KR930011030B1 - 원거리 배치된 기판상에 활성종을 직접 데포지트시키는 방법 - Google Patents
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Abstract
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Description
제1도는 전구물질 데포지션 개스의 화성 전구물질 종의 구름(plume of activated precursor species)이 원거리 배치된 기판 표면상으로 향하는 것에 대하여 본 발명의 챔버내부를 설명하는 부분적으로 절취된 사시도.
제2도는 데포지션 전구물질 개스가 챔버 내로 유입하는 경우 통과하는 도관(conduit)의 위치를 마이크로파 도포기에 대하여 나타낸 확대된 부분 절취 측단면도.
제3도는 서로 다른 체적의 활성종 구름의 변형 파tps 곡선(modified Paschen curves)이며, 가로축에 압력, 세로축에 출력으로 나타내었고, 파센 곡선은 A.D.Macdonald와 S.C.Brown이 발간한 ＂Physical Review＂ 제75권, 411페이지(1949)에 의해 재현되었다.
제4도는 비정실 실리콘 박막의 데포지션에 대하여 광 도전율((Ω-cm)-1)으로 측정된)을 세로 축에, 데포지션 속도(Å/sec으로 측정된)를 가로축에 표시하여 도시한 것으로 곡선 B는 마이크로파 출력은 증가시키는 반면 전구물질 데포지션 개스의 유량은 일정하게 유지하는 것을 표시하며, 곡선 A는 전구물질 데포지션 개스의 유량은 증가시키는 반면 마이크로파 출력은 일정하게 유지하는 것을 나타낸다.
[발명의 분야]
본 발명은 전구물질 데포지션 개스가 진공 챔버내로 유입하는 경우 통과하는 도관의 구멍 단부에 인접한 곳에서 상기 전구물질 데포지션 개스의 활성종을 생성하여 재료의 박막을 데포지션 하는 것에 관한 것이다. 특히 본 발명은, 원거리 배치된 기판표면상에 재료의 박막을 직접 데포지션하기 위해 바람직한 에너지화 종을 고밀도로 생성시키는 방법에 관한 것이다.
본 명세서에 사용된 용어 ＂전구물질 데포지션 개스(precursor deposition gas)＂는 외부에너지 소스에 의해 활성화되어 활성 전구물질 종을 생성하며, 원거리 배치된 기판 표면에 데포지션하기 위해 바람직한 데포지션 종을 선택적으로 형성하도록 이들의 에너지를 전달하는 개스성 전구물질을 지칭한다. 이같은 정의에 의하면, 본 발명은 가장 폭넓게는 활성화 영역을 통해 유동하는 전구물질 데포지션 개스의 비교적 높은 비율로 부터 활성종의 플라즈마를 생성시켜, 상기 활성종의 고유량(high flux)을 플라즈마로 부터 원거리 배치된 기판으로 이송하는 능력에 관한 것이다.
[발명의 배경]
비정질 실리콘 합금 재료 분야에서 존경받는 연구자들은, 고품질의 비정질 실리콘 합금재료가 성장될 수 있는 속도에 대해서는 고유 한계가 존재한다는 이론을 지지한다. 본원에 사용된 바와 같이, 고품질의 비정질 실리콘 재료는 우수한 전기적 특성(예컨데 불순물 원자들의 첨가에 의해 도프(dope)되는 낮은 암도전율 및 높은 광 도전율을 제공하도록 재료의 금지대(forbidden band)갭에서 전자결합상태의 밀도가 낮은 재료로 정의된다.
1987년 Xerox PARC의 Tsai, Shaw, Wacker 및 Knights는 Materials Research Society Symposium Proceedings, 제95권 219페이지에 ＂다이오드 및 트리오드 글로우 방전 시스템내의 비정질 실리콘의 필름성장 메카니즘＂이라는 제목의 논문을 발표하였다. 이 연구원들은, (a) 스탭 커버리지(Step coverage)가 균일(conformal)하게 되도록 하는 표면반응의 속도에 의해 제한되며, SiH3와 같은 저 부착율(sticking coefficient)의 플라즈마 데포지션 종에 의해 생성되는 화학적증기 데포지션(CVD)공정 및; (b) 표면 반응 속도에 의해 제한되지 않으며, SiH2및 SiH와 같은 고 부착율의 플라즈마 데포지션 종에 의해 생성되는 물리적 증기 데포지션(PVD)공정의 차이점을 발견하였다. 상기 연구원들은 PVD공정은 스텝 커버리지가 나쁘며 뚜렷한 원주형태가 나타나고, 전자결함 밀도가 높은 막들을 제조한다고 주장하였다.
그러므로, Xerox PARC에서 판결된 바로는 고품질의 비원주형 비정질 실리콘 합금 재료의 데포지션은, CVD형태의 공정들을 활용하는 저속 데포지션에서 생성되는 반면, 저품질의 뚜렷한 원주형 비저질 실리콘 합금재료는 PVD형태의 공정들을 활용하는 고속 데포지션에서 생성된다. 상기 연구원들은, 플라즈마로부터 기판을 더 멀리 이동시키면(트리오드 데포지션 장치를 사용하여), 고 부착율의 종이 개스상 충돌에 의해 더 많이 제거되기 때문에 더긴 수명(저 부착율)을 지닌 종들이 우선적으로 데포지션된다는 사실을 입증했다. SiH3유리기종(free radical species)은, 디바이스 품질 비정질 실리콘의 데포지션을 위해 맞춰진 플라즈마 조건하에서 일차질량 전달종이나 지배 유리기 종(dominant free radical species)이 되는 것으로 공지되었다. 효율적인 부착율은 질량 전달 종들이 박막성장에 기여하는 확률로 정의되기 때문에 부착율은 비정질 실리콘 박막의 데포지션에 수반된 복잡한 반응(합체, 분해, 재방출, 에칭, 수소제거 등과같은)의 결과를 나타낸다. 따라서 Xerox PARC는 미세하게 다른 질량전달 종들이 PVD 및 CVD공정에 연관된 것으로 결론지었는바, SiH2및 SiH종은 PVD성장을 지배하는 반면 SiH3종은 CVD 성장을 지배한다. 상기 연구자들은, ＂플라즈마 데포지션에 의해 얼마나 빨리 양질의 Si : H를 성장시킬 수 있는가에는 한계가 있으며 ＂더우기＂ 비정질 실리콘의 플라즈마 데포지션에서 양호한 재료품질과 신속한 성장속도 사이에는 모순성이 었다＂는 것을 주장했다.
본 명세서에 설명된 주제의 본 발명자들은, Xerox PARC 그룹뿐만 아니라 본 분야의 다른 연구원들의 결론은 잘못된 것이라는 사실을 증명하는 결과들을 소개한다. 명세적으로 본 발명자들은, 비정질 실리콘 합금재료의 고속 데포지션과 재료의 양질성 사이에 어떠한 근본적 모순성도 존재하지 않는다는것을 증명한다. 실제에 있어서 본 발명자들은, 본원에 기재된 신규한 공정기술을 사용함으로써, 비정질 합금재료 데포지션의 전자적 품질이 어떠한 조건하에서는 상기 재료의 데포지션 속도 증가에 상응하여 실제적으로 증가한다는 것을 실험적으로 증명하였다.
a.c 출력 증가에 비례하는 데포지트용 박막재료의 품질저하 문제는 r.f. 에너지에 의해 발생되는 비교적 낮은 출력 레벨로 처리할때(어느정도까지)제어할 수 있다. 그러나, 데포지션 속도를 10 내지 12 심지어 20Å/sec로 증가시키는 능력은 상업적으로 의미가 없다. 그러므로 최근에, 연구원들은 마이크로파 주파수(정교한 전자 사이클로트론 공명 조직을 포함하는)를 이용하여 광범위한 박막재료의 데포지션 속도를 10배 넘게 향상시켰다. 더욱 강력한 마이크로파 개시 글로우 방전을 사용함으로써, 플라즈마를 형성하는 개스성 전구물질의 더욱 효과적인 해리(dissociation)를 통해 증가된 데포지션 속도를 얻는것이 가능하게 된다. 동시에 마이크로파로 개시된 데포지션 공정의 경제성은 증가된 데포지션 속도에 의해 크게 향상된 반면에, 데포지션 막의 품질은 상응하여 저하된다. 예컨데, 마이크로파로 데포지트된 최고품질의 실리콘 합금 재료는 r.f.로 데포지트된 최고품질의 상기 재료의 결함 밀도보다 약 10배 정도 큰 결함 밀도를 지닌다. 즉, 양을 위해 질이 희생된다.
본 출원인은 전에 마이크로파 에너지를 사용하여 고품질의 막들을 데포지트할 수 있는 중요한 저압방법(low pressure method)을 미합중국 특허 제4,504,518호, 4,517,223호, 4,701,343호에서 설명하였다. 이같은 저압의 마이크로파 데포지션 방법은, 본 발명이 있기까지 비교적 고품질의 반도체, 절연체, 유전체 또는 경질박막을 데포지트하는 가장 효율적이고 저렴한 방법이었다. 더 명세적으로, 상기 특허들에 기재된 발명은, 폴리머를 형성하지 않으면서 플라즈마가 유효하게 유지되도록 글로우 방전 데포지션을 개시하기 위해 저압 조건을 사용하는 것이었다. 이는 개스성 전구물질의 주어진 세트에 대하여 ＂변형 파센곡선＂의 거의 최소치에서 작동시킴으로써 얻을 수 있다. 요약하면 이것은, 특성 개스성 전구물질 혼합물에 대해 주어진 체적의 플라즈마를 유지하는 출력, 압력 및 구멍 직경의 최적 조합이 존재한다는 것을 의미한다. 상기 특허 명세서에 기재된 발명 원리에 따르면, 최소의 출력입력에서 작동시킴으로써 모든 공정 개스(process gases)가 해리되는 한편 데포지션 속도는 r.f. 플라즈마의 데포지션 속도만큼 증가되는 매우 강력한 플라즈마를 얻는 것이 가능하게 된다. 또한 이같이 최적화된 출력 및 압력하에서 작동시키면 개스상 중합 및 분말형성을 방지할 수 있다. 저압 및 최소출력을 사용하면 마이크로파 글로우 방전공정에 대해 이미 보고된 최고품질의 재료를 데포지션할 수는 있으나, 이 방법으로는 플라즈마 내에 생성된 특정 활성종을 제어할 능력이 없다는것이 여전한 고민거리였다 더우기, 상기에 설명된 Xerox PARC 그룹에 의해 결정된 결론을 신봉한다면, 고속의 데포지션으로 고품질의 실리콘 합금재료를 얻는것은 불가능하다.
전술한 r.f. 플라즈마 글루우 방전 데포지션 방법이나 상기 저압 마이크로파 개시 글로우 방전 데포지션 방법에 의한 r.f. 플라즈마 글로우 방전 데포지션 방법의 개량을 논의할때 유의해야 할 두 가지의 주요사항은, (1) 양쪽 모두의 플라즈마 방법에 있어서, 재료의 품질은 데포지션 속도 증가에 비례하여 저하된다는 점이며, (2) 글로우 방전 플라즈마내에서 생성되는 종만이, 기판의 표면에 데포지트되는 경우에 가능한 최고품질의 박막재료를 제조하는 종이 되도록 기상화학(gas phase chemistry) 동력학을 제어하는 것이 불가능하다는 점이다.
본 명세서에 사용된 용어 ＂원거리 플라즈마 여기＂는, 개스성 전구물질 혼합물을 전공 챔버내의 한 영역에서 바람직한 종이 플라즈마로 전화시킨 후, 상기 바람직한 종을 플라즈마 형성지점으로 부터 멀리있는상기 챔버내의 한 영역을 향하게 하는 방법을 지칭한다. 원거리 플라즈마 여기 분야에서 가장 존경받는 과학자중 두사람인 G.Lucovsky 박사와 I.Shimizu 박사의 업적에 특히 주의를 기울여보았다. 북캐롤라이나 주의 Lucosky 박사와 동경공대의 Shimizu 박사는, 에너지 갭 중의 국부 결함상태의 밀도가 낮고, 광도전율(명(light)대 암(dark)도전율의 비)이 우수하며, 긴 전하 캐리어 수명을 지닌 실리콘 합금막을 얻기위해 실리콘 주성분 플라즈마로 부터 특별히 미리 선택된 유리기종을 데포지션하는 연구를 실시하였다.
일반적으로 상업적으로 사용되는 r.f. 및 마이크로파 데포지션 기술은 ＂직접 플라즈마 강화 화학적 증기 데포지션(direct plasma enhanced CVD)＂ 공정으로서 특징지워진다. 본 명세서에 사용된 바와 같이 ＂직접 플라즈마 강화 화학적 증기 데포지션＂은, 바람직한 데포지션 종을 포함하는 개스성 전구물질 혼합물을 여기(exitation) 또는 편화 에너지원(fragmentation energy)에 직접 노출시킴으로써, 생성된 플라즈마내의 데포지션 종을 상기 에너지원에 근접 배치된 기판상에 데포지트하는 방법을 의미한다.
본원에 사용된 용어, ＂활성종(activated species)＂은 원자이거나 분자이거나 관계없이, 유리기, 이온 또는 여기된 중성자를 막론한 내부에너지를 운반하는 미시적 대상물을 지칭한다. 원거리 플라즈마 공정에 대해서, 상기 정의는 Lucovsky 박사의 용어 사용과는 대조적이며, 그는 헬륨 개스가 전자계에 노출될때 준안정성인 여기된 또는 비기저 상태의 헬륨(He*)이 생성된다고 생각한다. 이와 대조적으로 본 발명자들은 (박막 데포지션속도의 자계 의존성이 실험적으로 관찰되기 때문에) 활성종이 실제로 헬륨이온이라고 생각한다. 그러나, 이같은 활성종의 성질 및 특성은 본 발명의 방법 실시에 결정적인 요소는 아니다. 그러므로, 용어 ＂활성종＂은 일반적으로 상기와 같은 활성종들을 총칭하는 것으로 생각된다.
또한 본원에 사용된 용어 ＂활성화 영역(activation region)＂이나 ＂활성종의 구름(plume of activated species)＂은, 전자계에 의해 생성된 활성종의 수가 벽에 흡수되거나 충돌 등에 의해 소멸된 활성종의 수를 초과하는, 진공팸버 내 부분을 지칭한다.
고 출력 직접 플라즈마 여기 방법의 결점들을 제거하기 위한 시도에 있어서, 전술된 두 그룹의 연구원들(노스캐롤라이나 주립대학의 G.Lucovsky 박사 등 및 동경 및 동경공대의 I.Shimizu 박사 등)은, 데포지션종들이 플라즈마 영역으로부터 원거리에 형성되는 간접 플라즈마 여기 방법(non-direct plasma excitation)의 개발을 목표삼아 연구했다. 이같은 간접방법은, (1) 적어도 부분적으로 구조적 한정된(벽으로된) 활성화 영역내에서, 제1개스성 전구물질(전형적으로 희귀개스(noble gas))이 활성종으로 여기; (2) 구조적으로 한정된 활성화 영역으로 부터 준안정성 활성 종의 운반, 상기 운반 단계는 활성종을 상기 활성화영역으로 부터 데포지션 영역으로 ＂트리프트(drift)＂시킴으로써 달성된다; (3) 전구물질 데포지션 개스와 활성종이 하류에서의 충돌, 이 충돌에 의해 활성종 밑 전구물질 데포지션개스가 충돌 및 상호작용하여 바람직한 데포지션종을 형성한다; (4) 상기 데포지션 종으로부터 평균자유행정 범위내에서 이격된 기판상에 재료의 박막 데포지션으로 구성된다.
Lucovsky등 (1987년 프라하에서 열린 제12차 ICALS의 Journal of Non-Crystalline Solids에 기재된 Lucovsky 및 Tsu의 논물 ＂직접 및 원거리 플라즈마 강화 CVD의 차이＂ 참조)은 r.f. 에너지(13.56MHz)를 사용하여 여기된 헬륨원자(예를 들면, 헬륨 유리기, He*)를 구조적으로 한정된 활성화 영역에서 생성시켜, 비정질 실리콘 : 수소재료의 박막을 데포지션하는 방법을 설명하였으며, 상기 활성화 영역은 가열된 기판으로부터 적어도 10cm만큼 이격되어 배치되어있다. 그후 여기된 헬륨 유리기는 플라즈마 영역으로부터 이동하여, 중성 실란개스(90%의 아르곤으로 희석된)와 상호작용하며, 상기 실란 개스는 ＂샤워 헤드(shower head)＂개스링에 의해 가열 기판상으로 유입된다. 루코브스키 박사는 He*원자는 SiH4의 충돌하여 다음 반응식과 같이 실란의 데포지션 유리기 종을 생성시킨다고 주장한다.
즉, 실란중성자와 헬륨의 준안정성 종의 열역학 및 충돌 동력학은 SiH3형성을 촉진시키는 적절한 에너지로 되며, 이 SiH3유리기와 가열된 기판의 후속반응은 최고의 전자적 품질을 지닌 실리콘 합금재료를 제공하는 것으로 믿어진다. 또한 아르곤과 같은 희귀개스원자 역시 r.f. 플라즈마 활성화 준안전성 종으로서 헬륨 대신 사용된다. 그러나 Matsuda 등에 의한 연구로부터 보고되고, Lucovsky에 의해 확신된 바와 같이, 아르곤은 실란의 다양한 단편화를 개시하여, 실란 및 SiH2의 플라즈마 중합을 일으킴으로써 디실란(disilane), 트리실란(trisilane)등을 생성시킨다. 이결과 실리콘 합금막의 데포지션뿐만아니라 다량의 풀리실란 분말이 생성된다.
상기 원거리 플라즈마 여기 방법(remote plasma excitation processes)은, 실리콘 산화물(SioX) 및 실리콘 질화물(SiNX)의 유전성 또는 절연선 재료의 박막의 데포지션에도 사용되어왔다. 데포지션된 유전성 막에 있어서, 활성종의 플라즈마는 전형적으로 데포즈트할 막의 바람직한 조성에 의존하여, He내에 약 20%의 O2나 N2를 함유한다. 이같은 활성종들은 r.f. 플라즈마에 의해 여기된(O2,He)*나 (N2,He)*의 준안정성 종들을 생성한다. 이같은 활성화 준안정성 종들은 하기식으로 표시된 바와 같이 SiH4(또는 다른 실리콘 함유개스)와 상호작용한다.
따라서 가열된 기판상에 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물 재료의 박막을 데포지트시킨다.
전술된 유전성재료의 박막과 반도체 합금재료의 박막은 모두 대체로 유사한 데포지션 조건하에서 제조된다. 더 명세적으로, 에너지 전달개스는 약 100 내지 1000SCCM(㎤/분)사이의 유량으로 챔버내로 유입되며, 개스성 실란 전구물질은 약 5 내지 25SCCM의 유량으로 챔버내로 유입되고; 챔버내의 데포지션 압력은 300밀리토르(mtorr) 내지 1토르(torr) 사이로 유지되며; 적용된 r.f. 출력은 약 5 내지 50와트(W)로 유지되고; 기판온도는 약 40 내지 400℃로 유지된다. 이같은 작동 매개변수, 특히 제1도관내의 에너지 전달 개스 및 챔버내의 배경 압력 양쪽의 유량은 다음 사항들을 만족하도록 필수적으로 고려되어야하는바; (1) 구조적으로 한정된 활성화 영역내로 실란개스의 역확산이 최소화되어야하며; (2) 에너지 전달 개스로부터 허용가능한 밀도의 활성종이 구조적으로 한정된 활성화 영역으로부터 추출되어 실란 개스 분사링을 향하도록 해야한다.
특별히 주목해야할 점은, 상기 바람직한 유량 및 배경압력이 두분자 충돌의 평균 자유 행정을 1mm 이하로 확보하는 반면, 기판은 충돌영역(즉, 예컨대 준안정성 He종, 준안정성 O2종 및 SiH4분자가 충돌하는 영역)으로부터 약 5㎝만큼 이격배치되어 있다는 것이다. 그러나, 이러한 공간 배치는 재료가 기판상에 데포지트되기전에, 전술한 준안정성 종과 실란 분자들간에 다수의 국부적인 충돌이 생기도록 선택되었다. 그러므로, 상기 재료는 바람직한 단일 종이 아닌 많은 다양한 종들을 포함하는 전구물질의 플럭스로 데포지트될 것이다. 또한, 다중 충돌의 결과, 바람직한 단일 종을 기판상에 고밀도로 데포지트하는 것이 불가능하게 된다. 바람직한 유리기 종들의 데포지션 속도가 매우 낮은 것은 당연하다.
Shimizu 박사는 ＂Materials Research Symposium Proceedings＂(1987) 제95권 225-235페이지에 Shibata, Fukuda, Ohtosi, Hanna, Oda 및 Shimizu 등의 논문 ＂HR-CVD(Hydrogen Radical Enhanced CVD)에 의한 비정질 및 결정질 실리콘의 성장＂에 반 직접(semi-direct) 플라즈마 여기에 대한 변형 방법을 발표하였다. 이 논문에서, Shimizu 등은 Si 주성분 함금의 신규 제조방법을 제안하였다. Shimizu 등의 방법에서 중요한 점은, 전구물질 데포지션 개스를 직접 및 원거리 위치의 양쪽에서 모두 활성화시키는 ＂하이브리드 여기(hybrid excitation)＂를 사용한다는 사실이다. 직접 여기는 전자계에 직접 노출시켜 실시하며, 원거리 여기는 에너지 전달 개스의 준안정성 활성종과 부분적으로 여기된 데포지션 종의 상호작용의 결과로 실시된다. 기재된 HR-CVD 기술에 있어서, 전구물질 데포지션 개스가 에너지 전달개스의 활성종과 충돌하여 2차적인 SiFnHm(n+m은 4이하)을 형성하는 것이 중요하다.
Shimizu 등의 장치는 동축상의 관들을 포함하는바, 내측관으로 SiF4가 전달되며, 외측관으로 수소 개스 및 아르곤 개스가 전달된다. 수소 개스는 마이크로파 에너지 소스에 직접 노출되어 수소원자로 전환된다. 장치의 제2상호 연결부분은 스테인레스강 데포지션 챔버이며, 이 챔버내에 가열된 기판이 배치된다. SiF4는 처음에 내측관내의 마이크로파 에너지에 직접 노출되며, 두번째로 내측관의 단부에서 수소 플라즈마에 노출되어 데포지션 종을 생성한다. 대표적인 데포지션 매개변수들은 45SCCM의 SiF4유량, 76SCCM의 Ar유량, 10SCCM의 H2유량, 2.45GHz에서 440W의 출력 및 300밀리토르의 배경압력이다. 놀랄정도는 아니지만 Shimizu등은, 내측관의 출구위치 및 기판으로부터 이 위치까지의 거리는 데포지션 막의 질 및 데포지션 속도를 결정하는데 중요한 요인이된다는 것을 발견했다. 또한 Shimizu는, 전구물질 데포지션 개스의 이온 종의 수가 매우 적으며, 따라서 전구물질 데포지션 개스의 유리기종이 데포지션 종을 형성한다는 결론을 내렸다. 결론적으로, Shimizu 등은 50Å/sec 이하의 데포지션 속도를 얻었으나, 이같은 비교적 높은 데포지션 속도는 전구물질 데포지션 개스의 직접 여기에 기입된 것일 수 있다. 이같은 직접 여기는 확실하게 개선된 데포지션 속도를 나타내는 반면, 데포지션 종의 성질을 제어하는 능력 및 그에따른 높은 전자막 품질을 유지하는 능력은 저하시킨다.
Lucovsky 박사 및 Shimizu 박사에 의해 실행된 대규모의 연구에도 불구하고, 비교적 빠른 데포지션 속도로 고품질의 박막을 데포지트하는 목적은 실현되지 못했다. 실제로, 이제까지 개발된 진실된 원거리 플라즈마 여기 방법의 데포지션 능력은 약 1016내지 1017개/㎤/eV의 결함수인 결합상태 밀도를 지닌 본질적 비정질 실리콘 합금 재료를 1Å/sec 미만의 데포지션 속도로 데포지트하는 정도이었다.
본 발명자들은, 초기 연구자들이 임계적이라고 판단한 매개변수들(즉, 전구물질 데포지션 개스(SiH4와 같은)와 에너지 전달 개스(He과 같은) 모두의 유량, 챔버내의 배경압력 및 활성화 영역(즉, 에너지 전달개스가 활성화되는 영역)과 기판의 거리)이 잘못 선택되었기 때문에 고품질 박막재료의 신속한 데포지션이 방해되었다고 보고하였다. 활성화 영역으로부터 기판을 멀리 배치하면, 실란과 같은 전구물질 데포지션 종이 활성종의 플라즈마내로 역확산되는 것을 저지하는데 확실히 효과적인바, (1) ＂트리프트 영역＂의 길이; (2) 챔버내에 존재하는 배경압력 및; (3) 활성화 영역을 구조적으로 한정해야하는 필요에 의해, 플라즈마 영역으로부터의 활성화 영역의 거리가 증가함에 따라 He*종의 밀도는 신속하게 저하된다. 이같은 기술로써 역확산의 바람직한 제거를 달성하기 위한 상기 거리는, 충돌 영역에 도달하는 활성종의 수가 전구물질 데포지션 개스의 100%를 배기(충돌)하는데 불충분한 수가 되는 정도까지 증가될수 있다. ＂트리프트 영역＂의 길이 및 활성화 영역의 구조적 한정은 필연적으로 과도한 수의 He*-He*충돌 및 He*-벽 충돌을 초래하는바, 이러한 충돌의 결과, 데포지션 전구물질 개스와의 상호작용에 유효한 준안정성 He의 수가 감소한다. 물론 에너지 전달개스의 활성종과 전구물질 데포지션 개스 사이의 충돌의 수가 감소하면, 상응하여 유요한 데포지션 종의 수가 감소하여 박막의 데포지션 속도가 저하된다.
원거리 플라즈마 강화 화학증기 데포지션(RPECVD)에 대한 또다른 연구 코오스중에, 본 발명자들은 시간이 경과하면서, 제2도관, 즉 전구물질 데포지션 개스(SiH4와 같은)가 데포지션 종(SiH4와 같은)으로 활성화되기 위하여 충돌 영역으로 유입되는 도관, 의 구멍 단부가 제한된다(restricted)는 것을 알아냈다. 실제적으로 구멍의 제한은 구멍내에서 데포지션종의 다른 축적 및 데포지션에 기인한 것인 반면, 그 결과는 제2도관 내의 구멍에 인접한 내측 좁은 통로를 통과하는 상기 전구물질 데포지션 개스 흐름에 대한 저항이었다.
본 발명자들은, 제2도관의 구멍 제한이 증가하게되면, 바람직한 데포지션 종의 데포지션 속도가 실제로 증가하는바, 이같은 데포지션 속도의 증가는 도관 구멍의 또다른 제한(내측 벽상의 부가적인 재료의 데포지션)과 함께 계속된다는 것을 발견하였다. 실제로, 데포지션 속도는, 제2도관내의 제한된 구멍을 통과하는 점성 전구물질 데포지션 개스 흐름이 쵸크(chock)될 때까지 계속 증가함으로써 거의 음속에 도달된다. 동시에, 본 발명자들은 상기 구멍에 인접하여 형성된 활성 전구물질의 구름에 대한 기판의 거리를 변화시켰으며, 기판 대 플라즈마 간의 거리가 최적화(제한된 구멍을 통과하는 전구물질 데포지션 개스의 유량에 따라)됨으로써 고품질의 막이 데포지트되는 것을 발견하였다.
이런 관점에서 본 발명자들은, RPECVD 공정의 사용이 고품질의 박막을 빠른 속도로 데포지트하는 능력에 대해 임계적이 아니라는 사실을 연역해냈다. 전구물질 데포지션 개스를 챔버내로 유입시키는 도관내의 제한된 구멍에 인접한 압력과 진공 챔버내에 존재하는 배경 압력 사이에 상당한 압력차를 설정함으로써, 변형 파센곡선(제3도 참조)의 좌측을 최소치를 향해 끌어내리며 이에 따라 전구물질 데포지션 개스(실란과 같은)를 부딪치게하고 플라즈마를 유지하기가 더 용이하게 된다. 파센 곡선의 최소치를 향한 이동때문에, 에너지 전달개스(He)는 플라즈마 데포지션 전구물질 개스(실란)에 충분한 에너지를 전달할 수 있게 되어 상당한 크기의 이차적 플라즈마 부분(실란과 He과의 충돌에 의해 개시되는)을 개시하여 결과적으로 데포지션 속도가 증가했다. 그러나 활성 데포지션종이 상기한 바와 같이 생성되었기 때문에, 이 종들이 원거리 여기 방법에 의해 생성됐다는 점을 중요치 않았다. 그러므로 본 발명자들은, 바람직한 데포지션 종을 얻기에 적당한 양의 종 상호간 및 종과 벽의 충돌을 제공하도록 기판대 플라즈마 거리가 변화되는 직접 역 구조를 통해서도 동일한 결과를 얻을 수 있을 것으로 결론지었다. 상기 사항을 기초로 하여, 본 발명자들은, 활성 전구물질 종의 구름과 기판 사이에 유지되는 환경(압력, 자계, 벽등) 및 거리가 적당하게 선정되는 한 전구물질 데포지션 개스를 마이크로파 에너지 소스로 직접 여기시켜 고밀도의 활성 데포지션종을 생성할 수 있음)거의 음속으로 유입된 실란 개스로부터)을 발견하였다. 이러한 방법으로 고품질의 박막재료를 고속의 데포지션으로 데포지트할 수 있다.
명세적으로, 기판을 활성 전구물질 종의 구름에 더 가깝게 배치할수록, 데포지트된 박막 재료의 품질은 더 저하되는 것을 발견했다. 역으로, 기판을 활성 전구물질 종의 구름으로부터 더 멀리 이동하면, 데포지트된 박막재료의 품질은 향상되었다. 이론으로 국한되는 것을 원하지는 않지만, 본 발명자들이 가정한 바로는 바람직한 데포지션 종(적어도 실란 전구물질 데포지션 개스에 대해)들이 다른 즉, 바람직한 못한 종보다 더 길게 존속되며, 따라서 바람직한 종들은 기판상에 데포지트되기 전에 재결합하거나 아니면 다른 방식으로라도 소멸되지 않는다. 또한, 기판 대 플라즈마 간의 거리가 길수록 바람직하지 못한 종에 대해 충분한 시간을 제공하여, 상호간이나 챔버벽과 충돌하여 짧게 존속하거나, 또는 재결합하여 바람직한 데포지션 종을 형성하여 기판상에 데포지트되는 것으로 생각된다.
결론은 본 발명에서 설명된 방법은 현저하게 증가된 데포지션 속도, 데포지트된 재료의 향상된 품질, 양호한 가스 이용률(에너지 전달개스의 필요성을 배제한) 및 재료의 품질 저하없이 고출력의 마이크로파 에너지를 사용하는 능력을 허용한다는 것이다.
[발명의 요약]
본원에는, 에너지화된 전구물질 데포지션 개스로부터 고 유량의 활성 데포지션 종을 생성하는 방법이 개지되어 있다. 이 방법은, 챔버를 제공하는 단계; 챔버 내부를 대기압 이하의 배경압력으로 유지하는 단계; 상기 도관내의 상기 구멍에 인접한 압력과 상기 챔버내의 배경압력 사이에 상단 압력차를 생기게하는 압력으로 도관에 형성된 적어도 하나의 구멍을 통해 상기 챔버내부로 전구물질 데포지션 개스를 유입시키는 단계; 활성화 영역에서 상기 전구물질 데포지션 개스를 활성화시켜 활성전구물질종의 고밀도 구름을 형성시키는 단계; 챔버 내부에 활성화 영역으로부터 이격배치된 기판을 효과적으로 배치하는 단계; 구조적 한정없이 대체로 선명한 경계를 지닌 구름을 형성하도록 상기도관내의 상기 구멍에 인접한 상기 전구물질 데포지션의 유동을 설정하는 단계로 구성된다.
도관내의 전구물질 데포지션 개스의 유량은, 구멍 인접부의 전구물질 데포지션 개스의 압력이 파센 곡선의 거의 최소치에 상당하는 출력- 압력-구멍 크기 조건에서 전구물질 데포지션 개스로부터 플라즈마를 개시하기에 충분한 압력이 되도록 선택된다. 구멍의 크기는, 고압의 상기 전구물질 데포지션 개스를 제공하도록 구멍 인접부에서 쵸크를 형성하도록 도관의 크기에 비해 감소될 수 있다. 구멍크기를 감소시킴으로써, 구멍 인저부의 전구물질 데포지션 개스의 체류시간을 증가시킬 수 있으며, 또한 구멍 인접부의 전구물질 데포지션 개스의 압력을 증가시킬 수 있다. 워터쟈켓과 같은 냉각장치를 도관에 설치할 수 있다. 흑연 슬리브와 같은 보호 슬리브를 설치하여, 구멍에 인접한 도관 표면의 열화(degradation)를 감소시킬 수 있다. 고밀도의 활성 전구물질 종이 기판상에 재료를 데포지트시키는데 이용된다.
r.f. 또는 마이크로파 주파수를 전구물질 데포지션 개스를 활성화시키는데 이용할 수 있다. 마이크로파 에너지를 사용하면, 방사 마이크로파 도포기(radiant microwave applicator)를 사용하여 도관낸의 구멍을 통해 유동하는 전구물질 데포지션개스를 활성화시킨다. 변형적으로 상기 도관은 마이크로파를 투과시키지 않는 재료로 성형됨으로써, 활성종들을 주로 도관의 외부에서 개시시킬 수 있다.
상술된 바와 같이, 전자계를 사용하여 활성중의 구름을 형성하는 바, 챔버내의 배경 압력과 제1도관내의 상기 구멍 인접부에서 전구물질 데포지션 개스의 압력 사이에 존재하는 압력차를 조절함으로써 상기 구름의 체적을 조절할 수 있다.
챔버내의 배경 압력을 50토르이하의 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 적어도 약 10SCCM유량의 전구물질 데포지션 개스를 도관을 통해 챔버내로 유입시키는 것이 바람직하다. 이러한 방법에서, 주어진 개스에 대한 파센곡선의 최소치에서 나타나는 압력의 약 1/2압력의 등압선(pressure isobar)을 도관의 구멍 인접부에 유지시킨다. 바람직하게는, 챔버내에 존재하는 배경 압력에 대한 도관을 통과하는 전구물질 데포지션 개스의 유량을, 전구물질 데포지션 개스의 열운동 속도와 적어도 같은 크기의 속도를 전구물질 데포지션 개스활성종에 부여하도록 선택함으로써, 이격 배치된 기판을 향하는 지향속도를 활성 데포지션종에 부여한다.이러한 속도를 가장 효과적으로 부여하기 위하여, 도관을 통과하는 전구물질 데포지션의 유량은 대체로 음속(쵸크 모드에서 작동하기 위해음속에 가까운)으로 되는것이 필수적이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적들, 장점 및 특징들은 첨부된 도면, 도면의 상세한 설명 및 청구범위에 의해 더 명백해질 것이다.
[구체예]
I. 반응 장치
제1도는, 반응장치(참조번호 (10)로 지시된)의 부분절취 사시도이다. 기능적인 면에서, 장치(10)는 장채내부로 유입된 전구물질 데포지션 개스로부터 활성 전구물질종의 구름을 생성하도록 구성되어있다. 활성 전구물질은 상호작용드리프트 영역을 통해 이동하면서 상호간 충돌하여 바람직한 데포지션종을 형성한다. 후속적으로 이러한 데포지션종은 예컨대 실리콘, 게르마늄, 카본 및 이들의 조합으로 이루어진 비교적 고품질의 박막층을, 상기 구름으로부터 원거리에 효과적으로 배치된 기판상에 데포지트할 것이다.
제1도의 장치(10)는, 대체로 장방형의 진공화 기능한 중공 챔버(12)를 포함한다. 챔버(12)는, 그 내부에 기판을 설치 및 제거하기 위해 도어(14)와 같은 기능을 하는 피보터블(pivotable)한 전방면(14)을 포함한다. 도어(14)의 내부(inner periphery)에는 하나 이상의 진공실링(vacuum seal ring; 도시되지 않았음) 및 하나 이상의 랫치(latch; 16,18)가 설치되어 있는데, 이 랫치들은 챔버 외부의 주변조건과 상기 챔버 내부의 진공조건간에 밀폐를 확실히 하도록 실링들을 압축하도록 구성되어 있다. 또한 진공화된 챔버(12)는 강력한 진공펌프(22)와 연결되도록 구성된 펌프 배출구(20)를 기부역(12c)에 포함하는바, 상기 진공 펌프(22)는, (1) 챔버의 진공 내부로부터 소모된 반응 생성물들을 배출시키고, (2) 상기 챔버(12)내부를 대기압보다 낮은 적절한 압력으로 유지하는데 사용된다. 후기에 더 상세히 설명될 바와 같이, 배경 압력은 챔버 내부에서 수행되는 고속의 데포지션공정을 개시 및 유지하도록 신중히 선택되어야 할 것이다.
또한 장치(10)는 직경(d)의 적어도 하나의 제1의 긴 도관(24)을 포함하는바, 직경(d)는 0.5 내지 3.0cm가 바람직하며, 상기 도관은 측벽(12a)을 통해 상기 진공 챔버(12)내부로 연장되어 있다. 중공 도관(24)의 적어도 일부, 즉 말단부(24a)에는 구멍(26)이 형성되어 있다. 도관(24), 말단부(24aa) 및 상기 구멍(26)은 제각기, 전구물질 데포지션 개스를 소스(도시되지 않았음)로부터 상기 진공 챔버의 내부로, 바람직하게는 상기 전구물질 데포지션 개스로부터 활성종을 공급하도록 구성된 장치의 바로 인접한 지점으로 전달 및 유입시키도록 구성되어 있다. 제1도에 도시된 바람직한 실시예에 있어서, 활성화장치는 후기에 보다 상세히 설명될, 방사 마이크로파 도포기(28)형태이다. 하나의 바람직한 실시예에 있어서, 제1도관(24)은 실리콘 함유 개스, 게르마늄 함유 개스, 산소함유 개스, 탄소함유개스, 질소함유개스, n-도판트 함유개스, p-도판트 함유개스 및 이들의 조합으로, 필수적이지만 비한정적으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 전구물질 데포지션 개스를 유입시키도록 구성되어 있다. 제한적이지는 않지만 바람직한 전구물질 데포지션 개스의 특정 예로는 SiH4, SiF4, Si2H6, GeH4, Ge2H6, GeF4, CH4, C2H6및 이들의 조합이 있다. 변형적으로, 전구물질 데포지션 개스는 NF3, CF3, 플루오로카본, 클로로카본 및 이들의 조합과 같은 전구물질 에칭액(etchant)일 수 있다.
사용된 전구물질 데포지션 개스의 조성과 관계없이, 도관(24)의 말단부에 형성된 구멍(26)은 상기 전구물질 데포지션 개스를 선택된 유량(SCCM 단위로 측정된, 즉, cm3/min)으로 방출할 능력이 있어야 한다. 유량은 변형 파센 곡선(파센 곡선에 대해서는, 제4도에 관련하여 상세히 설명된다)의 대체로 최소치에 있는 출력-압력 구멍 크기 조건에서 상기 전구물질 데포지션 개스의 활성화를 개시시키기에 충분한 압력의 전구물질 데포지션 개스를 상기 구멍(26) 인접부에 제공하도록 선택된다.
또한 전관(24)은 상기 구멍(26)에 인접한 도관의 직경을 감소시키기 위한 수단을 포함할 수 있는바, 상기 감소수단은, 하나의 실시예에서, 제2도에 도시된 바와 같이 간단한 보호막(230) 형태일 수 있다. 전구물질 데포지션 개스의 유로를 현저하게 감소시킴으로써, 구멍(26)에 ＂인접한＂ 도관(24)내에 ＂쵸크 조건＂을 형성하여, 국부적으로 고압인 전구물질 데포지션 개스를 제공할 수 있다. 본원에 사용된 용어, 구멍에 ＂인접한＂은 구멍을 통해 유동하는 개스가 쵸크 조건으로 인해 음속의 영향을 받을 수 있도록 쵸크조건이 구멍에 충분히 가깝게 일어난다는 의미이다. 본원에 사용된 용어, ＂쵸크 조건＂은, 도관(24)의 구멍(26)을 통과하는 전구물질 데포지션 개스의 속도가 대체로 음속에 이를때 발생하는 조건을 지칭한다. 일반적으로 쵸크상태는, 균일 치수의 도관을 흐르는 개스의 속도가 음속에 이를때 압축성 개스(또는 유체)의 유동 중에 생기는 것과 같은 조건이다. 이러한 조건에선서는 전구물질 데포지션 개스의 유량이 증가하면 속도보다는 오히려 압력이 증가한다. 쵸크모드를 규정하는 것은 이러한 조건이며, 이러한 효과에 의해 파센곡서의 대체로 최소치에서 작동가능하도록 압력을 증가시킬 수 있다. 이같은 국부 고압은 전구물질 데포지션 개스가 말단부(24a)에 인접한 도관을 통해 유동하기에 충분한 압력 소스를 형성하며, 독립적으로 제어가능한 레벨로 플라즈마가 개시 및 유지될 수 있다. 변형 실시예에 있어서, 도관(24)의 말단부(24a)내의압력은 그 내부에 솔레노이드와 같은 전자기계 수단을 사용함으로써 용이하게 제어할 수 있는바, 상기 솔레노이드는 이를 통과하는 전구물질 데포지션 개스의 유량 즉, 상기 말단부(24a)에 인접하여 존재하는 압력을 제어하도록 선택적으로 신축될 수 있다.
도관(24)은, 또한, 말단부(24a)에 바로 인접하여 인가 자계(applied magneticfield)를 제공하도록 상기 도관 둘레에 감싸진 코일(235 : 제2도)을 포함할 수 있다. 인가 자계는, 도관(24)의 구멍(26)에 바로 인접하여 형성된 플라즈마 영역내이전구물질 데포지션 개스의 활성종의 체류시간을 증가시키도록 여기시킬수 있다. 이후의 설명에서 더 명백해지듯이, 코일(235)에 의해 형성된 자계는 도관의 구멍 부분의 인접부근에서 마이크로파 도포기에 의해 생성되는 이온화 종의 체류시간을 증가시키도록 작용하는 반면, 상기 자계는 활성종의 구름을 공간적으로 과도하게 한정하지는 않는다.
제2도에는, 제1도에 대하여 설명된 도관(24)의 바람직한 실시예가 더 상세하게 도시되어 있다. 바람직한 실시예를 설명하는 제2도에서, 도관(224)은 스테인레스강이나 마이크로파 반사 금속과 같은 마이크로파가 투과할 수 없는 재료로 용이하게 제조된다. 제1도의 실시예에서와 같이, 도관(224)은 적어도 일부에 구멍이 내부에 형성되어 있는 말단부(224a)를 포함한다. 또한 비투과성 도관(224)은 외부에 동심원상으로 배치되어 감싸고 있는 냉각자켓(228)을 포함하는바, 상기 냉각 자켓(228)은, 예컨대 마이크로파 에너지나 r.f. 전가계에 의해 상기 도관의상기 말단부에 생성된 고에너지 활성종에 의해 발생된 강렬한 열에도 불구하고 상기도관(224)을 비교적 낮은 온도로 균일하게 유지시킬 수 있다.
물 외의 냉각매체는 실리콘 오일, 프레온, 질소, 수소, 헬륨 및 본 기술분야의 통상의 숙련자에게 공지된 다른 냉각매체로 구성되는 유체 그룹으로부터 선택될 수 있다.
더 명세적으로, 냉각자켓(228)은 상기 도관이 말단부에서 상기 구멍(226)에 인접하여 개시 및 유지되는 강한 활성화 영역에 의해 발생되는 열 때문에 필요하다. 도관(224)의 상기 구멍(226)으로부터 방출되는 전구물질 데포지션 개스는, 방사 마이크로파 도포기를 통해 전달된 마이크로파 에너지에 의해 형성된 강력한 전자계를 적용받는다는 것을 주목해야 한다. 강력한 전자계는 전구물질 데포지션 개스를 해리시킨다. 해리된 종의 연속적 화학반응에 의해 열이 방출되어, 매우 높은 온도를 형성하면서, 전구물질 데포지션 개스의 활성종의 고반응성 플라즈마가 형성된다. 따라서, 도관(224) 및 말단부(224a)는, 도관의 제조 재료를 용융키기에 충분한 온도에 이른다. 만일 냉각자켓(228)이 존재하지 않는다면, 상기 재료가 극도로 높은 온도 조건 때문에 분해되어 진공 챔버내의 오염 물질원이 될 것이다. 이같은 오염물질들은, 기판상에 오염된 재료를 데포지트하기 때문에 플라즈마 활성화 방법의 품질을 현저하게 저하시킨다.
제2도에 도시된 도관(224a)에는 또한, 고온내성, 스피터(sputter) 내성을 지닌 비교적 유익한 재료로 형성된 보호막(230)이 부착되어 있다. 이 보호막(230)은, 전구물질 데포지션 개스의 고온이며 고에너지인 활성종에 의한 스퍼터링으로 초래되는 열화로부터, 도관(224)의 말단부(224a) 제조 재료를 보호하도록 구성되어 있다.
후기에 상세히 설명될 바와 같이, 전구물질 데포지션 개스의 활성 전구물질종이 도관(224) 구멍의 인접부에서 등압선의 구름(231)을 형성하는 바, 이 구름(231)은 활성종의 활성화 영역을 규정한다. 후기에 상세히 설명될 바와 같이, 활성종의 구름 모양의 경계는, 도관의 내부를 통해 유동하는 개스와 챔버 내부에 존재하는 배경압력간에 존재하는 압력차에 의해 정해진다. 바람직한 실시예에 있어서, 흑연이 보호막(230)의 재료로 사용된다(흑연보호막은, 본 발명의 상당한 압력차에 의해 발생된 플라즈마가 구조적 벽의 존재없이 한정된다는 사실에 영향을 끼치지 않는다는 것을 필수적으로 이해한다. 구조적 한정의 결여는, 개스가 도관의 구멍으로부터 진공 챔버내부로 유입되는 지점의 하류 한정으로 규정된다). 흑연은 고온 및 고온 스퍼터링 공정에 대해 내성이 클 뿐 아니라, 장치(10)가 반도체합금 재료의 데포지션용으로 사용될때, 데포지트된 반도체 막의 바람직한 특성에 의해 전기적으로 유익하다.
상술된 바와 같이, 특히 제2도에 상세히 도시된 바와 같이, 도관(224)은 상기 도관을 통해 유동하는 바람직한 데포지션 개스를 활성화 수단(232)의 중공 내부로 유입시키도록 구성되며, 상기 활성화 수단은 상기 구멍(226)에 바로 인접하게 배치되어 있다. 동심원상으로 배치된 냉각자켓(228)으로 감싸진 도관(224)은, 상기 활성화 수단(232)의 측벽(233)에 형성된 구멍(234)에 공간적으로 인접하여 배치되어 있다. 바람직하게는 원형인(다른 모양이 성공적으로 사용될 수 있을지라도) 구멍(234)의 직경은, 상기 바람직한 데포지션 개스를 활성하 수단(232)의 내부로 직접 흐르기쉽게 하도록 냉각자켓(228)의 외경보다 약 1/4 내지 1인치 크며, 한편 동심원적으로 배치된 도관 및 냉각 자켓 주변과 활성화 수단(232)의 측벽(233) 사이에 충분한 절연 공간을 제공함으로써 이들 사이의 스파킹이나 다른 전기적 커플링을 방지한다.
제2도에 설명된 실시예로부터 쉽게 예상되듯이 도관(224)과 냉각자켓(228)은 실제로 활성화수단(232)의 내부까지 연장되지 않는다. 이는 도관(224)을 중공 장방형 도포기의 내부에 배치하고, 반면 도관(224)과 냉각자켓(228)을 마이크로파 에너지가 투과되지 않는재료로 제조한다면, 마이크로파 에너지는가 상기 재료들에 의해 흡수되기 때문이다. 그런, 도관(224)이 방사 마이크로파 도포기(232)의 측벽(233) 외부에 그러나 인접항 배치되기 때문에 (제2도), (1) 도포기 제조재료인 비투과성 재료는 플라즈마 커플링을 방해하지 않으며, (2) 전구물질 데포지션 개스의 활성종이, 주로 상기 도관(224)의 말단부에 성형된 구멍(226) 외부에서 생성된다. 또한, 도관에 부착된 보호막(230) 때문에, 상기 도관의 표면재료의 열화가 방지된다. 도관(224)은, 마이크로파 에너지를 플라즈마내로 효과적으로 커플링시킬 목적으로 약 1/2인치 만큼 도파관 내부로 이동시킬 수 있다.
제1도를 참조하면, 데포지션 장치(10)는 상술된 마이크로파 도포기(28)를 더 포함하는바, 상기 도포기는 제1도관(24)을 통해 유동하는 에너지 전달 개스에 2.45GHz의 전자 에너지를 생성하도록 구성되어 있다. 도포기(28)가 방사 마이크로파 도포기로 표시되어 있지만, 상기 도포기는 고강도의 펄스상 레이저 형태의 광 에너지, 저 주파수 교류 에너지, r.f.에너지, 마이크로파 에너지로 구성된 그룹으로부터 선택된 어떠한 에너지 유형도 생성하도록 선택될 수 있다. 그러나 전술된 바와 같이, 마이크로파 에너지는 활성종의 고밀도인 큰 체적의 플라즈마를 가장 효과적으로 형성할수 있기 때문에, 도포기(28)는 바람직하게는 마이크로파 도포기, 바람직하게는 2.45GHz의 주파수에서 적어도 1.0KW의 마이크로파 출력 및 바람직하게는 5KW이상의 마이크로파 출력을 전달하도록 구성된 방사 마이크로파 도포기(저주파 도포기와 대조되는)이다.
제1도에 명확히 설명된 바와 같이, 상기 도포기(28)는, 도관(24)으로부터 챔버내로 유입된 전구물질 데포지션 개스에 마그네트론(magnetron; 도시되지 않았음)으로부터 마이크로파 에너지를 전달하도록 구성된 중공의 길다란 장방형 도파관(waveguide) 구조물이다. 상기 도파관 도포기(28)는 마이크로 투과성 윈도우(29)를 통해 상기 챔버(12)내로 투입되며, 상기 윈도우는 챔버의 기부면(12c)에 진공 시일되어있다. 이같은 유형의 진공시일된 윈도우(29)는 1988년 4월 8일 출원된 미합중국 특허 제179,617호에 상세히 기재되어 있는 바, 본 명세서에 참조로 인용하였다. 마이크로파 도포기(28)는 윈도우(29) 상부에 내측 플레이트(29a)상에 배치되어 있다. 도파관 구조물은 진공 팸버 외부에서는 구리로, 상기 챔버 내부에서는 니켈로 성형되는 것이 바람직하다. 유입된 전구물질 데포지션 개스에 투입된 마이크로파 엔지를 커플링시키는 기능을 달성하기 위하여, 도관(24)은 전구물질 데포지션 개스를 수용하기 위해 도파관(28)의 측면(32)에 성형된 구멍(30)을 통해 연장되어 있다. 그러므로, 구멍(30)의 구조 및 기능은 제2도에 도시되고 설명된 구조 및 기능과 유사하다. 따라서, 구멍(30)은 도관(24) 및 상기 도관을 통해 전달된 전구물질 데포지션 개스가 도관(24)의 말단부(24a)에 인접하여 형성된 활성화 영역(34)으로 도입되기가 용이하며, 이로써 활성종의 구름이 상기 도포기(28)내부로부터 뻗어나갈 수 있도록 구성되어 있다.
또한 방사 마이크로파 도포기(28)는 구멍(30)이 성형되어 있는 면(32)의 반대면(35)에 형성된 절취부(36)를 포함한다. 절취부(36)는 도포기구멍(30)의 직경보다 큰 직경을, 바람직하게는 적어도 약 2인치를 지님으로써, 활성종이 마이크로파 도포기 재료를 과도하게 열화시키지 않도록하면서, 활성종의 구름의 팽창하는 등압선(제2도의 231a-c)이 이동하도록 한다. 그러므로 도포기의 절취부(36)는, 상기 도포기(28)내로부터 전구물질 데포지션 개스의 활성종을 위한 배기수단을 제공하도록 구성되어 있다. 또한 마이크로파 도포기(28)는 폐쇄된 단부 플레이트(40)를 포함하여, 사용되지 않은 마이크로파 에너지가 진공 챔버(12)의 내부로 누출되는 것을 차단한다. 도포기(28)의 면(35) 절취부(36)의 최대 치수 (1) 개구부가 작으면 작을수록 더많은 재료가 에칭되거나 더 많은 활성종이 손실되는 반면 더 많은 마이크로파 에너지가 제한(confined)되고 (2)개구부가 크면 클수록 에칭되는 재료는 보다 적어지고 활성종이 보다 적게 손실되는 반면 더 많은 마이크로파 에너지 챔버내로 누출된다. 또한 절취부(36)는 마이크로파 에너지가 챔버내로 들어가는것을 차단하도록 구성된 마이크로파 흡수성 또는 반사성 스크린 도는 기타 수단을 포함할 수 있다. 이점은 배경압력이, 제1도관내 에너지 전달 개스압력의 적어도 5분의 1에 가깝게 감소할수록 특히 중요하게 된다.
또한 데포지션 장치(10)는 원거리배치된 적어도 하나의 평면 기판(5)을 포함하는바, 상기 기판은 적어도, 기판 상에 데포지트되는 박막재료 데포지션이 활성종의 구름(34)내에 존재하는 높은 에너지의 전자에 직접노출되지 않도록 충분한 거리를 도관(24)의 말단부(24a)로 부터 떨어져, 챔버(2)내에 효과적으로 배치된다. 정(10)는 또한, 바람직하게는 기판(5)을 가열하거나 상기 기판에 전기나 자기 바이어스를 가하도록 구성된 수단(52)을 포함할 수 있다. 그러나, 본원에 기재된 본 발명을 실행함에 있어서 반드시 열이나 바이어스를 사용할 필요는 없는것으로 이해된다. 바람직한 실시예에 있어서, 기판(50)은 도관(24)가 대체로 정렬되어 효과적으로 배치됨으로써, 활성화 영역(34)내에 생성된 활성종의 플럭스가 기판상에 데포지션하기 위해 도관으로 부터 직접 인도될 수 있다.
상술된 바와 같이, 기판(5)은 전구물질 데포지션 개스의 활성중의 구름의 단부뿐만아니라 도관(24) 및 구멍(26)으로부터 주어진 거리만큼 이격되어 효과적으로 배치된다는 점에 유의해야 한다. 구멍(26)으로부터 기판(50)까지의 이러한 간격을 적절하게 선택함으로서, 활성종 간에 바람직한 횟수의 상호충돌이 발생한다. 그러므로, 이러한 영역의 길이, 즉 상호작용 지향 드리프트 영역의 길이는 활성종의 평균자유 행정, 챔버내에 존재하는 배경압력, 도관내의 전구물질 데포지션 개스의 유량, 활성화 영역내의 활성종에 전달된 에너지 및, 사용한 특정 전구물질 데포지션 개스에 의존하는 것이 이해될 것이다. 본 출원인은, 이같은 드리프트 영역에 대한 최적길이 중 하나는 도관의 구멍으로부터 약 12cm인 것을 발견하였다. 그러나, 다른 기술을 사용함으로써, 데포지션 막의 품질에 큰 영향을 미치지 않으면서, 기판을 도관의 구멍으로부터 더 가깝게 또는 더 멀리 이동시킬 수 있다. 예컨대, ＂에어-브레이크(air-brake, 도시되지 않았음)＂을 기판과 도관 사이에 삽입시킬 수 있다. 이 에어브레이크는 활성 종이 드리프트 영역을 통해 이동할 때 이들을 구조적으로 한정하는 작용을 한다. 물론, 에어브레이크를 형성하는 벽의 길이 및 원주길이는 매우 작은 원주로부터, 활성종을 완전히 캡슐식으로 둘러싸는 원통형 부재를 형성하는 완전한 원형 포위공간(enclosure)까지 어디까지나 변하시킬 수 있다. 포위도가 증가하면, 압력이 증가하며, 또한 활성종들간의 충돌 횟수 역시 증가하여 데포지션 재료의 품질 변호를 초래한다.
이 시점에서, 몇가지 관찰결과를 결론지어야 한다. 본 발명자들은 아직까지 본 발명의 모든 뉘앙스를 완전히 이해하지는 못했다. 만일 에어 브레이크 사용으로 인해 활성종이 드리프트 영역을 이동하는 속도가 감소된다면, 또는 만일 드리프트 영역의 길이를 이에 상응하여 길게 한다면 얻어지는 데포지션 종은 동일할까라는 점은 여전히 의문점으로 남아있다. 이는, 에어브레이크가 활성종들 상호간의 충돌 횟수를 증가시킬 뿐만 아니라 필연적으로 활성종과 벽과의 충돌횟수도 증가시키기 때문이다. 본 발명자들이 필수적이라고 믿고 있는 하나의 요인은, 기판을 활성중의 구름의 범위로 부터 원거리에 유지해야 한다는 점이다. 만일 기판을 실제로 활성종의 구름 내에 배치한다면, 데포지션 재료의 형태학은 원주형(columnar) 및 다공성이 되며, 재료의 특성도 현저히 저하된다. 이것은 1987년 Materials Research Society Symposium, Proc. 제95권 219페이지에 Tsai 및 Shaw 등에 의한 ＂비정질 실리콘 및 다이오드 및 트리오드 글로우 방전 시스템의 막 성장 메카니즈＂이라는 논문에 보고된 비정질 실리콘 재료의 성장 메카니즘과 완전히 일치한다. 그러나, 전술에서 상세히 설명되었고 후술에서 더 명확히 설명될 바와 같이, 본 발명자들은, 데포지션 속도나 출력의 증가에도 불구하고 적어도 동일한 품질의 재료를 얻는 것이 가능하다는 것을 제4도에 제공된 데이타를 통해 증명했다. 이것은 플라즈마 방법에 의한 박막의 데포지션에서 중요할 뿐만 아니라 가히 혁명적이라할 수 있다. 본원에 기록된 데이타에 기인하여, 본 발명자들은, 최소한 매우 낮은 데포지션 속도로 데포지트된 재료들 만큼 양호한 전자적, 광학적 또는 다른 바람직한 특성들을 여전히 지닌 재료를 굉장히 높은 데포지션 속도로 데포지트시킬 수 있는 것으로 믿는다.
II. 본 발명의 방법
본 방법의 실행에 관한 임계적인 변수들을 설명하기 전에 야기되는 중대한 질문은, 본 발명의 원거리 배치된 기판을 포함하는 ＂신규한＂직접 여기 방법(용어화 되었음)이 본 기술분야의 다른 숙련된 연구자들에 의해 이제까지 사용되어온 직접 여기 방법과 어떻게 구별되는냐는 것이다. 이 답은 추후 상세히 설명되겠지만, 본 발명자들은 도관내의 구멍에 인접한 압력과 진공 챔버내에 존재하는 배경압력 간의 현저한 압력차를 사용했다는 것이다. 본 발명자에게 공지된 다른 모든 연구자의 문헌에 기재되어 있는 연구뿐만 아니라 상술한 Knights 및 Tsai 박사의 연구와의 차이점은 바로 이 압력차이다. 불행히도, 고려해야만 하는 모든 데포지션 변수들 때문에, 본원에 기재된 공량의 활성종을 생성하기 위해 존재해야 하는 압력차의 수치를 늘어 놓는다는 것은 불가능하지만, 다른 직접 여기 방법과 구별할 수 있는 간단한 방법이 2가지 있다.
본원에 기재된 직접 여기 방법에 있어서, 존재하는 압력차 때문에, 활성종의 구름에 의해 점유된 체적(중심 압력이 약 10토르)은 구조적, 전기적 또는 자기적 한정없이 기판으로부터 이격될 수 있다. 이와는 매우대조적으로 다른 모든 원거리 내지 직접 여기 방법에 있어서, 플라즈마 영역 및 데포지션 영역은 대체로 동일압력으로 유지되기 때문에, 전구물질 데포지션 개스의 활성종의 플라즈마는 기판으로부터 구조적으로, 전기적으로 그리고/또는 자기적으로 이격되어야 한다. 선행기술과 본 발명을 구별하는 제2방법은 전구물질 데포지션 개스가 유동하여 챔버내로 유입할때 통과하는 도관내에 쵸크 조건을 유지시키는 것이다. 이같은 쵸크 조건은, 전구물질 데포지션 개스의 속도가 음속이 될 수 있도록 한다.
작동에 있어서, 본 발명의 방법은 제1도에 대해 설명된 바와 같은 일반적인 유형의 진공 챔버에서 수행된다. 진공 챔버는 우선 배경압력으로 배기되어, 도관 내부의 전구물질 데포지션 개스의 대체로 음속인 유속과 함께, 전구물질 데포지션 개스 활성종의 플라즈마를 개시 및 유지하며, 상기 플라즈마는 대체로 파센곡선의 최소치에서 발생하도록 조절된다. 그러므로, 고유량의 전구물질 데포지션 개스가 일정하게 유입됨에도 불구하고, 챔버를 낮은 배경압력으로 배기하기에 충분히 강력한 펌프를 선택하는 것이 불가결하게 된다. 바람직한 실시예에 있어서, 펌프는 챔버를 50토르 이하로, 바람직하게는 약 0.01밀리토르 내지 10토르 범위의 배경압력으로 배기 및 유지시킬 수 있으나 배경압력을 반드시 주어진 값으로 한정할 필요는 없다. 이같은 작동조건 및 외부 공간에 이미 존재하는 강한 진공 때문에, 본원에 설명된 장치는, 우주 정거장과 같은 대상물 상에 실리콘산화물의 방사용 경질코팅재를 고속 데포지션으로 ＂분무(spray)＂하도록 쉽게 구성될 수 있다. 예컨대 가요성(flexible) 도관을 통해 실리콘 및 산소 함유개스를 유입시키는반면, X-밴드 마이크로파가 가용성 도파관을 따라 투과되어 실리콘 및 산소 전구물질들을 여기시켜 실리콘산화물 막을 데포지트시키도록 할 수 있다.
그러므로, 각기의 매개변수(고유량의 활성 전구물질 종의 획득에 관한)를 독립적으로 조절할 수 있다는 것이 명백해진다. 첫째, 마이크로파 도포기 출력은 활성 전구물질 종의 짙은 구름을 제공하도록 조절할 수 있다. 둘째로, 구조적, 전기적 또는 자기적 한계가 전혀 존재하지 않으며 또한 전구물질 데포지션 개스의 유동이 음속이기 때문에, 활성종이 기판상에 도달되기전 벽과의 충돌로 인한 바람직한 활성종의 손실은 대체로 제거되어, 바람직한 활성종들이 그들의 수명내에 상기 기판 영역에 효과적으로 전달된다. 세째로, 배경압력, 출력레벨 및 기판 대 구멍의 거리가, 바람직한 활성종을 기판상에 데포지트시키는 반응을 최적화하도록 독립적으로 선택될 수 있다.
구체적으로 설명하자면, 진공 챔버내부로 특히 전구물질 데포지션 개스가 유입되는바, 이같은 유입은 말단부에 성형된 적어도 하나의 구멍응 바람직하게 지닌 도관에 의해 가능하다. 상기 구멍은 전형적으로 0.25 내지 3.0cm 사이의 직경을 지니도록 치수결정되며, 솔레노이드 작동 구멍 감소 구조물 및/또는 보호막이 설치될 수 있다.
주요 전구물질에 부가적으로, 전구물질 데포지션 개스는 한정적이진 않지만, NH3, N2, NH4, H2, O2, He, CH4, PH3, PH5, BF3, BF5, B2H6, BH4, Ar 및 이들의 조합을 포함하는 다수의 희석제 또는 도판트 개스를 포함할 수 있다. 희석제 또는 도판트 개스의 기능은, 데포지트된 막에 합체되도록 원소원을 제공하는 것이다. 예컨대, 실리콘 : 게르마늄 합금 재료의 박막을 이격 배치된 기판상에 데포지트한다면, 이 막은, 전구물질 데포지션 개스의 유동 속으로 소량의 BF3와 같은 p-형 도판트이 첨가됨으로써 p-형으로 될수 있다. 변형적으로, 절연 SiOx재료의 층을 데포지션하는 경우, 전구물질 데포지션 개스의 흐름에 소량의 산소를 포함시킬 필요가 있다. 조성에 관계없이, 전구물질 데포지션 개스는 상기 도관을 통해 활성화 수단에 인접한 지점, 예를들면, 상술된 방사 마이크로파 도포기의 내부로 직접 전달되는 것이 중요하다.
활성화 에너지는 a.c. 에너지, r.f.에너지, 마이크로파 에너지, 광활성화에너지 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있는 반면, 바람직한 실시예에 있어서, 활성화 에너지는 마이크로파 에너지이며, 활성화 수단은, 진공 챔버내부로 연장되있는 상술된 방사 마이크로파 도파관과 같은 방사 마이크로파 도포기이다. 방사 마이크로파 도포기는 2.45GHz의 주파수에서 약 0.5-10KW의 마이크로파 출력을 제공하도록 구성되어 있다. 전구물질 데포지션 개스는, 도관 구멍으로부터 마이크로파 도포기의 측벽에 형성된 오프닝을 통해 상기 도포기의 중공 내부에 배치된 활성화 영역으로 전달된다. 활성화 영역은, 에너지 전달개스의 활성종이 챔버내 영역으로서 명확하게 규정된다. 챔버내의 배경압력에 대해, 도관으로부터 배출되는 고유량의 데포지션 전구물질 개스에 의해 생성된 도관 구멍 인접부의 압력은, 구조적, 전기적 또는 자기적 한정없이 상기 데포지션 전구물질 개스의 활성종 구름에 의해 점유된 체적을 한정하는 작용을 하는 일련의 동심원상의 등압선을 규정한다.
데포지션 전구물질 개스는, 적어도 약 100SCCM의 유량, 더 바람직하게는 약 100-2000 SCCM의 유량으로 도관으로부터 챔버내로 전달되는 것이 바람직하다. 이같은 방법에 있어서, 챔버내부에 존재하는 배경압력(약 50토르 미만, 바람직하게는 0.1-10밀리 토르인)과 도관의 구멍에 인접한 데포지션 전구물질 개스의 압력(약 10-30토르 정도로 높을 수 있는)사이에 적어도 약 5분의 1의 바람직한 압력비를 유지하는 것이 가능하다. 임의의 주어진 등압선 내의 압력이 도관내 구멍으로부터의 거리와 함께 감소하는 것이 명백해질 것이다. 그러므로, 임의의 주어진 출력에서, 파센곡선은 활성화 영역의 압력-결정 경계선을 제공할 것이다.
부가적으로, 제3도로부터 명백히 알 수 있듯이, 주어진 체적의 구름내의 데포지션 전구물질 개스의 활성종의 압력은, 상기 종으로부터 플라즈마를 형성하기 위해 적용되어야 하는 출력 레벨을 결정한다. 이점에 관해서, 제3도는 가변 체적을 점유한 플라즈마를 개시 및 유지시키기 위한 일련의 파센곡선(1-4의 번호로 매겨진)을 각각 나타낸다. 제3도 그래프는 가로좌표를 따라 주어진 등압선 내의 에너지 전달개스의 활성종의 압력이 mm-Hg로 (1mmHg=1토르) 플롯되어 있으며, 세로좌표를 따라 인가 전자계가 V/cm로 플롯되어 있다. 각 파센곡선은 주어진 체적의 구름에 대해 고유하다. 예컨대, 곡선 1은 일반적으로 구형 모양의 구름에 필요한 압력/출력 조건을 설명하는바, 구름의 체적은 직경(L)을 2.54cm로 하여 계산할 수 있다. 파센곡선 최소치에서 작동시키면, 곡선으로부터 벗어나거나 플라즈마를 소거시키거나 하지않고 압력변화가 적게 조절할 수 있다.
예컨대, 파센곡선(1)의 최소치(작동하기 위한 최대 효율 조전)에서 작동하려면, 약 10토르의 압력 및 약 40V/cm의 측정 출력의 전자계가 필요하다. 작동에 적절한 압력-출력 조건을 선택하기 위해서는, 파센곡선의 각각의 연속체로부터 이격된 적절한 체적의 구름 및/또는 구멍 크기를 선택해야할 필요가 있다는 것에 주의해야 한다. 이같은 체적으로 선택하는데 있어서 또한, 제2도에서 명시된 바와 같이, 활성종의 구름(231)은 참조번호(231a-231c)와 같은 다수의 등압선으로 이루어진다. 챔버내로 유입된 데포지션 전구물질 개스 전구물질 개스의 압력이, 구멍(226) 입구의 도입지점으로부터 주어진 반경방향 거리에 걸쳐 배경압력과 대체로 같아진다는 사실이 이해되어야 한다. 에컨대, 내측 등압선과 배경압력차는 10토르의 압력강하를 나타낼 수 있다. 물론, 이 압력차가 충분히 작아지면, 구름의 경계선이 규정되며, 활성종의 밀도가 활성종의 배경밀도에 융합된다.
챔버를 진공시킨후, 방사 마이크로파 도포기에 의해 마이크로파 에너지의 전자계를 인가하고 충분한 유량의 전구물질 데포지션 개스를 유입시켜, 활성화 영역내에 존재하는 고밀도의 전구물질 데포지션 개스로부터 활성종의 플라즈마를 개시키며; 전구물질 데포지션 개스의 활성종은 상호작용 지향 드리프트 영역을 향해 이동한다. 전구물질 데포지션 개스의 활성종은, 챔버내에 존재하는 배경압력에 대해 도관으로부터 배출된 전구물질 데포지션 개스의 고유량에 의해 드리프트 영역을 향하여 구동된다. 유량이 전구물질 데포지션 개스에 부여하는 속도는 적어도 초기에는 음속에 가깝다.
드리프트 영역에 있어서, 전구물질 데포지션 개스의 활성종은 상호간(또는 제공될 수 있는 에어브레이크의 벽과) 충돌하여 고품질(낮은 결함밀도)의 비정질 실리콘 합금재료를 얻기위한 바람직한 활성 데포지션 종인 SiH3를 고비율(논문에 보고된 SiH2, SiH 및 Si와 같은 다른 바람직하지 않은 활성 전구물질 종에 비해)로 생성시킨다. 본 발명자들은, 드리프트 영역이 너무 짧으면 상호 활성종이 되는 충분한 횟수의 충돌이 일어날수 없어 상술된 바람직하지 못한 종들이 기판의 노출 표면상에 데포지트된다고 가정한다. 이러한 관점에서, 기판은 플라즈마 영역으로부터 이격되어 배치되야 한다. 그러나 플라즈마 영역으로부터의 정확한 거리는 수많은 요인, 특히 (1) 도관내에서의 전구물질 데포지션 개스의 유동과 챔버내의 배경압력간의 상대 압력차; (2) 전구물질 데포지션 개스의 조성; (3) 요구되는 데포지션 막의 품질; (4) 플라즈마에 가해진 출력양 및 개별 종의 여기도; 및 (5) 활성종이 기판표면에 도달할 수 있는 전달시간 등에 의존한다. 요인(5)에 관하여, 전달 시간은 예컨다, 에어브레이크 벽과 종들간의 충돌을 확보하기 위해 활성종의 이동경로에 에어브레이크를 합체한다든지 해서 변화될 수 있다는 것을 주시하시오, 제한 요인은, 기판을 플라즈마와 직접 접촉시킬 수 없다는 것이다.
또한 본 분야의 숙련자에게 잘 공지되어 있듯이, 충돌 횟수에 있어서, 에너지화 데포지션 종의 평균 자유행정의 길이는 상기 종들이 확산될 진공 챔버내에 존재하는 배경압력에 직접 의존한다. 예컨대, 챔버내의 배경압력이 비교적 높은 즉, 약 1토르이라면, 에너지화 데포지션 종의 평균 자유행정은 상당히 짧아질(1 mm미만으로)것이다. 반면, 진공 챔버의 배경압력이 대체로 대기압하의 거의 1밀리토르의 압력 레벨로 유지된다면, 에너지화 데포지션 종의 평균 자유행정은 5-10cm으로 상당히 길어질 것이다. 따라서 에너지화된 데포지션 종이 데포지트되는 기판의 크기는, 평균 자유행정의 길이 및 이와 상응하여 진공 챔버에 유지되는 배경압력을 결정하는데 이용되는 임계적 요인들 중 하나가 될 것이다.
진공 챔버의 배경압력이 결정되고, 데포지션 속도가 선정되면, 데포지션 전구물질 개스의 주어진 체적의 활성종 구름을 개시하는데 있어서 임계적인 다른 변수들이 각각 유사하게 결정된다. 전술된 바와 같이, 경험에 의하면 약 100cm2의 표면적을 지닌 기판상에 에너지화된 데포지션종을 균일하게 데포지트하기 위하여, 도관을 통과하는 데포지션 전구물질 개스의 유량은 데포지션 전구물질 개스와 진공 챔버의 배경압력사이에 적어도 약 5배의 압력차를 일으키기에 충분해야 한다. 따라서, 요구되는 평균 자유행정의 길이를 알면, 배경압력이 선정될 수 있으며, 이같은 배경압력은, 배경압력과 제1도관내의 유동 사이의 현저한 압력차를 유지하도록 데포지션 전구물질 개스가 챔버내로 유입되어야만 하는 유량의 가능한 범위를 결정한다. 이것은 또한 데포지션 전구물질 개스의 유량에서 음속 유동을 제공하는 구멍의 크기를 결정한다.
주어진 배경압력에 대해 유용한 유량의 데포지션 전구물질 개스를 취하면, 제3도의 파센곡선으로 돌아가 주어진 체적의 활성종을 작동시키기 위한 최적 출력/압력 조건을 결정하는 것이 가능하게 된다. 주어진 출력/압력/구멍 크기 조건에서, 활성종을 형성하기 위해 여기되는 데포지션 전구물질 개스의 대략적이 비율을 정하는것이 가능하다. 챔버내의 배경압력과 도관내의 대체로 음속인 데포지션 전구물질 개스의 유동 사이에 적절한 압력차를 유지함으로써 활성종의 고유 열 운동속도보다 큰 속도를 데포지션 전구물질 개스의 활성중에 부여 할 수 있게 되고, 이로서 상기 활성종은 방향 운동량을 갖게 된다. 이같은 운동량은, 상기 활성종을 대체로 균일하고 랜덤하지 않은 방식으로 기판을 향하도록 한다.
최종적으로, 전술된 바와 같이, 충분히 낮은 배경압력을 유지시킴으로써, 기판의 노출표면상에 여기된 데포지트 종이 데포지트되지 전, 여기된 데포지션 종들 끼리의 충돌 횟수(평균 자유행정)를 최적화할 수 있다. 또한 본 발명의 원리는 선행기술 RPECVD 장치에 의해 제조된 박막에서 관찰된 막 품질의 부적합성을 대체로 해결하였다. 이것은 바람직하제 못한 데포지션 종의 생성을 방지시킴으로써 얼마간 달성된다.
실제적인 관점에서 본 발명의 중요성을 확인하기 위해 본 명세서에 설명된 원리를 이용하여 본 발명자들은, (1) 240Å/sec의 높은 속도로 고품질(r.f PECVD 공정의 102배 및 마이크로파 PECVD의 2배)의 비정질 실리콘 합금 재료를 데포지트시켰으며; (2) 105배 이상의 광도전율을 나타내는 실리콘 합금 재료를 데포지트시켰고; 약 1016개/cm3/eV의 결함수인 결합상태 밀도를 갖는 실리콘 합금재료를 데포지트시켰다. 그리고 공개된 논문과 접 비교하여, 본 발명자들은, 데포지트된 재료의 품질이 실제로 데포지션 속도와 함께 향상된다는 것을 증명했다. 또한 본 발명자들은, 더 많은 출력을 커플시켜 전구물질 데포지션 개스를여기시키거나 스퍼트된 도판관이나 흑연재료의 양을 감소시킴으로써 재료의 품질은 계속 향상될 것이라고 믿는다.
그래프는 도시된 제4도를 참조하면, 광도전율((ohm-cm)-1의 단위로 측정됨)이 세로좌표에 기입되어 있으며, 데포지션 속도(Å/sec의 단위로 측정됨)가 가로좌표에 기입되어 있다(그래프상에 기입된 모든 샘플들은 대체로 동일한 암도전율을 나타낸다). 제4도의 그래프에 기입된 데이타는, 상술된 직접 여기, 원거리 기판 데포지션 방법으로 비정질 실리콘 합금 재료를 데포지트시키는 제1도의 장치를 사용하여 얻은 것이다. 이 시점에서 독자들은, 이러한 원거리 기판, 직접 여기 방법이 도관내의 구멍에 인접하여 존재하는 압력과 진공 챔버내에 존재하는 배경압력 사이의 현저한 압력차 설정을 필요로 한다는 것을 인식할 것이다.
제4도에 도시된 두개의 곡선은, 제1도의 설명된 원거리 기판-직접 여기장치에서의 데포지션 속도를 증가시키는 두 방법을 나타낸다. 곡선 A에는, 도관내의 구멍을 통해 챔버내로 유입되는 전구물질 데포지션 개스(실란)의 유량을 증가시키는 반면 전구물질 데포지션 개스를 화성화시키기 위해 도입되는 출력(마이크로파 출력)을 일정하게 유지시켜, 데포지션 속도를 증가시키는 제1방식이 도시되어 있다. 데포지션 속도는, 전구물질 데포지션 개스의 유량이 증가함으로써 증가될 것으로 이해된다. 또한, 본 분야의 다른 연구자들이 상술된 다른 보고서에 의해 제안한 바와 같이, 데포지션된 비정질 실리콘 재료의 품질은 증가된 데포지션 속도에 상응하여 저하될 것이다. 이것은 곡선 A에 의해 입증된다. 특히, 데포지션된 실리콘 재료는, 120Å/sec의 데포지션 속도에서 4.5 ×10-5(ohm-cm)-1의 광전도율을 나타냈는바, 상기 도전율은 240Å/sec의 데포지션 속도에서 4.5 ×10-7(ohm-cm)-1로 감소한다.
본 발명에서 발견된 상승작용은, 제4도의 곡선 B에 나타난 결과로서 증명된다. 곡선 B에는 전구물질 데포지션 개스(실란)를 활성하시키기 위해 공급되는 출력(마이크로파 출력)을 증가시키는 반면 전구물질 데포지션 개스의 유량을 일정하게 유지시킴으로써 데포지션 속도를 증가시키는 제2방식이 도시되어있다. 다른 연구자들의 결과와 직접 비교함에 있어서, 데포지트된 비정질 실리콘의 품질은, 전구물질 데포지션 개스를 활성화시키기 위해 공급된 출력의 증가에 의해 발생하는 데포지션 속도 증가에 상응하여 향상된다. 명세적으로, 데포지트된 실리콘 재료는, 약 95Å/sec의 데포지션 속도에서 3 ×10-6(ohm-cm)-1의 광도전율을 나타내는바, 상기 도전율은 약 185Å/sec의 데포지션 속도에서 약 2.5 ×10-5(ohm-cm)-1로 향상된다. 중요하게, 곡선 B의 기울기에 의해 알 수 있듯이, 비정질 실리콘 재료의 품질은 아직 최대가 아니며, 더 많은 출력을 공급하여 전구물질 데포지션 개스를 여기시킴으로써 계속적으로 향상될 것이며, 그로인해 데포지션 속도가 더 증가할 것이다. 이같은 관점에서 볼때, 현지점에서 전력 공급원의 고유 한계때문에 더 많은 전력을 도입시킬 수 없다는 것에 유의해야 한다.
하나의 최종 결론을 내릴 필요가 있다. 상술한 바와 같은 실험결과들은, Xerox PAPC에 의해 얻어진 실험 결과와 반드시 모순되는 것이 아니라 단지 Xerox PARC에 의한 실험 결과로부터 얻어진 결론들과 모순되는 것이다. 즉, 본 발명자들의 결론은, SiH3와 같은 바람직한 종이 SH2와 같은 바람직하지 못한 종보다 낮은 부착율을 지닌다는 점에 있어서는 제록시 피에이알씨의 결론과 일치한다. 그러나, 다른 중요한 특징들, 즉 바람직한 종 및 바람직하지 못한 종 모두의 수명과 같은 것은 Xerox PARC는 고려하지 않는다. 본 발명자들은, 바람직한 종 및 바람직하지 못한 종 양쪽 모두의 평균 자유행정을 조절하여 높은 데포지션 속도로 고품질의 박막을 데포지트시킬 수 있으나, Xerox PARC 연구자들의 조절은 상기 사항을 제공할 수 없었다. 따라서, 본 발명자들은 Xerox PARC의 실험 결과들을 시인했으나, 고품질 재료의 데포지션과 높은 데포지션 속도 사이에는 근본적인 상반성이 존재한다는 것에는 동의하지 않았다.
본 설명을 완결하기전에, 유지되어야만하는 ＂임계＂ 압력차 및 본 발명의 방법을 사용함으로써 가능해진 ＂임계＂ 데포지션 속도는 오히려 임의로 선택될 수 있다는 것을 한번도 강조한다. 압력차는 배경압력, 기판의 크기, 도관 구멍의 크기, 공급되는 출력량, 사용된 개스 등과 같은 매개변수들에 의존하기 때문에, 보편적인 값을 계산할 수 없다. ＂약 5분의 1＂이라는 갑은, 실질적으로 보편적이 진리를 구성하는데 충분하기 때문에 선택되었고 청구범위에서 사용되었다. 그러나, 본 발명자들은, 본 명세서에 설명된 더 광범위한 원리들에 의해서만 한정되며 이와 같은 특정 수치에 의해서는 한정되지 않는다는 것을 강조한다. 상기 설명 및 논의는 단지 본 발명의 원리를 설명하도록 의도된 것이지 본 발명의 실행에 제한을 주도록 의도된 것이 아니라는 것을 인식해야 한다. 본 발명의 진실한 범위를 규정하는 것은 특허청구 범위와 그 모든 등가물이다.
Claims (13)
- 비교적 높은 데포지션 속도로 고품질의 박막을 데포지트시키는 방법으로서, 챔버(12)를 제공하는 단계; 상기 챔버(12)의 내부를 대기압보다 낮은 배경압력으로 유지시키는 단계; 도관(24)에 성성된 적어도 하나의 구멍(26)을 통해 상기 챔버 내부로 전구물질 데포지션 개스를 유입시키는 단계; 활성화 영역에서 상기 전구물질 데포지션 개스를 활성화시켜 활성 전구물질 중의 고밀도 구름(34)을 형성시키는 단계; 상기 종의 구름으로부터 이격되게 상기 챔버내에 기판(50)을 효과적으로 배치시키는 단계; 상기도관내의 상기 구멍 인접부에서 상기 전구물질 데포지션 개스의 유동을 거의 음속으로 설정하는 단계를 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 활성 전구물질 종의 고밀도 구름(34)을 제공하기 위해 상기 구멍 인접부에 쵸크 조건을 형성하도록 상기 도관(24)의 크기에 대해 상기 구멍(26)의 크기를 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 활성 전구물질 종의 구름의 에너지를 증대시키기 위해 상기 구멍의 인접부에서 상기 전구물질 데포지션 개스의 체류시간을 코일(235)을 사용하여 증가시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 도관(24) 둘레에 동심원상으로 배치된 관(228)을 통해 냉각 매체를 순환시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 구멍에 인접한 상기 도관 표면의 열화를 감소시키는 수단(230)을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 실리콘 함유개스, 게르마늄 함유개스, 탄소함유개스, 질소함유개스, 산소함유개스, p-도판트함유개스, n-도판트함유개스 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 상기 전구물질 데포지션 개스를 선택하는 단계를 포함하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 전구물질 데포지션 개스를 활성화시키기 위해 마이크로파 에너지를 이용하는 단계를 포함하는 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 쵸크의 하류에서 상기 전구물질 데포지션 개스를 활성화시키도록 상기 활성화영역에 인접한 상기 도관(24)의 구멍(26) 부분을 효과적으로 배치시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 활성화 전구물질 종이 상기도관의 외부에서 개시되도록, 상기 도관(24)을 마이크로파 비투과 재료로 성형하는 단계를 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전구물질 데포지션 개스의 활성 전구물질 종에 의해 등압선의 구름(34)이 형성되도록 상기 챔버내의 배경압력을 상기 도관의 상기 구멍에 인접한 압력의 적어도 약 5분의 1로 유지시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 챔버(12)내의 배경압력과 상기 도관(24)의 구멍(26) 인접부의 압력 사이에 존재하는 압력차를 조절함으로써 상기 활성 전구물질 종의 구름의 체적을 조절하는 단계를 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 챔버(12)내의 배경압력을 약 50토르(torr) 이하로 유지시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 주어진 전구물질 데포지션 개스에 대한 파센곡선의 최소치가 나타나는 압력의 약 1/2 압력의 등압선을 상기 도관(24)의 구멍(26) 부분에 인접부에 유지시키는 단계를 포함하는 방법.
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| KR1019900013188A KR930011030B1 (ko) | 1990-08-25 | 1990-08-25 | 원거리 배치된 기판상에 활성종을 직접 데포지트시키는 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR920005281A (ko) | 1992-03-28 |
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