KR20050110548A

KR20050110548A - 반도체 공정, 핵융합, 우주 플라즈마 모사와 진단 장치의개발 및 보정을 위한 삼중 플라즈마 발생 장치

Info

Publication number: KR20050110548A
Application number: KR1020040035748A
Authority: KR
Inventors: 정규선; 정용호; 최용섭; 이명재; 유현종
Original assignee: 정규선
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2005-11-23

Abstract

본 발명은 반도체 제조 공정, 신소재 및 재료 처리 공정 및 핵융합 장치에서 사용하는 다양한 밀도의 플라즈마를 한 장치에서 발생시키는 반도체 공정, 핵융합, 우주 플라즈마 모사와 진단 장치의 개발 및 보정을 위한 삼중 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 제조 공정, 신소재 및 재료 처리 공정, 핵융합 장치의 경계 지역, 또는 지구 주변의 우주 플라즈마에서 사용하는 다양한 밀도의 플라즈마를 한 장치에서 발생시켜, 각 경우에 사용되는 진단 장치의 개발 및 보정을 할 수 있을 뿐만 아니라, 각각의 공정 (Process)을 모사할 수 있게 하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 삼중 플라즈마 (LaB₆, 헬리콘, 그리드) 소스에 의한 플라즈마 발생장치는 RF에 의한 요동을 가지는 고밀도 플라즈마와 DC에 의한 정적인 플라즈마를 이용하여 다양한 특성을 나타내는 플라즈마를 동일 챔버에서 구현할 수 있게 하는 것을 특징으로 하며, 특히 2개의 챔버를 레일 위에서 이동할 수 있게 하여, 다양한 소스의 부착 및 공정의 다양화를 이루게 한다. 따라서, 기존의 플라즈마 발생장치가 단일 플라즈마 소스만을 사용하여 다양한 특성의 플라즈마를 발생시킬 수 없고 소스의 손상 시 소스의 교체에 많은 시간이 소요되는 단점을 극복할 수 있게하는 효과를 갖는다.

Description

반도체 공정, 핵융합, 우주 플라즈마 모사와 진단 장치의 개발 및 보정을 위한 삼중 플라즈마 발생 장치 {Triple Plasma Generator for Simulation and Diagnostics of Semiconductor Processing, Nuclear Fusion and Space Plasmas}

본 발명은 반도체 공정, 핵융합, 우주 플라즈마 모사와 진단 장치의 개발 및 보정을 위한 삼중 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 제조 공정, 신소재 및 재료 처리 공정, 핵융합 장치의 경계 지역, 또는 지구 주변의 우주 플라즈마에서 사용하는 다양한 밀도의 플라즈마를 한 장치에서 발생시켜, 각 경우에 사용되는 진단 장치의 개발 및 보정을 할 수 있을 뿐만 아니라, 각 경우를 모사할 수 있게 하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 플라즈마는 반도체 공정뿐 아니라, 재료표면 처리, 유해가스 처리, 탄소나노튜브생성 등 그 응용범위가 광범위한 분야이며 이러한 공정중의 플라즈마는 다양한 밀도를 가지고 있다. 플라즈마를 발생장치는 1920년대 Langmuir가 플라즈마를 명명한 이후, 많은 연구자들에 의하여 연구되어져 왔으며, LaB₆ 소스에 의한 플라즈마 발생과 헬리콘 소스에 의한 플라즈마 발생에 관한 일반적인 기술은 이미 공지된 기술이다. 기본적인 원리는 LaB₆소스의 경우 DC 방전의 일종으로써, LaB₆소스를 가열하여 전자를 방출시킨 후, 전위차로 전자를 가속하여 전자와 기체분자의 충돌에 의해 기체를 이온화시켜 플라즈마를 발생시키는 방법이다. 또한, 헬리콘 소스는 RF 방전의 일종으로써, 유도결합플라즈마를 발생시킨 후, 외부자기장에 의해 헬리콘파를 발생시킴으로써 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 있는 장치이다.

이러한, 종래의 플라즈마 발생장치의 문제점은 단일 플라즈마 소스만을 사용하여 다양한 특성(온도, 밀도, 자기화, 비자기화, 충돌성, 비충돌성 등)의 플라즈마를 발생시킬 수 없었다. 또한 발생장치에 단일 소스만을 사용하여 소스의 손상 시 소스의 교체에 많은 시간이 소요되는 단점 등이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 첫째, 세개의 진공챔버를 연결시켜 첫 번째 챔버와 세 번째 챔버에 LaB₆ 소스와 헬리콘 플라즈마 소스를 설치하여, LaB₆ 지역에서는 핵융합 경계지역의 모사 및 진단장치 개발을 가능케 하고, 헬리콘 지역에서는 반도체 및 공정 플라즈마의 모사 및 진단이 가능케 한다. 두 번째 챔버는 양쪽 챔버에서 나오는 플라즈마를 그리드를 써서 밀도를 낮추어 지구주변의 우주 플라즈마를 모사하고, 필요한 진단 장치를 개발하여 보정하는 역할을 하게 한다. 특히 한 소스의 손상 시 다른 소스가 이를 대체할 수 있게 함에 따라 소스의 교체에 따른 시간적 제약을 줄여 작업의 용이성을 제공한다. 이를 위하여 첫 번째 챔버와 두 번째 챔버는 레일 위에 설치하여 이동할 수 있게 하며, 다양한 형태의 소스 결합이나 변형이 가능하도록 하며, 공정의 변화도 줄 수 있게 한다.

둘째, 헬리콘 소스는 유도결합 플라즈마 소스로 사용 시 저밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있고 헬리콘 소스로 사용 시 가스의 종류에 따라 고밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있으므로 (아르곤 가스의 경우: 10¹³cm^-3, 그 외 가스: 10¹² cm^-3) 저밀도 (10⁸- 10¹⁰cm^-3) 및 고밀도 (10¹¹ - 10¹³ cm^-3)의 RF 플라즈마 발생용으로 헬리콘 소스를 사용하고 고밀도 (10¹⁰ - 10¹² cm^-3)의 DC 플라즈마 발생용으로는 LaB₆ 소스를 사용함으로써 다양한 밀도와 특성의 플라즈마를 제공함에 있다. 또한 첫 번째 소스 챔버와 두 번째 소스 챔버의 앞단에 그리드를 이용하여 두 번째 챔버에서 낮은 밀도 (10⁶cm^-3)와 온도의 플라즈마를 만들 수 있게 함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 공정, 핵융합, 우주 플라즈마 모사와 진단 장치의 개발 및 보정을 위한 삼중 플라즈마 발생 장치 및 그 장치를 이용한 다양한 특성의 플라즈마 발생방법의 실시 예를 첨부된 도면을 통해 설명한다. 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치는 도 1에 나타낸 바와 같이, 헬리콘 챔버(1), 작업챔버(2) 양극 챔버(3), 부유전극(4) LaB6 소스 챔버(5), LaB₆ 소스(6), LaB₆ 가열용 히터 전력 공급장치(7), LaB₆소스(6)와 양극 챔버(3) 사이에 전압을 인가하여 플라즈마를 방전시키기 위한 전원장치(8), 헬리콘 안테나(9)와 이에 전력을 공급하는 RF 전원 공급장치(10) 플라즈마의 가둠과 작업챔버로의 분츨을 제어하는 전자석(11), 디버터 모사 및 플라즈마와 물체와의 반응을 연구할 수 있는 다용도 타켓(12), 낮은 온도와 밀도의 플라즈마를 생성하기 위해 사용되는 그리드(13), 발생된 플라즈마를 측정하는 탐침장치(14)와 충둘성 및 비충돌성 플라즈마를 발생시키기 위한 압력조절 밸브(15), 다양한 형태의 소스 결합이 가능한 챔버 이동용 레일(16)로 구성된다.

본 발명에 따라 LaB₆ 소스(6)에 LaB₆가열용 히터 전력 공급장치(7)를 사용하여 LaB6를 열전자가 방출 될 정도로 가열한 후 양극 챔버(3)와 LaB₆소스(6) 사이에 플라즈마를 방전시키기 위한 전원장치(8)를 이용하여 전압을 인가하면 양극 챔버(3), 부유전극(4), LaB₆ 소스 챔버(6) 내에 고밀도의 (10¹⁰ - 10¹² cm^-3) 안정적인 DC 플라즈마가 발생하게 된다. 발생된 플라즈마는 전자석(11)을 이용하여 플라즈마의 밀도와 온도를 제어할 수 있으며, 작업 챔버(2)에 위치한 전자석(11)을 이용하면 양극 챔버(3)의 플라즈마를 작업 챔버(2) 영역까지 이송시킬 수 있다. 이 때 양극 챔버(3) 앞에 그리드(13)를 위치시키고 그리드에(13) 일정 전압을 인가하여 작업 챔버(2)로 이송되는 플라즈마의 밀도를 제어할 수 있다.

헬리콘 챔버(1)에서는 헬리콘 안테나(9)에 RF 발생기와 정합회로로 이루워진 RF 전원 공급장치(10)를 이용하여 RF를 인가시키고, 동시에 헬리콘 챔버 주위의 전자석(11)으로 일정량의 자기장을 발생시키면, 헬리콘 파가 발생되어 고밀도 (10¹¹ - 10¹³ cm^-3)의 플라즈마가 발생되게 된다. 헬리콘 챔버(1)에서 발생된 플라즈마도 LaB₆ 소스(6)에 의한 경우와 동일하게 헬리콘 챔버 (1) 앞의 그리드(13)를 이용하여 낮은 밀도의 플라즈마로 작업 챔버(2)로 이송 시킬 수 있다. 고밀도의 플라즈마가 필요한 경우에는 헬리콘 챔버(1) 앞의 그리드(13)를 헬리콘 챔버(1)의 직경을 가리지 않는 곳으로 이송시킨 후 작업 챔버(2)에 위치한 전자석(11)을 이용하여 강한 자기장을 유지시켜 작업챔버(2) 내에서도 헬리콘 파가 진행될 수 있도록 한다. 아울러 다양한 형태의 소스 결합이 가능할 수 있도록 챔버 이동용 레일(16)을 통해 소스의 변형이 가능하도록 한다.

본 발명에 따라 LaB₆소스(6)나 헬리콘 안테나(9)에 의해서 플라즈마를 발생시키는 경우, 압력에 따른 충돌 및 비 충돌성의 플라즈마를 발생시키기 위한 압력 조절 장치(15)를 사용한다. 상기 압력 조절장치(15)는 작업 챔버(2)의 압력을 정상상태로 유지 시킬 뿐 아니라, 전자석 밸브를 이용하여 순간적인 가스 주입도 가능하다. 특히 작업챔버 내에서의 가스 주입 위치를 변경할 수 있어서 디버터 장치에서의 가스 냉각 모사 실험을 수행 할 수 있게 한다. 다용도 타켓(12)은 고온 고밀도의 플라즈마에 견딜 수 있는 재질로 이루어져 있으며, 작업챔버(2) 내에서 이송이 자유로워 다양한 특성의 플라즈마에 노출 될 수 있게 제작된다. 탐침 장치(14)는 이송시스템이 부착되어 있어 작업챔버(2)내에서 다양한 위치의 플라즈마 특성의 측정이 가능하고, 고온 고밀도의 플라즈마 열 부하를 견딜 수 있도록 탐침부가 냉각되게 된다.

플라즈마의 특성의 새로운 진단법 및 진단장치의 개발에 본 발명에 의한 삼중 플라즈마 (LaB₆, 헬리콘, 그리드) 소스에 의한 플라즈마 발생장치가 사용될 수 있게 하기 위해서 본 장치는 RF에 의한 요동을 가지는 고밀도 플라즈마와 DC에 의한 정적인 플라즈마를 이용하여 다양한 특성을 나타내는 플라즈마를 동일 챔버에서 구현할 수 있게 하는 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같이 본 발명의 삼중 플라즈마 (LaB₆, 헬리콘, 그리드) 소스에 의한 플라즈마 발생장치에 의하면, 종래의 플라즈마 발생장치가 단일 플라즈마 소스만을 사용하여 특정영역의 플라즈마만 발생시키는 데 비해, 본 장치는 넓은 영역의 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 2개의 챔버의 자유로운 이동으로 소스의 손상 시 소스의 교체에 많은 시간이 소요되는 단점을 극복할 수 있으며, 다양한 공정을 시도할 수 있다.

도 1은 본 발명의 반도체 공정, 핵융합, 우주 플라즈마 모사와 진단 장치의 개발 및 보정을 위한 삼중 플라즈마 발생장치의 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 헬리콘 챔버, 2: 작업챔버, 3: 양극 챔버, 4: 부유전극, 5: 소스 챔버, 6: LaB₆ 소스, 7: 히터 전력 공급장치, 8: 플라즈마 방전 전원장치, 9: 헬리콘 안테나, 10: RF 전원 공급장치, 11: 전자석, 12: 다용도 타켓, 13: 그리드, 14: 탐침장치, 15: 압력조절 장치, 16: 챔버 이동용 레일

도 2는 기존의 LaB₆소스를 이용한 플라즈마 발생장치의 개략도이다.

도 3은 기존의 헬리콘 소스를 이용한 플라즈마 발생장치의 개략도이다.

Claims

삼중 플라즈마 (LaB₆, 헬리콘, 그리드) 소스에 의한 플라즈마 발생장치에 있어서, 헬리콘 챔버(1), 작업챔버(2) 양극 챔버(3), 부유전극(4) LaB₆ 소스 챔버(5), LaB₆ 소스(6), LaB₆ 가열용 히터 전력 공급장치(7), LaB₆ 소스(6)와 양극 챔버(3) 사이에 전압을 인가하여 플라즈마를 방전시키기 위한 전원장치(8), 헬리콘 안테나(9)와 이에 전력을 공급하는 RF 전원 공급장치(10) 플라즈마의 가둠과 작업챔버로의 분츨을 제어하는 전자석(11), 디버터 모사 및 플라즈마와 물체와의 반응을 연구할 수 있는 다용도 타켓(12), 낮은 온도와 밀도의 플라즈마를 생성하기 위해 사용되는 그리드(13), 발생된 플라즈마를 측정하는 탐침장치(14)와 충둘성 및 비충돌성 플라즈마를 발생시키기 위한 압력조절 밸브(15), 다양한 형태의 소스 결합이 가능한 챔버 이동용 레일(16)로 구성된 플라즈마 발생장치