KR100720964B1 - 급전 장치와 이를 포함하는 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극부에 고주파 전원을 공급하는 급전 장치, 이를 포함하는 전극 조립체 및 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 급전 장치는 상기 전극 상에 장착되는 급전봉을 포함하고, 상기 급전봉은 두께가 고주파 전원에 의해 발생되는 표피 효과의 표피 깊이보다 두껍다. 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는 챔버와, 상기 챔버의 상부에 마련된 상부 전극부와, 상기 챔버의 하부에서 상기 상부 전극부와 대면하게 마련되고, 정전척과 하부 부재로 구성된 하부 전극부와, 그리고 상기 상부 전극부 또는 하부 전극부에 고주파 전류를 제공하는 급전봉을 포함하며, 상기 급전봉은 두께가 고주파 전원에 의해 발생되는 표피 효과의 표피 깊이보다 두껍다. 본 발명에 의해 상부 전극 또는 하부 전극에 연결되는 관형 또는 판형 급전봉의 형상을 간단하게 구성함으로써, 원활한 고주파 전류의 경로를 형성할 수 있다.
급전봉, 표피 효과, 급전 장치, 플라즈마 처리 장치

Description

급전 장치와 이를 포함하는 플라즈마 처리 장치 {POWER SUPPLYING DEVICE AND PLASMA PROCESSING APPARATUS INCLUDING THE SAME}
도 1은 종래 기술의 상부 전극부에서 발생하는 표피 효과를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 급전 장치를 구비한 플라즈마 처리 장치의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 급전 장치의 개략 사시도.
도 4는 내부가 중공인 급전봉의 횡단면도.
도 5는 급전봉의 내부에 중실의 내부 부재가 구비된 급전봉의 횡단면도.
도 6은 급전봉의 내부에 중공의 내부 부재가 구비된 급전봉의 횡단면도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 판형 급전 장치의 개략도.
도 8은 "L"자 형상의 급전 장치의 개략도.
※도면의 주요부재에 대한 부호의 설명※
210 : 상부 전극 610 : 급전봉
본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로 전극부에 고 주파 전원을 공급하는 급전 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 및 디스플레이 산업이 발전함에 따라 웨이퍼, 유리 등의 기판 처리도 한정된 면적에 원하는 패턴을 극미세화하고 고집적화하는 방향으로 진행되고 있다. 이에 따라 기판에 박막을 성장시키거나 식각할 때 플라즈마 처리 기술이 널리 활용되고 있다. 플라즈마 처리는 고정밀도로 공정을 제어할 수 있는 등의 장점으로 인해 반도체, 디스플레이 기판의 처리 공정 등에 널리 사용되고 있다. 플라즈마 처리 장치에는 매엽식 및 배치식 장치가 있으며, 플라즈마 처리 장치는 진공 챔버 내에 상하로 대면 배치되어 양 전극 사이에 고주파 전류를 인가하여 플라즈마를 생성시킨다.
일반적으로 플라즈마 처리 장치는 서로 대면하고 있는 상부 및 하부 전극부를 구비하고 있다. 상기 상부 및 하부 전극부에 고주파 전류를 인가함으로써 챔버 내부의 공간에 플라즈마를 생성시켜 공정을 진행한다.
상부 및 하부 전극부에는 각각 다른 주파수의 고주파 전원이 연결되는데, 상부 전극부에 인가되는 상대적으로 높은 주파수의 전원은 플라즈마 생성 및 유지를 위한 용도로 인가되고, 하부 전극부에 인가되는 상대적으로 낮은 주파수의 전원은 대면 전극에 대한 이온의 방향성을 높여 공정의 효율을 높이기 위해 사용된다.
플라즈마 처리 장치에 있어서, 공정이 요구하는 여러 가지 조건에 적합한 고밀도 플라즈마를 발생시키기 위해서, 상부 전극부에 인가되는 전원의 주파수도 높아지고 있으며, 최근에는 100 MHz의 고주파 전원도 적용이 되고 있다. 고밀도 플 라즈마를 생성 및 유지시키기 위해서는 고주파 전원의 형태뿐만 아니라 전극간의 거리, 가스 분출구의 위치나 형상, 공정 가스의 유량, 다공성 배기링의 형상, 전극의 구조에 따른 매칭 등의 여러 가지 제반 조건들이 적절하게 구성되어야 한다.
여기서, 상부 전극부에 인가되는 전원의 형태가 가장 직접적인 영향을 미치는 인자이다. 종래 기술의 상부 전극부에서 발생하는 표피 효과를 도시하는 도 1을 참조하면, 상기 상부 전극부에 인가되는 전원의 주파수는 MHz 단위의 고주파이기 때문에, 급전봉(61)을 통해 상부 전극(21)에 고주파 인가시, 상기 급전봉 및 상부 전극(61 및 21) 내부에서 발생하는 유도기전력에 의해 고주파 전류는 상기 급전봉 및 상부 전극(61 및 21)의 내부로 흐르기가 어렵게 되어, 상기 급전봉 및 상부 전극(61 및 21)의 표면을 타고 흐르게 된다. 상기와 같은 작용을 표피 효과(skin effect)라 한다. 표피 효과는 동일한 주파수에서는 전극의 재질에 따라 차이가 있으며, 동일한 재질에서는 주파수에 따라 차이가 난다.
따라서, 표피 효과를 고려하여 상부 전극부에 연결되는 급전봉의 형상이나 위치, 상부 전극부를 구성하는 세라믹, 그 형상이나 두께 등을 결정하는 것이 매우 중요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 원활한 고주파 전류의 경로를 형성하기 위해 내부가 중공(中空)으로 형성된 관형 또는 판형의 형상을 갖는 급전봉을 제공하고자 하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따라 전극에 고주파 전원을 인가하기 위한 급전 장치는 상기 전극 상에 장착되는 급전봉을 포함하고, 상기 급전봉은 두께가 고주파 전원에 의해 발생되는 표피 효과의 표피 깊이보다 두껍다. 상기 급전봉은 중공의 원통형이다. 상기 급전봉의 내부에는 상기 급전봉이 갖는 도전율보다 낮은 도전율을 갖는 내부 부재가 구비된다. 상기 내부 부재는 중공 또는 중실의 관 형상일 수 있다. 또한, 상기 급전봉은 판형상일 수 있다. 상기 전극과 급전봉 사이에는 원형의 급전판이 개재될 수 있다. 한편, 상기 급전봉 및 급전판의 표면은 은 또는 은보다 큰 도전율을 갖는 물질로 도금될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는 챔버와, 상기 챔버의 상부에 마련된 상부 전극부와, 상기 챔버의 하부에서 상기 상부 전극부와 대면하게 마련되고, 정전척과 하부 부재로 구성된 하부 전극부와, 그리고 상기 상부 전극부 또는 하부 전극부에 고주파 전류를 제공하는 급전봉을 포함하며, 상기 급전봉은 두께가 고주파 전원에 의해 발생되는 표피 효과의 표피 깊이보다 두껍다. 상기 급전봉은 중공의 원통형이다. 상기 급전봉의 내부에는 상기 급전봉이 갖는 도전율보다 낮은 도전율을 갖는 내부 부재가 구비된다. 상기 내부 부재는 중공 또는 중실의 관 형상일 수 있다. 상기 급전봉은 판형일 수 있다. 상기 상부 전극부 또는 하부 전극부와 급전봉 사이에는 원형의 급전판이 개재될 수 있다. 한편, 상기 급전봉 및 급전판의 표면은 은 또는 은보다 큰 도전율을 갖는 물질로 도금될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 급전 장치, 이를 포함하는 전극 조립체 및 플라즈마 처리 장치에 대하여 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명에 따른 급전 장치를 구비한 플라즈마 처리 장치의 개략도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는 챔버(100) 내의 상부 전극부(200)와, 상기 상부 전극부(200)와 대면 위치하고 피처리물인 반도체 기판(300)이 장착되는 하부 전극부(500)와, 상기 상부 전극부(200) 또는 하부 전극부(500)에 고주파 전류를 제공하는 급전 장치(600)를 포함한다. 하부 전극부(500)는 기판(300)을 정전 흡착시키는 정전척(510)과 하부 부재(560)를 포함한다. 상기 하부 부재(560)는 전원이 인가되는 하부 전극(520)과 그 하부에 차례로 배치된 절연 부재(540) 및 지지 부재(550)로 구성된다.
챔버(100)의 측벽에는 기판 반입 반출구(도시 않음)가 형성되어, 이를 통해 기판이 반입 반출된다. 또한 챔버(100)의 측벽 또는 하부에는 진공 펌프 등의 배기계(도시 않음)가 연결되어 이로부터 배기가 실행되어 챔버(100) 내를 원하는 진공도로 유지할 수 있다.
상부 전극부(200)는 가스 공급원(290)으로부터 가스가 도입되는 가스 공급 라인(700)과 다수의 가스 분출구(280)가 형성된 실리콘 부재(400)와 실리콘 부재(400)를 지지하고 열교환을 하는 상부 전극(210)과 실리콘 부재(400)를 둘러싸고 있는 실드링(450)으로 구성되어 있다. 상기 급전 장치(600)는 상부 전극부(200) 또는 하부 전극부(500)에 고주파 전류를 제공하기 위해 급전봉(610)을 구비하고 있다. 또한, 고주파 전류의 흐름을 제어하여 보다 균일한 밀도의 플라즈마를 발생시키기 위해 상부 전극부(200) 또는 하부 전극부(500)와 급전봉(610) 사이에 원형의 급전판(620, 도 7 및 도 8 참조)이 개재될 수 있다.
본 발명에 따른 급전 장치(600)의 개략 사시도인 도 3을 함께 참조하면, 상기 상부 전극부(200) 상에는 고주파 전류를 인가하기 위한 급전 장치(600)가 마련된다. 상기 급전 장치(600)는 RF 전원(230) 및 임피던스 정합기(220)를 통해 고주파 전원을 인가받는 중공의 급전봉(610)을 구비하고 있다. 상기 급전봉(610)은 중공형으로 형성되고 그 두께는 고주파 전원에 의해 발생되는 표피 효과의 표피 깊이보다 두껍다. 상기 급전봉(610)은 상기 상부 전극(210)의 중앙에 위치되며 고주파 전원으로부터 고주파 전류를 인가받아 상부 전극(210)에 원활하게 고주파 전류를 공급할 수 있다. 상기 급전봉(610)의 내부는 상기 급전봉(610)이 갖는 도전율보다 낮은 도전율을 갖는 내부 부재를 구비할 수 있다. 상기 내부 부재는 봉 또는 관형일 수 있다. 상기 내부 부재가 급전봉(610) 내부에 개재되는 경우에는 브레이징(brazing)과 같은 적절한 방법에 의해 완전접합되어 고주파 전류가 급전봉 내부면으로 흐르는 것을 방지해야 한다. 만일 이들이 완전히 접합되지 않고 경계면에 미소공간이 존재하면 급전봉에 비해 도전율이 낮은 내부 부재는 저항 역할을 하므로 급전봉 내부면으로 흐르는 고주파 전류의 흐름을 방해하여 열이 발생하고, 결과적으로 전력 손실에 의한 플라즈마 밀도의 저하나 부분품의 피로누적에 의한 절연파괴를 초래한다. 또한, 상기 급전봉은 두께가 일정한 형상으로서 판형일 수 있다. 상기 급전봉의 표면은 은 또는 은의 도전율보다 큰 도전율을 가진 물질로 도금될 수도 있다.
도 4는 내부가 중공인 급전봉(610)의 횡단면도이고, 도 5는 급전봉(610)의 내부에 중실의 내부 부재(611)가 구비된 급전봉의 횡단면도이며, 도 6은 급전봉 (610)의 내부에 중공의 내부 부재(612)가 구비된 급전봉의 횡단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 상기 급전봉(610) 내부를 중공으로 형성하면, 고주파 전류가 흐를 수 있는 표면적이 증가하여 보다 원활한 고주파 경로를 형성할 수 있게 된다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 중공의 내부 공간에 급전봉이 갖는 도전율보다 낮은 도전율을 갖는 물질로 이루어진 내부 부재가 구비될 수 있으며, 이 경우 상기 내부 부재의 형상은 중실형(611, 도 5)이거나 중공형(612, 도 6)일 수 있다. 또한, 상기 급전봉의 폭, 즉 지름은 상부 전극(210) 지름의 1/2이하인 것이 바람직하다. 상기 급전봉의 지름이 상부 전극(210) 지름의 1/2 이상인 경우에는 급전봉의 부피와 무게가 증가하여 제조 및 설치에 어려움이 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 판형 급전봉(610a)의 개략도이다. 상기 판형 급전봉(610a)과 상부 전극(210) 사이에는 원형의 급전판(620)이 개재된다. 상기 급전봉(610a)은 판형이기 때문에 고주파 전류가 상부 전극(210)으로 균일하게 흐르지 않아 상부 전극(210)의 전류 밀도가 불균일해지고 결과적으로 플라즈마의 밀도 또한 불균일해져 전체적인 공정이 불균일해진다. 따라서, 이러한 문제를 방지하기 위해 판형 급전봉(610a)과 상부 전극(210) 사이에 원형의 급전판(620)을 개재시켜 급전봉(610a)으로부터의 고주파 전류를 상부 전극(210)에 균일하게 인가할 수 있다. 또한, 판형 급전봉(610a)의 경우에도, 급전봉(610a)의 폭(w)은 상부 전극(210) 지름의 1/2인 것이 바람직하다.
도 8은 급전봉(610b)과 상부 전극(210)과의 체결을 용이하게 하기 위해 급전봉(610b)의 형상을 "L"자로 제조한 급전봉(610b)의 개략도이다. 상기 "L"자 형상 의 급전봉(610b)과 상부 전극(210) 사이에도 도 7과 관련하여 설명된 문제를 방지하기 위해 원형의 급전판(620)이 개재된다. "L"자 형상의 급전봉(610b)의 경우에도, 급전봉(610b)의 폭(w)은 상부 전극(210) 지름의 1/2인 것이 바람직하다. 도 7에 도시된 판형 급전봉(610a) 및 도 8에 도시된 "L"자 형상의 급전봉(610b)의 경우에도 도 3 내지 도 6에 도시된 급전봉의 경우와 마찬가지로 급전봉(610a 및 610b)의 폭(w)이 상부 전극(210) 지름의 1/2 이상이면 급전봉의 부피와 무게가 증가하여 제조 및 설치에 어려움이 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 실시예에서, 급전판(620)은 급전봉(610a 및 610b)과 일체로 형성될 수도 있고 별개의 부품으로 형성되어 상부 전극(210)에 부착될 수 있다.
도 4 내지 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 관형, 판형 또는 "L"자 형상의 급전봉(610, 610a, 610b)의 두께(T, t)는 표피 깊이(skin depth)를 고려하여 급전봉에 인가되는 전원의 주파수에 따라 달라지며, 표피 깊이보다 두껍다. 표피 깊이는 다음의 식으로 계산될 수 있다.
Figure 112005065962221-pat00001
급전봉의 두께(T, t)가 표피 깊이보다 작으면, 고주파 전류가 급전봉 내부로도 흐르게 되어, 결과적으로 급전봉에 열을 발생시키게 된다. 이는 발산되는 열만큼 인가 전원의 손실로 이어지고, 결국은 플라즈마의 밀도가 저하된다.
급전봉의 표면은, 고주파 전류가 급전봉의 표면으로 흐를 때, 상기 고주파 전류의 흐름이 용이하도록 상기 급전봉 및 급전판의 표면을 은과 같이 도전율이 우수한 물질로 표면을 도금할 수도 있다.
또한, 급전봉의 내부를 중공으로 형성할 때와 비교하여 급전봉의 내부에 상기 급전봉이 갖는 도전율보다 낮은 도전율을 갖는 내부 부재가 구비되면, 고주파 전류의 흐름이 상기 내부 부재에 의해 도전율이 좋은 외부의 급전봉으로 형성되므로 표피 효과에 의해 외부로 흐르는 전류의 흐름을 보다 용이하게 한다.
한편, 급전봉의 길이가 길어지면 인덕턴스가 커져 고주파 전류의 흐름에 악영향을 미치므로, 가능하면 직선형으로 짧게 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 급전봉은 상부 전극의 균일한 전계 형성을 위해서 대략 원형인 상부 전극의 중앙에 연결되는 것이 바람직하다.
비록 본원에서는 본 발명에 따른 관형 또는 판형 급전봉이 상부 전극에 적용되는 것으로 설명되고 도시되었지만, 본 발명에 따른 관형 또는 판형 급전봉이 하부 전극에도 적용될 수 있음을 당업자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명에 따라 상부 전극 또는 하부 전극에 연결되는 관형 또는 판형 급전봉의 형상을 간단하게 구성함으로써, 원활한 고주파 전류의 경로를 형성할 수 있다.

Claims (10)

  1. 전극에 고주파 전원을 인가하기 위한 급전 장치로서,
    상기 전극 상에 장착되는 급전봉을 포함하고,
    상기 급전봉은 중공의 원통형인 것을 특징으로 하는,
    급전 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 급전봉의 내부에는 내부 부재가 구비되는 것을 특징으로 하는,
    급전 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 내부 부재는 중공 또는 중실의 관 형상인 것을 특징으로 하는,
    급전 장치.
  5. 전극에 고주파 전원을 인가하기 위한 급전 장치로서,
    상기 전극 상에 장착되는 급전봉을 포함하고,
    상기 급전봉은 판형상인 것을 특징으로 하는,
    급전 장치.
  6. 청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극과 급전봉 사이에 개재되는 원형의 급전판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    급전 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 급전봉 및 급전판의 표면은 도금되는 것을 특징으로 하는,
    급전 장치.
  8. 챔버와, 상기 챔버의 상부에 마련된 상부 전극부와, 상기 챔버의 하부에서 상기 상부 전극부와 대면하게 마련되고, 정전척과 하부 부재로 구성된 하부 전극부와, 그리고 상기 상부 전극부 또는 하부 전극부에 고주파 전류를 제공하는 급전봉을 포함하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 급전봉은 청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 급전봉을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 처리 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 상부 전극부 또는 하부 전극부와 급전봉 사이에 개재되는 원형의 급전판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 처리 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 급전봉 및 급전판의 표면은 도금되는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 처리 장치.
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