KR20190106957A - 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 발생 방법 - Google Patents

플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 발생 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 플라즈마 발생 장치, 전극 구조체, 및 플라즈마 발생 방법을 제공한다. 이 플라즈마 발생 장치는 외부로부터 가스를 공급받아 분배하는 가스 확산 공간을 포함하는 가스 분배판, 가스 확산 공간 상부에 배치되고 외부 RF 전원으로부터 전력을 공급받아 분배하는 제1 배선, 가스 확산 공간 하부에 배치되고 제1 배선으로부터 전력을 공급받아 재분배하는 제2 배선, 가스 확산 공간을 관통하여 제1 배선과 제2 배선을 전기적으로 연결하는 콘택 플러그들, 및 가스 분배판 하부에 배치되고 제2 배선에 전기적으로 연결되어 플라즈마를 형성하는 복수의 전원 전극들을 포함한다.

Description

플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 발생 방법{Plasma Genearation Apparatus And Plasma Generation Method}
본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 복수의 전극을 사용하는 다중 전극 축전 결합 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
고주파 평판형 축전 결합 플라즈마 장치는 공정 균일성 및 공정 속도에 한계가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 전력 분배와 가스 공급을 효율적으로 수행하는 다중 전극 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 외부로부터 가스를 공급받아 분배하는 가스 확산 공간을 포함하는 가스 분배판; 상기 가스 확산 공간 상부에 배치되고 외부 RF 전원으로부터 전력을 공급받아 분배하는 제1 배선; 상기 가스 확산 공간 하부에 배치되고 상기 제1 배선으로부터 전력을 공급받아 재분배하는 제2 배선; 및 상기 가스 분배판 하부에 배치되고 상기 제2 배선에 전기적으로 연결되어 플라즈마를 형성하는 복수의 전원 전극들을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가스 확산 공간을 관통하여 상기 제1 배선과 제2 배선을 전기적으로 연결하는 콘택 플러그들을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전원 전극들은 제1 방향으로 나란히 연장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 배선 또는 상기 제2 배선은 동축 케이블 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가스 분배판은 상기 제1 배선이 장착되는 상부 가스 분배판;및 상기 제2 배선이 장착되는 하부 가스 분배판을 포함하고, 상기 상부 가스 분배판의 하부면 또는 상기 하부 가스 분배판의 상부면에 형성된 함몰부는 상기 가스 확산 공간을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가스 분배판의 하부면에서 돌출되도록 형성되거나 상기 가스 분배판의 하부면에서 장착되고, 상기 전원 전극들의 양 측면에 배치되고, 상기 전원 전극들과 나란히 연장되는 접지 전극들을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 전원 입력단으로부터 상기 콘택 플러그들 사이의 상기 제1 배선의 길이는 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 배선은 상기 가스 확산 공간의 상부면에 형성된 함몰부에 배치되고, 상기 제2 배선은 상기 가스 확산 공간의 하부면에 형성된 함몰부에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 배선은 제1 상부 절연판; 상기 제1 상부 절연판 하부에 배치된 제1 배선 도전 라인; 상기 제1 배선 도전 라인 하부에 배치된 제1 하부 절연판; 및 상기 제1 하부 절연판의 하부에 배치되는 제1 하부 도체판을 포함하고, 상기 제1 상부 절연판 및 상기 제2 하부 절연판은 제1 배선 도전 라인의 주위의 공간을 채울 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 배선은 제2 상부 도체판; 상기 제2 상부 도체판 하부에 배치되는 제2 상부 절연판; 상기 제2 상부 절연판의 하부에 배치된 제2 배선 도전 라인; 및 상기 제2 배선 도전 라인 하부에 배치된 제2 하부 절연판을 포함하고, 상기 제2 상부 절연판 및 상기 제2 하부 절연판은 상기 제2 배선 도전 라인의 주위의 공간을 채울 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전원 전극들과 상기 가스 분배판 사이에 개재되어 상기 전원 전극들과 나란히 연장되는 절연체들을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가스 확산 공간에 연결되어 상기 가스 분배판의 하부로 가스를 분사하는 복수의 노즐들을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가스 분배판의 하부면에서 돌출되도록 형성되거나 상기 가스 분배판의 하부면에서 장착되고, 상기 전원 전극들의 양 측면에 배치되고, 상기 전원 전극들과 나란히 연장되는 접지 전극들을 더 포함하고, 상기 노즐들은 상기 접지 전극들을 관통하여 형성되고, 상기 노즐들은 상기 접지 전극을 따라 배열될 수 있다. 또는, 상기 노즐들은 상기 접지 전극과 상기 전원 전극 사이에 배치되고, 상기 노즐들은 상기 접지 전극 방향을 따라 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 기판을 처리하는 진공 용기를 더 포함하고, 상기 가스 분배판은 상기 진공 용기의 뚜껑으로 기능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 기판을 처리하는 진공 용기를 더 포함하고, 상기 가스 분배판은 상기 진공 용기의 뚜껑의 하부에 장착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전원 전극들 각각은 적어도 하나의 위치에서 상기 제1 배선 및 제2 배선을 통하여 전력을 공급받고, 상기 제1 배선의 길이는 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전원 전극의 높이는 상기 접지 전극의 높이보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 콘택 플러그들은 상기 제1 배선과 상기 제2 배선을 전기적으로 연결하는 플러그 도체; 상기 플러그 도체의 주위를 감싸는 절연 자켓;및 상기 절연 자켓의 주위를 감싸는 외피 도전체를 포함하고, 상기 절연 자켓은 상기 외피 도전체와 상기 플러그 도체 사이의 공간을 채울 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체는 축전 결합 플라즈마를 형성한다. 상기 전극 구조체는 RF 전원으로부터 전력을 공급받아 전력을 분배하는 제1 배선; 상기 제1 배선이 장착되는 상부 가스 분배판; 상기 상부 가스 분배판 하부에 배치되는 하부 가스 분배판; 상기 상부 가스 분배판과 상기 하부 가스 분배판 사이에 형성되고 가스 공급라인을 통하여 가스를 공급받는 가스 확산 공간; 및 상기 제1 배선에 전기적으로 연결되어 플라즈마를 형성하는 복수의 전원 전극들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가스 확산 공간을 관통하여 상기 제1 배선과 상기 전원 전극들을 전기적으로 연결하는 콘택 플러그들을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 배선과 연결되어 전력을 재분배하여 상기 전원 전극들에 전력을 공급하는 제2 배선을 더 포함하고, 상기 제2 배선은 상기 가스 확산 공간과 상기 전원 전극들 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 방법은 RF 전원의 전력을 분기된 동축 케이블 구조를 가지고 1차 분배하는 단계; 상기 1차 분배된 전력을 분기된 동축 케이블 구조를 가지고 2차 분배하는 단계; 및 상기 2차 분배된 전력을 라인 형상의 복수의 전극들에 공급하여 플라즈마를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 분할된 전원 전극의 구조를 가질 수 있다. 상기 분할된 전원 전극은 라인 형상을 가지며, 하나의 분할된 전원 전극에 적어도 한 지점에서 RF 전원을 공급할 수 있다. 가스를 안정적으로 공급하기 위하여 전력 분배 배선은 복층으로 형성되고, 가스 확산 공간의 상하에 배치될 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 발생 장치는 진공 실링 문제를 해결하고 기구적으로 간단하고, 유지 보수 편이성을 제공할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예들에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면들이다.
도 3a은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 평면도이다.
도 3b 내지 도 3g는 도 3a의 I-I' 선, II-II' 선, III-III'선, IV-IV'선, V-V'선, 및 VI-VI'선을 따라 각각 자른 단면도들이다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 평면도이다.
도 4b 내지 도 4d는 도 4a의 A-A'선, B-B'선, C-C'선을 따라 각각 자른 단면도들이다.
도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 평면도이다.
도 5b 내지 도 5d는 도 5a의 I-I'선, II-II'선, III-III'선을 따라 각각 자른 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 평면도이다.
1m x 1m 이상의 대면적의 평판 패널 디스플레이 공정 또는 태양 전지 공정에는 정상파 효과(standing wave effect)에 의해 축전 결합 플라즈마의 밀도가 균일하지 않을 수 있다. 상기 정상파 효과는 플라즈마 균일성을 악화시킬 수 있다.
폴리 실리콘을 이용하는 태양 전지 공정에서, 상기 폴리 실리콘의 높은 성장 속도 및 낮은 격자 흠결 밀도(defects density)가 요구된다. 따라서, 작은 격자 흠결 밀도, 높은 성장 속도, 및 공정 균일성을 가진 폴리실리콘 플라즈마 증착 장치는 박막형 태양전지의 가장 중요한 해결 과제이다.
축전 결합 플라즈마의 구동 주파수의 증가는 이온 충격 에너지(ion bombardment energy)를 감소시키고, 전자밀도를 증가시키고, 전자온도를 감소시킬 수 있다. 그러나, 상기 구동 주파수의 증가에 따라, 상기 정상파 효과가 증가하여 플라즈마 균일도는 감소할 수 있다. 따라서, 13. 56 Mhz 이상의 구동 주파수에서 고밀도의 균일한 플라즈마를 얻은 방법이 요구된다.
종래의 전력 공급 라인들은 전원 전극들에 각각 연결되어 전력을 공급한다. 전력 공급 라인들이 복수 개인 경우, 진공 용기를 관통하는 관통홀은 전력 공급 라인의 개수에 대응한다. 따라서, 전원 전극의 개수의 증가에 따라 관통홀 및 상기 관통홀에 삽입되는 전력 공급 라인의 개수가 증가한다. 따라서, 진공 유지에 어려움이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 13.56 Mhz 내지 200 Mhz의 RF 전원을 복수의 라인 형상의 전원 전극들에 인가한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 전원 전극들에 전력을 분배하는 전력 분배부(제1 배선 및 제2 배선)를 가스 분배판 내부에 장착시킨다. 이에 따라, 최소의 외부 전력 공급라인을 가지고 효율적인 플라즈마 방전이 가능하다. 또한, 전력 분배부는 동축 케이블 구조를 가지도록 설계된다. 또한, 상기 외부 전력 공급 라인으로부터 전원 전극들 사이의 임피던스는 실질적으로 동일하다. 따라서, 안정적으로 전력 분배된 균일한 플라즈마 형성이 가능하다. 또한, 하나의 가스 확산 공간으로 가스 분배를 하면서, 간단한 구조로 전원 전극들에 전력 분배가 수행될 수 있다. 이에 따라, 제조 원가를 절감시키고 유지 보수가 용이하다.
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 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 발생 장치(100a)는 외부로부터 가스를 공급받아 분배하는 가스 확산 공간(150)을 포함하는 가스 분배판(160), 상기 가스 확산 공간(150) 상에 배치되고 외부 RF 전원(180)으로부터 전력을 공급받아 분배하는 제1 배선(140), 상기 가스 확산 공간(150) 하부에 배치되고 상기 제1 배선(140)으로부터 전력을 공급받아 재분배하는 제2 배선(130), 상기 가스 확산 공간(150)을 관통하여 상기 제1 배선(140)과 제2 배선(130)을 전기적으로 연결하는 콘택 플러그들(190), 상기 가스 분배판(160) 하부에 배치되고 상기 제2 배선(130)에 전기적으로 연결되어 플라즈마를 형성하는 복수의 전원 전극들(110)을 포함한다.
진공 용기(102)는 대기압 이하의 압력을 가질 수 있다. 상기 진공 용기(102)는 직육면체 형상의 용기일 수 있다. 상기 진공 용기(102)는 상판(104)을 포함할 수 있다.
상기 진공 용기(102)에 가스 유입부(163) 및 가스 배기부(미도시)가 배치될 수 있다. 상기 가스 유입부(163)는 상기 진공 용기(102) 또는 가스 분배판(160)에 공정 가스를 제공할 수 있다. 상기 가스 배기부는 상기 진공 용기(102)의 공정 가스 및 반응 부산물을 외부로 배출할 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치(100a)는 비정질 또는 다결정 실리콘을 기판(108) 상에 형성할 수 있다. 상기 진공 용기(102)의 압력은 수백 밀리토르(mTorr) 내지 수 토르(Torr)일 수 있다.
상기 기판(108)은 기판 홀더(106) 상에 배치될 수 있다. 상기 기판 홀더(106저는 상기 전원 전극들(110)을 대향하여 배치될 수 있다. 상기 기판(108)은 상기 상기 전원 전극들(110)과 평행하게 배치될 수 있다. 상기 기판(108)은 반도체 기판, 유리 기판, 또는 유전체 기판일 수 있다. 상기 기판(108)은 사각형 기판일 수 있다. 상기 기판(108)에 증착되는 물질은 비정질 또는 다결정 실리콘일 수 있다. 상기 기판 홀더(108)는 가열부(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 가열부는 상기 기판(108)을 가열할 수 있다. 상기 기판(108)의 온도는 상온 내지 섭씨 300 도 일 수 있다. 상기 기판(108) 또는 상기 기판 홀더(106)는 전기적으로 플로딩(flating)될 수 있다. 상기 기판(108)과 상기 전원 전극(110)의 사이의 간격은 수 내지 수십 센치미터(cm)일 수 있다.
상기 상판(104)은 상기 진공 용기(102)의 상부면에 배치될 수 있다. 상기 상판(104)은 금속일 수 있다. 상기 상판(104)은 알루미늄 또는 스테인레스일 수 있다. 상기 상판(104)은 사각판 형상을 가질 수 있다. 상기 상판(104)과 상기 진공 용기(102)는 밀착되어 진공을 유지할 수 있다. 상기 상판(104)은 관통홀(미도시)을 포함할 수 있다. 전력 공급 라인(149)은 상기 관통홀에 배치된다. 상기 전력 공급 라인(149)은 제1 배선(140)과 전기적으로 연결된다.
가스 분배판(160)은 내부에 가스 확산 공간(150)을 포함한다. 상기 가스 확산 공간(150)은 제1 방향 및 제2 방향으로 연장되어 플라즈마가 발생되는 모든 영역 또는 일부 영역에 가스를 공급할 수 있다. 상기 가스 확산 공간(150)은 단일 공간인 것이 바람직하나, 복수의 공간으로 분할될 수 있다. 상기 가스 확산 공간(150)이 복수의 공간으로 분할될 경우, 가스 공급라인(163)의 개수는 분할된 공간의 개수에 대응할 수 있다.
가스 분배판(160)은 상부 가스 분배판과 하부 가스 분배판으로 분리되고, 두 판에서 서로 마주보는 면들에 형성된 함몰부는 상기 가스 확산 공간(150)을 제공할 수 있다.
상기 가스 분배판(160)은 도전체로 형성되고 접지될 수 있다, 상기 가스 분배판(160)의 표면은 유전체로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 상기 가스 분배판(160)은 알루미늄으로 형성되고, 표면은 알루미늄 산화막 처리될 수 있다. 상기 가스 분배판(160)은 상기 상판(104)의 하부에 장착될 수 있다.
상기 제1 배선(140)은 상기 가스 확산 공간(150) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 배선(140)은 상기 가스 분배판(160)에 매설될 수 있다. 상기 제1 배선(140)은 외부 전력 공급 라인(149)을 통하여 제공받은 RF 전력을 전원 전극들에 분배하기 위한 1차 분배회로이다. 상기 제1 배선(140)을 통하여 분배된 RF 전력은 상기 제2 배선(130)을 통하여 재분배되어 최종적으로 상기 전원 전극들(110)에 제공된다. 제2 배선은 한 평면에 배치될 수 있다.
만일, 상기 제1 배선(130)이 주로 전력 분배를 수행하면, 상기 가스 확산 공간을 관통하는 콘택 플러그들(190)의 개수가 증가한다. 반대로, 상기 제2 배선(140)이 주로 전력 분배를 수행하면, 상기 가스 확산 공간(150)을 콘택 플러그의 개수는 감소하나, 노즐들이 배치되는 공간은 제한된다. 따라서, 노즐 배치에 한계가 있다. 따라서, 상기 제1 배선에 의한 전력 분배와 상기 제2 배선에 의한 전력 분배의 적절한 조화가 요구된다.
상기 제1 배선(140)은 동축 케이블 구조를 가진다. 이에 따라, 주위 환경에 따른 임피던스 변화를 최소화한다. 또한, 상기 제1 배선(140)의 전력 공급 라인에 연결된 일단과 상기 콘택 플러그들(190)에 연결된 타단들 사이의 임피던스는 동일하도록 설정된다. 이를 위하여, 상기 제1 배선(140)의 전력 공급 라인에 연결된 일단과 상기 콘택 플러그들(190)에 연결된 타단들 사이의 길이는 동일할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 배선은 매 분기점마다 2 가지(branch)를 가지고 최종적으로 2의 배수의 분기점을 가질 수 있다.
상기 콘택 플러그들(190)은 상기 가스 확산 공간(150)을 관통하여 상기 제1 배선(140)과 제2 배선(130)을 전기적으로 연결한다. 상기 콘택 플러그들(190)의 개수는 상기 제1 배선(140)의 구조 및 상기 제2 배선(130)의 구조에 의존한다. 상기 콘택 플러그(190)의 구조는 동축 케이블과 같은 구조를 가진다. 이에 따라, 상기 콘택 플러그(190)의 임피던스는 주위 환경에 영향을 받지 않는다.
상기 제2 배선(130)은 전력을 재분배하여 상기 전원 전극들(110)에 공급할 수 있다. 상기 제2 배선(130)은 상기 콘택 플러그와 그룹을 형성하는 전원 전극들을 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 제2 배선(130)은 동축 케이블 구조를 가진다. 상기 제2 배선(130)은 영역에 따라 복수 개일 수 있다.
상기 제2 배선(130)은 상기 콘택 플러그(190)를 통하여 공급된 전력을 서로 인접한 복수의 전원 전극들(110)에 전력을 분배할 수 있다. 상기 제2 배선(130)은 동일한 평면 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 배선(130)은 동축 케이블 구조를 가질 수 있다.
상기 제2 배선(130)은 콘택 플러그와 전원 전극들의 길이가 동일하도록 설정될 필요는 없다. 따라서, 상기 제2 배선(130)은 상기 전원 전극들(110)의 중심을 가로지르도록 배치된 스트립 라인 형태일 수 있다. 상기 제2 배선(130)은 2 개 이상의 전원 전극들(110)에 전력을 분배할 수 있다.
상기 전원 전극들(110)은 상기 제2 배선(130)을 통하여 전력을 공급받아 플라즈마를 형성할 수 있다. 상기 전원 전극들(110)은 직사각형 기둥 형상을 가질 수 있다. 상기 전원 전극들(110)은 제1 방향으로 연장되고, 제2 방향으로 일정한 간격을 가지고 배열될 수 있다. 상기 전원 전극들(110)은 도전체로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전원 전극들(110)의 표면은 절연체로 코팅될 수 있다. 상기 전원 전극들(110)은 상기 제2 배선(140)에 결합 수단(114)을 통하여 전기적으로 연결되고 기계적으로 고정될 수 있다.
상기 전원 전극(110)과 상기 가스 분배판(160)의 하부면 사이에는 절연체(112)가 배치될 수 있다. 상기 절연체(112)는 스트립 라인 형태를 가지고 제1 방향으로 연장될 수 있다. 상기 절연체(112)의 일면의 일부는 플라즈마에 노출되고, 상기 절연체(112)의 일면의 잔부는 상기 전원 전극(110)과 결합할 수 있다. 상기 절연체(112)의 타면은 상기 가스 분배판(160)의 하부면에 결합할 수 있다.
접지 전극들(120)은 상기 전원 전극(110)의 양 측면에 배치될 수 있다. 상기 접지 전극(120)은 상기 가스 분배판의 하부면에서 돌출되어 제1 방향으로 연장될 수 있다. 또는 상기 접지 전극(120)은 상기 가스 분배판의 하부면에 장착되어 제1 방향으로 연장될 수 있다.
상기 절연체(112)는 상기 접지 전극(120)을 제외한 상기 가스 분배판(160)의 하부면이 플라즈마에 노출되지 않도록 배치될 수 있다. 상기 접지 전극들(120)의 하부면은 상기 전원 전극들(110)의 하부면 보다 높을 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 발생 공간은 한정될 수 있다. 플라즈마는 상기 접지 전극(120)과 상기 전원 전극(110) 사이에 주로 발생될 수 있다.
상기 가스 확산 공간(150)에 저장된 가스는 노즐(152)을 통하여 상기 전원 전극들(110) 주위에 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 노즐(152)은 상기 접지 전극(120)과 전원 전극(110) 사이에 배치된 절연체(112)를 관통하고, 상기 가스 확산 공간(150)까지 연장될 수 있다. 상기 노즐들(152)은 제1 방향 또는 전원 전극들이 연장되는 방향으로 정렬될 수 있다.
RF 전원(180)의 주파수는 13.56 Mhz 내지 수백 Mhz일 수 있다. 상기 RF 전원(180)의 출력은 임피던스 매칭 네트워크(170) 및 전력 공급라인(149)을 통하여 제1 배선(140)에 공급된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다. 도 1에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 플라즈마 발생 장치(100b)는 진공 용기의 뚜껑 대신에 가스 분배판이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 플라즈마 발생 장치는 진공 용기를 포함하지 않을 수 있다. 이 경우, 플라즈마 발생 장치는 대기압 방전할 수 있다.
도 3a은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 평면도이다.
도 3b 내지 도 3g는 도 3a의 I-I' 선, II-II' 선, III-III'선, IV-IV'선, V-V'선, 및 VI-VI'선을 따라 각각 자른 단면도들이다.
도 3a 내지 도 3g를 참조하면, 플라즈마 발생 장치(100c)는 외부로부터 가스를 공급받아 분배하는 가스 확산 공간(150)을 포함하는 가스 분배판(160), 상기 가스 확산 공간(150) 상에 배치되고 외부 RF 전원으로부터 전력을 공급받아 분배하는 제1 배선(140), 상기 가스 확산 공간(150) 하부에 배치되고 상기 제1 배선(140)으로부터 전력을 공급받아 재분배하는 제2 배선(130), 상기 가스 확산 공간을 관통하여 상기 제1 배선(140)과 제2 배선(130)을 전기적으로 연결하는 콘택 플러그들(190), 상기 가스 분배판(160)에 배치되고 상기 제2 배선(130)에 전기적으로 연결되어 플라즈마를 형성하는 복수의 전원 전극들(110)을 포함한다.
제1 방향은 상기 전원 전극들(110)과 접지 전극들(120)이 연장되는 방향이고, 제2 방향은 제1 방향에 수직하고 가스 분배판이 배치되는 평면 상에 있다. 제3 방향은 가스 분배판의 배치 평면에 수직한 방향이다.
상기 전원 전극들(110)은 일정한 폭과 두께를 가지고 제1 방향으로 나란히 연장될 수 있다. 상기 전원 전극은 도전체이다. 상기 전원 전극들(110)은 알루미늄과 같은 도전성이 높은 물질일 수 있다. 상기 전원 전극들의 모서리는 라운팅 처리될 수 있다. 상기 전원 전극들(110)의 길이는 수십 센티 미터 내지 수 미터일 수 있다. 상기 전원 전극들의 배치 간격은 일정한 것이 바람직하다.
접지 전극들(120)은 가스 분배판의 하부면에서 돌출되어 일정한 폭과 두께를 가지고 제1 방향으로 나란히 연장될 수 있다. 하나의 전원 전극(110)의 양 측에는 접지 전극들(120)이 배치될 수 있다. 따라서, 플라즈마가 없는 경우, 전원 전극들 각각은 동일한 임피던스를 가질 수 있다. 또한, 전원 전극(110)과 접지 전극(120) 사이의 간격은 일정할 수 있다. 상기 접지 전극(120)은 도전체이다. 스퍼터링 저항성을 가지도록 상기 접지 전극(120)의 표면은 절연체로 코팅될 수 있다.
상기 가스 분배판(160)의 하부면으로부터 접지 전극(120)의 하부면 까지의 거리는 상기 가스 분배판(160)의 하부면으로부터 전원 전극(110)의 하부면까지의 거리보다 작을 수 있다.
접지 전극(120)과 전원 전극(110) 사이의 간격, 전원 전극의 폭과 높이, 접지 전극의 폭과 높이는 공정 조건에 의존하여 변경될 수 있다. 예를 들어, 높은 압력에서 동작하는 경우, 상기 접지 전극과 전원 전극의 간격은 감소할 수 있다. 균일성을 향상시키고 하는 경우, 이웃한 접지 전극들 사이의 간격은 감소할 수 있다.
접지 전극의 형태와 전원 전극의 형태는 직사각형, 테이퍼형, 절두 삼각형 , 타원형 등 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 접지 전극과 전원 전극 사이의 간격은 제3 방향으로 일정하지 않을 수 있다. 또한, 상기 전원 전극 또는 접지 전극은 제1 방향으로 진행하면서 구불구불할 수 있다.
상기 가스 분배판(160)은 상기 제1 배선(140)이 장착되는 상부 가스 분배판(160a)및 상기 제2 배선(130)이 장착되는 하부 가스 분배판(160a)을 포함할 수 있다. 상기 가스 분배판(160)은 사각판 형태일 수 있다. 상기 상부 가스 분패판(160a)과 상기 하부 가스 분배판(160b)은 서로 결합할 수 있다. 상기 상부 가스 분배판(160a)의 하부면에 제1 함몰부(150a)가 형성될 수 있다. 또한, 상기 하부 가스 분배판(160b)의 상부면에는 제2 함몰부(150b)가 형성될 수 있다. 상기 제1 함몰부(150a)와 상기 제2 함몰부(150b)는 결합하여 상기 가스 확산 공간(150)을 형성할 수 있다. 상기 가스 확산 공간(150)은 가스를 확산 분배하고자 하는 전 영역 상에 형성될 수 있다. 상기 가스 확산 공간(150)에 연결된 복수의 노즐들(152)은 상기 전원 전극들(110) 주위에 가스를 공급할 수 있다. 상기 가스 확산 공간(150)은 직사각형 판형일 수 있다.
상기 상부 가스 분배판(160b)의 중심 부근에는 가스 공급라인(163)이 배치될 수 있다. 상기 가스 확산 공간(150)에 외부로부터 가스를 공급하는 가스 공급라인(163)이 연결될 수 있다. 상기 가스 공급 라인(150) 하부의 상기 가스 확산 공간에는 상기 가스 공급 라인(163)으로 공급된 가스를 확산시키는 배플(163)이 배치될 수 있다.
상기 제1 배선, 상기 제2 배선, 및 상기 콘택 플러그는 동축 케이블 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 배선(140)은 전력 공급라인(149)을 통하여 전력을 공급받을 수 있다. 상기 전력 공급라인(149)은 중심 도체(149a)와 상기 중심 도체(149a)를 감싸는 절연체(149b)를 포함할 수 있다.
상기 제1 배선(140)은 상기 가스 확산 공간(150)의 상부면에 형성된 함몰부(141)에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 배선(140)은 상기 상부 가스 분배판(160a)의 하부면에 형성된 함몰부(141)에 배치될 수 있다. 상기 함몰부(141)의 형상은 상기 제1 배선의 형상과 동일할 수 있다.
상기 제1 배선(140)은 제1 상부 절연판(148), 상기 제1 상부 절연판(148) 하부에 배치된 제1 배선 도전 라인(146), 상기 제1 배선 도전 라인(146) 하부에 배치된 제1 하부 절연판(144), 및 상기 제1 하부 절연판(144)의 하부에 배치되는 제1 하부 도체판(142)을 포함할 수 있다. 상기 제1 상부 절연판(148) 및 상기 제1 하부 절연판(144)은 상기 제1 배선 도전 라인(146)을 감싸도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 상부 가스 분배판(160a) 및 상기 하부 도체판(142)은 상기 제1 상부 절연판(148) 및 상기 제1 하부 절연판(146)을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 하부 도체판(142)의 하부면은 상기 상부 가스 분배판의 하부면과 일치하여, 가스의 유체 저항은 감소될 수 있다. 상기 제1 상부 절연판(148) 및 상기 제1 하부 절연판(144)는 상기 제1 배선 도전 라인(146)의 주위의 공간을 채워서 이상 방전을 억제할 수 있다.
상기 제1 배선 도전 라인(146)은 전력 공급 지점(전력 공급라인과 제1 배선의 접촉 지점)으로부터 2의 배수로 차례로 분기될 수 있다. 최종 분기된 지점들과 전력 공급 지점의 거리는 동일할 수 있다. 상기 제1 배선 도전 라인(146)은 동일한 평면 상에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 제1 배선(146)은 노즐의 위치에 영향이 없이 자유로이 배치될 수 있다. 상기 제1 배선(140)의 최종 분기된 라인은 콘택 플러그(190)를 통하여 가스 확산 공간(150)을 관통하여 제2 배선(130)에 연결된다.
상기 제1 배선(140)에 의하여 분기된 지점의 개수가 너무 많으면 콘택 플러그의 개수가 증가한다. 이에 따라, 상기 가스 확산 공간(150)을 관통하는 콘택 플러그는 가스 확산 및 가스 분배를 저해할 수 있다.
상기 제2 배선(130)은 상기 가스 확산 공간(150)의 하부면에 형성된 함몰부(131)에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 함몰부(131)는 상기 하부 가스 분배판(160b)의 상부면에 배치될 수 있다. 상기 함몰부(131)의 개수는 콘택 플러그의 개수와 동일할 수 있다. 상기 함몰부(131)는 하부 가스 분배판(160b)의 중심 또는 전원 전극(110)의 중심에 제2 방향으로 연장되어 배치될 수 있다.
상기 제2 배선(130)은 제2 상부 도체판(132), 상기 제2 상부 도체판(132) 하부에 배치되는 제2 상부 절연판(134), 상기 제2 상부 절연판(134)의 하부에 배치된 제2 배선 도전 라인(136), 및 상기 제2 배선 도전 라인(136) 하부에 배치된 제2 하부 절연판(138)을 포함할 수 있다. 상기 제2 상부 절연판(134) 및 상기 제2 하부 절연판(138)은 상기 제2 배선 도전 라인(136)의 주위의 공간을 채워서 이상 방전을 억제할 수 있다.
상기 제2 배선의 거리는 반드시 동일 거리일 것을 요구하지 않는다. 예를 들어, 공정 조건에 의하여, 전원 전극의, 접지 전극의 폭, 전원 전극과 접지 전극의 간격이 고정된 경우, 임의의 기판 크기에 대하여, 전원 전극의 개수는 2의 배수에 한정되지 않는다. 따라서, 이 경우, 제2 배선은 1 이상의 홀 수개의 다중 전극을 연결할 수 있다. 따라서, 임의의 기판 크기에 대하여, 전원 전극의 개수만을 증가시켜 적용할 수 있다.
상기 제2 상부 절연판(134) 및 상기 제2 하부 절연판(136)은 상기 제2 배선 도전 라인(136)을 감싸도록 형성될 수 있다. 상기 제2 상부 도체판(132) 및 상기 하부 가스 분배판(160b)은 상기 제2 상부 절연판(134) 및 상기 제2 하부 절연판(138)을 감싸도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 배선(130)은 동축 케이블 구조를 가질 수 있다.
상기 콘택 플러그들(190)은 상기 제1 배선(140)과 상기 제2 배선(130)을 전기적으로 연결하는 플러그 도체(192), 상기 플러그 도체(192)의 주위를 감싸는 절연 자켓(194), 및 상기 절연 자켓(194)의 주위를 감싸는 외피 도전체(196)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 콘택 플러그들(190)은 동축 케이블 구조를 가질 수 있다. 상기 절연 자켓(194)은 이상 방전을 방지하기 위하여 가스 공간을 제거할 수 있다.
절연체들(112)은 상기 전원 전극들(110)과 상기 가스 분배판(160) 사이에 개재되어 상기 전원 전극들(110)과 나란히 연장될 수 있다. 상기 절연체들(112)은 스트립 라인 형태일 수 있다. 상기 절연체(112)는 이웃한 접지 전극들(120) 사이의 공간을 채울 수 있다. 상기 절연체(112)는 제1 절연체층(112a)과 제2 절연체층(112b)의 복층 구조를 가질 수 있다. 플라즈마에 직접 노출되는 제1 절연체(112a)는 세라믹, 알루미나, 사파이어와 같이 스퍼터링에 강한 물질일 수 있다. 플라즈마에 노출되지 않는 제2 절연체층(112b)은 테프론, 강화 플라스틱, 유리, 쿼츠와 같은 물질일 수 있다.
노즐들(152)은 상기 가스 확산 공간(150)에 연결되어 상기 가스 분배판(160)의 하부로 가스를 분사한다. 상기 노즐들(152)은 상기 접지 전극(120)을 관통하여 형성될 수 있다. 상기 노즐들(152)은 상기 접지 전극(120)의 연장 방향 또는 제1 방향으로 배열될 수 있다. 상기 노즐(152)은 제3 방향을 따라 제1 영역, 제2 영역, 및 제3 영역으로 구분될 수 있다. 상기 제3 영역의 직경은 제3 방향으로 진행하면서 점차 증가하는 테이퍼 형태일 수 있다. 또한, 상기 제2 영역의 직경은 제1 영역 및 제3 영역의 직경보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 노즐(152)은 제3 방향으로 진행하면서 가스를 넓은 각도로 분사할 수 있다.
상기 전원 전극들(110) 각각은 적어도 하나의 위치에서 상기 제1 배선 및 제2 배선을 통하여 전력을 공급받을 수 있다. 상기 제2 배선(130)과 전원 전극들(110)은 결합 수단(114)에 의하여 전기적으로 연결되고, 기계적으로 결합할 수 있다. 상기 결합 수단의 주위에는 절연체(115)에 의하여 절연되어 상기 하부 분배판(160b)과 전기적으로 절연될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치(110c)는 최소한의 가스 공급 라인 및 전력 공급 라인을 사용한다. 이에 따라, 진공 유지를 위한 복잡한 구조를 피할 수 있다. 또한, 전력을 분배하는 제1 배선(140) 및 제2 배선(130)은 가스 분배판(160)에 배치되어 가스 흐름을 방해하지 않고, 기구적 안정성 및 유지 보수 편리성을 제공할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 제2 배선은 하나의 콘택 플러그(190)에서 전원 전극(110)들 사이의 거리가 동일하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치는 진공 용기에 장착되지 않고 대기압에서도 동작할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 평면도이다.
도 4b 내지 도 4d는 도 4a의 A-A'선, B-B'선, C-C'선을 따라 각각 자른 단면도들이다. 도 3에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 플라즈마 발생 장치(100d)는 외부로부터 가스를 공급받아 분배하는 가스 확산 공간(150)을 포함하는 가스 분배판(160), 상기 가스 확산 공간(150) 상에 배치되고 외부 RF 전원으로부터 전력을 공급받아 분배하는 제1 배선(140), 상기 가스 확산 공간(150) 하부에 배치되고 상기 제1 배선(140)으로부터 전력을 공급받아 재분배하는 제2 배선(130), 상기 가스 확산 공간을 관통하여 상기 제1 배선(140)과 제2 배선(130)을 전기적으로 연결하는 콘택 플러그들(190), 상기 가스 분배판(160)에 배치되고 상기 제2 배선(130)에 전기적으로 연결되어 플라즈마를 형성하는 복수의 전원 전극들(110)을 포함한다.
가스 분배판(160)은 상부 가스 분배판(160a)과 하부 가스 분배판(160b)을 포함할 수 있다. 상기 상부 가스 분배판(160a)의 하부면에 함몰부가 형성될 수 있다.
하부 가스 분배판(160b)은 상기 상부 가스 분배판(160a)의 하부면에 삽입되도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 하부 가스 분배판(160b)의 하부면과 상기 상부 가스 분배판(160a)의 하부면은 일치할 수 있다. 상기 상부 가스 분배판(160a)과 상기 하부 가스 분배판(160b)이 결합하여 상기 가스 확산 공간(150)을 형성할 수 있다. 상기 하부 가스 분배판(160b)의 크기는 상기 가스 확산 공간(150)의 크기보다 클 수 있다.
도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 평면도이다.
도 5b 내지 도 5d는 도 5a의 I-I'선, II-II'선, III-III'선을 따라 각각 자른 단면도들이다. 도 3에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 5b 내지 도 5d를 참조하면, 플라즈마 발생 장치(100e)는 외부로부터 가스를 공급받아 분배하는 가스 확산 공간(150)을 포함하는 가스 분배판(160), 상기 가스 확산 공간(150) 상에 배치되고 외부 RF 전원으로부터 전력을 공급받아 분배하는 제1 배선(140), 상기 가스 확산 공간(150) 하부에 배치되고 상기 제1 배선(140)으로부터 전력을 공급받아 재분배하는 제2 배선(130), 상기 가스 확산 공간을 관통하여 상기 제1 배선(140)과 제2 배선(130)을 전기적으로 연결하는 콘택 플러그들(190), 상기 가스 분배판(160)에 배치되고 상기 제2 배선(130)에 전기적으로 연결되어 플라즈마를 형성하는 복수의 전원 전극들(110)을 포함한다.
노즐들(152)은 상기 가스 확산 공간(150)에 연결되어 상기 가스 분배판(160)의 하부로 가스를 분사한다. 상기 노즐들(152)은 하부 가스 분배판(120) 및 절연체(112)을 관통하여 형성될 수 있다. 상기 노즐들(152)은 상기 전원 전극과 접지 전극 사이에 배치될 수 있다. 상기 노즐들(152)은 제1 방향으로 배열될 수 있다. 상기 노즐(152)은 제3 방향을 따라 제1 영역, 제2 영역, 및 제3 영역으로 구분될 수 있다. 상기 제3 영역의 직경은 제3 방향으로 진행하면서 점차 증가하는 테이퍼 형태일 수 있다. 또한, 상기 제2 영역의 직경은 제1 영역 및 제3 영역의 직경보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 노즐(152)은 제3 방향으로 진행하면서 가스를 넓은 각도로 분사할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 평면도이다. 도 3에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 플라즈마 발생 장치(100f)외부로부터 가스를 공급받아 분배하는 가스 확산 공간(150)을 포함하는 가스 분배판(160), 상기 가스 확산 공간(150) 상에 배치되고 외부 RF 전원으로부터 전력을 공급받아 분배하는 제1 배선(140), 상기 가스 확산 공간(150) 하부에 배치되고 상기 제1 배선(140)으로부터 전력을 공급받아 재분배하는 제2 배선(130), 상기 가스 확산 공간을 관통하여 상기 제1 배선(140)과 제2 배선(130)을 전기적으로 연결하는 콘택 플러그들(190), 상기 가스 분배판(160)에 배치되고 상기 제2 배선(130)에 전기적으로 연결되어 플라즈마를 형성하는 복수의 전원 전극들(110)을 포함한다.
제1 배선(140)은 전력 공급라인(149)를 통하여 RF 전력을 공급받는다. 제1 배선 및 제2 배선은 하나의 전원 전극에 2 개의 위치에서 전력을 공급할 수 있다. 이에 따라, 전원 전극은 서로 대칭적으로 배치된 2 부위에서 전력을 공급받을 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 배선은 도 3a 에서 설명한 제1 배선의 거울 대칭 구조를 가질 수 있다.
전력 공급라인에서 공급된 전력은 제1 배선을 통하여 2 갈래로 갈라지고 서로 제2 방향을 중심으로 제1 방향에 대하여 거울 대칭이 되도록 배치된다. 제1 배선의 전력 공급 지점으로 부터 콘택 플러그들(190)의 거리는 동일할 할 수 있다.
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.
100a~100f: 플라즈마 발생 장치 150: 가스 확산 공간
160: 가스 분배판 180: 외부 RF 전원
170: 임피던스 매칭 네트워크 140: 제1 배선
130: 제2 배선 110: 전원 전극
120: 접지 전극 190: 콘택 플러그

Claims (5)

  1. 가스 확산 공간을 포함하는 가스 분배판;
    상기 가스 분배판 하부에 배치되는 복수의 전원 전극들; 및
    상기 전원 전극들 각각의 양 측면에 배치되는 접지 전극들;을 포함하고
    상기 접지 전극들은 상기 가스 확산 공간에 연결되고 상기 접지 전극을 관통하여 형성되는 노즐을 포함하고,
    상기 가스 분배판의 하부면으로부터 상기 접지 전극의 하부면까지의 거리는 상기 가스 분배판의 하부면으로부터 상기 전원 전극의 하부면까지의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 노즐은 상기 접지 전극들의 배치 평면에 수직한 방향을 따라 차례로 제1 영역, 제2 영역, 및 제3 영역을 가지고,
    상기 제2 영역의 직경은 상기 제1영역 및 상기 제3영역보다 직경이 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 노즐은 상기 접지 전극들의 배치 평면에 수직한 방향을 따라 차례로 제1 영역, 제2 영역, 및 제3 영역을 가지고,
    상기 제3 영역의 직경은 상기 접지 전극들의 배치 평면에 수직한 방향을 따라 점차 증가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 가스 분배판 상부에 배치되고 외부 RF 전원으로부터 전력을 공급받는 제1 배선; 및
    상기 가스 분배판 하부에 배치되는 제2 배선;을 더 포함하고,
    상기 제1 배선과 제2 배선은 상기 가스 분배판의 상기 가스 확산 공간을 관통하여 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 가스 분배판 상부에 배치되고 외부 RF 전원으로부터 전력을 공급받는 제1 배선; 및
    상기 가스 확산 공간을 관통하여 상기 제1 배선과 상기 전원 전극들을 전기적으로 연결하는 콘택 플러그를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
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