KR19990029132A

KR19990029132A - 플라즈마 발생 장치

Info

Publication number: KR19990029132A
Application number: KR1019980008259A
Authority: KR
Inventors: 무뚜미 두다; 고우이찌 오노; 마사아끼 쯔찌하시; 미노루 하나자끼; 도시오 고메무라; 고우지 오꾸; 신지 나까구마
Original assignee: 다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시; 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 1999-04-26
Also published as: KR100291152B1; JPH11102799A; TW400577B; US6054016A; DE19813199A1

Abstract

본 발명은, 균일한 분포의 고밀도인 플라즈마를, 넓은 동작 가스 압력 범위하에 안정하게 발생·유지하는 것을 가능하도록 한 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 마이크로파를 도파하는 도파관(5)과, 이 도파관(5)이 접속되고, 방전 가스를 공급하는 수단으로서의 가스 공급구(1a) 및 진공 배기 수단(도시하지 않음)에 접속되는 배기구(1b)를 구비한 진공 용기(1)와, 이 진공 용기(1)에 삽입된 관(管) 형태의 유전체 부재로 이루어지는 유전체관(10)과, 이 유전체관(10)에 상기 마이크로파를 방사하는 수단인 안테나(9)를 구비한 플라즈마 발생 장치로 한다.

Description

플라즈마 발생 장치

본 발명은 진공 용기 내에서 저기압·저온 플라즈마를 발생시키는 모든 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 특히 발생한 플라즈마를 이용해 반도체 기판, 액정 유리 기판, 유기 재료, 금속 재료 등의 표면의 개질, 에칭, 에싱, 클리닝, 박막 형성 등의 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치로서 이용된다.

여기서는, 종래의 대표적인 마이크로파를 이용한 플라즈마 발생 장치로서, 마이크로파를 진공 용기 내로 도입하는데 이용되는 유전체의 표면과 플라즈마와의 경계에 표면파를 여기·전파시키고, 이 표면파의 전자(電磁) 에너지에 의해 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 장치에 대해서 설명한다.

도 8에, 예를 들어 Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 35(1996), p. L341-L344 기재의 표면파 플라즈마 발생 장치의 개략 구성을 도시한다. 도 8에 있어서, 참조 번호 1은 진공 용기로, 측부에 가스 공급구(1a)와 배기구(1b)가 각각 형성되어 있다. 참조 번호 2는 마이크로파를 발진하는 마이크로파 발진기이고, 참조 번호 3은 마이크로파 발진기(2)를 구동하는 구동 전원이며, 참조 번호 4는 진공 용기(1)의 측벽에 설치되고, 대기와 진공 분위기에 사이를 둠과 동시에, 마이크로파가 통과 가능한 유전체 재료로 이루어지는 유전체 창이고, 참조 번호 5는 유전체 창(4)과 마이크로파 발진기(2)를 연결하고, 마이크로파 발진기(2)로서 발진된 마이크로파를 유전체 창(4)까지 안내하는 도파관이다. 참조 번호 6은 유전체 창(4)에 접하고 있는 마이크로파 도파관(5)의 저면에 설치된 슬릿이고, 참조 번호 7은 플라즈마 발생 장치를 이용해 각종 표면 처리를 실시하는 피처리 기판이다.

상기와 같이 구성되는 종래의 표면파 플라즈마 발생 장치의 동작에 대해서 설명한다. 먼저, 배기구(1b)에 접속되어 있는, 거친 펌프 및 예를 들어 터보 분자 펌프 등의 고진공 펌프(도시하지 않음)에 의해 진공 용기(1) 안을 고진공으로 배기하고, 가스 공급구(1a)를 통해, 예를 들어 아르곤, 수소, 산소, 염소, 사불화 탄소, 실란 등의 방전 가스를 공급하며, 진공 용기(1) 안이 이 방전 가스에 의해 소정의 압력에 이르면 마이크로파 발진기(2)에 의해 발진된 마이크로파가 도파관(5)에 의해 안내되어 도파관(5)의 저면에 설치된 슬릿(6)으로부터 방사된다. 방사된 마이크로파는, 유전체 창(4)을 통해 진공 용기(1) 안으로 도입되고, 방전 가스의 플라즈마(8)가 진공 용기 내에서 발생한다.

한번 플라즈마(8)가 발생하면, 진공 용기(1) 안으로 도입된 마이크로파는, 유전체 창(4)과 플라즈마(8)와의 경계를 따라서만 전파하는 표면파로서 존재할 수 있고, 플라즈마(8) 중의 전자 밀도가 소위 컷오프 밀도(예를 들어, 주파수 2.45GHz인 마이크로파일 경우에는 약 7×10¹⁰cm^-3)를 넘는 고밀도인 프라즈마일 경우에도 여기(勵起)된 표면파는 반사되는 일 없이 전파·흡수되는 것이 알려져 있다. 이렇게 하여, 유전체 창(4) 근방의 플라즈마(8) 중의 전자는 이 표면파의 진동 전계에 의해 가속을 받고, 고에너지 상태로 되어 원자 혹은 분자 상태의 중성 가스 입자를 여기·해리·전리시켜 플라즈마(8)의 생성을 유지한다. 이와 같이, 공급하는 마이크로파 전력을 표면파로서 플라즈마(8)와 결합시키는 것은, 컷오프 밀도를 넘는 고밀도인 플라즈마의 생성에 형편이 된다.

그러나, 종래의 표면파 플라즈마 발생 장치는, 평면 형태의 유전체 창(4)의 면 내에서 마이크로파의 전계 강도는 한가지 모양이 아니고, 가스 압력이나 마이크로파 전파력 등의 플라즈마 생성 조건에 의존하여 유전체 창(4)의 면의 지름 방향 및 원주 방향으로 마이크로파 전계 강도 분포를 갖는다. 이 불균일한 전계 강도의 결과, 생성된 플라즈마(8) 중의 전자 및 이온 밀도의 진공 용기(1) 내의 지름 방향 및 원주 방향에서의 분포도 불균일하게 된다는 문제가 있었다.

또한, 생성된 플라즈마(8) 중의 전자나 이온은, 진공 용기(1)나 유전체 창(4)의 벽 표면에 입사하고, 그리고 곧바로 재결합 과정에 의해 삭감된다. 이 때문에, 플라즈마(8)의 생성을 유지하기 위해서는, 벽 표면에서의 재결합에 의한 플라즈마 손실분과 조화만의 충분한 전리 작용, 즉 플라즈마의 생성이 필요하다. 그러나, 이와 같은 종래의 플라즈마 발생 장치에서는, 전자나 이온을 가두는 작용이 없기 때문에, 벽 측면에서의 플라즈마의 손실율이 크다. 따라서, 종래의 표면파 플라즈마 발생 장치에서는, 전해시킬 중성 가스 입자의 밀도가 작은 저가스 압력하에서는 플라즈마의 착화·발생이나 플라즈마 생성의 유지가 곤란하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로, 고밀도인 플라즈마를 진공 용기 내의 지름 방향 및 원주 방향에서 균일한 분포로 발생·유지시킬 수 있는 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 플라즈마의 진공 용기 내에서의 분포를 보다 한층 균일하게 함과 동시에, 저가스압 하에서도 플라즈마를 안정하게 발생·유지하는 것을 가능하도록 한 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명에 따르면, 마이크로파를 도파하는 도파관과, 이 도파관이 접속되고, 방전 가스를 공급하는 수단 및 진공 배기 수단을 구비한 진공 용기와, 이 진공 용기에 삽입된 관 형태 혹은 봉 형태의 유전체 부재와, 이 유전체 부재에 상기 마이크로파를 방사하는 수단을 구비한 플라즈마 발생 장치이다.

또한, 본 발명에 따르면, 플라즈마 발생 장치에 있어서, 상기 진공 용기의 외부에 자계를 발생하는 자계 발생 수단을 구비한 것이다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 장치에 있어서, 상기 마이크로파를 방사하는 수단이 도파관의 벽에 설치된 슬릿 혹은 안테나인 것이다.

또한, 본 발명에 따르면, 플라즈마 발생 장치에 있어서, 상기 유전체 재료가 마이크로파가 투과 가능한 석영, 파이렉스(pyrex) 유리, 테프론 등의 고분자 재료 또는 세라믹 중 어느 하나 또는 그들을 조합한 것이다.

도 1은 본 발명의 플라즈마 발생 장치의 제1 실시 형태의 개략 구성을 도시하는 도면.

도 2는 본 발명의 플라즈마 발생 장치의 다른 실시 형태의 개략 구성을 나타내는 도면.

도 3은 도 2에 도시되는 영구 자석의 배치 및 발생하는 자계 강도 분포를 나타내는 도면.

도 4는 본 발명의 플라즈마 발생 장치의 다른 실시 형태의 개략 구성을 도시하는 도면.

도 5는 본 발명의 플라즈마 발생 장치의 다른 실시 형태의 개략 구성을 도시하는 도면.

도 6은 본 발명의 플라즈마 발생 장치의 다른 실시 형태의 개략 구성을 도시하는 도면.

도 7은 본 발명의 플라즈마 발생 장치의 다른 실시 형태의 개략 구성을 도시하는 도면.

도 8은 종래의 플라즈마 발생 장치의 개략 구성을 도시하는 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 진공 용기

1a : 가스 공급구

1b : 진공 배기구

2 : 마이크로파 발진기

3 : 구동 전원

4 : 유전체 창(窓)

5 : 도파관

6 : 슬릿

7 : 기판

8 : 플라즈마

9 : 로드(rod) 안테나

10 : 유전체관

11 : 영구 자석

12 : 전자 사이클로트론(cyclotron) 공명 영역

13 : 자력선

14 : 등자계 강도선

15 : 마이크로파 공진기

16 : 유전체 봉(棒)

17 : 전자 코일

18 : 코일 전원

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 기초하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 플라즈마 발생 장치의 제1 실시 형태의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 도 1에 있어서, 참조 번호호 1은 진공 용기로, 측부에 가스 공급구(1a)와 배기구(1b)가 각각 형성되어 있다. 참조 번호 2는 마이크로파를 발진하는 마이크로파 발진기이고, 참조 번호 3은 마이크로파 발진기(2)를 구동하는 구동 전원이며, 참조 번호 5는 도파관이고, 참조 번호 7은 각종 표면 처리를 실시하는 기판이며, 참조 번호 8은 플라즈마이고, 참조 번호 9는 도파관(5)에 결합되고, 마이크로파 입체 회로에서 마이크로파 전력을 방사시키기 위한 수단으로, 도면에서는 로드·안테나를 도시하고 있다. 참조 번호 10은 대기와 진공 분위기에 사이를 둠과 동시에, 마이크로파를 진공 용기(1) 내로 도입하기 위한 유전체 부재로 이루어지는 원통상 유전체관으로, 마이크로파가 도통 가능한, 예를 들어 석영, 알루미나, 테프론 등의 고분자 재료, 혹은 이들을 조합시킨 유전체관을 이용할 수 있다.

다음에, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시 형태에서의 플라즈마 발생 장치의 동작에 대해서 설명한다.

먼저, 종래 장치와 마찬가지의 배기구(1b)에 접속되어 있는 거친 펌프 및 예를 들어 터보 분자 펌프 등의 고진공 펌프(도시하지 않음)로서 진공 용기(1) 안을 고진공으로 배기하고, 가스 공급구(1a)를 통해, 예를 들어 아르곤, 수소, 염소, 사불화 탄소 또는 실란 등의 방전 가스를 공급한다. 진공 용기(1) 안이 이 방전 가스에 의해 소정의 압력에 이르면 마이크로파 발진기(2)에 의해 발진된 마이크로파 전력이 도파관(5)을 거쳐 로드·안테나(9)에 의해 유전체관(10)으로 방사된다. 방사된 마이크로파는 진공 용기(1) 내에 삽입된 유전체관(10)을 통과하여 진공 용기(1) 안으로 도입된다.

유전체 부재(10)는, 대기와 진공 분위기에 사이를 둠과 동시에 마이크로파를 상기 진공 용기의 내부로 도입시킨다. 또한, 한번 플라즈마가 진공 용기(1) 내에 서 발생하면서부터는 유전체 부재(10)와 플라즈마와의 경계를 따라 표면파를 여기·전파시킬 수 있고, 소위 컷오프 밀도를 넘는 고밀도인 플라즈마에 대해서도 마이크로파의 전력을 효율 좋게 주입하는 것이 가능하게 되며, 게다가 진공 용기(1) 내의 플라즈마의 분포를 균일한 것으로 할 수 있다.

도 2는 진공 용기(1) 주위에 영구 자석(11)을 설치한 구성이고, 도 3은 도 2에 도시한 플라즈마 발생 장치의 4분의 1 단면을 나타내며, 영구 자석의 진공 용기로의 장치 및 발생하는 자계 강도 분포를 나타내는 도면이다. 도면에 있어서, 참조 번호 13은 영구 자석(11)에 의해 발생하는 자력선의 일부이고, 참조 번호 14는 영구 자석(11)에 의해 발생하는 등자계 강도선의 일부이다. 또한, 마이크로파 전력을 진공 용기(1) 내로 도입하는 로드·안테나(9) 및 유전체관(10)은, 진공 용기(1)의 중심축상에 설치되어 있고, 이 마이크로파 도입부(로드·안테나(9), 유전체관(10)의 설치 장소)에서의 자계 강도는 10G 이내로 하는 것이 바람직하다.

진공 기기(1)의 주위에 설치된 영구 자석(11)은, 도 3에 도시한 바와 같이 진공 용기(1)의 측벽 근방에, 소위 멀티컵스(multi-cups) 자계를 형성하고, 소위 자기 미러 효과에 의해 플라즈마(8) 중의 전자나 이온을 진공 용기(1) 내에 가두는 는 작용을 한다. 특히, 진공 용기(1) 중심부의 저(低)자계 영역에서 발생한 전자나 이온에는 자기 미러비를 크게 할 수 있고, 자기 밀폐 효과가 현저하게 강하게 작용한다. 이 자계의 효과에 의해, 진공 용기(1)의 벽 표면에서의 재결합 과정에 의한 플라즈마의 손실을 막고, 플라즈마(8)의 발생·유지를 용이하게 행할 수 있다. 또한, 진공 용기(1) 내에 형성된 멀티컵스 자계는, 진공 용기(1) 내에서 균일한 플라즈마(8)를 발생시키는 작용도 한다.

도 2에서는, 진공 용기(1) 내에 마이크로파 전력을 도입하기 위해 로드·안테나(9) 및 유전체관(10)을, 자계 강도가 10G 이하인 자계 영역에 설치하고 있기 때문에, 유전체관(10)과 플라즈마(8)의 경계에 여기·전파하는 표면파의 전력에 의해 발생한 전자나 이온으로 있던 하전 입자에 대해서 자기 미러비를 약 100 정도로 할 수 있어, 이들 하전 입자의 자기 밀폐 효과가 현저하게 강하게 작용한다. 이와 같은 저자계 영역에서의 표면파 여기에 의한 플라즈마 발생과 멀티컵스 자계에 의한 프라즈마 밀폐와의 조합에 의해, 예를 들어 10^-4Torr대의 저가스 압력하에서도 효율 좋게 컷오프 밀도를 넘는 고밀도인 플라즈마(8)의 생성을 행할 수 있다.

도 2에 도시한 예에서는, 마이크로파를 도입하는 로드·안테나(9) 및 유전체관(10)을 진공 용기(1)의 중심축상에 설치하고, 이 마이크로파의 도입부에서의 자계 강도는 10G 이하로 하고 있지만, 반드시 진공 용기(1)의 중심축상에 설치할 필요는 없고, 또한 100G 이하의 저자계 영역에서 마이크로파의 도입을 행하지 않아 거의 마찬가지의 효과가 얻어진다.

도 2에 도시한 영구 자석(11)에 의한 자계 강도를 적절하게 선택함으로써 진공 용기(1)의 내벽면 근방에 전자 사이클로트론 공명 영역(12)을 형성할 수 있다. 전자 사이클로트론 공명 영역(12)의 근방에서는, 마이크로파의 주파수와 전자의 사이클로트론 주파수가 일치하고, 마이크로파의 진동 자계에 의해 공조적으로 전자가 가속되는 전자 사이클로트론 공조 현상이 일어난다. 이렇게 하여, 예를 들어 10^-4Torr대의 저가스 압력하에서도 용이하게 전자 사이클로트론 공조 방전이 일어나 플라즈마(8)가 공조 용기(1) 내에서 발생한다.

플라즈마(8)가 발생한 후는, 도입할 마이크로파 전력이 작고, 플라즈마(8) 중의 전자 밀도가 소위 마이크로파의 컷오프 밀도(예를 들어, 주파수 2.45GHz의 마이크로파일 경우에는 약 7×10¹⁰cm^-3)보다도 낮을 경우에는, 유전체관(10)을 통해 진공 용기(1) 안으로 도입된 마이크로파는, 플라즈마(8) 가운데를 전파하여 전자 사이클로트론 공명 영역(12)까지 도달할 수 있다. 이렇게 하여, 전자 사이크로트론 공조에 의해 에너지를 얻은 공조 전자는, 원자 혹은 분자상의 중성 가스 입자를 여기·분리·전리시켜 플라즈마(8)의 생성을 유지한다.

또한, 도입할 마이크로파 전력이 크고, 플라즈마(8) 중의 전자 밀도가 컷오프 밀도보다 높을 경우에는, 유전체관(10)을 통해 진공 용기(1) 안으로 도입된 마이크로파는, 플라즈마(8) 가운데를 전파할 수 없고, 유전체관(10)과 플라즈마(8)의 경계를 따라서만 전파하는 표면파로서 존재할 수 있다. 이 여기된 표면파는, 플라즈마(8) 중의 전자 밀도가 컷오프 밀도를 넘는 고밀도인 플라즈마의 경우에서도 반사될 일 없이 상기 경계를 따라 전파하고, 전파중에 플라즈마(8)에 그 에너지가 흡수된다. 이렇게 하여, 유전체관(10)의 표면 근방이 플라즈마(8) 중의 전자는 이 표면파의 진동 전계에 의해 가속을 받고, 고에너지 상태로 되어 원자 혹은 분자상의 중성 가스 입자를 여기·분리·전리시켜 플라즈마(8)의 생성을 유지한다.

또한, 멀티컵스 자계로서, 영구 자석(11)을 이용해 도 3에 도시한 바와 같은 라인컵스 자계를 발생시키고 있지만, 링컵스 자계나 복합컵스 자계 등의 진공 용기(1)의 벽면 근방에 강력한 자계 영역을 형성하고, 또 마이크로파를 도입하는 진공 용기(1)의 중심부에서 저자계 영역을 형성하도록 한 자계 강도 분포이면 아무래도 좋다.

또한, 진공 용기(1) 내에, 영구 자석(11)을 이용해 도 3에 도시한 바와 같은 멀티컵스 자계와, 동시에 전자 사이크로트론 공명 영역(12)도 발생시키고 있지만, 이 전자 사이클로트론 공명 영역(12)이 없을 경우에는, 플라즈마(8)의 점화·발생하기 쉽거나 약간 열화하지만, 도 8에 도시한 종래의 플라즈마 발생 장치에 비하면 분명하게 진공 용기(1) 내의 플라즈마의 분포가 균일하게 되는 효과가 있다.

또, 본 실시 형태에서는, 영구 자석(11)을 이용해 진공 용기(1) 내에 도 3에 도시한 바와 같이 멀티컵스 자계만을 발생시키고 있지만, 도 4에 도시하는 바와 같이 또한 코일 전원(18)에 의해 자계를 발생하는 전자 코일(17) 등을 이용해 진공 용기(1)의 축방향의 자계 성분을 중첩시켜도 된다. 이 경우에는, 소위 발산 자계도 동시에 형성되고, 발생한 플라즈마(8)가 기판(7)으로 향해 드리프트 운동을 행한다. 이와 같은 플라즈마(8)의 드리프트 운동은, 기판(7)에 적극적으로 플라즈마(8) 중의 이온이 입사를 행하게 하는 에칭 등의 표면 처리를 행할 경우에 효과가 있다.

도 1 및 도 2에서는, 로드·안테나(9)를 이용해 유전체관(10)으로 마이크로파의 방사를 행하고 있지만, 스파이럴(spiral)·안테나, 헬리컬(helical)·안테나, 리지터노·코일, 루프·안테나 등이 마이크로파를 방사할 수 있는 안테나 구조이면 아무래도 좋고, 도 5에 도시한 바와 같은 스릿(6)을 이용함으로써 간편하게 마이크로파를 방사할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 유전체관(10)을 이용하는 예를 나타냈지만, 도 6 및 도 7에 도시하는 바와 같이 상자 형태의 유전체 부재로 이루어지는 유전체 봉(16)을 이용해도 된다.

본 발명에 의하면, 소위 컷오프 밀도를 넘는 고밀도인 플라즈마에 대해서도 마이크로파의 전력을 효율 좋게 주입하는 것이 가능하게 되고, 게다가 진공 용기(1) 안의 플라즈마의 분포를 균일하게 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 플라즈마 발생 장치에서 발생하는 자계는, 플라즈마를 둘러싸는 진공 용기의 벽 표면으로의 전자나 이온의 입사 플럭스(flux)량을 감소시켜 벽 표면에서의 재결합에 의한 플라즈마의 손실을 막고, 저가스 압력 하에서도 플라즈마의 발생·유지를 용이하게 하며, 또 동시에 플라즈마 밀도의 균일성을 보다 향상시키는 효과가 있다.

Claims

마이크로파를 도파하는 도파관과;

상기 도파관이 접속되고, 방전 가스를 공급하는 수단 및 진공 배기 수단을 구비한 진공 용기와;

상기 진공 용기에 삽입된 관(管) 형태 혹은 봉(棒) 형태의 유전체 부재; 및

상기 유전체 부재에 상기 마이크로파를 방사하는 수단

을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제1항에 있어서, 상기 진공 용기의 외부에 자계를 발생하는 자계 발생 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제1항에 있어서, 상기 마이크로파를 방사하는 수단이 도파관의 벽에 설치된 슬릿 혹은 안테나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제1항에 있어서, 상기 유전체 재료가 마이크로파가 투과 가능한 석영, 파이렉스 유리, 테프론 등의 고분자 재료 또는 세라믹 중 어느 하나 또는 그것들을 조합시킨 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.