KR20060014019A - 기판의 표면처리방법 - Google Patents

Abstract

광여기 프로세스를 이용하여 도전성 기판을 처리하는 방법에 있어서, 도전성기판을 0. 001 기압∼1 기압으로 유지하는 처리용기(1)내에 두어, 기판(2)에 부의 바이어스 전압을 인가하면서, 광출력창을 가지는 용기내에 수용된 자외선 광원(5)에서 기판 표면의 일함수보다 큰 광에너지인 3∼10eV를 가지는 자외선을 조사 함과 동시에, 처리용기(1)내에 프로세스 가스를 공급함으로써, 기판(2)의 표면 매우 근방에 프로세스 가스의 성분과 기판 표면으로부터의 방출전자와의 충돌에 수반하는 이온과 래디칼(6)을 생성시키고, 이들을 기판(2)의 표면에 도달시킨다. 이렇게 함으로써, 저가로 간편하고 고효율이며, 특히 큰면적의 기판에도 용이하게 기판의 표면처리가 가능하다.

Description

기판의 표면처리방법 {SURFACE TREATING METHOD FOR SUBSTRATE}

본 발명은, 광여기 프로세스를 이용하여 도전성 기판의 표면을 처리하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 있어서 표면 처리는, 기판상에 박막을 퇴적하거나 기판 표면을 산화, 질화 또는 탄화하거나, 기판의 표면을 평탄화하거나 또는 에칭하는 것 등을 포함한다.

광여기 프로세스(optical pumping process)를 이용한 표면 처리 방법으로서, 기상중에서 프로세스 가스를 직접 분해하여 래디칼을 생성하는 것 혹은 기판 표면에 화학 결합한 분자/원자를 직접 여기하여 이탈시키는 것은 이미 공지되어 있다. 그렇지만 이 실현을 위해서는 높은 광에너지가 필요하고, 20eV이상의 진공 자외선과 100eV이상의 연X선을 사용하지 않을 수 없었다. 예를 들면 전자를 위해서는 하이파워의 엑시마 레이저를, 그리고 후자를 위해서는 싱크로트론 방사광등이 사용 가능하지만, 모두 매우 고가의 광원이며, 점상의 광원이어서 큰 면적의 조사시에 곤란함을 초래하여, 현시점에서는 실용화되어 있지 않다.

또, 프로세스가스가, 상기 진공자외선과 연X선의 광원에 닿으면 광원이 손상을 입으므로, 광원은 광학창에 의해 보호되는 것이 바람직하지만, 10eV이상의 에너지를 가지는 빛을 통과할 수 있는 광학윈도우 재료는 없기 때문에, 프로세스 가스 의 압력을 0.0001 기압 이하로 낮추거나, 혹은 차동배기 기구와 같은 복잡한 장치를 이용하여 압력차이를 두어 광원을 보호할 필요가 있었다. 전자의 경우에는, 반응 효율이 현저하게 저감하고, 후자의 경우에는, 반응 영역이 수mm이내로 줄기때문에, 실용상 문제가 있었다. 게다가 이들 광원 대신에, 저압수은 램프로부터의 4. 9eV와 6. 7eV의 자외선을 이용하는 광여기 프로세스도 몇가지 고안되어 있지만, 그 반응 효율이 현저히 낮아 실상 제공되고 있지 않는 것이 현상이다.

본 발명은, 광여기 프로세스를 이용하여 도전성의 기판을 처리하는 방법에 있어서, 저가이면서 특히 큰면적의 기판에도 용이하게 표면처리를 이행할 수 있도록 하는 것을 과제로 한다.

이 과제는 본 발명에 의하면, 도전성의 기판을 0.001 기압∼1 기압으로 유지시킨 처리용기내에 두고, 기판에 부(마이너스)의 바이어스 전압을 인가하면서, 광출력창을 가지는 용기내에 수용된 광원으로부터 3∼10eV의 광에너지를 가지는 자외선을 조사함과 동시에, 처리용기내에 프로세스 가스를 공급함으로써 기판의 표면을 처리하여 해결된다.

본 발명에 있어서, 도전성의 기판은, 금속에 한정되지 않고, 실온에서는 도전성이 아니지만 고온에서 도전성을 나타내는, 예를 들면, 질화 알루미늄과 같은 와이드밴드갭 반도체, 그리고 세라믹 재료도 포함한다.

본 발명에 있어서는, 3∼10eV, 특히 바람직하게는 4∼9eV의 비교적 작은 에너지를 가지는 자외선을 사용한다. 이 에너지 레벨의 자외선은, 예를 들면 저압수 은램프등의 범용적이고 저가의 광원에 의해 발생가능하다. 이런 종류의 광원은 185 nm 또는 254nm 파장의 자외선을 발광하지만, 185nm 파장의 자외선은 오존을 발생 시킬 가능성이 강하기 때문에, 통상의 용도로 이 185nm 자외선의 출력을 극력 억제하여 254nm의 자외선을 이용하는 것이 보통이다. 그렇지만, 본 발명의 실시를 위해서는, 통상에서는 사용되지 않는 185nm 파장의 자외선이 유용하고, 이미 반도체의 레지스터 제거용 자외선원으로서 이용되고 있는 것을 적용할 수 있다. 그리고 이 광원은 점상이 아니라 선상 혹은 면상의 임의의 형상이 가능하고,몇개를 병치하면 큰 면적을 용이하게 조사할 수 있다. 이 외에, 본 발명의 조건에 적합한 자외선을 발생하는 광원으로서 예를 들면 중수소 램프나 크세논(Xe) 램프가 이용 가능하다.

다음으로, 본 발명에 있어서 3∼10eV의 자외선을 조사하는 것의 의의에 대해서 기술한다. 3eV미만의 저에너지 자외선을 이용할 경우, 기판 표면으로부터의 전자 방출이 불가능하고,광여기 프로세스를 일으키지 않는다. 그러나, 광에너지가 기판 표면의 일함수보다 크면 외부 광전 효과에 의한 전자 방출이 가능하고, 그 방출 전자를 기판에 인가한 부의 바이어스 전압에 의해 가속하여, 고에너지의 전자와 프로세스 가스 분자와의 사이의 높은 반응 효율로 발생한 레디칼 및 이온에 근거하는 표면 처리가 가능해진다. 일반적으로 물질의 일함수는 3∼5eV이고, 따라서, 3eV이상, 특히 4eV이상에서 충분한 전자의 방출을 얻을 수 있다. 이와 같이, 3eV 특히 4eV이상의 자외선 조사로 방출되는 전자의 운동 에너지는 수eV이하로 매우 작지만, 기판에 인가하는 부의 바이어스 전압을 조정함으로써, 높은 반응 효율로 프로세스 가스를 분해 또는 이온화 할 수 있는 운동 에너지로 가속하는 것이 가능해진다.

한편, 상한의 10eV의 의의는 아래와 같다. 상기와 같이, 프로세스 가스가 자외선원에 접하면, 자외선원이 데미지를 받으므로, 광출력창을 가지는 용기내에 수용된 광원을 이용하는 것이 바람직하다. 광출력창은, 에너지 밴드갭(최대 10eV)보다 짧은 파장을 가지는 광(즉,eV가 큰 광)을 흡수하므로, 고에너지의 자외선을 이용하는 종래의 프로세스에 있어서는, 광흡수가 되지않게 광출력창을 갖추는 것은 불가능하고, 프로세스 가스가 자외선원에 도달하지 않도록, 예를 들면, 처리부와 광원부와의 압력 밸런스를 도모하는 등의 특별한 처치를 이행하는 연구가 이루어지고 있다. 본 발명에 있어서는, 이후에 상술하듯이, 부의 바이어스 전압이 인가된 기판 표면에서 저에너지의 자외선(프로세스 가스를 분해 또는 이온화하는 것이 불가능한 에너지를 가지는 광)을 고에너지의 전자로 변환함으로써, 매우 고효율의 표면 프로세스를 가능하게 하기 때문에, 광출력창을 갖춤으로써 일부의 빛이 흡수되어도 표면 처리가 가능하다. 광출력창을 마련함으로써 , 프로세스 가스의 광원으로의 역류가 없기 때문에, 부식성 가스등 어떤 종류의 가스라도 문제 없이 사용할 수 있고 또, 광원부라는 상기 압력 밸런스를 고려하지 않고 압력을 임의로 설정할 수 있으므로, 프로세스의 적용 범위를 확대할 수 있다. 또, 프로세스가스에 의해 자외선이 거의 흡수되지 않으므로, 기판표면의 자외선 조사강도는 가스압에 의존하지 않는다.

따라서, 본 발명에 있어서 이용할 수 있는 자외선의 상한 에너지는, 광출력창의 광흡수 계수로 결정되고, 불화 리튬을 이용할 경우의 10eV(불화 리튬의 투과 한계의 파장 120 nm에 상응)가 된다. 광출력창으로서 불화 리튬보다 저가의 광학용 합성석영유리를 사용할 경우에는, 약 7. 8eV가 된다. 여기서, 본 발명에 있어서, 적용되는 자외선의 에너지 범위는, 3∼10eV, 바람직하게는, 4∼9eV의 범위이다.

이러한 비교적 저에너지의 자외선 이용하면서, 기판 표면에서의 반응을 보증 하므로, 본 발명에서는 기판을 수용하는 처리용기내의 압력을 0. 001 기압∼1 기압, 바람직하게는 0. 01 기압∼0. 5 기압으로 유지한다. 이와 같이 처리용기내의 압력을 비교적 높게 유지할 경우, 자외선의 조사에 의해 기판 표면으로부터 방출되는 전자(광여기에 의한 광전자와 고체내에서의 산란에 수반하는 2차 전자)는, 수μm의 미소한 거리를 주행하는 것만으로 프로세스 가스의 분자와 충돌해, 전자 충격 해리에 의해 래디칼이나 이온을 생성한다. 방출 전자가 가스 분자와 충돌하기까지 주행하는 거리는 가스압의 증대에 수반하여 짧아지고, 예를 들면 0. 1 기압에 서 1μm이하가 되어, 여러번의 충돌을 반복하게 된다. 이러한 관점에서, 처리용기내의 압력은 0. 001 기압, 적합하게는 0. 01 기압이상으로 한다. 한편으로, 처리용기내의 압력을 대기압 이상으로 하면, 3∼10eV 에너지의 자외선에 따라서는 기판 표면으로부터의 방출 전자에 의한 해리 반응이 곤란해진다. 따라서, 처리용기내의 압력의 상한은 1 기압, 적합에는 0. 5 기압으로 한다. 상기와 같이, 프로세스 가스의 압력이 비교적 높은 것은, 처리 장치가 고진공 사양일 필요가 없어지는 이점을 가져오는 외에, 자외선 램프에서 발생하는 열이, 프로세스 가스에 의해, 효율적으로 냉각·제거 할 수 있는 이점을 가져온다.

덧붙여 본 발명에서는, 반응 용기내의 프로세스 가스의 압력이 0. 001∼1 기압으로 높지만, 산소를 제외하고 많은 프로세스에 이용하는 가스 분자는, 3∼10eV 의 자외선을 대부분 흡수하지 않기 때문에, 가스 압력에 의하지 않고 자외선은 흡수에 의한 감쇠를 받지 않고 , 기판 표면을 조사 가능하다. 그 때문에, 기판 표면으로부터의 전자 방출은, 프로세스 가스 압력에 전혀 의존하지 않고, 대기압 부근에서도 고효율의 전자 방출이 가능하다.

또, 상기 프로세스 가스 압력의 적합값은, 기판에 인가하는 부의 바이어스 전압과 함께, 표면 처리 프로세스의 제어와도 관계한다. 즉, 표면 처리할 때, 통상, 상기 가스압의 증대에 수반해 프로세스 전류는 증대하고, 전류값은, 피크를 넘은 후, 재차 저하한다. 한편, 상기 부의 바이어스 전압을 증대시킬 경우, 전류는 점차 증가해, 어떤 전압에서 절연파손하고 방전이 발생하여, 급격하게 전류가 증대한다. 본 발명에 있어서, 방전 발생전의 제어 안정 영역을 이용하지만, 그를 위해서는, 프로세스 대상에 따라, 바이어스 전압과 가스 압력의 적합 범위를 사전에 실험으로 구하고, 방전이 생기지 않는 안정 영역이고, 또한 가능한한 빠른 처리 속도를 얻을 수 있는 적합한 범위를 선정해 프로세스 제어한다.

그런데 본 발명에 있어서, 상기와 같이, 자외선 조사에 의해 기판 표면으로부터 전자를 방출 시켜, 그 전자 방출을 부의 바이어스 전압으로 가속하여 반응 효율에 근거하는 표면 처리를 이행하지만, 이 작용 효과에 대해서 이하에 상술한다. 일반적으로 표면 처리를 위한 래디칼 생성은, 종래, 마이크로파나 직류 방전, 전자총 등에 의한 플라스마 발생으로 행해지고 있다. 이러한 래디칼 생성을 위한 에너지가 처리 용기의 외부로부터 투입되기 위해서 기판 표면에서 먼 곳에서 밀도가 보다 높은 래디칼 생성이 이루어진다. 그 때문에 기판 표면으로의 래디칼 이송이 문 제가 되어, 생성한 래디칼의 대부분은 박막 퇴적 등의 표면 프로세스에 결속되어 있지 않다. 그 결과, 투입 전력을 고려하면 반응 효율이 낮고, 경제적으로도 높아지고, 불필요한 곳에서의 박막 퇴적 등을 초래한다. 이것에 대해서, 본 방법에서는 기판 표면에서 방출되는 전자가 프로세스의 발단이 되므로, 기판 표면 영역으로 한정하여 래디칼 생성이나 플라스마 발생이 일어날 뿐만 아니라, 가스 압력에는 의존하지만 기판 표면의 극히 근방에서, 표면에 가까운 곳에서 보다 고밀도의 래디칼 생성이 진행한다. 그 때문에 래디칼 생성의 투입 전력에 낭비가 없고, 생성한 래디칼의 보다 큰 비율이 표면 프로세스에 관여하는 것이 가능해진다.

또, 기판 표면 뿐만이 아니고, 기판 홀더나 진공조의 내벽 등에 자외선 조사가 있어 전자 방출이 생겼다고 하더라도, 부바이어스가 인가되어 있지 않으면 방출 전자는 가속되지 않기 때문에, 그러한 운동 에너지는 매우 낮고, 그대로는 전자 충격 해리 반응을 일으키지 않는다. 이와 같이, 기판의 표면처리에 직접 관여하지 않는 영역에 있어서의 래디칼 생성은 없기 때문에, 그러한 표면에는 불필요한 퇴적 등은 전혀 없다. 이것은 프로세스 장치의 유지보수를 용이하게 할 뿐만 아니라, 불필요한 퇴적에서 벗겨지고 떨어진 파티클이 박막의 결함이나 오염시키는 것을 억제해 주는 효과를 가져온다.

전술의 효과는, 자외선 램프의 관벽에도 적합하다. 종래의 광CVD 등의, 자외선 램프나 레이저를 이용한 광여기 프로세스에서는, 관벽이나 광학창으로의 불필요한 퇴적이 심각한 문제가 되고 있다. 이것은 기상중에서의 가스 분자의 해리때문인 것으로, 복잡한 창부근에 대한 연구나 빈번한 창의 청소를 필요로 했다. 여기에 대 해서, 본 방법에서는 기상에서의 직접 해리는 거의 없고, 래디칼 생성은 기판 표면의 극히 일부에 한정되기 때문에, 관벽이나 광학창으로의 퇴적은 전혀 없어 메인터넌스 프리가 된다.

본 방법에 있어서, 상기와 같이 하여, 기판 표면의 매우 근방에서 생성한 래디칼이나 이온을 효율적으로 기판의 표면에 이송하고, 기판 표면의 처리를 하는 것이 가능하다. 게다가 여기서 생성한 정(양수)의 이온은, 상기의 바이어스에 수반해 기판 표면으로 향하는 가속도를 받아 기판 표면에 충돌하여, 높은 효율을 가지고 전자의 방출을 일으킨다. 게다가 상기 정의 이온의 완화 과정, 즉, 정의 이온이 전자와 재결합하여 중성 래디칼이 될 때에, 이차적으로 자외선이 발생한다.

이 결과, 자외선 광원의 출력이 낮고, 상기 정의 이온에 의한 충돌과 이차적 자외선의 조사에 의해 더욱 전자 방출을 일으키고, 표면 프로세스에 있어 충분한 전자의 방출을 가져오는 것이 가능해진다.

또, 본 방법에 있어서, 운동 에너지가 정밀 제어된 이온 조사가 포함되므로, 이온의 어시스트에 의해, 저온에서도 높은 반응 효율과 박막의 밀착성 향상이나치밀화를 꾀할 수 있다. 여기에 대해서, 종래의 플라즈마 프로세스에서는 고에너지의 이온이나 중성 입자를 포함하기 때문에, 표면이나 박막의 손상이 문제가 되고 있다. 특히, 나노 스케일의 박막 퇴적이나 원자 스케일에서의 표면 처리에서는, 그 제어가 곤란한 문제가 되고 있다. 이 점에 있어서, 본 발명의 방법은 큰 우위성을 가진다.

게다가, 종래 이온 어시스트 프로세스로서, 클러스터 이온빔을 이용한 방법 이 알려져 있다. 이 방법에서는 수천개의 원자로 이루어진 클러스터를 수kV로 가속하여 표면에 충돌시킨다. 상당히 뛰어난 성과도 보고되어 있지만, 클러스터빔의 생성, 그 이온화에 있어서의 낮은 효율이나 구성부품에서의 현저한 퇴적에 의한 오염, 지극히 복잡한 장치, 큰 면적을 균일하게 할 수 없는 점 등의 문제가 있어, 이 점에 있어서도, 본 발명의 방법은 큰 우위성을 가진다.

또, 본 방법에 있어서는, 프로세스 가스의 선택에 의해, 여러 가지의 표면 처리가 가능하다. 예를 들면 탄소의 공급원으로서 메탄가스를 이용하고, 이것과 수소와의 혼합 가스를 프로세스 가스로서 사용하면, 기판의 표면에 카본막, 특히 다이아몬드상의 막을 생성할 수가 있다. 이 막은, 하드 디스크의 보호 피막으로서 유용성을 가진다.

또, 기판과 반응하는 성분을 포함한 프로세스 가스를 이용하면, 기판상에 상기 성분에 유래하는 피막을 생성할 수 있다. 예를 들면, 상기 가스로서 산소, 질소 또는 탄소를 포함한 가스를 이용하면, 기판 재료의 산화막, 질화막 또는 탄화막이 발생한다. 이러한 막은, TMR 자기 헤드의 알루미나 박막 형성이나, MOSFET의 게이트 산화막의 생성이나, 티탄금속표면의 부동태화 등에 이용가능하다.

비반응성의 성분을 포함한 가스도, 본 발명에 있어서 프로세스 가스로서 이용 가능하다. 예를 들면 아르곤 가스를 이용하여 그 기판으로의 충돌 에너지를 이용함으로써, 기판 표면의 평탄화를 도모할 수 있다. 일례로서, TMR 자기 헤드의 동박막 전극의 표면 평탄화에 이용할 수 있다.

그리고 본방법에 있어서, 처리용기내에, 기판과 대향하는 메쉬상의 전극을 두고, 접지전위로 하고, 기판에는 부의 바이어스 전압을 인가한다. 이 전극을 통하여, 기판 표면으로의 프로세스 가스의 공급과 기판 표면으로의 자외선 조사를 보증할 수 있다. 상기와 같이, 본 발명의 프로세스 장치는, 광출력창을 가지는 용기내에 수용된 자외선 광원과, 바이어스 전원, 대향 메쉬 전극이 주요 구성 기기이기 때문에, 장치의 구조가 간단할 뿐만이 아니고, 저가, 프로세스 유지보수가 용이, 기존 장치의 개량으로 대응 가능한 등의 뛰어난 특징을 가진다. 또, 상기 자외선 광원은 대형화, 혹은 배치를 연구함으로써 큰면적의 기판이나, 요철을 가지는 기판에 대해서도 적용이 가능해진다.

도 1은, 본 발명에 있어서 기판표면으로 부터의 전자 방출의 원리를 설명하기 위한 도면이다.

1　용기

2 기판

3　메쉬 전극

4　직류 전원

5　자외선 램프

6　래디칼 생성

7　프로세스 가스 도입구

8　배기구

도 1은, 본 발명의 방법을 실시하기 위한 장치를 개념적으로 나타낸다. 도면의 1은 처리 용기를 나타내고, 도시하지 않는 배기 장치에 의해 배기구(8)을 통하여 소정의 압력까지 감압가능하게 되어있다. 그리고, 도시하지 않는 배관 계통을 통하여, 프로세스 가스 도입구(7)로 프로세스 가스가 공급 가능하게 되어있다. 2는 기판이고, 용기(1)에 대해 절연한 상태로 기판 홀더(2a)상에 재치되어 용기내에 수용되어 있다. 기판(2)에 대향하여, 대향 메쉬 전극(3)이 배치되고, 해당 전극(3)은 용기(1)와 전기적으로 절연되어 있다. 이 전극(3)과 기판(2)과의 사이에 직류 전원(4)이 접속되고 기판(2)에는 메쉬 전극(3)에 대해 부의 바이어스 전압이 인가되어 있다.

용기(1)내에는, 자외선 광원(5), 예를 들면 저압수은램프가 배치되어, 메쉬 전극(3)을 통하여 기판(2)의 표면에 자외선을 조사한다.

이 자외선의 조사에 수반하여, 먼저 기판(2)의 표면으로부터 A에 도시하듯이전자의 방출이 일어난다. 전자는, 기판(2)과 메쉬 전극(3)의 사이의 전계에 의해 가속되어, 전극(3)을 향해 이동하려고 한다. 처리 용기(1)내의 압력이 높은 것, 즉 가스 분자의 밀도가 큰 것으로부터, 전자는 매우 단거리 주행후에 가스 분자와 충돌하여, 래디칼과 이온(6)을 생성시킨다. 래디칼과 이온이 기판(2) 표면의 매우 근방에서 생성함으로써, 이들을 효율적으로 기판(2)의 표면에 이송하고, 기판 표면 처리를 할 수 있다.

게다가 여기서 생성한 정의 이온은, 상기의 바이어스전압에 수반하여 기판 표면을 향하는 가속을 받아 기판 표면에 충돌하고, B에서 나타내듯이 높은 효율로 전자의 방출을 일으킨다. 또 상기 정의 이온의 완화 과정에서 이차적으로 자외선이 발생하고 이것이 C에서 나타내는 새로운 전자 방출을 야기 한다.

이 결과, 어떤 포화한계에 이를 때까지 흡사 정의 피드백이 걸린듯이 전자 방출이 증식되므로, 트리거가 되는 자외선 광원의 출력이 낮아도, 표면프로세서에 있어 충분한 수의 전자의 방출을 가져오는 것이 가능해지는 것이다.

다음으로, 본 발명의 방법을 적용한 실시예에 대해서 말한다.

(실시예 1) 하드 디스크 기판상에의 보호 피막의 형성

하드 디스크의 기판상에 다이아몬드상 보호 피막을 형성했다. 하드 디스크는, 예를 들면, Al기판 위에 Cr의 하지층, CoCrPt 합금의 강자성 금속층등이 형성되고, 강자성 금속층 위에, 보호 피막이 형성된다. 상기 하지층이나 강자성 금속층을 형성한 기판을 처리용기내에 넣어, 기판에 마이너스 150 V의 바이어스 전압을 인가했다. 프로세스 가스로서 수소와 메탄가스의 혼합 가스(혼합비는 유량비로 메탄가스 1%)를 이용하고, 배기하면서 용기내의 압력을 0. 3 기압으로 유지했다. 저압수은램프를 이용하여 기판 표면에 자외선을 조사한 바, 강자성 금속층 표면에 다이아몬드상의 피막이 생겼다.

피막의 성장 속도는, 0. 3 nm∼0. 5nm/초이고, 약 10 초간의 처리로 하드 디스크의 보호 피막으로서 충분한 막후(3 nm)를 얻을 수 있었다. 이 막은 다이아몬드상의 결정 구조를 가지고 있어 보호 피막으로서 사용할 만한 경도를 나타냈다.

(실시예 2) TMR 자기 헤드로의 산화막 형성

TMR 자기 헤드에 알루미나 박막을 형성했다. TMR 자기 헤드는, 예를 들면, Si기판 위에, 하부 전극층(Cu), 자성층, 터널 효과를 가지는 절연층, 자성층, 상부 전극층(Cu) 등이 차례차례 형성된다. 상기 절연층으로서는, 알루미나 박막이 이용된다. 상기 하부 전극층(Cu)과 자성층 위에, Al박막을 형성한 기판을 처리용기내에 수용하고, 기판에 마이너스 50 V의 바이어스 전압을 인가하면서, 프로세스 가스로서 아르곤이나 헬륨으로 희석된 산소(유량비 5%)를 공급했다. 용기내의 압력을 0. 01 기압에 유지하면서, 저압수은램프를 이용해 기판 표면에 자외선을 조사했더니, 기판의 알루미늄이 산화되어 알루미나의 박막(두께 1. 5 nm)이 생겼다. 이 박막은 충분히 치밀하고, 한편 평탄성도 커서, TMR 자기 헤드의 검출 감도 특성의 향상에 크게 기여한다.

본 발명에서는, 대상 기판의 표면에 바이어스 전압의 인가가 가능한 것이 필요하므로, 기판은 온도가 실온일 때에는 일반적으로는 전기 전도가 좋은 금속 등에 한정되지만, 나노 스케일의 극박막에서는, 본 실시예와 같이 알루미나 등의 절연막에서도 적용 가능하다. 알루미나는 밴드갭이 약 9eV로 크고, 현재 생각하고 있는 자외선에서는 가전자대에서 전자대로의 전자의 여기가 어렵고, 만약 여기되었다하더라도 전자 방출에 의해 바로 대전할 우려가 있다. 그러나, 자성층의 페르미 준위는 알루미나의 밴드 갭의 거의 중간에 위치하므로, 전기 전도성을 가지는 기판의 가전자로부터 보면, 4∼5eV의 자외선 조사가 있으면 알루미나의 전도대의 바닥을 지나 전자 방출이 가능해져, 원리적으로는 문제는 없다. 단, 충분한 두께를 가지는 알루미나 기판 위에 금속막을 퇴적할 경우에는 실온에서의 실시가 곤란해지지만, 온도를 높임으로써 가능하다.

(실시예 3) MOSFET의 게이트 절연막 형성

MOSFET(금속 산화막반도체 구조의 전계 효과형 트랜지스터)의 게이트 절연막을 형성하기 위해서, 단결정 실리콘 웨이퍼를 기판으로서 이용하고, 처리 용기에 수용하고, 기판에 마이너스 100 V의 바이어스 전압을 인가하면서, 프로세스 가스로서 아르곤등으로 희석된 산소(유량비 1%)를 공급했다. 처리용기내의 압력을 0. 05 기압에 유지하면서, 저압수은램프를 이용해 기판 표면에 자외선을 조사했더니, 2 초의 처리로 2 nm의 산화 실리콘막이 생성했다. 이 산화 실리콘막은 치밀함과 동시에 불순물의 혼입이 없고, MOSFET의 특성 향상에 크게 기여한다.

(실시예 4) 기판 표면의 평탄화

TMR 자기 헤드의 동박막 전극 평탄화를 위해서 본 발명의 방법을 적용 했다.

이를 위해서, TMR 자기 헤드의 동박막 전극을 기판으로 하고, 처리 용기에 수용해, 기판표면의 동원자를 흔들어 표면확산을 촉진하기 위해서 기판에 마이너스 200 V의 바이어스 전압을 인가하면서, 프로세스 가스로서 아르곤을 공급했다. 용기내의 압력을 0. 02 기압에 유지하면서, 저압수은램프를 이용해 기판 표면에 자외선을 조사한 결과, 아르곤 이온의 충돌에 수반해, 기판 표면의 평탄화를 꾀할 수 있었다.

이 외에, 상기의 예 2에 있어서의 산소 대신에 질소를 사용하여, 기판 표면에 질화막을 생성하는 것도 가능하다.

본 발명에 있어서, 에너지가 3∼10eV의 자외선을 조사 가능한 광출력창을 가 지는 용기내에 수용된 광원을 이용하고 있다. 이러한 에너지 레벨의 자외선은, 예를 들면 저압수은램프로 얻는 것이 가능하다. 이 램프는 반도체의 레지스터 제거용등에 통상적으로 사용되고 있는 범용품이어서 그 입수가 용이하며 저가이다. 또한이 램프는 선상 혹은 면상의 광원이어서, 넓은 면적의 기판을 조사하는데 적합한다. 이러한 자외선 램프를 대형화하거나 혹은 배치 방법을 연구하거나 함으로써 큰 면적의 기판이나 요철을 가지는 기판에 대해서도 본 발명의 적용이 가능하다.

지금까지의 플라스마 프로세스에서는, 플라스마가 발생하는 가스 압력에는 상한과 하한이 있었다. 그 때문에, 나노 스케일로 프로세스 제어를 하는 경우에는, 원료 가스를 아르곤 등의 불활성 가스로 희석하여 왔다. 여기에 대해서, 본 발명의 방법에서는, 원료 가스의 압력에 제한이 없기 때문에, 만일 희석을 할 필요가 있을 경우에도, 임의의 비율로 하는 것이 가능하다. 또, 종래 방법에 있어서의 플라스마 생성은 그 밀도 분포가 균일하지 않아, 기판 면적보다 상당히 광범위하게 발생하고, 따라서 무용함이 많았지만, 본 발명의 방법에 의하면, 기판 사이즈에 맞게 임의에 래디칼을 생성하는 것이 가능해진다.

본 발명에서는, 반응 용기내의 압력을 0. 001 기압∼1 기압, 바람직하게는 0. 01 기압∼0. 5 기압으로 높게 선정하고 있다. 상기의 낮은 자외선 에너지와 더불어 기판표면의 매우 근방에 프로세스 가스의 성분과 전자와의 충돌에 수반하는 이온이나 래디칼을 생성시켜, 높은 효율로 이것들을 기판의 표면에 도달 시켜, 기판 표면처리를 이행하는 것이 가능하다.

또한 자외선의 에너지가 작고, 처리 용기의 내벽이나 기판 홀더에 자외선이 닿아 전자의 방출이 있다하더라도, 그 운동 에너지가 지극히 낮고 전자 충격 해리 반응을 일으키지 않기 때문에, 상기 내벽이나 홀더로의 이종 물질의 퇴적이나 반응에 수반하는 물질의 생성은 일어나지 않는다. 이것은, 처리 장치의 유지보수를 용이하게 할 뿐만 아니라, 불필요한 퇴적물로부터 벗겨지고 떨어진 파티클에 의한 박막의 결함이나 오염의 발생을 방지할 수 있다는 효과도 있다.

Claims (10)

1. 도전성의 기판을 0. 001 기압∼1 기압으로 유지시킨 처리용기내에 두고, 기판에 부의 바이어스 전압을 인가하면서, 광출력창을 가지는 용기내에 수용된 광원으로부터 3∼10eV의 일에너지를 가지는 자외선을 조사함과 동시에, 처리용기내에 프로세스 가스를 공급하는 것으로써 기판의 표면을 처리하는 것을 특징으로 하는 기판의 처리 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 프로세스 가스가 원료 성분을 포함하고, 기판상에 상기 성분에 유래하는 피막을 생성하는 것을 특징으로 하는 기판의 처리방법.
3. 제 2 항에 있어서, 원료 성분이 탄소 및 수소이고, 기판상에 다이아몬드상의 탄소 피막을 생성하는 것을 특징으로 하는 기판의 처리방법.
4. 제 1 항에 있어서, 프로세스 가스가 기판 재료와 반응하는 성분을 포함하고, 기판상에 상기 성분과 기판과의 반응에 수반하는 피막을 생성하는 것을 특징으로 하는 기판의 처리방법.
5. 제 4 항에 있어서, 기판재료와 반응하는 성분이 산소, 질소 또는 탄소 중 어느 하나이고, 산화막, 질화막 또는 탄화막 중 하나를 생성하는 것을 특징으로 하는 기판의 처리방법.
6. 제 1 항에 있어서, 프로세스 가스가 비반응성 성분을 포함하고, 상기 성분의 충돌에 의해 기판 표면이 평탄화되는 것을 특징으로 하는 기판의 처리방법.
7. 제 1- 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 처리용기내에 대향 메쉬 전극을 배치하고, 해당 전극과 기판과의 사이에, 기판을 부에 바이어스 하는 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 기판의 처리방법.
8. 제 1 -7 항 중 어느 한 항에 있어서, 처리용기내의 압력을 0. 01 기압∼0. 5 기압으로 유지하는 것을 특징으로 하는 기판의 처리방법.
9. 제 1 - 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 4∼9eV의 에너지를 가지는 자외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 기판의 처리방법.
10. 제 1 - 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 자외선의 광원으로서 저압수은램프등의 방전형 램프를 사용하는 것을 특징으로 하는 기판의 처리방법.

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