KR20180105070A - 반응성 스퍼터링 장치 및 반응성 스퍼터링 방법 - Google Patents

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다마요 히로키
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Abstract

반응성 스퍼터링 장치는 타겟 및 반응성 기체를 이용하여 임의의 화합물, 전이, 및 금속 모드에서 성막을 수행하고, 반응성 스퍼터링 장치는 불활성 기체 도입 유닛, 반응성 기체 도입 유닛, 타겟에 전력을 공급하는 전원 공급 유닛, 타겟에 공급되는 전력으로 발생된 플라즈마 발광을 검출하는 검출 유닛, 및 파장에서의 플라즈마 발광 강도 또는 복수의 파장에서의 플라즈마 발광 강도의 연산값을 지정값으로 유지하기 위해 반응성 기체 유량을 조정하는 제어 유닛을 포함하고, 제어 유닛은, 전이 모드의 캐소드 전압(V)과 화합물 모드의 캐소드 전압(Vc)의 비(V/Vc)를 성막 시 검출된 전압인 미리 설정된 값에 근접하도록 상기 플라즈마 발광 강도 또는 그의 연산값의 지정값을 제어한다.

Description

반응성 스퍼터링 장치 및 반응성 스퍼터링 방법{REACTIVE SPUTTERING APPARATUS AND REACTIVE SPUTTERING METHOD}
본 개시 내용은 반응성 스퍼터링 장치 및 반응성 스퍼터링 방법에 관한 것이다.
성막 방법으로서 반응성 스퍼터링 공정이 알려져 있다. 반응성 스퍼터링 공정에서, 반응성 기체가 도입된 상황 하에서 타겟(target) 재료의 스퍼터링 현상을 활용하여 화합물막을 성막 기판 상에 생성한다. 예를 들어, 산화막을 생성할 경우, Ar 등의 불활성 기체 및 산소 기체가 도입된 상황 하에서 방전을 발생시키고 타겟 재료를 스퍼터링함으로써 산화막이 성막 기판 상에 생성된다.
반응성 스퍼터링은 막 생성 시 타겟의 표면 상태에 따라 성막 속도와 막질이 다른 3개의 모드로 나뉜다. 이러한 모드들은 일반적으로, 금속 모드, 전이 모드, 화합물 모드라고 표기하며, 3개의 다른 상태에 대응한다. 반응성 기체의 유입, 펌프에 의한 배기, 및 타겟 표면에서의 반응의 발생을 동반하는 배기를 고려한 물리적 모델을 사용하여 막 생성 시 반응성 스퍼터링의 3개의 상태를 설명할 수 있다는 것이 알려져 있다. [A. Pflug, Proceedings of the Annual Technical Conference. Society of Vacuum Coaters 2003, 241-247 (이하, "비특허 문헌 1"이라고 기재)].
화합물 모드에서는 사용하는 타겟의 전체 표면이 금속에서 화합물로 변화하기에 충분한 양의 반응성 기체가 챔버 내에 존재하고, 막 생성 기판 상에 화합물의 막이 생성된다. 이 상태에서는 화학량론비를 갖는 화합물이 생성되기에 더 적합하지만, 성막 속도가 다른 상태에 비해 느려진다. 금속 모드에서는 사용하는 타겟의 표면이 금속에서 화합물로 변화하기에 충분한 양의 반응성 기체가 챔버 내에 존재하지 않고, 타겟 표면에서 화합물보다 금속의 비율이 높다. 그 결과, 성막 속도는 화합물 모드보다 금속 모드에서 더 빠르지만, 성막 기판 상에 생성되는 막은 금속막이 된다. 전이 모드는 화합물 모드와 금속 모드 사이의 모드이며, 타겟 표면이 부분적으로 금속에서 화합물로 변화하는 정도의 양의 반응성 기체가 챔버 내에 존재하는 상태를 나타낸다. 그러므로, 전이 모드에서는, 화합물 모드보다 성막 속도가 더 빠르고, 조건에 따라 화학량론비에 근접한 구성을 가진 화합물을 얻을 수 있다. 따라서, 산업 기반에서는 전이 모드에서의 성막이 자주 수행되고 있다.
하지만, 전이 모드는 반응성 기체의 유량에 대하여 매우 민감하게 성막 속도가 변화하는 불안정한 영역이기 때문에 안정적인 성막을 보장하기 위해서는 성막 속도의 제어가 필요하다. 그 점에서, 일반적으로 플라즈마 발광 감시(Plasma Emission Monitoring)(이하, "PEM"로 표기한다) 제어가 PEM을 사용하여 플라즈마 발광을 감시하고 반응성 기체의 유량을 조정함으로써 성막 속도를 제어하기 위해 자주 수행된다. 일본 특허 공개 제2002-180247호 공보에서는 PEM 제어가 감시하는 플라즈마 발광 강도를 설정값과 동일하게 유지하기 위해 반응성 기체의 유량을 조정하는 통상의 PEM 제어에 더하여, 캐소드 방전 전압에 기초하여 플라즈마 발광 강도의 설정값을 변경하는 방법을 제안한다.
반응성 스퍼터링이 광학 막에 적용되는 경우, 막이 미리 결정된 성능을 만족하는 것을 보장하기 위해 막의 두께와 흡수를 확인할 필요가 있다. 장기간에 걸쳐 다수의 기판에 연속적으로 화합물 막을 생성하는 경우, 진공 챔버 내에도 화합물 막이 생성된다. PEM 제어에서 막 두께를 확인하기 위해 성막 속도를 제어한다. 그러나, 일부 장치에서는 진공 챔버 내의 부재 표면의 전도성 변화로 인해 진공 챔버 내의 전위 분포가 크게 변화함으로써, 성막 시 방전 전압뿐만 아니라, 금속 모드와 화합물 모드의 방전 전압도 크게 변화된다. 따라서, 막질이 변화하고 일부 경우에서는 막 흡수 또한 변화된다.
본 개시 내용은 타겟 및 반응성 기체를 이용하여 화합물 모드, 전이 모드, 및 금속 모드 중 어느 하나의 성막을 수행하기 위한 반응성 스퍼터링 장치를 제공하며, 반응성 스퍼터링 장치는 불활성 기체를 도입하도록 배열된 도입 유닛, 반응성 기체를 도입하도록 배열된 도입 유닛, 타겟에 전력을 공급하도록 배열된 전원 공급 유닛, 타겟에 공급되는 전력으로 발생된 플라즈마 발광을 검출하도록 배열된 검출 유닛, 및 미리 결정된 파장에서의 플라즈마 발광 강도 또는 복수의 미리 결정된 파장에서의 플라즈마 발광 강도의 연산값을 지정값으로 유지하기 위해 반응성 기체의 유량을 조정하도록 구성된 제어 유닛을 포함하며, 제어 유닛은 성막 시 검출되며 전원 공급 유닛에서 공급되는, 전이 모드의 캐소드 전압(V)과 화합물 모드의 캐소드 전압(Vc)의 비(V/Vc)가 미리 설정한 값에 근접하도록 플라즈마 발광 강도 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값에 대한 지정값을 제어한다.
본 개시 내용은 타겟 및 반응성 기체를 이용하여 화합물 모드, 전이 모드, 및 금속 모드 중 어느 하나의 성막을 수행하기 위한 반응성 스퍼터링 방법을 추가로 제공하며, 반응성 스퍼터링 방법은 불활성 기체를 도입하는 단계, 반응성 기체를 도입하는 단계, 및 타겟에 전력을 공급하여 발생된 미리 결정된 파장의 플라즈마의 발광 강도 또는 복수의 미리 결정된 파장의 플라즈마의 발광 강도가 지정값에 근접하도록 반응성 기체의 유량을 조정하는 단계를 포함하며, 조정 단계에서는 성막 시 검출되고 전력이 공급되는, 전이 모드의 캐소드 전압(V)과 화합물 모드의 캐소드 전압(Vc)의 비(V/Vc)가 미리 설정한 값에 근접하도록 성막 시 플라즈마 발광 강도나 플라즈마 발광 강도의 연산값에 대한 지정값을 제어한다.
본 개시 내용의 추가적인 특징들은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들의 하기 설명에서 명백하게 된다.
도 1은 본 개시 내용의 일 실시예를 설명하기 위해 첨부된 도면이다.
도 2는 본 개시 내용의 일 실시예에서 반응성 기체 유량과 캐소드 전압의 관계를 도시한다.
도 3은 본 개시 내용의 일 실시예의 흐름도이다.
도 4는 본 개시 내용의 일 실시예에서 캐소드 전압의 시간에 따른 변화를 도시한다.
도 5는 본 개시 내용의 예시 1에서의 지정값 갱신 방법을 도시한다.
도 6은 본 개시 내용의 예시 2에서의 지정값 갱신 방법을 도시한다.
본 개시 내용의 실시예들은 반응성 스퍼터링 공정에 의해 성막 속도를 제어하여 연속적으로 복수의 기판에 성막을 수행하는 경우, 장치 내의 환경 변화 등으로 인해 발생되는 의도하지 않은 막질의 변화를 억제하는 방법 및 장치가 제공된다. 성막 시 미리 결정된 파장에서의 플라즈마 발광 강도 또는 복수의 미리 결정된 파장에서의 플라즈마 발광 강도의 연산값이 지정값에 근접하도록 반응성 기체의 유량을 조정하는 제어 방법에서는, 성막 시 전이 모드의 캐소드 전압과 화합물 모드의 캐소드 전압의 비를 사용해서 플라즈마 발광 강도 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값에 대한 지정값을 변경한다. 결과적으로, 막질의 변화가 억제된다.
본 개시 내용의 원리 및 실시예는 도 1 내지 도 4를 참조하여 하기 상세하게 설명된다. 도 1은 본 개시 내용의 실시예에 따른 반응성 스퍼터링 장치의 개략도이다. 진공 챔버(1) 내의 기판(2), 성막 재료가 되는 금속 타겟(3), 및 타겟과 전기적으로 접속된 캐소드(4)가 배열된다. 불활성 기체의 도입량을 제어하는 불활성 기체의 도입 유닛인 질량 유동 제어부(6), 및 반응성 기체의 도입량을 제어하는 반응성 기체의 도입 유닛인 질량 유동 제어부(7)를 통해 진공 챔버(1)에 기체를 도입한다. 이러한 기체는 펌프(5)에 의해 배기된다.
질량 유동 제어부(6 및 7)를 제어함으로써 진공 챔버(1) 내의 기체 압력이 조정되어, 전원 공급부(8)(즉, 전원 공급 유닛)에서 캐소드(4)에 전력을 공급함으로써 진공 챔버(1) 내에 플라즈마가 발생한다. 상기 플라즈마 중 불활성 기체 이온이 타겟(3) 표면에 충돌함과 함께, 타겟(3)의 재료가 스퍼터링되고 반응성 기체와 반응함으로써, 타겟(3)에 대향하는 위치에 배열되어 있는 기판(2) 상에 화합물막이 생성된다.
반응성 스퍼터링 장치는 성막 시 성막 속도와 막 두께를 제어하기 위해 플라즈마 발광 감시 제어부를 구비하고 있다. 플라즈마 발광 감시 제어부는 콜리메이터(collimator)(9), 광섬유(10), 분광기(11), 검출기(12), 제어 파라미터 연산 유닛(13), 및 제어 유닛(14)을 갖는다. 콜리메이터(9)는 타겟(3) 근방에 설치되어, 플라즈마 발광을 모으고, 광섬유(10)에 도입한다. 플라즈마 발광은 광섬유(10)를 통해 분광기(11)에 도입되어, 분광기(11)에 의해 스펙트럼 형태로 분해된다. 검출기(12)에 의해 각 파장마다 플라즈마 발광의 강도가 검출된다.
상기 플라즈마 발광 감시 제어부의 제어 유닛(14)은 검출기(12)에 의해 검출된 특정한 파장에서의 플라즈마 발광 강도를 이용하여 반응성 기체의 질량 유동 제어부(7)를 조정한다. 특정한 파장에서의 플라즈마 발광 강도의 값은 복수의 파장에서의 플라즈마 발광 강도에서의 연산값으로 대체될 수 있다. 이하, 이 값을 PEM 제어 감시값으로 표기한다. 본 실시예에서는, 반응성 스퍼터링 장치가 일반적인 PEM 제어를 수행하는 유닛뿐만 아니라, 본 실시예의 특징인 제어 파라미터 연산 유닛(13)을 구비하고 있다.
도 2는 본 실시예에서의 반응성 기체 유량과 캐소드 전압의 관계를 나타낸다. 도 2에서 나타난 바와 같이, 반응성 스퍼터링은 반응성 기체 유량을 증가한 경우와 반응성 기체 유량을 감소한 경우의 사이에서 캐소드 전압이 다른 경로를 취하는 히스테리시스(hysteresis) 특성이 보여진다. 도 2에서는, 반응성 기체 유량이 상대적으로 큰 경우의 안정 상태가 타겟 표면이 화합물로 피복된 화합물 모드(22)에 대응하며, 반응성 기체 유량이 상대적으로 작은 경우의 안정 상태가 타겟 표면이 금속으로 존재하는 금속 모드(21)에 대응한다. 상기 두 상태 사이의 중간 상태는 성막 속도가 급속하게 변화하는 전이 모드(23)에 대응한다.
3개의 다른 영역에 대응하는 상기 3개의 모드 중 금속 모드(21)에서는 타겟 재료인 금속이 생성되고, 화합물 모드(22)에서는 화학량론비를 갖는 화합물이 생성된다. 전이 모드(23)에서는 금속과 화합물 사이의 조성비의 막 또는 금속과 화합물의 혼합 상태의 막이 생성된다.
타겟의 화합물 피복률은 플라즈마로의 전자 공급에 큰 영향을 주고, 플라즈마 임피던스와 강하게 결부된다. 타겟 표면의 화합물 피복률(θ)과 전이 모드의 성막 시 캐소드 전압(V)의 관계는 상기 인용한 비특허 문헌1에 우수한 근사로서 사용되고 있는 식에 기반하는 하기의 식 1로 표현된다. 식 1이 θ에 대해서 변형되면 하기의 식 2가 얻어진다.
V = Vm + θ(Vc - Vm) 식 1
θ = (Vm - V) / (Vm - Vc) = (Vm/Vc - V/Vc) / (Vm/Vc - 1) 식 2
여기서, θ는 타겟 표면의 화합물 피복률, V는 전이 모드에서 성막 시 캐소드 전압, Vm은 금속 모드에서의 캐소드 전압, Vc는 화합물 모드에서의 캐소드 전압을 나타낸다. 피복률(θ)을 제어하는 것으로 기판(2)에 생성되는 막의 금속 비율을 제어할 수 있고, 막의 흡수 계수 변화를 억제하는 것이 가능하게 된다. 금속 모드의 캐소드 전압(Vm)과 화합물 모드의 캐소드 전압(Vc)의 비(Vm/Vc)는 금속에 불활성 기체 이온이 충돌했을 때와 화합물에 불활성 기체 이온이 충돌했을 때의 2차 전자 발광 계수의 비에 대응하는 것으로 생각될 수 있다. 또한, 실험적으로도 진공 챔버 내의 환경에 따라 상기 비(Vm/Vc)가 각 전압의 변화에 비하여 매우 안정되는 것이 확인되었다. 그로 인해, 사전에 Vm/Vc를 계측함으로써, 성막 개시 직후의 화합물 모드의 캐소드 전압(Vc)과 성막 시 전이 모드의 캐소드 전압(V)의 비(V/Vc)를 사용하여 성막 시 타겟 표면의 피복률을 얻을 수 있다. 다수의 기판에 연속해서 성막을 수행하는 경우, PEM 제어에 의해 PEM 제어 감시값은 일정하게 유지되지만, 진공 챔버 내의 환경 변화 등에 의해 진공 챔버(1) 내부의 임피던스가 크게 변화하는 경우, 막질이 의도치 않게 변화될 수 있다. 피복률을 일정하게 유지함으로써, 장치 내의 전압이 변화해도 타겟 표면의 상태(피복률)을 일정하게 유지할 수 있다. 그 결과, 기판에 생성되는 막의 금속량을 일정하게 유지할 수 있고, 금속량의 변화에 의한 흡수 계수의 변화를 억제할 수 있다.
도 3은 본 실시예의 흐름도이다. 사전 계측 단계(31)에서는, 성막 개시 전에 도 2에 도시된 바와 같이 반응성 기체 유량을 변화한 경우의 PEM 제어 감시값 및 전압값을 취득하여, 금속 모드에서의 캐소드 전압(Vm)과 화합물 모드에서의 캐소드 전압(Vc)을 확인한다. 또한, 상기 계측 결과로부터 복수의 PEM 제어 감시값의 지정값을 결정하고, 각 지정값에서의 성막을 수행한다. 생성된 박막의 두께, 투과율, 및 반사율로부터 각 지정값에서의 성막 속도와 흡수 계수를 취득한다. 플라즈마 발광 강도의 제어 지정값을 설정하는 단계(32)에서는 사전 계측 단계(31)의 결과로부터 원하는 성막 속도와 흡수 계수를 취득하도록 PEM 제어 감시값의 설정값을 결정한다. 기판을 배치하는 단계(33)에서 기판을 배치한다. 기체 공급을 개시하는 단계(34)에서는 불활성 기체 및 반응성 기체를 도입한다. 전원 공급의 출력을 켜는 단계(35)에서는 캐소드에 전력 공급을 개시한다. 공급하는 전력은 DC, RF 또는 펄스 전원일 수 있다.
캐소드에 전력을 공급함으로써, 타겟 근방에 플라즈마가 발생된다. 분광기와 검출기에서의 플라즈마 발광 강도를 취득하는 단계(36)에서 지정한 노광 시간과 주기로 플라즈마 발광을 획득한다. 플라즈마 발광은 콜리메이터와 광섬유를 통해 획득되고, 분광기(11)와 검출기(12)로 지정된 파장에서의 플라즈마 발광 강도를 취득한다. 전압값을 취득하는 단계(37)에서는 전원 공급부에서 검출되는 캐소드 전압을 지정된 주기에서 취득한다. 반응성 기체의 유량 지정의 단계(38)에서는, 플라즈마 발광 강도를 취득하는 단계(36)에서 취득한 플라즈마 발광 강도가 제어 지정값을 설정하는 단계(32)에서 설정한 값으로 유지되도록, PID 제어 등으로 반응성 기체 유량을 조정한다. 성막을 종료할 것인지를 결정하는 단계(39)에서는 성막 시간 또는 PEM 제어 감시값의 적분값이 미리 설정한 값을 초과할 때까지, 플라즈마 발광 강도를 취득하는 단계(36)로 공정 흐름을 되돌리고 후속 단계를 반복한다. 성막을 종료할 것인지에 관한 결정 결과가 "예"가 되면, 전원 공급부의 출력을 끄는 단계(40)에서 전력의 공급을 정지하고, 기체 공급을 정지하는 단계(41)에서 기체 공급을 정지하며, 기판을 배출하는 단계(42)에서 성막을 종료한 기판을 배출한다. 그 후, PEM 제어 감시값의 지정값을 갱신하는 단계(43)에서 단계(36)에서 취득한 플라즈마 발광 강도와 단계(37)에서 취득한 캐소드 전압값에 기반하여 후속 성막 시의 PEM 제어 감시값의 지정값을 제어 파라미터 연산 유닛(13)에서 연산한다.
도 4는 도 3의 단계(34)부터 단계(41)에서 성막을 수행할 때, 시간과 캐소드 전압의 관계를 나타낸다. 반응성 기체의 공급 개시 후 전력을 공급함으로써, 캐소드 전압은 도 4에서 도시한 바와 같이, 화합물 모드의 전압(Vc)에서 시작하여 전이 모드의 전압(V)으로 변화한다. 상기 설명한 바와 같이, 성막 시 V/Vc를 일정하게 유지하는 것으로, 기판에 생성되는 막의 금속량을 일정하게 유지할 수 있고, 흡수 계수의 변화를 억제할 수 있다. 도 3의 PEM 제어 감시값의 지정값 갱신의 단계(43)에서, 도 5에 도시된 V/Vc가 초기 지정값이 되도록 PEM 제어 감시값의 지정값을 연산한다. 공정 흐름을 종료할 것인지를 결정하는 단계(44)에서 후속 성막이 존재한다고 지시할 경우, 공정 흐름은 단계(32)로 되돌아가고, PEM 제어 감시값의 지정값으로 단계(43)의 갱신값을 설정한다. 그리고 단계(32)에서 단계(43)를 반복한다. 이 경우, 성막을 종료할 것인지를 결정하는 단계(39)에서의 결정 조건이 시간으로 주어진 경우, PEM 제어 감시값의 지정값 갱신의 단계(43)에 대응하는 종료 시간 또한 갱신한다.
공정 흐름을 종료할 것인지를 결정하는 단계(44)에서 결정 결과가 "아니오"인 경우, PEM 제어 감시값의 지정값을 설정하는 단계(32)로 되돌아가고, 단계(43)에서 갱신한 지정값을 설정한다. 더 나아가, 후속 기판(2)을 배치하고, 단계(34)부터 단계(43)를 공정 흐름을 종료할 것인지를 결정하는 단계(44)의 결정 결과가 "예"가 될 때까지 실행한다. 또한 본 실시예에 따르면, 반응성 스퍼터링에서 PEM 제어로 성막 속도를 제어하며, 성막 시 화합물 모드와 전이 모드에서의 캐소드 전압을 기반으로 막 흡수의 변화 등의 막질의 편차가 발생하지 않도록 후속 및 연속적인 성막에서 PEM 제어를 변경한다. 결과적으로, 비교적 장기간에 걸쳐 안정된 막질에서 원하는 막 두께를 얻을 수 있다.
도 3은 단층의 막을 복수의 기판에 연속해서 생성하는 경우의 공정 흐름을 나타낸다. 1개의 진공 챔버 내에 복수의 타겟 재료를 배열하고 타겟 재료를 이용하여 기판에 다층막을 생성하는 경우, 사전 성막과 계측을 수행하는 단계(31)에서 각 막 재료를 위한 성막과 계측을 수행하고, PEM 제어 감시값의 지정값을 설정하는 단계(32)와 PEM 제어 감시값의 지정값을 갱신하는 단계(43)를 각 막 재료마다 실행한다. 상기 설명한 바와 같이, PEM 제어 감시값의 지정값을 각 막 재료마다 갱신함으로써, 장기간에 걸쳐 기판에 연속해서 다층막을 생성한 경우에도 기판에 생성되는 각 막의 금속량을 일정하게 유지할 수 있고, 의도하지 않은 흡수 계수의 변화를 억제할 수 있다.
예시 1
도 1을 참조하여 예시 1을 설명한다. 반응성 스퍼터링 장치를 하기와 같이 구성하였다.
진공 챔버의 체적: 폭 450mm × 깊이 450mm × 높이 500mm
배기 기구: 터보 분자 펌프(turbo-molecular pump), 드라이 펌프(dry pump)
전원 공급부: DC 펄스 전원 공급부
타겟의 형상: 직경 Φ8 inch × 두께 5mm
타겟의 재료: Si
불활성 기체: Ar
반응성 기체: O2
도달 압력: 1 × 10-5 Pa
본 예시에 따른 반응성 스퍼터링 장치를 설명한다. 진공 챔버(1) 내에 기판(2)을 구성하는 렌즈, 성막 재료가 되는 Si 타겟(3), 및 타겟(3)과 전기적으로 접속되는 캐소드(4)가 배열된다. 진공 챔버(1)에는 Ar 기체의 도입량을 제어하는 질량 유동 제어부(6) 및 산소 기체의 도입량을 제어하는 질량 유동 제어부(7)를 통해 Ar 기체와 산소 기체가 도입된다. 이들 기체는 펌프(5)에 의해 배기된다.
질량 유동 제어부(6 및 7)에 의해 진공 챔버(1) 내의 기체 압력을 조정하고, 캐소드(4)에 전원 공급부(8)로부터 500W의 일정 전력을 공급하여 진공 챔버(1) 내에 플라즈마를 발생시킨다. 따라서 기판(2) 상에 화합물막이 생성된다. 막 생성 시 성막 속도를 플라즈마 발광 감시 제어부에서 PEM 제어한다. 플라즈마 발광 감시 제어부에서는 분광기(11)가 200nm 내지 800nm의 파장 범위를 1nm의 파장 분해능의 스펙트럼으로 분광한다. 분광기(11)에 설치된 CCD 검출기(12)에 의해 각 파장마다의 분광된 광 강도가 검출된다.
도 3을 참조하여 본 예시의 공정 흐름을 하기에 기술한다. 본 예시에서는 각 렌즈에 단층의 막을 생성하는 공정을 복수의 렌즈에 대해 연속해서 수행한다. 본 예시에서는, 타겟 재료인 Si의 발광 파장에서의 플라즈마 발광 강도와 Ar의 발광 파장에서의 플라즈마 발광 강도의 비를 PEM 제어 감시값으로 사용한다. 사전 계측 단계(31)에서는 성막 개시 전에 도 2에서 도시한 바와 같이 산소 유량을 변화시킨 경우의 PEM 제어 감시값 및 전압값을 취득하고, 금속 모드에서의 캐소드 전압(Vm)과 화합물 모드에서의 캐소드 전압(Vc)을 확인한다. 상기 계측 결과로부터 복수의 PEM 제어 감시값의 지정값을 정하고, 각 지정값에서 성막을 수행한다. 분광기를 사용하여 생성된 박막의 두께, 투과율, 및 반사율을 계측하고, 각 지정값에서의 성막 속도와 흡수 계수를 취득한다. 플라즈마 발광 강도의 제어 지정값을 설정하는 단계(32)에서는 사전 계측 단계(31)의 결과로부터 원하는 성막 속도와 흡수 계수를 획득하도록 PEM 제어 감시값의 초기 설정값을 결정한다. 단계(33)부터 단계(35)에서는 기판(2) 배치 후 Ar 기체 및 산소 기체를 도입하고, 캐소드(4)에 전력을 공급한다. 분광기와 검출기로 플라즈마 발광 강도를 취득하는 단계(36)에서 플라즈마 발광을 지정된 노광 시간과 주기에서 취득한다. 플라즈마 발광은 스펙트럼으로 분해되고 검출된다. 전압값을 취득하는 단계(37)에서 캐소드 전압을 지정한 주기에서 취득한다. 반응성 기체의 유량을 지정하는 단계(38)에서는 PEM 제어 감시값이 지정값으로 유지되도록 PID 제어로 산소 기체 유량을 조정한다. 공정 흐름은 PEM 제어 감시값의 적분값이 미리 설정한 값을 초과할 때까지 플라즈마 발광 강도를 취득하는 단계(36)로 되돌아가고, 후속 단계를 반복한다.
성막을 종료할 것인지에 관한 결정 결과가 "예"가 되면, 단계(40)부터 단계(42)에서 각각 전력의 공급을 정지하고, 기체 공급을 정지하며, 렌즈(2)를 배출한다. 성막 시 취득한 데이터를 바탕으로 PEM 제어 감시값의 지정값을 갱신하는 단계(43)에서 후속 성막의 지정값을 연산한다.
본 예시에서 PEM 제어 감시값의 지정값을 갱신하는 방법에 대해서 설명한다. 사전 계측으로 계측된 PEM 제어 감시값(Ip)과 그 때의 V/Vc의 관계를 도 5에 도시한다. 세 점의 데이터로부터 2차 근사식(f)인 하기 식 3이 얻어진다.
Ip = f(V/Vc) 식 3
그리고, 도 4에 따른 성막 시의 V/Vc를 결정한다. Vc는 도 4에서 성막 개시 직후부터 몇 초 후 동안의 전압값 근사 함수의 시간=0의 값으로 주어진다. V는 캐소드 전압이 PID 제어에 의해 일정값에 안정된 정상 영역의 평균값으로 주어진다. 성막 개시 전의 초기 지정값을 Ip0와 V0/Vc0, 렌즈의 성막 시 계측값을 V/Vc, 그리고 도 5에서 점선으로 나타나는 성막 시 PEM 제어 감시값과 V/Vc의 관계를 나타내는 함수(f')가 함수(f)의 정수배로 근사한다고 가정한다. 그리고, PEM 제어 감시값의 지정값을 갱신한 후의 수치(Ip)를 하기 식(4)에 나타난 바와 같이 V/Vc를 사전에 설정한 값으로 유지하는 것이 가능하게 된다. 갱신 후의 수치(Ip)는 Ip0의 상기 정수배이다.
Ip = Ip0 2 / f(V/Vc) 식 4
상기 설명된 바와 같이, 본 예시에서 제어 유닛(14)은 성막 개시 전에 계측된, 화합물 모드에서 전이 모드를 통해서 금속 모드까지의 공정 시, 플라즈마 발광 강도 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값을 비(V/Vc)의 함수(f)로 취득한다. 그리고, 플라즈마 발광 강도에 대한 초기 지정값 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값과 성막 시 V/Vc로부터 구해지는 함수(f)의 값[f(V/Vc)] 둘 다를 이용하여 상술한 지정값을 제어 유닛(14)이 제어한다. 보다 구체적으로는, 식 4에 나타난 바와 같이, 제어 유닛(14)은 성막 시 V/Vc와 플라즈마 발광 강도에 대한 초기 지정값 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값으로부터, 함수(f)의 정수배의 근사 함수(f')를 결정한다. 그리고 제어 유닛(14)은 초기 비(V0/Vc0)에서 근사 함수(f')로 주어진 플라즈마 발광 강도 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값을 제어된 후의 상기 지정값으로 설정한다. 상기 내용이 도 5에 있어서 나타난다.
상기에서 설명한 바와 같이, PEM 제어 감시값의 지정값을 각 성막마다 갱신함으로써, 장기간에 걸쳐 복수의 렌즈에 연속해서 성막을 수행한 경우에도 타겟 표면의 상태(피복률)를 일정하게 유지할 수 있고 생성되는 막의 금속 비율을 일정하게 유지할 수 있다. 결과적으로, 장치의 후속 유지보수가 이뤄지기까지의 기간 동안 성막 개시 시의 흡수율을 1% 이하로 유지할 수 있는 비율이 95% 정도이다.
예시 2
예시 1은 PEM 제어 감시값의 지정값 갱신을 직전의 성막 시 얻어진 데이터를 사용했지만, 예시 2에서는 복수의 최근 성막으로부터 얻어진 데이터 평균값을 이용하여 PEM 제어 감시값의 지정값을 갱신한다.
장치의 구성과 공정 흐름은 예시 1과 같다. 본 예시의 특징인 PEM 제어 감시값의 지정값 갱신 방법에 대해서 설명한다. 사전 계측으로 계측된 초기의 PEM 제어 감시값(Ip)과 그 때의 V/Vc의 관계를 도 6에 나타낸다. 성막을 3번 반복하고, PEM 제어 감시값의 지정값 갱신에는 예시 1의 방법을 사용한다. 본 예시 2에서는, 제어 유닛(14)은 최근의 복수의 성막마다 각 성막 개시 전에 계측된 화합물 모드에서 전이 모드를 통해서 금속 모드까지의 공정 동안의 플라즈마 발광 강도 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값을 비(V/Vc)의 함수(f)로 얻는다. 그리고 각 성막 시 V/Vc로부터 구해지는 각 함수(f)의 값[f(V/Vc)]과 플라즈마 발광 강도에 대한 초기 지정값 또는 연관된 성막의 플라즈마 발광 강도의 연산값을 이용하여, 상기 언급된 지정값을 제어 유닛(14)이 제어한다. 또한 플라즈마 발광 강도에 대한 초기 지정값 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값과 최근의 복수의 성막 각각에서의 비(V/Vc)로부터 얻어지는 근사 함수(f')와 플라즈마 발광 강도에 대한 초기 지정값 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값에서의 함수(f)로부터 구해지는 초기의 비(V/Vc)를 이용해서 하기와 같이 제어 유닛(14)이 갱신을 실행한다. 즉, 해당 초기의 비(V/Vc)에서의 근사 함수의 값으로부터 정해지는 플라즈마 발광 강도 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값에 의해 후속의 지정값을 제어한다. 즉, 세 번의 성막 시 얻어진 데이터와 PEM 제어 감시값의 지정값 갱신 후의 V/Vc의 데이터로부터 근사 함수(g)가 정해진다. 후속 성막에서 이 근사 함수(g)를 이용하여 PEM 제어 감시값의 지정값을 갱신한다. 보다 구체적으로는, 상기 정해진 플라즈마 발광 강도 또는 상기 정해진 플라즈마 발광 강도의 연산값의 평균값에 의해 상기 지정값을 제어한다. 도 6에서 상기 내용이 나타난다. 도 6은 최근 세 번의 성막에서 얻어진, 도 5의 "성막 시"의 흰색 원에 각각 대응하는 3개의 흰색 원과 "후속"의 검정색 원에 각각 대응하는 3개의 검정색 원을 겹친 상태로 나타낸 것이다.
본 예시에 의하면, 예시 1에서 얻어지는 유리한 효과에 더하여 특히 단층의 막 두께가 얇은 경우에 성막마다의 편차를 완화할 수 있다. 장치의 후속 유지보수가 이뤄지기까지의 기간 동안 성막 개시에서의 흡수율을 1% 이하로 유지할 수 있는 비율이 97% 정도가 된다.
본 개시 내용은 상기 설명한 실시예 및 예시들에 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 본 개시 내용의 기술적 개념의 범위 내에서 관련 분야에서 일반적인 지식을 갖는 사람에 의해 가능하다. 예를 들어, 금속 타겟으로 상기 예시들에서는 Si를 사용했지만, Nb, Y, Sn, In, Zn, Ti, Th, V, Ta, Mo, W, Cu, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Sm, Pr, Bi 등을 사용할 수도 있다. 또한, 반응성 기체로서 상기 예시들에서는 O2 기체를 사용했지만, N2, O3, CO2 등을 사용할 수도 있다. 불활성 기체로서 상기 실시예에서는 Ar 기체를 사용했지만, He, Ne, Kr, Xe, Rn 등을 사용할 수도 있다. 또한, 금속 타겟, 반응성 기체, 및 불활성 기체 중 임의의 재료가 상기 예시들에서 사용한 물질에 한정되는 것이 아니다.
본 개시 내용에 따르면, 비교적 장기간동안 안정된 질로 원하는 막을 생성할 수 있다.
본 개시 내용이 예시적인 실시예들을 참조하여 기술되었지만, 본 개시 내용이 개시된 예시적인 실시예들에 한정되는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다. 하기 청구항의 범위는 모든 이러한 변형들과 동등한 구조 및 기능을 포함하기 위하여 넓은 해석이 허용된다.

Claims (10)

  1. 타겟과 반응성 기체를 이용하여 화합물 모드, 전이 모드, 금속 모드 중 어느 하나의 모드에서 성막을 수행하는 반응성 스퍼터링 장치이며,
    상기 반응성 스퍼터링 장치는, 불활성 기체를 도입하도록 배열된 도입 유닛, 상기 반응성 기체를 도입하도록 배열된 도입 유닛, 상기 타겟에 전력을 공급하도록 배열된 전력 공급 유닛, 상기 타겟에 대한 전력 공급으로 발생하는 플라즈마 발광을 검출하도록 배열된 검출 유닛, 및 미리 결정된 파장에서의 플라즈마 발광 강도 또는 미리 결정된 복수의 파장에서의 플라즈마 발광 강도의 연산값을 지정값으로 유지하도록 상기 반응성 기체의 유량을 조정하도록 구성된 제어 유닛을 포함하고,
    상기 제어 유닛은, 상기 전이 모드에서의 캐소드 전압(V)과 상기 화합물 모드에서의 캐소드 전압(Vc)의 비(V/Vc)가 미리 설정된 값에 근접하도록 상기 플라즈마 발광 강도 또는 상기 플라즈마 발광 강도의 연산값에 대한 상기 지정값을 제어하고,
    상기 전이 모드에서의 캐소드 전압과 상기 화합물 모드에서의 캐소드 전압 모두는, 상기 전력 공급 유닛으로부터 공급되고 상기 성막 동안 검출되는, 반응성 스퍼터링 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 유닛은, 성막 개시 전에 계측된, 상기 화합물 모드에서 상기 전이 모드를 통해서 상기 금속 모드까지의 공정 동안의 상기 플라즈마 발광 강도 또는 상기 플라즈마 발광 강도의 연산값을 상기 비(V/Vc)의 함수(f)로서 취득하고, 성막 중의 V/Vc로부터 구해지는 상기 함수(f)의 값(f(V/Vc))과 상기 플라즈마 발광 강도의 초기 지정값 또는 상기 플라즈마 발광 강도의 연산값을 이용하여 상기 지정값을 제어하는, 반응성 스퍼터링 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어 유닛은, 성막 중의 V/Vc와 상기 플라즈마 발광 강도에 대한 초기 지정값 또는 상기 플라즈마 발광 강도의 연산값을 이용해서 상기 함수(f)의 정수배인 근사 함수(f')를 구하고, 상기 근사 함수(f')의 초기 비(V/Vc)에서의 상기 플라즈마 발광 강도 또는 상기 플라즈마 발광 강도의 연산값을 제어된 상기 지정값으로서 설정하는, 반응성 스퍼터링 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어 유닛은, 최근의 복수의 성막 각각에서 성막 개시 전에 계측된, 상기 화합물 모드에서 상기 전이 모드를 통해 상기 금속 모드까지의 공정 동안의 상기 플라즈마 발광 강도 또는 상기 플라즈마 발광 강도의 연산값을 상기 비(V/Vc)의 함수(f)로서 취득하고, 각 성막 중의 V/Vc로부터 구해지는 상기 함수(f)의 값(f(V/Vc))과 해당 성막시 상기 플라즈마 발광 강도에 대한 초기 지정값 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값을 이용하여 상기 지정값을 제어하고,
    상기 제어 유닛은, 최근의 복수의 각 성막 시의 상기 플라즈마 발광 강도의 초기 지정값 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값과 상기 비(V/Vc)로부터 얻어지는 각 근사 함수와, 상기 플라즈마 발광 강도에 대한 초기 지정값 또는 상기 플라즈마 발광 강도의 연산값에서의 함수(f)에 의한 초기 비(V/Vc)를 이용하여, 상기 초기 비(V/Vc)에서의 근사 함수의 값으로부터 구해지는 발광 강도 또는 발광 강도의 연산값에 기반하여 상기 지정값을 제어하는, 반응성 스퍼터링 장치.
  5. 제4항에 있어서, 취득되는 상기 플라즈마 발광 강도의 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값의 평균값에 의해 상기 지정값을 제어하는, 반응성 스퍼터링 장치.
  6. 타겟과 반응성 기체를 이용하여 화합물 모드, 전이 모드, 금속 모드 중 어느 하나의 모드에서 성막을 수행하는 반응성 스퍼터링 방법이며,
    불활성 기체를 도입하는 단계, 상기 반응성 기체를 도입하는 단계, 및 상기 타겟에 전력을 공급함으로써 발생하는 플라즈마 발광의 미리 결정된 파장에서의 플라즈마 발광 강도 또는 미리 결정된 복수의 파장에서의 플라즈마 발광 강도의 연산값을 지정값에 근접하도록 상기 반응성 기체의 유량을 조정하는 단계를 포함하고,
    상기 조정하는 단계에서는, 상기 전이 모드에서의 캐소드 전압(V)과 상기 화합물 모드에서의 캐소드 전압(Vc)의 비(V/Vc)가 미리 설정된 값에 근접하도록, 상기 플라즈마 발광 강도 또는 상기 플라즈마 발광 강도의 연산값에 대한 지정값을 성막 시 제어하고,
    상기 전이 모드에서의 캐소드 전압과 상기 화합물 모드에서의 캐소드 전압 모두는, 상기 전력이 공급될 때 상기 성막 동안 검출되는, 반응성 스퍼터링 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 조정하는 단계에서는, 성막 개시 전에 계측된, 상기 화합물 모드에서 상기 전이 모드를 통해 상기 금속 모드까지의 공정 동안의 상기 플라즈마 발광 강도 또는 상기 플라즈마 발광 강도의 연산값을 상기 비(V/Vc)의 함수(f)로서 구하며, 성막 시의 V/Vc로부터 구해지는 상기 함수(f)의 값(f(V/Vc))과 상기 플라즈마 발광 강도의 초기 지정값 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값을 이용하여 상기 지정값을 제어하는, 반응성 스퍼터링 방법.
  8. 제7항에 있어서, 성막 시의 V/Vc와 플라즈마 발광 강도에 대한 초기 지정값 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값을 이용해서 상기 함수(f)의 정수배인 근사 함수(f')를 구하고, 상기 근사 함수(f')의 초기 비(V/Vc)에서의 상기 플라즈마 발광 강도 또는 상기 플라즈마 발광 강도의 연산값을 제어된 상기 지정값으로서 설정하는, 반응성 스퍼터링 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 조정하는 단계에서는, 최근의 복수의 성막 각각에서 성막 개시 전에 계측된, 상기 화합물 모드에서 상기 전이 모드를 통해서 상기 금속 모드까지의 공정 동안의 상기 플라즈마 발광 강도 또는 상기 플라즈마 발광 강도의 연산값을 상기 비(V/Vc)의 함수(f)로서 구하며, 각 성막 시의 V/Vc로부터 구해지는 상기 함수(f)의 값[f(V/Vc)]과 해당 성막시 상기 틀라즈마 발광 강도의 초기 지정값 또는 발광 강도의 연산값을 이용하여 상기 지정값을 제어하고,
    최근의 복수의 각 성막 시의 상기 플라즈마 발광 강도에 대한 초기 지정값 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값과 상기 비(V/Vc)로부터 각각 얻어지는 근사 함수와, 상기 플라즈마 발광 강도의 초기 지정값 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값에서의 함수(f)로부터 구해지는 초기 비(V/Vc)를 이용하여 상기 초기 비(V/Vc)에서의 근사 함수의 값으로부터 구해지는 플라즈마 발광 강도 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값에 의해 상기 지정값을 제어하는, 반응성 스퍼터링 방법.
  10. 제9항에 있어서, 취득되는 상기 플라즈마 발광 강도의 또는 플라즈마 발광 강도의 연산값의 평균값에 의해 상기 지정값을 제어하는, 반응성 스퍼터링 방법.
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