KR102031578B1 - 자기 한정 및 패러데이 차폐를 갖는 유도 결합형 rf 플라즈마 소스 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 손실들을 감소시키기 위한 자기 한정 및 기생 용량성 컴포넌트들을 억제하기 위한 패러데이 차폐 둘 모두를 제공하는 유도 결합형 RF 플라즈마 소스가 개시된다. 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템은 RF 파워 소스, 플라즈마 챔버, 영구 자석들의 어레이, 및 안테나 어레이를 포함한다. 플라즈마 챔버는 벽들 및 내부 표면과 외부 표면을 갖는 유전체 윈도우로 구성되며, 내부 표면은 플라즈마 챔버의 벽을 형성한다. 평행한 전도성 영구 자석들의 어레이는 전기적으로 상호 결합되며, 내부 표면에 인접하게 유전체 윈도우 벽들 내에 내장되고, 일 단부가 접지에 연결된다. 영구 자석 어레이 엘러먼트들은 다중-커스프 자기장(multi-cusp magnetic field)을 형성하기 위하여 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마를 향해 그리고 플라즈마로부터 멀어지게 교번적으로 자화된다. 안테나 어레이는 이를 통해 RF 전류가 순환되는 평행한 튜브들로 구성될 수 있다.
Description
본 발명의 실시예들은 반도체 디바이스 제조 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 자기 한정 및 패러데이 차폐 둘 모두를 제공할 수 있는 유도 결합형 RF 플라즈마를 생성하는 장치에 관한 것이다.
플라즈마는 박막들을 증착하거나 또는 에칭하기 위하여 다양한 도펀트들을 웨이퍼들 또는 기판들에 주입하는 반도체 프로세싱에서 다양한 방식들로 사용된다. 이러한 프로세스들은 목표 기판의 표면상의 또는 표면 아래의 이온들의 지향성 증착 또는 도핑을 수반한다. 다른 프로세스들은 에칭 종의 지향성이 에칭될 트렌치(trench)들의 질(quality)을 결정하는 플라즈마 에칭을 포함한다.
일반적으로, 플라즈마는, 목표 기판 내로 주입되는 대전된 캐리어들을 형성하기 위하여 챔버 내로 도입되는 중성 가스(neutral gas)에 에너지를 공급함으로써 생성된다. 예를 들어, 플라즈마 도핑(PLAD) 시스템들은 전형적으로, 더 낮은 이온 주입 에너지들이 도펀트 이온들을 기판의 표면 근처에 한정하는(confine) 반도체 디바이스들의 제조에서 얕은 접합(shallow junction)들이 요구될 때 사용된다. 이러한 상황들에 있어, 주입의 깊이는 웨이퍼에 인가되는 바이어스 전압과 관련된다. 특히, 웨이퍼는 접지된 플라즈마 챔버에 대하여 네거티브 전위로 바이어싱된 플래튼(platen) 상에 위치된다. 희망되는 도펀트 재료들을 함유하는 가스가 플라즈마 챔버 내로 도입된다. 가스 원자들 및/또는 분자들을 이온화함으로써 플라즈마가 생성된다.
일단 플라즈마가 생성되면, 플라즈마와 작업물을 포함하는 주변 표면들 사이에 플라즈마 쉬스(plasma sheath)가 존재한다. 쉬스는 본질적으로 전기적으로 중성인 벌크 플라즈마에 비하여 포지티브 이온들의 더 큰 밀도(즉, 초과 포지티브 전하)를 갖는 플라즈마의 경계에서의 박층(thin layer)이다. 이온들이 플라즈마로부터 플라즈마 쉬스를 가로질러서 건너게(cross) 하기 위하여 플래튼 및 기판(예를 들어, 도핑 적용을 위한 웨이퍼)이 그 뒤 네거티브 전압으로 바이어싱된다. 쉬스를 가로질러 건너는 동안, 이온들은 쉬스에 걸쳐 강하되는 전위와 동일한 운동 에너지를 획득한다. 따라서, 이온들이 인가된 바이어스 전압에 비례하는 깊이로 웨이퍼 내로 주입된다. 웨이퍼 내로 주입된 이온 도우즈(ion dose)가 주입된 영역의 전기적 특성들을 결정하며, 웨이퍼 표면에 걸친 도우즈의 균일성이 반도체 웨이퍼 상의 모든 디바이스들이 지정된 한계들 내에서 동일한 동작 특성을 갖는 것을 보장한다. 이러한 파라미터들의 각각이 모든 디바이스들이 희망되는 동작 특성들을 갖는 것을 보장하기 위해 반도체 제조 프로세스에서 대단히 중요하다.
RF로 전력이 공급되는 플라즈마 소스들은 용량 결합되거나, 유도 결합되거나 또는 웨이브 결합(wave coupled)될 수 있다(헬리콘(helicon)들). 용량 결합에 있어, 플라즈마 내의 전자들은 전형적으로 MHz 범위(0.4~160 MHz)에서 동작하는 RF 전원 공급장치에 의해 전극들의 표면에서 생성되는 로컬 전기장들에 의해 직접적으로 가속된다. 전기장들이 전극 표면에 대해 수직으로 배향(orient)되기 때문에, 전기장들은 또한 전극 표면 또는 전극의 전면에 위치된 유전체 표면에 충돌하는 이온들을 가속한다. 전극 또는 유전체 표면에 대한 이온 충돌은 에너지를 소모하며 이는 플라즈마 생성을 위한 더 적은 에너지를 가져온다. 또한, 전극 또는 유전체 표면에 대한 이온 충돌은 충돌되는 표면의 바람직하지 않은 스퍼터링(sputtering)을 초래한다. 스퍼터링은 에너지 입자들에 의한 목표의 충격에 기인하여 고체 표면으로부터 원자들이 방출되게 하는 프로세스이다. 용량 결합된 RF 플라즈마 소스들은 또한 다른 단점들을 겪는다. 예를 들어, 전극들이 때때로 원치않는 불순물들을 플라즈마 내로 방출한다. 이에 더하여, 용량 결합된 RF 플라즈마 소스들은 낮은 플라즈마 밀도를 제공하며 따라서 이온 소스 애플리케이션들에 대해 덜 적합하다.
유도 결합에 있어, 플라즈마 전자들이, 맥스웰-패러데이 방정식 
(여기서, 
는 전기장을 나타내고, 
는 자기장이다)에 따라 유도되는 자기장으로부터 기인하는 전기장에 의해 안테나를 따르는 전류에 평행한 방향으로 가속된다. 안테나 내의 전류는 RF 전원 공급장치에 의해 생성된다. 결합된 에너지의 대부분이 중성 가스와의 전자 충돌들에 의해 소모되기 때문에, 유도 결합이 용량 결합보다 더 효율적이다. 안테나의 길이 및 인덕턴스에 비례하는 전압이 플라즈마에 대한 기생 용량성 결합을 유도하는 안테나에 걸쳐 전개(develop)된다. 기생 용량은 단순히 서로에 대한 그들의 인접성에 때문에 2개의 전자 컴포넌트들 사이에 존재할 수 있는 원치않는 용량이다. 이는 이상에서 언급된 바람직하지 않은 추가적인 파워 소모 및 재료 스퍼터링을 생성한다. 그러나, 용량성 컴포넌트는 안테나와 플라즈마 사이에 패러데이 실드(shield)를 삽입함으로써 억제될 수 있다.
패러데이 실드는 전기장들을 블록킹하고 포커싱하도록 설계된 디바이스이다. 이러한 패러데이 실드는 안테나 전류들과 직교하는 접지된 전도체들의 어레이를 포함할 수 있다. 패러데이 실드는 자기장들은 전파되도록 하면서 전기장들을 가로막도록 설계된다.
유도 결합형 플라즈마 생성 구성들은 2개의 카테고리로 나뉠 수 있다 - 내부 안테나를 사용하는 것들 및 외부 안테나를 사용하는 것들. 내부 안테나 구성들에 대하여, 안테나(즉, 유도 결합기)는 국부화된(localized) 진공 피드 스루(vacuum feed-through)들을 거쳐 챔버 벽들을 가로질러 플라즈마 챔버 내에 넣어지게 된다. 외부 안테나 구성들에 대하여, 안테나는 유전체 윈도우에 의해 분리되어 플라즈마 챔버의 외측에 위치된다.
벽들에 대한 플라즈마 손실들을 감소시키기 위하여 플라즈마 챔버의 내부 표면에 대해 자기 한정(magnetic confinement)을 제공하는 것이 유리하다. 이는 더 적은 RF 파워에 의해 구동되는 더 높은 플라즈마 밀도를 가능하게 하며, 더 높은 플라즈마 균일성뿐만 아니라 더 낮은 중성 가스 압력에서의 동작을 더 제공한다. 자기 한정은 전형적으로 플라즈마 챔버 벽들의 바로 외측에 다중-커스프 자석(multi-cusp magnet)들을 분포시킴으로써 달성된다. 내부 안테나 구성들은 외부 안테나 구성들보다 더 양호한 자기 한정을 허용하지만, 패러데이 실드의 사용을 불가능하게 한다. 외부 안테나 구성들은 유전체 윈도우 뒤에 안테나를 위치시키며, 이는 플라즈마 챔버 표면 영역의 주요 부분(즉, 유전체 윈도우) 상의 다중-커스프 자기 한정의 적용을 방해한다.
따라서 외부 안테나 구성들은 플라즈마 챔버 내부에서의 패러데이 실드의 사용을 허용하지만 자석들이 플라즈마 한정을 제공하도록 할 수 없고, 내부 안테나 구성들은 더 양호한 플라즈마 한정을 위한 자석들의 사용을 허용하지만 패러데이 실드를 제공하지 못한다는 점에 있어, 내부 안테나 구성들과 외부 안테나 구성들 사이에 트레이드-오프(trade-off)가 존재한다.
따라서, 본 명세서에 개시되고 청구되는 실시예들은 종래 기술에 대한 개선이며, 유도 결합형 RF 플라즈마 소스에 대한 패러데이 차폐 및 자기 한정 둘 다를 제공하는 방법 및 장치를 설명한다.
일 실시예에 있어, 플라즈마 손실들을 감소시키기 위한 자기 한정 및 기생 용량성 컴포넌트들을 억제하기 위한 패러데이 차폐 둘 다를 제공하는 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템이 개시된다. 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템은 RF 전류를 생성하기 위한 RF 파워 소스, 플라즈마 챔버, 영구 자석들의 어레이, 및 안테나(또는 안테나 어레이)를 포함한다. 플라즈마 챔버는 벽들 및 내부 표면과 외부 표면을 갖는 유전체 윈도우로 구성되며, 내부 표면은 플라즈마 챔버의 벽을 형성한다. 평행한 전도성 영구 자석들의 어레이는 전기적으로 상호 결합되며, 내부 표면에 인접한 유전체 윈도우 벽들에 내장되고, 일 단부가 접지에 연결된다. 영구 자석 어레이 엘러먼트들은 다중-커스프 자기장(multi-cusp magnetic field)을 형성하기 위하여 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마를 향해 그리고 플라즈마로부터 떨어지게 교번적으로 자화된다. 안테나 어레이는 이를 통해 RF 전류가 순환되는 평행한 튜브들로 구성된다. 안테나 어레이는 영구 자석의 자화 벡터에 수직으로 배향된 평면에 포함된다.
다른 실시예에 있어, 자기 한정 및 패러데이 차폐 둘 다를 제공하는 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템은 RF 전류를 생성하기 위한 RF 파워 소스 및, 펌핑 다운(pump down)되고 그 후 이온화되고 플라즈마로 변환될 수 있는 반응성 가스로 채워지도록 동작할 수 있는 플라즈마 챔버를 포함한다. 플라즈마 챔버는 내부 및 외부 표면을 갖는 유전체 윈도우를 포함하며, 내부 표면은 플라즈마 챔버의 벽들을 형성한다. 영구 커스프 자석 어레이는 전기적으로 상호연결되며 일 단부가 접지에 연결되고, 내부 표면에 인접하여 자기 커스프 기하구조(geometry)로 유전체 윈도우 내에 내장된다. 안테나는 RF 파워 소스에 연결되며, 이를 통해 RF 전류가 순환되는 가늘고 긴(elongated) 튜브를 포함한다. 안테나는 영구 다중-커스프 자석의 자화 벡터에 수직으로 배향된다.
다른 실시예에 있어, 유도 결합형 RF 플라즈마 소스에 자기 한정 및 패러데이 차폐를 제공하는 방법은, RF 전류를 생성하기 위해 RF 파워 소스를 제공하는 단계 및 펌핑 다운되고 그 후 이혼화되고 플라즈마로 변환될 수 있는 반응성 가스로 채워지도록 동작할 수 있는 플라즈마 챔버를 제공하는 단계를 포함한다. 플라즈마 챔버는 내부 및 외부 표면을 갖는 유전체 윈도우를 포함하며, 내부 표면은 플라즈마 챔버의 벽을 형성한다. 전기 전도성 영구 커스프 자석 어레이는 유전체 윈도우의 내부 표면에 인접한 유전체 윈도우 내에 내장된다. 영구 커스프 자석 어레이는 일 단부에서 접지에 연결되며, 영구 커스프 자석 어레이는 다중-커스프 자기장을 형성하기 위하여 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마를 향해 그리고 플라즈마로부터 떨어지게 교번적으로 자화된다. 안테나(또는 안테나 어레이)는 RF 파워 소스에 연결되며, 여기에서 안테나 어레이는, 안테나 어레이가 영구 다중-커스프 자석들의 자화 벡터에 수직으로 배향될 수 있도록 유전체 윈도우 외부의 평행한 가늘고 긴 튜브들을 포함한다. RF 전류는 챔버 내부에 가변 자기장을 유도하기 위하여 그리고 내재적으로 가스를 이온화할 수 있는 전기장을 생성하기 위하여 안테나(또는 안테나 어레이)를 통해 순환된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 소스의 단면 블록도를 예시한다.
도 1b는 일 실시예에 따른 유전체 윈도우의 구성을 예시한다.
도 1c는 안테나들의 어레이와 자석들의 어레이 사이의 배향을 예시한다.
도 2는 도 1a의 플라즈마 소스의 부분의 보다 상세한 제 1 단면 블록도를 예시한다.
도 3은 도 2로부터 90도 오프셋된 플라즈마 소스의 부분의 보다 상세한 제 2 단면 블록도를 예시한다.
도 4는 방향(ψ)에서의 다중-커스프 자기장의 감쇠를 예시하는 그래프이다.
도 5는 자기 다중-커스프 구성의 기하학적 특징들을 보여주는 유전체 윈도의 부분의 부분적인 단면 블록도를 예시한다.
도 1b는 일 실시예에 따른 유전체 윈도우의 구성을 예시한다.
도 1c는 안테나들의 어레이와 자석들의 어레이 사이의 배향을 예시한다.
도 2는 도 1a의 플라즈마 소스의 부분의 보다 상세한 제 1 단면 블록도를 예시한다.
도 3은 도 2로부터 90도 오프셋된 플라즈마 소스의 부분의 보다 상세한 제 2 단면 블록도를 예시한다.
도 4는 방향(ψ)에서의 다중-커스프 자기장의 감쇠를 예시하는 그래프이다.
도 5는 자기 다중-커스프 구성의 기하학적 특징들을 보여주는 유전체 윈도의 부분의 부분적인 단면 블록도를 예시한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예들이 도시된 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명이 보다 완전하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 다양한 형태들로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 기술되는 실시예들에 한정되는 것으로 간주되지 않아야 한다. 오히려, 이러한 실시예들은 본 발명이 완전하고 철저해질 수 있도록 그리고 본 발명의 범위를 당업자들에게 완전하게 전달할 수 있게 하기 위하여 제공된다. 도면들 전체에 걸쳐 동일한 도면부호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이상에서 언급된 바와 같이, 유도 결합형 플라즈마 생성 구성들은 2개의 카테고리로 나누어질 수 있다 - 내부 안테나를 사용하는 것들 및 외부 안테나를 사용하는 것들. 내부 안테나 구성들에 대하여, 안테나(즉, 유도 결합기)는 국부화된 진공 피드 스루(vacuum feed-through)들을 거쳐 챔버 벽들을 가로질러 플라즈마 챔버 내에 넣어지게 된다. 외부 안테나 구성들에 대하여, 안테나는 유전체 윈도우에 의해 분리되어 플라즈마 챔버의 외측에 위치된다.
벽들에 대한 플라즈마 손실들을 감소시키기 위하여 플라즈마 챔버의 내부 표면에 대한 자기 한정을 제공하는 것이 유리하다. 이는 더 적은 RF 파워에 의해 구동되는 더 높은 플라즈마 밀도를 가능하게 하며, 추가로 더 높은 플라즈마 균일성뿐만 아니라 더 낮은 중성 가스 압력에서의 동작을 제공한다. 자기 한정은 전형적으로 플라즈마 챔버 벽들의 바로 외측에 다중-커스프 자석(multi-cusp magnet)들을 분포시킴으로써 달성된다.
내부 안테나 구성들은 외부 안테나 구성들보다 더 양호한 자기 한정을 허용하지만, 패러데이 실드의 사용을 불가능하게 한다. 외부 안테나 구성들은 진공 윈도우 뒤에 안테나를 위치시키며, 이는 플라즈마 챔버 표면 영역의 주요 부분(즉, 유전체 윈도우) 상의 다중-커스프 자기 한정의 적용을 방해한다. 이하에서 설명되는 실시예들은, 자기 한정 및 패러데이 차폐가 달성될 수 있는 RF 유도 결합을 제공하기 위해 외부 안테나 어레이를 사용하는 장치를 보여준다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 소스(5)의 단면 블록도를 예시한다. 플라즈마 챔버(10)는 체적을 형성하기 위하여 유전체 윈도우(12)에 의해 밀봉된 벽들(7)에 의해 규정(define)된다. 진공 펌핑은 러핑 펌프(roughing pump)들에 의해 지원되는 터보분자 펌프(turbomolecular pump)들로 구성된 펌핑 시스템(미도시)에 의해 슬릿(8)을 통해 달성된다. 슬릿(8)은 또한 이온 빔의 추출을 위해 기능한다. 벽들(7) 내의 가스 피드-스루 개구들(20)은 플라즈마를 유지하고 소모된 가스를 보충하기 위해 작업 가스가 플라즈마 챔버(10) 내로 연속적으로 도입될 수 있게 한다. 플라즈마 분해 다음의 가스 부산물들이 슬릿(8)을 통해 연속적으로 펌핑 아웃된다. 작업 가스는, 희망되는 도펀트 성질에 따라, 예를 들어, BF3, B2H6, PF3, PH3, GeF4, AsF3, 등일 수 있다.
유전체 윈도우(12) 외측에 위치된 안테나 어레이(16)에 직각으로 이어지는(run) 영구 커스프 자석 어레이(14)가 유전체 윈도우(12) 내에 내장된다. 전기 전도성이고 접지된 영구 다중-커스프 자석 어레이(14)는 패러데이 실드를 형성한다. 안테나 어레이(16)는 RF 파워 소스(9)에 의해 구동된다. RF 파워 소스(9)(RF 생성기 및 매칭 네트워크를 포함하는)는 전형적으로 0.4 MHz ~ 160 MHz의 주파수 범위에서 동작한다. 안테나 어레이(16)를 통과하는 RF 전류(Irf)에 의해 생성되는 가변 자기장은 플라즈마 챔버 내의 국부적인(local) 전기장을 유도한다. 결과적으로, 자유 전자들이 에너지를 획득하고, 이온화 충돌들을 통해 작업 가스 원자들 및/또는 분자들을 이온화한다. 영구 커스프 자석 어레이(14) 내의 자석들은, 비제한적으로, 알루미늄, 니켈 및 코발트(Al-Ni-Co), 사마륨 코발트(Sm-Co), 또는, 네오디뮴, 철, 및 붕소(Nd-Fe-B)로 구성되는 합금일 수 있다. 고 자속-에너지(high magnetic flux-energy) 프로덕트(product)를 위하여, 희토류 합금들로 구성되는 것들과 같은 다른 영구 자석들이 사용될 수 있다. 영구 자석들이 나타내어야만 하는 특성들은 높은 자기 강도, 높은 동작 온도, 및 전기적 전도성을 포함한다.
도 1b는 일 실시예에 따른 유전체 윈도우(12)의 구성을 예시한다. 유전체 윈도우(12)는 2개의 층들로 형성될 수 있다. 그 안에 평행한 그루브(groove)들(12b)이 기계가공되는 폭(w1)의 제 1 층(12a)이 존재한다. 그루브들(12b)은 어레이(14)를 구성하는 영구 커스프 자석들을 수용하도록 적응된다. 또한, 폭(w2)의 더 얇은 제 2 층(12c)이 존재한다. 더 얇은 층(12c)이 층(12a)에 결합되며, 그럼으로써 영구 커스프 자석 어레이(14)를 플라즈마(11)로부터 분리한다. 유전체 재료는, 비제한적으로, 알루미나, 질화 알루미늄, 석영, 또는 사파이어를 포함할 수 있다.
도 1c는 안테나 어레이(16)와 영구 커스프 자석 어레이(14) 사이의 배향(orientation)을 예시한다. 안테나 어레이(16)와 영구 커스프 자석 어레이(14)는 서로 직각이 되도록 배향된다. 도 1c에 예시되지 않았지만, 안테나 어레이(16)와 영구 커스프 자석 어레이(14)는 이상의 도 1b를 참조하여 설명된 유전체 윈도우(12)에 의해 분리된다. 도 1c는 배향만을 도시하도록 의도된다. 전기 전도성 영구 커스프 자석 어레이(14)는 패러데이 실드를 형성한다. 전기 전도성 영구 커스프 자석 어레이(14)가 안테나 어레이(16)에 대해 직각으로 배향되기 때문에, 이는 안테나 어레이(16)에 평행한 전도성 경로를 제공하지 않으며, 따라서 RF 전원 공급장치(9)에 의해 구동되는 안테나 어레이(16)에 의해 제공되는 가변 자기장의 플라즈마 내로의 침투에 간섭하지 않는다.
도 2는 도 1a의 플라즈마 소스(5)의 부분의 보다 상세한 제 1 단면 블록도를 예시한다. 이러한 예시에 있어, 플라즈마 소스(5)의 부분은, 그 안에서 안테나 어레이(16)를 통해 흐르는 RF 전류(18)(Irf)가 종이 평면에 대해 수직으로 배향되고, 영구 다중-커스프 자석 어레이(14)가 종이의 평면에서 그것의 자화 벡터를 가지고 배향되는 것으로 도시된다. 유사하게, 도 3은 도 2로부터 90도 오프셋된 도 1a의 플라즈마 소스(5)의 부분의 보다 상세한 제 2 단면 블록도를 예시한다. 이러한 예시에 있어, 영구 자석 어레이(14) 자화 벡터 및 안테나 어레이(16)를 통해 흐르는 RF 전류(Irf) 둘 모두가 종이의 평면에 존재하는 것으로 도시된다.
도 2 및 도 3 둘 모두를 참조하면, 안테나 어레이(16)는 플라즈마 소스의 외측에 위치되며, 플라즈마 챔버의 유전체 윈도우(12)와 열 접촉할 수 있다. 유전체 윈도우(12)가 정상 동작 동안 이온 충격 프로세스에 의해 가열되기 때문에, 안테나 어레이(16)를 유전체 윈도우(12)와 열 접촉하도록 위치시킴으로써, 안테나 어레이(16)가 유전체 윈도우(12)의 열의 일부를 감소시킴으로써 냉각 메커니즘으로서 동작한다. 안테나 어레이(16)에 직각으로 배향되고, 플라즈마 챔버의 내부 표면에 인접하여 위치되는 영구 커스프 자석 어레이(14)가 유전체 윈도우(12) 내에 내장된다. 도 1b에 예시되었던 바와 같이, 영구 커스프 자석 어레이(14)는 제 1 유전체 윈도우 층(12a)의 그루브들(12b) 내에 내장되며, 그 뒤 제 2 유전체 윈도우 층(12c)에 결합된다. 또한, 영구 커스프 자석 어레이(14)는 전기 전도성 강 영구 자석(strong permanent magnet)들로 구성될 수 있다. 안테나 어레이(16)는 일반적으로 이를 통해 RF 전류가 순환되는 평행한 튜브들로 구성된다. 대안적인 실시예에 있어, 단일 튜브가 안테나 어레이(16)를 구성할 수 있다. 0.4 ~ 160 MHz 사이에서 전형적으로 동작하는 RF 소스(9)에 의해 RF 전류가 생성된다.
예시된 바와 같이, 안테나 어레이(16)는 유전체 진공 윈도우(12)에 의해 플라즈마(11)로부터 분리된다. 
에 따라 유도되는 가변 자기장으로부터 기인하는 전기장에 의해 플라즈마 전자들이 안테나(16)를 통과하는 전류에 평행한 방향으로 가속되는 유도 결합을 사용하여 플라즈마가 생성된다. 안테나 어레이(16)에 직각으로 이어지는(run) 영구 커스프 자석 어레이(14)는 플라즈마(11)를 향해 그리고 플라즈마(11)로부터 떨어지게 교번적으로 자화되며, 그럼으로써 플라즈마(11) 내로 깊이(d)까지 침투함에 따라 강도를 상실하는 다중-커스프 자기장(13)을 형성한다. 영구 커스프 자석 어레이(14)는 또한 전기 전도성이고(또는 금속 코팅으로 전기 전도성으로 만들어지고) 전기적으로 상호연결되며, 일 단부에서 전체 어레이가 접지(21)에 연결되고 그럼으로써 기생 용량성 결합 컴포넌트들을 억제하는 패러데이 실드를 형성한다. 영구 자석 어레이(14)가 안테나 어레이(16)에 평행한 전도성 경로를 제공하지 않기 때문에, 가변 자기장의 플라즈마 내로의 침투에 대한 간섭이 존재하지 않는다.
플라즈마 챔버를 구성함에 있어, 영구 커스프 자석 어레이(14)와 플라즈마(11)의 직접 접촉이 회피되는 것이 바람직하다. 영구 커스프 자석 어레이(14)와 플라즈마의 직접 접촉은 플라즈마 오염 및 영구 커스프 자석 어레이(14)에 대한 과도한 가열을 초래할 수 있다. 플라즈마 오염은, 플라즈마 이온들을 겪게 될 작업물 상에 증착될 수 있는 원치않는 불순물들이 플라즈마에 도입되는 것을 지칭한다. 영구 커스프 자석 어레이(14)의 과도한 가열은 자기 강도의 비-균일 약화 및/또는 최종적인 자기 소거(demagnetization)를 초래할 수 있다.
영구 커스프 자석 어레이(14)와 플라즈마(11)의 직접 접촉을 회피하는 것은 2개의 층들로 이들을 분리하는 유전체 진공 윈도우(12)를 구성함으로써 달성될 수 있다. 그 안에 영구 커스프 자석 어레이(14)를 수용하기 위해 그루브들이 기계가공되는 제 1 층 및 영구 커스프 자석 어레이(14)를 플라즈마(11)로부터 분리하는 제 1 층에 결합된 더 얇은 제 2 층이 존재한다. 정상 동작 동안 유전체 진공 윈도우(12)가 가열되기 때문에, 영구 커스프 자석 어레이(14)가 냉각되는 것이 또한 바람직하다.
영구 커스프 자석 어레이(14)의 냉각은 유전체 진공 윈도우(12)와 열 접촉하고 있는 냉각된 안테나 어레이(16)를 이용해 방출을 실행함으로써 달성될 수 있다. 안테나 어레이(16)를 유전체 윈도우(12)와 열 접촉하도록 위치시킴으로써, 안테나 어레이(16)는 유전체 윈도우(12) 내의 영구 커스프 자석 어레이(14)의 열 중 일부를 감소시킴으로써 일종의 냉각 메커니즘으로서 기능할 수 있다.
또한, RF 에너지가 도 2 내지 도 5에 도시된 한정된 플라즈마 체적 내에 놓일 수 있게 하기 위하여, 자기 한정이 플라즈마 표피 깊이(skin depth)(δ)보다 작은 거리 범위(d) 내에서 유전체 진공 윈도우(12)의 내부 표면에 인접하여 일어나는 것이 바람직하다. 플라즈마 표피 깊이(δ)는 도 2 내지 도 5에서 라인(15)을 이용해 도시되며, 최대 RF 파워가 전달될 수 있는 플라즈마 내의 깊이를 나타낸다. 플라즈마를 자기적으로 한정하는 것이 벽 손실들을 감소시키고 묵시적으로 이온화 효율을 증가시키기 때문에 바람직하다. 플라즈마 균일성에 대해, 커스프 자기장이 플라즈마 내로 깊이 침투하지 않는 것이 바람직하다. 자기 한정을 유전체 윈도우(12)의 내부 표면에 인접하게 유지하기 위하여, 자기 커스프 기하구조는 작은 피치(pitch)를 가져야만 한다.
반면, 효율적인 자기 한정을 가지기 위하여, 영구 커스프 자석 어레이(14)를 가능한한 유전체 윈도우(12)의 내부 표면에 가깝게 위치시키는 것이 중요하다. 큰 자기장 변화도(gradient)가 유전체 윈도우(12)에 인접한 곳에서 생성되며, 이는 플라즈마(11) 내의 더 깊은 곳(표피 깊이(δ)에 인접한)에서 발생하는 RF 파워 디포지션(deposition)에 간섭하지 않을 것이다.
자기장은 대략 피치의 1/π과 동일한 특성 거리를 갖는 영구 커스프 자석 어레이(14)의 표면들로부터 지수적으로 감쇠한다. 도 4는 챔버 벽에 수직인 방향(ψ)에서의 다중-커스프 자기장의 감쇠를 예시하는 그래프로서, 여기서 d는 자기 커스프 필드가 더 이상 대전된 입자들을 트래핑(trapping)하지 못하는 지점의 거리이고, δ는 플라즈마 표피 깊이로서 최대 파워 디포지션이 발생하는 거리이다.
경험 법칙으로서, 자기 커스프 구성의 피치가 자석의 폭과 동일할 때 최적의 자기 한정이 획득된다. 예를 들어, 3/8" 자석 폭 및 3/8" 피치에 대하여, 일 예에 있어, 2630 
의 필드-에너지 프로덕트를 갖는 Sm-Co 자석들은 자석 표면으로부터 약 2.5 cm에서 약 500 가우스의 필드 강도를 낳는다. 이는 다음의 수학식으로부터 도출된다:
여기서 B는 윈도우에 수직인 방향에서의 거리(ψ)에서의 자기장 강도이며, B0는 자석 표면에서의 자기장 강도이고, Δ는 자기 커스프 구성의 피치이며, w는 영구 자석의 폭이다.
도 5는 자기장 강도 및 침투 깊이를 좌우하는 기하적 변수들을 예시한다. 거리(ψ)에서의 자기장 강도는 각각의 영구 자석의 폭이 w인 연속적인 영구 자석들 사이의 거리로서 도시된 피치(Δ)를 사용하여 계산된다. 자기장의 지향성 라인들(17)은 연속적인 영구 자석들(14)의 교번하는 극(pole)들 사이에 도시되며, 이들은 유전체 윈도우(12)를 통해 플라즈마 챔버(10) 내로 침투한다.
본 발명이 특정 실시예들을 참조하여 개시되었지만, 다수의 수정예들, 변형예들 및 설명된 실시예들에 대한 변경들이 첨부된 청구항들에 정의된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 가능하다. 따라서, 본 발명은 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 의도되지 않으며, 다음의 청구항들의 표현에 의해 정의되는 완전한 범위 및 그들의 등가물들을 갖는다.
Claims (19)
- 자기 한정(magnetic confinement) 및 패러데이 차폐(Faraday shielding) 둘 다를 제공하는 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템으로서,
플라즈마를 생성하는데 사용될 수 있는 작업 가스로 채워지도록 동작가능한 플라즈마 챔버;
내부 표면 및 외부 표면을 갖는 유전체 윈도우로서, 상기 내부 표면이 상기 플라즈마 챔버의 벽을 형성하는, 상기 유전체 윈도우;
상기 작업 가스를 이온화함으로써 상기 플라즈마를 생성하도록 구성되는 RF 파워 소스로서, 상기 플라즈마는 플라즈마 표피 깊이(skin depth)를 포함하며, 상기 플라즈마 표피 깊이는 최대 RF 파워 디포지션(deposition)이 발생하는 상기 내부 표면으로부터의 거리인, 상기 RF 파워 소스;
전기적으로 상호연결되고 일 단부가 접지에 연결된 평행한 엘러먼트들로 구성되며, 자기 커스프(cusp) 기하구조(geometry)로 상기 유전체 윈도우 내에 내장되는 영구 커스프 자석 어레이로서, 상기 영구 커스프 자석 어레이와 상기 유전체 윈도우의 상기 내부 표면 사이의 거리는 상기 영구 커스프 자석 어레이와 상기 유전체 윈도우의 상기 외부 표면 사이의 거리보다 더 작은, 상기 영구 커스프 자석 어레이; 및
이를 통해 RF 전류가 순환되는 평행한 긴 튜브들로 구성되며, 상기 RF 파워 소스에 연결되고, 상기 영구 커스프 자석 어레이에 직각으로 배향되는(oriented) 안테나 어레이로서, 상기 영구 커스프 자석 어레이는 상기 플라즈마 표피 깊이보다 더 작은 제 2 거리 내에 포함되는 다중-커스프(multi-cusp) 자기장을 생성하도록 구성되는, 상기 안테나 어레이를 포함하는, 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 영구 커스프 자석 어레이 엘러먼트들은 다중-커스프(multi-cusp) 자기장을 형성하기 위하여 상기 플라즈마 챔버 내에서 교번적으로(alternately) 상기 플라즈마를 향해 그리고 상기 플라즈마로부터 멀어지게 자화되는, 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 영구 커스프 자석 어레이 엘러먼트들은, 알루미늄, 니켈 및 코발트(Al-Ni-Co), 사마륨 코발트(Sm-Co), 또는, 네오디뮴, 철, 및 붕소(Nd-Fe-B)를 함유하는 자기 합금들로 구성된 영구 자석들로 구성되는, 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 안테나 어레이는 상기 유전체 윈도우의 상기 외부 표면과 열 접촉하는, 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 유전체 윈도우는:
상기 영구 커스프 자석 어레이의 상기 엘러먼트들을 수용하도록 적응된 복수의 평행한 그루브(groove)들을 포함하는 제 1 유전체 층; 및
상기 제 1 유전체 층에 결합되어 상기 영구 커스프 자석 어레이를 상기 플라즈마로부터 분리하는 더 얇은 제 2 유전체 층으로 더 구성되는, 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 유전체 윈도우를 구성하는 유전체 재료는 알루미나(alumina), 질화 알루미늄, 석영, 또는 사파이어 중 하나로 구성되는, 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 자기 커스프 기하구조는 미리 결정된 피치를 갖는, 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템.
- 자기 한정 및 패러데이 차폐 둘 다를 제공하는 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템으로서,
플라즈마를 생성하는데 사용될 수 있는 작업 가스로 채워지도록 동작가능한 플라즈마 챔버;
내부 표면 및 외부 표면을 갖는 유전체 윈도우로서, 상기 내부 표면이 상기 플라즈마 챔버의 벽을 형성하는, 상기 유전체 윈도우;
상기 작업 가스를 이온화함으로써 상기 플라즈마를 생성하도록 구성되는 RF 파워 소스로서, 상기 플라즈마는 플라즈마 표피 깊이를 포함하며, 상기 플라즈마 표피 깊이는 최대 RF 파워 디포지션이 발생하는 상기 내부 표면으로부터의 거리인, 상기 RF 파워 소스;
전기적으로 상호연결되고 일 단부가 접지에 연결된 평행한 엘러먼트들로 구성되며, 자기 커스프 기하구조로 상기 유전체 윈도우 내에 내장되는 영구 커스프 자석 어레이로서, 상기 영구 커스프 자석 어레이와 상기 유전체 윈도우의 상기 내부 표면 사이의 거리는 상기 영구 커스프 자석 어레이와 상기 유전체 윈도우의 상기 외부 표면 사이의 거리보다 더 작은, 상기 영구 커스프 자석 어레이; 및
이를 통해 RF 전류가 순환되는 긴 튜브로 구성되며, 상기 RF 파워 소스에 연결되고, 상기 영구 커스프 자석 어레이에 직각으로 배향되는 안테나로서, 상기 영구 커스프 자석 어레이는 상기 플라즈마 표피 깊이보다 더 작은 제 2 거리 내에 포함되는 다중-커스프 자기장을 생성하도록 구성되는, 상기 안테나를 포함하는, 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템.
- 청구항 8에 있어서,
상기 영구 커스프 자석 어레이 엘러먼트들은 다중-커스프 자기장을 형성하기 위하여 상기 플라즈마 챔버 내에서 교번적으로 상기 플라즈마를 향해 그리고 상기 플라즈마로부터 멀어지게 자화되는, 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템.
- 청구항 8에 있어서,
상기 영구 커스프 자석 어레이 엘러먼트들은, 알루미늄, 니켈 및 코발트(Al-Ni-Co), 사마륨 코발트(Sm-Co), 또는, 네오디뮴, 철, 및 붕소(Nd-Fe-B)를 함유하는 자기 합금들로 구성된 영구 자석들로 구성되는, 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템.
- 청구항 8에 있어서,
상기 안테나는 상기 유전체 윈도우의 상기 외부 표면과 열 접촉하는, 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템.
- 청구항 8에 있어서,
상기 유전체 윈도우는:
상기 영구 커스프 자석 어레이의 상기 엘러먼트들을 수용하도록 적응된 복수의 평행한 그루브들을 포함하는 제 1 유전체 층; 및
상기 제 1 유전체 층에 결합되어 상기 영구 커스프 자석 어레이를 상기 플라즈마로부터 분리하는 더 얇은 제 2 유전체 층으로 더 구성되는, 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템.
- 청구항 8에 있어서,
상기 자기 커스프 기하구조는 미리 결정된 피치를 갖는, 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템.
- 청구항 8에 있어서,
상기 유전체 윈도우를 구성하는 유전체 재료는 알루미나, 질화 알루미늄, 석영, 또는 사파이어 중 하나로 구성되는, 유도 결합형 RF 플라즈마 시스템.
- 유도 결합형 RF 플라즈마 소스에 자기 한정 및 패러데이 차폐를 제공하는 방법으로서,
플라즈마를 생성하는데 사용될 수 있는 작업 가스로 채워지도록 동작가능한 플라즈마 챔버를 제공하는 단계;
내부 표면 및 외부 표면을 갖는 유전체 윈도우로서, 상기 내부 표면이 상기 플라즈마 챔버의 벽을 형성하는, 상기 유전체 윈도우를 제공하는 단계;
상기 작업 가스를 이온화함으로써 상기 플라즈마를 생성하도록 구성되는 RF 파워 소스를 제공하는 단계로서, 상기 플라즈마는 플라즈마 표피 깊이를 포함하며, 상기 플라즈마 표피 깊이는 최대 RF 파워 디포지션이 발생하는 상기 내부 표면으로부터의 거리인, 단계;
평행한 엘러먼트들로 구성되는 전기 전도성 영구 커프스 자석 어레이를 상기 유전체 윈도우 내에 내장하는 단계로서, 상기 영구 커스프 자석 어레이와 상기 유전체 윈도우의 상기 내부 표면 사이의 거리는 상기 영구 커스프 자석 어레이와 상기 유전체 윈도우의 상기 외부 표면 사이의 거리보다 더 작은, 단계;
상기 영구 커스프 자석 어레이를 일 단부에서 접지에 연결하는 단계;
다중-커스프 자기장을 형성하기 위하여 상기 영구 커스프 자석 어레이의 상기 엘러먼트들을 상기 플라즈마를 향하여 그리고 상기 플라즈마로부터 멀어지게 상기 플라즈마 챔버 내에서 교번적으로 자화시키는 단계로서, 상기 영구 커스프 자석 어레이는 상기 플라즈마 표피 깊이보다 더 작은 제 2 거리 내에 포함되는 다중-커스프 자기장을 생성하도록 구성되는, 단계; 및
안테나 어레이가 상기 영구 커스프 자석 어레이에 직각으로 배향되도록 상기 안테나 어레이를 상기 RF 파워 소스에 연결하는 단계로서, 상기 안테나 어레이는 상기 유전체 윈도우 외부의 평행한 긴 튜브들로 구성되는, 단계를 포함하는, 방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 플라즈마 챔버 내에 전기장 및 자기장을 유도하기 위하여 상기 안테나 어레이를 통해 RF 전류를 순환시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 안테나 어레이를 상기 유전체 윈도우의 상기 외부 표면과 열 접촉하도록 위치시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 영구 커스프 자석 어레이 엘러먼트들은, 알루미늄, 니켈 및 코발트(Al-Ni-Co), 사마륨 코발트(Sm-Co), 또는, 네오디뮴, 철, 및 붕소(Nd-Fe-B)를 함유하는 자기 합금 또는 임의의 다른 희토류 자기 합금들로 구성되는, 방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 유전체 윈도우를 구성하는 유전체 재료는 알루미나, 질화 알루미늄, 석영, 또는 사파이어 중 하나로 구성되는, 방법.
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