KR100189311B1 - 플라즈마 발생용 마이크로파 플라즈마 토치 및 플라즈마 발생방법 - Google Patents

플라즈마 발생용 마이크로파 플라즈마 토치 및 플라즈마 발생방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 마이크로파 플라즈마 토치는, 배기수단을 가진 진공 용기와; 내부 도체 및 외부 도체와, 마이크로파를 공급하기 위한 마이크로파 공급 수단과 연결되는 동축 도파관의 제 1 단부 및, 상기 진공 용기와 연결되는 동축 도파관의 제 2 단부를 포함하며, 이에 의해, 상기 마이크로파 공급 수단으로부터 공급된 마이크로파를 동축 도파관의 도파관 축선을 따라 진공 용기내로 도입하는 동축 도파관과; 다수의 분사축선을 따라 진공 용기내로 가스를 분사하기 위한 가스 공급 수단을 포함한다. 상기 마이크로파 플라즈마 토치에서, 상기 다수의 분사축선중 2개 이상의 분사축선이 제 2 단부의 도파관 축선과 토션 위치에 있고, 상기 도파관 축선에 수직인 평면에 존재하지 않으며, 상기 제 2 단부의 근처에서 외부 도체의 직경에 대한 내부 도체의 직경의 비는 도파관 축선을 따라 제 1 단부로부터 제 2 단부를 향해 감소한다.

Description

플라즈마 발생용 마이크로파 플라즈마 토치 및 플라즈마 발생 방법
본 발명은 마이크로파 플라즈마 토치와 플라즈마를 발생하기 위한 방법에 관한 것이다. 보다 상세히 설명하면, 본 발명은 고용융점을 가진 재료로 제조된 막 또는 결정성 박막을 고속 및 고순도로써 증착시키기 위해 플라즈마를 발생하는 마이크로파 플라즈마 토치와 플라즈마 발생 방법에 관한 것이다.
(관련 기술의 설명)
종래의 플라즈마 토치는 분광 분석용의 소출력 플라즈마 토치 또는 열 에너지원으로서 용접, 용사(thermal spraying), 용융 절단 등에 사용되는 대출력 플라즈마 토치로 크게 분류된다. 그러나 종래의 플라즈마 토치가 플라즈마 발생 방법을 근거로 하여 분류된다면 다음과 같이 분류될 수 있다. 즉, 직류(DC) 아크 방전을 이용하는 플라즈마 토치와; 유도 결합형 무선 주파수(이후에는 간단히 RF로 언급함; 상기 주파수는 약 4MHz 내지 13.56MHz 범위에 있음) 방전을 사용하는 플라즈마 토치와; 마이크로파(주파수는 약 2.45GHz)를 사용하는 플라즈마 토치로 분류된다.
DC 아크 방전을 사용하는 종래의 플라즈마 토치에서는, 사용되는 전극이 부식되는 문제가 있다. 그러나, 고밀도와 고온의 플라즈마가 열원으로 사용되는 한 아무런 문제가 발생되지 않는다. 유도 결합형 RF 방전을 사용하는 플라즈마 토치의 전극 사이에서는 아크 방전이 발생되지 않기 때문에, 혼합 불순물이 감소된 플라즈마 화염이 형성될 수 있다. 그럼에도 불구하고 필요한 열적 플라즈마를 형성하여 100Torr 이상의 고압하에서 방전을 유지하기 위해서는, 몇백 KW와 같은 전력이 요구된다. 또한, 가스 흐름을 사용하여 발생된 플라즈마로부터 유도 코일 내부에 있는 유리관을 보호하여 상기 유도 코일과 플라즈마 사이의 접촉을 방지하는 것이 필요하다.
상기 2 개의 종래 기술과 비교하여 볼때, 마이크로파 플라즈마 토치는 다음과 같은 (가) 내지 (다)의 특징을 가진다. 즉,(가) 전극을 사용하지 않고 방전을 발생시킬 수 있고; (나) 100Torr 이상의 고압하에서도, RF 방전 방법과 비교하여 약 두 자릿수(digit) 만큼 낮은 전력 소비에서 방전을 유지할 수 있으며; (다) 유도 코일과 유리관을 제공할 필요가 없기 때문에, 마이크로파 플라즈마 토치 유닛은 소형 크기의 유닛으로 형성될 수 있다. 그러므로 다수의 상기 유닛을 정렬하여 대규모로 처리할 수 있는 것이다. 마이크로파 플라즈마 토치는 상기 특징을 가지고 있으므로, 상기 마이크로파 플라즈마 토치는 열 플라즈마 처리 기술 뿐만 아니라 박막 재료를 고순도로 처리하기 위한 기술에도 적용할 수 있다.
종래의 마이크로파 플라즈마는 예를 들면 일본 특개평 제 3-57199 호에 기재되어 있다. 상기 특허공보에 기재된 플라즈마 토치에서, 외부 도체의 직경은 마이크로파를 전달하기 위하여 동축 도파관(coaxial waveguide)의 단부에서 작게 설정되어 있다. 상기 형상에서, 전기장은 동축 도파관의 단부 부분에 집중되므로 아크방전을 발생시킨다.
그러나 상기 종래의 마이크로파 플라즈마 토치는 다음과 같은 문제점을 가진다. 첫째, 내부 및 외부 도체 부분은 발생된 아크 방전에 의하여 깍여지기 때문에, 내부 및 외부 도체의 깍여진 부분을 구성하는 요소는 불순물로서 발생된 플라즈마내에 섞이게 된다. 또한, 외부 도체 직경의 감소는 동축 도파관의 단부에서 임피던스의 감소를 일으키게 된다. 결과적으로, 전력이 동축 도파관의 단부에서 반사되고 흡수되기 때문에, 만족스러운 임피던스 정합을 얻을 수가 없고 방전을 안정적으로 유지하기가 어렵다. 또한, 원주 방향을 따라 도입된 가스 흐름과 반경방향을 따라 도입된 가스 흐름이 합류하는 지점에서, 난류가 발생하기 쉬우므로 안정된 플라즈마 화염을 얻기가 어렵다.
(본 발명의 요약)
본 발명의 마이크로파 플라즈마 토치는, 배기수단을 가진 진공 용기와; 내부 도체 및 외부 도체와, 마이크로파를 공급하기 위한 마이크로파 공급 수단과 연결되는 동축 도파관의 제 1 단부 및, 상기 진공 용기와 연결되는 동축 도파관의 제 2 단부를 포함하여서, 상기 마이크로파 공급 수단으로부터 공급된 마이크로파를 동축 도파관의 도파관 축선을 따라 진공 용기내로 도입하는 동축 도파관과; 다수의 분사 축선을 따라 진공 용기내로 가스를 분사하기 위한 가스 공급 수단을 포함한다. 상기 마이크로파 플라즈마 토치에서, 상기 다수의 분사축선중 적어도 2 개는 제 2 단부에서 도파관 축선과 토션 위치 관계(torsional positions)에 있고, 상기 도파관 축선에 대해 수직인 평면에는 존재하지 않으며, 상기 제 2 단부의 근처에서 외부 도체의 직경에 대한 내부 도체의 직경의 비는 도파관 축선을 따라 제 1 단부로부터 제 2 단부로 감소한다.
한 실시예에서, 상기 가스공급 수단은 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 배치된 유전체 판을 포함하고, 상기 다수의 분사축선을 따라 진공용기내로 가스를 분사하기 위한 다수의 가스 분사구멍을 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 유전체 판은 내열성을 가진다.
또다른 실시예에서, 상기 다수의 분사축선은 모두다 도파관 축선과 토션 위치 관계에 있고, 도파관 축선에 대해 수직인 평면에는 존재하지 않는다.
또다른 실시예에서, 제 2 단부의 근처에 있는 내부 도체의 상단부는 내열성 유전체 판으로 피복된다.
또다른 실시예에서, 상기 유전체 판은 가스내에 포함된 반응물질의 성분과 동일한 성분을 가진다.
또다른 실시예에서, 상기 내부 도체는 제 2 단부에서 가스를 분사하기 위하여 적어도 하나의 가스 분사구멍을 포함한다.
또다른 실시예에서, 상기 내부 도체는 제 2 단부에서 외부 도체 보다 더 많이 진공 용기안으로 돌출한다.
또다른 실시예에서, 내부 도체의 제 2 단부는 다수의 브랜치(branch)로 나누어진다.
또다른 실시예에서, 상기 마이크로파 플라즈마 토치는 도파관 축선을 따라 상기 제 1 단부로부터 제 2 단부로 점차 감소하는 강도를 가진 자계를 발생하기 위하여 구배 자계 발생 수단(gradient magnetic field generation means)을 부가로 포함한다.
또다른 실시예에서, 상기 구배 자계 발생 수단은 진공 용기에서 동축 도파관의 제 2 단부로부터 이격된 지점에서 전자 사이클론 공진(ECR) 상태를 발생시키기에 충분한 자속 밀도를 발생시킨다.
또다른 실시예에서, 상기 마이크로파 플라즈마 토치는 진공용기에서 회전 자계를 발생시키기 위하여 회전 자계 발생 수단을 부가로 포함한다.
또다른 실시예에서, 마이크로파 플라즈마 토치는 다수의 동축 도파관과 다수의 가스 공급 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 마이크로파 플라즈마 토치는, 배기 수단을 가진 진공 용기와, 내부 도체 및 외부 도체를 갖는 동축 도파관을 포함하고, 상기 동축 도파관의 제 1 단부는 마이크로파를 공급하기 위한 마이크로파 공급 수단과 연결되고, 동축 도파관의 제 2 단부는 상기 진공 용기와 연결되고, 이에 의해 상기 마이크로파 공급 수단으로부터 공급된 마이크로파를 동축 도파관의 도파관 축선을 따라 진공 용기내로 도입한다. 상기 마이크로파 플라즈마 토치에서, 내부 도체는 가스를 분사하기 위한 적어도 하나의 가스 분사 구멍을 포함하고 제 2 단부에서 진공용기만으로 외부 도체 보다 더 많이 돌출된다.
본 발명의 다른 특징에 따라, 진공 용기에서 플라즈마를 발생하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 제 1 축선을 따라 진공 용기내로 마이크로파를 도입하는 단계와, 플라즈마가 발생되는 진공 용기내의 공간에서 제 1 축선에 평행한 속도 벡터를 가진 나선형 가스 흐름을 발생시키는 단계를 포함한다.
한 실시예에서, 플라즈마를 발생하기 위한 방법은 진공 용기를 향하여 제 1 축선을 따른 방향으로 감소되는 강도를 가지는 자계 발생 단계를 부가로 포함한다.
또다른 실시예에서, 플라즈마를 발생하기 위한 방법은 진공 용기내에서 회전 자계를 발생하는 단계를 부가로 포함한다.
그래서, 본 발명은 플라즈마 토치의 구성 요소가 불순물로서 플라즈마내에 혼합되지 않음으로써, 결정성 박막 등을 고순도로서 증착시키는 마이크로파 플라즈마 토치 및 플라즈마 발생 방법을 제공하는 장점을 가진다.
본 발명의 상기 장점과 다른 장점은 첨부 도면을 참조로 한 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 보다 분명하게 제시될 것이다.
(양호한 실시예의 상세한 설명)
이후에는 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 토치와 플라즈마 발생 방법이 첨부 도면을 참조로한 실시예에 의해 설명될 것이다. 도면에서, 동일한 참조 부호는 다음의 실시예를 통하여 동일한 구성품을 지시한다.
(실시예 1)
제 1 도는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치의 형상을 도시하는 단면도이다. 처리될 기판(14)은 진공 용기(1)내에 유지된다. 여기에서 처리라는 용어는 예를 들면 반도체 제조공정에서 증착 처리단계와 표면 처리를 포함한다. 상기 진공 용기(1)은 배기 장치(도시 않음)를 가지므로, 약 10-5Torr의 압력을 가지는 진공을 얻게 된다. 다음의 제 1 실시예 내지 제 7 실시예에서, 압력은 플라즈마 처리를 수행하기 전에 약 10-5Torr 로 강하된다. 그 다음 플라즈마 화염이 발생될 때, 반응가스와 방전가스가 이후에 설명되는 바와 같이 분사된다. 따라서, 플라즈마 처리 동안에 진공용기(1) 내부의 압력은 약 100 내지 150Torr 가 된다.
직사각형 도파관(2)은 제 1 도의 화살표(X)로 지시된 방향을 따라 마이크로파 발생기(도시 않음)로부터 공급되는 마이크로파를 전달한다. 상기 마이크로파의 주파수는 예를 들면 2.45GHz 이다. 직사각형 도파관형 WRJ-l8이 본원의 직사각형 도파관(2)으로 사용된다. 피스톤(3)은 바람직한 임피던스에서 직사각형 도파관(2)을 종단함으로써, 상기 직사각형 도파관(2)의 단부에서 손실 발생을 방지한다. 돌출부(ridge; 4)는 마이크로파의 모드를 변환함으로써, 직사각형 도파관(2)과 동축 도파관(5) 사이의 접합부에서 임피던스를 정합시킨다. 외부 도체(5a)와 내부 도체(5b)는 동축 도파관(5; 예를 들면 WX-39D 형이 사용된다)을 구성한다. 상기 내부 도체(5b)는 중공부를 가지고, 냉각수 튜브(7)가 냉각수를 순환시키기 위하여 내부 도체(5b) 내부에 제공된다. 상기 돌출부(4)는 동축 도파관(5)의 제 1 단부로서 사용된다.
상기 동축 도파관(5)으로 입력된 마이크로파는 유전체 판(8)을 통하여 전달되어 진공 용기(1)로 공급된다. 상기 유전체 판(8)은 마이크로파를 전달하는 재료, 즉 알루마이트로 구성된 판이고, 진공 용기(1)의 기밀성을 유지한다. 상기 유전체 판(8)의 비유전율(specific dielectric constant)은 1 내지 9 의 범위에 있는 것이 양호하다. 상기 동축 도파관의 임피던스가 50Ω 이하면, 외부 도체 직경에 대한 내부 도체의 직경비는 크게 되고 실질적인 동축 도파관을 얻을 수 없다.
상기 동축 도파관(5)은 외부 도체(5a)의 단부(9)에서 진공 용기(1)와 연결된다. 상기 외부 도체(5a)의 단부(9)는 동축 도파관(5)의 제 2 단부로서 사용된다.
외부 도체(5a)의 단부(9) 근처에 위치된 테이퍼(taper) 부분(50)에서, 유전체 판(8)으로부터 진공 용기(1)를 향한 방향으로 내부 도체(5b)의 직경은 점차 감소하고 외부 도체(5a)의 직경은 점차 증가된다. 다시 말하면, 동축 도파관(5)의 외부 도체(5a)의 직경에 대한 내부 도체(5b)의 직경의 비는 테이퍼 부분에서 연속적으로 감소되므로(도중에서 증가하지 않음), 마이크로파에 대한 동축 도파관(5)의 임피던스를 외부 도체(5a)의 단부(9) 근처에서 크게 변하는 것을 방지한다. 결과적으로, 테이퍼 부분(50)에서의 반사파의 발생이 방지될 수 있고, 상기 마이크로파는 작은 손실로 진공 용기(1) 내부의 공간으로 공급될 수 있다. 또한, 상기 임피던스는 쉽게 정합될 수 있다. 스터브 튜너(stub tuner; 12)는 상기 테이퍼 부분(50)에서 임피던스를 정합한다. 마이크로파는 이후에 설명되는 바와 같이 도파관의 축선을 따라 전달된 다음, 진공 용기(1)내의 공간내로 방사된다.
보다 상세히 설명하면, 동축 도파관(5)의 임피던스는 유전체 판(8)이 제공되는 지점에서 50Ω이고, 외부 도체(5a)의 단부(9)에서는 138Ω이다(만약 내부 도체(5b)의 직경이 0이라면, 동축 도파관(5)은 원통형 도파관으로 간주될 수 있다).
상기 유전체 판(8)은 테이퍼 부분(50)의 길이인 80nm 의 거리만큼 외부 도체(5a)의 단부(9)로부터 분리되고, 상기 임피던스는 유전체 판(8)과 외부 도체(5a)의 단부(9) 사이의 부분에서 50Ω로부터 138Ω까지 실질적으로 연속적으로 증가된다.
내열성 유전체 판(11)은 동축 도파관(5)과 진공 용기(1) 사이의 연결부 근처에 배치된다. 본 발명에서, 내열성 유전체 판은 3000℃ 이상의 용융점을 가진다. 상기 내열성 유전체 판(11)은 예를 들면 질화 붕소이다. 상기 내열성 유전체판(11)이 고온의 플라즈마 근처에 위치될지라도, 내열성으로 인하여 크랙이 발생하거나 변형되지 않는다. 따라서 가스 분사구멍(10)은 내열성 유전체 판(11)용으로 제공될 수 있다. 방전가스는 가스 분사구멍(10)을 통하여 분사된다. 여기에서의 방전 가스는 방전을 발생 및 유지하기 위한 가스를 말하며, 또한 캐리어 가스로 언급된다. 예를 들면 수소 가스가 방전 가스로 사용된다.
제 2 도는 내열성 유전체 판(11)의 형상을 도시한다. 제 2 도에 도시된 바와 같이, 다수의 가스 분사구멍(10; 본 실시예에서는 12 개의 구멍)이 내부 도체(15b)의 중심축선에 대하여 선 대칭이 되도록 내열성 유전체 판(11)에 제공된다.
본 설명에서, 동축 도파관(5)의 테이퍼 부분(50)에서 내부 도체(5b)의 중심축선은 마이크로파의 전달 방향을 규정하기 위하여 동축 도파관(5)의 도파관 축선(70)으로 언급될 것이다. 상기 내부 도체(5b)의 중심축선이 테이퍼 부분(50)에서 굽혀질 때, 도파관 축선(70)은 동축 도파관(5)의 단부에서 내부 도체(5b)의 중심축선이 되도록 규정되어 있다. 가스가 가스 분사구멍(10)을 통과한 후 바로 분사되는 축선은 분사축선(60)으로 언급될 것이다. 제 2 도에 도시된 모든 분사축선(60)은 도파관 축선(70)에 대해 토션(torsional) 위치에 놓이고, 도파관 축선(70)에 대해 수직인 평면에서는 존재하지 않는다. 여기에서 토션 위치 관계는 2 개의 직선이 서로 평행하지 않고 또한 서로 교차하지 않는 관계를 의미한다. 상기 각각의 가스 분사구멍(10)의 직경은 약 0.5mm 이다. 상기 가스 분사구멍(10)을 통해 분사되는 방전 가스는 난류를 발생치 않고 나선형 플럭스를 형성할 동안에 기판(14) 근처를 향하여 진공 용기(1)를 통하여 흐른다. 나선형의 방전 가스 흐름은 마이크로파에 의하여 발생되는 무선주파수 전계에 의하여 플라즈마로 변환되며, 이에 의해 플라즈마 화염(15)을 형성한다. 난류가 방전 가스에서 발생되지 않기 때문에, 균일하게 안정된 방전이 넓은 공간에 걸쳐서 유지될 수 있고 균일하고 안정된 플라즈마 화염이 얻어질 수 있다. 따라서 대용량의 기판이 균일하게 처리될 수 있다.
상기 가스 분사구멍(10)의 수는 12 개로 한정되지 않고, 2 개 이상이 될 수 있다. 다수의 분사축선중 2 개 이상의 분사축선은 제 2 단부에서 도파관 축선과 토션 위치 관계에 놓이고, 도파관 축선에 대해 수직인 평면에는 존재하지 않으면, 방전 가스가 난류가 거의 없는 나선형을 형성하므로 상술한 장점이 얻어진다. 그러나 상기 모든 다수의 분사축선이 모두다 도파관 축선과 토션 위치 관계로 위치되고 도파관 축선에 대해 수직인 평면에 존재하지 않는 것이 양호하고, 그 결과 나선형으로 흐르는 가스에서 난류를 발생시키지 않는 것이 양호하다.
상기 내부 도체(5b)는 중앙의 가스 유입구(13)를 가진다. 반응 가스는 고온에서 상기 중앙 가스 유입구(13)를 통하여 플라즈마 화염(15)의 코어내로 도입된다. 그 결과, 반응 가스는 효율좋게 분해되고 기판은 고속으로 처리될 수 있다.
여기에서 반응 가스란 기판의 표면 처리(예를 들면, 증착)용으로 사용되는 가스를 말한다. 예를 들면 실리콘 막을 증착하는 경우에는, 모노실란(SiH4) 가스가 반응 가스로 사용된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따라 플라즈마 토치가 수소 가스의 흐름비가 200O㎥/분이고; 진공 용기(1) 내부의 분위기 압력이 150Torr이며; 마이크로파 발생기로부터의 마이크로파 출력이 1kW 이하인 상태에서 작동되면, 고순도의 결정성 실리콘 박막이 상기 기판(14)위에 균일하게 증착된다.
동축 도파관(5)의 외부 도체(5a)의 직경에 대한 내부 도체(5b)의 직경비가 테이퍼 부분(50)에서 연속적으로 감소되기 때문에, 마이크로파 전력은 상기 마이크로파가 동축 도파관(5)과 진공 용기(1) 사이의 연결부에 도달할때까지 반사되지 않고, 높은 효율로 전달되며 임피던스가 만족스럽게 정합된다. 결과적으로, 집중된 전계에 의하여 발생되는 아크 방전을 제거 가능하고, 도파관 등을 구성하는 요소가 불순물로서 혼합되는 것을 방지시키는 것이 가능하다.
상기 마이크로파가 전기파로서 진공 용기(1) 내부의 공간을 통하여 전달되므로, 플라즈마는 동축 도파관(5)의 외부에서 발생될 수 있다. 결과적으로 보다 높은 순도의 박막이 증착될 수 있다.
내열성을 갖지 않는 유전체 판이 내열성 유전체 판(11) 대신에 사용될지라도, 상기 유전체 판은 고온의 플라즈마 화염이 유전체 판 근처에 존재하기 때문에 내열성을 가진다.
제 3a 도 내지 제 3c 도는 내열성 유전체 판(11)의 다른 형상을 도시한다.
상기 내열성 유전체 판(11)은 제 2 도에 도시된 것에 한정되지 않고 제 3a 도 내지 제 3c 도에 도시된 구멍(10)을 포함할 수 있다. 제 3a 도 내지 제 3c 도에 도시된 가스 분사구멍(10)에서, 다수의 분사축선이 제 2 단부에서 도파관 축선과 토션 위치 관계에 놓이고, 도파관 축선에 대해 수직인 평면에는 존재하지 않는다.
제4a도 및 제4b도는 플라즈마 화혐의 형상에 대한 가스의 분사축선과 도파관 축선에 대해 수직인 평면(또는 내열성 유전체 판의 평면) 사이에 형성된 각의 영향을 도시한다(이후에는 상기 각은 분사각으로 언급될 것이다). 제 4a 도 및 제 4b 도에서, 진공 용기(1)에 대면하는 내열성 유전체 판(11)의 평면에서 가스 분사구멍과 내부 도체(5b)의 중심 사이의 거리(이후에서는, 상기 거리는 분사 반경으로 언급될 것이다)는 동일하지만, 상기 가스는 서로 다른 분사 각도에서 분사될 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 상기 각도는 제 4a 도에서 30 도이고(상술한 플라즈마 토치의 각도와 동일함), 분사 각도는 제 4b 도에서 60 도이다. 제 4b 도에도 도시된 가스 분사구멍을 사용하는 경우에, 플라즈마를 통하여 가스가 흐르는 동안의 시간은 제 4a 도에 도시된 가스 분사구멍을 통하여 가스가 분사되는 경우 보다 더 짧게 되므로, 상기 가스는 단시간에 플라즈마에 의해 가열된다. 즉 가스의 분사 각도를 변화시킴으로써, 가스의 가열 시간은 변화될 수 있다. 그러므로 가스의 분사 각도를 변화시킴으로써, 가스가 처리하고자 하는 가스의 종류에 따라 분해되고 해리되는 가스의 정도를 제어하는 것이 가능하다. 예를 들면 막을 증착하기 위하여 상기 플라즈마 토치를 사용하는 경우에, 가스의 분사각을 변화시킴으로써 분해되는 가스의 정도를 제어할 수 있으므로, 만들어지는 막의 특성 또한 제어할 수 있다. 상기 분사각은 감소된 난류로 가스 흐름을 형성하기 위하여 약 30 도 내지 60 도의 범위가 양호하다.
제 5a 도 및 제 5b 도는 플라즈마 화염의 형상에 대한 가스의 분사 반경의 영향을 도시한다. 제 5a 도 및 제 5b 도에서, 가스의 분사각은 동일하지만(상기 2 경우 모두 30 도), 가스의 분사 반경은 서로 다르다. 보다 상세히 설명하면, 제5b 도의 분사 반경은 제 5a 도의 분사 반경보다 크고, 제 5b 도에 도시된 플라즈마 화염의 직경은 제 5a 도에 도시된 플라즈마 화염의 직경 보다 더 크다. 즉 가스의 분사 반경을 변화시킴으로써, 플라즈마 화염의 직경이 변할 수 있으므로 플라즈마로써 처리하고자 하는 영역을 변화시킨다. 예를 들면, 플라즈마로 기판을 처리할 경우에 넓은 면적의 기판은 제 5b 도에 도시된 바와 같이 분사 반경을 크게 셋팅함으로써 균일하게 처리될 수 있다. 반대로, 제 5a 도에 도시된 바와 같이 분사 반경을 작게 셋팅시킴으로써 작은 면적의 기판이 고밀도의 플라즈마로 처리될 수 있다.
제 6 도는 내열성 유전체 판(11)의 반경과 가스의 분사축선 사이에 형성된 각도(이후에서는, 상기 각도는 토션 각도로 언급될 것이다)가 10 도로 셋트되어 있는 가스 분사구멍(10)의 다른 형상을 도시한다. 상술한 설명에서, 토션 각도는 30 도이었다. 제 6 도 도시된 분사구멍(10)을 사용할 경우에, 반경 방향을 따라 분사되는 가스의 속도 벡터가 지배적이므로 가스 플럭스는 서로 매우 자주 접촉하게 되고 난류가 발생된다. 결과적으로, 플라즈마 화염은 불안정하게 된다. 상기 토션 각도가 90 도로 셋트된다면(도시 않음), 원주 방향을 따라 분사되는 가스의 속도 벡터가 지배적이므로 나선형 플럭스가 형성되지 않고 난류가 발생된다. 그 결과 플라즈마 화염도 불안정하게 된다. 안정된 플라즈마 화염을 발생시키기 위해서 상기 토션 각도는 약 30 내지 60 도의 범위내에 있도록 할 것을 요구한다.
상술한 설명에서, 가스의 분사 방향은 내열성 유전체 판(11)에 제공되는 가스 분사구멍(10)에 의하여 결정된다. 다른 방법으로서, 가스는 가스 분사구멍을 가진 내열성 유전체 판과 같은 것을 사용하지 않고 분사될 수 있다. 제 7a 도 및 제 7b 도는 내열성 유전체 판이 제공되지 않는 가스 분사 구조체의 테이퍼 부분(50) 근처의 부분을 확대 도시하는 도면이다. 제 7a 도 및 제 7b 도에 도시되지 않는 나머지 부분은 제 1 도에 도시된 것과 동일하다.
제 7a 도는 외부 도체(5a)의 내부벽을 관통하는 가스 분사구멍(80)을 도시하는 반면에, 제 7b 도는 외부 도체(5a)의 내부벽을 관통하는 가스 분사 튜브(85)를 도시한다. 제 7a 도 및 제 7b 도에 도시된 가스 분사 구조체에 있어서, 분사축선은 도파관 축선에 대하여 토션 위치로 있고 도파관 축선에 대해 수직인 평면에는 존재하지 않기 때문에 상기 축선을 따라 분사되는 가스는 나선형 플럭스를 형성한다. 상기 분사 구멍(80)이 제 7a 도에 도시된 바와 같이 배치된다면 큰 플라즈마 화염이 형성될 수 있도록 분사 반경은 크게 된다. 한편 상기 가스 분사 튜브(85)가 제 7b 도에 도시된 바와 같이 배치된다면, 가스는 내부 도체(5b)의 상단부 근처에서 분사될 수 있다.
제 7a 도 및 제 7b 도에 도시된 가스 분사 구조체는 아래의 내열성 유전체판을 사용하는 가스 분사 구조체와 비교될 것이다. 제 7a 도에 도시된 구조체에서, 가스 분사구멍은 내부 도체(5b)의 중심축선으로부터 이격된 위치에 놓이므로, 가스 플럭스는 퍼지고 난류가 플라즈마 화염의 중심부에서 발생된다. 이 경우에 흐르는 가스 플럭스의 속도가 높게 셋트되어 있으면, 가스 플럭스가 퍼지는 것을 방지하는 것이 가능하다. 그러나, 가스는 단시간에 마이크로파에 의해 가열되고, 만들어지는 플라즈마 화염은 보다 작게 된다. 따라서 플라즈마는 불안정하게 된다. 결과적으로, 제 7a 도에 도시된 구조체 보다 내열성 유전체 판을 가지는 구조체를 사용하는 것이 더 양호하다. 가스 분사 튜브(85)를 SUS와 같은 금속 재료로서 제조하는 경우에, 가스 분사 튜브(85)와 내부 도체(5b) 사이의 아크 방전의 발생을 방지할 필요가 있다. 그러므로, 가스 분사 튜브(85)는 유전체 재료로서 제조되는 것이 양호하다. 이전의 구조체의 간단한 형상의 견지에서 볼때 제 7b 도에 도시된 구조체 보다 내열성 유전체 판을 가지는 구조체를 사용하는 것이 양호하다.
상기 방전 가스가 가스 분사구멍(10)을 통하여 분사되고 반응 가스가 제 1 실시예의 중앙 가스 유입구(13)를 통하여 분사될지라도, 분사될 가스와 가스를 분사하기 위한 가스 분사 구멍은 상기 형상에 한정되지 않는다. 예를 들면, 방전 가스는 중앙의 가스 유입구(13)를 통하여 분사될 수 있고 반응 가스는 가스 분사구멍(10)을 통하여 분사될 수 있다. 방전 가스와 반응 가스는 진공 용기내로 분사하기 전에 혼합될 수 있고, 이렇게 혼합된 가스는 가스 분사 구멍(10)과 중앙 가스 유입구(13)를 통하여 분사될 수 있다.
(제 2 실시예)
제 8 도는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치에 대한 형상을 도시하는 단면도이다. 제 8 도에 도시된 바와 같이, 내열성 유전체 판(11)과 판형상 보호성 유전체 판(16)이 테이퍼 부분(50) 근처에 제공된다. 상기 플라즈마 화염(15)에 보다 근접하게 배치된 보호성 유전체 판(16)은 공급될 가스의 반응 물질에 포함된 성분과 동일한 성분을 포함한다. 상기 내부 도체(5b)의 상단부를 보호성 유전체 판(16)으로 부가로 피복한다. 다시 말하면, 내부 도체(5b)의 상단부는 보호성 유전체 판(16)의 표면으로부터 돌출하지 않는다.
이러한 형상은 가스 분사구멍(10)을 통하여 분사되는 가스의 유량이 1200㎤/분 이하인 경우에 특히 효과적이다. 단위 시간 주기당 가스 유량이 작고 마이크로파 출력이 2kW를 초과하는 경우에 플라즈마 화염은 크게 되므로, 내부 도체(5b)의 상단부는 플라즈마 화염(15)과 접촉하게 된다. 그러나 내부 도체(5b)의 상단부가 가스의 반응물질에 포함된 성분과 동일한 것을 포함하는 보호성 유전체 판(16)으로 피복된다면, 상기 플라즈마 화염(15)이 보호성 유전체 판(16)과 접촉하게 될지라도 불순물이 플라즈마 화염(15)내로 혼입되지 않는다. 결과적으로 고순도의 막이 증착될 수 있다. SiH4를 포함하는 반응 가스의 경우에, 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘으로 제조된 고순도의 실리콘 판이 보호성 유전체 판(16)으로 사용될 수 있다. 또한 상기 보호성 유전체 판(16)은 내열성을 갖는 것이 양호하다.
(제 3 실시예)
제 9 도는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치에 대한 형상을 도시하는 단면도이다. 제 9 도에 도시된 바와 같이, 내부 도체(5b)의 상단부는 테이퍼 부분(50)의 근처에서 다수의 브랜치를 가진다. 상기 브랜치된 상단부(17)로부터 진공 용기(1)의 공간을 향하여 방사되는 마이크로파는 제 1 실시예와 같이 국부적으로 방사되지 않고 넓은 입체각으로 방사된다. 결과적으로 보다 큰 플라즈마 화염이 형성되고 본 실시예의 플라즈마 토치는 대용량의 기판을 처리하는데 적합하다.
(제 4 실시예)
제 10a 도는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치에 대한 형상을 도시하는 단면도이고, 제 10b 도는 동축 도파관(5)의 내부 도체(5b)의 중심축선에서 자속 밀도를 도시하는 그래프이다. 처리될 기판(14)은 진공 용기(1)내에 유지한다.
직사각형 도파관(2)은 마이크로파 발생기(도시 않음)로부터 공급되는 마이크로파를 수용하고, 도파관의 두게를 변화시키기 위한 돌출부(4)를 통하여 동축 도파관(5)으로 마이크로파를 전달한다. 상기 동축 도파관(5)은 원통형 외부 도체(5a)와 원통형 내부 도체(5b)를 포함한다. 상기 외부 도체(5a)와 내부 도체(5b)는 공통의 중심축선을 가진다. 상기 내부 도체(5b)는 돌출부(4)로 연결되고, 내부 도체(5b)의 상단부는 직사각형 도파관(2)의 역 표면을 통과하여 돌출한다. 상기 외부도체(5a)는 직사각형 도파관(2)의 외부 주변(outer periphery)과 연결된다. 직사각형 도파관(2)은 여기에서 동축 도파관(2)내로 마이크로파를 도입하기 위하여 사용된다. 다른 방법으로서, 마이크로파가 동축 도파관(5)내로 도입될 수 있는 한 다른 형태의 도파관도 사용될 수 있다. 외부 도체(5a)와 내부 도체(5b)를 가지는 유전체 판(8)은 진공 용기(1)내에서 진공을 유지한다.
상기 테이퍼 부분(50)에서, 내부 도체(5b)의 직경은 점차 감소되는 반면에 외부 도체(5a)의 직경은 진공 용기(1)를 향한 방향을 따라 점차 증가된다. 즉, 동축 도파관(5)의 외부 도체(5a)의 직경에 대한 내부 도체(5b)의 직경의 비는 테이퍼 부분(50)에서 연속적으로 감소되므로, 테이퍼 부분(50)에서 반사된 파의 발생을 방지하고 낮은 손실로 진공 용기(1) 내부의 공간으로 마이크로파를 전달할 수 있다.
냉각수는 내부 도체(5b) 위에 제공되는 냉각수 유입구(34)로부터 층전되고; 내부 도체(5b) 내부에서 물 파이프(23)를 통하여 흐르며; 냉각수 배출구(35) 밖으로 흐른다.
상기 외부 도체(5a)는 유전체 판(8) 아래에서 가스 유입구(36)를 가진다.
내열성 유전체 판(11)은 동축 도파관(5)의 테이퍼 부분(50)에 있다. 상기 내열성 유전체 판(11)은 가스 플라즈마의 안정성과 제어성을 얻기 위하여 가스 분사구멍(10)을 가진다. 상기 내부 도체(5b)는 물 파이프(23) 내부에서 중앙 가스 유입구(13)를 가진다. 상기 반응 가스는 중앙의 가스 유입구(13)를 통하여 고온에서 플라즈마 화염(15)의 중앙으로 도입된다. 반응 물질은 중앙 가스 유입구(13)를 통하여 분사될 수 있다.
솔레노이드 코일(38a 및 38b) (내부 직경 : 25㎜ ; 외부 직경 : 400㎜ ; 높이 : 100㎜)은 외부 도체(5a)의 외부에 배치된다. 솔레노이드 코일(38a 및 38b)을 통하여 흐르는 전류를 제어함으로써 토치의 상부로부터 구배 자계를 발생시킬 수 있다.
여기에서 구배 자계(gradient magnetic field)란 일정한 방향을 따라 연속적으로 증가 또는 감소하는 강도를 가진 자계를 말하는 것이다.
다음은 상술한 형상을 가지는 마이크로파 플라즈마 토치를 실질적으로 작동시키는 조건과 이 조건하에서 형성되는 플라즈마 화염이 예로서 설명될 것이다.
먼저 진공 용기(1)는 10-5Torr로 진공된다. 그 다음 50a의 DC 전류가 솔레노이드코일(38a)에 공급되고, 20a의 DC 전류가 솔레노이드 코일(38b)에 공급된다. 이러한 경우에, 제 10b 도에 도시된 구배 자계가 발생된다. 동축 도파관의 상부(돌출부(4)의 측부)에서, 축 방향의 자속밀도는 2kG 이상이다. 한편, 자속밀도는 동축 도파관(5)의 하부(진공 용기(1)쪽에 있는)를 향하여 동축 도파관(5)의 축방향을 따라 감소된다. 내열성 유전체 판(11)으로부터 기판(14)의 측면까지 5㎜ 떨어져 있는 지점에서 자속밀도는 875G 이다. 이런 경우에, 예를 들면 가스를 진공 용기(1)내로 분사시키도록 아르콘 가스가 1000㎤/1분의 유량으로 중앙 가스 유입구(13)를 통하여 공급된다. 또한 아르곤 가스는 가스 분사구멍(10)을 통하여 나선형으로 가스를 분사하기 위하여 가스 유입구(36)를 통하여 2500㎤/분의 유량으로 공급된다.
진공 용기(1) 내부의 압력은 100Torr로 유지된다. 2.45GHz의 주파수와 2kW의 전력을 가진 마이크로파가 마그네트론(도시 않음)에 의해 발생되어 X 축 방향을 따라 109㎜ x 54.5㎜ 의 크기를 갖는 직사각형 도파관(2)으로 공급된다. 직사각형 도파관(2)으로 입력된 TE(횡방향 전기파) 모드의 마이크로파는 돌출부(4)에 의해 TEM(횡방향 전기 및 자기파) 모드의 마이크로파로 변경되고, 동축 도파관(5; 내부 직경: 18㎜, 외부 직경: 42㎜)을 통하여 전달된다. 그 다음 마이크로파는 테프론으로 제조된 유전체 판(8)과 질화붕소로 제조된 내열성 유전체 판(11)을 통과하여 진공 용기(1)내로 공급된다.
진공 용기(1)내로 공급된 마이크로파는 분사된 가스를 전리시킨다. 2.45GHz의 주파수를 가진 마이크로파가 사용되고 자속밀도가 875G 인 경우에, 전자는 낮은 진공 영역에서도 전자 사이클론 공진(ECR) 상태에 있으며, 전자의 밀도는 다른 영역 보다 높게 된다. 따라서, 플라즈마는 자속 밀도가 875G 인 지점에서 발생되고, 플라즈마 화염(15)은 자속 밀도가 보다 약하게 되는 방향을 향하여 방사형으로 연장된다. 여기에서 ECR 상태란 자계에 의하여 발생되는 전자의 원형 운동의 주기가 플라즈마를 통하여 전달되는 전자기파의 주파수와 동일한 상태를 말한다. 상기 상태에서, 공진현상이 일어나고 전자는 가속되므로, 전자의 밀도는 높게 된다. 상기 전자가 ECR 상태에 있는가 그렇지 않은가 하는 것은 마이크로파의 주파수와 자속 밀도에만 의존한다. 이런 경우에 마이크로파의 주파수가 2.45GHz 이기 때문에, 자속 밀도가 875G 이라면 전자 상태는 ECR 상태가 된다. 본 발명자는, 플라즈마 화염(15)은 동축 도파관(5)의 구멍에 제공되는 내열성 유전체 판(11)으로부터 약 5mm 이격된 지점에서 기판(14)쪽에 발생한다는 것을 실험으로 확인하였다. 이 실시예에서, 플라즈마는 내열성 유전체 판(11)으로부터 멀어진 지점에서 발생될 수 있다. 따라서 반응 가스와 반응 물질은 중앙의 가스유입구(13)를 통하여 공급되고 반응물질은 기판(14)에 증착 또는 성장되는 경우에, 플라즈마 토치의 부재와 내열성 유전체 판(11)을 포함하는 요소가 불순물로서 플라즈마내로 혼합되는 것을 방지하는 것이 가능하다. 결과적으로, 고순도의 반응물이 효과적으로 만들어질 수 있다.
자속 밀도를 증가시키기 위하여 솔레노이드 코일(38a 및 38b)에 공급되는 전류량을 10a로 증가시킨다면, 자속 밀도가 875G 인 지점은 30㎜만큼 하향(기판(14)쪽으로)으로 이동된다. 본 발명자는 플라즈마 화염(15)이 이런 경우에 동일한 거리로 하향으로 이동된다는 것을 실험으로 확인하였다. 즉 구배 자계의 자속 밀도를 제어함으로써, 플라즈마가 발생되는 위치를 임의로 제어하는 것이 가능하다.
상기 실시예에서, 구배 자계는 솔레노이드 코일을 사용함으로써 발생된다.
다른 방법으로서, 제 5b 도에 도시된 자계와 비슷한 자계가 발생될 수 있는 한 어떠한 다른 코일도 사용될 수 있다. 그러므로 상기 코일의 형상, 종류 등은 상술한 솔레노이드 코일에 한정되는 것이 아니다.
플라즈마내로의 불순물의 혼합을 방지하기 위하여, ECR 상태게 제공되는 지점은 내열성 유전체 판(11)으로부터 적어도 2㎜ 만큼 이격되어 위치되는 것이 양호하다. 상기 상태를 제공하기 위하여, 마이크로파의 주파수가 2.45GHz 일때에는 자속 밀도가 875G 인 지점을 내열성 유전체 판(11)으로부터 적어도 2㎜ 만큼 이격되게 위치시키는 것이 필요하다.
(제 5 실시예)
제 11 도는 본 발명의 제 5 실시예에 다른 마이크로파 플라즈마 토치에 대한 형상을 도시하는 단면도이다. 솔레노이드 코일 그룹(40)이 솔레노이드 코일(38a 및 38b) 아래에 제공된다. 제 12 도는 상기 솔레노이드 코일 그룹(40)이 제 11 도의 도파관 축선 주위에 배치되는 것을 도시하는 평면도이다. 솔레노이드 코일 그룹(40)은 3 쌍의 솔레노이드 코일(40a 및 40b, 40c 및 40d, 40e 및 40f)을 포함한다. 상기 3 쌍의 솔레노이드 코일은 2 개의 자기력선이 60 도를 형성하도록 배치된다.
먼저, 자계의 방향이 솔레노이드 코일(40a)에서 솔레노이드 코일(40b)로 바뀌도록 DC 전류가 솔레노이드 코일(40a 및 40b)에 공급된다. 다음에, 자계의 방향이 솔레노이드 코일(40c)로부터 솔레노이드 코일(40d)로 바뀌도록 DC 전류가 공급되고, 상기 솔레노이드 코일(40a 및 40b)에 공급되는 전류는 꺼진다. 그다음 각각의 솔레노이드 코일로 향하는 DC 전류를 공급 및 차단함으로써, 자계의 방향은 솔레노이드 코일(40e)로부터 솔레노이드 코일(40f)로, 솔레노이드 코일(40b)로부터 솔레노이드 코일(40a)로, 솔레노이드 코일(40d)로부터 솔레노이드 코일(40c)로, 솔레노이드 코일(40f)로부터 솔레노이드 코일(40e)로 바뀌게 되고, 회전 자계가 진공용기(1)내의 공간에서 발생된다.
상기 회전 자계가 발생되는 상태하에서, 플라즈마 화염(15)이 발생된다. 솔레노이드 코일(38a)에 50a의 DC 전류와 솔레노이드 코일(38b)에 20a 의 DC 전류를 공급함으로써, 제 10b 도에 도시된 구배 자계가 발생된다. 그다음 각각의 솔레노이드 코일(40a 내지 40f)에 30a 의 DC 전류를 연속적으로 공급함으로써, 회전 자계가 발생된다.
제 13 도는 진공 용기(1) 내부에서 발생된 자계를 도시한다. 동축 도파관(5)의 구멍 근처의 지점에서의 자계 방향은 제 13 도에 도시된 바와 같이 변한다.
제 13 도에서는, 화살표는 솔레노이드 코일(38a 및 38b)에 의해 발생되는 정자계(static magnetic field : 시간에 따라 자계 방향이 변하지 않음)와 솔레노이드 코일 그룹(40)에 의해 발생되는 회전 자계(시간에 따라 자계 방향이 변함)에 의해 합성되는 자계 방향을 도시한다.
이 경우에, 아르곤 가스는 예를 들면 100㎤/분의 유량으로 중앙 가스 유입구(13)를 통하여 공급된다. 또한, 아르곤 가스는 가스 분사구멍(10)을 통하여 가스를 나선형으로 분사하기 위하여 2500㎤/분의 유량으로 가스 유입구(36)를 통하여 공급된다. 진공 용기(1)내의 압력은 예를 들면 100Torr 로 유지된다. 2.45GHz 의 주파수와 2kW의 전력을 가지는 마이크로파가 직사각형 도파관(2)으로 공급된다.
내열성 유전체 판(11)을 통하여 방사되는 마이크로파는 가스 분사구멍(10)을 통하여 분사된 가스를 전리시킨다. 본 발명자는 플라즈마 화염(15)이 내열성 유전체 판(11)으로부터 약 5mm 이격된 지점에서 발생되고, 그 지점에서 제 4 실시예와 동일한 방법으로 기판(14)쪽을 향하여 흐른다는 것을 실험으로 확인하였다. 플라즈마 화염(15) 위에 자기력을 발생시키는 자계는 마이크로파의 도파관 축선에 대하여 회전하는 벡터를 가진다. 플라즈마내의 전자는 자계에 의해 둘러싸이고, 전자가 진공 용기(1)의 벽 위에 충돌하여 없어지는 것이 방지된다. 결과적으로, 고밀도의 플라즈마를 넓은 범위로 발생시키고 유지시키는 것이 가능하다. 본 발명자는 마이크로파의 도파관 축방향을 따라 연장되는 길이를 가진 플라즈마 화염이 발생된다는 것을 실험으로 확인하였다. 회전 자계의 초당 회전수는 예를 들면 50 내지 60의 범위가 양호하다.
(제 6 실시예)
제 14 도는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치에 대한 형상을 도시하는 단면도이다. 이 실시예의 플라즈마 토치는 제 1 실시예 내지 제 5 실시예중 하나에 따른 다수의 플라즈마 토치 유닛을 포함한다. 예를 들면, 플라즈마 토치 그룹(19)은 제 1 실시예의 플라즈마 토치(18)의 4 개 유닛을 정렬함으로 써 형성된다. 이 실시예에서 직사각형 도파관(2)은 4 개의 브랜치로 나누어짐으로써, 각각의 플라즈마 토치(18)에 마이크로파를 공급한다. 플라즈마가 제 1 실시예와 동일한 방법으로 각각의 플라즈마 토치(18)에 의해 발생된다면, 플라즈마 화염(15)은 긴 영역에서 각각 형성된다. 플라즈마 화염(15) 아래에 기판(l4)를 배치하고 제 14 도에 도시된 화살표로 지시된 방향으로 기판(14)을 이동시킴으로써, 넓은 면적의 기판을 처리할 수 있다.
이 실시예에서, 직사각형 도파관은 다수의 브랜치로 분할된다. 그러나 전력이 각각의 플라즈마 토치에 공급될 수 있는 한 직사각형 도파관은 상기 브랜치된 도파관에 한정되는 것이 아니고 어떠한 형상으로도 형성될 수 있다. 또한, 플라즈마 토치의 배치는 종렬에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 상기 플라즈마 토치는 원형으로 정렬될 수 있다.
(제 7 실시예)
제 15 도는 본 발명의 제 7 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치에 대한 형상을 도시하는 단면도이다. 제 7 실시예의 플라즈마 토치는 내부 도체(5b)의 상단부(5bt)가 도파관 축선을 따라 외부 도체(5a) 보다 더 많이 돌출하고 내열성 유전체 판(11)이 제공되지 않는 점만을 제외하고는 제 1 실시예의 플라즈마 토치와 동일하다. 테이퍼 부분(50)에서, 동축 도파관(5)의 외부 도체(5a) 직경에 대한 내부 도체(5b)의 직경의 비는 연속적으로 감소된다. 반응 가스는 중앙의 가스 유입구(13)를 통하여 고온에서 플라즈마 화염(15)의 코어내로 도입된다. 결과적으로, 반응 가스는 효과적으로 분해되고 기판은 제 1 실시예와 동일한 방법으로 높은 효율로서 처리될 수 있다.
내부 도체(5b)의 상단부(5bt)는 외부 도체(5a) 보다 더 많이 돌출하기 때문에, 5㎜ 이하의 직경을 가지는 플라즈마 화염(15)이 상단부(5bt)에서 발생될 수 있다. 결과적으로 작은 면적의 기판이 이 실시예의 플라즈마 토치를 사용함으로써 처리될 수 있다. 특히 외부 도체(5a)가 39D(ψ39㎜)일때, 제 15 도에 도시된 내부 도체(5b)의 돌출된 상단부(5bt)의 길이(P)는 안정되고 작은 플라즈마 화염을 발생시키기 위하여 약 10㎜가 양호하다. 길이(P)가 10㎜ 보다 더 길다면, 플라즈마 화염(15)은 불안정하게 된다. 반대로, 길이(P)가 10㎜보다 짧다면, 플라즈마 화염은 내부 및 외부 도체 사이에 발생되므로 플라즈마 화염(15)도 불안정하게 된다.
제 1 내지 제 7 실시예의 설명에서, 유전체 판, 내열성 유전체 판 등과 같은 용어는 유전체 재료의 형상을 판형 재료로 한정시키는 것이 아니다. 다시 말하면, 블록형 유전체 판이 상기 판형 재료 대신에 사용될 수 있다.
제 4 실시예에서 설명된 구배 자계 발생 유닛은 제 1 내지 제 3 실시예 및 제 4 와 제 7 실시예에서 설명된 마이크로파 플라즈마 토치와 플라즈마 발생 방법과 연관되어 사용될 수 있다. 또한 제 5 실시예에서 발생된 회전 자계 발생 유닛은 제 1 내지 제 3 실시예 및 제 6 과 제 7 실시예에서 설명된 마이크로파 플라즈마 토치와 플라즈마 발생 방법과 연관되어 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 토치에서 적어도 2 개의 분사축선이 도파관 축선에 대하여 토션 위치로 있고, 도파관 축선에 대해 수직인 평면에는 존재하지 않는다.
결과적으로, 가스 공급 부분을 통해 분사된 가스가 나선형 플럭스를 형성하면서 난류를 발생치 않고도 진공 용기를 통하여 흐르며, 따라서 방전이 넓은 공간에 걸쳐서 안정되고 균일하게 유지될 수 있다. 상기 모든 다수의 분사축선이 도파관 축선에 대하여 토션 위치로 있고 도파관 축선에 대해 수직인 평면에는 존재하지 않는 경우에, 가스에 의하여 발생되는 난류의 양을 더욱 감소시킬 수 있다.
동축 도파관의 외부 도체의 직경에 대한 동축 도파관의 내부 도체의 직경비가 동축 도파관의 테이퍼 부분에서 도파관 축선을 따라 진공 용기를 향하여 감소된다면, 만족스럽게 정합된 상태에서 동축 도파관의 구멍으로 마이크로파를 효과적으로 전달할 수 있다. 결과적으로 자계의 집중에 의해 초래되는 아크 방전은 발생치 않고, 플라즈마 토치 부재를 구성하는 요소는 불순물로서 플라즈마내로 혼합되지 않는다. 상기 마이크로파가 진공 용기내로 방사되기 때문에, 플라즈마는 동축 도파관으로부터 이격된 지점에서 발생될 수 있다. 그러므로 동축 도파관의 부재를 구성하는 요소는 불순물로서 플라즈마내에 혼합되지 않는다. 불순물이 플라즈마내로 혼합되는 것을 방지하는 것이 가능하므로, 고순도의 처리(예를 들면, 박막 증착)가 가능하다.
진공 용기 쪽에 있는 동축 도파관의 내부 도체의 상단부가 적어도 하나의 가스 분사 구멍을 포함한다면, 상기 반응 가스는 고온에서 플라즈마의 코어내로 도입될 수 있다. 결과적으로, 반응 가스는 효과적으로 분해되고 기판은 높은 효율로 처리될 수 있다.
동축 도파관의 구멍 근처에서 내부 및 외부 도체 사이에 내열성 유전체 판이 제공된다면, 가스 분사구멍이 내열성 유전체 판을 위해 제공될 수 있으므로 플라즈마를 인정되게 발생시킨다. 이 경우에, 가스 분사 구멍은 이 구멍이 고온의 플라즈마에 노출될지라도 손상이 없게 된다.
동축 도파관의 내부 도체의 상단부가 내열성 유전체 판으로 피복된다면, 플라즈마와 내부 도체 상단부 사이의 접촉이 방지되므로, 동축 도파관을 구성하는 요소는 불순물로서 플라즈마내에 혼합되지 않는다.
내열성 유전체 판이 공급 가스내에 포함된 반응 물질의 성분과 동일한 성분을 포함한다면, 불순물이 플라즈마에 혼합되지 않는다. 이것은 내열성 유전체 판이 플라즈마 화염과 내열성 유전체 판 사이의 접촉에 의하여 부식될지라도 공급 가스에 포함된 반응 재료의 성분과 동일한 성분이 플라즈마로 도입되기 때문이다.
동축 도파관의 내부 도체의 상단부가 다수의 브랜치로 나누어진다면, 마이크로파는 진공 용기 내부에서 넓은 범위에 걸쳐서 넓은 입사각으로 방사된다. 결과적으로, 보다 긴 플라즈마 화염이 균일하게 형성될 수 있고 큰 면적의 기판이 처리될 수 있다.
동축 도파관의 축선에서 축방향의 자속 밀도가 동축 도파관의 축선을 따라 도파관의 구멍을 향하여 점차적으로 감소된다면, 자속 밀도를 제어함으로써 플라즈마가 발생되는 영역을 제어하는 것이 가능하다. 결과적으로, 플라즈마는 동축 도파관의 구멍으로부터 이격된 지점에서 발생될 수 있고 도파관 부재를 구성하는 요소가 플라즈마 내로 혼합되지 않는다. 결과적으로 고순도의 처리가 수행될 수 있다.
동축 도파관의 축선에서 축방향의 자속 밀도가 동축 도파관의 구멍으로부터 이격된 지점에서 875G 가 되고 도파관의 축선을 따라 진공 용기의 중앙부를 향하여 점차 감소되는 경우에 자계 분포를 형성하기 위한 구배 자계 발생기가 제공된다면, ECR 상태를 발생시키기에 충분한 정도의 자계가 있는 지점은 도파관의 구멍으로 부터 이격된다. 결과적으로 이 지점에서, 전자는 낮은 진공 영역에서도 ECR 상태로 떨어지고 전자의 밀도는 다른 지점 보다 더 크게 된다. 플라즈마는 이 지점에서 발생되고 플라즈마 화염은 자속 밀도가 약해지는 방향으로 연장된다. 그러므로, 플라즈마 화염은 도파관 구멍으로부터 이격된 지점에서 발생되고, 도파관을 구성하는 요소가 불순물로서 플라즈마 화염내로 혼합되는 것을 방지한다.
구배 자계에 부가하여 회전 자계를 발생시킴으로써 플라즈마내의 전자는 회전 자계로써 둘러싸이게 되고, 따라서 전자가 진공 용기의 벽 등에 충돌하여 사라지는 것을 방지할 수 있다. 결과적으로 고밀도의 플라즈마가 발생되고 처리 영역은 확대될 수 있다.
다수의 플라즈마 유닛이 사용된다면 플라즈마 화염은 넓은 범위에 걸쳐서 발생된다. 결과적으로 넓은 영역의 처리가 가능하다.
동축 도파관의 내부 도체가 외부 도체 보다 더 많이 돌출된다면, 최소 크기를 가지는 플라즈마 화염이 내부 도체의 상단부에서 발생된다. 결과적으로 최소 면적의 기판이 플라즈마와 함께 선택적으로 처리될 수 있다.
다양한 다른 수정예가 본 발명의 범위와 정신에 벗어나지 않고 당업자에 의해서 쉽게 이루어질 수 있다는 것은 명백하다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위는 본원에서 설정된 설명에 한정되는 것이 아니고 보다 넓게 구성된 것이다.
제 1 도는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 형상을 도시하는 단면도.
제 2 도는 내열성 유전체판의 형상을 도시하는 도면.
제 3a 도 내지 제3c 도는 내열성 유전체판의 다른 형상을 도시하는 도면.
제 4a 도 및 제 4b 도는 플라즈마 화염의 형상에 대한 가스의 분사축선과 분사각의 영향을 도시하는 도면.
제 5a 도 및 제 5b 도는 플라즈마 화염의 형상에 대한 가스의 분사 반경의 영향을 도시하는 도면.
제 6 도는 토션 각이 10도로 세트된 가스 분사구멍의 형상을 도시하는 도면.
제 7a 도는 외부 도체의 내벽을 관통하는 가스 분사구멍을 도시하는 단면도.
제 7b 도는 외부 도체의 내벽을 관통하는 가스 분사튜브를 도시하는 단면도.
제 8 도는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치의 형상을 도시하는 단면도.
제 9 도는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치의 형상을 도시하는 도면.
제 10a 도는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치의 형상을 도시하는 도면.
제 10b 도는 등축 도파관(coaxial waveguide)의 내부 도체의 중심축선에서 자속밀도를 도시하는 그래프.
제 11 도는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치의 형상을 도시하는 도면.
제 12 도는 제 11 도에서 도파관 축선 주위에 배치된 솔레노이드 코일의 그룹을 도
시하는 평면도.
제 13 도는 진공 용기 내부에서 발생되는 자계를 도시하는 도면.
제 14 도는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치의 형상을 도시하는 사시도.
제 15 도는 본 발명의 제 7 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치의 형상을 도시하는 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 진공 용기 2 : 직사각형 도파관
5 : 동축 도파관 5a : 외부 도체
5b : 내부 도체 8 : 유전체판
10 : 가스 분사구멍 11 : 내열성 유전체판
14 :기판

Claims (17)

  1. 배기수단을 가진 진공 용기(1)와; 내부 도체(5b) 및 외부 도체(5a)를 구비하고, 마이크로파를 공급하기 위한 마이크로파 공급 수단(2)과 연결되는 동축 도파관의 제 1 단부(4) 및, 상기 진공 용기(1)와 연결되는 동축 도파관의 제 2 단부(9)를 포함하며, 이에 의해 상기 마이크로파 공급 수단(2)으로부터 공급된 마이크로파를 동축 도파관의 도파관 축선(70)을 따라 진공 용기(1)내로 도입하는 동축 도파관(5) 및; 다수의 분사축선(60)을 따라 진공 용기(1)내로 가스를 분사하기 위한 가스 공급 수단(10,11)을 포함하며, 상기 마이크로파 플라즈마 토치에서, 다수의 분사축선(60)중 2 개 이상의 분사축선은 제 2 단부(9)에서의 도파관축선(70)과 토션 위치관계(torsional positions)에 있고, 상기 도파관 축선에 대해 수직인 평면에 존재하지 않으며, 상기 제 2 단부(9)의 근처에서의 외부 도체(5a)의 직경에 대한 내부 도체(5b)의 직경의 비는 도파관 축선을 따라 제 1 단부(4)로부터 제 2 단부(9)로 감소하는 것으로 이루어지는 마이크로파 플라즈마 토치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 공급 수단은 제 1 단부(4)와 제 2 단부(9) 사이에 배치된 유전체 판(11)으로 구성되고 또, 상기 다수의 분사축선(60)을 따라 진공 용기(1)내로 가스를 분사하기 위한 다수의 가스 분사구멍(10)을 포함하는 마이크로파 플라즈마 토치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 유전체 판(11)은 내열성을 갖는 것으로 이루어지는 마이크로파 플라즈마 토치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 다수의 분사축선(60)은 모두다 도파관 축선(70)과 토션 위치 관계에 있고, 도파관 축선(70)에 대해 수직인 평면에 존재하지 않는 것으로 되어 있는 마이크로파 플라즈마 토치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 단부(9)의 근처에서 내부 도체(5b)의 상단부는 내열성 유전체 판(16)으로 피복되어 있는 마이크로파 플라즈마 토치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 유전체 판(11,16)은 가스내에 포함된 반응물질의 성분과 동일한 성분을 포함하는 마이크로파 플라즈마 토치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 도체(5b)는 제 2 단부(9)에서 가스를 분사하기 위하여 하나 이상의 가스 분사구멍(13)을 포함하는 마이크로파 플라즈마 토치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 내부 도체(5b)는 제 2 단부(9)에서 외부 도체(5a) 보다 더 많이 진공 용기(1)내로 돌출하는 것으로 이루어지는 마이크로파 플라즈마 토치.
  9. 제 1 항에 있어서, 내부 도체(5b)의 제 2 단부(9)는 다수의 브랜치(17)로 나누어지는 마이크로파 플라즈마 토치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단부(4)로부터 도파관 축선(70)을 따라 제 2 단부(9)를 향하여 점차 감소하는 강도를 가진 자계를 발생하기 위하여 구배 자계 발생 수단(38a,38b)을 추가로 포함하는 마이크로파 플라즈마 토치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 구배 자계 발생 수단은 진공 용기(1)에서 동축 도파관(2)의 제 2 단부(9)로부터 이격된 지점에서 전자 사이클론 공진(ECR) 상태를 발생시키기에 충분한 자속 밀도를 발생시키는 것으로 되어 있는 마이크로파 플라즈마 토치.
  12. 제 10 항에 있어서, 진공 용기(1)에서 회전 자계를 발생시키기 위하여 회전 자계 발생 수단(40a 내지 40f)을 추가로 포함하는 마이크로파 플라즈마 토치.
  13. 제 1 항에 있어서, 다수의 동축 도파관(5)과 다수의 가스 공급 수단(10,11)을 포함하는 마이크로파 플라즈마 토치.
  14. 배기 수단을 가진 진공 용기(1)와, 내부 도체(5b) 및 외부 도체(5a)를 구비하고, 마이크로파를 공급하기 위한 마이크로파 공급 수단(2)과 연결되는 동축 도파관(5)의 제 1 단부(4) 및 상기 진공 용기(1)와 연결되는 동축 도파관(5)의 제 2 단부(9)를 포함하며, 이에 의하여 상기 마이크로파 공급 수단(2)으로부터 공급된 마이크로파를 동축 도파관의 도파관 축선(70)을 따라 진공 용기(1)내로 도입하는 동축 도파관을 포함하며, 상기 내부 도체(5b)는 가스를 분사하기 위한 하나 이상의 가스 분사구멍(13)을 포함하고 또 상기 제 2 단부(9)의 진공 용기(1)내로 외부 도체 보다 더 많이 돌출되어 있고, 제 2 단부(9) 부근에서의 상기 외부 도체(5a)의 직경에 대한 내부 도체(5b)의 직경의 비가 제 1 단부(4)에서부터 도파관 축선(70)을 따라 제 2 단부(9)를 향해 감소되는 것으로 이루어지는 마이크로파 플라즈마 토치.
  15. 진공 용기(1) 및 동축 도파관(5)을 구비하는 마이크로파 플라즈마 토치의 진공 용기(1)안에서 플라즈마를 발생하기 위한 방법에 있어서, 마이크로파를 제 1 축선을 따라 진공 용기(1)내로 도입하는 단계와; 가스를 다수의 분사축선(60)을 따라 진공 용기(1)내로 분사하는 단계와; 진공 용기내에서 마이크로파를 가스에 부여함으로써 가스를 플라즈마 상태로 만드는 단계를 구비하고, 여기서 다수의 분사축선(60)중 2개 이상의 분사축선이 동축 도파관(5)의 도파관 축선(70)과 토션 위치 관계(torsional positions)로서 배치되며 도파관 축선(70)에 대해 수직인 면에는 존재하지 않게 되는 플라즈마 발생 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 진공 용기(1)를 향하여 도파관 축선(70)을 따른 방향으로 감소되는 강도를 가지는 자계를 발생하기 위한 단계를 추가로 포함하는 플라즈마 발생 방법.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 진공 용기(1)내에서 회전 자계를 발생하는 단계를 추가로 포함하는 플라즈마 발생 방법.
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