KR20140086928A - 플라즈마 챔버 내에 고이온화 플라즈마의 생성 방법 및 장치 - Google Patents

플라즈마 챔버 내에 고이온화 플라즈마의 생성 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

플라즈마 챔버(2) 내에 고이온화 플라즈마를 발생시키는 방법은: a. 플라즈마 챔버(2) 내에서 이온화될 중성 가스를 50 Pa 미만의 압력으로 제공하는 단계와; b. 플라즈마 챔버(2) 내의 타겟과 연결된 적어도 하나의 마그네트론 음극에 100 kW 이상의 출력과 10J 이상의 에너지를 갖는 적어도 하나의 고에너지 고출력 전기적 펄스를 공급하는 단계와; c. 전류 상승 기간 중에 플라즈마 부피 단면적이 증가하도록 소정의 플라즈마 부피로 상기 중성 가스로부터 직접 고이온화 플라즈마를 발생시키는 단계와; d. 상기 고이온화 플라즈마를 이용하여 상기 타겟으로부터 원자를 스퍼터링하는 단계와; e. 상기 스퍼터링된 원자의 적어도 일부를 이온화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 챔버 내에 고이온화 플라즈마의 생성 방법 및 장치{GENERATING A HIGHLY IONIZED PLASMA IN A PLASA CHAMBER}
본 발명은 플라즈마 챔버 내에 고이온화 플라즈마를 생성하는 것에 관한 것이다.
통상적인 스퍼터링 코팅 공정에서, 전기 방전은 스퍼터링 가스와 충돌하여 가스를 이온화시키는 전자를 발생시킨다. 이 스퍼터링 공정은 통상 10-0.1Pa의 압력 범위 내에서 일어난다. 이러한 압력 범위에서 원자 또는 분자의 수는 5*1015cm-3 내지 2*1013cm-3의 사이에 있다. 이온이 타겟과 충돌하면, 타겟으로부터 원자가 탈리되고, 원자는 코팅될 기판에 증착된다. 타겟으로부터 원자의 탈리 과정은 스퍼터링 처리하고 한다. 이 스퍼터링 처리는 에칭에도 사용될 수 있다. 일부 시스템의 경우, 타겟 주변에 고이온화 플라즈마를 발생시키는 것으로 타겟 활용성과 코팅 균일성을 얻을 수 있다. 이러한 시스템에서, 먼저 저압에서 부분 이온화 플라즈마가 발생된 후, 고출력 방전 펄스의 인가를 통해 고이온화 플라즈마가 발생된다. 이와 관련하여 고이온화 플라즈마는 이온수가 1012cm-3를 넘을 때 도달된다.
그러나, 상류 저이온화 단계와 조합된 고출력 방전 펄스는 스퍼터링 중에 생성되는 필름의 부착을 감소시키는 것으로 확인되었고, 반응성 스퍼터링 처리 중에 타겟 중독을 가져올 수 있다. 또한, 제1 시간 구간 중에 저전압을 인가할 필요성은 예를 들면 에칭과 같은 다른 목적을 위한 전원의 동시 사용을 제한한다.
EP 1 560 943 B1에서는 고이온화 플라즈마를 발생시키기 위한 2-단계 접근이 기술된다. 제1 시간 구간 동안 방전 갭에 저전압이 인가된 후, 짧은 시간 구간 동안 고전압이 인가된다. 이것은 먼저 가스의 저이온화를 가져온 다음, 가스의 고이온화를 가져온다.
본 발명의 목적은 에칭에 적합하고 스퍼터링 증착 중 높은 부착성을 제공하고 반응성 스퍼터링 중에 전극, 타겟, 플라즈마 챔버 또는 기판의 중독을 회피하기에 적합하게 플라즈마 챔버 내에 고이온화 플라즈마를 발생시키는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
제1 양태로서, 플라즈마 챔버 내에 고이온화 플라즈마를 발생시키는 것은:
a. 플라즈마 챔버 내에서 50Pa 미만의 압력에서 이온화될 중성 가스를 제공하고;
b. 플라즈마 챔버 내의 타겟과 연결된 적어도 하나의 마그네트론 음극(magnetron cathode)에 100 kW 이상의 출력과 10J 이상의 에너지를 갖는 적어도 하나의 고에너지 고출력 전기 펄스를 공급하고;
c. 전류 상승 시간 중에 플라즈마 부피 단면적이 증가하도록 소정의 플라즈마 부피로 상기 중성 가스로부터 직접 고이온화 플라즈마를 발생시키고;
d. 상기 고이온화 플라즈마를 이용하여 타겟으로부터 원자를 스퍼터링하고;
e. 상기 스퍼터링된 원자의 적어도 일부를 이온화하는 것
에 의해 달성된다.
플라즈마는 입자의 일부가 이온화된 가스와 유사한 물질의 상태이다. 플라즈마가 자유 하전 입자를 포함한다는 사실에도 불구하고, 거시적인 규모에서 플라즈마는 전기적으로 중성이다. 이것은 플라즈마가 평형 상태에서 동일한 수의 양전하와 음전하를 포함한다는 것을 의미한다. 본 발명에 따르면, 고이온화 플라즈마는 전류 상승 기간 중에 플라즈마 챔버 내의 상태와 그에 따라 플라즈마 발생 과정에 영향을 미치는 것에 의해 중성 가스로부터 직접 발생된다.
고에너지 고출력 펄스의 지속 시간은 500㎲ 미만, 바람직하게는 300㎲ 이하, 더 바람직하게는 200㎲ 이하일 수 있다. 이것은 총 에너지가 매우 짧은 펄스로 인가됨을 의미한다. 따라서, 전압 상승 시간 및 전류 상승 시간은 매우 짧아야 한다. 이것은 매우 높은 플라즈마 이온화를 유도한다.
일 양태에서, 플라즈마 부피 단면적은 실질적으로 일정한 전류 밀도 및/또는 실질적으로 일정한 이온화도를 유지하면서 전류 상승 기간 중에 증가한다. 따라서, 스퍼터링 증착 증에 강한 부착이 달성될 수 있다. 그렇지 않으면, 다시 말해, 전류 상승 기간 중에 플라즈마 부피 단면적이 증가하는 동안 실질적으로 일정한 전류 밀도 및/또는 실질적으로 일정한 이온화도가 유지된다.
이러한 접근에 따르면, 고이온화 플라즈마는 중성 가스로부터 직접 형성된다. 전류 상승 기간 중에 플라즈마 챔버 내에 고이온화 영역의 공간적 성장이 개시된다. 이것은 균일하고 고이온화된 플라즈마를 유도하여 타겟 활용을 증진시킨다.
플라즈마 단면적의 공간적 성장은 실질적으로 일정한 전류 밀도를 갖는 전류의 성장을 의미하며, 다시 말하자면, I=S·J (여기서, I=전류, S=플라즈마 부피 단면적(증가하는 값), J=전류 밀도(일정))이다. 이에 따라, 전류는 이온화도가 아니라 고이온화된 플라즈마의 부피 성장을 반영한다.
본 방법의 여러 양태에 따르면, 챔버 내에 제공된 가스는 글로우 방전 또는 아크 방전과 같은 약이온화 또는 저이온화 플라즈마 단계를 경험하지 않고 고이온화 플라즈마 상태를 채용할 수 있는데, 다시 말해 고이온화 플라즈마는 중성 가스로부터 직접 생성된다. 가스는 고이온화 플라즈마 상태로 직접 진행되기 전에 플라즈마 단계를 형성하지 않는 한 번 또는 여러 번의 절연파괴 단계를 경험할 수 있다. 이것은 전기 펄스 내에 순간적으로 이온화 전기적 절연파괴 한계를 초과하는 충분히 높은 에너지를 제공하는 것에 의해 가능하다. 동시에, 낮은 수준으로 이온화된 플라즈마 또는 아크 방전 상태를 경험하지 않고 높은 수준으로 이온화된 플라즈마를 얻기 위해 전류 상승 시간이 조절되거나 전류 펄스가 형성될 수 있다. 처리 과정의 진전은 다수의 파라미터에 의존할 수 있는데, 다음은 가장 중요한 파라미터의 리스트이다:
-가스 압력
-특히 반응성 가스의 사용시 가스 혼합물
-타겟 물질
-가스, 타겟 및 플라즈마 챔버의 온도
-자기장의 강도 및 형태
-전기장의 강도 및 형태
-자기장의 방향과 관련된 전기장의 방향
-전압 상승 및 전류 상승의 속도
-펄스 인가중 제공되는 에너지
-출력 상승 시간
-펄스 지속 시간
-펄스 반복률
-기타.
고이온화 플라즈마로의 발달에 영향을 미치는 다수의 파라미터와 이들 파라미터 간의 상호 작용에 기인하여, 적어도 동작 개시 도중에 및/또는 유지 보수 구간 중에 플라즈마 발달을 모니터링하는 것이 유리하다. 진행되는 플라즈마 처리를 모니터링하기 위해 선택된 전기광학 사진, 분광 초고속 CCD 카메라와 같은 광학 기기의 사용과 화학적 세팅은 물론 전기적 자기적 및 물리적 변화에 의해 아크 방전 또는 저 이온화 플라즈마를 경험하지 않고 높은 수준의 이온화 플라즈마를 얻기 위한 파라미터 세트에 도달하는 것이 가능하다. 이것은 하기에 보다 상세히 설명된다. 플라즈마 처리의 모니터링은 당업계에 공지되어 있는 것으로, 2006년 8월 14일자 발행된 스위스 엘세비어-세콰이어 S.A. 로잔의 고체 박막 513권 1-2호의 1-24페이지와 특히 9-11페이지에 기고된 Helmersson 등의 "이온화된 물리적 기상 증착(IPVD): 기술과 응용의 고찰"에 기술되고 있는데, 이 발행물은 다음에서 'IPVD 고찰'로서 인용된다.
고에너지 고출력 펄스의 전압 상승의 시작시, 해당 펄스에 의해 야기되는 전기장에 의해 다수의 자유 전자가 가속되게 제공될 수 있다. 이 전자의 수는 전자 소스에 의해 또는 우주 x-선 방사나 다른 방법에 의해 제공될 수 있다. 가스 내의 가속된 자유 전자는 눈사태(avalanche) 방식의 이온화 과정을 야기할 수 있는데, 이 이온화 처리는 가스 내에서 전기적 절연 파괴를 개시한다.
고에너지 고출력 펄스는 해당 펄스가 적어도 스퍼터링된 물질의 이온화 원자를 생성하는 수 만큼의 이온화된 원자를 제공된 가스에 형성하거나 해당 이온화된 원자를 형성하도록 선택될 수 있다. 이것은 단시간 내에 고이온화 플라즈마를 얻는데 도움이 되고, 또한 스퍼터링 처리를 개선한다. 이것은 스퍼터링 원자에 의한 증착 코팅의 부착을 개선한다. 반응성 처리에서도, 반응성 가스가 이온화될 수 있다. 이것은 반응성 가스에 의해 스퍼터링 처리에서의 수율을 양호하게 하고 스퍼터링된 원자 또는 이온의 합성을 개선함으로써 부착성도 양호하게 한다.
전자 사태는 정상(steady) 플라즈마 상태에 앞서 중성 가스 내에서 시발될 수 있다. 전자 사태는 가스 내의 다수의 자유 전자가 전기장에 의해 강하게 가속됨으로써 충격 이온화로 불리는 충돌에 의해 가스의 원자를 이온화하여 후속 사이클에서 동일한 처리를 경험하는 2차 전자를 형성하는 과정이다. 전자 사태는 가스 내에서의 유전 절연 파괴 과정에 필수적이다.
이온화 파동은 정상 플라즈마 상태에 앞서 시발될 수 있다. 특히, 플라즈마 챔버의 양극와 음극 사이에 전압 펄스가 인가됨으로써 이온화 파동에 앞서 전자 사태가 유발될 수 있다. 이온화 파동의 형성은 하기에 더 상세히 설명된다.
사태형의 이온화 과정, 전자 사태 및 이온화 파동은 절연파괴의 단계들이다. 이들 절연파괴 단계는 플라즈마 상태를 구성하지 않는데, 이는 플라즈마에 비해, 이들 단계는 주어진 공간 내에서 극히 비평형적이고 불균일하고 양전하보다 음전자가 더 많으며 피복 영역(sheath)의 형성 전에 생기기 때문이다.
고에너지 고출력 펄스는 적어도 하나의 전극에 인가될 수 있는데, 이때 적어도 하나의 전극과 제2 전극 간에 얻어지는 전압은 중성 가스의 정적인 절연파괴 전압 또는 동적 절연파괴 전압보다 크고, 펄스는 고이온화 플라즈마가 저이온화 플라즈마 또는 아크 방전을 경험하지 않고 형성되기에 충분한 전류 및/또는 출력 상승 능력을 제공한다. 이것은 고이온화 플라즈마를 초고속으로 형성할 수 있게 한다. 아크 방전 또는 저이온화 플라즈마와 관련된 단점은 회피될 수 있다. 정적 절연파괴 전압은 절연체의 일부가 전기적으로 전도적이 되게 하는 최소 전압이다. 동적 또는 펄스 절연파괴 전압은 특정 시간 간격 도중에 소정의 간극 동안 정적 절연파괴 전압보다 높은 전압이 절연파괴 없이 유지될 수 있는 사실을 말한다. 그러나, 동적 또는 펄스 절연파괴 전압에 도달시, 상기 간극은 오직 정적 절연파괴 전압만이 도달된 것처럼 급속하게 전도적이 된다.
고에너지 고출력 펄스는 플라즈마 챔버 내에서의 전류 밀도 또는 이온화 정도가 그 최대값의 80%를 초과한 값에 도달하기 전에 전극과 플라즈마 챔버 간의 전압 또는 플라즈마 챔버 내에서 양극과 음극 간의 전압이 그 최대값의 80%를 초과한 값에 도달하도록 선택될 수 있다. 이것은 전압, 전류 및 출력 펄스가 저이온화 플라즈마 또는 아크 방전을 경험하지 않고 중성 가스로부터 직접 플라즈마 챔버 내에 고이온화 플라즈마를 형성하기에 충분히 큰 값을 갖도록 하는 것을 보장한다.
고에너지 고출력 펄스는 전극 내의 전류가 그 최대값의 80%를 초과하는 값에 도달하기 전에 플라즈마 챔버 내에서 전류 밀도 또는 이온화 정도가 그 최대값의 30%, 바람직하게는 50%, 더 바람직하게는 80%, 더더욱 바람직하게는 90%를 초과하는 값에 도달하도록 선택될 수 있다.
고에너지 고출력 펄스는 전류 상승 기간 중에 일어나는 사태의 횟수가 증가할 수 있도록 선택될 수 있다. 이것은 중성 가스가 고이온화 플라즈마로 변환되는 것을 보장한다.
다른 양태로서, 플라즈마 챔버 내에 고이온화 플라즈마를 발생시키는 것은:
a. 50 Pa의 압력으로 플라즈마 챔버 내에 이온화될 중성 가스를 제공하고;
b. 플라즈마 챔버 내의 타겟과 연결된 적어도 하나의 마그네트론 음극에 100 kW 이상, 특히 500 kW 이상의 출력과 10J 이상, 특히 50J 이상의 에너지를 갖는 적어도 하나의 고에너지 고출력 전기적 펄스를 공급하고;
c. 상기 중성 가스로부터 직접 고이온화 플라즈마를 형성하되;
d. 전류 상승 기간 도중에 전극 내로의 전류가 그 최대값의 80%를 초과하는 값에 도달하기 전에 상기 플라즈마 챔버 내의 전류 밀도가 그 최대값의 80%를 초과한 값에 도달하도록 하는 것에 의해 달성된다.
이러한 방법의 여러 양태에 따르면, 챔버 내에 제공된 가스는 글로우 방전 또는 아크 방전과 같이 약한 수준 또는 낮은 수준으로 이온화된 플라즈마 단계 또는 다른 예비 플라즈마 단계를 경험하지 않고 높은 수준으로 이온화된 플라즈마 상태를 얻을 수 있으며, 다시 말해, 중성 가스로부터 높은 수준으로 이온화된 플라즈마를 형성할 수 있다. 가스는 고이온화 플라즈마 상태로 직접 진행되기 전에 플라즈마 단계를 형성하지 않는 한 번 또는 여러 번의 절연파괴 단계를 경험할 수 있다. 이것은 스퍼터링 증착 중 높은 부착성을 제공하고, 플라즈마 처리를 에칭에 적합하게 하며, 반응성 스퍼터링 중에 전극, 타겟, 플라즈마 챔버 또는 기판의 중독을 회피하도록 한다. 본 발명에 따르면, 고이온화 플라즈마는 전류 상승 시간 구간 중에 플라즈마 챔버 내의 상태와 그에 따라 플라즈마 발생 과정에 영향을 미치는 것에 의해 중성 가스로부터 직접 발생된다.
전류 밀도의 모니터링은 당업계에 공지되어 있다. 이러한 측정의 개시는 'IPVD 고찰'의 9페이지, 도 11 및 도 11에 대한 설명에서 살펴볼 수 있다.
상기 방법은 전술한 방법의 단계를 개별적으로 또는 하나의 조합으로서 조합될 수 있다.
다른 양태로서, 플라즈마 챔버 내에서 고이온화 플라즈마를 발생시키는 것은:
a. 플라즈마 챔버 내에 소수의 자유 전자와 함께 이온화될 중성 가스를 제공하고;
b. 플라즈마 챔버 내에서 양극과 마그네트론 음극 사이에, 해당 양극과 음극 사이에 전기장을 형성하도록, 100 kW 이상, 특히 500 kW 이상의 출력과 10J 이상, 특히 50J 이상의 에너지를 갖는 적어도 하나의 고에너지 고출력 전기적 펄스를 공급하고;
c. 상기 중성 가스의 원자를 이온화하고 2차 전자를 발생시키도록 자유 전자를 가속시키고;
d. 자기장에 의해 가속 전자의 흐름의 방향을 편향시키고;
e. 비평형적이거나 거시적으로 중성이 아닌 이온화 사태들을 일으키고;
f. 양극에서 전자를 흡수하고;
g. 상기 양극 근처에 양이온 전하를 형성하고;
h. 이온화된 가스 원자를 상기 음극 측으로 가속하여 제1 이온화 파동을 형성하고;
i. 상기 음극과 전기적으로 연결된 타겟으로부터 타겟 물질을 스퍼터링하고;
j. 상기 타겟으로부터 스퍼터링된 타겟 원자를 이온화하는 것에 의해 달성된다.
따라서, 본 발명의 해당 양태에 따라서, 플라즈마 챔버 내의 상태에 영향을 미치는 것에 의해 중성 가스로부터 직접 고이온화 플라즈마가 발생된다.
이러한 방법의 여러 양태에 따르면, 챔버 내에 제공된 가스는 글로우 방전 또는 아크 방전과 같이 약한 수준 또는 낮은 수준으로 이온화된 플라즈마 단계 또는 다른 예비 플라즈마 단계를 경험하지 않고 높은 수준으로 이온화된 플라즈마 상태를 얻을 수 있다. 가스는 고이온화 플라즈마 상태로 직접 진행되기 전에 플라즈마 단계를 형성하지 않는 한 번 또는 여러 번의 절연파괴 단계를 경험할 수 있다. 이것은 스퍼터링 증착 중 높은 부착성을 제공하고, 플라즈마 처리를 에칭에 적합하게 하며, 반응성 스퍼터링 중에 전극, 타겟, 플라즈마 챔버 또는 기판의 중독을 회피하도록 한다.
상기 방법은 전술한 방법의 단계를 개별적으로 또는 하나의 조합으로서 조합될 수 있다.
추가의 양태로서, 자기적으로 증강된 스퍼터링 장치는:
a. 물질이 스퍼터링될 스퍼터링 타겟의 표면에 마그네트론 구성 내의 자기장을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 자석과;
b. 상기 스퍼터링 타겟을 수용하도록 구성된 플라즈마 챔버로서, 해당 챔버 내로 이온화 대상의 중성 가스가 도입되는 유입구를 갖는, 플라즈마 챔버와;
c. 상기 챔버 내에 제공된 양극 및 음극으로서, 해당 음극은 상기 타겟과 전기적으로 연결된, 양극 및 음극과;
d. 상기 챔버 내의 상기 양극과 음극 사이에 100 kW 이상의 출력과 10J 이상의 에너지를 갖는 고에너지 고출력 전기적 펄스를 인가하도록 구성된 고에너지 펄스 전력원을 포함하고;
e. 상기 고에너지 펄스 전력원에 응답하여 전류 상승 기간 중에 플라즈마 부피 단면적이 증가하도록 중성 가스로부터 직접 고이온화 플라즈마가 발생되는 것을 특징으로 한다.
이러한 장치는 예컨대, 중성 가스로부터 직접 플라즈마를 형성하기 위해 아크 방전 또는 저 이온화의 단계를 경험하지 않고 고이온화 플라즈마를 형성하기에 적합할 수 있다.
상기 장치는 적어도 일부의 전류 상승 기간 중에 실질적으로 일정한 전류 밀도 및/또는 실질적으로 일정한 이온화 수준이 유지되도록 구성될 수 있다.
전압 소스는 적어도 1012 cm-3의 이온화 수준이 도달되도록 전압 펄스를 형성할 수 있다. 따라서, 스퍼터링 또는 에칭 과정에 적합한 고이온화 플라즈마가 형성된다.
다른 양태로서, 본 발명은 전류 상승 기간 중에 플라즈마 부피 단면적이 증가하도록 플라즈마 챔버 내의 중성 가스로부터 고이온화 플라즈마를 형성하도록 상기 플라즈마 챔버의 적어도 하나의 마그네트론 음극에 공급되는 100 kW 이상, 특히 500 kW 이상의 출력과 10J 이상, 특히 50J 이상의 에너지를 갖는 고에너지 고출력 전기적 펄스를 형성하도록 구성된 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위해 전기적 펄스를 전달하는 고에너지 펄스 전력원에 관한 것이다.
대응하는 방법의 단계들에 대한 것과 동일한 장점이 적용된다.
상기 전력원은 전류 상승 기간 중에 실질적으로 일정한 전류 밀도 및/또는 실질적으로 일정한 이온화 정도를 유지하도록 구성될 수 있다.
다른 양태로서, 본 발명은 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위해 전기적 펄스를 전달하는 고에너지 펄스 전력원에 관한 것으로, 해당 전력원은 플라즈마 챔버 내의 중성 가스로부터 고이온화 플라즈마를 형성하도록 상기 플라즈마 챔버의 적어도 하나의 마그네트론 음극에 200 ㎲ 미만으로 공급되는 100 kW 이상, 특히 500 kW 이상의 출력과 10J 이상, 특히 50J 이상의 에너지를 갖는 고에너지 고출력 전기적 펄스를 형성하도록 구성되고, 상기 전력원은 전류 밀도가 그 최대값의 80%를 초과하는 값에 도달하기 전에 상기 플라즈마 챔버 내의 양극 및 음극 사이의 전압이 그 최대값의 80%를 초과하는 값에 도달하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
더욱이, 고에너지 고출력 펄스는 전극으로의 전류가 그 최대값의 80%를 초과하는 값에 도달하기 전에 플라즈마 챔버 내의 전류 밀도가 그 최대값의 30%, 바람직하게는 50%, 보다 바람직하게는 80%, 더더욱 바람직하게는 90%를 초과하는 값에 도달하도록 구성될 수 있다.
상기 고에너지 펄스 전력원은 고에너지 고출력 전기적 펄스가 생성될 때 폐쇄되고 상기 전류가 임계값 위로 증가할 때 개방되도록 구성된 스위치를 포함할 수 있다.
상기 고에너지 펄스 전력원은 고에너지 고출력 전기적 펄스가 생성될 때 폐쇄되고 상기 전류가 제2 임계값 아래로 감소하거나 50 ㎲보다 짧은 미리 정해진 지속 시간 이후에 다시 폐쇄되도록 구성된 스위치를 포함할 수 있다.
전술한 상기 고에너지 펄스 전력원은 앞서 언급된 장치에 사용될 수 있다.
자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 고에너지 펄스 전력원 또는 장치는 설정 가능한 유도성(inductivity) 및/또는 정전 용량 및/또는 저항기를 갖는 정합 회로를 포함할 수 있다. 정합 회로는 고에너지 펄스 전력원의 일부일 수 있거나, 고에너지 펄스 전력원의 외부에 제공될 수 있다. 후자의 경우, 전술한 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 장치의 일부일 수 있다.
자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 고에너지 펄스 전력원 또는 장치는 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 트랜지스터를 동시에 스위칭하는 펄스 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 추가의 목적 및 장점들은 이어지는 설명에 언급될 것이고 해당 설명으로부터 분명해질 것이다. 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 구체적으로 지시된 방법, 처리, 수단 및 조합에 의해 실현되고 달성될 수 있다.
이하에는 첨부 도면을 참조로 비제한적인 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 장치의 개략도이고;
도 2는 시간에 따른 전류, 전류 밀도 및 이온화도를 보여주는 다이어그램이고;
도 3a는 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 장치의 개략도이고;
도 3b는 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 장치의 다른 개략도이고;
도 4a는 중성 가스 및 자유 전자에 의해 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 장치의 개략도이고;
도 4b는 이온화 파동의 형성에 의해 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 장치의 개략도이고;
도 4c는 2개의 이온화 파동의 형성에 의해 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 장치의 개략도이고;
도 4d는 이온화 파동의 형성과 성장하는 플라즈마 부피에 의해 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 장치의 개략도이고;
도 5는 고에저지 펄스 전력원을 더 상세하게 도시한 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 장치의 개략도이고;
도 6은 정합 회로의 개략도이고;
도 7은 펄스 유닛의 개략도이고;
도 8은 펄스 파워를 나타내는 다이어그램이고;
도 9는 고에너지 고출력 펄스의 전압 및 전류 파형을 나타낸 다이어그램이고;
도 10은 고에너지 고출력 펄스의 전류 파형을 나타낸 다이어그램이고;
도 11은 고이온화 플라즈마 부피의 형성을 나타낸 3개의 도면이고;
도 12는 추가적인 에너지 흡수 회로를 갖는 도 5에서와 같은 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 장치의 개략도이고;
도 13은 도 12의 에너지 흡수 회로를 보다 상세히 도시한 도면이고;
도 14는 직렬 및 병렬로 연결된 스위치 배열을 보여준다.
도 1은 스퍼터링에 적합한 장치(1)를 보여준다. 장치(1)는 중성 가스를 제공하는 가스 유입구(3)를 갖는 플라즈마 챔버(2)를 포함한다. 플라즈마 챔버(2)는 진공 펌프(18)로 진공화된다. 이온화 대상의 중성 가스는 가스 용기(19)로부터 밸브(17)를 거쳐 유입된다.
플라즈마 챔버(2) 내에는 스퍼터링 타겟(5)의 표면에 자기장을 제공하기 위해 자석(4)이 제공된다. 타겟(5)은 음극으로서 구성된 전극(6)의 상부에 제공된다. 특히, 타겟(5)은 음극(6)과 전기적으로 연결된 상태이다. 타겟(5)의 반대쪽으로는 타겟 물질로 코팅될 기판(7)이 제공된다. 기판(7)은 양극(8) 상에 제공된다. 양극(8)과 음극(6)은 플라즈마 챔버(2) 내의 양극(8)과 음극(6) 사이에 전압 펄스를 인가하기 위한 고에너지 펄스 전력원(9)과 연결된다. 고에너지 펄스 전력원(9)은 전류 상승 기간 중에 플라즈마 챔버(2) 내에 형성되는 전류 밀도 및/또는 플라즈마의 이온화 정도를 실질적으로 일정하게 유지하면서 플라즈마 부피 단면적이 증가하도록 중성 가스로부터 고이온화 플라즈마를 형성하기 위해 펄스를 발생시키도록 제어될 수 있다.
도 2의 다이어그램은 고이온화 플라즈마의 형성을 나타낸다. 시간 t0에서, 중성 가스로부터 고이온화 플라즈마로 변환이 이루어지도록 양극(8)과 음극(6) 사이에 전압 펄스가 인가된다. 이것은 전압 펄스의 인가와 동시에 높은 이온화 정도를 갖는 고이온화 플라즈마가 형성됨을 의미한다. 이것은 라인(10)으로 나타낸다. 라인(11)으로 나타낸 전류가 t0에서 t3까지 상승시, 즉 전류 상승 기간을 나타내는 t0와 t3 사이의 시간 간격 구간에서의 전류 상승시, 라인(10)으로 나타낸 이온화 정도는 일정하게 유지된다. 시간 t0에서, 고이온화 플라즈마의 부피(12)는 상대적으로 작다. 전류가 증가함에 따라 부피는 시간에 따라 증가한다. 이것은 부피(13, 14, 15)에 의해 보여진다. 이온화 플라즈마의 부피가 성장함에 따라, 이온화 플라즈마의 단면적 역시 증가한다. 도 2에서는 라인(16)으로 나타낸 전류 밀도 역시 시간 t0에서 높고 일정한 값으로 급속 상승함을 알 수 있다. 전류 밀도의 상승 시간은 통상 10 ㎲미만이다. 압력, 타겟 물질, 자기장 등의 환경에 따라, 상승 시간은 1 ㎲미만일 수 있다. 이때부터 전류 밀도는 전류 상승 기간 중에 일정하게 유지된다. 이것은 이온화 플라즈마 부피의 증가가 전류의 증가에만 기인하는 반면, 전류 밀도와 이온화 정도는 일정하게 유지됨을 의미한다.
도 3a는 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 장치의 개략도를 보여주는데, 해당 장치는 파워 라인(23a)을 통해 음극(24)과 연결되고 파워 라인(23b)을 통해 양극(25)과 연결되는 고에너지 펄스 전력원(23)을 포함한다. 영극(25)과 음극(24)은 플라즈마 챔버(20) 내에 배치된다. 음극(24)은 타겟(27)과 간접적으로 전기적으로 연결된다. 고에너지 펄스 전력원(23)이 펄스를 인가하면, 양극(25)과 음극(24) 사이에 전기장이 형성된다. 자기장 영역 밖에 구성되는 타겟 너머로 강력한 자석(21)이 배치된다. 자기장(28)(점선)의 자력선은 전기장(26)의 전기력선에 대해 적어도 부분적으로 수직하다.
도 3b는 동일한 부분에는 참조부호를 재차 기입하지 않은, 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 장치의 다른 개략도를 보여준다. 도 3b는 양극(25a, 25b)의 위치와 형태가 도 3a와 상이한데, 도 3b에서 양극은 음극의 양측에 있다. 전기장(26a, 26b)의 전기력선도 역시 자기장(28)의 자력선에 적어도 부분적으로 수직하다. 도 3b에서는 기판(29)도 도시되어 있는데, 해당 기판에는 스퍼터링된 원자 및/또는 이온이 증착될 수 있다.
도 4a는 중성 가스 및 자유 전자에 의해 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 장치의 개략도이다. 중성자(31)는 'o'로 지시된다. 전자는 '-'로 지시된다. 전기장에 의해 자유 전자는 양극 쪽으로 가속된다. 적어도 부분적으로 수직한 자기장은 전자의 유동 방향을 편향시킨다. 이것은 자기장이 없는 절연파괴에서처럼 완전히 다른 거동의 사태(avalanche)형의 과정의 시작을 유발한다. 전자는 음극 근처의 부피 영역에 포획된다. 전술한 바와 같이, 중성 가스는 음극과 양극 간의 간극에서의 전기장의 절연파괴에 의해 플라즈마 상태로 변환될 수 있다. 절연파괴는 전기 전하가 크게 증가하고 균일화되는 변환 과정이다. 전압의 인가시, 방전이 진전되기 시작하기 전에 통계적 시간 지연이 존재한다. 이것에 후속하여, 챔버 내에서 가스 원자와 충돌하여 가스 원자를 이온화하여 더 많은 전자를 생성함으로써 전자 이온화 사태를 시발하는 챔버 내의 자유 전자의 가속이 이루어진다.
도 4b는 이온화 파동(33)을 갖는 도 4a의 장치를 보여준다. 사태로부터 생기는 전자가 양극에 도달함에 따라, 해당 전자는 흡수되고 양이온 전하(34)가 형성된다. 양전하 이온은 '+'로 지시되고, 전기장에 의해 음극 측으로 가속된다. 이것은 상기 간극을 여러 번 횡단하고 전하 분포가 더 균일해지며 음극과 양극 피복 영역(sheath)이 형성되는, 화살표(35)로 지시된, 이온화 파동을 일으킨다. 도 4b에서는 여전히 자유 전자(32)가 지시되고 있다. 더 많은 사태가 형성되면(사태 증가), 단면적과 음극 전면에 대한 이온화 채널의 수를 증가시킨다. 이 시점에서 플라즈마가 형성되며 방전은 공간적으로 균일한 글루우 방전의 상태로 들어간다. 매우 높은 에너지(동적 전압 상승에 의해 유발)에 의해 절연파괴가 일어나면, 발생된 플라즈마는 높은 수준으로 이온화된다. 통상, 1012 cm-3 보다 큰 이온화 정도를 고이온화 플라즈마로 기술한다.
도 4c는 2개의 이온화 파동(33, 36)의 형성을 포함하는 도 4a의 장치를 보여준다. 이온화 파동(33)에서, 양전하는 도 4b와 관련하여 음극의 방향으로 이동되었다. 또한, 이온화 파동(33)의 공간적 크기 및 단면적은 도 4b에 비해 증가되었다.
도 4d는 이온화 파동의 형성(36)과 성장하는 플라즈마 부피(37)를 포함하는 도 4a, b, c의 장치를 보여준다.
도 5는 고에저지 펄스 전력원(40)을 더 상세하게 도시한 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 장치의 개략도를 보여준다. 장치는 플러그일 수 있는 커넥터(41) 및 파워 라인을 통해 본선 네트워크와 연결되는 연결부를 갖는다. 본선으로부터의 전력은 당업계에 공지된 DC 파워 서플라이(42)에 연결된다. 이것은 본선 전위로부터의 출력 전위를 차단하는 트랜스포머를 갖는 스위치 모드 파워 서플라이일 수 있다. DC 파워 서틀라이(42)의 출력에는 2개 이상의 파워 라인을 통해 펄스 유닛(43)으로 DC 파워가 공급된다. DC 파워 서플라이(42)는 통신 및 제어 라인 입출력부도 역시 구비하고 있어서, 펄스 유닛에 또는 패널 또는 컴퓨터일 수 있는 외부 제어부(39)에 또는 다른 부분에 연결될 수 있다. 도 5에는 DC 파워 서플라이(42)와 펄스 유닛(43) 사이에 데이터 통신 라인(48a)이 예시되어 있다. 외부 제어부(39)로 이어지는 추가의 데이터 라인(48c)이 도 5에서 펄스 유닛(43)에 연결되어 있다. 해당 데이터 라인은 DC 파워 서플라이(42)에도 연결될 수 있다. DC 파워 서플라이(42)와 펄스 유닛(43)은 2개의 별개 하우징 내에 또는 하나의 하우징 내에 배치될 수 있다. 제3 데이터 통신 라인(48b)은 펄스 유닛(43)으로부터 정합 회로(45)로 이어진다. 정합 회로(45)는 펄스 유닛으로부터 플라즈마 챔버(46)의 음극(47)으로 이어지는 파워 라인 내에 배치된다. 정합 회로는 절대적으로 필요한 것은 아니지만, 저이온화 플라즈마 또는 아크 방전을 경험하지 않고 고이온화 플라즈마를 얻기 위해 사용자에게 발진을 감쇄하고 전류 파형을 성형할 수 있는 기회를 제공한다.
플라즈마 프로세스가 고이온화 플라즈마의 형성에 의해 모든 고출력 펄스에서 시작되는 것을 보장하기 위해, 예컨대, 통신 라인(38)을 통해 외부 제어부(39)에 연결된 고속 카메라(49)에 의해 플라즈마 형성을 모니터링하는 것이 가능하다. 전술한 바와 같이, 플라즈마의 발달은 매우 많은 수의 파라미터에 의존하는데, 이들 파라미터의 일부는 파워 서플라이로부터 유래되는 이유로 펄스의 형태에 의해 영향을 받지 않을 수 있다. 그러나, 자석의 위치를 변경시키는 것에 의해 예컨대 자기장 세기와 위치와 같은 일부 파라미터를 변화시킬 수 있다. 타겟의 마손에 의해 전기력선의 위치가 변화되면, 외부 제어 또는 정합 회로의 변조를 통해 고출력 펄스의 전기적 거동을 변화시키는 것이 가능하다.
도 6은 정합 회로(45)의 개략도이다. 정합 회로는 하나 또는 복수의 유도성(inductivity) 요소(53)를 포함하는데, 그중 일부는 유도성(53a)으로 지시되는 바와 같이 가변적일 수 있다. 정합 회로는 하나 이상의 캐패시터(54)를 더 포함할 수 있는데, 이중 일부는 캐피시터(54a)로 지시된 바와 같이 가변적일 수 있다. 정합 회로는 하나 이상의 저항기(55)를 더 포함할 수 있는데, 이중 일부는 저항기(55a)로 지시된 바와 같이 가변적일 수 있다. 저항기, 유도성 및 캐패시터는 대체 가능하고, 바로가기하는 것이 가능하다. 이것은 모두 연결 수단(54)에 기인하여 가능하다. 도 6에서 모든 연결 수단에 참조 번호가 부여되는 것은 아니다. 따라서, 펄스 형태의 성형에는 여러 가지 다양성이 존재한다. 가변 요소는 외부 제어에 의해 전기적으로 제어될 수도 있다.
도 7은 펄스 유닛(43)의 개략도를 보여준다. 펄스 유닛은 파워 라인(61a, 61b)을 통해 DC 파워 서플라이(42)에 연결된 충전 전류 성형 유닛(70)을 포함한다. 충전 전류 성형 유닛(60)은 캐패시터(62)의 충전을 위해 충전 다이오드(63)를 통해 전류를 전달한다. 캐패시터(60)는 고에너지 펄스를 위해 충분히 에너지를 저장하기 위해 여러 개의 병렬 및 직렬 연결된 캐패시터들로 이루어진 캐패시터 배열일 수 있다. 펄스 유닛(43)은 스위치(64)를 제어하는 펄스 제어부(65)도 포함한다. 스위치(64)는 1-300 ㎲의 짧은 제어 가능한 펄스 지속 시간 동안 폐쇄된다. 직렬 및 병렬 연결된 MOSFET 스위치의 배열일 수 있으며, 모든 스위치는 고전류를 유도하고 고에너지 고출력 펄스의 고전압을 스위칭하기 위해 동시에 스위치 온 오프된다. 스위치(64)가 오프로 전환되면, 선택적인 정합 회로(45)를 통해 플라즈마 챔버로 연장되는 파워 라인(69a, 69b) 내의 전류는 정합 회로와 파워 라인 내의 고유의 유도성에 기인하여 흐름을 계속할 것이다. 펄스 유닛(43) 특히 스위치(64)의 파괴를 방지하기 위해 자유 송신 방식의(freewheeling) 다이오드(67)가 라인(69a, 69b) 사이에 제공된다. 플라즈마 챔버 내로의 전류에 대응하는 신호를 펄스 제어부(65)에 제공하는 전류 센서(66)가 포함된다.
도 8은 통상적인 펄스 지속 및 반복 시간을 나타내는 다이어그램이다. 수직축 상에는 킬로와트 단위의 파워가 지시된다. 이것은 예시된 펄스가 약 1 MW의 피크 파워를 가짐을 의미한다. 수평축 상에서는 시간 크기가 지시된다. 3개의 펄스(83a, 83b, 83c)가 보여진다. 이들 펄스는 약 1ms-1s의 반복 시간(85)을 가질 수 있다. 펄스 지속 시간(84)은 1-300 ㎲의 범위에 있을 수 있다. 후에 설명되는 전류 제어 또는 조절이 이루어진다면 더 긴 펄스 지속 시간도 가능하다. 다이어그램에서는 해당 경우 넓은 코팅 대상 면적에 대한 스퍼터링 목적의 전형적인 값인 약 1.5 kW의 평균 전달 파워(86)도 예시되어 있다.
도 9는 고에너지 고출력 펄스의 전형적인 전압 파형(87) 및 전류 파형(89)을 나타낸 다이어그램이다.
도 10은 펄스가 300 ㎲보다 길어야 하는 경우의 고출력 펄스의 전형적인 전류 파형을 나타낸 다이어그램이다. 펄스의 지속 시간이 약 300 ㎲보다 길어야 하는 경우, 아크 방전이 이루어질 위험이 증가한다. 아크 방전은 회피되어야 하는데, 이는 아크 방전이 타겟과 기판의 손상을 가져오기 때문이다. 아크 방전은 큰 전류 상승 또는 큰 전류 상승 속도에 의해 감지될 수 있다. 이것은 전류 센서(66)에 의해 모니터링될 수 있으며, 아크 방전이 감지되면, 펄스 제어부(65)에 의해 스위치(64)가 즉시 개방될 수 있다. 아크는 이후 약 100 ㎲ 내에 소멸된다. 파워 라인과 정합 회로 내의 잔류 에너지만이 플라즈마로 전달되는데, 이는 때로 너무 많다. 이러한 에너지의 전달까지도 방지하기 위해, 추후 설명되는 추가의 아크 다이버터(diverter)가 필요하다.
아크 형성을 회피하기 위해, 약 1-200 ㎲의 시간 경과 후에 전류를 제어 또는 제한하는 것이 유익하다. 이것도 역시 전류 센서(66)와 펄스 제어부(65)에 의해 행해질 수 있다. 전류가 가변적일 수 있는 주어진 한계값 위로 상승하면, 스위치(64)는 오프 전환된다. 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 전류는 즉시 브레이크 다운되지 않고 f(x) 함수(e-function)로 떨어진다. 전류가 더 모니터링되면, 스위치(64)는 모니터링된 전류가 주어진 제2 한계값 아래로 떨어질 때 다시 폐쇄될 수 있다. 스위치의 재폐쇄 이전에 주어진 시간만큼 대기하는 것도 가능하다. 이 방식으로, 전류는 도 10에 도시된 바와 같이 조절될 수 있다. 신호(94)는 스위치(64)의 온 오프 스위칭을 보여준다. 파형(93)은 전류 센서(66)에 의해 측정된 전류의 파형이다.
도 11은 도 5에 도시된 카메라(49)에 의해 얻어질 수 있는 몇 개의 전형적인 사진을 보여준다. 사진(101)의 경우, 5개의 고이온화 플라즈마 부피가 형성됨이 보여진다. 수 나노초 후에 촬상된 사진인 사진(102)의 경우, 이들 5개의 플라즈마 부피는 이미 성장된 상태이다. 또한, 새로운 제6의 플라즈마 부피가 형성되어 있다. 다시 수 나노초 이후인 사진(103)에서는 모두 6개의 플라즈마 부피가 다시 증가된 상태이다. 어떻게 균일한 플라즈마가 이 방식으로 구성되는지 상상하는 것은 쉽다. 플라즈마가 실제로 높은 수준으로 이온화되는지 여부와 스퍼터링된 물질의 이온화된 원자도 역시 존재하는지 여부는 이러한 형태의 사진 또는 분광 필터를 통해 감지 가능하다. 이러한 모니터링이 고 이온화가 초기부터 시작됨을 보여주는 경우, 모든 파라미터는 적절하게 세팅된다. 이러한 모니터링이 고 이온화가 저 니온화 단계 이후에 시작됨을 보여주는 경우, 상기 열거된 값과 같은 파라미터들은 변화되어야 한다.
도 12는 추가적인 에너지 흡수 회로(106)를 갖는 도 5에서와 같은 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위한 장치의 개략도를 보여준다. 이 회로도 역시 데이터 통신 라인(48d)을 가지며, 외부 제어부(39), 펄스 유닛(43) 및 DC 파워 서플라이(42)와 연결된 상태이다. 정합 유닛(45)에 연결된 선택적인 데이터 연결부(48e)도 존재할 수 있다. 추가의 에너지 흡수 회로(106)는 고에너지 펄스 전력원(40)으로부터 플라즈마 챔버(46)까지의 파워 라인 내에 저장된 에너지를 적어도 부분적으로 흡수하도록 구성된다. 해당 회로는 플라즈마 챔버(46) 내에 저장된 에너지도 적어도 부분적으로 흡수할 수 있다. 이 에너지 흡수 회로(106)는 펄스 유닛(43)(도 7 참조)의 전류 회로(77)와 같은 센서가 이상 전류 상승을 감지하면 활성화되도록 구성된다. 이것은 플라즈마 챔버 내의 아크 방전에 의해 야기될 수 있다. 서두에 언급한 바와 같이, 아크 방전이 감지되면, 펄스 제어부(65)에 의해 스위치(64)가 즉시 개방될 수 있다. 아크는 이후 약 100 ㎲ 내에 소멸된다. 파워 라인과 정합 회로(45) 내의 잔류 에너지만이 플라즈마로 전달되는데, 이는 때로 너무 많다. 이러한 에너지의 전달까지도 적어도 부분적으로 방지하기 위해, 에너지 흡수 회로(106)가 활성화된다.
도 13은 이러한 에너지 흡수 회로(106)를 보다 상세히 도시한 도면이다. 제어부(113)는 통상 폐쇄 상태인 스위치(114)를 제어한다. 이상 전류 상승 또는 아크 감지의 경우, 해당 스위치는 가능한 신속하게 개방된다. 이 시점에 고에너지 펄스 전력원(40)과 플라즈마 챔버(46) 사이의 파워 라인에서 흐르는 전류는 파워 라인 내의 고유 유도성에 기인하여 흐름 상태가 유지된다. 전류는 다이오드(112)를 통해 캐패시터(111)로 흐른다. 캐패시터(111)에는 예비충전(precharging) 및 방전 회로(110)가 연결된다. 해당 회로는 캐패시터(111)를 정해진 전압으로 예비 충전하는데, 이는 가능한 신속하게 에너지를 흡수하는데 도움이 된다. 전류는 캐패시터(111)가 전류에 의해 충전되는 동안 감소된다. 에너지 흡수 회로(106)의 여러 차례의 활성화 이후에 캐패시터(111)에서의 과전압을 회피하기 위해, 캐피시터(111)는 방전되어야 한다. 이것은 예비충전 및 방전 회로(110)에 역시 구현될 수 있는 방전 회로에 의해 행해질 수 있다. 캐패시터(111)는 DC 파워 서플라이 내에 역시 배치될 수 있으며, 캐피시터로의 파워 라인으로부터 오는 에너지는 펄스 유닛(43)의 캐피시터(62)를 충전하는데 사용될 수 있다.
도 14는 직렬 및 병렬로 연결된 4개의 스위치(120a, 120b, 120c, 120d)를 포함하는 스위치(123) 배열을 보여준다. 이것은 펄스 유닛(43)의 스위치(64) 또는 에너지 흡수 회로(106)의 스위치(114)에 사용될 수 있는 구성이다. MOSFET일 수 있는 4개의 스위치(120a, 120b, 120c, 120d) 모두는 동시에 스위치 온 오프된다. 이들 스위치는 제어 라인(121)을 통해 제어된다. 직렬 연결 스위치 쌍(120a, 120c; 120b, 120d) 사이의 연결부(122)는 선택적이다.

Claims (26)

  1. 플라즈마 챔버(2, 20, 46) 내에 고이온화 플라즈마를 발생시키는 방법으로서:
    a. 플라즈마 챔버(2, 20, 46) 내에서 이온화될 중성 가스를 50 Pa 미만의 압력으로 제공하는 단계와;
    b. 플라즈마 챔버(2, 20, 46) 내의 타겟(5, 27)과 연결된 적어도 하나의 마그네트론 음극(6, 24; magnetron cathode)에 100 kW 이상의 출력과 10J 이상의 에너지를 갖는 적어도 하나의 고에너지 고출력 전기적 펄스를 공급하는 단계와;
    c. 전류 상승 기간 중에 플라즈마 부피 단면적이 증가하도록 소정의 플라즈마 부피로 상기 중성 가스로부터 직접 고이온화 플라즈마를 발생시키는 단계와;
    d. 상기 고이온화 플라즈마를 이용하여 상기 타겟(5, 27)으로부터 원자를 스퍼터링하는 단계와;
    e. 상기 스퍼터링된 원자의 적어도 일부를 이온화하는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 상승 기간 중에 상기 플라즈마 챔버(2, 20, 46) 내의 고이온화 영역의 공간적 성장이 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항 중 어느 항에 있어서, 상기 고에너지 고출력 펄스의 길이는 500㎲ 이하, 바람직하게는 300㎲ 이하, 더 바람직하게는 200㎲ 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 항에 있어서, 전류 상승 기간 중에 상기 플라즈마 부피 단면적이 증가하는 동안 전류 밀도 및/또는 이온화 정도가 실질적으로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 항에 있어서, 전압, 전류 또는 전력 펄스는 적어도, 스퍼터링된 물질의 이온화 원자를 생성하는 것과 같은 수의 제공된 가스의 이온화된 원자를 생성하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 항에 있어서, 정상(steady) 플라즈마 상태에 앞서 중성 가스 내에서 전자 사태(electron avalanche)가 시발되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 항에 있어서, 정상 플라즈마 상태에 앞서 이온화 파동이 시발되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 항에 있어서, 전자 사태 후 이온화 파동이 야기되도록 상기 플라즈마 챔버(2, 20, 46)의 음극(6, 24; cathode)과 양극(8, 25; anode) 사이에 상기 고에너지 고출력 펄스가 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 항에 있어서, 적어도 하나의 전극에 상기 고에너지 고출력 펄스가 인가되고, 상기 적어도 하나의 전극과 제2 전극 사이에 얻어지는 전압은 정적 절연파괴 전압(static breakdown voltage) 또는 동적 절연파괴 전압(dynamic breakdown voltage)보다 크며, 상기 펄스는 저이온화 플라즈마 또는 아크 방전을 경험하지 않고 고이온화 플라즈마를 형성하기에 충분히 큰 전류 및/또는 파워 상승 용량을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 항에 있어서, 상기 고에너지 고출력 펄스는 플라즈마 챔버(2, 20, 46) 내에서의 전류 밀도 또는 이온화 정도가 그 최대값의 80%를 초과한 값에 도달하기 전에 상기 전극과 상기 플라즈마 챔버(2, 20, 46) 간의 전압 또는 상기 플라즈마 챔버(2, 20, 46) 내에서 양극(8, 25)과 음극(6, 24) 간의 전압이 그 최대값의 80%를 초과한 값에 도달하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 항에 있어서, 상기 고에너지 고출력 펄스는 상기 전극 내의 전류가 그 최대값의 80%를 초과하는 값에 도달하기 전에 상기 플라즈마 챔버(2, 20, 46) 내에서 전류 밀도 또는 이온화 정도가 그 최대값의 30% 초과, 바람직하게는 50% 초과, 더 바람직하게는 80% 초과, 훨씬 더욱 바람직하게는 90%를 초과하는 값에 도달하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 항에 있어서, 상기 고에너지 고출력 펄스는 전류 상승 기간 중에 일어나는 전자 사태의 횟수가 증가하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 플라즈마 챔버(2, 20, 46) 내에 고이온화 플라즈마를 발생시키는 방법으로서:
    a. 상기 플라즈마 챔버(2, 20, 46) 내에 이온화될 중성 가스를 50 Pa 미만의 압력으로 제공하는 단계와;
    b. 상기 플라즈마 챔버(2, 20, 46) 내의 타겟(5, 27)과 연결된 적어도 하나의 마그네트론 음극(6, 24)에 100 kW 이상의 출력과 10J 이상의 에너지를 갖는 적어도 하나의 고에너지 고출력 전기적 펄스를 공급하는 단계와;
    c. 상기 중성 가스로부터 직접 고이온화 플라즈마를 형성하되;
    d. 전류 상승 기간 도중에 전극 내로의 전류가 그 최대값의 80%를 초과하는 값에 도달하기 전에 상기 플라즈마 챔버(2, 20, 46) 내의 전류 밀도가 그 최대값의 80%를 초과한 값에 도달하도록 하는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 제1항 내지 제12항 중 어느 항에 따른 특징을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 플라즈마 챔버(2, 20, 46) 내에서 고이온화 플라즈마를 발생시키는 방법으로서:
    a. 상기 플라즈마 챔버(2, 20, 46) 내에 소수의 자유 전자와 함께 이온화될 중성 가스를 제공하는 단계와;
    b. 상기 플라즈마 챔버(2, 20, 46) 내에서 양극(8, 25)과 마그네트론 음극(6, 24) 사이에, 해당 양극(8, 25)과 음극(6, 24) 사이에 전기장을 형성하도록, 500 kW 이상의 출력과 50J 이상의 에너지를 갖는 적어도 하나의 고에너지 고출력 전기적 펄스를 공급하는 단계와;
    c. 상기 중성 가스의 원자를 이온화하고 2차 전자를 발생시키도록 상기 자유 전자를 가속시키는 단계와;
    d. 자기장에 의해 가속 전자의 흐름의 방향을 편향시키는 단계와;
    e. 비평형적이거나 거시적으로 중성이 아닌 이온화 사태(ionization avalanche)들을 일으키는 단계와;
    f. 상기 양극(8, 25)에서 전자를 흡수하는 단계와;
    g. 상기 양극(8, 25) 근처에 양이온 전하를 형성하는 단계와;
    h. 이온화된 가스 원자를 상기 음극(6, 24) 측으로 가속하여 제1 이온화 파동을 형성하는 단계와;
    i. 상기 음극(6, 24)과 전기적으로 연결된 타겟(5, 27)으로부터 타겟 물질을 스퍼터링하는 단계와;
    j. 상기 타겟(5, 27)으로부터 스퍼터링된 타겟 원자를 이온화하는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  16. 자기적으로 증강된 스퍼터링 장치(1)로서:
    a. 물질이 스퍼터링될 스퍼터링 타겟(5)의 표면에 마그네트론 구성 내의 자기장을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 자석(4)과;
    b. 상기 스퍼터링 타겟(5)을 수용하도록 구성된 플라즈마 챔버(2)로서, 해당 챔버(2) 내로 이온화 대상의 중성 가스가 도입되는 유입구(3)를 갖는, 플라즈마 챔버와;
    c. 상기 챔버(2) 내에 제공된 양극(8) 및 음극(6)으로서, 해당 음극(6)은 상기 타겟(5)과 전기적으로 연결된, 양극(8) 및 음극(6)과;
    d. 상기 챔버(2) 내의 상기 양극(8)과 음극(6) 사이에 100 kW 이상의 출력과 10J 이상의 에너지를 갖는 고에너지 고출력 전기적 펄스를 인가하도록 구성된 고에너지 펄스 전력원(9)을 포함하고;
    e. 상기 고에너지 펄스 전력원(9)에 응답하여 전류 상승 기간 중에 플라즈마 부피 단면적이 증가하도록 상기 중성 가스로부터 직접 고이온화 플라즈마가 발생되는 것인 스퍼터링 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 전류 상승 기간의 적어도 일부 도중에 실질적으로 일정한 전류 밀도 및/또는 실질적으로 일정한 이온화 정도가 유지되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 고에너지 펄스 전력원(9)은 적어도 1012 cm-3의 이온화 정도가 도달되도록 전압 펄스를 형성하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  19. 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위해 전기적 펄스를 전달하는 고에너지 펄스 전력원으로서,
    전류 상승 기간 중에 플라즈마 부피 단면적이 증가하도록 하기 위해, 플라즈마 챔버 내의 중성 가스로부터 직접 고이온화 플라즈마를 형성하도록 상기 플라즈마 챔버의 적어도 하나의 마그네트론 음극에 공급되는 100 kW 이상, 특히 500 kW 이상의 출력과 10J 이상, 특히 50J 이상의 에너지를 갖는 고에너지 고출력 전기적 펄스를 형성하도록 구성되는 것인 고에너지 펄스 전력원.
  20. 제19항에 있어서, 상기 전류 상승 기간 중에 실질적으로 일정한 전류 밀도 및/또는 실질적으로 일정한 이온화 정도를 유지하는 것을 특징으로 하는 고에너지 펄스 전력원.
  21. 자기적으로 증강된 스퍼터링을 위해 전기적 펄스를 전달하는 전력원으로서,
    고에너지 펄스 전력원(9)은 플라즈마 챔버(2) 내의 중성 가스로부터 고이온화 플라즈마를 형성하도록 상기 플라즈마 챔버의 적어도 하나의 마그네트론 음극에 200 ㎲ 미만으로 공급되는 100 kW 이상, 특히 500 kW 이상의 출력과 10J 이상, 특히 50J 이상의 에너지를 갖는 고에너지 고출력 전기적 펄스를 형성하도록 구성되고, 상기 전력원은 전류 밀도가 그 최대값의 80%를 초과하는 값에 도달하기 전에 상기 플라즈마 챔버(2) 내의 양극(8) 및 음극(6) 사이의 전압이 그 최대값의 80%를 초과하는 값에 도달하도록 구성되는 것인 전력원.
  22. 제21항에 있어서, 상기 고에너지 고출력 펄스는 전극으로의 전류가 그 최대값의 80%를 초과하는 값에 도달하기 전에 상기 플라즈마 챔버 내의 전류 밀도가 그 최대값의 30% 초과, 바람직하게는 50% 초과, 보다 바람직하게는 80% 초과, 훨씬 더 바람직하게는 90%를 초과하는 값에 도달하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력원.
  23. 제16항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고에너지 펄스 전력원(9)은 설정 가능한 유도성(inductivity) 및/또는 용량 및/또는 저항기를 갖는 정합 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치 또는 전력원.
  24. 제16항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고에너지 펄스 전력원(9)은 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 트랜지스터(64)를 동시에 스위칭하는 펄스 제어부(65)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치 또는 전력원.
  25. 제16항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고에너지 펄스 전력원(9)은 고에너지 고출력 전기적 펄스가 생성될 때 폐쇄되고 상기 전류가 임계값 위로 증가할 때 개방되도록 구성된 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치 또는 전력원.
  26. 제16항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고에너지 펄스 전력원(9)은 고에너지 고출력 전기적 펄스가 생성될 때 폐쇄되고 상기 전류가 제2 임계값 아래로 감소하거나 50 ㎲보다 짧은 미리 정해진 지속 시간 이후에 다시 폐쇄되도록 구성된 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치 또는 전력원.
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