KR20190119274A - 스퍼터 건 및 이를 포함하는 스퍼터링 증착 장치 - Google Patents

Abstract

스퍼터링 증착 장치가 개시된다. 스퍼터링 증착 장치는 증착대상에 증착될 타겟 재료를 포함하는 스퍼터 건 및 스퍼터 건에서 스퍼터링을 발생시키기 위해 스퍼터 건에 원자 또는 이온을 충돌시키도록 구성된 스퍼터링 발생부를 포함하되, 스퍼터 건의 적어도 일부에는 자성체 재료로 형성된 적어도 하나의 자성체 블럭이 배치되는 것을 특징으로 함으로써, 스퍼터링 공정 중에 스퍼터 건 내의 자석에서 발생되는 자기장을 조절하여 금속 박막의 균일성을 향상시킬 수 있다.

Description

스퍼터 건 및 이를 포함하는 스퍼터링 증착 장치{SPUTTER GUN AND SPUTTERING DEPOSITION APPARATUS HAVING THE SAME}

본 발명은 스퍼터링 증착 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속 박막의 균일성을 향상시킬 수 있는 스퍼터링 증착 장치에 관한 것이다.

나노미터 미만의 단위부터 수 마이크로미터 단위의 두께로 형성된 층을 박막이라 일컫는다. 기술이 발전함에 따라 다양한 박막 증착 기술이 사용되고 있으며, 특히 반도체 제품에서 사용되는 집적회로, 거울 및 유리 제품의 광학 코팅, CD 및 DVD 제품 등 현대인의 생활과 밀접한 관련이 있는 분야에서 흔히 사용되고 있다.

박막 소재를 증착하기 위한 다양한 공정의 예로서 물리기상증착(physical vapor deposition; PVD), 화학기상증착(chemical vapor deposition; CVD), 스퍼터링 증착(sputtering deposition), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition; PLD), 증발법(thermal evaporation), 전자빔 증발법(electron beam evaporation), 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD), 분자선 에피택시 증착(molecular beam epitaxy; MBE), 졸겔(sol-gel)법 등을 들 수 있다.

이중 스퍼터링 증착(sputtering deposition)은 플라즈마로 이온화된 아르곤 등의 스퍼터링 가스를 "타겟"이라 불리는 재료에 충돌시킴으로써 타겟 물질을 떼어내어 증착대상에 증착시키는 기술이다.

스퍼터링 증착은 상대적으로 낮은 온도에서 수행될 수 있다는 장점을 가지며, 따라서 다양한 물질을 증착시키는 데 유용하게 사용된다. 스퍼터링 증착은 물질의 조성 형성이 용이하고 대면적의 박막 증착이 가능하여 널리 이용되고 있다.

스퍼터링 증착을 사용하여 사용 용도 및 제품의 특성에 따라 금속 박막, 산화물 박막 등의 다양한 박막들을 증착하는데, 이중 금속 박막은 우수한 전기적 특성을 이용한 다양한 금속 소재들이 사용되고 있다.

이러한 금속 박막들은 스퍼터링 증착에 따른 스퍼터링 공정을 진행하는 과정에서 발생되는 열이나 플라즈마에 의해 사용자가 원하는 입자 크기를 가지고 증착되는 것이 아니라, 사용자가 원하는 입자 크기보다 큰 사이즈의 입자 크기로 증착이 이루어져 표면 제어가 어려워 광학 소재 등의 적용에 어려움이 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 스퍼터링 공정 중에 스퍼터 건 내의 자석에서 발생되는 자기장을 조절하여 금속 박막의 균일성을 향상시키는 스퍼터링 건 및 이를 포함하는 스퍼터링 증착 장치를 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 스퍼터 건은 스퍼터링 증착을 위해 증착대상에 증착될 타겟 재료를 포함하는 스퍼터 건으로서, 상기 타겟 재료의 상부에는 자성체 재료로 이루어진 적어도 하나의 자성체 블럭이 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일면에 따른 상기 스퍼터 건을 포함하는 스퍼터링 증착 장치는 증착대상과 상기 증착 대상과 마주하는 스퍼터 건을 포함하도록 구성된 공정 챔버를 포함하고, 상기 스퍼터 건은, 스퍼터링 증착을 위해 증착대상에 증착될 타겟 재료를 포함하는 스퍼터 건으로서, 상기 타겟 재료의 상부에는 자성체 재료로 이루어진 적어도 하나의 자성체 블럭이 배치되는 것을 특징으로 한다.

스퍼터 건은 타겟 재료 하부에 배치되는 마그네트론을 포함할 수 있다. 이 경우, 자성체 블럭은 스퍼터 건의 노출된 타겟 재료의 중앙부에 배치될 수 있다.

스퍼터 건은 타겟 재료를 고정하기 위하여 클램프를 포함하며, 자성체 블럭은 클램프 상에 배치될 수 있다. 또한, 자성체 블럭 자체가 클램프의 전부 또는 일부를 형성할 수도 있다.

자성체 블럭은 자성체 재료로 형성될 수 있으며, 일부 실시예에서는 자성체 블럭은 Fe, Ni, Co로 이루어진 일군에서 선택된 적어도 하나의 재료로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 스퍼터링 증착을 위해 증착대상에 증착될 타겟 재료를 포함하며, 적어도 일부에는 자성체 재료로 형성된 적어도 하나의 자성체 블럭이 배치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터 건이 제공된다.

본 발명에 따르면, 스퍼터링 공정 중에 스퍼터 건 내의 자석에서 발생되는 자기장을 조절함으로써, 금속 박막의 균일성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터 건을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 증착 장치를 나타내는 개념도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 스퍼터링 증착 장치를 사용하여 금속 재료를 증착한 박막의 표면 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 증착 장치를 사용하여 금속 재료를 증착한 박막의 표면 사진이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 자세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 이하에서, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터 건을 나타내는 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터 건(100)은 타겟 재료(110), 마그네트론 모듈(120), 자석(130, 131), 및 자성체 블럭(300, 301)을 포함할 수 있다.

마그네트론 모듈(120)은 소정 위치에 배치된 자석(130, 131)들을 포함하여 타겟 재료(110)의 주위에 자기장(132)을 형성할 수 있다. 타겟 재료(110)의 주위에 형성된 자기장(132)에 따라, 전하를 가진 플라즈마 입자들이 타겟 재료(110) 주위에 집중되고, 플라즈마 입자들에 의해 타겟 재료(110)로부터 분리된 원자들은 중성 전하를 가지므로 자기장(132)의 영향을 받지 않아 증착대상에 도달하여 증착될 수 있다.

한편, 자기장(132)의 영향으로 인해, 타겟 재료(110)에서 스퍼터링이 발생하여 원자들이 분리되는 위치가 자기장(132)의 형상을 따라 소정 위치에 집중된다. 즉, 장기간 사용시 타겟 재료(110)의 침식되는 부분은 자석(130, 131)의 배치에 대응하여 원형 또는 타원형 형상을 이루게 된다. 이러한 침식되는 영역을 에로존 영역(erosion area)이라 하고, 형태를 소위 "레이스트랙 침식(racetrack erosion)"이라 일컫기도 한다.

타겟 재료(110)는 사용 용도 및 제품의 특성에 따라 금속 박막, 산화물 박막 등의 다양한 박막들을 증착하는데, 이중 금속 박막은 우수한 전기적 특성을 이용한 다양한 금속 소재들이 사용되고 있다.

이러한 금속 박막들은 스퍼터링 증착법으로 증착 시 스퍼터링 공정 중에 발생되는 열이나 플라즈마에 의해 사용자가 원하는 입자 크기를 가지고 증착되는 것이 아니라, 사용자가 원하는 입자 크기보다 큰 입자 크기로 증착이 이루어져 표면 제어가 어려워 광학 소재 등의 적용에 어려움을 가지고 있다.

상기의 플라즈마는 스퍼터 공정에서 사용되는 전압 공급 장치의 파워에 따라 조절되며, 전압의 연결 방법에는 DC(Direct Current), MF(Medium Frequency), RF(Radio Frequency) 등이 사용될 수 있다. 상기의 플라즈마는 전술한 바와 같이 스퍼터 건(100) 내부에 배치되는 자석(130, 131)에서 발생되는 자기장(132)에 유도되어 타겟 재료(110)의 표면에 영향을 주는 데, 이때 발생되는 열과 플라즈마에 의해 분리되는 타겟 재료(110)의 입자 크기가 상이하게 형성된다.

본 실시예에 따라 자석(130, 131)에 대응하는 타겟 재료(110)의 상부에 자성체 블록(300, 301)을 배치하여 자석(130, 131)에 의해 발생되는 자기장(132)을 조절하여, 플라즈마에 의해 분리되는 타겟 물질(110)의 입자 크기를 조절하여 금속 이온의 균일성을 확보하는 것을 목적으로 하고 있고, 보다 자세하게는 이를 통하여 금속 박막의 균일성을 향상시키는 스퍼터링 증착 장치 및 이에 사용되는 스퍼터 건을 제공하려는 것이다.

타겟 재료(110)에서 스퍼터링이 발생하는 부분이 이와 같이 원형 또는 타원형의 레이스트랙 형상을 이룬다는 것은 타겟 재료(110)의 중앙부와 외주부에서는 원자의 분리가 거의 이루어지지 않음을 의미한다.

달리 표현하자면, 타겟 재료(110)의 하부에 배치된 마그네트론 모듈(120)의 중간 자석(130)에 대응하는 위치와 타겟 재료(110)를 고정하기 위한 클램프(121) 위치, 즉 타겟 재료(110)의 중앙부(또는 중앙 부분)와 외주부(또는 외곽 부분)에 해당하는 위치에서는 스퍼터링이 거의 발생하지 않는다.

그러므로 본 실시예에 따른 스퍼터 건(100)에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 노출된 타겟 재료(110)의 중앙부와 외주부에 자성체 블럭(300, 301)이 배치될 수 있다.

타겟 재료(110)의 중앙부와 외주부는 스퍼터링 가스의 이온들에 매우 근접하므로, 타겟물질이 노출된 경우 반응성 기체의 이온들의 결합 가능성이 매우 높다 할 수 있다.

그러나 타겟 재료(110)의 중앙과 외주부에서는 스퍼터링이 거의 발생하지 않으므로, 이 위치에 자성체 블럭(300, 301)을 배치하여도 스퍼터링 증착 공정에 손실이 거의 없다 할 수 있다.

본 실시예에 따라 타겟 재료(110)을 고정하기 위한 클램프(121)에 자성체 블록(301)을 배치하면, 자석(131)에서 타겟 재료(110)의 외부로 발생되는 자기장을 약화시켜 타겟 재료(110)의 외부에 플라즈마 이온들이 발생되는 것을 방지할 수 있어 자성체 블록(301) 자체가 쉴드의 기능을 하도록 구현될 수 있다.

따라서, 스퍼터 건(100)의 노출된 외표면의 일부를 차폐하여 분리된 타겟 재료의 원자가 스퍼터링 증착 장치의 내부 부품 상에 증착하는 것을 방지할 수 있다.

자성체 블럭(300, 301)은 외부 자기장의 영향으로 그 방향으로 강하게 자기화하는 자성체 재료로 형성되는 구성으로서, 본 발명의 실시예에서는 자성체 재료로 형성될 수 있으며, Fe, Ni, Co 등의 재료가 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 증착 장치를 나타내는 개념도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 증착 장치는 스퍼터 건(100), 스퍼터링 발생부(200) 및 자성체 블럭(300, 301)을 포함할 수 있다.

스퍼터링 발생부(200)는 스퍼터 건(100)에 원자 또는 이온이 충돌하도록 구성될 수 있다. 스퍼터링 발생부(200)에 의해 스퍼터 건(100)의 노출된 타겟 재료에 스퍼터링이 발생하고, 이로 인해 스퍼터 건(100)로부터 분리된 타겟 재료는 증착이 요구되는 증착대상(150) 위에 증착된다.

보다 구체적으로 설명하면, 스퍼터링 발생부(200)는 일종의 공정 챔버일 수 있으며, 또한, 공정 챔버 내의 일측에는 스퍼터 건(100)가 배치되며 타측에 증착대상(150)이 배치된다.

증착대상(150)은 도시하지 않은 소정의 지지부 혹은 척(chuck)에 의해 지지된다. 스퍼터 건(100) 및 지지부(도시하지 않음)에는 각각 전원(210, 240)으로부터 전원이 제공되는데, 증착대상(150) 측은 양극(anode)을 형성하고 스퍼터 건(100) 측은 음극(cathode)을 형성한다. 양극 및 음극을 형성하기 위한 전압의 연결 방법에는 DC(Direct Current), MF(Medium Frequency), RF(Radio Frequency) 등이 사용될 수 있다.

챔버를 실질적으로 진공 상태로 만든 후, 유입구(220)를 통해 챔버 내부로 스퍼터링 가스를 소정의 압력으로 주입할 수 있다. 전원이 인가되는 상태에서 스퍼터링 가스는 이온화되고(예컨대, 아르곤 이온(Ar+)), 양극과 음극 사이에는 플라즈마가 발생한다. 스퍼터 건(100)가 증착대상(150)에 비해 음전위로 유지되므로, 이온들은 스퍼터 건(100)에서 노출된 타겟 재료(110)의 표면에 충돌하고, 이로 인해 타겟 재료(110)의 원자가 스퍼터 건(100)로부터 분리된다.

타겟 재료(110)로부터 분리된 원자들은 광범위한 에너지 분포를 가질 수 있으며, 수십 eV(수십만 K)에까지 다다를 수 있다. 타겟 재료(110)의 분리된 원자들은 직선으로 방사되어 증착대상에 도달할 수도 있고, 공정 챔버 내의 압력이 높은 경우 기체 원자들과 충돌하여 확산에 의해 증착대상에 도달할 수도 있다. 증착대상에 도달한 타겟 재료의 원자들은 증착대상에 증착되어 박막을 형성할 수 있다. 스퍼터링 가스로는 아르곤(Ar) 등의 불활성 기체가 사용될 수 있으며, 경우에 따라 질소, 산소 등의 반응성 기체가 사용되기도 한다.

도 2에는 스퍼터링 발생부(200)의 일례로서 유입구(220), 유출구(230) 및 증착대상(150)과 상기 증착 대상(150)과 마주하는 스퍼터 건(100)에 연결된 전원(210)을 포함하는 공정 챔버를 개념적으로 도시하였지만, 스퍼터링 발생부(200)가 반드시 이와 같은 형태로 한정되는 것은 아니다.

스퍼터링 발생부(200)는 다양한 형태 및 구조로 구현될 수 있고, 음극을 냉각하기 위한 수단, 양극을 냉각(혹은 가열)하기 위한 수단 등 다양한 추가적 구성요소를 포함할 수도 있다.

스퍼터링 증착법으로 증착 시 스퍼터링 공정 중에 발생되는 열이나 플라즈마에 의해 사용자가 원하는 입자 크기를 가지고 증착되는 것이 아니라, 보다 큰 사이즈와 작은 사이즈의 입자 크기를 가지는 다양한 크기의 입자들로 증착이 이루어져 표면 제어가 어려워 광학 소재 등의 적용에 어려움을 가지고 있다.

본 발명의 실시예들에서는 이와 같이 원하지 않는 다양한 크기를 가지는 입자들이 증착되는 것을 방지하기 위해, 스퍼터 건(100)의 적어도 일부에 자성체 블럭(300)이 배치된다.

전술한 바와 같이, 자성체 블럭(300)은 외부 자기장의 영향으로 그 방향으로 강하게 자기화하는 자성체 재료로 형성되는 구성으로서, 본 발명의 실시예에서는 자성체 재료로 형성될 수 있으며, Fe, Ni, Co 등의 재료가 사용될 수 있다.

스퍼터 건(100)에서 자성체 블럭(300, 301)이 배치된 부분에서는 이온화된 반응가스가 타겟 재료와 결합하는 것이 방지되는 형상을 가지며 이에 따라 이종물질의 플라즈마가 형성되어 증착대상(150)에 이종 물질이 증착되는 것 역시 방지된다. 자성체 블럭(300, 301)으로 인해 발생되는 자기장 제어는 스퍼터 공정에서 발생되는 플라즈마 상태를 유지하기 위한 자기적 극성에 미치는 영향은 극히 미비하다.

한편, 스퍼터 건(100)에서 자성체 블럭(300, 301)이 배치되는 위치에서는 타겟 재료에 대한 스퍼터링이 저해될 것이므로, 자성체 블럭(300, 301)은 스퍼터 건(100) 상에서 스퍼터링을 방해하지 않는 위치에 스퍼터링을 방해하지 않는 형상으로 배치될 수 있다. 이에 따라 본 발명의 일 실시예에서는 도 1에서와 같이 자성체 블럭(300, 301)의 스퍼터 건(100)의 중앙과 외주부에 배치될 수 있다.

이처럼 본 발명의 일 실시예에서는 스퍼터 건 내의 자석에서 발생되는 자기장을 조절하기 위한 자성체 블럭(300, 301)을 포함함으로써, 스퍼터링 공정 중에 발생되는 열이나 플라즈마에 의해 큰 사이즈와 작은 사이즈의 입자 크기를 가지는 다양한 크기의 입자들로 증착되는 것을 억제할 수 있고, 그 결과 다양한 크기의 입자들이 증착된 금속 박막 표면 특성을 저감시켜 금속 박막의 균일성을 향상 시킬 수 있다.

도 3은 종래 기술에 따른 스퍼터링 증착 장치를 사용하여 금속 타겟 재료를 증착한 박막 샘플의 표면 사진이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 증착 장치를 사용하여 금속 타겟 재료를 증착한 박막 샘플의 표면 사진이다.

종래 기술에 따른 스퍼터링 증착 장치에 의하여 박막 샘플을 스퍼터링 증착한 경우, 스퍼터링 공정 중에 발생되는 열이나 플라즈마에 의해 사용자가 원하는 입자 크기를 가지고 증착되는 것이 아니라, 보다 큰 사이즈의 입자 크기로 증착이 이루어져 표면 제어가 어려울 수 있고, 이로 인해 증착되는 금속 박막의 표면 상태가 불균일하게 형성된다.

도 3의 사진을 참조하면, 종래 기술에 따른 스퍼터링 증착 장치에 의하여 제조된 박막의 표면은 균일하게 증착되지 않았고 매우 불균일한 표면 상태가 포함되어 있는 것을 볼 수 있다.

이와 대조적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 증착 장치는 자성체 블럭(300)이 배치되어 스퍼터 건 내의 자석에서 발생되는 자기장을 조절하여 보다 균일한 플라즈마가 형성되어 불균일한 금속 입자 발생이 억제될 수 있다.

도 4의 사진을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 증착 장치에 의하여 제조된 박막 표면은 균일하게 증착되었으며, 불균일한 금속 입자 발생이 현저히 감소하였음을 확인할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예들에 따르면 스퍼터링 증착 과정에서 열이나 플라즈마에 의해 사용자가 원하는 입자 크기를 가지고 증착되는 것을 방지할 수 있고, 그에 따른 표면 특성 및 광학적 특성이 우수한 특성을 가지는 금속 박막을 형성할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 증착대상으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (7)

1. 스퍼터링 증착을 위해 증착대상에 증착될 타겟 재료를 포함하는 스퍼터 건으로서,
   상기 타겟 재료의 상부에는 자성체 재료로 이루어진 적어도 하나의 자성체 블럭이 배치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터 건.
   
2. 제1항에서, 상기 자성체 블럭은,
   노출된 상기 타겟 재료의 중앙부에 배치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터 건.
   
3. 제1항에서, 상기 자성체 블록은,
   상기 타겟 재료의 외주부에 해당하는 클램프 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터 건.
   
4. 제3항에서, 상기 자성체 블럭은,
   상기 클램프의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 건.
   
5. 제1항에서, 상기 자성체 블록은,
   상기 타겟 재료의 외표면의 일부를 차폐하여 상기 타겟 재료의 원자가 스퍼터링 증착 장치의 내부 부품 상에 증착하는 것을 방지하는 것인 스퍼터 건.
   
6. 제1항에서, 상기 자성체 블럭은,
   Fe, Ni, Co로 이루어진 일군에서 선택된 적어도 하나의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 스퍼터 건.
   
7. 증착대상과 상기 증착 대상과 마주하는 스퍼터 건을 포함하도록 구성된 공정 챔버를 포함하고,
   상기 스퍼터 건은,
   스퍼터링 증착을 위해 증착대상에 증착될 타겟 재료를 포함하는 스퍼터 건으로서,
   상기 타겟 재료의 상부에는 자성체 재료로 이루어진 적어도 하나의 자성체 블럭이 배치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 장치.

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