KR20010098215A - Counter Target Sputtering Device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대향타겟식 스퍼터법을 이용한 박막 증착 장치에 관한 것으로써, 박막 증착시 발생되는 높은 에너지를 갖는 입자들의 기판 충돌에 의한 막의 손상을 최대한 줄이면서 0.1∼수십mTorr의 가스압력 하에서도 결정성이 양호한 막을 고속으로 제작할 수 있는 장치이다. 또한 낮은 기판온도에서와 자성체 타겟의 박막 증착이 가능한 대향타겟식스퍼터링(FTS) 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film deposition apparatus using an opposing target sputtering method, wherein the crystallinity is reduced even under a gas pressure of 0.1 to several tens of mTorr while minimizing damage to the film due to substrate collision of particles having high energy generated during thin film deposition. It is an apparatus which can produce this favorable film | membrane at high speed. The present invention also relates to a counter target sputtering (FTS) device capable of depositing a thin film of a magnetic target at a low substrate temperature.
Description
1) 도 1에 나타낸 것처럼 대향타겟식스퍼터링 장치는 두 개의 타겟이 서로 마주보게 배치되어 있다. 또한 도 2에 나타낸 것처럼 타겟면에 수직으로 자계가 분포하도록 영구자석이 타겟 뒷면에 배치되어있으며 두 타겟에 (-)의 전위가 인가되고 챔버와 기판의 전위는 접지전위가 인가된다. 따라서 γ-전자의 회전운동을 유발시킴과 동시에 하나의 타겟은 맞은편 타겟에서 방출된 γ-전자의 반사전극이 되어 γ-전자는 두 개의 타겟 사이를 왕복 운동하게된다. 타겟사이의 γ-전자가 왕복 회전운동을 함으로서 분위기 가스의 이온화율이 다른 스퍼터링 장치의 이온화율보다 높아 낮은 가스압력(0.1mTorr)에서도 고밀도 플라즈마의 형성과 안정적인 방전이가능하다.1) In the opposite target sputtering apparatus, as shown in FIG. 1, two targets are disposed to face each other. In addition, as shown in FIG. 2, the permanent magnet is disposed on the back of the target so that the magnetic field is distributed perpendicularly to the target surface. A negative potential is applied to both targets, and a ground potential is applied to the potential of the chamber and the substrate. Therefore, while inducing rotational movement of γ-electrons, one target becomes a reflective electrode of γ-electrons emitted from the opposite target, and γ-electrons reciprocate between two targets. Since the γ-electrons between the targets reciprocate and rotate, the ionization rate of the atmospheric gas is higher than that of other sputtering apparatuses, so that high density plasma can be formed and stable discharge even at low gas pressure (0.1 mTorr).
2) 두 타겟의 뒷면에 장착된 영구 자석에 의해 발생되는 자계는 타겟 표면에 평행한 방향이 아니고 수직한 방향으로 인가된다. 즉 하나의 타겟에서 인가되는 자계가 N극이라면 다른 쪽의 타겟에서 발생되는 자계는 S극으로 되어 있기 때문에 타겟이 자성체, 비자성체에 준하지 않고 모든 물질의 고속 스퍼터가 가능하다.2) The magnetic field generated by the permanent magnets mounted on the back of the two targets is applied in a direction perpendicular to the target surface and not parallel. In other words, if the magnetic field applied from one target is the N pole, the magnetic field generated from the other target is the S pole, so that the target is a high-speed sputter of all materials without being magnetic or non-magnetic.
4) 도 1에 나타낸 두 타겟은 상·하 이동이 가능하여 타겟 사이의 자계의 세기를 조절할 수가 있다. 또한 기판을 지지하는 기판 홀더 역시 두 타겟 중심부로 전·후 이동이 가능하여 기판 위치를 변화시킬 수가 있다.4) The two targets shown in FIG. 1 can be moved up and down to adjust the strength of the magnetic field between the targets. In addition, the substrate holder supporting the substrate can also be moved back and forth between the two target centers, thereby changing the position of the substrate.
5) 기판의 배치는 플라즈마로부터 이격되어 있는 상태(플라즈마-프리)에 있기 때문에 스퍼터링시에 발생되는 높은 에너지를 갖는 입자들의 기판 충돌을 최대한 억제할 수가 있다. 따라서 γ-전자뿐 아니라 음 이온에 기인한 높은 에너지를 갖는 입자의 기판충돌도 완전히 제거된다. 이 때문에 기판의 손상이나 조성의 어긋나는 문제가 극복 될 뿐만 아니라 결정성이 극히 양호한 막이 제작될 수 있다는 특징을 가진다.5) Since the arrangement of the substrate is in a state spaced apart from the plasma (plasma-free), it is possible to suppress the substrate collision of the particles with high energy generated during sputtering as much as possible. Thus, not only γ-electrons but also substrate collisions of particles with high energy due to negative ions are completely eliminated. For this reason, not only the problem of damage to the substrate and the deviation of the composition is overcome, but also a film having extremely good crystallinity can be produced.
대향 타겟 스퍼터링 장치는 1mTorr 이하인 0.1mTorr의 낮은 방전 가스압력에서도 고밀도의 플라즈마가 생성 될 수 있고, 1분간 수 천 Å정도의 막 증착 속도 또한 쉽게 달성될 수 있다. 또한 기판과 박막과의 강한 부착력 그리고 고속의 증착 속도로를 갖기 때문에 박막의 대량생산에 적합한 특징을 가지고 있다. 따라서 본 출원의 목적은 스퍼터링 장치를 이용하여 박막을 제작하는데 있어서 기존의 장치보다도 고속·저온, 저압하에서 박막의 증착이 가능하다는 것을 설명하며, 스퍼터링장치의 구조적인 차이로 인해 얻어지는 막의 우수성을 설명하여 앞으로의 스퍼터링 기술의 진보를 도모하고자 한다.In the opposite target sputtering apparatus, a high density plasma can be generated even at a low discharge gas pressure of 0.1 mTorr which is 1 mTorr or less, and a film deposition rate of several thousand kW can be easily achieved for 1 minute. In addition, it has a strong adhesion between the substrate and the thin film, and has a high deposition rate, so it is suitable for mass production of thin films. Accordingly, an object of the present application is to explain that it is possible to deposit a thin film at a higher speed, a lower temperature, and a lower pressure than a conventional device in manufacturing a thin film using a sputtering device. In the future, we intend to promote the sputtering technology.
본 발명은 스퍼터법을 이용한 박막의 증착에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 두 개의 타겟이 서로 마주보고 있으며, 기판의 위치가 플라즈마와 이격되어 있는 구조를 갖는 대향타겟식 스퍼터장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to deposition of a thin film using a sputtering method, and more particularly, to a counter-target sputtering apparatus having a structure in which two targets face each other and a substrate is spaced apart from a plasma.
종래의 마그네트론 스퍼터법은 도 3에 나타낸 바와 같이 기판의 위치와 타겟 뒷면의 영구자석의 배치를 갖는다. 타겟과 기판이 서로 마주보고 있으며 고전압이 타겟과 기판에 인가되면, 방전현상이 일어나 타겟에서 방출된 스퍼터된 입자들이 기판에 증착되는 방법이다. 이때 높은 에너지를 갖는 입자(중성자, 양이온, 전자 등)들의 기판 충돌은 타겟 뒷면의 영구자석에 의해 어느정도 억제 할 수는 있지만 자석의 중심부 즉 pole 부분에 해당되는 타겟에서 방출되는 입자들은 억제할 수가 없게 된다. 따라서 이 부분에 상응하는 기판 면은 온도가 국부적으로 고온이 되어 양질의 막을 얻기가 어렵다. 또한 도 5에 나타난 바와 같이 타겟이 자성체인 경우 영구자석에 의한 자계의 발생이 억제되기 때문에(자성체 타겟이 자로를 형성하게 되어 타겟 외부로의 자계가 형성되기 힘듬) γ-전자를 구속하지 못하기 때문에 고밀도 플라즈마, 고속 증착을 할 수 없는 문제점이 발생하고 있다.The conventional magnetron sputtering method has a position of a substrate and an arrangement of permanent magnets on the back of the target as shown in FIG. When the target and the substrate face each other and a high voltage is applied to the target and the substrate, a discharge phenomenon occurs and sputtered particles emitted from the target are deposited on the substrate. At this time, the collision of the substrate with high energy particles (neutron, cation, electron, etc.) can be suppressed to some extent by the permanent magnet on the back of the target, but the particles emitted from the target corresponding to the center of the magnet, that is, the pole part, cannot be suppressed. do. Therefore, the substrate surface corresponding to this portion has a locally high temperature, making it difficult to obtain a good film. In addition, as shown in FIG. 5, when the target is a magnetic material, the generation of a magnetic field due to a permanent magnet is suppressed (the magnetic target forms a magnetic path, which makes it difficult to form a magnetic field outside of the target). Therefore, a problem arises in that high-density plasma and high-speed deposition cannot be performed.
스퍼터링법에 의한 박막 제작 기술의 진보에 의해 스퍼터법은 반도체 공업을 시작으로 넓은 범위의 분야에서 이용되어 왔다. 그렇지만, 강자성체의 고속·저온 스퍼터의 실현과 타겟으로부터 방출되는 음 이온에 의한 기판충격의 제거 등, 해결해야만 하는 문제점이 많이 남겨져 있다.With the advancement of the thin film manufacturing technology by the sputtering method, the sputtering method has been used in a wide range of fields including the semiconductor industry. However, many problems remain to be solved, such as the realization of high-speed and low-temperature sputtering of ferromagnetic materials and the removal of substrate shocks by negative ions emitted from the target.
본 발명의 목적은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로써 기판의 위치가 타겟과 마주보고 있지 않기 때문에 기판상에 증착되는 박막의 손상을 억제 할 수 있으며, 고순도의 박막제작을 위한 고진공상태(0.1mTorr)에서도 γ-전자의 왕복 회전운동으로 이온화율을 극대화 시켜 안정적인 방전을 유지하여 박막을 제작할 수 있는 스퍼터링 장치의 개발이다.An object of the present invention is to solve such a problem, it is possible to suppress the damage of the thin film deposited on the substrate because the position of the substrate does not face the target, high vacuum state (0.1mTorr) for the production of high purity thin film ) Is a development of sputtering device that can produce thin film by maximizing ionization rate by reciprocating rotational movement of γ-electron and maintaining stable discharge.
도 1은 대향타겟식 스퍼터링 장치의 개략도1 is a schematic diagram of an opposing target sputtering apparatus;
도 2는 대향타겟식 스퍼터링 장치의 타겟 배치도Figure 2 is a target layout of the opposed target sputtering device
도 3은 마그네트론 스퍼터장치의 자계 분포도3 is a magnetic field distribution diagram of a magnetron sputtering device
도 4는 대향타겟식 스퍼터링 장치의 자계 분포도4 is a magnetic field distribution diagram of a counter target sputtering apparatus;
도 5는 강자성체 타겟의 경우 자계 분포5 is a magnetic field distribution in the case of a ferromagnetic target
이하 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1과 도 2에 나타난 것처럼 두 개의 타겟은 서로 마주보는 위치에 있다. 챔버 내부에는 분위기 가스 Ar(혹은 O2)이 주입되며, 직류의 (-) 전위가 두 타겟에 인가되면 타겟과 shield ring 사이에 국부 방전이 형성된다. 이와 같이 전압인가 후 초기 국부 방전이 일어나면 챔버 내부에 주입된 가스의 이온화가 타겟 사이에서 촉진되어 두 타겟 사이에는 방전 형태의 플라즈마가 생성된다. 이러한 플라즈마에는 γ-전자, 음이온, 양이온 등으로 이루어져 있다.As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the two targets are in positions facing each other. Atmospheric gas Ar (or O 2 ) is injected into the chamber, and when a direct current (-) potential is applied to both targets, a local discharge is formed between the target and the shield ring. As such, when an initial local discharge occurs after the voltage is applied, ionization of the gas injected into the chamber is promoted between the targets, thereby generating a plasma in the form of a discharge between the two targets. Such plasma is composed of γ-electrons, anions, cations and the like.
이때 γ-전자는 주입 가스의 이온화를 시키는 주요한 역할을 하게 된다. 대향타겟식스퍼터링장치의 경우 γ-전자가 타겟 사이를 왕복 회전 운동하기 때문에 Ar 가스 보다 이온화율이 낮은 산소 가스를 주입가스로 사용할지라도 종래의 스퍼터링 장치보다 높은 증착 속도를 갖는다.At this time, γ-electron plays a major role in ionizing the injection gas. In the opposite target sputtering apparatus, since γ-electrons reciprocally rotate between targets, even when oxygen gas having a lower ionization rate than Ar gas is used as the injection gas, it has a higher deposition rate than the conventional sputtering apparatus.
따라서 산소 가스를 이용한 즉 반응성 스퍼터링을 이용하여 박막을 증착하는 경우에도 높은 증착 속도를 구현 대향 생산에 적합한 방법이라 할 수 있다.Therefore, even in the case of depositing a thin film using oxygen gas, that is, reactive sputtering, a high deposition rate can be regarded as a suitable method for implementing counter production.
음이온은 기판이 타겟과 마주보는 위치에 있는 종래의 스퍼터링법의 경우 기판으로 입사하여 증착되는 박막에 충돌하여 치명적인 손상을 초래하기 때문에, γ-전자나 음이온의 기판 충돌을 억제하기 위해 도 3에 나타난 것처럼 타겟의 뒷면에 영구 자석을 배치하여 γ-전자나 음이온의 기판 충돌을 억제하였다. 또한 γ-전자의 경우 타겟 표면에 형성된 누설자계에 의해 구속되어 타겟 근방에서 분위기 가스의 이온화 율을 높여 고밀도의 플라즈마가 형성된다. 그러나 도 3에 나타난 바와 같이 영구자석의 pole 중심부에서의 γ-전자는 타겟 표면에 형성되는 누설자계에 포획되지 않고 타겟에 인가된 전압에 상응하는 높은 에너지를 가진 채 기판으로 충돌하게 되어 증착되는 막의 손상을 입힘에는 변함이 없다.In the case of the conventional sputtering method in which the substrate faces the target, the negative ions collide with the thin film deposited on the substrate to cause fatal damage. Thus, the negative ions are shown in FIG. As shown, permanent magnets were placed on the back of the target to suppress substrate collision between γ-electrons and anions. In addition, γ-electrons are constrained by the leakage magnetic field formed on the target surface to increase the ionization rate of the atmospheric gas in the vicinity of the target, thereby forming a high density plasma. However, as shown in FIG. 3, the γ-electrons in the pole center of the permanent magnet are not trapped by the leakage magnetic field formed on the target surface but collide with the substrate with a high energy corresponding to the voltage applied to the target. There is no change in damage.
따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 고밀도의 플라즈마를 형성함과 동시에 기판의 위치가 타겟과 마주보고 있지 않은 상태에서 박막의 제작이 이루어져 한다. 도 4에 도시된 바와 같이 기판의 위치를 타겟과 마주 보지 않게 하여 박막 증착중 발생되는 높은 에너지를 갖는 입자들의 기판 충돌을 최대한 억제하여 막의 손상을 줄일 수가 있다.Therefore, in order to solve such a problem, a high density plasma is formed and a thin film is manufactured while the position of the substrate does not face the target. As shown in FIG. 4, damage to the film may be reduced by maximally suppressing substrate collision of particles having high energy generated during thin film deposition by not facing the target of the substrate.
도 5는 자성체 타겟을 이용한 경우를 나타낸 것이다. 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치의 경우 타겟 외부로의 누설 자계가 형성되지 않게 되어 방전 자체가 어렵게 된다. 그러나 대향타겟식스퍼터링 장치의 경우 자성체 타겟을 이용하더라도 도 5에 나타낸 바와 같이 고밀도의 플라즈마를 형성, 높은 증착 속도를 구현할 수 가있다.5 illustrates a case of using a magnetic target. In the case of the conventional magnetron sputtering device, a leakage magnetic field outside the target is not formed, and thus the discharge itself is difficult. However, in the case of the opposing target sputtering apparatus, even when using a magnetic target, as shown in FIG. 5, a high-density plasma can be formed to realize a high deposition rate.
이상에서 본 바와 같이 종래의 스퍼터링 방식에서 많은 문제가 되었던 높은 에너지를 갖는 입자들의 기판 충돌로 인해 증착되는 박막의 손상과 자성체 타겟을 이용한 박막 증착의 어려움 등을 대향타겟식 스퍼터링 장치는 고속의 증착 속도를 갖음과 동시에 해결할 수가 있기 때문에 스퍼터링을 이용한 박막 증착을 사용하는 산·학·연 분야에 큰 기여를 할 것으로 예상된다.As described above, the opposite target type sputtering apparatus has a high deposition rate because of the damage of the thin film deposited due to the substrate collision of the particles with high energy, which is a problem in the conventional sputtering method, and the difficulty of thin film deposition using the magnetic target. It is expected to make a significant contribution to the field of industry, academia and research that uses thin film deposition using sputtering.
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