KR101463934B1

KR101463934B1 - 혼합형 플라즈마 반응기

Info

Publication number: KR101463934B1
Application number: KR1020080051503A
Authority: KR
Inventors: 위순임
Original assignee: 주식회사 뉴파워 프라즈마
Priority date: 2008-06-02
Filing date: 2008-06-02
Publication date: 2014-11-26
Also published as: KR20090125406A

Abstract

본 발명의 혼합형 플라즈마 반응기는 플라즈마 반응기, 상기 플라즈마 반응기 내부에 용량 결합된 플라즈마 방전을 유도하기 위한 복수개의 용량 결합 전극을 포함하는 용량 결합 전극 어셈블리, 상기 복수개의 용량 결합 전극으로 무선 주파수 전원을 공급하기 위한 제1 전원 공급원, 상기 플라즈마 반응기 내부에 유도 결합된 플라즈마 방전을 유도하기 위한 무선 주파수 안테나, 및 상기 무선 주파수 안테나로 무선 주파수 전원을 공급하기 위한 제2 전원 공급원을 포함한다. 본 발명의 혼합형 플라즈마 반응기에 의하면, 복수개의 용량 결합 전극과 무선 주파수 안테나에 의해 대면적의 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있다. 또한, 복수개의 용량 결합 전극을 병렬 구동함에 있어서 전류 균형을 자동적으로 이루도록 함으로 용량 결합 전극들의 상호간 용량 결합을 균일하게 제어하여 고밀도의 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있다. 그리고 복수개의 용량 결합 전극을 사용하여 플라즈마의 대면적화를 용이하게 이룰 수 있다.

용량결합플라즈마, 유도결합플라즈마, 플라즈마 반응기, 전류 균형

Description

혼합형 플라즈마 반응기{COMPOUND PLASMA REACTOR}

본 발명은 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 구체적으로는 용량 결합 플라즈마와 유도 결합 플라즈마를 혼합적으로 발생할 수 있어서 대면적의 플라즈마를 보다 균일하게 발생하여 대면적의 피처리 대상에 대한 플라즈마 처리 효율을 높일 수 있는 혼합형 플라즈마 반응기에 관한 것이다.

플라즈마는 같은 수의 음이온(positive ions)과 전자(electrons)를 포함하는 고도로 이온화된 가스이다. 플라즈마 방전은 이온, 자유 라디컬, 원자, 분자를 포함하는 활성 가스를 발생하기 위한 가스 여기에 사용되고 있다. 활성 가스는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며 대표적으로 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.

용량 결합 플라즈마 소스는 정확한 용량 결합 조절과 이온 조절 능력이 높아 서 타 플라즈마 소스에 비하여 공정 생산력이 높다는 장점을 갖는다. 반면, 무선 주파수 전원의 에너지가 거의 배타적으로 용량 결합을 통하여 플라즈마에 연결되기 때문에 플라즈마 이온 밀도는 용량 결합된 무선 주파수 전력의 증가 또는 감소에 의해서만 증가 또는 감소될 수 있다. 그러나 무선 주파수 전력의 증가는 이온 충격 에너지를 증가시킨다. 결과적으로 이온 충격에 의한 손상을 방지하기 위해서는 무선 주파수 전력의 한계성을 갖게 된다.

한편, 유도 결합 플라즈마 소스는 무선 주파수 전원의 증가에 따라 이온 밀도를 쉽게 증가시킬 수 있으며 이에 따른 이온 충격은 상대적으로 낮아서 고밀도 플라즈마를 얻기에 적합한 것으로 알려져 있다. 그럼으로 유도 결합 플라즈마 소스는 고밀도의 플라즈마를 얻기 위하여 일반적으로 사용되고 있다. 유도 결합 플라즈마 소스는 대표적으로 무선 주파수 안테나(RF antenna)를 이용하는 방식과 변압기를 이용한 방식(변압기 결합 플라즈마(transformer coupled plasma)라고도 함)으로 기술 개발이 이루어지고 있다. 여기에 전자석이나 영구 자석을 추가하거나, 용량 결합 전극을 추가하여 플라즈마의 특성을 향상 시키고 재현성과 제어 능력을 높이기 위하여 기술 개발이 이루어지고 있다.

무선 주파수 안테나는 나선형 타입 안테나(spiral type antenna) 또는 실린더 타입의 안테나(cylinder type antenna)가 일반적으로 사용된다. 무선 주파수 안테나는 플라즈마 반응기(plasma reactor)의 외부에 배치되며, 석영과 같은 유전체 위도우(dielectric window)를 통하여 플라즈마 반응기의 내부로 유도 기전력을 전달한다. 무선 주파수 안테나를 이용한 유도 결합 플라즈마는 고밀도의 플라즈마 를 비교적 손쉽게 얻을 수 있으나, 안테나의 구조적 특징에 따라서 플라즈마 균일도가 영향을 받는다. 그럼으로 무선 주파수 안테나의 구조를 개선하여 균일한 고밀도의 플라즈마를 얻기 위해 노력하고 있다.

그러나 대면적의 플라즈마를 얻기 위하여 안테나의 구조를 넓게 하거나 안테나에 공급되는 전력을 높이는 것은 한계성을 갖는다. 예를 들어, 정상파 효과(standing wave effect)에 의해 방사선상으로 비균일한 플라즈마가 발생되는 것으로 알려져 있다. 또한, 안테나에 높은 전력이 인가되는 경우 무선 주파수 안테나의 용량성 결합(capacitive coupling)이 증가하게 됨으로 유전체 윈도우를 두껍게 해야 하며, 이로 인하여 무선 주파수 안테나와 플라즈마 사이의 거리가 증가함으로 전력 전달 효율이 낮아지는 문제점이 발생된다.

최근 반도체 제조 산업에서는 반도체 소자의 초미세화, 반도체 회로를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판의 대형화, 액정 디스플레이를 제조하기 위한 유리 기판의 대형화 그리고 새로운 처리 대상 물질 등장 등과 같은 여러 요인으로 인하여 더욱 향상된 플라즈마 처리 기술이 요구되고 있다. 특히, 대면적의 피처리물에 대한 우수한 처리 능력을 갖는 향상된 플라즈마 소스 및 플라즈마 처리 기술이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 대면적의 플라즈마 균일하게 발생 및 유지 할 수 있는 혼합형 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 혼합형 플라즈마 반응기의 용량 결합 전극들의 상호간 용량 결합을 균일하게 제어하여 고밀도의 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있는 혼합형 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 혼합형 플라즈마 반응기의 용량 결합 전극의 전류 공급을 균일하게 제어하여 고밀도의 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있는 혼합형 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 대면적화가 용이하며 고밀도의 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있는 혼합형 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 혼합형 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 본 발명의 혼합형 플라즈마 반응기는: 플라즈마 반응기; 상기 플라즈마 반응기 내부에 용량 결합된 플라즈마 방전을 유도하기 위한 복수개의 용량 결합 전극을 포함하는 용량 결합 전극 어셈블리; 상기 복수개의 용량 결합 전극으로 무선 주파수 전원을 공급하기 위한 제1 전원 공급원; 상기 플라즈마 반응기 내부에 유도 결합된 플라즈마 방전을 유도하기 위한 무선 주파수 안테나; 및 상기 무선 주파수 안테나로 무선 주파수 전원을 공급하기 위한 제2 전원 공급원을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 전원 공급원으로부터 제공되는 상기 무선 주파수 전원을 받아 상기 복수개의 용량 결합 전극으로 분배하는 분배 회로를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 전원 공급원과 상기 분배 회로 사이에 구성되어 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합기를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 분배 회로는 상기 복수개의 용량 결합 전극으로 공급되는 전류의 균형을 조절하는 전류 균형 회로를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 전류 균형 회로는 상기 복수개의 용량 결합 전극을 병렬 구동하며 전류 균형을 이루는 복수개의 트랜스포머를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 트랜스포머의 일차측은 상기 무선 주파수가 입력되는 전원 입력단과 접지 사이에 직렬로 연결되며, 이차측은 복수개의 용량 결합 전극에 대응되게 연결된다.

일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 트랜스포머의 이차측들은 각기 접지된 중간 탭을 포함하고 상기 이차측의 일단은 정전압을 타단은 부전압을 각각 출력하며, 상기 정전압은 상기 복수개의 용량 결합 전극의 정전압 전극으로 상기 부전압은 상기 복수개의 용량 결합 전극의 부전압 전극으로 제공된다.

일 실시예에 있어서, 상기 전류 균형 회로는 전류 균형 조절 범위를 가변 할 수 있는 전압 레벨 조절 회로를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 전류 균형 회로는 누설 전류의 보상을 위한 보상 회로를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 전류 균형 회로는 과도 전압에 의한 손상을 방지하기 위한 보호 회로를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 용량 결합 전극은 전도체 영역과 절연체 영역을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 용량 결합 전극 어셈블리는 상기 복수개의 용량 결합 전극들 사이에 구성되는 절연층을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 용량 결합 전극 어셈블리는 상기 복수개의 용량 결합 전극이 장착되는 전극 장착판을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 전극 장착판은 유전체 물질을 포함하고, 상기 무선 주파수 안테나는 상기 전극 장착판의 상부에 설치된다.

일 실시예에 있어서, 상기 전극 장착판은 상기 무선 주파수 안테나가 설치되기 위한 트랜치 영역과 상기 트랜치 영역 사이로 형성되는 복수개의 가스 분사홀을 포함하고, 상기 가스 분사홀을 통하여 상기 플라즈마 반응기의 내부로 가스를 공급하는 가스 공급부를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는 내부에 피처리 기판이 놓이는 지지대를 구비하고, 상기 지지대는 바이어스 되거나 또는 바이어스 되지 않는 것 중 어느 하나이다.

일 실시예에 있어서, 상기 지지대는 바이어스 되되, 단일 주파수 전원 또는 둘 이상의 서로 다른 주파수 전원에 의해 바이어스 된다.

일 실시예에 있어서, 상기 지지대는 정전척을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 지지대는 히터를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 용량 결합 전극은 복수개의 정전압 전극과 복수개의 부전압 전극을 포함하고, 상기 정전압 전극과 상기 부전압 전극의 배 열 구조는 상호 교대적인 선형 배열 구조, 매트릭스 형태의 배열 구조, 상호 교대적인 나선형 배열 구조, 상호 교대적인 동심원 배열 구조에서 선택된 하나 이상의 배열 구조를 갖는다.

일 실시예에 있어서, 상기 정전압 전극과 복수개의 부전압 전극은 장벽 구조, 평판형 구조, 돌기형 구조, 기둥 구조, 환형 구조, 나선형 구조, 선형 구조에서 선택된 하나 이상의 구조를 갖는다.

일 실시예에 있어서, 상기 무선 주파수 안테나를 따라서 덥혀지는 코어 커버를 포함하되, 상기 코어 커버는 자속 출입구가 반응기 내부를 향하도록 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼합형 플라즈마 반응기에 의하면, 복수개의 용량 결합 전극과 무선 주파수 안테나에 의해 대면적의 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있다. 또한, 복수개의 용량 결합 전극을 병렬 구동함에 있어서 전류 균형을 자동적으로 이루도록 함으로 용량 결합 전극들의 상호간 용량 결합을 균일하게 제어하여 고밀도의 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있다. 그리고 복수개의 용량 결합 전극을 사용하여 플라즈마의 대면적화를 용이하게 이룰 수 있다.

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 보 다 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 실시예예 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.

도 1을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 반응기는 플라즈마 반응기(10), 가스 공급부(20), 용량 결합 전극 어셈블리(30) 및 무선 주파수 안테나(35)를 포함한다. 플라즈마 반응기(10)는 내부에 피처리 기판(13)이 놓이는 지지대(12)가 구비된다. 플라즈마 반응기(10)의 상부에는 용량 결합 전극 어셈블리(30)와 무선 주파수 안테나(35)가 구비된다. 가스 공급부(20)는 용량 결합 전극 어셈블리(30)의 상부에 구성되어 가스 공원(미도시)으로부터 제공된 가스를 용량 결합 전극 어셈블리(30)의 가스 분사홀(32)을 통하여 플라즈마 반응기(10)의 내부로 공급한다. 제1 전원 공급원(40)으로부터 발생된 무선 주파수 전원은 임피던스 정합기(41)와 분배 회로(50)를 통하여 용량 결합 전극 어셈블리(30)에 구비된 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)으로 공급되어 플라즈마 반응기(10)의 내부에 용량 결합된 플라즈마를 유도한다. 제2 전원 공급원(45)으로부터 발생된 무선 주파수 전원은 임피던스 정합기(46)를 통하여 무선 주파수 안테나(35)로 공급되어 플라즈마 반응기(10)의 내부에 유도 결합된 플라즈마를 유도한다. 플라즈마 반응기(10)의 내부에 발생된 용량 결합된 플라즈마와 유도 결합된 플라즈마 에 의해 피처리 기판(13)에 대한 플라즈마 처리가 이루어진다.

플라즈마 반응기(10)는 반응기 몸체(11)와 그 내부에 피처리 기판(13)이 놓이는 지지대(12)가 구비된다. 반응기 몸체(11)는 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속 물질로 재작될 수 있다. 또는 코팅된 금속 예를 들어, 양극 처리된 알루미늄이나 니켈 도금된 알루미늄으로 재작될 수도 있다. 또는 내화 금속(refractory metal)로 재작될 수도 있다. 또 다른 대안으로 반응기 몸체(11)를 전체적 또는 부분적으로 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 재작하는 것도 가능하다. 이와 같이 반응기 몸체(11)는 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 어떠한 물질로도 재작될 수 있다. 반응기 몸체(11)의 구조는 피처리 기판(13)에 따라 그리고 플라즈마의 균일한 발생을 위하여 적합한 구조 예를 들어, 원형 구조나 사각형 구조 그리고 이외에도 어떠한 형태의 구조를 가질 수 있다.

피처리 기판(13)은 예를 들어, 반도체 장치, 디스플레이 장치, 태양전지 등과 같은 다양한 장치들ㄴ의 제조를 위한 웨이퍼 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판 등과 같은 기판들이다. 플라즈마 반응기(10)의 가스 출구(8)는 진공 펌프(미도시)에 연결된다. 본 발명의 실시예에서 플라즈마 반응기(10)는 대기압 이하의 저압 상태에서 피처리 기판(13)에 대한 플라즈마 처리가 이루어진다. 그러나 본 발명의 혼합형 플라즈마 반응기는 대기압에서 피처리 기판을 처리하는 대기압의 플라즈마 처리 시스템으로도 그 사용이 가능하다.

도 2는 전극 장착판의 상부에 구성된 무선 주파수 안테나와 가스 공급부를 보여주는 반응기 상부의 부분 단면도이다.

도 2를 참조하여, 가스 공급부(20)는 용량 결합 전극 어셈블리(30)의 상부에 설치된다. 가스 공급부(20)는 가스 공급원(미도시)에 연결되는 가스 입구(21)와 하나 이상의 가스 분배판(22) 그리고 복수개의 가스 주입구(23)를 구비한다. 복수개의 가스 주입구(23)는 전극 장착판(34)의 복수개의 가스 분사홀(32)에 대응되어 연결된다. 가스 입구(21)를 통하여 입력된 가스는 하나 이상의 가스 분배판(22)에 의해서 고르게 분배되어 복수개의 가스 주입구(23)와 그에 대응된 복수개의 가스 분사홀(32)을 통하여 플라즈마 반응기(10)의 내부로 고르게 분사된다. 구체적인 도면의 도시는 생략하였으나, 가스 공급부(20)는 둘 이상의 분리된 가스 공급 채널을 구비하여 서로 다른 가스를 분리하여 플라즈마 반응기(10)의 내부로 공급할 수도 있다. 서로 다른 가스를 분리 공급하도록 하여 플라즈마 처리의 균일도를 높일 수 있다.

도 3은 무선 주파수 안테나가 장착된 용량 결합 전극 어셈블리를 보여주는 사시도이고, 도 4는 용량 결합 전극의 단면도이다.

도 3을 참조하여, 용량 결합 전극 어셈블리(30)는 플라즈마 반응기(10)의 내부에 용량 결합된 플라즈마 방전을 유도하기 위한 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)을 구비한다. 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)은 전극 장착판(34)에 장착된다. 전극 장착판(34)은 반응기 몸체(11)의 천정을 덮도록 설치될 수 있다. 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)은 반응기 몸체(11)의 상부를 선형으로 가로지르는 복수개의 정전압 전극(33)과 부전압 전극(31)이 교대적으로 병렬로 배열된 구조를 갖는다. 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)은 전극 장착판(34)의 하부로 돌출된 선형의 장벽구조를 갖는다. 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 전도체 영역(71)과 그 외부를 감싸는 절연체 영역(70)으로 구성될 수 있다. 또는 전도체 영역(71)만을 구비할 수도 있다. 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)의 형상과 배치 구조는 후술되는 바와 같이 다양한 변형이 가능하다.

전극 장착판(34)은 무선 주파수 안테나(35)로부터발생된 에너지가 반응기 몸체(11)의 내부로 전달되기 위하여 유전체 물질로 구성된다. 무선 주파수 안테나(35)가 설치되기 위한 트랜치 영역(36)과 트랜치 영역(36) 사이로 형성되는 복수개의 가스 분사홀(32)을 포함한다. 트랜치 영역(36)은 무선 주파수 안테나(36)의 형상에 대응된 구조를 갖도록 할 수 있다. 예를 들어, 무선 주파수 안테나(35)가 지그재그 구조를 갖는 경우에 트랜치 영역(36)도 동일한 지그재그 구조를 갖도록 할 수 있다. 무선 주파수 안테나(35)의 구조는 지그재그 구조 이외에도 사각 또는 원형의 평판 나선 구조를 가질 수 있다. 또는 둘 이상의 분리된 구조 적층형 구조 등과 같이 다양한 구조를 가질 수 있다. 또한 무선 주파수 안테나(35)는 플라즈마 반응기(10)의 측면을 따라 실린더형 구조로 설치될 수도 있다. 실린더 구조로 설치되는 경우에는 반응기 몸체(11)의 측벽 일부를 유천제 물질로 제작될 것이다.

전극 장착판(34)은 무선 주파수 안테나(35)가 상부에 설치되는 경우에는 유전체 물질로 제작되지만, 무선 주파수 안테나(35)가 반응기 몸체(11)의 측벽으로 설치되는 경우라면 금속이나 비금속 또는 이들의 혼합된 물질로도 구성이 가능하다. 물론, 전극 장착판(34)이 금속 물질로 구성되는 경우에는 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)과의 사이에 전기적 절연 구조를 갖는다. 전극 장착판(34)은 반응기 몸체(11)의 천정을 구성하도록 설치되지만 플라즈마 처리 효율을 높이기 위하여 반응기 몸체(11)의 측벽을 따라서 설치될 수도 있다. 또는 천정과 측벽에 모두 설치될 수도 있다. 구체적인 도시는 생략되었으나, 전극 장착판(34)은 적절한 온도 제어를 위한 냉각 채널 또는 히팅 채널을 구비할 수 있다.

도 5 내지 도 11은 용량 결합 전극의 다양한 변형들을 보여주는 용량 결합 전극 어셈블리의 단면도이다.

먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 용량 결합 전극(31, 33)은 장벽 구조를 갖되, 그 단면이 'T'형 구조를 가질 수 있으며, 그 머리 부분이 전극 장착판(34)에 고정되도록 설치되거나 그 반대의 배치 위치를 갖도록 설치될 수 있다. 용량 결합 전극(31, 33)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 좁은 폭을 갖는 판형 구조를 가질 수 있다. 도 7 또는 도 8에 도시된 바와 같이, 용량 결합 전극(31, 33)은 그 단면 구조가 삼각 또는 역삼각 구조를 갖도록 할 수도 있다. 또는 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 원통의 봉형 구조, 뉘어진 타원 구조나 세워진 타원 구조의 봉형 구조를 가질 수 있다. 이와 같이, 용량 결합 전극(31, 33)은 그 단면 구조가 원형, 타원형, 다각형 구조와 같이 다앙한 구조를 가질 수 있다.

도 12 내지 도 22는 용량 결합 전극의 평면 구조 및 평면 배열 구조의 다양한 변형들을 보여주는 용량 결합 전극 어셈블리의 하부 평면도이다.

먼저, 도 12에 도시된 바와 같이, 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)을 구성하는 복수개의 정전압 전극(33)과 복수개의 부전압 전극(31)은 상호 교대적으로 배열되고 그 사이에는 복수개의 가스 분사홀(32)이 배열될 수 있다. 도 13 또는 도 14와 같이, 복수개의 정전압 전극(33)과 부전압 전극(31)은 일정 길이로 나뉜 구조에서 같은 전극이 동일 열(또는 행)로 배열되되 상호 교대적으로 배열된 구조(도 13) 또는 매트릭스형으로 배열된 구조(도 14)를 가질 수 있다. 도 15 또는 도 16에 도시된 바와 같이, 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)은 복수개의 사각 또는 원형의 평판형 면적극으로 구성될 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)은 원기둥과 같은 기둥 구조를 가질 수도 있다. 도 18 내지 도 22에 도시된 바와 같이, 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)은 상호 교대적으로 배열된 평판 나선형 구조나 동심원 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조에서 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)은 단지 하나의 정전압 전극(33)과 부전압 전극(31)으로 구성될 수도 있다.

이상과 같이, 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)은 장벽 구조, 평판형 구조, 돌기형 구조, 기둥 구조, 동심원 또는 환형 구조, 나선형 구조, 선형 구조에서 선택된 하나 이상의 구조를 갖질 수 있다. 그리고 복수개의 정전압 전극(33)과 부전압 전극(31)의 상호 배열 구조 또한 상호 교대적인 선형 배열 구조, 매트릭스 형태의 배열 구조, 상호 교대적인 나선형 배열 구조, 상호 교대적인 동심원 배열 구조와 같은 다양한 배열 구조에서 선택된 하나 이상의 배열 구조를 가질 수 있다. 그리고 도면에는 구체적으로 도시하지 않았으나, 상기 복수개의 용량 결합 전극들(31, 33) 사이에는 절연층이 구성될 수 있다.

다시, 도 1을 참조하여, 플라즈마 반응기(10)의 내부에는 피처리 기판(13)을 지지하기 위한 지지대(12)가 구비된다. 기판 지지대(12)는 바이어스 전원 공급 원(42, 43)에 연결되어 바이어스 된다. 예를 들어, 서로 다른 무선 주파수 전원을 공급하는 두 개의 바이어스 전원 공급원(42, 43)이 임피던스 정합기(44)를 통하여 기판 지지대(12)에 전기적으로 연결되어 바이어스 된다. 기판 지지대(12)의 이중 바이어스 구조는 플라즈마 반응기(10)의 내부에 플라즈마 발생을 용이하게 하고, 플라즈마 이온 에너지 조절을 더욱 개선시켜 공정 생산력을 향상 시킬 수 있다. 또는 단일 바이어스 구조로 변형 실시할 수도 있다. 또는 지지대(12)는 바이어스 전원의 공급 없이 제로 퍼텐셜(zero potential)을 갖는 구조로 변형 실시될 수도 있다. 그리고 기판 지지대(12)는 정전척을 포함할 수 있다. 또는 기판 지지대(12)는 히터를 포함할 수 있다.

복수개의 용량 결합 전극(31, 33)은 제1 전원 공급원(40)으로부터 발생된 무선 주파수 전원을 임피던스 정합기(41)와 분배 회로(50)를 통하여 공급받아 구동되어 플라즈마 반응기(10) 내부의 용량 결합된 플라즈마를 유도한다. 제1 전원 공급원(40)은 별도의 임피던스 정합기 없이 출력 전원의 제어가 가능한 무선 주파수 발생기를 사용하여 구성될 수도 있다. 분배 회로(50)는 제1 전원 공급원(40)으로부터 제공되는 무선 주파수 전원을 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)으로 분배하여 병렬 구동되게 한다. 바람직하게, 분배 회로(50)는 전류 균형 회로로 구성되어 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)으로 공급되는 전류가 자동적으로 상호 균형을 이루게 된다. 본 발명의 혼합형 플라즈마 반응기는 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)에 의해 대면적의 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있다. 또한, 복수개의 용량 결합 전극을 병렬 구동함에 있어서 전류 균형을 자동적으로 이루도록 함으로 대면적 의 플라즈마를 보다 균일하게 발생 및 유지할 수 있다.

도 23은 분배 회로를 전류 균형 회로로 구성한 일 예를 보여주는 도면이다.

도 23을 참조하여, 분배 회로(50)는 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)을 병렬 구동하며 전류 균형을 이루는 복수개의 트랜스포머(52)를 포함한다. 복수개의 트랜스포머(52)의 일차측은 무선 주파수가 입력되는 전원 입력단과 접지 사이에 직렬로 연결되며, 이차측의 일단은 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)에 대응되게 연결되고 타단은 공통으로 접지된다. 복수개의 트랜스포머(52)는 전원 입력단과 접지 사이의 전압을 균등하게 분할하고 분할된 다수의 분할된 전압을 복수개의 용량 결합 전극(31, 33) 중에서 대응된 정전압 전극(33)으로 출력한다. 복수개의 용량 결합 전극(31, 33) 중에서 부전압 전극(31)은 공통으로 접지된다.

복수개의 트랜스포머(52)의 일차측으로 흐르는 전류는 동일함으로 복수개의 정전압 전극(33)으로 공급되는 전력도 동일하게 된다. 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)들 중에서 어느 하나의 임피던스가 변화되어 전류량의 변화가 발생되면 복수개의 트랜스포머(52)가 전체적으로 상호 작용하여 전류 균형을 이루게 된다. 그럼으로 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)으로 공급되는 전류는 상호 균일하게 지속적인 자동 조절이 이루어진다. 복수개의 트랜스포머(52)는 각기 일차측과 이차측의 권선비율이 기본적으로 1:1로 설정되어 있으나 이는 변경이 가능하다.

이상과 같은 전류 균형 회로(50)는, 도면에는 구체적인 도시를 생략하였으나, 복수개의 트랜스포머(52)에 과도전압이 발생되는 것을 방지하기 위한 보호 회로를 포함할 수 있다. 보호 회로는 복수개의 트랜스포머(52) 중 어느 하나가 전기 적으로 오픈 상태로 되어 해당 트랜스포머에 과도전압이 증가되는 것을 방지한다. 이러한 기능의 보호 회로는 바람직하게는 복수개의 트랜스포머(52)의 각각의 일차측 양단에 배리스터(Varistor)를 연결하여 구현할 수 있으며, 또는 제너다이오드(Zener Diode)와 같은 정전압 다이오드를 사용하여 구현할 수 있다. 그리고 전류 균형 회로(50)에는 각각의 트랜스포머(52) 마다 누설 전류의 보상을 위한 보상 커패시터(51)와 같은 보상 회로가 부가될 수 있다.

도 24 내지 도 26은 분배 회로의 다양한 변형들을 보여주는 도면이다.

도 24를 참조하여, 일 변형의 전류 균형 회로(50)는 복수개의 트랜스포머(52)의 이차측들이 각기 접지된 중간 탭을 포함하여 이차측의 일단은 정전압을 타단은 부전압을 각각 출력한다. 정전압은 복수개의 용량 결합 전극의 정전압 전극(33)으로 부전압은 복수개의 용량 결합 전극의 부전압 전극(31)으로 제공된다.

도 25 및 도 26을 참조하여, 다른 변형의 전류 규형 회로(50)는 전류 균형 조절 범위를 가변 할 수 있는 전압 레벨 조절 회로(60)를 구비할 수 있다. 전압 레벨 조절 회로(60)는 멀티 탭을 구비한 코일(61)과 멀티 탭 중 어느 하나를 접지로 연결하는 멀티 탭 스위칭 회로(62)를 포함한다. 전압 레벨 조절 회로(60)는 멀티 탭 스위칭 회로(62)의 스위칭 위치에 따라 가변된 전압 레벨을 전류 균형 회로(50)로 인가하게 되며, 전류 균형 회로(50)는 전압 레벨 조절 회로(60)에 의해서 결정되는 전압 레벨에 의해 전류 균형 조절 범위가 가변된다.

이상과 같은 본 발명 혼합형 플라즈마 반응기는 무선 주파수 안테나(35) 또는 복수개의 용량 결합 전극(31, 33)을 서로 독립적으로 구동하여 플라즈마 반응기(10)의 내부에 유도 결합 플라즈마 또는 용량 결합 플라즈마를 독립적으로 발생할 수도 있다. 도면에는 구체적으로 도시하지 않았으나 무선 주파수 안테나는 코어 커버(미도시)에 의해서 덥혀질 수 있다. 코어 커버는 예를 들어, 페라이트 재질로 제작된 마그네틱 코어로서 자속 출입구가 반응기 내부를 향하도록 무선 주파수 안테나를 따라서 덥혀진다.

이상에서 설명된 본 발명의 혼합형 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.

본 발명의 혼합형 플라즈마 반응기는 반도체 집적 회로의 제조, 평판 디스플레이 제조, 태양전지의 제조와 같은 다양한 박막 형성을 위한 플라즈마 처리 공정에 매우 유용하게 이용될 수 있다. 특히, 본 발명의 혼합형 플라즈마 반응기는 복수개의 용량 결합 전극과 무선 주파수 안테나에 의해 대면적의 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있다. 또한, 복수개의 용량 결합 전극을 병렬 구동함에 있어서 전류 균형을 자동적으로 이루도록 함으로 대면적의 플라즈마를 보다 균일하게 발생 및 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예예 따른 혼합형 플라즈마 반응기의 단면도이다.

도 3은 무선 주파수 안테나가 장착된 용량 결합 전극 어셈블리를 보여주는 사시도이다.

도 4는 용량 결합 전극의 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

8: 가스 출구 10: 플라즈마 반응기

11: 반응기 몸체 12: 지지대

13: 피처리 기판 20: 가스 공급부

21: 가스 입구 22: 가스 분배판

23: 가스 주입구 30: 용량 결합 전극 어셈블리

31, 33: 용량 결합 전극 32: 가스 분사홀

34: 전극 장착판 35: 무선 주파수 안테나

40: 제1 전원 공급원 41: 임피던스 정합기

42, 43: 바이어스 전원 공급원 44: 임피던스 정합기

45: 제2 전원 공급원 46: 임피던스 정합기

50: 분배 회로 51: 보상 커패시터

52: 트랜스포머 53: 중간탭

60: 전압 레벨 조절 회로 61: 코일

62: 멀티 탭 스위칭 회로 70: 절연체 영역

71: 전도체 영역

Claims

플라즈마 반응기;

상기 플라즈마 반응기 내부에 용량 결합된 플라즈마 방전을 유도하기 위한 복수개의 용량 결합 전극을 포함하는 용량 결합 전극 어셈블리;

상기 복수개의 용량 결합 전극으로 무선 주파수 전원을 공급하기 위한 제1 전원 공급원;

상기 플라즈마 반응기 내부에 유도 결합된 플라즈마 방전을 유도하기 위한 무선 주파수 안테나; 및

상기 무선 주파수 안테나로 무선 주파수 전원을 공급하기 위한 제2 전원 공급원을 포함하되,

상기 복수개의 용량 결합 전극은 복수개의 정전압 전극과 복수개의 부전압 전극을 포함하고, 상기 정전압 전극과 상기 부전압 전극의 배열 구조는 상호 교대적인 선형 배열 구조, 매트릭스 형태의 배열 구조, 상호 교대적인 나선형 배열 구조, 상호 교대적인 동심원 배열 구조에서 선택된 하나 이상의 배열 구조를 갖는 혼합형 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서,

상기 제1 전원 공급원으로부터 제공되는 상기 무선 주파수 전원을 받아 상기 복수개의 용량 결합 전극으로 분배하는 분배 회로를 포함하는 혼합형 플라즈마 반응기.
제2항에 있어서,

상기 제1 전원 공급원과 상기 분배 회로 사이에 구성되어 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합기를 포함하는 혼합형 플라즈마 반응기.
제2항에 있어서,

상기 분배 회로는 상기 복수개의 용량 결합 전극으로 공급되는 전류의 균형을 조절하는 전류 균형 회로를 포함하는 혼합형 플라즈마 반응기.
제4항에 있어서,

상기 전류 균형 회로는 상기 복수개의 용량 결합 전극을 병렬 구동하며 전류 균형을 이루는 복수개의 트랜스포머를 포함하는 혼합형 플라즈마 반응기.
제5항에 있어서,

상기 복수개의 트랜스포머의 일차측은 상기 무선 주파수가 입력되는 전원 입력단과 접지 사이에 직렬로 연결되며, 이차측은 복수개의 용량 결합 전극에 대응되게 연결되는 혼합형 플라즈마 반응기.
제6항에 있어서,

상기 복수개의 트랜스포머의 이차측들은 각기 접지된 중간 탭을 포함하고 상기 이차측의 일단은 정전압을 타단은 부전압을 각각 출력하며,

상기 정전압은 상기 복수개의 용량 결합 전극의 정전압 전극으로 상기 부전압은 상기 복수개의 용량 결합 전극의 부전압 전극으로 제공되는 혼합형 플라즈마 반응기.
제4항에 있어서,

상기 전류 균형 회로는 전류 균형 조절 범위를 가변 할 수 있는 전압 레벨 조절 회로를 포함하는 혼합형 플라즈마 반응기.
제4항에 있어서,

상기 전류 균형 회로는 누설 전류의 보상을 위한 보상 회로를 포함하는 혼합형 플라즈마 반응기.
제4항에 있어서,

상기 전류 균형 회로는 과도 전압에 의한 손상을 방지하기 위한 보호 회로를 포함하는 혼합형 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서,

상기 복수개의 용량 결합 전극은 전도체 영역과 절연체 영역을 포함하는 혼합형 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서,

상기 용량 결합 전극 어셈블리는 상기 복수개의 용량 결합 전극들 사이에 구성되는 절연층을 포함하는 혼합형 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서,

상기 용량 결합 전극 어셈블리는 상기 복수개의 용량 결합 전극이 장착되는 전극 장착판을 포함하는 혼합형 플라즈마 반응기.
제13항에 있어서,

상기 전극 장착판은 유전체 물질을 포함하고, 상기 무선 주파수 안테나는 상기 전극 장착판의 상부에 설치되는 혼합형 플라즈마 반응기.
제14항에 있어서,

상기 전극 장착판은 상기 무선 주파수 안테나가 설치되기 위한 트랜치 영역과 상기 트랜치 영역 사이로 형성되는 복수개의 가스 분사홀을 포함하고,

상기 가스 분사홀을 통하여 상기 플라즈마 반응기의 내부로 가스를 공급하는 가스 공급부를 포함하는 혼합형 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서,

상기 플라즈마 반응기는 내부에 피처리 기판이 놓이는 지지대를 구비하고, 상기 지지대는 바이어스 되거나 또는 바이어스 되지 않는 것 중 어느 하나인 혼합형 플라즈마 반응기.
제16항에 있어서,

상기 지지대는 바이어스 되되, 단일 주파수 전원 또는 둘 이상의 서로 다른 주파수 전원에 의해 바이어스 되는 혼합형 플라즈마 반응기.
제16항에 있어서,

상기 지지대는 정전척을 포함하는 혼합형 플라즈마 반응기.
제16항에 있어서,

상기 지지대는 히터를 포함하는 혼합형 플라즈마 반응기.
삭제
제1항에 있어서,

상기 정전압 전극과 복수개의 부전압 전극은 장벽 구조, 평판형 구조, 돌기형 구조, 기둥 구조, 환형 구조, 나선형 구조, 선형 구조에서 선택된 하나 이상의 구조를 갖는 혼합형 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서,

상기 무선 주파수 안테나를 따라서 덥혀지는 코어 커버를 포함하되,

상기 코어 커버는 자속 출입구가 반응기 내부를 향하도록 형성된 것을 특징으로 하는 혼합형 플라즈마 반응기.