KR20130120577A - 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 발생 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 발생 방법을 제공한다. 이 플라즈마 발생 장치는 전기적으로 접지된 통 형상의 방전 챔버, 방전 챔버 내에 배치된 적어도 하나의 전자방출 수단, 및 방전 챔버의 중심 영역에 배치되고 양의 제1 전압이 인가된 중심 전극을 포함한다.

Description

플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 발생 방법{Plasma Generation Apparatus and Plasma Generation Method}
본 발명은 저압 플라즈마 소스에 대한 것이다. 텅스텐 필라멘트의 열전자 방출을 이용하여 저압, 저밀도, 저온 플라즈마를 생성해 낼 수 있다.
플라즈마를 이용한 반도체 공정의 최소 선폭은 감소하고 있다. 현재 널리 쓰이고 있는 축전 결합 플라즈마 (Capacitively Coupled Plasma;CCP)나 (유도 결합 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma; ICP)는 감소된 선폭을 가지는 반도체 공정을 진행하기 힘들다.
첫째, 축전 결합 플라즈마 또는 유도 결합 플라즈마를 사용할 경우, 높은 전자 밀도 하에서 공정을 해야 하기 때문에 원자 수준의 미세공정이 힘들다.
둘째, 높은 에너지를 갖는 이온의 충돌 및 하전(charging)에 의한 손상 문제가 있다.
따라서 이러한 문제점들을 해결하기 위해 기존의 공정보다 훨씬 낮은 압력 (1 Pascal 이하), 낮은 전자 밀도(10^8/cm^3 이하), 낮은 전자 온도(1eV 이하)를 갖는 플라즈마 신공정 기술이 필요하다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 극저압에서 낮은 전자 온도의 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 전기적으로 접지된 통 형상의 방전 챔버; 상기 방전 챔버 내에 배치된 적어도 하나의 전자방출 수단; 및 상기 방전 챔버의 중심 영역에 배치되고 양의 제1 전압이 인가된 중심 전극을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방전 챔버의 내부에 배치되는 매쉬를 더 포함하고, 상기 매쉬는 양의 제2 전압으로 대전되고, 상기 제2 전압은 상기 제1 전압보다 낮고, 상기 전자방출 수단은 상기 매쉬와 상기 방전 챔버 사이에 배치되고, 상기 매쉬는 상기 전자방출 수단으로부터 방출된 전자를 가속하고, 가속된 전자는 상기 매쉬를 통과하여 상기 방전 챔버의 중심 영역에 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전자방출 수단은 열전자를 방출하고, 상기 전자방출 수단이 전자를 방출하도록 가열하는 가열 전원; 및 상기 전자방출 수단에 제1 바이어스 전압을 인가하기 위한 제1 바이어스 전원; 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전자방출 수단은 양의 제1 바이어스 전압에서 동작하는 제1 전자방출 수단; 및 양의 제2 바이어스 전압에서 동작하는 제2 전자방출 수단을 포함할 수 있다. 상기 제1 바이어스 전압은 상기 제2 바이어스 전압과 서로 다르고, 상기 제1 전자 방출 수단에서 방출된 전자는 중성 기체를 이온화시키고, 상기 제2 전자 방출 수단에서 방출된 전자는 플라즈마 포텐셜을 낮출 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방전 챔버의 주위에 배치되어 자기장을 형성하는 코일을 더 포함할 수 있다. 상기 코일에 형성된 자기장은 상기 중심 전극으로 접근하는 전자의 궤적을 변경할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방전 챔버는 원통형이고, 상기 매쉬는 원통형일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전자방출 수단은 복수 개이고, 상기 제2 전자방출 수단은 복수개이고, 상기 제1 전자방출 수단 및 상기 제2 전자방출 수단은 한 쌍을 이룰 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 방법은 전자를 구속하는 접지된 방전 챔버를 제공하는 단계; 상기 방전 챔버 내에서 전자발생 수단이 전자를 방출하는 단계; 상기 방출된 전자를 소정의 양의 전압으로 유지되는 매쉬를 통하여 가속하는 단계; 상기 가속된 전자를 방전 챔버의 중심에 배치된 소정의 양의 전압으로 유지되는 중심 전극에 충돌하지 않도록 자기장을 통하여 전자의 궤적을 바꾸는 단계;및 상기 가속된 전자가 중성 입자를 이온화하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방전 챔버는 원통 형상이고, 상기 매쉬는 원통 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 종래의 축전 결합 플라즈마 또는 유도 결합 플라즈마에 비해 극저압(1 mTorr 이하)에서 낮은 전자 온도(1 eV 이하) 및 낮은 전자 밀도(10^8 /cm^3)를 가지는 플라즈마를 생성할 수 있다. 따라서, 상기 플라즈마 발생 장치를 잉이용하여 플라즈마 공정을 진행시, 미세하고 기판에 손상이 적은 공정이 수행될 수 있다. 또한 전자 방출 수단에 인가되는 바이어스 전압, 중심 전극에 인가되는 전압 또는 외부 자기장의 세기를 조절하여, 플라즈마 변수의 제어를 수행할 수 있다. 따라서 10nm 이하의 미세 패턴 공정, 이온 및 전자에 의한 손상이 적은 증착 공정등을 수행할 수 있다.
도 1은 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 발생 장치를 설명하는 부분 사시도이다.
도 3은 도 1의 플라즈마 발생 장치를 설명하는 중심축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 단면도이다.
도 7은 도 6의 플라즈마 발생 장치의 전자의 궤적을 설명하는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 도 6의 플라즈마 발생 장치에 의하여 형성된 플라즈마가 방전 챔버(110)의 내부를 채우고 있는 경우의 전위를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 그리드를 가지는 플라즈마 발생 장치를 설명하는 단면도이다.
도 10은 도 9의 플라즈마 발생 장치에서 플라즈마가 발생되기 전의 전기장의 분포를 설명하는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
도 11은 도 9의 플라즈마 발생 장치에서 플라즈마가 생성된 후에 전자의 궤적을 설명하는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
최근, 반도체 집적도를 높이기 위해 반도체 패터닝 공정의 크기가 줄어들고 있다. 반도체 패터닝 공정의 크기가 감소함에 따라, 플라즈마에 의한 물리적 손상 및 하전(charging)에 의한 문제점이 크게 부각되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 극저온의 전자 온도를 가진 플라즈마가 요구된다. 전자 온도를 낮추기 위한 연구가 다양하게 진행되었다.
축전 결합 플라즈마 또는 유도 결합 플라즈마는 그 구조적 한계 때문에 10 mTorr 이하의 압력에서는 플라즈마를 생성하기 어렵다. 따라서, 미세 공정을 위한 낮은 공정 압력에서 동작하면서 낮은 전자 온도를 가지는 대면적 플라즈마 발생 장치가 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 텅스텐 필라멘트의 열전자 방출을 통한 저압 (10 mTorr 이하) 방전을 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 텅스텐 필라멘트의 열전자 방출을 통한 극저압 (1 mTorr 이하) 방전을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 초기 방전을 용이하게 하기 위하여 방전 챔버의 중심 영역에 중심 전극을 배치하였다. 중심 전극은 플라즈마가 발생하기 전에 전자를 상기 중심 전극 주위를 돌도록 하여 평균 자유 경로를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 평균 자유 경로 내에서 전자는 중성 입자와 충돌하여 상기 중성 입자를 여기 또는 이온화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 종래의 플라즈마 발생 장치에 비해 낮은 압력에서 낮은 전자 온도 및 낮은 전자 밀도의 플라즈마를 형성할 수 있다. 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치는 낮은 전자온도에 기인하여 손상이 적은 공정을 진행할 수 있다. 또한 열전자 방출 수단에 인가되는 바이어스 전압 및 중심 전극에 인가는되는 전압, 및 외부 자기장을 변경하여, 플라즈마 변수는 다양하게 제어될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 발생 장치를 설명하는 부분 사시도이다.
도 3은 도 1의 플라즈마 발생 장치를 설명하는 중심축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 플라즈마 발생 장치는 전기적으로 접지된 통 형상의 방전 챔버(110), 상기 방전 챔버(110) 내에 배치된 적어도 하나의 전자방출 수단(180), 및 상기 방전 챔버(110)의 중심 영역에 배치되고 양의 제1 전압(V1)이 인가된 중심 전극(120)을 포함한다.
매쉬(132)는 상기 방전 챔버(110)와 상기 전자방출 수단(180a,180b)의 내부에 배치되고, 상기 매쉬(132)는 양의 제2 전압(V2)으로 유지된다. 상기 제2 전압(V2)은 상기 제1 전압(V1)보다 높거나 낮을 수 있다. 상기 전자방출 수단(180)의 전자 방출 부위는 상기 매쉬(132)와 상기 방전 챔버(110)의 내벽 사이에 배치된다. 상기 매쉬(132)는 상기 전자방출 수단(180)으로부터 방출된 전자를 가속하고, 가속된 전자는 상기 매쉬(132)를 통과하여 상기 방전 챔버(110)의 중심 영역에 제공된다.
상기 방전 챔버(110)는 원통 형상, 사각통 형상, 또는 다각통 형상을 가질 수 있다. 상기 방전 챔버(110)는 도전성 물질로 형성되고, 접지될 수 있다. 상기 방전 챔버(110) 내부에 기판 홀더(162)가 배치될 수 있다. 상기 기판 홀더(162) 상에 기판(164)이 장착될 수 있다. 상기 기판(164)은 플렉서블 기판, 유리 기판, 또는 반도체 기판일 수 있다. 상기 방전 챔버(110)는 가스 공급부(172) 및 가스 배기부(174)를 포함할 수 있다. 상기 가스 공급부를 통하여 공급되는 가스는 식각용 가스 또는 증착용 가스일 수 있다. 증착용 가스인 경우, 플라즈마 도움 화학 기상 증착 공정을 수행할 수 있다. 상기 방전 챔버는 상판(112)을 포함할 수 있다. 상기 상판(112)은 도전성 물질로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 상판(112)의 중심에는 중심 전극(120)이 관통하여 배치될 수 있다. 상기 상판(112)과 상기 중심 전극(120)의 전기적 절연 및 진공 실링을 위하여 상기 중심 전극(120)의 주위에 절연체(122)가 배치될 수 있다. 상기 중심 전극(120)은 상기 방전 챔버(110)의 중심에 하부로 연장될 수 있다.
전자방출 수단(180a,180b)은 열전자 방출 수단, 광전자 방출 수단, 전기장 전자 방출 수단, 플라즈마 내에 있는 전자를 뽑아 쓰는 동공 음극 전자 방출(hollow cathode electron emission) 등이 있다. 열전자 방출 수단은 가열된 고체 표면에서 고체의 고유 일함수(work function)보다 큰 에너지를 갖는 전자들을 방출할 수 있다. 열전자 방출 수단에 사용되는 고체는 텅스텐(W), 탄탈늄(Ta), 니켈(Ni), 백금(Pt), 크롬(Cr), 카본(C), 세늄(Cs), 이리듐(Ir), 바륨-텅스텐(Ba-W)등일 수 있다. 전기장 전자 방출 수단은 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.
상기 전자방출 수단(180a,180b)이 열전자를 방출하는 경우, 상기 전자 방출 수단(180a,180b)은 상기 방전 챔버(110)의 내부에 노출된 필라멘트(182a,182b), 상기 필라멘트(182a,182b)와 전기적으로 연결되고 상기 방전 챔버(110)의 외부에 배치된 가열 전원(184a,184b)과 전기적으로 연결하는 연결부(188a,188b), 및 상기 필라멘트(182a,182b)에 전력을 공급하는 가열 전원(184a,184b)을 포함할 수 있다. 상기 필라멘트(182a,182b)는 텡스텐 필라멘트일 수 있다. 상기 연결부(188a,188b)는 도전성의 중심 도선과 상기 중심 도선을 전기적으로 절연하는 절연 자켓을 포함할 수 있다. 상기 연결부(188a,188b)는 진공 실링을 유지하면서, 상기 필라멘트(182a,182b)와 상기 가열 전원(184a,184b)을 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 전자방출 수단(180a,180b)은 열전자를 방출할 수 있다. 상기 가열 전원(184a,184b)은 상기 전자방출 수단(180a,180b)이 열 전자를 방출하도록 가열할 수 있다. 상기 전자방출 수단(180a)에 제1 바이어스 전압(Vb1)을 인가하기 위한 제1 바이어스 전원(186a)을 포함할 수 있다. 상기 제1 바이어스 전원(186a)은 상기 필라멘트(182a)에 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 이에 따라, 상기 필라멘트(182a)에서 방출된 열 전자는 상기 매쉬(132)의 제2 전압(V2)과 상기 제1 바이어스 전압(Vb1)의 차이에 대응하는 에너지를 얻을 수 있다.
상기 전자방출 수단(180a,180b)은 양의 제1 바이어스 전압(Vb1, 예를 들어, 2V)에서 동작하는 제1 전자방출 수단(180a), 및 양의 제2 바이어스 전압(Vb2, 예를 들어, 12V)에서 동작하는 제2 전자방출 수단(180b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 바이어스 전압(Vb1)은 상기 제2 바이어스 전압(Vb2)과 서로 다르다. 상기 제1 전자 방출 수단(180a)에서 방출된 전자는 중성 기체를 이온화시키고, 상기 제2 전자 방출 수단(180b)에서 방출된 전자는 플라즈마 포텐셜을 감소시킬 수 있다. 상기 제1 전자방출 수단(180a)과 상기 제2 전자 방출 수단(180b)은 상기 방전 챔버(110)의 중심축에 수직한 평면에서 90도 간격으로 배치될 수 있다. 상기 제1 전자 방출 수단(180a)에서 방출된 전자는 상기 제2 전압(V2)과 상기 제1 바이어스 전압(Vb1)의 차이에 해당하는 제1 이득 전압(V2-Vb1)에 대응하는 에너지를 얻는다. 또한, 상기 제2 전자 방출 수단(180b)에서 방출된 전자는 상기 제2 전압(V2)과 상기 제2 바이어스 전압(Vb2)의 차이에 해당하는 제2 이득 전압(V2-Vb1)에 대응하는 에너지를 얻는다. 상기 제1 바이어스 전압(Vb1) 및 제2 바이어스 전압(Vb2)은 직류 전압 또는 저주파의 교류 전압일 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전자 방출 수단(180a)에서 방출된 전자는 중성 기체를 이온화시키고, 상기 제2 전자 방출 수단(180b)에서 방출된 전자는 플라즈마 포텐셜을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 높은 에너지의 전자가 필요하지 않아, 이온화된 플라즈마의 전자 온도는 감소할 수 있다. 또한, 외부에서 전기장을 인가하여 방전을 수행하지 않으므로, 통상의 전기장 인가 방식의 방전 특성을 나타내는 파센 커브(Paschen curve)에 구속되지 않아, 극저압(1mTorr이하)에서 방전이 가능하다.
중심 전극(120)은 상기 방전 챔버(110)의 중심에 배치될 수 있다. 상기 중심 전극(120)은 도전성 물질로 형성되고, 상기 중심 전극(120)의 지름은 수 센티미터(cm) 이하일 수 있다. 상기 중심 전극(120)의 표면은 절연체로 코팅될 수 있다. 상기 중심 전극(120)은 양의 제1 전압(V1)으로 유지될 수 있다. 제1 전원(124)은 상기 상판(112)을 관통하여 배치된 상기 중심 전극(120)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 전원(124)의 전위는 중성 입자를 이온화하기 위하여 15 V 이상일 수 있다.
매쉬(132)는 그리드(Grid) 구조일 수 있고, 상기 매쉬(132)의 그리드 간격은 전위가 충분히 인가될 수 있도록 1 mm 이하일 수 있다. 상기 매쉬(132)는 원통 형상일 수 있고, 상기 매쉬(132)는 상기 중심 전극(132)을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 매쉬(132)는 상기 상판(112)에 고정 수단(133)에 의하여 고정될 수 있다. 또한, 연결 수단(135)은 상기 상판(112)을 관통하여 매쉬 전원(134)과 상기 매쉬(132)를 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 매쉬 전원(134)은 상기 매쉬(132)에 양의 제2 전압(V2)을 인가하고, 상기 제2 전압(V2)은 상기 제1 전압(V1)보다 높거나 낮을 수 있다. 상기 제2 전압(V2)은 14V 이상일 수 있다. 이에 따라, 상기 전자방출 수단(180a,180b)에서 방출된 전자는 상기 매쉬(132)를 통과하면서 운동 에너지를 얻을 수 있다.
코일(150)은 상기 방전 챔버(112)의 외측 주위에 배치되어 자기장(B)을 형성할 수 있다. 상기 자기장은 상기 중심 전극(120)의 축 방향으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 플라즈마가 형성되지 않은 상태에서, 상기 전자방출 수단(180a,180b)에 방출된 전자는 상기 중심 전극(120)을 향하여 직진하지 않고, 궤적을 변경할 수 있다. 이에 따라, 상기 전자는 상기 중심 전극(120)에 충돌하지 않고 상기 중심 전극(120)을 중심으로 궤도 운동을 수행할 수 있다. 즉, 상기 코일(150)에 형성된 자기장은 상기 중심 전극으로 접근하는 전자의 궤적을 변경할 수 있다. 상기 코일은 헬름홀쯔(Helmholtz) 코일일 수 있다. 상기 코일(150)은 상기 방전 챔버(110)의 중심축 방향으로 서로 이격되어 배치된 제1 코일(150a) 및 제2 코일(150b)을 포함할 수 있다. 상기 코일(150)에 의하여 형성된 자기장은 수 가우스 정도일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 1 mTorr이하의 극저압에서 방전을 수행할 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 발생 장치에 의하여 형성된 플라즈마의 전자 온도는 1 eV 이하일 수 있다. 따라서, 본 발명의 플라즈마 발생 장치는 10 nm 이하 미세 패턴의 식각 등에 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 플라즈마 발생 장치는 전기적으로 접지된 통 형상의 방전 챔버(110), 상기 방전 챔버(110) 내에 배치된 적어도 하나의 전자방출 수단(280), 및 상기 방전 챔버(110)의 중심 영역에 배치되고 양의 제1 전압(V1)이 인가된 중심 전극(120)을 포함한다.
매쉬(132)는 상기 방전 챔버(110)와 상기 전자방출 수단(180)의 내부에 배치되고, 상기 매쉬(132)는 양의 제2 전압(V2)으로 대전된다. 상기 제2 전압(V2)은 상기 제1 전압(V1)보다 높거나 낮을 수 있다. 상기 전자방출 수단(280)의 전자 방출 부위는 상기 매쉬(132)와 상기 방전 챔버(110)의 내벽 사이에 배치된다. 상기 매쉬(132)는 상기 전자방출 수단(180)으로부터 방출된 전자를 가속하고, 가속된 전자는 상기 매쉬(132)를 통과하여 상기 방전 챔버(110)의 중심 영역에 제공된다.
상기 전자방출 수단(280)은 양의 제1 바이어스 전압(Vb1, 예를 들어, 2V)에서 동작하는 제1 전자방출 수단(280a), 및 양의 제2 바이어스 전압(Vb2, 예를 들어, 12V)에서 동작하는 제2 전자방출 수단(280b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 전자방출 수단(280a)은 복수 개이고, 상기 제2 전자방출 수단(280b)은 복수 개이고, 상기 제1 전자방출 수단(280a) 및 상기 제2 전자방출 수단(280b)은 한 쌍을 이룰 수 있다. 상기 방전 챔버의 내주면을 따라 등 간격으로 상기 전자 방출 수단(280)이 배치될 수 있다. 따라서, 공간적으로 균일하고 대면적 플라즈마 형성이 가능하다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 플라즈마 발생 장치는 전기적으로 접지된 통 형상의 방전 챔버(310), 상기 방전 챔버(310) 내에 배치된 적어도 하나의 전자방출 수단(380), 및 상기 방전 챔버(310)의 중심 영역에 배치되고 양의 제1 전압(V1)이 인가된 중심 전극(320)을 포함한다.
매쉬(332)는 상기 방전 챔버(310)와 상기 전자방출 수단(380)의 내부에 배치되고, 상기 매쉬(332)는 양의 제2 전압(V2)으로 대전된다. 상기 제2 전압(V2)은 상기 제1 전압(V1)보다 높거나 낮을 수 있다. 상기 전자방출 수단(380)의 전자 방출 부위는 상기 매쉬(332)와 상기 방전 챔버(310)의 내벽 사이에 배치된다. 상기 매쉬(332)는 상기 전자방출 수단(380)으로부터 방출된 전자를 가속하고, 가속된 전자는 상기 매쉬(332)를 통과하여 상기 방전 챔버(310)의 중심 영역에 제공된다. 상기 방전 챔버는 상판(312)을 포함할 수 있다.
상기 방전 챔버(310)는 공정 챔버(303)에 연결될 수 있다. 상기 방전 챔버(310)는 공정 챔버 상판(313)에 일정한 방식으로 정렬되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 방전 챔버(310)는 상기 공정 챔버 상판(313)의 중심에 하나가 배치되고, 6개의 방전 챔버(310)는 중심에 배치된 방전 챔버(310)의 둘레에 일정한 간격을 가지고 배치될 수 있다. 상기 공정 챔버(313)의 내부에는 기판 홀더(362)가 배치될 수 있다. 상기 기판 홀더(362) 상에는 기판(364)이 배치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 단면도이다. 도 7은 도 6의 플라즈마 발생 장치의 전자의 궤적을 설명하는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 방전 챔버(110)의 내부에는 플라즈마가 발생되기 전의 상황을 설명한다. 접지된 방전 챔버(110)의 중심 영역에 배치된 중심 전극(120)은 양의 제1 전압(20V)으로 유지된다. 상기 제1 전압은 중성 입자를 이온화시키기 위한 문턱 에너지보다 크다. 플라즈마가 발생되기 전에, 전기장의 세기는 상기 중심 전극(120)의 주위에 크다. 전자방출 수단(130a, 130b)이 열전자를 방출하면, 방출된 열전자는 상기 중심 전극(120)의 주위를 돈다. 상기 중심 전극(120)은 봉 형태이고, 충분히 지름이 작다. 이에 따라, 상기 열전자의 일부는 상기 중심 전극(120)에 충돌하여 재결합하고, 나머지 일부는 상기 중심 전극(120)을 비켜서 전기장을 따라 상기 중심 전극(120)을 중심으로 소정의 궤도 운동을 한다. 상기 중심 전극(120)이 없으면, 열전자는 임의 방향으로 진행하고, 상기 열전자는 전기장으로터 에너지를 얻지 못하여 초기 방전을 수행하기 어렵다. 방출된 열전자가 상기 방전 챔버에 도달하지 않는 이유는 방출된 열전자의 초기 운동 에너지가 작기 때문이다.
도 8은 도 6의 플라즈마 발생 장치에 의하여 형성된 플라즈마가 방전 챔버(110)의 내부를 채우고 있는 경우의 전위를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 초기 방전에 성공하여, 플라즈마가 상기 방전 챔버를 채우면, 중심 전극(120)의 주위에 쉬스가 생성되고, 상기 방전 챔버(110)의 내벽에 쉬스가 생성된다. 또한, 플라즈마 내부에는 전기장이 형성되지 않는다. 전자방출 수단에서 방출된 열전자는 플라즈마 포텐셜(Vp)와 필라멘트의 바이어스 전압(Vb)의 차이인 이득 전압에 대응하는 에너지를 얻어 플라즈마 내부를 진행한다. 이렇게 가속된 열전자는 중성입자를 이온화할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 그리드를 가지는 플라즈마 발생 장치를 설명하는 단면도이다.
도 10은 도 9의 플라즈마 발생 장치에서 플라즈마가 발생되기 전의 전기장의 분포를 설명하는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 방전 챔버(110) 내부에는 플라즈마가 없는 초기 방전 상태이다. 상기 방전 챔버(110)는 접지되어 있으며, 중심 전극(120)은 양의 제1 전압(V1=20V)으로 유지된다. 매쉬(132)는 양의 제2 전압(V2=16V)으로 유지된다. 또한, 제1 전자방출 수단(180a)은 제1 바이어스 전압(Vb1=2 V)로 유지된다. 제2 전자방출 수단(180b)은 제2 바이어스 전압(Vb2=2V)로 유지된다. 플라즈마가 없는 초기 상태의 경우, 매쉬의 제2 전압 (V2)과 제1 전자 방출 수단(180ㅁa)의 제1 바이어스 전압(Vb1)의 차이인 제1 이득 전압은 방출된 전자에게 에너지를 제공한다. 이에 따라, 상기 매쉬(132)를 통과한 전자는 상기 제1 이득 전압에 대응하는 에너지를 얻는다. 상기 제1 이득 전압은 중성 입자를 이온화시키기 위한 문턱 에너지 이상일 수 있다. 따라서, 가속된 전자는 매쉬를 통과하여 중심 전극(120) 방향으로 이동하면서 중성 입자를 이온화하여 초기 방전을 수행할 수 있다. 상기 매쉬의 제2 전압(V2)과 상기 중심 전극의 제1 전압(V1)의 차이는 가속 전압이다. 상기 가속 전압이 상기 제1 이득 전압보다 큰 경우, 전자는 주로 제1 이득 전압으로부터 에너지를 얻는다. 따라서, 전기장은 상기 중심 전극 주위에 집중되지 않고, 전자는 상기 매쉬 내부에 넓게 분포하면서 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
도 11은 도 9의 플라즈마 발생 장치에서 플라즈마가 생성된 후에 전자의 궤적을 설명하는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
도 11을 참조하면, 매쉬 내부는 플라즈마로 채워져 있다. 상기 전자방출 수단(180a,180b)에서 방출된 전자는 매쉬를 통과하여 에너지를 얻고, 상기 매쉬(132) 내부로 공급된다. 플라즈마 내부에서는 전기장이 없으므로, 전기장은 주로 중심 전극 주위에 생성된 쉬스에서 발생한다. 따라서, 상기 매쉬를 통과한 가속된 전자는 플라즈마 내부를 진행하면서 중성 입자를 이온화시킨다. 또한, 상기 매쉬(132)를 통과하여 방전 챔버(110)에 입사하는 전자는 에너지 장벽에 의하여 상기 매쉬(132)로 되돌아간다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
110: 방전 챔버
180: 전자방출 수단
120: 중심 전극
132: 매쉬
182a: 필라멘트
184a: 가열 전원
186a: 바이어스 전원

Claims (9)

  1. 전기적으로 접지된 통 형상의 방전 챔버;
    상기 방전 챔버 내에 배치된 적어도 하나의 전자방출 수단; 및
    상기 방전 챔버의 중심 영역에 배치되고 양의 제1 전압이 인가된 중심 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 방전 챔버의 내부에 배치되는 매쉬를 더 포함하고,
    상기 매쉬는 양의 제2 전압으로 대전되고,
    상기 제2 전압은 상기 제1 전압보다 높거나 낮고,
    상기 전자방출 수단은 상기 매쉬와 상기 방전 챔버 사이에 배치되고,
    상기 매쉬는 상기 전자방출 수단으로부터 방출된 전자를 가속하고, 가속된 전자는 상기 매쉬를 통과하여 상기 방전 챔버의 중심 영역에 제공되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 전자방출 수단은 열전자를 방출하고,
    상기 전자방출 수단이 전자를 방출하도록 가열하는 가열 전원; 및
    상기 전자방출 수단에 제1 바이어스 전압을 인가하기 위한 제1 바이어스 전원; 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 전자방출 수단은:
    양의 제1 바이어스 전압에서 동작하는 제1 전자방출 수단; 및
    양의 제2 바이어스 전압에서 동작하는 제2 전자방출 수단을 포함하고,
    상기 제1 바이어스 전압은 상기 제2 바이어스 전압과 서로 다르고,
    상기 제1 전자 방출 수단에서 방출된 전자는 중성 기체를 이온화시키고,
    상기 제2 전자 방출 수단에서 방출된 전자는 플르즈마 포텐셩를 낮추는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 방전 챔버의 주위에 배치되어 자기장을 형성하는 코일을 더 포함하고,
    상기 코일에 형성된 자기장은 상기 중심 전극으로 접근하는 전자의 궤적을 변경하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 방전 챔버는 원통형이고,
    상기 매쉬는 원통형인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 전자방출 수단은 복수 개이고, 상기 제2 전자방출 수단은 복수개이고, 상기 제1 전자방출 수단 및 상기 제2 전자방출 수단은 한 쌍을 이루는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  8. 전자를 구속하는 접지된 방전 챔버를 제공하는 단계;
    상기 방전 챔버 내에서 전자발생 수단이 전자를 방출하는 단계;
    상기 방출된 전자를 소정의 양의 전압으로 유지되는 매쉬를 통하여 가속하는 단계;
    상기 가속된 전자를 방전 챔버의 중심에 배치된 소정의 양의 전압으로 유지되는 중심 전극에 충돌하지 않도록 자기장을 통하여 전자의 궤적을 바꾸는 단계;및
    상기 가속된 전자가 중성 입자를 이온화하는 단계를 포함하는 플라즈마 발생 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 방전 챔버는 원통 형상이고,
    상기 매쉬는 원통 형상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 방법.
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