KR930011765B1 - 마이크로파플라즈마 발생장치 - Google Patents

마이크로파플라즈마 발생장치 Download PDF

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마쯔시다덴기산교 가부시기가이샤
다니이 아끼오
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Abstract

내용 없음.

Description

마이크로파플라즈마 발생장치
제1도는 본 발명의 제1실시예와 마이크로파플라즈마 발생장치의 정면 단면도.
제2도는 동측면 단면도.
제3도는 동실시예의 동작을 설명하기 위한 도면.
제4도는 본 발명의 제2실시예의 마이크로파플라즈마 발생장치의 정면단면도.
제5도는 종래의 마이크로파플라즈마 에칭장치의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 마그네트론 12 : 공진기
13 : 가동단락판 14 : 동축관
15 : 개방끝부분 16 : 전극
17 : 영구자석 18 : 수냉파이프
19 : 유리판 20 : 플랜지
21 : 진공챔버 22 : 가스도입구
23 : 배기구 24 : 플라즈마제어판
25 : 영구자석 41 : 마그네트론
42 : 공동공진기(空洞共振器) 43 : 가동단락판
44 : 동축관 45 : 영구자석
46 : 벨자아(Bell jar) 47 : 열린곳
48 : 침버 49 : 가스도입구
50 : 배기구 51 : 시료대
52 : 영구자석 53 : 기판
54 : 수냉파이프
본 발명은 반도체프로세스기술, 표면처리기술등의 플라즈마에칭, 플라즈마산화를 행하는 마이크로파 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
이하에 종래의 유자장(有磁場) 마이크로파 플라즈마에칭장치(일본국, 특허 제 1,095,402호)에 대해서 설명한다.
제5도는 종래의 마이크로파 플라즈마에칭장치의 구성도이며, 석영으로된 벨자아(Bell jar)(1)에 마그네트론(2)에 발생한 2.456GHz의 마이크로파를 도파관(3)에 의해서 도입한다. 그 벨자아(1)내에서 2.45GHz의 마이크로파에 대해서, ECR(Electron Cyclotron Resonance)조건을 만족하도록 875G의 자장강도를 외부 코일(4)에 의해 인가하고 있다. 반응가스로서 SF6등을 가스도입구(5)를 통해서 벨자아(1)에 넣는다. 벨자아(1)의 내부에는 기판호울더(6)와 그위에 기판(7)이 설치되어 있다. 벨자아(1)는 진공배기실(8)의 위에 설치되어 있다.
이상과 같이 구성된 마이크로파 플라즈마 에칭장치에 대해서, 이하 그 동작을 설명한다.
반응가스로서 SF6을 사용하고, 10-4∼10-3Torr의 압력범위에서 벨자아(1)내에 플라즈마(9)를 생성한다. 이때 기판호울더(6)에 RF6(교류 : 13.56MHz)의 전압을 인가하면, 플라즈마(9) 속의 이온이 실리콘기판(7)의 표면에 입사해서, 흡착한 불소래디컬과 함께 실리콘기판(7)을 에칭한다.
그러나, 이와 같은 구조의 것에 있어서는 자장발생을 위하여 코일을 사용하고 있기 때문에, 장치가 커진다. 또 도파관의 일부를 방전영역으로 하고 있기 때문에 플라즈마의 단면적과 균일성에 한계가 있게 된다고 하는 문제가 있었다.
그리하여 본 발명은, 상기 문제에 비추어, 자장발생에 대소의 영구자석을 사용하여 소형화를 행하고, 자장이 조여진 주위로부터 마이크로파를 방사하므로서 방전영역의 확대와, PIG(Penning Ionization Gauge)방전구조를 사용함으로서 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있는 마이크로파 플라즈마 발생장치의 제공을 제1의 목적으로 한다.
또, 본 발명은, 기판의 근처에 영구자석을 배치하여 소형화를 행하고, 세로 끝부분이 도어 손잡이형인 동축관(同軸管)에 의해, 기판의 주위로부터 마이크로파를 방사하므로서 방전영역의 확대와 자장에 의한 균일성의 제어를 할 수 있는 마이크로파 플라즈마 발생장치를 제공하는 것을 제2의 목적으로 한다.
상기한 본 발명의 제1목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1의 발명인 마이크로파 플라즈마 발생장치는, 마이크로파 발진기와, 한쪽 끝부분에 마이크로파발진기가 설치된 공동공진기(空洞共振器)와, 상기 공동공진기의 마이크로파발진기가 설치된 쪽과는 반대의 끝부분에 설치되고, 세로끝부분이 열려 있는 도어 손잡이형인 동축관과, 상기 동축관의 중심도체는 공동공진기의 내부중간까지 전계방향과 평행하게 삽입된 구조로서, 상기 동축관의 중간에 배치된 마이크로파가 통과하고 진공밀봉을 할 수 있는 유리판과, 도어손잡이부와 가스도입구와 배기구가 장착된 진공챔버와, 상기 중심도체의 평탄부에 대향하여 진공챔버내에 설치된 플라즈마제어판을 구비하고, 상기 중심도체에 묻히고 개구부직경의 1/3 내지 2/3의 직경을 가진 원주형의 영구자석과, 상기 플라즈마제어판에 묻히고 중심도체에 묻힌 영구자석의 직경보다도 큰 직경을 가진 원주형(圓柱形)의 영구자석이 서로 반대의 자극이 되도록 구성하고, 또 마이크로파발진기와, 한쪽끝부분에 마이크로파 발진기가 설치된 공동공진기와, 상기 공동공진기의 마이크로파 발진기가 설치된 쪽과는 반대의 끝부분에 설치되고, 세로 끝부분이 열려 있는 도어손잡이형인 동축관과, 상기 도어손잡이형의 중심도체의 평탄한 부분에 설치된 전극과, 상기 동축관의 중심도체는 공동공진기의 내부의 중간까지, 전계방향과 평행하게 삽입되고, 앞쪽끝부분이 T자형으로 되어 있고 공동공진기의 측면에 돌출한 형상이고 상기 동축관의 중간에 배치된 마이크로파가 통과하고 진공밀봉을 할 수 있는 유리판과, 도어손잡이부와 가스도입구와 배기구가 장착된 진공챔버와, 상기 중심도체의 평탄부에 대향하여 진공챔버내에 설치된 플라즈마 제어판과, 상기 중심도체에 묻힌 원주형 영구자석과, 상기 플라즈마제어판에 묻힌 원주형의 영구자석이 서로 반대되는 자극을 구비하고 전극과 플라즈마제어판에 마이너스의 전위를 인가할 수 있는 수단을 가진 구성으로한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 본 발명의 제2목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2의 발명인 마이크로파 플라즈마 발생장치는, 마이크로파 발진기와 한쪽끝부분에 마이크로파 발진기가 설치된 공동공진구와, 상기 공동공진기의 마이크로파 발진기가 설치된 쪽과는 반대로 끝에 설치되고, 세로끝부분이 열려 있는 도어손잡이형인 동축관과 상기 동축관의 중심도체는 공동공진기 내부의 중간까지, 전개방향과 평행하게 삽입되어 있고, 상기 열린곳에 끼워넣어져 중심도체의 평탄부에 접촉한 저면을 가지고 마이크로파가 통과하고 진공밀봉을 할 수 있는 유리벨자아와, 상기 유리벨자아의 개구와 가스도입구와 배기구가 장착된 진공챔버와, 상기 중심도체의 평탄부에 대향하고 유리벨자아내에 설치된 시료대를 구비하고, 상기 중심도체에 묻힌 원주형의 영구자석과, 상기 시료대에 묻힌 원주형의 영구자석이 서로 반대의 자극이 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로한 것이다.
본 발명의 제1발명의 마이크로파 플라즈마 발생장치에 의하면, 도어손잡이형의 동축관을 전파해온 마이크로파가, 도어손잡이부의 열린곳에 방사된다. 이때, 중심도체와 플라즈마제어판에 묻힌 자극이 서로 반대되는 1쌍의 영구자석의 직경을 제어판의 것을 중심도판의 것보다 크게 하므로서, 큰 구경의 플라즈마를 형성할 수 있다. 또, 중심도체의 열린곳에 전극을 설치하고, 이 전극과 플라즈마 제어판을 마이너스 전위로 하므로서, PIG(Penning Ionization Gauge)방전이 일어난다.
이 결과, 저가스압에서도 큰구경이고 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.
또, 본 발명의 제2발명의 마이크로파 플라즈마 발생장치에 의하면, 도어손잡이형의 동축관을 전파해온 마이크로파가, 도어손잡이부의 열린곳에 끼워넣어진 유리벨자아내에 방사된다. 또, 중심도체와 시료대에 묻힌 자극이 서로반대되는 1쌍의 영구자석이 형성하는 자장의 작용에 의해, 어떤 일정한 가스압력이 되면 유자장(有磁場) 마이크로파 방전이 일어난다.
이 결과, 저가스압에서도 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면에 의거하여 설명한다.
[제1실시예]
제1도는 본 발명의 제1실시예의 마이크로파 플라즈마 발생장치의 정면단면도이고, 제2도는 동측면단면도를 표시한다.
제1도에 있어서, 마그네트론(11)으로부터 발진된 예를들면 2.45GHz의 마이크로파는 네모꼴공동공진기(12)에 인도된다. 공동공진기(12)의 한쪽끝부분에는 가동단락판(13)이 있으며, 동축관(14)에 마이크로파를 인도할 수 있다. 동축관(14)은 원통의 외부도체(14b)와, 그 중심축과 동심의 원주(圓柱)형인 중심도체(14a)로 이루어지고 있다. 중심도체(14a)는 네모꼴공동공진기(12)의 내부에, 전계방향과 평행하게 마이크로파의 파장 λ(예를들면 λ=12.4cm)의 일부분(예를들면 λ/4)만큼 삽입되어 있으며, 제2도에 표시한 바와같이 앞쪽끝부분은 T자형으로 되어 있고 공동공진기(12)의 측면에 돌출하고 있다. 동축관의 도중에서부터는 경사진(예를들면 45°) 구배관으로 되어 있으며, 소망의 크기의 플라즈마를 개방끝부분(15)에 얻을 수 있는 직경의 동축관(14')에 결합되어 있다. 중심도체(14a')의 개방 끝부분(15)에는, 전기적으로 절열된 전극(16)이 끼워 넣어져 있으며, 또, 그 밑에는 원주형의 영구자석(17)이 묻혀 있다. 전극(16)과 영구자석(17)을 수냉할 수 있도록 중심도체(14a)의 내부에 수냉파이프(18)가 통과하고 있다. 중심도체(14a)와 외부도체(14b)와의 사이에는 진공밀봉을 할 수 있는 유리판(19)이 구배부의 밑부분에 장착되어 있다. 외부도체(14b')의 주위에는 플랜지(20)가 설치되어 있으며, 진공챔버(21)에 장착되어 있다. 챔버(21)에는 가스도입구(22)와 배기구(23)가 장착되어 있다. 동축관(14')의 개방끝부분의 바로위에는 챔버(21)에 전기적으로 절연되어 장착되어서 상하로 이동시킬 수 있는 플라즈마제어판(24)이 설치되어 있다.
제어판(24)에는 영구자석(25)이 묻혀 있으며 영구자석(17)과 (25)는 자극이 서로 반대되도록 배치되어 있다. 제어찬(24)에는 영구자석(25)을 냉각할 수 있도록 수냉파이프(26)가 내장되어 있다. 제어판(24)을 이동시키므로서 자극중앙에 있어서의 자장강도를 변경할 (예를들면 100에서 부터 2000가우스까지)수 있다.
이와 같은 구조에 있어서, 마그네트론(11)으로부터 발진된2.45GHz의 마이크로파는, 예를들면 109㎜×54.5㎜의 네모꼴공동공진기(12)를 전파해서, 가동단락판(13)의 위치를 변화시켜서 임피이던스를 변화시키므로서, 예를들면 내경 18㎜, 외경 42㎜의 동축관(14)에 도입되고, 유리판(19)을 통과해서, 예를들면 직경 100㎜의 개방 끝부분(15)에 방사된다. 이때 가스도입구(22)로부터 산소가스등을 도입해서, 챔버(21)내의 가스압력을 2×10-2Torr로 하면 방전이 개시된다. 또, 가동단락판(13)의 위치를 적당하게 변화시켜서, 마이크로파의 반사파가 최소로 되게 한다. 이때, 중심도체(14a')의 영구자석(17)의 직경을 예를들면 48㎜로 한다. 또, 제어판(24)의 영구자석(25)의 직경을 예를들면 90㎜로하고, 자극중앙부근에서의 자계를 875가우스로하면 마이크로파 ECR방전이 일어나고, 10-4Torr대에서도 고밀도의 산소플라즈마를 생성할 수 있다. 그리고 전극(16)과 제어판(24)에 전원(27)으로부터, 예를들면, -200V를 인가하면, 제3도에 표시한 바와 같이 자극사이에 전자가 갇혀져서, 고밀도플라즈마를 얻을 수 있다. 이때 자력선(29)이 조여진 부분으로부터 마이크로파(30가 입사되기 때문에 자극사이에 균일한 플라즈마가 생성된다. 예를들면, 실리콘기판(28)을 제어판(24)에 설치하면, 에칭이나 산화등을 고속으로 행할 수 있다.
[제2실시예]
제4도는 본 발명의 제2실시예의 마이크로파 플라즈마 발생장치의 정면단면도를 표시한 것이다.
제4에 있어서, 마르네트론(41)으로부터 발진된 예를들면 2.45GHz의 마이크로파는 네모꼴공동공진기(42)에 인도된다. 공동공진기(42)의 한쪽끝부분에는 가동단락판(43)이 있으며, 동축관(44)에 마이크로파를 인도할 수 있다. 동축관(44)은 원통의 외부도체(44b)와, 그 중심축과 동심의 원주(圓柱)의 중심도체(44a)로 이루어지고 있다. 중심도체(44a)로 이루어지고 있다. 중심도체(44a)는 네모꼴공동공진기(42)의 내부에 전계방향과 평행하게 마이크로파의 파장 λ(예를들면 λ=12.4cm)의 일부분(예를들면 λ/4)만큼 삽입되어 있으며, 그 부분에는 10°의 테이퍼가 형성되어 있다 동축관의 도중에서부터는 경사진(예를들면, 45°) 구배관으로 되어 있으며, 소망의 크기의 플라즈마를 개방끝부분에 얻을 수 있는 직경의 동축관(44')에 결합되어 있다. 중심도체(44a')의 개방끝부분에는 원주형의 영구자석(45)이 묻혀 있다. 그위에는, 유리로된 두께 5㎜의 벨자아(46)가 씌워져 있으며, 동축관(44') 개구부(47)을 진공으로 유지할 수 있도록 되어 있다. 벨자아(46)는 챔버(48)에 설치되어 있다. 챔버(48)에는 가스도입구(49)와 배기구(50)가 장착되어 있다. 벨자아(46)내에는 챔버(48)에 장착되어서 상하로 이동시킬 수 있는 시료대(51)가 설치되어 있다. 시료대(51)의 앞쪽끝부분에는 영구자석(52)이 묻혀 있으며, 기판(53)을 설치할 수 있고, 영구자석(45)과 (52)는 기판(53)을 사이에 두고 자극이 서로 반대가 되도록 배치되어 있다. 시료대(51)에는 기판(53)을 냉각할 수 있도록 수냉파이프(54)가 내장되어 있다. 시료대(51)를 이동시키므로서 자극중앙에 있어서의 자장강도를 변경할(예를들면, 100에서 1000가우스까지)수 있다.
이와 같은 구조에 있어서, 마이크로파(41)으로부터 발진된 2.45GHz의 마이크로파는, 예를들면 109㎜×54.5㎜의 네모꼴공동공진기(42)를 전파해서, 가동단락판(43)의 위치를 변화시켜서 임피이던스를 변화시키므로서, 예를들면 내경 18㎜, 외경 42㎜의 동축관(44)에 도입되고, 벨자아(46)를 통과해서, 열린곳(47)에 방사된다. 이때 가스도입구(49)로부터 산소가스등을 도입해서, 챔버(48)내의 가스압력을 2×10-2Torr로 하면 방전이 개시된다. 또, 가동단락판(43)의 위치를 적당하게 변화시켜서, 마이크로파의 반사파가 최소로 되게 한다. 이때, 영구자석(45)와 (52)의 중앙에서의 자계를 875가우스로 하면 마이크로파 ECR방전이 일어나고, 10-4Torr대에서도 고밀도의 산소플라즈마를 생성할 수 있고, 예를들면, 실리콘기판(53)위의 물질의 제거가공이나 산화등을 고속으로 행할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1발명 마이크로파 플라즈마 발생장치에 의하면, 개방끝부분직경 70㎜, 전극간거리 50㎜(-100V), 중앙자장강도 1KG 아르곤가스압력 1×10-3Torr일때, 중앙에서의 플라즈마직경 120㎜, 플라즈마밀도 약1010/㎤의 원주플라즈마를 발생시킬 수 있어, 이 장치에 의해 실리콘등의 에칭이나 산화를 저가스압에서도 신속하게 행할 수 있다.
또, 본 발명의 제2발명의 마이크로파 플라즈마 발생장치에 의하면, 동축관의 열린곳에 유리벨자아를 끼워 넣고, 그 내부의 마이크로파를 방사하고, 중심도체와 시료대에 각각 묻힌 자석과의 작용에 의해, 10-4Torr대에서의 유자장 마이크로파 방전이 가능하게 되고, 균일하고 고밀도의 반응성플라즈마를 발생시킬 수 있어, 실리콘등의 에칭이나 산화를 저가스압력에서도 고속으로 행할 수 있다.

Claims (16)

  1. 마이크로파발진기와 한쪽끝부분에 마이크로파발진기가 설치된 공동공진기(空洞共振器)와, 상기 공동공진기의 마이크로파발진기가 설치된 쪽과는 반대의 끝부분에 설치되고, 세로끝부분이 열려 있는 도어손잡이형인 동축관과, 상기 동축관의 중심도체는 공동공진기의 내부중간까지 전계방향과 평행하게 삽입된 구조로서, 상기 동축관의 중간에 배치된 마이크로파가 통과하고 진공밀봉을 할 수 있는 유리판과, 도어손잡이부와 가스도입구와 배기구가 장착된 진공챔버와, 상기 중심도체의 평탄부에 대향하여 진공챔버내에 설치된 플라즈마제어판을 구비하고, 상기 중심도체에 묻히고 열린곳의 직경의 1/3내지 2/3의 직경을 가진 원주형의 영구자석과, 상기 플라즈마제어판에 묻히고 중심도체에 묻힌 영구자석의 직경보다도 큰직경을 가진 원주형(圓柱形)의 영구자석이 서로 반대의 자극으로 되어 마이크로파플라즈마 발생장치.
  2. 제1항에 있어서, 공동공진기는 가동단락판을 가진 마이크로파플라즈마 발생장치.
  3. 제1항에 있어서, 동축관은 도어손잡이부의 밑부분이 벌어져 있는 마이크로파플라즈마 발생장치.
  4. 제1항에 있어서, 플라즈마제어판은 상하로 이동시키므로서 자기갭의 거리를 변화시킬 수 있는 마이크로파플라즈마 발생장치.
  5. 제4항에 있어서, 자기갭은 벌어져 있으며 중앙에는 자장이 형성되어 있는 마이크로파플라즈마 발생장치.
  6. 제1항에 있어서, 마이크로파는 2.45GHz인 마이크로파플라즈마 발생장치.
  7. 제1항에 있어서, 공동공진기의 내부에 삽입된 중심도체의 앞쪽끝부분이 T자형으로 되어 있고 공동공진기의 측면에 돌출하고 있는 마이크로파플라즈마 발생장치.
  8. 마이크로파발진기와, 한쪽끝부분에 마이크로파 발진기가 설치된 공동공진기와, 상기 공동공진기의 마이크로파 발진기가 설치된 쪽과는 반대의 끝부분에 설치되고, 세로끝부분이 열려 있는 도어손잡이형인 동축관과, 상기 도어손잡이형의 중심도체의 평탄한 부분에 설치된 전극과, 상기 동축관의 중심도체는 공동공진기의 내부의 중간까지, 전계방향과 평행하게 삽입되고 앞쪽끝부분이 T자형으로 되어 있고 공동공진기의 측면에 돌출한 형상이고, 상기 동축관의 중간에 배치된 마이크로파가 통과하고 진공밀봉을 할 수 있는 유리판과, 도어손잡이부와 가스도입구와 배기구가 장착된 진공챔버와, 상기 중심도체의 평탄부에 대향하여 진공챔버내에 설치된 플라즈마 제어판과, 상기 중심도체에 묻힌 원주형의 영구자석과, 상기 플라즈마제어판에 묻힌 원주형의 영구자석이 서로 반대되는 자극을 구비하고, 전극과 플라즈마제어판에 마이너스의 전위를 인가할 수 있는 수단을 가진 마이크로파플라즈마 발생장지.
  9. 제8항에 있어서, 중심도체는 공동(空洞)이고, 그속에 송전선과 냉각파이프가 통해 있는 마이크로파플라즈마 발생장치.
  10. 마이크로파 발진기와, 한쪽끝부분에 마이크로파 발진기가 설치된 공동공진기와, 상기 공동공진기의 마이크로파 발진기가 설치된 쪽과는 반대의 끝에 설치되고, 세로끝부분이 열려 있는 도어손잡이형인 동축관과, 상기 동축관의 중심도체는 공동공진기 내부의 중간까지, 전계방향과 평행하게 삽입되어 있고, 상기 열린곳에 끼워져넣어져, 중심도체의 평탄부에 접촉한 저면을 가지고 마이크로파가 통과하고 진공밀봉을 할 수 있는 유리벨자아와, 상기 유리벨자아의 열린곳과 가스도입구와 배기구가 장착된 진공챔버와, 상기 중심도체의 평탄부에 대향하고 유리벨자아내에 설치된 시료대를 구비하고, 상기 중심도체에 묻힌 원주형의 영구자석과 상기 시료대에 묻힌 원주형의 영구자석이 서로 반대의 자극으로 되어 있는 마이크로파플라즈마 발생장치.
  11. 제10항에 있어서, 공동공진기는 가동단락판을 가진 마이크로파플라즈마 발생장치.
  12. 제10항에 있어서, 동축관은 도어손잡이부의 밑부부분이 벌어져 있는 마이크로파플라즈마 발생장치.
  13. 제10항에 있어서, 시료대는 상하로 이동시키므로서 자기갭의 거리를 변화시킬 수 있는 마이크로파플라즈마 발생장치.
  14. 제13항에 있어서, 자기갭은 벌어져 있으며, 중앙에는 자장이 형성되어 있는 마이크로파플라즈마 발생 장치.
  15. 제10항에 있어서, 마이크로파는 2.45GHz인 마이크로파플라즈마 발생장치.
  16. 제10항에 있어서, 중심도체는 공동공진기의 내부에 마이크로파의 파장의 일부분만큼 삽입된 마이크로파플라즈마 발생장치.
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