KR100611826B1

KR100611826B1 - 플라즈마 펌핑 셀 및 이온 펌핑 방법

Info

Publication number: KR100611826B1
Application number: KR1020007014821A
Authority: KR
Inventors: 댄들라파엘에이; 게스트가레스; 존슨웨인엘
Original assignee: 동경 엘렉트론 주식회사
Priority date: 1998-06-29
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2006-08-11
Also published as: EP1095217A1; WO2000000741A1; EP1095217A4; JP2002519827A; US20010016166A1; KR20010053216A; US6422825B2; JP4385360B2

Abstract

본 발명은 플라즈마 펌핑 셀이 제 1 영역과 제 2 영역 사이에 삽입되는 경우에 플라즈마를 함유한 제 1 영역으로부터 제 2 영역까지 이온을 펌핑하기 위한 플라즈마 펌핑 셀 및 방법에 관한 것으로, 상기 플라즈마 펌핑 셀은 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이에 위치가능하고, 도관(22)을 형성하는 관통 개구부를 구비하는 분할 벽(4)과, 상기 도관을 통해 연장되는 자력선을 제공하는 방법으로 상기 도관에 대해서 위치되는 다수의 자석(24)과, 상기 도관과 연통되는 자유 전자의 공급원과, 상기 도관(22)으로부터 상기 제 2 영역까지 이온을 가속하는 정전계를 형성하도록 상기 도관에 대해서 위치된 전기 포텐셜 공급원(34)을 포함한다.

Description

플라즈마 펌핑 셀 및 이온 펌핑 방법{PLASMA VACUUM PUMPING CELL}

본 발명은 특히 새로운 가스 공급물을 연속적으로 수납하는 영역에 있어서, 공업적 프로세스 및 과학적 프로세스의 실행 동안에, 극히 낮은 가스 압력을 유지하기 위한 시스템에 관한 것이다.

많은 형태의 공업적 프로세스 및 과학적 프로세스는 수 밀리토르(milliTorr ; mT) 정도의 매우 낮은 압력으로 배기되는 영역에서 실행된다. 이러한 형태의 프로세스는 플라즈마의 도움으로 반도체 웨이퍼상에서 실행되는 증착(deposition) 및 에칭 작업을 포함한다. 이러한 프로세스를 실행하기 위한 시스템에 있어서, 플라즈마는 1mT 내지 100mT, 종종 10mT 이하의 범위의 저압으로 유지되는 처리 가스를 함유하는 처리 영역에서 생성된다. 가스는 플라즈마에서 이온화될 것이며, 결과적으로 발생하는 이온은 적절한 전계(electric field)에 의해 웨이퍼쪽으로 가속될 수 있다. 프로세스의 과정 동안에, 처리 가스는 펌핑 기구에 포함될 수 있는 오일과 같은 이물질과, 새로운 처리 가스가 영역에 공급되는 동안 처리 자체로부터 발생되는 물질에 의한 오염을 최소로 하면서 그러한 영역을 벗어나도록 고속으로 펌핑되어야 한다.

상기에 일반적으로 표시된 정도의 저압 레벨을 형성하기 위해 사용되는 종래의 기술은 2개의 기본적인 메커니즘, 즉 ① 바람직한 방향으로 가스 분자(이하, "분자(molecules)"는 두가지 형태의 입자를 모두 언급하는 것이 기술적으로 보다 정확한 관계에 있어서, 원자 및 분자 양자를 포함하는 것으로 이해될 것이다)의 모멘트를 증가시키고, 가스의 역류를 방지하는 밸브 또는 배플 구조체를 통해서 가스를 배기시키는 메커니즘과, ② 특별히 제조된 표면상에 가스를 응축시키는 메커니즘중 하나를 이용한다. 메커니즘 ①은 신속하게 이동하는 기계적인 구조체나, 수은 또는 쉽게 응축가능한 펌핑 오일의 분자와 같은 펌핑 분자의 스트림을 이용하여 가스에 배향 모멘트를 부여하는 피스톤, 송풍기 또는 신속하게 이동하는 베인의 몇몇 형태로 통상 실행된다. 메커니즘 ②는 출력 요구조건을 조정하기 위해서 시스템에서 적게 통상 이용된다.

터보분자 펌프는 메커니즘 ①을 이용하며, 이들 분자와 충돌시킴으로써 가스 분자에 방향을 갖는 모멘트를 부여하는 신속 회전 디스크가 제공된다. 이러한 메커니즘은 분자의 평균-자유-행정이 펌핑 구조체의 치수보다 큰, 충분히 낮은 가스 압력에 대해서 가장 효과적이다.

공업용 플라즈마 프로세스에 이용되는 1mT 내지 100mT 정도의 낮은 펌프 입구 압력을 설정하기 위해서, 많은 양의 처리 가스를 펌핑하도록 의도된 복합 펌핑 시스템의 제 1 단계로서 터보 분자 펌프를 이용하는 것이 거의 일반적으로 실시되고 있다.

상술한 형태의 처리 작업의 품질과, 그에 따른 완성된 반도체 장치의 품질은 크게 처리 가스의 순도 및 조성에 따라 좌우되며, 처리 인클로져내로의 새로운 가스의 유동 속도가 비교적 높은 경우, 이들 파라미터가 양호하게 제어될 수 있다는 것이 알려져 있다. 플라즈마 원용(援用) 에칭 및 증착 프로세스에 의해 발생된 결과의 품질은 가스 처리량, 처리 영역에 출입하는 가스의 유동 속도가 현재 이용되는 것의 3배 내지 5배 사이의 레벨로 증가되는 경우에 상당히 개선된다.

낮은 입구 압력에서 초당 5500리터 정도의 출력을 달성할 수 있는 현재 사용 가능한 고속 터보분자 펌프가 존재하지만, 현재 사용 가능한 최고 용량 펌프는 매우 고가일 뿐만 아니라 보다 작은 펌프보다 신뢰성이 떨어진다.

또한, 초당 5500리터의 출력은 200㎜ 직경을 가진 웨이퍼상에서 프로세스를 실행하기 위한 최적의 값보다 낮은 것으로 알려져 있으며, 보다 큰 직경의 웨이퍼에서의 최적의 처리 결과를 성취하기 위해서는 보다 높은 가스 출력이 요구된다. 일반적으로, 품질과 관련하여 특정 처리 결과를 성취하는데 필요한 가스 출력은 기판의 영역에 비례한다.

또한, 가스 유동의 효과적인 제어가 시스템내의 고체 표면에 부착되는 경향을 갖고 있는 가스 종을 위해 가능해야 한다. 예를 들면, 이러한 종은 플라즈마내의 전자 또는 양자에 의해 중합되는 카본 성분을 포함한다. 플라즈마 전자 또는 양자 플럭스는 이러한 물질을 고체 표면에 쉽게 부착시킬 수 있다. 그 결과 이러한 물질은 아마도 변형된 형태로 표면으로부터 분리될 것이다. 상술한 형태의 플라즈마 조력 프로세스중 어느 하나의 품질은 중합된 또는 다른 변형된 물질이 기판 표면상에 침적되는 것을 방지할 수 있는 정도에 따라 좌우되며, 다음에 이것은 이러한 물질이 처리 영역내에 형성 및/또는 잔류하는 것을 방지할 수 있는 정도에 따라 좌우된다. 모든 상당한 시간 동안 처리 영역에 잔류하는 가스 분자는 후속 에칭 프로세스에 견디는 화학적 형태로 기판상에 침적될 수 있다. 그 결과, 이들 분자는 기판 표면상에 결함을 형성할 수 있다.

이러한 현상의 가능한 발생과 관련하여, 처리 영역에서의 가스 분자의 잔류 시간이 보다 짧으면 짧을수록, 일련의 에칭 및/또는 증착 프로세스로부터 야기되는 생성물의 품질의 보다 좋아진다.

상술한 형태의 처리 작업과 관련하여 이용되고 있는 진공 펌핑 기술에 부가하여, 반응성 요소로서 플라즈마를 이용하는 펌프가 제안되었다. 플라즈마 진공 펌프는 수소 및 헬륨을 포함한 다양한 가스를 비교적 큰 효율로 펌핑할 수 있으며, 고체 또는 부식 물질에 의한 손상이 비교적 없다.

플라즈마 진공 펌프의 작동은 중성 가스의 3차원 유동을, 자기적으로 압축될 수 있는 자기화된 플라즈마에 의해 안내되고 그리고 적절한 배플 구조체를 통해 안내되는 1차원 유동으로 변환시키는 단계를 포함한다. 모멘트는 다양한 전자기 상호작용의 결과로서 플라즈마에 부여될 수 있으며, 중성 가스의 분자의 충돌과, 배경 가스보다 큰 모멘트를 가진 이동 이온을 통해서 중성 가스로 부여될 수 있다.

그러나, 플라즈마 처리 시스템에서 플라즈마 진공 펌프를 이용하는 잠재적인 이점은 지금까지 상당한 정도까지는 실현되지 못했다. 특히, 효율적인 플라즈마 발생을, 수행될 플라즈마 처리 작업에 적합하고 플라즈마 채널링에 적합한 자계(magnetic field)의 형성, 및 이러한 플라즈마 처리 작업에 있어서 중요한 범위내의 압력에서 펌핑을 실행하기 위한 적절한 메커니즘과 조합하는 해결책이 존재하지 않는다. 이러한 조합에 있어서, 저주파수 외부 전계로부터 그 내부 영역을 차폐하기 위해서 플라즈마의 능력에 의해 발생되는 문제점를 고려한 제안이 존재하지 않는다.

플라즈마 처리 시스템에서 플라즈마 진공 펌핑을 이용할 가능성은 예를 들면 1987년 2월 3일자로 단들에게 허여된 미국 특허 제 4,641,060 호에 개시되어 있다. 상기 미국 특허 제 4,641,060 호에는 어떠한 이동 기계 부품도 사용하지 않고, 1mT보다 작은 가스 압력에서 높은 펌핑 속도를 발생시킬 수 있는 플라즈마 진공 펌프가 개시되어 있다. 이러한 플라즈마 진공 펌프의 주요 메커니즘은 저압으로 유지될 영역내로 중성 가스 분자의 유동이 역류하는 것을 방지하는 단순한 관형 배플 구조체를 통한 플라즈마 이온 및 전자의 자기 유도식 유동이다. 미국 특허 제 4,641,060 호에 개시된 펌프는 플라즈마 이온의 유동을 차단하는 정전 포텐셜(eletrostatic potential)의 자연적 형성에 의해 결정되는 상부 한계 이하의 압력에서 자기화된 플라즈마에 효율적으로 기능할 수 있는 것으로 보인다. 본 명세서에 있어서, "자기화된 플라즈마(magnetized plasmas)"라는 것은 전자 유동이 자기화된, 즉 전자가 자계 라인 둘레를 순환하는 플라즈마를 가리킨다. 이러한 형태의 플라즈마 진공 펌프는 몇몇 저압의 자기적으로 한정된 플라즈마 응용예에 적절한 것으로 증명되었지만, 전형적인 공업용 플라즈마 처리 시스템에 대해서 특별히 적합한 것으로 보이지는 않는다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 이온을 고속으로 저압 영역을 벗어나게 펌핑하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 높은 펌핑 속도로 낮은 비용을 성취할 수 있는 펌핑 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 출구 통로를 통한 이온의 유동을 달리 감소시킬 수 있는 양(+)의 정전 포텐셜의 설정을 방지함으로써 플라즈마 진공 펌핑을 개선하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 이온이 펌핑되는 속도의 전기 제어를 허용하는 것이다.

상기 및 다른 목적은 플라즈마 펌핑 셀이 이들 영역 사이에 삽입되는 경우에 제 1 영역에서 플라즈마에 의해 생성될 가능성이 있는 이온을 제 1 영역으로부터 제 2 영역까지 펌핑하기 위한 신규한 플라즈마 진공 펌핑 방법 및 펌핑 셀을 제공하는 본 발명에 따라 성취된다. 플라즈마 펌핑 셀은 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이에 위치가능하고, 도관을 형성하는 관통 개구부를 구비하는 분할 부재와, 상기 도관을 통해 연장되는 자력선(liens of magnetic force)을 제공하는 방법으로 상기 도관에 대해서 위치되는 다수의 자석과, 상기 도관과 연통되는 자유 전자의 공급원과, 상기 도관으로부터 상기 제 2 영역까지 이온을 가속하는 정전계(electrostatic field)를 형성하도록 상기 도관에 대해서 위치된 전기 포텐셜 공급원을 포함한다.

기본적으로 자석에 의해 생성된 자계는 도관에서 이온의 반경방향 분포에 영향을 주고, 도관에서 전자를 포획하는 작용을 한다. 포획된 전자는 양(+)의 공간 전하가 도관내에 발생하는 것을 방지하도록 작용하고, 제 1 영역으로부터 도관내로 양이온을 가속하는 정전계를 발생시킨다. 도관을 통해 통과하는 경우에, 양이온의 특정 부분은 중성 분자를 형성하도록 전자와 조합될 것이다. 이들 중성 분자는 모멘트에 의해 제 2 영역내로 운반된다. 이온과 조합되지 않는 이온은 모멘트와, 포텐셜 공급원에 의해 생성된 정전계에 의해 제 2 챔버내로 운반될 것이다.

제 1 영역내의 플라즈마는 그 영역내로 유도된 가스를 이온화하여, 자기화된 전자와, 프로세스를 실행하는데 이용되고, 이온의 새로운 공급원이 그 영역에서 유지되도록 제 1 영역을 벗어나게 펌핑될 이온을 생성한다. 전자상의 플라즈마의 영향은 이온 운동에 영향을 주는 공간 전하를 생성하는 것이다. 본 발명의 새로운 일 특징에 따르면, 제 1 영역내의 이온은 펌핑 작용에 도움을 주는 것으로 플라즈마에 의해 일부 배향 에너지를 제공한다.

본 발명의 다른 신규한 실시예에 따르면, 펌핑 셀 또는 셀들은 이온이 그 영역을 벗어나게 펌핑되게 하는 효율을 증가시키는 방법으로 처리 영역에 대해 위치된다. 바람직하게, 셀 또는 셀들은 처리 영역에서 플라즈마에 근접하게 배치되며, 펌핑 효율을 개선하기 위해 가장 큰 가능한 플라즈마 강도를 사용하여 형성된다. 이러한 형태는 가스 분자가 처리 영역에서 유지되는 평균 시간이 매우 짧게 이뤄지게 한다.

본 발명에 따른 다수의 셀로 구성되는 플라즈마 진공 펌프는 처리할 기판을 포함한 처리 챔버내에 배치될 수 있다. 펌핑 속도를 증가시키고, 그에 따라 챔버내의 가스 분자의 잔류 시간을 감소시키기 위해서 기판의 표면 영역보다 큰 영역을 가진 분할 벽내에 다수의 셀을 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 이것은 처리 챔버내의 가스의 잔류 시간이 챔버 체적이 증가할 때 증가하기 때문에 처리 챔버의 체적을 상당히 증가시키지 않고 성취되어야 한다.

펌핑할 이온이 플라즈마에서 생성된 경우, 플라즈마 영역의 경계에 인접한 이온은 플라즈마 외장에 의해 영향을 받을 것이며, 펌핑 셀의 영역내의 이온은 셀쪽으로 몇몇 사전-외장 운동을 경험하게 될 것이다.

이들 이온은 도관내에 포획된 전자에 의해 생성되는 정전계에 의해 셀 도관내로 흡인될 것이다. 이러한 정전계의 강도는 주변 이온 강도 및 전자 강도와, 전자 포텐셜 공급원에 의해 생성된 전계에 의해 기본적으로 결정된다. 정전계는 도관을 통해 연장되고, 분할 부재 근처에서 제 1 영역으로부터 도관내로 이온을 가속하는 작용을 한다.

또한, 모멘트는 챔버에 바로 들어가고, 배향된 에너지의 낮은 미세 레벨을 갖는 가스 분자의 이온에 의해 챔버내의 가스 분자를 비이온화하도록 부여될 것이다. 이들 이온과 정확히 동일한 분자 구조 및 중량의 중성 종 사이의 충돌은 에너지의 매우 효율적이거나 공명 전달을 야기시킨다. 이러한 전달의 효율은 2개의 충돌하는 입자중 보다 빠른 하나의 속도에 역으로 비례한다.

펌핑될 가스 분자는 시스템으로부터 제거하기 위해서 모든 전이 구조체를 통해 운반되지 않는다. 실제로, 처리 영역 또는 챔버내로 주입된 그리고 아직 이온화되지 않은 처리 가스 분자는 하기의 2개의 가능한 방법중 하나에서 본래 이동할 것이다.

ⓐ 분자의 보다 개연적인 성질은 처리되는 기판의 표면에서 되튀고, 기판 표면에 대한 법선을 중심으로 코사인 분포에서 반영될 것이다. 이러한 분포의 폭은 기판의 미세한 표면 특징에 따라 좌우된다.

ⓑ 한편, 분자는 기판의 표면상에 흡수될 수 있으며, 상이한 분자 중량을 가진 몇몇 종으로 전환된후에 때때로 후에 재방사될 것이다. 이러한 재방사는 또한 기판 표면에 대한 법선을 중심으로 코사인 분포와 관련이 있다.

상술한 코사인 분포는 분자가 기판 표면으로부터 상이한 방향으로 반사 또는 재방사되는 패턴을 설명한 것이다. 각 방향으로 방사된 분자의 강도 또는 양은 방향과 기판 표면 사이에 형성된 각도의 코사인에 비례하는데 이것은 방사된 전자의 강도 또는 양이 기판 표면에 수직인 방향에서 가장 큰 것을 의미한다.

처리 챔버내의 가스 유동의 제어는, 가스가 기판 표면쪽의 방향으로 추진되게 하는 방법으로 챔버내로 도입된다면 그리고 기판 표면에서 되튀는 대부분의 분자가 기판 표면에서 우선 되튄 후에 진공 펌프에 의해 처리 챔버로부터 제거된다면 향상된다. 분자 속도의 단순한 계산은 제거할 분자의 동적 에너지의 효율적인 사용이 분자에 의해 경험하게 되는 되튐 또는 반사의 횟수가 최소화될 필요가 있다는 것을 가리킨다. 가스 분자가 기판 표면에서 되튄후에 바로 처리 챔버를 벗어나게 펌핑될 수 있게 하기 위해서, 처리 챔버내의 표면과의 충돌이 최소화될 수 있다. 이러한 최소화는 표면을 가격하는 분자가 이에 부착될 것이며 그리고 그에 따라 교호하는 형태로 기판 표면으로 리턴될 것이기 때문에 유리하다. 따라서, 가스 분자의 신속한 제거로 기판상에서 실행되는 프로세스가 우수한 방법으로 제어될 수 있게 한다.

도 1은 본 발명에 따른 다수의 플라즈마 진공 펌핑 셀로 구성되는 펌프를 구비한 처리 챔버의 사시도,

도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 펌프의 일부분을 부분 절취하여 각기 위쪽 및 아래쪽에서 본 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 펌핑 셀의 다른 실시예의 단면도.

본 발명의 이해를 돕기 위해서, 기본 플라즈마 진공 펌프 또는 펌핑 셀을 고도로 이상화한 기본적인 모델을 바람직한 실시예의 설명에 앞서 설명한다.

이러한 펌프 또는 펌핑 셀은 입구 챔버 또는 공간과, 도관 또는 배플에 의해 입구 챔버에 연결된 출구 챔버 또는 공간으로 구성되는 것을 볼 수 있다. 가스는 입구 챔버에 연결된 가스 입구를 거쳐서 펌프내로 유입되고, 출구 챔버에 연결된 가스 출구를 거쳐서 펌프를 빠져나간다. 하기의 파라미터는 펌프의 작동을 설명하는데 이용된다.

Q_in = 가스 입구를 거쳐서 출구 챔버내로의 가스 유동 속도,

Q_p = 입구 챔버로부터 출구 챔버까지의 이온 유동 속도,

Q_b = 출구 챔버로부터 입구 챔버까지의 중성 가스 역유동 속도,

Q_out = 가스 출구를 거쳐서 출구 챔버를 벗어나는 가스 유동 속도,

P_in = 입구 챔버에서의 압력,

P_out = 출구 챔버에서의 압력,

A_p = 플라즈마 이온에 대한 배플의 유효 구멍 또는 영역,

A_b = 배플의 물리적인 구멍 또는 영역,

F(A_b) = 배플 및 가스 압력의 물리적인 형태에 따라 좌우되는 배플 구조체의 유효 전도성,

R = 펌프에 의해 성취되는 유효 압력 비율,

n_i = 입구 챔버에서의 플라즈마의 밀도,

C_s = 전자 온도 또는 에너지에 의해 주로 결정되는 입구 챔버에서의 이온 음속.

하기에 설정된 수학식은 다양한 파라미터를 위한 일정한 측정 단위를 취한다.

입구 가스 유동 속도(Q_in)는 정상 상태에서 출구 유동 속도(Q_out)와 정확하게 동일하다. 출구 유동 속도(Q_out)는 가스 출구에 연결된 전면 펌프의 속도(S_f)와, 압력(P_out)에 의해 결정된다. 따라서, Q_out = S_fp_out가 된다.

압력(p_out)은 압력(p_in)에 플라즈마 펌프에 의해 성취된 유효 압력 비율(R)을 곱한 것보다 크다.

p_out= Rp_in

이러한 압축은 중성 가스의 (역) 유동에 대해 배플을 통해 외측으로 유동하는 플라즈마 이온의 개선된 유동으로부터 야기된다. 플라즈마 유동 속도(Q_p)는 다음과 같다.

Q_p = n_ic_sA_p

A_p의 값은 물리적 개구부 뿐만 아니라 배플로의 입구에서 자계(磁界) 형상에 따라 좌우된다.

중성 가스가 배플을 통해 역방향으로 유동하는 속도(Q_b)는 하기와 같다.

Q_b = F(A_p)(p_out-p_in)

이러한 설명은 다양한 배플 구조체의 전도성을 평가하는 경우에 더시맨(Dushman)(1962년 뉴욕에서 존 윌리 앤드 선즈가 출판하고 솔 더시맨이 쓴 제 2 판인 "진공 기술의 과학적 기초", 특히 "가스 관통 튜브 및 오리피스의 유동"이라는 챕터 2를 참조)의 저술을 이용하며, 압력은 분자 유동 근사값이 유효하도록 된 것을 가정한다.

정상 상태 입자 평형은 하기의 관계를 적용시킬 수 있을 것이 요구된다.

Q_in + Q_b = Q_p

Q_p - Q_b = Q_out

이들 관계의 두 번째는 하기와 같다.

n_ic_sA_p= F(A_b)(p_out - p_in) + Sfp_out

하나는 하기와 같이 두 개의 무차원 파라미터(X, Y)로 규정될 수 있다.

X = F(A_b)/S_f

Y = n_ic_sA_p/[p_inF(A_b)]

다음에,

R = (1+Y)X/(1+X)

Q_out ≒ S_fp_inYX(1+X)

X/(1+X)의 함수가 0≤X(1+X)<1을 충족시키고, 독립변수가 일정할 경우 0.5와 동일하기 때문에, 큰 압축 비율 및 큰 출력을 성취하는데는 Y의 큰 값이 요구되는 것이 증명되었다. 다음에, 이것은 중성 가스를 위한 것보다 실질적으로 큰 플라즈마 이온 개구부를 형성하는 높은 플라즈마 밀도, 실질적인 이온 음속, 자계와, 중성 가스를 위한 낮은 컨덕턴스 및 처리 챔버내의 압력을 조절하기 위한 저압부가 필요하다. 또한, 전방 펌프 속도는 중성 가스를 위한 배플의 컨덕턴스에 필적해야 한다. 플라즈마 진공 펌프의 작동에 기초가 되는 몇몇 기본 원리의 양적 영향은 F(A_b)에 대한 더시맨(Dushman) 모델을 이용하여 보여질 수 있다.

F(A_b) = 0.25v_oA_b(1+f_shape)^-1

여기에서, v_o는 중성 분자의 열적 속도이며, f_shape는 그 컨덕턴스에서 도관 단면 형상의 효과를 계산한 것이다.

1 + f_shape = (ℓ/a)[1 + 3ℓ/8a)]

여기에서 ℓ과 a는 각기 원통형 도관의 길이와 내경이다.

이것을 대입하고 필요한 단위로의 변환을 실행한다.

Y = 4(n_ions/n_o)(c_s/v_o)(A_p/A_b)(1+f _shape)

본 명세서에 규정되지 않은 용어는 더시맨에 의해 규정되어 있다. 고도로 이온화된 플라즈마에 있어서, 적절히 형성된 도관 및 적절한 자계 형상을 이용하여 Y>>1을 달성할 수 있는 것으로 나타난다.

상술한 이론적인 설명을 기억하고, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 내부를 상세하게 관찰 수 있도록 챔버 하우징 및 내부 부품의 일부분이 절단된 처리 챔버의 사시도이다.

처리 챔버는 분할 벽(4)을 포함하는 다중부품 하우징(2)을 포함한다. 분할 벽(4)의 외부 표면은 하우징(2)의 외부 벽의 일부분을 형성하고, 챔버의 전체를 가로질러 연장되어, 챔버를 분할 벽(4) 아래에 위치된 저압력 영역과, 분할 벽(4) 위에 위치된 고압력 영역으로 분할한다.

저압력 영역의 하부 경계부는 기판 지지부(도시하지 않음)를 위한 수납 개구부(6)에 의해 제한된다. 처리 가스가 챔버내로 도입되기 전에, 기판을 지지하는 기판 지지부는 개구부(6)내로 연장되고 개구부(6)를 밀봉하도록 상방으로 변위될 수 있다.

저압력 영역은 본 기술 분야에 공지된 방법으로 하우징(2)의 내부 벽으로부터 저압력 영역내에 형성된 플라즈마를 차폐하는 기능을 하는 정전기 차폐부(8)에 의해 횡방향으로 제한된다. 도 1에 도시된 구조체에 있어서, 정전기 차폐부(8)는 개구부(6)를 향해 하방으로 테이퍼져 있다.

하우징은 공지된 방법으로, 즉 RF 동력 공급원에 연결될 다중 코일(10)을 더 포함한다. RF 전류가 코일(10)을 통해 흐르게 되는 경우에, 전자계(electromagnetic field)가 저압력 영역내에 생성될 것이다. 이러한 전자계가 저압력 영역내로 유도된 처리 가스와 상호 작용하는 경우에, 가스 분자는 플라즈마를 형성하도록 이온화될 것이다. 결과적으로 발생한 이온은, 기판 표면상에 재료의 층을 증착하고 기판 표면으로부터 그 재료를 에칭하기 위해, 본 기술 분야에 공지된 원리에 따라 챔버내에 형성된 자계의 영향하에서, 기판 지지부상에 장착된 기판으로 유도된다.

도시된 챔버에 있어서, 저압력 영역은 또한 처리 영역으로도 지칭되며, 가스 이온이 본 발명에 따른 펌핑 셀로 구성된 플라즈마 진공 펌프에 의해서 처리 영역을 빠져나와 고압력 영역내로 펌핑된다. 상기 펌프는 분할 벽(4)과, 포개진 환형 캐소드(12)의 어레이와, 상기 캐소드(12)상의 하우징(2)내에 장착된 다중 코일로 구성된 추가적인 무선 주파수(radio frequency) 플라즈마 공급원(14)으로 구성된 구조체로 구성된다.

고압력 영역은 본 기술 분야에 공지된 방법으로 웨이브 가이드(20)가 제공된 터보분자 펌프(18)에 의해 덮여 있다. 펌프(18)는 본 시스템에 있어서 제 2 펌핑 스테이지 또는 전방 펌프의 역할을 한다. 플라즈마 진공 펌프는 저압력 영역으로부터 분할 벽(4)까지 고속으로 이온을 운반하며, 이러한 유속은 분할 벽(4)상의 영역내의 압력이 분할 벽(4) 아래의 영역에서의 압력보다 높도록 한다. 비교적 높은 압력이 터보분자 펌프(18)로의 입구에 존재하기 때문에, 이러한 펌프는 분할 벽(4)상의 영역으로부터 대기압의 출구 영역까지 가스를 효율적으로 배기시킬 수 있다.

무선 주파수 플라즈마 공급원(14)은 분할 벽(4) 위의 영역내에 자유 전자의 공급원을 제공하는 역할을 한다. 이들 전자의 목적은 이하에 상세하게 설명한다. 공급원(14)에 의해 실행되는 기능과 관련하여, 본 발명의 다른 실시예에 있어서는 열전자 이미터(emitter)와 같은 자유 전자의 다른 공급원으로 대체될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 펌핑 셀의 일 실시예의 기본적인 구조를 도시하는 사시도이다. 실제로 도 2는 4개의 셀을 도시한 것이며, 각 셀은 도관(22)을 형성하는 단일 관통 개구부를 구비한다. 도관(22)은 원형 윤곽을 갖고 있는 것으로 도시되어 있지만 다른 윤곽도 가능하다.

각각의 셀은 도관(22)을 둘러싸는 다수의 자석(24)을 더 포함한다. 각 자석(24)은 관련 도관(22)의 종축에 평행하게 연장되는 자기 축을 구비하고 있다. 각 도관(22) 둘레로 연장되는 자석(24)들은 관련 도관(22) 둘레에서 극성이 서로 교호한다.

바람직하게, 자석(24)에 의해 발생된 자력선이 도관(22)의 표면에 대체로 평행한 경로를 따라 도관(22)을 횡단하도록 자석(24)이 배치되고 도관(22)의 내부 벽이 형성된다.

도 2에 도시된 실시예에 있어서, 각 자석(24)은 영구 자석이다. 그러나, 자석(24)은 또한 펌핑 프로세스를 조절하기 위한 추가적인 가능성을 제공하는 전자석이지만, 펌핑 셀의 구조적 복잡함을 증가시킬 것이다.

각 자석(24)은 냉각 유체 공급원에 연결될 환형 냉각 유체 통로(26)에 의해 둘러싸여 있다. 각 자석을 위한 냉각 유체 통로(26)는 냉각 유체 공급원에 개별적으로 연결되어 있다. 선택적으로, 모든 자석과 결합된 냉각 유체 통로(26)는 모든 냉각 유체 통로(26)를 직렬 패턴 또는 소망하는 임의의 직렬-병렬 패턴으로 연결하는 상호연결 통로의 네트워크에 의해 상호연결될 수 있다.

여기에 도시된 실시예에 있어서, 분할 벽(4)은 알루미늄과 같은 전기 전도성 비자성 재료로 제조된다. 각 셀의 위치에서, 분할 벽(4)에는 원형의 원통형 보어가 제공되고, 도관(22)을 형성하는 관통 개구부를 구비하는 세라믹 인서트(30)가 상기 보어내로 끼워맞춰진다. 다른 보어 형상도 가능하다.

인서트(30)는 양호한 유전성을 갖고, 적어도 400℃까지의 고온에 견딜 수 있고, 처리 챔버에 유입되어 기판을 오염시키는 어떠한 성분도 함유하지 않으며, 오완성된 인서트가 미립자의 공급원이 되지 않는 것을 보장하는 방법으로 제조될 수 있는 세라믹 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 적절한 재료에는 석영, 고순도 알루미나 및 고순도 티탄이 포함된다.

도 2에 도시된 실시예에 있어서, 각 인서트(30)는 도관(22)의 경계 벽이 보다 작은 평행한 변과 평행하지 않은 2개의 변을 가진 사다리꼴의 형태를 갖도록 구성된다. 다른 벽 형상도 가능하지만, 원형 또는 포물선의 원호를 형성하는 것과 같은 다양한 곡선 형상을 포함하는 것이 보다 바람직하다.

도관(22)의 경계 벽을 위한 바람직한 또는 최적의 형상은 처리 작업의 이온 종 및 성질을 포함한 여러 인자에 따라 좌우된다. 소정 장치에 있어서, 경계 벽 형상은 순수 펌핑 속도를 최적화하기 위한 목적에 따라 경험적으로 결정될 것이다. 이것은 가스의 역유동을 위한 유효 개구부를 최소화하고 그리고 전방 가스 유동을 최대화한다.

또한, 각 셀은 각 캐소드(12)의 확대 부분을 포함한다. 관련된 확대 부분은 원뿔체의 형태이며, 원뿔체의 축은 관련 도관(22)의 종방향 중심 축과 정렬되며, 원뿔체의 정점은 도관(22)의 내부쪽으로 배향된다. 따라서, 원뿔체(34)의 벽은 도관(22)의 축과 그리고 도관(22)의 모든 벽 부분과 동심이다. 각 캐소드(12) 및 그에 따른 각 원뿔체(34)는 음(-)의 포텐셜 공급원에 연결된다. 바람직하게, 각 캐소드(12)에 가해진 포텐셜의 크기는 개별적으로 선택된다.

도 2에 도시된 실시예에 있어서, 각 셀은 6개의 자석(24)과 결합되어 있다. 그리고, 각 자석은 2개의 다른 인접한 셀에 의해 분할되어 있다. 각 도관(22)이 6개의 자석에 의해 둘러싸여 있는 경우에, 각 셀은 육각형 플라즈마 펌핑 셀로서 확인될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예는 예를 들어 각 도관이 4개의 자석에 의해 둘러싸여 있는 사각형 셀과, 각 도관이 8개의 자석으로 둘러싸여 있는 8각형 셀을 포함해서, 상이한 개수의 자석이 각 도관에 결합될 수 있도록 구성될 수 있다. 그러나, 소망의 자계 패턴을 형성하기 위해서는, 각 도관이 짝수개의 자석에 의해 둘러싸여 있는 것이 바람직하다.

인접한 셀 사이에 자석의 최대 공유를 가능하도록 하기 위해서, 개별 셀이 분할 벽(4)을 가로질러 분포되어 있는 패턴은 각 도관(22)을 둘러싸게 하는 자석의 개수에 따라 좌우될 것이다.

본 발명에 따른 셀은 분할 벽(4)상의 자유 전자 공급원에 의해 완성되며, 이러한 하나의 공급원은 도 1을 참조하여 상술하였다.

도 2에 도시된 바람직한 실시예는 이온화가능한 처리 가스를 처리 챔버내로, 특히 제조 작업을 실시할 기판을 포함하는 도 1의 챔버의 저압력 영역내로 도입시키기 위한 채널(38)의 네트워크에 의해 완성된다.

도 3은 도 2의 분할 벽과 반대인 분할 벽(4)의 측면을 도시하는 것으로 부분 절취된 사시도이다. 도 1에 도시된 방향과 관련하여, 분할 벽(4)의 상부 표면은 도 2에 도시되어 있고, 분할 벽(4)의 바닥 표면은 도 3에 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 가스 주입 네트워크는 분할 벽(4)의 바닥 표면을 가로질러 규칙적인 패턴으로 분포된 다수의 주입 구멍 또는 출구(40)를 포함한다. 냉각 유체 통로(26)의 상호결합의 경우에 있어서, 채널(38)의 네트워크는 임의의 적절한 패턴으로 출구 구멍(40) 사이에서 상호결합될 수 있다.

채널(38)의 출구 단부는 처리할 기판쪽으로 처리 가스를 주입하도록 배향된다. 도 2에 특별히 도시된 바와 같이 자석의 어레이에 의해 형성된 자계는 분리부로서 공지된 표면에 의해 분리된 복수의 선단(cusp)을 특징으로 하며, 자계 강도는 상기 선단상에서 제로로 감소된다. 또한, 자계 강도는 분할 벽(4)의 중간 평면으로부터 지수적으로 감소된다. 이 평면으로부터 거리를 갖는 자계 강도의 감소는 각 도관(22)을 둘러싸는 자석(24)의 개수와 반대로 변경된다. 결과적으로 발생한 자계의 이러한 특성에 의해, 강한 자계의 영역이 중간 평면 근처에 국소화되도록 하여, 정상 자계로부터 비교적 자유롭게 이온이 펌핑될 수 있게 하는 메인 용량을 유지한다. 또한, 자계 강도는 각 도관(22)의 중심축상에서 감소되지만, 각 도관 축으로부터 먼 반경방향에서 급속하게 증가되고, 각 도관(22)의 벽 근처에서 높은 값에 도달한다.

각 도관(22)의 벽의 횡단면 형상은 도관을 통해 연장되는 자력선의 형상에 부합하도록 형성될 수 있어서, 이들 자력선은 벽 표면에 실질적으로 평행하게 될 것이다.

자석의 각 어레이의 적도면에, 자계 강도가 또한 제로에 접근하는 관련 도관(22)의 종방향 축으로부터 외측으로 방사되는 좁은 영역이 존재할 수 있다. 전자의 반경방향 유동은 이들 좁은 영역내에 한정되지 않아서, 전자의 손실이 발생하고, 따라서 도관내의 정전계가 약화되는 경향이 있다. 이들 좁은 영역은 자기 구조의 중간 라인을 따라 위치되는 선단의 형태를 가지며, 도관 종방향 축 둘레에서 동일 각도로 이격되어 있으며, 연속적인 자계 사이의 각을 형성하는 영역과 정렬된다. 이러한 반경방향 유동은 적절한 정전기 포텐셜의 형성에 의해 방지될 수 있다.

본 발명의 특징에 따르면, 이들 정전기 포텐셜은 전자에 반발하도록 음(-)의 전하를 포집하는 특성을 가진 세라믹 조성물이나, 동일한 결과를 생성하는 모든 적절한 방법으로 음(-)으로 대전되는 금속의 인서트(30)를 제조함으로써 제공된다.

이제 본 발명에 따른 펌핑 셀의 작동을 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예를 참조하여 설명한다.

처음에, 기판은 개구부(6)내의 위치에 위치되며, 적절한 RF 전류가 분할 벽(4) 위와 아래의 영역에서 플라즈마를 설정하도록 코일(10)과 플라즈마 공급원(14)의 코일에 공급된다. 또한, 전기 포텐셜은 모든 소망 자계를 형성하도록 챔버내의 적절한 부품에 가해진다. RF 전류의 생성과 전기 포텐셜의 인가는 본 기술 분야에 이미 공지된 원리 및 실시예에 의거하여 이뤄진다.

펌프(18)는 작동 위치에 위치되며, 음(-)의 포텐셜은 캐소드(12)의 각각에 가해진다. 처리 가스는 분할 벽(4)과 개구부(6)에 배치된 기판 사이의 영역내로 채널(38) 및 출구 구멍(40)을 거쳐서 도입된다. 적절한 처리 가스 밀도가 설정된 경우에, 플라즈마가 형성되며, 소망하는 처리 작업이 실행된다.

이제 도 2를 참조하면, 분할 벽(4)과 기판 사이의 영역에 형성된 플라즈마는 입구에 근접한 지점까지 또는 각 도관(22)의 보다 낮은 말단까지 연장되는 이온의 공급원을 형성할 것이다. 각 펌핑 셀에 있어서, 전계는 관련 원뿔체(34)와 분할 벽(4) 아래의 플라즈마 영역 사이에 설정되며, 전계 라인은 도관(22)을 통해 연장된다.

각 원뿔체(34)와 분할 벽(4) 아래의 플라즈마 영역 사이의 전계는 도관(22)의 입구 단부의 근방에서 플라즈마 영역에서 현재 위치되어 있는 양이온을 도관(22)내로 추출하는 기능을 하며, 도관(22)을 통해 이들 이온을 가속할 것이며, 관련 자석(24)에 의해 도관(22)내에 설정된 자계에 의해 안내된다.

공급원(14)에 의해 생성된 플라즈마는 분할 벽(4) 상의 자유 전자의 공급원을 제공할 것이다. 이들 자유 전자는 캐소드(12) 둘레에 그리고 캐소드(12)를 지나서 이들 전자가 도관(22)을 통해 관통되었거나 관통되고 있는 양이온을 중성화할 수 있는 지점까지 확산시킬 것이다. 각 도관(22)의 영역에 도달하는 자유 전자는 도관(22)의 벽에 부착될 수 있는 이온을 중성화하는 효과를 가질 것이다. 도관(22)을 통과하고 자유 전자에 의해 중성화되지 않은 이들 이온은 관련 이온 중성화 원뿔체(34)에 부착될 것이며, 여기에서 이들 이온은 전자와 결합되고, 그에 따라 중성 가스 분자가 된다.

각 도관(22)을 통한 이온의 유동은 분할 벽(4) 아래의 영역에서 압력을 감소시키는 경향이 있는 반면에, 분할 벽(4)상의 영역에서 압력을 증가시킨다. 결과적인 고압력 영역은 펌프(18)의 입구로 연장되며, 이 영역이 비교적 높은 압력에 있기 때문에 펌프(18)는 분자가 이 영역을 벗어나게 효율적으로 펌핑하도록 작용하며, 그에 따라 안정된 값에서 이 영역내의 압력을 유지한다.

높은 중성 가스 압력에 있어서, 가속된 이온은 이온이 대기 가스 분자로부터의 전자를 포집함으로서 중성화되는 전하 교환 반응을 격게 될 것이다. 이러한 프로세스에 있어서, 빠져나가는 활동적인 이온은 에너지가 단지 열적 가스 분자의 에너지만으로 되어 있는 이온으로 대체되며, 이온의 국부적인 밀도는 이온의 속도의 변화에 반비례로 상승될 것이다. 중성화된 고속 이온은 더이상 자화되지 않으며, 완전한 3차원 이동을 재개할 것이다. 그리하여, 국부적인 양(+)의 공간 전하가 발생되어, 이온의 외측 유동을 더 지연시키는 양(+)의 정전계가 된다. 모든 이러한 양(+)의 공간-전하 필드의 발생을 방지하기 위해서, 본 발명은 추가적인 자유 전자를 주입하기 위한 수단, 즉 공급원(14)에 의해 발생된 플라즈마를 제공하여, 이것의 존재로 열 이온 구름을 중화시킨다. 전자가 도관을 통한 이온의 통과 시간보다 상당히 보다 긴 시간동안 플라즈마 도관내에 유지될 것이다. 영구 자석 어레이의 자기 특성은 주입된 전자를 자기적으로 가두어두기 위해 필요한 메커니즘을 제공하며, 이에 의해 주입된 전자 전류의 실질적인 레벨로의 필요한 중성화를 허용한다.

환형 캐소드(12)는 각 환형 캐소드상의 포텐셜이 개별적으로 설정될 수 있게 하는 방법으로 음(-)의 포텐셜 공급원 또는 각각의 음(-)의 포텐셜 공급원에 연결된다. 분할 벽(4)의 표면을 횡단하는 펌핑 작용의 소망하는 제어는 분할 벽(4)과 개구부(6)에 배치된 기판 사이의 영역에 형성된 플라즈마 자계의 대체로 축방향 대칭과 관련하여 처리 챔버의 축과 동심인 환형 캐소드로 달성할 수 있다. 한편, 플라즈마 자계의 다양한 특성은 반경방향을 따라 변화할 것이며, 환형 캐소드(12)의 각각에 개별적으로 선택된 포텐셜을 가함으로써 이들 변형이 고려되는 것이 가능하다.

또한, 캐소드(12)는 어떠한 소망의 방법으로도 구성 및 결합될 수 있다. 예를 들면, 개별 제어되는 독립적인 캐소드가 각 도관(22)에 대해서 제공될 것이다.

분할 벽(4) 아래의 처리 챔버내의 플라즈마 이온 및 전자가 대전되기 때문에, 그것들의 운동은 로렌쯔 힘(Lorentz Force)을 통한 자계에 의해 영향을 받는다.

F = q(E+v×B)

여기에서, F는 전계(E) 및 자계(B)를 통해 속도(v)로 이동하는 전하의 입자(q)의 힘이다. 자기력은 속도(v) 및 자계(B)에 수직이다. 전자 또는 이온과 같은 대전된 입자는 전계 및 자계에 존재하지 않을 경우 완전 3차원 운동이 실행하는 반면에, 이들 자계는 이러한 대전된 입자로 하여금 유효 1차원 운동에 있어서 자계 라인을 따라 이동하도록 한다. 대전된 입자는 자계상에 중심설정되고 그리고 회전반경(r)에 동일한 반경을 가진 나선형 경로로 이동된다.

ρ = Mv_⊥/qB

여기에서 M은 대전된 입자 질량이며, v_⊥는 B에 직교하는 입자 속도의 성분이다. 따라서, 자계가 충분히 강하게 제공되며, 대전된 입자는 본 발명의 도관(22)과 같은 적절히 설계된 배플의 개구부를 통해서 자기적으로 안내될 수 있다.

플라즈마 이온은 이온 음속(c_s)으로 플라즈마의 본체로부터 분할 벽(4)의 표면까지 유동한다.

c_s = (2kT_e/M_i)^1/2

여기에서, kT_e는 플라즈마 전자의 평균 운동 에너지이며, 이온 질량은 M_i이다. 전자는 일반적으로 중성 가스보다 대략 100배 고온이기 때문에, c_s는 중성 가스 분자의 열속도보다 10배 클 수 있다. 이러한 이유 때문에, 플라즈마 이온은 중성 가스 분자보다 상당히 높은 속도에서 도관(22)을 통해 자계를 따라 유동할 것이다.

자계에 의한 이온의 집중은, 그 자체 이온 유동이 3배 증가하는 능력이 있는 것으로 추정된다. c_s의 상술한 값과 조합된 이러한 효과는 도관(22)을 통한 이온의 유동이 동일한 오리피스를 통한 중성 가스 유동 속도보다 30배 클 수 있다는 것을 나타낸다. 30이라는 수치는 대략적인 계산의 결과를 나타낸다. 중성 가스 유동 속도는 소정의 차압력을 가진 도관 개구부의 컨덕턴스의 수치 계산에 의해 결정된다. 차압력은 플라즈마 펌프의 증가된 압력 또는 압축비이다. 도관을 통한 이온 유동은 도관을 통해 이온을 가속하기 위해서 기존의 전기 공간 전하의 능력의 추정치에 의거하여 계산한 것이다.

플라즈마 펌핑 프로세스에 기여할 수 있는 추가적인 수동적인 메커니즘, 즉 플라즈마 유동의 압축이 자석(24)에 의해 발생된 자력선에 의해 형성된 플럭스 튜브의 단면적의 감소에 의해 야기되게 하는 메커니즘이 제공된다. 특히, 플라즈마가 도관(22)쪽으로 유동할 때, 자계 강도는 증가되고, 자력선이 보다 높은 밀도로 수속한다. 이러한 힘의 수속선에 구속된 플라즈마는 또한 동일한 양으로 압축되어야 한다. 자계 라인의 밀도가 자기 강도의 크기와 동일하기 때문에, 압축비는 플라즈마 이온이 힘의 라인으로 경계를 이루는 것으로 고려할 수 있는 자계 강도로 도관(22)의 내부에서 최대 자계 강도의 비이며, 즉 이온 자이로 반경(gyroradius)은 자계의 공간 구배(L_B)를 특징으로 하는 길이보다 짧다.

ρ<L_B=(dB/dz)^-1

여기에서, z는 각 도관(22)의 축의 방향이다.

전자 회전반경은 이온 회전반경보다 통상적으로 상당히 작으며, 그에 따라 이러한 기준에서 이용되어야 한다. 이들 기본 플라즈마 펌핑 원리의 시퀀스는 기본적으로 이상적인 펌프의 설명에서 상술되어 있다.

이온 음속에서의 이온의 유동은 플라즈마의 본체가 전기적으로 중성화되는 것으로 자발적으로 발생되는 양(+)의 "동시이극성(ambipolar)" 포텐셜의 존재에 따라 좌우된다. 이러한 중성화는 평균적으로 플라즈마 전자가 플라즈마 이온과 동일한 속도에서 플라즈마의 본체로부터 상실될 때에만 유지된다. 매우 보다 가동적인 전자가 이온보다 매우 높은 속도로 플라즈마를 이탈하기 때문에, 정전기 포텐셜은 자발적으로 발생되며, 이 포텐셜은 전자를 제한하고 그리고 플라즈마로부터 이온의 수치와 동일한 수치까지 상실 속도가 감소된다. 이러한 양(+)의 포텐셜이 플라즈마의 본체를 통해 거의 일정하지만, 플라즈마의 표면 근방에서 국부화된 영역("외장")에서 감소된다. 이러한 표면 외장에 도달하는 이온은 캐소드(12)에 의해 생성된 자계와 현재 전자 공간 전하에 의해 함께 형성되는 관련 정전계에 의해 이온 음속으로 가속된다.

분할 벽(4)의 각 환형 영역에서의 펌핑 속도는 관련 환형 캐소드(12)에서 음(-)의 포텐셜의 함수이다. 도 1 내지 도 3에 도시된 형태의 장치는 분할 벽(4)쪽으로의 이온 플럭스의 대체로 30%보다 크게 되도록 추정되는 상당한 소량을 펌핑할 수 있다. 펌핑 효율을 나타내는 이러한 소량은 이극성 확산에 의해 분할 벽(4)의 표면에 도달하는 이온의 플럭스로 펌핑되는 이온의 양을 비교함으로써 계산될 수 있다. 펌핑 성분에 의해 발생되고 분할 벽(4) 아래의 플라즈마 체적으로 연장되는 모든 자기 및 전계는 무시할정도로 작고, 그에 따라 처리 챔버내에 실행되는 플라즈마 관련 제조 작업시에 무시할만한 효과를 갖고 있다.

일 실시예에 따르면, 그리고 본 발명의 비제한적인 실시예에 따르면, 분할 벽(4)은 2.5인치 정도의 두께를 가질 수 있으며, 도관(22)은 가장 좁은 지점에서 0.5인치의 직경을 가질 수 있으며, 캐소드(12)는 도관(22)의 출구 단부상에 또는 분할 벽(4)의 상부 표면상에서 약 0.5인치에 위치될 수 있으며, 캐소드(12)상의 포텐셜은 100V 정도일 수 있으며, 출구 챔버에서의 플라즈마 밀도는 1×10¹²이온/㎤이다.

이제 도 4를 참조하면, 도관(22')이 곡선, 예를 들면 타원형 형태를 갖는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것이다. 도관(22')을 통해 이온을 흡인하기 위한 전계는 원통형 캐소드(50)에 음(-)의 포텐셜을 가함으로써 생성된다. 자유 전자는 열이온 전자 이미터를 구성하도록 음(-)으로 바이어스되고 가열되는 링(52)으로부터 공급된다.

도 4에 도시된 실시예는 도 1 내지 도 3의 실시예에서와 같이 냉각 유체 통로 및 가스 주입 채널(38)과 구멍(40)에 의해 둘러싸인 영구 자석의 장치와 동일하다.

자유 또는 중성화 전자의 공급원이 열이온 전자 이미터와 반대로 플라즈마인 경우에, 본 발명에 따른 플라즈마 진공 펌프는 열이온 이미터의 고온 가열된 표면과 작용하고 화학적으로 에칭되는 화학적으로 작용하는 재료를 펌핑하는데 이용될 수 있다. 한편, 열이온 이미터는 플라즈마를 발생하기 위한 시스템보다 비용적으 로 적을 수 있으며, 따라서 열이온 이미터의 고온 가열된 표면에 반대로 영향을 주지 않는 펌핑 종에 대해서 바람직하다.

본 발명에 따른 다수의 셀을 포함하는 플라즈마 펌프는 셀이 서로 상대적으로 근접하게 위치되게 하고 그리고 분할 벽(4)의 표면 영역의 큰 부분을 커버하게 하는 형태를 갖고 있다. 인접한 셀이 자석을 공유하는 사실은 셀이 비교적 근접하게 함께 배치할 수 있게 한다.

본 발명에 따른 장치의 실시예에 있어서, 분할 벽(4)상의 영역을 벗어나게 가스를 펌핑하기 위한 펌프(18)는 성분 터보분자 펌프 및 전방 펌프로 구성되는 보조 펌프 시스템으로 대체될 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 진공 펌프를 이용하는 장치에 있어서, 성취될 수 있는 펌핑 속도는 플라즈마 진공 펌프의 표면 영역에 따라 좌우될 것이다. 분할 벽(4)과 기판 사이의 플라즈마 영역이 도 1에 도시된 방법으로 경사진 경우에, 플라즈마 진공 펌프의 표면 영역은 처리될 표면 영역과 비교할 때 비교적 크게 제조될 수 있다.

도 1에 도시된 형태를 가진 장치의 예시적인 실시예에 있어서, 기판의 레벨, 즉 개구부(6)의 레벨에서 하우징(2)에 의해 둘러싸인 공간의 직경은 33㎝ 정도이며, 분할 벽(4)의 레벨에서 챔버의 직경은 53㎝ 정도이며, 기판과 분할 벽(4) 사이의 공간의 수직 높이는 10.2㎝ 정도이다. 분할 벽(4)과 개구부(6) 사이의 영역에서 챔버의 평균 직경은 대략 43.2㎝이다. 이러한 실시예에 있어서, 문제의 챔버는 대략 14.88리터의 체적을 가지며, 분할 벽(4)에 의해 규정되는 펌핑 표면은 223.46 ㎠ 정도의 영역을 갖고 있다. 1mT의 프로세스 압력과, 1.5×10²이온/cc 정도의 플라즈마 밀도와, 0.035A/㎠ 정도의 이온 포화 전류 밀도를 가지는 경우에, 1.4×10⁴리터/초 정도의 최대 펌핑 속도가 성취될 수 있다. 실제 펌핑 속도는 펌핑 효율을 곱하여 상술한 값이 된다. 프로세스 챔버내의 이온의 평균 잔류 시간은 0.0011초/효율로서 표시될 수 있다.

본 발명의 단지 몇몇 예시적인 실시예를 상술하였지만, 당업자들은 본 발명의 신규한 기술 및 이점을 벗어남이 없이 예시적인 실시예내에서 많은 변경이 이뤄질 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 따라서, 모든 이러한 변경은 본 발명의 영역내에 포함된다.

Claims

플라즈마 펌핑 셀(plasma pumping cell)이 제 1 영역과 제 2 영역 사이에 개재되어 있는 경우에, 플라즈마를 수용하고 있는 제 1 영역으로부터 제 2 영역으로 이온을 펌핑하기 위한 플라즈마 펌핑 셀에 있어서,

상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이에 위치가능하고, 도관을 형성하는 관통 개구부를 구비하는 분할 부재와,

상기 도관을 통해 연장되는 자력선(lines of magnetic force)을 제공하도록 상기 도관에 대해서 위치되는 다수의 자석과,

상기 도관과 연통되는 자유 전자의 공급원과,

상기 도관으로부터 상기 제 2 영역까지 이온을 가속하는 정전계(electrostatic field)를 형성하도록 상기 도관에 대해서 위치된 전기 포텐셜(electric potential) 공급원을 포함하는

플라즈마 펌핑 셀.
제 1 항에 있어서,

상기 분할 부재는 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이에 상기 펌핑 셀이 개재되는 경우에 각기 상기 제 2 영역 및 제 1 영역에 대면하는 상부벽 및 저부벽을 구비하며,

상기 관통 개구부는 상기 도관을 제한하고 상기 상부벽과 저부벽 사이로 연장되는 도관 벽을 구비하며,

상기 다수의 자석은 상기 도관 벽에 대체로 평행하게 연장되는 힘의 라인(lines of force)을 가진 자계를 생성하는

플라즈마 펌핑 셀.
제 2 항에 있어서,

상기 다수의 자석은 상기 도관 둘레에 간격을 두고 배치된 영구 자석이며, 상기 도관 둘레에 교호하는 자기 극성을 갖도록 배향되는

플라즈마 펌핑 셀.
제 3 항에 있어서,

상기 도관은 종방향 중심축을 가지며, 상기 다수의 영구 자석에 의해 생성된 자계는 상기 중심축을 따라서 최소 강도를 갖고 있는

플라즈마 펌핑 셀.
제 2 항에 있어서,

상기 도관 벽은 상기 상부벽 및 저부벽에 평행하고 그 사이에 개재된 평면에서 최소 직경을 상기 도관에 제공하는 대체로 볼록한 형태를 갖고 있는

플라즈마 펌핑 셀.
제 5 항에 있어서,

상기 도관 벽은 사다리꼴로 형성된 형태를 갖고 있는

플라즈마 펌핑 셀.
제 5 항에 있어서,

상기 도관 벽은 곡선 형상(a curved shape)으로 형성된 형태를 갖고 있는

플라즈마 펌핑 셀.
제 5 항에 있어서,

상기 분할 부재는 전기 전도성 재료의 본체와, 상기 관통 개구부를 둘러싸는 세라믹 인서트를 포함하는

플라즈마 펌핑 셀.
제 1 항에 있어서,

상기 자유 전자의 공급원은 플라즈마를 포함하는

플라즈마 펌핑 셀.
제 1 항에 있어서,

상기 자유 전자의 공급원이 열이온 전자 이미터를 포함하는

플라즈마 펌핑 셀.
제 1 항에 있어서,

상기 전기 포텐셜 공급원이 상기 도관의 정면에 위치되고 음(-)의 포텐셜로 유지되는 캐소드 요소를 포함하는

플라즈마 펌핑 셀.
플라즈마 펌핑 셀이 제 1 영역과 제 2 영역 사이에 개재되는 경우에, 플라즈마를 수용하고 있는 제 1 영역으로부터 제 2 영역으로 이온을 펌핑하기 위한 플라즈마 펌핑 셀에 있어서,

상기 제 2 영역으로부터 상기 제 1 영역을 분리시키기 위한 것으로 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이에 도관을 형성하는 분할 수단과,

상기 제 1 영역으로부터 상기 제 2 영역까지 도관을 통해 이온을 안내하기 위해 도관을 통해 연장되는 자력선을 갖는 자계를 형성하기 위한 수단과,

상기 제 1 영역으로부터 상기 제 2 영역까지 상기 도관을 통해 유동하는 이온을 중성화하기 위해 상기 제 2 영역내에 자유 전자의 공급원을 제공하기 위한 수단과,

상기 도관내로부터 상기 제 2 영역까지 이온을 가속하기 위해서 일정 위치에서 전계를 발생시키기 위한 수단을 포함하는

플라즈마 펌핑 셀.
제 12 항에 있어서,

상기 분할 수단은 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이에 상기 펌핑 셀이 삽입되는 경우에 각기 상기 제 2 영역 및 제 1 영역에 대면하는 상부벽 및 저부벽을 포함하며,

상기 도관이, 상기 도관을 제한하고 상기 상부벽과 저부벽 사이로 연장되는 벽을 구비하며,

자계를 생성하기 위한 상기 수단이 상기 도관 벽에 대체로 평행하게 연장되는 힘의 라인을 가진 자계를 생성하는 다수의 자석을 포함하는

플라즈마 펌핑 셀.
제 13 항에 있어서,

상기 다수의 자석은 상기 도관 둘레에 간격을 두고 배치된 영구 자석이며, 상기 도관 둘레에 교호하는 자기 극성을 갖도록 배향되는

플라즈마 펌핑 셀.
제 14 항에 있어서,

상기 도관은 종방향 중심축을 가지며, 상기 다수의 영구 자석에 의해 생성된 자계는 상기 중심축을 따라서 최소 강도를 갖고 있는

플라즈마 펌핑 셀.
제 15 항에 있어서,

상기 도관 벽은 상기 상부벽 및 저부벽에 평행하고 그 사이에 삽입된 평면에서 최소 직경을 상기 도관에 제공하는 대체로 볼록한 형태를 갖고 있는

플라즈마 펌핑 셀.
제 16 항에 있어서,

상기 도관 벽은 사다리꼴로 형성된 형태를 갖고 있는

플라즈마 펌핑 셀.
제 16 항에 있어서,

상기 도관 벽은 곡선 형상(a curved shape)으로 형성된 형태를 갖고 있는

플라즈마 펌핑 셀.
제 16 항에 있어서,

상기 분할 수단은 전기 전도성 재료의 본체와, 상기 관통 개구부를 둘러싸는 세라믹 인서트를 포함하는

플라즈마 펌핑 셀.
제 12 항에 있어서,

자유 전자의 공급원을 제공하기 위한 상기 수단이 플라즈마를 포함하는

플라즈마 펌핑 셀.
제 12 항에 있어서,

자유 전자의 공급원을 제공하기 위한 상기 수단이 열이온 전자 이미터를 포함하는

플라즈마 펌핑 셀.
제 12 항에 있어서,

전계 포텐셜을 생성하기 위한 상기 수단이 상기 도관의 정면에 위치되고 음(-)의 포텐셜로 유지되는 캐소드 요소를 포함하는

플라즈마 펌핑 셀.
플라즈마를 함유하는 제 1 영역으로부터 제 2 영역까지 이온을 펌핑하기 위한 방법에 있어서,

상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역 사이에 분할 부재를 배치하는 단계로서, 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이로 연장되고 상기 제 1 및 제 2 영역과 연통되는 도관을 상기 분할 부재가 구비하는, 상기 배치 단계와,

상기 제 1 영역으로부터 상기 제 2 영역까지 도관을 통해 이온을 안내하기 위해 상기 도관을 통해 연장되는 자력선을 갖는 자계를 형성하는 단계와,

상기 제 1 영역으로부터 상기 제 2 영역까지 도관을 통해서 유동하는 이온을 중성화하기 위해 제 2 영역내에 자유 전자의 공급원을 제공하는 단계와,

상기 도관내로부터 상기 제 2 영역까지 이온을 가속하기 위해 전계를 일정 위치에 생성하는 단계를 포함하는

이온 펌핑 방법.
제 23 항에 있어서,

상기 전계를 생성하는 상기 단계가 상기 도관을 통한 이온의 유동 속도를 조절하도록 전계의 강도를 조정하는 단계를 포함하는

이온 펌핑 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 다수의 자석이 상기 도관 둘레에 간격을 두고 배치된 영구 자석인

플라즈마 펌핑 셀.
제 25 항에 있어서,

상기 도관이 종방향 중심축을 구비하며, 상기 다수의 영구 자석에 의해 생성된 자계가 상기 중심축을 따라 최소 강도를 갖고 있는

플라즈마 펌핑 셀.
제 1 항에 있어서,

상기 플라즈마 펌핑 셀이 상기 제 1 영역에 배치된 플라즈마와 조합되는

플라즈마 펌핑 셀.
제 1 항에 있어서,

상기 플라즈마 펌핑 셀이 상기 제 1 영역에서 플라즈마를 생성하기 위해 무선주파수 공급원과 조합되는

플라즈마 펌핑 셀.
제 1 항에 있어서,

상기 분할 부재는 적어도 상기 관통 개구부를 둘러싸는 영역이 전기 절연 재료로 제조되는

플라즈마 펌핑 셀.
제 13 항에 있어서,

상기 다수의 자석이 상기 도관 둘레에 간격을 두고 배치된 영구 자석인

플라즈마 펌핑 셀.
제 30 항에 있어서,

상기 도관이 종방향 중심축을 가지며, 상기 다수의 영구 자석에 의해 생성된 자계가 상기 중심축을 따라서 최소 강도를 갖고 있는

플라즈마 펌핑 셀.
제 12 항에 있어서,

상기 플라즈마 펌핑 셀이 상기 제 1 영역에 배치된 플라즈마와 조합되는

플라즈마 펌핑 셀.
제 12 항에 있어서,

상기 플라즈마 펌핑 셀이 상기 제 1 영역에서 플라즈마를 생성하기 위해서 무선주파수 공급원과 조합되는

플라즈마 펌핑 셀.
제 1 항에 있어서,

상기 분할 부재는 적어도 상기 관통 개구부를 둘러싸는 영역이 전기 절연 재료로 제조되는

플라즈마 펌핑 셀.
제 23 항에 있어서,

상기 제 1 영역에서 플라즈마를 생성하는 단계를 더 포함하는

이온 펌핑 방법.
제 24 항에 있어서,

플라즈마를 생성하기 위한 상기 단계가 RF 전력을 공급함으로써 수행되는

이온 펌핑 방법.