KR20200144081A

KR20200144081A - High Flux 플라즈마 소스

Info

Publication number: KR20200144081A
Application number: KR1020200171244A
Authority: KR
Inventors: 김용환; 남상훈
Original assignee: 주식회사 인포비온
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2020-12-28
Also published as: KR102288388B1

Abstract

본 발명은 저에너지 플라즈마 소스에 관한 것이다. 상기 플라즈마 소스는, 전체적으로 유전체로 형성되고 개구부가 형성된 내벽과 외벽으로 이루어진 2중벽을 구비하고, 상기 내벽과 외벽은 플라즈마가 형성될 수 있는 공간을 확보하는 거리로 이격되어야 하고, 상기 내벽으로 이루어진 공간에 플라즈마가 생성되는 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 챔버의 외부에 배치된 RF 안테나 모듈; 바이어스용 단자 및 상기 바이어스용 전원을 구비하고, 상기 바이어스용 단자는 상기 플라즈마 챔버의 내벽과 외벽의 사이에 그리고 플라즈마로부터 가장 먼 거리에 배치되어 플라즈마 챔버의 플라즈마로 소정의 바이어스를 인가할 수 있도록 구성된 바이어스 모듈;을 구비한다. 상기 플라즈마 챔버의 내벽의 일단부는 외부로 노출되어 플라즈마 챔버의 플라즈마를 방출시키기 위한 토출구가 된다. 본 발명에 따른 플라즈마 소스는 플라즈마 챔버의 내벽의 일단이 그대로 노출되어 구성된 토출구를 통해 저에너지 High Flux의 활성화 원자, 혹은 바이어스가 인가되어 에너지를 갖는 High Flux 이온빔을 방출하게 된다.

Description

High Flux 플라즈마 소스{High flux plasma source}

본 발명은 플라즈마 소스에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 플라즈마 챔버의 플라즈마 방출을 위한 토출구에 빔 집속이나 빔 가속을 위한 그리드(grid)없이, 플라즈마 챔버로부터 토출구로 플라즈마에서 생성된 활성화된 원자가 방출되도록 하여 저 에너지의 활성화 원자가 High Flux로, 혹은 전기적 바이어스를 가해서 전하를 갖는 이온이 High Flux로 방출될 수 있도록 한 플라즈마 소스에 관한 것이다.

플라즈마(Plasma)란 전기적인 방전으로 인해 생기는 전하를 띈 양이온 및 전자들의 집단으로, 짝짓지 않은 전자를 갖는 원자단인 라디칼을 포함한다. 플라즈마 내부에는 활발하게 움직이는 전자, 이온 및 라디칼(radical)이 존재하므로 다른 물질을 여기 또는 전리시키는 화학적 반응을 일으킬 수 있다. 또한, 플라즈마 외부에 전계를 걸어줌으로써, 전자 및 이온의 운동 속도를 조절하여 다른 물질과 충돌을 유발하는 물리적 반응을 일으킬 수 있다. 상기 플라즈마에 의한 화학적 반응 및 물리적 반응은 물질을 증착하는 공정에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 물질을 식각하는 공정에도 적용할 수도 있다.

일반적으로 플라즈마를 이용한 처리장치로는 박막 증착을 위한 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vaper Deposition) 장치, 증착된 박막을 식각하여 패터닝하는 식각장치, 스퍼터(Sputter), 애싱(Ashing) 장치, 이온빔 소스, 전자빔 소스 등이 있다. 또한, 이러한 플라즈마 발생장치는 RF 전력의 인가방식에 따라 용량결합형(Capacitively Coupled Plasma; 이하 CCP)와, 유도결합형(Inductively Coupled Plasma; 이하, ICP) 장치로 구분된다.

상기 용량결합형은 서로 대향되는 평행형판 전극에 RF 전렬을 인가하여 전극 사이에 수직으로 형성되는 RF 전력을 인가하여 전극 사이에 수직으로 형성되는 RF 전기장을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 방식인 반면, 상기 유도결합형은 진공으로 유지 가능한 플라즈마 처리를 실시하기 위하여 플라즈마 챔버의 외부에 고주파 안테나가 설치되고, 상기 고주파 안테나와 플라즈마 처리실 사이의 벽(window)은 유전체로 구성된다. 상기 고주파 안테나는 고주파 전력이 공급되어 플라즈마 챔버 내부에 유도전기장이 형성되고, 상기 유도전기장에 의해 상기 플라즈마 챔버에 도입된 처리 가스가 플라즈마화 되어 기판의 플라즈마 처리가 실시되는 방식이다. 상기 유도결합형은 상기 고주파 안테나의 모양과 외부자기장에 따라 ICP(Inductively Coupled Plasma), TCP(Transformer Coupled Plasma), 헬리칼 플라즈마(Helical Plasma), 헬리콘 플라즈마(Helicon Plasma), ECR 등으로 구분된다.

한편, 전술한 플라즈마를 이용하여 구성된 이온빔 소스는 200eV 이상의 높은 빔 에너지를 낮은 플럭스(Low Flux)로 제공할 수 있게 된다. 도 1은 종래의 플라즈마를 이용한 이온빔 소스를 도시한 모식도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 이온빔 소스(10)는 플라즈마 챔버(100)의 출구에 이온빔을 집속하거나 가속시키기 위한 그리드(grid)(110)를 장착하고, 상기 그리드(110)에 소정의 전압을 인가함으로써, 플라즈마로부터 원하는 높은 에너지의 이온빔(이온화된 원자가 이루어진 집단)을 낮은 플럭스로 제공하게 된다.

한국공개특허공보 제 10-2014-0060495호

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 낮은 에너지(Low Energy)의 활성화 원자를 High Flux로 혹은 전하를 갖는 이온빔을 High Flux로 방출할 수 있도록 하는 플라즈마 소스를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 플라즈마 소스는, 전체적으로 유전체로 형성된 내벽과 외벽이 서로 일정 거리 이격 배치되어 내벽과 외벽 사이에도 플라즈마가 유지 될 수 있는 수mm 이상의 공간을 형성하도록 하여 내벽과 외벽 사이의 공간에 생긴 플라즈마에 하부 링형 전극단에서 주어지는 바이어스 전원이 플라즈마에 연결되도록 하고, 상기 내벽은 개구부를 구비하고, 상기 내벽으로 이루어진 공간에 플라즈마가 생성되는 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 챔버의 외주면을 따라 배치된 RF 안테나를 통해 RF 전원을 제공하는 RF 안테나 모듈; 전원 인가를 위한 바이어스용 단자 및 상기 바이어스용 단자에 연결된 바이어스용 전원을 구비하고, 상기 바이어스용 단자는 상기 플라즈마 챔버의 내벽과 외벽의 사이에 배치되고, 상기 바이어스용 단자를 통해 상기 플라즈마 챔버의 플라즈마로 소정의 바이어스를 간접적으로 인가할 수 있도록 구성된 바이어스 모듈;을 구비하고, 상기 플라즈마 챔버의 일단에는 가스 주입구가 형성되고, 타단은 상기 내벽의 단부가 노출된 출구로서 플라즈마 챔버의 플라즈마를 방출시키기 위한 토출구가 된다.

전술한 특징에 따른 플라즈마 소스에 있어서, 상기 플라즈마 챔버의 내벽은 상기 안테나의 수직 방향을 따라 형성된 다수 개의 슬롯 모양 개구부를 구비하여 패러데이 쉴드(Faraday shield) 구조로 이루어진 것이 바람직하다.

전술한 특징에 따른 플라즈마 소스에 있어서, 상기 바이어스 모듈의 바이어스용 단자는 링(ring) 형상으로 이루어져, 상기 플라즈마 챔버의 내벽과 외벽의 사이에 배치된 것이 바람직하다.

전술한 특징에 따른 플라즈마 소스에 있어서, 상기 바이어스 모듈의 바이어스용 전원은 DC 전원 또는 펄스 DC전원으로 이루어져 상기 단자로 전원을 인가하게 되어, 플라즈마 생성 챔버 내의 플라즈마에 소정의 전위를 일정한 값으로 혹은 펄스형으로 인가하도록 구성된 것이 바람직하다.

전술한 특징에 따른 플라즈마 소스에 있어서, 상기 플라즈마 소스는 상기 가스 주입구가 형성된 상기 플라즈마 챔버의 일단에 삽입된 가스 균일 공급 모듈을 더 구비하고, 상기 가스 균일 공급 모듈은 복수 개의 가스 주입용 관통홀들이 플라즈마가 가스홀을 통하여 연결되지 않도록 직통으로 통하지 않고 소정의 형상으로 꺾여서 가스가 분배되고 또한 챔버에 고르게 분배되도록 원형으로 구멍들이 분배되어 형성된 것을 특징으로 하며, 상기 가스 주입구로 주입된 가스는 상기 가스 균일 공급 모듈의 가스 주입용 관통홀들을 통해 플라즈마 챔버의 내부로 들어가도록 구성된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 플라즈마 소스는 플라즈마 챔버의 출구에 별도의 그리드를 장착하지 않고 플라즈마 챔버의 출구를 플라즈마를 방출하기 위한 토출구로 사용함으로써, 저 에너지의 활성화 원자가 High Flux로, 혹은 전기적 바이어스를 가해서 전하를 갖는 이온이 High Flux로 방출시킬 수 있게 된다.

본 발명에 따른 플라즈마 소스는 플라즈마로 간접적으로 전위를 인가하기 위한 바이어스 모듈을 플라즈마 챔버의 내벽과 외벽의 사이에 링형으로 위치시킴으로써, 내벽의 개구부를 통해 플라즈마의 전위 제어를 가능하게 된다. 또한, 바이어스 모듈을 플라즈마 챔버의 내벽과 외벽의 사이에 그리고 플라즈마로부터 가장 먼 거리인 소스의 바닥에 위치시켜 플라즈마와 직접적으로 접촉되지 않도록 함으로써, 플라즈마 내부의 이온 등에 의한 손상을 최소화하고 스퍼터링 효과에 의한 플라즈마 챔버인 유전체의 내부의 오염을 저하시킬 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 플라즈마 소스는 복수 개의 가스 주입용 관통홀들을 갖는 가스 균일 공급 모듈을 가스 주입구와 플라즈마 챔버의 사이에 배치함으로써, 플라즈마 챔버내로 가스를 균일하게 공급할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 플라즈마를 이용한 이온빔 소스를 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 소스를 도시한 모식도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 소스를 전체적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 소스에 있어서, 가스 균일 공급 모듈(230)을 도시한 사시도이다.
도 5은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 소스에 있어서, 가스 균일 공급 모듈(230)을 통해 플라즈마 챔버로 가스가 주입되는 경로를 도시한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 소스에 있어서, 플라즈마 챔버에 장착된 바이어스 모듈의 일 예를 도시한 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 소스의 구조 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 소스를 도시한 모식도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 소스를 전체적으로 도시한 단면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 소스(20)는 유전체로 이루어진 내벽과 외벽으로 구성된 플라즈마 챔버(200), RF 안테나 모듈(210), 바이어스 모듈(220), 가스 균일 공급 모듈(230)을 구비한다.

상기 플라즈마 챔버(200)는 전체적으로 유전체로 형성되되, 개구부(205)를 갖는 내벽(202)과 외벽(204)이 서로 일정 거리 이격 배치되어 이루어져, 상기 내벽으로 이루어진 공간에 상기 가스 균일 공급 모듈(230)을 통해 유입된 가스에 의해 플라즈마가 생성된다. 상기 플라즈마 챔버(200)의 일단에는 가스 주입구(207)가 형성되고, 타단은 상기 내벽의 단부가 외부로 노출된 출구(209)이며 플라즈마 챔버의 플라즈마를 방출시키기 위한 토출구로서의 기능을 하도록 구성된다. 도 3를 참조하면, 상기 플라즈마 챔버의 내벽(202)은 상기 안테나의 수직 방향을 따라 형성된 다수 개의 개구부를 구비하여 패러데이 쉴드(Faraday shield)로 동작하도록 구성된 것이 바람직하다.

상기 RF 안테나 모듈(210)은 플라즈마 챔버의 외주면에 안테나(212)가 배치되고, 상기 안테나는 RF 전원과 연결됨으로써, 안테나를 통해 플라즈마 챔버로 RF 전원을 제공한다. 이와 같이, ICP(Inductively Coupled Plasma)는 플라즈마 챔버의 외부에 RF 안테나인 코일을 감아 놓은 것으로서, 코일에 전류가 흐르면, 코일의 전류로부터 형성된 자기장이 형성되고, 자기장으로부터 유도 전기장이 형성되며, 유도 전기장에 의해 플라즈마 챔버 내의 전자가 가속 에너지를 얻고 플라즈마를 형성하게 된다.

이때, RF 안테나의 주변에 축전 전기장이 형성되는데, 플라즈마와 안테나 사이에 존재하는 유전체를 스퍼터링 현상에 의하여 손상을 주게 되고 플라즈마의 균일도를 저해하게 된다. 이러한 영향을 줄이기 위하여 RF 안테나와 플라즈마의 사이에 패러데이 쉴드(Faraday Shield)를 사용하게 된다. 패러데이 쉴드는 안테나와 유전체인 플라즈마 챔버의 사이를 차폐하여, RF 안테나로부터 플라즈마 챔버로 인가되는 전기장의 크기를 감소시키기 위한 것이다. 본 발명에 따른 플라즈마 소스는 플라즈마 챔버의 내벽이 패러데이 쉴드이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 소스에 있어서, 가스 균일 공급 모듈(230)을 도시한 사시도이다. 도 4를 참조하면, 상기 가스 균일 공급 모듈(230)은 복수 개의 가스 공급용 관통홀들(232)이 소정 형상으로 분포되어 형성되며, 상기 가스 공급용 관통홀들은 다양한 형태로 분포될 수 있다. 상기 가스 공급용 관통홀들은 φ1 이하의 크기로 가공되어, 주입되는 가스를 통해 플라즈마가 전이되거나 접지(Ground) 단자와 접촉하지 않을 정도의 크기로 제작되는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 소스에 있어서, 가스 균일 공급 모듈(230)을 통해 플라즈마 챔버로 가스가 주입되는 경로를 도시한 모식도이다. 도 6을 참조하면, 상기 가스 균일 공급 모듈(230)은 외부의 가스 공급 라인과 연결되는 가스 주입구(207)가 형성된 상기 플라즈마 챔버의 일단에 삽입되어, 가스 주입구(207)를 통해 주입된 가스를 플라즈마 챔버의 내부로 균일하게 공급한다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 소스에 있어서, 플라즈마 챔버에 장착된 바이어스 모듈의 일 예를 도시한 사시도이다. 도 6을 참조하면, 상기 바이어스 모듈(220)은 플라즈마로 전원을 인가하기 위한 링(ring) 형상의 바이어스용 단자(222) 및 상기 바이어스용 단자에 연결된 바이어스용 전원 (224)을 구비하고, 상기 링 형상의 바이어스용 단자는 상기 플라즈마 챔버의 내벽과 외벽의 사이에 배치되되 내벽의 외주면 또는 외벽의 내주면을 따라 배치되고, 상기 바이어스용 단자를 통해 상기 플라즈마 챔버의 플라즈마에 전위를 인가할 수 있도록 구성된다. 상기 바이어스 모듈의 상기 바이어스용 전원은 DC 전원 또는 펄스 DC전원이 사용될 수 있으며, 상기 바이어스용 전원이 상기 링 형상의 바이어스용 단자에 인가되고, 링 형상의 바이어스용 단자를 통해 플라즈마 생성 챔버 내의 플라즈마에 소정의 전위를 인가하도록 구성된 것이 바람직하다.

바이어스 모듈의 링 형상의 바이어스용 단자(222)는 플라즈마 챔버의 내부의 플라즈마에 직접적으로 접촉되지 않고, 플라즈마 챔버의 내벽과 외벽의 사이에 위치함으로써 패러데이 쉴드인 내벽의 개구부들을 통해 흘러나오는 플라즈마들과 약하게 접촉되고, 그 결과 전기적으로 Floating된 플라즈마에 전위를 인가할 수 있게 된다. 이와 같이, 바이어스 모듈의 바이어스용 단자들이 플라즈마 챔버 내부의 플라즈마들과 직접적으로 접촉을 하지 않음으로써, 플라즈마 내부의 이온 등에 의한 손상을 방지하고 스퍼터링 효과에 의한 Quartz 재질의 플라즈마 챔버의 내부 오염을 저하시킬 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따른 플라즈마 소스는 플라즈마 챔버의 출구에 그리드(grid)를 장착하지 않기 때문에, 반응 가스(Reactive Gas)의 사용시에도 그리드(grid)의 산화 또는 질화 등의 표면 반응으로 인하여 발생되는 전기적인 문제를 고려하지 않아도 될 뿐만 아니라 반응 가스의 종류를 자유롭게 선택할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

20 : 플라즈마 소스
200 : 플라즈마 챔버
207 : 가스 공급부
209 : 플라즈마 토출구
212 : RF 안테나 모듈
222 : 바이어스 모듈
230 : 가스 균일 공급 모듈

Claims

전체적으로 유전체 재료로 만들어진 플라즈마 챔버로서, 내벽과 외벽의 2중으로 만들어지고, 상기 내벽은 다수의 개구부를 구비하고, 상기 내벽으로 이루어진 공간에 플라즈마가 생성되는 플라즈마 챔버;
상기 플라즈마 챔버의 외주면을 따라 배치되고, 외부의 전원과 연결되어 플라즈마 챔버로 RF 전원을 제공하는 RF 안테나;
상기 플라즈마 챔버의 내벽과 외벽의 사이에 배치되고, 외부의 바이어스용 전원과 연결되어 상기 플라즈마 챔버내의 플라즈마로 소정의 바이어스 전원을 인가할 수 있도록 구성된 바이어스용 단자;
을 구비하고, 상기 플라즈마 챔버의 후단에는 가스 주입구가 형성되고, 플라즈마 챔버의 전단은 상기 내벽의 단부가 노출되어 형성된 출구로서 플라즈마 챔버의 플라즈마를 방출시키기 위한 토출구인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제1항에 있어서, 내벽과 외벽의 2중으로 만들어진 챔버는 플라즈마가 뜰 수 있는 거리만큼 이격 배치되어 있어 상기 바이어스용 단자의 전위가 플라즈마에 연결될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제1항에 있어서, 상기 플라즈마 챔버의 내벽은 상기 안테나의 수직 방향을 따라 형성된 다수 개의 수직 슬롯 형태의 개구부를 구비하여 패러데이 쉴드(Faraday shield) 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제1항에 있어서, 상기 바이어스용 단자는 링(ring) 형상의 전극으로 이루어져, 상기 플라즈마 챔버의 내벽과 외벽 사이의 플라즈마로부터 가장 먼 거리에 위치한 플라즈마 소스의 하단에 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제1항에 있어서, 상기 바이어스용 단자에 연결되는 바이어스용 전원은 DC 전원 또는 펄스 DC전원으로 이루어져 상기 바이어스용 단자로 전원을 인가하게 되어, 플라즈마 생성 챔버 내의 플라즈마에 소정의 전위를 일정하게 혹은 펄스형으로 인가하도록 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제1항에 있어서, 상기 플라즈마 소스는 상기 가스 주입구가 형성된 상기 플라즈마 챔버의 일단에 삽입된 가스 균일 공급 모듈을 더 구비하고,
상기 가스 균일 공급 모듈은 원형으로 균일하게 분포된 복수 개의 가스 주입용 관통홀들을 구비하여 가스가 플라즈마 챔버의 내부로 균일하게 공급되도록 형성된 것을 특징으로 하며,
상기 가스 주입구로 주입된 가스는 상기 가스 균일 공급 모듈의 가스 주입용 관통홀들을 통해 플라즈마 챔버의 내부로 들어가도록 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제6항에 있어서, 상기 복수 개의 가스 주입용 관통홀들은 상기 가스 균일 공급 모듈의 몸체의 서로 대향되는 양면을 관통하는 홀들로서, 대향되는 면들을 직선으로 관통되지 않고 몸체의 소정 높이에서 절곡되어 연결된 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
제1항에 있어서, 상기 바이어스용 단자는 상기 플라즈마 챔버의 내벽과 외벽의 사이에 위치함으로써,
플라즈마 챔버의 내벽의 안쪽에 만들어지는 플라즈마와 내벽과 외벽의 사이에서 만들어지는 플라즈마가 상호 이격되어 있는 상태에서. 상기 바이어스용 단자는 내벽안의 플라즈마와는 이격되고, 내벽안의 플라즈마 토출구와는 동일 직선상에 위치하지 않도록 하여, 상기 바이어스용 단자가 내벽 안의 플라즈마에 의한 스퍼터에 의하여 플라즈마 챔버의 내부 유전체가 오염되는 것을 최소한으로 유지할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 소소.