KR20100004098A

KR20100004098A - 확산박막 증착 방법

Info

Publication number: KR20100004098A
Application number: KR1020090128297A
Authority: KR
Inventors: 최시영; 배상열; 정성엽; 최정현
Original assignee: 아이시스(주)
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2010-01-12
Also published as: KR101054298B1

Abstract

본 발명은 반도체의 제조 및 각종 공구 등의 표면 코팅에 사용되는 확산박막 증착 방법에 관한 것으로, 반도체나 각종 조형물 또는 각종 공구 등과 같은 목적물의 표면에 박막을 코팅하되 바이어스 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 중 어느 1개 이상의 공정 변수(factor)의 값을 연속적으로 가변되게 조정하면 화학반응이 아닌 물리적인 방법으로 목적물의 표면에 형성되는 박막의 조성비를 연속적으로 가변시킬 수 있어 고경도의 박막을 제조할 수 있을 뿐 아니라 그 용도에 따라 조성비를 선택하여 박막을 증착시켜 줌으로써 내마모성뿐 아니라 내충격성 및 내열성이 우수한 박막을 증착시킬 수 있다.

확산박막, 증착, 바이어스 전압, 아크, 가스량, 진공도

Description

확산박막 증착 방법{Diffusion thinfilm deposition method}

본 발명은 반도체의 제조 및 각종 절삭 공구 등의 표면 코팅에 사용되는 확산 박막 증착 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화학증착법(CVD)이 아닌 물리증착법(PVD)으로 박막증착시 이온충돌에너지에 따른 리스퍼터링을 이용하여 박막의 조성비를 박막의 깊이방향으로 연속적으로 가변시킴은 물론, 그 용도에 따라 그 조성비를 선택하여 박막을 증착시켜 박막 및 증착의 특성을 향상시킬 수 있는 박막 증착 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체나 각종 조형물 또는 공구 등과 같은 목적물의 표면 처리를 위해 박막을 증착(혹은, 코팅)하기 위해서는 수 내지 수십 마이크로미터(㎛) 두께의 박막을 증착할 수 있는 PVD(Physical Vapor Deposition) 장치가 사용되어지고 있으며, 이러한 박막증착 장치는 그 용도 및 주변환경에 따라 고경도의 내마모성 및 내충격성 등의 다양한 조건을 만족하는 박막을 제조할 수 있는 것이 요구되고 있다.

이에, 박막증착 방법, 박막물질 및 투입된 반응가스와 같은 각종 증착 환경 을 개선하여 상술한 고경도, 내마모성, 내충격성 및 내열성 등을 모두 만족하는 양호한 특성의 박막을 제공하고자 하는 노력이 이루어지고 있다.

이와 같은 예로서, 도 1에서 도시된 바와 같이 목적물에 TiAlN 박막을 코팅시킴에 있어 서로 상반되는 인자(factor)인 내마모성과 내충격성을 모두 향상시키기 위해 내마모성은 물론 내열성이 우수한 알루미늄나이트라이드 박막층(AlN: Layer2, Layer4)에 고경도이고 윤활성이 우수한 티타늄나이트라이드 박막층(TiN: Layer1, Layer3) 또는 기타 도시하지 않은 다양한 박막층을 적층시켜 내마모성과 내충격성을 모두 만족시킬 수 있는 다층 박막(10)이 코팅 되도록 하고 있다.

그러나 이상과 같이 알루미늄나이트라이드 박막층(Layer2 및 Layer4)과 티타늄나이트라이드 박막(Layer1, Layer3)층을 다층구조(Layer1 내지 Layer4)로 증착하면 각 층(Layer1, Layer2, Layer3, Layer4) 자체에서는 상술한 내마모성 또는 내충격성 중 어느 하나의 특성을 향상시킬 수 있으나, 상기 각 층(Layer1, Layer2, Layer3, Layer4) 사이에 결합부(혹은, 분층)가 형성되어 크랙 및 분리가 발생한다는 문제점이 있음은 물론, 다층구조 전체로서의 박막(10)특성을 월등히 향상시킬 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 반도체나 각종 조형물 또는 각종 절삭 공구 등과 같은 목적물의 표면에 박막을 코팅하되, 그 박막의 조성비를 박막의 깊이방향으로 연속적으로 가변시킴은 물론 그 용도에 따라 조성비를 선택하여 박막을 증착시켜 줌으로써 박막의 증착 특성을 향상시킬 수 있는 확산 박막 증착 방법을 제공하는데 있다.

이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 한 개 이상의 박막물질이 목적물로 유도 및 증착되도록 하는 바이어스 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 중 어느 1개 이상의 공정변수의 값을 연속적으로 가변되게 인가하여 목적물의 표면에 이온충돌에너지를 가변시킴으로써 박막조성의 리스퍼터링에 따른 확산박막을 형성하되, 상기 목적물의 표면에 유도 및 증착되는 확산박막은 박막의 전체 또는 박막의 일부 두께에 있어 하나 이상의 조성비가 0.2 ～ 35 중량% 이내로 박막의 깊이방향으로 1회 이상 연속적으로 증가 또는 감소되는 것을 특징으로 한다.

또한, 한 개 이상의 박막물질이 목적물로 유도 및 증착되도록 하는 바이어스 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 중 어느 1개 이상의 공정변수의 값을 연속적으로 가변되게 인가하여 목적물의 표면에 이온충돌에너지를 가변시킴으로써 박막조성의 리스퍼터링에 따른 확산박막을 형성하되, 상기 목적물의 표면에 유도 및 증착되는 확산박막은 박막의 전체 또는 박막의 일부 두께에 있어 하나 이상의 조성비가 0.2 ~ 35 중량% 이내로 박막의 깊이방향으로 1회 이상 증가 후 감소되거나, 감소 후 증가되는 것을 특징으로 한다.

또한, 한 개 이상의 박막물질이 목적물로 유도 및 증착되도록 하는 바이어스 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 중 어느 1개 이상의 공정변수의 값을 연속적으로 가변되게 인가하여 목적물의 표면에 이온충돌에너지를 가변시킴으로써 박막조성의 리스퍼터링에 따른 확산박막을 형성하되, 상기 확산박막은 단층 또는 다층박막의 복합층으로 형성하되, 상기 복합층의 구성원 중 어느 하나 이상의 박막의 조성비가 0.2 ~ 35 중량% 이내로 박막의 깊이방향으로 1회 이상 연속적으로 증가 또는 감소되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 복합층의 구성원은 Ti, V, Cr, Cu, Y, Zr, Nb, Mo 등과 같은 전이금속과 Al, B, Si 금속 중 적어도 하나 이상 포함하는 합금타겟을 사용하고, 반응가스로는 질소(N₂), 메탄(CH₄) 또는 아세틸렌(C₂H₂)과 같은 카본기(C) 또는 산소(O₂) 중 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 바이어스 전압 및 아크, 스퍼터 혹은 이온화된 각종 박막물질을 증착하는 전원의 파형은 직류(DC) 및 펄스파형 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 확산박막의 결정립은 (111) 및 (200)면의 반가폭(FWHM)의 범위가 0.7 ~ 2.0 이내인 것을 특징으로 한다.

이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 확산 박막 증착 방법에 의하면, 반도체나 각종 조형물 또는 각종 공구 등과 같은 목적물의 표면에 박막을 코팅하되 바이어스 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 중 어느 1개 이상의 공정 변수의 값을 연속적으로 가변되게 조정하여 목적물의 표면에 형성되는 박막의 조성비를 연속적으로 가변시킴은 물론 그 용도에 따라 조성비를 선택하여 박막을 증착시켜 줌으로써 박막의 증착 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명에 따르면 목적물에 박막을 증착시 바이어스 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값을 연속적으로 가변할 수 있는 공정 변수의 수량을 임의로 선택이 가능하여 동일한 박막물질을 이용하여도 그 용도나 재질 등에 적합한 박막을 증착시킬 수 있는 효과를 추가로 갖는다.

이하, 본 발명에 따른 확산 박막 증착 방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하에 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 확산박막 증착 방법 및 그에 따른 박막증착율의 변화를 설명하기 위한 예시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 확산박막 증착 방법 및 그에 따라 증착된 박막을 설명하기 위한 제 1 예시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 확산 박막 증착 방법 및 그에 따라 증착된 박막을 설명하기 위한 제 2 예시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 확산박막 증착 방법 및 그에 따라 증착된 박막을 설명하기 위한 제 3 예시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 확산박막 증착 방법을 설명하기 위한 블록도이다.

우선, 본 발명은 반도체 및 각종 절삭 공구 등의 목적물의 표면에 박막을 코팅하되, 화학반응에 의해 다수의 조성이 확산되는 것과 같은 화학증착법(CVD)이 아닌 물리증착법(PVD), 즉 물리적인 이온충돌에너지에 따른 리스퍼터링(Resputtering)을 이용하여 확산박막을 증착시키는 확산박막 증착 방법 및 장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명에서는 박막 증착시에 그 박막의 조성 변화를 깊이 방향으로 연속적으로 가변시켜 확산박막을 성막시켜 줌으로써, 마치 수백층 이상의 슈퍼 멀티레이어(super multi layer)로서의 기능을 하게 함으로써 보다 고경도의 박막을 증착할 수 있다.

더욱이 이원계(二元係) 이상의 박막을 형성함에 있어 박막의 조성비를 연속적으로 가변시킬 경우 고경도 이외에 내마모성 뿐 아니라 내충격성 및 내열성을 향상시킬 수 있고, 그 용도에 따라 박막 조성의 가,감의 시작 포인트를 선택하여 박막을 증착시킴에 따라 형상 및 특성에 맞는 박막을 형성할 수 있게 된다.

이와 같은 목적물의 표면에 형성되는 박막의 조성비를 가변조정하기 위해 본 발명은 박막물질이 목적물로 유도 및 증착되도록 하는 바이어스 전압, 가스량, 아 크 및 스퍼터 전원의 전력값 중 어느 1개 이상의 공정 변수의 값을 사용자에 의해 설정된 시간 동안 연속적으로 가변할 수 있게 하였다.

또한, 바이어스 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 중 어느 1개 이상의 공정 변수의 값을 연속적으로 가변하면 박막 조성의 변화량이 박막의 깊이방향으로 상기 사용자에 의해 설정된 시간동안 적어도 1회 이상 증가 또는 감소되도록 제어된다.

한편, 상기 바이어스 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 중 어느 1개 이상의 공정 변수의 값을 각각 독립적 및 연속적으로, 다시 말해 바이어스 전압만을 조정하거나, 아크 또는 스퍼터 전원의 전력값만을 조정하거나, 가스의 투입량을 조정하여 진공도의 컨덕턴스(Conductance)만을 조정하더라도 목적물의 표면에 형성되는 박막이온들의 충돌에너지가 변화되며 이온의 크기에 따라 리스퍼터링(Resputtering)되는 양이 달라져 마치 다층박막처럼 박막의 조성비가 변화된다. 이처럼 박막 조성의 변화량을 조정할 수 있고 다양한 재질로 이루어지는 목적물의 형상 및 특성에 적합한 최적의 박막을 형성할 수 있게 되는 장점을 가지게 된다.

먼저, 수 내지 수십 마이크로미터(㎛) 두께의 박막을 증착할 수 있는 박막에 있어 그 용도 및 주변환경에 따라 고경도(高硬度)의 내마모성, 고인성(高靭性)의 내충격성 및 내열성 등의 다양한 조건을 만족하는 박막을 제조할 수 있는 것이 요구되고 있다.

즉, 단원계의 금속타겟을 이용하여 수 내지 수십 마이크로미터(㎛)의 경질박 막을 코팅하는 경우, 동일한 두께의 단층 박막과 비교하여 고경도가 됨을 알 수 있고, 박막의 깊이방향으로 박막조성이 연속적으로 달라지는 보이지 않는 다층(多層)구조인 확산박막 조성비의 가,감 주기에 비례하여 고경도화 되었다.

그리고 확산박막의 층수는 박막 코팅시간 동안의 턴테이블의 로테이션횟수(RPM)와 비례하여 증가되었다.

도 2는 본 발명에 따른 확산박막 증착 방법 및 그에 따른 박막 증착율의 변화를 설명하기 위한 예시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 확산 박막증착 방법에서는 아크, 스퍼터 혹은 이온화된 각종 박막물질(타겟 또는 증발원이라고도 함)이 기판 및 각종 조형물 등과 같은 목적물로 유도 및 증착되도록 하는 바이어스 전압만을 박막증착이 이루어지는 시간동안 혹은 박막증착이 이루어지는 시간 중 소정 시간동안 등과 같이, 사용자에 의해 설정된 소정 시간동안 연속하여 가변시킨다.

예컨데, 티타늄(Ti)과 알루미늄(Al)의 at% 비율이 5:5인 이온화된 박막물질과, 반응가스로서 질소가스가 공급되는 아크소스를 이용하여 각종 목적물에 박막을 코팅함에 있어, 바이어스 전압을 설정된 시간동안 연속적으로 가변시킴에 따라 진공챔버(50) 내에 존재하는 상기 이온 상태의 티타늄 및 알루미늄이 목적물에 증착되는 증착율(21b,21c)이 가변된다.

즉, 진공챔버(50) 내에 약 5:5의 비율로 존재하는 티타늄과 알루미늄 이온은 목적물 상에 역시 약 5:5의 비율로 증착되어야 할 것이나, 도시된 전압슬로 프(Vslope, 21a)와 같이 바이어스 전압을 높여 고전압이 인가되면 상대적으로 사이즈가 작은 알루미늄 입자가 티타늄 입자보다 더욱 큰 속도로 목적물과 부딪치며 증착이 일어나고, 그 위에 계속하여 알루미늄 입자와 티타늄 입자가 충돌 및 증착이 일어나게 되며, 이때 증착되었던 알루미늄 입자가 티타늄 입자보다 상대적으로 더 많이 튕겨져 나가게 되어(이하, 리스퍼터링 이라함), 바이어스 전압값의 크기에 따라 다소 차이가 있겠지만, 알루미늄의 증착율(21b)과 티타늄의 증착율(21c)은 약 4:6정도가 된다.

반대로, 바이어스 전압을 낮춰 저전압이 인가되면 각 입자의 충돌속도도 역시 작아져 증착된 알루미늄 입자의 리스퍼터링이 감소하여 알루미늄의 증착율은 40%에서 50%로 증가하고, 티타늄의 증착율은 약 60%에서 50%로 감소하여 대략 5:5의 비율을 이루게 된다.

따라서, 소정 시간동안 연속하여 바이어스 전압을 고전압에서 저전압 혹은 저전압에서 고전압으로 연속적으로 가변시키면 상술한 바와 같은 변화가 연속적으로 발생하게 되어, 알루미늄과 티타늄의 장점을 모두 구비할 수 있는 혼합 박막을 코팅할 수 있게 됨은 물론, 바이어스 전압의 변화를 천천히 연속적으로 변화시킴에 따라 박막에 분층이 발생하지 않게 되어, 즉 층간 분리된 부분이 발생하지 않는 물리적인 방법에 의한 확산박막이 되어 더욱더 박막 특성을 향상시킬 수 있게 된다.

그리고 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 및 질소가스량을 가변하여 적용하는 경우에도 바이어스 전압을 인가할 때와 동일하게 리스퍼터링되는 효과 및 평균자유행로(Mean Free Path)가 달라져 박막의 조성비가 박막의 깊이방향으로 달라지는 확 산박막을 형성할 수 있다.

또한, 상기 바이어스전압, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 및 가스량의 공정 변수 중 1개 이상의 값을 연속적으로 가변시킬 경우에도 고경도의 내마모성, 고인성의 내충격성 및 내열성이 우수한 박막을 제조할 수 있다.

그리고 단, 다원계 타겟 이외에 두 개 이상의 반응가스를 동시에 유입할 경우에도 반응가스의 크기와 비례하여 조성별로 리스퍼터링되는 정도가 차이가 나게 되어 박막의 깊이방향으로 조성의 차이가 나타난다.

한편, 목적물의 표면에 유도 및 증착되는 확산박막은 박막의 전체 또는 박막의 일부 두께에 있어 하나 이상의 조성비가 0.2 중량% ~ 35 중량% 이내로 박막의 깊이방향으로 1회 이상 연속적으로 증가 또는 감소되는 것이 바람직한데, 그 이유는 박막의 조성비가 0.2 중량% 미만인 경우에는 조성의 차이가 없는 경우와 비교하여 내마모성 및 내인성의 차이가 없게 되고, 박막의 조성비를 최대 35 중량% 이상으로 가변시킨 경우에는 박막의 스트레스가 높아져 10㎛ 이상의 후막을 코팅할 때 일부 박리가 발생되기 때문이다.

또한, 상기와 같이 하나 이상의 박막 조성비가 0.2 중량% ~ 35 중량% 이내로 형성되는 경우, 박막 조성비를 연속적으로 증가 또는 감소시키지 않고, 증가 후 감소시키거나 감소 후 증가시키는 횟수를 수백회 이상 반복하여 후막을 형성하였을 경우에도 박리가 없는 고품질의 박막을 형성할 수 있는데, 조성비 변화가 없는 박막과 비교하면 조성의 변화 주기가 많은 확산박막의 경우 응력 완화(stress relief)가 되어 수십 마이크로미터(㎛)의 박막을 쉽게 제조할 수 있는 장점이 있 다.

이때, 바람직하게는 조성비가 20 중량% 이내로 증가 혹은 감소되었을 경우 경도 및 박막의 물성이 향상되었으며 더욱 바람직하게는 조성비가 10 중량% 이내로 증가 혹은 감소되었을 때 경도 및 박막의 물성이 최고치를 나타내게 된다.

그리고 일반적으로 절삭 공구에 경질코팅을 하는 경우, 그 용도에 따라 우선성장방향을 (111) 또는 (200) 면으로 성막시키고 내마모성을 향상시키기 위해 기존의 수 마이크로미터(㎛) 부터 수십 마이크로미터(㎛)까지 더욱더 후막으로 코팅을 한다. 그러나 이처럼 후막으로 코팅하는 경우 한 방향으로 주상정의 결정구조가 되어 박막의 잔류응력이 박막의 두께와 비례하여 증가되므로 쉽게 박리가 발생한다.

그러나 본 발명에서와 같이 확산박막을 형성하는 경우는 박막의 잔류응력을 제어할 수 있다. 예를 들어, 바이어스 전압을 고전압에서부터 저전압으로 연속적으로 감소 후 증가를 여러 주기 반복하는 경우에는 우선성장방위가 전압에 비례하여 (111) 에서 (200)으로 다시 (111) 면으로 바뀌게 되어 박막이 한쪽 방향으로 주상정 구조의 박막이 성장되는 것을 억제하고 각각의 층마다 미세구조를 형성한다.

또한, X-선 분석결과 확산박막의 결정립은 (111), (200)면의 반가폭(Full Width Half Maximum)이 0.7° ~ 2.0° 범위 내에서 아모포스상(결정성 피크의 브로드)화 되는 특징을 나타냈으며 절단시 파단면이 수직으로 짤리지 않고 저항을 갖는 경사면의 파단면으로 관찰된다.

도 3은 본 발명에 따른 확산 박막증착 방법 및 그에 따라 증착된 박막을 설 명하기 위한 제 1 예시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 확산 박막 증착 방법 및 그에 따라 증착된 박막을 설명하기 위한 제 2 예시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 확산 박막증착 방법 및 그에 따라 증착된 박막을 설명하기 위한 제 3예시도이다.

먼저, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 확산박막 증착 방법은 도시된 아크전류슬로프 1(Arc_{slope_1},22a) 및 아크전류슬로프 2(Arc_{slope_2},22b)와 같이, 박막증착이 이루어지는 시간 동안 계속하여 또는 박막의 증착이 이루어지는 시간 중의 일부 시간동안 계속하여 아크전류값을 반복하여 증가 및 감소(고전류->저전류->고전류->저전류)시킨다.

따라서, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 증착된 박막(22c)은 분층 구조를 보이지 않고, 확산구조로 이루어져 박막(22c)의 층간 분리를 방지할 수 있게 됨은 물론, 내인성, 내마모성, 및 내충격성 등 다양한 특성을 동시에 만족할 수 있게 된다.

뿐만 아니라, 아크전류값을 소정시간동안 연속적으로 가변시키되, 박막 경도 및 내마모성을 향상시키고자 하는 경우에는 아크전류슬로프 1(22a)과 같이 고전류부터 시작하여 저전류로 가변되도록 하고, 박막(22c)의 내인성을 향상시키고자 하는 경우에는 전류슬로프 2(22b)와 같이 저전류로부터 시작하여 고전류로 가변되도록 하는 것이 바람직하다.

그리고 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 확산박막 증착 방법 은 도시된 가스량슬로프 3(Gas_{slope_3},23a) 및 가스량슬로프 4(Gas_{slope_4},23b)와 같이 박막증착이 이루어지는 시간동안 계속하여 또는 박막증착이 이루어지는 시간 중의 일부 시간동안 계속하여 반응가스량을 반복하여 감소(고->저, 고->저) 또는 반복하여 증가(저->고, 저->고)시켜 공정(process)중의 진공 컨덕턴스를 변화시켰다.

따라서 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 증착된 박막은 다층박막의 복합층으로 형성되는데, 각 층마다 확산 구조로 이루어져 내인성, 내마모성 및 내충격성 등 다양한 특성을 동시에 만족할 수 있게 된다. 그러나, 박막(23c)의 층간 분리의 특성은 상기의 도 3보다 다소 저하되는 단점이 있을 수도 있다.

나아가, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 확산박막 증착 방법은 도시된 전압슬로프 5(V_{slope_5},24a) 및 아크전류슬로프 6(Arc_{slope_6},24b)과 같이 박막증착이 이루어지는 시간 동안 계속하여 또는 박막증착이 이루어지는 시간 중의 일부시간 동안 계속하여 바이어스 전압을 반복하여 감소 및 유지(고전압->저전압->저전압)시킴과 동시에 아크전류값을 반복하여 증가 및 유지(저전류->고전류->고전류)시킨다.

따라서, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 증착된 박막은 분층 구조를 보이지 않고, 확산 구조로 이루어져 박막(24c)이 층간 분리를 방지할 수 있게 됨은 물론, 내인성, 내마모성, 및 내충격성 등 다양한 특성을 동시에 만족할 수 있게 된다.

특히, 바이어스전압, 가스량, 아크 및 스퍼터전원의 전력값과 같은 공정 변 수값은 더욱더 천천히 증가 혹은 감소시킴에 따라 더욱더 박막 밀착력을 향상시킬 수 있게 된다.

그리고, 전술한 바와 같이 확산박막은 단층 또는 다층박막의 복합층으로 형성시킬 수 있는데, 이러한 경우 고온경도값 및 내열성을 향상시키기 위해서 타겟의 조성은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 구리(Cu), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 나이오븀(Nb), 몰리브덴(Mo) 등과 같은 전이금속과 알루미늄(Al), 붕소(B), 실리콘(Si)과 같은 금속의 복수 개의 조성을 갖는 합금타겟을 사용한다.

또한, 상기 합금타겟과 반응하는 반응가스는 일반적으로 질소(N₂)가 사용되지만 이외에도 메탄(CH₄) 또는 아세틸렌(C₂H₂)과 같은 카본기(C), 또는 산소(O₂) 등의 반응가스가 복합적으로 선택 사용될 수 있다.

즉, 다원계의 조성을 갖는 합금타겟과 복수 개의 반응가스의 화합물로 이루어지는 경질박막은 바이어스 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값중 어느 1개 이상의 공정 변수의 값을 연속적으로 가변함에 따라 상기 조성의 금속 혹은 가스 이온의 크기에 비례하여 박막의 깊이방향으로 조성비가 변화하고 이 변화폭이 0.2 ~ 35 중량% 이내로 1회 이상 순차적으로 가변되는 확산박막이 형성된다.

이와 같은 바이어스 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 중에 어느 1개 이상의 공정 변수의 값이 설정된 시간 동안 연속적으로 가변함으로써 조성비의 변화량이 박막의 깊이방향으로 상기 사용자에 의해 설정된 시간동안 적어도 1회 이상 증가 또는 감소되거나, 적어도 1회 이상 증가 또는 감소시켜 주어, 확산 박막을 형성할 수 있고 이는 마치 보이지 않는 수백층 이상의 슈퍼 멀티 레이어로서의 역할을 함으로써 고경도의 내마모성, 내인성 및 내충격성을 향상시킬 수 있고, 그 용도에 따라 조성의 가감의 시작 포인트를 선택하여 박막을 증착시킴에 따라 형상 및 특성에 맞는 박막을 목적물의 표면에 형성할 수 있게 된다.

이하, 도 6을 참고로 본 발명에 따른 확산 박막 증착 방법에 의한 박막 증착에 과정에 대해 설명하도록 한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 박막증착은 먼저 기존에 설정되어 있던 바이어스 전압, 아크전류, 반응가스량의 최대값, 최소값, 및 그 변화량 등의 환경을 당해 박막 증착에 그대로 사용할지의 여부를 판별(S31)하여, 만약 사용자에 의해 기 설정된 환경을 사용하고자 하는 것으로 선택되면, 상기 기 설정된 환경에 따라 박막증착을 시작(S35)한다.

반면, 새로운 환경을 설정하여 박막증착을 하고자 하는 경우에는 사용자의 키 입력에 의해 바이어스전압, 아크전류, 반응가스량의 최대값, 최소값 및 그 변화량 등의 환경을 각각 설정(S32a, S32b, S32c)한다.

환경이 설정(S32a, S32b, S32c)되면, 박막의 용도에 따라 바이어스 전압, 아크전류, 반응가스량의 초기 시작값을 선택(S33)한다. 즉, 바이어스 전압에 대해서는 저전압으로부터 시작하여 고전압으로 가변시킬 것인지 또는 고전압으로부터 시작하여 저전압으로 가변시킬 것인지 여부에 대해 선택하고, 타겟에 인가되는 아크전류도 저전류로부터 시작하여 고전류로 가변시킬 것인지 또는 고전류로부터 시작하여 저전류로 가변시킬 것인지 여부에 대해 선택하고, 반응가스량을 선택(S33)한 다.

초기 시작값이 선택(S33)되면 후속 조건 예를 들어 전압슬로프, 전류슬로프, 반응가스 투입량에 대한 슬로프를 선택(S34)한다. 예컨대, 슬로프의 경우 도 3 내지 도 5에서 설명한 바와 같은 다양한 슬로프(22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b)들 중 어느 하나를 선택한다. 또한, 슬로프는 위에서 예시한 것 이외에 다양한 경사구배를 갖는 연속적으로 가변되는 형태 역시 설정 및 선택이 가능함은 당업자 수준에서 자명할 것이다.

이상과 같은 조건이 선택(S34)되면, 박막증착을 시작(S35)하고, 계속하여 증착이 완료되었는지를 판별하여, 만약 증착이 완료되었다면 종료하고, 증착이 완료되지 않았다면 전술한 바와 같은 루틴(routine)이 반복되도록 한다.

이와 같이, 사용자의 선택에 따라 바이어스 전압, 아크전류, 반응가스량을 설정함에 따라 다양한 종류의 목적물의 표면에 박막을 형성할 수 있고, 그와 같이 확산 구조로 이루어져 박막의 층간 분리를 방지할 수 있고, 내인성, 내마모성, 및 내충격성 등 다양한 특성을 동시에 만족할 수 있음은 물론, 그 용도에 적합한 박막을 제조할 수 있게 된다.

다음으로, 본 발명에 따른 확산박막 증착 장치를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명에 따른 확산박막 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이고, 도 8은 본 발명에 따른 확산박막 증착 장치의 일실시예를 설명하기 위한 구성도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 확산박막 증착 장치는, 크게는 목적물(혹은, 기판)(56)에 확산박막을 증착시키기 위한 진공챔버(혹은, 시스템)(50)와 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 상기 진공챔버(50)의 내부로 반응가스를 유입시키기 위한 가스공급부(46)와, 상기 진공챔버(50)에 전원을 공급하기 위한 전원공급부(41)와, 상기 진공챔버(50)의 내부를 진공상태로 만들기 위한 진공펌프(48) 및 상기 진공챔버(50)에 공급되는 전원의 크기를 가변시키도록 제어하는 제어부(43)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 확산박막 증착 장치로는 PVD법 중에 이온플레이팅, 스퍼터링 및 혼합 타입 등과 같이 다양한 박막증착 장치들이 사용될 수 있는데 이하에서는 그 중 아크소스를 이용한 이온 플레이팅 장치를 예로 들어 설명하기로 하겠다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 상기 진공챔버(50)는 상부에 상기 MFC(미도시)를 이용하여 가스공급부(46)로부터 반응가스를 진공챔버(50)의 내부로 유입시킬 수 있도록 하는 반응가스 유입구(53)가 형성되고, 하부에는 상기 진공펌프(48)에 의해 반응챔버(50)의 내부를 진공상태로 만들거나 반응가스를 유출시킬 수 있도록 하는 반응가스 유출구(54)가 형성되어 있다.

또한, 상기 진공챔버(50)는 일측에 적어도 한 개 이상의 복수로 장착되어 있는 음극인 타겟 또는 증발원(52)과 상기 타겟 또는 증발원(52)을 아크 방전에 의해 용융 및 증발시키는 아크증발원(51)이 설치되고, 이온증착시키고자 하는 기판(혹은, 목적물)(56) 등을 지지하고 타겟 또는 증발원(52)에서 이온화된 미세 입자를 끌어당기도록 바이어스 전압이 인가되는 기판홀더(55) 등을 포함하여 구성된다.

물론, 상기 진공챔버(50)의 반응가스 유출구(54)는 진공펌프(48)와 연결되어 진공챔버(50) 내부의 진공상태를 유지하도록 제어하게 된다.

또한 필요에 따라서는 상기 기판(56)에 박막을 증착시키기 이전에, 상기 기판(56)의 표면을 이온 세척하여 박막의 밀착력 및 균일도를 높일 수 있도록 각각 음(-) 전위와 양(+) 전위가 걸리는 HCD(Hollow Cathode Discharge) 건(57a) 및 허어스(hearth, 57b)는 물론, 허어스(57b)와 기판(56) 사이에 보조 양극(미도시)을 더 포함하기도 한다.

그리고, 상기 전원공급부(41)는 설정된 환경값에 따라 상기 진공챔버(50)에 바이어스 전압, 아크전류와 같은 전원을 공급하는 역할을 한다.

한편, 상기 제어부(43)에는 키입력부(45), 메모리(42) 및 디스플레이부(44)가 부가 설치될 수도 있는데, 상기 키입력부(45)는 전술한 바이어스 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 등의 환경설정 및 박막의 증착 시작 등과 같은 사용자 명령을 입력할 수 있도록 하는 역할을 하고, 상기 메모리(42)는 상기 키입력부(45)에 의해 설정된 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 등의 정보데이터를 저장하는 역할을 하며, 상기 디스플레이부(44)는 상기 키입력부(45)를 통해 입력되는 환경설정값과, 기 설정된 환경설정값 및 박막증착 진행도 등을 외부에 표시하는 역할을 한다.

따라서, 상기 제어부(43)는 상기 키입력부(45)를 통해 입력된 환경설정값 등을 메모리(42)에 저장하거나, 상기 메모리(42)로부터 읽어들일 수 있도록 데이터를 처리함은 물론, 설정된 환경설정값에 따라 전원공급부(41)의 출력을 제어하는 역할을 하게 되는 것이다.

*전술한 바와 같은 바이어스 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 중 어느 1개 이상의 공정 변수의 값을 연속적으로 가변 조정함에 따라 증착된 확산박막은 분층 구조를 보이지 않고, 확산 구조로 이루어져 박막의 층간 분리를 방지할 수 있게 됨은 물론, 내인성, 내마모성 및 내충격성 등 다양한 특성을 동시에 만족할 수 있게 된다. 뿐만 아니라, 시작 전압을 선택하는 것이 가능하여 그 용도에 적합한 박막의 증착이 가능하며, TiN, TiCN, TiSiN, TiAlN, AlTiN, AlCrN, TiAlSiCrN 등과 같은 단일박막 이외에 TiN/TiAlN, CrN/TiAlCrN, TiN/TiSiN, TiAlN/TiCrAlN, TiAlN/TiAlSiN 등과 같은 복합다층박막을 형성시에도 하나 이상의 박막을 확산박막으로 증착하고 그 조성비가 0.2 ~ 35 중량% 이내로 1회 이상 순차적으로 가변시키는 것이 가능하다.

이상에서 본 발명에 의한 확산 박막 증착 방법에 대해 설명하였으나, 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

특히, 이상에서는 각종 목적물의 코팅을 위한 박막증착을 구체적인 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하는 것이 아니며 게이트(gate), 비트 라인(bit line), 절연층(혹은 스페이서), 및 비아(via) 등 박막증착 공정이 요구되는 반도체의 제조시에도 상술한 바와 같은 본 발명에 적용될 수 있음은 당업자 수준에서 자명할 것이다.

또한 이상에서는 아크 및 스퍼터 전원의 전력값으로서 직류파형 및 펄스파형의 전력값만을 예시하였으나, 상술한 바와 같은 가변 전압값, 최대값, 최소값, 및 최대값과 최소값의 차이값, 주기 등의 수치 한정을 제외하면, 고주파(RF)를 포함한 교류(AC)타입의 전력값 에서도 소정 시간동안 연속하여 증가 혹은 감소시키면서 박막을 증착시킬 수 있음은 당업자 수준에서 자명할 것이다.

그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 적이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 박막증착 장치 및 방법에 의한 박막을 설명하기 위한 예시도.

도 2는 본 발명에 따른 확산박막 증착 방법 및 그에 따른 박막증착율의 변화를 설명하기 위한 예시도.

도 3은 본 발명에 따른 확산박막 증착 방법 및 그에 따라 증착된 박막을 설명하기 위한 제 1 예시도.

도 4는 본 발명에 따른 확산박막 증착 방법 및 그에 따라 증착된 박막을 설명하기 위한 제 2 예시도.

도 5는 본 발명에 따른 확산박막 증착 방법 및 그에 따라 증착된 박막을 설명하기 위한 제 3 예시도.

도 6은 본 발명에 따른 확산박막 증착 방법을 설명하기 위한 블록도.

도 7은 본 발명에 따른 확산박막 증착 장치를 설명하기 위한 개략 구성도.

도 8은 본 발명에 따른 확산 박막증착 장치의 일실시예를 설명하기 위한 구성도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

21a: 전압슬로프 21b: 알루미늄 증착율

21c: 티타늄 증착율 22c, 23c, 24c: 박막

41: 전원공급부 42: 메모리

43: 제어부 44: 디스플레이부

45: 키입력부 46: 가스공급부

48: 진공펌프

50: 진공챔버(시스템) 52: 음극

53: 반응가스 유입구 54: 반응가스 유출구

55: 기판홀더 56: 기판

57a: HCD 건 57b: 허어스

Claims

한 개 이상의 박막물질이 목적물로 유도 및 증착되도록 하는 바이어스 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 중 어느 1개 이상의 공정변수의 값을 연속적으로 가변되게 인가하여 목적물의 표면에 이온충돌에너지를 가변시킴으로써 박막조성의 리스퍼터링에 따른 확산박막을 형성하되,

상기 목적물의 표면에 유도 및 증착되는 확산박막은 박막의 전체 또는 박막의 일부 두께에 있어 하나 이상의 조성비가 0.2 ～ 35 중량% 이내로 박막의 깊이방향으로 1회 이상 연속적으로 증가 또는 감소되는 것을 특징으로 하는 확산박막 증착 방법.
한 개 이상의 박막물질이 목적물로 유도 및 증착되도록 하는 바이어스 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 중 어느 1개 이상의 공정변수의 값을 연속적으로 가변되게 인가하여 목적물의 표면에 이온충돌에너지를 가변시킴으로써 박막조성의 리스퍼터링에 따른 확산박막을 형성하되,

상기 목적물의 표면에 유도 및 증착되는 확산박막은 박막의 전체 또는 박막의 일부 두께에 있어 하나 이상의 조성비가 0.2 ~ 35 중량% 이내로 박막의 깊이방향으로 1회 이상 증가 후 감소되거나, 감소 후 증가되는 것을 특징으로 하는 확산박막 증착 방법.
한 개 이상의 박막물질이 목적물로 유도 및 증착되도록 하는 바이어스 전압, 가스량, 아크 및 스퍼터 전원의 전력값 중 어느 1개 이상의 공정변수의 값을 연속적으로 가변되게 인가하여 목적물의 표면에 이온충돌에너지를 가변시킴으로써 박막조성의 리스퍼터링에 따른 확산박막을 형성하되,

상기 확산박막은 단층 또는 다층박막의 복합층으로 형성하되, 상기 복합층의 구성원 중 어느 하나 이상의 박막의 조성비가 0.2 ~ 35 중량% 이내로 박막의 깊이방향으로 1회 이상 연속적으로 증가 또는 감소되는 것을 특징으로 하는 확산박막 증착 방법.
제 3항에 있어서

상기 복합층의 구성원은 Ti, V, Cr, Cu, Y, Zr, Nb, Mo 등과 같은 전이금속과 Al, B, Si 금속 중 적어도 하나 이상 포함하는 합금타겟을 사용하고, 반응가스로는 질소(N₂), 메탄(CH₄) 또는 아세틸렌(C₂H₂)과 같은 카본기(C) 또는 산소(O₂) 중 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 확산박막 증착 방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 바이어스 전압 및 아크, 스퍼터 혹은 이온화된 각종 박막물질을 증착하는 전원의 파형은 직류(DC) 및 펄스파형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 확산 박막증착 방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 확산박막의 결정립은 (111) 및 (200)면의 반가폭(FWHM)의 범위가 0.7 ~ 2.0 이내인 것을 특징으로 하는 확산 박막증착 방법.