KR101129675B1 - 플라즈마 발생 장치 및 변압기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 변압기 및 플라즈마 발생 장치를 제공한다. 이 플라즈마 발생 장치는 플라즈마 챔버의 내부에 삽입되는 내부 안테나, 및 내부 안테나에 전력을 공급하는 변압기를 포함한다. 변압기는 중심도선 및 중심도선을 싸고 있는 피복 도선을 포함하는 복수의 동축 케이블을 포함하되, 중심 도선들의 일단은 서로 병렬 연결되어 전원에 연결되고, 중심도선들의 타단은 접지되고, 내부 안테나의 일단은 중심도선의 일단에 연결되고, 내부 안테나의 타단은 피복 도선의 일단에 연결되고, 피복 도선들은 플로팅되고 서로 병결연결된다.

Description

플라즈마 발생 장치 및 변압기 {PLASMA GENERATION APPARATUS AND TRANSFORMER}
본 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 전압을 감소시키고 전류를 증가시키는 변압기를 포함하는 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
플라즈마는 반도체, 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Pannel;PDP), 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display;LCD), 태양전지(solar cell) 등의 제조공정에 널리 이용되고 있다. 대표적인 플라즈마 공정으로는 건식 식각(Dry Etching), 플라즈마 도움 화학기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition;PECVD), 스퍼터링(Sputtering), 에싱(Ashing) 등이 있다. 통상적으로 축전 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma; CCP), 유도결합플라즈마(Inductively Coupled Plasma;ICP), 헬리콘 플라즈마(Helicon Plasma), 초고주파 플라즈마(Microwave Plasma) 등이 사용되고 있다.
플라즈마 공정은 플라즈마 변수(전자밀도, 전자온도, 이온 선속, 이온에너지)에 직접적인 연관이 있다고 알려져 있다. 특히, 전자밀도는 생산량( throughput)과 밀접한 관계가 있다고 밝혀졌다. 이에 따라, 높은 전자밀도를 가지는 플라즈마원(plasma source)의 개발이 활발하게 이루어졌다. 대표적인 고밀도 플라즈마원(plasma source)은 헬리콘 플라즈마(Helicon Plasma), 전자 사이크로트론 공명 플라즈마(electron Cyclotron Resonance Plasma) 등이 있다. 이 플라즈마원은 저압에서 고밀도 플라즈마를 발생하는 것으로 알려져 있다. 그러나 이 플라즈마원은 모두 자기장을 사용해야 하므로, 플라즈마의 불안정성(Plasma Instability)에 의해, 공정 재현성이 제어되지 못한다. 또한, 장치가 비싸고 거대해지며, 자기장이 기판에 전사되어 공정의 균일도에 악영향을 줄 수 있다. 따라서, 산업에서 활발한 응용이 이루어지지 않는 상태이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 낮은 전압과 높은 전류를 제공하여 균일하고 고밀도의 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 플라즈마 챔버의 내부에 삽입되는 내부 안테나, 및 상기 내부 안테나에 전력을 공급하는 변압기를 포함한다. 상기 변압기는 중심도선 및 상기 중심도선을 싸고 있는 피복 도선을 포함하는 복수의 동축 케이블을 포함하되, 상기 중심 도선들의 일단은 서로 병렬 연결되어 전원에 연결되고, 상기 중심도선들의 타단은 접지되고, 상기 내부 안테나의 일단은 상기 중심도선의 일단에 연결되고, 상기 내부 안테나의 타단은 상기 피복 도선의 일단에 연결되고, 상기 피복 도선들은 플로팅되고 서로 병결연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치는 전송선 발룬 변압기( Transmission line balun transformer)를 이용하여 내부 안테나 및/또는 전극에 전력을 인가하여, CCP와 ICP를 다양한 형태로 직렬 및/또는 병렬로 결합하여 고밀도이고 대칭적인 플라즈마를 생성할 수 있다. 상기 플라즈마 발생장치는 이온 에너지 손실, 내부 안테나 스퍼터링 손상(Sputtering damage), 및 챔버 오염을 최소화 시킬 수 있다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면들이다.
ICP 와 CCP가 통상적으로 많이 이용되고 있다. 두 플라즈마원은 구조적으로 간단하고 공정을 선형적으로 제어 가능하다. 또한, 플라즈마 불안정성(Plasma Instability)이 적어, 공정의 신뢰성 확보가 비교적 쉬워 산업에서 많이 사용되고 있다.
최근 MCP(Multi-Chip Package)와 같이 고속으로 깊은 콘택 홀 식각(Deep Contact Hole Etching)등의 공정들이 생기면서 기존의 ICP는 적용이 어려워지고 있다.
챔버 내부에 안테나가 배치되는 경우, 상기 안테나는 파워단에 높은 전압이 인가되어, 상기 전압에 의하여 CCP 방전 또는 플라즈마 손실이 발생할 수 있다. 이에 따라, 상기 플라즈마 균일도가 파괴되고, 플라즈마 밀도가 손실될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 동축 케이블(coaxial cable) 형태를 지닌 복수 개의 전송선(transmission line)을 이용한다. 각각의 동축 케이블의 중심 도선과 피복 도선은 변압기(transformer)의 1, 2차 축 코일과 같이 행동하게 함으로써 인가된 전압의 전위(potential)을 낮추고 전류를 증폭하는 전송선 발룬 변압기(transmission line balun transformer)를 형성한다. 상기 변압기는 내부 안테나에 전력을 공급하고, 상기 내부 안테나는 진공 용기 내부에 플라즈마를 형성한다.
이에 따라, 상기 내부 안테나에 유도되는 고전압 문제가 제거될 수 있다. 또한, 플라즈마 밀도손실, 내부 안테나의 스퍼터링(sputtering), 스퍼터링된 물질에 의한 공정 오염 등의 문제가 해결될 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치는 CCP와 ICP를 다양한 형태로 직렬 및/또는 병렬로 결합하여 전위(potential)을 더욱 줄일 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 발생 장치는 전위(potential) 변화에 따른 여러 공정에 적용이 가능하다. 또한, 전송선 발룬 변압기(Transmission line balun transformer)를 병렬로 연결하여 전류를 더욱 증폭시킬 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치는 고밀도이고 대칭성(symmetric)을 가진 플라즈마를 생성할 수 있고, 상기 플라즈마 발생 장치는 MCP에서 고속으로 깊은 콘택 홀 식각(Deep Contact hole Etching)에 사용될 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 발생 장치는 CVD 또는 스퍼터링 장치 등에 널리 적용될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 플라즈마 발생 장치는 플라즈마 챔버(101)의 내부에 삽입되는 내부 안테나(122) 및 상기 내부 안테나(122)에 전력을 공급하는 변압기(110)를 포함한다. 상기 변압기(110)는 중심도선(114) 및 상기 중심 도선(114)을 싸고 있는 피복 도선(112)을 포함하는 복수의 동축 케이블을 포함한다. 상기 중심 도선들(114)의 일단은 서로 병렬 연결되어 RF 전원(132)에 연결되고, 상기 중심 도선들(114)의 타단은 접지되고, 상기 피복 도선들(112)은 플로팅되고 서로 병결 연결된다. 상기 내부 안테나(122)의 일단은 상기 중심도선(114)의 일단에 연결되고, 상기 내부 안테나(122)의 타단은 상기 피복 도선(112)의 일단에 연결된다.
상기 플라즈마 챔버(101)는 플라즈마를 구속하는 진공 용기이다. 상기 플라즈마 챔버(101)는 뚜껑(102) 및 원통형 챔버(104)를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 챔버(101)는 알루미늄 또는 스텐인레스 스틸일 수 있다. 상기 플라즈마 챔버(101)는 원통형 형상에 한정되지 않고 사각 챔버 등으로 다양하게 변형될 수 있다.
기판(142)은 기판 홀더(144)에 배치되며, 실리콘 기판 또는 유리 기판일 수 있다. 기판 홀더(144)는 상기 기판(142)을 지지하고 상기 기판(142)에 에너지를 인가하는 수단을 포함할 수 있다. 상기 기판 홀더(144)는 상기 내부 안테나(122)와 수직으로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 내부 안테나(122)는 상기 플라즈마 챔부(101) 내부에 직접 삽입되어 플라즈마에 노출된다. 상기 내부 안테나(122)는 원턴(one turn)에 한하지 않고 다양하게 변형될 수 있다. 상기 내부 안테나(122)의 표면은 절연체로 코딩 또는 피복될 수 있다. 상기 절연체는 실리콘, 석영 또는 알루미나 등의 물질일 수 있다.
통상적으로, 상기 내부 안테나(122)가 상기 플라즈마 챔버(101) 내부에 삽입되는 경우, 상기 내부 안테나(122)의 전력을 공급받는 부위에서 플라즈마의 밀도가 높다. 어떤 이론에 구속되지 않고, 이는 축전결합에 의하여 축전 결합 플라즈마가 형성되기 때문인 것으로 믿고 있다. 따라서, 상기 내부 안테나(122)의 전력 공급단에서 전위는 낮아야 한다. 이를 위하여, 상기 내부 안테나(122)는 플로팅(floating)되고, 전위를 감소시키는 상기 변압기(110)에 연결된다. 이에 따라, 상기 내부 안테나(122)와 플라즈마 사이의 축전 결합은 최소화될 수 있다. 따라서, 고 전압에 기인한 전자밀도 손실, 플라즈마의 이온 에너지 손실, 상기 내부 안테나의 스퍼터링 손상(Sputtering damage), 및/또는 챔버오염은 최소화될 수 있다. 통상적으로, 플라즈마와 안테나 사이에 두꺼운 유전체 창문이 개재하나, 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나(122)는 플라즈마에 직접 노출된다. 이에 따라, 플라즈마를 만들 때 필요한 표피층(skin layer)의 손실을 최소화하여 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다. 또한, 축전 결합의 감소로 인하여 상기 내부 안테나(122)는 방위각 대칭성을 가질 수 있다.
제1 RF 전원(132)은 상기 변압기(110)에 전력을 공급한다. 제1 임피던스 매칭 회로(134)는 상기 제1 RF 전원(132)과 상기 변압기(134) 사이에 배치되어 임피던스를 조절한다. 상기 제1 RF 전원(132)의 주파수는 300 Khz 내지 100 Mhz일 수 있다. 상기 제1 RF 전원(132)의 전력은 상기 제1 임피던스 매칭 회로(134) 및 상기 변압기(110)를 통하여 상기 내부 안테나(122)에 제공된다.
상기 변압기(110)는 복수의 동축 케이블들(113)을 포함한다. 각각의 동축 케이블(113)은 중심 도선(114) 및 상기 중심 도선(114)과 서로 절연된 피복 도선(112)을 포함한다. 상기 중심 도선(114)과 상기 피폭 도선(112) 사이에 절연층이 개재된다. 상기 중심 도선(114) 및 상기 피복 도선(112)은 전도성이 좋은 구리 및/또는 은을 포함할 수 있다.
상기 중심 도선들(114)의 일단은 서로 병렬로 연결되고, 상기 중심 도선들(114)의 타단은 접지된다. 상기 피복 도선들(112)의 일단은 서로 병렬 연결되고, 상기 피복 도선들(112)은 플로팅된다. 상기 내부 안테나의 일단은 상기 중심도선의 일단에 연결되고, 상기 내부 안테나의 타단은 상기 피복 도선의 일단에 연결된다.
상기 플라즈마 챔버(101)에는 상기 내부 안테나(122)와 상기 변압기(110)를 연결하는 전기 피드스루(electrical feedthrough, 152)가 배치될 수 있다. 상기 전기 피드스루(152)는 상기 플라즈마 챔버(101)와 절연시키면서 상기 변압기(110)의 전력을 상기 내부 안테나(122)에 전달할 수 있다.
상기 변압기(110)는 전송선 발룬 변압기(Transmission line balun transformer)를 사용하여 상기 내부 안테나(122)에 전력을 공급한다. 상기 내부 안테나(122)는 플라즈마 내에 플로팅됨으로써, RF 진동 주기 중에 발생하는 전자밀도 손실을 이온 포화 전류 정도로 작게 감소시킬 수 있다. 상기 변압기(110)는 전압을 낮게 하고 전류를 증가시킨다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다. 도 1과 중복되는 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 플라즈마 발생 장치는 플라즈마 챔버(101)의 내부에 삽입되는 내부 안테나(122), 및 상기 내부 안테나(122)에 전력을 공급하는 변압기(110)를 포함한다. 상기 변압기(110)는 중심도선(114) 및 상기 중심도선(114)을 싸고 있는 피복 도선(112)을 포함하는 복수의 동축 케이블(113)을 포함한다. 상기 중심 도선들(114)의 일단은 서로 병렬 연결되어 RF 전원에 연결되고, 상기 중심도선들(114)의 타단은 접지되고, 상기 피복 도선들(112)은 플로팅되고 서로 병결연결된다.
전극(162)은 상기 플라즈마 챔버(101) 내부에 배치된다. 상기 전극(162)은 상기 내부 안테나(122)의 중심 영역에 배치될 수 있다. 제2 RF 전원(136)은 전기 피드스루(164)를 통하여 상기 전극(162)에 전력을 인가한다. 또한, 제2 임피던스 매칭 회로(138)는 상기 제2 RF 전원(136)과 상기 전극(162) 사이에 배치된다.이에 따라, 외측은 유도 결합 플라즈마가 생성되고, 내측은 축전 결합 플라즈마가 생성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다. 도 1 및 도 2에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 플라즈마 발생 장치는 플라즈마 챔버(101)의 내부에 삽입되는 내부 안테나(122), 및 상기 내부 안테나(122)에 전력을 공급하는 변압기(110)를 포함한다. 상기 변압기(110)는 중심도선(114) 및 상기 중심도선(114)을 싸고 있는 피복 도선(112)을 포함하는 복수의 동축 케이블(113)을 포함한다. 상기 중심 도선들(114)의 일단은 서로 병렬 연결되어 RF 전원에 연결되고, 상기 중심도선들(114)의 타단은 접지되고, 상기 피복 도선들(112)은 플로팅되고 서로 병결연결된다.
제1 RF 전원(132)은 상기 변압기(110)에 전력을 공급한다. 제1 임피던스 매칭 회로(134)는 상기 제1 RF 전원(132)과 상기 변압기(110) 사이에 배치되어 임피던스를 조절한다. 전극(162)은 상기 플라즈마 챔버(101)에 내치되고, 상기 변압기(110)의 상기 중심도선(114)의 일단에 연결될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다. 도 1 및 도 2에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 플라즈마 발생 장치는 플라즈마 챔버(101)의 내부에 삽입되는 내부 안테나(122), 및 상기 내부 안테나(122)에 전력을 공급하는 변압기(110)를 포함한다. 상기 변압기(110)는 중심도선(114) 및 상기 중심도선(114)을 싸고 있는 피복 도선(112)을 포함하는 복수의 동축 케이블(113)을 포함한다. 상기 중심 도선들(114)의 일단은 서로 병렬 연결되어 RF 전원에 연결되고, 상기 중심도선들(114)의 타단은 접지되고, 상기 피복 도선들(112)은 플로팅되고 서로 병결연결된다.
제1 RF 전원(132)은 상기 변압기(110)에 전력을 공급한다. 제1 임피던스 매칭 회로(134)는 상기 제1 RF 전원(132)과 상기 변압기(110) 사이에 배치되어 임피던스를 조절한다. 전극(162)은 상기 플라즈마 챔버(101)에 내치되고, 상기 변압기(110)의 상기 피복도선(112)의 일단에 연결될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다. 도 1에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 플라즈마 발생 장치는 플라즈마 챔버(101)의 내부에 삽입되는 내부 안테나(122), 및 상기 내부 안테나(122)에 전력을 공급하는 변압기(110)를 포함한다. 상기 변압기(110)는 중심도선(114) 및 상기 중심도선(114)을 싸고 있는 피복 도선(112)을 포함하는 복수의 동축 케이블(113)을 포함한다. 상기 중심 도선들(114)의 일단은 서로 병렬 연결되어 RF 전원에 연결되고, 상기 중심도선들(114)의 타단은 접지되고, 상기 피복 도선들(112)은 플로팅되고 서로 병결연결된다.
도 5를 참조하면, 제1 RF 전원(132)은 상기 변압기(110)에 전력을 공급한다. 제1 임피던스 매칭 회로(134)는 상기 제1 RF 전원(132)과 상기 변압기(110) 사이에 배치되어 임피던스를 조절한다. 상기 내부 안테나(122)는 복수의 원턴(one turn) 안테나들(122a,122b)을 포함한다. 상기 원턴 안테나들(122a,122b)은 중첩 배치되고 서로 병렬연결될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 원턴 안테나들(122a,122b,122c)의 반경은 차례로 감소하고, 기판에서 멀어짐에 따라 상기 원턴 안내나들(122a,122b,122c)의 반경은 감소할 수 있다. 상기 원턴 안테나들(122a,122b,122c)은 중첩 배치되고 서로 병렬연결될 수 있다.
110: 변압기
112: 피복 도선
1114: 중심 도선
122: 내부 안테나
101: 플라즈마 챔버
132: RF 전원
134: 임피던스 정합 회로
162: 전극

Claims (7)

  1. 플라즈마 챔버의 내부에 삽입되는 내부 안테나; 및
    상기 내부 안테나에 전력을 공급하는 변압기를 포함하고,
    상기 변압기는 :
    중심도선 및 상기 중심도선을 싸고 있는 피복 도선을 포함하는 3개 이상의 동축 케이블을 포함하되,
    상기 중심 도선들의 일단은 서로 병렬 연결되어 제1 RF 전원에 연결되고, 상기 중심도선들의 타단은 접지되고,
    상기 내부 안테나의 일단은 상기 중심도선의 일단에 연결되고, 상기 내부 안테나의 타단은 상기 피복 도선의 일단에 연결되고,
    상기 피복 도선들은 플로팅되고 서로 병결연결되고,
    상기 변압기는 입력되는 전압을 낮추어 출력하고, 입력되는 전류를 증가시켜 출력하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버 내부에 배치된 전극;
    상기 변압기에 전력을 공급하는 상기 제1 RF 전원; 및
    상기 제1 RF 전원과 상기 변압기 사이에 배치되어 임피던스를 조절하는 제1 임피던스 매칭 회로를 더 포함하고,
    상기 전극은 상기 중심 도선의 일단에 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버 내부에 배치된 전극;
    상기 변압기에 전력을 공급하는 상기 제1 RF 전원; 및
    상기 제1 RF 전원과 상기 변압기 사이에 배치되어 임피던스를 조절하는 제1 임피던스 매칭 회로를 더 포함하고,
    상기 전극은 상기 피복 도선의 일단에 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버 내부에 배치된 전극;
    상기 전극에 전력을 인가하는 제2 RF 전원; 및
    상기 제2 RF 전원과 상기 전극 사이에 배치되어 임피던스를 조절하는 제2 임피선스 매칭 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 안테나는
    복수의 원턴(one turn) 안테나들을 포함하고,
    상기 원턴 안테나들은 중첩 배치되고 서로 병렬연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 원턴 안테나들의 반경은 차례로 감소하고,
    기판에서 멀어짐에 따라 상기 원턴 안내나들의 반경은 감소하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  7. 플라즈마 챔버의 내부에 삽입되는 내부 안테나에 RF 전력을 공급하는 변압기에 있어서,
    상기 변압기는 중심도선;및
    상기 중심도선을 싸고 있는 피복 도선을 포함하는 3개 이상의 동축 케이블을 포함하되,
    상기 중심 도선들의 일단은 서로 병렬 연결되어 전원에 연결되고, 상기 중심도선들의 타단은 접지되고,
    상기 내부 안테나의 일단은 상기 중심도선의 일단에 연결되고, 상기 내부 안테나의 타단은 상기 피복 도선의 일단에 연결되고,
    상기 피복 도선들은 플로팅되고 서로 병결연결되고,
    상기 변압기는 입력되는 전압을 낮추어 출력하고, 입력되는 전류를 증가시켜 출력하는 것을 특징으로 하는 변압기.
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