KR0141905B1 - 영구자석을 이용한 전자 회전 공명 프라즈마 발생장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환형 영구자석을 이용하여 전자 회전 공명(electron cyclotron resonance : ECR) 프라즈마를 얻기 위한 ECR 발생장치 및 방법에 관한 것으로 마그네트로으로부터 발생된 마이크로파가 도파관을 따라 다수개의 환형 영구자석이 N-S-N-S 형태로 주변에 설치된 석영관(또는 반자성 재질의 관)으로 이루어지며 영구자석들사이에 연철원통과 연철사각주가 적절하게 연결되어 내부에 자쌍경이 생성된 전자장 유도코일 및 DC 전원이 필요없게 되며 전자장 유도 코일의 사용으로 인한 열문제가 해소되어 간단한 구조의 저가의 ECR 발생장치의 구현이 가능하다.

Description

영구자석을 이용한 전자 회전 공명 프라즈마 발생장치 및 방법

제 1 도는 종래기술에 따라 전자회전 공영 프라즈마 발생장치의 개략도,

제 2 도는 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 프라즈마 발생장치의 개략도,

제 3 도는 본 발명의 일 실시예에 따른 프라즈마 발생장치의 구성 및 그에 따른 영구쌍자형 자장분포의 도시도,

제 4 도는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 프라즈마 발생장치의 구성 및 그에 따른 자장분포의 도시도,

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 전자 회전 공명 플라즈마 발생장치 11 : 도파관

12 : 환형 영구자석 13,17 : 연철 원통

14 : 연철사각주 15 : 공진관

본 발명은 전자회전공명(Electron Cyclotron Resonance; 이하 ECR 이라칭함)플라즈마 발생장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 영구자석을 이용하여 자장쌍거울형의 자장분포를 갖는 ECR 플라즈마 발생장치 및 제조방법에 관한 것이다.

플라즈마 기술은 반도체 장비 제조, 특히 프라즈마 식각(plasma etching) 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 및 프라즈마 증착 프로세스등에 성공적으로 사용되어 왔다. 프라즈마 발생방법으로 RF(radio frequency)방전이 가장 일반적으로 사용되고 있는데 그 이유는 이 방법으로 안정되고 균일한 프라즈마가 상대적으로 넓은 면적에 쉽게 얻어지며, 가열 효과(heating effect)가 비교적 작아서 저온 프로세스에 적합하기 때문이다. RF 프라즈마 발생에 필요한 가스의 압력은 통상 10^-2내지 1TORR 로써 프라즈마 밀도는 10¹⁰cm^-3정도로 이온화율이 10^-6내지 10^-4정도로 매우작다. 따라서 이러한 RF 프라즈마에서는 프라즈마의 대부분을 차지하는 래디칼(radical) 및 이온화되지 않은 분자들이 식각 및 증착 반응에 큰 영향을 미 친다.

그런 반면에 전자 회전 공명에 의한 프라즈마는 10^-5내지 10^-3torr 정도의 낮은 가스압에서 쉽게 발생되며 ECR 프라즈마 밀도는 RF 프라즈마 밀도와 거의 같으며 따라서 ECR에 의한 프라즈마의 이온화율은 RF 프라즈마의 약 3 배에 달한다.

또한 ECR 프라즈마의 경우에 전극이 필요하지 않기 때문에 안정된 프라즈마발생이 가능하다.

최근에는 ECR 프라즈마를 이용한 증착장비의 경우 열 반응(thermal reaction) 없이 상온에서 고품위의 박막 증착이 가능하며 이러한 특성은 ECR 프라즈마의 높은 프라즈마 여기(excitation) 효율, 이온의 가속효과 및 발산하는 자계에 의한 프라즈마의 추출등에 기인한다.

제 1 도에는 종래기술에 ECR 프라즈마 장치가 개략적으로 도시되어 있다.

반응 가스는 유입구(5)를 통하여 주입되며 도파관(1)을 따라 유도된 마이크로파는 석영판으로 된 창(window)(2)을 통하여 반응가스의 프라즈마가 발생되는 공진관(3)에 입력된다.

마이크로파의 주파수는 2.45GHz 이고 공진관(3)은 마이크로파 공동공진기 (microwewe cavity resonator)이다. 전자장 유도코일(electromagnet coil)(4)은 ECR 프라즈마 여기를 위해 공진관(3)의 주위에 배열되며 이의 냉각을 위해 냉각수가 시료(6)를 통하여 공급된다.

전자의 원운동(circular motion) 주파수인 전자 회전 주파수(electron cyclotron frequency)는 전자장유도코일(4)에 의해 제어되어 마이크로 주파수와 일치하게 되면 공면이 일어난다. 2.45GHz 의 마이크로파 주파수에 대한 공명을 일으키는 자장의 세기(자속밀도)는 875 가우스(G)로서 이 조건을 만족하는 공진관 내의 영역에서 프라즈마는 마이크로파 에너지를 효율적으로 흡수하여 낮은 가스압, 예로 10^-5내지 10^-3torr 에서도 활성화된 프라즈마가 쉽게 얻어진다. 이러한 장치에서 이온은 발산하는 자계를 따라 프라즈마 흐름의 형태로 공진관(3)으로부터 추출되어 시료(6)에 대해 식각 또는 증착등의 프로세스가 이루어진 후 확산 펌프(diffusion pump)등에 의해 제거된다.

반도체 제조공정에 있어서 성장 및 식각에 널리 사용되고 있는 이러한 ECR 장치의 공진관은 전자장 유도코일을 써서 전자 회전 공명(ECR)조건에 필요한 자장을 얻는다. 지금까지 보고된 ECR 장치는 대부분 대형이며 공진관 주위에 있는 전자장 유도코일의 무게가 매우 무겁고 요구되는 발생을 위해 전자장 유도코일에 저 전압 고전류의 전력을 공급하기 위한 고가의 전원이 필요하여 장시간 사용시 발생되는 전자장 유도코일로 인한 열처리 문제가 심각하여 코일을 냉각시키기 위한 냉각수 공급 시설이 필요하며 이 또한 냉각수의 누수등의 많은 문제점을 가지고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 전자장 유도 코일을 사용치 않고 영구자석만에 의하여 ECR 장치의 공진관내에 자장을 형성시켜 마이크로파에 의한 ECR 조건을 유도함으로써 프라즈마를 발생시킬 수 있는 영구자석을 이용한 ECR 프라즈마 발생장치 및 방법을 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 그 내부에 반응가스의 전자 회전 공명 프라즈마가 발생되며, 일방향으로 마이크로파가 입력되며, 상기 마이크로파가 입력되는 방향의 반대방향의 개구를 통하여 상기 반응가스의 상기 전자 회전 공명 프라즈마가 추출되는 공진기와; 상기 공진기에 상기 반응가스를 공급하는 수단과; 상기 공진기에 상기마이크로파를 입력시키는 수단과; 상기 공진기의 외곽에 위치하여 상기 마이크로파와의 전자 회전 공명 조건을 만족시키기 위한 자장 분포를 상치 공진기내에 제공하기 위한 다수의 환형 영구자석을 포함하되; 상기 다수의 환형 영구자석중 양단부에 각각 위치한 2개 흑은 그 이상의 환형 영구자석은 서로 일치되게 직접 연결 되고, 상기 양단부 사이에 위치하는 환형 영구자석들 상호간의 연결 및 상기 양단부에 각각 위치한 서로 밀착되게 연결된 2개 혹은 그 이상의 환형 영구자석과의 연결이 연자성체로 형성된 수단을 통하여 이루어져 상기 공진기내에 영구자쌍경형 자장 분포를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자 회전 공명 프라즈마 발생장치가 제공된다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 그 내부에 반응가스의 전자 회전 공명 프라즈마가 발생되며, 일방향으로 마이크로파가 입력되며, 상기 마이크로파가 입력되는 방향의 반대방향의 개구를 통하여 상기 반응 가스의 상기 전자 회전 공명 프라즈마가 추출되는 공진기에 상기 반응 가스를 공급하는 단계와; 상기 공진기에 상기 마이크로파를 입력시키는 단계와; 상기 공진기의 외곽에 상기 마이크로파와의 전자 회전 공명 조건을 만족시키기 위한 자장 분포를 상기 공진기내에 제공하기 위한 다수의 환형 영구자석을 배치하되, 상기 다수의 환형 영구자석중 양단부에 각각 위치한 2개 흑은 그 이상의 환형 영구자석은 서로 일치되게 직접 연결시키고, 상기 양단부 사이에 위치하는 환형 영구자석들 상호간의 연결 및 상기 양단부에 각각 위치한 서로 밀착되게 연결된 2개 흑은 그 이상의 환형 영구자석과의 연결이 연자성체로 형성된 수단을 통하여 이루어지도록 하는 단계를 포함하여 상기 공진기내에 영구자쌍경형 자장 분포를 갖도록 하는 것을 특징으로 영구자석을 이용한 전자 회전 공명 프라즈마 발생방법이 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제 2 도는 본 발명의 일시예에 따른 ECR 발생장치(10)를 도시한다. 마그네트론(도시되지 않음)으로부터 발생된 2.45GHz 의 마이크로파가 도파관(11)을 따라 석영관(또는 반자성 재질의 관)으로 이루어진 공진관(15)에 유도되어 본 발명에 의한 다수의 영구자석(12)에 의한 자장관의 상호 작용에 의하여 공진관(15)내에 예로 제 1 도에서와 같이, 유도된 반응가스의 ECR 프라즈마를 발생시킨다. 발생된 ECR 프라즈마는 화살표 방향(16)을 따라 진행하여 공진관(15)의 외부로 배출된다.

본 발명의 실시예에 따라 ECR 발생을 위한 자장은 공진관(15)을 둘러싸고 있는 6개의 환형 영구 자석(12)에 의해 발생되며, 이들 각각의 환형 영구자석(12)은 표면 자속 밀도가 2000G 이며 외경 73mm, 내경 31.5mm, 두께 10mm 의 크기를 갖는다.

본 발명에 사용된 공진관(15)은 외경 30mm, 내경 25mm, 길이 18cm 인 한쪽이 개방된 석영관(또는 반자성 재질의 관)로 이루어져 있으며 6 개의 환형 영구자석(12)의 중앙에 위치한다. 6 개의 환형 영구자석(12)은 N-S-N-S 형태의 배열을 갖게 조합되며 6 개의 영구자석중 상부 및 하부의 각각 2 개의 자석은 서로 밀착되게 연결된다. 중앙 2 개의 영구자석은 각각 상부 및 하부의 밀착 연결된 자성쌍에 각각 외경 60mm, 내경 54mm,, 높이 3mm 의 크기를 갖는 연철 원통(17)에 의해 연결된다.

이들 중앙 2 개의 영구 자석사이에는 외경 60mm, 내경 54mm 높이 30mm의 크기를 갖는 연철 원통(13)이 위치하여 이들 2 개의 영구자석을 결합한다. 또한 이를 중앙의 2 개의 영구자석의 외각 원주를 따라 가로 9.8mm, 세로 9.8mm, 높이 50mm 의 크기를 갖는 연철 사각주(14) 24개가 설치된다.

제 3 도는 제 2 도에 도시된 것과 같이 환형 영구자석과 연철 원통 및 연철 사각주를 사용하여 ECR 생성에 필요한 자장을 형성했을 때 공진관(15) 내부의 동심 원축 주위의 자속밀도를 상단의 자석의 위치를 기전으로 하여 하향 거리의 함수로 나타낸 자장 분포도이다. 제 3 도의 좌측의 구조는 제 2 도의 본 발명의 일실시예에 따른 환형 영구자석을 사용한 ECR 발생 장치의 일부를 다시 도시한 것이고 우측의 그래프는 좌측의 구조에 대응하는 공진관(15)내의 자장의 분포를 동심원 축방향(y)에 따라 도시한다. 공진관(15)내의 자장 분포는 동심 원축에 대칭이 되고 배열된 자석의 양단에 최대 세기의 자장이 걸린다. 중앙에는 최소 값의 자장이 형성되면서 공진관(15)내의 자장 분포가 매끄러운 한쌍의 거울형 자장 분포가 되게 할 수 있다. 환형 영구 자석에 의한 자장 거울형 분포(이하 영구자쌍경이라 칭함)의 형상을 환형 영구자석(12)과 연철 원통(13,17) 및 연철 사각주(14)의 적절한 조합에 의해 가능하다. 즉 연철 윤층(13,17) 및 연철 사각주(14)는 영구자석(12)간에 형성된 불연속적인 자장을 흡수하여 공진관(15)내의 자장 분포를 공진관(15)의 동심원축방향(y) 및 동경방향(r)을 따라 대칭이 되게 하는 한편 y 축을 따라 매끄럽게 연속된 구배를 형성시키는 작용을 한다. 이와같이 형성된 영구자쌍경은 도파관(11)으로부터의 이와같이 마이크로파와 상호 작용하여 영구자쌍경내에서 전자 회전 공명을 유도하여 프라즈마를 발생시킨다. 전술한 바와같이 전자 회전 공명은 자속 밀도가 875G 인 영역에서 일어난다. 영구자쌍경형 자장을 가진 공진관(15)내부에 생성된 ECR 프라즈마는 제 3 도의 우측그래프에서와 같이 양단의 영구자석에 위치한 자장 거울사이를 왕복운동하다가 아래쪽의 자장거울을 통과할 수 있는 충분한 운동량을 갖는 프라즈마만이 공진관(15)의 외부로 추출된다. 이렇게 추출된 프라즈마는 제 1 도에서와 같이 발산하는 자장을 따라 추출되는 프라즈마보다 직전 방향에 큰 운동량을 갖는 균일한 프라즈마 흐름이 된다.

본 발명에 따른 영구자석에 의한 자장 분포 및 종래의 전자가 유도코일에 의한 자장 분포에 있어 공진관 주위에 위치한 자석 또는 코일로 부터의 거리에 따라 동경방향(제 3 도의 r 방향)으로도 자장구배의 변화에 의한 거울효과가 생긴다. 코일의 자장에 의한 전자 회전 공명 자장 거울은 코일에 공급하는 전류를 조절하여 제 3 도의 동심원축방향(y) 자장 구배를 큰쪽으로 변화시키면 공진 공동(resonance cavity)밖의 전자온도를 작게 되고 프라즈마(이온) 밀도가 선형적으로 증가됨이 입증 되었다(Morito Matsuoka and Kenichi Ono, Magnetic field gradient effects on ionenergy for ECR microwave plasma stream, J. Vac. Sci Technal A 6(1), 25, 1988).

본 발명 또한 영구자석 배열과 연철 원통 및 연철 사각주를 적당히 배치하고 석영관(또는 반자성 재질의 관)의 굵기 및 영구자석의 자장 세기를 변화시켜 동경축(y)방향의 자장구매를 조절함으로써 전자기 유도 코일에 의한 거울 효과를 낼수 있다.

제 2 도에 도시된 ECR 발생장치의 구성은 단지 본 발명의 목적상 환형 영구자석을 이용하는 ECR 발생장치의 동작 원리 및 본 발명의 특징을 설명하기 위한 것으로 본 발명에 의한 ECR 발생장치의 구성을 국한하기 위한 것이 아니다. 제 2 도의 환형 영구자석(12), 연철 원통(13,17)및 연철 사각주(14)는 ECR 에 요구되는 자장 분포를 공진관(15)내에 얻기 위한 것으로 6 개가 아닌 다른 숫자의 임의의 환형 영구자석이 상이한 배치로 사용될 수도 있으며 연철 원통 및 연철사각주는 제 2 도에 설명된 바와 다른 형상, 크기 및 숫자의 상이한 배치를 가질 수도 있으며 공진관의 크기, 형상 및 재질 또한 본 명세서에 언급된 것과 다를 수도 있다. 예로 8 인치이상 크기의 웨이퍼의 식각 및 증착용 ECR장치의 공진관에 알맞게 배열할 수 있으며, 환형 영구자석을 제 4 도의 좌측에 도시된 바와같이 N-S-N-S 형태로 연철 원통 및 사각주를 사용하지 않고 설치하여 제 4 도의 우측에 도시된 그래프와 같이 영구자쌍경 형태가 아닌 균일한 자속밀도 갖는 자장분포를 형성할 수도 있으며 이 경우의 자장 분포는 단일 전자기 유도 코일에 의한 종래의 ECR 발생장치의 자장 분포에 상응한다.

이와같이 본 발명은 종래의 ECR 발생장치에서 사용되는 전자기 유도 코일의 사용없이 환형 영구자석만을 사용한 ECR 발생장치를 제공한다. 본 발명에 따라 종래의 전자장 유도코일을 사용하는 ECR 발생장치에 필수적인 DC 전원과 전자장 유도코일이 필요없게 되며 전자장 유도 코일의 사용으로 인해 발생되는 열문제를 완전히 해소한다. 또한 환형 영구자석, 연철 원통, 공진관등을 적절히 조합하여 ECR 공진관내에 ECR 프라즈마 발생에 요구되는 자장 분포를 얻을 수 있다.

Claims (14)

1. 내부에 반응가스의 전자회전 공명 프라즈마가 발생되며, 일방향으로 마이크로파가 입력되며, 상기 마이크로파가 입력되는 방향의 반대방향의 개구를 통하여 상기 반응가스의 상기 전자 회전 공명 프라즈마가 추출되는 공진기와; 상기 공진기에 상기 반응가스를 공급하는 수단과;상기 공진기에 상기 마이크로파를 입력시키는 수단과; 상기 공진기의 외곽에 위치하여 상기 마이크로파와의 전자 회전 공명 조건을 만족시키기 위한 자장 분포를 상기 공진기내에 제공하기 위한 다수의 환형 영구자석을 포함하되; 상기 다수의 환형 영구자석중 양단부에 각각 위치한 2개 혹은 그 이상의 환형 영구자석은 서로 일치되게 직접 연결되고, 상기 양단부사이에 위치하는 환형 영구자석들 상호간의 연결 및 상기 양단부에 각각 위치한 서로 밀착되게 연결된 2개 혹은 그 이상의 환형 영구자석과의 연결이 연자성체로 형성된 수단을 통하여 이루어져 상기 공진기내에 영구자쌍경형 자장 분포를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자 회전 공명 프라즈마 발생장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로파의 주파수가 2.45GHz 인 영구자석을 이용한 전자 회전공명 프라즈마 발생장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 전자 회전 공명 조건을 만족시키기 위한 상기 공진기내의 상기 자장 분포는 875G 의 자속 밀도를 갖는 영역을 포함하는 자장 분포인 영구자석을 이용한 전자회전 공명 프라즈마 발생장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 연자성체로 형성된 수단은, 상기 양단부에 각각 위치하는 환형 영구자석과 이들 사이에 위치하는 환형 영구자석들을 연결하는 연철 원통과, 양단부 사이에 위치하는 환형 영구자석들의 외주를 연결하는 연결 사각주로 이루어지는 것을 특징으로 하는 영구 자석을 이용한 전자 회전 공명 프라즈마 발생장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 각각의 환형 영구자석의 내경 및/또는 외경의 중심이 동일 축상에 있도록 배치되는 영구자석을 이용한 전자 회전 공명 프라즈마 발생장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 공진기의 일부 또는 전부가 상기 다수의 환형 영구자석의 내경으로 이루어진 공간에 위치하는 영구자석을 이용한 전자 회전 공명 프라즈마 발생장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 환형 영구자석들이 상기 연자성체로 형성된 수단을 포함하지 않고 서로 상호 밀착되게 연결되어 상기 공진기내에 균일한 자속 밀도를 갖는 자장 분포를 형성하는 영구자석을 이용한 전자회전 공명 프라즈마 발생장치.
8. 내부에 반응가스의 전자회전공명 프라즈마가 발생되며, 일방향으로 마이크로파가 입력되며, 상기 마이크로파가 입력되는 방향의 반대방향의 개구를 통하여 상기 반응가스의 상기 전자 회전공명 프라즈마가 추출되는 공진기에 상기 반응가스를 공급하는 단계와; 상기 공진기에 상기 마이크로파를 입력시키는 단계와; 상기 공진기의 외곽에 상기 마이크로파와의 전자 회전 공명 조건을 만족시키기 위한 자장 분포를 상기 공진기내에 제공하기 위한 다수의 환형 영구자석을 배치 하되, 상기 다수의 환형 영구자석중 양단부에 각각 위치한 2개 흑은 그 이상의 환형 영구자석은 서로 일치되게 직접 연결시키고, 상기 양단부 사이에 위치하는 환형 영구자석들 상호간의 연결 및 상기 양단부에 각각 위치한 서로 밀착되게 연결된 2개 혹은 그 이상의 환형 영구자석과의 연결이 연자성체로 형성된 수단을 통하여 이루어지도록 하는 단계를 포함하여 상기 공진기내에 영구자쌍경형 자장 분포를 갖도록 하는 것을 특징으로 영구자석을 이용한 전자 회전 공명 프라즈마 발생방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 마이크로파의 주파수가 2.45GHz 인 영구자석을 이용한 전자 회전 공명 프라즈마 발생방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 전자 회전 공명 조건을 만족시키기 위한 상기 공진기내의 상기 자장 분포는 875G 의 자속 밀도를 갖는 영역을 포함하는 자장 분포인 영구자석을 이용한 전자회전 공명 프라즈마 발생방법.
11. 제 10 항에 있어서, 연철등을 포함한 연자성체로 형성된 수단을 더 포함하여 상기 공진기내의 상기 자장 분포의 구배를 조절하는 단계를 더 포함하는 영구자석을 이용한 전자회전 공명 프라즈마 발생방법.
12. 제 8 항에 있어서, 상기 각각의 환형 영구자석의 내경 및/또는 외경의 중심이 동일 축상에 있도록 배치하는 영구자석을 이용한 전자 회전공명 프라즈마 발생 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 공진기의 일부 또는 전부가 상기 다수의 환형 영구자석의 내경으로 이루어진 공간에 위치하는 영구자석을 이용한 전자 회전 공명 프라즈마 발생방법.
14. 제 8 항에 있어서, 상기 다수의 환형 영구자석들이 상기 연자성체로 형성된 수단을 포함하지 않고 서로 상호 밀착되게 연결되어 상기 공진기내에 균일한 자속 밀도를 갖는 자장 분포를 형성하는 영구자석을 이용한 전자회전 공명 프라즈마 발생방법.