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KR100822313B1 - 고효율 대향 타겟식 스퍼터링 장치 - Google Patents

고효율 대향 타겟식 스퍼터링 장치 Download PDF

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KR100822313B1
KR100822313B1 KR1020060063894A KR20060063894A KR100822313B1 KR 100822313 B1 KR100822313 B1 KR 100822313B1 KR 1020060063894 A KR1020060063894 A KR 1020060063894A KR 20060063894 A KR20060063894 A KR 20060063894A KR 100822313 B1 KR100822313 B1 KR 100822313B1
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KR
South Korea
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target
substrate
grid
targets
sputtering apparatus
Prior art date
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KR1020060063894A
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배은현
김갑석
김용모
Original Assignee
주식회사 자이맥스
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Publication date
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Abstract

본 발명은 한 쌍의 대향 타겟식 스퍼터링 장치에 의해 고밀도의 플라즈마를 구현하고, 이온 인출 수단으로서 바이어스가 인가되는 그리드를 사용하여 타겟으로부터 이온 입자를 인출하고 기판으로 이동시킴으로써 플라즈마의 밀도와 반응성을 높이게 되어 박막형성의 효율을 높인 대향 타겟식 스퍼터링 장치에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 기판 지지대와 타겟 사이에 배치되어 플라즈마로부터 기판으로의 이온 인출을 조절하기 위한 수단을 포함하는 대향 타겟식 스퍼터링 장치를 제공하여, 저온에서도 고속으로 기판에 손상을 주지 않으면서 박막을 증착할 수 있어, 표면조도가 낮은 우수한 물성을 갖는 박막을 기판이 유기질 기판인지 전도성 기판인지 등에 관계없이 증착할 수 있도록 한다.

Description

고효율 대향 타겟식 스퍼터링 장치{HIGH EFFICIENCY FACING TARGET TYPE SPUTTERING APPARATUS}
도 1은 대향 타겟식 스퍼터링 장치의 단면도,
도 2는 본 발명의 고효율 대향 타겟식 스퍼터링 장치의 단면도,
도 3은 본 발명의 그리드 형상,
도 4는 2개 그리드 구조에서 그리드 바이어스 증가에 따라 증착되는 Ti 박막의 표면형태를 측정한 AFM 이미지를 도시한다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 타겟 20: 애노드
30: 제 1그리드 40; 제 2그리드
50: 기판 지지대 60: 제 1전원장치
70: 제 2전원장치 80: 챔버
90: 저항
본 발명은 고효율 대향 타겟식 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 상세하게는 한 쌍의 대향 타겟식 스퍼터링 장치에 의해 고밀도의 플라즈마를 구현하고, 이온 인출 수단으로서 바이어스가 인가되는 그리드를 사용하여 타겟으로부터 이온 입자를 인출하고 기판으로 이동시킴으로써 플라즈마의 밀도와 반응성을 높이게 되어 박막형성의 효율을 높인 대향 타겟식 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
본 발명은 스퍼터링 방법을 이용하여 물리적으로 박막을 형성하는 박막 형성 장치에 관한 것으로서, 특히 대향식 타겟을 사용함으로써 타겟 후면에 설치된 영구자석으로부터의 균일한 자력선에 의해 전자가 대향 타겟 사이에 구속되도록 하여 고밀도, 고이온화 플라즈마를 구현하고, 대향식 타겟 측방에 이온 인출 수단으로서 그리드를 배치함으로써 타겟 부위에 형성된 플라즈마로부터 인출된 높은 에너지의 이온들의 에너지와 밀도를 제어함으로써 기판에 바이어스를 인가하지 않아도 고밀도의 저에너지 이온을 이용하여 고속, 저온, 저압 공정의 스퍼터링을 가능케 하는 대향 타겟식 스퍼터링 장치에 관한 발명이다.
종래의 마그네트론 스퍼터링 기술은 기판 면에 대향하는 타겟을 이용하여 기판 위에 막을 형성하는 기술로서 널리 사용되고 있다. 이러한 마그네트론 스퍼터링 기술은 기판 면에 타겟에 대향하고 스퍼터링되는 증착 물질의 운동에너지가 과도하게 높기 때문에 고운동에너지를 갖는 이온이 폴리머 또는 유기 발광 소자의 유기층등 상에 스퍼터링되는 경우에는 폴리머층 또는 유기층이 손상될 수 있다는 문제점이 있다.
따라서 이러한 문제점을 해소하기 위한 일 방안으로서, 타겟과 기판을 직접 대면시키지 않는 구조의 대향 타겟식 스퍼터링 장치가 사용된다. 종래 기술에 따 른 대향 타겟식 스퍼터링 장치는 타겟의 대향하는 타겟면을 제외한 부분을 양극으로 덮는 구조를 가지고 있으며 타겟에 수직한 자계를 형성시키기 위하여 대향 타겟의 후면에 영구자석을 배치하여 대향 타겟 내에 전자를 구속하는 구조를 가진다.
통상적인 대향 타겟식 스퍼터링 장치가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 통상적인 대향식 스퍼터링 장치는 진공챔버 내에 설치 구성되는 대향식 타겟과 그 후면에 설치된 영구자석과, 전원장치와, 기판을 지지하는 기판 지지대로 구성된다. 상기 대향식 타겟은 스퍼터링된 원자 및 전자 방출을 위하여 (-) 전압이 인가되고, 상기 기판은 대향식 타겟의 측방에 설치되며, 상기 영구자석은 상기 타겟의 후방에 설치되어 자계를 인가하게 된다.
도 1을 참조하면, 대향 스퍼터링 타겟에 전원공급장치로부터 동시에 (-) 전압을 인가하면, 자계 발생 수단인 영구자석에 의해 발생된 자계에 의해 대향 타겟 사이의 공간 내에 스퍼터링 플라즈마가 구속된다. 이때, 상기 플라즈마는 감마 전자, 음이온, 양이온, 중성입자 등으로 이루어져 있다. 이때, 상기 플라즈마 내의 전자는 서로 대향하는 스퍼터링 타겟을 연결한 자기력선을 따라 회전운동을 하면서 고밀도 플라즈마를 형성시키는 동시에 한쌍의 스퍼터링 타겟에 걸린 (-) 전원에 의하여 왕복운동을 하면서 고밀도 플라즈마를 유지시킨다. 즉, 플라즈마 내의 모든 전자나 이온은 자기력선을 따라 회전하면서 왕복 운동을 하기 때문에 높은 에너지를 갖는 하전된 입자는 반대편 타겟으로 가속되어 타겟 사이의 공간 내에 형성된 플라즈마 내에 구속된다. 따라서 고에너지 하전 입자는 타겟 공간에 구속되고 주로 비교적 낮은 에너지를 갖는 중성 입자의 확산에 의해 대향 타겟의 측방에 위치하는 기판 상에 증착이 이뤄지므로 고에너지 입자 충돌에 의한 기판의 손상 없이 기판 상에 박막 형성이 이뤄진다. 또한, 종래 기술에 따른 대향 타겟식 스퍼터링 장치에서는 기판 면이 타겟에 대향하지 않고 대향 타겟의 측방에 위치하므로 증착되는 비교적 낮은 에너지를 갖는 스퍼터 원자에 의해 증착이 이뤄지므로 기판 상의 폴리머층 또는 유기층을 손상시키지 않는다는 이점이 있다.
그러나 종래 기술에 따른 대향 타겟식 스퍼터링 장치는 스퍼터된 중성의 입자 확산에 의해 기판 상에 박막이 형성되므로, 스퍼터링 속도가 느려서 기판 증착 효율이 떨어진다는 제약이 있다.
또한, 기판에 직접 바이어스를 인가하여 증착을 수행하는 경우에는 기판의 종류에 따라 인가전원의 제약을 받게 된다. 즉, 기판이 어느 정도 전기적으로 전도를 갖는 물질이라면 직류 바이어스 인가 전원을 사용할 수 있지만, 전기적으로 전류가 흐르지 않는 절연체일 경우 직류로 바이어스 전원을 인가할 수 없고 교류인 RF 고주파 전원이 이용되어야 한다. 이러한 경우, 고주파 전원 사용에 따른 많은 비용과 기술적인 문제에 제약이 있게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은, 중성 스퍼터 입자 확산에 의한 증착뿐만 아니라 저에너지의 고밀도 플라즈마 이온에 의해 기판 상에 증착을 수행함으로써, 스퍼터링 속도가 빠르고 기판 증착 효율이 높은 고효율 대향식 스퍼터링 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 챔버와; 챔버 내에 위치하며 소정의 거리를 두고 대향하도록 배치되고, 그 후면에 자계 생성 수단이 배치된 한쌍의 타겟과; 챔버 내에서 상기 타겟의 측방에 위치하는 기판을 지지하기 위한 기판 지지대와; 타겟 사이의 공간에 플라즈마를 형성하기 위해 전력을 공급하는 전원장치와; 기판 지지대와 타겟 사이에 배치되며 상기 플라즈마로부터의 기판으로의 이온 인출을 조절하기 위한 수단을 포함하는 대향 타겟식 스퍼터링 장치를 제공한다.
상기 이온 인출 조절 수단은 적어도 2개의 평행하게 배열된 그리드를 포함할 수 있으며, 상기 그리드는 상기 대향식 타겟의 측방에 설치되어 타겟으로부터 방출된 입자가 증착되는 기판 및 상기 타겟 사이의 위치에 설치되며 인가되는 전압에 의하여 플라즈마의 밀도와 반응성을 높이게 된다.
또한, 상기 이온 인출 조절 수단은 타겟과 등전위를 형성하도록 전기적으로 연결된 그리드를 포함할 수 있다. 타겟으로부터 생성된 이온 입자의 기판측으로의 가속이 조절되도록 각각의 그리드에는 전압이 인가된다. 상기 그리드는 각 그리드에 인가되는 전압에 따라 10 eV에서 10 KeV까지 인출된 이온의 에너지를 제어할 수 있다. 타겟과 이에 근접한 그리드와 저항으로 연결될 수 있다. 또한, 타겟과 상기 이온 인출 조절 수단 사이에 위치되어 방전전압을 낮추도록 하는 애노드가 더 포함될 수 있다. 기판 상에 스퍼터 증착되는 막으로서는, 전도성의 금속, 질화물, 유기물, 반도체, 또는 ITO, ZnO, 또는 Me:ZnO로 이루어진 투명전도막(TCO)을 포함하는 산화물이 증착될 수 있다.
두 타겟 뒷면의 영구자석으로부터 발생하는 자기장은 타겟 표면과 수직한 방향으로 형성되며 두 타겟 사이에서 구속된 고밀도, 고이온화 플라즈마에 의해 낮은 압력 (1 mTorr 이하)에서 안정적으로 플라즈마가 형성되며 고밀도 플라즈마에 의한 고속 스퍼터링을 유도한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고효율 대향 타겟식 스퍼터링 장치를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 고효율 대향 타겟식 스퍼터링 장치의 단면을 나타낸 실시예이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 대향식 스퍼터링 장치는 챔버 내에 위치하며 소정의 거리를 두고 대향하도록 배치되고, 그 후면에 자계 생성 수단이 배치된 한쌍의 타겟(10)과; 챔버 내에 위치하며 기판을 지지하기 위한 기판 지지대(50)와; 타겟(10)사이의 공간에 플라즈마를 형성하기 위해 전력을 공급하는 전원장치(60)와; 기판 지지대(50)와 타겟(10) 사이에 배치되며 상기 플라즈마로부터의 기판으로의 이온 인출을 조절하기 위한 수단을 포함한다.
상기 대향식 타겟(10)은 스퍼터링된 원자 및 전자 방출을 위하여 (-) 전압이 인가되고, 상기 기판은 대향식 타겟의 측방에 설치되며, 상기 자계 생성 수단은 영구자석을 포함하며, 상기 타겟의 후방에 설치되어 자계를 인가하게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전원장치(PS1)(60)를 통해 양극에 (+) 전압이 인가되고 제2 전원장치(PS2)(70)를 통해 진공챔버에 (-) 전압이 인가되어 접지되고, 음극인 한쌍의 타겟(10)에는 제1 전원장치(PS1)(60)를 통해 (-) 전압이 각각 연결되어 한 쌍의 타겟(10)이 서로 등전위를 형성하게 된다. 이때, 타겟(10)과 양 극 사이의 전기적 방전에 의하여 플라즈마가 발생되고 대향식 타겟 사이에서 할로우캐소드(hollow cathode) 형태의 방전을 형성하여 플라즈마 밀도와 반응성을 증가시키고 기판에 양질의 입자를 유도한다. 상기 음극인 타겟에 인가되는 전압은 직류, 펄스 직류, 교류 중 선택적으로 사용될 수 있다.
도 2는 2개의 그리드가 사용된 본 발명의 일실시예에 따른 구조를 나타낸다. 본 실시예에서는 대향 타겟(10), 애노드(20), 그리드(30, 40), 기판의 순서대로 배열된다. 2개의 그리드(30, 40)는 서로 평행하게 배치되며 그리드들 사이에 세라믹(미도시)이 사용되어 간격유지 및 절연이 이루어지고, 그리드들(30, 40) 사이의 간격은 최적의 이온 인출을 위한 거리로 조정될 수 있다. 상기 2개 그리드(30, 40)의 형상은 도 3의 그리드 구조와 동일하게 이루질 수 있다.
2개 그리드 구조의 대향 타겟식 스퍼터링 장치에서는 타겟(10)에 인접한 제 1 그리드(30)와 이에 평행 배치된 제 2 그리드(40)에 각각 전압이 인가되고 기판에는 별도의 바이어스 전압이 인가되지 않는다. 타겟(10)에 인접 배치된 제 1 그리드(30)에는 피드스루(feedthrough) 전극을 장입 연결하여 전압을 인가하고 제 2 그리드(40)는 진공 챔버(80)에 전기적으로 연결되어 접지된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 방전을 위한 제 1 전원장치(PS1)(60)가 타겟(10)에 (-) 전압을, 제 2 전원장치(PS2)(70)가 제 1 그리드(30)에 (+) 전압을 인가한다. 상기 타겟(10)과 그리드들(30, 40) 사이의 위치에 애노드(20)를 목적에 따라 선택적으로 설치하고 이에 제 1 전원(PS1)(60)으로부터 (+) 전압을 인가함으로서 방전전압을 낮출 수 있다. 애노드(20)에는 제 1 전원장치(PS1)(60)에 의해 (+) 전 압이 인가되고, 이온 인출에 사용되는 제 2 전원장치(PS2)(70)는 진공챔버(80)에 (-) 전압을 인가하여 접지하고 이에 전기적으로 연결된 제 2 그리드(40)에도 (-)전압이 인가되게 된다. 따라서 (+)전압이 인가된 제 1 그리드(30)와 (-) 전압이 인가된 제 2 그리드(40) 사이에 전압차가 발생된다. 타겟(10)에 인접한 (+) 전압이 인가된 제 1 그리드(30)가 플라즈마내의 (+)로 하전된 이온을 타겟 사이의 공간으로부터 인출하여 기판 쪽으로 가속시키고, (-) 전압이 인가된 제 2 그리드(40)가 이온의 에너지를 기판 상에 손상을 주지 않는 범위로 감속시켜서 기판 상에 증착이 이뤄지도록 조절한다. 따라서 대향 타겟 사이의 방전 공간 내의 중성 입자의 확산에 의해 증착이 이뤄지는 종래기술에 비하여, 중성 입자의 확산뿐만 아니라, 대향 타겟 사이의 방전 공간 내에 존재하는 이온을 타겟(10)에 인접 위치한 제 1 그리드(30)가 대향의 이온을 전기적으로 인출해 내서 기판 방향으로 신속히 이동시키고, 기판에 인접 위치한 제 2 그리드(40)가 이온의 에너지를 기판 상에 손상을 주지 않는 정도의 에너지 레벨로 감속시켜서 기판 상에 증착시키게 된다. 따라서 증착 속도가 매우 향상되면서도 기판 상에 손상을 주지 않는 대향 타겟식 스퍼터링이 가능해진다.
타겟(10)에 인접 위치한 제 1 그리드(30)와 타겟에 연결되는 음극은 그 사이에 저항(90)이 전압강하 효과를 주기 위해 연결될 수 있다. 상기 그리드(30, 40)는 타겟과의 거리를 조정할 수 있도록 이동가능하게 장착될 수 있다(도면 미도시).
상기 그리드는 2개 이상 배열되어 설치가능하며, 타겟측으로부터 이온 입자가 기판측으로 이동 가능하도록 각각의 그리드에 전압이 인가된다.
본 발명에서의 이온 인출 가속장치(즉, 그리드(grid))는 고전압 인가시 열전자 방출이 최대화되고 고온에서의 내구성을 확보하기 위하여 일함수가 낮은 텅스텐이나 몰리브덴, 탄탈륨, 구리판 등과 이외에 다양한 금속 및 금속 화합물이 이용되며, 그 크기와 두께(수 ㎜)에 따라 다양한 형태로 제작된다.
또한, 상기 그리드는 타겟과 동일한 재료이거나 타겟의 재료가 포함되는 복합재료로서 일체 또는 코팅되어 이루어지며, 전도성의 금속, 합금, 세라믹, 유기물, 반도체 등의 재료가 일체 또는 코팅되어 이루어질 수도 있다.
본 발명은 PI, PMMA, PE, PC 등 각종 폴리머 기판의 증착에 이용될 수 있어서 고에너지 이온에 의해 폴리머 구조 변형, 금속 이온에 의한 폴리머 표면의 침식, 세정 및 화학적 활성화에 의해 밀착력 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 유기 발광 소자의 유기층에 증착시키기 위하여 사용될 수 있다.
도 3은 그리드의 일실시예를 도시하는 것으로 직선형 그리드 형태이고, 그 이외에 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 그리드 간격은 인출 이온의 선속 및 요구되는 에너지 제어에 따라 선택적으로 조절할 수 있다.
도 4는 2개 그리드 구조에서 제 1 그리드(30)는 (-) 전압이 인가되고 제 2 그리드(40)에 인가되는 바이어스의 증가에 따라 증착되는 Ti 박막의 표면형태를 측정한 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지를 나타낸다. 도4a와, 도4b, 도4c는 제 2 그리드(40)에 바이어스가 각각 0V, 100V, 150V로 인가시 측정된 이미지이다.
도시된 바와 같이, 바이어스를 인가하지 않을 경우, 즉 바이어스가 0V인 경우에는 표면조도가 2.6㎚이며, 100V와 150V로 증가시켰을 때 각각 1.5㎚, 1.1㎚인 것으로 측정된다. 따라서 제 2 그리드에 인가되는 바이어스 전압이 증가할수록 기판 상에 증착되는 막의 표면조도가 낮아지게 됨이 확인된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 하나의 실시예를 설명한 것이며, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 변경실시 가능한 범위까지 본 발명의 범위에 있다고 할 것이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 대향 타겟식 스퍼터링 장치는 종래의 대향 타겟식 스퍼터링 장치와 다르게 그리드를 타겟과 기판 사이에 장착하고 전압을 인가함으로써 기판이 가지고 있는 전기적인 특성에 따라 대향 타겟 사이의 방전 공간으로부터 이온을 인출하고 기판 방향으로 가속하고 기판 상에 손상을 주지 않는 레벨로 이온의 에너지를 조절할 수 있으므로, 저온에서도 고속으로 기판에 손상을 주지 않으면서 박막을 증착할 수 있어, 표면조도가 낮은 우수한 물성을 갖는 박막을 기판이 유기질 기판인지 전도성 기판인지 등에 관계없이 증착할 수 있다는 이점이 있다. 따라서 본 발명은 낮은 공정압력에서 조밀한 박막형성을 고속으로 용이하게 증착할 수 있으므로 박막형성 효율이 높고 종래의 대향 타겟식 스퍼터링 장치에 대비하여 그리드 추가 구성만으로 제작비용을 대폭적으로 절감하는데 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 챔버와;
    상기 챔버내에서 서로 대향하도록 배치되며, 그 후면에 자계 생성 수단이 배치된 한쌍의 타겟과;
    상기 챔버내에서 상기 한쌍의 타겟 측면에 위치하며 기판을 지지하기 위한 기판 지지대와;
    상기 한쌍의 타겟 사이의 공간에 플라즈마를 형성하기 위해 전력을 공급하는 전원 장치와;
    상기 한쌍의 타겟의 측방향에 배치되고, 상기 기판 지지대와 타겟 사이에 배치되어 상기 대향 타겟 사이의 방전 공간내에 존재하는 이온을 기판방향으로 인출하고 이온의 에너지를 기판에 손상을 주지 않는 레벨을 낮추는 이온인출조절수단을 포함하는 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 인출 조절 수단은 적어도 2개의 평행하게 배열된 그리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 인출 조절 수단은 상기 타겟과 등전위를 형성하도록 전기적으로 연결된 그리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 그리드에 전압을 인가하기 위한 전원장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 그리드는 각 그리드에 인가되는 전압에 따라 10 eV에서 10 KeV까지 인출된 이온의 에너지를 제어하는 것을 특징으로 하는 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 타겟은 전압강하 효과를 얻기 위하여 근접한 그리드와 저항을 통하여 연결되는 것을 특징으로 하는 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
  7. 삭제
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  10. 제 1 항에 있어서, 상기 타겟과 상기 이온 인출 조절 수단 사이에 위치되어 방전전압을 낮추도록 하는 애노드가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 대향 타겟식 스퍼터링 장치.
  11. 삭제
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