(57)【要約】  固体塊から固体元素のプラズマを生成する方法及び前記方法に使用されるプラズマソースを提供する。本発明の方法は、加速された粒子またはレーザーを内部でスパッタリングが遂行する第１チェンバー内の固体塊と衝突させて前記固体塊から固体原子を取り出すこと、前記固体原子を内部でプラズマ放電が遂行される第2チェンバーに移動させること、前記第２チェンバーに電圧を印加してプラズマ放電によって固体原子のプラズマを生成すること、及び前記固体原子のプラズマを、処理すべきターゲットに接触させることを含む。本発明は固体元素を含むガスを固体元素ソースとして使用する従来システムで発生する不純物とガスの毒性による問題点を解消する。
2008504433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速された粒子またはレーザーを内部でスパッタリングが遂行される第１チェンバー内の固体塊と衝突させて前記固体塊から固体原子を取り出すこと、
前記固体原子を内部でプラズマ放電が遂行される第２チェンバーに移動させること、
前記第２チェンバーに電圧を印加してプラズマ放電によって固体原子のプラズマを生成すること、及び
前記固体原子のプラズマを、処理すべきターゲットに接触させること、を含む固体元素のプラズマ生成方法。
【請求項２】
前記加速された粒子が、不活性ガスから形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記固体原子のプラズマが、リモートプラズマに利用され、あるいは薄膜成長、薄膜蒸着またはイオン打ち込みに使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
加速された粒子またはレーザーを固体塊と衝突させて前記固体塊から固体原子を取り出すことによって、内部で固体原子のスパッタリングが遂行される第１チェンバーと、
前記スパッタリングされた固体原子のプラズマ放電を誘導する電圧の印加によって、内部でプラズマ放電が遂行される第２チェンバーと、
前記スパッタリングされた固体原子の前記第１チェンバーから前記第２チェンバーへの移動通路を提供する輸送部材と、を含む固体元素プラズマソース。
【請求項５】
前記輸送部材の一側に設置されたプラズマ遮蔽器をさらに含む、請求項４に記載の固体元素プラズマソース。
【請求項６】
前記第１チェンバーを複数個使用して、それらが独立的な輸送部材を通じて第２チェンバーに連結される、請求項４に記載の固体元素プラズマソース。
【請求項７】
前記固体塊が、炭素、シリコン、ホウ素、リン、及びヒ素からなる群から選択される固体元素の塊である、請求項４に記載の固体元素プラズマソース。
【請求項８】
前記輸送部材が、輸送管またはグリルである、請求項４に記載の固体元素プラズマソース。
【請求項９】
加速された粒子またはレーザーを炭素、シリコン、ホウ素、リン、及びヒ素からなる群から選択される固体元素の固体塊と衝突させて前記固体塊から固体原子を取り出すことによって、内部で固体原子のスパッタリングが遂行される第１チェンバーと、
電力源に接続されたアンテナ、プラズマ放電空間、ターゲット、及びターゲット支持体を具備して、前記アンテナに印加された電圧の助けのもとに、前記第１チェンバーで生成された固体原子をプラズマに転換させる、前記スパッタリングされた固体原子のプラズマ放電を誘導する電圧の印加によってプラズマ放電が遂行される第２チェンバーと、
前記スパッタリングされた固体原子の第１チェンバーから前記第２チェンバーへの移動通路を提供する輸送部材と、を含む固体元素プラズマソース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体元素のプラズマを生成させる方法に関するものである。本発明は、またプラズマソースに関するもので、より詳細には、固体元素のプラズマソースに関するものである。前記固体元素のプラズマは、リモートプラズマソースに使用され、または薄膜蒸着及びイオン打ち込み等の表面改質に使用される。
【背景技術】
【０００２】
シリコン蒸着、カーボンナノチューブ成長及びイオン打ち込み等のように、固体元素を利用した薄膜成長に広く使用されて来た従来方法の典型的な一実施態様は、ターゲットを非常に高い温度で加熱すること、及び前記固体元素を含む単一ガスが熱分解されて前記固体元素だけがターゲット上に蒸着するように前記固体元素を含む前記ガスを加熱されたターゲットに接触させることを含むものである。しかし、前記の方法は、ターゲットを非常に高い温度に加熱しなければならないため多くの制約を有している。
【０００３】
薄膜成長に広く使用されて来た従来方法の他の実施態様は、固体元素を含む単一ガスのプラズマを使用するものである。詳細には、薄膜成長に使用する固体元素を含む前記ガスに高電圧を印加してプラズマを生成させて、生成したプラズマをターゲットに当てて薄膜蒸着を遂行するものである。しかし、この方法は、前記固体元素以外に前記ガスに含まれている付随要素から生じる不純物によって、高純度の薄膜成長を達成しにくいという問題点を有している。高純度化するためにはターゲットに非常に高い温度が求められる。
【０００４】
例えば、カーボンナノチューブを成長させるためには、炭素を含むメタン（ＣＨ４）が炭素源として使用される。しかし、メタンガスに含まれている４個の水素は、不純物として作用する。シリコン蒸着の場合、シリコンを含むシラン（ＳｉＨ４）を使用するが、シランは非常に毒性が高いガスであるとともに、シランガスに含まれている４個の水素が不純物を生成する。同じく、イオン打ち込みの場合、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＢＦ３などのガスが使用される。これらのガスは、非常に強い毒性ガスであり、非常に厳格な基準の設備を必要とする。また、打ち込み中に不純物（水素元素、フッ素元素）による影響を除去するために、高温加熱などの追加的処理が必要とされる。
【発明の開示】
【０００５】
技術的課題
固体元素を含むガスの使用によって引き起こされる不純物の生成及び毒性ガスの有害性といった前記の問題を解決するために、本発明の目的は、固体塊から直接固体原子をスパッタリングして、それら固体原子のプラズマ化を通じて、固体元素プラズマを生成する方法を提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、前記方法に使用される固体元素プラズマソースを提供することである。
【０００７】
技術的解決法
前記の目的及び明細書の詳細な説明に記載された他の目的は、内部でスパッタリングが遂行される第１チェンバー内の固体塊を加速された粒子またはレーザーと衝突させて前記固体塊から固体原子を取り出すこと、前記固体原子を内部でプラズマ放電が遂行される第２チェンバーに移動させること、前記第２チェンバーに電圧を印加してプラズマ放電によって固体原子のプラズマを生成すること、及び前記固体原子のプラズマを、処理すべきターゲットに接触させること、を含む固体元素のプラズマ生成方法を提供することにより達成することができる。
【０００８】
本発明の他の好ましい態様によれば、固体塊を加速された粒子またはレーザーと衝突させて固体塊から固体原子を取り出すことによって、内部で固体原子のスパッタリングが遂行される第１チェンバーと、前記スパッタリングされた固体原子のプラズマ放電を誘導する電圧の印加によって、内部でプラズマ放電が遂行される第２チェンバーと、前記スパッタリングされた固体原子の前記第１チェンバーから前記第２チェンバーへの移動通路を提供する輸送部材と、を含む固体元素プラズマソースが提供される。
【０００９】
有利な効果
本発明によるプラズマ生成方法及び固体元素プラズマソースは、固体元素を含むガスの使用によって招来される問題点を解消することができる。固体元素を含むガスは、水素またはフッ素のような不純物を含んでいる。ゆえに、水素またはフッ素による汚染を不可避的に伴う。本発明は、固体原子の塊からスパッタリングされた固体原子を使用するため、水素またはフッ素による汚染が発生しない。さらに、本発明は、ガスの熱分解を必要としないので、薄膜蒸着を低温で遂行することができる。また、固体元素を含む大部分のガスは、毒性が非常に強くて一般環境では使用できない。しかし、本発明による固体元素プラズマソースは、毒性ガスを使用しない。したがって、毒ガスに対する危険や不純物による汚染なしに、打ち込みを達成することができる。
【００１０】
本発明によるプラズマ生成方法及び固体元素プラズマソースが既存のスパッターと異なる点は、固体塊とターゲットが一つのチェンバー内に存在するのではなく、固体塊はスパッタリングが内部で遂行される第１チェンバーに収容され、ターゲットは輸送部材によって第１チェンバーと連結されており内部でプラズマ放電が遂行される第２チェンバーにそれぞれ分離しているということである。また、既存のスパッターは、スパッタリングされた原子をプラズマ化しないでそのまま工程に利用するが、本発明の方法及び装置は、スパッタリングされた原子をプラズマ化する。
【００１１】
図面の簡単な説明
図１は、本発明による固体元素プラズマソースの好ましい実施例を示した図である。
【００１２】
図２は、本発明による固体元素プラズマソースの他の好ましい実施例を示した水平断面図である。
【００１３】
図３は、本発明による固体元素プラズマソースの具体的な実施例を示した垂直断面図である。
【００１４】
発明の形態
本発明は、固体元素のプラズマを生成する方法に関するものである。より詳細には、固体塊から固体元素のプラズマを生成する方法に関するものである。前記の方法は、内部でスパッタリングが遂行される第１チェンバー内の固体塊を加速された粒子またはレーザーと衝突させて固体塊から固体原子を取り出すこと、前記固体原子を内部でプラズマ放電が遂行される第２チェンバーに移動させること、前記第２チェンバーに電圧を印加してプラズマ放電によって固体原子のプラズマを生成すること、及び前記固体原子のプラズマをターゲットに接触させること、を含む。
【００１５】
本発明の第一の特徴は、固体元素プラズマを得るために固体元素の固体塊を使用することである。従来技術では、固体元素プラズマを生成するため、固体元素を含むガスを使用していた。しかし、従来技術は、不純物とガスの毒性によって多くの制限を受けて来た。例えば、従来技術では、炭素原子ソースとしてメタン（ＣＨ４）、シリコン原子ソースとしてシラン（ＳｉＨ４）、ホウ素原子ソースとして三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、リン原子ソースとしてホスフィン（ＰＨ３）、ヒ素原子ソースとしてアルシン（ＡｓＨ３）等を使用する。しかし、前記のガスを利用する場合、ガス内に含まれた他の原子（水素またはフッ素等）が不純物として作用する。同時に、シラン（ＳｉＨ４）、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、ホスフィン（ＰＨ３）等は強い毒性物質であり、ガス漏出の危険性が完全に除去されなければならない。しかし、本発明は、固体元素プラズマの供給源として固体塊を利用することによって前記の問題点を除去する。例えば、カーボンナノチューブの成長のために、スパッタリングが遂行される第１チェンバー内には、固体炭素塊が位置する。加速された粒子またはレーザーが前記固体塊と衝突する。加速された粒子またはレーザーからのエネルギー伝達によって、固体塊から固体原子がスパッタリングされる。これら固体原子は、後続工程でプラズマ放電を受ける。このような方法は、単一ガスに含まれる炭素原子以外の要素によって引き起こされる悪影響を排除する。したがって、不純物を除去するためにターゲットを加熱する必要が全くなくなる。さらに、その結果として、熱的膨脹によってターゲットが損傷する危険性が減少する。また、毒性ガスを使用しないので作業環境が改善される。
【００１６】
加速された粒子またはレーザーを固体塊からの固体原子のスパッタリングソースとして使用する。加速された粒子（ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）の場合、運動量交換によって固体原子が放出される。マグネトロンスパッタリング、ダイオードスパッタリング、ＲＦスパッタリング等のようなスパッタリングが適用される。加速された粒子を得るために、ヘリウム、ネオン、及びアルゴンのような不活性ガスが利用され得る。レーザーによるスパッタリングも遂行できる。これは、不活性ガスがプラズマ放電空間内部に流入することにより惹起され得る悪影響を排除することができる。
【００１７】
固体塊からスパッタリングされた固体原子は拡散して、内部でスパッタリングが遂行された第１チェンバーから、内部でプラズマ放電が遂行される第２チェンバーに移動する。移動距離は、スパッタリング方式、加速された粒子のエネルギー、固体原子の種類及び固体塊の純度等を考慮して適切に選択することができる。
【００１８】
内部でプラズマ放電が遂行される第２チェンバーに流入した固体原子は、そこで、高電圧の印加によるプラズマ放電を経験する。固体原子のプラズマを得るため、容量結合型プラズマ放電（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｌａｓｍａ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）、誘導結合型プラズマ放電（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｌａｓｍａ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）、プラズマ波（ｐｌａｓｍａ  ｗａｖｅ）を利用したヘリコン放電（Ｈｅｌｉｃｏｎ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）、及びマイクロ波プラズマ放電（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｐｌａｓｍａ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）等を適用することができる。その中で、低い運転圧力で高密度のプラズマを形成することができる誘導結合型プラズマ放電が好ましい。誘導結合型プラズマ放電に使用されるアンテナの形態に関しては、大韓民国特許出願番号第７０１０８０７／２０００号、第１４５７８／１９９８号、第３５７０２／１９９９号、及び第４３８５６／２００１号を参照のこと。
【００１９】
生成された固体原子のプラズマは、ターゲットと衝突し、薄膜成長、薄膜蒸着、及びイオン打ち込みに使用できる。必要な場合、生成された固体原子のプラズマは、プラズマ放電が遂行される第２チェンバーの外部に誘導してリモートプラズマとして利用することができる。
【００２０】
図１は、前記方法に使用される固体元素プラズマソースの好ましい実施例を示した図面である。前記固体元素プラズマソースは、固体塊１０１を加速された粒子１０２と衝突させて固体塊１０１から固体原子１０３を取り出す固体原子のスパッタリングを内部で遂行する第１チェンバー１００、スパッターされた前記固体原子のプラズマ放電を引き起こす電圧の印加によって内部でプラズマ放電を遂行する第２チェンバー２００、及び前記スパッターされた固体原子１０３の前記第１チェンバー１００から前記第２チェンバー２００への移動通路を提供する輸送部材３００を含む。
【００２１】
固体原子の固体塊１０１が第１チェンバー１００に位置して、そこでスパッタリングが遂行される。不活性ガスの加速された粒子１０２がマイナスのバイアスの印加によって前記固体塊１０１と衝突する。運動量交換によって、固体塊１０１から固体原子１０３が放出される。図１は、加速された粒子によるスパッタリングを示しているが、レーザーの照射によって固体原子のスパッタリングが遂行することもできる。前述したように、レーザーによるスパッタリングは不活性ガスがプラズマ放電空間２０２の内部に流入することで惹起され得る悪影響を排除することができる。
【００２２】
スパッタリングによって生成された固体原子１０３は、拡散によって第１チェンバー１００を離れて、第１チェンバー１００と第２チェンバー２００とを連結する輸送部材３００を通じて第２チェンバー２００に移動して、そこでプラズマ放電が遂行される。輸送部材３００の長さは、スパッタリング方式、加速された粒子のエネルギー、固体原子の種類、固体塊の純度等を考慮して適切に選択することができる。ここで、輸送部材３００の一側にプラズマ遮蔽器４００を追加して設置することができる。プラズマ遮蔽器４００は、陽イオン性物質によって生じる悪影響を排除するために、第１チェンバー１００の内部で生成された陽イオン性物質（たとえば、陽イオン性アルゴン）が第２チェンバー２００のプラズマ放電空間２０２に入り込むことを妨げる。陽イオン性プラズマを遮断するため、バイアス電圧を利用することができる。
【００２３】
第２チェンバー２００には、電力源５００が連結されていて、電力源５００からのエネルギーによってプラズマ放電が遂行される。高電圧の印加のためにインピーダンスマッチングボックス６００を採用することができる。ここで、放電形態は特別に制限されない。容量結合型プラズマ放電（ｃａｐａｃｉｔａｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｌａｓｍａ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）、誘導結合型プラズマ放電（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｌａｓｍａ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）、プラズマ波（ｐｌａｓｍａ  ｗａｖｅ）を利用したヘリコン放電（Ｈｅｌｉｃｏｎ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）、及びマイクロ波プラズマ放電（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｐｌａｓｍａ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）によって固体原子のプラズマを得ることができる。好ましくは、誘導結合型プラズマ放電である。第２チェンバー２００で生成された固体原子のプラズマ２０１は、ターゲット支持体２０４上のターゲット２０３に入射してターゲット２０３を処理する。
【００２４】
一方、第２チェンバー２００内の充填圧力によって第１チェンバー１００は、複数個を採用することができる。図２は、本発明による固体元素プラズマソースの他の好ましい実施例を示した水平的断面図である。四つの第１チェンバー１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、及び１００ｄが輸送部材３００ａ、３００ｂ、３００ｃ、及び３００ｄを通じて第２チェンバー２００に連結されている。図２に図示したように、第２チェンバー２００内で固体原子のプラズマ２０１を均一に生成するため、内部で固体原子のスパッタリングが遂行される第１チェンバー１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、及び１００ｄがお互いに対称的に配置されることが好ましい。
【００２５】
図３は、本発明による固体元素プラズマソースの具体的な実施例を示した垂直断面図である。炭素固体塊１０１を使用して、マイナスのバイアス電圧を炭素固体塊１０１に印加した。不活性ガスとしてアルゴン１０２を使用して、マグネトロンスパッタリングで炭素原子１０３のスパッタリングを遂行した。図２に図示したように、４個の第１チェンバーを使用されるが、図３では、二つの第１チェンバー（１００ａ、１００ｂ、統合して“１００”）だけを図示した。第１チェンバー１００で発生された炭素原子は、第１チェンバー１００と第２チェンバー２００を連結する輸送部材（３００ａ、３００ｂ、統合して“３００”）を通じてプラズマ放電が遂行される第２チェンバー２００に流入する。アルゴンイオンと固体原子イオンによる悪影響を排除するため、それぞれの輸送部材３００の一側にプラズマ遮蔽器４００ａ、４００ｂを設置した。第２チェンバー２００には、電力源５００に連結されたアンテナ２０５、プラズマ放電空間２０２、及びターゲット２０３とターゲット支持体２０４が具備される。輸送部材３００を通じて第１チェンバー１００から第２チェンバー２００のプラズマ生成空間２０２に流入した固体原子１０３は、そこで、前記電力源５００からアンテナ２０５に印加された高電圧の助けのもとに、プラズマ放電を受ける。固体原子のプラズマ２０１は、ターゲット２０３に入射して、ターゲット２０３の表面に炭素薄膜を形成する。必要な場合、プラズマを外部に誘導してリモートプラズマに利用することができる。未説明の図面符号２０６は誘電窓であり、６００はインピーダンスマッチングボックスである。
【００２６】
図１ないし図３で、前記輸送部材は輸送管の形態で使用した。しかし、前記輸送部材はグリル（ｇｒｉｌｌｅ）形態であることも可能である。
【００２７】
前記で記述したように、本発明の精神及び範囲に作用、影響、及び変更することなしに、本発明が多様な具現例として表現され得ることは明白であろう。ゆえに、以上記述した実施例は例示的なものであって限定的なものではないことを理解しなければならない。さらに、本発明の意味、範囲、及び上位概念的理解に基づいた多様な変更または変形が本発明の延長線上にあることを理解しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による固体元素プラズマソースの好ましい実施例を示した図である。
【図２】本発明による固体元素プラズマソースの他の好ましい実施例を示した水平断面図である。
【図３】本発明による固体元素プラズマソースの実施例を示した垂直断面図である。
【図１】
2008504433.tif 000003
【図２】
2008504433.tif 000004
【図３】
2008504433.tif 000005
【国際調査報告】
2008504433.tif 000006
2008504433.tif 000007
2008504433.tif 000008