KR20010106332A - 서핑형의 도파관을 이용한 마이크로웨이브 플라즈마하강흐름 셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로웨이브 플라즈마 하강흐름 셀에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 서핑형의 도파관 및 하강흐름 튜브의 형태의 변화를 주는 설계 및 제작을 통하여 플라즈마의 밀도, 특히 라디칼의 밀도를 증가시켜 주어 플라즈마와 관련된 반도체 장비 및 일반 산업용 응용장비에 적용하는 경우 성능의 향상을 이루는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 서핑형의 도파관을 사용함으로서 전기장의 크기를 크게하여 전자온도 및 전자 밀도를 크게함과 동시에 특별히 고안된 형태의 하강흐름 튜브를 사용함에 따라 라디칼의 생성 속도 및 농도가 증가하여 매우 높은 플라즈마처리 효과를 얻을 수 있다.

Description

서핑형의 도파관을 이용한 마이크로웨이브 플라즈마 하강흐름 셀 {microwave plasma downstream cell using surfaguide}

본 발명은 마이크로웨이브 플라즈마 하강흐름 셀에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 서핑형의 도파관 및 하강흐름 튜브의 형태의 변화를 주는 설계 및 제작을 통하여 플라즈마의 밀도, 특히 라디칼의 밀도를 증가시켜 주어 플라즈마와 관련된 반도체 장비 및 일반 산업용 응용장비에 적용하는 경우 성능의 향상을 이루는 것을 목적으로 한다.

통상, 반도체의 제작공정에는 여러가지 종류의 공정이 있다. 최근 공정들은 저온공정의 가능성, 공정성능의 향상 등의 장점으로 인하여 플라즈마를 사용하는 공정들의 수가 늘어나고 있으며 현재는 대부분의 공정에 플라즈마가 사용된다고 해도 과언이 아니다. 플라즈마를 사용하는 반도체 제작공정은 반도체웨이퍼 세정공정, 사진공정 후에 포토레지스트(photo resist)를 제거하는 애싱공정, 플라즈마 화학기상증착공정, 에칭공정, 스퍼터공정 등을 들 수 있다.

반도체웨이퍼 세정공정은 공정절차를 거치지 않은 반도체웨이퍼를 세척하는 공정이며 애싱공정은 사진공정 후에 반도체웨이퍼 상부에 존재하는 포토레지스트(Photo Resist)를 제거하는 공정이다. 플라즈마 화학기상증착 공정은 유입되는 원료기체가 화학반응을 일으키며 기판(주로 반도체웨이퍼)에 코팅되는 일반 화학기상증착 공정에 플라즈마를 도입함으로서 저온에서 코팅이 가능토록 하는 공정이며 에칭공정은 플라즈마의 반응성 및 에너지를 이용하여 반도체웨이퍼 또는반도체웨이퍼에 코팅된 박막을 특별한 형태로 제거하는 공정이다. 상기한 공정들은 모두 현재 플라즈마를 사용한 공정이 주를 이루고 있으며 그 중 현재 RIE(Reactive Ion Etching)방식과 ICP(Inductive coupled plasma)방식이 주를 이루고 있다. RIE 방식의 경우 균일한 플라즈마를 발생할 수 있다는 장점이 있는 반면에 이온에 의한 충격으로 인하여 반도체웨이퍼 자체 또는 그 상부에 코팅된 박막에 손상을 주는 단점이 있다. ICP 방식의 경우는 저온 공정이 가능하며 손상의 위험이 줄어드는 장점 등으로 인하여 현재까지는 가장 많이 쓰이고 있는 방식이다. 하지만 반도체웨이퍼의 크기가 증가하고 생산성의 향상을 위하여 대면적, 고밀도 플라즈마를 요구하게 되어 ICP의 대안으로 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 방식으로의 전환이 이루어지고 있다. 마이크로웨이브에 의한 플라즈마, 특별히 하강흐름형 플라즈마는 ICP방식에 비하여 플라즈마의 밀도가 높으며 세정공정이나 애싱공정에 적용하는 경우 짧은 시간에 많은 양을 처리 할 수 있는 장점이 있다. 또한 마이크로웨이브 플라즈마 하강흐름 셀은 세정 공정에 국한되는 것이 아닌 전술한 플라즈마 화학기상증착공정, 에칭공정 등에 적용이 가능하다.

기존에 사용되어지는 마이크로웨이브 플라즈마 하강흐름 셀을 도 1에 나타내었다. 마이크로웨이브(102)가 도파관(101)에 전달이 되게 되면 도파관내에 위치하고 절연관을 통하여 마이크로웨이브의 에너지가 전달됨으로 인하여 초고주파의 투과율이 좋으며 반응성 라디칼과 표면재결합 반응율이 낮은 재질의 튜브(103, 파이렉스, 석영, 알루미나, 질화보론)내에서 플라즈마(104)가 발생되어 반응 챔버 방향(105)으로 플라즈마가 하강흐름을 보이게 된다.

본 발명은 전술한 바와 같은 마이크로웨이브 플라즈마 하강흐름 셀의 성능을 더욱 향상시키기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 서핑형의 도파관을 사용함으로서 전기장의 크기를 크게하여 전자온도 및 전자밀도를 크게함과 동시에 특별히 고안된 형태의 하강흐름 튜브를 사용함에 따라 라디칼의 체류 시간 및 농도를 증가하여 매우 높은 플라즈마 처리효과를 얻고자 함에 있다.

도 1은 기존에 사용되는 마이크로웨이브 플라즈마 하강흐름 셀

도 2는 본 발명에 의해 서핑형의 도파관을 사용한 마이크로웨이브 플라즈마 하강흐름 셀

도 3은 본 발명에 의한 서핑형의 도파관을 사용한 마이크로웨이브 플라즈마 하강흐름 셀을 이용한 반도체장비 및 기타 응용장비에 적용하는 방법

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101 : 도파관 102 : 마이크로웨이브 103 : 기존의 하강흐름 튜브

104 : 플라즈마 105 : 하강흐름

201 : 마이크로웨이브 202 : 도파관 203, 206 : 서핑형의 도파관

204,208 : 본 고안의 하강흐름 튜브 209 : 플라즈마 210 : 하강흐름

301 : 마그네트론 302 : Circulator 303 : 3 stub tuner

304 : 본고안에 의한 마이크로웨이브 플라즈마 하강흐름 셀

305 : Sliding short circuit

본 발명에 따르면, 도 1에서 나타낸 바와 같은 기존의 방법과는 달리 서핑형의 도파관 및 특별히 고안된 형태의 하강흐름 튜브를 사용한다. 이한 첨부된 도면들을 참조하여 본 고안의 내용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 서핑형의 도파관(206)과 특별히 고안된 형태의 하강흐름 튜브(204, 205, 207, 208)에 대해 나타내고 있다. 도파관(202)은 그 폭이 넓어진(203) 서핑형의 모양(206)을 가진다. 이러한 도파관의 모양의 변화는 전기장의 크기 및 전자온도를 증가시켜 주게 된다. 고주파 내에서의 전자들의 충돌에 의해 전자가 에너지를 흡수하는 비율은 평균전자 모델에 의하여 다음의 식 1로서 기술된다.

<P>_abs= (n_ee²E)/(2m_eD_e) x D_e ²/(D_e ²+w²) <식 1>

여기서 m_e는 전자의 질량, D_e는 충돌빈도수, w는 주파수, E는 전기장의 세기,e는 전자량, n_e은 전자의 밀도이다. 따라서 전자가 고주파내에서 에너지를 흡수하는 비율은 전기장의 세기가 증가됨에 따라 증가되어 이 비율이 증가할수록 전자의 평균온도 T_e가 증가됨을 알 수 있다, 즉 전자온도 T_e는 도파관 내에서 석영관으로 전달되는 고주파의 전기장의 세기 E에 크게 의존함을 의미하며 전기장의 비선형 증가함수 관계 g(E)가 있음을 알 수 있다. 이러한 고주파 에너지 전달로 인하여 발생되는 전자나 이온의 이온화율은 다음과 같다.

R_i= f_i(k_i(T_e), n_e(T_e), N) <식 2>

k_i= k_ioexp(-E_i/RT_e), T_e= g(E) <식 3>

여기서 N은 원료기체의 농도, T_e는 전자온도, 식 2의 k_i는 이온화 반응속도상수이며 이는 식 3으로 다시 표현하였다. n_e는 전자의 밀도, E_i는 이온화에 필요한 활성화 에너지이다. 식 2의 함수 f_i는 전자와 원료기체의 비탄성 충돌을 1차 선형반응으로 가정하였을 경우 식 4로서 표현되며 비 선형인 경우에는 k_i(T_e), n_e(T_e), N에 대해 증가함수이다.

R_i= f_i= k_i(T_e)n_e(T_e)N <식 4>

식 2에 의하여 전자농도 n_e는 전자온도 T_e즉 E의 증가함에 따라 이온화율이 증가하여 전자와 이온의 농도, 즉 플라즈마 밀도가 증가함을 알 수 있다.

이온화가 이루어짐에 따라 동시에 반응성 라디칼이 생성되어 지며 그 생성에 관련된 식을 식 2와 식 3의 이온화에 관련된 식과 유사한 방법에 의해 식 5와 식 6에 나타내었다.

R_p= f_p(k_p(T_e), n_e(T_e), N) <식 5>

k_ip= k_poexp(-E_p/RT_e), T_e= g(E) <식 6>

식 5에서 R_p는 라디칼의 생성율, 즉 단위시간 당 단위부피에서 생성되는 라디칼의 분자수 혹은 몰수를 나타내며 K_p는 반응속도 상수, n_e는 전자의 농도, N은 원료기체의 농도이다. 식 5의 반응속도상수는 다시 식 6로 표현되는데 여기서 k_po는 반응속도상수이며 E_p는 원료기체가 반응성 라디칼로 분해될 때 필요한 활성화 에너지이며 T_e는 전자온도이다. 식 5의 f_p는 전자와 원료기체의 비탄성 충돌을 1차 선형반응으로 가정하였을 경우 식 7로서 표현되며 비 선형인 경우에는 k_p(T_e), n_p(T_e), N에 대해 증가함수이다.

R_p= f_p= k_p(T_e)n_e(T_e)N <식 7>

전술한 내용들을 종합하면 서핑형의 도파관을 선택하는 경우 전기장의 크기(E)가 증가하게 되어 전자온도(T_e) 및 전자농도(n_e)를 증가하게 된다. 또한 전자온도의 증가는 반응속도 상수 및 라디칼의 생성속도를 증가시켜주게 되어 반응성 라디칼의 밀도가 증가하게 된다.

또한 도파관을 관통하는 하강흐름 튜브의 크기가 기존의 하강흐름 튜브의 크기(205, 207)에서 (204, 208)의 크기로 증가하게 되면서 그에 따라 튜브내의 가스흐름의 속도가 감소하게 된다. 속도가 감소하게 됨에 따라 플라즈마 생성관(208)내의 원료기체의 국지체류시간(τ)이 증가하게 된다. 식 8은 식 5를 연속교반탱크반응기(CSTR ; Continuous Stirred Tank Reactor)로 모델링 하여 얻어질 수 있는 정상상태에서의 반응성 라디칼의 농도(생성량)을 의미한다.

Nr = V/Q f_p[k_p,n_e, N] = τf_p[k_p,n_e, N] <식 8>

여기서 Q는 원료기체의 흐름속도(flow rate)이며 V는 초고주파 반응관의 부피(microwave cavity volume)이며 τ는 원료기체의 국지체류시간(local residence time)이다

체류시간 증가에 의한 라디칼의 생성량의 증가는 반응챔버 내로 더 많은 양의 라디칼의 유입을 의미하며 따라서 반응율의 증가, 즉 생산성의 증가를 초래하게되어 플라즈마를 이용한 반도체 생산공정에서의 생산성(throughput)이 현격하게 향상될 수 있음을 의미한다.

도 3에는 도 2에 나타낸 서핑형의 마이크로웨이브 플라즈마 하강흐름 셀을 사용하여 실제 공정에 적용하는 방법을 나타내었다. 도 3의 상부는 전면도 이며 하부는 측면도이다. 마그네트론(Magnetron ; 301)에서 생성된 마이크로웨이브는 서큘레이터(Circulator ; 302)를 통해 서핑형의 마이크로웨이브 플라즈마 하강흐름 셀(304)로 전달이 된다. 원할한 플라즈마의 생성을 위한 튜닝은 3-stub tuner(303)과 sliding short circuit(305)를 통해 이루어지며 생성된 플라즈마는 반응 챔버로 하강흐름을 보이게 되며 이 후 처리 공정이 수행된다.

본 발명에 따르면, 서핑형의 도파관을 사용함으로서 전기장의 크기를 크게 하며 특별히 고안된 형태의 하강흐름 튜브를 사용함에 따라 라디칼의 생성 속도 및 농도가 증가하여 매우 높은 플라즈마처리 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 마이크로웨이브 플라즈마 하강흐름 셀에 있어 서핑형의 도파관을 사용하여 전기장의 크기를 증가시키는 것.
2. 마이크로웨이브 플라즈마 하강흐름 셀에 있어 하강흐름 튜브의 크기의 변화를 주어 반응기체의 체류시간을 증가하여 반응율의 변화를 주는 것.
3. 1항과 2항에 기인한 마이크로웨이브 플라즈마 하강흐름 셀을 제작하여 반도체 제작공정에 응용하는 것.