KR101121418B1

KR101121418B1 - 토로이드형 코어를 포함하는 플라즈마 발생장치

Info

Publication number: KR101121418B1
Application number: KR1020050013187A
Authority: KR
Inventors: 권기청; 이상원; 엄세훈; 김재현; 홍보한; 이용관
Original assignee: 주성엔지니어링(주)
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2012-03-16
Also published as: US7411148B2; CN102065627B; TW200632980A; US8035056B2; US20060191880A1; CN102065627A; CN1822745A; US20090183834A1; KR20060092427A; CN1822745B; TWI417930B

Abstract

본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 플라즈마 발생원으로 이용되는 토로이드형 코어의 일부가 챔버의 내부에 돌출되도록 결합하는 한편, RF 전력을 전달하는 유도코일을 챔버의 외부에 위치시킴으로써 저온 저압의 환경에서 높은 전자에너지 및 높은 플라즈마 밀도를 얻을 수 있도록 한 것이다.

특히 토로이드형 코어, 유도코일, 전원공급부, 매칭회로, 회전구동부, 피드백제어부 등을 단일의 모듈로 제작하여, 모듈의 개수, 각 모듈의 방향과 모듈 내의 토로이드형 코어에 감겨있는 코일에 공급되는 전기장의 위상 등을 조절함으로써 공정에 필요한 최적의 플라즈마 상태를 유지하도록 하였으며 또한 대면적 기판에서도 공정의 균일성을 쉽게 확보할 수 있도록 하였다.

토로이드형 코어, 코어 모듈, 페라이트, 유도코일, 저온 플라즈마

Description

토로이드형 코어를 포함하는 플라즈마 발생장치{Plasma generation apparatus comprising toroidal core}

도 1은 일반적인 ICP 방식 플라즈마 발생장치의 개략 구성도

도 2는 코일형 안테나의 개략 구성도

도 3은 토로이드형 안테나의 개략 구성도

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 개략 구성도

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 토로이드형 안테나의 사시도

도 6은 토로이드형 코어마다 별개의 RF전원을 연결한 플라즈마 발생장치의 개략구성도

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 토로이드형 코어 모듈의 사시도

도 8a 및 도 8b는 토로이드형 코어 모듈의 내부 구성도

도 9는 다수의 토로이드형 코어 모듈이 결합된 연결 상태도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 플라즈마 발생장치 110 : 챔버

110a : 챔버리드 112 : 오링

114 : 배기구 120 : 서셉터

130 : 토로이드형 안테나 130a : 토로이드 개방부

131 : 커버 132 : 토로이드형 코어

133 : 냉매유동로 134 : 유도코일

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 코어모듈 310 : 하우징

320, 330 : 오링 400 : 제어컴퓨터

본 발명은 플라즈마 소스를 이용하여 웨이퍼나 유리기판(이하 '기판'이라 함)에 대한 식각 및 증착 공정을 수행하는 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 토로이드형 코어의 시변(時變) 자기장에 의해 유도되는 유도전기장을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

일반적으로 플라즈마 소스를 이용하는 플라즈마 발생장치에는 박막증착을 위한 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장치, 증착된 박막을 패터닝하기 위해 에칭해내는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE) 장치, 스퍼터(Sputter), 애싱(ashing) 장치 등이 있다.

이와 같은 플라즈마 소스를 이용하는 플라즈마 발생장치는 RF전력의 인가방식에 따라 용량결합형(Capacitive Coupled Plasma, CCP) 장치와 유도결합형(Inductive Coupled Plasma, ICP) 장치로 나눌 수 있는데, 전자는 서로 대향하는 평행평판 전극에 RF전력을 인가하여 전극사이에 수직으로 형성되는 RF전기장을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 방식이고, 후자는 RF안테나에 의하여 유도되는 유도전기장을 이용하여 소스물질을 플라즈마로 변화시키는 방식이다.

CCP 방식이 많이 사용되는 하지만 이온에너지가 높기 때문에 이온충격으로 인하여 기판이나 장치내부의 부품에 대한 손상 가능성이 높고, 선폭 또는 선택비 등을 정밀하게 제어하는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 수십 mTorr이하의 저압영역 에서는 사용할 수 없는 문제점이 있다.

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

도 1은 이 중에서 ICP 방식 플라즈마 발생장치의 일반적인 구성을 개략적으로 도시한 것으로서, 이를 살펴보면, 밀폐된 반응영역을 정의하는 챔버(11)와, 상기 챔버의 내부에 위치하며 상면에 기판(s)을 안치하는 서셉터(12)와, 상기 서셉터(12)의 상부에서 소스물질을 분사하는 샤워헤드(13)와, 상기 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 연결된다. RF안테나(15)와 RF전원(17)의 사이에 위치하는 매칭회로(16)는 RF안테나(15)로 최대전력을 인가하기 위하여 부하임피던스와 소스임피던스를 정합시키는 역할을 한다.

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

이때 기판(s)으로 입사하는 활성종의 입사에너지를 조절하기 위하여 서셉터(12)에는 RF전원(17)과 별도의 바이어스 전원(미도시)이 인가될 수도 있다.

한편, 서셉터(12)의 내부에는 기판의 예열을 위하여 히터(미도시)가 내장되며, 챔버 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 구성되는데, 각 코일은 챔버리드(11a)의 상부에 위치하는 한편 RF 케이블(19)에 의해 매칭회로(16)를 경유하여 RF전원(17)에 연결된다.

따라서 RF전원(17)이 인가되면 각 코일(15a,15b,15c)마다 쇄교하는 시변자기장이 형성되고, 시변자기장의 주위로 전기장이 유도되는 것이다.

그런데 이와 같이 RF안테나(15)에 의해 발생되는 시변자기장에 의하여 발생되는 유도전기장 중에는 챔버내의 플라즈마를 발생시키는데 사용되는 유도 전기장 이외에 챔버 위쪽부분으로 손실되는 유도전기장이 존재하며 특별한 자기장 차폐수단이 없어 누설자속이 많을 수밖에 없는 구조이다.

따라서 플라즈마 발생 및 유지를 위한 소정 세기의 유도전기장을 얻기 위해서는 고전압 RF전력을 공급하여야 하는데, 이로 인해 고 에너지 이온에 의한 챔버 내벽의 스퍼터링 및 부품의 열화로 오염원이 발생하게 되고, RF전력의 손실도 커진다는 문제점이 있다.

이런 문제점을 해결하기 위하여 도입된 것이, 도 3에서 도시하고 있는 바와 같이 토로이드형 안테나(20)를 이용하여 유도전기장을 형성하는 방법이다.

즉, 페라이트(ferrite) 등과 같은 강자성체로 이루어지는 토로이드(20)의 주위에 유도코일(22)을 감아서 RF전력을 인가하게 되면, 유도코일(22)에 흐르는 RF전류에 의하여 발생하는 시변자기장의 자속 대부분이 토로이드(20) 내부를 따라 유도되므로, 코일형 RF안테나(15)를 이용하는 종래 방식과 대비하면 동일한 전력으로 훨씬 큰 자속밀도를 얻을 수 있다.

따라서 토로이드(20)의 개방부(21)에 유도되는 전기장의 세기를 크게 증가시킬 수 있으므로 결국 소스물질의 해리 및 이온화율을 높여 고밀도 플라즈마를 용이하게 얻을 수 있게 된다.

본 발명은 이와 같이 토로이드형 안테나를 이용하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 특히 갈수록 미세화, 고집적화되는 회로패턴에 부합하기 위하여, 저온, 저압 하에서 고밀도 플라즈마를 용이하게 발생시킬 수 있도록 고안된 것이다.

최근 들어 LTPS(Low Temperature Poly Silicon), 유기 EL(Electro Luminescence), CNT(Carbon nano tube) 등의 제작 공정을 중심으로 이러한 저온증 착 플라즈마에 대한 필요성이 증가하고 있다.

그런데 이러한 공정에서 일반적으로 요구되는 저온증착용 플라즈마는, 플라즈마 밀도가 약 2×10¹¹/cm³ 이상이어야 하고, 전자에너지가 약 4eV 이상이어야 한다. 이는 일반적으로 전자에너지가 높을수록 막질이 좋아지기 때문이다.

또한 공정압력이 낮을수록 막질이 좋아지므로 가능하면 5 mTorr 이하의 공정압력하에서도 플라즈마가 효과적으로 점화 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 레이저조사를 통해 기판의 온도를 상승시키지 않고 poly-Si으로 결정화하는 방법이 많이 이용되었으나, 전술한 조건을 충족하는 저온증착용 플라즈마를 이용하게 되면 결정화 작업을 거칠 필요 없이 poly-Si을 직접 기판에 증착시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 애노드와 캐소드의 사이에 유기화합물로 이루어진 정공수송층, 유기발광층 및 전자수송층을 순차적으로 형성하여 제조되는 유기 EL의 경우에도 사용되는 유기물질이 주로 저분자계이어서 수분이나 고에너지 입자에 취약한 단점이 있다.

따라서 도가니에 원료물질을 담아 챔버 내부에서 기화시켜 기화된 원료물질을 기판에 증착시키는 방식이 주로 이용되는데, 이러한 방법으로는 대면적 기판에 적용하기가 어렵고 증착속도도 느리므로, 전술한 조건을 충족하는 저온증착용 플라즈마를 발생시킬 수 있는 본 발명에 따른 토로이드형 안테나를 이용하면 이러한 문 제점들을 개선할 수 있게 된다.

현재 토로이드형 안테나를 이용하는 방식에는 토로이드를 챔버 상부에 별도로 설치되는 플라즈마 제너레이션 챔버에 위치시키는 외부형과 토로이드 자체를 챔버 내부에 완전히 포함시켜 설치하는 내부형이 제안되고 있다.

외부형은 플라즈마가 발생되는 제너레이션 챔버와 공정이 진행되는 챔버가 상당히 이격되어 있기 때문에 기판위치에서 높은 플라즈마 밀도를 기대하기 어렵고, 외부형 토로이드를 감싸는 제너레이션 챔버의 벽면에 와전류(eddy current)가 발생하고 유도전기장이 제너레이션 챔버의 벽면에 의하여 손실되는 비율이 높으므로 에너지 전달효율이 낮을 수밖에 없으며, 이로 인해 플라즈마 점화 및 유지에도 불리한 단점이 있다.

내부형은 토로이드가 챔버 내부에 완전히 포함될 뿐만 아니라 토로이드에 감긴 유도코일까지도 챔버 내부에 위치하므로, 플라즈마 임피던스의 변화가 RF 전력과 연결 되어있는 유도 코일의 임피던스에 영향을 주게 되어RF전력의 매칭 컨디션이 불안정해지고, 유도코일 또는 RF 전력 공급선을 플라즈마로부터 보호하기 위하여 진공시일을 하여야 하는 문제점이 있다.

특히 토로이드의 발열온도가 큐리(Curie)온도를 넘게 되면 강자성체가 상자성체로 변화되어 시변 자기장이 발생되지 않게 되고, 발열로 인하여 투자율이 변화되거나 전력손실이 증대하므로 토로이드를 적절히 냉각시키는 것이 중요한데, 내부형의 경우 토로이드가 챔버 내부에 위치하기 때문에 이를 냉각시키는 것이 용이하 지 않다는 단점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 높은 밀도, 높은 전자 에너지, 낮은 압력, 낮은 이온 에너지, 낮은 플라즈마 전위를 가진 플라즈마를 용이하게 발생시킬 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한 본 발명의 토로이드형 안테나는 토로이드형 안테나를 간편하고 효율적으로 냉각시킬 수 있어 토로이드로 사용되는 강자성체인 코어의 특성을 최대한 사용할 수 있으며, 토로이드에 감기는 유도코일이나 전원공급선을 진공시일 하여야 하는 문제점을 해결할 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 두개 이상의 토로이드형 안테나 모듈을 연결하여 플라즈마 발생 면적을 용이하게 넓힐 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 밀폐된 반응영역을 정의하는 챔버와; 상기 챔버 내부에 기판을 안치하는 기판안치수단과; 상기 기판안치수단의 상부로 공정가스를 공급하는 가스공급수단과; 상기 챔버 리드를 관통하여 상기 기판에 대해서 수직하게 설치되는 토로이드형 코어로서, 상기 코어의 개방부가 상기 챔버 내부에 위치하도록 설치되며, 상기 코어의 일부는 상기 챔버 외부로 노출되도록 상기 챔버에 결합하는 토로이드형 강자성체 코어와; 상기 챔버의 외부에 위치하는 RF전원과; 상기 RF전원과 전기적으로 연결되고, 상기 토로이드형 강자성체 코어 중에서 상기 챔버의 외부에 노출되는 부분에 감기는 유도코일과; 상기 RF전원과 상기 유도코일 사이에서 임피던스를 정합시키는 매칭회로를 포함하는 플라즈마 발생장치를 제공한다.

상기 토로이드형 강자성체 코어는 페라이트 또는 아이언 파우더 재질로 이루어진다.

상기 토로이드형 강자성체 코어를 챔버의 반응영역에 직접 노출되지 않도록 보호하는 커버를 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 커버는 세라믹, 알루미늄 또는 SUS 등의 재질 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 토로이드형 강자성체 코어의 개방부의 중심축이 상기 기판안치수단과 수평이 되도록 설치되는 것이 바람직하다.

상기 토로이드형 강자성체 코어는 2개 이상 설치될 수 있으며, 이때 각 토로이드는 단일의 RF전원에 연결될 수도 있고, 각 토로이드마다 독립적인 RF전원이 연결될 수도 있다.
각 토로이드마다 독립적인 RF전원이 연결되는 경우에는 상기 RF전원에 위상변환기가 연결되는 것이 바람직하다.

상기 RF전원은 10kHz 내지 13.56MHz 범위에서 공급되는 것이 바람직하다.

상기 플라즈마 발생장치는, 상기 챔버 내부의 플라즈마 상태를 검사하는 플라즈마 검사부와; 상기 플라즈마 검사부에서 측정된 플라즈마 파라미터에 대한 정보를 이용하여 상기 RF전원 또는 상기 매칭회로를 제어함으로써 토로이드형 강자성체 코어에 전달되는 RF전력을 조절하는 피드백제어부를 더 포함할 수 있다.

이때 상기 매칭회로와 상기 유도코일 사이의 도선에는 전압 및 전류를 측정하여 그 정보를 상기 피드백제어부로 제공하는 V-I 검침부를 더 포함할 수 있으며, 상기 피드백제어부에 의해 제어되며 상기 토로이드형 강자성체 코어를 소정 각도 회전시키는 회전구동부를 더 포함할 수도 있다.

또한 본 발명은, 밀폐된 반응영역을 정의하는 챔버와; 상기 챔버 내부에 기판을 안치하는 기판안치수단과; 상기 기판안치수단의 상부로 공정가스를 공급하는 가스공급수단과; 상기 챔버 리드를 관통하여 상기 기판에 대해서 수직하게 설치되는 토로이드형 코어를 포함하고, 상기 코어의 개방부가 상기 챔버 내부에 위치하도록 설치되며 상기 코어의 일부는 상기 챔버 외부로 노출되도록 상기 챔버에 결합하며, 외부전원에 연결되어 RF전력을 발생시키는 전원공급부, 상기 전원공급부에 전기적으로 연결되고 상기 토로이드형 코어를 감싸는 유도코일, 상기 전원공급부와 상기 유도코일 사이에서 임피던스를 정합시키는 매칭회로, 상기 토로이드형 코어, 상기 전원공급부, 상기 유도코일 및 상기 매칭회로를 내부에 포함하는 하우징을 포함하는 토로이드형 코어 모듈을 포함하는 플라즈마 발생장치를 제공한다.

상기 토로이드형 코어를 챔버의 반응영역에 집적 노출시키지 않도록 보호하는 커버를 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 토로이드형 코어는 페라이트 또는 아이언 파우더 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 전원공급부는 10kHz 내지 13.56MHz 범위의 RF전력을 공급하는 것이 바람직하다.

상기 챔버는 챔버 내부의 플라즈마 상태를 검사하는 플라즈마 검사부를 더 포함하며, 상기 하우징의 내부에는 상기 플라즈마 검사부에서 측정된 플라즈마 파라미터 정보를 이용하여 상기 전원공급부 또는 상기 매칭회로를 제어하는 피드백제어부가 더 포함될 수 있다.

상기 하우징의 내부에는 상기 매칭회로와 상기 유도코일을 연결하는 도선의 전압 및 전류를 측정하여 그 정보를 상기 피드백제어부로 제공하는 V-I 검침부가 더 포함될 수 있다.

상기 하우징의 내부에는 상기 피드백제어부에 의해 제어되며, 상기 토로이드형 코어를 소정 각도 회전시키는 회전구동부가 더 포함될 수 있다.

상기 각 토로이드형 코어 모듈의 전원공급부에는 RF전력의 위상을 제어하는 위상변환기가 연결되며, 상기 위상변환기는 상기 피드백제어부에 의하여 제어되는 것이 바람직하다.
상기 토로이드형 코어 모듈은 2개 이상 설치될 수도 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그리고 이하에서 설명하는 플라즈마 발생장치 및 안테나모듈은 반도체 제조장치나 LCD 제조장치에 관계없이 플라즈마를 발생시켜 기판을 처리하는 모든 장치에 적용될 수 있음을 미리 밝혀둔다.

제1 실시예

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(100)의 구성을 개략적으로 나타낸 것으로서 토로이드형 안테나(130)를 플라즈마 발생원으로 이용하는 점에 특징이 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(100)는 밀폐된 반응영역을 정의하는 챔버(110)의 내부에 기판(s)을 안치하는 서셉터(120)가 설치되고, 챔버의 저면에 잔류가스를 배출하는 배기구(114)가 설치되는 점에서는 종래와 동일하다.

본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(100)는 토로이드형 안테나(130)가 챔버리드(110a)에 수직으로 결합함에 있어서, 토로이드형 코어(132)의 개방부(130a)만이 챔버의 내부로 돌출되도록 결합하고 토로이드형 코어(132)에 감기는 유도코일(134)은 챔버의 외부, 즉 챔버리드(110a)의 상부에 위치시키는 점에 특징이 있다. 토로이드형 안테나(130)는 토로이드형 코어(132)만으로 구성될 수도 있으나, 토로이드형 코어(132)를 보호하기 위하여 커버(131)를 설치하는 것이 바람직하다.

여기서 토로이드형 안테나(130)가 반드시 챔버리드(110a)에 결합되어야 하는 것은 아니고, 장치의 종류에 따라서는 챔버 측벽 및 하단 부분에도 결합될 수도 있는 것이며, 결합되는 개수도 특별히 한정되는 것은 아니다.

도면에서 토로이드형 안테나(130)의 개방부(130a)가 보이도록 도시한 것은 설명의 편의를 위한 것일 뿐이고, 유도전기장을 수평으로 형성하기 위해서는 토로이드형 안테나(130)를 90도 회전하여 각 안테나의 개방부(130a)가 서로 마주보도록 설치되는 것이 바람직하다. 그러나 공정의 특성이나 장치의 특성에 따라서는 각 안테나의 개방부가 마주보는 각도를 임의로 조절할 수도 있다.

각 토로이드형 코어(132)에 감긴 유도코일(134)은 RF전력을 공급하는 RF전원(140)에 연결되며, RF전원(140)과 각 유도코일(134)의 사이에는 부하임피던스와 소스임피던스를 정합시키는 매칭회로(150)가 위치한다.

도면에는 하나의 RF전원(140)과 하나의 매칭회로(150)를 통하여 각 토로이드형 코어(132)에 RF전력을 공급하고 있으나, 후술하는 제2 실시예와 같이 각 토로이드형 코어(132)마다 별개의 RF전원과 매칭회로를 연결할 수도 있다. 본 발명의 실시예에서 RF전원(140)은 10kHz에서 13.56MHz 범위의 RF전력을 공급한다.

토로이드형 안테나(130)의 토로이드형 코어(132)는 자신을 감고 있는 유도코일(134)에 흐르는 RF전류에 의하여 발생하는 자기장이 지나는 경로를 제공하는 것이므로, 주로 강자성체인 페라이트(ferrite) 또는 아이언 파우더(iron powder) 재질로 제작되는 것이 바람직하다.

토로이드형 코어(132)는 가운데에 유도전기장의 전속(電束)이 지나는 개방부(130a)를 가지기만 하면 그 형상이 도시된 것처럼 D형에 한정되는 것은 아니다.

다만 토로이드형 코어(132)에 의하여 발생하는 유도전기장으로부터의 에너지 전달효율을 높여 플라즈마 밀도를 높이기 위해서는 토로이드 개방부(130a)의 적어도 일부가 상기 챔버의 내부에 위치하여야 한다.

그리고 챔버 내부로 돌출되는 토로이드형 코어(132)가 플라즈마에 직접 노출되면 파티클의 발생원이 되므로, 커버(131)를 이용하여 토로이드형 코어(132)를 감싸는 것이 바람직하다. 커버(131)는 세라믹, 알루미늄 또는 SUS 등을 이용하여 제작될 수 있으며, 금속에 와전류(eddy current)가 유도되는 것을 방지하기 위하여 세라믹 등의 부도체를 와전류를 방해하는 방향으로 접합하여 제작될 수도 있다.

본 발명의 실시예에서는 커버(131)로 토로이드형 코어(132)를 감싼 채 챔버리드(110a)에 결합하고, 진공시일을 위하여 커버(131)와 챔버리드(110a)의 사이에는 오링(112)을 설치하였다.

그리고 커버(131)의 내벽과 토로이드형 코어(132)의 사이를 일정 거리 이격시킴으로써 그 사이의 공간을 냉매유동로(133)로 활용하게 되면, 토로이드형 코어(132)에 발생하는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

따라서 커버(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 연결하는것이 바람직하다. 챔버리드(110a)의 상부 공간은 대기압 환경이므로, 공기를 냉매로 사용하는 것이 가장 간편하나 특별히 한정되는 것은 아니다.

도 5는 커버에 의하여 둘러 싸여진 토로이드형 안테나(130)를 도시한 것으로서, D자형의 직선부에 냉매유입관(138) 및 냉매유출관(139)이 연결되고, 내부의 유도코일과 연결되는 전원공급선(135)이 관통되고 있다. 커버는 대기압 상태의 내부와 진공상태의 챔버 내부공간을 격리시키는 역할도 하여야 하므로 자체로 진공시일이 되어 있어야 함은 물론이다.

한편 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치는 챔버 내부의 플라즈마 상태를 파악하여 RF전원(140) 또는 매칭회로(150)를 제어하는 피드백제어부(160)를 구비하는 점에 특징이 있다. 피드백제어부(160a)는 통상 운전자가 조작하는 제어컴퓨터의 일부로 구성될 수도 있고, 이와 별개로 구성될 수도 있다.

챔버 내부의 플라즈마 상태에 대한 정보는 플라즈마 검사부(180)에서 검출하게 되는데, 검출방식에는 도시된 것처럼 탐침봉(182)을 이용하는 정전탐침(probe) 방식과 뷰어포트를 통한 광진단 방식이 있다.

검출된 플라즈마 파라미터 정보는 피드백제어부(160)에서 각 토로이드형 코어(132)에 공급되는 RF전력의 세기 또는 위상, 각 토로이드형 코어(132)의 방향을 제어하는 자료로 활용된다.

RF전력의 정밀한 제어를 위하여 각 토로이드형 코어(132)와 매칭회로(150)의 사이의 전원공급선(135)에는 RF전력의 전압 및 전류를 체크하는 V-I 검침부(170)를 둔다.

RF전원의 위상을 조절하기 위해서는 각 토로이드형 코어(132)에 연결되는 전원공급선(135)에 별도의 위상변환회로(미도시)를 연결하는 것이 바람직하며, 상기 위상변환회로도 피드백제어부(160)에 의해 동작이 제어된다.

토로이드형 코어(132)의 방향을 조절하기 위해서, 각 토로이드형 코어(132)에 연결되며 피드백제어부(160)에 의해 동작하는 회전구동부(190)를 두어야 하는데, 회전구동부(190)는 구동모터와 이와 결합되는 소정의 기어로 동작하게 되며, 토로이드형 코어(132)를 쎄타(theta) 방향으로, 즉 기판(s)에 수직한 축을 중심으로 회전시키게 된다.

토로이드형 코어(132)가 회전하면 토로이드형 코어를 감싸는 커버(131)도 당연히 함께 회전하므로, 커버(131)와 챔버의 경계면에서 진공시일을 유지하면서 회전하기 위해서는 자성유체를 이용하는 마그네틱시일(magnetic seal)을 이용하는 것이 바람직하다.

한편 도면에는 챔버 내부로 공정기체를 유입하는 수단을 도시하고 있지는 않으나, 이는 서셉터 상부에 위치하는 인젝터 또는 샤워헤드 형태일 수도 있고, 서셉터의 가장자리에서 중앙을 향해 공정기체를 분사하는 형태의 분사수단일 수도 있다.

이와 같은 구성의 플라즈마 발생장치에서 공정이 진행되는 순서를 도 4를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

먼저 미도시된 도어를 통해 반입된 기판(s)이 서셉터(120)의 상부에 안치되면, 진공펌핑을 통해 공정압력을 조성한 다음 외부에서 공정기체를 챔버 내부로 분사하는 동시에 유도코일(134)에 RF전원(140)을 인가하여 토로이드형 코어(132)의 내부에 시변자기장을 발생시킨다.

시변자기장에 의하여 토로이드형 코어(132)의 개방부(130a)를 지나는 유도전기장이 발생하며, 토로이드형 코어(132)가 서셉터(120)에 수직하게 설치되어 있으므로 상기 유도전기장은 서셉터(120)에 평행하게 형성된다.

유도전기장에 의하여 공정기체가 해리 및 이온화 되어 활성종과 전자의 혼합가스인 플라즈마가 발생하며, 상기 활성종이 기판으로 입사하여 증착, 에칭 등의 공정을 수행하게 된다. 이때 토로이드형 코어(130)를 다수 설치하면 서셉터(120)에 대해 더욱 평행하고 넓은 영역의 유도전기장을 형성할 수 있게 되어 대면적 기판 처리용 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

제2 실시예

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 것으로서, 각 토로이드형 코어(132)마다 별개의 RF 전원(140)을 연결한 점에 특징이 있다.

또한 각 RF전원(140)의 위상을 조절하는 위상변환기(200)를 설치하고, 이를 피드백제어부(160)에 의하여 자동으로 제어되도록 함으로써, 각 유도코일(134)의 RF전력 제어, 토로이드형 코어(132)의 방향제어 등과 마찬가지로 플라즈마 검사부(180)를 통해 획득한 플라즈마 파라미터 정보에 근거하여 챔버 내부의 플라즈마 파라미터 및 균일도를 보다 정밀하게 제어할 수 있도록 하였다.

제3 실시예

이상에서는 플라즈마를 이용하는 플라즈마 발생장치(100)의 챔버리드(110a)에 토로이드형 코어(132)를 직접 결합하고, 각 토로이드형 코어(132)에 RF전원(140), 매칭회로(150) 등을 연결한 경우에 대하여 설명하였다.

이하에서는 이와 같은 토로이드형 코어(132)를 전원공급부(140a), 매칭회로(150)를 포함하는 모듈로 제작하여, 모듈 단위로 챔버에 결합할 수 있도록 구성한 토로이드형 코어 모듈에 대해 설명한다.

도 7은 이와 같은 토로이드형 코어 모듈(300)의 사시도를 나타낸 것이고 도 8a 및 도 8b는 내부구성을 예시한 것으로서, 통형의 하우징(310) 일단에 토로이드형 코어(132)를 결합하고, 하우징(310)의 내부에 외부 전원을 이용하여 RF전원을 발생시키는 전원공급부(140a), 매칭회로(150), V-I 검침부(170), 회전구동부(190)를 포함시킨 점에 특징이 있다.

특히 전원공급부(140a)에 연결되는 유도코일(134)을 하우징(310)의 내부에 위치시키고 하우징(310)의 외부로 토로이드형 코어(132)가 돌출되도록 결합하여 토로이드 개방부(130a)에 결합되는 유도전기장이 플라즈마 발생에 직접 기여하도록 함으로써 에너지 전달효율 및 플라즈마 밀도를 높일 수 있도록 하였다.

토로이드형 코어(132)는 전술한 바와 마찬가지로 커버(131)에 의하여 외부와 격리되며, 하우징(310)과 커버(131)의 경계면에는 진공시일을 위하여 오링(320)이 설치된다. 다만 하우징 내부의 회전구동부(190)에 의하여 토로이드형 코어(132)를 회전시키기 위해서는 자성유체를 이용한 마그네틱시일이 더 바람직하다고 할 수 있다.

회전구동부(190)는 모터, 기어 등을 이용하여 토로이드형 코어(132)를 쎄타(θ)축을 중심으로 회전시키게 되며, 이때 토로이드 개방부(130a)의 중심축은 쎄타(θ)축과 직각을 유지한다.

한편, 토로이드형 코어(132)를 회전시키지 않고 하우징(310) 자체를 회전시키는 것도 가능한데, 이 경우 하우징(310)을 회전시키는 구동수단이 하우징 외부에 구비되어야 함은 물론이다.

토로이드형 코어(132)와 커버(131)를 서로 소정거리 이격시켜 그 사이의 공간을 냉매가 유동할 수 있는 냉매유동로(133)로 활용될 수 있도록 하고, 커버(131) 중에서 하우징(310)의 내부에 위치하는 부분에는 상기 냉매유동로(133)에 냉매를 유동시키기 위한 냉매유입관(138) 및 냉매유출관(139)이 연결되도록 한 점에서는 앞선 실시예와 동일하다.

토로이드형 코어 모듈(300)을 챔버리드(110a)에 결합하기 위해서는 하우징(310)과 챔버리드(110a)의 경계부에도 진공시일을 위하여 오링 등이 설치되어야 함은 물론이며, 도면부호 330은 이와 같이 챔버와의 경계부에 설치될 오링을 예시한 것이다.

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

이러한 전원공급부(140a), 매칭회로(150), V-I 검침부(170), 회전구동부(190), 위상변환회로(미도시) 등은 피드백제어부(160)에 의하여 제어되는 것이 바람직하다.

즉, 토로이드형 코어 모듈(300) 외부의 플라즈마 검사부(180)로부터 입력된 챔버내의 플라즈마 파라미터 정보를 근거로 하여, 피드백제어부(160)가 전원공급부(140a) 및 매칭회로(150)를 제어하여 RF전력의 세기를 조절하고, 미도시된 위상변환회로를 조정하여 RF전력의 위상을 조절하며, 회전구동부(190)를 구동하여 토로이드형 코어(132)의 방향을 조절함으로써 챔버 내부의 플라즈마 파라미터 및 균일도를 정밀하게 제어할 수 있게 된다.

도 8a는 하우징(130)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 8b는 피드백제어부(160)를 하우징(310)의 외부에 구비하여, 플라즈마 검사부(180)로부터 제공되는 플라즈마 파라미터 및 균일도 정보를 이용하여 토로이드형 코어 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 9와 같이 2 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 보다 정밀하게 제어할 수 있다.

도 9에는 피드백제어부(160a)에 2개의 토로이드형 코어 모듈(300)이 연결되어 있으나 개수가 특별히 한정되는 것은 아니며, 기판이 대형화 될수록 플라즈마의 균일도를 확보하기 위해서는 더 많은 개수의 모듈을 설치할 필요가 있다. 토로이드형 코어 모듈(300)을 다수 개 설치할 때에는 직렬 또는 병렬로 설치할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 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 발생원인 토로이드형 코어에서 유도전기장이 결합하는 토로이드 개방부를 챔버 내부에 위치시킴으로써, 에너지 전달효율을 증대하여 높은 밀도와 높은 전자에너지를 가진 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 플라즈마 점화도 용이하게 할 수 있게 된다.

또한 토로이드형 코어에 RF전력을 인가하는 유도코일이 챔버 외부에서 토로이드형 코어와 결합하므로 전원공급선 및 냉각라인을 진공시일하여야 하는 필요성을 없어졌으며 토로이드형 코어에 대한 냉각효율을 높일 수 있게 되었다.

또한 유도전기장이 기판과 수평방향으로 형성되므로 이온충격에 의한 기판의 손상을 최소화 할 수 있게 되었다.

또한 토로이드형 코어, 유도코일, RF전원, 매칭회로, 회전구동부, 피드백제어부 등을 단일의 모듈로 제작하여, 모듈의 개수, 방향, 전기장의 위상 등을 조절함으로써 대면적 기판에서도 공정의 균일성을 용이하게 확보할 수 있게 하였다.

Claims

밀폐된 반응영역을 정의하고 챔버 리드를 포함하는 챔버와;

상기 챔버의 내부에 기판을 안치하는 기판안치수단과;

상기 기판안치수단의 상부로 공정가스를 공급하는 가스공급수단과;

상기 챔버 리드를 관통하여 상기 기판에 대해서 수직하게 설치되는 토로이드형 코어로서,

상기 코어의 개방부가 상기 챔버의 내부에 위치하도록 설치되며, 상기 코어의 일부는 상기 챔버의 외부로 노출되도록 상기 챔버에 결합하는 토로이드형 강자성체 코어와;

상기 챔버의 외부에 위치하는 RF전원과;

상기 RF전원과 전기적으로 연결되고, 상기 토로이드형 강자성체 코어 중에서 상기 챔버의 외부에 노출되는 부분에 감기는 유도코일과;

상기 RF전원과 상기 유도코일 사이에서 임피던스를 정합시키는 매칭회로;

를 포함하는 플라즈마 발생장치
제1항에 있어서,

상기 토로이드형 강자성체 코어는 페라이트 또는 아이언 파우더 재질로 이루어지는 플라즈마 발생장치
제1항에 있어서,

상기 토로이드형 강자성체 코어를 챔버의 반응영역에 직접 노출시키지 않도록 보호하는 커버를 더 포함하는 플라즈마 발생장치
제3항에 있어서,

상기 커버는 세라믹, 알루미늄 또는 SUS등의 재질 중 어느 하나로 이루어지는 플라즈마 발생장치
제1항에 있어서,

상기 토로이드형 강자성체 코어의 개방부의 중심축이 상기 기판안치수단과 수평이 되도록 설치되는 플라즈마 발생장치
제1항에 있어서,

상기 토로이드형 강자성체 코어는 2개 이상 설치되며, 각 토로이드는 단일의 RF전원에 연결되는 플라즈마 발생장치
제1항에 있어서,

상기 토로이드형 강자성체 코어는 2개 이상 설치되며, 각 토로이드마다 독립적인 RF전원이 연결되는 플라즈마 발생장치
제7항에 있어서,

상기 RF전원에는 위상변환기가 연결되는 플라즈마 발생장치
제1항 있어서,

상기 RF전원은 10kHz 내지 13.56MHz 범위에서 공급되는 플라즈마 발생장치
제1항 있어서,

상기 챔버의 내부의 플라즈마 상태를 검사하는 플라즈마 검사부와;

상기 플라즈마 검사부에서 측정된 플라즈마 파라미터에 대한 정보를 이용하여 상기 RF전원 또는 상기 매칭회로를 제어함으로써 토로이드형 강자성체 코어에 전달되는 RF전력을 조절하는 피드백제어부;

를 더 포함하는 플라즈마 발생장치
제10항에 있어서,

상기 매칭회로와 상기 유도코일 사이의 도선에는 전압 및 전류를 측정하여 그 정보를 상기 피드백제어부로 제공하는 V-I 검침부를 더 포함하는 플라즈마 발생장치
제10항에 있어서,

상기 피드백제어부에 의해 제어되며 상기 토로이드형 강자성체 코어를 소정 각도 회전시키는 회전구동부를 더 포함하는 플라즈마 발생장치
밀폐된 반응영역을 정의하고 챔버 리드를 포함하는 챔버와;

상기 챔버의 내부에 기판을 안치하는 기판안치수단과;

상기 기판안치수단의 상부로 공정가스를 공급하는 가스공급수단과;

상기 챔버 리드를 관통하여 상기 기판에 대해서 수직하게 설치되는 토로이드형 코어를 포함하고, 상기 코어의 개방부가 상기 챔버의 내부에 위치하도록 설치되며, 상기 코어의 일부는 상기 챔버의 외부로 노출되도록 상기 챔버에 결합하며,

외부전원에 연결되어 RF전력을 발생시키는 전원공급부,

상기 전원공급부에 전기적으로 연결되고 상기 토로이드형 코어를 감싸는 유도코일,

상기 전원공급부와 상기 유도코일 사이에서 임피던스를 정합시키는 매칭회로,

상기 토로이드형 코어, 상기 전원공급부, 상기 유도코일 및 상기 매칭회로를 내부에 포함하는 하우징을 포함하는 토로이드형 코어 모듈;

을 포함하는 플라즈마 발생장치
제13항에 있어서,

상기 토로이드형 코어를 챔버의 반응영역에 집적 노출되지 않도록 보호하는 커버를 더 포함하는 플라즈마 발생장치
제13항에 있어서,

상기 토로이드형 코어는 페라이트 또는 아이언 파우더 재질로 이루어지는 플라즈마 발생장치
제13항에 있어서,

상기 전원공급부는 10kHz 내지 13.56MHz 범위의 RF전력을 공급하는 플라즈마 발생장치
제13항에 있어서,

상기 챔버는 챔버 내부의 플라즈마 상태를 검사하는 플라즈마 검사부를 더 포함하며,

상기 하우징의 내부에는 상기 플라즈마 검사부에서 측정된 플라즈마 파라미터 정보를 이용하여 상기 전원공급부 또는 상기 매칭회로를 제어하는 피드백제어부가 더 포함되는 플라즈마 발생장치
제17항에 있어서,

상기 하우징의 내부에는 상기 매칭회로와 상기 유도코일을 연결하는 도선의 전압 및 전류를 측정하여 그 정보를 상기 피드백제어부로 제공하는 V-I 검침부가 더 포함되는 플라즈마 발생장치
제17항에 있어서,

상기 하우징의 내부에는 상기 피드백제어부에 의해 제어되며, 상기 토로이드형 코어를 소정 각도 회전시키는 회전구동부가 더 포함되는 플라즈마 발생장치
제17항에 있어서,

상기 각 토로이드형 코어 모듈의 전원공급부에는 RF전력의 위상을 제어하는 위상변환기가 연결되며, 상기 위상변환기는 상기 피드백제어부에 의하여 제어되는 플라즈마 발생장치
제13항에 있어서,

상기 토로이드형 코어 모듈은 2개 이상 설치되는 플라즈마 발생장치
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제