KR20210041069A - 고밀도 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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KR20210041069A
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마이클 존 스웨이츠
피터 존 호클리
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다이슨 테크놀러지 리미티드
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Abstract

고밀도 플라즈마 처리 장치(1). 이러한 장치는 가스상 매질을 포함하는 프로세스 챔버(2); 프로세스 챔버를 통과하여 연장되는 길이형 안테나(9); 안테나를 프로세스 챔버로부터 밀봉하는 하우징(10); 및 하나 이상의 자석(6, 11)을 포함한다. 사용 시에, 안테나는 플라즈마(24)를 생성하도록 프로세스 챔버의 가스상 매질을 여기시키며, 하나 이상의 자석은, 플라즈마가 안테나의 길이에 대해 직교하는 방향으로 프로세스 챔버에 걸쳐서 시트로서 전파되도록 구성된다.

Description

고밀도 플라즈마 처리 장치
본 발명은 플라스마를 처리하기 위한 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 고밀도 플라즈마의 균일한 시트를 처리하기 위한 장치에 관한 것이다.
광범위한 산업용 애플리케이션에서 고밀도 플라즈마가 사용된다. 예를 들어, 이러한 플라즈마는 표면 세척 또는 준비 애플리케이션, 에칭 애플리케이션, 표면 구조 또는 밀도를 변경하는 것, 및 박막의 증착에서 사용될 수 있다. 고밀도 플라즈마의 광범위한 연속 시트를 생성하기 위한 현재의 장치에는 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 챔버가 있는 플라즈마 소스(즉 원격 플라즈마 소스)가 필요하다. 이러한 플라즈마 소스의 일 예는, 광범위한 작동 플라즈마를 생성하기 위해서 많은 안테나를 요구하는 다중 루프 안테나 배열체이다. 그러나, 이러한 멀티-루프 안테나 시스템에 의해 생성된 플라즈마의 균일성을 제어하는 것은, 플라즈마 균일성을 얻기 위해서 안테나들이 정밀한 등가 파워 및 주파수로 튜닝될 필요가 있기 때문에 어려울 수 있다. 또한, 멀티 루프 안테나 배열체는 다중 플라즈마들이 생성되기 때문에 많은 양의 파워를 소모한다.
본 발명은, 가스상 매질을 포함하는 프로세스 챔버를 포함하는 고밀도 플라즈마 처리 장치에 관한 것인데, 상기 프로세스 챔버는 플라즈마 생성 공간 및 플라즈마 처리 공간인 두 개의 별개 공간으로 분할되고, 상기 프로세스 챔버는, 상기 프로세스 챔버의 플라즈마 생성 공간을 통과하여 연장되는 길이형 안테나 및 상기 안테나를 밀봉하는 하우징; 상기 프로세스 챔버의 플라즈마 처리 공간 내에 위치된 처리면; 및 상기 프로세스 챔버 내에 위치된 하나 이상의 자석을 더 포함하고, 사용 시에, 상기 안테나는 플라즈마를 생성하도록 상기 프로세스 챔버의 가스상 매질을 여기시키며, 상기 하나 이상의 자석은, 상기 플라즈마가 상기 플라즈마 처리 공간 내에 그리고 상기 처리면에 걸쳐서 균일한 고밀도 시트로서 구속되고 전파되도록 구성된다.
본 발명의 장치는 1011 cm-3보다 큰 밀도를 가지는 국지화된 선형 플라즈마를 형성 및 구속(즉 성형)할 수 있다. 놀랍게도, 고밀도 플라즈마가, 우선 플라즈마가 생성되고 플라즈마 챔버로부터 인출되지 않고서 이러한 장치의 프로세스 챔버 내에서 생성되고 성형될 수 있다는 것이 발견되었다. 다르게 말하면, 본 발명의 시스템의 플라즈마는 프로세스 챔버의 작동 공간 내에서 생성, 유지, 및 성형되고, 종래 기술의 시스템에서 관찰된 것과 같이 별개의 분리되거나 통합되지 않은 플라즈마 챔버(보통 방전 튜브라고 불림) 내에서 생성된 후에 프로세스 챔버의 작동 공간 내로 인출되지 않는다. 따라서, 플라즈마 소스 중 적어도 일부(즉 안테나 또는 하우징)가 프로세스 챔버의 내장되거나 통합된 요소를 형성하고, 하우징 또는 안테나가 플라즈마 챔버에 의해 둘러싸이거나, 하우징 자체가 플라즈마 챔버의 일부일 필요가 없다.
플라즈마 챔버가 불필요하거나 선형 고밀도 플라즈마 소스의 기본적인 요건이 아닌 것은 기대한 것이 아닌데, 그 이유는 프로세스 챔버 내에서 처리되도록 플라스마가 성형되기 전에 플라스마를 생성하고 보유하기 위해서 플라즈마 챔버(예를 들어, 플라즈마 챔버 내의 방전 튜브를 둘러싸는 코일 안테나 또는 안테나 및 하우징)가 필요했기 때문이다. 이에 반해, 본 발명의 장치는 고밀도 플라즈마를 프로세스 챔버의 가스상 매질 내에서 생성하고 유지한다. 단지 안테나를 프로세스 챔버 내에 수용하거나 밀봉하면 적절하다는 것이 밝혀졌고, 따라서 플라즈마 처리 장치의 설계 요구 사항이 크게 단순화된다.
소스에서 생성된 플라스마를 프로세스 챔버에 걸쳐 선형 플라즈마로 성형하고 전파하여, 프로세스 챔버의 플라즈마 생성 공간을 통과해서 연장되는 단일 소스 또는 단일 길이형 안테나(length of antenna)로부터 유래된 박형 플라즈마의 시트 또는 슬래브를 형성하기 위해서 하나 이상의 자석이 사용된다. 이것은, 많은 안테나 및 자석이 처리면 또는 타겟과 접촉하게 될 수 있는 비포커싱된 플라즈마 클라우드 또는 빔을 생성하도록 배열되는, 종래 기술의 비효율적인 대면적 플라즈마 처리 장치에 반대되는 것이다. 본 발명의 장치의 주된 특징은, 플라즈마가 적절한 레벨에서 자화된다는 것과, 안테나에 의해 인가되는 RF 파워가 다른 플라즈마 생성 시스템 내에서 일반적인 것보다 훨씬 더 큰 공간 범위에 걸쳐서 전파되도록 자기장이 안테나에 상대적으로 배향된다는 것 양자 모두이다. 놀랍게도, 본 발명의 플라즈마는 4.8 가우스까지 내려가는 자기장 세기로 조작할 수 있는데, 이것은 종래 기술의 동작 영역(50-200 가우스)보다 수 십 배 적은 것이다. 플라즈마를 훨씬 낮은 자기장 세기를 사용하여 조작하면, 불리하거나 의도되지 않은 교차 플라즈마 소스 간섭이 없이 단일 프로세스 챔버 내에서 다수의 플라즈마 소스를 조작할 수 있게 되고, 따라서 다중 동시 플라즈마 프로세스들이 동일한 프로세스 챔버 내에서 수행되게 된다.
전술된 내용에 기반하면, 이에 따라서 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 챔버를 포함하지 않는다고 말할 수 있다. 다르게 말하면, 플라즈마는 별개의 플라즈마 챔버 내에서 생성된 원격 플라즈마로서 생성되지 않는다. 이러한 장치는 플라즈마 챔버, 또는 플라즈마 챔버 벽을 제거한다는 이점을 가지고, 이것은 하나의 플라즈마 소스가 큰 동작 폭을 가지는 고밀도 선형 플라즈마를 생성할 수 있다는 것을 의미한다. 예들에서, 플라즈마는 처리 챔버 내의 안테나의 전체 길이에 따라서 생성될 수 있다. 이러한 실례에서, 플라즈마는 하나 이상의 자석에 의해서 성형될 수 있다. 플라즈마의 시트를 생성하는 하나의 플라즈마 소스가 존재하고, 따라서 플라즈마는 하나의 안테나의 전체 길이에 따라서 균일한 밀도를 가진다. 이것은, 대면적 플라즈마 처리를 수행하기 위해서 다수의 튜닝된 안테나 및 자석이 소망되는 종래 기술의 멀티-안테나 유도 커플링된 플라즈마와 반대된다. 또한, 플라즈마 소스는 프로세스 챔버 내에서 더 작은 부피를 차지하도록 엔지니어링될 수 있는데, 그러면 장치 내에서의 처리 공간의 더 효율적인 사용, 및 생성된 플라즈마 시트의 성형/위치설정이 가능해진다.
프로세스 챔버는 하나 이상의 벽, 및 두 벽들 사이에서 프로세스 챔버를 통과하여 연장되는 하우징 및 안테나를 포함할 수 있다. 하우징은 프로세스 챔버의 벽들과 접경하거나 접촉할 수 있다. 프로세스 챔버는 일반적으로 박스형인 구조를 채택한다. 예들에서, 하우징 및 안테나는 프로세스 챔버의 특정 치수에 걸쳐서 연장될 수 있어서(즉 벽에서 벽으로 연장됨), 프로세스 챔버 만큼 넓은 소망되는 폭이 있는 고밀도 플라즈마가 생성될 수 있게 된다. 그러면, 이러한 플라즈마는, 그 전체에 걸쳐서 밀도의 균일성을 가지는 플라즈마의 고밀도 시트를 생성하기 위해서, 안테나의 길이에 직교하는 방향으로 시트로서 성형될 수 있다.
안테나는 RF-송신기일 수 있고, 하우징은 RF 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명하다. 예들에서, 사용 시에, 안테나에는 1MHz 및 1 GHz 사이의 주파수; 1 MHz 및 100MHz 사이의 주파수; 10 MHz 및 40 MHz 사이의 주파수; 또는 약 13.56 MHz 또는 그 배수의 주파수에서 동작하는 무선 주파수 파워 공급 시스템으로부터 파워가 공급될 수 있다. 하우징은, 하우징의 부분 또는 섹션이 RF 방사선의 전파에 대해 불투명해지게 형성될 수 있어서, 플라즈마가 하우징이 투명한 섹션에서만 생성되게 한다. 예들에서, 장치의 하나 이상의 자석을 바라보는 하우징의 단면 측면만이 RF 방사선에 대해 투명하여, RF 방사선이 프로세스 챔버 내에서 플라즈마를 전파하기 위한 소망되는 방향으로만 투과되게 한다.
하우징은 사용 시에 프로세스 챔버에 대한 상이한 압력 또는 분위기에서 유지되는 내부 볼륨을 가질 수 있다. 이러한 실례에서, 하우징은 안테나를 충분히 냉각시켜서 장치의 성능을 개선시킬 수 있는 유체로 충진될 수 있다. 대안적인 실시형태에서, 하우징은 프로세스 챔버의 밖에 있는 분위기에 개방될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 프로세스 챔버 외부로부터의 공기가 냉각을 위해서 하우징을 통과하고 안테나에 걸쳐 통과될 수 있다. 이러한 장치는 안테나를 위한 추가적인 냉각 장비를 요구하지 않으면서 더 높은 파워에서 실행될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 안테나는 또한 보수 또는 교체를 위해서 용이하게 액세스가능하다.
하나 이상의 자석 중 적어도 하나는 프로세스 챔버 내에 배치될 수 있다. 장치의 점유공간을 줄이기 위해서 자석은 프로세스 챔버 내에 위치설정될 수 있다. 더욱이, 자석은 플라즈마 형성을 튜닝하고 지시하도록 프로세스 챔버의 공간 내에서 조작될 수 있다. 따라서, 플라스마는, 프로세스 챔버에 대해 필요에 따라 정확한 형태를 가지도록 생성되고 성형될 수 있다.
안테나 및 하우징의 내벽 사이의 거리는 안테나의 길이에 따라서 일정하지 않을 수도 있다. 다르게 말하면, 안테나는 하우징의 중심을 통과하여 연장되는 직선형 와이어일 필요가 없다. 예를 들어, 와이어는 안테나의 하나의 부분 또는 단부가 안테나의 다른 부분 또는 단부에 비해서 하우징의 내벽에 더 가깝도록, 하우징의 센터라인으로부터 각도 오프셋을 가지고 하우징을 통해 연장될 수 있다. 그러면, 특정 애플리케이션을 위해서 요구된다면 처리 챔버의 특정 부분 내에서의 플라스마 형성이 촉진될 것이다. 와이어의 위치는 고정되지 않을 수 있어서, 만일, 예를 들어 간헐적인 플라즈마 생성이 요구된다면, 와이어가 장치의 동작 중에 하우징의 내벽으로부터 더 멀리 이동될 수 있게 한다. 또한, 안테나는 특정 애플리케이션에 대해서 유용할 수 있는 플라즈마 생성 핫-스폿을 생성하는 하우징의 내부 볼륨을 통과하는 물결모양 경로를 취할 수 있다. 안테나는 나선형으로 권선된 와이어일 수 있다. 권선된 와이어를 공급하면 플라즈마 생성이 개선된다.
이러한 장치는 증착 장치일 수 있고, 프로세스 챔버는 처리면을 포함하며, 플라즈마 시트는 처리면과 대략적으로 평행한 방향으로 자기장에 의해 전파된다.
이제 본 발명의 특정 실시예가 첨부 도면들을 참조하여 예시적으로 기술될 것이다.
도 1은 스퍼터링 장치에서 사용되도록 적용되는 플라즈마 생성 시스템 세로 단면 내에 도시된 바람직한 플라즈마 처리 장치의 개략적인 단면도이다; 그리고
도 2는 도 1의 좌측으로부터 바라본 도 1에 도시되는 개략적인 단면 A-A'이며, 플라즈마 처리 시스템의 일부의 가로 단면을 도시한다; 그리고
도 3은 도 1의 아래에서부터 바라본 도 1에 도시되는 개략적인 단면 B-B'이다.
본 발명 따른 방법, 구조 및 디바이스의 세부 사항이 도면을 참조하여 후속하는 설명으로부터 명백해질 것이다.
플라즈마 처리 장치(1)는 프로세스 챔버(2), 플라즈마 생성 시스템(3), 타겟 어셈블리(4), 기판 어셈블리(5), 연관된 파워 서플라이(7)가 있는 자석(6), 및 공정 가스 공급 시스템(8)을 포함한다.
특정 실시형태에서 프로세스 챔버(2)는 그 가장 단순한 형태에서, 적어도 플라즈마 생성 시스템(3), 타겟 어셈블리(4) 및 기판 어셈블리(5)를 포함하는 실링된 박스이다. 특정 실시형태에서, 플라즈마 생성 시스템(3) 및 기판 어셈블리(5)는 프로세스 챔버(2) 내에서 서로 가깝게 위치된다. 플라즈마 생성 시스템(3) 및 기판 어셈블리(5)가 동일한 챔버 공간 내에 있기 때문에(즉, 플라즈마를 생성하기 위한 별개의 플라즈마 챔버가 아님), 프로세스 챔버(2)는 국지화된 플라즈마 생성 구역(플라즈마 생성 시스템(3)을 포함함), 및 처리 구역(타겟 어셈블리(4) 및/또는 기판 어셈블리(5) 중 적어도 하나를 포함함)로 분할되는 것이라고 말할 수 있다. 특정한 어셈블리 내에서, 프로세스 챔버(2)는 자석(6)을 또한 수용한다.
플라즈마 생성 시스템(3)은 프로세스 챔버(2) 내에서 플라즈마 생성 구역 내에 위치되고, 도 2 및 도 3에 더 상세하게 도시된다. 플라즈마 생성 시스템(3)은 안테나(9), 하우징(10), 및 전자석(11)을 포함한다. 플라즈마 생성 시스템(3)은 임피던스 매칭 네트워크(12), 및 신호 발생기(13)에 연결된다. 플라즈마가 구속된 플라즈마 생성 시스템 내에서 생성된 후 처리 챔버 내로 인출되는 프로세스 챔버의 선행 기술의 예와 반대로, 본 발명의 플라즈마 생성 시스템(3)은 프로세스 챔버(2)의 동일한 공간 내에 존재하고 이러한 공간에 대해 개방되고, 이러한 경우 플라즈마는 타겟 어셈블리(4) 및/또는 기판 어셈블리(5)의 처리 중에 인가될 것이다. 다르게 말하면, 플라즈마는 프로세스 챔버(2)의 분위기 내에서 국지적으로 생성된다.
안테나(9)는 프로세스 챔버(2) 외부의 만곡형 부분(16)에 의해 연결되는 두 직선형 섹션(14, 15) 내에서 프로세스 챔버(2)를 통과해서 연장되는 싱글 루프형(looped) 와이어로서 도시된다. 직선형 섹션(14, 15)은, 안테나(9)의 직선형 섹션(14, 15) 사이의 영역 내에 플라즈마 여기를 유도하도록 프로세스 챔버(2) 내에서 오프셋된다. 안테나(9)는 성형된 금속성 배관(예를 들어 구리 튜브)으로부터 구성되지만, 대안적인 전도성 재료, 예를 들어 황동 또는 알루미늄 또는 그래파이트가 상이한 단면 형상, 예를 들어 막대, 스트립, 와이어 또는 결합된 어셈블리로서 사용될 수도 있다. 특정한 실시형태에서, 안테나(9)는 프로세스 챔버(2) 내에서 RF 주파수를 전달할 수 있도록 선택된다.
하우징(10)은 안테나(9)를 밀봉하고 프로세스 챔버(2)로부터 고립시킨다. 하우징(10)은 내부 공간 또는 내부 볼륨을 형성하는 기다란 튜브를 포함한다. 하우징(10)은, 튜브가 프로세스 챔버(2)의 벽과 연결되도록 벽을 통과해서 연장된다. 하우징(10)에는 하우징(10)의 단부 및 프로세스 챔버(2)의 벽 주위에 있는 적절한 진공 실링이 제공됨으로써, 내부 볼륨이 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 단부들 중 하나 또는 양자 모두에서의 분위기에 대해 개방되게 한다. 진공 실링 및 에어 냉각을 지원하고 획득하기 위한 수단은 명확화를 위하여 도면으로부터 생략된다.
하우징(10)은 안테나(9)로부터 방출되는 방사선 주파수에 대해서 적어도 부분적으로 투명하다. 하우징(10)의 투명도는 프로세스 챔버(2) 내에서 플라즈마가 생성되게 한다.
하우징(10)은, 통상적으로 2 내지 3mm의 벽 두께인 석영 튜브이다. 하우징(10)은, 내부 볼륨이 주변 공기에 대해 개방되도록, 또는 유체 흐름이 내부 볼륨을 통과해서 전달되어 안테나를 냉각하는 것을 돕도록 충분한 두께이다. 그러나, 대안적인 실시형태에서, 하우징(10)의 벽은 더 얇고, 프로세스 챔버(2) 및 하우징(10)의 내부 볼륨 사이의 큰 압력차를 지지할 수 없는 정도일 수 있다. 이러한 대안적인 실시형태에서, 하우징(10)은 프로세스 챔버(2) 내부 그리고 하우징의 내부 볼륨 사이의 압력차를 맞추도록 소개될 필요가 있을 수 있다. 그 안에 안테나(9)가 있는 내부 볼륨을, 프로세스 챔버(2) 내에서 플라즈마를 생성하는 것이 아니라 하우징(10)의 내부 볼륨 내에서의 플라즈마 생성을 억제하기도 하는 압력으로 소개시키기 위해서, 하우징(10)에 진공 펌핑 시스템이 맞춤되거나 부착될 필요가 있을 것이라는 것이 이해될 것이다.
전자석(11)은 안테나(9) 및 하우징(10)에 가까이 위치되고, 연관된 파워 서플라이(11a)에 의해 급전되면 4.8 가우스로부터 500 가우스까지의 축형 자기장 세기를 생성할 수 있다. 전자석(11)은, 플라즈마 생성 시스템(3)에 의해 생성된 플라즈마를 플라즈마 생성 구역으로부터 처리 챔버(2)의 처리 구역으로 그리고 그것을 통과하여 전파하기 위해서, 프로세스 챔버(2) 내에 자기장을 제공한다.
플라즈마 생성 시스템(3)은, 플라즈마 생성 및 전파의 튜닝이 가능해지도록 안테나(9), 하우징(10) 및 전자석(11)을 프로세스 챔버(2) 내에서 지지, 정렬 및 위치설정하기 위한 수단을 더 포함한다. 또한, 임피던스 매칭 네트워크(12), 및 신호 발생기(13)가 더 효율적인 플라즈마 생성을 위해서 특정한 주파수로 급전될 수 있다.
타겟 어셈블리(4)는 처리 챔버(2)의 처리 구역 내에 있고, 냉각수 및 전력을 마운팅 어셈블리(18)에 공급하는 프로세스 챔버 피드스루(feedthrough; 17)를 포함하며, 타겟 어셈블리(4)는 물로 냉각되고 프로세스 챔버(2) 밖에 있는 전력원(19)으로부터 인가된 전압을 가질 수 있다. 타겟 재료(20)는 기판 어셈블리(5)를 바라보는 마운팅 어셈블리(18)의 면에 맞춤되어, 예를 들어 은함유 에폭시(silver loaded epoxy)로의 본딩과 같은 주지의 수단에 의해 양호한 전기적 및 열적 접촉을 보장한다. 또한, 마운팅 어셈블리(18)의 스퍼터링을 방지하기 위하여, 전기적으로 접지된 실드(21)가 이러한 아이템 주위에 제공되어, 타겟 재료(19)만이 플라즈마에 직접적으로 노출되게 한다.
기판 어셈블리(5)는 프로세스 챔버(2) 내에서 코팅될 하나 이상의 기판(들)(22)의 위치를 결정하고 홀딩하기 위한 수단을 본질적으로 제공한다. 기판 어셈블리(5)는 물로 냉각되거나 기판(22)의 온도를 제어하기 위한 히터를 포함할 수 있고, 증착된 박막의 속성을 제어하는 것을 돕도록 인가된 전압을 가질 수 있고, 코팅 두께 균일성을 개선하기 위해서 기판(22)을 회전 및/또는 틸팅하기 위한 수단을 포함하며 그 자체로서 프로세스 챔버(2) 내에서 이동되고/또는 회전될 수 있을 수 있다. 가동 셔터 어셈블리(23)가 제공되어, '닫힌' 포지션에서 타겟 스퍼터링이 기판(22)을 코팅하지 않고 일어날 수 있게 한다. 가동 셔터 어셈블리(23)는, 기판(22)을 코팅하기 위해서 그 아래에서 기판 어셈블리(5)가 병진되는 코팅 애퍼쳐를 형성하는 실드들의 고정된 세트로 대체될 수 있다. 기판 타입 및 재료가 적절하면, 기판 어셈블리(8)는 요구되지 않을 수도 있다.
특정한 실시형태에서, 타겟 어셈블리(4) 및 기판 어셈블리(5)는 프로세스 챔버(2) 내에서 두 평행면들 안에 위치되고 배열된다. 이러한 평면들은 프로세스 챔버(2)를 통과하는 안테나(9) 및 하우징(10)의 연장 방향과 공통적이다.
타겟 어셈블리(4)의 대안적인 실시형태에서는, 타겟 재료(20) 및 마운팅 어셈블리(18)가 원형 또는 대략적으로 원형인, 예를 들어 육각형의 외부 단면을 가지도록 구성되고, 바람직하게는 타겟 재료 또는 어셈블리를 마운팅 어셈블리의 중앙 세로축 중심으로 회전시키기 위한 수단이 있다. 이것은 예를 들어, 스퍼터링될 증가된 표면적을 본질적으로 제공함으로써 타겟 재료(20) 수명을 최대화하기 위해서, 전술된 실시형태의 평면형 기하학적 구조보다 선호될 수 있다. 단일 타겟 재료(20)는 또한 두 개 이상의 상이한 타겟 재료에 의해 대체될 수 있어서, 회전이 적절하게 고속이면, 예를 들어 100 rpm이면, 상이한 개별 재료의 합성물 혼합물, 합금 또는 화합물인 재료의 코팅이 기판(22) 상에 형성될 수 있게 한다. 또는, 상이한 재료가 그들이 스퍼터링될 위치에 순차적으로 및/또는 교대로 위치될 수 있도록 회전이 사용될 수 있어서, 이를 통하여 기판(22) 상으로의 상이한 박막 재료의 순차적인 증착을 위한 기반을 제공한다. 가변 조성 박막 코팅이 실현되게 하기 위해서 증착 중에 코팅 혼합물을 변경하도록, 두 개 이상의 상이한 타겟 재료의 부분적이고 제어된 회전식 위치설정도 사용될 수 있다. 또한, 타겟 어셈블리(4)는 개별 타겟 재료들이 별개로 전기적으로 바이어스되게 하도록 설계될 수 있다; 이것은 타겟 중 하나 이상이 RF 파워 수단에 의해 바이어스는 경우에 특히 유용하고, 프로세스를 오염시킬 수 있는 다른 타겟 재료의 RF 파워 유도식 저강도 플라즈마 생성 및 스퍼터링을 방지하기 위해서 소망된다. 대안적인 배치구성에서, 타겟 어셈블리(4)는 펄스형 DC & DC 바이어스에 의해서 별개로 전기적으로 바이어스될 수 있다.
타겟 어셈블리(4)의 추가적인 대안적 실시형태에서, 타겟 실드(21)는 타겟 재료(20) 및 마운팅 어셈블리(18)의 전체 길이를 커버하도록 연장되고, 플라즈마가 그러한 위치에서만 타겟 재료(20)와 상호작용하고 스퍼터링함으로써 스퍼터링될 타겟 영역을 한정하고 규정하는 애퍼쳐를 포함한다. 이러한 실시형태는, 여러 타겟 재료(20)를 포함하는 타겟 및 전술된 바와 같은 회전 수단과 결합되면 특히 유용한데, 그 이유는 기판에서의 재료들의 교차-오염을 감소시킬 수 있기 때문이다.
자석(6)은 타겟 어셈블리(4) 및 기판 어셈블리(5)에 가깝게 그리고 프로세스 챔버(2)의 처리 구역 내에 배치된다. 자석(6)은 플라즈마 생성 시스템(3)으로부터 멀리 배치되고, 타겟 어셈블리(4) 및 기판 어셈블리(5)에 상대적으로 플라즈마 생성 시스템(3)의 반대편에 배치된다고 말할 수 있다. 자석(6) 및 전자석(11)은 그들의 각각의 파워 서플라이(7 및 11a)에 의해 급전되어, 약 4.8 가우스 내지 500 가우스까지의 세기의 자기장을 그들 사이에 그리고 프로세스 챔버(2)에 걸쳐서 생성할 수 있다.
공정 가스 공급 시스템(8)은 하나 이상의 공정 가스 또는 공정 가스 혼합물을 위한 하나 이상의 가스 입구를 포함하고, 각각의 가스 흐름은, 예를 들어 상업적인 질량 유량 제어기를 사용하여 제어가능하며, 가스 선택적으로 믹싱 매니폴드 및 / 또는 가스 배포 시스템을 진공 챔버 내에 포함한다. 이러한 실시형태에서, 단일 가스 입구가 진공 챔버에 제공되고, 공정 가스 또는 가스들은 그러면 보통의 저압 확산 프로세스 또는 지향된 파이프워크(pipework)에 의해서 프로세스 챔버(2)의 모든 부분으로 배포된다.
설명된 실시형태의 범위 안에는 플라즈마 처리 장치(1)의 용도에 영향을 주지 않을 변경들이 포함된다. 예를 들어, 자석(6) 및 전자석(11)은 플라즈마를 더 양호하게 제어하고 유도하기 위해서 다른 자기적 수단, 예를 들어 추가적인 영구 자석 또는 전자석과 교환되거나, 보충되거나, 심지어는 대체될 수도 있다. 이것은, 예를 들어 강자성 타겟 재료가 스퍼터링되어야 하고 플라즈마가 타겟 어셈블리를 향해서 지향되어 소멸되는 것을 막기 위해서 추가적인 필드 성형이 필요한 경우에 요구될 수 있다. 추가적인 예로서, 비록 플라즈마 처리를 위해 사용되는 거의 모든 RF 파워 시스템이 13.56MHz에서 동작하지만(이것은 산업적인 용도로 할당되고 따라서 다른 무선 주파수 사용자와 간섭을 일으킬 가능성이 적으며 따라서 구현하기가 더 쉬운 주파수임), 대안적인 무선 주파수, 예를 들어 40MHz 또는 13.56MHz의 고조파가 안테나(9)에 급전하거나 타겟 어셈블리(4)를 적절한 RF 차폐 및 억제와 함께 급전하기 위해서 사용될 수 있다.
플라즈마 생성 시스템(3)의 대안적인 실시형태에서, 하우징(10)은 재료들의 어셈블리로부터 구성된다. 하우징(10)은, 예를 들어 2 내지 3mm 두께의 석영이고 다중 권취 안테나(9)를 밀봉하도록 나란히 배치되는 다수의 튜브들을 포함할 수 있다. 하우징(10)은, 간단한 공기 흐름에 의해서 쉽게 냉각될 수 있도록 안테나(9)를 대기압에서 포함하도록 구성될 수 있어서, 플라즈마 생성 시스템(3)이 그렇지 않을 경우보다 높은 RF 파워에서 동작하게 한다.
사용 시에, 플라즈마 처리 장치(1)는 별개의 또는 밀폐된 플라즈마 챔버가 필요 없이 프로세스 챔버(2) 내에 균일한 플라즈마 시트(24)를 생성하고 전파한다. 전술된 예시적인 시스템의 동작의 예가 이제 도 1을 참조하여 설명될 것이다.
RF 안테나(9)가 프로세스 챔버(2) 외부의 임피던스 매칭 네트워크(12) 및 13.56MHz RF 발생기(13)에 연결되고 이들에 의해 급전되며, DC 파워 서플라이(11a)가 500 가우스에 달하는 축방향 자기장 세기를 생성할 수 있는 전자석(11)에 전기적으로 연결된다.
코팅될 기판(22)이 기판 어셈블리(5) 상에 로딩되고, 셔터 어셈블리(23)가 닫힌 포지션으로 설정된다. 그러면, 프로세스 챔버(2)가 펌핑 시스템(25)에 의해서 프로세스를 위해 적합한 진공 압력, 예를 들어 1x10-5 토르 미만으로 펌핑된다. 그러면, 적어도 하나의 공정 가스, 예를 들어 아르곤을 프로세스 챔버 내로 흘려보내기 위해서 공정 가스 공급 시스템(8)이 사용된다. 유량 및 선택적으로 진공 펌핑의 레이트는, 스퍼터링 프로세스를 위한 적절한 동작 압력, 예를 들어 3x10-3 토르를 제공하기 위해서 조절된다. 이제 그들의 각각의 파워 서플라이(7 및 11a)와 함께 자석(6) 및 전자석(11)이 약 100 내지 500 가우스의 세기의 자기장을 그들 사이에 그리고 프로세스 챔버(2)에 걸쳐서 생성하기 위하여 사용된다. 자석 및 전자석의 자기 '극성'은 동일하다(즉 이들은 끌어당긴다).
예를 들어 2kW의 RF 파워를 발생기(13)로부터 매칭 네트워크(12)를 통해 안테나(9)에 인가함으로써, 국지화된 원격 플라즈마(24)가 프로세스 챔버(2) 내에 생성된다. 전술된 바와 같이 생성된 자기장과 조합하여, 그러면 결과적으로 플라즈마 생성 시스템(3)에 의해서 그리고 타겟 어셈블리(4) 아래에 챔버를 통해 생성된 고밀도 플라즈마가 얻어지게 되고, 이것은 도 1 및 도 3에서 대략적으로 영역(24)으로 표시된 바와 같다. 플라즈마(24) 포함하고 성형하는 기능이 자기장에 의해 제공된다. 국지화된 플라즈마(24)는 프로세스 챔버(2) 내에서 안테나(9)및 하우징(10)의 길이를 따라서 생성된다. 자석(6) 및 전자석(11)은 플라즈마(24)와 상호작용하는 챔버를 통해 자기장을 공급한다. 자석(6) 및 전자석(11)은, 플라즈마가 프로세스 챔버(2)를 통해서 안테나(9)의 길이에 상대적으로 직교하는 평면에서 여기되고 전파되도록 배치된다. 플라즈마(24) 전파의 직교 평면은 프로세스 챔버(2) 내의 타겟 어셈블리(4) 및 기판 어셈블리(5)의 두 개의 평행면에 실질적으로 평행하게 진행한다. 또한, 자석(6) 및 전자석(11)에 의해 제공되는 자기장이, 프로세스 챔버(2)를 통한 안테나(9)의 길이에 상대적으로 다른 평면 또는 방향으로의 플라즈마 여기를 한정한다. 다르게 말하면, 자석(6) 및 전자석(11)에 의해 공급되는 자기장이, 플라즈마 챔버가 플라즈마를 보유할 필요가 없이 플라즈마를 제 3의 직교 방향으로 전파시키면서, 두 개의 직교 방향으로의 플라즈마 여기를 한정한다.
그러면, 음의 극성 전압을 타겟 어셈블리(4)에 인가하기 위해서 DC 파워 서플라이(19)가 사용된다. 그러면 결과적으로, 타겟 어셈블리(4) 근방에 있는 플라즈마(24)로부터의 이온이 타겟 재료(20)로 끌려가게 되고, 전압이 타겟 재료(20)에 대한 스퍼터링 임계 값(통상적으로 65 볼트를 넘음)보다 높으면, 타겟 재료(20)의 스퍼터링이 일어나게 될 것이다. 이러한 예시적인 시스템의 스퍼터링 레이트가 이러한 임계 값보다 높은 전압에 거의 비례하기 때문에, 400 볼트 이상의 전압이 보통 인가될 것이다; 매우 높은 레이트의 애플리케이션의 경우, 예를 들어 1200 볼트의 더 높은 전압이 사용될 수도 있다.
타겟 재료(20의 표면이 세척되고 안정화되기 위한 선택적인 시간 지연, 예를 들어 5 분 이후에, 셔터 어셈블리(23)는 개방된 포지션으로 설정되어 타겟 어셈블리를 바라보는 기판(22)의 표면을 스퍼터링된 재료에 노출시킴으로써, 기판 표면을 타겟 재료(20)의 박막으로 코팅한다. 요구된 박막 두께 및 기판(22)의 표면에서의 증착 레이트에 의해 결정된 시간 이후에, 셔터 어셈블리(23)는 닫힌 포지션으로 설정되고 기판(22) 상으로의 증착이 중지된다.
예
플라즈마 생성 시스템(3)을 포함하는 플라즈마 처리 장치(1)는 실질적으로 도 1에 도시되고 전술된 바와 같이 구성되었고, 스퍼터링 타겟, 기판 및 셔터 어셈블리는 생략된다. 안테나(9)의 치수와 균등한 치수의 평면형 영구자석 및 전자석 양자 모두가 프로세스 챔버(2) 내에 설치되었고, 그들의 위치는 후술되는 것처럼 변경된다. 안테나(9)는 6mm 직경 구리 튜브로 구성되었고, 도시된 바와 같은 엔클로저 중심축으로부터 오프셋되고, 하나의 단부에서 6mm 구리 튜브 및 황동 커넥터의 추가적인 섹션과 결합되어 연장된 근사적으로 'U'형인 루프를 형성하는 두 개의 선형 섹션이 관상 하우징(10)을 통과한다. 하우징(10)은, 프로세스 챔버(2)에 걸쳐 그리고 챔버(2)의 벽을 통해 지나가고, 하우징(10) 내부가 냉각 목적을 위한 분위기로 개방되도록 하고 플라즈마를 하우징(10) 내에 생성하는 것을 피하도록 그러한 포인트들에서 진공 실링되는 3mm의 벽 두께의 두 개의 동일한 석영 튜브를 포함했다.
플라즈마 생성 시스템(3)은 아르곤 기초 플라즈마를 프로세스 챔버(2) 내에서 안테나(9) 및 하우징(10)의 길이에 따라 생성했다. 기다란 안테나(9) 및 하우징(10)으로부터 유래된 플라즈마가 이제 기다란 안테나(9) 및 하우징(10)의 길이에 상대적인 하나의 직교 평면에서 균일한 시트(24)로서 유도 및 성형되어, 타겟 재료(20) 및 기판(22) 사이를 완전하게 통과했다. 그러므로, 플라즈마(24)는 전체 타겟 재료 표면(20)을 커버했고, 플라즈마 밀도의 가시적인 손실 또는 비-균일성이 없다. 타겟 재료(20)가 자신에게 인가된 음의 바이어스를 가졌는지 여부와 무관하게, 타겟 재료(20)가 존재하는 것이 플라즈마(24)에 부정적으로 영향을 미치지 않았다는 것에 주의한다. 더욱이, 타겟 어셈블리(4)는(24)에 가까이 배치되었음에도 불구하고, 물을 이용한 냉각이 없이도 크게 발열되지 않았다. 가시적인 플라즈마(24) 프로파일이 기대된 자기장 프로파일을 따랐으며, 자석(6)에까지 다시 좁아지기 전에 전자석(11)으로부터의 중간점에서 프로세스 챔버(2)에서의 양자 모두의 단면 치수들에서 약 60mm만큼 확장되었다는 것이 관찰되었다.
그러므로, 실시형태 또는 대안들에 따라 구축된 장형 플라즈마 생성 시스템(3)은, 단면의 긴 치수가 400mm를 넘고 적어도 125mm의 폭의 유사한 치수의 스퍼터링 타겟의 균일한 스퍼터링을 허용하기에 적합한 균일성을 가지는 1012 cm-3보다 큰 고밀도 플라즈마 시트(24)를 생성했다.
증착 시간이 기판이 코팅 애퍼쳐 아래에서 병진된 시간에 의해 결정되었다는 것을 제외하고는, 스퍼터링 증착 시스템은 실질적으로 전술된 예시적인 설명에 따라 작동되었다. 후속하는 관찰 내용들과 결과가 얻어졌다.
프로세스 조건들은 다음과 같이 설정되었다: 180sccm의 아르곤 가스 흐름, 약 4x10-3 토르의 프로세스 챔버 내에 결과적으로 얻어지는 진공 압력, RF 안테나에 인가된 2.5kW RF 파워 및 약 4.8 가우스인 전자석(11) 축방향 자기장 및 약 10 가우스인 자석(6) 축방향 자기장. 이것은 1012 및 1013 cm-3 사이의 플라즈마 밀도의 존재를 나타내는 특징적인 보라 - 청색 착색(colouration)의 강한 아르곤 플라즈마를 생성했다.
본 발명은 반응성 스퍼터링 프로세스에서도 사용될 수 있는데, 이것은 반응성 가스 또는 증기가 가스 공급 시스템(8)을 통해 도입되어 스퍼터링된 타겟 재료(20) 또는 재료와 반응함으로써 화합물 박막을 기판(21) 상에 증착한다. 예를 들어 산소 가스가 존재할 때 알루미늄 타겟의 스퍼터링에 의해서 알루미나를 증착하거나 산소 가스가 존재할 때 실리콘 타겟의 스퍼터링에 의해서 실리카를 증착하기 위해서, 예를 들어, 이전에 설명된 실시형태 중 임의의 것이 있는 스퍼터링 프로세스 내에 산화물 박막을 증착하기 위하여 산소 가스가 도입될 수 있다.
장형 플라즈마 생성 시스템(3)은 임의의 스퍼터링 타겟에 독립적으로 작동할 수 있어서 추가적인 애플리케이션들이 구현될 수 있게 한다. 따라서, 전술된 장형 플라즈마 생성 시스템(3)은 특수한 유틸리티가 있는 기판 세척, 표면 변경 또는 에칭 툴로서 사용될 수 있고, 이러한 경우 큰 치수의 기판이 높은 쓰루풋 레이트에서, 예를 들어 롤 투 롤("웹") 코팅에서 처리될 것이다.
장형 플라즈마 생성 시스템(3)은, 기화 코팅 프로세스 툴에서 통상적으로 사용되는 것과 같은 다른 코팅 프로세스를 위한 '플라즈마 지원(plasma assist)' 툴로서도 사용될 수 있다.
장형 플라즈마 생성 시스템(3)은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)의 기법에 기반한 코팅 프로세스에도 적용될 수 있다.
개시된 장형 플라즈마 생성 시스템(3)은, 매우 긴 길이 및 폭에 걸쳐서 균일한 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있는 내재적인 능력 때문에 이러한 모든 프로세스에서 특히 유용하고, 따라서 큰 치수의 기판에도 사용될 수 있게 된다.

Claims (11)

  1. 고밀도 플라즈마 처리 장치로서,
    가스상 매질을 포함하는 프로세스 챔버를 포함하고,
    상기 프로세스 챔버는 플라즈마 생성 공간 및 플라즈마 처리 공간인 두 개의 별개 공간으로 분할되며, 상기 프로세스 챔버는,
    길이형 안테나(length of antenna) 및 상기 안테나를 밀봉하는 하우징 - 상기 길이형 안테나 및 상기 하우징 모두는 상기 프로세스 챔버의 플라즈마 생성 공간을 통과하여 연장됨 -;
    상기 프로세스 챔버의 플라즈마 처리 공간 내에 위치된 처리면; 및
    상기 프로세스 챔버 내에 위치된 하나 이상의 자석을 더 포함하고,
    사용 시에, 상기 안테나는 플라즈마를 생성하도록 상기 프로세스 챔버의 가스상 매질을 여기시키며,
    상기 하나 이상의 자석은, 상기 플라즈마가 상기 플라즈마 처리 공간 내에 그리고 상기 처리면에 걸쳐서 균일한 고밀도 시트로서 구속되고 전파되도록 구성되는, 고밀도 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버는 적어도 두 개의 벽을 포함하고,
    상기 하우징은, 상기 적어도 두 개의 벽 사이에서 상기 프로세스 챔버를 통과하여 연장되는 상기 적어도 두 개의 벽 모두에 연결되어, 상기 플라즈마가 상기 프로세스 챔버의 두 개의 벽들 사이의 공간 내에서 균일하게 생성되게 하는, 고밀도 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 안테나는 RF-송신기이고,
    상기 하우징은 RF 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명한, 고밀도 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징은, 사용 시에 상기 프로세스 챔버에 대한 상이한 압력에서 유지되는 내부 볼륨을 가지는, 고밀도 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 프로세스 챔버의 외부의 분위기에 개방되는, 고밀도 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 자석 중 적어도 하나는 상기 프로세스 챔버의 플라즈마 처리 공간 내에 배치되는, 고밀도 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 프로세스 챔버 내에 별개의 플라즈마 챔버를 포함하지 않는, 고밀도 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나는 나선형으로 권선된 와이어인, 고밀도 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 프로세스 챔버의 플라즈마 생성 공간을 통과하여 연장되는 단일 길이 안테나를 포함하는, 고밀도 플라즈마 처리 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징 및 상기 안테나는 선형 플라즈마 소스를 형성하고,
    상기 하우징 및 상기 안테나는 상기 플라즈마 생성 공간 내에 프로세스 챔버의 일부로서 통합되는, 고밀도 플라즈마 처리 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 증착 장치이고,
    상기 처리면은 타겟 및/또는 증착면이며,
    상기 플라즈마 시트는 상기 플라즈마 처리 공간 내에서 상기 타겟 및/또는 상기 처리면과 대략적으로 평행한 방향으로 전파되는, 고밀도 플라즈마 처리 장치.
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