KR100740584B1 - 다중 페로마그네틱 코어를 사용한 유도결합형 플라즈마안테나 모듈과 이를 이용하는 기판처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 다중 페로마그네틱 코어를 사용한 유도결합형 플라즈마 안테나 모듈과 이를 이용하는 기판처리장치는 플라즈마 발생효율을 높이기 위하여 코일이 감긴 원형 혹은 사각형 등과 같이 폐 루프를 구성하는 페로마그네틱 코어 여러 개를 하나의 보호 재킷 내부에 삽입한 형태로 플라즈마 발생용 단일 안테나 모듈로 구성하며, 이 안테나 모듈을 식각 및 증착용 공정처리 챔버의 내부에 삽입되도록 결합하여 기판처리공정을 진행할 수 있도록 된 것으로, 페로마그네틱 코어들이 삽입된 보호 재킷의 개방부는 진공 챔버 내부에 삽입되어 플라즈마 발생효율을 최대화하되, 코일이 감긴 측의 코어 부분은 챔버 외부 쪽인 대기 중에 개방시킴으로써 페로마그네틱 코어의 냉각 및 교체 등 유지 보수에 유리하도록 구성되었다. 본 발명은 하나의 보호 재킷 안에 적절한 개수의 페로마그네틱 코어를 설치 사용함으로써 플라즈마 발생효율 및 최적의 플라즈마 변수를 유지할 수 있으며, 이를 통하여 최적의 식각 및 증착 공정을 진행할 수 있다.

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Description

다중 페로마그네틱 코어를 사용한 유도결합형 플라즈마 안테나 모듈과 이를 이용하는 기판처리장치 {An Inductive Coupled Plasma antenna module using multi-ferromagnetic core, and substrate manufacturing apparatus}

도 1은 종래 일반적인 유도결합형 기판처리장치의 개략 구성도,

도 2는 종래 일반적인 유도결합형 플라즈마 발생장치에서 사용되는 코일형 안테나의 개략 구성도,

도 3은 종래 페로마그네틱을 이용한 유도결합형 안테나의 원리구성도,

도 4는 본 발명의 제1실시 예에 의한 기판처리장치의 개략 구성도,

도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 다중 페로마그네틱 코어 안테나 모듈의 사시도,

도 6은 본 발명의 제2실시 예에 의한 기판처리장치의 구성을 도시한 것으로, 다중 페로마그네틱 코어 안테나 모듈마다 별개의 RF전원을 연결한 기판처리장치의 개략구성도,

도 7a 내지 도 7f는 본 발명에 의한 안테나 모듈을 사각 챔버 배치한 다양한 실시 예를 도시한 평면도이고,

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 안테나 모듈을 대면적용 사각 챔버에 플라즈마의 균일도 향상을 위해 배치한 실시 예를 도시한 평면도이며,

도 9는 본 발명의 안테나 모듈을 원형 챔버에 설치한 평면도,

도 10은 본 발명에 의한 다중 페로마그네틱 코어를 사용한 유도결합형 플라즈마 안테나 모듈의 개략적인 외형도,

도 11a와 11b는 각각 도 10a 및 도 10b에 도시된 안테나 모듈의 내부 구성을 도시한 것으로, 도 11a는 피드백제어부가 내장된 예이고, 도 11b는 외장형 피드백제어부를 갖는 예이며,

도 12는 본 발명에 의한 안테나 모듈이 다수 결합되는 경우 각 모듈의 연결 상태도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 기판처리장치 110 : 챔버

110a : 챔버 리드 112 : O-링

114 : 배기구 120 : 서셉터

130 : 안테나 모듈 130a : 코어 개방부

130b : 절연체 튜브 130c : 재킷 개방부

131 : 보호 재킷 132 : 토로이드(페로마그네틱 코어)

133 : 냉매유동공간 134 : 코일

135 : 전원공급선 136 : 냉매유입구

137 : 냉매유출구 138 : 냉매유입관

139 : 냉매유출관 140 : RF전원

140a : 전원공급부 150 : 매칭회로

160 : 피드백제어부 160a : 내장 피드백제어부

170 : V-I 검침부 180 : 플라즈마 검사부

190 : 회전구동부 200 : 위상변환기

300 : 토로이드형 안테나 모듈 310 : 하우징

320 : O-링 340 : 마그네틱 실드

400 : 제어컴퓨터 S : 피처리 기판

본 발명은 다중 페로마그네틱 코어를 사용한 유도결합형 플라즈마 안테나 모듈과 이를 이용하는 기판처리장치에 관한 것으로, 구체적으로는 챔버 내부로 삽입된 페로마그네틱 코어 내부의 시변 자기장 플럭스에 의해 재킷 개방부에 집중적으로 유도된 유도 전기장에 의하여 플라즈마 발생 및 유지를 하는 기초적인 이용의 범위를 확장하여 하나의 보호 재킷 내에 횡 방향 또는 종 방향으로 나란하게 복수의 페로마그네틱 코어를 두어 코어 중심에서 발생하는 내부 시변 전기장들과의 상호작용 즉, 이들 유도 전기장의 방향 및 세기 등의 조합을 통하여 종전의 단일 페로마그네틱 코어를 이용하여 발생된 플라즈마 효율보다 더 높은 효율의 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 한 것이며, 단일 페로마그네틱 코어를 이용하는 것보다 대면적 처리기판의 처리 균일도 또한 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 플라즈마 소스를 이용하는 기판처리장치에는 박막 증착을 위한 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장치, 증착된 박막을 패터닝하기 위해 에칭해내는 반응성 이온식각장치, 스퍼터(Sputter), 애싱(ashing)장치 등이 있으며, 본 발명인 다중 페로마그네틱 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나모듈은 위에서 예를 든 각종 기판처리장치 모두에 다 적용가능한 소스이다.

PECVD 장치나 이온식각장치는 웨이퍼가 안치된 챔버 내부로 유입된 선구 물질 또는 소스물질(대부분이 가스상태)을 안테나의 전자기장 에너지를 이용하여 해리과정에 의한 활성종(radical)과 이온화과정에 의한 이온과 전자를 생성하고 이렇게 생성된 혼합가스인 플라즈마 내부의 활성종(radical), 전자 및 이온과 피처리 기판과의 상호작용에 의하여 증착 또는 에칭 등의 공정이 수행된다.

또, 스퍼터는 Al 게이트 전극과 같은 금속 박막을 증착하기 위해 주로 이용되는 장치로서, 예를 들어 Ar+이온을 Al 타깃에 충돌시켜 타깃으로부터 Al 원자를 분리하여 이를 피처리 기판에 증착시키는 장치이며, 애싱장치는 챔버 내부에 증착된 폴리머 등의 불순물을 플라즈마를 이용하여 휘발성 화합물로 변환한 후 제거해내는 장치이다.

이와 같은 플라즈마 소스를 이용하는 기판처리장치는 RF전력의 인가방식에 따라 용량결합형(Capacitive Coupled Plasma, CCP) 장치와 유도결합형(Inductive Coupled Plasma, ICP) 장치로 대별되는데, 전자는 일반적으로 서로 대향하는 평행 평판 전극에 RF전력을 인가하여 전극 사이에 수직으로 형성되는 RF전기장을 이용하 여 플라즈마를 발생시키는 방식이고, 후자는 RF안테나에 의하여 유도되는 유도전기장을 이용하여 소스물질을 플라즈마로 변화시키는 방식이다.

CCP 방식이 많이 사용되는 하지만, 이 방식은 피처리 기판과 수직으로 가속되는 이온에너지가 높기 때문에 이온충격으로 인하여 피처리 기판이나 장치 내부의 부품에 대한 손상 가능성이 크고, 선 폭 또는 선택비 등을 정밀하게 제어하는데 어려움이 있을 뿐만 아니라, 수십 m Torr이하의 저압영역에서는 사용할 수 없는 문제점이 있다.

이에 반하여 ICP 방식은 수십 m Torr의 저압영역에서도 비교적 효과적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있고, CCP 방식에 비하여 훨씬 높은 밀도의 플라즈마를 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한, 전극 역할을 하는 서셉터에 피처리 기판을 안치하는 CCP 방식과 달리 플라즈마 발생에 기여하는 RF전력이 피처리 기판과 독립적인 안테나에 가해지므로 피처리 기판에 입사하는 이온의 에너지를 독립적으로 제어할 수 있는 장점이 있다.

첨부된 도 1은 이 중에서 ICP 방식 기판처리장치의 일반적인 구성을 개략적으로 도시한 것으로, 이를 살펴보면, 밀폐된 반응영역을 정의하는 챔버(11)와, 이 챔버(11)의 내부에 위치하며 상면에 피처리 기판(S)이 안치되는 서셉터(12)와, 이 서셉터(12)의 상부에서 소스물질을 분사하는 샤워헤드(13)와, 이 샤워헤드(13)로 소스물질을 유입하는 가스유입관(14)을 포함한다.

또한, 소스물질을 플라즈마로 변환시키기 위해 RF전력을 공급하는 RF안테나(15)가 챔버리드(11a)의 상부에 위치하며, RF안테나(15)에는 RF전원(17)이 연결된 다. RF안테나(15)와 RF전원(17)의 사이에 위치하는 매칭회로(16)는 RF안테나(15)로 최대전력을 인가하기 위하여 부하 임피던스와 소스 임피던스를 정합시키는 역할을 한다.

RF안테나(15)에 RF전원(17)이 인가되면 수직방향의 시변(時變) 자기장이 발생하고, 챔버(11) 내부에는 이 시변 자기장에 의한 전기장이 유도되는데, 이 유도전기장에 의하여 가속된 전자가 중성기체와 충돌함으로써 강력한 산화력을 가진 활성종이 생성되어 전자와 활성종의 혼합가스인 플라즈마 상태로 변환되며, 상기 활성종이 피처리 기판(S)으로 입사하여 증착, 에칭 등의 공정을 수행하게 되는 것이다.

이때, 피처리 기판(S)으로 입사하는 활성종의 입사 에너지를 조절하기 위하여 서셉터(12)에는 RF전원(17)과는 별도의 바이어스 전원(미도시)이 인가될 수도 있다.

한편, 서셉터(12)의 내부에는 피처리 기판의 예열을 위하여 히터(미도시)가 내장되며, 챔버(11) 하부의 배기구(18)는 진공펌프 등을 통하여 공정잔류가스를 배기하는 역할을 한다.

상기 RF안테나(15)를 보다 구체적으로 살펴보면, 통상 도 2와 같이 다수의 안테나 코일(15a,15b,15c)을 조합하여 이루어지는데, 이들 각 코일은 챔버리드(11a)의 상부에 위치하는 한편 RF케이블(19)에 의해 매칭회로(16)를 경유하여 RF전원(17)에 연결된다. 따라서, RF전원(17)이 인가되면 각 코일(15a,15b,15c)마다 쇄교하는 시변 자기장이 형성되고, 시변 자기장의 주위로 전기장이 유도되는 것이다.

그런데 이와 같이 RF안테나(15)에 의해 발생되는 시변 자기장에 의하여 발생된 유도 전기장 중에서 챔버 내의 플라즈마를 발생시키는데 사용되는 유도 전기장만큼 챔버 위쪽 부분으로 손실되는 유 도전기장이 존재하며, 특별한 자기장 차폐수단이 없어 누설자속이 많을 수밖에 없는 구조이기 때문에 플라즈마 발생 및 유지를 위한 소정 세기의 유도 전기장을 얻기 위해서는 고전압, 고전류의 RF전력을 공급하여야 하는데, 이로 인해 고 에너지 이온에 의한 챔버 내벽의 스퍼터링 및 부품이 열화 되어 오염원이 발생하게 되고, RF전력의 손실 및 RF 전력에 지출되는 비용도 커진다는 문제점이 있다.

이런 문제점들을 해결하기 위하여 개발된 것이 페로마그네틱을 이용한 ICP 안테나인데, 이는 도 3에 도시된 바와 같이 페로마그네틱(ferrite) 등과 같은 강자성체로 이루어지는 코어(20)에 코일(22)을 감아서 여기에 RF전력을 인가하게 되면, 코일(22)에 흐르는 RF전류에 의하여 발생하는 자기장 세기(magnetic field strength: H-field)의 대부분이 강자성체로 이루어진 페로마그네틱 코어(20) 내부에 자기장 세기에 페로마그네틱 코어(20)의 비투자율(relative permeability) 값의 배만큼의 자기장 플럭스(magnetic flux density; B-field)가 집속되어 유도되며, 이렇게 감금된 자기장 플럭스는 앙페르의 법칙(Ampere's law)에 의하여 시변 전기장(E-field)을 코어(20)의 개방부에 자기장의 법선방향으로 생성하게 된다. 이때 도 1 및 도 2에 도시된 일반적인 ICP형 안테나에 비하여 플라즈마 발생을 원하는 부분에 큰 세기의 시변 전기장(E-field)이 유도된다. 따라서 페로마그네틱 코어를 이용한 ICP 안테나를 이용하면 일반 ICP의 사용전력보다 낮은 전력에서도 소스 가 스의 해리 및 이온화율을 높일 수 있는 고밀도 플라즈마를 얻을 수 있으며, 또한, 높은 전자온도의 플라즈마를 얻을 수 있다.

최근 들어 LTPS(Low Temperature Poly Silicon), 유기 EL(Electro Luminescence), CNT(Carbon Nano Tube) 등의 제작 공정을 중심으로 이러한 저온증착 플라즈마에 대한 필요성이 증가하고 있다. 이러한 공정에서 일반적으로 요구되는 저온 증착용 플라즈마는, 플라즈마 밀도가 약 1×10¹¹/cm³ 이상이어야 하고, 전자에너지가 약 3eV 이상이어야 하며 수십 m Torr 이하의 낮은 공정압력, 낮은 플라즈마 전위, 낮은 이온에너지를 요구한다. 이는 일반적으로 전자에너지가 높을수록 소스물질의 해리 및 이온화율이 높아져 플라즈마 밀도가 높을수록 막질이 좋아지기 때문이다. 또한, 공정압력이 낮을수록 막질이 좋아지므로 가능하면 수십 m Torr 이하의 공정압력하에서도 플라즈마가 효과적으로 발생 및 유지될 수 있어야 하며, 이온충격으로 인한 기판손상을 방지하기 위하여 낮은 이온에너지 및 낮은 플라즈마 전위를 가지는 것이 바람직하다.

예를 들어 종래의 LTPS 공정은 CCP 방식으로 α-Si을 증착한 후에 별도의 추가공정으로 피처리 기판 위의 a-Si 증착층에만 레이저 조사를 통해 피처리 기판의 온도를 상승시키지 않고 poly-Si으로 결정화하는 방법이 많이 이용되었으나, 전술한 조건을 충족하는 저온 증착용 플라즈마를 이용하게 되면 결정화 작업을 거칠 필요 없이 poly-Si을 직접 피처리 기판에 증착시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 애노드와 캐소드의 사이에 유기화합물로 이루어진 정공수송층, 유기발광층 및 전자수송층을 순차적으로 형성하여 제조되는 유기 EL의 경우에, 사용되는 유기물질이 주로 저분자계이어서 수분이나 고에너지 입자에 취약한 단점이 있다. 따라서, 도가니에 원료물질을 담아 챔버 내부에서 기화시켜 기화된 원료물질을 피처리 기판에 증착시키는 방식이 주로 이용되는데, 이러한 방법으로는 대면적 기판에 적용하기가 어렵고 증착 속도도 느리므로, 전술한 조건을 충족하는 저온 증착용 플라즈마를 발생시킬 수 있는 토로이드형 다중 페로마그네틱 코어를 사용한 유도결합형 플라즈마 안테나를 이용하면 이러한 문제점들을 개선할 수 있게 된다.

현재 토로이드형 페로마그네틱 코어를 이용하여 플라즈마 소스로 이용하는 방식에는 페로마그네틱 코어를 챔버 상부에 별도로 위치시키는 외부형과 페로마그네틱 코어 자체를 챔버 내부에 완전히 포함시켜 설치하는 내부형이 제안되고 있다.

외부형은 플라즈마가 발생하는 제너레이션 챔버와 공정이 진행되는 챔버가 상당히 이격되어 있기 때문에 기판 위치에서는 높은 플라즈마 밀도를 기대하기 어렵고, 안테나의 위 방향으로 유도되는 전기장의 손실로 인하여 입력되는 전력 대비 발생 플라즈마의 효율이 낮으며, 제너레이션 챔버 내부의 외부형 토로이드 코어를 감싸는 커버에 와전류(eddy current)의 발생과 유도전기장이 커버 벽에 의하여 손실되는 비율이 높으므로 공정이 이루어지는 챔버 내부로의 에너지 전달효율이 낮을 수밖에 없으며, 이로 인해 플라즈마 점화 및 유지에도 불리한 단점이 있다. 또한, 외부형에 의하여 발생되는 유도 전기장의 방향이 피처리 기판과 수직으로 존재하기 때문에 수직방향의 높은 에너지를 가진 이온이 피처리 기판에 충격을 가하게 되므 로 매우 불리한 구조이다.

한편, 내부형은 토로이드 코어가 챔버 내부에 완전히 포함될 뿐만 아니라 토로이드에 감긴 코일까지도 챔버 내부 진공 분위기에 위치하므로, 플라즈마 임피던스의 변화가 RF전력과 연결되어있는 코일의 임피던스에 영향을 주게 되어 RF전력의 매칭 컨디션이 공정이 진행되는 순간마다 불안정해지고, 코일 또는 RF전력 공급선을 플라즈마로부터 보호하기 위하여 진공 시일(seal)을 하여야 하는 문제점이 있다.

특히, 토로이드형 페로마그네틱 코어의 발열 온도가 큐리(Curie)온도를 넘게 되면 강자성체가 자성 성질을 잃게 되어 시변 자기장이 발생하지 않게 되고, 발열로 인하여 투자율이 변화되거나 코어 내부의 전력 손실이 증대하므로 토로이드를 적절히 냉각시키는 것이 중요한데, 내부형의 경우 토로이드가 챔버 내부에 위치하기 때문에 이를 냉각시키는 것이 용이하지 않다는 단점이 있다.

또한, 종래 제안된 기술에서도 대면적의 플라즈마를 발생시키기 위하여 위에서 설명된 형태의 내부형 또는 외부형 토로이드 안테나를 여러 개 사용하였는데 이때 각각의 안테나에 한 개의 RF 전력에서 나온 파워 라인을 직렬 혹은 병렬방식으로 연결하여 플라즈마를 발생시켰다. 그러나 공정조건이나 페로마그네틱 코어의 특성 혹은 페로마그네틱 코어에 감긴 코일 등의 특성 변화에 따라 하나의 RF 전력으로부터 공급되는 파워가 각각의 안테나에 정확하게 분배되기 어렵고, 시간이 지남에 따라서 안테나 특성이 조금씩 변화하게 되는데 이때에도 각각의 안테나에 원하는 크기의 RF 전력을 정확하게 공급하기가 불가능하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자들은 특허출원 제2005-0013187호(2005.02.17.출원)에서와 같이 높은 밀도, 높은 전자 에너지, 낮은 압력, 낮은 플라즈마 전위를 가진 플라즈마를 용이하게 발생시킬 수 있고, 페로마그네틱 코어의 개방부가 챔버 내에 있기 때문에 플라즈마 발생효율도 높이며, 페로마그네틱 코어의 바깥부분은 대기중으로 노출되어 있기 때문에 간편하고 효율적으로 냉각시킬 수 있어 페로마그네틱 코어의 특성을 안정적이면서 최대한 사용할 수 있고, 페로마그네틱 코어에 감기는 유도 코일이나 전원공급선을 진공시일하여야 하는 문제점 및 플라즈마 임피던스 변화에 의하여 매칭조건이 변화하는 문제를 해결할 수 있도록 한 페로마그네틱 ICP 소스를 개발한 바 있다.

또한, 본 발명자들의 상기한 선출원발명에 의한 페로마그네틱 ICP 소스는 각각의 안테나가 독립적인 모듈형태이므로 챔버에서 용이하게 탈부착이 가능하며 대면적 기판처리 공정 시에는 2개 이상의 토로이드형 페로마그네틱 안테나 모듈을 연결하여 플라즈마 발생면적을 용이하게 넓힐 수 있는 장점이 있고, 각각의 모듈에 독립적으로 전력을 공급하게 되면서 이들 전력의 양을 모두 같게 혹은 공정 조건에 맞도록 각각 다르게 원하는 대로 조절하면 손쉽게 챔버 내 플라즈마의 높은 균일도를 실시간으로 유지할 수 있다.

본 발명은 상기한 본 발명자들의 선출원발명을 좀더 개선함과 아울러 위에서 열거한 종전의 안테나들의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 갈수록 미세화, 고집적화되는 회로패턴에 부합하기 위하여, 저온, 저압 하에서 고밀도 플라즈마와 대면적 기판처리에 용이한 플라즈마를 발생시킬 수 있는 수단을 제공하는 데 있다.

구체적으로 본 발명은 높은 밀도·높은 전자 에너지·낮은 압력·낮은 이온 에너지·낮은 플라즈마 전위를 가진 플라즈마를 용이하게 발생시킬 수 있고, 재킷 내부의 토로이드형 다중 페로마그네틱 코어가 대기 중에 노출되어 있기 때문에 간편하고 효율적으로 냉각시킬 수 있어 페로마그네틱 코어의 특성을 최대한 사용할 수 있으며, 페로마그네틱 코어에 감기는 코일이나 전원공급선을 진공 시일 하여야 하는 문제점 및 플라즈마 임피던스 변화에 의하여 매칭 조건이 변화하는 문제를 해결할 수 있고, 대면적 기판 처리 공정 시에는 두 개 이상의 토로이드형 다중 페로마그네틱 ICP 안테나 모듈을 다수 연결하여 플라즈마의 발생면적을 용이하게 넓힐 수 있도록 하는 데 있다.

또, 본 발명은 두 개 이상의 다중 페로마그네틱 코어의 개방부에 위치한 세라믹 튜브 내부 즉, 재킷 개방부에서 발생하는 유도 전기장의 세기 및 방향을 다양하게 조합하는 것에 의해 공정에 적절한 플라즈마를 발생 및 유지시킬 수 있고, 다중의 페로마그네틱 코어의 사용으로 낮은 입력 전력으로도 높은 밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 이때 각각의 안테나 모듈에 독립 입력 전력을 공급하게 되며 공급되는 전력의 상태를 피드백회로를 통하여 제어할 있으므로 손쉽게 안테나 모듈의 개수와 다중 페로마그네틱 코어를 장착한 재킷의 모양 변화를 통하여 챔버 내 플라즈마의 높은 균일도를 실시간으로 유지할 수 있도록 하는 데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하나의 보호 재킷 안에 2개 또는 그 이상의 코어로 구성된 다중 페로마그네틱 코어를 종 또는 횡 방향으로 인접한 곳에 적절하게 배치함으로써 페로마그네틱 코어 개방부에 유도되는 전기장의 세기를 많이 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 전기장의 방향도 조정할 수 있으므로 소스 가스 혹은 물질의 해리 및 이온화율을 높여 고밀도 플라즈마를 용이하게 얻을 수 있도록 한 다중 페로마그네틱 코어를 사용한 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나 모듈과 이를 이용한 기판처리장치를 제공한다.

또, 본 발명은 보호 재킷 안에 2개 또는 그 이상으로 서로 종 방향 또는 횡 방향으로 설치된 페로마그네틱 코어에 코일의 감는 방향 또는 인가되는 전력의 방향을 달리하여 유도되는 전기장의 방향을 정방향 혹은 역방향으로 임의대로 조정할 수 있도록 하여 증착 혹은 에칭할 피처리 기판의 특성에 맞게 플라즈마의 발생 면적의 대형화 및 플라즈마 특성 등을 수월하게 조정할 수 있도록 한 다중 페로마그네틱 코어를 이용한 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나 모듈을 제공한다.

본 발명에 의한 기판처리장치는 밀폐된 반응영역을 정의하는 챔버와; 이 챔버의 내부에 위치하며 피처리 기판을 안치하는 서셉터와; 상기 챔버의 외부에 위치하는 RF전원과; 적어도 일부가 상기 챔버의 내부로 노출되도록 상기 챔버에 결합하 는 보호 재킷과; 이 보호 재킷 안에 횡 방향 또는 종 방향으로 다중 배치된 복수의 페로마그네틱 코어와; 상기 페로마그네틱 코어 중에서 상기 챔버 외부에 위치하는 부분에 감기고 상기 RF전원과 전기적으로 연결되는 코일과; 상기 RF전원과 상기 코일 사이에서 임피던스를 정합시키는 매칭회로; 를 포함하여 이루어져 있다.

본 발명에서 상기 보호 재킷 외부와 챔버의 경계부는 진공유지를 위하여 O-링에 의하여 밀폐되는 것이 바람직하나, 반드시 O-링에 의한 실링 방법만을 사용해야 하는 것은 아니다. 또, 상기 코일이 감기는 코어는 페로마그네틱 성질이 있는 페라이트 또는 아이언 파우더 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 다중 페로마그네틱 코어를 갖는 보호 재킷은 챔버의 조건에 따라 동일 챔버 내에 2개 이상 설치될 수 있는데, 이때 각 보호 재킷 내부의 코일에 각각의 RF전원이 연결되어 각 다중 페로마그네틱 코어에 감긴 코일마다 독립적인 RF전원에 연결될 수도 있고, 하나의 RF전원이 다중 페로마그네틱 코어가 장착된 2개 이상의 금속 챔버 내의 코일들을 직렬, 병렬 혹은 직렬과 병렬이 혼합된 형태로도 연결될 수 있다.

상기 다중 페로마그네틱 코어의 보호 재킷 형태는 챔버의 크기나 형태 또는 처리 기판의 형태에 따라 자유로이 변화될 수 있으며, 보호 재킷 내부에 삽입되는 페로마그네틱 코어의 개수 조정을 통하여 원하는 공정에 적합한 조건을 획득할 수 있다.

상기 2개 이상의 RF전원 각각에는 위상변환기가 연결될 수 있고, 플라즈마 점화를 위하여 10kHz ~ 800kHz의 범위에서 주파수를 스위핑(sweeping)하는 주파수 스위핑 회로 또는 전력을 스위핑하는 전력 스위핑 회로가 연결될 수도 있다. 상기 RF전원의 주파수는 10kHz ~ 13.56MHz 범위에서 공급되는 것이 바람직하다.

상기 기판처리장치는 상기 챔버 내부의 플라즈마 상태를 검사하는 플라즈마 검사부와; 상기 플라즈마 검사부에서 측정된 플라즈마 파라미터에 대한 정보를 이용하여 상기 RF전원 또는 상기 매칭회로를 제어함으로써 코일에 전달되는 RF전력을 조절하는 피드백제어부를 더 포함할 수 있는데, 이때 매칭회로와 코일 사이의 도선에는 전압 및 전류를 측정하여 그 정보를 상기 피드백제어부로 제공하는 V-I 검침부를 더 포함할 수 있고, 피드백제어부에 의해 제어되어 상기 페로마그네틱 코어를 소정 각도 회전시키는 회전구동부를 더 포함할 수도 있다.

이하에서는 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면에 의하여 구체적으로 설명하기로 한다.

[기판처리장치]

제1실시 예

도 4는 본 발명의 제1실시 예에 따른 기판처리장치(100)의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.

본 발명에서 밀폐된 반응영역을 정의하는 챔버(110)의 내부에 피처리 기판(S)을 안치하는 서셉터(120)가 위치하고, 챔버(110)의 저면에 잔류가스를 배출하는 배기구(114)를 구비하고 있는 점에서는 종래의 기판처리장치와 동일하다.

본 실시 예는 다중 페로마그네틱 코어 ICP 안테나 모듈(130)을 형성하는 보 호 재킷(131)이 챔버리드(110a)에 수직으로 결합함에 있어서, 보호 재킷(131) 내부에 위치한 페로마그네틱 코어(132) 내측의 코어 개방부(130a)가 챔버(110)의 내측에 위치할 수 있는 깊이로 결합하고, 페로마그네틱 코어(132)에 감기는 코일(134)은 챔버(110)의 외부, 즉 챔버리드(110a) 상부의 대기 중에 위치하도록 한다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여 도면상에서 챔버리드(110a)는 실선 외에도 보호 재킷(131) 내부에 수평방향으로 점선으로 도시되어 있으며, 이 챔버리드(110a)의 상부에 코일(134)이 위치하고, 코어 개방부(130a)에 앞뒤로 관통된 절연체 튜브(130b)가 끼워져 있으며, 이 절연체 튜브(130b)의 내부는 보호 재킷(131)을 관통하여 재킷 개방부(130c)를 이룬다. 이 재킷 개방부(130c)는 전후 양단이 챔버(110) 내부와 연통되어 진공 분위기에 놓여 있다. 이 재킷 개방부(130c)에서 발생되는 유도 전기장에 의하여 플라즈마가 발생하기 때문에 재킷 개방부(130c)는 챔버(110)의 내부에 최대한 위치하도록 고려되어 있다.

상기 챔버(110) 내부에 위치하는 코어 개방부(130a) 내측의 세라믹 튜브(130b)는 보호 재킷(131)을 관통하여 설치되되 기밀성을 유지할 수 있도록 즉, 챔버(110) 내측에 설치된 보호 재킷(131)을 통해 진공상태가 깨지는 것을 방지할 수 있도록 완벽한 기밀상태를 유지한 상태로 조립된다.

본 발명에서 다중 페로마그네틱 코어 ICP 안테나 모듈(130)을 형성하는 보호 재킷(131)이 반드시 챔버 리드(110a)에 결합되어야 하는 것은 아니고, 기판처리장치의 종류에 따라서는 챔버(110)의 측벽 및 하단 부분에도 결합될 수 있는 것이며, 결합되는 개수도 특별히 한정되는 것은 아니다.

도 4에서 코어 개방부(130a)가 보이도록 도시한 것은 설명의 편의를 위한 것일 뿐이고, 유도 전기장의 방향을 수평으로 형성하기 위해서는 토로이드형 안테나 모듈(130)을 도 4의 지면(紙面) 방향으로 90°회전시켜 각 코어 개방부(130a) 즉, 재킷 개방부(130c)가 서로 마주보도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 챔버(110) 내부에 부분 삽입된 보호 재킷(131) 내부의 코어 개방부(130a)에서 발생한 유도 전기장의 방향 및 세기 등을 고려하여 이웃에 위치한 다른 안테나 모듈에서 형성되는 유도 전기장과의 상호작용을 적절히 이용하면 공정특성에 알맞은 플라즈마 발생을 손쉽게 할 수 있다.

그러나 공정의 특성이나 장치의 특성에 따라서는 각 코어 개방부가 마주보는 각도가 임의의 값을 가질 수 있으며, 안테나 모듈 간의 유도 전기장의 상호작용의 조합은 한정되지 않는다.

각 토로이드형 코어 안테나 모듈의 코일(134)은 RF전력을 공급하는 RF전원(140)에 연결되며, RF전원(140)과 각 코일(134)의 사이에는 부하 임피던스와 소스 임피던스를 정합시키는 매칭회로(150)가 개재되어 있다.

도 4의 실시 예에서는 하나의 RF전원(140)과 하나의 매칭회로(150)를 통하여 각 토로이드형 안테나 모듈(130)의 코일(134)에 RF전력을 직렬, 병렬 혹은 직렬과 병렬이 혼합된 형태로 공급하고 있으나, 후술하는 제2실시 예에서와 같이 각 토로이드형 안테나마다 별개의 RF전원과 매칭회로를 모듈의 하우징 내에 독립적으로 연결할 수도 있다. 본 발명의 바람직한 실시 예에서 RF전원(140)은 10kHz ~ 13.56MHz 범위의 RF전력이다.

토로이드형 코어 안테나 모듈(130)을 이루는 보호 재킷(131) 내의 페로마그네틱 코어(132)는 코어 일부에 감겨있는 코일(134)로 흐르는 RF전류에 의하여 발생하는 자기장 플럭스를 코어의 모양(폐 루프를 가지는 모양)과 같은 경로를 따라 구속하여 제공하는 역할을 하므로, 주로 강자성체인 페라이트(ferrite) 또는 아이언 파우더(iron powder) 재질로 제작되는 것이 바람직하다.

상기 페로마그네틱 코어(132)는 가운데에 유도 전기장의 전속(電束)이 지나는 코어 개방부(130a)를 가지기만 하면 그 형상이 도면에 도시된 것처럼 D형에 한정되는 것은 아니며, 상기 코어 개방부(130a)에 절연체 튜브(130b)와 같은 절연체 물질을 삽입하면 코어(132) 주변의 폴로이달(poloidal) 방향으로 형성되는 와전류를 단절시키면서 유도 전기장의 발생을 이롭게 하는 역할을 하는데, 이 코어 개방부(130a)에 삽입될 절연체 튜브의 모양은 특별히 한정하지 않으며, 또한 코어의 폴로이달 방향으로 와전류를 단절시킬 수 있는 구조로만 구성된다면 알루미늄과 같은 금속 재질을 사용하는 것도 무방하다.

또한, 상기 보호 재킷(131) 내부에서 다중 페로마그네틱 코어(132)의 배치형태가 도면에 도시된 것처럼 횡 방향 또는 종 방향으로 한정되는 것은 아니며, 동일 보호 재킷(131) 내의 페로마그네틱 코어(132)의 개수 또한 한정되는 것은 아니다.

다만, 다중 페로마그네틱 코어(132) 중앙에 발생하는 유도 전기장으로부터의 에너지 전달효율을 높여 플라즈마 밀도를 높이기 위해서는 코어 개방부(130a)에 상응하는 재킷 개방부(130c)가 상기 챔버(110)의 내부에 위치하여야 한다.

또, 다중 페로마그네틱 코어(132) 중앙의 개방부로 부터 유도되는 전기장의 에너지 전달효율 증가 및 기타 공정 등의 목적에 따라서 안테나 모듈 간의 챔버(110) 내에서의 거리 및 방향의 배치뿐만 아니라 보호 재킷(131) 내부에 위치한 페로마그네틱 코어(132)의 모양 및 배치에 있어서도 제한을 두지 않는다.

또, 챔버(110) 내부로 삽입되는 페로마그네틱 코어(132)가 플라즈마에 직접 노출되면 파티클의 발생원이 되므로 보호 재킷(131)이 페로마그네틱 코어(132)를 전체적으로 감싸고 있는데, 이 보호 재킷(131)은 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 세라믹 등을 이용하여 제작될 수 있으며, 코어(132) 주변을 감싸며 형성된 와전류가 코어를 감싸고 있는 금속 보호 재킷(131)에 의하여 도통되는 것을 방지하기 위하여 와전류와 수직방향으로 세라믹 등의 부도체를 금속에 접합하여 제작할 수도 있다.

상기 보호 재킷(131)의 내벽과 페로마그네틱 코어(132) 사이는 일정 거리 이격되도록 하고, 그 사이의 공간을 냉매유동공간(133)으로 활용하게 되면, 페로마그네틱 코어(132)에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 따라서 보호 재킷(131) 중에서 챔버리드(110a)의 상부에 위치하는 부분에는 냉매유입구(136) 및 냉매유출구(137)를 형성하고, 여기에 외부의 냉각시스템과 연결되는 냉매유입관(138) 및 냉매유출관(139)을 연결하는 것이 바람직하다.

상기 챔버리드(110a)의 상부로 노출된 보호 재킷(131)의 윗부분은 대기로 노출된 상태이므로 외부의 공기로 페로마그네틱 코어(131)를 냉각할 수도 있고, 기타 냉각수 등을 강제로 순환되게 공급할 수도 있다.

도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 다중 페로마그네틱 코어 안테나 모듈(130)의 사시도로서, 도 5a는 복수의 페로마그네틱 코어(132)가 보호 재킷(131) 내에 횡 방향으로 나란히 배치된 경우이고, 도 5b는 복수의 페로마그네틱 코어(150)가 보호 재킷(131) 내에 종으로 나란히 배치된 경우이다.

도 5a 및 도 5b에서 챔버 외부로 노출되는 면에 냉매유입구(136) 및 냉매유출구(137)가 형성되어 여기에 냉매유입/유출관(138,139)이 연결되고, 내부의 코일(134)과 연결되는 전원공급선(135)이 관통되고 있다. 보호 재킷(131)은 대기압 상태의 내부와 진공상태의 챔버(110) 내부공간을 격리시키는 역할도 하여야 하므로 자체로 진공 시일이 되어 있어야 하며, 챔버리드(110a)와의 사이에는 O-링(112) 등의 기밀부재가 설치된다.

바람직하기에는 챔버(110) 내부의 플라즈마 상태를 파악하여 RF전원(140) 또는 매칭회로(150)를 제어하는 피드백제어부(160)를 더 구비할 수 있으며, 이 피드백제어부(160)는 통상 운전자가 조작하는 제어컴퓨터의 일부로 구성될 수도 있고, 이와 별개로 구성될 수도 있다.

또, 챔버(110) 내부의 플라즈마 상태에 대한 정보는 플라즈마 검사부(180)에서 검출하게 되는데, 검출방식에는 도 4에 도시된 것처럼 탐침봉(182)을 이용하는 정전 탐침(probe) 방식이나 뷰어 포트를 통한 광진단 방식이 있다.

플라즈마 검사부(180)에서 검출된 플라즈마 파라미터 정보는 피드백제어부(160)에서 각 토로이드형 안테나의 코일(134)에 공급되는 RF전력의 세기 또는 위상, 각 토로이드형 안테나의 방향을 제어하는 자료로 활용된다.

또한, RF전력의 정밀한 제어를 위하여 각 토로이드형 안테나 모듈(130)의 코일(134)과 매칭회로(150)의 사이의 전원공급선(135)에는 RF전력의 전압 및 전류를 검사하기 위하여 도면에 도시된 바와 같이 V-I 검침부(170)를 둘 수 있다.

본 발명에서 RF전원(140)의 위상을 조절하기 위해서는 각 토로이드형 안테나모듈(130)의 코일(134)에 연결되는 전원공급선(135)에 별도의 위상변환회로(미 도시됨)를 연결하는 것이 바람직하며, 상기 위상변환회로도 피드백제어부(160)에 의해 동작이 제어된다.

한편, 도 4에는 챔버(110) 내부로 공정 기체를 유입하는 수단을 도시하고 있지는 않으나, 이는 서셉터(120) 상부에 위치하는 인젝터 또는 샤워헤드 형태일 수도 있고, 서셉터(120)의 가장자리에서 중앙을 향해 공정 기체를 분사하는 형태의 분사수단일 수도 있다.

이와 같은 구성의 기판처리장치(100)에서 기판처리공정이 진행되는 순서를 설명하기로 한다.

먼저, 미 도시된 도어를 통해 챔버(110) 내부로 반입된 피처리 기판(S)이 서셉터(120)의 상부에 안치되면, 진공펌핑을 통해 공정압력을 조성한 다음 외부에서 공정 기체를 챔버(110) 내부로 분사하는 동시에 코일(134)에 RF전원(140)을 인가하여 페로마그네틱 코어(132) 내부에 시변 자기장을 발생시킨다.

시변 자기장에 의하여 코어 개방부(130a)를 지나는 유도 전기장이 발생하며, 페로마그네틱 코어(132)가 서셉터(120)에 수직하게 설치되어 있으므로 상기 유도 전기장은 서셉터(120)에 평행하게 형성된다.

챔버(110) 내부에 형성된 유도 전기장에 의하여 공정 기체가 해리 및 이온화되어 활성종과 전자의 혼합가스인 플라즈마가 발생하며, 상기 활성종이 피처리 기판(S)으로 입사하여 증착, 에칭 등의 공정을 수행하게 된다. 이때 다중 페로마그네틱 코어 안테나 모듈(130)을 동일 챔버(110) 내에 다수 설치하면 서셉터(120)에 대해 더욱 평행하고 넓은 영역의 유도전기장을 형성할 수 있게 되어 대면적 기판 처리용 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

제2실시 예

도 6은 본 발명의 제2실시 예에 따른 기판처리장치를 도시한 것으로서, 각 토로이드형 안테나 모듈의 코일(134)마다 별개의 RF전원(140)을 연결한 점에 특징이 있다.

본 실시 예에서는 보호 재킷(130) 내에 복수의 페로마그네틱 코어(132)가 종 방향으로 배치된 경우이며, 각 RF전원(140)의 위상을 조절하기 위한 위상변환기(200)를 설치하고, 이를 피드백제어부(160)에 의하여 자동으로 제어되도록 함으로써, 각 코일(134)의 RF전력 제어, 페로마그네틱 코어(132)의 방향제어 등과 마찬가지로 플라즈마 검사부(180)를 통해 획득한 플라즈마 파라미터 정보에 근거하여 챔버(110) 내부의 플라즈마 파라미터 및 균일도를 더욱 정밀하게 제어할 수 있도록 하였다.

본 실시 예에서 부호 190은 회전구동부로, 이는 도면상으로는 구체적으로 도 시되어 있지 않으나, 전기적으로 작동하는 구동모터와 이와 결합되는 소정의 기어로 동작하게 되며, 안테나 모듈(130) 전체를 세타(theta) 방향으로 즉, 피처리 기판(S)에 대해 수직인 축을 중심으로 회전시키게 된다. 안테나 모듈(130)이 회전하게 되면 보호 재킷(140)도 함께 회전하게 되므로 보호 재킷(140)과 챔버리드(110a)의 경계면에서 기밀을 유지하면서 회전하기 위해서는 자성유체를 이용하는 마그네틱 시일(magnetic seal)을 이용하는 것이 바람직하다.

이상에서는 플라즈마를 이용하는 기판처리장치의 챔버리드(110a)에 토로이드형 안테나 모듈(130)을 직접 결합하고, 각 토로이드형 안테나 모듈(130)의 코일(134)에 RF전원(140), 매칭회로(150) 등을 연결한 경우에 대하여 설명하였다.

제3실시 예

본 발명에 의한 다중 페로마그네틱 코어 안테나 모듈(130)을 챔버(110) 내에 다수 장착한 후 각 보호 재킷(131) 내부에 배치된 코어(130)에 감겨 있는 코일(134)에 흐르는 입력 전류의 방향을 조정함으로써 챔버(110) 내부에 형성되는 유도 전기장의 방향을 임의대로 조정할 수 있는데, 이렇게 형성된 유도 전기장의 방향은 플라즈마 발생 및 유지에 영향을 주며 기판 처리 공정에도 큰 영향을 준다.

도 7a 내지 도 7f에 유도 전기장의 방향에 관한 실시 예를 나타내었으며 동 도면에 도시된 유도 전기장의 방향 예 외에도 안테나 모듈의 개수 및 모듈의 재킷 내의 페로마그네틱 코어의 개수에 따라서 유도 전기장의 방향 조합이 변하므로 전기장 방향의 조합에 제한을 두지는 않는다.

상기 유도 전기장의 방향을 조정하는 방법으로는 각각의 코일에 입력되는 전류를 전원으로부터 직접 컨트롤하여 방향을 조정하는 방법이 있으며, 코어의 코일이 감기는 방향(오른쪽, 왼쪽)을 조정하여서도 코어 개방부에서 발생하는 유도 전기장의 방향을 조정할 수 있다.

도 7a 내지 도 7d에는 복수의 페로마그네틱 코어(132)를 보호 재킷(131) 내에 수평으로 배열한 경우 각각의 코어(132)에 흐르는 입력 전류의 방향을 조정하여 코어 개방부(130a) 즉, 재킷 개방부(130c)에서 발생하는 유도 전기장의 방향을 화살표로 도시한 바와 같이 다양하게 생성할 수 있음을 보여 주고 있는데, 도 7a는 유도 전기장의 방향을 모두 동일하게 한 방향을 향하도록 조성한 경우이고, 도 7b는 유도 전기장의 방향을 모두 챔버의 내측에서 외측 즉, 챔버의 중앙부에서 외곽을 향하도록 조성한 경우이며, 도 7c와 도 7d는 유도 전기장의 방향을 위와는 또 다르게 다양한 방향을 갖도록 형성한 것을 보여주고 있다.

상기 도 7a 내지 도 7d는 도 5a에 도시된 바와 같은 2개의 코어가 횡 방향으로 배열된 안테나 모듈을 사용한 경우이고, 도 7e 및 7f는 도 5b에 도시된 바와 같이 2개의 코어가 종 방향으로 배열된 안테나 모듈을 사용한 경우이다.

도 7e 및 도 7f는 2개의 코어를 종 방향으로 배열하고 각각의 코어(132)에 감긴 코일(도시생략됨)에 흐르는 전류의 방향을 반대로 하여 코어 개방부에서 발생되는 유도 전기장의 방향을 화살표로 도시한 바와 같이 생성시킬 수 있음을 보여주고 있다.

본 실시 예에서 상기 동일 재킷 내의 여러 개의 코어(132) 중에서 챔버의 코 너 쪽 또는 벽 쪽에 가까운 코어에 감기는 코일의 권선수를 더 많이 감거나 벽에 가까운 코일에 전력을 더 세게 인가하면 코너 쪽이나 외곽 쪽의 플라즈마 균일도를 보다 향상시킬 수 있다.

제4실시 예

본 실시 예는 도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이 다중 페로마그네틱 코어 안테나 모듈(130)의 보호 재킷(131) 형태를 "ㅡ", "ㄱ", "+"와 같은 형태 등으로 다양하게 형성하고 여기에 다중의 페로마그네틱 코어(132)를 삽입하여 대면적 플라즈마 처리장치에 유리하도록 구성한 것으로, 대면적 사각 챔버(110) 내에 위치한 사각형 피처리 기판(S)과 각각의 여러 형태의 안테나 모듈(130)에서 발생하는 유도 전기장의 방향을 화살표로 나타내었다.

본 실시 예에서와 같은 사각 챔버(110) 내에서의 기판 처리시에는 코너 부분의 월 로스(wall loss)율 증가로 인하여 균일도가 심하게 깨지는 현상이 발생하는 것을 감안하여 도 8a의 실시 예에서와 같이 사각 챔버(110)의 코너 부근에 배치된 ㄱ자 형태의 재킷(131) 안에 2개의 코어(132)를 서로 90°각도를 이루도록 위치시킨 후 전기장의 방향을 코너 쪽에서 같은 방향을 유지하도록 하거나(도면상에서 우측 상·하 코너부분) 혹은 반대 방향(도면상에서 좌측 상·하 코너부분)을 유지하도록 배치한다. 이때 코너 쪽 재킷(131) 내의 코어들을 제외한 다른 재킷 내의 코어들에게 인가하는 파워 및 코일 권선수의 조정을 통해 코너 쪽에서의 플라즈마 균일도 향상을 이루도록 하면 된다.

상기 유도 전기장의 방향을 조정하는 방법으로는 앞서 설명한 바와 같이 각각의 코일에 입력되는 전류를 전원으로부터 위상변환기를 통하여도 직접 컨트롤하여 방향을 조정하는 방법이 있으며, 코어의 코일이 감기는 방향(오른쪽, 왼쪽)을 조정하여서도 개방부에서 발생하는 유도 전기장의 방향을 컨트롤할 수 있다.

도 8b 및 도 8c는 대면적 사각 챔버에서의 배치상태를 도시한 것으로, 도 8a의 실시 예에서 "ㅡ"형 및 "+"형의 보호 재킷(131)을 사각 챔버(110)의 테두리부분과 중앙부에 추가로 배치하여 사각 챔버(110)의 전 면적에 걸쳐 플라즈마의 균일도를 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

제5실시 예

도 9에 도시한 바와 같이 다중 페로마그네틱 코어(132)가 장착된 안테나 모듈(130)의 보호 재킷(131) 형태에 변화를 준 것으로, 이는 원형 챔버(10)의 외곽 쪽에 설치되는 보호 재킷(131)의 형태를 단순한 "ㅡ"형에서 중간부가 소정의 각도로 굽어진 "〈" 형으로 제작하고 이를 회전 방향에 대하여 일정 간격으로 배치함으로써 원형 챔버(110) 내의 원형 기판(도시 생략됨)을 처리하는 데에도 적합한 균일도를 갖는 플라즈마를 생성할 수 있도록 한 것이다.

도 9에 도시된 실시 예에서도 상기 도 7 및 도 8의 실시 예에서 설명된 것과 동일한 방법으로 유도 전기장의 방향 및 플라즈마 균일도를 조정할 수 있는데, 이에 대한 중복되는 설명은 생략한다.

[안테나 모듈]

이하에서는 이와 같은 토로이드형 안테나에 전원공급부와 매칭회로를 포함하는 일체형 안테나 모듈로 제작하여 이를 모듈 단위로 챔버에 결합할 수 있도록 구성한 토로이드형 안테나 모듈에 대해 설명하기로 한다.

도 10a 및 도 10b는 이와 같은 토로이드형 안테나 모듈(300)을 도시한 사시도이고, 도 11a 및 도 11b는 도 10a의 실시 예에 도시된 안테나 모듈의 구성도로서 각각 피드백제어부 내장형 및 외장형 안테나 모듈(300)의 내부 구성을 도시한 것이다.

상기 도 10a, 10b, 11a 및 도 11b에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시 예에서는 원통형의 하우징(310) 하단에 토로이드형 안테나 모듈(130)을 결합하고, 하우징(310)에 외부전원을 이용하여 RF전원을 발생시키는 전원공급부(140a), 매칭회로(150), V-I 검침부(170) 및 상기 안테나 모듈(130)을 회전시키기 위한 회전구동부(190)를 내장한 점에 특징이 있다.

특히, 전원공급부(140a)에 연결되는 코일(134)을 하우징(310)의 내부에 위치시키고 하우징(310)의 외부로 페로마그네틱 코어(132)가 돌출되도록 결합하여 재킷 개방부(130c)에 형성되는 유도 전기장이 플라즈마 발생에 직접 기여하도록 함으로써 에너지 전달효율 및 플라즈마 밀도를 높일 수 있도록 하였다.

페로마그네틱 코어(132)는 전술한 바와 마찬가지로 보호 재킷(131)에 의하여 외부와 격리되며, 하우징(310)과 보호 재킷(131)의 경계면에는 진공 시일이 이루어져야 하는데, 하우징(310) 내부의 회전구동부(190)에 의하여 토로이드형 안테나 모 듈(130)을 회전시키기 위해서는 도면에 도시된 바와 같이 회전 동작 중에도 진공 시일을 유지할 수 있는 자성유체를 이용한 마그네틱 시일(340)이 설치되는 것이 바람직하며, 토로이드형 안테나 모듈(130)을 회전시키지 않고 하우징(310) 전체를 회전시키는 것도 가능하다.

한편, 상기 페로마그네틱 코어(132)와 보호 재킷(131)의 내부를 소정간격 이격시켜 그 사이의 공간을 냉매가 유동할 수 있는 냉매유동공간(133)으로 활용될 수 있도록 하고, 보호 재킷(131) 중에서 하우징(310)의 내부에 위치하는 부분에는 상기 냉매유동공간(133)에 냉매를 유동시키기 위한 냉매유입관(138) 및 냉매유출관(139)이 연결되도록 한 점에서는 앞선 실시 예와 동일하다.

토로이드형 안테나 모듈(300)을 챔버리드에 결합하기 위해서는 하우징(310)과 챔버리드의 경계부에도 진공 시일을 위하여 O-링 등이 설치되어야 함은 물론이며, 도면부호 330은 이와 같이 챔버와의 경계부에 설치될 O-링을 예시한 것이다.

토로이드형 안테나 모듈(300) 내부의 매칭회로(150)는 코일(134)과 전원공급부(140a) 사이에서 임피던스를 정합하는 역할을 하며, V-I 검침부(170)는 RF전력의 세기를 정밀하게 제어하기 위하여 코일(134)과 매칭회로(150)의 사이에서 RF전력의 전압 및 전류 정보를 검사하는 역할을 하며, 회전구동부(190)는 모터와 소정의 기어로 구성되어 페로마그네틱 코어(132)의 방향을 조절하게 된다. 이 밖에도 위상제어를 위한 위상변환회로(미도시)를 더 포함할 수도 있다.

이러한 전원공급부(140a), 매칭회로(150), V-I 검침부(170), 회전구동부(190), 위상변환회로(미도시) 등은 피드백제어부(160)에 의하여 제어되는 것이 바 람직한데, 안테나 모듈(300) 외부의 플라즈마 검사부(180)로부터 입력된 챔버 내의 플라즈마 파라미터 정보를 근거로 하여, 피드백제어부(160)가 전원공급부(140a) 및 매칭회로(150)를 제어하여 RF전력의 세기를 조절하고, 위상변환기(200)를 조정하여 RF전력의 위상을 조절하며, 회전구동부(190)를 구동하여 토로이드형 안테나의 코어(132) 방향을 조절함으로써 챔버 내부의 플라즈마 파라미터 및 균일도를 정밀하게 제어할 수 있게 된다.

도 11a는 하우징(310)의 내부에 위치하는 내장 피드백제어부(160a)가 상기 제어동작들을 수행하도록 구성한 것인데, 이때 내장 피드백제어부(160a)를 외부의 제어컴퓨터(400)와 통신케이블을 이용하여 연결함으로써 장치운전자가 제어컴퓨터(400)를 통해 초기 공정조건을 설정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

도 11b는 피드백제어부(160)를 하우징(310)의 외부에 구비하여, 플라즈마 검사부(180)로부터 제공되는 플라즈마 파라미터 및 균일도 정보를 이용하여 토로이드형 안테나 모듈(300)을 제어하도록 구성한 것인데, 이때 피드백제어부(160)는 도시된 것처럼 제어컴퓨터(400)의 일부로 구성될 수도 있고, 별개로 구성될 수도 있다.

외부의 피드백제어부(160)가 모듈 내부의 전원공급부(140a), 매칭회로(150), V-I 검침부(170), 회전구동부(190)와 연결되어 RF전력의 세기, 모듈의 방향 등을 제어할 수 있으므로, 도 12와 같이 2개 이상의 모듈을 총괄적으로 제어하는데 유리한 구성이라고 할 수 있다. 이때, 각 전원공급부(140a)에 연결되는 위상변환기(200)를 피드백제어부(160)를 통해 자동 제어함으로써 플라즈마 파라미터를 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.

도 12에는 피드백제어부(160)에 2개의 모듈(300)이 연결되어 있으나, 개수가 특별히 한정되는 것은 아니며, 피처리 기판이 대형화될수록 플라즈마의 균일도를 확보하기 위해서는 더 많은 개수의 모듈을 설치할 필요가 있다. 토로이드형 안테나 모듈(300)을 다수 개 설치할 때에는 이를 상호 전기적으로 직렬 또는 병렬로 설치할 수 있다.

한편, 상술한 기판처리장치에서 챔버 내부에 플라즈마를 점화시키기 위해서는 아크 방전을 일으키는 점화기(ignitor)를 이용하여도 되지만, 아크 방전으로 인한 챔버 내부의 부품 열화와 오염원 발생을 방지하기 위하여 본 발명의 실시 예에서는 주파수 또는 전력(power) 스위핑(sweeping) 방식을 제안한다.

RF전원(140) 또는 전원공급부(140a)에 주파수 스위핑회로(미도시) 또는 전력 스위핑회로(미도시)를 연결하고, 일정 압력하에서 순간적으로 주파수 또는 전력을 스위핑하면 특정 주파수 또는 전력하에서 플라즈마가 점화된다. 플라즈마가 점화된 다음에는 정상적인 RF전력이 인가되도록 스위핑회로의 동작을 차단하여야 함은 물론이다.

본 발명과 같이 토로이드형 플라즈마 안테나를 이용하는 경우, 주파수를 스위핑하는 때에는 10kHz ~ 800kHz의 범위에서 스위핑하는 것이 바람직하고, 전력을 스위핑하는 때에는 100W ~ 5000W 정도의 범위에서 스위핑하는 것이 바람직한데, 주파수 스위핑 또는 전력 스위핑을 따로 진행할 수도 있고 한꺼번에 진행할 수도 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여만 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고 당업자에 의하여 다양하게 변형 내지 수정되어 실시될 수 있는 것이므로, 이와 같이 변형 내지 수정된 실시가 후술하는 특허청구범위로 대표되는 본 발명의 기술적 사상을 포함하는 것이라면 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 물론이다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 소스인 토로이드형 안테나에서 유도 전기장이 발생하는 코어 개방부(재킷 개방부)를 챔버 내부에 위치시킴으로써, 에너지 전달효율을 증대하여 높은 밀도와 높은 전자에너지를 가진 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 플라즈마 점화도 용이하게 할 수 있게 된다. 또, 페로마그네틱 코어에 RF전력을 인가하는 코일이 챔버 외부에서 페로마그네틱 코어에 결합되므로 전원공급선 및 냉각라인을 진공시일하여야 하는 필요성을 없앴으며 페로마그네틱 코어에 대한 냉각효율을 높일 수 있게 되었으며, 유도 전기장이 피처리 기판과 수평방향으로 형성되므로 이온충격에 의한 피처리 기판의 손상을 최소화할 수 있고, 페로마그네틱 코어·코일·RF전원·매칭회로·회전구동부·피드백제어부 등을 단일의 모듈로 제작하여, 모듈의 개수, 방향, 전기장의 위상 등을 조절함으로써 대면적 기판에서도 공정의 균일성을 용이하게 확보할 수 있는 등의 유용한 효과를 갖는다.

Claims (11)

1. 밀폐된 반응영역을 정의하는 챔버와;

   상기 챔버의 내부에 위치하며 피처리 기판을 안치하는 서셉터와;

   상기 챔버의 외부에 위치하는 RF전원과;

   상기 챔버에 결합되어 플라즈마가 발생되는 재킷 개방부는 상기 챔버의 내부에 위치하고, 이 재킷 개방부는 진공분위기 상태의 챔버와 연통되는 보호 재킷과;

   상기 보호 재킷 안에 상호 횡 방향 혹은 종 방향으로 나란하게 다중 배치되는 복수의 페로마그네틱 코어와;

   상기 페로마그네틱 코어 중에서 상기 챔버 외부의 대기 중에 위치하는 부분에 감기고 상기 RF전원과 전기적으로 연결되는 코일과;

   상기 RF전원과 상기 코일 사이에서 임피던스를 정합시키는 매칭회로; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 챔버 내부의 플라즈마 상태를 검사하는 플라즈마 검사부와; 상기 플라즈마 검사부에서 측정된 플라즈마 파라미터에 대한 정보를 이용하여 상기 RF전원 또는 상기 매칭회로를 제어함으로써 코일에 전달되는 RF전력을 조절하는 피드백제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 매칭회로와 코일 사이의 도선에는 전압 및 전류를 측정하여 그 정보를 상기 피드백제어부로 제공하는 V-I 검침부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 피드백제어부에 의해 제어되어 상기 페로마그네틱 코어를 소정 각도 회전시키는 회전구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
5. 밀폐된 반응영역을 정의하는 챔버와;

   상기 챔버의 내부에 위치하며 피처리 기판을 안치하는 서셉터와;

   상기 챔버의 외부에 위치하는 RF전원과;

   상기 챔버에 결합되어 플라즈마가 발생되는 재킷 개방부는 상기 챔버의 내부에 위치하고, 이 재킷 개방부는 진공분위기 상태의 챔버와 연통되는 보호 재킷과;

   상기 보호 재킷 안에 횡 방향 또는 종 방향으로 나란하게 다중 배치된 복수의 페로마그네틱 코어와;

   상기 페로마그네틱 코어 중에서 상기 챔버 외부의 대기 중에 위치하는 부분에 감기고 상기 RF전원과 전기적으로 연결되는 코일과;

   상기 RF전원과 상기 코일 사이에서 임피던스를 정합시키는 매칭회로와;

   외부전원을 이용하여 RF전원을 발생시키는 전원공급부, 상기 매칭회로 및 코 일이 내부에 포함되고, 상기 보호 재킷 내부의 코어 개방부는 외부에 위치하도록 결합하는 하우징; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 하우징의 내부에는 V-I 검침부가 내장되는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 하우징의 내부에는 보호 재킷을 회전시키기 위한 회전구동부가 내장되는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
8. 외부전원에 연결되어 RF전력을 발생시키는 전원공급부와;

   상기 전원공급부에 전기적으로 연결되는 코일이 감기는 복수의 페로마그네틱 코어와;

   상기 복수의 페로마그네틱 코어가 수용되는 보호 재킷과;

   상기 전원공급부와 코일 사이에서 임피던스를 정합시키는 매칭회로와;

   상기 전원공급부, 매칭회로 및 코일이 내부에 포함되고, 상기 보호 재킷 내부의 코어 개방부는 외부에 위치하도록 결합되는 하우징; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 안테나 모듈.
9. 청구항 1 또는 청구항 5항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 보호 재킷은 "ㅡ", "ㄱ", "+", "〈"형 중의 어느 한 형태로 이루어지고, 그 내부에 복수의 페로마그네틱 코어가 종 방향 또는 횡 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 보호 재킷 내에 설치된 각각의 코어에 감긴 코일에 흐르는 입력 전류의 방향을 조정하는 것에 의해 코어 개방부에서 발생하는 유도 전기장의 방향을 조정하도록 된 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
11. 청구항 9에 있어서.

    상기 보호 재킷 내의 여러 개의 코어 중에서 챔버의 코너쪽이나 벽쪽에 가까운 코어에 감기는 코일의 권선수를 더 많이 감거나 벽에 가까운 코일에 전력을 더 세게 인가하는 것에 의해 코너쪽이나 외곽쪽의 플라즈마 균일도를 향상시키도록 된 것을 특징으로 하는 기판처리장치.

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