KR101698446B1 - 플라즈마 증착 소스 및 박막들을 증착하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

증착 가스를 플라즈마 상으로 전이시키고, 진공 챔버 내에서 기판 이송 방향으로 이동하는 기판 상에 플라즈마 상으로부터 박막을 증착하기 위한 플라즈마 증착 소스가 설명된다. 플라즈마 증착 소스는, 진공 챔버 내에 위치되도록 적응되며 이동하는 기판에 대향되게 배열된 적어도 하나의 RF 전극을 포함하는 다영역 전극 디바이스, 및 RF 전극에 RF 전력을 공급하도록 적응된 RF 전력 생성기를 포함한다. RF 전극은, RF 전극의 하나의 에지에 배열된 적어도 하나의 가스 유입구, 및 RF 전극의 대향된 에지에 배열된 적어도 하나의 가스 배출구를 갖는다. 전극 길이로 제산된 플라즈마 볼륨에 의해, 정규화된 플라즈마 볼륨이 제공되고, 플라즈마 볼륨은 전극 표면 및 대향하는 기판 위치 사이에서 정의된다. 정규화된 플라즈마 볼륨은 증착 가스의 공핍 길이로 튜닝된다.

Description

플라즈마 증착 소스 및 박막들을 증착하기 위한 방법{PLASMA DEPOSITION SOURCE AND METHOD FOR DEPOSITING THIN FILMS}
본 발명의 실시예들은, 기판들 상에 박막들을 증착하기 위한 플라즈마 강화 화학 기상 증착 시스템에 관한 것이다. 특히, 실시예들은, RF(무선 주파수) 전극들에 의해, 증착 가스를 플라즈마 상으로 전이(transfer)시키기 위한 플라즈마 증착 소스에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 이동하는 기판 상에 박막들을 증착하기 위한 방법에 관한 것이다.
PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)는 다양한 기판들 상에 박막들을 증착하기 위한 강력한 툴을 제공한다. 이러한 타입의 박막 증착은, 예컨대 마이크로 전자 기술 산업에서, 플렉시블(flextible) 기판들 상에 광전지(photovoltaic) 층들을 증착하는 것, 전반적으로 기판들의 표면들을 변형시키는 것 등을 위한 다수의 애플리케이션들을 갖는다. 예컨대, 광전지 셀들을 제작하기 위해, 기판들 상의 실리콘 박막들의 제조를 위한 실리콘-계 증착 가스들이 사용된다. 기판들 상에 실리콘-계 재료들을 증착하기 위해 사용되는 증착 가스들은 전형적으로, 실란 또는 실란-계 프리커서 가스들을 포함한다.
가스 상으로부터 플라즈마 상으로 전이되는 경우의 이들 가스들의 거동(behavior)은, 증착 레이트, 박막들의 균일성(두께, 조성), 및 원하지 않는 반응 생성물들 및 더스트의 형성에 대하여 문제가 된다. 광전지 셀들의 생성을 위한 실란의 사용의 경우에서, 실란 더스트의 형성은 증착되고 있는 박막에 유해하다. 기판 상으로의 박막들의 더 효율적인 증착은, 증착 레이트의 증가 및 더스트(실란 더스트 등)의 형성의 감소에 기초한다.
광전지 증착 애플리케이션들을 위한 실리콘-계 재료들의 동적인 증착을 위해, 리니어(linear) PECVD 소스들이 사용될 수 있다. 또한, 원하지 않는 더스트의 형성으로 인해 플라즈마 증착 시스템이 감소된 가동 시간(uptime)을 갖는 경우에, 박막들의 증착에 기초하여 광전지 또는 마이크로 전자 컴포넌트들을 제작하기 위한 비용들이 증가한다. 더스트의 형성이 많을수록, 전체 PECVD 시스템에 대해 유지 보수 사이의 시간 간격들이 짧아진다.
상기된 바를 고려하여, 독립 청구항 1에 따른, 증착 가스를 플라즈마 상으로 전이시키고, 진공 챔버 내에서 기판 이송 방향으로 이동하는 기판 상에 플라즈마 상으로부터 박막을 증착하기 위한 플라즈마 증착 소스가 제공된다. 또한, 독립 청구항 16에 따른, 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 증착 가스를 플라즈마 상으로 전이시키고, 진공 챔버 내에서 기판 이송 방향으로 이동하는 기판 상에 플라즈마 상으로부터 박막을 증착하기 위한 플라즈마 증착 소스가 제공된다. 플라즈마 증착 소스는, 진공 챔버 내에 배치되도록 적응되며 적어도 하나의 RF 전극을 포함하는 다영역(multi-region) 전극 디바이스 ― 상기 RF 전극은 기판 이송 방향에 평행한 전극 폭 및 기판 이송 방향에 수직한 전극 길이를 갖고, 이동하는 기판에 대향되게 배열됨 ―; 및 적어도 하나의 RF 전극에 RF 전력을 공급하도록 적응된 RF 전력 생성기를 포함하며, 전극 길이로 제산(divide)된 플라즈마 볼륨에 의해, 정규화된 플라즈마 볼륨이 제공되고, 플라즈마 볼륨은 전극 표면 및 대향하는 기판 위치 사이에서 정의되고, 정규화된 플라즈마 볼륨은 증착 가스의 공핍(depletion) 길이로 튜닝(tune)되고, 상기 RF 전극은, RF 전극의 하나의 에지에 배열된 적어도 하나의 가스 유입구, 및 RF 전극의 대향하는 에지에 배열된 적어도 하나의 가스 배출구를 갖는다.
추가의 실시예에 따르면, 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법이 제공된다. 방법은, 적어도 하나의 RF 전극을 포함하는 다영역 전극 디바이스를 제공하는 단계; 기판 이송 방향으로 RF 전극을 지나게 기판을 유도(guide)하는 단계; 가스 유입구로부터 가스 배출구로 증착 가스를 흘려 보내는 단계; RF 전극에 RF 전력을 공급하는 단계; 및 유도되는 기판 상에 박막을 증착하는 단계를 포함하며, 기판 이송 방향에 평행한 RF 전극의 폭은 증착 가스의 공핍 프로파일로 튜닝된다.
본 발명의 상기된 특징들이 상세히 이해될 수 있도록, 위에서 간단히 요약된 본 발명의 더 상세한 설명이 실시예들을 참조하여 이루어진다. 첨부 도면들은 본 발명의 실시예들에 관한 것이고, 다음에서 설명된다.
도 1은 여기서 설명된 실시예들에 따른 플라즈마 증착 소스의 개략도를 도시한다.
도 2는 코팅될 이동하는 기판 위에 배열된, 도 1에서 도시된 플라즈마 증착 소스의 측면도이다.
도 3은 실란-계 증착 프로세스들이 수행되는 경우에 형성되는 실란 공핍 프로파일이다.
도 4는 여기서 설명된 실시예들에 따른, 플라즈마 증착 소스의 RF 전극의 폭 치수에 대하여, 플라즈마 볼륨 내에서 발생하는 실란 공핍 프로파일 및 SiH3 농도 프로파일을 도시하는 그래프이다.
도 5는 여기서 설명된 또 다른 실시예들에 따른, RF 전극들을 구동시키기 위한 RF 생성기에 접속된 플라즈마 증착 소스의 단면도이다.
도 6은 3개의 RF 전극들 및 각각의 가스 공급 디바이스들을 가지며 여기서 설명된 실시예들에 따른 플라즈마 증착 소스의 상세한 단면도이다.
도 7은 여기서 설명된 실시예들에 따른, 기판 측으로부터 본 플라즈마 증착 소스의 사시도이다.
도 8은 여기서 설명된 실시예들에 따른, 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법을 예시하는 흐름도이다.
이제, 본 발명의 다양한 실시예들이 상세히 참조되며, 도면들에서, 본 발명의 다양한 실시예들의 하나 이상의 예들이 예시된다. 다음의 도면들의 설명 내에서, 동일한 참조 번호들이 동일한 컴포넌트들을 지칭한다. 일반적으로, 개별적인 실시예들에 대한 차이들만이 설명된다. 각각의 예는, 본 발명의 설명으로서 제공되며, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다. 예컨대, 일 실시예의 부분으로서 예시되거나 또는 설명되는 특징들이, 또 다른 실시예를 산출하기 위해, 다른 실시예들에 대해 또는 다른 실시예들과 함께 사용될 수 있다. 본 발명은 그러한 변형들 및 변화들을 포함하도록 의도된다.
여기서 설명된 실시예들은, 특히, 이동하는 기판 상에 플라즈마 상으로부터 박막들을 증착하기 위한 플라즈마 증착 시스템에 관련된다. 기판은 진공 챔버 내에서 기판 이송 방향으로 이동할 수 있으며, 그 진공 챔버에는, 증착 가스를 플라즈마 상으로 전이시키며, 이동하는 기판 상에 플라즈마 상으로부터 박막을 증착하기 위한 플라즈마 증착 소스가 위치된다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 여기서 설명된 실시예들에 따라, 이동하는 기판(500)에 대향되게 배열된 3개의 RF 전극들(301)을 포함하는 다영역 전극 디바이스(300)를 갖는 리니어 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition) 소스로서 플라즈마 증착 소스(100)가 제공된다. 도 1에서는, 다영역 전극 디바이스(300)가, 기판 이송 방향(501)으로 이동하는 기판(500) 위에 위치되는 것으로 도시된다.
일반적으로, 여기서 설명된 다른 실시예들과 조합될 수 있는 상이한 실시예들에 따르면, 예컨대 웹(web) 또는 포일(foil)과 같은 플렉시블 기판, 글래스 기판, 또는 실리콘 기판 상에 박막을 증착하도록 플라즈마 증착 소스가 적응될 수 있다. 전형적으로, 예컨대 플렉시블 PV 모듈을 형성하기 위해, 플렉시블 기판 상에 박막을 증착하도록, 플라즈마 증착 소스가 적응될 수 있고, 사용될 수 있다. PV 모듈들에 있어서, 상당히 상이한 막 두께들을 갖는 상이한 층들을 증착할 수 있는 기회를 위해, 효율적인 증착이 제공될 수 있다.
개별적인 RF 전극들(301)은 각각, 전극 폭(304) 및 전극 길이(305)를 가지며, 여기서, 전극 폭은 기판 이송 방향(501)에 평행한 방향에서 측정되고, 전극 길이(305)는 이동하는 기판(500)의 기판 이송 방향(501)에 수직한 방향에서 측정된다. 도 1에서 도시된 전형적인 실시예에서, 3개의 RF 전극들(301)은, 모든 전극들의 전극 면적이 동일하도록, 동일한 전극 폭(304) 및 전극 길이(305)를 가질 수 있다.
전극 면적은, 적어도 2개의 전극들(301)의 플라즈마 영역들이 조합된 플라즈마 영역을 형성하도록, 플라즈마 영역에 대응하며, 그 조합된 플라즈마 영역은 하나의 진공 챔버 내에 위치된다. 이로 인해, 하나의 진공 챔버 내에 위치된 다영역 전극 디바이스(300)가 형성된다. 전형적인 실시예들에 따르면, 하나의 진공 챔버는, 압력 애퍼쳐(aperture)들, 밸브들, 또는 진공 시스템의 영역들 내에 상이한 압력들 또는 상이한 분위기들을 제공하기 위한 다른 엘리먼트들에 의해 분리되지 않은 영역으로서 이해되어야 한다. 여기서 설명된 전형적인 실시예들에 따르면, 압력은 0.01 mbar 내지 4.0 mbar의 범위 내에 있을 수 있다.
증착 가스 흐름, 플라즈마 압력, 각각의 RF 전극에 제공되는 RF 전력 및 RF 주파수, 및 증착 가스 공핍 프로파일과 같은 플라즈마 파라미터들에 기초하여, 전극 폭(304)이 결정될 수 있다. 도 3 및 도 4에 대하여 여기 아래에서, 개별적인 RF 전극들의 전극 폭(304)의 결정이 설명될 것이다.
개별적인 RF 전극(301)의 전극 길이(305)는, 전극 길이(305)가 기판 이송 방향(501)에 수직한 이동하는 기판(500)의 측방 치수를 초과하도록, 조정될 수 있다. 전형적으로, 전극 길이(305)는 전극 폭(304)보다 더 클 수 있다. 또한, 전극 폭(304)은 특정 플라즈마 증착 프로세스에 대해 사용되는 RF 주파수에 의존할 수 있다.
본 개시에서 플라즈마 증착 프로세스들이 주로 설명되지만, 여기서 설명된 실시예들에 따른 플라즈마 증착 소스가 또한, 플라즈마 강화 식각 프로세스들, 플라즈마 강화 표면 변형 프로세스들, 플라즈마 강화 표면 활성화 또는 비활성화 프로세스들, 및 당업자에게 알려져 있는 다른 플라즈마 강화 프로세스들에 대해 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 기판 이송 방향(501)은 가스 흐름 방향(203)에 평행하다. 각각의 RF 전극(301)의 2개의 에지들에는, 가스 유입구들 및 가스 배출구들이 각각 배열된다. 여기서 설명된 다른 실시예들과 조합될 수 있는 상이한 실시예들에 따르면, 가스 유입구들 또는 가스 배출구들은, 가스 랜스(lance)들, 가스 채널들, 가스 덕트(duct)들, 가스 통로들, 가스 튜브들, 도관들 등으로서 제공될 수 있다. 또한, 가스 배출구는, 플라즈마 볼륨으로부터 가스를 추출하는 펌프의 일부로서 구성될 수 있다. 전극 리딩 에지(leading edge)(302)에 적어도 하나의 가스 유입구(201)가 배열되며, 다영역 전극 디바이스(300)의 개별적인 RF 전극(301)의 전극 트레일링 에지(trailing edge)(303)에 적어도 하나의 가스 배출구(202)가 배열된다. 기판 이송 방향(501)에 대해 전극 리딩 에지(302) 및 전극 트레일링 에지(303)가 정의된다.
그러나, 여기서 설명된 다른 실시예들과 조합될 수 있는 또 다른 실시예들에 따르면, 트레일링 에지에 가스 유입구(201)가 배치될 수 있으며, 리딩 에지에 가스 배출구(202)가 배치될 수 있다. 따라서, 도 1에서 도시된 실시예가 기판 이송 방향(501)에 평행한 가스 흐름 방향(203)을 나타내지만, 여기서 설명된 실시예들과 조합될 수 있는 다른 실시예에 따르면, 각각의 RF 전극(301)의 가스 유입구(201) 및 가스 배출구(202)의 각각의 위치들을 교환함으로써, 가스 흐름 방향(203)이 기판 이송 방향에 역평행(anti-parallel)한 것이 가능하다. 또한, 개별적인 RF 전극들(301)에 대해 상이한 가스 흐름 방향들(203)을 제공하는 것이 가능하다. 도 1에서 도시되지는 않았지만, 하나의 RF 전극(301)으로부터 인접한 RF 전극(301)으로 교호하는(alternating) 가스 흐름 방향(203)이 제공될 수 있다.
여기서, "가스 유입구"라는 용어가 증착 영역(플라즈마 볼륨(101)) 내부로의 가스 공급을 나타내는 반면에, "가스 배출구"라는 용어는 증착 영역 외부로의 증착 가스의 가스 방출 또는 배출을 나타낸다는 것이 주의된다. 전형적인 실시예에 따른 가스 유입구(201) 및 가스 배출구(202)는 본질적으로 기판 이송 방향(501)에 수직하게 배열된다.
도 2는 도 1에서 도시된 플라즈마 증착 소스(100)의 개략적인 측면 단면도이다. 동작시에, 즉, 개별적인 RF 전극들에 RF 전력이 인가되고, 가스 유입구(201)와 가스 배출구(202) 사이에 가스 흐름이 제공되는 경우에, 개별적인 RF 전극(301)의 하측 표면과 코팅될 기판 표면(502) 사이에 위치된 플라즈마 볼륨(101) 내에 플라즈마가 형성되며, 코팅될 기판 표면(502)은 플라즈마 생성을 위한 상대(counter) 전극(406)(도 6 참조)에 인접한다. 코팅될 기판(500)은 기판 이송 방향(501)으로 좌측에서 우측으로 이송된다. 각각의 RF 전극(301)에 대한 리딩 에지(302)(도 2에서의 좌측 에지) 및 트레일링 에지(303)(도 2에서의 우측 에지)에 대해, 개별적인 가스 유입구들(201) 및 개별적인 가스 배출구들(202)이 각각 제공된다. 따라서, 가스 흐름 방향(203)(도 1 참조)이 기판 이송 방향(501)에 본질적으로 평행하도록, 가스 유입구(301)로부터 가스 배출구(202)로 RF 전극 아래에서의 가스 흐름이 제공된다. 또한, 도 2에서 도시되지 않지만, 가스 흐름 방향이 기판 이송 방향(501)에 역평행한 것이 가능하다. 개별적인 RF 전극(301)에 그러한 종류의 역평행 가스 흐름을 제공하기 위해, 추가의 전형적인 실시예에 따라, 각각의 RF 전극(301)에서의 가스 유입구(201)와 가스 배출구(202)가 서로 교환된다.
따라서, 여기서 설명된 실시예들은 다전극(multi-electrode) 디바이스에 대해 적응되고 다전극 디바이스를 허용하며, 여기서, 기판의 이송 방향에 관한 가스 흐름 방향은 동일한 방향이거나 또는 반대의 방향이며, 즉, 가스 흐름 방향 및 이송 방향이 본질적으로 평행하거나 또는 본질적으로 역평행하다. 이로 인해, 다영역 전극 디바이스는, 전체 조합된 플라즈마 영역에서의 플라즈마 프로세스 파라미터들을 상당히 변경하지 않으면서, 4개, 5개, 6개, 또는 심지어 더 많은 전극들로 용이하게 업스케일링(up-scale)될 수 있다.
개별적인 RF 전극들(301)에 대해 가스 유입 채널들 및 가스 배출 채널들과 같은 별개의 가스 유입구들(201) 및 가스 배출구들(202)을 제공하는 것의 다른 유리한 점은, 상이한 RF 전극들(301)에 의해 제공되는 상이한 플라즈마 볼륨들(101)에 대해 상이한 증착 가스들이 제공될 수 있다는 옵션이다. 따라서, 적어도 하나의 RF 전극(301)을 갖는 플라즈마 증착 소스(100)를 사용함으로써, 매우 다양한 박막 증착 프로세스들이 수행될 수 있다. 플라즈마 증착 프로세스(예컨대, PECVD, plasma-enhanced chemical vapor deposition) 동안에, 기판(500)이 기판 이송 방향(501)으로 이동하면서, 기판 표면(502)에 박막이 제공될 수 있다. 증착 소스(100)에 의해 플라즈마 상으로 전이될 수 있는 임의의 재료로 박막이 제공될 수 있다. 따라서, 기판 표면(502) 상에 박막들 및 고체 박막들이 증착될 수 있다.
도 2의 단면도가 코팅될 기판 표면(502)에 대향하는 평면 전극 표면을 나타내지만, 전극 단면 형상은 평면 형상으로 한정되지 않는다. 여기서 설명된 다른 실시예들과 조합될 수 있는 또 다른 실시예들에 따르면, 휘어진 단면 형상들과 같은 다른 형상들이 제공될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 유리하게는, 적어도 하나의 RF 전극(301)의 단면 형상은 코팅될 기판 표면(502)의 표면 형상에 적응될 수 있다. 개별적인 RF 전극(301)의 하측 표면은, 개별적인 RF 전극(301)과 기판(500) 사이에서 제공되는 플라즈마 볼륨(101)이 제어될 수 있도록, 코팅될 기판 표면(502)에 대면한다.
RF 전극(301)의 하측 표면과 코팅될 기판 표면(502) 사이의 거리는, 도 2에서 전극-기판 갭 거리(308)라 지칭된다. 플라즈마 볼륨(101)은 본질적으로, 전극 길이(305), 전극 폭(304)(도 1 참조), 및 전극-기판 갭 거리(308)의 (기하학적인) 곱(product)에 의해 정의된다.
개별적인 RF 전극(301)은 기판 이송 방향(501)에 수직하게 배향된 전극 길이(305)를 가지며, 그 전극 길이(305)는, 적어도, 기판 이송 방향(501)에 수직한 이동하는 기판의 기판 폭이다. 하측 전극 표면 및 대향하는 기판 표면(502) 사이에서 제공되는 플라즈마 볼륨(101)을 전극 길이(305)로 제산함으로써, 정규화된 플라즈마 볼륨이 정의될 수 있다. 다음으로, 증착 가스 흐름, 플라즈마 압력, 개별적인 RF 전극(301)에 인가된 RF 전력, 및 RF 전극(301)에 제공된 RF 주파수에 기초하여, 정규화된 플라즈마 볼륨이 주어진다. 그러한 타입의 정규화된 플라즈마 볼륨을 사용하여, 도 2에서 도시된 전극-기판 갭 거리(308)로 제산된 정규화된 플라즈마 볼륨에 의해, 기판 이송 방향(501)에 평행한 전극 폭(304)이 주어지도록, 개별적인 RF 전극(301)의 전극 폭(304)이 조정될 수 있다. 전형적인 실시예에 따르면, 각각, 정규화된 플라즈마 볼륨은 5 cm2 내지 50 cm2의 범위 내에 있을 수 있고, 실리콘-계 PECVD 프로세스에 대한 플라즈마 밀도는 109 cm3 내지 1011 cm3의 범위 내에 있을 수 있으며, 전자 온도들은 1 eV 내지 3 eV의 범위일 수 있다. 실리콘-계 PECVD 프로세스에 대한 실란(SiH4)의 유량들은 100 sccm 내지 2200 sccm의 범위 내에 있다.
각각의 가스 유입구(201)를 통해 플라즈마 볼륨(101)으로 도입되며, 개별적인 RF 전극(301)의 각각의 가스 배출구(202)에 의해 플라즈마 볼륨(101)으로부터 출력되는 증착 가스는 플라즈마 프로세스들을 겪게 되며, 그 플라즈마 프로세스들은, 가스 유입구(201)로부터 각각의 가스 배출구(202)로 플라즈마 볼륨(101)을 지나는 플라즈마 볼륨(101)으로 도입된 증착 가스의 진로 상에서, 플라즈마 볼륨(101)으로 도입된 증착 가스를 분해(decompose)할 수 있고 그리고/또는 변경할 수 있다. 실리콘-계 증착 프로세스들의 경우에서, 플라즈마 볼륨(101)으로 실란이 도입될 수 있다. 실란 증착 가스가 플라즈마 볼륨(101)을 지나게 이송되는 경우에, 실란(SiH4)의 공핍이 문제가 된다. 증착 가스의 공핍은, 증착 레이트, 박막 조성물, 박막들의 품질 등에 영향을 미칠 수 있다.
도 3은 (임의의 단위들(a.u.)의) 거리(601)의 함수로서 실란 공핍 프로파일(600)을 예시하는 그래프이다. 도 3에서 도시된 거리(601)는, 기판 이송 방향(501)에서의, 각각의 가스 유입구(201)와 코팅될 기판 표면(502) 상의 증착 위치 사이의 간격이며, 임의의 단위들(a.u.)로 주어진다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 증착 가스의 공핍에 대한 측정치는, 실란 프리커서 가스(증착 가스)의 SiH4의 몰분율에 의해 제공될 수 있다.
실란 증착 가스의 몰분율이 0 a.u.의 거리에서 약 1.0의 값(가스 유입구(201)를 사용하여 플라즈마 볼륨(101)으로 진입하는 위치에서의 오리지널(original) 값)을 갖고, 그 후, 0.4 a.u.까지 일정한 레벨로 유지된다는 것이 가정된다. 그 후, 실란 공핍 프로파일(600)은 더 낮은 값들로 감소하고, 가스 유입구(201)로부터 5 a.u. 떨어진 거리에서 대략 0이다. 실리콘-계 증착 프로세스들에 있어서, 도 4에 대하여 여기 아래에서 설명될 바와 같이, SiH4의 몰분율은 임계(critical) 몰분율 미만이 아닐 수 있다. 개별적인 RF 전극(301)에 의해 정의된 플라즈마 볼륨(101) 내에서 너무 낮은 증착 가스의 SiH4의 몰분율(602)을 회피하기 위해, 기판 이송 방향(501)에 평행한 각각의 전극 폭(304)은 SiH4의 몰분율(602)이 임계 몰분율을 초과하는 값으로 제한될 수 있다. 실란 몰분율은 가스 유입구로부터의 거리에 따라 감소하며, 여기서, 이러한 감소는, 플라즈마 밀도, 체류 시간, 전극들에 인가된 전력, 플라즈마 압력, 유입 실란 농도, 총 유량, 및 정규화된 소스 볼륨으로 구성된 그룹에서의 적어도 하나에 기초한다. 도 3에서 도시된 공핍 길이가 또한 플라즈마 볼륨(101) 내의 플라즈마 파라미터들에 의존하므로, 증착 가스의 전형적인 공핍 길이가 기판 이송 방향(501)에 평행한 전극 폭(304)과 동일하거나 또는 더 크도록, 도 2에서 도시된 전극-기판 갭 거리(308)가 조정될 수 있다.
이로 인해, 여기서 설명된 다른 실시예들과 조합될 수 있는 몇몇 실시예들에 따라, 전극 폭과 전극-기판 갭의 비율은 5 내지 18의 범위 내에 있을 수 있고, 전형적으로, 약 10에 달한다.
기판(500) 상에 증착되는 실리콘-계 재료들에 있어서, 프리커서 증착 가스는 실란(SiH4)이다. 증착 가스로서 실란 프리커서 가스가 사용되며, 증착 가스가 플라즈마 볼륨(101)에 도달하면, 증착 가스는 분해된다. 이러한 타입의 분해는, 도 3에서 도시된 공핍 프로파일(600)이 획득되도록, 프리커서 가스의 공핍을 유도한다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 프리커서 가스 실란의 공핍의 양은 가스 유입구(201)까지의 거리에 의존한다. 따라서, 개별적인 RF 전극(301)의 전극 폭(304)은, 프리커서 가스의 공핍이 특정된 플라즈마 볼륨(101) 내의 미리 결정된 한계를 초과하지 않도록, 적응될 수 있다. 공핍 프로파일은, 증착 가스 흐름, 플라즈마 압력, 및 각각의 RF 전극에 제공되는 RF 전력 및 RF 주파수와 같은 하나 이상의 플라즈마 파라미터들에 의존할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 하측 전극 표면 및 대향하는 기판 표면(502) 사이에서 제공되는 플라즈마 볼륨(101)을 전극 길이(305)로 제산함으로써 정의될 수 있는 정규화된 플라즈마 볼륨은, 공핍 프로파일로 튜닝될 수 있다. 그러한 종류의 "튜닝"은, 전극 폭과 전극-기판 갭의 상술된 비율을 변경함으로써 제공될 수 있다. 예컨대, 고정된 RF 전극 면적, 즉, 고정된 전극 폭 및 고정된 전극 길이에 있어서, 전극-기판 갭은, 원하는 정규화된 플라즈마 볼륨이 획득되도록 조정될 수 있다.
도 4는 플라즈마 볼륨(101) 내에서 발생하는 프로세스들의 더 상세한 도면이다. 도 4는 단일의 RF 전극(301)의 좌측 에지에 가스 유입구(201)를 갖고, 단일의 RF 전극(301)의 우측 에지에 가스 배출구(202)를 갖는 단일의 RF 전극(301)을 예시한다. RF 전극(101)의 단면도 아래의 그래프는, 가스 유입구(201)로부터의 거리(601)의 함수로서 몰분율 SiH4(602)을 예시한다. 참조 번호 600은 RF 전극(301)의 전극 폭(304)을 따르는 실란 공핍 프로파일을 표시한다. RF 전극(301)의 전극 표면 아래의 플라즈마 볼륨(101) 내에 위치된 플라즈마의 미리 결정된 플라즈마 파라미터들에 대해 실란 공핍이 도시된다.
또한, 도 4에서, SiH3 농도 프로파일(604)이 도시된다. SiH3 농도 프로파일(604)은, SiH4 몰분율(602)의 감소가 SiH3 몰분율(605)의 증가를 산출하는 점에서 실란 공핍 프로파일(600)에 관련된다. 여기서, 도 4에 대하여, SiH4 몰분율(602)이 커브(600)에 대응하며, SiH3 몰분율(605)이 커브(604)에 대응한다는 것이 주의된다. 도 4는 RF 전극(301)의 기하학적인 치수, 즉, RF 전극(301)의 전극 폭(304)에 대한 실란 공핍 프로파일(600) 및 SiH3 농도 프로파일(604)에 관한 것이다. 여기서, 실란 공핍이 도 4에서의 수평선(쇄선)에 의해 표시된 임계 몰분율(603)을 초과하지 않을 수 있다는 것이 가정된다. 도 4에서 표시된 것보다 더 적은 공핍이 허용 가능할 수 있으며, 즉, 조성물, 품질 등에 대하여 원하는 박막이 획득될 수 있도록, 플라즈마 볼륨(101) 내에 위치된 플라즈마에 대해, 임계 몰분율 값(603)을 초과하는 SiH4의 몰분율이 허용 가능하다. 다른 문제는, 실란 공핍이 증가함에 따라 증가하는 실란 더스트들과 같은 반응 생성물들의 형성이다.
전형적인 플라즈마 조건들에 있어서, 10 cm 내지 18 cm의 범위 내에 있는 전극 폭(304)이 여기서 설명된 몇몇 실시예들에 대해 사용될 수 있다는 것이 발견되었다. 전극 폭(304)에 대한 더 전형적인 범위는, 12 cm 내지 17 cm일 수 있고, 예컨대 15 cm의 전극 폭(304)이 제공될 수 있다. 10 cm 내지 18 cm의 범위 내의 전극 폭(304)을 갖는 전극들에 대한 전형적인 플라즈마 파라미터들은, 0.01 s 내지 1 s의 범위의 입자 체류 시간이 달성되도록, 70 sccm 내지 2200 sccm, 예컨대 100 sccm의 증착 가스 흐름(실란 가스 흐름)을 포함한다. 다른 전형적인 실시예에 따르면, RF 전극(301)의 전극 폭(304)은, 약 0.4 s의 입자 체류 시간(즉, 플라즈마 입자(예컨대, 원자, 분자, 이온)가 플라즈마 내에 머무르는 시간)이 제공되도록, 조정된다. 전형적인 실시예에 따르면, 각각, 실리콘-계 PECVD 프로세스에 대한 플라즈마 밀도는 109 cm3 내지 1011 cm3의 범위 내에 있을 수 있으며, 전자 온도들은 1 eV 내지 3 eV의 범위일 수 있다. 여기서, 공핍 프로파일 및 공핍 길이는 각각, 상술된 플라즈마 파라미터들을 통해 입자 체류 시간에 관련된다는 것이 주의된다.
또한, 도면들에서 명시적으로 도시되지 않았지만, 플라즈마 볼륨(101) 내에서 플라즈마 상으로 전이될 수 있는 증착 가스로서, 실란과 수소의 혼합물(SiH4/H2 혼합물)을 제공하는 것이 가능하다. 실란-수소 비율은, 공핍 길이 변화(도 3 참조)가 제공될 수 있도록 튜닝될 수 있다. 따라서, 개별적인 RF 전극(301)의 전극 폭(304)은 원하는 공핍 길이에 대해 튜닝될 수 있다. 이로 인해, 또 다른 실시예들에 따르면, SiH4/H2 혼합물에 따라, 비정질 또는 마이크로-결정질/나노-결정질이도록 실리콘 층이 증착될 수 있다. 전형적으로, SiH4/H2 혼합물은 결정질 실리콘의 증착에 대해 상당히 많은 H2를 포함한다.
도 4에서 도시된 임계 몰분율은, 실란 공핍 프로파일(600)의 전형적인 값에 기초하여 결정될 수 있으며, 예컨대, 임계 몰분율은 최대 몰분율의 1/10 이도록 결정될 수 있다. 따라서, 실란의 최대 몰분율이 예컨대 관련 단위들에서 1인 경우에(도 3 참조), 임계 몰분율(603)은, 전극 길이(a.u.의 거리)가 대략 3 a.u.에 달하도록, 대략 0.1에 달할 수 있다.
개별적인 RF 전극(301)의 전극 폭(304)은 프리커서 공핍 길이에 걸치도록(span) 튜닝될 수 있다. 전체 전극 면적은, 기판 이송 방향(501)으로 일직선으로 배열된 적어도 2개의 RF 전극들(301)을 제공함으로써 조정될 수 있다. 프리커서 가스의 공핍 길이에 대한 전극 폭(304)의 튜닝은 수개의 유리한 점들을 갖는다. 첫번째로, 유효(effective) 증착 레이트가 증가될 수 있으며, 두번째로, 실란 더스트 형성의 레벨이 감소될 수 있다. 실란 더스트 형성의 감소된 레벨은 증가된 소스 가동 시간을 산출할 수 있다. 공핍 길이에 대하여, 전극 폭(304)의 튜닝은, 전극 폭(304)이 증착 가스의 공핍 프로파일의 임계 공핍 길이 미만이도록, 기판 이송 방향(501)에 평행한 RF 전극(301)의 전극 폭(304)을 설계하는 것을 포함할 수 있으며, 임계 공핍 길이는, 상술된 바와 같이, 증착 가스 몰분율이 최대 몰분율의 약 10 %로 강하되는 포인트에서 정의된다.
또한, 정규화된 플라즈마 볼륨을 정의함으로써, 개별적인 RF 전극(301)의 전극 폭(304)이 제공될 수 있다. 전극 표면 및 대향하는 기판 위치 사이에서 정의된 플라즈마 볼륨에 의해, 정규화된 플라즈마 볼륨이 제공된다. 다음으로, 기판 이송 방향(501)에 수직한 전극 길이(305)로 제산된 플라즈마 볼륨(101)에 의해, 정규화된 플라즈마 볼륨이 획득된다. 원하는 플라즈마 파라미터들에 따라, 전극-기판 갭 거리(308)(도 2)는, 증착 가스 흐름, 플라즈마 압력, RF 전극(301)에 제공된 RF 전력, 및 RF 전극(301)에 제공된 RF 주파수로부터의 정규화된 플라즈마 볼륨의 의존으로부터 기인한 특정 값을 갖는다. 다음으로, 전극-기판 갭 거리(308)와 전극 폭(304)의 (기하학적인) 곱에 의해, 정규화된 플라즈마 볼륨이 정의된다. 전극-기판 갭 거리(308)가 플라즈마 파라미터들 및 공핍 프로파일에 따라 특정 값을 가지므로, 전극-기판 갭 거리(308)로 제산된 정규화된 플라즈마 볼륨에 기초하여, 전극 폭(304)이 결정될 수 있다.
상술된 바와 같이, 공핍 프로파일 그 자체가 플라즈마 파라미터에 의존하므로, 실란 공핍 프로파일(600)에 기초하여, 개별적인 RF 전극(301)의 전극 폭(304)이 결정될 수 있다. 플라즈마 볼륨은, 전극 표면 및 대향하는 기판 표면 사이의 볼륨(101)으로 정의될 수 있다. 전극 길이(305)가 기판 이송 방향(501)에 수직한 기판 폭에 의해 주어지므로, 결국 전극-기판 갭 거리(308)와 전극 폭(304)에 의존하는 정규화된 플라즈마 볼륨이 정의될 수 있다. 특정 플라즈마 파라미터들에 있어서, 따라서, 특정 공핍 길이에 있어서, 미리 결정된 전극-기판 갭 거리(308)로 제산된 정규화된 플라즈마 볼륨이 전극 폭(304)에 대한 측정치를 제공하도록, 미리 결정된 전극-기판 갭 거리(308)가 제공된다. 적어도 하나의 RF 전극(301)에 대해 이러한 전극 폭(304)을 사용하여, 증착 레이트가 증가될 수 있으며, 여기서, 실란 더스트 형성이 감소될 수 있다.
도 5는 추가의 실시예들에 따른, 3개의 RF 전극들(301)을 갖는 플라즈마 증착 소스(100)의 측면 단면도이다. 2개의 인접한 RF 전극들(301)은, 인접한 RF 전극들(301)이 RF 생성기(400)에 접속되는 경우에 동상(in phase)으로 구동될 수 있도록, 예컨대 전력 브래킷과 같은 커넥터(401)에 의해 서로 접속된다. RF 생성기(400)는, 제 1 생성기 폴(pole)(403)과 제 2 생성기 폴(404) 사이에 RF 전력 출력을 제공한다. 전형적으로, 제 2 생성기 폴(404)은 접지에 접속되거나 또는 접지 전극에 접속된다.
여기서 설명된 다른 실시예들과 조합될 수 있는 도 5에서 도시된 실시예에서, 접지 또는 상대 전극은 기판(500)에 대응한다. 따라서, 기판(500)은, 예컨대 전기 전도성 롤러들(도 5에서는 미도시)에 의해 제 2 생성기 폴(404)에 전기적으로 접속된다. 또 다른 실시예들에 따르면, 도 5에서, 접지 또는 상대 전극은, 기판 수용 영역이 전극들(301)과 접지 또는 상대 전극 사이에 있도록, 기판(500) 아래에 제공될 수 있다. 커넥터들(401)과 RF 생성기(400) 사이에 매칭 네트워크(402)가 제공될 수 있다. 매칭 네트워크(402)는, RF 전극들(301) 및 기판(500)의 RF 배열의 임피던스와 RF 생성기(400)의 임피던스 간의 임피던스 매칭을 위해 제공된다.
RF 생성기(400)는, 플라즈마 볼륨(101) 내에서 플라즈마를 여기시키기 위해, 주파수 스펙트럼을 제공할 수 있거나, 또는 고정된 주파수를 제공할 수 있다. RF 전극들 또는 개별적인 RF 전극(301)에 인가되는 RF 주파수는, 10 내지 100 MHz의 범위 내에 있을 수 있고, 전형적으로, 약 40.68 MHz에 달한다. 다른 전형적인 구동 주파수들은 13.56 MHz 및 94.92 MHz이다. 플라즈마 밀도, 플라즈마 압력, 플라즈마 조성물, 프리커서 가스의 분해 등과 같이, 플라즈마 볼륨(101)에서 제공되는 플라즈마 파라미터들은, RF 주파수, 전극 폭(304), 및 전극-기판 갭 거리(308)에 의존할 수 있다. RF 생성기(400)가 일정한 RF 전력 밀도로 동작될 수 있거나, 또는 RF 전력 밀도는 증착 플라즈마 및 증착 플라즈마의 파라미터들에 대한 요건들에 기초하여 변화될 수 있다.
커넥터들(401)은, RF 생성기(400)로부터 매칭 네트워크(402)를 통해 커넥터(401)로 RF 전력 밀도를 전달하기 위한 전력 브래킷들로서 제공될 수 있다. 또한, RF 생성기(400)는 전극 치수들에 따라 주파수들을 제공할 수 있다.
여기서 설명된 다른 실시예들과 조합될 수 있는 몇몇 실시예들에 따르면, 플라즈마 증착 소스(100)는 단일의 RF 생성기(400)로부터, 대칭적으로 동작될 수 있으며, 즉, 커넥터들(전력 브래킷들)(401)에 의해 RF 전극들(301)이 병렬로 접속되어 동작될 수 있다. 또한, 플라즈마 증착 소스(100)는, 인접한 RF 전극들(301) 사이에서 전형적으로 180 도의 위상차가 제공되게, 인접한 RF 전극들(301)이 구동되도록, 푸시-풀(push-pull) 방식으로 교호하여 동작될 수 있다.
RF 전극들(301)은 커넥터들(401)에 의해 서로 접속될 수 있고, 추가의 접속 디바이스에 의해 RF 생성기(400)에 직접 접속될 수 있다. 또한, 여기서 설명된 다른 실시예들과 조합될 수 있는 몇몇 실시예들에 따르면, 커넥터(401)는 각각의 RF 전극(301)을 RF 생성기(400)에 개별적으로 접속시키기 위해 사용될 수 있다. 따라서, RF 전극들(301)을 전기적으로 접속시키기 위해 적어도 하나의 커넥터(401)가 제공된다. 또한, 여기서 설명된 다른 실시예들과 조합될 수 있는 또 다른 실시예에 따르면, RF 전극들(301)을 서로 접속시키기 위해 적어도 2개의 커넥터들(401)이 제공될 수 있으며, 여기서, 적어도 2개의 커넥터들(401)은 기판 이송 방향(501)에 수직한 전극 길이(305)를 따라 배열된다. RF 전극(301)의 길이(305)를 따라 적어도 2개의 커넥터들(401)을 제공하는 것은, 기판 이송 방향(501)에 수직한 RF 전극(301)의 길이(305)를 따라 플라즈마 볼륨(101)에서 더 균일한 플라즈마 분포를 산출할 수 있다.
도 5에서 도시된 바와 같이, 가스 유입구(201)에 실란과 같은 증착 가스를 공급하기 위해 가스 공급 디바이스(200)가 제공된다. 또한, 가스 배출구(202)를 통해 가스 출력을 수용하도록 적응된 진공 펌프(606)가 제공된다. 하나의 RF 전극(301)의 가스 유입구 및 배출구 랜스들(201, 202)만이 가스 공급 디바이스(200) 및 진공 펌프(606)에 접속된 것으로 도시되지만, 모든 가스 유입구들(201)이 동일하거나 또는 상이한 가스 공급 디바이스들(200)에 접속될 수 있다. 또한, 모든 가스 배출구들(202)은 동일하거나 또는 상이한 진공 펌프들(606)에 접속될 수 있다. 또한, 여기서 설명된 다른 실시예들과 조합될 수 있는 또 다른 실시예에 따르면, 가스 유입구(201)로부터 가스 배출구(202)로 RF 전극(301)을 횡단하는(across) 증착 가스 흐름은 각각의 RF 전극(301)에 대해 별개로 제어될 수 있다.
진공 펌프(606)와 협력하는 가스 공급 디바이스(200)의 동작은, 0.01 mbar 내지 10 mbar의 범위 이내, 전형적으로는 0.01 mbar 내지 4.0 mbar의 범위 이내, 및 더 전형적으로는 약 0.05 mbar에 달하는, 진공 챔버 내의 전형적인 압력을 산출할 수 있다. 여기서, 원하는 플라즈마 증착 동작을 유지하기 위해 전극-기판 갭 거리(308)(도 2 참조)가 변경될 수 있도록, 진공 챔버 내의 압력이 다른 플라즈마 파라미터들에 영향을 미칠 수 있다는 것이 주의된다. 전극-기판 갭 거리(308)의 변형은, 결국에는, 예컨대 플라즈마 볼륨(101) 및 정규화된 플라즈마 볼륨에 영향을 미칠 수 있다.
또한, RF 전극(301) 아래에서의 각각의 플라즈마 볼륨(101)에 대해 다양한 증착 가스들이 제공될 수 있다. 따라서, 기판 표면(502)에서 복잡한 증착 층 구조들이 제공될 수 있도록, 상이한 RF 전극들(301)에 대해 상이한 증착 가스들이 제공될 수 있다.
도 6은 국부적으로 분리된 3개의 RF 전극들(301)을 포함하는 플라즈마 증착 소스(100)의 상세한 측면 단면도이다. 각각의 RF 전극(301)은 RF 생성기(400)(도 5 참조)로부터의 RF 전력을 입력하기 위한 RF 입력부(405)를 갖는다. 또한, 각각의 RF 전극(301)은 환경에 대하여 RF 전극(301)을 격리시키기 위한 전극 격리부(isolation)(306)를 포함한다. 예컨대, 환경에 대하여 RF 전극들을 격리시키는 것에 부가하여, 예컨대 전력 브래킷과 같은 커넥터로, 전극들(301) 중 2개 이상이 서로 접속될 수 있다. 이에 부가하여, 전극 표면 코팅(307)은 플라즈마 노출로부터 각각의 RF 전극(301)을 보호한다.
여기서 설명된 다른 실시예들과 조합될 수 있는 몇몇 실시예들에 따르면, 예컨대 글래스 또는 석영으로 만들어진 커버들로서 전극들의 표면 코팅이 제공될 수 있다. 전형적으로, 예컨대 전극들 상의 커버들을 클램핑(clamp)함으로써, 커버들이 제거 가능할 수 있다. 이는, 박막 증착 시스템의 유지 보수 동안에 커버들의 쉽고 빠른 교체를 허용한다. 전형적으로, 커버는 전극에 제거 가능하게 고정되도록 적응되어, 저 비용 설계 커버들의 교체를 허용한다. 또한, RF 전극들의 보호에 부가하여, 전극 커버의 고(high) 2차 전자 방출 계수는 높은 압력들에서 플라즈마 안정성을 제공할 수 있다.
도 6은 각각의 전극에 대해 별개로, 가스 유입구(201)를 통한 증착 가스의 입력 및 가스 배출구(202)를 통한 증착 가스의 출력을 더 상세히 도시한다. 가스 유입구(201)는 증착 가스를 플라즈마 볼륨(101)으로 직접적으로 지향시키도록 적응되는 반면에, 가스 배출구(202)는 플라즈마 볼륨(101)의 상측 림(rim)에 제공된다. 전술된 바와 같이, 플라즈마 볼륨은, 전극의 기하학적 치수들 및 전극-기판 갭 거리(308)에 의해 정의된다, 즉, 플라즈마 볼륨(101)은 전극-기판 갭 거리(308), 전극 폭(304), 및 전극 길이(305)의 곱에 의해 정의된다(도 1 참조).
여기서 설명된 다른 실시예들과 조합될 수 있는 몇몇 실시예들에 따르면, 코팅될 기판(500)은 각각의 RF 전극들(301)과 상대 전극(406) 사이에 위치된다. 상대 전극(406)은 접지될 수 있으며, 여기서, 개별적인 RF 전극들(301)의 RF 입력들(405)은 RF 생성기(400)의 다른 폴에 접속된다(도 5 참조). 도 6에서 도시된 전극 배열은, 기판 이송 방향(501)으로 이동하는 코팅될 기판(500)이 플라즈마 생성을 목적으로 갈바니 접촉(galvanically contact)되지 않는다는 유리한 점을 갖는다. 이동하는 기판들(500)의 경우에 특히, 도 6에서 도시된 배열이 증착 프로세스들에 대해 사용될 수 있다.
여기서, 도면들에서 도시되지 않지만, 감소된 주위 압력에서 플라즈마 증착 프로세스들을 제공하기 위해, 플라즈마 증착 소스(100)가 진공 챔버 내에 설치될 수 있다는 것이 주의된다.
본 개시에 대하여 증착 프로세스들이 설명되었지만, 여기서 설명된 실시예들 중 적어도 하나에 따른 플라즈마 증착 소스(100)가, 플라즈마 식각 프로세스들, 표면 변형 프로세스들, 플라즈마 강화 표면 활성화, 플라즈마 강화 표면 비활성화 등과 같은 다른 플라즈마 프로세스들에 대해 사용될 수 있으나, 이들에 한정되지는 않는다는 것이 여기서 주의된다.
도면들에서 도시되지 않은 또 다른 실시예에 따르면, 전극들은, 휘어진 단면 형상을 가질 수 있거나, 또는 플라즈마 증착 프로세스 동안에 전극들이 회전하도록 배열될 수 있다. RF 전극들(301)은 동상으로 구동될 수 있거나, 또는 이상(out of phase)으로 구동될 수 있다. 다영역 전극 디바이스(300) 내의 각각의 RF 전극(301)의 각각의 가스 유입구 및 가스 배출구들(201, 202)을 이용하여, 각각의 RF 전극(301)이 별개로 동작될 수 있다. 따라서, RF 전극(301)에 의해 정의된 개별적인 영역들에서 상이한 가스들, 상이한 RF 전력들, 상이한 RF 주파수들을 제공하는 것이 가능하다. 따라서, 적어도 하나의 RF 전극(301)에 의해 제공된 플라즈마 볼륨(101)으로, 나머지 RF 전극들(301)에 관련하여, 적어도 하나의 상이한 증착 가스가 공급될 수 있다.
도 7은, 기판(미도시)이 RF 전극들(301)을 지나, 기판 이송 방향(501)으로 이송되는 저부 측으로부터의 관찰 각에서 본, 플라즈마 증착 소스(100)의 사시도이다. RF 전극들(301)은 각각, 플라즈마 노출로부터 각각의 RF 전극들(301)을 보호하기 위한 전극 표면 코팅(307)을 갖는다. RF 전극들(301)은 각각, 기판 이송 방향(501)에 수직한 RF 전극들(301)의 에지들에 가스 랜스들, 즉, 각각의 가스 유입구(201) 및 각각의 가스 배출구(202)를 갖는다. 가스 유입구(201)는 가스 유입구(201)의 길이를 따라 제공된 가스 유입구 개구들(204)을 가질 수 있다. 다영역 전극 디바이스(300)의 각각의 RF 전극(301)에는 RF 입력들(405)을 통해 별개로 RF 전력이 제공될 수 있다.
여기서 설명된 다른 실시예들과 조합될 수 있는 몇몇 실시예들에 따르면, 가스 배출구(202) 및 특히 가스 유입구(201)가, 구성 가능할 수 있거나 또는 교환 가능할 수 있다. 이로 인해, 예컨대, 플라즈마 영역 내의 가스 분포가 제어될 수 있도록, 개구(204)를 갖는 가스 분포 바가 제공될 수 있다. 전형적인 실시예들에 따르면, 가스 분포 바는 기판 이송 방향(501)에 평행한 증착 소스의 중심선에 대하여 대칭적인 설계를 가질 수 있다. 예컨대, 전극들의 길이 방향들에 대한 가스 분포 바들의 에지 영역들에는, 전극의 에지에서의 프리커서 가스들의 손실이 보상될 수 있도록, 부가적인 또는 더 큰 개구들(204)이 제공될 수 있다. 또한, 또 다른 전형적인 실시예에 따르면, 전극들의 길이 방향들에 대한 가스 분포 바들의 에지 영역들에는, 증착 프리커서들의 축적(build-up)을 감소시키고 그리고/또는 증착 프로파일을 보다 평활화시키기 위해, 더 적거나 또는 더 작은 개구들(204)이 제공될 수 있다. 이에 부가하여, 가스 유입구 개구들(204) 및/또는 가스 배출구 개구들(205)이 슬롯들의 형태로 제공될 수 있다. 각각의 슬롯은 슬롯의 길이를 따르는 가변 슬롯 폭을 나타낼 수 있고, 예컨대, 가스 분포 바들의 에지 영역들에서 더 크거나 또는 더 작은 슬롯 폭을 나타낼 수 있다.
유사하게, 여기서 설명된 다른 실시예들과 조합될 수 있는 몇몇 실시예들에 따르면, 플라즈마 영역으로부터의 배출이 균일한 플라즈마 거동, 즉, 기판 이동 방향에 수직한 기판 방향을 따르는 기판에 걸친 균일한 증착을 위해 제어될 수 있거나 또는 적응될 수 있도록, 개구(204) 또는 슬릿(slit)을 갖는 가스 펌핑 채널이 제공될 수 있다. 이로 인해, 전형적인 실시예들에 따르면, 가스 펌핑 바 또는 가스 펌핑 채널은, 기판 이동 방향에 평행한 증착 소스의 중심선에 대하여 대칭적인 설계를 가질 수 있다. 일반적으로, 펌핑 채널들의 길이의 기존의 차이들이 보상되고, 가스 배출구의 길이를 따라 균일한 흐름 저항이 제공되도록, 가스 펌핑 채널이 구성 가능할 수 있거나 또는 교환 가능할 수 있다.
다영역 전극 디바이스(300)는 10 내지 100 MHz의 범위 내의 구동 RF 주파수들에서 동작될 수 있으며, 여기서, 전형적인 주파수들은 약 13.56 MHz 내지 94.92 MHz이다. 선택된 구동 RF 주파수는 특히, 전극 치수들에 의존한다. 더 큰 기판들(500) 상에 박막들의 플라즈마 강화-증착을 제공하기 위해, 다영역 전극 디바이스(300)가 치수에 관해 스케일업(scale up)될 수 있다. 업스케일링(upscailing)의 경우에서, 코팅 균일성에 주로 영향을 미치는 정상파(standing wave) 효과를 회피하기 위해 구동 RF 주파수가 변화할 수 있다. 도 5에서 도시되었고 여기서 상술된 커넥터들(401)(전력 브래킷들)이, 플라즈마 볼륨 내에서의 플라즈마의 균일한 여기를 제공하기 위해 전극 길이(305)를 따라 제공될 수 있다. 기판 이송 방향(501)에 수직한 전극 길이(305)를 따라 적어도 2개의 커넥터들(401)이 배열될 수 있다.
기판 이송 방향(501)에 수직한 전극 길이(305)는 80 cm 내지 200 cm의 범위 내에 있을 수 있고, 전형적으로, 120 cm 내지 180 cm의 범위 내에 있을 수 있다. 다른 전형적인 실시예에 따르면, 전극 길이(305)는 약 150 cm에 달한다.
전기장 균일성, 따라서 플라즈마 볼륨 내의 플라즈마 균일성을 조정하기 위해, 개별적인 RF 전극(301)의 전극 길이(305)를 따라 제공되며, RF 전극들(301)을 서로 접속시키기 위해 사용될 수 있는 적어도 2개의 커넥터들(401)이 사용될 수 있다(도 7에서 미도시). 또한, 적어도 하나의 RF 생성기(400)에 별개로 개별적인 RF 전극들(301)을 접속시킴으로써, 2개의 인접한 RF 전극들 사이에 푸시-풀 모드가 제공될 수 있다.
도 7에서 도시된 바와 같이, 가스 흐름 방향, 즉, RF 전극(301)을 횡단하는, 가스 유입구(201)로부터 가스 배출구(202)로의 가스 흐름은 기판 이송 방향(501)에 평행하다. 또한, 2개의 인접한 RF 전극들을 횡단하는 가스 흐름 방향들이 서로 대향하도록 정렬되는 것이 가능하다. 또한, 여기서 설명된 다른 실시예들과 조합될 수 있는 또 다른 실시예에 따르면, 증착 가스의 가스 흐름은, 모든 RF 전극들(301)을 횡단하는 가스 흐름 방향들이 기판 이송 방향(501)에 역평행하도록 조정될 수 있다.
상술된 실시예들 중 몇몇의 실시예들에 따르면, RF 전극(301)의 전극 폭(304)은, 실란 더스트 형성이 감소되도록, 프리커서 가스의 공핍 프로파일에 대하여 조정될 수 있다. 또한, 플라즈마 볼륨(101)에서 제공된 플라즈마의 플라즈마 파라미터들, 및 프리커서 가스의 공핍 프로파일에 대하여, 전극 폭(304)이 튜닝되는 경우에, 증착 레이트들이 증가될 수 있다. 추가의 유리한 점은 증착 가스의 더 효과적인 이용이다.
따라서, 유리하게, 이동하는 기판(500)의 기판 표면(502) 상에 증착된 박막들의 품질이 개선된다. 다영역 전극 디바이스(300)를 포함하는 플라즈마 증착 소스(100)는, 상술된 바와 같이, 증착 프로세스들에 대해 사용될 수 있다. 또한, 또 다른 실시예들에 따르면, 다영역 전극 디바이스(300)는 식각, 및 표면 활성화, 표면 패시베이션 등과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는, 다른 표면 변형 프로세스들에 대한 사용을 위해 설계될 수 있다.
이동하는 기판(500)의 기판 표면(502)의 바로 근처에서의 가스 상 프리커서들의 활성화의 정도에 따라 증착 레이트가 증가될 수 있다. 이들 가스 상 프리커서들은, RF 전력 밀도, 전극-표면 갭 거리(308), 프로세스 가스 흐름(203), 및 프로세스 가스 조성물에 의해 제어된다. 실란 더스트의 형성은, 프리커서 가스 실란의 공핍 길이에 대한 전극 폭(304)의 조정에 기초하여 감소될 수 있다. 따라서, 전극 폭(304)의 튜닝은 원하는 프리커서 공핍 길이 프로파일에 매칭하게 효과적으로 제공될 수 있다.
도 8은 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법을 예시하는 흐름도이다. 방법은 단계들(S1 내지 S7)을 포함한다. 프로시져는 단계(S1)에서 시작하고, 단계(S2)로 진행하며, 단계(S2)에서, 적어도 2개의 국부적으로 분리된 RF 전극들을 포함하는 다영역 전극 디바이스가 제공된다. 단계(S3)에서, 기판 이송 방향으로 RF 전극들을 지나게 기판이 유도된다. 국부적으로 분리된 적어도 2개의 RF 전극들 각각은, 기판 이송 방향에 수직한 RF 전극의 에지들에 배열된 별개의 가스 유입구 및 별개의 가스 배출구를 갖는다. 단계(S4)에서, 개별적인 RF 전극의 각각의 가스 유입구로부터 각각의 가스 배출구로 증착 가스가 유도된다. 단계(S5)에서, 적어도 2개의 RF 전극들로 RF 전력이 공급된다. 이로 인해, 단계(S6)에서, 기판 이송 방향으로 이동하는 유도되는 기판 상에 박막이 증착된다. 프로시져는 단계(S7)에서 종료된다.
상기된 바를 고려하여, 복수의 실시예들이 설명되었다. 예컨대, 일 실시예에 따르면, 증착 가스를 플라즈마 상으로 전이시키고, 진공 챔버 내에서 기판 이송 방향으로 이동하는 기판 상에 플라즈마 상으로부터 박막을 증착하도록 적응된 플라즈마 증착 소스가 제공된다. 플라즈마 증착 소스는, 진공 챔버 내에 위치되도록 적응되며 이동하는 기판에 대향되게 배열된 적어도 하나의 RF 전극을 포함하는 다영역 전극 디바이스, 및 RF 전극에 RF 전력을 공급하도록 적응된 RF 전력 생성기를 포함한다. RF 전극은, 전극의 하나의 에지에 배열된 적어도 하나의 가스 유입구, 및 RF 전극의 대향된(opposed) 에지에 배열된 적어도 하나의 가스 배출구를 갖는다. 플라즈마 증착 소스의 선택적인 변형에 따르면, 기판 이송 방향에 평행한 RF 전극의 전극 폭은 증착 가스의 임계 공핍 길이 미만이며, 임계 공핍 길이는, 증착 가스 몰분율이 그 증착 가스 몰분율의 오리지널 값의 약 10 %의 값으로 강하한 포인트에서 정의된다. 또 다른 부가적인 또는 대안적인 변형들에 따르면, RF 전극은 진공 챔버 내에서, 전극 표면 및 대향하는 기판 위치 사이에서 플라즈마 볼륨을 정의한다. 상기 다른 실시예들 및 변형들 중 임의의 것과 조합될 수 있는 또 다른 실시예들에 따르면, 전극 길이로 제산된 플라즈마 볼륨에 의해, 정규화된 플라즈마 볼륨이 제공되고, 플라즈마 볼륨은 전극 표면 및 대향하는 기판 위치 사이에서 정의되고, 정규화된 플라즈마 볼륨은, 증착 가스 흐름, 플라즈마 압력, RF 전력, 및 RF 전극에 제공되는 RF 주파수에 기초하여 제공된다. 또 다른 부가적인 또는 대안적인 변형들에 따르면, 플라즈마 볼륨에 증착 가스를 공급하도록 적응된 가스 공급 디바이스가 제공된다. 상기 다른 실시예들 및 변형들 중 임의의 것과 조합될 수 있는 또 다른 실시예들에 따르면, 기판 이송 방향에 대하여, RF 전극의 리딩 에지에 적어도 하나의 가스 유입구가 배열되고, RF 전극의 트레일링 에지에 적어도 하나의 가스 배출구가 배열된다. 또 다른 변형에 따르면, 가스 유입구 및 가스 배출구는, 본질적으로 기판 이송 방향에 수직하게 배열된다. 상기 다른 실시예들 및 변형들 중 임의의 것과 조합될 수 있는 또 다른 실시예들에 따르면, 플라즈마 증착 소스는, RF 전극들을 서로 전기적으로 접속시키도록 적응된 적어도 하나의 커넥터를 더 포함한다. 또 다른 변형에 따르면, 플라즈마 증착 소스는, RF 전극들을 서로 접속시키도록 적응된 적어도 2개의 커넥터들을 포함하며, 여기서, 적어도 2개의 커넥터들은 기판 이송 방향에 수직한 전극 길이를 따라 배열된다. 적어도 2개의 전극들은 공통 생성기 폴에 접속될 수 있다. 선택적인 변형에 따르면, 다영역 전극 디바이스에 RF 전력 생성기를 접속시키기 위해 매칭 네트워크가 제공된다. 또한, 상대 전극은 적어도 RF 전극에 대향하는 이동하는 기판의 측에서 배열될 수 있다. 추가의 변형에 따르면, RF 전극에 인가된 RF 주파수는 10 내지 100 MHz의 범위 내에 있고, 전형적으로는 약 40.68 MHz에 달한다. 또 다른 변형에 따르면, 전극 폭은 10 cm 내지 18 cm의 범위 내에 있고, 전형적으로는 12 cm 내지 17 cm의 범위 내에 있으며, 더 전형적으로는 약 15 cm에 달한다. 상기 다른 실시예들 및 변형들 중 임의의 것과 조합될 수 있는 또 다른 실시예들에 따르면, 기판 이송 방향에 수직한 전극 길이는 80 cm 내지 200 cm의 범위 내에 있고, 전형적으로는 120 cm 내지 180 cm의 범위 내에 있으며, 더 전형적으로는 약 150 cm에 달한다.
다른 실시예에 따르면, 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법이 제공된다. 방법은, 적어도 하나의 RF 전극을 포함하는 다영역 전극 디바이스를 제공하는 단계; 기판 이송 방향으로 RF 전극을 지나게 기판을 유도하는 단계; RF 전극의 가스 유입구로부터 가스 배출구로 증착 가스를 흘려 보내는 단계; RF 전극에 RF 전력을 공급하는 단계; 및 유도 기판 상에 박막을 증착하는 단계를 포함한다. 방법의 선택적인 변형에 따르면, 방법은, 각각의 RF 전극에 대해 별개로, 가스 유입구로부터 가스 배출구로 RF 전극을 횡단하는 증착 가스 흐름을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 변형 또는 상기 실시예와 조합될 수 있는 또 다른 실시예들에 따르면, 적어도 2개의 RF 전극들이 동상으로 구동된다. 또 다른 변형에 따르면, 2개의 인접한 전극들 사이의 미리 결정된 위상차에 의해, 2개의 인접한 전극들이 구동된다. 또 다른 실시예에 따르면, 기판 이송 방향에 수직한 전극 길이를 따라, RF 전극들을 서로 접속시키기 위해 제공되는 적어도 2개의 커넥터들에 의해, 전기장 균일성이 조정된다. 상술된 다른 변형들과 조합될 수 있는 또 다른 변형에 따르면, 증착 가스의 공핍 길이가 기판 이송 방향에 평행한 전극 폭과 동일하거나 또는 더 크도록, 전극-기판 가스 거리가 조정된다. 또 다른 변형에 따르면, 적어도 하나의 RF 전극에 의해 제공된 플라즈마 볼륨으로, 나머지 RF 전극들에 관련하여, 적어도 하나의 상이한 증착 가스가 공급된다. 또한, 또 다른 실시예에 따르면, 적어도 2개의 RF 전극들은 푸시-풀 모드에서 구동된다. 또 다른 실시예에 따라, RF 전극의 전극 폭은 입자 체류 시간이 0.01 s 내지 1 s의 범위 내에 있고 전형적으로는 약 0.4 s에 달하도록 조정된다. 여기서 상술된 실시예들 및 변형들과 조합될 수 있는 또 다른 실시예들에 따르면, 증착 가스의 가스 흐름은, 2개의 인접한 RF 전극들을 횡단하는 가스 흐름 방향들이 서로 대향하도록 조정된다. 또한, 증착 가스의 가스 흐름은, 모든 RF 전극들을 횡단하는 가스 흐름 방향들이 기판 이송 방향에 평행하거나 또는 역평행하도록 조정될 수 있다.
전술한 바가 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 및 추가의 실시예들이, 본 발명의 기본적인 범주로부터 벗어나지 않으면서 고안될 수 있으며, 본 발명의 범주는 다음의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (15)

  1. 플라즈마 증착 소스로서,
    상기 플라즈마 증착 소스는, 증착 가스를 플라즈마 상으로 전이(transfer)시키고, 진공 챔버 내에서 기판 이송 방향으로 이동하는 기판 상에 상기 플라즈마 상으로부터 박막을 증착하도록 적응되며, 상기 플라즈마 증착 소스는,
    상기 진공 챔버 내에 배치되도록 적응되며 적어도 하나의 RF 전극을 포함하는 다영역(multi-region) 전극 디바이스 ― 상기 전극은, 상기 기판 이송 방향에 평행한 전극 폭 및 상기 기판 이송 방향에 수직한 전극 길이를 갖고, 상기 이동하는 기판에 대향되게 배열됨 ―; 및
    상기 RF 전극에 RF 전력을 공급하도록 적응된 RF 전력 생성기를 포함하며,
    정규화된(normalized) 플라즈마 볼륨은 전극 표면 및 대향하는 기판 위치 사이에서 정의되는 플라즈마 볼륨에 의해 제공되고, 상기 전극 길이로 나뉘며, 상기 정규화된 플라즈마 볼륨은 상기 증착 가스의 공핍(depletion) 길이로 튜닝(tune)되고,
    상기 RF 전극은 상기 RF 전극의 하나의 에지에 배열된 적어도 하나의 가스 유입구, 및 상기 RF 전극의 대향하는 에지에 배열된 적어도 하나의 가스 배출구를 갖고,
    상기 기판 이송 방향에 평행한 상기 RF 전극의 상기 전극 폭은 상기 증착 가스의 공핍 프로파일의 임계 공핍 길이 미만이며, 상기 임계 공핍 길이는 상기 증착 가스의 최대 몰분율의 10 %에서 정의되고,
    상기 정규화된 플라즈마 볼륨은 5 cm2 내지 50 cm2의 범위 내에 있는,
    플라즈마 증착 소스.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 RF 전극은, 상기 진공 챔버 내에서, 전극 표면 및 대향하는 기판 위치 사이에서 1200 cm3 내지 7200 cm3의 범위 내의 플라즈마 볼륨을 정의하는, 플라즈마 증착 소스.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 기판 이송 방향에 대하여, 상기 RF 전극의 리딩 에지(leading edge)에 상기 적어도 하나의 가스 유입구가 배열되고, 상기 RF 전극의 트레일링 에지(trailing edge)에 상기 적어도 하나의 가스 배출구가 배열되는, 플라즈마 증착 소스.
  6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    적어도 2개의 RF 전극들을 서로 전기적으로 접속시키도록 적응된 적어도 하나의 커넥터를 더 포함하는, 플라즈마 증착 소스.
  7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    적어도 2개의 RF 전극들을 서로 접속시키도록 적응된 적어도 2개의 커넥터들을 더 포함하며, 상기 적어도 2개의 커넥터들은 상기 기판 이송 방향에 수직한 전극 길이를 따라 배열되는, 플라즈마 증착 소스.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 RF 전극들은 공통 생성기 폴(common generator pole)에 접속되는, 플라즈마 증착 소스.
  9. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 RF 전극의 전극 폭은, 입자 체류 시간이 0.01 s 내지 1 s의 범위 내에 있도록 제공되는, 플라즈마 증착 소스.
  10. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 기판 이송 방향에 평행한 상기 전극 폭은 10 cm 내지 18 cm의 범위 내에 있는, 플라즈마 증착 소스.
  11. 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법으로서,
    상기 방법은,
    적어도 하나의 RF 전극을 포함하는 다영역 전극 디바이스를 제공하는 단계;
    기판 이송 방향으로 상기 RF 전극을 지나게 기판을 유도하는 단계;
    가스 유입구로부터 가스 배출구로 증착 가스를 흘려 보내는 단계;
    상기 RF 전극에 RF 전력을 공급하는 단계; 및
    유도되는 기판 상에 상기 박막을 증착하는 단계를 포함하며,
    상기 기판 이송 방향에 평행한 상기 RF 전극의 폭은 상기 증착 가스의 공핍 프로파일로 튜닝되고,
    상기 기판 이송 방향에 평행한 상기 RF 전극의 폭은 상기 증착 가스의 임계 공핍 길이 미만이며, 상기 임계 공핍 길이는, 증착 가스 몰분율이 그 증착 가스 몰분율의 오리지널(original) 값의 10 %의 값으로 강하되는 포인트에서 정의되는,
    기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    적어도 2개의 RF 전극들이 동상(in phase)으로 구동되는, 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판 이송 방향에 수직한 전극 길이를 따라, 적어도 2개의 RF 전극들을 서로 접속시키기 위해 제공된 적어도 2개의 커넥터들에 의해, 전기장 균일성이 조정되는, 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 증착 가스의 공핍 길이가 상기 기판 이송 방향에 평행한 RF 전극의 전극 폭과 동일하거나 또는 더 크도록, 전극-기판 갭 거리가 조정되는, 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법.
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