KR20050082503A - A device and method for low electron temperature plasma generator - Google Patents
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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.The present invention relates to a method and apparatus for generating a plasma having a low electron temperature suitable for nano-processing, by using an excitation means to transfer energy similar to the excitation energy of a neutral gas to the neutral gas to make the neutral gas excited and then ionized The neutral gas is ionized to generate a plasma by using a light source having energy corresponding to the difference between the energy and the excitation energy, and the device has a space for accommodating an object to be processed. A transparent dielectric is covered at an upper portion thereof, and a chamber is connected at one side with an inlet for supplying neutral gas to the inner space and a vacuum pump for making the interior into a vacuum atmosphere; Excitation means for transferring the energy similar to the excitation energy of the neutral gas injected into the chamber to the neutral gas to bring the neutral gas into an excited state; And ionizing means for irradiating the inside of the chamber with photons having energy corresponding to the difference between the ionization energy of the neutral gas and the excited energy in the excited state to ionize the neutral gas to generate a plasma.
Description
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. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for generating a plasma having a low electron temperature, in particular to excite an inert gas or other neutral gas by using an excitation means such as an electron beam and an ionization means such as a light source such as a UV lamp that emits photons. A plasma generating apparatus and a method for generating a plasma having a low electron temperature by ionization.
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.Plasma is composed of ions, electrons or anions, and is used in plasma etching and deposition (PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), surface treatment of metals and polymers, and synthesis of new materials. In addition, due to the necessity of process miniaturization and low temperature, the plasma process replaces the conventional process, and in some cases, an application field for using a material or an environment that only the plasma can provide is gradually increasing.
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 문제점을 해결하기 위해서는 낮은 전자 에너지를 갖는 플라즈마를 이용한 에칭기술 및 ALE(Atomic Layer Etching)기술에 대한 개발이 중요하게 된다.Existing plasma generation methods include ICP, CCP, helicon, and ECR, and are used in the silicon semiconductor manufacturing process by the above-mentioned plasma generation method. However, in the case of plasma etching having a shape having a size of 100 nm or less, various problems occur. In particular, in the case of 50 nm or less nano processes, various problems such as space charge effect and charging Anisotropy deterioration problem due to the decrease in the directionality of the ions by the ion, aspect ratio dependent etch (ARDE) problem due to the etching rate decrease due to the increase of the aspect ratio, collision and charging of ions having high energy Damage problems due to charging, surface roughness control according to the small size of the nanostructures, etc., to solve this problem, etching technology using plasma having low electron energy and atomic layer (ALE) Development of etching technology becomes important.
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.Conventional plasma generation method uses electrons and magnetic fields to heat electrons, ie accelerates electrons to collide with neutral gas and ionizes them. The generated electrons are accelerated by electric field and collide with other neutral gas. Ionize. This reaction occurs in series to form a plasma.
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.On the other hand, since electrons collide with neutral gas and have enough energy to ionize neutral gas, electrons with high kinetic energy are needed, and the electrons are accelerated by electric field to maintain them. .
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. Existing methods of making plasma in this manner are essential elements with high kinetic energy, and electrons with high energy present in the plasma cause the above-mentioned etching problem.
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 만들어진 플라즈마는 1eV 미만의 낮은 전자 온도를 가지게 된다.In order to make plasma with low electron temperature, neutral gas must be ionized by a method other than accelerating conventional electrons to ionize neutral gas. A representative example is ultraviolet (UV) irradiation method. Using photons with energy greater than the ionization energy of the neutral gas, the energy of the photons is transferred to the neutral gas, whereby an electron is separated from the neutral gas. Since most of the energy of the photons was consumed in the ionization process, the kinetic energy of the electron separated from the neutral gas is very small. The plasma produced by this process has a low electron temperature of less than 1 eV.
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.Currently, it is difficult to produce UV lasers or UV light sources having a high intensity of 200 nm using UV source manufacturing technology, and even using this, only neutral gas having ionization energy of less than 6 eV can be used as a plasma source. For example, a plasma produced using tetrakis dimethylamino ethylene (TMAE) with an ionization energy of 5.36 eV using a 193 nm UV laser has been reported to have a density of 5 × 10 13 / cm 3 and an electron temperature of 1 eV.
따라서 제한적인 중성가스만이 플라즈마 소스가 되며 다양한 중성가스로 플라즈마를 만드는 방법은 위의 방법으로는 불가능하다. Therefore, only a limited neutral gas becomes a plasma source, and a method of making plasma from various neutral gases is impossible with the above method.
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. The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, the object of the present invention is a plasma generation method having a low electron temperature suitable for nano-process, such as semiconductor 100nm process or less nanostructure (nano structure) process and It is to provide a plasma generator.
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 해당하는 에너지를 가진 UV램프나 UV레이저 등에서 조사되는 광자를 이용하여 중성가스를 이온화 시켜 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마를 생성시키는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention discloses a method of generating a plasma through two steps, namely, an excitation step and an ionization step, which use neutralizing energy similar to excitation energy of a neutral gas by using an excitation means such as an electron beam. Neutral gas is made excited by transferring to gas and then ionized neutral gas by using photons irradiated from UV lamp or UV laser with energy corresponding to difference between ionization energy and excitation energy to generate plasma with low electron temperature It provides a method to make it.
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; In the plasma generating apparatus of the present invention for realizing the above-described method, a space in which an object to be processed is accommodated is formed, a transparent dielectric is covered on an upper portion of the space, and one side supplies a neutral gas to the internal space. A chamber connected with an inlet for the vacuum pump and a vacuum pump for making the interior into a vacuum atmosphere;
상기 챔버에 주입된 중성가스의 여기 에너지와 비슷한 에너지를 중성가스에 전달하여 중성가스를 여기 상태로 만들기 위한 여기수단;Excitation means for transferring the energy similar to the excitation energy of the neutral gas injected into the chamber to the neutral gas to bring the neutral gas into an excited state;
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. And ionizing means for irradiating the inside of the chamber with photons having energy corresponding to the difference between the ionization energy of the neutral gas and the excitation energy in the excited state to ionize the neutral gas to generate a plasma.
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. Density, temperature or electron energy distribution function (EEDF) of the plasma variables in the device of the present invention is an EEDF measuring device using a known Langmuir probe or Lock in Amp. It measures using etc.
이하, 본 발명의 플라즈마 발생방법 및 그 장치에 대한 설명을 위하여 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment which does not limit the present invention for the description of the plasma generating method and apparatus of the present invention will be described in detail with the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마 발생장치의 구성이 개략적으로 도시되어 있다.1 is a schematic diagram of a plasma generator having a low electron temperature according to an embodiment of the present invention.
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);As shown in the embodiment of Fig. 1, the plasma generating apparatus of the present invention has a space 12 in which a workpiece (not shown) is accommodated, and a transparent dielectric 14 is formed on the space 12. A chamber 10 to which a gas injection port 16 for supplying neutral gas to the internal space 12 and a vacuum pump 18 for making the internal space 12 into a vacuum atmosphere are connected to one side;
상기 챔버(10)의 내부 공간(12)에 주입된 중성가스의 여기 에너지와 비슷한 에너지를 중성가스에 전달하여 중성가스를 여기 상태로 만들기 위한 여기수단(20);Excitation means (20) for transferring the energy similar to the excitation energy of the neutral gas injected into the internal space (12) of the chamber (10) to the neutral gas to bring the neutral gas into an excited state;
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. Ionization means (30) for generating a plasma by ionizing neutral gas by irradiating photons having energy corresponding to the difference between ionization energy and excitation energy of the neutral gas in an excited state to the internal space (12) of the chamber (10); It is made, including.
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. In the drawings, reference numerals 40, 40 'and 40 " denote power supplies for driving the excitation means 20 and the ionization means 30, and reference numeral 50 denotes a probe for measuring the density of electrons, temperature or electron energy distribution function (EEDF). It is for.
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. In the plasma generating method of the present invention, by using the apparatus shown in FIG. 1, that is, the excitation means 20 transfers energy similar to the excitation energy of the neutral gas to the neutral gas to make the neutral gas excited, and then ionization energy. And a neutral gas is ionized by using photons irradiated from the ionization means 30 having energy corresponding to the excitation energy difference to generate plasma.
본 발명의 플라즈마 발생방법 중에서 중성가스인 아르곤가스(Ar)를 반응가스로 사용하여 여기시키고, 이를 다시 이온화시켜 플라즈마를 발생시키는 과정을 일례로 설명하면 다음과 같다.In the plasma generating method of the present invention, a process of generating a plasma by using an argon gas (Ar) which is a neutral gas as a reaction gas, and ionizing it again is described as an example.
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.When the electron beam is irradiated from the excitation means 20 to the argon gas Ar injected into the internal space 12 of the chamber 10 shown in FIG. 1, the argon gas is excited as Ar + e ★ → Ar ★ + e. When UV photons are irradiated from the ionization means 30 to the argon gas in the excited state, the argon gas is ionized such as Ar ★ + hv → Ar + + e to generate plasma.
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.In order to make the plasma having a low electron temperature, the energy of the electron beam is controlled to be similar to the ionization energy of the argon gas atom, and the UV photon energy has enough energy to reach the ionization state from the first excited state.
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 중성가스원자와 충돌단면적이 큰 전자에너지로 전자빔 에너지를 결정해야 한다. For example, when the output control of the excitation means 20 and the ionization means 30 uses argon gas as the reaction gas, the first excitation energy of the argon gas is 11.5 eV and the ionization energy is 15.76 eV. The energy range is set within the range of 11.5 eV to 15.76 eV, and the UV photon energy should have a value of at least 4.26 eV. Also, since the neutral argon gas atom must be excited to be efficient, the collision area with the neutral gas atom is effective. The electron beam energy must be determined by the large electron energy.
본 발명에서는 상기한 바와 같이 전자빔 에너지로 중성가스를 여기시키고 UV광자로 여기된 상태에서 이온화되기까지의 임계에너지를 전달하므로 이에 의해 생성된 플라즈마는 낮은 전자온도를 갖게 된다. In the present invention, as described above, since the neutral gas is excited with electron beam energy and transfers critical energy from being excited to UV photons to ionization, the plasma generated thereby has a low electron temperature.
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,In the present invention, the excitation means 20 may use excitation means such as a molecular beam, a proton beam, a neutron beam, etc. in addition to the above-mentioned electron beam, but in reality, it is easy to make and does not need to flow gas separately (thermionic emission) It is preferable to use a source type electron beam,
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. This hot electron source method uses electrons with energy greater than the intrinsic work function of the solid on the heated solid surface. The most suitable for hot electron sources are high melting point, low work function, and electron emission. The larger the constant, the better. The solid surface heating method uses a heat of resistance by flowing a current or by contacting a solid material that uses hot electrons to a heating material such as tungsten and then flowing a current to the heating material to generate heat. To be delivered. In order to efficiently generate the hot electrons to be used, two suitable materials are mixed to lower the work function. Examples include barium-tungsten and thoriated iridium.
이와 같은 전자빔 외에도 충돌 입자를 원하는 에너지를 갖도록 가속시켜 중성가스 원자를 여기 상태로 전이할 수 있는 에너지를 전달할 수 있는 방식인 분자빔, 양성자빔 및 중성자빔을 여기수단으로 이용할 수 있다. In addition to such electron beams, molecular beams, proton beams and neutron beams, which are methods of accelerating collision particles to have desired energy to transfer energy capable of transferring neutral gas atoms to an excited state, may be used as excitation means.
또한, 본 발명에서 상기 이온화수단(30)은 광 램프나 레이저 등의 광소스를 의미하는데, 그 예로는 중성가스에 따라 다르지만 UV램프나, UV레이저를 사용할 수 있다. In addition, in the present invention, the ionization means 30 means a light source such as an optical lamp or a laser. Examples of the ionization means 30 may be UV lamps or UV lasers, depending on the neutral gas.
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. For example, when the UV lamp having a wavelength range of 200 nm to 600 nm is used as the ionization means 30, the power supply 40 ″ excites a gas atom in a lamp by using a DC discharge so that electrons are used to change the gas atom energy level. It is possible to generate photons (ultraviolet rays) corresponding to the energy difference by changing them, and commercially used UV lamps mainly use mercury and xenon, etc. The ionization energy of the neutral gas used for plasma generation and the energy corresponding to the excitation energy difference are used as light sources. Since the light must be delivered, changing the type and amount of gas in the lamp adjusts the wavelength and intensity of the lamp.
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. Neutral gas that can be used in the present invention may use He, Ne, O2, N2, H2 in addition to the above-described Ar gas, the plasma neutral gas may be used by mixing one or more gases to precisely control the plasma parameters The supply pressure of the neutral gas is determined in the range of several tens of torr (1mmTorr ~ 100mmTorr) according to the etching process. The etching gas (CxFx series) is treated with a low temperature plasma to precisely control the active species and to reduce the damage caused by the etching process due to the low ion energy.
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. In the present invention, in order to make the plasma having a low electron temperature, the energy of the electron beam should not be large, but it is finally ionized by UV photons. Therefore, the acceleration energy of the electron beam should be similar to the ionization energy of the neutral gas atom. The UV photon energy must also have enough energy to reach the ionization state from the first excited state. That is, as mentioned above, since the first excitation energy of argon gas is 11.5 eV and the ionization energy is 15.76 eV, the electron beam energy ranges from 11.5 eV to 15.76 eV and the UV photon energy is at least 4.26. must have an eV value.
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. Also to be considered in the present invention is the size of the collision cross section of the neutral gas atom according to the electron beam energy. In order for UV photons to transfer photon energy to excited neutral gas atoms, a sufficient number of excited neutral gas atoms must be present. What determines this number is the impact cross section. For example, as shown in FIG. 2, the magnitude of the collision cross-sectional area is changed according to the energy of Ar atoms and incident electrons.
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.As can be seen in the graph of FIG. 2, in the case of argon gas, the ionization cross-sectional area has a value greater than or equal to zero when it collides with an electron having an energy of 16 eV or more, and the excitation cross section value is not zero since it collides with an electron having an energy of about 12 eV Has a value.
여기에서 UV 광자로 인해 여기 상태에 있는 중성가스 원자가 이온화되기 위해서는 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. The number (UV) of UV photons is important for ionization of the neutral gas atoms in the excited state due to UV photons, but the number of neutral gas atoms in the excited state is also important. Therefore, the energy of the electron beam is suited to around 30 eV, where the excitation collision cross section is the largest. But again, the consideration is the ionization collision cross section. As the energy of electrons colliding with the neutral gas atom tends to increase, the ionization collision cross-sectional area tends to be larger. Becomes larger. This results in a different result from the two-stage plasma generation method through the excited state and ionization process observed here. The electron beam energy should be determined between 16 eV and 30 eV because the energy of the electron beam should be determined to suppress the process of being directly ionized by the electron beam and increase the excited state of the neutral gas atom.
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.The graph shown in FIG. 3 shows the change of the beam plasma parameter according to the change of the electron beam energy and the change of the plasma parameter when UV light is irradiated to the beam plasma. The results showed the greatest difference between the plasma density with and without UV light when the electron beam energy was 20eV. In other words, when the electron beam energy was 20eV, the UV effect was best seen. The electron temperature was measured at about 1 eV and there was no significant change.
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 조사하기 전보다 속도가 작은 쪽의 전자가 증가함을 알 수 있다. However, the electron velocity distribution function (EVDF) clearly shows the difference between with and without UV light. Comparing the EVDF as shown in the graph of FIG. 4, it can be seen that when UV light is irradiated, electrons having a smaller speed increase than before UV light is irradiated.
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. In the present invention, when the plasma gas is changed from argon gas to another neutral gas, the relationship between the excitation energy of the neutral gas, the ionization energy of the neutral gas atom and the ionization collision area according to the electron beam energy is changed, and thus the electron beam energy corresponding to the data is changed. Once determined, a low-temperature plasma method using an excitation device and photons can be used.
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.As described above, the plasma generating method and the plasma generating apparatus of the present invention are effective in the phenomenon of the existing plasma generating apparatus, that is, the space charge effect and the charging, during the plasma processing having a shape having a size of 100 nm or less. Anisotropy deterioration due to directional deterioration of ions, aspect ratio dependent etch (ARDE) due to etch rate deterioration due to increased aspect ratio, collision and charging of ions with high energy ) Has a useful effect of providing a plasma having a low electron temperature to solve the problem of damage (damage), the surface roughness (surface roughness) control according to the small size of the nanostructures.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마 발생장치의 개략구성도,1 is a schematic configuration diagram of a plasma generating apparatus having a low electron temperature according to an embodiment of the present invention,
도 2는 전자에너지에 따른 전자와 아르곤원자의 단면적 크기 변화 그래프,2 is a graph showing the cross-sectional size change of electrons and argon atoms according to electron energy;
도 3은 열전자 가속전압과 UV조사여부에 따른 플라즈마변수 변화 그래프,3 is a plasma parameter change graph according to whether or not the hot electron acceleration voltage and UV irradiation;
도 4는 UV조사여부에 따른 전자속도 분포함수(EVDF)의 변화 그래프이다. Figure 4 is a graph of the change in the electron velocity distribution function (EVDF) according to the UV irradiation.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 챔버 12 : 내부공간10 chamber 12 inner space
14 : 투명 유전체 16 : 가스 주입구14 transparent dielectric 16 gas inlet
18 : 진공펌프 20 : 여기수단18: vacuum pump 20: excitation means
30 : 이온화수단 40,40',40" : 전원30: ionization means 40,40 ', 40 ": power supply
50 : 프로브 50: probe
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