KR20060130499A - 변조 전력 신호를 이용한 이온 밀도 및 에너지 제어 시스템및 방법 - Google Patents

변조 전력 신호를 이용한 이온 밀도 및 에너지 제어 시스템및 방법 Download PDF

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KR20060130499A
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Abstract

스퍼터링 시스템에서 이온 밀도 및 스퍼터링 속도를 제어하기 위한 방법이 개시된다. 일 실시형태에서, 제1 펄스 폭 전력 신호는 음극에 적용되어 보다 고농도의 이온을 발생시킨다. 제1 펄스 폭 전력 신호의 펄스 폭은 그 후 감소되어 스퍼터링 속도를 증가시키고 음극 주변의 이온 밀도를 감소시킨다. 다음, 프로세스는 반복되어 변조 신호를 생성한다.
이온 밀도, 스퍼터링 속도, 변조 전력 신호, 펄스 폭, 음극

Description

변조 전력 신호를 이용한 이온 밀도 및 에너지 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING ION DENSITY AND ENERGY USING MODULATED POWER SIGNALS}
도1은 스퍼터링을 위한 예시적인 회전 가능한 마그네트론을 도시하는 도면.
도2는 예시적인 평면 마그네트론 및 타겟의 단면도.
도3은 예시적인 평면 마그네트론 및 대응하는 자력선의 단면도.
도4는 평면 타겟 내에 형성된 예시적인 레이스 트랙을 도시하는 도면.
도5는 타겟 상에 형성된 노듈을 도시하는 블록 선도.
도6a는 펄스형 DC 전원의 아크 방지 능력을 도시하는 도면.
도6b는 도6a에 대응하는 펄스형 DC 파형을 도시하는 도면.
도7은 정상 상태 DC 전압에 의한 스퍼터링으로부터 생성된 필름 특성을 도시하는 도면.
도8a는 펄스형 DC 상에 중첩된 RF를 포함하는 전력 신호에 의한 스퍼터링을 위한 공정의 3단계를 도시하는 도면.
도8b는 도8a에 대응하는 펄스형 DC 파형을 도시하는 도면.
도9a 및 도9b는 펄스형 DC가 있을 때와 없을 때의 중첩된 RF로부터 생성된 필름을 도시하는 도면.
도10은 용적 저항을 이온 에너지와 연관시키는 예시적인 도표.
도11a 및 도11b는 타겟에서의 펄스형 DC 측정 및 결과적인 이온 에너지의 측정을 도시하는 도면.
도12는 본 발명의 원리에 따라 구성된 전원 및 스퍼터링 시스템을 도시하는 도면.
도13은 본 발명의 원리에 따라 구성된 전원 및 스퍼터링 시스템을 도시하는 도면.
도14는 본 발명의 원리에 따라 구성된 전원을 도시하는 도면.
도15는 본 발명의 원리에 따라 구성된 전원 및 스퍼터링 시스템을 도시하는 도면.
도16a는 본 발명의 일 실시예와 함께 사용 가능한 주파수 변조 전력 신호를 도시하는 도면.
도16b는 주파수 변조 전력 신호의 이온 밀도 및 이온 에너지에 대한 효과를 도시하는 도면.
도17a는 본 발명의 일 실시예와 함께 사용 가능한 진폭 변조 전력 신호를 도시하는 도면.
도17b는 진폭 변조 신호의 이온 밀도 및 에너지에 대한 효과를 도시하는 도면.
도18a는 본 발명의 일 실시예와 함께 사용 가능한 펄스 폭 변조 신호를 도시하는 도면.
도18b는 변조된 펄스 폭 신호의 이온 생성 및 에너지에 대한 효과를 도시하는 도면.
도19는 본 발명의 일 실시예와 함께 사용 가능한 펄스 위치 변조 신호를 도시하는 도면.
도20은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스형 DC를 사용하는 펄스 진폭 변조를 도시하는 도면.
도21은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스형 DC를 사용하는 펄스 폭 변조를 도시하는 도면.
도22는 본 발명의 일 실시예와 함께 사용 가능한 펄스 위치 변조를 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
90 : 음극
95 : 타겟
110 : 기판
115 : 필름
145 : 이온
본 발명은 스퍼터링을 위한 전원 및 시스템에 관한 것이다.
코팅 기판은 거의 모든 곳에서 발견되고, 오늘날의 소비재, 태양광 제품 및 유리에 대해 중요하다. 예를 들어, 코팅 기판을 이용하는 전형적인 소비재는 이동 전화 디스플레이, 편평 패널 디스플레이, 편평 패널 텔레비전, 개인용 휴대 단말기, 및 디지털 시계를 포함한다. 이러한 코팅 기판들은 통상 특정 기판 상에 얇은 층의 재료를 적층시킴으로써 형성된다. 종종, 이러한 적층 재료는 광을 투과시키고 전류를 전도시킬 수 있는 투명 전도성 산화물(TCO)이다. 예시적인 TCO는 인듐 주석 산화물(ITO) 및 알루미늄 아연 산화물(AZO)을 포함하지만, 다른 TCO가 당업자에게 공지되어 있다.
제조자들은 기판 상에 TCO 및 다른 필름을 적층시키기 위해 "스퍼터링"으로 공지된 공정을 사용한다. 스퍼터링은 타겟을 이온과 충돌시킴으로써 원자화하는 단계를 포함한다. 타겟으로부터 스퍼터링된 원자들은 스퍼터링 공정 중에 대체로 타겟을 지나 이동되는 기판 상에 적층된다. 스퍼터링된 원자들은 기판 상에 누적되어 결정과 결과적으로 필름을 형성한다. 고밀도 및 고품질의 결정이 고품질 필름에 대해 중요하다.
도1 내지 도4는 스퍼터링 공정의 실시를 도시한다. 도1은 예를 들어 "회전 가능한 마그네트론"으로 공지된 스퍼터링 시스템을 도시한다. 이러한 시스템은 종종 유리를 코팅하기 위해 사용된다. 기본적인 회전 가능한 마그네트론은 진공 챔버(20) 내부에 위치된 회전 가능한 음극(10) 및 타겟(15)을 포함한다. 진공 챔버(20)는 기체를 진공 챔버(20) 내로 도입하고 그로부터 제거하기 위한 기체 입구(25) 및 기체 출구 포트(30)를 포함한다. 기본적인 시스템은 특히 AC, DC, 또는 RF계 전원일 수 있는 전원(35)을 또한 포함한다. 전원(35)은 챔버(20) 내부의 기체를 점화시키도록 음극(10)에 에너지를 제공하여, 플라즈마가 음극(10) 둘레에 형성된다. 플라즈마에 의해 생성된 기체 이온은 회전 가능한 음극(10) 내부에 위치된 자석 조립체(40)에 의해 포커싱되어, 이온들이 타겟(15)과 충돌하여 타겟(15)의 원자들을 스퍼터링한다. 마지막으로, 회전 가능한 마그네트론 시스템은 스퍼터링 공정 중에 음극(10)에 의해 기판을 이동시키는 기판 운반 시스템(45)을 포함한다. 타겟(15)으로부터 스퍼터링된 원자들은 기판 상에 정착하여 필름을 형성한다.
도2는 다른 스퍼터링 시스템의 일부의 단면을 도시한다. 이러한 시스템은 회전 가능한 음극 및 타겟이 아닌 평면 음극(50) 및 평면 타겟(55)을 사용하기 때문에 "평면 마그네트론"으로 불린다. 회전 가능한 마그네트론처럼, 평면 마그네트론은 플라즈마로부터 이온들을 이동시켜서 타겟(55)과 충돌시키기 위해 자석(60)을 사용한다. 평면 마그네트론은 일반적으로 분석용 박막을 제작하기 위해 사용된다.
도3은 평면 마그네트론 내에 포함된 자석 조립체(70)에 의해 생성된 자장(65)을 도시한다. 자장은 이온 및 2차 이온을 스퍼터링 음극의 표면 상에 그리고 그 근방에 구속하여, 레이스 트랙(race track) 둘레에서의 흐름을 통해 이동할 때 이온을 발생시킨다. 생성된 이온들은 타겟(도2에서 요소(55)로서 도시됨)과 충돌한다. 도2에서 알 수 있는 바와 같이, 이러한 충돌은 타겟(55)의 특정 부분 상에서 현저하게 더욱 강하다. 예를 들어, 타겟(55)의 두 부분(75)들은 현저하게 스퍼터링되고, 타겟(55)의 나머지 부분들은 상대적으로 접촉되지 않는다. 이러한 스퍼터링 공정에 의해 형성된 패턴은 "레이스 트랙"으로 공지되어 있다. 도4는 우물 형 레이스 트랙(80)을 구비한 평면 타겟(75)을 도시한다. 타겟(75)은 원래 사각형 블록이었고, 스퍼터링 공정이 레이스 트랙 영역(80) 내의 재료를 원자화하여 이를 기판 상에 적층시켰다.
박막을 요구하는 제품의 증가로 인해, 박막 업계는 최근에 박막 품질에 대해 더욱 강조한다. 저품질의 필름이 종종 기판 상에 수집된 원치 않는 파편 및/또는 기판 상에 조악하게 형성된 필름에 기인한다. 박막 업계는 이러한 필름 품질 문제점을 전원을 변형시키고 이온 보조 적층 공정을 도입하는 것을 포함한 다양한 방식으로 해결했다. 그러나, 업계는 이러한 새로운 박막 요구에 대한 그의 파편 및 필름 형성 문제점에 대해 신뢰할 수 있고 효율적이며 상업적으로 실행 가능한 해결책을 개발하지 못 했다.
필름 업계(박막 및 후막)에 직면한 파편 문제는 2가지 파편 유형을 포함한다. 제1 파편 유형은 타겟으로부터 나오는 파편을 포함하고, 제2 파편 유형은 성장 필름 자체 및 기판 캐리어로부터 나온다. 이러한 제2 유형의 파편은 종종 타겟으로부터의 파편이 필름과 충돌한 후에 생성된다. 타겟으로부터 나온 파편은 종종 노듈 및 전기 아크의 결과이다(노듈은 타겟 상에서의 재료의 축적이며, 종종 스퍼터링된 재료가 기판이 아닌 타겟 또는 음극 상에 적층될 때 형성된다).
도5는 음극(90) 및/또는 타겟(85) 상에 형성되는 전형적인 노듈(85)의 일례를 도시한다. 이러한 예에서, 음극(90) 및 타겟(95)은 인접하여 분리된 구성요소들로 도시되어 있다. 예를 들어, 타겟(95)은 ITO로 형성될 수 있고, 이는 음극(90)에 접합되거나 달리 결합될 수 있다. 통상, 시스템은 ITO 타겟(95)을 스퍼 터링하지만 타겟(95)을 지지하는 음극(90)은 스퍼터링하지 않아야 한다. 다른 실시예에서, 음극(90) 및 타겟(95)은 단일 유닛으로서 통합될 수 있거나 회전 가능한 유형일 수 있다.
이러한 스퍼터링 시스템 내의 플라즈마는 아르곤 기체(100)로부터 형성된다. 전원(도시 안됨)은 음극(90)에 전력을 공급하여 기체를 이온화시키고, 이에 의해 음으로 하전된 음극(90) 및 타겟(95)에 부착된 양으로 하전된 이온(105)을 형성한다. 음극(90)에 인가된 전력은 이러한 실시예에서 정상 상태 DC이지만, 당업자는 다른 유형의 전력을 사용할 수 있다.
이온(105)들이 형성되면, 이온(105)과 음으로 하전된 타겟(95) 사이의 전기적 인력은 타겟의 충돌 및 타겟 재료의 스퍼터링을 생성한다. 스퍼터링된 재료는 대부분 필름(115)으로서 기판(110) 상에 적층된다. 그러나, 일부 스퍼터링된 재료는 음극(90) 및/또는 타겟(95) 상에 재적층되어 노듈(85)을 형성한다.
노듈은 상당한 문제점을 일으킬 수 있고, 그 중 가장 심각한 것은 아크 및 파편이다. 음으로 하전된 타겟을 향해 당겨지는 양으로 하전된 이온들은 노듈 상에 수집되어, 노듈을 물리적으로 성장시키거나 그 위에서 성장한다. 그리고, 이온들이 노듈 상에 축적될 때, 노듈과 타겟 표면 사이에 전위가 발생하고, 전류가 그의 표면을 따라 흐른다. 몇몇 지점에서, 열응력 또는 유전 파손을 통해, 아크가 노듈과 타겟 표면 사이에 형성된다. 이러한 아크는 본질적으로 노듈이 폭발하고 기판을 향해 입자들을 방출하여 파편을 생성하게 만든다. 이러한 입자들은 유성이 달에 충돌하는 것만큼 성장 필름과 충돌할 수 있다.
필름과 충돌한 타겟 입자들은 3가지 문제점을 일으킬 수 있다. 첫째로, 이들은 필름 상에서의 결정 성장을 방해할 수 있다. 몇몇의 경우에, 충돌은 필름 표면 상에 큰 자국 및 분화구를 남길 수 있다. 둘째로, 타겟으로부터의 파편은 헐겁게 존재하는 필름 입자들을 파손시켜서, 적층 공정 중에 필름 음영을 남길 수 있다. 이러한 입자들은 그 다음 필름의 다른 부분 상에 재적층된다. 마지막으로, 타겟으로부터 방출된 고온 파편들은 특히 중합체 상에서 성장한 성장 필름을 태울 수 있다.
필름 성장이 파편에 의해 방해받지 않더라도, 필름은 여전히 적절하게 형성되지 않을 수 있다. 필름 제조자를 괴롭히는 상당한 문제점은 미세 결정 품질, 불균일 필름 성장, 및 화학 양론에 관련된다. 이러한 특성들 중 일부는 측정될 수 있고, 전체 재료의 전도성의 측정인 용적 저항이 계산될 수 있다. 이러한 필름 품질 문제점을 해결하기 위한 한 가지 방법은 이온 보조식 적층을 포함한다. 이온 보조식 적층 시스템은 통상 분리된 이온 공급원을 스퍼터링 시스템에 추가한다. 이러한 여분의 이온 공급원으로부터의 이온들은 필름이 성장하고 있을 때 필름을 정착 또는 충진하는 것을 돕는다. 이온 공급원은 음극 및 타겟으로부터 구별되고, 이는 매우 고가이다. 이러한 비용은 이온 보조식 적층이 널리 채택되는 것을 억제했다.
따라서, 필름 성장을 보조하고 위에서 나열된 문제점들을 포함하지만 그에 제한되지 않는 현재 기술에서의 문제점을 해결하기 위한 시스템 및 방법이 필요하다.
도면에 도시된 본 발명의 예시적인 실시예들이 아래에서 설명된다. 이러한 그리고 다른 실시예들은 발명의 구성에서 더욱 상세하게 설명된다. 그러나, 본 발명을 발명이 이루고자 하는 기술적 과제 또는 발명의 구성에서 설명되는 형태로 제한하려는 의도가 없다는 것을 이해해야 한다. 당업자는 특허청구범위에서 표현되는 바와 같은 본 발명의 취지 및 범주 내에 드는 많은 변형, 등가물 및 다른 구성이 있다는 것을 인식할 수 있다.
하나의 실시는 스퍼터링 시스템에서 이온 밀도 및 스퍼터링 속도를 제어하기 위한 방법에 관계한다. 일 실시형태에서, 제1 펄스 폭 전력 신호는 음극에 적용되어 보다 고농도의 이온을 발생시킨다. 제1 펄스 폭 전력 신호의 펄스 폭은 그 후 감소되어 스퍼터링 속도를 증가시키고 음극 주변의 이온 밀도를 감소시킨다. 이후, 프로세스는 반복되어 변조 신호를 생성한다.
이하에 설명되는 다른 몇몇 실시들은 다른 변조 전력 신호를 사용한다.
본 발명의 다양한 목적 및 장점과 더욱 완전한 이해는 첨부된 도면과 관련하여 취해지는 다음의 발명의 구성 및 첨부된 특허청구범위를 참조함으로써 명백해지고 더욱 쉽게 이해된다.
이제 유사한 요소들이 여러 도면 전반에 걸쳐 동일한 도면 부호로 표시된 도면을 참조하고, 특히 도6a 및 도6b를 참조하면, 이들은 펄스형 DC 전원을 포함하는 스퍼터링 시스템의 아크 방지 능력을 도시한다. 이러한 도면에서, 펄스형 DC 전 원(도시 안됨)이 펄스형 DC 신호를 음극(90)에 제공하도록 사용된다.
도6b는 도6a에 대응하는 펄스형 DC 신호를 도시한다. 안정된 전압(120)은 음의 100 (-100) 볼트 근방이라는 것을 알아야 한다. 주기적인 간격으로, 전원은 단기간 동안 전압을 역전시킨다. 예를 들어, 전원은 3 또는 4 ㎲의 양의 펄스(125)를 음극(90)에 제공할 수 있다. 이러한 양의 펄스(125)는 타겟(95) 및 음극(90)을 양으로 하전시킨다. 도6a는 이러한 하전을 타겟(95) 상의 "+" 부호로 반영한다. 아르곤 이온(105)들도 양으로 하전되기 때문에, 이들은 타겟(95) 상의 동일한 양전하에 의해 반발되고, 동시에 발생하는 다른 경우는 전자들이 대량의 플라즈마로부터 음극을 향해 당겨지고, 양이온들과 재조합하여 중화되어 전하 축적을 제거한다. 따라서, 역펄스(125)는 노듈(85)로부터 축적된 이온들 중 일부를 방출시키고, 기판을 향한 대량의 플라즈마 내의 이온들은 역전(양전압) 중에 기판을 향해 보내지기가 더욱 쉬워서, 성장 필름에 대한 이온의 충돌을 제공한다. 노듈은 유지되지만, 노듈 상의 이온 및 노듈(85)과 타겟 표면 사이의 아크 전위는 크게 감소된다.
계속 도6b를 참조하면, 역펄스(125) 이후에, 전원은 정상 작동 상태로 복귀된다. 즉, 전원은 정펄스(130)와 그 다음 대략 음의 100 (-100) 볼트의 안정된 전압(135)을 제공한다. 역펄스의 주파수 및 지속 시간, 역펄스 전압, 및 안정된 전압은 상이한 타겟 재료들 중에서 그리고 동일한 재료의 상이한 품질의 타겟들 중에서 변할 수 있다. 더욱이, 이러한 파라미터들은 동일한 타겟에 대해 시간에 따라 변할 수도 있다. 당업자는 사용하는 특정 타겟에 대한 올바른 파라미터를 선택하 는 방법을 안다.
도7은 정상 상태 DC 전압에 의한 스퍼터링으로부터 생성된 필름 특성을 도시한다. 이러한 시스템에서, 정상 상태 DC 전압(대략 300V)이 음극(90) 및 타겟(95)에 인가된다. 이온(145)들이 타겟(95)과 충돌하고, 스퍼터링된 재료(140)가 기판(110) 상에서 필름(115)으로서 수집된다.
그러나, 이러한 필름(115)은 균일하지 않다. 이는 전도성에 악영향을 주는 여러 갭을 포함한다. 이러한 갭은 결정이 적절하게 형성되지 않고 필름이 고품질이 아니라는 것을 표시한다.
불완전한 결정 및 갭은 조악한 적층 및/또는 필름과 충돌하는 고에너지 입자에 의해 야기될 수 있다. 예를 들어, 불필요하게 높은 음극 전압은 스퍼터링된 원자(140), 반사된 중성자(150) 또는 발생된 이온(145)에 너무 많은 에너지를 제공할 수 있다. 이러한 고에너지 입자는 성장하는 필름(115)과 충돌하여 분열을 일으킬 수 있다. 따라서, 음극(90)에서의 전압 제어가 고품질 필름을 생성하는데 있어서 유용할 수 있다.
이제 도8a 및 도8b를 참조하면, 이들은 각각의 단계에 대응하는 중첩된 RF 및 펄스형 DC 파형(RF는 도시 안됨)에 의한 스퍼터링을 위한 공정의 3단계를 도시한다. 단계 1에서, 중첩된 RF 신호를 갖는 펄스형 DC 전압이 음극 및 타겟에 인가된다. 정상 상태 DC 전압은 대략 100 내지 125 V이다. 그리고, RF 파형은 13.56 MHz에서 +/- 800 VAC 내지 2200 VAC이지만, 이러한 주파수에 제한되지 않는다. 중첩된 RF 또는 임의의 다른 변조 신호를 사용함으로써, 음극 전압은 감소될 수 있 고, 이온/적층 에너지는 더 양호하게 제어될 수 있다. 유사하게, 스퍼터링된 재료(140)의 에너지는 낮은 음극 전압을 통해 더 양호하게 제어될 수 있다.
단계 1에서, 타겟(95)은 이온(145)에 의해 충돌되고, 타겟(95)은 스퍼터링된다. 단계 1에서 고밀도의 스퍼터링된 재료(140)를 참조한다. 스퍼터링 속도는 높고, 이온 밀도는 낮고, 전자(155) 밀도는 높다.
전원(도시 안됨)은 단계 2에서 음극(90)에 인가되는 DC 신호를 역전시킨다. 예를 들어, 전원은 전압을 양의 50 내지 250 볼트 사이로 펄스화한다. 단계 2에서, 스퍼터링 속도는 낮다. 단계 1과 비교했을 때 스퍼터링된 종(140)의 결핍을 참조한다.
그러나, 단계 2에서의 이온(145)(음으로 하전된 바람직한 산소 이온을 포함) 의 생성은 단계 1에 비해 높다. 이러한 증가된 수의 이온은 단계 3에서 타겟과 충돌하도록 이용될 것이다. 이들은 또한 성장 필름(115)과 완만하게 충돌하여 스퍼터링된 재료를 충진시키거나 정착시키도록 이용 가능하고, 이에 의해 임의의 필름 갭을 폐쇄한다. 이러한 공정은 필름 표면 상의 이온(145)에 의해 표시되어 있다.
마지막으로, 전원은 단계 3에서 전압을 정상 상태로 복귀시킨다. 이러한 단계는 단계 1과 유사하고, 스퍼터링된 재료(140)를 생성하여 필름(115) 성장을 지속한다.
스퍼터링, 적층, 이온 생성 및 조밀화의 이러한 사이클은 더 좋은 품질의 필름을 생성한다. 본질적으로, 이러한 사이클은 필름을 위한 층을 스퍼터링하고, 그러한 층을 충진시키고, 그 다음 다른 층을 스퍼터링한다. RF의 펄스형 DC와의 중 첩은 이러한 사이클을 발생시키기 위한 한 가지 방법이다. 다른 변조 신호가 유사한 결과를 생성할 수 있다.
도9a 및 도9b는 펄스형 DC가 있을 때와 없을 때의 중첩된 RF를 이용하는 이점을 도시한다. 양호한 스퍼터링 결과가 음극(90)에 RF 및 펄스형 DC를 인가함으로써 달성될 수 있다. 이러한 유형의 필름의 예시적인 도면이 도9b에 도시되어 있다. 이러한 시스템에서, 음극(90)은 펄스형 DC 파형 및 중첩된 RF 신호 또는 다른 변조 신호에 의해 급전된다. 결과적인 필름(115)은 균일하며 타이트하게 충진된다.
도9a는 도9b의 시스템보다 약간 덜 바람직한 필름(115)을 생성하는 시스템을 도시한다. 그러나, 도9a에 도시된 시스템도 양호한 필름을 생성할 수 있다. 이러한 시스템에 대해, 음극(90)은 정상 상태 DC 전압 및 중첩된 RF 신호에 의해 급전된다. 결과적인 필름은 스퍼터링된 원자들 사이에 여러 갭을 가질 수 있다.
도10은 이온 에너지(EV)와 필름 품질(용적 저항) 사이의 관계를 도시하는 예시적인 그래프이다. 이러한 그래프의 특정 값은 타겟 재료에 따라 변할 수 있지만, 전체적인 곡선은 예시적이다. 이온 에너지가 낮으면(~1EV), 필름 품질은 낮을 수 있다(높은 용적 저항은 조악한 품질의 필름을 표시한다). 그리고, 이온 에너지가 매우 높으면(~1000 EV), 필름 품질은 낮다. 그러나, 이온 에너지가 예를 들어 30 내지 150EV 범위 내로 적당하고 이온 밀도가 주파수를 통해 제어되면, 필름 품질은 높다. 이러한 그래프는 필름 품질이 스퍼터링 공정 중에 이온 에너지를 제어함으로써 제어될 수 있다는 것을 보여준다. 너무 적은 에너지를 갖는 이온은 충돌 을 일으키지 않아서 필름 원자를 감소시킨다. 즉, 너무 적은 에너지를 갖는 원자는(원자 가리움의 감소에 의해), 필름 원자들을 서로 충진시키고 갭을 제거하는 것을 도울 수 없다. 너무 많은 에너지를 갖는 이온은 형성되는 필름 결정을 파괴하고, 갭 및 입자 경계의 개수를 실제로 증가시킬 수 있다. 이온 에너지를 제어하기 위한 한 가지 방법은 본원에서 설명된 바와 같은 중첩된 RF 또는 변조 전원을 포함하는 전력 시스템에 의한 것이다.
도11a는 펄스형 DC 파형을 사용하는 전원의 출력을 도시한다. 제1 파형은 350 kHz의 주파수 및 1.1 ㎲의 역펄스 지속 시간을 갖는다. 제2 파형은 200 kHz의 주파수 및 2.3 ㎲의 역펄스 지속 시간을 갖는다. 도11b는 이러한 두 가지 DC 파형에 대응하는 이온 에너지를 도시한다. 이온 에너지는 높은 수준으로 급상승하고, 이는 기판 상에서 성장하는 결정을 파괴할 수 있다는 것을 참조해야 한다. 이러한 급상승을 제한하는 전원이 고품질 필름을 생성하기 위해 유용할 수 있다.
도12는 본 발명의 원리에 따라 구성된 전원(160) 및 스퍼터링 시스템(165)을 도시한다. 이러한 시스템은 전압 급상승 억제 또는 제한을 포함할 수 있는 변조 전원(160)을 포함한다. 예를 들어, 전원(160)은 RF 플라즈마 전원과 연결된 펄스형 DC 전원을 포함할 수 있다("연결된"은 또한 "통합된"을 의미함). 이는 RF 플라즈마 전원과 연결된 DC 또는 AC 전원을 포함할 수도 있다. 그리고, 다른 실시예에서, 이는 펄스형 DC 전원, 프로그램 가능한 변조 전원과 연결된 DC 전원 또는 AC 전원을 포함할 수 있다. 이러한 변조 전원은 주파수 변조 신호, 진폭 변조 신호, 펄스 폭 변조 신호, 펄스 위치 변조 신호 등을 출력할 수 있다("스퍼터링 시스템" 은 통합된 전원 및 스퍼터링 장치를 의미할 수도 있다).
도13은 본 발명의 원리에 따라 구성된 전원 및 스퍼터링 시스템의 다른 실시예를 도시한다. 이러한 실시예는 스퍼터링 시스템(165)에 연결된 RF 플라즈마 전원(170) 및 RF 정합 네트워크(175)를 포함한다. 이는 스퍼터링 시스템(165)에 연결된 펄스형 DC 전원(180) 및 RF 필터(185)를 또한 포함한다. 이러한 2개의 전원으로부터의 신호들이 조합되어 스퍼터링 시스템(165)을 구동한다. 당업자는 이러한 구성요소들의 연결 및 작동 방법을 이해하고, 따라서 세부 사항은 본원에서 언급되지 않는다.
도14는 본 발명의 원리에 따라 구성된 특정 전원을 도시한다. "전원"은 원하는 파형을 생성할 수 있는 함께 작용하는 다중 전원 또는 단일 유닛을 포함할 수 있다는 것을 참고해야 한다. 그리고, 이러한 실시예에서, 2개의 별도의 전원, RF 전원(190) 및 펄스형 DC 전원(200)이 서로 결합되어 단일 전원으로서 작용한다.
어드밴스트 에너지(ADVANCED ENERGY)의 모델 RFG3001(3 KW) RF 전원이 RF 신호를 제공한다. 어드밴스트 에너지는 콜로라도주 포트 콜린스에 소재한다. 이러한 전원은 내부 또는 외부 아크 억제를 위해 변형될 수 있고, 이러한 전원으로부터의 출력은 DC 아크 검출 및 차단 회로를 구비한 어드밴스트 에너지 XZ90 동조기와 같은 동조기(205) 내로 공급된다.
이러한 실시예의 펄스형 DC 전원은 피나클(PINNACLE)에 의해 제공되고, 내부 아크 억제부를 구비한 20 KW 전원이다. 이러한 전원으로부터의 출력은 고전류 RF 필터 박스(210) 내로 공급된다. 이는 표준 공랭 또는 수랭식 티(Tee) 또는 파 이(Pie) 필터이다. 그리고, RF 필터 박스로부터의 출력은 동조기로부터의 출력과 조합되어 스퍼터링 시스템으로 제공된다.
도15는 본 발명의 원리에 따라 구성된 전원 및 스퍼터링 시스템을 도시한다. 이러한 시스템은 전원이 펄스형 DC 전원이 아닌 AC 전원(215)이라는 점을 제외하고는 도13에 도시된 시스템과 유사하다.
도16 내지 도19는 스퍼터링 시스템 내에서 이온 밀도 및 이온 에너지를 제어하여 필름 특성 및 품질을 제어하도록 사용될 수 있는 변조 AC 전력 신호를 도시한다. 이러한 전력 신호들은 전술한 고품질 필름을 달성하도록 사용될 수 있다. 추가적으로, RF 신호가 필름 성장에 더욱 영향을 주기 위해 임의의 이러한 변조 전력 신호 상에 중첩될 수 있다.
진폭, 주파수, 및 펄스 폭 또는 위치를 통해, 스퍼터링되는 종에 대한 이온의 비율, 스퍼터링 속도, 및 이온 및 스퍼터링되는 종의 에너지의 변동이 제어될 수 있다. 또한, 기판 상에서의 표면 이동이 발생하는 시간을 제어하기 위해 이러한 변조 방법들 중 일부의 능력이 중요하다.
도16a는 주파수 변조 전력 신호를 도시한다. 주파수 변조(FM)는 입력 신호에 따른 그의 순간 주파수의 변화에 의해 아날로그 또는 디지털 형태의 정보의 반송파로의 엔코딩이다. 도16a의 가장 좌측의 파형은 임의의 신호 및 그의 주파수에 대한 영향을 도시한다.
도16b는 주파수 변조 전력 신호의 이온 밀도 및 이온 에너지에 대한 영향을 도시한다. 높은 펄스 주파수로 인해, 고농도의 이온이 생성된다. 저주파 영역 중 에, 스퍼터링 속도는 높고, 고주파 영역 중에, 스퍼터링 속도는 낮다. 이온에 대한 스퍼터링되는 종의 비율은 2개의 다른 섹션들 사이에서 변한다. 스퍼터링 속도가 감소됨에 따라, 이온 농도는 증가되고, 그 반대도 가능하다. 이러한 변화는 개선된 필름 성장을 위한 고유한 동적 특성을 제공한다.
도17a는 진폭 변조 전력 신호를 도시한다. 진폭 변조는 메시지 정보가 일련의 신호 펄스의 진폭으로 엔코딩된 신호 변조의 형태이다. 이는 전통적인 설명이지만, 플라즈마 전원의 경우에, 전압, 전류, 및 전력 수준이 원하는 비율로 변조될 수 있다.
도17b는 진폭 변조 신호에 의해 발생되는 이온 밀도 및 에너지에 대한 영향을 도시한다. 진폭 변조는 스퍼터링 속도를 변화시켜서, 새로운 유형의 공정 및 필름 성장 제어를 허용한다.
도18a는 펄스 폭 변조 신호를 도시한다. 펄스 폭 변조는 통신 채널에 걸친 데이터를 표시하는 방법이다. 펄스 폭 변조에서, 데이터 샘플의 값이 펄스의 길이에 의해 표시된다.
도18b는 변조된 펄스 폭 신호의 이온 생성 및 에너지에 대한 영향을 도시한다. 높은 펄스 진동수로 인해, 높은 농도의 이온이 생성된다. 큰 펄스 폭 영역 중에, 스퍼터링 속도는 높고, 짧은 펄스 폭 영역 중에, 스퍼터링 속도는 낮다. 이온에 대한 스퍼터링되는 종의 비율은 2개의 다른 섹션들 사이에서 변한다.
도19는 펄스 위치 변조 신호를 도시한다. 펄스 위치 변조는 메시지 정보가 일련의 신호 펄스들 사이의 시간적인 공간으로 엔코딩되는 신호 변조의 형태이다. 다른 변조 신호에서와 같이, 엔코딩되는 정보는 이온 밀도 및 에너지를 변화시킨다.
도20 내지 도22는 스퍼터링 시스템 내에서 이온 밀도 및 이온 에너지를 제어하여, 필름 특성 및 품질을 제어하도록 사용될 수 있는 변조 DC 전력 신호를 도시한다. 기존의 DC 및 복합 DC 스퍼터링 공정은 필름 특성을 효과적으로 제어하기 위한 그의 능력에 있어서의 몇몇 관점에서 제한된다. DC 및 복합 DC 공정은 전력 제한과, 스퍼터링 공정 에너지를 미세하게 조정할 수 없을 나타낼 수 있다. 스퍼터링 음극에 대한 펄스형 DC 전원의 사용은 스퍼터링 에너지를 더 양호하게 제어함으로써, 특히 전도성 투명 필름에서 많은 필름 적층 공정 및 필름 특성에 이득이 되었다. 이러한 제어는 이러한 전원이 본질적으로 사용자 정의 주파수 및 강도에서 플라즈마를 소거하고 재점화하는 사실에 의해 달성된다. 이러한 시스템들 각각으로부터의 각각의 전력 펄스의 시작 또는 플라즈마 점화 시에, 이온을 생성하는 전자 에너지의 더 넓은 분포가 있고, 그러므로 더 큰 비율의 스퍼터링되는 종 및 이온이 발생된다. DC 및 복합 DC 공정에서, 초기 플라즈마 점화만이 있기 때문에, 분포는 더 낮은 평균값의 전자 에너지로 안정화된다.
이를 상기하면서, 펄스형 전력에 대해, 평균 전자/이온 에너지를 훨씬 더 높은 값으로 증가시켜서 공정에 이러한 이점을 제공하는 많은 시작 및 플라즈마 점화가 있다고 말할 수 있다. 펄스 지속 시간 및 듀티 사이클을 제어함으로써, 전자/이온 에너지 및 발생되는 특정 스퍼터링 종 및 이온의 상대 개수를 제어할 수 있다. 펄스형 전력을 사용하는 것은 작업자에게 더 많은 스퍼터링되는 박막 특성에 대한 효과적인 제어를 제공할 수 있다.
전형적인 펄스형 DC 전원을 넘어, 그의 사용자 정의 주파수 및 순방향 및 역방향 시점을 위한 설정에서, 스퍼터링 음극으로의 출력 전력 및 일반적으로 플라즈마 전원의 새로운 영역이 있다. 새로운 방법 및 시스템은 하나 이상의 방법으로 변조된 전력을 제공한다. 대부분, AC 전원에 대해 적용되는 변조 방법은 DC 전원에도 적용된다. 따라서, 이러한 DC 시스템 설명은 이전의 AC 설명과 유사하다.
도20은 펄스형 DC를 사용하는 펄스 진폭 변조를 도시한다.
도21은 펄스형 DC를 사용하는 펄스 폭 변조를 도시한다. 펄스 폭 변조에서, 데이터 샘플의 값은 펄스의 길이에 의해 표시된다.
도22는 메시지 정보가 일련의 신호 펄스들 사이의 시간적인 간격으로 엔코딩되는 신호 변조의 형태인 펄스 위치 변조를 도시한다.
AC 예에서와 같이, 진폭, 주파수, 및 펄스 폭 또는 위치의 변화를 통해, 스퍼터링되는 종에 대한 이온의 비율, 스퍼터링 속도, 및 이온 및 스퍼터링되는 종의 에너지가 제어될 수 있다. 또한, 기판 상에서의 표면 이동이 발생하는 시간을 제어하기 위해 이러한 변조 방법들 중 일부의 능력이 중요하다.
요약하면, 본 발명의 실시예들은 표준 DC, AC, RF 스퍼터링 공정 및 가장 보편적인 타겟 재료에서 가능한 것보다 더 높은 수율 및 높은 품질의 박막과, 다른 필름을 가능케 한다. 이는 일 실시예에서, 스퍼터링 에너지, 이온 밀도, 속도, 및 에너지를 제어하는 능력을 통해 달성되어, 개선된 필름 성장을 촉진시킨다. 당업자는 다양한 변경 및 대체가 본 발명, 및 본원에서 설명된 실시예에 의해 달성되는 바와 대체로 동일한 결과를 달성하기 위한 그의 용도 및 그의 구성 내에서 이루어질 수 있다는 것을 쉽게 이해할 수 있다. 따라서, 본 발명을 개시된 예시적인 형태로 제한하려는 의도가 없다. 많은 변경, 변형, 및 다른 구성이 청구범위 내에서 표현되는 바와 같이 개시된 본 발명의 범주 및 취지 내에 든다.
본 발명의 스퍼터링 시스템에 따르면, 필름 성장이 개선되고, 높은 수율 및 높은 품질의 박막이 생성될 수 있다.

Claims (14)

  1. 적어도 하나의 음극을 포함하는 스퍼터링 시스템에서 이온을 제어하는 방법이며,
    변조 전력 신호를 생성하는 단계와,
    변조 전력 신호를 음극에 제공하는 단계를 포함하는 이온 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 변조 전력 신호를 생성하는 단계는 진폭 변조 전력 신호를 생성하는 단계를 포함하는 이온 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서, 변조 전력 신호를 생성하는 단계는 주파수 변조 전력 신호를 생성하는 단계를 포함하는 이온 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서, 변조 전력 신호를 생성하는 단계는 펄스 폭 변조 전력 신호를 생성하는 단계를 포함하는 이온 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서, 변조 전력 신호를 생성하는 단계는 펄스 진폭 변조 전력 신호를 생성하는 단계를 포함하는 이온 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서, 스퍼터링 시스템이 스퍼터링하여 필름 성장에 영향을 미치 는 동안 변조 전력 신호의 특성을 능동적으로 변화시키는 단계를 더 포함하는 이온 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서, 변조 전력 신호는 DC 신호를 포함하는 이온 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서, 변조 전력 신호는 AC 신호를 포함하는 이온 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서, 이온 밀도를 증가시키도록 변조 전력 신호의 변조를 변화시키는 단계를 더 포함하는 이온 제어 방법.
  10. 제1항에 있어서, 이온 밀도를 감소시키도록 변조 전력 신호의 변조를 변화시키는 단계를 더 포함하는 이온 제어 방법.
  11. 스퍼터링 시스템에서 이온 밀도를 제어하는 방법이며,
    스퍼터링 시스템에 전력 신호를 제공하는 단계와,
    이온 밀도를 제어하도록 전력 신호의 적어도 하나의 특성을 변화시키는 단계를 포함하며,
    상기 특성은 진폭, 주파수, 폭, 반복률 및 위치 중 적어도 하나를 포함하는 이온 밀도의 제어 방법.
  12. 스퍼터링 시스템에서 이온 밀도 및 스퍼터링 속도를 제어하는 방법이며,
    고주파수 전력 신호를 음극에 가하여 제1 농도의 이온을 발생시키는 단계와,
    음극에 가해진 전력 신호의 주파수를 감소시켜서 스퍼터링 속도를 증가시키고 음극 주변의 제1 농도의 이온을 감소시키는 단계와,
    고주파수 전력 신호를 음극에 가하여 제2 농도의 이온을 발생시키는 단계와,
    음극에 가해진 전력 신호의 주파수를 감소시켜서 스퍼터링 속도를 증가시키고 음극 주변의 제2 농도의 이온을 감소시키는 단계를 포함하는 이온 밀도 및 스퍼터링 속도의 제어 방법.
  13. 스퍼터링 시스템에서 이온 밀도 및 스퍼터링 속도를 제어하는 방법이며,
    제1 펄스 폭 전력 신호를 음극에 가하여 제1 농도의 이온을 발생시키는 단계와,
    음극에 가해진 제1 펄스 폭 전력 신호의 펄스 폭을 감소시켜서 스퍼터링 속도를 증가시키고 음극 주변의 제1 농도의 이온을 감소시키는 단계와,
    음극에 제1 펄스 폭 전력 신호를 가하여 제2 농도의 이온을 발생시키는 단계와,
    음극에 가해진 제1 펄스 폭 전력 신호의 펄스 폭을 감소시켜서 스퍼터링 속도를 증가시키고 음극 주변의 제2 농도의 이온을 감소시키는 단계를 포함하는 이온 밀도 및 스퍼터링 속도의 제어 방법.
  14. 스퍼터링 시스템에서 이온 밀도 및 스퍼터링 속도를 제어하는 방법이며,
    고진폭 전력 신호를 음극에 가하여 제1 농도의 이온을 발생시키는 단계와,
    음극에 가해진 전력 신호의 진폭을 감소시켜서 스퍼터링 속도를 증가시키고 음극 주변의 제1 농도의 이온을 감소시키는 단계와,
    고진폭 전력 신호를 음극에 가하여 제2 농도의 이온을 발생시키는 단계와,
    음극에 가해진 전력 신호의 진폭을 감소시켜서 스퍼터링 속도를 증가시키고 음극 주변의 제2 농도의 이온을 감소시키는 단계를 포함하는 이온 밀도 및 스퍼터링 속도의 제어 방법.
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