KR101097386B1 - 원격 플라즈마 발생기를 지지하는 거치대 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원격 플라즈마 발생기가 구비된 플라즈마 반응기 및 이를 지지하는 거치대에 관한 것이다. 본 발명의 원격 플라즈마 발생기를 지지하는 거치대는 공정 챔버의 외부에서 상기 공정 챔버의 상부에 설치된 원격 플라즈마 발생기를 지지하고, 상기 원격 플라즈마 발생기를 상기 공정 챔버에서 고정 또는 분리할 수 있도록 회전 구조를 포함한다. 본 발명의 원격 플라즈마 발생기가 구비된 플라즈마 반응기 및 이를 지지하는 거치대에 의하면, 거치대에 의해 원격 플라즈마 발생기가 지지되기 때문에 원격 플라즈마 발생기의 하중이 그대로 플라즈마 반응기에 인가되는 것을 방지하여 플라즈마 반응기에 균열이 발생되거나 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한 거치대가 회전 가능하도록 형성되어 원격 플라즈마 발생기가 플라즈마 반응기와 쉽게 분리 결합될 수 있어 원격 플라즈마 발생기의 유지보수가 쉽다.
플라즈마 반응기, 거치대, 지지대, 원격 플라즈마 발생기, 매니폴드, 가스분사노즐

Description

원격 플라즈마 발생기가 구비된 플라즈마 반응기 및 이를 지지하는 거치대{Plasma reactor having remote plasma generator and supportor}
본 발명은 원격 플라즈마 발생기가 구비된 플라즈마 반응기 및 이를 지지하는 거치대에 관한 것으로, 구체적으로는 플라즈마 반응기의 상부에 설치되는 원격 플라즈마 발생기의 하중에 의해 플라즈마 반응기가 손상되는 것을 방지하기 위한 원격 플라즈마 발생기가 구비된 플라즈마 반응기 및 이를 지지하는 거치대에 관한 것이다.
플라즈마는 같은 수의 양이온(positive ions)과 전자(electrons)를 포함하는 고도로 이온화된 가스이다. 플라즈마 방전은 이온, 자유 라디컬, 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(etching), 증착(deposition), 세정(cleaning), 에싱(ashing) 등에 다양하게 사용된다.
플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 소스는 여러 가지가 있는데 무선 주파수(radio frequency)를 사용한 용량 결합 플라즈마(capacitive coupled plasma)와 유도 결합 플라즈마(inductive coupled plasma)가 그 대표적인 예이다.
용량 결합 플라즈마 소스는 정확한 용량 결합 조절과 이온 조절 능력이 높아서 타 플라즈마 소스에 비하여 공정 생산력이 높다는 장점을 갖는다. 반면, 무선 주파수 전원의 에너지가 거의 배타적으로 용량 결합을 통하여 플라즈마에 연결되기 때문에 플라즈마 이온 밀도는 용량 결합된 무선 주파수 전력의 증가 또는 감소에 의해서만 증가 또는 감소될 수 있다. 그러나 무선 주파수 전력의 증가는 이온 충격 에너지를 증가시킨다. 결과적으로 이온 충격에 의한 손상을 방지하기 위해서는 무선 주파수 전력의 한계성을 갖게 된다.
한편, 유도 결합 플라즈마 소스는 무선 주파수 전원의 증가에 따라 이온 밀도를 쉽게 증가시킬 수 있으며 이에 따른 이온 충격은 상대적으로 낮아서 고밀도 플라즈마를 얻기에 적합한 것으로 알려져 있다. 그럼으로 유도 결합 플라즈마 소스는 고밀도의 플라즈마를 얻기 위하여 일반적으로 사용되고 있다. 유도 결합 플라즈마 소스는 대표적으로 무선 주파수 안테나(RF antenna)를 이용하는 방식과 변압기를 이용한 방식(변압기 결합 플라즈마(transformer coupled plasma)라고도 함)으로 기술 개발이 이루어지고 있다. 여기에 전자석이나 영구 자석을 추가하거나, 용량 결합 전극을 추가하여 플라즈마의 특성을 향상 시키고 재현성과 제어 능력을 높이기 위하여 기술 개발이 이루어지고 있다.
무선 주파수 안테나는 나선형 타입 안테나(spiral type antenna) 또는 실린더 타입의 안테나(cylinder type antenna)가 일반적으로 사용된다. 무선 주파수 안테나는 플라즈마 반응기(plasma reactor)의 외부에 배치되며, 석영과 같은 유전체 위도우(dielectric window)를 통하여 플라즈마 반응기의 내부로 유도 기전력을 전달한다.
한편, 반도체 제조 공정의 챔버 세정이나 에싱 공정에서 원격 플라즈마가 사용되고 있는바, 원격 플라즈마는 원격 플라즈마 발생기를 통해 제공된다. 원격 플라즈마 발생기를 탑재한 플라즈마 반응기는 원격 플라즈마 발생기에서 발생된 플라즈마를 플라즈마 반응기의 내부로 받아들여서 세정 공정이나 에싱 공정 등과 같은 플라즈마 처리 공정들을 수행한다. 피처리 기판 사이즈가 증가하면서 플라즈마 반응기의 볼륨도 커지고 있으며 이로 인하여 대용량의 원격 플라즈마 발생기가 요구되고 있다.
여기서, 균일한 고밀도의 플라즈마를 얻기 위하여 원격 플라즈마 발생기를 플라즈마 반응기의 상부에 위치하는 방법에 제시되었다. 유도 결합 플라즈마 소스를 이용한 플라즈마 반응기는 석영과 같은 유전체 윈도우로 형성되어 있어 원격 플라즈마 발생기의 하중에 의해 쉽게 균열이 발생될 수 있다. 이러한 유전체 윈도우에 형성된 균열은 플라즈마의 유도에 영향을 미치게 되어 균일한 고밀도의 플라즈마가 형성되는 것을 방해한다.
또한 원격 플라즈마 발생기는 플라즈마 반응기에 고정되어 설치되기 때문에 유지보수를 하는데 어려움이 발생한다. 특히, 대형화된 원격 플라즈마 발생기는 무겁고 큰 부피로 인하여 플라즈마 반응기에서 분리하는 것이 더욱 어렵다.
본 발명의 목적은 원격 플라즈마 발생기를 플라즈마 반응기의 상부에 고정하기 위한 거치대를 별도로 구비하여 원격 플라즈마 발생기의 하중이 플라즈마 반응기에 전달되는 것을 방지할 수 있는 원격 플라즈마 발생기가 구비된 플라즈마 반응기 및 이를 지지하는 거치대를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 원격 플라즈마 발생기가 구비된 플라즈마 반응기 및 이를 지지하는 거치대에 관한 것이다. 본 발명의 원격 플라즈마 발생기를 지지하는 거치대는 공정 챔버의 외부에서 상기 공정 챔버의 상부에 설치된 원격 플라즈마 발생기를 지지하고, 상기 원격 플라즈마 발생기를 상기 공정 챔버에서 고정 또는 분리할 수 있도록 회전 구조를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 거치대는 상기 공정 챔버의 외부에 설치되는 수직 지지대; 및 상기 수직 지지대에 연결되어 상기 원격 플라즈마 발생기를 지지한다.
일 실시예에 있어서, 상기 수직 지지대는 승하강 구조를 갖는다.
일 실시예에 있어서, 상기 회전 구조는 상기 수평 지지대를 회전할 수 있도록 상기 수평 지지대와 상기 수직 지지대 사이에 설치된 1차 회전축을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 거치대는 상기 수평 지지대와 상기 원격 플라즈마 발생기 사이에 구비되어 상기 원격 플라즈마 발생기를 지지한다.
일 실시예에 있어서, 상기 회전 구조는 상기 지지플레이트를 회전할 수 있도록 상기 수평 지지대와 상기 지지플레이트 사이에 설치된 2차 회전축을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 지지플레이트는 상기 원격 플라즈마 발생기와 힌 지로 결합된다.
본 발명의 원격 플라즈마 발생기를 구비한 플라즈마 반응기는 원격 플라즈마 발생기; 상기 원격 플라즈마 발생기에서 공급된 가스가 천장에 형성된 개구부를 통해 유입되는 공정 챔버; 및 상기 공정 챔버의 개구부에 상기 원격 플라즈마 발생기가 고정 또는 분리가능하도록 회전 구조를 포함하며 상기 원격 플라즈마 발생기를 지지하는 거치대를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 공정 챔버의 개구부에 설치되어 상기 원격 플라즈마 발생기에서 공급되는 가스를 상기 공정 챔버의 내부로 방사하는 가스분사노즐을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스분사노즐은 경사면으로 형성된 상부표면; 및 곡면으로 형성된 하부표면을 포함하여 세정가스가 상기 경사면을 따라 방사된다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스분사노즐은 상기 공정 챔버 내부로 공정가스를 공급하는 하나의 가스 입구와 복수 개의 가스 출구를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는 상기 원격 플라즈마 발생기를 하부에서 지지하기 위한 보조 지지대를 포함한다.
본 발명의 어댑터를 포함하는 플라즈마 반응기는 원격 플라즈마 발생기; 상기 원격 플라즈마 발생기로부터 가스를 공급받기 위해 상부에 개구부가 형성된 공정챔버; 및 상기 원격 플라즈마 발생기와 상기 공정 챔버의 개구부 사이에 설치되어 상기 원격 플라즈마 발생기에서 제공되는 가스를 상기 공정 챔버 내부로 공급하고, 상기 공정 챔버 내부로 전달되는 에너지의 손실을 막기 위한 어댑터를 포함한 다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는 상기 공정 챔버의 외부에서 상기 원격 플라즈마 발생기를 지지하고, 상기 공정 챔버의 상부에 상기 원격 플라즈마 발생기를 고정 또는 분리할 수 있도록 회전 구조를 갖는다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는 상기 공정 챔버의 상부에 설치되어 상기 공정 챔버의 내부로 유도 결합된 플라즈마를 유도하는 코일 안테나; 및 상기 코일 안테나에 전원을 공급하기 위한 전원 공급원을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는 상기 공정 챔버 내부로 자기장이 집중될 수 있도록 상기 공정 챔버를 감싼 형태로 형성된 자기장 차폐막을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 자기장 차폐막은 니켈을 포함한 혼한물로 형성된 다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는 상기 공정 챔버 내부의 세정효율을 높이기 위해 상기 원격 플라즈마 발생기와 상기 어댑터를 수직으로 연결하는 연결부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 어댑터는 내부에 냉각채널을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는 상기 어댑터와 상기 코일 안테나 사이에 구비되어 아킹이 발생되는 것을 방지하기 위한 아킹 방지부재를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는 상기 어댑터와 상기 아킹 방지 부재 사이에 구비되어 상기 코일 안테나에서 발생된 자기장이 어댑터로 전달되는 것을 방지하기 위한 자기장 차폐부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 자기장 차폐부는 복수 개로 분리 형성된 자기장 차폐부재가 결합되어 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 어댑터는 중심축에 상기 공정가스 통로가 형성되고, 상기 공정가스 통로의 둘레에 상기 세정가스 통로가 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 공정 챔버의 개구부에 설치되어 상기 원격 플라즈마 발생기에서 공급되는 가스를 상기 공정 챔버의 내부로 방사하는 가스분사노즐을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스분사노즐은 경사면으로 형성된 상부표면; 및 곡면으로 형성된 하부표면을 포함하여 상기 원격 플라즈마 발생기에서 공급되는 세정가스가 상기 상부표면의 경사면을 따라 방사된다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스분사노즐은 상기 가스입구가 상기 어댑터의 공정가스 통로에 연결된다.
일 실시예에 있어서, 상기 어댑터와 상기 공정 챔버 사이에 구비되어 완충작용을 하는 완충링을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 공정 챔버의 내부에 유도된 플라즈마에 의해 상기 완충링이 손상되는 것을 방지하기 위한 절연링을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 코일 안테나에 근접하게 설치되어 상기 코일 안테나에 의해 유도되는 자기장을 집중시키기 위한 마그네틱 코어를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 마그네틱 코어는 각 상기 코일 안테나 사이에 구비된다.
일 실시예에 있어서, 상기 마그네틱 코어는 상기 코일 안테나의 상부를 감싸도록 형성된다.
본 발명의 원격 플라즈마 발생기가 구비된 플라즈마 반응기 및 이를 지지하는 거치대에 의하면, 거치대에 의해 원격 플라즈마 발생기가 지지되기 때문에 원격 플라즈마 발생기의 하중이 그대로 플라즈마 반응기에 인가되는 것을 방지하여 플라즈마 반응기에 균열이 발생되거나 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한 거치대가 회전 가능하도록 형성되어 원격 플라즈마 발생기가 플라즈마 반응기와 쉽게 분리 결합될 수 있어 원격 플라즈마 발생기의 유지보수가 쉽다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상 세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 원격 플라즈마 발생기를 구비한 플라즈마 반응기를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 반응기(1)는 원격 플라즈마 발생기(20), 거치대(10) 및 공정 챔버(40)를 포함한다.
원격 플라즈마 발생기(20)는 세정가스를 공정 챔버(40) 내부로 공급한다. 거치대(10)는 공정 챔버(40)의 외부에서 원격 플라즈마 발생기(20)를 공정 챔버(40)의 상부에 고정될 수 있도록 지지한다. 거치대(10)는 수직 지지대(12)와 수평 지지대(14)를 포함한다. 수직 지지대(12)는 승하강이 가능한 구조로 베이스(3)에 수직으로 설치된다. 수평 지지대(14)는 수직 지지대(12)의 상단에 일측이 연결되고, 타측에 원격 플라즈마 발생기(20)가 설치된다. 즉, 수직 지지대(12)와 수평 지지대(14)는 "ㄱ"자 형태로 형성되어 원격 플라즈마 발생기(20)를 지지한다. 여기서, 원격 플라즈마 발생기(20)는 거치대(10)에 지지대되어 공정 챔버(40)의 상부에 고정되기 때문에 원격 플라즈마 발생기(20)의 하중이 공정 챔버(40)에 인가되지 않는다. 또한 거치대(10)에는 회전 구조가 포함되어 있어 원격 플라즈마 발생기(20)를 공정 챔버(40)에서 용이하게 분리할 수 있다.
도 2는 거치대의 회전 구조를 나타낸 도면이고, 도 3은 힌지구조로 연결된 원격 플라즈마 발생기를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 원격 플라즈마 발생기(20)를 지지하기 위한 거치대(10)는 수직 지지대(12)와 수평 지지대(14)를 포함한다. 수직 지지대(12)는 공정 챔버(40)가 설치된 베이스(3)의 일측에 수직으로 설치된다. 수직 지지대(12)는 승하강이 가능한 구조로 형성되어 공정 챔버(40)의 높이에 따라 길이 조절이 가능하다. 수평 지지대(14)는 일측이 수직 지지대(12)의 상단에 연결되고, 타측이 원격 플라즈마 발생기(20)를 지지한다. 여기서, 수평 지지대(14)는 수직 지지대(12)와 1차 회전축(12a)으로 연결되어 수평 지지대(14)가 1차 회전축(12a)을 이용하여 회전이 가능하다. 수평 지지대(14)에는 원격 플라즈마 발생기(20)의 하부에 설치되어 지지하는 지지플레이트(16)를 포함한다. 지지플레이트(16)는 원격 플라즈마 발생기(20)와 수평 지지대(14) 사이에 구비되어 원격 플라즈마 발생기(20)가 안정적으로 지지될 수 있도록 한다. 여기서, 지지플레이트(16)는 수평 지지대(14)와 2차 회전축(14a)으로 연결되어 지지플레이트(16)에 설치된 원격 플라즈마 발생기(20)가 수평 지지대(14)를 중심으로 회전할 수 있다. 또한 지지플레이트(16)와 원격 플라즈마 발생기(20)는 일측이 힌지(18)로 결합되어 힌지(18)를 중심으로 원격 플라즈마 발생기(20)가 상하로 움직일 수 있다.
상기에 설명된 거치대(10)의 회전 구조는 원격 플라즈마 발생기(20)를 공정 챔버(40)에 용이하게 장착 및 해지할 수 있도록 한다. 또한 수직 지지대(12)와 수평 지지대(14)가 연결된 부분에는 리브(13)가 설치되어 수평 지지대(14)를 견고하게 수직 지지대(12)에 연결한다.
예를 들어, 공정 챔버(40)에 고정 설치된 원격 플라즈마 발생기(20)를 유지 보수하는 경우 원격 플라즈마 발생기(20)를 공정 챔버(40)에서 분리해야 한다. 즉, 원격 플라즈마 발생기(20)를 힌지(18)를 이용하여 공정 챔버(40)의 개구부(43)에서 분리하고, 1차 회전축(12a)과 2차 회전축(14a)을 이용하여 원격 플라즈마 발생기(20)와 수평 지지대(14)를 회전시킴으로써 공정 챔버(40)에서 분리할 수 있다.
또한 원격 플라즈마 발생기(20)를 공정 챔버(40)에 설치하는 경우, 원격 플라즈마 발생기(20)는 먼저 거치대(10)에 되고 1, 2차 회전축(12a, 14a)을 통해 공정 챔버(40)의 상부로 이동되어 공정 챔버(40)의 개구부(43)에 설치된다.
도 4는 도 1에 도시된 플라즈마 반응기의 단면을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 플라즈마 반응기(1)의 공정 챔버(40)는 유전체 윈도우(42)와 반응기 몸체(44)를 포함한다. 유전체 윈도우(42)는 RF 에너지와 같은 전자기 에너지를 투과시킬 수 있는 유전물, 예를 들어, 실리콘 또는 이산화 실리콘으로 구성될 수 있다. 유전체 윈도우(42)는 돔 형상으로 곡률을 갖도록 형성되고, 천정에 외부로부터 세정가스 및 공정 가스를 공급받기 위한 개구부(43)가 구비된다. 유전체 윈도우(42)의 상부에는 코일 안테나(41)가 설치된다. 전원 공급원(50)으로부터 발생된 주파수 전원은 임피던스 정합기(52)를 통하여 코일 안테나(41)로 공급되어 공정 챔버(40) 내부에 유도 결합된 플라즈마를 유도한다. 코일 안테나(41)는 전원 공급원(50)으로부터 공급되는 주파수 전원에 의해 과열되는 것을 방지하기 위한 냉각채널을 포함한다. 예를 들어, 코일 안테나(41)의 내부에 냉각수나 냉각액을 순환시켜 코일 안테나(41)가 과열되는 것을 방지한다. 전원 공급원(50)으 로부터 발생되는 주파수는 300 ~ 500㎑의 범위이며, 1 ~ 20㎾까지 인가된다.
반응기 몸체(44)는 유전체 윈도우(42)의 하단에 위치되어 내부에 피처리 기판(48)이 놓이는 기판 지지대(47)가 구비된다. 반응기 몸체(44)는 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속 물질로 재작될 수 있다. 또는 코팅된 금속 예를 들어, 양극 처리된 알루미늄이나 니켈 도금된 알루미늄으로 재작될 수도 있다. 또는 내화 금속(refractory metal)로 재작될 수도 있다. 또 다른 대안으로는 반응기 몸체를 전체적 또는 부분적으로 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 재작하는 것도 가능하다. 이와 같이 반응기 몸체(44)는 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 어떠한 물질로도 재작될 수 있다. 반응기 몸체(44)의 구조는 피처리 기판(48)에 따라 그리고 플라즈마의 균일한 발생을 위하여 적합한 구조 예를 들어, 원형 구조나 사각형 구조 그리고 이외에도 어떠한 형태의 구조를 가질 수 있다.
피처리 기판(48)은 예를 들어, 반도체 장치, 디스플레이 장치, 태양전지 등과 같은 다양한 장치들의 제조를 위한 웨이퍼 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판 등과 같은 기판들이다. 공정 챔버(40)는 진공펌프(46)에 연결된다.
공정 챔버(40)의 유전체 윈도우(42)가 외부로 노출되어 손상되는 것을 방지하기 위하여 유전체 윈도우(42)의 외부에 반응기 커버(27)를 설치한다. 반응기 커버(27)에는 보조 지지대(25)가 돌출 형성되어 원격 플라즈마 발생기(20)가 공정 챔버(40)에 설치될 때 원격 플라즈마 발생기(20)의 하부를 지지한다. 보조 지지대(25)는 탄성부재를 포함하여 원격 플라즈마 발생기(20)가 설치 또는 분리될 때 탄성 지지한다.
또한 코일 안테나(41)에 의해 유도된 자기장이 공정 챔버(40) 내부로 집중될 수 있도록 공정 챔버(40)의 유전체 윈도우(42) 둘레를 따라 자기장 차폐막(29)을 설치한다. 여기서, 자기장 차폐막(29)은 니켈이 50%이상 포함된 화합물로 유전체 윈도우(42) 둘레를 따라 한 겹으로 설치함으로써 자기장의 차폐효율을 향상시킨다. 자기장 차폐막(29)은 반응기 커버(27)의 외부에 설치될 수도 있고, 공정 챔버(40)와 반응기 커버(27) 사이에도 설치될 수 있다.
플라즈마 반응기(1)는 원격 플라즈마 발생기(20)에서 공급되는 세정가스와 공정가스 공급원(35)에서 공급되는 공정가스를 공정 챔버(40)의 내부로 분사시키는 가스분사노즐(60)을 포함한다.
공정 챔버(40) 내부에는 피처리 기판(48)을 지지하기 위한 기판 지지대(47)가 구비된다. 기판 지지대(47)는 바이어스 전원 공급원(54)에 연결되어 바이어스 된다. 예를 들어, 서로 다른 주파수 전원을 공급하는 두 개의 바이어스 전원 공급원 또는 하나의 전원 공급원(54)이 임피던스 정합기(56)를 통하여 기판 지지대(47)에 전기적으로 연결되어 바이어스된다. 기판 지지대(47)의 이중 바이어스 구조는 공정 챔버(40)의 내부에 플라즈마 발생을 용이하게 하고, 플라즈마 이온 에너지 조절을 더욱 개선시켜 공정 생산력을 향상 시킬 수 있다. 또는 단일 바이어스 구조로 변형 실시할 수도 있다. 또는 기판 지지대(47)는 바이어스 전원의 공급 없이 제로 퍼텐셜(zero potential)을 갖는 구조로 변형 실시될 수도 있다. 그리고 기판 지지대(47)는 정전척(미도시)을 포함할 수 있다. 또는 기판 지지대(47)는 히터(미도시) 를 포함할 수 있다.
세정가스 공급원(30)과 원격 플라즈마 발생기(20)로부터 제공받은 세정가스는 개구부(43)를 통해 공정 챔버(40)의 내부로 공급된다. 여기서, 원격 플라즈마 발생기(20)는 연결부(28)와 어댑터(70)를 통해 세정 가스를 공정 챔버(40)의 내부로 공급한다.
연결부(28)는 원격 플라즈마 발생기(20)에서 분해되어 공급되는 세정가스를 개구부(43)를 통해 공정 챔버(40)의 내부로 공급한다. 여기서, 연결부(28)는 직관 형태로 형성되어 분해된 세정가스가 재결합되어 세정 효율이 떨어지는 것을 방지한다. 원격 플라즈마 발생기(20)는 거치대(10)에 지지되어 공정 챔버(40)에 설치되기 때문에 연결부(28)를 수직으로 형성할 수 있어 연결부(28)가 곡선으로 형성되는 경우 공급되는 세정가스에 의해 열이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또한 냉각 채널이 연결부(28)와 일체 또는 분리되어 형성될 수 있다.
어댑터(70)는 세정가스 통로(72)와 공정가스 통로(74)가 별도로 구비되어 공정 챔버(40)의 개구부(43)에 설치된다. 공정가스 통로(74)는 어댑터(70)의 측면에서 중심축으로 형성되고, 공정가스 통로(74)의 둘레로 세정가스 통로(72)가 형성된다. 여기서, 어댑터(70)의 공정가스 통로(74)에는 가스분사노즐(60)이 연결된다.
도 5 및 도 6은 플라즈마 반응기에 포함된 가스분사노즐을 나타낸 사시도이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 가스분사노즐(60)은 공정가스를 공급받는 하나의 가스 입구(65)와 공정 챔버(40)의 내부로 공정가스를 분사시키는 복수 개의 가스 출구(66)를 구비한다. 복수 개의 가스 출구(66)는 각 가스 출구(66) 간에 동일한 간격으로 구비되어 공정 챔버(40) 내부에 균일하게 공정가스를 분사한다. 가스분사노즐(60)은 가스 입구(62)가 어댑터(70)의 공정가스 통로(74)와 연결되면서 공정 챔버(40)의 개구부(43)에 설치된다.
도 7 및 도 8은 가스분사노즐을 따라 세정가스가 분사되는 것을 나타낸 단면도이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 가스분사노즐(60)은 공정 챔버(40)의 개구부(43)를 완전히 밀폐시키지 않고 가스분사노즐(60)의 둘레를 따라 개구부(43)와 소정 간격 이격되도록 설치된다. 이격된 간격을 통해 세정가스가 공정 챔버(40)의 내부로 유입되고, 가스분사노즐(60)의 상부 표면(62)을 따라 공정 챔버(40) 내부로 분사된다.
가스분사노즐(60)은 세정가스를 공정 챔버(40) 내부에 확산시키기 위해 상부표면(62)이 경사면으로 형성되고, 하부 표면(64)의 세정 효율을 높이기 위하여 하부표면(64)이 곡면으로 형성된다. 상부 표면(62)의 경사면 각도는 가스분사노즐(60)의 수직축과 상부표면(62) 사이의 각도로 90 ~ 180ㅀ의 범위에서 조절이 가능하다. 또한 경사면 각도는 가스분사노즐(60)의 상부에서 하부로 갈수록 완만해져 가스분사노즐(60)의 내측으로 상부 표면이 오목한 형태가 된다. 따라서 가스분사노즐(60)의 오목한 상부표면(62)을 따라 세정가스가 공정 챔버(40)의 내부에 균일하 게 확산될 수 있다. 하부표면(64)은 곡면으로 형성되어 상부표면(62)을 따라 확산된 세정 가스가 곡면으로 형성된 하부표면(64)을 따라 분사된다. 그러므로 하부표면(64)으로 확산된 세정가스에 의해 하부표면(64)에 증착된 공정 잔여물의 세정이 이루어진다. 세정 가스는 가스분사노즐(60)의 상부표면(62)을 따라 공정 챔버(40) 내부로 분기되면 먼저 공정 챔버(40) 천정과 벽면을 걸쳐 확산되어 세정이 이루어진다. 가스분사노즐(60)의 상부표면(62)을 따라 분기된 세정가스는 곡면의 하부표면(64)을 따라 확산되면서 하부표면(64)의 세정도 이루어진다.
가스분사노즐(60)의 경사면은 공정 챔버(40)의 곡률과 상관성을 갖는다. 즉, 공정 챔버(40)의 곡률에 맞도록 가스분사노즐(60)의 경사면 각도를 조절하여 세정가스의 확산 정도의 조절이 가능하다. 가스분사노즐(60)은 공정 챔버(40)의 다양한 곡률에 따라 최적의 세정 효율을 낼 수 있는 경사면을 구비함으로써 공정 챔버(40) 내부에 균일하게 세정가스를 확산시키고 증착된 공정 잔여물을 효율적으로 세정한다.
도 9 및 도 10은 플라즈마 반응기의 어댑터를 확대한 확대도이다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 어댑터(70)는 아킹 방지부재(82)와 자기장 차폐부(84)로 구성된 차폐구조를 포함한다. 아킹 방지부재(82)는 어댑터(70)의 외주면에 설치되어 알루미늄과 같은 금속으로 형성된 어댑터(70)와 공정 챔버(40)에 구비된 코일 안테나(41)와의 사이에서 아킹이 발생되는 것을 방지한다. 코일 안테나(41)와의 사이에서 아킹이 발생되면 어댑터(70)의 온도가 상승되어 어댑터(70) 가 변형되거나 공정가스 및 세정가스의 공급이 정상적으로 이루어지지 않게 된다.
또한 코일 안테나(41)에 의해 형성된 자기장이 어댑터(70)의 내부로 유입되어 어댑터(70)가 손상되거나 가열되는 것을 방지하기 위해 어댑터(70)와 아킹 방지부재(82)의 사이에 자기장 차폐부(84)를 구비한다. 자기장 차폐부(84)는 코일 안테나(41)에 의해 유도된 자기장이 어댑터(70)로 전달되어 플라즈마 발생을 위한 에너지가 손실되는 것을 방지한다. 이때 자기장 차폐부(84)는 복수 개의 자기장 차폐부재(84a, 84b, 84c)가 결합되어 형성된다. 본 발명에서의 자기창 차폐부(84)는 제1 자기장 차폐부재(84a), 제2 자기장 차폐부재(84b) 및 제3 자기장 차폐부재(84c)가 결합되어 형성된 것으로 설명한다. 각 자기장 차폐부재(84a, 84b, 84c)는 다단으로 결합되어 코일 안테나(41)에 의한 자기장이 한쪽방향으로 치우치는 것을 방지한다. 즉, 코일 안테나(41)에 의해 유도된 자기장이 각 자기장 차폐부재(84a, 84b, 84c)로 균일하게 분배되어 전달되기 때문에 자기장의 치우침 현상이 발생되지 않는다. 여기서, 어댑터(70)는 내부에 냉각 채널(76)이 구비되어 열에 의해 어댑터(70)의 온도가 상승되어 손상되는 것을 방지한다.
다시 도 9를 참조하면, 공정 챔버(40)는 어댑터(70)와 공정 챔버(40) 사이의 완충구조로 완충링(92)과 절연링(96)을 포함한다. 완충링(92)은 어댑터(70)의 하단과 공정 챔버(40)의 개구부(43) 상단 사이에 구비된다. 완충링(92)은 테플론으로 형성되어 열에 의해 어댑터(70)가 팽창되면서 공정 챔버(40)의 개구부(43)를 압박하는 것을 방지하여 공정 챔버(40)의 유전체 윈도우(42)에 균열이 생기거나 깨지는 것을 방지한다. 또한 완충링(92)의 상하부에 오링(94)을 구비하여 공정 챔버(40)의 내부를 완전하게 진공으로 형성한다. 절연링(96)은 공정 챔버(40) 내부에 발생된 플라즈마가 어댑터(70)의 내부로 유출되어 완충링(92)과 오링(94)을 손상시키는 것을 방지할 수 있도록 완충링(92)의 내측에 구비된다.
도 11은 가스분사노즐의 경사면 각도에 따른 세정 효율을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일실시예로 경사면 각도가 조절된 가스분사노즐(60)를 구비한 공정 챔버(40)를 형성한다. 본 발명의 일실시예에 따른 공정 챔버(40)는 내경 반지름이 210 ~ 250 ㎜이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 가스분사노즐(60)의 경사면 각도에 따라 공정 챔버(40)의 세정효율을 측정한 그래프로 가로축(X축)은 시간이고, 세로축(Y축)은 세정 가스에 의해 생성된 생성물에 전류를 인가했을 때 측정되는 이온 전류값을 나타낸다. 세정 가스는, 예를 들어, 한 개 이상의 NF3, C2F6, C3F8, CF4 및 SF6 와 같은 플루오르 함유 가스를 포함할 수 있으나, 본 실시예에서는 세정 가스로 질소 트리플루오라이드(NF3)를 사용한다.
가스분사노즐(60)의 상부표면(62)을 따라 공정 챔버(40)의 내부로 확산된 세정가스는 공정 챔버(40)의 내면에 증착된 공정 잔여물인 산화실리콘(SIO2)과 이온결합하여 생성물(SIF4)을 형성한다. 세정가스가 공정 챔버(40)로 공급되면 처음에는 공정 잔여물과 결합된 생성물(SIF4)이 다량 생성된다. 세정 과정을 진행하는 동안 점차 생성물(SIF4)의 양이 줄어들면서 공정 챔버(40)의 세정이 이루어진다. 형성된 생성물(SIF4)은 배기 시스템을 통해 공정 챔버(40)의 외부로 배출된다.
그래프에서 확인해보면 경사면의 각도에 따라 이온 전류를 측정한 값이 다르게 나타나는 것을 알 수 있다. 특히, 이온 전류 측정값이 가장 최고인 지점을 비교하면 경사면의 각도가 110 ~ 130ㅀ일 때 이온 전류 측정값이 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 공정 챔버(40)의 내경 반지름이 210 ~ 250㎜인 경우에는 가스분사노즐(60)의 경사면 각도가 110 ~ 130 ㅀ일 때 최적의 세정 효율을 갖는다는 것을 확인할 수 있다. 그러므로 반응 챔버(40)의 곡률에 따라 최적의 세정효율을 갖는 가스분사노즐(60)의 경사면 각도를 알 수 있다.
다시 도 8을 참조하면, 가스분사노즐(60)은 복수 개의 가스 출구(66)가 각각 바람직하게 110 ~ 130ㅀ의 각도를 이루며 구비되어 가스 출구(66)를 통해 공정가스가 균일하게 분사되어 반응 챔버(40)의 내부에 균일한 플라즈마를 유도할 수 있도록 한다.
도 12, 도 13 및 도 14는 안테나 코일에 마그네틱 코어가 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 코일 안테나(41)에 근접하도록 마그네틱 코어(90)를 공정 챔버(40)의 상부에 설치하여 코일 안테나(41)에 의해 유도되는 자기 장이 집중되도록 한다. 마그네틱 코어(90)에 의해 코일 안테나(41)의 자기장이 집중되면 어댑터(70)의 내부로 자기장이 유입되는 것을 방지하면서 균일한 플라즈마를 유도할 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 각각의 코일 안테나(41)의 상부가 포함되도록 마그네틱 코어(90)를 설치하여 자기장을 집중적으로 형성할 수 있다. 또한 도 14에 도시된 바와 같이, 복수 개의 코일 안테나(41)가 하나의 마그네틱 코어(90)에 포함되어 자기장을 집중적으로 형성할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 원격 플라즈마 발생기가 구비된 플라즈마 반응기 및 이를 지지하는 거치대의 실시예는 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 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 원격 플라즈마 발생기가 구비된 플라즈마 반응기 및 이를 지지하는 거치대는 반도체 집적 회로의 제조, 평판 디스플레이 제조, 태양전지의 제조와 같은 다양한 박막 형성을 위한 플라즈마 처리 공정에 사용되는 플라즈마 반응기에 적용되어 매우 유용하게 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 원격 플라즈마 발생기를 구비한 플라즈마 반응기를 도시한 도면이다.
도 2는 거치대의 회전 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 힌지구조로 연결된 원격 플라즈마 발생기를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 플라즈마 반응기의 단면을 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 플라즈마 반응기에 포함된 가스분사노즐을 나타낸 사시도이다.
도 7 및 도 8은 가스분사노즐을 따라 세정가스가 분사되는 것을 나타낸 단면도이다.
도 9 및 도 10은 플라즈마 반응기의 어댑터를 확대한 확대도이다.
도 11은 가스분사노즐의 경사면 각도에 따른 세정 효율을 나타낸 그래프이다.
도 12, 도 13 및 도 14는 안테나 코일에 마그네틱 코어가 설치된 상태를 나태난 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1: 플라즈마 반응기 3: 베이스
10: 거치대 12: 수직 지지대
12a: 1차 회전축 13: 리브
14a: 2차 회전축 14: 수평 지지대
16: 지지플레이트 18: 힌지
20: 원격 플라즈마 발생기 25: 보조지지대
27: 반응기 커버 28: 연결부
29: 자기장 차폐막 30: 세정가스 공급원
35: 공정가스 공급원 40: 공정 챔버
41: 코일 안테나 42: 유전체 윈도우
43: 개구부 44: 반응기 몸체
46: 진공펌프 47: 기판 지지대
48: 피처리 기판 50: 전원공급원
52, 56: 임피던스 정합기 54: 바이어스 전원 공급원
60: 가스분사노즐 62: 상부표면
64: 하부표면 65: 가스입구
66: 가스출구 70: 어댑터
72: 세정가스 통로 74: 공정가스 통로
76: 냉각채널 82: 아킹 방지부재
84: 자기장 차폐부 84a, 84b, 84c: 자기장 차폐부재
90: 마그네틱 코어 92: 완충링
94: 오링 96: 절연링

Claims (31)

  1. 공정 챔버의 외부에서 상기 공정 챔버의 상부에 설치된 원격 플라즈마 발생기를 지지하고, 상기 원격 플라즈마 발생기를 상기 공정 챔버에서 고정 또는 분리할 수 있도록 회전 구조를 갖되,
    상기 공정 챔버의 외부에 설치되는 수직 지지대;
    상기 수직 지지대에 연결되어 상기 원격 플라즈마 발생기를 지지하는 수평 지지대;
    상기 수평 지지대와 상기 원격 플라즈마 발생기 사이에 구비되어 상기 원격 플라즈마 발생기를 지지하는 지지플레이트를 포함하는 원격 플라즈마 발생기를 지지하는 거치대.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수직 지지대는 승하강 구조를 갖는 원격 플라즈마 발생기를 지지하는 거치대.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전 구조는 상기 수평 지지대를 회전할 수 있도록 상기 수평 지지대와 상기 수직 지지대 사이에 설치된 1차 회전축을 포함하는 원격 플라즈마 발생기를 지지하는 거치대.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 회전 구조는 상기 지지플레이트를 회전할 수 있도록 상기 수평 지지대와 상기 지지플레이트 사이에 설치된 2차 회전축을 포함하는 원격 플라즈마 발생기를 지지하는 거치대.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 지지플레이트는 상기 원격 플라즈마 발생기와 힌지로 결합된 원격 플라즈마 발생기를 지지하는 거치대.
  8. 삭제
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  10. 삭제
  11. 삭제
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