KR20070023396A

KR20070023396A - 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치 및 그것을 구비하는플라즈마 처리 시스템

Info

Publication number: KR20070023396A
Application number: KR1020050077941A
Authority: KR
Inventors: 이영동; 이고르 안토노비치 코시; 마미콘 아라모비치 미사캰; 메라브 이바노비치 타타기쉬빌리
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-08-24
Filing date: 2005-08-24
Publication date: 2007-02-28
Also published as: JP4607073B2; US8039772B2; US20070045244A1; JP2007059403A; KR100689037B1; EP1758149A1

Abstract

반도체 기판 처리공정에 사용되는 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치 및 그것을 구비하는 플라즈마 처리 시스템이 개시된다. 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치는 마이크로파를 발생하는 안테나를 구비하는 마이크로파 발생부; 및 마이크로파 발생부에서 발생된 마이크로파 에너지를 이용하여 고에너지의 전자 및 광자를 생성하는 플라즈마 생성부를 포함하며; 플라즈마 생성부는 안테나에 인접하게 설치된 내부전극, 마이크로파 발생부와 연결되고, 내부전극보다 짧은 길이를 가지고 내부전극의 일부를 동축으로 에워싸는 외부전극, 및 내부전극과 외부전극 사이에 배치되고, 내부전극과 외부전극 사이를 절연하는 유전체관을 구비하는 동축 웨이브가이드를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, "동축 웨이브가이드의 절단전극"의 원리와 "랭뮤어 공명현상"을 이용하는 전자기파 흡수 및 전자가속 공명 메카니즘을 갖는 내부전극과 외부전극을 구비하는 간단한 구조의 동축 웨이브가이드를 사용하므로, 플라즈마를 효율적으로 발생시킬 수 있을 뿐 아니라, 구조가 간단해 지고, 제작코스트가 절감될 수 있다.

Description

마이크로파 공명 플라즈마 발생장치 및 그것을 구비하는 플라즈마 처리 시스템{micrewave resonance plasma generating apparatus and plasma processing system having the same}

본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판으로부터 박막을 식각하여 제거하거나 기판에 박막을 증착하는 반도체 기판 처리공정에 사용되는 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치 및 그것을 구비하는 플라즈마 처리 시스템에 관한 것이다.

최근, 고속의 마이크로 프로세서 및 고기록 밀도의 메모리의 필요성이 증가함에 따라, 하나의 반도체 칩 상에 많은 소자를 탑재하는 초대규모 집적회로(Ultra-large-scale-integrated circuits; ULSI circuits)의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 차세대 ULSI 회로는 제조시 0.1㎛ 이하의 설계기준을 갖는 30cm 웨이퍼의 처리를 요구하기 때문에, 50mTorr 이하의 저압에서 40cm 이상의 대직경 및 10¹¹cm^-3이상의 고밀도의 플라즈마를 필요로 한다. 특히, 플랫 패널 디스플레이(Flat panel displays) 및 솔라셀(solar cells)과 같은 거대 전자장치는 적어도 직경 1m의 큰 플라즈마를 필요로 한다.

그러나, 이러한 ULSI 회로 기술을 실현하기 위해서는 반도체 칩 제조공정시 고성능의 증착 및/또는 식각장치가 요구된다. 이러한 증착 및/또는 식각장치의 예로는 플라즈마 에처(Plasma etcher), 플라즈마 스퍼터 링시스템(Plasma sputtering system), 플라즈마 화학기상증착 시스템(Plasma enhanced chemical vapor deposition system; PECVD system) 등이 널리 알려져 있다.

도 1은 플라즈마 에처, 플라즈마 스퍼터링 시스템, 또는 PECVD 시스템에 사용되는 마이크로파 공명(microwave resonance) 현상을 이용하는 전자사이클로트론 공명(electron cyclotron resonance; ECR) 플라즈마 처리장치(10)를 도시한다.

이 ECR 플라즈마 발생장치(10)는 마크네트론(11), 웨이브가이드(waveguide)(13), 혼(horn) 안테나(14), 공명채널(15), 및 전자석(16)을 구비한다.

웨이브가이드(13)는 마그네트론(11)에서 발생한 마이크로파를 혼 안테나(14)로 전파하고, 혼 안테나(14)는 웨이브가이드(13)를 통해 전달된 마이크로파가 공명채널(15) 내부에서 공진모드를 형성할 수 있도록 공명채널(15) 내부로 전파한다.

전자석(16)은 공명채널(15) 둘레에 배치되고, 마이크로파의 전파방향과 평행한 방향, 즉 Z방향으로 자기장을 형성한다.

공명채널(15) 내부로 이동된 마이크로파는, 전자석(16)에 의해 공명채널(15)내에 생성된 자기장을 중심으로 자이로모션(Gyro-motion)을 하는 전자에 에너지를 전달한다. 에너지를 얻은 전자는 공명채널(15) 내의 가스와 충돌하여 가스를 이온화하여 플라즈마를 생성한다.

이러한 ECR 플라즈마 발생장치(10)는 2.45GHz의 고주파수를 갖는 마이크로파를 사용하여 낮은 압력에서 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 있는 장점이 있지만, 875 Gauss의 자기장을 요구하므로, 상당한 전력을 소비하는 전자석(16)이 필요하다. 또, 플라즈마의 균일성이 좋지않다.

또, 장치(10)의 효율을 극대화하기 위해서는 최적의 ECR 조건으로 설계해야 하므로, 공정조건 선택의 자유도가 떨어진다.

또한, 마그네트론(11)에서 발생한 마이크로파를 공명채널(15)로 보내기 위해서는 웨이브가이드(13), 혼 안테나(14), 전자석(15) 등 복수의 부품을 사용해야하므로, 장치(10)의 구조가 복잡하고, 크기가 커질 뿐 아니라, 제작코스트가 상승하는 문제점이 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 도 2에 도시한 바와 같이, 복수 개의 슬롯이 내측면에 형성된 환상의 웨이브가이드(53)를 사용하는 표면파 여기(surface wave excitation) 마이크로파 플라즈마 처리장치(50)가 제안되었다. 이 장치(50)는 미국 특허 제5,487,875호에 개시되어 있다.

이 마이크로파 플라즈마 처리장치(50)는 마그네트론과 같은 마이크로파 발생부(도시되어 있지 않음), 웨이브가이드(53), 및 플라즈마 발생쳄버(51)를 구비한다.

도 3 및 도 5에 도시한 바와 같이, 마이크로파 발생부에서 발생된 마이크로파(73)는 웨이브가이드(53) 내로 유도되고, 분배블록(71)에 의해 좌우로 분배되어 자유공간 보다 긴 관내 파장으로 전파된다.

마이크로파(73)는 마이크로파의 관내 파장의 1/2 또는 1/4의 간격으로 제공되는 슬롯(72) 및 유전체(52)를 통해 누설파(75)로서 플라즈마 발생쳄버(51)내로 도입된다. 누설파(75)는 슬롯(72)의 근방에서 플라즈마(77)을 발생시킨다.

또한, 유전체(52)의 표면에 수직인 직선에 대해 브류스터(Brewster)의 각 이상의 각도로 입사된 마이크로파는 유전체(52)의 표면에서 전반사되고, 유전체(52)의 내부를 표면파(76)로서 전파한다. 플라즈마(77')는 표면파(76)의 누설 전기장에 의해서도 발생된다.

가스 주입관(65)를 통해 공정쳄버(61)내로 공급된 가스는 발생된 플라즈마(77)에 의해 여기되고, 여기된 가스에 의해 기판홀더(63)상에 배치된 기판(62)의 표면이 처리된다.

이와 같은 종래의 마이크로파 플라즈마 처리장치(50)는, ECR 플라즈마 발생장치(10)에 비해 장치의 크기 및 제작코스트를 증가시키는 전자석 등을 사용하지 않는 비교적 간단한 구조로 고밀도의 플라즈마 밀도를 얻을 수 있는 장점이 있다.

그러나, 종래의 마이크로파 플라즈마 처리장치(50)는 마이크로파(73)가 마이크로파 발생부에서 환상의 웨이브가이드(53)를 따라 슬롯(72)을 통해 플라즈마 발생쳄버(51) 내부로 전파되므로, 파의 감쇄특성으로 인해 슬롯(72)의 위치에 따라 플라즈마 발생쳄버(51) 내부로 전파되는 마이크로파의 세기가 다르고, 이에 따라 플라즈마가 균일하게 형성되지 않고, 플라즈마 생성효율이 상대적으로 낮은 문제점을 가지고 있다.

따라서, 장치의 부피 및 제작코스트를 증가시키지 않도록 비교적 간단한 구조를 가지면서도 플라즈마 생성효율이 높은 마이크로파 플라즈마 처리장치가 요구되고 있다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 플라즈마 생성효율이 높을 뿐 아니라, 구조가 간단하고 제작코스트도 절감될 수 있는 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치 및 그것을 구비하는 플라즈마 처리 시스템을 제공하는 데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 의한 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치는, 마이크로파를 발생하는 안테나를 구비하는 마이크로파 발생부; 및 마이크로파 발생부에서 발생된 마이크로파 에너지를 이용하여 고에너지의 전자 및 광자를 생성하는 플라즈마 생성부를 포함하며; 플라즈마 생성부는, 안테나와 인접하게 설치된 내부전극, 마이크로파 발생부와 연결되고, 내부전극보다 짧은 길이를 가지고 내부전극의 일부를 동축으로 에워싸는 외부전극, 및 내부전극과 외부전극 사이에 배치되고, 내부전극과 외부전극 사이를 절연하는 유전체관을 구비하는 동축 웨이브가이드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

마이크로파 발생부는 마그네트론으로 구성된다. 특히, 마그네트론은 약 2.45GHz의 주파수에서 약 1KW이하의 전력으로 가동되고, 워터와 같은 열교환 물질을 순환시키는 것에 의해 냉각되도록 구성되는 것이 바람직하다.

외부전극은 적어도 마이크로파 발생부에서 떨어져 있는 단부의 끝단이 유전체관에 타이트하게 접촉하도록 고정된다. 특히, 외부전극은, 마이크로파 발생부에서 떨어져 있는 단부가 일정각도로 경사지고 끝단이 예리한 가장자리를 갖는 절두 원추형태, 전체가 유전체관과 밀착된 일자형 원통형태, 마이크로파 발생부에서 떨어져 있는 단부가 수직으로 절곡되어 끝단이 유전체관과 접촉된 원통형태, 또는 전체가 일정각도로 테이퍼지고 마이크로파 발생부에서 떨어져 있는 단부의 끝단이 유전체관과 접촉된 절두원추형 형태로 형성될 수 있다.

또한, 외부전극은 적어도 마이크로파 발생부에서 떨어져 있는 단부의 끝단이 다음식을 만족하도록 결정된 내경(D)을 가지는 것이 바람직하다.

D < 1.841 x c/πf

여기서, c는 빛의 속도, f는 마이크로파의 주파수

선택적으로, 본 발명의 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치는, 마이크로파 발생부와 동축 웨이브가이드 사이에 배치되고, 마이크로파를 효율적으로 전파하도록 임피던스의 정합을 맞추기 위한 공진부를 더 포함할 수 있다

공진부는, 마이크로파 발생부에 연결되고, 동축 웨이브가이드의 내부전극의 일부를 수용하여 밀폐하는 공진 캐비티로 구성될 수 있다.

이때, 내부전극은 일단부가 막힌 제1원통관, 제1원통관 내부에 배치된 제2원통관, 및 유체소스에서부터 제2원통관 및 제1원통관과 제2원통관사이의 공간으로 순환하는 유체로 구성될 수 있다. 유체는 워터와 같은 열교환 물질로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 공진 캐비티에 수용된 내부전극의 일부는 임피던스 정합에 의해 최대의 마이크로파가 전달될 수 있도록 루프형태로 형성된 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시형태에 따른 플라즈마 처리 시스템은, 기판을 고정하는 기판홀더를 구비하는 공정쳄버; 공정쳄버 내에 가스를 공급하는 제1가스 공급부; 및 공정쳄버 외측에 고정되고, 마이크로파를 발생하는 안테나를 구비하는 마이크로파 발생부, 및 공정쳄버에 설치되고, 마이크로파 발생부에서 발생된 마이크로파 에너지를 이용하여 고에너지의 전자 및 광자를 생성하는 플라즈마 생성부를 구비하는 적어도 하나의 플라즈마 발생장치를 포함하며; 플라즈마 생성부는 안테나와 인접하게 설치되고 공정쳄버 내부로 뻗어있는 내부전극, 마이크로파 발생부와 연결되고, 내부전극보다 짧은 길이를 가지고 공정쳄버 내에서 내부전극의 일부를 동축으로 에워싸는 외부전극, 및 내부전극과 외부전극 사이에 배치되고, 내부전극과 외부전극 사이를 절연하는 유전체관을 구비하는 동축 웨이브가이드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

공정쳄버의 내부압력(p)은 0.001 ≤p ≤2Torr의 범위를 가지도록 조절된다.

외부전극은 적어도 공정쳄버 내부로 뻗어있는 외부전극의 단부의 끝단이 유전체관에 타이트하게 접촉된다. 특히, 외부전극은 공정쳄버 내에 위치한 단부가 일정각도로 경사지고 끝단이 예리한 가장자리를 갖는 절두 원추형태, 전체가 유전체관과 밀착된 일자형 원통형태, 공정쳄버 내에 위치한 단부가 수직으로 절곡되어 끝단이 유전체관과 접촉된 원통형태, 또는 전체가 일정각도로 테이퍼지고 공정쳄버 내에 위치한 단부의 끝단이 유전체관과 접촉된 절두원추형 형태로 형성될 수 있다.

또한, 외부전극은 적어도 공정쳄버 내부로 뻗어있는 외부전극의 단부의 끝단이 다음식을 만족하도록 결정된 내경(D)을 가지는 것이 바람직하다.

D < 1.841 x c/πf

여기서, c는 빛의 속도, f는 마이크로파의 주파수

선택적으로, 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치는, 마이크로파 발생부와 동축 웨이브가이드 사이에 배치되고, 마이크로파를 효율적으로 전송하도록 마이크로파를 임피던스 정합하는 공진부를 더 포함할 수 있다

공진부는, 공정쳄버 외측에서 마이크로파 발생부에 연결되고, 동축 웨이브가이드의 내부전극의 일부를 수용하여 밀폐하는 공진 캐비티로 구성될 수 있다.

이때, 내부전극은 공정쳄버 내부로 뻗어있는 단부가 막힌 제1원통관, 제1원통관 내부에 배치된 제2원통관, 및 유체소스에서부터 제2원통관 및 제1원통관과 제2원통관 사이의 공간으로 순환하는 유체로 구성될 수 있다. 유체는 워터와 같은 열교환 물질로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 플라즈마 처리 시스템은 공정쳄버에 공정가스를 추가 공급하는 제2가스 공급부를 더 포함할 수 있다.

실시예에 있어서, 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치는 세로로 배치된 하나 이상의 플라즈마 발생장치로 구성된다. 선택적으로, 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치는 가로로 배치된 하나 이상의 플라즈마 발생장치로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 플라즈마 처리 시스템은 기판홀더에 바이어스 전압이 인가되는 플라즈마 에처일 수 있다. 선택적으로, 본 발명의 플라즈마 처리 시스템은, 기판홀더 아래쪽에 배치되고 일정한 바이어스 전압이 인가되는 스퍼터 타겟을 더 포함하는 플라즈마 스퍼터링 시스템, 또는 기판홀더에 바이어스 전압이 인가되지 않는 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 시스템일 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치 및 그것을 구비하는 플라즈마 처리 시스템을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

(실시예 1)

도 6은 본 발명의 양호한 제1실시예에 따른 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치를 구비하는 플라즈마 처리 시스템(100)을 개략적으로 도시한다.

본 발명의 제1실시예의 플라즈마 처리 시스템(100)은 이온화된 고밀도의 플라즈마와 반응성 중성입자 또는 래디컬(radical)를 이용하여 기판(185)에 도포된 포토 레지스트 등과 같은 박막을 기화(氣化) 또는 회화(灰化)하여 제거함으로써 기판(185)상에 선택적인 식각패턴을 형성하는 플라즈마 에처(Plasma etcher)이다.

도 6을 참조하면, 제1실시예의 플라즈마 처리 시스템(100)은 공정쳄버(170), 플라즈마 발생장치(101), 및 제1가스 공급부(120)를 구비한다.

공정쳄버(170)는 플라즈마 발생장치(101)에 의해 생성된 플라즈마가 공급된다.

공정쳄버(170)의 내부 중앙에는 식각될 포토 레지스트 등과 같은 박막이 도포된 기판(185)이 고정되는 기판홀더(180)가 배치되어 있다. 기판홀더(180)는 가열/냉각회로(도시하지 않음)에 의해 가열 또는 냉각되는 블록으로 구성된다.

기판홀더(180)에는 바이어스 전압제어부(198)의 제어에 의해 제1 파워서플라이(199)로부터 일정한 바이어스 전압이 인가된다.

플라즈마 발생장치(101)는 마이크로파 발생부(102)와 플라즈마 생성부(105)를 구비한다.

마이크로파 발생부(102)는 마이크로파를 발생하는 안테나(104)를 구비하는 마그네트론(103)으로 구성된다. 마그네트론(103)은 공정쳄버(170)의 상부벽(116) 위쪽에 설치된다.

마그네트론(103)은 예를들면 약 2.45GHz의 주파수에서 제2 파워서플라이(140)에서 공급되는 약 1KW이하의 전력으로 가동되는 시중에서 쉽게 구입할 수 있는 일반 마그네트론이 사용될 수 있다.

또, 마그네트론(103)은 안정적인 구동과 수명을 증가시키기 위해 워터와 같은 열교환유체를 순환시키는 열교환관을 구비하는 도시하지 않은 순환냉각장치에 의해 냉각되도록 구성될 수 있다.

플라즈마 생성부(105)는 공정쳄버(170)의 상부벽(116)에 설치된다. 플라즈마 생성부(105)는 마그네트론(103)에서 발생된 마이크로파를, 고에너지의 전자와 광자를 생성하는 플라즈마로 전환하고, 전환된 고에너지의 전자 및 광자를 후술하는 제1가스공급부(120)를 통해 공정쳄버(170)내에 공급되는 가스에 충돌시켜 전자와 이온으로 이루어진 플라즈마를 공정쳄버(170)의 전체영역에 생성한다.

플라즈마 생성부(105)는, 내부전극(107), 외부전극(110), 및 유전체관(108)을 구비하는 동축 웨이브가이드(106)로 이루어진다.

내부전극(107)은 전도성이 있는 봉 형태의 금속으로 구성되고, 제1단부(107a)는 공정쳄버(170) 내부로 뻗어있고, 제2단부(107b)는 마그네트론(103)의 안테나(104)와 일정한 간극을 두도록 설치된다. 또, 제2단부(107b)는 접지선(111)을 통해 마그네트론(103)의 케이스에 접지되어 있다.

내부전극(107)은 절연물질로 형성된 제1 및 제2스페이서(115, 115')에 의해 유전체관(106) 내에서 유전체관(108)에 대해 소정간격을 두고 지지된다.

유전체관(108)은 원통형태를 가지고, 가스켓(114)과 외부전극(110)의 제2단부(110b)의 끝단(110c)에 지지되어 내부전극(107)을 소정간격을 두고 에워싸고 있다. 가스켓(114)은 유전체관(108)을 지지할 뿐 아니라, 유전체관(108)과 외부전극(110) 사이를 밀봉하여 공정쳄버(170)를 후술하는 소정의 내부압력(p)으로 유지하는 역할을 한다.

유전체관(108)은 내부전극(107)과 외부전극(110) 사이를 절연하도록 석영(Quartz), 또는 산화알루미늄(Al₂O₃), 탄화알루미늄(AlC), 또는 질화알류미늄(AlN )과 같은 비도전성물질로 형성된다.

외부전극(110)은 원통형태의 전도성이 있는 금속으로 형성된다. 외부전극(110)의 제1단부(110a)는 마그네트론(103)에 연결되어 접지되어 있고, 제2단부(110b)는 공정쳄버(170)의 상부벽(116)의 지지홀(116a)을 통해 공정쳄버(160) 내부로 돌출되어 유전체관(108) 및 내부전극(107)을 동축으로 에워싸고 있다.

또, 외부전극(110)은 마그네트론(103)에서 전파된 마이크로파가 "동축 웨이브가이드의 절단전극(cut or truncated electrode of coaxial waveguide)"의 원리에 의해 플라즈마를 형성할 수 있도록 하기 위해 내부전극(107)보다 짧은 길이를 가진다. 여기서, "동축 웨이브가이드의 절단전극"의 원리는 길이가 다른 두 전극을 구비하는 동축 웨이브가이드가 마이크로파 라디에이션(Radiation)을 전파할 때, 길이가 짧은 전극은 길이가 긴 전극을 따라 충분히 높은 밀도의 플라즈마층을 형성하여 도체와 같은 역할을 하면서 절단된 전극을 복원하려는 현상을 의미한다.

공정쳄버(170) 내에 위치한 외부전극(110)의 제2단부(110b)는 끝단(110c)이 유전체관(108)의 접촉표면(108a)에 타이트하게 접촉하도록 고정된다. 특히, 외부전극(110)의 제2단부(110b)는 도 7에 도시한 바와 같이, 일정 각도로 경사진 형태, 예를들면, 마이크로파의 전파가 끝단(110c)까지 순조롭게 이루어지면서 플라즈마 방전이 원활히 일어날 수 있도록 끝단(110c)이 예리한 가장자리를 갖는 절두 원추형태로 형성되는 것이 바람직하다.

선택적으로, 도 9a 내지 도 9c에 도시한 바와 같이, 외부전극(110', 110", 110"')은 전체가 유전체관(108)과 밀착된 일자형 원통형태(110'), 공정쳄버(170)내에 위치한 제1단부(110b')가 수직으로 절곡되어 끝단(110c')이 유전체관(108)과 접촉된 원통형태(110"), 또는 전체가 일정각도로 테이퍼지고 제2단부(110b")의 끝단(110c")이 유전체관(108)과 접촉된 절두원추형 형태(110"')로 형성될 수 있다.

또한, 공정쳄버(170)의 내부로 뻗어있는 외부전극(110)의 제2단부(110b)의 끝단(110c)은 다음식(1)을 만족하도록 결정된 내경(D)을 갖는 것이 바람직하다.

D < 1.841 x c/πf ------------------(1)

여기서, 수치 1.841은 원통형 웨이브가이드 내에서 전파하는 마이크로파의 특성을 나타내는 베셀(Bessel)함수(Jn)의 1차미분(J'(n))에서 J₁'(X₁₁)=0의 해(X₁₁)이고(이 값은 문헌 "Classical Electrodynamics by Jackson D. Jackson, 2nd edition, 356p, John Wiley & Sons"에 개시되어 있음), c는 빛의 속도이고, f는 마이크로파의 주파수이다.

따라서, 마그네크론(102)의 마이크로파의 주파수(f)가 예를들면 2.45GHz(2.45 x 10⁹Hz)일 때, c는 약 3 x 10¹⁰ cm/sec이므로, 내경(D)은 약 7.17cm 이하가 되는 것이 바람직하다.

이와 같이 외부전극(110)의 제2단부(110b)의 끝단(110c)의 내경(D)을 위 식(1)에 의해 결정하는 이유는, 내경(D)이 위의 식(1)을 만족하지 못하면 외부전극(110)을 내부전극(107) 보다 짧게 형성하더라도, 마그네트론(103)에서 전파된 마이크로파가 "동축 웨이브가이드의 절단전극"의 원리에 의해 플라즈마층을 형성하지 않고 외부전극(110) 보다 길게 연장된 제1단부(107a)를 통해 공정쳄버(170) 내부로 흘러버리기 때문이다.

반대로, 내경(D)이 위의 식(1)을 만족하면, 아래에서 상세히 설명하는 바와 같이, 마그네트론(103)에서 전파된 마이크로파가 제2단부(110b)의 끝단(110c)과 접촉하는 유전체관(108)의 접촉표면(108a)에서 반사되고, 반사된 마이크로파는 유전체관(108)의 접촉표면(108a)에서 강한 펄스형 전기장을 형성하고, 그 결과, 유전체관(108)의 접촉표면(108a)에서 플라즈마 방전이 발생하여 "동축 웨이브가이드의 절단전극"의 원리에 의해 유전체관(108)의 표면을 따라 충분한 고밀도의 플라즈마층이 형성된다.

플라즈마 생성부(105)에 의해 플라즈마가 형성되는 전자기파 흡수 및 전자가속 공명 메카니즘을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 7에 도시한 바와 같이, 마그네트론(103)에서 외부전극(110)의 제2단부(110b)를 통해 유전체관(108)의 표면 근처로 전파되는 마이크로파 라디에이션은 "동축 웨이브가이드의 절단전극 원리"에 의해 임계밀도 보다 높은 밀도를 가지는 1차 플라즈마층(112)을 생성한다. 1차 플라즈마층(112)은 고에너지의 전자 및 자외선(Ultraviolet: UV) 라디에이션을 발생하는 소스로 작용한다.

즉, 유전체관(108)을 따라 전파되는 마이크로파는, 제2단부(110b)의 끝단(110c)과 접촉하여 금속-유전체 접촉점(Metal-dielectric contact)의 역할을 하는 유전체관(108)의 접촉표면(108a)에 집속되어 국소적으로 강한 펄스형 전기장을 형성하면서 플라즈마 방전을 발생하여 과임계 플라즈마를 발생한다. 금속관과 유전체관의 접촉표면에 집중 마이크로파 빔 또는 플레어(flare)가 조사될 때 진공에서 과임계 플라즈마가 생성되는 현상은 문헌 "Generation of nonlinear waves and quasistationary currents in plasmas. Ed. by L. M. Kovirzhnykh, Trudy IOFAN, v. 16, Moscow: Nauka, 1988, 166p"에 상세히 기재되어 있다.

외부전극(110)과 유전체관(108)이 서로 접촉하는 지점 근처에 발생하는 과임계 플라즈마는 유전체관(108)을 따라 전파되어 1차 플라즈마층(112)을 형성한다. 이러한 플라즈마의 확장 메카니즘은 표면을 따라 전파하는 전자기파에 의해 유지되며, 문헌 "Micrewave dischargs by Carlos M. Ferreis and Michel Moisan, New York, Plenum Press, 1993"에 개시된 종래의 "서파트론(surfatron)" 플라즈마 발생장치와 거의 동일하다.

이어서, 1차 플라즈마층(112)은 고에너지의 전자 및 UV 라디에이션을 발생하는 소스로서 작용하여, 공정쳄버(170) 내부에 더 큰 용적을 갖는 이온화된 매체를 생성한다.

이때, 마이크로파는 유전체관(108)의 표면에 접한 1차 플라즈마층(112)의 전자밀도의 구배(gradient)와 동일한 방향의 전기장 성분을 가지고, 공명현상을 통해 마이크로파 에너지를 전자 및 광자 에너지로 효율적으로 전환하게 하는데 유리하게 작용한다.

동축 웨이브가이드(106)는 전자(electron) 플라즈마 주파수(ω_p)가 플라즈마에 입사하는 마이크로파 라디에이션의 원주파수(circular frequency)(ω)와 일치하고 마이크로파의 전기장 성분이 1차 플라즈마층의 전자밀도의 구배와 평행한 조건에서 발생하는 "랭뮤어 공명(Langmuir resonance)"효과에 의해 동작하게 된다. 도 8에 도시한 바와 같이, 공명을 발생하는 공명층(114) 주위의 좁은 공명영역에서, 마이크로파 라디에이션은 매우 효율적으로 흡수되고, 마이크로파 에너지는 플라즈마의 전자 및 고 UV 라디에이션의 에너지로 전환된다. 플라즈마의 전자 및 UV 라디에이션은 주위의 가스영역으로 방출되어 가스매체를 이온화하며, 이에 의하여 초기 1차 플라즈마층(112)의 용적을 실질적으로 초과하는 용적의 저에너지의 전자를 가진 2차 플라즈마층(113)이 생성된다. 이와 같이, 웨이브가이드(106)의 1차 작용은 마이크로파와 직접적으로 상호작용하는 공명영역을 포함하는 소용역의 과임계 플라즈마의 1차 플라즈마층(112)을 생성하는 것이다. 이 1차 플라즈마층(112)은, 마이크로파 흡수영역의 크기를 훨씬 초과하는 용적으로 저에너지의 전자로 이루어진 2차 플라즈마층(113)을 생성하는 고에너지의 전자 및 광자들의 유동소스가 된다.

1차 플라즈마층(112)은 유전체관(108)의 표면 근처에서 1-2cm로 두께를 가진 영역 내에 집중되고 후술하는 임계 플라즈마밀도(n_ecr)보다 높은 플라즈마 밀도(n_e)를 가지는 고밀도 플라즈마(n_e > n_ecr)로 구성되고, 2차 플라즈마층(113)은 거의 공정쳄버(170)의 용적 전체를 차지하고 임계 플라즈마밀도(n_ecr)보다 낮은 플라즈마 밀도(n_e)를 가지는 저밀도(n_e< n_ecr) 플라즈마로 구성된다. 2차 플라즈마층(113)의 기대밀도(n_e)는 10¹¹cm^- ³이다.

도 10은 플라즈마 생성부(105)의 동축 웨이브가이드(106)에 의해 공정쳄버( 170)내에서 발생하는 플라즈마 밀도(n_e) 및 마이크로파 전기장(E_mic)을 유전체관(108)의 길이방향에 수직인 방향으로 유전체관(108) 표면으로부터의 거리(Z)에 따라 나타낸 플라즈마 밀도곡선(n)과 마이크로파 전기장 곡선(E)을 도시한다.

도 10에 도시한 바와 같이, 플라즈마 밀도(n_e)는 유전체관(108) 표면으로부터의 거리(Z)에 따라 감소되고, 최대 플라즈마밀도(n_max)가 형성되는 지점(0)에서부터 일정거리(Z_cr)에서 다음식(2)으로 표현될 수 있는 임계 플라즈마밀도(n_ecr)가 된다.

n_ecr= m(ω ²+ γ² _eff)/4πe² ------------------(2)

여기서, m은 전자질량, γ_eff는 유효 전자-중성입자 충돌 주파수(effective electron-neutral collision frequency)

또한, 마이크로파 전기장(E_mic)은 임계 플라즈마밀도(n_ecr)가 형성되는 지점에서 갑자기 증가하는 현상을 보인다. 이러한 현상은 유효 전자-중성입자 충돌 주파수(γ_eff)가 마이크로파의 원주파수(ω) 보다 낮은 조건(γ_eff _<ω)에서 뚜렷이 나타난다. 즉, γ_eff _《ω의 조건을 만족하는 매우 낮은 압력조건에서는 전자의 플라즈마 플라즈마 주파수(ω_p)가 마이크로파의 원주파수(ω)와 동일해지는 조건에서 강한 공명현상이 발생한다.

공정쳄버(170)내의 가스는 과임계 플라즈마층, 즉 1차 플라즈마층(112)에서 전자기파와 불균일 과임계 플라즈마의 강한 비선형 상호작용에 의해 증폭된 전기장에 의해 고에너지를 얻은 초열전자(super-thermal electrons)와 충돌하여 이온화가 촉진된다. 또한, 고에너지의 전자들이 유전체관(108)의 표면과 충돌하여 급속히 감속될 때, 전자의 운동 에너지는 강한 UV로 방출되고, 이러한 UV는 다시 가스를 이온화하는데 기여한다. 이러한 전자기파와 불균일 과임계 플라즈마의 강한 비선형 상호작용을 위한 조건 중 하나는 전기장의 성분이 전자밀도의 구배와 평행한 성분을 가지는 것이다. 본 발명의 웨이브가이드(106)에서, 외부전극(110)은 유전체관(108)의 외측에 바로 인접하게 위치하고, 방전은 유전체관(108)의 외측에서 시작된다. 이러한 방전은 표면파의 주성분이 세로 전기장성분이므로, 주로 자기적 횡파(trnasverse magnetic wave; TM파)를 여기한다. 이것은 표면 전자기파의 전기장이 항상 내부전극(107)을 에워싸는 유전체관(108) 근처에 형성된 방사상 불균일 플라즈마층을 가로지르는 성분을 갖는다는 것을 의미한다.

이러한 조건에서, 좁은 1차 플라즈마층(112) 내의 공명영역에서 전자기파의 전기장은 증폭되고, 이에 따라 가스와 충돌하여 이온화시키고 강한 UV를 방출하는 초열전자가 생성된다. 1차 플라즈마층(112)의 전자들의 에너지 분포함수(Electron energy distribution function; EEDF)와 전자 에너지(E_ene) 사이의 상관관계를 도시하는 도 11의 그래프와 같이, 전자의 에너지 분포에 공명현상에 의해 초열전자가 생성되는 초열 테일이 발생함을 알 수 있다.

요약하면, 본 발명의 플라즈마 생성부(105)의 동축 웨이브가이드(106)는 (1) 절단된 외부전극(110)과 유전체관(108)의 접점 근처에서 과임계 플러즈마가 생성되고, (2) 과임계 플러즈마가 표면 전자기파에 의해 유지되면서 유전체관(108)을 따라 전파해 나감으로써 내부전극(107)을 에워싸는 유전체관(108)을 따라 1차 플라즈마층(112)이 형성되고, (3) 이와 동시에, 표면 전자기파가 1차 플라즈마층(112)에 의해 만들어진 과임계 플라즈마와 비선형적으로 상호작용하고, (4) 1차 플라즈마층(112)에서 초열전자 및 UV 라디에이션이 방출되어 공정쳄버(170)내의 가스를 이온화하는 것에 의하여 공정쳄버(170)의 전영역에서 전자와 이온으로 이루어진 2차 플라즈마층(113)을 형성한다.

이와 같이, 본 발명의 플라즈마 생성부(105)는 플라즈마 공명영역에서 마이크로파와 발생 플라즈마의 비선형 상호작용, 및 그에 후속하는 마이크로파 에너지의 고에너지의 전자 및 광자로의 전환을 포함하는 두 개념을 토대로 설계된다. 이때, 고에너지 전자 및 광자 에너지는 공정쳄버(170) 내에서 넓은 압력범위에 걸쳐서 가스 매체를 조사(irradiating)하고, 비교적 균등질이고 충분히 높은 밀도의 플라즈마의 2차 플라즈마층(113)을 생성한다.

이상에서, 본 발명의 플라즈마 발생장치(101)는 공정쳄버(170)의 상부벽(116)에 수직으로 1개가 설치된 것으로 예시 및 설명하였지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 예를들면, 도 13에 도시한 바와 같이, 다수 매 또는 대면적의 기판을 처리하기 위한 플라즈마 처리 시스템(100')의 경우에는 복수 개, 예를들면 세 개의 플라즈마 발생장치(101a, 101b, 101c)가 수직 및 일정각도로 경사지게 설치되도록 구성될 수 있고, 도 14에 도시한 바와 같이, 플랫 패널 디스플레이용 플라즈마 처리 시스템(100")의 경우에는, 복수 개의 플라즈마 발생장치(101a', 101b')가 하나 또는 그 이상의 기판위에서 서로 지그재그식으로 엇갈리게 동일한 수평평면 또는 다른 평면으로 설치되도록 구성될 수 있다.

다시 도 6을 참조하면, 제1가스 공급부(120)는 플라스마 생성부(105)의 동축 웨이브가이드(106)에 의해 이온화될 가스를 공정쳄버(170) 내부로 공급하는 것으로, 공정쳄버(170)의 측벽(117)의 상부 일측에 배치되어 있다.

제1가스공급부(120)는 하부에 가스를 분사하는 분사개구(127)를 구비한 원통체(126)로 구성된 제1가스주입부(125)를 구비한다.

제1가스주입부(125)는 제1연결관(123)을 통해 제1가스소스(121)와 연결되어 있다. 제1가스소스(121)는 Ar, CF₄, O₂, SiH₄, SF₆, Cl₂, 또는 Hbr과 같은 공정가스를 저장한다.

본 발명의 제1실시예의 플라즈마 처리 시스템(100)은 공정효율을 향상시키기 위해 가스를 공정쳄버(170) 내부로 추가 공급하는 제2 가스공급부(190)를 더 포함할 수 있다.

제2 가스공급부(190)는 공정쳄버(170)의 측벽(117)의 하부 일측에 배치되고, 가스를 공정쳄버(170) 내부로 공급하는 제2가스주입부(197)를 구비한다.

제2가스주입부(197)는 제2연결관(196)을 통해 제2 가스소스(195)와 연결되어 있다. 제2 가스소스(195)는 제1가스소스(121)와 마찬가지로, Ar, CF₄, O₂, SiH₄, SF₆, Cl₂, 또는 Hbr과 같은 공정가스를 저장한다.

이와같이 가스가 공급되는 공정쳄버(170)의 내부압력(p)은 0.001 ≤p ≤2Torr, 바람직하게는 0.01 ≤p ≤0.1Torr의 범위로 유지되는 것이 바람직하다.

보다 상세히 설명하면, 내부압력(p)의 상한은 위에서 설명하는 본 발명에 따른 전자기파 흡수 및 전자가속 공명 메카니즘을 더 이상 적용할 수 없을 때의 압력값으로 제한된다. 즉, 위에서 설명한 유전체관(108)의 접촉표면(108a)이 집중 마이크로파로 조사될 때 진공에서 과임계 플라즈마가 생성되는 현상에 관한 이론에 따르면, 유효 전자-중성입자 충돌 주파수(γ_eff)는 가스매체에서 과임계 플라즈마의 1차 플라즈마층(112)을 형성하기 위한 주요 매개변수로써, "랭뮤어 공명현상"이 나타나기 위해서는 다음식(3)의 방전조건이 만족되어야 한다.

γ_eff/ω < 1 -------------------(3)

여기서, ω는 플라즈마에 입사하는 마이크로파 라디에이션의 원주파수

따라서, 내부압력(p)의 상한은 근사적으로 γ_eff/ω = 1의 조건으로부터 결정될 수 있다. 즉, γ_eff/ω = 1에서, 유효 전자-중성입자 충돌 주파수(V_eff)가 약 5 x 10⁹p(p는 압력으로 표시됨)에 가깝고(문헌 "Physcics of gas discharge, by Yu. P. Raizer, Moscow: Nauka, 1987, 592p"에 개시됨), 원주파수(ω)는 약 10¹⁰s^-1이기 때문에, 최대 가스압력(p_max)은 약 2Torr가 된다.

또한, 내부압력(p)의 하한은 전자 및 광자의 이온화 평균자유행로가 쳄버용적과 일치하게 되는 압력값으로 제한된다. 이러한 최소 압력압력(p_min)은 대략적으로 0.001Torr로 추정된다.

이상에서, 본 발명의 제1실시예의 플라즈마 처리 시스템(100)은 기판(185)상에 선택적인 식각패턴을 형성하는 플라즈마 에처로 예시 및 설명하였으나, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다.

예를들면, 본 발명의 플라즈마 처리 시스템은 동일한 구성과 원리로 기판에 박막을 증착하는 플라즈마 스퍼터링 시스템(100"'; 도 15)으로도 구성될 수 있다. 이 경우, 도 15에 도시한 바와 같이, 플러즈마 스퍼터링 시스템(100"')은 바이어스 전압제어부(198')의 제어에 의해 제1 파워서플라이(199')로부터 일정한 바이어스 전압이 인가되는 스퍼터 타겟(186)을 더 포함한다. 기판(185')은 기판홀더(180')에 고정되며, 스퍼터 타겟(186) 위쪽에 위치한다. 기판홀더(180')는 스퍼터 타겟(186)에서 스퍼터된 물질을 기판(185')에 균일하게 증착하기 위해 고정축(도시하지 않음)을 중심으로 회전한다. 또, 기판홀더(180')는 플라즈마 생성부(105)에서 생성되는 플라즈마가 스퍼터 타겟(186)까지 유도되도록 원형 개구(180a')를 구비한다. 제2가스주입부(197) 위쪽에는 기판(185') 근처의 가스압력을 제어하는 수평배플(193)이 배치되어 있다.

또 다른 예로써, 본 발명의 플라즈마 처리 시스템은 도 6에 도시한 플라즈마 처리 시스템(100)에서 제1 파워서플이(199), 및 기판홀더(180)에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전압제어부(198)가 삭제된 PECVD 시스템으로도 구성될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예의 플라즈마 처리 시스템(100)은 "동축 웨이브가이드의 절단전극"의 원리와 "랭뮤어 공명현상"을 이용하는 전자기파 흡수 및 전자가속 공명 메카니즘을 바탕으로 구성되므로, 고 밀도의 플라즈마가 효율적으로 형성될 수 있다. 즉, 도 12에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예의 플라즈마 처리 시스템(100)에서 공정쳄버(170)의 내부압력(p)을 0.01 ≤p ≤1Torr 범위로 유지하고, Ar 가스, 및 Ar과 프레온을 8대 2의 비율로 포함하는 혼합가스를 사용하고, 약 2.45HHz의 주파수의 마그네트론(102)를 800W의 전력으로 가동한 상태에서, 동축 웨이브가이드(106)에서부터 5cm 떨어진 거리에서 마이크로파 간섭관측기(interferometer)로 측정한 실험에 따르면, 플라즈마 밀도는 0.03 ≤p ≤1Torr의 내부압력(p)에서 일정값 이상을 나타내고 있음을 알 수 있다. 특히, 플라즈마 밀도는 Ar 가스의 경우는 0.03 Torr(30 mTorr) 에서 0.1 Torr(100 mTorr) 사이의 저압에서 1 X 10¹¹cm^-3이상의 양호한 값을 나타내고, Ar 및 프레온을 포함하는 혼합가스의 경우는 0.03 Torr(30 mTorr) 에서 0.075Torr(75 mTorr) 사이의 저압에서 1 X 10¹¹cm^-3이상의 양호한 값을 나타내고 있다.

또, 본 발명의 제1실시예의 플라즈마 처리 시스템(100)은 내부전극(107)과 외부전극(110)을 구비하는 간단한 구조의 동축 웨이브가이드(106)를 사용하므로, 부피가 큰 웨이브가이드(13), 혼 안테나(14) 및 전자석(16)를 사용하는 종래의 ECR 플라즈마 발생장치(10)와 비교하여 구조가 간단하고, 제작코스트도 절감될 수 있다.

또, 본 발명의 제1실시예의 플라즈마 처리 시스템(100)은 처리할 대상물의 형태, 크기 또는 수에 따라 플라즈마 발생장치(101)의 수를 증감하거나 배치를 바꾸면 되므로, 플라즈마 밀도 및 그 분포를 제어하기 쉬울 뿐 아니라, 다양한 형태와 크기의 플라즈마 처리 시스템에 자유자재로 적용할 수 있다.

또한, 본 발명의 제1실시예의 플라즈마 처리 시스템(100)은 다양한 가스종으로 이루어진 복합가스에 대하여 0.001 ≤p ≤2Torr, 바람직하게는 0.01 ≤p ≤0.1Torr 범위의 넓은 내부압력(P)에서 사용할 수 있으므로, 여러가지 공정가스와 압력범위를 필요로 하는 다양한 플라즈마 처리 시스템에 적용될 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템(100)의 동작을 도 6 내지 및 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 공정가스는 제1가스소스(121)로부터 제1가스주입부(125)를 통해 0.001 ≤p ≤2Torr, 바람직하게는 0.01 ≤p ≤0.1Torr의 내부압력(p)으로 유지된 공정쳄버(170)에 공급된다.

공정쳄버(170)에 공급된 가스는 예를들면 약 2.45HHz의 주파수에서 약 1KW 이하의 전력으로 가동되는 마그네트론(102)에서부터 동축 웨이브가이드(106)에 인가된 마이크로파 에너지에 의해 발생하는 고에너지의 전자 및 UV 라디에이션과 충돌하여 이온화되고, 그 결과 전자와 이온으로 구성된 플라즈마가 발생한다.

공정쳄버(170) 내부에는 약 10¹¹cm^-3밀도의 플라즈마가 형성되고, 공정쳄버(170)의 기판홀더(180)에 고정된 기판(185)과 반응하게 된다.

또한, 공정가스는 제2가스소스(195)로부터 제2가스주입구(197)를 통해 공정쳄버(170)에 공급될 수 있다. 그 결과, 프라즈마는 공정가스와 충돌하여, 방향성을 가지거나 방향성이 없는 에칭이온 또는 원자로 된다. 따라서, 공정쳄버(170)내에서 플라즈마 채널(110)의 중심 아래쪽에 배치되는 기판(185)의 포토 레지스트 등과 같은 박막은 에칭이온 또는 원자에 의해 기화 또는 탄화하여 식각된다.

(제2실시예)

도 16는 본 발명의 양호한 제2실시예에 따른 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치를 구비하는 플라즈마 처리 시스템(200)을 개략적으로 도시한다.

본 발명의 제2실시예의 플라즈마 처리 시스템(200)은 제1실시예와 마찬가지로, 기판(185)상에 선택적인 식각패턴을 형성하는 플라즈마 에처이다.

도 16을 참조하면, 플라즈마 처리 시스템(200)은 공정쳄버(170), 플라즈마 발생장치(201), 및 제1가스 공급부(120)를 구비한다.

공정쳄버(170) 내부에는 플라즈마 발생장치(201)에 의해 플라즈마가 형성된다. 공정쳄버(170)는 제1실시예의 플라즈마 처리 시스템(100)과 마찬가지로, 0.001 ≤p ≤2Torr, 바람직하게는 0.01 ≤p ≤0.1Torr의 내부압력(p)으로 유지된다.

공정쳄버(170)의 내부 중앙에는 식각될 포토 레지스트 등과 같은 박막이 도포된 기판(185)이 고정되는 기판홀더(180)가 배치되어 있다. 기판홀더(180)는 가열/냉각회로(도시하지 않음)에 의해 가열 또는 냉각되는 금속블록으로 구성된다.

플라즈마 발생장치(201)는 마이크로파 발생부(102), 공진부(240), 및 플라즈마 생성부(205)를 구비한다. 공진부(240)와 플라즈마 생성부(205)를 제외한 마이크로파 발생부(102)의 구성은 제1 실시예의 플라즈마 처리 시스템(100)의 플라즈마 발생장치(101)와 동일하므로, 여기서 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.

도 16에 도시한 바와 같이, 공진부(240)는 공정쳄버(170)의 상부벽(116) 위쪽에서 마이크로파 발생부(102)의 마그네트론(103)과 플라즈마 생성부(205) 사이에 배치된 직육방체 또는 정육방체 형태의 공진 캐비티(241)로 구성된다.

공진 캐비티(241)는 마그네트론(103)에서 발생된 마이크로파 에너지가 임피던스 정합을 이루어 가장 효율적으로 플라즈마 생성부(205)로 전달될 수 있도록 하고, 또 마그네트론(102)이 플라즈마 생성부(205)에서부터 반사되는 마이크로파 라디에이션에 의해 가열되거나 손상되는 것을 방지하는 작용을 한다.

공진 캐비티(241)의 일측벽(242)에는 마이크로파 발생원으로써 안테나(104)를 구비하는 마그네트론(103)이 마이크로파를 공진캐비티(241) 내부로 발진하도록 설치된다. 일측벽(242)은 접지된 마그네트론(102)과 등전위를 이루도록 마그네트론의 케이스와 전기적으로 연결되어 있다.

공진 캐비티(241)의 하부벽(243)에는 플라즈마 생성부(205)가 연결되어 있다. 플라즈마 생성부(205)는, 외부전극(210), 유전체관(208) 및 내부전극(207)을 구비하는 동축 웨이브가이드(206)로 구성된다.

동축 웨이브가이드(206)의 외부전극(210)은 원통형태의 전도성이 있는 금속으로 형성된다. 외부전극(210)의 제1단부(210a)는 공진 캐비티(241)의 하부벽(243)에 등전위를 이루도록 연결되고, 제2단부(210b)는 공정쳄버(170)의 상부벽(116)의 지지홀(116a)을 통해 공정쳄버(170) 내부로 돌출되어 내부전극(207) 및 유전체관(208)을 동축으로 에워싸고 있다.

외부전극(210)은 마그네트론(103)에서 전파된 마이크로파가 "동축 웨이브가이드의 절단전극" 원리에 의해 플라즈마를 형성할 수 있도록 하기 위해 내부전극(207)보다 짧은 길이를 가진다.

공정쳄버(170) 내에 위치한 외부전극(210)의 제2단부(210b)는 끝단(210c)이 유전체관(208)의 외부표면에 타이트하게 접촉하도록 고정된다. 특히, 외부전극(210)의 제2단부(210b)는 일정 각도로 경사진 형태, 예를들면, 예리한 가장자리를 갖는 절두 원추형태로 형성되는 것이 바람직하다. 선택적으로, 외부전극(210)은 도 9a 내지 도 9c를 참조하여 설명한 제1실시예의 외부전극(110)의 일자형 원통형태(110'), 원통형태(110"), 또는 절두원추형 형태(110"')와 동일한 형태로 형성될 수 있다.

또, 공정쳄버(170)의 내부로 뻗어있는 외부전극(210)의 제2단부(210b)의 끝단(210c)은 제1실시예의 외부전극(110)과 마찬가지로 위에서 설명한 식(1)을 만족하도록 결정된 내경(D)을 갖는다.

유전체관(208)은 일단부(208a)에서 외부전극(210)의 제2단부(210b)의 내부에서 제2단부(210b)의 끝단(210c)과 연결됨과 동시에, 가스켓(209)에 의해 제2단부(210b)에 고정 및 지지된다. 가스켓(209)은 유전체관(208)을 고정 및 지지하는 역할 외에 외부전극(210)의 제2단부(210b)와 유전체관(208) 사이를 밀봉하여 공정쳄버(170)를 선결된 내부압력(P)으로 유지하는 역할을 한다.

유전체관(208)은 내부전극(207)과 외부전극(210) 사이를 절연하도록 석영, 산화알루미늄(Al₂O₃), 탄화알루미늄(AlC), 또는 질화알루미늄(AlN)과 같은 비도전성물질로 구성된다.

여기서, 유전체관(208)의 일단부(208a)는 가스켓(209) 까지만 연장된 것으로 예시 및 도시하였지만, 공진 캐비티(241)의 하부벽(243) 까지 연장되도록 구성될 수도 있다.

내부전극(207)은 유체소스(285)에서부터 공진 캐비티(241)를 통과하여 외부전극(210) 및 유전체관(208)과 일정간격을 두고 공정쳄버(170) 내부로 뻗어있다.

공진 캐비티(241)에 위치한 내부전극(207)의 부분(207a)은 임피던스 정합에 의해 최대의 마이크로파 에너지가 전달될 수 있도록 루프형태로 형성된다.

또, 내부전극(207)의 부분(207a)은, 하부벽(243)의 제1관통홀(243a)과는 절연체 없이 바로 연결된 반면, 제2관통홀(243b)과는 절연체(245)를 통해 지지되어 있다. 따라서, 마이크로파는 내부전극(207)에 의해 동축 웨이브가이드(206)로 유도된다.

또한, 내부전극(207)은 심하게 가열되는 것을 방지하기 위해 열교환 물질에 의해 냉각될 수 있는 구조로 형성되어 있다.

즉, 내부전극(207)은 전도성이 있는 금속으로 이루어진 외부원통관(271)과 내부원통관(275)을 구비한다.

외부원통관(271)은 공정쳄버(170) 내부로 뻗어있는 제1단부(271a), 및 유체소스(285)에 연결된 제2단부(271b)를 구비한다. 제1단부(271a)는 끝이 막혀있고, 제2단부(271b)는 끝이 개방되어 있다.

내부원통관(275)은 외부원통관(271)과 일정간격을 두고 외부원통관(271) 내부에 배치되고, 외부원통관(271)과 마찬가지로, 공정쳄버(170) 내부로 뻗어있는 제1단부(275a), 및 유체소스(285)에 연결된 제2단부(275b)를 구비한다. 제1단부(275a)와 제2단부(275b)는 모두 끝이 개방되어 있다.

내부원통관(275)과 내부 및 외부원통관(275, 271)사이의 공간에는 유체소스(285)에서 공급되는 유체(280)가 채워져 있다. 유체(280)는 유체소스(285)의 펌프(도시하지 않음)에 의해 내부원통관(275)을 통해 외부원통관(271)과 내부원통관(275)사이의 공간으로 화살표 방향(도 16)으로 순환된다. 이때, 유체(280)는 워터와 같은 열교환 물질로 구성되는 것이 바람직하다.

제1가스 공급부(120)는 플라스마 생성부(105)의 동축 웨이브가이드(106)에 의해 이온화될 가스를 공정쳄버(170) 내부로 공급하는 것으로, 공정쳄버(170)의 측벽(117)의 상부 일측에 배치되어 있다. 제1가스공급부(120)의 구성은 제1 실시예의 플라즈마 처리 시스템(100)의 제1가스 공급부와 동일하다.

본 발명의 제2실시예의 플라즈마 처리 시스템(200)은 공정효율을 높이기 위해 공정가스를 공정쳄버(170) 내부로 추가 공급하는 제2 가스공급부(190)를 더 포함할 수 있다. 제2 가스공급부(190)의 구성 역시 제1 실시예의 플라즈마 처리 시스템(100)의 제2가스 공급부와 동일하므로, 여기서 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.

이와 같이 구성된 제2실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템(200)은 제1실시예의 플라즈마 처리 시스템(100) 보다 마크네트론(102)과 플라즈마 생성부(205)의 동축 웨이브가이드(206)를 최적 상태로 커플링하는 공진부(240)를 더 구비하므로, 동일한 조건에서 제1실시예의 플라즈마 처리 시스템(100) 보다 더 높은 플라즈마 생성효율을 얻을 수 있고, 안정적인 구동이 가능하다.

이상에서, 본 발명에 따른 제2실시예의 플라즈마 처리 시스템(200)은 플라즈마 발생장치(205)가 공정쳄버(170)의 상부벽(116)의 수직으로 1개가 설치된 것으로 예시 및 설명하였지만, 도 13 및 도 14를 참조하여 설명한 제1실시예의 플라즈마 처리 시스템(100', 100")과 같이, 다수 매 또는 대면적의 기판을 처리하기 위한 플라스마 처리 시스템(도시하지 않음)의 경우에는 복수 개의 플라즈마 발생장치(도시하지 않음)가 수직 및 일정각도로 경사지게 설치되도록 구성될 수 있고, 또 플랫 패널 디스플레이용 플라즈마 처리 시스템(도시하지 않음)의 경우에는, 복수 개의 플라즈마 발생장치(도시하지 않음)가 하나 또는 그 이상의 기판위에서 서로 지그재그식으로 엇갈리게 동일한 수평평면 또는 다른 수평평면으로 설치되도록 구성될 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 제2실시예의 플라즈마 처리 시스템(200)은 기판(185)상에 선택적인 식각패턴을 형성하는 플라즈마 에처로 예시 및 설명하였으나, 본 발명은 이것으로 한정되지 않으며, 도 15를 참조하여 설명한 제1실시예의 플러즈마 스퍼터링 시스템(100"')과 동일한 구성과 원리로 기판에 박막을 증착하는 플라즈마 스퍼터링시스템(도시하지 않음), 또는 PECVD 시스템(도시하지 않음)으로도 구성될 수 있을 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 제2실시예의 플라즈마 처리 시스템(200)의 동작은 마그네트론(103)에서 발생한 마이크로파 에너지가 공진 캐비티(241)에서 임피던스 정합에 의해 가장 효율적으로 내부전극(207)과 외부전극(210)으로 전파되고, 내부전극(207)이 유체소스(285)의 펌프에 의해 외부원통관(271) 및 내부원통관(275)과 외부원통관(271)사이의 공간으로 순환되는 유체(280)에 의해 냉각된다는 점을 제외하고는 도 6을 참조하여 설명한 제1실시예의 플라즈마 처리 시스템(100)의 동작과 실질적으로 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치 및 그것을 구비하는 플라즈마 처리 시스템은 "동축 웨이브가이드의 절단전극"의 원리와 "랭뮤어 공명현상"을 이용하는 전자기파 흡수 및 전자가속 공명 메카니즘을 갖는 내부전극과 외부전극을 구비하는 간단한 구조의 동축 웨이브가이드를 사용하므로, 플라즈마를 효율적으로 발생시킬 수 있을 뿐 아니라, 크기가 큰 웨이브가이드, 혼 안테나 및 전자석을 사용하는 종래의 ECR 장치와 비교하여 구조가 간단해지고, 제작코스트도 절감될 수 있다.

또, 본 발명에 따른 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치를 구비하는 플라즈마 처리 시스템은 처리할 대상물의 형태, 크기 또는 수에 따라 플라즈마 발생장치의 수를 증감하거나 배치를 바꾸면 되므로, 플라즈마 밀도 및 그 분포를 제어하기 쉬울 뿐 아니라, 다양한 형태와 크기의 플라즈마 처리 시스템에 자유자재로 적용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치를 구비하는 플라즈마 처리 시스템은 다양한 공정가스를 사영하여 0.001 ≤p ≤2Torr, 바람직하게는 0.01 ≤p ≤0.1Torr의 범위의 넓은 압력범위에서 사용할 수 있으므로, 다양한 공정가스와 압력범위를 필요로 하는 플라즈마 처리 시스템에 적용될 수 있다.

이상에서, 본 발명의 특정한 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 수정과 변형실시가 가능할 것이다.

도 1은 종래의 한 플라즈마 처리장치의 개략 절개 사시도.

도 2는 종래의 또 다른 플라즈마 처리장치의 개략 단면도.

도 3은 도 2에 도시한 플라즈마 처리장치의 플라즈마발생 메카니즘을 예시하는 부분 단면도.

도 4는 도 2에 도시한 플라즈마 처리장치의 웨이브가이드의 개략 사시도.

도 5는 도 4에 도시한 플라즈마 처리장치의 웨이브가이드의 개략 평면도.

도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치를 구비하는 플라즈마 에처의 개략 단면도.

도 7에 도 6에 도시한 플라즈마 에처의 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치의 플라즈마 생성부의 단면도.

도 8은 도 7에 도시한 플라즈마 생성부의 동작을 설명하는 부분 단면도.

도 9a, 도 9b 및 도 9c는 도 7에 도시한 플라즈마 생성부의 외부전극의 변형예를 예시하는 단면도.

도 10은 도 7에 도시한 플라즈마 생성부의 동축 웨이브가이드에 의해 공정쳄버 내에서 발생하는 플라즈마 밀도(n_e) 및 마이크로파 전기장(E_mic)과 유전체관 표면으로부터의 거리(Z) 사이의 상관관계 나타내는 그래프.

도 11은 도 7에 도시한 플라즈마 생성부의 동축 웨이브가이드에 발생하는 1차 플라즈마층에서 전자 에너지 분포함수(EEDF)와 전자 에너지(E_ene) 사이의 상관관계를 나타내는 그래프.

도 12는 도 6에 도시한 플라즈마 에처에서 측정한 플라즈마 밀도와 공정쳄버의 내부압력 사이의 상관관계를 예시하는 그래프.

도 13 및 도 14은 도 6에 도시한 플라즈마 에처의 변형예를 도시하는 부분 단면도.

도 15는 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치를 구비한 플라즈마 스퍼터링 시스템의 개략 단면도.

도 16는 본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치를 구비한 플라즈마 에처를 도시하는 부분 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100, 100', 100", 100"', 200: 플라즈마 처리 시스템

101, 201: 플라즈마 발생장치 102: 마이크로파 발생부

103: 마그네트론 105, 205: 플라즈마 생성부

106, 206: 동축 웨이브가이드 107, 207: 내부전극

108, 208: 유전체관 110, 210: 외부전극

112, 113: 플라즈마층 120, 190: 가스공급부

170: 공정쳄버 180: 기판홀더

185: 기판 240: 공진부

241: 공진 캐비티 271, 275: 원통관

280: 유체

Claims

마이크로파를 발생하는 안테나를 구비하는 마이크로파 발생부;

상기 마이크로파 발생부에서 발생된 마이크로파 에너지를 고에너지의 전자 및 광자를 생성하는 플라즈마 생성부를 포함하며;

상기 플라즈마 생성부는 상기 안테나와 인접하게 설치된 내부전극, 상기 마이크로파 발생부와 연결되고, 상기 내부전극보다 짧은 길이를 가지고 상기 내부전극의 일부를 동축으로 에워싸는 외부전극, 및 상기 내부전극과 상기 외부전극 사이에 배치되고, 상기 내부전극과 상기 외부전극 사이를 절연하는 유전체관을 구비하는 동축 웨이브가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 마이크로파 발생부는 마그네트론를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치.
제2항에 있어서, 상기 마그네트론은 약 2.45GHz의 주파수에서 약 1KW이하의 전력으로 가동되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치.
제2항에 있어서, 상기 마그네트론은 열교환 물질을 순환시키는 것에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 외부전극은 적어도 상기 마이크로파 발생부에서 떨어져 있는 단부의 끝단이 상기 유전체관에 타이트하게 접촉된 것을 특징으로 하는 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치.
제5항에 있어서, 상기 외부전극은 상기 단부가 일정각도로 경사지고 상기 끝단이 예리한 가장자리를 갖는 절두 원추형태, 전체가 상기 유전체관과 밀착된 일자형 원통형태, 상기 단부가 수직으로 절곡되어 상기 끝단이 상기 유전체관과 접촉된 원통형태, 및 전체가 일정각도로 테이퍼지고 상기 단부의 끝단이 상기 유전체관과 접촉된 절두원추형 형태 중 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 외부전극은 적어도 상기 마이크로파 발생부에서 떨어져 있는 단부의 끝단이 다음식을 만족하도록 결정된 내경(D)을 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치.

D < 1.841 x c/πf

여기서, c는 빛의 속도, f는 마이크로파의 주파수
제1항에 있어서, 상기 마이크로파 발생부와 상기 플라즈마 생성부의 상기 웨이브가이드 사이에 배치되고, 마이크로파를 임피던스 정합하는 공진부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치.
제8항에 있어서, 상기 공진부는, 상기 마이크로파 발생부에 연결되고, 상기 동축 웨이브가이드의 상기 내부전극의 일부를 수용하여 밀폐하는 공진 캐비티를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치.
제9항에 있어서, 상기 내부전극은,

일단부가 막힌 제1원통관;

제1원통관 내부에 배치된 제2원통관; 및

유체소스에서부터 상기 제2원통관 및 상기 제1원통관과 상기 제2원통관사이의 공간으로 순환하는 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치.
제10항에 있어서, 상기 유체는 열교환 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치.
제9항에 있어서, 상기 공진 캐비티에 수용된 상기 내부전극의 상기 일부는 임피던스 정합을 통해 최대의 마이크로파가 전달될 수 있도록 루프형태로 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치.
기판을 고정하는 기판홀더를 구비하는 공정쳄버;

상기 공정쳄버 내에 가스를 공급하는 제1가스 공급부; 및

상기 공정쳄버 외측에 고정되고, 마이크로파를 발생하는 안테나를 구비하는 마이크로파 발생부, 및 상기 공정쳄버에 설치되고, 상기 마이크로파 발생부에서 발생된 마이크로파 에너지를 이용하여 고에너지의 전자 및 광자를 생성하는 플라즈마 생성부를 구비하는 적어도 하나의 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치를 포함하며;

상기 플라즈마 생성부는, 상기 안테나와 인접하게 설치되고, 상기 공정쳄버 내부로 뻗어있는 내부전극, 상기 마이크로파 발생부와 연결되고, 상기내부전극 보다 짧은 길이를 가지고 상기 공정쳄버 내에서 상기 내부전극의 일부를 동축으로 에워싸는 외부전극, 및 상기 내부전극과 상기 외부전극 사이에 배치되고, 상기 내부전극과 상기 외부전극 사이를 절연하는 유전체관을 구비하는 동축 웨이브가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제13항에 있어서, 상기 공정쳄버의 내부압력(p)은 0.001 ≤p ≤2Torr의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제13항에 있어서, 상기 마이크로파 발생부는 마그네트론를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제15항에 있어서, 상기 마그네트론은 약 2.45GHz의 주파수에서 약 1KW이하의 전력으로 가동되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제15항에 있어서, 상기 마그네트론은 열교환물질을 순환시키는 것에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제13항에 있어서, 상기 외부전극은 적어도 상기 공정쳄버 내부로 뻗어있는 단부의 끝단이 상기 유전체관에 타이트하게 접촉된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제18항에 있어서, 상기 외부전극은 상기 단부가 일정각도로 경사지고 상기 끝단이 예리한 가장자리를 갖는 절두 원추형태, 전체가 상기 유전체관과 밀착된 일자형 원통형태, 상기 단부가 수직으로 절곡되어 상기 끝단이 유전체관과 접촉된 원통형태, 및 전체가 일정각도로 테이퍼지고 상기 단부의 상기 끝단이 상기 유전체관과 접촉된 절두원추형 형태 중 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제13항에 있어서, 상기 외부전극은 적어도 상기 공정쳄버 내부로 뻗어있는 의 단부의 끝단이 다음식을 만족하도록 결정된 내경(D)을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.

D < 1.841 x c/πf

여기서, c는 빛의 속도, f는 마이크로파의 주파수
제13항에 있어서, 상기 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치는, 상기 마이크로파 발생부와 상기 플라즈마 생성부의 상기 동축 웨이브가이드 사이에 배치되고, 마이크로파를 임피던스 정합하는 공진부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제21항에 있어서, 상기 공진부는, 상기 공정쳄버 외측에서 상기 마이크로파 발생부에 연결되고, 상기 동축 웨이브가이드의 상기 내부전극의 일부를 수용하여 밀폐하는 공진 캐비티를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제22항에 있어서, 상기 내부전극은,

상기 공정쳄버 내부로 뻗어있는 단부가 막힌 제1원통관;

상기 제1원통관 내부에 배치된 제2원통관; 및

유체소스에서부터 상기 제2원통관 및 상기 제1원통관과 상기 제2원통관 사이의 공간으로 순환하는 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제23항에 있어서, 상기 유체는 열교환 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제22항에 있어서, 상기 공진 캐비티에 수용된 상기 내부전극의 상기 일부는 임피던스 정합에 의해 가장 효율적으로 마이크로파가 전달될 수 있도록 루프형태로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제13항에 있어서, 상기 공정쳄버에 공정가스를 추가 공급하는 제2가스 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제13항에 있어서, 상기 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치는 세로로 배치된 하나 이상의 플라즈마 발생장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제13항에 있어서, 상기 마이크로파 공명 플라즈마 발생장치는 가로로 배치된 하나 이상의 플라즈마 발생장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제13항에 있어서, 상기 플라즈마 처리 시스템은 상기 기판홀더에 바이어스 전압이 인가되는 플라즈마 에처인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제13항에 있어서, 상기 플라즈마 처리 시스템은, 상기 기판홀더 아래쪽에 배치되고 바이어스 전압이 인가되는 스퍼터 타겟을 더 포함하는 플라즈마 스퍼터링 시스템인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
제13항에 있어서, 상기 플라즈마 처리 시스템은, 상기 기판홀더에 바이어스 전압이 인가되지 않는 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 시스템인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.