KR101476881B1

KR101476881B1 - 플라즈마 제트 생성 방법 및 플라즈마 소스

Info

Publication number: KR101476881B1
Application number: KR1020117028210A
Authority: KR
Inventors: 미하엘 셰러; 쥐르겐 피슈트너
Original assignee: 레이볼드 압틱스 게엠베하
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2014-12-26
Also published as: CN102460634B; EP2425445B1; JP2016035925A; JP2012525668A; CN102460634A; JP5850829B2; WO2010124836A1; KR20120014178A; DE102009018912A1; EP2425445A1

Abstract

추출 전극 및 여기 면을 갖는 여기 전극을 구비한 HF 전극 장치에 고주파 전압을 인가함으로써 전기장 및 자기장에 의해 생성된 플라즈마로부터 추출되는 중성의 플라즈마 제트를 생성하기 위한 방법으로서, 추출 전극과 여기 면 사이에 플라즈마 챔버가 배치되고, 플라즈마의 시간 평균된 전위는 추출 전극의 전위에 비해 더 높고 플라즈마의 전위는 플라즈마 양이온들을 가속하는 전위로 되며, 플라즈마 및 추출된 플라즈마 제트가 자기장에 의해 영향을 받는 플라즈마 제트 생성 방법에서, 자기장을 생성하기 위해 플라즈마의 반대쪽을 향한 측에서 여기 전극의 배후에 배치되는 평판형 마그네트론을 사용하되, 평판형 마그네트론의 자기 N극 및 자기 S극이 플라즈마 챔버의 내부로 향하여 플라즈마 챔버의 내부로 돌출하는 곡선형 자기장이 형성되게 하도록 조치한다. 추출 전극 및 정합 회로망을 통해 HF 발진기와 연결될 수 있거나 연결되고 여기 면을 갖는 여기 전극을 구비한 HF 전극 장치를 구비한 플라즈마 용기를 포함하되, 플라즈마가 여기될 수 있는 플라즈마 챔버가 여기 면과 추출 전극 사이에 놓이고, 추출 전극에서 고주파 전압의 거의 전체가 강하하도록 추출 전극의 면적 및 여기 면의 면적의 크기가 선택되며, 자기장을 생성하기 위한 자기 장치를 포함하는, 제 1 항에 따른 방법을 수행하기 위한 플라즈마 소스에서, 자기 장치가 플라즈마의 반대쪽을 향한 측에서 여기 전극의 배후에 각각 배치되고 플라즈마 챔버의 내부로 향하여 플라즈마 챔버의 내부로 돌출하는 곡선형 자기장이 형성될 수 있게 하는 적어도 하나의 자기 N극과 자기 S극을 구비하는 평판형 마그네트론으로서 형성되고, 그에 따라 하전 입자들이 터널형 영역에 유지되고 터널형 영역을 따라 펼쳐질 수 있는 것인 터널형 영역이 형성될 수 있도록 조치한다.

Description

플라즈마 제트 생성 방법 및 플라즈마 소스{METHOD FOR PRODUCING A PLASMA JET AND PLASMA SOURCE}

본 발명은 각각 독립 청구항들의 전제부의 특징들에 따른 플라즈마 제트(plasma jet)를 생성하는 방법 및 그 방법을 수행하기 위한 플라즈마 소스(plasma source)에 관한 것이다.

1㎒ 내지 20㎒의 주파수 범위에 있는 고주파(HF)로 여기되고, 격자에 의해 폐쇄되고 그로부터 플라즈마 제트가 추출되는 플라즈마 챔버를 구비한 플라즈마 소스들이 공지되어 있는데, 통상적으로 자기장에 의해 인가되는 플라즈마를 유도성 여기 방식(inductive excitation)으로 여기하는 것과 용량성 여기 방식(capacitive excitation)으로 여기하는 것으로 구분된다. 그러한 유도성 여기 및 혼합된 유도성/용량성 여기 방식의 고주파 플라즈마 소스들에서는 유도 HF 커플링 코일 또는 권선과 수직으로 거의 균일한 자기장을 생성하여 플라즈마 밀도의 증가를 가져오는 헬름홀츠(Helmholz) 코일이 사용된다.

DE 694 210 33 T2로부터, 시스템 구성 요소들의 수가 감소하면서도 진공 챔버의 외부에 배치된 영구 자석에 의해 플라즈마 밀도가 증가하는, 예컨대 무선 주파수 영역(RF)에서 동작하는 유도 플라즈마 소스가 공지되어 있다.

DE 100 084 82 A1로부터, 자기장 코일 어셈블리 및 플라즈마 제트 추출 유닛을 구비한 HF 플라즈마 소스가 공지되어 있는데, 그 HF 플라즈마 소스에서는 여기 전극에 횡 자기장(transverse magnetic field)이 중첩되고, 횡 자기장의 생성을 위해 플라즈마 볼륨(plasma volume)의 둘레에 자기장 코일들이 배치된다. 이때, 유도성 플라즈마 여기 방식과 용량성 플라즈마 여기 방식 사이에서 선택을 할 수 있는데, 이온 에너지를 10 eV 내지 약 1000 eV의 범위에서 설정할 수 있다.

용량성 커플링 방식의 플라즈마 소스가 EP 0349556 B1로부터 공지되어 있는데, 그에 따르면 예컨대 고체 표면의 절삭 및 구조화를 위해, 입자 포격(particle bombardment)에 의한 표면 도핑의 제조를 위해, 또는 표면 층의 생성을 위해, 플라즈마 제트가 추출될 수 있다. 그러한 공지의 플라즈마 소스는 플라즈마 챔버를 둘러싸는 플라즈마 용기 및 정합 회로망(matching network)을 통해 고주파 발진기와 연결되는 2개의 대면적 전극들을 포함한다. 전극들의 면적은 추출 전극에서 고주파 전압의 거의 전체가 강하하도록 선택된다. 추출 전극은 단지 모양의 플라즈마 용기의 개구부 내에 배치된다. 커플링 전극으로서의 역할을 하는 다른 전극에는 고주파 전압이 인가되는데, 추출 전극은 접지 전위로 된다. 여기 전극에 고주파 전압이 인가되고 플라즈마 챔버에 공정 가스가 공급되면, 플라즈마 챔버에서는 플라즈마가 점화된다. 플라즈마는 자연적으로 추출 전극에 비해 더 높은 플러스 전위로 되는데, 플라즈마의 이온들은 플라즈마와 접촉하고 있는 추출 전극 쪽으로 가속되어 추출 전극을 통과한다. 추출 전극에 의해 추출된 이온 전류는 고주파의 클록(clock)으로 흐르는 동일한 크기의 전극 전류에 의해 중첩되고, 그에 따라 시간 평균하여 전기적으로 중성의 플라즈마 제트가 플라즈마 소스로부터 추출된다. 그러한 타입의 HF 플라즈마 소스들은 통상적으로 50 eV 내지 100 eV의 이온 에너지에 대해 10^-4mbar 내지 10^-2mbar의 작동 압력 범위에서 사용된다. 플라즈마 소스의 특성들을 개선하기 위해, 앞서의 문헌에서는 플라즈마 용기와 동축상으로 배치된 자기장 코일들을 사용하여 플라즈마 용기를 외부로부터 둘러쌈으로써 적절히 형성된 축방향 정자기장(constant magnetic field)을 플라즈마 용기에 중첩하는 것을 제안하고 있다. 이때, 자기력선들이 플라즈마 용기의 벽과 평행하게 연장되는 영역들에서는 플라즈마 입자들이 벽으로 확산 이동하는 것이 제한될 수 있고, 그에 의해 벽 손실(wall loss)이 대폭 감소하며, 플라즈마 밀도가 증가할 수 있다. 그것은 다시 추출된 플라즈마 제트에서 이온 전류 밀도 및 전자 전류 밀도를 증가시키는 역할을 한다. 통상적으로, 2개의 솔레노이드 코일들이 플라즈마 용기의 둘레에 배치되는데, 플라즈마 용기에서 반대 방향의 전류들, 즉 반발하는 자기장들이 생성될 경우에 매우 효과적인 전자 감금 및 그에 따른 높은 플라즈마 밀도가 달성된다.

WO 2005/008717로부터, 자기장에 의해 형성되는 플라즈마 제트를 생성하기 위한 용량성 여기 방식의 HF 플라즈마 소스로서, 균일한 자기장에 의해 플라즈마 밀도의 증가 및 그에 따른 상대적으로 낮은 플라즈마 압력에서의 소스의 동작을 가능하게 하는 HF 플라즈마 소스가 공지되어 있는데, 여기서는 자기장의 생성을 위해 코일 세트 또는 영구 자석이 마련된다.

공지의 유도성 여기 방식 및/또는 용량성 여기 방식의 HF 플라즈마 소스들은 비용 집약적인 방안들로서, 전술한 자기장 코일들의 사용에 의거하여 많은 공간을 필요로 하고, 복잡한 구조를 가지며, 그에 따라 대면적 기판들의 플라즈마 처리를 위한 크기로 스케일을 조정하기 부적합하고, 예컨대 건축 유리 코팅 시스템 또는 드럼 시스템에 사용하기 위한 직사각형 소스들로서는 덜 적합하다.

플라즈마 챔버에 매우 가깝게 근접할 수 있는 표면들의 코팅 또는 에칭을 위해, 자기장들에 의해 플라즈마가 인가되는 무격자 HF 플라즈마 소스들이 공지되어 있다. 즉, 예컨대 DE 41 096 19 C1은 2개의 전극들을 구비하되, 그 중의 제1 전극이 중공 전극으로서 형성되고, 기판을 지지할 제2 전극이 제1 전극의 중공 공간의 전방에 놓이는 HF 플라즈마 소스를 개시하고 있다. 중공 전극은 암실 스크린에 의해 둘러싸이고, 제2 전극 쪽을 향한 에지들 구비하는데, 그 에지들 사이에는 제1 전극과 동일한 전위로 되는 돌출부들이 마련된다. 돌출부들 사이에는 방전 기하 형태, 방전 압력, 및 고주파 출력과는 무관하게 기판 바이어스를 설정할 수 있는 영구 자석이 마련된다.

또한, DE 102 478 8 A1로부터, 그 사이에 플라즈마 방전을 유지할 수 있는 2개의 전극들을 구비하는, 고주파 방전에 의해 플라즈마를 생성하는 장치가 공지되어 있는데, 하나의 전극은 중공 전극으로서 구성되고, 접지 면이 상대 전극을 형성하며, 플라즈마 방전의 반대쪽을 향한 중공 전극의 측면이 스크린 전극에 의해 둘러싸인다. 상대 전극과 중공 전극 사이에는 코팅할 기판이 배치되고, 그에 따라 기판 자체가 조밀한 플라즈마로 채워진 챔버의 클로저(closure)를 형성하여 플라즈마 처리의 높은 효율을 제공한다. 중공 전극과 스크린 전극 사이의 빈 공간에서는 중공 전극의 외면에 영구 자석이 마련되는데, 그 영구 자석은 중공 전극의 내부에서 플라즈마 밀도의 증가를 가져오는 자기장을 제공한다.

전술한 무격자 소스들에서의 단점은, 플라즈마를 인가할 면들이 플라즈마 챔버에 매우 가깝게 접근되어야 하는 동시에, 플라즈마 용기의 임시 벽으로서 역할을 하여야 한다는 것이다.

자기장들은 마그네트론 스퍼터(magnetron sputter)에서도 플라즈마 밀도를 증가시키고 동일한 작동 압력에서 타깃으로부터 털어지는(스퍼터링되는) 물질의 스퍼터링 속도를 증가시키기 위해 사용된다. 즉, DE 24 318 32 A로부터, 캐소드의 작용 표면들로부터 유출되고 다시 그로 유입되는 자기력선들이 유출 지점과 재유입 지점 사이에서 연장되어 터널형 영역을 제공하고, 그 터널형 영역에서 하전 입자들이 유지되고 이동할 수 있는 캐소드 분무 도금 장치(마그네트론 스퍼터링 장치)가 공지되어 있다. 이때, 플라즈마 쪽을 향한 캐소드의 정면은 평탄하거나 오목한 또는 볼록한 곡률을 가질 수 있다. 또한, 캐소드는 원형 또는 직사각형 형태를 가질 수 있다. 또한, DE 24 172 88 C2로부터, 분무 면으로부터 나왔다 그로 복귀하는 자기력선들이 폐쇄된 루프의 형태를 갖는 방전 영역을 형성하도록 자기 장치가 배치되되, 코팅하려는 기판 쪽을 향한 분무할 캐소드 표면이 평탄하고, 기판이 방전 영역 부근에서 평탄한 분무 면과 평행하게 그 너머로 이동할 수 있으며, 자기장을 생성하는 자기 장치가 분무 면의 반대쪽을 향한 캐소드의 측면에 배치되는 캐소드 분무 도금 장치가 공지되어 있다.

그러한 공지의 캐소드 분무 도금 장치들에서는, 캐소드가 그와 대응하는 애노드의 전위 미만의 전위로 되도록 캐소드와 애노드가 접속된다.

본 발명이 해결하려고 하는 과제는 간단하고도 효과적인 방식으로 플라즈마 제트를 생성하는 것이다.

그러한 과제는 본 발명에 따라 독립 청구항들의 특징들에 의해 해결된다.

추출 전극 및 여기 면을 갖는 여기 전극을 구비한 HF 전극 장치에 고주파 전압을 인가함으로써 전기장 및 자기장에 의해 생성된 플라즈마로부터 추출되는 플라즈마 제트를 생성하기 위한 방법으로서, 추출 전극과 여기 면 사이에 플라즈마 챔버가 배치되고, 플라즈마의 시간 평균된 전위는 추출 전극의 전위에 비해 더 높고 플라즈마의 전위는 플라즈마 양이온들을 가속하는 전위로 되며, 플라즈마 및 추출된 플라즈마 제트가 자기장에 의해 영향을 받는, 본 발명에 따른 플라즈마 제트 생성 방법에서는, 자기장을 생성하기 위해 플라즈마의 반대쪽을 향한 측에서 여기 전극의 배후에 각각 배치되고 플라즈마 챔버의 내부로 향하여 플라즈마 챔버의 내부로 돌출하는 곡선형 자기장이 형성되게 하는 적어도 하나의 자기 N극과 자기 S극을 사용하고, 적어도 하나의 N극 또는 S극을 길쭉하게 형성하여 하전 입자들이 터널형 영역에 유지되고 터널형 영역을 따라 펼쳐질 수 있는 것인 터널형 영역이 플라즈마 중에 형성되도록 하는 조치가 취해진다.

플라즈마의 생성을 위해, 공정 가스 및/또는 반응성 가스, 바람직하게는 아르곤 및/또는 산소를 플라즈마 챔버에 보내고, 경우에 따라 압력 임펄스의 보조 하에 점화시킨다.

생성된 플라즈마와 추출 전극 사이에 쇼트키 랑뮈에(Schottkey-Langmuir) 공간 전하 층(space charge layer)이 형성되는데, 그 두께 d는 전류 밀도 j와 플라즈마 에지와 추출 전극 사이의 전압 강하 U에 의존하여 달라진다.

여기서,

ε ₀: 진공의 유전 상수

e: 기본 전하(elementary charge)

m _ion : 해당 이온들의 질량

본 발명에 따른 방법에서는, 플라즈마 양이온들과 전자들이 가속되고, 추출 격자를 통해 플라즈마 챔버를 떠나며, 시간 평균하여 중성의 추출된 플라즈마 제트로서 진공 챔버의 내부로 유입되어 기판에 부딪히는데, 플라즈마와 추출된 플라즈마 제트는 자기장에 의해 영향을 받는다. 추출 전극을 접지 전위로 하도록 조치하는 것이 바람직하다. 그 경우, 그 개시 내용이 전부 본 명세서의 개시 내용에 참조로 포함되는 EP 0349556 B1에 나타난 바와 같이, 플라즈마는 자연적으로 추출 전극에 비해 더 높고 플라즈마 양이온을 가속하는 전위로 되는데, 왜냐하면 추출 전극에 의해 덮이는 면의 크기의 비율이 여기 면의 크기에 비해 충분히 작으면 상대적으로 큰 DC-자기 바이어스(self bias)가 형성되기 때문이다. 자기장에 의해서도 영향을 받는 DC-자기 바이어스는 각각의 전극의 전방의 플라즈마 에지 층에서 하강하는 평균 전압의 상대 비율을 반영한다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 있어서, 추출 전극을 외부 전압원과 연결하고, 그리하여 접지 전위와는 다른 전위로 할 수 있는데, 이때에는 일반적으로 중성의 플라즈마 제트가 아니라 이온 제트가 생성된다. 경우에 따라서는, 이온 제트가 인가되는 기판의 하전을 공지의 수단에 의해 방지할 수 있다.

자기장의 생성을 위해 본 발명에 따라 플라즈마의 반대쪽을 향한 측에서 여기 전극의 배후에 각각 배치되고 플라즈마 챔버의 내부로 향하여 플라즈마 챔버의 내부로 돌출하는 곡선형 자기장이 형성되게 하는 자기 N극과 자기 S극을 사용할 경우, 하전 입자들이 터널형 영역에 유지되고 터널형 영역을 따라 펼쳐질 수 있는 것인 터널형 영역이 플라즈마 중에 형성될 수 있는데, 이때 적어도 하나의 N극 또는 S극은 길쭉하게 형성된다. 그와 같이 생성되는 자기장은 바람직하게도 자기장의 세기에 각각 의존하여 5 내지 8×10^-4mbar 아래까지의 낮은 작동 압력에서도 플라즈마 중의 전자들의 작은 자유 경로 길이(free path length)를 유발하고, 마그네트론 스퍼터와 관련하여 이미 공지되어 있기는 하지만, 전제된 바에 따른 HF 플라즈마 소스들에는 사용되고 있지 않다. 여기 면의 표면에서의 자기장은 더 높은 자기장 세기를 생각해 볼 수도 있지만 10mT 내지 1500mT의 값으로 생성되는 것이 바람직하다.

마그네트론 스퍼터로부터 공지된 이러한 자기장의 사용례와는 달리, 본 발명에 따른 방법에서는 여기 전극이 스퍼터링되지 않거나 단지 약간만 스퍼터링되는데, 그것은 플라즈마 양이온들이 전기장에 의해 추출 전극 쪽으로 가속되고, 여기 전극 또는 그 표면 쪽으로는 가속되지 않기 때문이다.

추출 전극 및 정합 회로망을 통해 HF 발진기와 연결될 수 있거나 연결되고 여기 면을 갖는 여기 전극을 구비한 HF 전극 장치를 구비한 플라즈마 용기를 포함하되, 플라즈마가 여기될 수 있는 플라즈마 챔버가 여기 면과 추출 전극 사이에 놓이고, 추출 전극에서 고주파 전압의 거의 전체가 강하하도록 추출 전극의 면적 및 여기 면의 면적의 크기가 선택되며, 자기장을 생성하기 위한 자기 장치를 포함하는, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 소스는 자기 장치가 플라즈마의 반대쪽을 향한 측에서 여기 전극의 배후에 각각 배치되고 플라즈마 챔버의 내부로 향하여 플라즈마 챔버의 내부로 돌출하는 곡선형 자기장이 형성되게 하는 적어도 하나의 자기 N극과 자기 S극을 구비하되, 적어도 하나의 N극 또는 S극이 길쭉하게 형성되어 하전 입자들이 터널형 영역에 유지되고 터널형 영역을 따라 펼쳐질 수 있는 것인 터널형 영역이 형성될 수 있게 하는 것을 특징으로 한다.

전제부에 따른 플라즈마 소스는 이미 언급된 EP 0349556 B1로부터 이미 공지되어 있다. 본 발명에 따르면, 그러한 공지의 플라즈마 소스와는 달리, 자기 장치가 플라즈마의 반대쪽을 향한 측에서 여기 전극의 배후에 각각 배치되고 플라즈마 챔버의 내부로 향하여 플라즈마 챔버의 내부로 돌출하는 곡선형 자기장이 형성되게 하는 적어도 하나의 자기 N극과 자기 S극을 구비하되, 적어도 하나의 N극 또는 S극이 길쭉하게 형성되어 하전 입자들이 터널형 영역에 유지되고 터널형 영역을 따라 펼쳐질 수 있는 것인 터널형 영역이 형성될 수 있게 하는 조치를 취하고 있다.

본 발명에 따른 방법과 유사하게, 본 발명에 따른 플라즈마 소스는 그러한 자기 장치로 인해 매우 효과적인 전자 감금을 구현하고, 그에 따라 매우 높은 플라즈마 전류 밀도를 갖는 높은 플라즈마 밀도를 구현한다.

하전 입자들이 터널형 영역에 유지되고 터널형 영역을 따라 펼쳐질 수 있는 것인 터널형 영역 그 자체가 폐쇄될 경우, 전자 감금 및 플라즈마 밀도가 더욱 향상된다.

HF 전극 장치는 여기 전극이 고정되는 전극 캐리어를 포함하는 것이 바람직하다. 그러한 전극 캐리어는 정면과 배면을 갖는 플레이트형 요소일 수 있는데, 그 요소의 정면에 여기 전극이 부착된다. 전극 캐리어의 요소의 배면에는 자기 장치가 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 여기 면은 적어도 일부 영역에서 플라즈마 챔버 쪽으로 오목하게 형성될 수 있다. 또한, 여기 면은 적어도 일부 영역에서 플라즈마 챔버 쪽으로 볼록하게 형성될 수도 있다. 여기서 사용되는 "오목하게"/"볼록하게"라는 용어는 다음과 같다. 어떤 점의 주위에 있는 면이 관찰자와 동일한 접선 평면의 측에 놓이면, 그것은 관찰자에 대해 오목하게 굽어 있다. 면이 관찰자와는 다른 접선 평면의 측에 놓이면, 그것은 거기에서 볼록하게 굽어 있다.

또 다른 매우 간단한 실시 형태에 있어서, 여기 면의 적어도 일부는 평판형으로 형성된다. 또한, 여기 면은 추출 격자 쪽으로 개방 각도를 갖는 터널형 또는 부분 원통형으로 형성될 수 있는데, 이때 자기 장치 및 경우에 따라 전극 유지 장치는 그 기하 형태에 맞춰 적합하게 형성된다는 것을 이해하여야 할 것이다.

자기 장치는 평판형 마그네트론에서와 같이, 예컨대 DE 2417288 C2 또는 DE 2431832 B2에 개시된 것과 같이 형성되는 것이 매우 바람직하다. 특히, 자기 장치는 원형 또는 직사각형 마그네트론으로서 형성될 수 있다. 자기 장치가 직사각형 마그네트론으로서 형성될 경우, 크기 스케일 확대가 간단하다는 각별한 이점이 있는데, 예컨대 건축 유리 코팅 시스템과 같은 연속 시스템에 있어 플라즈마 제트를 인가할 면을 확대할 수 있다.

특히, 자기 장치가 전술한 바와 같이 원형 또는 직사각형 마그네트론으로서 형성되면, 바람직하게도 시판 중인 HF 전극들 및 여기 전극들을 본 발명에 따른 플라즈마 소스의 자기 장치에 장착할 수 있고, 그에 의해 저렴한 해법을 모색할 수 있다. 여기 면은 그러한 타입의 마그네트론의 스퍼터 타깃에 의해 형성되는 것이 바람직하거나 그에 의해 형성될 수 있는데, 본 발명에 따라 여기 면의 재료가 스퍼터링되지 않거나 단지 약간만 스퍼터링되도록 플라즈마 소스가 작동한다는 것을 이해하여야 할 것이다.

플라즈마 용기는 조립 상태에서 진공 챔버의 내부로 향하는 정면 및 배면을 구비하고, 그 정면과 배면 사이에 플라즈마 챔버가 위치하는 것이 바람직하다. 배면은 진공 챔버의 외부 영역에 배치되는 것이 바람직하다.

바람직한 실시 형태에 있어서, 플라즈마 용기는 진공 챔버 벽의 개구부에 배치되는데, 추출 격자가 진공 챔버의 내부를 향해 정렬된다. 추출 전극은 단순 격자, 천공 시트, 또는 체로서 형성될 수 있다. 그러나 다중 격자도 역시 본 발명에 함께 포함된다는 것을 이해하여야 할 것이다. 추출 전극은 그 개구부들이 추출 전극과 플라즈마 사이의 공간 전하 층의 두께보다 작거나 큰 미세 격자 등으로서 형성될 수 있다. 개구부들이 추출 전극과 플라즈마 사이의 공간 전하 층의 두께보다 클 경우, EP 1614138 A2에 나타난 바와 같이 발산하는 플라즈마 제트가 생성될 수 있다. EP 1614138 A2의 개시 내용은 전부 본 명세서의 개시 내용에 참조로 포함된다.

플라즈마 용기는 진공 챔버 벽 위에 놓일 수 있고, 그에 따라 플라즈마 용기의 적어도 일부가 진공 챔버의 외부 영역으로 돌출할 수 있다.

또 다른 실시 형태에 있어서, 여기 전극에서 기생 플라즈마가 형성되는 것을 방지하기 위해 스크린 면을 구비한 전도성 재료로 이루어진 암실 스크린이 여기 전극에 부속된다. 이때, 스크린 면과 여기 전극의 표면 사이에는 개재 공간이 위치하고, 그 개재 공간은 플라즈마 소스의 동작 시에 여기 전극과 암실 스크린 사이에서의 원하지 않는 방전의 점화가 회피되도록 하는 크기로 된다. 즉, 암실 스크린의 스크린 면과 여기 전극의 대응 표면 사이의 간격은 암실 간격보다 작고, 1㎜ 내지 10㎜, 바람직하게는 1㎜ 내지 5㎜의 범위에 있다. 암실 스크린은 접지 전위로 되는 것이 바람직하다.

플라즈마 용기의 벽의 일부는 암실 스크린으로서 형성될 수 있다. 또한, 플라즈마 용기의 벽의 일부는 여기 전극의 벽의 부분들에 의해 형성될 수 있다.

또한, 추출 전극과 동일한 전위로 되고, 플라즈마 소스의 동작 시에 플라즈마와 접촉하는 플라즈마 전극 표면을 구비하는 플라즈마 전극이 마련될 수 있다. 플라즈마 전극은 암실 스크린과 전기 전도성 있게 연결되는 것이 바람직하다.

플라즈마와 접촉하는 플라즈마 전극 표면의 크기는 DC-자기 바이어스에 영향을 주고, 본 발명에 따라 여기 전극의 여기 면의 크기에 대한 추출 전극의 면의 크기와 함께 플라즈마의 시간 평균된 전위는 추출 전극 및 플라즈마 전극의 전위보다 더 높고 플라즈마의 전위는 플라즈마 양이온들을 가속하는 전위로 되도록 선택된다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 있어서, 여기 전극은 내측 면 및 외측 면을 갖는 벽을 구비하는데, 여기 면의 부분 영역은 벽의 내측 면에 배치되거나 그것을 이루고, 외측 면의 적어도 일부 영역은 암실 스크린의 스크린 면에 의해 둘러싸인다.

구조적으로 간단한 본 발명의 또 다른 실시 형태에 있어서, 여기 전극은 중공 전극으로서 형성되거나 단지 모양으로 형성되고, 베이스 영역 및 측벽들을 구비하는데, 적어도 측벽들은 플라즈마 용기의 플라즈마 챔버로 돌출한다. 이때, 스크린 면이 측면의 영역에 배치되도록 암실 스크린이 여기 전극을 둘러싸게끔 조치하는 것이 바람직하다. 그와 관련하여, 암실 스크린이 플라즈마 용기의 벽의 일부로서 형성되고, 플라즈마 전극이 암실 스크린의 일부로서 형성되되, 또한 여기 전극의 베이스 영역이 플라즈마 용기의 벽의 일부를 이루는 것이 바람직하다.

플라즈마 용기는 전도성 재료 및/또는 절연재로 형성될 수 있다.

추출 전극 및/또는 플라즈마 전극의 재료로서는, 알루미늄 또는 티타늄, 탄탈, 또는 지르코늄과 같은 금속이 사용된다. 알루미늄은 산소로 플라즈마 소스를 작동할 때에 플라즈마 제트에 의한 스퍼터링 수율이 낮다는, 즉 스퍼터링으로 인한 제거가 작다는 이점을 갖지만, 추출 전극으로서 사용되는 경우에는 고주파 출력이 커지면 복잡한 냉각을 필요로 한다. 티타늄, 탄탈, 및 지르코늄은 광학 층을 제조하는 데 플라즈마 소스를 적용할 경우에 바람직한데, 왜냐하면 냉각이 필요 없고, 그들로 이루어져 플라즈마 소스의 작동 시에 스퍼터링되는 재료가 광학 층에 삽입 시에 단지 상대적으로 작은 흡광의 증가만을 가져오기 때문이고, 그것은 지르코늄에 있어서는 광의 UV 영역 내까지 해당되는 사항이다.

여기 전극 및 여기 면은 알루미늄, 구리 등과 같은 열전도 금속들로 형성될 수 있다. 플라즈마 소스 및/또는 기판의 열 하중을 작게 유지하기 위해, 적어도 부분적으로 접합된 여기 면을 갖는 여기 전극을 수냉식으로 구성하는 것이 매우 바람직하다.

또한, 여기 면, 추출 전극, 플라즈마 전극, 및/또는 암실 스크린은 석영과 같은 절연재로 이루어진 부분 코팅을 구비할 수 있다.

여기 면에 대한 적어도 하나의 자기 N극 또는 S극의 위치 및 그에 따른 플라즈마 밀도를 변경하여 플라즈마의 이온 에너지 및 이온 전류를 변경할 수 있는 자기장 변경 장치가 마련되는 것이 바람직하다. 그러한 장치는 수동으로 또는 모터에 의해 작동할 수 있다. 예컨대, 적어도 하나의 자극과 여기 면 사이의 간격, 특히 에어 갭(air gap)이 변경될 수 있거나 변경된다. 더 넓은 이온 에너지 범위를 커버하기 위해, 자기장의 세기를 150mT의 값으로부터 10mT의 값으로 감소시킬 수 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 방법 및 그에 대응하는 플라즈마 소스에 의해 생성되는 플라즈마 제트의 이온 에너지 및 이온 전류는 공정 가스의 작동 압력, 공급 HF 출력, 및 자기장 세기를 변경함으로써 더 넓은 한계 내에서 변경될 수 있다. 본 발명에 따른 플라즈마 소스는 10^-4 내지 10^-2mbar의 공정 가스의 작동 압력에서 동작하고, 50 내지 1000 eV의 이온 에너지 범위를 갖는 플라즈마 제트를 제공할 수 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 방법 및 플라즈마 소스는 예컨대 WO 2004/050944 A2로부터 공지된 바와 같은 플라즈마 보조 반응성 마그네트론 스퍼터링에 사용될 수 있는 것이 바람직하다. 플라즈마 소스의 또 다른 바람직한 적용들은 예컨대 3차원 부품들에서와 같은 다양한 입사각 하의 코팅들에서 고에너지 이온 포격(바람직하게는 100 eV 내지 800 eV의 범위에 있는 에너지를 갖는)에 의해 층 품질을 개선함으로써 매끄럽고 콤팩트하며 흩뜨려짐 없는 층들을 제공하는 것, 스퍼터 에칭에 의한 기판의 예비 세정을 위한 것, 또는 플라즈마 보조 스퍼터 증착에 관련되어 있다.

본 발명에 따르면, 간단하고도 효과적인 방식으로 플라즈마 제트를 생성할 수 있다.

특허 청구 범위의 발명의 요지와는 별개로 첨부 도면들에 의거하여 더욱 상세히 설명되는 이후의 실시예들로부터 본 발명의 또 다른 특징들 및 이점들이 명확히 파악될 것이다. 개략적으로 단순화된 첨부 도면들 중에서,
도 1a는 본 발명에 따른 HF 플라즈마 소스의 횡단면도이고,
도 1b는 도 1a의 본 발명에 따른 장치의 직사각형 여기 전극을 갖는 자기 장치의 입체도이며,
도 1c는 도 1a의 본 발명에 따른 장치의 원형 여기 전극을 갖는 자기 장치의 입체도이고,
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 소스의 여러 실시 형태들의 고주파 출력의 함수로서 이온 전류 및 이온 에너지의 값들을 나타낸 도표이며,
도 3은 선행 기술에 따른 플라즈마 소스와 비교하여 본 발명에 따른 플라즈마 소스의 HF 출력의 함수로서 이온 전류 및 이온 에너지의 값들을 나타낸 도표이다.

도 1a는 플라즈마 용기(2), 추출 전극(3), 및 HF 전극 장치(4)를 구비한 본 발명에 따른 HF 플라즈마 소스(1)가 진공 챔버(10)에 장착된 상태의 개략적인 횡단면도를 도시하고 있다. 가스 공급 장치(12)를 통해 아르곤 및 산소와 같은 공정 가스 및 반응성 가스가 플라즈마 용기(2)에 도입될 수 있다.

플라즈마 용기(2)는 정면과 배면을 갖고, 그들 사이에는 플라즈마 챔버(2a)가 위치한다. 또한, 플라즈마 용기(2)는 진공 챔버(10)의 내부(20)로 돌출하는 측벽들(16)을 구비하고, 측벽들(16)의 단부 면들에는 플라즈마 용기(2)의 정면을 형성하는 추출 전극(3)이 부착되며, 그럼으로써 추출 전극(3)이 플라즈마 챔버(2a)를 진공 챔버의 내부(20)에 대해 투과 가능하게 한정한다. 추출 전극(3)은 굽어져 형성될 수도 있다.

플라즈마 용기(2)는 도 1a의 도면 평면에 수직한 평면에서 직사각형 형태 또는 원형 형태를 가질 수 있다. 도 1a에서 평판형인 여기 전극(6)의 베이스 면은 추출 전극에 대해 오목하거나 볼록하게 형성될 수도 있다. 플라즈마 용기(2)의 다른 형태들도 생각할 수 있고, 그들도 또한 본 발명에 포함된다는 것을 이해하여야 할 것이다.

플라즈마 소스는 플랜지(11)에 의해 진공 챔버 벽(10)의 개구부에 고정된다. 추출 격자(3) 및 벽(16)은 도 1a의 실시예에서는 진공 챔버 벽(10)과 전기적으로 연결되고, 접지 전위로 된다.

플라즈마 소스(1)는 플라즈마 용기(2)의 외부에 부분적으로 배치된 HF 전극 장치(4)를 구비하고, HF 전극 장치(4)는 전극 유지 장치(7)를 구비하며, 전극 유지 장치(7)는 절연재(14)에 의해 플라즈마 용기(2)에 대해 절연되어 플라즈마 용기(2)의 측벽들(16)과 연결되고 플레이트형 요소(5)를 포함하며, 플레이트형 요소(5)는 플라즈마 용기(2)의 내부로 돌출하는 유지 요소들(7a)에 의해 유지된다. 전극 유지 장치(7)는 횡단면에서 욕조와 유사한 형태를 갖는다. 전극 장치(4)는 배후 측에서 보호 커버(13)에 의해 주위와 분리되는데, HF 발진기와 연결될 수 있거나 연결된 HF 급전 장치(13a)를 통해 HF 출력이 HF 전극 장치(4)에 인가될 수 있거나 인가된다. HF 정합 회로망이 존재하지만, 도면에는 도시되어 있지 않다.

플레이트형 요소(5)의 정면은 진공 챔버의 내부(20) 쪽을 향해 정렬된다. 플레이트형 요소(5)의 정면에는 단지 모양의 여기 전극(6)이 부착되고, 여기 전극(6)은 진공 챔버의 내부(20) 쪽을 향해 정렬된 그 내측 면(6a)에 여기 면을 구비하고, 그 외측 면(6d)으로써 플레이트형 요소(5)의 정면과 적어도 부분적으로 접촉한다. 여기 전극(6)은 평판형 베이스 및 그에 부착된 측벽들(6c)을 구비하고, 측벽들(6c)은 플라즈마 챔버(2)로 돌출한 단부 영역(단부 면)들을 갖는다. 여기 전극(6)과 플레이트형 요소(5)는 접합되고, 그럼으로써 플레이트형 요소(5)와 여기 전극(6) 사이에 우수한 열 접촉 및 전기 접촉이 보장되게 된다. 측벽들(6c)은 여기 전극(6)의 벽에 의해 형성된다.

플라즈마 용기의 측벽들(16)과 여기 전극(6)의 측벽들(6c)은 서로 가깝게 놓여 배치되고, 갭(21)에 의해 서로 분리되는데, 갭(21)은 플라즈마 소스의 동작 시에 여기 전극(6)과 측벽(16) 사이에 플라즈마가 형성될 수 없도록 하는 크기로 된다.

플라즈마 용기(2)의 측벽들(16)의 일 영역은 진공 챔버의 내부(20) 쪽으로 측벽들(6c)을 넘어 돌출하고, 그에 따라 측벽들(6c)의 단부를 넘어 돌출하는 측벽들(16)의 영역이 플라즈마와 접촉하며, 플라즈마 전극 면(16b)을 갖는 플라즈마 전극을 형성한다.

플라즈마 소스(1)의 동작 시에, 여기 전극(6)과 추출 전극 사이의 DC-자기 바이어스의 크기는 추출 전극(3)의 면적에 대한 여기 면들(6a, 6c)의 크기 비율 및 플라즈마 전극 면(16b), 즉 플라즈마와 접촉하는 플라즈마 용기(2)의 측벽들(16)의 부분의 크기에 의해 결정된다.

여기 면(6a)과 플레이트형 요소(5)의 배후 측에는 자석들(9a, 9b, 9c) 및 폴 슈(pole shoe)(9d)를 구비한 자기 장치(8)가 배치된다. 자석들(9a, 9b, 9c)은 자기 N극 및 자기 S극을 각각 구비하고, 자기 N극들과 자기 S극들은 교번하는 극성으로 배치되고 플라즈마 챔버(2)의 내부로 향하여 예컨대 DE 241 728 8 C2 또는 DE 243 183 2 B2로부터 공지된 바와 같이 플라즈마 챔버의 내부로 돌출하는 곡선형 자기장을 형성한다. 자석들(9a, 9b, 9c)은 영구 자석들로서 형성될 수 있거나, 전류 공급원에 연결되거나 연결될 수 있는 솔레노이드들로서 형성될 수 있다.

도 1b에는 일련의 자석들(9a, 9b, 9c)을 구비한 자석 어레이의 가능한 일 구성이 도시되어 있는데, 여기서 자석들의 극성이 각각 반대로 됨에 의거하여 자석들 사이에 터널형 영역이 형성된다. 자석들(9a, 9c)은 그 단부 영역에서 서로 연결되어, 그 자체가 스스로 폐쇄된 터널이 형성된다.

도 1c에는 중심 자석(9b)의 둘레에 원형 자석(9e)이 배치되되, 역시 폐쇄된 터널형 영역이 형성되는 자기 장치의 또 다른 구성이 도시되어 있다.

이하, 본 발명에 따른 플라즈마 소스의 이점을 보여주는 측정 결과들을 소개하기로 한다. 제시되는 측정들에서의 작동 압력은 4×10^-3mbar이었는데, 20 SCCM의 산소 유량을 갖는 산소를 반응성 가스로서 공급하였다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 소스의 여러 실시 형태들에 대한 이온 전류 및 이온 에너지의 값들의 도표를 도시하고 있는데, IS로 지시된 곡선들 및 IE로 지시된 곡선들은 각각 이온 전류(임의의 단위임) 및 이온 에너지(eV의 단위임)를, 공급되는 고주파 출력의 함수로 나타내고 있다. 지표 M1T1으로 지시된 곡선들은 200㎜의 지름과 40 밀리미터의 측면 높이(쉘 높이)를 갖는 중공 전극(중공 타깃)을 구비하고 원형 마그네트론 자기장을 갖는 플라즈마 소스에서 측정된 것이었다. 지표 M2T1로 지시된 곡선들은 동일한 중공 전극을 구비하지만 MIT1의 경우에 비해 감소된 자기장을 갖는 플라즈마 소스에서 측정된 것이었다. M1의 경우, 자석 어레이는 여기 전극(6)의 위치에 대해 25 밀리미터만큼 떨어져 있었다. 이에 따라, M2T1의 경우의 이온 에너지는 M1T1의 경우에 비해 증가하고, 그와 동시에 M2T1의 경우의 이온 전류 밀도는 M1T1의 경우보다 낮다는 것을 확인할 수 있다.

M1T2는 평판형 타깃 및 M1T1의 경우에서와 동일한 자기 장치를 구비한 플라즈마 소스에 대해 측정된 이온 에너지 및 이온 전류의 곡선들을 지시한다. M1T2의 경우, 이온 에너지는 물론 이온 전류도 M1T1의 경우에 비해 감소된다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 여기 전극을 중공 전극으로서 형성함으로써, 증가된 이온 전류를 얻을 수 있다. 또한, 여기 면에 대한 자석의 위치를 바꿈으로써, 상대적으로 간단하게 이온 에너지 및 이온 전류를 변경할 수 있다.

도 3은 선행 기술의 2개의 플라즈마 소스들의 해당 값들과 비교하여 본 발명에 따른 플라즈마 소스의 공급되는 고주파 출력의 함수로, 이온 에너지 및 이온 전류의 값들의 도표를 도시하고 있다. 여기서, 지표 M1T1을 갖는 곡선들은 도 2에서와 마찬가지로 본 발명에 따른 플라즈마 소스를 지시하고 있는 반면, IEA1, ISA1, 또는 IEA2, ISA2로 지시된 곡선들은 본 발명에 따른 플라즈마 소스와 동일한 플라즈마 챔버의 지름을 각각 갖는 용량성 커플링 방식의 또는 유도성/용량성 커플링 방식의 플라즈마 소스의 값을 가리키고 있다. 공급되는 HF 출력이 동일할 때에, 본 발명에 따른 플라즈마 소스는 대략 동일한 크기의 이온 에너지를 갖지만 선행 기술에 따른 용량성 여기 방식의 플라즈마 소스의 2배 정도 더 높은 이온 전류를 갖는 플라즈마 제트를 제공한다. 공급되는 HF 출력이 동일할 때에, 본 발명에 따른 플라즈마 소스는 혼합된 유도성/용량성 여기 방식의 플라즈마 소스에 비해 약 1.5배 더 높은 이온 에너지 및 2배 더 높은 이온 전류를 갖는 플라즈마 제트를 제공한다.

2 : 플라즈마 용기
3 : 추출 전극, 추출 격자
4 : HF 전극 장치
5 : 플레이트형 요소
6 : 여기 전극
7 : 전극 유지 장치
9a, 9b, 9c : 자석
10 : 전극 챔버
12 : 가스 공급 장치
16 : 측벽

Claims

추출 전극 및 여기 면을 갖는 여기 전극을 구비한 HF 전극 장치에 고주파 전압을 인가함으로써 전기장 및 자기장에 의해 생성된 플라즈마로부터 추출되는 중성의 플라즈마 제트를 생성하기 위한 방법으로서,
추출 전극과 여기 면 사이에 플라즈마 챔버가 배치되고, 플라즈마의 시간 평균된 전위는 추출 전극의 전위에 비해 더 높고 플라즈마의 전위는 플라즈마 양이온들을 가속하는 전위로 되며, 플라즈마 및 추출된 플라즈마 제트가 자기장에 의해 영향을 받는 것인 플라즈마 제트 생성 방법에 있어서,
자기장을 생성하기 위해, 플라즈마의 반대쪽을 향한 측에서 여기 전극의 배후에 배치되는 평판형 자석을 사용하되, 평판형 자석의 자기 N극 및 자기 S극이 플라즈마 챔버의 내부로 향하여 플라즈마 챔버의 내부로 돌출하는 곡선형 자기장이 형성되게 하며, 상기 여기 면은 일부 영역 또는 전체 영역에서 플라즈마 챔버에 대해 오목하게 또는 볼록하게 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 제트 생성 방법.
추출 전극 및 정합 회로망을 통해 HF 발진기와 연결될 수 있거나 연결되고 여기 면을 갖는 여기 전극을 구비한 HF 전극 장치를 구비한 플라즈마 용기를 포함하되,
플라즈마가 여기될 수 있는 플라즈마 챔버가 여기 면과 추출 전극 사이에 놓이고, 추출 전극에서 고주파 전압의 전부가 강하하도록 추출 전극의 면적 및 여기 면의 면적의 크기가 선택되며,
자기장을 생성하기 위한 자기 장치를 포함하는, 제 1 항에 따른 플라즈마 제트 생성 방법을 수행하기 위한 플라즈마 소스에 있어서,
자기 장치는 플라즈마의 반대쪽을 향한 측에서 여기 전극의 배후에 각각 배치되고 플라즈마 챔버의 내부로 향하여 플라즈마 챔버의 내부로 돌출하는 곡선형 자기장이 형성될 수 있게 하는 하나 이상의 자기 N극과 자기 S극을 구비하는 평판형 자석으로서 형성되고, 그에 따라 하전 입자들이 터널형 영역에 유지되고 터널형 영역을 따라 펼쳐질 수 있는 것인 터널형 영역이 형성될 수 있으며, 상기 여기 면은 일부 영역 또는 전체 영역에서 플라즈마 챔버에 대해 오목하게 또는 볼록하게 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제 2 항에 있어서, 여기 면의 일부 또는 전체는 평판형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제 2 항에 있어서, 추출 전극의 일부 또는 전체는 평면적으로 오목하거나 볼록하게 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제 2 항에 있어서, 자기 장치는 중공 전극을 구비한 원형 또는 직사각형 자석으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제 2 항에 있어서, 여기 전극은 베이스 영역과 측벽들을 구비한 단지 모양으로 형성되고, 그 측벽들이 플라즈마 챔버로 돌출하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제 2 항에 있어서, 여기 전극과 관련된 스크린 면을 갖고 전도성 재료로 형성되는 암실 스크린이 마련되며, 스크린 면과 여기 전극의 표면 사이에 개재 공간이 위치하고, 이 개재 공간은 여기 전극과 암실 스크린 사이에서 방전의 점화가 방지되도록 크기가 결정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제 2 항에 있어서, 여기 면의 일부 영역은 여기 전극의 벽의 내측 면에 배치되거나 그 내측 면을 형성하고, 벽의 외측 면은 일부 영역 또는 전체 영역에서 암실 스크린의 스크린 면에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제 2 항에 있어서, 추출 전극의 면적의 크기 및 플라즈마와 접촉하는 플라즈마 전극 면의 크기와 여기 면의 크기는, 플라즈마의 시간 평균된 전위는 추출 전극의 전위에 비해 더 높고 플라즈마의 전위는 플라즈마 양이온들을 가속하는 전위로 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제 2 항에 있어서, 플라즈마 용기의 벽의 일부 또는 전체는 암실 스크린의 부분들, 여기 전극의 부분들, 또는 양자 모두에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제 2 항에 있어서, 자기장을 변경하기 위한 장치가 마련되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제 2 항에 있어서, 여기 면에 대해 하나 이상의 자기 N극 또는 자기 S극의 위치를 변경할 수 있는 자기장 변경 장치가 마련되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제 2 항에 있어서, 하나 이상의 자기 N극 또는 자기 S극의 자기장 세기를 변경할 수 있는 장치가 마련되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
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