KR20090098964A - 플라즈마로부터 증착에 의하여 막을 형성하는 장치 - Google Patents

플라즈마로부터 증착에 의하여 막을 형성하는 장치 Download PDF

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Abstract

배분된 전자 사이클로트론 공진에 의하여 형성된 플라즈마로부터 기판 상에 막을 증착하기 위한 플라즈마 여기 장치가 개시된다. 상기 장치는, 마이크로파들이 발진하는 단부를 가지는 마이크로파 안테나, 상기 안테나 단부의 영역 내에 위치하고, 플라즈마가 발생할 수 있는 전자 사이클로트론 공진 영역을 한정하는 자석, 및 막 전구체 가스 또는 플라즈마 가스를 위한 출구를 가지는 가스 인입 요소를 포함한다. 출구는, 마이크로파 안테나로부터 고려되는 바와 같이, 자석을 지나서 위치한 막 증착 영역을 향하여 가스가 향하도록 배열된다,
플라즈마, 증착, 전자 사이클로트론 공진, 마이크로파

Description

플라즈마로부터 증착에 의하여 막을 형성하는 장치{Device for forming a film by deposition from a plasma}
본 발명은 작업 표면 상에 플라즈마로부터 증착에 의하여 막을 형성하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자 사이클로트론 공진에 의하여 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 에너지의 이용에 관한 것이다.
특정한 관심 분야의 하나는, 플라즈마 강화 화학기상증착(plasma enhanced chemical vapor deposition)으로 알려진 공정에서, 예를 들어 SiH4, Si2H6 또는 높은 차수의 저중합체(oligomer)와 같은 실란(silane)의 분해에 의하여 비정질 실리콘(a-Si:H) 막을 증착하는 것이다. 비정질 실리콘, 또는 비정질 실리콘 합금들을 증착하기 위하여 사용될 수 있는 다른 전구체 가스들은 실리콘이 하나 또는 그 이상의 탄소, 산소, 또는 질소, 선택적으로 수소와 함께 조합되어 존재하는 분자들을 포함한다. 실리콘 합금의 일예는 SiOxNy로 명명되는 유형의 구조이다. 또한, 실리콘-포함 가스들은, 예를 들어 저메인(germane)과 같은 다른 가스들과 함께 사용될 수 있거나, 또는 다른 막들을 증착하기 위하여 실리콘을 포함하지 않는 가스들을 사용할 수 있다. 비정질 실리콘 막들의 사용과 관련하여 특정한 관심 분야의 하나 는 태양 에너지를 전기적 전력으로 변환하는 장치들이다. 이러한 비정질 실리콘 물질은 또한 디스플레이를 위한 TFT와 같은 전자적 어플리케이션에서 사용할 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "비정질 실리콘(amorphous silicon)"은 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H) 이다. 상술한 분야에서 사용되기 위하여, 통상적으로 3 내지 20%의 수소가 존재하여 결함들인 댕글링 본드들(dangling bond)을 부동태화(passivate)하여야 한다.
또한, 본 발명은, 다른 물질을 비정질 형태로 증착하기 위하여 다른 전구체 가스들을 사용하는 경우에 적용될 수 있으며, 예를 들어 a-Ge:H을 증착하기 위하여 저메인(germane)을 사용하는 것이다. 또한,
Figure 112009032846332-PCT00001
-Si,
Figure 112009032846332-PCT00002
-Ge 및 다이어몬드-유사 탄소 diamond-like carbon, DLC)와 같은 미세결정 물질들의 증착에 적용될 수 있다.
플라즈마를 전자 사이클로트론 공진(electron cyclotron resonance, 이하에서는 약어로서 "ECR"이라함)으로 여기하는 기술 분야에 있어서, 정적(static) 자기장 또는 준정적(quasi-static) 자기장 내의 전자의 회전 주파수가 인가된 가속 전기장의 주파수와 동일한 경우에 공진을 얻는다. 이러한 공진은 여기 주파수(f)에서 자기장(B)에 대하여 얻을 수 있고, 주파수(f)와 자기장(B)의 관계는 다음과 같다.
Figure 112009032846332-PCT00003
여기에서, m은 질량이고, e는 전자의 전하이다.
플라즈마가 전자 사이클로트론 공진 주파수에서 여기되면, 상기 가스를 해리하거나 또는 이온화하기 위하여 필요한 임계 에너지에 도달하도록 상기 수학식 1의 ECR 조건이 일치할 때에, 전자들은 전기장과 동조하여(in phase) 회전하고, 외부 여기 소스로부터 연속적으로 에너지를 얻는다. 이러한 조건을 만족하기 위하여, 첫째, 상기 전자는 자기장 라인들 내에 갇혀있으며, 즉, 전자에 대한 정적(static) 자기장 기울기에 대하여 그의 회전(gyration) 반경이 충분히 작아 회전하는 동안 실질적으로 균일한 자기장으로 나타나고, 둘째, 회전 주파수는 전자들 및 원자들 및/또는 분자들과 같은 중성 요소들 사이의 충돌 주파수에 대하여 상대적으로 크다. 다시 말하면, 플라즈마를 전자 사이클로트론 공진으로 여기하기 위한 가장 좋은 조건들은 가스 압력이 상대적으로 낮으며 동시에 여기 주파수(f)가 높은 경우에 얻을 수 있다고 기대할 수 있고, 이는 또한 자기장 강도(B)가 높음을 의미한다.
종래의 발산형(divergent) ECR의 주요 문제점은 넓은 영역에 걸쳐서 실질적으로 균일한 밀도의 플라즈마를 형성하기가 불가능하다는 것이다. 이러한 점은, 예를 들어 넓은 크기의 작업 표면 상에 물질의 실질적으로 균일한 층을 증착하기 위하여 사용할 수 없다는 것을 의미한다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여, 작업 표면 상에 실질적으로 균일한 밀도를 가지는 플라즈마를 통합적으로 발생하는 장치들을 포함하는 배분된 전자 사이클로트론 공진(distributed electron cyclotron resonance, DECR)으로 알려진 기술이 개발되었고, 이는 복수의 플라즈마 여기 장치들이 네트워크로 형성되어 있는 장치를 포함한다. 플라즈마 여기 장치들 각각은 마이크로파 에너지의 와이어 인가부(applicator)로 구성되어 있고, 그 일단부는 마이크로파 에너지를 형성하기 위한 소스와 연결되고, 그 타단부는 균일하고 전자 사이클로트론 공진에 상응하는 강도의 자기장을 가지는 적어도 하나의 표면을 생성하기 위한 적어도 하나의 자기 쌍극자와 정합한다. 상기 쌍극자는 극(pole)들 사이에서 진동하는 전자 사이클로트론 공진으로 가속된 전자들을 보장하도록 상기 마이크로파 인가부의 일단부에 설치되고, 이에 따라 상기 인가부의 일단부로부터 이격된 쌍극자의 측부상에 위치한 플라즈마 확산 구역을 생성한다. 여기 장치들 각각은 서로에 대하여 상대적으로 배분되고, 작업 표면에 인접하게 위치하고, 상기 작업 표면에 대하여 균일한 플라즈마를 함께 형성한다.
이러한 DECR 장치는 미국특허번호 제6,407,359호 (유럽특허번호 제1075168호에 상응함)에 개시되어 있고, 상기 장치의 보다 상세한 설명은 도면을 참조하여 하기에 개시되어 있다. 도면으로부터 명백한 바와 같이, 기판으로부터 볼 때에, 여기 장치들은 통상적으로 직사각형 어레이의 형태를 가지며, 또한 상기 직사각형이 정사각형인 특정한 경우를 포함하고, 이에 따라 이러한 장치는 종종 매트릭스 DECR(matrix distributed electron cyclotron resonance, MDECR) 장치로 지칭된다. 그러나, 본 발명은 또한 여기 장치들이 직사각형이 아닌 2차원 네트워크, 예를 들어 육각형 네트워크로서 배열되거나, 여기 장치들이 두 개의 평행한 라인들로 배열되고 하나의 라인의 장치들이 서로에 대하여 오프셋(offset)인 DECR 장치에 적용될 수 있음을 이해할 수 있다. 육각형 어레이의 일예가 라가데(T. Lagarde), 아르날(Y. Arnal), 라코스테(A. Lacoste), 펠티어(J. Pelletier)의 "Determination of the EEDF by Langmuir probe diagnostic in a plasma excited at ECR above a multipolar magnetic field" (Plasma Sources Sci. Technol. 10, 181-190, 2001)에 개시되어 있다. 이러한 장치들은 또한 원형 어레이, 반원형 어레이 또는 원형에 가까운 어레이로서 위치할 수 있다. 본 발명자들에 의하여 수행된 일부 연구들에 있어서, 증착들은 세 개 또는 여섯 개의 장치들로 둘러싸인 중앙 플라즈마 여기 장치에 의하여 수행되었음을 유의하여야 하며, 둘러싼 장치들은 상기 중앙 장치의 자석에 대하여 반대로 위치한 자석의 극성들을 가지고, 각각 삼각형 어레이 또는 육각형 어레이로 배열되어 있다.
또한, 본 발명은 MDECR형이 아닌 DECR 장치 장치에 적용될 수 있다. 이에 따라, 예를 들어, 역사적으로 MDECR에 비하여 선행하는 DECR 반응기에 적용될 수 있고, 상기 반응기는 실린더 형상을 가지고, 상기 실린더의 상측에서 하측으로 연장된 긴 안테나들과 자석들을 사용한다. 이러한 배열은 모이산(Michel Moisan)과 펠레티어(Jacques Pelletier)의" Microwave Excited Plasmas" (Elsevier, 1992)에 개시되어 있고, 튜브와 같은 실리더형 기판 또는 플라즈마 2극성 평균 자유 경로(mean free path)와 비교하여 작은 치수(길이, 반경)에 의하여 특정되는 목적물을 균일하게 코팅하기에 적절하다 (상술한 참조의 Appendix 9.1 page 269-271를 참조). 이러한 목적물은 플라즈마의 중앙부에 위치하고 실린더의 축에 대하여 수직으로 방위된 평평한 표면을 가질 수 있다.
대부분의 발산형 ECR 반응기들과는 다르게, DECR 반응기들은 플라즈마 챔버 및 증착 챔버로서 함께 기능하는 단일 챔버만을 포함한다. 이는 추가적이고 특정 한 플라즈마 가스를 사용하지 않고 플라즈마에 의하여 전구체 가스를 직접적으로 분해할 수 있다. 기판은 플라즈마 내에 위치하지 않거나 또는 집중된 자기장 내에 직접적으로 위치하고, 이는 의도하지 않은 열전자들 및 이온들에 의한 성장하는 막에 대한 충격을 방지한다. 플라즈마는, 안테나들에 인접하고, ECR 구역을 발생시키는 자석에 특히 인접한, 각각의 MW-ECR 구역 내에서 발생된다.
MW-ECR 안테나들의 네트워크의 생성은, 상기 플라즈마 영역을 확장할 수 있는 잇점이 있고, 상기 기판을 향하여 종들의 균일한 유동을 생성하는 잇점이 있다. 첨부된 도면들의 도 3은 네 개의 안테나들에 의하여 생성된 플라즈마를 도시한다.
DECR에서, 상기 막 전구체 가스와는 다른 플라즈마 가스의 사용은 필수적이지 않고, 플라즈마 가스를 추가하지 않고 막 전구체 가스를 단독으로 사용할 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 상기 막 전구체 가스는 상기 안테나들에 인접하여 분해되고, 상기 기판을 향하여 확산하여 막을 증착하고 형성한다. 이러한 "이동(travel)" 중에, 상기 플라즈마로 발생된 종들과 분해되지 않은 가스 사이에서 2차 반응들이 발생한다. 예를 들어, 상기 전구체 가스가 SiH4인 경우에 있어서 SiH4의 분해에 의하여 생성되는 수소 라디칼들은 분해되지 않은 SiH4와 반응할 수 있고, 이에 따라, 고품질 막들의 증착을 위하여 가장 중요한 라디칼로 간주되는 SiH3 라디칼들을 형성할 수 있다.
그러나, 필수적이지는 않으나, DECR에서 플라즈마 가스가 상기 막 전구체 가스에 추가하여 사용될 수 있다. 이러한 플라즈마 가스들의 예는 수소(H2), 아르 곤(Ar) 및 헬륨(He)이다. 상기 막 전구체 가스와 반응하기 전에, 이러한 플라즈마 가스들은 상기 플라즈마에 의하여 여기되거나 또는 분해될 수 있다. 이러한 요구는 DECR 반응기 내에 가스들을 주입하는 종래의 방법에 의하여 구현되기에는 복잡하고, 특히 매우 넓은 영역 상에 균일한 막의 증착을 위하여 넓은 영역의 플라즈마의 형성이 요구되는 경우에는 더욱 복잡하다.
본 발명은 DECR 장치 내에서 결합될 수 있는 복수의 요소들을 포함하는 플라즈마 여기 장치를 개시한다. 상기 장치 각각은 플라즈마 가스, 막 전구체 가스 또는 플라즈마 가스와 막 전구체 가스의 혼합물에 대하여 잇점이 있는 방법으로 가스를 주입하는 수단을 포함하고, 또한 미세결정 실리콘 또는 다른 미세결정 물질의 증착에 특히 적용가능하다. 본 출원과 동일자에 출원되고 출원절차가 함께 계류 중인(copending) 출원 "Method and apparatus for forming a film by deposition from a plasma" (참조 번호 G28331EP (유럽특허출원번호 제 06301115.9호))을 참조하면, DECR 공정에 의하여 증착된 막들의 품질과 증착 속도를 막 전구체 가스가 인입되는 위치 및 인입된 가스가 향하는 방향을 적절하게 선택함으로써 개선할 수 있다.
본 발명은, 배분된 전자 사이클로트론 공진에 의하여 형성된 플라즈마로부터 기판 상에 막을 증착하기 위하여 사용하는 플라즈마 여기 장치를 제공한다. 상기 장치는, 마이크로파들이 발진하는 단부를 가지는 마이크로파 안테나, 상기 안테나 단부의 영역 내에 위치하고, 플라즈마가 생성될 수 있는 전자 사이클로트론 공진 영역을 한정하는 자석, 및 막 전구체 가스 또는 플라즈마 가스를 위한 출구를 가지는 가스 인입 요소를 포함한다. 상기 출구는, 상기 마이크로파 안테나로부터 고려되는 바와 같이, 상기 자석을 넘어서 위치하는 막 증착 영역을 향하여 가스가 상기 자석을 지나서 향하도록 배열된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 상기 출구가 가스가 막 증착 영역을 향하도록 배열되는 것은, 상기 가스가 상기 영역을 직접적으로 향하는 경우뿐만 아니라, 상기 영역이, 출구로부터 가스 유동의 방향으로 연장된 라인 및 수직으로 상기 출구를 향하고 그를 통하여 지나는 라인 사이에서 한정된 각도 내의 전체인 경우를 포함하는 것으로 이해할 수 있다. 이러한 조건하에서, 상기 출구로부터 발생하여 유동하는 상기 가스는 상기 영역의 모든 부분들을 향하는 벡터 성분을 가질 수 있다. 또한, 상기 가스가 상기 자석을 지나도록 상기 가스 출구가 배열되어야 하는 본 발명의 요구는 상기 출구로부터 배출된 후의 가스 유동에 대한 상기 가스 출구의 영향을 고려한다. 즉, 고려 사항은 상기 자석을 지나서 상기 출구로부터 상기 가스가 향하는 방향에 대한 상기 출구의 영향이다.
유럽특허번호 제1075168호가, 도 6에서 도시하는 바와 같이, 플라즈마 영역 내에 위치한 가스 인입 출구를 가지는 플라즈마 여기 장치를 도시한다고 하여도, 상기 위치는 영역의 하측 경계에 매우 인접하고, 이에 따라 본 발명에 의하여 구현된 효과들을 달성할 수 없음을 유의한다. 유럽특허번호 제1075168호의 도 6은 상기 가스 출구가 상기 자석을 지나도록 가스를 향하게 하는 본 발명의 요구를 만족하지 못하며, 이는 도 6에서 상기 가스 출구가 상기 자석의 하류 단부를 지나서 위치하고, 가스를 상기 자석으로부터 멀어지도록 가스를 향하게 하기 때문이다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 하기에 더 상세하게 설명된다.
도 1은 유럽특허번호 제1075168호에 설명되고 도시된 바와 같은 플라즈마 제조 장치를 도시하는 개략적인 측면도이고, 가스의 인입과 배출 수단들이 생략되어 있다.
도 2는 도 1의 장치의 평면도이다.
도 3a 및 도 3b는 두 개의 특정한 자석 구성들을 위한 열전자 감금 포락선을 도시한다.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 여기 장치의 네 개의 실시예들을 도시한다.
도 1 및 도 2는 그 상에 막이 증착되는 기판에 대하여 플라즈마를 발생하는 장치를 도시한다. 상기 장치는, 개략적으로 도시된 바와 같이, 가스를 인입하고 가스를 펌핑하여 배출하는 장치들(도 1에 미도시)과 정합하는 밀봉된 인클로저(enclosure, 1)를 포함한다. 상기 장치들은, 이온화하거나 분해되는 가스의 압력을, 가스의 특성과 여기 주파수에 의존하여, 예를 들어 대략 10-2 내지 2×10-1 파스칼(Pascals) 과 같은 원하는 수치에서 유지되도록 한다. 그 러나, 10-2 Pa 이하(예를 들어, 10-4 Pa 까지 낮아짐)의 가스 압력, 또는 2×10-1 Pa 이상(5×10-1까지 높아지거나 또는 심지어는 1 Pa 또는 그 이상으로 높아짐)의 가스 압력을 사용할 수 있다. 예를 들어, 펌핑은 1600 l/s 알카텔 터보-분자 펌프(Alcatel Turbo-molecular pump)에 의하여 수행될 수 있고, 이는 상기 인클로저에서 가스를 추출한다.
물질 유동 제어기(mass flow controller, MFC)의 제어에 의하여, 적절한 가스 소스, 예를 들어 가압된 가스 실린더로부터 상기 인클로저로 가스가 인입된다. 상기 가스는, 예를 들어 막 전구체 가스로서 SiH4를 포함할 수 있고, 또는 비정질 실리콘의 증착에 관련하여 상술한 다른 가스들 중의 하나를 포함할 수 있다. 상기 막 전구체에 추가하여, 헬륨(He), 네온(Ne) 또는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 희석 가스, 수소, 질소 또는 산소와 같은, 반응성 가스, 또는 디보란(diborane), 트리메틸보론(trimethyl boron) 또는 포스핀(phosphine)과 같은 도판트 가스를 또한 인입시킬 수 있다. 통상적으로, 동일한 포트(port) 또는 포트들을 통하여 막 전구체 가스로서 다른 가스들이 상기 인클로저 내로 인입되고, 상기 가스들은 서로 혼합되지만, 개별적으로 인입될 수 있다. 가스 공급 시스템은 가스들의 적절한 유동, 통상적으로 반응기 내로 1 내지 1000 sccm (standard cubic centimetre per minute)의 범위의 유동을 보장하여야 한다. 본 발명의 인클로저 내에 가스를 인입하는 방법을 도 4 내지 도 7에 도시된 실시예들을 참조하여 하기에 설명하기로 한다.
상기 플라즈마 챔버는, 상기 장치의 고정 부분으로서 도시된 기판 지지부(10)를 가지도록 설비된다. 상기 기판 지지부의 하나의 기능은 상기 기판을 요구되는 증착 온도로 가열하는 것이다. 이는 통상적으로 실온 내지 600℃ 사이이 고, 비정질 실리콘을 증착하는 경우에는 200℃를 초과하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 225℃ 내지 350℃ 사이이다. 여기에 지칭된 온도는 실제 기판 온도이고, 기판 지지부의 온도를 측정하여 측정할 수 있는 추정 기판 온도는 아니다. 이러한 차이의 중요성은 상술한 바와 같이 본 출원과 동일자에 출원되고 출원절차가 함께 계류 중인(copending) 출원인 "Method for forming a film of amorphous silicon by deposition from a plasma" (참조 번호 G27558EP (유럽특허출원번호 제06301114.2호))에서 설명되어 있다.
적어도 하나의 기판(14), 및 선택적으로 복수의 이러한 기판들을 그 상에 포함하는 캐리어 평판(12)은 지지부(10) 상에 탈착가능하게 설치되고, 코팅될 기판들과 함께 상기 챔버로 인입되고, 코팅이 완료된 후 상기 기판들과 함께 상기 챔버로부터 제거된다. 그러나, 선택적으로 열전도성 접착 부재(glue)를 이용하여, 상기 기판 지지부 상에 상기 기판이 직접적으로 부착될 수 있다. 이에 따라 상기 기판과 상기 기판 지지부 사이의 열 접촉을 개선하며, 그렇지 않으면 낮은 압력 조건들에서 구현되기 어렵다. 이러한 점은 또한 본 출원과 동일자에 출원되고 출원절차가 함께 계류 중인 출원인 "Method for forming a film of amorphous silicon by deposition from a plasma" (참조 번호 G27558EP (유럽특허출원번호 제06301114.2호))에서 설명되어 있다. 이러한 경우에 있어서, 상기 지지부는 기판들과 함께 증착 공정을 수행하기 전에 상기 인클로저 내로 인입되고 이후에 인클로저에서 제거될 필요가 있다. 상기 접착 부재가 사용되지 않는 경우에는, 상기 기판의 가열을 개선하는 하나의 방법은, 상기 인클로저에 상대적으로 높은 압력(통상적으로 대략 100 내지 200 Pa)으로 가스가 충전된 상태에서 단계적으로 낮은 압력 막 증착을 수행하는 것이다. 높은 압력 가스는 상기 기판과 상기 가열된 지지부 사이에 존재할 수 있는 간극을 가로질러 열전달을 제공하고, 이에 따라 상기 기판들의 초기 가열을 보장한다. 다른 가능성은 상기 기판과 상기 기판 지지부 사이의 열전도성 탄소 막을 위치시키는 것이다. 상기 기판 지지부는 그 내부에 고온 유체를 순환시킴으로써 가열될 수 있고, 그러나 가열은 상기 기판 지지부 내에 개재된 전기적 열저항 부재에 의하여 달성될 수 있다. 그러나, 또한 예를 들어 적외선 램프들을 사용하여 직접적으로 상기 기판들을 가열할 수 있다.
상기 기판 지지부의 다른 기능은 상기 기판을 향하여 이온들의 에너지를 제어하기 위하여 상기 기판 표면에 분극(polarization)을 허용하는 것이다. 분극은 RF 전압의 소스를 이용하거나 DC 전압을 이용하여 구현될 수 있고, 상기 기판 지지부가 접지로부터 전기적으로 절연될 것을 요구한다. RF 분극의 경우에 있어서, 전기적으로 절연된 기판 지지부를 적절한 정합 회로와 함께 적절한 RF 또는 DC 발전기(16)에 연결시켜 분극을 구현할 수 있다. 절연 기판 상에 증착하거나, 또는 기판(절연물 또는 절연물이 아닐 수 있음) 상에 먼저 증착된 절연층 상에 증착하는 경우에 있어서, RF 발전기의 사용이 바람직하다. 도전물 기판 상에 증착하거나, 도전물이거나 도전물이 아닌 기판 상에 먼저 증착된 도전층 상에 증착하는 경우에 있어서, 상기 기판 표면에 적절한 전기적 연결을 가지는 RF 발전기 또는 DC 발전기에 의하여 바이어스(bias)가 인가될 수 있다. 특정한 실시예에 있어서, RF-바이어스는 자동 튜닝 박스(automatic tuning box)를 통하여 상기 기판 지지부에 연결된 13.56 MHz 드레시어(Dressier) 발전기를 이용하여 인가될 수 있다. RF 발전기를 사용하는 경우라고 하여도, 상기 기판 표면 상의 결과적인 바이어스는, 상기 플라즈마 내의 조건들의 결과로서, DC 바이어스 성분을 포함한다. 이에 대한 설명이, 완전히 다른 플라즈마 공정의 설명을 기초하여, 스즈키 등(Suzuki et al)에 의한 "Radio-frequency biased microwave plasma etching technique: A method to increase SiO2 etch rate", (J. Vac. Sci. Technol. B 3(4), 1025-1033, Jul/Aug 1985)에 개시되어 있다.
플라즈마 제조 장치(I)는 서로 이격되고 기판들에 인접하여 위치하는 일련의 개별적인 플라즈마 여기 장치들(E)을 포함하고, 상기 기판들에 대하여 균일한 플라즈마를 생성하기 위하여 함께 작동한다. 각각의 개별적인 플라즈마 여기 장치(E)는 연장된 마이크로파 에너지 인가부(4)를 포함한다. 각각의 인가부(4)는 인클로저(1)의 외부에 위치하는 각각의 마이크로파 에너지 소스와 연결된 단부들 중의 하나를 가진다. 그러나, 선택적으로 단일 마이크로파 에너지 소스가 모든 인가부들(4)에 마이크로파들을 공급할 수 있고, 또는 인가부들의 갯수에 비하여 작은 갯수의 복수의 에너지 소스들이 있을 수 있다. 예를 들어, 16개의 인가부들의 어레이는 통상적으로 두 개의 2.45 GHz 마이크로파 발전기들에 의하여 공급될 수 있고, 상기 발전기들 각각은 2 kW의 최대출력을 가지고 전력 스플릿터(power splitter) 및 각각의 슬러그 튜너들(slug tuners)을 통하여 여덟 개의 인가부들에 각각 공급한다. 각각의 인가부(4)는 동축 튜브(4')에 둘러싸인 튜브의 형상인 것인 바람직하고, 이에 따라 마이크로파들의 방사를 방지하고, 상기 인가부들 사이의 마이크로 파 커플링을 감소시키면서, 마이크로파 에너지가 그의 자유 단부로 전파된다. 상기 마이크로파 에너지가 플라즈마로 적절하게 변환되는 것을 보장하기 위하여, 각각의 인가부는 반사되는 출력을 최소화하거나 또는 적어도 감소시키기 위하여 정합 장치와 함께 설치되는 것이 바람직하다.
각각의 마이크로파 인가부(4)는 적어도 하나의 영구 자석(5)과 연결된 자유 단부를 가진다. 각각은 자석은 자석 자체의 장축과 평행한 자기 축을 (바람직하게는) 가진다. 이러한 배열의 특정한 형태에 있어서, 플라즈마 여기 장치들 모두는 동일한 방향으로 방위된(단극 구성) 자석들을 가지며, 즉 그들의 모든 북극이 상측에 있고 모든 남극이 하측에 있거나, 또는 이와 반대이다. 다른 경우에는, 각각의 극들 중의 일부는 상측에 있고, 다른 일부는 하측에 있다(다극 구성). 후자의 예는 어레이이며, 도 2의 일단에서 보이는 바와 같이, 장치들의 어떠한 주어진 열 또는 행을 따라서 지나고, 하나는 교대하는 극성의 극들과 연속적으로 교차된다. 다른 실시예에서는, 주어진 열(또는 행) 내의 모든 자석들은 동일한 극성을 가지고, 행(또는 열)은 교대하는 극성을 가진다. 그러나, 배열들은 상기 자석들의 자기 축들이 상기 자석들 자체의 장축과 평행하지 않도록 사용될 수 있으며, 자기장의 라인들이 마이크로파들의 전파 벡터와 평행한 중요한 영역들을 제공한다. 이것은 ECR 댐핑(damping)이 발생할 수 있는 중요한 영역들의 존재를 보장하기 위하여 필요하다.
본 명세서에는 "열전자 감금 포락선(envelope)"에 대하여 설명한다. "열전자 감금 포락선"의 정의는 먼저 "열전자 구성성분 구역들"의 정의가 필요하다. 상 기 열전자 감금 구역들은 뜨거운(빠른) 주 전자들이 갇힌 영역들이다. 이들은 서로 반대의 극성의 두 개의 인접한 자석 극들 사이에서 전자들이 진동하는 영역들이다. 상기 자석 극들은 단일 자석의 두 개의 극들(이하에서는, "자석 내 극들(intra-magnet poles)"로 지칭함)이거나 또는 두 개의 인접한 자석들의 극들(이하에서는, "자석 간 극들(inter-magnet poles)"로 지칭함)이다. 상기 영역에서는, 단열 근사 조건을 만족하고(자기장 기울기에 대하여 라모어(Larmor) 반경이 작다), ECR 커플링 조건을 만족하는 영역들을 가로지르면서 전자들이 에너지를 얻는다.
상기 자석들과 상기 열전자 감금 구역들은 열전자 감금 포락선를 정의한다. 이는 자석들의 어레이의 포락선의 부피이고, 자석 간 구역들(존재하는 경우)이 자석들의 단부들을 넘어서 연장되는 거리로 양방향으로 상기 자석들의 자기 축들에 대하여 평행하게 연장되고, 상기 자석 내 구역들이 자석들의 외측 방향으로 대면하는 표면들을 넘어서 연장되는 거리로 모든 방향으로 자석들의 자기 축들에 대하여 수직으로 연장된다.
상술한 바와 같이, 도 3a 및 도 3b는 두 개의 특정한 자석 구성들을 위한 열전자 감금 포락선을 도시한다. 각각의 도면에서, 상기 포락선은 실선들로 도시된 평행한 파이프 박스에 의하여 도시되어 있다. 도 3a는 전체적으로 다중 극성 구성의 경우를 도시하고, 모든 자석은 개재된 이웃들에 대한 반대로 위치한다. 도 3b는 단일 극성 구성의 경우를 도시하고, 모든 자석들은 동일하게 방위되어 있다. 적절한 포락선들이 다른 자석 구성들로 구성될 수 있고, 예를 들어 주어진 열 내의 모든 자석들의 일부는 동일한 방위를 가질 수 있고, 인접한 열들은 서로 반대되는 방위들을 가질 수 있다.
도 4에 개략적으로 도시된 플라즈마 여기 장치의 실시예는, 연결부(102)를 통하여 마이크로파들이 공급되는 속이 빈(hollow) 실린더 튜브(100)를 포함한다. 이러한 복수의 장치들은, 예를 들어 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 어레이 내에 위치하고, 이에 따라 모든 장치들의 단부들을 포락하는(enveloping) 플라즈마 영역을 형성한다. 냉각 액체가 포트(104)를 통하여 상기 장치의 상측 단부에 제공된다.
튜브(100)의 상류 단부 내에 석영 윈도우(106)가 위치하고, 상기 윈도우는 한 쌍의 오링(O-ring, 108) 밀봉이 그 내에 위치하는 두 개의 고리형 그루브(groove)를 가진다. 석영은 이러한 장치들에 통상적으로 이용되는 파장의 마이크로파 방사에 대하여 투명하다.
튜브(100)의 하류 개방 단부(111)를 넘어서 영구 자석(110)이 설치된다. 일반적으로, 상기 자석은 그 단부들에 자극들을 가지고, 지칭된 바와 같이 튜브(100)의 개방 단부(111)에 인접한 단부에서 N극이고, 그로부터 이격된 곳에서 S극이거나, 또는 N극과 S극이 서로 반대의 구성이다. 상기 자석은 로드(rod 112)에 의하여 지지된다. 도시되지는 않았지만, 로드(112)는 실질적으로 한 쌍의 동축 튜브들이고, 포트(104)에 인입된 냉각 액체는 상기 튜브를 따라 유동하여 상기 자석 내의 캐비티 내로 인입되고, 상기 튜브들 사이의 고리형 영역으로 되돌아가며, 이에 따라 상기 자석을 냉각한다.
가스 인입 라인(114)은, 상기 튜브의 내측으로 가스가 인입되기 위하여, 튜 브(100)의 실리더형 벽을 통하여, 플라즈마가 형성되고 상기 요소들이 위치하는 챔버의 외측으로 연장된다. 상기 가스는 개방 단부(111)를 통하여 상기 튜브로부터 배출되고, 이에 따라 자석(110)에 인접하여 상기 챔버의 내부로 인입된다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 코팅될 기판이 상기 요소의 하측에 위치한다고 가정하면, 이동의 초기 방향은 상기 기판을 향한다. 튜브(100) 내의 플라즈마 가스 압력은 그 내에서 플라즈마의 발화를 방지할 수 있을 정도로 낮다.
개별적인 플라즈마 가스를 사용하지 않는 경우에는, 라인(114)을 통하여 튜브(100) 내로 공급되는 가스는 막 전구체 가스이고, 예를 들어 실란(silane)이다. 상기 튜브(100)의 개방 단부(111)로부터 배출되면, 플라즈마 구역의 중심에서 상기 반응기 챔버로 인입되고, 상기 구역을 통하여 그 상에 막이 형성되는 기판을 향하여 상당한 거리를 이동하여야 한다. 이러한 위치에서 상기 막 전구체 가스의 인입은 높은 증착 속도에서 증착된 고품질 막을 형성할 수 있다. 이는 본 출원과 동일자에 출원되고 출원절차가 함께 계류 중인 출원인 "Method and apparatus for forming a film by deposition from a plasma" (침조 번호 G2833 IEP (유럽특허출원번호 제 06301115.9호))에 설명되어 있다.
개별적인 플라즈마 가스를 사용하는 경우에 있어서, 상기 플라즈마 가스는 라인(114)을 통하여 공급되고, 또한 상기 막 전구체 가스는 개별적인 위치에서, 바람직하게는 코팅될 기판을 직접적으로 향하여, 상기 반응기 챔버로 공급될 수 있다. 이에 따라, 높은 증착 속도로 증착된 고품질 막을 생성할 수 있다. 그러나, 적어도 미세결정 물질이 형성되면, 상기 플라즈마 가스 및 상기 전구체 가스는 라 인(114)을 통하여 함께 인입될 수 있다.
도 5에 도시된 실시예는 튜브(100)의 외부 벽으로부터 외측으로 향하고 하측 단부(111)와 인접한 출구(216)를 가지는 가스 인입 라인(214)을 포함하는 점에서 도 4의 실시예와 다르다. 상기 장치는 또한 폐쇄된 상측 벽(220), 주변 벽(222) 및 개방된 단부(224)를 가지는 튜브형 가스 차단부(218)를 포함한다. 상기 가스 차단부는 적절한 열저항 비자성 물질, 예를 들어 석영, 세라믹 또는 알루미나, 또는 비자성 금속(차단부 내에서 마이크로파를 감금하는 잇점을 가짐)으로 형성될 수 있다.
도 5의 실시예는 상기 가스 차단부에 의한 잇점을 가지고 있다고 하여도 전자 이동을 방해하여 플라즈마 밀도를 감소시키는 단점을 또한 가질 수 있다. 그러나 이러한 단점들이 있다고 하여도, 상기 단점들은 상기 반응기가 제공되는 플라즈마 여기 장치들 모두의 하류 단부들의 주위의 영역을 둘러싸는 단일 가스 차단부를 이용하여 적어도 실질적으로 극복된다.
도 6의 실시예는 가수 차단부가 없는 점에서 도 4의 실시예와 유사하고 튜브(100)의 주위 벽 내에 하류 부분을 가지는 가스 인입 라인(314)을 가지는 점에서 도 5의 실시예와 유사하다. 그러나 여기에서, 라인(314)의 출구(316)는 상기 튜브의 장축과 평행하고 그로부터 멀어지고 그 상에 막이 형성되는 기판을 향한다.
도 7의 실시예에 있어서, 튜브(100)는 서로에 대하여 동축으로 배열되고, 그들 사이에 고리형 통로(100c)를 한정하는 내부 튜브(100a) 및 외부 튜브(100b)로 포함한다. 가스 인입 라인(414)은 통로(100c)와 연결되고, 막 전구체 가스는 그 하부에서 상기 기판을 향하는 방향으로 통로(100c)에서 배출된다.
본 발명은 DECR 장치 내에서 결합될 수 있는 복수의 요소들을 포함하는 플라즈마 여기 장치를 개시한다. 상기 장치 각각은 플라즈마 가스, 막 전구체 가스 또는 플라즈마 가스와 막 전구체 가스의 혼합물에 대하여 잇점이 있는 방법으로 가스를 주입하는 수단을 포함하고, 또한 미세결정 실리콘 또는 다른 미세결정 물질의 증착에 특히 적용가능하다.

Claims (10)

  1. 배분된 전자 사이클로트론 공진에 의하여 형성된 플라즈마로부터 기판 상에 막을 증착하기 위하여 사용하는 플라즈마 여기 장치로서,
    상기 장치는:
    마이크로파들이 발진하는 단부를 가지는 마이크로파 안테나;
    상기 안테나 단부의 영역 내에 위치하고, 플라즈마가 생성될 수 있는 전자 사이클로트론 공진 영역을 한정하는 자석; 및
    막 전구체 가스 또는 플라즈마 가스를 위한 출구를 가지는 가스 인입 요소;
    를 포함하고,
    상기 출구는, 상기 마이크로파 안테나로부터 고려되는 바와 같이, 상기 자석을 지나서, 상기 자석을 넘어서 위치하는 막 증착 영역을 향하여 가스가 향하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 장치
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 출구는 본 명세서에서 정의된 바와 같은 열전자 감금 포락선(hot electron confinement envelope) 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 출구는 상기 마이크로파들이 발진하는 마이크로파 안테나의 단부에 위 치하거나 그에 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 마이크로파 안테나는 튜브를 포함하고,
    상기 가스 인입 요소는 소스로부터 상기 튜브 내로 가스를 인입하도록 배열된 가스 공급 라인과 연결된 상기 튜브에 의하여 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가스 공급 라인은 상기 튜브 내에 상기 가스를 인입하도록 배열된 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 가스 공급 라인은 상기 튜브의 벽 내에 한정된 영역으로 상기 가스를 인입하도록 배열되고,
    상기 출구는 상기 영역과 연결된 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 튜브는, 상기 마이크로파들이 그 내에서 이동하는 내부 튜브 부재와 상기 가스 공급 라인에 의하여 상기 가스가 인입되는 고리형 영역을 상기 내부 튜브 부재와 함께 한정하는 외부 튜브 부재를 포함하는 동축 튜브인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 상술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석은 그 자기 축이 상기 안테나로부터 상기 마이크로파의 전파 방향과 실질적으로 정렬되도록 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 인클로저(enclosure);
    상기 인클로저 내에 위치하고, 상술한 항들 중 어느 한 항에 따른 복수의 플라즈마 여기 장치들; 및
    상기 인클로저 내의 기판을 지지하기 위한 수단;
    을 포함하는 플라즈마로부터 기판 상에 막 증착 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    단일 가스 차단부는 상기 안테나들의 단부들 및 결합된 자석들을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 막 증착 장치.
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