KR20180069014A - 성막 방법 및 스퍼터링 장치 - Google Patents

Abstract

여러 장의 피처리기판에 연속하여 성막하는 경우에도 막 두께의 변화량을 가급적 적게 할 수 있는 성막 방법 및 스퍼터링 장치를 제공한다.
진공 챔버(1) 내에 피처리기판(W)과 타겟(31)을 배치하고, 진공 챔버 내에 스퍼터 가스를 도입하여, 타겟에 전력을 투입해 타겟을 스퍼터링하여, 피처리기판의 표면에 성막하는 본 발명에 따른 성막 방법은, 타겟의 스퍼터링되는 면을 스퍼터면(31a)으로 하고, 스퍼터면 쪽을 아래로 하여, 타겟 위쪽에 설치한 자석 유닛(4)에 의해 스퍼터면의 아래쪽으로 누설 자장을 국소적으로 작용시켜, 스퍼터링에 의한 성막 중 스퍼터면에서의 누설 자장의 작용 영역이 연속적으로 변화하도록 자석 유닛을 회전시켜, 타겟에 투입되는 적산전력량에 따라 자석 유닛의 회전 방향을 정방향과 역방향으로 교대로 전환하는 공정을 포함한다.

Description

성막 방법 및 스퍼터링 장치

본 발명은 진공 챔버 내에 피처리기판과 타겟을 배치하고, 진공 챔버 내에 스퍼터 가스를 도입하여, 타겟에 전력을 투입해 타겟을 스퍼터링하고, 피처리기판의 표면에 성막하는 성막 방법 및 스퍼터링 장치에 관한 것이다.

이런 종류의 성막 방법으로 피처리기판의 표면에 성막하는 경우, 예를 들어 타겟의 이용 효율을 높이기 위해, 타겟이 스퍼터링되는 면을 스퍼터면으로 하고, 스퍼터면쪽을 아래로 하였을 때, 타겟 위쪽에 설치한 자석 유닛에 의해 스퍼터면의 아래쪽으로 누설 자장을 국소적으로 작용시켜, 스퍼터링에 의한 성막 중 스퍼터면에서의 누설 자장의 작용 영역이 연속적으로 변화하도록 자석 유닛을 한 방향으로 회전시킨다(예를 들면, 특허 문헌 1을 참조). 그리고 타겟의 수명이 다할 때까지 자석 유닛의 회전 방향을 바꾸지 않는 것이 일반적이다.

그런데 타겟 중에는 이른바 소결 타겟(sintered target)이 있다. 이러한 소결 타겟을 이용하여 동일한 성막 조건(투입 전력, 스퍼터 가스의 도입량, 스퍼터링 시간 등)에서 상기 성막 방법을 적용하여 여러 장의 피처리기판에 순차적으로 성막하면, 타겟에 투입되는 적산전력량이 증가함에 따라 피처리기판의 표면에 성막한 박막의 두께가 변화하는 것을 알 수 있었다. 이 경우, 전자 장치의 제조 공정에서는 막 두께의 변화가 후공정에 악영향을 미치기 때문에, 막 두께의 변화량을 가급적 적게 조절하는 것이 바람직하다.

따라서 본원 발명의 발명자들은 열심히 연구를 거듭하여, 타겟의 침식량에 따라 자석 유닛의 회전 방향을 바꾸면, 막 두께의 변화량이 가급적 적어지는 것을 발견하였다. 이는 자석 유닛을 한 방향으로만 회전시켜 수명이 다할 때까지 스퍼터링하는 경우, 스퍼터면에 대해 동일한 각도로 스퍼터 가스의 이온이 충돌하여, 타겟이 동일한 면 방향으로 항상 침식되는 것에 기인한 것으로 추측된다.

특허문헌 1: 일본특허공개 2016-11445호 공보

본 발명은 상기한 바에 기초하여, 여러 장의 피처리기판에 대해 연속으로 성막하는 경우에도 막 두께의 변화량을 가급적 적게 할 수 있는 성막 방법 및 스퍼터링 장치를 제공하는 것을 그 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 진공 챔버 내에 피처리기판과 타겟을 배치하고, 진공 챔버 내에 스퍼터 가스를 도입하여, 타겟에 전력을 투입해 타겟을 스퍼터링하여, 피처리기판의 표면에 성막하는 본 발명에 따른 성막 방법은, 타겟 이 스퍼터링되는 면을 스퍼터면으로 하고, 스퍼터면쪽을 아래로 하였을 때, 타겟 위쪽에 설치한 자석 유닛에 의해 스퍼터면의 아래쪽으로 누설 자장을 국소적으로 작용시켜, 스퍼터링에 의한 성막 중 스퍼터면에서의 누설 자장의 작용 영역이 연속적으로 변화하도록 자석 유닛을 회전시키고, 타겟에 투입되는 적산전력량(amount of integrated electric power)에 따라 자석 유닛의 회전 방향을 정방향과 역방향으로 교대로 전환하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 타겟의 수명이 다할 때까지의 기간 동안 그 적산전력량, 즉 타겟의 침식량에 따라 자석 유닛의 회전 방향이 전환될 때마다, 스퍼터면에 대해 스퍼터 가스의 이온이 충돌하는 각도가 변경되어, 타겟이 침식되는 면 방향이 변경된다. 따라서 타겟이 복수의 면 방향으로 침식되기 때문에, 여러 장의 피처리기판에 대해 연속으로 성막하는 경우에도 막 두께의 변화량을 가급적 적게 조절하는 것이 가능하다.

본 발명은, 상기 타겟이 절연물의 소결 타겟이며, 이 소결 타겟에 고주파 전력을 투입하여 스퍼터링하는 경우에 알맞게 적용할 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위해, 진공 챔버 내에 설치된 타겟에 전력을 투입하는 스퍼터 전원과, 타겟의 스퍼터링되는 면을 스퍼터면으로 하고, 스퍼터면쪽을 아래로 하였을 때, 타겟 위쪽에 설치되며 스퍼터면의 아래쪽으로 누설 자장을 국소적으로 작용시키는 자석 유닛과, 스퍼터링에 의한 성막 중 스퍼터면에서의 누설 자장의 작용 영역이 연속적으로 변화하도록 자석 유닛을 회전시키는 구동 수단을 포함하는 본 발명에 따른 스퍼터링 장치는, 타겟에 투입되는 적산전력량에 따라 자석 유닛의 회전 방향을 정방향 또는 역방향으로 전환하는 회전 방향 전환 수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 타겟에 투입되는 적산전력량에 따라 회전 방향 전환 수단에 의해 자석 유닛의 회전 방향을 정방향과 역방향으로 교대로 전환함으로써, 여러 장의 피처리기판에 대해 연속으로 성막하는 경우에도 막 두께의 변화량을 가급적 적게 조절하는 것이 가능하다.

[도 1] 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시하는 스퍼터링 장치를 나타내는 모식적 단면도.
[도 2] 도 1에 나타낸 자석 유닛의 회전 방향을 설명하는 모식적 평면도.
[도 3] 본 발명의 효과를 확인하는 실험 결과를 나타낸 도면.
[도 4] 본 발명의 효과를 확인하는 실험 결과를 나타낸 도면.

이하, 도면을 참조하여 피처리기판(W)을 실리콘 기판으로 하였을 때, 이 실리콘 기판의 표면에 절연막인 알루미나막을 성막하는 경우를 예로 들어, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법 및 스퍼터링 장치에 대해 설명한다.

도 1을 참조하면, SM은 마그네트론 방식의 스퍼터링 장치이며, 이 스퍼터링 장치(SM)는 처리실(10)을 구획하는 진공 챔버(1)을 포함한다. 진공 챔버(1)의 측벽에는 스퍼터 가스를 도입하는 가스관(11)이 연결되며, 가스관(11)에는 질량 유량 제어기(12)가 끼워지고 가스원(13)에 연통된다. 스퍼터 가스에는, 아르곤과 같은 희가스 외에도, 반응성 스퍼터링을 실시하는 경우에는 산소 가스나 수증기 가스와 같은 반응성 가스를 포함해도 된다. 진공 챔버(1)의 측벽에는 터보 분자 펌프나 로터리 펌프 등으로 이루어진 진공 배기 수단(P)과 통하는 배기관(14)이 연결된다. 이를 통해, 질량 유량 제어기(12)에 의해 유량이 제어된 스퍼터 가스가 진공 배기 수단(P)에 의해 진공 배기된 처리실(10) 내로 도입될 수 있어, 성막 중에 처리실(10)의 압력이 대략 일정하게 유지되도록 하고 있다.

진공 챔버(1)의 바닥부에는 절연 부재(I₁)를 통해 기판 스테이지(2)가 배치된다. 기판 스테이지(2)는 도시 생략한 알려진 정전 척을 가지며, 정전 척의 전극에 척 전원으로부터 척 전압을 인가하여, 이를 통해 기판 스테이지(2) 위에 피처리기판(W)을 그 성막면을 위로 하여 흡착 유지할 수 있도록 되어 있다.

진공 챔버(1)의 천장부에는 타겟 어셈블리(3)가 설치된다. 타겟 어셈블리(3)는, 피처리기판(W)의 윤곽에 따라 공지의 방법으로 평면에서 보았을 때 원형의 판 모양으로 형성된 산화 알루미늄 소결 타겟(31)과, 타겟(31)이 스퍼터링되는 면을 스퍼터면(31a)으로 하고, 이 스퍼터면(31a) 측을 ‘아래’로 하였을 때, 타겟(31)의 윗면에 인듐과 같은 본딩 재료(도시 생략)를 통해 접합된 냉각판(backing plate)(32)으로 구성된다. 스퍼터링에 의한 성막 중 냉각판(32)의 내부로 냉매(냉각수)를 흘려보내 이를 통해 타겟(31)을 냉각할 수 있도록 되어 있다. 타겟(31)을 장착한 상태에서 냉각판(32)의 밑면의 주연부가, 절연 부재(I₂)를 통해 진공 챔버(1)의 측벽 상부에 장착된다. 타겟(31)에는 스퍼터 전원(E)인 고주파 전원의 출력이 냉각판(32)을 통해 연결되어, 타겟(31)에 고주파 전력을 투입할 수 있도록 되어 있다. 또한, 스퍼터 전원(E)으로는 고주파 전원 이외에도, 사용하는 타겟(31)에 따라 직류 전원이나 직류 펄스 전원 등을 사용할 수 있다.

타겟 어셈블리(3)의 위쪽에는 자석 유닛(4)이 배치되며, 타겟(31)의 스퍼터면(31a)의 아래쪽에 누설 자장을 국소적으로 작용시켜, 스퍼터링에 의한 성막 중에 스퍼터면(31a)의 아래쪽에서 이온화된 전자 등을 포착하여 타겟(31)에서 비산된 스퍼터 입자를 효율적으로 이온화할 수 있도록 한다. 도 2를 참조하여, 자석 유닛(4)은, 원판 형상의 요크(yoke)(41)와, 요크(41)의 아랫면에 환형으로 정렬된 복수 개의 제 1 자석(42)과, 제 1 자석(42)의 주위를 둘러싸도록 환형으로 정렬된 복수 개의 제 2 자석(43)을 가진다. 요크(41)의 윗면 중앙에는 모터와 같은 구동 수단(44)의 회전축(45)이 연결되어, 회전축(45)을 회전 구동함으로써, 타겟(31)의 중심을 회전 중심으로 하여 제 1 자석(42) 및 제 2 자석(43)이 회전하고, 이에 따라 스퍼터면(31a)에서의 누설 자장의 작용 영역이 연속적으로 변화하도록 한다. 그리고, 후술하는 제어부(5)의 회전 방향 전환 수단(52)에 따라, 구동 수단(44)에 의한 회전축(45)의 회전 방향, 나아가서는 자석 유닛(4)의 회전 방향을 정방향 또는 역방향으로 전환할 수 있다.

상기 스퍼터링 장치(SM)는, 마이크로 컴퓨터나 시퀀서 등을 구비한 제어부(5)를 포함하며, 질량 유량 제어기(12)의 가동, 진공 배기 수단(P)의 가동, 스퍼터 전원(E)의 가동 등을 통괄하여 제어한다. 제어부(5)는, 스퍼터링 전원(E)에서 타겟(31)에 투입되는 적산전력량(투입 전력(kW)×시간(h))을 취득하는 적산전력량 취득 수단(51)과, 적산전력량에 따라 자석 유닛(4)의 회전 방향을 정방향 또는 역방향으로 전환하는 회전 방향 전환 수단(52)을 포함한다. 적산전력량 취득 수단(51)은, 스퍼터 전원(E)으로부터 입력되는 적산전력량을 취득할 수 있으며, 스퍼터 전원(E)에 출력하는 제어 신호에 따라 적산전력량을 산출할 수 있다. 아래에서 상기 스퍼터링 장치(SM)를 이용한 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법에 대해 설명한다.

먼저, 도시 생략한 반송 로봇을 이용하여 스테이지(2) 상에 피처리기판(W)(첫 번째 장)을 반송하고, 스테이지(2)에 의해 피처리기판(W)을 위치 결정하여 유지한다. 이어서, 질량 유량 제어기(12)를 제어하여 아르곤 가스를 소정의 유량(예를 들면, 100~200sccm)으로 도입하고(이 때, 처리실(10)의 압력은 1.8~2.2Pa이 된다), 이와 더불어 고주파 전원(E)로부터 타겟(31)에, 예를 들면 주파수 13.56MHz의 고주파 전력을 2kW~5kW 투입하여 진공 챔버(1) 내에 플라즈마를 형성하고, 타겟(31)을 스퍼터링한다. 스퍼터링에 의해 비산된 스퍼터 입자를 피처리기판(W)의 표면에 부착, 퇴적시킴으로써, 피처리기판(W)의 표면에 산화 알루미늄 막이 성막된다. 성막 중 자석 유닛(4)을 정방향으로 회전시킴으로써 스퍼터면(31)에서의 누설 자장의 작용 영역을 연속해서 변화시킨다.

소정의 스퍼터링 시간이 경과하면 아르곤 가스의 도입 및 전력 투입을 중지하고 성막을 종료하고, 성막된 피처리기판(W)을 진공 챔버(1)에서 반출한다. 그리고 다음으로 성막하는 피처리기판(W)(두 번째 장)을 진공 챔버(1) 내에 반입하여, 상기 성막 조건(투입 전력, 스퍼터 가스의 유량, 스퍼터링 시간)에서 성막을 실시한다.

그런데, 상기 타겟(31) 중에는 이른바 소결 타겟이 있어, 이러한 소결 타겟을 이용하여 여러 장의 피처리기판(W)에 순차적으로 성막하면, 타겟에 투입되는 적산전력량이 증가함에 따라 피처리기판(W)의 표면에 성막된 박막의 두께가 변화한다는 문제가 있다.

따라서, 본 실시예에서는, 타겟(31)에 투입되는 적산전력량에 따라 자석 유닛(4)의 회전 방향을 정방향 및 역방향으로 교대로 전환하는 공정을 포함하도록 하였다. 이 공정을 첫 번째 장의 성막 후에 실시함으로써, 두 번째 피처리기판(W)에 대한 성막은 자석 유닛(4)을 역방향으로 회전시키면서 행해진다. 여기에서 ‘적산전력량에 따라’라는 것은, 자석 유닛(4)의 회전 방향의 전환 타이밍을 임의로 설정할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 소정 매수(예를 들어, 한 장)의 피처리기판(W)에 대한 성막이 끝난 후에 전환할 수도 있고, 적산전력량이 소정의 값에 도달했을 때 전환할 수도 있다. 성막 중에 적산전력량이 소정의 값에 도달하는 경우에는 성막 중인 피처리기판(W)에 대한 성막이 종료된 후에 전환하면 된다. 또한 예를 들어, 성막하는 박막의 두께가 두꺼운 경우에는 한 장의 피처리기판(W)에 대한 성막을 여러 단계(예를 들어, 두 단계)로 실시할 수 있는데, 이 경우에는 단계 사이에 전환할 수도 있다. 덧붙여, 자석 유닛(4)의 회전 방향을 전환하는 경우 적산전력량을 재설정하면 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 타겟(31)의 수명이 다할 때까지의 기간 동안, 그 적산전력량, 즉 타겟(31)의 침식량에 따라 자석 유닛(4)의 회전 방향이 정방향과 역방향으로 교대로 전환된다. 이와 같이 회전 방향이 전환될 때마다, 스퍼터면(31a)에 대해 스퍼터 가스의 이온이 충돌하는 각도가 변경되어, 타겟(31)이 침식되는 면 방향이 변경된다. 이를 통해 타겟(31)이 복수의 면 방향으로 침식됨으로써, 여러 개의 피처리기판(W)에 연속해서 성막하는 경우에도 막 두께의 변화량을 가급적 적게 조절하는 것이 가능하다.

이상, 본 발명의 실시예에 대해 설명했으나 본 발명은 상기로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시예에서는, 산화 알루미늄 타겟(31)을 이용하여 산화 알루미늄 막을 성막하는 경우를 예로 들어 설명했으나, 다른 소결 타겟을 이용하여 다른 박막을 성막하는 경우에도 당연히 본 발명을 적용할 수 있다. 또한 자석 유닛(4)을 구성하는 자석(42, 43)의 배치는 도 2에 나타낸 것으로 한정되지 않으며, 알려진 배치를 채용할 수 있다.

다음으로, 상기 효과를 확인하기 위해 상기 스퍼터링 장치(SM)를 이용하여 아래의 발명 실험을 실시하였다. 본 실험에서는 피처리기판(W)으로 φ300mm의 실리콘 기판을 이용하여, 진공 챔버(1) 내의 스테이지(2)에 피처리기판(W)(첫 번째 장)을 세팅한 후, 아르곤 가스를 유량 200sccm으로 처리실(10) 내에 도입하고(이 때의 처리실(10) 내의 압력은 약 2.2Pa), 산화 알루미늄 타겟(31)에 13.56MHz의 고주파 전력을 4kW 투입하였다. 이로 인해, 처리실(10) 내에 플라즈마가 형성되어, 자석 유닛(4)을 정방향으로 40~60rpm의 속도로 회전시키면서 타겟(31)을 스퍼터링하여, 피처리기판(W)의 표면에 산화 알루미늄 막을 성막하고, 산화 알루미늄 막의 두께를 측정하였다. 각 장마다 자석 유닛(4)의 회전 방향을 정방향과 역방향으로 교대로 전환하는 점을 제외하고는 상기 성막 조건과 동일한 조건에서 두 번째 장에서 여섯 번째 장까지의 피처리기판(W)에 산화 알루미늄 막을 순차적으로 성막하여, 이렇게 연속 성막한 산화 알루미늄 막의 두께를 측정한 결과를 도 3에 나타내었다. 이에 따르면, 막의 최소 두께는 약 550Å, 최대 두께는 약 554Å로, 막 두께의 변화량은 4Å 정도로 적게 조절할 수 있다는 것이 확인되었다. 덧붙여, 열 장의 피처리기판에 연속하여 성막한 경우에도 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 또한 다섯 장마다 자석 유닛(4)의 회전 방향을 전환하여 열다섯 장의 피처리기판에 연속하여 성막한 경우에도 동일한 결과를 얻을 수 있었다.

상기 발명 실험에 대한 비교 실험으로, 자석 유닛(4)을 정방향으로만 회전시켜, 즉 자석 유닛(4)의 회전 방향을 교대로 전환하지 않고 여러 장(23장)의 피처리기판(W)에 산화 알루미늄 막을 순차적으로 성막하고, 연속 성막한 산화 알루미늄 막의 두께를 측정한 결과를 도 4에 나타내었다. 이에 따르면, 막의 최소 두께는 약 499Å, 최대 두께는 약 511Å로, 막 두께의 변화량이 12Å 정도로 큰 것으로 확인되었다. 이들 실험을 통해 자석 유닛(4)의 회전 방향을 정방향과 역방향으로 교대로 전환하여, 막 두께의 변화량을 가급적 적게 조절할 수 있다는 것을 알았다.

SM ... 스퍼터링 장치
W ... 피처리기판
1 ... 진공 챔버
31 ... 타겟(소결 타겟)
31a ... 스퍼터면
4 ... 자석 유닛
44 ... 구동 수단
52 ... 회전 방향 전환 수단

Claims (3)

1. 진공 챔버 내에 피처리기판과 타겟을 배치하고, 진공 챔버 내에 스퍼터 가스를 도입하여 타겟에 전력을 투입해 타겟을 스퍼터링하여, 피처리기판의 표면에 성막하는 성막 방법으로서,
   　타겟의 스퍼터링되는 면을 스퍼터면으로 하고, 스퍼터면 쪽을 아래로 하였을 때, 타겟 위쪽에 설치한 자석 유닛에 의해 스퍼터면의 아래쪽으로 누설 자장을 국소적으로 작용시켜, 스퍼터링에 의한 성막 중 스퍼터면에서의 누설 자장의 작용 영역이 연속적으로 변화하도록 자석 유닛을 회전시키는 것에 있어서,
   　타겟에 투입되는 적산전력량(amount of integrated electric power)에 따라 자석 유닛의 회전 방향을 정방향과 역방향으로 교대로 전환하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
2. 　청구항 1항에 있어서,
   　상기 타겟을 절연물의 소결 타겟으로 하였을 때, 소결 타겟에 고주파 전력을 투입하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
3. 　진공 챔버 내에 설치된 타겟에 전력을 투입하는 스퍼터 전원과,
   　타겟의 스퍼터링되는 면을 스퍼터면으로 하고, 스퍼터면 쪽을 아래로 하였을 때, 타겟 위쪽에 설치되며 스퍼터면의 아래쪽으로 누설 자장을 국소적으로 작용시키는 자석 유닛과,
   　스퍼터링에 의한 성막 중 스퍼터면에서의 누설 자장의 작용 영역이 연속적으로 변화하도록 자석 유닛을 회전시키는 구동 수단을 포함하는 스퍼터링 장치에 있어서,
   　타겟에 투입되는 적산전력량에 따라 자석 유닛의 회전 방향을 정방향 또는 역방향으로 전환하는 회전 방향 전환 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
   

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