KR20120085254A - 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치 - Google Patents

플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치 Download PDF

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존 매독스
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제너럴 플라즈마, 인크.
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Abstract

처리실, 상기 처리실에 대한 전구체 가스 주입구, 펌핑되는 배출구, 및 상기 처리실 내에 배치된 플라스마 공급원을 포함하는, 이동 중인 기판 상에 재료를 증착시키는 PECVD 장치가 제공된다. 상기 플라스마 공급원은 하나 이상의 음 글로 영역과 하나 이상의 양광주를 생성한다. 적어도 하나의 양광주는 상기 기판을 향하여 배치된다. 상기 플라스마 공급원과 전구체 가스 주입구는, 전구체 가스가 기판에 인접하여 양광주 내로 주입되도록 해당 기판 및 서로에 대해서 배치되어 있다. 상기 음 글루 영역으로부터 떨어진 상기 양광주 내로 전구체 가스를 인도하기 위한 장치가 제공된다.

Description

플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치{PLASMA ENHANCED CHEMICAL VAPOR DEPOSITION APPARATUS}
관련 출원에 관한 교차 참조
본 출원은 미국 특허 가출원 제61/275,930호(출원일: 2009년 9월 5일)의 우선권을 주장하며, 이 기초 출원은 참조고 본 명세서에 포함된다.
발명의 기술분야
본 발명은 플라스마 증강 화학적 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition: PECVD) 장치 및 방법에 관한 것이다.
플라스마 증강 화학적 기상 증착(PECVD)은 기판 상에 기체 상태(증기) 전구체(precursor)로부터 고체 상태 피막으로 박막을 증착시키는데 이용되는 프로세스, 즉, 공정이다. 화학 반응은 플라스마를 지니는 증착실 내에서 전구체와 반응하는 공정에 포함된다. 종래의 CVD에 있어서, 가열은 통상 전구체 분해 반응을 촉진시키는데 적용된다. 기판 상에의 PECVD 증착은 전통적인 열 화학적 기상 증착(CVD)과 비교해서 비교적 낮은 온도 혹은 분위기에서 달성될 수 있다. PECVD는 플라스마 전극을 형성하는 재료가 PECVD 공정에서 상당한 양의 증착막을 형성하지 못하는 점에서 스퍼터링과는 다르다.
PECVD는 원하는 기판 상에 뿐만 아니라 플라스마 공급원의 임계적인 전극 표면을 포함하는 다른 표면 상에도 그 피막으로 인해 더욱 광범위하게 이용되지 못하였다. 상기 피막이 비전도성이면, 플라스마 공급원의 동작 특성이 시판 제품의 피막 균일성을 저해하는 작업 원동력이 된다. 예를 들어, SiO2 등과 같은 절연막을 이용하면, 전극 피막은 전형적으로 약 4 내지 8시간의 연속 동작 후에 소스 동작의 완전한 중지 혹은 아크 형성을 유발함으로써, 생산이 분해 및 청소를 위하여 중단될 필요가 있을 수 있다.
PECVD에서, 전구체 가스의 파괴는 플라스마의 존재 하에 일어난다. 플라스마 발생을 추진하는 전극들이 전구체 가스에 노출되면, 상당한 비율의 증착이 그 전극 상에서 일어난다. 이것은 스퍼터 마그네트론 방식 플라스마 공급원이 이용되고 전구체가 강력한 레이스트랙 음 글로(racetrack negative glow)에 노출될 경우 특히 작용된다. 마그네트론 전극(들) 상에의 피막 축적은 심각한 공정 상의 난제를 유발시킨다: 전기 회로 임피던스가 상기 축적에 따라 변화하여 공정 안정성에 영향을 미치고, 증착 속도 및 재료 이용을 비롯한 공정의 효율이 전극 피막의 범위로 저감된다.
종래 기술의 PECVD 장치에서, 유용한 피막이 기판 상에 증착될 수 있는 한편, 소스는 신속하게 피복되어 프로세스 드리프트 및 아크 형성을 유발한다. 반도체 배취(batch) 응용에 있어서, 에칭 공정은 노출된 전극(들)을 세정하는 간극 설정 후에 가동된다. 롤-투-롤 웹(roll-to-roll web) 혹은 인라인 피복 시스템 등과 같은 연속 공정에 있어서, PECVD 공정은 중지 없이 수십 시간 동안 가동될 수 있다. 이들 응용에 있어서, 에칭 세정 사이클은 실행가능하지 않다. 양산에 따른 기간에 걸쳐서 연속적인 수행 PECVD 공정을 유지할 필요성이 존재한다.
또, 1미터 이상의 선형 균일성을 지니는 넓은 기판 상에 이러한 작업 및 증착을 가능하게 하는 플라스마 공급원에 대한 필요성도 존재한다.
본 발명의 실시형태에 있어서, 마그네트론 상의 피막 축적은 최소화되고, 긴 PECVD 피막 뻗어나감이 가능해진다. 대면적 기판 상에 본 발명의 PECVD 증착의 실시형태의 구성 형태는 특히 유익하고, 길고 연속적인 PECVD 공정이 가능해진다.
본 발명의 원리에 따르면, 기판 표면 상에 재료를 증착시키는 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치는 처리실(process chamber); 및 해당 처리실 내에 배치된 적어도 하나의 플라스마 공급원을 구비한다. 플라스마 공급원은 음 글로 영역과 양광주(positive column)를 생성한다. 상기 적어도 하나의 플라스마 공급원은 기판 표면 부근에 배치되므로, 상기 양광주가 상기 기판 표면으로 안내된다. 상기 PECVD 장치는 상기 양광주와 상호작용해서 상기 기판 표면에 재료를 증착시키도록 전구체 가스(precursor gas)를 상기 처리실 내로 주입시키는 적어도 하나의 주입구; 및 상기 처리실 내에 가스용의 펌핑되는 출구를 제공하기 위한 적어도 하나의 배출구를 추가로 포함한다. 상기 적어도 하나의 주입구, 적어도 하나의 배출구 및 적어도 하나의 플라스마 공급원은 상기 적어도 하나의 주입구로부터 상기 처리실 내로 주입된 상기 전구체 가스의 실질적으로 전체가 상기 기판 표면에 인접한 상기 양광주 내로 유입되도록 상기 기판 표면과 관련하여 서로에 대해서 위치결정되어 있다.
본 발명의 실시형태에 있어서는, 상기 전구체 가스를 인도 혹은 안내하여 상기 양광주 내로 유입시키는 장치가 상기 처리실 내에 제공된다. 본 발명의 소정의 실시형태에서, 상기 장치는 전구체 가스를 양광주로 인도하는 차폐부(shield)를 구비한다.
본 발명의 몇몇 실시형태에서는, 주입구 매니폴드(manifold)가 상기 적어도 하나 이상의 주입구를 제공한다.
본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 장치는 상기 전구체 가스를 상기 기판 표면에 인접한 양광주 내로 인도하도록 상기 주입구 매니폴드에 인접하여 배치된다.
본 발명의 각종 실시형태에 있어서, 상기 기판은 이동 기판이다. 소정의 실시형태에서, 상기 기판은 가요성 기판이다.
특정 실시형태에 있어서, 상기 적어도 하나의 플라스마 공급원은 회전식 플라스마; 적어도 하나의 이중 회전식 마그네트론 플라스마 공급원; 평면 마그네트론; 혹은 적어도 하나의 이중 평면 마그네트론 플라스마 공급원을 포함한다.
실시형태들은 상기 적어도 하나의 플라스마 공급원에 반응성 가스를 제공하는 제2주입구를 적어도 포함한다.
적어도 하나의 플라스마가 배치되는 처리실을 제공하는 단계를 포함하는, 기판 표면 상에 재료를 피복하는 플라스마 증강 화학적 기상 증착 방법이 제공된다. 상기 적어도 하나의 플라스마의 각각은 플라스마에 인접한 음 글로 영역을 생성하고, 상기 기판 표면을 향하여 투사되는 양광주 내에 내포된다. 화학적 기상 증착 전구체 가스는 처리실 내에 주입되어 상기 양광주하고만 실질적으로 상호작용하여 상기 기판의 표면 상에 플라스마 증강 화학적 기상 증착 피복에 의해 재료를 증착시킨다. 상기 음 글로 영역과 상기 가스와의 상호작용이 억제됨으로써, 재료 증착물을 오염시키는 일없이 상기 플라스마 공급원을 유지한다.
실시형태들에 따르면, 상기 방법은 상기 전구체 가스를 상기 양광주 내로 안내하는 장치를 상기 처리실 내에 제공하는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태는 이중 마그네트론 플라스마 공급원들을 이용하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 가요성 기판 및 자체 지지형 기판에 적용가능하다. 증착은 재료에 의한 마그네트론의 오염이 없으므로 100시간을 초과해서 연속하여 진행할 수 있으며, 이때 특히 상기 재료는 금속 산화물 등과 같은 전기 절연 재료이다.
본 발명은 기판 상에 휘발성 전구체의 플라스마 증강 화학적 기상 증착(PECVD)에 유용하다. 본 발명은, 전구체 가스를 증착 기판에 인접하여 양광주 내로 우선적으로 주입함으로써 음 글로 영역이 제한된 양의 전구체에 노출되어 음 글로 영역에 근접한 마그네트론 표적 상에 피막 성장을 제한하므로, 종래 기술의 증착 전극 상에 축적되는 전기절연 피막의 문제를 크게 해소한다.
도 1은 마그네트론 플라스마 공급원, 그리고 작동 동안 생성되는 바와 같은 방전 내의 영역들의 일반화된 형상과 상대적인 치수의 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 장치로서 작동하기 위한 PECVD 마그네트론 플라스마 공급원의 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 PECVD 장치로서 작동하기 위한 전기 결합된 회전식 마그네트론 플라스마 공급원의 개략 단면도이다.
도 4는 작동 중인 본 발명의 롤 코터 PECVD 실시형태의 개략 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 PECVD 장치의 단면 사시도이다.
본 발명은 기판 상에 휘발성 전구체의 플라스마 증강 화학적 기상 증착(PECVD)에 유용하다. 본 발명은, 전구체 가스를 증착 기판에 인접하여 양광주 내로 우선적으로 주입함으로써 음 글로 영역이 제한된 양의 전구체에 노출되어 음 글로 영역에 근접한 마그네트론 표적 상에 피막 성장을 제한하므로, 종래 기술의 증착 전극 상에 축적되는 전기절연 피막의 문제를 크게 해소한다.
이하에 설명되고 도시된 실시형태의 각각에 있어서, 처리실, 마그네트론 플라스마 공급원, 전구체 가스 주입구 및 펌프 배출구는, 음 글로 영역들을 규정하는 소엽형 영역들(lobular areas)과의 전구체 가스 상호작용이 꺼려져서 실질적으로 제거되도록 주입된 CVD 전구체 가스를 기판에 인접한 플라스마 공급원 양광주 내로 우선적으로 안내하는 유로 혹은 유로들을 제공하도록 구성되어 있다. 본 명세서에 기재된 각종 실시형태는 구성 형태를 대표할 뿐, 본 발명은 도시되고 설명된 특정 구성 형태로 범위가 제한되지 않음을 당업자라면 이해할 것이다.
명확화하기 위하여, 처리실, 플라스마 공급원들 및 기판 이송 장치의 각종 구조적 특성은 도시되어 있지 않다. 또한, 각종 차폐부 및 채널 구조 장치와 구성 형태는 도시되어 있지 않다. 구체적인 구조 및 구성 형태는 마찬가지로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않는다.
도 1은 플라스마 공급원으로서 작동하는 평면 마그네트론(1)을 예시하고 있다. 평면 마그네트론(1)은 단면도로 도시되고, 평면 마그네트론으로서 예시되어 있지만, 당업자가, 이해하는 바와 같이, 본 발명의 원리는 상이한 유형의 마그네트론 캐소드(cathode)를 예시적으로 포함하는 기타 공지된 유형의 플라스마 공급원에 적용된다. 본 명세서에 제공된 설명이 임의의 특정 마그네트론 구성 혹은 구조로 제한되는 것으로 의도된 것은 아니다. 본 발명에서 작동하고 도시된 바와 같은 마그네트론 플라스마 공급원은 1미터보다 큰, 2미터보다 큰, 3미터보다 큰, 나아가서는 4미터보다 큰 단면을 지니는 평면에 대해서 직교하는 직선 치수를 지니도록 충분히 적합화되어 있다. 대부분의 종래의 기판은, 한정된 길이의 강고한 시트이든지 길고 가는 리본 시트이든지 간에, 4미터 미만의 폭을 지니지만, 4미터를 초과하는 폭을 지니는 시트도 상정될 수 있다. 본 발명의 장치는 4미터보다 큰 폭을 지니는 시트에 대한 제어된 증착을 제공하도록 직선 길이로 용이하게 구성된다.
마그네트론 플라스마 방전은 캐소드 다크 스페이스(cathode dark space: CDS), 음 글로 영역(NG) 및 양광주(PC)의 세 영역으로 설명될 수 있다. 평면 마그네트론(1)은 표적(2)이라 불리는 노출된 전극 표면을 지니고, 접지된 차폐부(3)에 의해 둘러싸여 있을 수 있다. 고전압 마그네트론(1)과 차폐부(3) 사이는 다크 스페이스(4)이다. 다크 스페이스(4)는 마그네트론(1)의 측면 혹은 이면 상에 플라스마가 비추는 것을 방지하기 위하여 또한 원치 않는 아크 형성을 방지하기 위하여 존재한다. 자계선(50)은 표적(2)에 인접한 음 글로(NG)를 포함한다. 이들 호칭은 이하의 도면 전체를 통해서 이용된다. 이들 국지적인 호칭은, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 이해하고 있는 바와 같이, 통상의 의미 및 물리적 속성을 지니도록 의도되어 있다.
종래의 PECVD 배열에 있어서, 처리실 내로 도입되는 CVD 전구체 가스는, 처리실 전체를 통해 고속, 즉, 음속에서 분산된다. 상기 전구체 가스는 바로 이웃한 표면 상에 재료를 증착시키는 응축가능한 성분들을 생성하도록 플라스마와 상호작용한다. 종래 기술의 PECVD 시스템 및 방법에 있어서, 전구체 가스는 양광주 내로 안내되지 않았다. 마그네트론 음 글로(NG)는 농후한 플라스마이므로, 전구체 가스가 NG와 강력하게 상호작용하여, 재료를 마그네트론 표적 상에 증착시켰다.
도 2는 기판(S)의 표면(201) 상에 피막을 증착시키기 위한 일반적으로 (200)으로 표시된 본 발명의 PECVD 장치를 관통한 횡단면도이다. PECVD 장치(200)는 진공실(도시 생략) 내에 존재한다. 이동 중인 기판 표면(201)은 강성 기판, 가요성 기판, 혹은 부분적으로 가요성인 기판의 표면일 수 있고, 해당 기판(S)은 적층가능한 시트(stackable sheet) 혹은 세장형 리본 시트(elongated ribbon sheet)이다. 상기 진공실 내에 배치되는 이중 마그네트론 캐소드(221), (223)를 포함하는 플라스마 공급원이 제공된다. 도시된 바와 같이, 각 마그네트론(221), (223)은 연신 시트의 평면에 수직으로 5미터까지의 길이로 연장되는 평면 마그네트론이다. 각 마그네트론(221), (223)은 소엽형 음 글로(NG)와 양광주(PC)를 생성한다. 양광주(PC)는 각 음 글로(NG)로부터 방출되며, 두 양광주가 중첩하여 하나의 플라스마 영역처럼 보인다. 차폐부(245)는 마그네트론(221) 주위에 배치되고, 차폐부(247)는 마그네트론(223) 주위에 배치된다. 비응축, 불활성 혹은 반응성 가스(15)는 각각 도관 혹은 매니폴드(269), (269A)를 통해서 마그네트론(221), (223)에 공급된다. 예로서, 불활성 가스는 아르곤 혹은 헬륨일 수 있다. 반응성 가스는 산소 혹은 질소일 수 있다. 반응성 가스는, 산소와 질소 담지 가스 및 질소 담지 가스의 경우에 각각 산질화물 혹은 산불화물 등과 같은 얻어지는 피막 내로 통합되고/되거나 PECVD 반응을 촉매하는 반응성 가스와 혼합되거나 순수한 형태로 이용되는 것을 알 수 있을 것이다. 또, 반응성 가스가, 이용되고 있는 PECVD 조건 하에 비반응성인 것으로 정의되는 불활성 가스로 희석되는 것 또한 알 수 있을 것이다. 마그네트론(221), (223)은 양광주(PC)가 기판 표면(201)에 인접하여 시트를 형성하도록 배치되어 있다. CVD 전구체 가스(251), (251A)는 주입구(249), (249A)에서 처리실(200a) 내로 주입된다. 진공 펌핑되는 출구(261)는 또한 피막 부산물 및 여분의 반응 가스를 배출하도록 제공된다. 주입구(249), (249')는 주입구 매니폴드의 전체 길이에 걸쳐서 균일한 가스 흐름을 제공하도록 구성된 해당 매니폴드에 의해 제공된다. 전구체 가스(251), (251A)는 조성적으로 동일 혹은 상이하고, 임의선택적으로 다양한 양의 불활성 버퍼 가스를 포함한다.
마그네트론(221), (223)은 AC 전원(319)의 대향 측면들 상에 접속된다. 전원(319)은 20㎑ 내지 6000㎑ 사이의 예시적인 주파수 범위를 지니는 교류 전원이다. 고주파수 혹은 저주파수를 지니는 전원도 이용될 수 있다.
PECVD 장치(200)는, 전구체 주입구(249), (249A)로부터의 전구체 가스 유로(290)들이 기판 표면(201)에 인접한 양광주(PC) 내로 우선적으로 통과하여 재료를 기판 표면(201) 상에 증착시키게끔 기판 표면(201) 부근에 양광주(PC)가 배치되도록 구성되어 있다. 마그네트론(221), (223) 및 주입구(249), (249A)는, 전구체 가스(251)가 기판 표면(201)에 인접한 양광주(PC) 내로 주입되는 것을 확실하게 하기 위하여 기판 표면(201)에 그리고 서로에 대해서 배치되어 있다. 전구체 가스(251)는, 플라스마 양광주(PC)와 접촉 시, 산산이 파괴되어, 응축하는 분자 성분들이 형성된다. 이들 성분은 표면 근처에 도달하여 PECVD 피막을 형성한다. 전구체 주입구(19)를 기판(S)에 근접하지만 회전식 마그네트론(30), (31), 음 글로(NG)로부터 떨어져서 위치결정함으로써, 응축가능한 분자가 회전식 마그네트론 전극 표면보다는 오히려 기판 상에 우선적으로 증착된다. 장치 혹은 차폐부(245), (247)를 제공하고 전구체 가스 주입구(249), (249A) 및 펌핑되는 출구(261)를 장치 혹은 차폐부(245), (247) 및 마그네트론(221), (223)에 대해서 선택적으로 위치결정함으로써, 전구체 유로(290)들은, 음 글로 영역(NG)과의 전구체 가스 상호작용이 실질적으로 제거되지 않더라도 상당히 저감됨으로써, PECVD 장치(200)가 상당한 열화 없이 산화물 증착을 위하여 100시간을 초과하여 연속적인 동작의 긴 기간 동안 작동할 수 있도록 규정되어 있다. 마그네트론(221), (223) 상에 피막 증착을 피하기 위하여 주입구(249, 249A, 269, 269A) 및 배출구(261)를 위하여 대안적인 위치가 제공되는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이들 위치의 예는 도 2의 지면의 평면에 대해서 수직인 PC 내에 슬롯형성된 혹은 주기적으로 개구된 매니폴드를 포함한다.
도 3은 일반적으로 (300)으로 표시된 본 발명의 다른 PECVD 장치를 관통한 횡단면도이다. 도 3에 대해서 이용된 마찬가지의 참조 부호는 본 발명의 상기 도면 및 설명을 참조하여 설명된 의미를 지닌다. 장치(300)는 평면 기판(S)이 PECVD 피막을 도포하도록 반송되는 진공실(도시 생략)을 포함한다. 상기 기판은 일반적으로 (5)로 표시된 당업계에 공지된 바와 같은 구동 롤러를 포함하는 반송 시스템을 통해서 진공실 내로 이송된다.
이중 회전식 마그네트론(30), (31)은 본 실시형태에서 플라스마 공급원으로서 이용된다. 각 회전식 마그네트론(30), (31)은 도 2의 (221), (223)과 유사한 방식으로 길이를 지니는 도면의 평면에 대해서 수직으로 연장된다. 회전식 마그네트론(30), (31)은 도시된 바와 같은 음 글로 영역(NG) 및 중첩하고 있는 양광주(PC)를 생성한다. 교류(AC) 전원(319)은 회전식 마그네트론(30), (31)을 위해 제공된다. 회전식 마그네트론(30), (31)은, 상기 중첩하고 있는 양광주(PC)가 기판 표면(301)과 상호작용하도록 배치된다.
전구체 가스 분배 매니폴드(11)들은 시트 금속 도관(34) 내부에 설치된다. 매니폴드(10), (11)는 각각 마그네트론(30), (31)의 것과 대체로 대응하는 길이를 지닌다. 전구체 가스(251)는, 매니폴드(11)로부터 유입되어, 도관(34)의 차폐부(13)에 의해 기판(S)에 인접한 PC로 인도된다. 도관 차폐부(13)는 개구부(19)에서 PC에 인접하여 중지된다. 차폐부(33)는 기판(S)에 가까이 있고 PC로부터 멀리 전구체 가스(17)의 흐름을 제한한다. 반응성 혹은 불활성 가스 매니폴드(10)는 회전식 마그네트론(30), (31)에 인접하여 설치된다. 반응성 혹은 불활성 가스 흐름(15)은 전구체 가스와 마그네트론(30), (31) 사이로 흐르는 것을 안내한다. 차폐부(13)는 반응성 혹은 불활성 가스(15)의 흐름을 안내하도록 돕는다. 매니폴드(11), (10)는 해당 매니폴드의 폭을 가로질러 이론적으로 균일한 흐름을 제공하여 기판(S) 상에 균일한 PECVD 증착을 촉진시키도록 설계되어 있다.
PC 내로의 전구체 가스(251)의 흐름 및 반응성 혹은 불활성 가스(15)의 흐름은 가스 펌핑의 구성에 의해 증강된다. 도시된 바와 같은 가스 매니폴드들과 반대쪽에 진공 펌핑을 구성함으로써, 가스(15), (251)는 진공 펌프에 도달하기 전에 PC 내로 또한 PC를 통해 유입된다. 이것은 전구체 가스(251) 및 반응성 혹은 불활성 가스(15)의 이용 효율을 증가시킨다. 진공 펌핑(361)은 처리 영역의 전체 길이에 걸쳐서 이론적으로 균일한 속도로 가스를 유출시키도록 구성된다. 회전식 마그네트론(30), (31)의 각각이 도 2와 관련하여 설명된 바와 같이 독립적으로 고정된 평면 마그네트론(231) 혹은 (232)으로 대체되는 것은 이해된다.
PECVD 장치(300)는, 전구체 가스(251)가 기판 표면(301)에 인접한 양광주(PC) 내로 주입되어 해당 양광주(PC)와 상호작용하여 기판 표면(301) 상에 재료를 증착시키도록 구성되어 있다. 유로(390)들은, 어떠한 미반응 CVD 전구체 가스(251)라도, 양광주(PC)와 초기 접촉 후, 소엽형 음 글로 영역(NG)와 반응하는 것을 억제하도록 선택된다. 차폐부(13)를 제공하고 전구체 가스 주입구(19)들 및 펌핑되는 배출구(361)를 회전식 마그네트론(30), (31)에 대해서 선택적으로 위치결정시킴으로써, 음 글로 영역(NG)과의 전구체 가스 상호작용은 실질적으로 제거됨으로써, PECVD 장치(300)가 마그네트론 표적의 CVD 전기 절연 증착과 연관된 상당한 열화 없이 적어도 24시간, 또한 40시간, 60시간, 80시간, 심지어 200시간을 초과하여 연속적인 동작의 긴 기간 동안 작동할 수 있게 한다.
롤 코터 혹은 웹 코터는 가요성 재료 시트("웹")의 피막을 롤 형태로 허용하는 특수 배취형 시스템이다. 이 유형의 시스템은 전형적으로 폴리머, 종이 및 강철 시트 재료를 피복하는데 이용된다. 이들 유형의 시스템에 있어서, 피복된 재료는 풀려서, 증착 영역을 통과하여 재차 롤 형태로 말리게 된다. 롤 형상으로 효율적으로 수용된 시트 재료의 긴 길이로 인해, 전체 롤을 피복하는 증착 공정이 긴 시간을 필요로 할 수 있다.
"웹 피복" 공정에서, 가요성 기판 시트는 하나의 롤로부터 공급되고, 제2롤에 의해 감긴다. 이 롤은 웹이 다수의 상이한 펌핑된 밀봉체를 통과하는 상태에서 외부에 혹은 진공 내에 위치될 수 있다.
도 4는 증착 부분 롤 혹은 웹 코터형 PECVD 시스템 장치(400)를 예시하고 있다. 도 4에 대해서 이용되는 마찬가지의 참조 부호는 본 발명의 상기 도면 및 설명에 관하여 설명된 의미를 지닌다. 가요성 웹 기판(S)이 아이들러 롤(6) 상에 드럼(7)을 경유해서 반송된다. 웹 기판(S)은 드럼(7) 둘레에 지지되고, 임의선택적으로 드럼(7)에 의해 냉각 혹은 가열된다. 웹 반송 및 온도 제어부는 당해 기술분야에 충분히 공지되어 있고, (417)로 일괄적으로 도시되어 있다. PECVD 장치(400)는 표적(21)이 웹 기판(S) 및 드럼(7)과 대면하도록 위치결정된 평면 마그네트론(8)을 포함한다. 전원(14)은 기동하여 마그네트론 표적(21) 상에 플라스마를 유지한다. 전원(14)은 DC, 펄스 DC, AC 혹은 RF형 전원일 수 있다. 작동 시, 마그네트론(8) 플라스마는 음 글로, NC 및 양광주(PC) 성분을 지닌다. PECVD 장치는 또한 시트 금속 하우징(12)에 전구체 매니폴드(11)를 포함한다. 전구체 가스(251)는 개구부(19)에서 PC 및 기판(S)에 인접하여 하우징(12)을 빠져나가도록 안내된다. 차폐부(13)는 전구체 가스(251)가 PC와 조우하기 전에 마그네트론 표적 표면(21)과 "만나는" 것을 차단한다. 제2가스 매니폴드(10)는 전구체 가스 주입구(19)와 평면 마그네트론 표적(21) 사이에 비응축 반응성 혹은 불활성 가스(15)를 안내한다. 전구체 가스(251) 잔사와 반응성 혹은 불활성 가스(15)는 모두 기판(S)과 마그네트론(8) 사이로, 이어서 진공 펌프(도시 생략)로 흐른다. 펌프로의 흐름은 화살표(20)로 표시되어 있다. PECVD 공정에 있어서, 전구체 가스는 PC와 접촉 시 상호작용하여 기판(S) 상에 피막(4)을 형성한다. 기판(S)은 전구체 가스-플라스마 상호작용에 대해서 가장 근접한 표면이기 때문에, 기판(S)은 피막의 대부분을 입수한다. 마그네트론 표적(21) 표면은 전구체 가스 주입구(19)로부터 비교적 떨어져 있어, 단지 최소량의 CVD 증착 피막을 입수한다. 표적(21) 상에의 피막 축적은, 충분히 작다면, 표적(21)에 대한 NG 스퍼터 작용에 의해 제거되고, 이에 따라 표적(21)은 깨끗한 채로 유지된다. 이것은 PECVD 장치(400)가 마그네트론 표적의 CVD 전기 절연 증착과 연관된 상당한 열화 없이 적어도 24시간, 또한 40시간, 60시간, 80시간, 100시간, 심지어 200시간을 초과하여 연속적인 동작의 긴 기간 동안 작동할 수 있게 한다.
이제 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시형태가 도시되어 있으며, 여기서 PEVCD 피복 장치(500)는 이동 중인 기판(S) 상에 피막을 증착시킨다. 도 4에 대해서 이용되는 마찬가지의 참조 부호는 본 발명의 상기 도면 및 설명에 관하여 설명된 의미를 지닌다. 기판(S)은 강성의 이동 기판, 예컨대, 유리 혹은 금속의 기판, 또는 폴리머 등과 같은 가요성 기판일 수 있다. 기판(S)은 마그네트론(208), (210)을 포함하는 플라스마 공급원에 의해 생성된 양광주(PC)를 통해 벨트(281) 상에 이송 혹은 반송된다. 마그네트론(208), (210)은 합치된 증착 특성 파라미터로 작동되는 것이 바람직하다.
본 실시형태에서, 마그네트론(208), (210)은 기판(S)에 대해서 서로 대면하여 위치결정된다. 마그네트론(208), (210)은 도 5a에 사시도로, 도 5b에 단면도로 도시되어 있다. 각 마그네트론(208), (210)은 바람직하게는 각각 다크 스페이스 차폐부(209), (209A)를 포함한다.
마그네트론(208), (210)은 각각 독립적으로 레이스트랙의 외측 상에 보다 큰 자석에 의해 불균형을 이룬(즉, 언밸런스된) 자계 형태를 지니는 평면 마그네트론이다. 이것은 고전적으로 II형 언밸런스된 마그네트롬이라 불린다(Window and Saavides, J. Vac . Sci . Technol ., A 4 (1986)). 마그네트론(208), (210)은 AC 전원(319)의 대향 측면들 상에 접속된다. 전원(319)은 20㎑ 내지 6000㎑의 예시적인 주파수 범위를 지니는 교류 전원이다. 저주파수 혹은 고주파수를 지니는 전원도 이용될 수 있다. 각 마그네트론(208), (210)은 음 글로 영역(NG)을 생성하고 합병된 양광주(PC)를 형성한다.
상기 공정의 작동 시간을 증대시키기 위하여, PECVD 장치(500)에 대해서 전구체 가스(251)의 흐름을 안내하고 이에 따라 각 마그네트론(208), (210)을 원치않는 증착으로부터 보호하기 위하여 차폐부(213)가 제공된다. 차폐부 배열은 바람직하게는 전구체 가스(251)가 우선적으로 음 글로 영역(NG)과 상호작용하지 않고 마그네트론(208), (210) 상에 증착시키도록 마그네트론(208), (210)을 둘러싸거나 격리시키는 차폐부(213)를 구비한다. 차폐부(213)는 마그네트론(208), (210)으로부터 방출되는 양광주(PC)가 기판(S)을 향하여 세장형 혹은 슬릿 형상의 개구부(219)를 통과하도록 위치결정된 세장형 개구부(219)를 포함한다. 차폐부(213)는 기판(S)으로부터 이격되도록 배치된다.
전구체 가스(251)용의 분배 매니폴드(211)는, 전구체 가스(240)가 기판(S) 위에 PC의 길이를 따라 해당 PC 내로 주입되도록 위치결정되어 있다. 진공 펌프(도시 생략)는 (961)에 도시된 바와 같이 증착 영역들로부터 PECVD 공정 잔사를 제거하기 위하여 제공된다. 차폐부(213) 및 진공 펌프 구성 형태는 바람직하게는 PECVD 공정의 이용 효율을 증가시키기 위하여 배기(961)가 도달하기 전에 PC를 통한 공정 가스(process gas)의 흐름을 촉진시키도록 설계되어 있다.
차폐부(213)의 상이한 구성 형태가 제공될 수도 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 또, 단일의 차폐부 박스(213)가 도시되어 있지만, 각 플라스마 공급원(208), (210)이 대안적으로 개별의 차폐부 부분 내에 내포되는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 도시되고 설명된 모든 실시형태에서, 각종 차폐부는 알루미늄, 혹은 유사한 플라스마실 구성 재료를 포함할 수 있다.
본 발명은 이하의 비제한적인 예에 관하여 더욱 설명된다. 해당 예는 본 발명의 작동의 예시일 뿐, 어떤 식으로든 첨부된 특허청구범위의 범주를 제한하도록 의되어 있지 않다.
명세서에 언급된 특허 문헌 및 간행물은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자의 수준을 나타낸다. 이들 문헌 및 간행물은, 마치 각각 개별적인 문헌 혹은 간행물이 참조로 본 명세서에 구체적으로 또한 개별적으로 포함되는 것처럼 동일한 정도로 참조로 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 수개의 실시형태의 관점에서 설명되어 있다. 각종 변화와 변경이 본 발명의 정신 혹은 범위로부터 벗어나는 일없이 행해질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명은 도시되고 설명된 실시형태에 의해 제한되는 것으로 의도되어 있지 않다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 그 범위가 제한되도록 의도되어 있다.
1 : 평면 마그네트론 2 : 표적
3 : 차폐부 4 : 다크스페이스
10, 11 : 매니폴드
30 , 31 : 회전식 마그네트론
50 : 자계선
200, 300, 400 : PECVD 장치
221, 223 : 마그네트론
249,249A, 269, 269A : 주입구
500 : PECVD 피복 장치

Claims (24)

  1. 처리실(process chamber) 내의 기판의 표면 상에 재료를 피복하기 위한 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치(plasma enhanced chemical vapor deposition apparatus)로서,
    상기 처리실 내에 배치되어, 하나 이상의 음 글로 영역(negative glow region)과 하나 이상의 양광주(positive column)를 생성하되,
    적어도 하나의 양광주는 상기 기판 표면 부근에 있는 것인 플라스마 공급원(plasma source);
    상기 양광주와 상호작용해서 상기 기판 표면에 재료를 증착시키도록 화학적 기상 증착 전구체 가스(precursor gas)를 상기 처리실 내로 주입시키는 적어도 하나의 주입구; 및
    상기 처리실에 가스용의 펌핑되는 출구를 제공하는 적어도 하나의 배출구를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 주입구와 상기 플라스마 공급원은, 상기 처리실 내로 주입된 상기 전구체 가스의 실질적으로 전체가 상기 플라스마 공급원에 우선해서 상기 기판 표면 상에 재료를 피복하기 위한 조건 하에 상기 기판 표면에 인접한 상기 양광주 내로 유입되도록 상기 기판 표면과 관련하여 서로에 대해서 위치결정되어 있는 것인 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전구체 가스를 인도하여 상기 양광주 내로 유입시키는 매니폴드(manifold)를 추가로 포함하는 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전구체 가스를 상기 양광주 내로 그리고 상기 음 글로 영역들로부터 멀리 인도하는 차폐부(shield)를 추가로 포함하는 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 매니폴드는 상기 플라스마 공급원의 길이를 따라 복수개의 주입구를 구비한 것인 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.

  5. 제4항에 있어서, 상기 전구체 가스를 상기 기판 표면에 인접한 상기 양광주 내로 인도하도록 상기 매니폴드에 인접하게 배치된 개구부를 추가로 포함하는 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 기판을 반송하는 시스템을 추가로 포함하는 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 가요성인 것인 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스마 공급원은 단일의 회전식 마그네트론인 것인 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스마 공급원은 이중 회전식 마그네트론인 것인 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스마 공급원은 단일의 평면 마그네트론인 것인 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스마 공급원은 이중 평면 마그네트론인 것인 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스마 공급원에 불활성 혹은 반응성 가스를 제공하는 제2주입구를 추가로 포함하는 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.
  13. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스마 공급원은 상기 양광주가 상기 기판 표면에 실질적으로 수직인 상기 기판 상에 충돌하도록 배치된 것인 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.
  14. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스마 공급원은 상기 양광주가 상기 기판 표면에 실질적으로 평행한 상기 기판 상에 충돌하도록 배치된 것인 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 플라스마 공급원은 이중 마그네트론이고, 상기 전구체 가스를 인도하여 상기 양광주 내로 유입시키는 차페부 혹은 매니폴드를 적어도 하나 추가로 포함하는 것인 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.
  16. 기판의 기판 표면 상에 재료를 피복하는 플라스마 증강 화학적 기상 증착 방법으로서,
    처리실을 제공하는 단계;
    상기 기판 표면을 향하여 투사되는 하나 이상의 양광주와 하나 이상의 음 글로 영역를 생성하는 플라스마 공급원을 상기 처리실 내에 배치하는 단계;
    상기 적어도 하나의 양광주하고만 실질적으로 상호작용하도록 화학적 기상 증착 전구체 가스를 상기 처리실 내에 주입시키는 단계; 및
    상기 기판의 상기 기판 표면 상에 플라스마 증강 화학적 기상 증착 피복시켜 상기 가스의 상기 음 글로 영역들과의 상호작용을 억제함으로써 상기 재료를 증착시키는 단계를 포함하는 플라스마 증강 화학적 기상 증착 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 화학적 기상 증착 전구체 가스는 상기 기판 표면에 인접하여 주입되는 것인 플라스마 증강 화학적 기상 증착 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 화학적 기상 증착 전구체 가스는 상기 양광주와 접경하는 대향 측면들로부터 그리고 상기 기판 표면에 인접하여 주입되는 플라스마 증강 화학적 기상 증착 방법.
  19. 제16항에 있어서, 증착 중인 상기 재료는 금속 산화물인 것인 플라스마 증강 화학적 기상 증착 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 증착 동안 상기 기판을 이동시키는 단계를 추가로 포함하는 플라스마 증강 화학적 기상 증착 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 기판은 가요성 압연 기판(flexible rolled substrate)용의 반송 시스템(conveyance system)에 의해 이동되는 것인 플라스마 증강 화학적 기상 증착 방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 기판은 자체-지지형 평면 기판용의 반송 시스템에 의해 이동되는 것인 플라스마 증강 화학적 기상 증착 방법.
  23. 제16항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료를 증착시키는 단계는 100시간 이상 동안 계속되는 것인 플라스마 증강 화학적 기상 증착 방법.
  24. 제1항에 있어서, 실질적으로 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에 기재되고/되거나 첨부 도면에 예시된 바와 같은 플라스마 증강 화학적 기상 증착 장치.
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