KR910000508B1 - 동적자계를 이용한 방전 반응장치 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제1도 내지 3도는 종래의 방전 반응장치에서 전자운동을 도시한 설명도.
제4도와 5도는 플라스마(plasma) 밀도를 증가시키기 위하여 전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 경우에 전자운동을 횡단면에서 개략적으로 설명한 설명도.
제6도는 제4도와 제5도에 도시된 장치에서 플라스마 밀도 분포를 횡단면에서 개략적으로 도시한 설명도.
제7도는 본 발명에 따른 방전 반응장치의 일실시예의 구조를 횡단면에서 부분적으로 설명한 개략도.
제8도와 제9도는 회전자계를 발생하는 전자(電磁) 코일의 배열을 도시한 평면도.
제10도와 제11도는 본 발명에 따른 방전 반응장치의 다른 실시예의 구조를 횡단면에서 부분적으로 설명한 개략도.
제12도는 제7도에 도시된 장치의 압력-에칭 특성을 도시한 그래프.
제13도 내지 제24도는 본 발명에 따른 방전 반응장치의 또 다른 실시예의 구조를 도시한 수직 및 횡단면도.
제25a도 내지 제25d도는 본 발명에 따른 장치에서 사용되는 비접지 전극의 구조를 도시한 단면도 및 사시도.
제26a도 내지 제26d도는 본 발명에 따른 장치에서 사용하는 다른 비접지 전극의 구조를 도시한 단면도 및 사시도.
제27도 내지 제31도는 본 발명에 따른 장치에서 사용하는 또 다른 비접지 전극의 구조를 도시한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
103 : 순환운동 제한금지 수단 104,105,106 : 동적자계 발생수단
108,121,122,123 : 가스 주입수단 110 : 압력 제어수단
본 발명은 진공에서 방전에 의하여 발생하는 가스 플라스마를 이용하여 피가공물 표면에 막중착, 에칭, 세정, 표면경화(hardening) 등의 공정을 실행하는 방전 반응장치에 관한 것이다.
전형적인 종래 장치는 다이오드 시스템에 의한 방전을 이용한다. 이러한 종래 장치에서 예컨대 소망공정이 피가공물을 비접지 전극 위에 배치함으로써 실행될 때 다이오드에 인가되는 전력을 증가시킴으로써 플라스마 밀도가 증가되어 가공속도를 증가시킬지라도 비접지 전극에서의 자기 바이어스 전압이 증가되어 이온 충격을 강화함으로써 피가공물에 큰 손실을 초래한다. 그러므로 전극에 공급되는 전력의 상한치를 한정함으로써 가공속도를 제한한다.
이런 문제점을 해결하기 위해 자계가 전극표면과 병렬로 발생하거나 전극표면을 덮도록, 고밀도인 방전 플라스마가 상기 자계의 도움 하에 전극 근방에서 발생하고, 및 피가공물이 상기 플라스마에 의하여 처리되는 공정이 제한되어 왔다. 이 경우에 잘 알려진 바와 같이 자계의 힘에 의하여 전자운동이 휨으로써 전자궤도가 휘고 전극벽에 전자의 충돌이 반복됨으로써 야기되는 유사-사이클로이드(pseudo-cycloid) 운동에 의하여 방전 플라스마가 발생된다.
상기 현상을 이용한 종래장치가 제1도 내지 3도에 도시되었는데 참조번호(10)는 전극을, 11은 전자(e)의 유사-사이클로이드 운동을, 12는 자력선을, B는 자계방향을, 및 13은 진공용기를 각각 나타낸다.
유사-사이클로이드 운동(11)에서 전자(e)는 표면을 따라 주어진 방향으로 또는 전극(10)의 주위로 순환한다. 즉 전자(e)는 전극(10)을 따라 및/또는 주위로 이동한다. 순환운동의 방향은 자계방향과 DC전계방향에 의하여 결정된다. 즉 전자(e)는 제1도의 순환방식으로 평판 전극(10)의 표면에서 트랙을 따라 시계방향으로 순환하며 제2도의 순환방식으로 기둥(pillar) 전극(10) 주위로 도시된 바와 같이 순환하며 제3도의 순환방식으로 진공용기(13)의 내벽과 내벽을 커버하도록 진공용기(13)에 제공된 다수의 전극(10)을 따라 시계방향으로 순환한다. 전극(10)의 표면 또는 주위를 따라 유사-사이클로이드 운동을 하는 전자의 순환운동이 금지 또는 제한된다면 전자의 유사-사이클로이드 운동은 제4도와 5도에 도시된 바와 같이 전극(10)의 소망 표면에서만 행하여지고 고밀도를 갖는 플라스마가 얻어지며 따라서 고속공정이 실행된다. 그러나 제4도와 5도에 도시된 장치는 아직 실현되지 않았다. 제4도와 5도에서 참조번호(14)는 절연체이고 15는 절연체에 의하여 형성된 장벽이다. 상기 절연체는 전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 역할을 한다.
제4도와 5도에 도시된 장치가 실현되지 못하는 이유는 전자의 순환운동이 상기와 같이 일방향으로 제한되고, 만약 전자의 순환운동을 금지하거나 제한하는 장벽부재가 존재할지라도 전자는 전자의 스킵 즉 점프(skip or jump)를 초래하는 장벽부재와 충돌하지만 반대방향으로 순환할 수 없어 원래의 방향으로 순환하므로 다수의 점으로 제6도에 도시된 바와 같이 플라스마의 밀도분포(300)는 점차적으로 크게되며 즉 불균일하게 되어 상기 플라스마를 받게되는 물체의 가공이 불균일하게 되기 때문이다.
본 발명의 목적은 종래 방전 반응장치의 상기 단점을 극복하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전극의 표면을 따라 근방에 탁월한 균일성과 고밀도를 갖는 플라스마를 발생할 수 있어 고품질과 고속의 가공을 실행하는 방전 반응장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따라 적어도 하나의 전극을 내장한 진공용기, 주어진 양의 가스를 진공용기에 주입하는 수단, 진공용기에서 압력을 제어하는 수단, 전력을 전극에 공급하여 진공용기 내에 배치된 피가공물을 처리하는 진공용기 내의 방전 발생수단, 전극표면을 따라 동적자계를 발생하는 수단, 및 전극을 순환하는 전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 수단으로 구성된 동적자계를 이용한 방전 반응장치가 제공된다. 동적자계는 원형, 타원형 또는 다른 형태의 회전자계이다. 동적자계는 정현파, 삼각파, 구형파 또는 다른 형태의 교번자계이다.
회전자계 발생수단은 계자코일의 각 쌍이 진공용기에 정반대로 배치되도록 배열된 3쌍의 계자코일로 구성되며, 3상 교류전류 각각의 위상전류가 상기 계자코일에 인가되어 회전자계를 발생한다. 회전자계 발생수단은 상기 코일이 진공용기축을 통하여 직경방향으로 배치되도록 배열된 3계자 코일로 구성되며, 3상 교류전류의 각각의 위상전류가 상기 계자코일에 인가되어 회전자계를 발생한다. 교번자계 발생수단은 전극이 계자코일 사이에 배설되도록 배열된 2계자코일로 구성되며, 교류 전류가 상기 계자코일에 인가되어 전극의 평탄 표면부와 평행인 교번자계를 발생한다.
전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 수단은 진공용기의 내측벽과 전극을 끼워넣는 절연체의 상측 표면으로 구성된다. 전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 수단은 직립(upright)부를 갖는 적어도 2측벽으로 구성되는 전극 자체로 구성된다. 또한 전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 수단은 내측방향으로 경사진 부분을 갖춘 적어도 2측벽으로 구성된 전극 자체로 구성된다. 전극의 순환운동을 제한하거나 금지하는 수단은 그 안에 전극을 끼워넣은 절연체로 구성되며 상기 절연체는 적어도 2직립측벽을 갖고 있다. 전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 수단은 전극상에 갖추어진 절연체로 구성되며, 상기 절연체는 적어도 2직립측벽을 갖고 있다.
제7도는 본 발명에 따른 방전 반응장치의 일실시예의 구조를 도시한 개략도이다.
제7도에서 참조번호(100)는 피가공물(102)이 플루오로에틸렌 수지의 절연체(103)로 덮여있거나 그 안에 끼워져 있는 비접지전극(101) 위에 놓이는 접지금속 진공용기를 나타낸다. 주어진 성분과 주어진 혼합비의 처리가스가 각각이 밸브(122)를 갖는 다수의 가스 봄베에 의하여 가변 누설밸브(121)를 통하여 기체입구(108)로부터 진공용기(100) 속으로 유입된다. 처리가스는 전극(101) 표면을 통하여 흐르고 펌프(120)에 의하여 압력조정밸브(110)를 통하여 출구(109)로부터 배출된다. 참조번호(126)는 접지금속 진공용기(100)를 위한 접지선을 나타낸다.
고주파 전력이 스위치(124)를 통하여 전원(125)으로부터 진공용기(100)와 전극(101) 사이에 인가된다. 동시에 3상 교류전류 또는 단상 교류전류가 스위치(124)를 통하여 전원(127)에서 진공용기(100)의 외부 또는 내부에 제공된 코일(104,105,106)로 공급되어 전극(101)의 평탄 표면부와 평행인 교번자계 또는 회전자계를 발생한다. 참조번호(111)는 회전자계방향(B)의 일예를 보이고 있다. 절연체(103)의 측면은 전자가 유사-사이클로이드 운동으로 전극(101)을 순환하는 것을 방지한다. 그러나 전자가 정체없이 흩어져 자계방향(B)이 회전하거나 교번되므로 전극(101)의 평탄 표면부 근방에서 균일하고 고밀한 플라스마를 발생한다. 균일성은 플라스마 시간에서의 평균치가 전극의 평탄 표면부상의 모든 자리에서 균일하다는 것을 의미한다. 이렇게 형성된 균일하고 고밀도인 플라스마는 피가공물(102)을 고속으로 그리고 고균일성으로 처리가능하다. 전극(101)은 전극을 냉각하기 위해 또는 전극단자를 조정하도록 유체용관(129)을 갖추고 있다.
자계(B)가 종래장치에서와 같이 고정된 경우에는 피가공물의 처리 속도는 높지만 속도의 균일성이 열등하다. 예컨대 CHF3가스가 진공용기(100)에 도입되어 피가공물(102)인 5인치 Si 웨이퍼의 표면상의 SiO2막이 에칭될 때 에칭속도의 균일성은 ±40%이다. 본 발명의 실시예에 따라 3상 교류전류가 전원(127)에서 코일(104,105,106)에 공급될 때 에칭속도의 균일성은 ±5%로 증가한다. 이 경우에 에칭속도는 5000Å/min 이상이다.
제7도에 도시된 장치에 따라 넓은 압력영역(10-5∼1Torr)에서 방전이 가능하여 고밀도와 고균일성을 갖는 플라스마를 발생한다.
제12도는 Si기판(102) 상에 형성된 SiO2막이 제7도에 도시된 장치를 사용하여 CHF3와 CO2의 혼합가스로 에칭될 때 얻어지는 에칭특성을 도시한 것이다. 이 경우에 400mmФ×500mm의 원통실이 진공용기로 사용된다. 가스유속은 140SCCM이고 혼합가스는 CHF3에 5%의 CO2를 혼합한 것이다. 구형 교번자계(B)의 자속밀도는 20cycle/min의 교류주파수를 갖는 200가우스이다. 고주파 전력은 13.56MHz의 주파수로 650W이다. 5인치 Ф의 기판은 200mmФ의 평탄 표면부를 갖는 전극 위에 놓여있다.
상기와 실제로 동일한 결과가 상업적으로 얻어지는 50Hz의 전류로 발생하는 교번자계(B)를 사용하여 얻어진다.
제12도에 도시된 본 발명의 장치의 특성과 종래의 평행 평면장치를 비교할 때 에칭 균일성은 양 장치가 실제고 동일하지만 본 장치의 에칭속도는 종래 장치의 에칭속도와 비교하여 10배정도 빠르다.
제12도로부터 알 수 있듯이 ±2.0%의 최상의 균일성 중 하나는 120m Torr의 압력에서 얻어지며 SiO2의 에칭속도는 5100Å/min이다. 반대로 직류자계에서의 에칭속도의 균일성은 ±40%이다. 700Å/min 이상의 에칭속도가 수m Torr 내지 수십분의 1m Torr의 압력에서 얻어질 정도로, 코일(104,105,106)에 인가되는 3상 또는 단상 교류전류가 클수록 저압에서의 에칭은 크다.
본 발명에 따라 소망의 막이, 플라스마 CVD에 필요한 가스를 진공용기(100)에 주입함으로써, 전극(101) 근방에 놓인 기판(예컨대 130)(접지 또는 유동 전위로 사용됨) 상에 또한 증착된다. 기판(130)이 접지전극으로 사용될 때 진공용기(100)는 절연체 예컨대 불소수지, 유리 등으로 형성된다.
이 경우에 주입가스와 증착막은 다음과 같다.
SiH4+ N2+ NH3→ SiH4막
SiH4또는 Si2H6등 → a-Si : H막
SiH4+ N2O → SiO2막
막의 질, 균일성 및 증착 속도는 종래 장치의 것과 동일하거나 우수하다. 이것은 제7도에 도시된 장치가 플라스마 장치로 사용되기에 특히 적합하다는 것을 의미한다.
제8도 내지 11도는 본 발명에 따른 장치의 실시예를 도시한다.
제8도 장치에서 3상 교류전류의 각각의 위상전류는 진공용기(100)를 둘러싼 6계자코일(104와 104',105와 105',106과 106')에 공급되어 회전자계를 발생한다.
제9도 장치에서 각 위상전류가 3계자코일(104,105,106)에 공급되어 회전자계를 발생한다.
제10도에 도시된 장치에서, 전극(101)은 절연체에 완전히 둘러싸여 있어 전극(101) 주위의 전자의 회전운동을 금지한다. 상기 실시예에서 새들(saddle) 코일이 사용되어 계자 효율을 증가시키고 장치를 소형화한다.
제11도에 도시된 장치에서 진공용기(100)는 접지되고 전력이 각각의 전원(125,135)에 의하여 전극(101,130)에 공급된다.
제13도 내지 24도는 본 발명에 따른 방전 반응장치의 다른 실시예를 도시한다.
제13a도와 제13b도에 도시된 장치에서 절연체(103)의 상면에 전자의 순환운동을 금지하고 전자의 유사-사이클로이드 운동을 전극의 소망표면상에 공간적으로 국한시키는 장벽을 형성한다.
제14a도와 제14b도에 도시된 장치에서 전자의 순환운동을 금지하는 장벽이 전극(101)에 내장된 측벽 피트(pit)에 의하여 형성된다. 피트는 절연체(103)내에 제공되며 이것에 의하여 진공용기(100)는 전극(101)의 하측에서 둘러 쌓인다.
전자의 순환운동을 금지하는 장벽은 제15a도 내지 제15b도에 도시된 장치에서 원통 진공용기(100)의 중심에서의 내측벽과 절연체(103)의 상측 표면에 의하여 형성된다. 오목부는 전력효율을 증가하기 위하여 전극(102) 위 진공용기(100)의 부분(1001)에 갖추어져 있다. 제17도에 도시된 장치는 상기 오목부 대신 접지 전극(103)을 갖추고 있다. 전자의 순환운동은 제16도와 17도에 도시된 양 실시예에서 절연체(103)의 상측 표면에 의하여 저지된다.
제18,19,20도에 도시된 장치에서 교번자계(B)를 발생하는 계자코일(104,106)은 진공용기(100)에 배설되어 장치를 소형화한다.
제21도와 22도에 도시된 실시예에서 비접지 전극(101)은 전자의 순환운동을 저지하는 절연체와 함께 원통 진공용기(100)의 측벽부에 장착된다. 고주파 전력은 전원(125)에 의하여 전극(101)에 공급된다. 동시에 전자의 순환운동을 허용하는 전극(1011)은 절연체(1031)와 함께 진공용기(100)의 축부에 제공된다. 고주파 전력은 전원(1251)에 의하여 전극(1011)에 공급된다. 양 고주파 전력은 주파수와 위상으로 제어된다.
본 발명에서는 매우 고속으로 공정제어가 가능하다(예컨대 SiO2를 에칭하는 경우에 에칭속도는 10,000Å/min임).
에칭속도의 균일성은 교번자계(B)에 대하여 ±5%이고 직류자계에 대하여 ±40%이다.
제23도에 도시된 장치에서 2전극(101a,101b) 뿐만 아니라 전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 2절연체(103a,103b)가 진공용기(100)의 측벽에 제공되고 접지전극(103)은 그의 반대편에 배설된다. 피가공물(102a,102b 또는 102c)은 전극(101a,101b,130)에 놓인다.
제24도에 도시된 장치에서 6비접지 전극(101a,101b,…)은 6절연체(103a,103b,…)와 각각 동일 거리고 진공용기(100)의 측벽에 배설된다. 시일드 부재(140a,140b,…)는 각각의 전극(101a,101b,…) 사이에 제공된다. 고주파 전력은 공통전원(125)에 의하여 각각의 전극(101a,101b,…) 사이에 제공된다. 고주파 전력은 공통전원(125)에 의하여 각각의 전극(101a,101b,…)에 공급된다. 상기 실시예에서 전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 장벽이 시일드 부재(140)와 절연체(103)의 측벽에 의하여 형성된다.
제25도 내지 31도는 전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 수단 또는 장벽을 도시한다.
제25a도 내지 제25d도와 제26a도 내지 제26d도에 도시된 실시예에서 장벽은 직립부 또는 내측방향으로 경사진 부분을 갖는 적어도 2측벽(1012)으로 구성되는 전극(101) 자체에 의하여 형성된다. 상기 측벽(1012)은 전극(101)과 동일한 물질을 가지며 전극과 일체로 제조된다. 상기 측벽(1012)의 모양은 제25a도 내지 제25d도와 제26a도 내지 제26d도에 도시된 바와 같이 형성된다.
즉 전극(101)의 측벽(1012)은 곧은 원형 실린더(제25b도), 곧은 프리즘(제25c도), 평행평판(제25d도), 절단원추(제26b도), 절단프리즘(제26c도), 및 역경사 평판(제26d도)의 형태로 각각 형성된다. 제25a도와 제26a도는 제25b도 내지 제25d도와 제26b도 내지 제26d도의 구조를 각각 도시한 단면도이다.
전극은 직립측벽을 가지며 부전압으로 바이어스되어 있어 플라스마 밀도가 측벽에 의하여 형성된 공간에서 증가되고 그리하여 처리되는 기판의 에칭속도가 증가하기 때문에 측벽과 충돌하는 전자를 되튀게 할 수 있다.
제26도에 도시된 실시예에 따라 전극(101)의 외부로 빠져나감 없이 방출전자를 측벽(1012) 내에 잡아두는 것이 가능하여 고밀도 플라스마를 얻을 수 있으며 처리되는 기판의 에칭속도를 증가한다.
제27도 내지 30도에 도시된 실시예에서 장벽은 전자의 반사가 실행되는 절연체(103)에 의하여 형성된다.
절연체(103)는 제25도와 제26도에 도시된 측벽의 것과 동일한 모양으로 형성된다. 절연체가 사용될 경우에도 전자가 반사되어 플라스마 밀도와 에칭속도를 증가시킨다.
제27도에 도시된 절연체(103)는 반사된 전자가 도망가지 못하게 돌기(1032)를 갖추고 있다.
제28도에 도시된 절연체(103)는 직립 에지(1031)를 갖추고 있어 이것에 의하여 고속처리를 가능하게 하며 처리되는 기판의 에지에서의 균일성이 개선되도록 플라스마 밀도가 증가된다.
제29도와 30도에 도시된 실시예에서 절연체 두께가 증가되어 고밀도의 플라스마를 얻을 수 있다.
제31도에 도시된 실시예에서 링형(ring-shaped) 절연체 덮개(1033)가 처리되는 기판 주위에 제공되어 균일 전계가 기판과 절연체 표면 상에서 획득되어 보다 양호한 에칭 균일성이 획득 가능하도록 한다.
Claims (14)
- 적어도 하나의 전극을 내장한 진공용기, 주어진 양의 가스를 진공용기에 주입하는 수단, 진공용기 내의 압력을 제어하는 수단, 및 전력을 전극에 공급하여 진공용기 내에서 방전을 발생시켜 진공용기 내에 배설된 피가공물을 처리하는 수단을 갖추고 있는 동적자계(dynaminc magnetic field)를 이용하는 방전 반응장치에 있어서, 전극 표면을 따라 동적자계를 발생하는 수단, 및 전극을 순환하는 전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 수단을 개량한 것을 특징으로 하는 동적자계를 이용한 방전 반응장치.
- 제1항에 있어서, 진공용기에 내장된 전극은 평탄 표면부를 갖추고 있으며, 상기 평탄 표면부를 따라 동적자계가 존재하는 것을 특징으로 하는 동적자계를 이용한 방전 반응장치.
- 제2항에 있어서, 동적자계가 회전자계인 것을 특징으로 하는 동적자계를 이용한 방전 반응장치.
- 제2항에 있어서, 동적자계가 교번자계인 것을 특징으로 하는 동적자계를 이용한 방전 반응장치.
- 제3항에 있어서, 회전자계 발생수단은 계자코일 각 쌍이 진공용기의 직경방향으로 반대위치에 배치되도록 배설된 3쌍의 계자코일로 구성되며, 3상 교류전류의 각각의 위상전류가 계자코일에 인가되어 회전자계를 발생하는 것을 특징으로 하는 동적자계를 이용한 방전 반응장치.
- 제3항에 있어서, 회전자계 발생수단은 코일의 진공용기 축을 통하여 직경방향으로 배치되도록 배설된 3계자 코일로 구성되어 있으며, 3상 교류전류의 각각의 위상전류가 상기 계자코일에 인가되어 회전자계를 발생하는 것을 특징으로 하는 동적자계를 이용한 방전 반응장치.
- 제4항에 있어서, 교번자계 발생수단은 전극이 계자코일 사이에 배치되도록 배설된 2계자 코일로 구성되며, 교류가 상기 계자 코일에 인가되어 전극의 평탄 표면부와 평행인 교번자계를 발생하는 것을 특징으로 하는 동적자계를 이용한 방전 반응장치.
- 제7항에 있어서, 계자코일이 진공용기 외부에 배설되어 있는 것을 특징으로 하는 동적자계를 이용한 방전 반응장치.
- 제7항에 있어서, 계자코일이 진공용기 내부에 배설되어 있는 것을 특징으로 하는 동적자계를 이용한 방전 반응장치.
- 제1항에 있어서, 전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 수단을 진공용기 내측벽과 그 안에 전극을 둘러싼 절연체의 상측 표면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 동적자계를 이용한 방전 반응장치.
- 제1항에 있어서, 전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 수단은 직립부를 갖는 적어도 2측벽으로 구성되는 전극 자체로 구성되는 것을 특징으로 하는 동적자계를 이용한 방전 반응장치.
- 제1항에 있어서, 전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 수단은 내측방향으로 경사진 부분을 갖는 적어도 2측벽으로 구성된 전극 자체로 구성되는 것을 특징으로 하는 동적자계를 이용한 방전 반응장치.
- 제1항에 있어서, 전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 수단은 적어도 2직립측벽을 갖는 전극을 둘러싼 절연체로 구성되는 것을 특징으로 하는 동적자계를 이용한 방전 반응장치.
- 제1항에 있어서, 전자의 순환운동을 제한하거나 금지하는 수단은 적어도 2직립측벽을 갖추고 있는 전극상에 제공되는 절연체로 구성되는 것을 특징으로 하는 동적자계를 이용한 방전 반응장치.
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