KR20170041840A - 타겟 어셈블리 - Google Patents

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요시노리 후지이
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Abstract

백킹 플레이트의 연출 부분과 타겟 측면 사이에서의 이상 방전의 발생을 억제하면서도 타겟과 백킹 플레이트를 접합하는 본딩 재료가 외부로 배어 나오는 것을 확실하게 방지할 수 있는 타겟 어셈블리를 제공한다.
백킹 플레이트(22)가 타겟(21)의 외주 가장자리보다 바깥쪽으로 연출된 연출 부분(22a)를 가지며, 타겟 어셈블리(2)를 스퍼터링 장치(SM)에 장착한 상태에서 타겟을 둘러싸도록 환형 차폐판(4)이 연출 부분과 서로 마주보도록 배치되며, 타겟이 접합되는 백킹 플레이트 부분을 접합 부분(22b)으로 하였을 때 이 접합 부분이 연출 부분에 돌출되고, 연출 부분에서 접합 부분의 측면에 걸친 바깥쪽 표면을 조면화시키고, 연출 부분에서부터 타겟의 측면까지 걸쳐지도록 절연물 막(23)을 형성하였다.

Description

타겟 어셈블리 {TARGET ASSEMBLY}
본 발명은 스퍼터링 장치에 장착할 수 있는 타겟 어셈블리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절연물 타겟과 이 타겟의 한쪽 면에 본딩 재료를 통해 접합되는 백킹 플레이트(backing plate)를 구비하는 것에 관한 것이다.
예를 들어, NAND형 플래시 메모리나 MRAM(자기 저항 메모리)의 제조 공정에서는, 산화알루미늄 막이나 산화마그네슘 막 등의 절연막을 성막하는 공정이 실시되며, 절연막을 양산하기 쉽도록 성막하는 스퍼터링 장치가 이용되고 있다. 이러한 스퍼터링 장치에는, 진공 배기 가능한 진공 챔버 내에, 성막하고자 하는 박막의 조성에 따라 적절히 선택된 타겟과, 이 타겟의 스퍼터링 성막 시 냉각시키기 위한 백킹 플레이트를 일체화시킨 타겟 어셈블리가 착탈 가능하도록 장착된다.
이러한 타겟 어셈블리는 예를 들면 특허문헌 1에 알려져 있다. 이것에서는 백킹 플레이트가 열전도율이 좋은 구리 등의 금속으로 형성되며, 타겟의 외주 가장자리보다 바깥쪽으로 연출된 연출(延出) 부분을 가진다. 그리고 이 연출 부분을 이용하여 타겟 어셈블리가 스퍼터링 장치의 소정 위치에 고정될 수 있도록 되어 있다. 또한 타겟 어셈블리를 스퍼터링 장치에 장착한 후, 방전 안정화 등의 목적으로 통상 환형 차폐판을 연출 부분과 마주보는 위치에 배치한다.
그런데 타겟 어셈블리 및 차폐판을 스퍼터링 장치에 장착한 상태에서는 타겟과 차폐판 사이에 간극이 있다. 그리고 성막 시 진공 챔버 내에 플라즈마를 발생시키면, 플라즈마의 전자가 상기 간극을 통해 금속인 연출 부분에 대전될 수 있다. 연출 부분에 전자가 대전되면, 타겟이 절연물이기 때문에 이 타겟의 측면과 연출 부분의 전위차로 인해 이상 방전이 발생하고, 이로 인해 본딩 재료가 외부로 배어 나오는 경우가 있다. 이러한 상태에서 성막을 하면, 기판 표면에 성막된 절연막 안에 금속이 혼입되는 이른바 오염이 발생하여, 이러면 양호한 성막 진행에 방해가 된다. 그러므로 본딩 재료가 존재하는 타겟과 백킹 플레이트의 접합면이 노출되지 않도록, 타겟 측면에서 연출 부분까지 걸쳐지도록 절연물 막으로 형성해 두는 것을 생각해 볼 수 있다. 그러나 절연물인 타겟은 소결에 의해 제조되어 그 바깥쪽 표면이 매끄럽기 때문에, 예를 들면 용사(thermal spraying) 등의 방법으로 절연막을 형성하여도 그 부착력이 매우 약해 쉽게 박리되어 버리는 문제가 있다.
특허문헌 1: 일본 특개 2010-255052호 공보
본 발명은 이상의 점을 감안하여, 백킹 플레이트의 연출 부분과 타겟 측면 사이에서 이상 방전의 발생을 억제하면서, 타겟과 백킹 플레이트를 접합하는 본딩 재료가 외부로 배어 나오는 것을 확실하게 방지할 수 있도록 한 타겟 어셈블리를 제공하는 것을 그 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 절연물인 타겟과 이 타겟의 한쪽 면에 본딩 재료를 통해 접합되는 백킹 플레이트를 구비하는 본 발명에 따른 타겟 어셈블리는, 백킹 플레이트가 타겟의 외주 가장자리보다 바깥쪽으로 연출(延出)된 연출 부분을 가지며, 타겟 어셈블리를 스퍼터링 장치에 장착한 상태에서 타겟을 둘러싸도록 환형 차폐판이 연출 부분과 서로 마주보도록 배치되고, 타겟이 접합되는 백킹 플레이트의 부분을 접합 부분으로 하였을 때, 이 접합 부분이 연출 부분에 대해 돌출되고, 연출 부분에서 접합 부분의 측면에 걸친 바깥쪽 표면을 조면화(roughen)시키고, 연출 부분에서 타겟의 측면까지 걸쳐지도록 절연물 막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 타겟과 차폐판 사이에 간극이 있다고 해도, 타겟과 기판 사이에 발생시킨 플라즈마가 만나는 백킹 플레이트의 연출 부분을 포함하고, 연출 부분에서 타겟의 측면까지 절연물 막으로 덮고 있으므로, 플라즈마의 전자가 상기 간극을 통해 연출 부분으로 대전되어도 이상 방전을 유발하지는 않는다. 게다가 백킹 플레이트에 타겟의 두께 방향으로 향하는 접합 부분을 설치하고, 조면화시킨 접합 부분의 표면에서부터 연속하여 타겟의 측면까지 절연물 막이 형성되는 구성을 채용했기 때문에, 상기 종래 예의 것보다 절연물 막이 박리되기 어려운 구조이다. 그 결과, 본딩 재료가 있는 타겟과 백킹 플레이트의 접합면은 절연물 막에 덮여 노출되지 않아, 본딩 재료가 외부로 배어 나오는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서 상기 절연물 막은 용사법으로 형성하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면 상기 백킹 플레이트의 접합 부분의 측면을 조면화시킨 것과 더불어, 타겟 측면으로부터의 절연물 막의 박리를 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 접합 부분의 상기 타겟과의 접합면의 주변부 및 상기 타겟의 상기 접합 부분과의 접합면의 주변부가 각각 모따기되어, 이렇게 모따기된 접합 부분과 타겟으로 구획되는 홈부에 상기 절연물 막을 형성하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면 타겟과 백킹 플레이트의 접합면을 덮는 절연물 막의 막 두께를 그 주변보다 두껍게 할 수 있어, 절연물 막이 더욱 박리되기 어렵게 할 수 있을 뿐만 아니라 본딩 재료가 외부로 배어 나오는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 접합 부분은 상기 타겟의 외형보다 작은 외형을 가지며, 상기 타겟의 측면을 덮는 절연물 막의 막 두께보다 상기 접합 부분의 측면을 덮는 절연물 막의 막 두께를 두껍게 하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면 절연물 막의 절연성이 증가하여 이상 방전을 보다 확실하게 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 접합 부분 측면에서 절연물 막의 밀착성이 증가하여 절연물 막의 박리를 확실하게 방지할 수 있다.
[도 1] 본 발명의 실시형태에 따른 타겟 어셈블리를 장착한 스퍼터링 장치를 모식적으로 나타낸 단면도.
[도 2] 타겟 어셈블리의 중요부를 확대하여 나타낸 단면도.
[도 3] 타겟 어셈블리의 변형 예의 중요부를 확대하여 나타낸 단면도.
[도 4] 타겟 어셈블리의 변형 예의 중요부를 확대하여 나타낸 단면도.
[도 5] (a) 및 (b)는 본 발명의 효과를 확인하기 위한 실험 결과를 나타낸 사진.
이하, 도면을 참조하여, 스퍼터링 장치에 장착되는 것을 예로 들어 본 발명의 실시형태에 따른 타겟 어셈블리에 대해 설명한다. 다음에서는 도 1을 기준으로, 진공 챔버(1)의 천장부 측을 ‘위’, 그 바닥 측을 ‘아래’로 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 스퍼터링 장치(SM)는 처리실(1a)을 구획하는 진공 챔버(1)를 갖춘다. 진공 챔버(1)의 바닥부에는, 배기관을 통해 터보 분자 펌프나 로터리 펌프 등으로 이루어진 진공 펌프(P)가 연결되어, 소정의 압력(예를 들면 10-5Pa)까지 진공 배기 가능하도록 되어 있다. 진공 챔버(1)의 측벽에는, 도시 생략한 가스원에 연통되며 질량 유량 제어기(mass flow controller)(11)를 사이에 삽입한 가스관(12)이 연결되고, Ar 등의 불활성 기체로 이루어진 스퍼터링 가스를 처리실(1a) 내에 소정 유량으로 도입할 수 있도록 되어 있다.
진공 챔버(1)의 천장부에는 음극 유닛(C)이 설치되어 있다. 음극 유닛(C)은 타겟 어셈블리(2)와 자석 유닛(3)으로 구성되어 있다. 도 2도 참조하면, 타겟 어셈블리(2)는, 성막하고자 하는 박막의 조성에 따라 적절히 선택된 절연물 타겟(21)과, 이 타겟(21)을 스퍼터링에 의해 성막할 때 냉각시키기 위한 금속 백킹 플레이트(22)와 일체화시킨 것으로, 타겟(21)과 백킹 플레이트(22)는 인듐이나 주석 등의 본딩 재료(B)를 통해 접합된다. 타겟(21)에는, 스퍼터 전원(E)으로서 공지의 구조를 가지는 고주파 전원으로부터의 출력이 연결되어, 스퍼터링 시 교류 전원이 투입된다. 자석 유닛(3)은, 타겟(21)의 스퍼터면(21a)의 하부 공간에 자기장을 발생시켜, 스퍼터링 시에 스퍼터면(21a)의 아래쪽에서 이온화된 전자 등을 포착하여 타겟(21)에서 비산된 스퍼터 입자를 효율적으로 이온화시키는, 공지의 구조를 가진다.
백킹 플레이트(22)는, 타겟(21)의 외주 가장자리보다 바깥쪽으로 그리고 수평으로 연출된 연출 부분(22a)을 가지는데, 이 연출 부분(22a)이 절연 부재(I)를 통해 진공 챔버(1)에 장착된다. 이로 인해 타겟 어셈블리(2)가 스퍼터링 장치(SM)에 장착되게 되며, 이 상태에서 타겟(21)을 둘러싸도록 환형 차폐판(4)이 연출 부분(22a)에 서로 마주보도록 배치된다. 방전 안정화 등의 목적으로, 차폐판(4)과 타겟(21) 사이에는, 예를 들면 0.5 ~ 2mm의 간격(d)이 마련된다. 차폐판(4)의 바깥 주변부에는 상방으로 기립한 측벽부(4a)가 설치되며, 이 측벽부(4a) 상단에 설치된 플랜지부가 진공 챔버(1)의 상벽 내면에 고정되어, 이로 인해 차폐판(4)이 접지 전위에 있게된다. 덧붙여, 차폐판(4)을 플로팅하는 것도 가능하다.
백킹 플레이트(22)의 타겟(21)이 접합되는 부분을 접합 부분(22b)으로 하였을 때, 이 접합 부분(22b)이 연출 부분(22a)에 대해 아래쪽으로 돌출된다. 돌출된 양, 즉, 접합 부분(22b)의 밑면에서 연출 부분(22a)의 밑면까지의 길이는 0.5 ~ 10mm의 범위로 설정된다. 또, 연출 부분(22a)에서 접합 부분(22b)의 측면에 걸친 바깥쪽 표면은 조면화(roughen)되어 있으며, 연출 부분(22a)에서 타겟(21)의 측면(21b)까지 걸쳐지도록 절연물 막(23)이 형성되어 있다.
진공 챔버(1)의 바닥부에는, 타겟(21)의 스퍼터면(21a)과 마주보도록 스테이지(5)가 배치되어, 기판(W)이 그 성막면을 위로 하여 위치 결정되어 유지되도록 한다. 상기 스퍼터링 장치(SM)는 따로 도시하지 않았으나, 마이크로 컴퓨터나 시퀀서 등을 갖춘 공지의 제어수단을 가지며, 제어수단에 의해 전원(E)의 가동, 질량 유량 제어기(11)의 가동이나 진공 펌프(P)의 가동 등을 총괄하여 관리하도록 되어 있다.
다음으로, 상기 타겟 어셈블리(2)의 제조 방법에 대해 설명한다. 먼저, 구리로 된 백킹 플레이트(22)의 연출 부분(22a)으로부터 접합 부분(22b)의 측면에 걸친 바깥쪽 표면을 조면화시킨다. 조면화시키는 방법으로는, 블라스트법 등과 같이 공지의 방법을 이용할 수 있다. 다음으로 백킹 플레이트(22)의 접합 부분(22b)에 본딩 재료(B)를 통해 산화 알루미늄 타겟(21)을 접합한다. 본딩 재료(B)로는 인듐을 사용할 수 있으며, 접합 방법은 공지의 방법을 이용할 수 있다. 덧붙여 백킹 플레이트(22)에 타겟(21)을 접합한 후에 조면화를 실시해도 무방하다. 마지막으로 조면화시킨 연출 부분(22a)에서 접합 부분(22b)의 측면을 거쳐 타겟(21)의 측면(21b)까지 걸쳐지도록 절연물 막(23)을 형성하여 타겟 어셈블리(2)를 얻을 수 있다. 절연물 막(23)의 형성 방법으로는 공지의 용사법을 적절히 이용할 수 있으며, 이 경우 절연물 막(23)의 두께는 0.05 ~ 0.5mm의 범위 내에서 설정할 수 있다. 0.5mm 보다 두꺼운 경우, 절연물 막(23)에 응력이 잔존하여 박리되기 쉬워질 수 있다.
이렇게 제조한 타겟 어셈블리(2)가 장착된 스퍼터링 장치(SM)를 이용하여 기판(W) 표면에 산화 알루미늄 막을 성막하는 방법을 설명한다. 먼저, 진공 챔버(1) 내의 스테이지(6)에 기판(W)을 세팅한 후 진공 배기 수단(P)을 작동시켜 처리실(1a) 내부를 소정의 진공도(예를 들면, 1×10-5Pa)까지 진공 배기한다. 처리실(1a) 내부가 소정 압력에 도달하면 질량 유량 제어기(11)를 제어하여 아르곤 가스를 소정 유량 도입한다(이 때, 진공 처리실(1a)의 압력이 0.01 ~ 30Pa의 범위가 된다). 이와 더불어 스퍼터 전원(E)으로부터 타겟(21)에 교류 전원을 투입하여 진공 챔버(1) 내에 플라즈마를 형성한다. 이로 인해 타겟(21)의 스퍼터면(21a)을 스퍼터링하고, 비산된 스퍼터 입자를 기판(W) 표면에 부착 및 퇴적시킴으로써 산화 알루미늄 막을 성막할 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 타겟(21)과 차폐판(4) 사이에 간극이 있다고 해도, 타겟(21)과 기판(W) 사이에 발생시킨 플라즈마가 만나는 백킹 플레이트(22)의 연출 부분을 포함하여, 연출 부분(22a)에서 타겟(21)의 측면(21b)까지 절연물 막(23)으로 덮고 있으므로, 플라즈마의 전자가 상기 간극을 통해 연출 부분(22a)으로 대전되어도 이상 방전을 유발하지는 않는다. 게다가 백킹 플레이트(22)에 타겟(21)의 두께 방향으로 향하는 접합 부분(22b)를 설치하여 조면화시킨 접합 부분(22b)의 표면에서부터 연속하여 타겟(21)의 측면(21b)까지 절연물 막(23)이 형성되는 구성을 채용했기 때문에, 종래 예의 것보다 절연물 막 (23)이 박리되기 어려운 구조이다. 그 결과, 본딩 재료가 있는 타겟(21)과 백킹 플레이트(22)의 접합면은 절연물 막(23)에 덮여 노출되지 않아 본딩 재료(B)가 외부로 배어 나오는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 대해 설명했으나, 본 발명은 상기에 한정되는 것은 아니다. 타겟(21) 및 절연물 막(23)의 재질로는 산화 알루미늄을 예로 들어 설명했으나 이에 한정되지 않으며, 산화 마그네슘과 같은 다른 절연물을 적절히 선택할 수 있다. 또한 타겟(21)과 절연물 막(23)의 재질이 달라도 무방하다.
상기 실시 형태에서는 접합 부분(22b)이 타겟(21)의 외형과 동일한 외형을 가지고, 접합 부분(22b)의 측면을 덮는 절연물 막(23)의 막 두께가 타겟 측면 (21b)을 덮는 절연물 막(23)의 막 두께와 동등한 경우에 대해 설명했으나, 도 3에 도시한 바와 같이, 접합 부분(22b)이 상기 타겟(21)의 외형보다 작은 외형을 가지고(이로 인해 접합 부분(22b)의 측면이 타겟 측면(21b) 보다 안쪽에 위치하고), 타겟 측면(21b)을 덮는 절연물 막(23)의 막 두께보다도 접합 부분(22b)의 측면을 덮는 절연물 막(23)의 두께를 두껍게 해도 무방하다. 이렇게 하면 절연물 막(23)의 절연성이 증가하여 이상 방전을 보다 확실하게 방지할 수 있으며, 동시에 접합 부분(22b) 측면에서의 절연물 막(23)의 밀착성이 증가하여 절연물 막(23)이 박리되는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
또한 도 4에 도시된 바와 같이, 접합 부분(22b)의 타겟(21)과의 접합면의 주변부 및 타겟(21)의 접합 부분(22b)과의 접합면의 주변부가 각각 모따기되어, 이렇게 모따기된 접합 부분(22b)과 타겟(21)으로 구획되는 홈(凹)부(CP)에 절연물 막(23)을 메워 넣어 형성해도 된다. 이에 따라 타겟(21)과 백킹 플레이트(22)의 접합면을 덮는 절연물 막(23)의 막 두께를 그 주변보다 두껍게 할 수 있어, 절연물 막(23)이 더욱 박리되기 어렵게 할 수 있을 뿐만 아니라 본딩 재료가 외부로 배어 나오는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
다음으로, 상기 효과를 확인하기 위해, 상기 스퍼터링 장치(SM)를 이용하여 다음의 실험을 실시하였다. 본 실험에서는 기판(W)으로 φ200mm의 Si기판을 이용하였으며, 타겟 어셈블리(2)로는 φ300mm의 산화 알루미늄 타겟(21)과 구리 백킹 플레이트(22)를 인듐(B)을 통해 접합한 것을 사용하였고, 이 타겟 어셈블리(2)가 장착된 진공 챔버(1) 내의 스테이지(5)에 기판(W)을 세팅한 후 기판(W) 표면에 산화 알루미늄 막을 스퍼터링 법으로 성막하였다. 여기에서, 다음의 제 1 및 제 2 성막 조건을 조합하여, 여러 장의 기판(W)에 대해 연속 처리(연속 방전)를 실시하였다. 제 1 성막 조건은, 아르곤 가스 유량: 29sccm(처리실(1a) 내의 압력: 0.15Pa), 타겟(21)으로의 투입 전력: 13.56MHz, 2kW로 하고, 제 2 성막 조건은, 아르곤 가스 유량: 105sccm(처리실(1a) 내의 압력: 1.9Pa), 타겟(21)으로의 투입 전력: 13.56MHz, 2kW로 하였다(양 성막 조건의 파워 밀도: 0.028W/mm2). 제 1 및 제 2 성막 조건으로 성막 중, Vdc (연출 부분(22a) 및 타겟(21) 사이의 전위차)를 측정한 결과, Vdc는 발생하지 않은 것으로 확인되었다. 20kWh 이후의 타겟 어셈블리(2)를 검토한 결과, 도 5(a)에 도시한 바와 같이, 타겟(21)의 측면 부근의 절연물(23) 표면에 AlOx 막이 부착되어 있었으나, 이상 방전의 흔적(균등한 흑점)은 보이지 않았다. 또한 49.28kwh 이후의 타겟 어셈블리(2)에 대해서도 마찬가지로 도 5(b)에 나타낸 바와 같이 이상 방전의 흔적은 보이지 않았다. 또한 기판(W) 표면에 성막된 산화 알루미늄 막의 원소 분석을 실시한 결과, 산화 알루미늄 막에 구리나 인듐을 혼입되지 않은 것으로 확인되었다. 이상을 통해, 연출 부분(22a)과 타겟(21) 측면 사이에서 이상 방전의 발생을 억제하면서도 본딩 재료가 외부로 배어 나오는 것을 방지할 수 있음을 알게 되었다.
또한 파워 밀도가 높은 제 3 성막 조건에서 연속 처리(연속 방전)를 실시하였다. 제 3 성막 조건은 아르곤 가스 유량: 105sccm(처리실(1a) 내의 압력: 1.9Pa), 타겟(21)으로의 투입 전력: 13.56MHz, 4kW로 하였다(파워 밀도는 0.057W/mm2). 처리 중에 Vdc를 측정한 결과, Vdc는 발생하지 않은 것으로 확인되었다.
SM ... 스퍼터링장치
2 ... 타겟 어셈블리
21 ... 절연물 타겟
B ... 본딩재료
22 ... 백킹 플레이트
22a ... 연출 부분
22b ... 접합 부분
23 ... 절연물 막
4 ... 차폐판
CP ... 홈(凹)부

Claims (4)

  1. 절연물 타겟과 이 타겟의 한쪽 면에 본딩 재료를 통해 접합되는 백킹 플레이트(backing plate)를 구비하는 타겟 어셈블리에 있어서,
    백킹 플레이트가 타겟의 외주 가장자리보다 바깥쪽으로 연출된 연출(延出) 부분을 가지며, 타겟 어셈블리를 스퍼터링 장치에 장착한 상태에서 타겟을 둘러싸도록 환형 차폐판이 연출 부분과 서로 마주보도록 배치되고,
    타겟이 접합되는 백킹 플레이트 부분을 접합 부분으로 하였을 때 이 접합 부분이 연출 부분에 대해 돌출되고, 연출 부분에서 접합 부분의 측면에 걸친 바깥쪽 표면을 조면화(roughen)시키고, 연출 부분에서 타겟 측면까지 걸쳐지도록 절연물 막을 형성하는 것을 특징으로 하는, 타겟 어셈블리.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 절연물 막은 용사법(thermal spraying method)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 타겟 어셈블리.
  3. 청구항 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 접합 부분의 상기 타겟과의 접합면의 주변부 및 상기 타겟의 상기 접합 부분과의 접합면의 주변부가 각각 모따기되고, 이렇게 모따기된 접합 부분과 타겟으로 구획되는 홈부에 상기 절연물 막을 형성하는 것을 특징으로 하는, 타겟 어셈블리.
  4. 청구항 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접합 부분은 상기 타겟의 외형보다 작은 외형을 가지며, 상기 타겟의 측면을 덮는 절연물 막의 막 두께보다도 상기 접합 부분의 측면을 덮는 절연물 막의 막 두께를 두껍게 하는 것을 특징으로 하는, 타겟 어셈블리.
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