KR100277833B1 - 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치 - Google Patents

라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100277833B1
KR100277833B1 KR1019980042335A KR19980042335A KR100277833B1 KR 100277833 B1 KR100277833 B1 KR 100277833B1 KR 1019980042335 A KR1019980042335 A KR 1019980042335A KR 19980042335 A KR19980042335 A KR 19980042335A KR 100277833 B1 KR100277833 B1 KR 100277833B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
plasma
tube
plasma source
nozzle
source generator
Prior art date
Application number
KR1019980042335A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20000025310A (ko
Inventor
심규환
백문철
조경익
Original Assignee
정선종
한국전자통신연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 정선종, 한국전자통신연구원 filed Critical 정선종
Priority to KR1019980042335A priority Critical patent/KR100277833B1/ko
Priority to US09/205,617 priority patent/US6073578A/en
Publication of KR20000025310A publication Critical patent/KR20000025310A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100277833B1 publication Critical patent/KR100277833B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/321—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0026—Activation or excitation of reactive gases outside the coating chamber
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H05H1/4645—Radiofrequency discharges
    • H05H1/4652—Radiofrequency discharges using inductive coupling means, e.g. coils

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 노즐 뚜껑, 플라즈마 튜브 및 초고주파(RF:radio frequency) 유도코일에 완충노즐 뚜껑, 상층금속 차단막 및 하층금속 차단막을 부착하여 챔버로부터 분리효과를 줌으로써 플라즈마 압력을 수백에서 수천 토르(torr)의 압력으로 유지하여 안정된 플라즈마를 발생하고 유지하도록 하는 RF 유도 플라즈마 소스 발생장치에 관한 것이다. 이와같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단은 PBN 튜브와, RF 유도코일과, 노즐과, 노즐 뚜껑으로 구성된 RF 유도 플라즈마 소스 발생장치에 있어서, 상기 플라즈마 튜브내에 형성된 플라즈마 소스의 압력을 완충하는 완충노즐과, 상기 노즐 뚜껑과 플라즈마 튜브 사이에 설치되어, 가스흐름을 조절하여 챔버압력과 플라즈마 압력의 차이를 조절하는 완충노즐 뚜껑과, 상기 완충노즐 뚜껑, 노즐 뚜껑 및 플라즈마 튜브의 PBN 입구 언저리 부위를 봉합하여 가스의 누출을 방지하는 밀봉막과, 상기 RF 유도코일에서 유도된 RF 전계의 퍼짐을 차단하여 플라즈마 소스를 집속시키는 상층 금속 차단막 및 하층 금속 차단막을 포함하여 구성된다.

Description

라디오파 유도플라즈마 소스 발생장치 ( A rf induction plasma source )
본 발명은 RF 유도 플라즈마 소스 발생장치에 관한 것으로, 특히 노즐 뚜껑, 플라즈마 튜브 및 RF 유도코일에 완충노즐 뚜껑, 상층 금속 차단막 및 하층 금속 차단막을 부착하여 챔버로부터 분리효과를 줌으로써 플라즈마 압력을 수백에서 수천 토르(torr)의 압력을 유지하여 안정된 플라즈마를 발생하고 유지하도록 하는 RF 유도 플라즈마 소스 발생장치에 관한 것이다.
일반적으로, III-V 질화물 화합물 반도체는 단파장용 광전소자와 고전력/고온용 전자소자에 다른 어떠한 반도체 재료보다도 우수하고 실현성이 높아, 최근 8년 넘게 집중적으로 연구되고 있다. 이러한 III-V 질화물의 에피성장을 위해서, 여러 종류의 에피성장 기술 중에서 다원계 에피층을 이종접합으로 성장하여 수 원자층에 해당하는 정확도로 에피를 성장할 수 있는 초고진공 분자선 증착(Molecular Beam Epitaxy : MBE)의 장점을 실현하기 위하여 많은 연구가 시도되어 왔다.
그런데 질소가스는 반응성이 없으므로, 이를 분해하여 반응성이 높은 질소원자 상태로 주입하기 위해서, 플라즈마 소스가 필요하게 되었다. 일반적으로 많이 사용되어온 플라즈마 소스 발생장치는, 도 1과 유사하나 그리드 전극이 없는 형태이며, GaN 류의 화합물 반도체의 플라즈마 분자선 증착(Plasma Assisted Molecular Beam Epitaxy : PAMBE) 성장에 가장 많이 시도되어 왔고, 선행특허 및 선행 논문에 많이 발표되었다.
선행특허로는 다음과 같은 특허가 있다.
미국 특허번호가 5,637,146이고, 등록일이 1997 년 6월 10일이며, 발명의 명칭이 "Method for the growth of nitride based semiconductors and its apparatus"인 특허가 있다. 또한, 미국 특허번호가 4,268,711이고, 등록일이 1981년 5월 19이며, 발명의 명칭이 "Method and apparatus for forming films from vapors using a contained plasma source"인 특허가 있다. 또한, 미국 특허번호가 5,651,825이고, 등록일이 1997년 1월 29일이며, 발명의 명칭이 "Plasma generating apparatus and plasma processing apparatus"인 특허가 있다.
선행 논문으로는, 저자가 M.A. Sanchez-Garcia et.al.이고, 제목이 "the effect of the III/V ratio and substrate temperature on the morphology and properties of GaN- and AlN-layers grown by molecular beam epitaxy on Si(111)" 이며, 게재지(권, 페이지)는 J. Crystal Growth(183, 23)이고, 발표년도는 1998년인 논문이 있다.
그러나, GaN의 PAMBE 성장은 소자의 응용이라는 측면에서 그다지 성공적이지 못하였다. 이에 대한 원인으로는 여러 가지가 있지만, 근본적으로는 플라즈마 포텐셜에 의하여 지니게 되는 이온의 운동에너지가 기판의 표면에 결함을 발생시키기 때문이다.
이온의 에너지는 평균치에서 반가폭 (Full-Width at Half Maximum : FWHM)이 대략 5eV에 해당되는 분포를 갖는데, 사용되는 질소가스의 유량과 공급되는 RF전력에 따라, 작게는 2-3eV에서 크게는 30eV에 달하는 평균에너지를 갖는 분포를 발생시킬 수 있다. 주로 에피성장에 사용되는 RF 플라즈마의 조건에서는 15cm 떨어진 기판에 도달하는 이온이 대략 1012cm-2s-1에 달하게 되므로, 100nm/hr 의 성장률로 에피를 성장하는 경우, 결함생성확률이 0.1%라 할지라도 1017cm-3의 농도에 해당되는 결함을 발생시키게 된다. 이러한 농도의 결함은 에피의 품질을 크게 저하시키게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 가지 방법이 개발되었다.
그 중에 하나의 방법이 전계를 인가하여 이온을 외부로 제거하는 방법이다. 이 방법은 저자가 N. Newman이고, 제목이 "the energetics of the GaN MBE reaction : a case of meta-stable growth"이고, 게재지(권, 페이지, 발표년도)가 J. Cryatal Growth(178,102,1997)인 논문에 잘 설명되어 있다.
도 1은 이 방법을 사용한 종래의 플라즈마 소스 발생장치의 단면도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와같이, 종래의 플라즈마 소스 발생장치는 플라즈마 튜브(1)와, 노즐(2)과, RF 유도코일(3)과, 상기 노즐(2)의 상부에 설치된 그리드 전극(4)과, 상기 그리드 전극(4)에 전압(Vg)을 공급하는 전원공급부(5)로 구성된다.
이와같이 구성된 종래의 플라즈마 소스 발생장치의 동작을 간략히 설명하면, 전원공급부(5)에 의해 전압(Vg)이 노즐(2)의 상부에 설치된 그리드 전극(4)에 공급되면, 노즐(2)을 통하여 분사되는 플라즈마 소스의 이온은 그리드 전극(4)을 거쳐서 도 1에 도시된 점선 화살표방향으로, 즉 사정권 밖으로 제거된다.
이와같은 종래의 플라즈마 소스 발생장치는 이온의 존재를 그리드 전극에 걸리는 전압으로 조절할 수 있고, 전자와 같은 하전입자도 제거하는 장점이 있다.
그러나, 종래의 플라즈마 소스 발생장치는 기판에 도달되는 이온을 완벽히 제거하기 위해서 300V 이상의 전압을 가하는 전력공급용 장치가 부가적으로 필요하게 되고, 전압에 의해 가속된 이온이 그리드 전극 주변의 챔버나 냉각기 등에 충돌하여 스퍼터링 현상을 유발시키게 되므로, 불순물을 기판으로 보내어 에피층의 품질을 저하시키는 부작용을 일으키게 된다. 또한 종래의 플라즈마 소스 발생장치는 일정한 크기 이상이 노즐을 통과하는 가스와 입자들은 운동방향의 각도가 많아 노즐 밖에서 넓게 퍼지는 형상을 갖게 되어 기판에 도달되는 밀도가 낮아지게 되는 문제점이 있었다.
도 2는 0.5mm 이하인 미세노즐을 사용한 종래의 플라즈마 소스 발생장치의 단면도를 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와같이, 종래 플라즈마 소스 발생장치는 플라즈마 튜브(10)와, 미세노즐(11)과, RF 유도코일(12)로 구성된다.
이와같이 구성된 종래의 플라즈마 소스 발생장치는 수백 개의 미세노즐(7)을 만들어 사용함으로써 미세노즐(11)의 개구에 높은 플라즈마 포텐셜이 장막역할을 할 수 있도록 하여 이온이 미세노즐(11) 밖으로 탈출하지 못하도록 하는 원리를 이용한다.
이 원리는 저자가 K. Yasui et. al.이고, 제목이 "characteristics of a mesh-bias-controlled electron cyclotron resonance plasma for the growth of gallium nitride of epitaxial films"이고, 게재지(권, 페이지, 발표년도)가 J. Vac. Sci. Technol.(A16, 369, 1998)인 논문에 잘 설명되어 있다.
그러나, 이와같은 종래의 플라즈마 소스 발생장치는 플라즈마 포텐셜 장막이 아직도 완벽하지 않은 문제점이 있었다. 또한 종래의 플라즈마 소스 발생장치는 레이저 가공법을 사용하여 0.5mm 의 노즐을 제작하는 경우 비용이 많이 들뿐만 아니라 이온의 방출저지 효율도 매우 낮은 것으로 측정되었다. 그리하여 PBN(Pyrolitic Boron Nitride)에 미세노즐의 직경을 0.5mm 보다도 작게 하면, 이온의 방출을 저지하는 효율이 다소 높아 질 수 있으나, 초 미세노즐을 수 천개 만드는 작업은 한계가 있다. 그리고, RF 전력이 높을 때는 전계가 PBN 튜브의 노즐 가까운 외부에까지 전달될 수 있어 긍극적으로 이온을 제거하려는 목적을 달성할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 노즐 뚜껑, 플라즈마 튜브 및 RF 유도코일에 완충노즐 뚜껑, 상층금속 차단막 및 하층 금속 차단막을 부착하여 챔버로부터 분리효과를 줌으로써 플라즈마 압력을 수백에서 수천 토르(torr)의 압력을 유지하여 안정된 플라즈마를 발생하고 유지하도록 하는 RF 유도 플라즈마 소스 발생장치를 제공함에 있다.
도 1은 종래의 그리드 전극을 사용한 플라즈마 소스 발생장치의 단면도,
도 2는 종래의 미세노즐을 사용한 플라즈마 소스 발생장치의 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 RF 유도 플라즈마 소스 발생장치의 단면도,
도 4는 도 3에서의 완충노즐 뚜껑의 상세 구조도,
도 5 (a) 는 도 3에서의 상층 금속 차단막의 상세 구조도,
도 5 (b)는 도 3에서의 하층 금속 차단막의 상세 구조도,
도 6은 종래의 플라즈마 소스 발생장치와 본 발명에 의한 플라즈마 소스 발생장치에서 공급되는 하전입자인 전자와 이온에 의한 I-V 특성을 나타낸 그래프도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 플라즈마 튜브 101 : PBN튜브
102 : RF 유도코일 103 : 완충노즐
104 : 노즐 105 : 노즐 뚜껑
106 : 완충노즐 뚜껑 107 : 밀봉막
108 : 상층 금속 차단막 109 : 하층 금속 차단막
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면 가스를 플라즈마 튜브에 공급하는 PBN 튜브와, RF 전계를 유도하여 상기 플라즈마 튜브에 공급된 가스를 플라즈마 소스로 형성하는 RF 유도코일과, 상기 플라즈마 튜브에 형성된 플라즈마 소스를 분사하는 노즐과, 노즐 뚜껑으로 구성된 RF 유도 플라즈마 소스 발생장치에 있어서, 상기 플라즈마 튜브내에 형성된 플라즈마 소스의 압력을 완충하는 완충노즐과, 상기 노즐 뚜껑과 플라즈마 튜브 사이에 설치되어, 가스흐름을 조절하여 챔버압력과 플라즈마 압력의 차이를 조절하는 완충노즐 뚜껑과, 상기 완충노즐 뚜껑, 노즐 뚜껑 및 플라즈마 튜브의 PBN 입구 언저리 부위를 봉합하여 가스의 누출을 방지하는 밀봉막과, 상기 RF 유도코일에서 유도된 RF 전계의 퍼짐을 차단하여 플라즈마 소스를 집속시키는 상층 금속 차단막 및 하층 금속 차단막을 포함한 초고주파 유도 플라즈마 소스 발생장치가 제공된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 RF 유도 플라즈마 소스 발생장치의 단면도를 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와같이, 본 발명의 실시예에 따른 RF 유도 플라즈마 소스 발생장치는 가스를 플라즈마 튜브(100)에 공급하는 PBN 튜브(101)와, RF 전계를 유도하여 상기 플라즈마 튜브(100)에 공급된 가스를 플라즈마 소스로 형성하는 RF 유도코일(102)과, 상기 플라즈마 튜브(100)내에 형성된 플라즈마 소스의 압력을 완충하는 완충노즐(103)과, 상기 완충노즐(103)에 의해 완충된 플라즈마 소스를 분사하는 노즐(104)과, 노즐 뚜껑(105)과, 상기 노즐 뚜껑(105)과 플라즈마 튜브(100) 사이에 설치되어 가스흐름을 조절하여 챔버 압력과 플라즈마 압력(Pp)의 차이를 조절하는 완충노즐 뚜껑(106)과, 상기 완충노즐 뚜껑(106), 노즐 뚜껑(105) 및 플라즈마 튜브(100)의 PBN 입구 언저리 부위를 봉합하여 가스의 누출을 방지하는 밀봉막(sealing film)(107)과, 상기 RF 유도코일(102)에서 유도된 RF 전계의 퍼짐을 차단하여 플라즈마 소스를 집속시키는 상층 금속 차단막(108) 및 하층 금속 차단막(109)으로 구성된다.
도 4에 도시된 바와같이, 상기 완충노즐 뚜껑(106)은 원판형상으로 형성된 립(lip)(106a)과, 상기 플라즈마 튜브(100)로 향하는 상단부가 막혀있고, 하단부는 상기 립(106a)의 중앙부에 연결되어 길이와 직경이 각각 l과 d로 형성된 튜브(106b)로 구성된다. 상기 튜브(106b)의 상단부의 소정위치에 비대칭적으로 노즐(106c)이 형성된다.
도 5(a)에 도시된 바와같이, 상기 상층 금속 차단막(108)은 원판형상의 립(108a)과, 상단부가 개방되고, 하단부가 상기 립(108)의 중앙부에 연결되어 양측면에 슬릿(108b)이 형성된 튜브(108c)로 구성된다. 상기 슬릿(108b)은 상기 RF 유도코일(102)의 RF전계에 의해 유도되는 전류를 방지한다. 상기 상층 금속 차단막(108)은 완충노즐(103)보다 상기 RF 유도코일(102) 방향으로 소정길이 만큼 길게 위치하여 플라즈마의 집중부위가 완충노즐(103)로부터 분리되도록 한다. 상기 상층 금속 차단막(108)은 사용할 때 고온에서도 기체방출(out gassing)을 최소한으로 하며 지탱할 수 있도록 탄탈륨이나 몰리브데늄과 같은 고융점을 지니는 금속류로 형성된다.
도 5(b)에 도시된 바와같이, 상기 하층 금속 차단막(109)은 양쪽부분이 개방된 원통 형상으로 형성된 튜브(109a)와, 상기 튜브(109a)의 양측면에 형성되어 상기 튜브(109a)의 일측으로부터 소정 길이만큼 형성되는 슬릿(109b)으로 구성된다. 상기 슬릿(109b)은 상기 RF 유도코일(102)의 RF 전계에 의해 유도되는 전류를 방지한다. 상기 하층 금속 차단막(109)은 사용할 때 고온에서도 기체방출(out gassing)을 최소한으로 하며 지탱할 수 있도록 탄탈륨이나 몰리브데늄과 같은 고융점을 지니는 금속류로 형성된다.
이와같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 RF 유도 플라즈마 소스 발생장치의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 플라즈마에서 가스를 원자상태로 분리하여 공급하는 효율은 에피성장률을 높이고자 하는 목적에 있어서 매우 중요하다. 질소 플라즈마에서 분자의 분해효율을 정확히 예측하거나 측정하기는 쉽지 않다. 플라즈마의 압력이 10mtorr에서 400mtorr로 증가함에 따라 분자의 농도는 증가하지만, 플라즈마에 존재하는 전자의 평균에너지는 3eV에서 1eV로 감소하게 되어 최적의 효율을 보이는 압력조건이 어딘가에 존재함을 알 수 있다. 전자농도의 경우 30mtorr 이상에서 크게 증가하여 80mtorr 이상에서는 크게 변하지 않는다. 플라즈마에 생성되는 원자(Natom)의 양은 크게 압력(Pp), 가스의 유량(J) 및 RF 전력(PRF)의 함수로 Natom∝ (PRF)1/2f(J,Pp)의 관계를 보인다. 여기서, f(J,Pp)는 가스유량과 플라즈마 압력이 매우 복잡한 함수로 관련됨을 나타낸다. 질소 플라즈마의 경우, 함수 f(J,Pp)는 분자의 산란 단면적(cross section area)이 전자의 에너지에 따라 10eV 이상에서 크게 증가하여 대체로 30-60mtorr 부근에서 최대를 보이고, 그 이하의 압력에서는 극히 심하게 감소하며, 그 이상의 압력에서는 완만히 감소한다. 따라서, 원자의 공급밀도는 압력이 50mtorr의 주변이 가장 적절하며, 가해지는 RF 전력(PRF)에 따라 1/2 지수의 함수관계로 증가한다. 도 3에서의 노즐(104)의 크기는 플라즈마 압력(Pp)을 30-100mtorr로 조절할 수 있도록 설계된다.
도 3에 도시된 플라즈마 튜브(100)는 직경과 길이가 대체로 3cm와 20cm로 형성되어 플라즈마의 적정한 형성이 이루어지도록 하고, RF 유도코일(102)은 약 5mm 직경의 고순도 동파이프(OFHC copper pipe)로 형성되어 내부에는 냉각수가 흐른다. 플라즈마의 최외부에 위치한 노즐(104)은 직경 3-5mm로 형성되며, 내부의 완충노즐(103)의 직경과 유사한 값을 갖도록 형성된다. PBN 튜브(109)는 상기 플라즈마 튜브(100)에 가스를 공급하며, 직경 2-7mm 정도로 형성되어, 플라즈마의 퍼짐에 따른 부적절한 분포를 가능한 한 방지한다.
도 3에 도시된 밀봉막(107)은 노즐 뚜껑(105), 완충노즐 뚜껑(106) 및 플라즈마 튜브(100)의 PBN 입구 언저리 부위를 봉합하여, 압력차이에 의한 가스의 누출을 방지한다. 또한, 밀봉막(107)은 PBN의 온도가 1000℃까지 높게 올라가므로, 고온에서 안정되고, 가스와 반응하여 식각되지 아니하고, 열팽창계수의 차이가 크지 않아 온도변화에 의하여 충격을 받지 않아야 한다. 이러한 용도로서 이상적인 소재는 아직 없다고 볼 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는, Al, Ga, In 의 금속류를 PBN의 입구언저리에 코팅하고 PBN들을 서로 접촉시킨 상태에서, 고온로에 넣어 열처리하여 PBN들이 서로 부착되도록 한다. 이때, 고온로는 700-900℃의 온도로 유지하고, 암모니아 가스의 분위기로 조성하고, 수시간 동안 가스와 금속이 반응되도록 하여 AlN, GaN, InN 과 같은 질화물 박막을 형성한다. 이러한 질화물 박막들은 고온에서 안정성이 뛰어날 뿐만 아니라, PBN과의 접착성이 매우 우수하여 밀봉효과가 탁월하다. 또한, 질화물로 구성되어 주로 사용되는 질소의 플라즈마를 발생시키는 데 있어서, 불순물 주입의 가능성이 완전히 배제되는 효과도 제공된다.
도 4에 도시된 완충노즐 뚜껑(106)은 PBN으로 제작되며, 플라즈마 튜브(100)로 향하는 상단부가 막히고, 길이와 직경이 각각 l과 d인 튜브(106b)의 상단부의 소정위치에 비대칭적으로 노즐(106c)들이 형성된다.
상기 완충노즐 뚜껑(106)에 의해 가스흐름이 조절되어 챔버압력과 플라즈마 압력(Pp)의 차이가 조절되고, 직선으로 통과하는 이온이 차단된다. 또한 상기 완충 노즐 뚜껑(106)에 의하여 10-5torr 이하의 압력을 유지하는 챔버로부터 분리효과를 주어, 플라즈마 압력(Pp)은 수십 mtorr의 압력으로 유지되어, 안정된 플라즈마가 발생되고 유지된다. 이렇게 높은 플라즈마 압력(Pp)은 밀도가 높은 플라즈마를 유도하므로, 가스의 분리효과를 높이게 된다. 또한, 상대적으로 낮은 챔버의 압력은 펌프 시스템에 하중을 적게 주게 되고, 공급되는 분자나 원자선이 충돌하지 않고 웨이퍼에 도달되는 확률을 높이며, 시편의 표면에서 일어나는 표면반응이 MBE의 이상적인 기구를 따라 일어나도록 하여 조절기능을 높인다. 완충노즐 뚜껑(106)에서의 노즐(106c)을 통과하는 이온들은 PBN의 벽면과 최소한 일회 이상 충돌하게 된다. 이때, 전하의 교환이 일어나게 되어 전자를 공급받아 중성의 상태로 되돌아가게 된다. 이러한 과정에서 이온이 지니게 있던 포텐셜 에너지나 운동에너지는 소멸되게 되어 0.5eV이하의 열에너지만을 지닌 저 에너지 입자가 공급되게 된다.
도 4에 도시된 완충노즐 뚜껑(106)에서의 튜브(106b)는 좁고 길게 형성되어 밀도가 높은 플라즈마의 발생을 방지하고, 가스의 이동을 노즐(106c)방향으로 많이 전환시켜, 노즐(106c)을 통과하여도 직진성이 높아 기판에 도달되는 밀도를 높인다. 이미 설명한 바와같이, 상기 완충노즐 뚜껑(106)에서의 노즐(106c)에 의하여 플라즈마 압력(Pp)과 챔버의 압력사이의 압력을 조절한다. 질소가스를 0.5-10sccm 으로 흘릴 경우, 챔버압력은 2×10-5torr 내지 4×10-4torr 가 되므로, 10sccm은 에피성장을 하기에 배경압력이 높고, 0.5sccm 또는 그 이하일 때에는 배경진공이 낮아, 에피성장에 미치는 배경압력의 영향을 줄일 수 있으며, 동시에 챔버에 사용되는 모든 종류의 진공 게이지, 기판 가열체, 소스셀의 가열체 등의 필라멘트의 수명도 길게 유지할 수 있다. 상기 완충노즐 뚜껑(106)에서의 노즐(106c)의 총면적이 3mm의 직경의 원과 면적이 같다면, 플라즈마의 압력은 위와 동일한 0.5-10sccm의 질소유량에서 30-600mtorr의 압력을 유지하게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 RF 유도 플라즈마 소스 발생장치에서 발생된 플라즈마 소스를 사용하면, 0.5 sccm 이하의 유량에서도 플라즈마를 안정되게 얻을 수 있으며, 배경압력이 낮은 상태에서 높은 유량밀도의 플라즈마 빔을 시편으로 공급할 수 있다.
도 5(a) 및 도 5(b)에 도시된 상층 금속 차단막(108)과 하층 금속 차단막(109)은 RF 전계의 퍼짐을 차단하여 플라즈마를 집속시키는 역할을 한다. 상기 상층 금속 차단막(108)은 상기 완충노즐(103)보다 약 1cm 정도 RF 유도코일(102) 방향으로 길게 위치하여 플라즈마의 집중부위가 완충노즐(103)에서 분리되도록 한다. 상기 상층 금속 차단막(108)과 하층 금속 차단막(109)은 사용할 때 온도가 1000℃ 이상 되어도 기체방출을 최소한으로 하며 지탱할 수 있도록 탄탈륨이나 몰리브데늄과 같은 고융점을 지니는 금속류를 가공하여 형성한다. 상기 상측 금속 차단막(108)에서의 슬릿(108b)과 하층 금속 차단막(109)에서의 슬릿(109b)은 약 2mm 이상이 되도록 만들어, RF전계에 의해 유도되어 흐르는 유도전류를 방지한다. 유도 방식으로 동작하는 플라즈마소스의 한가지 장점은 손쉽게 제작할 수 있고, 사용도 편리한 점에 있다. 상부와 하부에 전계의 투과에 의한 전파를 방지하는 상기 상층 금속 차단막(108)과 하층 금속 차단막(109)에 의한, 플라즈마를 가능한 제한영역에 구속하는 간접적 효과는 효율을 높이고, 플라즈마 소스의 크기를 줄이는 데 유리할 뿐만 아니라, RF전력소비도 줄일 수 있다.
도 6은 종래의 플라즈마 소스 발생장치와 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 소스 발생장치에서 공급되는 하전입자인 전자와 이온에 의한 I-V 특성을 설명하는 그래프를 도시한 것이다.
랭뮤어 탐침(Langmuir prob)을 도 3의 노즐(104) 외부에 약 10cm 떨어진 곳에 설치하여 직류전압을 인가하여 도달되는 전자와 이온에 의한 전류를 측정할 수 있다. 랭뮤어 탐침과 직류전력공급기와의 사이에 RF 쵸크(choke)와 10kOhm 이상의 저항을 직렬로 배치하여 RF 전파나 단락의 문제점을 배제한다.
도 6에 도시된 그래프와 같이, 종래의 플라즈마 소스 발생장치는 전형적인 플라즈마의 랭뮤어 탐침에 의한 I-V 플라즈마 곡선을 보인다. 음전압하에서는 이온에 의한 전류(Ii)가 대부분이고, 양전압하에서는 전자에 의한 전류(Ie)가 측정된다. 인가된 전압이 0V 주위에서 천이되는 전형적인 특성 곡선을 보인다. 그래프에서와 같이, 이온보다는 전자의 양이 전반적으로 많은 것은 쉽게 집속되는 전자의 특성상 당연하다. 이러한 특성곡선에서 플라즈마 포텐셜(Vp)을 구하여 이온의 평균에너지를 알 수 있다.
이러한 종래의 플라즈마 소스 발생장치의 I-V 특성곡선에 비하여, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 소스 발생장치의 경우, 점선과 같은 형태로 I-V 특성곡선이 나타나게 되어, 이온의 양이 크게 줄어든다. 점선으로 된 곡선에서와 같이, 전자의 양도 줄기는 하지만, 이온보다는 쉽게 이동하고, 플라즈마 소스 발생장치에 공급되는 양이 많은 관계로 상당한 양이 외부로 공급됨을 알 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 초고진공의 MBE 시스템에서 GaN 계의 질화물 반도체를 성장하는 데에 유용하게 사용할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 기판에 도달될 수 있는 고 에너지의 입자를 완전히 저 에너지로 변환하여 결정성장시 에피표면에서 수 원자층 아래에 결함이 발생될 수 있는 가능성을 제거하는 효과가 있다.
셋째, 에피성장시 MBE 챔버의 배경압력을 낮게 유지할 수 있으므로, 질소뿐만 아니라, 산소, 수소 및 암모니아와 같이 반응성이 높은 가스들도 더욱 더 안정되게 사용할 수 있는 효과가 있다.
넷째, 질화물뿐만 아니라 산화물 반도체의 성장에도 활용될 수 있으며, 그 밖에도 여러 종류의 에피를 성장하는 동시에 수소원자를 공급하여 에피의 기판에 수소화를 유도하거나 표면 반응기구를 조절하는 용도에도 활용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 가스를 플라즈마 튜브에 공급하는 PBN 튜브와, RF 전계를 유도하여 상기 플라즈마 튜브에 공급된 가스를 플라즈마 소스로 형성하는 RF 유도코일과, 상기 플라즈마 튜브에 형성된 플라즈마 소스를 분사하는 노즐과, 노즐 뚜껑으로 구성된 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치에 있어서,
    상기 플라즈마 튜브내에 형성된 플라즈마 소스의 압력을 완충하는 완충노즐과;
    상기 노즐 뚜껑과 플라즈마 튜브 사이에 설치되어, 가스흐름을 조절하여 챔버압력과 플라즈마 압력의 차이를 조절하는 완충노즐 뚜껑;
    상기 완충노즐 뚜껑, 노즐 뚜껑 및 플라즈마 튜브의 PBN 입구 언저리 부위를 봉합하여 가스의 누출을 방지하는 밀봉막; 및
    상기 RF 유도코일에서 유도된 RF 전계의 퍼짐을 차단하여 플라즈마 소스를 집속시키는 상층 금속 차단막 및 하층 금속 차단막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 완충노즐 뚜껑은 원판형상으로 형성된 립과;
    상기 플라즈마 튜브로 향하는 상단부가 막혀있고, 하단부는 상기 립의 중앙부에 연결되어, 소정길이와 소정직경으로 형성된 튜브(106b)로 구성되는 것을 특징으로 하는 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 튜브의 상단부의 소정위치에 비대칭적으로 다수의 노즐이 형성되는 것을 특징으로 하는 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉막은 상기 완충노즐 뚜껑, 노즐 뚜껑 및 플라즈마 튜브의 PBN 입구 언저리 부위에 Al, Ga, In 의 금속류를 코팅하고 그 PBN들을 서로 접속시킨 상태에서, 고온로에 넣어 열처리하여 그 PBN들이 서로 부착되도록 하는 것을 특징으로 하는 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉막은 고온로의 온도를 700-900℃로 유지하고, 암모니아 가스의 분위기를 조성하여 수시간 동안 가스와 금속을 반응시켜, AlN, GaN 및 InN과 같은 질화물 박막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상층 금속 차단막은 원판형상의 립과;
    상단부가 개방되고, 하단부가 상기 립의 중앙부에 연결되어 양측면에 슬릿이 형성된 튜브로 구성되는 것을 특징으로 하는 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 상층 금속 차단막은 상기 완충 노즐보다 상기 RF 유도코일 방향으로 소정길이 만큼 길게 위치하여 플라즈마의 집중부위가 완충노즐로부터 분리되도록 하는 것을 특징으로 하는 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하층 금속 차단막은 양쪽부분이 개방된 원통 형상으로 형성된 튜브와, 상기 튜브의 양측면에 형성되어 상기 튜브의 일측으로부터 소정 길이만큼 형성되는 슬릿으로 구성되는 것을 특징으로 하는 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬릿은 상기 RF 유도코일의 RF전계에 의해 유도되는 전류를 방지하는 것을 특징으로 하는 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치.
  10. 제 6 항 내지 제 8 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 상층 금속 차단막 및 하층 금속 차단막은 사용할 때 고온에서도 기체방출(out gassing)을 최소한으로 하며 지탱할 수 있도록 탄탈륨이나 몰리브데늄과 같은 고융점을 지니는 금속류로 형성되는 것을 특징으로 하는 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치.
KR1019980042335A 1998-10-09 1998-10-09 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치 KR100277833B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019980042335A KR100277833B1 (ko) 1998-10-09 1998-10-09 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치
US09/205,617 US6073578A (en) 1998-10-09 1998-12-04 RF induction plasma source generating apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019980042335A KR100277833B1 (ko) 1998-10-09 1998-10-09 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20000025310A KR20000025310A (ko) 2000-05-06
KR100277833B1 true KR100277833B1 (ko) 2001-01-15

Family

ID=19553558

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019980042335A KR100277833B1 (ko) 1998-10-09 1998-10-09 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치

Country Status (2)

Country Link
US (1) US6073578A (ko)
KR (1) KR100277833B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180030051A (ko) * 2015-06-16 2018-03-21 조지아 테크 리서치 코포레이션 Iii족 질화물 반도체 성장 속도를 증가 및 이온 플럭스 훼손의 감소를 위한 시스템 및 방법
KR20190034323A (ko) * 2016-07-29 2019-04-01 유니버셜 디스플레이 코포레이션 증착 노즐
KR101999683B1 (ko) 2019-02-26 2019-07-15 (주)마이크로인스 플라즈마 스러스터

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6112696A (en) * 1998-02-17 2000-09-05 Dry Plasma Systems, Inc. Downstream plasma using oxygen gas mixture
US7591957B2 (en) * 2001-01-30 2009-09-22 Rapt Industries, Inc. Method for atmospheric pressure reactive atom plasma processing for surface modification
US7510664B2 (en) 2001-01-30 2009-03-31 Rapt Industries, Inc. Apparatus and method for atmospheric pressure reactive atom plasma processing for shaping of damage free surfaces
US6660177B2 (en) * 2001-11-07 2003-12-09 Rapt Industries Inc. Apparatus and method for reactive atom plasma processing for material deposition
US20080190558A1 (en) * 2002-04-26 2008-08-14 Accretech Usa, Inc. Wafer processing apparatus and method
US20080017316A1 (en) * 2002-04-26 2008-01-24 Accretech Usa, Inc. Clean ignition system for wafer substrate processing
US20080011332A1 (en) * 2002-04-26 2008-01-17 Accretech Usa, Inc. Method and apparatus for cleaning a wafer substrate
US7371992B2 (en) 2003-03-07 2008-05-13 Rapt Industries, Inc. Method for non-contact cleaning of a surface
JP2004281232A (ja) * 2003-03-14 2004-10-07 Ebara Corp ビーム源及びビーム処理装置
US7297892B2 (en) * 2003-08-14 2007-11-20 Rapt Industries, Inc. Systems and methods for laser-assisted plasma processing
US7304263B2 (en) * 2003-08-14 2007-12-04 Rapt Industries, Inc. Systems and methods utilizing an aperture with a reactive atom plasma torch
US8222052B2 (en) 2009-12-01 2012-07-17 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Method for growth of dilute-nitride materials using an isotope for enhancing the sensitivity of resonant nuclear reation analysis
EP2543443B1 (en) * 2010-03-04 2019-01-09 Imagineering, Inc. Coating forming device, and method for producing coating forming material
JP4889834B2 (ja) * 2010-05-13 2012-03-07 パナソニック株式会社 プラズマ処理装置及び方法
US10225919B2 (en) * 2011-06-30 2019-03-05 Aes Global Holdings, Pte. Ltd Projected plasma source
US10328441B2 (en) 2016-04-29 2019-06-25 Semes Co., Ltd. Nozzle unit and coating apparatus including the same
EP3840541A1 (en) * 2019-12-20 2021-06-23 Molecular Plasma Group SA Improved shield for atmospheric pressure plasma jet coating deposition on a substrate

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4268711A (en) * 1979-04-26 1981-05-19 Optical Coating Laboratory, Inc. Method and apparatus for forming films from vapors using a contained plasma source
JPH05121329A (ja) * 1991-10-30 1993-05-18 Toshiba Corp 化合物薄膜の製造方法及び製造装置
JPH06163423A (ja) * 1992-11-18 1994-06-10 Fujitsu Ltd 半導体製造装置
JPH07245193A (ja) * 1994-03-02 1995-09-19 Nissin Electric Co Ltd プラズマ発生装置及びプラズマ処理装置
JP2595894B2 (ja) * 1994-04-26 1997-04-02 日本電気株式会社 水素ラジカル発生装置
US5637146A (en) * 1995-03-30 1997-06-10 Saturn Cosmos Co., Ltd. Method for the growth of nitride based semiconductors and its apparatus
US5698168A (en) * 1995-11-01 1997-12-16 Chorus Corporation Unibody gas plasma source technology

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180030051A (ko) * 2015-06-16 2018-03-21 조지아 테크 리서치 코포레이션 Iii족 질화물 반도체 성장 속도를 증가 및 이온 플럭스 훼손의 감소를 위한 시스템 및 방법
KR102657362B1 (ko) * 2015-06-16 2024-04-16 조지아 테크 리서치 코포레이션 Iii족 질화물 반도체 성장 속도를 증가 및 이온 플럭스 훼손의 감소를 위한 시스템 및 방법
KR20190034323A (ko) * 2016-07-29 2019-04-01 유니버셜 디스플레이 코포레이션 증착 노즐
KR20210132747A (ko) * 2016-07-29 2021-11-04 유니버셜 디스플레이 코포레이션 증착 노즐
KR102320652B1 (ko) * 2016-07-29 2021-11-04 유니버셜 디스플레이 코포레이션 증착 노즐
KR102362600B1 (ko) 2016-07-29 2022-02-15 유니버셜 디스플레이 코포레이션 증착 노즐
KR20220025160A (ko) * 2016-07-29 2022-03-03 유니버셜 디스플레이 코포레이션 증착 노즐
KR102538279B1 (ko) * 2016-07-29 2023-05-30 유니버셜 디스플레이 코포레이션 증착 노즐
KR101999683B1 (ko) 2019-02-26 2019-07-15 (주)마이크로인스 플라즈마 스러스터

Also Published As

Publication number Publication date
US6073578A (en) 2000-06-13
KR20000025310A (ko) 2000-05-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100277833B1 (ko) 라디오파 유도 플라즈마 소스 발생장치
JP5214251B2 (ja) 高密度低エネルギープラズマ気相エピタキシーの装置
EP1774562B1 (en) System for low-energy plasma-enhanced chemical vapor deposition
JP4906169B2 (ja) 被覆工作物を製造するための方法、その方法の利用およびそのための装置
WO1993002806A1 (en) Low energy ion doping of growing materials
Yasutake et al. Molecular beam epitaxial growth of AlN single crystalline films on Si (111) using radio-frequency plasma assisted nitrogen radical source
US5478400A (en) Apparatus for fabricating semiconductor devices
TW201919238A (zh) 用於高電子遷移率電晶體之異質結構及其製造方法
RU2158037C2 (ru) Способ получения алмазных пленок методом газофазного синтеза
KR20030090650A (ko) 부품 제조 방법 및 진공 처리 시스템
JP2004214530A (ja) Ｍｉｓ型化合物半導体装置の製造方法
Rosenblad et al. Epitaxial growth at high rates with LEPECVD
JP2005307332A (ja) 分子線エピタキシャル装置および分子線エピタキシャル装置を用いたｉｉｉ族グループ窒化物の立方晶単結晶薄膜の製造方法
US6582567B1 (en) Method of growing epitaxial layers using magnetron sputter source in MBE apparatus
AU2012202511B2 (en) System and Process for High-Density, Low-Energy Plasma Enhanced Vapor Phase Epitaxy
TW202430673A (zh) 矽基板上的AlN沉積及GaN 半導體過渡層結構
CN116682719A (zh) 基于电流变化确定Ir衬底上金刚石偏压增强形核最佳处理时长的方法
Kim et al. Effect of nitrogen species and energy on the crystallinity and luminescent properties of GaN films grown by the reactive neutral beam-assisted evaporation process
Sato Critical layer thickness of GaN thin layers embedded in GaAs
Shibata et al. Effects of ECR-Plasma Excitation in GaAs MBE Growth
Mateeva et al. Influence of the substrate bias on epitaxial growth of Si films by dc-discharge plasma chemical vapour deposition
Zhu et al. Control of Nucleation to Realize High Density Si Nanoparticles on SiO 2 Thin Films
JPH0349215A (ja) プラズマを利用した薄膜成長法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20070919

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee