KR101200726B1 - 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기 - Google Patents

상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 본 발명의 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기는 플라즈마 방전 공간을 형성하는 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 챔버에 구비되어 복수 개의 제1 단위 분할 전극을 갖는 제1 다중 분할 전극세트; 및 상기 제1 다중 분할 전극세트와 용량 결합된 플라즈마를 유도하기 위한 복수 개의 제2 단위 분할 전극을 갖는 제2 다중 분할 전극세트를 포함한다. 본 발명의 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기에 의하면 상부 분할 전극과 이에 대응하는 하부 분할 전극이 구비되어 플라즈마 반응기 내부에 균일하게 플라즈마가 발생한다. 또한 상부 전극과 하부 전극이 동일하게 대응된 분할 구조를 갖기 때문에 방전 균일성 확보에 따른 플라즈마 균일성이 향상된다. 또한 상부 및 하부 분할 전극으로 인해 정제파비(VSWR)가 향상되어 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 또한 플라즈마 반응기의 상부에 배기구조가 구비되어 플라즈마 처리 후 남는 잔여물(예를 들어, 미처리된 플라즈마 등)을 바로 플라즈마 반응기 외부로 배출할 수 있어 보다 효율적인 플라즈마 처리가 가능하다. 또한 플라즈마가 균일하게 발생되어 피처리 기판 전체에 걸쳐 균일한 플라즈마 처리가 가능하다.

Description

상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기{PLASMA REACTOR HAVING TOP AND BOTTOM MULTI DIVIDED ELECTRODE}
본 발명은 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상부 및 하부 전극을 이용하여 용량 결합된 플라즈마를 균일하게 발생하기 위한 상하 다중 분할 전극이 구비된 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 예들 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.
도 1은 종래의 용량 결합 방식으로 플라즈마를 유도하기 위한 전극 구조를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로, 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치(1)는 진공 챔버로서 구성되는 플라즈마 챔버(3) 내에 상부 전극(5)과 하부 전극(7)을 평행하게 배치하고, 하부 전극(7)상에 피처리 기판(2)(반도체 웨이퍼, 유리 기판 등)을 탑재한다. 상부 전극(5)은 전원 공급원(10)와 임피던스 정합기(12)가 연결되어 전원 공급원(10)으로부터 고주파가 인가된다. 그러면, 양 전극의 사이에서 고주파 전계에 의해서 가속된 전자, 전극으로부터 방출된 2차 전자, 혹은 가열된 전자가 처리 가스의 분자와 전리 충돌을 일으켜, 처리 가스의 플라즈마가 발생하고, 플라즈마 중의 래디컬이나 이온에 의해서 기판 표면에 원하는 미세가공 예를 들면 에칭 가공이 실시된다.
그런데, 반도체 프로세스 기술에 있어서의 디바이스의 미세화?고집적화에 수반하여, 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치에 있어서는 더욱 고효율?고밀도?저바이어스의 플라즈마 프로세스가 요구되고 있고, 그를 위해서는 플라즈마 생성에 이용하는 고주파의 주파수를 가능한 한 높게 한다고 하는 것이 오늘날의 트렌드이다. 한편, 피처리 기판 사이즈의 대면적화, 기판의 대구경화에 수반하여, 더욱 큰 구경의 플라즈마가 요구되고 있으며, 챔버(처리용기)가 점점 대형화되고 있다.
여기서 문제로 되는 것은 챔버의 처리공간 내에서 플라즈마 밀도를 균일하게 하는 것이 곤란하게 되는 것이다. 즉, 방전용의 RF 주파수가 높아지면, 챔버내에 정재파가 형성되는 파장 효과나 전극 표면에서 고주파가 중심부에 집중하는 표피 효과 등에 의해서, 대략 기판상에서 중심부가 극대하게 되고 에지부가 가장 낮아져 플라즈마의 밀도가 불균일하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 도면으로 도시하지는 않았으나, 상부 전극(5)을 다중으로 분할함으로써 플라즈마 밀도를 균일하게 하는 방법이 있다. 상부 전극(5)은 다수 개의 분할된 단위 분할 전극으로 구성된다. 그러나 다수 개의 단위 분할 전극을 갖는 상부 전극(5)과 단일 면적 구조의 하부 전극(7)간에 플라즈마 방전을 유도하면 정제파비(VSWR)가 낮기 때문에 플라즈마의 균일성을 높이는데 한계를 갖는다.
본 발명의 목적은 다중으로 분할된 상부전극과 이에 대향하여 다중으로 분할된 하부전극이 구비되어 플라즈마가 균일하게 발생할 수 있는 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 본 발명의 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기는 플라즈마 방전 공간을 형성하는 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 챔버에 구비되어 복수 개의 제1 단위 분할 전극을 갖는 제1 다중 분할 전극세트; 및 상기 제1 다중 분할 전극세트와 용량 결합된 플라즈마를 유도하기 위한 복수 개의 제2 단위 분할 전극을 갖는 제2 다중 분할 전극세트를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 다중 분할 전극세트는 상기 플라즈마 챔버의 상부에 구비되고, 상기 제2 다중 분할 전극세트는 상기 플라즈마 챔버의 내부에 구비된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 다중 분할 전극세트는 피처리 기판을 지지하는 기판 지지대 상에 구비된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 다중 분할 전극세트는 복수 개의 상기 제1 단위 분할 전극 사이에 구비되어 각각의 상기 제1 단위 분할 전극 사이를 전기적으로 절연하는 절연체를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 다중분할 전극 세트의 상부에는 상기 플라즈마 챔버 내부로 가스를 공급하기 위한 가스 공급부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 단위 분할 전극과 상기 제2 단위 분할 전극은 서로 매칭되도록 마주보게 구비된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 단위 분할 전극과 상기 제2 단위 분할 전극은 마주보는 면의 면적이 동일하다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 다중 분할 전극세트는 상기 제2 단위 분할 전극 사이에 구비되어 상기 제2 단위 분할 전극 간의 전기적 절연을 위한 절연부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 단위 분할 전극은 내부에 히터가 포함된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 다중 분할 전극세트는 주파수 전원을 공급하는 전원 공급원에 연결되고 상기 제2 다중 분할 전극세트는 접지로 연결된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 다중 분할 전극세트는 접지로 연결되고 상기 제2 다중 분할 전극세트는 주파수 전원을 공급하는 전원 공급원에 연결된다.
일 실시예에 있어서, 마주하는 한 쌍의 상기 제1 단위 분할 전극과 상기 제2 단위 분할 전극 중 하나의 단위 분할 전극이 전원 공급원에 연결되면 나머지 단위 분할 전극은 접지로 연결된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 다중 분할 전극세트는 상기 전원 공급원에 연결된 단위 분할 전극과 접지로 연결된 단위 분할 전극이 교대적으로 배열되어 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는 상기 플라즈마 챔버 내부의 잔여물을 상기 플라즈마 챔버 외부로 배기하기 위한 배기수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 배기수단은 상기 제1 다중 분할 전극세트 또는 상기 플라즈마 챔버 또는 상기 제1 다중 분할 전극세트와 상기 플라즈마 챔버 모두 중 어느 하나에 구비된다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는 상기 제1 및 제2 단위 분할 전극으로 공급되는 전류의 균형을 조절하기 위한 전류 균형 분배 회로를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 챔버의 상부에는 리모트 플라즈마 소스를 생성하여 상기 플라즈마 챔버 내부로 제공하는 리모트 플라즈마 발생기가 구비된다.
일 실시예에 있어서, 상기 전원 공급원으로부터 공급되는 주파수 전원을 임피던스 정합하기 위한 임피던스 정합기를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 단위 분할 전극은 상기 가스를 상기 플라즈마 챔버 내부로 분사하기 위한 다수 개의 분사홀을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전원 공급원과 상기 제1 및 제2 단위 분할 전극 사이에는 임피던스 전환 회로를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 단위 분할 전극은 상기 전원 공급원으로부터 전원을 인가받기 위한 다수 개의 전원 입력단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 단위 분할 전극으로 입력되도록 분배된 전력을 상기 다수 개의 전원 입력단으로 분기하여 입력하는 적어도 하나의 분기 급전 라인을 포함한다.
본 발명의 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기에 의하면 상부 분할 전극과 이에 대응하는 하부 분할 전극이 구비되어 플라즈마 반응기 내부에 균일하게 플라즈마가 발생한다. 또한 상부 전극과 하부 전극이 동일하게 대응된 분할 구조를 갖기 때문에 방전 균일성 확보에 따른 플라즈마 균일성이 향상된다. 또한 상부 및 하부 분할 전극으로 인해 정제파비(VSWR)가 향상되어 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 또한 플라즈마 반응기의 상부에 배기구조가 구비되어 플라즈마 처리 후 남는 잔여물(예를 들어, 미처리된 플라즈마 등)을 바로 플라즈마 반응기 외부로 배출할 수 있어 보다 효율적인 플라즈마 처리가 가능하다. 또한 플라즈마가 균일하게 발생되어 피처리 기판 전체에 걸쳐 균일한 플라즈마 처리가 가능하다.
도 1은 종래의 용량 결합 방식으로 플라즈마를 유도하기 위한 전극 구조를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따라 복수 개의 단위 분할 전극으로 구성된 제1 및 제2 다중 분할 전극 세트를 간략하게 도시하고 다양한 방식의 전원 공급구조를 도시한 도면이다.
도 5는 복수 개의 전원 공급원을 이용하여 무선 주파수를 공급하는 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 제1 및 제2 다중 분할 전극 세트가 구비된 플라즈마 반응기의 전체적인 모양을 도시한 도면이다.
도 7은 배기 구조를 갖는 제1 다중 분할 전극세트와 기판 지지대에 구비된 제2 다중 분할 전극 세트를 도시한 도면이다.
도 8은 배기 구조를 갖는 플라즈마 반응기의 단면을 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 전원 공급원 및 접지로 연결된 제1 및 2 다중 분할 전극세트에 전류 균형 분배 회로를 더 구비하여 간략하게 도시한 도면이다.
도 12는 다수 개의 입력단을 구비한 단위 분할 전극을 도시한 도면이다.
도 13 내지 도 17은 단위 분할 전극에 연결된 임피던스 전환 회로의 다양한 실시예를 보여주는 도면이다.
도 18 내지 도 19는 다양한 형상의 단위 분할 전극이 포함된 다중 분할 전극 세트를 도시한 도면이다.
도 20 내지 도 21은 제1 단위 분할 전극 및 전극 장착판에 가스 분사홀이 구비된 상태를 도시한 도면이다.
도 22 및 도 23은 가스 분사홀이 구비되거나 구비되지 않은 단위 분할 전극이 포함된 다중 분할 전극 세트를 도시한 도면이다.
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 2 내지 도 4는 본 발명에 따라 복수 개의 단위 분할 전극으로 구성된 제1 및 제2 다중 분할 전극 세트를 간략하게 도시하고 다양한 방식의 전원 공급구조를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 반응기(100)는 복수 개의 제1 단위 분할 전극(122)을 갖는 제1 다중 분할 전극세트(120)와 복수 개의 제2 단위 분할 전극(142)을 갖는 제2 다중 분할 전극세트(140)로 구성된다.
제1 다중 분할 전극세트(120)는 복수 개의 제1 단위 분할 전극(122)이 배열되어 형성된다. 제1 다중 분할 전극세트(120)는 플라즈마 챔버(110)의 천정을 이루도록 구비되어 피처리 기판(113)의 상부에 위치된다.
제2 다중 분할 전극세트(140)는 복수 개의 제2 단위 분할 전극(142)이 배열되어 형성되고 제1 다중 분할 전극세트(120)와 대향되도록 위치된다. 제2 다중 분할 전극세트(140)는 플라즈마 챔버(110) 내에 제1 다중 분할 전극세트(120)와 대향되도록 구비되어 용량 결합된 플라즈마 방전을 유도한다. 여기서, 제2 다중 분할 전극세트(140)는 피처리 기판(113)의 하부에 위치된다. 즉, 피처리 기판(113)을 기준으로 제1 및 제2 다중 분할 전극세트(120, 140)가 마주보도록 설치된다. 제2 다중 분할 전극세트(140)는 제2 단위 분할 전극(142)의 내부에 히터가 포함될 수 있다.
제1 및 제2 단위 분할 전극(122, 142)은 선형 또는 면형으로 형성될 수 있다. 단위 분할 전극은 처리하고자하는 피처리 기판의 크기에 따라 갯수를 조절하여 사용할 수 있다. 또한, 복수 개의 제1 단위 분할 전극(122)과 복수 개의 제2 단위 분할 전극(142)은 서로 마주보도록 배치된다. 또한 제1 단위 분할 전극(122)과 제2 단위 분할 전극(142)이 완전하게 마주보지 않고 엊갈리도록 배치될 수도 있다. 이때 마주보는 제1 및 제2 단위 분할 전극(122, 142)은 마주보는 면의 면적이 동일하여 플라즈마가 균일하게 발생된다. 즉, 제1 단위 분할 전극(122)이 면형으로 형성되면, 제2 단위 분할 전극(142)은 제1 단위 분할 전극(122)과 마주보는 면의 면적이 동일한 면형으로 형성된다. 제1 및 제2 단위 분할 전극(122, 142)의 마주하는 면이 동일함으로써, 제1 및 제2 단위 분할 전극(122, 142) 사이에 균일하게 플라즈마가 형성될 수 있다.
이하에서는 다중 분할 전극세트에 주파수 전원을 공급하는 전원 공급구조에 대하여 설명한다.
다시 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 다중 분할 전극세트(120)는 전원 공급원(132)에 연결되어 전원 주파수를 제공받고 제2 다중 분할 전극세트(140)는 접지(133)로 연결된다. 제1 다중 분할 전극세트(120)의 제1 단위 분할 전극(122)은 임피던스 정합기(137)를 통해 임피던스된 주파수 전원을 제공받는다. 여기서, 전원 공급원(132)은 별도의 임피던스 정합기 없이 출력의 제어가 가능한 무선 주파수 발생기를 사용하여 구성될 수도 있다. 그러므로, 전원 공급원(132)으로부터 제공된 주파수 전원은 복수 개의 제1 단위 분할 전극(122)으로 제공되어 접지(133)로 연결된 복수 개의 제2 단위 분할 전극(142)과의 사이에서 용량 결합된 플라즈마를 유도한다. 전기적으로 대응되는 한 쌍의 제1 및 제2 단위 분할 전극(122, 142)에 사이에서 유도된 플라즈마로 피처리 기판(113)을 처리한다. 이때 전원 공급원(132)으로부터 제공된 무선 주파수는 다수 개의 급전라인으로 분기되어 단위 분할 전극에 다중으로 공급된다. 이러한 급전라인의 분기 구조는 하기에서 상세하게 설명한다.
다시 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 다중 분할 전극세트(120)는 접지(133)로 연결되고, 제2 다중 분할 전극세트(140)는 전원 공급원(132)에 연결될 수 있다. 이때에도 상기에 설명한 바와 같이, 전원 공급원(132)은 임피던스 정합기(137)가 구비될 수도 있고 별도의 임피던스 정합기 없이 출력 제어가 가능한 무선 주파수 발생기를 사용하여 구성될 수도 있다.
다시 도 4에 도시된 바와 같이, 마주보는 제1 및 제2 단위 분할 전극(122, 142) 중에서 하나의 단위 분할 전극이 전원 공급원(132)에 연결되면 나머지 단위 분할전극이 접지(133)로 연결되어 용량 결합 플라즈마를 유도한다. 예를 들어, 제1 단위 분할 전극(122)이 전원 공급원(132)에 연결되면 제1 단위 분할 전극(122)과 마주보는 제2 단위 분할 전극(142)은 접지(133)로 연결된다. 또한 제1 단위 분할 전극(122)이 접지(133)로 연결되면 제2 단위 분할 전극(142)이 전원 공급원(132)에 연결된다. 이때, 전원 공급원(132)에 연결된 제1 단위 분할 전극(122)과 접지(133)로 연결된 제1 단위 분할 전극(122)이 교대적으로 배열되어 제1 다중 분할 전극세트(120)를 구성한다. 여기서, 제2 다중 분할 전극세트(140)는 접지(133) 또는 전원 공급원(132)에 연결된 제1 단위 분할 전극(122)에 대응하여 전원 공급원(132) 또는 접지(133)로 연결된 제2 단위 분할 전극(142)이 배열되어 형성된다.
도 5는 복수 개의 전원 공급원을 이용하여 무선 주파수를 공급하는 상태를 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 복수 개의 전원 공급원(132-1, 132-2)을 이용하여 제1 및 제2 다중 분할 전극세트에 주파수 전원을 공급할 수 있다. 도면에서는 제1 다중 분할 전극세트(120)에 전원 공급원(132-1, 132-2)을 연결한 상태를 도시하였으나, 상기에 설명한 바와 같이, 제2 다중 분할 전극세트(140) 또는 교대적으로 전원 공급원(132-1, 132-2)이 연결될 수 있다. 제1 다중 분할 전극세트(120)에 포함된 복수 개의 제1 단위 분할 전극(122) 각각 서로 다른 전원 공급원(132-1, 132-2)을 연결하거나, 다수 개의 제1 단위 분할 전극(122)을 그룹으로 형성하여 각 그룹별로 전원 공급원(132-1, 132-2)을 연결할 수 있다. 이때 전원 공급원(132-1, 132-2)은 각각 임피던스 정합기(137-1, 137-2)를 포함할 수 있다.
도 6은 제1 및 제2 다중 분할 전극 세트가 구비된 플라즈마 반응기의 전체적인 모양을 도시한 도면이고, 도 7은 배기 구조를 갖는 제1 다중 분할 전극세트와 기판 지지대에 구비된 제2 다중 분할 전극 세트를 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 플라즈마 반응기(100)는 플라즈마 반응 공간을 갖는 플라즈마 챔버(110)와 플라즈마 챔버(110) 상부에 구비된 제1 다중 분할 전극세트(120)와 피처리 기판(113)을 지지하는 기판 지지대(112)에 구비된 제2 다중 분할 전극세트(140)로 구성된다.
플라즈마 챔버(110)는 내부에 플라즈마 방전 공간이 형성된다. 플라즈마 챔버(110)는 내부에 피처리 기판(113)이 놓이는 기판 지지대(112)가 구비된다. 플라즈마 챔버(110)는 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속 물질로 제작될 수 있다. 또는 코팅된 금속 예를 들어, 양극 처리된 알루미늄이나 니켈 도금된 알루미늄으로 제작될 수도 있다. 또는 탄소나노튜브가 공유 결합된 복합 금속을 사용할 수도 있다. 또는 내화 금속(refractory metal)로 제작될 수도 있다. 또 다른 대안으로 플라즈마 챔버(110)를 전체적 또는 부분적으로 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 제작하는 것도 가능하다. 이와 같이 플라즈마 챔버(110)는 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 어떠한 물질로도 제작될 수 있다. 플라즈마 챔버(110)의 구조는 피처리 기판(113)에 따라 그리고 플라즈마의 균일한 발생을 위하여 적합한 구조 예를 들어, 원형 구조나 사각형 구조 그리고 이외에도 어떠한 형태의 구조를 가질 수 있다. 기판 지지대(112)는 히터를 포함할 수 있다. 기본적으로 기판 지지대(112)는 고정형 또는 수직으로 승하강이 가능한 구조로 구성된다. 또는 기판 지지대(112)는 전극 어셈블리와 평행하게 선형 또는 회전 이동 가능한 구조를 갖는다. 이러한 이동 가능한 구조에서 기판 지지대(112)를 선형 또는 회전 이동하기 위한 구동 메커니즘을 포함할 수 있다.
제1 다중 분할 전극세트(120)는 복수 개의 제1 단위 분할 전극(122)이 전극 장착판(124)에 장착되어 형성된다. 전극 장착판(124)은 제1 단위 분할 전극(122) 간의 전기적 절연을 위한 절연체로 형성된다. 전극 장착판(124)은 제1 단위 분할 전극(122) 사이로 배기홀(124a)이 구비되어 배기구조를 형성한다. 플라즈마 챔버(110) 내부로 가스를 제공하기 위한 가스 공급부(170)가 복수 개의 제1 단위 분할 전극(122)에 각각 구비된다. 가스 공급부(170)는 공정가스 공급원으로부터 가스를 제공받기 위한 가스 입구(171)가 구비되어 각각의 제1 단위 분할 전극(122)을 통해 가스를 플라즈마 챔버(110) 내부로 제공한다. 이때 제1 단위 분할 전극(122)은 다수 개의 가스 분사홀(122a)이 구비되어 플라즈마 챔버(110) 내부로 공정에 필요한 가스를 분사한다. 제1 다중 분할 전극세트(120)가 장착된 전극 장착판(124)은 플라즈마 챔버(110)의 상부에 구비된 거치대(111)에 거치된다. 이때 거치대(111)와 전극 장착판(124) 사이에는 절연부(125)가 구비된다.
제2 다중 분할 전극세트(140)는 제1 다중 분할 전극세트(120)에 대향하여 피처리 기판(113)을 지지하는 기판 지지대(112)의 상면에 구비된다. 복수 개의 제2 단위 분할 전극(142)은 기판 지지대(112)의 상면에 제1 단위 분할 전극(122)과 마주보도록 배치된다. 이때 제2 단위 분할 전극(142) 사이에는 각각의 제2 단위 분할 전극(142)이 전기적으로 절연될 수 있도록 절연부(144)(도 8에 도시)가 구비된다.
도 8은 배기 구조를 갖는 플라즈마 반응기의 단면을 도시한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 플라즈마 챔버(110) 또는 제1 다중 분할 전극세트(120)는 배기구조를 포함하여 플라즈마 챔버(110) 내부의 플라즈마 처리 후 잔여물을 플라즈마 챔버(110) 외부로 배출할 수 있다.
먼저 플라즈마 챔버(110) 하부에 배기펌프(116)가 연결되어 배기구조를 이룰 수 있다. 이러한 방식은 일반적인 배기구조이므로 상세한 설명은 생략한다. 제1 다중 분할 전극세트(120)의 복수 개의 제1 단위 분할 전극(122) 사이에 위치되도록 전극 장착판(124)에 다수 개의 배기홀(124a)이 구비되고 배기홀(124a)에 연결된 배기펌프(116)에 의해 배기구조를 이룰 수 있다. 제1 다중 분할 전극세트(120)에 배기홀(124a)이 구비되면 플라즈마 챔버(110) 내부에서 방전된 플라즈마로 피처리 기판(113)을 처리한 후 남은 플라즈마 및 잔여물을 바로 플라즈마 챔버(110) 외부로 배출할 수 있어 플라즈마 처리 효율을 증대시킨다. 이러한 배기구조는 제1 다중 분할 전극세트(120) 및 플라즈마 챔버(110)에 함께 구비될 수도 있다. 플라즈마 챔버(110)와 제1 다중 분할 전극세트(120)는 동일한 배기 펌프(116)에 연결될 수도 있고, 서로 다른 배기 펌프에 연결되어 작동할 수 있다. 이때, 제1 다중 분할 전극세트(120)에 구비된 배기구조 및 플라즈마 챔버(110)에 구비된 배기구조는 각각 밸브(116-1, 116-2)가 연결되어 제어부(160)의 제어에 따라 동작한다.
본 발명에 따른 플라즈마 반응기(100)에는 플라즈마 챔버(110)의 리모트 플라즈마 소스를 생성하는 리모트 플라즈마 발생기(180)가 구비된다. 리모트 플라즈마 발생기(180)는 플라즈마 챔버(110)의 상부에 구비되고 세정가스 공급원(182)으로부터 클리닝 공정에 필요한 세정가스를 공급받아 플라즈마 소스를 생성한다. 생성된 플라즈마 소스는 가스 공급부(170)를 통해 플라즈마 챔버(110) 내부로 제공되어 클리닝 공정을 수행한다. 이때 세정가스 공급원(182)은 리모트 플라즈마 발생기(180)의 상부와 연결되어 리모트 플라즈마 발생기(180)의 내부에서 플라즈마 소스를 생성한다. 또한 공정가스 공급원(184)은 리모트 플라즈마 발생기(180)의 하부에 연결되어 리모트 플라즈마 발생기(180)를 통과하지 않고 가스 공급부(170)로 공정가스를 공급한다. 이때 공정가스 공급원(184)은 세정가스 공급원(182)과 함께 리모트 플라즈마 발생기(180)의 상부에 연결될 수도 있다. 세정가스 공급원(182)과 공정가스 공급원(184)은 각각 밸브(181-1, 181-2)로 리모트 플라즈마 발생기(180)에 연결되고, 각각의 밸브(181-1, 181-2)는 제어부(160)의 제어에 따라 동작한다.
도 9 내지 도 11은 전원 공급원 및 접지로 연결된 제1 및 2 다중 분할 전극세트에 전류 균형 분배 회로를 더 구비하여 간략하게 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 다중 분할 전극세트(120, 140)에는 복수 개의 제1 및 제2 단위 분할 전극(122, 142) 각각에 균일하게 전류를 공급하기 위하여 전류 균형 분배 회로(139)를 연결할 수 있다. 전원 공급원(132)과 단위 분할 전극 사이에 전류 균형 분배 회로(139)를 구비하여 전류를 균일하게 분배할 수도 있고, 접지로 연결되는 단위 분할 전극에 전류 균형 분배 회로(139)를 구비하여 접지되는 전류를 균일하게 분배하여 전체적으로 균일한 플라즈마 방전을 유도한다.
예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 다중 분할 전극세트(120)에 전원 공급원(132)이 연결되고 제2 다중 분할 전극세트(140)가 접지(133)로 연결된다. 통상적으로 전원 공급원(132)에서 제공된 무선 주파수는 복수 개의 제1 단위 분할 전극(122)으로 분배된다.
또한 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 다중 분할 전극세트(120)에 전원 공급원(132)이 연결되고 제2 다중 분할 전극세트(140)가 접지(133)로 연결된다. 전류 균형 분배 회로(139)는 제1 다중 분할 전극세트(120)와 전원 공급원(132)에 연결된 임피던스 정합기(137) 사이에 구비되어 복수 개의 제1 단위 분할 전극(122) 각각으로 균일하게 분배된 전류를 제공한다. 즉, 전류를 균일하게 분배하여 제1 다중 분할 전극세트(120)에 제공하므로 제1 다중 분할 전극세트 전반에 균일하게 플라즈마가 방전된다.
또한 도 11에 도시된 바와 같이, 제2 다중 분할 전극세트(140)는 전류 균형 분배 회로(139)에 연결되어 접지(133)됨으로써 복수 개의 제2 단위 분할 전극(142) 각각이 균일하게 접지(133)로 연결된다. 그러므로 전류 균형 분배 회로(139)를 통해 제1 단위 분할 전극(122)과 제2 단위 분할 전극(142) 사이에는 균일한 플라즈마 방전이 이루어진다. 여기서, 전류 균형 분배 회로는 제1 다중 분할 전극세트(120)와 제2 다중 분할 전극세트(140)에 함께 구비될 수도 있다.
도 12는 다수 개의 입력단을 구비한 단위 분할 전극을 도시한 도면이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 각 전원 공급원(132)과 연결되어 무선 주파수를 공급받는 단위 분할 전극은 다수 개의 급전점(122b)을 포함한다. 본 발명에서는 제1 단위 분할 전극(122)을 예로 도시하여 설명하는 바, 제2 단위 분할 전극(142)이 전원 공급원(132)에 연결되는 경우에도 다수 개의 급전점이 동일하게 구성된다.
다수 개의 급전점(122b)은 제1 단위 분할 전극(122)의 중심부와 모서리 영역에 구성된다. 하나의 제1 단위 분할 전극(122)으로 입력되도록 분배된 고주파 전력은 분기 급전 라인(212)에 의해 분기되어 다수 개의 급전점(122b)으로 입력된다. 그럼으로 하나의 제1 단위 분할 전극(122) 내에서 발생될 수 있는 위상 오차에 의한 에너지 밀도의 불균형을 최소화하여 보다 균일한 플라즈마 방전을 유도할 수 있다.
도 13 내지 도 17은 단위 분할 전극에 연결된 임피던스 전환 회로의 다양한 실시예를 보여주는 도면이다.
전원 공급원(132)으로부터 공급되는 고주파 전력은 전류가 상호 균형을 이루도록 분배하는 전류 균형 분배 회로(139)와 임피던스 값의 균형을 위한 임피던스 전환 회로를 통해 다수 개의 단위 분할 전극(122, 142)으로 제공된다. 전류 균형 분배 회로(139)의 출력단에는 각각 임피던스 전환 회로가 연결된다. 전류 균형 분배 회로(139)로 입력되는 전류는 다수 개의 채널로 분배되면서 임피던스 값이 점차 낮아지게 된다. 그러므로 본 발명에서는 전류 균형 분배 회로(139)의 출력단에는 임피던스 전환 회로가 연결되어 낮아진 임피던스 값을 보상함으로써 임피던스 값의 균형이 이루어진다. 임피던스 값이 균형을 이루므로 제1 및 제2 다중 분할 전극세트(120, 140) 사이에서 균일한 플라즈마 방전이 유도된다.
임피던스 전환 회로는 전류 균형 분배 회로(139)의 각 출력단에 연결된 다수 개의 인덕터(220a)로 구성된다. 인덕터(220a)는 일단은 전류 균형 분배 회로(139)의 출력단과 연결되고 타단은 접지로 연결된다. 인덕터(220a)의 일단과 타단 사이의 임의의 지점에 연결된 탭은 제1 단위 분할 전극(122)(예를 들어, 제1 다중 분할 전극세트에 전원을 공급할 때)에 연결되어 고주파 전력이 공급된다. 인덕터(220a)는 제1 다중 전극 세트(120)에 구성된 복수 개의 제1 단위 분할 전극(122)의 갯수와 동일한 갯수로 구성된다. 각 제1 단위 분할 전극(122)은 상기에 설명한 바와 같이, 다수 개의 분기 급전라인(212)과 다수 개의 입력단(122b)을 포함한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 임피던스 전환회로는 멀티 탭을 갖는 인덕터(220a)를 스위치 회로(230)를 통해 선택적으로 제1 단위 분할 전극(122)과 연결할 수 있다. 인덕터(220a)는 일단은 전류 균형 분배 회로(139)의 출력단과 연결되고, 타단은 접지로 연결된다. 인덕터(220a)의 일단과 타단 사이에 구성된 멀티 탭은 선택적으로 스위치 회로(230)를 통해 제1 단위 분할 전극(122)과 연결된다. 도면에서는 도시되지 않았으나, 인덕터를 대신하여 가변 인덕터를 사용할 수도 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 임피던스 전환기는 다수 개의 캐패시터(220b)로 구성될 수 있다. 다수 개의 캐패시터(220b)는 일단은 전류 균형 분배 회로(139)의 출력단과 연결되고, 타단은 접지로 연결된다. 다수 개의 캐패시터(220b) 사이에 구성된 탭은 제1 단위 분할 전극(122)에 연결된다.
도 15에 도시된 바와 같이, 임피던스 전환회로는 도 14와 동일한 구성으로 캐패시터(220b)를 대신하여 가변 캐패시터(220c)를 사용할 수 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 캐패시터(220b) 사이에 멀티 탭을 구성하여 스위치 회로(230)를 이용하여 선택적으로 제1 단위 분할 전극(122)과 연결될 수 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 제1 단위 분할 전극(122)은 직렬로 연결된 캐패시터(220d)를 통해 고주파 전력을 제공받는다. 제1 단위 분할 전극(122)과 직렬로 연결된 캐패시터(220d)는 제1 단위 분할 전극(122)으로 제공되는 전류를 보호하는 기능을 수행한다.
도 18 내지 도 19는 다양한 형상의 단위 분할 전극이 포함된 다중 분할 전극 세트를 도시한 도면이다.
도 18 내지 도 19에 도시된 바와 같이, 제1 다중 분할 전극 세트(120', 120'')는 정사각형태의 다수 개의 제1 단위 분할 전극(122', 122'')이 행렬 형태로 배열될 수 있다. 예를 들어, 정사각형태의 제1 단위 분할 전극(122') 16개를 행렬 형태로 배열할 수 있다. 또한 직사각 형태의 제1 단위 분할 전극(122'') 8개를 행렬 형태로 배열할 수 있다. 즉, 제1 다중 분할 전극 세트(120', 120'')는 갯수 또는 크기를 조절한 단위 분할 전극(122', 122'')을 이용하여 처리하고자하는 피처리 기판(113)의 크기에 따라 조절할 수 있다. 이때, 제1 단위 분할 전극(122', 122'')과 동일한 형태및 크기로 제2 단위 분할 전극(미도시)가 배열된다.
도 20 내지 도 21은 제1 단위 분할 전극 및 전극 장착판에 가스 분사홀이 구비된 상태를 도시한 도면이다.
도 20 내지 도 21에 도시된 바와 같이, 다수 개의 제1 단위 분할 전극(322)는 가스 공급부(170')의 하부에 구비된다. 이때 가스 공급부(170')와 다수 개의 제1 단위 분할 전극(322) 사이에는 제1 단위 분할 전극(322)이 장착되면서 전기적 절연을 위한 전극 장착판(324)이 구비된다. 전극 장착판(324)에는 다수 개의 홀(324a)이 구비된다. 전극 장착판(324)의 홀(324a)은 가스 공급부(170')의 가스 분사홀 및 제1 단위 분할 전극(322)의 가스 분사구(322a)와 연통된다. 이때, 전극 장착판(324)의 홀(324a)은 다수 개의 제1 단위 분할 전극(322) 사이에도 구비되어 제1 단위 분할 전극(322) 및 제1 단위 분할 전극(322) 사이에서도 가스를 분사한다.
도 22 및 도 23은 가스 분사홀이 구비되거나 구비되지 않은 단위 분할 전극이 포함된 다중 분할 전극 세트를 도시한 도면이다.
도 22에 도시된 바와 같이, 전극 장착판(324')에 부착된 다수 개의 제1 단위 분할 전극(322)에는 다수 개의 가스 분사홀(322a)가 구비되고, 제1 단위 분할 전극(322) 사이에는 홀이 구비되지 않을 수도 있다. 즉, 제1 단위 분할 전극(322)을 통해서만 가스를 분사한다.
또한 도 23에 도시된 바와 같이, 제1 단위 분할 전극(322')에는 가스 분사홀이 구비되지 않고, 제1 단위 분할 전극(322') 사이로 가스가 분사되도록 전극 장착판(324'')에 홀(324a)가 구비될 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 상하 다중 분할 전극이 구비된 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.
100: 플라즈마 반응기 110: 플라즈마 챔버
111: 거치대 112: 기판 지지대
113: 피처리 기판 116: 배기펌프
116-1, 116-2, 181-1, 181-2: 밸브
120, 120‘, 120'': 제1 다중 분할 전극세트
122, 122‘, 122'', 322, 322’: 제1 단위 분할 전극
122a: 가스 분사홀 122b: 입력단
124, 324, 324‘, 324'': 전극 장착판 124a: 배기홀
125: 절연부 132, 132-1, 132-2: 전원 공급원
133: 접지 137, 137-1, 137-2: 임피던스 정합기
139: 전류 균형 분배 회로 140: 제2 다중 분할 전극세트
142: 제2 단위 분할 전극 144: 절연부
160: 제어부 170, 170‘: 가스 공급부
171: 가스 입구 180: 리모트 플라즈마 발생기
182: 세정가스 공급원 184: 공정가스 공급원
220a: 인덕터 220b, 220c, 220d: 캐패시터
230: 스위치 회로 324a: 홀
322a: 가스 분사구

Claims (22)

  1. 플라즈마 방전 공간을 갖고 피처리 기판을 지지하는 기판 지지대를 구비한 플라즈마 챔버;
    상기 플라즈마 챔버의 상부에 구비되며 복수 개의 제1 단위 분할 전극을 갖는 제1 다중 분할 전극세트;
    상기 기판 지지대에 구비되며 상기 제1 다중 분할 전극세트와 용량 결합된 플라즈마를 유도하기 위한 복수 개의 제2 단위 분할 전극을 갖는 제2 다중 분할 전극세트;
    상기 제1 다중 분할 전극 세트 또는 상기 제2 다중 분할 전극 세트로 플라즈마 발생을 위한 고주파 전력을 공급하는 전원 공급원;
    상기 전원 공급원과 상기 제1 또는 제2 단위 분할 전극 사이에 구성되는 임피던스 전환 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다중분할 전극 세트의 상부에는 상기 플라즈마 챔버 내부로 가스를 공급하기 위한 가스 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기.
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  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 단위 분할 전극은 내부에 히터가 포함되는 것을 특징으로 하는 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다중 분할 전극세트는 상기 전원 공급원에 연결되고 상기 제2 다중 분할 전극세트는 접지로 연결되는 것을 특징으로 하는 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다중 분할 전극세트는 접지로 연결되고 상기 제2 다중 분할 전극세트는 상기 전원 공급원에 연결되는 것을 특징으로 하는 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기.
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  14. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기는 상기 플라즈마 챔버 내부의 잔여물을 상기 플라즈마 챔버 외부로 배기하기 위한 배기수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 배기수단은 상기 제1 다중 분할 전극세트 또는 상기 플라즈마 챔버 또는 상기 제1 다중 분할 전극세트와 상기 플라즈마 챔버 모두 중 어느 하나에 구비된 것을 특징으로 하는 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기는 상기 제1 및 제2 단위 분할 전극으로 공급되는 전류의 균형을 조절하기 위한 전류 균형 분배 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기.
  17. 플라즈마 방전 공간을 형성하는 플라즈마 챔버;
    상기 플라즈마 챔버에 구비되어 복수 개의 제1 단위 분할 전극을 갖는 제1 다중 분할 전극세트;
    상기 제1 다중 분할 전극세트와 용량 결합된 플라즈마를 유도하기 위한 복수 개의 제2 단위 분할 전극을 갖는 제2 다중 분할 전극세트; 및
    상기 플라즈마 챔버의 상부에 구비되고 리모트 플라즈마 소스를 생성하여 상기 플라즈마 챔버 내부로 제공하는 리모트 플라즈마 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 상하 다중 분할 전극이 구비된 플라즈마 반응기.
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