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KR101434145B1 - 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마반응기 - Google Patents

멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마반응기 Download PDF

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KR101434145B1
KR101434145B1 KR1020070139229A KR20070139229A KR101434145B1 KR 101434145 B1 KR101434145 B1 KR 101434145B1 KR 1020070139229 A KR1020070139229 A KR 1020070139229A KR 20070139229 A KR20070139229 A KR 20070139229A KR 101434145 B1 KR101434145 B1 KR 101434145B1
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South Korea
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radio frequency
laser scanning
scanning line
laser
reactor body
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주식회사 뉴파워 프라즈마
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Abstract

본 발명의 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기는 반응기 몸체, 상기 반응기 몸체의 일면을 형성하는 유전체 윈도우와 상기 유전체 윈도우에 근접하여 설치되고 상기 반응기 몸체의 내부에 유도 결합 플라즈마를 유도하기 위한 무선 주파수 안테나를 포함하는 안테나 어셈블리, 상기 무선 주파수 안테나로 무선 주파수 전원을 공급하기 위한 메인 전원 공급원, 및 상기 반응기 몸체의 내부에 복수개의 레이저 주사선으로 이루어지는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 구성하기 위한 레이저 공급원을 포함한다. 본 발명의 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기는 대면적의 피처리 기판의 크기에 적합하게 무선 주파수 안테나를 확장하되 마그네틱 코어 커버의 설치에 의해서 대면적의 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있음으로 플라즈마 반응기의 대면적화가 용이하며 전류 균형 회로에 의한 균일한 전류 공급과 하나 이상의 가스 공급 채널에 의해 균일한 가스 공급이 이루어짐으로서 고밀도의 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있다. 그리고 다중 유도 안테나 어셈블리와 멀티 레이저 스캐닝 라인을 피처리 기판의 상부에 균일하고 넓게 주사할 수 있음으로서 대면적의 피처리 기판을 처리하기 위한 대면적의 플라즈마 반응기를 용이하게 구현할 수 있으며 여러 가지 공정 조건을 효율적으로 개선하여 공정 수율을 향상할 수 있다.
레이저, 유도 결합 플라즈마, 플라즈마 반응기

Description

멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기{INDUCTIVELY COUPLED PLASMA REACTOR WITH MULTI LASER SCANNING LINE}
본 발명은 유도 결합 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 구체적으로는 대면적의 플라즈마를 보다 균일하게 발생하여 대면적의 피처리 대상에 대한 플라즈마 처리 효율을 높일 수 있는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
플라즈마는 같은 수의 음이온(positive ions)과 전자(electrons)를 포함하는 고도로 이온화된 가스이다. 플라즈마 방전은 이온, 자유 라디컬, 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.
변압기를 이용한 유도 결합 플라즈마는 변기압기를 이용하여 플라즈마 반응기의 내부에 플라즈마를 유도하는데 이 유도 결합 플라즈마는 변압기의 이차 회로를 완성한다. 지금까지의 변압기 결합 플라즈마 기술들은 플라즈마 반응기에 외부 방전관을 두거나 환형 챔버(toroidal chamber)에 폐쇄형 코어(closed core)를 장착하는 타입 또는 플라즈마 반응기의 내부에 변압기 코어를 내장하는 방식으로 기술 개발이 이루어지고 있다.
이러한 변압기 결합 플라즈마는 플라즈마 반응기의 구조적 개선과 변압기의 결합 구조를 개선하여 플라즈마의 특성과 에너지 전달 특성을 향상시켜가고 있다. 특히, 대면적의 플라즈마를 얻기 위하여 변압기와 플라즈마 반응기의 결합 구조 개 선하거나, 다수의 외부 방전관을 구비하거나, 또는 내장되는 변압기 코어의 개수를 증설하여 설치하고 있다. 그러나 단순히 외부 방전관의 개수를 증가하거나 내장되는 변압기 코어의 개수를 증가하는 것으로는 고밀도의 대면적 플라즈마를 균일하게 얻기가 쉽지 않다.
최근 반도체 제조 산업에서는 반도체 소자의 초미세화, 반도체 회로를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판이나 유리 기판 또는 플라스틱 기판과 같은 피처리 기판의 대형화 그리고 새로운 처리 대상 물질의 개발되고 있는 등과 같은 여러 요인으로 인하여 더욱 향상된 플라즈마 처리 기술이 요구되고 있다. 특히, 대면적의 피처리 기판에 대한 우수한 처리 능력을 갖는 향상된 플라즈마 소스 및 플라즈마 처리 기술이 요구되고 있다. 더욱이 레이저를 이용한 다양한 반도체 제조 장치가 제공되고 있다. 레이저를 이용하는 반도체 제조 공정은 피처리 기판에 대한 증착, 식각, 어닐닝, 세정 등과 같은 다양한 공정에 넓게 적용되고 있다. 이와 같은 레이저를 이용한 반도체 제조 공정의 경우에도 상술한 문제점이 존재한다.
본 발명의 목적은 대면적화가 용이하며 멀티 레이저 스캐닝 라인을 구비하여 대면적의 플라즈마 균일하게 발생 및 유지 할 수 있는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 멀티 레이저 스캐닝 라인을 구비하며 유도 결합 플라즈마 반응기의 전류 균형을 균일하게 제어하여 고밀도의 플라즈마를 균일하게 발생 할 수 있는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 본 발명의 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기는: 반응기 몸체; 상기 반응기 몸체의 일면을 형성하는 유전체 윈도우와 상기 유전체 윈도우에 근접하여 설치되고 상기 반응기 몸체의 내부에 유도 결합 플라즈마를 유도하기 위한 무선 주파수 안테나를 포함하는 안테나 어셈블리; 상기 무선 주파수 안테나로 무선 주파수 전원을 공급하기 위한 메인 전원 공급원; 및 상기 반응기 몸체의 내부에 복수개의 레이저 주사선으로 이루어지는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 구성하기 위한 레이저 공급원을 포함하고, 상기 안테나 어셈블리는 복수개의 무선 주파수 안테나를 포함하고, 상기 메인 전원 공급원으로부터 제공되는 무선 주파수 전원을 상기 복수개의 무선 주파수 안테나로 분배하는 분배 회로를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 유전체 윈도우는 상기 무선 주파수 안테나가 설치되는 트랜치 영역과 상기 반응기 몸체의 내부로 가스를 주입하기 위한 복수개의 가스 유입구 및 가스 분사홀을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 안테나 어셈블리는 자속 출입구가 상기 반응기 몸체의 내부를 향하도록 상기 무선 주파수 안테나를 따라 덮는 마그네틱 코어 커버를 포함한다.
삭제
일 실시예에 있어서, 상기 메인 전원 공급원과 상기 분배 회로 사이에 구성되어 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합기를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 분배 회로는 상기 복수개의 무선 주파수 안테나로 공급되는 전류의 균형을 조절하는 전류 균형 회로를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전류 균형 회로는 상기 복수개의 무선 주파수 안테나를 병렬 구동하며 전류 균형을 이루는 복수개의 트랜스포머를 포함하고, 상기 복수개의 트랜스포머의 일차측은 직렬로 연결되며, 이차측은 상기 복수개의 무선 주파수 안테나에 대응되게 연결된다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 트랜스포머의 이차측들은 각기 접지된 중간탭을 포함하고 상기 이차측의 일단은 정전압을 타단은 부전압을 각각 출력하며, 상기 정전압은 상기 복수개의 무선 주파수 안테나의 일단으로 상기 부전압은 상기 복수개의 무선 주파수 안테나의 타단으로 제공된다.
일 실시예에 있어서, 상기 전류 균형 회로는 전류 균형 조절 범위를 가변 할 수 있는 전압 레벨 조절 회로를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전류 균형 회로는 누설 전류의 보상을 위한 보상 회로를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전류 균형 회로는 과도 전압에 의한 손상을 방지하기 위한 보호 회로를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 안테나 어셈블리를 통해서 상기 반응기 몸체의 내 부로 가스를 공급하는 가스 공급부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 공급부는 서로 독립된 가스 공급 경로를 갖는 적어도 두 개의 가스 공급 채널을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 반응기 몸체는 내부에 피처리 기판이 놓이는 지지대를 구비하고, 상기 지지대는 바이어스 되거나 또는 바이어스 되지 않는 것 중 어느 하나이다.
일 실시예에 있어서, 상기 지지대는 단일 주파수 전원 또는 둘 이상의 서로 다른 주파수 전원에 의해 바이어스 된다.
일 실시예에 있어서, 상기 지지대는 정전척을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 지지대는 히터를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 지지대는 피처리 기판과 평행하게 선형 또는 회전 이동 가능한 구조를 갖고, 상기 지지대를 선형 또는 회전 이동하기 위한 구동 메커니즘을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 반응기 몸체는 내부로 레이저 빔을 주사하기 위한 레이저 투과 윈도우를 포함하고, 상기 레이저 공급원은 상기 레이저 투과 윈도우를 통하여 상기 반응기 몸체의 내부로 레이저 빔이 주사되도록 하여 상기 멀티 레이저 스캐닝 라인을 형성시키기 위한 하나 이상의 레이저 소스를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저 투과 윈도우는 상기 반응기 몸체의 측벽으로 대향되게 구성된 두 개의 윈도우를 포함하고, 상기 레이저 공급원은 상기 하나 이상의 레이저 소스로부터 발생된 레이저 빔을 상기 두 개의 윈도우를 사이에 두고 반사시켜 상기 멀티 레이저 스캐닝 라인을 형성시키는 복수개의 반사경을 포함한다.
본 발명의 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기는 대면적의 피처리 기판의 크기에 적합하게 무선 주파수 안테나를 확장하되 마그네틱 코어 커버의 설치에 의해서 대면적의 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있음으로 플라즈마 반응기의 대면적화가 용이하며 전류 균형 회로에 의한 균일한 전류 공급과 하나 이상의 가스 공급 채널에 의해 균일한 가스 공급이 이루어짐으로서 고밀도의 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있다. 그리고 다중 유도 안테나 어셈블리와 멀티 레이저 스캐닝 라인을 피처리 기판의 상부에 균일하고 넓게 주사할 수 있음으로서 대면적의 피처리 기판을 처리하기 위한 대면적의 플라즈마 반응기를 용이하게 구현할 수 있으며 여러 가지 공정 조건을 효율적으로 개선하여 공정 수율을 향상할 수 있다.
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 도 면에서 동일한 부재는 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 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 반응기를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 반응기(10)는 반응기 몸체(11), 반응기 몸체(11)의 내부로 플라즈마 발생을 위한 유도 기전력을 제공하는 안테나 어셈블리(30), 안테나 어셈블리(30)로 무선 주파수 전원을 공급하기 위한 메인 전원 공급원(40) 및, 반응기 몸체(40)의 내부에 복수개의 레이저 주사선(82)으로 이루어지는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 구성하기 위한 레이저 공급원(80)을 포함한다. 반응기 몸체(11)는 내측 상부에 피처리 기판(13)이 놓이는 지지대(12)가 구비된다. 반응기 몸체(11)의 내측 하부에 안테나 어셈블리(30)가 구비된다. 가스 공급부(20)는 안테나 어셈블리(30)의 하부에 구성되어 가스 공원(미도시)으로부터 제공된 반응 가스를 안테나 어셈블리(30)에 구성된 다수개의 가스 유입구(36)와 가스 분사홀(32)을 통하여 반응기 몸체(11)의 내부로 공급한다. 메인 전원 공급원(40)으로부터 발생된 무선 주파수 전원은 임피던스 정합기(41)를 통하여 안테나 어셈블리(30)에 구비된 무선 주파수 안테나 번들(31)로 공급된다. 레이저 공급원(80)은 반응기 몸체(11)의 내부에 복수개의 레이저 주사선(82)으로 이루어지는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 구성하기 위한 레이저를 제공한다. 반응기 몸체(11)의 내부에는 안테나 어셈블리(30)와 멀티 레이저 스캐닝 라인 에 의한 플라즈마가 발생되어 피처리 기판(13)에 대한 기판 처리가 이루어진다.
플라즈마 반응기(10)는 반응기 몸체(11)와 그 내부에 피처리 기판(13)이 놓이는 지지대(12)가 구비된다. 반응기 몸체(11)는 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속 물질이나 코팅된 금속 예를 들어, 양극 처리된 알루미늄이나 니켈 도금된 알루미늄으로 제작될 수도 있다. 또는 내화 금속(refractory metal)로 제작될 수도 있다. 또 다른 대안으로 반응기 몸체(11)를 전체적 또는 부분적으로 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 제작하는 것도 가능하다. 이와 같이 반응기 몸체(11)는 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 어떠한 물질로도 제작될 수 있다. 반응기 몸체(11)의 구조는 피처리 기판(13)에 따라 그리고 플라즈마의 균일한 발생을 위하여 적합한 구조 예를 들어, 원형 구조나 사각형 구조 그리고 이외에도 어떠한 형태의 구조를 가질 수 있다.
피처리 기판(13)은 예를 들어, 반도체 장치, 디스플레이 장치, 태양전지 등과 같은 다양한 장치들의 제조를 위한 웨이퍼 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판 등과 같은 기판들이다. 플라즈마 반응기(10)의 가스 출구(3)는 진공 펌프(미도시)에 연결된다. 플라즈마 반응기(10)는 대기압 이하의 저압 상태에서 피처리 기판(13)에 대한 플라즈마 처리가 이루어진다. 그러나 본 발명의 플라즈마 반응기(10)는 대기압에서 피처리 기판을 처리하는 대기압의 플라즈마 처리 시스템으로도 구현될 수 있다.
도 2는 안테나 어셈블리와 그 하부에 구성된 가스 공급부를 보여주는 플라즈마 반응기 하부의 부분 단면도이다.
도 2를 참조하여, 가스 공급부(20)는 안테나 어셈블리(30)의 하부에 구성된다. 가스 공급부(20)는 가스 공급원(미도시)에 연결되는 가스 입구(21)와 하나 이상의 가스 분배판(22) 그리고 복수개의 가스 주입구(23)를 구비한다. 복수개의 가스 주입구(23)는 안테나 어셈블리(30)의 복수개의 가스 유입구(36)에 대응되어 각기 연결된다. 가스 입구(21)를 통하여 입력된 반응 가스는 하나 이상의 가스 분배판(22)에 의해서 고르게 분배되어 복수개의 가스 주입구(23)를 통해서 반응기 몸체(11)의 내부로 유입된다. 도면에는 구체적으로 도시하지 않았으나, 가스 공급부(20)는 서로 독립된 가스 공급 경로를 갖는 적어도 두 개의 가스 공급 채널을 구비할 수 있다.
안테나 어셈블리(30)는 반응기 몸체(11)의 일면을 형성하는 유전체 윈도우(34)와 유전체 윈도우(34)에 근접하여 설치되고 상기 반응기 몸체의 내부에 유도 결합 플라즈마를 유도하기 위한 무선 주파수 안테나(31)를 구비한다. 유전체 윈도우(34)는 무선 주파수 안테나(31)가 설치되는 트랜치 영역(35), 반응기 몸체(11)의 내부로 가스를 주입하기 위한 복수개의 가스 유입구(36) 및 가스 분사홀(32)을 포함한다. 무선 주파수 안테나(31)는 도 3에 도시된 바와 같이 평판 나선 구조를 갖거나 도 4에 도시된 바와 같이 평판 지그재그 구조를 가질 수 있다. 이외에도 플라즈마의 균일한 유도를 위하여 어떠한 형태의 구조를 가질 수 있다. 트랜치 영역(35)은 무선 주파수 안테나(31)의 형상에 따라 적절한 구조로 유전체 윈도우(34)에 형성될 수 있다. 복수개의 가스 유입구(36)와 가스 분사홀(32)은 트랜치 영역(35) 사이에 위치하도록 유전체 윈도우(34)에 형성되며 균일한 가스 분배를 위하 여 적절한 개수로 분산되어 구성된다.
도 3 및 도 4는 무선 주파수 안테나와 코어 커버의 여러 구조를 보여주는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 무선 주파수 안테나(31)로부터 유도되는 자기장의 손실을 나추고 에너지 전달 효율과 균일도를 높이기 위하여 마그네틱 코어 커버(33)가 구비될 수 있다. 마그네틱 코어 커버(33)는 자속 출입구가 반응기 몸체(11)의 내부를 향하도록 하여 무선 주파수 안테나(31)를 따라 덮도록 안테나 어셈블리(30)에 설치된다. 마그네틱 코어 커버(33)는 다수개의 조각들로 구성될 수 있으며, 각 조각의 접촉면에는 비자성 물질층을 포함하도록 함으로서 집속되는 자기장의 균일도를 높일 수 있다.
도 5 내지 도 7은 멀티 레이저 스캐닝 라인의 다양한 구성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 7을 참조하여, 반응기 몸체(11)는 내부로 레이저 빔을 주사하기 위한 레이저 투과 윈도우(86, 87)를 구비한다. 레이저 투과 윈도우(86, 87)는 반응기 몸체(11)의 측벽으로 대향되게 구성된 두 개의 윈도우(86, 87)로 구성될 수 있다. 두 개의 윈도우(86, 87)는 반응기 몸체(11)에 서로 마주 대향되도록 설치되며, 동일한 길이를 갖는 슬릿 구조로 구성될 수 있다. 레이저 공급원(80)은 하나 이상의 레이저 소스(84)를 포함한다. 레이저 소스(84)는 레이저 투과 윈도우(86, 87)를 통하여 반응기 몸체(11)의 내부로 레이저 빔을 주사하여 반응기 몸체(11)의 내부에 복수개의 레이저 주사선(82)을 형성시켜 멀티 레이저 스캐닝 라인 구성한 다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 일 측의 레이저 투과 윈도우(86)에 근접해서 복수개의 레이저 소스(84)가 배열되고, 그에 대응하여 타측의 레이저 투과 윈도우(87)에 근접해서는 복수개의 레이저 종결부(85)가 구성될 수 있다. 또는 도 6에 도시된 바와 같이, 몇 개의 레이저 소스(84)를 간격을 두고 구성하고 그 사이에 복수개의 반사경(83)을 설치하여 레이저 소스(84)로부터 발생된 레이저 빔을 두 개의 레이저 투과 윈도우(86, 87)를 사이에 두고 왕복하며 반사되도록 하여 복수개의 레이저 주사선(82)을 형성시킬 수 있다. 또는 도 7에 도시된 바와 같이, 단지 하나의 레이저 소스(84)만을 구성하고 복수개의 반사경(83)을 구성할 수도 있다. 이와 같이 하나 이상의 레이저 소스(84)와 복수개의 반사경(83)과 하나 이상의 레이저 종결부(85)를 사용하여 멀티 레이저 스캐닝 라인을 반응기 몸체(11)의 내부에 구성할 수 있다. 그리고 보다 구체적인 구성과 설명은 생략되었으나, 레이저 빔을 반응기 몸체(11)의 내부로 주사시키기 위하여 적절한 구조의 광학계가 사용될 수 있음을 당 업계의 통상적인 기술자들은 잘 알 수 있을 것이다.
다시, 도 1을 참조하여, 반응기 몸체(11)의 내부에는 피처리 기판(13)을 지지하기 위한 지지대(12)가 구비된다. 지지대(12)는 바이어스 전원 공급원(42, 43)에 연결되어 바이어스 된다. 예를 들어, 서로 다른 무선 주파수 전원을 공급하는 두 개의 바이어스 전원 공급원(42, 43)이 임피던스 정합기(44)를 통하여 지지대(12)에 전기적으로 연결되어 바이어스 된다. 지지대(12)의 이중 바이어스 구조는 반응기 몸체(11)의 내부에 플라즈마 발생을 용이하게 하고, 플라즈마 이온 에너 지 조절을 더욱 개선시켜 공정 수율을 향상 시킬 수 있다. 또는 단일 바이어스 구조로 변형 실시할 수도 있다. 또는 지지대(12)는 바이어스 전원의 공급 없이 제로 퍼텐셜(zero potential)을 갖는 구조로 변형 실시될 수도 있다. 그리고 기판 지지대(12)는 정전척을 포함할 수 있다. 또는 기판 지지대(12)는 히터를 포함할 수 있다.
지지대(12)는 고정형으로 구성될 수 있다. 또는 지지대(12)는 피처리 기판(13)과 평행하게 선형 또는 회전 이동 가능한 구조를 갖고, 지지대(12)를 선형 또는 회전 이동하기 위한 구동 메커니즘(4)을 포함한다. 지지대(12)의 이러한 이동 구조는 피처리 기판(13)의 처리 효율을 높이기 위한 것이다. 반응기 몸체(11)의 상부에 구성된 가스 출구(3)로 배출되는 가스의 균일한 배기를 위하여 반응기 몸체(11)의 내측 상부에는 배기 배플(6)이 구성될 수 있다.
도 8은 분배 회로의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하여, 안테나 어셈블리(30)에 구비되는 무선 주파수 안테나(31)는 보다 균일한 플라즈마 방전을 유도하기 위하여 복수개로 구성될 수 있다. 복수개의 무선 주파수 안테나(31)는 메인 전원 공급원(40)으로부터 발생된 무선 주파수 전원을 임피던스 정합기(41)와 분배 회로(50)를 통하여 공급받아 구동되어 반응기 몸체(11)의 내부에 유도 결합된 플라즈마를 유도한다. 메인 전원 공급원(40)은 별도의 임피던스 정합기 없이 출력 전원의 제어가 가능한 무선 주파수 발생기를 사용하여 구성될 수도 있다. 메인 전원 공급원(40)으로부터 발생된 무선 주파수 전원은 임피던스 정합기(41)를 통하여 복수개의 무선 주파수 안테나(31)로 제공된다. 이를 위하여 분배 회로(50)가 구비될 수 있다. 분배 회로(50)는 메인 전원 공급원(40)으로부터 제공되는 무선 주파수 전원을 복수개의 무선 주파수 안테나(31)로 분배하여 공급함으로서 복수개의 무선 주파수 안테나(31)가 병렬 구동되게 한다. 바람직하게, 분배 회로(50)는 전류 균형 회로로 구성될 수 있다. 전류 균형 회로는 복수개의 안테나 번들(31)로 공급되는 전류가 자동적으로 상호 균형을 이루게 한다. 그럼으로 대면적의 플라즈마를 보다 균일하게 발생 및 유지할 수 있다.
분배 회로(50)는 복수개의 일차 권선 코일(33)을 병렬 구동하며 전류 균형을 이루는 복수개의 트랜스포머(52)로 구성되는 전류 균형 회로를 포함한다. 복수개의 트랜스포머(52)의 일차측은 임피던스 정합기(41)를 통해서 무선 주파수가 입력되는 전원 입력단과 접지 사이에 직렬로 연결되며, 이차측의 일단은 복수개의 무선 주파수 안테나(31)에 대응되게 연결되고 타단은 공통으로 접지된다. 복수개의 트랜스포머(52)는 전원 입력단과 접지 사이의 전압을 균등하게 분할하고 분할된 다수의 분할된 전압을 복수개의 무선 주파수 안테나(31)의 일단으로 출력한다. 복수개의 무선 주파수 안테나(31)의 타단은 공통으로 접지된다.
복수개의 트랜스포머(52)의 일차측으로 흐르는 전류는 동일함으로 복수개의 무선 주파수 안테나(31)로 공급되는 전력도 동일하게 된다. 복수개의 무선 주파수 안테나(31) 중에서 어느 하나의 임피던스가 변화되어 전류량의 변화가 발생되면 복수개의 트랜스포머(52)가 전체적으로 상호 작용하여 전류 균형을 이루게 된다. 그럼으로 복수개의 무선 주파수 안테나(31)로 공급되는 전류는 상호 균일하게 지속적인 자동 조절이 이루어진다. 복수개의 트랜스포머(52)는 각기 일차측과 이차측의 권선비율이 기본적으로 1:1로 설정되어 있으나 이는 변경이 가능하다.
이상과 같은 전류 균형 회로로 구성되는 분배 회로(50)는, 도면에는 구체적인 도시를 생략하였으나, 복수개의 트랜스포머(52)에 과도전압이 발생되는 것을 방지하기 위한 보호 회로를 포함할 수 있다. 보호 회로는 복수개의 트랜스포머(52) 중 어느 하나가 전기적으로 오픈 상태가 되는 등의 결함에 의해 해당 트랜스포머에 과도전압이 증가되는 것을 방지한다. 이러한 기능의 보호 회로는 바람직하게는 복수개의 트랜스포머(52)의 각각의 일차측 양단에 배리스터(Varistor)를 연결하여 구현할 수 있으며, 또는 제너다이오드(Zener Diode)와 같은 정전압 다이오드를 사용하여 구현할 수도 있다. 그리고 분배 회로(50)에는 각각의 트랜스포머(52) 마다 누설 전류의 보상을 위한 보상 커패시터(51)와 같은 보상 회로가 부가될 수 있다.
도 9 내지 도 11은 분배 회로의 다양한 변형들을 보여주는 도면이다.
도 9를 참조하여, 일 변형의 분배 회로(50)는 복수개의 트랜스포머(52)의 이차측들이 각기 접지된 중간탭을 포함한다. 여기서 이차측의 일단은 정전압을 타단은 부전압을 각각 출력한다. 정전압은 복수개의 안테나 번들(31)의 일단으로 그리고 부전압은 복수개의 무선 주파수 안테나(31)의 타단으로 제공된다.
도 10 및 도 11을 참조하여, 다른 변형의 분배 회로(50)는 전류 균형 조절 범위를 가변 할 수 있는 전압 레벨 조절 회로(60)를 구비할 수 있다. 전압 레벨 조절 회로(60)는 멀티 탭을 구비한 코일(61)과 멀티 탭 중 어느 하나를 접지로 연결하는 멀티 탭 스위칭 회로(62)를 포함한다. 전압 레벨 조절 회로(60)는 멀티 탭 스위칭 회로(62)의 스위칭 위치에 따라 가변된 전압 레벨을 분배 회로(50)로 인가 하게 되며, 분배 회로(50)는 전압 레벨 조절 회로(60)에 의해서 결정되는 전압 레벨에 의해 전류 균형 조절 범위가 가변된다. 이외에도, 도면으로 도시되지는 않았으나 복수개의 무선 주파수 안테나(31)는 분배 회로(50) 없이 임피던스 정합기(41)와 접지 사이에 직렬로 연결될 수도 있다. 또는 병렬로 연결되거나 직병렬 혼합 방식으로 연결될 수도 있다.
이상과 같은 본 발명의 플라즈마 반응기(10)는 설치 구조가 도 1에 도시된 바와 같이 지지대(12)가 반응기 몸체(11)의 상부에 설치되는 구조뿐만 아니라 도 12에 도시된 바와 같이, 반응기 몸체(11)의 하부에 위치하는 구조로 구성될 수 있다. 이러한 경우에 배기 배플(6)과 가스 출구(3)는 반응기 몸체(11)의 하부에 구성될 것이고, 안테나 어셈블리(30)와 가스 공급부(20)는 반응기 몸체(11)의 상부에 구성된다.
이상에서 설명된 본 발명의 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기의 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.
본 발명의 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기는 반도체 집적 회로의 제조, 평판 디스플레이 제조, 태양전지의 제조와 같은 다양한 박막 형성을 위한 플라즈마 처리 공정에 매우 유용하게 이용될 수 있다. 본 발명의 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기는 대면적의 피처리 기판의 크기에 적합하게 무선 주파수 안테나를 확장하되 마그네틱 코어 커버의 설치에 의해서 대면적의 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있음으로 플라즈마 반응기의 대면적화가 용이하며 전류 균형 회로에 의한 균일한 전류 공급으로 고밀도의 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있다. 그리고 다중 유도 안테나 어셈블리와 멀티 레이저 스캐닝 라인을 피처리 기판의 상부에 균일하고 넓게 주사할 수 있음으로서 대면적의 피처리 기판을 처리하기 위한 대면적의 플라즈마 반응기를 용이하게 구현할 수 있으며 여러 가지 공정 조건을 효율적으로 개선하여 공정 수율을 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 반응기를 보여주는 도면이다.
도 2는 안테나 어셈블리와 그 하부에 구성된 가스 공급부를 보여주는 플라즈마 반응기 하부의 부분 단면도이다.
도 3 및 도 4는 무선 주파수 안테나와 코어 커버의 여러 구조를 보여주는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 멀티 레이저 스캐닝 라인의 다양한 구성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 분배 회로의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 9 내지 도 11은 분배 회로의 다양한 변형들을 보여주는 도면이다.
도 12는 유도 결합 플라즈마 반응기의 설치 구조의 변형예를 보여주는 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
3: 가스 출구 6: 배기 배플
10: 플라즈마 반응기 11: 반응기 몸체
12: 지지대 13: 피처리 기판
20: 가스 공급부 21: 가스 입구
22: 가스 분배판 23: 가스 주입구
30: 안테나 어셈블리 31: 무선 주파수 안테나
32: 가스 분사홀 33: 마그네틱 코어 커버
34: 유전체 윈도우 35: 트랜치 영역
36: 가스 유입구 40: 메인 전원 공급원
41: 임피던스 정합기 42, 43: 바이어스 전원 공급원
44: 임피던스 정합기 50: 분배 회로
51: 보상 커패시터 52: 트랜스포머
53: 중간탭 60: 전압 레벨 조절 회로
61: 코일 62: 멀티 탭 스위칭 회로
80: 레이저 공급원 82: 멀티 레이저 스캐닝 라인
83: 반사경 85: 레이저 종결부

Claims (20)

  1. 반응기 몸체;
    상기 반응기 몸체의 일면을 형성하는 유전체 윈도우와 상기 유전체 윈도우에 근접하여 설치되고 상기 반응기 몸체의 내부에 유도 결합 플라즈마를 유도하기 위한 무선 주파수 안테나를 포함하는 안테나 어셈블리;
    상기 무선 주파수 안테나로 무선 주파수 전원을 공급하기 위한 메인 전원 공급원; 및
    상기 반응기 몸체의 내부에 복수개의 레이저 주사선으로 이루어지는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 구성하기 위한 레이저 공급원을 포함하고,
    상기 안테나 어셈블리는 복수개의 무선 주파수 안테나를 포함하고,
    상기 메인 전원 공급원으로부터 제공되는 무선 주파수 전원을 상기 복수개의 무선 주파수 안테나로 분배하는 분배 회로를 포함하는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 윈도우는 상기 무선 주파수 안테나가 설치되는 트랜치 영역과 상기 반응기 몸체의 내부로 가스를 주입하기 위한 복수개의 가스 유입구 및 가스 분사홀을 포함하는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 어셈블리는 자속 출입구가 상기 반응기 몸체의 내부를 향하도록 상기 무선 주파수 안테나를 따라 덮는 마그네틱 코어 커버를 포함하는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 메인 전원 공급원과 상기 분배 회로 사이에 구성되어 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합기를 포함하는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분배 회로는 상기 복수개의 무선 주파수 안테나로 공급되는 전류의 균형을 조절하는 전류 균형 회로를 포함하는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전류 균형 회로는 상기 복수개의 무선 주파수 안테나를 병렬 구동하며 전류 균형을 이루는 복수개의 트랜스포머를 포함하고,
    상기 복수개의 트랜스포머의 일차측은 직렬로 연결되며, 이차측은 상기 복수개의 무선 주파수 안테나에 대응되게 연결되는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수개의 트랜스포머의 이차측들은 각기 접지된 중간탭을 포함하고 상기 이차측의 일단은 정전압을 타단은 부전압을 각각 출력하며,
    상기 정전압은 상기 복수개의 무선 주파수 안테나의 일단으로 상기 부전압은 상기 복수개의 무선 주파수 안테나의 타단으로 제공되는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 전류 균형 회로는 전류 균형 조절 범위를 가변 할 수 있는 전압 레벨 조절 회로를 포함하는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 전류 균형 회로는 누설 전류의 보상을 위한 보상 회로를 포함하는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 전류 균형 회로는 과도 전압에 의한 손상을 방지하기 위한 보호 회로를 포함하는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 어셈블리를 통해서 상기 반응기 몸체의 내부로 가스를 공급하는 가스 공급부를 포함하는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가스 공급부는 서로 독립된 가스 공급 경로를 갖는 적어도 두 개의 가스 공급 채널을 포함하는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 몸체는 내부에 피처리 기판이 놓이는 지지대를 구비하고, 상기 지지대는 바이어스 되거나 또는 바이어스 되지 않는 것 중 어느 하나인 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 지지대는 단일 주파수 전원 또는 둘 이상의 서로 다른 주파수 전원에 의해 바이어스 되는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 지지대는 정전척을 포함하는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 지지대는 히터를 포함하는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 지지대는 피처리 기판과 평행하게 선형 또는 회전 이동 가능한 구조를 갖고, 상기 지지대를 선형 또는 회전 이동하기 위한 구동 메커니즘을 포함하는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 몸체는 내부로 레이저 빔을 주사하기 위한 레이저 투과 윈도우를 포함하고,
    상기 레이저 공급원은 상기 레이저 투과 윈도우를 통하여 상기 반응기 몸체의 내부로 레이저 빔이 주사되도록 하여 상기 멀티 레이저 스캐닝 라인을 형성시키기 위한 하나 이상의 레이저 소스를 포함하는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 레이저 투과 윈도우는 상기 반응기 몸체의 측벽으로 대향되게 구성된 두 개의 윈도우를 포함하고,
    상기 레이저 공급원은 상기 하나 이상의 레이저 소스로부터 발생된 레이저 빔을 상기 두 개의 윈도우를 사이에 두고 반사시켜 상기 멀티 레이저 스캐닝 라인을 형성시키는 복수개의 반사경을 포함하는 멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 플라즈마 반응기.
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