KR20170117278A - 마그네트론 스퍼터링 장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법 - Google Patents

마그네트론 스퍼터링 장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치는 가스 공급계와 가스 배기계를 포함하는 챔버, 상기 챔버 내부의 일측에 위치하는 기판 안착부, 상기 챔버 내부에 위치하며 상기 기판 안착부의 맞은 편에 위치하는 타겟 안착부, 상기 챔버 외부에 위치하며 상기 타겟 안착부의 배면에 위치하는 마그네트론 및 상기 타겟 안착부에 연결되어 있으며 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정되는 주기로 0V미만 -110V이상인 제1 바이어스 전압과 제1 바이어스 전압 보다 절대값이 큰 제2 바이어스 전압을 반복하여 인가하는 전원 공급부를 포함한다.

Description

마그네트론 스퍼터링 장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법{MAGNETRON SPUTTERING APPPARATUS AND THIN FILM DEPOSITION METHOD USING THE SAME}
본 개시는 마그네트론 스퍼터링 장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법에 관한 것이다.
반도체 및 디스플레이 제조 분야에서 스퍼터링 장치는 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등의 금속 배선을 형성하는데 널리 사용되고 있다. 최근에는 인듐주석 산화물(ITO) 등의 투명 전극과, 투명 비정질 산화물 반도체(TAOS: Transparent Amorphous Oxide Semiconductor) 등의 박막 제조에도 스퍼터링 장치가 사용되고 있다.
스퍼터링은 물리적 증기 증착법(physical vapor deposition, PVD)의 일종으로서, 외부 에너지원으로 타겟 물질을 기화시키면 기화된 타겟 물질이 기판 위에서 물리적 반응에 의해 기체에서 고체 상태로 변하면서 막을 형성한다.
그러나 안정적인 고성능 박막을 형성하는 것은 쉽지 않다. 성막 시 손상에 의한 전체적인 성능저하 및 국소적인 성능저하가 일어나고 대형 장치의 경우 특히 안정된 품질의 고기능 박막을 균일하게 만드는 것이 어렵다. 그 원인 중의 하나로 타겟의 표면에서 발생하는 고속 산소 음이온(Negative Oxygen Ion, NOI)이 기판에 도달하여 영향을 주는 것이 있다.
실시예들은 산소 음이온의 영향을 최소화 하며 고기능의 균일한 박막을 증착할 수 있는 마그네트론 스퍼터링 장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치는 가스 공급계와 가스 배기계를 포함하는 챔버, 상기 챔버 내부의 일측에 위치하는 기판 안착부, 상기 챔버 내부에 위치하며 상기 기판 안착부의 맞은 편에 위치하는 타겟 안착부, 상기 챔버 외부에 위치하며 상기 타겟 안착부의 배면에 위치하는 마그네트론 및 상기 타겟 안착부에 연결되어 있으며 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정되는 주기로 0V미만 -110V이상인 제1 바이어스 전압과 제1 바이어스 전압 보다 절대값이 큰 제2 바이어스 전압을 반복하여 인가하는 전원 공급부를 포함한다.
상기 전원 공급부는 DC전원 또는 RF전원을 사용할 수 있다.
상기 제1 바이어스 전압은 -20V이하 -100V이상일 수 있다.
상기 제2 바이어스 전압은 -300V이하 -1000V이상일 수 있다.
상기 제1 바이어스 전압은 -20V이하 -100V이상일 수 있다.
상기 기판 안착부는 접지되어있을 수 있다.
상기 가스 공급계 및 상기 가스 배기계를 통해 상기 챔버 내부는 진공으로 유지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 증착 방법은 챔버 내부에 위치하는 기판 안착부에 기판을 안착하는 단계, 상기 챔버 내부에 위치하며 상기 기판 안착부의 맞은 편에 위치하는 타겟 안착부에 타겟을 안착하는 단계, 상기 챔버 외부에서 상기 타겟 안착부의 배면에 마그네트론을 위치시키는 단계, 상기 챔버 내부를 배기시킨 후 방전 가스를 주입하는 단계 및 상기 타겟 안착부에 연결되어 있는 전원 공급부를 통하여 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정되는 주기로 0V미만 -110V이상인 제1 바이어스 전압과 제1 바이어스 전압 보다 높은 제2 바이어스 전압을 반복하여 상기 타겟에 인가하는 단계를 포함한다.
상기 전원 공급부를 통하여 DC전원 또는 RF전원을 인가할 수 있다.
상기 전원 공급부를 통하여 상기 제1 바이어스 전압으로 -20V이하 -100V이상의 전압을 인가할 수 있다.
상기 전원 공급부를 통하여 상기 제2 바이어스 전압으로 -300V이하 -1000V 이상의 전압을 인가할 수 있다.
상기 기판 안착부를 접지시킬 수 있다.
상기 전원 공급부를 통하여 상기 제2 바이어스 전압으로 -300V이하 -1000V 이상의 전압을 인가할 수 있다.
실시예들에 따르면, 산소 음이온의 영향을 최소화 하며 고기능의 균일한 박막을 증착할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 전원 공급부에서 타겟으로 인가되는 전압을 나타낸 그래프이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 챔버 내부에서 산소 음이온의 분포를 측정한 실험 결과이다.
도 5는 비교예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 챔버 내부에서 산소 음이온의 분포를 측정한 실험 결과이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 전원 공급부에서 타겟으로 인가되는 전압을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 전원 공급부에서 타겟으로 인가되는 전압을 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 마그네트론 스퍼터링 장치(100)는, 챔버(10), 가스 배기계(11), 가스 공급계(12), 챔버(10) 내에 구비되는 기판 안착부(21), 챔버(10) 내에 구비되는 타겟 안착부(31), 타겟 안착부(31)에 전원을 인가하는 전원 공급부(32) 및 타겟 안착부(31) 배면에 위치하는 마그네트론(33)을 포함한다.
챔버(10)는 금속제 용기로 이루어질 수 있으며, 챔버(10) 내부는 진공으로 유지될 수 있다.
챔버(10)에는 플라즈마 발생용의 가스 공급부인 가스 공급계(12)가 형성되어 있다. 방전 가스, 예를 들어 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 포함하는 가스가 가스 공급계(12)를 통해 외부로부터 챔버(10) 내부로 도입된다. 특히 아르곤(Ar)은 타겟(T)과 반응하지 않으며 분자량이 높아 보다 높은 스퍼터링 효과 및 증착률을 얻을 수 있기 때문에 방전 가스에 주로 포함된다. 가스 공급계(12)는 방전 가스가 저류된 가스 공급원(미도시)에 연결되어 있다. 가스 공급계(12)에는 유량 조정부(미도시)가 설치될 수 있으며, 가스 공급원으로부터 가스 공급계(12)로의 방전 가스의 공급량을 제어할 수 있다.
챔버(10)에는 가스 배기계(11)가 형성되어 있다. 가스 배기계(11)에는 배기관(미도시)의 일단이 연결되어 있고, 배기관의 타단은 배기 펌프(미도시)에 연결되어 있다. 배기관에는 배기량 조정 기구(미도시)가 설치될 수 있으며, 챔버(10) 내의 압력을 조정하는 역할을 할 수 있다.
챔버(10)의 내부에는 기판 안착부(21)가 위치한다. 기판 안착부(21)는 챔버(10)의 내부 일측에 위치할 수 있다. 기판 안착부(21)에는 성막하고자 하는 기판(S)이 안착된다. 기판 안착부(21)는 전기적으로 접지된다. 기판 안착부(21)에는 기판(S)을 가열하는 히터(미도시)가 설치될 수 있다.
타겟 안착부(31) 역시 챔버(10)의 내부에 위치한다. 타겟 안착부(31)는 챔버(10)의 내부 일측에 위치할 수 있다. 타겟 안착부(31)는 기판 안착부(21)의 맞은편에 챔버(10)의 내부 공간을 사이에 두고 위치한다. 즉, 타겟 안착부(31)와 기판 안착부(21)는 챔버(10)의 내부 공간을 사이에 두고 서로 마주보며 위치한다. 타겟 안착부(31)에는 타겟(T)이 안착된다. 타겟(T)은 기판(S)에 성막하고자 하는 재료를 의미한다. 타겟 안착부(31)는 챔버(10)로부터 절연되어 있다. 타겟 안착부(31)에는 타겟(T)을 냉각시키는 냉각기(미도시)가 설치될 수 있다.
타겟 안착부(31)의 배면이자 챔버(10)의 외부에는 마그네트론(33)이 위치한다. 즉, 마그네트론(33)은 타겟(T)을 향하여 위치하고, 타겟(T)을 사이에 두고 기판 안착부(21)와 마주보며 위치한다. 마그네트론(33)은 복수의 영구 자석을 포함할 수 있다. 마그네트론(33)은 극성이 서로 상이한 자석이 번갈아 가며 배치되어 있을 수 있다. 마그네트론(33)은 두 개의 N극의 자석 사이에 한 개의 S극 자석이 배치되어있는 형태일 수 있다. 도 1의 마그네트론(33)의 형태는 예시에 불과하며 마그네트론(33)에 의한 증착 효율을 높이기 위하여 다양한 형태를 갖는 마그네트론(33)이 사용될 수 있다. 증착되는 막의 균일도를 높이고 타겟의 고른 사용을 위하여 이동식 마그네트론을 사용할 수도 있다.
타겟 안착부(31)에는 타겟(T)에 전원을 인가하는 전원 공급부(32)가 연결되어 있다. 타겟(T)에는 음(-)의 전압이 인가될 수 있고, 캐소드(cathode)로 작용할 수 있다. 이에 따라 기판(S)은 애노드(anode)로 작용할 수 있다.
타겟(T)에 전원 공급부(32)를 통해 음(-)의 전압이 인가되면, 타겟(T)의 주위에 전계가 발생하고, 이 전계에 의해 가속된 전자가 방전 가스의 분자와 충돌한다. 방전 가스는 충돌로 인하여 전리되어 새로운 전자 및 양이온을 발생시키고 챔버(10) 내부에 플라즈마를 형성한다. 즉, 전자가 이동하는 과정에서 방전 가스의 분자와 충돌함으로써 방전 가스가 이온화되어 플라즈마 상태로 여기된다. 발생한 양이온에는 아르곤 양이온(Ar+)이 포함될 수 있다.
이와 같이 생성된 플라즈마 이온은 타겟(T) 배면에 위치하는 마그네트론(33)의 자기장의 방향을 축으로 하는 나선 운동을 하게 되는데, 이와 같은 나선 운동에 의해 플라즈마 이온은 타겟(T) 부근에 잔류하는 시간이 길어지게 된다. 즉, 마그네트론(33)은 챔버(10) 내부의 전자를 자기장에 의해 구속하고 나선운동을 하게함으로써 플라즈마의 이온화 효율을 증가시키는 역할을 한다. 이에 따라 플라즈마 이온과 방전 가스 분자와의 충돌이 빈번해져 방전 가스의 전리로 인해 플라즈마 밀도가 더욱 증가하게 된다.
플라즈마 내의 양이온은 음(-)의 전압이 인가된 타겟(T) 쪽으로 가속되어 타겟(T)과 충돌한다. 충돌 에너지에 의해 타겟(T) 표면의 많은 원자 및 전자들이 떨어져 나오게 된다. 떨어져 나온 원자는 타겟(T)과 마주 보고 위치하는 기판(S)쪽으로 운동하여 기판(S) 표면에 증착된다. 이를 스퍼터링(Sputtering)이라고 한다.
기판(S)에 형성되는 막은 타겟(T) 종류에 따라 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등의 금속막이거나, 인듐주석 산화물(ITO) 등의 투명 도전막이거나, 투명 비정질 산화물 반도체(TAOS: Transparent Amorphous Oxide Semiconductor) 등의 박막일 수 있다. 산화물 반도체로는 InGaZnO, InGaO, InSnZnO, 및 ZnON 등이 알려져 있다.
플라즈마 내의 양이온이 타겟(T)과 충돌할 때 원자와 함께 떨어져 나온 전자는 자기장에 포착되어 다시 전리에 기여한다. 이러한 타겟(T) 표면에서 떨어져 나온 전자를 2차 전자라고 한다. 즉, 마그네트론(33)의 자기장은 타겟(T)으로부터 사이클로이드 경로(cycloidal path) 내로 방출된 2차 전자의 궤적을 재 형상화하고 한정 구역 내의 방전 가스의 이온화의 개연성을 크게 증가시키는, 전자 트랩(electron trap)으로서 작용하는 폐쇄형 루프 경로를 형성한다.
전원 공급부(32)는 DC 또는 RF전원을 사용한다. 전원 공급부(32)는 타겟(T)에 음(-)의 전압을 인가하는데, 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정되는 주기로 제1 바이어스 전압과 제1 바이어스 전압 보다 절대값이 큰 제2 바이어스 전압을 반복하여 인가한다. 제1 바이어스 전압은 0V미만 -110V이상일 수 있고, 약 -20V이하 -100V이상일 수 있다. 제2 바이어스 전압은 -300V이하 -1000V이상일 수 있다.
도 2는 DC전원을 사용하고, 제1 바이어스 전압이 -20V이고 제2 바이어스 전압이 -700V일 때의, 전원 공급부(32)에서 타겟(T)으로 인가되는 전압을 시간(s)과 바이어스 전압(V)을 축으로 나타낸 그래프이다. 그래프를 보면, 일정 시간 동안 -20V의 DC 바이어스 전압이 인가되는 A구간과 일정 시간 동안 -700V의 DC 바이어스 전압이 인가되는 B구간이 주기적으로 반복된다. 주기는 제1 바이어스 전압이 인가되고 제2 바이어스 전압이 인가된 후 다시 제1 바이어스 전압이 인가되기까지의 시간을 의미한다. 주기는 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정된다. 즉, 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정되는 하나의 일정한 간격을 주기로 A구간 및 B구간 후 다시 A구간이 나타나는 것이 반복된다. 그러나 주기는 하나로 일정하지 않을 수 있으며, 바이어스 전압이 인가되는 도중에 변경될 수 있다. 즉, A구간과 B구간은 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정되는 다양한 주기로 반복될 수도 있다.
진공으로 배기하는 과정에 챔버(10) 내부에 남아있는 산소(O₂) 또는 공정 중에 타겟(T)에 공급한 산소(O₂)가 타겟(T)과 반응하거나, 방전 가스의 분자 또는 이온과 충돌하는 경우 산소 음이온(Negative Oxygen Ion, NOI)이 발생한다. 이러한 산소 음이온이 기판(S)에 도달하는 경우 기판(S)에 박막이 증착되는 것을 방해하여 고기능의 균일한 박막이 형성되는 것을 방해한다.
그러나 타겟(T)에 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정되는 주기로 제1 바이어스 전압과 제2 바이어스 전압을 반복하여 인가하는 경우 산소 음이온이 기판(S)에 도달하는 것을 차단하여 산소 음이온으로 인한 박막의 품질 저하를 방지할 수 있다. 타겟(T)에 -20V의 제1 바이어스 전압이 인가되는 A구간에서는 챔버(10)내부의 산소 음이온의 속도가 감소한다. 산소 음이온의 속도가 감소하는 경우 산소 음이온의 속도가 느리기 때문에 기판(S)까지 도달하지 못하고 자연적으로 소멸된다. 또는 산소 음이온이 챔버(10) 내부의 아르곤 양이온(Ar+) 등과 같은 방전 가스로부터 생성된 양이온과 충돌하여, 제거되거나 운동 에너지가 더욱 감소하게 된다. 타겟(T)에 -700V의 제2 바이어스 전압이 인가되는 B구간에서는 산소 음이온의 속도가 증가하나, 제1 바이어스 전압이 인가되는 A구간과 제2 바이어스 전압이 인가되는 B구간이 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정된 주기로 반복되므로, 산소 음이온은 기판(S)까지 도달하지 못하고, 타겟(T)주변을 벗어나지 못하게 된다. 따라서 제2 바이어스 전압이 인가되는 B구간에서 플라즈마 내의 양이온이 음(-)의 전압이 인가된 타겟(T) 쪽으로 가속되어 타겟(T)과 충돌하고, 충돌 에너지에 의해 타겟(T) 표면에서 떨어져 나온 원자들이 기판(S)쪽으로 운동하여 기판(S) 표면에 증착되는 스퍼터링이 일어날 때 산소 음이온의 영향 없이 안정적인 박막 증착이 가능하다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치를 효과를 실험한 결과를 설명한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 챔버 내부에서 산소 음이온의 분포를 측정한 실험 결과이다. 도 5는 비교예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 챔버 내부에서 산소 음이온의 분포를 측정한 실험 결과이다.
도 3과 도 4는 0.4Pa 압력과 60%의 산소(O₂)농도의 동일한 조건에서 타겟(Target)에 인가되는 바이어스 전압(V)을 달리 하였을 때, 산소 음이온의 챔버 내 평균 농도(ave_density_O_n)와 에너지(energy) 및 속도(velocity)를 측정한 실험 결과이다. 도 3은 타겟(Target)에 -750V를 인가하였을 때의 결과이고, 도 4는 타겟(Target)에 -1.4kV를 인가하였을 때의 결과이다. 도 3 및 도 4를 보면, 타겟(Target)에 절대값이 더 작은 바이어스 전압이 인가되는 도 3에서, 도 4보다 산소 음이온의 에너지(energy) 및 속도(velocity)가 더 낮다. 도 4의 경우 평균적으로 1000eV의 에너지(energy)를 갖는 산소 음이온이 가장 많으며, 평균적으로 100000m/s의 속도(velocity)를 갖는 산소 음이온이 가장 많다. 반면에, 도 3을 보면 평균적으로 600eV의 에너지(energy)를 갖는 산소 음이온이 가장 많으며, 평균적으로 80000m/s의 속도(velocity)를 갖는 산소 음이온이 가장 많아, 도 4보다 산소 음이온의 에너지(energy) 및 속도(velocity)가 더 낮은 것을 확인할 수 있다. 도 3의 조건에서 도 4의 경우 보다 산소 음이온의 에너지(energy) 및 속도(velocity)가 더 낮음에 따라 기판(Substrate)에 도달하는 산소 음이온의 수도 더 적어진다. 도 3 및 도 4를 보면, 도 3에서 기판(Substrate)에 도달하는 산소 음이온의 수가 도 4 보다 더 적은 것을 확인할 수 있다. 푸른색에서 노란색, 붉을 색을 띌수록 산소 음이온의 농도가 더 높음을 나타내는데, 도 4에서 기판(Substrate) 주변이 도 3 보다 좀 더 노란색을 띄는 것을 확인할 수 있는 반면, 도 3에서는 기판(Substrate) 주변이 거의 푸른색을 띄는 것을 확인할 수 있다. 즉, 타겟(Target)에 절대값이 더 작은 바이어스 전압이 인가될 때, 산소 음이온의 에너지(energy) 및 속도(velocity)가 감소하여 기판(Substrate)에 도달하는 산소 음이온의 수가 더 감소함을 실험 결과를 통하여도 확인할 수 있다. 나아가, 타겟(Target)근처에만 붉은색이 나타나는 것을 보면 대다수의 산소 음이온이 타겟(Target) 근처에서 벗어나지 못하고 머물고 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 도 4와 동일하게 -1.4kV 바이어스 전압과 60%의 산소(O₂)농도 조건에서 챔버 내부의 압력(Pa)을 달리한 비교예의 챔버 내 산소 음이온 평균 농도(ave_density_O_n)와 에너지(energy) 및 속도(velocity)를 측정한 실험 결과이다. 도 5는 챔버 내부의 압력(Pa)이 도 4의 0.4Pa보다 더 높은 1.0Pa일 때의 실험 결과이다.
도 4 및 도 5를 비교해 보면, 챔버 내부의 압력이 더 높은 도 5에서 산소 음이온의 평균 에너지(energy)는 250eV, 평균 속도(velocity)는 50000m/s로 도 4보다 더 낮은 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 도 4 보다 도 5에서 기판(Substrate)에 도달하는 산소 음이온의 수가 더 적다. 도 5 보다 도 4에서 기판(Substrate) 주변이 좀 더 노란색을 띄는 것을 보면 도 4에서 기판(Substrate)에 도달하는 산소 음이온의 수가 더 많은 것을 확인할 수 있다. 즉, 챔버 내부의 압력이 더 높을 때 산소 음이온의 에너지(energy) 및 속도(velocity)가 감소하여 기판(Substrate)에 도달하는 산소 음이온의 수가 더 감소함을 실험 결과를 통하여 확인한 것이다.
그러나, 도 5 및 도 3을 비교하여 보면, 도 5는 기판(Substrate) 주변에 옅게 노란색이 분포하나 도 3은 기판(Substrate) 주변이 거의 파란색이다. 즉, 도 4를 기준으로 도 5와 도 3을 비교했을 때, 도 5 보다 도 3에서 기판(Substrate) 주변의 산소 음이온의 농도가 더 적다. 기준이 되는 도 4의 실험 조건 0.4Pa, -1.4kV, 산소(O₂)농도60% 에서, 타겟(Target)에 인가되는 바이어스 전압을 절대값이 더 작은 바이어스 전압으로 한 도 3이, 챔버 내부의 압력을 높인 도 5보다 기판(Substrate)에 도달하는 산소 음이온의 수가 더 적은 것이다. 즉, 챔버 내 압력조절 보다 타겟(Target)에 인가되는 바이어스 전압을 조절하는 것이 기판(Substrate)에 도달하는 산소 음이온의 수를 조절하는데 더 효과적임을 알 수 있다.
챔버 내 압력을 높이는 경우 산소 음이온의 속도가 감소하는 것과 동시에 타겟에서 방출되는 스퍼터링 입자의 속도 역시 감소하므로, 산소 음이온의 방해뿐만 아니라 스퍼터링 입자에 의한 박막 증착 효율을 생각해도 챔버 내 압력조절 보다 타겟(Target)에 인가되는 바이어스 전압을 조절하는 것이 안정적인 박막 증착에 더 효과적임을 확인할 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 전원 공급부에서 타겟으로 인가되는 전압을 설명한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 전원 공급부에서 타겟으로 인가되는 전압을 나타낸 그래프이다.
도 6은 RF전원을 사용하고, 제1 바이어스 전압이 -20V이고 제2 바이어스 전압이 -700V일 때의, 전원 공급부에서 타겟으로 인가되는 전압을 시간(s)과 바이어스 전압(V)을 축으로 하여 나타낸 그래프이다. RF전원은 13.56MHz의 주파수를 가질 수 있다. 그래프를 보면, 일정 시간 동안 -20V의 바이어스 전압이 13.56MHz의 주파수로 반복하여 인가되는 A구간과 일정 시간 동안 -700V의 바이어스 전압이 13.56MHz의 주파수로 반복하여 인가되는 B구간이 주기적으로 반복된다. 주기는 제1 바이어스 전압과 제2 바이어스 전압이 인가되고 다시 제1 바이어스 전압이 인가되기까지의 시간을 의미한다. 주기는 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정된다. 즉, 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정되는 하나의 일정한 간격을 주기로 A구간 및 B구간 후 A구간이 나타나는 것이 반복된다. 그러나 주기는 하나로 일정하지 않을 수 있으며, 바이어스 전압이 인가되는 중에 변경될 수 있다. 즉, A구간과 B구간은 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정되는 다양한 주기로 반복될 수도 있다.
이하, 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 전원 공급부에서 타겟으로 인가되는 전압을 설명한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 전원 공급부에서 타겟으로 인가되는 전압을 나타낸 그래프이다.
도 7은 DC전원을 사용하고, 제1 바이어스 전압이 -100V이고 제2 바이어스 전압이 -700V일 때의, 전원 공급부에서 타겟으로 인가되는 전압을 시간(s) 및 바이어스 전압(V)을 축으로 나타낸 그래프이다. 그래프를 보면, 일정 시간 동안 -20V의 DC 바이어스 전압이 인가되는 A구간과 일정 시간 동안 -700V의 DC 바이어스 전압이 인가되는 B구간이 주기적으로 반복된다. 주기는 제1 바이어스 전압과 제2 바이어스 전압이 인가되고 다시 제1 바이어스 전압이 인가되기까지의 시간을 의미한다. 주기는 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정된다. 즉, 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정되는 하나의 일정한 간격을 주기로 A구간 및 B구간 후 A구간이 나타나는 것이 반복된다. 그러나 주기는 하나로 일정하지 않을 수 있으며, 바이어스 전압이 인가되는 중에 변경될 수 있다. 즉, A구간과 B구간은 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정되는 다양한 주기로 반복될 수도 있다.
이하, 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 전원 공급부에서 타겟으로 인가되는 전압을 설명한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 전원 공급부에서 타겟으로 인가되는 전압을 나타낸 그래프이다.
도 8은 RF전원을 사용하고, 제2 바이어스 전압이 -100V이고 제2 바이어스 전압이 -700V일 때의, 전원 공급부에서 타겟으로 인가되는 전압을 시간(s)과 바이어스 전압(V)을 축으로 나타낸 그래프이다. RF전원은 13.56MHz의 주파수를 가질 수 있다. 그래프를 보면, 일정 시간 동안 -100V의 바이어스 전압이 13.56MHz의 주파수로 반복하여 인가되는 A구간과 일정 시간 동안 -700V의 바이어스 전압이 13.56MHz의 주파수로 반복하여 인가되는 B구간이 주기적으로 반복된다. 주기는 제1 바이어스 전압과 제2 바이어스 전압이 인가되고 다시 제1 바이어스 전압이 인가되기까지의 시간을 의미한다. 주기는 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정된다. 즉, 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정되는 하나의 일정한 간격을 주기로 A구간 및 B구간 후 A구간이 나타나는 것이 반복된다. 그러나 주기는 하나로 일정하지 않을 수 있으며, 바이어스 전압이 인가되는 중에 변경될 수 있다. 즉, A구간과 B구간은 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정되는 다양한 주기로 반복될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 마그네트론 스퍼터링 장치 10: 챔버
11: 가스 배기계 12: 가스 공급계
21: 기판 안착부 31: 타겟 안착부
32: 전원 공급부 33: 마그네트론

Claims (13)

  1. 가스 공급계와 가스 배기계를 포함하는 챔버;
    상기 챔버 내부의 일측에 위치하는 기판 안착부;
    상기 챔버 내부에 위치하며 상기 기판 안착부의 맞은 편에 위치하는 타겟 안착부;
    상기 챔버 외부에 위치하며 상기 타겟 안착부의 배면에 위치하는 마그네트론; 및
    상기 타겟 안착부에 연결되어 있으며 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정되는 주기로 0V미만 -110V이상인 제1 바이어스 전압과 제1 바이어스 전압 보다 절대값이 큰 제2 바이어스 전압을 반복하여 인가하는 전원 공급부; 를 포함하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  2. 제1 항에서,
    상기 전원 공급부는 DC전원 또는 RF전원을 사용하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  3. 제2 항에서,
    상기 제1 바이어스 전압은 -20V이하 -100V이상인 마그네트론 스퍼터링 장치.
  4. 제2 항에서,
    상기 제2 바이어스 전압은 -300V이하 -1000V이상인 마그네트론 스퍼터링 장치.
  5. 제4 항에서,
    상기 제1 바이어스 전압은 -20V이하 -100V이상인 마그네트론 스퍼터링 장치.
  6. 제5 항에서,
    상기 기판 안착부는 접지되어있는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  7. 제6 항에서,
    상기 가스 공급계 및 상기 가스 배기계를 통해 상기 챔버 내부는 진공으로 유지되는 마그네트론 스터퍼링 장치.
  8. 챔버 내부에 위치하는 기판 안착부에 기판을 안착하는 단계;
    상기 챔버 내부에 위치하며 상기 기판 안착부의 맞은 편에 위치하는 타겟 안착부에 타겟을 안착하는 단계;
    상기 챔버 외부에서 상기 타겟 안착부의 배면에 마그네트론을 위치시키는 단계;
    상기 챔버 내부를 배기시킨 후 방전 가스를 주입하는 단계; 및
    상기 타겟 안착부에 연결되어 있는 전원 공급부를 통하여 마이크로초(μs)에서 밀리초(ms) 범위 내에서 설정되는 주기로 0V미만 -110V이상인 제1 바이어스 전압과 제1 바이어스 전압 보다 높은 제2 바이어스 전압을 반복하여 상기 타겟에 인가하는 단계; 를 포함하는 박막 증착 방법.
  9. 제8 항에서,
    상기 전원 공급부를 통하여 DC전원 또는 RF전원을 인가하는 박막 증착 방법.
  10. 제9 항에서,
    상기 전원 공급부를 통하여 상기 제1 바이어스 전압으로 -20V이하 -100V이상의 전압을 인가하는 박막 증착 방법.
  11. 제10 항에서,
    상기 전원 공급부를 통하여 상기 제2 바이어스 전압으로 -300V이하 -1000V 이상의 전압을 인가하는 박막 증착 방법.
  12. 제11 항에서,
    상기 기판 안착부를 접지시키는 박막 증착 방법.
  13. 제9 항에서,
    상기 전원 공급부를 통하여 상기 제2 바이어스 전압으로 -300V이하 -1000V 이상의 전압을 인가하는 박막 증착 방법.
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