멀티 레이저 스캐닝 라인을 갖는 유도 결합 이중 플라즈마반응기 document_id A220623050489

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 개선하거나, 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. 한편, 피처리 기판의 대형화는 전체적인 생산 설비의 대형화를 야기하게 된다. 생산 설비의 대형화는 전체적인 설비 면적을 증가시켜 결과적으로 생산비를 증가시키는 요인이 된다. 그럼으로 가급적 설비 면적을 최소화 할 수 있는 플라즈마 반응기 및 플라즈마 처리 시스템이 요구되고 있다. 특히, 반도체 제조 공정에서는 단위 면적당 생산성이 최종 재품의 가격에 영향을 미치는 중요한 요인의 하나로 작용한다. 그럼으로 단위 면적당 생산성을 높이기 위한 방법으로 생산 설비의 구성들을 효과적으로 배치하는 기술들이 제공되고 있다. 예를 들어, 두 장의 피처리 기판을 병렬로 처리하는 플라즈마 반응기가 제공되고 있다. 그러나 대부분의 두 장의 피처리 기판을 병렬로 처리하는 플라즈마 반응기들은 두 개의 플라즈마 소스를 탑재하고 있어서 실질적으로 공정 설비의 최소화를 이루지 못하고 있는 실정이다. 만약, 플라즈마 반응기를 두 개 이상 수직 또는 수평으로 병렬 배열할 때 각 구성의 공통적인 부분을 공유하고 하나의 플라즈마 소스에 의해서 두 장의 피처리 기판을 병렬 처리할 수 있다면 설비 공간의 축소나 설비 구성의 최소화에 의한 여러 가지 이득을 얻을 수 있을 것이다. 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.