KR101161201B1 - 고온의 플라즈마 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온의 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 본 발명의 고온의 플라즈마 반응기는 플라즈마를 이용하여 피처리 기판을 처리하는 플라즈마 반응기에 있어서, 상기 플라즈마의 온도를 상승시켜 고온의 플라즈마를 발생시키기 위한 열 공급수단을 포함한다. 본 발명의 고온의 플라즈마 반응기에 의하면 열 공급수단을 이용하여 플라즈마 소스의 온도를 상승시킴으로써 고온의 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 또한 히터를 이용하는 것보다 쉽고 빠르게 플라즈마 소스의 온도를 높이는 것일 수 있어 피처리 기판의 처리 효율 및 속도가 증대된다. 또한 플라즈마의 방전 온도가 낮은 선형 플라즈마 발생기의 플라즈마 온도를 상승시켜 균일하고 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.

Description

고온의 플라즈마 반응기{HIGH TEMPERATURE PLASMA REACTOR}
본 발명은 고온의 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 구체적으로는 플라즈마 반응기 내부에서 방전되는 플라즈마의 온도를 높이기 위한 고온의 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
플라즈마는 같은 수의 양이온(positive ions)과 전자(electrons)를 포함하는 고도로 이온화된 가스이다. 플라즈마 방전은 이온, 자유 래디컬, 원자, 분자를 포함하는 활성 가스를 발생하기 위한 가스 여기에 사용되고 있다. 활성 가스는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며 집적 회로 장치, 액정 디스플레이, 태양 전지등과 같은 장치를 제조하기 위한 여러 반도체 제조 공정 예를 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. 그러나 대형화되는 피처리 기판을 처리하기 위하여 용량 결합 전극을 대형화하는 경우 전극의 열화에 의해 전극에 변형이 발생되거나 손상될 수 있다. 이러한 경우 전계 강도가 불균일하게 되어 플라즈마 밀도가 불균일하게 될 수 있으며 반응기 내부를 오염시킬 수 있다. 유도 결합 플라즈마 소스의 경우에도 유도 코일 안테나의 면적을 크게 하는 경우 마찬가지로 플라즈마 밀도를 균일하게 얻기가 어렵다. 또한 대형의 피처리 기판을 한번에 고온으로 히팅하는 경우 기판 표면이 뭉치거나 오그라들어 손상이 발생할 수 있고, 불균일한 플라즈마 밀도로 인해 피처리 기판 전면이 균일하게 처리되기 어렵다.
최근 반도체 제조 산업에서는 반도체 소자의 초미세화, 반도체 회로를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판이나 유리 기판 또는 플라스틱 기판과 같은 피처리 기판의 대형화 그리고 새로운 처리 대상 물질의 개발되고 있는 등과 같은 여러 요인으로 인하여 더욱 향상된 플라즈마 처리 기술이 요구되고 있다. 특히, 대면적의 피처리 기판에 대한 우수한 처리 능력을 갖는 향상된 플라즈마 소스 및 플라즈마 처리 기술이 요구되고 있다.
또한 향상된 플라즈마 소스의 발생을 위해 플라즈마 소스의 온도를 상승시킬 수 있다. 이때, 종래에는 챔버 내부에 히터를 구비하여 플라즈마 소스의 온도를 상승시켰다. 그러나, 히터는 플라즈마 소스의 온도를 고온으로 상승시키는데 한계가 있으므로 플라즈마 소스를 고온으로 충분히 가열하는데는 많은 어려움이 발생한다.
본 발명의 목적은 열 공급수단을 이용하여 플라즈마 소스의 온도를 상승시켜 고온의 플라즈마를 발생시킬 수 있는 고온의 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 고온의 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 본 발명의 고온의 플라즈마 반응기는 플라즈마를 이용하여 피처리 기판을 처리하는 플라즈마 반응기에 있어서, 상기 플라즈마의 온도를 상승시켜 고온의 플라즈마를 발생시키기 위한 열 공급수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 챔버에 구비되어 상기 플라즈마 챔버 내부로 방전된 플라즈마를 제공하는 플라즈마 발생기를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 발생기는 내부에 방전 공간을 제공하며 가스 공급원으로부터 공정가스를 제공받기 위한 가스 입구와 방전된 플라즈마를 분사시키기 위한 분사수단이 구비된 방전관 몸체; 상기 방전관 몸체의 내부에 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 소스;를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 소스는 상기 방전관 몸체 내부로 유도 결합된 플라즈마를 유도하기 위한 안테나 코일을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 소스는 상기 방전관 내부로 용량 결합된 플라즈마를 유도하기 위한 복수 개의 용량 결합 전극을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 소스는 상기 플라즈마의 방전을 위해 전원을 공급하는 전원 공급원을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 열 공급수단은 상기 방전관 몸체 내부에 포함되도록 구비되거나 상기 방전관 몸체 내부 측벽에 구비되거나 상기 방전관 몸체로 제공되는 공정가스의 온도를 높이도록 구비된다.
일 실시예에 있어서, 상기 열 공급수단은 점화 가스를 공급받아 중공의 내부에서 열이 발생하는 적어도 하나의 열 발생관을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 열 발생관에 연결되어 가스 공급원으로부터 공급받은 점화가스를 상기 열 발생관 각각으로 제공하기 위한 점화 가스 공급관을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 열 공급수단은 화력 또는 열선 또는 히터 중 어느 하나로 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 열 발생관 내부에 구비되어 점화가스의 방전을 개시하기 위한 점화 전극을 포함한다.
본 발명의 고온의 플라즈마 반응기에 의하면 열 공급수단을 이용하여 플라즈마 소스의 온도를 상승시킴으로써 고온의 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 또한 히터를 이용하는 것보다 쉽고 빠르게 플라즈마 소스의 온도를 높이는 것일 수 있어 피처리 기판의 처리 효율 및 속도가 증대된다. 또한 플라즈마의 방전 온도가 낮은 선형 플라즈마 발생기의 플라즈마 온도를 상승시켜 균일하고 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 고온의 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 고온의 플라즈마 반응기에 구비된 열 공급원을 도시한 도면이다.
도 3은 열 공급원의 열 발생관을 도시한 단면도이다.
도 4는 안테나 코일 및 마그네틱 코어를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 고온의 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
도 6 및 도 7은 다양한 방식으로 권선된 안테나 코일을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 고온의 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
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 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 고온의 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 반응기(100)는 플라즈마 챔버(110) 와 플라즈마를 분사하는 플라즈마 발생기(120) 및 플라즈마 발생기(120)에서 분사되는 플라즈마의 온도를 상승시키기 위한 열 공급원(130)을 포함한다.
플라즈마 챔버(110)는 일측 및 타측에 입구 및 출구가 개구되어 이송 롤러(20)에 의해 이송되는 피처리 기판(1)이 플라즈마 챔버(110) 내부를 지날 수 있도록 한다. 플라즈마 챔버(110) 상부에는 플라즈마 발생기(120)가 구비된다. 플라즈마 발생기(120)에서 분사된 플라즈마는 플라즈마 챔버(110) 내부를 지나는 피처리 기판(1)을 처리한다. 플라즈마 챔버(110)는 하부에 배기펌프(118)가 구비되어 피처리 기판(1)의 처리가 완료된 플라즈마 잔여물을 외부로 배출한다.
플라즈마 발생기(120)는 플라즈마 방전이 이루어지는 방전관 몸체(121)와 방전관 몸체(121) 내부로 플라즈마를 유도하기 위한 플라즈마 소스를 포함한다. 방전관 몸체(121)는 내부가 중공으로 방전 공간이 형성되고 전체적으로 바 형태로 형성된다. 방전관 몸체(121)는 알루미늄과 같은 금속 물질로 재작될 수 있다. 또한 방전관 몸체(121)의 내부에 석영관과 같은 전기적 절연 물질을 더 구비할 수도 있다. 이와 같이 방전관 몸체(121)는 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 어떠한 물질로도 재작될 수 있다.
방전관 몸체(121)는 상부에 하나 이상의 가스 입구가 구비되어 가스 공급원(150)으로부터 공정가스를 제공받는다. 공정가스는 방전관 몸체(121) 내부에서 플라즈마로 방전된다. 여기서, 방전관 몸체(121)는 점화전원(140)에 의해 구동되어 공정가스의 방전을 개시하기 위한 점화전극(미도시)을 포함한다. 방전관 몸체(121)에서 방전된 플라즈마는 방전관 몸체(121) 하부에 구비되는 분사수단을 통해 플라즈마 챔버(110) 내부에 선형으로 분사된다. 예를 들어, 분사수단은 복수 개의 분사홀로 구성되거나 선형으로 개구된 분사구로 구성될 수 있다.
플라즈마 소스는 방전관 몸체(121) 내부에서 발생된다. 여기서, 플라즈마 소스는 방전관 몸체(121) 내부에 플라즈마를 발생시키기 위한 것으로, 본 발명의 도면에서는 도시하지 않았으나, 방전관 몸체(121) 내부에 복수 개의 용량 결합 전극을 구비하여 용량 결합된 플라즈마를 유도할 수도 있다. 본 발명에서는 안테나 코일(124)을 방전관 몸체(121)에 권선하여 유도 결합된 플라즈마를 유도한다. 또한 용량 결합 전극 및 안테나 코일(124)이 함께 구비되어 플라즈마를 유도할 수도 있다. 안테나 코일(124)은 방전관 몸체(121)의 측면을 따라 권선된다. 안테나 코일(124)은 전원 공급원(30)으로부터 전원을 공급받는다. 전원 공급원(30)은 임피던스 정합기(32)를 통해 안테나 코일(124)에 전원을 공급한다. 여기서, 전원 공급원(30)은 별도의 임피던스 정합기 없이 출력 전압의 제어가 가능한 전원 공급원을 사용하여 구성할 수도 있다. 안테나 코일(124)이 권선된 방전관 몸체(121)의 측면은 유전체 윈도우로 형성되어 방전관 몸체(121) 내부로 유도 기전력을 전달한다.
열 공급원(130)은 방전관 몸체(121)에 구비되어 열이 발생시키기 위한 열공급수단으로 구성된다. 열 공급원(130)에서 발생된 열은 방전관 몸체(121) 내부로 전달되어 방전관 몸체(121) 내부에 방전된 플라즈마의 온도를 상승시킨다. 일 실시예에서는 열 공급원(130)은 방전관 몸체(121) 내부에 선형으로 구비된다.
도 2는 도 1에 도시된 고온의 플라즈마 반응기에 구비된 열 공급원을 도시한 도면이고, 도 3은 열 공급원의 열 발생관을 도시한 단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 열 공급원(130)은 선형으로 배열된 하나 이상의 열 발생관(134)과 점화가스 공급관(132)을 포함한다. 열 발생관(134)은 내부가 중공으로 형성되고 일측에 점화 전극(134a)이 구비된다. 열 발생관(134)은 석영이나 세라믹으로 형성된다. 열 발생관(134)은 가스 공급원(150)(도 1에 도시됨)으로부터 점화 가스를 제공받고 점화 전극(134a)이 점화 전원(135)에 의해 동작됨으로써 내부에 열 발생 공간(134b)에 열이 발생하게 된다. 열 발생 공간(134b)에 발생된 열은 열 발생관(134)의 외부로 전달되어 방전관 몸체(121) 내부에 방전된 플라즈마의 온도를 높이게 된다. 여기서, 플라즈마의 온도는 열 발생관(134)의 갯수에 의해 조절이 가능해진다. 열 발생관(134)은 점화가스 공급관(132)에 연결되어 점화 가스를 공급받는다. 다수 개의 열 발생관(134)은 상부가 점화가스 공급관(132)에 의해 연결된다. 점화가스 공급관(132)은 방전관 몸체(121) 외부에 구비될 수도 있고, 내부에 구비될 수도 있다. 점화가스 공급관(132)은 열 발생관(134) 내부와 연결되어 점화가스를 공급하는 점화가스 공급로(132a)와 열 발생관(134) 내부와 연결되어 연소된 가스를 외부로 배기하는 연소가스 배기로(132b)로 구성된다. 여기서, 점화가스 공급로(132a)는 가스 공급원(150)에 연결되어 점화가스를 공급받고, 연소가스 배기로(132b)는 배기펌프(138)에 연결되어 연소가 완료된 연소가스를 배출한다.
도 4는 안테나 코일 및 마그네틱 코어를 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 마그네틱 코어 커버(125)는 수직 단면 구조가 말편자 형상을 갖고, 자속 출입구가 유전체 윈도우로 구성된 방전관 몸체(121) 내부를 향하도록 안테나 코일(124)를 따라 덮여지도록 설치된다. 마그네틱 코어 커버(125)는 다수의 말편자 형상의 페라이트 코어 조각들을 조립하여 구성되거나, 일체형의 페라이트 코어를 사용할 수 있다. 이때, 마그네틱 코어 커버(125)는 하나 이상의 안테나 코일(124)을 덮도록 설치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 고온의 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 반응기(100')는 열 공급원(130')이 방전관 몸체(121')의 측면에 구비된다. 여기서, 열 공급원(130')은 앞서 설명한 바와 마찬가지로 열 발생관(134')과 점화가스 공급관(132')을 포함한다. 이때, 점화가스 공급관(132')은 방전관 몸체(121')의 측면을 따라 구비되고, 다수 개의 열 발생관(134')은 방전관 몸체(121')의 측면과 직각을 이루도록 점화가스 공급관(132')에 구비된다. 여기서, 안테나 코일(124')은 열 공급원(130')이 구비되지 않은 방전관 몸체(121')의 타면에 나선형으로 권선되어 구비된다. 안테나 코일(124')은 하나 이상이 권선되어 방전관 몸체(121')에 구비될 수 있다.
도 6 및 도 7은 다양한 방식으로 권선된 안테나 코일을 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 다수 개의 안테나 코일(124)은 하나의 전원 공급원(30)에 연결될 수도 있고, 각각 독립적으로 전원 공급원(30)에 연결될 수도 있다. 예를 들어, 나선형으로 권선된 제1, 2, 3 안테나 코일(124-1, 124-2, 124-3)이 구비된 경우, 제1 안테나 코일(124-1)에는 제1 전원 공급원(30-1) 및 제1 임피던스 정합기(32-1)가 연결되고, 제2 안테나 코일(124-2)에는 제2 전원 공급원(30-2) 및 제2 임피던스 정합기(32-2)가 연결되며, 제3 안테나 코일(124-3)에는 제3 전원 공급원(30-3) 및 제3 임피던스 정합기(32-3)가 연결될 수 있다. 그러므로 각 안테나 코일(124-1, 124-2, 124-3)은 독립적으로 전원을 공급받을 수 있다. 또한 제1, 2, 3 안테나 코일(124-1, 124-2, 124-3)은 하나의 전원 공급원(30)과 하나의 임피던스 정합기(32)를 통해 전원을 공급받을 수도 있다. 이때에는 임피던스 정합기(32)와 제1, 2, 3 안테나 코일(124-1, 124-2, 124-3) 사이에는 전류 균형 분배기(34)가 구비되어 제1, 2, 3 안테나 코일(124-1, 124-2, 124-3) 각각으로 전류가 균형적으로 분배될 수 있도록 한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 고온의 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 반응기(100")는 가스 공급원(150)에서 제공되는 공정가스의 온도를 높이기 위해 열 공급원(130")을 구비한다. 열 공급원(130")은 공정가스 공급로(152)의 온도를 높임으로써 가스 공급원(150)으로부터 플라즈마 발생기(120")로 공급되는 공정가스의 온도를 상승시킨다. 온도가 상승된 공정가스는 플라즈마 발생기(120")에서 고온의 플라즈마로 방전되어 플라즈마 챔버(110")로 제공된다.
이상에서 설명된 본 발명의 고온의 플라즈마 반응기의 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.
1: 피처리 기판 20: 이송 롤러
30: 전원 공급원
30-1, 30-2, 30-3: 제1, 2, 3 전원 공급원 32: 임피던스 정합기
32-1, 32-2, 32-3: 제1, 2, 3 임피던스 정합기
34: 전류 균형 분배기 110, 110', 100": 플라즈마 챔버
100, 100‘, 100“: 플라즈마 반응기 118, 138: 배기펌프
120, 120', 120": 플라즈마 발생기 121, 121', 121": 방전관 몸체
124, 124': 안테나 코일 125: 마그네틱 코어 커버
130, 130": 열 공급원 132, 132': 점화가스 공급관
132a: 점화가스 공급로 132b: 연소가스 배기로
134, 134': 열 발생관 134a: 점화 전극
134b: 열발생 공간 135, 140: 점화 전원
136: 가스 공급원 140: 점화 전원

Claims (11)

  1. 피처리 기판을 처리하기 위한 플라즈마 챔버;
    상기 플라즈마 챔버로 플라즈마를 분사하는 방전관 몸체와 상기 방전관 몸체의 내부에 플라즈마를 유도시키는 플라즈마 소스를 갖는 플라즈마 발생기;
    상기 방전관 몸체의 내부에 설치되며 중공의 내부에 열이 발생되는 하나 이상의 열 발생관을 갖는 열 공급수단을 포함하여,
    상기 열 발생관에 의해 상기 방전관 몸체의 내부에 고온의 플라즈마를 유도하여 상기 플라즈마 챔버로 공급하는 것을 특징으로 하는 고온의 플라즈마 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버는
    일측과 타측에 상기 피처리 기판이 출입하는 입구와 출구를 포함하는 고온의 플라즈마 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방전관 몸체는
    가스 공급원으로부터 공정가스를 제공받기 위한 가스 입구와 방전된 플라즈마를 분사시키기 위한 분사수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온의 플라즈마 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 소스는
    상기 방전관 몸체 내부로 유도 결합된 플라즈마를 유도하기 위한 안테나 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온의 플라즈마 반응기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 소스는
    상기 방전관 몸체의 내부로 용량 결합된 플라즈마를 유도하기 위한 복수 개의 용량 결합 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온의 플라즈마 반응기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열 발생관에 연결되어 점화가스를 상기 열 발생관으로 제공하기 위한 점화 가스 공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온의 플라즈마 반응기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열 발생관은 화력 또는 열선 또는 히터 중 어느 하나에 의해 열을 발생하는 것을 특징으로 하는 고온의 플라즈마 반응기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 열 발생관 내부에 구비되어 점화가스의 방전을 개시하기 위한 점화 전극을 포함하는 고온의 플라즈마 반응기.
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