KR101953930B1 - 플라즈마 발생 장치 및 증착 장치 - Google Patents

Abstract

플라즈마 어시스트법에 적합한 플라즈마를 형성할 수 있는 플라즈마 발생 장치를 제공한다.
챔버(2)와 챔버(2)의 내부에 마련하도록 배설되고, 전자를 방출하는 캐소드(7)와 캐소드(7)가 방출한 전자를 안내하는 자속을 형성하는 수속 코일(11)을 구비한 플라즈마 건(3)과 자속을 챔버(2)내에 형성하는 보조 자석(4)을 가지고, 수속 코일(11)에 자속의 방향이 변동하는 여자 전류를 인가하는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 발생 장치 및 증착 장치{PLASMA GENERATION APPARATUS AND DEPOSITION APPARATUS}

본 발명은, 플라즈마 발생 장치 및 증착 장치와 증착 방법에 관한 것이다.

플라즈마를 형성하여 증착을 촉진하는 플라즈마 어시스트법(plasma assist method)을 실시하는 증착 장치가 알려져 있다. 플라즈마 어시스트법을 실시하는 경우, 유리 기판 등의 피증착체를 플라즈마의 가까이에 배치하면, 피증착체가 과열되어 그 표면에 이온 스패터가 발생하고, 증착에 의해 형성한 막에 결함을 일으킬 수 있다.

플라즈마 건(plasma gun)은, 일반적으로, 방출한 전자를 안내하는 자속(磁束)을 형성하기 위해 수속 코일(convergent coil)을 구비한다. 그래서, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 증착 장치에서는, 자석을 이용하고, 수속 코일이 형성한 자속을 굴곡시켜, 혹은, 굴곡한 합성 자장(磁場)을 형성하여, 증착 원료의 도가니(crucible)의 근처에 플라즈마가 형성되도록 하고 있다. 그렇지만, 피증착체와 플라즈마와의 거리가 멀어지면, 증발한 원료의 활성이 저하하여 막질이 나빠진다고 하는 문제가 있다.

특허문헌 1 : 일본국 특개평7-76770호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특개2001-295031호 공보

상기 문제점에 비추어, 본 발명은, 플라즈마 어시스트법에 적합한 플라즈마를 형성할 수 있는 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 어시스트법에 따라 증착막에 결함을 일으키게 하지 않고 고품질의 성막이 가능한 증착 장치 및 증착 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 플라즈마 발생 장치는, 챔버와, 상기 챔버의 내부에 마련하도록 배설되고, 전자를 방출하는 캐소드(cathode)와 상기 캐소드가 방출한 전자를 안내하는 자속을 형성하는 수속 코일을 구비한 플라즈마 건과, 자속을 상기 챔버내에 형성하는 보조 자석을 가지고, 상기 수속 코일에 자속의 방향이 변동하는 여자 전류(勵磁電流:excitation current)를 인가하는 것으로 한다.

이 구성에 의하면, 여자 전류의 전류 변화에 따라, 수속 코일이 형성하는 자속과 보조 자석이 형성하는 자속과의 합성 자속의 경로가 변화한다. 이것에 의해, 플라즈마가 형성되는 범위가 이동, 전형적으로는, 보조 자석에 접근 또는 이간하도록, 플라즈마가 형성되는 범위가 굴곡 또는 신장(伸長)한다. 이로써, 플라즈마를 이동시키고, 플라즈마의 범위가 고정되는 것에 따라 생기는 피증착체의 과열 등의 문제를 회피할 수 있다.

또한, 본 발명의 플라즈마 발생 장치에 있어서, 상기 플라즈마 건은, 상기 캐소드와 상기 수속 코일과의 사이에, 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 압력 경도형(pressure-gradient type) 플라즈마 건으로, 상기 제2 전극은, 내부에 전극내 코일이 배설되어 있고, 해당 플라즈마 발생 장치는, 상기 전극내 코일에 상기 여자 전류와 동기하여 변동하는 극내 전류를 인가해도 괜찮다.

이 구성에 의하면, 전극내 코일이 형성하는 자속의 방향과, 수속 코일이 형성하는 자속의 방향이 동조하기 때문에, 캐소드로부터 방출된 전자를 수속 코일이 형성한 자속에 포착시키기 쉽고, 전자의 이동이 안정된다. 이 때문에, 플라즈마를 안정되게 발생시킬 수 있는 여자 전류 변화의 허용도가 높고, 전류 변동에 대한 플라즈마 발생 범위 이동의 추종이 빠르다.

또한, 본 발명의 플라즈마 발생 장치에 있어서, 상기 여자 전류와 상기 극내 전류는, 동위상의 비슷한 주기적 파형을 가지고, 상기 여자 코일과 상기 전극내 코일과 같은 극성의 자속을 형성시켜도 괜찮다.

이 구성에 의하면, 여자 코일과 전극내 코일의 극성을 완전하게 일치시킴으로써, 전자의 이동이 안정됨과 동시에, 여자 전류 및 극내 전류를 동일한 전원 또는 같은 제어 신호에 의해 제어되는 회로를 이용해 발생시킬 수 있기 때문에, 구성이 간단하다.

또한, 본 발명의 플라즈마 발생 장치에 있어서, 상기 보조 자석은, 상기 플라즈마 건과 반대측의 상기 챔버의 외측에, 자극(磁極)의 방향이 상기 플라즈마 건의 축과 교차하도록 배설되더라도 괜찮다.

이 구성에 의하면, 보조 자석은, 합성 자속을 플라즈마 건의 축으로부터 벗어나도록 굴곡시킬 수 있으므로, 플라즈마 발생 범위를 용이하게 요동 할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 증착 장치의 제1의 태양은, 상기 플라즈마 발생 장치의 어느 하나를 구비하는 것으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 증착 장치의 제2의 태양은, 피증착체를 보관 유지하는 챔버내에 전자를 방출하는 것에 의해 플라즈마를 형성하고 증착을 실시하는 증착 장치로써, 상기 챔버내에 방출한 전자를 안내하는 자속의 경로를 변화시키면서 증착을 실시하는 것으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 증착 방법은, 피증착체를 보관 유지하는 챔버내에 전자를 방출하는 것에 의해 플라즈마를 형성하고, 상기 챔버내에 방출한 전자를 안내하는 자속의 경로를 변화시키면서 증착을 실시하는 것으로 한다.

이러한 증착 장치나 증착 방법에 의하면, 피증착체의 과열에 의한 증착 피막의 결함 발생을 방지하면서, 증발한 원료의 활성을 높여 증착 피막의 품질을 향상하도록 한다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 전자를 안내하는 자속의 경로를 변화시키는 것에 의해, 플라즈마의 발생 범위를 이동하게 되어, 플라즈마의 작용을 조절할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태의 증착 장치의 개략 구성도이다.
도 2는, 본 발명의 제2 실시 형태의 증착 장치의 개략 구성도이다.

이로써, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태인 증착 장치(1)의 구성을 나타낸다. 증착 장치(1)는, 내부를 진공 배기 가능한 챔버(2)와, 챔버(2)의 측벽에 설치한 개구로부터 챔버(2)의 내부를 바라보도록 배설된 압력 경도형 플라즈마 건(3)과, 챔버(2)의 플라즈마 건(3)과 반대측의 측벽 외측에 배설된 영구 자석으로 이루어진 보조 자석(4)을 가진다.

챔버(2)는, 내부 공간의 상부에, 표면에 금속을 증착해야 할 피증착체인 유리 기판(5)을 보관 유지할 수 있고, 저부에 증착 원료를 용해하기 위한 도가니(6)가 배설되어 있다.

플라즈마 건(3)은, 전자를 방출하는 캐소드(7)와, 전자의 궤도를 따라 전위 경도를 형성하는 제1 전극(8) 및 제2 전극(9)과, 캐소드(7)가 방출한 전자를 회수하는 귀환 전극(feedback electrode)(10)과, 캐소드(7)가 방출한 전자를 안내하는 자속을 형성하는 수속 코일(11)을 가진다. 제1 전극(8)은, 내부에 영구 자석(12)을 수용한 중공 환상의 전극이다. 제2 전극(9)은, 내부에 공심 코일(air core coil)로 이루어진 극내 코일(13)을 수용한 중공 환상의 전극이다. 플라즈마 건(3)은, 예를 들면 아르곤(argon)과 같은 전리(電離)하여 플라즈마화하는 가스를, 캐소드(7), 제1 전극(8), 제2 전극(9), 귀환 전극(10) 및 수속 코일(11)의 중심을 관통하여 분사하도록 되어 있다.

또한, 플라즈마 건(3)은, 인버터로 이루어지고, 제2 전극(9)의 극내 코일(13)에 교류 전류인 극내 전류를 인가하기 위한 극내 여자 전원(14)과, 인버터로 이루어지고, 수속 코일(11)에 교류 전류인 여자 전류를 인가하기 위한 수속 여자 전원(15)과, 극내 여자 전원(14) 및 수속 여자 전원(15)을 제어하는 제어 장치(16)를 가진다. 극내 여자 전원(14)과 수속 여자 전원(15)은, 권선 방향(winding direction)이 같고, 즉, 인가되는 전류에 대하여 발생하는 자속의 방향이 같다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 제어 장치(16)는, 극내 여자 전원(14)과 수속 여자 전원(15)에, 동일 주파수로 동위상의 동기한 정현파(正弦波:since wave) 전류를 출력시키도록 되어 있다.

보조 자석(4)은, 플라즈마 건(3)의 중심축으로부터 벗어나서, 양극간의 방향이 플라즈마 건(3)의 중심축과 직교하도록, 구체적으로는, S극이 플라즈마 건(3)의 중심축의 방향을 향해 배치되어 있다.

수속 코일(11)이, 챔버(2)측이 N극이 될 것 같은 자속을 형성하면, 수속 코일(11)이 형성한 자속은, 보조 자석(4)으로 끌어당겨진다. 즉, 수속 코일(11)이 형성한 자속과 보조 자석(4)이 형성한 자속과의 합성 자장은, 플라즈마 건(3)의 중심축으로부터 보조 자석(4)을 향해 빗나가도록 만곡한다. 플라즈마 건(3)으로부터 방출된 전자는, 자속에 감기도록 이동하므로, 플라즈마 건(3)으로부터 분사된 가스를 전리하여 플라즈마를 형성하는 범위도, 1점 쇄선으로 도시하는 범위 A1과 같이, 보조 자석(4) 측에 만곡한다.

수속 코일(11)이, 챔버(2)측이 S극이 될 것 같은 자속을 형성하면, 수속 코일(11)이 형성한 자속과 보조 자석(4)가 형성한 자속이 서로 반발하므로, 플라즈마 건(3)으로부터 방출된 전자를 안내하는 연속한 자속을 형성할 수 없다. 이 때문에, 전자는, 자속에 안내되는 일 없이, 대략 플라즈마 건(3)의 중심축을 따라 직진하고, 2점 쇄선으로 도시하는 범위 A2와 같이, 대략 플라즈마 건(3)의 중심축을 따르는 영역에 플라즈마를 형성한다. 또한, 수속 코일(11)이 형성하는 자속과 보조 자석(4)이 형성하는 자속과의 밸런스에 따라서는, 플라즈마가 형성되는 범위가 보조 자석(4)으로부터 이간하는 경우도 있다.

따라서, 수속 여자 전원(15)에 의해, 수속 코일(11)에 교류의 여자 전류를 인가하면, 플라즈마가 형성되는 범위가, 여자 전류에 동기하여 요동한다. 즉, 챔버(2)내의 플라즈마는, 수속 코일(11)에 인가되는 여자 전류와 같은 주기로, 유리 기판(5)에 대해 접근 및 이간을 반복한다.

이와 같이, 증착 장치(1)는, 플라즈마를 유리 기판(5)으로부터 주기적으로 이간하게 함으로써, 유리 기판(5)이 플라즈마로부터 받는 열량을 저감한다. 이것에 의해, 유리 기판(5)의 온도가 과도하게 상승함으로써 생길 수 있는 증착 피막의 결함이 방지된다. 동시에, 증발한 증착 원료 분자를 활성화하는 플라즈마를 유리 기판(5)에 주기적으로 접근시킴으로써, 막질이나 성막 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 플라즈마 건(3)은, 제2 전극(9)의 극내 코일(13)에 여자 전류와 동기 한 극내 전류를 인가하고 있으므로, 극내 코일(13)이 형성하는 자속과, 수속 코일(11)이 형성하는 자속이 일체가 되어, 플라즈마 건(3)의 내부를 관통하는 합성 자속이 형성된다. 이 때문에, 캐소드(7)로부터 방사된 전자는, 플라즈마 건(3)의 내부에 있어서, 수속 코일(11) 및 극내 코일(13)이 형성하는 자속에 잡혀서, 챔버(2)내로 방출된 후에도, 수속 코일(11)의 자속을 따라 진행된다. 이것에 의해, 수속 코일(11)의 자속의 변화에 대하여, 전자의 이동 경로를 잘 따라올 수 있고, 플라즈마의 형성 범위를 안정되게 요동시킬 수 있다.

또한, 플라즈마 건(3)의 기동 직후는, 캐소드(7)의 온도가 낮고, 전자가 불안정하기 때문에, 여자 전류 및 극내 전류를 직류 전류로 하고, 캐소드(7)의 온도가 상승하여 안정된 열전자의 방출 상태가 되고 나서, 여자 전류를 변동시키는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에 있어서, 제어 장치(16)는, 증착의 컨디션을 조정하기 위해, 극내 여자 전원(14) 및 수속 여자 전원(15)의 출력 파형이나 주파수를 변화시킴으로써, 플라즈마의 요동 범위나 요동 주기를 조절해도 괜찮다. 또한, 극내 전류 및 여자 전류의 주파수가 높으면, 표피(表皮) 효과에 의해 수속 코일(11)이나 극내 코일(13)에서의 손실이 커지기 때문에, 그러한 주파수의 상한을 수백 Hz정도로 하는 것이 바람직하다.

또한, 외부 자계의 영향 등을 고려하여, 극내 코일(13)에 인가하는 극내 전류의 위상과, 수속 코일(11)에 인가하는 여자 전류의 위상을 약간 늦춰도 괜찮다. 또한, 간소화를 위해, 수속 코일(11)과 극내 코일(13)에는, 동일한 전원에 의해 전류를 인가하도록 구성해도 괜찮다. 또한, 보조 자석(4)은, 퀴리 온도(Curie temperature) 이상으로 가열되면 자력을 잃기 때문에, 챔버의 외부에 배치하는 것이 바람직하지만, 챔버의 내부에 배치해도 되고, 보조 자석(4)를 냉각하도록 해도 괜찮다.

이어서, 도 2에, 본 발명의 제2 실시 형태의 증착 장치(1a)를 나타낸다. 본 실시 형태에 있어서, 제1 실시 형태와 같은 구성 요소에는 같은 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다.

본 실시 형태의 플라즈마 건(3a)은, 종래 대로, 수속 코일(11) 및 극내 코일(13)에 직류 전류만이 인가되는 것이다. 본 실시 형태에서는, 수속 코일(11)이 발생하는 자속을 변화시키는 대신에, 플라즈마 건(3)과 반대측 챔버(2)의 외측에 배설한 2개의 보조 자석(4a, 4b)에 의해, 수속 코일(11)이 방출한 전자를 안내하기 위해 발생시킨 자속의 경로를 이동시키도록 되어 있다.

보조 자석(4a, 4b)는, 전자석으로 이루어져, 플라즈마 건(3a)의 중심축을 사이에 두고, 유리 기판(5)과 반대측 및 유리 기판(5)에 가까운 측에 배설되어 있다. 보조 자석(4a, 4b)에는, 도시하지 않은 전원에 의해, 주기적으로 변동하고, 예를 들면 90°위상이 다른 보조 전류가 인가되도록 되어 있다. 즉, 본 실시 형태에서는, 2개의 보조 자석(4a, 4b)이 발생하는 자속을 주기적으로 변화시키는 것에 의해, 수속 코일(11)과 보조 자석(4a, 4b)과의 합성 자속을 요동시킨다.

본 실시 형태에 있어서도, 챔버(2)내에서, 플라즈마 건(3a)이 방출한 전자를 안내하는 자속의 경로가 요동하므로, 유리 기판(5)의 과열 방지나, 증발한 금속 분자의 활성화가 가능하다.

또한, 보조 자석(4a, 4b)의 어느 한쪽만으로도, 자속을 요동하게 하여, 더 욱 다수의 보조 자석을 이용해도 괜찮다. 보조 자석(4a, 4b)에 인가하는 보조 전류의 위상차나, 파형 등은, 증착의 컨디션 조정을 위해 변경해도 된다. 또한, 영구자석으로 이루어진 보조 자석을 기계적으로 이동하도록 해도 괜찮다.

나아가, 본 발명에 의하면, 제1 실시 형태에 관한 수속 코일(11)이 형성하는 자속을 변화시키는 방법과, 제2 실시 형태에 관한 보조 자석(4a, 4b)이 형성하는 자속을 변화시키는 방법을 조합할 수도 있다.

덧붙여, 본 발명은, 증착 조건의 조정을 위해, 캐소드 출력의 업 슬로프 및 다운 슬로프에 의한 플라즈마 밀도 제어 등과 조합할 수도 있기 때문에, 보다 광범위한 조건 설정에 의해, 고품질의 증착을 가능하게 한다.

또한, 본 발명은, 증착 뿐만 아니라, 플라즈마를 이용하여 프로세스를 촉진하는 장치나 방법에 널리 적용할 수 있다.

1, 1a … 증착 장치
2 … 챔버
3, 3a … 플라즈마 건
4, 4a, 4b … 보조 자석
5 … 유리 기판(피증착체)
6 … 도가니
7 … 캐소드
8 … 제1 전극
9 … 제2 전극
10 … 귀환 전극
11 … 수속 코일
12 … 영구 자석
13 … 극내 코일
14 … 극내 여자 전원
15 … 수속 여자 전원
16 … 제어 장치
A1, A2 … 플라즈마 형성 범위

Claims (7)

1. 챔버와,
   상기 챔버의 내부에 마련하도록 배설되고, 전자를 방출하는 캐소드(cathode)와 상기 캐소드가 방출한 전자를 안내하는 자속을 형성하는 수속 코일을 구비한 플라즈마 건(plasma gun)과,
   자속을 상기 챔버내에 형성하는 보조 자석을 가지고,
   상기 수속 코일에 자속의 방향이 변동하는 여자 전류(excitation current)를 인가하고,
   상기 플라즈마 건은, 상기 캐소드와 상기 수속 코일과의 사이에, 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 압력 경도형(pressure-gradient type) 플라즈마 건으로,
   상기 제2 전극은, 내부에 전극내 코일이 배설되어 있고,
   상기 전극내 코일에 상기 여자 전류와 동기하여 변동하는 극내 전류를 인가하도록 되어 있고,
   상기 보조 자석은, 상기 플라즈마 건과 반대측의 상기 챔버의 외측에, 자극의 방향이 상기 플라즈마 건의 축과 교차하도록 배설되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
2. 삭제
3. 청구항 1의 기재에 있어서,
   상기 여자 전류와 상기 극내 전류는, 동위상의 주기적 파형을 가지고, 상기 여자된 수속 코일과 상기 전극내 코일에 같은 극성의 자속을 형성시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
4. 삭제
5. 청구항 1 또는 3에 기재된 플라즈마 발생 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 증착 장치.
   
6. 삭제
7. 삭제

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