KR20090082384A - 기판 전처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 기판(21)을 전처리하기 위한 장치이다. 상기 장치는 플라즈마(26)를 생성하기 위해 진공 챔버(22) 내에 배치된 저전압 아크 방전 소스(24, 25)를 포함하며, 상기 플라즈마로부터 전하 운반체가 추출될 수 있고, 전하 운반체가 기판(21)의 상부면에 인가될 수 있다. 기판(21)이 진공 챔버 접지부(28)와 연결되고, 바이어스 전압이 기판 상부면 상으로 전하 운반체의 가속을 위해, 한편으로 기판(21)과 진공 챔버 접지부에 연결되고, 다른 한편으로 플라즈마 전위에 전압적으로 거의 근접된 전극(25)에 연결된다.

기판, 전처리, 플라즈마, 진공 챔버, 바이어스 전압, 전극.

Description

기판 전처리 장치{DEVICE FOR THE PRE-TREATMENT OF SUBSTRATES}

본 발명은 기판 전처리 장치에 관한 것이다. 본 발명의 관점에서 전처리의 개념은, 기판 상부면의 활성화를 위해 또는 후속 처리 단계를 위해 기판을 가열하도록, 기판의 에칭 또는 세정 결과가 달성되도록 기판이 저전압 아크 방전 소스의 플라즈마로부터 생성된 전하 운반체에 의해 처리되는 단계로 이해된다. 그러나, 본 발명의 관점에서 코팅 프로세스는 전처리에 해당되지 않는다. 특히 본 발명에 따른 장치는 예를 들면 플레이트 또는 스트립과 같은 평평한 기판을 처리하는데 적합하나, 예를 들어 구성 부품 또는 공구와 같은 성형 기판의 처리에도 사용될 수 있다.

전처리의 목적으로 기판 상부면이 플라즈마로부터 추출된 전하 운반체에 의해 처리되는 것은 공지되어 있다. 예를 들어 DE 36 06 959 A1호에는 중공 양극(hollow anode) 및 대전극이 중공 챔버를 거의 완전히 둘러싸며, 중공 챔버 내에는 대전극에 대한 접촉부를 갖는 기판이 배열되고 기판이 고주파 플라즈마에 노출되는 장치가 공지되어 있다.

특히 중공 음극-아크 방전에 의해 플라즈마를 생성하는 장치가 공지되어 있다. 여기서, 낮은 방전 전압과 높은 추출 전류와 같은 이러한 방전 방식의 장점이 완전히 사용될 수 있고 다른 방법으로는 다만 어렵게 달성될 수 있는 플라즈마 밀도가 생성될 수 있다. 중공 음극을 이용하는 이러한 기본 원리는 여러번 개발되어 변형되었고, 부분적으로, 링형상의 점화 양극 및 플라즈마를 관통하는 자기장이 제안된다. DE 10 2004 012 847 A1호에는 하나의 자기장 생성 장치의 두 개의 자극 슈(pole shoe)들 사이에 중공 음극 플라즈마가 형성되고 플라즈마 에칭을 위해 기판이 플라즈마에 노출되는 장치가 공지되어 있다.

또한, 플라즈마로부터 기판 방향으로의 전하 운반체의 가속을 증가시켜 에칭율을 높이기 위해, 플라즈마 전위에 대한 전압차(이하 바이어스 전압이라 함)에 의해 처리되는 기판에 인가되는, 플라즈마 에칭(이온 에칭 또는 스퍼터 에칭)용 장치가 공지되어 있다. 이러한 유형의 장치에서 전압 소스는 통상 기판과 진공 챔버 사이에서 또는 기판과 플라즈마 소스의 전극 사이에 연결되며, 전극은 전기적으로 진공 챔버와 연결될 수 있다.

특히, 빈번히 단지 진공 챔버뿐만 아니라 로크(lock) 챔버 및 와인딩 챔버를 통해서 안내되어야 하는 예를 들어 스트립과 같은 긴 기판의 처리 시에, 진공 챔버 또는 전체 시스템의 전기 접지부와 기판 사이에 전기적 절연과 관련된 고비용이 발생할 수 있다. 전기가 유도되는 시스템의 부분과 기판의 접촉은(시스템의 전기 접지부와 진공 챔버의 전기 접지부) 적어도 플라즈마와 기판 사이의 전압차의 변화에 작용하는데, 이는 기판 처리 품질에 부정적으로 작용하고 최악의 경우 전압 소스의 완전 단락을 초래한다. 이러한 단락 위험성은 특히 DE 10 2004 011 178 A1호에 공지된 장치에서 형성되고, 상기 장치에서 처리되는 스트립 형태의 기판과 진공 챔버 사이에 바이어스 전압이 인가된다. 스트립 형태의 기판과, 챔버 벽, 로크 개구 또는 와인딩 장치와 같은 전기가 유도되는 시스템 부분 사이의 접촉을 방지하는 것은 거의 불가능하거나 단지 상당한 비용으로만 구현 가능하다.

본 발명의 목적은 상기 설명된 종래 기술의 단점을 극복하는 기판 처리 장치를 제공하는 것이다. 특히, 상기 장치에 의해 기판과 장치의 전기 접지부 사이의 고비용의 절연 수단이 제거될 수 있는 것이다.

이러한 기술적인 문제의 해결은 청구항 1의 특징을 갖는 장치에 의해 달성된다. 본 발명의 다른 바람직한 구성은 종속 청구항에 기재된다.

본 발명에 따른 기판 전처리용 장치는 진공 챔버 내에 배치되고 플라즈마를 생성하기 위한 저전압 아크 방전 소스로부터 전하 운반체가 추출되고 기판의 상부면 상으로 인가된다. 기판은 진공 챔버의 접지부와 연결되고, 전하 운반체의 가속을 위해 바이어스 전압이, 한편으로 기판과 진공 챔버 접지부 사이의 기판 상부면 상으로 연결되고, 다른 한편으로 플라즈마 전위에 전압적으로 거의 근접한 전극에 연결된다.

진공 챔버/시스템의 전기 접지부 및 처리되는 기판의 전기 접지부는 동일한 전기 전위를 갖기 때문에, 기판과 시스템 부품 사이의 고가의 전기 절연 조치가 제거된다. 기판과 진공 챔버/시스템의 전기 접지부 사이의 전기 접촉은 예를 들어 슬라이딩 접촉을 통해 형성될 수 있으나, 예를 들어 그 위에서 기판이 움직일 수 있는 시스템의 공급 롤러를 통해 수행될 수도 있다.

본 발명에 따른 장치에서 플라즈마와 진공 챔버 사이에는, 플라즈마와 기판 사이에서와 마찬가지로 동일한 전압차가 형성된다. 이러한 관계로부터, 이러한 유형의 장치에서 전하 운반체가 기판에 인가될뿐만 아니라 진공 챔버 부품에도 인가된다는 것을 유추할 수 있다. 그러나, 이러한 효과는 무시될 수 있거나 간단한 조치로 무시될 수 있을 정도로 감소된다. 플라즈마는 진공 챔버 내에서 완전히 증폭될 수 있으나, 고밀도의 플라즈마 영역은 공간적으로 상당히 제한될 수 있다. 이러한 영역은 통상 광학적으로 밝은 발광 효과를 이용하여 식별할 수 있다. 고밀도의 플라즈마 영역이 처리되는 기판 부근에서 생성되는 경우, 플라즈마로부터의 전하 운반체가 진공 챔버 구성 부품에 인가될 때의 충격(bombardement)은 무시될 수 있다. 또한, 이러한 고밀도의 플라즈마 영역은 자기장 생성 장치에 의해 추가로 기판 방향으로 향하게 할 수 있다. 저전압 아크 방전 소스의 양극과 음극 사이의 방전 전압으로서 1V 내지 250V 범위 내의 전압이 가능하다. 바람직하게는 10V 이하에서는 그 효율이 제한되어 적은 전류 밀도가 달성될 수 있고 40V 이상에서는 스파크오버(sparkover)가 발생하기 때문에, 바람직하게 10V 내지 40V 범위 내의 방전 전압이 사용될 수 있다.

상술된 바와 같이, 양호한 처리 결과를 위하여 처리될 기판이 플라즈마에 대해 바이어스 전압으로 바이어스가 걸리는 것이 바람직하다. 플라즈마의 전압 전위가 전극에 직접 열결되는 것이 불가능하기 때문에, 소정의 플라즈마 내에 또는 그 부근에 배열되는 전극은 대부분 플라즈마의 전압 전위에 근접하는 전압 전위를 갖는다. 이와 관련하여, "플라즈마 전위에 전압적으로 근접하는 전극"이란 개념으로 이해된다. 이때, 일정한 처리 결과를 위해 대체로 일정하게 유지되는 기판에 대한 플라즈마의 전압차가 유지되는 것은 중요하다. 그러나, 전극이 플라즈마의 전압 전위를 정확히 갖거나 또는 플라즈마의 전압 전위에 근접하는 것은 결정적으로 중요한 것이 아니다.

기판 바이어스 전압을 인가하기 위한 전극으로서 예를 들어 저전압 아크 방전 소스의 양극 또는 음극이 사용될 수 있고, 양극의 전압 전위는 통상 플라즈마 전위에 근접하여 놓이므로 바람직하게는 더 적합하다.

저전압 아크 방전 소스의 음극이 중공 음극으로서 형성되면 바람직하게 높은 플라즈마 밀도가 달성될 수 있다. 중공 음극 플라즈마의 가동을 위해 기체가 중공 음극을 통해 진공 챔버 내로 유입되어야 한다. 이때, 아르곤, 질소 또는 수소 중 하나 이상의 원소를 포함하는 기체가 적합하다. 중공 음극의 점화를 위해 링형상으로 형성된 보조/점화 양극이 사용되는 경우 기판 바이어스 전압의 인가를 위한 전극으로서 링 양극이 사용될 수 있다.

그러나, 바이어스 전압의 인가를 위해 별도의 전극이 고밀도 플라즈마를 갖는 플라즈마 영역 내에 또는 그 부근에 위치될 수 있다.

20V 내지 5000V 범위, 바람직하게는 200V 내지 500V 범위 내의 직류뿐만 아니라 교류도 바이어스 전압으로서 적합하다. 바이어스 전압은 단극 또는 이중극(bipolar)으로 파동하는 전압으로서 형성될 수 있고, 바람직하게는 펄스는 1kHz 내지 200kHz의 범위 내이다.

플라즈마에 대해 음의 전위를 갖는 바이어스 전압이 처리되는 기판에 인가되는 경우, 양의 이온이 플라즈마로부터 추출되어 기판 방향으로 인가된다. 이런 방식으로 형성된 본 발명에 따른 장치는 기판 상부면의 이온 에칭을 위해 적합하다. 기판에 대한 이온 전류는 1A 내지 300A 범위 내에서 추출될 수 있다. 추출되는 이온 전류의 세기는 목적에 따라 세기가 설정된다. 통상, 증가되는 이온 전류에 의해 더 높은 에칭율이 달성되는 것이 유지될 수 있다.

대안적으로, 처리되는 기판에 양의 바이어스 전압이 인가되는 것도 가능하다. 이러한 방식으로, 전자가 플라즈마로부터 추출되고 기판 방향으로 인가된다. 이러한 유형의 장치는 기판 상부면을 활성화하기 위해 또는 기판을 가열하기 위해 사용된다. 목적 설정에 따라 1A 내지 3000A의 전자 전류가 적합할 수 있다. 여기서도, 증가되는 전자 전류에 의해 처리 결과의 세기가 증가될 수 있는 동일한 원리가 적용된다.

도 1은 본 발명에 따른 이온 에칭용 장치의 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 이온 에칭용 장치의 도해식 도면이다.

도 3은 다른 대안적인 본 발명에 따른 이온 에칭용 장치의 도해식 도면이다.

도 1에는 진공 챔버(12) 내에서 스트립 형태의 기판(11)을 이온 에칭하기 위한 시스템(10)이 개략 도시된다. 도 1에 단면으로 도시된 기판(11)은 진공 챔버(12)뿐만 아니라 도시되지 않은, 시스템(10)의 로크 챔버 및 와인딩 챔버를 통해서도 안내된다. 전류 소스(13)에 의해 진공 챔버(12) 내에서 음극(14)과 양극(15) 사이의 방전이 유지된다. 이러한 방식으로, 음극(14)과 양극(15) 사이의 소정의 영역(16) 내에서 높은 플라즈마 밀도를 갖는 플라즈마가 생성된다. 전기 연결부(17)를 통해 기판(11)이 진공 챔버(12)와 전기적으로 연결된다. 기판(11)뿐만 아니라 진공 챔버(12)도 시스템 접지부(18)의 전압 전위를 포함한다.

거의 플라즈마(16)의 전압 전위를 갖는 양극(15)은, 양의 이온이 플라즈마(16)로부터 추출되어 기판(11) 방향으로 가해지기 때문에 전압 소스(19)를 통해 음의 바이어스 전압이 기판(11)에 인가된다. 기판(11)이 시스템(10)의 전기 접지부와 같은 일정한 전압 전위를 포함하기 때문에, 기판(11)과 (시스템(10)의 접지 전위와 연결된) 시스템(10) 부분의 접촉이 에칭 프로세스의 품질에 바람직하지 못한 영향을 미치지 않는다.

도 2에는 진공 챔버(22) 내에서 기판(21)을 이온 에칭하기 위한 시스템(20)이 개략 도시된다. 기판(21)은 폭 200mm, 두께 0.5mm 및 길이 100m이고, 도 2에서 평면도로 도시된 스틸 스트립은 진공 챔버(22)뿐만 아니라 도시되지 않은 시스템(20)의 로크 챔버 및 와인딩 챔버를 통해 안내된다. 전류 소스(23)에 의해 중공 음극(24)과 링형상으로 형성된 양극(25) 사이의 방전이 진공 챔버(22) 내에서 유지된다. 방전 전압은 20V이고 방전 전류는 150A이다. 이러한 방식으로, 중공 음극(24)으로부터 시작하여 소정의 영역(26)에서 높은 플라즈마 밀도를 갖는 플라즈마가 생성된다. 기판(21)뿐만 아니라 진공 챔버(22)도 시스템 접지부(28)의 전압 전위를 갖는다.

플라즈마(26)의 전압 전위에 근접한 전압 전위를 갖는 링 양극(25)은 전압 소스(29)를 통해 300V의 단극 펄스식 바이어스 전압이 인가된다. 예로서 10A의 전류 세기를 갖는 음의 이온 또는 양의 이온이 플라즈마(26)로부터 추출되어 기판(21) 방향으로 가해진다. 상술된 조건들에서 움직이는 기판에서 3nm*m/s의 증착율이 달성될 수 있다. 양극(25)에 바이어스 전압이 인가되면 플라즈마(26)에 그 바이어스 전압이 전달되고 시스템접지와 같은 전위를 가진 기판과 거의 바이어스 전압 만큼의 전위차가 발생하게 되어 플라스마에서 발생되는 전하운반체(즉 양이온, 음이온, 또는 전자)가 기판이 가진 전압으로 인하여 양이온 또는 음이온이 유인되어 충돌하게 된다.

도 2의 시스템(20)과 유사하게, 도 3에는 시스템(30)이 개략 도시되며, 기판(31)이 시스템에 의해 이온 에칭 처리에 노출될 수 있다. 그러나, 시스템(20)에 비해 기판은 전압 소스(39)를 통해 추가의 전극(35b)으로부터 바이어스 전압이 가해진다. 링 양극(35a)의 전압 전위는 사용되지 않는다. 추가 전극(35b)에 인가되는 전압에 따라 기판(31)에 그 전위가 유도되어 플라즈마로부터 발생되는 음이온 또는 양이온을 끌어 당겨 기판에 이온들이 조사될 수 있게 한 것이다.

Claims (18)

1. 적어도 하나의 기판(21)을 전처리하기 위한 장치로서,

   플라즈마(26)를 생성하기 위해 진공 챔버(22) 내에 배치된 저전압 아크 방전 소스(24, 25)를 포함하며, 상기 플라즈마로부터 전하 운반체가 추출될 수 있고, 추출된 전하 운반체가 기판(21)의 상부 면에 인가될 수 있으며,

   상기 기판(21)이 진공 챔버 접지부(28)에 연결되고, 기판상으로 전하 운반체를 가속하기 위해 바이어스 전압이, 한편으로는 기판(21)과 진공 챔버 접지부(28)에 인가되고, 다른 한편으로는 플라즈마 전위에 전압적으로 거의 근접한 전극(25)에 인가되는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 전극은 저전압 아크 방전 소소의 음극인 것을 특징으로 하는 장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 전극은 저전압 아크 방전 소스(24, 25)의 양극(25)인 것을 특징으로 하는 장치.
4. 청구항 3에 있어서, 양극(25)은 링 양극으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 상기 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 바이어스 전압은 20V 내지 5000V, 바람직하게는 200V 내지 500V의 값을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 바이어스 전압은 직류 전압으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 바이어스 전압은 교류 전압으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 바이어스 전압은 단극 또는 이중극으로 파동하는 전압으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 기판(21)은 플라즈마(26)에 대해 음의 전기 전위를 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 기판(21)은 플라즈마(26)에 대해 양의 전기 전위를 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 저전압 아크 방전 소스의 음극과 양극 사이에는 1V 내지 250V, 바람직하게는 10V 내지 40V의 방전 전압이 형 성되는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 1A 내지 300A의 기판에 대한 전자 전류가 플라즈마로부터 추출될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 청구항 1항 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서, 1A 내지 3000A의 기판에 대한 전자 전류가 플라즈마로부터 추출될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 저전압 아크 방전 소스(24, 25)의 음극(24)이 중공 음극으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 청구항 14에 있어서, 중공 음극을 통해 아르곤, 질소, 수소 또는 하나 이상의 상기 원소를 포함하는 혼합 기체가 진공 챔버 내로 유입될 수 있는 있는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서, 플라즈마를 기판쪽으로 전향시킬 수 있는 자기장 형성 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서, 플라즈마가 기판 근처에 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서, 플라즈마는 진공 챔버 벽의 근처에서 보다 기판 근처에서 더 높은 밀도의 플라즈마를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.

Images