KR20080075441A - 플라즈마 성막장치 - Google Patents

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KR20080075441A
KR20080075441A KR1020077013911A KR20077013911A KR20080075441A KR 20080075441 A KR20080075441 A KR 20080075441A KR 1020077013911 A KR1020077013911 A KR 1020077013911A KR 20077013911 A KR20077013911 A KR 20077013911A KR 20080075441 A KR20080075441 A KR 20080075441A
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마사오 마루나카
타카유키 추치야
아츠히로 테라쿠라
키요시 타케우치
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신메이와 인더스트리즈,리미티드
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Abstract

시트 플라즈마에 모서리를 발생시키지 않음으로써 플라즈마 밀도를 높게 하고, 스퍼터링 효율이 좋고, 또한 시트 플라즈마에 모서리를 발생시키지 않음으로써 안전하게 운전할 수가 있는 플라즈마 성막장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
플라스마 성막장치는 소스 플라즈마를 상기 수송방향을 향하여 방출 가능한 플라즈마 건(1)과, 시트 플라즈마 변형실(2)과, 서로 동극끼리를 마주보게 하여 배치되는 자계발생수단(9)의 쌍과, 성막실(3)을 구비하고, 상기 수송방향에 있어서 상기 자계발생수단(9)의 쌍보다 상류측에 설치된 성형 전자 코일(6)을 갖고, 자계발생수단(9)의 쌍 및 성형 전자 코일(6)이 수송 중심(100)의 성형 전자 코일(6) 및 자계발생수단(9)의 쌍을 통과하는 부분 및 그 근처 부분에 있어서 수송방향에서의 자속밀도가 일정한 자장을 발생시킨다.
Figure P1020077013911
플라즈마, 성막장치, 플라즈마 건, 시트 플라즈마 변형실, 자계발생수단, 성막실, 성형 전자 코일

Description

플라즈마 성막장치{plasma film forming apparatus}
본 발명은 플라즈마 성막장치(plasma film forming apparatus)에 관한 것으로, 특히 시트(sheet) 형상으로 된 플라즈마로 성막하는 시트 플라즈마 성막장치에 관한 것이다.
시트 플라즈마 성막장치는, 원주 형상의 플라즈마 빔(plasma beam)을 사이에 두고 동극(同極)끼리를 대향시켜 배치한 영구자석의 반발 자장에 의해 원주 형상의 플라즈마를 시트 형상으로 변형하고, 이 변형된 시트 형상의 플라즈마(이하, 시트 플라즈마라고 함)를 이온원(ion source)으로서 스퍼터링(sputtering)을 일으켜 성막하는 장치이다.
이와 같은 시트 플라즈마 성막장치로서, 시트 플라즈마를 생성하는 시트 플라즈마 변형실과, 상기 시트 플라즈마 변형실에 연결된 표면처리실을 구비하고, 시트 플라즈마 변형실과 표면처리실을 서로 전기적으로 절연시키고 또한 서로 상이한 전위가 되도록 구성된 시트 플라즈마 성막장치가 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌1).
도 5는 특허문헌1에 개시되어 있는 종래의 시트 플라즈마 성막장치의 구성의 개략을 도시하는 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 이 종래의 시트 플라즈마 성막장치는 압력 구배형(勾配型) 플라즈마원으로서 동작하는 음극부(51)와, 원주 형상의 플라즈마를 시트 형상으로 성형하는 시트 플라즈마 성형실(52)과, 스퍼터링을 하는 표면처리실(스퍼터링실)(53)과, 스퍼터링실(53)의 내측에 배치되어 시트 형상의 플라즈마를 받는 양극부(56)와, 시트 플라즈마 성형실(52)의 내측에 배치된 1상의 영구자석(54a),(54b)과, 스퍼터링실(53)의 외측에 배치된 1쌍의 코일(55)을 갖고 있다. 이 장치에서는 음극부(51)에서 발생한 원주 형상의 플라즈마가 시트 플라즈마 성형실(52)에서 영구자석(54a),(54b)에 의해 형성되는 자장에 의해 시트 형상의 플라즈마로 변형되고, 변형된 시트 플라즈마는 코일(55)의 자장에 의해 스퍼터링실(53) 내(정확하게는, 양극부(56))에 인도되도록 구성되어 있다.
그리고 특허문헌1에 개시되어 있는 시트 플라즈마 성막장치는 시트 플라즈마 변형실(52)과 스퍼터링실(53)을 서로 전기적으로 절연하고, 서로 상이한 전위가 되도록 구성되어 있다. 이 때문에 시트 플라즈마 성형실(52)에 전류가 불가피하게 흐르지 않으므로 전력 손실이 발생하지 않는다. 또한 전력 손실이 발생하지 않기 때문에 스퍼터링실(53)에 도입된 시트 플라즈마의 밀도가 낮아지지 않고 성막할 수가 있다.
특허문헌1: 일본특허 제2952639호 공보
그러나 특허문헌1에 개시되어 있는 시트 플라즈마 성막장치에서는 시트 플라즈마 성형실(52)을 글라스 등의 절연재료로 형성한 경우, 영구자석(54b)의 자장에 의해, 성형된 시트 플라즈마의 일부가 시트 플라즈마 성형실(52)의 내벽 방향으로 흡인되어 확대되고(이 부분을 모서리(71)이라고 함), 플라즈마 밀도가 감소하고 스퍼터 효율이 악화되는 문제가 있었다. 또한 모서리(71) 근처의 플라즈마가 시트 플라즈마 성형실(52)의 내벽에 충돌하면 플라즈마가 갖는 에너지의 열(熱)영향에 의해 시트 플라즈마 성형실(52)의 손상이 발생하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 시트 플라즈마에 모서리를 발생시키지 않음으로써 플라즈마 밀도를 감소시키지 않고, 스퍼터링 효율이 좋은 플라즈마 성막장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 시트 플라즈마에 모서리를 발생시키지 않음으로써 안전하게 운전할 수가 있는 플라즈마 성막장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 문제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 플라즈마 성막장치는 플라즈마 수송방향의 중심에 대하여 등밀도(等密度) 분포하는 소스(source) 플라즈마를 방전에 의해 형성하여, 상기 소스 플라즈마를 상기 수송방향을 향하여 방출 가능한 플라즈마 건(plasma gun)과, 상기 수송방향으로 연장된 수송공간을 가지는 시트 플라즈마 변형실과, 서로 동극끼리를 마주 보게 하여 상기 방출된 소스 플라즈마의 수송 중심을 사이에 두도록 배치되는 자계발생수단의 쌍과, 상기 수송공간에 연통한 성막공간을 갖는 성막실을 구비하고, 상기 수송방향에 있어서 상기 자계발생수단의 쌍보다 상류측에 상기 수송 중심을 관통시키도록 설치된 성형 전자(電磁) 코일을 갖고, 상기 자계발생수단의 쌍 및 상기 성형 전자 코일이 상기 수송 중심의 상기 성형 전자 코일 및 상기 자계발생수단의 쌍을 통과하는 부분 및 그 근처 부분에 있어서 상기 수송방향에서의 자속밀도가 일정한 자장을 발생시킨다.
이로써 시트 플라즈마에 모서리가 발생하지 않으므로 성형된 시트 플라즈마의 플라즈마 밀도는 높은 레벨을 유지할 수가 있고, 스퍼터 효율이 좋아진다. 또한 시트 플라즈마에 모서리가 발생하지 않으므로 시트 플라즈마 변형실의 내벽에 과잉(過剩) 플라즈마의 충돌이 발생하지 않기 때문에 시트 플라즈마 변형실의 손상을 억제할 수가 있고, 안전하게 플라즈마 성막장치를 운전할 수가 있다.
상기 자계발생수단의 쌍과 상기 성형 전자 코일이 근접하여 배치되어 있는 것이 바람직하다.
상기 자계발생수단의 쌍 및 상기 성형 전자 코일이 상기 수송 중심의 상기 성형 전자 코일 및 상기 자계발생수단의 쌍을 통과하는 부분 및 그 근처 부분에 있어서 상기 수송방향에서의 자속밀도가 100~600G인 자장을 발생시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 플라즈마 성막장치에 의하면, 시트 플라즈마의 플라즈마 밀도를 높은 레벨로 유지할 수 있기 때문에 스퍼터 효율이 좋아지고, 또한 시트 플라즈마 변형실의 손상을 억제함으로써 안전하게 플라즈마 성막장치를 운전할 수가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 성막장치의 구성을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 플라즈마 성막장치를 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 플라즈마 성막장치의 자속밀도를 측정한 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 시트 플라즈마 형성법의 개략을 설명하는 모식도이다.
도 5는 종래의 플라즈마 성막장치의 구성을 모식적으로 도시한 단면도이다.
***** 부호의 설명 *****
1: 플라즈마 건
2: 시트 플라즈마 변형실
3: 진공 성막실
5: 제1 전자(電磁) 코일
6: 성형 전자 코일
7: 제2 전자(電磁) 코일
8: 제3 전자(電磁) 코일
9: 영구자석
10: 방전공간
13: 타겟(target)
14: 타겟 홀더(target holder)
14a: 제1 홀더(holder)부
14b: 제1 지지부
15: 기판
16: 기판 홀더
16a: 제2 홀더부
16b: 제2 지지부
17: 주 전원
18: 바이어스(bias) 전원
19: 바이어스 전원
21: 제1 통(筒)부
22: 제2 통부
23: 제3 통부
24: 제4 통부
25: 캐소드(cathode)
26: 보틀넥(bottleneck) 부
27: 보틀넥 부
28: 저항체
29: 저항체
30: 저항체
31: 플랜지(flange)
32a: 덮개부
32b: 덮개부
33a: 덮개부
33b: 덮개부
34a: 덮개부
34b: 덮개부
36: 애노드(anode)
37: 파이프(pipe)
38: 제1 진공펌프(vacuum pump) 접속구
39: 제2 진공펌프 접속구
40: 수송공간
42: 관통공(貫通孔)
43: 슬릿공(slit孔)
44: 슬릿공
45: 슬릿공
46: 슬릿공
47: 밸브(valve)
48: 밸브
49: 원주 플라즈마
50: 시트 플라즈마
51: 성막공간
52: 영구자석
61: 음극부
62: 시트 플라즈마 성형실
63: 스퍼터링실
64a: 영구자석
64b: 영구자석
65: 코일
66: 양극부
71: 모서리
100: 수송중심
G1: 제1 그리드(grid)전극(제1 중간전극)
G2: 제2 그리드전극(제2 중간전극)
S: 주면(主面)
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를, 도면을 참조하면서 설명한다.
(제1 실시예)
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 성막장치의 구성을 모식적으로 도시한 단면도이다. 도 2는 도 1의 플라즈마 성막장치의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다. 또한, 도 1에 도시한 바와 같이, X축, Y축 및 Z축이 편의상 도시되어 있고, 도 2에 도 마찬가지로, X축, Y축 및 Z축이 도시되어 있다. 또한 도 2에 있어서는 일부를 생략하였다.
우선, 본 제1 실시예에 따른 플라즈마 성막장치의 구성에 대하여 도 1을 참조하면서 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 플라즈마 성막장치는 YZ평면에 있어서 대략 십(+)자형을 이루고 있고 플라즈마 수송방향(Z방향)에서부터 보아서 차례로 플라즈마를 고밀도로 생성하는 듀얼 타입(dual type)의 플라즈마 건(1)과, Z방향 축을 중심으로 한 원통 형상의 비자성(예를 들면, 스테인레스나 글래스) 시트 플라즈마 변형실(2)과, y방향 축을 중심으로 한 원통 형상의 비자성(예를 들면, 스테인레스) 진공 성막실(3)을 구비하여 구성되어 있다. 또한 플라즈마 건(1), 시트 플라즈마 변형실(2), 및 진공 성막실(3)은 플라즈마를 수송하는 통로를 통하여 서로 기밀상태를 유지하고 연통되어 있다.
플라즈마 건(1)은 원통 형상의 제1 통부(21)를 갖고 있다. 제1 통부(21)의 내부공간에 의해 방전공간(10)이 형성된다. 제1 통부(21)의 일측 단부는 방전공간(10)을 막도록 플랜지(31)가 배치되어 있다. 제1 통부(21)의 내부에는 플랜지(31)의 중심부를 관통하여 제1 통부(21)의 중심축(Z축)을 따라 연장하도록 캐소드(25)가 기밀(氣密)한 상태로 배설되어 있다. 캐소드(25)는 플라즈마 방전 유발용 열(熱)전자를 방출하고, 직류전원으로 이루어지는 주 전원(17)의 음극과 저항체(28)를 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 또한 제1 통부(21)의 내부에는 플랜지(31)의 중심부를 관통하여 제1 통부(21)의 중심축(Z축)을 따라 연장하도록 파이 프(37)가 기밀적으로 배설되어 있다. 이 파이프(37)에서부터 알곤(Ar) 가스 등의 불활성 가스가 플라즈마 건(1)(정확하게는, 방전공간(10)) 내로 공급된다.
또한, 플라즈마 건(1)은 제1 그리드전극(제1 중간전극)(G1), 제2 그리드전극(제2 중간전극)(G2)을 갖고 있다. 제1 그리드전극(G1) 및, 제2 그리드전극(G2)은 제1 통부(21)의 외주면에 기밀하게 설치되어 있고, 캐소드(25)와의 사이에서 플라즈마 방전(글로우 방전)을 유지하기 위하여, 주 전원(17) 및 적절한 저항체(29, 30)와 전기적으로 접속되어 소정의 플라즈마 전압을 인가받는다. 이와 같은 플라즈마 방전에 의해 플라즈마 건(1)의 방전공간(10)에는 하전입자(여기서는 Ar+와 전자) 집합체로서의 플라즈마가 형성된다.
또한, 여기서는 플라즈마 건(1)은 주 전원(17)에 기반하는 저전압, 또는 대전류의 직류 아크 방전에 의해, 캐소드(25)와 후술하는 애노드(36) 사이에 고밀도 플라즈마 방전을 가능하게 하는, 공지된 압력 구배형 플라즈마 건과 복합음극형 플라즈마 건의 양자를 조합시킨 듀얼 타입 플라즈마 건이 채용되어 있다.
제1 통부(21)의 직경방향의 외측에는 자력 세기를 콘트롤할 수 있는 환상(環狀)의 제1 전자 코일(5)이 제1 통부(21) 측면 주위를 둘러싸도록 제1 통부(21)와 동심(同心)으로 설치되어 있다. 상기 제1 전자 코일(5)의 권선에 전류를 흘림으로써 플라즈마 건(1)의 방전공간(10)에는 코일 자계에 기반하는 자속밀도의 Z방향 구배가 형성된다. 이와 같은 자속밀도의 Z방향 구배에 의해, 플라즈마를 구성하는 하전입자는 이 방전공간에서부터 Z방향(애노드(36)를 향하는 방향)으로 운동하도록 자력선의 주위를 선회하면서 Z방향으로 나아가고, 이들 하전입자의 집합체로서의 플라즈마가 Z방향 수송중심(100)에 대하여 대략 등밀도로 분포하여 이루어지는 원주 형상의 소스 플라즈마(이하, 원 플라즈마(49)라고 함)로서, 플라즈마 건(1)의 Z방향 타단부와 시트 플라즈마 변형실(2)의 Z방향 일단부 사이에 개재하는 관통공(42)을 통하여 시트 플라즈마 변형실(2)로 인출된다. 또한 제1 통부(21), 제1 그리드 전극(G1), 제2 그리드전극(G2), 및 캐소드(25)는 적절한 수단에 의해 서로 절연되어 있다.
시트 플라즈마 변형실(2)은 Z방향 축을 중심으로 한 원통 형상의 제2 통부(22)를 갖고 있다. 제2 통부(22)의 내부공간에 의해 수송공간(40)이 형성된다. 제2 통부(22)의 일측(제1 통부(21) 측) 단부는 덮개부(32a)에 의해 폐쇄되어 있고, 타측 단부는 덮개부(32b)에 의해 폐쇄되어 있다. 덮개부(32a)의 중심부에는 관통공(42)이 설치되고, 이 관통공(42)에 의해 플라즈마 건(1)과 시트 플라즈마 변형실(2) 사이에 개재하는 통로가 형성된다. 또한 덮개부(32b)의 중심부에는 슬릿공(43)이 X축 방향으로 연장되어 형성되어 있다. 제2 통부(22)는 적절한 수단에 의해 기밀하게 또한 전기적으로 절연되도록 제1 통부(21)와 동축 형상으로(중심축을 공유하도록) 접속되어 있다. 제2 통부(22)는 영구자석(9) 등의 자력을 원주 플라즈마에 영향을 미치기 쉬운 관점에서 글래스나 SUS 등의 비자성 재료로 구성되어 있다.
제2 통부(22)의 일측에는 밸브(47)에 의해 개폐 가능한 제1 진공펌프 접속구(38)가 설치되어 있다. 제1 진공펌프 접속구(38)에는 도시되지 않은 진공펌프(예를 들면, 터보펌프)가 접속되어 있다. 이 진공펌프에 의해 진공 흡인되고, 수송공 간(40)은 원주 플라즈마(49)를 수송 가능한 레벨의 진공도까지 빠르게 감압된다.
제2 통부(22) 외측에는 제2 통부(22)(정확하게는 수송공간(40))를 사이에 두고 서로 동극(同極)(여기서는 N극)이 대향하도록 하여 Y방향으로 자화되고, 또한 X방향으로 연장하는 1쌍의 각(角)형 영구자석(9)(자계발생수단의 쌍)이 설치되어 있다.
또한, 영구자석(9)의 수송방향 상류측(캐소드(25)에 가까운 측)에는 환상(環狀)의 성형 전자 코일(6)(공심(空心) 코일)이 제2 통부(22)의 외주면을 둘러싸도록 (수송중심(100)을 관통시키도록) 배설되어 있다. 또한 성형 전자 코일(6)의 권선에는 캐소드(26) 측을 S극, 애노드(36) 측을 N극으로 하는 방향의 전류가 통전되어 있다.
그리고, 성형 전자 코일(6)의 권선에 전류를 흘림으로써 시트 플라즈마 변형실(2)의 수송공간(40)에 변형되는 코일 자계와, 영구자석(9)에 의해 이 수송공간(40)에 형성되는 자석 자계의 상호작용에 의해 시트 플라즈마 변형실(2)의 수송공간(40)을 원주 플라즈마(49)가 수송방향(Z방향)으로 이동한다. 이 동안에 원주 플라즈마(49)는 그 수송방향의 수송중심(100)을 포함하는 XZ 평면(이하, 「주면(S)」이라고 함)을 따라 확대되는, 균일한 시트 형상의 플라즈마(이하, 시트 플라즈마(50)이라고 함)로 변형된다.
이와 같이 하여 변형된 시트 플라즈마(50)는 제2 통부(22)의 덮개부(32b)와 진공 성막실(3)의 측벽 사이에 개재하는 슬릿 형상의 보틀넥부(26)를 통하여 진공 성막실(3)에 유입된다.
진공 성막실(3)은 Y축 방향으로 중심축을 가지는 원통 형상의 제3 통부(23)와, 보틀넥부(27)를 통하여 제3 통부(23)와 연통하는 Z축 방향으로 중심축을 가지는 제4 통부(24)를 갖고 있다. 제3 통부(23)의 내부공간에 의해 성막공간(51)이 형성된다. 제3 통부(23)의 일측 단부는 덮개부(33a)에 의해 폐쇄되어 있고, 타측 단부는 덮개(33b)에 의해 폐쇄되어 있다.
제3 통부(23)의 제2 통부(22) 근방 측의 외주면의 중앙부에는 X축 방향으로 연장되는 슬릿공(44)이 형성되어 있다. 이 슬릿공(44)에는 제3 통부(23)와 제2 통부(22)의 내부공간이 연속하도록 단면이 사각형이며 통 형상인 보틀넥부(26)가 기밀하게 설치되어 있다. 보틀넥부(26)는 덮개부(32b)에 설치된 슬릿공(43)과 기밀하게 접속되어 있다. 또한 보틀넥부(26)의 높이(Y방향 치수) 및 길이(Z방향 치수), 그리고 폭(X방향 치수)은 시트 플라즈마(50)를 적절하게 통과하도록 설계되어 있다. 또한 슬릿공(43, 44)의 폭은 성형된 시트 플라즈마(50)의 폭보다도 크게 형성되어 있으면 바람직하고, 적절한 크기로 설계된다. 이로써 시트 플라즈마(50)를 구성하지 않는 여분의 알곤 이온(Ar+)과 전자가 진공 성막실(3)에 도입되는 것을 방지할 수 있고, 시트 플라즈마(50)의 밀도를 높은 상태로 유지할 수 있다.
제3 통부(23)의 내부에는 시트 플라즈마(50)를 사이에 두고 대향하도록 타겟(13)과 기판 홀더(16)가 배설되어 있다. 타겟(13)은 타겟 홀더(14)에 유지되어 있고, 해당 타겟 홀더(14)는 제1 홀더부(14a)와 제1 지지부(14b)를 갖고 있다. 제1 지지부(14b)는 덮개부(33a)를 기밀하게 그리고 왕복이 자유롭게 관통하고, 도시되지 않은 구동기구와 접속되어 있고, Y축 방향으로 이동 가능하게 구성되어 있다. 또한 타겟 홀더(14)는 바이어스 전원(18)과 전기적으로 접속되어 있다. 바이어스 전원(18)은 제1 홀더부(14a)에 시트 플라즈마(50)에 대하여 음(-) 바이어스 전압을 인가한다. 또한 타겟 홀더(14)의 제1 지지부(14b)와 덮개부(33a)는 절연되어 있다. 한편, 기판 홀더(16)는 기판(15)을 유지하는 것이다. 해당 기판 홀더(16)는 제2 홀더부(16a)와 제2 지지부(16b)를 갖고 있다. 제2 지지부(16b)는 덮개부(33b)를 기밀적으로 또한 습동 자유자재로 관통하고, 도시되지 않은 구동기구와 접속되어 있고, Y축 방향으로 이동 가능하게 구성되어 있다. 또한 기판 홀더(16)는 바이어스 전원(19)과 전기적으로 접속되어 있다. 바이어스 전원(19)은 제2 홀더부(16b)에 시트 플라즈마(50)에 대하여 음(-) 바이어스 전압을 인가한다. 또한 기판 홀더(16)의 제2 지지부(16b)와 덮개부(33b)는 절연되고 접속되어 있다. 또한 여기서는 타겟 홀더(14)와 접속하는 바이어스 전원(18)과, 기판 홀더(16)와 접속하는 바이어스 전원(19)을 각각 설치하였지만, 이것들을 1개의 공통 바이어스 전원으로 구성하는 것도 가능하다. 더욱이, 주 전원(17)에 타겟 홀더(14)와 기판 홀더(16)가 각각 접속되는 구성으로 할 수도 있다. 단 상술한 바와 같이, 타겟 홀더(14)와 기판 홀더(16)에 각각 바이어스 전원을 설치함으로써 타겟(14)과 기판(16) 사이의 거리를 자유롭게 설정할 수가 있고, 또한 음 바이어스 전압을 타겟(14)과 기판(16)의 양측에 인가할 수가 있다. 그 결과 스퍼터 효율이 향상된다.
또한, 덮개부(33b)의 일측에는 밸브(48)에 의해 개폐 가능한 제2 진공펌프 접속구(39)가 설치되어 있다. 제2 진공펌프 접속구(39)에는 도시되지 않은 진공펌프가 접속되어 있다. 이 진공펌프(예를 들면 터보펌프)에 의해 진공 흡인되고, 이 로써 성막공간(51)은 스퍼터링 프로세스 가능한 레벨의 진공도까지 빠르게 감압된다.
제3 통부(23) 외부에는 자력 세기를 콘트롤할 수 있는 제2 전자 코일(7)과 제3 전자 코일(8)이 서로 쌍을 이루고 수송중심(100)을 관통시키도록 설치되어 있다. 제2 전자 코일(7)과 제3 전자 코일(8)은 다른 극(異極)끼리(여기서는 제2 전자 코일(7)은 N극, 제3 전자 코일(8)은 S극) 마주보게 설치되어 있다.
상기 제2 전자 코일(7) 및 제3 전자 코일(8)의 권선에 전류를 흘림으로써 만들어지는 코일 자계(예를 들면 10G~300G 정도)에 의하면, 시트 플라즈마(50)의 폭방향(X방향)에 대하여 시트 플라즈마(50)는 진공 성막실(3)의 성막공간(51)을 넘도록 Z방향으로 이동하는 동안에 미러 자계로서, 그 폭 방향 확산을 적절하게 억제하도록 형상을 정형(整形)받는다.
또한, 진공 성막실(3)은 보틀넥부(27)를 통하여 제3 통부(23)와 연통하는 Z축 방향으로 중심축을 가지는 제4 통부(24)를 갖고 있다. 제4 통부(24)의 일측(제3 통부(23) 측) 단부는 덮개부(34a)에 의해 폐쇄되어 있고, 타측 측면은 덮개부(34b)에 의해 폐쇄되어 있다. 덮개부(34a)의 중심부에는 X축 방향으로 연장되는 슬릿공(46)이 형성되어 있다. 이 슬릿공(46)에는 제4 통부(24)와 제3 통부(23)의 내부공간이 연속하도록 단면이 사각형이며 통 형상인 보틀넥부(27)가 기밀적으로 설치되어 있다. 보틀넥부(27)는 제3 통부(23)의 외주면 중앙부에 X축 방향으로 연장하도록 형성된 슬릿공(45)과 기밀하게 설치되어 있다. 또한 보틀넥부(27)의 높이(Y방향 치수) 및 길이(Z방향 치수) 및 폭(X방향 치수)은 보틀넥부(26)와 동일하게 시트 플라즈마(50)를 적절하게 통과하도록 설계되어 있다. 또한 슬릿공(45, 46)의 높이 및 폭은 상술한 슬릿공(43, 44)과 동일하게 구성되어 있다.
덮개부(34b)의 내면에는 애노드(36)가 설치되어 있고, 애노드(36)는 주 전원(17)의 양(+)극과 전기적으로 접속되어 있다. 애노드(36)는 캐소드(25)와의 사이에서 적절한 양 전압(예를 들면 100V)을 인가받고 이로써 캐소드(25) 및 애노드(36) 사이의 직류 아크 방전에 의한 시트 플라즈마(50) 내의 하전입자(특히 전자)를 회수하는 역할을 담당하고 있다.
애노드(36)의 이면(裏面)(캐소드(25)에 대한 대향면의 반대측 면)에는 애노드(36) 측을 S극, 대기 측을 N극으로 한 영구자석(52)이 배설되어 있다. 이로써 영구자석(52)의 N극으로부터 나와서 S극으로 들어가는 XZ 평면을 따른 자력선에 의해 애노드(36)를 향하는 시트 플라즈마(50)의 폭 방향(X방향) 확산을 억제하도록 시트 플라즈마(50)가 폭 방향으로 모이고(收束), 시트 플라즈마(50)의 하전입자가 애노드(36)에 적절하게 회수될 수 있다.
또한, 제1 통부(21), 제2 통부(22) 및 제4 통부(24)의 X축 방향 단면은 여기서는 원형이지만 이에 한정되지 아니 하고 다각형 등이어도 좋다. 또한 제3 통부(23)의 Z축 방향 단면은 여기서는 원형이지만 이에 한정되지 아니하고 다각형 등이어도 좋다.
다음에, 본 실시예에서의 영구자석(9)과 성형 전자 코일(6)의 자장에 대하여 원주 플라즈마(49)에서 시트 플라즈마(50)로 변형하는 방법과 더불어 도 3 및 도 4를 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 3은 플라즈마 건(1)과 시트 플라즈마 변형실(2)로 수송되는 플라즈마의 수송중심(100)에서의 자속밀도를 도 1에 도시한 제1 실시예에 따른 플라즈마 성막장치의 제2 그리드 전극(G2)에서 Z축 방향으로 검출한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4는 시트 플라즈마 형성법의 개략을 설명하는 모식도이고, 도 4a는 봉(棒)자석의 Z축 방향 대략 중앙 근처의 XY 평면에 평행한 단면의 모식도이고, 도 4b는 봉자석의 X방향 대략 중앙 근처의 YZ 평면에 평행한 단면의 모식도이다.
또한 도 3에 있어서 횡축을 제2 그리드 전극(G2)에서부터의 거리(mm)로 표시하고, 종축을 자속밀도(G)로 표시하고 있다. 또한 도 4a 및 도 4b 내의 부호(Bx),(By),(Bz)는 각각 도 1 내의 X방향, Y방향 및 Z방향의 자속밀도 벡터성분을 표시하고 있다.
도 4b에 도시한 바와 같이, 성형 전자 코일(6)의 자계에 의해, 영구자석(9)에 도달하기 전의 원주 플라즈마(49)의 Z축 방향으로 작용하는 초기 자속밀도성분(BZ0)이 형성되어 있다. 이때 초기 자속밀도성분(BZ0)과, 1쌍의 영구자석(9)이 만드는 Z축 방향의 자속밀도성분(BZ) 사이의 대소 관계를 도 3에 도시하는 자속밀도를 갖도록, 성형 전자 코일(6)의 배치나 성형 전자 코일(6)의 권선에 흘리는 전류량이 설정되어 있다. 즉, 성형 전자 코일(6)과 영구자석(9)에 의해 형성되는 수송중심(100)에서의 Z축 방향 자속밀도가 제2 그리드 전극(G2)에서부터 Z축 방향으로 나아감에 따라 먼저 감소하고, 그 후에 증가한다. 그리고 수송중심(100)의 성형 전자 코일(6) 및 영구자석(9)을 통과하는 부분 및 그 근처부분에 있어서, 대략 일정(여 기서는 350G)하게 되도록 성형 전자 코일(6)과 영구자석(9)이 배치되고, 또한 각각의 자력이 조정된다.
이와 같이 성형 전자 코일(6)과 영구자석(9)이 조정됨(특히 자속밀도가 수송중심(100)의 성형 전자 코일(6) 및 영구자석(9)을 통과하는 부분 및 그 근처 부분에 있어서 대략 일정하게 되도록 조정됨)으로써 영구자석(9)에서 발생하는 자력 중 플라즈마 건(1) 방향으로 되돌아오는 자력이 성형 전자 코일(6)에서 발생하는 자력에 의해 없어진다. 이 때문에 시트 플라즈마의 일부가 시트 플라즈마 변형실(2)을 구성하는 제2 통부(22)의 내벽방향으로 확대하지 않으므로 모서리가 발생하지 않는다.
또한, 영구자석(9)에서 발생하는 자력 중 플라즈마 건(1) 방향으로 되돌아오는 자력을 성형 전자 코일(6)에서 발생하는 자력에 의해 없애는 관점에서 성형 전자 코일(6)과 영구자석(9)은 플라즈마 건(1)의 출력, 플라즈마 변형실(2)의 크기나 성형 전자 코일(6)의 크기 등에 따라 상이하지만, 제2 그리드 전극(G2)에서 300~400mm 이격하여 있는 것이 바람직하다. 또한 동일한 관점에서, 성형 전자 코일(6)과 영구자석(9)은 근접하여 배치되어 있는 것이 바람직하고, 서로 맞닿도록 배치되어 있는 것이 바람직하다. 더욱이 여기서는 수송중심(100)의 성형 전자 코일(6) 및 영구자석(9)을 통과하는 부분 및 그 근처 부분에 있어서 성형 전자 코일(6) 및 영구자석(9)에 의해 형성되는 자속밀도를 350G로 되도록 성형 전자 코일(6)과 영구자석(9)을 조정하고 있지만 이에 한정되지 않고 성형 전자 코일(6)이나 영구자석(9)의 크기 등에 따라 상이하지만 예를 들면 이들에 의해 성형되는 자 속밀도는 100~600G인 것이 바람직하고, 200~500G인 것이 더 바람직하다.
다음에, 도 4a에 도시한 바와 같이, XY 평면 상에는 1쌍의 영구자석(9)의 N극면에서 서로 수송중심(100)에 접근하는, 자속밀도의 Y방향 성분(By)의 쌍이 형성됨과 아울러 이것들의 영구자석(9)의 N극면과 평행하게 수송중심(100)에서 서로 멀어지는 자속밀도의 X방향 성분(Bx)의 쌍이 형성되어 있다.
자속밀도의 Y방향 성분(By)의 쌍에 대해서는 영구자석(9)의 N극면을 서로 대향 배치시키고 있기 때문에 이것들의 N극면에서 수송중심(100)으로 근접함에 따라 그 Y방향 성분에 서로 상쇄되고, 이들 자속밀도 Y성분에 적절한 마이너스 구배를 갖게 할 수 있다.
이와 같은 자속밀도의 Y방향 성분(By)의 구배는 도 4a의 화살표로 도시한 바와 같이, 수송중심(100)을 향하여 Y방향으로 원주 플라즈마(49)를 압축하는 방향으로 하전입자를 운동시키고, 이로써 원주 플라즈마(49) 내의 하전입자는 자력선 주위를 선회하면서 수송중심(100)의 방향으로 나아간다.
한편, 자속밀도의 X방향 성분(Bx)의 쌍에 대해서는 영구자석(9)의 배치나 그 자장세기의 적절한 설계에 의하여 수송중심(100)에서 X방향으로 멀어짐에 따라 이것들의 자속밀도의 X성분에 적절한 마이너스 구배를 갖게 하도록 조정할 수 있다.
이와 같은 자속밀도의 X방향 성분(Bx)의 구배는 도 4a의 화살표로 도시한 바와 같이, 원주 플라즈마(49)를 주면(S)(XZ 평면)을 따라 확대하는 방향으로 하전입 자를 운동시키고, 이로써 원주 플라즈마(49) 내의 하전입자는 자력선 주위를 선회하면서 수송중심(100)에서 멀어지는 방향으로 나아간다.
이렇게 하여 원주 플라즈마(49)는 시트 플라즈마 변형실(2)을 Z방향으로 이동하는 동안에 성형 전자 코일(6) 및 영구자석(9)에 의한 자계 상호작용에 기반하여 주면(S)을 따라 시트 플라즈마(50)로 균일하게 변형된다. 또한 시트 플라즈마(50)의 폭, 두께 및 하전입자 밀도분포 등은 이것들의 자속밀도(Bx),(By),(BZ0)를 적절하게 변경함으로써 조정 가능하다.
다음으로, 제1 실시예에 따른 플라즈마 성막장치의 동작에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 도시되지 않은 진공펌프의 진공흡인에 의해 플라즈마 성막장치 내부가 진공상태로 된다. 이때, 진공펌프 접속구가 2개소에 설치되어 있으므로 플라즈마 성막장치 내부의 감압을 신속하게 할 수 있다. 그리고 플라즈마 건(1)에 설치된 파이프(37)에서부터 알곤(Ar) 가스가 방전공간(10) 내부로 공급되고, 캐소드(25)에서부터 플라즈마 방전유발용 열전자가 방출되고, 플라즈마가 생성된다. 이 플라즈마는 제1 그리드 전극(G1), 제2 그리드 전극(G2)에 의한 전계와 제1 전자 코일(5)에 의한 자계에 의해 캐소드(25)에서부터 애노드(36) 측으로 인출되고, 원주 형상으로 성형된다. 성형된 원주 플라즈마(49)는 관통공(42)을 통과하여 시트 플라즈마 변형실(2)로 인도된다.
시트 플라즈마 변형실(2)로 인도된 원주 플라즈마(49)는 1쌍의 영구자석(9) 과 성형 전자 코일(6)에서 발생하는 자장에 의해 시트 형상으로 확대되어(ZY 평면으로 연장하도록) 시트 플라즈마(50)가 성형된다. 이 시트 플라즈마(50)는 슬릿공(43), 보틀넥부(26) 및 슬릿공(44)을 통과하여 진공 성막실(3)로 인도된다.
진공 성막실(3)로 도입된 시트 플라즈마(50)는 제2 전자 코일(7)과 제3 전자 코일(8)에 의한 자장에 의해 폭방향 형상이 조정되고, 타겟(13)과 기판(15) 사이의 공간까지 인도된다. 타겟(13)에는 타겟 홀더(14)를 통하여 시트 플라즈마(50)에 대하여 음 바이어스 전압이 인가된다. 또한 기판(15)에도 기판 홀더(16)를 통하여 시트 플라즈마(50)에 대하여 음 바이어스 전압이 인가된다. 타겟(13)이 음으로 바이어스됨으로써 Ar+ 이온이 타겟을 효율 좋게 스퍼터한다. 스퍼터된 타겟(13)을 구성하는 원자는 수직방향으로 시트 플라즈마(50) 내부를 통과하고, 이때 양(+) 이온으로 이온화된다. 이 양 이온은 음으로 바이어스된 기판(15) 상에 퇴적되고, 전자를 받고, 기판(15)을 성막한다.
그리고 시트 플라즈마(50)는 영구자석(52)의 자력선에 의해 폭방향으로 수속되고, 시트 플라즈마(50)의 하전입자가 애노드(36)에 적절하게 회수된다.
또한 여기서는 플라즈마 성막장치 내부를 진공상태로 하여 성막을 하였지만 진공 성막실(3)에 반응성 가스를 도입하고 이 가스와 타겟의 반응물을 이용하여 기판(15)을 성막하는 구성으로 하여도 좋다.
이와 같은 구성으로 함으로써 시트 플라즈마 변형실 내에서 시트 플라즈마에 모서리가 발생하지 않으므로 시트 플라즈마의 플라즈마 밀도가 높아지고, 스퍼터 효율이 좋아진다. 또한 시트 플라즈마 변형실 내에서 모서리가 발생하지 않으므로 시트 플라즈마 변형실의 손상을 억제할 수 있기 때문에 안전하게 플라즈마 성막장치를 운전할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 성막장치는 시트 플라즈마의 플라즈마 밀도가 높기 때문에 스퍼터 효율이 좋아지므로 유용하다. 또한 시트 플라즈마 변형실의 손상을 억제할 수 있기 때문에 안전하게 운전할 수 있는 플라즈마 성막장치로서 유용하다.

Claims (3)

  1. 플라즈마 수송방향의 중심에 대하여 등밀도 분포하는 소스 플라즈마의 방전에 의해 형성하여, 상기 소스 플라즈마를 상기 수송방향을 향하여 방출 가능한 플라즈마 건;
    상기 수송방향으로 연장한 수송공간을 가지는 시트 플라즈마 변형실;
    서로 동극끼리를 마주보게 하여 상기 방출된 소스 플라즈마의 수송 중심을 사이에 두도록 배치되는 자계발생수단의 쌍; 및
    상기 수송공간에 연통한 성막공간을 갖는 성막실을 구비하고,
    상기 수송방향에 있어서 상기 자계발생수단의 쌍보다 상류측에 상기 수송 중심을 관통시키도록 설치된 성형 전자 코일을 갖고,
    상기 자계발생수단의 쌍 및 상기 성형 전자 코일이, 상기 수송 중심의 상기 성형 전자 코일 및 상기 자계발생수단의 쌍을 통과하는 부분 및 그 근처 부분에 있어서 상기 수송방향에서의 자속밀도가 일정한 자장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자계발생수단의 쌍과 상기 성형 전자 코일이 근접하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자계발생수단의 쌍 및 상기 성형 전자 코일이, 상기 수송 중심의 상기 성형 전자 코일 및 상기 자계발생수단의 쌍을 통과하는 부분 및 그 근처 부분에 있어서 상기 수송방향에서의 자속밀도가 100~600G인 자장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막장치.
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