KR100335565B1 - 음의 자체 전압 조절이 가능한 ｐｅｃｖｄ의 플라즈마발생 전극 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 발생 전극에서 형성되는 음의 자체 전압을 낮추기 위한 PECVD의 플라즈마 발생 전극을 개시한다.

본 발명은 플라즈마 발생 전극이 반응기로부터 분리가능하게 결합되며, 플라즈마 발생 전극면에 기판 홀더와 대면하는 방향으로 원통형상의 가이드 링이 돌출 형성되고, 가이드 링의 중심부에 침상의 전극봉이 돌출 형성되며, 전극봉의 중심에 노즐이 형성되는 것을 특징으로 하는 것으로, 플라즈마 발생 전극에서 형성되는 음의 자체 전압을 대폭적으로 낮추어 유기 금속 모노머를 반응 초기 물질로 사용하여 세라믹 박막을 코팅하는 공정에 적합한 효과를 얻을 수 있다.

Description

음의 자체 전압 조절이 가능한 ＰＥＣＶＤ의 플라즈마 발생 전극 조립체{AN ELECTRODE ASSEMBLY CONTROLLED SELF DC BIAS VOLTAGE OF PECVD}

본 발명은 고주파를 이용한 진공 플라즈마 화학 증착장치(PECVD)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반응기 내부의 음의 자체 전압(self dc bias voltage)을 조정하여 증착 박막의 표면 에너지를 조절할 수 있는 플라즈마 발생 전극에 관한 것이다.

일반적으로 진공을 이용한 반응로에서 플라즈마를 이용하여 유기-무기의 화합물을 기판에 코팅할 수 있다. 현재 반도체 공정의 대부분은 스퍼터링을 이용한 금속 증착공정과 화학진공증착(CVD)를 이용한 산화물 또는 질화물 증착공정이 있는데, 이중 산화물 박막 제조시 가장 많이 이용하는 것이 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 기술이다. 이와 같은 PECVD 기술은 반도체용 소자의 절연층 제작공정 외에 일반 산업용으로 자동차 유리, 플라스틱 필름의 스크레치 방지용 보호막, 방수막 등의 코팅에 사용될 수 있다.

진공 증착 기술 중 PECVD 공정은 직류, 중주파, 고주파의 전원을 사용하여 플라즈마 상태에서 초기 물질을 반응시켜 기판에 원하는 박막을 증착시킨다. 플라즈마 형성시 글로우 방전 영역에서 생성된 이온들이 기판상에 형성되는 플라즈마 쉴드(plasma shield)에 의해 기판으로 가속되어 증착된다. 플라즈마 발생전원으로는 직류 전원이 드믈게 사용되어지나, 증착하고자 하는 물질이 산화물 또는 질화물과 같은 절연막일 경우에는 수십 kHz에서 수십 MHz의 주파수를 가진 교류 전원을 사용하게 된다. 또한 기판 또는 전극상에 형성되는 바이어스(self bias) 전압을 이온의 가속에 이용하여 높은 에너지의 이온을 발생시킨다. 이와 같이 고주파 전원을 이용하는 PECVD 장비는 보통 고주파 전원이 인가되는 전극에 기판이 놓이거나이와 반대로 전극 반대쪽에 기판이 놓이게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 PECVD 장비의 일 예를 도시한 개략도이며, 도 2는 종래기술에 따른 플라즈마 발생 전극을 구비한 PECVD 반응기의 일부를 도시한 단면도이다.

도시된 바와 같이, 종래의 PECVD 장비는 증착공정이 이루어지는 반응기(1)와, 반응기(1) 내부를 고진공 상태로 할 수 있도록 하는 진공 배기 장치(2)와, 플라즈마 발생용 전원을 공급할 수 있는 전원 장치(3)와, 반응기(1) 내부에 반응성 가스를 공급하기 위한 가스 공급장치(4)로 구성된다.

반응기(1) 내부는 기판(5)을 고정시키기 위한 기판 홀더(6)와, 기판 홀더(6)에 고정된 기판을 가열할 수 있도록 설치되는 가열장치(미도시됨)와, 전원 장치(3)로부터 고주파 전원이 인가되어 반응기(1) 내부에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 전극(7)이 마련되어 있다.

한편, 종래의 플라즈마 발생 전극(7)은 평판형상으로 이루어지며, 코팅할 재료가 놓이는 기판 홀더의 면적과 플라즈마 발생 전극의 면적이 유사한 경우 고주파 플라즈마 발생시 반응기(1) 내부에 존재하는 양이온과 전자의 이동 속도 차이에 의해 수백 볼트 정도의 상당히 높은 음의 자체 전압(self dc bias voltage)이 발생하여 양이온의 충돌 속도가 커지게 된다.

이처럼 양이온의 충돌 속도가 커지는 것은 일부의 공정에서는 유리하게 작용하나 균일한 박막을 얻는데 있어서는 불리하게 작용하며, 특히 유기 금속 모노머(monomer)를 반응 초기 물질로 사용하여 세라믹 박막을 코팅하는 공정에서음의 자체 전압이 수백 볼트(300 V)이상이 되면 반응로 내로 도입되는 반응물질(반응성 가스)이 전극표면으로 가속되어 기판에 증착이 되지 않고 반대로 전극 쪽에 증착이 되는 문제가 발생된다.

더욱이 증착 공정 중 전극 표면에 쌓인 산화물 또는 질화물은 전극과의 열팽창 계수 및 선팽창 계수의 차이로 인해 기판에 떨어지고, 이는 하드 아크의 원인이 되어 기판에 치명적인 결함을 일으킨다.

따라서 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 플라즈마 발생 전극에서 형성되는 음의 자체 전압을 대폭적으로 낮추어 유기 금속 모노머를 반응 초기 물질로 사용하여 세라믹 박막을 코팅하는 공정에 적합한 PECVD의 플라즈마 발생 전극을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 플라즈마 발생 전극에서 형성되는 음의 자체 전압을 낮추기 위한 PECVD의 플라즈마 발생 전극에 있어서, 플라즈마 발생 전극이 반응기로부터 분리가능하게 결합되며, 플라즈마 발생 전극면에 기판 홀더와 대면하는 방향으로 원통형상의 가이드 링이 돌출 형성되고, 가이드 링의 중심부에 침상의 전극봉이 돌출 형성되며, 전극봉의 중심에 노즐이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 PECVD 장비의 일 예를 도시한 개략도,

도 2는 종래기술에 따른 플라즈마 발생 전극을 구비한 PECVD 반응기의 일부를 도시한 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 전극을 구비한 PECVD 반응기 내부에서 바라본 저면도,

도 4는 본 발명에 따른 도 3의 A-A'선 단면도,

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 발생 전극을 도시한 단면도,

도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 플라즈마 발생 전극을 도시한 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 ; 반응기 6 ; 기판 홀더

10 ; 플라즈마 발생 전극 11 ; 가이드 링

12 ; 전극봉 13 ; 노즐

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 전극을 구비한 PECVD 반응기(1) 내부에서 바라본 저면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 도 3의 A-A'선 단면도이며, 종래와 동일한 구성에 대해서는 도 1을 참조하여 설명한다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PECVD 장비는 증착공정이 이루어지는 반응기(1)와, 반응기(1) 내부를 고진공 상태로 할 수 있도록 하는 진공 배기 장치(2)와, 플라즈마 발생용 전원을 공급할 수 있는 전원 장치(3)와, 반응기(1) 내부에 반응성 가스를 공급하기 위한 가스 공급장치(4)를 포함한다.

반응기(1) 내부는 기판(5)을 고정시키기 위한 기판 홀더(6)와, 기판 홀더(6)에 고정된 기판(5)을 가열할 수 있도록 설치되는 가열장치(미도시됨)와, 전원 장치(3)로부터 고주파 전원이 인가되어 반응기(1) 내부에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 전극(10)이 구비한다.

특히, 본 발명에 따른 플라즈마 발생 전극(10)은 반응기(1)에 분리 및 결합 가능한 조립체로 구성되며, 고주파 플라즈마 발생시 반응기(1) 내부에 발생되는 음의 자체 전압(self dc bias voltage)을 낮출 수 있도록 기판 홀더(6)와 대면하는 플라즈마 발생 전극(10)의 형상에 특징이 있다.

통상적으로 고주파 플라즈마 발생시 반응기(1) 내부에 발생되는 음의 자체 전압은 서로 대면하는 기판 홀더(6)의 면적과 간격에 영향을 받는다. 즉, 플라즈마 발생 전극(10)의 대면하는 면적이 클수록 음의 자체 전압은 낮아지며, 간격이 가까울수록 낮아진다.

먼저, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 발생 전극(10)은 기판 홀더(6)와 대면하는 방향으로 원통형상의 가이드 링(11)이 돌출형성되고, 각각의 가이드 링(11)의 중심부에 침상의 전극봉(12)이 돌출된다. 한편, 전극봉(12) 중심에는 반응기(1) 내부에 가스를 공급하기 위한 노즐(13)이 형성된다. 여기서, 가이드 링(11) 및 전극봉(12)은 전극(10)의 표면적을 대폭적으로 넓어지게 하면서도 기판 홀더(6)와의 간격을 좁혀지게 되는 것을 알 수 있다.

한편, 가이드 링(11)의 형상은 원형상 뿐만 아니라 다각형 예컨대, 삼각형, 사각형, 육각형 등으로도 형성할 수 있으나, 플라즈마 발생시 각이 형성된 부위에서 집중되는 경향이 있으므로 링 형상이 가장 바람직하다.

한편, 도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 발생 전극(10)을 도시한 단면도로서, 기판 홀더(6)와 대면하는 플라즈마 발생 전극(10)의 형상은 반구체로 절단된 구면부가 연속적으로 형성된 소위, 엠보싱면을 이루고 있다.

이와 같은 엠보싱 형상의 플라즈마 발생전극도 기판 홀더(6)와 대면하는 면적을 확대할 수 있으며, 기판 홀더(6)와의 간격을 좁힐 수 있다. 한편, 각 구면부의 중심에는 가스 공급을 위한 노즐(13)이 형성된다.

도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 플라즈마 발생 전극을 도시한 단면도이다. 제 3 실시예에서 기판 홀더(6)와 대면하는 플라즈마 발생 전극(10)의 형상은 정현파가 연속적으로 진행되는 소위, 지붕을 이는 데 쓰이는 점판암의 얇은 슬레이트(slate) 형상과 유사하다. 한편, 기판 홀더(6)의 방향에서 보았을 때 볼록한 부분 즉, 정현파의 각 산 부분에 가스 공급을 위한 노즐(13)이 형성된다.

앞서, 언급한 실시예들의 가이드 링(11), 구면부 및 정현파면의 직경 또는 크기는 기판(5)에 증착되는 박막의 특성, 박막의 두께 균일성 및 스텝 커버리지(step coverage) 등에 따라서 적절하게 조정될 수 있다.

즉, 유기 금속 모노머(monomer)를 반응초기 물질로 사용하여 세라믹 박막을 코팅하는 공정의 경우 박막의 표면 에너지 조절을 위하여 낮은 음의 자체 전압을 필요로 하게 된다. 이러한 공정의 요구에 따른 본 발명의 플라즈마 발생 전극(10)을 통해 높은 고주파 전력에서도 낮은 음의 자체 전압을 유지하는 것이 가능하다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 플라즈마 발생 전극에서 형성되는 음의 자체 전압을 대폭적으로 낮추어 유기 금속 모노머를 반응 초기 물질로 사용하여 세라믹 박막을 코팅하는 공정을 원할하게 수행할 수 있다.

Claims (3)

1. 플라즈마 발생 전극에서 형성되는 음의 자체 전압을 낮추기 위한 PECVD의 플라즈마 발생 전극에 있어서,

   상기 플라즈마 발생 전극이 반응기로부터 분리가능하게 결합되며,

   상기 플라즈마 발생 전극면에 기판 홀더와 대면하는 방향으로 원통형상의 가이드 링이 돌출 형성되고,

   상기 가이드 링의 중심부에 침상의 전극봉이 돌출 형성되며,

   상기 전극봉의 중심에 노즐이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 전극.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 플라즈마 발생 전극은 반구체가 절단된 구면부가 연속적으로 형성되며, 상기 구면부의 중심에 노즐이 형성되는 것을 특징으로 하는 PECVD의 플라즈마 발생 전극.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 플라즈마 발생 전극은 정현파가 연속적으로 진행되는 형상을 이루며, 상기 기판 홀더 방향으로 볼록한 부분에 노즐이 형성되는 것을 특징으로 하는 PECVD의 플라즈마 발생 전극.