KR20040005406A - 동기화된 이온 빔 소스와 듀얼 마그네트론 스퍼터를가지는 박막 형성 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 증착되는 박막의 특성을 제어하기 위하여 이온빔 소스를 장치 내에 함께 배치하여 사용하는 듀얼 마그네트론 스퍼터링 장치에서, 박막 특성의 효율적인 제어를 위해 자장의 배치 및 이온빔 전원 공급 방식을 개선한 박막 증착 장치에 관한 것이다. 본 발명의 박막 형성 장치는, 진공 챔버; 진공 챔버 내에 배치되는 기판; 진공 챔버 내에 배치되며, 기판 표면으로 증착하고자 하는 제1 물질을 공급하는 제1 마그네트론 스퍼터링 소스; 진공 챔버 내에 배치되며, 기판 표면으로 증착하고자 하는 제2 물질을 공급하며, 제1 마그네트론 스퍼터링 소스와 함께 듀얼 마그네트론 스퍼터링 소스를 이루는 제2 마그네트론 스퍼터링 소스; 제1 마그네트론 스퍼터링 소스에 의해 기판에 공급되는 제1 물질의 공급 위치와 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 의해 기판에 공급되는 제2 물질의 공급 위치 사이의 위치에서 기판 위로 이온빔을 공급하도록 챔버 내에 배치되어, 기판 표면에 증착되는 박막의 표면 특성을 제어하는 이온빔 소스; 및 제1 마그네트론 스퍼터링 소스에 펄스 전원을 공급하는 제1 전원부, 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 펄스 전원을 공급하는 제2 전원부를 포함하는 바이폴라 펄스 전원부와, 이온빔 소스에 전원을 공급하는 것이며 바이폴라 펄스에 동기화 된 펄스를 공급하는 유니폴라 펄스 전원부를 가지는 전원부를 포함한다.

Description

동기화된 이온 빔 소스와 듀얼 마그네트론 스퍼터를 가지는 박막 형성 장치{FILM DEPOSITION APPARATUS HAVING DUAL MAGNETRON SPUTTERING SYSTEM AND ION BEAM SOURCE WHICH ARE SYNCHRONIZED}

본 발명은 이온빔 소스를 장착한 듀얼 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것이다. 보다 상세히는, 조성을 제어하는 합금의 증착, 유전성 화합물을 증착하기 위한 반응성 스퍼터링 또는 고속의 박막 증착 등을 위해 한 개 이상의 마그네트론 소스를 사용하는 방식의 듀얼 마그네트론 스퍼터링 장치, 특히 증착되는 박막의 특성을 제어하기 위하여 이온빔 소스를 장치 내에 함께 배치하여 사용하는 듀얼 마그네트론 스퍼터링 장치에서, 박막 특성의 효율적인 제어를 위해 자장의 배치 및 이온빔 전원 공급 방식을 개선한 새로운 구조의 박막 증착 장치에 관한 것이다.

스퍼터 증착(sputter deposition)은 진공챔버 내에 배치된 기판(substrate)에 증착시키고자 하는 물질로 이루어진 타겟(target) 주위에 플라즈마를 형성시켜 플라즈마 중의 이온 충격에 의해 타겟으로부터 방출되는 물질이 기판 위에 증착되도록 하는 프로세스이다. 최근에는, 비교적 저압에서 높은 증착율을 얻을 수 있는 마그네트론 스퍼터링 소스가 많이 사용된다. 플라즈마를 형성하기 위한 소스는 이미 잘 알려져 있다. 보통, 타겟에 음의 전압을 공급하여 플라즈마로부터의 이온을 끌어당겨 타겟표면으로 가속시킨다. 이온이 타겟 표면에 충돌하면 타겟 원자에 모멘텀(momentum)을 공급하여 이온 입사 방향과 반대 방향으로 방출되도록 한다. 이 방출된 타겟 원자들이 타겟으로부터 근처에 배치된 기판으로 이동하여, 그 표면에 코팅된다. 또한, 배출된 타겟 원자들은 시스템의 다른 표면을 코팅하게 된다.

상술한 바와 같은 스퍼터링 프로세스는 반도체의 금속 배선층 형성 공정, 콤팩트 디스크와 CD-ROM의 반사층, 컴퓨터 메모리용 하드 디스크의 활성층, 및 다른 기능적 및 장식적 응용을 위한 금속층의 코팅을 위해 널리 사용되고 있다.

도전성 물질을 코팅하기 위해서는 단순 직류 전압을 타겟에 공급하는 직류 스퍼터링 방식을 사용하여도 문제가 되지 않는다. 그러나, 타겟이 절연체일 경우에는 직류 스퍼터링 방식은 사용될 수 없으며, 고주파 전원을 이용하는 RF 스퍼터링 방식이 주로 사용된다.

한편, 타겟은 금속일지라도 반응성(reactive) 배경 가스와의 반응을 통해 화학적으로 절연체를 형성하여 기판에 코팅되도록 하는 경우도 있다. 이를 반응성 스퍼터링이라 한다. 예를 들어, 쳄버에 채워진 배경 가스에 적절한 량의 산소 가스가 존재한다면, 알루미늄 및 실리콘 타겟으로부터 각각 Al2O3 및 SiO2가 생성되어 기판 표면에 증착될 수 있다.

이러한 반응성 스퍼터링은, 내마모성 코팅, 반도체 등의 전자 소자, 유리 기판에 대한 각종 용도의 코팅, 고효율 램프의 열 반사 코팅, LCD 및 PDP 등의 평판 디스플레이 장치에 사용되는 ITO 코팅을 포함하는 많은 응용에서 유용하기 때문에 이에 대한 상업적 관심이 증가하고 있다.

그러나, 반응 생성물이 전기적 절연체인 경우에는 문제가 발생한다. 상기한 바와 같이, 절연막이 챔버의 표면을 코팅하기 때문에, 양극으로 사용되는 애노드 부분을 코팅하게 되어, 전자들의 도전 경로를 코팅하게 될 것이며, 결국 방전은 유지될 수 없게 되는데, 이를 '애노드 소멸' 현상이라 한다. 종래에는, 상기 반응성 프로세스는 이러한 애노드 소멸 효과가 심각해질 경우를 막기 위해, 주기적인 장비의 분해 세정으로 벽면 또는 애노드의 절연막을 제거하였다. 또한, 절연체가 애노드에 코팅되면 절연체 표면에 누적된 전자에 의해 절연체가 충전되게 되고, 절연 재료의 유전 강도를 초과하는 전계를 애노드 상의 절연막에 야기할 경우 아크가 형성될 수 있다. 이 아크의 에너지에 의해 상기 절연막의 일부가 애노드로부터 배출되어 불순물 및 미립자(particle)에 의한 오염을 야기할 수 있다.

미국 진공 학회지(J. Vac. Sci. Technol. A) 볼륨 6, 넘버 3(1988년 5월/6월)에 발표된 '증가된 증착율의 유전체 증착을 위한 준 직류 스퍼터링 기술'이라는 논문에서는, 유전체 또는 절연 막의 퇴적을 위해 2개의 타겟을 교대로 이용하는 스퍼터링 프로세스를 제안하고 있다. 이 경우에 교류 전압을 출력하는 전원이 2개의 타겟들에 접속되어 서로에 대해 상대적으로 음 및 양으로 교대로 구동된다. 이로써 각각 다른 것에 대해 서로 교대로 애노드로서 작용하게 된다. 이와 같은 극성의 반전이 충분히 자주 발생되는 경우, 매우 얇은 절연층 만이 타겟이 애노드로서 작용하는 구간에서 타겟 상에 형성될 수 있고, 상기 매우 얇은 층은 타겟이 음으로 전환될 때 이온 충격에 의해 스퍼터될 수 있다. 이는 절연체가 즉시 스퍼터링 프로세스를 정지하지 않지만, 그의 충전 효과로 인해 느려지게 되어 궁극적으로 상기 프로세스를 정지시키게 되기 때문에 가능하다. 반전을 위한 통상의 시간은 애노드로 작용할 동안에 두꺼운 절연체 층이 코팅될 수 없도록 수십 마이크로초 정도의 짧은 시간이다. 이와 같이 하나 이상의 타겟이 서로 한번은 음극으로 한번은 양극으로 작용하도록 하여 애노드(양극) 소멸 현상을 방지하는 마그네트론 스퍼터링 방법을 일반적으로 '듀얼(dual) 마그네트론 스퍼터링'이라 한다.

도 1은 종래 기술의 듀얼 마그네트론 스퍼터링 장치의 한 예를 나타낸다.

도 1의 듀얼 마그네트론 스퍼터링 장치는 진공 챔버(도시하지 않음) 내에 유리, 합성수지 또는 금속 등 필요에 따라 달라질 수 있는 기판(10)이 배치되어 있다. 두 개의 마그네트론 스퍼터링 소스(20)(30)(도면에서, LHS MS는 좌측의 마그네트론 스퍼터링 소스를, RHS MS는 우측의 마그네트론 스퍼터링 소스를 표시한다)가 기판에 대해 소정의 각도(θ)로 배치되어 있고, 이 각도는 기판으로 스퍼터링된 물질의 플럭스(flux)가 효율적으로 도달하도록 하기 위해 필요에 따라 달라질 수 있다. 마그네트론 스퍼터링 소스(20)(30)는 타겟 표면(26)(36)의 주변에 자기장(28)(38)을 형성할 수 있도록 영구 자석(21)(22)(23)(31)(32)(34)을 후면에 배치하는 것이 일반적인 구조이다. 그러나, 유사한 자장을 발생시키는 전자석으로 대치될 수도 있다. 영구 자석의 배치는 다양하게 변형될 수 있고 도 1의 배치는 단지 한 예에 불과하다. 타겟 중심부의 자석(22)과 이를 둘러싸는 외곽부의 자석들(21)(24)은 각각 단일한 하나의 자석일 수도 있고 경우에 따라서는 작은 자석들의 배열일 수도 있다. 중요한 것은 타겟 표면과 평행한 성분을 가지는 자장(28)(38)의 터널(tunnel)을 타겟 표면 부근에 형성시키는 것이다. 이 평행한 성분의 자장은 플라즈마 중의 전자를 타겟 근처에 유효하게 가두며 전자가 재결합이나 양극으로의 이동에 의하여 소멸되기 전까지 타겟 근처에서 많은 충돌을 겪도록 하여 이온화 효율을 높이고 고밀도의 플라즈마를 얻도록 한다. 이를 위해 타겟 중심부의 자석(22)과 이를 둘러싸는 외곽부의 자석들(21)(24)은 타겟 표면을 향하는 부분이 서로 다른 극성을 가지도록(예를 들어 도 1과 같이 N-S-N의 배치 또는 S-N-S의 배치) 배치된다. 양 쪽의 스퍼터링 소스(20)(30)에는 전원부(40)가 결합되어 서로 극성이 교번되는 전압(42)(44)을 각각 스퍼터링 소스에 공급한다.

스퍼터된 물질(25)(35)은 기판(10)으로 입사하여 박막을 형성하며, 경우에 따라 반응성 스퍼터링이 일어나도록 챔버 내에 채워지는 가스가 선택되어 활성종을 공급하도록 할 수 있다. 한 쪽 스퍼터링 소스의 자석의 배치가 N-S-N일 경우에는 다른 한 쪽은 S-N-S로 할 수 있는데, 이 경우에는 벽면으로의 이온화 입자 손실을방지하여 플라즈마를 유효하게 가둠으로써 플라즈마 밀도를 높이고 이온화 효율을 높일 수 있다. 이렇게 배치된 자석은 결국 자기 다중극(magnetic multipole)과 같은 역할을 수행하는 것으로 볼 수 있고, 양 쪽 마그네트론 소스 사이에 방전부를 감싸는 자장(15)을 발생시키게 된다.

이러한, 듀얼 마그네트론 방식의 스퍼터 장치(100)에서는, 양쪽의 타겟에 연결된 전원부(40)를 포함하는 전력 공급 시스템이 챔버에 대해 플로팅(floating)된 상태이고, 플라즈마에 대한 전기적 전위를 정의하는 단일의 전극이 없기 때문에, 이온 충격(ion bombardment)를 이용하고 이온 충격 정도를 조절하여 기판표면의 막질을 제어하는 것이 구조적으로 어렵게 된다. 따라서, 플라즈마 발생원과 독립적으로 제어가 가능한 이온 충격 수단을 제공할 수 있는 구조의 장치가 절실히 요구된다.

이를 위하여 제공되는, 기존의 이온빔 소스와 마그네트론 스퍼터링 소스를 사용하는 박막 형성 장치(Ion beam assisted deposition system)에서는 이온빔 소스에 직류 전압을 공급하는 방식을 취하고 있다. 이와 같이 펄스 형태의 전압이 인가되는 마그네트론 스퍼터링 소스를 사용할 경우에는 펄스 전압 공급에 의해 스퍼터링 소스 부근에 플라즈마가 주기적으로 형성되고, 그에 의하여 발생되는 스퍼터링 된 물질들이 기판에 도달하여 박막이 증착되는 과정과, 증착이 끝나고 증착된 아다톰(Adatom)들이 재 분배 및 재 결합하는 과정이 펄스 플라즈마의 한 주기 동안에 일어나게 된다. 종래 기술과 같이 직류형 이온빔 소스를 사용할 경우에는, 이 모든 과정 동안 기판 표면에는 이온빔이 조사되게 된다. 그러나, 각각의 응용에 따른 용도에 맞추어 박막의 특성을 더 세밀히 제어하기 위해서는, 한 주기 동안에 존재하는 증착 과정과 증착후 재 결합 과정 동안에 얻고자 하는 박막의 특성에 맞게 적절한 시기에 이온빔이 조사되도록 상기 박막 형성의 각 과정 별로 분리하여 이온빔을 조사할 필요가 있고, 이를 위해서는 상기 듀얼 마그네트론 스퍼터링 소스의 펄스와 동기시켜서 적절한 타이밍을 가지고 펄스 전압을 인가하는 이온빔 소스 제어 방식이 절실히 요구된다.

또한, 듀얼 마그네트론 스퍼터 소스와 이온빔 소스는 장치 내에서 서로 전자장의 영향을 줄 수 있을 정도로 가깝게 배치되도록 구성되는 경우가 보통이기 때문에, 기존의 듀얼 마그네트론 스퍼터링 소스의 자장 배치는 이온빔 소스가 추가될 경우 이온빔 소스의 자장 배치의 영향을 고려하여 적절히 수정되어야 한다.

본 발명은 기존의 이온빔 소스와 마그네트론 스퍼터링 소스를 사용하는 박막 형성(Ion beam assisted deposition) 과정에서 형성시키는 박막의 물성의 제어능력을 높이고자 이온빔과 듀얼마그네트론 스퍼터링 소스의 동기화 기술을 적용시키며, 이때 통상의 소스를 결합시킬 때 마그네트의 조합에 불균형이 생겨 이를 해결하고자 하는 방안을 제공한다.

도 1은 종래 기술의 듀얼 마그네트론 스퍼터링 장치를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 이온 빔 소스를 가지는 듀얼 마그네트론 스퍼터링 장치의 한 바람직한 실시예를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 마그네트론 스퍼터링 소스 및 이온 빔 전원에 인가되는 펄스 전압을 예시한다.

도 4는 본 발명의 이온 빔 소스를 가지는 듀얼 마그네트론 스퍼터링 장치의 다른 한 바람직한 실시예를 나타낸다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 박막 형성 장치는, 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내에 배치되는 기판; 상기 진공 챔버 내에 배치되며, 상기 기판 표면으로 증착하고자 하는 제1 물질을 공급하는 제1 마그네트론 스퍼터링 소스; 상기진공 챔버 내에 배치되며, 상기 기판 표면으로 증착하고자 하는 제2 물질을 공급하며, 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스와 함께 듀얼 마그네트론 스퍼터링 소스를 이루는 제2 마그네트론 스퍼터링 소스; 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스에 의해 기판에 공급되는 제1 물질의 공급 위치와 상기 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 의해 기판에 공급되는 제2 물질의 공급 위치 사이의 위치에서 상기 기판 위로 이온빔을 공급하도록 상기 챔버 내에 배치되어, 상기 기판 표면에 증착되는 박막의 표면 특성을 제어하는 이온빔 소스; 및 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스에 펄스 전원을 공급하는 제1 전원부, 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 펄스 전원을 공급하는 제2 전원부를 포함하는 바이폴라 펄스 전원부; 및 상기 이온빔 소스에 전원을 공급하는 것이며 상기 바이폴라 펄스에 동기화 된 펄스를 공급하는 이온빔 전원부를 포함한다.

본 발명의 박막 형성 장치에서는, 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스와 상기 제2 마그네트론 스퍼터링 소스는 N-S-N 형의 자장 배치를 가지며, 상기 이온 빔 소스는 자장 발생부를 포함하며, 상기 이온 빔 소스의 자장 발생부는 S-N-S 형의 자장 배치를 발생시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 박막 형성 장치에서는, 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스와 상기 제2 마그네트론 스퍼터링 소스 는 S-N-S 형의 자장 배치를 가지며, 상기 이온 빔 소스는 자장 발생부를 포함하며, 상기 이온 빔 소스의 자장 발생부는 N-S-N 형의 자장 배치를 발생시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 관점에 의한 박막 형성 방법은, 진공 챔버, 상기 진공 챔버내에 배치되는 기판, 제1 마그네트론 스퍼터링 소스, 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스와 함께 듀얼 마그네트론 스퍼터링 소스를 이루는 제2 마그네트론 스퍼터링 소스, 이온빔 소스 및 전원부를 포함하는 박막 형성 장치를 사용한 박막 형성 방법이며, 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 제1 물질을 공급하는 단계; 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스에 인가되는 펄스 전압과 동기되도록 상기 이온빔 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 이온빔을 공급하는 단계; 상기 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 제2 물질을 공급하는 단계; 및 상기 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 인가되는 펄스 전압과 동기되도록 상기 이온빔 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 이온빔을 공급하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 관점에 의한 박막 형성 방법은, 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내에 배치되는 기판, 제1 마그네트론 스퍼터링 소스, 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스와 함께 듀얼 마그네트론 스퍼터링 소스를 이루는 제2 마그네트론 스퍼터링 소스, 이온빔 소스 및 전원부를 포함하는 박막 형성 장치를 사용한 박막 형성 방법이며, 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 제1 물질을 공급하는 단계; 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스에 인가되는 펄스 전압이 턴 오프된 후, 상기 이온빔 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 이온빔을 공급하는 단계; 상기 이온빔 소스에 인가된 펄스 전압이 턴오프된 후, 상기 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 제2 물질을 공급하는 단계; 및 상기 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 인가되는 펄스 전압이 턴 오프된 후, 상기 이온빔 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 이온빔을 공급하는 단계를 포함한다.

상기 전원부에서 공급되는 바이폴라 펄스는, 상기 제1 스퍼터링 소스에 펄스가 인가될 경우에는 상기 제2 스퍼터링 소스를 기준으로 상기 제1 스퍼터링 소스에 음의 펄스가 인가되며, 상기 제2 스퍼터링 소스에 펄스가 인가될 경우에는 상기 제1 스퍼터링 소스를 기준으로 상기 제2 스퍼터링 소스에 음의 펄스가 인가되는 방식의 극성이 교번되는 형태의 펄스를 말한다. 이를 달리 말하면, 상기 제1 전원부에서 공급되는 펄스 전압과 상기 제2 전원부에서 공급되는 펄스 전압은 서로 교대로 극성이 바뀌도록 하기 위해 서로 다른 위상을 가지는 것임이 바람직하다. 또한 상기 제1 전원부에서 공급되는 펄스 전압과 상기 제2 전원부에서 공급되는 펄스 전압의 위상차를 대략 180도가 되도록 제어할 수도 있다.

상기 이온빔 소스에 인가되는 펄스가 상기 바이폴라 펄스와 동기되었다라고 함은 상기 바이폴라 펄스와 동일한 주기를 가지는 펄스임을 말하며, 이온빔 소스에 인가되는 펄스는 단일한 극성의 유니폴라 펄스임이 바람직하다. 이온빔 소스에 인가되는 펄스는 바이폴라 펄스의 인가시점에 대해서 적절한 위상(phase)을 가지도록 제어될 수 있다.

상기 이온빔 소스에 공급되는 펄스 전압은 상기 제1 전원부에서 공급되는 펄스 전압 및 제2 전원부에서 공급되는 펄스 전압의 어느 하나에 동기되도록 하여 한 쪽의 스퍼터링된 물질의 플럭스가 제공되는 동안 기판 표면의 이온 충격의 효과를 함께 주도록 할 수도 있으며, 이를 대신하여 상기 이온빔 소스 전원부에서 공급되는 펄스 전압은 상기 제1 전원부에서 공급되는 펄스 전압 및 제2 전원부에서 공급되는 펄스 전압이 인가되지 않는 구간 동안에 인가되도록 하여 주된 스퍼터 증착과정과 이온 충격과정이 시간적으로 분리되도록 할 수도 있다.

자석의 배치에 대해서는, 일반적인 경우와 동일한 자기 다중극의 효과를 얻기 위해 상기 제1 마그네트론 소스는 N-S-N의 자석 배치를 가지며, 상기 제2 마그네트론 소스는 S-N-S의 자석 배치를 가지도록 할 수도 있으며, 이 경우 이온 빔 소스에는 자석을 배치하지 않을 수도 있다.

또는, 상기 제1 마그네트론 소스는 N-S-N의 자석 배치를 가지며, 상기 제2 마그네트론 소스는 N-S-N의 자석 배치를 가지도록 하며, 상기 이온 빔 소스에 영구 자석의 배치를 포함하도록 구성할 수도 있는데, 이 경우는 상기 이온 빔 소스의 영구 자석의 배치가 S-N-S가 되도록 구성하여 마그네트론 소스에 포함되는 자석과 이온 빔 소스에 포함되는 자석이 함께 자기 다중극을 이루도록 구성하는 것이 바람직하다. 이와는 반대로, 상기 제1 마그네트론 소스가 S-N-S의 자석 배치를 가지며, 상기 제2 마그네트론 소스가 S-N-S의 자석 배치를 가지며, 상기 이온빔 소스가 영구 자석의 배치를 포함하는 경우에는, 상기 이온 빔 소스의 영구 자석의 배치는 N-S-N으로 하여 자기 다중극 효과를 얻을 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 자장의 발생은 영구 자석 뿐만 아니라 전자석으로도 가능하며, 마그네트론 스퍼터링 소스의 자장 및/또는 이온빔 소스의 자장이 모두 전자석에 의해 발생되도록 공지 수단의 부가 또는 전환에 의하여 변형할 수 있음은 당연하고 이와 같은 변형은 근본적으로 본 발명의 기술 사상의 범위에 속하는 것이다. 이 경우에도, 자장 배치 방식은 위의 자석에 의한 경우와 동일하게 하는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

도 2는 본 발명의 이온 빔 소스를 가지는 듀얼 마그네트론 스퍼터링 장치의 한 바람직한 실시예를 나타낸다.

듀얼 마그네트론 스퍼터링 소스(20)(30)는 도 2와 같이 기판에 대하여 소정의 각도(θ)를 가지고 배치된다. 본 실시예에서는 이와 같은 구성에 부가하여 이온 빔 소스(50)를 배치한다. 이온 빔 소스는 기판 상에 이온 충격을 일으키기 위한 이온 빔(52)을 공급하는 기능을 한다. 이를 위하여 도 2에 나타낸 바와 같이 양쪽에 마그네트론 스퍼터링 소스(20)(30)를 배치하고 그 중간에 배치하는 구조가 바람직하나, 장치의 구조나 공정의 종류에 따라 다른 적절한 변형이 얼마든지 가능할 것이다. 이 때 양 쪽의 마그네트론 스퍼터는 챔버와는 플로팅(floating)되고, 양 쪽 타겟에 양,음의 전압(42)(44)이 교번되도록 전원부(40)로부터의 전압이 공급된다. 가운데 위치한 이온빔 소스(50)에는 듀얼 마그네트론 소스에 인가되는 펄스(42)(44)에 동기시켜 적절한 타이밍으로 이온빔을 발생하도록 전원부(40)로부터 소정의 전압(46)이 공급된다.

이와 같이 이온 빔 소스를 가지는 본 발명의 듀얼 마그네트론 스퍼터는, 양극의 오염을 최소화 하고 장비 유지 보수에 필요한 주기를 최대한 길게 할 수 있는 듀얼 마그네트론 스퍼터의 장점과 더불어, 기판 표면에 이온 충격을 주고 이를 제어하여 막질의 제어 범위의 향상을 기대할 수 있음은 물론, 이온빔 소스를 이용하여 스퍼터링되는 중성종들을 여기시키거나 이온화시켜 기판에 입사하는 에너지를 증가시켜 막질을 더욱 개선할 수 있다. 특히, 인라인(in-line)형 스퍼터에 사용될 경우 기판 이동시에도 균일한 막 특성을 만들어 낼 수 있기 때문에 장점을 가진다.

또한, 본 실시예의 듀얼 마그네트론 스퍼터에서는 종래 기술의 경우와 같이 자석의 배치를 N-S-N, S-N-S 으로 하여 자기 다중극 효과에 의하여 플라즈마를 가두어, 플라즈마의 밀도를 높임으로써 공정 특성의 향상이 가능하다.

그러나, 이온빔 소스에 자장을 발생시키는 영구 자석 등이 포함되어 있는 경우에는 위와 같은 종래 기술과 같은 자장의 배치를 그대로 적용할 경우 자기 다중극 효과를 얻는 것이 불가능하기 때문에, 이 경우는 도 3과 같은 배치가 바람직하다. 도 4는 본 발명의 이온 빔 소스를 가지는 듀얼 마그네트론 스퍼터링 장치의 다른 한 바람직한 실시예를 나타낸다. 도 4의 실시예에서는 이온빔 소스(50)에 자장 발생부가 포함되어 있고 그 내부의 자석들(54)(56)(58)은 양 쪽의 듀얼 마그네트론 스퍼터링 소스(20)(30)의 자석들과 함께 자기 다중극을 이루도록 구성되어 있다. 이 경우, 예를 들어, 이온빔 소스의 자석 배치가 S-N-S일 경우는 양 쪽의 마그네트론 스퍼터링 소스는 N-S-N의 자석 배치를 사용하도록 하고, 이온빔 소스의 자석 배치가 N-S-N일 경우는 양 쪽의 마그네트론 스퍼터링 소스는 S-N-S의 자석 배치를 사용하도록 구성하여 자기 다중극 효과를 최대화시킬 수 있다.

도 3은 마그네트론 스퍼터링 소스 및 이온 빔 전원에 인가되는 펄스 전압을 예시한다. 양 쪽의 마그네트론 스퍼터링 소스에 양극성(bipolar) 펄스를 가할 수 있는데, 도 2와 같이 위상을 달리하는 펄스(42)(44)를 양쪽에 공급함으로써 일정구간동안에는 한 쪽이 음극, 다른 쪽이 양극으로 작용하며, 다른 일정 구간에는 그와 반대되는 기능을 하도록 할 수 있다. 이때, 이온빔 소스에는 DC를 인가할 수도 있지만, 박막 특성의 질을 향상시키고 각각의 특별한 공정에 적용할 수 있도록 아래에서 예시하는 두 가지 형태의 동기화된 펄스를 인가할 수 있다.

이온빔 소스 펄스 I : 스퍼터링 증착 중에 이온빔을 조사하도록 하는 경우

증착된 막이 이온빔에 의해 다시 역스퍼터링되는 리스퍼터링(resputtering) 현상에 의해 증착률의 감소는 발생하지만, 표면의 평탄도에 지대한 영향을 끼치며, 표면 평활도를 좋게 할 수 있다. 또한, 표면의 스텝 커버리지(step-coverage)를 좋게할 수 있는 것으로 보고되고 있으며, 조사된 이온빔의 에너지는 스퍼터링된 원자들에게 전달되는 것도 있지만, 대부분은 표면에서 여러 가지 형태(격자진동, 결함, 표면 원자의 치환 등)로 소비된다. 또한, 선택적 스퍼터링(preferential sputtering)에 의한 막의 조성 변화를 제어하는 것도 가능할 수 있다. 또한, 가스 이온의 결합에 의한 비정질 박막의 합성 등 박막 특성 향상을 꾀할 수도 있다.

이온빔 소스 펄스 II : 스퍼터링 소스의 오프(off) 상태에서의 이온빔 조사

리스퍼터링(resputtering) 현상도 어느 정도 일어나지만, 박막의 치밀도를 향상시키고, 적절한 공정 변수를 통해 증착되고 있는 박막의 스트레스를 줄여 막의 특성을 크게 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 형태에 관해 설명하였으나, 이는 단지 예시적인 것이며 본 발명의 기술적 사상의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이며, 본 발명에 개시된 내용과 동일한 기능을 하는 한 균등 수단으로 볼 수 있음이 자명하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 형태에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

본 발명에 의하여, 듀얼 마그네트론 스퍼터 장치에 이온빔 소스를 부가하여 증착되는 박막의 특성을 제어할 수 있는 개선된 구조의 듀얼 마그네트론 스퍼터 장치를 제공할 수 있다.

또한, 이온빔 소스가 마그네트론 스퍼터 장치에 유기적으로 결합되어 그 장점을 최대한 이용할 수 있도록 하는 효율적인 자장의 배치 및 전원 공급 방식을 채용한 마그네트론 스퍼터 장치를 제공할 수 있다.

이온 빔 소스의 채용에 의해, 듀얼 마그네트론 스퍼터 장치의 장점을 최대한 활용하여 양극 소멸 현상을 극복하면서도 기판 표면으로 이온 충격을 제어하여 막질의 제어가 가능하며, 스퍼터링되는 중성종들을 여기시키거나 이온화시켜 기판에 입사하는 에너지를 증가시켜 더욱 막질을 개선하는 등의 효과를 얻을 수 있으므로 듀얼 마그네트론 스퍼터링 공정의 활용 범위를 크게 확대할 수 있다.

Claims (5)

1. 진공 챔버;

   상기 진공 챔버 내에 배치되는 기판;

   상기 진공 챔버 내에 배치되며, 상기 기판 표면으로 증착하고자 하는 제1 물질을 공급하는 제1 마그네트론 스퍼터링 소스;

   상기 진공 챔버 내에 배치되며, 상기 기판 표면으로 증착하고자 하는 제2 물질을 공급하며, 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스와 함께 듀얼 마그네트론 스퍼터링 소스를 이루는 제2 마그네트론 스퍼터링 소스;

   상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스에 의해 기판에 공급되는 제1 물질의 공급 위치와 상기 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 의해 기판에 공급되는 제2 물질의 공급 위치 사이의 위치에서 상기 기판 위로 이온빔을 공급하도록 상기 챔버 내에 배치되어, 상기 기판 표면에 증착되는 박막의 표면 특성을 제어하는 이온빔 소스;

   상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스, 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 전원을 공급하는 바이폴라 전원부; 및

   상기 이온빔 소스에 전원을 공급하는 것이며 상기 바이폴라에 동기화된 이온빔 전원을 포함하는 박막 형성 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스와 상기 제2 마그네트론 스퍼터링 소스는 N-S-N 형의 자장 배치를 가지며,

   상기 이온 빔 소스는 자장 발생부를 포함하며, 상기 이온 빔 소스의 자장 발생부는 S-N-S 형의 자장 배치를 발생시키는 것인 박막 형성 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스와 상기 제2 마그네트론 스퍼터링 소스 는 S-N-S 형의 자장 배치를 가지며,

   상기 이온 빔 소스는 자장 발생부를 포함하며, 상기 이온 빔 소스의 자장 발생부는 N-S-N 형의 자장 배치를 발생시키는 것인 박막 형성 장치.
4. 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내에 배치되는 기판, 제1 마그네트론 스퍼터링 소스, 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스와 함께 듀얼 마그네트론 스퍼터링 소스를 이루는 제2 마그네트론 스퍼터링 소스, 이온빔 소스 및 전원부를 포함하는 박막 형성 장치를 사용한 박막 형성 방법에 있어서,

   상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 제1 물질을 공급하는 단계;

   상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스에 인가되는 펄스 전압과 동기되도록 상기 이온빔 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 이온빔을 공급하는 단계;

   상기 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 제2 물질을 공급하는 단계; 및

   상기 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 인가되는 펄스 전압과 동기되도록 상기 이온빔 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 이온빔을 공급하는 단계를 포함하는 박막 형성 방법.
5. 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내에 배치되는 기판, 제1 마그네트론 스퍼터링 소스, 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스와 함께 듀얼 마그네트론 스퍼터링 소스를 이루는 제2 마그네트론 스퍼터링 소스, 이온빔 소스 및 전원부를 포함하는 박막 형성 장치를 사용한 박막 형성 방법에 있어서,

   상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 제1 물질을 공급하는 단계;

   상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스에 인가되는 펄스 전압이 턴 오프된 후, 상기 이온빔 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 이온빔을 공급하는 단계;

   상기 이온빔 소스에 인가된 펄스 전압이 턴오프된 후, 상기 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 제2 물질을 공급하는 단계; 및

   상기 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 인가되는 펄스 전압이 턴 오프된 후, 상기 이온빔 소스에 펄스 전압을 턴온시켜 이온빔을 공급하는 단계를 포함하는 박막 형성 방법.