KR20170134000A - 다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버 - Google Patents

다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버에 관한 것이다. 본 발명의 다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버는 토로이달 형상의 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버에 있어서, 상기 플라즈마 채널은 상기 토로이달 형상의 플라즈마 채널 일부가 다수의 플라즈마 채널로 형성되어 연결된다. 본 발명의 다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버에 의하면, 플라즈마 챔버 내로 공급된 가스가 다중 플라즈마 채널을 거치면서 체류시간이 늘어나게 된다. 그러므로 체류시간이 늘어나므로 가스와 플라즈마의 반응율을 높일 수 있어 활성화된 가스로 배출되는 비율을 향상시킬 수 있다. 또한 가스와 플라즈마의 반응율을 높임으로써 사용되는 가스의 양을 절감할 수 있다.

Description

다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버{PLASMA CHAMBER HAVING MULTI PLASMA CHANEL}
본 발명은 다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마에 의해 활성화된 가스를 공급하기 위한 다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버에 관한 것이다.
플라즈마 방전은 가스를 여기시켜 이온, 자유 라디칼, 원자 및 분자를 함유하는 활성화된 가스를 생성하도록 사용될 수 있다. 활성화된 가스는 반도체 웨이퍼와 같은 고형 물질, 파우더, 및 기타 가스를 처리하는 것을 포함하는 다양한 산업 및 과학 분야에서 사용된다. 플라즈마의 변수 및 처리되는 물질에 대한 플라즈마의 노출에 관한 조건은 기술 분야에 따라 넓게 변화한다. 예를 들면, 몇몇 분야에서는 처리되는 물질이 손상되기 쉬우므로 이온을 낮은 운동 에너지(즉, 몇 전자 볼트)로 사용할 것을 필요로 한다. 이방성 에칭 또는 평탄화된 절연체 증착과 같은 다른 분야에서는 높은 운동 에너지로 이온을 사용할 것을 필요로 한다. 반응성 이온 빔 에칭과 같은 또 다른 분야에서는 이온 에너지의 정밀 제어를 필요로 한다.
몇몇 분야에서는 처리되는 물질을 높은 밀도의 플라즈마에 직접 노출시키는 것을 필요로 한다. 이러한 분야 중 하나는 이온-활성화된 화학 반응을 생성하는 것이다. 다른 이러한 분야는 높은 종횡비 구조의 에칭 및 그 안으로의 물질 증착을 포함한다. 다른 분야는, 처리되는 물질이 플라즈마로부터 차폐되는 동안, 물질이 이온에 의해 손상되기 쉽거나 처리 공정이 높은 선택비 요구 조건을 갖기 때문에, 원자 및 활성화된 분자를 함유하는 중성 활성화된 가스를 필요로 한다.
다양한 플라즈마 공급원은 DC 방전, 고주파(RF) 방전, 및 마이크로웨이브 방전을 포함하는 다양한 방식으로 플라즈마를 생성할 수 있다. DC 방전은 가스 내의 두 개의 전극 사이에 전위를 인가함으로써 달성된다. RF 방전은 전원으로부터 플라즈마 내로 에너지를 정전기 또는 유도 결합시킴으로써 달성된다. 평행 판들은 에너지를 플라즈마 내에 유도 결합시키도록 통상적으로 사용된다. 유도 코일은 전류를 플라즈마 내에 유도하도록 통상적으로 사용된다. 마이크로웨이브 방전은 가스를 수용하는 방전 챔버 내에 마이크로웨이브 통과 윈도우를 통해 마이크로웨이브 에너지를 직접 결합시킴으로써 달성된다. 마이크로웨이브 방전은 높게 이온화된 전자 사이클론공명(ECR) 플라즈마를 포함하는 넓은 범위의 방전 조건을 지원하도록 사용될 수 있다.
마이크로웨이브 또는 다른 타입의 RF 플라즈마 공급원과 비교하여, 토로이달(toroidal) 플라즈마 공급원은 낮은 전기장, 낮은 플라즈마 챔버 부식, 소형화, 및 비용 효과 면에서 장점을 갖는다. 토로이달 플라즈마 공급원은 낮은 전계로 동작하며 전류-종료 전극 및 관련 음극 전위 강하를 내재적으로 제거한다. 낮은 플라즈마 챔버 부식은 토로이달 플라즈마 공급원이 다른 방식의 플라즈마 공급원보다 높은 전력 밀도에서 작동하도록 한다. 또한, 고 투과성 페라이트 코어를 사용하여 전자기 에너지를 플라즈마에 효율적으로 결합시킴으로써, 토로이달 플라즈마 공급원이 상대적으로 낮은 RF 주파수에서 작동하도록 하여 전력 공급 비용을 낮추게 된다. 토로이달 플라즈마 공급원은 반도체 웨이퍼, 평판 디스플레이, 및 다양한 물질의 처리를 위해 불소, 산소, 수소, 질소 등을 포함하는 화학적으로 활성 가스를 생성하도록 사용되어 왔다.
토로이달 플라즈마 공급원의 가스 입구를 통해 공급되는 가스는 챔버 내부의 토로이달 플라즈마 채널을 따라 이동하며 플라즈마와 반응함으로써 활성화된 가스를 생성한다. 플라즈마 챔버 내에서의 가스의 흐름은 임피던스로 작용한다. 주입된 가스는 모두 플라즈마와 반응하여 활성화된 가스로 배출되는 것이 바람직하나, 플라즈마와 반응하지 않고 배출되는 가스가 존재하게 된다. 플라즈마와 반응하지 않고 배출된 가스는 웨이퍼 처리 공정 또는 세정공정 등에 영향을 미치게 된다. 반응되지 않은 상태로 공급된 가스는 그대로 배기되기 때문에 불필요한 가스 공급으로 인한 비용증가를 야기할 수 있다. 그러므로 챔버로 공급된 가스가 플라즈마와 반응하여 활성화된 가스로써 배출되는 비율을 높이기 위한 노력이 요구된다.
본 발명의 목적은 플라즈마 챔버 내로 공급된 가스의 체류시간을 늘림으로써 가스와 플라즈마의 반응율을 높여 활성화된 가스로 배출되는 비율을 향상시킬 수 있는 다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버에 관한 것이다. 본 발명의 다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버는 토로이달 형상의 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버에 있어서, 상기 플라즈마 채널은 상기 토로이달 형상의 플라즈마 채널 일부가 다수의 플라즈마 채널로 형성되어 연결된다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 채널은 가스 주입구를 갖는 토로이달 형상의 제1 플라즈마 채널; 가스 배출구를 갖는 토로이달 형상의 제2 플라즈마 채널; 및 상기 제1 플라즈마 채널 및 상기 제2 플라즈마 채널을 연결하는 연결 채널을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마 채널 및 제2 플라즈마 채널은 내부가 서로 다른 크기로 형성된다.
본 발명의 다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버에 의하면, 플라즈마 챔버 내로 공급된 가스가 다중 플라즈마 채널을 거치면서 체류시간이 늘어나게 된다. 그러므로 체류시간이 늘어나므로 가스와 플라즈마의 반응율을 높일 수 있어 활성화된 가스로 배출되는 비율을 향상시킬 수 있다. 또한 가스와 플라즈마의 반응율을 높임으로써 사용되는 가스의 양을 절감할 수 있다.
도 1은 활성된 가스를 생성하는 플라즈마 공급원으로의 플라즈마 챔버를 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 플라즈마 채널을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 플라즈마 채널에서의 가스 흐름을 도시한 도면이다.
도 4 및 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 플라즈마 채널 및 가스 흐름을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 플라즈마 채널을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 플라즈마 채널을 도시한 도면이다.
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 활성된 가스를 생성하는 플라즈마 공급원으로의 플라즈마 챔버를 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 처리 시스템은 내부에 기판 지지대(20)가 구비되는 공정챔버(10)와 플라즈마 공급원으로써 공정챔버(10)로 활성화된 가스를 공급하기 위한 플라즈마 챔버(100)로 구성된다. 플라즈마 챔버(100)의 하나 또는 그 이상의 측면이 공정챔버(10)에 노출되어, 플라즈마에 의해 생성되는 대전된 입자가 처리될 물질(도시하지 않음)과 직접 접촉하도록 한다. 선택적으로, 플라즈마 챔버(100)는 공정챔버(10)로부터 일정 거리에 위치되어, 활성화된 가스가 공정챔버(10) 내로 유동하도록 한다. 서셉터(20)는 공정챔버(10) 내에 위치되어 처리될 물질,예를 들어, 피처리 기판(25)을 지지할 수 있다. 처리될 물질은 플라즈마의 전위에 대해 바이어스될 수 있다.
플라즈마 챔버(100)로부터 공급된 활성화 가스는 공정챔버(10) 내부를 세정하기 위한 세정용으로 사용되거나 서셉터(20)에 안착되는 피처리 기판(25)을 처리하기 위한 공정용으로 사용될 수 있다. 플라즈마 챔버(100)는 활성화된 가스를 배출하기 위하여 유도 결합 플라즈마 , 용량 결합 플라즈마 또는 변압기 플라즈마 를 사용할 수 있다. 이중에서 본 발명에서의 플라즈마 챔버는 변압기 플라즈마를 사용한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 플라즈마 채널을 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 플라즈마 채널에서의 가스 흐름을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 플라즈마 챔버(100)는 전자기 에너지를 플라즈마 채널(112) 내에 형성되는 플라즈마로 결합시키는 변압기를 포함한다. 플라즈마 챔버(110) 내의 플라즈마 채널 형상에 대하여 다양한 실시예로써 도면을 개시하였다.
변압기는 페라이트 코어(130), 일차권선(미도시) 및 플라즈마 채널(112)이 포함된 챔버바디를 포함한다. 챔버바디는 토로이달 형상의 플라즈마 채널(112) 내의 플라즈마가 변압기의 이차 회로를 형성하도록 한다. 변압기는 추가의 일차 및 이차 회로를 구성하는 추가의 자기 코일 및 도체 코일(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 챔버바디는 알루미늄과 같은 금속성 물질 또는 다루기 힘든 금속, 양극 산화처리된 알루미늄과 같은 피복된 금속으로 형성될 수도 있고, 석영과 같은 절연 물질로 형성될 수도 있다. 변압기는 전원 공급원(미도시)을 포함한다. 전원 공급원은 변압기의 일차권선과 직접 연결된다.
플라즈마 챔버(100)는 토로이달 형상의 플라즈마 채널(112) 내의 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 제공하는 자유 전하를 생성하는 점화장치(미도시)를 포함할 수 있다. 초기 이온화 이벤트는 플라즈마 챔버(110)에 인가되는 짧고 높은 전압 펄스일 수 있다. 연속적인 높은 RF 전압은 또한 초기 이온화 이벤트를 생성하도록 사용될 수 있다. 자외선 복사는 또한, 플라즈마 채널(112) 내의 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 제공하는, 플라즈마 채널(112) 내의 자유 전하를 생성하도록 사용될 수 있다. 다른 실시예로, 점화전력은 플라즈마 챔버(100)에 위치되는 점화전극(미도시)에 인가된다. 또 다른 실시예로, 점화전력은 일차권선에 직접 인가되어 초기 이온화 이벤트를 제공할 수 있다. 다른 실시예로, 플라즈마 챔버(100)는 챔버바디(110)에 광학 결합하는 자외선 광원(미도시)으로부터 나오는 자외선 복사에 노출되어 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 유발할 수 있다.점화장치(미도시)는 플라즈마 채널(112) 내로 초기 이온화 이벤트를 제공할 수 있도록 설치된다.
플라즈마 챔버(100)은 토로이달 형상을 이루는 다수의 플라즈마 채널(112)을 포함하여 형성된다. 본 발명에서의 플라즈마 챔버(100)는 토로이달 형상의 제1 플라즈마 채널(112a)과 토로이달 형상의 제2 플라즈마 채널(112b)을 갖는다. 제1 플라즈마 채널(112a)과 제2 플라즈마 채널(112b)은 연결채널(115)을 통해 연결된다.
제1 플라즈마 채널(112a)에는 가스 주입구(114)가 구비되고, 제2 플라즈마 채널(112b)에는 가스 배출구(116)가 구비된다. 연결채널(115)은 가스 주입구(114)로 공급된 가스가 제1 플라즈마 채널(112a)의 토로이달 형상을 따라 이동한 후 제2 플라즈마 채널(112b)로 공급될 수 있도록 제1 플라즈마 채널(112a)과 제2 플라즈마 채널(112b) 사이에 구비된다. 플라즈마 챔버(100)는 제1 플라즈마 채널(112a)과 제2 플라즈마 채널(112b)이 모두 포함되도록 페라이트 코어(130)가 장착된다. 변형된 실시예로써, 제1 플라즈마 채널(112a) 및 제2 플라즈마 채널(112b)에 각각 페라이트 코어(130)가 장착될 수도 있다.
가스 주입구(114)로 공급된 가스는 토로이달 형상의 제1 플라즈마 채널(112a)을 따라 이동한 후 연결채널(115)을 통해 제2 플라즈마 채널(112b)로 이동한다. 제2 플라즈마 채널(112b)로 이동된 가스는 토로이달 형상의 제2 플라즈마 채널(112b)을 따라 이동한 후 가스 배출구(116)로 배출된다. 플라즈마 챔버(100)로 공급된 가스는 제1, 2 플라즈마 채널(112a, 112b)을 이동하기 때문에 플라즈마 채널(112) 내에 체류하는 시간이 길어진다. 그러므로 가스는 플라즈마에 노출되어 반응하는 시간이 길어지게 된다. 공급된 가스는 제1, 2 플라즈마 채널(112a, 112b)을 따라 이동하며 플라즈마와 반응하기 때문에 분해되어 활성화된 가스로 배출되는 비율을 높일 수 있다.
본 발명에서는 두 개의 플라즈마 채널을 예시적으로 도시하여 설명하였으나, 플라즈마 채널의 갯수를 늘릴 수 있다. 플라즈마 채널의 갯수를 조절하여 가스의 체류시간에 대한 조절이 가능하다.
또한 다수의 플라즈마 채널은 모두 토로이달 형상으로 형성될 수도 있고, 일부만 토로이달 형상으로 형성될 수도 있다. 또한 토로이달 형상의 플라즈마 채널(112)에서 가스가 주입되는 부분, 가스가 지나는 부분, 가스가 배출되는 부분의 플라즈마 채널이 다수개로 형성되고, 이들이 연결되어 하나의 토로이달 플라즈마 채널(112)을 형성할 수 있다.
본 발명에서는 플라즈마 챔버(110)가 플라즈마 채널(112)이 포함된 다수의 챔버블럭이 결합된 구조를 도시하였다. 챔버바디는 내부에 고온의 플라즈마에 의해 챔버바디 내부가 손상되는 것을 방지하기 위한 냉각채널(미도시)을 포함한다. 냉각채널(미도시)은 플라즈마 채널(112)의 주변에 위치한다. 냉각채널은 냉각수 공급원(미도시)로부터 공급된 냉각수가 순환되며 챔버바디의 온도를 낮춘다.
도 4 및 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 플라즈마 채널 및 가스 흐름을 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 플라즈마 챔버(100a)은 제1, 2, 3, 4 플라즈마 채널(112a, 112b, 112c, 112d)을 포함하여 형성된다. 이때, 제1 플라즈마 채널(112a)에는 가스 주입구(114)가 구비되고, 제4 플라즈마 채널(112d)에는 가스 배출구(116)가 구비되며, 제1, 2, 3, 4 플라즈마 채널(112a, 112b, 112c, 112d)은 연결채널(115a, 115b, 115c)에 의해 연결된다. 그러므로 가스 주입구(114)로 공급된 가스는 제1, 2, 3, 4 플라즈마 채널(112a, 112b, 112c, 112d)을 따라 이동하며 플라즈마와 반응하므로 분해되어 활성화된 가스로써 가스 배출구(116)로 배출되는 비율이 높아진다. 본 발명에서는 두 개의 플라즈마 채널 및 네 개의 플라즈마 채널을 포함하는 플라즈마 챔버(100, 100a)을 도시하고 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 플라즈마 채널의 갯수는 다양하게 변형 실시가 가능하다. 또한 가스 주입구(114) 및 가스 배출구(116)의 위치 및 개수 또한 다양한 변형 실시가 가능하다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 플라즈마 채널을 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 플라즈마 채널을 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 플라즈마 챔버(200, 200a)는 직경이 상이한 다수의 플라즈마 채널(212a, 212b, 212c, 212d) 및 연결채널(215a, 215b, 215c)을 포함하여 형성된다. 예를 들어, 가스 주입구(214)가 구비된 플라즈마 채널(212a)의 직경보다 가스 배출구(116)가 구비된 플라즈마 채널(212b, 212d)의 직경이 더 클 수 있다. 또는 이와 반대의 순서로 직경을 갖는 다수의 플라즈마 채널을 포함할 수도 있다. 또한 다수의 플라즈마 채널의 직경 크기는 가스 주입구에서부터 순차적으로 커지거나 작아질 수도 있고, 순차적이지 않을 수도 있다.
플라즈마 챔버는 토로이달 형상의 플라즈마 채널에서 상부 채널 또는 하부 채널에 다수개가 형성될 수도 있다. 또한 상부채널과 하부채널을 연결하는 연결채널 부분에서만 다수의 플라즈마 채널을 포함할 수 있다. 연결채널을 통과하는 가스는 가스 흐름에 따라 단일 플라즈마 채널의 한쪽으로 치우쳐 이동될 수 있다. 이는 가스와 플라즈마가 균일하게 반응하는 것을 저해하는 요소이다. 그러나 본 발명에 따른 다수의 플라즈마 채널을 따라 가스가 통과하는 경우, 가스가 다수의 플라즈마 채널로 고르게 분배되어 이동할 수 있으므로 플라즈마와 반응의 반응이 원활하게 이루어지도록 한다. 도면으로 도시하지는 않았으나, 변형 실시예로써 플라즈마 챔버의 상부 또는 하부에 구비되는 플라즈마 채널을 다수개로 형성할 수도 있고, 상, 하부에 구비되는 플라즈마 채널을 모두 다수개로 형성할 수도 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버의 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: 공정챔버 20: 기판 지지대
25: 서셉터 50: 펌프
100, 200: 플라즈마 챔버 110: 챔버바디 112: 플라즈마 채널
112a, 112b, 112c, 112d: 제1, 2, 3, 4 플라즈마 채널
114, 214: 가스 주입구 ` 116, 216: 가스 배출구
115, 115a, 115b, 115c: 연결채널 130: 페라이트 코어

Claims (3)

  1. 토로이달 형상의 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버에 있어서,
    상기 플라즈마 채널은
    상기 플라즈마 채널 일부가 다수의 플라즈마 채널로 형성되어 연결된 것을 특징으로 하는 다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 채널은
    가스 주입구를 갖는 토로이달 형상의 제1 플라즈마 채널;
    가스 배출구를 갖는 토로이달 형상의 제2 플라즈마 채널; 및
    상기 제1 플라즈마 채널 및 상기 제2 플라즈마 채널을 연결하는 연결 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 채널 및 제2 플라즈마 채널은 내부가 서로 다른 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 다중 플라즈마 채널을 갖는 플라즈마 챔버.
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KR20140044546A (ko) * 2012-10-05 2014-04-15 재단법인 철원플라즈마 산업기술연구원 플라즈마 처리장치

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