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KR20120008528A - 회전 마그넷 스퍼터 장치, 스퍼터 방법, 전자 장치의 제조 방법 및 회전 마그넷 스퍼터 장치의 냉각 방법 - Google Patents

회전 마그넷 스퍼터 장치, 스퍼터 방법, 전자 장치의 제조 방법 및 회전 마그넷 스퍼터 장치의 냉각 방법 Download PDF

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KR20120008528A
KR20120008528A KR1020117027136A KR20117027136A KR20120008528A KR 20120008528 A KR20120008528 A KR 20120008528A KR 1020117027136 A KR1020117027136 A KR 1020117027136A KR 20117027136 A KR20117027136 A KR 20117027136A KR 20120008528 A KR20120008528 A KR 20120008528A
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KR
South Korea
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spiral
magnet
target
rotating
rotating magnet
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020117027136A
Other languages
English (en)
Inventor
타다히로 오오미
테츠야 고토
타카아키 마츠오카
Original Assignee
고쿠리츠다이가쿠호진 도호쿠다이가쿠
도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고쿠리츠다이가쿠호진 도호쿠다이가쿠, 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 filed Critical 고쿠리츠다이가쿠호진 도호쿠다이가쿠
Publication of KR20120008528A publication Critical patent/KR20120008528A/ko
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Abstract

본 발명의 과제는, 플라즈마 여기 전력의 증대에 수반하는 타깃부 등의 가열에 의한 악영향을 경감한 회전 마그넷 스퍼터 장치를 제공하는 것에 있다. 본 발명의 회전 마그넷 스퍼터 장치는, 복수의 나선 형상 판자석군 간에 형성된 나선 형상의 공간에 냉각용 매체를 흘리거나, 타깃부를 지지하는 백킹 플레이트에 냉각용 유로를 형성함으로써, 타깃부를 제열(除熱)하는 구조를 갖는다.

Description

회전 마그넷 스퍼터 장치{ROTATING MAGNETRON SPUTTERING APPARATUS}
본 발명은, 금속이나 절연물의 성막에 널리 사용되고 있는 스퍼터 장치에 관한 것으로, 특히, 액정 표시 장치 기판이나 반도체 기판 등의 피(被)처리체에 소정의 표면 처리를 행하기 위한 처리 장치인, 회전 마그넷을 이용한 마그네트론 스퍼터 장치에 관한 것이다.
스퍼터 장치는 광디스크의 제조, 액정 표시 소자나 반도체 소자 등의 전자 장치의 제조, 그 외 일반적으로 금속 박막이나 절연물 박막의 작성에 있어서, 널리 사용되고 있다. 스퍼터 장치는 박막 형성용의 원재료를 타깃으로 하여, 직류 고전압 혹은 고주파 전력에 의해 아르곤 가스 등을 플라즈마화하고, 그 플라즈마화 가스에 의해 타깃을 활성화하여 융해해 비산시켜, 피처리 기판에 피착시키는 것이다.
스퍼터 성막법에 있어서는, 성막 속도를 고속화하기 위해, 타깃의 이측(裏側)에 자석을 배치하여, 타깃 표면에 자력선을 평행하게 부여함으로써, 타깃 표면에 플라즈마를 가두어, 고밀도인 플라즈마를 얻는 마그네트론 스퍼터 장치에 의한 성막법이 주류가 되어 있다.
타깃 이용 효율을 향상시켜 생산 비용을 저감하는 것이나, 안정된 장기 운전을 가능하게 하기 위해, 본 발명자들은 우선 회전 마그넷 스퍼터 장치를 안출했다. 이것은, 기둥 형상 회전축에 복수의 판자석을 연속적으로 배치하고 이것을 회전시킴으로써 타깃 표면의 자기장 패턴이 시간과 함께 움직이는 구성으로 하여, 타깃 재료의 사용 효율을 큰 폭으로 향상시킴과 함께, 플라즈마에 의한 차지업 대미지(charge-up damage), 이온 조사 대미지를 없앤 획기적인 스퍼터 장치이다(특허문헌 1 참조).
WO2007/043476호 공보
일반적으로, 마그네트론 스퍼터법에 있어서는, 성막 레이트(rate)를 상승시켜 스루풋(throughput)을 향상시키기 위해, 플라즈마 여기 전력을 증대시키는 것이 유효하다. 이때, 플라즈마 여기 전력을 증대시키면, 플라즈마 열류가 증대하기 때문에, 타깃 및 당해 타깃을 지지하는 백킹 플레이트가 고온이 되는 것을 피할 수 없는 상황에 있다. 이 때문에, 타깃과 백킹 플레이트를 접착하고 있는 인듐층이 녹아 타깃이 떨어져 버리거나, 백킹 플레이트의 변형 등이 일어날 우려가 있다.
특허문헌 1에 나타난 스퍼터 장치에 있어서도 타깃 등을 냉각할 필요성은 고려하고 있으며, 백킹 플레이트의 단부(端部; 타깃을 보유지지하고 있는 부분의 외측)에 냉매의 통로를 형성하고 있다. 그러나, 효율적으로 냉각을 행한다는 관점에서는, 냉각 기구의 더 한층의 개량이 바람직하다.
본 발명의 목적은, 타깃 및 백킹 플레이트를 효율적으로 냉각하여, 플라즈마 여기 전력의 증대에 대처할 수 있는 스퍼터 장치를 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 목적은, 냉각 매체를 흘리는 위치를 선택함으로써, 효율적으로 냉각을 행할 수 있는 스퍼터 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 실시형태에 의하면, 피처리 기판을 올려놓는 피처리 기판 설치대와 당해 피처리 기판에 대향하도록 타깃을 고정 설치하는 백킹 플레이트와, 타깃이 놓여지는 부분에 대하여 상기 피처리 기판 설치대와는 반대측에 설치된 자석을 갖고, 이 자석에 의해 타깃 표면에 자기장을 형성함으로써 타깃 표면에 플라즈마를 가두는 스퍼터 장치로서, 상기 자석은, 복수의 판자석이 기둥 형상 회전축에 설치된 회전 자석군과, 회전 자석군의 주변에 타깃면과 평행하게 설치된 고정 외주 판자석 또는 고정 외주 강자성체를 포함하고, 상기 회전 자석군을 상기 기둥 형상 회전축과 함께 회전시킴으로써, 상기 타깃 표면의 자기장 패턴이 시간과 함께 움직이도록 구성된 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치로서, 상기 회전 자석군과 백킹 플레이트와의 사이에, 냉각용의 매질을 흘리는 닫힌를 갖는 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치가 얻어진다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 상기 회전 자석군은, 상기 기둥 형상 회전축에, 판자석을 N극 또는 S극 중 어느 극을 기둥 형상 회전축의 지름 방향 외측을 향하여 나선 형상으로 접착함으로써, 하나 또는 복수의 나선 판자석군을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 상기 실시형태의 회전 마그넷 스퍼터 장치가 얻어진다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 상기 기둥 형상 회전축에, 상기 회전 나선 자석군이 짝수개 구비되어 있고, 상기 기둥 형상 회전축의 축방향으로 서로 이웃하는 나선끼리가 상기 기둥 형상 회전축의 지름 방향 외측에 서로 상이한 자극, 즉 N극과 S극을 형성하고 있는 나선 형상 판자석군인 것을 특징으로 하는 상기 어느 실시형태의 회전 마그넷 스퍼터 장치가 얻어진다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 상기 고정 외주 판자석 또는 상기 고정 강자성체는, 상기 타깃측에서 보아 상기 회전 자석군을 둘러싼 구조를 이룬 자석이고, 그리고 상기 타깃측에 N극, 또는 S극 중 어느 한쪽의 자극을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 상기 어느 실시형태의 회전 마그넷 스퍼터 장치가 얻어진다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 상기 닫힌는, 상기 냉각용의 매질이 복수의 나선 판자석군의 사이의 공간을 나선 형상으로 흐르도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 실시 형태 중 어느 것에 기재된 회전 마그넷 스퍼터 장치가 얻어진다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 상기 냉각용의 매질의 레이놀즈 수(Reynolds number)를 1000에서 5000의 사이로 설정하여 흘리는 것을 특징으로 하는 상기 어느 실시형태의 회전 마그넷 스퍼터 장치가 얻어진다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 상기 닫힌는, 상기 나선 판자석군의 측벽과, 상기 기둥 형상 회전축과, 상기 나선 판자석군의 외측에 설치된 차폐판으로 둘러싸인 공간을 포함하고, 상기 냉각용의 매질이 상기 나선 판자석군을 따라서 나선 형상으로 흐르는 것을 특징으로 하는 상기 어느 실시형태의 회전 마그넷 스퍼터 장치가 얻어진다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 상기 어느 실시형태의 회전 마그넷 스퍼터 장치에 있어서, 상기 차폐판의 적어도 일부가 강자성체인 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치가 얻어진다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 상기 어느 실시형태의 회전 마그넷 스퍼터 장치를 이용하여, 상기 기둥 형상 회전축을 회전시키면서 피처리 기판에 상기 타깃의 재료를 성막하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 방법이 얻어진다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 상기 실시형태의 스퍼터 방법을 이용하여 피처리 기판에 스퍼터 성막하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치의 제조 방법이 얻어진다.
본 발명에 의하면, 회전 마그넷 스퍼터 장치에 있어서, 냉각 효율을 향상시켜, 플라즈마 여기를 위한 가능 전력 인가량을 증대시킬 수 있어, 성막 레이트나 스루풋의 향상이 실현된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 마그넷 회전 스퍼터 장치의 냉각 장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 마그넷 회전 스퍼터 장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도 3은 도 2에 나타난 마그넷 회전 스퍼터 장치의 자석 부분을 보다 상세하게 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 도 2에 나타난 마그넷 회전 스퍼터 장치에 있어서의 플라즈마 루프 형성을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 1에 나타난 마그넷 회전 스퍼터 장치의 냉각수 닫힌를 보다 상세하게 설명하기 위한 백킹 플레이트의 상면도이다.
도 6은 도 2에 나타난 마그넷 회전 스퍼터 장치의 냉각수 닫힌를 보다 상세하게 설명하기 위한 측면(일부 단면)도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 본 발명의 실시 형태를, 도면을 이용하여 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1을 참조하여, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 회전 마그넷 스퍼터 장치에 있어서의 냉각 기구를 설명한다. 여기에서는, 회전 마그넷 스퍼터 장치 중, 냉각 기구에 관련되는 부분만을 개략적으로 나타내고 있다.
도 1에 있어서, 401은 백킹 플레이트, 402는 회전 마그넷, 403은 타깃부, 404는 냉각수 닫힌이다. 이 실시 형태에서는, 냉각 기구를 구성하는 냉각수 닫힌(404)가 백킹 플레이트(401) 내로서 타깃부(403)에 겹치는 부분에 형성되어 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 타깃부(403)는 백킹 플레이트(401)의 일 표면에 설치되어 있고, 백킹 플레이트(401)의 타깃부(403)의 설치면과는 반대측에, 회전 마그넷(402)이 설치되어 있다. 도 5는 백킹 플레이트를 상면에서 본 도면이다. 타깃부(403)에 겹치도록, 냉각수 닫힌(404)가 형성되어 있다. 502는 냉각수 입구, 504는 냉각수 출구이다. 이와 같이 타깃 바로 위에 냉각수 닫힌를 형성함으로써, 냉각 효율을 높일 수 있다. 회전 마그넷(402)은, 후술하는 바와 같이, 기둥 형상 회전축 상에 복수의 나선 형상 판자석군을 부착한 구성을 구비하고 있으며, 당해 회전 마그넷(402)이 회전함으로써, 회전 마그넷(402)의 외주에 설치된 고정 강자성체부와의 사이에, 닫힌 플라즈마 영역이 타깃부(403) 상에 연속적으로 생성되고, 당해 플라즈마 영역은 회전 마그넷(402)의 회전과 함께, 기둥 형상 회전축을 따라서 이동해 간다. 이 때문에, 이 구성의 회전 마그넷 스퍼터 장치는 타깃부(403)를 유효하게 이용할 수 있다는 이점을 구비하고 있다.
한편, 성막 레이트를 상승시켜, 스루풋을 향상시키기 위해, 플라즈마 여기 전력을 증대시킨 경우, 플라즈마 열류가 증대한다.
플라즈마로부터의 열류는, 플라즈마 여기가 이루어지고 있는 타깃부(403)에서 가장 많기 때문에, 냉각 효율을 높이기 위해, 이 실시 형태에서는, 타깃부(403)에 인접한 백킹 플레이트(401) 내에, 냉각수 닫힌(404)가 냉각 기구로서 형성되어 있다.
이와 같이, 냉각수 닫힌(404)가, 타깃부(403)와의 접촉면에 인접하여 형성되어 있기 때문에, 효율적으로 냉각을 행할 수 있다.
이 경우, 냉각수 닫힌(404)는 타깃부(403)와 가능한 한, 인접하고 있는 것이 바람직하다. 이 때문에, 백킹 플레이트(401)를 비교적 두껍게 하는 것이 필요하다.
한편, 플라즈마 여기 효율을 향상시키기 위해서는, 타깃부(403)의 표면의 자기장 강도를 강하게 할 필요가 있다. 바람직하게는 플라즈마 루프 내의 수평 자기장 강도(자기장 강도의 타깃면과 평행 방향 성분)를 500가우스 이상으로 하는 것이 적합하다.
이를 위해서는, 도 1에 나타내는 회전 마그넷(402)과 타깃부(403) 표면과의 거리(T/S거리)(405)는 30㎜ 이내, 바람직하게는 20㎜ 이내로 하는 것이 바람직하다.
실제로는, T/S거리를 20㎜로 하고, 백킹 플레이트(401) 내에 냉각수로(404)를 형성한 경우, 백킹 플레이트(401)의 두께를 12㎜로 하고, 또한, 백킹 플레이트(401)와 회전 마그넷(402)을 접촉시키지 않기 위해 1㎜ 떼어 놓고 있다. 이 경우, 타깃부(403)의 두께는, 7㎜ 정도로 하는 것이 바람직하다는 것이 판명되었다.
여기에서, 타깃부(403)와 백킹 플레이트(401)는, 인듐층에 의해 접착되어 있다. 백킹 플레이트(401) 내에 냉각수 유로(404)를 형성한 도 1의 구성에서는, 백킹 플레이트(401)의 변형 등을 방지할 수 있는 것이 확인되었다.
이와 같이, 제1 실시 형태에 의하면, 백킹 플레이트(401) 내에 냉각수 유로(404)가 형성되어 있기 때문에, 플라즈마 열류의 증대에 의한 백킹 플레이트(401)의 변형이나, 타깃층(403)의 탈락을 방지할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태를, 도면을 참조하여 상세하게 설명을 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 마그넷 회전 스퍼터 장치의 구성이 나타나 있다.
도 2에 있어서, 1은 타깃, 2는 기둥 형상 회전축, 3은 회전축(2)의 표면에 나선 형상으로 배치한 복수의 나선 형상 판자석군, 4는 3의 외주에 배치한 고정 외주 판자석 또는, 고정 외주 강자성체(이하에서는, 고정 외주 판자석으로서 설명함), 5는 타깃(1)이 접착되어 있는 백킹 플레이트, 6은 플라즈마로부터의 열류를 제열(除熱)하기 위한 냉각용의 매체(본 실시예에 있어서는 냉각수), 7은 냉각수 유로를 형성하기 위한 제1 차폐판, 8은 냉각수 유로를 형성하기 위한 제2 차폐판, 16은 냉각수의 유로 단면적을 조정하는 판, 9는 플라즈마 여기를 위한 RF 전원, 10은 플라즈마 여기 및 타깃 직류 전압 제어를 위한 직류 전원, 11은 백킹 플레이트 및 타깃에 전력을 공급하기 위한 알루미늄제 차폐판, 12는 절연재, 13은 피처리 기판, 14는 피처리 기판을 설치하는 설치대, 15는 처리실을 형성하는 외벽(예를 들면 알루미늄, 또는 알루미늄 합금제)이다.
RF 전원(9)의 전력 주파수는 13.56MHz이며, 본 실시예에 있어서는 직류 전원도 중첩 인가 가능한 RF-DC 결합 방전 방식을 채용하고 있지만, 직류 전원만의 DC방전 스퍼터라도 좋고, RF 전원만의 RF 방전 스퍼터라도 좋다.
기둥 형상 회전축(2)의 재질로서는 통상의 스테인리스 강 등이라도 좋지만, 자기 저항이 낮은 강자성체, 예를 들면, Ni-Fe계 고투자율 합금이나 철로 일부 또는 전부를 구성하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서는, 철로 기둥 형상 회전축(2)이 구성되어 있다. 기둥 형상 회전축(2)은, 도시하지 않는 기어 유닛 및 모터에 의해 회전시키는 것이 가능해져 있다.
도 3을 이용하여, 도 2에 나타난 나선 형상 판자석군(3) 및 외주 고정 자석(4)을 보다 구체적으로 설명한다. 기둥 형상 회전축(2)은 그 단면이 정16각형으로 되어 있으며, 한 변의 길이는 18㎜로 했다. 각각의 면에 능형의 판자석이 다수 부착되어, 복수의 나선 형상 판자석군(3)은 기둥 형상 회전축(2)의 회전을 따라서 회전한다. 따라서, 나선 형상 판자석군(3)은 즉, 회전 자석을 구성하고 있다. 복수의 나선 형상 판자석군(3)의 상호간에는, 나선 형상의 간격이 존재하고 있다.
기둥 형상 회전축(2)은 외주에 자석을 부착하는 구조이며, 굵게 하는 것도 용이하여 자석에 가해지는 자력에 의한 구부러짐에는 강한 구조로 되어 있다. 나선 형상 판자석군(3)을 구성하는 각 판자석은 강한 자계를 안정되게 발생시키기 위해, 잔류 자속(磁束) 밀도, 보자력(保磁力), 에너지적(積)이 높은 자석이 바람직하고, 예를 들면 잔류 자속 밀도가 1.1T 정도의 Sm-Co계 소결 자석, 나아가서는 잔류 자속 밀도가 1.3T 정도인 Nd-Fe-B계 소결 자석 등이 적합하다. 본 실시 형태에 있어서는, Nd-Fe-B계 소결 자석을 사용했다. 나선 형상 판자석군(3)의 각 판자석은 그 판면의 수직 방향으로 자화되어 있고, 기둥 형상 회전축(2)에 나선 형상으로 부착하여 복수의 나선을 형성하고, 기둥 형상 회전축의 축방향으로 서로 이웃하는 나선끼리가 상기 기둥 형상 회전축의 지름 방향 외측에 서로 상이한 자극, 즉 N극과 S극을 형성하고 있다.
고정 외주 판자석(4)은, 타깃(1)에서 보면, 나선 형상 판자석군(3)으로 이루어지는 회전 자석군을 둘러싼 구조를 이루고, 타깃(2)의 측이 S극이 되도록 자화되어 있다. 고정 외주 판자석(4)에 대해서도, 나선 형상 판자석군(3)의 각 판자석과 동일한 이유로 Nd-Fe-B계 소결 자석을 이용하고 있다.
다음으로, 도 4를 이용하여 본 실시 형태에 있어서의 플라즈마 형성에 대해서 그 상세를 설명한다. 전술한 바와 같이, 기둥 형상 회전축(2)에 다수의 판자석을 배치함으로써 나선 형상 판자석군(3)을 구성한 경우, 타깃측으로부터 나선 형상 판자석군(3)을 보면, 근사적으로 판자석의 N극의 주위를 다른 판자석의 S극이 둘러싸고 있는 배치가 된다. 도 3은 그 개념도이다. 이러한 구성하에서, 나선 형상 판자석군(3)의 N극으로부터 발생한 자력선은 주변의 S극으로 종단한다. 이 결과로서, 각 판자석면으로부터 어느 정도 떨어진 타깃(1)면에 있어서는 닫힌 플라즈마 영역(301)이 다수 형성된다. 또한, 기둥 형상 회전축(2)을 회전시킴으로써, 다수의 플라즈마 영역(301)은 회전과 함께 움직인다. 도 4에 있어서는, 화살표가 나타내는 방향으로 플라즈마 영역(301)이 움직이게 된다. 또한, 나선 형상 판자석군(3)의 단부에 있어서는, 단부의 한쪽으로부터 플라즈마 영역(301)이 순차로 발생하고, 다른 한쪽의 단부에서 순차로 소멸한다.
또한, 상기의 예에서는, 한쪽의 나선 형상 판자석군(3)의 표면을 N극으로 하고, 그 나선 형상 판자석군(3)에 인접하는 다른 한쪽의 나선 형상 판자석군(3)의 표면 및 나선 형상 판자석군(3)의 주위의 고정 자석(4)의 표면을 S극으로 하여, 제1 나선체의 표면의 N극을 루프 형상으로 둘러싸도록 S극을 배치했지만, 이 N극과 S극을 반대로 해도 좋고, 한쪽의 나선 형상 판자석군(3)에 인접하는 다른 한쪽의 나선 형상 판자석군(3)의 판자석 및/또는 회전 자석의 주위의 고정 자석을 미리 자화시킨 자석이 아니라 강자성체라고 해도, 제1 나선체의 표면의 N극(또는 S극)을 루프 형상으로 둘러싸는 루프 형상의 평면 자계가 얻어져, 그 결과, 루프 형상의 플라즈마가 얻어진다.
피처리 기판(13)이 설치된 설치대(14)는, 타깃(1)의 아래를 통과시키는 이동 기구를 갖고, 타깃 표면에 플라즈마를 여기하고 있는 동안에 피처리 기판(13)을 이동시킴으로써 성막을 행한다(도 2 참조).
도 2로 되돌아오면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전 마그넷 스퍼터 장치에 포함되는 나선 형상 판자석군(3) 및 기둥 형상 회전축(2)은, 구리제의 제1 차폐판(7) 및 강자성체인 철제의 제2 차폐판(8)으로 둘러싸여 있고, 냉각수(6)는 둘러싸인 공간을 흐르는 구조로 되어 있다. 즉, 이 실시 형태에 따른 냉각 기구는, 기둥 형상 회전축(2) 상에 부착된 나선 형상 판자석군(3)을 둘러싸도록 설치되어 있어, 이 예의 경우, 백킹 플레이트(5)에 접촉하도록 설치된 제1 차폐판(7)과, 백킹 플레이트(5)로부터 떨어진 위치에, 제1 차폐판(7)과 연결하여 설치된 제2 차폐판(8)에 의해 구성되어 있다. 또한, 제1 차폐판(7)은 비(非)자성체인 구리, 제2 차폐판(8)은 강자성체인 철에 의해 형성되어 있지만, 제2 차폐체(8)도 비자성체 혹은 상자성체에 의해 형성해도 좋다.
이와 같이, 제1 및 제2 차폐판(7 및 8)에 의해 형성된 냉각 기구에 의해, 나선 형상 판자석군(3)의 외측을 둘러쌈으로써, 나선 형상 판자석군(3)의 측벽(즉, 나선 형상 판자석군(3) 상호간의 공간)과, 상기 기둥 형상 회전축(2)과의 사이에, 나선 형상의 유로를 형성할 수 있다.
도시된 실시 형태에서는, 나선 형상의 공간에 의해 규정된 유로에, 냉각수(6)를 흘림으로써, 백킹 플레이트(5) 및 타깃부(1)를 냉각할 수 있다. 이 경우, 냉각수(6)는 나선 판자석군(3) 간의 나선 형상 공간을 따라서 나선 형상으로 흐른다.
이와 같이, 나선 형상의 공간에 의해 규정된 유로에, 냉각수(6)를 흘리는 구조로 함으로써, 제1 실시 형태와 같이, 백킹 플레이트(5) 내부에 냉각수 유로를 형성하는 경우와 비교하여, 냉각수로를, 보다 넓은 면적에 걸쳐 형성할 수 있어, 냉각 효율을 더욱 높이는 것이 가능하다. 그 때문에, 성막 레이트를 제1 실시 형태보다 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 냉각 기구를 사용함으로써, 제1 실시 형태와 같이, 백킹 플레이트(5) 내부에 냉각수로를 형성할 필요가 없어지기 때문에, 제1 실시 형태와 비교하여 백킹 플레이트(5)를 얇게 할 수 있고, 또한, 냉각수로를 형성하는 경우와 비교하여 백킹 플레이트(5)의 강도를 강하게 할 수 있다.
또한, 백킹 플레이트(5)를 얇게 할 수 있음으로써, 제1 실시 형태와 비교하여 타깃(1)을 두껍게 할 수 있고, 제1 실시 형태와 비교하여 타깃의 교환 빈도를 감소시켜, 생산 효율을 향상시킬 수 있다. 이 경우, 백킹 플레이트(5)의 두께는 5㎜ 정도까지 얇게 할 수 있어, 결과적으로 타깃(1)의 두께 백킹 플레이트(5) 내부에 냉각수 유로는 14㎜까지 두껍게 하는 것이 가능해졌다.
단, 플라즈마 여기 전력이 더욱 커져, 더 한층의 냉각이 필요한 경우는, 상기한 냉각 기구와 백킹 플레이트(5) 내부에 냉각수로를 형성하는 구성을 병용해도 좋다.
구리제의 제1 차폐판(7)과 백킹 플레이트(5)는, 열전도를 확보하기 위해, 확실히 접촉시킬 필요가 있다. 또한, 제2 차폐판(8)은 강자성체인 철로 형성되어 있어, 고정 외주 자석(4)과 회전 마그넷부와의 사이의 자기 회로 형성의 역할도 겸하고 있어, 타깃 표면에 강한 자기장 강도를 형성하는 것이 가능해진다. 제1 차폐판(7)은 타깃(1)에 가까운 위치에 있기 때문에, 이것을 강자성체로 형성하면, 타깃(1) 표면에 강한 자기장이 형성되지 않게 되기 때문에, 강자성체가 아닌 재질로 열전도가 우수한 구리를 이용하고 있다.
도 6에 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 냉각 구조에 있어서의, 회전 마그넷의 축을 포함하는 면의 종방향 단면도(일부 단면 측면도)를 나타낸다. 회전 마그넷은, 기둥 형상 회전축(2)에 나선 형상 판자석군(3)이 부착된 구조를 갖고 있으며, 회전 마그넷 표면에 근접하여 백킹 플레이트(5)가 배치되고, 그 반대측에 타깃(1)이 접착되어 있다. 604는 냉각수 입구, 605는 냉각수 출구, 606은 기둥 형상 회전축(2)을 돌리기 위한 샤프트, 607은 O링축 시일, 16은 나선 자석 측벽에 부착된 유로 단면적을 조정하는 판, 8은 차폐판이다. 냉각수를 밀폐하기 위해, 회전부는 O링축 시일(607)을 이용하여 냉각수가 외측으로 새지 않도록 함과 함께, 차폐판(8) 등도 적절히 O링 시일을 개재하여 부착되어 있다(도시 생략). 냉각수 입구(604)로부터 도입된 냉각수는, 우선 회전 마그넷 단부의 공간(610)에 도입된 후에, 나선 자석 측벽끼리, 차폐판 등으로 형성된 냉각수 유로(611)에 공급되어 냉각을 행한다. 그리고 다른 편측의 회전 마그넷 단부의 공간(612)에 도입된 후에 냉각수 출구(605)로부터 배출된다. 냉각수 유로(611)의 냉각수는, 회전축이 회전하고 있지 않는 상태에서도 회전 자석의 사이를 나선 형상으로 흐름으로써 난류가 되어 냉각 효과를 높일 수 있지만, 회전 자석이 회전하면 보다 격렬하게 교반되어 냉각 효율이 한층 높아진다.
냉각수(6)를 밀폐하기 위해, 차폐판(7)도 O링 시일을 개재하여 부착되어 있다. 기둥 형상 회전축(2)도 O링축 시일(607)을 이용하여 냉각수(6)가 외측으로 새지 않도록 하고 있다.
제1 및 제2 차폐판(7, 8)을, 가능한 한 나선 형상 판자석군(3)에 근접시킴으로써, 실질적으로 나선 판자석군(3)끼리의 사이를 냉각수(6)가 흐르도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 냉각수(6)는 나선 판자석군(3)을 따라서 나선 형상으로 흐르기 때문에, 백킹 플레이트(5) 부근에서 타깃(1)을 냉각함으로써 온도가 상승한 냉각수(6)는, 신속하게 백킹 플레이트(5)와는 반대측으로 수송되기 때문에, 매우 효율적으로 열이 제거된다.
또한, 본 발명에 따른 냉각 기구에 있어서의 냉각 효율을 최대화시키기 위해서는, 냉각수의 레이놀즈 수를 고려하는 것은 중요하다. 레이놀즈 수 Re는, Re＝V×d/ν로 정의된다. 여기에서, V는 유체(여기에서는 냉각수)의 속도, d는 관경(管徑), ν은 동점성 계수이다. 난류와 층류를 구별하는 지표로서도 이용되며, 유속이 상승하여, 층류가 난류로 천이할 때의 레이놀즈 수를 임계 레이놀즈 수라고 한다. 원관 내의 흐름에서는 2,000~4,000이 임계 레이놀즈 수이다. 일반적으로, 유속이 작아 층류인 경우는 냉각 효율이 낮고, 유속을 올려 난류역에 달하면 냉각 효율은 향상된다. 그러나, 그 이상 유속을 올려도, 냉각 효율은 미증하지만 냉각수의 압력 손실이 커져 버려, 냉각수를 흘리기 위한 에너지가 증대하여 바람직하지 않다. 결과적으로, 임계 레이놀즈 수 부근의 유속으로 냉각수를 흘릴 때에 가장 효율 좋게 냉각이 가능해진다. 즉, 레이놀즈 수를 1000에서 5000, 바람직하게는 2000에서 4000의 사이로 설정하는 것이 좋다. 본 실시 형태에 있어서는, 레이놀즈 수를 제어하기 위해, 도 2, 도 6의 16에 나타내는 바와 같은, 냉각수의 유로 단면적을 조정하는 판을 나선 자석 측벽에 설치하고, 유로 단면적을 72㎟(등가 직경 9.6㎜)로 했다. 냉각수 유로는 8개 있기 때문에, 냉각수를 매분 10리터 흘렸을 때의 유속은 0.29m/s, 레이놀즈 수를 약 2800으로 했다(물의 동점성 계수는 약 10-6㎡/s). 이와 같이 하여 냉각 효율을 향상시킨 결과, 종래 방식으로의 냉각에서는, 타깃부(1)에 인가할 수 있는 최대 전력 밀도가 5W/㎠ 정도였는데 대하여, 10W/㎠ 이상 인가하는 것이 가능해졌다.
이상, 본 발명을 실시 형태에 의해 설명했지만, 냉각수량 등의 각종 설정은 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터 장치는, 반도체 웨이퍼 등에 절연막 혹은 도전성막을 형성하기 위해 사용 가능할 뿐만 아니라, 플랫 디스플레이 장치의 유리 등의 기판에 대하여 여러 가지의 피막을 형성하는 데에도 적용할 수 있어, 기억 장치나 그 외의 전자 장치의 제조에 있어서 스퍼터 성막을 위해 사용할 수 있다.
1 : 타깃
2 : 기둥 형상 회전축
3 : 나선 형상 판자석군
4 : 고정 외주 판자석
5 : 백킹 플레이트
6 : 냉각 매체
7, 8 : 냉각 매체 통로를 구성하는 차폐판
9 : RF 전원
10 : DC 전원
11 : 처리실 내 공간
12 : 절연재
13 : 피처리 기판
14 : 설치대
15 : 처리실 외벽

Claims (16)

  1. 피(被)처리 기판을 올려놓는 피처리 기판 설치대와 당해 피처리 기판에 대향하도록 타깃을 고정 설치하는 백킹 플레이트와, 타깃이 놓여지는 부분에 대하여 상기 피처리 기판 설치대와는 반대측에 설치된 자석을 갖고, 이 자석에 의해 타깃 표면에 자기장을 형성함으로써 타깃 표면에 플라즈마를 가두는 스퍼터 장치로서,
    상기 자석은, 복수의 판자석이 기둥 형상 회전축에 설치된 회전 자석군과, 회전 자석군의 주변에 타깃면과 평행하게 설치된 고정 외주 판자석 또는 고정 외주 강자성체를 포함하고,
    상기 회전 자석군을 상기 기둥 형상 회전축과 함께 회전시킴으로써, 상기 타깃 표면의 자기장 패턴이 시간과 함께 움직이도록 구성되어 있고,
    상기 회전 자석군과 백킹 플레이트와의 사이에, 냉각용의 매질을 흘리는 유로를 갖는 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전 자석군은, 상기 기둥 형상 회전축에, 판자석을 N극 또는 S극 중 어느 극을 기둥 형상 회전축의 지름 방향 외측을 향하여 나선 형상으로 접착함으로써, 하나 또는 복수의 나선 판자석군을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기둥 형상 회전축에, 상기 회전 나선 자석군이 짝수개 구비되어 있고, 상기 기둥 형상 회전축의 축방향으로 서로 이웃하는 나선끼리가 상기 기둥 형상 회전축의 지름 방향 외측에 서로 상이한 자극, 즉 N극과 S극을 형성하고 있는 나선 형상 판자석군인 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정 외주 판자석 또는 상기 고정 강자성체는, 상기 타깃측에서 보아 상기 회전 자석군을 둘러싼 구조를 이룬 자석이고, 그리고 상기 타깃측에 N극, 또는 S극 중 어느 한쪽의 자극을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유로는, 상기 냉각용의 매질이 복수의 나선 판자석군의 사이의 공간을 나선 형상으로 흐르도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각용의 매질의 레이놀즈 수를 1000에서 5000의 사이로 설정하여 흘리는 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유로는, 상기 나선 판자석군의 측벽과, 상기 기둥 형상 회전축과, 상기 나선 판자석군의 외측에 설치된 차폐판으로 둘러싸인 공간을 포함하고, 상기 냉각용의 매질이 상기 나선 판자석군을 따라서 나선 형상으로 흐르는 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 차폐판의 적어도 일부가 강자성체인 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 회전 마그넷 스퍼터 장치를 이용하여, 상기 기둥 형상 회전축을 회전시키면서 피처리 기판에 상기 타깃의 재료를 성막하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 방법.
  10. 제9항에 기재된 스퍼터 방법을 이용하여 피처리 기판에 스퍼터 성막하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치의 제조 방법.
  11. 타깃부를 지지하는 백킹 플레이트와, 상기 백킹 플레이트의 상기 타깃부를 지지하는 면과는 반대측에 설치된 기둥 형상 회전축과, 당해 기둥 형상 회전축 상에, 서로 나선 형상의 공간을 남기고 배치된 복수의 나선 형상 판자석군과, 상기 복수의 나선 형상 판자석군 간의 나선 형상의 공간에 냉각 매체를 흘리는 냉각 기구를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 냉각 기구는, 상기 백킹 플레이트에 접촉하여 설치된 제1 차폐판과, 상기 제1 차폐판과 연결되어, 상기 복수의 나선 형상 판자석군을 둘러싸도록 설치된 제2 차폐판을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 차폐판은 비(非)자성체에 의해 형성되고, 다른 한쪽, 제2 차폐판은 자성체에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 차폐판의 비자성체는 구리이며, 제2 차폐판의 자성체는 철인 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치.
  15. 타깃부를 지지하는 백킹 플레이트와, 상기 백킹 플레이트의 상기 타깃부를 지지하는 면과는 반대측에 설치된 기둥 형상 회전축과, 당해 기둥 형상 회전축 상에, 서로 나선 형상의 공간을 남기고 배치된 복수의 나선 형상 판자석군을 구비하고, 상기 백킹 플레이트의 상기 타깃에서 보아 상기 타깃과 겹치는 부분에는, 냉각용 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치.
  16. 기둥 형상 회전축 상에, 서로 나선 형상의 공간을 남기고 배치된 복수의 나선 형상 판자석군을 구비한 회전 마그넷 스퍼터 장치의 냉각 방법에 있어서, 상기 복수의 나선 형상 판자석군 간의 나선 형상의 공간을 둘러싸도록, 냉각 매체용 유로를 형성해 두고, 당해 냉각 매체용 유로에 대하여, 냉각 매체를 흘림으로써 냉각을 행하는 것을 특징으로 하는 회전 마그넷 스퍼터 장치의 냉각 방법.
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