KR101695748B1 - 플라즈마 장치 - Google Patents

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Abstract

챔버 내에 전자기장을 가하여 플라즈마를 생성하는 안테나 코일; 상기 챔버를 밀폐하는 유전체 덮개; 상기 유전체 덮개와 상기 안테나 코일 사이에 배치되는 금속 재질의 판이며 전기적으로 접지되는 패러데이 차폐판; 을 포함하고, 상기 플라즈마의 생성시 상기 안테나 코일 및 상기 패러데이 차폐판은 상대 운동되는 플라즈마 장치가 기재된다.

Description

플라즈마 장치{PLASMA DEVICE}
본 발명은 기판 등 가공물 처리사 균일한 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 장치에 관한 것이다.
반도체 wafer나 LCD 유리기판 등의 가공물의 표면에 미세패턴을 형성하는 표면 처리 기술에 있어서 플라즈마(Plasma)가 이용된다. 플라즈마를 생성하는 플라즈마 소오스는, 반도체 미세 회로 선폭 또는 LCD 크기에 따라 발전해 왔다.
플라즈마 소오스의 대표적인 방법으로는 용량 결합 플라즈마 (capacitive coupling Plasma, CCP)와 안테나 코일에 의해 유도되는 유도 결합 플라즈마 (Inductive coupling Plasma, ICP)가 있다. CCP 방식은 일본의 TEL(Tokyo electron)사와 미국의 LRC( Lam Research )사 등이 주도하며, ICP 방식은 미국의 AMT(Applied Materials)사와 LRC사가 주도한다.
ICP 방식은, 낮은 압력에서 플라즈마를 발생시킬 수 있는 장점과 플라즈마의 밀도가 우수하여 미세 회로 대응성이 좋다. 반면에, 안테나의 구조적인 문제에서 비롯된 플라즈마의 균일성 저하가 단점이다.
CCP 방식은 균일한 플라즈마를 발생하는 장점이 있지만, 전기장이 가공물에 직접 영향을 미쳐 미세 패턴에 손상을 줄 염려가 있다. 또한, ICP 방식에 비하여 플라즈마 밀도가 낮아 미세 패턴 형성에 불리하다. 또한, 대형 유리 기판에서 넓은 면적(7세대,8세대)에 높은 power를 인가함에 따라, 전극에 균일한 power전달이 어려울 뿐만 아니라, 높은 power에 따른 가공물 및 장치 손상이 발생한다.
한국등록특허공보 제0324792호에는 저주파 전력에 의한 변조를 고주파 전력에 가하는 기술이 개시되고 있으나, 플라즈마 균일성 확보에 대하여는 언급하지 않고 있다.
한국등록특허공보 제0324792호
본 발명은 플라즈마 장치에서 플라즈마의 균일성을 확보하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시예로서, 본 발명의 플라즈마 장치는, 챔버 내에 전자기장을 가하여 플라즈마를 생성하는 안테나 코일; 상기 챔버를 밀폐하는 유전체 덮개; 상기 유전체 덮개와 상기 안테나 코일 사이에 배치되는 금속 재질의 판이며 전기적으로 접지되는 패러데이 차폐판; 을 포함하고, 상기 플라즈마의 생성시 상기 안테나 코일 및 상기 패러데이 차폐판은 상대 운동된다.
본 발명에서는 회전하는 안테나 코일을 사용하여 플라즈마를 균일하게 발생시키고, 중심 영역과 가장자리 영역에 대하여 서로 다른 비율로 가스를 공급하는 가스판이 마련되어 챔버 내부의 플라즈마 균일화를 달성할 수 있으며, 회전하는 안테나 코일에 매칭되는 슬롯이 형성된 패러데이 차폐판이 플라즈마 균일화를 달성할 수 있다.
또한, 회전하는 안테나 코일의 중심 영역으로부터 챔버 안쪽으로 투사되는 전자기파를 부분적으로 차단하는 와전류 플레이트가 챔버 안쪽의 플라즈마를 균일하게 조절하는 열판(heat plate)으로서 마련될 수 있다.
도 1은 본 발명의 플라즈마 장치의 단면 개략도이다.
도 2는 본 발명의 플라즈마 장치의 상측 주요부의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 페러데이 차폐판의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 가스판의 평면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1을 참조하면, 챔버(110) 및 회전하는 안테나 코일(130)이 마련된다. 챔버(110)에는 척 유니트(150)가 마련된다. 플라즈마 가공되는 가공물(10)로서 웨이퍼, 기판 등이 척 유니트(150)에 놓여진다.
플라즈마를 활성화시키는데 적당한 아르곤(Ar) 등의 반응 가스가 가스판(710)을 통하여 챔버(110) 내에 공급될 수 있다. 챔버(110) 내로 유입된 반응 가스는 안테나 코일(130)에서 생성된 전자기장에 의하여 플라즈마 상태로 여기된다.
안테나 코일(130)은 ICP 방식에서는 챔버(110)의 외부에 설치되고, 도시되지 않은 CCP 방식에서는 챔버(110)의 내부에 설치될 수 있다. 전자기장이 생성되도록 안테나 코일(130)에는 고주파 RF 전원이 인가될 수 있다.
안테나 코일(130)은 챔버(110)의 상부에 마련될 수 있다. 챔버(110)의 상부를 밀봉하는 덮개(111)는, 안테나 코일(130)과 챔버(110)의 수용 공간 사이에 위치할 수 있고, 진공 유지를 위하여 오링으로 밀폐되며, 전자기장을 챔버(110) 안으로 투사시키는 석영 유리판 또는 세라믹으로 구성된 RF 윈도우나 유전체 판이 될 수 있다.
척 유니트(150)는 챔버(110) 내에 마련될 수 있다. 척 유니트(150)에 지지된 가공물(10)이 플라즈마 처리되도록 척 유니트(150)는 안테나 코일(130)에 대면될 수 있다. 일 실시예로서, 척 유니트(150)에 전압이 인가되면 정전 척(electrostatic chuck)이 되며, 정전 척은 안테나 코일(130)과 함께 챔버(110) 수용 공간에 플라즈마 분위기를 생성하거나 가공물(10)을 척 유니트(150)에 정전기적으로 부착시킨다.
플라즈마 상태로 여기된 반응 가스가 가공물(10)을 균일하게 타격하거나 가공물(10)에 균일하게 흡착되려면, 균일한 플라즈마 또는 균일한 전자기장이 형성되어야 한다.
이를 위해, 챔버(110)의 상부에 고르게 배치된 형상의 고정된 안테나 코일(130)을 설치하거나, 안테나 코일(130) 또는 척 유니트(150)를 회전시킬 수 있다. 안테나 코일(130) 또는 척 유니트(150)는 가상선 c-c'를 회전축으로 하여 회전할 수 있다. 척 유니트(150)가 고정되고 안테나 코일(130)이 회전하는 경우, 안테나 코일(130)의 회전축은 z축을 따라 연장되는 가상선 c-c'일 수 있다. 한편, 안테나 코일(130)이 고정되고 척 유니트(150)가 회전하여도 무방하고, 안테나 코일(130)과 척 유니트(150)가 다른 속도로 회전해도 무방하다.
도 3을 참조하면, 안테나 코일(130)은 회전 중심이 되는 중심 코일(131)과, 중심 코일(131)에 병렬 연결된 복수의 브랜치 코일(133)을 포함할 수 있다. 브랜치 코일(133)은 중심 코일(131)에 연결되는 선단부(137)와, 전원 접지부에 연결되는 후단부(1341b)를 포함하고, 선단부(137) 및 후단부(134b)는 실질적으로 회전하는 동축 상에 위치할 수 있다. 이를 위해 브랜치 코일(133)은 'U'자형 또는 'C'자형 등의 형상으로서, 일측이 개구된 폐곡선 형상을 가질 수 있다.
회전하는 중심 코일(131)에는 슬립 링(139) 등을 통해 고주파 전원을 제공하는 전원부(170)가 전기적으로 연결될 수 있다. 회전하는 안테나 코일(130)에 의하면 가공물(10)의 전체 영역이 균일하게 플라즈마 처리될 수 있다.
일 실시예로서, 고정된 안테나 코일(130)의 형상 최적화나 안테나 코일(130)을 회전시키는 것보다 더욱 플라즈마 균일성을 높이기 위하여, 패러데이 차폐판(750) 또는 와전류 플레이트(720)가 마련된다.
도 3을 참조하면, 안테나 코일(130)의 중심 영역에는 전원이 인가되는 중심 코일(131)과 각각의 브랜치 코일(133)이 접지되는 후단부(134b)가 위치한다. 중심 코일(131) 또는 여기에 병렬 연결된 각 브랜치 코일(133)의 선단부(137)에 인가되는 전압을 V라 하면, 각 브랜치 코일(133)의 후단부(134b) 및 선단부(137)가 인접하므로 안테나 코일(130)의 중심 영역의 평균 전압은 V로 볼 수 있다.
안테나 코일(130)의 외주에는 각 브랜치 코일(133)의 가운데 부분이 위치할 수 있다. 브랜치 코일(133)은 선단부(137)로부터 후단부(134b)로 갈수록 길이에 비례하는 저항으로 작용하고, 브랜치 코일(138)은 중심에서 외주를 거쳐 다시 중심으로 복귀하는 형상이다. 따라서, 각 브랜치 코일(130)은 중심에서 외주에 걸쳐 평균 전압이 일정한 V로 볼 수 있다. 안테나 코일(130)의 반경 방향만을 1차원(one-dimension) 좌표축으로 고려하면 중심부터 외주까지 평균 전압은 일정할 수 있다.
그러나, 안테나 코일의 반경 방향을 1차원(one-dimension) 좌표축으로 하고 원주 방향을 2차원(two-dimension) 좌표축으로 하는 원통 좌표계(cylindrical coodinate system)의 관점에서 보면, 브랜치 코일(133)은 1차원 직선상에 펼쳐진 것이 아니라 2차원 평면상에 펼쳐진 형상이므로 외주로 갈수록 벌어지는 왜곡된 'U'자 형상이 될 수 있다. 따라서, 안테나 코일(130)의 중심 부분과 외주 부분의 단위 면적당 평균 전압에 편차가 있을 수 있으며, 브랜치 코일(133)이 넓게 펼쳐지는 외주 부분으로 갈수록 단위 면적당 평균 전압이 낮아질 수 있다.
따라서, 단위 면적당 평균 전압의 차이를 완화시키고 중심 부분과 외주 부분의 전자기장 세기를 균일하게 맞추기 위하여, 안테나 코일(130)을 회전시키는 것이 본 발명의 중요 특징이다.
안테나 코일(130)의 대칭 형상('U'자 형상)에 의한 평균화 및 회전에 의한 평균화에도 불구하고, 안테나 코일(130)의 중심 부분의 평균 전압, 전자기장, 플라즈마 강도 등이 외주보다 높을 수 있다.
이를 완화시키기 위하여, 패러데이 차폐판(750) 또는 와전류 플레이트(720)(eddy current plate)가 마련될 수 있다.
일 실시예로서, 와전류 플레이트(720)는 안테나 코일(130)과 대면되는 패러데이 차폐판(750)의 중심에 배치된다.
와전류 플레이트(720)는 철, 스텐레스 등의 강자성체 또는 상자성체인 것이 바람직하다. 안테나 코일(130)에 RF 전원이 인가되면 와전류 플레이트(720)에 역기전류(eddy current)가 고주파 유도되므로, 와전류 플레이트(720)가 발열된다. 와전류 플레이트(720)의 발열은 안테나 코일(130)의 중심 부분의 에너지 손실에 해당하고, 상기 발열에 대응하는 만큼 안테나 코일(130)의 전자기장을 차폐시킬 수 있다. 유도 가열을 위하여 와전류 플레이트(720)는 접지되지 않을 수 있다.
안테나 코일(130)의 중심에서 발생된 전자기장은 와전류 플레이트(720)의 발열에 소모되므로, 챔버(110) 내부로 유도되는 플라즈마 강도가 중심 부분에서 낮아질 수 있다. 가열된 와전류 플레이트(720)의 열이 유전체 덮개(111)의 중앙 부분에 전달되면 덮개(111)의 중앙 부분이 가열되고, 덮개(111)의 온도 상승에 의하여 덮개(111)의 스퍼터링 또는 에칭이나 폴리머 흡착이 억제될 수 있다. 강자성체 또는 상자성체에 유도되는 와전류로 와전류 플레이트(720) 또는 유전체 덮개(111)를 가열하면, 챔버(110) 안쪽으로 대면되는 유전체 덮개(111) 면에 폴리머가 형성되는 온도를 제어할 수 있고 덮개(111)의 스퍼터링 또는 에칭을 억제할 수 있다.
안테나 코일(130)의 회전축 부분, 중심 코일(131), 중심 코일(131)과 브랜치 코일(133)이 교차되는 부분, 브랜치 코일(133)의 선단부(137), 브랜치 코일(133)의 후단부(134b) 중 적어도 하나는 안테나 코일(130)의 중심 부분에 위치하고, 안테나 코일(130)의 중심 부분은 와전류 플레이트(720)에 의하여 차폐될 수 있다.
안테나 코일(130)의 중심 부분은 전류 방향을 특정하기 어려워 일정 방향으로 슬롯(752)이 개구되는 패러데이 차폐판(750)에 의하여 전자기장 통과 특성을 일정하게 제어하기 어려울 수 있다. 패러데이 차폐판(750)의 정 중앙에는 슬롯(752) 가공이 힘들 수 있다. 따라서, 안테나 코일(130)의 중심 부분에 대면되는 패러데이 차폐판(750)의 중앙에 센터 구멍(751)을 개구시키고, 센터 구멍(751)에 와전류 플레이트(720)를 배치할 수 있다.
패러데이 차폐판(750)의 중심부에는 접지를 하지 않은 강자성체 또는 상자성체 재질의 와전류 플레이트(720)를 삽입시켜 챔버(110)내에 투사되는 전자기파를 차단한다.
필요한 경우, 유전체 덮개(111)의 중심 영역에 한정되지 않고 유전체 덮개(111)의 가장 자리 영역에도 강자성체 또는 상자성체 재질의 와전류 플레이트(720)를 삽입시켜, 플라즈마의 균일성을 조절하고 넓은 면적의 RF 윈도우의 온도 제어가 가능하다.
도 1을 참조하면, 도면 하단의 점선 그래프는 와전류 플레이트(720)나 패러데이 차폐판(750)이 마련되지 않은 경우에 챔버(110) 내부의 플라즈마 강도를 나타낸 것이고, 점선 그래프 밑에 그려진 실선 그래프는 와전류 플레이트(720) 및 패러데이 차폐판(750)이 마련된 본 발명의 플라즈마 강도를 나타낸다.
이를 참조하면, 안테나 코일(130)의 중심 부분에서 와전류 플레이트(720)로 인하여 플라즈마 강도가 감소되고, 플라즈마 강도가 평균화된다. 또한, 안테나 코일(130)의 중심 이외의 부분에서 패러데이 차폐판(750)에 의하여 플라즈마 강도가 평균화된다.
이하, 패러데이 차폐판(750)에 대하여 설명한다.
챔버(110) 내부의 플라즈마 전위가 오실레이션(ocsillation)되거나 안테나 코일(130)의 전위가 크게 변하면, 안테나 코일(130) 회로 자체에 전압 불균형이 발생하는 셀프 바이어스(self bias)가 생길 수 있다. 플라즈마 전위가 진동하거나 안테나 코일(130)에 인가되는 RF 전원의 크기가 공정 중에 크게 변하면, 플라즈마와 접촉되는 유전체 덮개(111)나 챔버(110) 내부가 스퍼터링(sputtering) 또는 에칭(etching)으로 침식될 수 있다. 셀프 바이어스 발생 또는 ICP 플라즈마 장치의 E mode 운전시 유전체 덮개(111)의 전위가 낮아지면서 플라즈마 내의 이온이 유전체 덮개(111)를 스퍼터링하거나 에칭하는 효과가 커질 수 있다.
패러데이 차폐판(750)은 E mode에 의한 플라즈마 발생을 억제하거나 셀프 바이어스(self bias)의 크기를 줄일 수 있다.
패러데이 차폐판(750)은 안테나 코일(130)과 유전체 덮개(111) 사이에 배치되며 안테나 코일(130)과 유전체 덮개(111) 사이에서 전기장만을 차폐하고 자기장만을 유전체 덮개(111) 및 챔버(110)로 투과시킬 수 있다.
패러데이 차폐판(750)의 원리는 마치 커패시터(capacitor) 전극 사이에 유전체를 삽입하는 대신 구리 등의 도체판을 끼워 넣어 두 전극 사이에 형성되는 전기장의 세기를 낮추는 것으로 볼 수 있다. 그러나, 패러데이 차폐판(750)이 완전히 안테나 코일(130)을 차폐하면 안테나 코일(130)에서 형성되는 전기장뿐만 아니라 자기장도 완전히 차단되므로, ICP 플라즈마를 형성하기 위한 챔버(110) 내의 유도 전기장 형성이나, 자기장을 이용한 플라즈마 발생(H mode)이 불가능할 수 있다.
따라서, 패러데이 차폐판(750)의 차폐 면적이나 차폐 형상을 조절할 필요가 있다. 이를 위하여 안테나 코일(130)의 연장 방향에 수직한 방향 또는 안테나 코일(130)의 전류 방향에 수직한 방향으로 연장되는 슬롯(752)이 패러데이 차폐판(750)에 형성된다. 슬롯(752)은 안테나 코일(130)의 연장 방향에 수직한 방향 또는 안테나 코일(130)의 전류 방향에 수직한 방향으로 개구된다.
슬롯(752)은 안테나 코일(130)의 전류 방향에 수직한 방향으로 생성되는 전자기장을 통과시켜 유전체 덮개(111)로 안내한다. 패러데이 차폐판(750)에서 슬롯(752)을 제외한 금속 판 부분은 전기장만을 차폐하고 자기장은 통과시켜, 유전체 덮개(111)로 안내한다.
가공물(10)이 커질수록 챔버(110)가 커지고 RF 윈도우에 해당하는 유전체 덮개(111)의 온도가 불균일해질 수 있다. 플라즈마 내의 이온이 유전체 덮개(111)를 스퍼터링하거나 에칭하는 효과 때문이다. 따라서, 패러데이 차폐판(750)의 슬롯(752) 형상을 적절히 조정하고 패러데이 차폐판(750)을 그라운드시켜 덮개(111)의 온도 균일성을 제어할 수 있다.
일 실시예로서, 패러데이 차폐판(750)은 안테나 코일(130)의 법선 방향으로 연장되는 개구된 슬롯(752)을 구비한다. 회전하는 안테나 코일(130)의 형상에 대응되는 맞춤형의 슬롯(752) 형성을 위하여, 적어도 두 가지 패턴의 슬롯(752)을 형성할 수 있다.
페러데이 차폐판은 구리 등의 도체로 된 얇은 금속판이며, 접지부(754)에 접지된다. 복수의 형상의 슬롯(752)이 형성된 패러데이 차폐판(750)을 안테나 코일(130)과 유전체 덮개(111) 사이에 배치하여 플라즈마의 균일성을 구현하였다.
도 2를 참조하면, 슬롯(752)은 안테나 코일(130)의 중앙 영역에 대면되는 제1 슬롯(752a)과 안테나 코일(130)의 외주 영역에 대면되는 제2 슬롯(752b)을 포함할 수 있다. 안테나 코일(130)의 내주 부분에서 브랜치 코일(133)은 반경 방향으로 연장되므로, 제1 슬롯(752a)은 패러데이 차폐판(750)의 원주 방향을 따라 연장될 수 있다. 안테나 코일(130)의 외주 부분에서 브랜치 코일(133)은 원주 방향으로 연장되므로 제2 슬롯(752b)은 패러데이 차폐판(750)의 반경 방향을 따라 연장될 수 있다.
브랜치 코일(133)의 연장 방향 또는 전류의 방향은 안테나 코일(130)의 내주 부분 및 외주 부분에서 서로 수직하므로, 제1 슬롯(752a) 및 제2 슬롯(752b)은 연장 방향이 수직할 수 있다.
제1 슬롯(752a)은 안테나 코일(130)의 반경 방향을 향하는 브랜치 코일(133)의 선단부(137) 및 후단부(134b)에 대면되고, 제2 슬롯(752b)은 안테나 코일(130)의 원주 방향을 향하는 브랜치 코일(133)의 중간 부분에 대면되며, 제1 슬롯(752a) 및 제2 슬롯(752b)은 브랜치 코일(133)의 연장 방향과 수직할 수 있다.
종래의 고정된 안테나에서는 주파수가 낮을수록 전자 온도가 높기 때문에 확산 정도가 빠르게 되어 균일성이 더 좋아지는 경향이 있다. 하지만 고정된 안테나 자체가 가지는 구조적인 문제인 전위차를 극복하기 위하여 넓은 공간의 챔버(110)를 필요로 하는 단점이 있다. 한편, 종래의 고정된 안테나에 패러데이 차폐판(750)을 설치하는 경우, 패러데이 차폐판(750)의 슬롯(752) 형상을 아무리 최적화시켜도, 플라즈마의 균일성 확보가 제한된다. 왜냐하면 모든 구간에서 안테나와 슬롯(752)이 직교하도록 슬롯(752)을 설계하는데 한계가 있으며, 고정된 안테나이므로 동적인 평균화가 불가능하고, 안테나와 슬롯(752)이 고정되므로 오로지 슬롯(752)의 형상에만 의존하는 정적인 평균화에 불과하기 때문이다.
이에 비하여 본 발명은 안테나 코일(130)이 회전 또는 직선 이동하며 동적으로 움직이고 패러데이 차폐판(750)이 고정된 상태이거나, 도시하지는 않았지만 안테나 코일(130)은 고정되고 패러데이 차폐판(750)이 회전 또는 직선 이동하며 동적으로 움직인다.
슬롯(752)이 형성된 패러데이 차폐판(750)과 안테나 코일(130)이 상대 운동하는 본 발명에 따르면, 슬롯(752)과 안테나 코일(130)의 연장 방향이 직교해야만 하는 제한점이 완화되고, 무엇보다 동적인 평균화가 달성되는 장점이 있다.
이하, RF 윈도우 유니트(700)에 대하여 설명한다.
RF 윈도우 유니트(700)는 유전체 덮개(111)를 지지하고, 챔버(110)의 상측을 밀폐한다.
RF 윈도우 유니트(700)는 유전체로 된 커버 플레이트(760), 금속 재질로 된 패러데이 차폐판(750), 강자성체 또는 상자성체로 이루어진 와전류 플레이트(720), 가스판(710) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
RF 윈도우 유니트(700)는, 알루미늄 재질일 수 있다.
RF 윈도우 유니트(700)는, 내부에 가스 공급 경로가 형성될 수 있다. 가스 공급 경로는 가스판(710)에 연결되는 서로 독립된 복수의 경로일 수 있다. 챔버(110) 내부의 플라즈마 강도에 따라 상기 경로별로 상기 가스가 차등 공급될 수 있다.
RF 윈도우 유니트(700)는 챔버(110) 상측을 덮고, 개별 부품이 체결 부재로 조립된 구조 또는 접착제에 의하여 접착된 구조가 될 수 있다.
패러데이 차폐판(750) 및 와전류 플레이트(720)는 얇은 금속판이지만 외부로 노출되지 않게 설치할 필요가 있다. RF 윈도우 유니트(700)에 패러데이 차폐판(750) 및 와전류 플레이트(720)가 일체형 또는 조립형으로 설치된다면, 패러데이 차폐판(750)이나 와전류 플레이트(720)를 포장하는 재질은 전자기장 투과를 위하여 덮개(111)와 동일한 유전체가 사용될 수 있다.
이때, 패러데이 차폐판(750)이나 와전류 플레이트(720)를 감싸는 유전체의 두께가 두꺼울수록 유전체의 유전 상수에 따라 안테나 코일(130)과 플라즈마 사이의 커플링 효과가 나빠지거나, 안테나 코일(130)에 고전류가 흘러 플라즈마를 일으키는 전기적 효율이 나빠질 수 있다.
일 실시예로서, 커버 플레이트(760)는 유전체로 된 얇은 플레이트이다. 커버 플레이트(760)는, 패러데이 차폐판(750) 또는 와전류 플레이트(720)와, 회전하는 안테나 코일(130) 사이의 공간에 배치되며, 플라즈마 효율을 최대한 발휘할 수 있는 공간을 안테나 코일(130)의 하부에 형성할 수 있게 한다.
한편, 챔버(110) 내부에 반응 가스를 공급하는 가스판(710)이 유전체 덮개(111)와 챔버(110) 사이에 배치될 수 있고, 가스판(710)의 영역별로 가스 분사 특성을 다르게 하여 챔버(110) 내부에 균일한 플라즈마를 형성할 수 있다.
본 발명의 가스판(710)에는 각 영역별 플라즈마 강도에 따라 반응 가스 분사량을 조절할 수 있도록, 반응 가스의 공급 경로가 복수로 형성되며, 각각의 가스 공급 경로가 독립적으로 형성될 수 있다.
각 영역별 가스 분사량이 각 영역별 플라즈마 강도에 반비례하도록 독립 제어되며, 가공물(10)의 균일한 증착 또는 에칭이 이루어질 수 있다.
가스판(710)은 복수의 독립된 분할 영역(718)으로 구분되며, 가스판(710)의 중심 영역을 포함하는 제1 영역(711)과 가장자리 영역을 포함하는 제2 영역(712)에 단위 면적당 반응 가스의 공급량이 다르게 제어될 수 있다. 예를 들어, 단위 면적당 가스 분사량은 플라즈마 강도가 센 제1 영역(711)보다 플라즈마 강도가 약한 제2 영역(712)이 더 많을 수 있다.
가스판(710)은 엠보싱 패턴(713)이 돌출된 구조이며, 반경 방향을 따라 플라즈마 강도에 반비례하는 가스 분사량을 갖는 복수의 영역으로 분할될 수 있다. 뿐만 아니라, 원주 방향을 따라 복수의 영역으로 재분할될 수 있다.
한편, 페러데이 차폐판과 와전류 플레이트(720)의 경계(ΔCF)는 안테나 코일(130)의 형상에 의하여 결정되며, 가스판(710)의 제1 영역(711) 및 제2 영역(712)의 경계(ΔCG)는 플라즈마 강도 분포에 의하여 결정된다. 따라서, 두 경계는 일치하지 않을 수 있다.
본 발명에서는, 안테나 코일(130)의 선단부(137) 및 후단부(134b)가 중앙에 집중된 형상이고 플라즈마 강도는 완만하게 감소되는 프로파일을 가지므로, 이에 맞게 가스판(710)의 제1 영역(711) 및 제2 영역(712)의 경계(ΔCG)는 페러데이 차폐판과 와전류 플레이트(720)의 경계(ΔCF)보다 더 외곽에 있는 것이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 분할된 각각의 제2 영역(712)마다 복수의 제2 영역 가스 공급 구멍(716b)이 마련될 수 있다. 분할된 제2 영역(712)마다 2개씩 동일한 개수의 제2 영역 가스 공급 구멍(716b)이 연결되어 있다. 서로 다른 제2 영역 가스 공급 구멍(716b)은 공통의 밸브에 연결되거나 공통의 제2 공급 경로(771b)에 연결되며 각각의 가스 공급 구멍마다 동일한 압력 및 유량의 가스를 공급받을 수 있다.
제2 영역 가스 공급 구멍(716b)의 개수를 늘리고 분할된 영역마다 동일한 개수의 제2 영역 가스 공급 구멍(716b)을 연결함으로써 넓은 면적에 대한 가스 공급량을 균일하게 조절할 수 있다.
도시된 가스판(710)은 하나의 제1 영역(711)과 4개로 분할된 제2 영역(712)을 포함한 총 5개의 영역으로 나누어질 수 있다.
도시하지는 않았지만, 제2 영역 가스 공급 구멍(716b)을 제2 공급 경로(771b)에 공통적으로 연결하지 않거나 각각의 제2 영역 가스 공급 구멍(716b)별로 가스 공급량을 독립 제어하면, 원주 방향의 가스 공급을 차등 제어할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 만약 가공 대상물이나 챔버(110)가 큰 경우, 가스판(710)의 반경 방향을 따라 가스판(710)의 중심 영역, 가스판(710)의 미들 영역, 가스판(710)의 가장자리 영역을 포함하는 3개의 영역으로 가스판(710)을 구분할 수 있으며, 더 잘게 세분화된 영역별로 가스를 독립적으로 공급할 수 있다.
일 실시예로서, 가스판(710)의 일부를 돌출시킨 댐 패턴(717) 또는 엠보싱 패턴(713)이 마련된다.
각각의 분할 영역(718)은 가스판(710)의 일부를 돌출시킨 댐 패턴(717)에 의하여 구분될 수 있다. 댐 패턴(717)은 각각의 분할 영역(718)의 경계에 배치되며, 특정 영역의 가스 유로를 다른 영역의 가스 유로로부터 격리시킬 수 있다.
제1 영역 가스 공급 구멍(716a)은 댐 패턴(717)과 댐 패턴(717)의 사이에 위치하고, 댐 패턴(717)으로 포위된 가스판(710)의 중앙 영역에 가스를 공급하는 통로가 될 수 있다.
엠보싱 패턴(713)은 가스판(710)과 유전체 덮개(111) 사이의 빈 공간을 제거하여 가스판(710)과 덮개(111)를 밀착시킬 수 있다. 엠보싱 패턴(713)은 원형, 사각형, 삼각형, 벌집 구조 등 다양한 형태가 될 수 있으며, 가스가 지나가는 통로가 최소화되거나 가스의 부분 압력이 최대화되는 형상이 바람직하다.
가스 채널(714)은 엠보싱 패턴(713)과 엠보싱 패턴(713) 사이의 가스 유동 통로이다. 가스 채널(714)에는 챔버(110)내로 가스를 분사하는 가스 노즐(715)이 형성된다. 가스 채널(714)의 높이는 1mm 이하가 될 수 있다.
가스판(710)과 유전체 덮개(111) 사이의 빈 공간에서 방전 플라즈마가 발생하면 가스 통로가 막히거나 챔버(110) 내의 플라즈마 효율이 떨어질 수 있다.
방전 플라즈마 억제 수단은, 가스판(710)과 유전체 덮개(111) 사이의 갭 크기를 줄이거나, 가스가 가스판(710)에 체류되는 시간을 줄이거나, 가스의 유동성을 증가시키거나, 가스의 부분 압력을 방전 플라즈마가 생성되지 않는 최대 압력까지 증가시킨다. 방전 플라즈마 억제 수단은, 엠보싱 패턴(713), 가스 공급 구멍의 개수 및 배치 구조, 공급 유니트(770) 등 다양한 형태로 확보된다.
가스판(710)과 유전체 덮개(111) 사이의 빈 공간에서 방전 플라즈마 발생을 억제하도록 엠보싱 패턴(713)의 돌출 높이는 0.5mm 이하가 바람직하다. 엠보싱 패턴(713)의 목적은 방전 플라즈마 억제를 위하여 가스 통로의 크기를 최소화하는 것이다.
비교 실시예로서, 가스판(710) 내부에 구멍을 가공하고 이 구멍으로 가스를 유동시키는 것보다, 본 발명과 같이 서로 접촉되는 덮개(111)와 가스판(710) 사이에 돌출 패턴으로 틈새를 형성하면, 가스의 유동성이 좋아지고, 가스가 가스판(710)에 체류되는 시간이 감소되며, 가스 유동시 부분 압력을 증가시킬 수 있다.
제1 영역 가스 공급 구멍(716a) 또는 제2 영역 가스 공급 구멍(716b)을 포함하는 가스 공급 구멍은 가스판(710)의 외곽을 향하여 개구될 수 있다. 외부에서 공급되는 가스는 가스 공급 구멍을 통하여 가스판(710)의 외곽으로부터 각각의 분할 영역(718)으로 공급되고, 각각의 분할 영역(718)의 가스 노즐(715)을 통하여 반경 또는 원주별로 차등 분사될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면 외부에서 가스판(710)으로 공급되는 가스의 흐름을 제어하는 공급 유니트(770)가 마련된다. 공급 유니트(770)는 가스 공급이 최단 거리에서 이루어지게 하여 방전 플라즈마 발생을 억제한다. 가스판(710)의 분할 영역(718)마다 가스를 차등 분사하기 위하여 공급 유니트(770)는 복수로 마련되어 각각의 분할 영역(718)마다 독립적으로 연결될 수 있다. 도시된 실시예에서, 플라즈마 강도에 따라 제1 영역(711)과 제2 영역(712)에 가스를 차등 분사하기 위하여 두 개의 공급 유니트(770)가 마련된다. 도시되지 않은 실시예로서, 제2 영역(712)의 원주 방향 분할 영역(718)마다 서로 다른 공급 유니트(770)를 연결하는 실시예도 가능하다.
일 실시예로서, 공급 유니트(770)는 가스판(710)의 중심 영역에 가스를 공급하는 제1 공급 유니트(770a)와 가스판(710)의 가장자리 영역에 가스를 공급하는 제2 공급 유니트(770b)를 포함한다.
제1 공급 유니트(770a)는 RF 윈도우 유니트(700)에 형성된 제1 공급 경로(771a)에 연결되고, 제1 공급 경로(771a)는 가스판(710)의 외곽에 개구된 제1 영역 가스 공급 구멍(716a)을 통하여 제1 영역(711)의 가스 노즐(715)에 연결된다.
제2 공급 유니트(770b)는 RF 윈도우 유니트(700)에 형성된 제2 공급 경로(771b)에 연결되고, 제2 공급 경로(771b)는 가스판(710)의 외곽에 개구된 제2 영역 가스 공급 구멍(716b)을 통하여 제2 영역(712)의 가스 노즐(715)에 연결된다.
일 실시예로서, 각각의 공급 유니트(770)는 가스의 유량을 제어하는 비례 제어 밸브(775) 및 가스의 압력을 측정하는 압력 측정기(776)를 포함한다. 압력 측정기(776)의 측정값은 비례 제어 밸브(775)에 피드백되어 유량을 비례 제어할 수 있다.
외부의 온오프(On/Off) 밸브(미도시)를 통과하여, RF 윈도우 유니트(700)로 공급되는 가스는 공급 유니트(770)를 통과한다. RF 윈도우 유니트(700) 내부로 들어온 가스는 두개의 관로로 분리되어 제1 공급 유니트(770a) 및 제2 공급 유니트(770b)로 분기된다. 각각의 공급 유니트(770)에는 비례 제어 밸브(775)와 압력 측정기(776)가 장착될 수 있다.
중심 영역인 제1 영역(711)을 향하여 4개의 제1 영역 가스 공급 구멍(716a)이 연결되며, 가장 자리 영역인 제2 영역(712)을 분할한 각 구역당 두 개의 제2 영역 가스 공급 구멍(716b)이 할당될 수 있다. 제2 영역(712)은 4개의 분할된 구역으로 가스가 공급될 수 있다.
챔버(110)내로 전달되는 전자기장에 따라서 가스 공급량을 조절하면, 가공물(10) 위의 플라즈마의 균일도를 조절할 수 있다.
본 발명에서는, 챔버(110) 상부에 설치되는 RF 윈도우 유니트(700) 내부의 가스 공급 라인을 구분하였고, 2쌍의 비례 제어 밸브(775)와 압력 측정기(776)가 독립적으로 최단 거리에 설치될 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10...가공물 110...챔버
111...덮개 113...오링
130...안테나 코일 131...중심 코일
133...브랜치 코일 134b...후단부
137...선단부 139...슬립 링
170...전원부 150...척 유니트
700...RF 윈도우 유니트 710...가스판
711...제1 영역 712...제2 영역
713...엠보싱 패턴 714...가스 채널
715...가스 노즐 716a...제1 영역 가스 공급 구멍
716b...제2 영역 가스 공급 구멍 717...댐 패턴
718...분할 영역 720...와전류 플레이트
750...패러데이 차폐판 751...센터 구멍
752...슬롯 752a...제1 슬롯
752b...제2 슬롯 754...접지부
760...커버 플레이트 770...공급 유니트
770a...제1 공급 유니트 770b...제2 공급 유니트
771a...제1 공급 경로 771b...제2 공급 경로
775...비례 제어 밸브 776...압력 측정기

Claims (14)

  1. 챔버 내에 전자기장을 가하여 플라즈마를 생성하는 안테나 코일;
    상기 챔버를 밀폐하는 유전체 덮개;
    상기 유전체 덮개와 상기 안테나 코일 사이에 배치되는 금속 재질의 판이며 전기적으로 접지되는 패러데이 차폐판; 을 포함하고,
    상기 플라즈마의 생성시 상기 안테나 코일 및 상기 패러데이 차폐판은 상대 운동되며,
    상기 유전체 덮개에 대면되고 상기 챔버를 밀폐하는 RF 윈도우 유니트가 마련되고,
    상기 챔버 내에 가스를 분사하는 가스판이 마련되며,
    상기 RF 윈도우 유니트는, 상기 패러데이 차폐판, 상기 패러데이 차폐판을 덮는 유전체로 된 커버 플레이트, 강자성체 또는 상자성체로 이루어진 와전류 플레이트 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 RF 윈도우 유니트 내부에 상기 가스판을 향하는 가스 공급 경로가 형성되는 플라즈마 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패러데이 차폐판은, 상기 안테나 코일의 연장 방향에 수직한 방향 또는 상기 안테나 코일의 전류 방향에 수직한 방향으로 연장되는 슬롯을 구비하고,
    상기 슬롯은 상기 안테나 코일의 연장 방향에 수직한 방향 또는 상기 안테나 코일의 전류 방향에 수직한 방향으로 개구되는 플라즈마 장치.
  3. 챔버 내에 전자기장을 가하여 플라즈마를 생성하는 안테나 코일;
    상기 챔버를 밀폐하는 유전체 덮개;
    상기 유전체 덮개와 상기 안테나 코일 사이에 배치되는 금속 재질의 판이며 전기적으로 접지되는 패러데이 차폐판; 을 포함하고,
    상기 플라즈마의 생성시 상기 안테나 코일 및 상기 패러데이 차폐판은 상대 운동되며,
    상기 패러데이 차폐판에는 슬롯이 형성되고,
    상기 슬롯은 상기 안테나 코일의 중앙 영역에 대면되는 제1 슬롯과 상기 안테나 코일의 외주 영역에 대면되는 제2 슬롯을 포함하며,
    상기 제1 슬롯은 상기 패러데이 차폐판의 원주 방향을 따라 연장되고,
    상기 제2 슬롯은 상기 패러데이 차폐판의 반경 방향을 따라 연장되는 플라즈마 장치.
  4. 챔버 내에 전자기장을 가하여 플라즈마를 생성하는 안테나 코일;
    상기 챔버를 밀폐하는 유전체 덮개;
    상기 유전체 덮개와 상기 안테나 코일 사이에 배치되는 금속 재질의 판이며 전기적으로 접지되는 패러데이 차폐판; 을 포함하고,
    상기 플라즈마의 생성시 상기 안테나 코일 및 상기 패러데이 차폐판은 상대 운동되며,
    상기 안테나 코일 및 상기 유전체 덮개 사이에 배치되고, 강자성체 또는 상자성체로 이루어지며, 상기 안테나 코일에 의하여 발열되거나 상기 유전체 덮개를 가열하는 와전류 플레이트가 마련되는 플라즈마 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 와전류 플레이트는 상기 패러데이 차폐판의 중앙에 형성된 센터 구멍에 배치되고, 상기 패러데이 차폐판이 접지될 때 비접지되는 플라즈마 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가스 공급 경로는 서로 독립된 복수의 경로이고, 상기 챔버 내부의 플라즈마 강도에 따라 상기 경로별로 상기 가스를 차등 공급하는 플라즈마 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가스판은 제1 영역 및 제2 영역으로 분할되며, 상기 제2 영역은 복수의 분할 영역으로 재분할되고,
    상기 제1 영역에 상기 가스를 공급하는 제1 영역 가스 공급 구멍이 복수로 형성되며,
    상기 제2 영역의 분할 영역마다 상기 가스를 공급하는 제2 영역 가스 공급 구멍이 상기 분할 영역마다 복수로 형성되고,
    상기 제1 영역 가스 공급 구멍 및 상기 제2 영역 가스 공급 구멍은 상기 가스판의 외주 가장자리를 향하여 개구되는 플라즈마 장치.
  10. 챔버 내에 전자기장을 가하여 플라즈마를 생성하는 안테나 코일;
    상기 챔버를 밀폐하는 유전체 덮개;
    상기 유전체 덮개와 상기 안테나 코일 사이에 배치되는 금속 재질의 판이며 전기적으로 접지되는 패러데이 차폐판; 을 포함하고,
    상기 플라즈마의 생성시 상기 안테나 코일 및 상기 패러데이 차폐판은 상대 운동되며,
    상기 챔버 내에 가스를 분사하는 가스판이 마련되고,
    상기 유전체 덮개에 밀착되는 엠보싱 패턴이 상기 가스판에 돌출되며,
    상기 엠보싱 패턴 사이에는 상기 챔버 내부에 상기 가스를 분사하는 가스 노즐이 배치되는 플라즈마 장치.
  11. 챔버 내에 전자기장을 가하여 플라즈마를 생성하는 안테나 코일;
    상기 챔버를 밀폐하는 유전체 덮개;
    상기 유전체 덮개와 상기 안테나 코일 사이에 배치되는 금속 재질의 판이며 전기적으로 접지되는 패러데이 차폐판; 을 포함하고,
    상기 플라즈마의 생성시 상기 안테나 코일 및 상기 패러데이 차폐판은 상대 운동되며,
    상기 챔버 내에 가스를 분사하는 가스판이 마련되고,
    상기 가스판이 다수의 분할 영역으로 구분될 때, 각각의 상기 분할 영역은 상기 가스판의 일부를 돌출시킨 댐 패턴에 의하여 구분되는 플라즈마 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 가스판은 복수의 독립된 분할 영역으로 구분되며, 상기 가스판의 중심 영역을 포함하는 제1 영역과 가장자리 영역을 포함하는 제2 영역에 단위 면적당 상기 가스의 공급량이 다르게 제어되는 플라즈마 장치.
  13. 챔버 내에 전자기장을 가하여 플라즈마를 생성하는 안테나 코일;
    상기 챔버를 밀폐하는 유전체 덮개;
    상기 유전체 덮개와 상기 안테나 코일 사이에 배치되는 금속 재질의 판이며 전기적으로 접지되는 패러데이 차폐판; 을 포함하고,
    상기 플라즈마의 생성시 상기 안테나 코일 및 상기 패러데이 차폐판은 상대 운동되며,
    상기 챔버에 가스를 공급하는 가스판과 상기 유전체 덮개 사이의 빈 공간에서 플라즈마가 발생하는 것을 억제하는 억제 수단이 마련되고,
    상기 억제 수단은 상기 가스판과 상기 유전체 덮개 사이의 갭 크기를 줄이거나, 상기 가스가 상기 가스판에 체류되는 시간을 줄이거나, 상기 가스의 유동성을 증가시키거나, 상기 가스의 부분 압력을 증가시키는 플라즈마 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    외부에서 상기 가스판으로 공급되는 가스의 흐름을 제어하는 공급 유니트가 마련되며,
    상기 가스판의 분할 영역마다 상기 가스를 차등 분사하기 위하여 상기 공급 유니트는 복수로 마련되어 각각의 상기 분할 영역마다 독립적으로 연결되는 플라즈마 장치.
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