KR101659687B1 - 저압 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

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KR101659687B1
KR101659687B1 KR1020150058230A KR20150058230A KR101659687B1 KR 101659687 B1 KR101659687 B1 KR 101659687B1 KR 1020150058230 A KR1020150058230 A KR 1020150058230A KR 20150058230 A KR20150058230 A KR 20150058230A KR 101659687 B1 KR101659687 B1 KR 101659687B1
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electrode
electrode chamber
pressure plasma
upper insulating
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유신재
김시준
이장재
이바다
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충남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 저압 플라즈마 발생 장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 저압 플라즈마 발생 장치는 내부에 방전 공간을 구비하고 내부 표면이 절연체로 코팅되고 내측면에서 방위각 방향을 따라 구불 구불한 곡면을 가지고 도전체로 형성되고 전극 챔버; 상기 전극 챔버보다 높은 전위를 가지고 상기 전극 챔버의 중심부에 배치된 원기둥 형상의 중심 전극; 상기 전극 챔버와 정렬되어 배치되는 상부 절연 챔버; 상기 전극 챔버와 정렬되어 배치되는 하부 절연 챔버; 및 상기 전극 챔버에 RF 전력을 공급하는 RF 전원을 포함한다.

Description

저압 플라즈마 발생 장치{Low Pressure Plasma Generation Apparatus}
본 발명은 저압 플라즈마 발생 장치에 대한 것으로, 더 구체적으로, RF 전원의 전력을 이용하여 수 밀리토르 이하의 저압에서 낮은 플라즈마 밀도 및 낮은 전자 온도의 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
플라즈마를 이용한 반도체 공정에서는 선폭 미세화에 대한 과정이 계속 발전하고 있다. 현재 널리 쓰이는 CCP(축전결합플라즈마)나 ICP(유도결합플라즈마)는 미세공정에선 사용하기 힘들다. 따라서, 이를 보완한 기존의 공정에서보다 훨씬 낮은 밀리토로(mTorr) 이하의 극저압에서, 낮은 전자 밀도 및 전자 온도를 갖는 플라즈마 소스가 요구된다. 이러한 저압플라즈마의 공정속도는 느리지만, 저압 플라즈마는 이온선속 및 에너지, 중성 가스의 밀도를 정밀하게 제어할 수 있다.
본 발명의 발명자는 한국 공개 특허 10-2013-0120577의 전자 방출 수단(텅스텐 필라멘트)을 포함하는 저압 플라즈마 장치를 개발하였다. 하지만, 한국 공개 특허 10-2013-0120577의 저압플라즈마 소스는 상용화가 힘들다. 첫째로 저압플라즈마 소스 챔버 내부에 사용되는 텅스텐 필라멘트는 반도체 공정에서 사용되는 불소(fluorine) 가스에 매우 취약하다. 둘째로 금속 챔버벽 및 DC 전류의 사용은 공정가스의 내부식성 및 내플라즈마성이 좋지 않은 문제점을 갖는다. 또한 현재 개발된 소스의 크기가 크기 때문에 다양한 크기의 공정 활용에서 어렵다. 따라서 이러한 문제점들을 해결하기 위해 내플라즈마성을 갖기 위한 구조적인 개선과 플라즈마 소스의 구동 방법에 관한 연구가 요구된다. 따라서 본 발명은 기존에 발명한 저압플라즈마 소스의 문제점을 보완하고 상용화시키는 데 필요한 개발기술을 제안한다.
본 발명의 해결하고자하는 일 기술적 과제는 불소와 같은 공정 가스를 사용하는 경우에도 안정적으로 동작할 수 있는 저압 플라즈마 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저압 플라즈마 발생 장치는 내부에 방전 공간을 구비하고 내부 표면이 절연체로 코팅되고 내측면에서 방위각 방향을 따라 구불 구불한 곡면을 가지고 도전체로 형성되고 전극 챔버; 상기 전극 챔버보다 높은 전위를 가지고 상기 전극 챔버의 중심부에 배치된 원기둥 형상의 중심 전극; 상기 전극 챔버와 정렬되어 배치되는 상부 절연 챔버; 상기 전극 챔버와 정렬되어 배치되는 하부 절연 챔버; 및 상기 전극 챔버에 RF 전력을 공급하는 RF 전원을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 절연 챔버의 상부면을 덮고 상기 중심 전극과 전기적으로 연결되고 접지되는 상부 절연 챔버 뚜껑을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전극 챔버의 내측 단면은 매화 무늬일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 절연 챔버 또는 상기 하부 절연 챔버의 외부에 배치되어 방전 초기 전하를 생성하는 이그나이터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저압 플라즈마 발생 장치는 메인 챔버; 상기 메인 챔버의 상부면을 덮고 있는 메인 챔버 뚜껑; 및 상기 메인 챔버 뚜껑에 배열된 복수의 저압 플라즈마 모듈을 포함한다. 상기 저압 플라즈마 모듈 각각은 내부에 방전 공간을 구비하고 내부 표면이 절연체로 코팅되고 내측면에서 방위각 방향을 따라 구불 구불한 곡면을 가지고 도전체로 형성되고 전극 챔버; 상기 전극 챔버보다 높은 전위를 가지고 상기 전극 챔버의 중심부에 배치된 원기둥 형상의 중심 전극; 상기 전극 챔버와 정렬되어 배치되는 상부 절연 챔버; 및 상기 전극 챔버와 정렬되어 배치되는 하부 절연 챔버를 포함한다. 각 저압 플라즈마 모듈의 상기 전극 챔버는 하나에 RF 전원에 병렬 연결되어 전력을 공급받는다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 저압 플라즈마 모듈은 상기 상부 절연 챔버의 상부면을 덮고 상기 중심 전극과 전기적으로 연결되고 접지되는 상부 절연 챔버 뚜껑을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전극 챔버의 내측 단면은 매화 무늬일 수 있다.
본 발명은 기존의 플라즈마 소스 개발장치가 갖는 플루오르 가스에 취약한 문제점을 개선할 수 있고, 절연 물질( 예를 들어, 알루미늄 산화막 Al203)로 도전성 챔버 벽을 코팅하고, RF 주파수를 이용함으로써, 공정가스의 내부식성 및 내플라즈마성을 강화시킨다.
도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 1b는 도 1a의 A-B 선을 따라 자른 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2b는 도 2a의 C-D 선을 따라 자른 단면도이다.
본 발명은 저압 플라즈마 소스에 관한 것이다. 현재 플라즈마를 이용한 반도체 및 디스플레이 공정에서, 선폭 세밀화의 컨트롤 능력을 갖춘 저압 플라즈마 소스가 요구된다. 상기 저압 플라즈마 소스는 저압에서 낮은 플라즈마 밀도 및 전자 온도를 가질 수 있다. 하지만, 종래의 저압 플라즈마 소스에 사용된 텅스텐 필라멘트가 반도체 공정에 쓰이는 불소 가스에 취약하고, DC 전류를 사용하는 데 있어 금속 벽으로 이뤄진 챔버 벽은 공정가스에 대한 내부식성 및 내플라즈마성을 갖기 어렵다. 따라서 기존의 소스를 상용화시키기 위한 일환으로써 이러한 구조적 문제점을 해결하기 위한 기술이 보완되어야 하고, 나아가 다양한 공정에 활용하기 위해 소스의 소형화 및 모듈화 작업이 필요한 상황이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존에 발명한 저압 플라즈마 소스 발생장치에서 텅스텐 필라멘트 대신 이그나이터(ignitor) 및 이차전자를 활용함으로써 반도체 공정에 쓰이는 특정 기체에 대해 취약한 부분을 보완하고, 챔버 내부엔 공정가스의 내부식성 및 내플라즈마성을 갖는 코팅을 하도록 한다. 또한 이를 바탕으로 저압 플라즈마소스를 단순화, 소형화, 모듈화하는 과정을 거쳐 다양한 공정에서의 활용도를 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, RF 전력을 공급받은 전극 챔버는 전자를 방출시킬 수 있다. 챔버 중앙에 양극으로 동작하는 중심 전극은 기존의 발생장치보다 더 두꺼운 직경을 가질 수 있다. 상기 전극 챔버 내부의 구조를 구불 구불한 곡면으로 이루게 하여 튀어나온 전자는 상기 중심 전극에 전달되기 까지 충분한 거리를 움직일 수 있고, 더 큰 반지름의 궤도 운동을 수행할 수 있다.
상기 전극 챔버의 내부면은 산화 알루미늄으로 코팅되어, 공정가스에 대한 내부식성 및 내플라즈마성을 가질 수 있다.
결과적으로 기존의 플라즈마 소스 개발장치가 갖는 문제점을 보완하기 위해, 텅스텐 필라멘트는 제거되었고, 이를 대신해 RF 전극 챔버와 이그나이터는 전자를 방출시키며, 전자의 이동거리를 확보하기 위한 수단으로 전극 챔버의 내부 구조는 구불 구불한 곡면으로 처리되고, 이러한 구불 구불한 곡면 처리에 의하여, 전자는 기체와 충돌하여 충분히 에너지를 얻을 수 있다. 또한 알루미나로 챔버 벽을 코팅함으로써 공정 가스의 내부식성 및 내플라즈마성을 강화시켰다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 1b는 도 1a의 A-B 선을 따라 자른 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 저압 플라즈마 발생 장치(100)는 전극 챔버(110), 중심 전극(120), 상부 절연 챔버(140), 하부 절연 챔버(150), 및 RF 전원(130)을 포함한다. 상기 전극 챔버(110)는 내부에 방전 공간을 구비하고 내부 표면이 절연체로 코팅되고 내측면에서 방위각 방향을 따라 구불 구불한 곡면을 가지고 도전체로 형성된다. 상기 중심 전극(120)은 상기 전극 챔버(120)보다 높은 전위를 가지고 상기 전극 챔버(110)의 중심부에 배치된 원기둥 형상이다. 상기 상부 절연 챔버(140)는 상기 전극 챔버(110)와 정렬되어 배치된다. 상기 하부 절연 챔버(150)는 상기 전극 챔버(110)와 정렬되어 배치된다. 상기 RF 전원(130)은 상기 전극 챔버(110)에 RF 전력을 공급한다.
전극 챔버(110)는 전체적으로 원통 형상이고, 내측면은 원통 좌표계에서 방위각 방향을 따라 구불 구불한 매화 무늬를 형성할 수 있다. 상기 전극 챔버의 내측 단면은 매화 무늬일 수 있다. 상기 전극 챔버(110)의 내측의 구불 구불한 면은 전극 챔버의 내측면에서 발생한 2차 전자(secondary electron)가 발생한 경우 회전 방향(방위각 방향)의 각운동량(angular momentum)을 제공할 수 있다. 상기 전극 챔버(110)의 내측면에 플라즈마 쉬스(plasma sheath)가 생성되고, 상기 2차 전자는 상기 플라즈마 쉬스에서 가속되어 플라즈마 내부로 진입한다. 상기 플라즈마 내부에는 전위차가 거의 없으므로, 상기 2차 전자는 음극으로 동작하는 상기 전극 챔버(110)와 양극으로 동작하는 상기 중심 전극(120) 사이에서 포물선 궤도 운동을 수행할 수 있다. 이러한 포물선 궤도 운동 중에서, 상기 2차 전자는 중성 입자를 이온화하여 플라즈마를 유지할 수 있다. 상기 전극 챔버(110)의 내부면은 알루미늄 산화막과 같은 절연체로 코팅될 수 있다. 이에 따라, 상기 전극 챔버는 불소를 포함하는 가스 또는 염소를 포함하는 가스에 대하여 내부식성을 유지할 수 있다.
상기 중심 전극(120)은 원기둥 형상이고, 상기 중심 전극은 접지된다. 상기 중심 전극(120)에 형성된 접지 쉬스(ground sheath)의 전위차를 감소시키고, 상기 전극 챔버(110)에 형성되는 전력 쉬스(powered sheath)의 전위차를 증가시키기 위하여, 접지 면적은 상기 전극 챔버(110)의 면적보다 큰 것이 바람직하다. 따라서, 상기 중심 전극(120)의 면적을 증가시키기 위하여, 상기 중심 전극(120)은 충분히 클 수 있다. 또한, 상기 상부 절연 챔버 뚜껑(160)은 접지되어 접지로 동작할 수 있다.
상부 절연 챔버(140)는 상기 전극 챔버(110)의 상부에 배치되고, 상기 전극 챔버와 동일한 형상일 가지고 절연체로 형성될 수 있다. 상기 상부 절연 챔버(140) 및 상기 하부 절연 챔버(150)는 상기 전극 챔버(110)를 사이에 두어 전기적으로 절연할 수 있다. 상기 상부 절연 챔버(140)는 알루미나와 같은 절연체로 형성될 수 있다. 또한, 상기 상부 절연 챔버(140)의 내부면은 방위각 방향으로 구불구불하고, 상기 전극 챔버(110)와 연속적으로 정렬되어 연결될 수 있다.
상부 절연 챔버 뚜껑(140)은 상기 상부 절연 챔버(140)의 상부면을 덮고 상기 중심 전극(120)과 전기적으로 연결되고 접지된다. 상기 상부 절연 챔버 뚜껑(160)은 도전체로 형성되고, 접지될 수 있다. 이에 따라, 접지 면적을 증가시키어, 상기 전극 챔버(110)의 전력 쉬스에 인가되는 전위차를 증가시킬 수 있다.
차폐부(162)는 도전체로 형성되고, 상기 전극 챔버(110) 및 상기 상부 절연 챔버(140)를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 차폐부(162)는 원통 형상이고, 상기 상부 절연 챔버 뚜껑(160)에 전지적으로 기계적으로 연결될 수 있다.
하부 절연 챔버(150)는 상기 전극 챔버(110)의 하부에 배치되고, 상기 전극 챔버(110)와 동일한 형상일 가지고 절연체로 형성될 수 있다. 상기 상부 절연 챔버(140) 및 상기 하부 절연 챔버(150)는 상기 전극 챔버(110)를 전기적으로 절연할 수 있다. 상기 하부 절연 챔버(150)는 알루미나와 같은 절연체로 형성될 수 있다. 또한, 상기 하부 절연 챔버(150)의 내부면은 방위각 방향으로 구불구불하고, 상기 전극 챔버(110)와 연속적으로 정렬되어 연결될 수 있다.
RF 전원(130)은 바이어스 축전기(131)를 통하여 상기 전극 챔버(110)에 연결될 수 있다. 상기 RF 전원의 주파수는 수 MHz 내지 수십 MHz일 수 있다. 상기 RF 전원(130)은 임피던스 매칭을 위하여 임피던스 매칭 네트워크를 포함할 수 있다.
이그나이터(ignitor, 180)는 상기 상부 절연 챔버(140) 또는 상기 하부 절연 챔버(150)의 외부에 배치되어 방전 초기 전하를 생성할 수 있다. 상기 이그나이터(180)는 DC 펄스 전원(182) 및 상기 이그나이터 전극(184)을 포함할 수 있다. 상기 이그나이터 전극(184)은 상기 상부 절연 챔버 또는 상기 하부 절연 챔버의 외측면에 밀착되어 챔버 내부에 방전을 위한 초기 전하를 생성할 수 있다. DC 펄스 전원(182)은 수 kV의 고전압을 생성하여 상기 이그나이터 전극(184)에 인가할 수 있다.
상기 플라즈마 발생 장치(100)는 모듈 형태로 메인 챔버(170)에 장착될 수 있다. 상기 메인 챔버(170)는 기판을 지지하는 기판 홀더를 포함할 수 있다. 상기 메인 챔버는 배기 펌프를 통하여 수 밀리토르 이하의 낮은 공정 압력에서 식각 또는 증착과 같은 플라즈마 공정을 수행할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2b는 도 2a의 C-D 선을 따라 자른 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 저압 플라즈마 발생 장치(10)는 메인 챔버(170), 상기 메인 챔버(170)의 상부면을 덮고 있는 메인 챔버 뚜껑(171), 및 상기 메인 챔버 뚜껑에 배열된 복수의 저압 플라즈마 모듈(100)을 포함한다. 상기 저압 플라즈마 모듈(100) 각각은 내부에 방전 공간을 구비하고 내부 표면이 절연체로 코팅되고 내측면에서 방위각 방향을 따라 구불 구불한 곡면을 가지고 도전체로 형성되고 전극 챔버(110), 상기 전극 챔버보다 높은 전위를 가지고 상기 전극 챔버의 중심부에 배치된 원기둥 형상의 중심 전극(120), 상기 전극 챔버와 정렬되어 배치되는 상부 절연 챔버(140),및 상기 전극 챔버와 정렬되어 배치되는 하부 절연 챔버(150)을 포함한다. 각 저압 플라즈마 모듈의 상기 전극 챔버(110)는 하나에 RF 전원(130)에 병렬 연결되어 전력을 공급받는다.
메인 챔버(170)는 원통 형상 또는 사각통 형상 일 수 있다. 상기 메인 챔버(170)는 배기 펌프에 의하여 수 밀리토르(mTorr) 이하의 공정 압력에 플라즈마 처리를 수행할 수 있다. 상기 메인 챔버(170)의 내부에는 기판(192) 및 상기 기판을 지지하는 기판 홀더(190)를 포함할 수 있다. 메인 챔버 뚜껑(171)은 복수의 관통홀을 가지는 원판 형상이고 도전체로 형성될 수 있다. 상기 관통홀 상에 저압 플라즈마 모듈이 장착될 수 있다.
저압 플라즈마 모듈(100)은 전극 챔버(110), 중심 전극(120), 상부 절연 챔버(140), 하부 절연 챔버(150), 및 RF 전원(130)을 포함한다. 상기 전극 챔버(110)는 내부에 방전 공간을 구비하고 내부 표면이 절연체로 코팅되고 내측면에서 방위각 방향을 따라 구불 구불한 곡면을 가지고 도전체로 형성된다. 상기 중심 전극(120)은 상기 전극 챔버보다 높은 전위를 가지고 상기 전극 챔버의 중심부에 배치된 원기둥 형상이다. 상기 상부 절연 챔버(140)는 상기 전극 챔버와 정렬되어 배치된다. 상기 하부 절연 챔버(150)는 상기 전극 챔버와 정렬되어 배치된다. 상기 RF 전원(130)은 상기 전극 챔버(110)에 RF 전력을 공급한다.
상기 저압 플라즈마 모듈은 상기 상부 절연 챔버(140)의 상부면을 덮고 상기 중심 전극과 전기적으로 연결되고 접지되는 상부 절연 챔버 뚜껑(160)을 포함할 수 있다. 상기 전극 챔버의 내측 단면은 매화 무늬일 수 있다.
전극 챔버들은 전기적으로 병렬 연결되고, 상기 RF 전원(130)으로 부터 전력을 공급받을 수 있다. 또한, 상기 이그나이터 전극(184)은 전기적으로 병렬 연결되고, 상기 이그나이터의 DC 펄스 전원(182)에 연결될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
110: 전극 챔버
120: 중심 전극
130: RF 전원
140: 상부 절연 챔버
150: 하부 절연 챔버
130: RF 전원

Claims (7)

  1. 내부에 방전 공간을 구비하고 내부 표면이 절연체로 코팅되고 내측면에서 방위각 방향을 따라 구불 구불한 곡면을 가지고 도전체로 형성되는 전극 챔버;
    상기 전극 챔버보다 높은 전위를 가지고 상기 전극 챔버의 중심부에 배치된 원기둥 형상의 중심 전극;
    상기 전극 챔버와 정렬되어 배치되는 상부 절연 챔버;
    상기 전극 챔버와 정렬되어 배치되는 하부 절연 챔버; 및
    상기 전극 챔버에 RF 전력을 공급하는 RF 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 저압 플라즈마 발생 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 상부 절연 챔버의 상부면을 덮고 상기 중심 전극과 전기적으로 연결되고 접지되는 상부 절연 챔버 뚜껑을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저압 플라즈마 발생 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 챔버의 내측 단면은 방위각 방향을 따라 구불구불한 곡면에 의하여 형성된 매화 무늬인 것을 특징으로 하는 저압 플라즈마 발생 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 상부 절연 챔버 또는 상기 하부 절연 챔버의 외부에 배치되어 방전 초기 전하를 생성하는 이그나이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저압 플라즈마 발생 장치.
  5. 메인 챔버;
    상기 메인 챔버의 상부면을 덮고 있는 메인 챔버 뚜껑; 및
    상기 메인 챔버 뚜껑에 배열된 복수의 저압 플라즈마 모듈을 포함하고,
    상기 저압 플라즈마 모듈 각각은:
    내부에 방전 공간을 구비하고 내부 표면이 절연체로 코팅되고 내측면에서 방위각 방향을 따라 구불 구불한 곡면을 가지고 도전체로 형성되는 전극 챔버;
    상기 전극 챔버보다 높은 전위를 가지고 상기 전극 챔버의 중심부에 배치된 원기둥 형상의 중심 전극;
    상기 전극 챔버와 정렬되어 배치되는 상부 절연 챔버;및
    상기 전극 챔버와 정렬되어 배치되는 하부 절연 챔버를 포함하고,
    각 저압 플라즈마 모듈의 상기 전극 챔버는 하나에 RF 전원에 병렬 연결되어 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는 저압 플라즈마 발생 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 저압 플라즈마 모듈은 상기 상부 절연 챔버의 상부면을 덮고 상기 중심 전극과 전기적으로 연결되고 접지되는 상부 절연 챔버 뚜껑을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저압 플라즈마 발생 장치.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 전극 챔버의 내측 단면은 방위각 방향을 따라 구불구불한 곡면에 의하여 형성된 매화 무늬인 것을 특징으로 하는 저압 플라즈마 발생 장치.
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