KR100250549B1 - 기판코팅장치 - Google Patents

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KR100250549B1
KR100250549B1 KR1019940000716A KR19940000716A KR100250549B1 KR 100250549 B1 KR100250549 B1 KR 100250549B1 KR 1019940000716 A KR1019940000716 A KR 1019940000716A KR 19940000716 A KR19940000716 A KR 19940000716A KR 100250549 B1 KR100250549 B1 KR 100250549B1
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electrode
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귀도 블랑
라이너 게겐바르트
클라우스 미카엘
미카엘 쉐러
요헨 리터
올리버 부어카르트
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우도 벡
라이볼트 아게
클라우스 한
파울 바흐만
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Abstract

본 발명은 플라즈마를 발생시키는 장치에 대한 전극의 배치에 관한 것이다. 여기에서 고주파가 접촉없이 암공간 거리에 위치한 충분한 결합 전극을 경유하여 코팅 장치 후면의 운반대로 결합된다. 코팅 면 위의 암공간 거리는 플라즈마 영역을 규정하고 기생 플라즈마의 형성을 억제한다. 이로써 규정된 플라즈마 영역을 가진 이동식 기판 운반대에 고주파 기판 바이어스 전압이 인가되고 기생 플라즈마의 발달을 피할 수 있다.

Description

기판코팅장치
제1도는 이동식 기판 운반대를 구비한 스퍼터링 장치를 도시한 도면으로서, 두 전극 사이에 플라즈마실을 구비하고 있으며, 고주파 전압이 양 전극에 인가된다.
제2도는 제1도 후의 장치에 따른 스펴터링 장치률 도시한 도면으로서, 두개의 대립 기판이 동시에 코팅될 수 있으며, 전극 사이의 전압에 소드(sword)가 구비된다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 공정 체임버 4,32,33 : 플라즈마실
5,6,31,38,39 : 전극 9,19,55,56,57,58 : 암공간 보호대
14,15,34,35,36,37 : 기체선 17,48,49 : 기판
18,52 : 기판 운반대
본 발명은 기판코팅장치에 관한 것이다.
일반적으로 다수의 식각 및 코팅(coating) 공정에서 플라즈마(plasma)가 발생한다. 상기 플라즈마로부터 이온(ion)이 기판으로 가속되며, 플라즈마를 둘러싸고 있는 두 전극사이에 직류 전압을 인가함으로써 코팅층의 두께나 식각 깊이를 조절한다.
전기적 절연층을 기판 상에 적층하는 경우, 기판에서 직류 전위를 얻기 위하여는 직류 전압 대신 교류 전압을 인가해야 하는데, 이는 대전 입자, 특히 이온을 기판 쪽으로 가속하는 데 필요하다.
코팅이나 식각 효과를 위하여는 플라즈마와 전극 사이에 일정 전위차를 발생시키는 것이 본질적이다. 전극에 인가된 전압이 고주파(HF) 전압인 경우, 음의 반주기 동안에 전극의 표면으로부터 탈출하는 양이온의 수보다 훨씬 더 많은 수의 전자들이 양의 반주기 동안에 전극 표면으로 흘러 들어감으로써 플라즈마와 전극 사이에 일정 전위차가 유지된다. 그러나 시간에 대하여 평균하면, 동량의 양전하 운반자와 음전하 운반자가 플라즈마로부터 운반되므로, 거의 전 주기 동안 양이온이 흘러 들어갈 수 있을 때까지 전극은 플라즈마에 대하여 음으로 대전되게 된다. 정류효과를 일으키고 장벽층 전기용량을 형성시키는 양의 공간전하 영역이 전극 앞에 생성된다(참조. DEP 37 08 717, 제5열 제20행부터 제6열 6행까지).
절연 산화물의 반응 스퍼터링(reactive sputtering)이나 음극 스퍼터링(cathode sputtering)의 경우에 두 전극 사이에 존재하는 직류전압에 교류 전압을 중첩하는 방법이 공지되어 있다(USP 3 461054). 상기한 방법에서는 음극 위 양극 아래에 스퍼터링 격막이 설치되고, 양극 위에 대상 기판이 위치한다. 그러나 기판이 이동한다면, 예를 들어 스퍼터링 공정이 인라인 시스템(in-line system)에서의 동적인 코팅 공정이라면, 정지하고 있는 양극 위에 기판이 위치하는 상기한 종류의 장치로는 스퍼터링 공정을 진행할 수 없다.
상기한 바와 같은 사실은 공지의 플라즈마실을 둘러싸고 있는 전극의 교류전류 수송관에도 적응된다 [USP 4 874 494, USP 4 719 154, USP 4 424 101, USP 3 767 551, USP 3 617 459, USP 4 572 842; F.Vratny : Deposition of Tantalum and Tantalum Oxide by Superimposed RF and DC Sputtering, J. Electrochem. Soc., Vol.114, No.5, May 1967, p.506, Fig.1 ; EP-A-0 347 567 ; K. Kohler, J.W. Coburn. D.E. Horne, E. Kay : Plsma potential of 13.56 MHz rf argon glow discharges in a planar system, J. Appl. Phys. 51(1), January 1985, pp. 59-66].
기판 운반대로 작용하는 평면 양극과, 상기 양극의 맞은편에 배치된 평면음극으로 구성되는 고주파 작동 스퍼터링 장치가 공지되어 있다(DE-OS 21 02 353). 더우기 상기한 장치는 기판 위에 적층된 물질로 이루어진 반음극(anticathode)을 포함하고 있으며, 상기한 반음극은 음극의 대향면 상에 위치하고 있다. 상기한 장치 역시 인라인 작동의 대상 기판에 적합하지 않다.
또, 코팅되는 기판이 용기 내부에서 이동하는 장치가 공지되어 있다(DE-OS 29 09 804). 상기 장치에서는 플라즈마를 발생시키기 위한 고주파 전압이 라인(line)을 경유하여 기판 고정대와 목표물 고정대에 인가된다. 기판의 적층과 세공에 대한 상세한 내용은 알려져 있지 않다.
뿐만 아니라, 플라즈마를 이용하여 도체를 섬세하게 코팅하는 장치가 공지되어 있으며, 상기 장치에는 전압에 연결된 목표물 뒤에 스크린이 존재한다(DE-OS 37 00 633). 그러나, 상기한 장치는 운반대에 가해지는 고주파 에너지의 안정적인 결합이 불가능한 평행판 반응장치일 뿐 아니라 부수적인 플라즈마가 점화되기까지 한다.
코팅이 이루어지는 동안 기판이 코팅원(coating source)을 통과하도록 수송 시스템이 기판을 운반하는 인라인 시스템에서의 동적 코팅에 있어서, 전극에 고주파 전압을 인가하기 위하여 슬라이딩(sliding) 또는 롤러(roller) 콘택(contact)을 경유하여 동전기적으로(galvanically) 결합시키는 것을 생각할 수 있다. 그러나 여기에서는 기생 플라즈마가 전압 결합 영역에서 발생하는바, 이는 상기 수송 시스템의 기술적으로 값비싼 암공간(dark space) 보호대를 통하여 은폐될 수 있을 뿐이다. 특히 코팅이 전기적 절연체로 이루어질 때에는, 전력 수송에 부정적인 영향을 미치는 슬라이딩 또는 롤러 콘택이 일찌감치 코팅된다. 상기한 바와 더불어, 슬라이딩 콘택이나 콘택 롤러를 사용할 때 강한 기계적인 장력이 발생하여 코팅층의 질을 저하시키는 입자의 생성을 도와준다.
마지막으로, 백열 방전(glow discharge)을 통하여 기판을 식각하는 장치가 공지되어 있다. 상기한 장치에서는 전극과 기판 또는 기판 운반대 사이의 공간이 약 5 mm 정도의 틈을 제외하고는 연결되어 있어, 백열 방전이 기판 운반대와 전극 사이의 공간에 한정될 수 있다(DEP 22 41 229). 그러나 상기한 장치는 고정된 기판 운반대를 가지고 있으므로 인라인 장치에 적합하지 않다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 단점을 해결하기 위한 것으로서, 인라인 장치에 있어서 기생 플라즈마를 발생시키지 않고 기판 운반대를 통과하여 플라즈마실 속으로 에너지를 결합시키고자 한다.
상기한 목적은 특허청구범위 제1항의 특징에 의하여 해결된다.
본 발명이 가지는 이점은 특히, 발생하는 플라즈마 및/또는 입자를 간섭하지 않고, 규정된 고주파 바이어스(bias)를 인라인 장치의 이동기판으로 결합시킬 수 있다는 점에 있다. 기판 운반대를 암공간 거리에 있는 평면 전극을 통과하도록 이동시켜 기판 운반대와 기판을 통하여 플라즈마실 내부로 고주파 전력을 충분하게 투입할 수 있으며, 이는 동시 이온 충격으로 기판에 바이어스 전위가 발생함으로써 이루어진다. 폴라즈마가 플라즈마실로부터 달아나지 않도록 전극 보호대를 선택한다. 상기한 바와 같이 함으로써, 풀라즈마 CVD 공정의 경우 코팅층이 기판 상에 무질서하게 적층되는 것을 방지한다.
본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
제1도에는 상벽(2)와 하벽(3)으로 제한된 공정 체임버(chamber)(1)가 도시되어 있다. 상기한 공정 체임버(1)의 상벽(2)과 하벽(3) 사이에 상부 전극(5)과 하부 전극(6)으로 구성되는 플라즈마실(4)이 위치하고 있다. 상기한 상부 전극(5)과 하부 전극(6)은 모두 T 형의 구조를 가지고 있으나, 상기 상부 전극(5)의 전극판(7)이 상기 하부 전극(6)의 전극판(8)보다 다소 크도록 구성되어 있다.
상기 상부 전극(5)은 포트(pot)형 상부 암공간 보호대(9)로 둘러싸여 있고, 상기 상부 암공간 보호대(9)의 바닥에는 튜브(tube)형 연결부(10)가 있으며, 상기 연결부(10)의 바깥면은 상벽(2)의 내강(bore)의 내벽에 지지되어 있다. 상기 상부 전극(5)은 상기 전극판(7)의 표면에 수직인 손잡이(11)에 의하여 상기 연결부(10)를 통하여 견인되며, 상기 손잡이(11)는 고주파 교류 전원(12)의 한쪽 단자와 연결되어 있다. 상기 전원(12)의 다른쪽 단자는 상벽(2)과 함께 접지(13)되어 있다. 상기한 상부 암공간 보호대(9)의 내부에는, 공정 기체가 플라즈마실(4)로 투입되는 기체선(gas line)(14, 15)이 상기 상부 전극(5)의 전극판(7) 아래에 내부에 위치하고 있다. 상기 공정 기체의 예로는 SiH4와 N2O 등을 들 수 있다. 상기 공정 기체는 또한 상기 기체선(14, 15)을 통과하는 대신 상기한 상부 전극(5)과 상부 암공간 보호대(9) 사이의 공간(16)을 통과하여 상기 플라즈마실(4)로 투입될 수도 있다. 상기 공정 기체는 상기 플라즈마실(4) 속에 존재하는 플라즈마를 통과하여 분산되어, 체임버(1) 벽 등과의 충돌을 통하여 반응하는 고반응성 라디칼(radical)을 형성하고, 이산화규소(SiO2)와 같은 최종 산물을 형성한다.
상기한 플라즈마실(4)의 하부 경계는 기판 운반대(18) 내부에 끼워진 기판(17)에 의하여 형성된다. 상기 기판 운반대(18)는 하부 전극(6)에 대한 하부 암공간 보호대(19) 위에서 움직일 수 있다. 상기한 상부 암공간 보호대(9)와 유사하게 상기 하부 암공간 보호대(19) 또한 튜브형 연결부(20)를 가지고 있으며, 상기 연결부(20)는 하벽(3) 내강의 내벽에 인접한다. 그러나 상기 상부 암공간 보호대(9)와는 달리, 상기 하부 암공간 보호대(19)는 포트형이 아니라, 상기한 하부 전극(6)의 전극판(8)을 수용하는 리세스(recess)(21)을 가지고 있는 원판형이다. 상기 전극판(8)에 수직인 웨브(22)는 고주파 전원(12)의 단자와 연결되어 있으며, 상기 하벽(3)은 접지(13)되어 있다.
상기 플라즈마실(4)의 플라즈마는 상기 상부 전극(5)에 상기 전원(12)의 전압이 인가됨으로써 점화된다. 상기 전압은 13.56MHz의 고주파 전압으로 하는 것이 바람직하다. 코팅 속도를 증가시키기 위하여, RF 마그네트론 (magnetron) 작용이 일어나도록 전극에 영구자석을 설치할 수 있다.
암공간 보호대(9, 19)는 상부 전극(5) 또는 하부 전극(6)의 후면에 기생 플라즈마가 발생하는 것을 방지할 뿐 아니라, 방전 영역의 측면 경계를 형성한다.
코팅되는 기판(17)은 기판 운반대(18)의 리세스(21)에 끼워져 상기 기판 운반대(18)에 의하여 상부 전극(5) 또는 플라즈마실(4)을 통과하여 운반되는 바, 상기 기판 운반대(18)의 이동방향을 화살표(25)로 표시하였다. 상기 기판 운반대(18)는 제1도에 도시한 것보다 훨씬 길고 다수의 기판을 쌍아 운반할 수 있다. 이와 함께 서로다른 기판을 연속적으로 코팅할 수 있다.
상기 전극(5,8)의 장치와 구조를 통하여 상기 전원(12)의 고주파 에너지는 상기 플라즈마실(4)로 충분히 결합된다.
상기한 하부 전극판(8)과 기판 운반대(18) 사이의 거리 d는 기생 플라즈마가 점화되지 않도록 암공간 거리를 초과할 수 없다. 같은 이유로 상기 상부 암공간 보호대(9)로부터 상기 상부 전극(5)까지의 거리 a로 또는 b는 암공간 거리보다 작다. 상기 기판 운반대(19)에 충분한 직류 전위를 만들기 위하여는, 상기 기판 운반대(18)에 대한 상기 상부 전극(5)의 용량은 가능한 한 커야 하며 전극의 질량은 가능한 한 작아야 한다. 상기 기판 운반대(18)는 또한 암공간 거리에 있는 코팅 영역을 넘어서까지 앞뒷면이 보호된다. 그와 함깨 플라즈마 영역의 발달과 기생 플라즈마의 발달이 상층한다. 상기 기판 운반대(18) 자체는 직류 전류로 볼 때 수송 시스템(도면에는 도시하지 않았다)으로부터 결함이 해제된 상태를 유지하도록 구성되어 있으며, 상기 수송 시스템은 정해진 방식으로 접지될 수 있다.
제2도는 고주파 에너지의 충분한 결합을 보여주는 또다른 실시예를 도시한 것이다. 여기에는 스퍼터링 공정 등에서 플라즈마원을 경과하는 이동 등에 의하여 인라인 장치에서 두 기판이 동적으로 코팅된다. 여기에서 기판의 이동은 참조번호 30의 기호에 의하여 지시되는 도면의 평면 속으로 진행된다.
제2도에 도시한 장치는 제1도에 따른 장치에 비하여 90도 기울어져 있다. 예를 들어 전극들은 상부와 하부에 존재하는 것이 아니라 좌측과 우측에 존재한다. 더우기 제2도에 따른 장치에 있어서, 양 측면의 전극 사이에 중앙 전극이 설치되어 있으므로 양면으로 코팅이 이루어진다.
중앙 전극(31)과 두개의 측면 전극(38,39)을 통하여 두개의 진공 또는 플라즈마실(32,33)이 형성되어 있고, 상기 각각의 플라즈마실(32,33)에는 별개의 기체 수송관(34,35,36,37)이 설치되어 있다. 상기 플라즈마실(32,33)온 U형 벽(40,41)에 의하여 상부와 하부가 닫혀 있다. 상기한 벽(40,41)은 각각 슬릿(42,43)을 포함하고 있고 상기 슬릿(42,43)을 통하여 상기 중앙 전극(31)의 웨브(44,45)가 인도된다. 상부의 웨브(44)는 직류 또는 교류 전원(46)의 한 단자와 연결되어 있고, 상기 전원(46)의 다른 단자는 접지(47)되어 있다. 벽(40) 또한 접지(47)되어 있다.
상기 전원(46)이 교류 전원이라면, 13.56 MHz의 전압인 것이 바람직하다. 상기 전원(46)은 또한 상기 측면 전극(38,39)와 연결되어 있어, 희귀 기체(rare gas)가 기체 수송관(34-37)을 통하여 투입되면 상기 플라즈마실(32,33)에서 플라즈마가 점화된다. 상기한 희귀 기체는 이온화하여 상기 측면 전극(38,39)의 방향으로 가속된다. 가속된 이온의 고에너지를 통하여 물질은 상기 측면 전극(38,39)의 표면으로부터 충격을 받아 기판(48,49) 위에 적층된다. 상기 기판(48,49)은 U형 기판 운반대(52)의 바깥면(50,51) 상애 위치하며, 상기 기판 운반대(52)는 웨브(45)와 맞물리는 수송 기구(도면에 도시하지 않았다)에 의하여 코팅 장치를 통과하여 이동할 수 있다. 방해 외부 입자의 발생을 가능한 한 억제하기 위하여 상기 수송 기구는 체임버의 하부 영역에 위치하여 있으며 상기 영역은 벽(41)에 의하여 제한되어 있다. 적절한 기판 운반대(52)는 상기 수송 기구로부터 전기적으로 절연되어 있고 위끝에서 다른 어떤 물체와도 접촉하지 않는다. 마모되어 입자 오염에 상당한 역할을 하는 어떠한 견인 롤러도 존재하지 않는다. 상기한 U형 기판 운반대(52)의 두 손잡이 사이에, 암공간 거리에 해당하는, 두 손잡이로부터의 거리가 c인 중앙 전극(31)이 위치하고 있다.
중앙 전극(31)은 결국 U형 기판 운반대(52)에 대한 결합 전극으로 작용한다. 기생 플라즈마의 발달을 피하기 위하여 기판 운반대는 적절한 암 보호대(55, 56,57,58)에 의하여 바깥이 둘러 싸인다.
양 실시예에서 플라즈마가 탈 수 있는 영역이 적당한 코팅 체적으로 한정되는 것을 보장한다. 방해하는 기생 플라즈마는 효과적으로 억제된다. 또, 고주파 전력의 비접촉(contact-less) 결함을 통하여 마모 입자가 형성되는 것을 피한다. 고주파 전력의 비접촉 무입자(particle-free) 결합의 더욱 큰 이점은, 평면 전력 수송관을 통하여 기판 면이나 기판 운반대 면에 인가되는 고주파 바이어스 전압의 요동이 특정 접촉지점에서 전력이 수송되는 동전기(galvanic) 결합의 경우보다 적다. 여기에서 코팅층의 성질과 식각분포의 균일성이 더 좋아진다.

Claims (12)

  1. 직류 또는 교류 전위에 있는 평면형 제 1 전극(5;38,39)과, 직류 또는 교류 전위에 있는 평면형 제2 전극(6,31)과, 상기한 제 1 평면 전극(5;38,39)에 대한 제 1 보호대(9; 55-58)와, 상기한 제 1 평면 전극(5;38,39)으로부터 주어진 거리에 위치하고 있는 기판 운반대(18,52)로 이루어진 기판(17; 48,49)코팅장치에 있어서, 상기한 기판 운반대(18;52)가 상기한 두 평면형 전극(5,6;31,38;31,39) 사이에 설치되고, 상기한 전극(5,6;31,38;31,39)의 표면에 평행하게 이동할 수 있으며, 상기한 제 1 보호대(9;55-58)가 상기한 제 1 평면 전극(5;38,39)으로부터 상기한 기판 운반대(18;52)의 한 표면 부근 또는 상기한 기판 운반대(18;52)의 한 표면으로 확장되고, 상기한 제1 보호대(9;55-58)가 상기한 제 1 전극(5;38,39)과 기판(17;48,49)과 함께 기체 입구(14,15;36,37;34,35)를 가진 플라즈마실(4;32,33)을 둘러싸고 있으며, 상기한 제2 평면 전극(6,31)에 제 2 보호대(19,52)가 있으며, 상기한 보호대(9;55-58,19,52)로부터 상기한 전극(5;38,39;61,31) 까지의 거리(d,c,a)가 암공간 거리보다 작음을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기한 제 1 전극(5)의 보호대(9)가 포트형이고 그 개방 영역이 상기한 기판(17)을 향하고 있음을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기한 제 2 전극(8)의 보호대(19)가 대면적 전극(8)을 수용할 수 있는 리세스(21)를 구비한 평판임을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  4. 제1항에 있어서, 수송장치(18)가 상기한 기판(17)을 수용할 수 있는 리세스를 상부에 포함하고 있음을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기한 제 1 전극(5)과 제 2 전극(6)에 의하여 기체선(14,15)이 상기한 플라즈마실(4)에 형성되어 있음을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  6. 제2항에 있어서, 포트형 보호대(9)가 상기 기판 운반대(18)의 상부 부근에 상기 기판 운반대(18)의 표면과 평행하게 위치하고 있는 가장자리(60,61)를 포함하고 있음을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기한 각각의 보호대(9,19)가 전원(12)과 전기적으로 연결되어 있는 상기 전극(5,6)의 웨브(11,22)를 이끄는 연결부(10,20)와 각각 연결되어 있음을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  8. 제1항에 있어서, 두개의 외부 전극(38,39)과 하나의 내부 전극(12)이 존재하고, 상기한 기판 운반대(52)에 의하여 내부 전극(31)이 양 측면으로 둘러싸여 있음을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기한 기판 운반대(18,52)가 최소한 하나의 전극(8,31)에 대하여 이동할 수 있음을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  10. 제8항에 있어서, 제 1 외부 전극(38)과 상기 내부 전극(31) 사이에 제 1 기판(48)이 구비되고, 제 2 외부 전극(39)과 상기 내부 전극(31) 사이에 제 2 기판이 구비됨을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기한 두개의 외부 전극(38,39)이 각각 전원(46)의 제 1 단자에 연결되어 있고, 상기한 내부 전극이 상기 전원(46)의 제 2 단자에 연결되어 있음을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  12. 제1항에 있어서, 플라즈마실(4;32,33)의 기체 입구가 공정 체임버(1)와 상기 플라즈마실(4;32,33) 사이의 구멍이어서 기체가 상기 공정 체임버로부터 상기 플라즈마실(4;32,33)로 흐를 수 있음을 특징으로 하는 기판코팅장치.
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