KR100753868B1

KR100753868B1 - 복합형 플라즈마 반응기

Info

Publication number: KR100753868B1
Application number: KR1020060045478A
Authority: KR
Inventors: 최대규
Original assignee: 최대규
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2007-09-03
Also published as: CN101080133B; CN101080133A

Abstract

복함형 플라즈마 반응기가 게시된다. 본 발명의 복합형 플라즈마 반응기는 가스 샤워 헤드와 기판 지지대가 진공 챔버의 내부의 플라즈마에 용량적으로 결합되고, 무선 주파수 안테나는 진공 챔버의 내부의 플라즈마에 유도적으로 결합된다. 특히, 무선 주파수 안테나는 마그네틱 코어에 의해 덮여 있어서 보다 강하게 자속이 집속되고, 자속의 손실을 최대한 낮출 수 있다. 이와 같이 용량적이고 유도적인 결합은 진공 챔버에서 플라즈마 발생과 플라즈마 이온 에너지의 정확한 조절을 용이하게 한다. 그럼으로 공정 생산력을 최대화 할 수 있게 된다. 또한, 가스 샤워 헤드가 기판 지지대의 상부에 위치함으로서 피처리 기판 상부에 균일한 가스 분사가 이루어지도록 하여 더욱 향상된 균일한 기판 처리를 가능하게 한다.

플라즈마, 안테나, 유도 결합, 용량 결합

Description

복합형 플라즈마 반응기{COMPOUND PLASMA REACTOR}

본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합형 플라즈마 반응기의 단면도이다.

도 2는 도 1의 플라즈마 반응기의 상부에 설치된 무선 주파수 안테나와 가스 샤워 헤드의 배치 구조를 보여주는 도면이다.

도 3은 무선 안테나와 마그네틱 코어에 의해 유전체 윈도우를 통하여 진공 챔버의 내부에 유도되는 자속을 가시적으로 보여주는 도면이다.

도 4는 무선 주파수 안테나와 가스 샤워 헤드의 전기적 연결 구조를 보여주는 도면이다.

도 5a내지 도 5d는 무선 주파수 안테나와 가스 샤워 헤드의 전기적 연결 구조를 변형한 다양한 예들을 보여주는 도면이다.

도 6은 전원 분할에 의한 이중 전원 공급 구조를 채용한 예를 보여주는 도면이다.

도 7은 두 개의 전원 공급원에 의한 이중 전원 구조를 채용한 예를 보여주는 도면이다.

도 8a 및 도 8b는 무선 주파수 안테나와 접지 사이에 구성되는 전력 조절부 를 예시한 도면이다.

도 9a는 판형 마그네틱 코어를 채용한 예를 보여주는 플라즈마 반응기의 단면도이다.

도 9b는 판형 마그네틱 코어와 무선 주파수 안테나 및 샤워 헤드의 분해 사시도이다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.

도 11은 도 10의 플라즈마 반응기의 상부에 설치된 무선 주파수 안테나와 가스 샤워 헤드의 배치 구조를 보여주는 도면이다.

도 12는 판형 마그네틱 코어를 사용한 예를 보여주는 플라즈마 반응기의 단면도이다.

도 13은 진공 챔버의 외부 측벽 부분에도 실린더형 무선 주파수 안테나와 마그네틱 코어를 설치한 예를 도시한 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100: 진공 챔버 110; 하부 몸체

111: 기판 지지대 112: 피처리 기판

113: 진공 펌프 120: 상부 커버

121: 가스 입구 123: 상부 공간

130: 유전체 윈도우 132: 유전체 벽

140: 가스 샤워 헤드 150: 마그네틱 코어

151: 무선 주파수 안테나 152: 자속 출입구

본 발명은 무선 주파수(radio frequency) 플라즈마 반응기(plasma reactor)에 관한 것으로, 구체적으로는 무선 주파수에 의한 유도 및 정전 결합된 플라즈마(inductively and capacitively coupled plasma)를 발생하기 위한 복합형 플라즈마 발생 구조를 갖는 복합형 플라즈마 반응기에 관한 것이다.

플라즈마는 같은 수의 음이온(positive ions)과 전자(electrons)를 포함하는 고도로 이온화된 가스이다. 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(etching), 증착(deposition), 세정(cleaning), 에싱(ashing) 등에 다양하게 사용된다.

플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 소스는 여러 가지가 있는데 무선 주파수(radio frequency)를 사용한 용량 결합 플라즈마(capacitive coupled plasma)와 유도 결합 플라즈마(inductive coupled plasma)가 그 대표적인 예이다.

용량 결합 플라즈마 소스는 정확한 용량 결합 조절과 이온 조절 능력이 높아서 타 플라즈마 소스에 비하여 공정 생산력이 높다는 장점을 갖는다. 반면, 무선 주파수 전원의 에너지가 거의 배타적으로 용량 결합을 통하여 플라즈마에 연결되기 때문에 플라즈마 이온 밀도는 용량 결합된 무선 주파수 전력의 증가 또는 감소에 의해서만 증가 또는 감소될 수 있다. 그러나 무선 주파수 전력의 증가는 이온 충격 에너지를 증가시킨다. 결과적으로 이온 충격에 의한 손상을 방지하기 위해서는 무선 주파수 전력의 한계성을 갖게 된다.

한편, 유도 결합 플라즈마 소스는 무선 주파수 전원의 증가에 따라 이온 밀도를 쉽게 증가시킬 수 있으며 이에 따른 이온 충격은 상대적으로 낮아서 고밀도 플라즈마를 얻기에 적합한 것으로 알려져 있다. 그럼으로 유도 결합 플라즈마 소스는 고밀도의 플라즈마를 얻기 위하여 일반적으로 사용되고 있다. 유도 결합 플라즈마 소스는 대표적으로 무선 주파수 안테나(RF antenna)를 이용하는 방식과 변압기를 이용한 방식(변압기 결합 플라즈마(transformer coupled plasma)라고도 함)으로 기술 개발이 이루어지고 있다. 여기에 전자석이나 영구 자석을 추가하거나, 용량 결합 전극을 추가하여 플라즈마의 특성을 향상 시키고 재현성과 제어 능력을 높이기 위하여 기술 개발이 이루어지고 있다.

무선 주파수 안테나는 나선형 타입 안테나(spiral type antenna) 또는 실린더 타입의 안테나(cylinder type antenna)가 일반적으로 사용된다. 무선 주파수 안테나는 플라즈마 반응기(plasma reactor)의 외부에 배치되며, 석영과 같은 유전체 위도우(dielectric window)를 통하여 플라즈마 반응기의 내부로 유도 기전력을 전달한다. 무선 주파수 안테나를 이용한 유도 결합 플라즈마는 고밀도의 플라즈마를 비교적 손쉽게 얻을 수 있으나, 안테나의 구조적 특징에 따라서 플라즈마 균일도가 영향을 받는다. 그럼으로 무선 주파수 안테나의 구조를 개선하여 균일한 고밀도의 플라즈마를 얻기 위해 노력하고 있다.

그러나 대면적의 플라즈마를 얻기 위하여 안테나의 구조를 넓게 하거나 안테나에 공급되는 전력을 높이는 것은 한계성을 갖는다. 예를 들어, 정상파 효과(standing wave effect)에 의해 방사선상으로 비균일한 플라즈마가 발생되는 것으로 알려져 있다. 또한, 안테나에 높은 전력이 인가되는 경우 무선 주파수 안테나의 용량성 결합(capacitive coupling)이 증가하게 됨으로 유전체 윈도우를 두껍게 해야 하며, 이로 인하여 무선 주파수 안테나와 플라즈마 사이의 거리가 증가함으로 전력 전달 효율이 낮아지는 문제점이 발생된다.

최근 반도체 제조 산업에서는 반도체 소자의 초미세화, 반도체 회로를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판의 대형화, 액정 디스플레이를 제조하기 위한 유리 기판의 대형화 그리고 새로운 처리 대상 물질 등장 등과 같은 여러 요인으로 인하여 더욱 향상된 플라즈마 처리 기술이 요구되고 있다. 특히, 대면적의 피처리물에 대한 우수한 처리 능력을 갖는 향상된 플라즈마 소스 및 플라즈마 처리 기술이 요구되고 있다.

따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 유도 결합 플라즈마 및 용량 결합 플라즈마의 장점을 모두 채용하고 그리고 안테나의 자속 전달 효율을 향상시켜서 플라즈마 이온 에너지에 대한 제어 능력이 높고 보다 균일한 대면적의 고밀도 플라즈마를 발생할 수 있는 복합 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 복합형 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 본 발명의 복합형 플라즈마 반응기는: 피처리 기판이 놓이는 기판 지지대를 갖는 진공 챔버; 진공 챔버의 상부에 설치되며 중심부에 개구부를 갖는 유전체 윈도우; 유전체 윈도우의 개구부에 설치된 가스 샤워 헤드; 유전체 윈도우 상부에서 가스 샤워 헤드의 주변으로 설치되는 무선 주파수 안테나; 및 무선 주파수 안테나를 덮도록 유전체 윈도우의 상부에 설치되는 마그네틱 코어를 포함하고, 가스 샤워 헤드와 기판 지지대는 진공 챔버 내부의 플라즈마에 용량적으로 결합되고, 무선 주파수 안테나는 진공 챔버의 내부의 플라즈마에 유도적으로 결합된다.

이 실시예에 있어서, 마그네틱 코어는 수직 단면 구조가 말편자 형상을 갖고, 마그네틱 코어의 자속 출입구가 유전체 윈도우를 향하도록 하여 무선 주파수 안테나를 따라서 덮어지도록 설치된다.

이 실시예에 있어서, 마그네틱 코어는: 유전체 윈도우와 대응되는 개구부를 갖고, 유전체 윈도우 상부를 전체적으로 덮는 평판형 몸체; 및 무선 주파수 안테나가 위치되는 영역을 따라서 평판형 몸체의 저면으로 형성된 안테나 장착 홈을 포함한다.

이 실시예에 있어서, 무선 주파수 안테나와 유전체 윈도우 사이에 설치되는 패러데이 실드(faraday shield)를 포함한다.

이 실시예에 있어서, 무선 주파수 안테나에 연결되어 무선 주파수를 공급하는 제1 전원 공급원; 및 기판 지지대로 무선 주파수를 공급하는 제2 전원 공급원을 포함한다.

이 실시예에 있어서, 제2 전원 공급원의 주파수와 다른 주파수의 무선 주파수를 기판 지지대로 공급하는 제3 전원 공급원을 포함한다.

이 실시예에 있어서, 무선 주파수를 공급하는 제1 전원 공급원; 및 제1 전원 공급원으로부터 제공되는 무선 주파수 전력을 분할하여 무선 주파수 안테나와 기판 지지대로 분할 공급하는 전원 분할부를 포함한다.

이 실시예에 있어서, 기판 지지대로 제1 전원 공급원의 무선 주파수와 다른 주파수의 무선 주파수를 공급하는 제2 전원 공급원을 포함한다.

이 실시예에 있어서, 무선 주파수 안테나와 접지 사이에 또는 가스 샤워 헤드와 접지 사이에 적어도 하나에 연결되는 전력 조절부를 포함한다.

이 실시예에 있어서, 무선 주파수 안테나와 가스 샤워 헤드는 제1 전원 공급원과 접지 사이에 직렬로 연결되되, 무선 주파수 안테나의 일단이 접지로 연결되거나 또는 가스 샤워 헤드가 접지로 연결되는 것 중 어느 한 가지로 연결된다.

이 실시예에 있어서, 무선 주파수 안테나와 접지 사이 또는 가스 샤워 헤드와 접지 사이 중에서 적어도 하나에 연결되는 전력 조절부를 포함한다.

이 실시예에 있어서, 무선 주파수 안테나는 두 개 이상의 분리된 구조를 갖고, 두 개 이상의 분리된 무선 주파수 안테나와 가스 샤워 헤드는 제1 전원 공급원과 접지 사이에 직렬로 연결되되, 어느 두 개의 분리된 무선 주파수 안테나의 사이에 가스 샤워 헤드가 연결된다.

이 실시예에 있어서, 무선 주파수 안테나와 접지 사이 또는 가스 샤워 헤드 와 접지 사이 중에서 적어도 하나에 연결되는 전력 조절부를 포함한다.

이 실시예에 있어서, 유전체 윈도우, 무선 주파수 안테나 및, 마그네틱 코어는 진공 챔버의 내측에 설치되며, 진공 챔버의 상부를 덮는 상부 커버를 포함한다.

이 실시예에 이어서, 유전체 윈도우는 진공 챔버의 상부 커버로 기능하고, 유전체 윈도우의 상부에서 무선 주파수 안테나와 마그네틱 코어를 전체적으로 덮는 커버 부재를 포함한다.

이 실시예에 있어서, 진공 챔버의 내벽을 따라서 설치되는 유전체 벽을 포함한다.

이 실시예에 있어서, 가스 샤워 헤드는 진공 챔버의 내부 영역에 접하는 면이 실리콘 평판을 포함한다.

본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 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 과장되어진 것이다. 각 도면을 이해함에 있어서, 동일한 부재는 가능한 한 동일한 참조부호로 도시하고자 함에 유의하여야 한다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

(실시예)

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로 써, 본 발명의 복합형 플라즈마 반응기를 상세히 설명한다. 또, 상기 도면들에서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합형 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 1을 참조하여, 복합형 플라즈마 반응기는 하부 몸체(110)와 상부 커버(120)로 구성되는 진공 챔버(100)를 구비한다. 진공 챔버(100)의 내부에는 피처리 기판(112)이 놓이는 기판 지지대(111)가 구비된다. 하부 몸체(110)에는 가스 배기를 위한 가스 출구(113)가 구비되며, 가스 출구(113)는 진공 펌프(115)에 연결된다. 피처리 기판(112)은 예를 들어, 반도체 장치를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판 또는 액정 디스플레이나 플라즈마 디스플레이 등의 제조를 위한 유리 기판이다.

하부 몸체(110)는 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속 물질로 재작된다. 또는 코팅된 금속 예를 들어, 양극 처리된 알루미늄이나 니켈 도금된 알루미늄으로 재작될 수 있다. 또는 내화 금속(refractory metal)로 재작될 수 있다. 또 다른 대안으로 하부 몸체(110)를 전체적으로 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 재작하는 것도 가능하며, 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 다른 물질로도 재작될 수 있다. 상부 커버(120)와 하부 몸체(110)는 동일한 물질 또는 서로 다른 물질로 재작될 수 있다.

진공 챔버(100)의 내측 상부에는 중심부가 개구된 유전체 윈도우(130)가 설치된다. 유전체 윈도우(130)의 개구부에는 가스 샤워 헤드(140)가 설치된다. 가스 샤워 헤드(140)는 적어도 하나의 가스 분배판(145)을 포함하며 전도성 물질로 재작된다. 가스 샤워 헤드(140)는 진공 챔버(100)의 내부 영역에 접하는 부분이 다수의 가스 분사 홀이 형성된 실리콘 평판(146)이 설치될 수 있다. 상부 커버(120)의 중심에는 가스 샤워 헤드(140)로 연결되는 가스 입구(121)가 설치된다. 상부 커버(120)와 유전체 윈도우(130)의 사이의 상부 공간(123)에는 무선 주파수 안테나(151)가 설치된다.

진공 챔버(100)의 내벽을 따라서 유전체 벽(132)이 선택적으로 설치될 수 있다. 유전체 벽(132)과 유전체 윈도우(130)는 일체로 형성된 구조를 갖는 것이 바람직하다. 그러나 각기 별도로 분리된 구조로 구성할 수 있다. 유전체 벽(132)은 전체적으로 기판 지지대(111) 보다 약간 낮은 부분까지 설치되어 공정 진행 과정에서 하부 몸체(110)가 손상되거나 오염되는 것을 방지한다. 유전체 윈도우(130)와 유전체 벽(132)은 예들 들어, 석영이나 세라믹과 같은 절연 물질로 구성된다.

유전체 윈도우(130)는 상부 커버(120)와 하부 몸체(110) 사이에 걸쳐지는 구조를 가질 수 있는데, 이때 각각의 접합면에는 진공 절연을 위해 각기 오링(114, 122)이 설치된다. 그리고 유전체 윈도우(130)와 샤워 헤드(140)의 접합면과 샤워 헤드(140)와 상부 커버(120)의 접합면에도 각기 진공 절연을 위한 오링(125, 124)이 설치된다.

도 2는 도 1의 플라즈마 반응기의 상부에 설치된 무선 주파수 안테나와 가스 샤워 헤드의 배치 구조를 보여주는 도면이고, 도 3은 무선 안테나와 마그네틱 코어에 의해 유전체 윈도우를 통하여 진공 챔버의 내부에 유도되는 자기장을 가시적으로 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하여, 무선 주파수 안테나(151)는 가스 샤워 헤드(140)를 중심으로 하여 평판 나선형 구조로 설치되고, 무선 주파수 안테 나(151)는 마그네틱 코어(150)에 의해 덮인다. 마그네틱 코어(150)는 수직 단면 구조가 말편자 형상을 갖고, 자속 출입구(152)가 유전체 윈도우(130)를 향하도록 하여 무선 주파수 안테나(151)를 따라서 덮어지도록 설치된다. 그럼으로 도 3에 도시된 바와 같이, 무선 안테나(151)에 의해 발생된 자속은 마그네틱 코어(150)에 의해 집속되어 유전체 윈도우(130)를 통하여 진공 챔버(100)의 내부로 유도된다. 마그네틱 코어(150)는 페라이트 재질로 제작되지만 다른 대안의 재료로 제작될 수 도 있다. 마그네틱 코어(150)는 다수의 말편자 형상의 페라이트 코어 조각들을 조립하여 구성할 수 있다. 또는 수직 단면 구조가 말편자 형상을 갖고 평판 나선형으로 감겨진 구조를 갖는 일체의 페라이트 코어를 재작하여 사용할 수 있을 것이다.

유전체 윈도(130)와 무선 주파수 안테나(151) 사이에는 페러데이 실드(142)가 설치된다. 페러데이 실드(142)는 선택적인 구성으로 설치되거나 또는 설치되지 않을 수도 있다. 페러데이 실드(142)는 가스 샤워 헤드(140)와 전기적인 연결을 갖도록 하거나 또는 갖지 않도록 할 수 있다.

다시, 도 1을 참조하여, 무선 주파수 안테나(151)의 일단은 무선 주파수를 공급하는 제1 전원 공급원(160)에 임피던스 정합기(161)를 통하여 전기적으로 연결되고 타단은 접지된다. 무선 주파수 안테나(151)는 진공 챔버의 내부 플라즈마에 유도적으로 결합된다. 기판 지지대(111)는 무선 주파수를 공급하는 제2 전원 공급원(162)에 임피던스 정합기(163)를 통하여 전기적으로 연결되며 가스 샤워 헤드(140)는 접지된다. 가스 샤워 헤드(140)와 기판 지지대(111)는 한 쌍의 용량 전 극을 구성하여 진공 챔버(100) 내부의 플라즈마에 용량적으로 결합된다. 제1 및 제2 전원 공급원(160, 162)은 별도의 임피던스 정합기 없이 출력 전압의 제어가 가능한 무선 주파수 전원 공급원을 사용하여 구성할 수 도 있다. 용량 결합을 위한 무선 주파수 신호와 유도 결합을 위한 무선 주파수 신호의 위상 관계는 적절한 관계를 갖게 되는데 예들 들어, 180도 정도의 위상 관계를 갖는다.

이와 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합형 플라즈마 반응기는 가스 샤워 헤드(140)와 기판 지지대(111)가 진공 챔버(100)의 내부의 플라즈마에 용량적으로 결합되고, 무선 주파수 안테나(151)는 진공 챔버(100)의 내부의 플라즈마에 유도적으로 결합된다. 일반적으로 무선 주파수 안테나를 사용하는 유도 결합 플라즈마 소스는 무선 주파수 안테나의 형상에 따라서 플라즈마 밀도 및 균일도가 영향을 받게 된다. 이런 점에서 본 발명의 플라즈마 반응기는 용량 결합되는 가스 샤워 헤드(140)를 중심 부분에 구비하고, 그 주변으로 평판 나선형으로 배치되는 무선 주파수 안테나(151)를 갖게 됨으로 진공 챔버의 내부에 보다 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다. 특히, 무선 주파수 안테나(151)는 마그네틱 코어(150)에 의해 덮여 있어서 보다 강하게 자속이 집속되고, 자속의 손실을 최대한 낮출 수 있다.

이와 같이 용량적이고 유도적인 결합은 진공 챔버(100)에서 플라즈마 발생과 플라즈마 이온 에너지의 정확한 조절을 용이하게 한다. 그럼으로 공정 생산력을 최대화 할 수 있게 된다. 또한, 가스 샤워 헤드(140)가 기판 지지대(111)의 상부에 위치함으로서 피처리 기판(112) 상부에 균일한 가스 분사가 이루어지도록 하여 더욱 향상된 균일한 기판 처리를 가능하게 한다.

도 4는 무선 주파수 안테나와 가스 샤워 헤드의 전기적 연결 구조를 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하여, 무선 주파수 안테나(151)와 가스 샤워 헤드(140)는 전기적으로 직렬로 연결하는 변형 실시가 가능하다. 즉, 무선 주파수 안테나(151)의 일단은 임피던스 정합기(161)를 통하여 제1 전원 공급원(160)으로 연결되며, 타단은 가스 샤워 헤드(140)에 연결된다. 그리고 가스 샤워 헤드(140)는 접지된다. 가스 샤워 헤드(140)와 무선 주파수 안테나(151)의 전기적인 연결 관계는 다음과 같이 다양하게 변형 실시될 수 있다.

도 5a내지 도 5d는 무선 주파수 안테나와 가스 샤워 헤드의 전기적 연결 구조를 변형한 다양한 예들을 보여주는 도면이다. 도 5a 내지 도 5d에서 (a)로 도시된 도면은 무선 주파수 안테나(151)와 가스 샤워 헤드(140)의 물리적 배치 구조와 전기적 연결 관계를 도시한 것이고, (b)로 도시된 도면은 이를 전기적 심벌로 연결 관계를 도시한 것이다.

도 5a에 예시된 가스 샤워 헤드(140)와 무선 주파수 안테나(151)의 연결 방식은 도 4에서 설명된 것이다. 무선 주파수 안테나(151)의 일단은 임피던스 정합기(161)를 통하여 제1 전원 공급원(160)에 전기적으로 연결되고, 타단은 가스 샤워 헤드(140)에 전기적으로 연결된다. 가스 샤워 헤드(140)는 접지된다.

도 5b에 예시된 가스 샤워 헤드(140)와 무선 주파수 안테나(151)의 연결 방식은 가스 샤워 헤드(140)가 먼저 제1 전원 공급원(160)에 전기적으로 연결되고, 이어 무선 주파수 안테나(161)가 가스 샤워 헤드(140)에 연결되어 접지된다.

도 5c와 도 5d에 예시된 가스 샤워 헤드(140)와 무선 주파수 안테나(151)의 연결 방식은 무선 주파수 안테나(151)를 두 개의 분리된 안테나(151a, 151b)로 구성하고 그들 사이에 가스 샤워 헤드(140)가 전기적으로 연결된다. 다만, 도 5c에서는 무선 주파수 안테나(151)는 두 개의 분리된 안테나(151a, 151b)가 동일한 권선 방향으로 감겨지되 외곽에 위치하는 것과 내곽에 위치하는 배치 구조를 갖는다.

그리고 도 5d에 도시된 무선 주파수 안테나(151)는 두 개의 분리된 안테나(151a, 151b)가 병렬로 가스 샤워 헤드(140)의 주변으로 평판 나선형으로 감겨진다. 그리고 외곽에 위치한 하나의 안테나(151a)의 외측 일단은 임피던스 정합기(161)를 통하여 제1 전원 공급원(160)에 연결되고, 타단은 가스 샤워 헤드(140)에 연결된다. 내곽에 위치한 다른 하나의 안테나(151b)는 내측 일단이 가스 샤워 헤드(140)에 연결되고, 외측 일단이 접지된다.

이상의 도 5a 내지 도 5d에서 예시한 가스 샤워 헤드(140)와 무선 주파수 안테나(161)의 전기적 연결 방식은 예시된 것 이외에도 다양한 전기적 연결 방식이 있을 수 있다. 또한, 무선 주파수 안테나(161)와 기판 지지대(111)의 전원 공급 방식도 후술하는 바와 같이 다양한 공급 방식이 채용될 수 있다. 그리고 무선 주파수 공급을 위한 전원 공급원의 수도 다양하게 변형될 수 있다.

도 6은 전원 분할에 의한 이중 전원 공급 구조를 채용한 예를 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하여, 제1 전원 공급원(160)으로부터 제공되는 무선 주파수는 전원 분배부(164)를 통하여 분배되어 무선 주파수 안테나(151)와 기판 지지대(111)로 분할 공급되는 전원 분할 공급 구조가 채용될 수 있다. 전원 분배부(164)는 예를 들어, 변압기를 이용한 전원 분할, 다수의 저항을 이용한 전원 분할, 커패시터 를 이용한 전원 분할 등 다양한 방식에 의하여 전원 분할이 가능하다. 기판 지지대(111)는 제1 전원 공급원(160)으로부터 분할된 무선 주파수와 제2 전원 공급원(162)으로부터 제공되는 무선 주파수를 각각 제공받게 된다. 여기서 제1 및 제2 전원 공급원(160, 162)에서 제공되는 서로 다른 주파수의 무선 주파수 이다.

도 7은 두 개의 전원 공급원에 의한 이중 전원 구조를 채용한 예를 보여주는 도면이다. 도 7을 참조하여, 기판 지지대(111)는 서로 다른 주파수를 제공하는 두 개의 전원 공급원(162a, 162b)을 통하여 두 개의 무선 주파수를 제공받을 수 있다.

이와 같이, 기판 지지대(111)가 서로 다른 주파수의 무선 주파수를 제공 받는 경우 전원 분할 구조 또는 독립된 별개의 전원을 채용하는 등의 다양한 전원 공급 구조를 채용할 수 있다. 기판 지지대(111)의 이중 전원 공급 구조는 진공 챔버(100)의 내부에 플라즈마 발생을 더욱 용이하게 하고, 피처리 기판(112)의 표면에서 플라즈마 이온 에너지 조절을 더욱 개선시키며, 공정 생산력을 더욱 향상 시킬 수 있다.

기판 지지대(111)의 단일 또는 이중 전원 공급 구조는 상술한 도 5a 내지 도 5d에서 설명된 무선 주파수 안테나(151)와 가스 샤워 헤드(140)의 다양한 전기적 연결 방식과 혼합하여 더욱 다양한 전기적 연결 방식을 구현할 수 있다.

도 8a 및 도 8b는 무선 주파수 안테나와 접지 사이에 구성되는 전력 조절부를 예시한 도면이다. 도 8a 및 도 8b를 참조하여, 무선 주파수 안테나(151)와 접지 사이에는 전력 조절부(170)가 구성될 수 있다. 전력 조절부(170)는 예를 들어, 가변 커패시터(171a) 또는 가변 인덕터(171b)로 구성될 수 있다. 전력 조절 부(170)의 용량 가변 제어에 따라 무선 주파수 안테나(151)의 유도 결합 에너지를 조절할 수 있다. 이러한 전력 조절부(170)는 용량 결합 에너지의 조절을 위하여 가스 샤워 헤드(140)와 접지 사이에 구성될 수 있다.

전력 조절부(170)의 구성은 상술한 다양한 형태의 전원 공급 구조와 가스 샤워 헤드(140)와 무선 주파수 안테나(161)의 다양한 전기적 연결 방식과 함께 혼합하여 더욱 다양한 전기적 연결 방식을 구현할 수 있다.

도 9a는 판형 마그네틱 코어를 채용한 예를 보여주는 플라즈마 반응기의 단면도이고, 도 9b는 판형 마그네틱 코어와 무선 주파수 안테나 및 샤워 헤드의 분해 사시도이다. 도 9a 및 도 9b를 참조하여, 대안적으로 무선 주파수 안테나(151)를 덮도록 판형의 마그네틱 코어(190)가 사용될 수 있다. 판형의 마그네틱 코어(190)는 전체 윈도우(130)와 대응되는 개구부(191)를 갖고, 유전체 윈도우(130) 상부를 전체적으로 덮는 평판형 몸체(192)를 갖는다. 평판형 몸체(192)의 저면으로는 무선 주파수 안테나(151)가 위치되는 영역을 따라서 안테나 장착 홈(193)이 형성된다. 무선 주파수 안테나(151)는 안테나 장착 홈(193)을 따라서 설치되어서, 전체적으로 판형 마그네틱 코어(190)에 의해 덮인다. 이와 같은 판형 마그네틱 코어(190)는 상술한 말편자 형상의 마그네틱 코어(150)의 대안적 실시예로 사용될 수 있다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이고, 도 11은 도 10의 플라즈마 반응기의 상부에 설치된 무선 주파수 안테나와 가스 샤워 헤드의 배치 구조를 보여주는 도면이다. 도 10 및 도 11을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예의 플라즈마 반응기는 상술한 제1 실시예와 기본적으로 동일한 구성을 갖는다. 그럼으로 동일한 구성에 대한 반복된 설명은 생략한다.

다만, 제2 실시예에 따른 플라즈마 반응기는 진공 챔버(100a)의 구조가 상술한 제1 실시예에의 진공 챔버(100)와 조금 다르다. 제2 실시예의 플라즈마 반응기의 진공 챔버(100a)는 하부 몸체(110)의 상부에 구성되는 유전체 윈도우(130)가 상부 커버를 겸하는 구성이다. 유전체 윈도우(130)의 상부에는 무선 주파수 안테나(151)와 마그네틱 코어(150)를 전체적으로 덮는 커버 부재(126)를 포함한다. 커버 부재(126)는 전도성 또는 비전도성 물질로 구성될 수 있다. 샤워 헤드(140)는 유전체 윈도우(130)에 비하여 기판 지지대(111)에 낮게 돌출되어 있는 구조를 갖는다.

도 12는 판형 마그네틱 코어를 사용한 예를 보여주는 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 12를 참조하여, 상술한 제1 실시예에서 설명된 바와 같이 판형 마그네틱 코어(190)를 사용하여 무선 주파수 안테나(151)를 덮도록 구성할 수 있다.

도 13은 진공 챔버의 외부 측벽 부분에도 실린더형 무선 주파수 안테나와 마그네틱 코어를 설치한 예를 도시한 도면이다. 도 13을 참조하여, 무선 주파수 안테나(151)는 평판 나선형 구조를 갖고 유전체 윈도우(130)의 상부에 설치되고, 확장된 구조로 진공 챔버(100)의 외부 측벽 부분에 실린더 구조로 설치될 수 있다. 유전체 윈도우(130)의 구조로 이에 적합한 구조를 갖도록 하며, 마그네틱 코어(150)도 동일하게 설치된다. 또한, 커버 부재도 측벽 부분에 설치되는 무선 주파수 안테나(151)와 마그네틱 코어(150)를 덮도록 확장된 구조를 갖는다.

본 발명에 따른 복합형 플라즈마 반응기는 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있다. 하지만, 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 복합형 플라즈마 반응기에 의하면, 가스 샤워 헤드(140)와 기판 지지대(111)가 진공 챔버(100)의 내부의 플라즈마에 용량적으로 결합되고, 무선 주파수 안테나(151)는 진공 챔버(100)의 내부의 플라즈마에 유도적으로 결합된다. 특히, 무선 주파수 안테나(151)는 마그네틱 코어(150)에 의해 덮여 있어서 보다 강하게 자속이 집속되고, 자속의 손실을 최대한 낮출 수 있다. 이와 같이 용량적이고 유도적인 결합은 진공 챔버(100)에서 플라즈마 발생과 플라즈마 이온 에너지의 정확한 조절을 용이하게 한다. 그럼으로 공정 생산력을 최대화 할 수 있게 된다. 또한, 가스 샤워 헤드(140)가 기판 지지대(111)의 상부에 위치함으로서 피처리 기판(112) 상부에 균일한 가스 분사가 이루어지도록 하여 더욱 향상된 균일한 기판 처리를 가능하게 한다.

Claims

피처리 기판이 놓이는 기판 지지대를 갖는 진공 챔버;

진공 챔버의 상부에 설치되며 중심부에 개구부를 갖는 유전체 윈도우;

유전체 윈도우의 개구부에 설치된 가스 샤워 헤드;

유전체 윈도우 상부에서 가스 샤워 헤드의 주변으로 설치되는 무선 주파수 안테나; 및

무선 주파수 안테나를 덮도록 유전체 윈도우의 상부에 설치되는 마그네틱 코어를 포함하고,

가스 샤워 헤드와 기판 지지대는 진공 챔버 내부의 플라즈마에 용량적으로 결합되고, 무선 주파수 안테나는 진공 챔버의 내부의 플라즈마에 유도적으로 결합되는 복합형 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서, 마그네틱 코어는 수직 단면 구조가 말편자 형상을 갖고, 마그네틱 코어의 자속 출입구가 유전체 윈도우를 향하도록 하여 무선 주파수 안테나를 따라서 덮어지도록 설치되는 복합형 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서, 마그네틱 코어는: 유전체 윈도우와 대응되는 개구부를 갖고, 유전체 윈도우 상부를 전체적으로 덮는 평판형 몸체; 및 무선 주파수 안테나가 위치되는 영역을 따라서 평판형 몸체의 저면으로 형성된 안테나 장착 홈을 포함하 는 복합형 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서, 무선 주파수 안테나와 유전체 윈도우 사이에 설치되는 패러데이 실드(faraday shield)를 포함하는 복합형 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서, 무선 주파수 안테나에 연결되어 무선 주파수를 공급하는 제1 전원 공급원; 및

기판 지지대로 무선 주파수를 공급하는 제2 전원 공급원을 포함하는 복합형 플라즈마 반응기.
제5항에 있어서, 제2 전원 공급원의 주파수와 다른 주파수의 무선 주파수를 기판 지지대로 공급하는 제3 전원 공급원을 포함하는 복합형 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서, 무선 주파수를 공급하는 제1 전원 공급원; 및

제1 전원 공급원으로부터 제공되는 무선 주파수 전력을 분할하여 무선 주파수 안테나와 기판 지지대로 분할 공급하는 전원 분할부를 포함하는 복합형 플라즈마 반응기.
제7항에 있어서, 기판 지지대로 제1 전원 공급원의 무선 주파수와 다른 주파수의 무선 주파수를 공급하는 제2 전원 공급원을 포함하는 복합형 플라즈마 반응 기.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 무선 주파수 안테나와 접지 사이에 또는 가스 샤워 헤드와 접지 사이에 적어도 하나에 연결되는 전력 조절부를 포함하는 복합형 플라즈마 반응기.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 무선 주파수 안테나와 가스 샤워 헤드는 제1 전원 공급원과 접지 사이에 직렬로 연결되되,

무선 주파수 안테나의 일단이 접지로 연결되거나 또는 가스 샤워 헤드가 접지로 연결되는 것 중 어느 한 가지로 연결되는 복합형 플라즈마 반응기.
제10항에 있어서, 무선 주파수 안테나와 접지 사이 또는 가스 샤워 헤드와 접지 사이 중에서 적어도 하나에 연결되는 전력 조절부를 포함하는 복합형 플라즈마 반응기.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 무선 주파수 안테나는 두 개 이상의 분리된 구조를 갖고, 두 개 이상의 분리된 무선 주파수 안테나와 가스 샤워 헤드는 제1 전원 공급원과 접지 사이에 직렬로 연결되되,

어느 두 개의 분리된 무선 주파수 안테나의 사이에 가스 샤워 헤드가 연결되는 복합형 플라즈마 반응기.
제12항에 있어서, 무선 주파수 안테나와 접지 사이 또는 가스 샤워 헤드와 접지 사이 중에서 적어도 하나에 연결되는 전력 조절부를 포함하는 복합형 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서, 유전체 윈도우, 무선 주파수 안테나 및, 마그네틱 코어는 진공 챔버의 내측에 설치되며, 진공 챔버의 상부를 덮는 상부 커버를 포함하는 복합형 플라즈마 반응기.
제1항에 이어서, 유전체 윈도우는 진공 챔버의 상부 커버로 기능하고, 유전체 윈도우의 상부에서 무선 주파수 안테나와 마그네틱 코어를 전체적으로 덮는 커버 부재를 포함하는 복합형 플라즈마 반응기.
제1항에 이어서, 진공 챔버의 내벽을 따라서 설치되는 유전체 벽을 포함하는 복합형 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서, 가스 샤워 헤드는 진공 챔버의 내부 영역에 접하는 면이 실리콘 평판을 포함하는 복합형 플라즈마 반응기.