WO2012169747A2 - 벨트형 자석을 포함한 플라즈마 발생원 및 이를 이용한 박막 증착 시스템 - Google Patents

벨트형 자석을 포함한 플라즈마 발생원 및 이를 이용한 박막 증착 시스템 Download PDF

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WO2012169747A2
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Definitions

  • the present invention relates to a plasma generator and its application, and more particularly, to a plasma generator for generating a high density plasma using an array of permanent magnets, a sputtering apparatus capable of high efficiency and a large area, and a high flux neutral particle beam using the same.
  • the present invention relates to a thin film deposition system combining a neutral particle beam generating source and a sputtering apparatus and a neutral particle beam generating source.
  • Plasma has been applied to various applications, and in particular, has become an important technical element in the process of forming a thin film.
  • Advanced materials such as semiconductors, OLEDs, solar cells, LEDs, and diamond thin films are required for high quality thin film deposition, and it is very important to generate large area and high density plasma to satisfy these requirements.
  • Conventional magnetron sputtering technology is a technology that unifies plasma generation power and ion acceleration voltage by applying high voltage of -500 V or higher to the target to simultaneously solve plasma generation and ion acceleration.
  • the plasma generation power of the magnetron sputtering and the ion acceleration voltage are unified, the generation of high energy particles is inevitable because a high voltage must be applied to the target. If the target applied voltage is reduced to minimize the generation of high energy particles, the plasma may be unstable or the plasma density may be significantly lowered, resulting in a large drop in deposition rate.
  • plasma generation power and ion acceleration voltage can be applied separately, it can be implemented if high density plasma is generated near the target irrespective of target applied voltage level, but technology development of large area, high density plasma source that satisfies this purpose This is not easy.
  • an atomic scale heating technology capable of simultaneously heating an atomic layer on the surface of a thin film while a thin film is being deposited is required.
  • Neutral beams can be atomically heated, which is an advantageous technique for depositing large-area, high-quality thin films at low temperatures, but in order for the neutral particle beams to exert atomic heating effects, a high flux neutral particle beam must be generated.
  • Conventional neutral particle beam generation source has a problem that the plasma limiter is installed between the neutralizing reflector and the substrate serves as an obstacle to the neutral particle beam to reach the substrate.
  • a new fluxing device and a high flux neutral particle beam source without a plasma limiter are required.
  • Such devices can be easily implemented by developing large-area, high-density plasma sources suitable for the purpose of new thin films. Therefore, the development of large-area, high-density plasma generators is a core technology but has not yet been provided to a satisfactory level.
  • the prior art to form a magnetic field using a permanent magnet or an electromagnet in order to obtain a high-density plasma at high vacuum, and irradiated with microwaves to generate an Electron Cyclotron Resonance (ECR) plasma.
  • ECR Electron Cyclotron Resonance
  • the prior art has a problem in confining the high density plasma generated in the electron rotation resonance region due to the structure of the magnetic field. For example, when a plurality of permanent magnets are arranged at predetermined intervals to form a cups field, the plasma generated in the electron rotating resonance region formed in the cuff field is caused by ExB drift due to the curved magnetic field and the electric field.
  • Drift motion such as E-cross-B drift, gradient B drift, and curvature drift of the magnetic field.
  • the trajectory of the drift motion forms a straight divergence trajectory (curve).
  • plasma confinement Because the plasma, especially the electrons, exits at both ends of the magnet.
  • Another example of the prior art is to complement the arrangement of the magnet to solve the problem of plasma confinement by forming the cuff field, but the plasma trapping effect is reduced because of the discontinuous trajectory of the plasma drift due to the discontinuous magnetic field distribution. have.
  • an object of the present invention is to provide a plasma generation source capable of generating a large-area high-density plasma through a magnet structure capable of maximizing the plasma confinement effect and a design in which the magnetic field and the microwave are interlocked.
  • another object of the present invention is to provide a plasma generating source including a microwave irradiation device that can solve the problem of the dielectric window coating during the deposition process using the plasma.
  • another object of the present invention is to provide a sputtering apparatus using the plasma generation source, a neutral particle beam generation source and a thin film deposition system combining them.
  • the present invention provides a plasma chamber for forming a plasma generating space
  • One or more pair of belt-shaped magnets disposed in a form surrounding the outer wall of the plasma chamber;
  • a microwave irradiation device for irradiating microwaves to the plasma generating space.
  • the plasma chamber is composed of any one of a cylinder, a cylinder having an underside of an elliptic track, or a polygonal pillar of a polygonal underside,
  • the belt magnet has a continuous array of magnets
  • the microwave irradiation device is to increase the plasma density along the magnetic field distribution by adjusting the irradiation direction, irradiating the microwave so that the electric field of the microwave is perpendicular to the direction of the magnetic field formed in the plasma generating space by a pair of at least one belt-shaped magnet.
  • a plasma generating source is provided.
  • the present invention provides a plasma generating source, characterized in that the plasma chamber and the microwave irradiation device is communicated with each other through the opening to which the microwave is irradiated, the plasma chamber and the microwave irradiation device can be vacuumed together.
  • the microwave irradiation device includes a rectangular waveguide, a cylindrical waveguide, a ring waveguide, a torus-type waveguide or a slit waveguide formed with a slit in the waveguides, the microwave irradiation device is a microwave pulse mode Or it provides a plasma generating source characterized in that the irradiation in a continuous mode.
  • the present invention by installing one or more targets in the plasma chamber of the plasma generating source, by applying a bias voltage to the targets to cause sputtering,
  • At least one target is attached along an inner wall of the plasma chamber to be surrounded by a magnetic field formed in the plasma generating space by the belt-shaped magnet,
  • a sputtering apparatus characterized by being capable of simultaneously depositing one or more materials onto a substrate.
  • the present invention provides a sputtering apparatus, characterized in that the bias voltage applied to the target is a voltage consisting of a DC voltage, an AC voltage, a pulse, or a mixture thereof.
  • a neutralizing reflector made of one or more electrically conductive material is installed, by applying a bias voltage to the neutralizing reflector to generate a neutral particle beam,
  • the neutralizing reflector is attached to at least one along the inner wall of the plasma chamber to be surrounded by a magnetic field formed in the plasma generating space by the belt-shaped magnet,
  • It provides a neutral particle beam generation source, characterized in that further installed at least one neutralizing reflector plate arranged in a parallel direction on the upper surface of the plasma chamber, generating a neutral particle beam.
  • a plasma chamber providing a plasma discharge space for generating a plasma
  • the plasma chamber to convert plasma ions into neutral particles by collision
  • a neutralizing reflector installed inside the burr
  • a limiter disposed at a lower end of the plasma discharge space to limit plasma ions and electrons other than neutral particles to the plasma discharge space;
  • a microwave irradiation device mounted to the plasma chamber to emit microwaves into the plasma chamber
  • Each of the pair of belt-shaped magnets has a magnetic polarity that is complementary to each other inside and outside of the belt, and the magnetic polarity of two belt-shaped magnets arranged side by side up and down around the plasma chamber is also complementary to each other in the vertical position. It provides a neutral particle beam generation source, characterized in that.
  • the present invention provides a thin film deposition system, characterized in that at least one sputtering device is installed, and at least one neutral particle beam source is combined.
  • the present invention provides a thin film deposition system, characterized in that the bias voltage applied to the target or the neutralizing reflector is a voltage consisting of a DC voltage, an AC voltage, a pulse, or a mixture thereof.
  • the present invention provides a thin film deposition system, characterized in that the neutralizing reflector is composed of one of metal, silicon or graphite.
  • the plasma generation source is capable of uniformly distributing a high density plasma over a large area in the chamber space at low operating pressure, that is, at high vacuum, by the interaction of the electromagnetic field of the microwave with the magnetic field formed by the belt magnet in the plasma chamber.
  • the belt-shaped magnet can distribute the magnetic field over a large area without requiring a drive such as a scan of the magnetic structure, so that the material can be uniformly deposited on the large area substrate.
  • the present invention can be made of a high vacuum in the chamber compared to the case of the plasma chamber composed of a non-magnetic metal material such as stainless steel and using the O-ring for vacuum sealing, such as quartz or glass. This can greatly improve the average free stroke of the generated neutral particle beam.
  • the sputtering apparatus using the plasma generation source is capable of depositing a high quality thin film by minimizing the damage to the thin film by the high energy particles by separating and independently controlling the plasma generating power and the ion acceleration voltage.
  • the plasma generation source is capable of depositing a high quality thin film by minimizing the damage to the thin film by the high energy particles by separating and independently controlling the plasma generating power and the ion acceleration voltage.
  • by generating a high density plasma near the target at a low operating pressure it is possible to improve the sputtering efficiency and the straightness of the sputtered particles.
  • various processes such as co-deposition are possible.
  • the neutral particle beam source in which the target is replaced by the neutralizing reflector in the sputtering device can supply a high flux neutral particle beam in a large area, and in particular, can minimize the plasma-substrate interaction without the plasma limiter. There is a characteristic.
  • a thin film deposition system capable of forming a high quality thin film by simultaneously supplying the thin film deposition element material and the energy required for thin film deposition by combining the sputtering device and the neutral particle beam source at least one can be implemented. .
  • Figure 1a is a schematic cross-sectional view of the configuration of the plasma source of the present invention
  • Figures 1b and 1c are plan views of the magnetic structure forming a belt-shaped magnet which is a component of the plasma source
  • Figure 1d is a cutaway perspective view of the plasma source of the present invention .
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the microwave irradiation apparatus applied to the plasma generation source of FIG. 1A more clearly.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of a torus type microwave irradiation apparatus applied to the plasma generating source of FIG. 1A.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of a rectangular or cylindrical microwave irradiation apparatus applied to the plasma generating source of FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a sputtering apparatus using the plasma generation source of FIG. 1A.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a neutral particle beam generation source configured by modifying the sputtering apparatus of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a thin film deposition system configured by combining the sputtering apparatus of FIG. 5 and the neutral particle beam generation source of FIG. 6.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the neutral particle beam source configuration of the present invention including a limiter.
  • One or more pairs of belt-shaped magnets 400 are mounted on the sidewall of the plasma chamber 100 that provides a space for generating plasma, and a microwave irradiation device 200 (also called a launcher) is mounted on the top of the plasma chamber 100.
  • the microwave irradiation device 200 emits microwaves into the plasma chamber 100.
  • the microwave is incident from the microwave irradiation device 200 into the plasma chamber 100 as a complete opening without a dielectric window, so that the deposit contaminates the window during the deposition process and the microwave transmittance falls. Solved.
  • FIG. 1B and 1C are plan views of a pair of belt-shaped magnets 400 installed on the outer wall of the plasma generation source of FIG. 1A. That is, a magnetic field having a shape as shown in FIG. 1A can be formed by arranging a belt-shaped magnet of type A (FIG. 1B) and a belt-shaped magnet of type B (FIG. 1C) up and down. Such a belt-shaped magnet can be arranged in several pairs rather than a pair, thereby allowing the magnetic field of the curve as shown in Figure 1a to be continuously distributed in the plasma generating space.
  • the belt-shaped magnets shown in Figs. 1B and 1C can, of course, be composed of circular or elliptical tracks or arbitrary closed polygons.
  • the magnetic field is continuous without interruption, because the belt-shaped magnet 400 itself has a continuous configuration, and this continuous structure causes microwaves to enter through the top opening, not the sidewall of the plasma chamber 100.
  • the continuously formed magnetic field traps electrons in the generated plasma, forms a toroidal trajectory along the plasma chamber sidewalls, and continuously drifts the plasma confinement effect. . That is, when the electron motion is viewed on average, as shown in the cutaway view of FIG. 1D, the continuous regression trajectory can be shown to significantly improve the plasma confinement effect.
  • the plasma chamber 100 may be a cylinder, a cylinder having an underside of an elliptic track, or a polygonal pillar of a polygonal underside, and the belt magnet 400 may be circular, track, or square according to the structure of the plasma chamber 100.
  • the magnetic field is formed in the plasma chamber (Electron Cyclotron Resonance, ECR).
  • ECR Electrode Cyclotron Resonance
  • B res the electromagnetic magnetic resonance field
  • the microwave frequency irradiated by the microwave irradiation apparatus 200 uses higher than the plasma ion frequency.
  • the plasma ion frequency, ⁇ i is as follows.
  • n i ion density
  • Z atomic number
  • e electron charge
  • m i ion mass
  • the plasma source is such that the magnetic field of the at least one pair of belt-shaped magnets 400 installed to surround the outer wall and the electric field of the microwaves irradiated by the microwave irradiation device 200 are perpendicular to each other to generate ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma.
  • ECR Electro Cyclotron Resonance
  • the plasma density can be increased, and such a high density plasma can be generated over a large area.
  • high-density plasma can be generated even at low pressure and high vacuum of 1 mTorr or less, which is advantageous for applications by increasing the average free stroke of particles.
  • the microwave irradiation mode of the microwave irradiation device 200 for generating the plasma can be adjusted to a pulse mode or a continuous mode as needed to broaden the applicability.
  • the microwave irradiation device 200 of Figures 1a and 1d looks like a circular, oval, track-like or rectangular shape using them.
  • 2 shows a case where the slit 250 is formed in the microwave irradiation device 200
  • FIG. 3 shows a case where the slit is formed in the torus type microwave irradiation device 200
  • FIG. 4 shows a rectangular or cylindrical microwave.
  • the irradiation apparatus 200 is shown, and such a microwave irradiation apparatus 200 may be configured in plural to enhance the output.
  • a sputtering apparatus 800 employing the plasma generation source is shown.
  • the sputtering apparatus 800 may generate a plasma by heating electrons without affecting the plasma ion motion because the frequency of the microwave is higher than the plasma ion frequency, and the bias voltage applied to the targets 700, 710, and 720 is By applying at a frequency lower than the plasma ion frequency it is possible to control the energy of the ions incident on the target, characterized in that for separating the plasma generating power and the ion acceleration voltage.
  • a stable high density plasma is maintained regardless of the target bias voltage, so that the plasma is unstable at a low target applied voltage.
  • the conventional sputtering equipment has a high target bias voltage, high energy particles are generated to damage the thin film, while the sputtering apparatus 800 of the present embodiment can lower the target bias voltage, thereby minimizing the problem. have.
  • High-density plasma can be generated in a magnetic field near targets 700 and 710 provided on the sidewall of the plasma chamber, and high efficiency sputtering can be expected.
  • the target 720 may be configured in a large area, since the plasma distribution may be formed at a high density over a large area.
  • the bias voltages of the targets 700, 710, and 720 of the sputtering apparatus 800 may be varied in various ways, such as a DC voltage, an AC voltage, a DC pulse, an AC pulse, or a mixture of these, depending on the purpose of the process. Can adjust the characteristics of the thin film.
  • the target 720 and the targets 700 and 710 installed on the sidewalls arranged in parallel with the upper surface may be formed of different materials, respectively, to provide the convenience of simultaneously depositing the host material and the dopant material.
  • IGZO may be formed on a substrate by forming Zn from one target 700, In 2 O 3 from another target 710, and Ga 2 O 3 from another target 720. have.
  • Such an arrangement has the advantage of minimizing thin film damage caused by oxygen ions and at the same time increasing the deposition rate.
  • the targets 700 and 710 installed on the inner wall of the plasma chamber may radially arrange a plurality of fragments, and the target 720 disposed horizontally on the plasma chamber may be attached to the upper surface of the plasma chamber, or may be disposed in the center of the chamber.
  • they may be composed of several fragments, and the targets may be composed of various other materials, but may be the same material whose arrangement is controlled for high speed, high efficiency, and uniform thin film deposition.
  • the target configuration such as a large area target is free, and the targets 700 and 710 installed on the inner wall of the plasma chamber are surrounded by the magnetic field by the belt-shaped magnet 400 to generate high-density plasma near the target, thereby enabling high efficiency sputtering. do.
  • the plasma chamber 100 may be formed in a cylindrical or polygonal column having an underside of an elliptical track, which is optimal for the number and content of components of the thin film. This is very convenient to install a plurality of targets, there is an advantage that can be adjusted to the magnetic field effect by the belt-shaped magnet 400.
  • the sputtering apparatus of the present embodiment can generate a high density plasma at high vacuum to improve the straightness of the sputtered particles, thereby improving the aspect ratio during thin film deposition with a trench pattern.
  • the sputtering apparatus of the present embodiment independently controls the plasma generation power and the ion acceleration voltage, and constrains the plasma charged particles by a magnetic field formed using the belt magnet 400 to perform plasma-substrate interaction without a separate plasma limiter. It can minimize the damage to the thin film due to the plasma can be minimized.
  • a plasma limiter may be further installed at the chamber boundary as needed.
  • FIG. 6 shows a configuration of the neutral particle beam generator 900 modified from the sputtering apparatus 800.
  • the neutral particle beam generator 900 is formed.
  • a neutral particle beam may be generated by applying a low bias voltage of -100 V or less to the neutralizing reflector 300 made of a material having high electrical conductivity such as metal such as tungsten, silicon, graphite, and the like. The same may be applied as in the sputtering apparatus configuration.
  • the neutral particle beam generator 900 according to the present embodiment may generate a high flux neutral particle beam by generating a high density plasma in the same principle as in the sputtering apparatus 800 described above.
  • the neutral particle beam source of the present embodiment can minimize the plasma-substrate interaction without installing a plasma limiter, thereby distinguishing it from the existing neutral particle beam source.
  • a plasma limiter may be further installed at the chamber boundary as needed.
  • FIG. 7 illustrates an embodiment of a thin film deposition system 1000 implemented by combining the sputtering apparatus 800 and the neutral particle beam generator 900.
  • the sputtering apparatus 800 supplies particles constituting the thin film and at the same time additionally supplies energy necessary for forming the thin film by the neutral particle beam to form a high quality thin film even at a low temperature process. There is an advantage to this.
  • the thin film deposition system 1000 is implemented by installing two neutral particle beam generators 900, one on each side of the sputtering apparatus 800, one sputtering apparatus 800 and one neutral particle beam are provided.
  • One generation source 900 may be combined, and the combination may be variously modified by those skilled in the art.
  • FIG 8 shows a configuration further including a limiter 500 in the configuration of the neutral particle generation source of the present invention.
  • the belt-shaped magnet 400 may be composed of an electromagnet instead of a permanent magnet, in this case, it is possible to increase the frequency of the microwave and thus improve the plasma density.
  • the present invention can be widely used in the process of forming a thin film using a plasma, in particular, the plasma generation source and the thin film deposition system of the present invention, such as semiconductor, OLED, solar cell, LED, diamond thin film Can be.
  • the plasma generation source and the thin film deposition system of the present invention such as semiconductor, OLED, solar cell, LED, diamond thin film Can be.

Abstract

본 발명은 플라즈마 발생원 및 그 응용에 관한 것으로, 고 진공도에서 균일한 고 밀도 플라즈마를 발생시키며, 이와 같은 플라즈마 발생원을 스퍼터링 장치, 중성입자 빔 발생원, 스퍼터링 장치와 중성입자 빔 발생원의 조합으로 이루어진 박막 증착 시스템에 응용하여, 고품질 박막을 얻기 위한 것이다. 본 발명에 따르면, 한 쌍 이상의 벨트형 자석에 의한 자기장과 마이크로파 조사장치에 의한 마이크로파를 이용하여 플라즈마를 발생시키며, 상기 벨트형 자석의 연속구조에 따라 전자의 회귀궤적을 유도하여 플라즈마 가둠 효과를 극대화시켜 상기 목적을 달성할 수 있다.

Description

벨트형 자석을 포함한 플라즈마 발생원 및 이를 이용한 박막 증착 시스템
본 발명은 플라즈마 발생원 및 그 응용에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 영구 자석의 배열을 이용하여 고밀도 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생원 및 이를 이용한 고효율, 대면적이 가능한 스퍼터링 장치와 고 플럭스 중성입자 빔을 발생하게 하는 중성입자 빔 발생원 및 스퍼터링 장치와 중성입자 빔 발생원을 조합한 박막 증착 시스템에 관한 것이다.
플라즈마는 다양하게 응용되고 있으며, 특히, 박막을 형성하는 공정에 중요한 기술요소가 되고 있다. 반도체, OLED, 태양전지, LED, 다이아몬드 박막 등의 첨단 소재 분야에서는 고품질 박막 증착이 요구되고 있으며, 이러한 요구를 만족시킬 수 있는 대면적, 고밀도 플라즈마를 발생시키는 것은 매우 중요한 기술이다.
최근 활용도가 높아지고 있는 플렉시블 전자 소자, 즉 플렉시블 디스플레이, 플렉시블 조명, 플렉시블 태양 전지, 플렉시블 이차전지 등에 적용되는 박막형성에서는 대면적에 걸쳐 고밀도 플라즈마를 생성함과 동시에 플라즈마에 의해 발생된 고 에너지 입자들과 플라즈마 전자에 의한 박막 손상을 최소화 할 수 있는 스퍼터링 기술이 필요하다. 또한, 플렉시블 플라스틱 기판을 사용할 수 있도록 저온에서 고품질 박막을 증착 시킬 수 있는 저온 공정 기술이 요구되고 있다.
기존 마그네트론 스퍼터링 기술은 타겟에 -500 V 이상의 고전압을 인가하여 플라즈마 발생과 이온 가속을 동시에 해결하는 플라즈마 발생 전력과 이온 가속 전압이 일원화되어 있는 기술이다. 이와 같이 마그네트론 스퍼터링의 플라즈마 발생 전력과 이온 가속 전압이 일원화되어 있는 종래기술은 타겟에 고전압을 인가해야 하기 때문에 고 에너지 입자들의 발생을 피할 수 없다. 만약 고 에너지 입자들의 발생을 최소화시키기 위해서 타겟 인가 전압을 감소시키면 플라즈마가 불안정하거나 플라즈마 밀도가 현저히 낮아져서 증착 속도가 크게 떨어지는 문제점이 발생한다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 플라즈마 발생 전력과 이온 가속 전압을 분리하여 각각을 독립적으로 제어하는 기술이 필요하다. 플라즈마 발생 전력과 이온 가속 전압을 분리 인가할 수 있다면 타겟 인가 전압 수준에 상관없이 타겟 근처에 고밀도 플라즈마의 발생을 원하는 경우 그 구현이 가능하지만 이와 같은 목적을 만족시키는 대면적, 고밀도 플라즈마 발생원의 기술 개발이 용이하지 않다.
한편, 저온에서 고품질 박막을 증착하기 위해서는 기존의 기판 가열 대신 박막이 증착 되고 있는 동안에 박막 표면의 원자층을 동시적으로 가열할 수 있는 원자 단위 가열 (atomic scale heating) 기술이 필요하다. 중성입자 빔은 원자 단위 가열을 할 수 있어 대면적, 고품질 박막을 저온에서 증착하는데 유리한 기술이나, 중성입자 빔이 원자 단위 가열 효과를 발휘하기 위해서는 고플럭스 중성입자 빔을 발생해야 한다. 기존의 중성입자 빔 발생원은 플라즈마 리미터가 중성화 반사판과 기판 사이에 설치되어 있어 중성입자 빔이 기판에 도달하는데 장애물 역할을 하는 문제점이 있다.
기존의 중성입자 빔 발생원의 문제점을 해결하기 위해서는, 플라즈마 리미터가 없으면서 플라즈마와 기판의 상호작용을 최소화 하고 고플럭스 중성입자 빔을 발생할 수 있는 고밀도 플라즈마를 발생시키는 기술이 필요하나 기술 개발이 용이하지 않다.
따라서 플렉시블 전자 소자, 즉 플렉시블 디스플레이, 플렉시블 조명, 플렉시블 태양 전지, 플렉시블 이차전지 등의 제조 분야에 요구되는 박막을 증착하기 위해서는 새로운 스퍼터링 장치와 플라즈마 리미터가 없는 고플럭스 중성입자 빔 발생원이 필요하다. 이와 같은 장치들은 새로운 박막의 목적에 적합한 대면적, 고밀도 플라즈마 발생원을 개발하면 쉽게 구현할 수 있다. 그러므로 대면적, 고밀도 플라즈마 발생원의 개발이 핵심적 기술이나 아직까지 만족스러운 정도로 제공되고 있지 않다.
한편, 종래 기술에서는 고진공에서 고밀도 플라즈마를 얻기 위해서 영구자석 또는 전자석을 이용하여 자기장을 형성시키고, 마이크로파를 조사시켜 전자회전공진 (Electron Cyclotron Resonance, ECR)) 플라즈마를 발생시켰다. 하지만, 종래 기술은 자기장의 구조 때문에 전자회전공진 영역에서 발생된 고밀도 플라즈마를 감금(confinement)하는데 문제점이 있다. 예를 들면, 여러 개의 영구 자석을 소정의 간격을 두고 배열하여 커프스 장 (cups field)를 형성하는 경우, 커프스 장 안에서 형성된 전자회전공진 영역에서 발생된 플라즈마는 곡선의 자기장과 전기장에 인하여 ExB 표류(E-cross-B drift), 자기장 구배 표류 (gradient B drift), 자기장의 곡률 표류 (curvature drift)등의 표류 운동(drift motion)을 하는데, 표류 운동의 궤적이 일직선의 발산궤적(계곡선)을 이루고 있어 플라즈마 특히 전자가 자석의 양 끝으로 빠져나가 플라즈마 감금에 문제가 발생한다. 또 다른 종래 기술의 예는 커프스 장을 형성하여 플라즈마 감금 문제를 해결하기 위해서 자석의 배열을 보완하였지만 불연속적인 자기장의 분포로 인하여 플라즈마 표류 운동이 불연속적인 궤적을 이루고 있어 플라즈마 가둠 효과가 감소하는 문제점이 있다.
한편, 종래 기술에서는 마이크로파 조사장치와 플라즈마 사이에 유전체 윈도우를 사용하여 진공을 유지하는 동시에 마이크로파를 입사시켰다. 하지만 이와 같은 플라즈마 발생원에서 증착 공정을 하면, 증착 물질이 유전체 윈도우를 코팅하여 마이크로파의 투과율을 현저히 감소시켜 플라즈마 밀도를 감소시킴으로 공정의 신뢰성을 약화시키는 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 플라즈마 가둠 효과를 극대화할 수 있는 자석구조와 이에 따른 자기장과 마이크로파를 연동한 설계를 통해 대면적 고밀도 플라즈마를 발생할 수 있는 플라즈마 발생원을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 플라즈마를 이용한 증착 공정 중 유전체 윈도우 코팅 문제를 해소할 수 있는 마이크로파 조사장치를 포함한 플라즈마 발생원을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 플라즈마 발생원을 이용한 스퍼터링 장치 및 중성입자 빔 발생원과 이들을 조합한 박막 증착 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은, 플라즈마 발생 공간을 형성하는 플라즈마 챔버;
상기 플라즈마 챔버 외벽을 둘러싸는 형태로 배치되는 한 쌍 이상의 벨트형 자석;및
상기 플라즈마 발생공간에 마이크로파를 조사하는 마이크로파 조사장치;를 포함하고,
상기 플라즈마 챔버는 실린더형, 타원트랙의 밑면을 가진 실린더형, 또는 다각형 밑면의 다각기둥 중 어느 하나로 구성되고,
상기 벨트형 자석은 연속된 자석배열을 가지며,
상기 마이크로파 조사장치는, 조사 방향을 조절하여, 마이크로파의 전기장이 한 쌍 이상의 벨트형 자석에 의해 플라즈마 발생 공간에 형성되는 자기장의 방향과 수직이 되도록 마이크로파를 조사하여 자기장 분포를 따라 플라즈마 밀도를 높이는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생원을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 플라즈마 챔버와 마이크로파 조사장치는 마이크로파가 조사되는 개구부로 서로 소통되고, 상기 플라즈마 챔버와 마이크로파 조사장치는 함께 진공화될 수 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생원을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 마이크로파 조사장치는 사각 도파관, 실린더형 도파관, 고리형 도파관 , 토러스형 도파관 또는 상기 도파관들에 슬릿을 형성한 슬릿형 도파관을 포함하고, 상기 마이크로파 조사장치는 마이크로파를 펄스 모드 또는 연속 모드로 조사하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생원을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 플라즈마 발생원의 플라즈마 챔버 안에, 하나 이상의 타겟을 설치하고, 상기 타겟들에 바이어스 전압을 인가하여 스퍼터링을 일으키며,
상기 타겟은 상기 벨트형 자석에 의해 플라즈마 발생 공간에 형성되는 자기장에 포위되도록 플라즈마 챔버의 내측벽을 따라 하나 이상 부착되고,
상기 플라즈마 챔버의 상면에 나란한 방향으로 배치되는 하나 이상의 타겟을 더 설치하여,
하나 이상의 물질을 기판에 동시 증착할 수 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 타겟에 인가되는 바이어스 전압은 직류전압, 교류전압, 펄스, 또는 이들의 혼합으로 이루어지는 전압인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 플라즈마 발생원의 플라즈마 챔버 안에, 하나 이상의 전기 전도성이 큰 물질로 구성된 중성화 반사판을 설치하고, 상기 중성화 반사판들에 바이어스 전압을 인가하여 중성입자 빔을 생성하며,
상기 중성화 반사판은 상기 벨트형 자석에 의해 플라즈마 발생 공간에 형성되는 자기장에 포위되도록 플라즈마 챔버의 내측벽을 따라 하나 이상 부착되고,
상기 플라즈마 챔버의 상면에 나란한 방향으로 배치되는 하나 이상의 중성화 반사판을 더 설치하여, 중성입자 빔을 발생시키는 것을 특징으로 하는 중성입자 빔 발생원을 제공한다.
또한, 본 발명은,
플라즈마를 생성하는 플라즈마 방전 공간을 제공하는 플라즈마 챔버;
플라즈마 이온을 충돌에 의해 중성입자로 변환시키기 위해 상기 플라즈마 챔
버 내부에 설치되는 중성화 반사판;
중성입자 외의 플라즈마 이온 및 전자를 상기 플라즈마 방전 공간에 제한하도록 상기 플라즈마 방전 공간의 하단에 설치되는 리미터;
상기 플라즈마 챔버에 장착되어 플라즈마 챔버 안으로 마이크로파를 출사하는 마이크로파 조사장치;및
상기 플라즈마 챔버의 둘레를 둘러싸는 한 쌍의 벨트형 자석;를 포함하고,
상기 한 쌍의 벨트형 자석 각각은 벨트의 안쪽과 바깥쪽이 서로 상보적인 자력 극성을 나타내고, 플라즈마 챔버 둘레에 상하로 나란히 배열되는 두 개의 벨트형 자석의 자력 극성도 상하위치에서 서로 상보적이 되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 중성입자 빔 발생원을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 스퍼터링 장치 하나 이상을 설치하고, 상기 중성입자 빔 발생원 하나 이상을 조합한 것을 특징으로 박막 증착 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 타겟 또는 중성화 반사판에 인가되는 바이어스 전압은 직류전압, 교류전압, 펄스, 또는 이들의 혼합으로 이루어지는 전압인 것을 특징으로 하는 박막 증착 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 중성화 반사판은 금속, 실리콘 또는 그라파이트 중 하나로 구성하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 발생원은 벨트형 자석이 플라즈마 챔버 내에 형성하는 자기장과 마이크로파의 전기장의 상호작용으로 낮은 운전 압력에서 즉, 고진공에서 고밀도 플라즈마를 챔버 공간 내에 대면적에 걸쳐 균일하게 분포하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 벨트형 자석은 특별히 자석구조물의 스캔 등의 구동을 요하지 않으면서도 자기장을 대면적에 걸쳐 분포하게 할 수 있으므로 대면적 기판에 균일하게 물질을 증착할 수 있다.
또한, 본 발명은 플라즈마 챔버를 스테인레스스틸과 같은 비자성 금속재료로 구성하고 진공실링을 위해 오링 등을 이용하지 않아 석영이나 유리 등으로 플라즈마 챔버를 구성할 경우에 비해 챔버 내를 고 진공으로 만들 수 있고, 이는 생성되는 중성입자 빔의 평균자유행정을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 플라즈마 발생원을 이용한 스퍼터링 장치는 플라즈마 발생 전력과 이온 가속 전압을 분리하여 독립적으로 조절함으로써 고에너지 입자에 의한 박막 손상을 최소화 하여 고품질 박막을 증착 시킬 수 있다. 또한, 낮은 운전 압력에서 고밀도 플라즈마를 타겟 근처에 발생시킴으로써 스퍼터링 효율, 스퍼터 된 입자의 직진성을 향상 시킬 수 있다. 또한, 타겟의 종류 및 개수를 자유롭게 선택할 수 있어 동시 증착 (co-deposition) 등 다양한 공정이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 스퍼터링 장치에서 타겟을 중성화 반사판으로 대체한 중성입자 빔 발생원은 고플럭스 중성입자 빔을 대면적으로 공급할 수 있고, 특히 플라즈마 리미터 없이도 플라즈마-기판 상호작용을 최소화 시킬 수 있는 특징이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 스퍼터링 장치와 상기 중성입자 빔 발생원을 한 개 이상 조합하여 박막 증착 요소 물질과 박막 증착에 필요한 에너지를 동시에 공급함으로써 고품질 박막을 형성할 수 있는 박막 증착 시스템을 구현할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 플라즈마 발생원 구성의 개략 단면도이고, 도 1b 및 도 1c는 상기 플라즈마 발생원의 구성요소인 벨트형 자석을 이루는 자석구조물의 평면도들이고, 도 1d는 본 발명의 플라즈마 발생원의 절단 사시도 이다.
도 2는 도 1a의 플라즈마 발생원에 적용되는 마이크로파 조사장치의 구성을 좀 더 명확하게 표현한 단면도이다.
도 3은 도 1a의 플라즈마 발생원에 적용되는 토러스형 마이크로파 조사장치의 구성을 표현한 단면도이다.
도 4는 도 1a의 플라즈마 발생원에 적용되는 사각형 또는 실린더형 마이크로파 조사장치의 구성을 표현한 단면도이다.
도 5는 도 1a의 플라즈마 발생원을 이용한 스퍼터링 장치 구성을 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 5의 스퍼터링 장치를 변형하여 구성한 중성입자 빔 발생원을 나타내는 단면도이다.
도 7은 도 5의 스퍼터링 장치와 도 6의 중성입자 빔 발생원을 조합하여 구성한 박막 증착 시스템의 일실시예를 나타내는 단면도이다.
도 8은 리미터를 포함한 본 발명의 중성입자 빔 발생원 구성의 개략 단면도이다.
<도면 부호의 설명>
100: 플라즈마 챔버
200: 마이크로파 조사장치
250: 슬릿
300: 중성화 반사판
400: 벨트형 자석
600: 기판
700, 710, 720: 타겟
800: 스퍼터링 장치
900: 중성입자 빔 발생원
1000: 박막 증착 시스템
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1a을 보면, 본 발명의 플라즈마 발생원의 구성이 나와 있다.
플라즈마를 발생하는 공간을 제공하는 플라즈마 챔버(100) 측벽에는 한 쌍 이상의 벨트형 자석(400)이 장착되어 있고, 플라즈마 챔버(100) 상단에는 마이크로파 조사장치(200)(launcher라고도 부른다)가 장착되어 있고, 상기 마이크로파 조사장치(200)에서 마이크로파를 플라즈마 챔버(100) 안으로 방출하게 된다.
특히, 본 발명은, 상기 마이크로파 조사장치(200)로부터 마이크로파가 플라즈마 챔버(100) 안으로 입사되는 곳을 유전체 윈도우 없이 완전한 개구부로 구성하여, 증착 공정 진행 중 증착물이 윈도를 오염시켜 마이크로파 투과율이 떨어지는 문제를 해결하였다.
도 1b 및 도 1c는 도 1a의 플라즈마 발생원 외벽에 설치되는 한 쌍의 벨트형 자석(400)에 대한 평면도들이다. 즉, A형의 벨트형 자석(도 1b)과 B형의 벨트형 자석(도 1c)을 상하로 배열하여 도 1a와 같은 형상의 자기장을 형성할 수 있다. 이러한 벨트형 자석은 한 쌍이 아닌 여러 쌍을 배치할 수 있으며, 이로 인하여 플라즈마 발생 공간 내부에 도 1a와 같은 곡선의 자기장을 연속적으로 분포하게 한다. 도 1b 및 도 1c에 나타낸 벨트형 자석은 원형이나 타원트랙, 또는 임의의 폐 다각형으로 구성할 수 있음은 물론이다. 상기 자기장은 끊어짐이 없이 연속되며, 이는 벨트형 자석(400) 자체가 연속적인 구성을 가지기 때문이며, 이러한 연속 구조는 마이크로파를 플라즈마 챔버(100) 측벽이 아닌 상단 개구부를 통해 입사시키기 때문이다. 연속적으로 형성된 자기장은 발생된 플라즈마의 전자를 포획하여 플라즈마 챔버 측벽을 따라 토로이달(toroidal)형 궤적을 그리며 계속적으로 표류운동(drift motion)하게 하여 플라즈마 가둠(plasma confinement) 효과를 현저히 향상시킬 수 있다. 즉, 전자의 운동을 평균적으로 볼 때, 도 1d의 절단 사시도와 같이, 연속적인 회귀궤적을 나타내어 플라즈마 가둠 효과를 현저히 향상시킬 수 있게 된다.
플라즈마 챔버(100)는 실린더형, 타원 트랙의 밑면을 가진 실린더형, 또는 다각형 밑면의 다각기둥일 수 있고, 상기 벨트형 자석 (400)은 플라즈마 챔버(100)의 구조에 따라 원형, 트랙, 사각 그 이외의 여러 모양으로 플라즈마 챔버(100) 옆벽에 장착되고, 플라즈마 챔버(100) 안에 전자회전공진 (Electron Cyclotron Resonance, ECR)) 자기장이 형성되도록 한다. 여기서 전자회전공진 자기장, Bres은 다음 수식과 같다.
Figure PCTKR2012004345-appb-I000001
f: 마이크로파 주파수, e:전자 전하, me: 전자 질량
또한, 마이크로파 조사장치(200)에서 조사되는 마이크로파 주파수는 플라즈마 이온 주파수보다 높은 것을 사용한다. 여기서 플라즈마 이온 주파수, Ωi는 다음 수식과 같다.
Figure PCTKR2012004345-appb-I000002
ni: 이온 밀도, Z: 원자번호, e:전자 전하, mi: 이온 질량
상기와 같은 플라즈마 발생원은 외벽을 둘러싸도록 설치된 한 쌍 이상의 벨트형 자석(400)에 의한 자기장과 마이크로파 조사장치(200)에 의해 조사되는 마이크로파의 전기장은 서로 수직을 이루어 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마를 형성하며, 플라즈마 밀도를 높일 수 있으며, 또한 이와 같은 고밀도 플라즈마를 대면적에 걸쳐 발생시킬 수 있다. 또한, 고밀도 플라즈마를 1 mTorr 이하의 저압 고진공에서도 발생시킬 수 있어 입자의 평균자유행정을 증가시켜 응용에 유리하다.
한편, 상기 플라즈마를 발생시키는 마이크로파 조사장치(200)의 마이크로파 조사모드를 필요에 따라 펄스 모드 또는 연속 모드로 조절하여 응용성을 넓힐 수 있다.
이하, 상기 도 1a 내지 도 1d에 따른 플라즈마 발생원의 변형 실시예 및 그 응용에 따른 스퍼터링 장치, 중성입자빔 발생원 및 박막 증착 시스템에 대해 상세히 설명한다.
도 1a 및 도 1d의 마이크로파 조사장치(200)를 위에서 보면 원형, 타원형, 그들을 이용한 트랙형 또는 사각형 같은 모양으로 보인다. 도 2에는 상기 마이크로파 조사장치(200)에 슬릿(250)을 형성한 경우를 나타내며, 도 3은 토러스형 마이크로파 조사장치(200)에 슬릿을 형성한 경우를 나타내며, 도 4는 사각형 또는 실린더형 마이크로파 조사장치(200)를 나타내며, 이와 같은 마이크로파 조사장치(200)는 다수로 구성하여 출력을 강화할 수 있다.
도 5를 보면, 상기 플라즈마 발생원을 응용한 스퍼터링 장치(800)가 나와 있다. 상기 스퍼터링 장치(800)은 마이크로파의 주파수가 플라즈마 이온 주파수보다 높아 플라즈마 이온 운동에 영향을 미치지 않고 전자를 가열하여 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 상기 타겟(700, 710, 720)에 인가하는 바이어스 전압은 플라즈마 이온 주파수보다 낮은 주파수로 인가하여 타겟에 입사하는 이온의 에너지를 조절할 수 있어, 플라즈마 발생 전력과 이온 가속 전압을 분리하는 것을 특징으로 한다. 상기 스퍼터링 장치(800)에서 플라즈마 발생 전력과 이온 가속 전압을 이원화함으로써, 타겟 바이어스 전압에 상관없이 안정적인 고밀도 플라즈마가 유지됨으로써 낮은 타겟 인가 전압에서 플라즈마가 불안정하게 되는 기존의 스퍼터링 장비와 차별화 된다. 또한, 기존 스퍼터링 장비는 타겟 바이어스 전압이 높기 때문에 고 에너지 입자들이 발생하여 박막에 손상을 주는 반면, 본 실시 예의 스퍼터링 장치(800)는 타겟 바이어스 전압을 낮출 수 있어 상기 문제점을 최소화 시킬 수 있는 장점이 있다.
플라즈마 챔버 측벽에 설치된 타겟(700, 710) 근처의 자기장에 고밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있어 고효율의 스퍼터링을 기대할 수 있다.
뿐만 아니라, 벨트형 자석(400)의 자기장 구조 때문에 타겟(720) 근처에 매우 균일한 고밀도 플라즈마 분포를 이루어 타겟(720)의 식각분포가 균일하여 타겟(720) 사용효율을 높일 수 있다. 또한, 상기 타겟(720)은 대면적으로 구성할 수 있으며, 이는 플라즈마 분포가 대면적에 걸쳐 고밀도로 형성될 수 있기 때문이다.
한편, 본 스퍼터링 장치(800)의 타겟(700, 710, 720)의 바이어스 전압은 공정의 목적에 따라 직류전압, 교류전압, 직류 펄스, 교류 펄스 또는 이들의 혼합으로 이루어지는 전압 등 다양하게 변화시킬 수 있어 박막의 특성을 조절할 수 있다.
또한, 상면과 나란히 설치된 타겟(720)과 측벽에 설치하는 타겟(700, 710)은 각각 다른 물질로 구성하여 호스트 물질과 도펀트 물질을 동시 증착할 수 있는 편리함을 제공한다.
구체예로, 하나의 타겟(700)으로부터 Zn을, 다른 타겟(710)으로부터는 In2O3을, 또 다른 타겟(720)으로부터는 Ga2O3을 형성하여 기판상에 IGZO를 형성할 수 있다. 이와 같은 배열에서는 산소 음이온(negative ion)에 의한 박막 손상을 최소화할 수 있는 동시에 증착 속도를 높일 수 있는 장점을 지닌다.
플라즈마 챔버 내벽에 설치되는 타겟(700, 710)은 여러 개의 단편을 방사상으로 배치할 수 있고, 플라즈마 챔버에 수평면으로 배치되는 타겟(720)은 플라즈마 챔버 상면에 부착하거나, 챔버 내 중앙부에 배치할 수도 있으며, 이들도 여러 개의 단편으로 구성할 수도 있으며, 타겟들은 여러 가지 다른 물질로 구성될 수도 있으나 고속, 고효율, 균일박막 증착을 위해 배열이 조절된 동일한 물질일 수도 있다.
따라서 대면적 타겟 등 타겟 구성이 자유로우며, 플라즈마 챔버 내벽에 설치되는 타겟(700, 710)은 벨트형 자석(400)에 의한 자기장에 포위되어 타겟 가까이 고밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있어 고효율 스퍼터링이 가능하게 된다.
또한, 이와 같이 플라즈마 챔버 내벽에 다수의 타겟(700, 710)을 설치할 경우, 플라즈마 챔버(100)를 타원트랙의 밑면을 가진 실린더형이나 다각기둥으로 구성하면 박막의 구성 요소의 개수 및 함량에 최적이 되도록 다수의 타겟을 설치하는데 매우 편리하며, 벨트형 자석(400)에 의한 자기장 효과도 조절할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 실시 예의 스퍼터링 장치는 고진공에서 고 밀도 플라즈마를 발생시켜 스퍼터된 입자의 직진성이 향상되어, 트렌치 패턴이 있는 박막 증착시 종횡비(aspect ratio)를 향상시킬 수 있다.
본 실시 예의 스퍼터링 장치는 플라즈마 발생 전력과 이온 가속 전압을 독립적으로 조절하고, 벨트형 자석(400)을 이용하여 형성한 자기장에 의해서 플라즈마 하전입자를 구속시켜 별도의 플라즈마 리미터 없이도 플라즈마-기판 상호작용을 최소화 시킬 수 있어 플라즈마에 의한 박막 손상을 최소화 시킬 수 있다. 그러나 필요에 따라 챔버 경계부에 플라즈마 리미터를 더 설치할 수 있음은 당업자에게 자명한 사항이다.
도 6은 상기 스퍼터링 장치(800)를 변형한 중성입자 빔 발생원(900) 구성을 나타낸다.
스퍼터링 장치(800)에서 타겟(700, 710, 720)을 전기 전도성이 큰 물질로 구성된 중성화 반사판(300)으로 대체하면 중성입자 빔 발생원(900)이 된다. 텅스텐 등의 금속, 실리콘, 그라파이트 등의 전기 전도성이 큰 물질로 구성된 중성화 반사판(300)에 -100 V 이하의 낮은 바이어스 전압을 인가하여 중성입자 빔을 발생시킬 수 있으며, 바이어스 전압의 다양한 모드 또한 상기 스퍼터링 장치 구성에서와 동일하게 적용될 수 있다. 본 실시 예에 따른 중성입자 빔 발생원(900)은 상기한 스퍼터링 장치(800)에서와 같은 원리로 고밀도 플라즈마가 발생되어 높은 플럭스의 중성입자 빔을 발생할 수 있다. 본 실시 예의 중성입자 빔 발생원은 플라즈마 리미터의 설치 없이도 플라즈마-기판 상호작용을 최소화 시킬 수 있어 기존 중성입자 빔 발생원과 차별화 된다. 또한, 고 진공 하에서 고 밀도 플라즈마 발생으로 인한 중성입자 빔의 고 플럭스와 더불어 평균자유행정의 증가로 인한 장점도 동일하게 나타난다. 그러나 필요에 따라 챔버 경계부에 플라즈마 리미터를 더 설치할 수 있음은 당업자에게 자명한 사항이다.
도 7은 상기 스퍼터링 장치(800)와 중성입자 빔 발생원(900)을 조합하여 구현한 박막 증착 시스템(1000)의 일실시예를 나타낸다.
상기 박막 증착 시스템(1000)에 따르면, 스퍼터링 장치(800)에 의해 박막을 구성하는 입자를 공급함과 동시에 중성입자 빔에 의해 박막형성에 필요한 에너지를 추가로 공급하여 저온 공정에서도 고 품질의 박막을 형성할 수 있는 장점이 있다.
상기 도 7에서는 하나의 스퍼터링 장치(800)를 중심으로 양옆에 각각 하나씩 두개의 중성입자 빔 발생원(900)을 설치하여 박막 증착 시스템(1000)을 구현하였으나, 스퍼터링 장치(800) 하나와 중성입자 빔 발생원(900) 하나를 조합할 수도 있으며, 그 조합방법은 당업자에 의해 얼마든지 다양하게 변형 될 수 있음은 물론이다.
도 8은 본 발명의 중성입자 발생원의 구성에 리미터(500)를 더 포함한 구성을 나타낸다. 리미터(500) 없이도 플라즈마-기판 상호작용을 최소화 시킬 수 있으나, 리미터(500)를 더 설치하여 중성입자 빔이 플라즈마 챔버(100)로부터 기판(600)이 있는 공정 챔버(미도시)로 출사될 때, 하전 된 입자들을 좀 더 완벽히 제거할 수 있다.
한편, 벨트형 자석(400)은 영구자석이 아닌 전자석으로도 구성할 수 있으며, 이 경우 마이크로파의 주파수를 증가시킬 수 있고 따라서 플라즈마 밀도를 향상 시킬 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
본 발명은, 플라즈마를 이용하여 박막을 형성하는 공정에 널리 이용될 수 있으며, 특히, 반도체, OLED, 태양전지, LED, 다이아몬드 박막 등의 첨단 산업분야에 본 발명의 플라즈마 발생원 및 박막 증착 시스템을 이용할 수 있다.

Claims (10)

  1. 플라즈마 발생 공간을 형성하는 플라즈마 챔버;
    상기 플라즈마 챔버 외벽을 둘러싸는 형태로 배치되는 한 쌍 이상의 벨트형 자석;및
    상기 플라즈마 발생공간에 마이크로파를 조사하는 마이크로파 조사장치;를 포함하고,
    상기 벨트형 자석은 연속된 자석배열을 가지며,
    상기 마이크로파 조사장치는, 조사 방향을 조절하여, 마이크로파의 전기장이 한 쌍 이상의 벨트형 자석에 의해 플라즈마 발생 공간에 형성되는 자기장의 방향과 수직이 되도록 마이크로파를 조사하여 자기장 분포를 따라 플라즈마 밀도를 높이는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 챔버와 마이크로파 조사장치는 마이크로파가 조사되는 개구부로 서로 소통되고, 상기 플라즈마 챔버와 마이크로파 조사장치는 함께 진공화될 수 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생원.
  3. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는 실린더형, 타원 트랙의 밑면을 가진 실린더형, 또는 다각형 밑면의 다각기둥 중 어느 하나로 구성되고,
    상기 마이크로파 조사장치는 사각 도파관, 실린더형 도파관, 고리형 도파관, 토러스형 도파관 또는 상기 도파관들에 슬릿을 형성한 슬릿형 도파관을 포함하고, 상기 마이크로파 조사장치는 마이크로파를 펄스 모드 또는 연속 모드로 조사하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생원.
  4. 제1항 또는 제2항의 플라즈마 발생원의 플라즈마 챔버 안에, 하나 이상의 타겟을 설치하고, 상기 타겟들에 바이어스 전압을 인가하여 스퍼터링을 일으키며,
    상기 타겟은 상기 벨트형 자석에 의해 플라즈마 발생 공간에 형성되는 자기장에 포위되도록 플라즈마 챔버의 내측벽을 따라 하나 이상 부착되고,
    상기 플라즈마 챔버의 상면에 나란한 방향으로 배치되는 하나 이상의 타겟을 더 설치하여,
    하나 이상의 물질을 기판에 동시 증착할 수 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 타겟에 인가되는 바이어스 전압은 직류전압, 교류전압, 펄스, 또는 이들의 혼합으로 이루어지는 전압인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  6. 제1항 또는 제2항의 플라즈마 발생원의 플라즈마 챔버 안에, 하나 이상의 전기 전도성이 있는 물질로 구성된 중성화 반사판을 설치하고, 상기 중성화 반사판들에 바이어스 전압을 인가하여 중성입자 빔을 생성하며,
    상기 중성화 반사판은 상기 벨트형 자석에 의해 플라즈마 발생 공간에 형성되는 자기장에 포위되도록 플라즈마 챔버의 내측벽을 따라 하나 이상 부착되고,
    상기 플라즈마 챔버의 상면에 나란한 방향으로 배치되는 하나 이상의 중성화 반사판을 더 설치하여, 중성입자 빔을 발생시키는 것을 특징으로 하는 중성입자 빔 발생원.
  7. 플라즈마를 생성하는 플라즈마 방전 공간을 제공하는 플라즈마 챔버;
    플라즈마 이온을 충돌에 의해 중성입자로 변환시키기 위해 상기 플라즈마 챔
    버 내부에 설치되는 중성화 반사판;
    중성입자 외의 플라즈마 이온 및 전자를 상기 플라즈마 방전 공간에 제한하도록 상기 플라즈마 방전 공간의 하단에 설치되는 리미터;
    상기 플라즈마 챔버에 장착되어 플라즈마 챔버 안으로 마이크로파를 출사하는 마이크로파 조사장치;및
    상기 플라즈마 챔버의 둘레를 둘러싸는 한 쌍의 벨트형 자석;를 포함하고,
    상기 한 쌍의 벨트형 자석 각각은 벨트의 안쪽과 바깥쪽이 서로 상보적인 자력 극성을 나타내고, 플라즈마 챔버 둘레에 상하로 나란히 배열되는 두 개의 벨트형 자석의 자력 극성도 상하위치에서 서로 상보적이 되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 중성입자 빔 발생원.
  8. 제4항의 스퍼터링 장치 하나 이상을 설치하고, 제6항의 중성입자 빔 발생원 하나 이상을 조합한 것을 특징으로 박막 증착 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 타겟 또는 중성화 반사판에 인가되는 바이어스 전압은 직류전압, 교류전압, 펄스, 또는 이들의 혼합으로 이루어지는 전압인 것을 특징으로 하는 박막 증착 시스템.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 중성화 반사판은 금속, 실리콘 또는 그라파이트 중 하나로 구성하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 시스템.
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