KR100417327B1 - 진공플라즈마프로세서 - Google Patents

Abstract

저 인덕턴스 대면적 코일(LILAC)이 대면적 플라즈마 생성을 위한 소스로 제공된다. LILAC은 임피던스 정합회로를 통해 RF 소스에 연결되었을 때 플라즈마내에 자기장을 발생시키는 전자의 순환 흐름을 만들어 내는 적어도 2개의 와인딩을 구비한다. LILAC은 다중 와인딩들을 채택하므로, 대면적 코일을 위해서 와인딩의 권선이 많이 필요하지 않고 따라서 LILAC의 인덕턴스는 낮다. LILAC의 낮은 인덕턴스는 LILAC의 자기 공진 주파수가 RF 구동 주파수보다 훨씬 높은 범위에서 유지되는 것을 보장하며 임피던스 정합을 위하여 넓은 범위의 주파수를 사용할 수 있게 한다. 따라서, 임피던스 정합에는 어려움이 없어지고 전력 전송은 최대화될 수 있고 대면적 플라즈마를 효율적으로 생성시킬 수 있게 한다.

Description

진공 플라즈마 프로세서.

본 발명은 일반적으로 유도 결합 플라즈마 소스(inductively coupled plasma source)에 사용되는 저 인덕턴스 대면적 코일(low inductance large area coil)에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 저압 프로세싱 설비(low pressure processing equipment)내에서 반도체 웨이퍼(semiconductor wafer)를 처리하는 데에 사용될 수 있는 플라즈마를 생성시키는 소스(source)로서의 저 인덕턴스 대면적 코일에 관한 것이다.

플라즈마 생성은 예컨대 강화 에칭(enhanced etching) 또는 증착(deposition)등 반도체 조립 프로세싱에 있어서 여러 면으로 유용하다. 플라즈마는 일반적으로 각각의 전자-가스 분자의 충돌에 의한 운동 에너지의 전달을 통해 각각의 가스 분자들을 이온화시키는 전자의 흐름 을 유도함으로써 저압 가스(gas)로부터 생성된다. 전자들은 보통 전기장내에서, 일반적으로 무선 주파수(RF) 전기장(radio frequency electric field)내에서 가속된다.

RF 전기장내에서 전자를 가속하는 것이 제안된 여러 가지 방법들이 제시되어 왔다. 한 방법은 프로세싱 체임버(processing chamber)내의 웨이퍼와 평행하게 배향된 한 쌍의 반대 전극들 사이에서 전자를 여기(excite)시키는 것이다. 웨이퍼에 수직인 전기장을 사용하는 것은 전자 에너지의 상당 부분이 프로세싱 체임버의 벽또는 반도체 웨이퍼 자체와 전자간의 충돌로 인하여 소실되기 때문에 운동 에너지를 이온으로 전환시키는 데에 효율적인 방법을 제공하지 못한다.

RF장(RF field)에서 전자를 여기 시키는 보다 효율적인 방법은 웨이퍼의 평면 및 플라즈마와 평행한 단일 와인딩 코일(single winding coil:SWC)를 사용하여 전자들을 여기시키는 것이다. 미국 특허 제 4,948,458호는 이 방법을 채택한 장치를 개시하고 있는데 이는 도 1-3에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 생성 장치는 상부 벽(14)에 형성된 액세스 포트(12)를 가진 틀(enclosure)(10)을 포함한다. 절연 쉴드(dielectric shield)(16)는 상부 벽(14)밑에 위치하고 액세스 포트(12)를 가로질러 뻗어 있다. 절연 쉴드(16)는 벽(14)에 밀봉되어 틀(10)의 진공-밀착(vacuum-tight) 내부를 한정한다. 평면 단일 와인딩 코일(SWC)(20)은 절연 쉴드(16)에 인접한 액세스 포트(12)내에 위치하며 워크피스 홀더(workpiece holder)(22)에 의하여 지지되는 웨이퍼(W)에 평행하게 배향되어 있다. 프로세스 가스(process gas)는 틀(10)의 측면에 형성된 포트(24)를 통해 체임버(18)내로 도입된다.

도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 생성 장치를 도식적으로 도시한 것이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, RF 소스(30)는 동축 케이블(32)을 지나 임피던스 정합 회로(impedance matching circuit)(35)를 통해 SWC(20)와 결합된다. 임피던스 정합 회로(35)는 회로의 효율적인 결합(coupling)을 조절하고 작동 주파수에서의 회로의 로딩(loading)을 허용하도록 위치하는 주 코일(primary coil)(36) 및 2차 루프(secondary loop)(38)를 포함하여 전력 전송을 최대화할 수 있게 한다. 주 코일(36)은 수직 축(42)을 기준으로 회전할 수 있는 디스크(disk)(40)상에 장착되어 결합을 조절한다. 조절 커패시터(tuning capacitor)(44)가 2차 루프(38)와 직렬로 연결되어 회로의 공진 주파수를 RF 구동 주파수(driving frequency)로 조절한다. 또 다른 커패시터(34)가 제공되어 회로내의 주 코일(36)의 유도성 리액턴스(inductive reactance) 부분을 상쇄시킨다. 코일(20)을 통해 일반적으로 13.56 Mhz으로 맞춰진 공진 주파수에서 RF 전류를 공진시킴으로써 절연 쉴드(16)를 관통하는 평면 자기장이 유도된다. 자기장은 코일(20)과 웨이퍼(W)사이에서 전자의 순환 흐름을 발생시킨다. 전자의 순환 흐름은 전자가 코일(20)과 웨이퍼(W)사이에서 틀 벽(10)과 충돌하는 것을 줄여주고, 또한 전자들이 평면 코일(20)에 평행한 평면으로 한정되므로 비평면 방향으로의 운동에너지의 전달은 최소화된다.

도 3에 상세히 도시된 바와 같이, SWC(20)는 평면 나선 또는 직렬 동심 링(ring) 형태로 된 단일 전도성 요소(conductive element)를 구비한다. 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, SWC(20)는 또한 (+)로 표시된 중앙 탭(tab)과 (-)로 표시된 외부 탭을 포함하여 플라즈마 생성 장치 회로에 연결될 수 있다.

400mm 웨이퍼 또는 대면적 평면 패널 디스플레이(large area flat panel displays)의 생산과 같은 특정 응용분야에 있어서는 대면적 플라즈마(large area plasma)가 필요하다. 대면적 플라즈마를 만들어 내기 위해서는 도 1-3에 도시된 SWC(20)의 면적 또는 직경이 증가되어야 한다. 권선(turn)사이의 고정된 피치(pitch)가 있어서, 직경을 증가시키기 위하여 권수를 늘린다면 SWC(20)의 인덕턴스(inductance)는 증가한다. 직경이 큰 경우에 SWC(20)의 인덕턴스는 높아지고이는 SWC(20)의 자기-공진 주파수(self-resonant frequency)를 감소시킨다. 자기-공진 주파수가 보통 13.56MHz인 무선 주파수(RF) 구동 주파수에 가까워짐에 따라 임피던스 정합은 더욱 더 어려워진다. 이것은 작은 주파수 범위 내에서는 임피던스를 정확히 정합 시키기 어렵기 때문인데, 이는 임피던스 정합 구성요소의 세팅(setting)변화에 대한 정합 조건의 감도(sensitivity)가 증가하기 때문이다. 따라서, 대면적 플라즈마를 생성하기 위하여 SWC를 사용하는 경우에는 전력 전송을 최대화하는데 어려움이 발생한다.

도 1은 종래의 단일 와인딩 코일을 채택한 플라즈마 생성 장치를 도시한 것이다.

도 2는 종래의 단일 와인딩 코일을 채택한 플라즈마 생성 장치를 도식적으로도시한 것이다.

도 3은 종래의 단일 와인딩 코일을 자세히 도시한 것이다.

도 4A와 도 4B는 종래의 단일 와인딩 코일과 본 발명에 따른 이중 와인딩 코일을 비교하여 도시한 것이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 인터리브된 이중 와인딩 코일을 도시한 것이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 인터리브되지 않은 다중 와인딩 코일을 도시한 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 저 인덕턴스 대면적 코일을 채택한 플라즈마 생성 장치를 도시한 것이다.

도 8은 본 발명에 따른 저 인덕턴스 대면적 코일을 채택한 플라즈마 생성 장치를 구조적으로 도시한 것이다.

본 발명은 유도 결합 플라즈마를 생성하는 장치를 제공하는 것으로서, 본 장치는 절연 쉴드에 둘러싸인 플라즈마 반응 체임버를 에워싸는 틀(enclosure), 프로세스 가스를 체임버로 공급하는 틀 내의 유입구, 절연 쉴드와 근접한 틀 외부에 설치된 적어도 2개의 전기 전도성 와인딩을 구비하는 코일, 및 무선 주파수 소스의 임피던스를 와인딩 및 공진을 제공하는 주파수 튜닝 메커니즘(frequency tuning mechanism)과 정합시키는 임피던스 정합 회로를 통해 와인딩에 결합되는 무선 주파수 소스를 구비하며, 상기 무선 주파수 소스는 코일내의 무선 주파수 전류를 공진 시키고 프로세스 가스를 체임버내에서 플라즈마로 여기시키는데 효과적이다.

본 발명의 여러 형태에 따라, 코일은 상이한 형태들을 가질 수 있다. 예를 들어, 와인딩들은 평행하게 동일 평면에 위치할 수 있으며 코일은 비평면형일 수도 있다. 와인딩들은 그것의 반대편 단부들에서 함께 연결될 수 있고, 함께 연결되지 않을 수도 있다. 와인딩들은 인터리브될 수 있고 인터리브되지 않더라도 다른 평면적들을 포함하고 그리고/또는 와인딩들 중 하나의 권선이 와인딩들 중 다른 하나의 권선에 의하여 분리될 수 있다. 틀은 웨이퍼 척(wafer chuck)이 코일 평면에 평행한 프로세스될 표면을 가진 하나 또는 그 이상의 반도체 웨이퍼를 지지하고 있는, 복수 또는 단일의 웨이퍼 에칭(etching) 장치를 구비할 수 있다.

본 발명은 또한 유도 결합 플라즈마를 생성시키는 방법을 제공하는데, 이 방법은 프로세스 가스를 절연 쉴드로 둘러싸인 틀로 에워싸인 플라즈마 반응 체임버 내로 도입시키는 단계와, 절연 쉴드에 근접한 틀외부에 장치된 적어도 2개의 전기 전도성 와인딩을 구비하는 코일내에서 무선 주파수 전류를 공진시키는 단계를 구비하며, 상기 무선 주파수 전류는 체임버내에의 프로세스 가스를 플라즈마로 여기시키는데 효과적이다.

본 방법은 상기에서 설명한 여러 가지 코일의 구성들을 사용하여 수행될 수 있다. 나아가, 플라즈마는 반도체 웨이퍼 또는 평면 패널 디스플레이 같은 하나 또는 그 이상의 기판을 처리하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 반도체 웨이퍼가 체임버 내에 위치되고 웨이퍼 위의 레이어(layer)는 플라즈마에 의하여 에칭될 수 있다. 처리 중에 체임버는 넓은 범위의 압력으로 유지될 수 있으나, 바람직한 실시예에서 압력은 100mTorr 이하로 유지된다.

본 발명은 RF 소스에 연결된 경우 대면적 플라즈마를 효율적으로 생성하는 다중 와인딩들을 가진 저 인덕턴스 대면적 코일(LILAC)을 제공한다. LILAC은 다중 와인딩들을 가지므로, 큰 직경을 얻기 위해서 단일 와인딩 코일의 경우에서처럼 단 하나의 와인딩만이 사용되는 경우보다 더 적은 권수의 와인딩이 필요하다. 더 적은 권수의 와인딩은 더 적은 인덕턴스를 만들고 이는 LILAC의 자기-공진 주파수를 보통 13.56MHz인 RF 구동 주파수이상으로 높게 유지시킨다. LILAC의 자기-공진 주파수와 RF 구동 주파수 사이의 넓은 주파수 범위는 정확한 임피던스 정합을 가능하게하며, 최대 전력 전송 및 효율적인 플라즈마 생성을 보장하여 준다.

본 발명에 따르면, 저 인덕턴스 대면적 코일(LILAC)이 대면적 플라즈마를 생성하는 소스로 제공된다. LILAC은, 임피던스 정합 회로를 통해 RF 소스와 연결되었을 때 플라즈마에 자기장을 발생시키는 전자의 순환 흐름을 만들어내는 적어도 2개의 와인딩을 구비한다. LILAC은 다중 와인딩들을 채택하므로, 대면적 코일을 얻는데 적은 권수의 와인딩이 필요하고, 따라서 LILAC의 인덕턴스는 낮아진다. LILAC의 낮은 인덕턴스는 LILAC의 자기-공진 주파수가 RF 구동 주파수보다 훨씬 높은 범위로 유지되는 것을 보장하며 임피던스 정합에 있어서 넓은 범위의 주파수를 허용해 준다. 따라서, 임피던스 정합에 어려움은 없어지고 전력 전송은 최대화될 수 있으며 대면적 플라즈마가 효율적으로 생성될 수 있게 한다.

도 4A 및 도 4B는 같은 직경을 가지는 SWC와 LILAC을 비교하여 도시한 것이다. 도 4A에서, SWC(20)는 컨덕터간에 0.5인치의 피치를 갖는 4턴(turn) 와인딩을 갖고 있다. 도 4B의 LILAC(50)은 도 4A의 SWC(20)와 같은 직경 및 같은 컨덕터간 거리를 갖지만 1인치 피치의 2턴 와인딩을 갖는다. SWC(20)와 같은 직경의 LILAC(50)은 권수가 절반이므로 LILAC의 인덕턴스는 더 낮고 따라서 큰 직경에서의 임피던스 정합이 보다 용이해진다. LILAC 인덕턴스가 낮은 또 다른 이유는 와인딩의 일부 또는 전부가 병렬로 연결될 수 있고 병렬로 연결된 인덕턴스는 각각의 인덕터의 경우보다 더 낮은 값을 갖기 때문이다.

LILAC의 단순한 2중 와인딩 형태가 도 5에 도시되어 있다. 도 5를 보면, LILAC(50)의 2중 와인딩은 평면 나선 기하 형태이며 2개의 와인딩은 병렬로 되어있다. 같은 직경의 SWC에 비하여 피치는 2배이고 와인딩은 인터리브(interleave)되어 있어 코일의 컨덕터간 간격은 SWC의 경우와 거의 동일하게 되어 있다. 2개의 와인딩은 각 단부가 함께 연결되어 있다. 중앙 탭(+)과 외부 탭(-)은 플라즈마 생성 장치와 연결될 수 있게 한다.

도 5의 경우에 있어서는, 와인딩들의 단부가 연결되어 있지만 와인딩의 단부가 꼭 연결되야 할 필요는 없다. 하나 또는 그 이상의 와인딩이 다른 와인딩보다 짧을 수 있고 단부 이외의 다른 부분에 연결될 수도 있다.

다른 실시예로서, 2개 이상의 인터리브드 와인딩이 사용될 수도 있고 또는 코일이 비평면형일 수도 있다.

도 6은 LILAC의 다른 실시예를 도시한 것으로서, 여기에는 4개의 와인딩이 있으며 와인딩들은 인터리브되어 있지 않다. 와인딩들은 각 중앙부에 (+)탭이 있고 와인딩이 플라즈마 생성 장치와 연결될 수 있도록 만나는 곳에 (-)탭이 있다. 4개의 와인딩은 다수개의 평행 SWC의 경우와 유사하게 서로 다른 표면적을 덮는다. 인터리브되지 않은 다중 와인딩들을 사용하여 평면을 덮는 LILAC은 같은 면적을 덮는 SWC보다 더 적은 권수가 필요하다. 따라서, 인터리브되지 않은 LILAC 구성은 인덕턴스를 낮게 하고 효율적인 대면적 플라즈마 생성을 보장해 준다.

LILAC을 채택한 플라즈마 생성 장치가 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. LILAC(50)은 도 1 및 도 2에 도시된 SWC(20)에 전력을 공급하는데 사용된 것과 같이 단지 단일 RF 소스(30) 및 임피던스 정합 회로(35)에 의해 전력을 공급받는다. 도시되지 않았지만, 다른 실시예로서 다중 와인딩들을 갖는 복잡한 LILAC설계는 다중 정합 네트워크 및 제너레이터(generator)를 채택할 수 있다.

상기에서 설명된 LILAC(50)은 대면적 플라즈마가 효율적으로 생성될 수 있게 한다. 본 발명의 특정 실시예만이 도시되었지만, 관련 분야에서 통상의 지식을 지닌 사람은 본 발명이 본 발명의 본질적인 사상이나 특징을 벗어남 없이 다른 형태로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예컨대, 2 와인딩 또는 4 와인딩을 갖는 LILAC이 도시되었지만 와인딩 수는 이에 한정되지 않고 대면적 플라즈마 생성에 필요한 어떤 수라도 가능하다. 또한, LILAC은 플라즈마 생성용 주 코일의 경우로 설명되었지만, 다른 주 코일과 결합하여 사용되는 보조 코일로도 사용될 수 있다. 여기에 도시된 실시예들은 따라서 모든 면에서 예시적이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명의 범위는 상기의 설명보다는 첨부된 청구범위에 의하여 나타나며 청구범위의 균등한 의미 및 범위에 속하는 모든 변화는 그 안에 포함되도록 되어 있다.

Claims (12)

1. 이온화가능한 가스의 소스에 응답하도록 배열되는 진공 플라즈마 프로세싱 체임버(10)와, 워크피스 홀더(workpiece holder)(22)와, 상기 가스를 상기 홀더 상의 워크피스들(W)을 프로세싱할 수 있는 플라즈마로 여기시키기 위해 RF 소스(30)에 응답하는 코일(50)을 포함하는 진공 플라즈마 프로세서로서, 상기 코일은 복수의 와인딩들을 포함하고, 상기 와인딩들 각각은 내부 단자와, 외부 단자와, 상기 내부 단자와 외부 단자 사이에 방사적으로 둥글게(radially and circumferentailly) 연장된 복수의 권선들을 포함하고, 상기 RF 소스는 제 1 및 제 2 출력 단자들을 갖는 정합 네트워크를 포함하는, 진공 플라즈마에 있어서,

   상기 정합 네트워크(35)의 제 1 출력 단자는 상기 와인딩들의 내부 단자들에 접속되고, 상기 정합 네트워크(35)의 제 2 출력 단자는 상기 와인딩들의 외부 단자들에 접속되며, 상기 정합 네트워크(35)의 상기 제 1 및 제 2 출력 단자들과 상기 복수의 와인딩들의 상기 내부 및 외부 단자들 사이의 접속들은 상기 정합 네트워크 출력 단자들을 통한 전류 흐름이 상기 복수의 와인딩들을 병렬로 구동하도록 되는 것을 특징으로 하는, 진공 플라즈마 프로세서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 와인딩들 각각은 복수의 인터리브된(interleaved) 권선들을 포함하는, 진공 플라즈마 프로세서.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 복수의 와인딩들의 상기 내부 단자들은 상기 코일(50)내의 단일 위치에서 공통 접속을 갖는, 진공 플라즈마 프로세서.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 복수의 와인딩들의 쌍들은 상기 단일 위치로부터 떨어진 반대 방향들로 방사상으로 연장하는 부분들을 갖는, 진공 플라즈마 프로세서.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 복수의 와인딩들의 상기 외부 단자들은 상기 코일 내의 단일 위치에서 공통 접속을 갖는, 진공 플라즈마 프로세서.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 복수의 와인딩들의 상기 외부 단자들은 상기 코일 내의 단일 위치에서 공통 접속을 갖는, 진공 플라즈마 프로세서.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 와인딩들의 각각은 나선형 구성을 갖는, 진공 플라즈마 프로세서.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 와인딩들의 상기 외부 단자들은 상기 코일에서 다른 위치들을 가지고, 각각의 리드(separate lead)가 상기 다른 코일 위치들에 있는 복수의 와인딩들 각각의 상기 외부 단자를 상기 정합 네트워크의 상기 제 2 출력 단자에 연결하는, 진공 플라즈마 프로세서.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 복수의 와인딩들의 상기 외부 단자들은 상기 코일에서 상이한 위치들을 가지고, 각각의 리드(separate lead)가 상기 다른 코일 위치들에 있는 복수의 와인딩들 각각의 상기 외부 단자를 상기 정합 네트워크의 상기 제 2 출력 단자에 연결하는, 진공 플라즈마 프로세서.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 코일 와인딩들은 상기 복수의 와인딩들의 상기 내부 단자들이 상기 코일에서 다른 위치들을 갖도록 공간적으로 배치되는, 진공 플라즈마 프로세서.
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 와인딩들 각각은 그것의 내부 단자와 외부 단자 사이에 실질적으로 동일한 길이를 갖는, 진공 플라즈마 프로세서.
12. 제 4 항에 있어서, 상기 부분들은 직선들을 포함하는, 진공 플라즈마 프로세서.