KR101475502B1 - 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 방전에 의하여 이온, 자유 래디컬, 원자 및 분자를 포함하는 활성 가스를 발생시키고 그 활성 가스로 고체, 분말, 가스 등에 대한 플라즈마 처리를 하기 위한 플라즈마 반응기로 다중 방전관으로 서로 다른 공정 가스를 주입하여 반도체의 세정 및 공정작업을 할 수 있고, 저전력에서도 플라즈마를 유지할 수 있는 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마 방전에 의하여 이온, 자유 래디컬, 원자 및 분자를 포함하는 활성 가스를 발생시키고 그 활성 가스로 고체, 분말, 가스 등에 대한 플라즈마 처리를 하기 위한 플라즈마 반응기의 다중 방전관으로 서로 다른 공정 가스를 주입하여 반도체의 세정 및 공정작업을 할 수 있고, 저전력에서도 플라즈마를 유지할 수 있는 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마 방전은 이온, 자유 래디컬, 원자, 분자를 포함하는 활성 가스를 발생하기 위한 가스 여기에 사용되고 있다. 그리고 활성 가스는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며 대표적으로 반도체 제조 공정 예들 들어, 식각, 증착, 세정, 에싱 등 다양하게 사용되고 있다.
최근 반도체 장치의 제조를 위한 웨이퍼나 LCD 글라스 기판은 더욱 대형화되어 가고 있다. 그럼으로 플라즈마 이온 에너지에 대한 제어 능력이 높고, 대면적의 처리 능력을 갖는 확장성이 용이한 플라즈마 소스가 요구되고 있다.
그리고 플라즈마를 이용한 반도체 제조 공정에서 원격 플라즈마의 사용은 매우 유용한 것으로 알려져 있다. 예를 들어 공정 챔버의 세정이나 포토레지스트 스트립을 위한 에싱 공정에서 유용하게 사용되고 있다.
상기와 같은 원격 플라즈마 반응기(또는 원격 플라즈마 발생기라 칭함)는 변압기 결합 플라즈마 소스(TCPS:Transformer Coupled Plasma Source)를 사용한 것과 유도 결합 플라즈마 소스(ICPS:Inductively Coupled Plasma Source)를 사용한 것이 있다.
상기와 같이 변압기 결합 플라즈마 소스를 사용한 원격 플라즈마 반응기는 토로이달 구조의 반응기 몸체에 일차 권선 코일을 갖는 마그네틱 코어가 장착된 구조를 갖는다. 유도 결합 플라즈마 소스를 사용한 원격 플라즈마 반응기는 중공형 튜브 구조의 반응기 몸체에 유도 결합 안테나가 장착된 구조를 갖는다.
그러나 상기와 같은 변압기 결합 플라즈마 소스를 갖는 원격 플라즈마 반응기의 경우에는 그 특성상 비교적 고압의 환경에서 동작하기 때문에 저압의 환경에서는 플라즈마 점화나 점화된 플라즈마를 유지하기가 매우 어려운 문제점이 있다.
그리고 유도 결합 플라즈마 플라즈마 소스를 갖는 원격 플라즈마 반응기의 경우에는 그 특성상 비교적 저압의 환경에서 동작이 가능한 반면 고압의 환경에서 동작하기 위해서는 공급 전력을 높게 하고, 이러한 경우에는 반응기 몸체 내부가 이온 충격에 의해 손상될 수도 있다.
또한 반도체 제조 공정의 다양한 요구에 따라 저압 또는 고압에서 효율적으로 동작하는 원격 플라즈마 반응기가 요구되고 있으나 변압기 결합 플라즈마 소스나 유도 결합 플라즈마 소스 중 어느 하나를 채용한 종래의 원격 플라즈마 반응기로는 적절하게 대응할 수 없었다.
그리고 피처리 기판의 대형화에 따라 공정 챔버의 크기도 대형화되고 있어서 고밀도의 활성 가스를 충분히 원격으로 공급할 수 있는 플라즈마 소스가 요구되고 있다.
한편 반도체 장치의 생산 효율을 높이기 위하여 둘 이상의 피처리 기판을 병렬로 처리하기 위하여 둘 이상의 공정 챔버를 병렬로 구비하는 기판 처리 시스템이 제공되고 있다. 이때 둘 이상의 공정 챔버에 원격으로 활성화된 이온 가스를 공급하는 경우 각각의 공정 챔버에 개별적으로 플라즈마 반응기를 탑재할 수 있다. 그러나 이 경우에는 장비의 단가가 상승되고 작업비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.
반면 하나의 플라즈마 반응기를 사용하여 둘 이상의 공정 챔버로 활성화된 이온 가스를 공급하는 경우에는 대용량의 플라즈마 반응기를 사용하여야 하는데 기존의 플라즈마 반응기로는 대용량의 이온화된 가스를 발생하여 공급하는 것이 어려운 문제점이 있다.
그리고 반도체 제조 공정에 따라 서로 다른 종류의 공정 가스를 혼합하여 이온화하는 경우보다 분리하여 이온화하는 것으로 공정 효율을 높일 수 있으나, 이러한 경우 하나의 플라즈마 반응기에서 이와 같은 목적을 달성할 수가 없는 문제점이 있었다.
한편 종래의 플라즈마 반응기, 특히 변압기 결합 플라즈마 소스는 일정한 전력(예를 들면 3kW) 이상으로 전원을 공급해야만 플라즈마가 유지되고, 일정한 전력 이하로 전원이 공급되면 플라즈마가 유지되지 않는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 대용량의 고밀도의 활성 가스를 충분히 원격으로 공급할 수 있는 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명은 변압기 결합 플라즈마 소스 이외에도 유도 결합 플라즈마 소스 또는 용량 결합 플라즈마 소스를 일체로 장착하여 저압 영역에서 고압 영역까지 폭넓은 동작 영역을 갖도록 하이브리드형의 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기를 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 둘 이상의 분리된 플라즈마 방전 경로를 제공하여 각각의 방전 경로에서 독립적으로 이온화된 활성 가스를 발생시켜 공정 챔버로 공급할 수 있는 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기를 제공하는 데 목적이 있다.
그리고 본 발명은 두 개의 플라즈마 소스를 하나의 전원 공급원으로 효과적으로 동작시킬 수 있으며, 변압기 결합 플라즈마 소스와 다른 플라즈마 소스가 혼합된 구조에서 선택적으로 어느 하나만을 구동하거나 혼합된 구동이 가능한 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기를 제공하는 데 목적이 있다.
그리고 본 발명은 플라즈마 반응기의 다중 방전관으로 서로 다른 공정 가스를 주입하여 반도체의 세정 및 공정작업을 할 수 있는 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기를 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명의 다른 목적으로는 저전력에서도 플라즈마를 유지할 수 있는 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 가스 입구가 구비된 중공의 상부 방전관;
가스 출구가 구비된 중공의 하부 방전관;
상기 상부 방전관과 상기 하부 방전관에 상부와 하부가 각각 연결되는 복수 개의 방전관 브리지;
상기 방전관 브리지에 장착되며 일차 권선 코일이 권선된 마그네틱 코어를 갖는 변압기 결합 플라즈마 소스;
상기 상부 방전관의 상부에 상부 방전관 개구부가 구비되고, 하부 방전관의 하부에 하부 방전관 개구부가 구비되며, 상기 상부 방전관 개구부와 하부 방전관 개구부에 각각 장착되는 유전체 평판 윈도우가 구비되고, 상기 유전체 평판 윈도우에 근접하여 설치되는 유도 안테나 평판 코일을 갖는 유도 결합 플라즈마 소스;
상기 변압기 결합 플라즈마 소스의 일차 권선 코일과 유도 결합 플라즈마 소스의 유도 안테나 평판 코일에 플라즈마 발생 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원 공급원을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명은 가스 입구가 구비된 중공의 상부 방전관;
가스 출구가 구비된 중공의 하부 방전관;
상기 상부 방전관과 상기 하부 방전관에 상부와 하부가 각각 연결되는 복수 개의 방전관 브리지;
상기 방전관 브리지에 장착되며 일차 권선 코일이 권선된 마그네틱 코어를 갖는 변압기 결합 플라즈마 소스;
상기 상부 방전관의 상부에 상부 방전관 개구부가 구비되고, 하부 방전관의 하부에 하부 방전관 개구부가 구비되며, 상기 상부 방전관 개구부와 하부 방전관 개구부에 상향과 하향으로 돌출되도록 각각 유전체 튜브가 구비되고, 상기 유전체 튜브에 권선되는 유도 안테나 권선 코일을 갖는 유도 결합 플라즈마 소스;
상기 변압기 결합 플라즈마 소스의 일차 권선 코일과 유도 결합 플라즈마 소스의 유도 안테나 권선 코일에 플라즈마 발생 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원 공급원을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 가스 입구가 구비된 중공의 상부 방전관;
가스 출구가 구비된 중공의 하부 방전관;
상기 상부 방전관과 상기 하부 방전관에 상부와 하부가 각각 연결되는 복수 개의 방전관 브리지;
상기 방전관 브리지에 장착되며 일차 권선 코일이 권선된 마그네틱 코어를 갖는 변압기 결합 플라즈마 소스;
상기 상부 방전관의 하부에 상부 방전관 개구부가 구비되고, 하부 방전관 상부에 하부 방전관 개구부가 구비되며, 상기 상부 방전관 개구부에 하향으로 돌출되고, 하부 방전관 개구부에 상향으로 각각 돌출되는 유전체 튜브가 구비되며, 상기 유전체 튜브에 권선되는 유도 안테나가 구비된 유도 결합 플라즈마 소스;
상기 변압기 결합 플라즈마 소스의 일차 권선 코일과 유도 결합 플라즈마 소스의 유도 안테나에 플라즈마 발생 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원 공급원을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 가스 입구가 구비된 중공의 상부 방전관;
가스 출구가 구비된 중공의 하부 방전관;
상기 상부 방전관과 상기 하부 방전관에 상부와 하부가 각각 연결되는 복수 개의 방전관 브리지;
상기 방전관 브리지에 장착되며 일차 권선 코일이 권선된 마그네틱 코어를 갖는 변압기 결합 플라즈마 소스;
상기 상부 방전관의 상부와 하부에 각각 제 1, 2개구부가 구비되고, 상기 제 1, 2개구부의 상부와 하부에 각각 상부 용량 결합 전극이 구비되며, 하부 방전관의 상부와 하부에 각각 제 3, 4개구부가 구비되고, 상기 제 3, 4개구부의 상부와 하부에 각각 하부 용량 결합 전극이 구비된 용량 결합 플라즈마 소스;
상기 변압기 결합 플라즈마 소스의 일차 권선 코일과 용량 결합 플라즈마 소스의 상·하부 용량 결합 전극에 플라즈마 발생 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원 공급원을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명은 상기 상부 방전관과 방전관 브리지 사이 또는 하부 방전관과 방전관 브리지 사이에 구비되는 하나 이상의 절연부재를 포함하고, 상기 상부 방전관과 하부 방전관은 내부를 구획하는 다수의 격벽을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명은 상기 상부 방전관과 방전관 브리지 사이 또는 하부 방전관과 방전관 브리지 사이에 구비되는 하나 이상의 절연부재를 포함하고, 상기 상부 방전관과 하부 방전관은 내부를 구획하는 다수의 격벽을 포함하는 것을 특징으로 한다.
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본 발명의 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기는 다중 방전관을 구비하여 플라즈마를 발생함으로서 저기압에서부터 고기압에 이르기까지 넓은 범위의 기압 조건에서 안정적으로 대용량의 플라즈마를 발생할 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명의 플라즈마 반응기는 상부 방전관과 하부 방전관의 내부에 격벽을 설치하여 둘 이상의 독립된 방전 구역을 구비하여 서로 다른 가스를 각각 독립된 방전 영역에서 활성화시켜 공정 챔버로 개별적으로 공급할 수 있어 서로 다른 가스를 혼합하여 이온화하는 경우 공정 효율이 저하되거나 문제가 되는 경우에 효과적으로 사용될 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 변압기 결합 플라즈마 소스 이외에 유도 결합 플라즈마 소스 또는 용량 결합 플라즈마 소스를 일체로 설치하여 저압 영역에서 고압 영역까지 폭넓은 동작 영역을 안정적으로 작업할 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명은 두 개의 플라즈마 소스를 하나의 전원 공급원으로 효과적으로 동작시킬 수 있으며, 변압기 결합 플라즈마 소스와 다른 플라즈마 소스가 혼합된 구조에서 선택적으로 어느 하나만을 구동하거나 혼합된 구동이 가능한 효과가 있다.
그리고 본 발명은 플라즈마 반응기의 다중 방전관으로 서로 다른 공정 가스를 주입하여 반도체의 세정 및 공정작업을 할 수 있는 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기를 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명의 다른 목적으로는 저전력에서도 플라즈마를 유지할 수 있는 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 플라즈마 처리 시스템을 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제1 실시예를 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 1실시예에서 플라즈마 반응기의 내부를 나타낸 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 1실시예에서 플라즈마 반응기의 분해된 상태를 나타낸 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 1실시예에서 마그네틱 코어에 권선된 일차 권선 코일에 흐르는 전류에 따른 유도 자속을 나타낸 예시도
도 6 은 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 방전관 브리지에 냉각수 공급 채널을 나타낸 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 2실시예를 나타낸 예시도.
도 8은 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 2실시예에서 내부를 나타낸 예시도.
도 9는 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 3실시예를 나타낸 예시도.
도 10은 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 3실시예에서 내부를 나타낸 예시도.
도 11은 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 4실시예를 나타낸 예시도.
도 12는 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 4실시예에서 내부를 나타낸 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제1 실시예를 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 1실시예에서 플라즈마 반응기의 내부를 나타낸 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 1실시예에서 플라즈마 반응기의 분해된 상태를 나타낸 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 1실시예에서 마그네틱 코어에 권선된 일차 권선 코일에 흐르는 전류에 따른 유도 자속을 나타낸 예시도
도 6 은 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 방전관 브리지에 냉각수 공급 채널을 나타낸 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 2실시예를 나타낸 예시도.
도 8은 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 2실시예에서 내부를 나타낸 예시도.
도 9는 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 3실시예를 나타낸 예시도.
도 10은 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 3실시예에서 내부를 나타낸 예시도.
도 11은 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 4실시예를 나타낸 예시도.
도 12는 본 발명에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기의 제 4실시예에서 내부를 나타낸 예시도.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 본 발명의 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 공정 챔버(40)의 외부에 설치되어 원격으로 플라즈마 가스를 공정 챔버(40)로 공급한다. 플라즈마 반응기(10)는 상부 방전관(11)과 하부 방전관(12) 그리고 복수 개의 방전관 브리지(13)로 구성되는 다중 방전관을 구비한다.
그리고 상기 복수 개의 방전관 브리지(13)는 상부 방전관(11)과 하부 방전관(12)을 연결하여 복수 개의 방전 경로를 제공한다.
상기 복수 개의 방전관 브리지(13)에는 일차 권선 코일(21)을 갖는 마그네틱 코어(22)가 장착되어 변압기 결합 플라즈마 소스(20)를 구성한다.
그리고 플라즈마 반응기(10)의 상부 방전관(11)에는 가스 입구(14)가 구비되고, 하부 방전관(12)의 중앙 하부에 가스 출구(15)가 구비된다.
이때 상기 가스 출구(15)는 어댑터(48)를 통하여 공정 챔버(40)의 챔버 가스 입구(47)에 연결되고, 상기 플라즈마 반응기(10)에서 발생된 플라즈마 가스는 어댑터(48)를 통하여 공정 챔버(40)로 공급된다.
그리고 상기 플라즈마 반응기(10)는 다중 방전관을 구비하여 플라즈마를 발생함으로서 약 1 torr 이하의 저압에서부터 10 torr 이상의 고압에 이르기 까지 넓은 범위의 기압 조건에서 안정적으로 대용량의 플라즈마를 발생할 수 있다.
또한 공정 챔버(40)는 내부에 피처리 기판(44)을 지지하는 기판 지지대(42)가 구비되고, 기판 지지대(42)는 임피던스 정합기(74)를 통하여 하나 이상의 바이어스 전원 공급원(70, 72)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 어댑터(48)는 전기적 절연을 위한 절연 구간을 구비할 수 있으며, 과열을 방지하기 위한 냉각 채널을 구비할 수 있다. 그리고 공정 챔버(40)는 내부에 기판 지지대(42)와 챔버 가스 입구(47) 사이에 플라즈마 가스 분배를 위한 배플(46)을 구비하여 실시할 수 있다.
상기 배플(46)은 챔버 가스 입구(47)를 통하여 유입된 플라즈마 가스가 균일하게 분배되어 피처리 기판으로 확산되게 한다.
그리고 피처리 기판(44)은 예를 들어, 반도체 장치를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판 또는 액정 디스플레이나 플라즈마 디스플레이 등의 제조를 위한 유리 기판이다.
또한 상기 공정 챔버(40)의 일측에는 공정 챔버(40) 내부를 일정한 진공도로, 즉 내부의 기압을 조절할 수 있도록 진공펌프(P)가 구비된다.
한편 변압기 결합 플라즈마 소스(20)는 전원 공급원(30)으로부터 무선 주파수를 공급받아 동작한다. 전원 공급원(30)은 하나 이상의 스위칭 반도체 장치를 구비하여 무선 주파수를 발생하는 교류 스위칭 전원 공급원(AC switching power supply)(32)과 제어 회로(power control circuit)(33) 및 전압 공급원(31)을 포함한다. 하나 이상의 스위칭 반도체 장치는 예를 들어, 하나 이상의 스위칭 트랜지스터를 포함한다. 전압 공급원(31)은 외부로부터 입력되는 교류 전압을 정전압으로 변환하여 교류 스위칭 전원 공급원(32)으로 공급한다. 교류 스위칭 전원 공급원(32)은 제어 회로(33)의 제어를 받아 동작하며 무선 주파수를 발생한다.
그리고 제어 회로(33)는 교류 스위칭 전원 공급원(32)의 동작을 제어하여 무선 주파수의 전압 및 전류를 제어하고, 제어 회로(33)의 제어는 변압기 결합 플라즈마 소스(20)와 플라즈마 반응기(10)의 내부에서 발생되는 플라즈마 중 적어도 하나와 관련된 전기적 또는 광학적 파라미터 값에 기초하여 이루어진다. 이를 위하여 제어 회로(33)는 전기적 또는 광학적 파라미터 값을 측정하기 위한 측정 회로가 구비된다. 예를 들어, 플라즈마의 전기적 및 광학적 파라미터를 측정하기 위한 측정 회로는 전류 프로브와 광학 검출기를 포함한다. 변압기 결합 플라즈마 소스(20)의 전기적 파라미터를 측정하기 위한 측정 회로는 변압기 결합 플라즈마 소스(20)의 구동 전류, 구동 전압, 평균 전력과 최대 전력, 전압 공급원(31)에서 발생된 전압 등을 측정한다.
제어 회로(33)는 측정 회로를 통하여 관련된 전기적 또는 광학적 파라미터 값을 지속적으로 모니터링하고 측정된 값과 정상 동작에 기준한 기준 값과 비교하면서 교류 스위칭 전원 공급원(32)을 제어하여 무선 주파수의 전압 및 전류를 제어한다. 구체적으로 도시하지는 않았으나 전원 공급원(30)에는 비정상적인 동작 환경에 의해 발생될 수 있는 전기적 손상을 방지하기 위한 보호회로가 구비된다. 전원 공급원(30)은 플라즈마 처리 시스템의 전반을 제어하는 시스템 제어부(60)와 연결된다. 전원 공급원(30)은 플라즈마 반응기(10)의 동작 상태 정보를 시스템 제어부(60)로 제공한다. 시스템 제어부(60)는 플라즈마 처리 시스템의 동작 과정 전반을 제어하기 위한 제어 신호(62)를 발생하여 플라즈마 반응기(10)와 공정 챔버(40)의 동작을 제어한다.
플라즈마 반응기(10)와 전원 공급원(30)은 물리적으로 분리된 구조를 갖는다. 즉, 플라즈마 반응기(10)와 전원 공급원(30)은 무선 주파수 공급 케이블(35)에 의해서 상호 전기적으로 연결된다. 이러한 플라즈마 반응기(10)와 전원 공급원(30)의 분리 구조는 유지 보수와 설치의 용이성을 제공한다. 그러나 플라즈마 반응기(10)와 전원 공급원(30)은 일체형 구조로 실시할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 반응기(10b)는 원격으로 플라즈마 가스를 공정 챔버(40)로 공급한다. 플라즈마 반응기(10b)는 상부 방전관(11)과 하부 방전관(12) 그리고 복수 개의 방전관 브리지(13)로 구성되는 다중 방전관을 구비한다. 예를 들어, 네 개의 방전관 브리지(13)는 상부 개구부(18)와 하부 개구부(16)를 연결하여 복수 개의 방전 경로를 제공한다. 복수 개의 방전관 브리지(13)에는 일차 권선 코일(21)을 갖는 마그네틱 코어(22)가 장착되어 변압기 결합 플라즈마 소스(20)를 구성한다. 방전관 브리지(13) 모두에 마그네틱 코어(22) 장착되지 않을 수도 있다. 또한 방전관 브리지(13)의 증감이 가능하다.
상기와 같이 4개의 방전관 브리지(13)가 구비되고, 각각의 방전관 브리지(13)에 일차 권선(21)을 갖는 마그네틱 코어(22)가 장착된 경우 일차 권선 코일(21)에 흐르는 전류의 방향에 따라 변화되는 자속의 방향을 예시적으로 첨부도면 도 5에 도시하였다. 도 5에 도시된 바와 같이, 하나의 방전관 브리지(13)는 마주 대향된 것과는 동일한 방향으로 이웃한 것과는 반대 방향으로 자속이 유도됨으로 서로 이웃한 방전관 브리지(13)는 쌍을 이루어 방전 경로를 형성하게 된다. 방전관 브리지(13)는 튜브 구조를 갖는데 튜브의 내부에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각 채널(13a)이 구비되고 외측에 냉각수 입구(13b)가 마련된다.
그리고 상부 방전관(11)에는 가스 입구(14)가 구비되고, 하부 방전관(12)에는 공정 챔버(40)와 연결되는 가스 출구(15)가 구비된다. 가스 공급원(미도시)으로부터 공정 가스가 공급되면 상부 방전관(11)으로 유입되고, 다수개의 방전관 브리지(13)를 통하여 분배되어 하부 방전관(12)으로 흐른다. 전원 공급원(30)으로부터 플라즈마 발생을 위한 전력이 일차 권선 코일(21)로 공급되면, 상부 방전관(11)과 다수개의 방전관 브리지(13) 및 하부 방전관(12)을 경유하는 방전 경로를 따라서 플라즈마 방전이 이루어진다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 반응기(10b)는 다중 방전관 구조를 갖고, 다수개의 방전관 브리지(13)에 일차 권선(21)을 갖는 마그네틱 코어(22)를 장착할 수 있기 때문에 대용량의 활성 가스를 발생할 수 있다. 상부 방전관(11)과 하부 방전관(12) 및 다수개의 방전관 브리지(13)는 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속 물질로 재작될 수 있다. 또는 코팅된 금속 예를 들어, 양극 처리된 알루미늄이나 니켈 도금된 알루미늄으로 제작될 수도 있다.
상부 방전관(11)과 하부 방전관(12) 및 다수개의 방전관 브리지(13)가 전체적으로 금속 물질로 제작되는 경우에는 적절한 위치에 절연 갭(17)을 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상부 방전관(11)과 방전관 브리지(13) 사이에 또는 하부 방전관(12)과 방전과 브리지(13) 사이에 절연 갭(17)을 구성할 수 있다. 또는 방전관 브리지(13)의 중간 영역에 절연 갭(17)을 구성할 수도 있다. 절연 갭(17)을 구성하면 플라즈마 방전 경로를 따라서 플라즈마 반응기(10b)에 와류가 유도되는 것을 차단할 수 있다.
그리고 상부 방전관(11)과 하부 방전관(12) 및 다수개의 방전관 브리지(13)는 탄소나노튜브가 공유 결합된 복합 금속을 사용할 수도 있다. 또는 내화 금속(refractory metal)로 제작될 수도 있다. 또는 전체적 또는 부분적으로 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 제작하는 것도 가능하다. 이와 같이 플라즈마 반응기(10a)는 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 어떠한 물질로도 제작될 수 있다.
또한 상기 플라즈마 반응기(10b)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(44)은 예를 들어, 반도체 장치, 디스플레이 장치, 태양전지 등과 같은 다양한 장치들의 제조를 위한 웨이퍼 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판 등과 같은 기판들이다.
도면에는 도시 하지 않았으나, 이상과 같은 플라즈마 반응기(10b)는 상부 방전관(11)과 하부 방전관(12)의 내부에 격벽(도면에 미도시)을 설치하여 둘 이상의 독립된 방전 구역을 갖도록 할 수 있다. 그리고 각각의 독립된 방전 구역에 대응하여 복수 개의 가스 입구(14)가 각각 상부 방전관(11)에 연결되어 서로 다른 가스를 각각 독립된 방전 영역에서 활성화 시켜서 공정 챔버(40)로 공급할 수 있다. 이와 같은 구조는 서로 다른 가스를 혼합하여 이온화하는 경우 공정 효율이 저하되거나 문제가 되는 경우에 효과적으로 실시할 수 있다.
그리고 본 발명의 플라즈마 반응기(10b)는 상부 방전관(11)의 상부와 하부 방전관(12) 하부에 유도 결합 플라즈마 소스(50)가 설치된다. 상부 방전관(11)의 상부에는 윈도우 설치용 상부 방전관 개구부(53)가 구비되고, 하부 방전관(12)의 하부에는 하부 방전관 개구부(54)가 구비된다.
또한 상기 상부 방전관 개구부(53)와 하부 방전관 개구부(54)에는 상·하부 방전관 개구부(53, 54)를 덮도록 유전체 평판 윈도우(52)가 설치된다. 유전체 윈도우(52)에 근접해서 유도 안테나 평판 코일(51)이 각각 설치된다.
그리고 상기 유도 결합 플라즈마 소스(50)의 유도 안테나 평판 코일(51)과 변압기 결합 플라즈마 소스(20)의 일차 권선(21)은 전원 공급원(30)이 직렬로 연결된다. 그러나 유도 안테나 평판 코일(51)과 일차 권선(21)은 전원 공급원(30)에 병렬로 연결하여 실시할 수도 있다. 또는 스위칭 회로(미도시)를 구성하여, 직렬 또는 병렬로 선택적으로 연결되거나, 둘 중 어느 하나만이 선택적으로 연결되도록 할 수도 있다.
이와 같은 유도 결합 플라즈마 소스(50)를 부가하게 되면 저압 영역에서 고압 영역까지 폭넓은 동작 영역을 안정적으로 얻을 수 있다. 유도 결합 플라즈마 소스(50)에 의해서 저압 영역에서도 쉽게 플라즈마를 점화하여 발생시키고, 플라즈마를 유지하며, 변압기 결합 플라즈마 소스(20)에 의해서 고압 영역에서도 반응기 내부 손상 없이 대용량의 플라즈마를 유지할 수 있다.
그리고 상기 두 개의 플라즈마 소스(20, 50)를 하나의 전원 공급원으로 효과적으로 동작시킬 수 있으며, 유도 결합 플라즈마 소스(50)와 변압기 결합 플라즈마 소스(20)가 혼합된 구조에서 선택적으로 어느 하나만을 구동하거나 혼합된 구동이 가능하다.
본 발명의 제 2 실시 예에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기는 도 7과 도8에 도시된 바와 같이 가스 입구를 겸하도록 유도 결합 플라즈마 소스(50a)가 상부 방전관(11)에 구비된다.
이때 상기 상부 방전관의 상부에는 상부 방전관 개구부(55)가 구비되고, 하부 방전관(12)의 하부에는 하부 방전관 개구부(56)가 구비된다.
그리고 가스 입구를 겸하는 상부 방전관 개구부(55)에 유전체 튜브(52a)가 상부로 돌출되도록 설치되고, 유전체 튜브(52a)에는 유도 안테나 권선 코일(51a)이 설치된다. 따라서 상기 유전체 튜브(52a)를 통하여 상부 방전관(11) 내부로 유입되는 가스는 유전체 튜브(52a)을 통과하면서 바로 플라즈마 방전을 일으키게 된다.
또한 복수 개의 방전관 브리지(13)를 통과한 가스는 공정 챔버(40)로 주입되기 전에 유도 안테나 권선 코일(51a)이 설치된 가스출구(15)를 통과하면서 다시 한번 플라즈마 방전을 일으키게 된다.
그리고 상기와 같은 유도결합 플라즈마 소스(50a)의 유도 안테나 권선 코일(51a)에는 선택적으로 전원을 인가하여 작동시킬 수 있다.
본 발명의 제 3실시 예에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기(10d)는 도 9와 도 10에 도시된 바와 같이 반상술한 제 2실시 예와 달리 유전체 튜브(52b)가 가스 입구를 겸하지는 않는다. 상부 방전관(11)의 바닥에 상부 방전관 개구부(54)를 구비하고, 하부 방전관(12) 상부에 하부 방전관 개구부(55)가 구비되어 상기 상부 방전관 개구부(54)에 하향으로 돌출되고, 하부 방전관 개구부(55)에 상향으로 각각 돌출되는 유전체 튜브(52b)가 구비되며, 유전체 튜브(52b)의 외주면에 유도 안테나 권선 코일(51b)을 설치한다.
상기와 같이 상부 방전관(11)과 하부 방전관(12)의 내부에서 국부적으로 유도 결합 플라즈마 소스(50b)에 의한 플라즈마가 지속적으로 유지되기 때문에 플라즈마 방전 유지 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제 4 실시 예에 따른 다중 방전관을 갖는 플라즈마 반응기(10e)는 상술한 제 1실시 예의 플라즈마 반응기(10a)의 구성과 기본적으로 동일하나 제 4실시 예의 플라즈마 반응기(10e)는 도 11과 도 12에 도시된 바와 같이 상부 방전관(11)의 상부과 하부에 각각 제 1, 2개구부(81, 82)를 구비하고, 여기에 상부 용량 결합 전극(83, 84)을 갖는 용량 결합 플라즈마 소스(80)가 설치된다.
그리고 하부 방전관의 상부와 하부에 각각 제 3, 4개구부(85, 86)를 구비하고, 상기 제 3, 4개구부(85, 86)에 하부 용량 결합 전극(87, 88)을 설치한다.
이때 상기 상부 용량 결합 전극(83, 84)은 상부 방전관(11)의 제 1, 2 개구부(81, 82)로부터 절연체(도면에 부호 미도시)로 분리되고, 하부 용량 결합 전극(87, 88)은 하부 방전관(12)의 제 3, 4 개구부(85, 86)로부터 절연체(도면에 부호 미도시)로 분리되도록 실시하는 것이 바람직하다.
상기 용량 결합 플라즈마 소스(80)의 상·하부 용량 결합 전극(83, 84, 87, 88)과 변압기 결합 플라즈마 소스(20)의 일차 권선(26)은 전원 공급원(30)에 직렬로 연결된다. 그러나 상·하부 용량 결합 전극(83, 84, 87, 88)과 일차 권선(26)은 병렬로 연결되도록 실시할 수도 있다. 또는 스위칭 회로(미도시)를 구성하여, 직렬 또는 병렬로 선택적으로 연결되거나, 둘 중 어느 하나만이 선택적으로 연결되도록 할 수도 있다.
이와 같은 용량 결합 플라즈마 소스(80)를 부가하게 되면 저압 영역에서 고압 영역까지 폭넓은 동작 영역을 안정적으로 얻을 수 있다. 용량 결합 플라즈마 소스(80)에 의해서 저압 영역에서도 쉽게 플라즈마 점화를 발생하고 유지하며 변압기 결합 플라즈마 소스(20)에 의해서 고압 영역에서도 반응기 내부 손상 없이 대용량의 플라즈마를 유지할 수 있다. 두 개의 플라즈마 소스를 하나의 전원 공급원으로 효과적으로 동작시킬 수 있으며, 용량 결합 플라즈마 소스(80)와 변압기 결합 플라즈마 소스(20)가 혼합된 구조에서 선택적으로 어느 하나만을 구동하거나 두 플라즈마 소스(20, 80)의 혼합된 구동이 가능하다.
이와 같이 변압기 결합 플라즈마 소스(20)와 유도결합 플라즈마 소스(50, 50a, 50b), 용량 결합 플라즈마 소스(80)가 일체로 설치되어 유도결합 플라즈마 소스(50, 50a, 50b) 또는 용량 결합 플라즈마 소스(80)가 작동된 저 전력이 공급되는 상태에서도 변압기 결합 플라즈마 소스(20)의 플라즈마를 계속 유지할 수 있는 것이다.
이상에서 설명된 본 발명의 다중방전관을 갖는 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. 그러므로 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.
10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10d: 플라즈마 반응기
11: 상부 방전관 11a: 상부 격벽
12: 하부 방전관 12a: 하부 격벽
13: 방전관 브리지 13a: 냉각 채널
13b: 냉각수 입구 14, 14a, 14b: 가스 입구
15, 15a, 15b: 가스 출구 16, 18: 개구부
17: 절연갭
20: 변압기 결합 플라즈마 소스 21: 일차 권선 코일
22: 마그네틱 코어 30: 전원 공급원
31: 전압 공급원 32: 교류 스위칭 전원 공급원
33: 스위칭 제어 회로 34: 측정 회로
35: 전원 공급 케이블 40: 공정 챔버
42: 기판 지지대 44: 피처리 기판
46: 배플 47: 챔버 가스 입구
48: 어댑터 50, 50a, 50b: 유도결합 플라즈마 소스
51: 유도 안테나 평판 코일 51a, 51b: 유도 안테나 권선 코일
52: 유전체 평판 윈도우 52a, 52b: 유전체 튜브
53, 55, 57 : 상부 방전관 개구부
54, 56, 58 : 하부 방전관 개구부
60: 시스템 제어부
62: 시스템 제어 신호 70, 72: 바이어스 전원 공급원
74: 임피던스 정합기 80: 용량 결합 플라즈마 소스
81, 82, 85, 86 : 제 1, 2, 3개구부
83, 84 : 상부 용량 결합 전극
87, 88 : 하부 용량 결합 전극
11: 상부 방전관 11a: 상부 격벽
12: 하부 방전관 12a: 하부 격벽
13: 방전관 브리지 13a: 냉각 채널
13b: 냉각수 입구 14, 14a, 14b: 가스 입구
15, 15a, 15b: 가스 출구 16, 18: 개구부
17: 절연갭
20: 변압기 결합 플라즈마 소스 21: 일차 권선 코일
22: 마그네틱 코어 30: 전원 공급원
31: 전압 공급원 32: 교류 스위칭 전원 공급원
33: 스위칭 제어 회로 34: 측정 회로
35: 전원 공급 케이블 40: 공정 챔버
42: 기판 지지대 44: 피처리 기판
46: 배플 47: 챔버 가스 입구
48: 어댑터 50, 50a, 50b: 유도결합 플라즈마 소스
51: 유도 안테나 평판 코일 51a, 51b: 유도 안테나 권선 코일
52: 유전체 평판 윈도우 52a, 52b: 유전체 튜브
53, 55, 57 : 상부 방전관 개구부
54, 56, 58 : 하부 방전관 개구부
60: 시스템 제어부
62: 시스템 제어 신호 70, 72: 바이어스 전원 공급원
74: 임피던스 정합기 80: 용량 결합 플라즈마 소스
81, 82, 85, 86 : 제 1, 2, 3개구부
83, 84 : 상부 용량 결합 전극
87, 88 : 하부 용량 결합 전극
Claims (6)
- 가스 입구가 구비된 중공의 상부 방전관;
가스 출구가 구비된 중공의 하부 방전관;
상기 상부 방전관과 상기 하부 방전관에 상부와 하부가 각각 연결되는 복수 개의 방전관 브리지;
상기 방전관 브리지에 장착되며 일차 권선 코일이 권선된 마그네틱 코어를 갖는 변압기 결합 플라즈마 소스;
상기 상부 방전관의 상부에 상부 방전관 개구부가 구비되고, 하부 방전관의 하부에 하부 방전관 개구부가 구비되며, 상기 상부 방전관 개구부와 하부 방전관 개구부에 각각 장착되는 유전체 평판 윈도우가 구비되고, 상기 유전체 평판 윈도우에 근접하여 각각 설치되는 유도 안테나 평판 코일이 구비된 유도 결합 플라즈마 소스;
상기 변압기 결합 플라즈마 소스의 일차 권선 코일과 유도 결합 플라즈마 소스의 유도 안테나 평판 코일에 플라즈마 발생 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기.
- 가스 입구가 구비된 중공의 상부 방전관;
가스 출구가 구비된 중공의 하부 방전관;
상기 상부 방전관과 상기 하부 방전관에 상부와 하부가 각각 연결되는 복수 개의 방전관 브리지;
상기 방전관 브리지에 장착되며 일차 권선 코일이 권선된 마그네틱 코어를 갖는 변압기 결합 플라즈마 소스;
상기 상부 방전관의 상부에 상부 방전관 개구부가 구비되고, 하부 방전관의 하부에 하부 방전관 개구부가 구비되며, 상기 상부 방전관 개구부와 하부 방전관 개구부에 상향과 하향으로 각각 돌출되도록 유전체 튜브가 구비되고, 상기 유전체 튜브에 권선되는 유도 안테나 권선 코일을 갖는 유도 결합 플라즈마 소스;
상기 변압기 결합 플라즈마 소스의 일차 권선 코일과 유도 결합 플라즈마 소스의 유도 안테나 권선 코일에 플라즈마 발생 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기.
- 가스 입구가 구비된 중공의 상부 방전관;
가스 출구가 구비된 중공의 하부 방전관;
상기 상부 방전관과 상기 하부 방전관에 상부와 하부가 각각 연결되는 복수 개의 방전관 브리지;
상기 방전관 브리지에 장착되며 일차 권선 코일이 권선된 마그네틱 코어를 갖는 변압기 결합 플라즈마 소스;
상기 상부 방전관의 하부에 상부 방전관 개구부가 구비되고, 하부 방전관 상부에 하부 방전관 개구부가 구비되며, 상기 상부 방전관 개구부에 하향으로 돌출되고, 하부 방전관 개구부에 상향으로 각각 돌출되는 유전체 튜브가 구비되며, 상기 유전체 튜브에 권선되는 유도 안테나가 구비된 유도 결합 플라즈마 소스;
상기 변압기 결합 플라즈마 소스의 일차 권선 코일과 유도 결합 플라즈마 소스의 유도 안테나에 플라즈마 발생 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기.
- 삭제
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 방전관과 방전관 브리지 사이 또는 하부 방전관과 방전관 브리지 사이에 구비되는 하나 이상의 절연부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 방전관과 하부 방전관은 내부를 구획하는 다수의 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120148032A KR101475502B1 (ko) | 2012-12-18 | 2012-12-18 | 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기 |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120148032A KR101475502B1 (ko) | 2012-12-18 | 2012-12-18 | 다중방전관을 갖는 플라즈마 반응기 |
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