KR20100072316A - 높은 가스 유량 공정을 위한 환형 플라즈마 챔버 - Google Patents

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KR20100072316A
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엠케이에스 인스트루먼츠, 인코포레이티드
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Abstract

공정 가스를 활성화하는 플라즈마 챔버는 환형 플라즈마 채널을 형성하며 각각은 단면적을 갖는 적어도 네 개의 레그, 및 하나의 레그 위에 형성되며 다른 레그의 단면적보다 큰 단면적을 갖는 출구를 포함한다. 플라즈마 챔버는 공정 가스를 공급받는 입구, 및 출구의 반대쪽인 레그의 넓은 구역 위에서 공정 가스를 유입하여 국지화된 높은 플라즈마 임피던스 및 가스 유동 불안정성을 감소시키는 플레넘을 더 포함하되, 출구의 반대쪽에 있는 레그는 플라즈마 채널 내에 나선 가스 회전을 제공하는 복수의 구멍을 규정한다.

Description

높은 가스 유량 공정을 위한 환형 플라즈마 챔버{TOROIDAL PLASMA CHAMBER FOR HIGH GAS FLOW RATE PROCESS}
본 발명은 높은 가스 유량 공정을 위한 환형 플라즈마 챔버에 관한 것이다.
플라즈마 방전은 가스를 여기시켜 이온, 자유 라디칼, 원자 및 분자를 함유하는 활성화된 가스를 생성하도록 사용될 수 있다. 활성화된 가스는 반도체 웨이퍼와 같은 고형 물질, 파우더, 및 기타 가스를 처리하는 것을 포함하는 다양한 산업 및 과학 분야에서 사용된다. 플라즈마의 변수 및 처리되는 물질에 대한 플라즈마의 노출에 관한 조건은 기술 분야에 따라 넓게 변화한다.
예를 들면, 몇몇 분야에서는 처리되는 물질이 손상되기 쉬우므로 이온을 낮은 운동 에너지(즉, 몇 전자 볼트)로 사용할 것을 필요로 한다. 이방성 에칭 또는 평탄화된 절연체 증착과 같은 다른 분야에서는 높은 운동 에너지로 이온을 사용할 것을 필요로 한다. 반응성 이온 빔 에칭과 같은 또 다른 분야에서는 이온 에너지의 정밀 제어를 필요로 한다.
몇몇 분야에서는 처리되는 물질을 높은 밀도의 플라즈마에 직접 노출시키는 것을 필요로 한다. 이러한 분야 중 하나는 이온-활성화된 화학 반응을 생성하는 것이다. 다른 이러한 분야는 높은 종횡비 구조의 에칭 및 그 안으로의 물질 증착을 포함한다. 다른 분야는, 처리되는 물질이 플라즈마로부터 차폐되는 동안, 물질이 이온에 의해 손상되기 쉽거나 처리 공정이 높은 선택비 요구 조건을 갖기 때문에, 원자 및 활성화된 분자를 함유하는 중성 활성화된 가스를 필요로 한다.
다양한 플라즈마 공급원은 DC 방전, 고주파(RF) 방전, 및 마이크로웨이브 방전을 포함하는 다양한 방식으로 플라즈마를 생성할 수 있다. DC 방전은 가스 내의 두 개의 전극 사이에 전위를 인가함으로써 달성된다. RF 방전은 전원으로부터 플라즈마 내로 에너지를 정전기 또는 유도 결합시킴으로써 달성된다. 평행 판들은 에너지를 플라즈마 내에 유도 결합시키도록 통상적으로 사용된다. 유도 코일은 전류를 플라즈마 내에 유도하도록 통상적으로 사용된다. 마이크로웨이브 방전은 가스를 수용하는 방전 챔버 내에 마이크로웨이브 통과 윈도우를 통해 마이크로웨이브 에너지를 직접 결합시킴으로써 달성된다. 마이크로웨이브 방전은 높게 이온화된 전자 사이클론 공명(ECR) 플라즈마를 포함하는 넓은 범위의 방전 조건을 지원하도록 사용될 수 있다.
마이크로웨이브 또는 다른 타입의 RF 플라즈마 공급원과 비교하여, 환형(toroidal) 플라즈마 공급원은 낮은 전기장, 낮은 플라즈마 챔버 부식, 소형화, 및 비용 효과 면에서 장점을 갖는다. 환형 플라즈마 공급원은 낮은 전계로 동작하며 전류-종료 전극 및 관련 음극 전위 강하를 내재적으로 제거한다. 낮은 플라즈마 챔버 부식은 환형 플라즈마 공급원이 다른 방식의 플라즈마 공급원보다 높은 전력 밀도에서 작동하도록 한다. 또한, 고 투과성 자기 코어를 사용하여 전자기 에너지를 플라즈마에 효율적으로 결합시킴으로써, 환형 플라즈마 공급원이 상대적으로 낮은 RF 주파수에서 작동하도록 하여 전력 공급 비용을 낮추게 된다. 환형 플라즈마 공급원은 반도체 웨이퍼, 평판 디스플레이, 및 다양한 물질의 처리를 위해 불소, 산소, 수소, 질소 등을 포함하는 화학적으로 활성인 원자 가스를 생성하도록 사용되어 왔다.
현존하는 어떤 환형 플라즈마 공급원도 분당 24 표준 리터(slm) 이상의 NF3 유량에서 작동할 수는 없다. 플라즈마 처리, 특히, 평판 디스플레이 및 태양열 패널의 제조에 있어서의 출력을 높이기 위해 고 전력, 높은 가스 유량 플라즈마 공급원의 수요가 증가하고 있다. 이들 분야에서 요구되는 가스 유량은 수십 내지 수백 slm일 수 있다. 이러한 높은 유량에서, 유동 역학 및 가스 유동 패턴은 플라즈마의 안정성뿐만 아니라 공정 가스의 가스-플라즈마 상호 작용 및 해리율(dissociation rate)에 큰 영향을 미친다.
플라즈마 안정성을 향상시키고 가스-플라즈마 상호 작용을 증가시키기 위해 가스 유동을 제어하는 기술이 개발되어 왔다. 그러나, 현존하는 플라즈마 공급원 디자인에 있어서, 공정 가스는 가스 분사 지점에 가깝게 높은 플라즈마 임피던스를 생성하는 플라즈마 채널 내의 작은 구역에 위치되는 단일 가스 분사 구멍 또는 다중 구멍을 통해 플라즈마 채널 내로 유입된다. 국지화된 가스 농도 및 높은 유동 속도는 유동 불안정을 유발하고 플라즈마 공급원을 통해 처리될 수 있는 가스량을 제한한다.
본 명세서에 설명된 실시예들은 플라즈마 채널 내의 국지화된 높은 플라즈마 임피던스 및 가스 유동 불안정을 감소시키는 장치 및 방법을 제공한다.
상기 장치는, 반응성 가스 공급원에 사용되는 플라즈마 챔버로 구성되며, 상기 플라즈마 챔버는 환형 플라즈마 채널을 형성하며 각각은 단면적을 갖는 적어도 네 개의 레그 및 하나의 레그 상에 형성되는 출구를 포함하며, 상기 출구는 다른 레그의 단면적보다 큰 단면적을 가져서 플라즈마에 의한 입구 가스의 해리로 인한 증가한 가스 유동을 수용한다. 상기 플라즈마 챔버는 공정 가스를 공급받는 입구 및 상기 환형 플라즈마 채널을 따라 넓은 구역 위에서 공정 가스를 유입하여 국지화된 높은 플라즈마 임피던스 및 가스 유동 불안정성을 감소시키는 플레넘(plenum)을 더 포함한다. 일 실시예에 있어서, 상기 플레넘은 상기 출구와 반대쪽인 상기 플라즈마 채널을 따라, 상기 플라즈마 채널 내의 나선 가스 회전을 제공하는 복수의 구멍을 통해, 가스를 유입시킨다.
일 실시예에 있어서, 상기 구멍은 상기 플라즈마 채널의 내면과 거의 접선을 이룰 수 있으며 상기 플라즈마 채널 내에 나선 가스 회전을 생성하도록 각을 이루거나 배향될 수 있다. 상기 구멍은 상기 플라즈마 채널 레그의 축 방향에 대해 30도 및 90도 사이의 각을 이룰 수 있으며, 상기 플라즈마 채널 레그의 축선과 직교하는 방향에 대해 45도 및 90도 사이의 각을 이룰 수 있다. 일 실시예에 있어서, 두 개의 별개이지만 일관성있는 가스 회전은 가스 분사 중에 유입되어 가스-플라즈마 상호 작용을 향상시키고 유동 안전성을 유지한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는 플라즈마 방전을 개시하도록 적어도 하나의 점화 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 점화 장치는 상기 플레넘 및 상기 출구와 반대쪽인 상기 레그 사이에 위치될 수 있으며, 튜브 섹션을 통해 상기 플라즈마 채널로부터 홈이 파이며, 상기 플라즈마의 점화를 돕도록 상기 튜브 섹션 내에 퍼지 홀을 구비한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 채널의 수직 레그 및 출구 사이의 천이 각도는 95도보다 클 수 있다. 상기 천이 각도는 유동 난류를 최소화하도록 100 및 180도 사이의 범위를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 채널은 매끄럽게 형성되어 유동 난류, 압력 증가(build-up), 또는 상기 플라즈마 채널의 벽과 플라즈마의 상호 작용을 방지할 수 있다. 상기 플라즈마 챔버의 NF3 유동 능력은 적어도 30slm일 수 있다.
공정 가스를 플라즈마 챔버로 유입시키는 버퍼는 상기 공정 가스를 공급받기 위한 입구 및 상기 플라즈마 채널의 넓은 구역 위에 상기 공정 가스를 유입시켜 플라즈마 채널 내의 국지화된 높은 플라즈마 임피던스 및 가스 유동 불안정성을 감소시키는 플레넘을 포함할 수 있다. 상기 플레넘은 상기 플라즈마 채널 내에 나선 가스 회전을 제공하는 복수의 구멍을 규정할 수 있다. 상기 구멍은 상기 플라즈마 채널 내면과 거의 접선을 이룰 수 있으며 상기 플라즈마 채널 내에 나선 가스 회전을 생성하도록 각을 이루거나 배향될 수 있다. 상기 구멍은 상기 플라즈마 채널 레그의 축방향에 대해 30도 및 90도 사이에서, 및 상기 플라즈마 채널 레그의 축선과 직교하는 방향에 대해 45도 및 90도 사이에서 각을 이룰 수 있다. 공정 가스를 플라즈마 챔버 내로 유입하는 방법은 플라즈마 채널의 넓은 구역 위에 상기 공정 가스를 유입하는 단계, 및 상기 플라즈마 채널 내에 나선 가스 회전을 생성하여 상기 플라즈마 채널 내의 국지화된 높은 플라즈마 임피던스 및 가스 유동 불안정성을 감소시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 가스-플라즈마 상호 작용을 향상시키고 유동 안정성을 유지하도록 가스 유입 중에 적어도 두 개의 별개이지만 일관성 있는 가스 회전을 제공하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 출구 위치에 인접한 유동 난류를 방지하도록 상기 플라즈마 채널의 단면적보다 큰 단면적을 갖는 상기 출구 위치에서 상기 가스를 출력하는 단계를 더 포함한다.
반응성 가스 공급원에 사용되는 플라즈마 챔버는 환형 플라즈마 채널을 형성하도록 적어도 네 개의 레그를 형성하며 각각의 레그는 단면적을 갖는 수단, 및 하나의 레그 상에 출구를 형성하며 상기 출구는 다른 레그의 단면적보다 큰 단면적을 갖는 수단을 포함한다. 상기 플라즈마 챔버는 공정 가스를 공급받는 수단 및 국지화된 높은 플라즈마 임피던스 및 가스 유동 불안정성을 감소시키도록 상기 출구의 반대쪽인 상기 레그의 넓은 구역 위에 상기 공정 가스를 유입시키는 수단을 더 포함하되, 상기 출구의 반대쪽인 상기 레그는 상기 플라즈마 내에 나선 가스 회전을 제공하는 복수의 구멍을 규정한다.
본 명세서에 설명되는 실시예들은 종래 기술을 극복하는 이하의 장점을 제공한다. 상기 플라즈마 공급원은 에칭, 박막 증착 및 챔버 청소에 사용되는 높은 유량의 활성화된 가스를 생성할 수 있다. 상기 플라즈마 공급원은 해롭거나 원치않는 가스를 줄이도록 사용될 수 있다. 상기 플라즈마 공급원은 환형 플라즈마 공급원의 작동 능력을 확장하여 사용자가 높은 공정 처리량 및 낮은 공정 비용을 달성할 수 있도록 한다. 상기 플라즈마 공급원은 높은 가스 유량에서 작동할 수 있고 높은 가스 여기 및 해리율을 달성할 수 있다. 상기 플라즈마 공급원은 환형 플라즈마 공급원의 NF3 유동 능력을 30slm 또는 그 이상까지 확장할 수 있다.
전술한 및 기타 목적, 특징 및 장점들은 첨부한 도면에 도시된 바와 같은 실시예들에 대한 이하의 더욱 상세한 설명을 통해 명료해 질 것이며, 각기 다른 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분에는 동일한 참조 번호가 부여된다. 도면들이 반드시 축척에 맞게 도시되지는 않으며, 실시예들의 원리를 설명하기 위해 강조되는 부분도 있을 수 있다.
도 1은 활성화된 가스를 생성하는 환형 저-전계(low-field) 플라즈마 공급원을 도시하는 개략도이다.
도 2는 소용돌이(swirl) 가스 혼합 장치의 실시예를 도시한다.
도 3은 환형 플라즈마 챔버의 실시예의 단면도를 도시한다.
도 4는 45slm까지의 NF3 유량 및 100토르(torr)의 압력에서 그의 작동을 예시하는 플라즈마 공급원의 작동 데이터를 보여준다.
도 5a는 가스 플레넘의 평면도를 도시한다.
도 5b는 가스 플레넘의 다른 실시예의 평면도를 도시한다.
도 5c는 도 5a 또는 도 5b의 가스 플레넘의 단면도를 도시한다.
도 6a는 플라즈마 채널의 내부 가스 체적의 일 측을 도시한다.
도 6b는 도 6a의 수직 방향으로 흐르는 가스에 대한 플라즈마 채널 내의 나선 가스 회전을 도시한다.
도 6c는 도 6a의 수평 방향으로 흐르는 가스에 대한 플라즈마 채널 내의 나선 가스 회전을 도시한다.
도 7a는 가스 출구의 실시예의 배면도를 도시한다.
도 7b는 도 7a의 가스 출구의 단면도를 도시한다.
도 8a는 가스 출구에서 120slm의 전체 유량을 토대로 플라즈마 공급원 내의 계산된 압력 강하를 도시한다.
도 8b는 가스 출구에서 120slm의 전체 유량을 토대로 플라즈마 공급원 내의 가스 유동 속도 프로파일을 도시한다.
도 9a는 환형 플라즈마 공급원의 냉각 구조(200)를 도시한다.
도 9b는 도 9a의 냉각 구조의 단면도를 도시한다.
도 1은 활성화된 가스를 생성하는 환형 저-전계 플라즈마 공급원(10)의 실시예를 도시하는 개략도이다. 공급원(10)은 전자기 에너지를 플라즈마(14) 내로 결합시키는 전력 변압기(12)를 포함한다. 전력 변압기(12)는 고 투과성 자기 코어(16), 일차 코일(18), 및 플라즈마 챔버(20)를 포함한다. 플라즈마 챔버(20)는 플라즈마(14)가 변압기(12)의 이차 회로를 형성하도록 한다. 전력 변압기(12)는 추가의 일차 및 이차 회로를 구성하는 추가의 자기 코일 및 도체 코일(도시하지 않음)을 포함할 수 있다.
플라즈마 챔버(20)는 알루미늄과 같은 금속성 물질 또는 다루기 힘든 금속, 양극 산화처리된 알루미늄과 같은 피복된 금속으로 형성될 수도 있고, 석영과 같은 절연 물질로 형성될 수도 있다. 플라즈마 챔버(20)의 하나 또는 그 이상의 측면이 공정 챔버(22)에 노출되어, 플라즈마(14)에 의해 생성되는 대전된 입자가 처리될 물질(도시하지 않음)과 직접 접촉하도록 한다. 선택적으로, 플라즈마 챔버(20)는 공정 챔버(22)로부터 일정 거리에 위치되어, 대전된 입자가 가스 이송 중에 재결합하는 동안, 활성화된 중성 가스가 공정 챔버(22) 내로 유동하도록 한다. 샘플 홀더(23)는 공정 챔버(22) 내에 위치되어 처리될 물질을 지지할 수 있다. 처리될 물질은 플라즈마의 전위에 대해 바이어스될 수 있다.
플라즈마 공급원(10)은 또한 스위칭 전원(50)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 스위칭 전원(50)은 스위칭 반도체 소자(27)를 구비하는 스위칭 회로(26)에 직접 결합하는 전압 공급원(24)을 포함한다. 전압 공급원(24)은 라인 전압 공급원 또는 버스 전압 공급원일 수 있다. 스위칭 반도체 소자(27)는 스위칭 트랜지스터의 조합일 수 있다. 스위칭 회로(26)는 고형 상태 스위칭 회로일 수 있다. 회로(26)의 출력(28)은 변압기(12)의 일차 권선(18)과 직접 결합할 수 있다.
환형 저-전계 프라즈마 공급원(10)은 플라즈마 챔버(20) 내의 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 제공하는 자유 전하를 생성하는 수단을 포함할 수 있다. 초기 이온화 이벤트는 플라즈마 챔버에 인가되는 짧고 높은 전압 펄스일 수 있다. 펄스는 대략 500 내지 10,000볼트의 전압을 가질 수 있으며 대략 0.1 내지 10ms(microsecond) 정도의 시간 동안 계속될 수 있다. 500 내지 10,000볼트의 연속적인 높은 RF 전압은 또한 초기 이온화 이벤트를 생성하도록 사용될 수 있으며, 전압은 가스 브레이크다운 후 공급이 끊어진다. 아르곤과 같은 비활성 가스는 플라즈마 챔버(20) 내로 삽입되어 플라즈마를 점화하는데 필요한 전압을 감소시킬 수 있다. 자외선 복사는 또한, 플라즈마 챔버(20) 내의 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 제공하는, 플라즈마 챔버(20) 내의 자유 전하를 생성하도록 사용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 고 전압 전기 펄스는 플라즈마 챔버(20) 내에 위치되는 전극(30)에 인가된다. 다른 실시예에 있어서, 짧고 높은 전압 전기 펄스는 일차 코일(18)에 직접 인가되어 초기 이온화 이벤트를 제공한다. 다른 실시예에 있어서, 짧고 높은 전압 전기 펄스는 절연체에 의해 플라즈마 챔버(20)에 용량 결합하는 전극(32)에 인가된다. 다른 실시예에 있어서, 플라즈마 챔버(20)는 플라즈마 챔버(20)에 광학 결합하는 자외선 광원(34)으로부터 나오는 자외선 복사에 노출된다. 자외선 복사는 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 유발한다.
환형 저-전계 플라즈마 공급원(10)은 또한 일차 권선(18)의 전기 변수를 측정하는 회로(36)를 포함할 수 있다. 일차 권선(18)의 전기 변수는 일차 권선(18)을 구동하는 전류, 일차 권선을 가로지르는 전압, 전압 공급원(24)에 의해 생성되는 버스 또는 라인 전압 공급원, 일차 권선(18)의 평균 전압, 및 일차 권선(18) 내의 피크 전력을 포함한다.
또한, 플라즈마 공급원(10)은 플라즈마(14)의 관련 전기 변수를 측정하는 수단을 포함할 수 있다. 플라즈마(14)의 관련 전기 변수는 플라즈마 전류 및 전력을 포함한다. 예를 들면, 공급원(10)은 플라즈마 챔버(20) 둘레에 위치되어 변압기(12)의 플라즈마 전류 이차 흐름을 측정하는 전류 프로브(38)를 포함할 수 있다. 플라즈마 공급원(10)은 또한 플라즈마(14)로부터의 광학 방출을 측정하는 광학 검출기(40)를 포함할 수 있다. 또한, 플라즈마 공급원(10)은 전력 제어 회로(42)를 포함할 수 있는바, 이는 전류 프로브(38), 전력 검출기(40) 및 회로(26) 중 하나 또는 그 이상으로부터 데이터를 접수하고 일차 권선(18) 내의 전류를 조절함으로써 플라즈마 내의 전력을 조절한다.
작동 중에, 가스는 압력이 거의 1 밀리토르 및 100 토르 사이에 도달할 때까지 플라즈마 챔버(20) 내로 빨려 들어간다. 가스는 비활성 가스, 반응성 가스 또는 적어도 하나의 비활성 가스 및 적어도 하나의 반응성 가스의 혼합물을 포함할 수 있다. 스위칭 반도체 소자를 포함하는 회로(26)는 플라즈마 챔버(20) 안쪽에 전위를 유도하는 일차 권선(18)에 전류를 공급한다. 유도된 전위의 크기는 코어에 의해 생성되는 자기장 및 스위칭 반도체 소자가 패러데이의 유도 법칙에 따라 작동하는 주파수에 종속된다. 플라즈마를 형성하는 이온화 이벤트는 챔버 내에서 개시될 수 있다. 이온화 이벤트는 챔버(20) 내의 전극(30)에의 전압 펄스의 인가 또는 플라즈마 챔버(20)에 용량 결합하는 전극(32)에의 전압 인가일 수 있다. 이온화 이벤트는 또한 일차 권선으로의 고전압의 인가일 수 있다. 선택적으로, 이온화 이벤트는 자외선 복사에 챔버를 노출하는 것일 수 있다.
가스가 이온화되고 나면, 변압기의 이차 회로를 완성하는 플라즈마가 형성된다. 플라즈마의 전기장은 거의 1 내지 100V/cm일 수 있다. 비활성 가스만이 플라즈마 챔버(20) 내에 존재하게 되면, 플라즈마(14) 내의 전기장은 1볼트/cm 정도로 낮을 수 있다. 그러나, 음전기 가스가 챔버 내에 존재한다면, 플라즈마(14) 내의 전기장은 상당히 더 높다.
도 2는 종래 기술에 따른 소용돌이 가스 믹서 플레이트(60)의 실시예를 도시한다. 소용돌이 가스 믹서 플레이트(60)는 플라즈마 채널(도시하지 않음)의 내면에 접선으로 정렬하는 다수의 동심 구멍(62)을 갖는다. 작동 중에, 소용돌이 가스 믹서 플레이트(60)는 플라즈마 챔버(20) 내에 공급 가스를 나선으로 분사하여, 나선 유동을 생성하고 공급 가스가 플라즈마(14)와 혼합 및 반응하도록 한다. 그러나, 소용돌이 가스 믹서 플레이트(60)는 플라즈마 채널 내의 특정 위치에서 가스를 유입하여, 가스에 의해 발생되는 높은 임피던스로 인해 특정 위치에서의 부식을 유발한다.
도 3은 유동 난류 및 유동-유도된 플라즈마 불안전성을 최소화하고 가스-플라즈마 상호작용을 향상시키는 환형 플라즈마 챔버(100)의 실시예의 단면도이다. 환형 플라즈마 챔버(100)는 가스 입구(110), 환형 플라즈마 채널(120), 및 가스 출구(130)를 포함한다. 플라즈마 챔버는 플라즈마 채널을 따라 다중 섹션 및 다중 절연 브레이크(136, dielectric breaks)를 갖는다. 절연 브레이크는 유도된 전류가 플라즈마 챔버 내에서 흐르는 것을 방지하며 유도된 전기 전압 균일성을 다중 절연 브레이크를 가로질러 분배하여 플라즈마 채널 내의 피크 전기장을 감소시킨다.
가스 입구(110)는 국지화된 높은 플라즈마 임피던스 및 가스 유동 불안정성을 감소하도록 넓은 구역 위에서 가스를 플라즈마 채널(120) 내로 유입하는 버퍼 또는 가스 플레넘(140)을 포함한다. 플라즈마 채널(120)은 경주-트랙-형상의(race-track-shaped) 환형 플라즈마 기하 구조를 형성하는 상부 레그(122), 하부 레그(124) 및 두 개의 측면 레그(126)를 포함한다. 복수의 가스 분사 구멍(142, 도 5a 내지 도 5c에 잘 도시됨)은 가스 분사 중에 두 개의 별개이지만 일관성 있는 가스 회전을 생성하여 가스-플라즈마 상호 작용을 향상시키고 유동 안정성을 유지시킨다. 플라즈마 채널(120) 내의 가스 유동 경로가 매끄럽게 형성되어(예를 들면, 날카로운 모서리 없이) 유동 난류, 압력 증가, 또는 플라즈마와 채널 벽과의 상호 작용을 방지한다는 것을 주지하여야 한다. 일 실시예에 있어서, 상부 레그(122)는 플라즈마를 형성하는 이온화 이벤트를 제공하는 적어도 하나의 점화 장치(144)를 포함한다. 점화 장치(144)는 플라즈마 채널로부터 홈이 파여져 플라즈마로부터 전극 또는 절연 윈도우까지의 열을 감소시킬 수 있다. 선택적으로, 점화 장치(144) 및 플라즈마 채널(120)을 연결하는 튜브 섹션(148) 내로 입구 가스의 일부를 분사하여 플라즈마의 점화를 돕는 퍼지(purge) 구멍(146)이 제공될 수 있다. 퍼지 구멍(146)은 신선한 입구 가스를 점화 장치(144)로 전송하고 점화 장치(144)에서 생성된 대전 입자가 플라즈마 채널(120)까지 이송되도록 한다. 가스 출구(130)는 플라즈마 채널(120)의 단면적보다 상당히 커서 공정 가스의 해리로 인한 가스 출구(130)에서 더 많은 양의 가스를 수용하고 환형 플라즈마 채널로부터 가스 출구(130)까지의 매끄러운 천이를 가능하게 한다.
도 4는 45slm까지의 NF3 유량 및 100토르의 압력에서 그의 작동을 예시하는 플라즈마 공급원(100, 도 3 참조)의 작동 데이터를 보여준다. 도시된 바와 같이, 플라즈마 공급원(100)은 높은 가스 유량에서 작동할 수 있으며 높은 가스 여기 또는 해리율을 달성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 환형 플라즈마 공급원(100)의 NF3 유동 능력은 적어도 30slm 또는 그 이상일 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 가스 플레넘(140, 도 3 참조)의 두 가지 실시예의 평면도이며, 도 5c는 가스 플레넘(140)의 단면도를 도시한다. 가스 플레넘(140)은 플라즈마 채널(120, 도 3 참조) 내로 공정 가스를 유입하는 복수의 구멍(142)을 포함한다. 가스 분사 구멍(142)은 플라즈마 채널(120) 내의 나선 가스 회전을 생성한다. 도 5a의 실시예는 플라즈마 채널(120)의 상부 레그의 두 개의 반쪽 내에 대칭 회전 패턴을 생성하며, 도 5b의 실시예는 비-대칭 회전 패턴을 생성한다. 도 6a는 플라즈마 채널(120, 도 3)의 내부 가스 체적의 일 측을 도시한다. 구멍(142)은 플라즈마 채널(120)의 내면에 거의 접선을 이루며, 플라즈마 채널(120) 내의 나선 가스 회전을 생성하도록 각을 이루거나 배향된다. 도 6b는 플라즈마 채널(120)의 측면 레그(126)를 따라 관측되는 가스 궤적을 도시한다. 도 6c는 플라즈마 채널(120)의 상부 레그를 따라 관측되는 가스 궤적을 도시한다. 나선 가스 회전은 플라즈마 채널(120)의 중심으로 플라즈마에 힘을 가하여, 플라즈마 채널(120) 내의 부식을 감소시킬 뿐만 아니라 플라즈마 안정성을 향상시킨다. 나선 가스 회전은 또한 공정 가스 및 플라즈마 사이의 상호 작용을 향상시킨다. 구멍(142)은 플라즈마 채널(120)의 축방향(A로 대체로 도시됨)에 대해 30도 및 90도 사이의 각을 이루며, 플라즈마 채널(120)의 축선에 대해 직교하는 방향(B로 대체로 도시됨)에 대해 45도 및 90도 사이의 각을 이룬다. 분사 구멍(142)은 플라즈마 채널(120) 내의 넓은 구역 위에서 넓어져서 입구 가스의 국지화된 집중 및 높은 국지적 플라즈마 임피던스를 방지한다. 두 개의 별개이지만 일관성 있는 가스 회전은 가스 분사 중에 유입되어 가스-플라즈마 상호 작용을 향상시키고 유동 안정성을 유지한다. 구멍(142)은 또한 플라즈마 채널 표면에 대해 접선으로 배향되어 플라즈마를 입구 가스에 의해 플라즈마 채널을 향해 가압하지 않도록 한다.
도 7a는 플라즈마 채널(120, 도 3 참조)의 가스 출구(130)의 배면도이며, 도 7b는 플라즈마 채널(120)의 가스 출구(130)의 단면도이다. 일 실시예에 있어서, 가스 출구(130)의 단면적은 플라즈마 채널(120)의 단면적보다 커서 가스 출구(130) 근처의 유동 난류를 방지한다. 몇몇 실시예에 있어서, 플라즈마 채널(120)의 수직 레그(126) 및 가스 출구(130) 사이의 천이 각도(128)는 95도보다 크다. 몇몇 실시예에 있어서, 천이 각도(128)는 유동 난류를 최소화하도록 100 및 180도 사이의 범위를 갖는다.
도 8a는 가스 출구(130)에서 120slm의 전체 유량을 토대로 플라즈마 공급원(100, 도 3 참조) 내의 계산된 압력 강하를 도시한다. 도 8b는 가스 출구(130)에서 120slm의 전체 유량을 토대로 플라즈마 공급원(100)의 가스 유량 속도 프로파일을 도시한다. 최고 압력 강하 및 유동 속도는 플라즈마 채널(120) 및 가스 출구(130) 사이의 천이 섹션에서 발생하여, 유동 난류를 최소화하는 100 및 180도 사이에서의 천이 각도를 갖는 중요성을 보여준다.
도 9a는 환형 플라즈마 공급원(100, 도 3 참조)용 냉각 구조(200)를 도시한다. 도 9b는 도 9a의 냉각 구조(200)의 단면도를 도시한다. 냉각 구조는 플라즈마 챔버의 양측에서 대칭이며, 한쪽만이 도 9a 및 도 9B에 도시된다. 냉각 구조(200)는 입구 튜브(202), 출구 튜브(204), 및 복수의 채널(206)을 포함한다. 냉각 구조(200)는 플라즈마 챔버(100)와 유사하게 다중 섹션으로 분할된다. 개별 냉각 섹션은 플라즈마 채널을 따라 각각의 플라즈마 챔버 섹션 상에 장착된다. 절연 튜브는 각기 다른 냉각 섹션을 연결하여 물과 같은 냉매가 냉각 섹션들 사이에서 흐르도록 한다. 열 전도성 패드 또는 그리스(grease)는 플라즈마 채널로부터 냉각 구조까지의 열 전도를 향상시키도록 사용된다. 작동 중에, 냉매는 채널(206)을 통해 가압되어 환형 플라즈마 공급원(100)을 냉각한다. 플라즈마 공급원(100)을 냉각하는 능력은 그가 플라즈마 챔버의 온도를 낮추어 플라즈마 챔버 물질 및 진공 밀봉부를 보호하기 때문에 유익하다. 냉각 능력은 또한 플라즈마 공급원이 높은 전력 레벨 및 높은 가스 유량에서 작동하여 공정 처리량을 향상시키고 공정 비용을 감소시키도록 한다.
본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그의 사상 또는 본질적 특성을 이탈하지 않고도 기타 특정 형태로 실시될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 전술한 실시예들은 따라서 이하에 본 명세서에서 설명된 본 발명을 제한하지 않고 모든 예시적 관점에서 고려될 것이다. 본 발명의 범주는 전술한 설명에 의한 것이 아니라 첨부한 청구범위에 의해 명시되는 것이며, 청구범위의 균등성의 의미 및 범위 내에 들어가는 모든 변화는 그 안에 포괄되는 것으로 의도된다.
10: 환형 저-전계 플라즈마 공급원 12: 전력 변압기
14: 플라즈마 16: 투과성 자기 코어
18: 일차 코일 20: 플라즈마 챔버.
22: 공정 챔버 23: 샘플 홀더
24: 전압 공급원 26: 스위칭 회로
27: 스위칭 반도체 소자 28: 출력
50: 스위칭 전원

Claims (20)

  1. 반응성 가스 공급원에 사용되는 플라즈마 챔버에 있어서,
    환형(toroidal) 플라즈마 채널을 형성하며, 각각은 단면적을 갖는 적어도 네 개의 레그; 및
    하나의 레그 상에 형성되며, 다른 레그의 단면적보다 큰 단면적을 갖는 출구를 포함하는 플라즈마 챔버.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공정 가스를 공급받는 입구; 및
    상기 플라즈마 채널의 넓은 구역 위에서 상기 공정 가스를 유입하여 국지화된 높은 플라즈마 임피던스 및 가스 유동 불안정성을 감소시키는 플레넘(plenum)을 더 포함하되, 복수의 구멍이 상기 플라즈마 채널을 따라 분포되어 상기 플라즈마 채널 내에 나선 가스 회전을 제공하는 플라즈마 챔버.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 구멍은 상기 플라즈마 채널의 내면과 거의 접선을 이루며 상기 플라즈마 채널 내에 나선 가스 회전을 생성하도록 각을 이루거나 배향되는 플라즈마 챔버.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 구멍은 상기 플라즈마 채널의 축선과 나란한 방향으로 30도 및 90도 사이의 각을 이루며, 상기 플라즈마 채널의 축선과 직교하는 방향으로 45도 및 90도 사이의 각을 이루고 있는 플라즈마 챔버.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 플라즈마 채널을 따라 적어도 하나의 점화 장치를 더 포함하는 플라즈마 챔버.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 점화 장치는 플라즈마 채널 표면으로부터 홈이 파여 형성되며 상기 플라즈마의 점화를 돕는 퍼지 구멍을 포함하는 플라즈마 챔버.
  7. 제 3 항에 있어서, 두 개의 별개이지만 일관성 있는 가스 회전은 가스 분사 중에 유입되어 가스-플라즈마 상호 작용을 향상시키며 유동 안정성을 유지하는 플라즈마 챔버.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 채널의 수직 레그 및 상기 출구 사이의 천이 각도는 95도보다 큰 플라즈마 챔버.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 천이 각도는 유동 난류를 최소화하도록 100 및 180도 사이의 범위를 가질 수 있는 플라즈마 챔버.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 채널은 매끄럽게 형성되어 유동 난류, 압력 증가, 또는 상기 플라즈마 채널의 벽과 플라즈마의 상호 작용을 방지하는 플라즈마 챔버.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 챔버의 NF3 유동 능력은 적어도 30slm인 플라즈마 챔버.
  12. 공정 가스를 플라즈마 챔버로 유입시키는 버퍼에 있어서,
    상기 공정 가스를 공급받기 위한 입구; 및
    상기 플라즈마 채널의 넓은 구역 위에 상기 공정 가스를 유입시켜 상기 플라즈마 채널 내의 국지화된 높은 플라즈마 임피던스 및 가스 유동 불안정성을 감소시키는 플레넘을 포함하는 버퍼.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 플레넘은 상기 플라즈마 채널 내에 나선 가스 회전을 제공하는 복수의 구멍을 규정하는 버퍼.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 구멍은 상기 플라즈마 채널 내면과 거의 접선을 이루며 상기 플라즈마 채널 내에 나선 가스 회전을 생성하도록 각을 이루거나 배향되는 버퍼.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 구멍은 상기 플라즈마 채널의 축선과 나란한 방향으로 30도 및 90도 사이에서, 및 상기 플라즈마 채널의 축선과 직교하는 방향으로 45도 및 90도 사이에서 각을 이루는 버퍼.
  16. 공정 가스를 플라즈마 챔버 내로 유입하는 방법에 있어서,
    플라즈마 채널의 넓은 구역 위에 상기 공정 가스를 유입하는 단계; 및
    상기 플라즈마 채널 내에 나선 가스 회전을 생성하여 상기 플라즈마 채널 내의 국지화된 높은 플라즈마 임피던스 및 가스 유동 불안정성을 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 가스-플라즈마 상호 작용을 향상시키고 유동 안정성을 유지하도록 가스 유입 중에 적어도 두 개의 별개이지만 일관성 있는 가스 회전을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 출구 위치에 인접한 유동 난류를 방지하도록 상기 플라즈마 채널의 단면적보다 큰 단면적을 갖는 상기 출구 위치에서 상기 가스를 출력하는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 반응성 가스 공급원에 사용되는 플라즈마 챔버에 있어서,
    환형 플라즈마 채널을 형성하도록 적어도 네 개의 레그를 형성하며 각각의 레그는 단면적을 갖는 수단; 및
    하나의 레그 상에 출구를 형성하며 상기 출구는 다른 레그의 단면적보다 큰 단면적을 갖는 수단을 포함하는 플라즈마 챔버.
  20. 제 19 항에 있어서,
    공정 가스를 공급받는 수단; 및
    국지화된 높은 플라즈마 임피던스 및 가스 유동 불안정성을 감소시키도록 상기 출구의 반대쪽인 상기 레그의 넓은 구역 위에 상기 공정 가스를 유입시키는 수단을 더 포함하되, 상기 출구의 반대쪽인 상기 레그는 상기 플라즈마 내에 나선 가스 회전을 제공하는 복수의 구멍을 규정하는 플라즈마 챔버.
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