KR100294572B1 - 플라즈마 처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고주파전극에 미세한 구멍이 형성되어 있어도 그 구멍의 표면도 충분히 세라믹으로 덮여져 있고, 성막분위기를 오염시키는 일이 없이,
뛰어난 특성을 가지는 막을 형성할 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 금속의 적어도 플라즈마에 노출되는 부분이 세라믹재로 덮여져 이루어지는 고주파전극을 가지는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 고주파전극으로부터의 가스방출량을 10-8TorrㆍL/sec~10-6TorrㆍL/sec이하로 한 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 금속의 적어도 플라즈마에 노출되는 부분이 세라믹재로 덮여져 이루어지는 고주파전극을 가지는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 세라믹재가 소결세라믹재인 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마의 처리장치
제 1도는 고주파전극의 제조공정예를 나타낸 공정도이고,
제 2도는 방출가스량과 절연내압의 관계를 나타낸 그래프이며,
제 3도는 실시예에 관계되는 고주파전극을 나타낸 개념도이다.
본 발명은 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
종래 플라즈마 처리장치로서는, 알루미나 등의 세라믹재를 용사(溶射)함으로써 금속표면을 코팅하여 이루어지는 전극을 고주파전극으로서 이용한 것이 알려져 있다.
그러나, 종래의 플라즈마 처리장치를 이용하여 성막을 행한 경우, 성막한 막의 특성에는 한계가 있었다. 예를 들어 절연막에 대해서는 절연내압으로서는 8MV/cm가 한계이었다.
또, 고주파전극에는 가스분사구 등의 미세한 구멍이 형성되는 일이 많은데, 용사로는 이 미세한 구멍의 내면까지 코팅하는 것이 곤란하다. 따라서, 이 구멍의 내면이 플라즈마에 의하여 어택(attack)되어 성막분위기의 오염원인으로 되었다.
본 발명은 뛰어난 특성을 가지는 막을 형성할 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 고주파전극에 미세한 구멍이 형성되 었어도 그 구멍의 표면도 충분히 세라믹으로 덮여져 있고, 성막분위기를 오염시키는 일이 없는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제 1요지는, 플라즈마 발생용 가스를 통기시키는 가스분출용 구멍을 복수 형성하여 이루어지는 금속으로 이루어진 고주파전극판이, 플라즈마에 노출되는 전 표면에 소결세라믹재를 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치에 있다.
본 발명의 제 2요지는, 제 1요지에 있어서, 상기 세라믹재는 알루미나 또는 산화지르코늄인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치에 있다.
본 발명의 제 3요지는, 제 1요지에 있어서, 상기 금속은 텅스텐 또는 몰리브덴인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치에 있다.
이하에 본 발명의 작용 및 실시형태예를 본 발명을 이룰 때에 얻은 지견(知見)등과 함께 설명한다.
플라즈마 처리장치에 의하여 반도체막, 절연막 그 이외의 각종 막의 성막이 행해지는데, 뛰어난 특성(예를 들어, 절연막의 경우는 높은 절연내압, 반도체막의 경우는 높은 이동도(易動度)를 달성하기 위하여, 원료가스의 불순물농도를 ppb레벨에 까지 제어하고, 또 플라즈마 처리장치의 성막실의 내벽은 그 표면으로부터의 가스방출량이 적은 재료(예를 들어 크롬산화물로 이루어지는 산화부동태막을 표면에 가지는 스테인레스 강)에 의하여 구성하여 불순물농도를 극력 감소시키고 있다.
이와 같이 불순물농도를 극력 감소시키고 있음에도 불구하고, 종래의 플라즈마 처리장치에서는 뛰어난 특성 막의 성막을 행할 수가 없었다.
본 발명자는 그 원인에 대한 탐구를 행하였다. 그 결과, 고주파전극으로부터의 가스방출이 큰 원인으로 되어 있음을 발견하였다. 그리고, 보다 중요한 것은 10-8TorrㆍL/sec를 경계로하여 급격히 특성이 향상됨을 지견한 것이다. 즉, 10-6TorrㆍL/sec에는 임계적 의의가 인정되어, 10-6TorrㆍL/sec이하로 함으로써 뛰어난 특성을 가지는 막을 성막할 수 있다.
또, 10-7TorrㆍL/sec이하가 가스방출량이 보다 한층 적어 바람직하다.
한편, 5×10-8TorrㆍL/sec를 경계로하여 효과(예를 들어 절연내압)는 포화된다. 따라서, 경제관점에서 5×10-8TorrㆍL/sec를 하한으로 한다.
가스방출을 감소시키는 수단을 예의 탐구한 결과, 금속을 피복하는 세라믹재로서는 소결세라믹이 종래의 용사세라믹보다 훨씬 가스방출량이 적음을 발견하였다.
즉, 본 발명에서는 세라믹재를 소결세라믹재로 하였기 때문에, 고주파전극으로부터의 방출가스량을 종래보다도 현저히 감소시킬 수 있고, 특성이 양호한 막의 성막이 가능하게 되었다.
소결세라믹이 용사세라믹보다 방출가스량이 현저히 적은 이유는 명확하지는 않으나, 다만 다음과 같이 추정된다. 즉, 종래의 용사세라믹의 표면을 자세히 관찰하면 그 표면에는 공방이 존재하여, 그 공방이 불순물가스가 머무르는 장소가 되어 방출가스원으로 된다고 생각된다. 그것에 대하여 소결세라믹의 표면에는 그와 같은 공방은 존재하지 않기 때문에, 방출가스량이 용사세라믹보다 적은 것으로 생각된다.
소결세라믹이라는 것은 소결공정을 거쳐 형성된 세라믹인데, 소결방법으로서는 예를 들어 HP법(강바소결법), SPS법(방전 플라즈마 소결법), HIP법(등방가압 압축소결법)을 들 수 있다. HP법에서는 10-7TorrㆍL/sec의 레벨, SPS법에서는 10-8TorrㆍL/sec의 레벨, HIP법에서는 10-9TorrㆍL/sec의 레벨의 방출가스량을 달성할 수 있다.
청구범위 1항의 발명에 있어서의 세라믹의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 알루미나, 산화지르코늄(또는 지르코니아)이 특히 적합하다. 알루미나, 산화지르코늄은 내식성, 내플라즈마 특성이 뛰어나기 때문에 전극으로부터의 불순물의 혼입이 다른 세라믹에 비하여 적고, 보다 뛰어난 특성을 가지는 막의 성막이 가능하게 된다.
종래의 고주파전극의 금속으로는 하스텔로이(등록상표)가 사용되고 있다. 그런데 소결세라믹의 소결이 고압 고온하에서 행해지기 때문에, 하스텔로이를 사용하면 크랙의 발생을 수반하는 일이 많음이 판명되었다. 텅스텐, 탄탈 또는 몰리브덴을 사용한 경우에는 이러한 크랙의 발생을 효과적으로 방지할 수 있기 때문에 바람직하다.
용사세라믹의 경우에는 가스분사구 등의 미세한 구멍의 내면을 세라믹으로 코팅하는 것이 곤란하다는 것을 상술한 바와 같다.
그것에 대하여 청구범위 1항의 발명에 나타낸 소결세라믹은, 미세한 구멍을 가지고 고주파전극에 대하여 특히 효과적이다.
즉, 금속의 소정 위치(분사구 등의 미세한 구멍에 대응하는 위치)에, 설계상 결정된 미세한 구멍의 직경(a)보다 큰 구멍(a+α)를 개방하여 놓고, 소결 후 레이져 등에 의하여 소정위치에 (a)의 크기로 미세한 구멍을 개방하면 된다. 이것에 의하여 미세한 구멍이더라도 그 내면에는 (α/2) 두께의 소결세라믹을 형성시킬 수 있다. 여기서 α의 크기는 한정되지 않으므로 희망하는 두께의 소결세라믹을 미세한 구멍의 내면에 형성시킬 수 있다.
실시예
실시예 1
사방 30cm, 판 두께 5mm의 텅스텐(W)제의 판을 준비하였다. 이 금속판의 표면거칠기는 Ra30nm으로 하였다.
이 판에 펀칭에 의하여 직경 3mm의 구멍을 형성시켰다(제 1(a)도).
이 판을 제1(b)도에 나타낸 바와 같이, 형 속에 알루미나(Al2O3)분말과 함께 배치하였다. 분말은 평균입경 100㎛, 순도 99.9%의 것을 사용하였다.
다음에 제 1(c)도에 나타낸 바와 같이, HP법에 의하여 고압ㆍ고온에서 소결을 행하였다. 압력은 30MPa, 온도는 1500℃로 하고 소결시간은 2시간으로 하였다.
소결종료 후, 제 1(d)도에 나타낸 바와 같이, 형으로부터 전극을 취출하고 펀칭에 의하여 형성된 구멍 사이에 가스분사용 구멍(직경 0.3mm)을 레이져에 의하여 개방함과 동시에 고주파 전력인가용 구멍도 레이져로 개방하였다.
이상과 같이 약 10개의 고주파전극을 제작하고, 이 고주파전극에 대하여 가스방출특성을 조사하였더니, 약 10-6~5×10-7TorrㆍL/sec이었다.
이 고주파전극을 조립하여 플라즈마 처리장치를 제작하였다. 플라즈마 처리장치의 성막실의 내벽은 크롬산화물로 이루어지는 부동태막을 표면에 가지는 스테인레스 강에 의하여 구성시키고, 그 내벽으로부터의 방출가스량은 10-8~10-7TorrㆍL/sec로 하였다. 이 플라즈마 처리장치를 사용하여 질화실리콘막을 ㅍ CVD법에 의하여 형성시켰다. 또한, 이 때 원료가스중에 있어서의 불순물농도는 수 ppb이하로 하고, 성막전에는 질소가스를 사용하여 회분퍼지(batchpurge)를 행하였다.
성막한 질화실리콘막의 절연내압을 측정하였더니, 절연내압은 8.0~9.0MV/cm이었다.
실시예 2
본 실시예에서는 소결을 SPS법을 이용하여 행한 것 이외에 다른 점은 실시예 1과 마찬가지로 하였다.
가스방출특성은 5×10-7~5×10-8TorrㆍL/sec이었다.
또, 절연내압은 9.0~9.5.MV/cm이었다.
실시예 3
본 실시예에서는 소결을 HIP법을 이용하여 행한 것 이외에 다른 점은 실시예 1과 마찬가지로 하였다.
가스방출특성은 5×10-8~5×10-9TorrㆍL/sec이었다.
또, 절연내압은 9.5~10.0MV/cm이었다.
제 2도에 실시예 1~실시ㅖ 3에서 측정한 절연내압의 결과를 정리하여 나타냈다. 제 2도로부터 명확한 바와 같이, 절연내압은 10-6TorrㆍL/sec를 경계로하여 급격히 향상하고 있다. 또, 5×10-8TorrㆍL/sec를 경계로하여 절연내압이 포화되어 있다.
실시예 4
본 실시예에서는 제 3(a)도에 나타낸 고주파전극을 실시예 1과 같은 조건으로 HP법에 의하여 제작하였다. 이 고주파전극은 오목상의 세라믹체에 금속체를 감합 혹은 접착한 것이다.
우선, 소결에 의하여 오목상의 세라믹을 제작한 후, 이 세라믹과 몰리브덴(Mo)금속판을 접착제 세라셋SN(상표)를 사용하여 접착하였다.
가스방출특성은 5×10-6~5×10-7TorrㆍL/sec이었다.
또, 절연내압은 8.0~9.0MV/cm이었다.
실시예 5
본 실시예에서는 제 3(b)~(d)도에 나타낸 고주파전극을 제작하였다.
세라믹은 HP법에 의하여 제작하고, 금속은 텅스텐을 사용하였다.
전극의 제작순서는 실시예 1과 같게하였다.
제 3(b), (c)도에 나타낸 바와 같이 세라믹과 금속의 열팽창 차를 낮추기 위하여 금속판의 구멍을 여러 가지 형상으로 가공할 수 있다. 또, 제3(d)도에 나타낸 바와 같이 금속실로 망(網)타입의 것을 제작하여 금속판을 대용할 수도 있다.
청구범위 1항에 관계되는 발명에 의하면, 뛰어난 특성(예를 들어 절연내압이 8.0MV/cm이상)을 가지는 막의 성막이 가능하게 되며, 고주파전극으로부터의 가스방출량을 종래보다 현저히 감소시킬 수 있게 되어 특성이 양호한 막의 성막이 가능하게 되고, 가스분사구 등의 미세한 구멍의 내면이 세라믹으로 용이하게 또 확실히 코팅된 고주파전극을 가지고 있어, 특히 CVD장치 등에 효과적으로 적용할 수 있다.
청구범위 4항에 관계되는 발명에 의하면, 전극으로부터의 불순물의 혼입이 다른 세라믹에 비하여 적어 보다 뛰어난 특성을 가지는 막의 성막이 가능하게 된다.
청구범위 5항에 관계되는 발명에 의하면, 고주파전극에 있어서의 크랙의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.

Claims (3)

  1. 플라즈마 발생용 가스를 통기시키는 가스분출용 구멍을 복수 형성하여 이루어지는 금속으로 고주파 전극판이, 플라즈마에 노출되는 전 표면에 소결세라믹재를 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹재는 알루미나 또는 산화지르코늄인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 텅스텐 또는 몰리브덴인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
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