KR101114283B1 - 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 내부가 비어있고, 중앙에 관통공을 갖는 절연진공플레이트(31)에 의해 상부가 밀폐되는 진공챔버(30); 진공챔버(30) 내부의 중앙에 배치되어 외부의 바이어스 알에프(32)를 인가받으며, 그 상면에 기판(33)이 놓여지는 정전척(34); 절연진공플레이트(31)의 관통공에 체결되어 기판(33)의 외부영역을 둘러싸고 그 중앙에 소정의 관통공을 가지는 제1 판형안테나(36a)와, 제1 판형안테나(36a)의 상부를 밀봉되게 덮어씌우는 제1 안테나덮개(36c)를 구비하는 제1 안테나부(36); 제1 판형안테나(36a)의 관통공에 체결되어 절연진공플레이트(31)를 밀봉되게 덮어씌우고, 기판(33)의 중심영역에 놓이는 제2 판형안테나(37a)와, 제2 판형안테나(37a)의 상부를 밀봉되게 덮어씌우며 그 외주면에 가스주입구(37g)가 형성된 제2 안테나덮개(37c)를 구비하는 제2 안테나부(37)를 포함하여 구성된다. 이를 통해 기판의 위치에 따라 발생되는 플라즈마의 밀도를 조절함과 동시에 기판의 식각특성 및 증착특성을 조절할 수 있으며, 반도체, 엘시디, 오엘이디, 솔라셀의 공정에 다양하게 적용할 수 있는 동시에 식각, 시브이디, 플라즈마 도핑, 플라즈마 클리닝 등 플라즈마를 응용한 물질의 가공에 적용할 수 있다.

Description

플라즈마 발생장치{APPARATUS FOR GENERATING PLAZMA}
본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판의 중심영역에 플라즈마를 발생시키는 제1 안테나부와 기판의 외부영역에 플라즈마를 발생시키는 제2 안테나부를 구비하고 각 안테나부로 공급되는 전류의 크기를 서로 다르게 조절함과 동시에, 각 안테나부에 가스주입구를 형성하여 기판의 중심영역과 외부영역에 공급되는 가스의 양을 서로 다르게 함으로써, 기판의 위치에 따라 발생되는 플라즈마의 밀도를 조절함과 동시에 기판의 식각특성 및 증착특성을 조절할 수 있다. 이러한 방식은 반도체, 엘시디, 오엘이디, 솔라셀의 공정에 다양하게 적용할 수 있는 동시에 식각, 시브이디, 플라즈마 도핑, 플라즈마 클리닝 등 플라즈마를 응용한 물질의 가공에 적용할 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, 상기 정전척(12) 상면에 기판(17)을 올려놓은 후 외부에서 이들에게 각각 알에프(RF : Radio Frequency, 무선주파수)를 인가하여 이들 사이에서 강력한 전기장(electric field)이 형성되도록 함으로써 진공챔버(10) 내에 정전결합에 의한 플라즈마(18)가 발생되도록 하는 구성으로 되어 있다. 미 설명 부호 13은 소스알에프(source RF)이고, 14는 바이어스알에프(bias RF)이며, 15는 소스메쳐(source matcher)이고, 16은 바이어스메쳐(bias matcher)를 나타낸 것이다. 이러한 종래 기술의 이른바 CCP(Capacitance Coupled Plasma) 방식의 플라즈마 발생장치는 평판 캐피시터(capacitor)를 이용함으로써 대면적에도 균등한 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
한편, 도 2a 내지 도 2b는 ICP(Inductively Coupled Plasma) 방식에 의한 플라즈마 발생장치로, 플라즈마 발생장치는 진공챔버(21) 내부의 정전척(susceptor 또는 ESC)(22) 상면에 기판(23)을 올려놓아 바이어스알에프(24)를 인가하고, 진공챔버(21)의 상면을 덮고 있는 세라믹진공판(25) 상면에 배치되어 있는 안테나(26)에 소스알에프(27)를 인가하여 전류를 흘려주게 되면, 이에 따라 진공챔버(21) 내부에 자기장(magnetic field)이 인가되게 되며, 이 인가된 자기장은 유도전기장을 형성하여 이 유도전기장에 의해 전자가 가속되면서 유도결합에 의한 플라즈마(28) 가 발생되도록 하는 구성으로 되어 있다. 미 설명 부호 24a는 바이어스메쳐(bias matcher)이고, 27a는 소스메쳐를 나타낸 것이다. 이러한 종래 기술의 ICP(Inductive Coupled Plasma) 방식의 장치는 CCP방식에 비하여 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 있는 장점이 있으며, 또한, CCP방식에서는 불가능했던 10mT 이하의 저압에서도 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있어 저압특성을 요구하는 반도체 공정에서 주로 사용되어 지고 있다.
한편, 최근에 반도체의 웨이퍼 크기는 기존 200mm에서 300mm로 대구경화되었고, 향후 450mm로 더욱 대구경화 될 예정이다. 특히 이러한 대구경 기판의 경우에는 공정조건에 따라서 기판의 중심영역과 외부영역에 발생되는 플라즈마의 밀도를 다르게 할 필요가 있다.
하지만, 이러한 기존 CCP 방식이나 ICP 방식의 경우 기판의 위치에 따라 플라즈마의 밀도를 다르게 조정할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 기판의 위치에 따라 발생되는 플라즈마의 밀도를 조절함과 동시에 기판의 식각특성 및 증착특성을 조절할 수 있으며, 반도체, 엘시디, 오엘이디, 솔라셀의 공정에 다양하게 적용할 수 있는 동시에 식각, 시브이디, 플라즈마 도핑, 플라즈마 클리닝 등 플라즈마를 응용한 물질의 가공에 적용할 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는, 내부가 비어있고, 중앙에 관통공을 갖는 절연진공플레이트(31)에 의해 상부가 밀폐되는 진공챔버(30); 진공챔버(30) 내부의 중앙에 배치되어 외부의 바이어스 알에프(32)를 인가받으며, 그 상면에 기판(33)이 놓여지는 정전척(34); 절연진공플레이트(31)의 관통공에 체결되어 기판(33)의 외부영역을 둘러싸고 그 중앙에 소정의 관통공을 가지는 제1 판형안테나(36a)와, 제1 판형안테나(36a)의 상부를 밀봉되게 덮어씌우는 제1 안테나덮개(36c)를 구비하는 제1 안테나부(36); 제1 판형안테나(36a)의 관통공에 체결되어 절연진공플레이트(31)를 밀봉되게 덮어씌우고, 기판(33)의 중심영역에 놓이는 제2 판형안테나(37a)와, 제2 판형안테나(37a)의 상부를 밀봉되게 덮어씌우며 그 외주면에 가스주입구(37g)가 형성된 제2 안테나덮개(37c)를 구비하는 제2 안테나부(37)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제2 판형안테나(37a)는, 그 중앙이 제1 판형안테나(36a)의 관통공에 체결되도록 하방으로 오목하게 형성된 제2 오목부(37e)가 마련되고, 제2 오목부(37e)의 표면에는 복수의 가스분사구(37d)가 형성된 안테나인 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 안테나부(36)는, 그 중앙이 절연진공플레이트(31)의 관통공에 체결되도록 하방으로 오목하게 형성된 소정의 관통공을 가진 제1 오목부(36e)가 마련된 제1 판형안테나(36a)와, 제1 판형 안테나(36a)의 외주면을 따라 연장된 인덕티브 코일(36b)이 결합된 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 안테나부(36)는, 그 중앙이 절연진공플레이트(31)의 관통공에 체결되도록 하방으로 오목하게 형성된 소정의 관통공을 가진 제1 오목부(36e)가 마련된 제1 판형안테나(36a)로만 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 안테나덮개(36c)의 상부 외주면에 가스주입구(36g)가 형성되며, 제1 오목부(36e)의 표면에, 복수의 가스분사구(36d)가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 플라즈마 발생장치는, 제1 안테나부(36) 및 제2 안테나부(37)에 RF 파워를 전달하기 위한 소스알에프(35)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 플라즈마 발생장치는, 소스알에프(35)와 제1 안테나덮개(36c) 사이 또는 소스알에프(35)와 제2 안테나덮개(37c) 사이에 소정의 임피던스 조절수단(35b)을 구비함으로써, 제1 안테나부(36)에 의해 기판(33)의 외부영역에 발생되는 플라즈마와, 제2 안테나부(37)에 의해 기판(33)의 중심영역에 발생되는 플라즈마의 밀도를 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 임피던스 조절수단(35b)은, 병렬공진회로, 직렬공진회로, 병렬가변공 진회로 또는 직렬가변공진회로 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 소스알에프(35)는, 제1 안테나부(36)에 RF 파워를 전달하기 위한 제1 소스알에프(90)와, 제2 안테나부(37)에 RF 파워를 전달하기 위한 제2 소스알에프(91)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 플라즈마 발생장치는, 제1 판형안테나(36a) 및 제2 판형안테나(37a) 사이를 절연시키기 위한 절연부재(38)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 오목부(36e) 및 제2 오목부(37e)의 하부에는 RF 아킹을 방지하기 위한 절연부재 또는 코팅층(36f, 37f)을 더 구비하며, 절연부재 또는 코팅층(36f, 37f)에는 가스홀이 형성되어 있다. 또한 절연부재 또는 코팅층(36f, 37f)의 재료는 세라믹, 실리콘, 쿼츠, 베스펠, 테프론, 피크인 것을 특징으로 한다.
또한, 정전척(34)은, 소정의 승강수단을 통해 상하로 승강되면서 제2 안테나(37a)와의 정전용량을 조절할 수 있으며, 승강수단은, 정전척(34)의 저면에서 진공챔버(30)의 바닥면으로 연장되는 벨로우즈튜브(34a)인 것을 특징으로 한다.
또한, 바이어스알에프(32)는 바이어스저주파알에프(32a)와 바이어스고주파알에프(32b)로 분리 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 안테나부(36)의 제1 판형안테나(36a)에 의해 발생되는 플라즈마 성분인 CCP성분과 인덕티브 코일(36b)에 의해 발생되는 플라즈마 성분인 ICP성분 비율을 진공챔버(30)의 임피던스, 인덕티브 코일(36b)의 임피던스의 크기를 변화시킴으로써 조절 가능하게 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 안테나부(36)의 제1 판형안테나(36a)는 원판 형상으로 되고, 인덕티브 코일(36b)은 제1 판형안테나(36a)의 외주면에서 방사상으로 연장되는 제1직선부(36b1)와, 이 제1직선부(36b1)의 단부에서 제1 판형안테나(36a)와 같은 동심원호를 그리면서 곡선 연장되는 원호부(36b2) 및 이 원호부(36b2)의 단부에서 다시 방사상으로 연장되는 제2직선부(36b3)를 포함하는 형상으로 된 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 안테나부(36)의 제1 판형안테나(36a)는 사각판 형상으로 되고, 인덕티브 코일(36b)은 제1 판형안테나(36a)의 외주면에서 직각 방향으로 연장되는 제1직선부(36b1)와, 이 제1직선부의 단부에서 다시 사각판과 평행하게 연장되는 연장부(36b2) 및 이 연장부(36b2)의 단부에서 다시 바깥쪽으로 직각 연장되는 제2직선부(36b3)를 포함하는 형상으로 된 것을 특징으로 한다.
또한, 인덕티브 코일(36b)의 제2직선부(36b3)의 선단부는, 진공챔버(30)의 상면에 오목홈부(30b)를 형성하고, 이 오목홈부(30b)에 삽입되어 소정의 체결구(30g)로 진공챔버(30)의 상면에 체결 고정된 것을 특징으로 한다.
또한, 인덕티브 코일(30b)의 제2직선부(30b3)의 선단부에 캐패시터를 더 구비하며, 캐패시터는, 인덕티브 코일(30b)의 제2직선부(30b3) 선단부와 진공챔버(30)의 오목홈부(30a) 사이에 유전체(45)를 개재시켜 된 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 안테나부(36)는, 하나의 인덕티브 코일(36b)이 제1 판형안테나(36a)의 외주면에서 연장 형성된 단일 구조이거나, 복수의 인덕티브 코일이 각각 사각판 형상의 제1 판형안테나(36a)의 적어도 둘 이상의 외주면에서 연장 형성된 복합 구조로 된 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같이, 본 발명의 플라즈마 발생장치는, 기판의 중심영역에 플라 즈마를 발생시키는 제1 안테나부와 기판의 외부영역에 플라즈마를 발생시키는 제2 안테나부를 구비하고 각 안테나부로 공급되는 전류의 크기를 서로 다르게 조절함과 동시에, 각 안테나부에 가스주입구를 형성하여 기판의 중심영역과 외부영역에 공급되는 가스의 양을 서로 다르게 함으로써, 기판의 위치에 따라 발생되는 플라즈마의 밀도를 조절함과 동시에 기판의 식각특성 및 증착특성을 조절할 수 있다. 이러한 방식은 반도체, 엘시디, 오엘이디, 솔라셀의 공정에 다양하게 적용할 수 있는 동시에 식각, 시브이디, 플라즈마 도핑, 플라즈마 클리닝 등 플라즈마를 응용한 물질의 가공에 적용할 수 있다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치에 대하여 가장 바람직한 실시 예를 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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 나타낸 개략 단면도이며, 도 4는 도 3의 평면도, 도 5는 도 4의 A-A′선 단면도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 등가회로를 나타낸 개략도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치는, 내부가 비어있고 절연진공플레이트(31)에 의해 상부가 밀폐되는 진공챔버(30)와, 이 진공챔버(30) 내부의 중앙부에 배치되고 그 상면에 기판(33)이 놓여지는 정전척(34)과, 절연진공플레이트(31)의 관통공에 체결되어 기판(33)의 외부영역을 둘러싸고 그 중앙에 소정의 관통공을 가지는 제1 판형안테나(36a)와, 제1 판형안테나(36a)의 상부를 밀봉되게 덮어씌우며 그 외주면에 가스주입구(36g)가 형성된 제1 안테나덮개(36c)를 구비하는 제1 안테나부(36)와, 제1 판형안테나(36a)의 관통공에 체결되어 절연진공플레이트(31)를 밀봉되게 덮어씌우고, 기판(33)의 중심영역에 놓이는 제2 판형안테나(37a)와, 제2 판형안테나(37a)의 상부를 밀봉되게 덮어씌우며 그 외주면에 가스주입구(36g)가 형성된 제2 안테나덮개(37c)를 구비하는 제2 안테나부(37)를 포함하는 구성으로 되어 있다.
진공챔버(30)는 내부가 비어있고 상부가 개방된 형상으로, 그 개방된 상방은 중앙에 관통공을 갖는 절연진공플레이트(31)에 의해 밀폐되며, 이 절연진공플레이트(31)의 외곽에 해당되는 진공챔버(30)의 상면에는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 인덕티브코일(36b)의 제2직선부(36b3)의 선단부가 삽입되도록 오목하게 패인 오목홈부(30a)가 형성되어 있다.
여기서, 진공챔버(30)는 그 하단부 소정부위에 내부 가스를 배출시키기 위한 펌핑포트(미도시)가 마련되는 것은 당연할 것이다.
정전척(susceptor or ESC)(34)은 진공챔버(30) 내부의 중앙부에 배치되고 외부의 바이어스알에프(32)를 인가받으며 그 상면에 기판(33)이 놓여지는 판재 형상으로, 그 저면에는 상하로 승강되면서 제1 안테나부(36)와의 갭을 조절할 수 있도록 하는 벨로우즈튜브(34a)가 마련되어 있다.
여기서, 바이어스알에프(32)는 바이어스저주파알에프(32a)와 바이어스고주파 알에프(32b)를 인가할 수 있도록 분리 구성되어 있다.
한편, 제1 안테나부(36)는 절연진공플레이트(31)의 관통공을 밀봉되게 덮어씌우는 제1 판형안테나(36a)와 제1 판형안테나(36a)의 외주면에서 연장되는 인덕티브 코일(36b)과, 제1 판형안테나(36a)를 밀봉되게 덮어씌우는 가스주입구(36g)가 형성된 제1 안테나덮개(36c)를 포함한다. 또한, 본 발명에 의하면, 제1 안테나부(36)는 외부에서 인가되는 소스알에프(35)에 의해 정전척(34)과의 사이에서 전기장을 형성하는 정전결합(capacitive coupling)에 의한 플라즈마(P)를 발생시키는 제1 판형안테나(36a)와, 유도결합(inductive coupling)에 의한 플라즈마(P)를 발생시키는 인덕티브 코일(36b)의 결합구조로 되어 있다.
또한, 제1 안테나부(36)의 제1 판형안테나(36a)는 그 중앙이 절연진공플레이트(31)의 관통공에 체결되도록 하방으로 오목하게 형성된 소정의 관통공(36f)을 가진 제1 오목부(36e)가 마련되어 있다. 이 제1 오목부(36e)에는 제1 안테나(36a) 덮개(36c)의 가스주입구(36g)를 통해 들어온 가스를 진공챔버(30)내로 분사하기 위해 복수개의 가스분사구(36d)가 형성되어 있다.
제2 안테나부(37)는 제1 판형안테나(36a)의 관통공(36f)에 체결되어 제1 판형안테나(36a)와 함께 절연진공플레이트(31)의 관통공을 밀봉되게 덮어씌우는 제2 판형안테나(37a)와 제2 판형안테나(37a)를 밀봉되게 덮어씌우는 가스주입구(37g)가 형성된 제2 안테나덮개(37c)를 포함하며, 외부에서 인가되는 소스알에프(35)에 의해 정전척(34)과의 사이에서 전기장을 형성하는 정전결합(capacitive coupling)에 의한 플라즈마(P)를 발생시킨다. 또한 제2 판형안테나(37a)의 하방으로 오목하게 형성된 제2 오목부(37e)에는 가스분사구(37d)가 형성되어 있다.
한편, 임피던스 조절소자(35b)는 소스알에프(35)에서 소스매처(35a)를 통해 제1 안테나덮개(36c) 또는 제2 안테나덮개(37c)로 흐르는 전류의 크기를 조절하기 위한 임피던스 소자이다. 즉, 본 발명에 따른 임피던스 조절소자(35b)를 통해 제1 안테나덮개(36c) 또는 제2 안테나덮개(37c)로 흐르는 전류의 크기를 조절함으로써, 기판(33)의 중심영역과 외부영역의 플라즈마 밀도를 다르게 조절할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이 임피던스 조절소자는 병렬공진회로, 직렬공진회로, 병렬가변공진회로 또는 직렬가변공진회로 중 어느 하나일 수 있다.
한편, 도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 제1 안테나부(36)를 나타낸 개략 평면도이다.
이하 도 4 및 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 제1 안테나부(36)의 형상을 자세하게 살펴보기로 한다.
제1 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 안테나부(36)의 제1 판형안테나(36a)는 제2 판형안테나(37a)가 체결되는 부분인 소정의 관통공(36f)을 가진 원판 형상이며, 인덕티브 코일(36b)이 제1 판형안테나(36a)의 외주면에 연결되어 있다. 인덕티브 코일(36b)은 이 제1 판형안테나(36a)의 외주면에서 방사상으로 연장되는 제1직선부(36b1)와, 이 제1직선부(36b1)의 단부에서 제1 판형안테나(36a)와 같은 동심원호를 그리면서 곡선 연장되는 원호부(36b2) 및 이 원호부(36b2)의 단부에서 다시 방사상으로 연장되는 제2직선부(36b3)를 포함하는 형상으로 되어 있다. 이러한 인덕티브 코일(36b)은 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 판형안테나(36a)의 외주면에서 n점 분기 구조로 연장 형성될 수 있다.
한편, 도 7a는 본 발명의 다른 실시예로서, 제1 안테나부(36)가 제1 판형안테나(36a)만으로 구성되며, 별도의 인덕티브 코일(36b)이 없는 경우를 도시하고 있다.
한편, 도 7b는 본 발명의 다른 실시예로서, 제1 판형안테나부(36)는 하나의 인덕티브 코일(36b)이 제1 판형안테나(36a)의 외주면에서 연장 형성된 단일 구조로 된 것을 나타낸 것이다.
한편, 도 7c는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 제1 안테나부(36)의 제1 판형안테나(36a)는 사각판 형상으로 되고, 인덕티브 코일(36b)은 제1 판형안테나(36a)의 외주면에서 직각 방향으로 연장되는 제1직선부(36b1)와, 이 제1직선부의 단부에서 다시 사각판과 평행하게 연장되는 연장부(36b2) 및 이 연장부(36b2)의 단부에서 다시 바깥쪽으로 직각 연장되는 제2직선부(36b3)를 포함하는 다단 절곡 직선 형상으로 된 것을 나타내고 있다. 이러한 사각기판(33)의 응용은 엘시디(LCD), 오엘이디(OLED), 솔라셀(solar cell) 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것이다.
그리고, 본 발명에서는 판형안테나(36a, 37a)의 면적과 기판(33)과의 면적의 비가 1/25 이상인 것이 바람직하다.
즉, 판형안테나의 면적을 Sp라 하고, 기판(33)의 면적을 Sw라고 할 때,
Sp > (1/25)Sw
의 공식이 성립하게 되는 것이다. 여기서, Sp는 제1 판형안테나(36a)와 제2판형안테나(37a)를 합친 면적을 의미한다.
또는, 판형안테나(36a, 37a)와 인덕티브 코일(36b)를 합친 면적과 기판(33)과의 면적의 비가 1/25 이상이 되도록 하는 것도 바람직하다.
즉, 코일형 안테나의 면적을 Sc라고 하고, 판형안테나의 면적을 Sp라 하며, 기판(33)의 면적을 Sw라고 할 때,
Sp+Sc > (1/25)Sw
의 공식이 성립하게 되는 것이다.
다시, 도 4 및 도 5를 참조하면, 인덕티브 코일(36b)의 제2직선부(36b3)의 선단부는 진공챔버(30)의 상면에 형성된 오목홈부(30a)에 삽입되어 소정의 체결구(36g)로 진공챔버(30)에 체결 고정되도록 되어 있다.
그리고, 인덕티브 코일(36b)의 제2직선부(36b3)의 선단부에 캐패시터를 더 구비하는데, 본 발명에서는 캐패시터를 인덕티브 코일(36b)의 제2직선부(36b3) 선단부와 진공챔버(30)의 오목홈부(30a) 사이에 유전체(45)를 개재시키는 구성으로 되어 있다.
다시 도 3을 참조하면, 미설명부호 38은 제1 판형안테나(36a)와 제2 판형안테나(37a)를 절연시키기 위한 절연부재를, 미설명부호 39는 절연진공플레이트(31)와 제1 판형안테나(36a)를 절연시키기 위한 절연부재를, 미설명부호 42는 제1 안테나덮개(36c)와 제2 안테나덮개(37c)를 절연시키기 위한 절연부재를 나타내고 있다. 또한, 미 설명 부호 40은 케이스, 미 설명 부호 41은 절연진공플레이트(31)와 제1 판형안테나(36a) 또는 제1 판형안테나(36a)와 제1 안테나덮개(36c) 또는 제1 판형안테나(36a)와 제2 판형안테나(37a) 또는 제2 판형안테나(37a)와 제2 안테나덮개(37c) 사이에서 기밀을 유지시켜 주는 씰(seal)을 나타낸 것이다.
이러한 구성에 따른 본 발명의 플라즈마 발생장치는 진공챔버(30) 내의 정전척(34) 상면에 기판(33)을 올려놓고 벨로우즈튜브(34a)를 이용하여 제2 안테나부(36)와의 갭을 조절한 후, 각 메쳐(32c,35a)를 거쳐 각각의 알에프(32,35) 파워를 진공챔버(30) 내부에 인가하고, 가스주입구(36g, 37g)를 통하여 가스를 주입하여 가스분사구(36d, 37d)를 통해 분사되도록 하여 이 진공챔버(30) 내에서 플라즈마(P)가 발생되도록 하는 것이다.
또한 본 발명에 따르면, 임피던스 조절소자(35b)의 임피던스를 조절함으로써, 기판(33)의 중심영역과 외부영역에 발생되는 플라즈마의 밀도를 다르게 할 수 있고, 또한 제1 안테나덮개(36c)와 제2 안테나덮개(37c)의 가스주입구(36g, 37g)를 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.
한편, 바이어스알에프(32) 중 바이어스저주파알에프(32a)는 대체로 100㎑ ~ 4㎒의 범위를 가지며, 또한, 바이어스고주파알에프(32b)는 대체로 4㎒ ~ 100㎒의 범위를 갖는다.
그리고, 기판(33)의 외부영역의 경우, 제1 안테나부(36)의 제1 판형안테나(36a)와 정전척(34) 사이의 정전결합에 의한 플라즈마(P)(CCP방식)와, 인덕티브 코일(36b)에 의한 유도결합에 의한 플라즈마(P)(ICP방식)가 혼합된 형태의 혼합 플라즈마(P)가 형성된다. 한편, 기판(33)의 중심영역의 경우, 제2 판형안테나(37a)와 정정척(34) 사이의 정전결합에 의한 플라즈마(P)만이 발생된다(CCP방식). 다만, 도 7a와 같이, 제1 안테나부(36)가 제1 판형안테나(36a)만으로 구성된 경우에는 기판(33)의 외부영역에도 정전결합에 의한 플라즈마(P)만이 발생될 것이다.
그리고, 이러한 CCP방식과 ICP방식은 각각 성분 조정이 가능하게 되는데, 도 6의 등가회로를 참조하면,
Zch = Zch1 + Zch2 = 1 / ωCch
Cch = ε(A / dgap) 이다.
여기서, 상기 Zch 는 진공챔버(30)의 임피던스로 제1 안테나부(36)의 제1 판형안테나(36a)의 임피던스인 Zch2와, 제2 안테나부(37)의 임피던스인 Zch1를 함께 고려한 것이며, Cch 는 진공챔버(30)의 캐패시턴스를 나타낸 것으로서, 임피던스는 캐패시턴스의 값을 조절하여 조절이 가능하게 되는 것이다.
그리고, ε는 진공챔버(30) 내부의 유전율을 나타낸 것으로서, 저압에서는 ε0에 근접한다.
상기 A는 판형안테나(36a, 37a)의 면적을 나타낸 것이고, dgap 은 판형안테나(36a, 37a)와 정전척(34) 사이의 간격(gap)의 길이를 나타낸 것으로서, 상기 간격을 조절하여 CCP 성분의 비율을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 대체로 간격을 좁게 하면 Zch 는 작아지므로 CCP 성분의 비율이 증가하게 된다.
반대로, 간격을 크게 하면 Zch 이 증가하므로 CCP 성분이 감소하게 되는 것이다.
한편, 도 6에서, 인덕티브 코일(36b)의 임피던스(Zcoil)는
Zcoil = R + jωL + 1 / jωC 로 표시할 수 있다.
여기서, j = 허수단위(j2 = -1)이고, ω = 주파수이며, L = 인덕턴스이고, C = 커패시턴스로서, C = ε(S / d)로 나타낼 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 인덕티브 코일(36b)와 진공챔버(30) 사이에 유전체(45)를 넣어서 캐피시터를 형성하였다.
상기 ε는 유전체(45)의 유전율이고, S는 유전체(45)의 면적이며, d는 유전체(45)의 두께를 나타낸 것으로서, 상기 C는 유전체(45)의 두께를 조절함으로써 변경시킬 수가 있는 것이다 .
상기 유전체(45)로는 테프론, 베스펠, 피크, 세라믹 등의 물질을 사용할 수가 있다 .
한편, 도 8 내지 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 안테나부를 나타낸 개략 평면도이다.
도 8을 참조하면, 제1 오목부(36e) 및 제2 오목부(37e)의 하부에는 각각 RF 아킹을 방지하기 위한 절연부재 또는 코팅층(36f, 37f)을 더 구비하도록 구성할 수 있으며, 절연부재 또는 코팅층(36f, 37f)에는 가스홀이 형성되어 있다. 바람직하게는, 이러한 절연부재 또는 코팅층(36f, 37f)의 재료는 세라믹, 실리콘, 쿼츠, 베스 펠, 테프론 또는 피크 중 어느 하나일 수 있다. 도 8에서 도시된 실시예는, 절연부재 또는 코팅층(36f, 37f)을 포함하는 구조적 차이 이외에는 도 3의 장치와 동일한 구성을 가진다.
그리고, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 도 9에 나타낸 것과 같이, 제1 안테나부(36)에 전류를 공급하기 위한 소스알에프(90)와 소스매처(90a), 그리고 제2 안테나부(37)에 전류를 공급하기 위한 소스알에프(91)와 소스매처(91a)를 별도로 둠으로써 기판(33)의 중심영역과 외부영역에 공급되는 전류의 세기를 다르게 할 수 있다. 이는 도 3에서 하나의 소스(35, 35a)를 가지고, 전류를 공급하되, 제1 안테나덮개(36c) 또는 제2 안테나덮개(37c) 사이의 어느 한 쪽에만 임피던스 조절소자(35)를 둠으로써, 공급되는 전류를 조절하는 방식과는 다르다. 도 8에서 도시된 실시예는, 소스부가 별개로 구성되어 있다는 점을 제외하고는 도 3의 장치와 동일한 구성을 가진다. 물론, 도 3 및 도 8과 도 9의 실시예들은 서로 결합하여 구성될 수 있다.
이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 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 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 플라즈마 발생장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2a는 종래 기술에 따른 플라즈마 발생장치의 다른 예를 나타낸 개략도이다.
도 2b는 도 2a의 ICP안테나를 나타낸 개략 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 나타낸 개략 단면도이다.
도 4는 도 3의 평면도이다.
도 5는 도 4의 A-A′선 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 등가회로를 나타낸 개략도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 제1 안테나부를 나타낸 개략 평면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 나타낸 개략 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 나타낸 개략 단면도이다.

Claims (24)

  1. 내부가 비어있고, 중앙에 관통공을 갖는 절연진공플레이트(31)에 의해 상부가 밀폐되는 진공챔버(30);
    상기 진공챔버(30) 내부의 중앙에 배치되어 외부의 바이어스 알에프(32)를 인가받으며, 그 상면에 기판(33)이 놓여지는 정전척(34);
    상기 절연진공플레이트(31)의 관통공에 체결되어 기판(33)의 외부영역을 둘러싸고 그 중앙에 소정의 관통공을 가지는 제1 판형안테나(36a)와, 상기 제1 판형안테나(36a)의 상부를 밀봉되게 덮어씌우는 제1 안테나덮개(36c)를 구비하는 제1 안테나부(36); 및
    상기 제1 판형안테나(36a)의 관통공에 체결되어 상기 절연진공플레이트(31)를 밀봉되게 덮어씌우고, 상기 기판(33)의 중심영역에 놓이는 제2 판형안테나(37a)와, 상기 제2 판형안테나(37a)의 상부를 밀봉되게 덮어씌우며 그 외주면에 가스주입구(37g)가 형성된 제2 안테나덮개(37c)를 구비하는 제2 안테나부(37)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 판형안테나(37a)는, 그 중앙이 상기 제1 판형안테나(36a)의 관통공에 체결되도록 하방으로 오목하게 형성된 제2 오목부(37e)가 마련되고, 상기 제2 오목부(37e)의 표면에는 복수의 가스분사구(37d)가 형성된 안테나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 안테나부(36)는, 그 중앙이 상기 절연진공플레이트(31)의 관통공에 체결되도록 하방으로 오목하게 형성된 소정의 관통공을 가진 제1 오목부(36e)가 마련된 제1 판형안테나(36a)와, 상기 제1 판형 안테나(36a)의 외주면을 따라 연장된 인덕티브 코일(36b)이 결합된 구조인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 안테나부(36)는, 그 중앙이 상기 절연진공플레이트(31)의 관통공에 체결되도록 하방으로 오목하게 형성된 소정의 관통공을 가진 제1 오목부(36e)가 마련된 제1 판형안테나(36a)로만 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 안테나덮개(36c)의 상부 외주면에 가스주입구(36g)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 오목부(36e)의 표면에, 복수의 가스분사구(36d)가 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생장치는, 상기 제1 안테나부(36) 및 상기 제2 안테나부(37)에 RF 파워를 전달하기 위한 소스알에프(35)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생장치는, 상기 소스알에프(35)와 상기 제1 안테나덮개(36c) 사이 또는 상기 소스알에프(35)와 상기 제2 안테나덮개(37c) 사이에 소정의 임피던스 조절수단(35b)을 구비함으로써, 상기 제1 안테나부(36)에 의해 기판(33)의 외부영역에 발생되는 플라즈마와, 상기 제2 안테나부(37)에 의해 기판(33)의 중심영역에 발생되는 플라즈마의 밀도를 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 임피던스 조절수단(35b)은, 병렬공진회로, 직렬공진회로, 병렬가변공진회로 또는 직렬가변공진회로 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 소스알에프(35)는,
    상기 제1 안테나부(36)에 RF 파워를 전달하기 위한 제1 소스알에프(90); 및
    상기 제2 안테나부(37)에 RF 파워를 전달하기 위한 제2 소스알에프(91)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생장치는, 상기 제1 안테나부(36) 및 상기 제2 안테나부(37) 사이를 절연시키기 위한 절연부재(38)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  12. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제1 오목부(36e) 및 상기 제2 오목부(37e)의 하부에는 RF 아킹을 방지하기 위한 절연부재 또는 코팅층(36f, 37f)을 더 구비하며, 상기 절연부재 또는 코팅층(36f, 37f)에는 가스홀이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 절연부재 또는 코팅층(36f, 37f)의 재료는 세라믹, 실리콘, 쿼츠, 베스펠, 테프론 또는 피크 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 정전척(34)은, 소정의 승강수단을 통해 상하로 승강되면서 상기 제2 안테나(37a)와의 정전용량을 조절할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 승강수단은, 상기 정전척(34)의 저면에서 상기 진공챔버(30)의 바닥면으로 연장되는 벨로우즈튜브(34a)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 바이어스알에프(32)는 바이어스저주파알에프(32a)와 바이어스고주파알에프(32b)로 분리 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  17. 제3항에 있어서,
    상기 제1 안테나부(36)의 제1 판형안테나(36a)에 의해 발생되는 플라즈마 성분인 CCP성분과 인덕티브 코일(36b)에 의해 발생되는 플라즈마 성분인 ICP성분 비율을 상기 진공챔버(30)의 임피던스, 상기 인덕티브 코일(36b)의 임피던스의 크기를 변화시킴으로써 조절 가능하게 되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 안테나부(36)의 제1 판형안테나(36a)는 원판 형상으로 되고, 인덕티브 코일(36b)은 상기 제1 판형안테나(36a)의 외주면에서 방사상으로 연장되는 제1직선부(36b1)와, 이 제1직선부(36b1)의 단부에서 제1 판형안테나(36a)와 같은 동심원호를 그리면서 곡선 연장되는 원호부(36b2) 및 이 원호부(36b2)의 단부에서 다시 방사상으로 연장되는 제2직선부(36b3)를 포함하는 형상으로 된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제1 안테나부(36)의 제1 판형안테나(36a)는 사각판 형상으로 되고, 인덕티브 코일(36b)은 상기 제1 판형안테나(36a)의 외주면에서 직각 방향으로 연장되는 제1직선부(36b1)와, 이 제1직선부의 단부에서 다시 사각판과 평행하게 연장되는 연장부(36b2) 및 이 연장부(36b2)의 단부에서 다시 바깥쪽으로 직각 연장되는 제2직선부(36b3)를 포함하는 형상으로 된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 인덕티브 코일(36b)의 제2직선부(36b3)의 선단부는, 상기 진공챔버(30)의 상면에 오목홈부(30b)를 형성하고, 이 오목홈부(30b)에 삽입되어 소정의 체결구(30g)로 진공챔버(30)의 상면에 체결 고정된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 인덕티브 코일(30b)의 제2직선부(30b3)의 선단부에 캐패시터를 더 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 캐패시터는, 상기 인덕티브 코일(30b)의 제2직선부(30b3) 선단부와 상기 진공챔버(30)의 오목홈부(30a) 사이에 유전체(45)를 개재시켜 된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제1 안테나부(36)는, 하나의 인덕티브 코일(36b)이 제1 판형안테나(36a)의 외주면에서 연장 형성된 단일 구조로 된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 제1 안테나부(36)는, 복수의 인덕티브 코일(36b)이 각각 사각판 형상의 제1 판형안테나(36a)의 적어도 둘 이상의 외주면에서 연장 형성된 복합 구조로 된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
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