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KR102003106B1 - 토로이달 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

토로이달 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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KR102003106B1
KR102003106B1 KR1020157025382A KR20157025382A KR102003106B1 KR 102003106 B1 KR102003106 B1 KR 102003106B1 KR 1020157025382 A KR1020157025382 A KR 1020157025382A KR 20157025382 A KR20157025382 A KR 20157025382A KR 102003106 B1 KR102003106 B1 KR 102003106B1
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윌리엄 홀버
로버트 제이. 바스넷
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플라즈마빌리티, 엘엘씨
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Abstract

플라즈마 처리 장치는, 도관, 공정 챔버, 진공 챔버 내에 가스를 도입하기 위한 제1 가스 입력 포트, 및 진공 챔버로부터 가스를 배기하기 위한 펌프 포트를 포함하는 진공 챔버를 포함한다. 자기 코어는 도관을 둘러싼다. RF 전원의 출력부는 자기 코어에 전기적으로 접속된다. RF 전원은, 자기 코어에 에너지를 공급하여, 진공 챔버 내에 토로이달 플라즈마 루프 방전을 형성한다. 플라즈마 처리 동안 워크피스를 지지하는 플래튼은 공정 챔버 내에 위치한다.

Description

토로이달 플라즈마 처리 장치{TOROIDAL PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 교시는 분자 가스를 해리하기 위한 플라즈마 방전 이용에 관한 것이다.
본 명세서에서 사용되는 섹션 제목들은, 구성을 위한 것일 뿐이며, 본 출원에서 설명하는 주제를 어떠한 식으로든 한정하는 것으로서 해석해서는 안 된다.
플라즈마 방전은, 많은 유형이 존재하며, 넓은 조건 범위하에서 동작한다. 일부 응용분야에서는, 10- 3Torr 만큼 낮은 압력을 사용한다. 저 압력에서는, 해리가, 주로, 분자에 대한 전자 충돌로 인해 발생한다. 가스 종을 가열하는 것은 해리 과정에 있어서 비교적 작은 역할을 차지한다. 다른 응용분야에서는, 1Torr 내지 1atm 초과일 수 있는 더욱 높은 가스 압력을 사용한다. 분자 해리는, 가스 종의 가열과 전자 충돌의 결합으로 인해 발생한다. 일반적으로, 가장 효율적인 해리는, 압력과 가스 온도 모두가 비교적 높은 경우에 발생한다. 가스 압력이 1Torr 이상이고 플라즈마에 흡수된 전력이 10Wcm-3을 초과하는 경우, 가스 온도는 섭씨 수천 도를 초과할 수 있다. 이렇게 높은 가스 온도에서는, 열적 효과가, 고 해리 가스를 유지하는 데 있어서 중요한 역할을 행하기 시작한다.
바람직하고 예시적인 실시예들과 이들의 추가 장점들에 따른 본 교시를, 첨부 도면과 함께 다음에 따르는 상세한 설명에서 더욱 상세히 설명한다. 통상의 기술자라면, 후술하는 도면이 예시일 뿐이라는 점을 이해할 것이다. 도면은 반드시 일정한 비율로 된 것은 아니며, 대신에 일반적으로 본 교시의 원리를 예시하도록 강조된 것이다. 도면은 출원인의 교시 범위를 어떠한 식으로든 한정하려는 것이 아니다.
도 1은, 불활성 가스와 공정 가스가 한 지점에서 또는 다수의 지점에서 도입될 수 있는 전원과 자기 코어를 구비하는, 본 교시의 일 실시예에 따른 토로이달 플라즈마 소스를 도시한다.
도 2는, 플라즈마 도관들과 자기 코어들을 도시하는, 본 교시에 따른 토로이달 플라즈마 처리 장치를 도시한다.
도 3은, 워크피스(workpiece)의 길이를 따라 또는 폭에 걸쳐 다수의 플라즈마 소스가 적충된 본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 장치를 도시한다.
도 4는, 기능적으로 분리된 부분들이 있는 플라즈마 처리용 진공 챔버를 포함하는, 본 교시에 따른 토로이달 플라즈마 처리 장치의 사시도를 도시한다.
도 5는, 공정 챔버와 도관 챔버 사이에 조절가능 가스 제한부가 있는 공정 챔버 내에 두 개의 플라즈마 루프 섹션을 포함하는 본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 장치를 도시한다.
도 6은, 보다 높은 플라즈마 밀도와 가스 온도의 영역을 생성하도록 근접해 있거나 섞인 두 개의 플라즈마 섹션을 포함하는 본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 장치를 도시한다.
도 7은 본 교시에 따라 반응 가스 종을 생성하기 위한 원격 또는 다운스트림 토로이달 플라즈마 소스를 도시한다.
도 8은 세 개의 도관들과 공정 챔버를 포함하는 단일 플라즈마 루프를 포함하는 본 교시에 따른 토로이달 플라즈마 처리 장치의 일 실시예를 도시한다.
도 9는 본 교시에 따른 단일 플라즈마 루프 토로이달 플라즈마 처리 장치의 등축도를 도시한다.
도 10은 실험을 행하는 데 사용되는 본 교시에 따른 토로이달 플라즈마 처리 장치를 도시한다.
도 11은 본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 시스템과 함께 사용될 수 있는 워크피스를 지지하기 위한 워크피스 플래튼(platen)의 사시도를 도시한다.
본 명세서에서 "일 실시예" 또는 "한 실시예"를 언급하는 것은, 그 실시예와 관련하여 설명하는 구체적인 특징부, 구조, 또는 특징이 교시의 적어도 일 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 명세서의 여러 위치에서 출현하는 "일 실시예에서"라는 표현 모두가 반드시 동일한 실시예를 가리키는 것은 아니다.
본 교시의 방법의 개별적인 단계는, 본 교시가 적용될 수 있는 한 임의의 순서 및/또는 동시에 수행될 수 있다는 점을 이해하기 바란다. 게다가, 본 교시의 장치와 방법은, 본 교시가 적용될 수 있는 한 설명하는 실시예들 중 임의의 개수 또는 전부를 포함할 수 있다는 점을 이해하기 바란다.
이제, 첨부 도면에 도시한 바와 같이 본 교시의 예시적인 실시예들을 참조하여 본 교시를 더욱 상세히 설명한다. 본 교시를 다양한 실시예들 및 예들과 관련하여 설명하지만, 본 교시를 이러한 실시예들로 한정하려는 것이 아니다. 오히려, 본 교시는, 통상의 기술자가 파악하듯이, 다양한 대체, 수정, 및 등가를 포함한다. 본 교시를 접하는 통상의 기술자는, 추가 구현예, 수정예, 실시예, 및 본 명세서에서 설명하는 바와 같은 본 개시 내용의 범위 내에 있는 다른 응용분야를 인식할 것이다.
본 교시는 분자 가스를 해리하기 위한 플라즈마 방전 이용에 관한 것이다. 본 교시의 장치와 방법의 일 양태는 분자 가스를 해리하기 위한 플라즈마 방전을 이용하여 다이아몬드, DLC(diamond-like carbon), 그래핀(graphene), 및 관련 재료의 형성에 관한 것이다. 합성 다이아몬드 재료는 다양한 수단에 의해 수년 동안 생산되어 왔다. 초기 합성 다이아몬드 처리 기술은 열적 토치(torch)들 및 고압, 고온 리액터들을 포함한다. 1980년대부터, 연구자들은 합성 다이아몬드 막을 생성하는 데 플라즈마 기술을 검토하기 시작하였다. 이러한 막은, 실리콘(silicon), 텅스텐(tungsten), 몰리브덴(molybdenum) 등의 기판상에 증착된 다이아몬드 재료로 된 통상적으로 얇거나 두꺼운 막이었다. 이러한 리액터 유형을 일반적으로 플라즈마 화학적 기상 증착 리액터 또는 플라즈마 CVD 리액터라 한다. 플라즈마 CVD 다이아몬드 증착의 초기 개발의 상당 부분은 10 내지 100Torr의 일반적인 압력 범위에서 동작하는 마이크로파 기반 리액터를 사용하여 수행되었다. 다른 다이아몬드 증착은 저압 플라즈마 리액터와 넌마이크로파 발생기들을 사용하여 행해졌다. 일반적으로, 고 품질의 막과 고속 증착은 고압 마이크로파 시스템을 사용하여 달성되었다. 예를 들어, J.E. Butler, Y.A. Mankelevich, A. Cheesman, Jie Ma 및 M.N.R. Ashfold, "Understanding the Chemical Vapor Deposition of Diamond: Recent Progress", Journal of Physics: Condensed Matter 21 (2009) 364201, IOP Publishing를 참조한다. 또한, F. Silva, K. Hassouni, X. Bonnin 및 A. Gicquel, "Microwave Engineering of Plasma- Assisted CVD Reactors for Diamond Deposition," Journal of Physics: Condensed Matter 21 (2009) 364202 IOP Publishing를 참조한다. J.E. Butler 등 및 F Silva 등을 포함한 여기서 언급하는 모든 문헌들은 본 명세서에 참고로 원용되는 것이다.
다이아몬드, DLC, 그래핀, 및 관련 재료들을 증착하기 위한 플라즈마 화학물은, 메탄(methane)이나 아세틸렌(acetylene) 등의 탄소 함유 가스를 소량 첨가하는 수소 화학물을 주로 포함한다. 탄소와 수소를 함유하는 다른 가스를 사용할 수도 있다. 또한, 질소, 산소, 또는 할로겐 종 등의 다른 가스를 첨가할 수 있다. 플라즈마는 탄소 함유 종뿐만 아니라 수소의 일부 부분도 해리한다. 원자 수소는, 성장하는 다이아몬드 표면상으로 흡수되며 또한 다이아몬드 결합을 위해 탄소 결합을 우선적으로 에칭하기 때문에 중요한 성분이다. 고속 증착과 고 품질 막 성장 모두를 위한 핵심은 워크피스 표면에서 원자 수소의 고 플럭스(high flux)를 갖는 것이다. "워크피스"라는 용어는 본 명세서에서 재료가 증착되는 대상물로 정의된다. 다시 말하면, 워크피스는 본 교시의 방법과 장치에 따라 처리되는 샘플이나 디바이스이다.
플라즈마 방전의 많은 유형은 원자 수소의 고 플럭스에 필요한 조건을 생성한다. 그러나, 이러한 플라즈마 방전의 대부분에는, 많은 실제 응용에 있어서 심각한 단점이 있다. 예를 들어, 대기압에서 동작하는 플라즈마 토치들은, 매우 높은 가스 온도를 생성할 수 있고, 다양한 분자 가스들을 해리하는 데 매우 효과적이다. 그러나, 토치 전극들의 수명은 한정되어 있다. 또한, 많은 응용분야에서 용인될 수 없는 오염이 플라즈마 토치 전극들의 부식으로 인해 발생한다. 또한, 플라즈마 토치가 대면적에 걸쳐 균일한 방전을 생성하는 것은 어렵다.
유도 RF 플라즈마 소스들은 반도체 처리 장비에서 흔히 사용된다. 유도 RF 플라즈마 소스는 통상적으로 2MHz 내지 60MHz인 주파수에서 동작한다. 그러나, 전력 밀도 및/또는 압력이 상승하면, 심각한 플라즈마 챔버 부식이 발생할 수 있다. 원자 수소의 고 플럭스를 생성하기 위한 원하는 고 플라즈마 밀도 및 가스 압력은 통상적인 유도 플라즈마 소스에서 얻기 어렵다. 또한, 유도 결합된 플라즈마를 구동하는 데 사용되는 전원은 통상적으로 매우 효율적인 것은 아니다. 게다가, 전원과 플라즈마 간에 상당한 결합 손실이 존재한다. 이러한 손실을 보상하려면, 더욱 큰 전원이 필요하고 이러한 시스템이 종종 냉각을 필요로 하기 때문에, 플라즈마 발생기의 복잡성과 비용을 상당히 추가하게 된다.
마이크로파 방전 소스들도 반도체 처리 장치 및 다른 많은 응용분야에서 흔히 사용된다. 이러한 소스들은, 10- 3Torr 미만 내지 1atm 초과 범위의 압력에서 동작한다. 그러나, 마이크로파 발생기는 비효율적인 것으로 주지되어 있다. 마이크로파 발생기는 통상적으로 겨우 약 50%의 전체 효율(마이크로파 전력에 대한 AC 라인)을 갖는다. 또한, 이러한 발생기의 마그네트론 튜브들은 통상적으로 루틴하게 교체될 필요가 있으며, 이는 시스템의 운영비와 정지 시간(down time)을 상당히 추가하게 한다. 또한, 마이크로파 발생기로부터의 전력을 플라즈마에 결합하는 데 고가의 전용 도파관 부품들이 필요하다. 마이크로파 결합 부품들과 발생기는 또한 대형이고 무거우며, 이는 해당 응용분야, 특히 클린룸 환경에서의 응용분야를 제한한다.
마이크로파 플라즈마 리액터는 다이아몬드를 증착하는 데 흔히 사용된다. 이러한 리액터에서, 통상적인 가스 종은, 메탄 등의 탄소 함유 가스 및 수소를 포함하며, 산소, 질소, 할로겐 종 등의 다른 많은 가스들을 포함할 수 있다. 메탄이 아닌 탄소 함유 종도 사용되어 왔다. 고성능 마이크로파 다이아몬드 CVD 리액터는, 개별적으로 또는 조합한 다양한 방식으로 고 원자 수소 플럭스를 워크피스 표면에 인가하는데, 예를 들어, 고압(10 내지 100+ Torr), 고 중성 가스 온도(2000℃ 이상)에서 동작하고 및/또는 워크피스 표면을 원자 수소가 생성되는 플라즈마 코어로부터 짧은 거리에 위치시킴으로써 고 원자 수소 플럭스를 인가한다. 플라즈마 코어로부터의 짧은 거리에서 동작하는 것이 바람직한데, 공정 챔버의 통상적인 압력에서, 가스 상 재결합과 벽 반응들 모두가 원자 수소의 손실을 야기하기 때문이다.
일부 구성에 있어서 워크피스는, 원자 수소를 워크피스 표면에 최적으로 이송하도록 플라즈마의 핫 코어로부터 5cm 미만에 있을 필요가 있다. 많은 경우에, 가스 압력에 따라, 플라즈마의 핫 코어로부터 기판까지의 최적의 거리는 밀리미터 이하일 수 있다. 이러한 전력 밀도와 플라즈마 코어에 대한 가까운 기판 거리에서는, 기판이 상당히 가열된다. 이러한 가열은, 워크피스를 소망하는 증착 온도까지 가열하는 데 필요한 에너지를 성장 표면에 제공함으로써 장점이 될 수 있다.
다이아몬드를 증착하는 데 흔히 사용되는 마이크로파 플라즈마 리액터에서의 플라즈마 및 표면 화학물은 광범위하게 연구되어 왔으며, 플라즈마에서의 원자 수소의 생성 및 워크피스 표면상에서의 사용이 공정의 핵심이라는 것을 주지되어 있다. 리액터가 분자 수소를 원자 수소로 해리하여 워크피스 표면으로 효율적으로 전달하는 데 있어서 더욱 효율적으로 됨에 따라 증착 속도와 재료 품질이 증가한다. 또한, 원자 수소가 워크피스 표면에 충돌하면, 워크피스로 전달될 대량의 에너지를 발산하여 워크피스의 온도 상승을 야기하는 원자 수소의 분자 수소로의 재결합의 가능성이 크다. 이는, 다이아몬드, 그래핀, 및 유사 재료의 증착 등의 고 워크피스 온도를 필요로 하는 공정에서 장점으로 될 수 있다. 워크피스 가열을 위해 원자 수소를 이용함으로써, 보충 가열이 덜 필요하거나 완전히 불필요할 수 있어서, 에너지 비용, 장비 복잡성, 및 장비 비용을 줄일 수 있다.
본 교시의 일 양태는, 다이아몬드, DLC, 그래핀, 및 기타 탄소계 재료를 포함한 다양한 재료를 효과적이면서 효율적으로 증착하는 원자 수소를 생성하도록 토로이달 플라즈마를 사용하는 것이다. 토로이달 플라즈마는 본 명세서에서 폐쇄 루프를 완성하는 플라즈마로서 정의된다. 토로이달 플라즈마는 수년 동안 상업용 재료 처리 응용분야에서 사용되어 왔다. 재료 처리를 위한 토로이달 플라즈마 장치로 알려져 있는 한 가지는, 본 명세서에 참고로 원용되는 미국 특허 번호 제6,150,628호에 개시되어 있다. 본 명세서에서 설명하는 바와 같은 토로이달 플라즈마는 일반적으로 다음과 같은 특징들 중 하나 또는 그 이상을 갖는다. (1) 폐쇄 루프에서 플라즈마가 발생한다; (2) 하나 이상의 자기 코어가 플라즈마 루프의 일부를 둘러싼다; 그리고 (3) 전력이 자기 코어를 통해 효과적으로 변환기 회로의 이차측인 플라즈마 루프에 결합되도록 RF 전원이 자기 코어의 일차 권선에 접속된다.
따라서, 본 교시의 토로이달 플라즈마 소스의 한 가지 특징은, 성공적인 마이크로파 플라즈마 다이아몬드 CVD 리액터에서 찾을 수 있는 조건과 유사한 조건을 생성할 수 있는 플라즈마 방전을 개시하고 유지하는 데 넌마이크로파 전력을 사용할 수 있다는 점이다. 일부 구성에서 활성 가스의 부분 압력은 1Torr 이상일 수 있다. 흡수된 RF 전력은 10Wcm-3 이상일 수 있다.
본 교시의 토로이달 플라즈마 장치는 많은 응용분야를 갖는다. 본 교시의 토로이달 플라즈마 장치의 한 응용분야는 다이아몬드 등의 다양한 재료를 증착하는 것이다. 그러나, 본 교시가 다이아몬드 증착으로 한정되지 않는다는 점을 이해할 것이다. 본 교시의 토로이달 플라즈마 장치의 다른 한 응용분야는 워크피스 표면들을 에칭하거나 세정하는 것이다. 에칭 또는 세정은, 플라즈마 방전시 생성된 하전 종에 대한 노출 및/또는 플라즈마 방전시 생성된 중성 반응 종에 대한 노출에 의해 달성될 수 있다. 본 교시의 토로이달 플라즈마 장치의 다른 응용분야는 반응 가스 소스이다. 이 응용에서는, 주로 미하전 반응 가스 종들이 워크피스 표면에 도달하도록 소스가 구성되고 동작할 것이다. 토로이달 플라즈마 소스의 또 다른 응용분야는 이동하는 롤투롤 웹 기반 워크피스 플래튼(roll-to-roll web based workpiece platen) 상의 증착이나 에칭을 위한 것이다. 이러한 시스템은, 웹을 공정 챔버를 통해 이송하는 적어도 공급 롤러 및 리턴 롤러를 포함한다. 예를 들어, 본 명세서에 참고로 원용되는 미국 특허공개번호 제2010-0310766 A1호를 참조한다. 이러한 이동하는 롤투롤 웹 기반 워크피스 플래튼은 태양 전지와 같은 웹형 기판을 지지할 수 있거나 종래의 기판을 지지할 수 있다.
토로이달 플라즈마 소스는, 플라즈마에서의 매우 높은 가스 온도가 바람직한 응용분야에 특히 유용하다. 예를 들어, 플라즈마 영역에서의 매우 높은 가스 온도는, 분자 수소로부터 원자 수소로의 해리를 촉진하고 높은 정도의 해리를 유지하도록 수소에 의한 처리시 바람직하다. 구체적으로, 2000℃를 초과하는 가스 온도가 바람직한 것으로 알게 되었다. 본 교시에 따른 많은 공정에서는, 3000℃를 초과하는 가스 온도에서, 고 증착 속도와 고 품질의 증착된 다이아몬드 재료 모두를 위한 특히 바람직한 조건이 발생한다. 또한, 원자 질소, 산소, 불소, 염소, 브로민, 이오딘, 및 많은 탄화수소를 사용하는 경우에 플라즈마 영역에서의 매우 높은 가스 온도를 갖는 것이 바람직하다. 일반적으로, 플라즈마에서의 가스 온도가 높을수록, 원자 종이 더욱 효과적으로 생성된다.
또한, 본 교시에 따른 토로이달 플라즈마 소스는, 좁은 공간으로 한정되는 플라즈마 공정 챔버 내에서 플라즈마가 유지되기 어렵고 플라즈마 또는 플라즈마 산물이 벽과 상호 작용하는 반응 가스 종을 이용하는 응용분야에 특히 유용하다. 원자 수소는, 해리시 표면상에서의 높은 재결합률과 높은 화학적 활동성으로 인해 좁은 공간으로 한정되는 플라즈마 공정 챔버 내에서 유지되기 어려운 반응 가스의 일례이다. 수소는, 리소그래피 공정 단계 후에 반도체 웨이퍼 표면을 세정하고 포토레지스트를 반도체 웨이퍼로부터 제거하는 등의 응용분야에 사용된다. 또한, 수소는, 다이아몬드, DLC, 그래핀 등의 다양한 탄소계 재료를 증착하는 데 사용된다. 따라서, 본 교시의 토로이달 플라즈마 장치의 한 가지 중요한 응용분야는 다이아몬드, DLC, 그래핀, 및 기타 탄소계 재료를 증착하는 것이다. 좁은 공간으로 한정되는 플라즈마 처리 챔버 내에서 마찬가지 이유로 인해 유지되기 어려운 다른 가스들은, 원자 질소, 산소, 불소, 염소, 브로민, 이오딘, 암모니아, 많은 탄화수소, 탄화불소, 및 기타 분자 종을 포함한다.
도 1은, 한 지점(106)에서 또는 다수의 지점(106, 106', 106")에서 불활성 가스와 공정 가스가 도입될 수 있는, 자기 코어(102)와 전원(104)을 구비하는, 본 교시의 일 실시예에 따른 토로이달 플라즈마 소스(100)를 도시한다. 토로이달 플라즈마 소스(100)는, 절연 재료, 도체 재료, 또는 절연 재료와 도체 재료의 조합으로 형성될 수 있는 플라즈마 챔버(108)를 포함한다. 플라즈마 챔버(108)는 완전한 도체 구조로 된 것이 아니다. 자기 코어(102)는 플라즈마 챔버(108)를 둘러싼다. 또한, 일부 실시예들에서는, 자기 코어가 플라즈마 루프의 섹션을 둘러쌀 수 있는 진공 챔버 자체 내에 위치하는 것이 바람직할 수 있다. RF 전원(104)은 자기 코어(102)의 일차 권선에 접속된 출력부를 갖는다. RF 전원(104)은 자기 코어(102)에 에너지를 공급하는 데 사용되며, 이에 따라 자기 코어에 의해 전계가 플라즈마 방전부(110)에 결합된다.
다양한 실시예들에서, 불활성 가스와 공정 가스는 플라즈마 챔버(108)의 한 지점에서 또는 다수의 지점에서 도입된다. 도 1에 도시한 실시예에서, 토로이달 플라즈마 소스(100)는 제1 가스 유입부(106), 제2 가스 유입부(106'), 및 제3 가스 유입부(106")를 포함한다. 다수의 가스 유입부를 사용함으로써, 플라즈마 루프의 서로 다른 섹션들을 따라 활성 가스 종과 불활성 가스 종을 분리할 수 있다.
두 개의 가스 유입부를 사용함으로써, 플라즈마 루프의 서로 다른 섹션들을 따라 활성 가스 종과 불활성 가스 종을 분리할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "활성 가스(active gas)"와 "반응 가스(reactive gas)"라는 용어들은 공정 화학물의 일부인 가스들을 가리킨다. 대조적으로, 아르곤 등의 불활성 가스는, 플라즈마 방전을 유지하는 데 일조하도록 주로 사용되지만, 일부 공정에서는, 활성 가스의 해리 공정에서 역할을 행할 수도 있다.
가스는, 공정에 따라, 여러 가지 이유로 인해 플라즈마 챔버(100)의 다수의 가스 입력 포트에서 도입된다. 본 명세서에서 정의하는 바와 같은 가스 입력 포트들은, 단일 애퍼처 또는 다수의 애퍼처, 단일 슬릿 또는 다수의 슬릿, 또는 샤워 헤드 등의 임의의 유형의 가스 입력 포트일 수 있다. 예를 들어, 아르곤 가스는 한 위치에서 도입될 수 있는데, 다른 가스들에 비해 아르곤을 이용하여 플라즈마 방전을 생성 및 유지하는 데 전력과 전압이 덜 필요하기 때문이다. 또한, 아르곤 가스는 화학적으로 불활성이어서, 아르곤 방전에 노출된 플라즈마 챔버의 부분들이, 수소 및 기타 활성 가스에 노출된 플라즈마 챔버의 부분들에 비해 덜 복잡하고 고가인 재료를 덜 필요로 하는 구성으로 된다. 처리되는 워크피스(112)는 도 1에 도시한 바와 같이 진공 펌프에 대한 유출부(114) 근처에 위치할 수 있다. 다른 구성에서는, 처리되는 워크피스(112)를 진공펌프에 대한 유출부(114)로부터 변위시킨다. 아르곤 가스를 사용하는 많은 실시예들에서는 워크피스(112)로부터 떨어진 지점에서 아르곤 가스를 도입하는 한편, 수소 가스, 불활성 가스, 및 기타 공정 가스는 워크피스(112)에 보다 가깝게 도입된다. 이러한 구성에 의해, 원자 수소를 워크피스(112) 표면에 제공하도록 필요한 곳인 워크피스(112) 근방에서 더 많은 전력이 소비된다.
산출에 의하면, 넓은 범위의 가스 흐름과 압력에서 상당한 가스 분리가 발생한다. 예를 들어, 200sccm 이상의 아르곤 유속, 200sccm 이하의 수소 유속, 및 10Torr 초과의 압력에 대하여, 플라즈마 루프(110)를 따라 상당한 가스 분리가 발생한다. 다양한 실시예들에서는, 추가 펌핑 채널들 및 가스 입력 포트들을 포함시켜 가스 분리량을 증가시킨다. 일부 방법과 구성에서, 플라즈마 소스(100)는, 공정 가스의 부분 압력이 1Torr 내지 100Torr 압력 범위에 있도록 동작한다. 그러나, 본 명세서에서 설명하는 교시는 특정한 압력 범위로 한정되지 않는다.
다수의 가스 입력 포트에서 가스를 도입하는 다른 이유는 원하는 가스 흐름 패턴을 제공하거나 특정 파라미터들에 대한 흐름 패턴을 최적화하기 위해서이다. 예를 들어, 크기 및/또는 이격 패턴이 가변되는 복수의 가스 입력 포트를 사용하여 원하는 흐름 패턴을 달성하거나 가스 흐름을 최적화할 수 있다. 최적화된 흐름은 고정된 기판과 회전하는 기판 모두에 대하여 균일성을 향상시킬 수 있다.
다양한 실시예들에서, 워크피스(112)는 플라즈마와 밀접할 수 있거나 플라즈마에 인접하여 위치할 수 있다. 일부 실시예들에서, 워크피스(112)는, 고 품질의 막들을 증착하도록 적절한 원자 수소 플럭스를 받게 되는 핫 플라즈마 코어에 근접하여 토로이달 플라즈마 영역에 도입된다. 특정한 일 실시예에서, 워크피스(112)는 플라즈마의 핫 코어로부터 2cm 미만에 있다. 본 실시예에서, 핫 플라즈마 코어로부터 워크피스 표면까지의 통상적인 거리 범위는 1mm 내지 5cm이다.
도 1에 도시한 실시예에서는, 400kHz 전원(104)이 도시되어 있다. 다양한 실시예들에서, RF 전원(104)의 주파수 범위는 일반적으로 약 60Hz 내지 100MHz이다. 그러나, 전체 시스템 비용과 자기 코어의 중량을 최소화하는 바람직함과 전원에 대한 실질적인 제한사항을 비롯한 다양한 인자들은, 많은 실시예들에 있어서 실제 주파수 범위를 약 20kHz 내지 14MHz 범위로 한정한다. 이러한 주파수 범위는, 또한, 용량 결합을 피하면서 전원(104)으로부터 플라즈마로의 전력 전달을 최대화하는 데 바람직하다. 일부 실시예들에서 토로이달 플라즈마 소스(100)는 플라즈마의 10Wcm-3 이상의 전력 밀도로 동작한다. 다른 실시예들에서, 전력 밀도는 100Wcm- 3를 초과한다.
도 1과 관련하여 설명하는 토로이달 플라즈마 소스(100)의 한 가지 특징은, 플라즈마를 형성하는 데 마이크로파 캐비티가 필요하지 않다는 점이다. 마이크로파 캐비티에는 아크 방전을 형성하는 경향 등의 많은 단점이 있다. 실제로, 마이크로파 캐비티는, 플라즈마 방전을 형성하는 다른 수단에 비해 훨씬 더 제한된 공정 파라미터 공간을 가지며 워크피스(112)가 위치할 수 있는 곳에 있어서 훨씬 더 제한된다. 또한, 마이크로파 캐비티는, 플라즈마 형상을 특정 워크피스 유형에 바람직할 수 있는 것에 맞추는 제한된 범위의 기회를 제공한다.
도 1과 관련하여 설명하는 토로이달 플라즈마 소스(100)의 다른 특징은, 전원(104)을 플라즈마 부하에 대하여 능동적으로 조절하거나 일치시키는 것을 일반적으로 필요로 하지 않아서 복잡성과 비용을 감소시킨다는 점이다. 그러나, 일부 상황에서는, 조절이나 일치가 바람직할 수 있다. 토로이달 플라즈마 소스(100)의 또 다른 특징은, 디바이스 내의 전계와 전압이 마이크로파 소스 또는 다른 종래의 RF 플라즈마 소스에서 찾을 수 있는 전계와 전압에 비해 작아서 신뢰성을 개선하며 플라즈마 환경에 노출되는 내면의 부식을 감소시킨다는 점이다.
도 2는, 플라즈마 도관들(202)과 자기 코어들(204)를 예시하는 본 교시에 따른 토로이달 플라즈마 처리 장치(200)를 도시한다. 본 명세서에서 정의하는 바와 같은 "도관"이라는 용어는, 토로이달 방전의 섹션을 포함하도록 설계된 구조를 의미하며, 재료 및/또는 가스의 실질적인 처리가 수행되는 구조를 의도한 것이 아니다. 본 교시의 많은 실시예들의 도관들(202)은 공정 챔버(206)와 비교하여 다른 형상을 가져 도관들(202) 내의 불활성 가스와 공정 가스의 압력 및 농도가 공정 챔버(206)의 압력 및 농도와 다르다. "공정 챔버(process chamber)"라는 용어는, 본 명세서에서 재료와 가스 중 하나 또는 모두가 처리되는 진공 챔버의 섹션으로서 정의된다. 따라서, "공정 챔버"라는 용어는 일부 관련 기술보다 포괄적으로 정의된다. 도면에 도시한 공정 챔버들은 많은 가능한 공정 챔버 구성들 중 일부일 뿐이다. 다양한 구성에 있어서, 진공 챔버의 서로 다른 부분들은, 공정 화학물에 따라, 서로 다른 재료들 또는 동일한 재료로 구성될 수 있다. 일부 응용분야에서는, 공정 가스의 농도를 감소시키기 위해 플라즈마 챔버의 일부 섹션들에서 아르곤 퍼징(purging)을 제공하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 교시에 따른 토로이달 플라즈마 소스(200)의 도관들(202) 및 자기 코어(204) 또는 코어들의 한 구성을 예시한다. 토로이달 플라즈마 소스(200)는, 다이아몬드, DLC, 그래핀, 및 증착 공정에서의 원자 수소를 필요로 하는 기타 재료 등의 재료들의 증착에 사용하기 위한 원자 수소의 생성을 포함한 넓은 범위의 목적에 적합하다. 또한, 토로이달 플라즈마 소스는 표면 세정과 개질을 포함한 다른 많은 화학물과 공정에 사용될 수 있다.
플라즈마 처리 장치(200)는 대략 직선형인 두 개의 도관(202)을 포함한다. 플라즈마(202)는 도관들의 양측 단부에서 토로이달 플라즈마 루프를 폐쇄한다. 본 실시예의 형상의 한 가지 특징은, 직선형 도관들(202)이 다양한 재료들에서 이용될 수 있으며 보다 복잡한 형상의 도관들에 비해 상당히 적은 비용으로 제조될 수 있다는 점이다. 본 실시예의 형상의 다른 한 특징은, 플라즈마(208)가 보다 큰 진공 챔버 내에 있는 경우 토로이달 경로를 따라 휘어진다는 점이다. 결국, 방전으로 인한 열은 플라즈마(208)가 휘어지는 곳에 대부분 집중된다. 열이 더욱 집중된 이러한 영역은 열과 화학적 공격 모두로부터의 부식의 영향을 더욱 받기 쉽다. 따라서, 이온들로부터의 물리적 스퍼터링(sputtering)은, 열을 흡수하도록 더욱 큰 표면적이 있는 더욱 큰 체적 영역들로 이동하게 된다.
다양한 실시예들에서, 플라즈마 도관들(202)은, 용융 실리카, 알루미나, 알루미늄 질화물, 사파이어, 기타 세라믹, 및 유리 등의 서로 다른 다양한 유형의 유전 재료로 제조될 수 있다. 또한, 플라즈마 도관들(202)은, 알루미늄, 다양한 강철, 구리, 텅스텐, 몰리브덴 등의 도체 재료로 제조될 수 있다. 도체 재료 또는 유전 재료를 사용하는 실시예들에서는, 아크 방전이나 부식을 방지하도록 전기적 절연 코팅을 플라즈마 도관의 내벽에 도포할 수 있다. 도체 재료의 경우에, 도관들(202)에는, 도관들이 연결되는 챔버에 대한 전기적 단락을 방지하도록 절연 칼라(collar) 또는 와셔가 장착될 수 있다. 도관들(202)과 자기 코어들(206)의 온도는 많은 방식으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 도관들(202)과 자기 코어들(206)은, 공기 대류, 직접적 유체 냉각을 수행함으로써, 또는 도관들(202) 및/또는 자기 코어들(206)의 외면과 밀접하게 배치되는 하나 이상의 냉각 요소에 의해 냉각될 수 있다.
알려져 있는 토로이달 플라즈마 소스들에서는, 공정 가스 화학물이 플라즈마 공정 챔버의 벽 재료와 종종 호환될 수 없다. 이러한 불호환성에 의해, 사용될 수 있는 공정 가스들을 효과적으로 한정하게 된다. 본 교시의 토로이달 플라즈마 소스(200)의 다른 한 특징은, 본 교시의 장치가 통상적인 플라즈마 공정 챔버의 벽 재료와 호환될 수 없는 공정 가스 화학물을 이용할 수 있다는 점이다.
알려져 있는 토로이달 플라즈마 소스들에서는, 플라즈마 루프의 상당 부분이 주로 플라즈마를 유지하는 데에만 사용된다. 플라즈마를 유지하는 것은, 많은 응용분야를 위한 공정 이점을 제공하지 않고서, 에너지를 소모한다. 본 교시의 토로이달 플라즈마 소스(200)의 다른 한 특징은, 전체 플라즈마 전력 중 플라즈마(208)를 유지하는 데에만 사용되는 부분을 감소시킨다는 점이다. 다양한 실시예들에서, 본 교시의 토로이달 플라즈마 소스(200)는, 일부 실시예들에서는 공정 가스를 위한 플라즈마 경로 길이의 100%를 이용할 수 있고, 다른 실시예들에서는 플라즈마 경로 길이의 5%정도로 작게 이용할 수 있다.
알려져 있는 토로이달 플라즈마 소스에서, 플라즈마 루프는, 플라즈마의 최고온 부분이 워크피스로부터 떨어져 있는 폐쇄된 진공 챔버 내에 한정된다. 본 교시의 플라즈마 처리 장치의 다른 한 특징은, 워크피스(210)가 고온 플라즈마(204) 코어에 바로 인접할 수 있게 하거나 근처에 있을 수 있게 한다는 점이다.
도 3은, 다수의 플라즈마 소스(302)가 워크피스(304)의 폭을 가로질러 또는 워크피스의 길이를 따라 적층된 본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 장치(300)를 도시한다. 이 형상에서, 적층된 토로이달 플라즈마 소스들(302)은 다양한 구성으로 중첩되고 오프셋될 수 있어서, 공정의 균일성을 제어할 수 있다. 토로이달 플라즈마 소스들(302)의 각각은 도관들(308) 및 적어도 하나의 자기 코어(310)를 포함한다. 공정 챔버(306)는 토로이달 플라즈마 소스들 모두에 대하여 공통되는 것이다. 도관들(308)의 각 쌍에 대한 플라즈마 플럭스(312)는 나머지 쌍들로부터 이격된 상태로 유지될 수 있다. 다른 실시예들에서, 플라즈마 플럭스(312)는 도관-대-도관(conduit-to-conduit) 링크된다. 이러한 형상은, 대면적의 개별 워크피스들(304) 및 재료를 증착하고, 재료를 에칭하거나, 재료의 표면 특성을 개질하도록 워크피스(304)가 공정 챔버 내에서 연속적으로 이동하는 롤투롤 또는 웹 증착 시스템 모두에 대하여 적합하다. 본 명세서에서 설명하는 플라즈마 처리 장치(300)의 한 특징은, 공정의 균일성과 속도를 제어하도록 이동하거나 고정된 워크피스(304)의 폭이나 길이를 따라 토로이달 플라즈마 소스들을 배열할 수 있다는 점이다.
일부 실시예들에서, 본 교시의 플라즈마 처리 장치(300)는 단일 공정 챔버(306)에 더하여 단일 접속 챔버(302)를 공유한다. 이러한 구성에서, 단일 접속 챔버(302)는 제2 공정 챔버로서 사용될 수 있다. 이 구성에서, 두 개의 이동하는 워크피스 또는 두 개의 고정된 워크피스는 동시에 처리될 수 있다. 두 개의 워크피스 챔버가 사용되는 실시예들에서, 동일한 또는 서로 다른 가스 혼합물들을 서로 다른 워크피스 챔버들에 도입할 수 있다.
다수의 플라즈마 소스를 갖는 플라즈마 처리 장치(300)는, 한 공정 챔버(306)로부터 다음 공정 챔버로 공통적으로 이동되는 유리들 등의 고정된 개별 기판들에 적합하다. 플라즈마 처리 장치(300)는 재료를 증착하고, 표면을 세정하거나, 표면을 개질하는 데 사용될 수 있다. 플라즈마 처리 장치(300)를 이용한 처리에 적절한 디바이스의 예로는 광전지 및 디스플레이가 있다.
또한, 다수의 플라즈마 소스를 갖는 플라즈마 처리 장치(300)는, 플라즈마(312) 영역 아래에 있는 워크피스(304)를 회전시키고, 병진 이동시키고, 또는 다른 방법으로 이동시키는 능력 때문에 대면적에 걸쳐 균일한 막을 증착하는 데 적합하다. 다양한 실시예들에서, 워크피스(304)의 이동은, 더욱 넓은 워크피스(304) 면적에 걸쳐 플라즈마 소스로부터의 전력을 평균화함으로써 균일한 막 증착을 제공하도록 그리고 워크피스(304)의 온도를 제어하도록 제어될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 워크피스의 이동은 순수한 회전, 또는 순수한 병진 이동, 또는 회전과 병진 이동의 조합일 수 있다. 일부 실시예들에서, 토로이달 플라즈마 소스(300) 자체는 플라즈마(302) 균일성을 개선하도록 회전 및/또는 병진 이동된다. 일부 실시예들에서, 워크피스(304)와 토로이달 플라즈마 소스(300) 모두는 균일성을 개선하도록 서로에 대하여 회전 및/또는 병진 이동된다.
도 4는, 플라즈마 조건들이 국부 가스 주입 및/또는 챔버의 국부 형상 중 적어도 하나로 인해 루프의 서로 다른 섹션들에서 다를 수 있는 기능적으로 분리된 부분들이 있는 진공 챔버를 포함하는 본 교시에 따른 토로이달 플라즈마 처리 장치(400)의 사시도를 도시한다. 다양한 구성에서, 기능적으로 분리된 부분들 중 일부는 플라즈마에 의해 직접적으로 또는 원격으로 발생하는 반응 종에 대한 워크피스의 소정의 노출 및 플라즈마를 위한 적어도 하나의 도관을 제공한다. 서로 다른 많은 유형의 반응 종들이 생성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 원자 수소가 생성된다.
더욱 구체적으로, 토로이달 플라즈마 처리 장치(400)는, 토로이달 플라즈마를 지지하기 위한 도관들(402)을 갖는 진공 챔버, 공정 챔버(406), 및 도관들(402) 중 적어도 하나 주위의 적어도 하나의 자기 코어(408)를 포함한다. 또한, 토로이달 플라즈마 처리 장치(400)는 점화기 포트로서 사용될 수 있는 뷰 포트(410)를 포함한다.
도 4에 도시한 토로이달 플라즈마 처리 장치(400)는, 다양한 방식으로 사용될 수 있는 두 개의 가스 도입 포트들(412, 414)을 도시한다. 다양한 실시예들에서, 임의의 개수의 가스 도입 포트를 사용할 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 실시예들 중 일부에서는, 처리되고 있는 워크피스에 근접하여 반응 가스를 주입한다. 일부 방법에서, 제1 가스 도입 포트(412)는 아르곤 등의 비반응성 가스를 도입하는 데 사용되어 폐쇄된 플라즈마 루프의 대부분의 주위에 플라즈마를 위한 쉬운 이온화가능 경로를 제공한다. 도관들(402)이 주로 아르곤 가스 또는 다른 소정의 종류의 불활성 가스를 함유하는 경우, 그러한 영역들에서 소모되는 전력은 공정 가스가 존재하는 경우보다 적으며, 그러한 영역에서의 진공 챔버 벽에 대한 임의의 화학적 공격이 상당히 감소된다.
이러한 공정에서, 제2 가스 도입 포트(414)는 공정 가스를 공정 챔버(406) 내에 도입하는 데 사용될 수 있다. 공정 가스들은 통상적으로 아르곤 단독의 경우보다 높은 임피던스 플라즈마 부하를 제시한다. 결국, 플라즈마의 단위 길이당 소모되는 전력은, 아르곤을 대부분 함유하는 플라즈마 챔버의 다른 영역들에서보다 공정 챔버(406)에서 더 크다. 마찬가지로, 대부분의 공격적인 플라즈마 화학물은 공정 챔버(406)에 위치한다. 본 교시의 토로이달 플라즈마 발생기의 한 특징은, 다양한 냉각 수단이 전체 플라즈마 루프 주위에 균일하게 분산되기보다는 가장 필요로 하는 곳에 위치할 수 있다는 점이다.
진공 챔버를 포함하는 다양한 요소들은 플라즈마에 대한 추가 제어를 제공하도록 전기적으로 분리될 수 있다. 이러한 요소들은 전기적으로 부동(float)될 수 있고, 또는 DC 및/또는 RF 전원에 의해 전기적으로 바이어싱될 수 있다. 예를 들어, 일부 구성에서, 워크피스 플래튼은 전기적으로 부동될 수 있거나 전기적으로 바이어싱될 수 있다. 워크피스 플래튼에 대한 바이어스를 제어함으로써, 플라즈마의 일부 영역들에서의 강도 또는 플라즈마 형상을 변경할 수 있다. 또한, 진공 챔버의 서로 다른 섹션들을 개별적으로 바이어싱하거나 부동화함으로써, 플라즈마에서의 에너지 소모의 추가 제어를 제공할 수 있다.
워크피스는 공정 챔버(406) 내에서 통상적으로 플래튼 또는 홀더 상에 위치한다. 플래튼은 일부 응용분야에 대하여 온도 제어될 수 있거나 위치 조절될 수 있다. 워크피스의 온도는, 플라즈마에 대한 워크피스의 물리적 위치를 조절하는 것, 플래튼에 대한 워크피스의 물리적 위치를 조절하는 것, 플래튼의 온도를 조절하는 것, 워크피스와 플래튼 사이의 가스의 압력을 조절하는 것을 포함한 다양한 수단에 의해 조절될 수 있다. 또한, 워크피스의 온도는, 워크피스의 후면의 방사율 또는 워크피스에 인접하는 플래튼의 면의 방사율을 변경함으로써 조절될 수 있다. 일부 시스템에서, 플래튼은, 플래튼에 인접하는 표면에서 워크피스의 온도를 모니터하는 센서들을 포함할 수 있다. 센서들은, 성장면에서의 공정 온도를 자동 제어하는 데 사용되는 폐쇄 루프 피드백 시스템의 일부일 수 있다. 대안으로, 센서들은 워크피스의 온도를 워크피스의 성장면에서 모니터할 수도 있다. 또한, 센서들은, 워크피스의 성장면 상에 증착되는 막의 성장 속도와 핵생성(nucleation)을 모니터하는 데 사용될 수 있다. 양측 기능은, 일부 경우에, 동일한 센서 내에 집적될 수 있다.
도 4의 토로이달 플라즈마 소스(400)의 또 다른 특징은, 공정 챔버(406)가 플라즈마 도관 부분들(402)보다 더 큰 치수나 단면적을 가질 수 있다는 점이다. 이 형상은 여러 장점들을 제공한다. 예를 들어, 공정 챔버(406)에 의해 플라즈마로부터 흡수될 필요가 있는 전력이 더욱 큰 면적으로 흡수되어, 벽 상의 전력 밀도를 감소시킨다. 또한, 가장 높은 플라즈마 밀도와 가장 높은 가스 온도의 영역은 벽들로부터 더 멀리 위치하며, 이는 냉각 요건들을 감소시키며, 활성 화학 종이 벽에 도달하기 전에 부분적으로 중성화, 완전히 중성화, 또는 재결합될 수 있게 한다. 또한, 플라즈마 도관 부분들보다 큰 치수나 단면적을 갖는 공정 챔버를 사용함으로써, 더욱 큰 워크피스 크기가 가능하며 및/또는 공정 균일성을 개선하기 위해 워크피스를 회전시키거나 이동시키는 알려져 있는 기계적 수단이 가능하다.
도 5는, 플라즈마 루프의 두 개의 개별적인 부분이 단일 공정 챔버를 통해 전파되는 본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 장치(500)를 도시한다. 이 구성에서, 진공 챔버는, 플라즈마 루프를 유지하고 샘플이 플라즈마의 반응 종에 직접 노출될 수 있게 하는 개별적인 부분들을 갖는다. 도 5에 도시한 구성에서, 두 개의 개별적인 플라즈마 루프 섹션은 공정 챔버를 통해 전파되지만, 다른 구성에서는, 세 개 이상의 개별적인 플라즈마 루프 섹션이 공정 챔버를 통해 전파된다. 다양한 구성에 있어서, 플라즈마 루프의 두 개의 개별적인 부분은 처리될 워크피스 재료의 더욱 많은 볼륨을 제공한다. 대안으로 또는 추가로, 플라즈마 루프의 두 개의 개별적인 부분은, 더욱 빠른 공정 속도, 개선된 공정 균일성, 또는 변경된 화학물 선택성 중 적어도 하나를 제공할 수 있다.
다른 구성에서, 토로이달 플라즈마 처리 장치는 다수의 개별적인 공정 챔버들을 구비한다. 본 실시예에 대한 서로 다른 많은 구성이 가능하다. 예를 들어, 본 교시의 이 양태는 C-형상 플라즈마 도관들로 한정되지 않는다. 다른 많은 형상이 가능하다. 또한, 플라즈마 도관들은, 단일 도관으로 구성될 수 있고, 또는 함께 연결된 두 개 이상의 개별적인 도관들로 구성될 수 있다. 사실상, 토로이달 플라즈마 처리 장치는, 적어도 하나의 국부적으로 다른 반응 가스의 농도, 압력, 및/또는 온도가 있는 임의의 구성을 가질 수 있다.
플라즈마 도관들 및 공정 챔버 요소들은 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 일부 제조 방법은, 기계 가공, 몰딩, 주조, 압출, 및 3D 프린팅을 포함한다. 세라믹 및 복합 피스들을 위한 다양한 구성 기술들은 재료에 따라 서로 다른 특징들을 갖는다. 예를 들어, 3D 프린팅의 경우, 냉각 요소, 가스 도입 요소, 장착 요소 등의 내부 요소들은 구성시 세라믹 피스들 내에 설치될 수 있다. 이는, 저 비용, 보다 양호한 열적 관리, 보다 양호한 플라즈마 제어, 및 진공, 물, 가스 밀봉부들의 감소된 개수 등의 많은 장점을 제공할 수 있다.
도관들과 공정 챔버들은, 알루미늄, 양극 처리된 알루미늄, 스테인리스 스틸, 알루미늄 산화물, 사파이어, 알루미늄 질화물, 다양한 복합 재료, 다른 많은 세라믹 재료 등의 다양한 재료로 구성될 수 있다. 스프레이 코팅 또는 다른 기술을 이용하여, 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 등의 금속들을 코팅하여 화학적 공격에 대한 저항을 증가시킬 수 있다. 이러한 영역들에 확산되는 공정 가스의 잔여량도 화학적 공격을 야기할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 세라믹 재료 및 일부 복합 재료 등의 완전한 절연 재료 또는 금속 표면상에 절연 코팅을 사용함으로써, 하드웨어 고장과 공정 실패 모두를 야기할 수 있는, 플라즈마로부터의 아크 방전을 벽들로 제한하는 것에 일조할 수 있다. 텅스텐과 몰리브덴 등의 내화 금속은 보다 고온의 동작에 사용될 수 있다.
도 5는, 도관들(502)과 공정 챔버들(504) 사이에 조절가능 가스 제한부가 있는 두 개의 플라즈마 루프 섹션을 포함하는 본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 장치(500)를 도시한다. 적어도 하나의 자기 코어(506)는 적어도 하나의 도관(502)을 둘러싼다. 전원(507)의 출력부는 자기 코어(506)에 전기적으로 접속된다. 토로이달 플라즈마 처리 장치(500)는 불활성 가스와 공정 가스를 제공하기 위한 다수의 가스 입력 포트(508, 508')도 포함한다. 일부 실시예들에서, 가스 입력 포트(508)는 아르곤 등의 불활성 가스를 도입하는 데 사용되고, 가스 입력 포트(508')는 공정 가스를 도입하는 데 사용된다. 마찬가지로, 토로이달 플라즈마 처리 장치(500)는 진공 펌프에 결합된 다수의 펌핑 유출 포트(510)도 포함한다. 본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 장치(500)의 한 특징은, 다수의 펌핑 유출 포트(510)를 사용하여 플라즈마 루프의 서로 다른 부분들을 서로 다른 속도로 펌핑하며 플라즈마 루프의 서로 다른 섹션들에서 압력 차들을 생성할 수 있다는 점이다.
이 구성에서, 가스 분포는 공정 루프 내의 개별적인 가스 채널들을 통해 최적화될 수 있다. 최적화된 흐름은, 고정된 기판들, 회전하는 기판들, 또는, 중첩하는 플라즈마 루프들 상의 균일성을 향상시킬 수 있다. 도 5는, 또한, 공정 챔버(504)와 도관들(502) 사이에 조절가능 가스 제한부가 있는 공정 챔버 내에 두 개의 플라즈마 루프 섹션을 포함하는 본 교시의 토로이달 플라즈마 소스(500)를 도시한다. 가변 제한부 또는 게이트(512)가 도관들(502)의 각각과 공정 챔버(504) 사이의 위치에 배치될 수 있다. 게이트(512)는, 공정 챔버(504)의 공정 파라미터들이 도관들(502)로부터의 일부 분리에 의해 최적화될 수 있게 한다.
도 5에 도시한 구성에서, 도관들(502)의 유출부들은, 아르곤 퍼징된 영역 등의 한 영역으로부터 공정 챔버(504)로 천이될 때 단면적의 감소를 갖는 것으로 도시되어 있다. 이러한 천이 영역에서의 단면적의 변화는, 공정 챔버(504) 내로의 퍼지 가스의 흐름을 감소시키는 한편, 퍼징된 영역 내로의 공정 가스의 확산이나 흐름을 여전히 방지한다. 그러나, 통상의 기술자라면, 단면적 변화가 모든 응용분야에서 필요한 것은 아니라는 점을 파악할 것이다. 플라즈마가 관통하는 데 필요한 단면적은 단면적의 허용 가능한 변화를 제한한다. 최적의 단면적은 1Torr 내지 200Torr의 압력 범위에 걸친 공정 조건들에 의해 결정된다. 일부 형상들과 조건들에 있어서, 최소 단면적은 약 0.25cm2이다.
공정 챔버와 플라즈마 도관 챔버 사이에 가스 제한부가 있는 도 5에 도시한 토로이달 플라즈마 소스(500)의 한 특징은, 각 도관(502)마다 가스 압력과 가스 조성이 개별적으로 최적화될 수 있다는 점이다. 도 5에 도시한 토로이달 플라즈마 소스(500)의 다른 한 특징은, 공정 챔버(504)를 거치고 있는 플라즈마 루프 섹션들이 공정 가스들에 노출되어 있는 동안 아르곤 또는 다른 불활성 가스 또는 가스들의 혼합물에 의해 도관들(502)이 퍼징될 수 있다는 점이다.
도 6은, 비교적 높은 플라즈마 밀도와 가스 온도의 영역을 생성하도록 근접해 있거나 섞인 두 개의 플라즈마 루프 도관 섹션(602)을 포함하는 본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 장치(600)를 도시한다. 도 6의 토로이달 플라즈마 처리 장치(600)는 도 5에 관련하여 설명한 토로이달 플라즈마 처리 장치(600)와 유사하며, 동일한 요소들을 많이 포함한다. 토로이달 플라즈마 처리 장치(600)는, 도관들(602)과 공정 챔버(604) 사이의 조절가능 가스 제한부를 포함한다. 적어도 하나의 자기 코어(606)는 적어도 하나의 도관(602)을 둘러싼다. 전원(607)의 출력부는 자기 코어(606)에 전기적으로 접속된다. 또한, 토로이달 플라즈마 처리 장치(600)는 불활성 가스와 공정 가스를 제공하기 위한 다수의 가스 입력 포트(608, 608')를 포함한다. 일부 실시예들에서, 입력 포트(608)는 아르곤 등의 불활성 가스를 도입하는 데 사용되고, 입력 포트(608')는 공정 가스를 도입하는 데 사용된다. 마찬가지로, 토로이달 플라즈마 처리 장치(600)는 진공 펌프에 결합된 다수의 펌핑 유출 포트(610)도 포함한다. 본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 장치(600)의 한 특징은, 일부 실시예들에서 다수의 펌핑 유출 포트(610)를 사용하여 플라즈마 루프의 서로 다른 부분들을 서로 다른 속도로 펌핑하여 플라즈마 루프의 서로 다른 섹션들에서 압력 차들을 생성할 수 있다는 점이다.
도 6에 도시한 토로이달 플라즈마 처리 장치(600)의 한 특징은, 근접해 있거나 섞인 두 개의 플라즈마 루프 도관 섹션(602)이 다이아몬드 및 다이아몬드상(diamond-like) 코팅들의 증착 등의 고 밀도 플라즈마 처리를 요구하는 응용분야에 사용될 수 있는 비교적 높은 플라즈마 밀도와 가스 온도의 영역을 생성한다는 점이다. 도 6에 도시한 토로이달 플라즈마 처리 장치(600)의 다른 한 특징은, 더욱 큰 단일 워크피스가 처리될 수 있는 증가된 공정 면적을 제공한다는 점이다.
도 7은 본 교시에 따른 반응 가스 종을 생성하기 위한 원격 또는 다운스트림 토로이달 플라즈마 소스(700)를 도시한다. 이 구성에서, 워크피스는, 플라즈마에 바로 근접해 있지 않고 플라즈마 소스로부터 다소 하류측에 떨어져 위치한다. 본 실시예의 통상적인 응용분야는, 표면 세정, 에칭, 증착, 증착 챔버 또는 에칭 챔버 등의 공정 챔버의 벽들의 세정을 포함한다.
본 교시에 따른 원격 토로이달 플라즈마 소스(700)는, 도관들(702), 반응 챔버(703), 제1 위치에서 불활성 가스를 진공 챔버 내에 도입하기 위한 제1 가스 입력 포트(705), 제2 위치에서 공정 가스를 도입하기 위한 제2 가스 입력 포트(706), 및 반응 챔버(703) 내에서 생성된 반응 종을 전달하기 위한 반응 가스 유출부(708)를 포함하는 진공 챔버를 포함한다.
원격 토로이달 플라즈마 소스(700)의 한 특징은, 공정 챔버(703) 내의 압력과 반응 가스 농도 중 적어도 하나가 도관들(702) 내의 압력과 반응 가스 농도 중 적어도 하나와 다르다는 점이다. 자기 코어(707)는 도관들(702) 중 적어도 하나를 둘러싼다. RF 전원(712)은 자기 코어(707)에 전기적으로 접속된 출력부를 갖는다. RF 전원(712)은 자기 코어(707)에 에너지를 공급하며, 이에 따라 하류측 처리를 위한 반응 종을 생성하는 토로이달 플라즈마 루프 방전을 진공 챔버 내에 형성한다.
원격 플라즈마 소스를 작동시키는 한 방법에 있어서, 아르곤 가스는 플라즈마 도관 영역들(702)에 주입된다. 이어서, 해리될 공정 가스들(706)이 루프(704)의 개방 부분에 공급된다. 일부 방법에서, 개방 루프(704)의 영역에서의 동작 압력의 범위는 0.5 내지 40Torr이며, 아르곤(또는 다른 불활성 가스)와 공정 가스들(706)의 결합된 유속 범위는 0.5slm(분당 표준 리터) 내지 40slm이다. 동작 압력의 최 소값은, 해리된 반응 종들(708)을 재결합 전에 원격 플라즈마 소스(702)로부터 워크피스로 빠르게 이송할 필요에 의해 설정된다. 동작 압력의 최대값은 처리 시스템의 실제 펌핑 능력에 의해 설정된다.
원격 플라즈마 소스(700)에서, 플라즈마에서 생성되는 하전 종들은 워크피스의 표면에 도달하기 전에 종종 재결합한다. 많은 플라즈마 화학물에 있어서, 중성 반응 종들만이 워크피스의 표면에 효과적으로 도달한다. 원격 플라즈마 소스와 함께 사용되는 통상적인 공정 가스들(706)은, 수소, 산소, 질소, 질소 삼불화물, 분자 불소, 염소, 브로민, 다양한 탄화불소, 수소 함유 가스, 및 기타 가스를 포함한다. 이러한 가스들은 단독으로 또는 다른 가스들과 함께 사용될 수 있다.
도 7에 도시한 원격 토로이달 플라즈마 소스(700)의 또 다른 특징은, 플라즈마 루프(704)가 개방 챔버 영역을 통해 전파된다는 점이다. 결국, 플라즈마 종들과 챔버 벽과의 화학적 상호 작용이, 본 명세서에서 설명하는 다른 실시예들에 비해 감소된다. 또한, 플라즈마 챔버 벽과의 물리적 상호 작용도, 본 명세서에서 설명하는 다른 실시예들에 비해 상당히 감소된다. 본 교시의 원격 플라즈마 소스의 한 특징은, 플라즈마로 인한 열 부하가 공정 챔버의 더욱 넓은 벽 면적에 걸쳐 확산된다는 점이다.
도 8은, 세 개의 도관(802), 도관들(802) 중 두 개를 둘러싸는 자기 코어들(804), 및 공정 챔버(806)를 포함하는 토로이달 플라즈마 소스(800)의 일 실시예를 도시한다. 특정한 일 실시예에서, 플라즈마 도관들(802)의 내경은 약 2.54cm이다. 다른 구성에서는, 도관들의 내경이 0.5cm 정도로 작다. 일부 구성에서는, 공정 챔버(806)와 플라즈마 도관들(802) 중 적어도 일부 사이의 천이 영역들(808)의 직경이 감소된다. 특정한 일 구성에서는, 천이 영역이 약 2.Ocm의 내경을 갖지만, 다른 구성들에서는, 천이 영역이 0.5cm만큼 작을 수 있고 공정 챔버 개구만큼 클 수 있는 내경을 가질 수 있다.
도 8에 도시한 토로이달 플라즈마 소스(800)는 두 개의 자기 코어(804)를 포함한다. 다른 다양한 구성들에서는, 한 개 또는 두 개보다 많은 자기 코어들이 사용된다. 자기 코어들(804)의 개수는 플라즈마 루프를 유지하는 데 필요한 전압과 전력에 의존한다. 특정한 일 구성에서는, 세 개의 플라즈마 도관(802) 및 공정 챔버(806)의 길이가 각각 약 15cm이다. 도 8에 도시한 단일 루프 토로이달 플라즈마 소스(800)의 특정한 한 동작 모드에서, 두 개의 자기 코어(804) 상의 일차 권선을 구동하는 전원은 400kHz의 주파수 및 14kW의 최대 전력 출력을 갖는다. 다른 동작 모드들에서는, 주파수와 전력 범위가 50kHz 내지 14MHz 이상 및 2kW 내지 100kW 이상일 수 있다.
본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 장치의 한 장점은, 증착 영역의 형상이 소스 구조에 의해 맞춰질 수 있다는 점이다. 예를 들어, 선형 증착 영역이 필요하면, 직선형 공정 영역이 존재하도록 토로이달 플라즈마 처리 장치를 구성할 수 있다. 원형 증착 프로파일이 필요하면, 토로이달 소스를 원형으로 구성할 수 있다.
본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 장치의 다른 한 장점은, 대면적에 걸쳐 균일한 처리를 촉진하도록 소스 또는 워크피스의 이동과 결합될 수 있다는 점이다. 마이크로파 및 플라즈마 소스의 다른 유형은 이러한 유연성을 갖지 않는다.
도 9는, 본 교시에 따른 단일 플라즈마 루프 토로이달 플라즈마 처리 장치(900)의 등축도를 도시한다. 특정한 일 실시예에서, 진공 챔버는 플라즈마 도관들(902) 및 적어도 하나의 공정 챔버(904)를 포함한다. 도관들(902)은 알루미늄 질화물로 형성되지만, 다른 실시예들에서는, 플라즈마 도관들(902)이, 알루미늄 산화물 등의 다른 세라믹 재료, 또는 알루미늄, 양극 처리된 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 절연 코팅에 의해 코팅되거나 코팅되지 않은 다른 금속 재료 등의 금속으로 형성된다. 세라믹 도관들(902)은 몰딩, 기계 가공, 3D 프린팅을 포함한 다수의 서로 다른 기술들에 의해 제조될 수 있다. 또한, 일부 경우에는, 가스 입력부들이 길이를 따라 진공 챔버의 다양한 지점들에 위치하는 전체 진공 챔버를 단일 세라믹으로 제조할 수 있고 제조하는 것이 바람직하다.
도관들(902)은 플라즈마 도관들(902)의 내부에 있는 냉각 유로에 의해 유체 냉각된다. 또한, 도관 섹션들(902)은 도관 섹션들에 열적으로 부착된 유체 냉각 히트싱크들로 냉각될 수 있다. 또한, 도관 섹션들(902)은 도관 섹션들(902)의 외측상에서 흐르는 물 또는 기타 유체로 냉각될 수 있다. 일부 경우에, 도관 섹션들(902)은, 아르곤을 사용하는 경우 도관 섹션들(902)에서 전력 소모가 감소된다는 사실 때문에 기류에 의해 냉각된다.
플라즈마 처리 장치의 최상부에 예시한 엔드캡들(906)은 수냉, 공정 가스, 및 진공을 위해 플라즈마 소스에 대한 연결을 제공한다. 또한, 엔드캡들(906)은 광학적 뷰 포트들 및 다양한 진단 및 측정 요소들을 위한 연결을 제공한다. 엔드캡들(906)은 다양한 절연 재료나 금속 재료로 구성될 수 있다. 엔드캡들(906)이 금속 재료로 구성되는 실시예들에서는, 일부 경우에 아크 방전이 발생할 가능성을 감소시키도록 엔드캡들(906) 중 일부 또는 전부를 전기적으로 분리하는 것이 바람직할 수 있다.
도 10은 본 교시에 따라 실험을 실시하는 데 사용되는 토로이달 플라즈마 처리 장치(1000)를 도시한다. 플라즈마 처리 장치(1000)는 세 개의 도관(1002)과 공정 챔버(1004)를 포함한다. 두 개의 자기 코어(1006)가 도시되어 있지만, 다양한 위치에서 임의의 개수의 자기 코어가 사용될 수 있다. 플라즈마의 균일성을 최적화하는 것, 플라즈마를 특정 영역으로 이동시키는 것, 및/또는 플라즈마의 형상을 원하는 영역으로 변경하는 것을 비롯한 다양한 목적을 위해 외부 자계를 발생시키도록 추가 외부 영구 자석들 또는 전자석들이 포함될 수 있다. 예를 들어, 영구 자석들은 약 1000Gauss인 자계 세기를 발생시키도록 동작가능하게 위치할 수 있다. 외부 자석들을 사용하여 플라즈마를 원하는 방향으로 수 밀리미터 이동시킬 수 있음을 입증하도록 실험을 수행하였다.
소스는 플라즈마를 초기에 확립하도록 사용되는 점화기 포트(1010) 및 아르곤 도입 포트(1008)도 포함한다. 워크피스 플래튼을 위한 스테이지 조립체(1012)는, 공정 챔버(1004) 아래에 도시되어 있으며, 도 11에서 상세히 설명한다. 플라즈마 루프(1014)가 표시되어 있다.
다양한 실시예들에서, 플라즈마를 직선 경로로 향하게 하는 유도부를 제공하는 구조는 공정 챔버(1004) 또는 스테이지(1012)에 집적될 수 있다. 도 10에 도시한 토로이달 플라즈마 소스(1000)에서, 1.0 내지 6.Ocm의 폭과 0.5 내지 5.Ocm의 깊이를 갖는 홈통(trough) 형상의 구조를, 선택 사항으로서, 워크플레이스 홀더에 고정하였다(도 11 참조). 홈통 형상 구조는, Ar, H2, CH4의 다양한 혼합물들과 함께 10 내지 200Torr의 시험 동작 범위에 걸쳐 플라즈마를 직선 경로로 유도한다. 따라서, 본 교시에 따른 토로이달 플라즈마 소스(1000)는 노출된 플라즈마 루프(1014)에 대하여 예측가능한 직선 경로를 제공한다. 응용분야에 따라, 유도 구조는 플라즈마를 비선형 경로로 유도하도록 사용될 수도 있다.
많은 동작 방법에서는, 제어되는 벽 증착을 촉진하도록 공정 챔버 벽들의 온도를 측정하고 제어하는 것을 필요로 한다. 예를 들어, 일부 동작 방법에서, 챔버 벽 온도는, 재료 제거보다는 증착이 발생하도록 설정될 수 있다. 이는 벽 표면을 보호하며 증착된 막의 품질을 개선한다. 챔버 벽 가열은, 예비 코팅(pre-coating) 단계와 함께 기능할 수 있으며, 또는 예비 코팅 단계와는 독립적일 수 있다. 또한, 챔버 벽 가열은 벽들 상에 증착된 재료를 수집하는 것을 촉진하도록 이용될 수 있으며, 이에 따라 벽들이 확장된 워크피스 면적으로서 기능한다. 적절한 벽 재료를 선택하는 것도, 벽들 상에 증착된 재료의 수집 촉진에 일조한다. 예를 들어, 텅스텐 또는 몰리브덴 벽들은, CVD 다아이몬드, 관련된 다이아몬드상(diamond-like) 재료 그래핀, 및 유사한 탄소계 재료를 그 벽들 상에 증착하는 것을 촉진하도록 300℃ 내지 1300℃ 사이의 온도에서 사용 및 동작될 수 있다.
도 11은, 본 교시의 토로이달 플라즈마 소스와 함께 사용될 수 있는 워크피스를 지지하기 위한 플래튼(1102)을 포함하는 워크피스 플래튼 조립체(1100)의 사시도를 도시한다. 워크피스는, 플래튼(1102) 상에 장착되며, 본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 시스템의 공정 챔버 내에 삽입된다. 일부 동작 방법에서는, 워크피스 온도를 연속적으로 모니터하면서 워크피스가 유지 및 플라즈마 방전 영역을 향하여 삽입될 수 있다.
많은 공정에서는, 공정 동안 워크피스의 온도를 모니터하고 제어할 것을 필요로 한다. 워크피스 플래튼(1102)은, 플라즈마 처리 동안 워크피스 온도를 측정하고 온도에 기초하여 공정을 제어하는 데 사용될 수 있는 컨트롤러에 신호를 송신하는 내장형 온도 센서(1104)를 구비한다. 특정한 일 실시예에서, 온도는 워크피스의 후면을 관찰하는 섬유계 고온계(fiber-based pyrometer)를 사용함으로써 측정된다. Omega Inc.에서 제조하고 모델 번호 IR-2C로서 판매되는 이중 파장 고온계를 포함하는 토로이달 플라즈마 소스를 제조하였다. 이 고온계는, 워크피스의 후면 온도를 측정하도록 워크피스의 일 센티미터 내에 위치하는 주문형 사파이어 프로브를 사용한다. 워크피스의 전면보다는 워크피스의 후면을 관찰함으로써, 플라즈마 광으로부터의 간섭을 피하게 된다. 기판의 후면도, 방사율을 변경하는 공정 가스들에 직접 노출되지는 않는다. 이러한 변화들로 인해 고온계 기반 온도 측정이 더욱 어려워지고 덜 정밀해진다. 이 시스템에서, 워크피스 플래튼(1102)은, 플라즈마가 존재하는 동안 워크피스가 플라즈마에 대하여 위치하고 조절될 수 있도록 이동가능한 진공 스테이지 상에 있다. 개별적인 요소들을 사용하여 워크피스의 후면과 고온계 모두를 플라즈마에 의해 방출되는 광 및 플라즈마의 반응 가스들로부터 차폐할 수 있다.
워크피스 온도는 여러 방식으로 가변 및 제어될 수 있다. 워크피스 플래튼 조립체(1100)는 진공 플랜지(1108)를 통해 공급되는 유체 냉각 라인들(1106)도 포함한다. 많은 시스템에서 수냉이 이용되는데 수냉이 비교적 높은 열 전도성을 갖고 이에 따라 효율적이며 시스템의 운용비를 추가하지 않기 때문이다. 워크피스 플래튼 조립체(1100)의 일부 실시예들은, 워크피스 표면에서의 공정 환경과 워크피스 온도 모두가 변경되도록 플라즈마에 대한 워크피스의 위치를 변경하는 이동 제어부를 포함한다. 워크피스의 후면과 워크피스 홀더(1102) 사이의 갭의 크기를 변경함으로써, 워크피스와 워크피스 플래튼(1102) 간의 열 전도성이 변경되고, 이에 따라 워크피스 온도를 변경하게 된다. 워크피스의 후면과 워크피스 플래튼(1102) 사이의 압력을 제어하도록 가스를 도입함으로써, 워크피스와 워크피스 플래튼(1102) 사이의 열 전도성이 변경되고, 이에 따라 워크피스 온도를 변경하게 된다.
도 11의 본 교시의 또 다른 양태는, 워크피스의 후면 상의 불필요한 증착을 피하도록 워크피스의 후면 영역이 플라즈마 방전으로부터 발생하는 증착 종들로부터 차단될 수 있다는 점이다. 본 교시의 한 특징은, 후면 영역에 불필요한 가스가 없는 상태를 유지하는 데 일조하도록 퍼지 가스가 후면 영역에 도입될 수 있다는 점이다. 퍼지 가스는 공정 가스들 중 하나일 수 있고, 또는 아르곤과 헬륨 등의 불활성 가스일 수 있다.
도 10에 도시한 것과 유사한 토로이달 플라즈마 처리 장치를 사용하여 본 교시를 실행하도록 많은 실험을 수행하였다. 상측 챔버의 가스 도입 포트에 아르곤 가스를 공급하여 증착을 개시하였다. 그러나, 플라즈마 도관 섹션들을 퍼징 및/또는 점화하기 위해 아르곤을 사용하는 것은 본 발명을 제한하는 것이 아니다. 헬륨, 네온, 크립톤, 크세논을 포함한 임의의 불활성 가스 등의 다른 많은 가스들을 사용할 수도 있다. 또한, 본 교시의 일부 방법에서는, 질소 가스를 단독으로 또는 다른 가스들과 함께 사용한다. 본 교시에 따른 일부 방법에서, 공정 가스는 전체 플라즈마 용기에 걸쳐 점화 및 동작을 위해 사용될 수 있다.
동작을 개시하도록, 공정 챔버의 최하부로부터 퍼낸(pumped out) 가스로 진공 챔버 전체에 걸쳐 가스 흐름이 확립된다. 반복 가능한 플라즈마 점화를 얻도록 아르곤 유속을 100sccm 내지 3000sccm으로 가변하였다. 특정한 시험 구성에서, 연결되는 플라즈마 챔버들의 중심들 간의 간격을 10cm이었다. 300sccm인 최소 아르곤 유속은 일관된 플라즈마 점화를 제공하였다. 간격을 더 넓히려면 일관된 점화를 위한 대응되는 넓은 아르곤 유속이 필요한 것으로 예상된다.
플라즈마 점화기에 의해 플라즈마를 점화하였고, 이때, 400kHz에서 RF 전력을 자기 코어들의 일차 권선에 인가하였다. 점화기 동작의 순서와 RF 전력의 인가는 온보드(onboard) 제어 시스템에 의해 자동 관리되었다. 점화기는, 플라즈마 루프의 다른 곳에 위치할 수 있으며, 많은 실시예들에서, 그 위치에 상관없이 반복가능한 플라즈마 점화를 가질 것으로 예상된다.
일단 플라즈마 루프를 아르곤 가스로 확립한 후, 공정 가스 혼합물을 공정 챔버 내에 공급하였다. 아르곤 가스 흐름을 원하는 흐름으로 조절하였으며, 이 원하는 흐름은 플라즈마를 점화하는 데 사용되는 아르곤 흐름보다 빠르거나 느릴 수 있다. 많은 방법에 있어서, 아르곤 유속은 공정 가스들이 공정 챔버 내에 있지 않는 플라즈마 루프의 부분에 유입되는 것을 실질적으로 방지하도록 조절된다. 공정 가스는, 또한, 워크피스의 표면에 도달하는 반응 가스 종들의 플럭스가 조절되고 이에 따라 공정 속도와 공정 조건을 변경할 수 있게끔 공정 챔버 내의 공정 가스들의 일부 희석물을 제공하도록 조절될 수 있다.
다양한 실험에 있어서, 총 가스 압력을 10 내지 200Torr로 가변하였으며, 각 가스의 유속을 0 내지 2000sccm으로 가변하였다. 다양한 실험에서 사용된 AC 라인 전력을 AC 전력계로 측정한 바 2.5kW 내지 14kW 범위에 있었다. 플라즈마 코어로부터 2cm 미만의 거리에서 플라즈마 채널 내에 위치하는 워크피스에 대하여 온도 측정을 수행하였다. 이러한 공정 조건들은 100sccm H2 가스 흐름, 250sccm Ar 가스 흐름, 총 가스 압력 15Torr이었다. 이러한 실험에서, 측정된 기판 온도는 1000℃를 초과하여 급격히 상승하였으며, 이는 원자 수소의 상당한 플럭스가 워크피스 표면에 도달함을 나타낸다.
몰리브덴과 실리콘 워크피스들 상에 다이아몬드 및 그래핀 막들을 증착하였다. 약 10Wcm-3을 초과하는 용적 출력 밀도를 일반적으로 갖는 플라즈마 방전 영역에 결합된 RF 전력에 의한 방전시 발생하는 원자 수소를 해리함으로써 증착을 달성하였다. 플라즈마에 결합된 RF 전력은 통상적으로 6000 내지 11000W이었다. 일부 실험에서, 다이아몬드 증착에 사용되는 가스 흐름 조건들은, 상측 챔버 내로 1000sccm의 속도로 흐르는 아르곤, 공정 챔버 내로 300sccm의 속도로 흐르는 수소, 및 공정 챔버 내로 4.7sccm의 속도로 흐르는 메탄을 포함하였다. 공정 챔버 내의 압력은 통상적으로 1Torr를 초과한다.
고온계에 의해 워크피스 온도가 약 900℃로 측정되는 위치로 워크피스 스테이지를 이동시켰다. 워크피스의 후면으로부터 10mm 미만으로 떨어져 위치하는 사파이어 섬유로 워크피스 온도를 모니터하였다. 사파이어 섬유에 의해 수광되는 광을, 약 350℃ 내지 1200℃의 범위에 걸쳐 워크피스 온도를 측정하는 이중 파장 고온계에 공급하였다.
일부 실험에 있어서, 워크피스 상에서의 다이아몬드의 증착 속도는 13cm2의 워크피스 면적에 걸쳐 평균화된 약 7㎛/h로 측정되었다. 워크피스 상에서의 피크 속도는 일부 공정 조건들에 대하여 40㎛/h를 초과하는 것으로 측정되었다. 일부 실험에서는, 아르곤 가스 유속 및 공정 가스 유속을 조절하여, 공정 압력 범위가 2Torr 내지 200Torr 초과로 되었다. 공정 속도는, 실험에서 사용된 자기 코어의 물리적 특징 및 특정한 전원에 의해서만 제한하였다. 주사 전자 현미경, X-선 회절, 및 라만 분광법을 사용함으로써 다이아몬드 막 조성물을 확인하였다.
본 교시의 토로이달 플라즈마 소스를 그래핀을 성장시키는 데에도 사용하였다. 그래핀 증착에 사용된 가스 흐름 조건들은, 상측 챔버 내로 800sccm의 속도로 흐르는 아르곤, 공정 챔버 내로 250sccm의 속도로 흐르는 수소, 및 공정 챔버 내로 20sccm의 속도로 흐르는 메탄을 포함하였다. 총 챔버 압력은 7Torr이었다. 워크피스 온도는 약 977℃이었다. RF 전력은 약 6200W이었다.
본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 장치의 한 특징은, 증착 사이클을 수행한 후 장치를 세정하는 것이 비교적 쉽다는 점이다. 세정 동안, 토로이달 플라즈마 소스는, 가스들이 챔버 벽들로부터의 증착물을 세정하는 반응 종들로 해리되는 조건들 하에서 동작한다. 예를 들어, 벽들 및 탄소계 재료를 함유하는 기타 내부 성분들을 세정하는 데 있어서 산소 함유 세정 가스 화학물과 수소 함유 가스 화학물이 효과적이다. 다양한 방법에 있어서, 불소 또는 수증기 등의 다른 가스들을 첨가하여 세정 공정에 일조할 수도 있다.
본 명세서에서 설명하는 방법과 장치는, 수소, 아르곤, 메탄을 사용하는 공정들로 한정되지 않으며, 다이아몬드, 그래핀, 기타 탄소계 막의 증착으로 한정되지 않는다. 사실상, 본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 장치를 위한 많은 응용분야들이 있다. 이러한 장치들은, 워크피스를 고밀도 및/또는 고온 플라즈마에 노출시키는 공정들에 특히 적합하다.
본 교시의 방법과 장치는, 활성 공정 가스들의 부분 압력이 약 1Torr보다 크고 플라즈마 방전의 전력 밀도가 10Wcm-3 이상인 조건들 하에서 동작하는 경우, 알려져 있는 다른 많은 유형의 플라즈마 처리 장치들에 비해 구체적인 장점들을 갖는다. 이러한 조건들 하에서, 플라즈마 영역의 가스 온도는, 통상적으로 2000℃를 초과할 정도로 매우 높아서, 고 해리 가스를 효과적으로 해리하고 유지하는 데 일조한다. 이러한 꽤 높은 가스 온도가 없다면, 수소, 질소, 산소 등의 분자 가스들을 해리하는 경우 가스에서 급격한 재결합이 발생한다.
통상의 기술자라면, 본 명세서에서 설명하는 토로이달 플라즈마 소스가 알려져 있는 시스템들에 비해 많은 특징들과 장점들을 갖는다는 점을 파악할 것이다. 본 교시의 토로이달 플라즈마 처리 시스템의 한 특징은, 이 시스템이 서로 다른 응용분야들에 대하여 쉽게 맞춤화될 수 있다는 점이다. 예를 들어, 서로 다른 응용분야들에서는 서로 다른 진공 펌핑 구성들을 필요로 한다. 일부 응용분야에서는, 막의 품질이 잔여 가스들의 존재에 대하여 매우 민감하다. 예를 들어, 진공 용기 내로의 작은 누출물 등의 다양한 소스들로부터, 챔버 내의 흡수된 가스들로부터, 또는 챔버 부품들의 부식으로부터의 수증기, 질소, 산소 중 하나 이상은 일부 막들에 있어서 바람직하지 못한 변화를 야기할 수 있다. 다른 응용분야에서는, 산소, 질소, 및 다양한 할로겐 등의 소량의 추가 가스를 공정 챔버 내에 제어 방식으로 도입하는 것이 바람직하다. 잔여 가스들이 공정의 중요한 인자들인 공정에서는, 진공 챔버의 달성가능한 기저 압력(base pressure)을 10- 7Torr 이상으로 하는 것이 바람직하다. 일부 공정에서는, 분당 표준 세제곱 센티미터인 10- 2sccm 미만의 유속으로, 플라즈마가 활성 상태이거나 비활성 상태인 동안 비공정 가스들을 외부로부터 또는 내벽으로부터 공정 챔버 내로 방출하는 것이 바람직하다.
본 교시의 토로이달 플라즈마 소스의 한 가지 특징은, 장치가 면적에 있어서 확장가능하며 종래의 고정된 기판 내지 웹 유형 기판에 이르는 다양한 워크피스 표면들을 처리하는 데 사용될 수 있다는 점이다. 플라스틱, 금속, 유리, 및 기타 많은 유전 재료 등의 많은 유형의 재료들로 구성될 수 있는 연속적으로 이동하는 웹들을 처리하는 경우 특별한 장점이 있다. 본 교시의 토로이달 플라즈마 소스의 다른 한 가지 특징은, 대면적 기판들, 불규칙한 형상의 기판들, 및 웹 기반 기판 등의 이동하는 기판들의 효과적인 처리가 가능한 면적-확장가능 플라즈마 방전을 생성하는 데 사용될 수 있다는 점이다. 응용분야로는, 반도체, 디스플레이, 광전지, 절단 도구, 광학 및 마이크로파 윈도우, 및 다른 많은 전용 디바이스를 포함한 다양한 범위의 제품들의 제조를 포함한다. 도관들의 내면들은 코팅될 수 있고 또는 그 외에는 토로이달 플라즈마 소스로 처리될 수 있다.
본 교시의 방법과 장치는 원자 수소의 고 플럭스를 필요로 하는 막들을 증착하는 데 특히 유용하다. 이러한 막들은, 다이아몬드, DLC, 그래핀, 및 기타 재료를 포함한다. 본 교시의 방법과 장치의 응용분야는, 다이아몬드, 그래핀, 알루미늄 산화물, 사파이어, 갈륨 질화물, 및 다른 많은 간단하고 복잡한 금속들과 절연체들, 산화물들, 질화물들 등의 막을 증착하는 것을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
균등물
출원인의 교시를 다양한 실시예들에 관하여 설명하고 있지만, 출원인의 교시를 이러한 실시예들로 한정하려는 것은 아니다. 오히려, 출원인의 교시는, 통상의 기술자가 파악하듯이, 교시의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고서 행해질 수 있는 다양한 대체예, 수정예, 및 균등예를 포함한다.

Claims (66)

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  30. 다이아몬드, DLC(Diamond-like carbon) 또는 그래핀 중에서 적어도 하나를 증착하기 위한 CVD 플라즈마 처리 방법으로서,
    a) 도관 및 공정 챔버를 포함하는 진공 챔버를 형성하는 단계;
    b) 상기 진공 챔버 내에 가스를 도입하는 단계;
    c) 상기 진공 챔버 내에 토로이달 플라즈마 루프 방전(toroidal plasma loop discharge)을 형성하도록 자기 코어에 RF 전자계를 인가하는 단계;
    d) 핫 플라즈마 코어로부터 워크피스 표면까지가 0.1cm 내지 5cm 범위인 거리에 플라즈마 처리를 위해 상기 공정 챔버 내에 워크피스를 위치시키는 단계; 및
    e) 토로이달 플라즈마 루프 방전이 원자 수소를 발생시키도록 수소를 포함하는 가스를 상기 워크피스에 도입하는 단계를 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
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  36. 제30항에 있어서,
    상기 가스는 아르곤 가스를 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  37. 제30항에 있어서,
    1Torr 내지 200 Torr 범위의 수소 압력을 달성하도록 수소를 포함하는 가스를 상기 워크피스에 도입하는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  38. 제30항에 있어서,
    상기 핫 플라즈마 코어에서 워크피스 표면까지가 0.1cm 내지 5cm 범위인 거리에서 상기 플라즈마의 전력 밀도가 적어도 100Wcm-3이 되도록 RF 전자계를 결합(coupling)하는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  39. 제30항에 있어서,
    상기 CVD 플라즈마 처리의 균일성을 개선하도록 상기 플라즈마에 대하여 상기 워크피스를 병진 이동시키는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  40. 제30항에 있어서,
    상기 CVD 플라즈마 처리의 균일성을 개선하도록 상기 플라즈마에 대하여 상기 워크피스를 회전시키는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
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  42. 제30항에 있어서,
    상기 워크피스를 지지하는 플래튼의 온도를 제어함으로써 워크피스 표면의 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  43. 제30항에 있어서,
    상기 핫 플라즈마 코어에 대하여 상기 워크피스를 지지하는 플래튼의 위치를 조절함으로써 워크피스 표면의 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  44. 제30항에 있어서,
    상기 워크피스에 근접한 수소를 포함하는 가스의 압력을 조절함으로써 워크피스 표면의 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  45. 제30항에 있어서,
    상기 워크피스에 근접한 플라즈마의 형상을 변경하도록 플래튼을 전기적으로 바이어싱하는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  46. 제30항에 있어서,
    상기 공정 챔버와 도관 사이에 가스 흐름부를 조절하는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  47. 제30항에 있어서,
    탄소-함유 가스를 상기 워크피스에 도입하는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
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  49. 제30항에 있어서,
    상기 워크피스의 온도를 측정하고 상기 측정에 응답하여 상기 RF 전자계의 RF 전력을 조절하는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  50. 제30항에 있어서,
    상기 도관 내부의 수소의 부분 압력은 상기 공정 챔버 내부의 수소의 부분 압력과는 다른,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
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  53. 제30항에 있어서,
    상기 진공 챔버를 형성하는 단계는 상기 도관의 단면적 보다 큰 단면적을 갖는 공정 챔버를 형성하는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  54. 제30항에 있어서,
    상기 진공 챔버를 형성하는 단계는 용융 실리카, 알루미늄 산화물, 알루미늄 질화물, 복합 재료, 및 사파이어로 이루어지는 그룹에서 선택되는 유전 재료로부터 도관을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 도관은 동일한 재료 또는 다른 재료로 형성될 수 있는 것인,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  55. 제30항에 있어서,
    상기 진공 챔버를 형성하는 단계는 알루미늄, 강철, 구리, 텅스텐, 몰리브덴, 및 알루미늄, 강철, 구리, 니켈, 텅스텐 및 몰리브덴의 합금들로 이루어지는 그룹에서 선택되는 도체 재료로부터 도관을 형성하는 단계 및 공정 챔버를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 도관 및 공정 챔버는 동일한 재료 또는 다른 재료로 형성될 수 있는 것인,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  56. 제30항에 있어서,
    상기 진공 챔버를 형성하는 단계는 상기 공정 챔버에 근접하여 변하는 단면적을 갖는 도관을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  57. 제30항에 있어서,
    상기 진공 챔버를 형성하는 단계는 전기적 절연 재료로 코팅된 내부 표면을 갖는 공정 챔버를 형성하는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  58. 제30항에 있어서,
    상기 진공 챔버를 형성하는 단계는 알루미늄, 양극 처리된 알루미늄, 스테인리스 스틸, 텅스텐 및 몰리브덴으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 금속을 포함하는 내부 표면을 갖는 공정 챔버를 형성하는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  59. 제30항에 있어서,
    상기 진공 챔버를 형성하는 단계는 공정 챔버에 대한 전기적 단락을 방지하기 위해 배열된 절연 칼라(insulating collar)로 상기 도관을 장착하는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  60. 제30항에 있어서,
    상기 진공 챔버 내에 토로이달 플라즈마 루프 방전을 형성하도록 자기 코어에 RF 전자계를 인가하는 단계는 20KHz 내지 14MHz의 범위의 주파수를 갖는 RF 전자계 신호를 인가하는 단계를 포함하는 것인,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  61. 제30항에 있어서,
    상기 공정 챔버에 상기 워크피스를 위치시키는 단계는 상기 토로이달 플라즈마 루프 방전 및 제 2 토로이달 플라즈마 루프 방전 모두에서 반응 종에 노출되도록 상기 워크피스를 위치시키는 단계를 더 포함하는,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  62. 제30항에 있어서,
    상기 수소를 포함하는 가스는 상기 워크피스에서 200Torr 이상의 압력을 달성하도록 워크피스에 도입되는 것인,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  63. 제30항에 있어서,
    상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 가스는 다른 가스 포트에 도입되는 것인,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  64. 제30항에 있어서,
    상기 수소를 포함하는 가스 및 상기 가스는 동일한 가스 입력 포트로 도입되는 것인,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  65. 제30항에 있어서,
    상기 수소를 포함하는 가스는 상기 워크피스에 근접하여 도입되는 것인,
    CVD 플라즈마 처리 방법.
  66. 제30항에 있어서,
    상기 자기 코어에 RF 전자계를 인가하는 단계는 상기 RF 전자계를 상기 도관 주위에 위치한 자기 코어에 인가하는 단계를 포함하는 것인,
    CVD 플라즈마 처리 방법.




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