KR20110110517A - 플라즈마 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 처리 장치 및 방법을 개시한 것으로서, 반응기와 유도 결합형 플라즈마 안테나의 사이에 유전체를 개재시키고, 유도 결합형 플라즈마 안테나를 유전체에 밀착 배치함으로써, 유도 결합형 플라즈마 안테나에 낮은 알에프 파워를 인가하여 플라즈마를 발생할 수 있다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TREATING SUBSTRATE USING PLASMA}
본 발명은 플라즈마 처리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 플라즈마는 이온이나 전자, 라디칼(Radical) 등으로 이루어진 이온화된 가스 상태를 말하며, 플라즈마는 매우 높은 온도나, 강한 전계 혹은 고주파 전자계(RF Electromagnetic Fields)에 의해 생성된다.
플라즈마 처리 장치로는 플라즈마 생성 에너지원에 따라 축전 용량성 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 처리 장치, 유도 결합형 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma, ICP) 처리 장치 및 마이크로웨이브 플라즈마(Microwave Plasma) 처리 장치 등이 제안되어 있으며, 이 중, 유도 결합형 플라즈마(ICP) 처리 장치는 낮은 압력에서 고밀도의 플라즈마를 생성시킬 수 있는 등의 장점으로 인해 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래의 유도 결합형 플라즈마 처리 장치의 일부를 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 안테나 코일(1)은 반응기(2)의 외벽으로부터 상당한 거리만큼 이격되고, 안테나 코일(1)과 반응기(2)의 외벽 사이에는 전기장의 차폐를 위한 패러데이 쉴드(Faraday Shield, 3)가 개재된다.
그런데, 플라즈마 발생을 위한 자기장의 크기는 안테나 코일(1)과 반응기(2) 사이의 거리에 반비례하므로, 반응기(2) 내에서 공정에 적합한 플라즈마의 밀도를 유지하기 위해서는 높은 알에프(RF) 파워가 인가되어야 한다.
높은 알에프 파워가 인가되면, 안테나 코일(1)과 반응기(2) 사이에서 아크(Arc)가 발생할 위험이 있고, 패러데이 쉴드(3)에 의해 차폐되지 않은 전기장에 의해 플라즈마 스퍼터링(Plasma Sputtering)이 발생하여 반응기(2)의 내벽이 침식될 수 있으며, 또한 플라즈마에 의한 반응기(2) 내부의 국부적 열 분포로 인하여 반응기(2)가 열 충격을 받아 파손될 수 있는 등의 문제점들이 있다.
본 발명은 유도 결합형 플라즈마 안테나에 낮은 알에프 파워를 인가하여 플라즈마를 발생할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리 장치는, 기판의 플라즈마 처리 공정이 진행되는 공정 챔버; 상기 공정 챔버 내에 배치되며, 기판을 지지하는 기판 지지 유닛; 및 플라즈마를 발생하고, 상기 기판 지지 부재에 의해 지지된 상기 기판에 상기 플라즈마를 제공하는 플라즈마 발생 유닛을 포함하되, 상기 플라즈마 발생 유닛은, 하부가 개방된 실린더 형상을 가지며, 상기 공정 챔버의 상부 벽에 수직하게 결합되는 반응기; 상기 반응기를 감싸는 유전체; 상기 유전체를 감싸는 코일 형상의 유도 결합형 플라즈마 안테나; 및 상기 반응기에 공정 가스를 공급하는 가스 공급 부재를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 유전체는 상기 반응기의 외벽에 밀착되고, 상기 유도 결합형 플라즈마 안테나는 상기 유전체의 외벽에 밀착될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 유전체는 유전율과 열 전도성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 유전체는 실리콘 고무(Silicon Rubber) 재질로 구비될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 유도 결합형 플라즈마 안테나의 상부 및/또는 하부에 상기 유전체를 감싸도록 설치되며, 상기 유전체로부터 전달되는 열을 외부로 방출하는 방열 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 반응기와 상기 유전체 사이에 개재되는 비금속성(非金屬性)의 열 전도체를 더 포함하고, 상기 열 전도체는 상기 반응기의 외벽에 밀착되고, 상기 유전체는 상기 열 전도체의 외벽에 밀착되고, 상기 유도 결합형 플라즈마 안테나는 상기 유전체의 외벽에 밀착될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 유전체와 상기 유도 결합형 플라즈마 안테나는 상기 반응기의 길이 방향을 따라 중심 영역에 배치되고, 상기 유전체와 상기 유도 결합형 플라즈마 안테나의 상부 및/또는 하부에 상기 열 전도체를 감싸도록 설치되며, 상기 열 전도체로부터 전달되는 열을 외부로 방출하는 방열 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 방열 부재는 냉각 수가 흐르는 코일 형상의 냉각 라인을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 반응기는 이트리아(Y2O3) 재질로 구비될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 반응기는 절연 재질로 구비되고, 상기 반응기의 내벽은 이트리아(Y2O3) 재질로 코팅될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 가스 공급 부재는, 상기 반응기 내로 플라즈마 소스 가스를 공급하는 소스 가스 공급 부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 가스 공급 부재는, 상기 반응기 상의 상기 유도 결합형 플라즈마 안테나의 아래에 연결되며, 상기 반응기로 보조 가스를 공급하는 보조 가스 공급 부재를 더 포함할 수 있다.
상기한 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리 방법은, 반응기의 외벽에 유전체를 제공하고; 상기 유전체의 외벽에 유도 결합형 플라즈마 안테나를 제공하고; 상기 반응기에 플라즈마 소스 가스를 공급하고; 그리고 상기 유도 결합형 플라즈마 안테나에 전원을 인가하여 상기 플라즈마 소스 가스로부터 플라즈마를 발생한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 유전체는 유전율과 열 전도율을 가지는 재질일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 반응기의 외벽과 상기 유전체 사이에 열 전도체를 제공하되, 상기 열 전도체가 대기(大氣)에 노출되도록 상기 유전체는 상기 열 전도체의 일부 영역을 감쌀 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 유도 결합형 플라즈마 안테나의 양측에 방열 부재를 배치하여, 상기 플라즈마로부터 상기 반응기로 전달되는 열을 외부로 방출할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 반응기는 이트리아(Y2O3) 재질일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 반응기의 일단에 플라즈마 소스 가스를 공급하고, 상기 반응기의 플라즈마 분사구에 인접한 타단에 보조 가스를 공급할 수 있다.
본 발명에 의하면, 유도 결합형 플라즈마 안테나와 반응기 내의 플라즈마 발생 영역 사이의 거리를 최소화하여, 낮은 알에프 파워로 플라즈마를 발생할 수 있다.
그리고 본 발명에 의하면, 유도 결합형 플라즈마 안테나와 반응기 사이에서 발생하는 아크(Arc)를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 플라즈마 스퍼터링의 발생을 최소화하여, 반응기 내벽의 침식을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 플라즈마로부터 반응기로 전달되는 열을 효율적으로 방출하여, 반응기 내의 열 분포를 균일하게 할 수 있고, 이를 통해 국부적 열 분포에 의한 열 충격으로 반응기가 파손되는 것을 최소화할 수 있다.
이하에 설명된 도면들은 단지 예시의 목적을 위한 것이고, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 종래의 유도 결합형 플라즈마 처리 장치의 일부를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리 장치를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 플라즈마 발생 유닛의 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 2의 "A" 부분을 확대하여 보여주는 도면이다.
도 5는 도 2의 플라즈마 발생 유닛의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플라즈마 처리 장치를 보여주는 도면이다.
도 7은 도 6의 플라즈마 발생 유닛의 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 6의 플라즈마 발생 유닛의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 플라즈마 처리 장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
( 실시 예 1 )
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리 장치(10)를 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 플라즈마 처리 장치(10)는 공정 챔버(100)와, 플라즈마 발생 유닛(200)을 포함한다. 공정 챔버(100)는 플라즈마를 이용한 기판(W)의 처리 공정을 수행한다. 플라즈마 발생 유닛(200)은 기판 처리 공정에 사용되는 플라즈마를 발생하고, 플라즈마를 다운 스트림(Down Stream) 방식으로 공정 챔버(100)에 제공한다.
공정 챔버(100)는 처리실(120), 기판 지지 유닛(140), 리드(160) 및 배플(180)을 포함한다. 처리실(120)은 상부가 개방된 형상을 가지고, 기판(W) 처리 공정이 진행되는 공정 공간(PS)을 제공한다. 처리실(120)의 바닥 벽(122)에는 배기 홀들(123a, 123b)이 형성되고, 배기 홀들(123a, 123b)에는 배기관(124a, 124b)이 결합된다. 기판(W) 처리 과정에서 공정 공간(PS)에 생성되는 반응 부산물과, 공정 공간(PS)으로 유입된 가스는 배기 홀들(123a, 123b)과 배기관들(124a, 124b)을 통해 외부로 배출된다. 배기관들(124a, 124b)에는 압력 조절 장치(미도시)가 연결될 수 있으며, 압력 조절 장치(미도시)에 의해 공정 챔버(120) 내부의 압력이 조절될 수 있다.
기판 지지 유닛(140)은 처리실(120)의 공정 공간(PS)에 배치된다. 기판 지지 유닛(140)은 플라즈마 처리 공정이 진행되는 기판(W)을 지지하고, 기판(W)을 회전시키거나 상승 및 하강시킨다. 기판 지지 유닛(140)은 스핀 척(142)과, 구동 축(144)을 포함한다. 스핀 척(142)은 정전력에 의해 기판을 흡착 지지하는 정전척(Electro Static Chuck, ESC)일 수 있으며, 또한 스핀 척(142)은 기계적 클램핑 방식의 척 또는 진공압에 의해 기판을 흡착 지지하는 진공 척(Vacuum Chuck)일 수도 있다. 스핀 척(142)에는 기판의 온도를 공정 온도로 유지하기 위한 온도 조절부(미도시)가 제공될 수 있다. 구동 축(144)은 스핀 척(142)의 아래에 결합된다. 구동축(144)은 구동기(미도시)에 의해 발생된 구동력을 스핀 척(142)에 전달한다. 구동기(미도시)는 스핀 척(142)을 회전시키기 위한 회전 구동력을 제공할 수 있으며, 또한 스핀 척(142)을 승강시키기 위한 직선 구동력을 제공할 수도 있다.
리드(160)는 하부가 개방된 역 깔때기 형상을 가질 수 있으며, 리드(160)의 내부에는 플라즈마의 확산을 위한 확산 공간(DS)이 제공된다. 리드(160)는 처리실(120)의 개방된 상부에 결합하여 처리실(120)의 개방된 상부를 밀폐한다. 리드(160)의 상단 중심부에는 유입구(162)가 형성되고, 플라즈마 발생 유닛(200)이 유입구(162)에 결합된다. 플라즈마 발생 유닛(200)이 제공하는 플라즈마는 유입구(162)를 통해 리드(160)의 확산 공간(DS)으로 유입되고, 유입된 플라즈마는 확산 공간(DS) 내에서 확산된다. 리드(160)는 청구항에 따라서는 공정 챔버(100)의 상부 벽이라 한다.
배플(180)은 스핀 척(142)과 마주보도록 처리실(120)의 개방된 상부에 결합된다. 배플(180)은 처리실(120)의 공정 공간(PS)과 리드(160)의 확산 공간(DS)을 구획하며, 홀들(182)을 통해 확산 공간(DS)으로부터 공정 공간(PS)으로 제공되는 플라즈마의 성분을 선택적으로 투과시킨다. 배플(180)은 주로 플라즈마의 라디칼 성분을 공정 공간(PS)으로 투과시킬 수 있다.
플라즈마 발생 유닛(200)은 공정 챔버(100)의 리드(160)에 결합하고, 기판 처리 공정에 사용되는 플라즈마를 발생하여 리드(160)의 확산 공간(DS)에 제공한다. 플라즈마 발생 유닛(200)은 반응기(210), 유전체(220), 유도 결합형 플라즈마 안테나(ICP Antenna, 230), 그리고 가스 공급 부재(240,250)을 포함한다.
반응기(210)는 하부가 개방된 실린더 형상을 가진다. 반응기(210)는 길이 방향이 수직 방향을 향하도록 제공되고, 반응기(210)의 개방된 하부는 리드(160)에 형성된 유입구(162)에 결합한다. 반응기(210)는 내플라즈마성이 우수한 이트리아(Y2O3) 재질로 구비될 수 있다. 이와 달리, 도 3에 도시된 바와 같이, 반응기(210)는 쿼츠(Quartz) 또는 알루미나(Al2O3)와 같은 절연 재질로 구비될 수 있고, 반응기(210)의 내벽에는 이트리아(Y2O3) 재질의 코팅 막(212)이 제공될 수 있다.
유전체(220)는 반응기(210)의 외벽에 밀착된 상태로, 반응기(210)의 외벽을 감싼다. 유전체(220)는 반응기(210) 외벽의 전 영역 감싸도록 충분한 길이를 가질 수 있다. 유전체(220)는 유전율과 열 전도성을 가지는 재질, 예를 들어 실리콘 고무(Silicon Rubber) 재질로 구비될 수 있다.
유도 결합형 플라즈마 안테나(230)는 코일 형상을 가질 수 있다. 유도 결합형 플라즈마 안테나는 유전체(220)의 외벽에 밀착된 상태로, 유전체(220)의 외벽을 감싼다. 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)의 권선 수는 공정에 따라 조절될 수 있으며, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)는 반응기(210)의 길이 방향을 따른 중심 영역에 대응하도록 배치될 수 있다.
유도 결합형 플라즈마 안테나(230)의 일단에는 고주파 전원(232)이 연결되고, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)의 타단은 접지된다. 고주파 전원(232)이 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)에 알에프(RF) 파워를 인가하면, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)의 주변에는 전기장이 형성되고, 전기장에 의해 반응기(210)의 내부 공간에 자기장이 형성된다. 전기장은 플라즈마 소스 가스의 초기 점화(Ignition)를 위한 에너지를 공급하고, 자기장은 플라즈마 소스 가스의 플라즈마 상태를 유지하기 위한 에너지를 공급한다.
가스 공급 부재(240,250)는 소스 가스 공급 부재(240)와 보조 가스 공급 부재(250)를 포함한다. 소스 가스 공급 부재(240)는 반응기(210)의 상단에 결합되고, 반응기(210)의 상단 내부 영역으로 플라즈마 소스 가스를 공급한다. 예를 들어, 플라즈마 소스 가스는 질소, 수소, 암모니아 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 보조 가스 공급 부재(250)는 반응기(210) 상의 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)의 아래에 연결될 수 있다. 보조 가스 공급 부재(250)는 기판의 플라즈마 처리 공정에 사용되는 보조 가스를 반응기(210) 내로 공급한다. 보조 가스는, 예를 들어 불소 계열의 가스일 수 있으며, 불소, 염화수소, 염화붕소, 삼불화염소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
보조 가스 공급 부재(250)가 반응기(210)로 공급하는 보조 가스는 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)에 의해 여기된 플라즈마로부터 에너지를 얻어 간접 방전된다. 보조 가스를 간접 방전시키는 이유는, 플라즈마 소스 가스에 비해 반응성이 큰 보조 가스를 직접 방전시킬 경우, 방전에 의해 생성된 플라즈마가 매우 높은 에너지를 갖게 되어 기판의 패턴을 변형시키거나 손상시킬 수 있기 때문이다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 플라즈마 발생 유닛(200)을 이용하여 플라즈마를 발생하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 4는 도 2의 "A" 부분을 확대하여 보여주는 도면이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 고주파 전원(232)이 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)에 알에프(RF) 파워를 인가하면, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)의 주변에는 전기장이 형성되고, 전기장에 의해 반응기(210)의 내부 공간에 자기장이 형성된다. 소스 가스 공급 부재(240)로부터 반응기(210)로 공급되는 플라즈마 소스 가스는 전기장에 의해 플라즈마 점화(Plasma Ignition)되고, 자기장에 의해 플라즈마 상태가 유지된다.
이때, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)는 유전체(220)를 사이에 두고 반응기(210)에 근접하게 위치하므로, 도 1의 종래 기술과 비교하여, 플라즈마 발생을 위해 낮은 알에프 파워가 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)에 인가될 수 있다. 그리고, 낮은 알에프 파워의 사용으로, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)와 반응기(210)의 사이에서 발생하는 아크(Arc)를 최소화할 수 있다.
도 1의 종래 기술의 경우, 반응기(2)의 벽 중 안테나 코일(1)과 인접한 영역에 큰 자기장이 작용하고, 이에 의해 플라즈마의 양이온이 반응기(2)로 가속되어 반응기(2) 벽의 내면이 침식되는 플라즈마 스퍼터링(Plasma Sputtering)이 발생한다. 하지만, 본 발명의 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)에 의해 형성된 전기장은, 도 3에 도시된 바와 같이, 유전체(220)를 통해 반응기(210)에 균일하게 작용한다. 이는, 유전체(220)가 유전율을 가지므로, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)에 의해 반응기(210)에 집중되는 전기장을 분산시킬 수 있기 때문이다. 즉, 전기장이 유전체(220)에 가해지면, 유전체(220) 내부에서는 유전 분극 현상이 일어나고, 전기장에 반대 방향으로 분극에 의한 전기장이 형성되므로, 이에 의해 유전체(220)에 작용하는 전기장의 세기가 작아져 반응기(210)에 작용하는 전기장을 고르게 분산시킬 수 있다. 균일하게 분산된 전기장이 반응기(210)에 작용하므로, 반응기(210)의 벽을 침식하는 플라즈마 스퍼터링이 최소화될 수 있다.
이에 더하여, 반응기(210)가 내플라즈마성이 우수한 이트리아(Y2O3) 재질로 구비되거나, 절연 재질의 반응기(210) 내벽에 이트리아(Y2O3) 재질의 코팅 막(212)이 제공되므로, 반응기(210)의 플라즈마 스퍼터링은 더욱 감소될 수 있다. 플라즈마 스퍼터링이 감소되면, 플라즈마 스퍼터링에 의한 반응기(210) 내벽의 침식이 최소화되고, 이에 따라 침식에 의한 파티클 발생을 억제할 수 있다.
또한, 유전체(220)가 유전율과 함께 열 전도성을 가지므로, 플라즈마로부터 반응기(210)로 전달되는 열을 외부로 방출할 수 있다.
도 5는 도 2의 플라즈마 발생 유닛의 또 다른 예를 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)의 상부와 하부에는 방열 부재들(260a,260b)이 제공된다. 방열 부재들(260a,260b)은 유전체(220)를 감싸도록 설치되며, 방열 부재들(260a,260b)은 유전체(220)를 통해 전달되는 반응기(210) 내부의 열을 외부로 방출한다. 방열 부재들(260a,260b)로는 냉각 수가 흐르는 코일 형상의 냉각 라인이 사용될 수 있다.
방열 부재들(260a,260b)이 구비되지 않은 도 2의 경우, 반응기(210) 내의 길이 방향을 따르는 온도 분포는, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)에 대응하는 영역에서 온도가 낮고, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)의 상부 및 하부에 대응하는 영역에서 온도가 높은 분포를 가진다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230)의 상부 및 하부에 방열 부재들(260a,260b)을 배치함으로써, 방열 부재들(260a,260b)이 높은 온도 분포를 가지는 영역의 온도를 낮출 수 있다.
이와 같이, 유전체(220)의 열 전도성에 더하여, 방열 부재들(260a,260b)이 유전체(220)를 통해 전달되는 반응기(210) 내부의 열을 외부로 방출하므로, 반응기(210) 내의 열 분포를 균일하게 할 수 있고, 이를 통해 국부적 열 분포에 의한 열 충격으로 반응기(210)가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
( 실시 예 2 )
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플라즈마 처리 장치(10')를 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 플라즈마 처리 장치(10')는 기판 지지 유닛(100)과 플라즈마 발생 유닛(200')을 포함한다. 플라즈마 처리 장치(10')는 플라즈마 발생 유닛(200')을 제외하고, 도 2에 도시된 플라즈마 처리 장치(10)와 동일한 구성을 가지므로, 이하에서는 플라즈마 발생 유닛(200')에 대해서만 상세히 설명한다.
플라즈마 발생 유닛(200')은 반응기(210'), 열 전도체(215'), 유전체(220'), 유도 결합형 플라즈마 안테나(230'), 그리고 가스 공급 부재(240,250)을 포함한다.
반응기(210')는 하부가 개방된 실린더 형상을 가진다. 반응기(210')는 길이 방향이 수직 방향을 향하도록 제공되고, 반응기(210')의 개방된 하부는 리드(160')에 형성된 유입구(162')에 결합한다. 반응기(210')는 내플라즈마성이 우수한 이트리아(Y2O3) 재질로 구비될 수 있다. 이와 달리, 도 7에 도시된 바와 같이, 반응기(210')는 쿼츠(Quartz) 또는 알루미나(Al2O3)와 같은 절연 재질로 구비될 수 있고, 반응기(210')의 내벽에는 이트리아(Y2O3) 재질의 코팅 막(212')이 제공될 수 있다.
열 전도체(215')는 반응기(210')의 외벽에 밀착된 상태로, 반응기(210')의 외벽을 감싼다. 열 전도체(215')는 반응기(210') 외벽의 전 영역 감싸도록 충분한 길이를 가질 수 있다. 열 전도체(215')는 비금속성(非金屬性) 재질로 구비될 수 있다.
유전체(220')는 열 전도체(215')의 외벽에 밀착된 상태로, 열 전도체(215')의 외벽을 감싼다. 유전체(220')는 열 전도체(210')의 상부 영역과 하부 영역이 대기(大氣)에 노출되도록, 열 전도체(215')의 길이 방향을 따라 중심 영역에 배치될 수 있다. 유전체(220)는 유전율을 가지는 재질로 구비될 수 있다.
유도 결합형 플라즈마 안테나(230')는 코일 형상을 가질 수 있다. 유도 결합형 플라즈마 안테나는 유전체(220')의 외벽에 밀착된 상태로, 유전체(220')의 외벽을 감싼다. 유도 결합형 플라즈마 안테나(230')의 권선 수는 공정에 따라 조절될 수 있다. 유도 결합형 플라즈마 안테나(230')의 일단에는 고주파 전원(232')이 연결되고, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230')의 타단은 접지된다.
가스 공급 부재(240',250')는 소스 가스 공급 부재(240')와 보조 가스 공급 부재(250')를 포함한다. 소스 가스 공급 부재(240)는 반응기(210)의 상단에 결합되고, 반응기(210)의 상단 내부 영역으로 플라즈마 소스 가스를 공급한다. 예를 들어, 플라즈마 소스 가스는 질소, 수소, 암모니아 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 보조 가스 공급 부재(250')는 반응기(210') 상의 유도 결합형 플라즈마 안테나(230')의 아래에 연결될 수 있다. 보조 가스 공급 부재(250')는 기판의 플라즈마 처리 공정에 사용되는 보조 가스를 반응기(210') 내로 공급한다. 보조 가스는, 예를 들어 불소 계열의 가스일 수 있으며, 불소, 염화수소, 염화붕소, 삼불화염소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 플라즈마 발생 유닛(200')을 이용하여 플라즈마를 발생하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 고주파 전원(232')이 유도 결합형 플라즈마 안테나(230')에 알에프(RF) 파워를 인가하면, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230')의 주변에는 전기장이 형성되고, 전기장에 의해 반응기(210')의 내부 공간에 자기장이 형성된다. 소스 가스 공급 부재(240')로부터 반응기(210')로 공급되는 플라즈마 소스 가스는 전기장에 의해 플라즈마 점화(Plasma Ignition)되고, 자기장에 의해 플라즈마 상태가 유지된다.
이때, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230')는 열전도체(215')와 유전체(220')를 사이에 두고 반응기(210')에 근접하게 위치하므로, 플라즈마 발생을 위해 낮은 알에프 파워가 유도 결합형 플라즈마 안테나(230')에 인가될 수 있다. 그리고, 낮은 알에프 파워의 사용으로, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230')와 반응기(210')의 사이에서 발생하는 아크(Arc)를 최소화할 수 있다.
유도 결합형 플라즈마 안테나(230')에 의해 형성된 전기장은 열 전도체(215')와 유전체(220')를 통해 반응기(210')에 균일하게 작용한다. 이는, 유전체(220')가 유전율을 가지므로, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230')에 의해 반응기(210')에 집중되는 전기장을 분산시킬 수 있기 때문이다. 즉, 전기장이 유전체(220')에 가해지면, 유전체(220') 내부에서는 유전 분극 현상이 일어나고, 전기장에 반대 방향으로 분극에 의한 전기장이 형성되므로, 이에 의해 유전체(220')에 작용하는 전기장의 세기가 작아져 반응기(210')에 작용하는 전기장을 고르게 분산시킬 수 있다. 균일하게 분산된 전기장이 반응기(210')에 작용하므로, 반응기(210')의 벽을 침식하는 플라즈마 스퍼터링이 최소화될 수 있다.
이에 더하여, 반응기(210')가 내플라즈마성이 우수한 이트리아(Y2O3) 재질로 구비되거나, 절연 재질의 반응기(210') 내벽에 이트리아(Y2O3) 재질의 코팅 막(212')이 제공되므로, 반응기(210')의 플라즈마 스퍼터링은 더욱 감소될 수 있다. 플라즈마 스퍼터링이 감소되면, 플라즈마 스퍼터링에 의한 반응기(210') 내벽의 침식이 최소화되고, 이에 따라 침식에 의한 파티클 발생을 억제할 수 있다.
또한, 열 전도성을 가지는 열 전도체(215')가 대기 중에 노출되므로, 플라즈마로부터 반응기(210')로 전달되는 열을 외부로 방출할 수 있다.
도 8은 도 6의 플라즈마 발생 유닛의 또 다른 예를 보여주는 도면이다. 도 8을 참조하면, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230')의 상부와 하부에는 방열 부재들(260'a,260'b)이 제공된다. 방열 부재들(260'a,260'b)은 열 전도체(215')를 감싸도록 설치되며, 방열 부재들(260'a,260'b)은 열 전도체(215')를 통해 전달되는 반응기(210') 내부의 열을 외부로 방출한다. 방열 부재들(260'a,260'b)로는 냉각 수가 흐르는 코일 형상의 냉각 라인이 사용될 수 있다.
방열 부재들(260'a,260'b)이 구비되지 않은 도 6의 경우, 반응기(210') 내의 길이 방향을 따르는 온도 분포는, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230')에 대응하는 영역에서 온도가 낮고, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230')의 상부 및 하부에 대응하는 영역에서 온도가 높은 분포를 가진다. 따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 유도 결합형 플라즈마 안테나(230')의 상부 및 하부에 방열 부재들(260'a,260'b)을 배치함으로써, 방열 부재들(260'a,260'b)이 높은 온도 분포를 가지는 영역의 온도를 낮출 수 있다.
이와 같이, 열 전도체(215')의 열 전도성에 더하여, 방열 부재들(260'a,260'b)이 열 전도체(215')를 통해 전달되는 반응기(210') 내부의 열을 외부로 방출하므로, 반응기(210') 내의 열 분포를 균일하게 할 수 있고, 이를 통해 국부적 열 분포에 의한 열 충격으로 반응기(210')가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 기판 지지 유닛 200: 플라즈마 발생 유닛
210: 반응기 212: 코팅 막
220: 유전체 230: 유도 결합형 플라즈마 안테나
240: 소스 가스 공급 부재 250: 보조 가스 공급 부재
260a, 260b: 방열 부재

Claims (18)

  1. 기판의 플라즈마 처리 공정이 진행되는 공정 챔버;
    상기 공정 챔버 내에 배치되며, 기판을 지지하는 기판 지지 유닛; 및
    플라즈마를 발생하고, 상기 기판 지지 부재에 의해 지지된 상기 기판에 상기 플라즈마를 제공하는 플라즈마 발생 유닛을 포함하되,
    상기 플라즈마 발생 유닛은,
    하부가 개방된 실린더 형상을 가지며, 상기 공정 챔버의 상부 벽에 수직하게 결합되는 반응기;
    상기 반응기를 감싸는 유전체;
    상기 유전체를 감싸는 코일 형상의 유도 결합형 플라즈마 안테나; 및
    상기 반응기에 공정 가스를 공급하는 가스 공급 부재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 반응기의 외벽에 밀착되고,
    상기 유도 결합형 플라즈마 안테나는 상기 유전체의 외벽에 밀착되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유전체는 유전율과 열 전도성을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유전체는 실리콘 고무(Silicon Rubber) 재질로 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 유도 결합형 플라즈마 안테나의 상부 및/또는 하부에 상기 유전체를 감싸도록 설치되며, 상기 유전체로부터 전달되는 열을 외부로 방출하는 방열 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기와 상기 유전체 사이에 개재되는 비금속성(非金屬性)의 열 전도체를 더 포함하고,
    상기 열 전도체는 상기 반응기의 외벽에 밀착되고,
    상기 유전체는 상기 열 전도체의 외벽에 밀착되고,
    상기 유도 결합형 플라즈마 안테나는 상기 유전체의 외벽에 밀착되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유전체와 상기 유도 결합형 플라즈마 안테나는 상기 반응기의 길이 방향을 따라 중심 영역에 배치되고,
    상기 유전체와 상기 유도 결합형 플라즈마 안테나의 상부 및/또는 하부에 상기 열 전도체를 감싸도록 설치되며, 상기 열 전도체로부터 전달되는 열을 외부로 방출하는 방열 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 5 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 방열 부재는 냉각 수가 흐르는 코일 형상의 냉각 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기는 이트리아(Y2O3) 재질로 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기는 절연 재질로 구비되고,
    상기 반응기의 내벽은 이트리아(Y2O3) 재질로 코팅되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 가스 공급 부재는,
    상기 반응기 내로 플라즈마 소스 가스를 공급하는 소스 가스 공급 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 가스 공급 부재는,
    상기 반응기 상의 상기 유도 결합형 플라즈마 안테나의 아래에 연결되며, 상기 반응기로 보조 가스를 공급하는 보조 가스 공급 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  13. 반응기의 외벽에 유전체를 제공하고;
    상기 유전체의 외벽에 유도 결합형 플라즈마 안테나를 제공하고;
    상기 반응기에 플라즈마 소스 가스를 공급하고; 그리고
    상기 유도 결합형 플라즈마 안테나에 전원을 인가하여 상기 플라즈마 소스 가스로부터 플라즈마를 발생하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 유전체는 유전율과 열 전도율을 가지는 재질인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 반응기의 외벽과 상기 유전체 사이에 열 전도체를 제공하되,
    상기 열 전도체가 대기(大氣)에 노출되도록 상기 유전체는 상기 열 전도체의 일부 영역을 감싸는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유도 결합형 플라즈마 안테나의 양측에 방열 부재를 배치하여, 상기 플라즈마로부터 상기 반응기로 전달되는 열을 외부로 방출하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 반응기는 이트리아(Y2O3) 재질인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 반응기의 일단에 플라즈마 소스 가스를 공급하고,
    상기 반응기의 플라즈마 분사구에 인접한 타단에 보조 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
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