KR100220132B1 - 마이크로파 플라즈마 처리 장치 및 마이크로파 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

마이크로파 플라즈마 처리 장치 및 마이크로파 플라즈마 처리 방법 Download PDF

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Abstract

마이크로파 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 발생 챔버, 상기 플라즈마 발생 챔버와 통하는 처리 챔버, 처리 챔버 내에 마련된 피처리 기판을 지지하기 위한 지지 부재, 플라즈마 발생 챔버 주위에 마련된 슬롯을 가지 원형 도파관 및 플라즈마 발생 챔버에 돌출(cusp) 자계를 발생하기 위한 자계 발생 장치를 포함한다. 낮은 온도 및 1mTorr의 압력을 갖는 저압 영역에서도 고밀도와 넓은 영역의 균일한 플라즈마를 유지하기 위해 상기 장치를 사용한 마이크로파 플라즈마 처리 방법이 제공된다.

Description

마이크로파 플라즈마 처리 장치 및 마이크로파 플라즈마 처리 방법
본 발명은 마이크로파 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 저압 영역에서도 고밀도이면서 균일한 대면적 플라즈마(high-density and large-area uniform plasma)를 유지할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
플라즈마를 생성하기 위한 여기원(excitation source)으로 마이크로파를 사용하는 플라즈마 처리 장치로는 CVD 장치, 에칭 장치 등이 알려져 있다.
예를 들어, 이와 같은 소위 마이크로파 플라즈마 CVD 장치를 사용한 막 형성(film formation)은 다음과 같은 방식으로 수행된다. 보다 구체적으로, 마이크로파 플라즈마 CVD 장치의 플라즈마 발생 챔버(plasma generation chamber)와 막 형성 챔버 내에 개스가 공급되고, 동시에 마이크로파 에너지가 마이크로파 플라즈마 CVD 장치에 가해져서 개스를 여기(excite) 및 분해(resolve)시킴으로써 플라즈마 발생 챔버 내에 플라즈마를 생성한다. 이러한 방식으로, 피착막이 막 형성 챔버내에 마련된 기판 상에 형성된다.
소위 마이크로파 플라즈마 에칭 장치를 사용한 피처리 기판에 대한 에칭(etching) 및 애슁(ashing) 프로세스는 다음과 같다. 더욱 구체적으로, 처리 개스가 장치의 처리 챔버 내로 공급되고, 동시에 마이크로파 에너지가 장치에 인가되어 처리 개스를 여기 및 분해시킴으로써 처리 챔버 내에서 플라즈마를 생성한다. 이러한 방식으로, 처리 챔버 내에 마련된 피처리 기판 표면이 에칭이나 애슁된다.
마이크로파 플라즈마 처리 장치에서는 마이크로파가 개스 여기원으로 사용된다. 이러한 이유로, 전자들은 고주파수를 갖는 전계에 의해 가속되고, 개스 분자들은 효율적으로 이온화되고 여기된다. 따라서, 마이크로파 플라즈마 처리 장치는 다음과 같은 잇점들을 가진다. 즉, 개스 이온화 효율, 개스 여기 효율 및 개스 분해 효율이 높고, 고밀도를 갖는 플라즈마가 신뢰성 있고 용이하게 형성되며 저온에서 양질의 처리가 신속하게 수행될 수 있다. 또한 마이크로파는 유전체를 투과할 수 있기 때문에, 플라즈마 처리 장치는 전극없는 방전형 장치로서 형성될 수 있다. 이러한 이유로, 고 청정 플라즈마 처리가 수행되는 이점도 있다.
이와 같은 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 속도를 더욱 증가시키기 위해서, ECR(Electron Cyclotron Resonance)을 사용한 플라즈마 처리 장치가 실제로 사용된다. ECR이란 다음과 같은 현상이다. 즉, 자속 밀도가 87.5 mT일 때, 전자가 자속선을 따라 회전하는 전자 싸이클로트론 주파수가 마이크로파의 일반적인 주파수, 즉, 2.45 GHz가 되고, 전자가 마이크로파를 공진적으로(resonantly) 흡수해서 가속되어 고밀도 플라즈마가 생성되는 현상이다. 상기와 같은 ECR 플라즈마 처리 장치에서, 마이크로파 공급 수단과 자계 발생 수단 사이의 배치에는 4 가지 전형적인 배치가 알려져 있다.
보다 구체적으로, 다음과 같은 배치들이 이용된다. (i) 도파관을 통해 전송된 파이크로파는 피처리 기판 반대편 표면으로부터 투명한 창을 통해 실린더형 플라즈마 발생 챔버에 공급되고, 플라즈마 발생 챔버의 중심축과 같은 축을 갖는 발산 자계(divergent magnetic field)는 플라즈마 발생 챔버 주위에 정렬된 단일의 전자기 코일을 통해 공급된다(NTT 방식). (ii) 도파관을 통해 전송된 마이크로파는 피처리 기판 반대편에 있는 표면으로부터 벨-모양의 플라즈마 발생 챔버에 공급되고, 플라즈마 발생 챔버의 중심 축과 같은 축을 갖는 자계가 플라즈마 발생 챔버 주위에 정렬된 단일 전자기 코일을 통해 공급된다(HITACHI 방식). (iii) 마이크로파는 일종의 실린더 슬롯 안테나인 Lisitano 코일을 통해 그 주변으로부터 플라즈마 발생 챔버 내에 공급되고, 플라즈마 발생 챔버 중심축과 같은 축을 갖는 자계가 플라즈마 발생 챔버 주위에 정렬된 전자기 코일을 통해 공급된다(Lisitano 방식). (iv) 도파관을 통해 전송된 마이크로파는 피처리 기판 반대편 표면으로부터 평면 슬롯 안테나를 통해 실리더형 플라즈마 발생 챔버 내로 공급되고, 안테나 평면과 평행한 루프형 자계가 평면 안테나의 후면에 정렬된 영구 자석을 통해 공급된다(평면 슬롯 안테나 방식).
그러나, 상기 장치에서도 피처리 기판 표면 부근의 플라즈마 밀도는 불균일하다. 반면에, 최근 몇년 사이에, 내부 표면에 다수의 슬롯을 갖는 원형 도파관을 사용한 장치가 마이크로파를 균일하고 효율적으로 공급하기 위한 장치로서 제안되고 있다(일본 특허 제 3-293010호). 이 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 도5a에 도시되어 있다. 참조 번호(1101)은 플라즈마 발생 챔버를 나타내고, (1102)는 플라즈마 발생 챔버(1101)를 구성하는 석영관(quartz tube)을, (1103)은 플라즈마 발생 챔버(1101) 내에 마이크로파를 공급하기 위한 슬롯을 갖는 원형 도파관을, (1104)는 플라즈마 발생 개스 공급 수단을, (1111)은 플라즈마 발생 챔버(1101)와 통하는 처리 챔버를, (1112)는 피처리 기판을, (1113)은 기판(1112)에 대한 지지 부재를, (1114)는 기판(1112)을 가열하기 위한 가열기를, (1115)는 처리 개스 공급 수단을, (1116)은 배기 장치를 나타낸다. 도5b는 도5a의 라인 5B-5B를 따른 처리 장치의 단면도를 나타낸다. 참조 번호 (1120)은 슬롯을 나타낸다. 플라즈마 발생 및 플라즈마 처리는 다음과 같이 수행된다. 플라즈마 발생 챔버(1101) 및 처리 챔버(1111)는 배기 시스템(도시되지 않음)을 통해 진공으로 배기된다. 플라즈마 발생 개스는 개스 공급 포트(1104)를 통해 선정된(predetermined) 유속으로 플라즈마 발생 챔버(1101)에 공급된다. 배기 시스템(도시되지 않음)에 마련된 컨덕턴스 밸브(도시되지 않음)는 플라즈마 발생 챔버(1101)를 선정된 압력으로 유지하도록 조절된다. 원하는 전력이 원형 도파관(1103)을 통해 마이크로파 전원(도시되지 않음)으로부터 플라즈마 발생 챔버(1101)에 공급된다. 전자들은 마이크로파 전계에 의해 가속되어 플라즈마 발생 챔버(1101)에 고밀도 플라즈마를 생성한다. 이때, 처리 개스는 처리 개스 공급 수단(1115)을 통해 처리 챔버(1111) 내로 공급되고, 처리 개스는 고밀도 플라즈마에 의해 여기되어 지지 부재(1113) 상에 놓인 피처리 기판(1112)의 표면을 처리한다. 이 경우에, 처리 개스는 제 용도에 따라 플라즈마 발생 개스 공급 포트(1104) 내로 공급될 수도 있다.
플라즈마 처리는 가능한 낮은 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 이는 MCD 또는 플라스틱 LCD 형태의 플라스틱 기판은 변형 또는 분해되지 않아야 하기 때문이다. 또한, ULSI에서, 불순물 확산, Al 배선의 힐록(hillock), 열적 뒤틀림 등이 방지되어야 한다.
상기 기술한 바와 같이 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 사용될 때, 3 eV 또는 보다 작은 전자 온도(electron temperature) 및 약 1012/cm2밀도를 갖는 저온 및 고밀도의 균일한 플라즈마가 큰 반경의 공간에서 생성될 수 있다.
그러나, 처리는 도5a 및 도5b에 도시된 바와 같이 저온 및 고밀도 플라즈마가 생성되는 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 사용하여 저온에서 수행될 수도 있다. 여기에는 다음과 같은 개선된 점이 있다. 보다 구체적으로는, 플라즈마 CVD에서, 압력이 1mTorr이하일 때, 프리커서(precursor) 원자의 평균 자유 경로는 증가하고, 프리커서 원자는 충분한 에너지로 기판에 도달한다. 이러한 이유로 인해, 막의 품질이 바람직하게 개선된다. 그러나, 전자 밀도는 압력이 1mTorr이하인 영역에서 감소하며, 만족스럽지 못하게도 불안정한 방전이 수행된다.
본 발명의 목적은 기판 표면 부근에서의 플라즈마의 불균일성을 제거하고, 저온 및 압력이 1mTorr이하인 저압 영역에서조차도 고밀도이면서 균일한 대면적의 플라즈마가 유지될 수 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치 및 마이크로파 플라즈마 처리 방법을 제공하는 것이다.
도1a 및 도1b는 본 발명의 예로서의 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 나타내는 도면.
도2는 본 발명의 예로서의 마이크로파 격리 플라즈마 처리 장치(microwave isolation plasma processing apparatus)를 나타내는 도면.
도3은 본 발명의 예로서의 광-보조(photo-assist) 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 나타내는 도면.
도4는 본 발명의 예로서의 바이어스 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 나타내는 도면.
도5a 및 도5b는 종래 기술의 한 예로서의 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 나타내는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101 : 플라즈마 발생 챔버 102 : 석영관
103 : 원형 도파관 104 : 플라즈마 발생 개스 공급 수단
105 : 자계 발생 수단 111 : 처리 챔버
112 : 피처리 기판 113 : 지지 부재
114 : 가열기 115 : 처리 개스 공급 수단
116 : 배기 장치
본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 발생 챔버, 플라즈마 발생 챔버와 통하는 처리 챔버, 처리 챔버에 마련되어 피처리 기판을 지지하기 위한 수단, 플라즈마 발생 챔버 주위에 마련된 슬롯을 가진 원형 도파관 및 플라즈마 발생 챔버에서 돌출 자계를 발생시키기 위한 자계 발생 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
자계 발생 수단은 원형 도파관을 통해 수직으로 마련된 전자기 코일 또는 영구 자석이다.
본 발명에 따른 상기 장치를 사용하는 플라즈마 처리 방법은 피처리 기판을 기판 지지 부재 위에 두는 단계, 플라즈마 발생 챔버 및 처리 챔버를 완전히 배기시키는(evacuating) 단계, 플라즈마 발생 챔버와 처리 챔버를 선정된 압력으로 유지하기 위해 플라즈마 발생 챔버와 처리 챔버 내에 개스를 공급하는 단계, 플라즈마를 생성하기 위해 플라즈마 발생 챔버 내에 마이크로파를 공급하고 돌출 자계를 생성하여 피처리 기판을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리 방법은 CVD, 산화 처리, 질화처리, 도핑, 클리닝, 에칭, 애슁에 사용될 수 있다.
실시형태
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(장치)
본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 측면 및 상부 도면이 도1a와 도1b에 도시되어 있다. 참조 번호 (101)은 플라즈마 발생 챔버(101)를 나타내고; (102)는 플라즈마 발생 챔버(101)를 구성하기 위한 석영관; (103)은 플라즈마 발생 챔버(101) 내에 마이크로파를 공급하기 위한 슬롯을 가진 원형 도파관; (104)는 플라즈마 발생 개스 공급 수단; (105)는 다수의 원형 도파관(103)의 슬롯의 중심을 포함한 평면에 노우드 표면(nodal surface)을 가지며, 기판 부근의 자계의 자속 밀도보다 슬롯 부근의 자계의 자속 밀도가 더 크며 기판 지지 부재에 거의 수직인 자속선을 갖는 돌출 자계를 발생하기 위한 자계 발생 수단; (111)은 플라즈마 발생 챔버와 연결된 처리 챔버; (112)는 피처리 기판; (113)은 기판(112)에 대한 지지 부재; (114)는 기판(112)을 가열하기 위한 가열기; (115)는 처리 개스 공급 수단; (116)은 배기 장치를 나타낸다. 참조 번호(120)은 슬롯(103)을 갖는 원형 도파관 내부에 마련된 슬롯을 나타내고, (121)은 원형 도파관(103) 내로 마이크로파를 공급하기 위한 부분을 나타낸다.
(처리 방법)
플라즈마 발생 및 플라즈마 처리는 다음과 같다. 플라즈마 발생 챔버(101)와 처리 챔버(111)는 배기 장치(도시되지 않음)를 통해 진공으로 배기된다. 플라즈마 발생 개스는 개스 공급 포트(104)를 통해 선정된 유속으로 플라즈마 발생 챔버(101) 내로 공급된다. 배기 시스템(도시되지 않음)에 마련된 컨덕턴스 밸브(도시되지 않음)는 플라즈마 발생 챔버(101)와 플라즈마 처리 챔버(111)를 선정된 압력으로 유지하기 위해 조절된다. 자계 발생 수단(105)에 의해 플라즈마 발생 챔버(101) 내에 돌출 자계가 발생된다. 그리고, 원하는 전력이 원형 도파관(103)을 통해 마이크로파 전원(도시되지 않음)으로부터 플라즈마 발생 챔버(101) 내로 공급된다. 이 때, 처리 개스가 처리 개스 공급 수단(115)을 통해 처리 챔버(111) 내로 공급되고, 처리 개스는 생성된 고밀도 플라즈마에 의해 여기되어 지지 부재(113)상에 놓인 피처리 기판(112)의 표면에 막을 형성한다. 이 경우에, 처리 개스는 제용도에 따라 플라즈마 발생 개스 공급 포트(104) 내로 공급될 수도 있다.
(본 발명의 자계 효과)
본 발명에 따른 장치는 돌출 자계가 플라즈마 발생 챔버 내에서 발생된다는 점이 특징이다. 돌출 자계는 코일이 서로 마주볼 때 서로 다른 극성을 갖는 두 코일 사이에서 발생한다. 자속선이 도1a에 도시되어 있다. 전자는 슬롯 부근의 부분에서 기판 부근의 부분으로 연장되는 긴 경로 상의 자속선을 따라 자속선 주위를 회전하면서 확산된다. 그리고, 전자의 확산과 재결합에 의해 유발되는 손실은 억제될 수 있다. 이러한 이유로, 저온과 1mTorr이하의 저압 영역에서조차도 고밀도 및 균일한 대면적 플라즈마가 유지될 수 있다.
자계는 슬롯을 갖는 원형 도파관의 다수의 슬롯의 중심을 포함한 평면 상에 노우드 표면을 갖는 것이 바람직하다. 슬롯을 갖는 원형 도파관의 다수의 슬롯의 중심을 포함한 평면 상의 노우드 표면은 돌출 자계의 자속선이 횡단하지 않는 표면이다.
자계의 자속선이 기판에 거의 수직으로 세팅될 때, 전자나 처리 개스는 기판에 수직으로 조사된다. 이러한 이유로, 에칭의 경우에 정확도가 개선될 수 있다.
(자계 발생 수단)
본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 사용되는 자계 발생 수단으로는 동일한 극성을 갖는 실린더 코일이 원형 도파관을 통해 수직으로 준비된다. 이러한 배치와 함께, 기판 지지 부재에 거의 수직이며 슬롯을 갖는 원형 도파관의 다수의 슬롯의 중심을 포함하는 평면 상에 노우드 표면을 갖는 자속선이 발생된다. 코일뿐만 아니라 영구 자석도 사용될 수 있다. 코일이 사용될 때, 수냉 수단 또는 공랭 수단과 같은 냉각 수단이 과열을 방지하기 위해 사용될 수 있다.
(마이크로파 공급 수단)
본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 사용되는 양호한 마이크로파 주파수로서, 0.8 GHz 내지 20 GHz 범위의 주파수가 적절히 선택될 수 있다.
본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 사용되는 도파관은 플라즈마 발생 챔버의 모양에 따라 실린더형, 디스크형, 다각형형 등을 가질 수 있다.
(빛 조사)
처리 품질을 높이기 위해 자외선이 기판 표면에 조사될 수 있다. 광원으로는 피처리 기판 또는 기판에 붙은 개스에 의해 흡수되는 발광용 광원이 적용될 수 있다. 엑시머 레이저(excimer laser), 엑시머 램프, 희개스 공명 선램프(rare gas resonance line lamp), 저압 수은 등 또는 이와 유사한 것들이 적절히 사용될 수 있다.
(압력)
본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리 방법에서의 발생 챔버 또는 처리 챔버내의 압력은 0.05mTorr 내지 1.0mTorr의 범위 내에서 적절히 선택된다. 저압 영역에서 CVD를 따르면, 피착막의 품질이 향상된다.
(피착막)
본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리 방법에 의한 피착막 형성에 있어서, Si3N4, SiO2, Ta2O5, TiO2, TiN, Al2O3, AlN, MgF2등으로 이루어지는 절연막, 또는 a-Si, poly-Si, SiC, GaAS 등으로 이루어지는 반도체 막, Al, W, Mo, Ti, Ta 등으로 이루어지는 금속막과 같은 다양한 피착막이 사용될 개스를 적절히 선택함으로써 효율적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리 방법에 사용되는 기판은 반도체 기판, 전도성 기판 또는 전기적 절연 기판일 수도 있다. 본 발명의 장치에 따르면 피착은 저온에서 수행될 수 있다. 이러한 이유로, 낮은 열 저항을 갖는 플라스틱 등으로 구성되는 기판이 사용될 수 있다.
전도성 기판으로서, Fe, Ni, Cr, Al, Mo, Nb, Ta, V, Ti, Pt, Pb 등이나 이들의 합금, 예를 들어, 놋쇠나 스테인레스 강과 같은 금속이 사용가능하다.
절연 기판으로서, SiO2계 석영, 다양한 유리, Si3N4, NaCl, KCl, LiF, CaF2, BaF2, Al2O3, AlN, NgO와 같은 무기물질, 또는 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 클로라이드(polyvinylidene chloride), 폴리스틸렌, 폴리아미드, 폴리이미드 등과 같은 유기물로 이루어지는 막 쉬트(film sheet) 등이 사용 가능하다.
박막 형성 개스로는 일반적으로 알려진 개스가 사용될 수 있다. 플라즈마 효과에 의해 쉽게 분해되고, 단독으로도 피착될 수 있는 개스가 막 형성 챔버 내에서 막 형성 개스 공급 수단 등을 통해 막 형성 챔버 내로 공급되는 것이 바람직하다. 플라즈마 효과에 의해 쉽게 분해되지 않고 쉽게 피착될 수 없는 개스가 플라즈마 발생 챔버 내의 플라즈마 발생 개스 공급 포트를 통해 플라즈마 발생 챔버 내에 공급되는 것이 바람직하다.
Si 원자를 포함하며, a-Si, poly-Si, SiC 등으로 이루어지는 Si계 반도체 박막이 형성될 때 막 형성 개스 공급 수단을 통해 공급되는 원료(materials)로는 대기 온도 및 대기압에서 개스 상태에 있는 물질이나 쉽게 개스화될 수 있는 물질이 사용된다. 즉, SiH4및 SiH6와 같은 무기 실란 또는 테트라에틸실란(TES), 테트라메틸실란(TMS) 및 디메틸실란(DMS)과 같은 유기 실란 또는 SiF4, Si2F6, SiHF3, SiH2F2, SiCl4, Si2Cl6, SiHCl3, SiH2Cl2, SiH3C1 및 SiC2F2와 같은 할로실란이 사용된다. 이 경우에 플라즈마 발생 개스 공급 포트를 통해 공급되는 플라즈마 발생 개스로서, H2, He, Ne, Ar, Kr, Xe 또는 Rn이 사용될 수 있다.
Si 원자를 포함하여 Si3N4, SiO2등으로 이루어지는 Si 화합물계 박막이 형성될 때 막 형성 개스 공급 수단을 통해 공급되는 원료로는, 대기 온도 및 대기압에서 개스 상태에 있는 물질 또는 쉽게 개스화될 수 있는 물질이 사용된다. 즉, SiH4및 Si2H6와 같은 무기 실란, 테트라에톡시실란(TEOS), 테트라메톡시실란(TMOS) 및 옥타메틸싸이클로테트라실란(OMCTS) 등과 같은 유기 실란, SiF4, Si2F6, SiHF3, SiH2F2, SiCl4, Si2Cl6, SiHCl3, SiH2Cl2, SiH3Cl 및 SiCl2F2와 같은 할로실란이 사용된다. 이 경우에 플라즈마 발생 개스 공급 포트를 통해 공급되는 물질로는, N2, NH3, N2H4, 헥사메틸디실란(HMDS), O2, O3, H2O, NO, N2O, 또는 NO2가 사용될 수 있다.
금속 원자를 포함하며 Al, W, Mo, Ti Ta 등으로 이루어지는 금속 박막이 형성될 때 막 형성 개스 공급 수단을 통해 공급되는 원료로는, 트리메틸아루미늄(TMAl), 트리에틸알루미늄(TEAl), 트리이소부틸아루미늄(TIBAl), 디메틸아루미늄하이드라이드(DMAlH), 텅스텐 카보닐(W(CO)6), 몰리브덴 카르보닐(Mo(CO)6), 트리메틸갈륨(TMGa) 또는 트리에틸갈륨(TEGa)과 같은 무기 금속 또는 AlCl3, WF6, TiCl3또는 TaCl5와 같은 할로겐화 금속(metal halide)이 사용될 수 있다. 또한, 이 경우에 플라즈마 생성 개스 공급 포트를 통해 공급되는 플라즈마 생성 개스로는 H2, He, Ne, Ar, Kr, Xe 또는 Rn이 사용될 수 있다.
금속 원자를 포함하며 Al2O3, AlN, Ta2O5, TiO2, TiN, WO3등으로 이루어지는 금속 화합물 박막이 형성될 때 막 형성 개스 공급 수단을 통해 공급되는 원료로는 트리메틸아루미늄(TMAl), 트리에틸알루미늄(TEAl), 트리이소부틸알루미늄(TIBAl), 디메틸알루미늄 하이드라이드(DMAlH), 텅스텐 카보닐(W(CO)6), 몰리브덴 카르보닐(Mo(CO)6), 트리메틸갈륨(TMGa) 또는 트리에틸갈륨(TEGa)과 같은 무기 금속이 사용될 수 있다. AlCl3, WF6, TiCl3또는 TaCl5와 같은 할로겐화 금속도 사용될 수 있다. 이 경우에는, 플라즈마 발생 개스 공급 포트를 통해 공급되는 플라즈마 발생 개스로서, O2, O3, H2O, NO, N2O, NO2, N2, NH3, N2H4, 헥사메틸디실란(HMDS) 등이 사용될 수 있다.
(플라즈마 처리)
본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리 장치는 표면 개질(surface modification)에도 적용될 수 있다. 사용될 개스가 적절히 선택될 때, Si, Al, Ti, Zn, Ta 등이 기판이나 표면층으로서 사용될 수 있다. 그리고, 산화 처리, 질화 처리, B, As, P 등의 도핑 처리가 수행될 수 있다. 또한, 본 발명에서 채택된 막 형성 기법은 클리닝 방법에도 적용될 수 있다. 이 경우에, 막 형성 기법은 산화물, 무기물 또는 중금속의 클리닝에 적용될 수 있다. 막 형성 기법은 또한 애슁에 적절히 사용될 수 있다.
기판이 표면 산화 처리에 놓일 때에는 플라즈마 개스 공급 포트를 통해 공급되는 산화 개스로서, O2, O3, H2O, NO, N2O, NO2등이 사용될 수 있다. 기판이 표면질화 처리에 놓일 때 플라즈마 개스 공급 포트를 통해 공급되는 질화 개스로서, N2, NH3, N2H4, 헥사메틸디실란(HMDS) 등이 사용될 수 있다. 이 경우에, 막 형성이 수행되지 않기 때문에, 처리 개스는 처리 개스 공급 수단을 통해 공급되지 않는다. 즉, 플라즈마 발생 개스 공급 포트를 통해 공급되는 개스와 동일한 개스가 공급된다.
무기 물질이 기판 표면으로부터 클리닝될 때 플라즈마 발생 개스 공급 포트로부터 공급되는 클리닝 개스로서, O2, O3, H2O, NO, N2O, NO2등이 사용될 수 있다. 유기 물질이 기판 표면으로부터 클리닝될 때 플라즈마 발생 개스 공급 포트로부터 공급되는 클리닝 개스로서, F2, CF4, CH2F2, C2F6, CF2Cl2, SF6, NF3등이 사용될 수 있다. 이경우에, 막 형성이 수행되지 않으므로, 소스 개스는 막 형성 개스 공급 수단을 통해 공급되지 않는다. 즉, 플라즈마 발생 개스 공급 포트를 통해 공급되는 개스와 동일한 개스가 공급된다.
(예)
본 발명에 따른 마이크로파 처리 장치 및 처리 방법이 다음 장치예를 참조하여 이후에 상세히 기술될 것이다. 그러나, 본 발명은 이들 예에 국한되지 않는다.
장치 예1
도1a 및 도1b는 다음과 간은 방식으로 제조되었다. 원형 도파관(103)은 WRT-2 표준에 따른 도파관과 동일한 크기인 27 mm × 96 mm의 크기를 갖는 내부 벽부를 가지며, 354 mm의 중심 직경을 가진다. 원형 도파관(103)의 재질(material)은 원형 도파관(103)의 기계적 강도를 유지하기 위해 스테인레스 강으로 되어 있다. 2-층 플레이팅(two-layered plating)은 마이크로파의 전파 손실을 억제하기 위해 동판에 은이 코팅되는 방식으로 원형 도파관(103)의 내부 벽의 표면에 수행된다. 원형 도파관(103)에는 플라즈마 발생 챔버(103) 내로 마이크로파를 공급하기 위한 슬롯이 형성된다. 각 슬롯은 (길이) 42 mm × (폭) 2 mm의 크기를 갖는 사각형이며, 슬롯들은 유도 파장(管內波長)의 1/4의 간격을 가지고 형성된다. 유도 파장은 마이크로파의 주파수 및 도파관 섹션의 크기에 의존한다. 주파수 2.45 GHz를 갖는 마이크로파와 상기의 크기를 갖는 도파관이 사용될 때, 유도 파장은 159 mm이다. 이 경우에 사용되는 원형 도파관(103)에서, 28개의 슬롯이 약 40 mm의 간격으로 형성된다.
4E 튜너, 지향성 커플러, 고립기 및 2.45 GHz의 주파수를 갖는 마이크로파전원(도시되지 않음)이 원형 도파관(103)에 순차적으로 접속된다.
플라즈마 발생 및 플라즈마 처리는 다음과 같이 수행된다. 플라즈마 발생챔버(101) 및 플라즈마 처리 챔버(111)가 배기 시스템(도시되지 않음)를 통해 진공으로 배기된다. 플라즈마 발생 개스가 개스 공급 포트(104)를 통해 선정된 유속으로 플라즈마 발생 챔버(101) 내로 공급된다. 배기 시스템(도시되지 않음)에 마련된 컨덕턴스 밸브(도시되지 않음)는 플라즈마 발생 챔버(101)와 처리 챔버(111)를 선정된 압력으로 유지하기 위해 조절된다. 원하는 자계가 자계 발생 수단(105)을 통해 플라즈마 발생 챔버(101)에서 발생되고, 원하는 전력이 원형 도파관(103)을 통해 마이크로파 전원(도시되지 않음)으로부터 공급되어, 플라즈마 발생 챔버(101)에서 플라즈마를 발생시킨다. 이 때, 처리 개스가 처리 개스 공급 수단(115)을 통해 처리 챔버(111) 내로 공급될 때, 처리 개스는 생성된 고밀도 플라즈마에 의해 여기되어 지지 부재(113) 상에 놓인 피처리 기판(112)의 표면을 처리한다. 처리개스는 제 용도에 따라 플라즈마 발생 개스 공급 포트(104) 내로 공급될 수 있다.
도1a 및 도1b에 도시된 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 사용함으로써, 플라즈마가 500 sccm의 Ar 유속; 1mTorr의 압력; 3.0 kW의 마이크로파 전력; 및 90mT의 최대 자속 밀도와 같은 조건하에 생성되었다. 생성된 플라즈마는 다음과 같은 방식으로 싱글 프로브 방법에 의해 측정되었다. 프로브에 인가되는 전압은 -50내지 +50 V의 범위 내에서 변동되었다. 그리고, 프로브 내의 전류 흐름은 I-V 미터에 의해 측정되었다. 전자 밀도, 전자 온도 및 플라즈마 포텐셜은 얻어진 I-V 곡선에 기초해 Langmiuir 방법에 의해 계산되었다. 그 결과, 전자 밀도는 2.7×1012/cm3(Φ200 평면에서)이고, 전자 온도는 3.6 eV였다. 비록 압력이 낮게 설정되어도 고 밀도 플라즈마가 형성됨이 확인되었다.
장치 예2
본 발명의 한 예인 격리 플라즈마 처리ㅈ ㅏㅇ치가 도2에 도시되어 있다. 참조 번호 (201)은 플라즈마 발생 챔버(201)를 나타내고, (202)는 플라즈마 발생 챔버(201)를 구성하기 위한 석영관; (203)은 플라즈마 발생 챔버(201) 내로 마이크로파를 공급하기 위한 슬롯을 갖는 원형 도파관; (204)는 플라즈마 발생 개스 공급 수단; (205)는 자계 발생 수단; (211)은 플라즈마 발생 챔버와 통하는 처리 챔버; (212)는 피처리 기판; (213)은 기판(212)을 위한 지지 부재; (214)는 기판(212)을 가열하기 위한 가열기; (215)는 처리 개스 공급 수단; (216)은 배기를 나타낸다. 장치 예2는 장치 예2에서의 플라즈마-기판 간격이 장치 예1에서의 간격보다 100 mm 만큼 더 크다는 점에서 장치 예1과 다르다.
플라즈마 발생 및 플라즈마 처리는 다음과 같다. 플라즈마 발생 챔버(201)와 플라즈마 처리 챔버(211)가 배기 장치(도시되지 않음)을 통해 진공으로 배기된다. 플라즈마 발생 개스가 개스 공급 포트(204)를 통해 선정된 유속으로 플라즈마 발생 챔버(201) 내로 공급된다. 배기 시스템(도시되지 않음)에 마련된 컨덕턴스 밸브(도시되지 않음)가 플라즈마 발생 챔버(201)를 선정된 압력으로 유지하기 위해 조절된다. 원하는 전력이 DC 전원(도시되지 않음)으로부터 코일(205)로 공급되어 플라즈마 발생 챔버(201)에 자계를 생성한다. 그리고, 원하는 전력이 마이크로파전원(도시되지 않음)으로부터 원형 도파관(203)을 통해 플라즈마 발생 챔버(201)내로 공급된다. 자계 발생 발생 수단(205)에 의해 플라즈마 발생 챔버(201)에 발생된 자속선 주위를 나선형으로 움직이는 전자들은 마이크로파를 공진적으로 흡수해서 가속되어, 플라즈마 발생 챔버(201) 내에 고밀도 플라즈마를 발생한다. 이 때, 처리 개스가 처리 개스 공급 수단(215)을 통해 처리 챔버(211) 내로 공급될 때, 처리 개스는 생성된 고밀도 플라즈마에 의해 여기된 플라즈마 발생 개스와 반응하여 지지 부재(213) 상에 놓인 피처리 기판(212)의 표면을 처리한다. 이 경우에, 처리 개스는 제 용도에 따라 플라즈마 발생 개스 공급 포트(204) 내로 공급될 수도 있다.
장치 예3
본 발명의 한 예인 광-보조 처리 장치가 도3에 도시되어 있다. 참조 번호(301)은 플라즈마 발생 챔버(301)를 나타내고, (302)는 플라즈마 발생 챔버(301)를 구성하기 위한 석영관; (303)은 플라즈마 발생 챔버(301) 내로 마이크로파를 공급하기 위한 슬롯을 가진 원형 도파관; (304)는 플라즈마 발생 개스 공급 수단; (305)는 자계 발생 수단; (311)은 플라즈마 발생 챔버와 연결된 처리 챔버; (312)는 피처리 기판; (313)은 기판(312)을 지지하기 위한 지지 부재; (314)는 기판(312)을 가열하기 위한 가열기; (315)는 처리 개스 공급 수단; (316)은 배기; (321)은 기판(312)의 표면으로 자외선을 조사하기 위한 광원 시스템; (322)는 광원 시스템(321)으로부터의 가시 자외선을 플라즈마 발생 챔버(301)를 통해 처리 챔버(311)로 유도하기 위한 광 유도창을 나타낸다.
플라즈마 발생 및 플라즈마 처리는 다음과 같다. 플라즈마 발생 챔버(301)와 플라즈마 처리 챔버(311)는 배기 시스템(도시되지 않음)을 통해 진공으로 배기된다. 광원 시스템(321)로부터의 가시 자외선이 광 유도창(322)을 통해 기판(312)의 표면에 조사된다. 그리고, 기판(312)은 원하는 온도로 유지된다. 플라즈마 발생 개스는 개스 공급 포트(304)를 통해 선정된 유속으로 플라즈마 발생 챔버(301)내로 공급된다. 배기 시스템(도시되지 않음)에 마련된 컨덕턴스 밸브(도시되지 않음)는 플라즈마 발생 챔버(301)를 선정된 압력으로 유지하기 위해 조절된다. 자계는 자계 발생 수단(305)을 통해 플라즈마 발생 챔버(301) 내에 발생한다. 그리고, 원하는 전력이 마이크로파 전원(도시되지 않음)으로부터 원형 도파관(303)을 통해 공급되어, 플라즈마 발생 챔버(301) 내에 플라즈마를 생성한다. 이 때, 처리 개스가 처리 개스 공급 수단(315)을 통해 처리 챔버(311) 내로 공급될 때, 처리 개스는 생성된 고밀도 플라즈마에 의해 여기되어 지지 부재(313) 상에 놓인 피처리 기판(312)의 표면을 처리한다. 이 경우에, 기판(312)의 표면은 자외선에 의해 활성화되므로, 높은 품질의 처리가 수행될 수 있다. 이 때, 처리 개스는 제 용도에 따라 플라즈마 발생 개스 공급 포트(304)로 공급될 수도 있다.
광원 시스템(321)의 광원으로서, 기판 표면 또는 기판 표면에 붙은 개스나 프리커서(precursor)에 의해 흡수되는 파장을 갖는 어떠한 광원도 사용될 수 있다. 즉, 저압 수은 램프, 크세논-수은 램프, 중수소 램프, 아르곤 공진 라인 램프, Kr 공진 라인 램프, 크세논 공진 라인 램프, 엑시머 램프, 엑시머 레이저, Ar+레이저 고조파(harmonic wave), N2레이저 또는 YAG 레이저 고조파가 사용될 수 있다.
장치 예4
본 발명의 한 예인 바이어스 플라즈마 처리 장치가 도4에 도시되어 있다. 참조 번호(401)은 플라즈마 발생 챔버(401)를 나타내고, (402)는 플라즈마 발생 챔버(401)를 구성하기 위한 석영관; (403)은 플라즈마 발생 챔버(401) 내로 마이크로파를 공급하기 위한 슬롯을 가진 원형 도파관; (404)는 플라즈마 발생 개스 공급수단; (405)는 자계 발생 수단; (411)은 플라즈마 발생 챔버와 통하는 처리 챔버; (412)는 피처리 기판; (413)은 기판(412)을 지지하기 위한 지지 부재; (414)는 기판(412)을 가열하기 위한 가열기; (415)는 처리 개스 공급 수단; (416)은 배기; (417)은 기판 지지 부재(412)에 바이어스를 인가하기 위한 고주파 공급 수단을 나타낸다.
플라즈마 발생 및 플라즈마 처리는 다음과 같다. 플라즈마 발생 챔버(401)와 플라즈마 처리 챔버(411)가 배기 장치(도시되지 않음)을 통해 진공으로 배기된다. 기판(412)이 가열기(414)를 통해 원하는 온도로 가열되고 원하는 온도로 유지된다. 플라즈마 발생 개스가 개스 공급 포트(404)를 통해 선정된 유속으로 플라즈마 발생 챔버(401) 내로 공급된다. 배기 시스템(도시되지 않음)에 마련된 컨덕턴스 밸브(도시되지 않음)가 플라즈마 발생 챔버(401)를 선정된 압력으로 유지하기 위해 조절된다. 자계가 자계 발생 수단(405)을 통해 플라즈마 발생 챔버(401)에 발생되고, 원하는 전력이 마이크로파 전원(도시되지 않음)으로부터 원형 도파관(403)을 통해 공급되어 플라즈마 발생 챔버(401)에 플라즈마를 생성한다.
또한, 고주파가 고주파 공급 수단(417)을 통해 기판 지지 부재(413)에 인가되어 기판 표면에 자체-바이어스를 발생한다. 이 때, 처리 개스가 처리 개스 공급 수단(415)을 통해 처리 챔버(411)내로 공급될 때, 처리 개스는 생성된 고밀도 플라즈마에 의해 여기되고, 발생된 이온을 자체-바이어스로 가속하여 지지 부재(413)상에 놓인 피처리 기판(412)의 표면을 처리한다. 이 경우에, 처리 개스는 제 용도에 따라 플라즈마 발생 개스 공급 포트(404)에 공급될 수도 있다.
고주파 공급 수단(417)의 주파수는 100 KHz 내지 20 MHz 내에서 최적으로 셋트된다. 방전 안정성과 자체-바이어스를 고려하여 보다 정확히는 1 MHz 내지 5 MHz로 셋트된다.
이하, 본 발명의 처리 방법의 예를 참조하여 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 CVD 방법을 구체적으로 설명한다. 본 발명은 이들 예에 국한되지는 않는다.
처리 방법 예1
광자기 디스크를 위한 실리콘 질화물 막이 도1a 및 도1b에 도시된 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 사용하여 형성되었다.
기판(112)으로서, 폭 1.2μm를 갖는 폴리카보네이트(PC) 기판(3.5 인치)이 사용되었다. PC 기판(112)은 기판 지지 부재(113) 상에 놓여지고, 플라즈마 발생챔버(101) 및 막 형성 챔버(111)가 배기 시스템(도시되지 않음)을 통해 배기되어 플라즈마 발생 챔버(101) 및 막 형성 챔버(111) 내의 압력을 10-6Torr까지 감소시킨다. 질소 개스가 플라즈마 발생 개스 공급 포트(104)를 통해 100 sccm의 유속으로 공급되었다. 그리고, 아르곤 개스가 600 sccm의 유속으로 플라즈마 발생 챔버(101)에 공급되었다. 이때, 모노실란 개스가 막 형성 개스 공급 수단(115)을 통해 200 sccm의 유속으로 막 형성 챔버(111)에 공급되었다. 배기 시스템(도시되지 않음)에 마련된 컨덕턴스 밸브(도시되지 않음)는 막 형성 챔버(111)의 압력을 5mTorr로 유지하기 위해 조절되었다. 최대 자속 밀도 90 mT를 갖는 자계가 자계 발생 수단(105)을 통해 플라즈마 발생 챔버(101) 내에 발생되었다. 3.0 kW 전력이 원형 도파관(103)을 통해 2.45 GHz 마이크로파 전원으로부터 공급되었다. 이러한 방식으로, 플라즈마가 플라즈마 발생 챔버(101)에서 발생되었다. 이 경우에, 플라즈마 발생 개스 공급 수단(104)으로부터 공급된 질소 개스가 플라즈마 발생 챔버(101)에서 여기 및 분해되어 액티브 씨드(active seed)가 되었다. 그리고, 액티브씨드는 실리콘 기판을 향해 전송되어 막 형성 개스 공급 수단(115)을 통해 공급된 모노실란 개스와 반응하여 12초 내에 실리콘 기판(112) 상에 두께 100 nm의 실리콘 질화물 막을 형성하였다. 막 형성이 완결된 직후, 반사 계수와 같은 막의 품질이 평가되었다.
얻어진 실리콘 질화물 막의 막 형성 속도는 500 nm/min로 매우 높았고, 2.2의 반사 계수, 훌륭한 밀착성(adhesion) 및 훌륭한 내구성(durability)을 갖는 고품질 막이 얻어질 수 있었다. 막의 밀도는 2.9 g/cm3로 자계의 공급없이 형성된 밀도 2.7 g/cm3인 막보다 더 높은 밀도를 갖는 막이 형성되었다.
처리 방법 예2
플라스틱 렌즈 반사 방지용 실리콘 산화물 막과 실리콘 질화물 막이 도1a 및 도1b에 도시된 마이크로파 프라즈마 처리 장치를 사용해 형성되었다.
기판(112)으로서, 직경 50 mm를 갖는 플라스틱 볼록 렌즈가 사용되었다. PC 기판(112)이 기판 지지 부재(113) 상에 놓여졌다. 그리고, 플라즈마 발생 챔버(101)와 막 형성 챔버(111)가 플라즈마 발생 챔버(101)와 막 형성 챔버(111)의 압력을 10-6Torr로 줄이기 위해 배기 시스템(도시되지 않음)을 통해 배기되어 진공으로 되었다. 질소개스가 플라즈마 발생 개스 공급 수단(104)을 통해 150 sccm의 유속으로 공급 되었다. 동시에 모노실란 개스가 막 형성 개스 공급 수단(115)을 통해 100 sccm의 유속으로 막 형성 챔버(111)에 공급된다. 배기 시스템(도시되지 않은)에 마련된 컨덕턴스 밸브(도시되지 않은)가 막 형성 챔버(111)의 압력을 1mTorr로 유지하기 위해 조절된다. 전력이 DC 전원(도시되지 않은)으로부터 코일(106)로 공급되어 플라즈마 발생 챔버(101)에서 최대 자속 밀도 90 mT를 갖는 자계를 생성한다. 그리고, 3.0kW 전력이 2.45 GHz 마이크로파 전원(도시되지 않음)으로부터 원형 도파관(103)을 통해 플라즈마 발생 챔버(101)에 공급된다. 이러한 방식으로, 플라즈마 발생 챔버(101)에서 플라즈마가 생성된다. 이러한 경우에 플라즈마 발생 개스 공급 수단(104)을 통해 공급된 질소 개스는 플라즈마 발생 챔버(101)에서 여기 및 분해되어 질소 원자와 같은 액티브 씨드가 된다. 그리고, 액티브 씨드는 렌즈(112)쪽으로 전송되어 막 형성 개스 공급 수단(115)을 통해 공급된 모노실란 개스와 반응하여 렌즈(112) 상에 두께 21 nm를 갖는 실리콘 질화물 막을 형성한다.
산소 개스는 플라즈마 발생 개스 공급 수단(104)을 통해 플라즈마 발생 챔버(101)에 200 sccm의 유속으로 공급된다. 동시에, 모노실란 개스가 막 형성 개스 공급 수단(115)을 통해 100 sccm의 유속으로 막 형성 챔퍼(111)에 공급된다. 배기 시스템(도시되지 않음)에 마련된 컨덕턴스 밸브(도시되지 않음)는 막 형성 챔버(111)의 압력을 1mTorr로 유지하도록 조절된다. 전력이 DC 전원(도시되지 않음)으로부터 코일(106)에 공급되어 플라즈마 발생 챔버(101)에서 최대 자속 밀도 90 mT를 갖는 자계를 생성한다. 그리고, 2.0 kW 전력이 2.45 GHz 마이크로파 전원(도시되지 않음)으로부터 원형 도파관(103)을 통해 플라즈마 발생 챔버(101)에 공급된다. 이러한 방식으로 플라즈마가 플라즈마 발생 챔버(101)에서 생성되었다. 이 경우에 있어서, 플라즈마 발생 개스 공급 수단(104)을 통해 공급된 산소 개스는 플라즈마 발생 챔버(101)에서 여기 및 분해되어 산소 원자와 같은 액티브 씨드가 된다. 그리고, 액티브 씨드는 유리 기판(112)을 향해 전송되어 막 형성 ㅐㄱ스 공급 수단(115)을 통해 공급된 모노실란 개스와 반응하여 유리 기판(112) 상에 두께 86 nm를 갖는 실리콘 산화물 막을 형성한다. 막 형성이 완결된 직후, 막 형성률과 반사 특성이 계산되었다.
실리콘 질화물 막과 실리콘 산화물 막의 형성 속도는 각각 300nm/mi, 360 nm/min로 대단히 높았으며, 지극히 양호환 광학적 특성, 예를 들어, 약 500 nm에서의 반사율이 0.3%라는 것이 확인되었다.
처리 방법 예3
반도체 소자를 보호하기 위한 실리콘 질화물 막이 도1a 및 도1b에 도시된 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 사용하여 형성되었다.
기판(112)으로는, (길이와 간격: 0.5 μm인) A1 배선 패턴이 형성된 층간 SiO2막을 가진 (면방위100, 저항률: 10 Ωcm) p형 단결정 실리콘 기판이 사용되었다. 기판(112)이 기판 지지 부재(113) 상에 놓여진 후, 플라즈마 발생 챔버(101)와 막 형성 챔버(111)가 플라즈마 발생 챔버(101)와 막 형성 챔버(111)의 압력을 10-6Torr로 낮추기 위해 배기 시스템(도시되지 않음)을 통해 진공으로 배기된다. 가열기(도시되지 않은)가 기판(112)을 300℃까지 가열하기 위해 턴온되고 기판은 이 온도로 유지되었다. 질소 개스가 플라즈마 발생 개스 공급 포트(104)를 통해 플라즈마 발생 챔퍼(101)에 500 sccm의 유속으로 공급되었다. 동시에 모노실란 개스가 막 형성 개스 공급 수단(115)을 통해 막 형성 챔버(111)로 100 sccm의 유속으로 공급되었다. 배기 시스템(도시되지 않음)에 마련된 컨덕턴스 밸브(도시되지 않음)가 막 형성 챔버(111)를 5mTorr의 기압으로 유지하기 위해 조절되었다. 플라즈마 발생 챔버(101)에 최대 자속 밀도 90 mT를 갖는 자계를 발생시키기 위해 DC 전원(도시되지 않음)에서 코일로 전력이 공급되었다. 그리고 3.0 kW 전력이 원형도파관(103)을 통해 2.45 GHz 마이크로파 전원(도시되지 않음)으로부터 공급되었다. 이러한 방식으로, 플라즈마가 플라즈마 발생 챔버(101)에 생성되었다. 이 경우에 있어서, 플라즈마 발생 개스 공급 수단(108)을 통해 공급된 질소 개스가 플라즈마 발생 챔버(101)에서 여기 및 분해되어 액티브 씨드가 된다. 그리고, 액티브 씨드는 실리콘 기판(112) 쪽으로 전송되어 막 형성 개스 공급 수단(115)을 통해 공급된 모노실란 개스와 반응하여 실리콘 기판(112) 상에 두께 1.0 μm를 갖는 실리콘 질화물을 형성한다. 성막 직후, 막 형성 속도와 장력과 같은 막 품질이 계산되었다. 장력은 막 형성 전과 후의 기판 뒤틀림량(warpage)을 레이저 간성계 zygo(상표명)에 의해 측정하는 방식으로 계산되었다.
실리콘 질화물 막의 형성 속도는 460nm/min으로 매우 높고, 1.1 × 109dyn/cm2(압축)의 장력, 1.2×10-10A/cm2및 9 MV/cm의 항복 전압을 갖는 극히 양질의 막이 얻어질 수 있음이 확인되었다.
처리 방법 4
반도체 소자에 대한 BPSG 막은 도1a 및 도 1b에 도시된 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 위해 에칭되었다.
기판(112)으로는, (라인 및 간격: 0.5μm) 폴리실리콘 패턴 상에 1μm의 두께를 갖는 BPSG 막이 형성된 (면방위 100, 저항률: 10 Ωcm) p형 단결정 실리콘 기판이 사용되었다. 실리콘 기판(112)이 기판 지지 부재(113) 상에 놓인 후에, 플라즈마 발생 챔버(101)와 막 형성 챔버(111)는 플라즈마 발생 챔버(101)와 막 형성 챔버(111)의 압력을 10-6Torr까지 낮추기 위하여 배기 시스템(도시되지 않음)을 통해 배기된다. CF4개스는 플라즈마 발생 개스 공급 수단(104)을 통해 유속 300 sccm의 속도로 플라즈마 발생 챔버(101) 내로 공급된다. 배기 시스템(도시되지 않음)에 마련된 컨덕턴스 밸브(도시되지 않음)는 막 형성 챔버(111) 내의 압력을 0.5mTorr로 유지하도록 조절된다. 플라즈마 발생 챔버(101) 내에 최대 자속 밀도 90 mT를 갖는 자계를 발생시키도록 DC 전원(도시되지 않음)으로부터 코일(106)에 전력이 공급되고, 1.5 KW 전력이 원형 도파관(103)을 통해 2.45 GHz 마이크로파 전원으로부터 공급된다. 이런 방식으로, 플라즈마가 플라즈마 발생 챔버(101) 내에 생성된다. 이 경우에, 플라즈마 발생 개스 공급 수단(104)을 통해 공급된 CF4개스는 플라즈마 발생 챔버(104) 내에서 여기 및 분해되어 액티브 씨드가 된다. 액티브 씨드는 실리콘 기판(112) 쪽으로 전송되어 BPSG 막을 에칭한다. 에칭 후에, 에칭 속도의 선택비와 에칭 모양이 평가된다. 에칭 모양은 에칭되는 실리콘 산화물 막 부분을 주사 전자 현미경(SEM: scanning Electron Microscope)으로 관측하여 평가되었다.
에칭 속도와 폴리실리콘 막의 에칭 속도에 대한 BPSG 막의 에칭 속도 선택비는 각각 300nm/min과 30이었고, 에칭 모양은 거의 수직이며 마이크로로딩 효과(microloading effect)는 작았다는 것이 확인되었다.
처리 방법 예5
반도체 소자 게이트를 절연하기 위한 실리콘 산화물 막이 도2에 도시된 격리 플라즈마 처리 장치를 사용하여 형성되었다.
기판(212)으로는 (면방위100, 저항률: 10Ωcm) p형 단결정 실리콘 기판이 사용되었다. 실리콘 기판(212)이 기판 지지 부재(213) 위에 놓여진 후에, 플라즈마 형성 챔버(201)와 막 형성 챔버(211)가 플라즈마 형성 챔버(201)와 막 형성 챔버(211) 내의 압력을 10-6Torr로 낮추기 위해 배기 시스템(도시되지 않음)을 통해 배기되었다. 가열기(도시되지 않음)가 실리콘 기판(212)을 300℃로 가열하기 위해 턴온되었고, 기판(212)은 이 온도로 유지되었다. 산소 개스가 200 sccm의 유속으로 플라즈마 발생 개스 공급 수단(204)을 통해 플라즈마 발생 챔버(201)에 공급되었다. 동시에, 모노실란 개스가 막 형성 개스 공급 수단(215)을 통해 50 sccm의 유속으로 막 형성 챔버(211)에 공급되었다. 배기 시스템(도시되지 않음)에 마련된 컨덕턴스 밸브(도시되지 않음)가 막 형성 챔버(211) 내의 압력을 20mTorr로 낮추기 위해 조절된다. 플라즈마 발생 챔버(201) 내에 최대 자속 밀도 90 mT를 갖는 자계를 발생하기 위해 DC 전원으로부터(도시되지 않음) 코일(206)에 전력이 공급되었고, 1.5kW 전력이 원형 도파관(203)을 통해 2.45 GHz 마이크로파 전원으로부터 플라즈마 발생 챔버(201)에 공급되었다. 이러한 방식으로, 플라즈마가 플라즈마 발생 챔버(201)에 생성되었다. 이 경우에, 플라즈마 발생 개스 공급 수단(204)을 통해 공급된 산소 개스는 플라즈마 발생 챔버(201)에서 여기 및 분해되어 산소 원자와 같은 액티브 씨드가 되고, 액티브 씨드는 실리콘 기판(212)을 향해 전송되어 막 형성 개스 공급 수단(215)을 통해 공급된 모노실란 개스와 반응하여 실리콘 기판(212) 상에 0.1μm의 두께를 갖는 실리콘 산화물 막을 형성한다. 성막 직후, 성막 속도, 균일성, 누설 전류, 항복 전압, 계면 준위 밀도가 평가되었다. 계면 준위 밀도는 용량 측정 장치에 의해 얻어진 1MHz의 고주파가 인가될 때 얻어진 C-V 곡석에 기초해 계산되었다.
성막 속도와 실리콘 산화물 막의 균일성은 110nm/min±2.3%로 양호했고 4×10-11A/cm2의 누설 전류, 11MV/cm의 항복 전압 및 6×1010cm-2의 계면 준위 밀도를 갖는 극히 양질의 막이 얻어질 수 있음이 확인되었다.
처리 방법 예6
반도체 소자 층을 서로 절연하기 위한 실리콘 산화물 막은 도3에 도시된 광보조 마이크로파 프라즈마 처리 장치를 사용함으로써 형성되었다.
기판(312)으로는 최상부에 A1 패턴(라인과 간격:0.5 μm)이 형성된 (면방위100, 저항률 10Ωcm)의 p형 단결정 실리콘 기판이 사용되었다. 실리콘 기판(312)이 기판 지지 부재(313) 상에 놓여진 후에, 플라즈마 발생 챔버(301)와 막 형성 챔버(311)가 플라즈마 발생 챔버(301)와 막 형성 챔버(311)의 압력을 10-6Torr로 낮추기 위해 배기 시스템(도시되지 않음)을 통해 진공으로 배기되었다. 표면 조도가 20 mW/cm2이 되도록 실리콘 기판(312)의 표면 상에 빛을 조사하기 위해 광원시스템(312)의 KrCl*엑시머 램프가 턴온되었다. 실리콘 기판(312)을 300℃로 가열하기 위해 가열기(도시되지 않음)가 턴온되고, 기판(312)이 온도로 유지되었다. 산소 개스가 플라즈마 발생 개스 공급 수단(304)을 통해 500 sccm의 유속으로 플라즈마 발생 챔버(311)에 공급된다. 동시에, 테트라에톡실란이 200 sccm의 유속으로 막형성 개스 공급 수단(315)으로부터 막 형성 챔버(311) 내로 공급되었다. 배기 시스템(도시되지 않음)에 마련된 컨덕턴스 밸브(도시되지 않음)는 플라즈마 발생 챔버(311)의 압력을 0.1mTorr로 유지하고, 막 형성 챔버(311)를 0.5 Torr로 유지하도록 조절된다. 플라즈마 발생 챔버(310) 내에 최대 자속 밀도 90 mT를 갖는 자계를 발생시키기 위해 DC 전원(도시되지 않음)에서 코일(306)에 전력이 공급되고, 1.5 kW전력이 원형 도파관(303)을 통해 2.45GHz 마이크로파 전원에서 플라즈마 발생 챔버(301)에 공급된다. 이러한 방식으로, 플라즈마가 플라즈마 발생 챔버(301)에 생성되었다. 이 경우에, 플라즈마 발생 개스 공급 수단(304)을 통해 공급된 산소 개스는 플라즈마 발생 챔버(301)에서 여기 및 분해되어 액티브 씨드가 되고, 액티브 씨드는 실리콘 기판(312)을 향해 전송되어 막 형성 개스 공급 수단(315)을 통해 공급된 테트라에톡시실란 개스와 반응하여 실리콘 기판(312) 상에 0.8μm의 두께를 갖는 실리콘 산화물 막을 형성한다. 성막 직후, 성막 속도, 균일성, 항복 전압 및 스텝 커버리지가 평가되었다. 스텝 커버리지는 Al 배선 패턴 상에 형성된 실리콘 산화물 막 부분이 계단 상의 막 두께에 대한 계단 측벽 상의 막두께의 비율(커버 팩터)을 계산하기 위해 주사 전자 현미경(SEM)에 의해 관측되었다.
성막 석도와 실리콘 산화물 막의 균일성은 180nm/min±2.7%로 양호했고, 9.3 MV/cm의 항복 전압 및 0.9의 커버 팩터를 가지는 극히 양질의 막이 얻어질 수 있음이 확인되었다.
처리 방법 예7
반도체 소자 게이트 전극들 사이의 폴리실리콘 막이 도4에 도시된 바이어스 플라즈마 처리 장치에 의해 에칭되었다.
기판(412)으로는 최상부에 폴리실리콘 막이 형성된 (면방위100, 저항률 10Ωcm) p형 단결정 실리콘 기판이 사용되었다. 실리콘 기판(412)이 기판 지지 부재(413)위에 놓여진 후에, 플라즈마 발생 챔버(401)와 에칭 챔버(411)가 플라즈마 발생 챔버(401)와 에칭 챔버(411)의 압력을 10-6Torr로 낮추기 위해 배기 시스템(도시되지 않음)을 통해 진공으로 배기되었다. CF4개스와 산소 개스가 각각 유속 300 sccm과 20 sccm으로 플라즈마 발생 개스 공급 수단(404)을 통해 플라즈마 발생 챔버(411)에 공급되었다. 배기 시스템(도시되지 않음)에 마련된 컨덕턴스 밸브(도시되지 않음)가 플라즈마 발생 챔버(401)의 압력을 0.5 mTorr로 유지하기 위해 조절되었다. 플라즈마 발생 챔버(401) 내에 최대 자속 밀도 90 mT를 갖는 자계를 생성하기 위해 DC 전원(도시되지 않음)에서 코일(406)에 전력이 공급되었고, 5 kW 전력이 원형 도파관(403)을 통해 2.45 GHz 마이크로파 전원에서 플라즈마 발생 챔버(401)에 공급되었다. 이러한 방식으로, 플라즈마가 플라즈마 발생 챔버(401)에서 생성되었다. 이 경우에, 플라즈마 발생 개스 공급 수단(404)을 통해 공급된 CF4개스와 산소 개스는 플라즈마 발생 챔버(401)에서 여기 및 분해되어 액티브 씨드가 되고, 액티브 씨드는 실리콘 기판(412)을 향해 전송되며, 자기-바이어스에 의해 가속된 이온에 의해 폴리실리콘 막이 에칭된다. 에칭 후에, 에칭 속도, 선택비, 에칭 모양이 평가되었다. 에칭 모양은 에칭된 폴리실리콘 막 부분을 주사 전자 현미경(SEM)으로 관측하는 방식으로 평가되었다. 에칭 속도와 SiO2막의 에칭 속도에 대한 폴리실리콘 막의 에칭 속도의 선택비는 각각 600 nm/min과 30으로 양호했고, 에칭 모양의 수직성은 고주파의 인가없이 얻어진 에칭 모양보다 더 컸고, 마이크로로딩 효과는 작았다는 것이 확인되었다.

Claims (10)

  1. 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서, 요철이 없는 원통형 내부 측벽을 가지는 플라즈마 발생 챔버와, 상기 플라즈마 발생 챔버와 연결된 처리 챔버와, 상기 처리챔버 내에 배치되는 피처리 기판을 지지하기 위한 수단과, 상기 플라즈마 발생 챔버 주위에 배치된 슬롯을 가진 엔들리스 원형 도파관(endless circular waveguide)과, 상기 플라즈마 발생 챔버 외측에 배치되어 상기 플라즈마 발생 챔버 내에 돌출 자계(cusp field)를 발생시키기 위한 자계 발생 수단을 포함하고, 상기 자계 발생 수단은 전자계 코일 또는 영구 자석을 포함하고, 상기 돌출 자계는 슬롯들을 가지는 상기 원형 도파관의 슬롯들의 중심을 포함하는 면 상에 노드를 가지며, 피처리 기판 부근의 자속 밀도는 상기 슬롯들 부근의 자속 밀도 보다 낮으며, 상기 자계의 자속선은 피처리 기판의 표면 부근에서 수직(substantially perpendicular)이며, 플라즈마 발생 개스를 공급하기 위한 제1 공급 포트는 상기 플라즈마 발생 개스가 상기 자속선을 교차하는 방향으로 분출되도록 상기 플라즈마 발생 챔버에 설치되며, 처리 개스를 공급하기 위한 제2 공급 포트는 상기 처리 개스가 상기 자속선을 교차하는 방향으로 분출되도록 상기 처리 챔버에 설치되며, 상기 제1 공급 포트 및 제2 공급 포트는 분리되어 개별적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 마이크로파 주파수에 대한 슬롯 근처의 자계의 비는 약 3.57 × 10-11T/Hz인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 발생 챔버는 상기 기판 지지 수단으로부터 떨어진 위치에 있는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 피처리 기판의 표면 상에 자외선을 조사하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판 지지 수단에 고주파 바이어스를 인가하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  6. 요철이 없는 원통형 내부 측벽을 가지는 플라즈마 발생 챔버와, 상기 플라즈마 발생 챔버와 연결된 처리 챔버와, 상기 처리 챔버 내에 배치되는 피처리 기판을 지지하기 위한 수단과, 상기 플라즈마 발생 챔버 주위에 배치된 슬롯들을 가지는 엔들리스 원형 도파관과, 상기 플라즈마 발생 챔버 외측에 배치되어 상기 플라즈마 발생 챔버 내에 돌출 자계를 발생시키기 위한 자계 발생 수단 - 상기 자계 발생 수단은 전자 코일 또는 영구 자석을 포함함 - 을 구비하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 이용하는 마이크로파 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 피처리 기판을 상기 기판 지지 수단 상에 배치하는 단계와; 상기 플라즈마 발생 챔버와 상기 처리 챔버를 진공으로 배기시키는(evacuating) 단계와; 개스를 상기 플라즈마 발생 챔버 및 상기 처리 챔버 내에 공급하여 상기 플라즈마 발생 챔버와 상기 처리 챔버를 선정된 압력으로 유지시키는 단계 - 이 단계는 플라즈마 생성 개스가 상기 자속선을 교차하는 방향으로 분출되도록 상기 플라즈마 생성 개스를 공급하기 위한 제1 공급 포트로부터 상기 플라즈마 발생 챔버 내에 플라즈마 생성 개스를 공급하는 단계와, 상기 자속선을 교차하는 방향으로 상기 처리 개스가 분출되도록 상기 제1 공급 포트와는 상이한 제2 공급 포트로부터 상기 처리 챔버 내에 처리 개스를 공급하는 단계를 포함함 - 와; 마이크로파를 상기 플라즈마 발생 챔버 내에 공급하고, 돌출 자계를 생성하여 플라즈마를 발생시킴으로써 피처리 기판을 처리하는 단계를 포함하고, 상기 돌출 자계는 슬롯들을 가지는 상기 원형 도파관의 슬롯들의 중심을 포함하는 면 상에 노드를 가지며, 상기 피처리 기판 부근의 자속 밀도는 상기 슬롯들 부근의 자속 밀도 보다 낮으며, 상기 자계의 자속선은 피처리 기판의 표면 부근에서 수직(substantially perpendicular)인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 처리는 CVD, 산화 처리, 질화 처리, 도핑, 클리닝, 에칭 또는 애슁(ashing)인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 방법.
  8. 제6항에 있어서, 피처리 기판을 처리하는 상기 단계는 자외선을 조사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 피처리 기판은 플라스틱 기판인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 선정된 압력은 1mTorr이하인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 방법.
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