KR20160049635A - 점화 및 플라즈마 유지를 위한 일차 권선을 갖는 변압기 결합 플라즈마 발생기 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 변압기 결합 플라즈마 발생기는 플라즈마 방전 채널을 형성하는 챔버 바디를 갖는 플라즈마 챔버, 챔버 바디에 결합된 마그네틱 코어와 일차 권선 코일을 갖는 변압기, 일차 권선 코일로 플라즈마 발생 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원을 포함한다. 일차 권선 코일은 상기 플라즈마 방전 채널과 용량성 결합을 형성하기 위한 용량성 결합면을 갖는다. 본 발명의 플라즈마 발생기는 플라즈마 방전 채널 내에서 변압기 결합된 플라즈마와 더불어 용량성 결합된 플라즈마가 복합적으로 발생될 수 있음으로 넓은 범위의 기압 조건에서 안정적으로 플라즈마를 점화 및 유지할 수 있다.
Description
본 발명은 플라즈마 방전에 의하여 이온, 자유 래디컬, 원자 및 분자를 포함하는 활성 가스를 발생 시키고 그 활성 가스로 고체, 분말, 가스 등에 대한 플라즈마 처리를 하기 위한 플라즈마 발생기에 관한 것으로, 구체적으로는 공정 챔버의 외부에서 원격으로 플라즈마 발생하여 공정 챔버로 활성 가스를 공급하는 변압기 결합 플라즈마 발생기(a transformer coupled plasma)에 관한 것이다.
플라즈마 방전은 이온, 자유 래디컬, 원자, 분자를 포함하는 활성 가스를 발생하기 위한 가스 여기에 사용되고 있다. 활성 가스는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며 대표적으로 반도체 제조 공정 예들 들어, 식각, 증착, 세정, 에싱 등 다양하게 사용되고 있다.
최근, 반도체 장치의 제조를 위한 웨이퍼나 LCD 글라스 기판은 더욱 대형화 되어 가고 있다. 그럼으로 플라즈마 이온 에너지에 대한 제어 능력이 높고, 대면적의 처리 능력을 갖는 확장성이 용이한 플라즈마 소스가 요구되고 있다. 플라즈마를 이용한 반도체 제조 공정에서 원격 플라즈마의 사용은 매우 유용한 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 공정 챔버의 세정이나 포토레지스트 스트립을 위한 에싱 공정에서 유용하게 사용되고 있다. 그런데 피처리 기판의 대형화에 따라 공정 챔버의 볼륨도 증가되고 있어서 고밀도의 활성 가스를 충분히 원격으로 공급할 수 있는 플라즈마 소스가 요구되고 있다.
원격 플라즈마 발생기(remote plasma generator)는 플라즈마 발생 방식에 따라 다양한 플라즈마 소스가 사용되고 있다. 예를 들어, 유도 결합 플라즈마 소스(inductively coupled plasma source), 용량 결합 플라즈마 소스(capacitively coupled plasma source), 마이크로웨이브 플라즈마 소스(microwave plasma source) 등이 원격 플라즈마 발생기에 사용되고 있다. 유도 결합 플라즈마 소스의 경우 특히 변압기를 채용한 방식을 변압기 결합 플라즈마 소스(transformer coupled plasma)라 한다. 변압기 결합 플라즈마 소스(transformer coupled plasma source)를 사용한 원격 플라즈마 발생기는 토로이달 구조의 챔버 몸체에 일차 권선 코일을 갖는 마그네틱 코어가 장착된 구조를 갖는다.
원격 플라즈마 발생기에서 초기 점화 성능과 유지 성능은 매우 중요한 요소이다. 초기 점화를 안정적으로 이룰 수 있고, 플라즈마 점화 이후에도 플라즈마 방전을 안정적으로 유지할 수 있도록 하기 위하여 연구 개발 노력이 지속적으로 이루어지고 있다. 그러나 다양한 공정 조건 예를 들어 가스 유량, 가스 유속, 공정 가스의 종류, 및 플라즈마 발생 용량 등의 다양한 조건에서 높은 초기 점화 능력과 안정적인 플라즈마 방전 유지 능력을 갖는 원격 플라즈마 발생기가 제공되고 있지 못한 실정이다.
본 발명의 목적은 변압기의 일차 권선을 플라즈마 방전 채널에 용량적으로도 결합 할 수 있도록 구조를 개선하여 플라즈마 점화 및 유지 성능을 향상 시킬 수 있는 변압기 결합 플라즈마 발생기를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 변압기 결합 플라즈마 발생기는: 플라즈마 방전 채널을 형성하는 챔버 바디를 갖는 플라즈마 챔버; 상기 챔버 바디에 결합된 마그네틱 코어와 일차 권선 코일을 갖는 변압기; 및 상기 일차 권선 코일로 플라즈마 발생 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원을 포함하고, 상기 일차 권선 코일은 상기 플라즈마 방전 채널과 용량성 결합을 형성하기 위한 용량성 결합면을 갖는다.
일 실시예에 있어서, 상기 일차 권선 코일은 용량성 결합면을 제공하는 밴드 형상 구간을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 일차 권선 코일의 밴드 형상 구간은 상기 플라즈마 방전 채널을 쇄교하도록상기 챔버 바디에 한 번 이상 권취된다.
일 실시예에 있어서, 상기 일차 권선 코일은 용량성 결합면의 면적 비율이 서로 다른 밴드 형상 구간을 갖다.
일 실시예에 있어서, 상기 일차 권선 코일은 상기 플라즈마 방전 채널의 일부분을 감싸도록 확장된 용량성 결합면을 제공하는 확장된 밴드 형상 구간을 포함한다.
일 실시예에에 있어서, 상기 플라즈마 방전 채널은 환형 구조를 갖는다.
일 실시예에 있어서, 상기 챔버 바디는 절연 갭을 포함한다.
본 발명의 변압기 결합 플라즈마 발생기는 변압기의 일차 권선에 용량성 결합면을 갖도록 구조화된다. 그럼으로 변압기의 일차 권선이 변압기의 일차 권선으로서 기능할 뿐만 아니라 플라즈마 방전 채널에 용량적으로 결합되는 용량 결합 전극으로서의 기능도 수행한다. 그럼으로 변압기 결합 플라즈마 발생기는 플라즈마 초기 점화 성능과 플라즈마 유지 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변압기 결합 플라즈마 발생기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 일차 권선 코일의 구조를 보여주는 도면이다.
도 3은 일차 권선 코일의 장착 구조를 보여주기 위한 플라즈마 챔버의 부분 사시도이다.
도 4는 일차 권선 코일이 플라즈마 방전 채널과 용량적으로 결합된 것을 설명하기 위한 챔버 바디의 부분 단면도이다.
도 5 및 도 6은 일차 권선 코일의 변형 예들을 보여주기 위한 챔버 바디의 부분 사시도이다.
도 2는 일차 권선 코일의 구조를 보여주는 도면이다.
도 3은 일차 권선 코일의 장착 구조를 보여주기 위한 플라즈마 챔버의 부분 사시도이다.
도 4는 일차 권선 코일이 플라즈마 방전 채널과 용량적으로 결합된 것을 설명하기 위한 챔버 바디의 부분 단면도이다.
도 5 및 도 6은 일차 권선 코일의 변형 예들을 보여주기 위한 챔버 바디의 부분 사시도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변압기 결합 플라즈마 발생기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변압기 결합 플라즈마 발생기(a transformer coupled plasma)(10)(이하, '플라즈마 발생기'로 약칭함)는 변압기(40)가 결합된 플라즈마 챔버(20)와 변압기(40)로 플라즈마 발생을 위한 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원(AC switching power supply)(30)을 구비한다. 플라즈마 챔버(20)는 가스 입구(24)와 가스 출구(26)가 구성되며 플라즈마 방전 채널(21)을 형성하는 중공의 챔버 바디(22)를 구비한다. 챔버 바디(22)는 환형 구조를 갖고 다수개의 마그네틱 코어(42)가 결합되어 있다. 마그네틱 코어(42)에는 일차 권선 코일(44)이 다수회 권선되어 있다. 일차 권선 코일(44)은 교류 스위칭 전원(30)으로부터 교류 전력을 공급받아 구동된다.
플라즈마 챔버(20)는 환형의 방전 채널(21)을 형성하는 플라즈마 챔버 바디(22)를 갖는다. 플라즈마 챔버 바디(22)는 전도체 물질로 구성되는 경우 하나 이상의 절연 갭(50)을 포함한다. 예를 들어, 네 개의 중공형 방전 튜브가 환형 구조로 결합되는 경우 네 개의 절연 갭(50)이 구비될 수 있다. 플라즈마 챔버 바디(22)가 비전도체 물질로 구성되는 경우에는 절연 갭(50)을 구비하지 않는다.
교류 스위칭 전원(30)으로부터 일차 권선 코일(44)로 교류 전력이 공급되면 변압기(40)가 구동되면서 플라즈마 방전 채널(21)로 공급된 가스에 유도 기전력이 전달되어 플라즈마가 발생된다. 이때, 플라즈마 방전 채널(21) 내에 발생된 플라즈마는 변압기(40)의 이차측을 형성한다.
도 2는 일차 권선 코일의 구조를 보여주는 도면이고, 도 3은 일차 권선 코일의 장착 구조를 보여주기 위한 플라즈마 챔버의 부분 사시도이다. 그리고 도 4는 일차 권선 코일이 플라즈마 방전 채널과 용량적으로 결합된 것을 설명하기 위한 챔버 바디의 부분 단면도이다.
도 2 내지 도 3을 참조하여, 일차 권선 코일(44)은 플라즈마 방전 채널(21)과 용량성 결합을 형성하기 위한 용량성 결합면을 갖는다. 일차 권선 코일(44)은 용량성 결합면을 형성하기 위한 밴드 형상 구간(44a)과 일반적인 와이어 형상 구간(44b)으로 이루어진다. 일차 권선 코일(44)은 밴드 형상 구간(44a)이 챔버 바디(22)에 대면하도록 마그네틱 코어(42)에 권선 된다. 일차 권선 코일(44)의 밴드 형상 구간(44a)의 양단에 연결되는 와이어 형상 구간(44b)은 교류 스위칭 전원(30)으로 전기적으로 연결된다. 환형의 챔버 바디(22)에 대칭되도록 양편으로 마그네틱 코어(42)에 장착되는 경우(도 1 참조) 양측의 마그네틱 코어(42)에 공통으로 권선되도록 일차 권선 코일(44)이 장착된다. 이때 일차 권선 코일(44)의 밴드 형상 구간(44a)은 플라즈마 방전 채널(21)을 따라서 챔버 바디(22)에 근접되게 된다.
도 4를 참조하여, 일차 권선 코일(44)의 밴드 형상 구간(44a)에 의해서 형성되는 용량성 결합면은 플라즈마 방전 채널(21)에 형성되는 플라즈마(27)와 전기적으로 용량성 결합이 이루어진다. 플라즈마 방전 채널(21)에서 플라즈마 점화시에 유도성 결합 방전과 더불어 이러한 일차 권선 코일(44)의 밴드 형상 구간(44a)에 의한 용량성 결합에 의한 용량성 결합 방전이 이루어짐으로 초기 점화 성능이 향상된다. 또한 이러한 용량성 결합 방전은 플라즈마 점화 이후에도 플라즈마 방전 채널 내에서 플라즈마가 꺼지지 않고 안정적으로 유지되도록 조력한다. 이와 같이, 일차 권선 코일(44)은 변압기(40)의 일차측 권선 코일로서 기능하면서 동시에 플라즈마 방전 채널(21)에 대한 실질적인 용량성 결합 전극으로서 기능하는 복합 기능을 갖는다. 일차 권선 코일(44)의 밴드 형상 구간(44a)은 동판과 같은 재질의 도전층(45)과 그 외주면은 절연층(45)으로 구성될 수 있다.
도 5 및 도 6은 일차 권선 코일의 변형 예들을 보여주기 위한 챔버 바디의 부분 사시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 일 변형예로서 일차 권선 코일(44)은 밴드 형상 구간(44a)이 플라즈마 방전 채널(21)을 쇄교하도록 챔버 바디(22)에 한 번 이상 권취되도록 할 수 있다. 이러한 경우 용량성 결합면이 증가되는 효과와 더불어 변압기(40)에 의한 유도성 결합과 다른 또 다른게 플라즈마 방전 채널(21)과 유도성 결합이 이루어짐으로서 플라즈마 방전 채널(21)에서의 플라즈마 점화 및 유지 성능을 향상 시킬 수 있다.
또는 도 6에 도시된 바와 같이, 일차 권선 코일(44)의 밴드 형상 구간(44a)에 있어서 특정 구간에 대하여 용량성 결합면의 면적 비율이 서로 다르게 할 수 있다. 예를 들어, 일차 권선 코일(44)이 플라즈마 방전 채널(21)의 일부분을 감싸도록 확장된 용량성 결합면을 제공하는 확장된 밴드 형상 구간(44c)을 갖도록 할 수도 있다. 이러한 경우에도 역시 용량성 결합면이 증가되는 효과가 이루어짐으로서 플라즈마 방전 채널(21)에서의 플라즈마 점화 및 유지 성능을 향상 시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 플라즈마 발생기(10)는 플라즈마 방전 채널(21) 내에서 변압기 결합된 플라즈마와 더불어 용량성 결합된 플라즈마가 복합적으로 발생될 수 있음으로 1 torr 이하의 저기압에서부터 10 torr 이상의 고기압에 이르기 까지 넓은 범위의 기압 조건에서 안정적으로 플라즈마를 점화 및 유지할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 점화 및 플라즈마 유지를 위한 일차 권선을 갖는 변압기 결합 플라즈마 발생기의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10: 플라즈마 발생기
20: 플라즈마 챔버
21: 플라즈마 방전 채널 22: 챔버 바디
24: 가스 입구 26: 가스 출구
27: 플라즈마 30: 교류 스위칭 전원
40: 변압기 42: 마그네틱 코어
44: 일차 권선 코일 44a: 밴드 형상 구간
44b: 와이어 형상 구간 44c: 확장된 밴드 형상 구간
45: 도전층 46: 절연층
50: 절연 갭
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44: 일차 권선 코일 44a: 밴드 형상 구간
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45: 도전층 46: 절연층
50: 절연 갭
Claims (7)
- 플라즈마 방전 채널을 형성하는 중공의 챔버 바디를 갖는 플라즈마 챔버;
상기 챔버 바디에 결합된 마그네틱 코어와 일차 권선 코일을 갖는 변압기; 및
상기 일차 권선 코일로 플라즈마 발생 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원을 포함하고,
상기 일차 권선 코일은 상기 플라즈마 방전 채널과 용량성 결합을 형성하기 위한 용량성 결합면을 갖는 것을 특징으로 하는 변압기 결합 플라즈마 발생기. - 제1항에 있어서,
상기 일차 권선 코일은 용량성 결합면을 제공하는 밴드 형상 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기 결합 플라즈마 발생기. - 제2항에 있어서,
상기 일차 권선 코일의 밴드 형상 구간은 상기 플라즈마 방전 채널을 쇄교하도록상기 챔버 바디에 한 번 이상 권취된 것을 특징으로 하는 변압기 결합 플라즈마 발생기. - 제2항에 있어서,
상기 일차 권선 코일은 용량성 결합면의 면적 비율이 서로 다른 밴드 형상 구간을 갖는 특징으로 하는 변압기 결합 플라즈마 발생기. - 제2항에 있어서,
상기 일차 권선 코일은 상기 플라즈마 방전 채널의 일부분을 감싸도록 확장된 용량성 결합면을 제공하는 확장된 밴드 형상 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기 결합 플라즈마 발생기. - 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 방전 채널은 환형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 변압기 결합 플라즈마 발생기. - 제6항에 있어서,
상기 챔버 바디는 절연 갭을 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기 결합 플라즈마 발생기.
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| WO2021256604A1 (ko) * | 2020-06-16 | 2021-12-23 | 주식회사 뉴파워 프라즈마 | 플라즈마 반응 장치 |
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