KR101195859B1 - 펄스 직류 전원을 이용한 플라즈마 처리장치 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 발생 환경이 조성된 챔버 내에서 샘플의 표면을 처리하기 위한 플라즈마 처리장치는, 전원 전극, 전원 전극으로부터 분리되며 전원 전극의 주변에 배치되는 접지 전극, 및 전원 전극에 펄스 직류 전원을 공급하는 전원 공급부를 구비한다. 펄스 직류 전원이 공급되는 전원 전극을 이용하되, 접지 전극의 전부 또는 일부를 전원 전극으로부터 소정의 간격만큼 이격시킨 상태에서 주변에 배치하여, 안정적인 플라즈마를 형성할 수가 있다.
Description
본 발명은 펄스 직류를 이용한 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 펄스 직류 전원 공급기를 사용하여 식각, 증착, 에슁 등의 표면처리가 가능하도록 한 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마(plasma)란 일반적으로 이온화된 가스를 의미한다. 원자 또는 분자로 이루어진 가스에 전기 에너지를 이용하여 방전시키면 전자, 이온, 분해된 가스, 및 광자(photon) 등으로 이루어진 상태가 되는데 이를 플라즈마라 한다.
이러한 플라즈마를 이용하여 표면을 처리하는 것이 플라즈마 표면처리 방법이다. 플라즈마 표면처리법은 산소 등 소정의 원료가스를 플라즈마 가스화하고, 이를 처리 대상물의 표면과 물리/화학적으로 반응시켜서 그 표면을 개질하는 표면처리방법이다.
본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 표면처리는 그래프팅(grafting), 가교(crosslink), 분해(dissociation), 표면 개질(surface modification), 식각(etching), 증착(deposition), 에슁(ashing), 여기(excitation)을 포함한다.
플라즈마를 이용한 건식 표면처리방법은 습식에 의한 방법보다 표면을 더 균일하고, 정밀하게 처리할 수 있으며, 제어가 용이하다는 이점이 있다. 또한, 플라즈마 표면 처리 방법은 산소와 아르곤 등 가스를 사용하므로 습식 표면처리방법에 비교하여 오염 물질 발생이 거의 없다는 장점이 있다.
이하, 플라즈마에 의한 표면처리장치에 대해 개략적으로 설명한다.
플라즈마 표면처리장치는 플라즈마 발생 전극의 종류에 따라 축전결합 플라즈마 (Capacitively Coupled Plasma) 방식과 유도결합 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma) 방식 등으로 분류할 수 있다. 이 중에서 널리 사용되고 있는 것은 축전 결합방식이고 이를 사용하여 플라즈마를 발생시키는 장치를 축전결합형 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 발생장치라 한다.
축전결합형 플라즈마 발생장치는 콘덴서의 전하 축전 원리를 이용하며, 챔버 내부에서 2개의 전극을 대향시켜, 한쪽 전극에 고주파전력이나 저주파전력, 직류전력, 혹은 이들 전력을 시간 변조한 펄스 전력을 인가할 수 있는 구조로 만들 수 있다.
축전결합형 전극의 구조는 2개의 전극 간의 정전계(靜電界)에 의해 전자와 이온 등, 하전입자를 가속하여, 하전입자와 하전입자, 또는 하전입자와 전극의 충돌에 의한 상호작용에 따라 플라즈마를 생성 및 유지한다. 이 때 플라즈마가 발생할 수 있도록 두 전극간에 충분한 전압차이가 생길 수 있도록 만드는 것이 중요하다. 일반적으로 한쪽 전극은 직접 접지한다. 혹은 한쪽 전극을 콘덴서, 코일(인덕터), 콘덴서와 코일의 조합을 통하여 접지하고 있는 것도 있다.
플라즈마 공정 압력의 경우 필요에 따라 진공 또는 대기압 분위기를 선택하여 처리 대상물의 표면을 처리할 수 있다.
종래의 경우 축전결합형 플라즈마 발생에 있어, 특히 건식 식각, 화학적 증착, 표면 개질 등에 있어, 교류인 라디오 파 (Radio Frequency: RF)에 의한 플라즈마 발생용 전력 전달방법이 산업과 연구 분야에서 가장 일반적으로 사용되어 왔다. 그 이유는 교류 대신 직류 전원을 사용하는 경우, 단점은 열 발생과 아크 발생이 많으며 안정적인 저온 플라즈마 발생이 상대적으로 어렵기 때문이다. 그러나 플라즈마 발생을 위해 라디오 파를 사용하는 경우, 1) 라디오 파 발생장치와 별도로 부가적 매칭 박스를 함께 사용하여 전원장치의 임피던스를 최적화하게 된다. 따라서 일반적으로 별도의 부가적 매칭 박스를 사용하지 않고 라디오파 플라즈마를 안정적으로 발생시키기 어렵다. 2) 라디오 파를 사용하여 플라즈마를 발생시키면 반응기 내부에서 압력 센서 등 다른 직류 전원 전자 장치와 전기적 간섭이 발생하여 오작동 및 고장의 우려가 높다. 3) 라디오 파의 경우, 축전결합 플라즈마 발생시 샘플 기판에서 열 발생이 역시 많아, 공정 중 소재 표면을 훼손시킬 수 있다. 따라서 플라즈마 방전 중에 열 발생 억제가 중요한 문제가 된다.
본 발명은 반응성 스퍼터링에 사용되는 펄스 직류 플라즈마를, 스퍼터링이 아닌 식각, PECVD 등의 증착, 표면 개질 등에 적용할 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 라디오 파를 이용한 플라즈마 처리장치의 문제점을 해결하기 위해, 펄스 직류 전원장치와 펄스 직류 플라즈마를 발생시키기 위한 전원 전극과 접지 전극 등의 개선된 구조를 제공하며, 새롭게 설계 및 개발된 축전결합형 플라즈마 처리장치를 제공한다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 플라즈마 발생 환경이 조성된 챔버 내에서 샘플의 표면을 처리하기 위한 플라즈마 처리장치는, 전원 전극, 전원 전극으로부터 분리되며 전원 전극의 주변에 배치되는 접지 전극, 및 전원 전극에 펄스 직류 전원을 공급하는 전원 공급부를 구비한다.
펄스 직류 전원이 공급되는 전원 전극을 이용하되, 접지 전극의 전부 또는 일부를 전원 전극으로부터 소정의 간격만큼 이격시킨 상태에서 주변에 배치하여, 안정적인 플라즈마를 형성할 수가 있다.
종래의 라디오 파를 이용한 축전결합형 플라즈마 처리장치는 식각, 화학 기상 증착 등의 플라즈마 표면처리를 위해서 부가적 매칭 박스를 포함하며, 이러한 부가적 매칭 박스에 의해서만 안정적인 플라즈마 발생이 가능하였지만, 반응 챔버 주변의 다른 센서나 전자 장비에 악영향을 미쳤다. 하지만, 본 발명에 따른 펄스 직류 전원을 이용한 축전결합형 플라즈마 처리장치는 부가적인 매칭 박스가 필요 없으며, 반응 챔버 주변의 다른 센서 또는 전자 장비와 전기적인 간섭을 일으키지 않고, 기판이나 웨이퍼에서의 열 발생이 적어 공정 중 소재 표면을 안정적으로 보호할 수가 있다. 실제로, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 이용하여 갈륨비소와 알루미늄 갈륨비소 반도체의 식각 공정 실험을 실시하였으며, 종래의 RF 파를 이용한 플라즈마 처리와 동일하거나 더 우수한 예시 결과를 얻을 수 있었다.
참고할 수 있는 펄스 직류를 이용한 장치 특허들로, 미국 특허 제7,316,764호(SYSTEM AND METHOD FOR PERFORMING SPUTTERING ETCHING, USIING INDEPENDENT ION AND ELECTRON SOURCES AND A SUBSTRATE BIASED WITH AN A-SYMMETRIC BIPOLAR PULSE SIGNAL, Baldwin et al (2008)), 미국 특허 제5,435,886호(METHOD OF PLASMA ETCHING, N. Fujiwara (1995)) 및 미국 특허 제6,620,335호(PLASMA ETCH REACTORS AND METHOD, S. P. DeOrnellas (1999)) 등이 있다.
챔버 내에는 플라즈마 발생 환경이 조성되어 있으며, 플라즈마 발생에 필요한 반응가스 등이 가스공급부를 통해서 제공될 수 있으며, 챔버 내를 진공 또는 특정 압력으로 조정하기 위한 압력 제어부 또는 내부 기체를 배출하기 위한 배기부 등이 적용될 수가 있다. 가스공급부, 압력 제어, 배기부 등은 종래의 설비 구성을 참조할 수 있으며, 당업자라면 본 발명의 기술적 내용을 이용하여 다양한 설비를 추가할 수가 있다.
접지 전극은 챔버와 전기적으로 연결 또는 분리될 수 있으며, 접지 전극은 가스의 원활한 흐름을 위해 홀이 형성된 판 구조, 메쉬 또는 채(sieve)형상으로 제공될 수가 있다. 또한, 샘플을 고정하기 위한 고정부(ex. 척)는 도전체 또는 절연체를 이용하여 형성될 수 있으며, 전원 전극 또는 접지 전극에 인접하게 제공될 수가 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는 펄스 직류 전원을 이용하며, 축전결합 방식으로 건식 식각, 화학 기상 증착을 포함하는 표면 처리를 수행할 수 있다. 이를 위해 전원 전극으로 전원 공급부는 펄스 직류 전원을 공급하며, 전원 전극의 주변으로 원통형 또는 다각기둥형의 접지부를 배치할 수 있다. 펄스 직류 전원을 이용하여도 안정적으로 플라즈마를 공급할 수 있으며, 종래의 RF파를 이용한 플라즈마 처리장치의 문제점을 극복할 수 있다.
실제 실험에 있어서도 본 발명의 플라즈마 처리장치에서 RF파를 인가하면 원통형 접지부의 존재와 상관없이 플라즈마가 발생하였지만, 전원 전극에 펄스 직류 전원을 인가하면 원통형 접지부가 있는 경우에만 플라즈마가 발생하였다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는 펄스 직류 전원 플라즈마를 안정적으로 발생시킬 수 있다. 또한, 부가적 매칭 박스를 생략하여 플라즈마 처리장치를 보다 단순화할 수 있으며, 반응기 또는 반응 챔버 내부에서 부품 간의 전기적 간섭을 줄여 압력 센서 부품 등의 운용 안정성을 향상시킬 수 있고, 플라즈마 처리 중에 보다 우수한 전원 제어 조건을 제공할 수 있다. 또한, RF파를 사용하지 않으면서 산업의 요구에 맞는 새로운 플라즈마 공정을 개발할 수 있으며, 추가적으로 다른 새로운 방식의 플라즈마 처리장치를 제공하여 다른 처리장치와 융복합적으로 개발할 수 있는 가능성을 넓힐 수가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리장치의 전원 전극 및 접지 전극 간의 물리적 구조를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 이용한 플라즈마 처리 결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 플라즈마 처리장치를 이용하여 식각한 패턴을 설명하기 위한 확대 사진이다.
도 6 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 설명하기 위한 구성도들이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리장치의 전원 전극 및 접지 전극 간의 물리적 구조를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 이용한 플라즈마 처리 결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 플라즈마 처리장치를 이용하여 식각한 패턴을 설명하기 위한 확대 사진이다.
도 6 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 설명하기 위한 구성도들이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 구성도이며, 도 2는 도 1의 플라즈마 처리장치의 전원 전극 및 접지 전극 간의 물리적 구조를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치(100)는 펄스 직류 전원을 이용하여 샘플의 표면에서 식각, 증착 등을 수행할 수 있는 표면 개질 장치로서, 일반적으로 반도체 장비가 될 수 있으며, 다르게는 이러한 원리가 적용될 수 있는 다른 산업적 목적의 장비가 될 수 있다. 따라서, 샘플 역시 웨이퍼나 반도체 기판이 될 수 있으며, 다른 소재의 물리적 몸체가 될 수가 있다.
플라즈마 처리장치(100)는 반응 챔버(110), 반응 챔버(110) 내부 중앙에 배치되는 전원 전극(120), 전원 전극(120) 상면에서 샘플(10)을 고정하기 위한 척(130), 전원 전극(120)의 주변으로 배치되는 접지 전극(140), 및 상기 전원 전극(120)으로 펄스 직류 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(150)를 포함한다.
본 실시예에서 전원 전극(120) 및 척(130)은 도체로 형성되어 일체로 제공되며, 반응 챔버(110)의 중앙에 위치한다. 도면에서 반응 챔버(110)는 외부와 장치 내부를 구분하는 공간으로서, 그 내부는 대기압 또는 상압으로 유지될 수 있으나, 산소(O2), 육불화황가스(SF6), 염소(Cl2) 등 반응성 가스 사용에 유리한 환경을 조성하기 위한 진공으로 유지될 수도 있으며, 이를 위해 밀폐 구조로 제공될 수 있다. 챔버(110) 내부에는 전극, 척 외에도 샘플 이송장비 등이 제공될 수 있지만, 본 발명에 따른 기술적 내용을 명확하게 설명하기 위해 종래의 기본적인 부가 장비에 대한 설명은 생략될 수 있다.
반응 챔버(110)에는 가스공급부(170) 및 배기부(180)가 연결될 수 있으며, 반응 챔버(110) 내의 반응 조건을 측정하기 위하 압력 센서나 온도 센서(160) 등이 제공될 수가 있다.
전원 전극(120)은 반응 챔버(110)와 절연된 상태를 유지하며, 그 사이 절연체(125)가 개재될 수 있다. 전원 전극(120)은 펄스 직류 전원을 공급하는 전원 공급부(150)와 전기적으로 연결되어 있으며, 전원 공급부(150)는 전원 전극(120)으로 약 1 ~ 10,000 W 정도의 전원을 공급할 수 있으며, 바람직하게는 약 100 ~ 1,000 W 정도의 전원을 공급할 수 있다. 또한, 펄스 직류 전원의 펄스 주파수는 약 500 KHz 이하의 범위에서 사용할 수 있다.
전원 전극(120) 및 척(130)의 상면은 원형으로 제공되며, 전원 전극(120)의 주변으로 원통형의 접지 전극(140)이 제공된다. 이를 위해 접지 전극(140)은 중공형의 원통형 측벽부(142)를 포함한다. 측벽부는 원통판 또는 링(ring) 형상으로 제공될 수 있으며, 전원 전극(120)과 전기장을 형성하여 플라즈마를 발생시킬 수가 있다. 본 실시예에서는 측벽부(142)가 원통형으로 제공되지만, 다른 실시예의 경우 측벽부는 사각, 오각, 육각의 중공 통 형상과 같이 다각형 통(polygonal drum) 형상으로 제공될 수 있으며, 그 길이 역시 전원 전극의 높이 전부 또는 일부에 대응하도록 형성될 수가 있다.
접지 전극(140)의 측벽부(142)는 전원 전극(120)의 주변으로부터 일정한 간격만큼 이격되어 있다. 균일한 플라즈마 발생을 위해 전원 전극(120)의 테두리와 측벽부(142) 내면은 일정한 간격이 유지되는 것이 바람직하며, 구체적으로 전원 전극(120)과 측벽부(142)는 약 1 ~ 50 mm 정도의 간격을 유지하거나, 바람직하게는 약 1 ~ 10 mm 의 간격을 유지하도록 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 5mm 간격을 유지하도록 제공되어 있다.
본 실시예에서는 전원 전극(120)과 접지 전극(140) 사이가 비워져 있지만, 경우에 따라서는 전원 전극(120) 및 접지 전극(140) 사이에 절연체, 부도체 또는 유전체 등이 충진될 수도 있다.
본 실시예에서 접지 전극(140)은 약 1 ~ 5 mm 정도의 두께를 가질 수 있으며, 그 표면은 원통형의 곡면 없이 평평하게 제공될 수 있지만, 가스 흐름을 보다 원활히 안내하기 위해 접지 전극(140)에는 굴곡이나 홈을 포함하는 표면이 형성될 수 있다. 또한, 다수의 홀을 포함하는 천공판 형태로 제공될 수 있으며, 다르게는 메쉬(mesh) 또는 채(sieve) 형태로 제공될 수도 있다.
접지 전극(140)의 측벽부(142)에서 그 단부는 전원 전극(120)과 동일한 높이에 위치에 있을 수 있지만, 다르게는 가스 흐름을 조절하여 원활하게 플라즈마를 발생시키기 위한 이유 등을 위해, 측벽부(142)의 단부가 전원 전극(120)의 상면와 일치하지 않고 약간 높거나 낮은 위치에 있도록 조절될 수도 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 반응 챔버(110)는 밀폐된 상태로서 진공 상태를 유지하며, 가스공급부(170)를 통해서 O2, N2O 등 산소 성분을 포함하는 가스, CF4 나 SF6 등 불소 성분을 포함하는 가스, Cl2, BCl3 등 염소 성분을 포함하는 가스, 또는 Ar나 N2 등의 불활성 가스 등이 단독 또는 혼합된 형태로 제공될 수 있다.
샘플(10)이 척(130)에 고정된 상태에서, 가스공급부(170)에 의한 반응 가스가 공급되고, 압력이 제어되면, 전원 공급부(150)를 통해 펄스 직류 전원이 인가될 수 있다. 펄스 직류 전원이 인가됨에 따라 전원 전극(120) 및 척(130)의 주변으로 플라즈마가 발생 및 전이될 수 있으며, 웨이퍼 등의 샘플 표면으로 식각이나 증착 등이 수행될 수 있다.
도 1을 보면, 전원 전극(120)의 내부 또는 근처에는 샘플(10)의 온도를 제어하기 위한 온도 제어부(190)가 포함될 수 있다. 온도 제어부(190)는 전원 전극(120)의 내부에 장착되는 열교환 파이프(192)가 될 수 있으며, 전원 전극(120)의 내부로 냉각수 또는 고온의 열원체를 공급할 수가 있다. 전원 전극(120)의 온도는 PID 제어방법을 사용할 수 있으며, 필요에 따라서는 파지회로를 병용하거나 PI 제어, 단순한 ON/OFF제어를 채용할 수도 있다. 물론, 냉각수나 열원체를 이용한 열교환 방식 외에도, 고온의 열 전달을 위해 전기저항식 히터 등이 온도 제어부로 제공될 수도 있다.
본 실시예에서는 척(130)이 전원 전극(120)과 동일한 도체로 형성되며, 함께 형성되지만, 경우에 따라서는 척(130)이 부도체나 다른 소재로 제공될 수 있으며, 척(130)의 위치도 전원 전극(120)이 아닌 접지 전극(140)에 인접하게 위치할 수도 있다. 특히, 화학기상증착 등을 수행하기 위해서 척이 접지 전극 측에 인접하도록 위치시킬 수가 있다.
다시 도 1을 참조하면, 가스공급부(170)는 가스공급라인(172), 가스유량조절기(174), 가스탱크(176), 및 기화기(178)를 포함할 수 있다. 가스공급라인(172)에는 산소 등의 기체가 기체 상태로 저장된 가스탱크(176)를 직접 연결하여 사용할 수도 있지만, 다르게는 액체나 고체 상태로 저장된 기체를 기화기(178)에 넣고 기화시켜 사용할 수 있다. 상기 가스는 가스유량조절기(174)에 의해 그 압력과 흐름을 조절할 수 있다.
배기부(180)는 진공펌프(182), 배기라인(184), 쓰로틀밸브(186)를 포함할 수 있다. 배기부(180)는 진공펌프로서 로터리 펌프, 부스터 펌프, 드라이 펌프를 포함하는 저진공 펌프, 터보 분자 펌프, 확산 펌프, 크라이오 펌프를 포함하는 고진공 펌프 등을 이용하여 제공될 수 있다. 배기부(180)가 기체 배기 및 압력 제어를 할 수 있지만, 경우에 따라서는 별도로 압력을 제어하기 위한 압력 제어 모듈을 추가로 포함할 수도 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 이용한 플라즈마 처리 결과를 설명하기 위한 그래프이며, 도 5는 플라즈마 처리장치를 이용하여 식각한 패턴을 설명하기 위한 확대 사진이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 펄스 직류 전원을 사용하여 실험실에서 플라즈마 처리장치를 제작 및 실험하였다. 반응기의 진공 및 배기는 기계적 펌프로 유지하였다. 샘플 전극의 지름은 150 mm로 하였으며, 실험용 가스는 BCl3와 BCl3/N2를 사용하였고, 총 가스의 유량은 10 sccm으로 하였다. 가스 압력은 바라트론 게이지를 사용하여 측정하였다. 감광제를 사용하여 식각용 패턴을 만들었다. 실험 변수는 가스 혼합비, 펄스 직류 전압, 주파수, 리버스 시간이었다. 식각 실험이 끝난 후 식각 속도, 표면 거칠기, 패턴의 수직 측면도를 분석하였다. 실험 결과는 도 3 내지 도 5에 나타난 바와 같다.
도 4를 보면, 펄스 직류 전원 중 전압의 변화에 따른 전류와 전력의 변화를 확인할 수 있다. 플라즈마 가스는 BCl3였으며, 약 350 ~ 550 V의 전압에서 플라즈마는 안정적으로 발생하였다. 참고로 도 1의 플라즈마 처리장치(100)에서 전원 전극(120)에 상기 주어진 범위의 전압이 인가되었을 때 전달되는 전류와 전압은 각각 약 0.24 ~ 0.4 A와 90 ~ 220 W의 범위에 있었다.
도 1의 플라즈마 처리장치(100)를 사용하였을 경우, 도 3의 그래프는 펄스 직류 전원이 반도체를 포함한 재료의 식각과 표면 처리에 적절한 범위에서 사용될 수 있도록 조절 가능하다는 것을 보여줄 수 있다. 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 경우, 펄스 직류 전원을 이용하여도 이 범위에서의 플라즈마는 안정적으로 유지됨을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치에서 펄스 직류 전원을 이용하여 식각한 결과를 얻은 사진이다. 구체적으로 도 1의 플라즈마 처리장치(1)와 동일 또는 유사한 장비를 이용하였으며, 도 3에 설명된 범위 중 약 500V의 펄스 직류 전원을 이용하였고, 감광제로 패턴된 GaAs를 BCl3 플라즈마로 식각하였다. 사진에 표현된 바와 같이, 식각된 표면은 아주 평평하고 깨끗하며, 식각된 벽면도 수직적이다. 또한, 패턴에 있는 감광제 표면도 플라즈마에 의한 열화 현상 없이 잘 보존되었음을 알 수 있다. 도 5의 사진을 통해서도, 펄스 직류 전원 플라즈마를 사용하여 반도체를 포함한 재료의 식각에서 우수한 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
이 결과는 종래의 라디오파 플라즈마에 비교하였을 때, 펄스 직류 전원은 매칭 네트워크를 사용하지 않으면서도 안정된 플라즈마를 발생시켜 상당히 우수하며, 산업적으로 유용한 식각 결과를 얻을 수 있음을 알려준다.
도 6 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 설명하기 위한 구성도들이다.
도 6 내지 도 11을 참조하면, 플라즈마 처리장치는 반응 챔버(210), 척 기능을 포함하는 전원 전극(220), 전원 전극(220)의 주변으로 배치되는 측벽부(242)를 제공하는 접지 전극(240), 및 상기 전원 전극(220)으로 펄스 직류 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(250)를 포함한다.
전원 전극(220)은 도체로 형성되며, 반응 챔버(210)의 중앙에 위치한다. 도면에서 반응 챔버(210)는 외부와 장치 내부를 구분하는 공간으로서, 그 내부는 대기압 또는 상압으로 유지될 수 있으나, 산소(O2), 육불화황가스(SF6), 염소(Cl2) 등 반응성 가스 사용에 유리한 환경을 조성하기 위한 진공으로 유지될 수도 있으며, 이를 위해 밀폐 구조로 제공될 수 있다. 챔버(210)에는 전극 외에도 가스공급부, 배기부, 샘플 이송장비, 각종 센서 등이 제공될 수 있지만, 본 발명에 따른 기술적 내용을 명확하게 설명하기 위해 종래의 기본적인 부가 장비에 대한 설명은 생략될 수 있다.
도 6을 보면, 챔버(210) 내부에서 접지 전극(240)은 천장에 장착되며, 접지 전극(240)은 전원 전극(220)의 상부에 위치하는 상부판(244) 및 상부판(244)에서 하방으로 연장 형상된 측벽부(242)를 포함한다. 측벽부(242)는 전원 전극(220)의 상면으로부터 약 1 ~ 10mm 정도 이격되도록 제공되며, 측벽부(242)만 전원 전극(220)의 주변에 제공되도록 할 수도 있다.
도 7을 보면, 챔버(210) 내부에서 접지 전극(240)은 챔버(210)의 측벽에 형성될 수 있으며, 측벽부(242)를 전원 전극(220)보다 약간 높은 위치에 위치시키 위해 중앙부를 향해 연장될 수가 있다. 접지 전극(240)의 측벽부(242)는 전원 전극(220)으로부터 약 1 ~ 50mm, 바람직하게는 1 ~ 10mm의 인접한 간격을 유지하며 배치될 수가 있다.
도 8을 보면, 챔버(210)의 내부에서 접지 전극(240)이 챔버(210)의 측벽에 형성될 수 있다. 다만, 접지 전극(240)은 챔버(210)와 전기적으로 분리될 수 있으며, 외부와 직접 접지 연결될 수 있다. 접지 전극(240)은 전원 전극(220)보다 약간 높은 위치에 있으며 전원 전극(220) 상부에 있는 상부판(244) 및 전원 전극(220)의 둘레를 따라 주변에 형성된 측벽부(242)를 포함할 수 있다. 또한, 상부판(244)에는 다수의 홀이 형성될 수 있으며, 다수의 홀을 통해서 가스가 전원 전극(220)의 샘플에 원활하게 접근할 수가 있다. 물론, 상부판(244)을 다수의 홀이 형성된 메쉬나 채(sieve) 형상으로 제공할 수도 있다.
도 9를 보면, 전원 전극(220)의 주변으로 측벽부(242) 및 상부판(244)를 포함하는 접지 전극(240)이 제공될 수가 있다. 상부판(244)는 다수의 홀을 포함하며, 가스의 원활한 통과를 가능하게 할 수 있다. 측벽부(242)는 전원 전극(220)의 주변에 형성되며, 상부판(244)는 전원 전극(220)의 상부를 덮는 형상으로 형성되는 것이 가능하다.
도 10을 참조하면, 전원 전극(220)의 주변으로 입체적인 구조의 접지 전극(240)이 제공될 수가 있다. 접지 전극(240)은 판 형상이 아닌 다양한 입체 구조로 제공될 수 있으며, 접지 전극(240)의 측벽부(242)는 전원 전극(220)보다 약간 낮은 위치에 제공될 수가 있다. 특히, 절연체(225)가 전원 전극(220) 및 접지 전극(240) 사이에 개재되도록 제공될 수 있다.
도 11을 참조하면, 전원 전극(220)의 하부로 절연체(225)가 넓게 형성되어 있으며, 절연체(225) 상에서 전원 전극(220)으로부터 이격된 접지 전극(240)이 제공될 수가 있다. 접지 전극(240)은 전원 전극(220)의 둘레에 형성된 측벽부(242)를 포함하며, 전원 전극(220)으로 공급되는 펄스 직류 전원으로부터 플라즈마가 발생할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100：플라즈마 처리장치 110：반응 챔버
120：전원 전극 130：척
140：접지 전극 142：측벽부
150：전원 공급부 170：가스공급부
180：배기부 190：온도 제어부
120：전원 전극 130：척
140：접지 전극 142：측벽부
150：전원 공급부 170：가스공급부
180：배기부 190：온도 제어부
Claims (12)
- 플라즈마 발생 환경이 조성된 챔버 내에서 샘플의 표면을 처리하기 위한 플라즈마 처리장치에 있어서,
전원 전극;
상기 전원 전극으로부터 분리되며 상기 전원 전극의 주변에 배치되고, 상기 전원 전극의 주변을 따라 둘레에 제공되는 측벽부를 포함하며, 원통 또는 다각기둥 형상인 접지 전극; 및
상기 전원 전극에 펄스 직류 전원을 공급하는 전원 공급부;
를 구비하며,
상기 접지 전극은 상기 전원 전극의 상부에 해당하는 부위가 개방되어 있거나, 상기 전원 전극의 상부에 위치하며 다수의 홀을 포함하는 상부판을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치. - 제1항에 있어서,
상기 접지 전극은 상기 챔버와 전기적으로 연결 또는 분리된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치. - 제2항에 있어서,
상기 접지 전극은 다수의 홀을 포함하는 판, 메쉬 또는 채(sieve) 형상을 이용하여 제공되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치. - 제1항에 있어서,
상기 전원 전극 및 상기 접지 전극 사이에 개재되는 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치. - 제1항에 있어서,
상기 전원 전극은 상기 샘플을 고정하기 위한 고정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치. - 제1항에 있어서,
상기 접지 전극은 상기 샘플을 고정하기 위한 고정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전원 공급부는 1~10,000W의 펄스 직류 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치. - 제1항에 있어서,
상기 전원 공급부는 펄스 전압, 펄스 전류, 펄스 전력, 펄스 주파수, 펄스 리버스 시간 중 적어도 하나 이상을 제어하여 상기 펄스 직류 전원을 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치. - 제1항에 있어서,
상기 챔버 내의 압력을 조절하기 위하 배기부 및 상기 챔버 내의 압력을 측정하기 위한 압력 센서를 포함하며,
상기 배기부는 로터리 펌프, 부스터 펌프, 드라이 펌프를 포함하는 저진공 펌프, 터보 분자 펌프, 확산 펌프, 크라이오 펌프를 포함하는 고진공 펌프 중 적어도 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치. - 제1항에 있어서,
상기 펄스 직류 전원의 펄스 주파수는 0 초과 500 KHz 이하인 범위에 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
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| KR1020100042497A KR101195859B1 (ko) | 2010-05-06 | 2010-05-06 | 펄스 직류 전원을 이용한 플라즈마 처리장치 |
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