KR20220116247A - 플라즈마를 발생시키는 데 사용하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

플라즈마를 발생시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 길이를 갖는 플라즈마 안테나를 사용하고, 상기 방법은 제 1 위치 및 안테나의 길이를 따르는 방향에서 제 1 위치로부터 이격되어 있는 제 2 위치 모두에서 플라즈마를 발생시키기 위해 RF 주파수 전류로 플라즈마 안테나의 전기 도체를 구동하는 단계를 포함하고, 적어도 하나의 차폐 부재의 결과로서 플라즈마의 발생이 축소되는 제 1 위치와 제 2 위치 사이의 안테나에 인접한 구역이 존재한다.

Description

플라즈마를 발생시키는 데 사용하기 위한 방법 및 장치
본 발명은 플라즈마 발생에 관한 것이다. 특히 -전적인 것은 아님- , 본 발명은 플라즈마를 발생시키는 방법 및 플라즈마를 발생시키는 데 사용하기 위한 장치, 예컨대 플라즈마 안테나, 플라즈마 안테나 조립체 및/또는 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 플라즈마의 사용으로 기판 상에 재료를 증착하는 방법 및 스퍼터 증착을 사용하여 증착된 재료의 층을 포함하는 전자 디바이스에 관한 것이다. 본 발명의 실시예들은 균일한 시트의 고밀도 플라즈마를 발생시키는 것에 관한 것이다.
고밀도 플라즈마는 광범위한 산업 응용 분야에 사용된다. 예를 들어, 이러한 플라즈마는 표면 세정 또는 준비 응용, 에칭 응용, 표면 구조 또는 밀도의 개질, 및 박막의 증착에 사용될 수 있다. 고밀도 플라즈마는 시변 전류로 1 이상의 플라즈마 안테나를 구동함으로써 야기되는 시변 자기장에 의해 유도 결합 플라즈마("ICP")로서 발생되고, 이에 따라 전자기 유도에 의해 플라즈마를 생성할 수 있다.
종래 기술의 소정 장치는 넓은 연속 시트들의 고밀도 플라즈마를 발생시키는 것과 관련이 있다. 이들은 플라즈마를 발생시키기 위해 플라즈마 챔버들과 별개의 플라즈마 소스들을 사용할 수 있다(즉, 원거리 플라즈마 소스들). 이러한 플라즈마 소스의 일 예시는 넓은 작동 플라즈마를 생성하기 위해 많은 안테나를 필요로 하는 다중 루프 안테나 구성(multiple loop antenna arrangement)이다. 하지만, 이러한 멀티-루프 안테나 시스템들에 의해 발생되는 플라즈마의 균일성을 제어하는 것은 플라즈마 균일성을 달성하기 위해 안테나가 정밀한 등가 전력 및 주파수로 튜닝될 필요가 있기 때문에 어려울 수 있다. 또한, 멀티-루프 안테나 구성은 다중 플라즈마들이 발생되기 때문에 많은 양의 전력을 소비한다.
유도 결합 플라즈마는 플라즈마가 안테나 주위에 균일하게 생성되도록 형성될 수 있다. 안테나는 전형적으로 석영관과 같은 하우징에 수용될 것이다. 따라서, 발생되는 플라즈마는 하우징의 벽(들)의 비교적 큰 표면적과 접촉할 수 있으며, 이는 벽에서의 재결합(recombination)으로 인해 높은 손실을 유도한다. 많은 응용들에서, 플라즈마의 실제 상호작용은 단지 (예를 들어, 기판에서의) 별개의 구역들에서만 바람직한 한편, 벽과의 과도한 상호작용은 원치 않는 가열 또는 불순물의 형성을 초래할 수 있다. 플라즈마의 열악한 제어가 열악한 전력 효율을 초래할 수 있다. 그러므로, 플라즈마의 속성들을 최대한 활용하도록 및/또는 개선된 효율로 플라즈마 발생 구역의 지오메트리 및/또는 위치를 더 잘 제어하려는 바람이 존재한다.
US6181069는 챔버를 가로질러 배치되는 선형 플라즈마 안테나를 갖는 플라즈마 챔버를 개시한다. 플라즈마는, 예를 들어 워크피스(workpiece)의 에칭 또는 워크피스 상의 박막 형성에 의해 워크피스를 처리할 목적으로 챔버 내에서 생성된다. US6181069의 일 실시예는 안테나가 석영관에 편심적으로(eccentrically) 장착될 것을 요구하여, 작업장에서의 처리로부터 멀리 떨어진 영역에서 소위 쓸모없는 플라즈마의 생성을 제한하고 플라즈마의 밀도 분포를 그렇게 필요한 곳에서 더 높도록 제어한다. 또한, US6181069는 플라즈마 챔버의 내부에서 플라즈마의 밀도를 제어할 목적으로 다른 형상들의 안테나 및/또는 안테나를 수용하는 상이한 형상들의 석영관, 또는 그 일부를 개시한다. US6181069에서 플라즈마의 효율적인 발생을 위해 채택되는 기술들은 안테나의 형상 및/또는 석영관 하우징의 형상 및/또는 안테나와 석영관 사이의 공간 관계를 변화시키는 것에 의존한다. 추가 효율들이 얻어질 수 있고, 및/또는 관심 구역들에서의 요구되는 밀도들에서 플라즈마의 효율적인 발생이 상이한 기술들을 사용하여 달성될 수 있는 것으로 여겨진다.
본 발명은 앞서 언급된 문제점들 중 1 이상을 완화하기 위한 것이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 본 발명은 플라즈마를 발생시키는 개선된 방법 및/또는 개선된 플라즈마 안테나를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시형태는 플라즈마, 예를 들어 유도 결합 플라즈마의 볼륨을 발생시키기 위한 안테나에 관한 것이다. 플라즈마를 발생시키기 위해 사용되는 안테나는 본 명세서에서 "플라즈마 안테나"라는 용어를 사용하여 언급될 것이다.
플라즈마 안테나는 세장형일 수 있으며, 길이를 갖는 방향으로 연장될 수 있다. 안테나, 또는 그 일부는 길이를 가질 수 있다. 안테나의 길이는 일반적으로 단일 방향으로 연장되는 형상을 가질 수 있다.
안테나의 길이는 제 1 및 제 2 위치들 사이에서, [예를 들어, 일반적으로 직선으로 연장되는] 실질적으로 선형인 방향으로 연장될 수 있다. 플라즈마 안테나는 1 이상의 직선 섹션(straight section)을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 직선 섹션 및 제 2 직선 섹션(이는 선택적으로 제 1 섹션에 평행하거나, 이와 동일한 일반적인 방향으로 연장됨)을 포함하여, 사용 시 제 1 및 제 2 직선 섹션들 사이에 위치되는 플라즈마 발생 구역이 존재하도록 할 수 있다.
안테나는 전기 도체, 예를 들어 구리를 포함한다. 예시들에서, 안테나는 이러한 전기 도체, 예를 들어 어떤 형태의 와이어 또는 튜브인 것으로 간주될 수 있다. 다른 예시들에서, 전기 도체는 다른 재료들을 포함한다. 플라즈마 안테나는 구리 안테나일 수 있다.
플라즈마 안테나는 부분적으로 관형일 수 있으며, 이는 예를 들어 사용 동안 안테나의 냉각을 용이하게 할 수 있다.
플라즈마 안테나는 그 길이를 따라 코일링(coil)될 수 있다. 예를 들어, 안테나는 안테나가 연장되는 방향과 정렬되는 축을 갖는 나선형 코일들을 가질 수 있다. 소정 실시예들에서, 안테나는 나선으로 감긴 와이어이다. 감긴 와이어의 제공은 개선된 플라즈마 발생을 허용한다. 코일링된 안테나의 축은 실질적으로 직선일 수 있으며, 예를 들어 일반적으로 단일 방향으로 연장되는 형상을 갖는다.
일반적으로 선형 경로를 따르거나 직선 축을 갖는 나선 형상을 갖는 대신에, 안테나의 길이(또는 축)는 파상 경로(sinuous path)를 취할 수 있다. 이러한 형상은 플라즈마 발생 핫스폿들의 생성을 허용할 수 있으며, 이는 소정 적용들에 유용할 수 있다.
사용 시, 플라즈마 안테나 또는 그 1 이상의 부분들은 (즉, 전형적으로 무선 주파수 전력의 인가의 결과로서) 기체 매질을 여기시키도록 구성되어, 플라즈마를 발생시키고, 예를 들어 안테나의 길이를 따라 플라즈마를 형성함을 이해할 것이다. 이러한 플라즈마는 예를 들어 안테나가 위치되는 공정 챔버 내에서 발생될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마는 공정 챔버 내의 안테나의 전체 길이를 따라 발생될 수 있다.
예시들에서, 플라즈마는 서로 측방향으로 이격되는(또한, 예를 들어 서로 평행한) 플라즈마 안테나의 적어도 2 개의 길이를 사용하여 발생될 수 있다. 플라즈마 안테나의 두 길이들은 공통 RF 전류 소스에 의해 구동될 수 있고, 및/또는 서로 전기적으로 커플링될 수 있다.
전기 전도성 차폐 부재가 존재할 수 있다. 이러한 차폐 부재는 1 이상의 구역에서 플라즈마의 발생을 제한(예를 들어, 방지)할 수 있다. 플라즈마의 발생이 적어도 하나의 차폐 부재의 결과로서 축소 및/또는 억제되는 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 안테나에 인접한 구역이 있을 수 있다. 이는 플라즈마 이온들의 바람직하지 않은 재결합을 감소시키고, 및/또는 (플라즈마가 제공되는 모든 공정 또는 용도에 대해) 필요한 구역들에 플라즈마를 국한시키는 결과로서 전기 효율을 개선할 수 있다.
안테나의 전기 도체의 적어도 일부에 유전체 재료를 포함하는 커버가 제공될 수 있다. 커버는, 전기 도체의 원치 않는 열화를 야기하여 안테나의 기능적 수명을 감소시킬 수 있는 전기 도체에 인접한 플라즈마 점화를 억제하기 위해 제공된다. 예를 들어, 커버는 플라즈마로부터 전기 도체를 격리할 수 있다. 이러한 커버는 적어도 20 미크론의 평균 두께를 가질 수 있다. 이러한 커버는 적어도 5 W/m.K의 열전도도를 가질 수 있다. 이러한 커버는 50x10-6/K 이하의 열팽창 계수를 가질 수 있다. 열전도도 및 열팽창 계수 값들은, 예를 들어 20 ℃에서의 실온 값들일 수 있다. 커버는 유전체 커버일 수 있다. 커버는 본질적으로 유전체 재료로 이루어질 수 있다. (아래에서 더 상세히 설명되는) 예시들에서, 이러한 커버는 안테나의 전기 도체 상의 코팅의 형태일 수 있다. 1 이상의 간층(interlayer)이 전기 도체와 코팅 사이에 제공될 수 있다. 코팅은 플라즈마 안테나의 사용 동안 전형적인 열 특성 및 온도 프로파일과 호환가능할 수 있다. 코팅의 열팽창 계수는 전기 도체의 열팽창 계수의 50 % 이하일 수 있다. 이러한 커버의 사용은 석영관 하우징에 대한 필요성을 부정할 수 있고, 및/또는 무시할 수 없는 압력에서의 가스의 직접적인 존재 시 안테나의 사용을 용이하게 할 수 있다. 커버의 두께는 2 mm 미만일 수 있다. 커버는, 예를 들어 실리콘 질화물 및 알루미늄 질화물 중 하나 또는 둘 모두와 같은 1 이상의 질화물을 포함하고, 선택적으로는 본질적으로 이들로 이루어질 수 있다. 커버는 적어도 1015 Ωcm의 전기 비저항을 가질 수 있다. 전기 비저항 값은, 예를 들어 20 ℃에서의 실온 값일 수 있다. 커버는 적어도 50 미크론, 선택적으로 적어도 100 미크론, 선택적으로 적어도 200 미크론, 및 선택적으로 적어도 500 미크론의 평균 두께를 가질 수 있다. 커버는 5.0 mm 이하, 선택적으로 4.0 mm 이하, 선택적으로 3.0 mm 이하, 선택적으로 2.0 mm 이하 및 선택적으로 1.0 mm 이하의 평균 두께를 가질 수 있다. 소정 실시예들에서, 커버의 두께는 안테나의 전기 도체를 주위 플라즈마로부터 전기적으로 격리 또는 절연하기에 충분히 높아야 하지만, 커플링 효율의 원치 않게 높은 감소를 야기할 만큼 높지는 않아야 한다.
안테나는 유체-냉각되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 안테나에는 물과 같은 냉각 액체와 같은 냉각 유체의 수용을 위한 루멘(lumen)이 제공될 수 있다.
예시들에서, 커버 또는 그 부분들은 안테나의 전기 도체에 바로 인접하지만 이로부터 이격될 수 있다. 커버는 커버 부재를 포함할 수 있다. 커버 부재의 적어도 일부와 전기 도체의 적어도 일부 사이에 갭이 있을 수 있다. 예시들에서, 갭은 갭 내에서의 플라즈마 점화를 억제하기에 충분히 작다. 갭은 예를 들어 1.0 mm 이하일 수 있다. 1 이상의 스페이서와 같은 구조체가 전기 도체에 대해 커버 부재를 위치시키기 위해 제공되어, 예를 들어 전기 도체에 대한 이격 관계에서 커버 부재를 유지하고, 선택적으로 커버 부재의 적어도 일부와 전기 도체의 일부 사이에 갭을 제공할 수 있다. 구조체는 1 이상의 스페이서를 포함할 수 있다.
커버 부재의 제 1 단부를 넘어 연장되는 안테나의 전기 도체의 제 1 부분이 존재할 수 있다. 그러므로, 전기 도체의 제 1 부분은 커버 부재로 덮이지 않는다. 플라즈마 반응기 내에서 사용되는 이러한 안테나의 구성은, 커버 부재가 제공되는 안테나의 일부가 플라즈마 반응기 내의 주변 조건들에 노출되고 전기 도체의 제 1 부분이 플라즈마 반응기 내의 주변 조건들로부터 격리되도록 이루어질 수 있다. 커버 부재의 제 2 단부를 넘어 연장되는 전기 도체의 제 2 부분이 존재할 수 있다. 그러므로, 전기 도체의 제 2 부분은 커버 부재로 덮이지 않는다. 또한, 전기 도체의 제 2 부분도 플라즈마 반응기 내의 주변 조건들로부터 격리될 수 있다. 예시들에서, 제 1 및/또는 제 2 부분(존재할 때)을 플라즈마 반응기 내의 주변 조건들로부터 격리하는 제 1 파티션(및 선택적으로 제 2 파티션)이 존재한다. 커버 부재와 이러한 제 1 및/또는 제 2 파티션 사이에 갭이 있을 수 있으며, 상기 갭은 상기 갭 내에서의 플라즈마 점화를 억제하기에 충분히 작다.
플라즈마 안테나와 플라즈마의 발생에 영향을 미치는 1 이상의 재료, 디바이스 또는 다른 조치(예를 들어, 플라즈마의 위치, 밀도 및/또는 형상)를 포함하는 안테나 조립체가 제공될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 안테나 조립체는 1 이상의 차폐 부재를 포함할 수 있다. 플라즈마 안테나 조립체는 앞서 논의된 커버와 같은 커버를 포함할 수 있다.
플라즈마 안테나 조립체는 안테나가 위치되는, 예를 들어 튜브인 하우징을 포함할 수 있다. 하우징은 RF 전자기 방사선에 대해 투명하거나 선택적으로는 적어도 부분적으로 투명하여, 하우징 외부에서 플라즈마의 발생과 간섭하지 않도록 할 수 있다. 하우징은 1 이상의 벽을 포함할 수 있다. 이러한 벽들은 석영 재료로 이루어질 수 있다. 예시들에서, 하우징은 석영관이다.
하우징은 하우징의 부분들 또는 섹션들이 RF 방사선의 전송에 불투명하도록 형성될 수 있으며, 따라서 플라즈마는 하우징이 투명한 섹션들에서만 생성된다. 예시들에서, 하우징의 단면측면, 예를 들어 장치의 1 이상의 자석을 향하는 표면만이 RF 방사선에 투명하여, RF 방사선이 플라즈마를 전파하기 위해 (예를 들어, 공정 챔버 내에서) 원하는 방향으로만 전송되도록 한다.
예시들에서, 하우징은 세장형이고, 직선 경로를 따르는 길이를 갖는 적어도 일부분을 갖는다. 안테나는 직선 와이어, 또는 튜브의 적어도 일부분을 포함할 수 있다. 안테나는 하우징의 길이를 따라, 예를 들어 그 중심 또는 중심 축을 통해 연장되도록 하우징 내에 위치될 수 있다. 다른 구성들이 소정 실시예들에서 이점을 가질 수 있다(안테나가 다른 예시들에서 하우징의 중심을 통해 연장되는 직선 와이어일 필요는 없음). 안테나는 예를 들어 하우징의 중심선으로부터 오프셋된 각도로 하우징을 통해 연장되어, 안테나의 한 부분 또는 단부가 안테나의 또 다른 부분 또는 단부에 비해 하우징의 내벽에 더 가깝도록 할 수 있다. 이는 소정 적용예들에서 필요한 경우에 특정 구역들(예를 들어, 처리 챔버의 특정 부분)에서 플라즈마 형성을 촉진할 것이다. 안테나의 위치는 고정되지 않을 수 있다. 예를 들어, 안테나는 예를 들어 간헐적 플라즈마 발생이 필요한 경우, 작동 동안 하우징의 내벽으로부터 더 멀리 이동하도록 구성될 수 있다.
안테나는 그 하우징에 편심적으로 배치되어, 안테나의 길이방향 축이 하우징의 길이방향 축으로부터 이격되도록 할 수 있다. 이러한 구성은 플라즈마가 원하는 위치에서 발생될 것을 보장하는 데 도움이 될 수 있다.
하우징은 2 이상의 세장형 부분들, 예를 들어 튜브들을 포함할 수 있으며, 이는 각각 안테나의 각각의 섹션들(예를 들어, 직선 섹션들)을 둘러싼다.
하우징은 플라즈마 안테나의 적어도 일부 주위에 기밀 구역을 형성할 수 있다.
본 명세서에 설명되는 차폐 부재(들)는 하우징의 외부에 장착되고, 선택적으로 하우징과 접촉할 수 있다.
안테나를 부분적으로 둘러싸도록 배치되는 강자성(ferromagnetic) 또는 페리자성(ferrimagnetic) 재료가 존재하여, 바람직하게는 플라즈마 발생 구역에서 자속 밀도를 증가시킬 수 있다. 이러한 재료의 사용은 1 이상의 구역에서 플라즈마의 발생을 향상시키고, 및/또는 플라즈마를 이러한 구역(들)에 국한시킬 수 있다. 이는 플라즈마 이온들의 바람직하지 않은 재결합을 감소시키고, 및/또는 (플라즈마가 제공되는 모든 공정 또는 용도에 대해) 필요한 구역들에 플라즈마를 국한시키는 결과로서 전기 효율을 개선할 수 있다. 플라즈마 발생 구역에서 자속 밀도를 증가시키기 위해 안테나를 부분적으로 둘러싸도록 배치되는 강자성 또는 페리자성 재료는 본 명세서에서 포커싱 부재(focussing member)라고 칭해질 수 있다.
포커싱 부재는 외부 자기장, 즉 안테나에 의해 발생되지 않은/플라즈마 안테나 조립체 외부에서 발생되는 자기장들로부터 차폐(즉, 차폐를 통해)될 수 있다. 외부 자기장은 플라즈마 안테나로부터 원거리에 있는 위치에 플라즈마를 한정 및/또는 전파하는 플라즈마 발생 장치 내에 위치된 1 이상의 자석(예를 들어, 전자석)으로 인해 포커싱 부재에 존재할 수 있다. 따라서, 포커싱 부재는 1 이상의 자석에 의해 생성되는 자기장으로부터 차폐될 수 있다.
포커싱 부재는 외부 자기장으로부터 완전히 차폐되지 않을 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 1 이상의 자석에 의해 생성된 자기장의 효과는 포커싱 부재에서 측정가능할(즉, 무시할 수 없을) 수 있다. 하지만, 차폐는 포커싱 부재의 강자성 또는 페리자성 재료가 외부 자기장에 의해 포화되지 않도록 자기장의 강도/효과를 감소시킬 수 있고, 이에 따라 플라즈마 발생 구역에서 자속 밀도를 증가시키기 위해 안테나에 의해 발생되는 자기장을 효과적으로 전향(re-direct)할 수 있다.
포커싱 부재는 차폐 재료로 코팅될 수 있다. 차폐 재료는 니켈을 포함할 수 있다. 차폐 재료는 니켈 합금, 예를 들어 Magnetic Shield Corporation, Bensenville, IL, USA에 의한 MuMetal® 합금일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 안테나를 포함하는 하우징의 부분들에 차폐 재료가 제공(예를 들어, 코팅)될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 1 이상의 독립형 차폐 요소가 플라즈마 발생 장치 내의 1 이상의 자석과 포커싱 부재 사이의 구역에 제공될 수 있다.
포커싱 부재의 강자성 또는 페리자성 재료는 페라이트일 수 있다.
하우징은 사용 시 안테나에 의해 발생되는 플라즈마로부터 포커싱 부재를 분리하도록 구성될 수 있다. 포커싱 부재는 안테나와 하우징 내에 제공될 수 있다.
포커싱 부재에 의해 부분적으로 둘러싸이는 안테나의 길이는 하우징의 중심 길이방향 축으로부터 오프셋될 수 있다. 오프셋은 안테나의 길이가 하우징의 길이방향 축보다 플라즈마 발생 구역에 더 가깝게 위치되도록 이루어질 수 있다. 오프셋은 안테나가 하우징의 벽에 근접하여 연장되도록 이루어질 수 있다.
안테나 및 포커싱 부재는 일반적으로 대칭적인 배열, 즉 미러 이미지로 (예를 들어, 하우징 내에서) 플라즈마 발생 구역의 반대편에 배치될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 안테나 조립체는 제 1 포커싱 부재에 의해 부분적으로 둘러싸이는 안테나의 제 1 (예를 들어, 직선/선형) 길이를 포함하는 제 1 섹션, 및 제 2 포커싱 부재에 의해 부분적으로 둘러싸이는 안테나의 제 2 (예를 들어, 직선/선형) 길이를 포함하는 제 2 섹션을 포함할 수 있고, 제 1 섹션은 제 2 섹션으로부터 이격되며, 플라즈마 발생 구역은 제 1 섹션과 제 2 섹션 사이에 있다. 각각의 섹션에서의 안테나의 길이 및 포커싱 부재는 예를 들어 미러 이미지에서 일반적으로 대칭이도록 배치될 수 있다.
실시예들에서, 포커싱 부재는 자기장이 플라즈마 안테나 조립체의 한 측면(lateral side)에서 (다른 측면에 비해) 더 강하도록 자기장을 포커싱하도록/집중시키도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 최대 자속 밀도의 위치는 플라즈마 발생 장치 내의 1 이상의 자석에 의해 플라즈마가 전파되어야 하는 방향으로 시프트될 수 있다.
각각의 포커싱 부재는 안테나의 1 이상의 길이를 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 특히 안테나가 플라즈마 발생 구역 주위에 루핑(looping) 및/또는 루프(예를 들어, 코일 및/또는 나선) 구성을 갖는 실시예들에서, 각각의 포커싱 부재는 안테나의 복수의 길이들을 부분적으로 둘러쌀 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 플라즈마 안테나의 사용으로 발생되는 플라즈마, 예를 들어 유도 결합 플라즈마의 볼륨을 발생시키는 방법에 관한 것이다. 플라즈마 안테나는 본 명세서에서 설명되거나 청구되는 바와 같은 본 발명의 여하한의 일 실시형태에 따른 것일 수 있으며, 가능하게는 이러한 플라즈마 안테나 또는 플라즈마 안테나 조립체와 관련하여 본 명세서에서 언급되는 선택적인 특징들 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
안테나는 RF-트랜스미터일 수 있다. 예시들에서, 안테나에는 1 MHz와 1 GHz 사이의 주파수; 가능하게는 1 MHz와 100 MHz 사이의 주파수; 바람직하게는 10 MHz와 40 MHz 사이의 주파수에서; 및 실시예들에서 대략 13.56 MHz 또는 그 배수들의 주파수에서 작동하는 무선 주파수 전력 공급 시스템으로부터의 전력이 공급된다.
안테나는 상대 투자율이 10보다 크고, 선택적으로는 25보다 크며, 바람직하게는 100보다 큰 주파수에서 구동되도록 배치될 수 있다.
예시들에서, 상기 방법은 플라즈마를 발생시키기 위해 RF 주파수 전류로, 전형적으로 적어도 1 kW, 및 가능하게는 2 kW 이상의 전력에서 안테나를 구동하는 단계를 포함한다.
강자성 또는 페리자성 포커싱 부재를 포함하는 실시예들에서, 안테나는 포커싱 부재 내로의 전력 손실을 감소시키기 위해 13.56 MHz보다 낮은 주파수에서 구동될 수 있다. 예를 들어, 안테나는 1 MHz 내지 10 MHz 범위의 주파수에서 구동될 수 있으며, 예를 들어 주파수는 대략 2 MHz일 수 있다.
플라즈마는 제 1 위치 및 안테나의 길이를 따르는 방향에서 제 1 위치로부터 이격되어 있는 제 2 위치 모두에서 발생될 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 1 이상의 차폐 부재가 제공될 수 있다. 적어도 하나의 차폐 부재의 결과로서 플라즈마의 발생이 제한(및/또는 축소, 및/또는 억제)되는 제 1 위치와 제 2 위치 사이의 안테나에 인접한 구역이 있을 수 있다. 적어도 하나의 차폐 부재는 플라즈마의 발생을 방지할 수 있다.
안테나의 길이를 따르는 위치(이는 앞서 설명된 제 1 위치 및 제 2 위치 중 하나 또는 둘 다일 수 있음)에서 발생된 플라즈마는, 전형적으로 안테나 주위에서 원주방향으로 45 도 이상 연장될 것이다. 발생된 플라즈마는 안테나 주위에서 원주방향으로 90 도보다 더, 180 도보다 더, 가능하게는 300 도보다 더 연장될 수 있다. 제 1 위치 및 제 2 위치 중 하나 또는 둘 모두에서 발생된 플라즈마는 안테나 주위 전체에서 원주방향으로 연장될 수 있다.
안테나의 길이를 따르는 위치(이는 앞서 설명된 제 1 위치 및 제 2 위치 중 하나 또는 둘 다일 수 있음)에서 발생된 플라즈마는 안테나 주위에서 원주방향으로 270 도 미만, 및 선택적으로는 210 도 미만으로 연장될 수 있다. 발생된 플라즈마는 안테나 주위에서 원주방향으로 약 절반 이하로 연장될 수 있다.
안테나 주위의 플라즈마의 원주방향 크기에 대한 제한은 1 이상의 차폐 부재의 결과일 수 있다. 차폐 부재는 안테나의 길이를 따라 적어도 하나의 위치에서 안테나의 축 주위에서 120 도보다 더(선택적으로는 완전히) 연장될 수 있다. 적어도 하나의 차폐 부재는 안테나 주위에서 원주방향으로 300 도보다 크게 플라즈마의 발생을 제한할 수 있다. 차폐 부재는 안테나의 길이를 따라 적어도 하나의 위치에서 안테나의 축 주위에서 240 도 미만(선택적으로는 약 절반 정도)으로 연장될 수 있다.
사용 시, 적어도 하나의 차폐 부재는 안테나의 길이를 따라 적어도 하나의 위치 주위의 모든 원주방향 위치에서 플라즈마의 발생을 제한할 수 있다. 사용 시, 적어도 하나의 차폐 부재는 안테나의 길이를 따라 적어도 하나의 위치에서, 안테나 주위에서 원주방향으로 270 도 미만으로 플라즈마의 발생을 제한할 수 있다.
차폐 부재들의 배치는, 플라즈마가 안테나의 반대편에서 제 1 위치 및 제 2 위치 중 하나 또는 둘 모두에서 생성되고, 적어도 하나의 차폐 부재가 상이한 위치에서(예를 들어, 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서) 그 반대편 모두에서 플라즈마의 발생을 제한하도록 이루어질 수 있다.
차폐 부재들의 배치는, 플라즈마가 제 1 위치 및 제 2 위치 중 하나 또는 둘 모두에서(예를 들어, 안테나 주위에서 원주방향으로 300 도 미만으로 연장되는 섹터에 걸쳐서만) 발생되고, 플라즈마가 발생될 때 적어도 하나의 차폐 부재가 안테나의 길이를 따라 동일한 위치(들) 상의 플라즈마의 발생을 제한하도록 이루어질 수 있다.
차폐 부재는 안테나의 길이를 따르는 방향에서 제 2 위치로부터 제 1 위치의 반대편에 있는 추가 구역에서의 플라즈마의 발생을 제한할 수 있다. 차폐 부재는 안테나의 길이를 따르는 방향에서 제 1 위치로부터 제 2 위치의 반대편에 있는 추가 구역에서의 플라즈마의 발생을 제한할 수 있다.
각각의 차폐 부재는, 예를 들어 250 미만의 낮은 상대 투자율을 가질 수 있다. 이 차폐 부재로부터의 재료는, 예를 들어 250 미만의 낮은 상대 투자율을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 이러한 재료는, 바람직하게는 100 미만, 선택적으로는 25 미만, 및 가능하게는 10 미만인 상대 투자율을 구성할 수 있다.
차폐 부재는 전자기-차폐 전기 전도성 재료를 포함한다.
각각의 차폐 부재는 부분적인 또는 완전한 패러데이 케이지의 형태일 수 있다. 예시들에서, 차폐 부재는 이에 따라 안테나에 의해 생성되는 자기장을 향상시키거나 이와 커플링되지 않는다.
차폐 부재는 비-강자성 재료로부터 만들어질 수 있다. 예시들에서, 차폐 부재는 비-페라이트계 스테인리스 강으로 형성된다.
플라즈마 발생 동안 차폐 부재는 고정된 전위에 유지되며, 예를 들어 접지될 수 있다. 차폐 부재는 낮은 임피던스 경로를 통해 접지에 전기적으로 연결될 수 있다.
적어도 하나의 차폐 부재는 유전체 재료를 포함할 수 있다. 예시들에서, 차폐 부재는 Al2O3(즉, 알루미나)로부터 만들어진다.
앞서 언급된 바와 같이, 안테나의 전기 도체의 적어도 일부는 예를 들어 소정의 바람직한 열 속성들을 갖는 유전체 재료의(또는 이를 포함하는) 커버를 포함하거나 구비할 수 있다. 커버는 선택적으로 앞서 설명된 바와 같이 차폐부로서 작용할 수 있다.
예를 들어, 유전체 재료는 질화물, 예를 들어 실리콘 질화물 및 알루미늄 질화물 중 하나 또는 둘 모두를 포함할 수 있다.
유전체 재료(및/또는 커버)는 적어도 1015 Ωcm의 전기 비저항을 가질 수 있다.
차폐부는 앞서 설명된 것들과 같은 코팅 또는 커버 부재를 포함할 수 있다. 차폐부는 안테나의 전기 도체 상에 형성된 코팅을 포함할 수 있다. 전기 도체와 코팅 사이에 1 이상의 간층이 있을 수 있다. 1 이상의 간층은 전기 도체에 대한 코팅의 부착을 용이하게 하기 위한 접착 층을 포함할 수 있다. 코팅은 적어도 100 미크론의 평균 두께를 가질 수 있다. 코팅은 2.0 mm 미만의 평균 두께를 가질 수 있다. 코팅의 면적의 적어도 95 %가 적어도 100 미크론, 선택적으로는 적어도 200 미크론의 최소 두께를 갖는 것이 바람직하다. 코팅의 면적의 적어도 95 %가 2.0 mm 미만, 가능하게는 1.5 mm 미만의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
코팅의 열팽창 계수는 안테나의 전기 도체의 열팽창 계수의 50 % 이하일 수 있다.
안테나는 사용 동안, 예를 들어 액체 냉각제에 의해 냉각될 수 있다. 플라즈마 안테나는 액체-냉각되도록 구성될 수 있다. 예시들에서, 플라즈마 안테나를 냉각하는 데 사용하기 위한 냉각 액체의 수용을 위한 루멘이 존재한다.
사용 시, 안테나는 자기장을 생성한다. 앞서 언급된 바와 같이, 강자성/페리자성 재료가 안테나를 부분적으로 둘러싸도록 배치되어, 예를 들어 플라즈마 발생 구역에서 자속 밀도를 증가시킬 수 있다. 플라즈마 발생 구역 내의 자기장은 강자성/페리자성 재료를 포함하는 플라즈마 포커싱 부재에 의해 향상 및/또는 포커싱될 수 있다. 이러한 강자성/페리자성 재료는 25보다 큰, 바람직하게는 100보다 큰, 선택적으로는 250보다 큰, 및 가능하게는 500 이상의 상대 투자율(즉, 자유 공간의 투자율에 대한 재료의 투자율의 비)을 가질 수 있다. 재료는 페라이트일 수 있다.
플라즈마 안테나 조립체는 강자성 또는 페리자성 차폐 부재가 안테나의 길이를 완전히 둘러싸는 차폐된 안테나 섹션을 포함할 수 있다. 특히, 포커싱 부재의 강자성 또는 페리자성 재료는 또한 안테나의 길이를 완전히 둘러싸는 차폐 부재로 형성될 수 있다. 강자성 또는 페리자성 차폐 부재는 하우징 내에 제공될 수 있다. 강자성 또는 페리자성 차폐 부재는 강자성 또는 페리자성 포커싱 부재와 통합될 수 있다. 상기 차폐된 안테나 섹션에서, 안테나는 하우징의 중심 길이방향 축과 정렬될 수 있다.
강자성 또는 페리자성 차폐는 플라즈마 발생이 요구되지 않는 안테나의 1 이상의 단부 구역에서 사용될 수 있다. 하우징의 직선 섹션은 일반적으로 크랭크(crank)-형상인 안테나 길이를 포함할 수 있으며, 이에 의해 단부 섹션들에서 안테나는 하우징의 중심 길이방향 축과 정렬되고 차폐를 위한 강자성 또는 페리자성 재료에 의해 완전히 둘러싸이며, 중간 구역에서 안테나는 하우징의 중심 길이방향 축으로부터 오프셋되고 포커싱을 위한 강자성 또는 페리자성 재료에 의해 부분적으로 둘러싸인다.
예시들에서, 고밀도 플라즈마가 생성된다. 따라서, 플라즈마의 적어도 일부 부분들은 1011 cm-3보다 큰 밀도를 가질 수 있다. 1011 cm-3보다 큰 밀도를 갖는 발생된 플라즈마의 부피는 10 cm3보다 클 수 있고, 500 cm3보다 클 수 있다.
상기 방법은 특정 위치 또는 구역으로, 예를 들어 처리 챔버 내의 타겟 상으로, 또는 이를 향해 플라즈마를 한정(예를 들어, 성형) 및/또는 지향하는 단계를 포함할 수 있다. 전기장 및/또는 자기장은 플라즈마를 능동적으로 한정/지향하는 데 사용될 수 있다. 안테나는 1 이상의 차폐 재료/부재 및/또는 필드 포커싱 재료/부재 및/또는 필드 향상 재료/부재를 가질 수 있으며, 이는 사용 시 플라즈마를 한정/지향하도록 작용한다.
예를 들어, 플라즈마 안테나와 별도로 1 이상의 자석이 제공될 수 있다. 이러한 자석(들)은 플라즈마가 안테나의 길이에 대해 직교 방향으로, 예를 들어 공정 챔버를 가로질러 한정 및/또는 전파되도록 구성될 수 있다. 안테나가 적어도 부분적으로 공정 챔버 내에 위치되는 경우에, 1 이상의 자석들 중 하나가 또한 공정 챔버 내에 위치될 수 있다. 자석(들)은 장치의 풋프린트(foot print)를 감소시키기 위해 공정 챔버 내에 위치될 수 있다. 또한, 자석들은 플라즈마 형성을 조정, 포커싱, 한정 및/또는 지향하기 위해 공정 챔버의 공간 내에서 조작될 수 있다. 따라서, 플라즈마는 공정 챔버에 필요한 올바른 형태가 되도록 발생 및 성형/한정될 수 있다.
1 이상의 자석은 안테나에 의해 발생되는 플라즈마를 선형 플라즈마로서, 예를 들어 공정 챔버를 가로질러, 선택적으로 안테나로부터 비롯되는 얇은 플라즈마 시트 또는 슬래브의 형태를 취하도록 한정, 성형 및/또는 전파하는 데 사용될 수 있다. 이는 공정 표면 또는 타겟과 접촉할 수 있는 포커싱되지 않은 플라즈마 구름 또는 빔을 생성하도록 많은 안테나 및 자석들이 배치되는 종래 기술의 비효율적인 대면적 플라즈마 처리 장치와는 대조적이다. 플라즈마는 적절한 레벨에서 자화되고, 자기장은 안테나에 의해 인가되는 RF 전력이 다른 플라즈마 발생 시스템들에서 통상적인 것보다 훨씬 더 큰 공간 범위에 걸쳐 전파되도록 안테나에 대해 방위가 정해질 수 있다. 놀랍게도 본 발명의 실시예들의 플라즈마는, 종래 기술의 작동 구역들(50 내지 200 가우스)보다 자릿수(order of magnitude)가 작은 4.8 가우스만큼 낮은 자기장 강도로 조작될 수 있다는 것을 발견하였다. 훨씬 더 낮은 자기장 강도의 사용에 의한 플라즈마의 조작은 해롭거나 의도하지 않은 교차 플라즈마 소스 간섭 없이 단일 공정 챔버 내에서 다수 플라즈마 소스들의 사용을 허용하여, 동일한 공정 챔버에서 다수의 동시 플라즈마 공정들이 수행되게 한다.
예시들에서, 플라즈마는 1 이상의 자석에 의해 성형된다. 예시들에서, 플라즈마의 시트를 발생시키는 단일 플라즈마 소스가 존재한다. 이러한 경우, 플라즈마는 안테나의 전체 길이를 따라 실질적으로 균일한 밀도를 가질 수 있다. 이는 광역 플라즈마 처리를 수행하기 위해 복동조 안테나(multiple tuned antenna) 및 자석들을 필요로 하는 종래 기술의 멀티-안테나 유도 결합 플라즈마와는 대조적이다.
본 발명의 일 실시형태는, 예를 들어 스퍼터 코팅에 의해 기판 상에 재료를 증착하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 본 명세서에서 설명되거나 청구되는 바와 같은 본 발명의 여하한의 실시형태에 따른 안테나, 가능하게는 이러한 플라즈마 안테나 또는 플라즈마 안테나 조립체와 관련하여 본 명세서에서 언급되는 선택적인 특징들 중 어느 하나를 포함하는 안테나를 사용하여 플라즈마(예를 들어, 유도 결합 플라즈마의 볼륨)를 발생시키는 단계를 포함할 수 있다. 이렇게 발생되는 플라즈마를 사용하여 1 이상의 스퍼터 타겟으로부터 스퍼터링된 재료를 발생시키는 단계가 있을 수 있다. 그 후, 이러한 스퍼터링된 재료는 기판 상에 증착될 수 있다. 플라즈마를 발생시키는 단계는 플라즈마가 1 이상의 스퍼터 타겟으로부터 원거리에서 생성되도록 수행될 수 있다. 기판은 유연한 기판일 수 있다. 상기 방법은 플라즈마의 시트로서 플라즈마를 전파 및/또는 한정하는 단계를 포함할 수 있다. 기판 상에 스퍼터링된 재료를 증착하는 단계는 재료가 증착됨에 따라 제자리에서 형성되는 결정질 재료를 유도할 수 있다.
기판 상에 증착되는 스퍼터링된 재료는 반도성 재료(semiconducting material)를 포함할 수 있다. 상기 방법은 다수 층들을 증착하기 위해 여러 번 수행될 수 있다.
플라즈마를 사용하여 타겟 또는 타겟들로부터 스퍼터링된 재료를 발생시키는 단계는, 예를 들어 전기장 및/또는 자기장의 사용으로, 타겟 상에 플라즈마를 한정 및/또는 지향하는 것을 포함할 수 있다. 플라즈마는 플라즈마의 시트, 예를 들어 기판의 폭을 따르는 방향 및 기판의 길이를 따르는 방향으로 연장되는 시트를 형성하도록 성형 및 한정될 수 있다. 플라즈마는, 예를 들어 적어도 부분적으로 적어도 하나의 차폐 부재의 사용의 결과로서 타겟에서 실질적으로 균일한 밀도를 가질 수 있다.
예시들에서, 플라즈마는 공정 챔버의 작업 공간에서 발생, 유지 및 성형되고, 후속하여 종래 기술의 시스템들에서 볼 수 있는 바와 같이 공정 챔버의 작업 공간 내로 인입되는 분리된, 별개의, 또는 비-통합된 플라즈마 챔버(일반적으로 방전 튜브라고 함)에서 생성되지 않는다. 따라서, 플라즈마 소스의 적어도 일부(예를 들어, 안테나 또는 선택적으로 그 하우징 또는 이의 일부)는 하우징 또는 안테나가 플라즈마 챔버에 의해 둘러싸이거나 하우징 자체가 플라즈마 챔버의 일부일 필요 없이 공정 챔버의 일체형 또는 통합된 요소를 형성할 수 있다. 대조적으로, 본 발명의 소정 예시들은 공정 챔버의 기체 매질에서 고밀도 플라즈마를 발생시키고 유지한다. 소정 예시들에서, 단지 공정 챔버 내에 안테나 자체를 수용하거나 둘러싸는 것이 적절할 수 있고, 따라서 플라즈마 처리 장치의 설계 요건들을 크게 단순화할 수 있다는 것을 발견하였다.
스퍼터 타겟으로부터의 스퍼터 재료를 기판 상으로 스퍼터링하는 스퍼터 코팅 장치가 제공될 수 있으며, 스퍼터 코팅 장치는 본 명세서에서 설명되거나 청구되는 바와 같은 본 발명의 여하한의 실시형태에 따른 안테나, 가능하게는 이러한 플라즈마 안테나 또는 플라즈마 안테나 조립체와 관련하여 본 명세서에서 언급되는 선택적인 특징들 중 어느 하나를 포함하는 안테나를 포함한다. 스퍼터 타겟 및 기판을 수용하도록 배치되는 공정 챔버가 존재할 수 있다. 1 이상의 자석이 1 이상의 스퍼터 타겟 상으로 플라즈마를 한정 및 전파하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 본 명세서에서 설명되거나 청구되는 바와 같은 본 발명의 여하한의 실시형태에 따른 1 이상의 플라즈마 안테나, 가능하게는 이러한 플라즈마 안테나 또는 플라즈마 안테나 조립체와 관련하여 본 명세서에서 언급되는 선택적인 특징들 중 어느 하나를 포함하는 1 이상의 플라즈마 안테나를 포함하는 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
플라즈마 안테나는 유도 결합 플라즈마를 발생시키도록 구성될 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 플라즈마 안테나는 헬리콘 결합 모드(Helicon coupled mode)에서의 작동을 위해 구성될 수 있다. 플라즈마 반응기는 적어도 부분적으로 헬리콘 결합 모드에서 작동하도록 구성될 수 있다. 플라즈마 안테나는 파동-가열된 플라즈마(wave-heated plasma)를 발생시키도록 구성될 수 있다. 본 발명의 일부 실시형태들은 용량성 결합 플라즈마를 발생시키는 것에 관한 적용예를 가질 수 있다.
플라즈마 안테나는 스퍼터 타겟으로부터 원거리에 있는 플라즈마를 생성하도록 구성될 수 있다.
플라즈마 반응기는 공정 챔버를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 본 명세서에서 설명되거나 청구되는 바와 같은 본 발명의 여하한의 실시형태에 따른 플라즈마 안테나, 가능하게는 이러한 플라즈마 안테나 또는 플라즈마 안테나 조립체와 관련하여 본 명세서에서 언급되는 선택적인 특징들 중 어느 하나를 포함하는 플라즈마 안테나의 사용으로 플라즈마를 발생시키기 위해 구성되는 공정 챔버에 관한 것이다.
사용 시, 플라즈마 안테나 또는 1 이상의 그 부분은 기체 매질을 여기시키도록 구성되어, 플라즈마를 발생시킴을 이해할 것이다. 이러한 플라즈마는 예를 들어 안테나의 길이를 따라 공정 챔버 내에서 발생될 수 있다. 예시들에서, 플라즈마는 처리 챔버 내에서 안테나의 전체 길이를 따라 발생될 수 있다. 안테나는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 하우징, 예를 들어 튜브 내에 적어도 부분적으로 수용될 수 있다. 하우징은 챔버의 내부로부터 밀봉될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 본 명세서에서 설명되거나 청구되는 바와 같은 본 발명의 여하한의 실시형태에 따른 1 이상의 플라즈마 안테나, 가능하게는 이러한 플라즈마 안테나 또는 플라즈마 안테나 조립체와 관련하여 본 명세서에서 언급되는 선택적인 특징들 중 어느 하나를 포함하는 1 이상의 플라즈마 안테나를 포함하는 장치, 예를 들어 증착 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 공정 챔버를 포함할 수 있다. 공정 챔버는 공정 표면을 포함할 수 있다. 플라즈마는 일반적으로 공정 표면과 평행한 방향에서 자기장에 의해, 예를 들어 플라즈마의 시트로서 전파 및/또는 한정될 수 있다. 예를 들어, 1 이상의 자석이 플라즈마 소스로부터 원거리에 있는 공정 챔버 내의 위치로 유도 결합 플라즈마를 한정하고 전파하도록 구성될 수 있다.
상기 장치는 안테나에 의해 발생되는 플라즈마로부터 안테나를 분리하도록 배치되는 하우징을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 본 명세서에서 설명되거나 청구되는 바와 같은 본 발명의 여하한의 실시형태에 따른 방법을 사용하여 증착되는 재료 층을 포함하는, 가능하게는 본 명세서에서 언급되는 선택적인 특징들 중 어느 하나를 포함하는 구성요소를 포함하는 전자 디바이스에 관한 것이다. 구성요소는 재료 층이 증착된 기판을 포함할 수 있다.
물론, 본 발명의 일 실시형태와 관련하여 설명된 특징들은 본 발명의 다른 실시형태들로 통합될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 방법은 본 발명의 장치에 관하여 설명되는 여하한의 특징들을 통합할 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
이제 본 발명의 실시예들이 첨부된 개략적인 도면들을 참조하여 단지 예시의 방식으로만 설명될 것이다:
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 발생 장치를 통합하는 스퍼터 증착 시스템의 개략적인 종단면도;
도 2는 도 1의 좌측에서 볼 때 평면 A-A'에 대해 취해진 도 1의 장치의 개략적인 횡단면도;
도 3은 도 1의 저부에서 볼 때 평면 B-B'에 대해 취해진 도 1의 장치의 개략적인 단면도;
도 4 내지 도 6은 각각 도 1의 장치에서 사용하기 위한 상이한 타입들의 플라즈마 안테나를 나타내는 도면;
도 7은 평면 C-C'를 가로질러 취해진 도 6에 나타낸 안테나의 단면도;
도 8은 도 1의 장치에서 사용하기 위한 또 다른 타입의 플라즈마 안테나를 나타내는 도면;
도 9는 평면 D-D'를 가로질러 취해진 도 6에 나타낸 안테나의 단면도;
도 10은 도 1의 장치에서 사용하기 위한 또 다른 타입의 플라즈마 안테나를 나타내는 도면;
도 11은 평면 D-D'를 가로질러 취해진 도 10에 나타낸 안테나의 단면도;
도 12는 평면 E-E'를 가로질러 취해진 도 10에 나타낸 안테나의 단면도;
도 13은 도 1의 장치에서 사용하기 위한 또 다른 타입의 플라즈마 안테나의 단면도;
도 14는 안테나의 전기 도체가 유전체 재료로 코팅되고, 안테나 조립체가 도 1의 장치에 사용하기에 적절한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 안테나 조립체의 일 예시의 단부 단면도;
도 15는 안테나의 전기 도체 주위에 유전체 커버 슬리브가 제공되고, 안테나 조립체가 도 1의 장치에 사용하기에 적절한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 또 다른 플라즈마 안테나 조립체의 일 예시의 단순화된 측단면도; 및
도 16은 도 1의 장치를 사용하여 기판 상에 재료를 증착하는 방법을 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예들의 방법들, 장치, 시스템들, 구조들 및 디바이스들의 세부사항들이 도면들을 참조하여 다음 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 실시예들은 모두 플라즈마 발생과 관련되거나, 이에 관한 것이다.
소정 실시예들은 공정 챔버, 공정 챔버에서 플라즈마의 볼륨을 발생시키도록 구성되는 플라즈마 안테나 조립체, 및 플라즈마 안테나 조립체로부터 원거리에 있는 공정 챔버 내의 위치로 플라즈마를 한정 및/또는 전파하도록 구성되는 1 이상의 자석을 포함하는 플라즈마 반응기에 관한 것이며, 플라즈마 안테나 조립체는: 플라즈마 발생 구역에서 플라즈마를 발생시키기 위해 전류에 의해 구동되도록 배치되는 무선 주파수(RF) 안테나, 플라즈마 발생 구역에서 발생되는 플라즈마로부터 안테나를 분리하도록 배치되는 하우징, 및 안테나의 길이를 부분적으로 둘러싸도록 배치되는 강자성 또는 페리자성 포커싱 부재를 포함한다.
소정 실시예들은 플라즈마 반응기에서 사용하기 위한 플라즈마 안테나 조립체에 관한 것이며, 플라즈마 안테나 조립체는: 플라즈마 발생 구역에서 플라즈마를 발생시키기 위해 전류에 의해 구동되도록 배치되는 무선 주파수(RF) 안테나, 플라즈마 발생 구역에서 발생되는 플라즈마로부터 안테나를 분리하도록 배치되는 하우징, 플라즈마 발생 구역에서 자속 밀도를 증가시키기 위해 안테나의 길이를 부분적으로 둘러싸도록 배치되는 강자성 또는 페리자성 포커싱 부재, 및 플라즈마 안테나 조립체의 외부에서 발생되는 자기장으로부터 포커싱 부재를 차폐하도록 배치되는 차폐부를 포함한다.
소정 실시예들은 길이를 갖는 플라즈마 안테나의 사용으로 플라즈마를 발생시키는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 제 1 위치 및 안테나의 길이를 따르는 방향에서 제 1 위치로부터 이격되어 있는 제 2 위치 모두에서 플라즈마를 발생시키기 위해 RF 주파수 전류로 플라즈마 안테나의 전기 도체를 구동하는 단계를 포함하고, 적어도 하나의 차폐 부재의 결과로서 플라즈마의 발생이 제한 및/또는 축소 및/또는 억제되는 제 1 위치와 제 2 위치 사이의 안테나에 인접한 구역이 존재한다.
소정 실시예들은 안테나 및 하우징을 포함하는 플라즈마 안테나 조립체에 관한 것이며, 안테나는 길이를 갖고, 안테나는 RF 주파수 전류에 의해 전력이 공급될 때, 제 1 위치 및 안테나의 길이를 따르는 방향에서 제 1 위치로부터 이격되어 있는 제 2 위치 모두에서 플라즈마를 발생시키도록 구성되며, 하우징은 적어도 하나의 차폐 부재를 갖고, 이는 사용 시 상기 적어도 하나의 차폐 부재의 결과로서 플라즈마의 발생이 제한 및/또는 축소 및/또는 억제되는 제 1 위치와 제 2 위치 사이의 안테나에 인접한 구역이 존재하도록 배치된다.
소정 실시예들은 RF 전류에 의해 구동될 때 플라즈마를 발생시키기 위한 전기 도체를 포함한 안테나를 포함하는 플라즈마 안테나 조립체에 관한 것이며, 전기 도체의 적어도 일부에는 유전체 재료를 포함하는 커버가 제공되고, 커버는 적어도 20 미크론의 평균 두께, 적어도 5 W/m.K의 열전도도 및 50x10-6/K 이하의 열팽창 계수를 갖는다.
소정 실시예들은 무선 주파수 전류에 의해 구동될 때 플라즈마를 발생시키기 위한 전기 도체를 포함한 RF 안테나를 포함하는 플라즈마 안테나 조립체에 관한 것이며, 전기 도체의 적어도 커버 부분에는 유전체 재료를 포함하는 커버 부재가 제공되고, 커버 부재는 전기 도체와 이격 관계에서 유지되며, 안테나의 전기 도체의 제 1 부분은 커버 부재의 제 1 단부를 넘어 연장된다.
소정 실시예들은 플라즈마 반응기 내의 플라즈마 안테나 구성부에 관한 것이며, 플라즈마 안테나 구성부는 무선 주파수 전류에 의해 구동될 때 플라즈마를 발생시키기 위한 전기 도체를 포함한 안테나를 포함하고, 전기 도체의 적어도 커버 부분에는 유전체 재료를 포함하는 커버 부재가 제공되며, 전기 도체의 제 1 부분은 커버 부재의 제 1 단부를 넘어 연장되고, 커버 부재가 제공되는 전기 도체의 커버 부분은 플라즈마 반응기 내의 주변 조건들에 노출되며, 전기 도체의 제 1 부분은 플라즈마 반응기 내의 주변 조건들로부터 격리된다.
본 발명의 실시예들에서 활용되는 플라즈마 발생 장치(1)가 도 1 내지 도 3에 도시되어 있다.
플라즈마 발생 장치(1)는 공정 챔버(2), 플라즈마 발생 시스템(3), 타겟 조립체(4), 기판 조립체(5), 연계된 전력 공급기(7)를 갖는 자석(6), 및 공정 가스 공급 시스템(8)을 포함한다.
공정 챔버(2)는, 그 가장 단순한 형태로, 적어도 플라즈마 발생 시스템(3), 타겟 조립체(4) 및 기판 조립체(5)를 포함하는 밀봉된 박스이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 발생 시스템(3) 및 기판 조립체(5)는 공정 챔버(2) 내에서 서로 근접하여 위치된다. 플라즈마 발생 시스템(3) 및 기판 조립체(5)가 동일한 챔버 공간에 있기 때문에(즉, 플라즈마를 발생시키기 위한 별도의 플라즈마 챔버가 없음), 공정 챔버(2)는 [플라즈마 발생 시스템(3)을 포함하는] 국부적인 플라즈마 발생 구역 및 [타겟 조립체(4) 및/또는 기판 조립체(5) 중 적어도 하나를 포함하는] 처리 구역으로 분할된다고 할 수 있다. 도 1 내지 도 3에 나타낸 특정 조립체에서, 공정 챔버(2)는 또한 자석(6)을 수용한다.
플라즈마 발생 시스템(3)은 공정 챔버(2)에서 플라즈마 발생 구역 내에 위치되며, 도 2 및 도 3에 더 상세하게 도시되어 있다. 플라즈마 발생 시스템(3)은 안테나(9), 하우징(10), 및 전자석(11)을 포함한다. 플라즈마 발생 시스템(3)은 임피던스 매칭 네트워크(12) 및 신호 발생기(13)에 연결된다. 포함된 플라즈마 발생 시스템들 내에서 플라즈마들이 발생된 후 처리 챔버 내로 인출되는 공정 챔버들의 종래 기술의 예시들과 대조적으로, 본 발명의 플라즈마 발생 시스템(3)은 공정 챔버(2)의 동일한 공간 내에 있고 개방되어 있으며, 여기서 플라즈마는 타겟 조립체(4) 및/또는 기판 조립체(5)의 처리에 적용될 것이다. 다시 말해서, 플라즈마는 공정 챔버(2)의 분위기에서 국부적으로 발생된다.
안테나(9)는 공정 챔버(2)의 외부의 만곡부(16)에 의해 연결되는 2 개의 직선 섹션들(14, 15)에서 공정 챔버(2)를 통해 연장되는 단일 루프 와이어로서 도시된다. 직선 섹션들(14, 15)은 안테나(9)의 직선 섹션들(14, 15) 사이의 구역에서 플라즈마 여기를 유도하기 위해 공정 챔버(2)에서 오프셋된다. 안테나(9)는 성형된 금속 튜빙(예를 들어, 구리관)으로부터 구성되지만, 상이한 단면 형상들, 예를 들어 막대, 스트립, 와이어 또는 조합된 조립체들일 수 있듯이 대안적인 전기 전도성 재료들, 예를 들어 황동 또는 알루미늄 또는 그래파이트가 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 안테나(9)는 공정 챔버(2) 내에 RF 주파수를 전달할 수 있도록 선택된다.
하우징(10)은 안테나(9)를 둘러싸고 공정 챔버(2)로부터 격리한다. 하우징(10)은 정의된 내측 공간 또는 내부 부피를 갖는 세장형 튜브들을 포함한다. 하우징(10)은 공정 챔버(2)를 통해 연장되어, 튜브들이 공정 챔버(2)의 벽들과 연결되도록 한다. 하우징(10)에는 하우징(10)의 단부들 및 공정 챔버(2)의 벽들 주위에 적절한 진공 시일(vacuum seal)들이 제공되어, 내부 부피가 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이 일 단부 또는 양 단부들에서 분위기에 개방되도록 한다. 진공 시일들 및 공기 냉각을 지원하고 달성하는 수단은 명확함을 위해 도면들에서 생략된다.
하우징(10)은 안테나(9)로부터 방출되는 방사선 주파수들에 대해 적어도 부분적으로 투명하다. 하우징(10)의 투명도는 공정 챔버(2) 내에서 플라즈마의 발생을 허용한다.
하우징(10)은, 통상적으로 벽 두께가 2 내지 3 mm인 석영관이다. 하우징(10)은 안테나의 냉각을 돕기 위해 유체 흐름이 내부 부피를 통과할 수 있거나, 또는 내부 부피가 대기에 개방되어 있도록 충분한 두께로 이루어진다. 하지만, 대안적인 실시예에서, 하우징(10)의 벽은 더 얇을 수 있고, 이러한 것으로서 공정 챔버(2)와 하우징(10)의 내부 부피 사이의 상당한 압력 차이를 지지할 수 없다. 이러한 대안적인 실시예에서, 하우징(10)은 공정 챔버(2) 내의 압력과 하우징의 내부 부피 내의 압력의 차이를 균형있게 조정하도록 배기될 필요가 있을 수 있다. 진공 펌핑 시스템이 하우징(10)에 피팅되거나 부착되어, 안테나(9)가 있는 내부 부피를 공정 챔버(2) 내에서 플라즈마를 발생시키기보다는 하우징(10)의 내부 부피 내에서 플라즈마 발생을 억제하는 압력으로 배기할 필요가 있음을 이해할 것이다.
전자석(11)은 안테나(9) 및 하우징(10)에 근접하여 위치되고, 그 연계된 전력 공급기(11a)(예를 들어, DC 전력 공급기)에 의해 전력을 공급받을 때 4.8 가우스에서 최대 500 가우스까지의 축방향 자기장 강도를 생성할 수 있다. 전자석(11)은 플라즈마 발생 시스템(3)에 의해 발생되는 플라즈마를, 플라즈마 발생 구역으로부터 처리 챔버(2)의 처리 구역으로 및 이를 가로질러 연장 또는 이동하도록 전파하거나, 달리 한정 또는 성형하기 위해 공정 챔버(2) 내에 자기장을 제공한다.
또한, 플라즈마 발생 시스템(3)은 플라즈마 발생 및 전파의 튜닝을 가능하게 하도록 공정 챔버(2) 내에 안테나(9), 하우징(10) 및 전자석(11)을 지지하고, 정렬하며, 및 위치시키는 수단을 포함한다. 또한, 임피던스 매칭 네트워크(12) 및 신호 발생기(13)는 더 효율적인 플라즈마 발생을 위해 특정 주파수들로 전력이 공급될 수 있다.
타겟 조립체(4)는 처리 챔버(2)의 처리 구역 내에 있고, 장착 조립체(18)에 냉각수 및 전력을 공급하는 공정 챔버 피드스루(17)를 포함하며, 타겟 조립체(4)는 수냉각될 수 있고, 공정 챔버(2) 외부의 전원(19)으로부터 인가되는 전압을 가질 수 있다. 타겟 재료(20)가 기판 조립체(5)를 향하는 장착 조립체(18)의 면에 피팅되며, 잘 알려진 수단, 예를 들어 은 로딩된 에폭시(silver loaded epoxy)와의 접합에 의해 양호한 전기적 및 열적 접촉을 보장한다. 추가적으로, 장착 조립체(18)의 스퍼터링을 방지하기 위해, 전기적으로 접지되는 차폐부(21)가 이 아이템 주위에 제공되어, 타겟 재료(20)만이 플라즈마에 직접 노출되게 한다.
기판 조립체(5)는 본질적으로 공정 챔버(2) 내에 코팅될 1 이상의 기판(들)(22)을 위치시키고 유지하는 수단을 제공한다. 기판 조립체(5)는 수냉각되거나 기판(22) 온도를 제어하는 가열기들을 포함할 수 있고, 증착된 필름 속성들의 제어를 돕기 위해 인가되는 전압을 가질 수 있으며, 코팅 두께 균일성을 개선하기 위해 기판들(22)을 회전시키고 및/또는 기울이는 수단을 포함할 수 있고, 그 자체로 공정 챔버(2) 내에서 이동 및/또는 회전될 수 있다. '폐쇄된' 위치에서 타겟 스퍼터링이 기판(22)을 코팅하지 않고 일어날 수 있도록 이동가능한 셔터 조립체(23)가 제공된다. 이동가능한 셔터 조립체(23)는 기판 조립체(5)가 병진운동하여 기판들(22)을 코팅하는 코팅 어퍼처(coating aperture)를 정의하는 고정된 차폐부 세트로 대체될 수 있다. 적절한 기판 타입 및 재료에 대해, 기판 조립체(8)가 필요하지 않을 수 있다.
도 1 내지 도 3에 나타낸 장치에서, 타겟 조립체(4) 및 기판 조립체(5)는 공정 챔버(2) 내에서 2 개의 평행한 평면들에 위치되고 배치된다. 이 평면들은 공정 챔버(2)를 통한 안테나(9) 및 하우징(10)의 연장 방향과 공통이다.
타겟 조립체(4)의 대안적인 실시예에서, 단일 타겟 재료(20)는 상이한 개별 재료들의 복합 혼합물, 합금 또는 화합물인 기판(22) 상의 재료의 코팅이 형성될 수 있도록 2 이상의 상이한 타겟 재료들로 대체될 수 있다. 개별 타겟 재료들은 개별적으로 전기적으로 바이어싱될 수 있고; 이는 타겟들 중 1 이상의 RF 전력에 의해 바이어싱되고, RF 전력이 유도하는 낮은 세기의 플라즈마 발생 및 공정을 오염시킬 수 있는 다른 타겟 재료들의 스퍼터링을 방지하는 것이 바람직한 경우에 사용될 수 있다. 대안적인 구성에서, 타겟 조립체(4)는 펄스 DC & DC 바이어스에 의해 개별적으로 전기적으로 바이어싱될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 타겟 재료(20) 및 장착 조립체(18)는 상이한 형상들로 구성될 수 있으며, 선택적으로 예를 들어 본질적으로 스퍼터링될 증가된 표면적을 제공함으로써 타겟 재료 수명을 최대화하기 위해 이동(예를 들어, 회전)되는 1 이상의 타겟을 가질 수 있다.
타겟 조립체(4)의 또 다른 대안적인 실시예에서, 타겟 차폐부(21)는 타겟 재료(20) 및 장착 조립체(18)의 전체 길이를 덮도록 연장되고, 다양한 위치들에서 어퍼처들을 포함하여 플라즈마가 그 위치들에서만 타겟 재료(20)들과 상호작용하고 이를 스퍼터링하게 하며, 이에 의해 스퍼터링될 타겟 구역들을 제한하고 정의한다. 이 실시예는 기판들에서 재료들의 교차-오염을 감소시킬 수 있기 때문에 앞서 설명된 바와 같이 여러 타겟 재료(20)들을 포함하는 타겟과 조합될 때 특히 유용하다.
자석(6)은 타겟 조립체(4) 및 기판 조립체(5)에 근접하여 및 공정 챔버(2)의 처리 구역 내부에 배치된다. 자석(6)은 플라즈마 발생 시스템(3)으로부터 멀리 배치되고, 타겟 조립체(4) 및 기판 조립체(5)에 대해 플라즈마 발생 시스템(3)의 반대편에 배치된다고 할 수 있다. 자석(6) 및 전자석(11)은 그 각각의 전력 공급기들(7 및 11a)에 의해 전력이 공급되어, 이들 사이에서 및 공정 챔버(2)를 가로질러 대략 4.8 가우스로부터 최대 500 가우스까지의 강도의 자기장을 생성할 수 있다.
공정 가스 공급 시스템(8)은 1 이상의 공정 가스(예를 들어, 아르곤) 또는 공정 가스 혼합물을 위한 1 이상의 가스 유입구를 포함하며, 각각의 가스 흐름은 예를 들어 상업용 질량 유동 제어기들을 사용하여, 및 선택적으로 진공 챔버 내에 가스 혼합 매니폴드 및/또는 가스 분배 시스템들을 포함하여 제어가능하다. 단일 가스 유입구가 진공 챔버에 제공되고, 공정 가스 또는 가스들은 정상적인 저압 확산 과정들 또는 지시된 파이프워크(directed pipework)에 의해 공정 챔버(2)의 모든 부분들에 분배된다.
사용 시, 플라즈마 발생 장치(1)는 별도의 또는 에워싸인 플라즈마 챔버를 필요로 하지 않고 공정 챔버(2) 내에서 균일한 플라즈마 시트(24)를 발생시키고 전파한다.
본 발명의 소정 실시예들은, 특히 안테나 및/또는 그 하우징의 구성에 관하여 플라즈마 발생 시스템(3)의 특징들 및 그에 관한 변형예들에 관련된다. 도 4 내지 도 7은 이와 관련하여 일 세트의 실시예들에 관한 것이다.
도 4는 벽 두께 3 mm의 석영관 하우징(110)에 둘러싸인 6 mm 직경 구리관으로 구성되는 플라즈마 안테나(109)를 포함하는 플라즈마 발생 시스템(103)을 나타낸다. 하우징은 하우징(110)의 축의 길이를 따라 서로 이격되어 있는 3 개의 원통형 차폐 부재들(130)에 의해 차폐된다. 각각의 차폐 부재(130)는 하우징(110)의 외경보다 약간 큰 내경을 갖는 스테인리스 강 재료의 원통형 케이지로부터 형성된다. 차폐 부재들(130)은 모두 매우 낮은 임피던스 경로에 걸쳐 접지에 연결됨으로써 전기적으로 접지된다(이는 차폐부가 불량 안테나로서 작용하는 것을 방지함). 사용 시, 각각의 차폐 부재(130)는 안테나에 의해 방출되는 전자기파를 제한/차단하는 전자기 차폐부로서 작용한다. 다양한 전자기장 및 이에 따른 플라즈마는 특정 위치들에 포커싱/집중될 수 있다. 플라즈마가 발생되는 위치(및 발생되지 않는 위치)를 제어할 수 있음에 의해, 플라즈마가 필요한 위치들/구역들에서만 플라즈마를 생성하도록 에너지를 사용함으로써 시스템의 효율이 개선될 수 있다. 도 4에 나타낸 플라즈마 안테나는 (다른 소스들로부터의 자기장/전기장에 대한 어떠한 유의한 영향도 없을 때) 플라즈마(124)가 발생되는 제 1 환형 구역(131) 및 플라즈마(124)가 발생되는 제 2 환형 구역(132) -안테나의 길이(L)를 따르는 방향에서 플라즈마의 제 1 구역의 위치로부터 이격된 위치에 있음- 을 갖는다. 다른 소스들로부터의 자기장/전기장에 대한 어떠한 유의한 영향도 없을 때, 제 1 및 제 2 구역들 각각에서 발생되는 플라즈마는 비교적 균일한 방식으로 안테나 주위에서 원주방향으로(즉, 360 도 모두에서) 연장된다. 다른 실시예들에서, 및/또는 자기장 및 전기장의 다른 소스들의 존재 하에서, 플라즈마는 원주 주위에 불균일하게 분포될 수 있다. 플라즈마는 예를 들어 자기장 및 전기장의 다른 소스들의 효과의 결과로서 원주의 일부 주위에만 효과적으로 분포될 수 있다.
차폐 부재들은 제 1 및 제 2 구역들(131, 132) 사이의 인접한 구역에서 플라즈마의 발생을 방지하는(또는 적어도 제한하는) 것을 포함함을 알 것이다. 다른 2 개의 차폐 부재들은 도 4의 좌측에 하나를 포함하며, 이는 안테나의 길이(L)를 따르는 방향에서 플라즈마의 제 1 구역의 좌측에 있는 구역[즉, 제 2 구역(132)으로부터 제 1 구역(131)의 반대쪽에 있는 구역]에서의 플라즈마의 발생을 제한한다. 도 4의 우측에 차폐 부재가 존재하며, 이는 플라즈마의 제 2 구역(132)의 우측에 있는 구역[즉, 제 1 구역(131)으로부터 제 2 구역(132)의 반대쪽에 있는 구역]에서의 플라즈마의 발생을 제한한다.
전기 전도성인 스테인리스 강의 케이지는 패러데이 케이지로서 작용한다. 사용되는 스테인리스 강은 오스테나이트계 스테인리스 강과 같은 비-페라이트계 스테인리스 강이며, 이는 10 미만의 상대 투자율을 가질 수 있다. 따라서, 전기 전도성 비-페라이트계 재료의 케이지에 의해 형성되는 차폐 부재는 소정 구역들에서 안테나에 의해 생성되는 국부적 자기장을 감소시킬 수 있다.
차폐 부재들이 스테인리스 강으로부터 제조되는 이 실시예에서, 차폐 작용은 RF 파들이 도체 내로 침투할 수 있는 제한된 거리(표피-깊이)의 결과로서 제공될 수 있다. 대부분의 도체들에 대해, 이는 50 ㎛미만이므로 부피가 큰 재료들에 대한 요건 없이 효과적인 차폐가 제공될 수 있다(다이어그램은 비례척으로 도시되지 않음). RF는 일부 에너지가 전도성 재료 내의 와류의 형태로 차폐부에 커플링되도록 할 수 있다. 이는 시스템 효율을 개선하기 위해 달성가능한 곳에서 최소화되어야 한다.
(유도 결합 플라즈마를 이용하는) 본 실시예들의 맥락에서, 용량성 결합(capacitive coupling)은 전형적으로 바람직하지 않은 것으로 간주될 것이며, 따라서 가능하다면 최소화/감소되어야 한다. 하지만, 초기에 플라즈마를 먼저 타격(strike)하기 위해 일부 용량성 결합이 필요할 수 있음이 인식된다. 시스템에서의 용량성 결합은 절연된 표면들의 충전으로 이어질 수 있고, 후속하여 이 표면들의 스퍼터링을 초래할 수 있다. 용량성 방전(capacitive discharge)들이 훨씬 더 작은 이온 밀도들과 연계된다. 방전이 더 조밀해짐에 따라, 자기장은 자유 전하들에 효율적으로 커플링될 수 있고, 그 후 훨씬 더 조밀한 플라즈마를 생성할 수 있으며, 이로 인해 전기장이 플라즈마 볼륨으로 침투하기가 점점 더 어려워진다.
다른 실시예들에서, 차폐는 석영관의 내부에서 구현된다.
도 5는 도 4에 나타낸 것과 유사한 안테나 플라즈마 발생 시스템(203)을 나타낸다. 플라즈마가 발생되는 것을 방지하는 강 차폐 부재(230)를 갖는 석영관 하우징(210)에 둘러싸인 안테나(209)가 존재한다. 이제, 도 4와 비교하여, 도 5의 구성 사이의 주요한 차이들이 설명될 것이다. 안테나 주위에서 원주방향으로 약 180 도 연장되는 스테인리스 강 재료의 하프 실린더로부터 형성되는 단일 차폐 부재(230)가 존재한다. 따라서, 도 5에 나타낸 구성에서, 안테나의 길이를 따라, 플라즈마(224)가 발생되는 제 1 위치(231) 및 플라즈마(224)가 발생되는 이격된 제 2 위치(232)가 존재한다. 두 위치들 모두에서, 플라즈마는 - 다른 소스들로부터의 자기장/전기장에 대한 어떠한 유의한 영향도 없을 때 - 안테나 주위에서 원주방향으로 약 180 도 연장된다. 제 1 위치(231)와 제 2 위치(232) 사이에서 안테나의 길이(L)를 따라, 제 3 위치(233)가 존재하며, 여기서도 플라즈마가 안테나의 약 180 도 주위에서 발생된다. 안테나의 길이(L)를 따라 제 1, 제 2 및 제 3 위치들 각각에서, 안테나 주위에서 다른 180 도 주위에서 플라즈마의 발생을 제한하는 차폐 부재(230)의 부분도 존재한다. 또한, 차폐 부재(및 차폐 부재에 대한 안테나의 반대편에서 플라즈마가 발생되는 구역)는 플라즈마의 제 1 위치(231)의 좌측(도 5에서 볼 때) 및 제 2 위치(232)의 우측으로 연장된다.
도 6은 도 5에 나타낸 것과 유사한 안테나 플라즈마 발생 시스템(303)을 나타낸다. 소정 구역들에서 플라즈마가 발생되는 것을 방지하는 일반적으로 원통형인 강 차폐 부재(330)를 갖는 석영관 하우징(310)에 둘러싸인 안테나(309)가 존재한다. 이제, 도 5와 비교하여, 도 6의 구성 사이의 주요한 차이들이 설명될 것이다. 단일 차폐 부재(330)는 차폐 부재가 하프 실린더 형상의 중간부(336)를 갖도록 컷아웃(cut-out: 335)을 가지며, 이는 각각이 전체 실린더의 형태인 2 개의 단부들(337a,b) 사이에 배치된다. 도 7은 하우징(310) 및 차폐 부재(330)의 중간부(336)에 의해 둘러싸인 안테나(309)의 (평면 C-C'에 대한) 단면을 나타낸다. 중간부(336)는 안테나 주위에서 원주방향으로 약 180 도 연장되는 반면, 2 개의 단부들(337a,b)은 안테나 주위에서 원주방향으로 전체 360 도 연장된다. 따라서, 도 6 및 도 7에 나타낸 구성에서, 안테나의 길이를 따라, 플라즈마(324)가 발생되는 제 1 위치(331) 및 플라즈마가 발생되는 이격된 제 2 위치(332)가 존재한다. 두 위치들 모두에서, 플라즈마는 - 다른 소스들로부터의 자기장/전기장에 대한 어떠한 유의한 영향도 없을 때 - 안테나 주위에서 원주방향으로 180 도 미만 연장된다. 제 1 위치(331)와 제 2 위치(332) 사이에서 안테나의 길이(L)를 따라, 제 3 위치(333)가 존재하며, 여기서도 플라즈마가 안테나 주위에서 부분적으로 발생된다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 플라즈마는 안테나의 대략 90 도 주위에서 원주방향으로 연장되는 공간의 섹터(안테나 축의 중심에서 만나는 점선들에 의해 지정됨) 내에 한정되는 구역에 존재한다. 플라즈마의 질량 중심은 차폐 부재의 외경보다 (반경 방향에서) 안테나 축의 중심으로부터 더 멀리 위치된다.
안테나의 길이(L)를 따라 제 1, 제 2 및 제 3 위치들 각각에서, 안테나 주위에서 약 180 도로 원주방향으로 연장되는 섹터 내에서 플라즈마의 발생을 제한하는 차폐 부재(330)의 부분이 존재한다. 차폐 부재의 좌측 단부(337a)는 제 1 위치(331)의 좌측(도 6에서 볼 때)에 위치되고, 좌측 단부(337a)의 구역에서 플라즈마가 발생되는 것을 방지한다. 유사하게, 차폐 부재의 우측 단부(337b)는 제 2 위치(332)의 우측(도 6에서 볼 때)에 위치되고, 우측 단부(337b)의 구역에서 및 플라즈마가 발생되는 제 2 위치(332)의 우측에 플라즈마가 발생되는 것을 방지한다.
사용 시, 특히 안테나에 의해 발생되는 플라즈마가 플라즈마 안테나로부터 원거리에 있는 특정 원하는 구역에 존재하기를 요구하는 공정에서 사용하기 위해 한정, 지향 또는 달리 조작되어야 하는 경우, 플라즈마의 형상 및 위치에 영향을 미치기 위해 다른 자기장/전기장 소스들이 필요함을 이해할 것이다. 이러한 것으로서, 사용 시, 플라즈마의 형상 및 위치는 불균일할 것이고, 및/또는 첨부된 도면들에 나타낸 것과 상이할 것이다.
다른 실시예들에서, 차폐는 석영관의 내부에서 구현된다.
도 8은 도 4에 나타낸 것과 유사한 플라즈마 발생 시스템(403)을 나타낸다. 안테나의 길이를 따라 이격되어 있는 3 개의 환형 구역들에서 플라즈마가 발생되는 것을 방지하는 3 개의 이격된 차폐 부재들(430)을 갖는 석영관 하우징(410)에 둘러싸인 안테나(409)가 존재한다. 라인 D-D를 따라 취해진 복합 단면도가 도 9에 의해 개략적으로 도시되며, 이는 그 하우징(410)에 의해 둘러싸인 안테나(409)를 나타낸다. 도 9의 하부 절반은 하나의 길이방향 위치에서 차폐 부재(430)의 섹션을 나타내고, 도 9의 상부 절반은 상이한 길이방향 위치에서 발생되는 플라즈마를 나타낸다. 도 4와 비교하여, 도 8의 구성 사이의 주요한 차이는 차폐 부재들(430)이 알루미나와 같은 유전체 재료로부터 제조된다는 것이다. 차폐 부재들의 전체 지오메트리는 도 4의 예시와 유사하지만, 도 8 및 도 9의 차폐 부재들(430)은 안테나로부터 반경방향으로 약간 더 연장됨을 알 것이다. 유전체 차폐 부재들의 사용으로, 유전체 재료에서의 전자기파의 감쇠와 소스로부터의 거리에 따른 전계 강도의 감소의 조합된 효과에 의해 플라즈마의 점화가 억제된다. 도 8 및 도 9에 나타낸 구성에서, (다른 소스들로부터의 자기장/전기장에 대한 어떠한 유의한 영향도 없을 때) 플라즈마(424)가 발생되는 제 1 환형 구역(431) 및 플라즈마(424)가 발생되는 제 2 환형 구역(432) -플라즈마의 제 1 구역의 위치로부터 (안테나의 축을 따라) 이격된 위치에 있음- 이 존재한다. 다른 소스들로부터의 자기장/전기장에 대한 어떠한 유의한 영향도 없을 때, 제 1 및 제 2 구역들(431, 432) 각각에서 발생되는 플라즈마는 비교적 균일한 방식으로 안테나 주위에서 원주방향으로(즉, 360 도 모두에서) 연장된다. 중간 차폐 부재(430)는 제 1 및 제 2 구역들(431, 432) 사이의 제 3 구역(433)에서의 플라즈마의 발생을 제한한다. 도 9로부터, 플라즈마(424)의 질량 중심은 차폐 부재(430)의 외경보다 (반경 방향에서) 안테나 축의 중심에 가까이 위치됨을 알 것이다.
안테나로부터의 거리 증가에 따른 전계 강도의 감쇠가 존재함을 이해할 것이다. 　차폐 부재들이 주로 유전체 재료로부터 제조되는 이 실시예에서, 차폐 재료의 주 기능은 안테나 근처의 공간을 차지하여 플라즈마를 타격할 수 있는 가스가 그 공간 또는 안테나 옆에 존재하지 않도록(불충분하도록) 하고, (안테나로부터 반경 방향으로) 차폐 부재들을 넘어선 가스는 플라즈마 점화가 발생할 가능성보다 낮은 수준으로 전기장 및 자기장이 충분히 감소된 구역에 있도록 하는 것이다. 여하한 손실을 최소화하기 위해, 차폐 부재들에 사용되는 유전체 재료는 바람직하게는 안테나로부터의 전자기파와의 최소 상호작용을 가질 것이다.
도 5 및 도 6에 나타낸 것과 유사한 지오메트리들(및 다른 지오메트리들)은 금속 전기 전도성 차폐 부재들 대신에 유전체 차폐 부재들로 구현될 수 있음을 이해할 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 시스템(503)을 나타낸다. 플라즈마 발생 시스템(503)은 직선 상부 섹션(538A) 및 직선 하부 섹션(538B)을 포함하는 안테나 조립체(538)를 포함한다. 상부 섹션(538A) 및 하부 섹션(538B)의 길이방향 축들은 평행하고, 각각의 섹션(538A, 538B)의 단부들은 정렬된다.
상부 섹션(538A) 및 하부 섹션(538B)은 각각 구리관으로 구성되는 RF 안테나(509)의 길이를 포함한다. 안테나(509)는 나타낸 방식으로 U-형으로 루프되어 있으며, 따라서 상부 섹션(538A) 및 하부 섹션(538B) 모두에 공통이다.
상부 섹션(538A) 및 하부 섹션(538B)은 각각 그 섹션에서 안테나(509)의 길이를 둘러싸는 석영관 하우징(510)을 포함한다. 각각의 섹션(538A, 538B)의 중간 구역에서, 안테나(509)의 길이들은 하우징(510)의 벽에 근접하여 위치되고, 이에 의해 하우징(510)의 길이방향 축으로부터 오프셋된다. 상부 섹션(538A) 및 하부 섹션(538B)은 각각 페라이트 포커싱 부재(540)를 더 포함한다. 또한, 포커싱 부재(540)는 하우징(510) 내에 제공되고, 안테나(509)의 길이를 부분적으로 둘러싼다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 포커싱 부재들(540)은 일반적으로 C-형인 단면을 가지며, 안테나(509)는 C-형의 오목부(recessed part)에 제공된다. 상부 섹션(538A) 내의 포커싱 부재(540) 및 안테나(509)는 하부 섹션(538B) 내의 포커싱 부재(540) 및 안테나(509)에 거울 이미지로 배치되고, 포커싱 부재들(540)의 개방된 측은 각각 일반적으로 안쪽을 향한다.
사용 시, 안테나(509)는 RF 전류에 의해 구동되고, 시변 자기장을 발생시킨다. 자기장은 하우징 외부의 가스를 이온화하고, 유도 결합 플라즈마(524)가 상부 섹션(538A)과 하부 섹션(538B) 사이의 플라즈마 발생 구역(525)에서 발생된다.
포커싱 부재들(540)은 각각 안테나(509)가 하우징(510)의 벽으로부터 차폐되지 않는[즉, 포커싱 부재(540)에 의해 둘러싸이지 않는/포커싱 부재(540)가 개방되는] 각도 구역에서 자속 밀도를 증가시키는 효과를 갖는다. 이에 의해, 포커싱 부재들(540) 모두의 구성은 플라즈마 발생 구역(525)에서 자속 밀도를 증가시키도록 작용한다.
알 수 있는 바와 같이, 상부 섹션(538A)에서 안테나(509)는 하우징(510) 내에서 대략 7 시 위치에 제공되고, 하부 섹션(538B)에서 안테나는 하우징(510) 내에서 대략 11 시 위치에 제공된다. 플라즈마 발생 장치(1)에서의 사용 시, 이는 전자석(11)을 향해 최대 자속 밀도의 구역을 약간 이동시키는 효과가 있다.
또한, 포커싱 부재들(540)은 상부 섹션(538A) 위 및 하부 섹션(538B) 아래의 영역에서 유도되는 자기장을 감소시키는 효과를 가지며, 이에 따라 이 영역들로 더 적은 전력이 손실된다. 이에 의해, 포커싱 부재들(540)은 전체적으로 플라즈마 발생 시스템의 효율을 개선한다. 상기 증가 및 개선은 포커싱 부재들(540)이 부재하는 유사한 안테나 조립체와 비교됨을 이해할 것이다.
포커싱 부재들(540)의 존재를 최대한 활용하기 위하여, 포커싱 부재들(540)의 페라이트 재료는 바람직하게는 외부 자기장[즉, 안테나(509)에 의해 발생되지 않는 자기장]에 의해 포화되지 않아야 한다. 플라즈마 발생 장치(1)에서의 사용 시, 이러한 외부 자기장은 플라즈마(524)를 한정하고 전파하는 전자석(11)에 의해 발생될 수 있다.
따라서, 포커싱 부재들(540)에는 각각 이러한 외부 자기장으로부터 이들을 차폐하기 위한 차폐 요소(542)가 제공된다. 이 실시예에서, 차폐 요소(542)는 포커싱 부재(540)의 외향 표면들 상에 제공되는 니켈 합금 코팅의 형태이다. 사용될 수 있는 예시적인 니켈 함유 재료는 Magnetic Shield Corporation, Bensenville, IL, USA의 MuMetal® 합금이다.
다른 실시예들에서, 대안적인 또는 추가적인 차폐가 제공될 수 있다. 예를 들어, 하우징(510)의 부분들에 차폐 재료가 제공(예를 들어, 코팅)될 수 있고, 및/또는 1 이상의 독립형 차폐 요소가 포커싱 부재와 전자석(11) 사이의 구역에 제공될 수 있다.
상부 섹션(538A) 및 하부 섹션(538B)은, 추가적으로 플라즈마를 발생시킬 필요가 없는 단부 구역들을 갖는다. 단부 구역들에서, 안테나(509)는 하우징(510)의 길이방향 축을 따라 위치된다(즉, 이와 동축이다).
도 12에 나타낸 바와 같이, 포커싱 부재들(540)을 구성하는 것과 동일한 페라이트 재료인 페라이트 재료가 안테나(509)를 완전히 둘러싸는 페라이트 차폐부(546)를 형성하여, 플라즈마 안테나 조립체(538)의 차폐 섹션들을 형성한다. 알 수 있는 바와 같이, 하우징(510) 내의 안테나(509)의 다양한 위치는 상부 섹션(538A) 및 하부 섹션(538B) 각각에서 안테나(509)에 일반적으로 크랭크-형상을 제공한다.
도 13은 앞선 실시예와 유사한 대안적인 실시예를 나타내며, 유사한 참조 번호들이 유사한 부분들을 나타낸다. 이 실시예에서, 안테나(609)는 플라즈마 발생 구역 주위에 두 번 루프된다. 이 실시예에서, 상부 및 하부 섹션들 각각에서의 포커싱 부재들(640)은 안테나(609)의 두 길이들을 부분적으로 둘러싼다. 안테나(609)의 길이들은 하우징(610)의 벽과 하우징(610)의 길이방향 축 사이에서 하나가 다른 하나 뒤에 위치된다. 각각의 포커싱 부재(640) 내의 오목부는 이에 의해 더 깊지만, 앞선 실시예에서와 동일한 폭을 갖는다. 대안적인 실시예들에서, 안테나의 길이들은 하우징 내에서 상이하게 위치된다. 예시적인 대안적인 실시예에서, 안테나의 길이들은 둘 다 하우징의 벽에 근접하여 위치된다. 각각의 포커싱 부재 내의 오목부는 이에 의해 앞선 실시예보다 더 얕고 더 넓다.
플라즈마 발생 시스템들에서 사용되는 전형적인 RF 전류는 13.56 MHz의 주파수를 갖는다. 1 이상의 페라이트 포커싱 부재를 포함하는 플라즈마 안테나 조립체가 사용되는 경우, 페라이트 자체에 대한 전력 손실을 감소시키기 위해 대략 2 MHz의 더 낮은 주파수를 사용하는 것이 유익할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 안테나 조립체의 일 예시의 단부 단면을 나타낸다. 플라즈마 안테나 조립체는 일반적으로 참조 번호 1201로 표시되고, 구리 코일의 형태로 전기 도체(1203)를 포함하는 안테나(1202)를 포함한다. 실리콘 질화물의 코팅 형태의 커버(1204)가 전기 도체(1203) 상에 제공된다. 안테나(1202)에는 냉각 유체(1206), 이 경우에는 물의 통과를 위한 루멘(1205)이 제공된다. 코팅은 약 2 mm 두께이다.
도 14의 구성은 유전체 재료(실리콘 질화물)의 코팅이 안테나의 전기 도체(1203)를 주위 플라즈마로부터 격리한다는 점에서 유리하다. 더욱이, 실리콘 질화물 코팅의 사용은 코팅의 원치 않는 크래킹을 유도할 수 있는 코팅 전반에 걸친 온도 기울기의 발달을 억제한다. 이러한 온도 기울기의 형성은 더 높은 RF 전력에서 발생하는 경향이 있다. 이와 관련하여, 실리콘 질화물은 높은 열전도도(약 20 W/m.K) 및 낮은 열팽창 계수(약 3x10-6/K)를 갖는다.
당업자라면, 다른 코팅 재료들이 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들어, 약 140 내지 180 W/m.K의 열전도도 및 약 4.5x10-6/K의 열팽창 계수를 갖는 알루미늄 질화물이 사용될 수 있다.
코팅 재료는 바람직하게는 약 5 kV의 전압 강하를 견딜 수 있도록 절연 파괴 강도를 가져야 한다.
당업자라면, 도 14의 플라즈마 안테나 조립체가 본 발명의 다른 실시형태들과 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들어, 도 14의 플라즈마 안테나 조립체는 플라즈마의 발생을 포커싱하기 위해 도 11에 나타낸 바와 같이 페라이트 재료와 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 도 14의 플라즈마 안테나 조립체는 도 4, 도 5, 도 6 및 도 8을 참조하여 앞서 설명된 바와 같은 차폐부들과 조합하여 사용될 수 있다.
도 14는 적절한 재료로 전기 도체를 코팅함으로써 안테나에 커버가 제공될 수 있는 방식을 보여준다. 또한, 대안적인 커버, 예를 들어 슬리브와 같은 유전체 커버 부재의 형태로 커버를 제공하는 것이 가능하다. 이와 관련하여, 도 15는 본 발명에 따른 플라즈마 안테나 조립체의 일 예시의 개략적인 측단면도를 나타낸다. 플라즈마 안테나 조립체는 일반적으로 참조 번호 1101로 표시되고, 구리 코일의 형태로 전기 도체(1103)를 포함하는 안테나(1102)를 포함한다. 플라즈마 안테나 조립체는 플라즈마(1107)에 위치된다. 원통형 슬리브 형태의 커버 부재(1104)가 전기 도체(1103)의 중심부(1111)에 걸쳐 제공된다. 커버(1104)는 제 1 단부 스페이서(1109) 및 제 2 단부 스페이서(1110)에 의해 전기 도체(1103)와 잘 정의된 공간 관계로 유지되고, 스페이서들(1109, 1110)은 전기 도체(1103)와 커버(1104) 사이에 중심 갭(1108)이 존재할 것을 보장한다. 중심 갭(1108)은 단면에서 환형이고, 커버(1104)와 전기 도체(1103) 사이의 치수가 약 1 mm이다. 제 1(1109) 및 제 2(1110) 단부 스페이서들은 전기 도체(1103)의 중심 커버 부분을 플라즈마로부터 밀봉하지 않는다. 그러므로, 플라즈마는 전기 도체(1103)와 접촉한다. 하지만, 중심 갭(1108)은 중심 갭(1108)에서의 플라즈마 점화를 방지하기 위해 암흑 공간 차폐(dark space shielding)를 보장하기에 충분히 작다. 덮이지 않은 제 1(1116) 및 제 2(1117) 부분들이 전기 도체(1103)의 중심 커버 부분(1111)으로부터 연장된다.
플라즈마 안테나 조립체(1101)는 덮이지 않은 제 1(1116) 및 제 2(1117) 부분들이 각각의 제 1(1114) 및 제 2(1115) 파티션을 통해 각각의 비-플라즈마 분위기들(1120, 1121)로 연장되는 플라즈마 안테나 구성으로 통합된다. 안테나의 두 단부들이 비-플라즈마 분위기들(1120, 1121)에서 플라즈마에 노출되지 않기 때문에, 이 단부들은 유전체 커버에 의해 덮일 필요가 없다. 전기적 접촉들이 안테나 구성의 제 1(1116) 및 제 2(1117) 부분들과 이루어질 수 있다.
유전체 커버(1104)의 각 단부들과 제 1(1114) 및 제 2(1115) 파티션들 사이에 작은 갭들, 제 1 단부 갭(1112) 및 제 2 단부 갭(1113)이 존재한다. 이 제 1(1112) 및 제 2(1113) 단부 갭들은 제 1(1112) 및 제 2(1113) 단부 갭들에서의 플라즈마 점화를 방지하기 위해 암흑 공간 차폐를 보장하기에 충분히 작다.
안테나(1102)에는 물과 같은 냉각 유체(도시되지 않음)의 수용을 위한 루멘(도시되지 않음)이 제공된다.
유전체 커버(1104)는 실리콘 질화물로부터 형성되지만, 당업자라면 여하한의 적절한 유전체 재료가 사용될 수 있음을 인식할 것이다.
커버(1104)를 형성하는 재료는 바람직하게는 약 5 kV의 전압 강하를 견딜 수 있도록 충분히 높은 절연 파괴 강도를 가져야 한다.
당업자라면, 도 14 및 도 15에 나타낸 다양한 특징들의 치수들은 비례척이 아니고, 개별적인 특징들이 도면들에서 보일 수 있도록 도시됨을 인식할 것이다. 예를 들어, 루멘의 직경은 전형적으로 10 mm이고, 코팅의 두께는 전형적으로 1 내지 2 mm이다.
도 15의 구성은, 유전체 커버(1104)가 안테나의 전기 도체와 플라즈마 사이의 접촉을 방지하지 않지만, 유전체 커버(1104)와 안테나의 전기 도체(1103) 사이의 갭이 충분히 작아서 안테나의 전기 도체에 인접하여 플라즈마의 점화가 일어나지 않는다는 점에서 유리하다. 더욱이, 도 15의 구성은 석영관 내에 플라즈마 안테나를 포함하는 알려진 구성보다 거의 틀림없이 더 간단하다.
당업자라면, 도 15의 플라즈마 안테나 조립체가 본 발명의 다른 실시형태들과 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들어, 도 15의 플라즈마 안테나 조립체는 플라즈마의 발생을 포커싱하기 위해 도 11에 나타낸 바와 같이 페라이트 재료와 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 도 15의 플라즈마 안테나 조립체는 도 4, 도 5, 도 6 및 도 8을 참조하여 앞서 설명된 바와 같은 차폐부들과 조합하여 사용될 수 있다.
예시되지 않은 실시예가 도 6, 도 11 및 도 14의 특징들을 조합하고, 따라서 수냉식 구리관 유전체-코팅 안테나를 제공하며, 플라즈마의 페라이트-기반 포커싱이 하프-실린더 스테인리스 강 차폐 부재와 함께 플라즈마가 원하는 위치에서 안테나의 한 측에 있는 볼륨으로 효율적으로 생성되도록 하고, 이는 바람직하지 않은 재결합 또는 커플링 효과들을 통한 플라즈마의 손실을 감소시키면서 플라즈마가 처리에 사용될 수 있게 한다.
이제, 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터 증착의 방법(1000)이 도 1 내지 도 3 및 도 16을 참조하여 설명된다. 안테나는 본 명세서에서 설명된 실시예들 중 어느 하나에 따른 형태를 가질 수 있다.
개요에 의하면, 플라즈마의 고밀도 시트가 공정 챔버에서 생성되는 자기장 내의 플라즈마 안테나에 의해 발생된다. 플라즈마는 타겟으로부터 기판 상으로 스퍼터링될 재료의 타겟과 상호작용한다. 도 1 내지 도 3의 플라즈마 발생 시스템은 비교적 긴 길이 및 폭에 걸쳐 균일한 고밀도 플라즈마가 발생될 것을 요구하는 적용예들에서 특별한 효용이 있을 수 있으며, 이에 의해 큰 치수의 기판들과의 이러한 플라즈마의 효율적이고 효과적인 사용을 허용한다.
초기 단계(1001)로서, 코팅될 기판은 기판 조립체 상에 로딩된다.
공정 가스, 예를 들어 아르곤이 스퍼터 공정을 위해 공정 챔버(2) 내의 적절한 작동 압력, 예를 들어 3x10-3 Torr을 유지하면서 공정 챔버 내로 도입된다(1002). 자석(6) 및 전자석(11)은 이들 사이에서 및 공정 챔버(2)를 가로질러 대략 100 내지 500 가우스의 강도의 자기장을 생성한다. 자석과 전자석의 자기적 '극성'은 동일하다(즉, 이들은 끌어당긴다).
플라즈마 안테나는 안테나의 길이를 따라 선택된 구역들에서 발생시키도록 13.56 MHz RF 전류의 2 kW 공급에 의해 구동되어, 원거리 고밀도 플라즈마(24) - 예를 들어, 1012 cm-3보다 큰 전자 밀도 - 의 1 이상의 국부적인 구역을 형성한다(단계 1003). 플라즈마의 이러한 구역(들)의 형상(들)은 자기장에 의해 제약을 받아, 예를 들어 플라즈마의 시트를 형성하고(400 mm를 초과하는 긴 단면 치수를 가짐), 2 개의 직교 방향으로 플라즈마가 여기되고 제 3 직교 방향으로 플라즈마가 전파되며, 모두 플라즈마를 포함하는 플라즈마 챔버가 필요하지 않다.
DC 전력 공급기(19)는 플라즈마(24)로부터의 이온들이 타겟 재료(20)의 스퍼터링을 야기하도록 타겟 조립체(4)에 음의 극성 전압을 인가한다(단계 1004). 스퍼터율은 스퍼터링을 개시하는 데 필요한 전압 위로 인가되는 전압에 거의 비례할 수 있다. 400 볼트 이상의 전압이 인가될 수 있고; 매우 높은 비율의 적용들을 위해 더 높은 전압, 예를 들어 1200 볼트가 사용될 수 있다.
타겟 재료(20)의 표면이 세정 및 안정되게 하기 위한 선택적인 시간 지연 후에, 타겟들로부터 스퍼터링된 재료가 기판 상에 증착되고, 따라서 타겟 재료(20)의 박막으로 기판 표면들을 코팅한다(단계 1005) - 선택적으로, 셔터 시스템을 사용하여 재료가 기판 상에 스퍼터링되는 시기와 위치를 제어한다.
본 발명은 특정 실시예들에 관하여 설명되고 예시되었지만, 당업자라면 본 발명이 본 명세서에서 구체적으로 예시되지 않은 많은 상이한 변형예들에 적합함을 이해할 것이다. 이제, 단지 예시의 방식으로만, 소정의 가능한 변형예들이 설명될 것이다.
자기장이 발생되는 방식이 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 3의 자석(6) 및 전자석(11)은 플라즈마를 상이하게 제어하고 안내하기 위해 다른 자석 구성들, 예를 들어 추가적인 영구 자석 또는 전자석으로 교환, 보충 또는 심지어 대체될 수 있다. 이는, 예를 들어 강자성 타겟 재료가 스퍼터링되어야 하고, 플라즈마가 타겟 조립체로 향하게 되어 소멸되는 것을 방지하기 위해 추가적인 필드 성형(field shaping)이 필요한 경우에 요구될 수 있다.
플라즈마 처리에 사용되는 대부분의 RF 전력 시스템들은 13.56 MHz- 이는 산업용으로 할당된 주파수이고, 이에 의해 다른 무선 주파수 사용자들과 간섭을 야기하는 경향이 적고, 구현하기가 더 간단함 -에서 작동하지만, 대안적인 무선 주파수들, 예를 들어 40 MHz 또는 13.56 MHz의 고조파들이 실시예들의 안테나에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다.
안테나는 안테나의 축이 하우징의 축으로부터 이격되도록 그 하우징에 편심적으로 장착될 수 있다. 이러한 구성은 더 큰 밀도의 플라즈마가 안테나 축 주위의 특정 원주방향 구역에서 발생되도록 촉진할 수 있다.
소정 실시예들에서, 플라즈마 안테나를 위한 하우징은 재료들의 조립체로부터 구성될 수 있다. 하우징은 예를 들어 멀티턴(multi-turn) 안테나를 둘러싸기 위해 나란히 배치되는, 예를 들어 2 내지 3 mm 두께 석영의 다수 튜브들을 포함할 수 있다. 하우징은 대기압에서 안테나를 포함하도록 구성될 수 있다. 안테나는 예를 들어 간단한 공기 흐름을 사용하여 냉각될 수 있으며, 이에 의해 플라즈마 발생 시스템이 다른 경우보다 더 높은 RF 전력에서 작동하게 한다.
일부 실시예들에서의 안테나는 직선(즉, 선형)인 안테나의 길이들을 갖고, 가능하게는 1 이상의 곡선 부분에 의해 접합된다. 다른 실시예들에서, 안테나의 1 이상의 코일링된 길이(예를 들어, 나선형 코일)가 존재할 수 있다. 코일링된 길이들은 원통형 하우징(튜브)의 일부분의 직선 길이 내에 유지될 수 있다.
차폐는 본 명세서에서 플라즈마의 발생을 제한하는 것으로서 기재되고; 제한한다, 제한되는 등의 단어는 앞선 설명에서 축소한다, 축소되는 등의 단어로 대체될 수 있다. 대안적으로, 제한한다, 제한되는 등의 단어는 앞선 설명에서 억제한다, 억제되는 등의 단어로 대체될 수 있다.
도 4 내지 도 9에 나타낸 차폐는 원하는 적용의 특정 요건들에 따라 상이하게 성형될 수 있다.
충분히 잘 접지되어 있는 고체 전도성 재료가 차폐부로서 기능할 수 있다.
또한, 상기 장치는 반응성 스퍼터 공정, 즉 반응성 가스 또는 증기가 가스 공급 시스템을 통해 도입되어 스퍼터링된 타겟 재료 또는 재료들과 반응하고, 이에 의해 기판 상에 화합물 박막을 증착시키는 공정에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 산소 가스가 스퍼터 공정으로 도입되어 산화물 박막을 증착하고, 예를 들어 산소 가스의 존재 하에 실리콘 타겟의 스퍼터링에 의해 실리카를, 또는 산소 가스의 존재 하에 알루미늄 타겟의 스퍼터링에 의해 알루미나를 증착할 수 있다.
플라즈마 발생 시스템은 여하한의 스퍼터 타겟과 독립적으로 작동하여, 예를 들어 기판 세정, 표면 개질을 위해 또는 에칭 툴로서 추가 적용예들이 실현되게 할 수 있으며, 큰 치수의 기판들이 높은 스루풋 속도로 처리되는, 예를 들어 롤투롤(roll-to-roll)("웹") 코팅에서의 특별한 효용이 있다.
또한, 플라즈마 발생 시스템은 전형적으로 증발 코팅 공정 툴들에서 사용되는 것처럼 다른 코팅 공정들을 위한 '플라즈마 보조' 툴로서 사용될 수 있다.
또한, 플라즈마 발생 시스템은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)의 기술을 기반으로 코팅 공정들에 적용될 수 있다.
앞선 설명에서, 알려진, 명백한 또는 예측가능한 등가물들을 갖는 완전체들 또는 요소들이 언급되는 경우, 이러한 등가물들은 개별적으로 설명된 것처럼 여기에 통합된다. 여하한의 이러한 등가물들을 포괄하도록 해석되어야 하는 본 발명의 진정한 범위를 결정하기 위해 청구항들이 참조되어야 한다. 또한, 바람직하고, 유리하고, 편리한 것으로 설명되는 본 발명의 완전체들 또는 특징들은 선택적이며, 독립 청구항들의 범위를 제한하지 않음을 이해할 것이다. 더욱이, 이러한 선택적인 완전체들 또는 특징들은 본 발명의 일부 실시예들에서 가능한 이점이 있지만, 다른 실시예들에서는 바람직하지 않을 수 있고, 이에 따라 부재할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (28)

  1. 길이를 갖는 플라즈마 안테나의 사용으로 플라즈마를 발생시키는 방법으로서,
    제 1 위치 및 상기 안테나의 길이를 따르는 방향에서 상기 제 1 위치로부터 이격되어 있는 제 2 위치 모두에서 플라즈마를 발생시키기 위해 RF 주파수 전류로 상기 플라즈마 안테나의 전기 도체를 구동하는 단계
    를 포함하고, 적어도 하나의 차폐 부재의 결과로서 플라즈마의 발생이 축소되는 상기 제 1 위치와 상기 제 2 위치 사이의 상기 안테나에 인접한 구역이 존재하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 위치 및 상기 제 2 위치 중 하나 또는 둘 모두에서 발생되는 플라즈마는 상기 안테나 주위에서 원주방향으로(circumferentially) 300 도보다 크게 연장되는, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 위치 및 상기 제 2 위치 중 하나 또는 둘 모두에서 발생되는 플라즈마는 상기 안테나 주위에서 원주방향으로 270 도보다 작게 연장되는, 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 차폐 부재는 상기 안테나 주위에서 원주방향으로 300 도보다 크게 플라즈마의 발생을 제한하는, 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 차폐 부재는 상기 안테나 주위에서 원주방향으로 270 도보다 작게 플라즈마의 발생을 제한하는, 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 차폐 부재는 상기 제 1 위치 및 상기 제 2 위치 중 하나 또는 둘 모두에서 플라즈마의 발생을 제한하는, 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 차폐 부재는 상기 안테나의 길이를 따르는 방향에서 상기 제 2 위치로부터 상기 제 1 위치의 반대편에 있는, 또는 상기 안테나의 길이를 따르는 방향에서 상기 제 1 위치로부터 상기 제 2 위치의 반대편에 있는 추가 구역에서의 플라즈마의 발생을 제한하는, 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 차폐 부재는 100 미만의 상대 투자율을 갖는 재료를 포함하는, 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 차폐 부재는 부분적인 또는 완전한 패러데이 케이지의 형태인, 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 차폐 부재는 전자기-차폐 전기 전도성 재료를 포함하는, 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 차폐 부재는 고정된 전위에 유지되는, 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 차폐 부재는 유전체 재료를 포함하는, 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나는 강자성 재료(ferromagnetic material)를 포함하는 플라즈마 포커싱 부재에 의해 향상 및/또는 포커싱되는 자기장을 생성하는, 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나는 적어도 부분적으로 재료의 기밀 튜브 내에 포함되는, 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 차폐 부재는 상기 재료의 기밀 튜브의 외부에 장착되는, 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 위치와 제 2 위치 사이의 안테나의 길이는 선형인, 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 서로 측방향으로(laterally) 이격되는 플라즈마 안테나의 적어도 2 개의 길이들을 사용하여 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 플라즈마와 타겟 사이의 상호작용을 야기하도록 상기 플라즈마를 한정하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 기판 상에 재료를 증착하는 방법으로서,
    제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행함으로써 플라즈마 스퍼터링에 적절한 1 이상의 스퍼터 타겟으로부터 원거리에 있는 플라즈마를 발생시키는 단계;
    상기 플라즈마를 사용하여 상기 1 이상의 스퍼터 타겟으로부터 스퍼터링된 재료를 발생시키는 단계; 및
    상기 기판 상에 상기 스퍼터링된 재료를 증착하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 플라즈마를 사용하여 상기 타겟 또는 타겟들로부터 스퍼터링된 재료를 발생시키는 단계는 전기장 및/또는 자기장의 사용으로, 상기 플라즈마가 타겟으로부터 재료를 스퍼터링하는 방식으로 상기 플라즈마를 한정 및/또는 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 적어도 부분적으로 적어도 하나의 차폐 부재의 사용의 결과로서 상기 타겟에서 균일한 밀도를 갖는, 방법.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항에 따른 방법에서 사용하기 위한 플라즈마 안테나로서,
    적어도 하나의 차폐 부재와 함께 제공되고, 상기 안테나 및 상기 적어도 하나의 차폐 부재는 함께 플라즈마 안테나 조립체를 형성하는, 플라즈마 안테나.
  23. 플라즈마 안테나 조립체로서,
    안테나 및 하우징을 포함하며,
    상기 안테나는 길이를 갖고,
    상기 안테나는 RF 주파수 전류에 의해 전력이 공급될 때, 제 1 위치 및 상기 안테나의 길이를 따르는 방향에서 상기 제 1 위치로부터 이격되어 있는 제 2 위치 모두에서 플라즈마를 발생시키도록 구성되며,
    상기 하우징은 적어도 하나의 차폐 부재를 갖고, 이는 사용 시 상기 적어도 하나의 차폐 부재의 결과로서 플라즈마의 발생이 억제되는 상기 제 1 위치와 상기 제 2 위치 사이의 상기 안테나에 인접한 구역이 존재하도록 배치되는, 플라즈마 안테나 조립체.
  24. 제 22 항 및/또는 제 23 항에 따른 1 이상의 플라즈마 안테나 조립체를 포함하는 플라즈마 반응기.
  25. 제 22 항 및/또는 제 23 항에 따른 1 이상의 플라즈마 안테나 조립체를 포함하는 증착 장치.
  26. 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,
    플라즈마 안테나는 스퍼터 타겟으로부터 원거리에 있는 플라즈마를 발생시키도록 구성되는, 플라즈마 반응기 또는 증착 장치.
  27. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하여 증착되는 재료 층을 포함하는 구성요소를 포함하는 전자 디바이스.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 구성요소는 상기 재료 층이 증착된 기판을 포함하는, 전자 디바이스.
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