KR20200007313A - 나노 코팅 효율 향상을 위한 아크 이온 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 나노 코팅 효율 향상을 위한 아크 이온 발생장치는, 기판; 상기 기판을 내부에 인입하여 상기 기판에 대한 나노 코팅을 수행하기 위한 진공챔버; 상기 진공 챔버에 설치되는 방전 기준 전극; 상기 방전 기준 전극에 대향하여 상기 챔버 내에 장착되며, 상기 방전 기준 전극과의 사이에 생성된 플라즈마 벌크에 기초하여 상기 기판의 표면에 하전 입자 및 라디칼을 공급하기 위한 적어도 하나의 방전 전극; 상기 방전 기준 전극과 상기 방전 전극 사이에 방전을 발생시키기 위해 전원을 인가하여 RF 전원공급부; 및 상기 RF 전원공부의 전원에 의해 발생되는 플라즈마의 발생구간 및 범위를 조절하기 위한 마그네틱 필드 발생부를 포함하되, 상기 마그네틱 필드 발생부는 타켓의 종류에 따라 타켓이 단원계인 경우에는 (+) 극성을 인가하고, 이원계인 경우에는 (-) 극성을 인가하도록 극성을 조절가능하며, 아크이온 발생부의 원판의 두께에 따라서 상기 마그네틱 필드에 인가되는 세기를 조절할 수 있다.

Description

나노 코팅 효율 향상을 위한 아크 이온 발생장치{Arc Ion generation for improving the nano coating efficiency}

본 발명은 나노코팅 효율 향상을 위한 아크 이온 발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마그네틱 필드(Megnetic field)의 극성 및 세기를 조절함으로써 아크 발생 구간 및 범위를 조절하여 나노 단위의 소재 코팅이 가능한, 나노 코팅 효율 향상을 위한 아크 이온 발생장치에 관한 것이다.

현대의 Ti, Al, Cr과 같은 나노 단위의 소재를 증착 또는 코팅은 다양한 방법에 의하여 이루어지는 데, 기판 위에 유전층 및 금속층을 포함한 여러 가지 층을 형성하는 것이다. 잘 알려진 바와 같이, 이들 층은 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리 기상 증착(PVD)에 의하여 증착될 수 있다.

물리기상증착(PVD;Physical Vapor Deposition)방법 중 하나로 스퍼터링(sputtering)공정이 제시되어 있다. 스퍼터 공정은 반도체 기판 표면에 금속배선을 하기 위해서 소정 두께의 금속막을 물리기상 증착법을 이용하여 물리적으로 기화시킨 후 반도체 기판 표면에 금속 박막을 형성하는 공정이다. 이 때 주로 원재료로서는 금속타겟을 사용하며, 불활성기체를 이온화시켜 플라즈마화된 입자를 소정의 전위차를 주어 가속시켜 금속타겟 표면에 충돌시킴으로써, 금속타겟의 표면에 있던 금속원자들이 그 충돌 에너지에 의해서 튀어나와 반도체 기판에 증착되어 금속박막을 형성하는 공정이다.

즉, 금속타겟은 디스크(Disk) 또는 플레이트(Plate) 타입으로 되어 있고, 프로세스기체공급부로부터 공급되는 프로세스기체(아르곤(Ar)가스)와 충돌로 인해 표면의 원자가 튀어나오도록 되어 있다.

금속타겟의 하부에는 히터의 상부에 웨이퍼(W)가 설치되어 있어, 금속타겟으로부터 튀어나온 원자가 웨이퍼 기판에 증착되도록 되어 있다.

상기 금속타겟의 상부에는 마그넷(마그네틱 필드 발생부)이 설치되어 있는데, 회전수단에 의해 상기 마그넷이 회전되면서 자장을 발생시키고, 그 자장에 의해 프로세스기체가 금속타겟의 표면에 충돌하게 된다.

그러나 타겟이 디스크(Disk) 또는 플레이트(Plate) 타입으로 되어 있어 스퍼터링공정 후 타겟이 소모되어 웨이퍼의 센터(center)와 에지(edge)와의 균일도(uniformity)가 불안정하며, 프로세스 진행 후 챔버 내부에 잔존하는 부산물 등이 챔버 내부를 유동하면서 다음 웨이퍼 프로세스 진행시 파티클(particle)을 유발하는 문제점이 있다.

또한, 금속 타켓의 종류에 따라서 마그네틱 필드(자기장)을 발생시키는 마그넷의 종류를 상이하게 사용하여야 함으로, 금속 타켓을 교체할 경우에는 마그넷을 교체 사용하기 때문에, 아크 이온 발생 장치를 사용함에 있어 많이 불편이 있었다.

한국공개특허번호 제20180011968 (2018년 02월 05일 공개)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속 코팅이 가능하도록 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생장치에 있어서, 플라즈마 발생부의 후면에 부착되는 마그네틱 필드 발생부(마그넷)에서 발생되는 마그네틱 필드(자기장)의 극성 및 세기를 조절함으로써, 나노 단위의 코팅 소재의 코팅 효율을 향상시킬 수 있는 아크 이온 발생장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 나노 코팅 효율 향상을 위한 아크 이온 발생장치는, 기판; 상기 기판을 내부에 인입하여 상기 기판에 대한 나노 코팅을 수행하기 위한 진공챔버; 상기 진공 챔버에 설치되는 방전 기준 전극; 상기 방전 기준 전극에 대향하여 상기 챔버 내에 장착되며, 상기 방전 기준 전극과의 사이에 생성된 플라즈마 벌크에 기초하여 상기 기판의 표면에 하전 입자 및 라디칼을 공급하기 위한 적어도 하나의 방전 전극; 상기 방전 기준 전극과 상기 방전 전극 사이에 방전을 발생시키기 위해 전원을 인가하여 RF 전원공급부; 및 상기 RF 전원공부의 전원에 의해 발생되는 플라즈마의 발생구간 및 범위를 조절하기 위한 마그네틱 필드 발생부를 포함하되, 상기 마그네틱 필드 발생부는 타켓의 종류에 따라 타켓이 단원계인 경우에는 (+) 극성을 인가하고, 이원계인 경우에는 (-) 극성을 인가하도록 극성을 조절가능하며, 아크이온 발생부의 원판의 두께에 따라서 상기 마그네틱 필드에 인가되는 세기를 조절할 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명의 아크 이온 발생장치는 마그네틱 필드 발생부(마그넷)의 종류를 교체하지 않고 인가되는 전원의 극성만을 변화시킴으로써 사용의 편의성을 도모함과 동시에, 아크 이온 발생부의 원판의 두께에 따라서, 마그네틱 필드에 인가되는 세기를 조절함으로써 최적의 마그네틱 필드를 인가할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 플라즈마 발생장치(PVD의 개략도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도있음은 물론이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

증착(deposition, 기판의 표면에 코팅이 이루어지는 기술임으로, "코팅" 기술에 해당됨)이란 기체 상태의 금속 입자를 금속, 플라스틱과 같은 물체 표면에 수마이크로미터의 얇은 고체 막을 입히는 방법이다. 물체의 표면에 금속막을 씌우는점에서도금(plating)에 포함된다고 볼 수도 있으나 일반적으로 우리가 말하는 도금과 차이점은 물체 표면으로 이동하는금속원의상태이다. 일반적인 도금공정이 금속원이 녹아 있는 전해질과 같은 용액에 물체를 담아 금속막을 입히는 것과 달리 증착은 기체화된 금속원으로 박막을 만든다. 따라서 도금 공정과 달리 유해한 화학물질의 사용, 폐유기물의 처리 등이 없는 장점이 있다.

증착은 금속증기를 만드는 원리에 따라 화학적기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)과 물리적 기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD)으로나뉜다. 화학적 기상 증착은 공정압력과 주입원의 상태, 에너지원등에 따라 나뉘고 물리적 기상 증착은 금속 증기의 형성방법 에따른 구분 방법이있다.

본 발명과 관련된 물리적 기상 증착(PVD)는 원하는 금속 물질에 가해진 에너지가 운동에너지로 변하여 물질이 이동, 기판에 쌓여 박막을 형성하는 방법이다. 물리적 기상 증착면은 수 나노미터에서 수천 나노미터의 두께를 가지며 기판크기에구애받지 않고 증착가능하다. 물리적 기상 증착은 기체생성방법에 따라 열증발진공증착, 스퍼터링법 및 이온보조방법으로 나뉜다.

열증발진공증착(Thermal evaporation deposition)은 가장 일반적인 물리적 기상 증착법으로 진공상태에서 높은 열을 금속원에 가해 기화한 다음 상대적으로 낮은 온도의 기판에 박막을 형성하는 것으로 고체가 승화된다. 음기판에서 고화(코팅)되는 것으로 쉽게 생각할 수 있다. 생성된 기체 입자는 오직 직선운동을 하므로기판을 놓는 위치가 중요하다. 또한, 처음 가해준 열에너지가 금속기체를 이동시키는 유일한 에너지원이므로 이동 중에 불순물을 만나면 쉽게 그 에너지를 잃어 다른곳에 증착이 될 수 있으므로 높은 고진공 상태를 필요로 한다. 일반적으로10^-5~10^-9 범위의 고진공 상태를 요구한다. 주로 용융점이 낮은 Al, Au, Cu의 증착에 적합하고금속원의 증발속도는 금속의 증기압에 비례한다. 또한 전류량 조절로 증착속도를 변화시킬 수 있고 추가적으로 가하는 에너지가 없으므로 증착밀도가 떨어지며 균일성이 낮은 단점이 있다. 열증발 진공증착은 거울 같은 반사면이 필요한 자동차리어램프하우징, 포장지등에응용된다.

스퍼터링증착 (Sputtering deposition)은 이온화된 원자가 가속화되어 물질에 충돌할 때 물질 표면의 결합에너지보다 충돌에너지가 더 클경우 표면으로부터 원자가 튀어 나오는현상을 말한다. 스퍼터링 증착은 이 원리를 이용하여 진공상태에서 이온화된 입자를 금속원에 충돌시켜 튀어 나온 원자를 기판에 증착하는방법이다. 금속원과 증착면의 거리는 열증발진공증착보다 가깝다. 스퍼터링증착은 ZnO2, TiO2와같은 산화금속의 증착에 사용되며 반도체, CD나 DVD에사용된다.

이온빔보조증착 (Ion-beam assisted deposition)은 고진공에서 스퍼터링과 같은 물리적증착시 높은에너지의 이온빔을 표면에 조사하여 증착원의 이동도를 증가시켜주는 방법이다. 온도, 이온빔의 에너지 조절을 할 수 있지만 장치가 비싼 단점이 있다. 금속을 비롯한 세라믹물질의 박막형성이 가능하며 표면과 접착력이뛰어나다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 플라즈마 발생장치(PVD의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 진공 챔버(chamber)는 하부전극(2), 상부전극(7)를 포함하고, 웨이퍼 또는 기판(3)이 상기 하부전극 상에 배치된다. 또한, 기체 유입구(8) 및 배출관(9)이 제공된다. 또한 상기 챔버는 하부전극 RF 전력공급장치(1)을 포함한다.

상기 장치는 제 2 RF 전력공급장치(12), 안테나(13), 및 유전체 창(6)을 포함한다. 상기 RF 전력공급장치 (1)과 (2) 및 전력이 공급된 전극/안테나 사이에 연결 네트워크(개시되지 않음)를 배치하는 것이 일반적이다. 상기 네트워크의 목적은 상기 전력공급장치의 임피던스를 상기 전극/안테나의 임피던스와 일치시키는 것으로서, 임피던스(impedence) 값은 일반적으로 50Ω 이다.

웨이퍼 또는 기판(3)을 하부전극(2) 상에 배치하고, 일정한 양의 에너지를 상기 전극(2)으로 공급하는 상기 RF 전력공급장치(1)에 의하여 플라즈마를 발생시킨다. 제어된 공급 기체의 흐름(8)이 개시되고, 일정한 처리량으로 챔버 내부로 유입된다.

에칭 공정은 스퍼터링(sputtering), 화학적 에칭 또는 반응이온 에칭에 의하여 웨이퍼(3)로부터 물질을 제거하는 것이다. 제거된 물질은 플라즈마 방전으로 휘발된다. 이러한 휘발성 물질을 에칭 부산물(4)이라고 하고, 공급 기체(8)와 함께 플라즈마 방전에 기여한다. 에칭 부산물(4) 및 기체(8)는 배출관(9)을 통해 방출된다. TCP 장치의 에칭 공정도 유사한 형태로 구동된다.

상기 웨이퍼는 제조 도중에 수차례에 걸쳐 플라즈마에 의하여 가공된다. 웨이퍼를 가공하는 과정에서 플라즈마 아크가 발생하는 것으로 알려져왔다. 이러한 아크 현상은 에칭 또는 증착 단계에서 발생하고, RF의 디자인, 구동 변수, 벽 및 실드(shield)의 조건, 및 가공 장치의 수명과 관련이 있다.

상기 아크 현상은 상기 챔버 벽 및/또는 전극과 상기 웨이퍼 표면 사이의 일시적인 전류의 흐름으로 구성되거나, 상기 가공 챔버 내부의 다른 구성요소 사이에서 발생할 수도 있다. 아크 현상에 의하여 나타날 수 있는 결과는 다양하다. 예를 들어, 상기 챔버 벽으로부터 물질을 스퍼터링하여 입자를 만들 수 있다. 상기 입자는 상기 웨이퍼 표면에 부착되어 결함을 유발하거나 가공 중인 웨이퍼를 직접적으로 손상시킬 수 있다.

아크는 플라즈마 가공 장치 내부 표면에 축적된 전하의 결과물이다. 상기 표면은 플라즈마 웨이퍼, 챔버 벽 또는 전극일 수 있다. 표면은 전도성이거나 절연성일 수 있고, 일반적으로 절연성 유전물질로 덮인다. 절연성 유전물질은 웨이퍼의 가공 공정으로부터의 생산물 또는 부산물이고 결과적으로 절연성 유전체 층을 형성한다. 축적된 전하는 플라즈마, 절연층, 및 벽 표면을 통한 전위차를 유발한다. 전위 수준이 벽 또는 층의 파괴강도를 초과하면, 애벌란시(avalanche) 효과와 함께 전하차를 보상하기 위하여 표면으로의 전자의 흐름을 형성한다. 따라서, 양전하(이온)이 과잉됨에도 불구하고 플라즈마의 전자 수는 고갈된다. 전자 밀도 고갈은 완화기(즉, 플라즈마가 정상상태로 돌아가는데 걸리는 시간)가 이온이동성 시간 스케일(scale) 및 일반적으로 마이크로(micro)-초 단위를 가지는 표면 재충전속도에 의하여 지배되는 동안 나노(nano)-초 시간 스케일로 발생한다(전자 플라즈마 주파수로도 알려짐).

따라서, 가공 플라즈마 방전의 일반적인 플라즈마 변수에 있어서, 아크는 마이크로-초 시간 스케일에서 플라즈마 완화 이후에 발생하는 나노-초 시간 스케일에서의 플라즈마 상태의 동요이다. 또한, 다양한 아크 현상이 발생할 수 있다. 하나의 현상은 두번째 현상 등으로 이어질 수 있고, 밀리-초로 시간 스케일로 시간 스케일이 커짐과 함께 그 이상의 동요를 유발할 수 있다.

실시간으로 아크 현상을 관찰하고 감지할 수 있다는 점에서 유리할 수 있다는 것을 확인할 수 있을 것이다. 아크 현상이 감지되면, 필요한 경우 예방정비(preventive maintenance, PM)를 위하여 가공 장치를 생산라인에서 제외시킬 수 있다. 아크 현상의 감지는 추가적인 웨이퍼 조각을 방지하기 위하여 수행된다. 따라서, 재료비 절감 및 제조 중인 전자기기의 추가적인 손상 방지라는 효과를 얻을 수 있다.

아크 현상 조사 목적의 연구는 정전식 탐침(랑뮈에(Langmuir) 탐침으로도 알려짐)과 같은 침투 IS 기술과 함께 및/또는 플라즈마 포텐셜(potential) 또는 전자 밀도와 같은 플라즈마 상태의 변화를 발견하기 위하여 가공 챔버 내부에 추가적인 전극을 배치함으로써 수행될 수 있다. 다만, 이러한 접근은 제조 환경에 비추어 현실적이지 않다.

플라즈마 아크의 순간적 특성을 고려할 때, 일반적인 OES 분광기 및 단색화장치(일반적으로 10Hz 데이타 생산 속도로 100ms의 통합시간을 가짐)와 같은 장시간(아크 시간 스케일에 비하여)통합 센서는 마이크로-아크 현상에 의하여 발생되는 플라즈마 섬광의 변동을 발견할 수 없다.

한편, 마그네틱 필드 발생부는 상기 RF 전원공부의 전원에 의해 발생되는 플라즈마의 발생구간 및 범위를 조절하기 위한 것이다. 즉, 마그네틱 필드 발생부는 RF 전원 발생부에 의해 방전 기준 전극의 원판 내에 발생되는 플라즈마 아크의 발생구간 및 범위를 조절하기 위한 것이다. 일반적으로, 마그네틱 필드 발생부는 금속 타켓의 종류에 따라서 서로 상이한 종류를 사용하게 되는 데, 즉, Ti 타켓과 같은 단원계의 경우와, 2개 이상의 금속 타켓을 사용하는 이원계의 경우에는 서로 다른 자기장이 필요함으로 발생되는 마그네틱 필드도 달라지게 된다. 본 발명에서는 하나의 마그네틱 필드 발생부를 사용하되, 금속타켓이 단원계의 경우와 이원계의 경우에 서로 다른 극성을 인가함으로써 동일한 하나의 마그네틱 필드 발생부를 사용하게 된다. 즉, Ti 타켓과 같이 단원계의 금속타켓을 사용하는 경우에는 (+) 극성을 인가하고, 이원계인 경우에는 (-) 극성을 인가하도록 극성을 조절함으로써 하나의 마그네틱 필드 발생부를 사용할 수 있는 것이다.

아울러, 본 발명에서는 아크 이온 발생부, 아크 이온에 발생되는 부분의 원판의 두께에 따라 인가되는 마그네틱 필드의 세기를 조절하여 적절한 아크가 발생되도록 한다. 원판의 두께가 두꺼울수록 마그네틱 필드의 세기를 세게 하고, 원판의 두께가 얇을수록 마그네틱 필드의 세기를 약하게 하여, 원판의 두께와 상관없이 적절한 최적의 아크 이온이 발생되도록 조절가능하다. 아크 발생부의 원판을 계속적으로 사용하면, 그 내부에서 발생된 플라즈마 아크에 의해서 그 두께가 점점 얇아지는 데, 그 이후에도 동일한 마그네틱 필드를 걸 경우에는 적절한 아크 발생 구간 및 범위를 조절하기 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에서는 마그네틱 필드 발생부에서 인가되는 마그네틱 필드의 세기를 조절하게 된다. 이는 원판의 두께에 따른 마그네틱 필드의 세기값을 미리 설정하고 제어부에 입력해 둔 후, 계속적인 사용으로 원판의 두께에 변화함에 따라 제어부에서 마그네틱 필드의 세기를 조절함으로써, 적절한 플라즈마 아크를 발생시키게 되는 것이다.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

1, 12: RF 전원 공급장치
2: 하부 전극
3: 기판
6: 상부전극
8: 기체 유입구
9: 배출관

Claims (1)

1. 나노 코팅 효율 향상을 위한 아크 이온 발생장치에 있어서,
   기판;
   상기 기판을 내부에 인입하여 상기 기판에 대한 나노 코팅을 수행하기 위한 진공챔버;
   상기 진공 챔버에 설치되는 방전 기준 전극;
   상기 방전 기준 전극에 대향하여 상기 챔버 내에 장착되며, 상기 방전 기준 전극과의 사이에 생성된 플라즈마 벌크에 기초하여 상기 기판의 표면에 하전 입자 및 라디칼을 공급하기 위한 적어도 하나의 방전 전극;
   상기 방전 기준 전극과 상기 방전 전극 사이에 방전을 발생시키기 위해 전원을 인가하여 RF 전원공급부; 및
   상기 RF 전원공부의 전원에 의해 발생되는 플라즈마의 발생구간 및 범위를 조절하기 위한 마그네틱 필드 발생부를 포함하되,
   상기 마그네틱 필드 발생부는 타켓의 종류에 따라 타켓이 단원계인 경우에는 (+) 극성을 인가하고, 이원계인 경우에는 (-) 극성을 인가하도록 극성을 조절가능하며,
   아크이온 발생부의 원판의 두께에 따라서 상기 마그네틱 필드에 인가되는 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 아크 이온 발생 장치.

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