KR102106133B1 - 플라즈마 공급원 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 생성 장치에 관한 것으로서,
- 플라즈마 공급원 중공 바디(1) 및 플라즈마 공급원 중공 바디 내로 자유 전자를 방출할 수 있는 전자 방출 유닛(5)을 구비한 플라즈마 공급원을 포함하고, 이때 플라즈마 공급원 중공 바디(1)는 제1 기체 유입부(7a) 및 진공 챔버에 대한 개구를 형성하는 플라즈마 공급원 개구(10)를 구비하며,
- 애노드 중공 바디(2)를 구비한 애노드를 포함하고, 이때 애노드 중공 바디(2)는 제2 기체 유입부(7b) 및 진공 챔버에 대한 개구를 형성하는 애노드 개구(11)를 구비하며,
- 음극은 전자 방출 유닛(5)에 연결되어 있고 양극은 애노드 중공 바디(2)에 연결되어 있는 전압원(8)을 포함하고, 이때 전압원(8)의 양극은 추가로 제1 전기 분류기(6a)에 의해 플라즈마 공급원 중공 바디와 전기 접속되어 있다.

Description

플라즈마 공급원{PLASMA SOURCE}
본 발명은 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성 장치와, 예를 들어 플라즈마 애칭, 가열, 질화 및 PE-CVD 공정에 의한 층의 증착을 목적으로, 진공 증착 설비에서 플라즈마를 생성하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명은 열적 전자 방출의 원리 및 가열된 방출기에 음극 전압의 인가(쇼트키 효과)에 따라 또는 중공 캐소드 플라즈마 공급원의 원리에 따라 작용하는 플라즈마 공급원에 기초한다.
플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성 장치와, 예를 들어 플라즈마 애칭, 가열, 질화 및 PE-CVD 공정에 의한 층의 증착을 목적으로, 진공 증착 설비에서 플라즈마를 생성하기 위한 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 플라즈마 생성 장치에 관한 것으로서,
- 플라즈마 공급원 중공 바디(1) 및 플라즈마 공급원 중공 바디 내로 자유 전자를 방출할 수 있는 전자 방출 유닛(5)을 구비한 플라즈마 공급원을 포함하고, 이때 플라즈마 공급원 중공 바디(1)는 제1 기체 유입부(7a) 및 진공 챔버에 대한 개구를 형성하는 플라즈마 공급원 개구(10)를 구비하며,
- 애노드 중공 바디(2)를 구비한 애노드를 포함하고, 이때 애노드 중공 바디(2)는 제2 기체 유입부(7b) 및 진공 챔버에 대한 개구를 형성하는 애노드 개구(11)를 구비하며,
- 음극은 전자 방출 유닛(5)에 연결되어 있고 양극은 애노드 중공 바디(2)에 연결되어 있는 전압원(8)을 포함하고, 이때 전압원(8)의 양극은 추가로 제1 전기 분류기(6a)에 의해 플라즈마 공급원 중공 바디와 전기 접속되어 있다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 생성 장치를 위해 애노드로서 전기적으로 한정된 중공 공간이 사용되고, 상기 공간은 예를 들어 진공 챔버에 돌출되게 제공된다. 이러한 중공 공간은 플라즈마의 차단 후 셔터-메카니즘(shutter-mechanism)에 의해 폐쇄됨으로써, 후속 공정 단계에 의한 오염이 방지된다. 바람직하게 플라즈마 공급원의 스위치-온은 전기 분류기(electric shunt)에 의해 보장된다.
본 발명은 이하 도면을 참조하여 더 상세하게 예시적으로 설명된다.
도 1은 플라즈마 공급원, 중공 애노드 및 점화 보조부를 포함하는 플라즈마 생성 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 기판 위치의 함수로서 애칭 속도를 도시한 그래프이다.
도 3a 내지 3f는 플라즈마 공급원 및 중공 애노드의 배치의 변형을 도시한 도면이다.
도 4는 충전도가 더 큰 설비에서 플라즈마 공급원 및 중공 애노드의 배치를 도시한 도면이다.
도 5는 스위치 유닛을 갖는 복수의 애노드 중공 바디를 도시한 도면이다.
도 6a 및 6b는 자계 생성 장치를 구비한 플라즈마 중공 바디 및 애노드 중공 바디를 도시한 도면이다.
도 1에 예를 들어 진공 설비에서 코팅 전에 또는 코팅 중에 공구의 처리를 위한 본 발명에 따른 플라즈마 생성 장치가 도시된다. 절연체에 의해 전기적으로 절연되게 플랜지 결합된 플라즈마 공급원 중공 바디(1)를 구비한 진공 챔버(3)는 플라즈마 공급원의 일부이다. 또한, 플라즈마 공급원은 자유 전자의 생성을 위한 수단으로서 사용되는 전자 방출 유닛(5)을 포함한다. 상기 수단은 플라즈마 공급원 중공 바디(1) 내로 돌출함으로써, 전자가 플라즈마 공급원 중공 바디(1) 내에 생성된다. 이러한 전자 방출 유닛(5)으로는, 예를 들어 약 2700 내지 3000K의 온도에 제공되는 텅스텐 필라멘트가 적합할 수 있다. 전압원(8)을 이용하여 전자 방출 유닛(5)에 음극 전압을 인가하면, 전자 방출 유닛은 전자를 방출한다. 기체 유입부(7a)를 통해 기체가 플라즈마 공급원 중공 바디(1) 내에 유입된다. 기체는 전자 방출 유닛(5)에 의해 생성된 자유 전자에 의해 이온화된다. 기체로서는, 예를 들어 아르곤이 적합하다.
전압원(8)의 양극은 플라즈마 공급원 전기 분류기(PSsR)에 의해 플라즈마 공급원 중공 바디(1)와 전기 접속된다. 전압원이 스위치-온되는 경우, 전기 분류기(6a)를 통해 전류가 흐를 수 있어서, 플라즈마 공급원 중공 바디(1) 내에서 에너지가 플라즈마 내로 공급될 수 있다. 이로써 플라즈마 공급원 중공 바디(1) 내에 생성되는 플라즈마는 플라즈마 공급원 중공 바디(1) 내에 제공된 플라즈마 공급원 개구(10)를 통해 진공 챔버(3)의 공간 내로 연장되어 그 공간을 채운다.
진공 챔버(3)에는 추가의 중공 바디가 절연체(4)에 의해 전기적으로 절연되게 플랜지 연결되어 있으며, 이는 이하에서 애노드 중공 바디(2)라 지칭된다. 진공 챔버(3) 및 애노드 중공 바디(2)는 애노드 개구(11)를 통해 서로 연결되어 있다. 애노드 중공 바디(2)는 전압원(8)의 양극과 직접 전기 접속되어 있다. 애노드 중공 바디(2) 내에는 기체 유입부(7b)가 제공되어, 이 유입부를 통해 기체가 애노드 중공 바디(2) 내로 유입된다. 상기 기체는 예를 들어 아르곤일 수 있다.
추가로 진공 챔버(3)의 벽은 제2 전기 분류기(6b)에 의해 전압원(8)과 연결되어 있다. 이로써, 전자 방출 유닛(5)으로부터 챔버 벽으로 방전 전류도 흐를 수 있게 된다. 애노드 중공 바디(2)가 전압원(8)의 양극과 직접 연결될 수 있기 때문에, 바람직하게는 애노드 중공 바디(2)를 관통하여 방전을 초래할 수 있고 애노드 중공 바디 내에 플라즈마를 구축하게 된다. 이로써 매우 높은 방전 전류를 낮은 전압에서도 수용할 수 있는, 높은 전류에 안정적인 경로가 폐쇄된다. 전류는 약 16V 내지 100V의 전압에서 수 백 암페어까지 달할 수 있다.
이렇게 생성된 플라즈마의 특성은 플라즈마 공급원 개구(10)와 애노드 개구(11)에 매우 강하게 좌우된다. 이들 개구를 따라 전위 강하에 의해 전자의 가속이 야기되고 개구 이전에 그리고 개구 내부에서 예를 들어 아르곤 기체 원자의 존재에 의해 전자의 매우 강한 이온화가 야기된다. 바람직하게 상기 개구들의 직경은 4mm 내지 30mm이다. 바람직하게는 직경이 약 12mm이다. 플라즈마 공급원과 중공 애노드 사이의 거리는 200 내지 400mm이다. 처리할 기판으로부터 개구의 이격 거리는 200 내지 400mm이다.
하기의 예에는 다른 전형적인 작동 변수가 기재된다:
유입 기체 아르곤: 플라즈마 공급원 및/또는 중공 애노드 내로 50 - 200sccm
방전 전류: 200A
방전 전압 플라즈마 공급원: 16V - 30V
방전 전압 중공 애노드: 16 - 100V
플라즈마 공급원 및 중공 애노드 내에서 변환된 파워는 통상의 기술자에게 공지된 상응하는 조치에 의해 제거되어야 한다(도 1에는 도시되지 않음).
위에서 기술된 플라즈마 생성 장치를 이용하여 안정적인 플라즈마 공정이 실행될 수 있다.
각각의 공정을 시작하기 전에 다른 경우라면 필요했을 정비 공정은, 특히 애노드가 코팅 전에 다이어프램에 의해 보호될 수 있는 경우, 본 발명에 따른 플라즈마 생성 장치를 사용하면 생략될 수 있다. 애칭 공정을 위해 다이어프램은 애노드 개구 이전에 개방되어, 중공 애노드 내에 플라즈마가 구축될 수 있다. 경우에 따라 후속되는 코팅 공정을 위해, 예를 들어 아크 증착 또는 스퍼터링(sputtering)을 위해, 다이어프램은 셔터를 이용하여 폐쇄될 수 있다. 진공 챔버 쪽을 향한 플라즈마 공급원의 개구(10)를 위해서도 상응하게 적용된다.
애노드 자체가 플라즈마 공급원으로서 능동적으로 작동되기 때문에, 종래 기술에 비해 플라즈마 용적이 증가된다. 플라즈마 생성 장치는 예를 들어 플라즈마 애칭, 플라즈마 가열 및 PECVD 코팅의 경우에 유리하게 사용될 수 있다.
플라즈마 가열의 경우, 예를 들어 아르곤 및 수소가 사용될 수 있으며, 이로써 반응성이 높고, 예를 들어 유기 잔류물의 제거를 위해 적합한 원자 수소가 생성된다.
PE-CVD 코팅의 범주에서, 예를 들어 플라즈마 공급원 및 중공 애노드를 위한 세정 기체(flushing gas)로서 아르곤이 사용될 수 있다. 코팅의 범주에서, 예를 들어 C2H2 및/또는 CH4 또는 다른 모노머나 폴리머의 기체가 진공 챔버 내에 도입되면, 음극의 기판 전압의 사용하에 플라즈마에서 탄소를 함유하는 층, 예를 들어 DLC 층(다이아몬드형 탄소)이 증착된다. 플라즈마 공급원 및 중공 애노드의 개구들(10, 11)이 상응하게 구비되어 있는 경우, 상기 개구들에서 초음속 흐름을 야기한다. 이는 높은 에너지 밀도와 함께, 플라즈마 공급원 및/또는 중공 애노드의 코팅을 야기하지 않게 작용한다. 따라서, 상응하는 내부면은 사실상 코팅되지 않고 남아 있게 되어 전기 전도성을 띠며, 이는 공정 안정성에 현격히 기여한다.
도 3에는 본 발명에 따른 플라즈마 생성 장치를 보여주는, 플라즈마 공급원과 중공 애노드 장치의 변형예가 도시되어 있다. 여기서 화살표의 첨두는 항상 중공 애노드를 가리키고, 화살표의 단부는 플라즈마 공급원 근처에 위치한다. 접속 상태는 도 1에 상응하게 배치된다. 도 3a에는 진공 챔버의 측벽에 대한 간단한 플랜지 결합 상태가 도시된다. 도 3b, 3c, 3d, 및 3f에는 2개의 플라즈마 공급원 및 2개의 애노드의 플랜지 결합이 도시되며, 이때 전류 방향은 공간적으로 상이한 배향을 갖는다. 도 3e에는 진공 챔버의 커버에 대한 플라즈마 공급원의 플랜지 결합 및 진공 챔버의 바닥에 대한 중공 애노드의 플랜지 결합이 개략적으로 도시된다. 충전도가 더 큰 진공 챔버의 경우, 본 발명에 따른 두 개의 플라즈마 생성 장치들은 서로 상하로 배치될 수 있다. 이에 상응하는 배치가 도 4에 개략적으로 도시되어 있다.
본원의 상세한 설명에서 언급된 전기 분류기(6a 및 6b)는 유리한 방식으로 10 ohm 내지 100 ohm 사이에, 특히 바람직하게는 20 ohm 내지 50 ohm 사이에 위치한다.
애노드 바디에서 생성되는 플라즈마만 사용하는 것이 유리할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 복수의 애노드 중공 바디는 하나 이상의 플라즈마 공급원 중공 바디에 의해 스위치 유닛(12)의 스위치를 동시에 또는 연속적으로 또는 중복해서 스위치-온함으로써 제어된다. 이는 도 5에 도시되며, 여기서 방전 점화를 위한 수단은 간단한 도시를 위해 도시되지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 자계의 사용에 의해 애노드에서 방전 전압이 상승될 수 있다. 그 결과, 애노드 중공 바디의 유입 구멍에 생성된 이온의 가속 및 이와 연관된 충분한 에너지 입자의 가속이 유발된다. 마찬가지로 플라즈마 공급원 중공 바디에서도 자계가 사용될 수 있다.
도 6a 및 6b에는 자계 생성 장치(13a 및 13b)를 구비한 플라즈마 중공 바디 및 애노드 중공 바디가 도시되어 있다.
플라즈마 중공 바디의 자계(13b)가 진공 챔버 내에 전자의 유입 및 이에 따른 이온의 유입을 야기하는 동안, 애노드 중공 바디에서는 자계(13a)가 애노드 이전에 전자의 편향 및 이에 따른 전압 강하의 증가를 일으킨다(호올 효과). 이러한 전위는 다시 이온화된 기체 원자를 가속시키고 기체 원자에 증가된 에너지를 부여한다.
1 플라즈마 공급원 중공 바디
2 애노드 중공 바디
3 진공 챔버
4 절연체
5 전자 방출 유닛(예를 들어 필라멘트 및 서플라이)
6a 전기 분류기 플라즈마 공급원
6b 전기 분류기 애노드
7a 기체 유입부 플라즈마 공급원
7b 기체 유입부 애노드
8 전압원
9a 애노드 개구의 다이어프램
9b 플라즈마 공급원 개구의 다이어프램
10 플라즈마 공급원의 개구
11 애노드의 개구
12 스위치 유닛
13a 자계 수단
13b 자계 수단

Claims (6)

  1. - 플라즈마 공급원 중공 바디(1) 및 플라즈마 공급원 중공 바디(1) 내로 자유 전자를 방출할 수 있는 전자 방출 유닛(5)을 구비한 플라즈마 공급원으로서, 이때 플라즈마 공급원 중공 바디(1)는 제1 기체 유입부(7a) 및 진공 챔버(3)에 대한 개구를 형성하는 플라즈마 공급원 개구(10)를 구비한, 플라즈마 공급원;
    - 애노드 중공 바디(2)를 구비한 애노드로서, 이때 애노드 중공 바디(2)는 제2 기체 유입부(7b) 및 진공 챔버(3)에 대한 개구를 형성하는 애노드 개구(11)를 구비한, 애노드;
    - 음극은 전자 방출 유닛(5)에 연결되어 있고 양극은 애노드 중공 바디(2)에 연결되어 있는 전압원(8)을 포함하는 플라즈마 생성 장치에 있어서,
    전압원(8)의 양극은 추가로 제1 전기 분류기(6a)에 의해 플라즈마 공급원 중공 바디(1)와 전기 접속되어 있는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서, 전압원(8)의 양극은 제2 전기 분류기(6b)에 의해 진공 챔버(3)와 전기 접속되어 있는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 생성 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 플라즈마 공급원 개구(10)에는, 플라즈마 공급원 개구(10)가 필요에 따라 폐쇄될 수 있게 하는 다이어프램(9b)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 생성 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 애노드 개구(11)에는, 애노드 개구(11)가 필요에 따라 폐쇄될 수 있게 하는 다이어프램(9a)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 생성 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 플라즈마 공급원 개구(10) 및/또는 애노드 개구(11)는 필요에 따라 작동 중에 개구 또는 개구들을 통해 초음속 흐름이 구축될 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 생성 장치.
  6. PE-CVD에 의한 기판의 코팅 방법으로서, 모노머 기체 및/또는 폴리머 기체가 플라즈마 생성 장치를 포함하는 진공 챔버(3) 내에 도입되고, 진공 챔버(3) 내에서 플라즈마 생성 장치에 의해 플라즈마가 형성되며, 코팅될 기판이 음극 전압에 위치하는 기판의 코팅 방법에 있어서,
    플라즈마 생성 장치는 제5항에 따른 플라즈마 생성 장치이고, 플라즈마 공급원 중공 바디(1)의 내부 공간과 애노드 중공 바디(2)의 내부 공간은 둘 다 코팅되지 않는 것을 특징으로 하는, 기판의 코팅 방법.
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