JP2005011799A - Ｉｃｐアンテナ及びこれを使用するプラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】均一性が向上された高密度プラズマを生成し、アンテナ内部にインダクタンスを減少させるなど安定したプラズマを生成することができるＩＣＰアンテナ及びこれを使用するプラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】プラズマ発生装置に使用されるＩＣＰ(inductively-coupled plasma)アンテナ２０は、環状をなす内側アンテナセグメント２１と、前記内側アンテナセグメント２１の外側のほぼ同心円上に配置され、前記内側アンテナセグメント２１と直列に連結される少なくとも一つの外側アンテナセグメント２５とを含み、前記内側アンテナセグメント２１及び前記外側アンテナセグメント２５のうち、少なくともいずれか一つは相異なる半径を有し、相互並列に連結された複数の環状コイル２２,２３,２６,２７を含む。
【選択図】図４

Description

本発明はＩＣＰ(Inductively-Coupled Plasma)アンテナ及びこれを使用するプラズマ発生装置に係り、より詳細には、構造が簡単であり、インダクタンスが低減され、プラズマの均一性が向上されるなどプラズマの発生特性が向上されたＩＣＰアンテナ及びこれを使用するプラズマ発生装置に関する。

半導体ウェハー又は平板表示装置などのような半導体製造プロセスでは、ガスプラズマを用いてエッチング、ＣＶＤ(化学気相蒸着)及びスパッタリングのような各種表面処理工程を行っている。プラズマは一般的に電気場イオン化及び各々の電子−ガス粒子の衝突による運動エネルギーの伝達により各々のガス粒子をイオン化する自由電子の発生により低圧ガスから生成される。ここで、電子は電気場、典型的には高周波電気場で加速される。

高周波電気場で電子を加速するための各種の技法が提案された。例えば、米国特許第４９４８４５８は処理される半導体ウェハー面に平行に載置された平面アンテナコイルを用いてチャンバー内部の高周波フィールド内で電子が励起されるプラズマ発生装置を開示している。図１は米国特許第４９４８４５８に開示されたアンテナシステムを構成する平面螺旋状コイルを示している。同図に示したように、平面螺旋状コイルは平面螺旋状で形成された単一伝導体要素で構成されており、高周波回路との連結のための高周波タップに連結される。このような平面螺旋状コイルにより提供される円形の電流パターンはウェハーで放射状非均質性を交代に誘発しうる環状面体形状のプラズマを生成する。言い換えれば、平面螺旋状コイルにより形成されたアンテナにより誘導的に生成される電気場は一般的に方位角的であるが、中心は０である。すなわち、アンテナは中心で低密度を有する環状面体のプラズマを生成し、環状面体の中心で妥当な均一性を提供するためにプラズマ拡散(すなわち、中心への電子及びイオンの拡散)に依るべきである。しかし、特定のアプリケーションでプラズマ拡散により提供される均一性は十分でない。さらに、単一の平面螺旋状コイルが直列連結された構造を有することにより、アンテナのインダクタンスが大きく、このような大きなインダクタンスを有するアンテナに高周波電力が印加されると、大きなインピーダンスによりアンテナに高電圧がかかるので、アーク(Arc)が発生しやすく、プラズマとの容量性結合を通じてプラズマの不安定性とパーティクル(Particle)を発生させる問題点があった。

一方、ＰＣＴ国際公開番号第ＷＯ ２０００／００９９３号は二つの平面コイルが並列に連結された構造を有するアンテナシステムに対して開示している。図２はＰＣＴ国際公開番号第ＷＯ ２０００／００９９３号に開示されたアンテナシステムの構成を示した図である。同図に示したように、ＰＣＴ国際公開番号第ＷＯ ２０００／００９９３号に開示されたアンテナシステムは二つの単一巻線コイル２１０，２１１を備える。一つのコイル２１０(以下、“内側コイル”という)は中心付近に位置し、もう一つのコイル２１１(以下、“外側コイル”という)はリアクターの上端開口部の外郭角の方へ位置する。高周波電流は二つの同調コンデンサーＣ１，Ｃ２を通じて内側コイル２１０及び外側コイル２１１の一側端で同時に提供される。高周波入力は高周波電源２２０から発生されて高周波整合ネットワーク２２１を通じてコンデンサーＣ１，Ｃ２に供給される。同調コンデンサーＣ１，Ｃ２は内側コイル２１０及び外側コイル２１１における電流Ｉ１，Ｉ２の容量がそれぞれ調整されるようにする。さらに、内側コイル２１０及び外側コイル２１１の反対側端は相互連結してインピーダンスＺＴを通じて接地される。ここで、アンテナはコイル半径の半分に近接する半径を有する環状面体のプラズマを生成する。二つのコイルを分離して位置させることにより、二つのコイルの平均半径の半分とほぼ同一な半径を有するより漸進的なプラズマ環状面体を効率的に発生させる。しかし、かかる並列構造のアンテナは、コイルのインダクタンスを減らせる長所はあるが、コンデンサーＣ１，Ｃ２を設けるべき問題点がある。すなわち、コンデンサーＣ１，Ｃ２を取り除くと、内側コイル２１０の半径が外側コイル２１１の半径に比べて小さいため、内側コイル２１０のインダクタンスが小さく、二つのコイルが並列に連結されていて高周波電源が内側コイル２１０を通じて流れる。すなわち、プラズマ密度均一性を確保するためにコンデンサーＣ１，Ｃ２を常に備えるべきなので、その構造及び製造費用が上昇するという問題点があった。

本発明の目的は、均一性が向上された高密度プラズマを生成し、アンテナ内部にインダクタンスを減少させるなど、安定的なプラズマを生成しうるＩＣＰアンテナ及びこれを使用するプラズマ発生装置を提供することにある。

前記目的は、プラズマ発生装置に使用されるＩＣＰアンテナにおいて、環状をなす内側アンテナセグメントと、前記内側アンテナセグメントの外側のほぼ同心円上に配置され、前記内側アンテナセグメントと直列に連結される少なくとも一つの外側アンテナセグメントとを含み、前記内側アンテナセグメント及び前記外側アンテナセグメントのうち、少なくともいずれか一つは相異なる半径を有し、相互並列に連結された複数の環状コイルを含むことを特徴とするＩＣＰアンテナにより達成される。

本発明の一側面によれば、前記内側アンテナセグメントの円周方向に沿って流れる電流方向と前記外側アンテナセグメントの円周方向に沿って流れる電流方向は相互同一方向である。

本発明の他の一側面によれば、前記内側アンテナセグメントの円周方向に沿って流れる電流方向と前記外側アンテナセグメントの円周方向に沿って流れる電流方向は反対方向である。

さらに、前記外側アンテナセグメントのうち、少なくともいずれか一つの円周方向に沿って流れる電流方向はその残りの円周方向に沿って流れる電流方向と相異なる方向である。

前記内側アンテナセグメント及び前記外側アンテナセグメントの前記環状コイルはパイプ形状を有することが好ましい。

前記内側アンテナセグメント及び前記外側アンテナセグメントを形成する前記パイプ形状の環状コイルは連通することが好ましい。

一方、前記目的は、被処理物を受容するチャンバーと、前記チャンバーの内部に電気場経路を形成するウィンドウプレートとを有するプラズマ発生装置において、前記ウィンドウプレートに近接配置され、環状を有する内側アンテナセグメントと、前記内側アンテナセグメントの外側のほぼ同心円上に配置され、前記内側アンテナセグメントと直列に連結される少なくとも一つの外側アンテナセグメントとを含むＩＣＰアンテナと、前記ＩＣＰアンテナに高周波電源を供給する高周波電源供給部とを備え、前記内側アンテナセグメント及び前記外側アンテナ セグメントのうち、少なくともいずれか一つは相異なる半径を有し、相互並列に連結される複数の環状コイルを含むことを特徴とするプラズマ発生装置により達成される。
ここで、前記ＩＣＰアンテナの接地端が接地される接地板を更に含むことが好ましい。

さらに、前記内側アンテナセグメント及び前記外側アンテナセグメントはパイプ形状を有する一つの環状コイルにより形成されることが好ましい。

前記ＩＣＰアンテナの管内へ冷却水を供給する冷却水供給部をさらに含み、前記冷却水供給部は前記ＩＣＰアンテナが前記接地板に接地される領域の付近で前記ＩＣＰアンテナの管内へ前記冷却水を供給することが好ましい。

一方、前記目的は、プラズマ発生装置に使用されるＩＣＰアンテナにおいて、ほぼ同心円上に配置され、相互直列に連結される複数のアンテナセグメントを含み、前記複数のアンテナ セグメントのうち、少なくともいずれか一つはほぼ同心円上に配置され、相互並列に連結される複数の環状コイルを含むことを特徴とするＩＣＰアンテナによっても達成される。

本発明の他の側面や長所は部分的に、次の詳細な説明により明らかになり、部分的には本発明の実際適用によってもわかることができる。

上述したように、本発明によれば、均一性が向上された高密度プラズマを生成し、アンテナ内部にインダクタンスを減少させるなど安定的なプラズマを生成しうるＩＣＰアンテナ及びこれを使用するプラズマ発生装置を提供することができる。

以下、添付図面に参照して本発明について詳細に説明する。さらに、相異なる実施例で同じ構成要素に対しては同じ参照番号を使用し、その説明は一部分省略する。
本発明によるプラズマ発生装置は、図３に示したように、密閉されたチャンバー１０と、チャンバー１０の内部に磁気場経路を形成するウィンドウプレート１２と、ウィンドウプレート１２の上側面に近接配置されるＩＣＰアンテナ２０と、ＩＣＰアンテナ２０に高周波電源を供給する高周波電源供給部１５とを含む。

チャンバー１０の内部には電極として作用し、ウェハーなどの被処理物を支持する電磁機チャック１１が受容される。ウィンドウプレート１２はチャンバー１０が密閉されるようにチャンバー１０の上板を形成し、ＩＣＰアンテナ２０から発生した磁気場経路を形成する。

高周波電源供給部１５は、例えば、１３.５６ＭＨｚの高周波を発生させる高周波発生部１６と、高周波電源供給部１５からの高周波をＩＣＰアンテナ２０のパワードエンド(Powered End)に伝えるマッチング部１７とを含む。

本発明の第１実施例によるＩＣＰアンテナ２０は、図４に示したように、環状を有する内側アンテナセグメント２１と、内側アンテナセグメント２１の外側のほぼ同心円上に配置され、内側アンテナセグメント２１と直列連結される少なくとも一つの外側アンテナセグメント２５とを含む。本発明の実施例では一つの外側アンテナセグメント２５を有するＩＣＰアンテナ２０を一例として説明するが、相異なる半径を有し、内側アンテナセグメントの外側に内側アンテナセグメントとほぼ同心円上に配置される二つ以上の外側アンテナセグメントも本発明の技術思想に含まれることができる。

外側アンテナセグメント２５のパワードエンドはマッチング部１７と連結され、外側アンテナセグメント２５の接地端(ground end)は内側アンテナセグメント２１のパワードエンドと連結される。さらに、内側アンテナセグメント２１の接地端は後述する接地板１３(図３を参照)に接地される。このような構成により、内側アンテナセグメント２１と外側アンテナセグメント２５が相互直列に連結される。

一方、内側アンテナセグメント２１及び外側アンテナセグメント２５のうち、少なくともいずれか一つは相異なる半径を有し、相互並列に連結された複数の環状コイル２２，２３，２６，２７を含む。本発明の第１実施例によるＩＣＰアンテナ２０の内側アンテナセグメント２１及び外側アンテナセグメント２５はそれぞれ一対の環状コイル２２，２３，２６，２７が並列連結されて形成される。

外側アンテナセグメント２５の一対の環状コイル２６，２７は相異なる半径を有し、ほぼ同心円上に配置される。ここで、外側アンテナセグメント２５の一対の環状コイル２６，２７は近接配置されることが好ましい。すなわち、外側アンテナセグメント２５を構成する一対の環状コイル２６，２７の半径の差を最小化することにより、各環状コイル２６，２７が有するインダクタンスの差を最小化してマッチング部１７からの高周波電源が外側アンテナセグメント２５の一対の環状コイル２６，２７に均一に流れるようにする。これにより、上述した従来の並列アンテナ構造において、プラズマの密度均一性の確保のために要求されたコンデンサー(図２のＣ１，Ｃ２)を除去できて製造費用の減少及び簡略なＩＣＰアンテナ２０の構造を具現しうる。さらに、外側アンテナセグメント２５の一対の環状コイル２６，２７が並列に連結されることにより、全体インダクタンスが減少して外側アンテナセグメント２５にかかる電圧も減少する。

本発明の第１実施例による内側アンテナセグメント２１も、相異なる半径を有し、ほぼ同心円上に配置される一対の環状コイル２２，２３を含む。ここで、内側アンテナセグメント２１の一対の環状コイル２２，２３は外側アンテナセグメント２５の環状コイル２６，２７のように近接配置されることが好ましい。これにより、外側アンテナセグメント２５の接地端から流入される高周波電源が内側アンテナセグメント２１の各環状コイル２２，２３に均一に供給されるようにすることにより、プラズマの密度均一性を向上させる。

一方、本発明の第１実施例によるＩＣＰアンテナ２０においては、内側アンテナセグメント２１の円周方向に沿って流れる電流方向Ｉ１と外側アンテナセグメント２５の円周方向に沿って流れる電流方向Ｉ２が相互反対方向になるように連結される。すなわち、外側アンテナセグメント２５のパワードエンド(powered end)から接地端への方向は図４で反時計方向を形成し、内側アンテナセグメント２１のパワードエンドから接地端への方向は図４で時計方向を形成するように備えられる。これにより、図５に示したように、内側アンテナセグメント２１により形成された磁気場Ｂ１と外側アンテナセグメント２５により形成された磁気場Ｂ２とがＩＣＰアンテナ２０の中心部で相殺されて内側アンテナセグメント２１の内部に形成される磁気場により弱い電気場が誘導されるか、高周波電源が伝えられない効果を有する。これにより、図５に示したように、斜線領域では強い磁気場が形成され、これにより誘導された電気場により広い範囲で均一なプラズマを形成させるようになる。

図６は本発明の第２実施例によるＩＣＰアンテナ２０の構成を示した図である。示したように、本発明の第２実施例によるＩＣＰアンテナ２０ａにおいては、内側アンテナセグメント２１ａの円周方向に沿って流れる電流方向Ｉ３と外側アンテナセグメント２５ａの円周方向に沿って流れる電流方向Ｉ４が相互同一方向になるように備えられる。すなわち、外側アンテナセグメント２５ａのパワードエンドから接地端への方向と、内側アンテナセグメント２１ａのパワードエンドから接地端への方向も、図６で反時計方向を形成するように備えられる。この場合、内側アンテナセグメント２１ａの中心部で強い磁気場が形成され、このような磁気場により内側アンテナセグメント２１ａの内側に強い電気場が誘導される。ここで、本発明の第２実施例によるＩＣＰアンテナ２０ａは被処理物の中央領域にプラズマを集中させようとする場合などに適用することが好ましい。

一方、本発明によるプラズマ発生装置はＩＣＰアンテナ２０の接地端、すなわち、内側アンテナセグメント２１の接地端が接地される接地板１３を含むこともできる。図７は本発明の第１実施例によるＩＣＰアンテナ２０が接地板１３に接地されることを示した図である。同図に示したように、接地板１３はほぼ円板形状を有し、ＩＣＰアンテナ２０の上部一定領域に配置される。

さらに、本発明によるプラズマ発生装置は、ＩＣＰアンテナ２０を冷却させるための冷却水を供給する冷却供給部１４(図３を参照)を含み、ＩＣＰアンテナ２０の内側アンテナセグメント２１及び外側アンテナセグメント２５の環状コイルはパイプ形状で備えられて冷却水供給部１４から供給される冷却水が管内に流れるように備えられることにより、ＩＣＰアンテナ２０を効率的に冷却させる。ここで、冷却水供給部１４はＩＣＰアンテナ２０が接地板１３に接地される領域付近でＩＣＰアンテナ２０の管内へ冷却水を供給するように備えられることが好ましい。すなわち、図３及び図７を参照して説明すると、接地板１３にはＩＣＰアンテナ２０の接地端、すなわち、内側アンテナセグメント２１の接地端が通過するための接地孔１３ａが形成される。ここで、内側アンテナセグメント２１の接地端は接地孔１３ａの側面に接触されることにより接地される。これにより、ＩＣＰアンテナ２０の冷却水が供給される領域でのアークの発生を防止するようになる。

一方、接地板１３の接地孔１３ａを通過して延長された内側アンテナセグメント２１の接地端側は冷却水供給部１４と連結されて冷却水供給部１４から冷却水が流入される。ここで、ＩＣＰアンテナ２０の内側アンテナセグメント２１及び外側アンテナセグメント２５を形成するパイプ形状の環状コイル２１，２２，２６，２７は連通する一つのパイプにより形成されることにより、冷却水供給部１４からの冷却水が流れる閉ループを形成する。ここで、図７のＡ領域は２重螺旋状に配置されるパイプ形状の環状コイル２１，２２，２６，２７が相互接触する部分であり、これにより、ＩＣＰアンテナ２０は図４に示したようにそれぞれ相互並列に連結された一対の環状コイル２２，２３，２６，２７を有する内側アンテナセグメント２１及び外側アンテナセグメント２５が相互直列に連結される構造を有する。

このような構成により、内側アンテナセグメント２１，２１ａ及び外側アンテナセグメント２５，２５ａのうち、少なくともいずれか一つは複数の環状コイル２１，２２，２６，２７，２１ａ，２２ａ，２６ａ，２７ａが並列に連結されて備えられることにより、環状コイル２１，２２，２６，２７，２１ａ，２２ａ，２６ａ，２７ａの長さに比べて全体インダクタンスが減少し、プラズマの均一性が向上される。この際、同じ高周波電源が印加される場合、複数の環状コイル２１，２２，２６，２７，２１ａ，２２ａ，２６ａ，２７ａが並列に連結されることにより、従来の一つの環状コイルが直列に連結されて備えられたアンテナに比べて電流密度が減少して電流の二乗に比例する抵抗成分による抵抗損失が著しく減少し、使用可能な高周波電源が増加するようになる。

さらに、相互並列に連結された環状コイル２１，２２，２６，２７，２１ａ，２２ａ，２６ａ，２７ａの全体インダクタンスは従来の直列構造でのインダクタンスに比べて減少してアンテナにかかる電圧を減少させる。

さらに、冷却水供給部１４からＩＣＰアンテナ２０の管内へ供給される冷却水がＩＣＰアンテナ２０の接地される接地板１３の付近領域で供給されるように備えられることにより、ＩＣＰアンテナ２０に高周波電圧が印加される場合、冷却水が供給される領域で発生するアークが接地板１３を通じて除去されうる。

以上、本発明による実施例を説明したが、該当技術分野における通常の知識を持つ者により発明の原則や思想を逸脱しない限り、各種の変形が可能なのは明らかである。本発明の範囲は添付した請求項とその均等物により定められる。

従来のプラズマ発生装置に使用される単一巻線コイルにより形成されたアンテナシステムを示した図である。 従来のプラズマ発生装置に使用される二重並列構造のコイルにより形成されたアンテナシステムを示した図である。 本発明によるプラズマ発生装置の概略的な構成を示した図である。 本発明の第１実施例によるＩＣＰアンテナの構成を示した図である。 図４に示したＩＣＰアンテナにより形成される磁気場を示した図である。 本発明の第２実施例によるＩＣＰアンテナの構成を示した図である。 本発明の第１実施例によりＩＣＰアンテナが接地板に接地された状態を示した図である。

Claims (11)

1. プラズマ発生装置に使用されるＩＣＰ(inductively-coupled plasma)アンテナにおいて、
   環状をなす内側アンテナセグメントと、
   前記内側アンテナセグメントの外側のほぼ同心円上に配置され、前記内側アンテナセグメントと直列に連結される少なくとも一つの外側アンテナセグメントとを含み、
   前記内側アンテナセグメント及び前記外側アンテナセグメントのうち、少なくともいずれか一つは相異なる半径を有し、相互並列に連結された複数の環状コイルを含むことを特徴とするＩＣＰアンテナ。
2. 前記内側アンテナセグメントの円周方向に沿って流れる電流方向と前記外側アンテナセグメントの円周方向に沿って流れる電流方向は相互同一方向であることを特徴とする請求項１に記載のＩＣＰアンテナ。
3. 前記内側アンテナセグメントの円周方向に沿って流れる電流方向と前記外側アンテナセグメントの円周方向に沿って流れる電流方向は反対方向であることを特徴とする請求項１に記載のＩＣＰアンテナ。
4. 前記外側アンテナセグメントのうち、少なくともいずれか一つの円周方向に沿って流れる電流方向はその残りの円周方向に沿って流れる電流方向と相異なる方向であることを特徴とする請求項１に記載のＩＣＰアンテナ。
5. 前記内側アンテナセグメント及び前記外側アンテナセグメントの前記環状コイルはパイプ形状を有することを特徴とする請求項１に記載のＩＣＰアンテナ。
6. 前記内側アンテナセグメント及び前記外側アンテナセグメントを形成する前記パイプ形状の環状コイルは連通することを特徴とする請求項５に記載のＩＣＰアンテナ。
7. 被処理物を受容するチャンバーと、前記チャンバーの内部に電気場経路を形成するウィンドウプレートとを有するプラズマ発生装置において、
   前記ウィンドウプレートに近接配置され、環状を有する内側アンテナセグメントと、前記内側アンテナセグメントの外側のほぼ同心円上に配置され、前記内側アンテナセグメントと直列に連結される少なくとも一つの外側アンテナセグメントとを含むＩＣＰアンテナと、
   前記ＩＣＰアンテナに高周波電源を供給する高周波電源供給部とを備え、
   前記内側アンテナセグメント及び前記外側アンテナ セグメントのうち、少なくともいずれか一つは相異なる半径を有し、相互並列に連結される複数の環状コイルを含むことを特徴とするプラズマ発生装置。
8. 前記ＩＣＰアンテナの接地端が接地される接地板をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のプラズマ発生装置。
9. 前記内側アンテナセグメント及び前記外側アンテナセグメントはパイプ形状を有する一つの環状コイルにより形成されることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ発生装置。
10. 前記ＩＣＰアンテナの管内へ冷却水を供給する冷却水供給部をさらに含み、
    前記冷却水供給部は前記ＩＣＰアンテナが前記接地板に接地される領域の付近で前記ＩＣＰアンテナの管内へ前記冷却水を供給することを特徴とする請求項９に記載のプラズマ発生装置。
11. プラズマ発生装置に使用されるＩＣＰアンテナにおいて、
    ほぼ同心円上に配置され、相互直列に連結される複数のアンテナセグメントを含み、
    前記複数のアンテナ セグメントのうち、少なくともいずれか一つはほぼ同心円上に配置され、相互並列に連結される複数の環状コイルを含むことを特徴とするＩＣＰアンテナ。
    
    

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