KR101202151B1 - 직사각형 대면적 기판 처리용 고주파 플라즈마 반응기의전압 불균일성 보상 방법 - Google Patents

Abstract

진공처리장치 및 대면적 및 /또는 고주파 플라즈마 반응기에서의 전압 및 전기장 불균일성에 대한 보상방법이 기술된다. 이 방법은 일반적으로 직사각형(또는 정사각형) 대면적 플라즈마 처리 장치 - 예를 들면 LCD, 플라즈마 디스플레이 및 태양전지 생산 또는 공정상 전자기파(RF, VHF)를 이용하는 임의의 다른 반응기 - 에 응용될 수 있다. 진공처리장치는 진공 베셀, 내부 처리 공간을 한정하는 두 개 이상의 전극들, 상기 전극에 연결될 수 있는 하나 이상의 전원, 내부 처리 공간 내에서 처리되는 기판용 기판 홀더 및 가스 인입 수단을 포함하고, 여기서 하나 이상의 전극들은 제 1 단면을 따르는 오목한 종단면 및 제 2 단면을 따르는 볼록한 종단면을 가지고, 상기 제1 단면은 상기 제 2 단면에 평행하다.

플라즈마, 진공처리장치, 보상 유전층, 전압 불균일 보상 방법, 화학기상증착.

Description

직사각형 대면적 기판 처리용 고주파 플라즈마 반응기의 전압 불균일성 보상 방법{VOLTAGE NON-UNIFORMITY COMPENSATION METHOD FOR HIGH FREQUENCY PLASMA REACTOR FOR THE TREATMENT OF RECTANGULAR LARGE AREA SUBSTRATES}

본 발명은 대면적 및/또는 고주파 플라즈마 반응기용 전압 및 전기장 불균일성 보상방법에 관련된다. 이 방법은 일반적으로 직사각형(또는 정사각형) 대면적 플라즈마 공정 장치에 응용된다 - 이것은 (그러나 한정되는 것은 아니다), LCD, 플라즈마 디스플레이 및 태양전지 생산 또는 처리를 위해 전자기파(RF, VHF)를 이용한 다른 반응기에 사용될 수 있다.

오늘날 산업에서 사용되는 무선주파수 발생기들의 표준 주파수는 13.56 MHz 이다. 이 주파수는 국제 통신 규약에 의해 산업용으로 개방되어 있다. 그러나, 더 낮고 높은 주파수들이 플라즈마 커패시터(capacitor) 응용의 초기부터 논의되고 요구되었다. 요즘, PECVD 응용분야에서,(플라즈마가 증가된 화학기상증착(Plasma enhanced chemical vapor deposition) 응용에 있어서), RF 주파수 값을 13.56 MHz 보다 높게 변경시키는 경향이 있고, 그 선호되는 값은 27.12 MHz 및 40.68 MHz 이다(13.56 MHz의 고조파들). 더 높은 주파수들은 PECVD 공정에서 높은 증착속도를 허락하는데 그 결과 생산성을 향상시키고 생산 비용을 낮춘다. 따라서, 본 발명 은 1 내지 100 MHz 범위의 RF 주파수들에 적용되지만, 대부분은 10MHz 이상의 주파수에 관련된다. 더 나아가, 본 발명은 수 GHz의 마이크로파 범위까지도 적용될 수 있다.

대면적 플라즈마 공정 장치에서, RF 주파수가 13.56 MHz 보다 높고 사용되는 기판이 큰 크기(큰 표면적)일 때 심각한 문제가 발생한다. 후술하는 바와 같이, 본 발명에 의해 다루어지는 이러한 문제는 평면 용량형 반응기(planar capacitive reactor)의 최대 크기가 플라즈마를 구동하는 RF 전기력의 자유공간 파장(free space wavelength)과 같거나 3-5% 정도 클 때 중요한 문제가 된다. 그러한 환경하에서, 반응기 사이즈가 RH 전자기파의 자유공간 파장에 대해 더 이상 무시될 수 없다. 그러한 경우, 반응기에 따른 플라즈마 세기(intensity)가 더 이상 균일하게 될 수 없다. 물리적으로, 그러한 제한의 근원은 반응기 내의 "정재파"("standing wave") 공간발진(spacial oscillation)의 시작에 따라 RF 파장이 분포된다는 사실에 있다. 다른 불균일성들도 반응기 내에 또한 발생할 수 있는데, 예를 들면, 플라즈마 공정용으로 제공된 상기 반응성 가스에 의해 야기 된다.

동일한 출원의 미국 특허 제 6,228,438호(이하 US'438)는 정재파 문제를 해결하는 상이한 방법들을 기술하는데, 이 발명은 반응기 전극에 대해 전압 불균일 분포를 초래한다. 미국 특허 제 6,631,692호는 플라즈마 CVD 박막-형성 장치를 기술하고, 여기서 양 전극들은 오목 표면을 가진다. 미국 특허 제 6,631, 692호에 따르면, 이 발명은 좀 더 균일한 플라즈마를 이끌어 내는데, 그러나 이 논문은 아래에 기술되는 "정재파 문제(standing wave probrem)"를 언급하지 않았다. 미 국 특허 '438은 기본적으로 원통형 대칭 평행 판 반응기(cylindrically symmetric parallel plate reactor)의 문제에 초점을 맞추었다. 어떠한 공지의 선행기술도 직사각형 또는 정사각형의 기판 및 전극을 가진 정사각형 박스 형태인 반응기의 경우에 대한 복합 보상(complex compensation) 필요에 대해 언급하지 않았다.

정재파가 캐비티(cavity)내에 형성될 때, 전압 불균일 분포는 플라즈마가 반응기 갭(gap)(캐소드, 애노우드 및 상기 기판 위)내에서 유지될 때 플라즈마 불균일성을 초래할 수 있다. 이것은 목적으로 하는 응용(예를 들면 증착 및 에칭)에 따라서 불균일 처리 및/또는 기판상의 층들의 불균일 특성을 초래할 수 있다. 본 발명은 플라즈마를 필수적으로 사용하지 않는 반응기에도 응용될 수 있다 ; 예를 들면, 가열을 위해 고주파 전자기파를 사용하는 반응기들.

정재파 문제를 이해하고 예측하기 위해서, 이러한 불균일성의 형상 및 반응기 스케일(크기) 및 여기 주파수에 대한 그의 의존도를 측정하기 위해서 실험들이 수행되어 왔다. 미국 특허 '438는 정재파에 의해 야기된 불균일성이 반응기 사이즈 및 여기 주파수에 매우 밀접하게 의존함을 가르쳐준다. 실험은 두가지 타입의 반응기에서 수행되었다.

i) 고주파(67. 8 MHz 및 100 MHz)에서 정재파에 기인한 불균일성이 매우 심한 큰 원통형 반응기(lm 직경인)가 정량적인 연구를 위해 사용되었다. 도 1a는 반응기 직경을 가로지르는 두 극한 아르곤(two extreme Argon) 플라즈마 조건들(압력, RF 힘)에 대한 측정된 및 정규화된 플라즈마 광 강도(light intensity)를 보여준다. 이 실험에서 플라즈마 조건들은 모든 다른 플라즈마 조건들이 적색 및 녹 색 커브 사이에 있는 광 강도 세기 분포를 유도할 수 있도록 선택 되었다. 플라즈마 부재 상태에서는 전기장은 중앙의 RF 분사점에서 2400mm 떨어진 곳에서 제로로 계산될 수 있다. 67.8 MHz에서의 상이한 힘 및 압력 조건하에서 플라즈마를 점화시킴으로써, 거의 제로 플라즈마가 반응기 중심으로부터 약 450 mm 거리에서 발생하는 것을 도 1a에 도시되는 바와 같이 관찰할 수 있다. 플라즈마 존재하에서 균일성의 급격한 감소는 상기 진공상태와 비교하면 정재파를 야기하는 전자기파 파장의 감소에 기인하고 효과적인 플라즈마의 유전율(permittivity) 및 전극간 갭에서 외장분포(sheath distribution)에 기인한다. 플라즈마 여기 주파수를 100 MHz 까지 더 증가시킴으로써, 제로 플라즈마 광 강도 영역(zero plasma light intensity zone)이 400 mm(도 1-a)에서 약 300 mm(도 1-b)까지 변경되는 것을 알 수 있다.

ii) 작은 직사각형 반응기(0.4 m x 0.4 m)가 아르곤 플라즈마에서 이온 플럭스 균일성(ion flux uniformity)을 측정하기 위해 사용되었다. 도 2a, 2b, 및 2c에서, 플라즈마내의 이온 플럭스 균일성에 의해 측정된 플라즈마 균일성이 도시되었다. 이러한 이온 플럭스 균일성은 전자 및 이온 세기 균일에 직접적으로 관련된다. 플라즈마의 이온 밀도 및 전자 밀도 균일성은, 1차(first order)에서의 상기 플라즈마 공정 균일을 결정하는 변수들이 될 수 있다. 이들 도면으로부터, 상기 플라즈마가 13.6 MHz 에서 상대적으로 균일하고 여기 주파수가 60 MHz 및 81 MHz 로 증가할 때 불균일이 증가됨을 볼 수 있다. 이러한 불균일성은 정재파 효과에 기인하고, 이것은 여기 주파수가 증가할 때 더 현저하다. 이 실험 증거는 정재파에 기인한 플라즈마 불균일성이 여기 주파수 및 반응기 사이즈에 기인함을 보여준다. 즉, 불균일성은 여기 파장 및 반응기의 전형적 치수의 스캐일링 차이(scaling difference)에 의존한다는 것이다.

상기 직사각형 경우의 알려진 문제 :

미국 특허 제 '438호는 직사각형 반응기의 경우 및 RF 분사점들(injection points)과 관련하여 추가적인 실무적인 문제가 발생하는 매우 큰 반응기 면적(>1 m²및 더 일반적으로는 3-4 m²)의 경우 정재파 문제에 대한 구체적인 언급이 없다. 반응기 면적이 증가할 때, 수개의 점들에 걸쳐 RF 전류(current)를 분포시키기 위해 여기 전극(캐소드(cathode))상에서 분사점의 수를 증가시킬 것이 요구되고 따라서 RF 전류 밀도를 감소시킬 수 있고 이것에 의해 용융(melting), 기계적 변형, 피로(fatigue) 기타 등과 같은 과열 및 열 충격에 기인하는 장애(failure) 리스크를 감소시킬 수 있다.

TFT 디스플레이들, 플라즈마 디스플레이들, 태양전지 및 다른 것들과 같은 응용 및 장치들을 위한 PECVD 공정에서 광범위하게 사용되는 직사각형 반응기의 경우에, 전자기 전파에 의해 만들어진 정재파 형태는 각각의 반응기 코너 또는 전극 코너의 강한 효과 때문에 비-실린더 대칭 형태(non-cylindrical symmetry shape)를 가진다 (이 해결책도 여전히 전극의 두 축을 따라서 대칭이 될 것이다). 또한, 플라즈마 영역에서 파형(waveform)은 RF 분사 기하구조(RF injection geometry)에 의존하고, 반면, 이러한 분사는 전극의 뒷면에서 발생한다. 만약 반응기 전극의 뒷면 중앙에 잘 위치된 단지 하나의 RF 분사점을 사용할지라도, 정재파에 기인한 코너 효과가 고려되어야 한다. 미국 특허 '438호는 중심에서부터 모서리를 향해 감소하는 유전층의 두께를 가진 기본적으로 원통형 기하구조인 보상 유전층(compensating dielectric layer)의 형상을 기술하고 있다.

엄밀히 말하면, 이 방법은 원통형 기하구조 반응기에 대해 최적화되었고 직사각형 반응기에 사용할 때 충분하게 불균일성을 보상할 수 없다.

[발명의 요약]

미국 특허 '438호는 반응기 사이즈(전극 사이즈) 및/또는 여기 주파수에 대한 특정 변수 범위 - 정재파가 플라즈마 공정에 실질적인 영향을 주기 시작하는 "최소 수준"(임계치)으로서 - 를 교사한다. 이 수준을 정량화하기 위해, 상기 전극 사이즈[m]와 주파수[MHz]의 곱에 의해 주어진 값 "r x f"을 사용할 수 있고, 이것에 의해 크기는 그 (직사각형 또는 정사각형) 전극의 중심으로부터 가장 먼 코너까지 측정될 것이다. 기하학적인 용어로(geometrical terms) 이것은 가상 원의 반경을 나타내고, 하나의 전극의 코너에 외접한다.

최소 수준에 대한 예로서, 플라즈마 균질성(homogeneity)의 2-4%의 편차 범위를 규정할 수 있다. 이 플라즈마 균질성은 상기 표면에 걸쳐서 전자 밀도 또는 이온 밀도의 균질성으로서 규정된다. 어떤 경우에, 전자 및 이온 밀도는 국부적으로 쉽게 측정되지 않는다 ; 그러므로 광원 세기가 전자 밀도에 직접적으로 연관되기 때문에 그 대신 플라즈마 적분 광원 세기(광도)(plasma integrated light intensity(luminosity))가 국부적으로 측정된다. 결과적으로, 플라즈마 광도의 균질성은 플라즈마 균질성을 측정하기 위한 방법으로 사용된다(도 2a 및 2b). 한편, 플라즈마 밀도(전자)는 전극 전압의 제곱에 비례한다고 일반적으로 가정한다. 그러므로, 플라즈마 편차(plasma devition)에서 2-4%의 범위는 전압 편차(플라즈마 편차 값의 반)인 1-2%를 의미한다. 반응기에서 화학평형이 박막 공정 균질성(thin film processing homogeneity)에 높게 기여하기 때문에 플라즈마 공정 균질성(plasma-processing homogeneity)은 플라즈마 균질성(전자 및 이온들)에 의해서만 주어지는 것이 아님이 강조되어야 한다. 그럼에도 불구하고, 공정이 발생하는 전체 표면에 걸쳐서 최소 균일(균질) 플라즈마를 가지는 플라즈마 공정 장치에 대한 설계가 요구된다.

"r x f" 면에서, 이러한 임계치는 5 m?MHz (또는 5 X 10⁶ m?Hz) 범위내에 있다. 이 예는 13.6 MHz의 주파수 및 0.5 m의 반응기(전극) 사이즈(반경 또는 반 대각선)에 해당한다.

한편, "r x f"에 대한 상한이 있는데, 아래에서 설명되는 기술은 그러한 한계를 정하고 있다. 이 상한은 50 m?MHz (또는 5 x10⁷ m?Hz) 범위 내이다. 더 나아가, 여기 주파수(excitation frequency)에 대한 상한도 있는데, 이것은 오늘날 2500 MHz범위이다.

그러므로 본 발명에 따른 진공처리장치는 진공 베셀, 내부 처리 공간을 한정하는 두 개 이상의 전극들 및 전극들에 연결될 수 있는 하나 이상의 전원을 포함한 다. 처리될 기판용 기판 홀더는 내부 처리 공간 및 가스 인입 수단 내에 설치되고, 예를 들면 샤워 헤드 원리(shower head principle)를 따른다. 적어도 전극 중의 하나는 제 1 단면을 따르는 오목한 종단면 및 제 2 단면을 따르는 볼록한 종단면을 가지고, 여기서 상기 제1 단면은 상기 제 2 단면에 평행하다. 상세히 기술된 아래 부분 및 도면들의 도움으로 이것을 알 수 있다.

일구현예에서, 베셀 내의 전극 중의 두 개는 각각 제 1 단면을 따르는 오목한 종단면 및 제 2 단면을 따르는 볼록한 종단면을 가지고, 여기서 상기 제1 단면은 상기 제 2 단면에 평행하다. 바람직하게, 이러한 전극들은 동일한 형상으로 가공될 수 있다. 전원은 13.56 MHz 이상의 주파수에 대해 무선 주파수 전원이 될 수도 있고 여기서 바람직한 구현예는 두 개 이상의 접속 점에서 한 개 이상의 전극과 연결될 수도 있다. 본 발명의 다른 구현예에 따르면 기판 및 전극 중 하나 사이의 공간에 보상 유전층(corrective dielectric layer)이 최소한 부분적으로 공급될 수 있고, 이것은(추가적인 구현예) 전극의 형상을 보완(complement) 할 수 있고, 기판을 유지하도록 구성될 수도 있다.

본 발명의 이용을 위하여 진공 처리 장치에 있어서 하나 이상의 평평한 기판을 처리하는 방법은 내부 처리 공간에 상기 기판을 도입하는 단계, 가스 인입 수단에 의해 내부 처리 공간에 가스를 제공하는 단계, 상기 전극에 의해 내부처리 공간에 전원을 인가하는 단계, 및 상기 기판을 처리하는 단계를 포함하며 예로서 가열, 코팅 또는 에칭(etching)하는 것을 포함한다.

도 1a : 두 개의 극한(extreme) 아르곤 플라즈마 조건을 위한 67.8 MHz 여기 주파수의 경우의 반응기 직졍에 걸친 플라즈마 광 강도 분포. 모든 다른 조건들은 이 두 커브들 사이의 광 강도 분포를 초래한다. 정재파 효과에 의해 야기된 플라즈마 밀도 변수들이 67.8 MHz, 반경=400 mm에 대해 거의 제로 밀도 플라즈마를 유도한다는 것이 명확하다. 상기 실험 조건들 및 플라즈마가 없는 상태에서, 제로로의 감소는 r=2400 mm에서 일어날 것으로 예측된다. 이것은 플라즈마의 존재가 정재파 효과를 증가시켜, 훨씬 작은 반경(r～450 mm)에서는 필드(field)의 감소를 유도함을 의미한다.

도 1b: 100 내지 500 mbar 사이의 압력 수준 및 종래의 평면전극에서의 다양한 플라즈마 방전 조건들에 대해 100 MHz 여기 주파수의 경우에 반응기 직경에 걸친 플라즈마 광 강도 분포(PECVD 범위내에서). 67.8 MHz (도 2a에서 약 450 mm) 및 100 MHz (도 2b에서 약 300 mm) 사이에서 최소 광 강도(the minimum light intensity)의 위치상의 쉬프트를 주목하라.

도 2a, 2b, 및 2c : 3가지의 상이한 여기 주파수의 경우의 전기 프로브들(electrical probes) (64 =8x8 프로브들)에 의해 측정된 0.4m x 0.4m 반응기에 대한 플라즈마 이온 플럭스(Ion flux)(Ji) 균일 종단면. 도 2a : 13.6 MHz에서 점화된 플라즈마, 도 2b : 60 MHz에서 점화된 플라즈마, 및 도 2c: 81.4 MHz에서 점화된 플라즈마.

도 3a: 직사각형 반응기의 경우에 대한 전극의 3-D 형상. 유리는 CDL위에 위치된다. 이때 CDL은 유리와 전극 사이에 있다. 최소 CDL두께가 제로보다 커 질 수 있음을 알 수 있는데, 이것은 유리 기판이 반드시 전극 위에 직접 놓이지 않는다는 것을 의미한다.

도 3b: 본 발명에 따른 전극의 3-D 형상. CDL은 전극의 보체 부분(complementary part)이다. (즉 상기 전극의 네거티브).

도 3c: 도 3b에서 선 F에서 C를 따라 움직일 때 전극 표면은 일반적으로 볼록 형상이고 (AFD에서), 이것은 점차 오목 형상으로 변한다(ECH에서). 이와 같은 사실은 반-길이점(the half-length points) (E, F, G, H)으로부터 중심 C를 향하는 모든 대응하는 이동의 경우에도 그러하다. 도 3c에서, 전극이 E 와 H에서 가장 두껍고, F 와 G에서 얇아지고, A, B, 및 D에서 더 얇아지고, C에서 가장 얇게 됨을 확인할 수 있다.

도 3d: 전극 형상의 또 다른 도면이다.

도 3e: 선행 기술(밝은 회색)의 전극 형상과 본 발명(어두운 회색)의 전극 형상의 차이점을 보여준다. 미국 특허 '438호의 가우스 커브는 본 발명에서처럼 볼록커브로 교차하는 것이 아니라 모서리들과 오목 커브로 교차한다. 그 때문에 플라즈마의 불균일성이 상기 반응기의 중심에 대해서는 보상될 수 없다.

도 4 : 반응기 및 보상 구조(compensation configuration)에 대한 변형(variant) 1

도 5 : 반응기 및 보상 구조에 대한 변형 2.

도 6 : 반응기 및 보상 구조에 대한 변형 3. 이러한 경우, 기판은 전극의 금속부분과 접촉한다는 것이 중요하다 ; 그렇지 않다면 플라즈마는 이들 사이내의 공간에 충진되어 보상효과(compensation effect)를 제거할 것이다. 상기 도면은 모서리에서의 거리를 확대하여 도시하였다.

도 7 : 반응기 및 보상 구조에 대한 변형 4.

도 8a : CDL 형상의 등고선 (평면도). 이들 등고선은 어떻게 전극이 가공되는지 나타낸다.

도 8b: CDL 및 전극 어셈블리의 측면도. 스텝의 수는 이상적인 형상과, 근사스텝 형상(approximated step shape) 사이의 차이 및 가공 비용을 최소화하도록 선택된다.

본 발명은 직사각형 또는 정사각형 반응기에서 정재파 문제에 대한 보상 방법(compensation scheme)을 소개한다. 상기 보상은 보상 유전층(Compensation Dielectric Layer)(이하, CDL 또는 "Lens")에 기초한다. 상기 CDL층은 진공, 가스, 액체 또는 고체를 포함하는 임의의 유전 물질이 될 수 있다. 상기 CDL은 플라즈마 측면을 향한 평평한 평면 표면 및 전극 측면을 향해 복잡하게 만곡된 표면을 가진다.

이러한 CDL의 복잡하게 만곡된 표면이 기하학적으로 포지티브로 여겨진다면, 전극의 표면은 이에 상응하는 기하학적 네거티브를 형성할 것이다(도 3-a).

본 발명의 상기 CDL층을 수용하기 위해서, 전극은 그것에 알맞게 형상화되어야 한다. 다음에, 상기 전극의 만곡된 표면(이것은 CDL 표면처럼 전환된 표면(inverted surface)과 동일하다)이 기술될 것이다.

원통 대칭형 반응기에 대해 유효한(미국 특허 제 '438호에 기술된 것처럼) 다소 부드럽고, 오목하며, 그리고 규칙적으로 형상화된 렌즈의 경우와 반대로, 본 발명자들은 직사각형 구조에 있어서 보상 길이(compensation length)의 가장 좋은 설계는 단순하지 않음을 발견하였다. 이러한 최적의 기하구조를 아래에 기술한다.

참고로, 최대 전극 두께의 평면이 점 E 및 H를 통하여 지나가고 XY평면에 평행하게 놓여짐을 도 3-b에서 도시한다. 어떤 유전물질이 사용되는 지에 따라서, 이것은 CDL 두께가 점 H 및 E에서 제로가 됨을 의미하지 않는다(도 3a, 3b, 및 3d). 도 3b에서, 4개의 전극 두께 종단면이 기술된다 : 단면 AFD 및 ECH는 YZ 평면과 평행하고(짧은 치수) AEB 및 FCG는 XZ 평면에 평행하다(긴 치수). C는 전극의 중심에 놓여있고 E, F, G 및 H 각각은 그들 각각 치수에서의 반-길이(half-length)를 나타낸다.

CDL 두께 및 최대 전극 두께로부터 감소는 전극 중심(점C)에서 최대가 되고 따라서 전극은 C에서 가장 얇아진다. 전극은 E 및 H에서 가장 두껍다(가장 긴 치수의 반 길이). 따라서 전극의 두께는 E&H로부터 F&G로, 다시 A&B&D로, C로 연속적으로 감소한다.

도 3-c는 CDL을 수용하기 위한 직사각형 전극의 필수형상(necessary shape)을 추가적으로 나타낸다 : 선 F에서 C를 따라 이동할 때, 전극의 표면은 볼록형상을 일반적으로 가지고(AFD에서), 이것은 점차 오목형상으로 바뀌게 된다( ECH에서). 이와 같은 사실은 반 - 길이점(the half-length points) (E, F, G, H)으로부터 중심 C를 향한 모든 대응하는 움직임의 경우에도 그러하다. 도 3c에서, 전극이 E 와 H에서 가장 두껍고, 그런데 F 와 G에서 얇아지고, A, B, 및 D에서 더 얇아지고, C에서 가장 얇게 됨을 확인할 수 있다.

CF는 CE와 길이가 같고, AD는 AB와 길이가 같은 정사각형 반응기의 경우, 전극의 두께는 E, F, G 및 H에서 같고 이들은 A, B 및 D보다 두꺼움을 쉽게 결론 내릴 수 있다.

전형적인 CDL 치수는 다음과 같다 :

- X, Y 치수(길이, 폭)에서, 0에서 5m까지

- Z치수에서 전형적인 수 밀리미터(mm)들(큰 장치 및 높은 주파수에서는 수 센티미터로 커질 것이다)

도 3c에서 수치적인 예를 나타낸다 : AB = 2.2 m, AD = 2m, 최대 갭( maximum gap)(d_max)은 진공 및 27 MHz의 여기 주파수에 의해서 형성된 CDL의 경우 3.2 mm의 범위 내에 있다.

도 3e는 선행 기술(미국 특허 제 '438호)의 간단한 변경 및 본 발명 사이의 차이점을 나타낸다 : CDL의 형상은 직사각형 전극에 대한 가우스 커브(밝은 회색)의 변경이 결코 아니라, 본 발명에 따라 직사각형 반응기의 모서리에서의 플라즈마 불균일성에 대한 보상을 위한 조치를 취하는 주의 깊게 설계된 형상(검은색)이다.

본 발명은 보상된 하부 전극 및 유전체로서 진공(또는 가스)을 사용한 해결 책에 초점을 맞추었다. 반응기 구조에 대한 다른 변형들뿐만 아니라 유전체 보상에 대한 다른 구현예가 또한 사용될 수 있다 :

- 두 개의 반응기 구조가 사용될 수 있다 : I) CDL이 기판 홀더로 일반적으로 사용되는 하부 전극용으로 사용될 수 있고, II) CDL이 플라즈마 공정 목적용(PECVD, PVD, 에칭 및 다른 이러한 공정들)인 소위 가스 샤워 헤드(gas shower head)로서 일반적으로 사용되는 상부 전극에서 사용될 수 있다.

양쪽 전극상에 렌즈(lens)를 가지는 그런 경우들을 추가하는 것이 유용할 수 있다. 이 경우에, 각 렌즈 두께는 단일 전극에서의 렌즈 두께의 반이 될 것이다. 이 경우는 반응기가 대칭인 경우에 어떤 장점들을 제공할 수 있다(양 전극은 똑같다). 이것은 또한 전기장 반경 성분의 진폭을 감소시키는 것을 허용하며, 결과적으로 전극 형상이 된다. 렌즈가 두꺼워지거나 또는 플라즈마가 높은 전도성일때(저압에서 고밀도 플라즈마) 이러한 방사상 전기장은(radial electric field) 균일성에 대한 제한 인자(limiting factor)가 될 것이다.

또한, 주요한 두 개의 CDL 구현예가 사용될 수 있다 : I) 유전체는 진공 또는 가스가 될 수 있으며( 1에 근접하는 상대 유전 상수(relative dielectric constant) ε_r 을 갖는), 또는 II) 그것은 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconia), 석영(quartz) 또는 목표 공정의 열적 화학적으로 양립가능한 사양을 만족시키는 임의의 다른 물질들과 같은 적절한 유전 물질들( 1보다 큰 ε_r 을 갖는)에 의해서 충진될 수 있다.

위에 언급된 변형들을 결합함으로써, 4개의 주요 구현예들로 요약하여 정리할 수 있다.

- 변형 1 (도 4) : CDL은 상부 전극내 또는 위에 놓여지고, 진공이 주요 유전체로서 사용된다. 이 경우에, 유전판은 일정한 갭(z 축상에서 플라즈마 두께)으로 된 플라즈마를 유지하기 위해 상부 전극 위에 사용될 수 있다. 공정가스는 상부 전극으로부터 주어진 분배 수단(샤워 헤드)들을 통해 흐르고 이어서 적절한 구멍들이 가스를 플라즈마 존을 향해 지나가도록 하기 위해 분배되어 있는 유전체 플레이트를 통해 흐른다.

- 변형 2 (도 5) : CDL은 상부 전극 내에 또는 위에 놓여지고 유전 물질(ε_r > 1 인)이 사용된다. 이 유전물질이 가스가 플라즈마 존을 통과하도록 하기 위해 다공성이 될 수 있고 또는 동일한 목적을 위해 유전물질 내에 구멍들을 배치할 수 있다.

- 변형 3 (도 6) : CDL은 바닥 전극 영역 내에 놓여진다. 진공이 유전체로서 사용되고 기판이 전체 반응기 부피를 가로질러 플라즈마 갭을 일정하게 유지시키는 방법으로 사용된다. 기판이 유전체 위에서 유지되고, 견고하고 평평한 위치상에 기판을 유지하는 이러한 분배된 핀들 위에 놓여진다. 기판을 적절히 유지하기 위해, 100 mm의 범위 내에 핀과 핀 거리(pin-to-pin distances)로 된 지지 핀 분배(supporting pin distribution)가 약 300℃온도에서 전형적인 0.7 mm 두께의 평평한 유리 기판을 유지하기 위해 바람직하다. 지지핀은 가능한 한 플라즈마 거 동에 거의 영향을 주지 않도록 설계되는데, 이것은 기판위에 처리되는 막 위에서 직접적인 교란(perturbation)을 초래할 수 있고, 막(두께, 전기적 특성)의 국부적인 결함에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 얇은(thin)(가느다란(slim)) 지지핀(일반적으로 r < 2 mm인)을 사용하는 것은 < 2%의 수준까지 이 영향을 감소시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다. (또한 DE10134513 Al 참조)

- 변형 4 (도 7) : CDL은 하부 전극 내에 또는 위에 성형되고 유전 물질(ε_r > 1 인)이 사용된다.

- 변형 5 : CDL은 바닥 전극 내에 또는 위에 성형되고, 유전 물질(ε_r= 1 또는 ε_r > 1 인)의 결합이 사용된다.

당해 기술분야의 당업자에게 명백한 바와 같이, 모든 이러한 변형들은 서로 결합될 수 있다. CDL의 형상이 다소 복잡하기 때문에, CDL을 수용하는 전극에 대해서도 또한 똑같이 적용될 수 있을 것이다. 실무상, 가공 비용을 절약하기 위해 주어진 높이의 좀 더 단순한 스텝들(steps)의 근사를 이용하여 CDL 및/또는 CDL의 유전 물질을 포함하는 전극을 가공할 수 있다. 전극 형상을 정확하게 한정하기 위해 필수적인 스텝들의 수는 이 스텝들이 플라즈마 공정에 영향을 주지 않을 것이라는 사실에 의해 주어진다. PECVD 공정에서, 실질 스텝 높이( practical step height)는 0.1 mm를 초과하지 않는다. 결과적으로 3 mm CDL에 대해서 ; 0.1 mm 높이의 최소 30 스텝들을 가공하여야 한다.

사실, 스텝들의 수에 대해 좀 더 일반화할 수 있다. 우리는 목적으로 하는 균일성의 면에서 필요로 하는 스텝들의 수를 추정할 수 있다. 만약 유플래트(Uflat)가 평전극 경우에 대해 전기장 균일성(electric field uniformity)이라고 하면, n 스텝들의 균일성의 추정은 Uflat/(n 스텝+1)로 주어진다 즉, Uflat=10% 이면 9 스텝들은 1%의 균일성을 준다.

도 8-a에서, 등고선의 예가 제시된다. 이 등고선들은 가공되는 스텝들의 위치를 규정하기 위해 사용될 수 있다. 따라서 제조법을 단순화하는 것이 가능하다. 이와 대응되는 단면도가 도 8-b에 제시된다.

본 발명의 추가적인 장점

본 발명에 따른 CDL층 및 이와 대응되는 전극은 다른 공정을 위해 사용될 수 있고, 이것이 반드시 플라즈마 공정만을 내포하는 것은 아니다. 가열(또는 건조)을 하기 위한 전자기파를 이용하는 챔버(chambers)들 용으로 사용될 수 있다. 이러한 응용에 있어서, 상기 공정은 가열이 될 수 있으며 CDL에 의한 전기장 불균일성의 보상이 균일 온도 분포를 달성하도록 도울 수 있다.

본 발명에 의해 균일한 플라즈마 밀도를 달성하기 위해서, LCD, 플라즈마 디스플레이 또는 반도체 응용에 이용된 층들에 대한 매우 중요한 파라미터는 소위 습식-에치 속도 균일성(wet-etch rate uniformity)으로, 이것은 층의 화학 양론(stoechiometry of a layer)과 거의 일치한다 : 본 발명은 기판 면적에 대해 층들의 좀 더 균일한 습식 에치 속도를 유도할 수 있으며, 그러므로 전체 층 두께의 감소를 얻을 수 있으며 결국 건식 또는 습식 에칭 공정에서뿐만 아니라 PECVD 증착에서 비용을 절약할 수 있다.

좀 더 균일한 플라즈마 분포를 수득함으로써, 본 발명은 결과적으로 증가된 층 균일성 및 층 두께 균일성이라는 전체적으로 일련의 장점들을 얻을 수 있다 : 기판 면적에 대한 반 전도성 층들(semi conducting layers)의 더 높은 도핑 균일성(doping uniformity)이 달성될 수 있다. 예를 들면, LCD 기술에서, 좀 더 균일한 층들이 좀 더 평평하게 에치되면 백 채널 에치 최적화(back channel etch optimization)를 위한 장점이 될 수 있으며 따라서 좀 더 얇게 도프된(doped) 층들, 더 얇은 HDR층, 더 짧은 에칭 시간, 나은 이동성, 및 일반적으로 낮은 생산비용을 유도할 수 있다.

또한, PECVD 공정에서 중요한 문제는 위에 언급된 지지핀들(supporting pins)에 대립되는 운반핀들(transport pins)인 하부 전극으로부터 기판을 위로 상승시키기 위해 사용되는 핀들의 존재와 배열이다. 이런 운반핀들은 상기 공정의 다른 스테이지들(stages)(예를 들면, 기판의 로딩 및 비 로딩 동안)에서 기판을 들어올리며 따라서 부서지지 않도록 튼튼하게 설계될 필요가 있다. 표준 반응기에서 이러한 운반 핀들의 존재는 막 성장 교란을(온도 불균일, 정전기장의 교란에 의해) 야기하여 불균일 에치 속도를 결과시킨다. 만약 핀이 장치의 활성 영역(active area) 내 또는 근처에 위치된다면 - 예를 들면 LCD TFT 어레이(array)의 활성 영역에서 - 이 효과는 특히 교란을 야기할 것이다. 본 발명에 의하면, 기판 아래에 있는 유전체 렌즈는 운반 핀 교란의 충격을 많이 감소시킨다. 따라서 본 발명은 좀 더 튼튼한 핀 설계를 구현하기 위하여 큰 직경의 핀의 사용을 가능하게 한다. 고정 지지핀들은(static supporting pins) (도 6에서 도시된 바와 같은) 공정 교란을 비-유의 수준(non-significant level)까지 감소시킬 수 있도록 충분히 작게 만들어질 수 있다.

Claims (13)

1. 진공 베셀, 내부 처리 공간을 획정하는 두 개 이상의 전극들, 상기 전극에 연결될 수 있는 하나 이상의 전원, 상기 내부 처리 공간 내에서 처리되는 기판을 위한 기판 홀더 및 가스 인입 수단을 포함하고, 상기 전극들 중 적어도 하나는 주변 모서리들을 구비하는 직사각형 또는 정사각형 형상이며, 상기 적어도 하나의 전극은 별개의 단면들에서(at different cross-sections) 오목한 종단면(concave profile) 및 볼록한 종단면을 가지며, 여기에서 상기 하나 이상의 전극은 각각의 모서리를 따라 이루는 단면에서 점진적으로 볼록한 종단면(A-F-D)을 가지며, 이는 전극의 중심(C)을 관통하는 단면을 따라서 오목한 종단면(E-C-H)이 되도록 점진적으로 변화하며, 중심을 관통하는 단면(E-C-H)은 모서리를 따르는 각 단면(A-F-D)과 평행인 것을 특징으로 하는 진공처리장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전극들 중 두개의 전극은 각각 주변 모서리들을 구비하는 직사각형 또는 정사각형 형상이며, 상기 전극들 각각은 별개의 단면들에서 오목한 종단면 및 볼록한 종단면을 가지며, 여기에서 상기 각각의 전극들은 각각의 모서리를 따라 이루는 단면에서 점진적으로 볼록한 종단면(A-F-D)을 가지며, 이는 전극의 중심(C)을 관통하는 단면을 따라서 오목한 종단면(E-C-H)이 되도록 점진적으로 변화하며, 중심을 관통하는 단면(E-C-H)은 모서리를 따르는 각 단면(A-F-D)과 평행인 것을 특징으로 하는 진공처리장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 전극들은 형상이 동일한 진공처리장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 전원이 13.56 MHz 이상의 주파수용 무선 주파수 전원인 진공처리장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 전극들 중 하나 이상이 두 개 이상의 접속점에서 전원과 연결되는 진공처리장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 기판과 상기 전극들 중 하나 사이의 공간에 보상 유전층(corrective dielectric layer)이 최소한 부분적으로 공급되는 진공처리장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 보상 유전층의 한 표면이 상기 전극의 형상을 보완(complement)하는 진공처리장치.
8. 제 6항에 있어서, 상기 보상 유전층의 한 표면이 상기 기판을 수용하도록(hold) 구성된 진공처리장치.
9. 제 6항에 있어서, 상기 보상 유전층은 진공, 가스, 알루미나, 지르코니아(zirconia) 또는 석영(quartz)을 포함하는 진공처리장치.
10. 제 1항 또는 제 6항에 있어서, 상기 가스 인입 시스템은 가스를 내부 처리 공간으로 제공하기 위해 전극 또는 보상 유전층내에 한 세트의 구멍들을 포함하는 진공처리장치.
11. 다음의 단계들을 포함하는 제 1항에 따른 진공처리장치에서 하나 이상의 평평한 기판을 처리하는 방법 :

    두 개 이상의 전극들 사이에 있는 내부 처리 공간내에 상기 기판을 도입하는 단계 ;

    가스 인입 수단에 의해 내부 처리 공간에 가스를 제공하는 단계 ;

    상기 전극에 의해 내부처리 공간에 전원을 인가하는 단계 ; 및

    상기 기판을 처리하는 단계.
12. 제 11항에 있어서, 상기 처리방법이 가열, 코팅, 에칭 중의 하나를 포함하는 방법.
13. 제 11항에 있어서, 상기 기판이 유리 기판, 평판 디스플레이, 반도체 기판중 하나를 포함하는 방법.

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