KR101981289B1 - 인덕턴스를 이용하여 임피던스 매칭이 가능한 라디칼 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 인덕턴스를 이용하여 임피던스 매칭이 가능한 라디칼 발생기는 플라즈마가 방전되기 위한 토로이달 형상의 플라즈마 방전 공간을 갖는 챔버, 상기 플라즈마 방전 공간에 쇄교하도록 상기 챔버에 설치되는 페라이트 코어, 상기 페라이트 코어에 권선되어 전원 공급원으로부터 전력을 공급받는 일차권선, 상기 페라이트 코어에 권선되어 직류전원 공급부로부터 전력을 공급받는 전류제한권선, 및 상기 직류전원 공급부와 상기 전류제한권선 사이에 구비되어 상기 전류제한권선으로 공급되는 전력을 제어하는 전력 제어부를 포함하여, 상기 전류제한권선으로 공급되는 전력을 제어함으로써 상기 페라이트 코어의 인덕턴스 값을 조절하여 임피던스를 매칭할 수 있다.

Description

인덕턴스를 이용하여 임피던스 매칭이 가능한 라디칼 발생기{RADICAL GENERATOR CAPABLE OF IMPEDANCE MATCHING USING INDUCTANCE}

본 발명은 인덕턴스를 이용하여 임피던스 매칭이 가능한 라디칼 발생기에 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 사용될 수 있다. 특히, 반도체/박막 디스플레이/태양 전지의 제조에서 플라즈마가 사용되며, 플라즈마를 이용한 식각, 증착, 세정, 애싱, 및 질화처리 등의 공정은 공정 챔버에서 진행될 수 있다. 공정 챔버는 진공 펌프와 연결되어 공정 가스를 배출할 수 있다.

전원(Power Source) 및 부하(Load) 사이의 임피던스가 매칭되지 않으면 부하로 공급되는 전력은 최대화되지 않을 뿐 아니라, 부하로 전달되는 전력을 정밀하게 제어하기 어렵다. 이에 따라 플라즈마 시스템과 같은 전기 시스템은 이러한 임피던스의 미스매칭을 해결하기 위해 전원과 부하 사이에 배치되는 임피던스 매칭 네트워크를 구비할 수 있다. 매칭 네트워크의 역할은 무선주파수 발생기(RF Generator)의 전력을 플라즈마 챔버에 손실없이 전달하는 것이다.

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. 이러한 미세한 공정을 수행하기 위해서는 정밀한 임피던스 매칭이 요구된다.

그러나 일반적인 반도체 제조 공정에서의 임피던스 매칭은 가변 캐패시터와 가변 인덕터를 모터를 이용하여 가변함으로써 매칭하는 방식을 이용하였다. 이러한 매칭 방식은 매칭 대응 속도가 빠르지 않아, 정밀한 임피던스 매칭이 어렵다. 그러므로 정밀한 임피던스 매칭이 요구되는 미세 공정에 적용하기 위한 정밀한 임피던스 매칭이 필요하다.

본 발명의 목적은 페라이트 코어의 인덕턴스 값을 전기적으로 제어함으로써 플라즈마 발생기의 임피던스 매칭이 가능한 인덕턴스를 이용하여 임피던스 매칭이 가능한 라디칼 발생기를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 인덕턴스를 이용하여 임피던스 매칭이 가능한 라디칼 발생기는 플라즈마가 방전되기 위한 토로이달 형상의 플라즈마 방전 공간을 갖는 챔버, 상기 플라즈마 방전 공간에 쇄교하도록 상기 챔버에 설치되는 페라이트 코어, 상기 페라이트 코어에 권선되어 전원 공급원으로부터 전력을 공급받는 일차권선, 상기 페라이트 코어에 권선되어 직류전원 공급부로부터 전력을 공급받는 전류제한권선, 및 상기 직류전원 공급부와 상기 전류제한권선 사이에 구비되어 상기 전류제한권선으로 공급되는 전력을 제어하는 전력 제어부를 포함하여, 상기 전류제한권선으로 공급되는 전력을 제어함으로써 상기 페라이트 코어의 인덕턴스 값을 조절하여 임피던스를 매칭할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 챔버로부터 배출된 라디칼이 공급되는 공정챔버를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 전류제한권선으로 공급되는 전력을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 플라즈마 방전 채널 내의 상태를 측정하는 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 센서로부터 상기 플라즈마 방전 채널 내의 상태를 수신받아 상기 전류 제한 권선으로 공급되는 전력을 제어할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 전원 공급부에서 공급된 전류 및 전압을 측정하는 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 센서로부터 측정된 전류 및 전압을 이용하여 상기 전류 제한 권선으로 공급되는 전력을 제어할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 전력 제어부는, 상기 전류제한권선으로 공급되는 전류를 제어하는 정전류 제어기를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 전력 제어부는, 상기 전류제한권선으로 공급되는 전압을 제어하는 정전압 제어기를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 인덕턴스를 이용하여 임피던스 매칭이 가능한 라디칼 발생기의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 전류를 제어하여 전기적으로 인덕턴스 값을 변화시켜 고속으로 플라즈마 발생기의 임피던스 매칭이 가능할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 고속으로 임피던스 매칭이 가능하므로 미세 반도체 공정에서 정밀한 임피던스 매칭이 가능하다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 라디칼 발생기를 포함하는 기판 처리 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 라디칼 발생기를 포함하는 기판 처리 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 기판 처리 시스템에서 기판 처리 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 라디칼 발생기의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 라디칼 발생기의 또 다른 실시예를 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 라디칼 발생기를 포함하는 기판 처리 시스템을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 기판 처리 시스템(100)은 전원 공급부(130), 플라즈마 발생부(120), 제어부(160) 및 공정챔버(110)를 포함할 수 있다.

전원 공급부(130)는 라디칼 발생기인 플라즈마 발생부(120)로 전력을 공급하여 플라즈마 발생부(120)에서 플라즈마를 점화하기 위한 구성일 수 있다. 전원 공급부(130)는 플라즈마 발생부(120)로 전력을 공급하며, 플라즈마 발생부(120) 내에서 플라즈마를 점화 또는 발생시킬 수 있다. 전원 공급부(130)는 1 Hz ~ 999MHz 의 주파수를 공급할 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 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 기판이 언로딩된 상태에서 공정챔버(110) 내부를 세정하기 위한 세정공정일 수 있다.

공정챔버(110)는 내부에 기판(114)을 지지하기 위한 서셉터(112)를 포함할 수 있다. 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.

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.

플라즈마 발생부(120)는 어댑터(140)를 통해 공정챔버(110)와 연결될 수 있다. 어댑터(140)는 전기적 절연을 위한 절연 구간을 구비할 수 있으며, 과열을 방지하기 위한 냉각 채널을 구비할 수 있다.

제어부(160)는 전원 공급부(130) 및 가스 공급부(150)를 제어할 수 있다. 제어부(160)는 전원 공급부(130)를 제어함으로써 플라즈마 발생부(120)로 공급되는 전력을 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.

플라즈마 발생부(120)는 내부에 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(122)을 포함하는 챔버(121) 및 전자기 에너지를 플라즈마 방전 채널(122) 내에 형성하여 플라즈마로 결합시키는 변압기를 포함할 수 있다. 변압기는 페라이트 코어(132), 일차 코일(134)을 포함할 수 있다. 페라이트 코어(132)는 플라즈마 방전 채널(122)에 쇄교하며 챔버(121)의 일부를 감싸도록 설치될 수 있다. 페라이트 코어(132)의 일부에는 일차 코일(134)이 권선될 수 있다. 변압기의 일차측은 일차 코일(134)을 포함하고, 변압기의 이차측은 플라즈마 방전 채널(122)에 형성되는 플라즈마를 포함할 수 있다. 일차 코일(134)은 전원 공급부(130)에 연결되고, 전원 공급부(130)로부터 무선 주파수를 제공받아 구동될 수 있다. 전원 공급부(130)로부터의 에너지는 플라즈마 발생부(120)를 통과하는 가스와 변압기를 통해 유도 연결되는 플라즈마를 점화 또는 생성할 수 있다. 플라즈마 발생부(120) 내에서 점화된 플라즈마는 변압기의 이차측으로서 기능할 수 있다.

챔버(121)는 상부에 가스 공급부(150)와 연결되어 공정가스를 공급받는 가스인렛(124)이 구비되고, 하부에 내부에서 생성된 라디칼이 배출되는 가스아웃렛(126)이 구비될 수 있다. 챔버(121)는 다수 개의 블록이 결합되어 형성될 수 있다.

챔버(121)에는 내부에서 플라즈마가 발생할 때 챔버(121)의 온도를 조절하기 위한 냉각채널(미도시)이 구비될 수 있다. 냉각채널은 플라즈마 방전 채널(122)을 따라 형성되어, 냉각수 공급원으로부터 공급된 냉각수가 순환될 수 있다. 냉각채널을 따라 순환된 냉각수에 의해 챔버(121)의 온도를 제어할 수 있다.

전원 공급부(130)는 높은 여기 전압을 변압기의 일차 코일(134)에 공급할 수 있다. 이러한 여기 전압은 일차 코일(134) 내에 고전압 전류를 유도함으로써, 페라이트 코어(132)를 통해 교류 자기장을 생성할 수 있다. 그 결과, 전류는 챔버(121) 내의 가스로 유도되어 플라즈마의 점화를 유발할 수 있다. 플라즈마가 일단 생성되고 나면, 플라즈마는 다른 소스 가스를 여기하도록 사용되어, 라디칼을 생성할 수 있다.

페라이트 코어(132)에는 별도의 전류제한권선(172)이 권선될 수 있다. 전류제한권선(172)은 일차 코일(134)는 별도로 페라이트 코어(132)에 권선된다. 전류제한권선(172)은 직류 전원부(170)로부터 전력 제어부(171)를 통해 전력을 공급받아 구동된다. 전력 제어부(171)는 직류 전원부(170)에서 공급된 전력을 제어하여 전류제한권선(172)으로 공급할 수 있다. 전류제한권선(172)으로 공급된 전력에 의해 페라이트 코어(132)가 갖는 인덕턴스(L)값이 변화될 수 있다.

인덕턴스(L)값은 페라이트 코어(132)의 재료의 유형 또는 전류제한권선(172)에 공급되는 전력(전류, 전압)의 크기와 상관관계를 갖는다. 그러므로 전류제한권선(172)에 공급되는 전력을 제어함으로써 인덕턴스(L)값을 조절할 수 있다. 또한 인덕턴스(L)값에 의해 페라이트 코어(132)에 권선된 일차 코일(134)이 영향을 받아 플라즈마 방전 채널(122)로 공급되는 에너지도 변화될 수 있다. 이러한 에너지 변화는 플라즈마 발생부(120)와 전원 공급부(130) 사이의 임피던스 매칭과도 상관관계를 갖는다. 그러므로 전류제한권선(172)으로 공급되는 전력에 의해 페라이트 코어(132)의 인덕턴스(L) 값이 변화되고, 변화된 페라이트 코어(132)의 인덕턴스(L) 값에 의해 플라즈마 발생부(120)의 임피던스가 제어될 수 있다. 결과적으로 전류제한권선(172)으로 공급되는 전력을 제어함으로써 플라즈마 발생부(120)와 전원 공급부(130) 사이의 임피던스 매칭을 제어할 수 있다.

본 발명에서는 전류제한권선(172)에 의해 플라즈마 발생부(120)와 전원 공급부(130) 사이의 임피던스 매칭이 가능하므로 별도의 임피던스 정합기가 불필요 할 수 있다. 또한 전기적으로 임피던스 매칭이 이루어지므로 고속으로 정밀한 임피던스 매칭 제어가 수행될 수 있다. 그러므로 정밀한 임피던스 매칭이 요구되는 반도체 제조 공정에서 사용되는 플라즈마 발생부(120)에 적용이 가능하다.

전력 제어부(171)는 전류제한권선(172)으로 공급되는 전류를 제어할 수 있는 정전류 제어기 또는 전류제한권선(172)으로 공급되는 전압을 제어할 수 있는 정전압 제어기 중 하나를 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 라디칼 발생기를 포함하는 기판 처리 시스템을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 기판 처리 시스템(200)은 도 1에 도시된 기판 처리 시스템(100)의 구성에 더하여 제1 센서(227), 제2 센서(217) 및 전류, 전압 센서(233)를 포함할 수 있다.

제1 센서(227)는 플라즈마 발생부(120) 내부의 상태(플라즈마 상태 또는 플라즈마 방전 채널 내의 상태)를 측정할 수 있는 센서일 수 있다. 제1 센서(227)에서 측정된 센싱 데이터는 제어부(160)로 전달될 수 있다. 제어부(160)는 제1 센서(227)에서 측정된 센싱 데이터를 바탕으로 전류제한권선(172)으로 공급되는 전력을 피드백 제어할 수 있다. 제1 센서(227)는 플라즈마 발생부(120) 내부의 상태를 측정할 수 있는 위치에 설치되는 바, 일 실시 예로써 플라즈마 발생부(120)의 가스아웃렛(126)과 인접한 부분에 위치될 수 있다. 제1 센서(227)의 설치 위치는 다양한 변형 실시가 가능하며, 도면에 국한되지 않는다.

제2 센서(217)는 공정챔버(110) 내부의 상태(컨디션)를 측정할 수 있는 센서일 수 있다. 제2 센서(217)에서 측정된 센싱 데이터는 제어부(160)로 전달될 수 있다. 제어부(160)는 제2 센서(217)에서 측정된 센싱 데이터를 바탕으로 전류제한권선(172)으로 공급되는 전력을 피드백 제어할 수 있다. 제2 센서(217)는 공정챔버(110) 내부의 상태를 측정할 수 있는 위치에 설치되는 바, 제2 센서(217)의 설치 위치는 다양한 변형 실시가 가능하며, 도면에 국한되지 않는다.

전류, 전압 센서(233)는 전원 공급부(130)에서 일차 권선(134)으로 공급되는 전류, 전압을 측정할 수 있는 센서일 수 있다. 전류, 전압 센서(233)에서 측정된 센싱 데이터는 제어부(160)로 전달될 수 있다. 제어부(160)는 전류, 전압 센서(233)에서 측정된 센싱 데이터를 바탕으로 전류제한권선(172)으로 공급되는 전력을 피드백 제어할 수 있다.

기판 처리 시스템(200)은 제1 센서(227), 제2 센서(217) 및 전류, 전압 센서(233) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있고, 이들 센서로부터 측정된 센싱 데이터를 이용하여 전류제한권선(172)으로 공급되는 전력을 피드백 제어하고, 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 기판 처리 시스템에서 기판 처리 과정을 도시한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 기판(114)을 로딩하여 반도체 공정을 수행하기 위하여 플라즈마 발생부(120)로 전력, 가스를 공급할 수 있다(S110).

S110단계에서 플라즈마 발생부(120)는 상기에서 설명한 바와 같이, 전력, 가스를 공급받아 내부에서 라디칼을 발생시킬 수 있다. 플라즈마 발생부(120)에서 생성된 라디칼은 공정챔버(110)로 공급될 수 있다. 이때, 제1 센서(227), 제2 센서(217) 및 전류,전압센서((233) 중 적어도 하나를 이용하여 플라즈마 상태를 측정할 수 있다(S120).

제어부(160)는 측정된 데이터를 바탕으로 플라즈마 발생부(120)와 전원 공급부(130)의 임피던스 매칭이 필요한지를 판단할 수 있다(S130). S130 단계에서 제어부(160)는 임피던스 매칭이 필요하다고 판단되면, 전력 제어부(171)를 이용하여 전류제한권선(172)으로 공급되는 전력을 피드백 제어할 수 있다(S140). 제어된 전력이 전류제한권선(172)으로 공급됨으로써 플라즈마 발생부(120)와 전원 공급부(130) 사이의 임피던스 매칭이 이루어질 수 있다. S130 단계에서 제어부(160)는 임피던스 매칭이 불필요하다고 판단되면, 현재의 상태를 유지하면서 기판 처리 공정이 수행될 수 있도록 할 수 있다(S150).

도 4는 라디칼 발생기의 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 플라즈마 발생부(400)는 변압기 플라즈마 소스를 실시예로 도시한 것으로, 챔버(410)와 챔버(410)에 설치되는 페라이트 코어(432)를 포함할 수 있다. 챔버(410)는 다수 개의 블록이 결합되어 형성될 수 있다. 일 실시예로 챔버(410)는 상부챔버(410a), 두 개의 연결챔버(410b) 및 하부챔버(410c)를 포함할 수 있다. 챔버(410)의 상부 일측에는 챔버(410) 내부로 공정가스를 공급하기 위한 가스 공급포트(470)를 포함할 수 있다. 가스 공급포트(470)는 가스 공급부와 연결되고, 플라즈마 발생부(400)의 가스인렛과 연결될 수 있다.

플라즈마 발생부(400)는 챔버(410)와 변압기를 포함한다. 챔버 (410)는 세로축 방향에 비하여 가로축 방향이 더 길게 제작되며, 내부에 플라즈마가 발생하기 위한 방전 공간으로써 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(412)을 포함할 수 있다. 챔버 (410)는 가스인렛(414)이 구비되며 플라즈마 방전 채널(412)의 상부가 포함되는 상부챔버(410a), 가스아웃렛(406)이 구비되며 플라즈마 방전 채널(412)의 하부가 포함되는 하부챔버(410c) 및 상부챔버(410a)와 하부챔버(410c)를 연결하는 두 개의 연결챔버(410b)로 구성될 수 있다. 여기서, 상부챔버(410a)와 하부챔버(410c)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(410a)에는 챔버(410) 내부로 가스를 제공하기 위한 가스인렛(414)이 구비되고, 하부챔버(410c)에는 챔버(410) 외부로 활성화된 가스를 배출하기 위한 가스아웃렛(406)이 구비될 수 있다. 특히, 가스인렛(414)은 상부챔버(410a)의 중앙에 형성되며 가스인렛(414)을 중심으로 공급된 가스가 플라즈마 방전 채널(412)의 양쪽으로 분기되어 제공되는 구조일 수 있다.

가스아웃렛(406)은 하부챔버(410c)의 하부 중앙에 형성되며 챔버(410) 내부에서 활성화된 가스가 외부로 배출될 수 있다. 가스인렛(414)을 통해 공급된 가스는 상부챔버(410a)에서 양측으로 분기된 플라즈마 방전 채널(412)을 따라 분기되어 이동되고, 연결챔버(410b)를 따라 양쪽에서 이동된 후 다시 하부챔버(410c)에서 모여 가스아웃렛(406)으로 배출될 수 있다.

가스아웃렛(406)은 가스가 통과될 수 있도록 관통 형성된 배출관(480)과 연결될 수도 있다. 배출관(480)은 하부챔버(410c)와 일체로 형성될 수도 있다. 배출관(480)은 가스가 배출되는 방향으로 관통홀의 직경이 점차적으로 커지도록 형성된다. 그러므로 플라즈마 발생부(400)에서 배출되는 이온이 배출관(480)에 의해 간섭을 받아 다시 결합되는 현상을 방지할 수 있다. 하부챔버(410c)와 배출관(480)은 일체로 형성될 수도 있다. 가스인렛(414)을 통해 챔버(410) 내로 공급된 가스는 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널을 통과하며 방전된 플라즈마에 의해 활성화되어 가스아웃렛(406)을 통해 외부로 배출될 수 있다.

본 발명에서의 플라즈마 발생부(400)는 복수 개의 영구자석(462)을 갖는 영구자석모듈(460)을 포함할 수 있다. 상부챔버(410a)에는 복수 개의 영구자석(462)으로 구성된 영구자석모듈(460)이 다른 극성끼리 마주하도록 챔버(410) 에 매설될 수 있다. 서로 다른 극성의 영구자석(462)으로 인해, 플라즈마 방전 채널(412) 내에 자기장이 형성되어 플라즈마 방전 채널(412)을 통과하는 가스 이온을 회전시켜 가스 이온의 체류 시간을 늘릴 수 있다. 이로써 공급되는 가스의 유속이 조절될 수 있다. 또한 가스아웃렛(406)의 주변에도 영구자석모듈(460)이 더 구비되어 배출되는 가스 이온에 대한 분해율을 높일 수 있다.

복수 개의 영구자석모듈(460)은 플라즈마 방전 채널(412)의 전체 길이를 따라 설치될 수도 있고, 플라즈마 방전 채널(412)의 일부분에만 설치될 수 있다. 특히, 가스인렛(414)과 가스아웃렛(406)에 인접하도록 영구자석모듈(460)을 위치하여 제공되는 가스 및 배출되는 가스의 이온을 회전시킬 수 있다.

예를 들어, 하나의 영구자석모듈(460)에는 N극의 영구자석을 선형으로 배치하고, 다른 영구자석모듈(460)에는 S극의 영구자석을 선형으로 배치할 수 있다. 또는 N극과 S극의 영구자석을 교대로 배치하여 영구자석모듈(460)을 형성하는 경우, 서로 다른 극성의 영구자석이 마주할 수 있도록 두 개의 영구자석모듈(460)을 설치한다. 플라즈마 방전 채널(412)에는 변압기에 의해 토로이달 형상의 전기장이 유도되는데, 유도된 전기장은 영구자석모듈(460)에 의해 발생되는 자기장과 상이한 방향을 갖는다. 그러므로 플라즈마 방전 채널(412) 내의 전자는 회전 운동한다. 전자가 회전 운동함으로써 전자의 운동 궤적이 증가하고, 플라즈마 방전 채널(412) 내에서의 잔류 시간이 늘어나게 되어 가스 분해 효율이 높아진다.

플라즈마 발생부(400)에서 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(412)은 거의 균일하게 단면적이 형성될 수 있다. 챔버(410) 내의 모든 부분들의 직경은 동일하거나 서로 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부챔버(410a) 및 하부챔버(410c)는 동일한 직경의 플라즈마 방전 채널(412)이 형성될 수 있고, 연결챔버(410b)의 직경은 상부챔버(410a) 또는 하부챔버(410c)의 플라즈마 방전 채널(412) 직경보다 더 작게 형성될 수 있다.

챔버(410)는 알루미늄과 같은 금속성 물질로 제작될 수 있다. 챔버 (410)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(410)를 금속성 물질로 제작하는 경우, 유도된 전류가 챔버(410)에 흐르는 것을 방지하기 위하여 하나 이상의 전기적 절연 영역인 절연 브레이크(411)를 갖는다. 챔버(410)는 절연 브레이크(411)가 형성된 연결챔버(410b)를 기준으로 상부, 하부로 구분될 수 있다.

플라즈마 발생부(400)와 전원 공급부는 물리적으로 분리된 구조로 실시될 수 있다. 다시 말해, 플라즈마 발생부(400)와 전원 공급부는 무선 주파수 공급 케이블에 의해서 상호 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 플라즈마 발생부(400)와 전원 공급부의 분리 구조는 유지 보수와 설치의 용이성을 제공할 수 있다. 그러나 플라즈마 발생부(400)와 전원 공급부가 일체형 구조로 제공될 수도 있다.

플라즈마 발생부(400)는 전자기 에너지를 플라즈마 방전 채널(412) 내에 형성되는 플라즈마로 결합시키는 변압기를 포함할 수 있다. 변압기는 페라이트 코어(432), 일차 코일을 포함할 수 있다. 페라이트 코어(432)는 플라즈마 방전 채널(412)과 쇄교하도록 챔버(410)에 설치될 수 있다. 페라이트 코어(432)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(432)는 상부챔버(410a) 또는 하부챔버(410c) 중 어느 하나에 설치될 수도 있고(미도시), 상부챔버(410a)와 하부챔버(410c) 모두에 설치될 수 있다. 특히, 페라이트 코어(432)는 좌, 우로 분기된 플라즈마 방전 채널(412)의 양쪽 또는 한쪽(미도시)에 설치될 수 있다. 특히, 가스인렛(414)과 가스아웃렛(406)을 중심으로 양쪽으로 근접하게 페라이트 코어(432)가 설치됨으로써, 상부챔버(410a) 및 하부챔버(410c)에 플라즈마(412a, 412b)가 생성될 수 있다. 가스인렛(414)의 양쪽으로 설치되는 페라이트 코어(432)는 통합적으로 플라즈마(412a)가 형성될 수 있도록 근접하게 설치되는 것이 바람직하다. 가스아웃렛(406)의 양쪽으로 설치되는 페라이트 코어(432) 또한 동일하다.

가스인렛(414)으로 제공된 가스는 플라즈마 방전 채널(412) 내로 분기되고, 상부챔버(410a)에 설치된 페라이트 코어(432)에 의해 방전되어 플라즈마(412a)가 발생할 수 있다. 발생된 플라즈마(412a)는 균일하게 양쪽으로 분기되어 두 개의 연결챔버(410b)에 제공되고, 다시 모여 가스아웃렛(406)을 통해 외부로 배출된다. 플라즈마 방전 채널(412)을 이동하며 재결합되거나, 분해되지 않은 가스는 배출되기 전에, 하부챔버(410c) 내에서 발생된 플라즈마(412b)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(432)를 상부챔버(410a)와 하부챔버(410c)에 설치하면, 가스인렛(404)에 인접하여 플라즈마(412a)가 형성되어 두 개의 연결챔버(410b)로 균일하게 플라즈마가 제공될 수 있다. 그러므로 두 개의 연결챔버(410b)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(410)를 가로측 방향으로 길게 형성함으로써 챔버(410) 내로 공급된 가스가 압력 차이에 의해 한쪽으로만 쏠리는 것을 방지할 수 있다.

챔버(410)에는 내부에서 발생되는 고온의 플라즈마에 의해 챔버(410)가 과열되어 손상되는 것을 방지하기 위한 냉각채널(미도시)을 포함할 수 있다. 냉각채널은 챔버(410) 내에서 냉각수가 순환되는 냉각수 패스일 수도 있고, 챔버(410)를 덮는 별도의 냉각 커버일 수도 있다. 마그네틱 코어(432)와 일차 코일등과 같은 전기적 부품의 과열 방지하기 위해서도 별도의 냉각 수단이 구비될 수 있다. 본 발명에서의 냉각채널은 냉각수가 순환되는 구조로, 플라즈마 방전 채널(412)의 주변으로 챔버(410) 내에 형성된다. 이때, 냉각채널은 상부챔버(410a), 하부챔버(410c) 및 연결챔버(410b)와 연결되는 하나의 순환구조일 수 있다.

도 5는 라디칼 발생기의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 플라즈마 발생부(500)는 상부챔버(510a)와 하부챔버(510c) 및 연결챔버(510b)를 포함할 수 있다. 페라이트 코어(532)는 가스인렛(514) 및 가스아웃렛(506)과 인접하게 설치될 수 있다. 상부챔버(510a)와 하부챔버(510c) 및 연결챔버(510b)는 양단이 소정의 각도(빗각)를 갖도록 형성된 빗각 결합부(511)를 포함할 수 있다. 빗각 결합부(511)에는 상부챔버(510a)와 하부챔버(510c) 및 연결챔버(510b) 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(510a) 및 하부챔버(510c)는 플라즈마 방전 채널(512)을 형성하기 위하여 빗각 결합부를 갖는 일단에서부터 타단을 향하여 내부를 깍아 가공할 수 있다. 또한 두 개의 연결챔버(510b)도 플라즈마 방전 채널(512)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(512)을 형성할 수 있다. 그러므로 빗각 결합부(511)를 갖는 챔버(510)는 네 개의 챔버만을 가공하므로 가공비용을 매우 절감할 수 있다. 또한 빗각 결합부의 대면 면적이 넓어 연결챔버(510b)를 이용한 초기 방전이 용이할 수 있다.

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. 플라즈마가 방전되기 위한 토로이달 형상의 플라즈마 방전 공간을 갖는 챔버;
   상기 플라즈마 방전 공간에 쇄교하도록 상기 챔버에 설치되는 페라이트 코어;
   상기 페라이트 코어에 권선되어 전원 공급원으로부터 전력을 공급받는 일차권선;
   상기 페라이트 코어에 권선되어 직류전원 공급부로부터 전력을 공급받는 전류제한권선; 및
   상기 전류제한권선으로 공급되는 전력을 제어하는 전력 제어부를 포함하여,
   상기 페라이트 코어 및 상기 일차권선은 상기 전원 공급원으로부터 공급받은 전자기 에너지를 상기 플라즈마 방전 공간에 형성하여 플라즈마로 결합시키기 위한 변압기의 일부를 구성하며, 상기 일차권선은 상기 변압기의 일차측이 되고 상기 챔버의 플라즈마 방전 채널은 상기 변압기의 이차측이 되고,
   상기 전력 제어부는 상기 전류제한권선으로 공급되는 전력을 제어함으로써 상기 페라이트 코어의 인덕턴스 값을 조절하여 임피던스를 매칭하는 인덕턴스를 이용하여 임피던스 매칭이 가능한 라디칼 발생기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 챔버로부터 배출된 라디칼이 공급되는 공정챔버를 더 포함하는 인덕턴스를 이용하여 임피던스 매칭이 가능한 라디칼 발생기.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 전류제한권선으로 공급되는 전력을 제어하는 제어부를 더 포함하는 인덕턴스를 이용하여 임피던스 매칭이 가능한 라디칼 발생기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 플라즈마 방전 채널 내의 상태를 측정하는 센서를 더 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 센서로부터 상기 플라즈마 방전 채널 내의 상태를 수신받아 상기 전류 제한 권선으로 공급되는 전력을 제어하는 인덕턴스를 이용하여 임피던스 매칭이 가능한 라디칼 발생기.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 직류전원 공급부에서 공급된 전류 및 전압을 측정하는 센서를 더 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 센서로부터 측정된 전류 및 전압을 이용하여 상기 전류 제한 권선으로 공급되는 전력을 제어하는 인덕턴스를 이용하여 임피던스 매칭이 가능한 라디칼 발생기.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 전력 제어부는,
   상기 전류제한권선으로 공급되는 전류를 제어하는 정전류 제어기를 포함하는 인덕턴스를 이용하여 임피던스 매칭이 가능한 라디칼 발생기.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 전력 제어부는,
   상기 전류제한권선으로 공급되는 전압을 제어하는 정전압 제어기를 포함하는 인덕턴스를 이용하여 임피던스 매칭이 가능한 라디칼 발생기.
   

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