KR101572100B1 - 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 본 발명의 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기는 피처리 기판이 설치되는 기판지지대를 포함하고 플라즈마가 발생되는 반응 공간을 갖는 공정 챔버; 상기 공정 챔버에 구비되어 플라즈마를 발생시키기 위한 복수 개의 플라즈마 발생 유닛; 상기 플라즈마 발생 유닛에 서로 다른 주파수 전력을 각각 제공하기 위한 제1, 2 전원 장치; 및 상기 플라즈마 발생 유닛에 연결되어 상기 플라즈마 발생 유닛을 통해 전달되는 주파수 전력을 분배하기 위한 적어도 하나의 주파수 통과필터를 포함한다. 본 발명의 플라즈마 반응기에 의하면, 또한 고주파와 저주파를 이용하여 안테나에 균일한 전류 흐름이 형성되어 대면적의 고밀도 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있다. 또한 대면적화 되어가는 기판 사이즈의 증가에 맞추어 대면적으로 확장이 매우 용이하다. 또한 유전체 윈도우를 없애 전력 전달 효율을 높일 수 있다
Figure R1020090047897
대면적 플라즈마, 플라즈마 반응기, 복합 주파수, 고주파, 저주파, 연속 판 처리

Description

복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기{Plasma reactor using multi-frequency}
본 발명은 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 구체적으로는 복합 주파수를 이용하여 대면적화가 매우 용이한 구조로 플라즈마가 균일하게 형성되는 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
플라즈마는 같은 수의 음이온(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 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 높아서 타 플라즈마 소스에 비하여 공정 생산력이 높다는 장점을 갖는다. 용량 결합 플라즈마 소스는 무선 주파수 전원의 증가에 따라 이온 밀도를 쉽게 증가시킬 수 있어서 고밀도의 플라즈마를 얻기 위하여 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 무선 주파수 전력의 증가는 이온 충격 에너지를 증가시킨다. 결과적으로 이온 충격에 의한 손상을 방지하기 위해서는 무선 주파수 전력의 한계성을 갖게 된다. 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 플라즈마를 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 것 으로 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 대면적화 되어가는 기판 사이즈의 증가에 맞추어 대면적으로 확장이 매우 용이한 구조를 갖으면서도 더불어 플라즈마 발생 및 처리가 균일하게 형성될 수 있는 대면적 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
본 발명의 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기는 피처리 기판이 설치되는 기판지지대를 포함하고 플라즈마가 발생되는 반응 공간을 갖는 공정 챔버; 상기 공정 챔버에 구비되어 플라즈마를 발생시키기 위한 복수 개의 플라즈마 발생 유닛; 상기 플라즈마 발생 유닛에 서로 다른 주파수 전력을 각각 제공하기 위한 제1, 2 전원 장치; 및 상기 플라즈마 발생 유닛에 연결되어 상기 플라즈마 발생 유닛을 통해 전달되는 주파수 전력을 분배하기 위한 적어도 하나의 주파수 통과필터를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 주파수 통과필터는 상기 플라즈마 발생 유닛을 통해 전달되는 고주파 전력을 분배하기 위한 하이패스 필터이다.
일 실시예에 있어서, 상기 주파수 통과필터는 상기 플라즈마 발생 유닛을 통해 전달되는 저주파 전력을 분배하기 위한 로우패스 필터이다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 발생 유닛은 상기 제1, 2 전원 장치로부터 주파수 전력을 제공받아 상기 공정 챔버의 내부로 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 안테나 코일; 및 상기 안테나 코일을 감싸도록 형성된 유전체관을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 발생 유닛은 상기 안테나 코일과 상기 유전체관 사이에 상기 안테나 코일의 상측을 감싸도록 설치되고 공정 챔버 내부로 유도되는 자기장의 세기를 강화시키기 위한 마그네틱 코어를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 전원장치는 상기 제2 전원장치보다 높은 주파수 전력을 상기 플라즈마 발생 유닛에 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 전원장치는 상기 안테나 코일과 병렬로 연결된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 전원장치는 상기 안테나 코일과 직렬로 연결된다.
일 실시예에 있어서, 상기 하이패스 필터는 복수 개로 상기 안테나 코일과 병렬로 연결된다.
일 실시예에 있어서, 상기 로우패스 필터는 상기 안테나 코일과 직렬로 연결된다.
일 실시예에 있어서, 상기 하이패스 필터는 캐패시터이다.
일 실시예에 있어서, 상기 로우패스 필터는 인덕터이다.
일 실시예에 있어서, 상기 공정 챔버 상부에 설치되어 공정 가스를 상기 공정 챔버 내부에 공급하기 위한 가스 공급부를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 공급부는 상부에 상기 공정 가스를 주입하기 위한 가스 주입구; 상기 가스 주입구의 하부에 상기 플라즈마 발생 유닛을 설치하기 위한 다수의 플라즈마 유닛 설치홈; 및 상기 다수의 플라즈마 유닛 설치홈 사이에 상기 공정 가스가 상기 공정 챔버 내부에 공급될 수 있도록 관통 형성된 복수 개의 가스 분사구를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 공정 가스가 상기 플라즈마 발생 유닛에 접촉되면서 상기 공정 챔버 내부에 공급되도록 상기 플라즈마 유닛 설치홈 상부를 관통하여 상기 가스 분사구가 더 구비된다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 공급부는 도체로 형성되어 상기 플라즈마 발생 유닛과의 사이에서 방전이 발생된다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 공급부는 하나의 가스 공급 채널 또는 둘 이상의 분리된 가스 공급 채널을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 전원장치로부터 제공되는 전원을 상기 복수개의 플라즈마 발생 유닛으로 분배하는 분배 회로를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 전원장치와 상기 분배 회로 사이에 구성되어 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합기를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 전원장치와 상기 플라즈마 발생 유닛 사이에 구성되어 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합기를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 분배 회로는 상기 복수 개의 플라즈마 발생 유닛으로 공급되는 전류의 균형을 조절하는 전류 균형 회로를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 발생 유닛으로 공급되는 전류 중 상기 제1, 2 전원장치로 서로 다른 주파수가 유입되는 것을 방지하기 위한 필터를 포함한다.
본 발명의 플라즈마 반응기에 의하면, 또한 고주파와 저주파를 이용하여 안테나에 균일한 전류 흐름이 형성되어 대면적의 고밀도 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있다. 또한 대면적화 되어가는 기판 사이즈의 증가에 맞추어 대면적으로 확장이 매우 용이하다. 또한 유전체 윈도우를 없애 전력 전달 효율을 높일 수 있다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면 을 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 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대면적 플라즈마 반응기의 단면을 도시한 도면이다.
도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 대면적 플라즈마 반응기(100)는 공정 챔버(120), 플라즈마 발생 유닛(150) 및 배기 시스템(101)을 포함한다.
공정 챔버(120)는 피처리 기판(50)이 놓이는 기판 지지대(124)이 구비된다. 이때 피처리 기판(50)은 지면과 평행하게 놓이게 된다. 기판 지지대(124)는 바이어스 전원 공급원(182)에 연결되어 바이어스 되고, 바이어스 전원 공급원(182)이 임피던스 정합기(184)를 통하여 기판 지지대(124)에 전기적으로 연결되어 바이어스 된다.
기판 지지대(124)의 이중 바이어스 구조는 플라즈마 반응기(100)의 내부에 플라즈마 발생을 용이하게 하고, 플라즈마 이온 에너지 조절을 더욱 개선시켜 공정 생산력을 향상 시킬 수 있다. 이때 서로 다른 주파수 전력을 공급하기 위한 제1, 2 바이어스 전원 공급원(182a, 182b)을 구비한다. 또는 단일 바이어스 구조로 변형 실시할 수도 있다. 또는 기판 지지대(124)는 바이어스 전원의 공급 없이 제로 퍼텐셜(zero potential)을 갖는 구조로 변형 실시될 수도 있다. 그리고 기판 지지대(124)는 정전척(미도시)을 포함할 수 있다. 또는 기판 지지대(124)는 히터(미도시)를 포함할 수 있다.
공정 챔버(120)의 상부에는 플라즈마를 발생시키기 위한 복수 개의 플라즈마 발생 유닛(150)이 설치된다. 이때 공정 가스를 공정 챔버(120) 내부로 공급하기 위해 공정 챔버(120)의 상부에 설치된 가스 공급부(140)에 복수 개의 플라즈마 발생 유닛(150)이 설치된다. 플라즈마 발생 유닛(150)은 공정 챔버(120) 내부에 포함되어 균일한 플라즈마가 형성되도록 한다. 플라즈마 발생 유닛(150)은 공정 챔버(120) 내부에 설치되기 때문에 유전체 윈도우가 불필요하여 전력 전달 효율이 증대된다.
공정 챔버(120)를 구성하는 몸체는 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속 물질이나 코팅된 금속 예를 들어, 양극 처리된 알루미늄이나 니켈 도금된 알루미늄으로 제작될 수도 있다. 또는 내화 금속(refractory metal)으로 제작될 수도 있다. 또 다른 대안으로 몸체를 전체적 또는 부분적으로 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 제작하는 것도 가능하다. 이와 같이 몸체는 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 어떠한 물질로도 제작될 수 있다. 몸체의 구조는 피처리 기판(50)에 따라 그리고 플라즈마의 균일한 발생을 위하여 적합한 구조를 가질 수 있다.
피처리 기판(50)은 예를 들어, 반도체 집적 회로 장치, 평판 디스플레이 장치, 태양전지 등과 같은 다양한 장치들의 제조를 위한 웨이퍼 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판 등과 같은 기판들이다. 플라즈마 반응기(100)는 진공 펌프(미도시)에 연결된다. 플라즈마 반응기(100)는 대기압 이하의 저압 상태에서 피처리 기판(50)에 대한 플라즈마 처리가 이루어진다. 그러나 본 발명의 플라즈마 반응기(100)는 대기압에서 피처리 기판(50)을 처리하는 대기압의 플라즈마 처리 시스템으로도 구현될 수 있다.
이때 제1, 2 전원장치(162, 164)는 각각 서로 다른 주파수 전력을 플라즈마 발생 유닛(150)의 안테나 코일(156)에 인가한다.
제1 전원장치(162)는 임피던스 정합기(162b), 고주파전원부(162a) 및 필터(162c)를 포함한다. 또한 제2 전원장치(164)는 임피던스 정합기(164b), 저주파전원부(164a) 및 필터(164c)를 포함한다.
임피던스 정합기(162b)는 고주파전원부(162a)와 안테나 코일(156) 사이에 구비되고, 임피던스 정합기(164b)는 저주파전원부(164b)와 안테나 코일(156) 사이에 구비된어 임피던스 정합 기능을 한다.
고주파전원부(162a)와 임피던스 정합기(162b) 사이에는 필터(162c)가 구비되어 안테나 코일(156)을 통해 전달되는 저주파 전력이 고주파전원부(162a)로 인가되는 것을 방지한다. 또한 저주파전원부(164a)와 임피던스 정합기(164b) 사이에는 필터(164c)가 구비되어 안테나 코일(156)을 통해 전달되는 고주파 전력이 저주파전원부(164a)로 인가되는 것을 방지한다.
또한 플라즈마 반응기(100)는 전원장치로부터 제공되는 주파수 전력의 소정 대역 주파수를 통과시키기 위한 주파수 통과필터를 포함한다. 이러한 주파수 통과필터는 고주파 전력을 통과시키기 위한 하이패스 필터(170)와 저주파 전력을 통과시키기 위한 로우패스 필터(180)로 구성된다. 주파수 통과 필터에 의한 주파수 전력의 분배는 하기에서 상세하게 설명한다.
가스 공급부(140)는 가스 주입구(142), 플라즈마 유닛 설치홈(146) 및 가스 분사구(144)를 포함한다. 가스 주입구(142)는 가스 공급부(140)의 상부에 구비되어 외부로부터 플라즈마를 발생시키기 위한 공정 가스를 공급받는다. 플라즈마 유닛 설치홈(146)은 가스 공급부(140)의 하부에 형성되어 플라즈마 발생 유닛(150)이 설치된다. 이때 플라즈마 유닛 설치홈(146)은 플라즈마 발생 유닛(150)의 외주면과 동일한 형태로 형성된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 공급부의 제1 실시예를 도시한 평면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가스 분사구(144)는 가스 주입구(142)를 통해 제공된 공정 가스를 공정 챔버(120)의 내부로 공급하기 위해 가스 공급부(140)를 관통하여 형성된다. 이때 가스 분사구(144)는 복수 개의 플라즈마 유닛 설치홈(146) 사이에 각각 구비되어 공정 챔버(120) 내부에 공정 가스가 골고루 공급될 수 있도록 한다. 즉, 가스 공급부(140)를 통해 공급된 공정 가스와 플라즈마 발생 유닛(150)에 의해 플라즈마가 발생되어 공정 챔버(120) 내부에서 피처리 기판(50)과 반응하게 된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 공급부의 제2 실시예를 도시한 평면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 가스 분사구(144)는 플라즈마 유닛 설치홈(146)에 설치되는 플라즈마 발생 유닛(150)에 분사된 공정 가스가 접촉되면서 공정 챔버(120)에 공급될 수 있도록 플라즈마 유닛 설치홈(146)의 상부에 관통되어 형성된다. 즉, 가스 공급부(140)를 통해 제공되는 공정 가스가 플라즈마 유닛 설치홈(146) 사이 및 플라즈마 유닛 설치홈(146)에 구비된 가스 분사구(144)로 골고루 분사되면서 공정 챔버(120) 내부에서 고른 플라즈마가 형성될 수 있도록 한다.
도 4은 가스 공급부에 설치된 플라즈마 발생 유닛을 도시한 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 플라즈마 발생 유닛(150)은 안테나 코일(156)과 유전체관(152)을 포함한다.
안테나 코일(158)은 전원 공급장치(162, 164)로부터 주파수 전력을 제공받아 공정 챔버(120)의 내부로 유도 결합 플라즈마 발생을 위한 유도 기전력을 전달한다. 이때 안테나 코일(156)은 제공받는 주파수 전력에 의해 발열되기 때문에 내부에 이러한 열을 식혀주기 위한 냉각수(미도시)가 안테나 코일(156) 내부를 따라 흐른다.
유전체관(152)은 내부가 중공인 관 형태로 형성되어 내부에 안테나 코일(156)이 설치된다. 즉, 유전체관(152)은 안테나 코일(156)의 외부를 감싸는 형태로 형성된다. 안테나 코일(156)에 의해 유도되는 유도 자기장은 복수 개의 유전체관(152) 사이에서 발생된다. 그리고 이러한 유도 자기장에 의해서 복수 개의 유전 체관(152)을 따라서 유도 전기장이 발생되어 공정 챔버(120)의 내측 상부에 대면적의 플라즈마가 발생된다.
또한 안테나 코일(156)에 의해 유도되는 자기장의 세기를 강화시키기 위하여 복수 개의 유전체관(152) 내부에 마그네틱 코어(154)가 각각 설치될 수 있다. 마그네틱 코어(154)는 안테나 코일(156)을 상측에서 감싸도록 설치하여 공정 챔버(120) 내부로 유도되는 자기장의 세기를 강화한다.
도 5는 두 개의 가스 공급 채널을 구비한 가스 공급부를 도시한 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 가스 공급부(140)에는 복수 개의 가스 공급 채널을 구비하여 다른 종류의 가스를 공급할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 이층 구조로 가스 공급부(140)가 형성된다. 상층에는 제1 가스를 공급하여 플라즈마 유닛 설치홈(146)의 사이에 구비된 가스 분사구(144)로 분사되도록 한다. 또한 하층에는 제2 가스를 공급하여 플라즈마 유닛 설치홈(146) 상에 구비된 가스 분사구(144)로 분사되도록 한다.
이때 두가지 이상의 공정 가스를 혼합한 혼합가스를 가스 공급부(140)의 상층과 하층에 동일하게 공급할 수도 있고, 서로 다른 공정 가스를 각각 상층과 하층에 공급할 수도 있다.
도 6은 가스 공급부와 플라즈마 발생 유닛 사이의 방전이 일어나는 현상을 도시한 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 공급부(140)는 도체로 형성되어, 가스 공급부(140)에 설치된 플라즈마 발생 유닛(150) 과의 사이에서 방전이 일어나 자기장을 형성한다. 즉, 플라즈마 발생 유닛(150)을 통해 유도 결합된 플라즈마가 유도되고, 플라즈마 발생 유닛(150)과 가스 공급부(140) 사이에서 방전이 일어나 플라즈마가 유도된다. 그러므로 플라즈마 반응기(100)에 균일하고 대면적인 플라즈마가 형성된다.
도 7 및 도 8은 플라즈마 발생 유닛에 복수 개의 안테나 코일이 포함된 것을 도시한 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에서는 유전체관(152) 내부에 하나의 안테나 코일(156)을 설치한 것으로 설명하였으나, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 유전체관(152) 내부에 두 개 또는 세 개의 안테나 코일(156)을 설치할 수도 있다. 즉, 안테나 코일(156)의 개수에 관계없이 유전체관(152) 내부에 안테나 코일(156)을 설치하는 구성이면 무방하다.
도 9는 절첩형 안테나 코일을 도시한 도면이고, 도 10은 연속된 안테나 코일을 도시한 도면이다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 안테나 코일(156)은 절첩형으로 형성되거나 이중으로 연속된 형태로 형성될 수 있다. 안테나 코일(156)은 전원 공급장치(162, 164)로부터 주파수 전력을 제공받아 공정 챔버(120)의 내부로 유도 결합 플라즈마 발생을 위한 유도 기전력을 전달한다.
안테나 코일(156)에 의해 유도되는 유도 자기장은 복수 개의 플라즈마 발생 유닛(150) 사이에서 교대적으로 상하 방향으로 발생됨을 알 수 있다. 그리고 이러한 유도 자기장에 의해서 복수 개의 플라즈마 발생 유닛(150)을 따라서 유도 전기 장이 발생되어 공정 챔버(120)의 내측 상부에 대면적의 플라즈마가 발생된다.
도 11 및 도 12는 안테나 코일에 주파수 전력이 인가되어 분배되는 것을 도시한 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 절첩형태로 형성된 안테나 코일(156)은 제1 전원장치(162) 및 제2 전원장치(164)가 연결된다.
제1 전원장치(162)에서는 고주파 전력이 출력되고, 제2 전원장치(164)에서는 저주파 전력이 출력된다. 즉, 하나의 전원장치에서는 다른 하나의 전원장치보다 높은 주파수가 출력된다. 본 발명의 일 실시예에서는 제1 전원장치(162)가 제2 전원장치(164)보다 높은 주파수 전력을 출력하는 것으로 설명하였다.
안테나 코일(156)은 하이패스 필터(170)와 로우패스 필터(180)를 통해 접지된다. 이때 하이패스 필터(170)는 캐패시터로 구현되고 로우패스 필터(180)는 인덕터로 구현된다. 이러한 캐패시터와 인덕터는 전원 용량을 조절하여 전원인가지점과 접지지점에 걸리는 전압을 분배해준다.
제1 전원장치(162)와 하이패스 필터(170)는 안테나 코일(156)에 병렬로 연결된다.
제1 전원장치(162)에서 출력된 고주파 전력은 하이패스 필터(170)가 연결된 안테나 코일(156) 방향으로 분배되어 흐르게 된다. 즉, 하이패스 필터(170)는 고주파 전력이 절첩된 안테나 코일(156)의 노드별로 분배될 수 있도록 한다. 균일하게 분배된 고주파 전력에 의해 안테나 코일(156)에서는 균일하게 유도 자기장이 형성되어 균일하면서 대면적의 플라즈마를 형성할 수 있다. 이때 하이패스 필터(170)는 안테나 코일이 도7과 같이 절첩된 경우, 제1 전원장치(162)에서 출력된 고주파 전력이 절첩된 각 안테나 코일(156)에 균일하게 분배될 수 있는 개수가 구성되는 것이 바람직하다.
제2 전원장치(164)와 로우패스 필터(180)는 안테나 코일(156)에 직렬로 연결된다.
안테나 코일(156)의 일측에 연결된 제2 전원장치(164)에서 저주파 전력이 출력되고, 안테나 코일(156)의 타측에 연결된 로우패스 필터(180)를 통해 접지된다.
본 발명에서는 고주파 전력과 복수 개의 하이패스 필터(170)를 통해 고주파 전력이 균일하게 분배되어 플라즈마를 형성할 수 있도록 하였으나, 저주파 전력과 복수 개의 로우패스 필터(180)를 통해 저주파 전력이 균일하게 분배되어 플라즈마를 형성할 수 있도록 할 수도 있다.
또한 도 12에 도시된 바와 같이, 절첩된 안테나 코일(156) 중간 부분에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원부(162a)를 연결하고, 양단의 안테나 코일(156) 부분에 하이패스 필터(170)를 연결하여 고주파 전력을 균일하게 분배할 수도 있다.
전류 분배 회로(200)는 전원장치로부터 전원을 플라즈마 발생 유닛(150) 안테나 코일(156)의 여러 지점으로 분배하여 제공한다. 또한 전류 분배 회로(200)는 복수 개의 플라즈마 발생 유닛(150)으로 공급되는 전류의 균형을 조절하는 전류 균형 회로를 포함한다. 이러한 전류 균형 회로는 공지된 사항으로 상세한 설명은 생략한다.
도 13은 안테나 코일의 형태에 따른 하이패스 필터와 로우패스 필터의 연결 상태를 도시한 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 사각 나선형 안테나 코일(300)에 제1 전원장치(162)와 복수 개의 하이패스 필터(170)를 병렬로 연결하고, 제2 전원장치(164)와 로우패스 필터(180)를 직렬로 연결함으로써 주파수 전력이 각 안테나 코일(156)을 따라 균일하게 흘러 균일한 대면적의 플라즈마를 형성할 수 있다.
즉, 안테나 코일(156)의 형태에 구애받지 않고 안테나 코일(156)에 고주파 또는 저주파 전력을 균일하게 분배할 수 있는 구성이면 바람직하다.
이상에서 설명된 본 발명의 복합 주파수를 이용한 대면적 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.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대면적 플라즈마 반응기의 단면을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 공급부의 제1 실시예를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 공급부의 제2 실시예를 도시한 평면도이다.
도 4은 가스 공급부에 설치된 플라즈마 발생 유닛을 도시한 사시도이다.
도 5는 두 개의 가스 공급 채널을 구비한 가스 공급부를 도시한 단면도이다.
도 6은 가스 공급부와 플라즈마 발생 유닛 사이의 방전이 일어나는 현상을 도시한 단면도이다.
도 7 및 도 8은 플라즈마 발생 유닛에 복수 개의 안테나 코일이 포함된 것을 도시한 단면도이다.
도 9는 절첩형 안테나 코일을 도시한 도면이다.
도 10은 연속된 안테나 코일을 도시한 도면이다.
도 11 및 도 12는 안테나 코일에 주파수 전력이 인가되어 분배되는 것을 도시한 도면이다.
도 13은 안테나 코일의 형태에 따른 하이패스 필터와 로우패스 필터의 연결상태를 도시한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
50: 피처리 기판 100: 플라즈마 반응기
101: 배기 시스템 120: 공정 챔버
124: 기판 지지대 140: 가스 공급부
142: 가스 주입구 144: 가스 분사구
146: 플라즈마 유닛 설치홈 150: 플라즈마 발생 유닛
152: 유전체관 154: 마그네틱 코어
156: 안테나 코일 162: 제1 전원장치
162a: 고주파전원부 162b: 임피던스 정합기
162c, 164c: 필터 164: 제2 전원장치
164a: 저주파전원부 164b: 임피던스 정합기
170: 하이패스 필터 180: 로우패스 필터
182: 바이어스 전원 공급원 182a, 182b: 바이어스 전원 공급원
184: 임피던스 정합기 200: 전류 분배 회로
300: 사각 나선형 안테나 코일

Claims (22)

  1. 피처리 기판이 설치되는 기판지지대를 포함하고 플라즈마가 발생되는 반응 공간을 갖는 공정 챔버;
    상기 공정 챔버의 내부로 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 안테나 코일 및 상기 안테나 코일을 감싸도록 형성되고 내부가 중공인 관형태의 유전체관과 상기 안테나 코일의 상측을 감싸도록 설치되어 공정 챔버 내부로 유도되는 자기장의 세기를 강화시키기 위한 마그네틱 코어를 포함하는 플라즈마 발생 유닛;
    상기 공정챔버 상부 중앙에 설치되어 공정가스가 상기 공정챔버 내부에 공급되고, 도체로 형성되어 상기 플라즈마 발생 유닛과의 사이에서 방전을 발생시키는 가스 공급부;
    상기 플라즈마 발생 유닛에 서로 다른 주파수 전력을 각각 제공하기 위한 제1, 2 전원 장치;
    상기 플라즈마 발생 유닛에 연결되어 상기 플라즈마 발생 유닛을 통해 전달되는 주파수 전력을 분배하기 위한 적어도 하나의 주파수 통과필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 통과필터는 상기 안테나 코일 및 상기 유전체관과 상기 마그네틱 코어를 포함하는 상기 플라즈마 발생 유닛을 통해 전달되는 고주파 전력을 분배하기 위한 하이패스 필터인 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 통과필터는 상기 플라즈마 발생 유닛을 통해 전달되는 저주파 전력을 분배하기 위한 로우패스 필터인 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전원장치는 상기 제2 전원장치보다 높은 주파수 전력을 상기 안테나 코일 및 상기 유전체관과 상기 마그네틱 코어를 포함하는 상기 플라즈마 발생 유닛에 제공하는 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 전원장치는 상기 안테나 코일과 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 전원장치는 상기 안테나 코일과 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 하이패스 필터는 복수 개로 상기 안테나 코일과 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 로우패스 필터는 상기 안테나 코일과 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 하이패스 필터는 캐패시터인 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 로우패스 필터는 인덕터인 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  13. 삭제
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 가스 공급부는
    상부에 상기 공정 가스를 주입하기 위한 가스 주입구;
    상기 가스 주입구의 하부에 상기 플라즈마 발생 유닛을 설치하기 위한 다수의 플라즈마 유닛 설치홈; 및
    상기 다수의 플라즈마 유닛 설치홈 사이에 상기 공정 가스가 상기 공정 챔버 내부에 공급될 수 있도록 관통 형성된 복수 개의 가스 분사구를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 공정 가스가 상기 플라즈마 발생 유닛에 접촉되면서 상기 공정 챔버 내부에 공급되도록 상기 플라즈마 유닛 설치홈 상부를 관통하여 상기 가스 분사구가 더 구비된 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  16. 삭제
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 가스 공급부는 하나의 가스 공급 채널 또는 둘 이상의 분리된 가스 공급 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전원장치로부터 제공되는 전원을 상기 플라즈마 발생 유닛으로 분배하는 분배 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 전원장치와 상기 분배 회로 사이에 구성되어 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전원장치와 상기 플라즈마 발생 유닛 사이에 구성되어 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 분배 회로는 상기 플라즈마 발생 유닛으로 공급되는 전류의 균형을 조절하는 전류 균형 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 유닛으로 공급되는 전류 중 상기 제1, 2 전원장치로 서로 다른 주파수가 유입되는 것을 방지하기 위한 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기.
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