KR20070004751A - 박막제조용 스퍼터 장치 - Google Patents

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KR20070004751A
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cathode
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하트무트 로르만
젠스 바우만
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오씨 외를리콘 발처스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

플라즈마 영역을 한정하며 반대로 위치하는 서로 다른 두 개의 표적들을 포함하는 음극, 자기장을 발생하는 영구자석 또는 코일, 자기장을 유도하는 요크 및 각 표적에 에너지를 독립적으로 제어하기 위하여 각 표적에 접속된 두 개의 독립적인 전원 공급장치를 포함하여 이루어지는 기판에 박막을 증착하기 위한 스퍼터링 장치가 개시된다.

Description

박막제조용 스퍼터 장치{SPUTTERING DEVICE FOR MANUFACTURING THIN FILMS}
스퍼터 가스가 충전된 진공 관에 배치된 한 개 이상의 표적(target) 및 기판으로 이루어진 스퍼터 코팅 장치는 두 가지의 원리로 작동하는 것으로 알려져 있다: 제 1 원리로서 플라즈마는 각 표적의 표면상에 터널을 형성하는 자기선에 의하여 한정된다. 이러한 터널은 표적의 표면 위에 조밀한 고리를 형성한다. 음극 암부(cathod dark space)에서 가속되는 전기장은 각 표적의 스퍼터링 표면에 대하여 수직으로 연결된다. 현재 이동성 자기 장치는 스퍼트될 표적, 특히 원형의 표적, 표면을 스캔하는데 통상적으로 사용된다. 제 2 원리로서 자기장은 각 표적의 스퍼터링 표면에 직각을 이룬다. 플라즈마는 자기장에 의하여 표적들 사이의 공간으로 한정된다. 음극 암부에서 전기장은 각 표적의 스퍼터링 표면에 대하여 수직으로 연결되고, 따라서 자기장에 평행하다. 본 발명은 상기 제2의 원리에 따라 작동된다.
미국 특허 제 4,407,894호는 제 2 원리에 따른 코발트 크로뮴 합금 층을 생성하는 방법을 개시하고 있다. 자기장은 영구 자석 또는 직류 전원 코일에 의하여 발생된다. 전기장은 표적(음극) 및 쉴드(양극)에 접속된 직류 또는 고주파(RF) 전원 모두에 의하여 발생된다.
미국 특허 제 5,000,834호는 상이한 조성의 합금 필름의 제조를 청구하고 있 다. 두 개의 표적은 각기 상이한 재료로 만들어진다. 각각의 표적은 분리된 다양한 교류 또는 직류 전원에 접속되어 서로에 대하여 독립적으로 제어될 수 있다. 플라즈마 영역에 인접한 기판 위의 필름 조성은 표적에 적용되는 다양한 전원에 의해 정해진다. 플라즈마 구속(confinement) 및 이에 따른 표적의 식각은 표적들 사이 자기장의 강도와 균등성에 의존한다. 이러한 장치의 단점은 표적 표면에서의 강하고 균질한 자기장은 특히 영구자석과 비자기성 표적 물질로는 달성이 곤란하다는 점이다. 플라즈마 영역의 외부에 기판이 위치하는 것은 방사선 손상 및 발열을 감소시켜 주는 반면, 균일한 두께 분포를 특히 비-회전 기판으로 달성하는 것은 곤란하다. 부가적으로, 조성에 있어서 만일 합금된 필름이 상이한 재료를 사용하여 증착된 경우에는 편차가 있을 것이 예상된다.
미국 특허 제 4,690,744호는 다수의 반대 표적으로 구성되는 이온 광 발생기를 개시하고 있다. 이온화된 입자들은 표적을 스퍼터하는 것에 의하여 발생된다. 이온화된 입자들은 적어도 하나의 표적 안의 작은 개구부를 통하여 튀어나와 표적 뒤쪽의 기판 위에 필름을 형성한다.
미국 특허 제 5,753,089호는 기판이 증착 공정 동안 표적들의 사이에 위치하는 양 측면 코팅용 스퍼터 코팅 장치에 관하여 개시하고 있다. 상반되는 표적들 중 적어도 하나는 배열을 갖춘 기판을 관통하는 흠 없는 개구부를 가지며, 표적들 사이에서 기판을 움직일 수 있다.
제 2 원리에 따라 작동되는 종래의 장치는 표적의 후방에 위치된 영구 자석 또는 표적의 직경보다 큰 직경을 가지는 직류 전원 코일에 의하여 가동된다. 영 구자석 및 코일은 항상 진공관의 외부에 위치된다. 본 발명의 하나의 목적은 고 포화(high saturation) 자기화 재료로 만들어진 요크(yoke)를 이용하여 표적의 후방 부분에 자기장을 유도하는 것이다. 이는 자기장 발생 원(magnetic field generation source)으로 하여금 장치의 기능성을 잃지 않으면서 재배치되도록 한다. 예를 들면, 영구자석 또는 코일은 공기 중 또는 진공 하에서 표적들 사이에 위치될 수 있고 따라서 자기류(magnetic flux)는 표적들의 후방 부분에 도달할 수 있다. 이와 달리, 만일 영구자석이 더 이상 표적들의 후방부분에 필요하지 않다면, 기판은 진공 하에서 그곳에 위치될 수 있다. 기판을 스퍼터된 재료로 증착하는 것은 기판에 근접한 표적 안의 개구부를 통하여 가능할 수 있다.
본 발명의 다른 이점은 제 1 원리에 따른 종래의 자성 표적의 마그네트론 스퍼터링은 자성 재료에 적용하기 곤란하나, 본 발명의 기능성은 자성 표적의 두께 또는 투과성에 의하여 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 이점은 필름 증착 공정 동안 표적들 사이에서 강도 비율의 조절에 의하여 제조되는 다층구조의 필름이다.
발명의 개요
본 발명의 하나의 양상에 의하면 스퍼터 음극은 다수의 상반되는 표적, 다수의 상반되는 표적들 사이에 위치한 플라즈마 영역, 상반된 표적에 인접한 자기장 발생 원, 상기 플라즈마 영역의 주요 부분까지 연장된 장(field)은 상반되는 표적의 표면에 필수적으로 수직을 이루며, 여기에서 기판은 플라즈마 영역에 인접하여 위치되어 있고, 적어도 하나의 표적은 개구부를 포함함으로써 기판 위의 필름의 증착이 표적에 의하여 방해되지 않으며, 상반되는 표적들의 수직 평면들 및 기판의 수직 평면들은 사실상 평행하다,을 포함하여 제공된다. 상기 발생 원은 음극의 둘레에 위치될 수 있고 다수의 요크를 포함하며 그로 인하여 자기장을 표적의 후방 부분에 유도할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 의하면 스퍼터 장치는 제 1 및 제 2 스퍼터 음극, 여기에서 제 1 및 제 2 스퍼터 음극은 다수의 상반되는 표적을 포함한다, 다수의 상반되는 표적들 사이에 위치된 플라즈마 영역, 음극의 둘레에 위치된 자기장 발생 원, 여기에서 적어도 하나의 표적은 개구부를 포함함으로써 기판 위의 필름의 증착이 표적에 의하여 방해되지 않으며, 상반되는 표적들의 수직 평면들 및 기판의 수직 평면들은 사실상 평행하다,을 포함하여 제공된다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명에 따른 것으로서, 영구자석이 사용된 경우의 음극의 최소 형태의 단면 개략도이다.
도 2는 특정 구현예로서 두 개의 음극을 포함하는 코팅 장치의 개략도이다.
도 3a는 영구자석이 일방향성 자성 백터를 지닌 두 개의 음극으로 구성된 코팅 장치 내 자기류 밀도의 결과 배향의 구성도이다.
도 3b는 영구자석이 반-평행성 자성 백터를 지닌 두 개의 음극으로 구성된 코팅 장치 내 자기류 밀도의 결과 배향의 구성도이다.
도 4는 도 3b에 따른 구현 예의 자기류 밀도 상에서 영구 자석에 의하여 유도된 자기장의 효과를 나타낸 것이다.
도 5는 상이한 아르곤 압력의 음극에서 점화된 글로우 방전(glow discharges)의 현재 전압 특성을 나타낸 구성도이다.
도 6은 철(iron)의 증착 비율-반경 20mm의 기판에서 측정-이 아르곤 압력 및 주 표적과 보조 표적에 적용되는 힘(power)의 비율에 얼마나 의존하는 지를 보여주는 그래프이다.
도 7은 링 양극(ring anode)의 자위(potential) 및 아르곤 압력을 변화하는 것에 의하여 필름 두께 분포의 조정가능성을 보여주는 그래프이다.
도 8은 바닥면에서 또는 공중에서 링 양극으로 스퍼터한 결과, 철의 원형 주 표적의 식각 결과를 도시한 것이다.
도 1은 진공 관 내에 마주보도록 배치된 주 표적(12a)과 보조 표적(12b)을 포함하는 음극(10)을 도시한 것이다. 표적 표면은 서로 평탄하면서도 평행할 수 도 있고, 또는 원뿔형태일 수 있다. 추가로, 각 표적 (12a), (12b)의 영역은, 그들의내부 및/또는 외부 직경에 따라 상이할 수 있다. 각 표적 (12a), (12b)은 분리된 직류, 펄스화된 직류 또는 교류 전원에 접속된다. 주 표적(12a)은 중앙 양극(16)을 수용할 수 있는 개구부(14)를 포함한다. 중앙 양극(16)은 접지되거나 편향되거나 공중에 떠 있을 수 있다. 보조 표적은 스퍼터 재료가, 이하에서 추가로 설명하는 바에 따라, 기판(20)을 통과하도록 하는 개구부(18)를 또한 포함한다. 표적(12a),(12b)들 중 적어도 하나는 자성 재료로 제조될 수 있으며 이로써 표적은 신장된 요크(yoke)(24) 또는 자극 조각(pole piece) 역할을 하는 것에 의하여 자기류를 운반하고 균일화할 수 있다. 표적들은 철과 같이 당해 기술분야에서 알려진 보든 재료로 말들어 질 수 있다. 본 발명의 표적(12a),(12b)의 형상은 당해 기술분야에서 알려진 모든 형상, 둥글거나, 환형, 각이지거나, 직선형, 테두리 형 등,으로 할 수 있음을 알아두어야 한다. 플라즈마 영역(22)은 주 표적(12a)과 보조 표적(12b)의 사이에 위치한다.
음극(10)은 자기장을 발생시키는 영구자석 또는 코일(26)을 추가로 포함할 수 있다. 자석 또는 코일(26)은 음극(10)의 주변 둘레의 한 개 이상의 링에 배치되고 표적(12a), (12b)의 후방 부분(서로 마주보고 있지 않은 표적의 측면)에는 배치되지 않는다. 추가로, 링의 안쪽 직경은 주 표적(12a) 및 보조 표적(12b) 모두의 직경보다 크다. 링들은 링의 수직 평면이 표적(12a),(12b)의 수직 평면 사이에 위치함으로써 위치되고, 표적(12a),(12b)의 회전 축 및 링들은 방향에 있어 동일하다. 그 결과, 영구자석(26)의 자화(magnetization)는 링들의 회전 축에 평행하다. 자석 링들 또는 코일들(26)의 일부는 전극으로 사용될 수 있고 접지되거나 편향되거나 공중에 떠 있을 수 있다. 자석 링 또는 코일(26)의 폭은 표적에 사실상 평행 한 평면에서 측정되며, rmag 로 불리고, 다른 말로, 코일(26)의 "두께"이다.
추가로, 증착된 필름의 두께 균일성은 링 양극, 중앙 양극 또는 요크의 전위를 조정함으로써 도 7에 도시된 바와 같은 플라즈마 밀도를 조정하는 것에 의하여 제어될 수 있다.
표적(12a),(12b)이 상이한 재료로 만들어진다면, 표적 영역의 비율뿐 아니라 각 표적에 적용되는 힘의 비율도 증착된 필름의 조성 비율을 변화하는데 사용되어 질 수 있다. 바람직한 재료로서는 일반적으로, 이에 한정되는 것은 아니나, 강자성 재료이다. 불활성 스퍼터 가스(아르곤, 크립톤, 등)에 질소, 산소, 또는 다른 원자를 첨가한 것이 필름 조성물에 추가로 영향을 줄 수 있다. 표적(12a),(12b)이 동일한 재료로 만들어진 경우, 각 표적에 적용되는 힘의 비율은 두께 균일성을 제어하는 데 사용되어 질 수 있다. 힘의 비율은 보조 표적의 식각을 최소화하는 데 사용될 수 있고 따라서 보조 표적은 주 표적보다 더 작을 수 있으며 다만 양 표적은 동일한 수명을 가질 것이다. 그 결과, 보조 표적(12)의 두께는 주 표적(12a)과 비교하면 의미심장하게 줄어들 수 있다.
기판(20)에 최근접한 요크 부분(24a)의 자기 스트레이 장(magnetic stray field)은 성장하는 필름의 조직상, 구조상, 및 자기 특성에 영향을 미친다. 기판(20) 인근의 자기 장은 기판(20)에의 전자 충격(electron bombardment) 및 증착된 자기 장의 바람직한 배향을 결정한다. 예를 들면, 두 개의 음극(10a),(10b)이한 개의 기판(20)의 대칭적인 양 측면에 사용된 제 2 구현 예에서, 결과물인 자기장의 배열은 영구 자석(26)의 자화 백터의 방향에 의존한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 자화 벡터는 비방향성이고 이에 따라 자기장은 성장하는 필름의 조직에 영향을 미친다. 기판(20) 표면에 대하여 수직한 자기장 성분은 전자 충격의 증가를 또한 가져온다. 그 결과, 기판(20)은 가열되며, 편향된 전위가 공중에 떠 있는 기판을 가득 채우게 될 것이다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 자화 벡터는 역-평행이며 이에 따라 자기장의 방사형 성분은 성장하는 필름의 조직에 영향을 미친다. 기판(20)에 대하여 수직한 자기장 성분은 작고 거의 영(zero)에 가깝다. 전자들은 방사형 방향의 자기선을 따라 유도되고 기판(20)을 초과한다. 그 결과, 전자 충격에 의한 가열 또는 편향은 억제된다. 이와 달리, 자화 벡터로부터 독립하여 작용하는 추가적인 자기장은 직류 전원 코일에 의하여 억제된다. 코일은 기판보다 클 수 있고, 코일의 평면과 기판(20)은 평행한 것이 바람직하다. 이러한 예에서, 자기장의 수직 성분은 전자들을 기판(20)으로 유도하며 다음으로 공중의 기판에 대하여 편향된 전위가 채워진 결과 기판을 가열시킬 것이다.
본 발명은 아르곤 하 2*10- 4 부터 6*10-2 mbar 사이 범위의 압력에서 실험되었다. 안정한 글로우 방전은 이러한 압력 범위 안에서 도 5에 도시된 현재 전압 특성에서 보여진 바와 같이 점화될 수 있다. 철의 증착 비율은 주 표적(12a) 및 기판(20) 사이의 50 mm 거리에 대하여 2.5 nm/kW/s 및 4.5 nm/kW/s 사이이다. 이러한 증착 비율은 주 표적(12a)에 적용되는 힘을 기준으로 한 것이다. 주 표적(12a)에 적용되는 표준 힘 수준 Pmt으로, 보조 표적(12b)에 적용되는 힘 Pat의 감소는 도 6에 도시된 바와 같이 증착 율의 감소를 초래한다. 추가로, 증착 율은 주 표적(12a) 및 보조 표적(12b)에 적용되는 힘이 동등하다면 최고 값에 도달할 것이다. 하나의 표적에 적용되는 표준 힘에 대하여, 반대되는 표적에 적용되는 힘이 특정 한계 값 이하로 떨어지면 글로우 방전은 사라지게 될 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 증가하는 아르곤 압력은 증착 율을 음극과 기판(20) 사이의 표준 거리가 유지되는 지점에서 증가시킬 것이다.
본 발명이 바람직한 구현 예를 들어 기술되었으나, 본 발명의 다양한 변형이 본 발명의 범위에 속함은 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 나아가, 다양한 수정이 본 발명에 개시된 바에 따라 가능하며 이 또한 본 발명의 핵심적인 범위에 속한다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 최적 수행으로서 개시된 구현예에 한정되는 것이 아니며 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위 안의 모든 구현 예를 포함한다.

Claims (20)

  1. 다음을 포함하는 스퍼터 음극(sputter cathode):
    다수의 반대되는 표적들;
    다수의 반대되는 표적들 사이에 위치하는 플라즈마 영역;
    반대되는 표적들에 인접하여 위치한 자기장 발생 원(magnetic field generating source), 플라즈마 영역의 주요 부분까지 확장된 상기 자기장은 반대되는 표적들의 표면에 대하여 사실상 수직을 이루며;
    여기에서 기판은 플라즈마 영역에 인접하여 위치하고;
    여기에서 적어도 하나의 표적은 개구부를 포함함으로써 기판 위의 필름의 증착이 표적들에 의하여 방해받지 않으며,
    여기에서 반대되는 표적들의 수직 평면과 기판의 수직 평면은 사실상 평행하다.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 자기장 발생 원은 음극의 둘레에 위치된 적어도 하나의 자기장 발생 원 링(ring); 및
    이로 인해 각 표적이 서로 마주 보고 있지 않은 측면인 표적들의 후방 부분으로 자기장을 유도하는 다수의 요크(yokes)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 음극.
  3. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서, 상기 자기장 발생 원은 영구 자석 또는 코일 중 하나인 것을 특징으로 하는 스퍼터 음극.
  4. 제 1항 내지 제 3항에 있어서, 요크 및 코일을 다수의 표적들로부터 분리하는 쉴드(shield), 여기에서 쉴드는 링 양극(ring anode)이고; 및
    제 2 표적의 개구부 안에 위치하는 중앙 양극
    을 추가로 포함하는 스퍼터 음극.
  5. 제 2항 내지 제 4항에 있어서, 여기에서 필름 두께 균일성 및 다수 표적의 식각은 요크들, 중앙 양극 또는 링 양극 중 하나의 전위를 조정하는 것에 의하여 영향받는 것을 특징으로 하는 스퍼터 음극.
  6. 제 1항 내지 제 5항에 있어서, 하나의 반대되는 표적에 접속된 제 1 전원 및 제 2의 반대되는 표적에 접속된 제 2 전원을 추가로 포함하며, 여기에서 필름 조성은 제 1 전원을 조정하는 것, 제 2 전원을 조정하는 것, 또는 제 1 및 제 2 전원 모두를 조정하는 것 중 하나에 의하여 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터 음극.
  7. 제 1항 내지 제 6항에 있어서, 필름 조성은 반대되는 표적들의 영역을 조정하는 것에 의하여 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터 음극.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 필름 두께 균일성은 제 1 전원을 조정하는 것, 제 2 전원을 조정하는 것, 또는 제 1 및 제 2 전원 모두를 조정하는 것 중 하나에 의하여 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터 음극.
  9. 제 1 항 내지 제 8항에 있어서, 다수의 표적들은 원형, 환형, 각이 진 형, 세로로 연장되거나 테두리 진 형태 중 하나인 것을 특징으로 하는 스퍼터 음극.
  10. 제 1항 내지 제 9항에 있어서, 다수의 표적들은 동일한 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 스퍼터 음극.
  11. 제 1 항 내지 제 9항에 있어서, 다수의 표적들은 상이한 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 스퍼터 음극.
  12. 제 1항 내지 제 11항에 있어서, 불활성 가스를 포함하는 스퍼터 가스를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 음극.
  13. 제 1항 내지 제 12항에 있어서, 필름 조성은 스퍼터 가스에 질소, 산소 또는 다른 성분을 추가하는 것에 의하여 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터 음극.
  14. 제 1항 내지 제 13항에 있어서, 스퍼터 가스의 스퍼터 비율은 제 1 전원을 조정하는 것, 제 2전원을 조정하는 것 또는 제 1 및 제 2 전원 모두를 조정하는 것에 의항 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터 음극.
  15. 제 2 항 내지 제 14항에 있어서, 음극 외부의 자기장은 요크의 기하구조를 조정하는 것에 의하여 변화되며, 여기에서 필름의 조직, 구조 및 자기 특성은 음극 외부의 자기장에 의하여 영향받는 것을 특징으로 하는 스퍼터 음극.
  16. 다음을 포함하는 스퍼터 장치(sputter station):
    제1 및 제 2 스퍼터 음극, 여기에서 제 1 및 제 2 스퍼터 음극 모두는 다음을 포함한다:
    다수의 반대되는 표적들;
    다수의 반대되는 표적들 사이에 위치된 플라즈마 영역;
    반대되는 표적들에 인접하여 위치한 자기장 발생 원(magnetic field generating source), 플라즈마 영역의 주요 부분까지 확장된 상기 자기장은 반대되는 표적들의 표면에 대하여 사실상 수직을 이루며;
    여기에서 적어도 하나의 표적은 개구부를 포함함으로써 기판 위의 필름의 증착이 표적들에 의하여 방해받지 않으며,
    여기에서 반대되는 표적들의 평면과 기판의 평면은 사실상 평행하다.
  17. 제 16항에 있어서, 여기에서 자기장 발생 원은 음극의 둘레에 위치된 적어도 하나의 자기장 발생 원 링(ring); 및
    이로 인해 표적들의 후방 부분으로 자기장을 유도하는 다수의 요크(yokes)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
  18. 제 16항 또는 제 17항에 있어서, 기판은 제 1 음극 및 제 2 음극 사이에 위치되고 플라즈마 영역에 인접하며 박막으로 양 측면이 코팅된 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
  19. 제 16항 내지 제 18항에 있어서, 음극 외부의 자기장의 자화 벡터는 역으로 배열되고 기판에 평행한 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
  20. 다음의 단계를 포함하는 박막을 제조하는 방법:
    다수의 반대되는 표적들을 가지는 스퍼터 음극을 제공하는 단계, 여기에서 적어도 하나의 표적은 개구부를 가지며, 다수의 반대되는 표적들 사이에는 플라즈마 영역이 위치되며, 음극에 인접하여 자기장 발생 원이 위치된다;
    플라즈마 영역에 인접하여 기판을 위치시키는 단계;
    플라즈마 영역 안에 플라즈마를 발생시키는 단계;
    플라즈마로 표적을 스퍼터링하여 이온화된 입자들을 발생시키는 단계;
    이온화된 입자들을 개구부(hole)를 통하여 유도하는 단계; 및
    입자들을 기판에 증착하여 박막을 형성시키는 단계.
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