외부 방전 브리지를 구비한 유도 플라즈마 소오스{INDUCTIVE PLASMA SOURCE HAVING EXTERNAL DISCHARGE BRIDGE}

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

도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 외부 방전 브리지를 구비한 플라즈마 반응 챔버의 사시도이다.

도 3은 점화 전원 발생 회로의 회로도이다.

도 4 및 도 5는 매입된 점화 전극을 구비한 외부 방전 브리지의 사시도 및 점화 전원 발생 회로도이다.

도 6은 두 개의 외부 방전 브리지를 병렬로 설치한 플라즈마 반응 챔버의 사시도이다.

도 7 및 도 8은 다중 방전 브리지를 구비한 플라즈마 반응 챔버의 사시도 및 단면도이다.

도 9 및 도 10은 방전관 헤드를 구비하는 다중 방전 브리지를 구비한 플라즈마 반응 챔버의 사시도 및 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 플라즈마 반응 챔버 20: 외부 방전 브리지

30: 점화부 40a~40d: 환형 페라이트 코어

41a~41d: 유도 코일 50a~50d: 냉각관

본 발명은 외부 방전 브리지를 갖는 유도 플라즈마 소오스에 관한 것으로, 구체적으로는 외부 방전 브리지를 구비하는 유도 플라즈마 소오스에서 플라즈마 점화 및 플라즈마 방전이 안정되게 지속적으로 유지될 수 있는 외부 방전 브리지를 갖는 유도 플라즈마 소오스에 관한 것이다.

반도체 소자의 초미세화와 기판 사이즈의 증가 그리고 새로운 처리 대상 물질 등장 등의 여러 요인으로 인하여 반도체 제조 공정에서는 더욱 향상된 기판 처리 기술이 요구되고 있다. 특히, 플라즈마를 이용한 반도체 제조 공정으로 건식 에칭 공정 분야나 물리적/화학적 기상 증착 분야에서는 이러한 기술적 요구에 대응하는 바람직한 플라즈마 소오스는 유도성 결합 플라즈마와 용량성 결합 플라즈마의 이점을 각각 채용한 혼합형 플라즈마 소오스가 제공되고 있다.

한국특허공보 특2003-0029130호에는 외부에서 여기된 토로이드형 플라즈마 소오스가 게시되어 있다. 또한 본 발명자에 의해 발명된 출원번호 제10-2004-0105263호의 외부 방전 브리지를 구비하는 유도 플라즈마 소오스가 있다. 이들 플라즈마 소오스는 플라즈마 반응 챔버의 상부에 외부 방전 브리지(할로우 콘딧)가 구비되며, 외부 방전 브리지는 유도 코일이 권선된 페라이트 코어가 장착된다. 그 럼으로 외부 방전 브리지와 플라즈마 반응 챔버를 내부를 경유하는 토로이달형 플라즈마 방전 패스가 형성된다. 플라즈마 반응 챔버의 내부에는 기판이 놓이는 서셉터(기판 지지체)가 구비되며, 기판 지지체는 바이어스 전원을 공급받는다.

그런데, 외부 방전 브리지의 길이가 길어지는 경우 플라즈마 방전 패스가 길어지게 됨으로 플라즈마 방전이 지속적으로 유지되지 못하고 꺼지는 경우가 발생 될 수 있다. 또한, 초기에 플라즈마 점화가 용이하지 못하게 될 수 있다.

따라서 본 발명은 외부 방전 브리지를 갖는 유도 플라즈마 소오스에서 플라즈마 점화 및 플라즈마 방전이 안정되게 지속적으로 유지될 수 있는 외부 방전 브리지를 갖는 유도 플라즈마 소오스를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 외부 방전 브리지를 구비한 유도 플라즈마 소오스에 관한 것이다. 본 발명의 유도 플라즈마 소오스는: 상부에 적어도 두 개의 홀을 구비하고, 내부에 피처리 기판이 놓이는 서셉터를 갖는 플라즈마 반응 챔버; 플라즈마 반응 챔버의 외측에 위치하고, 적어도 두 개의 홀에 결합되는 제1 및 제2 브리지 래그를 갖는 하나 이상의 외부 방전 브리지; 하나 이상의 외부 방전 브리지와 플라즈마 반응 챔버의 내부를 경유하는 하나 이상의 제1 플라즈마 방전 패스; 플라즈마 반응 챔버의 외측에서 제1 및 제2 브리지 래그 사이에 연결되는 하나 이상의 브리지 연결 튜브; 하나 이상의 외부 방전 브리지와 브리지 연결 튜브를 경유하는 하나 이상의 제2 플라즈마 방전 패스; 제1 유도 코일 이 권선되며 제1 및 제2 플라즈마 방전 패스에 쇄교하도록 하나 이상의 외부 방전 브리지에 장착되는 환형 페라이트 코어; 및 제1 유도 코일로 제1 주파수의 교류 전원을 공급하는 제1 전원 공급원을 포함한다.

바람직하게, 외부 방전 브리지는 플라즈마 방전을 돕는 자유 전하를 발생시키는 점화 전극을 포함한다.

바람직하게, 환형 페라이트 코어에 권선되어 제1 유도 코일과 유도 결합되고, 점화 전극에 전기적으로 연결되어 플라즈마 점화를 위한 기전력을 제공하는 제2 유도 코일을 포함한다.

바람직하게, 외부 방전 브리지는 가스 공급원에 연결되는 가스 입구에 플랜지 구조의 점화부를 구비 하고; 점화 전극은 점화부를 사이에 두고 상하로 마주 대향하도록 배치되는 상부의 제1 점화 전극과 하부의 제2 점화 전극을 구비한다.

바람직하게, 점화 전극은 외부 방전 브리지의 내부에 매입되는 한 쌍의 전극 봉을 포함하고, 전극 봉의 외피는 절연체로 구성된다.

바람직하게, 외부 방전 브리지와 환형 페라이트 코어 사이에는 구성되는 냉각관을 더 포함한다.

바람직하게, 외부 방전 브리지는: 제1 및 제2 브리지 래그를 갖는 C-형상의 중공형의 브리지 몸체; 브리지 몸체의 상단 중앙 부분에 돌출되어 가스 공급원으로 연결되는 가스 입구; 및 제1 및 제2 브리지 래그의 각 끝단으로서 상기 두 개의 홀에 삽입되는 제1 및 제2 가스 출구를 갖는다.

바람직하게, 두 개 이상의 외부 방전 브리지를 구비하고, 두 개 이상의 외부 방전 브리지는 플라즈마 반응 챔버의 상부에 병렬로 배치된다.

바람직하게, 외부 방전 브리지는: 방사형으로 배치되는 적어도 네 개의 제1 내지 제4 브리지 래그를 갖는 다중 방전 브리지 몸체; 브리지 몸체의 상단 중앙 부분에 돌출되어 가스 공급원으로 연결되는 가스 입구; 및 제1 내지 제4 브리지 래그의 각 끝단으로서 플라즈마 반응 챔버의 상부에 방사형으로 배치된 제1 내지 제4 홀에 삽입되는 제1 내지 제4 가스 출구를 갖는다.

바람직하게, 다중 방전 브리지 몸체는 방사형으로 배치된 제1 내지 제4 브리지 래그의 중심부에 배치되는 공통 래그를 더 구비하고; 플라즈마 반응 챔버의 상부에는 제1 내지 제4 홀의 중심부에 배치된 제5 홀이 더 구비되며; 공통 래그의 끝단으로서 플라즈마 반응 챔버의 제5 홀에 삽입되는 제5 가스 출구를 갖는다.

바람직하게, 외부 방전 브리지는: 방사형으로 배치되는 적어도 네 개의 제1 내지 제4 브리지 래그를 갖고, 제1 내지 제4 브리지 래그의 상부에 공통으로 연결되는 원반형의 방전관 헤드를 갖는 다중 방전 브리지 몸체; 방전관 헤드의 상단 중앙 부분에 돌출되어 가스 공급원으로 연결되는 가스 입구; 및 제1 내지 제4 브리지 래그의 각 끝단으로서 플라즈마 반응 챔버의 상부에 방사형으로 배치된 제1 내지 제4 홀에 삽입되는 제1 내지 제4 가스 출구를 갖는다.

바람직하게, 다중 방전 브리지 몸체는 방사형으로 배치된 제1 내지 제4 브리지 래그의 중심부에 배치되는 공통 래그를 더 구비하고; 플라즈마 반응 챔버의 상부에는 제1 내지 제4 홀의 중심부에 배치된 제5 홀이 더 구비되며; 공통 래그의 끝단으로서 플라즈마 반응 챔버의 제5 홀에 삽입되는 제5 가스 출구를 갖는다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 유도 플라즈마 소오스는: 상부에 적어도 두 개의 홀을 구비하고, 내부에 피처리 기판이 놓이는 서셉터를 갖는 플라즈마 반응 챔버; 플라즈마 반응 챔버의 외측에 위치하고, 적어도 두 개의 홀에 각기 연결되는 제1 및 제2 브리지 래그(bridge leg)를 갖는 하나 이상의 외부 방전 브리지; 하나 이상의 외부 방전 브리지와 플라즈마 반응 챔버의 내부를 경유하는 플라즈마 방전 패스; 제1 유도 코일이 권선되며 플라즈마 방전 패스에 쇄교하도록 제1 브리지 래그에 장착되는 제1 환형 페라이트 코어; 제2 유도 코일이 권선되며 플라즈마 방전 패스에 쇄교하도록 제2 브리지 래그에 장착되는 제2 환형 페라이트 코어; 제1 및 제2 유도 코일로 제1 주파수의 교류 전원을 공급하는 제1 전원 공급원; 플라즈마 방전 패스에 플라즈마 방전을 돕는 자유 전하를 발생시키도록 외부 방전 브리지에 용량적으로 결합되는 제1 및 제2 점화 전극; 제1 환형 페라이트 코어에 권선되며 제1 점화 전극에 전기적으로 연결되는 제3 유도 코일; 및 제2 환형 페라이트 코어에 권선되며 제2 점화 전극에 전기적으로 연결되는 제4 유도 코일을 포함하고, 제1 및 제2 유도 코일은 상호 역위상으로 기전력이 유도되어 제1 및 제2 점화 전극으로부터 플라즈마 방전을 위한 점화가 이루어진다.

바람직하게, 외부 방전 브리지는 가스 공급원에 연결되는 가스 입구에 플랜지 구조의 점화부를 구비 하고; 제1 및 제2 점화 전극은 점화부를 사이에 두고 상하로 마주 대향하도록 배치된다.

바람직하게, 제1 및 제2 점화 전극은 외부 방전 브리지의 내부에 매입되는 한 쌍의 전극 봉을 포함하고, 전극 봉의 외피는 절연체로 구성된다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시예에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다. 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 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 외부 방전관 브리지를 구비한 유도 플라즈마 소오스를 상세히 설명한다. 본 발명의 유도 플라즈마 소오스에 관한 기본적인 기술적 사항들은 본 발명자에 의해 앞서서 발명된 출원번호 제10-2004-0105263호의 외부 방전 브리지를 구비하는 유도 플라즈마 소오스에 상세히 기재되어 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 외부 방전 브리지를 구비한 플라즈마 반응 챔버의 사시도 및 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유도 플라즈마 소오스는 프로세스 플라즈마 반응 챔버(10)와 외부 방전 브리지(20)를 구비한다. 외부 방전 브리지(20)는 플라즈마 반응 챔버(10)의 외측 상부면(11)에 형성된 두 개의 홀(12a, 12b)에 각기 오-링(15)으로 진공 절연되어 장착된다.

외부 방전 브리지(20)는 전체적으로 C-형상을 갖는 중공형의 브리지 몸체(21)를 구비한다. 브리지 몸체(21)는 양측으로 'ㄱ'자로 절곡된 제1 브리지 래그 (bridge leg)(22a)와 제2 브리지 래그(22b)가 구비되어 전체적으로 C-형상을 갖는다. 제1 및 제2 브리지 래그(22a, 22b)의 끝단은 각기 제1 및 제2 가스 출구(26a, 26b)를 구성하며 두 개의 홀(12a, 12b)에 각기 삽입되어 장착된다. 여기서 제1 및 제2 가스 출구(26a, 26b)는 공통 플랜지(25)를 갖는 구조이나, 독립적인 플랜지 구조를 갖도록 변형 실시될 수 있다. 브리지 몸체(21)의 상단 중앙 부분에는 가스 공급원(미도시)으로부터 공급되는 반응 가스를 받아들이는 가스 입구(23)가 구비된다. 가스 입구(21)는 가스 공급원(미도시)에 연결된다. 외부 방전 브리지(20)는 전체적으로 비도전체 예를 들어, 석영으로 구성된다.

본 발명의 외부 방전 브리지(20)는 독특하게도 플라즈마 반응 챔버(10)의 외측에서 제1 및 제2 브리지 래그(22a, 22b) 사이에 연결되는 브리지 연결 튜브(24)를 구비한다. 그럼으로 외부 방전 브리지(20)와 플라즈마 반응 챔버(10)의 내부를 경유하는 제1 플라즈마 방전 패스(27) 뿐만 아니라 외부 방전 브리지(20)와 브리지 연결 튜브(24)를 경유하는 제2 플라즈마 방전 패스(28)가 형성된다. 즉, 브리지 연결 튜브(24)는 플라즈마 반응 챔버(10)의 외측에서 제1 및 제2 브리지 래그(22a, 22b)를 상호 연결함으로서 제1 플라즈마 방전 패스(27) 보다 짧은 경로를 갖는 제2 플라즈마 방전 패스(28)를 제공한다.

외부 방전 브리지(20)에는 제1 및 제2 플라즈마 방전 패스(27, 28)에 쇄교하도록 환형 페라이트 코어(40a, 40b)가 장착된다. 외부 방전 브리지(20)와 페라이트 코어(40a, 40b) 사이에는 냉각관(50a, 50b)이 설치된다. 환형 페라이트 코어(40a, 40b)는 제1 및 제2 브리지 래그(22a, 22b)를 감싸도록 장착된다. 페라이트 코어(40a, 40b)에는 각기 유도 코일(41a, 41b)이 권선되며, 유도 코일(41a, 41b)은 제1 주파수의 교류 전원을 공급하는 제1 전원 공급원(50)에 직렬로 연결되나, 병렬로 연결될 수 도 있다. 플라즈마 반응 챔버(10)의 내부에는 피처리 기판(14)이 놓이는 서셉터(13)가 구비되고, 제2 주파수의 교류 전원을 바이어스로 공급하는 제2 전원 공급원(51)이 연결된다. 그리고 도면에는 도시되지 않았으나 제1 및 제2 전원 공급원(50, 51)과 부하 사이에는 통상적으로 임피던스 정합기가 구성된다.

이와 같이 구성되는 플라즈마 반응 챔버(10)는 플라즈마 방전시 보다 짧은 방전 경로를 갖는 제2 플라즈마 방전 패스(28)에 의해서 안정된 플라즈마 방전이 유지됨으로 제1 플라즈마 방전 패스(17)에서도 안정된 플라즈마 방전이 유지되어 플라즈마 반응 챔버(10)의 내부 안정된 플라즈마의 형성 및 유지가 가능하게 된다.

한편, 외부 방전 브리지(20)는 가스 입구(23)에 플라즈마 방전을 돕는 자유 전하를 발생시키는 점화부(30)를 구비한다. 점화부(30)는 플랜지 구조를 갖는데 상하로 마주 대향하도록 상부에 제1 점화 전극(32)이 그리고 하부에 제2 점화 전극(33)이 각각 외측으로 장착된다. 점화부(30)는 제1 점화 전극(32)과 제2 점화 전극(33)이 장착되는 전극 장착 부분(31)이 다른 부분 보다 상대적으로 얇은 두께를 갖도록 하여 제1 점화 전극(32)과 제2 점화 전극(33) 사이에 점화가 보다 쉽게 발생된다.

도 3은 점화 전원 발생 회로의 회로도이다. 도 3을 참조하여, 점화 전원 발생 회로는 제1 브리지 래그(22a)의 제1 환형 페라이트 코어(40a)에 권선된 제1 유도 코일(41a)과 유도적으로 결합되는 제3 유도 코일(42a), 제2 브리지 래그(22b)의 제2 환형 페라이트 코어(40b)에 권선된 제2 유도 코일(41b)과 유도적으로 결합되는 제4 유도 코일(42b)을 구비한다. 즉, 제3 및 제2 유도 코일(42a, 42b)은 제1 및 제2 환형 페라이트 코어(40a, 40b)에 각각 권선된다.

제3 및 제4 유도 코일(42a, 42b)은 제1 및 제2 유도 코일(41a, 41b)과 유도적으로 결합되며 상호 역위상으로 기전력이 유도되는 방향으로 권선된다. 그럼으로 제1 및 제2 점화 전극(32, 33) 사이에 플라즈마 방전을 돕는 자유 전하가 발생되는 플라즈마 점화가 이루어진다.

도 4 및 도 5는 매입된 점화 전극을 구비한 외부 방전 브리지의 사시도 및 점화 전원 발생 회로도이다. 도 4 및 도 5를 참조하여, 점화 전극의 또 다른 예로서, 제1 및 제2 점화 전극(34, 36)은 외부 방전 브리지(20)의 내부에 매입되는 한 쌍의 전극 봉으로 구성될 수 있다. 그리고 전극 봉의 외피는 절연체(35, 37)로 구성된다. 제1 및 제2 점화 전극(34, 36)은 병렬로 마주 대향하여 외부 방전 브리지(20)의 상부에 매입 설치된다.

이상과 같은 본 발명의 유도 플라즈마 소오스는 플라즈마 반응 챔버(20)의 상부에 구비되는 외부 방전 브리지(20)의 구조가 후술되는 바와 같이 다양한 구조로 변형이 가능하며, 변형된 구조의 외부 방전 브리지(20)들도 상술한 바와 같은 브리지 연결 튜브(24)를 구비한다. 그리고 가스 입구(23)에 점화부(30)가 구성되거나 또는 외부 방전 브리지(20)에 매입된 점화 전극(34, 36)이 구비될 수 있다.

도 6은 두 개의 외부 방전 브리지를 병렬로 설치한 플라즈마 반응 챔버의 사시도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 플라즈마 반응 챔버(10)는 상부에 두 개 이 상의 외부 방전 브리지(20-1, 20-2)가 병렬로 장착될 수 있다.

도 7 및 도 8은 다중 방전 브리지를 구비한 플라즈마 반응 챔버의 사시도 및 단면도이다. 도 7 및 도 8을 참조하여, 하나의 변형된 외부 방전 브리지(20)는 방사형으로 배치되는 네 개의 제1 내지 제4 브리지 래그(22a, 22b, 22c, 22d)를 갖는 다중 방전 브리지 몸체(21)로 구성된다. 브리지 몸체(21)의 상단 중앙 부분에는 가스 출구(23)가 돌출되어 가스 공급원(미도시)에 연결된다. 가스 출구(23)에는 상술한 예에서와 같이, 점화부(30) 구성된다. 또는, 외부 방전 브리지(20)에 매입되는 점화 전극이 구비될 수 있다.

브리지 몸체(21)는 방사형으로 배치된 제1 내지 제4 브리지 래그(22a, 22b, 22c, 22d)의 중심부에 공통 래그(22e)가 구비된다. 제1 내지 제4 브리지 래그(22a, 22b, 22c, 22d)에는 각기 유도 코일(41a, 41b, 41c, 41d)이 권선된 환형 페라이트 코어(40a, 40b, 40c, 40d)와 냉각관(50a, 50b, 50c, 50d)이 장착된다. 유도 코일(41a, 41b, 41c, 41d)은 제1 전원 공급원(50)에 직렬, 병렬, 직렬/병렬 혼합 중 어느 하나의 방식으로 연결된다.

제1 내지 제4 브리지 래그(22a, 22b, 22c, 22d)의 각 끝단으로서 제1 내지 제4 가스 출구(26a, 26b,26c,26d)는 플라즈마 반응 챔버(10)의 상부(11)에 방사형으로 배치된 제1 내지 제4 홀(12a, 12b, 12c, 12d)에 삽입된다. 제1 내지 제4 홀(12a, 12b, 12c, 12d)의 중심부에는 제5 홀(12e)이 구비되며, 공통 래그(22e)의 끝단으로서 제5 가스 출구(26e)가 제5 홀(12e)에 삽입된다. 여기서 제1 및 제5 가스 출구(26a, 26b, 26c, 26d, 26e)는 공통 플랜지(25)를 갖는 구조이나, 독립적인 플 랜지 구조를 갖도록 변형 실시될 수 있다.

제1 내지 제4 브리지 래그(22a, 22b, 22c, 22d)와 공통 래그(22e) 사이에는 각기 제1 내지 제4 브리지 연결 튜브(24a, 24b, 24c, 24d)가 연결된다. 그럼으로 외부 방전 브리지(20)는 플라즈마 반응 챔버(10)의 내부를 경유하는 제1 플라즈마 방전 패스(27)와 제1 내지 제4 브리지 연결 튜브(24a, 24b, 24c, 24d)를 경유하는 제2 플라즈마 방전 패스(28)를 갖게 된다.

다른 하나의 변형된 예로, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 외부 방전 브리지(20)는 제1 내지 제4 브리지 래그(22a, 22b, 22c, 22d)의 상부에 공통으로 연결되는 원반형의 방전관 헤드(29)를 구비한다. 방전관 헤드(29)의 상단 중앙 부분에는 가스 공급원(미도시)으로 연결되는 가스 입구(23)가 구비된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 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. 즉, 본 발명의 유도 플라즈마 소오스는 다양한 구조의 외부 방전 브리지를 갖는 플라즈마 반응 챔버에 적용될 수 있다. 그럼으로 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명의 유도 플라즈마 소오스에 의하면, 외부 방전 브리지를 갖는 플라즈마 반응 챔버는 외부 방전 브리지에서 형성되는 짧은 방전 경로를 갖는 제2 플라즈마 방전 패스에 의해서 안정된 플라즈마 방전이 유지됨으로 플 라즈마 반응 챔버를 경유하는 제1 플라즈마 방전 패스에서도 안정된 플라즈마 방전이 유지되어 플라즈마 반응 챔버의 내부 안정된 플라즈마의 형성 및 유지가 가능하게 된다. 그리고 플라즈마 방전을 위한 점화 전극이 가스 입구 또는 외부 방전관 브리지에 매입되어 구성됨으로서 플라즈마 점화 방전이 보다 안정되게 유지된다.