KR101231669B1 - 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법 - Google Patents

스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법 Download PDF

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가부시키가이샤 알박
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Abstract

타깃 상에 비침식(非侵食) 영역이 남지않고, 또한 반응성 스퍼터링을 행하는 경우에는, 균일한 막질(膜質)의 막을 형성할 수 있는 스퍼터링 장치를 제공한다.
본 발명의 스퍼터링 장치(2)는, 진공 챔버(21) 내에 소정의 간격을 두고 병렬설치한 3매 이상의 타깃(241)과, 각 타깃(241)에 대하여 부전위(負電位) 및 정전위(正電位) 또는 접지전위를 번갈아 인가하는 교류전원(E1 ~ E3)을 구비하고, 교류전원(E1 ~ E3)으로부터의 출력 중 적어도 하나를 분기하여 2매 이상의 타깃(241)에 접속하고, 이 분기한 출력에 접속된 각 타깃(241) 사이에, 교류전원으로부터 전위가 인가되는 타깃을 전환하는 전환수단으로서의 스위치(SW1 ~ SW3)를 마련한 것을 특징으로 한다.
Figure R1020060069714
스퍼터링, 진공 챔버, 타깃, 교류전원, 스위치

Description

스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법{SPUTTERING APPARUTUS AND SPUTTERING METHOD}
도 1은 종래장치의 모식도,
도 2는 본 발명의 스퍼터링 장치의 개략 구성도,
도 3은 본 발명의 스퍼터링 장치에 있어서의 진공 챔버의 개략 구성도,
도 4의 (a), (b)는, 본 발명의 스퍼터링 장치에 있어서의 막 형성 과정의 모식도,
도 5는 자석 조립체를 평행이동시킬 경우의 타이밍 차트,
도 6의 (a), (b)는, 본 발명의 스퍼터링 장치의 다른 실시형태를 나타내는 모식도,
도 7은 적산(積算)전력에 대한 이상방전의 발생회수를 나타낸 그래프,
도 8의 (a)는 종래장치를 이용하여 막을 형성한 경우의 O2 가스의 유량과 비저항과의 관계를 나타내는 그래프이고, (b)는 본 발명의 스퍼터링 장치를 이용하여 막을 형성한 경우의 O2 가스의 유량과 비저항과의 관계를 나타내는 그래프이다.
<부호의 설명>
241a ~ 241f : 타깃(target) 242a ~ 242f : 전극
25 : 자석 조립체 270 : 구동축
271 : 볼 나사 E1 ~ E3 : 교류전원
SW1 ~ SW3 : 전환수단 S : 기판
본 발명은, 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법에 관한 것이다.
기판 상에 박막을 형성하는 경우, 막 형성(成膜) 속도가 빠른 등의 이점으로, 마그네트론 스퍼터링 방식이 잘 이용되고 있다. 마그네트론 스퍼터링 방식에서는, 타깃의 후방에 번갈아 극성을 바꾼 복수의 자석으로 구성되는 자석 조립체를 설치하고, 이 자석 조립체에 의해서 타깃의 전방에 자속을 형성하여 전자를 포착하는 것으로 타깃 전방에서의 전자 밀도를 높이고, 이들 전자와 진공 챔버 내에 도입되는 가스와의 충돌확률을 높여 플라즈마 밀도를 높게 하여 스퍼터링한다.
그런데, 최근 기판이 커짐에 따라 마그네트론 스퍼터링 장치도 대형화하고 있다. 이와 같은 것으로서, 복수의 타깃을 병렬설치하는 것으로 큰 면적의 기판에 대하여 막을 형성할 수 있는 스퍼터링 장치가 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1).
이 스퍼터링 장치에서는, 타깃 상호간에 타깃으로부터 튀어나온 2차 전자 등을 포착하기 위한 아노드나 실드 등의 구성부품을 마련하고 있기 때문에, 각 타깃을 근접하여 설치할 수 없고, 타깃 상호간의 간격이 넓어진다. 이들 타깃 상호간으로부터는 스퍼터링 입자가 방출되지 않기 때문에, 기판 표면 중 타깃 사이의 대 향되는 부분에서는 막 형성 속도가 극히 늦어지고, 막 두께의 면 내 균일성이 악화된다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 도 1에 도시된 바와 같은 스퍼터링 장치를 생각할 수 있다. 스퍼터링 장치(1)는, 그 진공 챔버(11) 내부에 소정의 간격을 비우고 병렬설치된 복수의 타깃(12a ~ 12d)과, 서로 인접한 타깃(12a와 12b, 12c와 12d)을 접속하는 2개의 교류전원(E)을 가지고 있다. 이 스퍼터링 장치(1)는, 1개의 교류전원이 접속된 타깃 중 한쪽을 캐소드, 다른 쪽을 아노드로 하여, 번갈아 스퍼터링하기 때문에, 타깃 상호간에 아노드 등의 구성부품을 마련할 필요가 없고, 타깃을 근접하여 배치할 수 있다.
(특허문헌 1) 일본 특표 2002-508447 호 공보(예컨대, 특허청구범위의 기재)
그렇지만, 타깃을 서로 근접하여 병렬설치하면, 인접한 타깃 끝부(端部)의 상부공간(121)에는 타깃으로부터 방출된 전자가 아노드에 유입됨으로써, 플라즈마(P)가 발생하지 않기 때문에, 타깃의 끝부는 스퍼터링 되지 않아, 비침식(非侵食) 영역으로 남아버린다. 이 경우에, 자속을 비침식 영역의 전방으로 평행이동시켜도, 타깃 끝부를 침식할 수 없어, 타깃 전체 면에 걸쳐 침식할 수 없기 때문에, 타깃의 이용 효율이 나쁘다. 또, 비침식 영역이 남으므로, 스퍼터링 중의 이상 방전이나 파티클의 원인이 되기도 한다.
또, 1개의 교류전원이 접속된 서로 인접하는 타깃 사이에서 플라즈마(P)가 발생하기 때문에, 플라즈마 밀도가 다른 공간에 비하여 낮은 공간(122)이 생긴다. 이 경우, 스퍼터링 장치(1)에 반응가스를 도입하여 반응성 스퍼터링을 행하면, 플라즈마 밀도가 낮은 부분에서는 반응이 촉진되지 않아, 기판(S) 면 내에서의 막질(膜質)이 균일하게 되지 않는다.
여기에서, 본 발명의 과제는, 상기 종래기술의 문제점을 해결하는 것으로서, 타깃 상에 비침식 영역이 남지 않고, 또한 반응성 스퍼터링을 행하는 경우에는, 균일한 막질의 막을 형성할 수 있는 스퍼터링 장치를 제공하고자 하는 것이다.
청구항 1에 의하면, 본 발명의 스퍼터링 장치는, 진공 챔버 내에 소정의 간격을 두고 병렬설치한 3매 이상의 타깃과, 각 타깃에 대하여 부전위(負電位) 및 정전위(正電位) 또는 접지전위를 번갈아 인가하는 교류전원을 구비하고, 교류전원으로부터의 출력 중 적어도 하나를 분기하여 2매 이상의 타깃에 접속하고, 이 분기한 출력에 접속된 각 타깃 사이에, 교류전원으로부터 전위가 인가되는 타깃을 전환하는 전환수단을 마련한 것을 특징으로 한다.
우선, 병렬설치된 타깃 중, 1개의 교류전원에 접속된 서로 인접하는 2매의 타깃 중 한쪽을 캐소드, 다른 쪽을 아노드로 하여, 이들 타깃 상에 플라즈마를 발생시켜 번갈아 스퍼터링하면, 인접하는 타깃 끝부의 위쪽에는 플라즈마가 발생하지 않기 때문에, 이 부분은 스퍼터링되지 않고, 비침식 영역으로 남는다.
다음에, 전환수단에 의해, 상술한 1개의 교류전원에 접속된 2매의 타깃 중 한쪽을, 분기한 출력에 접속된 다른 타깃, 예컨대 다른 쪽 타깃과 인접하지 않는 타깃으로 전환하면, 아노드와 캐소드 사이의 거리가 넓어져, 전자가 아노드에 유입 되지 않는다. 이것에 의해, 비침식 영역의 상부에도 플라즈마가 발생하여, 타깃 상에 남아있던 비침식 영역도 스퍼터링할 수 있으므로, 타깃 전체 면에 걸쳐서 침식할 수 있다.
또, 전환수단에 의해 교류전원으로부터 전위를 인가시킨 타깃이 전환되어 플라즈마의 발생위치를 변경시킴으로써, 플라즈마 밀도가 낮은 공간도 이동하므로, 막 형성시간 전체로 보면 플라즈마 밀도가 기판 전방에서 대략 균일하게 되고, 반응성 스퍼터링을 행할 경우, 막질이 균일한 막을 형성할 수 있다.
상기 스퍼터링 장치에, 각 타깃의 전방에 자속을 형성하도록 각 타깃의 후방에 배치된 복수의 자석으로 구성되는 자석 조립체와, 자속이 타깃에 대하여 평행이동되도록 이들 자석 조립체를 구동시키는 구동수단을 구비하면, 자석 조립체를 좌우로 평행이동시킴으로써, 타깃 전체 면을 대략 균일하게 침식할 수 있다.
또, 이 자석 조립체를 각 타깃 후방에 각각 배치하면, 각 자석이 서로 간섭하여 자장 밸런스가 흐트러지는 것도 생각할 수 있다. 이러한 경우에는, 각 자석 조립체에 의해서 형성되는 자속의 밀도를 대략 균일하게 하는 자속밀도 보정수단을 구비하는 것이 바람직하다.
청구항 4에 의하면, 진공 챔버 내에 소정의 간격을 두고 병렬설치된 3매 이상의 타깃에 대향하는 위치에 기판을 순차적으로 반송하고, 이들 타깃에 대하여 교류전원으로부터 부전위 및 정전위 또는 접지전위를 번갈아 인가할 때에, 교류전원으로부터의 출력 중 적어도 하나를 분기하여 접속시킨 2매 이상의 타깃 사이에서, 교류전원으로부터 전위를 인가하는 타깃의 전환을 행하여, 타깃 상에 플라즈마를 발생시켜 기판 상에 막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이 전환수단에 의한 타깃의 전환은, 막 형성 개시 후 일정 주기로 행하는 것이 바람직하다. 일정 주기로 행하면, 각 타깃에 접속하는 시간, 즉 각 플라즈마의 발생시간이 균일하게 되어, 비침식 영역이 타깃 상에 남아도 스퍼터링 하여 침식할 수 있다.
상기 교류전원의 출력을 분기하여 접속시킨 타깃이 2매인 경우에, 전환수단에 의한 전환을 홀수회 행하면, 각 타깃으로의 접속회수가 동일하게 되므로, 각 접속에 의해서 타깃 상에 남은 비침식 영역을 균등하게 침식하는 것이 가능하다.
상기 각 타깃의 전방에 자속을 형성하도록 각 타깃의 후방에 배치한 복수의 자석으로 구성되는 자석 조립체를 막 형성 중에 각 타깃에 평행하게 왕복운동시키는 경우에, 이 자석 조립체가 일방향으로 이동하는 사이에, 상기 전환수단에 의한 타깃의 전환을 1회 이상 행함으로써, 타깃 전체 면을 균일하게 스퍼터링 할 수 있다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
도 2에 의하면, 본 발명의 스퍼터링 장치(2)는, 매엽식(枚葉式)의 것으로, 대기 분위기의 웨이퍼 카세트(도시생략)로부터 기판(S)이 반송되어 쌓이는 로드 록 챔버(loadlock chamber)(20)와, 스퍼터링을 행하는 진공 챔버(21)와, 로드 록 챔버(20)와 진공 챔버(21)와의 사이에 마련된 트랜스퍼 챔버(22)를 구비하고 있다. 로드 록 챔버(20), 트랜스퍼 챔버(22) 및 진공 챔버(21)는 각각 게이트 밸브(gate valve)를 통하여 접속되어 있다. 로드 록 챔버(20), 진공 챔버(21) 및 트랜스퍼 챔버(22)에는, 도시하지 않았지만, 진공 펌프가 접속되어 있는 동시에, 그 진공도를 모니터하는 진공계가 배열설치되어 있다.
로드 록 챔버(20)에는, 기판(S)이 장착된 기판 홀더를 반송하는 반송 아암이 마련되어 있다. 이 반송 아암에 의해서 외부(웨이퍼 카세트)로부터, 기판 홀더에 장착된 기판(S)을 로드 록 챔버(20)에 수용한다.
트랜스퍼 챔버(22)에는 반송 로봇(도시생략)이 마련되어 있고, 소정의 진공도까지 로드 록 챔버(20)를 진공 배기한 후, 게이트 밸브를 열고, 동일한 진공도로 진공 배기한 트랜스퍼 챔버(22)에 기판(S)을 반송한다. 그 후, 트랜스퍼 챔버(22)와 진공 챔버(21)와의 사이의 게이트 밸브를 닫고, 반송 로봇에 의해 기판(S)을 진공 챔버(21)로 반송한다.
이 진공 챔버(21)에는, 가스 도입수단(23)이 마련되어 있다(도 3 참조). 가스 도입수단(23)은, 매스 플로(mass flow) 컨트롤러(231a, 231b)를 개재하여 설치한 가스 도입관(232)을 통하여 가스원(233a, 233b)에 각각 접속되어 있다. 가스원(233a, 233b)에는 아르곤 등의 스퍼터링 가스나, H2O, O2, N2 등의 반응가스가 봉입되어 있고, 이들 가스는, 매스 플로 컨트롤러(231a, 231b)에 의해서 진공 챔버(21)에 일정 유량으로 도입될 수 있다.
진공 챔버(21) 내부에 반송된 기판(S)과 대향하는 위치에는, 타깃 조립체(24)가 배치된다. 타깃 조립체(24)는, 대략 장방체로 형성된 6매의 타깃(241a ~ 241f)을 가진다. 이들 타깃(241a ~ 241f)은, ITO, Al 합금, Mo 등 기판 상에 형성하는 막의 조성에 따라서 공지의 방법으로 제조된 것으로서, 냉각용 백킹 플레이트(backing plate)(도시생략)가 접합되어 있다.
또, 타깃(241a ~ 241f)은, 기판(S)과 평행한 동일 평면 상에 위치하도록, 간격(D1)을 비우고 병렬설치되어 있다. 간격(D1)은, 타깃(241a ~ 241f)의 측면 상호간의 공간에서 플라즈마가 발생되어 타깃(241a ~ 241f)의 측면이 스퍼터링되지 않게 되는 거리로 설정된다. 이 간격(D1)은, 1 ~ 10㎜이고, 바람직하게는 2 ~ 3㎜이다. 타깃(241a ~ 241f)이 근접하여 배치되어 있기 때문에, 스퍼터링 입자가 타깃(241a ~ 241f)에 대향한 위치에 배치된 기판(S)의 전체 면에 도달하여, 막 두께 분포를 균일하게 할 수 있다.
타깃(241a ~ 241f)의 이면에는, 전극(242a ~ 242f)과 절연판(243)이 순차적으로 부착되어 있고, 이들은 타깃 조립체(24)의 소정의 위치에 각각 부착되어 있다. 이 전극(242a ~ 242f)에는, 진공 챔버(21) 외부에 배치된 3개의 교류전원(E1 ~ E3)이 각각 접속되어 있다.
교류전원(E1 ~ E3)은, 병렬설치된 타깃(241a ~ 241f) 중, 각각 3매의 타깃에 전위를 인가하도록 접속되어 있다. 예컨대, 교류전원(E1)의 2개의 출력 중, 한쪽은 타깃(241a)에 전위를 인가하도록 전극(242a)에 접속되어 있다. 다른 쪽의 출력은 분기되고, 이 분기점에 전환수단으로서의 스위치(SW1)를 마련하여, 2매의 타깃(241b 및 241f)에 전위를 인가하도록 전극(242a 및 242f)에 접속되어 있다. 교류전원이 인가하는 전위는, 정현파(sign wave)이어도 구형파(square wave)이어도 좋다. 각 스위치(SW1 ~ SW3)는, 예컨대 로터리 제어 스위치이고, 각 스위치(SW1 ~ SW3)의 작동을 제어하는 컴퓨터 등의 제어수단(도시생략)을 가지고 있다.
각 스위치(SW1 ~ SW3)는, 접점(t1) 및 접점(t2)을 가지며, 예컨대 스위치(SW1)에서는 접점(t1)과 타깃(241b)이 접속되고, 접점(t2)과 타깃(241f)이 접속되어 있다. 그리고, 각 스위치(SW1 ~ SW3)에 의해서, 이들 접점(t1, t2) 사이에서 라인을 번갈아 전환함으로써 교류전원(E1 ~ E3)으로부터 전위를 인가시키는 타깃(241a ~ 241f)을 전환한다.
각 스위치(SW1 ~ SW3)에 의해서 접점(t1)에 접속되면, 교류전원(E1)은 타깃(241a)과 타깃(241b)에 번갈아 전위를 인가하고, 교류전원(E2)은 타깃(241c)과 타깃(241d)에 번갈아 전위를 인가하고, 교류전원(E3)은 타깃(241e)과 타깃(241f)에 번갈아 전위를 인가한다. 이 경우에, 한쪽의 타깃(241a, 241c, 241e)에 교류전원(E1 ~ E3)으로부터 부의 전위를 인가하면, 이들 타깃(241a, 241c, 241e)이 캐소드로서의 역할을 수행하고, 다른 쪽의 타깃(241b, 241d, 241f)이 아노드로서의 역할을 수행한다.
그리고, 캐소드로서의 타깃(241a, 241c, 241e)의 전방에서 플라즈마가 형성되어, 타깃(241a, 241c, 241e)이 스퍼터링 된다. 교류전원(E1 ~ E3)의 주파수에 따라서 각 타깃(241a ~ 241f)에 번갈아 전위가 인가되어 각각 스퍼터링 되지만, 인접하는 타깃(241a ~ 241f)의 끝부 위쪽에는 플라즈마가 발생하지 않으므로 이 부분은 스퍼터링 되지 않고, 비침식 영역(R)이 각 타깃의 끝부에 남는다(도 4(a) 참조).
소정시간 경과 후, 제어수단을 통하여, 각 스위치(SW1 ~ SW3)를 작동하여 각각 접점(t2) 전환하면(도 4(b) 참조), 교류전원(E1)은 타깃(241a)과 타깃(241f)에 번갈아 전위를 인가하고, 교류전원(E2)은 타깃(241b)과 타깃(241c)에 번갈아 전위를 인가하고, 교류전원(E3)은 타깃(241d)과 타깃(241e)에 번갈아 전위를 인가한다. 이 경우에, 한쪽의 타깃(241a, 241c, 241e)에 교류전원(E1 ~ E3)으로부터 부의 전위를 인가하면, 이들 타깃(241a, 241c, 241e)이 캐소드로서의 역할을 수행하고, 다른 쪽의 타깃(241b, 241d, 241f)이 아노드로서의 역할을 수행한다.
그리고, 캐소드로서의 타깃(241a, 241c, 241e)의 전방에서 플라즈마가 형성되어, 타깃(241a, 241c, 241e)이 스퍼터링 된다. 교류전원(E1 ~ E3)의 주파수에 따라서 각 타깃(241a ~ 241f)에 번갈아 전위가 인가되어 각각 스퍼터링 된다. 각 스위치(SW1 ~ SW3)의 라인을 접점(t2)에 접속시키면, 각 교류전원(E1 ~ E3)이 접속되어 있는 타깃(241a ~ 241f)이 변하여, 스위치(SW1 ~ SW3)의 라인을 접점(t1)에 접속시켜 스퍼터링을 행하였던 경우에 타깃(241a ~ 241f) 상에 남은 비침식 영역(R) 상에도 플라즈마가 형성되고, 이 비침식 영역(R) 상도 스퍼터링 되어, 타깃(241a ~ 241f)이 침식된다.
이 스위치(SW1 ~ SW3)의 전환은, 일정 주기로 행하는 것이 바람직하다. 일정 주기로 전환을 행하면, 각 타깃(241a~ 241f)으로의 전력 공급시간, 즉 각 플라즈마의 발생시간이 균일해져, 전환 전후에 같은 시간동안 각 타깃(241a ~ 241f)을 스퍼터링할 수 있기 때문에, 타깃 전체 면을 침식할 수 있다. 또, 이 전환을 행하는 소정의 시간은, 막 형성시간에 근거하여 적절히 결정되고, 막 형성시간 중에 홀 수회 전환되도록 설정하는 것이 바람직하다. 홀수회 전환을 행하면, 접점(t1)으로의 접속회수와, 접점(t2)의 접속회수가 동일해져, 각 접속에 있어서의 스퍼터링에 의해 각 타깃(241a ~ 241f) 상에 남겨진 비침식 영역(R)을 균등하게 침식할 수 있으므로, 막 형성 완료시에 비침식 영역(R)이 남지 않는다.
전환수단인 스위치(SW1 ~ SW3)의 설치위치에 관해서는, 특히 한정되지 않고, 서로 인접하는 타깃(241a ~ 241f)에 교류전원(E1 ~ E3)으로부터 전위를 인가하여 비침식 영역(R)이 남아도, 스위치(SW1 ~ SW3)에 의해 교류전원(E1 ~ E3)으로부터 전위를 인가하는 타깃(241a ~ 241f)을 바꿈으로써, 타깃(241a ~ 241f) 상의 비침식 영역(R) 상에 플라즈마를 발생시킬 수 있으면 된다. 본 실시형태와 같이 각 교류전원(E1 ~ E3)의 한쪽 출력을 2매의 타깃과 1개의 스위치를 통하여 접속하면, 막 형성 중에 스위치(SW1 ~ SW3)를 전환하여도, 항상 각 타깃(241a ~ 241f)에 대하여 교류전원(E1 ~ E3)으로부터 전위가 인가되고 있으므로, 이상방전의 발생이 억제되고, 또한 스퍼터링 장치에 마련되는 스위치의 수도 최소한으로 할 수 있으므로, 후술하는 다른 실시형태보다 바람직하다.
타깃 조립체(24)에는, 각 타깃(241a ~ 241f)의 후방에 각각 위치된 6개의 자석 조립체(25)가 마련되어 있다. 각 자석 조립체(25)는 동일 구조로 형성되고, 타깃(241a ~ 241f)에 평행하게 마련된 지지부(251)를 가지며, 지지부(251) 상에는, 번갈아 극성을 바꾸어 배치되도록, 타깃의 길이방향을 따른 봉형상의 중앙자석(252)과, 중앙자석(252)의 주변을 둘러싸도록 복수의 자석으로 구성된 주변자석(253)이 마련되어 있다. 각 자석은, 중앙자석(252)의 동자화(同磁化)로 환산한 때의 체적이 주변자석(253)의 동자화로 환산한 때의 체적의 합과 동일해지도록 설계되어 있다. 이것에 의해, 타깃(241a ~ 241f)의 전방에 균형잡힌 폐루프의 터널 형상 자속이 형성되고, 타깃(241a ~ 241f)의 전방에서 전리된 전자 및 스퍼터링으로 발생한 2차전자를 포착하여, 캐소드로서의 타깃의 전방에 형성된 플라즈마의 밀도를 높일 수 있다.
그런데, 자석 조립체(25)도 서로 근접하여 있기 때문에, 서로 자장이 간섭하여, 양끝의 타깃(241a, 241f)의 후방에 위치하는 자석 조립체(25)에 의한 자장과, 중앙에 위치하는 타깃(241c, 241d)의 후방에 위치하는 자석 조립체(25)에 의한 자장과의 밸런스가 흐트러지는 경우가 있다. 이 경우, 기판(S) 면 내에 있어서의 막 두께 분포를 대략 균일하게 할 수 없다. 이 때문에, 자장 밸런스를 보정할 수 있도록, 보조자석(26)을 타깃 조립체(24)에 설치하고 있다. 이 보조자석(26)은, 인접하는 자석 조립체(25)의 주변자석(253)과 극성이 동일하다. 그리고, 이 보조자석(26)과 주변자석(253)과의 간격은, 각 자석 조립체(25)의 간격(D2)과 동일하게 하였다. 이와 같은 보조자석(26)을 양끝에 위치하는 타깃(241a, 241f)의 외측에 배치된 방착판(shield plate)(261)의 아래쪽에 설치함으로써, 자장 밸런스가 개선된다.
자석 조립체(25)에 의해, 타깃(241a ~ 241f)의 전방에는 터널형상 자속이 형성되기 때문에, 중앙자석(252) 및 주변자석(253) 전방에 위치하는 플라즈마의 밀도가 낮아지고, 타깃(241a ~ 241f)의 이 플라즈마 밀도가 낮은 중앙자석(252)의 위쪽에 해당하는 부분은 다른 비침식 영역으로서 남아 버린다. 거기에서, 터널형상 자 속의 위치를 변화시켜, 타깃(241a ~ 241f)을 균일하게 침식하여 이용효율을 높일 필요가 있다.
터널형상 자속의 위치를 변화시키기 위해서, 자석 조립체(25) 및 보조자석(253)을 구동축(270) 상의 소정의 위치에 설치하고, 이 구동축(270)에 구동수단으로서 볼 나사(271)를 마련하여 각 자석 조립체(25)의 위치를 좌우로 평행이동시킬 수 있도록 하였다. 또한, 구동수단으로서는, 볼 나사(271)와 같은 기계적 구동수단으로 한정되지 않고, 에어 실린더를 이용하는 것도 가능하다. 이 자석 조립체(25)의 이동거리는, 타깃(241a ~ 241f)이 균일하게 침식될 수 있다면 특히 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 자석 조립체(25)를 각각 점 A ~ 점 B의 간격으로 평행이동시킬 수 있다. 또한, 자석 조립체(25)는 좌우방향만이 아니고, 길이방향으로도 평행이동시키는 것이 가능하다. 이와 같이 2차원적으로 자석 조립체(25)를 평행이동시킴으로써 타깃(241a ~ 241f)을 더욱 균일하게 침식할 수 있다.
자석 조립체(25)의 이동은, 막 형성 중이어도 막 형성 후이어도 좋다. 막 형성 중의 이동일 경우, 볼 나사(271)를 스퍼터링 중에 구동시켜, 타깃(241a ~ 241f)이 균일하게 침식되도록 2.5㎜/sec 이상, 바람직하게는 4 ~ 15㎜/sec의 주기로 자석 조립체(25), 즉 자속을 점 A ~ 점 B의 사이에서 왕복시킨다.
막 형성 중에 자석조립체(25)를 이동시키는 경우, 균일하게 타깃(241a ~ 241f)을 침식하기 위해서, 자속이 일방향으로 평행이동하는 사이에 스위치(SW1 ~ SW3)를 적어도 1회 이상 전환시킬 필요가 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 막 형성 시간 중, 자속을 점 A ~ 점 B 사이에서 1왕복 하도록 구동수단(271)에 의해 평 행이동시키도록 설정한 경우, 자속이 점 A ~ 점 B 사이의 일방향을 이동하는 사이에 스위치는 4회 전환을 행하도록 설정하였다. 이 전환의 회수는, 균일하게 타깃을 침식할 수 있다면, 특히 한정되지 않고, 짝수회라도 홀수회라도 좋다. 어느 경우에도, 막 형성 시간 중에 홀수회 전환을 행할 수 있다면, 접점(t1)으로의 접속회수와, 접점(t2)의 접속회수가 동일하게 되어, 각 접속에 있어서의 스퍼터링에 의해 각 타깃(241a ~ 241f) 상에 남겨진 비침식 영역(R)을 서로 침식할 수 있으므로, 균일하게 타깃을 침식할 수 있다.
막 형성 후의 이동일 경우, 막 형성이 종료되어 교류전원(E1 ~ E3)을 정지하고, 방전을 일단 정지한 후에, 다음 막 형성 대상인 기판(S)을 타깃(241a ~ 241f)에 대향한 위치로 설치할 때에, 볼 나사(271)를 구동시켜, 자속을 각각 점 A로부터 점 B까지 평행이동시켜 유지한다. 이 경우, 적어도 다음 막 형성이 개시되기 전에 자석 조립체(25)를 평행이동시키면 된다. 그리고, 이 반송된 기판(S)의 막 형성이 종료된 후에, 재차 동일한 수순을 따라서, 자속을 재차 평행이동시킨다. 이 조작을 순차적으로 반복함으로써, 기판 상에 순차적으로 막을 형성하는 동시에, 타깃(241a ~ 241f)을 균일하게 침식할 수 있다. 이와 같이 막 형성 후에 자속을 이동시키면, 막 형성 중의 자속의 이동에 따른 이상방전의 발생을 억제할 수 있다.
본 실시형태에 있어서는, 보조자석(253)에 의해서 자장 밸런스를 보정할 수 있는 것을 설명하였지만, 자장 밸런스를 보정할 수 있는 수단이라면 이것에 한정하는 것은 아니다. 예컨대, 주변자석만의 폭 치수를 크게 하거나, 주변자석(252)을 자석으로부터 발생하는 자속밀도가 큰 재료로 변경함으로써 자장 밸런스를 보정하 여도 좋다.
또, 본 실시형태에서는, 기계적으로 교류전원과 타깃과의 접속을 전환하는 수단을 마련하였지만, 이것에 한정하지 않고, 예컨대 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터(이하, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)라고 함)를 설치하여도 좋다. 이 IGBT를 이용한 경우에는, 기계적으로 전환을 행하는 경우보다도 전환 주기를 짧게 할 수 있다. 예컨대, 스위치에 의해서 전환되는 경우에는, 주기는 수 sec 이상이지만, 이 IGBT를 이용한 경우에는, 주기는 수 μsec ~ 수 msec로 전환시킬 수 있다. 단지, 교류전원의 방전주기보다 짧은 타이밍으로 전환시키면, 본 발명의 효과를 거둘 수 없으므로, 교류전원의 방전주기 이상으로 할 필요가 있다.
타깃과 교류전원의 다른 접속예에 관하여 도 6에 도시한다. 각 타깃(241a ~ 241f)은, 각각 1개의 교류전원(E)에 접속되어 있고, 이 접속 사이에 각각 전환수단(SW1 ~ SW6)이 마련되어 있다. 처음에, 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 타깃(241a)에 접속된 스위치(SW1)와 타깃(241b)에 접속된 스위치(SW2)가 닫힌 상태로 되어 있고, 이들 타깃(241a, 241b)에 교류전원으로부터 전위가 인가되어 이들 타깃(241a 및 241b) 상에 플라즈마가 발생하고 있다. 플라즈마는, 타깃(241a 및 241b)의 마주하는 끝부의 위쪽에는 발생하지 않아, 타깃(241a 및 241b)에 비침식 영역(R)이 남는다. 다른 타깃에 접속되어 있는 스위치(SW3 ~ SW6)는 각각 열린 상태이어서, 교류전원을 인가할 수 없고, 이들 타깃은 스퍼터링 되지 않는다.
타깃(241a 및 241b)을 소정 시간 스퍼터링 한 후, 스위치(SW1 ~ SW3)를 각각 전환하여, 타깃(241b)에 접속된 스위치(SW2)와 타깃(241c)에 접속된 스위치(SW3)를 닫힌 상태로 하면(도 6(b) 참조), 이들 타깃(241b 및 241c)은, 교류전원으로부터 전위가 인가되어 플라즈마가 형성되고, 스퍼터링 된다. 타깃(241b)에는, 비침식 영역(R)이 존재하고 있었지만, 타깃(241c)과의 사이에서 플라즈마가 발생함으로써, 이 비침식 영역(R)의 상부에도 플라즈마가 발생하여 비침식 영역(R)이 스퍼터링 된다.
이후에도 스위치(SW1 ~ SW6)를 막 형성 중에 순차적으로 전환하여, 교류전원으로부터 각 타깃에 전위를 인가하는 것에 의해, 플라즈마가 각 타깃 상을 순차적으로 이동하여 타깃(241a ~ 241f)을 순차적으로 스퍼터링 함으로써, 타깃 상에 비침식 영역(R)이 남지 않는다(도 6(c) 참조).
이하, 본 발명의 스퍼터링 장치(2)를 이용하여 기판(S) 표면에 막을 형성하는 방법에 관하여 설명한다.
우선, 병렬설치된 타깃(241a ~ 241f)과 대향하는 위치에 기판(S)을 반송하고, 진공 배기수단에 의해서 진공 챔버(21) 내부를 진공 배기한다. 다음에, 가스 도입수단(23)을 통하여 진공 챔버(21) 내에 Ar 등의 스퍼터링 가스를 도입하고, 진공 챔버(21) 내부에 소정의 막 형성 분위기를 형성한다. 또한, 반응성 스퍼터링을 행할 경우에는, 스퍼터링 가스의 도입과 함께, 일정 유량으로 반응가스를 도입한다. 반응가스로서는, 희망하는 막의 물성에 따라서 적절히 선택될 수 있으며, 예컨대 H2O 가스, O2 가스, 및 N2 가스로부터 선택된 적어도 1종류 이상의 가스를 도 입한다.
그 후, 막 형성 분위기를 유지하면서 타깃(241a ~ 241f)에 수 kHz ~ 수백 kHz로 교류전원(E1 ~ E3)에 의해 정 또는 부의 전위를 각각 인가한다. 캐소드로서의 타깃(241) 상에 전계(電界)가 형성되어, 타깃(241) 전방에 플라즈마가 발생하고, 타깃이 스퍼터링되어 스퍼터링 입자가 방출된다. 이 동작을 교류전원의 주파수에 따라서 번갈아 행하는 동시에, 각 스위치(SW1 ~ SW3)를 소정의 시간마다 전환시킴으로써, 각 타깃 전체 면이 스퍼터링 된다. 그 후, 교류전원을 정지하고, 막 형성을 종료한다.
또한, 막 형성 중에 볼 나사(271)를 구동하여 자석 조립체(25)를 구동하여도 좋고, 또한 막 형성이 종료하여 교류전원(E1 ~ E3)을 정지하고, 방전을 일단 정지한 후, 다음의 막 형성 대상인 기판(S)을 타깃(241a ~ 241f)에 대향된 위치로 반송할 때에, 볼 나사(271)를 구동하여, 자석 조립체(25)를 평행이동시켜도, 즉 자속을 평행이동시켜도 좋다.
(실시예 1)
실시예 1에서는, 도 2 및 도 3에 도시된 스퍼터링 장치를 이용하여 막을 형성하고, 막 형성 중의 아크방전 발생회수를 조사하였다.
폭 200㎜, 길이 1700㎜, 두께 10㎜의 In2O3 - 10wt% SnO2(ITO)로 이루어진 타깃을, 기판으로부터 150㎜의 위치에 기판과 평행하게 되도록 설치하였다. 타깃 폭 은 각각 2㎜이었다. 각 타깃의 후방에는, 각 타깃과의 거리가 47㎜가 되도록 폭 170㎜, 길이 1570㎜, 두께 40㎜의 자석 조립체를 설치하고, 볼 나사(271)에 의해서 구동거리가 50㎜로 되도록 하였다. 기판으로서는, 폭 1000㎜, 길이 1200㎜, 두께 0.7㎜의 유리기판을 준비하였다.
기판 반송 후, 진공 배기를 행하고, 그 후 가스 도입수단(23)으로부터 스퍼터링 가스로서 아르곤 가스를 240sccm로 도입하여 0.67Pa의 막 형성 분위기를 형성하였다. 또, 반응가스로서 H2O 가스를 2.0sccm, O2 가스를 1.5sccm 도입하였다. 각 교류전원(E1 ~ E3)은, 주파수 25kHz이고, 전력을 0kW로부터 서서히 올려가, 최종적으로는 15kW까지 올려 120초간 투입하면서, 5초마다 1회의 비율로, 스위치(SW1 ~ SW3)를 접점(t1 및 t2)에 각각 번갈아 전환시켰다. 그후에 교류전원(E1 ~ E3)을 일단 정지하고, 다음의 기판(S)을 반송할 때에 자석 조립체를 이동시켰다. 이와 같이 하여 순차적으로 막을 형성하면서, 전압값과 전류값을 모니터링 하여 1분당 이상방전(아크 방전)의 발생회수를 카운트 하였다. 타깃을 스퍼터링 장치로부터 꺼내고, 그 표면을 육안으로 확인한 바, 각 타깃 전체 면이 침식되어 있었다.
(비교예 1)
비교예 1에서는, 병렬설치된 6매의 타깃 중 서로 인접하는 2매의 타깃에 교류전원을 접속한 장치를 이용하여, 스위치의 전환 이외에는 동일한 조건으로 막을 형성하면서, 전압값과 전류값을 모니터링 하여 이상방전의 발생회수를 카운트 하였 다.
결과를 도 7에 나타낸다. 도 7은, 가로축이 적산(積算)전력(kWh)을 나타내고, 세로축이 이상방전의 회수(회/분)를 나타낸다. 비교예 1에서는, 적산전력이 커짐에 따라서 이상방전의 회수도 큰 폭으로 증가되고 있었다. 이것에 비해, 실시예 1에서는, 적산전력이 커져도, 이상방전의 회수는 거의 증가되지 않았다.
(실시예 2)
실시예 2에서는, 도 2 및 도 3에 도시된 스퍼터링 장치를 이용하여 반응성 스퍼터링을 행한 경우의 막질의 면 내 균일성을 평가하였다.
막질의 면 내 균일성의 평가는, 막 형성 시의 반응가스의 유량을 바꾸어, 막 상의 각 점에 있어서 가장 비저항이 낮아지는 유량을 조사하고, 그 유량의 차이로 행하였다.
실시예 1에서 이용한 스퍼터링 장치와 동일한 것을 이용하여, 실시예 1과는 반응가스의 유량을 바꾸어 복수의 막을 형성하였다. 반응가스로서는, H2O 가스를 2.0sccm로 하고, O2 가스를, 0.0 ~ 4.0sccm까지 0.2sccm씩 변화시켜 도입하였다. 각 교류전원(E)은, 주파수 25kHz이고, 전력을 0kW로부터 서서히 올려가, 최종적으로는 15kW까지 올려 투입하고, 25초간 투입한 후에 교류전원을 정지하고, 막 형성을 종료하였다. 얻어진 각 막의 막 두께는, 1000Å이었다. 그 후, 각 기판은 어 닐링 로(annealing furnace)에 반송시켜 60분간 200도로 대기(大氣) 어닐링 시켰다. 형성된 각 막 상의, 타깃(241c)의 상부에 해당하는 점(X)과, 타깃(241b)과 타깃(241c) 사이의 상부에 해당하는 점(Y)의 비저항을 측정하였다.
(비교예 2)
병렬설치된 6매의 타깃 중 서로 인접하는 2매의 타깃에 교류전원을 접속한 장치를 이용하여, 실시예 2와 동일한 조건으로 각각 막 형성 및 어닐링을 행하여 기판(S) 상에 막을 각각 형성하였다. 형성한 각 막에 대해서도, 점(X)과 점(Y)의 2점에서 비저항을 각각 측정하였다.
도 8은, 가로축이 O2 가스의 유량(sccm)을 나타내고, 세로축이 각 점에 있어서의 비저항(μΩ㎝)을 나타낸다.
도 8(a)는 비교예 2의 측정결과를 나타내고 있다. 실선으로 나타낸 점(X)에 있어서의 비저항값은, O2 가스의 유량이 0.5sccm인 때에 가장 낮아져, 255μΩ㎝이었다. 점선으로 나타낸 점(Y)에 있어서는, O2 가스의 유량이 2.0sccm인 때에 비저항이 가장 낮아져, 253μΩ㎝이었다. 점(X), 점(Y)에 있어서 비저항이 가장 낮아지는 O2 가스의 유량의 차이가 1.5sccm으로 크게 다르고, 비교예 2에서는, 기판면 내에서 막질이 균일하지 않다는 것을 알 수 있었다.
이것에 비하여, 도 8(b)에 나타낸 실시예 2에서는, 실선으로 나타낸 점(X)에 있어서 비저항이 250μΩ㎝로 가장 낮아진 것이 O2 가스의 유량이 1.2sccm인 경우이고, 점선으로 나타낸 점(Y)에 있어서 비저항이 248μΩ㎝로 가장 낮아진 것은, O2 가스의 유량이 1.4sccm인 경우이었다. 실시예 2에서는, 점(X), 점(Y)에 있어서 비저항이 가장 낮아지는 O2 가스의 유량의 차이가 0.2sccm으로 종래장치의 유량의 차이보다 작아지고 있어, 반응성 스퍼터링에 있어서의 막질의 면 내 균일성이 개선되고 있는 것을 알 수 있었다.
본 발명의 스퍼터링 장치는, 전환수단에 의해 교류전원과 타깃과의 접속을 전환시킴으로써, 비침식 영역이 타깃 상에 남지 않고, 더욱이 형성된 막의 막질의 균일성이 개선되고 있다. 따라서, 본 발명은 큰 화면의 플랫 패널 디스플레이 제조분야에 이용 가능하다.
본 발명의 스퍼터링 장치에 의하면, 타깃 상에 비침식 영역이 남지 않고, 또한 반응성 스퍼터링을 행한 경우에는, 형성된 막의 막질이 균일하다고 하는 우수한 효과를 거둘 수 있다.

Claims (7)

  1. 진공 챔버 내에 소정의 간격을 두고 병렬설치한 3매 이상의 타깃과, 각 타깃에 대하여 부전위 및 정전위 또는 접지전위를 번갈아 인가하는 교류전원을 구비하고, 교류전원으로부터의 출력 중 적어도 하나를 분기하여 2매 이상의 타깃에 접속하고, 이 분기한 출력에 접속된 각 타깃 사이에, 교류전원으로부터 전위가 인가되는 타깃을 전환하는 전환수단을 설치한 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    각 타깃의 전방에 자속을 형성하도록 각 타깃의 후방에 배치된 복수의 자석으로 구성되는 자석 조립체와, 자속이 타깃에 대하여 평행이동되도록 이들 자석 조립체를 구동시키는 구동수단을 설치한 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 각 자석조립체에 의해서 형성되는 자속의 밀도를 균일하게 하는 자속밀도 보정수단을 설치한 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  4. 진공 챔버 내에 소정의 간격을 두고 병렬설치된 3매 이상의 타깃에 대향하는 위치에 기판을 순차적으로 반송하고, 각 타깃에 대하여 교류전원으로부터 부전위 및 정전위 또는 접지전위를 번갈아 인가하는 경우에, 교류전원으로부터의 출력 중 적어도 하나를 분기하여 접속시킨 2매 이상의 타깃 사이에서, 교류전원으로부터 전위를 인가하는 타깃의 전환을 행하면서, 타깃 상에 플라즈마를 발생시켜 기판 표면에 막을 형성하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 타깃의 전환은, 막 형성 개시 후 일정 주기로 행하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 방법.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 교류전원의 출력을 분기하여 접속시킨 타깃이 2매인 경우에, 전환수단에 의한 전환을 홀수회 행하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 방법.
  7. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 각 타깃의 전방에 자속을 형성하도록 각 타깃의 후방에 배치한 복수의 자석으로 구성되는 자석 조립체를 막 형성 중에 각 타깃에 평행하게 왕복운동시키는 경우에, 이 자석 조립체가 일방향으로 이동하는 사이에, 상기 타깃의 전환을 1회 이상 행하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 방법.
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