KR100440236B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 플라즈마 처리 장치는 전원에서 전력을 공급받는 안테나를 포함한다. 본 발명에서, 전원은 종래의 정합 회로(10)에 전력을 공급하고, 상기 정합 회로(10)는 변압기(12)의 1차권선(11)에 연결된다. 상기 안테나(15)는 변압기(12)의 2차권선(13)에 연결되고, 상기 2차권선이 (16)에서 접지된다. 이는 안테나(15)의 중간점 근처에 가상 접지(17)를 생성하여, 안테나의 길이를 따라 플라즈마에 공급되는 전력 변화를 크게 감소시킨다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}

* 본 번역문에서 "실질적(으로)" 이라는 용어는 영문의 "effective(ly), substantial(ly)" 를 번역한 용어로서, 반드시 꼭 그러한 것은 아니지만, 그와 매우 유사한 결과나 효과를 나타내는 것을 의미하는 용어입니다. 예를 들어, "실질적으로 180도의 위상차" 라는 것은 180도 또는 180도와 거의 유사한 위상차를 의미하는 것이고, "실질적으로 접지되는" 이란 실제 접지시키지는 않았지만 0전위처럼 접지와 유사한 결과를 보이는 것을 의미한다(역자주).*일반적으로 이러한 플라즈마는 진공 챔버에서 생성된다. 그리고, RF 전력이 플라즈마로 유도적으로 연결될 때, 플라즈마 전위에 대한 외란을 감소시키기 위해서, 보호 장벽 내나 챔버의 외부에 플라즈마 발생 수단이 위치하는 것이 선호된다. RF 전력이 플라즈마에 유도적으로 연결될 때, 이 용도로 사용되는 안테나는 챔버 내에 위치하여 유전체로 보호되거나, 유전체로 구성되는 장벽부에 인접하게 챔버의 외부에 위치한다. 안테나는 이때, 변압기의 1차권선부를 실질적으로 형성하고, 변압기의 2차권선부는 플라즈마 소스 내의 플라즈마가 된다.

플라즈마 소스는 한 개 이상의 안테나를 사용할 수 있고, 소스 외부에 위치하는 경우에 각각의 안테나는 유전체 면의 측부나 꼭대기에 인접하게 위치할 것이다. 단일 안테나는 플라즈마 소스의 상부에서 평면 나선의 형태를 취할 수 있고, 또는 플라즈마 소스의 측부 주위로 감기는 다중 회선 코일의 형태를 취할 수도 있고, 소스 측부나 상부에 인접하게 위치하는 단일 회선 코일이나, 그밖에 여기서 기술되지 않은 다른 형태를 취할 수 있다. 플라즈마 소스의 유전체면은 그 프로파일내에 안테나를 배치하기 위해 오목한 형태(re-entrant)를 취할 수 있다. 여러 안테나가 사용될 경우, 플라즈마 소스의 개별적인 유전체 면들에 인접하게 안테나들이 위치할 수 있고, 또는 개별적으로 감기지만 동일한 유전체 면에 인접하게 배치될 수 있다.

유도적으로 연결되는 대부분의 플라즈마 시스템에서, 안테나의 한쪽 말단이 접지되고, 다른 하나의 말단은 임피던스 정합 유닛의 출력부에 연결되도록, 안테나가 구동된다. 이는 고밀도 플라즈마 생성에 매우 효과적인 기술이지만, 높은 RF 전압을 안테나 말단에 공급해야한다는 단점을 가진다. 이로 인해, 안테나 말단 근처의 플라즈마에 RF 전력이 용량성으로 연결되고, 이때, 전압의 크기와 그 용량성 결합이 안테나의 접지 말단을 향해 점진적으로 감소한다. 유도 전력 연결은 안테나를 따라 실질적으로 일정하기 때문에, 안테나 위치의 함수로 플라즈마에 대한 전력 연결이 전체적(유도적 + 용량성)으로 불균일해진다. 이는 공간적으로 균일하지 않은 플라즈마를 생성하는 전위를 가져서, 플라즈마 처리 장치에서 균일성을 감소시킨다. 용량성 연결 요소를 감소시켜서 이러한 불균일성을 부분적으로 극복할 수 있는 방법들이 상용 플라즈마 처리 시스템에서 채택되어왔다. 안테나와 유전체 윈도우 사이의 접지 정전 실드(grounded electrostatic shield)의 사용을 예로 들 수 있다. 이때, 적절한 슬롯으로 플라즈마에 전력을 유도적으로 연결할 수 있다. 이는 예를 들어 Prototech Research Inc.에 의해 사용된다.

본 발명은 플라즈마 처리 장치와, 플라즈마 소스로부터 이온이 추출되는 장치에 관한 것이다. 플라즈마 처리 장치는 반도체 소자 제작에 독점적으로 사용되고, 표면 에칭이나 코팅의 증착을 필요로하는 많은 다른 공정에 독점적으로 사용된다. 특히, 이러한 처리 공정이 집적 상태로 실행될 때, 묶음(batch) 간의 균일성이 매우 중요하다.

도 1은 단일 회선 안테나의 전력 공급을 도시하는 회로도.

도 2는 도 1의 설정을 사용일 때 평균 에칭 속도의 백분율로 에칭 속도의 표준 편위를 나타내는 그래프.

도 3은 명세서 전문에서 기술되는 종래의 장치를 위한 도 2의 비교 그래프.

도 4, 5, 6은 안테나의 선택적인 전력 공급 장치의 회로도.

도 7은 안테나 사용을 보여주는 플라즈마 처리 장치의 도면.

발명의 한 태양에 따르면, 발명은 챔버, 안테나, 교류형 전력 공급 수단을 포함하는 플라즈마 처리 장치로 구성되고, 이때, 상기 안테나는 플라즈마를 유도하고, 상기 교류 공급 수단은 말단을 통해 안테나에 전력을 공급하며, 이때, 안테나의 말단에 실질적으로 180도 위상차의 입력을 전력 공급 수단이 제공하는 것을 특징으로 한다.

전력 공급 수단은 전원과, 전원에 의해 전력을 공급받는 변압기를 포함할 수 있고, 안테나는 변압기의 2차권선의 적어도 일부분 간에 연결될 수 있다. 이때, 본 발명은 안테나가 그 단부 중간에서 실질적으로 접지되도록 2차권선의 태핑(tapping)이 접지되는 것을 또하나의 특징으로 한다.

중앙에 태핑(tapping)이 있는 2차권선과 단일 코일 안테나로, 안테나는 그 중간점에서 실질적으로 접지되고, 접지에 대한 코일의 각 말단의 전압 편위는 종래 코일 안테나의 구동 말단 전압에 비교할 때 반으로 줄 수 있다. 개선된 공간 균일성이 플라즈마에 생성되고, 이는 반도체 웨이퍼나 다른 소재의 처리에서 개선된 공간 균일성을 가져온다. 플라즈마의 공간 균일성 증가에 더하여, 플라즈마와 RF 전원 사이의 임피던스 정합 정도는, 변압기의 1, 2차권선의 상대적인 회선수를 적절히 선택함으로서, 얻을 수 있다.

본 발명이 단일 코일 안테나를 예로 하여 설명되지만, 앞서 기술된 다른 코일 구성이나 다중 안테나도 사용가능하다. 나선형과 같이 더 복잡한 구조의 코일을 가질 때, 바람직한 접지점이 안테나의 단부 사이의 중앙에 위치함에도 불구하고, 태핑점은 코일의 오프셋 접지를 얻을 수 있도록 오프셋될 수 있다. 안테나 말단의 전압 편위를 최소화하기 위해 태핑점을 조정함으로서, 정확한 지점이 경험적으로 결정될 수 있다.

안테나 말단에 180도 위상차의 전력 입력을 달성하기 위한 다른 방법이 사용될 수 있고, 어떤 상황에서는 이 대안의 방법이 더 이로운 방법일 수 있다. 그러므로, 전력 공급 수단은 안테나의 각 입력에 연결되는 개별적 전원들을 포함할 수 있고, 이 전원들이 위상 동기 루프에 의해 연결되어 전원들이 서로에 대해 위상차가 나도록 유지될 수 있다. 높은 전력이 필요하고 넓은 주파수 범위에서 작동할 때, 이 구성이 특히 유용하다. 전원들과 해당 안테나 말단 사이에 정합 회로들이 각각 포함되는 것이 바람직하다.

대안의 접근법으로, 전력 공급 수단에는 전원, 변압기, 그리고 정합 회로가 포함될 수 있고, 안테나가 그 말단 중간에서 접지될 수 있다. 180도 위상차의 입력을 얻기 위해, 상술한 가상 접지(즉, 실질적인 접지)처럼, 안테나의 말단 사이 중간 지점에, 또는 그 근처에 접지가 필요할 수 있다.

또하나의 대안으로서, 전력 공급 수단은 가변 정합 회로를 포함할 수 있다. 상기 가변 정합 회로는 플라즈마 임피던스를 전원의 출력 임피던스에 정합시켜서, 180도 위상차의 입력을 얻을 수 있게 한다.

발명의 또하나의 태양에서, 발명은 챔버, 플라즈마 유도 안테나, 그리고 전력 공급 수단을 포함하는 플라즈마 처리 장치로 구성된다. 상기 전력 공급 수단이 안테나의 단부 중간에서 가상 접지(즉, 실질적인 접지)를 유도하는 것이 본 발명의 한가지 특징이다.

발명의 또다른 태양에서, 챔버, 챔버에 플라즈마를 유도하기 위한 안테나, 그리고 안테나에 전력을 공급하기 위한 교류형 전력 공급 수단을 포함하는 플라즈마 처리 장치로 발명은 구성되고, 이때, 상기 전력 공급 수단은 전원과, 전원으로부터 전력을 공급받는 변압기를 포함하고, 상기 안테나는 상기 변압기의 2차권선의 적어도 일부분에 연결되며 2차권선의 태핑(tapping)이 접지되어, 안테나가 그 말단 중간 지점에서 실질적으로 접지되도록 하는 것을 발명의 특징으로 한다.

본 발명은 여러 가지 방법으로 실행될 수 있고, 특정 실시예가 다음의 도면을 참조하여 지금부터 예로서 설명될 것이다.

도 1의 장치에서, 종래의 정합 회로(10)는 전원으로부터 변압기(12)의 1차권선(11)에 전류를 공급한다. 변압기(12)는 환상의 페라이트 코어(14)에 감긴 1차권선(11)과 2차권선(13)으로 구성된다. 각각의 권선(11, 13)은 다수의 분리된 전도체로 구성되어, 전도체 표면적을 증가시키고 따라서 RF 주파수에서 전류 이송 능력을 증가시킨다. 안테나(15)는 권선(13) 사이 양 말단(15a, 15b)에 의해 연결되고, 권선(13)은 (16)에서 접지 태핑된다. 이로 인해 가상 접지(17)가 생성된다. 왜냐하면, 안테나(15) 말단(15a, 15b)에서의 전압들이 서로에 대해 180도 위상차를 보이기 때문이다.

13.56 MHz 주파수에서 작동하는 이러한 균형식 전력 공급 변압기 시스템에서 결과를 얻었지만, 이는 이보다 더 높거나 낮은 RF 주파수에서의 사용을 배제하는 것은 아니다. 앞서 기술된 종류의 변압기를 사용하여 이온 지원 에칭 시에 얻은 실험적 결과가 도 2에 제시된다. 이 데이터는 소자의 중심으로부터 거리의 함수로, 원점으로부터 해당 지점까지 계산되는 평균 에칭 속도의 백분율로 에칭 속도의 표준 편위를 도시한다. 비교를 위해 또다른 결과가 도 3에 도시된다. 도 3은 한 말단이 접지된 종래의 코일 안테나에서 얻은 결과이다. 이러한 균형식 전력 공급 장치를 사용하여 얻은 결과를 살펴보면 이 처리공정의 공간적 균일성이 상당히 개선되었음을 알 수 있다.

변압기 코어에서의 손실과 권선에서의 오옴 손실로 인해, 변압기가 있을 때 에칭 속도의 절대값은 변압기가 사용되지 않을 때보다 약잔 작지만, 이는 RF 공급장치로부터 전력을 증가시킴으로서 상쇄시킬 수 있다. 또한, 처리 과정 균일성이 개선됨으로서 위 손실이 수용가능한 손실이기 쉽다.

도 4에서, 전력 공급 수단(18)은 한 쌍의 병렬 전원(19, 20)을 포함되고, 이때, 상기 병렬 전원(19, 20)은 위상 동기 루프(21)에 의해 상호연결되며, 각각의 안테나 말단(15a, 15b)에 전력을 공급하기 위해 정합 회로(22, 23)가 병렬 전원(19, 20)에 각각 연결된다. 위상 동기 루프(21)는 전원(19, 20)의 출력을 180도 위상차로 유지하도록 배열되어 이에 따라 말단(15a, 15b)에서의 전압이 서로 180도 위상차를 이루게 되고, 그 결과, 안테나(15)의 중간점이 (17)에서 실질적으로 접지된다. 이러한 장치 및 구성은 높은 전력이 요구되고 높은 주파수가 필요한 경우에 특히 적합하다.

도 5에서, 전력 공급 수단(18)은 변압기(25)에 전력을 공급하는 단일 전원(24)으로 구성되고, 상기 변압기(25)는 다시 정합 회로(26)에 연결되고, 이어서 말단(15a, 15b)에 연결된다. 안테나(15)의 중간점은 (27)에서 접지되고, 이에 따라 앞서 기술한 바와 같이 말단(15a, 15b)의 위상차를 실질적으로 형성하게 한다.

도 6에서, 전력 공급 수단(18)은 전원(28)과 가변 용량성 정합 회로(29)로 구성된다. 이 구성에서, 정합 회로(29) 내 가변 커패시터의 커패시턴스를 조정함으로서, 말단(15a, 15b)에서의 입력이 대략 180도 위상차를 형성하도록 배열하는 것이 가능하다. 이 구성에서는 변압기가 없기 때문에 전력 손실이 도 1과 5의 구성에 비해 작지만, 반면, 이 회로는 안정성이 조금 떨어지고, 중간점(17) 부근에서 가상접지가 불규칙할 수 있다. 일부 장치에서 이러한 특징이 유익할 수 있다.

앞서 언급된 전원들은 일반적으로 RF 전원이고, 변압기는 도면에서 도시되는 간단한 1차권선/2차권선 구성보다는 바룬(balun)이나 그 외 다른 적절한 변압기일 수 있다.

도 7은 안테나(15)가 사용되는 종류의 플라즈마 처리 장치(30)를 도시한다. 상기 플라즈마 처리 장치(30)는 반응기 챔버(31), 소재 지지체(32), 기체 유입구(33), 기체 배출구(34)로 구성된다. 안테나(15)는 환상의 유전체 컵(35) 내에 위치한다.

Claims (10)

1. 챔버, 플라즈마를 유도하기 위한 안테나, 그리고 말단을 통해 상기 안테나에 전력을 공급하기 위한 교류형 전력 공급 수단을 포함하는 플라즈마 처리 장치로서,

   상기 전력 공급 수단은 서로에 대해 180도 위상차의 입력을 상기 안테나의 말단에 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전력 공급 수단은 한 개의 전원과, 상기 전원으로부터 전력을 공급받는 변압기를 포함하고, 상기 안테나는 상기 변압기의 2차권선에 연결되며, 상기 2차권선의 태핑(tapping)이 접지되어 안테나 말단 중간 지점에서 안테나가 실질적으로 접지되도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전력 공급 수단이 안테나의 입력부에 각각 연결되는 개별적인 전원들을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 전원들이 위상 동기 루프(phase locked loop)에 의해 연결되어, 전원들이 서로 위상차가 나도록 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
5. 제 3 항, 또는 4 항에 있어서, 전원들과 각각의 안테나 말단 사이에 각각 정합 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 전력 공급 수단은 전원, 변압기, 그리고 정합 회로를 포함하고, 상기 안테나가 그 말단 중간점에서 접지되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 전력 공급 수단은 전원의 출력 임피던스에 플라즈마 임피던스를 정합시키기 위한 가변 정합 회로를 포함하여, 실질적으로 180도 위상차의 입력을 얻을 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
8. 챔버, 플라즈마를 유도하기 위한 안테나, 그리고 교류형 전력 공급 수단을 포함하는 플라즈마 처리 장치로서,

   상기 전력 공급 수단이 안테나 말단들의 중간 지점에 가상 접지를 유도하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
9. 챔버, 챔버에 플라즈마를 유도하기 위한 안테나, 그리고 안테나에 전력을 공급하기 위한 교류형 전력 공급 수단으로 구성되는 플라즈마 처리 장치로서,

   상기 전력 공급 수단은 전원과, 전원으로부터 전력을 공급받는 변압기를 포함하고, 상기 안테나는 변압기의 2차권선에 연결되며, 상기 2차권선의 태핑(tapping)이 접지되어, 안테나가 그 말단 중간 지점에서 실질적으로 접지되도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
10. 제 1 항 내지 4 항, 또는 제 6 항 내지 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나가 그 말단들의 중간점에서, 또는 중간점 근처에서 실질적으로 접지되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.