KR102168298B1 - 라디칼 발생용 플라즈마원 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각종 가스를 라디칼상태로 만들어 주는 플라즈마원에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마원에 따른 다양한 용도의 장치로 사용이 가능한 특성을 갖는 장치에 관한 것이다. 라디칼 발생용 플라즈마원을 포함한다. 플라즈마원에서 플라즈마원 플랜지의 시창; 가스인입부; 전원피드쓰루; 및 가스라인 등을 포함하고, 플라즈마 발생여부 및 스펙트럼 측정이 가능한 것을 특징으로 한다. 그리고, 플라즈마원에서 플라즈마원 본체의 플라즈마코일; 플라즈마 크루서블; 플라즈마 노즐; 및 플라즈마 캡 등이 포함되고, 최소의 가스양으로 플라즈마 발생이 가능한 것을 특징으로 한다. 상기 라디칼 발생용 플라즈마원은 보편화된 플라즈마발생 공정인 ICP 형태를 적용하여, 제작에서의 기대비용을 낮출 수 있으며, 사용자의 편이성을 제공하고 유지할 수 있다.

Description

라디칼 발생용 플라즈마원 {PLASMA SOURCE WITH GENERATION OF RADICAL}
본 발명은 진공 박막 증착에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화물공정에서 필요로 하는 산소 또는 질소를 라디칼(radical)상태로 만들어 주는 특성을 갖는 부품인 플라즈마원(plasma source)에 관한 것이다.
실리콘에서는 불가능한 10nm 이하 소자를 가능하게 하는 II-VI족 및 III-V족 반도체 소자는 핵심층 및 버퍼층 소재로써 그 중요성과 활용도가 매우 커지고 있고, 낮은 전하 이동도를 갖는 실리콘 기반의 반도체는 10nm 이하의 선폭에서는 제대로 작동할 수 없지만, II-VI족 및 III-V족 반도체는 전하 이동도가 높아 수nm급 소자의 제작 및 활용을 가능하게 한다. ZnO(산화아연)를 비롯한 II-VI족 및 III-V족 박막성장은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: 유기금속 화학 증착법)나 MBE(Molecular Beam Epitaxy: 분자빔 단결정 성장)장비를 사용한다. MOCVD장비에서는 plasma source를 사용하지 않고, 가스(gas)공정이 별도로 필요한 MBE장비에서는 plasma source를 사용하는 것이 최적의 공정기술을 이룰 수 있다. 에피(Epitaxy)박막 성장은 두께, 조성, 도핑, 격자정합, 결함분포 등에 의해 소자의 효율이 결정된다.
일반적으로, 플라즈마원은 산화물공정에서 필요로 하는 산소 또는 질소를 라디칼상태로 만들어 주는 특성을 갖는데, MBE장비와 같은 초고진공(UHV; Ultra High Vacuum)영역에서 주로 사용 되고, 플라즈마원에 가스를 주입하여 사용할 경우, 초고진공시스템의 진공도에 나쁜 영향을 주게 된다. 진공도가 나빠지면 에피박막 성장에 악영향을 주게되고, 원하는 박막을 성장 할 수 없게 된다. 따라서, 최소의 가스주입으로 플라즈마원을 구동시키는 공정조건을 필요로 한다. 이러한 가스제어가 가능한 플라즈마원의 설계 및 제작에 관한 것이다.
또한, 플라즈마원의 노즐지름을 변경하여 초고진공영역 및 저진공영역에서도 쉽게 교체하여 사용하는 것이 가능하다.
또한, 아래와 같은 산소 플라즈마의 이온화된(ionized) 산소분자와 여기된(excited) 산소원자에 해당하는 라디칼이 방출될 것이고, 각종 이온화된 입자들 중에서 선택된 입자들이 박막형성에 영향을 줄 것이다.
[산소분자의 이온화과정]
O2 + e → O + O + e
O2 + e → O + O-
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 최소의 가스주입으로 플라즈마원을 구동시키는 것이 가능한 특성을 갖는 것을 목적으로 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 플라즈마원 본체와; 상기 플라즈마원 본체에 형성되는 플라즈마원 플랜지와; 상기 플라즈마원 플랜지에 설치되는 가스 인입부와; 상기 플라즈마원 본체의 내부에 설치되며, 가스 라인을 통해 상기 가스 인입부와 연결되어 상기 가스 인입부를 통해 인입된 가스가 모이는 플라즈마 크루서블과; 상기 플라즈마 크루서블 내에 유도결합 플라즈마 형태의 플라즈마가 발생하도록 상기 플라즈마 크루서블의 주변에 감기는 플라즈마 코일과; 상기 플라즈마 크루서블 내 가스의 밀도를 높일 수 있도록 상기 플라즈마 크루서블의 가스 방출구에 오리피스 형태의 노즐 개구를 갖도록 설치되는 플라즈마 노즐과; 상기 플라즈마원 본체에 설치되는 플라즈마 캡; 및 상기 플라즈마 캡에 결합되며, 상기 플라즈마 노즐을 통해 방출된 플라즈마의 방출 방향을 가이드하기 위한 튜브;를 포함하는 라디칼 발생용 플라즈마원을 제공한다.
이에 따르면, 산소 및 질소 가스가 가스인입부로 공급되고, 가스라인을 통과하여 플라즈마 크루서블에 모이게 되며, 플라즈마 크루서블주변에 코일이 감겨있으며, 코일에 파워를 인가하여, 가스들을 이온화시켜서 이온화된 가스들이 플라즈마 노즐 쪽으로 방출되게 된다. 이때, 가스를 이온화시키기 위해서는 RF power를 인가하면 가스가 라디칼 상태로 형성되면서, 선택된 에너지를 가진 물질과 반응하여 박막이 형성되게 된다. 가스의 밀도를 높이기 위해서 플라즈마 크루서블을 형성하고, 가스 방출구 앞에 플라즈마 노즐을 추가하여 노즐 직경을 조절하여 가스의 방출량을 최적화하며, 또한 MFC (Mass Flow Controller: 유량 제어장치)와 연동하여 제어가 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마원은 플라즈마원 플랜지(flange)와 플라즈마원 본체(body)로 구성될 수 있다. 플라즈마원 플랜지에는 시창(viewport); 가스인입부(gas inlet); 전원피드쓰루(power feedthrough); 가스라인(gas line) 등을 포함할 수 있다.
또한, 플라즈마원 본체에는 플라즈마 코일(coil); 플라즈마 크루서블(crucible); 플라즈마 노즐(nozzle); 플라즈마 캡(cap) 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마원 플랜지에는 플라즈마원 내부의 플라즈마 발생여부를 시각적으로 확인할 수 있는 시창이 포함되는 것을 특징으로 하는 플라즈마원으로 제공될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마원 플랜지에는 전원을 인가하는 전워피드쓰루는 냉각을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마원으로 제공될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마원 플랜지에는 가스를 공급하는 인입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마원으로 제공될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마원 본체에는 ICP(Inductively Coupled Plasma; 유도 결합 플라즈마) 형태의 플라즈마 발생을 위한 플라즈마 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마원으로 제공될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마원 본체에는 플라즈마의 밀도를 높이기 위한 공간의 크루서블을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마원으로 제공될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마원 본체에는 플라즈마의 밀도를 높이고, 방출량을 조절하기 위한 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마원으로 제공될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마원 본체에는 플라즈마의 방출방향을 가이드해주기 위한 쿼츠 또는 세라믹 재질 튜브의 장착이 가능한 플라즈마 캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마원으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 크루서벌과 노즐이 포함된 플라즈마원은 인입되는 가스의 양을 최소화하고, 공정압력에 적은 영향을 주며, 플라즈마 발생이 가능한 특성을 가질 수 있다.
또한, 시창을 구성함으로써, 플라즈마 발생여부의 확인 및 플라즈마의 광 방출 스펙트럼의 측정이 가능하도록 하여, 사용자에게 편이성을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시창; 플라즈마 크루서블; 플라즈마 노즐; 및 플라즈마 캡 등이 포함된 플라즈마원의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 플라즈마원의 플라즈마원 플랜지 측의 구체적 사시도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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, 본 발명에서 플라즈마원의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마원의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 플라즈마원의 플라즈마원 플랜지 측의 구체적 사시도이다.
본 실시예에 따른 플라즈마원(100)은 플라즈마원 플랜지(110)와 플라즈마원 본체(120)을 포함한다.
플라즈마원(100)의 플라즈마원 플랜지(110)에는 시창(111); 가스인입부(112); 전원피드쓰루(113); 및 가스라인(114) 등을 포함할 수 있다. 플라즈마원 본체(120)에는 플라즈마 코일(121); 플라즈마 크루서블(122); 플라즈마 노즐(123); 및 플라즈마 캡(124) 등을 포함하여, 구성되는 플라즈마원(100)으로 제공될 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 플라즈마원 플랜지(110)는 시각적으로 확인할 수 있는 시창(111)이 포함되는 것을 특징으로 하는 플라즈마원(100)으로 제공될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마원 본체(120)에는 ICP 형태의 플라즈마 발생을 위한 플라즈마 코일(121)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마원(100)으로 제공될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마원 본체(120)는 플라즈마의 밀도를 높이기 위한 공간의 플라즈마 크루서블(122)을 포함한다.
또한, 상기 플라즈마원 본체(120)는 플라즈마의 밀도를 높이고, 방출량을 조절하기 위한 플라즈마 노즐(123)을 포함한다. 플라즈마 노즐(123)은 플라즈마 크루서블(122)의 가스 방출구에 설치되며, 가스의 밀도를 높여서 최소한의 가스 주입만으로 플라즈마원을 구동시킬 수 있도록 한다.
이와 같은 플라즈마원(100)은 플라즈마 크루서벌(122)과 플라즈마 노즐(123)을 이용하여 인입되는 가스의 양을 최소화하여, 공정압력에 영향을 적게 미치며, 플라즈마 발생이 가능한 특성을 가지는데 유리하다. 또한 시창(111)을 구성함으로써, 플라즈마 발생여부 및 스펙트럼 측정이 가능한 사용자의 편이성을 제공하고 유지하는데 유리하다.
상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 플라즈마원 110: 플라즈마원 플랜지
111: 시창 112: 가스 인입부
113: 전원피드쓰루 114: 가스라인
120: 플라즈마원 본체 121: 플라즈마 코일
122: 플라즈마 크루서블 123: 플라즈마 노즐
124: 플라즈마 캡

Claims (3)

  1. 플라즈마원 본체;
    상기 플라즈마원 본체에 형성되는 플라즈마원 플랜지;
    상기 플라즈마원 플랜지에 설치되는 가스 인입부;
    상기 플라즈마원 본체의 내부에 설치되며, 가스 라인을 통해 상기 가스 인입부와 연결되어 상기 가스 인입부를 통해 인입된 가스가 모이는 플라즈마 크루서블;
    상기 플라즈마 크루서블 내에 유도결합 플라즈마 형태의 플라즈마가 발생하도록 상기 플라즈마 크루서블의 주변에 감기는 플라즈마 코일;
    상기 플라즈마 크루서블 내 가스의 밀도를 높일 수 있도록 상기 플라즈마 크루서블의 가스 방출구에 오리피스 형태의 노즐 개구를 갖도록 설치되는 플라즈마 노즐;
    상기 플라즈마원 본체에 설치되는 플라즈마 캡; 및
    상기 플라즈마 캡에 결합되며, 상기 플라즈마 노즐을 통해 방출된 플라즈마의 방출 방향을 가이드하기 위한 튜브;를 포함하는 라디칼 발생용 플라즈마원.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마원 플랜지에는 상기 플라즈마원 본체 내부의 플라즈마 발생 여부를 시각적으로 확인하기 위한 시창이 구비되는 것을 특징으로 하는, 라디칼 발생용 플라즈마원.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 튜브는 쿼츠 또는 세라믹 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는, 라디칼 발생용 플라즈마원.
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