KR101960073B1 - 반도체 공정용 기판 처리 시스템 - Google Patents

반도체 공정용 기판 처리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 공정용 기판 처리 시스템은 전력을 공급하는 전원 공급부, 상기 전원 공급부로부터 전력을 공급받고, 가스 공급부로부터 가스를 공급받아 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부, 상기 전원 공급부와 상기 플라즈마 발생부 사이에 구비되는 임피던스 정합기, 및 내부에 기판을 지지하는 기판 지지대가 구비되고, 상기 플라즈마 발생부로부터 라디칼을 공급받아 기판처리 공정이 수행되는 공정챔버를 포함하고, 상기 기판처리 공정은, 에칭(Etching)공정, 에싱(Ashing)공정, 화학기상증착(CVD)공정, 원자층증착(ALD)공정 및 플라즈마 화학증착(PECVD)공정 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

Description

반도체 공정용 기판 처리 시스템{SUBSTRATE PROCESSING SYSTEM FOR SEMICONDUCTOR PROCESS}
본 발명은 반도체 공정용 기판 처리 시스템에 관한 것이다.
플라즈마 방전은 가스를 여기시켜 이온, 자유 라디칼, 원자 및 분자를 함유하는 활성화된 가스를 생성하도록 사용될 수 있다. 활성화된 가스는 반도체 웨이퍼와 같은 고형 물질, 파우더, 및 기타 가스를 처리하는 것을 포함하는 다양한 산업 및 과학 분야에서 사용된다. 특히, 반도체/박막 디스플레이/태양 전지의 제조에서 플라즈마가 사용되며, 플라즈마를 이용한 식각, 증착, 세정, 애싱, 및 질화처리 등의 공정은 공정 챔버에서 진행된다. 공정 챔버는 진공 펌프와 연결되어 공정 가스를 배출한다.
최근 반도체 제조 공정에서 반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라 미세하고 높은 종횡비를 갖는 패턴들이 형성되고 있다. 이러한 패턴에 박막을 형성하는 경우 뛰어난 단차도포성(step coverage) 및 두께 균일성(thickness uniformity)이 요구된다. 이와 같은 요구사항을 충족시키기 위해 원자층 두께로 박막을 형성하는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 장치가 개발되었다.
원자층 증착 공정은 두 가지 이상의 소스 가스를 시간 간격을 두고 각각 교대로 유입시키고, 각 소스 가스의 유입 사이에 불활성 기체인 퍼지 가스를 유입시킴으로써 소스 가스들이 기체 상태에서 반응하는 것을 방지한다. 즉, 하나의 소스 가스가 기판 표면에 화학적으로 흡착(chemical adsorption)된 상태에서 후속하여 유입된 다른 하나의 소스가스가 반응함으로써 기판 표면에 원자층 두께 수준의 박막이 생성된다. 이와 같은 공정을 하나의 사이클(cycle)로 하여 원하는 두께의 박막이 형성될 때까지 반복함으로써, 정확한 두께의 제어가 가능하다.
상기에서 설명한 바와 같이, 플라즈마를 이용한 반도체 제조 공정은 원자층 증착 공정과 같이 미세한 공정을 수행해야 한다. 그러므로 미세한 공정 수행을 위한 플라즈마의 미세한 제어가 요구되어진다.
본 발명의 목적은 미세한 반도체 공정에서 기판을 효율적으로 처리하기 위한 반도체 공정용 기판 처리 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 공정용 기판 처리 시스템은 전력을 공급하는 전원 공급부, 상기 전원 공급부로부터 전력을 공급받고, 가스 공급부로부터 가스를 공급받아 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부, 상기 전원 공급부와 상기 플라즈마 발생부 사이에 구비되는 임피던스 정합기, 및 내부에 기판을 지지하는 기판 지지대가 구비되고, 상기 플라즈마 발생부로부터 라디칼을 공급받아 기판처리 공정이 수행되는 공정챔버를 포함하고, 상기 기판처리 공정은, 에칭(Etching)공정, 에싱(Ashing)공정, 화학기상증착(CVD)공정, 원자층증착(ALD)공정 및 플라즈마 화학증착(PECVD)공정 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 기판 처리 시스템은, 상기 전원 공급부, 상기 임피던스 정합기 및 상기 가스 공급부를 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 기판을 처리하는 공정이 진행되는 동안, 상기 전력이 단속적으로 공급되도록 제어하여 상기 플라즈마 발생부에서 상기 라디칼이 적어도 두 번 이상 불연속적으로 상기 공정챔버로 배출될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 기판 처리 시스템은, 상기 전원 공급부, 상기 임피던스 정합기 및 상기 가스 공급부를 제어하는 제어부; 및 상기 플라즈마 발생부에서 상기 라디칼이 배출되는 가스 배출구의 개폐를 제어하는 제어수단을 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 플라즈마 발생부에서 상기 라디칼이 적어도 두 번 이상 불연속적으로 상기 공정챔버로 배출되도록 상기 제어수단을 제어할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 기판 처리 시스템은, 상기 전원 공급부, 상기 임피던스 정합기 및 상기 가스 공급부를 제어하는 제어부, 및 상기 플라즈마 발생부에서 상기 라디칼이 배출되는 가스 배출구의 개폐를 제어하는 제어수단을 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 플라즈마 발생부에서 상기 라디칼이 적어도 두 번 이상 불연속적으로 상기 공정챔버로 배출되도록 상기 제어수단을 제어할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 전력 및 상기 라디칼 공급이 동기화되거나 비동기화되도록 상기 전원 공급부 또는 상기 제어수단을 제어할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 플라즈마 발생부는, 상기 가스가 주입되는 가스인렛 및 상기 라디칼이 배출되는 가스아웃렛을 갖고, 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널을 갖는 챔버, 상기 플라즈마 방전 채널의 일부에 쇄교하도록 상기 챔버에 설치되는 페라이트 코어, 및 상기 페라이트 코어에 권선되며, 전원 공급부와 연결되는 일차 코일을 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 전원 공급부는 1 Hz ~ 999 MHz의 주파수를 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 공정용 기판 처리 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 미세한 반도체 공정에 맞추어 플라즈마를 효율적으로 제어할 수 있다. 또한 플라즈마를 효율적으로 제어하기 위하여 플라즈마 발생기에서 생성된 라디칼을 선택적으로 공정챔버에 공급할 수 있다. 그러므로, 정밀한 라디칼 공급 제어 및 미세한 기판 처리 공정이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기판 처리 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 도1에 도시된 기판 처리 시스템에서 펄스 방식으로 전력이 공급되는 것을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 기판 처리 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 기판 처리 시스템에서 펄스 방식으로 밸브의 개폐를 제어하는 것을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 예에 따른 기판 처리 시스템을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 기판 처리 시스템에서 펄스 방식으로 밸브 및 전력을 동기화 또는 비동기화하여 제어하는 개념을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 플라즈마 발생부를 도시한 단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 플라즈마 발생부의 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생부를 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생부를 도시한 사시도이다.
도 11은 도 10에서 도시된 플라즈마 발생부의 단면을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생부를 도시한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생부를 도시한 단면도이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생부를 도시한 사시도이다.
도 15는 도 14에 도시된 플라즈마 발생부의 단면을 도시한 도면이다.
도 16은 도 14에 도시된 플라즈마 발생부의 단면을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기판 처리 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 기판 처리 시스템(100)은 전원 공급부(130), 플라즈마 발생부(120), 제어부(160) 및 공정챔버(110)를 포함할 수 있다.
전원 공급부(130)는 플라즈마 발생부(120)로 전력을 공급하여 플라즈마 발생부(120)에서 플라즈마를 점화하기 위한 구성일 수 있다. 전원 공급부(130)는 임피던스 정합을 위한 임피던스 정합기(140)를 통해 플라즈마 발생부(120)로 전력을 공급하며, 플라즈마 발생부(120) 내에서 플라즈마를 점화 또는 발생시킬 수 있다.
플라즈마 발생부(120)는 플라즈마(예를 들면 Ar+)로 변환가능한 가스(예를 들면 Ar)를 수용하기 위한 공간을 구비할 수 있다. 플라즈마 발생부(120)는 전원 공급부(130)로부터 전력을 공급받고, 가스 공급부(150)로부터 공정가스를 공급받아 내부 공간에서 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 플라즈마 발생부(120)는 공정챔버(110)의 외부에 구비되어 될 수 있다. 플라즈마 발생부(120)에서 발생된 플라즈마 중 라디칼(radical) 성분이 공정챔버(110)에 공급되고, 공정챔버(110)로 로딩된 기판(114)이 처리될 수 있다. 공정챔버(110)로 공급된 라디칼 성분은 기판(114)에 흡착된 다른 소스가스와 반응하여 원하는 물질막이 원자층 두께의 박막으로 형성될 수 있다.
플라즈마 발생부(120)에서 공급된 라디칼은 공정챔버(110) 내부의 서셉터(112)에 안착되는 피처리 기판(114)을 처리하기 위한 공정용으로 사용될 수 있다. 여기에서, 기판 처리를 위한 공정이란 기판(114)이 공정챔버(110) 내부로 로딩된 상태에서 기판을 처리하는 공정을 말한다. 예를 들어, 에칭(Etching)공정, 에싱(Ashing)공정, 화학기상증착(CVD)공정, 원자층증착(ALD)공정 및 플라즈마 화학증착(PECVD)공정 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 또는 공정챔버(110) 내부를 세정하기 위한 세정용으로 사용될 수 있다.
플라즈마 발생부(120)는 라디칼(활성화된 가스)을 배출하기 위한 플라즈마 소스로써 유도 결합 플라즈마(ICP, Inductive Coupled Plasma) , 용량 결합 플라즈마(CCP, Capacitive Coupled Plasma) 또는 변압기 플라즈마(TCP, Transformer Coupled Plasma) 중 하나일 수 있다. 본 발명에서의 플라즈마 발생부(120)는 변압기 플라즈마를 사용할 수 있다. 플라즈마 발생부(120)의 실시예는 하기에서 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명에서는 공정챔버(110) 내에 기판(114)이 로딩되어 처리되는 동안, 플라즈마 발생부(120)에서 생성된 라디칼을 불연속적으로 공정챔버(110)로 공급하여 기판(114)을 처리할 수 있다. 플라즈마 발생부(120)는 플라즈마에 의해 생성된 라디칼을 선택적으로 공정챔버(110)에 공급할 수 있다. 가스 공급부(150)를 통해 공정가스가 공급되는 동안 플라즈마 발생부(120)에서 생성된 라디칼은 적어도 두 번 이상 불연속적으로 공정챔버(110)로 공급될 수 있도록 제어부(160)를 통해 제어될 수 있다.
공정챔버(110)는 내부에 기판(114)을 지지하기 위한 서셉터(112)를 포함한다. 서셉터(112)는 임피던스 정합기(미도시)를 통하여 하나 이상의 바이어스 전원 공급원(미도시)에 전기적으로 연결될 수 있다. 공정챔버(110)는 내부의 배기가스를 외부로 배출하고, 공정챔버(110) 내부를 진공을 형성하기 위하여 펌프(116)와 연결되는 배출구를 포함할 수 있다.
플라즈마 발생부(120)는 어댑터(미도시)를 통해 공정챔버(110)와 연결될 수 있다. 어댑터(미도시)는 전기적 절연을 위한 절연 구간을 구비할 수 있으며, 과열을 방지하기 위한 냉각 채널을 구비할 수 있다(미도시).
기판(114)은 공정챔버(110) 내부로 로딩되어 반도체 공정에 의해 처리되는 대상물로써, 예를 들어, 반도체 장치를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판 또는 액정디스플레이나 플라즈마 디스플레이 등의 제조를 위한 유리 기판일 수 있다.
제어부(160)는 전원 공급부(130), 임피던스 정합기(140) 및 가스 공급부(150)를 제어할 수 있다. 제어부(160)는 전원 공급부(130)와 임피던스 정합기(140)를 제어함으로써 플라즈마 발생부(120)로 공급되는 전력을 제어할 수 있다. 여기서, 제어부(160)는 전원 공급부(130)에서 플라즈마 발생부(120)로 전력이 펄스로 공급되도록 전원 공급부(130)를 제어한다. 다시 말해, 제어부(160)는 플라즈마 발생부(120)로 전력의 공급 및 비공급이 반복적으로 수행(단속적으로 공급)될 수 있도록 전원 공급부(130)를 제어할 수 있다.
본 발명에서 설명한 가스 공급 제어는 제어부(160)를 이용하여 가스 공급부(150)를 직접 제어하는 것을 의미할 수 있다. 또는 질량 유량계(151) 또는 밸브(152)를 이용하여 제어하는 것을 의미할 수도 있다. 가스 공급 제어는 공급되는 가스의 공급량을 제어할 수도 있고, 공급되는 가스의 공급 시간을 제어할 수도 있다.
도 2는 도1에 도시된 기판 처리 시스템에서 펄스 방식으로 전력이 공급되는 것을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 전원 공급부(130)에 의해 플라즈마 발생부(120)에서 라디칼이 불연속적으로 배출 될 수 있다. 본 발명에 따른 기판 처리 시스템(100)은 가스 공급부(150)로부터 프리커서(A)가 먼저 공정챔버(110) 내부로 공급되어 기판(114)에 안착될 수 있다. 이후 퍼지가스가 공정챔버(110) 내로 공급됨으로써 기판(114)에 안착되지 못한 프리커서를 제거할 수 있다. 퍼지가스는 아르곤, 헬륨 등과 같은 불활성 가스가 사용될 수 있다. 프리커서 및 퍼지가스는 프리커서 공급부, 퍼지가스 공급부 또는 가스 공급부(150)를 통해 소정의 시간동안 펄스로 공급될 수 있다. 프리커서 및 퍼지가스는 플라즈마 발생부(120)를 통해 공정챔버(110) 내로 공급될 수도 있고, 플라즈마 발생부(120)를 통하지 않고 공정챔버(110)로 직접 공급될 수도 있다.
퍼지가스가 공급된 후, 가스 공급부(150)로부터 플라즈마 발생부(120)로 소스 가스가 소정의 시간 동안 펄스로 공급될 수 있다. 소스가스가 공급되는 시간 및 공급량은 기판 처리를 위한 레시피에 따라 다양한 실시가 가능할 수 있다. 또한 공정 레시피에 따라 사용하는 공정가스의 종류는 다양한 실시가 가능할 수 있다.
기판(114)이 공정챔버(110) 내부로 로딩되고, 공정이 끝난 후 기판(114)이 공정챔버(110) 외부로 언로딩될 수 있다. 또는 하나의 공정 중에 여러 공정가스를 사용하는 경우, 각각의 공정가스가 공급되는 경우일 수 있다. 본 발명에서의 기판 처리공정은 프리커서, 퍼지가스를 공급하고, 이후 라디칼을 공급하여 기판에 박막을 증착하는 과정을 하나의 사이클로 정의될수 있다. 반도체 제조 공정에서 요구되는 박막의 두께에 따라 기판에 다수의 박막층을 증착하기 위해서는 이러한 사이클이 반복적으로 수행될 수 있다.
프리커서는 소스가스로써 소정의 시간 동안 공급되어 기판에 흡착될 수 있다. 소스가스는 목적하는 박막을 구성하는 물질의 전구체(precusor) 가스일 수 있다. 소정의 시간 동안 펄스로 공급된다는 것은 일정한 유량으로 소정의 시간 동안만 공급된 후 차단된다는 것을 의미하며, 이하에서 동일한 의미로 사용될 수 있다. 바람직하게는 소스가스가 먼저 공급된 후 소정의 시간 간격을 두고 전력이 공급되어 소스가스를 플라즈마 상태로 변환시킬 수 있다. 소스가스로는 NF3, N2, Ar, O2, SF6, NH3, H2, He, H2SO4, HCL, F2, HF, Cl2, BCl3, NOX, H2S, SiH4, Si2H6, PH3, AsH3 등이 사용될 수 있다.
제어부(160)는 공정가스(C)가 공급되고, 플라즈마 발생부(120)로 전력이 공급될 수 있도록 전원 공급부(130)를 제어할 수 있다. 이때, 제어부(160)는 전력이 단속적(펄스모드)으로 공급될 수 있도록 전원 공급부(130)를 제어한다. 제어부(160)에 의해 단속적으로 전력이 공급되면, 플라즈마 발생부(120)로 전력이 공급 및 무공급 상태가 반복될 수 있다. 그러므로 플라즈마 발생부(120)에서는 전력이 공급되면 플라즈마가 발생되어 라디칼이 생성, 배출될 수 있다. 플라즈마 발생부(120)에서는 전력이 공급되지 않으면 플라즈마가 발생되지 않아 라디칼이 생성, 배출되지 않는다. 그러므로 공정가스가 공급되는 동안, 단속적으로 공급되는 전력에 따라 플라즈마 발생부(120)로부터 라디칼은 적어도 두 번 이상 불연속적으로 배출될 수 있다. 배출된 라디칼은 기판(114)에 안착된 프리커서와 반응하여 박막으로 증착될 수 있다.
일반적으로는 공정챔버 내부에서 플라즈마를 생성하는 방식을 사용하였다. 그러나 본 발명에서는 제어부(160)에 의해 전원 공급부(130)가 제어되어 불연속적으로 전력이 공급될 수 있다. 이에 따라 소스가스가 공급되어 기판 처리 공정이 진행되는 동안 공정챔버(110)의 외부에 구비된 플라즈마 발생부(120)에서 라디칼이 적어도 두 번 이상 불연속적으로 배출될 수 있다. 그러므로 미세한 반도체 공정에서 정밀하게 라디칼 배출을 제어할 수 있어 미세 반도체 공정에서의 활용이 가능할 수 있다.
전원 공급부(130)로부터 공급되는 전력은 1 Hz ~ 999MHz 의 주파수로 공급될 수 있으며, 바람직하게는 반도체 공정에서 사용되는 13.56MHz의 주파수로 전력이 공급될 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 기판 처리 시스템을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 기판 처리 시스템(300)은 도1에서 도시된 실시 예와 동일하게 전원 공급부(330), 임피던스 정합기(340), 가스 공급부(350), 플라즈마 발생부(320) 및 제어부(360)를 포함하고, 추가적으로 플라즈마 발생부(320)와 공정챔버(110) 사이에 제어수단(322)을 더 포함할 수 있다.
제어수단(322)은 플라즈마 발생부(320)와 공정챔버(110)의 연결 경로 상에 구비되고, 제어부(360)의 제어신호에 따라 플라즈마 발생부(320)와 연결 경로의 개폐가 이루어진다. 그러므로 제어수단(322)에 의해 플라즈마 발생부(320)에서 생성된 라디칼의 배출이 제어될 수 있다. 제어수단(322)은 예를 들어, 밸브로 구비될 수 있으며, 다양한 종류의 밸브가 이용될 수 있다. 제어수단(332)인 밸브는 제어부(360)의 제어신호에 따라 개방되거나 폐쇄될 수 있다.
제어부(360)에 의해 제어수단(332)이 개방되면, 플라즈마 발생부(320)에서 생성된 라디칼은 공정챔버(110)로 공급되고, 제어부(360)에 의해 제어수단(332)이 폐쇄되면, 플라즈마 발생부(320)에서 생성된 라디칼은 공정챔버(110)로 공급되지 못한다. 그러므로 제어수단(322)에 의해 플라즈마 발생부(320)에서 생성된 라디칼은 불연속적으로 배출될 수 있다.
가스 공급부(350)는 질량 유량계(351) 또는 밸브(352)를 통해 플라즈마 발생부(320)와 연결될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 기판 처리 시스템에서 펄스 방식으로 밸브의 개폐를 제어하는 것을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 제어수단(322)인 밸브를 제어함으로써 플라즈마 발생부(320)에서 라디칼이 불연속적으로 배출될 수 있다. 제어부(360)는 전원 공급부(360)을 제어하여 플라즈마 발생부(320)로 전력을 공급할 수 있다. 여기서, 제어부(360)는 제어수단(322)인 밸브의 개방 및 폐쇄가 반복적으로 수행될 수 있도록 밸브를 제어할 수 있다.
플라즈마 발생부(320)로 전력이 공급되면, 플라즈마 발생부(320)에서는 플라즈마가 생성되어 라디칼이 생성될 수 있다. 그러므로 제어부(360)에 의해 밸브가 개방되면 플라즈마 발생부(320)에서 생성된 라디칼이 배출되고, 밸브가 폐쇄되면 플라즈마 발생부(320)에서 생성된 라디칼이 배출되지 않는다. 그러므로 제어수단(322)인 밸브에 의해 플라즈마 발생부(320)에서 생성된 라디칼은 불연속적으로 배출될 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 예에 따른 기판 처리 시스템을 도시한 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 기판 처리 시스템에서 펄스 방식으로 밸브 및 전력을 동기화 또는 비동기화하여 제어하는 개념을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 기판 처리 시스템(500)은 도3에서 도시된 실시 예와 동일하게 전원 공급부(530), 임피던스 정합기(540), 가스 공급부(550), 플라즈마 발생부(520), 제어부(560) 및 제어수단(522)을 포함할 수 있다.
제어부(560)는 전원 공급부(530)를 제어하여 플라즈마 발생부(520)로 공급되는 전력을 단속적으로 제어할 수 있고, 밸브(552)를 단속적으로 제어할 수 있다. 제어부(560)는 제어수단(522)을 제어하여 공정챔버(110)로 라디칼이 불연속적으로 공급되도록 할 수 있다.
제어부(560)는 전원 공급부(530) 또는 제어수단(522) 중 하나 이상을 제어하여 플라즈마 발생부(520)에서 생성된 라디칼이 불연속적으로 배출될 수 있도록 할 수 있다.
또한 제어부(560)는 전원 공급부(530) 또는 제어수단(522)이 동기화되거나 비동기화되어 구동될 수 있도록 제어하여 플라즈마 발생부(520)에서 생성된 라디칼이 불연속적으로 배출될 수 있도록 할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 일 실시 예로, 제어부(560)는 공정가스가 공급되는 동안 전력이 단속적으로 공급되도록 전원 공급부(530)를 제어할 뿐만 아니라, 라디칼이 단속적으로 공급되도록 제어수단(522)인 밸브의 개폐를 단속적으로 제어함으로써 플라즈마 발생부(520)에서 생성된 라디칼이 불연속적으로 배출될 수 있다. 여기서, 제어부(560)는 전력공급과 밸브의 개폐가 동기화되어 구동되도록 전원 공급부(530) 및 제어수단(522)을 제어할 수 있다. 다시 말해, 전력이 공급되는 구간(펄스구간) 동안 밸브를 개방함으로써 플라즈마 발생부(520)에서 생성된 라디칼이 배출될 수 있고, 전력이 공급되지 않는 구간(펄스 휴지구간) 동안 밸브를 폐쇄함으로써 라디칼이 배출되지 않도록 할 수 있다.
다른 실시 예로, 제어부(560)는 전력공급과 밸브의 개폐가 비동기화되어 구동되도록 전원 공급부(530) 및 제어수단(522)을 제어할 수 있다. 다시 말해, 전력이 공급되는 구간과 밸브를 개방하는 구간이 일치하지 않고, 전력이 먼저 공급되어 라티칼을 생성하고, 그 후 밸브를 개방하고 폐쇄함으로써 플라즈마 발생부(520)에서 생성된 라디칼이 배출될 수 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 플라즈마 발생부를 도시한 단면도이고, 도 8은 도 7에 도시된 플라즈마 발생부의 분해 사시도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 플라즈마 발생부(700)는 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(712)이 구비된 챔버(710)와, 플라즈마 방전 채널(712) 내로 용량 결합된 플라즈마와 유도 결합된 플라즈마를 복합적으로 형성하기 위한 제1, 2 전극블럭(762, 764)을 포함한다.
챔버(710)는 내부에 방전공간으로 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(712)이 형성되고, 상부 중앙에 형성되어 가스를 공급받기 위한 가스인렛(704) 및 하부 중앙에 형성되어 활성화된 가스를 배출하기 위한 가스아웃렛(706)이 구비된다. 가스인렛(704)은 가스공급포트(720)와 연결되어 가스 공급로(722)부터 가스를 공급받는다. 가스인렛(704)을 통해 공급된 가스는 양쪽의 플라즈마 방전 채널(712)로 분기되어 제공된다. 가스아웃렛(706)은 냉각수 주입블럭(780)에 형성된 관통홀과 연결된다. 냉각수 주입블럭(780)은 내부에 관통홀 주변으로 냉각라인(782)이 구비된다. 본 발명에서는 냉각수 주입블럭(780)이 별도로 구비된 것을 도시하였으나, 가스아웃렛(706)을 플랜지 구조로 형성한 후 냉각채널을 형성하는 실시예(미도시)도 가능하다. 가스아웃렛(706)에는 석영관(850) 및 절연판(767)이 끼워진다.
가스아웃렛(706)은 가스가 플라즈마 발생부(700) 내에서 외부로 배출되는 방향으로 관통홀의 직경이 점차적으로 커지도록 형성된다. 그러므로 플라즈마 발생부(700)에서 배출되는 이온이 가스아웃렛(706)과의 충격에 의해 다시 결합되는 현상을 방지할 수 있다. 가스인렛(704)을 통해 챔버(710) 내로 공급된 가스는 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(712)을 통과하며 방전된 플라즈마에 의해 활성화되어 가스아웃렛(706)을 통해 챔버(710) 외부로 배출된다.
챔버(710)는 석영과 같은 절연 물질로 일체화된 형상으로 제작된다. 플라즈마 발생부(700)에서 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(712)은 단면적이 거의 균일하게 형성될 수 있다. 플라즈마 발생부(710) 내의 모든 부분들의 직경은 동일하거나 서로 다르게 형성될 수 있다. 챔버(710)는 석영으로 제작되기 때문에 공정챔버 내에서 기판을 처리하기 위한 공정용 플라즈마 공급원으로 사용될 수 있다. 원형으로 제작된 종래의 플라즈마 챔버의 경우 원심력에 의해 챔버 아래부분이 깍여져 파티클이 발생하는 단점이 존재하였다. 그러나, 본 발명에서와 같이, 챔버(710)를 좌,우 대칭형으로 형성함으로써 파티클의 발생을 방지할 수 있다.
제1, 2 전극블럭(862, 864)은 챔버(710)의 일측과 타측에 위치된다. 제1전극블럭(862)은 금속재질(예를 들어, 알루미늄)로 하나의 블럭으로 이루어지며 토로이달 형태로 형성되어 내부에 챔버(710)가 삽입되는 홈이 형성된다. 여기서, 제1 전극블럭(862)은 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(712)을 따라 원 턴의 전류 경로를 형성할 수 있도록 토로이달 형상으로 형성되며, 일부구간이 절단된 절연구간이 형성된다. 절연구간에는 전기적 절연을 위한 절연부재(863)가 끼워진다. 절연부재(863)에 의해 제1 전극블럭(862)은 원턴의 전류경로가 형성된다. 제2전극블럭(864)은 금속재질로 하나의 블럭으로 이루어지며 토로이달 형태로 형성되어 내부에 챔버(710)가 삽입되는 홈이 형성된다. 여기서, 제2 전극블럭(864)은 제1 전극블럭(862)과 동일하게 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(712)을 따라 원턴의 전류 경로를 형성할 수 있도록 토로이달 형상으로 형성되며, 일부구간이 절단된 절연구간이 형성된다. 절연구간에는 전기적 절연을 위한 절연부재(863)가 끼워진다. 절연부재(863)에 의해 제2 전극블럭(864)은 원턴의 전류경로가 형성된다. 제1 및 제2 전극블럭(862, 864)은 마주하도록 챔버(710)에 설치된다. 여기서, 제1 및 제2 전극블럭(862, 864)에 의해 챔버(710)의 전체가 감싸지게 된다. 제1 및 제2 전극블럭(862, 864)은 둘 이상으로 분리된 상태일 수 있다.
페라이트 코어(732)는 플라즈마 방전 채널(712)과 쇄교하도록 챔버(710)에 설치된다. 페라이트 코어(732)에는 제1 및 제2 전극블럭(862, 864)이 챔버(710)에 설치된 상태에서 플라즈마 방전 채널(712)에 쇄교하도록 설치되어, 플라즈마 방전 채널(712) 내의 플라즈마가 변압기의 이차 회로를 형성한다.
제1 및 제2 전극블럭(862, 864) 사이에는 전기적 절연을 위하여 세라믹으로 제작된 절연 날개부(813)가 구비된다. 절연 날개부(813)는 판 형태로 챔버(710)의 플라즈마 방전 채널(712) 둘레를 따라 연장 형성된다. 또는 절연 날개부(813)는 챔버(710)와 독립적으로 제작(미도시)되어, 챔버(710)의 둘레에 장착될 수 있다. 절연 날개부(813)에 의해 제1 및 제2 전극블럭(862, 864)은 전기적으로 절연된 상태를 유지한다.
제1 전극블럭(862)의 일단은 전원 공급부에 연결되고, 타단은 제2 전극블럭(864)의 일단에 연결된다. 제2 전극블럭(864)의 타단은 접지로 연결된다. 그러므로 전체적으로 제1 및 제2 전극블럭(862, 864)에 의해 투턴의 전류경로가 형성되어 일차권선으로써 기능한다. 제1 및 제2 전극블럭(862, 864)이 구동되면 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(712) 내의 플라즈마가 변압기의 이차회로를 형성한다.
또한 제1 및 제2 전극블럭(862, 864) 사이에서 전기장이 발생하여 플라즈마 방전 채널(712) 내에 용량 결합된 플라즈마가 발생한다. 여기서, 제1 및 제2 전극블럭(862, 864)은 챔버(710) 전체를 감싸도록 장착되기 때문에 마주하는 제1 및 제2 전극블럭(862, 864) 전체적으로 용량 결합된 플라즈마가 용이하게 발생할 수 있다. 그러므로 플라즈마 방전 채널(712) 내에는 용량 결합된 플라즈마 및 유도 결합된 플라즈마가 복합적으로 형성된다.
본 발명에서는 제1 및 제2 전극블럭(862, 864)을 점화장치로 활용하여 플라즈마 방전 채널(712) 내로 플라즈마 초기 방전을 수행한다. 제1 및 제2 전극블럭(862, 864)에 의해 플라즈마 초기 방전을 수행할 수 있으므로 플라즈마 챔버에 별도의 점화장치를 구비할 필요가 없다. 또한 별도의 점화장치를 구비하지 않아도 되어 점화장치에 의한 파티클 발생을 방지할 수 있다. 또는 초기 이온화 이벤트를 제공하는 자유 전하를 생성하기 위한 점화장치를 포함할 수 있다.
본 발명에서의 플라즈마 발생부(700)는 챔버(710)가 석영으로 제작됨으로써 플라즈마에 의한 파티클이 저감되는 효과를 갖는다. 또한 챔버(710) 전체를 감싸도록 제1, 2 전극블럭(862, 864)이 설치되어 챔버(710) 전체적으로 용량 결합된 플라즈마와 유도 결합된 플라즈마가 복합적으로 용이하게 발생할 수 있다. 그러므로 플라즈마 발생부(700)에서 배출되는 활성화된 가스로의 분해 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8을 참조하면, 제1 및 제2 전극블럭(862, 864) 내에는 냉각채널이 구비된다. 제1 전극블럭(862) 내에는 냉각수가 이동하기 위한 제1 냉각채널(미도시)가 포함되고, 제2 전극블럭(864) 내에도 역시 냉각수가 이동하기 위한 제2 냉각채널(미도시)가 구비된다. 제1 및 제2 냉각채널은 토로이달 형상의 제1 및 제2 전극블럭(862, 864)의 형상을 따라 토로이달 형상을 갖으며, 챔버(710) 전체를 커버처럼 감싸며 형성된다.
석영으로 형성된 챔버(710)는 고온 환경과 저온 환경이 교대적으로 형성되는 상황에서 깨지는 현상이 발생할 수 있는데, 제1 및 제2 냉각채널을 통과하는 냉각수에 의해 제1 및 제2 전극블럭 (862, 864)이 과열되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 챔버(710)의 온도를 제어할 수 있다. 전력을 공급받아 과열된 제1 및 제2 전극블럭 (862, 864)은 금속으로 형성되기 때문에 냉각수에 의해 쉽게 온도를 낮출 수 있어 챔버(710)가 과열되는 것을 방지할 수 있다. 또한 챔버(710) 전체를 감싸도록 설치되어 챔버(710)와 제1 및 제2 전극블럭 (862, 864) 간의 접촉 면적이 매우 넓게 된다.그러므로 제1 및 제2 전극블럭 (862, 864)을 이용한 온도 제어 효율을 더욱 높일 수 있다.
제1 및 제2 전극블럭(862, 864)의 양측으로는 제1 냉각채널 및 제2 냉각채널을 연결하기 위한 연결캡(765)이 구비된다. 연결캡(765) 내에는 냉각수가 이동될 수 있는 내부홀이 형성된다. 연결캡(765)에 의해 제1 및 제2 냉각채널은 연결되어 하나의 냉각수 패스를 이룰 수 있다. 냉각수 주입블럭(780)으로 공급된 냉각수는 냉각수 주입블럭(780) 내의 냉각라인(782)을 따라 먼저 순환한 후, 일측의 연결캡(765)으로 공급된다. 공급된 냉각수는 연결캡(765)을 통해 제1 및 제2 전극블럭(862, 864)의 제1 및 제2 냉각채널로 분배되어 공급된다. 냉각수는 제1 및 제2 냉각채널을 따라 순환된 후 타측의 연결캡(765)을 통해 외부로 배출되는 하나의 냉각수 순환패스를 형성한다.
냉각수는 제일 먼저 냉각수 주입블럭(780)에 공급된다. 챔버(710) 중에서 플라즈마 발생시 활성화된 가스가 배출되는 가스아웃렛(706) 근방이 가장 온도가 높아진다. 그러므로 가스아웃렛(706) 근방의 챔버(710)에서 과열로 인한 파티클이 많이 발생될 수 있다. 냉각수 주입블럭(780)은 활성화된 가스가 배출되는 가스아웃렛(706)에 설치되기 때문에 다른 냉각채널보다 냉각수 주입블럭(780)에 먼저 냉각수를 공급함으로써 고온의 가스아웃렛(706) 근방의 온도를 효과적으로 제어할 수 있다.
도 9는 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생부를 도시한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 플라즈마 발생부(900)는 내부에 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(912)을 포함하는 챔버(910) 및 전자기 에너지를 플라즈마 방전 채널(912) 내에 형성하여 플라즈마로 결합시키는 변압기를 포함할 수 있다. 변압기는 페라이트 코어(932), 일차 코일(934)을 포함할 수 있다. 페라이트 코어(932)는 플라즈마 방전 채널(912)에 쇄교하며 챔버(910)의 일부를 감싸도록 설치될수 있다. 페라이트 코어(932)의 일부에는 일차 코일(934)이 권선될 수 있다. 변압기의 일차측은 일차 코일(934)을 포함하고, 변압기의 이차측은 플라즈마 방전 채널(912)에 형성되는 플라즈마를 포함할 수 있다. 일차 코일(934)은 전원 공급부(930)와 임피던스 정합기(940)를 통해 연결되고, 전원 공급부(930)로부터 무선 주파수를 제공받아 구동될 수 있다. 전원 공급부(930)로부터의 에너지는 플라즈마 발생부(900)를 통과하는 가스와 변압기를 통해 유도 연결되는 플라즈마를 점화 또는 생성할 수 있다. 플라즈마 발생부(900) 내에서 점화된 플라즈마는 변압기의 이차측으로서 기능할 수 있다.
챔버(910)는 상부에 가스 공급부와 연결되어 공정가스를 공급받는 가스인렛(914)이 구비되고, 하부에 내부에서 생성된 라디칼이 배출되는 가스아웃렛(916)이 구비될 수 있다. 챔버(910)는 가스인렛(914)을 포함하는 상부챔버(910a), 가스아웃렛(916)을 포함하는 하부챔버(910c) 및 두 개의 연결챔버(910c)를 포함할 수 있다.
챔버(910)에는 내부에서 플라즈마가 발생할 때 챔버(910)의 온도를 조절하기 위한 냉각채널(미도시)이 구비될 수 있다. 냉각채널은 플라즈마 방전 채널(912)을 따라 형성되어, 냉각수 공급원으로부터 공급된 냉각수가 순환될 수 있다. 냉각채널을 따라 순환된 냉각수에 의해 챔버(910)의 온도를 제어할 수 있다.
전원 공급부(930)는 높은 여기 전압을 변압기의 일차 코일(934)에 공급할 수 있다. 이러한 여기 전압은 일차 코일(934) 내에 고전압 전류를 유도함으로써, 페라이트 코어(932)를 통해 교류 자기장을 생성할 수 있다. 그 결과, 전류는 챔버(910) 내의 가스로 유도되어 플라즈마의 점화를 유발할 수 있다. 플라즈마가 일단 생성되고 나면, 플라즈마는 다른 소스 가스를 여기하도록 사용되어, 라디칼을 생성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생부를 도시한 사시도이다.
도 10을 참조하면, 플라즈마 발생부(1000)는 변압기 플라즈마 소스를 실시예로 도시한 것으로, 챔버(1010)와 챔버(1010)에 설치되는 페라이트 코어(1032)를 포함할 수 있다. 챔버(1010)는 다수 개의 블록이 결합되어 형성될 수 있다. 일 실시예로 챔버(1010)는 상부챔버(1010a), 두 개의 연결챔버(1010b) 및 하부챔버(1010c)를 포함할 수 있다. 챔버(1010)의 상부 일측에는 챔버(1010) 내부로 공정가스를 공급하기 위한 가스 공급포트(170)를 포함할 수 있다. 가스 공급포트(170)는 가스 공급부와 연결되고, 플라즈마 발생부(1000)의 가스인렛과 연결될 수 있다.
도 11은 도 10에서 도시된 플라즈마 발생부의 단면을 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 플라즈마 발생부(1100)는 챔버(1010)와 변압기를 포함한다. 챔버 (1010)는 세로축 방향에 비하여 가로축 방향이 더 길게 제작되며, 내부에 플라즈마가 발생하기 위한 방전 공간으로써 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(1112)을 포함할 수 있다. 챔버 (1010)는 가스인렛(1114)이 구비되며 플라즈마 방전 채널(1112)의 상부가 포함되는 상부챔버(1010a), 가스아웃렛(1106)이 구비되며 플라즈마 방전 채널(1112)의 하부가 포함되는 하부챔버(1010c) 및 상부챔버(1010a)와 하부챔버(1010c)를 연결하는 두 개의 연결챔버(1010b)로 구성될 수 있다. 여기서, 상부챔버(1010a)와 하부챔버(1010c)는 하나의 몸체로 형성될 수도 있고, 다수 개로 분리되어 결합될 수 있다. 각각의 몸체가 결합되는 부분에는 진공 절연을 위한 오링(미도시)이 구비될 수 있다.
오링은 두 개의 부재로 구성될 수 있다. 그 하나는 탄성 부재이고 다른 하나는 비탄성 부재(예를 들어, 세라믹 재질)이다. 탄성 부재는 실질적인 진공 절연을 위해 사용되며 챔버몸체의 외부 영역에 가깝게 설치되며, 비탄성 부재는 반응기 몸체의 내부 플라즈마 방전 영역에 가깝게 설치될 수 있다. 그럼으로 탄성 부재가 고열의 플라즈마 가스에 의해서 열화되는 것을 방지할 수 있다.
상부챔버(1010a)에는 챔버(1010) 내부로 가스를 제공하기 위한 가스인렛(1114)이 구비되고, 하부챔버(1010c)에는 챔버(1010) 외부로 활성화된 가스를 배출하기 위한 가스아웃렛(1106)이 구비될 수 있다. 특히, 가스인렛(1114)은 상부챔버(1010a)의 중앙에 형성되며 가스인렛(1114)을 중심으로 공급된 가스가 플라즈마 방전 채널(1112)의 양쪽으로 분기되어 제공되는 구조일 수 있다.
가스아웃렛(1106)은 하부챔버(1010c)의 하부 중앙에 형성되며 챔버(1010) 내부에서 활성화된 가스가 외부로 배출될 수 있다. 가스인렛(1114)을 통해 공급된 가스는 상부챔버(1010a)에서 양측으로 분기된 플라즈마 방전 채널(1112)을 따라 분기되어 이동되고, 연결챔버(1010b)를 따라 양쪽에서 이동된 후 다시 하부챔버(1010c)에서 모여 가스아웃렛(1106)으로 배출될 수 있다.
가스아웃렛(1106)은 가스가 통과될 수 있도록 관통 형성된 배출관(1180)과 연결될 수도 있다. 배출관(1180)은 하부챔버(1010c)와 일체로 형성될 수도 있다. 배출관(1180)은 가스가 배출되는 방향으로 관통홀의 직경이 점차적으로 커지도록 형성된다. 그러므로 플라즈마 발생부(1100)에서 배출되는 이온이 배출관(1180)에 의해 간섭을 받아 다시 결합되는 현상을 방지할 수 있다. 하부챔버(1010c)와 배출관(180)은 일체로 형성될 수도 있다. 가스인렛(1114)을 통해 챔버(1010) 내로 공급된 가스는 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널을 통과하며 방전된 플라즈마에 의해 활성화되어 가스아웃렛(1106)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
본 발명에서의 플라즈마 발생부(1100)는 복수 개의 영구자석(1162)을 갖는 영구자석모듈(1160)을 포함할 수 있다. 상부챔버(1010a)에는 복수 개의 영구자석(1162)으로 구성된 영구자석모듈(1160)이 다른 극성끼리 마주하도록 챔버(1010) 에 매설된다. 서로 다른 극성의 영구자석(1162)으로 인해, 플라즈마 방전 채널(1112) 내에 자기장이 형성되어 플라즈마 방전 채널(1112)을 통과하는 가스 이온을 회전시켜 가스 이온의 체류 시간을 늘릴 수 있다. 이로써 공급되는 가스의 유속이 조절될 수 있다. 또한 가스아웃렛(1106)의 주변에도 영구자석모듈(1160)이 더 구비되어 배출되는 가스 이온에 대한 분해율을 높일 수 있다.
복수 개의 영구자석모듈(1160)은 플라즈마 방전 채널(1112)의 전체 길이를 따라 설치될 수도 있고, 플라즈마 방전 채널(1112)의 일부분에만 설치될 수 있다. 특히, 가스인렛(1114)과 가스아웃렛(1106)에 인접하도록 영구자석모듈(1160)을 위치하여 제공되는 가스 및 배출되는 가스의 이온을 회전시킬 수 있다.
예를 들어, 하나의 영구자석모듈(1160)에는 N극의 영구자석을 선형으로 배치하고, 다른 영구자석모듈(1160)에는 S극의 영구자석을 선형으로 배치할 수 있다. 또는 N극과 S극의 영구자석을 교대로 배치하여 영구자석모듈(1160)을 형성하는 경우, 서로 다른 극성의 영구자석이 마주할 수 있도록 두 개의 영구자석모듈(1160)을 설치한다. 플라즈마 방전 채널(1112)에는 변압기에 의해 토로이달 형상의 전기장이 유도되는데, 유도된 전기장은 영구자석모듈(1160)에 의해 발생되는 자기장과 상이한 방향을 갖는다. 그러므로 플라즈마 방전 채널(1112) 내의 전자는 회전 운동한다. 전자가 회전 운동함으로써 전자의 운동 궤적이 증가하고, 플라즈마 방전 채널(1112) 내에서의 잔류 시간이 늘어나게 되어 가스 분해 효율이 높아진다.
플라즈마 발생부(1100)에서 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(1112)은 거의 균일하게 단면적이 형성될 수 있다. 챔버(1010) 내의 모든 부분들의 직경은 동일하거나 서로 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부챔버(1010a) 및 하부챔버(1010c)는 동일한 직경의 플라즈마 방전 채널(1112)이 형성될 수 있고, 연결챔버(1010b)의 직경은 상부챔버(1010a) 또는 하부챔버(1010c)의 플라즈마 방전 채널(1112) 직경보다 더 작게 형성될 수 있다.
챔버(1010)는 알루미늄과 같은 금속성 물질로 제작될 수 있다. 챔버 (1010)를 금속성 물질로 제작하는 경우, 양극 산화처리(anodized)된 알루미늄과 같은 피복된 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 또는 석영과 같은 절연 물질로 제작될 수 있다. 또는 챔버몸체를 금속성 물질로 제작하는 경우 복합소재 예를 들어, 탄소나노튜브와 공유결합된 알루미늄으로 구성되는 복합소재를 사용하는 것이 매우 유용할 수 있다. 이러한 복합 소재는 기존의 알루미늄 보다 강도가 대략 3배 이상이며 강도 대비하여 중량은 경량인 특징을 갖는다.
챔버(1010)를 금속성 물질로 제작하는 경우, 유도된 전류가 챔버(1010)에 흐르는 것을 방지하기 위하여 하나 이상의 전기적 절연 영역인 절연 브레이크(1111)를 갖는다. 챔버(1010)는 절연 브레이크(1111)가 형성된 연결챔버(1010b)를 기준으로 상부, 하부로 구분될 수 있다.
플라즈마 발생부(1100)와 전원 공급부는 물리적으로 분리된 구조로 실시될 수 있다. 다시 말해, 플라즈마 발생부(1100)와 전원 공급부는 무선 주파수 공급 케이블에 의해서 상호 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 플라즈마 발생부(1100)와 전원 공급부의 분리 구조는 유지 보수와 설치의 용이성을 제공할 수 있다. 그러나 플라즈마 발생부(1100)와 전원 공급부가 일체형 구조로 제공될 수도 있다.
플라즈마 발생부(1100)는 전자기 에너지를 플라즈마 방전 채널(1112) 내에 형성되는 플라즈마로 결합시키는 변압기를 포함할 수 있다. 변압기는 페라이트 코어(1032), 일차 코일을 포함할 수 있다. 페라이트 코어(1132)는 플라즈마 방전 채널(1112)과 쇄교하도록 챔버(1010)에 설치될 수 있다. 페라이트 코어(1132)에는 전원 공급부와 연결되는 일차 코일이 권선될 수 있다. 일차 코일은 전원 공급부로부터 무선 주파수를 공급받아 되고, 토로이달 형상의 플라즈마 채널(1112) 내의 플라즈마가 변압기의 이차 회로를 형성할 수 있다.
페라이트 코어(1132)는 상부챔버(1010a) 또는 하부챔버(1010c) 중 어느 하나에 설치될 수도 있고(미도시), 상부챔버(1010a)와 하부챔버(1010c) 모두에 설치될 수 있다. 특히, 페라이트 코어(1132)는 좌, 우로 분기된 플라즈마 방전 채널(1112)의 양쪽 또는 한쪽(미도시)에 설치될 수 있다. 특히, 가스인렛(1114)과 가스아웃렛(1106)을 중심으로 양쪽으로 근접하게 페라이트 코어(1132)가 설치됨으로써, 상부챔버(1010a) 및 하부챔버(1010c)에 플라즈마(1112a, 1112b)가 생성될 수 있다. 가스인렛(1114)의 양쪽으로 설치되는 페라이트 코어(1132)는 통합적으로 플라즈마(1112a)가 형성될 수 있도록 근접하게 설치되는 것이 바람직하다. 가스아웃렛(1106)의 양쪽으로 설치되는 페라이트 코어(1132) 또한 동일하다.
가스인렛(1114)으로 제공된 가스는 플라즈마 방전 채널(1112) 내로 분기되고, 상부챔버(1010a)에 설치된 페라이트 코어(1132)에 의해 방전되어 플라즈마(112a)가 발생할 수 있다. 발생된 플라즈마(1112a)는 균일하게 양쪽으로 분기되어 두 개의 연결챔버(1010b)에 제공되고, 다시 모여 가스아웃렛(1106)을 통해 외부로 배출된다. 플라즈마 방전 채널(1112)을 이동하며 재결합되거나, 분해되지 않은 가스는 배출되기 전에, 하부챔버(1010c) 내에서 발생된 플라즈마(1112b)에 의해 한번 더 활성화된 가스로 분해될 수 있다.
일반적으로 플라즈마 발생부에서 페라이트 코어가 연결챔버에 설치되는 경우, 가스는 연결챔버를 빠르게 통과하여 이동하게 된다. 그러므로 가스의 연결챔버 내 체류시간이 짧아 플라즈마와의 반응 시간 또한 짧아진다. 또한 연결챔버에 각각 페라이트 코어를 설치하여 각각의 페라이트 코어에 의해 유도되는 전기장의 세기 및 압력이 균일하지 않을 수 있다. 그러므로 연결챔버로 이동되는 가스가 한쪽으로만 몰리게 되어 균일하게 가스가 활성화되지 못한다. 또한 플라즈마가 몰린 부분에서는 활성화된 가스로의 분해율이 낮아져 공급된 가스가 모두 활성화되지 못하고 그대로 배출될 수도 있다.
반면에, 도면에 도시한 바와 같이 페라이트 코어(1132)를 상부챔버(1010a)와 하부챔버(1010c)에 설치하면, 가스인렛(1104)에 인접하여 플라즈마(1112a)가 형성되어 두 개의 연결챔버(1010b)로 균일하게 플라즈마가 제공될 수 있다. 그러므로 두 개의 연결챔버(1010b)에서의 가스 분해율이 향상될 수 있다. 주입된 가스는 챔버 상부에서 한번, 챔버 하부에서 다시 한번 더 에너지를 공급받기 때문에 여러 번 플라즈마와 반응하여 가스의 활성화 비율이 높아진다. 또한 챔버(1010)를 가로측 방향으로 길게 형성함으로써 챔버(1010) 내로 공급된 가스가 압력 차이에 의해 한쪽으로만 쏠리는 것을 방지할 수 있다.
챔버(1010)에는 내부에서 발생되는 고온의 플라즈마에 의해 챔버(1010)가 과열되어 손상되는 것을 방지하기 위한 냉각채널(미도시)을 포함할 수 있다. 냉각채널은 챔버(1010) 내에서 냉각수가 순환되는 냉각수 패스일 수도 있고, 챔버(1010)를 덮는 별도의 냉각 커버일 수도 있다. 마그네틱 코어(1132)와 일차 코일등과 같은 전기적 부품의 과열 방지하기 위해서도 별도의 냉각 수단이 구비될 수 있다. 본 발명에서의 냉각채널은 냉각수가 순환되는 구조로, 플라즈마 방전 채널(1112)의 주변으로 챔버(1010) 내에 형성된다. 이때, 냉각채널은 상부챔버(1010a), 하부챔버(1010c) 및 연결챔버(1010b)와 연결되는 하나의 순환구조일 수 있다.
도 12는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생부를 도시한 단면도이다
도 12를 참조하면, 플라즈마 발생부(1200)는 상부챔버(1210a)와 하부챔버(1210c) 및 연결챔버(1210b)를 포함할 수 있다. 페라이트 코어(1232)는 가스인렛(1114) 및 가스아웃렛(1106)과 인접하게 설치될 수 있다. 상부챔버(1210a)와 하부챔버(1210c) 및 연결챔버(1210b)는 양단이 소정의 각도(빗각)를 갖도록 형성된 빗각 결합부(1211)를 포함할 수 있다. 빗각 결합부(1211)에는 상부챔버(1210a)와 하부챔버(1210c) 및 연결챔버(1210b) 사이의 전기적 절연을 위한 절연 브레이크로써 오링(미도시)이 설치될 수 있다. 오링은 두 개의 부재로 구성될 수 있다. 그 하나는 탄성 부재이고 다른 하나는 비탄성 부재(예를 들어, 세라믹 재질)이다. 탄성 부재는 실질적인 진공 절연을 위해 사용되며 챔버몸체의 외부 영역에 가깝게 설치되며, 비탄성 부재는 반응기 몸체의 내부 플라즈마 방전 영역에 가깝게 설치될 수 있다. 그럼으로 탄성 부재가 고열의 플라즈마 가스에 의해서 열화되는 것을 방지할 수 있다.
상부챔버(1210a) 및 하부챔버(1210c)는 플라즈마 방전 채널(1212)을 형성하기 위하여 빗각 결합부를 갖는 일단에서부터 타단을 향하여 내부를 깍아 가공할 수 있다. 또한 두 개의 연결챔버(1210b)도 플라즈마 방전 채널(1212)을 형성하기 위하여 빗각 결합부를 갖는 일단에서부터 타단을 향하여 내부를 깍아 가공할 수 있다. 그러므로 네 번의 가공에 의해 네 개의 몸체를 형성하고, 이를 결합함으로써 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(1212)을 형성할 수 있다. 그러므로 빗각 결합부(1211)를 갖는 챔버(1210)는 네 개의 챔버만을 가공하므로 가공비용을 매우 절감할 수 있다. 또한 빗각 결합부의 대면 면적이 넓어 연결챔버(1210b)를 이용한 초기 방전이 용이할 수 있다.
도 13은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생부를 도시한 단면도이다.
도 13을 참조하면, 플라즈마 발생부(1300)는 유도 결합 플라즈마로 플라즈마를 생성할 수 있다. 챔버(1310)는 원통 형상으로 내부에 방전 공간이 구비될 수 있다. 챔버(1310)의 상단에는 가스 공급부와 연결되는 가스인렛(1314)이 구비되고, 하단에는 라디칼이 외부로 배출될 수 있는 가스아웃렛(1316)이 구비될 수 있다. 챔버(1310)의 외주면으로는 안테나 코일(1320)이 다수 회 권선되고, 안테나 코일(1320)은 전원 공급부와 연결될 수 있다. 안테나 코일(1320)이 구동되면, 챔버(1310) 내부 공간에 전기장이 유도됨으로써 챔버(1310) 내부에서 유도 결합된 플라즈마가 형성될 수 있다. 유도 결합된 플라즈마를 형성하기 위한 구조는 도면에 도시된 실시 예 이외에도 다양한 변형이 가능할 것이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생부를 도시한 사시도이고, 도 15는 도 14에 도시된 플라즈마 발생부의 단면을 도시한 도면이고, 도 16은 도 14에 도시된 플라즈마 발생부의 단면을 도시한 도면이다.
도 14 내지 도 16을 참조하면, 플라즈마 발생부(1400)는 플라즈마 방전 채널(1412)과 가스인렛(1472) 및 가스아웃렛(1406)을 포함하는 챔버(1410)를 구비할 수 있다. 챔버(1410)는 중공의 환형 구조를 갖고 상부에는 가스인렛(1472)이 구비되고, 하부에는 가스 아웃렛(1406)이 구비될 수 있다. 가스인렛(1472)은 가스주입포트(1470)과 연결될 수 있다. 가스아웃렛(1406)의 구경은 플라즈마 방전 채널(1412)에서 외부로 갈수록 점차 넓어지는 형상일 수 있다. 또한 가스아웃렛(1406)은 내부에 관통홀(1484)이 구비된 어댑터(1480)가 연결될 수 있다. 제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430)은 플라즈마 방전 채널(1412)을 사이에 두고 대향되게 챔버(1410)의 외부에 설치될 수 있다. 제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430)은 각기 별도의 절연 커버(미도시)가 더 구비될 수 있다. 절연 커버는 제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430) 사이의 절연 부재로서 기능할 수 있다.
제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430)은 원턴 이상의 전류 경로를 제공하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 하이브리드 전극(1420)은 일정 구간이 단절된 원판형 도넛 구조일 수 있다. 제2 하이브리드 전극(1430)은 제1 하이브리드 전극(1420)과 유사하게 일정 구간이 단절된 원판형 도넛 구조를 갖되 챔버(1410)를 부분적으로 감싸도록 구조화될 수 있다.
제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430) 사이에는 전기적 절연을 위한 절연부재(1440)가 구비될 수 있다. 절연부재(1440)는 세라믹으로 형성될 수 있고, 제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430) 사이를 따라 구비될 수 있다.
챔버(1410)는 예를 들어, 석영(쿼츠)과 같은 유전체 물질로 구성될 수 있다. 또는 적절한 대체재료를 사용하여 구성될 수 있다. 제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430)은 과열 방지를 위하여 내부에 냉각 채널(1422, 1432)이 구비될 수 있다. 냉각채널(1422, 1432)은 제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430)의 내부에 구비될 수 있으며, 제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430) 형상과 동일하게 일정구간이 단절된 도넛 형상일 수 있다. 또는 챔버(1410)를 덮는 별도의 냉각 커버가 구비되거나 플라즈마 발생기(1400)의 적절한 부분에 별도의 냉각 채널을 구성할 수도 있다.
제1 하이브리드 전극(1420)의 일단은 전원 공급부에 연결되고, 타단은 제2 하이브리드 전극(1430)의 일단에 연결될 수 있다. 제2 하이브리드 전극(1430)의 타단은 접지로 연결될 수 있다. 그럼으로 전체적으로 제1 하이브리드 전극(1420)과 제2 하이브리드 전극(1430)에 의해서 투 턴의 권선 구조가 형성될 수 있다. 이때, 제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430) 사이에 발생되는 전위차에 의해서 제1 전기장이 챔버(1410)의 플라즈마 방전 채널(1412)로 제공될 수 있다. 이와 더불어, 제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430)이 제공되는 투턴의 전류 경로에 의해서 형성되는 자기장(H)은 챔버(1410)가 제공하는 환 형의 플라즈마 방전 채널(1412)에 제2 전기장을 형성시킬 수 있다.
그럼으로 플라즈마 발생부(1400)의 내부 플라즈마 방전 공간에는 용량 결합 및 유도 결합된 플라즈마가 복합적으로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430)은 전기적으로 연결되지 않을 수도 있다. 이러한 경우에는 순수하게 제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430)은 용량 결합 전극으로만 기능할 수 있다.
제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430) 사이에 스위칭 회로(미도시)를 구비하여 용량 결합 전극으로만 기능하거나 또는 혼합 전극으로 기능하도록 할 수도 있다. 부가적으로, 제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430) 사이에 커패시터나 인덕터 또는 저항과 같은 부가 회로를 추가하여 구성할 수 있다. 이러한 부가 회로는 플라즈마 발생부(1400)의 전체적인 동작 효율을 향상시키기 위하여 하나 이상 선택될 수 있다.
하이브리드 전극의 변형 예를 간략하게 설명하면 다음과 같다.
제1 및 제2 하이브리드 전극(1420, 1430)은 원턴 이상의 전류 경로를 형성할 수 있도록 다수 개의 중첩된 전극판으로 구성될 수 있다. 다수 개의 중첩된 전극판을 사용하는 경우에는 각각의 전극판 사이에 적절한 절연 부재를 삽입하여 구성하는 것이 바람직할 수 있다. 그리고 각각의 전극판은 회전하는 전류 경로를 제공하도록 전기적으로 연결된다.
이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (7)

  1. 전력을 공급하는 전원 공급부;
    상기 전원 공급부로부터 전력을 공급받고, 가스 공급부로부터 가스를 공급받아 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부;
    상기 전원 공급부와 상기 플라즈마 발생부 사이에 구비되는 임피던스 정합기; 및
    내부에 기판을 지지하는 기판 지지대가 구비되고, 상기 플라즈마 발생부로부터 라디칼을 공급받아 기판처리 공정이 수행되는 공정챔버를 포함하고,
    상기 플라즈마 발생부에서 상기 라디칼이 배출되는 가스 배출구의 개폐를 제어하는 제어수단을 더 포함하고,
    상기 기판처리 공정은, 원자층증착(ALD)공정을 포함하고,
    상기 원자층증착(ALD)공정은,
    상기 공정챔버 내로 프리커서를 공급하는 단계;
    상기 공정챔버 내로 퍼지가스를 공급하는 단계; 및
    상기 플라즈마 발생부로부터 상기 공정챔버 내로 상기 라디칼을 공급하는 단계를 포함하고,
    상기 프리커서 및 상기 퍼지가스는 상기 플라즈마 발생부를 통하지 않고 상기 공정챔버로 공급되고,
    상기 라디칼은 상기 제어수단을 이용해서 상기 가스 배출구의 개폐를 제어하여 상기 라디칼을 공급하는 단계에 상기 플라즈마 발생부로부터 상기 공정챔버 내로 제공되는,
    반도체 공정용 기판 처리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판 처리 시스템은,
    상기 전원 공급부, 상기 임피던스 정합기 및 상기 가스 공급부를 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    기판을 처리하는 공정이 진행되는 동안, 상기 전력이 단속적으로 공급되도록 제어하여 상기 플라즈마 발생부에서 상기 라디칼이 적어도 두 번 이상 불연속적으로 상기 공정챔버로 배출되는 반도체 공정용 기판 처리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판 처리 시스템은,
    상기 전원 공급부, 상기 임피던스 정합기 및 상기 가스 공급부를 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 플라즈마 발생부에서 상기 라디칼이 적어도 두 번 이상 불연속적으로 상기 공정챔버로 배출되도록 상기 제어수단을 제어하는 반도체 공정용 기판 처리 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기판 처리 시스템은,
    상기 전원 공급부, 상기 임피던스 정합기 및 상기 가스 공급부를 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 플라즈마 발생부에서 상기 라디칼이 적어도 두 번 이상 불연속적으로 상기 공정챔버로 배출되도록 상기 제어수단을 제어하는 반도체 공정용 기판 처리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전력 및 상기 라디칼 공급이 동기화되도록 상기 전원 공급부 또는 상기 제어수단을 제어하는 반도체 공정용 기판 처리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생부는,
    상기 가스가 주입되는 가스인렛 및 상기 라디칼이 배출되는 가스아웃렛을 갖고, 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널을 갖는 챔버;
    상기 플라즈마 방전 채널의 일부에 쇄교하도록 상기 챔버에 설치되는 페라이트 코어; 및
    상기 페라이트 코어에 권선되며, 전원 공급부와 연결되는 일차 코일을 포함하는 반도체 공정용 기판 처리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급부는
    1 Hz ~ 999 MHz의 주파수를 공급하는 반도체 공정용 기판 처리 시스템.
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