KR101091555B1

KR101091555B1 - 플라즈마 발생장치

Info

Publication number: KR101091555B1
Application number: KR1020100053161A
Authority: KR
Inventors: 김홍습
Original assignee: (주)제이하라
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2011-12-13
Also published as: KR20110052429A

Abstract

본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 외부로부터 소스알에프를 인가받아 진공챔버 내에 정전결합에 의한 플라즈마를 발생시키기 위한 판형 안테나가 복수개로 분할된 구조를 가지며, 각각의 판형 안테나의 외주면을 따라 유도결합에 의한 플라즈마를 발생시키는 인덕티브 코일이 연장되도록 함으로써, 스탠딩 웨이브 효과를 없애고, 발생되는 플라즈마의 균일도를 높일 수 있으며, 제작 단가를 획기적으로 낮출 수 있다.

Description

플라즈마 발생장치{APPARATUS FOR GENERATING PLASMA}

본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분할 전극을 사용하여 스탠딩 웨이브 효과(Standing Wave Effect)를 없앰으로써, 발생되는 플라즈마의 균일도를 높일 수 있는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

일반적으로 플라즈마는 고체, 액체, 기체도 아닌 제4의 물질로 기체의 일부가 전리된 가스로서, 플라즈마 속에는 자유전자, 양이온, 중성원자, 중성분자가 존재해 그들 사이에 끊임없는 상호작용을 일으키고 있으며, 각각의 성분과 농도의 제어가 중요하고, 공학적인 측면에서 플라즈마는 외부 전자기장에 의해 형성 및 제어가 가능한 기체의 영역으로 간주된다.

이러한 플라즈마 발생장치의 종래 기술에 대해 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 CCP(Capacitively Coupled Plasma) 방식에 의한 플라즈마 발생장치로, 플라즈마 발생장치는 기판(17)의 중심영역 내에 소스전극(11) 및 정전척(susceptor 또는 ESC)(12)인 두개의 평판 전극을 상하로 일정간격 이격되게 하여 설치하고, 정전척(12) 상면에 기판(17)을 올려놓은 후 외부에서 이들에게 각각 알에프(RF : Radio Frequency, 무선주파수)를 인 가하여 이들 사이에서 강력한 전기장(electric field)이 형성되도록 함으로써 진공챔버(10) 내에 정전결합에 의한 플라즈마(18)가 발생되도록 하는 구성으로 되어 있다. 도에서 미설명 부호 13은 소스알에프(source RF)이고, 14는 바이어스알에프(bias RF)이며, 15는 소스메쳐(source matcher)이고, 16은 바이어스메쳐(bias matcher)를 나타낸 것이다.

한편, 최근 LCD, OLED(Organic Light-Emitting Diode) 및 태양전지 분야에서 가공해야 되는 기판(또는 글라스)의 면적은 계속해서 증가되고 있으며, 향후로도 계속 증가될 것으로 예상된다. 또한 최근에 반도체의 웨이퍼 크기는 기존 200mm에서 300mm로 대구경화되었고, 향후 450mm로 더욱 대구경화 될 예정이다. 하지만, 도 1과 같은 기존의 단일전극의 CCP(Capacitance Coupled Plasma) 방식에 의할 경우, 스탠딩 웨이브 효과(Standing Wave Effect)로 인해 플라즈마의 균일도가 낮기 때문에 대구경화에 적합하지 않다. 여기서, 스탠딩 웨이브 효과란 안테나의 크기가 커짐으로 인해 안테나의 중심보다 바깥쪽으로 전달되는 RF 파워효율이 감소하고, 그로 인해 안테나 바깥 쪽에서 생성되는 플라즈마의 밀도가 감소되는 현상을 말한다[Ref.1 XXVIIth Eindhonen, the Netherlands, 18-22 July, 2005, Plasma Proc essing in the 21^st Century, M.A. Lieberman].

또한, CCP(Capacitance Coupled Plasma) 방식은 ICP(Inductively Coupled Plasma) 방식에 비해 플라즈마의 밀도가 낮아 생산성이 현저하게 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 스탠딩 웨이브 효과를 없앰으로써, 발생되는 플라즈마의 균일도를 높일 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 제작 단가를 획기적으로 낮추고, 발생되는 플라즈마의 밀도를 높일 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는, 내부가 비어있고, 관통공을 가진 복수개의 절연진공플레이트들에 의해 상부가 밀폐되는 진공챔버; 상기 진공챔버 내부의 중앙에 배치되며, 외부의 바이어스 알에프를 인가받으며, 그 상면에 기판이 놓여지는 정전척; 및 상기 복수개의 절연진공플레이트들의 관통공에 각각 체결되는 복수개의 판형 안테나들로, 외부의 소스알에프를 인가받아 상기 진공챔버 내에 정전결합에 의한 플라즈마를 발생시키는 판형 안테나부를 포함하고, 상기 복수개의 판형 안테나들 각각은, 주입된 가스를 상기 진공챔버 내로 분사하는 가스 분사구가 형성된 하부판, 상기 하부판을 밀봉되게 덮어씌우고, 그 외주면에 가스 주입구가 형성된 하부판 덮개 및 상기 하부판 및 하부판 덮개 사이에 배치되는 가스분배판으로 구성할 수 있다.

또한, 복수개의 판형 안테나들 각각에는, 그 외주면을 따라 연장됨으로써, 진공챔버 내에 유도결합에 의한 플라즈마를 발생시키는 하나 이상의 인덕티브 코일이 결합될 수 있으며, 복수개의 판형 안테나들 사이에는, 전위차 보정을 위한 포텐셜 밸런스 커넥터(potential balance connector) 가 연결된다.

또한, 플라즈마 발생장치는, 복수개의 판형 안테나들과 그 외주면을 따라 연장된 상기 하나 이상의 인덕티브 코일에 RF 파워를 전달하기 위한 소스알에프를 더 포함한다.

그리고, 하나 이상의 인덕티브 코일은, 진공챔버 또는 진공챔버와 복수개의 절연진공플레이트들을 체결하기 위한 챔버 어뎁터(chamber adapter)를 통해 그라운드로 연결되도록 구성된다.

삭제

그리고, 복수개의 판형안테나들 각각에는, RF 파워를 전달하기 위한 별도의 독립된 소스알에프가 연결되도록 구성될 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명의 플라즈마 발생장치는, 분할 전극을 사용하여 스탠딩 웨이브 효과를 없앰으로써, 발생되는 플라즈마의 균일도를 높일 수 있다.

또한, 분할 전극을 사용함으로써 플라즈마 발생장치의 제작 단가를 획기적으로 낮출 수 있으며, 각 분할 전극에는 하나 이상의 ICP 안테나를 연결하여 발생되는 플라즈마의 밀도를 높일 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 플라즈마 발생장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 위에서 바라본 평면도이다.
도 3은 도 2의 X-X'선 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 2의 X-X'선 측단면도이다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치에 대하여 가장 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 위에서 바라본 평면도이며, 도 3은 도 2의 X-X'선 측단면도이다. 한편, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 2의 X-X'선 측단면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는, 내부가 비어있고 관통공을 가진 복수개의 절연진공플레이트(4A, 4B, 4C, 4D)에 의해 상부가 밀폐되는 진공챔버(1)와, 진공챔버(1) 내부의 중앙부에 배치되고 그 상면에 기판(33)이 놓여지는 정전척(20)과, 복수개의 절연진공플레이트(4A, 4B, 4C, 4D)의 관통공에 각각 체결되어 기판(33)의 외부영역을 둘러싸는 복수개의 판형 안테나들(2A, 2B, 2C, 2D)로 분할된 판형 안테나부와, 복수개의 판형 안테나들(2A, 2B, 2C, 2D) 각각의 외주면에서 연장되는 인덕티브 코일(3A, 3B, 3C, 3D)과, 복수개의 판형 안테나들(2A, 2B, 2C, 2D) 사이에 연결되는 포텐셜 밸런스 커넥터(6)를 포함하는 구성으로 되어 있다.

진공챔버(1)는 내부가 비어있고 상부가 개방된 형상으로, 그 개방된 상방은 각각이 중앙에 관통공을 갖는 복수개의 절연진공플레이트(4A, 4B, 4C, 4D)에 의해 밀폐되어 있으며, 그 하단부 소정부위에 내부 가스를 배출시키기 위한 펌핑 포트( pumping port)가 마련되어 있다.

정전척(susceptor or ESC)(20)은 진공챔버(1) 내부의 중앙부에 배치되고 외부의 바이어스알에프(26)를 인가받으며 그 상면에 기판(33)이 놓여지는 판재 형상으로, 그 저면에는 상하로 승강되면서 안테나부와의 갭을 조절할 수 있도록 하는 벨로우즈 튜브(bellows tube)(25)가 마련되어 있다. 여기서, 바이어스알에프(26)는 바이어스 저주파알에프(26a)와 바이어스 고주파알에프(26b)를 인가할 수 있도록 분리 구성되어 있다.

한편, 본 발명에 의하면, 판형 안테나부는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 하나의 판형 안테나가 아닌 여러 개로 분할된 복수개의 판형 안테나들(2A, 2B, 2C, 2D)로 구성되는데, 이렇게 함으로써 스탠딩 웨이브 효과를 감소시켜 생성되는 플라즈마(P)의 밀도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 판형 안테나(2A, 2B, 2C, 2D)를 여러개로 분할하여 사용하기 때문에, 플라즈마 발생장치의 제작 원가를 낮출 수 있는 장점도 아울러 가진다. 도 2 내지 도 4에서는 판형 안테나가 4개로 분할된 구조를 도시하고 있으나, 이는 일 실시예에 불과하며, 용도 및 챔버의 크기에 따라 그 갯수는 N개로 변형 실시될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

이와 같은 판형 안테나(2A, 2B, 2C, 2D)는 각각 그 상부를 밀봉되게 덮어씌우며 그 외주면에 가스주입구가 형성된 안테나덮개를 포함하는 구성으로 되어 있으며, 외부에서 인가되는 소스알에프(35)에 의해 정전척(20)과의 사이에서 전기장을 형성하는 정전결합(capacitive coupling)에 의한 플라즈마(P)를 발생시킨다. 비록 도 3에는 하나의 소스알에프(35)에 의해 모든 판형 안테나(2A, 2B, 2C, 2D)에 인가되도록 구성되어 있으나, 이와 달리 구성될 수도 있다.

이에 대해 도 4를 참조하여 구체적으로 살펴보면, 복수개 판형 안테나(2A, 2B, 2C, 2D)의 각각에는 별도의 소스알에프(35-1, 35-2)가 인가되도록 구성된다(도 2의 X-X'단면도이므로 2개의 소스알에프(35-1, 35-2)와 매처(35a-1. 35a-2)만이 도시되어 있음). 이와같이 구성함으로써, 각 판형 안테나와 그 외주에 연결된 하나 이상의 인덕티브 코일을 통해 발생되는 플라즈마의 양을 독립적으로 조절할 수도 있다.

한편, 각각의 판형 안테나(2A, 2B, 2C, 2D)의 외주면에는 유도 결합에 의한 안테나로 기능하는 인덕티브 코일(3A, 3B, 3C, 3D)이 연장되도록 구성되어, 유도결합(inductive coupling)에 의한 플라즈마(P)를 발생시킨다. 비록 도 2에서는 하나의 판형 안테나의 외주면에 하나의 인덕티브 코일이 연장되는 것으로 도시되어 있으나, 이와 달리 하나의 판형 안테나에 하나 이상의 인덕티브 코일이 연결되도록 구성함으로써, 발생되는 유도결합에 의한 플라즈마의 양을 조절할 수도 있다.

이와 같이 판형 안테나(2A, 2B, 2C, 2D)의 각 외주면에 인덕티브 코일(3A, 3B, 3C, 3D)이 연장되도록 구성함으로써, 정전결합에 의한 플라즈마(P)(CCP방식)뿐 아니라 유도결합에 의한 플라즈마(P)(ICP방식)도 발생시킬 수 있어 전체적으로 진공챔버(1) 내에 발생되는 플라즈마(P)의 밀도를 높일 수 있는 장점이 있다. 한편, 인덕티브 코일(3A, 3B, 3C, 3D)은 진공챔버(1) 또는 챔버 어뎁터(1a)를 통해 그라운드로 연결된다.

그리고, 복수개의 판형 안테나(2A, 2B, 2C, 2D) 사이에는 포텐셜 밸런스 커넥터(6)가 연결되어 있으며, 이와 같이 포텐셜 밸런스 커넥터(6)를 판형 안테나(2A, 2B, 2C, 2D) 사이에 연결함으로써, 복수개의 판형 안테나(2A, 2B, 2C, 2D) 사이에 야기되는 전위차를 보정할 수 있다.

한편, 도 3 또는 도 4에서 미설명부호 100은 부재간의 기밀을 유지시키거나 또는 절연시키기 위한 용도로 사용된 씰(seal)을 나타낸 것이며, 도에서 미설명부호 5A 내지 5D는 판형 안테나(2A, 2B, 2C, 2D)의 상부덮게에 설치되어 소스알에프(35) 파워를 진공챔버(1) 내로 전달하기 위한 RF 로드이다.

이러한 구성에 따른 본 발명의 플라즈마 발생장치는 진공챔버(1) 내의 정전척(20) 상면에 기판(33)을 올려놓고 벨로우즈 튜브(25)를 이용하여 판형 안테나(2A, 2B, 2C, 2D)와의 갭(gap)을 조절한 후, 메쳐(35a, 26c)를 거쳐 각각의 알에프(35, 26a, 26b) 파워를 진공챔버(1) 내부에 인가하고, 가스주입구를 통하여 가스를 주입하여 가스 분배판(30) 및 가스분사구를 통해 분사되도록 하여 이 진공챔버(1) 내에서 플라즈마(P)가 발생되도록 하는 것이다.

그리고, 판형 안테나(2A, 2B, 2C, 2D)의 가스주입구를 통해 유입되는 가스주입량 역시 기판(33)의 중심영역과 외부영역에 따라 다르게 조절할 수 있다. 이와 같이 함으로써 기판(33)의 중심영역과 외부영역의 식각특성 및 증착특성을 조절할 수 있는 것이다.

이상 도면과 명세서에서 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 특별한 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 또 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

P: 플라즈마
1: 진공챔버 1a: 챔버 어뎁터(adapter)
2A, 2B, 2C, 2D: 판형 안테나
3A, 3B, 3C, 3D: 인덕티브 코일
4A, 4B, 4C, 4D: 절연진공플레이트
5A, 5B, 5C, 5D: RF 로드
6: 포텐셜 밸런스 커넥터(potential balance connector)
100: 씰(seal)
20: 정전척
25: 벨로우즈 튜브 (bellows tube)
26: 바이어스 알에프
26a: 바이어스 저주파알에프 26b: 바이어스 고주파알에프
26c, 35a, 35a-1. 35a-2: 메처 (matcher)
30: 가스분배판
31: 하부판 33: 기판
35, 35-1, 35-2: 소스알에프

Claims

내부가 비어있고, 관통공을 가진 복수개의 절연진공플레이트들에 의해 상부가 밀폐되는 진공챔버;
상기 진공챔버 내부의 중앙에 배치되며, 외부의 바이어스 알에프를 인가받으며, 그 상면에 기판이 놓여지는 정전척; 및
상기 복수개의 절연진공플레이트들의 관통공에 각각 체결되는 복수개의 판형 안테나들로, 외부의 소스알에프를 인가받아 상기 진공챔버 내에 정전결합에 의한 플라즈마를 발생시키는 판형 안테나부를 포함하고,
상기 복수개의 판형 안테나들 각각은, 주입된 가스를 상기 진공챔버 내로 분사하는 가스 분사구가 형성된 하부판, 상기 하부판을 밀봉되게 덮어씌우고, 그 외주면에 가스 주입구가 형성된 하부판 덮개 및 상기 하부판 및 하부판 덮개 사이에 배치되는 가스분배판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서,
상기 복수개의 판형 안테나들 각각에는, 그 외주면을 따라 연장됨으로써, 상기 진공챔버 내에 유도결합에 의한 플라즈마를 발생시키는 하나 이상의 인덕티브 코일이 결합되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
제2항에 있어서,
상기 복수개의 판형 안테나들 사이에는,
전위차 보정을 위한 포텐셜 밸런스 커넥터가 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
제3항에 있어서,
상기 플라즈마 발생장치는,
상기 복수개의 판형 안테나들과 그 외주면을 따라 연장된 상기 하나 이상의 인덕티브 코일에 RF 파워를 전달하기 위한 소스알에프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
제4항에 있어서,
상기 하나 이상의 인덕티브 코일은,
상기 진공챔버 또는 상기 진공챔버와 상기 복수개의 절연진공플레이트들을 체결하기 위한 챔버 어뎁터를 통해 그라운드로 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
삭제
제2항에 있어서,
상기 복수개의 판형안테나들 각각에는,
RF 파워를 전달하기 위한 별도의 독립된 소스알에프가 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.