KR20140041651A - Apparatus and method for thin films fabrication using multi-step pulse - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an apparatus and a method for forming a thin film using a multi-stage pulse technology. The thin film forming apparatus according to the present invention includes: a vacuum reactor in which a sputter to which a multi-stage pulse voltage is applied is installed, for generating plasma through plasma discharging; a target for guiding plasma ions generated by the plasma discharging to generate solid elements in the vacuum reactor through sputtering; a magnetron unit for applying a magnetic field to the inside the vacuum reactor through the target; and a multi-stage power application unit for applying a negative voltage and a positive voltage which correspond to the multi-stage pulse voltage to the target. [Reference numerals] (130) Multi-stage power application unit

Description

다단계 펄스를 이용한 박막 형성장치 및 박막 형성방법{Apparatus and method for thin films fabrication using multi-step pulse}Apparatus and method for thin films fabrication using multi-step pulse}

본 발명은 다단계 펄스 기술을 이용한 박막 형성장치 및 그 형성방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 다단계 펄스(pulse)를 이용하는 스퍼터에 있어서 스퍼터 타겟에 다단계 펄스 전압 중 제2 바이어스 전압인 양의 바이어스 전압이 인가되어 애프터글로우(afterglow) 상태의 이온이 이온빔 형태로 기판에 입사되어 추가적인 에너지원으로 작용함으로써, 박막의 품질이나 특성이 향상되는 박막 형성장치 및 이를 이용한 박막 형성방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film forming apparatus using a multi-step pulse technique and a method of forming the same. More specifically, in a sputter using a multi-step pulse, a positive bias voltage, which is a second bias voltage among multi-step pulse voltages, is applied to a sputter target. The present invention relates to a thin film forming apparatus and a thin film forming method using the same, by which afterglow ions are incident on a substrate in the form of an ion beam and act as an additional energy source, thereby improving the quality or characteristics of the thin film.

일반적으로, 박막 공정에 사용되는 PVD 공정에서는 증착(Evaporation), DC 또는 RF 스퍼터링, DC 또는 RF 마그네트론 스퍼터링 및 이온 플레이팅(ion plating) 방식 등 다양한 방법을 이용하여 박막 공정을 수행한다. 이 중 스퍼터링 방식은 높은 에너지를 가진 입자가 타겟에 충돌하여 타겟원자가 방출되는 원리를 이용하여 박막을 증착하는 방식으로, 여러가지 재료(금속, 화합물, 절연체 등)에서도 박막 증착이 가능하고 균일한 박막을 생성할 수 있어 널리 이용되고 있다.In general, in the PVD process used in the thin film process, a thin film process is performed using various methods such as evaporation, DC or RF sputtering, DC or RF magnetron sputtering, and ion plating. Among them, the sputtering method is a method of depositing a thin film by using the principle that the particles with high energy collide with the target and release the target atoms.The thin film can be deposited on various materials (metals, compounds, insulators, etc.) It can be produced and widely used.

이때, 스터터링은 스퍼터(sputter)에 인가되는 전원 방식에 따라 DC 또는 RF 전원 방식이 사용된다. DC 전원 방식은 전도체 재질의 타겟을 사용하며 구조가 간단하고 성막 속도가 큰 가장 표준이 되는 방식이다. 또한, RF 전원방식은 타겟이 전도체 뿐 만 아니라 절연체 또는 유전체의 사용이 가능하며, 낮은 압력에서도 운전이 가능한 특징이 있다.At this time, the stuttering is a DC or RF power supply method according to the power supply method applied to the sputter. The DC power supply method uses a target made of a conductor material and is the most standard method with a simple structure and a high film formation speed. In addition, the RF power source is capable of using an insulator or dielectric as well as a conductor, and can operate at low pressure.

일반적인 스퍼터 방식에 영구자석이나 전자석을 타겟 후면에 설치하여 형성되는 자기장 내에 전자를 가두어 플라즈마 밀도를 증가시키는 장점이 있으며, 이로 인해 타겟의 스퍼터율(sputter yield)을 높이는 장점이 있다. In the general sputtering method, there is an advantage of increasing plasma density by trapping electrons in a magnetic field formed by installing a permanent magnet or an electromagnet on the back of the target, thereby increasing the sputter yield of the target.

한편, 스퍼터링 방식 이외의 박막 공정 방식 중 이온 플레이팅 방식은 증착하고자 하는 소스를 열이나 전자빔등을 이용해 증발시킨 후 증발된 증착 원자 또는 분자를 챔버 내의 플라즈마를 이용해서 이온화시킨다. 이온화된 증발입자는 음전위가 인가된 기판에 인가해준 음전위와 상응하는 에너지를 가지고 입사하게 된다.On the other hand, in the thin film processing method other than the sputtering method, the ion plating method evaporates a source to be deposited using heat or an electron beam, and then ionizes the vaporized deposition atoms or molecules by using a plasma in the chamber. The ionized evaporated particles are incident with energy corresponding to the negative potential applied to the substrate to which the negative potential is applied.

또한, 일반적인 열에너지를 가진 증발 입자보다 높은 에너지를 가지고 입사된 증발 입자에 의한 박막은 박막 표면에 에너지 및 운동량 전달로 인해 치밀하고 물성이 우수한 박막을 형성하게 된다. 그러나, 이온 플레이팅 방식은 추가적인 플라즈마 발생 방법의 추가 및 높은 에너지 입사로 인한 박막의 물리적 충돌로 인한 결함이 발생할 수 있다.In addition, the thin film by the evaporated particles incident with a higher energy than the evaporated particles having a general thermal energy forms a thin film having a dense and excellent physical properties due to the transfer of energy and momentum to the surface of the thin film. However, ion plating may cause defects due to the physical collision of thin films due to the addition of additional plasma generation methods and high energy incidence.

박막 증착 중 기판에 입사되는 이온은 입사되는 이온의 에너지, 밀도, 기판 원자에 대한 이온의 상대적 질량비에 따라 박막의 형태(morphology), 구성요소(composition), 방향(orientation), 역학 성질(mechanical properties) 등을 변화시킨다. 기판의 전압이 너무 높으면 박막내에 결합이 발생하여 응력 상태가 증가하게 되고, 이로 인해 접착성이 저하되고 막의 질의 저하될 수 있다. 또한, 기판에 인가하는 온도 및 음전위는 박막내의 공극 형성 등 내마모, 내부식성에 영향을 주는 조직의 밀도에 영향을 미치게 된다. The ions incident on the substrate during thin film deposition depend on the morphology, composition, orientation, and mechanical properties of the thin film, depending on the energy, density, and relative mass ratio of ions to the substrate atoms. ) And so on. If the voltage of the substrate is too high, bonding occurs in the thin film, leading to an increase in the stress state, which may lower the adhesion and the quality of the film. In addition, the temperature and negative potential applied to the substrate affects the density of tissues that affect wear resistance and corrosion resistance, such as the formation of voids in the thin film.

이런 이온의 입사를 제어하는 방식으로 기판에 음전위를 인가하는 방식을 이용할 수 있다. 기판에 음전위를 인가하여 박막 공정 시 기판에 입사되는 이온의 에너지를 조절하고 입사되는 이온과 기판의 충돌로 인해 결정성 변화를 관찰하기도 하였다.(ref.Jianliang Lin Moore, J.J. Sproul, W.D. Lee, S.L. Jun Wang, "Effect of Negative Substrate Bias on the Structure and Properties of Ta Coatings Deposited Using Modulated Pulse Power Magnetron Sputtering", Plasma Science, 38, 3071 - 3078, 2010)As a method of controlling the incidence of such ions, a method of applying a negative potential to the substrate may be used. Negative potential was applied to the substrate to control the energy of ions incident on the substrate during the thin film process, and to observe the crystallinity change due to the collision between the incident ions and the substrate. (Ref.Jianliang Lin Moore, JJ Sproul, WD Lee, SL Jun Wang, "Effect of Negative Substrate Bias on the Structure and Properties of Ta Coatings Deposited Using Modulated Pulse Power Magnetron Sputtering", Plasma Science, 38, 3071-3078, 2010)

또한, 스퍼터된 고체원소가 플라즈마(plasma)를 통과하면서 이온화되고 이온화된 고체이온이 기판에 인가된 전위에 의해 기판에 입사되어 박막의 특성이 변화하는 특성을 관찰하기도 하였다.(ref. Fengjuan Jing, Yukimura, K., Hara, S., Nakano, S., Ogiso, H., Han Huang, "High-Power Pulsed Magnetron Sputtering Glow Plasma in Argon Gas and Pulsed Ion Extraction", Plasma Science, 38, 3016 - 3027, 2010)In addition, the sputtered solid element was passed through a plasma, and ionized and ionized solid ions were incident on the substrate by the potential applied to the substrate, and the characteristics of the thin film were also observed. (Ref. Fengjuan Jing, Yukimura, K., Hara, S., Nakano, S., Ogiso, H., Han Huang, "High-Power Pulsed Magnetron Sputtering Glow Plasma in Argon Gas and Pulsed Ion Extraction", Plasma Science, 38, 3016-3027, 2010)

그러나, 박막의 특성을 변화시키는 이온의 입사는 추가적인 플라즈마 발생 방법의 추가 및 기판에 전압을 인가시키기 위한 추가적인 전원 구성이 필요하다.However, the incidence of ions that change the properties of the thin film requires the addition of an additional plasma generation method and an additional power supply configuration for applying a voltage to the substrate.

대한민국 등록특허 제10-0716258호Republic of Korea Patent No. 10-0716258

따라서, 본 발명은 종래 박막 형성장치 및 형성방법에서 제기되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 다단계 펄스(pulse)를 이용하는 스퍼터에 있어서 스퍼터 타겟에 다단계 펄스 전압 중 제2 바이어스 전압인 양의 바이어스 전압이 인가되어 애프터글로우(afterglow) 상태의 이온이 이온빔 형태로 기판에 입사되어 추가적인 에너지원으로 작용함으로써, 박막의 품질이나 특성이 향상되는 다단계 펄스 기술을 이용한 박막 형성장치 및 이를 이용한 박막 형성방법이 제공됨에 발명의 목적이 있다.Accordingly, the present invention was devised to solve the above-mentioned disadvantages and problems in the conventional thin film forming apparatus and method, and the second bias voltage among the multi-stage pulse voltages in the sputter target in the sputter using multi-stage pulses. Thin film forming apparatus using multi-stage pulse technology that improves the quality and characteristics of thin film by applying a positive bias voltage and applying afterglow ions to the substrate in the form of an ion beam and acting as an additional energy source. An object of the present invention is to provide a method for forming a thin film.

본 발명의 상기 목적은, 다단계 펄스 전압이 인가되는 스퍼터가 설치되고, 플라즈마 방전에 의해 플라즈마를 생성하는 진공 반응기; 상기 플라즈마 방전에 의해 생성된 플라즈마 이온을 유도하여 스퍼터링에 의한 고체원소 양이온을 상기 진공 반응기 내에 발생시키는 타겟; 상기 타겟을 가로질러 상기 진공 반응기 내에 자기장을 인가하는 마그네트론 유닛; 및 상기 타겟에 다단계 펄스 전압 중 제2 바이어스 전압인 양의 전압(positive voltage)을 인가하는 다단계전원 인가 유닛;을 포함하는 다단계 펄스 기술을 이용한 박막 형성장치가 제공됨에 의해서 달성된다.The above object of the present invention is a vacuum reactor for generating a plasma by a plasma discharge is provided with a sputter to which a multi-stage pulse voltage is applied; A target for inducing plasma ions generated by the plasma discharge to generate solid element cations by sputtering in the vacuum reactor; A magnetron unit for applying a magnetic field in the vacuum reactor across the target; And a multi-stage power supply unit for applying a positive voltage which is a second bias voltage among the multi-stage pulse voltages to the target.

본 발명의 박막 형성 장치는, 상기 진공 반응기 내에 스퍼터링을 발생시킬 때, 상기 타겟에 다단계의 펄스 전압이 인가되어 발생되도록 할 수 있으며, 다단계 펄스 전압의 제1 바이어스 전압(음전압)을 인가하여 플라즈마 이온을 유도함에 의해 스퍼터링이 일어나게 하고, 다단계 펄스 전압의 제2 바이어스 전압(양전압)을 인가하여 주입된 가스가 플라즈마에 의해 이온화된 가스이온과 스퍼터된 원자가 플라즈마를 통과하여 이온화된 양이온을 밀어내어 이온빔을 발생시킬 수 있다.In the thin film forming apparatus of the present invention, when sputtering is generated in the vacuum reactor, a multi-stage pulse voltage may be applied to the target, and the plasma may be generated by applying a first bias voltage (negative voltage) of the multi-stage pulse voltage. Sputtering occurs by inducing ions, and a second bias voltage (positive voltage) of a multi-stage pulse voltage is applied to inject gas into which ion ionized by plasma and sputtered atoms pass through the plasma to push out ionized cations. Ion beams can be generated.

이에 더하여, 상기 제1 바이어스 전압은 음의 바이어스 전압이고, 상기 제2 바이어스 전압은 양의 바이어스 전압이 인가됨이 바람직하다.In addition, it is preferable that the first bias voltage is a negative bias voltage, and the second bias voltage is applied with a positive bias voltage.

상기 타겟은 기판에 증착하고자 하는 물질, 즉 탄소(C), 실리콘(Si), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 백금(Pt), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화인듐-주석(ITO)등 어느 하나의 원소 또는 화합물과 같이 기판 표면에 증착하고자 하는 원소로 형성됨이 바람직하다.The target is a material to be deposited on a substrate, that is, carbon (C), silicon (Si), copper (Cu), gold (Au), aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), platinum (Pt) It is preferably formed of an element to be deposited on the surface of the substrate, such as any one element or compound, such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and indium tin-oxide (ITO).

상기 다단계전원 인가 유닛은 스퍼터링을 위한 전압조절이 가능한 음전압과 양이온의 에너지를 조절할 수 있는 전압조절이 가능한 양전압이 모듈화되어 인가되는 파워 서플라이로 구성될 수 있다.The multi-stage power supply unit may be configured as a power supply to which a negative voltage capable of regulating voltage for sputtering and a positive voltage capable of regulating voltage of cation are modulated and applied.

상기 마그네트론 유닛은 일반적인 마그네트론 스퍼터 유닛이나 타겟인 상기 타겟을 가로질러 상기 타겟 외부로 자기장을 인가하며, 중앙폴과 상기 중앙폴을 둘러싸는 사이드폴이 레이스트랙 배열을 갖도록 함이 바람직하다. 또한 마그넷 유닛이 없는 스퍼터 구조에서도 구현이 가능하다. The magnetron unit applies a magnetic field to the outside of the target across the target which is a general magnetron sputter unit or target, and the center pole and the side pole surrounding the center pole may have a racetrack arrangement. It can also be implemented in a sputtered structure without a magnet unit.

상기 다단계 펄스 전압 중 스퍼터에 인가하는 음전압과 양전압의 크기, 주기 및 듀티 주기에 따라 발생된 애프터글로우(afterglow) 상태의 양이온이 기판에 입사되어 박막의 특성을 향상시키는 것을 특징으로 한다. Among the multi-stage pulse voltage, an afterglow cation generated according to the magnitude, period, and duty period of the negative voltage and the positive voltage applied to the sputter is incident on the substrate to improve the characteristics of the thin film.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다단계 펄스 기술을 이용한 박막 형성장치 및 박막 형성방법은 애프터글로우(afterglow) 상태의 이온이 이온빔 형태로 기판에 입사되어 추가적인 에너지원으로 작용하여 박막의 품질이나 특성을 향상시키는 장점이 있다. 기존에 보고되는 펄스를 이용한 스퍼터링 방식에서 스퍼터에 인가하는 전원의 특성상 발생하는 리버스 타임(reverse time)의 초기에서 오버슈팅(overshooting)된 전압에 의한 양이온의 효과가 박막의 품질을 향상시키는 효과가 있으나 양전압의 크기의 조절이나 지속이 어렵다. 그러나, 본 발명에 따른 방식을 이용하면 양이온을 발생시키기 위한 양전압의 조절이나 지속 시간을 조절하여 원하는 에너지와 플럭스를 가진 양이온을 기판에 입사시켜 박막의 특성이 향상될 수 있는 효과를 발휘할 수 있다. As described above, in the thin film forming apparatus and the thin film forming method using the multi-step pulse technology according to the present invention, the afterglow ions are incident on the substrate in the form of an ion beam to act as an additional energy source, thereby improving the quality and characteristics of the thin film. There is an advantage to improve. In the sputtering method using a pulse reported in the past, the effect of the cation due to the overshooting voltage at the initial stage of the reverse time caused by the characteristics of the power applied to the sputter has an effect of improving the quality of the thin film. It is difficult to control or sustain the magnitude of the positive voltage. However, by using the method according to the present invention, by controlling the duration or the duration of the positive voltage for generating the cation, the cation having the desired energy and flux can be incident on the substrate to achieve the effect of improving the properties of the thin film. .

도 1은 본 발명에 따른 박막 형성장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 박막 형성장치에 적용되는 다단계 펄스 전압의 예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 박막 형성장치에 적용되는 다단계 펄스 전압에 따라 형성된 양이온의 에너지 분포도.
도 4는 본 발명에 따른 박막 형성장치에 적용되는 다단계 펄스 전압에 따라 형성된 Ti 박막의 결정성 변화의 예
1 is a block diagram of a thin film forming apparatus according to the present invention.
2 is a view showing an example of a multi-step pulse voltage applied to the thin film forming apparatus according to the present invention.
3 is an energy distribution diagram of a cation formed according to a multi-step pulse voltage applied to the thin film forming apparatus according to the present invention.
Figure 4 is an example of the crystallinity change of the Ti thin film formed according to the multi-level pulse voltage applied to the thin film forming apparatus according to the present invention

본 발명에 따른 다단계 펄스 기술을 이용한 박막 형성장치 및 박막 형성방법의 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.
Matters concerning the operational effects including the technical configuration of the thin film forming apparatus and the thin film forming method using the multi-step pulse technology according to the present invention with reference to the drawings showing preferred embodiments of the present invention are clearly shown below. Will be understood.

먼저, 도 1은 본 발명에 따른 박막 형성장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 박막 형성장치에 적용되는 다단계 펄스 전압의 예를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 박막 형성장치에 적용되는 다단계 펄스 전압에 따라 형성된 양이온의 에너지 분포도이며, 도 4는 본 발명에 따른 박막 형성장치에 적용되는 다단계 펄스 전압에 따라 형성된 Ti 박막의 결정성 변화의 예이다.First, Figure 1 is a block diagram of a thin film forming apparatus according to the present invention, Figure 2 is a view showing an example of a multi-step pulse voltage applied to the thin film forming apparatus according to the present invention, Figure 3 is a thin film forming according to the present invention FIG. 4 is an example of the crystallinity change of the Ti thin film formed according to the multi-step pulse voltage applied to the thin film forming apparatus according to the present invention. FIG.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 형성장치는 진공 반응기(100), 타겟(110), 마그네트론 유닛(120) 및 다단계전원 인가 유닛(130)을 포함할 수 있다.As shown, the thin film forming apparatus according to the present invention may include a vacuum reactor 100, a target 110, a magnetron unit 120 and a multi-stage power supply unit 130.

상기 진공 반응기(100)는 스퍼터가 장착되며, 진공 반응기로 유입된 가스가 스퍼터에 인가되는 음전압에 의하여 방전됨에 의해서 플라즈마를 생성하게 된다. 즉, 상기 진공반응기(100) 상부에 설치된 스퍼터에서 플라즈마 이온과 전자들의 집단인 플라즈마가 생성될 수 있다.The vacuum reactor 100 is equipped with a sputter, and the gas introduced into the vacuum reactor is discharged by the negative voltage applied to the sputter to generate a plasma. That is, a plasma, which is a group of plasma ions and electrons, may be generated in the sputter installed on the vacuum reactor 100.

이때, 플라즈마는 어느 하나의 방식에 의해서 형성되는 것이 아니라 다양한 방식의 플라즈마 방식에 의해서 생성될 수 있다.In this case, the plasma may not be formed by any one method but may be generated by various plasma methods.

상기 진공반응기 상부에 설치된 스퍼터에서 생성된 플라즈마 이온은 다단계전원 인가 유닛(130)에 의해 음의 전압과 양의 전압이 교대로 인가될 수 있으며, 다단계전원 인가 유닛(130)에서 타겟(110)에 제1 바이어스 전압인 음의 전압이 인가됨에 따라 플라즈마 이온이 타겟(110)과 충돌하여 스퍼터링이 발생되고, 진공 반응기(100) 하부의 기판(140)에 타겟(110)으로부터 스퍼터링된 고체원소(n)에 의해 박막이 형성될 수 있다.Plasma ions generated by the sputter installed on the vacuum reactor may be alternately applied with a negative voltage and a positive voltage by the multistage power supply unit 130, and may be applied to the target 110 in the multistage power supply unit 130. When a negative voltage, which is a first bias voltage, is applied, plasma ions collide with the target 110 to generate sputtering, and the solid element sputtered from the target 110 on the substrate 140 under the vacuum reactor 100 (n). The thin film may be formed by).

또한, 기판(140)에 박막이 형성된 후 다단계전원 인가 유닛(130)에서 제2 바이어스 전압인 양의 전압이 인가됨에 따라 타겟(110) 근방의 애프터글로우 상태의 양이온(+)이 기판(140)에 입사되어 에너지의 전달이 이루어짐으로써, 기판(140)에 온도를 가하는 것과 같은 효과를 나타내게 됨에 따라 박막의 특성이 향상될 수 있다.In addition, after the thin film is formed on the substrate 140, the positive voltage (+) in the afterglow state near the target 110 is applied to the substrate 140 as a positive voltage, which is the second bias voltage, is applied from the multi-stage power supply unit 130. As the incident energy is transmitted to the substrate, the characteristics of the thin film may be improved as an effect of applying a temperature to the substrate 140 may be obtained.

이때, 양이온(+)의 적절한 에너지는 양의 전압을 조절하여 양이온(+)의 에너지 조절이 이루어질 수 있으며, 플럭스의 조절도 가능할 수 있다. 그리고, 상기 타겟(110)의 상부에서 타겟(110)을 가로질러 자기장이 인가될 수 있으며, 자기장의 인가는 상기 진공 반응기(100)의 상부에 설치된 마그네트론 유닛(120)을 통해 인가될 수 있다.At this time, the appropriate energy of the cation (+) may be controlled by controlling the positive voltage, the energy of the cation (+), it may be possible to control the flux. In addition, a magnetic field may be applied across the target 110 at the upper portion of the target 110, and application of the magnetic field may be applied through the magnetron unit 120 installed at the upper portion of the vacuum reactor 100.

이를 위하여 마그네트론 유닛(120)은 중앙폴(121)과 중앙폴을 둘러싸는 사이드폴(122)로 이루어진 레이스 트랙 배열을 갖도록 하는 것이 바람직하며, 레이스 트랙을 따라 회전하는 전자는 중성 상태로 스퍼터링된 고체원소와 충돌하여 플라즈마 상태의 고체원소 양이온을 생성하게 되고, 이를 통해 타겟 근방에서 고체원소 양이온의 밀도를 증가시킬 수 있다. 또한, 마그넷 유닛이 없는 스퍼터 구조에서도 구현 가능할 수 있다.To this end, the magnetron unit 120 preferably has a race track arrangement consisting of a center pole 121 and a side pole 122 surrounding the center pole, and electrons rotating along the race track are sputtered in a neutral state. Collide with the element to generate a solid element cation in the plasma state, thereby increasing the density of the solid element cation in the vicinity of the target. In addition, it may be implemented in a sputter structure without a magnet unit.

이때, 상기 다단계전원 인가 유닛(130)은 스위칭에 의해 양의 전압과 음의 전압이 교대로 인가되는 파워 서플라이로 구성될 수 있다.In this case, the multi-stage power supply unit 130 may be configured as a power supply to which a positive voltage and a negative voltage are alternately applied by switching.

이와 같이 구성된 본 발명의 박막 형성장치의 동작 과정에 대하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the thin film forming apparatus of the present invention configured as described above are as follows.

먼저, 진공 반응기(100)에 구비된 가스 유입구(도면 미도시)를 통해 플라즈마 처리가스가 진공 반응기 내부로 유입된다. 유입된 방전 가스는 진공 반응기 상부에 설치된 스퍼터에 다단계전원 인가 유닛(130)을 통해 인가된 다단계 펄스 전압 중 제1 바이어스 전압인 음의 전압에 의해 플라즈마가 발생하게 된다.First, the plasma processing gas is introduced into the vacuum reactor through a gas inlet (not shown) provided in the vacuum reactor 100. The discharged discharge gas is generated by the negative voltage which is the first bias voltage among the multi-stage pulse voltages applied through the multi-stage power supply unit 130 to the sputter installed on the vacuum reactor.

또한, 상기 진공 반응기 내의 플라즈마에 의한 양이온의 밀도 증가를 위하여 추가적인 플라즈마 소스 설치가 가능할 수 있다. 이때, 플라즈마는 앞서 설명한 바와 같이 다양한 방식, 즉 축전용량성 플라즈마 방전, 유도결합형 플라즈마 방전, 플라즈마 웨이브를 이용한 헬리콘 방전 및 마이크로웨이브 플라즈마 방전 등의 방식을 통해 전환될 수 있으며, 이러한 방식에 의해 한정되는 것은 아니고 이 외의 방식으로 전환될 수 있다.In addition, an additional plasma source may be installed to increase the density of the cations by the plasma in the vacuum reactor. In this case, the plasma may be switched through various methods as described above, namely, capacitive plasma discharge, inductively coupled plasma discharge, helicon discharge using a microwave wave, and microwave plasma discharge. It is not limited and can be switched in other ways.

다음, 스퍼터에 인가되는 다단계 펄스 전압 중 다단계전원 인가 유닛(130)에서 제1 바이어스 전압인 음의 전압에 의해 발생된 플라즈마의 이온이 타겟(110)과 충돌하여 고체 원소가 스퍼터링된 원자(n)가 기판(140)에 입사하게 됨으로써, 기판 표면에 박막이 형성될 수 있다.Next, in the multi-stage pulse voltage applied to the sputter, the ion of the plasma generated by the negative voltage, which is the first bias voltage, in the multi-stage power supply unit 130 collides with the target 110, and the solid element is sputtered (n). As the incident light enters the substrate 140, a thin film may be formed on the surface of the substrate.

이때, 제1 바이어스 전압 이 후에 방전 전압 이하로 전압이 인가되면 플라즈마는 소멸되지만 플라즈마가 소멸되기 전 애프터글로우(afterglow) 상태가 일정 시간동안 유지된다.At this time, if a voltage is applied below the discharge voltage after the first bias voltage, the plasma disappears, but the afterglow state is maintained for a predetermined time before the plasma disappears.

상기 다단계전원 인가 유닛(130)에서 스퍼터에 교대로 인가되는 다단계 펄스 중 제2 바이어스 전압인 양의 전압이 인가되고, 양의 전압이 인가되면 플라즈마가 소멸되기 전인 애프터글로우(afterglow) 상태에서 플라즈마에서의 양이온(+)이 양의 전압이 인가된 타겟(110)의 전압에 의해 이온빔(ion beam)의 형태로 기판(140)에 입사하게 된다.In the multi-stage power supply unit 130, a positive voltage, which is a second bias voltage, is applied among the multi-stage pulses alternately applied to the sputter, and when the positive voltage is applied, the plasma is in an afterglow state before the plasma disappears. The positive electrode (+) is incident on the substrate 140 in the form of an ion beam by the voltage of the target 110 to which a positive voltage is applied.

한편, 본 발명에 따른 박막 형성방법은, co-sputter를 이용한 방식에서도 상기 양이온에 의한 박막의 특성이 향상되게 상기 기판에 에너지가 인가되게 할 수도 있다.On the other hand, the thin film forming method according to the present invention, even in the method using a co-sputter may be to apply energy to the substrate to improve the characteristics of the thin film by the cation.

다단계 펄스 중 제2 바이어스 전압인 양의 전압에 의한 양이온의 에너지를 측정한 실험 결과는 도 3에 도시된 양이온의 에너지 분포도와 같다. 도 3의 실험 조건은 주입가스인 아르곤의 압력이 1.5 mTorr이고, 모듈레이터(modulator)의 주파수(frequency)와 듀티 사이클(duty cycle)은 각각 5 kHz와 20 % 이다. Experimental results of measuring the energy of the cation due to the positive voltage, which is the second bias voltage, in the multi-step pulse are shown in the energy distribution of the cation shown in FIG. 3. In the experimental conditions of FIG. 3, the pressure of argon, which is the injection gas, is 1.5 mTorr, and the frequency and duty cycle of the modulator are 5 kHz and 20%, respectively.

또한, 스터퍼에 인가되는 다단계 펄스 전압 중 제 1 바이어스 전압은 -400 V 이고 제 2 바이어스 전압은 0, 100, 200, 300 V로 변화하여 실험한 결과이다. 양이온의 에너지는 이온 분석기를 이용하여 측정하였으며 실험결과 스퍼터에 인가하는 다단계 펄스 전압 중 제 2 바이어스 전압이 변화함에 따라 양이온의 에너지가 변화됨을 볼 수 있다. The first bias voltage is -400 V and the second bias voltage is 0, 100, 200, 300 V among the multi-step pulse voltages applied to the stuffer. The energy of the cation was measured using an ion analyzer. As a result of the experiment, it can be seen that the energy of the cation changes as the second bias voltage of the multi-stage pulse voltage applied to the sputter is changed.

이와 같이 입사된 양이온은 기판(140)에 열을 인가하는 것과 같이 에너지 전달이 이루어져 박막의 특성을 향상시킬 수 있다. 양의 이온빔 에너지는 다단계전원 인가 유닛(130)에서 제2 바이어스 전압인 양의 전압을 조절하여 조절할 수 있으며, 펄스 주파수(pulse frequency) 및 듀티 사이클(duty cycle)을 조절하여 양의 이온빔 에너지와 플럭스가 조절될 수 있다.The incident cations may transfer energy such as heat is applied to the substrate 140 to improve characteristics of the thin film. The positive ion beam energy may be adjusted by adjusting the positive voltage, which is the second bias voltage, in the multi-stage power supply unit 130, and the positive ion beam energy and flux by adjusting the pulse frequency and the duty cycle. Can be adjusted.

이처럼 다단계 펄스 전압 중 제1 바이어스 전압인 음의 전압에 의해 원하는 물질(타겟의 재질에 따른 물질)을 스퍼터링하여 기판에 박막을 형성하고, 교대로 인가되는 다단계 펄스 전압 중 제2 바이어스 전압인 양의 전압을 인가하여 양의 이온빔을 박막에 입사시켜 에너지를 전달시키는 과정을 반복하여 박막의 특성을 향상시킬 수 있다.As described above, a thin film is formed on the substrate by sputtering a desired material (material according to the material of the target) by a negative voltage, which is the first bias voltage, among the multi-level pulse voltages, and a positive amount of the second bias voltage among the multi-stage pulse voltages applied alternately. The characteristics of the thin film may be improved by repeating the process of transferring energy by applying a positive ion beam to the thin film by applying a voltage.

이때, 상기 타겟(110)에 인가되는 다단계 펄스 전압 중 음의 전압은 통상 -100V 내지 -2000V, 바람직하게는 -300V 내지 -1000V의 펄스 전압이 인가될 수 있다.At this time, the negative voltage of the multi-level pulse voltage applied to the target 110 may be a pulse voltage of -100V to -2000V, preferably -300V to -1000V.

또한, 상기 타겟(110)에 인가되는 다단계 펄스 전압 중 양의 전압은 통상 0V 내지 1000V, 바람직하게는 10V 내지 500V의 전압이 인가될 수 있는데 이는 박막의 특성을 향상시키는 적절한 에너지에 의해서 변화할 수 있다. In addition, a positive voltage among the multi-level pulse voltages applied to the target 110 may be applied with a voltage of 0V to 1000V, preferably 10V to 500V, which may be changed by appropriate energy to improve the characteristics of the thin film. have.

상기 인가되는 전압은 기재된 전압에 한정되는 것은 아니고, 고체원소의 종류와 박막의 품질을 향상시키는 적절한 에너지 등을 고려하여 조절될 수 있다. The applied voltage is not limited to the described voltage, and may be adjusted in consideration of the kind of the solid element and the appropriate energy to improve the quality of the thin film.

그리고, 상기 기판에 입사되는 상기 양이온의 에너지 조절이 가능하도록 상기 기판에 전압인가가 가능하도록 할 수도 있으며, 상기 기판에 상기 양이온에 의한 에너지 전달 외에 추가적인 에너지 전달이 이루어지도록 상기 기판에 온도 인가가 가능하도록 할 수도 있다.
In addition, a voltage may be applied to the substrate to control energy of the cation incident on the substrate, and temperature may be applied to the substrate so that additional energy may be transferred in addition to energy transfer by the cation. You can also do that.

한편, 다단계 펄스 전압을 이용하여 박막의 특성 변화는 도 4와 같다. On the other hand, the characteristic change of the thin film using the multi-step pulse voltage is as shown in FIG.

도 4에 도시된 박막의 특성 변화는 Ti 박막의 결정성 변화를 살펴보기 위한 도면으로, 도 4의 실험 조건은 티타늄(Ti)을 타겟 물질로 이용하였으며 주입가스인 아르곤의 압력은 3.6 mTorr이다. 모듈레이터(Modulator)의 주파수(frequency)와 듀티 사이클(duty cycle)은 각각 15 kHz와 60 % 이며 스터퍼에 인가되는 다단계 펄스 중 제 1 바이어스 전압은 -600V 이고, 제 2 바이어스 전압은 0, 100, 200V로 변화하였다. 티타늄(Ti) 박막의 결정성의 변화를 관찰하기 위해 XRD로 측정하였으며 측정결과 스퍼터에 인가되는 다단계 펄스 전압 중 제 2 바이어스 전압이 변화함에 따라 양이온의 에너지가 변화되고 이로 인해 박막 형성 시 결정면의 변화가 발생되는 것을 확인할 수 있다. The characteristic change of the thin film shown in FIG. 4 is a view for examining the crystallinity change of the Ti thin film. The experimental condition of FIG. 4 is titanium (Ti) as a target material and the pressure of argon, which is an injection gas, is 3.6 mTorr. The frequency and duty cycle of the modulator are 15 kHz and 60%, respectively, and the first bias voltage is -600 V, and the second bias voltage is 0, 100, Changed to 200V. In order to observe the change of crystallinity of titanium (Ti) thin film, XRD was measured. As a result of the measurement, the energy of the cation changes as the second bias voltage of the multi-stage pulse voltage applied to the sputter changes. You can see what happens.

제2 바이어스 전압이 0V인 경우에는 대부분 (002) 결정면 방향으로 증착되지만 제2 바이어스 전압이 200V로 증가하면 대부분 (100) 결정면 방향으로 증착되는 것을 확인할 수 있다. When the second bias voltage is 0V, most of them are deposited in the (002) crystal plane direction, but when the second bias voltage increases to 200V, most of them are deposited in the (100) crystal plane direction.

이는 다단계 펄스 전압 중 제2 바이어스 전압에 의해 박막에 입사하는 양이온에 의한 에너지 전달이 이루어져 박막의 특성이 변화된 것이다.
This is because the energy transfer by the cations incident on the thin film by the second bias voltage of the multi-level pulse voltage is a change in the characteristics of the thin film.

본 명세서에 기재되는 실시예와 도면에 도시되는 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
The embodiments described in the present specification and the configuration shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention, and various equivalents may be substituted for them at the time of the present application. It should be understood that there may be water and variations.

100. 진공 반응기 110. 타겟
120. 마그네트론 유닛 130. 다단계전원 인가 유닛
140. 기판
100. Vacuum reactor 110. Target
120. Magnetron Unit 130. Multi-Level Power Supply Unit
140. Substrate

Claims (14)

다단계 펄스 전압이 인가되는 스퍼터가 설치되고, 플라즈마 방전에 의해 플라즈마를 생성하는 진공 반응기;
상기 플라즈마 방전에 의해 생성된 플라즈마 이온을 유도하여 스퍼터링에 의한 고체원소를 발생시키는 타겟;
상기 타겟을 가로질러 상기 진공 반응기 내에 자기장을 인가하는 마그네트론 유닛; 및
상기 타겟에 다단계 펄스 전압의 제1 바이어스 전압인 음의 전압과 제2 바이어스 전압인 양의 전압을 교대로 인가하는 다단계전원 인가 유닛으로서, 상기 다단계전원 인가 유닛은 음의 전압과 양의 전압의 크기를 독립적으로 제어 가능하도록 구성된 다단계전원 인가 유닛을 포함하는,
다단계 펄스를 이용한 박막 형성장치.
A vacuum reactor to which a sputter to which a multi-stage pulse voltage is applied is installed and to generate plasma by plasma discharge;
A target for generating solid elements by sputtering by inducing plasma ions generated by the plasma discharge;
A magnetron unit for applying a magnetic field in the vacuum reactor across the target; And
A multistage power supply unit for alternately applying a negative voltage, which is a first bias voltage and a second bias voltage, to the target, wherein the multistage power supply unit is a magnitude of a negative voltage and a positive voltage. It includes a multi-stage power supply unit configured to control independently,
Thin film forming apparatus using multi-step pulse.
제1항에 있어서,
상기 타겟은, 기판에 증착하고자 하는 물질, 즉 탄소(C), 실리콘(Si), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 백금(Pt), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화 인듐-주석(ITO) 중 어느 하나 이상을 포함하는,
다단계 펄스를 이용한 박막 형성장치.
The method of claim 1,
The target is a material to be deposited on a substrate, that is, carbon (C), silicon (Si), copper (Cu), gold (Au), aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), platinum (Pt) ), Aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and indium tin oxide (ITO),
Thin film forming apparatus using multi-step pulse.
제1항에 있어서,
상기 박막 형성장치는, 상기 진공 반응기 내에 플라즈마를 발생시킬 때, 상기 타겟에 다단계의 펄스 전압이 인가되어 발생되며,
상기 음의 전압의 인가시 플라즈마 이온이 유도되어 스퍼터링된 원자(n)가 기판에 입사되어 박막이 형성되고,
상기 양의 전압의 인가시 애프터글로우 상태의 플라즈마 양이온 및 플라즈마에 의해 이온화된 스퍼터링된 고체원소를 밀어내어 이온빔의 형태로 스퍼터된 박막에 입사하여 에너지 전달이 이루어지는,
다단계 펄스를 이용한 박막 형성장치.
The method of claim 1,
The thin film forming apparatus is generated by applying a multi-stage pulse voltage to the target when generating a plasma in the vacuum reactor,
When the negative voltage is applied, plasma ions are induced so that the sputtered atom n is incident on the substrate to form a thin film,
When the positive voltage is applied, the plasma cations in the afterglow state and the sputtered solid elements ionized by the plasma are pushed out to enter the sputtered thin film in the form of an ion beam, thereby transferring energy.
Thin film forming apparatus using multi-step pulse.
제3항에 있어서,
상기 기판에 상기 양이온에 의한 에너지 전달 외에 추가적인 에너지 전달이 이루어지도록 상기 기판에 온도를 인가하기 위한 가열수단 또는 추가적인 전압이 상기 기판에 인가되도록 추가 전압인가수단을 포함하는,
다단계 펄스를 이용한 박막 형성장치.
The method of claim 3,
An additional voltage applying means for applying an additional voltage to the substrate or a heating means for applying a temperature to the substrate such that an additional energy transfer is made in addition to the energy transfer by the cation to the substrate,
Thin film forming apparatus using multi-step pulse.
제3항에 있어서,
상기 음의 전압의 절대치가 상기 양의 전압의 절대치보다 큰,
다단계 펄스를 이용한 박막 형성장치.
The method of claim 3,
The absolute value of the negative voltage is greater than the absolute value of the positive voltage,
Thin film forming apparatus using multi-step pulse.
제3항에 있어서,
상기 양이온은
- 주입된 기체가 이온화되어 발생된 양이온; 및
- 타겟이 스퍼터링되어 발생된 고체원소가 플라즈마에 의해 이온화된 고체양이온인,
다단계 펄스를 이용한 박막 형성장치.
The method of claim 3,
The cation is
Cations generated by the ionization of the injected gas; And
The solid element generated by sputtering the target is a solid cation ionized by plasma,
Thin film forming apparatus using multi-step pulse.
다단계 펄스를 이용한 박막 처리방법에 있어서,
a) 진공 반응기로 방전 가스를 유입시키고, 스퍼터에 다단계 펄스 전압을 인가하여, 플라즈마를 발생시키는 단계;
b) 상기 스퍼터에 인가된 다단계 펄스 전압 중 제1 바이어스 전압인 음의 전압에 의해 발생된 플라즈마의 이온이 타겟에 충돌하여 스퍼터링된 고체원자(n)가 기판에 입사되어 박막을 형성하는 단계; 및
c) 상기 스퍼터에 인가된 다단계 펄스 전압 중 제2 바이어스 전압인 양의 전압에 의해 애프터글로우 상태의 플라즈마의 양이온(+)이 이온빔의 형태로 상기 기판에 입사되어 상기 기판에 에너지 전달에 의해서 박막의 특성을 향상시키는 단계를 포함하는 박막 형성방법으로서,
상기 다단계 펄스 전압은 음의 전압과 양의 전압의 크기를 독립적으로 제어 가능하도록 구성된 다단계 펄스 기술에 의한,
다단계 펄스를 이용한 박막 형성방법.
In the thin film processing method using a multi-step pulse,
a) introducing a discharge gas into the vacuum reactor and applying a multi-stage pulse voltage to the sputter to generate a plasma;
b) forming a thin film by injecting a sputtered solid atom (n) into a substrate by impinging a ion of plasma generated by a negative voltage, which is a first bias voltage, among the multi-step pulse voltages applied to the sputter; And
c) The positive ion of the plasma in the afterglow state is incident on the substrate in the form of an ion beam by a positive voltage, which is a second bias voltage, among the multi-stage pulse voltages applied to the sputter, and the energy is transferred to the substrate. As a thin film forming method comprising the step of improving the characteristics,
The multi-level pulse voltage is a multi-step pulse technology configured to independently control the magnitude of the negative voltage and the positive voltage,
Thin film formation method using a multi-step pulse.
제7항에 있어서,
상기 음의 전압의 절대치가 상기 양의 전압의 절대치보다 큰,
다단계 펄스를 이용한 박막 형성방법.
8. The method of claim 7,
The absolute value of the negative voltage is greater than the absolute value of the positive voltage,
Thin film formation method using a multi-step pulse.
제7항에 있어서,
상기 기판에 형성된 박막의 특성을 향상시키는 c) 단계는:
각 박막 형성 공정에서 적합한 에너지로 조절 가능하도록, 다단계 펄스 기술을 이용하여, 플라즈마 양이온을 발생시키는 음의 전압 및 양이온의 에너지를 변화시키는 양의 전압을 개별적으로 제어하고, 주파수(frequency) 및 듀티 사이클(duty cycle)을 제어하는 단계를 포함하는,
다단계 펄스를 이용한 박막 형성방법.
8. The method of claim 7,
Step c) to improve the properties of the thin film formed on the substrate is:
Multi-step pulse technology is used to control the negative voltages that generate plasma cations and the positive voltages that change the energy of cations so that they can be adjusted to the appropriate energy in each thin film formation process, and the frequency and duty cycle (duty cycle) to control the,
Thin film formation method using a multi-step pulse.
제7항에 있어서,
상기 기판에 형성된 박막의 특성을 향상시키는 c) 단계는:
co-sputter를 이용한 방식에서도 상기 양이온에 의한 박막의 특성의 향상을 위해 상기 기판에 에너지가 인가되도록, 양의 전압을 제어하는 단계를 포함하는,
다단계 펄스를 이용한 박막 형성방법.
8. The method of claim 7,
Step c) to improve the properties of the thin film formed on the substrate is:
Controlling the positive voltage so that the energy is applied to the substrate to improve the characteristics of the thin film by the cation even in a method using a co-sputter,
Thin film formation method using a multi-step pulse.
제7항에 있어서,
상기 기판에 형성된 박막의 특성을 향상시키는 c) 단계는:
상기 기판에 입사되는 상기 양이온의 에너지 조절이 가능하도록 상기 기판에 추가로 전압을 인가함을 포함하는,
다단계 펄스를 이용한 박막 형성방법.
8. The method of claim 7,
Step c) to improve the properties of the thin film formed on the substrate is:
Applying an additional voltage to the substrate to enable energy regulation of the cations incident on the substrate,
Thin film formation method using a multi-step pulse.
제7항에 있어서,
상기 기판에 형성된 박막의 특성을 향상시키는 c) 단계는:
상기 기판에 상기 양이온에 의한 에너지 전달 외에 추가적인 에너지 전달이 이루어지도록 상기 기판을 추가로 가열하는 단계를 포함하는,
다단계 펄스를 이용한 박막 형성방법.
8. The method of claim 7,
Step c) to improve the properties of the thin film formed on the substrate is:
Further heating the substrate such that additional energy transfer occurs in addition to energy transfer by the cation to the substrate,
Thin film formation method using a multi-step pulse.
제7항에 있어서,
상기 진공 반응기 내의 플라즈마에 의한 양이온의 밀도 증가를 위하여 추가적인 플라즈마 소스에 의한 양이온을 제공함을 포함하는,
다단계 펄스를 이용한 박막 형성방법.
8. The method of claim 7,
Providing a cation by an additional plasma source for increasing the density of the cation by the plasma in the vacuum reactor,
Thin film formation method using a multi-step pulse.
제7항에 있어서,
플라즈마에 의한 고체원소의 이온화를 효과적으로 증가시키기 위해 다단계 펄스 전압 중 제1 바이어스 전압인 음의 전압이 수~수십 kV로 인가되어 높은 플라즈마 밀도에 의한 높은 밀도로 이온화된 고체원소를 양이온을 형성함을 포함하는,
다단계 펄스를 이용한 박막 형성방법.
8. The method of claim 7,
In order to effectively increase the ionization of the solid element by the plasma, a negative voltage, which is the first bias voltage among the multi-stage pulse voltages, is applied at several to several tens of kV to form cations in the solid element ionized at a high density due to the high plasma density. Included,
Thin film formation method using a multi-step pulse.
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