KR20200102484A - 스퍼터링 방법 및 스퍼터링 장치 - Google Patents
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Abstract
성막 직후, 기판 표면에 부착되는 미세한 파티클의 수를 가급적으로 억제할 수 있는 스퍼터링 방법 및 스퍼터링 장치를 제공한다.
진공 챔버 (1) 내에 카본제 타겟(Tg)과 성막 대상물(Wf)을 설치하고 진공펌프(Vp)로 진공 챔버 내를 소정 압력으로 진공 배기한 후, 진공 챔버 내에 스퍼터 가스를 도입하고 타겟에 전력 투입하여 플라즈마 분위기를 형성하고, 플라즈마의 스퍼터 가스 이온으로 타겟을 스퍼터링함으로써 타겟으로부터 비산하는 카본 입자를 성막 대상물 표면에 부착, 퇴적시켜 카본막을 성막하는 본 발명 스퍼터링 방법은 적어도 타겟이 플라즈마로부터 복사열을 받는 동안 제 1 냉매와의 열 교환으로 타겟을 냉각하여 제 1 냉매의 온도를 263K 이하의 온도로 유지되도록 제 1 냉매의 온도를 제어한다.
진공 챔버 (1) 내에 카본제 타겟(Tg)과 성막 대상물(Wf)을 설치하고 진공펌프(Vp)로 진공 챔버 내를 소정 압력으로 진공 배기한 후, 진공 챔버 내에 스퍼터 가스를 도입하고 타겟에 전력 투입하여 플라즈마 분위기를 형성하고, 플라즈마의 스퍼터 가스 이온으로 타겟을 스퍼터링함으로써 타겟으로부터 비산하는 카본 입자를 성막 대상물 표면에 부착, 퇴적시켜 카본막을 성막하는 본 발명 스퍼터링 방법은 적어도 타겟이 플라즈마로부터 복사열을 받는 동안 제 1 냉매와의 열 교환으로 타겟을 냉각하여 제 1 냉매의 온도를 263K 이하의 온도로 유지되도록 제 1 냉매의 온도를 제어한다.
Description
본 발명은 성막 대상물 표면에 카본막을 성막하는 스퍼터링 방법 및 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
종래, 불휘발성 메모리 등 디바이스의 전극막으로 카본막을 이용하는 경우가 있다. 이러한 카본막의 성막에는 카본제의 타겟을 이용하는 스퍼터링 장치가 일반적으로 이용되고 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 이러한 종류의 스퍼터링 장치는 일반적으로 카본제의 타겟을 가진 진공 챔버와 진공 챔버 내에서 타겟에 대향 배치되는 자세로 성막 대상물로서 기판을 유지하는 스테이지와 타겟과 스테이지 사이의 공간을 둘러싸는 방착판과 진공 분위기의 진공 챔버 내에 희가스를 포함한 스퍼터 가스를 도입하는 가스 도입 수단과 타겟에 전력 투입하는 전원을 구비한다.
상기 스퍼터링 장치로 카본막을 성막할 때에는 스테이지에 기판을 설치하고 진공 펌프로 진공 챔버 내를 소정의 압력으로 진공 배기한 후, 가스 도입 수단으로 스퍼터 가스를 소정의 유량으로 도입하고, 타겟에 전력을 투입하여 진공 챔버 내에 플라즈마 분위기를 형성하고 플라즈마의 스퍼터 가스 이온으로 타겟을 스퍼터링함으로써, 타겟에서 비산하는 카본 입자를 성막 대상물 표면에 부착, 퇴적시켜 카본막이 성막된다. 타겟을 스퍼터링하는 동안 타겟이 플라즈마로부터 복사열로 가열되기 때문에 적어도 타겟에 전력 투입하고 있는 동안, 냉매와의 열 교환으로 타겟이 소정온도 이하로 냉각된다.
그런데, 카본제의 타겟을 스퍼터링하여 기판 표면에 성막하면, 성막 직후의 기판 표면에 미세한 파티클(particle)이 부착되는 일이 있다. 이러한 파티클의 부착은 제품 수율을 저하시키는 요인이 되므로 성막 대상물의 표면에 대한 파티클의 부착을 가급적 억제할 필요가 있다.
여기서 본 발명자들은 연구를 거듭하여 미세한 파티클이 진공 챔버 내에 떠다니는 카본 입자이고 이러한 카본 입자(타겟의 스퍼터링에 의해 스퍼터면에서 비산하는 것과는 다르다)가 성막 중 이거나 성막 직후의 타겟 표면에서도 방출되어 진공 챔버 내에 떠다니는 것을 발견하게 되었다. 즉, 카본제의 타겟으로는 파이로 카본 타겟(pyrocarbon target)이나 아몰퍼스 카본 타겟이 이용되는데 특히, 파이로 카본 타겟은 적층 구조를 가지므로 적층 방향의 열전도는 좋지만 이 적층 방향에 직교하는 타겟의 면방향 열전도가 매우 나쁘다. 이 때문에, 예를 들어, 타겟이 플라즈마로부터 복사열로 가열되어 열팽창 했을 때의 차이로 타겟에서 방출되고 있다고 추측된다. 이 경우, 스퍼터링 시의 투입 전력을 낮게(즉, 성막 중의 타겟 표면 온도를 낮게) 하면 할수록 성막 직후의 성막 대상물 표면에 부착하는 미세한 파티클의 양이 감소하는 것을 확인할 수 있었지만, 이것으로는 생산성이 저하되는 문제가 생긴다.
본 발명은 이상의 식견을 바탕으로 이루어진 것이며 성막 직후의 기판 표면에 부착되는 미세한 파티클의 수를 가급적 억제할 수 있는 스퍼터링 방법 및 스퍼터링 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 진공 챔버 내에 카본제 타겟과 성막 대상물을 설치하고 진공 펌프로 진공 챔버 내를 소정 압력으로 진공 배기한 후, 진공 챔버 내에 스퍼터 가스를 도입하고 타겟에 전력 투입하여 플라즈마 분위기를 형성하고 플라즈마의 스퍼터 가스 이온으로 타겟을 스퍼터링함으로써 타겟으로부터 비산하는 카본 입자를 성막 대상물 표면에 부착, 퇴적시켜 카본막을 성막하는 스퍼터링 방법이며, 적어도 타겟이 플라즈마로부터 복사열을 받는 동안 제 1 냉매와의 열 교환으로 타겟을 냉각함에 있어서 제 1 냉매의 온도를 263K 이하의 온도로 유지되도록 상기 제 1 냉매의 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 적어도 타겟이 플라즈마로부터 복사열을 받는 동안 제 1 냉매의 온도를 263K이하의 온도로 유지하면 타겟의 투입 전력을 특별히 저하시키지 않고 성막 직후의 성막 대상물로서 기판 표면에 부착하는 미세한 파티클의 수를 가급적 억제할 수 있으며 카본제의 타겟으로 파이로 카본 타겟을 이용할 때 특히 유효하다는 것이 확인되었다. 또한, 제 1 냉매의 온도가 263K보다 높으면 성막 직후의 기판 표면에 부착하는 미세한 파티클의 수를 효과적으로 억제할 수 없다. 한편, 제 1 냉매의 온도를 263K보다 낮은 온도로 하더라도 성막 직후의 기판 표면에 부착되는 미세한 파티클의 수는 거의 변화하지 않음이 실험으로 확인됐다.
여기에서, 스퍼터링 장치에 따라서는 카본제 타겟의 뒷면에 냉매를 순환시켜 스퍼터링 시에 타겟을 직접 냉각하거나 카본제 타겟을 미리 백킹 플레이트에 접합하여 백킹 플레이트에 냉매를 순환시켜 타겟을 간접 냉각하는 것이 있지만, 어느 경우든 스퍼터링 시(플라즈마로부터 복사열로 가열될 때) 이외에는 타겟 표면 온도가 제 1 냉매의 온도와 동등해진다. 그리고, 스퍼터링 시 (플라즈마로부터 복사열을 받았을 때)에는 타겟의 표면 온도가 제 1 냉매의 온도에 대략 비례하는 소정 온도로 대략적으로 유지되기 때문에 상기 제 1 냉매의 온도를 제어하면 플라즈마로부터 복사열에 의한 타겟의 열팽창에 기인한 타겟 표면에서 카본 미립자의 진공 챔버 내로의 방출이 가급적 억제된다. 또한, 스퍼터링 시 이외(특히, 여러 장의 기판에 대비하여 성막 처리할 때의 기판 교환 중)에도 제 1 냉매를 공급하여 타겟을 냉각시켜 놓으면 성막 직후(타겟으로 전력 투입을 정지한 직후)에 진공 챔버 내에서 떠다니는 카본 입자를 타겟으로 흡착 유지시킬 수도 있어 유리하다.
그런데, 카본제의 타겟을 스퍼터링 했을 경우 타겟으로부터 비산하는 카본 입자는 성막 대상물 뿐만이 아니라 진공 챔버 내에 존재하는 애노드 링(anode ring)이나 방착판이라고 하는 각종 부품에도 부착, 퇴적한다. 그리고, 이 부착된 카본 입자가 어떤 원인으로 재 이탈하여 진공 챔버 내에 떠다닐 수 있다. 이러한 카본 입자 또한 미세한 파티클이 되어 성막 직후의 기판 표면에 부착될 수 있으므로 이를 가급적 억제할 필요가 있다. 여기서, 진공 챔버 내에 제 2 냉매에 의해 냉각되는 냉각체를 배치하고 이 냉각체로 진공 챔버 내에서 떠다니는 카본 입자를 흡착체에 흡착시켜 진공 챔버 내에서 떠다니는 카본 입자의 수를 줄일 것을 제안한다. 그러나, 상기와 같이 제 1 냉매와의 열 교환으로 타겟을 냉각하는 경우 냉각체의 온도, 나아가 제 2 냉매의 온도에 따라서는 오히려 성막 직후의 기판 표면에 부착하는 미세한 파티클의 수가 많아지는 것이 판명되었다.
본 발명에서는 제 2 냉매의 온도를 123K~325K의 온도로 유지하거나 또는 타겟에 공급하는 제 1 냉매의 냉매 온도와 냉각체에 공급하는 제 2 냉매의 냉매 온도의 합이 370K~590K의 범위 내의 온도가 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 성막 직후 기판 표면에 부착되는 미세한 파티클의 수를 더욱 억제할 수 있다. 또한, 상기 냉각체를 서로 대향 배치된 상기 타겟과 상기 성막 대상물 사이의 공간을 둘러싸는 방착판에 그 공간 외측에서 근접 배치된 냉각 패널로 하면 된다. 그리고, 제 1 냉매와 제 2 냉매 간의 냉매온도의 합이 370K보다 낮거나 또는 590K보다 높아지면 오히려 성막 직후의 기판 표면에 부착되는 미세한 파티클의 수가 많아지는 것이 실험으로 확인되었다. 또한, 제 2 냉매의 온도가 123K보다 낮거나 또는 325K보다 높은 경우에도 마찬가지로 오히려 성막 직후의 기판 표면에 부착되는 미세한 파티클의 수가 많아지는 것이 실험으로 확인됐다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 카본제의 타겟을 가진 진공 챔버와 진공 챔버 내에서 타겟에 대향 배치되는 자세로 성막 대상물을 유지하는 스테이지와 타겟과 스테이지 사이의 공간을 둘러싼 방착판과 진공 분위기의 진공 챔버 내에 스퍼터 가스를 도입하는 가스 도입 수단과 타겟에 전력 투입하는 전원을 갖춘 스퍼터링 장치에 있어서, 적어도 타겟이 플라즈마로부터 복사열을 받는 동안 제 1 냉매와의 열 교환으로 타겟이 소정의 온도로 유지되도록 이 제 1 냉매를 공급하는 제 1 냉매 공급 수단을 더욱 구비하는 것에 있어서 상기 제 1 냉매 공급 수단은 263K 이하의 온도로 유지되도록 하기 위해서 상기 제 1 냉매의 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 상기 방착판에 상기 공간의 외측에서 근접 배치되는 냉각 패널과 이 냉각 패널에 제 2 냉매를 공급하는 제 2 냉매 공급 수단을 더욱 구비하여 상기 제 2 냉매 공급 수단은 123K~325K의 범위 내의 온도가 되도록 상기 제 2 냉매의 온도를 제어하는 것이 바람직하며, 제 1 냉매의 냉매 온도와 제 2 냉매의 냉매 온도의 합이 370K~590K 범위 내의 온도가 되도록 온도 조정하는 온도 조절 수단을 가지는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명 실시 형태의 스퍼터링 장치를 나타내는 모식적 단면도.
도 2는 본 발명의 효과를 확인하는 실험 결과를 나타내는 그래프.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 효과를 확인하는 실험 결과를 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명의 효과를 확인하는 실험 결과를 나타내는 그래프.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 효과를 확인하는 실험 결과를 나타내는 그래프.
이하, 도면을 참조하여 성막 대상물을 실리콘 웨이퍼(이하, 「기판(Wf)」이라 한다), 카본제의 타겟을 파이로 카본 타겟(이하, 「타겟(Tg)」이라고 한다)이라고 하고, 타겟(Tg)이 백킹 플레이트(Bp)에 접합된 상태에서 진공 챔버의 상부에 부착하는 경우를 예로 본 발명의 스퍼터링 방법 및 스퍼터링 장치의 실시 형태를 설명한다.
도 1을 참조하여, SM은 본 실시 형태의 마그네트론 방식의 스퍼터링 장치이다. 스퍼터링 장치(SM)는 진공 챔버(1)를 구비하고 진공 챔버(1)의 상부에 캐소드 유닛(Cu)이 착탈 가능하게 부착된다. 캐소드 유닛(Cu)은 타겟(Tg)과 이 타겟(Tg)의 위쪽에 배치되어 타겟(Tg)을 관통하는 누설 자장을 작용시키는 자석 유닛(Mu)을 가진다. 타겟(Tg)는 공지된 방법에 따라 적층 구조로 형성된 것이며 기판(Wf)의 윤곽에 따라 원형의 윤곽을 갖는 것이다. 또한, 타겟(Tg)은 내부에 냉매 순환 통로(Bp1)가 형성된 구리 등의 열전도가 뛰어난 금속제 백킹 플레이트(Bp)의 하면에 공지된 본딩제를 통하여 접합되며 이 상태에서 스퍼터면(Tg1)을 아래쪽으로 하여 진공 챔버(1)의 상벽에 설치한 절연체(11)를 통해 진공 챔버(1)의 상부에 장착된다.
백킹 플레이트(Bp)의 냉매 순환 통로(Bp1)의 유입구 및 유출구(도시하지 않음)에는 제 1 냉매 공급 수단으로서의 제 1 칠러 유닛(Cr1)으로부터 배관(12)이 접속되어 타겟(Tg)을 스퍼터링하여 기판(Wf) 표면에 성막할 때나 타겟(Tg)의 스퍼터링을 정지하여 성막하려는 기판(Wf)을 교환할 때, 백킹 플레이트(Bp)의 냉매 순환 통로(Bp1)에 냉매를 순환시켜 타겟(Tg)을 소정 온도로 냉각할 수 있도록 한다. 냉매는 대기압에서 액상이라면 특별히 제한이 없으며 에틸렌글리콜 등의 알코올류나 불소계 불활성 액체가 이용된다. 칠러 유닛(Cr1)은 공지된 것을 이용할 수 있으며, 본 실시 형태에서는 냉매 순환 통로(Bp1)의 유입구에서 263K 이하로 제 1 냉매의 온도가 유지되도록 하고 있다. 이 경우, 제 1 냉매의 온도가 263K보다 높으면 성막 직후의 기판 표면에 부착되는 미세한 파티클의 수를 효과적으로 억제하지 못할 우려가 있는 반면, 제 1 냉매의 온도를 263K보다 낮은 온도로 하더라도 성막 직후의 기판 표면에 부착하는 미세한 파티클 수는 거의 변하지 않는다.
백킹 플레이트(Bp)에는 스퍼터 전원(Ps)이 접속되어 스퍼터링에 의한 성막 시, 백킹 플레이트(Bp)을 통해 타겟(Tg)에 마이너스 전위를 가진 직류 전력이 투입될 수 있도록 하고 있다. 또한, 타겟(Tg)의 위쪽에 배치되는 자석 유닛(Mu)은 특별히 도시하여 설명하지 않지만 타겟(Tg)의 스퍼터면(Tg1) 측의 자극이 다른 여러 개의 자석편(Mg)을 구비하고 타겟(Tg)의 아래 공간에 누설 자장을 작용시키는 폐쇄 자기장 또는 커스프 자기장 구조이다. 또한, 자석 유닛(Mu) 자체로서는 공지된 것을 이용할 수 있기 때문에 그 회전 기구 등을 포함하여 더 이상의 설명은 생략한다.
또한, 진공 챔버(1)의 바닥 중앙에는 타겟(Tg)에 대향시켜 스테이지(2)가 다른 절연체(13)를 통해 배치되어 있다. 스테이지(2)는 특별히 도시해 설명하지 않지만 예를 들어, 통 형상의 윤곽을 갖는 금속제 기대(base)와 그 기대의 상면에 접착되는 척 플레이트로 구성되어 성막 중에 기판(Wf)을 흡착 유지할 수 있도록 하고 있다. 또한, 정전 척의 구조에 대해서는 단극형이나 쌍극형 등으로 공지된 것을 이용할 수 있으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다. 이 경우, 기대에 냉매 순환용 통로나 히터를 내장하여 성막 중, 기판(Wf)을 소정의 온도로 제어할 수 있도록 해도 된다.
진공 챔버(1) 안에는 그 내측 벽에서 간격을 두고 타겟(Tg)과 스테이지(2) 사이의 성막 공간(14)을 둘러싸는 방착판(3)이 설치되어 있다. 방착판(3)은 타겟(Tg)의 주위를 둘러싸고 또한, 거기에서 진공 챔버(1)의 아래쪽으로 뻗는 통 형상의 하판부(32)를 가지며 상판부(31)의 하단과 하판부(32)의 상단을 둘레 방향에서 틈새를 두고 오버랩 하도록 되어 있다. 또한, 상판부(31) 및 하판부 (32)는 일체에 형성되어 있어도 되며, 둘레 방향에 복수 부분으로 분할해서 조합하도록 해도 된다.
진공 챔버(1)에는 아르곤 가스등의 희가스(필요에 따라서 적절히 도입되는 산소 가스나 질소 가스 등의 반응 가스도 포함한다)인 스퍼터 가스를 도입하는 가스 도입 수단(4)이 설치되어 있다. 가스 도입 수단(4)은 상판부(31)의 바깥 둘레에 설치된 가스링(41)과 가스링(41)에 접속된 진공 챔버(1)의 측벽을 관통하는 가스관(42)를 가지며 가스관(42)이 질량유량 제어기(43)를 통해 도시 생략된 가스원에 연통하고 있다. 가스링(41)에는 원주 방향으로 등간격으로 천공된 가스 분사구(41a)에서 동등 유량으로 스퍼터 가스가 분사되도록 하고 있다. 그리고, 가스 분사구(41a)에서 분사된 스퍼터 가스는 상판부(31)에 형성된 가스공(31a)에서 타겟(Tg)와 스테이지(2)와 방착판(3)으로 구획되는 성막 공간(14) 내에 소정의 유량으로 도입되어 성막 중, 성막 공간(14) 내의 압력 분포를 그 전체에 걸쳐 동등하게 할 수 있도록 한다.
진공 챔버(1)는 타겟(Tg) 중심을 지나는 중심선(Cl)에 대해 직교하는 방향으로 국소적으로 팽창시킨 배기 공간부(5)가 설치되어, 이 배기 공간부(5)를 구획하는 밑 벽면에는 배기구(51)가 개설되어, 배기구(51)에 배기관(Ep)을 통해 크라이오 펌프와 터보 분자 펌프 등 진공펌프(Vp)가 접속된다. 그리고, 성막 시, 성막 공간(14)에 도입된 스퍼터 가스의 일부는 배기 가스가 되어 방착판(3)의 이음새와, 방착판(3)과 타겟(Tg)과 스테이지(2)의 틈새에서 방착판(3)의 외표면과 진공 챔버(1)의 내벽면 사이의 틈새를 지나 진공 챔버(1)과 배기 공간부(5)의 경계의 배기가스 유입구(15)에서 배기 공간부(5)로 흘러 배기구(51)를 통해 진공 펌프(Vp)로 진공 배기된다. 이때, 성막 공간(14)과 배기 공간부(5) 사이에는 수 Pa 정도의 압력 차가 생긴다.
성막 공간(14)과 배기 공간부(5)의 경계에 위치시켜 진공 챔버(1) 내에는 냉각 패널(6)이 설치되어 있다. 냉각 패널(6)은 구리 등의 열전도가 뛰어난 금속제로 그 내부에 냉매 순환 통로(61)가 형성된 것으로 그 패널면(62)이 하판부(32)와 동등한 곡률을 갖도록 만곡되어 간격을 두고 하판부(32)에 대향하도록 설치되었다. 냉각 패널(6)의 냉매 순환 통로(61)의 유입구 및 유출구(도시하지 않음)에는 제 2 냉매 공급 수단인 제 2 칠러 유닛(Cr2)으로부터 배관(16)이 접속되어 타겟(Tg)을 스퍼터링하여 기판(Wf) 표면에 성막할 때나 타겟(Tg)의 스퍼터링을 정지하고 성막하고자 하는 기판(Wf)을 교환할 때, 냉매 순환 통로(61)에 제 2 냉매를 순환시켜 냉각 패널(6), 나아가서는 방착판(3)을 소정 온도로 냉각시킬 수 있도록 한다. 본 실시 형태에서는 냉각 패널(6)에서 냉각되는 방착판(3)이 진공 챔버(1)내에 배치되는 냉각체를 구성한다. 냉매로는 상기와 마찬가지로 대기압에서 액상이라면 특별히 제한이 없으며 에틸렌글리콜 등의 알코올류나 불소계 불활성 액체가 이용된다. 제 2 칠러 유닛(Cr2)은 공지된 것을 이용할 수 있으며, 본 실시 형태에서는 냉매 순환 통로(61)의 유입구에서 50K~350K 범위의 온도에 제 2 냉매의 온도가 유지되도록 하고 제 1 냉매와 제 2 냉매의 온도의 합이 370K~590K 범위의 온도로 제어되도록 한다. 또한, 본 실시 형태에서는 냉각 패널(6)이 하판부 (32) 부분에 대향하도록 배치한 것을 예로 설명했는데, 스퍼터링 중이나 그 전후에 방착판(3)을 그 전체에 걸쳐 소정 온도로 유지할 수 있다면 그 형태는 불문한다.
또한, 스퍼터링 장치(SM)는 마이크로컴퓨터, 기억소자나 시퀀서 등을 갖춘 공지된 구조의 제어 컨트롤러(Co)를 구비하고 이 제어 컨트롤러(Co)가 진공펌프(Vp), 가스 도입 수단(4)의 질량 유량 제어기(43)나 스퍼터 전원(Ps) 등의 스퍼터링에 의한 성막 시, 각 부품의 제어 등을 통괄하여 실시한다. 본 실시 형태에서는, 제어 컨트롤러(Co)가 제 1 냉매와 제 2 냉매의 온도의 합이 370K~590K 범위의 온도로 제어되도록 제 1 및 제 2의 양쪽 칠러 유닛(Cr1, Cr2)의 작동도 제어하는 온도 조절 수단을 겸용한다. 이하에, 상기 스퍼터링 장치(SM)로 기판(Wf)에 카본막을 성막하는 경우를 예로, 본 발명의 스퍼터링 방법을 구체적으로 설명한다.
우선, 도면 외의 진공 이송 로봇으로 스테이지(2) 상에 기판(Wf)을 반송하여 스테이지(2)의 척 플레이트로 기판(Wf)을 흡착 유지하여 설치한다(기판(Wf)의 상면이 성막면이 된다). 이때, 제어 컨트롤러(Co)가 타겟(Tg)으로의 제 1 냉매 공급 온도가 263K 이하의 소정 온도로 또한, 제 1 냉매와 제 2 냉매와의 온도의 합이 370K~590K 범위의 온도로 제어되도록 제 1 및 제 2의 양쪽 칠러 유닛(Cr1, Cr2)으로 제 1 냉매와 제 2 냉매를 각각 순환시킨다. 그리고, 진공 챔버(1)내가 소정 압력(예를 들어, 1×10-５Pa)까지 진공 배기되면 가스 도입 수단(4)을 통해 스퍼터 가스(아르곤 가스)를 소정 유량으로 도입하여 스퍼터 전원(Ps)으로 타겟(Tg)에 마이너스 전위를 갖는 소정 전력(0.5 ~ 10kW)을 투입한다. 이로 인해, 성막 공간(14)내에 플라즈마 분위기를 형성시켜 플라즈마의 스퍼터 가스의 이온으로 타겟(Tg)이 스퍼터링되고 타겟(Tg)으로부터 스퍼터 입자가 기판(Wf)의 성막면에 부착, 퇴적되어 카본막이 성막된다.
여기서, 스퍼터링 개시 전에는 타겟(Tg)의 표면 온도가 제 1 냉매의 온도와 동등해지고 냉각 패널(6)의 패널면(62)이 제 2 냉매의 온도와 동등해진다. 그리고, 스퍼터링 시 (플라즈마로부터 복사열을 받았을 때)에는 플라즈마로부터 복사열로 가열되는데 타겟(Tg)의 표면 온도가 제 1 냉매의 온도, 방착판(3)의 표면 온도가 제 2 냉매의 온도에 각각 대략적으로 비례하는 소정 온도로 유지된다. 기판(Wf)에 대한 카본막의 성막이 종료되면 스퍼터 가스의 도입 및 타겟(Tg)으로의 전력 투입이 일단 정지된다. 그리고, 스테이지(2)에서 성막이 끝난 기판(Wf)이 회수되어 다음 기판(Wf)이 스테이지(2)로 이송되며 상기 절차에 따라 성막이 이루어진다. 이러한 기판(Wf) 교환 시, 제어 컨트롤러(Co)는 제 1 및 제 2의 양쪽 칠러 유닛(Cr1, Cr2)에 의한 제 1 냉매와 제 2 냉매와의 순환을 정지시키지 않는다. 이 때문에 다음 기판(Wf)으로의 스퍼터링 개시 전에는 타겟(Tg)의 표면 온도가 제 1 냉매의 온도와 동등해지고 냉각 패널(6)의 패널면(62)이 제 2 냉매의 온도와 동등해진다.
상기 실시 형태에 의하면 적어도 타겟(Tg)이 플라즈마로부터 복사열을 받는 동안 제 1 냉매의 온도를 263K 이하의 온도로 유지하면 타겟(Tg)에 대한 투입 전력을 특별히 저하시키지 않고 성막 직후의 기판(Wf) 표면에 부착되는 미세한 파티클 수를 가급적 억제할 수 있으며, 카본제의 타겟(Tg)으로 파이로 카본 타겟을 이용할 때 특히 효과적이다. 게다가, 타겟(Tg)에 공급하는 제 1 냉매의 냉매 온도와 냉각 패널(6)에 공급하는 제 2 냉매의 냉매 온도의 합이 370K~590K의 범위 내의 온도가 되도록 제어하기 때문에 성막 직후의 기판(Wf) 표면에 부착하는 미세한 파티클의 수를 더욱 억제할 수 있다.
상기 효과를 확인하기 위해, 상기 스퍼터링 장치(SM)를 이용해 다음의 실험을 실시했다. 즉, 기판(Wf)을 직경 300mm의 실리콘 웨이퍼, 타겟(2)을 φ400mm의 카본으로 하고 상기 스퍼터링 장치(SM)를 이용해 기판(Wf)에 카본막을 성막했다. 스퍼터 조건으로 타겟(Tg)과 기판(Wf) 간의 거리를 60mm, 스퍼터 전원 (Ps)에 의한 투입 전력을 2kW, 스퍼터 시간을 60sec로 설정했다. 또한, 스퍼터 가스로 아르곤 가스를 이용하여 스퍼터링 중, 스퍼터 가스의 분압을 0.1 Pa로 했다. 그리고, 타겟에 전력 투입하는 동안(즉, 타겟(Tg)이 플라즈마로부터 복사열을 받는 동안) 백킹 플레이트(Bp)에 공급하는 제 1 냉매의 온도를 291K(일반 스퍼터링 장치에서 백킹 플레이트에 냉각수를 공급하는 경우의 온도: 18℃), 273K, 263K 및 243K로 각각 설정하고 성막 후에 기판(Wf)에 부착되어 있는 파티클 수를 측정했다. 파티클 수는 공지된 파티클 카운터를 이용해 측정했다. 또한, 본 실험에서는 냉각 패널(6)에 대한 제 2 냉매의 공급을 정지한 채로 한다.
도 2는 제 1 냉매의 온도에 대한 파티클 수의 변화를 나타내는 그래프이며, 도 2에서 -◆-가 0.061㎛ 이상, -■-가 0.079㎛ 이상, -▲-가 0.200㎛ 이상 및 -×-가 1.000㎛ 이상인 크기를 나타낸다. 이에 따르면, 제 1 냉매의 온도를 263K 이하로 하면 사이즈에 관계없이 파티클의 수를 적게 억제할 수 있다는 것을 알 수 있다.
다음으로, 상기 스퍼터링 장치(SM)를 이용하여 상기와 동일한 스퍼터 조건으로 카본막을 성막했다. 본 실험에서는 제 1 냉매의 온도를 263K로 고정하고 제 2 냉매의 온도를 50K~350K 범위의 소정 온도에서 적절히 변경했다. 또한, 비교 실험으로 제 1 냉매의 온도를 291K로 고정하고, 마찬가지로 제 2 냉매의 온도를 50K~350K 범위의 소정 온도에서 적절히 변경했다.
도 3(a)은 제 2 냉매의 온도에 대한 0.79㎛ 이상의 파티클 수의 변화를 나타내는 그래프이며 도 3(b)은 0.61㎛ 이상의 파티클 수의 변화를 나타내는 그래프이다. 도면 내 -○-가 제 1 냉매의 온도를 263K로 했을 경우, -●-가 제 1 냉매의 온도를 291K로 했을 경우이다. 이에 따르면, 스퍼터링 중 일반 스퍼터링 장치로 사용되는 냉각수의 온도(291K)보다 매우 낮은 온도(263K)의 냉매를 공급해 타겟(Tg)을 냉각하는 편이 파티클 수를 줄일 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 제 1 냉매의 온도가 263K 및 291K의 어느 경우라도 제 2 냉매의 온도가 소정의 범위(120k~325k의 범위)를 벗어나면 성막 후의 기판(Wf)에 부착되는 파티클 수가 증가하고 특히, 사이즈가 작은 파티클 수가 극단적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 관하여 설명하였는데 본 발명은 상기에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절한 변형이 가능하다. 상기 실시 형태에서는 배기 가스에 포함되는 카본 입자도 흡착할 수 있도록 배기 공간부(5)의 배기 가스 유입구(15)에 설치한 냉각 패널(6)에 의해 냉각체를 구성하는 것을 예로 설명하였는데, 진공 챔버(1) 내에 위치하여 제 2 냉매로 소정 온도에 냉각됨으로써 진공 챔버 내에서 떠다니는 카본 입자를 흡착체에 흡착, 유지할 수 있다면 그 형상(즉 패널 형상으로 형성되어 있을 필요는 없다)이나 배치 위치는 상기의 것으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 방착판(3)을 냉각체로 했을 경우 이 방착판에서 기판(Wf)이 방사 냉각되지 않도록 기판(Wf)과 방착판(3) 사이의 간격을 10mm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Co… 제어 컨트롤러(온도 조절 수단), Cr1… 제 1 칠러 유닛(chiller unit)(제 1 냉매 공급 수단), Cr2… 제 2 칠러 유닛(제 2 냉매 공급 수단), SM… 스퍼터링 장치, Tg… 타겟, Vp… 진공 펌프, Wf… 기판(성막 대상물), 1… 진공 챔버, 3… 방착판, 4… 가스 도입 수단, 6… 냉각 패널(냉각체)
Claims (7)
- 진공 챔버 내에 카본제 타겟과 성막 대상물을 설치하고 진공 펌프를 통해 진공 챔버 내를 소정 압력으로 진공 배기한 후, 진공 챔버 내에 스퍼터 가스를 도입하고 타겟에 전력을 투입하여 플라즈마 분위기를 형성하고, 플라즈마의 스퍼터 가스 이온으로 타겟을 스퍼터링 함으로써 타겟으로부터 비산하는 카본 입자를 성막 대상물 표면에 부착, 퇴적시켜 카본막을 성막하는 스퍼터링 방법에 있어서, 적어도 타겟이 플라즈마로부터 복사열을 받는 동안 제 1 냉매와의 열 교환으로 타겟을 냉각하는 것에 있어서,
제 1 냉매의 온도를 263K 이하의 온도로 유지되도록 상기 제 1 냉매의 온도를 제어하는 것을 특징으로하는, 스퍼터링 방법. - 청구항 1에 있어서, 진공 챔버 내에 제 2 냉매에 의해 냉각되는 냉각체가 배치되는 것에 있어서,
제 2 냉매의 온도를 123K~325K의 온도로 유지되도록 상기 제 2 냉매의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 스퍼터링 방법. - 청구항 1에 있어서, 진공 챔버 내에 제 2 냉매에 의해 냉각되는 냉각체가 배치되는 것에 있어서,
제 1 냉매의 냉매 온도와 제 2 냉매의 냉매 온도와의 합이 370K~590K의 범위 내의 온도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 스퍼터링 방법. - 청구항 2 또는 3에 있어서, 상기 냉각체를 서로 대향 배치된 상기 타겟과 상기 성막 대상물 사이의 공간을 둘러싸는 방착판에 그 공간의 외측에서 근접 배치되어 이 방착판을 방사 냉각시키는 냉각 패널로 한 것을 특징으로 하는, 스퍼터링 방법.
- 카본제 타겟을 가진 진공 챔버와, 진공 챔버 내에서 타겟에 대향 배치되는 자세로 성막 대상물을 유지하는 스테이지와 타겟과 스테이지 사이의 공간을 둘러싼 방착판과 진공 분위기의 진공 챔버 내에 스퍼터 가스를 도입하는 가스 도입 수단과, 타겟에 전력 투입하는 전원을 갖춘 스퍼터링 장치에 있어서, 적어도 타겟이 플라즈마로부터 복사열을 받는 동안 제 1 냉매와의 열 교환으로 타겟이 소정의 온도로 유지되도록 이 제 1 냉매를 공급하는 제 1 냉매 공급 수단을 더욱 구비하는 것에 있어서,
상기 제 1 냉매 공급 수단은 263K 이하의 온도로 유지되도록 상기 제 1 냉매의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 스퍼터링 장치. - 청구항 5에 있어서,
상기 방착판에 상기 공간의 외측에서 근접 배치된 냉각 패널과 이 냉각 패널에 제 2 냉매를 공급하는 제 2 냉매 공급수단을 더욱 구비하고,
상기 제 2 냉매 공급 수단은 123K~325K 범위 내의 온도가 되도록 상기 제 2 냉매의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 스퍼터링 장치. - 청구항 5에 있어서,
상기 방착판에 상기 공간의 외측에 근접 배치된 냉각 패널과 이 냉각 패널에 제 2 냉매를 공급하는 제 2 냉매 공급 수단을 더욱 구비하고,
제 1 냉매의 냉매 온도와 제 2 냉매의 냉매 온도와의 합이 370K~590K의 범위 내의 온도가 되도록 온도 조정하는 온도 조절 수단을 가진 것을 특징으로 하는, 스퍼터링 장치.
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