KR101669083B1 - 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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Abstract

정합기로부터 안테나까지 전압강하가 발생되는 것을 최소화한 플라즈마 발생장치가 개시된다. 플라즈마 발생장치는 피처리 물체가 처리되는 처리공간이 형성된 챔버 본체와, 챔버 본체의 상측에 결합된 구조물과, 챔버 본체의 상면에 배치된 안테나와, 안테나와 전기적으로 연결되고, 구조물의 외면에 배치된 정합기를 포함한다. 이에 따라, 플라즈마 발생장치에서는 정합기로부터 안테나에 이르기까지 전압강하의 발생 및 전력소모를 최소화함으로써 에너지 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.

Description

플라즈마 발생장치{Apparatus for generating plasma}
본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판 또는 웨이퍼를 제조하기 위한 공정에 사용되는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 웨이퍼 또는 평판표시장치(FPD:Flat Panel Display) 등과 같은 미세패턴을 요구하는 기술분야에서는 플라즈마 식각(Plasma Etching) 및 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등 각종 표면처리 공정을 수행하기 위해 플라즈마를 사용한다. 플라즈마 발생장치의 일예로 안테나로부터 발생되는 유도 전계을 이용하는 플라즈마 발생장치가 제시될 수 있다. 이러한 플라즈마 발생장치에서 플라즈마를 생성하기 위해서는 이온화 가스에 RF를 공급하는 방식이 사용된다. 플라즈마 제조공정에서 이온화 가스를 플라즈마로 만들기 위해 RF를 공급하는 방식은 다양한 형태로 구현될 수 있다.
플라즈마 발생장치의 구조의 일예로, 챔버 내에 유전체 플레이트를 수평으로 배치하고, 유전체 플레이트의 상측에 고주파를 발생시키기 위한 안테나를 배치한다. 그리고, 챔버의 일측에는 가스공급장치를 배치하여 챔버 내부, 바람직하게는 유전체 플레이트 하측의 공간으로 가스가 유입될 수 있게 한다. 그리고, 평판패널 이나 웨이퍼 등의 피처리 물체를 배치하기 위한 정전척을 배치하는 것이 일반적이다. 여기서, 안테나는 RF 전원공급부에 전기적으로 연결되어 RF 전력을 인가받아 고주파를 발생시킨다. 발생된 고주파는 챔버 내로 공급되어 챔버 내에 유입된 이온화 가스를 플라즈마로 변환시킨다. 여기서, 안테나와 RF 전원공급부 사이를 연결하는 라인에는 정합기가 배치된다. 이러한 정합기는 챔버의 외부에 배치되어 안테나의 임피던스를 제어한다.
한편, 정합기로부터 안테나까지의 거리가 길어질수록 전압강하가 발생된다. 전압강하가 발생된 상태로 안테나에 고주파 전력이 인가되는 경우, 유전체 플레이트의 하측에 플라즈마를 발생시킬 수 있을 정도의 유도 전계가 발생되기 어려울 수 있다. 특히, 플라즈마 발생장치가 대형화되는 경우, 챔버의 넓이 및 높이도 커질 수 밖에 없는데, 이에 따라 정합기로부터 안테나까지의 거리가 길어지게 된다. 즉, 플라즈마 발생장치가 대형화될수록 전압강하를 고려하여 RF 전원공급부로부터 더욱 높은 전압을 발생시켜야 하고 더욱 많은 전력을 소모함으로써, 에너지 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 정합기로부터 안테나까지 전압강하가 발생되는 것을 최소화한 플라즈마 발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 피처리 물체가 처리되는 처리공간이 형성된 챔버 본체와, 챔버 본체의 상측에 결합된 구조물과, 챔버 본체의 상면에 배치된 안테나와, 안테나와 전기적으로 연결되고, 구조물의 외면에 배치된 정합기를 포함한다.
본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 정합기로부터 안테나에 이르기까지 전압강하의 발생 및 전력소모를 최소화함으로써 에너지 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
이하 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 X-X라인을 따라 취한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치(100)는 챔버 본체(110)와, 구조물(150)과, 안테나(140)와, 정합기(130)를 포함한다.
챔버 본체(110)에는 처리공간(111)이 형성된다. 처리공간(111)에서는 미도시된 피처리 물체가 에칭(etching), 증착(evaporation) 및 표면개질(reforming) 등의 다양한 방법에 의해 처리된다. 처리공간(111)은 미도시된 진공 펌프에 의해 진공인 상태가 유지될 수 있다.
구조물(150)은 챔버 본체(110)의 상측에 결합된다. 구조물(150)은 챔버 본체(110)의 상면을 외부로부터 밀폐하도록 형성될 수 있다. 이와 다르게 구조물(150)은 챔버 본체(110)의 상면을 외부로부터 밀폐하지는 않으면서, 챔버 본체(110)의 상면에 배치된 안테나(140)의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 것도 가능하다. 구조물(150)의 상세한 구조의 일예는 후술하기로 한다.
안테나(140)는 챔버 본체(110)의 상면에 배치된다. 안테나(140)는 플라즈마를 생성하기 위한 고주파를 생성한다. 안테나(140)는 챔버 본체(110)의 처리공간(111) 내에 기체의 자속선을 유도적으로 공급할 수 있도록 전기 전도형 금속으로 이루어질 수 있다. 안테나(140)에는 주파수가 대략 13.56㎒인 고주파 전력이 인가 될 수 있다. 이를 위해, 안테나(140)는 급전부(143)를 포함하며, 급전부(143)는 후술할 전원공급부재(160)와 전기적으로 연결된다. 전원공급부재(160)는 안테나(140)에 RF 전력을 공급하는 역할을 한다. 처리공간(111)에는 가스가 공급되고, 안테나(140)로부터 발생된 유도 전계에 의해 가스가 플라즈마화 된다.
정합기(130)는 안테나(140)의 임피던스를 조절한다. 안테나(140)의 일예로 단일 안테나선으로 구성될 수 있다. 도 3을 참조하면, 안테나(140)는 복수개의 안테나 선들로 구성될 수 있는데, 정합기(130)는 이러한 안테나 선들의 임피던스를 제어하는 역할을 한다. 이를 위해 정합기(130)는 적어도 하나의 콘덴서 또는 가변 콘덴서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 안테나(140)가 내측 안테나부(141)와 외측 안테나부(142)로 구성되고, 내측 안테나부(141)와 외측 안테나부(142)가 병렬로 연결된 경우, 내측 안테나부(141)에 콘덴서를 연결하고, 외측 안테나부(142)에 가변 콘덴서를 연결하여, 내측 안테나부(141) 및 외측 안테나부(142)에 흐르는 전류를 제어할 수 있다. 이에 따라, 챔버 본체(110)의 처리공간(111)에 형성되는 플라즈마 밀도 분포를 제어할 수 있다. 여기서, 정합기(130)가 콘덴서 또는 가변 콘덴서를 포함하는 것으로 한정하지는 않으며, 가변 코일 및 저항 등, 임피던스 조절 수단으로 사용할 수 있는 어느 것을 사용하여도 무방하다.
도 2로 되돌아가서, 본 발명의 바람직한 일실시예에서 정합기(130)는 구조물(150)의 외면에 배치된다. 더욱 상세하게 설명하면, 구조물(150)의 하측은 챔버 본체(110)에 결합되어 있으므로, 정합기(130)는 구조물(150)의 측면 및 상면 중 어느 한 면에 배치된다. 이와 같이 정합기(130)가 구조물(150)의 외면에 배치되면, 안테나와 정합기(130) 사이의 거리를 최소화할 수 있다. 전원공급부재(160)와 정합기(130) 사이의 거리가 일정한 상태에서 안테나(140)로부터 정합기(130)까지의 거리가 짧아질수록 정합기(130)로부터 안테나(140)의 급전부(143)에 이르기까지 전압강하가 발생되는 것을 최소화할 수 있다. 전압강하가 최소화될수록 챔버 본체(110)의 처리공간(111)에 플라즈마를 발생시킬 수 있을 정도의 강도를 갖는 유도 전계가 안테나(140)로부터 안정적으로 발생된다.
즉, 상기와 같은 구조로 이루어진 플라즈마 발생장치(100)에서는 정합기(130)로부터 안테나(140)에 이르기까지 전압강하가 발생되는 것을 최소화한다. 이에 따라, 플라즈마 발생장치(100)에서의 전력소모를 최소화함으로써 에너지 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
한편, 정합기(130)는 구조물(150)의 외면 중에서도 구조물(150)의 상면에 배치되는 것이 더욱 바람직하다. 피처리 물체 중에서도 평판패널을 제조하기 위한 기판이 대형화되는 경우, 플라즈마 발생장치(100)의 크기도 커지게 되고 챔버 본체(110) 뿐만 아니라 구조물(150)의 넓이와 높이도 커지게 된다.
예를 들어, 플라즈마 발생장치(100)로 가로 및 세로의 길이가 2200ㅧ2500㎜인 대형의 평판패널을 제조하기 위한 기판 표면을 처리하는 경우, 챔버 본체(110)가 기판을 수용할 수 있도록 챔버 본체(110)의 가로 및 세로의 길이도 기판의 크기보다 커져야 한다. 따라서, 챔버 본체(110)의 가로 및 세로의 길이는 2200ㅧ2500㎜보다 넓게 형성된다. 이와 아울러, 기판이 커질수록 기판 상에 플라즈마를 발생시키기 위한 안테나(140)의 크기도 커지게 되는데, 안테나(140)의 가로 및 세로의 길이만 증가되고, 안테나(140)의 높이는 거의 변화되지 않는 것이 일반적이다. 따라서, 피처리 물체가 대형화되더라도, 안테나(140)를 수용하는 구조물(150)의 높이의 증가된 값보다, 구조물(150)의 가로 및 세로가 증가된 길이가 더 크다. 따라서, 정합기(130)를 구조물(150)의 상면에 배치함으로써, 플라즈마 발생장치(100)가 대형화되더라도 안테나(140)와 정합기(130) 사이의 거리가 거의 증가되지 않게 된다. 이에 따라, 정합기(130)로부터 안테나(140)에 이르기까지 전압강하가 발생되는 것을 더욱 최소화하여, 에너지 효율이 떨어지게 되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 정합기(130)는 구조물(150)의 상면에서도 안테나(140)의 급전부(143)와 대응되는 위치에 배치된 것이 바람직하다. 예를 들어, 안테나(140)의 급전부(143)가 안테나(140)의 중심, 즉 챔버 본체(110)의 수평 중심에 위치한 경우, 정합기(130)도 챔버 본체(110)의 수평 중심과 대응되는 구조물(150)의 상면의 중심에 배치되게 하여 정합기(130)와 안테나(140)의 급전부(143)가 최단거리가 될 수 있다. 이러한 구조에 의해, 플라즈마 발생장치(100)에서 정합기(130)와 안테나 사이에서 발생되는 전압강하를 최소화하는데 있어서 더욱 유리할 수 있다.
한편, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 플라즈마 발생장치(100)의 상세한 구조의 일예를 설명한다.
도 2를 참조하면, 플라즈마 발생장치(100)는 전원공급부재(160)와, 유전체 플레이트(120)와, 고정유닛(150)과, 미도시된 가스공급유닛을 포함할 수 있다. 여기서 전원공급부재(160)는 전술하였으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
유전체 플레이트(120)는 안테나(140)와 챔버 본체(110) 사이에 배치된다. 유 전체 플레이트(120)는 절연성 재질로 이루어진 것이 바람직하다. 이유인 즉, 안테나(140)에 인가된 고주파 전류가 챔버 본체(110)로 전달되는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 유전체 플레이트(120)는 내플라즈마 특성을 갖는 재질로 이루어진 것이 바람직하다. 이는, 유전체 플레이트(120)의 하측에서 발생되는 플라즈마에 의해 유전체 플레이트(120)가 손상되는 것을 방지하기 위함이다. 이를 위한 유전체 플레이트(120)의 재질의 일예로 석영 또는 세라믹일 수 있다. 이와 다르게, 유전체 플레이트(120)가 내플라즈마 특성을 갖는 비도전성 금속으로 이루어진 것도 가능하다.
유전체 플레이트(120)의 다른예로 복수개의 단위 유전체들(121, 122)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 유전체 플레이트(120)을 4개로 분할하고, 분할된 단위 유전체들(121, 122, 도 3 참조)을 챔버 본체(110)의 상면과 동일평면에 배치한다. 이를 위해 챔버 본체(110)의 상면에는 단위 유전체들(121, 122)을 지지하기 위한 리드 플레이트(112)가 배치된다. 리드 플레이트(112)는 단위 유전체들(121, 122)이 배치되는 평면과 동일한 면에 배치된다. 리드 플레이트(112)는 유전체 플레이트(120)의 하면의 가장자리의 일부를 상방으로 지지한다. 이러한 리드 플레이트(112)는 챔버 본체(110)와 일체화되어 형성될 수도 있고, 챔버 본체(110)와 리드 플레이트(112)를 각각 제조하여 결합시키는 것도 가능하다. 그리고, 챔버 본체(110)와 리드 플레이트(112)가 각각 제조되어 결합된 경우, 챔버 본체(110)와 리드 플레이트(112) 사이에는 씰링부재(113a)가 개재될 수 있다. 씰링부재(113a)는 처리공간(111)의 진공이 유지될 수 있게 함과 아울러 처리공간(111)의 플라즈마가 챔버 본체(110)와 리드 플레이트(112) 사이의 틈을 통하여 외부로 유출되는 것을 방지한다.
그리고, 리드 플레이트(112)와 유전체 플레이트(120) 사이에는 씰링부재(113b)가 개재될 수 있다. 씰링부재(113b)는 챔버 본체(110)의 처리공간(111)의 진공이 유지될 수 있게 함과 아울러 처리공간(111)의 플라즈마가 리드 플레이트(112)와 유전체 플레이트(120) 사이의 틈을 통하여 외부로 유출되는 것을 방지한다.
고정유닛(150)은 챔버 본체(110)의 처리공간(111)에 배치된다. 고정유닛(150)에는 피처리 물체가 안착된다. 여기서, 피처리 물체는 웨이퍼 또는 평판패널을 제조하는데 사용되는 기판일 수 있다. 이러한 고정유닛(150)의 일예로 정전척일 수 있다. 정전척은 정전력을 발생시켜서 피처리 물체의 이동을 제한한다. 이를 위해 정전척에는 주파수가 2㎒ 내지 4㎒인 고주파 전력이 인가된다. 이러한 고주파 전력에 의해 정전력이 발생된다. 이러한 정전척에는 가열 수단이나 냉각 수단이 배치될 수 있다. 이는, 기판의 온도를 일정 온도로 유지하기 위함이다.
미도시된 가스공급유닛은 일측이 챔버 본체(110)의 처리공간(111)과 연통되도록 배치되어 챔버 본체(110)의 처리공간(111)으로 가스를 공급한다.
상기와 같은 구조로 이루어진 플라즈마 발생장치(100)의 동작과정을 설명한다. 우선, 안테나(140)에 고주파가 인가되고, 유전체 플레이트(120)을 거쳐 챔버 본체(110)의 처리공간(111)에 균일한 유도 전계가 형성된다. 그리고, 가스공급유닛에 의해 챔버 본체(110)의 처리공간(111)에 가스가 공급된다. 유도 전계에 의해 챔버 본체(110)의 처리공간(111) 내에서 가스가 플라즈마화되어 고밀도의 유도 결합 플라즈마가 생성된다. 이러한 유도 결합 플라즈마에 의해 피처리 물체, 예컨대 평판패널 제조용 기판 또는 웨이퍼 등의 표면이 처리된다.
도 3을 참조하면, 구조물(150)의 일예로 커버 조립체일 수 있다. 커버 조립체(150)는 안테나(140)로부터 발생되는 전계(Electric Field)가 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 커버 조립체(150)는 안테나(140)를 외부의 접촉으로부터 보호할 수 있다. 커버 조립체(150)는 프레임부(151)와, 커버부(152)를 포함할 수 있다. 프레임부(151)는 복수개의 수평빔들 및 수직빔들이 결합된 것이다. 커버부(152)는 수평빔들과 수직빔들 사이에 결합된다. 구조물(150)이 프레임부(151)와 커버부(152)로 구성됨으로써, 플라즈마 발생장치(100)가 대형화되더라도 구조물(150) 자체의 무게를 경량화시키는데 있어서 유리할 수 있다.
도 4를 참조하면, 구조물(250)의 다른 일예로 밀폐 챔버일 수 있다. 밀폐 챔버(250)는 하면이 개구된다. 그리고, 밀폐 챔버(250)의 하면은 리드 플레이트(112)에 결합된다. 밀폐 챔버(250)는 안테나(140)를 외부로부터 밀폐시킨다. 밀폐 챔버(250)와 리드 플레이트(112) 사이에는 씰링부재(113c)가 개재될 수 있다. 밀폐 챔버(250) 내부가 진공인 경우, 씰링부재(113c)에 의해 진공인 상태가 유지될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라 서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 X-X라인을 따라 취한 단면도.
도 3은 도 1의 플라즈마 발생장치에서 구조물을 분해하여 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 플라즈마 발생장치 110: 챔버 본체
120: 유전체 플레이트 130: 정합기
140: 안테나 150: 고정유닛

Claims (4)

  1. 피처리 물체가 처리되는 처리공간이 형성된 챔버 본체;
    상기 챔버 본체의 상측에 결합된 구조물;
    상기 챔버 본체의 상면에 배치된 안테나; 및
    상기 안테나와 전기적으로 연결되고, 상기 구조물의 상면에 배치된 정합기;
    를 포함하며,
    상기 구조물은 복수개의 수평빔들과 수직빔들이 결합된 프레임부와 상기 수평빔들 및 수직빔들 사이에서 상기 수평빔들 및 상기 수직빔들에 결합된 커버부를 포함하고,
    상기 커버부는, 상기 프레임부의 두께보다 얇은 두께를 가지며,
    상기 프레임부 및 커버부는, 상기 안테나로부터 발생되는 전계(Electric Field)가 외부로 방출되는 것을 방지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안테나는 전원을 공급받는 급전부를 포함하며,
    상기 정합기는 상기 안테나의 급전부와 마주하는 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정합기와 전기적으로 연결된 전원공급부재;
    상기 안테나와 챔버 본체 사이에 배치된 유전체 플레이트;
    상기 챔버 본체의 처리공간에 배치되어 피처리 물체가 안착되는 고정유닛; 및
    일측이 상기 챔버 본체의 처리공간과 연통되도록 배치되어 상기 처리공간으로 가스를 공급하는 가스공급유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
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