KR101159509B1 - 플라즈마 발생용 전극 - Google Patents

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Abstract

대면적 고속증착시 막질의 균일성을 향상시킬 수 있는 플라즈마 발생용 전극이 개시된다. 이러한 플라즈마 발생용 전극은, 전극부, 가스 저장부 및 파이프 구조체 전극을 포함한다. 상기 전극부는, 내부를 통해서 가스가 흐르도록 형성되며 하부에 다수의 가스 분사홀이 형성된다. 상기 가스 저장부는 상기 전극부 단부에 연결되어, 다수의 상기 전극부에 가스를 공급한다. 상기 파이프 구조체 전극은 상기 가스 저장부의 다수의 급전부에 연결되고, 외부의 전기적 파워가 인가되는 가스 유입구로부터 상기 다수의 급전부에 이르는 길이가 모두 동일하도록 연결된다.

Description

플라즈마 발생용 전극{Electrode for Plasma Generation}
본 발명은 플라즈마 발생용 전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 대면적에 적용가능한 플라즈마 발생용 전극에 관한 것이다.
일반적으로, 집적회로장치, 액정표시장치, 태양전지 등과 같은 장치를 제조하기 위한 반도체 제조 공정 중에서, 피처리 기판 상에 박막을 형성하는 공정은 플라즈마 강화 화학기상증착(Plasma Enhanced Camical Vapor Deposition : PECVD) 장치를 통해 진행된다.
PECVD 장치는 챔버의 내부 공간에 형성되어 피처리 기판을 지지 및 가열하기 위한 기판 지지부, 기판 지지부의 상부에 형성되어 피처리 기판을 향해 공정 가스를 분사하는 가스 공급부, 가스를 배출하는 가스 배출부 및 플라즈마 발생용 전극을 포함한다.
한편, 종래에는 플라즈마를 이용하여 기판 위에 필요한 재질의 막을 형성하기 위해 대면적 평판 전극을 사용하였다. 대면적 평판 전극을 사용하는 경우 고밀도 플라즈마를 발생시키기 위하여 주파수를 증가시키는데, 이때 주파수가 증가함에 따라 전극에서 급격한 전력 손실이 있다. 이를 개선하기 위해서, 사다리 형상의 전극이 개발되었다.
도 1a는 RF 파워가 인가되는 사다리형 플라즈마 발생용 전극에, 종래의 샤워헤드를 이용하여 가스를 분사하는 경우 발생되는 플라즈마를 도시한 개략도이고, 도 1b는 이때 형성된 증착막 패턴을 도시하는 사진이며, 도 2a는 VHF 파워가 인가되는 사다리형 플라즈마 발생용 전극에, 종래의 샤워헤드를 이용하여 가스를 분사하는 경우 발생되는 플라즈마를 도시한 개략도이고, 도 2b는 이때 형성된 증착막 패턴을 도시하는 사진이다.
도 1a에서 보여지는 바와 같이, RF 파워가 인가되는 사다리형 플라즈마 발생용 전극(3)에, 종래의 샤워헤드(1)를 이용하여 가스(5)를 분사하는 경우, 사다리형 플라즈마 발생용 전극(3) 하부에도 플라즈마(2a)가 생성되어, 도 1b에서 보여지는 바와 같이, 기판(4)에 막두께가 비교적 고른 양질의 증착막이 형성된다.
한편, RF파워를 인가하는 경우, 증착속도가 느리므로, 생산성 향상을 위해 VHF파워를 인가하려는 노력이 계속되고 있다. 즉, 고주파인 VHF파워를 인가하는 경우, RF파워를 인가하는 경우에 비해서 증착속도를 대략 10배 정도 향상시킬 수 있게 된다.
그러나, 증착속도 향상을 위해서 RF파워보다 고주파의 VHF 파워를 인가하는 경우, 사다리형 플라즈마 발생용 전극(3)의 하부에 플라즈마(2b)가 생성되지 못하게 된다. 즉, 플라즈마 발생용 전극(3)이, 상부에 배치된 샤워헤드(1)로부터 분사되는 가스(5)에 대해서 새도우 마스크(shadow mask)역할을 하게 되어 도 2b에서 보여지는 바와 같이, 플라즈마 발생용 전극(3) 하부에는 증착이 거의 이루어 지지 않는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 고속증착시 균일도를 향상시킬 수 있는 플라즈마 발생용 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따른 플라즈마 발생용 전극은, 전극부, 가스 저장부 및 파이프 구조체 전극을 포함한다. 상기 전극부는, 내부를 통해서 가스가 흐르도록 형성되며 하부에 다수의 가스 분사홀이 형성된다. 상기 가스 저장부는 상기 전극부의 단부에 연결되어, 상기 전극부에 가스를 공급한다. 상기 파이프 구조체 전극은 상기 가스 저장부의 다수의 급전부에 연결되고, 외부의 전기적 파워가 인가되는 가스 유입구로부터 상기 다수의 급전부에 이르는 길이가 모두 동일하도록 연결된다.
예컨대, 상기 전극부는, 서로 나란히 배치되고, 다수의 가스 분사홀을 포함하는 파이프 형상의 다수의 선형 전극 부재를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 다수의 선형 전극 부재는 아치형 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
예컨대, 상기 다수의 선형 전극 부재의 단면은 다각형 또는 원형을 가질 수 있다.
한편, 상기 다수의 선형 전극 부재의 에지 영역에 형성된 가스 분사홀의 크기는 센터 영역에 형성된 가스 분사홀의 크기보다 크도록, 가스 분사홀들이 형성될 수 있다.
선택적으로 또는 이와 동시에, 상기 다수의 선형 전극 부재의 에지 영역에 형성된 가스 분사홀의 밀도는 센터 영역에 형성된 가스 분사홀의 밀도보다 높도록, 가스 분사홀들이 형성될 수 있다.
이때, 상기 에지 영역은 상기 선형 전극 부재의 단부로부터 상기 선형 전극 부재의 길이의 20% 내지 25% 범위까지의 영역이다.
선택적으로, 상기 전극부는, 메쉬(mesh) 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 다수의 급전부의 수는 2n(n은 2이상의 자연수)이고, 상기 파이프 구조체 전극은, 상기 다수의 급전부들 중 2개를 연결하기 위한 2n-1개의 제1 파이프들, 및 상기 제1 파이프들을 연결하는 복수의 제2 파이프들을 포함하며, 상기 제1 파이프들은 서로 이웃하지 않는 급전부들을 연결할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 플라즈마 발생용 전극에 따르면, 플라즈마 발생용 전극에 의해 직접적으로 가스가 분사되어 VHF파워가 인가되는 경우에도 두께가 비교적 고른 양질의 증착막을 형성할 수 있다.
특히, 상기 파이프 구조체 전극은 상기 가스 저장부의 다수의 급전부에 연결되고, 외부의 전기적 파워가 인가되는 가스 유입구로부터 상기 다수의 급전부에 이르는 길이가 모두 동일하도록 연결되어, 급전부들에 대한 전기적 조건을 변화시킴이 없이 상기 가스 저장부에 가스를 공급할 수 있다.
또한, 전극부가, 아치형 파이프 형상의 다수의 선형 전극 부재를 포함하는 경우, 전극과 기판 사이의 거리를 증가시키면서도 증착율 감소를 보상할 수 있다. 즉, 기판 중심부 쪽으로 전극과 기판 사이의 거리의 증가를 가져옴과 동시에 기판 가장자리에서는 전극과 기판 사이의 적정 거리를 유지하여 차폐 전기장(sheath E-field)에 의한 제한(confinement)을 약화시키지 않아, 기판 중심부로 전자의 이용을 용이하게 하고, 기판 가장자리에서 중심부로 공정부피를 점진적으로 증가시켜 플라즈마의 확산을 촉진한다. 따라서, 전체적으로 균일한 플라즈마 분포를 구현할 수 있으며 증착 균일도를 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 선형 전극 부재의 에지 영역에 형성된 가스 분사홀의 크기는 센터 영역에 형성된 가스 분사홀의 크기보다 크도록, 가스 분사홀들이 형성하거나, 선택적으로 또는 이와 동시에, 상기 다수의 선형 전극 부재의 에지 영역에 형성된 가스 분사홀의 밀도는 센터 영역에 형성된 가스 분사홀의 밀도보다 높도록, 가스 분사홀들이 형성함으로써, 공정압력이 높아지는 경우 센터영역에 집중되는 플라즈마를 분산시켜 증착 균일도를 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 다수의 급전부의 수는 2n이고, 상기 파이프 구조체 전극은, 상기 다수의 급전부들 중 2개를 연결하기 위한 2n-1개의 제1 파이프들은 서로 이웃하지 않는 급전부들을 연결함으로써, 전기적 파워가 인가되는 가스 유입구로부터 상기 다수의 급전부에 이르는 길이가 모두 동일하도록 연결하여 가스 유입구로부터 다수의 급전부에 이르는 전기적 길이의 동일성을 유지함과 동시에 중심부를 기준으로 하는 양측 에지부의 대칭성을 파괴하여 중심부와 에지부에 고르게 증착막을 형성할 수 있다.
도 1a는 RF 파워가 인가되는 사다리형 플라즈마 발생용 전극에, 종래의 샤워헤드를 이용하여 가스를 분사하는 경우 발생되는 플라즈마를 도시한 개략도이고, 도 1b는 이때 형성된 증착막 패턴을 도시하는 사진이다.
도 2a는 VHF 파워가 인가되는 사다리형 플라즈마 발생용 전극에, 종래의 샤워헤드를 이용하여 가스를 분사하는 경우 발생되는 플라즈마를 도시한 개략도이고, 도 2b는 이때 형성된 증착막 패턴을 도시하는 사진이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 플라즈마 발생용 전극을 도시하는 사시도이다.
도 4는 도 3에서 도시된 가스 저장부 및 파이프 구조체 전극을 도시하는 사시도이다.
도 5는 도 4의 A부분을 확대한 사시도이다.
도 6은 도 3에서 도시된 플라즈마 발생용 전극의 일부를 도시하는 부분절개 사시도이다.
도 7은 도3의 플라즈마 발생용 전극의 분사홀이 균일하게 생성된 경우, 생성된 증착막을 보여주는 사진이다.
도 8은 도 3에 의해 생성된 플라즈마에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 사진이다.
도 9는 비교예에 의한 플라즈마 발생용 전극 및 이에 의해 생성된 플라즈마에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 사진이다.
도 10은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 플라즈마 발생용 전극을 도시하는 사시도이다.
도 11은 전극과 기판 사이의 거리(L)에 따른 플라즈마 분포에 대한 시뮬레이션 결과와 증착 패턴을 도시하는 사진이다.
도 12는 본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 의한 플라즈마 발생용 전극을 도시한 사시도이다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 하기의 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구현될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 보다 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 기술적 사상과 특징이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공된다. 도면들에 있어서, 각 장치 또는 막(층) 및 영역들의 두께는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 과장되게 도시되었으며, 또한 각 장치는 본 명세서에서 설명되지 아니한 다양한 부가 장치들을 구비할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 플라즈마 발생용 전극을 도시하는 사시도이다. 도 4는 도 3에서 도시된 가스 저장부 및 파이프 구조체 전극을 도시하는 사시도이고, 도 5는 도 4의 A부분을 확대한 사시도이고, 도 6은 도 3에서 도시된 플라즈마 발생용 전극의 일부를 도시하는 부분절개 사시도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 플라즈마 발생용 전극(100)은 전극부(110), 가스 저장부(130) 및 파이프 구조체 전극(120)을 포함한다.
상기 전극부(110)는 다수의 선형 전극 부재(111)를 포함한다. 또한, 다수의 선형 전극 부재(111)는 서로 나란히 배치되며, 각각의 선형 전극 부재(111)는 다수의 가스 분사홀(112)을 포함하는 파이프 형상이다. 이러한 선형 전극 부재(111) 각각은 단면이 원형 또는 다각형을 갖는 파이프로 형성될 수 있다.
또한, 상기 다수의 선형 전극 부재(111)들은 서로 동일한 간격으로 배치될 수 있으며, 이와 다르게 서로 상이한 간격으로 배치될 수도 있다. 서로 상이한 간격으로 배치되는 경우에는, 중심에 배치된 선형 전극 부재(111)를 중심으로 양 측부 방향으로 대칭적인 간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 이렇게 서로 미세하게 상이한 간격으로 배치시키는 경우, 중앙부에 배치된 선형 전극 부재(111)들과 단부측에 배치된 선형 전극 부재(111)들에서, 선형 전극 부재(111)들 상호간의 캐패시턴스 및 인덕턴스 차이에 의한 플라즈마 불균일 성을 감소시켜 생성되는 증착막의 균일성을 향상시킬 수 있다.
가스 저장부(130)에 저장된 가스는 선형 전극 부재(111)의 가스 분사홀(112)을 통해 하부의 기판(도시안됨)을 향해 분사된다. 또한, 파이프 구조체 전극(120) 및 가스 저장부(130)를 경유하여 전극부(110)에 인가된 VHF 파워는 분사된 가스의 분자에서 전자를 분리시켜 플라즈마를 생성한다.
따라서, 선형 전극 부재(111)에서 가스를 직접 분사하게 되므로, 종래 선형 전극 부재(111)가 새도우 마스크 역할을 함으로써 유발하던 증착막의 불 균일성에 대한 문제점이 해소된다.
한편, 상기 선형 전극 부재(111)에 형성된 가스 분사홀(112)의 크기 및 밀도는 균일하지 않도록 형성될 수 있다. 보다 상세히, 선형 전극 부재(111)의 에지 영역에 형성된 가스 분사홀(112)의 크기는 센터 영역에 형성된 가스 분사홀(112)의 크기보다 크도록 형성되거나, 선택적으로 또는 이와 동시에, 상기 다수의 선형 전극 부재(111)의 에지 영역에 형성된 가스 분사홀(112)의 밀도는 센터 영역에 형성된 가스 분사홀(112)의 밀도보다 높도록 형성될 수 있다.
도 7은 도3의 플라즈마 발생용 전극의 분사홀이 균일하게 생성된 경우, 생성된 증착막을 보여주는 사진이다. 공정압력이 높아지는 경우 플라즈마가 센터영역에 집중되어 도 7에서 보이는 바와 같이, 에지 영역에 비해서 센터 영역에 두꺼운 증착막이 형성된다. 실험결과, 선형 전극 부재(111)의 양 측부로부터 선형 전극 부재(111) 길이의 20% 내지 25% 범위까지의 영역에서는 선형 전극 부재(111)의 중앙부에 비해 얇은 증착막이 형성됨을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명의 예시적인 일 실시예에서는 이러한 불균일성을 보상하기 위해서 선형 전극 부재(111)의 에지 영역(선형 전극 부재(111)의 양 측부로부터 선형 전극 부재(111) 길이의 20% 내지 25% 범위까지의 영역)에는 센터 영역에 비해 가스 분사홀(112)의 밀도 및/또는 크기를 높이거나 증가시켜 플라즈마를 분산시킴으로써 증착 균일도를 보다 향상시킬 수 있다.
상기 가스 저장부(130)는 상기 전극부(110) 단부에 연결되어, 다수의 상기 전극부(110)에 가스를 공급한다. 예컨대, 상기 가스 저장부(130)는 사각 형상의 파이프 형상, 즉 단면이 ㅁ 형상을 갖는 선형부재의 일면에 다수의 선형 전극 부재(111)를 부착하여 형성할 수 있으며, 이와 다르게 단면이 ㄷ 형상의 선형 부재와 전극부(110)의 다수의 선형 전극 부재(111)의 단부가 부착된 플레이트를 결합시켜 형성될 수 있다.
상기 파이프 구조체 전극(120)은 상기 가스 저장부(130)의 다수의 급전부(131)에 연결되고, 외부의 전기적 파워가 인가되는 가스 유입구(121)로부터 상기 다수의 급전부(131)에 이르는 길이가 모두 동일하도록 연결된다.
하나의 가스 유입구(121)로부터 다수의 급전부(131)에 이르는 길이가 모두 동일한 조건을 만족시키기 위해서, 급전부(131)의 수는 2n(n은 2이상의 자연수)개로 형성한다. 왜냐하면, 계속적으로 두 부분으로 나누는 과정을 반복하였을 때, 홀수가 되면 급전부들에 이르는 길이가 동일해 지는 조건을 충족할 수 없게 되기 때문이다. 한편, 위에서 n이 1인 경우에도 하나의 가스 유입구(121)로부터 다수의 급전부(131)에 이르는 길이가 모두 동일하도록 설계할 수 있으나, 후술할 중앙에 배치된 선형 전극 부재(111)를 기준으로 좌우측에 형성되는 대칭성을 파괴하기 위해서 n은 2이상인 것이 바람직하다.
예컨대, 급전부(131)의 수가 도시된 바와 같이, 8개인 경우에 대해 설명한다.
상기 파이프 구조체 전극(120)은 제1 파이프들(121a, 121b, 121c, 121d) 및 제2 파이프들(122a, 122b)을 포함한다. 상기 제1 파이프들(121a, 121b, 121c, 121d)은 8개의 급전부(131)들 중에서 2개씩을 각각 연결하며, 상기 제2 파이프들(122a, 122b)은 상기 제1 파이프들(121a, 121b, 121c, 121d) 중에서 2개씩을 서로 연결한다. 한편, 상기 파이프 구조체 전극(120)은 두 개의 제2 파이프들(122a, 122b)을 서로 연결하기 위해서 제3 파이프(123a)를 추가적으로 포함한다. 예컨대, 급전부들의 수가 2n개일 경우, 상기 파이프 구조체 전극(120)은 급전부들 중에서 2개를 연결하는 제1 파이프들, 제1 파이프들 중 두개를 연결하는 제2 파이프들, 제2 파이프들 중에서 2개를 연결하는 제3 파이프들, ... 제 n-1 파이프들 2개를 연결하는 제n 파이프를 포함한다. 또한, 중앙에 배치된 선형 전극 부재(111)를 기준으로 좌우측에 형성되는 대칭성을 파괴하기 위해서, 상기 제1 파이프들(121a, 121b, 121c, 121d)은 서로 이웃하지 않는 급전부(131)들을 연결하는 것이 바람직하다. 이러한 이유는 도 8과 도 9를 참조하여, 상세히 설명한다.
도 8은 도 3에 의해 생성된 플라즈마에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 사진이고, 도 9는 비교예에 의한 플라즈마 발생용 전극 및 이에 의해 생성된 플라즈마에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 사진이다.
도 8에서 도시된 파이프 구조체 전극(120)의 제1 파이프들은 서로 이웃하지 않는 급전부들을 연결하고 있으나, 도 9에서 도시된 파이프 구조체 전극의 제1 파이프들은 서로 이웃하는 급전부들을 연결하여, 도 9에서 도시된 파이프 구조체 전극의 제1, 제2, 제3 파이프들은 마치 토너먼트 다이어그램처럼 형성되어 있음을 볼 수 있다.
도 9에서 형성되는 플라즈마는 중앙에 배치된 선형 전극 부재(111)를 기준으로 좌우측에 대칭적으로 플라즈마가 발생된다. 보다 상세히, 센터에 배치된 선형 전극 부재(111)와 에지에 배치된 선형 전극 부재(111)에 의해 생성되는 플라즈마 밀도차가 매우 심함을 볼 수 있다.
이에 반하여, 도 8에서 도시된 바와 같이, 제1 파이프들이 서로 이웃하지 않는 급전부들을 연결하면, 이러한 대칭성이 파괴되어 상대적으로 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다.
한편, 16개의 급전부의 경우, 제1 파이프들이 8개 형성되므로, 제2 파이프들은 이웃하는 제1 파이프들을 연결하지 않고, 서로 이웃하지 않는 제1 파이프들을 연결하는 것이 보다 바람직하다.
다시 도 3 내지 5를 참조하면, 이웃하지 않는 급전부(131)들을 연결하기 위해서는, 파이프 구조체 전극(120)의 파이프들을 2차원 평면상에 배치하는 불가능하므로, 3차원 공간상에 배치하여야 하는데, 이때, 가스 저장부를 한 축으로 하는 3차원을 구성하는 각 축방향으로 볼 때 대칭적이 되도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한, VHF파워가 인가되는 가스 유입구(121)로부터 상기 다수의 급전부(131)에 이르는 길이가 모두 동일하도록 연결하기 위해서, 제2 파이프들(122a, 122b)은 상기 제1 파이프들(121a, 121b, 121c, 121d) 중에서 2개를 연결할 때, 제1 파이프들(121a, 121b, 121c, 121d)의 중앙부를 연결하여야 하며, 마찬가지로, 제3 파이프(123a)는 제2 파이프들(122a, 122b)의 중앙부를 연결하여야 한다.
한편, 가스 유입구(121)는 도전 유입구(121a) 및 비도전 유입구(121b)를 포함하며, 비도전 유입구(121b)를 통해서 외부의 가스 공급 파이프(도시안됨)를 연결하며, 도전 유입구(121a)에 VHF파워 제네레이터(도시안됨)를 연결하여 VHF파워가 외부의 가스 공급 파이프(도시안됨)로 전송되는 것을 차단한다.
또한, 플라즈마 발생용 전극(100)은 가스 저장부(130)과 전기적으로 연결되는 지점인 복수의 급전부(131)에서 외부의 신호가 입력되는 전력 수신점인 도전 유입구(121a)에 이르는 경로상에서 급전부(131)에 가까울수록 어드미턴스가 감소하도록 형성할 수 있다. 이 경우, 전력 수신점에서의 반사파 발생을 억제하여 정상파의 발생을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 전력의 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 의하면, 외부의 전기적 파워가 인가되는 가스 유입구(121)로부터 상기 다수의 급전부(131)에 이르는 길이가 모두 동일하도록 연결되어, 급전부(131)들에 대한 전기적 조건을 변화시킴이 없이 상기 가스 저장부(130)에 가스를 공급할 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 전기적 파워가 인가되는 전극을 앞서 설명한 파이프 구조체 전극(120)과 동일하게 형성하고, 가스 저장부(130)에 별도의 파이프를 연결하여 가스를 공급하는 경우, 급전부(131)에 대한 전기적 조건이 변화되지만, 본 실시예에서와 같이, 파이프 구조체 전극(120)을 통해서 가스를 공급하는 경우, 급전부(131)에 대한 전기적 조건을 변화시킴이 없이, 가스 저장부(130)에 가스를 공급할 수 있다.
한편, 이러한 플라즈마 발생용 전극(100)을 플라즈마 생성장치에 장착하여 사용시, 플라즈마 발생용 전극(100)의 양측의 파이프 구조체 전극(120)에 각각 동일한 주파수의 신호가 인가될 수 있으며, 이와 다르게 상이한 주파수의 신호가 인가될 수 있다. 서로 상이한 주파수가 인가되는 경우, 일측의 파이프 구조체 전극(120)를 통해서 인가되어 타측의 파이프 구조체 전극(120)으로 진행하는 진행파와 타측의 파이프 구조체 전극(120)를 통해서 인가되어 일측의 파이프 구조체 전극(120)으로 진행하는 진행파와의 합성으로 생성될 수 있는 정상파(standing wave)를 억제하여, 플라즈마의 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 10 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 플라즈마 발생용 전극을 도시하는 사시도이다. 도 10에서 도시된 플라즈마 발생용 전극(200)은 도 3 내지 6에서 도시된 플라즈마 발생용 전극(100)과 선형 전극 부재(111)의 형상을 제외하면 실질적으로 동일하다. 따라서, 동일 또는 유사한 구성요소는 동일한 참조부호를 병기하고, 중복되는 설명은 생략한다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 플라즈마 발생용 전극(200)은 전극부(210), 가스 저장부(130) 및 파이프 구조체 전극(120)을 포함한다.
상기 전극부(20)는 다수의 선형 전극 부재(211)를 포함한다. 또한, 다수의 선형 전극 부재(211)는 서로 나란히 배치되며, 각각의 선형 전극 부재(211)는 다수의 가스 분사홀을 포함하는 파이프 형상이다. 이러한 선형 전극 부재(211) 각각은 단면이 원형 또는 다각형을 갖는 파이프로 형성될 수 있다.
또한, 상기 다수의 선형 전극 부재(211)들은 서로 동일한 간격으로 배치될 수 있으며, 이와 다르게 서로 상이한 간격으로 배치될 수도 있다. 서로 상이한 간격으로 배치되는 경우에는, 중심에 배치된 선형 전극 부재(211)를 중심으로 양 측부 방향으로 대칭적인 간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 이렇게 서로 미세하게 상이한 간격으로 배치시키는 경우, 중앙부에 배치된 선형 전극 부재(211)들과 단부측에 배치된 선형 전극 부재(211)들에서, 선형 전극 부재(211)들 상호간의 캐패시턴스 및 인덕턴스 차이에 의한 플라즈마 불균일 성을 감소시켜 생성되는 증착막의 균일성을 향상시킬 수 있다.
이러한 선형 전극 부재(211)는 아치형 형상을 갖도록 하부를 향해서 오목하게 형성된다. 이때, 각각의 선형 전극 부재(211)는, 각 선형 전극 부재(211)들의 중심이 직선 위에 배치되도록 동일한 곡률을 갖도록 형성될 수도 있으며, 도시되지는 않았으나 각 선형 전극 부재(211)들의 중심이 하부를 향해서 오목한 아치 형상을 갖도록 서로 상이한 곡률을 갖도록 형성될 수도 있다.
도시되진 않았으나, 아치형 형상을 갖는 상기 선형 전극 부재(211)는 다수의 가스 분사홀을 포함하며, 이러한 가스 분사홀의 크기 및 밀도는, 도 3 내지 6에서 설명한 실시예와 동일하게 형성될 수 있다.
VHF 파워가 인가되는 파이프 구조체 전극(120)의 양단 근처에 가장 큰 전기장이 형성되고, 이 전기장으로부터 에너지를 얻은 전자들이 플라즈마를 발생시킨다. 이후, 큰 에너지를 가진 전자들의 이동(transport)과 플라즈마의 확산(ambipolar diffusion)에 의해서 플라즈마의 분포는 평형상태에 이른다.
평형상태에 이른 플라즈마의 분포를 결정하는 중요한 변수는 L, λ, R의 세가지 특성길이(Characteristic length)로 나타낼 수 있다. 여기서, L은 전극과 기판 사이의 거리(process gap)으로서, 일반적으로 1 내지 4cm이고, λ는 에너지 릴렉세이션 길이(energy relaxation length)로 전자가 에너지를 흡수하여 소비할 때까지 움직일 수 있는 거리이고, R은 최대 전기장의 반지름이다. 여기서, L은 기구적으로 조정 가능하며, λ는 압력에 반비례하고, R은 전극의 형상 및 파워가 인가되는 위치에 따라 변한다.
시뮬레이션과 실험을 통해 얻은 이들의 관계에 따른 플라즈마의 분포는 다음표 1과 같다.
케이스 특성 길이간의 상호관계 플라즈마 분포( Density Peak )
1 L << R < λ 에지부를 향함
2 L < R < λ 중심부를 향함
3 L < λ < R 에지부를 향함
4 λ < L < R 에지부를 향함
5 λ < R < L 중심부를 향함
6 R < λ < L 중심부를 향함
위의 표 1에서 도시된 바와 같이, 플라즈마의 분포가 중심부를 향하는 케이스 2, 5 및 6이 바람직하다.
우선, L이 가장 큰 케이스 5 및 케이스 6은, 다른 두 가지 요소인 λ 및 R에 무관하게 균일한 분포를 얻을 수 있었으나, 공정 부피의 증가로 인한 전반적인 플마즈마 밀도의 감소로 VHF파워 및 공정가스의 증가가 요구될 수도 있다. 한편, λ가 가장 큰 경우는 전자들이 챔버 내부의 벽에 의해서 손실되어 이온화에 기여할 수 있을 만큼 챔버 내에서의 수명에 도달하지 못하기 때문에 플라즈마 자체를 유지하기도 힘들 수 있지만, 차폐 전기장(sheath E-field)의 정전기적 제한(electrostatic confinement)으로 챔버의 중심부 쪽으로 이동하며 플라즈마 분포에 기여한다.
도 11은 전극과 기판 사이의 거리(L)에 따른 플라즈마 분포에 대한 시뮬레이션 결과와 증착 패턴을 도시하는 사진이다. 도 11에서, 시뮬레이션 및 증착 조건은 L 이외에는 모두 동일하다.
L이 작을 때(L <<<λ)는 전자들의 이동보다는 손실이 크기 때문에 밀도 피크(density peak)가 파워가 인가되는 부분에 형성되며 이때 챔버 중심부와 가장자리의 분압 (partial pressure) 및 전위차에 의해 플라즈마가 챔버 중심부로 일부 확산된다.
L이 증가함에 따라 (L < λ ->λ < L) 전자의 이동과 플라즈마의 확산이 활성화되면서, 그 분포가 균일해지며, 계속되는 L의 증가 (λ <<< L)는 전극과 접지(ground)와의 거리, 즉 플라즈마를 통한 전류 흐름(current path)의 증가로 차폐 전기장(sheath E-field)을 약화시켜 전자의 손실을 증가시키며, 공정 부피의 증가로 전체적인 플라즈마 밀도의 감소를 가져와 기판 전면적에서 증착률이 감소한다.
따라서, 본 발명에서와 같이, 선형 전극 부재(211)를 아치형으로 형성하는 경우, L을 증가시키면서도 증착률 감소를 보상할 수 있다. 즉, 기판 중심부 쪽으로 L의 증가를 가져옴과 동시에 기판 가장자리에서는 적정 L을 유지하여 차폐 전기장(sheath E-field)에 의한 제한(confinement)을 약화시키지 않아, 기판 중심부로 전자의 이용을 용이하게 하고, 기판 가장자리에서 중심부로 공정부피를 점진적으로 증가시켜 플라즈마의 확산을 촉진한다. 따라서, 전체적으로 균일한 플라즈마 분포를 구현할 수 있으며 증착 균일도를 향상시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 의한 플라즈마 발생용 전극을 도시한 사시도이다. 도 12에서 도시된 플라즈마 발생용 전극(300)은 도 3 내지 6에서 도시된 플라즈마 발생용 전극(100)과 전극부(110)의 형상을 제외하면 실질적으로 동일하다. 따라서, 동일 또는 유사한 구성요소는 동일한 참조부호를 병기하고, 중복되는 설명은 생략한다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 의한 플라즈마 발생용 전극(300)은 전극부(310), 가스 저장부(130) 및 파이프 구조체 전극(120)을 포함한다.
상기 전극부(310)는 메쉬(mesh) 타입의 전극 부재(311)를 포함한다. 도시되지는 않았으나, 이러한 메쉬 타입의 전극 부재(311)의 하부에는 다수의 가스 분사홀이 형성된다. 상기 다수의 가스 분사홀의 밀도 및 크기는 도 3 내지 6에서 기술된 실시예와 동일하게 형성될 수 있다.
또한, 이러한 메쉬 타입의 전극 부재(311) 또한 도 10에서 도시된 실시예와 마찬가지로 아치 형상으로 형성될 수도 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200, 300: 플라즈마 발생용 전극
110, 210, 310: 전극부
111, 211: 선형 전극 부재
311: 메쉬 타입의 전극 부재
120: 파이프 구조체 전극
121: 가스 유입구
130: 가스 저장부
131: 급전부

Claims (9)

  1. 내부를 통해서 가스가 흐르도록 형성되며 서로 나란히 배치되고, 하부에 다수의 가스 분사홀을 포함하는 파이프 형상의 다수의 선형 전극 부재를 포함하는 전극부;
    상기 전극부의 단부에 연결되어, 상기 전극부에 가스를 공급하는 가스 저장부; 및
    상기 가스 저장부의 다수의 급전부에 연결되고, 외부의 전기적 파워가 인가되는 가스 유입구로부터 상기 다수의 급전부에 이르는 길이가 모두 동일하도록 연결된 파이프 구조체 전극을 포함하는 플라즈마 발생용 전극.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 다수의 선형 전극 부재는 아치형 형상을 갖는 것을 특징으로하는 플라즈마 발생용 전극.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다수의 선형 전극 부재의 단면은 다각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 전극.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다수의 선형 전극 부재의 에지 영역에 형성된 가스 분사홀의 크기는 센터 영역에 형성된 가스 분사홀의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 전극.
  6. 제1항에 있어서, 상기 다수의 선형 전극 부재의 에지 영역에 형성된 가스 분사홀의 밀도는 센터 영역에 형성된 가스 분사홀의 밀도보다 높은 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 전극.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 에지 영역은 상기 선형 전극 부재의 단부로부터 상기 선형 전극 부재의 길이의 20% 내지 25% 범위까지의 영역인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 전극.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 다수의 급전부의 수는 2n(n은 2이상의 자연수)이고,
    상기 파이프 구조체 전극은, 상기 다수의 급전부들 중 2개를 연결하기 위한 2n-1개의 제1 파이프들, 및 상기 제1 파이프들을 연결하는 복수의 제2 파이프들을 포함하고,
    상기 제1 파이프들은 서로 이웃하지 않는 급전부들을 연결하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 전극.
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