 방전을 위한 제 1 전원장치(62)는 타겟(10)에 음극을 연결하고, 애노드(50)에는 양극을 연결하며, 이온 인출에 사용되는 제 2 전원장치(64)는 진공챔버(1)에 음극을 연결하여 접지하고 제 2 그리드(44)와 전압차가 발생된다. 이러한 전압차에 의하여 이온이 인출된다.
또한, 1개 그리드 구조 시스템와 동일하게 제 1 그리드(42)와 타겟(10)에 연결되는 음극은 그 사이에 저항(70)이 연결되고, 타겟(10) 앞의 측면부위에 필라멘트(도면 미도시)가 설치되는데, 상기 저항(70)은 타겟(10)과 가장 근접한 그리드(42)를 연결하는 것이다.
상기 그리드(42,44)는 1개 그리드 구조와 동일하게 타겟(10)과의 거리를 조정할 수 있도록 이동가능하게 장착된다(도면 미도시).
상기 그리드(42,44)는 2개 이상 배열되어 설치가능하며, 타겟(10)측으로부터 이온 입자가 기판(30)측으로 이동가능하도록 각각의 그리드에 전압이 인가된다.
도 2a는 본 발명에 따른 그리드의 실시예이고, 도 2b는 도 2a의 다른 실시예이며, 도 2c는 도 2a의 또 다른 실시예이다.
본 발명에서의 이온 인출 가속장치(즉, 그리드(grid))는 고전압 인가시 열전자 방출이 최대화되고 고온에서의 내구성을 확보하기 위하여 일함수가 낮은 텅스텐이나 몰리브덴, 탄탈륨, 구리판 등과 이외에 다양한 금속 및 금속 화합물이 이용되며, 그 크기(2inch 이상)와 두께(수 ㎜)에 따라 다양한 형태로 제작된다.
또한, 상기 그리드(40,42,44)는 타겟(10)과 동일한 재료이거나 타겟(10)의재료가 포함되는 복합재료로서 일체 또는 코팅되어 이루어지며, 전도성의 금속, 합금, 세라믹, 유기물, 반도체 등의 재료가 일체 또는 코팅되어 이루어질 수도 있다.
보다 상세하게, 도 2a는 메쉬(mesh) 형태이고, 도 2b와 도 2c는 정렬된 구멍(49)이 형성된 것인데 각각 원형과 타원형을 나타낸 것이나, 그 이외에 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 구멍(49)은 각 문양의 크기와 중심간의 거리가 균일하게 이루어지며, 1개 이상 배열된 형태로 형성된다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치에 의해 측정된 이미지를 기반으로, 본 발명에 따른 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치로 실시된 실험결과를 아래에서 설명한다.
도 3a는 2개 그리드 구조에서 그리드 바이어스 비인가시 Ti 박막의 단면 SEM 이미지를 나타내고, 도 3b는 2개 그리드 구조에서 그리드 바이어스 인가시 Ti 박막의 단면 SEM 이미지를 나타낸다.
시편이 되는 기판(30)으로 실리콘웨이퍼를 사용하였으며, 증착조건은 먼저 2×10-5torr까지 배기한 후, 아르곤 가스를 주입하여 진공도를 3×10-3torr로 유지하면서 타겟(10)에 0.5A의 전류를 인가한다. 도 3a와 도 3b는 이와 같은 조건으로 제 1 그리드(42)는 음극이 되며 제 2 그리드(44)에 바이어스를 0V, 300V로 인가한 후 증착한 Ti 박막의 단면 SEM(Scanning Electron Microscopy) 이미지를 각각 나타낸다.
도시된 바와 같이, 제 2 그리드(44)에 바이어스를 인가한 경우가 인가하지 않은 경우 보다 상당히 조밀한 박막을 얻을 수 있었는데, 이는 바이어스 인가시 이온 충격(ion bombardment)의 증가로 인하여 기판(10)의 온도 상승과 에너지 증가에 따른 기판(10)상의 이동성(mobility) 증가로 기인한 것이다.
도 4는 2개 그리드 구조에서 제 1 그리드(42)는 음극이 되고 제 2 그리드(44)에 인가되는 바이어스의 증가에 따라 증착되는 Ti 박막의 표면형태를 측정한 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지를 나타낸다. 도 4a와, 도 4b, 도 4c는 제 2 그리드(44)에 바이어스가 각각 0V, 100V, 150V로 인가시 측정된 이미지이다.
도시된 바와 같이, 바이어스를 인가하지 않을 경우, 즉 바이어스가 0V인 경우에는 표면조도가 2.6㎚이며, 100V와 150V로 증가시켰을 때 각각 1.5㎚, 1.1㎚인 것으로 측정된다.
이는 단면 SEM 이미지와 마찬가지로 바이어스 증가시 이온 충격 효과로 기인한 것이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치는 종래 마그네트론 장치와는 다르게 그리드(40)를 타겟(10) 부위에 직접 장착하여 기판(30)이 가지고 있는 전기적인 특성에 따라 이온 인출 기능을 행할 수 있도록 하여, 기판(30)에 고밀도 고에너지의 이온을 갖는 박막을 형성할 수 있으며, 이에 기판(30)에 피막하고자 하는 박막의 기능성을 향상시키는데 효과가 있다.
또한, 타겟(10) 앞의 측면 부위에 설치된 필라멘트를 통하여 보조 전자를 플라즈마가 형성되는 타겟(10) 부위에 조사하여 고밀도 플라즈마를 형성시킬 수 있으며, 이로 인하여 낮은 공정압력과 전압을 유지할 수 있게 되므로서 다양한 공정 조건을 수립할 수 있도록 하는데 효과가 있다.
즉, 본 발명은 고밀도 고에너지의 이온을 생성시키며 고밀도 플라즈마의 형성을 가능하게 하여 낮은 공정압력에서 조밀한 박막형성을 용이하게 하므로서 박막형성 효율을 높인 마그네트론 스퍼터링 장치이다.
뿐만아니라, 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치에 대비하여 그리드(40) 추가 구성만으로 제작비용을 대폭적으로 절감하는데 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 진공챔버(1) 내에 설치되고 상기 진공챔버(1)의 외부로부터 전원이 공급되어 작동되며,
    이온 입자 방출을 위하여 음극 또는 RF 전극으로 인가되는 타겟(10)과;
    상기 타겟(10)의 후방에 설치되어 자기장을 인가하는 영구자석(20)과;
    상기 타겟(10)의 전방에 설치고정되어 타겟(10)으로부터 방출된 이온 입자가 코팅되는 기판(30)과;
    상기 타겟(10)과 기판(30) 사이의 위치에서 전압이 인가되어 상기 타겟(10)으로부터 이온을 인출시키며 생성된 플라즈마의 밀도와 반응성을 높히는 그리드(40)로 구성된 것을 특징으로 하는 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 그리드(40)는 2개 이상 배열되어 설치구성된 것을 특징으로 하는 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기판(30)은 음극으로 인가되며, 상기 그리드(40)는 상기 타겟(10)과 등전위를 형성하도록 전기적으로 연결되어 이루어진 것을 특징으로 하는 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 그리드(40)는 상기 타겟(10)으로부터 생성된 이온입자를 기판(30)측으로 가속 이동시키도록 각각에 전압이 인가되어 이루어진 것을 특징으로 하는 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 타겟(10)은 전압강하 효과를 얻기 위하여 가장 근접한 그리드(40)와 저항(70)으로 연결되어 이루어진 것을 특징으로 하는 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 타겟(10)의 전면부 일측에 보조 전자를 방출하는 전자원이 되는 필라멘트가 설치되어 이루어진 것을 특징으로 하는 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 그리드(40)는 타겟(10)과 동일한 재료이거나 포함된 복합재료가 일체 또는 코팅되어 이루어진 것을 특징으로 하는 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 그리드(40)는 전도성의 금속, 합금, 세라믹, 유기물, 반도체 등의 재료가 일체 또는 코팅되어 이루어진 것을 특징으로 하는 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 그리드(40)는 메쉬 형태로 형성되거나또는, 하나 이상 형성된 구멍(49)이 배열되어 이루어진 것을 특징으로 하는 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 구멍(49)은 원형, 타원형, 사각형 등 다양한 형태의 구멍 중 하나인 것을 특징으로 하는 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 그리드(40)에 인가되는 전압은 직류, 펄스 직류, 교류 중 하나 인 것을 특징으로 하는 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 타겟(10)과 그리드(40) 사이에 위치되어 방전전압을 낮추도록 하는 애노드(50)가 더 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치.
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