KR102028767B1 - 플라즈마 소스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 진공 챔버에 유동 형태로 배치된 플라즈마 소스에 관한 것으로, 상기 플라즈마 소스는 소스 하우징을 포함하고, 상기 소스 하우징 내에는 필라멘트가 제공되어 그로부터 절연되도록 배치되고, 상기 소스 하우징과 필라멘트 사이에 전위차(potential drop)를 측정하기 위한 수단들이 제공된다. 상기 측정된 전위차는 상기 필라멘트를 가열하는 전압을 조정하는데 사용된다. 본 발명에 따라, 대응하는 수단들이 제공된다.

Description

플라즈마 소스{PLASMA SOURCE}
본 발명은 청구항 1.의 전제부에 따른 플라즈마 소스(plasma source)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 열이온 방전(thermionic discharge)에 의해 플라즈마를 생성하는 방법에 관한 것이다.
이와 관련하여, 필라멘트는 전류에 의해 가열됨으로써, 필라멘트의 고온 표면으로부터 전자의 방출을 유발한다. 고온 표면으로부터의 전자 방출은 리차드슨(Richardson)에 의해 먼저 기술된 다음의 식을 따른다:
J=AGT2e-W/kT
여기서, J는 방출 전류 밀도이고, T는 온도이며, W는 전자들의 일 함수이다.
텅스텐으로 구성된 필라멘트의 표면이 약 2900K를 초과하는 온도에 도달시, 충분한 전자들이 표면으로부터 방출됨으로써, 그들의 도움으로, 전자들이 전압에 의해 충분히 가속되어, 아르곤 가스는 플라즈마가 유지될 수 있는 정도로 이온화된다.
종래기술에 따르면, 필라멘트의 가열은 정전류 강도(constant current strength)를 통해 달성된다. AC 전압 인가시, 위상 커트 제어(phase cut control)에 의해 전류의 실효값 조절이 가능하다. 고온에서 작동시, 필라멘트의 재료(예를들면, 텅스텐)가 증발함으로써, 필라멘트의 와이어 직경(wire diameter)의 축소를 가져온다. 따라서, 와이어에 의해 정의되는 필라멘트의 저항은 증가될 것이다. 히터의 전류가 불변하는 경우, 더 강한 가열이 뒤따르고, 필라멘트 재료의 증발을 가속화하게 된다. 이는 짧은 시간 내에 용락(melting through)을 초래한다. 도 1a는 일정한 히터 전류에서 동작의 지속 기간에 따라 변화하는 필라멘트의 직경을 나타낸다. 또한, 도 1b는 일정한 히터 전류에서 동작의 지속 기간에 따라 변화하는 필라멘트의 온도를 나타낸다. 상기 그림에서, 와이어 직경이 초기에 일정하게 감소한 후, 필라멘트가 급속 연소(핀치-스루 효과, pinch-through effect)함을 명확히 알 수 있다.
본 발명의 목적은 이러한 필라멘트의 급속 연소를 피하고, 동작의 지속기간, 즉, 필라멘트의 수명을 증가시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
필라멘트의 수명 증가를 위한 실험에서, 본 발명자들은 일정하게 유지되는 필라멘트 와이어의 온도에서, 와이어 직경이 거의 일정한 비율로 감소된다는것을 한편으로 발견했다. 도 3은 일정한 온도에서, 필라멘트의 동작의 지속기간에 따른 와이어 직경이, 정전류 강도에서의 측정치와 비교하여 진보했음을 나타내고 있다.
발명자들은 실험에서, 한편으로 놀랍게도, 필라멘트와 플라즈마 사이의 일정한 전위차(potential drop)에서 동작시, 필라멘트의 온도가 거의 일정하게 유지되고, 필라멘트 직경이 감소될 때 증발 속도도 감소됨을 발견하였다.
본 발명에 따르면, 따라서 필라멘트는 정전류 강도에서가 아닌 정전압에서 동작한다.
본 발명에 따른 플라즈마 소스에 의해, 필라멘트의 급속 연소를 피하고, 동작의 지속기간, 즉, 필라멘트의 수명을 증가시킬 수 있는 방법의 제공이 가능하다.
도 1a는 일정한 히터 전류에서 동작의 지속 기간에 따라 변화하는 필라멘트의 직경을 나타낸다.
도 1b는 일정한 히터 전류에서 동작의 지속 기간에 따라 변화하는 필라멘트의 온도를 나타낸다.
도 2는 일정한 히터 전류와 일정한 온도에서의 필라멘트의 직경변화를 대조하여 나타낸다.
도 3a는 필라멘트 직경과 필라멘트 온도의 관계를 나타낸다.
도 3b는 필라멘트 직경과 필라멘트 증발속도의 관계를 나타낸다.
도 4는 진공 챔버에 배치되는, 종래기술에 따른 플라즈마 소스를 나타낸다.
도 5는 진공 챔버에 배치되는, 본 발명에 따른 플라즈마 소스를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 스위칭 모드 전원 공급기(switched-mode power supply)(21)를 도시한다.
본 발명은 이제 도면들에 기초하여 실시예에 의해 상세히 설명된다. 도 4는 진공 챔버(1) 상에 배치되는, 종래기술에 따른 플라즈마 소스를 나타낸다. 상기 플라즈마 소스는 아르곤 가스용 유입구(5)를 가진 소스 하우징(source housing)(3)을 포함한다. 상기 소스 하우징(3)과 절연된 개구(11)를 통해 트랜스포머(transformer)(13)와 연결된 필라멘트(9)가, 소스 하우징(3) 내에 제공된다. 상기 필라멘트(9)는 실시예에서, 2mm의 직경을 가진 텅스텐 와이어로 구성되어 있다. 상기 트랜스포머는 실시예에서, 50Hz의AC 전압에서 동작된다. 약 200A의 히터 전류가 상기 필라멘트(9)를 통해 흐른다. 필라멘트(9)의 표면이 2900K보다 높은 온도에 도달할 경우, 필라멘트 표면으로부터 충분한 수의 전자들이 방출되어, 진공챔버(1)와 트랜스포머(13) 사이의 전압 소스(15)에 의해 방전전압 인가시, 유입구(5)를 통해 소스 하우징(3)의 내부로 흐르는 아르곤 가스가 이온화될 수 있다. 방전의 점화는 소스 하우징(3)과 질량(도시되지 않음)을 연결하는 저항에서 첫번째 순간에 일어난다.
충분한 부하 캐리어(load carriers)가 있는 경우, 방전 전류는 또한 개구(17)(또한 오리피스로도 부름)를 통해 진공챔버(1) 내로 유도될 수 있다.
본 발명에 따르면 도 5에 나타낸 바와 같이, 절연체(7)에 의해 전기적으로 절연된 소스 하우징이 진공챔버(1) 상에 배치되고, 유동 전위(floating potential)를 보유한 소스 하우징(3)과 필라멘트(9)로의 공급라인 사이에서의 전압이 측정된다. 상기 필라멘트(9)는 전류(I)를 통해 가열된다. 트랜스포머(13)에 의해 조정될 수 있는 전압(Vheiz)은 필라멘트에서 강하된다. 소스 바디(3)가 전기적 유동 방식으로 실장된 후에, 캐소드로서 지정된(designated) 공급라인과 소스 하우징 사이의 본 발명에 따른 전위 측정(Vfloat)은, 소스 하우징 내부에서 점화된 플라즈마(19)와 필라멘트(9) 사이의 전압 강하 상태에 대한 특성으로서 평가될 수 있으며, 따라서 필라멘트로부터 전자들이 빠져나가는 상태에 대한 특성으로서 평가될 수 있다. 본 발명에 따르면, 이러한 상태는 예컨대 히터 전압(Uheiz)을 조절함으로써, 반드시 일정하게 유지된다. 따라서 Vfloat의 측정은 전자 방출을 위한 최적 상태를 유지 가능하게 한다. 이러한 방식으로, 필라멘트의 온도를 최적으로 유지될 수 있다. 이와 관련하여 최적이라 함은, 이 온도에서 필라멘트 재료의 증발율은 수용가능하게 낮지만, 플라즈마를 유지하기 위해 전자들의 충분히 높은 방출을 보장하도록 충분히 높다는 것을 의미한다. 이는 종래기술과 비교하여 필라멘트의 수명, 즉, 서비스 수명을 상당히 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판의 가열 및 플라즈마 에칭을 위한 플라즈마 소스 장치들은, 열이온 방출 원리에 따라 작동하는 다수의 플라즈마 소스를 포함할 수 있다. 플라즈마 소스들의 필라멘트들은 인가된 전압을 통해 가열되며, 본 발명에 따르면 인가된 전압들은, 필라멘트(9)와 유동 소스 하우징(3) 사이의 전압(Vfloat)이 바람직하게는 기본적으로 0V ~ -10V 사이에서 일정한 값을 달성하는 방식으로 조절된다.
바람직하게는, 가열은 스위칭 모드(switched-mode) 전원 공급기(21)를 통해 이루어진다. 본 실시예에 따르면, 소스 코일(source coils)이 개별 플라즈마 소스들에 제공된다. 프로세싱 챔버(1) 내의 플라즈마(19)는, 외부 코일(25)의 자기장 및 프로세싱 높이 위에 있는 소스 코일들의 자기장의 조합을 통해, 프로세싱 높이 위로 분포된다. 프로세싱 챔버(1) 및/또는 유동의 절연된 소스 하우징(3)은 방전 애노드(discharge anode)로서 기능할 수 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 추가의 실시예에 따르면, 트랜스포머(13)는, 소위 스위칭 모드 전원 공급기(switched-mode power supply)(21)로 대체된다. 이러한 스위칭 모드 전원 공급기(21)는, 주 코일(25)의 권선이 감겨있는(페라이트 코어 중 한쪽 부분에만 도시된) 페라이트 코어(ferrite core)(23)를 포함하고, 필라멘트로의 공급라인은 예컨대 단순히 루프(loop)를 형성한다. 본 발명에 따르면, 페라이트 코어는 필라멘트로 가는 양쪽 공급 라인에 제공되고, 방전 전압(VDisc)은 필라멘트(9)의 반대 측 중앙에 인가된다. 이러한 방식으로, 즉, 스위칭 모드 전원 공급기에 의해, 매우 작고 콤팩트한 플라즈마 소스가 달성돨 수 있다.

Claims (6)

  1. 진공 챔버 내에서 플라즈마를 발생시키기 위한 진공 챔버상의 플라즈마 소스(plasma source)로써,
    상기 플라즈마 소스는 진공 챔버(1) 안쪽으로 돌출된 개구(11)를 가진 소스 하우징(3)을 포함하고,
    상기 소스 하우징(3) 내에 필라멘트(9)가 공급되어, 히터 전압(Vheiz)이 상기 소스 하우징(3) 안에 형성된 절연된 개구(11)를 통과하는 공급 라인을 통해 필라멘트에 인가될 수 있어서, 상기 필라멘트(9)가 전류 흐름에 의해 가열될 수 있고,
    상기 소스 하우징(3)은, 진공 챔버(1)와 전기적으로 절연되는 방식으로 진공 챔버(1) 상에 배치되며,
    필라멘트(9)로의 공급 라인과 소스 하우징(3) 사이의 전위차(potential drop, Vfloat)를 측정하기 위한 수단이 제공되고,
    상기 전위차(Vfloat)는 소스 하우징(3)의 내부에서 점화된 플라즈마(19)와 필라멘트(9) 사이의 전압 강하 상태를 나타내고, 따라서, 필라멘트(9)로부터의 전자 방출 상태를 나타내며,
    히터 전압(Vheiz)를 조절하기 위한 수단이 제공되고, 히터 전압(Vheiz)을 조절하기 위한 수단은 측정된 전위차(Vfloat) 값이 전자 방출을 위한 상태가 유지되도록 조정하는 제어 신호로서 처리하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  2. 제 1항에 따르는 플라즈마 소스를 다수 개 구비한 장치로써,
    다수 개의 플라즈마 소스는 진공 챔버(1)의 측벽상의 적어도 하나의 소스 코일(source coil)에 의해 각각 둘러싸여 있고,
    다수 개의 플라즈마 소스는 진공 챔버(1)의 측벽상의 외부 코일(25)에 의해 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 다수의 플라즈마 소스를 구비한 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    히터 전압(Vheiz)은 적어도 하나의 스위칭 모드 전원 공급기(21)에 의해 공급되고,
    방전에 필요한 방전 전압(Vdisc)이 상기 필라멘트(9)의 반대쪽 중앙에 인가되는 것을 특징으로 하는 다수의 플라즈마 소스를 구비한 장치.
  4. 소스 하우징(3) 및 소스 하우징(3) 내의 필라멘트(9)를 구비한 플라즈마 소스를 진공 챔버(1)상에 배치하는 단계;
    전류 흐름에 의해 필라멘트(9)를 가열하기 위해 히터 전압(Vheiz)을 필라멘트(9)에 인가하는 단계;
    진공 챔버(1)의 반대쪽에 유동 전위(floating potential)상에 소스 하우징(3)을 유지하는 단계;
    내부에 플라즈마(19)가 일어나고 있는 소스 하우징(3)과 필라멘트(9)로의 공급 라인 사이의 전위차(potential drop, Vfloat)를 측정하는 단계; 및
    필라멘트(9)에 인가된 히터 전압(Vheiz)을 조정하기 위해 측정된 전위차(Vfloat)를 사용하는 단계로서, 히터 전압(Vheiz)은 필라멘트(9)를 가열하는 전류를 야기하고 따라서 전자 방출을 야기하는
    진공 챔버(1) 내에 플라즈마(19)를 발생시키기 위한 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 히터 전압은, 상기 소스 하우징(3) 및 상기 필라멘트(9) 사이의 전위차가 일정하게 유지되는 방식으로 조정되는 것을 특징으로 하는,
    진공 챔버 내에 플라즈마를 발생시키기 위한 방법.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 소스 하우징(3) 및 상기 필라멘트(9) 사이의 전위차(Vfloat)는 0V와 -10V 사이에서 유지되는 것을 특징으로 하는,
    진공 챔버 내에 플라즈마를 발생시키기 위한 방법.
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