KR20070088765A - 표면파 여기 플라즈마 처리장치 - Google Patents

표면파 여기 플라즈마 처리장치 Download PDF

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KR20070088765A
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Abstract

(과제) 항상 대면적으로 균일한 플라즈마의 생성을 유지하는 것.
(해결수단) 플라즈마 소스(10)는, 마이크로파 발생장치, 마이크로파 도파관(12) 및 유전체 블록(13)을 구비하며, 플라즈마 소스(20)도 마찬가지로 마이크로파 발생장치, 마이크로파 도파관(22) 및 유전체 블록(23)을 구비한다. 챔버(1)의 덮개(3)에, 마이크로파 도파관(12, 22)을 병렬로 부착하고, 유전체 블록(13, 23)을 챔버(1) 내에 배열설치한다. 유전체 블록(13)과 유전체 블록(23) 사이에 반사판(30)을 개재시킴으로써, 유전체 블록(13, 23) 내에서 전파되는 전자파(마이크로파)가 반사파로서 서로 진입하는 것을 방지한다. 이것에 의해, 프라즈마 소스(10, 20)를 독립적으로 제어한다. 또, 유전체 블록(13, 23)의 외주부에 사이드 리플렉터(40)를 배열설치함으로써, 유전체 블록(13, 23) 내에서 전파되는 전자파의 정재파를 형성하고, 표면파(SW)의 정재파 모드를 대면적으로 균일하게 형성한다.
표면파 여기 플라즈마, 플라즈마 소스, 마이크로파 발생장치, 마이크로파 도파관, 유전체 블록, 반사판, 사이드 리플렉터

Description

표면파 여기 플라즈마 처리장치{SURFACE WAVE EXCITATION PLASMA PROCESSING SYSTEM}
본 발명은, 표면파 여기 플라즈마를 이용하여 각종 처리를 행하는 표면파 여기 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
고밀도로, 대면적(大面積)의 플라즈마를 생성할 수 있는 플라즈마 처리장치로서는, 표면파 여기 플라즈마를 이용하는 장치가 알려져 있다. 이런 종류의 장치로서는, 마이크로파 도파관을 분기하여 유전체 판(誘電體板) 상에 병렬 배치하고, 1대의 마이크로파 발생부로부터 도입한 마이크로파를 분기하여 각 마이크로파 도파관 내로 전파시키고, 유전체 판 상의 넓은 영역으로부터 마이크로파 전력을 거두어 들임으로써, 대면적으로 균일한 플라즈마 생성을 도모한 장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1 : 일본 특허공개 2005-33100 호 공보(제 2 쪽, 도 1, 4)
(발명이 해결하고자 하는 과제)
상기 특허문헌 1의 장치에서는, 분기한 복수의 마이크로파 도파관에 마이크로파 전력(電力)을 분배하여 큰 면적의 플라즈마를 생성할 수 있다. 그러나, 특허문헌 1의 장치에서는, 부하(負荷)인 플라즈마의 근소한 변화에 의해 도파관마다 마이크로파 전력과 플라즈마와의 결합상태가 변화하여, 각 도파관으로의 입력 전력의 분배 비율이 바뀌어 버려, 균일한 플라즈마를 얻을 수 없는 경우가 있다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
(1) 본 발명의 청구항 1에 따른 표면파 여기 플라즈마 처리장치는, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생부와, 마이크로파 발생부로부터의 마이크로파를 도입하여 관 내로 전파시키는 마이크로파 도파관과, 마이크로파 도파관의 H면에 배치된 소정형상의 개구부인 슬롯 안테나와, 마이크로파 도파관의 슬롯 안테나로부터 마이크로파를 도입하여 표면파를 형성함으로써 표면파 여기 플라즈마를 생성시키는 유전체 부재를 가지는 플라즈마 소스(source)부를 2 이상 구비하고, 2 이상의 병렬설치된 각 유전체 부재의 서로 이웃하는 측면 사이에 반사판을 설치한 것을 특징으로 한다.
(2) 청구항 2에 따른 발명은, 청구항 1의 표면파 여기 플라즈마 처리장치에 있어서, 반사판은 적어도 표면이 전기 도체로서, 그 표면 전위가 상기 각 유전체 부재가 배열설치되는 하우징에 단락(短絡)되어 있는 것을 특징으로 한다.
(3) 청구항 3에 따른 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2의 표면파 여기 플라즈마 처리장치에 있어서, 2 이상의 유전체 부재의 외주 측면에, 적어도 표면이 전기 도체로서, 그 표면 전위가 하우징에 단락된 사이드 리플렉터(side reflector)가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
(4) 청구항 4와 따른 발명은, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 표면파 여기 플라즈마 처리장치에 있어서, 적어도 반사판의 노출 부분을 덮는 유전체 판이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 마이크로파 발생부와 마이크로파 도파관과 유전체 부재를 가지는 플라즈마 소스부를 2 이상 설치하고, 각 유전체 부재의 사이에 반사판을 개재시켰으므로, 접하는 유전체 부재 사이에서의 상호 간섭을 방지할 수 있다. 그 때문에, 각각의 플라즈마 발생부를 독립적으로 제어 가능하고, 이것들을 조정함으로써, 대면적으로 균일한 플라즈마의 생성을 정상(定常)적으로 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 SWP 처리장치의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 평면도,
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 SWP 처리장치의 주요부 구성을 모식적으로 나타내는 종단면도,
도 3은 도 2의 I-I선을 따라 본 유전체 블록(13, 23)의 하면도,
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 SWP 처리장치의 플라즈마 소스의 구성을 모식적으로 나타내는 도면으로서, 도 4(a)는 2 대의 플라즈마 소스에 의한 구성, 도 4(b)는 3 대의 플라즈마 소스에 의한 구성을 나타내는 도면이다.
(부호의 설명)
1 : 챔버 2 : 챔버 본체
3 : 덮개 10, 20 : 플라즈마 소스
11, 21 : 마이크로파 발생 장치 12, 22 : 마이크로파 도파관
13, 23 : 유전체 블록 30 : 반사판
40 : 사이드 리플렉터 50 : 유전체 판
100 : SWP 처리장치 P : 표면파 여기 플라즈마(플라즈마)
S : 피처리 기판 SW : 표면파
이하, 본 발명의 실시형태에 따른 표면파 여기 플라즈마(SWP : Surface Wave Plasma) 처리장치(이하, SWP 처리장치라고 생략한다)에 대하여 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 SWP 처리장치의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 평면도이다. 도 2는, 본 발명의 실시형태에 따른 SWP 처리장치의 주요부 구성을 모식적으로 나타내는 종단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, SWP 처리장치(100)는, 챔버(1) 및 2 대의 플라즈마 소스(10, 20)을 갖춘다. 챔버(1)는, 피처리 기판의 플라즈마 처리를 행하기 위한 밀폐 하우징(密閉筐體)이다. 플라즈마 소스(10)는, 마이크로파 발생 장치(11), 마이크로파 도파관(12) 및 유전체 블록(13)을 구비한다. 마이크로파 발생 장치(11)는, 고압전원(11a), 마이크로파 발진기(11b), 아이솔레이터(11c), 방향성 결합기(11d), 정합기(11e) 및 접속관(11f)을 가지며, 마이크로파를 발진시켜 마이크로파 도파관(12)의 끝면으로 출력하도록 구성되어 있다.
마이크로파 도파관(12)은, 알루미늄합금, 동, 동합금 등의 비자성 재료로 제작되어 챔버(1)의 상부에 부착되어 있고, 도 1 중에서 좌우방향으로 뻗어있는 관이 다. 마이크로파 도파관(12)의 좌측 끝면에는 접속관(11f)과 접속된 마이크로파 도입구(12a)가 설치되고, 우측 끝면에는 종단 결합기(12b)가 설치되어 있다. 마이크로파 도입구(12a)로부터 도입된 마이크로파(M)는 우측방향으로 진행한다.
유전체 블록(13)은, 석영, 알루미나, 산화 지르코늄 등으로 제작되어 마이크로파 도파관(12)의 하면에 접하여 챔버(1) 내에 배열설치된 평판이다. 후술하는 바와 같이, 마이크로파 도파관(12)으로부터 유전체 블록(13)에 마이크로파 전력을 도입함으로써, 챔버(1)의 내부 공간에 플라즈마를 생성한다.
플라즈마 소스(20)도, 플라즈마 소스(10)와 동일한 구성이다. 마이크로파 발생 장치(21)은 마이크로파 발생 장치(11)와 치수, 형상, 규격 등이 동일하고, 마이크로파 도파관(22)은 마이크로파 도파관(12)과 치수, 형상, 규격 등이 동일하고, 유전체 블록(23)은 유전체 블록(13)과 치수, 형상, 재질 등이 동일하다. 즉, 챔버(1)에는, 같은 구성의 플라즈마 소스(10, 20)가 설치되어 있다. 따라서, 이하에서는, 주로 플라즈마 소스(10)에 대해서 설명한다.
도 2를 참조하여, SWP 처리장치(100)의 구성을 자세하게 설명한다. 챔버(1)는, 챔버 본체(2)와, 본체(2)의 상면에 배열설치되는 덮개(3)을 가지는 밀폐 하우징이다. 챔버 본체(2)에는, 피처리 기판(S)를 유지하는 기판 홀더(4)와, 도시하지 않은 가스 공급계에 배관 접속되어 챔버(1) 내에 소정의 가스를 도입하는 가스 도입구(5)와, 도시하지 않은 진공 펌프에 배관 접속되어 챔버(1) 내로부터 기체를 배기하는 진공 배기구(6)가 설치되어 있다.
덮개(3)에는, 마이크로파 도파관(12, 22)이 병렬로 장착되어 있다. 마이크 로파 도파관(12)의 바닥판(12d)에는, 관의 축방향(지면과 수직방향)을 따라 복수의 슬롯 안테나(12c)가 소정간격으로 배열설치되어 있다. 슬롯 안테나(12c)는, 바닥판(12d)를 관통하여 형성되는 직사각형 모양의 통로이다. 바닥판(12d)의 내면은 자계(磁界)면(H면)으로 불린다. 마이크로파 도파관(22)도 마이크로파 도파관(12)과 동일한 구성이다.
유전체 블록(13)은, 마이크로파 도파관(12)의 바닥판(12d)에 접하여, 챔버(1) 내의 기밀을 유지하도록 덮개(3)의 하면에 배열설치되어 있다. 유전체 블록(23)도 마찬가지로 마이크로파 도파관(22)의 아래쪽에 배열설치되어 있다. 따라서, 유전체 블록(13과 23)은 소정의 간격을 유지하며 병렬설치되어 있다.
유전체 블록(13, 23)을 도 2의 I-I 선을 따라 본 하면도인 도 3을 참조하면, 병렬설치된 유전체 블록(13, 23)의 사이에는 반사판(30)이 그 상부 변을 덮개(3)의 하면에 접하여 배열설치되어 있다. 반사판(30)은, 유전체 블록(13, 23)의 경계면과 동일한 형상 치수를 가지는 동시에, 알루미늄합금, 스테인리스강, 동합금 등으로 제작되어 비자성과 도전성을 가지고 있다. 반사판(30)의 상부 변이 덮개(3)에 단락(短絡)되어 있기 때문에, 반사판(30)과 덮개(3)와 마이크로파 도파관(12)은 동전위(同電位)로 되어 있다. 또한 반사판(30)은, 그 표면이 도전성을 가지기만 하면 되고, 예를 들면 절연 재료의 심체(芯體)와 알루미늄합금이나 스테인리스강 등의 피복재로 구성하여도 좋다.
또, 유전체 블록(13, 23)의 주위에는, 사이드 리플렉터(side reflector)(40)가 그 상부 변을 덮개(3)의 하면에 접하여 배열설치되어 있다. 사이드 리플렉 터(40)는, 4 매의 평판(40a ~ 40d)으로 이루어지고, 각각 유전체 블록(13, 23)의 두께와 대략 동일한 높이를 가지고 있다. 사이드 리플렉터(40)는, 반사판(30)과 마찬가지로, 알루미늄합금이나 스테인리스강 등으로 제작되어 비자성과 도전성을 가지고 있다. 사이드 리플렉터(40)의 상부 변이 덮개(3)에 단락되어 있기 때문에, 사이드 리플렉터(40)와 덮개(3)와 마이크로파 도파관(12)은 동전위로 되어 있다. 또한 사이드 리플렉터(40)는, 그 표면이 도전성을 가지기만 하면 되고, 예를 들면 절연 재료의 심체와 알루미늄합금이나 스테인리스강 등의 피복재로 구성하여도 좋다.
또, 유전체 블록(13, 23)의 아래쪽에는, 유전체 블록(13, 23)의 하면과 반사판(30)의 하부 변에 접하여 차폐하는 유전체 판(50)이 배열설치되어 있다. 유전체 판(50)은, 유전체 블록(13, 23)을 덮개(3)에 고정하는 도시하지 않은 볼트를 플라즈마로부터 차폐하는 목적도 있다.
플라즈마 처리의 목적에 따라, 가스 도입구(5)로부터 챔버(1) 내에 O2, H2, N2, NH3, Cl2, SiH4, SF6, TEOS(Tetra Ethyl Ortho-Silicate : Si(OC2H3)4), Ar, He 등의 가스가 도입된다. 가스를 도입하면서 진공 배기구(6)로부터 배기함으로써, 챔버(1) 내의 압력은 통상 O.1 ~ 50Pa 정도로 유지된다. 이러한 감압 분위기에서 형성되는 표면파 여기 플라즈마(P)를 이용하여 챔버(1) 내의 가스를 전리, 해리시키고, 플라즈마 속 또는 근방에 피처리 기판(S)를 위치시킴으로써, 성막, 에칭(etching), 에싱(ashing) 등의 플라즈마 처리를 행한다.
플라즈마 소스(10)에 의한 표면파 여기 플라즈마의 생성 프로세스를 설명한다. 마이크로파 발생 장치(11)로부터 발진된 주파수 2.45 GHz의 마이크로파는, 마이크로파 도파관(12)의 내부에서 전파되어 정합기(11e)와 종단 결합기(12b)로 조정됨으로써 소망의 상태로 정재파(定在波)가 형성된다. 마이크로파는, 소정의 위치에 배열된 슬롯 안테나(12c)를 통과하여 유전체 블록(13), 유전체 판(50)에 차례차례 방사되고, 플라즈마 생성의 극히 초기에 있어서는 그 마이크로파 전력에 의해 챔버(1) 내의 가스가 전리, 해리되어 플라즈마(P)가 생성된다. 그리고, 플라즈마(P)의 전자 밀도가 컷오프 이상으로 되면, 마이크로파는 표면파(SW)로 되어 유전체 판(50)의 표면을 따라 전파되어 전역으로 확대된다. 이 표면파(SW)의 에너지에 의해 챔버(1) 내의 가스가 여기되어 표면파 여기 플라즈마(P)가 생성된다.
플라즈마 소스(20)에 대해서도 마찬가지의 프로세스로 표면파 여기 플라즈마(P)가 생성된다. 그 결과, 유전체 블록(13, 23)의 합계 면적에 대략 동일한 크기의 표면파 여기 플라즈마(P)가 일체로 생성된다.
유전체 블록(13) 내에서 전파되는 마이크로파와 유전체 블록(23) 내에서 전파되는 마이크로파는, 모두 반사판(30) 및 사이드 리플렉터(40)에서 각각 반사되어 반사판(30) 및 사이드 리플렉터(40)로 둘러싸인 영역에 따른 정재파가 각각 형성된다. 따라서, 표면파(SW)의 정재파 모드를 대면적(大面積)으로 균일하게 형성할 수 있고, 결과적으로 표면파 여기 플라즈마(P)를 대면적으로 균일하게 생성할 수 있다.
또, 유전체 블록(13)과 유전체 블록(23) 사이에 반사판(30)을 배열설치함으 로써, 유전체 블록(13, 23) 내에서 전파되는 전자파(電磁波)(마이크로파)가 반사파로서 서로 마이크로파 도파관에 진입하는 것을 방지할 수 있고, 또한 2개의 표면파(SW)가 서로 간섭되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 플라즈마 소스(10, 20)는, 서로 간섭되는 일 없이 마이크로파 전력(電力)을 독립적으로 제어함으로써, 소정의 플라즈마 밀도, 플라즈마 분포를 갖는 표면파 여기 플라즈마(P)를 형성할 수 있다. 또한 반사판(30)은, 1mm 정도의 두께로 충분히 상기 기능을 완수하기 때문에, 병렬설치된 플라즈마 소스(10, 20)는, 외관상 1개의 대면적용 플라즈마 소스로서 동작한다. 반사판(30)은 1mm 정도로 얇기 때문에, 반사판(30)의 바로 아래쪽에서 플라즈마 밀도가 저하하는 것 없이, 유전체 블록(13과 23)의 합계 면적에 따른 균일한 표면파 여기 플라즈마(P)를 얻을 수 있다.
도 4는, 본 발명의 실시형태에 따른 SWP 처리장치의 플라즈마 소스의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 4(a)는 2 대의 플라즈마 소스에 의한 구성, 도 4(b)는 3 대의 플라즈마 소스에 의한 구성을 나타낸다.
도 4(a)에서는, 마이크로파 발생 장치(11)로부터 마이크로파 도파관(12)으로의 마이크로파 입력을 S1 이라고 하고, 마이크로파 도파관(12)으로부터 유전체 블록(13)으로의 출력을 P1, 마이크로파의 전파 손실을 d1 이라고 하고, 마찬가지로 마이크로파 발생 장치(21)로부터 마이크로파 도파관(22)으로의 마이크로파 입력을 S2 라고 하고, 마이크로파 도파관(22)으로부터 유전체 블록(23)으로의 출력을 P2, 마이크로파의 전파 손실을 d2 라고 할 경우, 식 1이 성립한다.
Sl + S2 = P1 + P2 + (d1 + d2) … (1)
출력 P1, P2는 서로 영향을 받지 않고, 손실 d1, d2는 마이크로파 도파관(12, 22)에 고유의 값으로 이미 알고 있는 값이기 때문에, 식 1로부터 용이하게 투입되는 마이크로파 전력을 설정할 수 있다.
도 4(b)에서는, 도 4(a)의 플라즈마 소스(10, 20)에 플라즈마 소스(lOA)가 추가되기만 한 것으로, 마찬가지로 식 2가 성립한다.
Sl + S2 + S3 = P1 + P2 + P3 + (d1 + d2 + d3) … (2)
식 2에 근거하여 용이하게 투입되는 마이크로파 전력을 설정할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 SWP 처리장치(100)에 의하면, 다음과 같은 작용 효과를 거둘 수 있다.
(1) 챔버(1)에 2개의 플라즈마 소스(10, 20)를 설치하고, 플라즈마 소스(10, 20)의 유전체 블록(13)과 유전체 블록(23) 사이에 반사판(30)을 배열설치함으로써, 유전체 블록(13, 23) 내에서 전파되는 전자파의 간섭을 방지하도록 하였으므로, 플라즈마 소스(10, 20)는 소정의 성능을 유지할 수 있다. 그 때문에, 플라즈마 소스(10, 20)로 투입하는 마이크로파 전력을 독립적으로 제어할 수 있다.
(2) 유전체 블록(13, 23)의 외주부에 반사판(30)과 사이드 리플렉터(40)를 배열설치함으로써, 유전체 블록(13, 23) 내에서 전파되는 전자파의 정재파를 형성하여 표면파(SW)의 정재파 모드를 대면적으로 균일하게 형성할 수가 있다.
(3) 유전체 블록(13, 23)의 하면과 반사판(30)의 하부 변에 접하여 유전체 판(50)을 배열설치함으로써, 반사판(30)으로부터의 금속 오염(contamination)에 의한 피처리 기판(S)의 오염을 방지할 수 있다. 또, 유전체 판(50)은, 표면파(SW)의 형성을 손상시키는 일 없이 유전체 블록(13, 23)의 방착판(防着板)으로서 사용할 수 있고, 유전체 판(50)을 교환하기만 하면 되므로 유지보수의 편리성이 향상된다.
본 발명은, 그 특징을 손상시키지 않는 한, 이상 설명한 실시형태로 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 실시형태에서는 2개의 플라즈마 소스(10, 20)를 병렬설치하였지만, 물론 3대 이상 병렬설치하여 각각의 플라즈마 소스를 독립적으로 제어하여도 좋다. 또, 유전체 판(50)은, 반사판(30)으로부터의 금속 오염 방지만이 목적이라면, 반사판(30)만을 덮는 작은 면적의 것을 사용할 수 있다. 또한 기판 처리장치로 한정되지 않고, 의료기구 등의 살균, 멸균 장치로서 SWP를 이용하는 장치에도 본 발명을 적용할 수 있다. 더욱이, SWP 발생실과 처리실을 별도로 마련한 장치에도 본 발명을 적용할 수 있다.

Claims (4)

  1. 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생부와, 상기 마이크로파 발생부로부터의 마이크로파를 도입하여 관 내로 전파시키는 마이크로파 도파관과, 상기 마이크로파 도파관의 H면에 배치된 소정형상의 개구부인 슬롯 안테나와, 상기 마이크로파 도파관의 슬롯 안테나로부터 마이크로파를 도입하여 표면파를 형성함으로써 표면파 여기 플라즈마를 생성시키는 유전체 부재를 가지는 플라즈마 소스부를 2 이상 구비하고,
    상기 2 이상의 병렬설치된 각 유전체 부재의 서로 이웃하는 측면 사이에 반사판을 설치한 것을 특징으로 하는 표면파 여기 플라즈마 처리장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사판은 적어도 표면이 전기 도체로서, 그 표면 전위가 상기 각 유전체 부재가 배열설치되는 하우징에 단락되어 있는 것을 특징으로 하는 표면파 여기 플라즈마 처리장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 2 이상의 유전체 부재의 외주 측면에, 적어도 표면이 전기 도체로서, 그 표면 전위가 상기 하우징에 단락된 사이드 리플렉터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 표면파 여기 플라즈마 처리장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 상기 반사판의 노출 부분을 덮는 유전체 판이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 표면파 여기 플라즈마 처리장치.
KR1020077015157A 2005-05-12 2006-04-26 표면파 여기 플라즈마 처리장치 KR100885395B1 (ko)

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