KR101308881B1 - 플라즈마 처리장치 - Google Patents

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Abstract

피처리 기판 상부에 고르게 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 처리장치가 개시된다. 이러한 플라즈마 처리장치는 기판 지지대, 플라즈마 발생전극 및 챔버를 포함한다. 상기 기판 지지대는 기판을 지지한다. 상기 플라즈마 발생전극은 상기 기판 지지대 상부에 상기 기판 지지대와 마주보도록 배치되고, 하부를 향해 가스를 분사하며, 외부로부터 인가되는 전기적 파워를 이용하여 상기 가스를 플라즈마로 생성시킨다. 상기 챔버는 상기 기판 지지대 및 상기 플라즈마 발생전극을 수용하고, 상부를 향해서 잔류가스를 배기시키는 배기구가 형성된다. 이러한 플라즈마 처리장치에 의하면, 플라즈마 발생전극이 하부를 향해 가스를 분사하며, 챔버 상부를 통해서 잔류가스를 배기시킴으로써, 플라즈마 발생전극에 생성되는 플라즈마의 균일성을 향상시킬 수 있다.

Description

플라즈마 처리장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 대면적에 적용가능한 플라즈마 처리장치에 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 지지대, 기판 지지대의 상부에 형성되어 피처리 기판을 향해 공정 가스를 분사하는 가스 공급부, 가스를 배출하는 가스 배출부 및 플라즈마 발생전극을 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.
샤워헤드에서 분사되는 가스는 RF파워가 인가되는 사다리 형상의 전극을 통과하며 플라즈마가 되어 기판에 막질을 형성한다. 그러나, 증착속도를 향상시키기 위해서 사다리 형상의 전극에 VHF파워를 인가하는 경우는, 사다리 형상의 전극이 샤워헤드에서 분사되는 가스에 대해서, 새도우 마스크(shadow mask)역할을 하게 되어, 사다리 형상의 전극 하부에는 증착이 거의 이루어 지지 않는 문제점이 있었다.
이를 개선하기 위해서, 사다리 형상의 전극을 통해서 가스를 분사하는 방법이 개발하였으나, 사다리 형상의 전극을 통해서 분사되는 가스가 균일하지 않은 문제가 발생한다.
도 1은 종래의 플라즈마 처리장치를 도시한 개략도이고, 도 2a 및 2b는 각각 도 1에 의한 플라즈마 처리장치에서 생성되는 플라즈마 및 배기되는 잔류가스의 속도 및 압력에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 도 1에서는 기판 지지대(11), 플라즈마 발생전극(12), 챔버(13) 등을 보다 용이하게 볼 수 있도록 크기, 간격 등을 과장하여 도시하였다.
도 1, 2a 및 2b를 참조하면, 종래 플라즈마 처리장치(10)는 챔버(13) 내부에, 기판(S)을 지지하는 기판 지지대(11) 및 플라즈마 발생전극(12)을 구비하고, 플라즈마 발생전극(12)과 기판 지지대(11) 사이에 플라즈마(12)를 발생시켜 기판(S)을 처리한다. 이때, 잔류가스들은 챔버(13) 내부와 기판 지지대(11) 측부의 좁은 공간을 통해서, 기판 지지대(11) 하부의 배기구(14)를 통해서 배기된다. 따라서, 기판(S)의 전면적에 고른 플라즈마(P) 생성이 근본적으로 불가능하다. 즉, 상부를 통해서 비교적 고르게 가스가 공급된다고 하더라도, 도 2에서 보이는 바와 같이, 측부의 좁은 틈을 통해서 기판 지지대(11) 하부로 잔류가스를 배출하게 되어 기판(S)의 표면에 고른 플라즈마(P) 생성이 불가능하게 된다.
이러한 방식은 도 2a 및 2b에서 도시된 바와 같이, 플라즈마(P)가 중앙부에 거의 발생되지 않고, 국부에 제한적으로 발생되어 예컨대, 기판(S) 상부에 불균일한 박막을 형성시킨다. 더욱이, 플라즈마 발생전극(12)에 VHF파워를 인가하는 경우, 이러한 불균일성이 보다 심화되는 문제가 발생된다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 고속증착시 균일도를 향상시킬 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따른 플라즈마 처리장치는 기판 지지대, 플라즈마 발생전극 및 챔버를 포함한다. 상기 기판 지지대는 기판을 지지한다. 상기 플라즈마 발생전극은 상기 기판 지지대 상부에 상기 기판 지지대와 마주보도록 배치되고, 하부를 향해 가스를 분사하며, 외부로부터 인가되는 전기적 파워를 이용하여 상기 가스를 플라즈마로 생성시킨다. 상기 챔버는 상기 기판 지지대 및 상기 플라즈마 발생전극을 수용하고, 상부를 향해서 잔류가스를 배기시키는 배기구가 형성된다.
예컨대, 상기 플라즈마 발생전극은 다수의 선형 전극부재 및 가스 저장부를 포함할 수 있다. 상기 다수의 선형 전극부재는 서로 나란히 배치되고, 각각의 선형 전극부재는 다수의 가스 분사홀을 포함하는 파이프 형상으로 형성된다. 상기 가스 저장부는 상기 선형 전극부재의 단부에 연결되어 상기 선형 전극부재에 상기 가스를 공급한다. 이때, 상기 가스는 상기 다수의 가스 분사홀을 통해서 분사되고, 상기 잔류가스는 상기 선형 전극부재 사이의 공간을 통해서 상부로 배출된다.
한편, 이러한 플라즈마 처리장치는 상기 플라즈마 발생전극 상부에 배치된 배플(baffle)을 더 포함할 수 있다. 이러한, 상기 배플은 다수의 홀을 포함할 수 있으며, 또는, 상기 배플은 서로 나란하게 형성된 다수의 슬릿을 포함하고, 상기 배플은 상기 슬릿의 연장방향이 상기 선형 전극부재의 길이방향과 서로 상이하며, 상기 선형 전극부재에 접촉되도록 배치될 수 있다.
한편, 상기 플라즈마 발생전극은, 내부가 모래시계 형상의 연결부를 더 포함하고, 상기 연결부는 상기 선형 전극부재와 상기 가스 저장부를 연결할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 발생전극은, 내부를 통해서 상기 가스를 상기 가스 저장부에 공급하고, 외부로부터 인가되는 상기 전기적 파워가 동일한 길이를 통해서 연결되도록 상기 가스 저장부의 다수 급전부에 연결된 파이프 구조체를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 다수 급전부의 수는 2n(n은 2이상의 자연수)이고, 상기 파이프 구조체는, 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 연결할 수 있다.
한편, 상기 배기구는, 중앙부에 배치될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 플라즈마 처리장치에 의하면, 플라즈마 발생전극이 하부를 향해 가스를 분사하며, 챔버 상부를 통해서 잔류가스를 배기시킴으로써, 플라즈마 발생전극에 생성되는 플라즈마의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 플라즈마 발생전극 상부에 배플(baffle)을 배치시키는 경우, 배플 상부와 챔버내의 공간에, 급격한 압력변화에 대한 완충공간을 형성하게 되어 난류 발생을 억제하는 동시에 완충공간에 전체적으로 균일한 압력이 가해지게 되어 고른 배기압력을 유지할 수 있다.
또한, 가스 공급부는, 상기 가스 저장부의 다수의 급전부에 연결되고, 외부의 전기적 파워가 인가되는 가스 유입구로부터 상기 다수의 급전부에 이르는 길이가 모두 동일하도록 연결된 파이프 구조체으로 형성함으로써, 급전부들에 대한 전기적 조건을 변화시킴이 없이 상기 가스 저장부에 가스를 공급할 수 있다.
또한, 다수의 급전부의 수는 2n이고, 상기 파이프 구조체은, 상기 다수의 급전부들 중 2개를 연결하기 위한 2n-1개의 제1 파이프들은 서로 이웃하지 않는 급전부들을 연결함으로써, 가스 유입구로부터 다수의 급전부에 이르는 전기적 길이의 동일성을 유지함과 동시에 중심부를 기준으로 하는 양측 에지부의 대칭성을 파괴하여 중심부와 에지부에 보다 고르게 증착막을 형성할 수 있다.
또한, 상기 배기구는, 중앙부에 배치시킴으로써, 플라즈마 생성 및 잔류가스 배출에 대칭성을 부여함으로서, 보다 균일한 증착막을 형성할 수 있다.
도 1은 종래의 플라즈마 처리장치를 도시한 개략도이다.
도 2a 및 2b는, 각각 도 1에 의한 플라즈마 처리장치에서 생성되는 플라즈마 및 배기되는 잔류가스의 속도 및 압력에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 플라즈마 처리장치를 도시한 개략도이다.
도 4a 및 4b는, 각각 도 3에 의한 플라즈마 처리장치에서 생성되는 플라즈마 및 배기되는 잔류가스의 속도 및 압력에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 플라즈마 처리장치를 도시한 개략도이다.
도 6은 도 5에서 도시된 배플을 도시한 사시도이다.
도 7a 및 7b는, 각각 도 5에 의한 플라즈마 처리장치에서 생성되는 플라즈마 및 배기되는 잔류가스의 속도 및 압력에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 8은 도 3 또는 도 5에서 도시된 플라즈마 발생전극을 도시한 사시도이다.
도 9는 도 8의 파이프 구조체를 도시한 사시도이다.
도 10은 도 9의 A부분을 확대한 확대도이다.
도 11은 도 8에서 도시된 프라즈마 발생용 전극의 일부를 도시한 부분 절개 사시도이다.
도 12는 도 8에 도시된 플라즈마 발생용 전극이 종래 플라즈마 처리장치에 형성된 경우 생성된 플라즈마에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 사진이다.
도 13은 비교예에 의한 플라즈마 발생용 전극 및 이에 의해 생성된 플라즈마에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 사진이다.
도 14는 도 11에서 도시된 연결부를 도시한 단면도이다.
도 15는 도 14의 연결부의 출구단 압력(Pback)에 대한 입구단 압력(Pinlet)의 비에 대한 출구단에서 유출되는 가스의 유량에 대한 관계를 도시한 그래프이다.
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 처리장치를 도시한 개략도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 플라즈마 처리장치(1000)는 기판 지지대(1100), 다수의 선형부재(111)를 포함하는 플라즈마 발생전극 및 챔버(1300)를 포함한다.
상기 기판 지지대(1100)는 상기 챔버(1300) 내부의 하부에 배치되어 기판(S)을 지지한다. 기판(S)이 상기 기판 지지대(1100)에 이송되어 안착되면, 상기 플라즈마 발생전극과 상기 기판 지지대(1100) 사이가 가까와지도록 상기 플라즈마 발생전극 및 상기 세섭터(1100) 중 적어도 어느 하나가 이송되며, 상기 기판 지지대(1100) 상부와 상기 플라즈마 발생전극 하부 사이의 공간에 플라즈마 발생공간을 정의한다.
상기 플라즈마 발생전극은 상기 기판 지지대(1100) 상부에 상기 기판 지지대(1100)와 마주보도록 배치된다. 상기 플라즈마 발생전극은 예컨대, 서로 나란하게 배치된 다수의 선형 전극부재(111)를 포함할 수 있으며, 이러한 다수의 선형 전극부재(111)들은, 하부에 가스 분사홀(112)을 갖는 파이프 형상을 갖는다.
상기 파이프 형상을 갖는 다수의 선형 전극부재(111)를 통해서 가스가 공급되면, 상기 가스는 가스 분사홀(112)을 통해서 하부를 향해 분사되며, 분사된 가스는 선형 전극부재(111)에 인가된 외부의 전기적 파워를 이용하여 플라즈마(P)로 생성된다. 이러한 다수의 선형부재(111)를 포함하는 플라즈마 발생전극은 도 8 내지 도 11을 참조로 보다 상세히 설명될 것이다.
상기 챔버(1300)는 상기 기판 지지대(1100) 및 상기 플라즈마 발생전극을 수용한다. 즉, 상기 기판 지지대(1100) 및 상기 플라즈마 발생전극은 상기 챔버(1300) 내부에 배치된다. 상기 챔버(1300)는 예컨대 표면이 아노다이징(Anodizing) 처리된 알루미늄으로 형성될 수 있다. 도시되진 않았으나, 상기 챔버(1300)는 하나 이상의 몸체를 결합하여 형성될 수 있으며, 상부를 개방할 수 있도록 리드가 형성될 수도 있으며, 다양한 변형이 가능하다.
상기 챔버(1300)의 상부에는 잔류가스를 배기시키는 배기구(1400)가 형성된다. 상기 배기구(1400)는 상기 챔버(1300)의 중앙부에 형성될 수 있다. 보다 상세히, 상기 기판 지지대(1100) 또는 플라즈마 발생전극의 중심과 상기 챔버(1300)의 중심이 일치하지 않는 경우, 상기 배기구(1400)는 상기 기판 지지대(1100) 또는 플라즈마 발생전극의 중심부 상부에 형성될 수 있다.
도 4a 및 4b는, 각각 도 3에 의한 플라즈마 처리장치에서 생성되는 플라즈마 및 배기되는 잔류가스의 속도 및 압력에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 플라즈마 발생전극의 상부에서는 배기가스의 속도차 및 압력차가 중앙부와 측부에 차이가 남을 볼 수 있으나, 기판 지지대와 플라즈마 발생전극의 사이 공간, 즉 플라즈마 처리가 이루어지는 공간에서는 중앙부와 측부에 차이가 크지 않게 됨을 확인할 수 있다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 플라즈마 처리장치(1000)에 의하면, 서로 나란하게 배치된 다수의 선형 전극부재(111)를 포함하는 플라즈마 발생전극이 선형 전극부재(111)의 하부에 형성된 가스 분사홀(112)을 통해서 하부의 기판(S)을 향해 가스를 분사하며, 각 선형 전극부재(111)들의 사이의 공간을 통해서 챔버 상부로 잔류가스를 배기시킴으로써, 기판(S)의 전면적에 고르게 가스를 공급하며, 잔류가스 또한 기판의 전면적의 상부를 통해서 고르게 배기시킴으로써, 플라즈마 발생전극에 생성되는 플라즈마의 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 플라즈마 처리장치를 도시한 개략도이고, 도 6은 도 5에서 도시된 배플(400)을 도시한 사시도이다. 도 5에서 도시된 플라즈마 처리장치(2000)는 도 3에서 도시된 플라즈마 처리장치(1000)과 배플(400)을 제외하면, 실질적으로 동일하다. 따라서, 동일 또는 유사한 구성요소는 동일한 참조부호를 병기하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 플라즈마 처리장치(2000)는 기판 지지대(1100), 다수의 선형부재(111)을 포함하는 플라즈마 발생전극, 챔버(1300) 및 배플(baffle, 400)을 포함한다.
상기 배플(400)은 예컨대, 다수의 홀(420)이 형성된 베이스 플레이트(410)로 구성될 수 있다. 이러한 베이스 플레이트(410)는 절연물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 다수의 홀(420)은 각각 직사각형 형상으로 메트릭스 형상으로 배열될 수 있다. 그러나, 상기 다수의 홀(420)의 형상 및 배열은 이에 한정되지 아니한다.
이와 다르게, 다른 실시예에 의한 배플(도시안됨)은 서로 나란하게 형성된 다수의 슬릿(도시안됨)을 포함하도록 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기 배플(도시안됨)은 상기 슬릿(도시안됨)의 연장방향이 상기 선형 전극부재(111)의 길이방향과 서로 상이하도록 배치된다. 바람직하게, 상기 배플(도시안됨)은 상기 슬릿(도시안됨)의 연장방향이 상기 선형 전극부재(111)의 길이방향과 서로 수직하도록 배치될 수 있다.
이때, 상기 배플(도시안됨)은 선형 전극부재에 접촉되도록 배치시킴으로써, 선형 전극부재(111) 사이의 공간과, 상기 슬릿(도시안됨)이 도 6의 홀(420)과 같은 홀을 정의할 수 있으며, 상기 다수의 홀(420)과 동일한 기능을 수행할 수 있다.
상기 배플(400)은 플라즈마 발생전극 하부의 플라즈마 공간과 그 상부의 공간을 분리시키고, 상부의 공간이 완충공간으로 작용하게 된다. 즉, 상기 다수의 홀(420)은 배기가스의 균일한 배기를 가능하게 하는 노즐 쓰로우트(Nozzle throat) 역할을 수행하게 되어, 잔류가스를 균일하게 완충공간으로 유도한다.
따라서, 배플(400) 상부와 챔버(1300)내의 공간에, 급격한 압력변화에 대한 완충공간을 형성하게 되어 난류 발생을 억제하는 동시에 완충공간에 전체적으로 균일한 압력이 가해지게 되어 고른 배기압력을 유지할 수 있다.
도 7a 및 7b는, 각각 도 5에 의한 플라즈마 처리장치에서 생성되는 플라즈마 및 배기되는 잔류가스의 속도 및 압력에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 7a 및 7b를 참조하면, 배플의 상부에서는 배기가스의 속도차 및 압력차가 중앙부와 측부에 차이가 남을 볼 수 있으나, 기판 지지대와 플라즈마 발생전극의 사이 공간, 즉 플라즈마 처리가 이루어지는 공간에서는 중앙부와 측부에 차이가 크지 않게 됨을 확인할 수 있다.
더욱이, 도 4b와 도 7b를 비교하면, 배플을 형성하는 경우, 기판 지지대와 플라즈마 발생전극 사이의 공간에서 중앙부와 측부의 압력차가 거의 없어진 것을 확인할 수 있다.
도 8은 도 3 또는 도 5에서 도시된 플라즈마 발생전극을 도시한 사시도이고, 도 9는 도 8의 파이프 구조체를 도시한 사시도이고, 도 10은 도 9의 A부분을 확대한 확대도이며, 도 11은 도 8에서 도시된 프라즈마 발생용 전극의 일부를 도시한 부분 절개 사시도이다.
도 8 내지 11을 참조하면, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 플라즈마 발생용 전극(200)은 전극부(110), 가스 저장부(130) 및 파이프 구조체(220)로 형성된 가스 공급부(120)를 포함한다.
상기 파이프 구조체(220)는 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(220)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(220)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(220)은 급전부들 중에서 2개를 연결하는 제1 파이프들, 제1 파이프들 중, 두 개를 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 좌우측으로 형성되는 대칭성을 파괴하기 위해서, 상기 제1 파이프들(121a, 121b, 121c, 121d)은 서로 이웃하지 않는 급전부(131)들을 연결하는 것이 바람직하다. 이러한 이유는 다음의 도 12 및 도 13을 참조하여, 보다 상세히 설명될 것이다.
도 12는 도 8에 도시된 플라즈마 발생용 전극이 종래 플라즈마 처리장치에 형성된 경우 생성된 플라즈마에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 사진이고, 도 13은 비교예에 의한 플라즈마 발생용 전극 및 이에 의해 생성된 플라즈마에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 사진이다.
도 12에서 도시된 파이프 구조체(220)의 제1 파이프들은 서로 이웃하지 않는 급전부들을 연결하고 있으나, 도 13에서 도시된 파이프 구조체의 제1 파이프들은 서로 이웃하는 급전부들을 연결하여, 도 13에서 도시된 파이프 구조체의 제1, 제2, 제3 파이프들은 마치 토너먼트 다이어그램처럼 형성되어 있음을 볼 수 있다.
도 13에서 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 12에서 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 8 및 9를 참조하면, 이웃하지 않는 급전부(131)들을 연결하기 위해서는, 파이프 구조체(220)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, 상기 비도전 유입구(121b)를 통해서 외부의 가스 공급 파이프(도시안됨)를 연결하며, 상기 도전 유입구(121a)에 VHF파워 제네레이터(도시안됨)를 연결하여 VHF파워가 외부의 가스 공급 파이프(도시안됨)로 전송되는 것을 차단한다.
또한, 상기 플라즈마 발생용 전극(200)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.
이와 같은 형상의 플라즈마 발생전극을 사용하는 경우, 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(220)와 동일하게 형성하고, 가스 저장부(130)에 별도의 파이프를 연결하여 가스를 공급하는 경우, 급전부(131)에 대한 전기적 조건이 변화되지만, 본 실시예에서와 같이, 파이프 구조체(220)을 통해서 직접 가스를 공급하는 경우, 급전부(131)에 대한 전기적 조건을 변화시킴이 없이, 가스 저장부(130)에 가스를 공급할 수 있다.
한편, 이러한 플라즈마 발생용 전극(200)을 도 3에서 도시된 플라즈마 처리장치(1000)에 장착하여 사용시, 플라즈마 발생용 전극(200)의 양측의 파이프 구조체(220)에 각각 동일한 주파수의 신호가 인가될 수 있으며, 이와 다르게 상이한 주파수의 신호가 인가될 수 있다. 서로 상이한 주파수가 인가되는 경우, 일측의 파이프 구조체(220)를 통해서 인가되어 타측의 파이프 구조체(220)로 진행하는 진행파와 타측의 파이프 구조체(220)를 통해서 인가되어 일측의 파이프 구조체(220)로 진행하는 진행파와의 합성으로 생성될 수 있는 정상파(standing wave)를 억제하여, 플라즈마의 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 14는 도 11에서 도시된 연결부(140a, 140b)를 도시한 단면도이다. 도 15는 도 14의 연결부의 출구단 압력(Pback)에 대한 입구단 압력(Pinlet)의 비에 대한 출구단에서 유출되는 가스의 유량에 대한 관계를 도시한 그래프이다.
가스가 도 14에서 도시된, 모래시계 형상의 연결부(140)를 통과하는 경우, 연결부(140)의 입구로부터 병목부에 이르기까지 지름이 감소하므로, 동일한 부피의 가스가 통과하기 위해서는 병목부에 이르기까지 유속(V)이 증가한다. 따라서, 베르누이의 원리에 따라 유속이 증가하면 압력(P)이 낮아지게 된다.
한편, 연결부(140)를 통과하는 가스의 유량은 입구단과 출구단의 압력차(dP=Pinlet - Pback)가 커지면 증가하므로, 출구단 압력(Pback)을 감소시키면, 압력차(dP)가 커지게 되어 가스의 유량이 증가하게 된다. 그러나, 도 15에서 도시된 바와 같이, 가스의 유량이 증가하다가 병목부에서의 유속이 음속(마하(Mach) 1)에 도달하게 되면, 쵸크 플로우(chocked flow)현상이 발생되어, 출구단 압력(Pback)이 충분히 낮아져도 유량이 더 이상 증가되지 않고 일정하게 유지된다. 환언하면, 출구단에서 압력변화와는 무관하게 일정한 유량을 공급할 수 있다.
한편, 가스가 병목부를 통과한 후, 출구단에 이르기까지 더 가속되어 초음속(마하 1이상)이 되면, 충격파(shock wave)를 발생시키게 되며, 이러한 충격파는 난류 유동의 원인이 된다. 이러한 난류의 형태는 병목부로부터 출구단에 이르기까지의 연결부(140)의 형상 및 출구단 압력(Pback)에 의해 결정된다.
따라서, 파이프 구조체(220)와 선형 전극부재(111) 사이에 가스 저장부(130)를 배치하고, 이들을 내부가 모래시계 형상의 연결부(140b)를 통해서 연결함으로써 가스 공급부(120)의 급격한 압력 변화에 대한 완충역할을 하게 된다. 또한, 복수의 선형 전극 부재(111)가 가스 저장부(130)에 연결되어도 각각의 선형 전극 부재(111)에 동일한 가스 압력을 유지할 수 있다.
또한, 가스 저장부(130)와 선형 전극 부재(111)를 연결부(140a)로 연결하여, 상기 선형 전극 부재(111) 내부를 균일한 압력으로 유지함으로써, 선형 전극 부재(111)에 형성된 가스 분사홀(112)을 통해 분사되는 가스는, 각각의 가스 분사홀(112)로부터 가스 저장부(130)와의 거리와 무관하게, 균일하게 분사될 수 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.
1000, 2000: 플라즈마 처리장치 1100: 기판 지지대
1300: 챔버 1400: 배기구
200: 플라즈마 발생전극 111: 선형 전극부재
130: 가스 저장부 140: 연결부
220: 파이프 구조체 400: 배플
410: 베이스 플레이트 420: 홀
121a, 121b, 121c, 121d: 제1 파이프들
122a, 122b: 제2 파이프들 131: 급전부

Claims (9)

  1. 기판을 지지하는 기판 지지대;
    상기 기판 지지대 상부에 상기 기판 지지대와 마주보도록 배치되고, 하부를 향해 가스를 분사하며, 외부로부터 인가되는 전기적 파워를 이용하여 상기 가스를 플라즈마로 생성시키는 플라즈마 발생전극; 및
    상기 기판 지지대 및 상기 플라즈마 발생전극을 수용하고, 상부를 향해서 잔류가스를 배기시키는 배기구가 형성된 챔버를 포함하고,
    상기 플라즈마 발생전극은,
    서로 나란히 배치되고, 다수의 가스 분사홀을 포함하는 파이프 형상의 다수의 선형 전극부재;
    상기 선형 전극부재에 상기 가스를 공급하는 가스 저장부; 및
    상기 선형 전극부재와 상기 가스 저장부를 연결시키며, 그 내부가, 입구단으로부터 중앙부로 지름이 감소하고, 상기 중앙부로부터 출구단으로 지름이 증가하는 모래시계 형상의 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스는 상기 다수의 가스 분사홀을 통해서 분사되고, 상기 잔류가스는 상기 선형 전극부재 사이의 공간을 통해서 상부로 배출되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 발생전극 상부에 배치된 배플(baffle)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 배플은 다수의 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 배플은 서로 나란하게 형성된 다수의 슬릿을 포함하고, 상기 배플은 상기 슬릿의 연장방향이 상기 선형 전극부재의 길이방향과 서로 상이하며, 상기 선형 전극부재에 접촉되도록 배치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  6. 삭제
  7. 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 발생전극은,
    내부를 통해서 상기 가스를 상기 가스 저장부에 공급하고, 외부로부터 인가되는 상기 전기적 파워가 동일한 길이를 통해서 연결되도록 상기 가스 저장부의 다수 급전부에 연결된 파이프 구조체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 다수 급전부의 수는 2n(n은 2이상의 자연수)이고,
    상기 파이프 구조체는, 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 처리장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 배기구는, 중앙부에 배치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
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