KR102464698B1 - 스퍼터링 장치 및 이의 구동방법 - Google Patents

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Abstract

스퍼터링 장치 및 이의 구동방법이 개시된다. 스퍼터링 장치는 착탈식으로 결합하는 보호판에 의해 내측면이 커버되는 하우징을 구비하고 스퍼터링 공정에 의해 기판의 상면에 박막을 증착하는 스퍼터링 챔버 및 일정한 매수의 기판에 대하여 스퍼터링 공정을 개별적으로 수행하는 증착모드(deposition mode)와 증착모드에서 보호판에 퇴적된 오염막을 덮는 파티클 방지막을 형성하는 페이스팅 모드(pasting mode)를 교대로 수행하고 페이스팅 모드의 수행시간을 이전 증착모드들의 누적 증착량에 비례하여 증가시키는 공정 제어기를 포함한다. 이에 따라, 누적 증착량이 많을수록 파티클 방지막을 두껍게 형성하여 오염막으로부터 파티클이 생성되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.

Description

스퍼터링 장치 및 이의 구동방법 {Sputtering apparatus and method of operating the same}
본 발명은 스퍼터링 장치 및 이의 구동방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 플라즈마 방전을 이용한 스퍼터링에 의해 박막을 형성하는 스퍼터링 장치 및 이의 구동방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조공정은 어려 증착공정과 패터닝 공정의 반복으로 이루어진다. 패터닝 공정에 의해 불량 없는 미세 패턴을 형성하기 위해 손상이 없는 고품질의 박막을 형성하는 것이 중요하다.
박막형성은 박막의 재료나 박막 형성의 목적에 따라 화학 기상 증착, 원자층 증착, 스퍼터링(sputtering) 과 같은 다양한 공정이 이용되고 있다. 특히, 상기 스퍼터링 공정은 진공 증착법의 일종으로 아르곤과 같은 스퍼터링 가스를 플라즈마 상태에서 타켓과 충돌시켜 증착 입자를 분리시킨 후 상기 증착입자를 기판 상에 증착하여 박막을 형성한다.
이때, 타겟으로부터 분리된 증착입자는 기판의 표면에 증착되어 박막을 형성할 수도 있지만, 노출된 챔버의 내벽에도 증착되어 오염물질(contaminants)로 기능할 수도 있다. 이를 방지하기 위해, 챔버 내벽을 감싸는 쉴드 부재를 배치하여 스퍼터링 공정 중에 챔버 내벽이 증착되는 것을 방지하고 있다. 증착입자가 퇴적된 쉴드 부재는 타겟의 교환시 챔버로부터 분리되어 제거되고 새로운 쉴드 부재로 교환된다.
쉴드 부재의 교환 전에도 쉴드 부재의 표면에 퇴적되는 퇴적막의 두께가 임계치를 넘는 경우 퇴적막 내부의 스트레스에 의해 퇴적막이 박리(lifting)되어 스퍼터링 공정 중에 불량소스로 기능하는 오염 파티클을 생성하게 된다.
상기 쉴드부재 퇴적막의 박리로 인한 오염 파티클의 생성을 방지하기 위해 일정한 주기로 페이스팅(pasting) 공정을 수행하여 상기 퇴적막의 표면을 덮는 파티클 방지막을 형성한다.
그러나, 스퍼터링 장비의 누적 증착량과 무관하게 페이스팅 공정시간이 일정하게 설정되어 동일한 타겟을 이용한 스퍼터링 증착이 진행될수록 파티클 방지막에도 불구하고 오염 파티클이 증가하고 있다. 즉, 동일한 타겟을 이용하는 스퍼터링 증착의 초기단계에는 오염 파티클이 파티클 방지막에 의해 효과적으로 억제되지만, 증착이 진행될수록 파티클 방지막의 오염 파티클 방지 효과가 줄어들게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 페이스팅 공정시간을 누적 가동량에 따라 증가시켜 파티클 방지막의 두께를 증가시킴으로써 오염 파티클을 효과적을 방지할 수 있는 스퍼터링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상술한 바와 같은 스퍼터링 장치의 구동방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 스퍼터링 장치는 착탈식으로 결합하는 보호판에 의해 내측면이 커버되는 하우징을 구비하고 스퍼터링 공정에 의해 기판의 상면에 박막을 증착하는 스퍼터링 챔버 및 일정한 매수의 기판에 대하여 상기 스퍼터링 공정을 개별적으로 수행하는 증착모드(deposition mode)와 상기 증착모드에서 상기 보호판에 퇴적된 오염막을 덮는 파티클 방지막을 형성하는 페이스팅 모드(pasting mode)를 교대로 수행하고 상기 페이스팅 모드의 수행시간을 이전 증착모드들의 누적 증착량에 비례하여 증가시키는 공정 제어기를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 스퍼터링 장치는 착탈식으로 결합하는 보호판에 의해 내측면이 커버되는 하우징, 증착 대상 기판이 고정되는 기판 홀더 및 증착물질을 구비하는 타겟을 고정하는 타겟 홀더를 구비하고 스퍼터링 공정이 수행되는 챔버, 상기 타겟 홀더로 전력을 공급하는 파워 공급부, 상기 챔버로 스퍼터링 가스를 공급하는 가스 인젝터 및 반응가스를 선택적으로 공급하는 반응가스 조절부를 구비하는 가스 공급부, 및 상기 파워 공급부 및 상기 가스 공급부를 제어하여 일정한 매수의 기판에 대하여 상기 스퍼터링 공정을 개별적으로 수행하는 증착모드(deposition mode)와 상기 증착모드에서 상기 보호판에 퇴적된 오염막을 덮는 파티클 방지막을 형성하는 페이스팅 모드(pasting mode)를 교대로 수행하고 상기 페이스팅 모드의 수행시간을 이전 증착모드들의 누적 증착량에 비례하여 증가시키는 공정 제어기를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의한 스퍼터링 장치의 구동방법이 개시된다. 먼저, 보호판에 의해 내측면이 커버되는 챔버로 기판을 로딩하여 스퍼터링 공정에 의해 상기 보호판 상에 오염막이 증착되면서 상기 기판 상에 박막을 형성하는 증착모드를 수행한다. 이어서, 상기 기판에 대한 증착 종료신호에 따라 상기 증착모드를 완료한 증착기판의 매수, 타겟으로 인가된 누적 전력 및 상기 타겟의 잔존수명을 검출한다. 상기 증착기판의 매수와 상기 증착모드의 기판묶음 단위를 비교하여 페이스팅 모드를 개시하고, 상기 누적전력에 비례하는 수행시간 동안 상기 페이스팅 모드를 수행하여 상기 오염막을 덮는 파티클 방지막을 형성한다.
본 발명에 의한 스퍼터링 장치 및 이의 구동방법에 의하면, 스퍼터링 챔버(100)의 내벽을 덮는 보호판(112)을 덮는 파티클 방지막(PPL)의 두께를 보호판(112) 상에 퇴적된 총 누적 증착량에 비례하여 증가시킨다. 즉, 보호판(112)에 누적된 증착물질이 많을수록 페이스팅 공정시간을 증가시킴으로써 보호판(112)에 형성된 오염막(CL)을 덮는 파티클 방지막(PPL)의 두께를 증가시킨다. 이에 따라, 보호판(112)에 증착된 증착물질이 많은 경우에도 오염막(CL)으로부터 파티클이 생성되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 스퍼터링 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 상기 스퍼터링 장치의 증착모드와 페이스팅 모드에 대한 타이밍 선도이다.
도 3은 도 2에 도시된 타이밍 선도에 따라 스퍼터링 장치의 챔버 내벽을 덮는 보호판 상에 형성된 막질을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 스퍼터링 장치를 구동하는 방법을 나타내는 공정 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 스퍼터링 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 2는 도 1에 도시된 상기 스퍼터링 장치의 증착모드와 페이스팅 모드에 대한 타이밍 선도이다. 도 3은 도 2에 도시된 타이밍 선도에 따라 스퍼터링 장치의 A 영역에 형성된 막질을 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예 의한 스퍼터링 장치(1000)는 착탈식으로 결합하는 보호판(112)에 의해 내측면이 커버되는 하우징(110)을 구비하고 스퍼터링 공정에 의해 기판((W)의 상면에 박막을 증착하는 스퍼터링 챔버(100)와 일정한 매수의 기판에 대하여 상기 스퍼터링 공정을 개별적으로 수행하는 증착모드(deposition mode, DM)와 상기 증착모드(DM)에서 상기 보호판(112)에 퇴적된 오염막(CL)을 덮는 파티클 방지막(PPL)을 형성하는 페이스팅 모드(pasting mode, PM)를 교대로 수행하고 상기 페이스팅 모드(PM)의 수행시간을 이전 증착모드(DM)들의 누적 증착량에 비례하여 증가시키는 공정 제어기(500)를 포함한다.
상기 스퍼터링 챔버(100)는 스퍼터링 공정에 요구되는 진공압을 견딜수 있을 정도로 충분한 강도와 강성을 갖고 외부와 밀폐되는 하우징(110)에 의해 한정된다. 상기 하우징(110)의 내부는 스퍼터링 공정에 요구되는 정도의 진공이 형성된다. 이에 따라, 상기 스퍼터링 챔버(100)는 외부와 격리되고 진공 상태의 증착공간을 제공하는 진공챔버로 제공된다.
상기 보호판(112)은 스퍼터링 공정이 진행되는 동안 증착물질에 의해 상기 하우징(110)의 내벽에 오염막(CL)이 형성되는 것을 방지한다.
상기 증착물질은 스퍼터링 챔버(100) 내부에서 기판(W)을 따라 하강하면서 기판(W)뿐만 아니라 기판(W) 주위의 다양한 표면에 동시에 증착된다.
기판(W)을 제외한 구조물의 표면에 증착된 막질은 스퍼터링 공정이 반복될수록 퇴적되어 두께가 증가하여 내부응력에 의해 박리되어 기판(W)의 박막 형성과정에서 오염원으로 작용하게 된다. 즉, 상기 스퍼터링 챔버(100)의 내부에서 기판(W)외의 표면에 증착된 막질은 기판에 대한 성막공정에서 오염원을 생성하는 오염막을 형성하게 된다.
이에 따라, 하우징(110)의 표면을 덮는 보호판(120)을 하우징(110)의 내측면을 따라 배치하여 상기 증착물질이 하우징(110)의 내측면이 아니라 보호판(120)의 표면에 증착되도록 유도한다. 상기 보호판(120)은 하우징(110)의 내부에 착탈식으로 결합되어 교체가 용이한 구조를 갖는다.
이에 따라, 보호판(120)의 상면을 덮는 오염막의 두께가 일정한 범위를 넘는 경우 상기 스퍼터링 장치(1000)의 가동을 중지하고 보호판(120)을 교체함으로써 스퍼터링 챔버(100) 내부의 오염원을 제거할 수 있다.
스퍼터링 공정에서 상기 증착물질은 챔버(100)의 상방에서 하방으로 유동하면서 기판(W) 상에 증착하게 되므로 오염막은 상기 챔버(100)의 하부 내측면에 집중적으로 형성된다. 이에 따라, 상기 보호판(120)은 하우징(110)의 바닥면과 하부 내측면을 집중적으로 커버하도록 배치된다.
상기 챔버(100)의 천정부에는 증착물질을 구비하는 타겟(124)을 고정하는 타겟 홀더(120)가 배치되고 바닥부에는 증착 대상 기판(W)이 고정되는 기판 홀더(130)가 배치된다.
상기 타겟 홀더(120)는 상기 타겟(124)을 고정하고 외부의 전원과 연결되는 타겟 플레이트(122)를 구비한다. 상기 타겟 플레이트(122)는 후술하는 파워 공급부(200)와 연결되는 캐소드가 구비되어 상기 타겟으로 전원을 공급한다. 상기 타겟(124)은 증착물질로 이루어지는 벌크형 몸체로 제공된다. 플라즈마 상태에서 아르곤과 같은 스퍼터링 가스입자와 충돌함으로써 상기 타겟(120)의 표면으로부터 증착물질이 원자단위로 분리된다.
상기 타겟(124)은 기판(W)에 형성되는 막질의 종류에 따라 다양하게 배치될 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 타겟(124)은 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W)과 같은 저저항 금속물질로 구성될 수 있다.
상기 기판 홀더(130)는 상기 기판(W)을 고정하고 지지하는 스테이지(132) 및 상기 스테이지(132)를 지지하는 지지 칼럼(134)으로 구성된다. 상기 지지칼럼(134)은 상기 스테이지(132)를 회전시키거나 수직방향을 따라 승강시켜 상기 스테이지(132)의 수직 위치를 조절할 수 있다. 상기 스테이지(132)의 수평적 위치는 상기 지지칼럼(134)에 의해 고정된다.
상기 타겟 홀더(120)는 외부의 파워 공급부(200)와 전기적으로 연결된다. 상기 파워 공급부(200)는 타겟(124)과 전기적으로 연결되어 타겟(124)에 음극성을 유도하고 챔버(100)의 내부에 스퍼터링 가스의 플라즈마를 생성한다. 예를 들면, 상기 파워 공급부(200)는 직류전원을 공급하는 직류전원 코일(DC coil)이나 RF파워를 제공하는 RF 코일을 포함할 수 있다.
타겟과 충돌한 양이온을 형성하는 스퍼터링 가스를 공급하는 가스 인젝터(310)가 상기 챔버(100)의 일측에 배치되며, 상기 증착물질과 반응하여 기판 상에 박막을 형성하기 위한 반응물질을 공급하는 반응가스 조절부(320)가 상기 챔버(100)의 타측에 배치된다.
인젝터(310)는 스퍼터링 가스 저장부(312)와 제1 조절밸브(314)로 구성되고 반응가스 조절부(320)는 반응가스 저장부(322) 및 제2 조절밸브(324)로 구성된다.
본 실시예의 경우, 상기 스퍼터링 가스는 아르곤과 같은 불활성 기체를 포함하며, 상기 반응가스는 기판(W) 상에 형성되는 박막의 종류에 따라 다양하게 제공될 수 있다. 본 실시예의 경우, 질소가스를 공급하여 상기 기판(W) 상에 금속 질화막을 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 조절밸브(314,324)는 상기 중앙 제어기(500)에 의해 제어되어 스퍼터링 공정을 제어하거나 동작모드를 선택하는 수단으로 이용된다.
상기 기판 홀더(130)는 구동부(400)에 연결되어 기판을 로딩/언로딩 하거나 상기 챔버(100) 내에서 기판(W)의 위치조절이 필요한 경우 기판 홀더(130)를 구동한다.
상기 중앙 제어기(500)는 상기 파워 공급부(200) 및 상기 가스 공급부(300)를 제어하여 공정챔버 내의 공정상태에 따라 상기 스퍼터링 공정을 상기 증착모드(DM)와 페이스팅 모드(pasting mode, PM)로 전환할 수 있다. 이때, 상기 페이스팅 모드(PM)의 수행시간을 이전 증착모드(DM)들의 누적 증착량에 비례하여 증가시키도록 제어함으로써 보호판(112) 상에 형성된 오염막(치)으로부터 챔버(100) 내부로 파티클이 생성되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 중앙 제어기(500)에 의해 상기 스퍼터링 공정의 증착모드(DM)가 개시되면, 인젝터(310)를 통하여 아르곤 가스가 공급되고 상기 반응가스 조절부(320)를 통하여 질소와 같은 반응가스가 공급된다. 이어서, 상기 파워 공급부(200)를 통하여 소정의 전력이 인가되면, 상기 챔버(100)의 내부에 스퍼터링 가스의 플라즈마가 형성된다. 타겟(124)은 전기적으로 음의 극성을 가지므로 플라즈마 상태에서 전자의 가속에 의해 발생하는 양이온과 충돌하여 타겟(124)의 표면으로부터 증착물질을 원자단위로 분리한다. 타겟(124)으로부터 분리된 증착물질은 전기적으로 양의 극성을 띠는 기판(W)으로 유도되어 표면에 증착된다.
이때, 언급한 바와 같이 상기 증착물질은 기판(W)의 표면뿐만 아니라 보호판(112)의 표면에도 증착되어 오염막으로 성장하게 된다. 상기 공정 제어기(500)는 일정한 조건이 되면 자동으로 상기 기판에 대한 증착공정을 일시적으로 중단하고, 상기 오염막(CL)의 상면을 덮는 파티클 방지막(PPL)을 형성하는 페이스팅 모드를 수행한다.
일실시예로서, 상기 공정 제어기(500)는 상기 페이스팅 모드(PM)의 개시신호를 생성하고 동작특성을 설정하는 페이스팅 유닛(510), 사용자 인터페이스에 의해 입력된 상기 스퍼터링 공정의 특성변수를 저장하는 특성변수 저장유닛(520), 상기 타겟(124)의 잔존수명을 검출하여 상기 챔버(100)의 가동을 중지하고 상기 타겟(124) 및 보호판(112)을 교체하는 타겟 교체유닛(530) 및 상기 챔버(100), 파워 공급부(200) 및 가스 공급부(300)를 유기적으로 제어하여 상기 증착모드(DM)와 상기 페이스팅 모드(PM)를 교대로 수행하면서 상기 스퍼터링 공정을 진행하는 중앙 제어유닛(540)을 포함한다.
상기 페이스팅 유닛(510)은 상기 증착물질이 증착된 기판(W)인 증착기판의 누적량에 따라 페이스팅 공정을 개시하도록 페이스팅 신호를 생성하는 페이스팅 신호 생성기(512), 이전 증착모드(DM)들에서의 상기 누적 증착량을 검출하는 증착량 검출기(514), 상기 누적 증착량에 따라 상기 페이스팅 모드(PM)의 수행시간을 수득하는 페이스팅 시간 검출기(516)를 구비한다.
상기 페이스팅 신호 생성기(512)는 상기 중앙 제어유닛(540)으로부터 전송되는 증착종료 신호를 수득하여 상기 증착모드(DM)가 완료된 증착기판의 매수를 누적하는 누계기(accumulator, 512a), 상기 증착기판의 매수와 상기 증착모드의 기판묶음 단위를 비교하는 비교기(512b) 및 상기 증착기판의 매수와 상기 기판묶음 단위가 일치하는 경우 상기 페이스팅 개시신호를 디지털 신호 생성기(512c)를 구비한다.
기판(W)에 대한 증착공정이 완료되면 챔버(100)의 내부상태를 검출하고 제어하는 챔버 제어콘솔(미도시)은 증착종료 신호를 생성하여 상기 중앙 제어유닛(540)으로 전송한다.
중앙 제어유닛(540)은 상기 증착종료 신호를 페이스팅 신호 생성기(512)로 전송하여 현재상태의 챔버(100) 내부 상태가 스퍼터링 공정모드를 증착모드(DM)에서 페이스팅 모드(PM)로 변경할 필요가 있는지 확인하게 된다.
이때, 1매의 기판 단위로 스퍼터링 공정이 수행되는 경우 상기 증착종료 신호는 1매의 증착기판이 생성되었음을 의미한다. 이에 따라, 상기 누계기(512a)에 증착기판의 매수를 1단위 증가시킨다. 일군의 그룹단위로 스퍼터링 공정이 수행되는 경우 상기 증착종료 신호는 그룹을 이루는 기판의 매수단위로 증착기판이 생성되었음을 의미한다. 이 경우, 상기 누계기(512a)는 증착기판의 매수를 일군의 그룹을 구성하는 기판의 매수 단위만큼 증가시킨다.
상기 비교기(512b)는 상기 누계기(512a)에 저장된 증착기판의 매수와 상기 증착모드(DM)에서 처리하기로 설정된 기판묶음 단위를 비교한다. 상기 기판 묶음단위는 장비 사용자에 의해 설정된 값으로 상기 기판 묶음단위에 대응하는 기판에 대하여 증착공정이 수행될 때마다 페이스팅 공정을 수행하기로 설정한 특성변수이다.
특히, 상기 기판묶음 단위는 증착이 수행되는 동안 형성되는 오염막(CL)에 의해 생성되는 파티클의 밀도가 최대 허용값을 갖는 경우의 누적 증착기판 매수로 설정한다. 즉, 상기 기판 묶음 단위는 상기 증착모드에서 오염막(CL)으로부터 생성되는 파티클에 의한 오염으로 인한 공정불량을 방지할 수 있는 최대 허용 기판 매수를 의미한다.
또한, 상기 기판 묶음 단위는 상기 타겟이 동일한 경우 일정한 수의 기판매수로 설정하여 동일한 타겟을 이용하는 스퍼터링 공정에서 파티클 방지막(PPL)의 하부에 형성되는 오염막(CL)은 항상 일정한 두께를 갖도록 설정한다.
이에 따라, 타겟을 챔버에 배치한 후 제거할 때까지 수행되는 각 증착모드에서 상기 오염막(CL)으로부터 생성되는 파티클에 대한 분석과 제어를 용이하게 수행할 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 증착모드(DM)의 기판 묶음 단위는 약 200매 내지 300매로 설정한다. 즉, 약 200매 내지 300매의 의 기판에 대한 증착을 수행한 후 주기적으로 페이스팅 공정을 수행하도록 스퍼터링 장치(1000)를 구성한다.
상기 기판 묶음 단위는 챔버(100)의 특성과 주로 증착되는 막질의 특성과 스퍼터링 환경 및 고유한 공정조건에 따라 작업자에 의해 설정되어 상기 특성변수 저장유닛(520)에 저장된다.
이에 따라, 상기 비교기(512b)는 상기 누계기(512a)의 증착기판 매수가 변경된 경우 상기 특성변수 저장유닛(520)으로부터 상기 증착모드의 기판 묶음단위를 호출하여 변경된 증착기판 매수와 비교한다.
상기 증착기판의 매수가 상기 기판묶음 단위보다 작은 경우에는 챔버(100)의 내부에 오염막(CL)으로 인한 파티클의 밀도가 허용범위 이내로 조절된다는 의미이므로 굳이 페이스팅 공정을 수행할 필요가 없다. 따라서, 상기 중앙 제어유닛(540)은 수행하고 있는 증착모드(DM)를 동일하게 유지하도록 장치 구성요소를 설정하고 상기 챔버(100)로 새로운 증착대상 기판이 로딩된다.
그러나, 상기 증착기판의 매수가 상기 기판묶음 단위가 일치하게 되면, 증착모드(DM)를 중지하고 오염막(CL)의 상면에 파티클 방지막(PPL)을 형성하여 챔버(100) 내부의 파티클 농도를 억제하게 된다. 이에 따라, 상기 신호 생성기(512c)는 상기 페이스팅 개시신호를 생성한다. 예를 들면, 상기 신호 생성기(512c)는 다양한 아날로그 및 디지털 회로소자로 구성될 수 있다.
상기 증착량 검출기(514)는 이전 증착모드들에서의 누적 증착량을 검출한다.
기판(W)에 형성되는 박막은 증착모드가 종료되면 챔버(100)로부터 언로딩 되지만, 보호판(112)은 증착모드(DM)마다 교체되는 것이 아니므로 오염막(CL)은 증착모드(DM)가 수행될 때마다 보호판(112) 상에 누적적으로 퇴적된다. 따라서, 오염막(CL)으로부터 생성되는 파티클은 단위 증착모드(DM)에 사용된 증착물질이 아니라 당해 페이스팅 모드(PM) 이전의 모든 증착모드(DM)에서의 사용된 증착물질에 영향을 받게 된다.
오염막(CL)의 이러한 특성에도 불구하고 증착모드(DM)의 누적 수행회수와 무관하게 페이스팅 모드(PM)를 동일한 시간만큼 수행하여 파티클 방지막(PPL)의 두께도 일정하게 형성되었다. 이에 따라, 수행되는 증착모드의 회수가 증가할수록 파티클 방지막(PPL)에도 불구하고 오염막(CL)으로부터 발생하는 파티클이 증가하게 된다.
이에 따라, 증착량 검출기(514)는 페이스팅 개시신호가 생성되면 최초 증착모드(DM)부터 직전 증착모드(DM)까지 수행된 누적 증착량을 검출하게 된다.
스퍼터링 공정에서 박막의 증착량은 파워 공급부(200)의 전력에 비례하므로 최초 증착모드(DM)부터 직전 증착모드(DM)의 수행에 소요된 누적 전력을 검출함으로써 상기 누적 증착량으로 이용할 수 있다.
즉, 상기 증착량 검출기(514)는 상기 파워 공급부(200)로부터 상기 타겟(124)이 상기 챔버(100)에 설치된 시점부터 상기 타겟(124)으로 인가된 총 전력인 누적 전력을 검출하여 상기 누적 증착량으로 이용한다.
이에 따라, 상기 페이스팅 시간 검출기(516)는 상기 누적 증착량에 기초하여 상기 페이스팅 모드(PM)의 수행시간을 수득한다.
본 실시예의 경우, 상기 페이스팅 시간 검출기(516)는 누적 전력에 따라 상기 페이스팅 모드의 수행시간을 아래의 식(1)에 따라 수득한다.
Figure 112017114184304-pat00001
----- (1)
이때, Tp는 페이스팅 모드 수행시간, Tr은 기준 페이스팅 시간, a는 비례상수 및 Pa는 특정 페이스팅 모드의 이전 증착 모드들에서의 누적 전력을 나타낸다.
즉, 페이스팅 모드(PM)의 수행시간은 기준시간으로부터 누적 전력의 크기에 일정한 비율만큼 늘어나도록 설정한다. 이에 따라, 상기 페이스팅 모드(PM)는 증착모드(DM)의 회수가 증가할수록 공정시간이 증가하게 된다.
따라서, 상기 파티클 증착막(PPL)은 페이스팅 모드(PM)가 반복될수록 두께가 점차 증가하게 된다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 내지 제4 증착모드(DM1 내지 DM4)가 반복적으로 수행되는 경우 각 증착모드의 수행시간을 일정하지만, 각 증착모드 사이의 페이스팅 모드(PM1 내지 PM4)는 수행시간이 점차 증가하게 된다. 즉, 제4 페이스팅 모드(PM4)가 가장 긴 시간동안 수행되고 제1 페이스팅 모드(PM1)가 가장 짧은 시간 동안 수행된다.
이에 따라, 보호판(112) 상에 형성되는 제1 내지 제4 오염막(CL1내지 CL4)들은 모두 동일한 두께를 갖지만, 각 오염막(CL1내지 CL4)들을 덮는 제1 내지 제4 파티클 방지막(PPL1 내지 PPL4)들은 점진적으로 두께가 증가한다. 즉, 제4 파티클 방지막(PPL4)이 가장 큰 두께를 갖고 제1 파티클 방지막(PPL)이 가장 작은 두께를 갖도록 형성된다.
이에 따라, 보호판(112)에 증착된 증착물질이 많을수록 파티클 방지막(PPL)의 두께도 크게 형성하여 오염막(CL)으로부터 파티클이 생성되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 비례상수 a는 상기 챔버(100) 내의 파티클 밀도가 허용범위 이하가 되도록 실험적으로 수득되는 챔버 의존 상수로서 사용자 인터페이스에 의해 상기 특성변수 저장유닛(514)에 저장된다.
따라서, 페이스팅 모드 개시신호에 따라 페이스팅 수행시간이 연산될 때 상기 페이스팅 시간 검출기(516)는 특성변수 저장유닛(514)으로부터 상기 비례상수를 호출하여 페이스팅 수행시간을 연산한다.
본 실시예의 경우, 상기 비례상수는 0.001 내지 0.005의 범위에서 특정 상수로 설정되고 상기 기준 페이스팅 시간은 30초로 설정되며 상기 누적전력은 전력은 1,500KWh 내지 1,800KWh의 범위를 갖는다.
이후, 상기 페이스팅 시간 검출기(516)는 특정된 페이스팅 모드(PM)의 수행시간을 중앙 제어유닛(540)으로 전송하고 상기 중앙 제어유닛(540)은 상기 스퍼트링 공정의 동작모드를 페이스팅 모드(PM)으로 전환하게 된다.
본 실시예의 경우, 상기 증착모드(DM)에서는 상기 가스 인젝터(310)와 상기 반응가스 조절부(320)를 모두 활성화시키고 상기 페이스팅 모드(PM)에서는 상기 가스 인젝터(310)만 활성화함으로써 챔버(100) 내부의 스퍼터링 동작모드를 전환한다.
예를 들면, 상기 스퍼터링 공정에 의해 반도체 소자의 게이트 전극용 베리어 메탈을 형성하는 경우, 티타늄(Ti) 벌크를 타겟(124)으로 구비한 챔버(100)의 내부로 불활성 가스인 아르곤(Ar)을 스퍼터링 가스로 공급하고 질소(N)가스를 반응가스로 공급함으로써 증착모드(DM)를 수행하게 된다.
이에 따라, 상기 증착모드(DM)에서 상기 기판(W)의 상면과 보호판(112)의 상면에 티타늄 잘화막(TiN)이 증착하게 된다.
이어서, 페이스팅 모드(PM) 수행시간과 함께 페이스팅 모드(PM) 신호가 중앙 제어유닛(540)으로 전송되면 상기 인젝터(310)의 제1 조절밸브(314)는 개방상태를 계속 유지시키면서 상기 반응가스 조절부(3120)의 제2 밸브(324)는 폐쇄시킨다.
이에 따라, 상기 챔버(100)의 내부에서는 더 이상 티타늄 질화물은 증착되지 않고 티타늄 금속만 증착된다. 상기 증착모드(DM)가 종료되면 기판(W)은 챔버(100)로부터 언로딩 되므로, 페이스팅 모드(PM)에서는 상기 스테이지(132)에 기판(W)이 탑재되지 않으므로 셔터(미도시)에 의해 상기 스테이지(132)는 덮힌다. 이에 따라, 페이스팅 모드(PM)에서 스테이지(132)의 표면에 티타늄 금속막이 증착되는 것을 방지할 수 있다.상기 티타늄 금속만은 보호판(112) 상면의 오염막(CL)인 티타늄 질화막을 덮는 파티클 방지막(PPL)으로 기능하게 된다.
따라서, 본 실시예의 경우, 상기 오염막(CL)은 일정한 두께를 갖는 티타늄 질화막으로 형성되고 상기 파티클 방지막(PPL)은 보호판(112)의 상면으로부터 멀어질수록 두꺼워지는 티타늄막으로 형성된다.
상기 페이스팅 모드(PM)는 설정된 시간까지 수행되고 종료한다. 이때, 상기 타겟 교체유닛(530)은 상기 타겟(124)의 잔존수명을 검출하여 허용값과 비교함으로써 타겟(124) 및 보호판(112)의 교체여부를 검토한다.
예를 들면, 상기 타겟 플레이트(122)의 내부에 상기 증착모드(DM)의수행 회수에 따라 타겟(124)의 물리적/화학적 성질을 검출함으로써 타겟(124)의 잔존수명을 검출하고, 상기 페이스팅 모드(PM)가 종료될 때마다 상기 타겟 교체유닛(530)으로 전송하도록 설정할 수 있다.
상기 타겟(124)의 잔존수명에 관한 허용값도 상기 기판 묶음 단위나 페이스팅 모드 수행시간 연산식의 비례상수와 같이 장비특성으로 사용자에 의해 설정될 수 있다.
따라서, 페이스팅 모드(PM)가 종료되면 상기 타겟 플레이트(122)는 타겟 홀더(120)로부터 전송된 타겟(124)의 잔존수명과 상기 특성변수 저장유닛(520)으로부터 호출한 상기 타겟 잔존수명 허용값을 비교한다.
검출된 잔존수명이 호출된 허용값보다 작은 경우 상기 타겟 교체유닛(530)은 타겟 교체신호를 중앙 제어유닛(540)으로 전송한다. 이에 따라, 중앙 제어융닛(540)에 의해 상기 파워 공급부(200), 상기 가스 공급부(300) 및 구동부(400)의 동작은 정지되고 상기 챔버(100)은 작업자에 의해 개방된다.
이후, 수명이 다한 타겟(124)은 새로운 타겟으로 교체된다. 이때, 상기 오염막(CL)과 파티클 방지막(PPL)이 교대로 적층된 보호판(112)도 새로운 보호판(112)으로 교체된다.
이때, 상기 타겟 교체유닛(530) 상기 증착기판의 누적 매수를 기억하는 누계기(512a)와 상기 증착량 검출기(514)의 누적 증착량은 0의 상태로 다시 세팅된다. 이에 따라, 상기 증착기판의 누적매수 및 타겟(124)으로 인가된 누적전력은 타겟 단위로 재설정된다.
이하, 상기 스퍼터링 장치의 구동방법을 상세하게 설명한다.
도 4는 도 1에 도시된 스퍼터링 장치를 구동하는 방법을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 먼저 상기 보호판(112)에 의해 내측면이 커버되는 챔버(100)로 기판(W)을 로딩하여 스퍼터링 공정에 의해 상기 보호판(112) 상에 오염막(CL)이 증착되면서 상기 기판(W) 상에 박막을 형성하는 증착모드를 수행한다 (단계 S100).
스퍼터링 공정이 개시되면 최초의 증착대상 기판이 챔버(100)로 로딩되어 기판 홀더(130)에 고정되고 파워 공급부(200) 및 가스 공급기(300)가 모두 활성화되어 스터터링 증착공정이 수행된다. 이에 따라, 상기 기판(W)의 표면에는 박막이 형성되면서 동시에 상기 보호판(112) 상에는 오염막(CL)이 형성된다.
상기 챔버(100)로부터 상기 기판(W)에 대한 증착 종료신호가 상기 중앙 제어유닛(540)으로 전송되면, 상기 증착모드(DM)를 완료한 증착기판의 누적 매수, 타겟(124)으로 인가된 누적 전력 및 상기 타겟의(124) 잔존수명을 검출한다 (단계 S200).
기판(W)에 대한 증착이 종료되면, 당해 기판(W)은 챔버(100)로부터 언로딩되고 챔버(100)는 다음 공정대상 기판(W)이 로딩될 때까지 대기상태를 유지한다.
이어서, 페이스팅 공정의 개시조건이 충족되는지 여부를 검사한다(단계 S300). 상기 페이스팅 신호 생성기(512)는 누계기(512a)로부터 증착모드가 완료된 증착기판의 누적매수와 상기 특성변수 저장유닛(520)에 저장된 증착모드의 기판묶음 단위를 비교하여 페이스팅 개시신호를 생성한다.
따라서, 상기 증착기판의 매수가 상기 증착모드의 기판묶음 단위보다 작은 경우에는 새로운 기판에 대하여 상기 증착모드를 수행하고, 상기 증착기판의 매수가 상기 증착모드의 기판묶음 단위와 일치하는 경우에는 페이스팅 개시신호를 생성하여 상기 스퍼터링 공정의 구동모드를 페이스팅 모드로 전환한다.
이에 따라, 상기 증착기판의 매수와 상기 증착모드의 기판묶음 단위가 일치할 때마다 상기 페이스팅 모드(PM)를 수행하게 된다.
페이스팅 개시신호가 생성되면, 페이스팅 시간 검출기(516)는 식(1)과 같은 페이스팅 수행시간 결정함수를 이용하여 상기 누적전력에 따른 상기 페이스팅 모드의 수행시간을 결정한다(단계 S400).
이에 따라, 보호판(112)에 증착된 증착물질이 많을수록 파티클 방지막(PPL)의 두께도 크게 형성하여 오염막(CL)으로부터 파티클이 생성되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 이어서, 셔터(미도시)를 구동하여 증착기판이 제거된 스테이지(132)를 덮는다(단계S500). 이에 따라, 상기 페이스팅 모드(PM)가 수행되는 동안 스테이지(132) 상면에 파티클 보호막(PPL)이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 이어서, 상기 페이스팅 모드(PM)를 수행(단계 S600)하여, 상기 보호판(112)의 표면에 오염막(CL)을 덮는 파티클 방지막(PPL)을 형성한다.
이때, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 파티클 방지막(PPL)은 페이스팅 모드(PM)가 진행될수록 더욱 두껍게 형성된다.
이어서, 상기 페이스팅 모드(PM)를 종료한 후 상기 타겟(124)의 잔존수명과 허용값을 비교(S700)하여 타겟(124) 및 보호판(112)의 교체여부를 결정한다.
상기 타겟(124)의 검출 잔존수명이 허용값보다 작은 경우, 상기 타겟(124)으로의 전력공급과 상기 챔버(100)로의 가스공급을 중단하고, 상기 타겟(124) 및 상기 보호판(112)을 교체한다(단계 S800).
그러나, 상기 타겟(124)의 잔존수명이 허용값보다 큰 경우 새로운 기판에 대하여 상기 증착모드를 수행하게 된다.
상술한 바와 같은 스퍼터링 장치 및 이의 구동방법에 의하면, 스퍼터링 챔버(100)의 내벽을 덮는 보호판(112)을 덮는 파티클 방지막(PPL)의 두께를 보호판(112) 상에 퇴적된 총 누적 증착량에 비례하여 증가시킨다. 즉, 보호판(112)에 누적된 증착물질이 많을수록 페이스팅 공정시간을 증가시킴으로써 보호판(112)에 형성된 오염막(CL)을 덮는 파티클 방지막(PPL)의 두께를 증가시킨다. 이에 따라, 보호판(112)에 증착된 증착물질이 많은 경우에도 오염막(CL)으로부터 파티클이 생성되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 착탈식으로 결합하는 보호판에 의해 내측면이 커버되는 하우징을 구비하고 스퍼터링 공정에 의해 기판의 상면에 박막을 증착하는 스퍼터링 챔버; 및
    일정한 매수의 기판에 대하여 상기 스퍼터링 공정을 개별적으로 수행하는 증착모드(deposition mode)와 상기 증착모드에서 상기 보호판에 퇴적된 오염막을 덮는 파티클 방지막을 형성하는 페이스팅 모드(pasting mode)를 교대로 수행하고 상기 페이스팅 모드의 수행시간을 이전 증착모드들의 누적 증착량에 비례하여 증가시키는 공정 제어기를 포함하고,
    상기 공정 제어기는 상기 누적 증착량에 따라 상기 페이스팅 모드의 수행시간을 아래의 식(1)에 따라 수득하는 스퍼터링 장치.
    Figure 112022096723498-pat00002
    ----- (1)
    (단, Tp는 페이스팅 모드 수행시간, Tr은 기준 페이스팅 시간, a는 비례상수 및 Pa는 특정 페이스팅 모드의 이전 증착 모드들에서의 누적 증착량.)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 스퍼터링 챔버에 타겟이 설치된 시점부터 상기 타겟으로 인가된 총 전력인 누적 전력을 상기 누적 증착량으로 이용하는 스퍼터링 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 비례상수는 0.001 내지 0.005의 범위를 갖고 상기 누적 전력은 1,500KWh 내지 1,800KWh의 범위를 갖는 스퍼터링 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 공정 제어기는 상기 페이스팅 모드를 수행한 후 상기 스퍼터링 챔버에 구비되어 증착물질을 공급하는 타겟의 잔존수명을 검출하여 상기 타겟 및 보호판을 동시에 교체하는 타겟 교체유닛을 구비하는 스퍼터링 장치.
  6. 착탈식으로 결합하는 보호판에 의해 내측면이 커버되는 하우징, 증착 대상 기판이 고정되는 기판 홀더 및 증착물질을 구비하는 타겟을 고정하는 타겟 홀더를 구비하고 스퍼터링 공정이 수행되는 챔버;
    상기 타겟 홀더로 전력을 공급하는 파워 공급부;
    상기 챔버로 스퍼터링 가스를 공급하는 가스 인젝터 및 반응가스를 선택적으로 공급하는 반응가스 조절부를 구비하는 가스 공급부; 및
    상기 파워 공급부 및 상기 가스 공급부를 제어하여 일정한 매수의 기판에 대하여 상기 스퍼터링 공정을 개별적으로 수행하는 증착모드(deposition mode)와 상기 증착모드에서 상기 보호판에 퇴적된 오염막을 덮는 파티클 방지막을 형성하는 페이스팅 모드(pasting mode)를 교대로 수행하고 상기 페이스팅 모드의 수행시간을 이전 증착모드들의 누적 증착량에 비례하여 증가시키는 공정 제어기를 포함하고,
    상기 공정 제어기는 상기 페이스팅 모드의 개시신호를 생성하고 동작특성을 설정하는 페이스팅 유닛(510), 사용자 인터페이스에 의해 입력된 상기 스퍼터링 공정의 특성변수를 저장하는 특성변수 저장유닛(520), 타겟의 잔존수명을 검출하여 상기 챔버의 가동을 중지하고 상기 타겟 및 보호판을 교체하는 타겟 교체유닛(530) 및 상기 챔버, 파워 공급부 및 가스 공급부를 유기적으로 제어하여 상기 증착모드와 상기 페이스팅 모드를 교대로 수행하면서 상기 스퍼터링 공정을 진행하는 중앙 제어유닛(540)을 포함하며,
    상기 페이스팅 유닛(510)은 상기 증착물질이 증착된 기판인 증착기판의 누적값에 따라 페이스팅 공정을 개시하도록 페이스팅 신호를 생성하는 페이스팅 신호 생성기(512), 이전 증착모드들에서의 상기 누적 증착량을 검출하는 증착량 검출기(514), 상기 누적 증착량에 따라 상기 페이스팅 모드의 수행시간을 수득하는 페이스팅 시간 검출기(516)를 포함하고,
    상기 증착량 검출기는 상기 파워 공급부로부터 상기 타겟이 상기 챔버에 설치된 시점부터 상기 타겟으로 인가된 총 전력인 누적 전력을 검출하여 상기 누적 증착량으로 이용하고,
    상기 페이스팅 시간 검출기는 상기 누적 전력에 따라 상기 페이스팅 모드의 수행시간을 아래의 식(1)에 따라 수득하는 스퍼터링 장치.
    Figure 112022096723498-pat00009
    ----- (1)
    (단, Tp는 페이스팅 모드 수행시간, Tr은 기준 페이스팅 시간, a는 비례상수 및 Pa는 특정 페이스팅 모드의 이전 증착 모드들에서의 누적 전력.)
    는 스퍼터링 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서, 상기 페이스팅 신호 생성기는 상기 중앙 제어유닛으로부터 전송되는 증착종료 신호를 수득하여 상기 증착모드가 완료된 증착기판의 매수를 누적하는 누계기(accumulator), 상기 증착기판의 매수와 상기 증착모드의 기판묶음 단위를 비교하는 비교기 및 상기 증착기판의 매수와 상기 기판묶음 단위가 일치하는 경우 상기 페이스팅 개시신호를 생성하는 신호 생성기를 구비하는 스퍼터링 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제6항에 있어서, 상기 비례상수는 상기 챔버 내의 파티클 밀도가 허용범위 이하가 되도록 실험적으로 수득되는 챔버 의존 상수로서 사용자 인터페이스에 의해 상기 특성변수 저장유닛에 저장되는 스퍼터링 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 비례상수는 0.001 내지 0.005의 범위에서 특정 상수로 설정되고 상기 기준 페이스팅 시간은 30초로 설정되며 상기 누적전력은 전력은 1,500KWh 내지 1,800KWh의 범위를 갖는 스퍼터링 장치.
  14. 제6항에 있어서, 상기 중앙 제어유닛은 상기 증착모드에서는 상기 가스 인젝터와 상기 반응가스 조절부를 모두 활성화시키고 상기 페이스팅 모드에서는 상기 가스 인젝터만 활성화하는 스퍼터링 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 중앙 제어유닛은 상기 챔버로부터 상기 기판에 대한 증착 종료신호를 검출하면 상기 페이스팅 유닛으로 전송하여 상기 페이스팅 유닛을 활성화시키고 상기 페이스팅 유닛으로부터 전송된 상기 페이스팅 모드 개시신호에 따라 상기 반응가스 조절부를 비활성화 시키는 스퍼터링 장치.
  16. 보호판에 의해 내측면이 커버되는 챔버로 기판을 로딩하여 스퍼터링 공정에 의해 상기 보호판 상에 오염막이 증착되면서 상기 기판 상에 박막을 형성하는 증착모드를 수행하고;
    상기 기판에 대한 증착 종료신호에 따라 상기 증착모드를 완료한 증착기판의 매수, 타겟으로 인가된 누적 전력 및 상기 타겟의 잔존수명을 검출하고;
    상기 증착기판의 매수와 상기 증착모드의 기판묶음 단위를 비교하여 페이스팅 모드를 개시하고
    상기 누적전력에 비례하는 수행시간 동안 상기 페이스팅 모드를 수행하여 상기 오염막을 덮는 파티클 방지막을 형성하며,
    상기 페이스팅 모드의 수행시간은 아래의 식(1)에 따라 결정하는 스퍼터링 장치의 구동방법.
    Figure 112022096723498-pat00010
    ----- (1)
    (단, Tp는 페이스팅 모드 수행시간, Tr은 기준 페이스팅 시간, a는 비례상수 및 Pa는 상기 누적 전력.)
  17. 제16항에 있어서, 상기 증착기판의 매수가 상기 증착모드의 기판묶음 단위보다 작은 경우에는 새로운 기판에 대하여 상기 증착모드를 수행하여, 상기 증착기판의 매수와 상기 증착모드의 기판묶음 단위가 일치할 때마다 상기 페이스팅 모드를 수행하는 스퍼터링 장치의 구동방법.
  18. 삭제
  19. 제16항에 있어서, 상기 페이스팅 모드를 수행한 후 상기 타겟의 잔존수명과 허용값을 비교하는 스퍼터링 장치의 구동방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 타겟의 잔존수명이 허용값보다 작은 경우, 상기 타겟으로의 전력공급과 상기 챔버로의 가스공급을 중단하고, 상기 타겟 및 상기 보호판을 교체하는 스퍼터링 장치의 구동방법.
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