KR100805557B1 - 다중 마그네틱 코어가 결합된 유도 결합 플라즈마 소스 - Google Patents

다중 마그네틱 코어가 결합된 유도 결합 플라즈마 소스 Download PDF

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Abstract

다중 마그네틱 코어가 결합된 유도 결합 플라즈마 소스가 게시된다. 플라즈마 반응기는 플라즈마 방전실을 구성하며 가스 입구와 가스 출구를 갖는 반응기 몸체를 구비한다. 반응기 몸체에는 플라즈마 방전실의 내부를 가로지르는 둘 이상의 코어 횡단 부분과 플라즈마 방전실의 외측에 위치하는 코어 일부분을 갖는 마그네틱 코어와 마그네틱 코어에 감겨지는 일차 권선을 갖는 변압기가 장착된다. 전원 공급원에 의해 일차 권선의 전류가 구동되고, 일차 권선의 구동 전류는 변압기의 이차 회로를 완성하는 유도 결합된 플라즈마를 형성하는 플라즈마 방전실 내측의 AC 전위(AC potential)를 유도하며, 유도 결합된 플라즈마는 둘 이상의 코어 횡단 부분을 중심으로 하여 코어 보호 튜브의 외측을 감싸도록 플라즈마 방전실에 다단으로 형성된다. 플라즈마 방전실의 내부에 다수의 마그네틱 코어 횡단 부분이 위치하게 되어 플라즈마에 결합되는 유도 결합 에너지의 전달 효율이 매우 높다. 또한, 용량 결합 전극을 구성하여 플라즈마에 결합되는 가변적인 용량 결합 에너지를 추가적으로 제공함으로 플라즈마를 안정적으로 유지할 수 있을 뿐만 아니라 플라즈마 이온 밀도와 이온 에너지를 용이하게 제어할 수 있다.
유도 결합 플라즈마, 플라즈마 처리, 활성 가스

Description

다중 마그네틱 코어가 결합된 유도 결합 플라즈마 소스{INDUCTIVELY COUPLED PLASMA SOURCE WITH MULTI MAGNETIC CORE}
본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 사시도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 반응기의 몸체 구성을 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 1의 플라즈마 반응기의 내부를 보여주는 부분 분해 사시도이다.
도 4는 도 1의 마그네틱 코어에 장착되는 코어 보호 튜브, 냉각 튜브, 용량 결합 전극의 구성을 보여주기 위한 분해 사시도이다.
도 5는 변압기의 전기적 연결 및 이에 의해 유도되는 자계 및 전계를 가시적으로 보여주는 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 6은 플라즈마 반응기의 다단 플라즈마 방전 영역을 보여주는 단면도이다.
도 7a 내지 도 7d는 에디 전류를 차단하기 위한 절연 영역의 구조의 다양한 변형예를 보여주는 도면이다.
도 8은 용량 결합 전극에 유도되는 전압의 위상 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 용량 결합 전극의 유도 전압 제어 회로의 구성을 보여주는 도면이다.
도 10은 변형된 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 사시도이다.
도 11은 도 10의 플라즈마 반응기의 몸체 구성을 보여주는 사시도이다.
도 12는 도 10의 코어 보호 튜브의 사시도이다.
도 13은 코어 보호 튜브의 장착 구조를 보여주기 위한 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 14, 도 15a 및 도 15b는 다른 대안의 변형 실시예를 보여주는 플라즈마 반응기의 사시도이다.
도 16은 다중 가스 배기구를 갖는 플라즈마 반응기의 저면 사시도이다.
도 17은 마그네틱 코어를 몸체의 측벽에 장착한 변형예에 따른 플라즈마 반응기의 사시도이다.
도 18a 내지 도 18d는 도 17의 플라즈마 반응기의 내부 구조를 보여주는 도면들이다.
도 19는 단일 루프의 마그네틱 코어를 적층하여 병렬 장착한 예를 보여주는 분해 사시도이다.
도 20은 플랜지 구조로 변형한 일체형 코어 보호 튜브의 사시도이다.
도 21은 다른 변형예에 따른 플라즈마 반응기의 사시도이다.
도 22a 및 도 22b는 도 21의 플라즈마 반응기의 단면 사시도이다.
도 23은 플랜지 구조로 변형한 일체형 코어 보호 튜브의 사시도이다.
도 24는 플라즈마 반응기가 프로세스 챔버에 탑재된 예를 보여주는 도면이다.
도 25는 프로세스 챔버의 상부에 일체로 구성한 유도 결합 플라즈마 소스를 설명하기 위한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: 플라즈마 반응기 110: 반응기 몸체
113: 플라즈마 방전실 120: 가스 입구
121: 가스 출구 130: 변압기
112: 절연 영역 141: 냉각수 공급관
150: 유도 자계 151: 유도 전계
153: 가스 흐름 경로
본 발명은 플라즈마 방전에 의하여 이온, 자유 래디컬, 원자 및 분자를 포함하는 활성 가스를 발생 시기고 활성 가스로 고체, 분말, 가스 등의 플라즈마 처리를 하기 위한 플라즈마 소스에 관한 것으로, 구체적으로는 다중 마그네틱 코어가 결합된 유도 결합 플라즈마 소스에 관한 것이다.
플라즈마 방전은 이온, 자유 래디컬, 원자, 분자를 포함하는 활성 가스를 발생하기 위한 가스 여기에 사용되고 있다. 활성 가스는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며 대표적으로 반도체 제조 공정 예들 들어, 식각, 증착, 세정 등 다양하게 사용되고 있다.
최근, 반도체 장치의 제조를 위한 웨이퍼나 LCD 글라스 기판은 더욱 대형화 되어 가고 있다. 그럼으로 플라즈마 이온 에너지에 대한 제어 능력이 높고, 대면적의 처리 능력을 갖는 확장성이 용이한 플라즈마 소스가 요구되고 있다.
플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 소스는 여러 가지가 있는데 무선 주파수(radio frequency)를 사용한 용량 결합 플라즈마와 유도 결합 플라즈마가 그 대표적인 예이다. 그중 유도 결합 플라즈마 소스는 무선 주파수 전원의 증가에 따라 이온 밀도를 비교적 용이하게 증가시킬 수 있어서 고밀도 플라즈마를 얻기에 적합한 것으로 알려져 있다.
그러나 유도 결합 플라즈마 방식은 공급되는 에너지에 비하여 플라즈마에 결합되는 에너지가 낮아서 매우 고전압의 구동 코일을 사용하고 있다. 그럼으로 이온 에너지가 높아서 플라즈마 반응기의 내부 표면이 이온 충격(ion bombardment)에 의해 손상되는 경우가 발생된다. 이온 충격에 의한 플라즈마 반응기의 내부 표면 손상은 플라즈마 반응기의 수명을 단축하는 것뿐만 아니라 플라즈마 처리 오염원으로 작용하는 부정적인 결과를 얻게 된다. 이온 에너지를 낮추려는 경우에는 플라즈마에 결합되는 에너지가 낮아서 잦은 플라즈마 방전이 오프 되는 경우가 발생하게 된다. 그럼으로 안정적인 플라즈마 유지가 어렵게 되는 문제점이 발생한다.
한편, 반도체 제조 공정에서 플라즈마를 이용한 공정에서 원격 플라즈마의 사용은 매우 유용한 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 공정 챔버의 세정이나 포토레지스트 스트립을 위한 에싱 공정에서 유용하게 사용되고 있다. 그런데 피처리 기판의 대형화에 따라 공정 챔버의 볼륨도 증가되고 있어서 고밀도의 활성 가스를 충분히 원격으로 공급할 수 있는 플라즈마 소스가 요구되고 있다. 게다가 다수의 기판을 동시에 처리하는 다중 처리 챔버의 경우에는 더욱 그러하다.
따라서 본 발명은 플라즈마에 결합되는 유도 결합 에너지의 전달 효율이 높이여 플라즈마를 안정적으로 유지할 수 있고 고밀도의 플라즈마를 안정적으로 얻을 수 있는 다중 마그네틱 코어가 결합된 유도 결합 플라즈마 소스를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 유도 결합 플라즈마 소스에 관한 것이다. 본 발명의 유도 결합 플라즈마 소스는: 플라즈마 방전실을 구성하며 가스 입구와 가스 출구를 갖는 반응기 몸체; 플라즈마 방전실의 내부를 가로지르는 둘 이상의 코어 횡단 부분과 플라즈마 방전실의 외측에 위치하는 코어 일부분을 갖는 마그네틱 코어와 마그네틱 코어에 감겨지는 일차 권선을 갖는 변압기; 플라즈마 방전실의 내부에 위치하는 둘 이상의 코어 횡단 부분을 감싸는 코어 보호 튜브; 일차 권선에 전기적으로 연결되는 전원 공급원을 포함하며, 전원 공급원에 의해 일차 권선의 전류가 구동되고, 일차 권선의 구동 전류는 변압기의 이차 회로를 완성하는 유도 결합된 플라즈마를 형성하는 플라즈마 방전실 내측의 AC 전위를 유도하며, 유도 결합된 플라즈마는 둘 이상의 코어 횡단 부분을 중심으로 하여 코어 보호 튜브의 외측을 감싸도록 플라즈마 방전실에 다단으로 형성된다.
일 실시예에 있어서, 둘 이상의 코어 횡단 부분 중 어느 하나는 플라즈마 방 전실 내부의 가스 흐름 경로에 직교 또는 평행되는 배치 구조를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 마그네틱 코어는 일체화된 다중 루프 타입의 마그네틱 코어를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 마그네틱 코어는 단일 루프를 갖는 단일 루프 마그네틱 코어를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 마그네틱 코어는 코어 일부분이 반응기 몸체의 측벽 외부로 노출된 장착 구조를 갖는다.
일 실시예에 있어서, 반응기 몸체는 코어 일부분을 수용할 수 있는 측벽실을 구비하고, 마그네틱 코어의 코어 일부분은 반응기 몸체의 측벽실에 장착되는 구조를 갖는다.
일 실시예에 있어서, 코어 보호 튜브는 하나의 코어 횡단 부분에 대하여 각기 독립적으로 장착되는 단일 코어 보호 튜브를 포함하고, 반응기 몸체는 단일 코어 보호 튜브의 양 끝단이 설치되는 다수개의 개구부들을 포함하며, 단일 코어 보호 튜브와 다수개의 개구부들의 접촉 부분을 진공 절연하는 진공 절연 부재를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 코어 보호 튜브는 양 끝단이 각기 하나의 플랜지 구조로 일체화되는 일체형 다중 코어 보호 튜브를 포함하고, 반응기 몸체는 일체형 다중 코어 보호 튜브의 플랜지 부분이 설치되는 개구부를 포함하며, 일체형 다중 코어 보호 튜브의 플랜지와 개구부들의 접촉 부분을 진공 절연하는 진공 절연 부재를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 코어 보호 튜브는 하나의 코어 횡단 부분에 대하여 각기 독립적으로 장착되는 단일 코어 보호 튜브를 포함하고, 반응기 몸체의 측벽실은 둘 이상의 단일 코어 보호 튜브의 양 끝단이 설치되는 다수개의 개구부들을 포함하며, 둘 이상의 코어 보호 튜브와 다수개의 개구부들의 접촉 부분을 진공 절연하는 진공 절연 부재를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 코어 보호 튜브는 양 끝단이 각기 하나의 플랜지 구조로 일체화되는 일체형 다중 코어 보호 튜브를 포함하고, 반응기 몸체의 측벽실은 일체형 다중 코어 보호 튜브의 플랜지 부분이 설치되는 개구부를 포함하며, 일체형 다중 코어 보호 튜브의 플랜지와 개구부들의 접촉 부분을 진공 절연하는 진공 절연 부재를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 코어 보호 튜브는 유전체 물질을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 코어 보호 튜브는 금속 물질을 포함하고, 금속 물질은 에디 전류를 최소화하기 위하여 금속 물질 내에서 전기적 불연속성을 갖도록 하는 하나 이상의 전기적 절연 영역을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 반응기 몸체는 금속 물질을 포함하고, 금속 물질은 에디 전류를 최소화하기 위하여 금속 물질 내에서 전기적 불연속성을 갖도록 하는 하나 이상의 전기적 절연 영역을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 코어 보호 튜브의 내측으로 설치되는 냉각수 공급 채널을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 마그네틱 코어의 중심부를 통해서 형성되는 냉각수 공 급 채널을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 각각의 코어 보호 튜브의 내측에 설치되는 용량 결합 전극을 포함하고, 용량 결합 전극은 코어 횡단 부분에 다수 회 감겨 변압기의 2차 권선으로 기능하며, 적어도 두 개의 용량 결합 전극은 상호간 역전압이 유도되어 용량적으로 결합된다.
일 실시예에 있어서, 용량 결합 전극에 유도되는 전압을 가변적으로 제어하기 위한 유도 전압 제어 회로를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 전원 공급원과 일차 권선 사이에 구성되어 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합 회로를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전원 공급원은 조정 가능한 정합 회로 없이 동작한다.
일 실시예에 있어서, 둘 이상의 분리된 다중 가스 출구를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 반응기 몸체에서 발생된 플라즈마 가스를 제공받아 수용하는 프로세스 챔버를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 반응기 몸체는 프로세스 챔버에 탑재 가능한 구조를 갖고, 전원 공급원은 반응기 몸체와 물리적으로 분리된 구조를 갖고, 전원 공급원과 반응기 몸체는 무선 주파수 케이블로 원격으로 연결된다.
일 실시예에 있어서, 반응기 몸체가 일체로 결합되는 프로세스 챔버를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 플라즈마 방전실로 유입되는 가스는 불활성 가스, 반응 가스, 불활성 가스와 반응 가스의 혼합 가스를 포함한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시예에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다. 각 도면을 이해함에 있어서, 동일한 부재는 가능한 한 동일한 참조부호로 도시하고자 함에 유의하여야 한다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
(실시예)
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 다중 마그네틱 코어가 결합된 유도 결합 플라즈마 소스를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 사시도이고, 도 2는 도 1의 플라즈마 반응기의 몸체 구성을 보여주는 사시도이다. 도 3은 도 1의 플라즈마 반응기의 내부를 보여주는 부분 분해 사시도이다.
도면을 참조하여, 본 발명의 플라즈마 소스는 플라즈마 방전실(113)을 구성하며 가스 입구(120)와 가스 출구(121)를 갖는 반응기 몸체(130)를 구비한다. 변압기(130)는 플라즈마 방전실(113)의 내부를 가로지르는 둘 이상의 코어 횡단 부분과 플라즈마 방전실(113)의 외측에 위치하는 코어 일부분을 갖는 마그네틱 코어(131)와 마그네틱 코어(131)에 감겨지는 일차 권선(132)을 갖는다. 일차 권선(132)은 전원 공급원(133)(도 5 참조)에 전기적으로 연결된다.
전원 공급원(133)은 별도의 임피던스 정합기 없이 출력 전압의 제어가 가능한 RF 전원 공급원을 사용하여 구성된다. 다른 대안으로는 별도의 임피던스 정합기를 구성하여 구성하는 RF 전원 공급원을 사용하여 구성할 수 있다.
플라즈마 방전실(113)로 유입되는 가스는 불활성 가스, 반응 가스, 불활성 가스와 반응 가스의 혼합 가스를 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 또는 기타 플라즈마 프로세스에 적합한 다른 가스들이 선택될 수 있다.
반응기 몸체(110)는 단일 코어 보호 튜브(140)의 양 끝단이 설치되는 다수개의 개구부들(111)을 포함한다. 단일 코어 보호 튜브(140)와 다수개의 개구부들(111)의 접촉 부분은 진공 절연 부재(101)(도 5 참조)에 의해 진공 절연된다. 반응기 몸체(110)는 금속 물질 예를 들어, 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속물질로 재작된다. 또는 코팅된 금속 예를 들어, 양극 처리된 알루미늄이나 니켈 도금된 알루미늄으로 재작될 수 있다. 또는 내화 금속(refractory metal)로 재작될 수 있다. 또 다른 대안으로 반응기 몸체(110)를 석영, 세라믹과 같은 절연물질로 재작하는 것도 가능하며, 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 다른 물질로도 재작될 수 있다.
반응기 몸체(110)가 금속 물질을 포함하는 경우에는 에디 전류를 최소화하기 위하여 금속 물질 내에서 전기적 불연속성을 갖도록 하는 하나 이상의 전기적 절연 영역(112)을 포함한다. 전기적 절연 영역(112)은 도 7a 내지 도 7d에 도시된 바와 같이 다양한 형태로 구성할 수 있다.
마그네틱 코어(131)는 코어 일부분이 반응기 몸체(110)의 측벽 외부로 노출 된 장착 구조를 갖는다. 마그네틱 코어(131)는 일체화된 다중 루프 타입으로 예를 들어, 2단의 다중 루프를 갖도록 구성된다. 그러나 마그네틱 코어(131)는 독립적인 단일 루프 타입을 사용하는 것도 무방하다. 마그네틱 코어(131)는 페라이트물질로 제작되지만 철, 공기와 같은 다른 대안의 재료로 구성될 수도 있다.
플라즈마 방전실(113)의 내부에 위치하는 둘 이상의 코어 횡단 부분은 관형상의 코어 보호 튜브(140)에 의해서 감싸져 보호된다. 코어 보호 튜브(140)는 하나의 코어 횡단 부분에 대하여 각기 독립적으로 장착된다. 코어 보호 튜브(140)는 석영, 세라믹과 같은 유전체 물질로 재작된다. 또는 코어 보호 튜브(140)는 상술한 바와 같이, 반응기 몸체(110)와 동일한 금속물질로 재작될 수 있는데 이 경우에는 에디 전류를 방지하기 위하여 전기적 불연속성을 갖도록 하나 이상의 전기적 절연 영역을 포함한다.
도 4는 도 1의 마그네틱 코어에 장착되는 코어 보호 튜브, 냉각 튜브, 용량 결합 전극의 구성을 보여주기 위한 분해 사시도이다.
도 4를 참조하여, 마그네틱 코어(131)에는 냉각수 공급 채널을 형성하기 위한 냉각수 공급관(141)이 장착된다. 다른 대안으로는 마그네틱 코어(131)의 중심부를 관통하여 냉각수 공급 채널을 형성 할 수 도 있다. 또는 냉각수 공급관(141)과 마그네틱 코어(131)의 중심부에 모두 냉각수 공급 채널을 형성할 수도 있다. 또는 반응기 몸체(110)에 냉각수 채널을 형성하는 것도 가능하다. 마그네틱 코어(131)에는 용량 결합 전극(142)이 장착된다. 용량 결합 전극(142)은 선택적 장착이 가능하며 구체적인 설명은 후술한다.
도 5는 변압기(130)의 전기적 연결 및 이에 의해 유도되는 자계(136) 및 전계(134)를 가시적으로 보여주는 플라즈마 반응기의 단면도이고, 도 6은 플라즈마 반응기(110)의 다단 플라즈마 방전 영역(PDR_1~PDR_3)을 보여주는 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하여, 전원 공급원(133)에 의해 일차 권선(132)의 전류가 구동된다. 일차 권선(132)의 구동 전류는 변압기(130)의 이차 회로를 완성하는 유도 결합된 플라즈마를 형성하는 플라즈마 방전실(113) 내측의 AC 전위(AC potential)를 유도한다. 그러면 유도 결합된 플라즈마는 둘 이상의 코어 횡단 부분을 중심으로 하여 코어 보호 튜브의 외측을 감싸도록 플라즈마 방전실(113)에 다단으로 형성된다. 이와 같이, 플라즈마 방전실(113)은 다단 플라즈마 방전 영역(PDR_1~PDR_3) 가스 흐름 경로(135)를 따라서 형성된다.
도면에 도시된 바와 같이, 둘 이상의 코어 횡단 부분은 플라즈마 방전실(113) 내부의 가스 흐름 경로(135)에 직교하게 배치된다. 그러나 대안적으로 수평되게 위치하는 것도 가능하다.
도 8은 용량 결합 전극에 유도되는 전압의 위상 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하여, 용량 결합 전극(142)은 코어 횡단 부분에 다수 회 감겨 변압기(130)의 2차 권선으로 기능하며, 적어도 두 개의 용량 결합 전극(142a, 142b, 142c)은 상호간 역전압(V+, V-)이 유도되어 용량적으로 결합된다.
예를 들어, 세 개의 코어 횡단 부분에는 다수의 일차 권선(132)이 적절한 방향으로 권선되어 각기 이웃하는 코어 횡단 부분이 서로 역방향의 전계(133a, 133b, 133c)가 유도된다. 그럼으로 세 개의 용량 결합 전극(142a, 142b, 142c)은 각기 상호 역전압(V+, V-)이 유도된다.
도 9는 용량 결합 전극의 유도 전압 제어 회로(150)의 구성을 보여주는 도면이다.
도 9를 참조하여, 유도 전압 제어 회로(150)는 용량 결합 전극(142)의 권선수를 가변하기 위한 멀티 탭(152)과 멀티 탭(152)을 스위칭하여 권선수를 가변하는 스위칭 회로(151)를 구비한다. 스위칭 회로(151)의 스위칭에 따라 권선수가 가변되며, 권선수의 가변에 따라 용량 결합 전극(142)에 유도되는 전압의 레벨이 가변된다.
이상과 같은 본 발명의 유도 결합 플라즈마 소스는 플라즈마 방전실(113)의 내부에 다수의 마그네틱 코어 횡단 부분이 위치하게 되어 플라즈마에 결합되는 유도 결합 에너지의 전달 효율이 매우 높다. 또한, 용량 결합 전극(142)을 구성하여 플라즈마에 결합되는 가변적인 용량 결합 에너지를 추가적으로 제공함으로 플라즈마를 안정적으로 유지할 수 있을 뿐만 아니라 플라즈마 이온 밀도와 이온 에너지를 용이하게 제어할 수 있다. 용량 결합 전극(142)은 플라즈마 반응기(100)의 구동 초기에 플라즈마를 점화하는 단계에서만 선택적으로 사용될 수 도 있으며, 플라즈마가 점화된 이후에 플라즈마의 이온 밀도와 이온 온도를 조절하기 위해서 사용될 수 있다.
도 10은 변형된 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 사시도이고, 도 11은 도 10의 플라즈마 반응기의 몸체 구성을 보여주는 사시도이다. 도 12는 도 10의 일체 형 다중 코어 보호 튜브의 사시도이다. 그리고 도 13은 코어 보호 튜브의 장착 구조를 보여주기 위한 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 10 내지 도 13을 참조하여, 변형된 실시예의 플라즈마 반응기(100)는 일체형 다중 코어 보호 튜브(145)로 구성될 수 있다. 일체형 다중 코어 보호 튜브(145)는 코어 보호 튜브(140)의 양 끝단이 각기 하나의 플랜지(144) 구조로 일체화된다. 반응기 몸체(110')는 다중 코어 보호 튜브(145)의 플랜지(144) 부분이 설치되기에 적합 형태의 개구부(111')가 형성된다. 그리고 다중 코어 보호 튜브(145)의 플랜지(144)와 개구부(111')들의 접촉 부분을 진공 절연하는 진공 절연 부재(102)가 구성된다.
도 14, 도 15a 및 도 15b는 다른 대안의 변형 실시예를 보여주는 플라즈마 반응기의 사시도이다.
도 14를 참조하여, 다른 대안의 플라즈마 반응기(200)는 단일 루프를 갖는 마그네틱 코어(231)와 일차 권선(232)을 갖는 변압기(230)를 채용한 경우이다. 마그네틱 코어(231)는 가스 입구(220)와 가스 출구(221) 사이에 형성되는 가스 경로에 수직으로 장착된다.
도 15a 및 도 15b를 참조하여, 또 다른 대안의 플라즈마 반응기(300)는 가스 입구(320)와 가스 출구(321) 사이에 형성되는 가스 흐름 경로에 평행하게 장착되는 마그네틱 코어(331)와 일차 권선(332)을 갖는 변압기(330)를 갖는다.
이상과 같은 플라즈마 반응기에 장착되는 마그네틱 코어는 매우 많은 다양한 변형이 가능할 것이다. 그러나 이러한 변형은 당업자들에게는 본 발명의 사상에 기초할 때 자명한 것임을 잘 알 수 있을 것이다.
도 16은 다중 가스 배기구를 갖는 플라즈마 반응기의 저면 사시도이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 플라즈마 반응기(100)는 둘 이상의 분리된 다중 가스 출구(121a~121d)를 포함할 수 있다. 다중 가스 출구(121a~121d)는 넓은 볼륨을 갖는 플라즈마 프로세스에서 대면적의 플라즈마를 넓고 균일하게 제공하기 위한 경우 유용하게 사용될 수 있다.
도 17은 마그네틱 코어를 몸체의 측벽에 장착한 변형예에 따른 플라즈마 반응기의 사시도이고, 도 18a 내지 도 18d는 도 17의 플라즈마 반응기의 내부 구조를 보여주는 도면들이다. 이 변형예의 플라즈마 반응기(400)는 상술한 예에서와 동일한 구성을 갖는다. 그럼으로 동일한 구성에 대해서는 반복된 설명은 생략한다.
도면들을 참조하여, 이 변형예에 따른 플라즈마 반응기(400)의 독특한 특징은 반응기 몸체(410)는 코어 일부분을 수용할 수 있는 측벽실(415)을 구비하는 것이다. 변압기(430)의 마그네틱 코어(131)는 그 코어 일부분이 반응기 몸체(410)의 측벽실(415)에 장착된다. 반응기 몸체(410)는 외부에서 측벽실(415)로 개구된 개구부(417)가 구비되고, 이를 통하여 일차 권선(432)과 냉각수를 공급하기 위한 통로로 사용된다.
반응기 몸체(410)가 전도성 금속을 구성되는 경우에, 측벽실(415)과 플라즈마 반응실(413)의 사이에 구성되는 측벽(414)에는 에디 전류를 최소화하기 위하여 하나 이상의 절연 영역(412)이 적절히 구성된다. 코어 보호 튜브(440)는 하나의 코어 횡단 부분에 대하여 각기 독립적으로 장착되며, 측벽(414)에는 이들이 장착되 기 위한 개구부(411)가 다수 구성된다. 둘 이상의 코어 보호 튜브(440)와 다수개의 개구부(411)들의 접촉 부분은 진공 절연 부재(402)에 의해 진공 절연된다.
마그네틱 코어(431)에는, 도 18d에 도시된 바와 같이, 코어 보호 튜브(440)와 냉각수 공급관(441)과 그리고 용량 결합 전극(442)이 상술한 예에서와 같이 장착된다.
다중 루트를 갖는 마그네틱 코어(431)는 가스 입구(420)와 가스 출구(421) 사이에 코어 횡단 부분이 수직으로 교차하도록 병렬 설치된다. 다른 대안으로는, 도 19에 도시되 바와 같이, 단일 루프를 갖는 다수의 마그네틱 코어(431)가 적층하여 병렬로 설치할 수 있다.
다른 대안으로, 도 20에 도시된 바와 같이, 공통 플랜지(444)를 갖는 일체형 다중 코어 보호 튜브(445)로 구성될 수 있다. 다중 코어 보호 튜브(445)가 구성되는 경우에 반응기 몸체(410)도 상술한 바와 같이 그에 적합한 변형과 진공 절연이 구성된다.
도 21은 다른 변형예에 따른 플라즈마 반응기의 사시도이고, 도 22a 및 도 22b는 도 21의 플라즈마 반응기의 단면 사시도이다.
도면들을 참조하여, 또 다른 대안적인 변형으로 플라즈마 반응기(500)는 하나의 다중 루프 마그네틱 코어(531)와 일차 권선을 갖는 변압기(530)를 사용하여 구성할 수 있다. 이와 같은 변형은 앞서서 설명된 다른 실시예에서도 동일하게 변형이 가능하다. 또한, 각기 독립적인 코어 보호 튜브(540)를 사용하는 것과, 대안적으로 도 23에 도시된 바와 같이, 공통 플랜지(544)를 갖는 다중 코어 보호 튜브 (545)의 사용도 가능하다. 이러한 대안적 변형을 제외하면 이 변형예의 상세한 구성과 동작은 상술한 예들과 동일함으로 구체적인 설명은 생략한다.
도 24는 플라즈마 반응기가 프로세스 챔버에 탑재된 예를 보여주는 도면이다.
이상과 같은 본 발명의 다양한 실시예에서 설명된 플라즈마 반응기(100)는 프로세스 챔버(600)에 장착되어 원격으로 플라즈마를 공급한다. 예를 들어, 프로세스 챔버(600)의 천정 외측에 장착될 수 있다. 플라즈마 반응기(100)는 전원 공급원인 무선 주파수 발생기(610)로부터 무선 주파수를 제공받고, 가스 공급 시스템(미도시)에 의해 가스를 공급받아 활성 가스를 발생한다.
프로세스 챔버(600)는 플라즈마 반응기(100)에서 발생된 활성 가스를 수용하여 소정의 플라즈마 처리를 수행한다. 프로세스 챔버(600)는 예를 들어, 증착 공정을 수행하는 증착 챔버이거나, 식각 공정을 수행하는 식각 챔버 일 수 있다. 또는 포토레지스트를 스트립핑하기 위한 에싱 챔버일 수 있다. 이외에도 다양한 반도체 제조 공정을 수행하기 위한 플라즈마 프로세싱 챔버일 수 있다.
특별히, 플라즈마 반응기(100)와 무선 주파수 발생기(610)는 분리된 구조를 갖는다. 즉, 플라즈마 반응기(100)는 프로세스 챔버(600)에 장착 가능한 고정형으로 구성되고, 무선 주파수 발생기(610)는 플라즈마 반응기(100)와 분리 가능한 분리형으로 구성된다. 그리고 무선 주파수 발생기(610)의 출력단과 플라즈마 반응기(100)의 무선 주파수 입력단은 무선 주파수 케이블(620)에 의해 상호 원격으로 연결된다. 그럼으로 종래와 같이 무선 주파수 발생기와 플라즈마 반응기가 하나의 유닛으로 구성되는 것과 달리 프로세스 챔버(600)에 매우 용이하게 설치할 수 있으며 시스템의 유지 관리 효율을 높일 수 있다.
도 25는 프로세스 챔버의 상부에 일체로 구성한 유도 결합 플라즈마 소스를 설명하기 위한 도면이다.
도 25를 참조하여, 상술한 바와 같은 본 발명의 플라즈마 반응기(100)는 프로세스 챔버(700)에 일체로 결합되어 구성될 수 있다. 바람직하게는, 프로세스 챔버(700)의 내부에 구비되는 기판 지지대(701)에 대향된 천정에 구성된다. 플라즈마 반응기(100)의 하부는 기판 지지대(701)를 대향하여 전체적으로 개방된 구조(121')를 갖는다. 플라즈마 반응기(100)에서 발생된 활성 가스는 프로세스 챔버(700)의 내부 영역(703)으로 흐르게 된다. 도면에는 생략되었으나, 일반적이으로 기판 지지대는 바이어스 전원이 연결되어 기판(702)으로 활성 가스 이온들이 가속되도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 다중 마그네틱 코어가 결합된 유도 결합 플라즈마 소스에 의하면, 플라즈마 방전실의 내부에 다수의 마그네틱 코어 횡단 부분이 위치하게 되어 플라즈마에 결합되는 유도 결합 에너지의 전달 효율이 매우 높다. 또한, 용량 결합 전극을 구성하여 플라즈마에 결합되는 가변적인 용량 결합 에너지를 추가적으로 제공함으로 플라즈마를 안정적으로 유지할 수 있을 뿐만 아니라 플라즈마 이온 밀도와 이온 에너지를 용이하게 제어할 수 있다.

Claims (24)

  1. 플라즈마 방전실을 구성하며 가스 입구와 가스 출구를 갖는 반응기 몸체;
    상기 플라즈마 방전실의 내부를 가로지르는 하나 이상의 코어 횡단 부분과 상기 플라즈마 방전실의 외측에 위치하는 코어 일부분을 갖는 마그네틱 코어와 상기 마그네틱 코어에 감겨지는 일차 권선을 갖는 변압기;
    상기 플라즈마 방전실의 내부에 위치하는 상기 코어 횡단 부분을 감싸며 유전체 물질을 포함하는 코어 보호 튜브;
    상기 일차 권선에 전기적으로 연결되는 전원 공급원을 포함하며,
    상기 전원 공급원에 의해 상기 일차 권선의 전류가 구동되고, 상기 일차 권선의 구동 전류는 상기 변압기의 이차 회로를 완성하는 유도 결합된 플라즈마를 형성하는 상기 플라즈마 방전실 내측의 AC 전위를 유도하며,
    상기 유도 결합된 플라즈마는 코어 횡단 부분을 중심으로 하여 코어 보호 튜브의 외측을 감싸도록 플라즈마 방전실에 형성되는 유도 결합 플라즈마 소스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어 횡단 부분은 상기 플라즈마 방전실 내부의 가스 흐름 경로에 직교 또는 평행 되는 배치 구조를 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마그네틱 코어는 일체화된 다중 루프 타입의 마그네틱 코어를 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마그네틱 코어는 단일 루프를 갖는 단일 루프 마그네틱 코어를 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코어 일부분이 상기 반응기 몸체의 측벽 외부로 노출된 장착 구조를 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 몸체는 상기 코어 일부분을 수용할 수 있는 측벽실을 구비하고,
    상기 코어 일부분은 상기 측벽실에 위치하는 구조를 갖는 유도 결합 플라즈마 소스.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 코어 보호 튜브는 하나의 코어 횡단 부분에 대하여 각기 독립적으로 장착되는 단일 코어 보호 튜브를 포함하고,
    상기 반응기 몸체는 상기 단일 코어 보호 튜브의 양 끝단이 설치되는 다수개의 개구부들을 포함하며,
    상기 단일 코어 보호 튜브와 상기 다수개의 개구부들의 접촉 부분을 진공 절연하는 진공 절연 부재를 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 코어 보호 튜브는 양 끝단이 각기 하나의 플랜지 구조로 일체화되는 일체형 다중 코어 보호 튜브를 포함하고,
    상기 반응기 몸체는 일체형 다중 코어 보호 튜브의 플랜지 부분이 설치되는 개구부를 포함하며,
    상기 일체형 다중 코어 보호 튜브의 플랜지와 상기 개구부들의 접촉 부분을 진공 절연하는 진공 절연 부재를 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 코어 보호 튜브는 하나의 코어 횡단 부분에 대하여 각기 독립적으로 장착되는 단일 코어 보호 튜브를 포함하고,
    상기 측벽실은 둘 이상의 단일 코어 보호 튜브의 양 끝단이 설치되는 다수개의 개구부들을 포함하며,
    상기 둘 이상의 코어 보호 튜브와 상기 다수개의 개구부들의 접촉 부분을 진공 절연하는 진공 절연 부재를 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 코어 보호 튜브는 양 끝단이 각기 하나의 플랜지 구조로 일체화되는 일체형 다중 코어 보호 튜브를 포함하고,
    상기 측벽실은 상기 일체형 다중 코어 보호 튜브의 플랜지 부분이 설치되는 개구부를 포함하며,
    상기 일체형 다중 코어 보호 튜브의 플랜지와 상기 개구부들의 접촉 부분을 진공 절연하는 진공 절연 부재를 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  11. 삭제
  12. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어 보호 튜브는 금속 물질을 포함하고,
    상기 금속 물질은 에디 전류를 최소화하기 위하여 금속 물질 내에서 전기적 불연속성을 갖도록 하는 하나 이상의 전기적 절연 영역을 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  13. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기 몸체는 금속 물질을 포함하고,
    상기 금속 물질은 에디 전류를 최소화하기 위하여 금속 물질 내에서 전기적 불연속성을 갖도록 하는 하나 이상의 전기적 절연 영역을 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 코어 보호 튜브의 내측으로 설치되는 냉각수 공급 채널을 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 마그네틱 코어의 중심부를 통해서 형성되는 냉각수 공급 채널을 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 코어 보호 튜브의 내측에 설치되는 용량 결합 전극을 포함하고,
    상기 용량 결합 전극은 상기 코어 횡단 부분에 일 회 이상 감겨 변압기의 이차 권선으로 기능하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 용량 결합 전극에 유도되는 전압을 가변적으로 제어하기 위한 유도 전압 제어 회로를 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급원과 상기 일차 권선 사이에 구성되어 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합 회로를 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급원은 조정 가능한 정합 회로 없이 동작하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  20. 제1항에 있어서, 둘 이상의 분리된 다중 가스 출구를 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 몸체에서 발생된 플라즈마 가스를 제공받아 수용하는 프로세스 챔버를 더 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 반응기 몸체는 상기 프로세스 챔버에 탑재 가능한 구조를 갖고,
    상기 전원 공급원은 상기 반응기 몸체와 물리적으로 분리된 구조를 갖고,
    상기 전원 공급원과 상기 반응기 몸체는 무선 주파수 케이블로 원격으로 연결되는 유도 결합 플라즈마 소스.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 몸체가 일체로 결합되는 프로세스 챔버를 더 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전실로 유입되는 가스는
    불활성 가스, 반응 가스, 불활성 가스와 반응 가스의 혼합 가스를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 유도 결합 플라즈마 소스.
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