KR20040075121A

KR20040075121A - 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치

Info

Publication number: KR20040075121A
Application number: KR1020030010555A
Authority: KR
Inventors: 위순임
Original assignee: 위순임
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2004-08-27
Also published as: KR100507332B1

Abstract

본 발명은 방전관의 내벽에 전원을 인가하고 가스를 공급하여 프라즈마를 발생하는 장치에 있어서, 방전관을 내부가 통하는 십자형으로 구성하고, 십자형 방전관의 출구 측에는 직경이 증가되는 확장 혼을 이루고, 방전관의 교차부에는 가속용 전자석을 설치한 대면적 유도 프라즈마 발생장치이고, 방전관의 교차부 상면 중앙에는 가스 공급용 주입구를 형성하고, 방전관의 확장 혼은 표면처리용 웨이퍼를 안치시키는 용기에 의하여 저면에서 지지되도록 구성한 것을 특징으로 하는 대면적 유도 프라즈마 발생장치이다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 방전관을 십자형으로 구성하여 프라즈마를 발생시키므로, 프라즈마가 십자형의 출력에 의하여 상호 충돌하면서 고밀도의 프라즈마를 생성 가능토록 한다.

또한, 프라즈마를 발생하는 방전관을 십자형으로 구성하고 교차부에 전자석을 설치하므로 전자석의 자계에 의하여 방전관 내에서 프라즈마가 가속되므로 4개소에서 가속 프라즈마가 출력되어 고밀도의 프라즈마를 발생 가능토록 한다.

Description

대면적 교차유도 프라즈마 발생장치{Cross typed induction plasma generator with large area}

본 발명은 대면적 유도 프라즈마 발생장치에 관한 것으로, 프라즈마를 발생시키는 방전관에 전자석을 두어 프라즈마를 가속시키고, 방전관의 출력 측에는 직경을 확장한 확장혼을 두어 프라즈마가 균일하게 고밀도로 출력 제공 가능토록 하는 대면적 유도 프라즈마 발생장치를 제공하려는 것이다.

일반적으로, 프라즈마(Plasma)란 이온이나 전자, 라디칼 등으로 이루어진 이온화된 가스 상태를 의미하는데, 이러한 프라즈마는 매우 높은 온도나, 강한 전계혹은 고주파 전자계(RF electromagnetic fields)에 의해 생성된다. 특히, 글로우 방전에 의한 프라즈마 생성은 직류(DC)나 고주파 전계(RF)에 의해 여기된 자유전자에 의해 이루어지는데, 여기된 자유전자는 가스분자와 충돌하여 이온, 라디칼, 전자 등과 같은 활성족(active species)을 생성한다. 그리고 이와 같은 활성족은 물리 혹은 화학적으로 물질의 표면에 작용하여 표면의 특성을 변화시킨다. 이와 같이 활성족(프라즈마)에 의해 의도적으로 물질의 표면 특성을 변화시키는 것을 '표면처리'라고 한다.

대기압 하에서 프라즈마에 의한 표면처리를 수행하는 종래의 장치는 한 쌍의 전극들이 반응 용기내의 방전공간에 설치되고, 방전 공간에는 헬륨과 아르곤 등 불활성 가스를 주성분으로 하는 프라즈마 생성 가스들로 채워진다. 이 때, 각 전극에는 유전체가 도포되어 있고, 피처리물은 두 전극 사이에 위치한다.

이와 같이 피처리물을 반응용기 내에 삽입하고, 전극 사이에 AC 전압을 인가하면 글로우 방전이 일어나서 프라즈마 생성가스가 여기 하여 반응용기 내에서 프라즈마가 생성되고, 이 프라즈마에 의해 상기 피처리물이 프라즈마 표면처리 된다.

그런데, 이와 같은 종래의 프라즈마 표면처리 기술에서는 프라즈마가 양 전극 사이에서만 발생하는데, 유효한 프라즈마 방전을 위해 두 전극의 간격에 한계가 있기 때문에(통상, 수 cm 이내) 피처리물의 형상이 평평하고, 얇은 것에 대해서는 처리가 가능하나 복잡한 3차원 형태의 피처리물에는 적용하기 어려운 문제점이 있다. 그리고 얇은 평판의 경우에도 선택적으로 표면처리 하고자 할 경우에는 처리가 어려운 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 전극 간격을 넓힐 경우에는 수백 KV의 높은 전압이 필요하므로, 대용량의 전압공급장치가 필요하여 가격이 아주 비싸지게 되어 경제성이 현저히 떨어진다. 또한, 대형 평판의 처리를 위해서는 이에 대응되는 대형의 전극이 필요한데, 대형 전극의 경우 유전체의 균일한 두께, 전극의 직진성, 전극표면 거칠기와 편평도 등을 요구조건을 만족시키지 못하면 대형 전극 사이의 방전상태가 불안정하여 피처리물에 대한 균일한 처리가 어려운 문제점이 있다.

이를 해결하고자 프라즈마의 이동 거리를 증진시킨 기술이 개발되었는바, 도 1 은 분사거리를 향상시키기 위해 원통형 전극에 솔레노이드를 설치한 예이다.

도 1을 참조하면, 중심에 봉형의 내부전극(82)이 있고, 원통형 외부전극(81)에 유전체(83)가 도포되어 내부전극(82)과 외부전극(81)이 분사관을 형성한 경우에 외부전극(81)에 솔레노이드(85)를 감아놓고 전류를 흘려줌으로써 마그넷에 의해 분사거리를 향상시킬 수 있다. 즉, 원통형 전극의 가장 바깥 부분에 도체로 솔레노이드를 감아 놓은 후 프라즈마를 피처리물(87)로 분사할 때, 솔레노이드에 전류를 흘려주면 전기장이 형성되어 프라즈마를 집속 및 가속시켜 분사거리를 향상시킬 수 있다.

그러나, 이러한 방식은 단순히 프라즈마를 가속하는 것이어서 프라즈마를 고밀도로 공급하는데 문제점이 있다. 또한 프라즈마의 균일도를 유지하는데도 문제가 있다.

본 발명은 이를 해결코자 하는 것으로, 본 발명의 목적은 프라즈마 발생용 방전관을 십자형으로 하여 프라즈마 이온의 상호 충돌로 인한 프라즈마 밀도를 높인 고밀도의 프라즈마 발생장치를 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 프라즈마 발생용 방전관을 십자형으로 하고 각 출력 부위에 확장혼을 두어 출력시의 프라즈마 속도를 감속시켜 프라즈마의 균일도를 높이는 프라즈마 발생장치를 제공하려는 것이다.

이를 위하여 본 발명은 방전관을 십자형으로 하여 프라즈마가 상호 충돌하면서 프라즈마의 밀도를 높이도록 구성한다. 또한 십자형 방전관의 교차부 외측면에 전자석을 감아 프라즈마가 가속 공급되도록 하고, 각 출구측에는 확장혼을 두어 감속함으로써 프라즈마가 웨이퍼 표면에 균일하게 증착되도록 한다.

도 1은 일반적인 관체형 프라즈마 발생장치의 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치의 평면도.

도 4는 본 발명에 따른 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치의 방전관의 저면도.

도 5는 본 발명에 따른 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치의 방전관의 코어에 권선된 코일에 전원을 인가하는 방식의 일 예를 보여주는 도면.

도 6은 본 발명에 따른 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치의 방전관의 코어에 권선된 코일에 전원을 인가하는 방식의 다른 예를 보여주는 도면.

도 7은 본 발명에 따른 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치의 다른 실시예를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20: 용기 21: 기판

22: 웨이퍼 23: 절연 패킹

40: 방전관 41: 가스 주입구

47: 확장혼 50,50',51,51': 권선코일

52: 출구공 53: 알루미늄 몸체부

55,56: 유전체 60: 점화기

65: 점화전원 65c: 점화코일

70: 세라믹관 80: 페라이트 코어

90: 스위치 콘트롤러

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 방전관의 내벽에 전원을 인가하고 가스를 공급하여 프라즈마를 발생하는 장치에 있어서,

상기 방전관은 내부가 통하는 십자형으로 구성되고, 십자형 방전관의 각 분기부에는 링형 코어가 설치되며, 그 링형 코어에는 코일이 권선되고, 십자형 방전관의 출구측에는 직경이 증가되는 확장혼이 형성되어 있는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 방전관을 내부가 통하는 십자형으로 구성하고, 십자형 방전관의 각 분기부에는 링형 코어를 설치하며, 그 링형 코어에는 코일을 권선하고, 십자형 방전관의 출구측에는 직경이 증가되는 확장혼을 이루는 대면적 유도 프라즈마 발생장치를 제공하려는 것이다.

상기 방전관의 교차부 상면 중앙에는 가스 공급용 주입구를 형성하고, 방전관의 확장혼은 표면처리용 웨이퍼를 안치시키는 용기에 의하여 저면에서 지지되도록 구성하고, 상기 방전관의 확장혼은 아래로 경사지게 절곡된 것이 좋다.

상기 방전관의 출구측 확장혼과 용기는 상호 절연 패킹으로 절연된 것이 좋다.

이하 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2 는 본 발명의 결합 상태 단면도이고, 도 3 은 평면도이며, 도 4 는 방전관만을 나타낸 저면도로, 방전관의 내벽에 전원을 인가하고 가스를 공급하여 프라즈마를 발생하는 장치에 있어서, 방전관(40)을 내부가 통하는 십자형으로 구성하고, 십자형 방전관의 각 분기부에는 링형 페라이트 코어(80)를 설치하며, 그 링형 페라이트 코어(80)에는 코일(50,50',51,51')을 권선하고, 십자형 방전관(40)의 출구측에는 직경이 증가되는 확장혼(47)을 이루도록 구성한다.

상기 방전관(40)의 교차부 상면 중앙에는 가스 공급용 주입구(41)를 형성하고, 방전관(40)의 확장혼(47)은 표면처리용 웨이퍼(22)를 안치시키는 용기(20)에 의하여 저면에서 지지되도록 구성한다. 웨이퍼(22)는 기판(21)에 의해 지지된다. 상기 가스 공급용 주입구(41)에는 외부의 가스 공급부와 방전관(40)과의 절연을 위해, 바람직하게는 방전관(40)과는 별개의 몸체인 세라믹관(70)이 방전관(40)의 가스 주입구에 연장되도록 설치된다.

상기 방전관(40)의 확장혼(47)은 아래로 경사지게 절곡된 것을 예시할 수 있다. 상기 방전관(40)의 출구측 확장혼(47)과 용기(20)는 상호 절연패킹(23)으로 절연시킨다. 상기 방전관(40)의 내면 전체는 유전체(55,56)로 코팅하여 절연토록 구성한다. 상기 가스 주입구(41)에 대향하는 방전관(40)의 바닥면에는 점화기(60)를 설치한다.

상기 유전체(55,56)는 고온에서도 견딜 수 있고 유전특성이 우수한 두께 25㎛∼10mm의 유리, 알루미나(Al₂O₃), 질화붕소(BN), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si₃N₄), 석영(SiO₂), 산화마그네슘(MgO) 등을 사용함이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 방전관의 코어에 권선된 코일에 전원을 인가하는 방식의 일 예를 보여주는 도면으로, 권선코일(50,50',51,51')은 한 조의 코일(50,50')과 다른 조의 코일(51,51')이 방전관(40)의 십자형 교차부의 세로와 가로 방향으로 구분되도록 설치되고, 각조의 코일(50,50')(51,51')은 트랜스(T)의 2차 권선(N₂)을 통하여 프라즈마 가속 전원을 공급받도록 구성한다.

도 6은 상기 권선코일에 전원을 인가하는 방식의 다른 예를 보여주는 도면으로, 그 기본 구성은 도 5와 동일하나 권선코일(50,50')(51,51')에 인가되는 전원이 트랜지스터(Q1,Q2)에 의해 스위칭 제어되어 공급되도록 구성한다. 즉, 트랜지스터 (Q1,Q2)는 교대로 바이어스(bias) 전원을 인가하는 스위치 콘트롤러(60)의 출력포트를 통한 출력 레벨에 의하여 교대로 스위칭 온 되도록 구성한다. 스위치 콘트롤러(90)는 일종의 바이브레이터로 구현할 수도 있고, 여러 발진 파형을 메모리 저장부에 디지털 변환시켜 저장하고 필요에 따라 선택하여 아날로그 상태로 변환하여 출력하도록 구현할 수도 있다. 또한, 각 발진 파형부를 구분하여 구성하고 출력을 제공하는 스위치를 제어하여 출력하도록 하는 방식으로도 구성할 수 있다.

한편, 도 7은 상기 도 2의 방전관의 구성에 있어서, 방전관의 가스주입구의 목부위에 별도의 점화코일 및 점화전원을 설치한 예를 보여주는 도면으로, 방전관(40)의 가스 주입구(41)의 목부위에 별도의 점화코일(65c)을 설치하고, 그 점화코일(65c)의 양단에 점화용 전원(65)을 접속한다. 이와 같이 점화코일(65c)을 설치하여 구동시킴으로써 그 점화코일(65c)이 감겨 있는 관체 내부의 가스의 상태를 더욱 용이하게 여기시켜 점화가 더욱 잘 일어나게 할 수 있다. 이와 같은 구성은 보다 강력한 프라즈마가 요구되는 설비에 적용될 수 있다.

그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 대면적 유도 프라즈마 발생장치의 동작에 대해 설명해 보기로 한다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 십자형 방전관(40)의 각 분기부에 전자석(코어 +코일)을 각각 구분하여 설치함으로써 방전관(40)의 각 교차부 내면에 전계를 구분하여 발생시키게 된다.

즉, 방전관(40)의 알루미늄 몸체부(53)와 점화기(60)에는 프라즈마 발생용 전원의 단자가 각각 접속되어 있어, 이 전원에 의해 전압을 인가하고 점화기(60)를 구동시키면 프라즈마가 발생하게 된다. 이 경우 본 발명은 가스 주입구(41)를 통하여 공급받는 가스(헬륨과 아르곤 등 불활성 가스를 주성분으로 하는 프라즈마 생성 가스)의 작용으로 프라즈마를 발생시킨다. 이때, 페라이트 코어(80)에 흐르는 자속에 의해 방전관(40)(이때 방전관은 변압기에서의 2차측 코일 역할을 하게 됨)에는 기전력이 유도되고, 그 유도기전력에 의해 방전관(40) 내부에 전계가 형성되어, 상기 발생된 프라즈마가 그 전계에 의해 가속되어 출구공(52)으로 배출된다. 그런데 출구공(52)은 확장혼(47)의 직경에 의하여 출구공(52)의 직경이 이루어지고, 출구공(52)은 방전관(40)의 몸통 직경 보다는 점차 커지는 구성을 이루므로, 가속된 프라즈마가 넓은 면적에 걸쳐 공급되고, 그에 따라 고밀도의 대용량 프라즈마를 웨이퍼(22)에 조사할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 방전관(40)이 십자형으로 중앙부에 교차부를 이루고 있고, 각 교차부의 가로 및 세로부에는 구분하여 작동하는 전자석(코어+코일)이 설치되어 있으므로, 도 5의 경우 인가되는 전원이 교류이므로 동일한 주기로 동시에 전자석이 작동하게 된다. 이는 결국 프라즈마가 4개소에서 동시에 각각 90도의 각도를 두고 방출하는 효과를 이루어 상호 충돌하면서 프라즈마의 집적도를 높여 준다. 이는 프라즈마 발생 압력이 통상 30mTorr∼2Torr의 압력을 이루나, 본 발명의 경우에는 300mTorr∼15Torr로 높은 압력을 유지하면서 프라즈마를 출력하게 되어 고밀도의 프라즈마를 발생하는 효과를 제공한다. 이는 고밀도의 프라즈마를 균일하게 조사하도록 하는 요인이 된다.

한편, 본 발명을 도 6의 실시예에서와 같이 사용할 경우, 스위치 콘트롤러 (90)를 작동시키면(작동 스위치의 도시는 생략 함), 일측 포트를 통한 출력이 하이레벨이면 일측 트랜지스터(예컨대,Q1)가 바이어스 작동되어 턴온 되고, 이는 트랜스(T)를 통한 변압 전원이 코일(50,50')을 구동시켜 방전관(40)의 세로 방향으로프라즈마가 발생하게 된다.

한편, 타측 포트를 통한 출력이 하이 레벨이면 타측 트랜지스터(Q2)가 바이어스 작동되어 턴온되고, 이는 트랜스(T)를 통한 변압전원이 전자석(51,51')을 구동시켜 방전관(40)의 가로 방향으로 프라즈마가 발생하게 된다. 이러한 원리로 트랜지스터(Q1,Q2)를 선택적으로 작동시켜 그에 상응하는 일측 코일(50,50')이나 타측 코일(51,51')을 선택적으로 구동시켜 상대적으로 약한 저밀도의 프라즈마를 발생시킬 수도 있고, 두 포트에 동시에 하이레벨의 구동전원을 인가토록 스위치 콘트롤러(90)를 작동시키면 코일(50,50')(51,51')이 동시에 구동하여 상대적으로 고밀도의 대용량 프라즈마를 발생시킬 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

이상과 같이 본 발명은 방전관을 십자형으로 구성하여 프라즈마를 발생시키므로, 프라즈마가 십자형의 출력에 의하여 상호 충돌하면서 고밀도의 프라즈마를 생성 가능토록 한다.

또한, 프라즈마를 발생하는 방전관을 십자형으로 구성하고 교차부에 전자석을 설치하므로, 전자석의 자계에 의하여 방전관에 유도된 기전력에 의해 방전관 내에서 프라즈마가 가속되므로, 4개소에서 가속 프라즈마가 출력되어 고밀도의 프라즈마를 발생 가능토록 한다.

또한, 본원 발명의 방전관은 십자형 방전관의 출구측에 직경이 증가하는 확장혼이 마련되어 있으므로, 넓은 면적에 걸쳐 대용량의 프라즈마를 공급할 수 있다.

아울러, 본원 발명은 십자형 방전관의 교차부에 전자석을 교대로 구동토록 하는 경우, 프라즈마를 강하게 또는 약하게 조절할 수 있어 필요에 따라 조사되는 프라즈마의 강도를 적절히 조절함으로써 조사의 정도가 다른 부품의 경우 새로운 조사장치에 별도로 설치하여 조사할 필요 없이 하나의 장치로 강도를 조절하여 범용으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본원 발명은 방전관이 상면에 안치되며 가공할 웨이퍼를 안치시키는 용기와 방전관을 상호 절연패킹을 사용하여 절연 결합시키므로, 쇼트의 우려가 없이 프라즈마를 발생시키는 안전한 프라즈마 발생장치를 제공할 수 있다.

Claims

방전관의 내벽에 전원을 인가하고 가스를 공급하여 프라즈마를 발생하는 장치에 있어서,

상기 방전관은 내부가 통하는 십자형으로 구성되고, 십자형 방전관의 각 분기부에는 링형 코어가 설치되며, 그 링형 코어에는 코일이 권선되고, 십자형 방전관의 출구측에는 직경이 증가되는 확장혼이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 방전관의 교차부 상면 중앙에는 가스 공급용 주입구가 형성되고, 방전관의 확장혼은 표면처리용 웨이퍼를 안치시키는 용기에 의하여 저면에서 지지되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 방전관의 확장혼은 아래로 경사지게 절곡된 것을 특징으로 하는 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치.
제 2항에 있어서, 상기 방전관의 출구측 확장혼과 용기는 절연패킹에 의해 절연된 것을 특징으로 하는 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 방전관의 내면부는 유전체로 코팅하여 절연토록 구성한 것을 특징으로 하는 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치.
제 2항에 있어서, 상기 방전관의 가스 주입구에 대향하는 방전관의 바닥면에는 점화기를 설치한 것을 특징으로 하는 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 코어에 감겨있는 권선코일(50,50',51,51')은 한 조의 코일(50,50')과 다른 조의 코일(51,51')이 방전관(40)의 십자형 교차부의 세로와 가로 방향으로 구분되도록 설치되고, 각조의 코일(50,50')(51,51')은 트랜스(T)의 2차 권선(N₂)을 통하여 프라즈마 가속 전원을 공급받도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 코어에 감겨있는 권선코일(50,50',51,51')은 한 조의 코일(50,50')과 다른 조의 코일(51,51')이 방전관(40)의 십자형 교차부의 세로와 가로 방향으로 구분되도록 설치되고, 각조의 코일(50,50')(51,51')은 트랜스(T)의 2차 권선(N₂)을 통하여 프라즈마 가속 전원을 공급받도록 구성되되, 인가 스위칭은 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)를 통하여 교대로 인가하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치.
제 8항에 있어서, 상기 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)는 교대로 바이어스 전원을 인가하는 스위치 콘트롤러의 출력포트의 상이한 레벨에 의하여 교대로 스위칭 온 되어 상대적으로 저밀도의 프라즈마를 발생하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치.
제 8항에 있어서, 상기 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)는 스위치 콘트롤러(60)의 출력포트에서 동일한 출력을 인가받아 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)를 동시에 턴 온 시켜 상대적으로 고밀도의 프라즈마를 발생토록 구성한 것을 특징으로 하는 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 방전관의 가스 주입구에는 외부의 가스 공급부와 방전관과의 절연을 위해, 방전관과는 별개의 몸체인 세라믹관이 방전관의 가스 주입구에 연장되도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서,

상기 방전관의 가스주입구의 목부위에는 별도의 점화코일이 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 대면적 교차유도 프라즈마 발생장치.