KR100267824B1 - 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

Abstract

보다 큰 면적의 시료를 작성할 수 있고, 또 효율좋게 시료를 작성할 수 있는 전자 비임 여기 플라즈마 장치를 제공한다.

본 발명에 관한 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치는 열전자를 방출하기 위한 음극(11)과, 상기 음극 사이에서 가스 방전시키기 위한 방전 전극(23)과, 축선 방향에 대해 상기 방전 전극과 동축형으로 배치되어 있고 상기 음극과 상기 방전 전극 사이에 협지되어 배치되는 중간 전극(13)과, 상기 음극과 상기 방전 전극 사이의 가스 방전에 의해 생성되는 방전 가스 플라즈마가 가득 찬 방전실(2)과, 격벽(21)을 거쳐서 상기 방전실과 인접하여 형성되어 있고 처리될 시료(35)의 처리면이 상기 축선 방향에 수직인 방향으로 위치하도록 배치되는 플라즈마 프로세스실(3)과, 각각이 상기 축선 방향에 대해 거의 수직인 방향으로 상기 격벽에 돌출 설치되어 있고 상기 축선 방향의 주위에 방사형으로 분포하도록 형성된 복수의 인출 애로(22)로서 상기 방전실내의 상기 방전 가스중의 전자를 상기 플라즈마 프로세스실에 인출하기 위한 복수의 인출 애로(22)와, 상기 플라즈마 프로세스실에 설치되어 상기 인출 애로를 거쳐서 전자를 인출 가속하기 위한 가속 전극(31)을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치

본 발명은 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치의 구조에 관한 것으로, 특히 전자 비임 발생부의 방전실로부터의 전자 인출 애로 부분의 구조에 관한 것이다.

전자 비임 여기 플라즈마 장치는 플라즈마 프로세싱 장치, 즉 플라즈마 이온 도금 장치, 플라즈마 CVD 장치, 플라즈마 스퍼터링 장치, 플라즈마 에칭 장치 등으로서, 성막, 에칭, 표면 개질 등에 널리 이용되고 있다. 전자 비임 여기 플라즈마 장치는 전자 비임을 발생하는 전자 비임 발생 장치와 그 전자 비임으로 여기하여 플라즈마를 발생시켜서 각종의 반응을 일으키게 하는 플라즈마 프로세스실을 구비하고 있다.

전자 비임 발생 장치는 음극과 중간 전극과 방전 전극과 가속 전극의 순서로 배치되어 있으며, 음극과 방전 전극 사이에 방전용 전압을 인가하면 음극으로 방출된 열전자가 음극부에 공급되는 불활성 가스에 작용하여 플라즈마를 발생하여, 중간 전극과 방전 전극 사이의 방전실에 가득 찬다. 방전 전극과 가속 전극 사이에 가속 전압을 인가하면, 방전 전극의 중심에 개방된 인출 애로(애로(ORIFICE))를 거쳐서 플라즈마로부터 전자가 인출되어 가속되며 대전류의 전자 비임이 플라즈마 프로세스실로 공급된다. 전자 비임은 플라즈마 프로세스실에 공급되는 재료 가스를 플라즈마화하여, 목표 기판에 대해서 각종의 프로세스 처리를 행한다.

도19는 종래의 전자 비임 여기 플라즈마 장치 중 비임 직교 타입형의 전형예를 도시하는 블럭도이다.

음극(101)과 중간 전극(102)과 방전 전극(103)이 동축상에 일직선으로 배치되어 있으며, 방전 전극(103)의 중심 위치에 연통 구멍(104)이 형성되어 있다. 음극실에는 아르곤 등 불활성 가스가 플라즈마 종류로서 도입되어, 음극(10)과 방전 전극(103) 사이에서 방전되어 플라즈마화된다.

플라즈마 프로세스실(113)의 벽(106)은 도전체로 형성되어 있으며, 이에 가속 전압을 인가함으로써 연통 구멍(104)을 지나 방전실(112)내의 플라즈마로부터 대전류의 전자 비임을 인출하여 실란 가스, 메탄 가스 등 반응 프로세스의 필요에 따라 프로세스실(113)내로 도입되는 재료 가스를 플라즈마화하고, 생성된 활성 종류(래디컬)를 기판에 퇴적시키거나 플라즈마 전위와 시료(107) 표면 전위의 차에 따라 플라즈마 내의 이온을 시료(107)에 대해서 수직으로 박아 넣도록 되어 있다.

방전 전극(103)의 연통 구멍(104) 주위에는 1쌍의 전자 코일(108)이 동축에 설치되어 있으며, 역방향으로 전류를 흐르게 함으로써 중심에 가까운 코일(108a)의 움직임으로 연통 구멍을 통과하는 전자 비임(105)을 세밀하게 조정하는 동시에, 2개의 코일(108) 움직임으로 전극으로부터 떨어진 위치에 있어서의 자계를 상쇄시켜 플라즈마의 분포 범위를 방 가득히 퍼지게 한다.

플라즈마 프로세스실의 측벽은 석영 벨져(109)에 의해 보호되어 있으며, 벽에 대한 재료 물질의 퇴적을 억제하면서 퇴적된 경우의 청소가 용이하게 될 수 있도록 되어 있다.

음극실(111)로 공급되는 아르곤 가스는 압력 경사에 따라 플라즈마 프로세스실(113)까지 흘러 여기에서 재료 가스와 함께 배기된다.

가공의 대상이 되는 기판 시료(107)는 전자 비임(105)의 축선상에 놓여진다.

기판 시료(107)를 보유하는 시료 받침(110)에는 RF 바이어스를 인가하여 시료 표면의 이온 조사 에너지가 억제 가능하도록 되어 있다. 또, 물을 순환시켜서 냉각을 할 수 있다.

도20a, 도20b는 조업중의 플라즈마 프로세스실(113)의 상태를 나타내는 그래프이다.

도20a는 시료 표면 전위를 나타내고 있으며, 횡축은 전자 비임의 축 중심으로부터의 거리, 종축은 표면 전위를 각각 임의 단위로 나타내고 있다. 그래프에는 플라즈마 프로세스실의 가스압이 낮은 경우와 높은 경우의 표면 전위(Vf)에 보태어 시료 표면 근방의 플라즈마 전위(Vs)를 표시하고 있다.

또, 도20b는 시료 표면 근처의 플라즈마 밀도의 분포를 나타내는 그래프이다. 횡축은 전자 비임의 축 중심으로부터의 거리, 종축은 플라즈마 밀도를 각각 임의 단위로 나타내고 있다.

상기 종래예에서는 시료면에 수직인 방향으로 전자 비임(105)을 가속시켜 플라즈마 프로세스실(113)로 타입하기 때문에, 플라즈마 프로세스실(113)내의 가스압이 낮으면 전자 비임(105)중의 고에너지 비임 성분이 시료(107)에 직접 입사되어 시료 표면의 부유 전위(Vf)가 도20 (a)에 도시한 바와 같이 깊이 가라앉고, 그리고 플라즈마 전위(Vs)와 부유 전위(Vf) 차이인 시료 표면의 시스 전압이 커진다.

이 때문에, 프로세스의 종류에 따라서는 물리적 에칭 작용 혹은 이온 충격 작용이 커져 시료 표면의 손상을 일으키거나 하여, 양호한 성막 프로세스를 이룰 수 없게 된다는 문제가 있다.

또, 도20a에 도시한 바와 같이 시료 겉쪽 표면의 부유 전위(Vf)는 시료(107)의 중심 위치에서 가장 깊이 가라앉아 주변을 향해 얕게 가라앉는 분포를 나타내고 있다. 한 편, 시료 안쪽 표면의 전위 분포는 이면 전체로 평균적 전위의 균일한 전위 분포가 된다. 이 때문에, 시료의 겉쪽과 안쪽의 표리면간의 전위차에 관하여 중심 위치 근방과 주변부 근방에 있어서 큰 전위차가 생기고, 예를 들어 DRAM 에칭의 경우 게이트 산화막의 노화 혹은 파괴가 생겨 버린다는 문제가 있다.

이들 문제를 회피하기 위해서는 가스압을 올려 가스 분자와의 충돌 회수를 늘리거나, 전자 비임 입사구와 시료간의 거리를 길게 하여 고에너지 비임 성분을 감쇠시키는 것이 유효하다.

그러나, 도20b에 도시된 바와 같이 가스압을 올린 경우에는 전자의 에너지가 축중심으로부터 떨어지면 급격히 감쇠되는 것을 반영하여 플라즈마 밀도가 축중심에 가까울수록 높아지고, 시료 표면에 있어서의 플라즈마 반응의 균일성이 악화된다는 문제가 있다.

또, 거리를 크게 하면 장치가 커져서 바람직하지 않다.

도21은 본원 발명 출원인의 출원에 관해 이미 일본 특허 출원 평8-68711호에서 개시된 것으로, 시료(201)면에 대해 평행한 방향으로 전자 비임을 가속하여 전자 비임 중의 고에너지 비임 성분이 시료(201)에 직접 입사하지 않도록 한 비임 평행 타입형 전자 비임 여기 플라즈마 장치의 예를 도시하는 블럭도이다.

음극(202)과 보조 전극(203)과 방전 전극(204)과 가속 전극(205)이 동축상에 일직선으로 배치되어 있으며, 각 전극의 중심 위치에 연통 구멍(애로)이 형성되어 있다.

방전 영역(206)에는 아르곤 가스 등 플라즈마 종류가 도입되고, 방전 전원(208)에 의해 음극(202)과 보조 전극(203), 방전 전극(204) 사이에서 전압 인가되어 플라즈마화되어 안정되게 방전이 지속된다.

가속 전극(205)에는 가속 전원(209)으로부터 가속 전압이 인가되어 방전 영역(206)의 아르곤 플라즈마로부터 대전류의 전자 비임이 가속 영역(207)으로 인출된다. 전자 비임은 더욱 가속 전극(205)의 연통 구멍을 지나 플라즈마 프로세스실(210)내에 도입되어, 실란 가스, 메탄 가스 등 플라즈마 프로세스실(210)내에 도입되는 재료 가스를 플라즈마화한다.

도22는 상기 비임에 평행 타입형 전자 비임 여기 플라즈마 장치에 있어서의 플라즈마 프로세스실(210)의 상태를 나타내는 그래프이다.

도22a는 시료 표면 전위를 나타내고, 횡축은 전자 비임을 인출하는 가속 전극(205)으로부터의 거리, 종축은 표면 전위를 각각 임의 단위로 나타내고 있다. 또, 도22a 중의 B-B는 도21 중의 화살표 B-B 위치에 시료를 놓은 경우의 시료 표면 전위를 나타낸다. 또, 도22b는 전자 비임축 근처와 시료 표면 근처의 플라즈마 밀도 분포를 나타내는 그래프이다. 횡축은 가속 전극으로부터의 거리, 종축은 플라즈마 밀도를 각각 임의 단위로 나타내고 있다. 또, 도22b 중의 A-A, B-B는 각각 도21 중의 화살표 A-A, 화살표 B-B 위치에 있어서의 플라즈마 농도를 나타내고 있다.

시료면은 상기 플라즈마 프로세스실(210)내의 전자 비임축와 평행하게 설치되어 있다. 이 때문에, 막 입사된 전자 비임쪽이 고에너지 성분을 많이 포함하고 있는 것을 반영하여 전자 비임 입사구인 가속 전극(205)에 가까운 위치쪽이 약간 낮은 전위로 되고, 또 전자 비임중의 고에너지 비임 성분이 시료(201)에 직접 입사되지 않기 때문에 시료 표면의 부유 전위(Vf)는 도20a에 도시하는 경우와 달리 깊은 침강을 갖고 있는 분포를 나타내지 않고, 완만한 분포를 나타내고 있다.

그러나, 플라즈마 밀도는 가속 전극(205)에 가까운 쪽이 크며 가속 전극(205)으로부터 떨어짐에 따라 저하되어 비임의 진행 방향에 따라 도22b에 도시한 바와 같은 분포를 갖는다. 이 때문에, 시료면의 전자 비임 상류측과 하류측에서 성막 등의 속도가 달라 막질 등이 균질하게 되지 않는다는 문제가 있고, 특히 대면적의 시료를 제작하는 것이 곤란하다는 문제가 있다.

또, 도19 또는 도21에 도시한 상기의 어느 형식의 장치에 있어서도, 애로 부분에서 완전 전리되는 이상의 전자를 보급할 수는 없고, 또 인출 애로가 단수이며 단수의 인출 애로를 지나 전자를 공급하려면 플라즈마 밀도를 높게 하는 면에서는 한계가 있다.

그래서, 본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제를 해소하고, 물리적 에칭 작용 혹은 이온 충격 작용의 적정화를 도모하는 것이 가능하고, 보다 큰 면적의 시료를 작성하는 것이 가능하며, 또 재료 가스 플라즈마의 밀도를 올리는 동시에 플라즈마 분포의 균일성을 향상시켜서 효율적으로 시료를 처리하는 것이 가능한 전자 비임 여기 플라즈마 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치는 열전자를 방출하기 위한 음극과 상기 음극 사이에서 가스 방전시키기 위한 방전 전극과 축선 방향에 대해 상기 방전 전극과 동축형으로 배치되어 있으며, 상기 음극과 상기 방전 전극 사이에 협지되어 배치되는 중간 전극과, 상기 음극과 상기 방전 전극 사이의 가스 방전에 의해 생성되는 방전 가스 플라즈마가 충만하는 방전실과 격벽을 거쳐서 상기 방전실과 인접하여 형성되어 있고, 처리될 시료의 처리면과 상기 축선 방향에 수직인 방향으로 위치하도록 배치되는 플라즈마 프로세스실과 각각이 상기 축선 방향에 대해 거의 수직인 방향으로 상기 격벽에 돌출 설치되어 있고, 상기 축선 방향의 주위에 방사형으로 분포하도록 형성된 복수의 인출 애로로서 상기 방전실내의 상기 방전 가스 플라즈마중의 전자를 상기 플라즈마 프로세스실로 인출하기 위한 복수의 인출 애로와, 상기 플라즈마 프로세스실에 설치되어 상기 인출 애로를 거쳐서 전자를 인출 가속하기 위한 가속 전극을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

상술한 발명에 있어서, 방전실과 플라즈마 프로세스실을 격리시키는 격벽에 복수의 인출 애로 각각이 방전 전극 및 중간 전극의 축선 방향에 대해 거의 수직인 방향으로 관통 형성되어 상기 축선 방향의 주위에 방사형으로 분포하도록 형성되어 있으므로, 방전실내의 방전 가스 플라즈마중의 전자는 인출 애로를 거쳐서 축선 방향에 대해 거의 수직인 방향으로 플라즈마 프로세스실로 인출되고, 인출된 전자에 의해 축선 방향에 대해 거의 수직인 방향으로 흐르는 전자 비임이 생성된다. 한 편, 처리될 시료의 처리면은 상기 축선 방향에 수직인 방향으로 플라즈마 프로세스실내에 위치한다. 따라서, 인출 애로를 거쳐서 인출되는 전자 비임이 시료의 처리면에 수직인 방향으로 타입되는 일이 없어지고, 전자 비임중의 고에너지 비임 성분이 직접 시료의 처리면에 충돌하는 일이 적어지며, 시료 표면에 있어서의 부유 전위의 침강이 없어져 물리적 에칭 작용 혹은 이온 충격 작용에 의해 시료의 처리면을 손상시킬 우려를 없앨 수 있고, 대면적을 갖고 있는 시료에 대해서도 균질된 처리가 가능하게 된다.

또, 상기 격벽에 복수의 인출 애로가 형성되어 있으므로 단수의 인출 애로가 형성되어 있는 종래의 경우와 달리, 인출 애로를 거쳐서 인출되는 전자 비임의 양을 많게 할 수 있고, 플라즈마 프로세스실내의 플라즈마 밀도를 높게 하는 것이 가능하게 된다.

또, 상기 복수의 인출 애로는 상기 축선 방향의 주위에 방사형으로 분포하도록 형성되어 있으므로 인출된 고속 전자에 의해 링형의 고밀도 플라즈마가 생성되고, 그 하방에서는 플라즈마 분포의 균일성을 향상시킬 수 있어 보다 큰 면적의 시료를 처리하는 것이 가능하게 된다.

또, 상기 격벽이 도전체로 형성되고, 상기 격벽이 상기 방전 전극을 겸하고 있어도 좋다. 이에 의해 인출 애로의 부분을 방전 전극으로서 기능하도록 할 수 있고, 방전실내의 플라즈마(방전 가스 플라즈마)로부터 전자류를 보다 높은 효율로 인출할 수 있다.

또, 인출 애로의 부분을 방전 전극으로 한 경우, 상기 인출 애로의 상기 프로세스 플라즈마실측의 표면이 절연 재료로 피복되어 있는 것을 특징으로 한다. 또, 상기 인출 애로의 표면이 절연 재료로 피복되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 절연 재료에 의한 피복으로 플라즈마 프로세스실내의 플라즈마와 방전 전극 사이의 전압 경사를 완만하게, 그리고 표면을 보호함으로써, 고에너지 이온이 방전 전극에 충돌하여 손상을 일으키거나 전극 물질이 플라즈마에 혼입하여 불순물이 되는 것을 방지할 수 있다.

또, 상기 방전실이 상기 중간 전극과 상기 방전 전극 사이에 형성되어 있어도 좋다. 이에 의해, 장치의 소형화를 도모할 수 있다.

또, 상기 방전실이 상기 중간 전극 및 상기 방전 전극 양자의 하방부에 형성되어 있어도 좋으며, 방전실은 방전 전극과 인출 애로 사이에 설치된다. 이에 의해, 방전실 공간에서 발생하는 플라즈마중의 이온에 의한 방전 전극에 대한 스퍼터링을 막음으로써 오염의 발생을 막고, 또 방전 전극의 마모를 경감시킬 수 있다.

또, 상기 방전 전극의 상기 중간 전극측이 절연물로 덮여 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 음극으로부터 나오는 전자류 중에서 방전실 공간으로 빠져나가지 않는 방전 전극에 직접 유입되는 손실 전류를 억제함으로써, 플라즈마 프로세스실로의 전자 인출량을 늘릴 수 있다.

또, 상기 방전 전극의 상기 인출 애로측이 절연물로 덮여 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 방전실 공간에서 발생하는 이온에 의한 전극의 스퍼터링 마모를 보다 잘 막을 수 있다.

또, 상기 플라즈마 프로세스실의 벽면이 상기 가속 전극을 겸하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 재료 가스의 플라즈마가 플라즈마 프로세스실내의 전체에 균일하고 넓게 분포시킬 수 있으며, 시료의 처리면에 있어서의 플라즈마 밀도의 분포를 균등하게 할 수 있어 균질한 처리를 행할 수 있다.

또, 자계를 생성하기 위한 단일의 공심 코일이 상기 중간 전극 및 상기 방전 전극의 양자에 대해서 동축형으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 방전실중의 플라즈마(방전 가스 플라즈마)의 수속 효과를 더욱 높일 수 있다. 또, 코일을 1개로 함으로써 비용의 저감을 도모할 수 있다. 또, 이 공심 코일에 의해 중간 전극 또는 방전 전극의 연통 구멍을 보다 원활하게 통과시킬 수 있다.

또, 상기 인출 애로는 상기 시료면에 대해 거의 평행하게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 인출 애로로부터 인출되는 전자류가 시료의 처리면에 직접 충동하는 일이 없어지고, 또 플라즈마 프로세스실내의 재료 가스인 플라즈마가 시료까지 도달할 때까지는 플라즈마 밀도의 편재도 완화되어, 시료 처리면에 있어서의 플라즈마 처리 작용을 극히 균질되게 할 수 있다.

또, 상기 방전실은 상기 축선 방향으로 상기 플라즈마 프로세스실내로 돌출되어 원통 형상으로 형성되어 있고, 상기 인출 애로는 상기 원통 형상 방전실의 측벽면에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 단순한 구성으로 복수의 인출 애로를 축선 방향에 거의 수직인 방향으로 관통 형성하여 축선 방향의 주위에 방사형으로 분포시킬 수 있다. 또, 전자류가 시료 처리면에 직접 충돌하는 일이 없고, 또 재료 가스의 플라즈마가 시료 처리면까지 도달할 때까지는 플라즈마 밀도의 편재가 완화되어, 시료 처리면에 있어서의 플라즈마 작용을 극히 균질하게 할 수 있다.

또, 상기 방전실은 상기 축선 방향으로 상기 플라즈마 프로세스실의 상부 외주면을 둘러싸도록 링 원통 형상으로 형성되어 있고, 상기 인출 애로는 상기 링 원통 형상의 내측 측벽면에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 단순한 구성으로 복수의 인출 애로를 축선 방향에 거의 수직인 방향으로 돌출 설치하여 축선 방향의 주위에 방사형으로 분포시킬 수 있다. 또, 전자가 플라즈마 프로세스실의 중심을 향해 방사형으로 분출하도록 하여 전자류가 시료 처리면에 직접 충돌하는 일이 없고, 또 재료 가스의 플라즈마가 시료 처리면까지 도달할 때까지는 플라즈마 밀도의 편재가 완화되어, 시료 처리면에 있어서의 플라즈마 작용을 극히 균질하게 할 수 있다.

또, 상기 플라즈마 프로세스실의 벽면이 상기 가속 전극을 겸하는 동시에, 제2 가속 전극이 상기 시료의 상기 처리면과 대향하여 배치되어 있으며, 상기 링 원통 형상의 내측 측벽면에 형성된 상기 인출 애로는 상기 제2 가속 전극과 상기 처리면 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 플라즈마 프로세스실의 벽면이 겸하는 가속 전극 외에 제2 가속 전극을 설치하고, 인출 애로는 제2 가속 전극과 시료 처리면 사이에 위치하므로 인출 애로로부터 흘러나오는 전자류는 시료의 처리면과 반대의 방향으로 흐르기 때문에, 전자 비임 중의 고에너지 비임 성분이 시료 처리면에 충돌하는 것이 억제되어, 시료 처리면에 있어서의 물리적 에칭 작용을 배제하는 것이 가능하게 된다.

또, 상기 가속 전극은 상기 플라즈마 프로세스실의 측벽 내주면의 내측에 상기 축선 방향에 대해 동축형으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 플라즈마 프로세스실의 내벽에 플라즈마가 충돌하는 것을 적게 할 수 있으며, 플라즈마 프로세스실 내벽 온도의 상승을 억제할 수 있고, 이 때문에 벽으로부터의 불순물 발생이나 그 불순물 성막증에의 혼입을 막는다. 또, 이 경우 가속 전극은 원통형, 토러스형 또는 스파이럴형 중 어느 형상을 갖는 것이 적합하다.

또, 상기 가속 전극에는 그 온도를 제어하는 온도 제어 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의해 가속 전극을 예를 들어 자기 발열함으로써, 예를 들어 메탄을 프로세스 가스로 한 경우 등에 성막으로서 가속 전극에 부착하는 절연성의 DLC(다이아몬드형 카본)를 변질시켜 도전성의 그라파이트로 바꿀 수 있어, 안정된 방전을 장시간에 걸쳐 유지할 수 있다.

또, 상기 인출 애로가 상기 음극, 상기 중간 전극, 상기 방전 전극 및 상기 가속 전극으로부터 전기적으로 절연되어 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의해 인출 애로가 다른 전극으로부터 절연되어 있으며, 인출 애로는 플라즈마 전위와 방전 전극 전위의 중간적 전위를 갖도록 되므로, 인출 애로로의 엔칭 작용이 완화되어 오염의 위험이 감소되는 동시에 장치의 수명을 연장할 수 있다.

또, 상기 인출 애로가 형성되는 상기 격벽의 부분은 절연 재료로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 인출 애로에 대해 특히 전기적인 절연을 실시하지 않아도 용이하게 다른 전극과 전기적 절연을 할 수 있어, 장치를 간편하게 구성할 수 있다. 인출 애로 부분을 형성하는 절연 재료로서는 알루미나, 질화 알루미늄 또는 석영 중 어느 하나 혹은 이들의 혼합물인 것이 바람직하다. 이들 재료는 비교적 용이하게 고성능의 성형품으로서 얻을 수 있어 경제적으로 장치를 구성할 수 있다.

또, 상기 플라즈마 프로세스실의 외주를 둘러싸도록 다극자극이 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 플라즈마 프로세스실내에 플라즈마의 차단을 효과적으로 행할 수 있으며, 플라즈마와 내벽의 간섭이 적어져 플라즈마 프로세스실 내벽의 온도 상승에 따라 방출되는 불순물을 감소시켜 성막중에 불순물이 혼입하는 것을 막을 수 있다.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제를 해소하고, 물리적 에칭 작용 혹은 이온 충격 작용의 적정화를 도모하는 것이 가능하고, 보다 큰 면적의 시료를 작성하는 것이 가능하며, 또 재료 가스 플라즈마의 밀도를 올리는 동시에 플라즈마 분포의 균일성을 향상시켜서 효율적으로 시료를 처리하는 것이 가능한 전자 비임 여기 플라즈마 장치를 제공하는 것이다.

도1은 본 발명의 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치의 제1 실시예의 단면도이다.

도2는 제1 실시예에 있어서의 가동중의 플라즈마 밀도 분포와 시료 표면 전위를 설명하는 그래프이다.

도3은 제1 실시예에 있어서의 방전실의 격벽에 대해 다른 양태를 나타내는 확대 단면도이다.

도4는 제1 실시예에 있어서의 인출 애로에 대해 다른 양태를 나타내는 확대 단면도이다.

도5는 제1 실시예에 있어서의 플라즈마 프로세스실에 대해 다른 양태를 나타내는 확대 단면도이다.

도6은 본 발명의 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치의 제2 실시예의 단면도이다.

도7은 본 발명의 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치의 제3 실시예의 단면도이다.

도8은 제3 실시예에 있어서의 공심 코일의 다른 양태를 나타내는 확대 단면도이다.

도9는 제3 실시예에 있어서의 방전 전극에 대해 다른 종류의 양태 (a), (b), (c)를 나타내는 확대 단면도이다.

도10은 제3 실시예에 있어서의 방전 전극에 대해 또 다른 종류의 양태 (a), (b), (c)를 나타내는 확대 단면도이다.

도11a, 도11b, 도11c는 제3 실시예에 있어서의 가속 전극에 대해 각각 다른 양태를 나타내는 단면도이다.

도12a, 도12b, 도12c는 제3 실시예에 있어서의 가속 전극에 대해 가속 기구를 부속하는 양태를 나타내는 사시도 및 블럭도이다.

도13은 제3 실시예에 있어서의 가속 전극에 대해 온도 조정 기구를 부속하는 양태를 나타내는 블럭도이다.

도14는 제3 실시예에 있어서의 가속 전극에 대해 온도 조정 기구를 부속하는 다른 양태를 나타내는 블럭도이다.

도15는 제3 실시예에 있어서의 가속 전극에 대해 온도 조정 기구를 부속하는 또 다른 양태를 나타내는 블럭도이다.

도16은 제3 실시예에 있어서의 가속 전극에 대해 열의 회수 이용을 도모하는 양태를 나타내는 블럭도이다.

도17은 제3 실시예에 있어서 플라즈마실의 외측에 다극전극을 설치하여 플라즈마의 차단을 행하도록 한 상태를 도시하는 측면 단면도이다.

도18은 도17의 C-C에 있어서의 단면도이다.

도19는 종래의 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치의 전형예를 도시하는 블럭도이다.

도20a, 도20b는 도19의 장치에 있어서의 가동중의 시료 표면 전위와 플라즈마 밀도 분포를 설명하는 그래프이다.

도21은 본 발명자들이 먼저 개시한 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치의 예를 도시하는 블럭도이다.

도22a, 도22b는 도21의 장치에 있어서의 가동중의 시료 표면 전위와 플라즈마 밀도 분포를 설명하는 그래프이다.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 음극실

2 : 방전실

3 : 플라즈마 프로세스실

11 : 음극

13 : 중간 전극

21 : 격벽

22 : 연통 구멍

23 : 방전 전극

이하, 본 발명에 관한 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치의 실시 형태를 도면을 이용하여 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명하기로 한다.

실시예 1

도1은 본 발명의 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치의 제1 실시예를 설명하는 단면도이다.

본 실시예의 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치는 음극실(1)과 방전실(2)과 플라즈마 프로세스실(3)이 연직 방향으로 배치되어 있다.

음극실(1)과 방전실(2)은 중간 전극(13)으로 격리되어 있다. 음극실(1)에는 열전자를 방출하는 필라멘트를 구비한 음극(11)이 설치되어 있다. 또 가스 노즐(12)이 설치되어 아르곤 가스(Ar) 등의 불활성 가스가 공급된다. 중간 전극(13)은 중앙에 연통 구멍(14)을 구비하여 불활성 가스와 전자가 방전실(2)로 유입될 수 있도록 되어 있다. 중간 전극(13)에는 한 쌍의 공심 코일(15, 16)이 연통 구멍(14)과 동축으로 장치되어 있다.

방전실(2)은 플라즈마 프로세스실(3) 안에 돌출하는 통형의 형상을 띠고 있으며, 플라즈마 프로세서실(3)과 사이에 두고 있는 벽(21)은 석영 유리로 형성되어 있다. 석영 유리제의 격벽(21)의 측주면 부분에는 다수의 연통 구멍(22)이 설치되어 있으며, 이 연통 구멍(22)이 전자 비임을 위한 인출 애로(22)를 형성하고 있다. 또, 방전실(2)의 중간 전극(13)에 대향하는 위치에 방전 전극(23)이 설치되어 있다. 중간 전극(13)과 방전 전극(23)은 모두 장치의 축선(90)에 대해서 동축형으로 설치되어 있다. 방전 전극(23)에는 유입되는 전자 비임에 의해 발생하는 열을 제거하기 위한 수냉 공기 유통관을 통과시켜도 좋다.

플라즈마 프로세스실(3)의 주벽(31)이 가속 전극의 기능을 겸하고 있다. 주벽(31)에는 프로세스 가스를 도입하는 가스 노즐(32)과 도시하지 않은 진공 장치에 연결되는 배기구(33)가 형성되어 있다. 또, 방전실(2)에 대향하는 위치에 시료 홀더(34)가 설치되어 있다. 시료 홀더(34)는 시료(35)를 적재하여 회전시키거나 상하 방향으로 움직이게 할 수 있는 구조로 되어 있다.

상기의 각 전극은 직렬로 접속된 가열용 전원(41)과 방전용 전원(42)과 가속용 전원(43)으로 형성되어 있는 외부의 직류 전원과 접속되어 있으며, 플라즈마 형성과 플라즈마 반응에 필요한 전류·전압이 공급되고 있다. 즉, 가열용 전원(41)이 음극(11)의 필라멘트에 가열 전류를 공급하고, 음극(11)과 방전 전극(23) 사이에 방전용 전원(42)의 양단자가 접속되어 있어 양자 사이에 방전 전압을 공급하고, 또 가속용 전원(43)의 양극이 접속되어 기준 전위를 확정하는 동시에 가속 전극(31)과 접속되어 있어 방전실(2) 안의 플라즈마체로부터 전자를 인출하는 가속 전압을 공급한다. 또, 중간 전극(13)은 방전 전극(42)의 양극과 저항기(45)와 스위치(46)를 거쳐서 접속되어 있다.

또, 시료 홀더(34)는 고주파 전원 장치(44)에 접속되어 있으며, 적당한 RF 바이어스를 인가함으로써 시료 표면의 이온 조사 에너지를 억제할 수 있도록 되어 있다.

음극실(1)에는 플라즈마 종류인 아르곤 가스가 공급된다. 음극(11)에 가열용 전원(41)으로부터의 전류가 흐르면 주위에 열전자가 방출되고, 아르곤 가스의 공급하에서 방전 전극(23)에 방전용 전원(42)의 전압이 걸리면, 방전 전극(23)과 중간 전극(13) 사이에 생기는 초기 방전을 중개로 하여 음극(11)와 방전 전극(23) 사이에 방전이 생긴다.

또, 중간 전극(13)에 장치되어 있는 내측 코일(14)의 움직임에 의해 전자류는 충분히 미세하게 되어 연통 구멍(14)을 통과한다. 이 때 외측 코일(16)에 내측 코일(!5)과 역방향의 전류를 흐르게 하여 코일(15)의 축선 연장상의 자장을 상쇄하고, 방전실(2)내의 자계 분포를 완만하게 하여 전자가 방전실(2)내 가득히 확산되도록 한다. 이 때문에 음극실(1)로부터 유입되는 불활성 가스가 플라즈마화되어 플라즈마(24)가 방전실(2)에 가득 찬다.

재료 가스는 플라즈마 프로세스실(3)에 설치된 가스 공급구(32)로부터 공급되어 배기구(33)로부터 배출된다. 플라즈마 프로세스실(3)내의 압력은 도시하지 않은 압력 조정 기구에 의해 플라즈마 반응중 일정하게 보유된다.

방전 전극(23)과 가속 전극을 겸하고 있는 프로세스실 주벽(31)의 사이에 가속용 전원(43)의 전압을 인가시키면 인출 애로(22)를 거쳐서 방전실(2)내의 플라즈마(24)로부터 플라즈마 프로세스실(3)에 전자류가 인출된다. 방전실(2)내의 플라즈마(24)로부터 플라즈마 프로세스실(3)에 인출되는 전자류의 유출 방향은 방전실(2)내의 방전 전류 방향에 대해 거의 수직이다.

방전실(2)내의 아르곤 플라즈마(24)로부터 인출된 전자류는 플라즈마 프로세스실(3)내의 가스 분자를 전리·해리하여 플라즈마형으로 하여, 재료 가스 플라즈마를 생성한다. 인출 애로(22)가 방전실(2) 격벽(21)의 측주면 부분에 다수 설치되어 있으므로, 또 더욱 플라즈마 프로세스실(3)에 있어서의 전자 비임에 차지하는 고에너지 성분의 비율이 크고 프로세스 가스의 전리·해리 효율이 높으므로, 플라즈마 프로세스실(3)에 있어서의 재료 가스 플라즈마의 밀도를 높게 할 수 있다.

플라즈마화된 가스는 각각의 목적에 따라 처리되어, 시료대(34)에 탑재된 시료(35)와 반응하여 제품을 형성한다.

도2는 상기 실시예에 있어서의 가동중의 플라즈마 밀도 분포와 시료 표면 전위를 설명하는 그래프이다. 도2에서는 시료 홀더(34)를 횡단하는 방향의 거리를 횡축에, 또 플라즈마 밀도와 시료 표면 전위를 종축에, 각각 임의 눈금으로 표시되어 있다.

도1 중에 도시하는 방전실(2)의 바로 밑에 닿는 수평 위치 A-A에 있어서의 플라즈마 밀도는 인출 애로(22)로부터 전자 비임의 인출 직후가 높고, 인출 애로(22)로부터 떨어짐에 따라 저하되는 불균일한 분포를 나타낸다. 그러나, 적당한 거리를 이동하는 동안에 완화되어, 시료 표면 가까이의 수평 위치 B-B에서는 극히 평탄한 분포 상태로 되어 있다.

또, 방전실(2)로부터 인출된 전자류가 시료(35) 표면에 직접적으로 충돌하는 일이 없기 때문에, 시료(35) 표면에 있어서의 부유 전위는 침강이 없어져 평탄한 시료 표면 전위 분포를 실현시킬 수 있다.

따라서, 큰 면적을 갖고 있는 시료를 이용하여도 플라즈마 반응은 전면적에 걸쳐서 균등하여, 충분히 균질한 제품을 제작할 수 있다.

다음으로, 도3 내지 도5를 참조하여 본 실시예에 있어서의 구성 요소의 다른 양태에 대해서 설명하기로 한다. 도3 내지 도5는 다른 양태를 나타내는 부분도이다.

본 실시예의 상술한 설명에서는 방전실(2)과 플라즈마 프로세스실(3)에 격벽(21)을 절연체의 석영 유리로 형성하는 것으로 했지만, 도3에 도시한 바와 같이 격벽(21)을 도전체(25)로 형성하여도 좋다. 격벽(21)의 플라즈마 프로세스실(3)측의 표면은 절연성 코팅(26)을 입히고, 격벽(21)의 몸통부에는 방사형으로 다수의 연통 구멍(22)을 설치하여 인출 애로(22)로 한다. 격벽(21)의 도전체 부분(25)을 방전용 전원(42)에 접속시켜 방전 전극으로서 사용한다.

절연성 코팅(26)을 플라즈마 프로세스실(3)측 표면 부분뿐만 아니라, 도4에 도시한 바와 같이 인출 애로(22)의 내벽 부분에도 미치게끔 피복하도록 구성함으로써, 인출 애로(22)의 부분이 대전류 전자 비임에 의해 열적 손상을 입거나 이온의 스퍼터링 작용에 의해 튀어나온 금속 입자에 의한 오염을 일으키거나 하는 것을 방지할 수 있다.

또, 도5에 요부를 도시한 바와 같이 플라즈마 프로세스실(3)내에 별도로 가속 전극(36)을 설치하여 주벽(31)과의 사이를 전기적으로 절연하도록 해도 좋다. 이와 같이 하면 프로세스실(3)의 벽면에 전자 비임이 직접 유입되지 않기 때문에, 주벽(31)의 벽면 온도를 적당하게 보유할 수 있고, 주벽(31)에 흡착된 물질이 조업중에 재이탈하여 플라즈마에 섞이는 것을 억제할 수 있다.

또, 상기 실시예에서는 방전실(2)의 인출 애로 부분(22)을 절연 재료의 석영 유리로 형성했지만, 그 밖에도 알루미나나 질화 알루미늄으로 형성할 수도 있다. 이와 같은 재질에 의하면 플라즈마의 고온에도 견디고, 특히 운전시의 급격한 입상 등 열이력을 기초로 하는 열충격에도 잘 견디는 데다가, 고진공하에서 열을 받아도 내부로부터 발생하는 가스가 적기 때문에 불순물이 적은 양질의 반응 가스 플라즈마를 얻을 수 있다. 또 질화 알루미늄은 세라믹이면서 열전도성이 높고, 배열을 촉진시키므로 장치의 변형이나 열응력에 의한 단점을 피할 수 있다. 또, 석영은 이온에 의한 스퍼터링률이 극히 작기 때문에 마모손실을 최소로 할 수 있다.

실시예 2

도6은 본 발명의 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치의 제2 실시예를 설명하는 단면도이다.

본 실시예의 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치는 플라즈마 프로세스실(3)의 외벽을 2중으로 하여 방전실(2)로서 형성하고, 방전실(2) 내측의 벽에 복수의 인출 애로(22)를 설치하고 있다. 방전실(2) 내의 전자는 인출 애로(22)를 거쳐서 플라즈마 프로세스실(3)의 중심을 향해 방사형으로 분출하도록 되어 있으며, 본 실시예의 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치는 실시예 1의 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치와 마찬가지의 기능을 갖고 있다.

그래서, 도면 중 도1과 같은 기능을 나타내는 부분에 같은 참조 번호를 붙임으로써 이해가 쉽게 될 수 있도록 했다.

제2 실시예에 관한 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치에서는 음극실(1)에 이어서 배치되어 있는 방전실(2)이 2중으로 된 벨져 형상을 띠고 있으며, 이 방전실(2)이 플라즈마 프로세스실(3) 상부 절반의 외측 부분을 점유하고 있다.

음극실(1)과 방전실(2)을 가로지르는 중간 전극(13)에는 연통 구멍(14)과 동축에 1개 또는 1쌍의 공심 코일(15)이 매립되어 있다. 방전실(2)에는 선단부에 방전 전극(23)이 원환형으로 설치되어 있는 외에, 중간 전극(13) 연통 구멍(14)의 축 연장상에 원반형의 보조 전극(27)이 설치되어 있다. 방전실(2) 내측의 벽에는 내측을 향해 넓은 직경의 다수의 연통 구멍(22)이 열려져 있어 인출 애로(22)를 형성하고 있다.

플라즈마 프로세스실(3)에는 상기 인출 애로(22)의 인출 방향으로 평행학 시료(35)를 적재하는 면을 갖고 있으며 회전 및 승강이 가능한 시료 홀더(34)가 설치되어 있다. 또, 하부 절반의 벽면(31)이 제1 가속 전극을 형성하는 동시에 천정 부분에 제2 가속 전극(37)이 설치되어 있다. 또, 인출 애로(22)의 높이에 가스 샤워링(38)이 설치되어 있다. 가스 샤워링(38)은 원환형의 튜브로 외측을 향해 다수의 가스 분출구가 열려져 있다. 가스 샤워링(38)에는 프로세스 가스를 공급하는 파이프(39)가 연결되어 있다. 파이프(39)는 플라즈마 프로세스실(3)의 저면에 대해 상하 방향으로 이동할 수 있도록 되어 있어 가스 샤워링(38)의 높이를 조정할 수 있다.

가열용 전원(41)이 음극(11)의 필라멘트에 가열 전류를 공급한다. 음극(11)에는 방전용 전원(42)의 음극 단자가 접속되어 있으며, 방전 전극(23)에 방전용 전원(42)의 양극 단자가 접속되어 있다. 또, 중간 전극(13)과 보조 전극(27)이 각각 스위치(46, 48)를 갖고 있는 저항기(45, 47)를 거쳐서 방전용 전원(42)의 양극 단자에 접속되어 있다.

또, 가속용 전원(43)의 접지 양극이 각각 가변 저항(49, 50)을 거쳐서 가속 전극(31) 및 제2 가속 전극(37)과 접속되어 있다.

또, 도시하지 않지만 시료 홀더(34)는 고주파 전원 장치에 접속되어 있다.

음극(11)에 가열용 전원(41)으로부터의 전류를 흐르게 하면 주위에 열전자가 방출되고, 또 음극실(1)에 불활성 가스를 공급하면 방전용 전원(42)에 의해 음극(11)과 중간 전극(13) 사이에 생기는 초기 방전을 중개로 하여 음극(11)와 보조 전극(27) 사이에 방전이 생긴다. 여기에서 보조 전극(27)을 방전용 전원(42)으로부터 절단하면 더욱 방전 전극(23)까지 플라즈마가 생성되고, 음극(11)으로부터 방전 전극(23)에 달하는 플라즈마가 안정되게 존재하게 된다.

또, 중간 전극(13)에 장치되어 있는 공심 코일(15)의 움직임에 의해 전자는 충분히 미세한 흐름으로 되어 연통 구멍(14)을 통과한다. 또, 1쌍의 공심 코일(15, 16)을 이용한 경우에는 방전실(2)내의 자계 분포를 완만하게 하기 때문에 플라즈마가 방전실(2)내 가득히 찬다.

여기에서 가속용 전원(43)으로부터의 전압이 가속 전극(31)이나 제2 가속 전극(37)에 인가되어 있으면 인출 애로(22)를 지나 방전실(2)내의 플라즈마로부터 대전류가 인출되어 플라즈마 프로세스실(3)내로 유입된다. 전자류는 플라즈마 프로세스실(3)의 주위에서 중심을 향하는 방향으로 흐른다.

한 편, 플라즈마 프로세스실(3)에 도입되는 프로세스 가스는 가스 샤워링(38)의 가스 분출구를 지나 방의 주위로부터 유입해오는 전자류 내로 분출되어 플라즈마화된다. 가스 샤워링(38)의 가스 분출구는 플라즈마 프로세스실(3)의 주벽을 향해 개구되어 있으므로, 전자류 중의 에너지가 보다 큰 인출 애로(22)의 부근에 효율좋게 공급되기 때문에, 플라즈마 밀도는 높고 공간적 분포 상태는 비교적 평균화되어 있다.

프로세스 가스의 플라즈마가 시료 홀더(34)상의 시료(35) 표면과 반응하여 제품을 생성한다. 본 실시예에서는 전자류의 방향은 시료 표면에 대해서 거의 평행하기 때문에, 고에너지 비임 성분이 직접 충돌하여 표면의 부유 전위 분포를 흐트러뜨리는 일이 없고, 플라즈마 밀도도 시료 표면 부근에서 평균화되어 있기 때문에 대면적의 시료에 대해서도 균질한 제품을 얻을 수 있다.

또, 플라즈마 프로세스실(3)의 천정에는 시료 홀더(34)의 적재면과 대향하여 제2 가속 전극(37)이 설치되어 있다. 제2 가속 전극(37)과 시료 홀더(34)의 적재면 사이에서 인출 애로(22)로부터 인출되는 전자류의 궤도가 좁혀져 있으므로, 인출 애로(22)로부터 인출되는 전자류는 시료(35)의 표면을 향하는 방향으로 투사되지 않도록 할 수 있다.

또, 가속 전극(31)에 접속된 가변 저항기(50)와 제2 가속 전극(37)과 접속된 가변 저항기(49)를 조정함으로써, 가속된 전자가 플라즈마 프로세스실(3) 하부 내면의 가속 전극(31)과 제2 가속 전극(37)에 유입되는 비율을 바꿔 플라즈마의 형상을 제어할 수 있다.

또, 가스 샤워링(38)의 높이를 바꿈으로써 가스의 전리 해리의 정도를 조정할 수 있어, 최적한 성막 조건으로 성막을 행할 수 있다.

또, 가스 샤워링(38)의 형상 및 수량 또 가스 분출구의 수나 방향도 필요로 하는 플라즈마 밀도 분포에 따라 적당하게 선택할 수 있다.

또, 시료 홀더(34)의 높이를 조절함으로써 시료(35)에 작용하는 플라즈마 밀도나 플라즈마 밀도 분포를 조정할 수 있다. 또, 시료 홀더(34)를 회전시킴으로써 플라즈마 밀도 분포에 불균일이 있는 경우라도 균질한 반응을 일으키는 것이 가능하게 된다.

또, 도6에서는 방전실(2)로부터의 전자류 분출 방향이 거의 수평으로 되어 있지만, 시료(35)의 표면에 대해 적당한 각도를 갖고 있으면 충분하다는 것은 말할 필요도 없다. 또, 따라서 방전실(2)의 내벽도 수직일 필요는 없다.

또, 보조 전극(27)은 중간 전극(13)과 대향하는 위치에 놓여진 원반형 전극으로 했지만, 중간 전극(13)과 축을 같게 하는 원환형 전극으로서 전자가 원환 내를 통과하도록 해도 좋다.

또 방전 전극(23)을 원반형으로 하는 대신에 복수의 부채형 전극으로 분할하여 각각 조정 가능한 저항기를 거쳐서 방전용 전원(42)의 양극측에 접속하도록 해도 좋다. 이와 같은 형태로 함으로써 방전을 균일하게 생성하고, 그 결과 각각의 인출구로부터 인출되는 전자류의 플럭스를 균일하게 할 수 있다.

실시예 3

도7은 본 발명의 제3 실시예를 설명하는 원리도이다.

본 실시예가 상기의 실시예 1과 다른 점은 방전 전극(23)의 위치를 바꿔 방전부의 순서를 변경하는 점에 있으므로 앞의 실시예와 다른 부분만을 설명하기로 한다.

또, 도면 중 도1과 같은 기능을 갖고 있는 요소에 대해서는 같은 참조 부호를 붙임으로써 설명을 생략하기로 한다.

방전 전극(23)의 위치 이외에는 거의 실시예 1과 마찬가지로 배치되어 있으며, 방전 전극(23)은 중간 전극(13)의 바로 밑이며 방전실(2)의 바로 위에 위치한다.

음극(11)과 방전 전극(23) 사이에 인가되는 전압에 의해 공급되는 불활성 가스인 Ar이 플라즈마화된다.

방전 전극(23)의 내부에는 공심 코일(17)이 묻혀져 있고, 중간 전극(13)의 연통 구멍(14)을 통과한 전자류의 대부분이 직접적으로는 방전 전극(3)에 유입되지 않아 방전 전극(23)의 연통 구멍(29)을 통과하여 방전실(2)내로 유입되고, 여기에서 플라즈마(24)를 생성한 후에 방전 전극(23)에 유입된다.

또, 중간 전극(13)과 방전 전극(23)의 내부에 각각 공심 코일을 매립하는 대신에 도8에 확대하여 도시한 바와 같이, 양전극을 포함하는 영역에 1개의 대구경 공심 코일(18)을 전극과 동축에 설치하도록 하여도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 이와 같이 전극의 외부에 공심 코일을 배치하는 경우에는 전극내에 매립하는 것과 비교하면 보다 자유로운 설계가 가능하며 제작 조립도 용이하게 된다.

도9 및 도10은 본 실시예 중의 방전 전극(23)에 대해 다른 양태를 도시하고 있는 것이다.

도9의 (a)는 방전 전극(23)의 중간 전극(13)측을 절연판(28)으로 덮은 것이며, 이에 의해 방전 전극(23)의 연통 구멍(29)을 빠져나가는 전류가 많아지기 때문에 방전실(2)에 있어서의 전자류의 밀도를 높게 할 수 있다. 이 때문에 플라즈마(24)의 밀도도 높아지고, 플라즈마 프로세스실(3)로의 전자 공급량도 증가된다. 또, 도9의 (b) 혹은 (c)와 같이 방전 전극(23)에 설치된 연통 구멍(29)의 내부까지도 절연판(28)으로 덮어도 좋다.

도10의 (a)는 방전 전극(23)의 방전실(2)측을 절연판(28)으로 덮은 것이다. 절연판(28)을 설치함으로써 방전실(2) 안의 이온에 의한 스퍼터링 작용을 받기 힘들게 되고 금속 입자의 튀어나옴이 적어지므로, 이에 의한 오염도 적어진다. 또, 도10의 (b) 또는 (c)와 같이 방전 전극에 설치된 연통 구멍(29)의 내부까지도 절연판(28)으로 덮어 버려도 좋다.

또, 도9의 (a)에서 (c)에서 도시한 것의 어느 하나와 도10의 (a)부터 (c)에서 도시한 것의 어느 하나를 각각 조립하여 사용할 수도 있다.

도11a, 도11b, 도11c는 본 실시예의 다른 양태를 설명하는 도면이다.

도11a에 대해서 본 양태가 상기의 양태와 다른 점은 플라즈마 프로세스실(3)내에 설치된 원통형의 전극(36)을 가속 전극으로서 사용하는 점에 있으므로, 앞의 양태와 다른 부분만을 설명하기로 한다. 또, 도면 중 도7과 같은 기능을 갖고 있는 요소에 대해서는 같은 참조 부호를 붙임으로써 설명을 생략하기로 한다.

원통형의 가속 전극(36)은 플라즈마 프로세스실(3)내에 설치되어 있으며, 플라즈마 프로세스실(3)의 내벽과 절연된 상태에서 가속용 전원(43)에 접속되어 있다. 이 때문에 플라즈마 프로세스실(3)의 벽면에 플라즈마가 유입되는 일이 없으므로 벽면 온도의 상승이 적고, 벽면 온도의 조절도 하기 쉬우므로 벽으로부터의 불순물 발생을 억제할 수 있고, 나아가서는 시료면으로의 불순물의 혼입도 억제할 수 있다.

프로세스 가스로서 메탄을 공급한 경우에는 DLC(다이아몬드형 카본)막이 시료면상이나 전극상 등에 생성되고, 가속 전극(36)상에 부착된 경우에는 DLC막의 절연성을 위한 안정된 방전이나 전자류의 가속을 장시간 유지할 수 없게 된다. 그래서, 가속 전극(36) 자체를 자기 가열하도록 하여 운전중에 400℃ 이상으로 되도록 함으로써 가속 전극(36)상에 부착된 절연성의 DLC막을 변질시켜 도전성의 그라파이트로 바꿈으로써, 항상 양호한 도전성을 확보하도록 하여 안정된 방전을 장시간 유지할 수 있게 된다.

또, 가속 전극(36)은 도11b와 같이 스텐레스나 몰리브덴 등의 내열성 재료로 형성된 파이프를 토러스형으로 하여 사용하여도 좋고, 도11c와 같이 스파이럴형으로 형성하여 사용하여도 좋다. 이들의 경우에는 파이프의 중공 부분에 열매 순환 배관을 접속시키고, 실리콘이나 질소 가스 등의 열매 유량과 온도에 의해 전극 표면 온도를 조절할 수 있도록 해 두면 더욱 좋다.

도12a는 도11a에 있어서의 원통형의 가속 전극(36)을 도시하고 있다. 또, 도12b나 도12c는 파이프 가공된 가속 전극(36)에 전열 히터(52, 53)를 부가함으로써 온도 조절을 더욱 용이하게 한 형태를 나타낸 것이다.

도12a는 원통형 가열 전극(36) 내부에 매립 히터(53)를 장치시켜 전원(51)으로 온도 조정하도록 한 것의 사시도이며, 도12b는 파이프 가공 가열 전극(36)의 외측에 시스 히터(Sheath heater)(52)를 권취하여 전원(51)으로 온도 조정하도록 한 것을 나타내고 있고, 또 도12c는 파이프 가공 가열 전극(36)의 파이프 내부에 히터(53)를 장치시킨 것을 도시하고 있다.

이들 자기 가열형 가속 전극(36)은 플라즈마 밀도가 낮고 가속 전극(36)으로의 플라즈마로부터의 전자 유입이 적기 때문에 충분히 온도가 상승하지 않는 경우에 유효하다.

도13에서 도16은 온도 제어계를 이용하여 온도를 관리하도록 한 가속 전극(36)을 나타낸 것이다.

도13은 내부에 히터(52)와 자켓(55) 및 온도 검출단(58)이 매립되어 있는 원통형 가속 전극(36)의 개념도를 나타낸 것이다. 히터(52)는 외부 신호로 출력 조정할 수 있는 전원 장치(51)에 접속되어 있다. 열전대나 온도 저항체 등으로 이루어지는 온도 검출단(58)은 온도 제어기(57)에 측정 신호를 입력하고, 온도 제어기(57)는 측정 온도를 기초로 하여 전원 장치(51)의 출력을 조절한다.

가속 전극(36)이 가열되면 그 표면 부분이 증발하여 성막 내에 혼입하여 막질을 열화시키므로, 필요 이상으로 온도를 높이지 않도록 할 필요가 있다. 자켓(55)에는 실리콘 오일 등의 열매체 혹은 냉각수 등을 흐르게 하는 것이 가능하며, 전극(36)이 과열된 때에 냉각할 수 있다.

도14는 파이프 가공 가속 전극(36)의 온도를 측정하는 온도 검출단(58)을 구비하고 있고, 온도 제어기(57)가 온도 검출단(58)으로부터의 측정 신호를 받아 유량 제어 장치(59)에 제어 신호를 주면, 가속 전극(36)내를 유통하는 열매체의 유량 제어를 행하여 가속 전극(36)의 온도 제어를 하는 시스템을 도시하는 것이다. 유량 제어 장치(59)에는 각종의 제어 밸브가 이용된다.

온도 검출단(58)은 열전대나 저항식 온도 검출 소자 등을 사용하여 가속 전극(36)의 관 내측에 설치할 수도 있다.

도15는 가속 전극(36)의 외측에 권취된 시스 히터(52)에 외부 신호로 출력 조정할 수 있는 가열용 전원(51)을 접속시키고, 온도 제어기(57)로부터 주어지는 제어 신호에 따라 가속 전극(36)의 온도 제어를 하는 시스템을 도시하는 것이다.

전열 히터가 가속 전극(36)의 관 안에 설치되어 있는 경우에도 마찬가지로 온도 제어가 가능하다.

도16은 가속 전극(36)이 과열되는 경우에 잉여의 열을 이용하는 시스템을 나타낸 도면이다.

토러스형 등의 파이프 가공품인 가열 전극(36)의 관 안에 질소 가스나 실리콘 오일 등의 열매체를 순환시킨다. 기체의 열매체를 순환시키기 위해서는 팬, 또 액체에는 펌프 등의 매체 순환 기구(60)가 이용된다. 가속 전극(36)이 받아들이는 열은 열교환기(61)를 거쳐서 외부의 냉열원과 열교환하여 별도 유효하게 재이용된다.

도17과 도18은 플라즈마 프로세스실(3)의 외측에 다극 자장 발생 기구를 설치하여 플라즈마의 차단을 행하도록 한 상태를 도시하는 도면이다. 도17은 측면 단면도, 도18은 도17의 C-C에 있어서의 단면도이다.

플라즈마 프로세스실(3)의 주위를 둘러싸도록 다수의 영구 석영 혹은 전자석(70, 71)이 추가로 설치되어 있다. 자석(70, 71)은 수직으로 긴 형상을 띠고 있으며, 자극이 프로세스실(3)을 향하도록 배치되어 있고, 자석의 자극(N, S) 방향은 서로 이웃끼리 교환하도록 되어 있어 프로세스실(3)내에 다극 자장이 형성되어 있다.

이와 같이 형성된 다극 자계의 영향으로 플라즈마 프로세스실(3)내에 형성되어 있는 프로세스 플라즈마가 보다 효과적으로 차단되어 주벽(3)과의 간섭이 적어진다. 따라서 플라즈마 입자의 유입에 의한 주벽(31)의 온도 상승이 작기 때문에, 주벽(31)으로부터의 불순물 방출이 적어져 성막으로의 불순물 혼입이 감소되어 양질의 제품을 얻을 수 있다.

상기 각 실시예에서는 설명의 용이를 위한 시료면이 윗쪽을 향하고 있는 배치로 했지만, 시료면이 아래를 향하도록 배치하여도 또 횡방향으로 향하도록 하여도 발명의 작용 효과에 변화가 없는 것은 물론이다. 또, 플라즈마를 차단하기 위해서 다극 자계 발생 장치를 플라즈마 프로세스실(3)의 주위 또는 내부에 설치할 수도 있다. 또, 성막을 균일하게 하기 위해서 기판을 회전시키는 기구를 설치하는 것도 유효하다.

이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명의 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치는 이온 충격 작용의 영향을 완화시켜 보다 큰 면적의 시료를 작성할 수 있고, 또 재료 플라즈마의 밀도를 높여 균일성을 향상시켜서 효율좋게 시료를 작성할 수 있다.

Claims (21)

1. 열전자를 방출하기 위한 음극과,

   상기 음극과의 사이에서 가스 방전시키기 위한 방전 전극과,

   축선 방향에 대해 상기 방전 전극과 동축형으로 배치되어, 상기 음극과 상기 방전 전극 사이에 끼어 배치되는 중간 전극과,

   상기 음극과 상기 방전 전극 사이의 가스를 방전에 의해 생성되는 방전 가스 플라즈마가 충만되는 방전실과,

   격벽을 거쳐서 상기 방전실과 인접하여 형성되어 있고 처리될 시료의 처리면이 상기 축선 방향에 수직인 방향으로 위치하도록 배치되는 플라즈마 프로세스실과,

   각각이 상기 축선 방향에 대해 거의 수직인 방향으로 상기 격벽에 관통 설치되어 있고 상기 축선 방향의 주위에 방사형으로 분포하도록 형성된 복수의 인출 애로로서 상기 방전실내의 상기 방전 가스 플라즈마중의 전자를 상기 플라즈마 프로세스실로 인출하기 위한 복수의 인출 애로와,

   상기 플라즈마 프로세스실에 설치되어, 상기 인출 애로를 거쳐서 인출 가속하기 위한 가속 전극을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 격벽이 도전체로 형성되어 있으며, 상기 격벽이 상기 방전 전극을 겸하고 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 인출 애로의 상기 플라즈마 프로세스실측 표면이 절연 재료로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 인출 애로의 표면이 전열 재료로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 방전실이 상기 중간 전극과 상기 방전 전극 사이에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 방전실이 상기 중간 전극 및 상기 방전 전극 양자의 하방부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 방전 전극의 상기 중간 전극측이 절연물로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 방전 전극의 상기 인출 애로측이 절연물로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 프로세스실의 벽면이 상기 가속 전극을 겸하고 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
10. 제1항에 있어서, 자계를 생성하기 위한 단일의 공심 코일이 상기 중간 전극 및 상기 방전 전극의 양자에 대해 동축형으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 인출 애로는 상기 시료면에 대해 거의 평행하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 방전실은 상기 축선 방향으로 상기 플라즈마 프로세스실내로 돌출되어 원통 형상으로 형성되어 있으며, 상기 인출 애로는 상기 원통 형상 방전실의 측벽면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
13. 제1항에 있어서, 상기 방전실은 상기 축선 방향으로 상기 플라즈마 프로세스실의 상부 외주면을 둘러싸도록 링 원통 형상으로 형성되어 있으며, 상기 인출 애로는 상기의 링 원통 형상의 내측 측벽면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 플라즈마 프로세스실의 벽면이 상기 가속 전극을 겸하고 있는 동시에, 제2 가속 전극이 상기 시료의 상기 처리면과 대향하여 배치되고, 상기의 링 원통형상의 내측 측벽면에 형성된 상기 인출 애로는 상기 제2 가속 전극과 상기 처리면 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
15. 제1항에 있어서, 상기 가속 전극은 상기 플라즈마 프로세스실 측벽 내주면의 내측에 상기 축선 방향에 대해 동축형으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 가속 전극은 원통형, 토러스형 또는 스파이럴형 중 어느 하나의 형상을 띠고 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
17. 제1항에 있어서, 상기 가속 전극에는 그 온도를 제어하는 온도 제어 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
18. 제1항에 있어서, 상기 인출 애로가 상기 음극, 상기 중간 전극, 상기 방전 전극 및 상기 가속 전극으로부터 전기적으로 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
19. 제1항에 있어서, 상기 인출 애로가 형성되는 상기 격벽 부분은 절연 재료로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
20. 제19항에 있어서, 상기 절연 재료가 알루미나, 질화 알루미늄 또는 석영 중 어느 하나 혹은 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.
21. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 프로세스실의 외주를 둘러싸도록 다극 자극이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 비임 여기 플라즈마 발생 장치.