KR20150077522A - 스퍼터링 장치 - Google Patents

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KR20150077522A
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김경현
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한국전자통신연구원
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3471—Introduction of auxiliary energy into the plasma

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Abstract

본 발명은 스퍼터링 장치를 제공한다. 이 스퍼터링 장치는 플라즈마가 발생되는 공간을 제공하는 공정챔버, 상기 공정챔버의 내부 상하측에 제공되어 대향하는 타겟과 기판홀더, 그리고 상기 공정챔버의 내부 좌우측에 제공되고 가변주파수의 전압이 각각 인가되는 전극들을 포함할 수 있다.

Description

스퍼터링 장치{SPUTTERING APPARATUS}
본 발명은 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 특히 반도체 박막을 증착하는 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
스퍼터링 장치는 플라즈마의 이온을 가속시켜 타겟에 충돌하게 하여 기판에 타겟 물질을 증착하는 장비이다. 스퍼터링 공정은 고온에서 진행되는 화학 증착 장비에 비해 기판을 상온 상태에서도 박막을 형성할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 타겟이 부도체인 경우에 사용하는 RF 방법의 스퍼터링에서, 그리고 증착에 사용되는 타겟이 도체인 경우에 사용하는 DC 방법의 스퍼터링에서, 기판에 도달하는 입자들의 운동에너지와 질량 차이 때문에 기판에 전달하는 충격량이 다를 수 있다. 충격량의 차이로 인하여 증착된 박막이 일부 변형되거나 심한 경우 리스퍼터링될 수 있다. 기판에 형성되는 박막의 두께 및 표면상태가 불균일하게 형성되면 정상적인 박막의 물질 특성을 확보하기 어려워 추후에 제작하는 소자들이 정상적으로 구동되지 않을 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 별도의 전극을 이용하여 증착 속도를 제어하는 스퍼터링 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 박막의 표면 형상 및 전기적 광학적 특성을 향상시키는 스퍼터링 장치를 제공하는 데 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 스퍼터링 장치가 제시된다.
본 발명에 따른 스퍼터링 장치는 플라즈마가 발생되는 공간을 제공하는 공정챔버, 상기 공정챔버의 내부 상하측에 제공되어 대향하는 타겟과 기판홀더, 그리고 상기 공정챔버의 내부 좌우측에 제공되고 가변주파수의 전압이 각각 인가되는 전극들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 스퍼터링 장치는 증착 초기에 다양한 에너지 크기를 가지는 입자들이 별도의 전극을 통해 형성된 높은 주파수의 전기장을 통과하면서 많은 스캐터링(scattering)이 일어나 스퍼터링에 의한 고에너지 입자나 평균크기 이상의 대형 입자가 증착 초기에 기판의 핵성장과 표면이동을 방해하지 않기 때문에 원활하고 활발한 입자들의 표면 이동으로 증착 초기에 단결정 수준의 매우 우수한 박막이 증착될 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 스퍼터링 장치는 증착 중기 즉, 박막에 수십나노미터 이상의 버퍼층이 형성된 후에 낮은 주파수의 전기장으로 박막의 증착속도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 스퍼터링 장치는 기판의 크기에 제한되지 않기 때문에 대면적 양산 공정에도 직접적인 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스퍼터링 장치의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 타겟 및 제 3 전극의 다양한 형태를 도시한 단면도들이다.
이하, 본 발명에 따른 스퍼터링 장치를 나타내는 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 스퍼터링 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 나타낸 단면도이다. 도 2 내지 도4는 도 1의 타겟(20) 및 제 3 전극(70)의 다양한 형태를 도시한 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 스퍼터링 장치(1)는 공정챔버(10), 타겟(20), 및 기판홀더(40)을 포함할 수 있다.
공정챔버(10)는 스퍼터링 공정을 위한 공간을 제공할 수 있다. 공정챔버(10)는 타겟(20)과 기판홀더(40) 사이에 플라즈마를 생성하기 위한 반응가스를 공급하는 주입구(90)를 포함할 수 있다. 공정챔버(10)는 고진공 상태를 위해 반응가스를 배기시키는 배기구(100) 및 배기구(100)에 연결되어 있는 진공펌프(110)을 포함할 수 있다. 공정챔버(10)내의 기압은 대략 10-3 Pa 이하로 설정될 수 있다. 반응가스는 아르곤, 크립톤, 및 크세논중 어느 하나일 수 있다. 반응가스는 주입구(90)를 통해 수 millitorr의 압력을 유지하면서 공정챔버(10) 내로 주입될 수 있다.
공정챔버(10)의 내부 하단에 제 1 전원(34)으로부터 교류전압 혹은 직류전압을 인가받는 제 1 전극(30)이 설치될 수 있다. 제 1 전극(30) 상에는 기판홀더(40)에 의해 지지되는 기판(S)에 형성하려는 물질을 포함하는 타겟(20)이 제공될 수 있다. 타겟(20)은 금속, 산화물, 및 질화물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
공정챔버(10) 내에는 기판홀더(40)가 타겟(20)에 대향하여 제공될 수 있다. 기판홀더(40) 상에 제 2 전원(36)으로부터 전압을 인가받는 제 2 전극(50)이 제공될 수 있다. 제 2 전원(36)은 제 1 전원(34)과 전위가 다른 전압을 인가할 수 있다. 가령, 플라즈마 제어 및 타겟물질의 증착이 용이하도록 제 2 전극(50)에 기준전압을 인가할 수 있다. 고정부재(60)가 기판(S)을 고정시키기 위해 제 2 전극(50)의 상부 가장자리에 제공될 수 있다.
주입구(90)를 통해 공정챔버(10)에 반응가스가 유입된 후 제 1 전극(30)과 제 2 전극(50)에 서로 전위가 다른 전압을 인가하여 플라즈마 방전이 일어날 수 있다. 플라즈마 방전에 의해 생성된 전자와 반응가스가 공정챔버(10)내에서 충돌하면 이온화할 수 있다. 이온화된 반응가스는 제 1 전극(30)과 제 2 전극(50) 사이에 인가된 전위차에 해당하는 운동에너지를 가지고 타겟(20)과 충돌할 수 있다. 이온화된 반응가스가 타겟(20)에 충돌하면 전기적으로 중성인 타겟(20)의 원자들이 기판(S)을 향해 입사된다. 따라서, 타겟(20)의 원자들은 기판(S) 상에 증착될 수 있다.
공정챔버(10)의 내측벽과 이격되어 제 3 전극(70) 및 제 4 전극(80)이 제공될 수 있다. 제 3 전극(70)과 제 4 전극(80) 사이의 간격은 타겟(20)의 폭(즉, 좌우방향의 길이)보다 가령 10% 더 클 수 있다. 제 3 전극(70) 및 제 4 전극(80)의 높이(즉, 상하방향의 길이)는 가령 1cm 이상일 수 있다. 제 3 전극(70) 및 제 4 전극(80)의 전후방향의 길이는 타겟(20)의 전후방향의 길이보다 가령 10% 더 길 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 제 3 전극(70) 및 제 4 전극(80) 중 적어도 어느 하나는 도 2에 도시된 것처럼 판(plate) 모양일 수 있다. 다른 예로, 제 3 전극(70) 및 제 4 전극(80) 중 적어도 어느 하나는 전기 전도도 향상을 위하여 도 3에 도시된 것처럼 금속망(mesh) 또는 도 4에 도시된 바와 같이 허니콤(honey comb) 모양을 할 수 있다. 제 3 전극(70) 및 제 4 전극(80) 중 적어도 어느 하나는 전기저항이 낮은 구리 또는 알루미늄을 포함할 수 있다. 저항이 요구되는 경우 제 3 전극(70) 및 제 4 전극(80) 중 적어도 어느 하나는 은 또는 금으로 알루미늄 표면을 코팅할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 제 3 전극(70) 및 제 4 전극(80)에 전압을 인가해주는 제 3 전원(120)이 제공될 수 있다. 제 3 전원(120)은 가변 주파수를 인가할 수 있다. 제 3 전원(120)은 50Hz 이상 2.45GHz 이하의 주파수를 인가할 수 있다. 제 3 전원(120)의 주파수를 변형하기 위해 개별 전원에 교차연결 할 수 있다. 제 3 전원(120)의 주파수는 스퍼터링 현상을 제한하지 않기 위해 제 1 전극(30)과 제 2 전극(50)에 인가되는 전압의 주파수 보다 낮을 수 있다.
스퍼터링 공정 초기에 제 3 전극(70) 및 제 4 전극(80)에 고주파의 전압이 인가되면 스퍼터링된 타겟(20)의 원자들이 전기장에 의해 스캐터링(scattering)이 많이 일어나 소수의 입자들만이 기판(S)에 증착될 수 있다. 증착된 소수의 입자들은 기판(S) 표면에서의 핵성장이나 표면이동이 원할하여 고품질의 시드막(seed layer)의 형성이 가능할 수 있다.
스퍼터링 공정 중에 제 3 전극(70) 및 제 4 전극(80)에 저주파의 전압이 인가되면 스캐터링이 적게 일어나 다수의 입자들이 기판(S)에 증착되어 성장속도를 향상시킬 수 있다. 기판(S)의 표면에 품질을 변형시킬 수 있는 고에너지 입자의 증착을 막기 위하여 제 3 전극(70) 및 제 4 전극(80)에 일정수준 이상의 주파수의 전압을 인가할 수 있다. 가령, 제 1 전극(30)과 제 2 전극(50) 사이에 인가되는 전압의 주파수가 13.56MHz라면 제 3 전극(70)및 제 4 전극(80)에는 100kHz 이상의 전압을 인가할 수 있다.
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 스퍼터링 장치 10: 공정챔버
20: 타겟 30: 제 1 전극
34: 제 1 전원 36: 제 2 전원
40: 기판홀더 50: 제 2 전극
60: 고정부재 70: 제 3 전극
80: 제 4 전극 90: 주입구
100: 배기구 110: 진공펌프
120: 제 3 전원

Claims (1)

  1. 플라즈마가 발생되는 공간을 제공하는 공정챔버;
    상기 공정챔버의 내부 상하측에 각각 제공되어 대향하는 타겟과 기판홀더; 그리고
    상기 공정챔버의 내부 좌우측에 제공되고 가변주파수의 전압이 각각 인가되는 전극들을;
    포함하는 스퍼터링 장치.
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