KR0183885B1 - 플라즈마 발생장치 - Google Patents

Abstract

신규한 플라즈마 발생장치가 개시되어 있다. Rf 전류가 인가되는 플라즈마 발생용 코일에 직류를 동시에 인가한다. 상기 플라즈마 발생용 코일을 정자장발생장치로 이용함으로써, 시스템 구조를 변경하지 않고 간단히 자장을 형성할 수 있다.

Description

플라즈마 발생장치

제1도는 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치의 구조를 나타내는 개략도.

제2도는 TCP 스타일의 유도결합플라즈마(ICP) 코일을 나타내는 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 반응 챔버 2 : 하부전극(기판)

3 : 가스 삽입구 4 : 펌핑 출구

5A : ICP 코일 5B : TCP 코일

6 : 매칭 유닛 7 : Rf 전력 발생기

8 : 로패스 필터 9 : 정전류원

본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 특히 외부자석 없이도 간단히 자장을 형성할 수 있는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

플라즈마란 이온, 전자 및 다양한 중성종들로 이루어진 부분적으로 이온화된 가스를 말한다. 이러한 플라즈마는 라디오주파수(radio frequency; 이하 Rf 라 한다) 전기장을 저전압에서 가스에 인가함으로써 발생된다.

플라즈마에 외부로부터 정자장(static magnetic field)을 인가하면 이를 상쇄시키기 위하여 플라즈마 속의 충전된 입자들, 예컨대 전자 및 이온들이 회전운동을 하게 되는데, 이때의 회전반경을 라모(Larmor) 반경이라 한다. 이는 플라즈마가 반자성체(diamagnetic material)이기 때문에 생기는 현상이며, 라모 반경을 수식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서 , γ_L은 라모 반경을 나타내고, m은 하전된 입자의 질량을, ν₂는 자장과 수직방향의 하전된 입자의 속도를, 그리고 B는 자장의 세기를 나타낸다.

플라즈마를 발생하는 시스템의 크기, 예컨대 반응챔버의 반경이나 전극간의 간격에 비해 상기 라모 반경이 작을 경우 하전된 입자는 인가된 자장을 따라 한정되는데, 전자의 경우는 이온보다 가벼우므로 시스템의 크기보다 훨씬 작은 라모 반경을 갖게 되어 자장의 영향을 받는다.

종래의 플라즈마 발생 장치는 통상적으로 10mT 이하의 저 압력하에서 동작시키는데, 이로 인하여 플라즈마 초기 발생이 용이하지 않았다. 따라서 이를 방지하기 위하여 자장을 이용하는데 자장을 이용하는 방법으로서 영구 자석 또는 전자석을 플라즈마 발생 장치에 별도로 부착하는 방법을 사용하였다.

그런데 영구 자석을 사용하는 경우에는 플라즈마의 초기 발생은 잘 되지만 공정 진행중에 자장의 영향이 계속 발생하여 공정 결과가 좋지 않을 수도 있으며, 전자석을 사용하는 경우에는 별도로 코일을 설치하여야 하는 등 번거롭다는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 영구자석이나 전자석과 같은 외부 장치 없이도 간단히 자장을 형성할 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, Rf 파워에 의해 반응 챔버내에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 장치에 있어서, 상기 반응 챔버의 둘레를 감도록 형성된 플라즈마 발생용 코일과, 상기 플라즈마 발생 코일에 Rf 신호를 인가하는 Rf 전원; 및 상기 플라즈마를 초기에 발생시키는 일정 시간동안 상기 플라즈마 발생용 코일에 직류를 공급하여 상기 반응 챔버내에 자장을 형성시키는 전류원을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전류원과 상기 플라즈마 발생용 코일 사이에서 상기 Rf 신호가 상기 전류원으로 역류되는 것을 차단시키는 Rf 차단장치를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 Rf 차단장치로 로패스 필터를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 Rf 전원과 상기 플라즈마 발생용 코일 사이에서 상기 직류가 상기 Rf 전원으로 역류되는 것을 차단시키는 매칭 유닛을 더 구비하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.

먼저, 플라즈마에 정자장을 인가하는 방법을 살펴보면, 가장 대표적인 방법은 보빈(Bobin)이라고 불리우는 코일에 직류(DC)를 인가하여 전류와 수직방향의 자장을 발생시키는 방법인데, 이때 발생되는 자장은 전류의 크기 및 전류원으로부터의 거리의 함수가 된다. (암페어의 회로법칙 또는 비오-사바르의 법칙 참조). 상기 보빈은 코일의 회전(turn)수를 많이하여 전류의 크기를 크게 한 것으로, 코일과 수직한 방향의 정자장을 만들 수 있다.

특히, 유도결합플라즈마(Inductively Coupled Plasma; 이하 ICP라 한다)는 코일에 Rf 전력을 인가하여 유도된 전장을 이용하는 플라즈마 소오스로서, 현대 건식 식각장비로서 각광을 받고 있다. 종래의 ICP 시스템은 ICP 코일에 Rf 전류만을 인가하기 때문에, 상술한 바와 같이 플라즈마의 초기 발생을 용이하게 하기 위해서는 자장을 발생시키기 위한 영구자석이나 전자석을 사용하여야 했다.

제1도는 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치의 구조를 나타내는 개략도이다. 여기서, 참조부호 1은 반응챔버를, 2는 하부전극(기판)을, 3은 가스 삽입구를, 4는 펌핑 출구를, 5A는 ICP 코일을, 6은 매칭 유닛(matching unit)을, 7은 Rf 전력 발생기를, 8은 로패스 필터를, 그리고 9는 정전류원을 나타낸다.

제1도를 참조하면, 본 발명의 플라즈마 발생장치는 정자장의 발생을 위하여, Rf 전력 발생기(7)가 연결되어 Rf 전류가 인가되는 ICP 코일(5A)에 정전류원(9)을 추가로 연결한다. 이와 같이 정전류원(9)이 연결된 ICP 코일(5A)은 플라즈마 초기 발생을 위한 정자장발생장치로 이용된다. 즉, 플라즈마가 반자성체 성질을 갖기 때문에, 자장 주위에 전자들이 국한(confinement)됨으로써 저전압에서도 플라즈마의 점화(ignition)가 가능하며(전자국한효과), 시스템의 벽으로 플라즈마가 손실되는 량이 감소되어 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있으며, 공정 진행중에는 전류원으로부터의 전류 공급을 중단함으로써 공정중에 자장의 영향을 받지 않도록 할 수 있다.

이 때, ICP 코일(5A)에 Rf 전류와 직류를 동시에 인가하기 때문에 Rf 전력 발생기(7)에는 직류가, 정전류원(9)에는 Rf 전류가 영향을 줄 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 정전류원(9)과 ICP 코일(5A) 사이에 Rf 전류의 역류를 막기 위한 Rf 차단장치, 예컨대 로패스 필터(8)를 연결한다. 즉 인덕터와 커패시터를 정전류원(9)과 병렬로 연결하여 주파수 대역이 높은 Rf 신호의 역류를 차단시킨다. 또한, 상기 Rf 전력 발생기(7)와 ICP 코일(5A) 사이에는 매칭 유닛(6)을 설치하는데, 상기 매칭 유닛(6) 속의 캐패시터가 직류의 역류를 막아주는 역할을 한다.

제2도는 TCP(transformer coupled plasma) 스타일의 ICP 코일을 나타내는 개략도로서, ICP 코일의 모양 중에는 제2도에 도시된 바와 같은 모양을 갖는 경우가 있다. 이를 TCP 코일이라 하는데, 이러한 형태의 코일에도 본 발명의 플라즈마 발생장치를 그대로 적용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치에 의하면, 플라즈마 발생용 코일에 정전류를 일정 시간동안만 흘려주어 정자장을 발생시킬 수 있으므로, 플라즈마 초기 발생을 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 공정중에 자장의 영향을 받지 않도록 할 수 있다. 또한 종래의 전자석을 이용하는 경우에 비하여 별도의 구조 변경이 불필요하다는 이점이 있다.

본 발명이 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 명백하다.

Claims (4)

1. Rf 파워에 의해 반응 챔버내에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 반응 챔버의 둘레를 감도록 형성된 플라즈마 발생용 코일; 상기 플라즈마 발생 코일에 Rf 신호를 인가하는 Rf 전원; 및 상기 플라즈마를 초기에 발생시키는 일정 시간동안 상기 플라즈마 발생용 코일에 직류를 공급하여 상기 반응 챔버내에 자장을 형성시키는 전류원을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 전류원과 상기 플라즈마 발생용 코일 사이에서 상기 Rf 신호가 상기 전류원으로 역류되는 것을 차단시키는 Rf 차단장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 Rf 차단장치로 로패스 필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 Rf 전원과 상기 플라즈마 발생용 코일 사이에서 상기 직류가 상기 Rf 전원으로 역류되는 것을 차단시키는 매칭 유닛을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.