KR20170110001A - 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치 - Google Patents

균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치 Download PDF

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KR20170110001A
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이호준
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 플라즈마 발생 장치에서 마이크로웨이브 전력전달 면적을 조절할 수 있도록 하여 플라즈마 균일도를 향상시킨 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치에 관한 것으로, 마이크로웨이브 PECVD 장치의 챔버 내부에 삽입되는 쿼츠 튜브;상기 쿼츠 튜브의 내부 중심을 지나는 안테나;상기 쿼츠 튜브 내부의 일정 영역에 구성되어 마이크로웨이브 전력전달 면적을 조절하는 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체;를 포함하고, 안테나를 통하여 전력이 공급되면 상기 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체에 의해 플라즈마 발생 면적이 조절되어 쿼츠 튜브의 표면에 플라즈마가 발생하는 것이다.

Description

균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치{Linear Microwave Plasma Device for Generating Uniform Plasma}
본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 구체적으로 마이크로웨이브 PECVD 장비내 마이크로웨이브 전력전달 면적을 조절하여 효율적으로 마이크로웨이브 전력을 이용하여 플라즈마 균일도를 향상시킨 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치에 관한 것이다.
반도체 및 디스플레이 제조 공정에 사용되는 플라즈마 발생 소스는 일반적으로 ICP (Iductively Coupled Plasma), CCP (Capacitively Coupled Plasma)로 대별된다.
피처리 기판의 대면적화 추세에 따라 플라즈마 장비가 대형화되고, ICP 및 CCP의 경우 안테나의 길이 및 전극의 크기가 커짐에 따라 정상파 효과(Standing Wave Effect)에 의하여 불균일한 플라즈마가 발생할 수 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 ICP의 경우 나선형 안테나를 사용하는 대신에 선형 안테나를 이용하여 대면적 장비에 적용하고 있다.
하지만, 안테나의 위치에 따라 용량성 결합(Capacitive Coupling)이 달라지는 문제가 발생하고, 이를 해결하기 위한 수단으로써 각 위치에 두께가 다른 절연 물질을 부착함으로써 용량성 결합을 맞추어 플라즈마의균일도를 향상시키고 있다.
CCP의 경우도 유사하게 전극의 위치에 두께가 다른 절연물을 부착하여 플라즈마에 인가되는 전기장의 세기를 보상하는 방법으로 균일도를 향상한다.
그리고 저온기체 상태에서, 수십 mTorr에서 상압에 이르기 까지 공정 처리가 가능한 플라즈마 화학증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition;PECVD)법이 많이 사용되고 있는데, 이 방법은 전자 에너지를 활성 에너지로 사용하는 방법으로 공급되는 전력을 이용하여 기체를 이온화시켜 전자, 이온 및 활성 물질로 구성되는 글로우 방전을 형성하며, 이들은 기질 표면에서 반응을 일으킨 후 박막 표면에 증착된다.
이와 같은 PECVD 증착 장비에서는 균일한 밀도의 플라즈마를 생성하는 것과 마찬가지로, 피처리물의 특성에 맞게 플라즈마의 생성 조건에 따라 다른 밀도의 플라즈마를 생성하는 것 또한 중요하다.
따라서, 균일한 밀도의 플라즈마 생성 및 플라즈마 생성 밀도의 효과적인 제어를 위한 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0125121호 대한민국 공개특허 제10-2011-0020702호
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 플라즈마 발생 장치의 문제를 해결하기 위한 것으로, 마이크로웨이브 PECVD 장비내 마이크로웨이브 전력전달 면적을 조절하여 효율적으로 마이크로웨이브 전력을 이용하고 플라즈마 균일도를 향상시킨 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 쿼츠 튜브에 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체를 구비하여 플라즈마 균일도를 향상시킨 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치를 제공하는데 그 목적이 있다
본 발명은 쿼츠 튜브에 전도성이 우수한 금속 재질의 안테나 가이드를 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 삽입하고 안테나 가이드 면적을 조절하여 마이크로웨이브 전력전달 면적을 효과적으로 조절할 수 있도록 한 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 쿼츠 튜브에 전도성이 우수한 금속 재질의 안테나 가이드를 삽입하고 안테나 가이드로 가려진 쿼츠 튜브 표면에는 마이크로웨이브 전력이 플라즈마로 전달되지 않으며 안테나 가이드가 없는 쿼츠 튜브 표면에는 플라즈마가 용이하게 발생되도록 한 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 플라즈마 쿼츠 튜브에 일정 간격으로 복수 개의 컨덕터(conductor)들을 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 형성하여 마이크로웨이브 전력전달 면적을 효과적으로 조절할 수 있도록 한 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 플라즈마 발생면적을 줄여 마이크로파가 입사되는 전단부 영역부터 플라즈마에 흡수되는 전력을 줄임으로써 같은 전력을 투입하더라도 쿼츠 튜브를 따라 플라즈마를 길게 발생시켜 플라즈마 균일도를 높일 수 있도록 한 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 쿼츠 튜브 전체에 발생되는 플라즈마를 기판 쪽으로 향한 쿼츠 튜브 표면에만 발생시켜 낮은 파워와 높은 압력에서도 쿼츠 튜브를 따라 플라즈마를길게 생성시킬 수 있고, 기판에 입사하는 이온에너지를 낮게 하여 기판에 증착되는 막의 손상 정도를 낮출 수 있도록 한 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치는 마이크로웨이브 PECVD 장치의 챔버 내부에 삽입되는 쿼츠 튜브;상기 쿼츠 튜브의 내부 중심을 지나는 안테나;상기 쿼츠 튜브 내부의 일정 영역에 구성되어 마이크로웨이브 전력전달 면적을 조절하는 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체;를 포함하고, 안테나를 통하여 전력이 공급되면 상기 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체에 의해 플라즈마 발생 면적이 조절되어 쿼츠 튜브의 표면에 플라즈마가 발생하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체는, 금속 재질로 이루어져 상기 쿼츠 튜브 내부의 일정 영역에 구성되어 마이크로웨이브 전력전달 면적을 조절하는 안테나 가이드인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 안테나 가이드가 설치되는 영역의 쿼츠 튜브 표면에는 마이크로웨이브 전력이 전달되지 않고, 안테나 가이드가 없는 쿼츠 튜브 표면에만 플라즈마가 발생하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체는, 상기 쿼츠 튜브에 일정 간격으로 이격되어 복수 개 형성되는 컨덕터(conductor)들인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 컨덕터들이 설치되는 영역의 쿼츠 튜브 표면에는 마이크로웨이브 전력전달이 일어나지 않고, 컨덕터들이 없는 쿼츠 튜브 표면에만 마이크로웨이브 전력전달이 일어나 플라즈마가 용이하게 발생하는 것을 특징으로 한다.
그리고 플라즈마를 생성시키기 위해 캐리어 가스가 공급되는 가스 튜브(gas tube)가 쿼츠 튜브를 향해 설치되고, 기판에 가스종들의 리액션(reaction) 반응을 통한 증착이 이루어지게 하기 위해 프로세싱(processing) 가스가 들어가는 가스 튜브(gas tube)가 기판(substrate) 쪽으로 향하여 설치되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체를 포함하는 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치를 병렬로 복수개 설치하여 플라즈마 발생 면적을 넓히는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치는 마이크로웨이브 PECVD 장치의 챔버 내부에 삽입되는 쿼츠 튜브;상기 쿼츠 튜브의 내부 중심을 지나는 안테나;금속 재질로 이루어져 상기 쿼츠 튜브 내부의 일정 영역에 구성되어 마이크로웨이브 전력전달 면적을 조절하는 안테나 가이드;를 포함하고, 안테나를 통하여 전력이 공급되면 상기 안테나 가이드에 의해 플라즈마 발생 면적이 조절되어 쿼츠 튜브의 표면에 플라즈마가 발생하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 안테나 가이드는, 상기 쿼츠 튜브의 내부 전체 영역에서 안테나 가이드가 설치되는 영역과 설치되지 않는 영역이 쿼츠 튜브의 어느 하나의 단면에서 같이 존재하는 것을 특징으로 한다.
그리고 안테나 가이드가 설치되는 영역의 쿼츠 튜브 표면에는 마이크로웨이브에서 플라즈마로의 전력전달이 일어나지 않고, 안테나 가이드가 없는 쿼츠 튜브 표면에는 마이크로웨이브에서 플라즈마로의 전력전달이 되어 플라즈마가 용이하게 발생하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치는 마이크로웨이브 PECVD 장치의 챔버 내부에 삽입되는 쿼츠 튜브;상기 쿼츠 튜브의 내부 중심을 지나는 안테나;상기 쿼츠 튜브에 일정 간격으로 이격되어 복수 개 형성되는 컨덕터(conductor)들;을 포함하고, 안테나를 통하여 전력이 공급되면 상기 컨덕터들에 의해 플라즈마 발생 면적이 조절되어 쿼츠 튜브의 표면에 플라즈마가 발생하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 컨덕터들이 설치되는 영역의 쿼츠 튜브 표면에는 마이크로웨이브 전력전달이 일어나지 않고, 컨덕터들이 없는 쿼츠 튜브 표면에만 마이크로웨이브 전력전달이 일어나 플라즈마가 용이하게 발생하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 마이크로웨이브 PECVD 장비내 플라즈마로의 전력전달 면적을 조절하여 효율적으로 마이크로웨이브 전력을 이용하여 플라즈마 균일도를 향상시킬 수 있다.
둘째, 쿼츠 튜브에 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체를 구비하여 플라즈마 발생 면적을 조절할 수 있도록 하여 플라즈마 균일도를 향상시킨다.
셋째, 쿼츠 튜브에 전도성이 우수한 금속 재질의 안테나 가이드를 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 삽입하고 안테나 가이드 면적을 조절하여 마이크로웨이브 전력전달 면적을 효과적으로 조절할 수 있다.
넷째, 쿼츠 튜브에 일정 간격으로 복수 개의 컨덕터(conductor)들을 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 형성하여 플라즈마 발생 면적을 효과적으로 조절할 수 있다.
다섯째, 쿼츠 튜브에 전도성이 우수한 금속 재질의 안테나 가이드를 삽입하고 안테나 가이드로 가려진 쿼츠 튜브 표면에는 마이크로웨이브에서 플라즈마로의 전력전달이 일어나지 않고, 안테나 가이드가 없는 쿼츠 튜브 표면에는 마이크로웨이브에서 플라즈마로의 전력전달이 되어 플라즈마가 용이하게 발생되도록 하여 플라즈마 발생 영역을 제어할 수 있다.
여섯째, 플라즈마 발생면적을 줄여 마이크로파가 입사되는 전단부 영역부터 플라즈마에 흡수되는 전력을 줄임으로써 같은 전력을 투입하더라도 쿼츠 튜브를 따라 플라즈마를 길게 발생시켜 플라즈마 균일도를 높일 수 있다.
일곱째, 쿼츠 튜브 전체에 발생되는 플라즈마를 기판 쪽으로 향한 쿼츠 튜브 표면에만 발생시켜 낮은 파워와 높은 압력에서도 쿼츠 튜브를 따라 플라즈마를 길게 생성시킬 수 있고, 기판에 입사하는 이온에너지를 낮게 하여 기판에 증착되는 막의 손상 정도를 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 전체 구성도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 상세 구성도
도 3은 본 발명에 따른 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 사진
도 4는 본 발명에 따른 안테나 가이드를 이용한 마이크로웨이브 전력전달 면적 조절 방법을 나타낸 구성도
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 상세 구성도
도 6은 일반 선형 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치와 본 발명의 실시 예들에 따른 일반 선형 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치의 시뮬레이션 조건을 비교 설명하기 위한 도면
도 7 및 도 8은 도 6의 시뮬레이션 조건에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면들
이하, 본 발명에 따른 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명이 적용되는 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 전체 구성도이다.
본 발명은 마이크로웨이브 PECVD 장비내 마이크로웨이브 전력전달 면적을 조절하여 효율적으로 마이크로웨이브 전력을 이용함으로써 플라즈마 균일도를 향상시키는 것이다.
이를 위하여 본 발명에 따른 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치는 쿼츠 튜브에 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체를 구비하여 플라즈마 발생 면적을 조절할 수 있도록 하여 플라즈마 균일도를 향상시킨다.
본 발명의 일 실시 예로 쿼츠 튜브에 전도성이 우수한 금속 재질의 안테나 가이드를 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 삽입하고 안테나 가이드 면적을 조절하여 플라즈마 발생 면적을 효과적으로 조절할 수 있도록 하는 구성을 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예로 쿼츠 튜브에 일정 간격으로 복수 개의 컨덕터(conductor)들을 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 형성하여 플라즈마 발생 면적을 효과적으로 조절할 수 있도록 하는 구성을 포함한다.
이를 위한 본 발명에 따른 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치는 도 1에서와 같이, 챔버 내부에 쿼츠 튜브(Quartz Tube)(10)가 삽입되어 있고 안테나(20)를 통하여 수 GHz의 초고주파 전력이 투입되어 쿼츠 튜브(10) 표면에서 플라즈마가 발생된다.
선형 마이크로웨이브 플라즈마 발생장치는 마이크로웨이브 발생기(microwave generator)로부터 발생된 웨이브(wave)가 도파관을 따라 TE10 모드로 진행하여 챔버 중앙으로 삽입된 안테나(copper rod)에 전달되면 안테나를 따라 이동하며 챔버 내로 파워를 전달하여 플라즈마를 생성시킨다.
이때, 플라즈마로의 웨이브(wave) 파워 흡수가 일어남으로써 쿼츠튜브의 길이 방향으로 직선적으로 플라즈마가 생성되어 선형 마이크로웨이브 플라즈마라 한다.
구체적으로 2.45GHz의 전자파를 WR340 규격의 직사각형 금속 도파관에 입사시켜서 도파관 끝단 지점의 구리봉 안테나 쪽이 전력이 투입되어 구리봉 안테나를 감싸고 있는 쿼츠 튜브 표면에서 플라즈마가 발생된다.
이때 발생되는 플라즈마 주파수는 초고주파 주파수 2.45GHz보다 높기 때문에 플라즈마가 유지하기 위해서 유전체 표면과 플라즈마 경계에서 높은 밀도의 플라즈마가 생성 된다(surface wave plasma).
플라즈마를 생성시키기 위해 캐리어 가스가 공급되는 가스 튜브(gas tube)가 쿼츠 튜브를 향해 설치되어 있으며, 기판에 가스종들의 리액션(reaction) 반응을 통한 증착이 이루어지게 하기 위해 프로세싱(processing) 가스가 들어가는 가스 튜브(gas tube)가 기판(substrate) 쪽으로 향하여 설치되어 있다.
프로세싱 가스 종류가 많거나 챔버내 압력이 높을 경우 전자-중성입자와 충돌 주파수의 상승으로 인해 전력이 투입되는 쪽의 전력 손실이 크게 되고, 쿼츠 튜브를 따라 투입되는 전력이 감소되어 끝단까지 플라즈마가 길게 퍼지지 못하여 플라즈마 균일도가 떨어진다.
따라서, 본 발명은 쿼츠 튜브에 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체를 삽입하여 쿼츠 튜브 전체에 발생되는 플라즈마를 기판 쪽으로 향한 쿼츠 튜브표면에만 플라즈마를 발생시켜 낮은 파워와 높은 압력에서도 쿼츠 튜브를 따라 플라즈마를 길게 생성시킬 수 있고, 기판에 입사하는 이온에너지를 낮게 하여 기판에 증착되는 막의 손상 정도를 낮출 수가 있도록 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치는 쿼츠 튜브에 전도성이 우수한 금속 재질의 안테나 가이드를 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 삽입하여, 안테나 가이드로 가려진 쿼츠 튜브 표면에는 마이크로웨이브에서 플라즈마로의 전력전달이 일어나지 않고, 안테나 가이드가 없는 쿼츠 튜브 표면에는 마이크로웨이브에서 플라즈마로의 전력전달이 되어 플라즈마가 용이하게 발생되도록 하는 것이다.
또한, 쿼츠 튜브 전체에 발생되는 플라즈마를 기판 쪽으로 향한 쿼츠 튜브 표면에만 발생시켜 낮은 파워와 높은 압력에서도 쿼츠 튜브를 따라 플라즈마를 길게 생성시킬 수 있고, 기판에 입사하는 이온에너지를 낮게 하여 기판에 증착되는 막의 손상 정도를 낮출 수 있도록 한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 상세 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 사진이다.
그리고 도 4는 본 발명에 따른 안테나 가이드를 이용한 마이크로웨이브 전력전달 면적 조절 방법을 나타낸 구성도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치는 안테나를 통하여 전력이 공급되면 표면에 플라즈마를 발생시키는 쿼츠 튜브(10)와, 상기 쿼츠 튜브(10)의 내부 중심을 지나는 안테나(20)와, 금속 재질로 이루어져 상기 쿼츠 튜브(10) 내부의 일정 영역에 구성되어 마이크로웨이브 전력전달 면적을 조절하는 안테나 가이드(21)를 포함하고, 안테나(20)를 통하여 전력이 공급되면 쿼츠 튜브(10)의 표면에 플라즈마가 발생하는 것이다.
여기서, 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 사용되는 상기 안테나 가이드(21)는 상기 쿼츠 튜브(10)의 내부 전체 영역에서 안테나 가이드가 설치되는 영역과 설치되지 않는 영역이 쿼츠 튜브(10)의 어느 하나의 단면에서 같이 존재하는 구조이다.
도 2의 (a)는 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 사용되는 상기 안테나 가이드가 없는 구조이고, (b)는 쿼츠 튜브(10) 내부에 180°영역을 제외하고 안테나 가이드가 형성되는 구조이고, (c)는 쿼츠 튜브(10) 내부에 120°영역을 제외하고 안테나 가이드가 형성되는 구조이다.
도 3의 (a)는 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 사용되는 상기 안테나 가이드가 없는 구조이고, (b)는 쿼츠 튜브(10) 내부에 180°영역을 제외하고 안테나 가이드가 형성되는 구조이고, (c)는 쿼츠 튜브(10) 내부에 120°영역을 제외하고 안테나 가이드가 형성되는 구조의 사진이다.
이와 같이 본 발명의 일 실시 예는 안테나 가이드(21)가 설치되는 영역의 쿼츠 튜브 표면에는 플라즈마가 발생하지 않고, 안테나 가이드가 없는 쿼츠 튜브 표면에는 플라즈마가 발생하도록 한 것이다.
이와 같이 쿼츠 튜브(10)에 전도성이 우수한 금속 재질의 안테나 가이드(21)를 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 삽입함으로써 플라즈마 발생 면적을 조절하게 된다.
안테나 가이드(21)로 가려진 쿼츠 튜브(20) 표면에는 플라즈마로 전력이 전달되지 않으며, 안테나 가이드(21)가 없는 쿼츠 튜브(20) 표면에는 플라즈마가 발생된다.
따라서 안테나 가이드(21) 면적을 조절하면 플라즈마 발생 면적을 조절할 수 있다.
플라즈마 발생면적을 줄이면 초기에 전력이 투입되는 부분의 플라즈마에 흡수되는 전력을 줄임으로써 같은 전력을 투입하더라도 쿼츠 튜브(20)를 따라 플라즈마를 길게 발생시킴으로써 플라즈마 균일도 향상을 가능하게 한다.
도 4의 (a)는 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 사용되는 상기 안테나 가이드가 없는 구조이고, (b)는 쿼츠 튜브(10) 내부에 180°영역을 제외하고 안테나 가이드가 형성되는 구조이고, (c)는 쿼츠 튜브(10) 내부에 120°영역을 제외하고 안테나 가이드가 형성되는 구조의 길이 방향의 단면 구조를 나타낸 것이다.
도 4의 (a)에 비하여, (b)(c)에서와 같이 쿼츠 튜브(10)에 전도성이 우수한 금속 재질의 안테나 가이드(21)를 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 삽입하여 플라즈마 발생면적을 조절하면 초기에 전력이 투입되는 부분의 플라즈마에 흡수되는 전력을 줄임으로써 같은 전력을 투입하더라도 쿼츠 튜브(20)를 따라 플라즈마를 길게 발생시킴으로써 플라즈마 균일도 향상을 가능하게 하는 것을 확인할 수 있다.
그리고 본 발명의 다른 실시 예에 따른 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 상세 구성도이다.
그리고 도 6은 일반 선형 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치와 본 발명의 실시 예들에 따른 일반 선형 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치의 시뮬레이션 조건을 비교 설명하기 위한 도면이다.
그리고 도 7 및 도 8은 도 6의 시뮬레이션 조건에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치는 도 5의 (b)에서와 같이, 안테나를 통하여 전력이 공급되면 표면에 플라즈마를 발생시키는 쿼츠 튜브(10)와, 상기 쿼츠 튜브(10)의 내부 중심을 지나는 안테나(20)와, 상기 쿼츠 튜브(10)에 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 일정 간격으로 이격되어 복수 개 형성되는 컨덕터(conductor)(30)들을 포함하고, 안테나(20)를 통하여 전력이 공급되면 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체에 의해 플라즈마 발생 면적이 제어되어 쿼츠 튜브(10)의 표면에 플라즈마가 발생하는 것이다.
여기서, 상기 쿼츠 튜브(10) 표면에 발생된 플라즈마는 상기 컨덕터(3)들이 형성된 영역들을 제외한 쿼츠 튜브(10) 표면에만 발생하는 것이다.
도 5의 (a)는 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 사용되는 컨덕터가 형성되지 않은 것이다.
이와 같은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치는 유전체인 쿼츠 튜브(Quartz tube)에 컨덕터(Conductor)를 특정 간격으로 형성시켜 파워의 흡수가 조금 더 효율적으로 이루어질 수 있게 한다.
안테나를 따라 진행하는 웨이브는 컨덕터를 통과하지 못하므로 플라즈마로의 파워 전달이 컨덕터가 형성되어 있지 않은 쿼츠 튜브(Quartz tube)의 표면으로 이루어진다.
따라서 낮은 파워에서 파워의 전달이 챔버의 끝단까지 이루어지지 않아 플라즈마가 챔버 전체에 형성되지 않는 점을 보완할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 효율성을 확인하기 위하여 2차원 축대칭 플라즈마 시뮬레이션을 진행하였다.
도 6의 (a)는 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 사용되는 컨덕터가 형성되지 않은 것이고, 도 6의 (b)는 쿼츠 튜브에 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 일정 간격으로 이격되어 복수 개 형성되는 컨덕터들을 포함하고, 안테나를 통하여 전력이 공급되면 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체에 의해 플라즈마 발생 면적이 제어되도록 한 것이다.
도 6의 (a)와 (b)는 장치의 차이점인 쿼츠 튜브 표면의 컨덕터 바운더리(Conductor boundaries) 조건을 나타낸 것이다.
도 6의 (a)의 장치는 쿼츠 튜브 표면에 컨덕터 바운더리(Conductor boundaries) 조건을 주지 않고, 도 6의 (b)의 장치는 일정한 간격으로 컨덕터 바운더리를 형성하여 시뮬레이션을 하였다.
도 7 및 도 8은 각각 300 mTorr 조건에서 200W와 300W에 대하여 플라즈마 시뮬레이션을 진행한 결과를 나타낸다.
도 7은 전자 밀도 분포를 나타내고, 도 8은 전자온도 분포를 나타낸다.
도 7 및 도 8의 (a)는 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 사용되는 컨덕터가 형성되지 않은 것이고, 도 7 및 도 8의 (b)는 쿼츠 튜브에 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 일정 간격으로 이격되어 복수 개 형성되는 컨덕터(conductor)(30)들을 포함하고, 안테나를 통하여 전력이 공급되면 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체에 의해 플라즈마 발생 면적이 제어되도록 한 것이다.
도 7에서와 같이 동일한 파워를 인가하였을 경우 전자 밀도 분포가 달라지는 것을 볼 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 경우에는 플라즈마의 밀도 분포의 균일도가 개선되었음을 알 수 있고, 이는 전력전달 효율이 좋아졌다는 것을 의미한다.
도 8에서 전자온도가 (a)의 장치에서는 입력 부근의 챔버 엣지 쪽으로 높게 나타나는 것을 보였으나, 본 발명에 의한 (b)장치의 경우 전자 온도 분포가 개선되어 플라즈마 형성이 안정적으로 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 선형 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치에 따르면, 균일한 밀도의 플라즈마를 발생시키고, 전력이 효율적으로 전달되는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치는 쿼츠 튜브에 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체를 구비하여 플라즈마 발생 면적을 조절할 수 있도록 하여 플라즈마 균일도를 향상시킨 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치는 쿼츠 튜브에 전도성이 우수한 금속 재질의 안테나 가이드를 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 삽입하고 안테나 가이드 면적을 조절하여 플라즈마 발생 면적을 효과적으로 조절할 수 있도록 한 것이다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치는 쿼츠 튜브에 일정 간격으로 복수 개의 컨덕터(conductor)들을 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체로 형성하여 플라즈마 발생 면적을 효과적으로 조절할 수 있도록 한 것이다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치는 플라즈마 발생면적을 조절하여 초기에 전력이 투입되는 부분의 플라즈마에 흡수되는 전력을 줄임으로써 같은 전력을 투입하더라도 쿼츠 튜브를 따라 플라즈마를 길게 발생시켜 플라즈마 균일도를 높일 수 있도록 한다.
또한, 쿼츠 튜브 전체에 발생되는 플라즈마를 기판 쪽으로 향한 쿼츠 튜브 표면에만 발생시켜 낮은 파워와 높은 압력에서도 쿼츠 튜브를 따라 플라즈마를 길게 생성시킬 수 있고, 기판에 입사하는 이온에너지를 낮게 하여 기판에 증착되는 막의 손상 정도를 낮출 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10. 쿼츠 튜브 20. 안테나
21. 안테나 가이드 30. 컨덕터

Claims (12)

  1. 마이크로웨이브 PECVD 장치의 챔버 내부에 삽입되는 쿼츠 튜브;
    상기 쿼츠 튜브의 내부 중심을 지나는 안테나;
    상기 쿼츠 튜브 내부의 일정 영역에 구성되어 마이크로웨이브 전력전달 면적을 조절하는 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체;를 포함하고,
    안테나를 통하여 전력이 공급되면 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체에 의해 플라즈마 발생 면적이 조절되어 쿼츠 튜브의 표면에 플라즈마가 발생하는 것을 특징으로 하는 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체는,
    금속 재질로 이루어져 상기 쿼츠 튜브 내부의 일정 영역에 구성되어 마이크로웨이브 전력전달 면적을 조절하는 안테나 가이드인 것을 특징으로 하는 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 안테나 가이드가 설치되는 영역의 쿼츠 튜브 표면에는 마이크로웨이브 전력이 전달되지 않고, 안테나 가이드가 없는 쿼츠 튜브 표면에만 플라즈마가 발생하는 것을 특징으로 하는 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체는,
    상기 쿼츠 튜브에 일정 간격으로 이격되어 복수 개 형성되는 컨덕터(conductor)들인 것을 특징으로 하는 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 컨덕터들이 설치되는 영역의 쿼츠 튜브 표면에는 마이크로웨이브 전력전달이 일어나지 않고, 컨덕터들이 없는 쿼츠 튜브 표면에만 마이크로웨이브 전력전달이 일어나 플라즈마가 발생하는 것을 특징으로 하는 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 플라즈마를 생성시키기 위해 캐리어 가스가 공급되는 가스 튜브(gas tube)가 쿼츠 튜브를 향해 설치되고,
    기판에 가스종들의 리액션(reaction) 반응을 통한 증착이 이루어지게 하기 위해 프로세싱(processing) 가스가 들어가는 가스 튜브(gas tube)가 기판(substrate) 쪽으로 향하여 설치되는 것을 특징으로 하는 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로웨이브 전력전달 면적 제어 구조체를 포함하는 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치를 병렬로 복수개 설치하여 플라즈마 발생 면적을 넓히는 것을 특징으로 하는 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치.
  8. 마이크로웨이브 PECVD 장치의 챔버 내부에 삽입되는 쿼츠 튜브;
    상기 쿼츠 튜브의 내부 중심을 지나는 안테나;
    금속 재질로 이루어져 상기 쿼츠 튜브 내부의 일정 영역에 구성되어 마이크로웨이브 전력전달 면적을 조절하는 안테나 가이드;를 포함하고,
    안테나를 통하여 전력이 공급되면 상기 안테나 가이드에 의해 플라즈마 발생 면적이 조절되어 쿼츠 튜브의 표면에 플라즈마가 발생하는 것을 특징으로 하는 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 안테나 가이드는,
    상기 쿼츠 튜브의 내부 전체 영역에서 안테나 가이드가 설치되는 영역과 설치되지 않는 영역이 쿼츠 튜브의 어느 하나의 단면에서 같이 존재하는 것을 특징으로 하는 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 안테나 가이드가 설치되는 영역의 쿼츠 튜브 표면에는 마이크로웨이브에서 플라즈마로의 전력전달이 일어나지 않고, 안테나 가이드가 없는 쿼츠 튜브 표면에는 마이크로웨이브에서 플라즈마로의 전력전달이 되어 플라즈마가 발생하는 것을 특징으로 하는 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치.
  11. 마이크로웨이브 PECVD 장치의 챔버 내부에 삽입되는 쿼츠 튜브;
    상기 쿼츠 튜브의 내부 중심을 지나는 안테나;
    상기 쿼츠 튜브에 일정 간격으로 이격되어 복수 개 형성되는 컨덕터(conductor)들;을 포함하고,
    안테나를 통하여 전력이 공급되면 상기 컨덕터들에 의해 플라즈마 발생 면적이 조절되어 쿼츠 튜브의 표면에 플라즈마가 발생하는 것을 특징으로 하는 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 컨덕터들이 설치되는 영역의 쿼츠 튜브 표면에는 마이크로웨이브 전력전달이 일어나지 않고, 컨덕터들이 없는 쿼츠 튜브 표면에만 마이크로웨이브 전력전달이 일어나 플라즈마가 용이하게 발생하는 것을 특징으로 하는 균일한 플라즈마 발생을 위한 선형 마이크로웨이브 플라즈마 장치.
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Non-Patent Citations (4)

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