KR100364636B1 - 상호유도작용에 의한 전력공급이 가능하도록 한유도결합형 플라즈마 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도결합형 플라즈마 발생장치에서 외부 안테나(1)와 내부 안테나 (2)를 독립적으로 형성하되 외부 안테나(1)와 내부 안테나(2)의 일단에는 각각 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)을 형성하여 이 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)이 상호유도작용을 이룰 수 있도록 함으로써 외부 안테나(1)에 고주파 전력을 공급하면 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)의 상호유도작용에 의하여 2차 유도코일 (4)이 형성된 내부 안테나(2)에 외부 안테나(1)에서와 동일한 주파수의 전력을 공급할 수 있도록 하며, 내부 안테나(2)에 공급되는 전력은 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)사이의 교차율을 기계적으로 조절하거나 페라이트 코어의 축방향 이동에 의하여 조절가능하도록 하여 주전력은 외부 안테나(1)에 공급되어 챔버 외곽의 플라즈마 밀도는 보강하고 외부 안테나(1)에 공급된 전력 중의 일부는 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)의 상호유도작용에 의해 내부 안테나(2)로 공급되어 챔버 내측에 적정한 밀도의 플라즈마가 형성되도록 한 것으로, 내,외측의 안테나가 하나의 전원으로부터 전력을 공급받을 수 있는 단순한 구조로 이루어져 챔버 내부에서 넓은 범위에 걸쳐 플라즈마의 밀도 분포를 균일하게 제어할 수 있도록 한다.

Description

상호유도작용에 의한 전력공급이 가능하도록 한 유도결합형 플라즈마 발생장치 {Device for Generating Inductively Coupled Plasma which Power Supplied by Mutual Induction}

본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 특히 유도결합형 플라즈마 발생장치에서 외부 안테나와 내부 안테나를 개별적으로 형성하되, 각 안테나에 공급되는 전력을 트랜스포머에 의한 상호유도작용에 의해 조절가능하도록 각 안테나의 일단에 1차 유도코일과 2차 유도코일을 형성하여 1차 유도코일과 2차 유도코일간의 교차율 조절 또는 페라이트 코어의 축방향이동에 의해 내부 안테나로 공급되는 전류를 조절함으로써 대형의 시료를 가공하기 위한 챔버 내부에서 넓은 범위에 걸쳐 플라즈마의 밀도분포를 균일하게 조절할 수 있도록 한 것이다.

반도체 웨이퍼 또는 평판표시장치 등과 같은 미세패턴을 형성하여야 하는 기술분야에서는 플라즈마를 생성하여 건식 식각, 화학기상증착, 스퍼터링 등 각종 표면처리 공정을 수행하는데, 최근에는 비용절감 및 스루풋 향상 등을 달성하기 위하여 반도체 장치용 웨이퍼나 평판표시장치용 기판의 크기가 예컨데 300㎜ 이상으로 대형화되는 경향을 보이며, 이에 따라 대형의 웨이퍼나 기판을 가공하기 위한 플라즈마 발생장치의 규모도 증가되고 있다.

한편, 플라즈마 발생장치 중 널리 사용되는 것으로는, 유도결합 플라즈마 발생장치, 축전결합형 플라즈마 발생장치 등이 있다. 그리고 이들의 기본적 플라즈마 발생장치에 자기장을 인가한 방식도 개발되어 있다.

유도결합형 플라즈마 발생장치는 플라즈마의 밀도가 높지만 균일도를 개선하기 위해서는 부대적인 요소들이 많이 필요하다. 예를 들면 가운데 부분이 더 두꺼운 유전체를 사용한다거나 돔 형태로 안테나를 변형시켜 사용하고 있으나, 이는 구조가 복잡해질 뿐만 아니라 산화막 식각 등의 공정에는 적용하기가 어렵다는 한계점을 가지고 있다.

상기한 유도결합형 플라즈마 발생장치는 플라즈마가 생성되는 챔버를 포함하며, 이 챔버에는 반응가스를 공급하기 위한 가스주입구와 챔버 내부를 진공으로 유지하고 반응이 끝나면 반응가스를 배출하기 위한 진공펌프 및 가스배출구가 구비되어 있다. 또한, 상기 챔버의 내부에는 웨이퍼 또는 유리기판 등의 시료를 올려놓기 위한 척이 구비되어 있으며, 챔버의 상부에는 고주파전원이 접속된 안테나가 설치된다. 상기 안테나와 챔버 사이에는 절연판을 설치하여 안테나와 플라즈마 사이의 용량성 결합을 감소시킴으로써 고주파전원으로부터의 에너지가 유도성 결합에 의하여 플라즈마로 전달되는 것을 돕는다.

이와 같은 구조의 유도결합형 플라즈마 발생장치는 초기에 챔버의 내부가 진공펌프에 의해 진공화되도록 배기된 다음, 가스주입구로부터 플라즈마를 발생시키기 위한 반응가스가 도입되어 필요한 압력으로 유지된다. 이어서 상기 안테나에는 고주파전원으로부터 고주파전력이 인가된다.

종래의 유도결합형 플라즈마 발생장치에는 단일의 나선형 안테나 또는 복수개의 분할전극형 안테나가 사용되었는데, RF전력이 인가됨에 따라 안테나가 이루는 평면과 수직방향의 시간적으로 변화하는 자기장이 형성되며, 이러한 시간적으로 변화하는 자기장은 챔버 내부에 유도전기장을 형성하고 유도전기장은 전자를 가열하여 안테나와 유동성으로 결합된 플라즈마가 발생하게 된다. 이렇게 전자들은 주변의 중성기체입자들과 충돌하여 이온 및 라디칼 등을 생성하고 이들은 플라즈마 식각 및 증착에 이용되게 된다. 또한, 별도의 고주파전원으로부터 척에 전력을 인가하면 시료에 입사하는 이온의 에너지를 제어하는 것도 가능하게 된다.

그러나, 나선형 구조의 안테나에서는 안테나를 구성하는 각 유도코일이 직렬연결되어 있는 구조이므로 유도코일마다 흐르는 전류량이 일정하게 되는데, 이럴 경우 유도전기장 분포 조절이 어려워 챔버 내벽에서의 이온 및 전자의 손실로 플라즈마의 중심부가 높은 밀도를 갖게 되고 챔버의 내벽에 가까운 부분에는 플라즈마의 밀도가 낮아지게 되는 것을 막기 힘들게 된다. 따라서 플라즈마의 밀도를 균일하게 유지하는 것이 극히 곤란하게 된다.

또한, 안테나의 각 유도코일이 직렬로 연결되어 있으므로 안테나에 의한 전압강하가 크게 되므로 플라즈마와의 용량성 결합에 의한 영향이 증가된다. 따라서, 전력 효율이 낮아지며 플라즈마의 균일성을 유지하는 것도 어렵게 된다.

다음으로, 서로 위상이 다른 3개의 고주파 전원에 각각 접속된 3개의 분할전극 구조의 안테나에서는 각 분할전극에 가까운 위치에서는 플라즈마의 밀도가 높고, 챔버의 중앙부일수록 플라즈마의 밀도가 낮아 플라즈마의 균일성 확보에 어려움이 따르며, 특히 넓은 면적의 시료를 처리하는 것이 현저히 곤란하게 된다. 또한각각 독립적으로 동작하는 전원을 사용하여야 하므로 비용이 증가하게 되며, 전원의 효율적인 사용을 위한 임피던스정합을 위하여는 각 분할전극마다 독자적인 임피던스 정합회로를 사용하여야 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 유도결합형 플라즈마 발생장치에서 하나의 전원으로부터 전력을 공급받을 수 있는 단순한 구조로 이루어지되, 대형 시료의 가공이 가능하도록 챔버의 외곽과 중심부에서 플라즈마의 밀도를 균일하게 제어할 수 있도록 하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유도결합형 플라즈마 발생장치에서 외부 안테나와 내부 안테나를 독립적으로 형성하되, 상기 외부 안테나와 내부 안테나의 일단에는 각각 1차 유도코일과 2차 유도코일을 형성하여 이 1차 유도코일과 2차 유도코일이 상호유도작용을 이룰 수 있도록 함으로써 외부 안테나에 고주파 전력을 공급하면 1차 유도코일과 2차 유도코일의 상호유도작용에 의하여 2차 유도코일이 형성된 내부 안테나에도 외부 안테나에 공급된 것과 동일한 주파수를 갖는 전력을 공급할 수 있도록 하며, 내부 안테나에 공급되는 전력은 1차 유도코일과 2차 유도코일사이의 교차율을 조절하거나 또는 페라이트 코어의 축방향 이동에 의하여 조절가능하도록 한 플라즈마 발생장치를 제공한다.

본 발명에서 고주파 전력은 1차로 외부 안테나에 인가되고 2차로 내부 안테나로 인가되도록 함으로써 유도결합형 플라즈마 발생장치에서 챔버 외벽의 간섭에 의해 외곽부분에서 감소된 플라즈마의 밀도를 보강해줌으로써 챔버의 내부 전범위에 걸쳐 균일한 플라즈마의 밀도분포가 이루어지도록 한 것이며, 내부 안테나는 하나를 스파이어럴형으로 제작하거나, 동심원상으로 이루어진 복수개의 안테나를 병렬로 접속시켜 별개의 전원부 없이 2차 유도코일로부터 전력을 공급받을 수 있도록 제작한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 안테나 구조를 도시한 평면도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 등가회로도,

도 3은 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치의 다른 실시예에 의한 내부 안테나 구조도,

도 4는 1차 유도코일과 2차 유도코일간의 기계적인 방식에 의한 교차율 조절상태를 도시한 측면도,

도 5는 1차 유도코일과 2차 유도코일간의 공통 페라이트 코어의 축이동방식을 도시한 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 외부 안테나 2 : 내부 안테나

3 : 1차 유도코일 4 : 2차 유도코일

5 : 트랜스포머 2a,2b,2c: 내부 안테나

6 : 임피던스 매칭 박스 7 : 전원부

8 : 페라이트 코어

이하, 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 유도결합형 플라즈마 발생장치에 사용되는 안테나의 구조를 도시한 평면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치의 회로도로서, 본 발명은 외부 안테나(1)와 내부 안테나(2)를 독립적으로 형성하되, 상기 외부 안테나(1)와 내부 안테나(2)에는 각각 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)을 형성하며, 이 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)이 상호유도작용을 이루어 외부 안테나(1)에 고주파 전력을 공급하면 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)의 상호유도작용에 의하여 2차 유도코일(4)이 형성된 내부 안테나(2)에도 동일한 주파수의 고주파 전력을 공급할 수 있도록 한 것이다.

도면중 부호 5는 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)이 형성하는 트랜스포머를 의미하며, 부호 6은 임피던스 매칭 박스이고, 부호 7은 고주파 전원을 공급하기 위한 전원부이다.

상기 내부 안테나(2)에 공급되는 전력은 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)이 형성하는 트랜스포머(5)에서 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)사이의 교차율 즉, 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)사이의 거리를 기계적으로 조절하거나, 또는 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)내부에 페라이트 코어를 끼워 이를 축방향으로 이동시키는 것에 의하여 조절가능함으로써 챔버 내부에서 외부 안테나(1)와 내부 안테나(1)에 의해 발생되는 플라즈마의 밀도 분포를 조절할 수 있으며, 이에 대한 설명은 후술한다.

본 발명에서 상기 내부 안테나(2)는 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서와 같이 동심원상으로 이루어진 복수개의 내부 안테나(2a,2b,2c)가 병렬접속된 형태를 이루거나, 도 3의 다른 실시예에 도시된 바와 같이 내부 안테나(2)가 스파이어럴형으로 감겨진 형태로 제작될 수도 있다.

본 발명은 상기한 도 1 내지 도 3에 도시되고 설명된 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 내,외부 안테나(1,2)에 각각 상호유도작용을 위한 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)이 형성되어 일종의 트랜스포머(5)를 구성함으로써 전원부(7)에서 외부 안테나(1)에 주전력이 공급되고 트랜스포머(5)에서의 상호유도작용에 의해 내부 안테나(2)로도 전력이 공급되도록 한 방식을 취하는 유도결합형 플라즈마 발생장치는 후술하는 청구범위의 기재에 의하여 당업계의 통상의 기술을 가진자에 의해 용이하게 안출할 수 있는 것으로서, 이와 같은 단순한 모방과 변형은 본 발명의 권리범위에 속함이 자명하다.

도 4는 본 발명의 트랜스포머(5)에서 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)간의 거리 즉, 교차율을 기계적으로 조절함으로써 2차 유도코일(4)로의 전력공급상태를 제어할 수 있으며, 이와 같은 조절방식에 의해 외부 안테나(1)와 내부 안테나 (2)로 공급되는 전력의 가감제어에 의해 외부 안테나(1)에 의해 형성되는 플라즈마와 내부 안테나(2)에 의해 형성되는 플라즈마의 크기를 상대적으로 조절하여 챔버 내부에서 넓은 범위에 걸쳐 플라즈마 밀도의 분포가 균일해지도록 제어할 수 있음을 보여준다.

도 5는 상기한 도 4에서와는 달리 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)은 고정된 상태이며, 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)의 내부에 공통의 페라이트 코어(8)를 삽입시켜 이 페라이트 코어(8)를 축방향으로 삽입하거나 꺼내는 것에 의해 1차 유도코일(3)로부터 2차 유도코일(4)로 유도되는 전류의 세기를 조절할 수 있음을 보여준다.

이와 같이 구성된 본 발명은 외부 안테나와 내부 안테나에 각각 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)이 형성되어 전원부(7)에서 외부 안테나(1)에 고주파 전원을 공급하면 외부 안테나(1)에 의해 챔버 외측에 플라즈마가 형성됨과 동시에 외부 안테나(1)에 형성된 1차 유도코일(3)에 의하여 내부 안테나(2)의 2차 유도코일(4)에 유도기전력이 발생하게 됨으로써 내부 안테나(2)에도 외부 안테나(1)에 공급된 것과 동일한 주파수의 고주파 전력이 공급되어 챔버 내측에도 플라즈마가 형성되는 것이며, 상기 1차 유도코일과 2차 유도코일사이의 기계적인 방식에 의한 교차율 또는 페라이트 코어의 축방향 이동에 의하여 내부 안테나로 공급되는 전력을 조절함으로써 챔버 외곽과 중심부에서의 플라즈마의 밀도 분포를 균일하게 되도록 제어할 수 있게 되는 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 내,외부 안테나에 각각 상호유도작용에 의하여 전력의 공급이 가능하도록 1차 유도코일과 2차 유도코일을 형성하여 하나의 전원으로 외부 안테나와 내부 안테나에 동일한 주파주의 고주파 전력을 공급할 수 있도록 한 것으로, 본 발명에 의하면 내,외부 안테나에 전력을 공급하기 위한 전원부를 개별적으로 구비하지 않아도 되므로 플라즈마 발생장치를 간단한 회로로 구성할 수 있고, 1차 유도코일과 2차 유도코일 사이의 유도율을 조절하는 것에 의해 챔버의 전범위에 걸쳐 플라즈마의 밀도분포를 균일하게 제어할 수 있으므로 대형의 시료를 가공하기에 적합한 플라즈마 발생장치를 제공할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (4)

1. 외부 안테나(1)와 내부 안테나(2)를 독립적으로 형성하되 외부 안테나(1)와 내부 안테나(2)에는 각각 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)을 형성하여 외부 안테나(1)에 고주파 전력을 공급하면 상기 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)의 상호유도작용에 의하여 2차 유도코일(4)이 형성된 내부 안테나(2)에 외부 안테나(1)에서와 동일한 주파수를 갖는 고주파 전력이 인가되도록 한 것을 특징으로 하는 상호유도작용에 의한 전력공급이 가능하도록 한 유도결합형 플라즈마 발생장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)은 상호간의 교차율을 조절하는 것에 의해 내부 안테나(2)로 공급되는 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 상호유도작용에 의한 전력공급이 가능하도록 한 유도결합형 플라즈마 발생장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 1차 유도코일(3)과 2차 유도코일(4)은 그 내부에 공통의 페라이트 코어(8)가 삽입되어 이 페라이트 코어(8)의 축방향이동에 의해 내부 안테나(2)로 공급되는 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 상호유도작용에 의한 전력공급이 가능하도록 한 유도결합형 플라즈마 발생장치.
4. 청구항 1항 내지 청구항 3항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 내부 안테나(2)는 다수개의 안테나(2a,2b,2c)가 병렬접속되어 이루어진 것을 특징으로 하는 상호유도작용에 의한 전력공급이 가능하도록 한 유도결합형 플라즈마 발생장치.