KR100819336B1 - 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마 발생 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노공정에 적합한 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마 발생 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 여기수단을 이용하여 중성가스의 여기 에너지와 비슷한 에너지를 중성가스에 전달하여 중성가스를 여기 상태로 만든 후 이온화 에너지와 여기 에너지 차이에 해당하는 에너지를 가진 광소스를 이용하여 중성가스를 이온화 시켜 플라즈마를 생성시키도록 되어 있고, 그 장치는 내부에 피처리물이 수용될 수 있는 공간이 형성되고, 이 공간의 상부에는 투명 유전체가 씌워지며, 일측에는 내부 공간으로 중성가스를 공급하기 위한 주입구와 내부를 진공분위기로 만들기 위한 진공펌프가 접속된 챔버; 상기 챔버에 주입된 중성가스의 여기 에너지와 비슷한 에너지를 중성가스에 전달하여 중성가스를 여기 상태로 만들기 위한 여기수단; 여기 상태인 중성가스의 이온화 에너지와 여기 에너지 차이에 해당하는 에너지를 가진 광자를 상기 챔버 내부에 조사하여 중성가스를 이온화시켜 플라즈마를 생성시키기 위한 이온화수단;을 포함하여 이루어져 있다.

전자온도, 플라즈마, 여기, 이온화, 중성가스

Description

낮은 전자온도를 갖는 플라즈마 발생 방법 및 그 장치 {A Device and method for low electron temperature plasma generator}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마 발생장치의 개략구성도,

도 2는 전자에너지에 따른 전자와 아르곤원자의 단면적 크기 변화 그래프,

도 3은 열전자 가속전압과 UV조사여부에 따른 플라즈마변수 변화 그래프,

도 4는 UV조사여부에 따른 전자속도 분포함수(EVDF)의 변화 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 챔버 12 : 내부공간

14 : 투명 유전체 16 : 가스 주입구

18 : 진공펌프 20 : 여기수단

30 : 이온화수단 40,40',40" : 전원

50 : 프로브

본 발명은 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마 발생방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 전자빔과 같은 여기수단과 광자를 방출하는 UV램프 등의 광소스인 이온화수단을 이용하여 불활성 기체나 다른 중성 기체를 여기, 이온화 시킴으로써 전자 온도가 낮은 플라즈마를 생성하게 하는 방법 및 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

플라즈마(plasma)는 이온, 전자 또는 음이온으로 구성되어 있으며, 반도체 공정에서 플라즈마 식각(Plasma Etch) 및 증착(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 금속이나 고분자의 표면처리, 신물질 합성 등에서 이용되고 있다. 또한 공정의 미세화, 저온화의 필요성 때문에 플라즈마 공정이 종래의 공정을 대체하고 있으며, 경우에 따라서는 플라즈마만이 제공할 수 있는 물질이나 환경을 이용하기 위한 응용분야가 점점 더 확대되고 있다.

기존의 플라즈마 발생 방법 중에는 ICP, CCP, 헬리콘, ECR등이 있으며, 위에 언급된 플라즈마 발생법으로 실리콘 반도체 제조 공정에 사용되고 있다. 하지만, 100nm 이하의 크기를 갖는 형상의 플라즈마 식각의 경우 여러 가지 문제점들이 발생하고 있는데, 특히 50nm 이하의 나노공정일 경우 다음과 같은 여러 가지 문제점 즉, 스페이스 차지(Space charge)효과 및 차징(charging)에 의한 이온의 방향성 저하에 따른 이방성(anisotropy)저하 문제, 에스펙트비(aspect ratio)의 증가에 따른 식각 속도 저하로 인한 ARDE(aspect ratio dependent etch)문제, 높은 에너지를 갖는 이온의 충돌 및 차징(charging)에 따른 손상(damage)문제, 나노 구조물의 작은 크기에 따른 표면조도(surface roughness) 조절문제 등이 생기는데, 이러한 문제점 을 해결하기 위해서는 낮은 전자 에너지를 갖는 플라즈마를 이용한 에칭기술 및 ALE(Atomic Layer Etching)기술에 대한 개발이 중요하게 된다.

기존의 플라즈마 발생 방법은 전기장, 자기장을 이용하여 전자를 가열시킨 후, 즉 전자를 가속시켜 중성가스와 충돌을 하게 하여 이온화 시키고, 이렇게 생성된 전자는 다시 전기장으로 인해 가속되고 다른 중성가스와 충돌하여 이온화 시킨다. 이와 같은 반응이 연쇄적으로 일어나 플라즈마를 형성하게 된다.

한편, 전자가 중성가스와 충돌하여 중성가스를 이온화 시키기 위해서 중성가스를 이온화 시킬 수 있을 정도의 충분한 에너지를 가지고 있어야 하므로 높은 운동에너지를 가진 전자가 필요하고, 이를 유지시키기 위해 전기장으로 전자를 가속 시킨다.

이와 같은 방식으로 플라즈마를 만드는 기존의 방법은 높은 운동에너지를 가지는 전자가 필수 요소이며, 플라즈마 내에 존재하는 높은 에너지를 가지는 전자는 위에 언급된 식각 문제를 일으킨다.

전자 온도가 낮은 플라즈마를 만들기 위해서는 기존의 전자를 가속시켜 중성가스를 이온화 시키는 방법이 아닌 다른 방법으로 중성가스를 이온화 시켜야 한다. 대표적인 예로 자외선(UV) 조사 방법이 있다. 중성가스의 이온화 에너지보다 큰 에너지를 가진 광자를 이용하면 중성가스에 광자의 에너지가 전달되어 전자 하나가 중성가스와 분리된다. 이때 광자 대부분의 에너지는 이온화 과정에 소모되었으므로 중성가스에서 분리된 전자의 운동에너지는 아주 작게 된다. 이러한 과정을 통해 만 들어진 플라즈마는 1eV 미만의 낮은 전자 온도를 가지게 된다.

현재, UV 소스 제조 기술로는 200nm의 센 세기를 가진 UV 레이저나 UV광원을 만들기가 어려우며, 이를 이용한다고 하여도 6eV미만의 이온화 에너지를 가진 중성가스만을 플라즈마 소스로 이용할 수밖에 없다. 그 예로 이온화 에너지가 5.36eV인 TMAE(tetrakis dimethylamino ethylene)를 193nm UV 레이저를 사용하여 만든 플라즈마가 밀도는 5×10¹³/㎤, 전자 온도 1eV로 측정되었다는 보고가 있다.

따라서 제한적인 중성가스만이 플라즈마 소스가 되며 다양한 중성가스로 플라즈마를 만드는 방법은 위의 방법으로는 불가능하다.

본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 반도체 100nm 이하의 공정이나 나노 구조물(nano structure) 가공과 같은 나노공정에 적합한 낮은 전자 온도를 갖는 플라즈마 발생방법 및 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 2 단계, 즉 여기 단계와 이온화 단계를 각각 거쳐 플라즈마를 발생시키는 방법을 개시하는데, 이는 전자빔과 같은 여기수단을 이용하여 중성가스의 여기 에너지와 비슷한 에너지를 중성가스에 전달하여 중성가스를 여기 상태로 만든 후, 이온화 에너지와 여기 에너지 차이에 해 당하는 에너지를 가진 UV램프나 UV레이저 등에서 조사되는 광자를 이용하여 중성가스를 이온화 시켜 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마를 생성시키는 방법을 제공한다.

상기하 방법을 실현하기 위한 본 발명의 플라즈마 발생장치는 내부에 피처리물이 수용될 수 있는 공간이 형성되고, 이 공간의 상부에는 투명 유전체가 씌워지며, 일측에는 내부 공간으로 중성가스를 공급하기 위한 주입구와 내부를 진공분위기로 만들기 위한 진공펌프가 접속된 챔버;

상기 챔버에 주입된 중성가스의 여기 에너지와 비슷한 에너지를 중성가스에 전달하여 중성가스를 여기 상태로 만들기 위한 여기수단;

여기 상태인 중성가스의 이온화 에너지와 여기 에너지 차이에 해당하는 에너지를 가진 광자를 상기 챔버 내부에 조사하여 중성가스를 이온화 시켜 플라즈마를 생성시키기 위한 이온화수단;을 포함하여 이루어진다.

본 발명의 장치에서 플라즈마 변수인 전자의 밀도, 온도나 전자 에너지 분포함수(EEDF:electron energy distribution function)는 공지된 랑뮈에 프로브(Langmuir probe)나 락 인 앰프(Lock in Amp)를 이용한 EEDF측정장치 등을 이용하여 측정한다.

이하, 본 발명의 플라즈마 발생방법 및 그 장치에 대한 설명을 위하여 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마 발생장치의 구성이 개략적으로 도시되어 있다.

도 1의 실시예에 도시된 바와 같이 본 발명의 플라즈마 발생장치는 내부에 도시안된 피처리물이 수용될 수 있는 공간(12)이 형성되고, 이 공간(12)의 상부에는 투명 유전체(14)가 씌워지며, 일측에는 내부 공간(12)으로 중성가스를 공급하기 위한 가스 주입구(16)와 내부 공간(12)을 진공분위기로 만들기 위한 진공펌프(18)가 접속된 챔버(10);

상기 챔버(10)의 내부 공간(12)에 주입된 중성가스의 여기 에너지와 비슷한 에너지를 중성가스에 전달하여 중성가스를 여기 상태로 만들기 위한 여기수단(20);

여기 상태인 중성가스의 이온화 에너지와 여기 에너지 차이에 해당하는 에너지를 가진 광자를 상기 챔버(10)의 내부 공간(12)에 조사하여 중성가스를 이온화 시켜 플라즈마를 생성시키기 위한 이온화수단(30);을 포함하여 이루어진다.

도면중 부호 40,40',40"는 여기수단(20)과 이온화수단(30)을 구동시키기 위한 전원이고, 부호 50은 프로브로서 전자의 밀도, 온도나 전자 에너지 분포함수(EEDF)를 측정하기 위한 것이다.

본 발명의 플라즈마 발생방법은 도 1에 도시된 장치에 의해 즉, 여기수단(20)을 이용하여 중성가스의 여기 에너지와 비슷한 에너지를 중성가스에 전달하여 중성가스를 여기 상태로 만든 후, 이온화 에너지와 여기 에너지 차이에 해당하는 에너지를 가진 이온화수단(30)에서 조사되는 광자를 이용하여 중성가스를 이온화 시켜 플라즈마를 생성시키게 되는 것이다.

본 발명의 플라즈마 발생방법 중에서 중성가스인 아르곤가스(Ar)를 반응가스로 사용하여 여기시키고, 이를 다시 이온화시켜 플라즈마를 발생시키는 과정을 일례로 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 챔버(10)의 내부 공간(12)에 주입된 아르곤가스(Ar)에 여기수단(20)으로부터 전자빔이 조사되면 Ar + e^★ → Ar^★+ e 와 같이 아르곤가스가 여기되며, 여기된 상태의 아르곤가스에 이온화수단(30)으로부터 UV광자가 조사되면 Ar^★+ hv → Ar^＋+ e 와 같이 아르곤가스가 이온화되어 플라즈마가 생성된다.

전자온도가 낮은 플라즈마를 만들기 위해서는 전자빔의 에너지를 아르곤가스 원자의 이온화에너지와 비슷한 정도가 되도록 조절하고, UV광자 에너지도 첫번째 여기상태에서 이온화상태까지 도달할 수 있을 정도의 에너지를 갖도록 하면 된다.

상기 여기수단과(20)과 이온화수단(30)의 출력조절은 반응가스로 아르곤가스를 사용한 경우를 예로 들어 설명하면, 아르곤가스의 첫번째 여기에너지가 11.5eV이고, 이온화에너지가 15.76eV이므로, 전자빔 에너지의 범위는 11.5eV에서 15.76eV의 범위 내에서 정해지고, UV광자 에너지는 최소 4.26eV의 값을 가져야 한다, 또한, 중성인 아르곤가스 원자가 여기상태로 많이 있어야 효율적이므로 중성가스원자 와 충돌단면적이 큰 전자에너지로 전자빔 에너지를 결정해야 한다.

본 발명에서는 상기한 바와 같이 전자빔 에너지로 중성가스를 여기시키고 UV광자로 여기된 상태에서 이온화되기까지의 임계에너지를 전달하므로 이에 의해 생성된 플라즈마는 낮은 전자온도를 갖게 된다.

본 발명에서 상기 여기수단(20)은 위에서 언급된 전자빔 외에도 분자빔, 양성자빔, 중성자빔 등의 여기수단을 사용할 수도 있으나, 실제로는 만들기 쉽고 가스를 따로 흘려주어야 할 필요가 없는 열전자 소스(thermionic emission source) 방식의 전자빔을 이용하는 것이 바람직하다,

이 열전자 소스 방식은 가열된 고체 표면에서 고체의 고유 일함수(work function)보다 큰 에너지를 갖는 전자들이 튀어 나오는 것을 이용한 것으로, 열전자 소스로 가장 적합한 것은 녹는점이 높고, 일함수가 작으며, 전자 방출 상수가 클수록 좋다. 고체 표면 가열 방식은 전류를 흘려주어 저항열을 이용하거나 텅스텐 같은 가열 물질에 열전자를 이용할 고체 물질을 접촉시킨 뒤 가열 물질에 전류를 흘려주어 열이 발생하면 열전도에 의해 열전자를 이용할 고체 물질에 열이 전달되게 한다. 이용할 열전자를 효율적으로 발생시키기 위해 적절한 두 가지 물질을 섞어 일함수를 낮추게 하는데 그 예로 바륨-텅스텐(barium-tungsten), 토라이트 이리듐(thoriated iridium)이 있다.

이와 같은 전자빔 외에도 충돌 입자를 원하는 에너지를 갖도록 가속시켜 중성가스 원자를 여기 상태로 전이할 수 있는 에너지를 전달할 수 있는 방식인 분자 빔, 양성자빔 및 중성자빔을 여기수단으로 이용할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 이온화수단(30)은 광 램프나 레이저 등의 광소스를 의미하는데, 그 예로는 중성가스에 따라 다르지만 UV램프나, UV레이저를 사용할 수 있다.

상기 전원(40")은 예를 들어 200nm~600nm의 파장영역을 갖는 UV램프를 이온화수단(30)으로 사용할 경우, DC방전을 이용하여 전등안에 있는 가스 원자를 여기시켜 전자가 가스원자 에너지 준위를 바꾸면서 에너지 차이에 해당하는 광자(자외선)를 발생시킬 수 있으며, 상용화 되고 있는 UV램프등은 주로 수은과 제논을 이용한다. 플라즈마 발생에 이용하는 중성가스의 이온화 에너지와 여기 에너지 차이에 해당하는 에너지를 광소스가 전달해 주어야 하므로 램프안에 들어가는 가스의 종류와 양을 바꾸면 램프의 파장과 세기를 조절한다.

본 발명에서 사용될 수 있는 중성가스는 상기한 Ar가스 외에도 He, Ne, O2, N2, H2을 사용할 수 있으며, 이러한 플라즈마 중성가스는 플라즈마 변수 제어를 정밀하게 하기 위해서 하나 이상의 가스를 혼합하여 이용할 수 있으며, 중성가스의 공급 압력은 식각 공정에 맞게 수십 미리 토르(1mmTorr~100mmTorr) 영역에서 결정해 준다. 저온 플라즈마로 에칭 가스(CxFx 계열)를 처리해 활성종을 정밀하게 조절하며 낮은 이온 에너지로 인해 식각공정에 일어나는 손실(damage)을 줄일 수 있다.

본 발명에서 전자 온도가 낮은 플라즈마를 만들기 위해서는 우선 전자빔의 에너지가 커서는 안되고, UV광자로 최종적으로 이온화 시키는 것이므로 전자빔의 가속 에너지는 중성가스 원자의 이온화 에너지와 비슷해야 한다. 또한 UV광자 에너지도 첫 번째 여기 상태에서 이온화 상태까지 도달할 수 있을 정도의 에너지를 가지고 있어야 한다. 즉, 위에서 한 번 언급된 바와 같이 아르곤가스의 첫 번째 여기 에너지가 11.5eV이고 이온화 에너지가 15.76eV이므로, 전자빔 에너지의 범위는 11.5eV에서 15.76eV 사이의 값으로 정해지고, UV광자 에너지는 최소 4.26eV 값을 가져야 한다.

또한, 본 발명에서 고려해야 할 것으로는 전자빔 에너지에 따른 중성가스 원자의 충돌 단면적(cross section)의 크기이다. UV광자가 여기상태의 중성가스 원자에 광자 에너지를 전달하기 위해서는 충분히 많은 수의 여기상태의 중성가스 원자가 존재해야 한다. 이 수를 결정해주는 것이 충돌 단면적이다. 예를 들면 도 2에 도시된 바와 같이 Ar원자와 입사되는 전자의 에너지에 따른 충돌 단면적의 크기의 변화이다.

도 2의 그래프에서 볼 수 있듯이 아르곤가스의 경우 이온화 단면적은 16eV 이상의 에너지를 가진 전자와 충돌할 때부터 0이상의 값을 가지며 여기 단면적 값은 12eV 근처의 에너지를 가진 전자와 충돌할 때부터 0이 아닌 값을 가진다.

여기에서 UV 광자로 인해 여기 상태에 있는 중성가스 원자가 이온화되기 위 해서는 UV 광자의 수(세기)도 중요하지만 여기 상태로 존재해 있는 중성가스 원자의 개수 또한 중요하다. 그렇기 때문에 전자빔의 에너지는 여기 충돌 단면적이 제일 큰 30eV 근처가 적합하게 된다. 하지만 여기서 다시 고려해야 할 것은 이온화 충돌 단면적이다. 중성가스 원자와 충돌하는 전자의 에너지가 커질수록 이온화 충돌 단면적이 커지는 경향을 보이는데, 전자빔 에너지를 30eV 정도로 맞추어주면 여기 충돌 단면적과 이온화 충돌 단면적의 크기가 비슷하거나 이온화 충돌 단면적의 크기가 여기 충돌 단면적 크기보다 크게 된다. 이러면 여기에서 관찰할 여기상태, 이온화 과정을 거치는 두 단계 플라즈마 생성 방법과는 다른 결과를 낳게 된다. 되도록이면 전자빔에 의해서 직접적으로 이온화되는 과정은 억제하고 중성가스 원자의 여기 상태를 많이 만드는 전자빔의 에너지를 결정해야 하기 때문에 16eV에서 30eV사이에서 전자빔 에너지를 결정하면 된다.

도 3에 도시된 그래프는 전자빔 에너지 변화에 따른 빔 플라즈마 변수 변화와 빔 플라즈마에 UV광을 조사했을 때 플라즈마 변수 변화를 나타낸다. 위 결과를 보면 전자빔의 에너지가 20eV 일 때 UV광을 조사했을 때와 안 했을 때의 플라즈마 밀도가 가장 큰 차이를 보였다. 즉 전자빔 에너지가 20eV일 때 UV효과를 가장 잘 볼 수 있었다. 전자 온도는 1eV 정도로 측정되었고 큰 변화는 없었다.

하지만, 전자 속도 분포함수(EVDF;electron velocity distribution function)를 보면 UV광을 조사했을 때와 안 했을 때의 차이를 분명하게 볼 수 있다. 도 4의 그래프에서와 같이 EVDF를 비교해 보면, UV광을 조사하면 UV광을 조사 하기 전보다 속도가 작은 쪽의 전자가 증가함을 알 수 있다.

본 발명에서 플라즈마 가스가 아르곤가스에서 다른 중성가스로 바뀌게 되면 중성가스의 여기 에너지와 이온화 에너지, 전자빔 에너지에 따른 중성가스 원자의 여기, 이온화 충돌 면적 관계가 달라지게 되므로, 그 데이터에 맞는 전자빔 에너지를 결정해주면 여기 장치와 광자를 이용한 저온 플라즈마 방법을 이용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 플라즈마 발생방법 및 플라즈마 발생장치는 100nm이하의 크기를 갖는 형상의 플라즈마 처리시 기존의 플라즈마 발생장치에서의 제현상 즉, 스페이스 차지(Space charge)효과 및 차징(charging)에 의한 이온의 방향성 저하에 따른 이방성(anisotropy)저하 문제, 에스펙트비(aspect ratio)의 증가에 따른 식각 속도 저하로 인한 ARDE(aspect ratio dependent etch)문제, 높은 에너지를 갖는 이온의 충돌 및 차징(charging)에 따른 손상(damage)문제, 나노 구조물의 작은 크기에 따른 표면조도(surface roughness) 조절문제 등을 해소할 수 있는 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마를 제공할 수 있는 유용한 효과를 갖는다.

Claims (5)

1. 여기수단을 이용하여 중성가스의 여기 에너지와 비슷한 에너지를 중성가스에 전달하여 중성가스를 여기 상태로 만든 후, 이온화 에너지와 여기 에너지 차이에 해당하는 에너지를 가진 이온화수단을 이용하여 중성가스를 이온화 시켜 플라즈마를 생성시키는 것을 특징으로 하는 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마 발생방법.
2. 내부에 피처리물이 수용될 수 있는 공간이 형성되고, 이 공간의 상부에는 투명 유전체가 씌워지며, 일측에는 내부 공간으로 중성가스를 공급하기 위한 주입구와 내부를 진공분위기로 만들기 위한 진공펌프가 접속된 챔버;

   상기 챔버에 주입된 중성가스의 여기 에너지와 비슷한 에너지를 중성가스에 전달하여 중성가스를 여기 상태로 만들기 위한 여기수단;

   여기 상태인 중성가스의 이온화 에너지와 여기 에너지 차이에 해당하는 에너지를 가진 광자를 상기 챔버 내부에 조사하여 중성가스를 이온화 시켜 플라즈마를 생성시키기 위한 이온화수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마 발생장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 여기수단은 전자빔, 분자빔, 양성자빔, 중성자빔 중에서 택일되는 것을 특징으로 하는 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마 발생장치.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 이온화수단은 UV램프나 UV레이저를 포함하는 광소스 중에서 택일되는 것을 특징으로 하는 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마 발생장치.
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 중성가스는 Ar, He, Ne, O2, N2, H2중에서 선택되는 1종 또는 그 이상이 혼합가스임을 특징으로 하는 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마 발생장치.

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