KR20070020058A - 다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 장치 - Google Patents

다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스퍼터링법을 이용하여 단결정 박막을 연속 형성하는 제조기술을 제공하는 것이다. 반도체 기판(50)에 다층막을 형성하기 위해, 스퍼터링이 행해지는 진공 챔버(10) 내에 복수의 타겟(60, 60, ...)을 수납하는 타겟 수납박스(30)와, 타겟 수납박스(30)로부터 선택된 타겟(60)을 인출하고, 단일의 전극(26) 상에 배치하는 타겟 반송체(12)를 구비하여, 단일의 전극에서 전극 상의 타겟(60)을 연속적으로 교환가능하게 한다.

Description

다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 장치 및 다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 방법{ULTRA-HIGH VACUUM SPUTTERING SYSTEM FOR FORMING MULTILAYER THIN FILM CONTINUOUSLY AND ULTRA-HIGH VACUUM SPUTTERING METHOD FOR FORMING MULTILAYER THIN FILM CONTINUOUSLY}
본 발명은 스퍼터링법을 이용하여, 다층 박막을 연속 형성하는 다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 기술에 관한 것이다.
우선, 스퍼터링법에 대해, 도 3을 이용하여 설명한다.
진공 상태로 유지된 스퍼터링 스페이스(20)에, 기판 유지체(21)에 유지되는 기판(50)과, 타겟 유지체(26)에 유지되는 타겟(60)(Ti·Pt 등)이 대향하여 배치되어 있다. 타겟 유지체(26)는 전극을 구비하고, 기판(50)과 타겟(60) 사이에는 전위차를 갖는다.
그리고, 이와 같은 스퍼터링 스페이스(20) 내에, Ar·O2 등의 스퍼터 가스(15)를 주입한다. 그러면, 스퍼터 가스 분자나 원자가 타겟(60) 표면에 충돌한다. 상기 충돌에 의해 에너지의 송수신이 이루어지고, 타겟(60)의 분자나 원자가 튀어나와, 대향하는 기판(50) 상에 퇴적한다. 이에 의해, 기판(50)에 박막을 형성하는 것이 스퍼터링법이다. 상기 기술은 비교적 간단하고 저렴한 비용으로 다층 박막의 막 형성을 행할 수 있고, 배출되는 가스의 처리가 거의 필요하지 않다는 특징이 있어, 금후의 응용 범위의 확대가 기대되고 있다.
상기 스퍼터링법을 이용하여, 다층막을 연속 형성하는 기술로서는, 특허문헌 1에 개시되어 있는 것과 같은, 다전극에서 기판을 이동시키는 방식을 이용하는 것이 많이 있다.
이에 대해, 단일 전극에서 타겟을 교환함으로써 다층막을 연속 형성하는 기술로서는, 특허문헌 2에 개시된 "스퍼터링용 멀티타겟 장치"가 있다.
상기 특허문헌 2의 "스퍼터링용 멀티타겟 장치"와 같이 단일 전극에서 타겟을 교환하는 장치에서는, 진공 챔버 내에서 복수의 타겟을 효율적으로 단시간에 교환할 수 있다. 이 때문에, 종래의 다전극에서 기판을 이동시키는 방식보다 스퍼터링 공정의 시간을 대폭으로 단축할 수 있고, 막 형성 특성을 얻기 쉽다는 장점이 있다.
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 평성 10 - 150210호 공보
[특허문헌 2] 일본 특허 공개 2002 - 256425호 공보
그러나, 상기 특허문헌 2에 개시된 장치의 구조에서는, 이하와 같은 과제가 존재한다.
(1) 턴테이블에 타겟이 배치되기 때문에, 타겟의 대형화가 어렵다.
(2) 타겟을 대형화하기 위해서는, 장치를 대형화해야 한다.
(3) 사용완료의 타겟을 교환하기 위해서는, 그때마다 진공 챔버의 진공을 파 괴할 필요가 있다.
(4) 기판의 가열상황이나 진공 챔버의 진공 정도가 불명하기 때문에, 결정성이 높은 고품질의 다층막 형성은 곤란하다고 생각된다.
따라서, 본 발명은 이들의 과제를 해결하고, 스퍼터링법을 이용하여 다층 박막을 연속 형성하는 다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 제 1 발명은 스퍼터링법을 이용하여 다층 박막을 연속 형성하는 다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 장치로서, 진공 챔버에 복수의 타겟을 보유하고, 단일 전극에서 전극 상의 타겟을 연속적으로 교환가능하게 하는 타겟 교환 기능을 구비한 것을 특징으로 한다.
제 2 발명은, 타겟 교환기능이 진공 챔버에 복수의 타겟을 수납하는 타겟 수납체와, 타겟 수납체로부터 선택된 타겟을 꺼내어 전극 상에 배치하는 타겟 반송(搬送)체를 구비한 것을 특징으로 한다.
제 3 발명은, 타겟 수납체가 진공 챔버에 내장 또는 부착 가능하게 된 것을 특징으로 한다.
제 4 발명은, 진공 펌프를 구비한 진공 챔버와, 진공 펌프를 구비한 패스박스(passbox)를 밸브로 연결하고, 진공 상태를 파괴하지 않고 진공 챔버와 패스박스 사이에서의 기판 또는 타겟의 이송을 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.
제 5 발명은, 기판을 실온 ~ 1200℃로 가열하는 가열 기능을 구비한 것을 특징으로 한다.
제 6 발명은, 진공 챔버 내를 10-10 Torr 정도의 진공 상태로 하는 진공 기능을 구비한 것을 특징으로 한다.
제 7 발명은, 스퍼터링법을 이용하여 다층 박막을 연속 형성하는 다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 방법으로서, 진공 챔버에 보유된 복수의 타겟으로부터 하나의 타겟을 선택하는 타겟 선택 단계와, 선택된 타겟을 꺼내어 단일 전극 상에 배치하는 타겟 반송 단계를 구비하고, 단일의 전극에서 전극 상의 타겟을 연속적으로 교환가능하게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 다층 박막 제조 기술에 의하면, 이하의 효과를 갖는다.
(1) 복수의 타겟을 "타겟 수납체"에 수납시키고, 상기 수납체로부터 단일 전극(타겟 유지체)에 반송시킴으로써 장치를 컴팩트화할 수 있다. 또한, 장치가 소형화될 수 있으면, 장치 내(진공 챔버)를 고진공으로 하기가 용이하다. 이 때문에, 고품질의 박막 형성이 가능해진다.
(2) 복수의 타겟을 "타겟 수납체"에 수납시킴으로써, 타겟의 대형화가 가능해지고, 또한 다수의 타겟을 수납할 수 있다.
(3) 타겟의 사이즈와 기판의 사이즈는 비례하기 때문에, 타겟을 대형화할 수 있으면, 기판의 대형화도 가능해진다.
(4) 신규 타겟이나 신규 기판을 배치하는 "패스박스" 및 "진공 챔버"를 밸브로 연결시키고, 양자를 동등한 진공 상태로 유지하도록 한다. 이에 의해, 진공을 파괴하지 않고도 사용 완료 타겟이나 기판의 교환을 연속하여 행하여, 장치의 효율이 양호한 운전이 가능해진다.
(5) 기판을 실온 ~ 1200℃로 가열함으로써, 고품질의 단결정 박막 형성이 가능해진다.
(6) 진공 챔버 내를 10-10 Torr 정도의 진공 상태로 함으로써, 장치 내부(막 중)의 O, C, N 등의 잔류 불순물 농도를 1015 ~ 1016 cm-3 정도, 또는 그 이하로 저감할 수 있어, 고순도 박막의 형성이 가능해진다.
(7) 본 기술을 이용하면, 금속, 반도체, 절연체(또는 유기물, 무기물) 등의 다종 다양의 박막 형성에 대응할 수 있다.
(8) 본 기술을 이용하면, 박막의 모든 결정 구조(단결정, 다결정, 비결정질)에 대응할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 스퍼터링 장치의 개념도이다.
도 2는 기판 온도에 의한 단결정 박막의 품질도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 스퍼터링법을 나타내는 설명도이다.
1 스퍼터링 장치 10 진공 챔버
11 스퍼터 가스 주입구 12 타겟 반송체
15 스퍼터 가스 20 스퍼터링 스페이스
21 기판 유지체(히터) 26 타겟 유지체(전극)
29 그리드 30 타겟 수납 박스
40 패스박스 50 기판(반도체 기판)
60 타겟 70, 71 터보 분자 펌프
78, 79 밸브
도 1에, 본 발명에 관한 스퍼터링 장치의 개념도를 도시한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 스퍼터링 장치(1)는 반도체 단결정 박막의 제조 장치로서 설명한다.
스퍼터링 장치(1)는, 진공 챔버(10)와, 패스박스(40)를 구비한다.
진공 챔버(10) 내에는, 스퍼터링이 행해지는 스퍼터링 스페이스(20)와, 타겟을 복수개 수납할 수 있는 타겟 수납 박스(30)를 구비한다.
스퍼터링 스페이스(20)에는, 반도체 기판(50)을 유지하는 기판 유지체(21)와, 타겟(60)을 유지하는 타겟 유지체(26)가, 다공성의 그리드(29)를 사이에 두도록 대향하여 설치되어 있다. 타겟 유지체(26)는 전극이기도 하며, 스퍼터링 스페이스(20) 내에서 단일의 전극을 구성하고, 타겟 유지체(26)와 그리드(29) 사이에 전위차를 갖는다.
여기에서, 진공 챔버(10)의 스퍼터 가스 주입구(11)로부터 주입된 스퍼터 가스(예를 들어, Ar·O2 등)의 분자나 원자가 타겟(60) 표면에 충돌하고, 충돌에 의해 에너지 송수신이 이루어지고, 타겟(60)의 분자와 원자가 튀어나와 반도체 기판(50) 상에 퇴적된다. 여기서, 스퍼터 가스로서 Ar을 사용한 경우는, Ar 원자도 불순물로서 막 속에 주입되는데, 그리드(29)에 직류 전위를 인가하여 기판 표면상으로의 Ar+ 이온의 도달량을 제어함으로써, Ar 원자의 막 속으로의 주입량을 저감할 수 있는 가능성이 있다.
타겟 유지체(26) 상에 놓이는 타겟(60)은, 타겟 수납 박스(30)에 병렬하여 수납되어 있다. 타겟(60)을 교환할 때는, 상기 타겟 수납 박스(30)로부터 적당히 필요한 타겟(60)이 선택되고 타겟 반송체(12)에 의해 이송되어 타겟 유지체(26) 상에 배치된다.
타겟(60)은 타겟 수납 박스(30)에 수납되기 때문에 여분의 스페이스를 차지하지 않고, 진공 챔버(10)를 컴팩트하게 할 수 있다.
또한, 타겟의 사이즈에 특허문헌 2와 같은 제약도 없고, 대형의 타겟의 이용이 가능해진다. 대형의 타겟을 이용할 수 있기 때문에, 반도체 기판(50)의 대형화도 가능해진다.
타겟 수납 박스(30)는 다수 종류의 타겟을 수납 가능하게 하고, 다양한 반도체 기판의 제작을 가능하게 한다. 타겟의 종류로서는, 예를 들어, InGaN계의 LED, Si 도핑, Mg 도핑, Non 도핑, 고속 트랜지스터 SiGeTr 개발용, P형 불순물 도핑, n형 불순물 도핑 등 10 종류 이상의 것을 수납하여 두는 것이 바람직하다.
또한, 타겟 수납 박스(30)는, 진공 챔버(10)에 내장된 일체형 타입이어도, 진공 챔버(10)에 부착 가능한 분리형이어도 된다.
진공 챔버(10)는, 패스박스(40)와 함께, 밸브(79)를 통해 진공 펌프의 터보 분자 펌프(70, 71)를 구비한다. 진공 챔버(10)와 패스박스(40)는, 내부를 동일 진공 상태로 함으로써, 진공 상태를 파괴하지 않아도, 밸브(78)를 통해 진공 챔버(10)와 패스박스(40) 사이의 물품의 이송을 가능하게 한다. 즉, 진공 챔버(10) 내의 반도체 기판(50)이나 타겟(60)과, 신규한 반도체 기판(50)이나 타겟(60)을 교환하는 경우에, 그 때마다 진공 상태를 파괴하지 않아도 되고, 이에 의해 효율이 양호한 운전이 행해진다.
진공 챔버 내는, 10-10 Torr 정도의 진공 상태로 함으로써, 장치 내부(막 속)의 O, C, N 등의 잔류 불순물 농도를 1015 ~ 1016 cm-3 정도, 또는 그 이하로까지 저감할 수 있어, 디바이스용의 재료로서 이용할 수 있게 된다.
더구나, 종래의 스퍼터링법에서는, 다수의 경우 진공도가 10-6 ~ 10-7 Torr 정도이고, 막 형성 후의 막 속의 O, C, N 등의 잔류 불순물 농도가 높고, 디바이스용의 재료로서 이용할 수 없었다.
또한, 기판 유지체(21)는 히터로서 반도체 기판(50)을 가열한다. 반도체 기판(50)을 실온 ~ 1200℃로 가열함으로써, 도 2에 도시한 바와 같이, 고품질의 단결정 박막 형성이 가능해진다. 또한, 종래의 스퍼터링법에서는, 기판의 가열 온도의 상한이 통상 600℃ 정도였기 때문에, 충분한 결정성을 갖는 단결정막이 얻어지지 않았다.
반도체 기판(50)으로서는, 실리콘 기판, 글래스 기판, 세라믹 기판, 금속 기판, 고분자 기판 등에의 막 형성 기술을 확립할 수 있다.
본 발명은, 반도체 제조 기술 외에, 스퍼터링법을 이용하는 모든 분야의 다층 박막의 제조 기술에, 폭 넓게 이용할 수 있는 것이다.

Claims (7)

  1. 스퍼터링법을 이용하여 다층 박막을 연속 형성하는 다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 장치로서,
    진공 챔버에 복수의 타겟을 보유하고, 단일의 전극에서 전극 상의 타겟을 연속적으로 교환가능하게 하는 타겟 교환 기능을 구비한 다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    타겟 교환 기능은 진공 챔버에 복수의 타겟을 수납하는 타겟 수납체와,
    타겟 수납체로부터 선택된 타겟을 인출하고, 전극 상에 배치하는 타겟 반송체를 구비한 다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    타겟 수납체는 진공 챔버에 내장 또는 부착이 가능한 다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    진공 펌프를 구비한 진공 챔버와, 진공 펌프를 구비한 패스박스를 밸브로 연결하고, 진공 상태를 파괴하지 않고 진공 챔버와 패스박스 사이에서의 기판 또는 타겟의 이송을 가능하게 하는 다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기판을 실온 ~ 1200℃로 가열하는 가열기능을 구비한 다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    진공 챔버 내를 10-10Torr 정도의 진공 상태로 하는 진공 기능을 구비한 다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 장치.
  7. 스퍼터링법을 이용하여 다층 박막을 연속 형성하는 다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 방법으로서,
    진공 챔버에 보유된 복수의 타겟으로부터 하나의 타겟을 선택하는 타겟 선택 단계와,
    선택된 타겟을 인출하고, 단일의 전극 상에 배치하는 타겟 반송 단계를 포함하며,
    단일의 전극에서 전극 상의 타겟을 연속적으로 교환가능하게 하는 것을 특징으로 하는 다층 박막 연속 형성용 초고진공 스퍼터링 방법.
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