KR100507333B1 - 대면적 유도 프라즈마 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방전관의 내벽에 전원을 인가하고 가스를 공급하여 프라즈마를 발생하는 장치에 있어서, 방전관의 양측에는 직경이 증가되는 확장 혼을 이루고, 방전관의 중앙 외주연에는 가속용 전자석을 설치한 대면적 유도 프라즈마 발생장치를 제공하려는 것이다. 상기 방전관의 상면 중앙에는 가스 공급용 주입구를 형성하고, 방전관의 확장 혼은 표면처리용 웨이퍼를 안치시키는 용기에 의하여 저면에서 지지되도록 구성한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 방전관의 외주연에 전자석을 설치하므로 발생하는 프라즈마가 가속되어 대용량의 프라즈마를 발생 가능토록 하며, 방전관의 양단에 직경이 증가하는 확장혼을 설치하였기에 대용량의 프라즈마가 공급되어도 출력측에서는 감속되어 웨이퍼 상에 균일하게 증착 가능하여 고밀도의 프라즈마를 발생 가능토록 한다. 또한, 본원 발명은 방전관이 상면에 안치되며 가공할 웨이퍼를 안치시키는 용기와 방전관을 상호 절연패킹을 사용하여 절연 결합시키므로, 쇼트의 우려가 없이 프라즈마를 발생시키는 안전한 프라즈마 발생장치를 제공한다.

Description

대면적 유도 프라즈마 발생장치{Induction plasma generator with large area}

본 발명은 대면적 유도 프라즈마 발생장치에 관한 것으로, 프라즈마를 발생시키는 방전관에 전자석을 두어 프라즈마를 가속시키고, 방전관의 출력측에는 직경을 확장한 확장혼을 두어 프라즈마가 균일하게 고밀도로 출력 제공 가능토록 하는 대면적 유도 프라즈마 발생장치를 제공하려는 것이다.

일반적으로, 프라즈마(Plasma)란 이온이나 전자, 라디칼 등으로 이루어진 이온화된 가스 상태를 의미하는데, 이러한 프라즈마는 매우 높은 온도나, 강한 전계 혹은 고주파 전자계( RF electromagnetic fields)에 의해 생성된다. 특히, 글로우 방전에 의한 프라즈마 생성은 직류(DC)나 고주파 전계(RF)에 의해 여기된 자유전자에 의해 이루어지는데, 여기된 자유전자는 가스분자와 충돌하여 이온, 라디칼, 전자 등과 같은 활성족(active species)을 생성한다. 그리고 이와 같은 활성족은 물리 혹은 화학적으로 물질의 표면에 작용하여 표면의 특성을 변화시킨다. 이와 같이 활성족(프라즈마)에 의해 의도적으로 물질의 표면 특성을 변화시키는 것을 '표면처리'라고 한다.

대기압 하에서 프라즈마에 의한 표면처리를 수행하는 종래의 장치는 한 쌍의 전극들이 반응 용기내의 방전공간에 설치되고, 방전 공간에는 헬륨과 아르곤 등 불활성 가스를 주성분으로 하는 프라즈마 생성 가스들로 채워진다. 이 때, 각 전극에는 유전체가 도포되어 있고, 피처리물은 두 전극 사이에 위치한다.

이와 같이 피처리물을 반응용기 내에 삽입하고, 전극 사이에 AC 전압을 인가하면 글로우 방전이 일어나서 프라즈마 생성가스가 여기 하여 반응용기 내에서 프라즈마가 생성되고, 이 프라즈마에 의해 상기 피처리물이 프라즈마 표면처리 된다.

그런데, 이와 같은 종래의 프라즈마 표면처리 기술에서는 플라즈마가 양 전극 사이에서만 발생하는데, 유효한 플라즈마 방전을 위해 두 전극의 간격에 한계가 있기 때문에(통상, 수 cm 이내) 피처리물의 형상이 평평하고, 얇은 것에 대해서는 처리가 가능하나 복잡한 3차원 형태의 피처리물에는 적용하기 어려운 문제점이 있다. 그리고 얇은 평판의 경우에도 선택적으로 표면처리 하고자 할 경우에는 처리가 어려운 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 전극 간격을 넓힐 경우에는 수백 KV의 높은 전압이 필요하므로, 대용량의 전압공급장치가 필요하여 가격이 아주 비싸지게 되어 경제성이 현저히 떨어진다. 또한, 대형 평판의 처리를 위해서는 이에 대응되는 대형의 전극이 필요한데, 대형 전극의 경우 유전체의 균일한 두께, 전극의 직진성, 전극표면 거칠기와 편평도 등을 요구조건을 만족시키지 못하면 대형 전극 사이의 방전상태가 불안정하여 피처리물에 대한 균일한 처리가 어려운 문제점이 있다.

이를 해결하고자 프라즈마의 이동 거리를 증진시킨 기술이 개발되었는바, 도 1 은 분사거리를 향상시키기 위해 원통형 전극에 솔레노이드를 설치한 예이다.

도 1을 참조하면, 중심에 봉형의 내부전극(82)이 있고, 원통형 외부전극(81)에 유전체(83)가 도포되어 내부전극(82)과 외부전극(81)이 분사관을 형성한 경우에 외부전극(81)에 솔레노이드(85)를 감아놓고 전류를 흘려줌으로써 마그넷에 의해 분사거리를 향상시킬 수 있다. 즉, 원통형 전극의 가장 바깥 부분에 도체로 솔레노이드를 감아 놓은 후 플라즈마를 피처리물(87)로 분사할 때, 솔레노이드에 전류를 흘려주면 전기장이 형성되어 플라즈마를 집속 및 가속시켜 분사거리를 향상시킬 수 있다.

그러나, 이러한 방식은 단순히 프라즈마를 가속하는 것이어서 프라즈마를 고밀도로 공급하는데 문제점이 있다.

본 발명은 이를 해결코자 하는 것으로, 본 발명의 목적은 프라즈마 발생용 방전관의 중앙부에 코어와 코일에 의한 전자석을 마련하여 일단 발생된 프라즈마를 가속시키고, 양측으로 확장혼을 두어 가속된 프라즈마가 넓게 확산되도록 함으로써 대면적의 유도 프라즈마를 발생하도록 하는 대면적 유도 프라즈마 발생장치를 제공하고자 하는 것이다.

이를 위하여 본 발명은 관체형의 방전관 내부에 프라즈마를 발생시키도록 하되 방전관의 가스 주입구 양측에 코어와 코일에 의한 전자석을 마련하여 프라즈마가 가속 공급되도록 하고, 관체형 방전관의 출구측에는 확장혼을 두어 프라즈마가 넓게 분산되어 웨이퍼 표면에 조사되도록 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 대면적 유도 프라즈마 발생장치는 방전관에 전원을 인가하고 가스를 공급하여 프라즈마를 발생하는 장치에 있어서,

상기 방전관은 관체형 구조체로서 그 몸체의 양단으로 갈수록 점차 직경이 증가되는 확장혼을 이루고, 몸체의 대략 중심부에는 가스 공급용 주입구가 마련되며, 그 가스 공급용 주입구 양측의 몸체에는 코어가 설치되고, 그 코어에는 코일이 권선되어, 그 코어 및 코일로 이루어지는 전자석에 의해 자속을 발생시키고, 그 자속에 의해 방전관에 유도된 기전력에 의한 전계에 의해 방전관 내부에서 발생시킨 프라즈마를 가속시키도록 구성되되, 상기 방전관을 하부에서 지지하는 용기의 상면부 공간에 있어서, 원의 지름방향으로 위치하는 방전관의 양측 빈 공간 부위에 고리형 소형관체를 각각 형성하고, 그 각 소형관체에는 자로의 제공을 위한 페라이트 코어를 각각 설치하며, 그 페라이트 코어에는 코일을 각각 감고 코일의 양단에는 별도의 가속전원을 연결한 구성이 더 마련되어 있는 점에 그 특징이 있다.

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이하 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 대면적 유도 프라즈마 발생장치의 결합 상태 단면도이고, 도 3 은 평면도이며, 도 4 는 방전관만을 나타낸 저면도로, 방전관에 전원을 인가하고 가스를 공급하여 프라즈마를 발생하는 장치에 있어서, 상기 방전관(10)은 관체형 구조체로서 그 몸체의 양단으로 갈수록 점차 직경이 증가되는 확장혼(17)을 이루고, 몸체의 대략 중심부에는 가스 공급용 주입구(11)가 마련되며, 그 가스 공급용 주입구(11) 양측의 몸체에는 페라이트 코어(50)가 설치되고, 그 코어(50)에는 코일(30)(31)이 권선되어, 그 코어(50) 및 코일(30)(31)로 이루어지는 전자석에 의해 자속을 발생시키고, 그 자속에 의해 방전관(10)에 유도된 기전력에 의한 전계에 의해 방전관(10) 내부에서 발생시킨 프라즈마를 가속시키도록 구성된다.

여기서, 상기 방전관(10)의 확장혼(17)은 표면처리용 웨이퍼(22)를 안치시키는 용기(20)에 의하여 저면에서 지지되도록 구성한다. 그리고, 방전관(10)의 확장 혼(17)은 아래로 경사지게 절곡시킨다. 상기 방전관(10)의 출구측 확장혼(17)과 용기(20)는 상호 절연패킹(23)으로 절연시킨다. 방전관(10)의 가스주입구(11)와 대향 하는 바닥면에는 점화기(18)를 설치한다. 웨이퍼(22)는 기판(21)에 의해 지지된다. 또한, 바람직하게는 상기 방전관(10)의 가스 주입구(11)에는 외부의 가스 공급부와 방전관(10)과의 절연을 위해, 방전관(10)과는 별개의 몸체인 세라믹관(40)이 방전관(10)의 가스 주입구(11)에 연장되도록 설치된다.

상기 방전관(10)의 내면 전체는 유전체(15,16)로 코팅하여 절연토록 구성한다. 상기 유전체(15,16)는 고온에서도 견딜 수 있고 유전특성이 우수한 두께 25㎛∼10mm의 유리, 알루미나(Al₂O₃), 질화붕소(BN), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si₃ N₄), 석영(SiO₂), 산화마그네슘(MgO) 등을 사용함이 바람직하다.

한편, 도 5는 본 발명에 따른 대면적 유도 프라즈마 발생장치의 다른 실시예를 보여주는 것으로서, 기본 구성은 상기 도 2 내지 도 4의 제1 실시예와 동일하나, 도시된 바와 같이, 방전관(10)을 하부에서 지지하는 용기(20)의 상면부 공간에 있어서, 원의 지름방향으로 위치하는 방전관(10)의 양측 빈 공간 부위에 반원 고리형 소형관체(20p)를 각각 형성하고, 그 각 소형관체(20p)에는 자로의 제공을 위한 "ㅁ"자형의 페라이트 코어(35)를 각각 설치하며, 그 페라이트 코어(35)에는 코일 (36)을 각각 감고 코일(36)의 양단에는 별도의 가속전원을 연결한 구성이 더 추가된 점이 다를 뿐이다. 이와 같이 중심부에 메인 프라즈마 발생 및 가속수단으로서의 방전관(10)을 두고, 그 양측부에 보조 프라즈마 가속수단을 둠으로써, 상기 제1실시예의 경우보다 한층 더 고르게 웨이퍼(22)의 전체 부위에 걸쳐 가속된 프라즈마를 조사할 수 있게 된다.

그러면, 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 대면적 유도 프라즈마 발생장치의 동작에 대해 간략히 설명해 보기로 한다.

가스 공급용 주입구(11)를 통해 가스를 주입하고, 방전관(10)의 알루미늄 몸체부(13)와 점화기(18)에 접속되어 있는 프라즈마 발생용 전원에 의해 전압을 인가하여 점화기(18)를 구동시키면, 방전관(10) 내부에서 프라즈마가 발생하게 된다. 이 경우, 본 발명은 가스 주입구(11)를 통하여 공급받는 가스(헬륨과 아르곤 등 불활성 가스를 주성분으로 하는 프라즈마 생성 가스)의 작용으로 프라즈마를 발생시키고, 페라이트 코어(50)와 코일(30,31)로 이루어지는 전자석에 의하여 페라이트 코어(50)에는 자속이 흐르게 된다. 이 자속에 의해 방전관(10)(이때, 방전관(10)은 변압기에서의 2차측 코일 역할을 하게 됨)에는 기전력이 유도되고, 그 유도기전력에 의해 방전관(10) 내부에는 전계가 발생되어 방전관(10) 내부를 유동하는 프라즈마가 가속된다. 그리고, 가속된 프라즈마는 출구공(12)으로 배출된다. 그런데 출구공(12)은 확장혼(17)의 직경에 의하여 출구공(12)의 직경이 이루어지고, 출구공 (12)은 방전관(10)의 몸통 직경 보다는 점차 커지는 구성을 이루므로, 가속된 프라즈마가 넓은 면적에 걸쳐 확산되어 유동하게 되며, 그 결과 고밀도의 대용량 프라즈마를 웨이퍼(22)에 조사할 수 있게 된다.

이상과 같은 프라즈마 발생장치로서, 도 5의 다른 실시예의 경우가 채용될 경우에는 중심부를 가로지르는 방전관(10)의 양측 사각 지역 부분에 별도로 마련되어 있는 프라즈마 보조 가속수단(35,36)의 구동에 의해 그쪽 지역을 이동하는 프라즈마를 가속시키게 되므로, 강력한 프라즈마를 웨이퍼(22)의 전체 범위에 걸쳐 더욱 고르게 조사할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

이상과 같이 본 발명은 방전관의 몸체 외부에 별도의 코어 및 코일로 이루어지는 전자석을 설치하므로, 발생하는 프라즈마가 가속되어 대용량의 프라즈마를 발생 가능토록 한다.

또한, 본원 발명의 방전관은 방전관의 양단에 직경이 증가하는 확장혼이 형성되어 있어, 출력측에서는 가속된 프라즈마가 넓은 면적으로 웨이퍼 상에 균일하게 조사되어 고밀도의 프라즈마를 웨이퍼에 조사할 수 있다.

또한, 본원 발명은 방전관이 상면에 안치되며 가공할 웨이퍼를 안치시키는 용기와 방전관을 상호 절연패킹을 사용하여 절연 결합시키므로 쇼트의 우려가 없이 프라즈마를 발생시키는 안전한 프라즈마 발생장치를 제공한다.

도 1은 일반적인 관체형 프라즈마 발생장치의 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 대면적 유도 프라즈마 발생장치의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 대면적 유도 프라즈마 발생장치의 평면도.

도 4는 본 발명에 따른 대면적 유도 프라즈마 발생장치의 방전관의 저면도.

도 5는 본 발명에 따른 대면적 유도 프라즈마 발생장치의 다른 실시예를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10; 방전관 11; 가스 주입구

12; 출구공 13; 알루미늄 몸체부

15,16; 유전체 17; 확장혼

18; 점화기 20; 용기

21; 기판 22; 웨이퍼

23; 절연패킹 30,31,36; 권선코일

20p; 소형관체 40; 세라믹관

35,50; 페라이트 코어

Claims (8)

1. 방전관에 전원을 인가하고 가스를 공급하여 프라즈마를 발생하는 장치에 있어서,

   상기 방전관은 관체형 구조체로서 그 몸체의 양단으로 갈수록 점차 직경이 증가되는 확장혼을 이루고, 몸체의 대략 중심부에는 가스 공급용 주입구가 마련되며, 그 가스 공급용 주입구 양측의 몸체에는 코어가 설치되고, 그 코어에는 코일이 권선되어, 그 코어 및 코일로 이루어지는 전자석에 의해 자속을 발생시키고, 그 자속에 의해 방전관에 유도된 기전력에 의한 전계에 의해 방전관 내부에서 발생시킨 프라즈마를 가속시키도록 구성되되, 상기 방전관을 하부에서 지지하는 용기의 상면부 공간에 있어서, 원의 지름방향으로 위치하는 방전관의 양측 빈 공간 부위에 고리형 소형관체를 각각 형성하고, 그 각 소형관체에는 자로의 제공을 위한 페라이트 코어를 각각 설치하며, 그 페라이트 코어에는 코일을 각각 감고 코일의 양단에는 별도의 가속전원을 연결한 구성이 더 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 대면적 유도 프라즈마 발생장치.
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