KR100464808B1 - 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터 - Google Patents

Abstract

여기에 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터가 개시된다. 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터는 평형으로 직결되는 다수개의 안테나 루프를 갖는 평형 인덕터 코일을 구비한다. 그리고 동일한 형상을 갖는 복수개의 평형 인덕터 코일이 복층으로 구성된다. 복수개의 평형 인덕터 코일은 상호 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결되며, 이때 각기 발생되는 자속이 상호 동일하게 또는 역방향을 갖도록 연결된다. 복수개의 안테나 루프를 갖는 평형 인덕터 코일에 의해 플라즈마 발생이 집중되는 영역을 다수의 영역으로 분산시키게되어 플라즈마 발생 밀도나 균일성을 증가시킬 수 있다. 그리고 안테나 루프의 개수와 사이즈를 조정하는 것으로 원하는 임피던스를 용이하게 얻을 수 있다.

Description

다중 유도 결합 플라즈마 인덕터{MULTI INDUCTIVELY COUPLED PLASMA INDUCTOR}

본 발명은 플라즈마 처리 시스템(plasma processing system)을 위한 RF 플라즈마 인덕터(radio frequency plasma inductor)에 관한 것으로, 구체적으로는 다양한 반도체 제조 공정에 사용되는 플라즈마 반응기(plasma reactor)에 구비되는 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma; ICP) 인덕터에 관한 것이다.

RF 플라즈마 소오스(radio frequency plasma source)는 반도체 장치를 제조하기 위한 다양한 여러 공정들 예를 들어, 식각(etching), 박리(stripping),세정(cleaning)등에서 널리 사용되고 있다. 각 공정의 효율은 발생된 플라즈마의 밀도(density)와 균일성(uniformity)에 의해 많은 영향을 받는다. 그러므로 플라즈마 발생 밀도와 균일성을 높이기 위한 노력들이 계속되고 있다.

전형적인 RF 플라즈마 인덕터는 평형 나선 인덕터 코일(flat helix inductor coil)로 구성되며 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma; ICP) 인덕터로 불린다. 현재, 반도체 제조 공적에서 처리되는 웨이퍼 사이즈가 점점 대형화되어가고 있어 전형적인 평판 나선 인덕터 코일의 유도 결합 플라즈마 인덕터는 대응하기가 어려운 것으로 알려지고 있다.

보다 높은 플라즈마 밀도와 보다 넓은 플라즈마 균일성을 얻기 위해 제안된 기술로서, 1999년 12월 7일 Evgency V. Shun'ko에게 허여된 미국특허 5,998,933호 "폐쇄된 페라이트 코어를 갖는 RF 플라즈마 인덕터{RF PLASMA INDUCTOR WITH CLOSED FERRITE CORE}"가 있다. 미국특허 5,998,933호에는 방전 챔버(discharge chamber)내에 다수개의 폐쇄된 페라이트 코어를 구비하고, RF 소오스에 직접 전기적으로 연결되어 다수개의 페라이트 코어에 권선된 코일들을 구비한다. 그러므로 방전 챔버내에 균일하게 분포된 다수개의 플라즈마 소오스를 갖도록 하여 플라즈마 밀도와 균일성을 높일 수 있다.

그러나 다수개의 페라이트 코어와 인덕터 코일을 사용함으로서 그 구성이 복잡하며 에너지 효율이 낮아질 수 있으며 임피던스 정합에 어려움이 있을 수 있다. 그러므로 에너지 효율이 좋으면서도 플라즈마 밀도와 균일성이 높으며 임피던스 정합이 용이한 RF 플라즈마 인덕터가 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서 플라즈마 밀도와 균일성을 높일 수 있는 RF 플라즈마 인덕터를 제공하는데 있다.

도 1은 전형적인 RF 플라즈마 반응기 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도;

도 2는 본 발명의 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터의 기본 구조를 보여주는 사시도;

도 3은 본 발명의 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터를 복층 구조로 구성한 예를 보여주는 사시도;

도 4는 도 2의 제1 평형 인덕터 코일의 전류 흐름에 의한 자속의 진행 방향을 보여주는 도면;

도 5는 도 3의 복층의 제1 및 제2 평형 인덕터 코일이 상호 동일한 전류 흐름 방향을 가질 때 상호 동일한 방향으로 자속을 발생하는 것을 보여주는 도면;

도 6은 도 3의 복층 구조의 제1 및 제2 평형 인덕터 코일이 상호 역방향의 전류 흐름을 가질 때 상호 역방향으로 자속을 발생하는 것을 보여주는 도면;

도 7은 본 발명의 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터의 변형 예를 보여주는 사시도;

도 8은 도 7의 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터를 복층 구조로 구성한 예를 보여주는 사시도;

도 9는 도 7의 제1 평형 인덕터 코일의 전류 흐름에 의한 자속의 진행 방향을 보여주는 도면;

도 10은 도 8의 복층의 제1 및 제2 평형 인덕터 코일이 상호 동일한 전류 흐름 방향을 가질 때 상호 동일한 방향으로 자속을 발생하는 것을 보여주는 도면; 그리고

도 11은 도 8의 복층 구조의 제1 및 제2 평형 인덕터 코일이 상호 역방향의 전류 흐름을 가질 때 상호 역방향으로 자속을 발생하는 것을 보여주는 도면이다.

상술한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 의하면, 플라즈마 반응기를 위한 유도 결합 플라즈마 인턱터는: 적어도 두 개 이상의 안테나 루프가 동일 평면상에 직렬로 연결되는 제1 평형 인덕터 코일을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 평형 인덕터 코일에 수평으로 위치하고, 적어도 두 개 이상의 안테나 루프가 동일 평면상에 직렬로 연결되는 제2 평형 인덕터 코일을 포함하고, 상기 제1 및 제2 평형 인덕터 코일은 상호 안테나 루프가 엇갈리도록 배치된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 평형 인덕터 코일은 상호 간에 전기적으로 직렬연결 또는 병렬연결 중의 어느 하나의 연결방식으로 연결된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 평형 인덕터 코일에 의해 각기 발생되는 자속이 동일한 방향 또는 역방향 중의 어느 하나의 방향이 되도록 상기 제1 및 제2 평형 인덕터 코일이 상호 전기적으로 연결된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 평형 인덕터 코일의 안테나 루프들은 상호 동일한 사이즈 및 형상을 갖는 또는 서로 다른 사이즈 및 형상을 갖는 것 중의 어느 하나의 형태를 갖는다.

본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 명확하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.

(실시예)

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 전형적인 RF 플라즈마 반응기 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.

도면을 참조하여, 전형적인 RF 플라즈마 반응기는 방전 챔버(discharge chamber)(10)와 이에 연결되는 진공 펌프(vacuum pump)(18)와 가스 소오스(gas source)(24)를 구비한다. 방전 챔버(10)의 상부에는 플라즈마 발생을 위한 RF 플라즈마 인덕터 코일(12)이 구비되고, 하부에는 웨이퍼(wafer)(16)가 놓여지는 서브스트레이트(substrate)(14)가 구비된다. 인덕터 코일(12)은 임피던스 정합기(impedance matcher)(20)를 통해 RF 발생기(radio frequency generator)(22)에 접속된다.

이와 같은 전형적인 RF 플라즈마 반응기는 RF 발생기(22)로부터 제공되는 소정 주파수의 RF 신호가 임피던스 정합기(20)를 통해 인덕터 코일(12)에 제공되어방전 챔버(10) 내에 자계 및 전계 유도가 발생된다. 이에 따라 가스 소오스(24)로부터 제공되는 반응 가스가 가속되어 플라즈마 방전이 일어난다.

본 발명에서는 인덕터 코일(12)의 구조를 새롭게 구성하여 플라즈마 밀도와 균일성을 높이고 에너지 효율이 증가할 수 있도록 하며 임피던스 정합이 용이하도록 한다.

도 2는 본 발명의 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터의 기본 구조를 보여주는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터를 복층 구조로 구성한 예를 보여주는 사시도이다.

도면을 참조하여, 본 발명의 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터는 두 개의 안테나 루프(33, 34)가 동일 평면상에 직렬로 연결되는 제1 평형 인덕터 코일(30)을 기본 구조로 한다. 그리고 제1 평형 인덕터 코일(30)과 동일한 형상을 갖는 제2 평형 인덕터 코일(35)이 제1 평형 인덕터 코일(30)과 일정 간격을 두고 수평으로 위치한다. 여기서 제1 및 제2 평형 인덕터 코일(30, 35)은 상호 안테나 루프(33, 34)(38, 39)가 엇갈리도록 배치된다.

제1 및 제2 평형 인덕터 코일(30, 35)은 전기적으로 직렬로 연결되거나 또는 병렬로 연결되어 주파수 발생기(미도시)에 전기적으로 연결된다. 또한 직렬 또는 병렬 연결되는 각각의 경우에 있어서도, 상기 제1 및 제2 평형 인덕터 코일(30, 35)에 의해 각기 발생되는 자속이 동일한 방향 또는 역방향이 되도록 상호 전기적으로 연결된다. 즉, 제1 및 제2 인덕터 코일(30, 35)의 전기적인 연결관계는 4가지 경우가 있을 수 있다.

도 4는 도 2의 제1 평형 인덕터 코일의 전류 흐름에 의한 자속의 진행 방향을 보여주는 도면이고, 도 5는 도 3의 복층의 제1 및 제2 평형 인덕터 코일이 상호 동일한 전류 흐름 방향을 가질 때 상호 동일한 방향으로 자속을 발생하는 것을 보여주는 도면이다. 그리고 도 6은 도 3의 복층 구조의 제1 및 제2 평형 인덕터 코일이 상호 역방향의 전류 흐름을 가질 때 상호 역방향으로 자속을 발생하는 것을 보여주는 도면이다.

도면에 도시된 바와 같이, 제1 평형 인덕터 코일(30)의 제1 단말(31)로부터 제2 단말(32)로 전류의 흐름이 발생될 때 안테나 루프(33, 34)의 내부에서 자속의 방향은 나오는 방향으로 발생하게 된다. 제1 및 제2 평형 인덕터 코일(30,35)에 동일한 방향으로 전류의 흐름이 발생하게 되면 자속은 동일한 방향으로 발생하게 되고, 상호 역방향의 전류의 흐름이 발생하게 되면 상호 역방향의 자속이 발생하게 된다.

이상과 같이 두 개의 제1 및 제2 평형 인덕터 코일(30, 35)은 상호 직렬 또는 병렬로 연결되어 주파수 발생기에 연결될 수 있으며, 각각의 경우에서 자속의 발생 방향으로 동일하게 또는 상호 역방향이 되게 연결 배치할 수 있다. 이와 같은 다양한 연결 방법은 플라즈마 발생 효율과 공정 특성에 따라 선택적으로 결정되어 질 수 있다.

그리고 제1 및 제2 평형 인덕터 코일(30, 35)의 각각의 안테나 루프(33, 34)(38, 39)의 형상이나 사이즈 또한 한정적인 부분은 아니며 각각의 안테나 루프들(33,34)(38, 39)의 사이즈나 형상은 상호 서로 다르게 구성될 수 있다. 안테나루프의 사이즈를 조정하는 것으로 임피던스를 용이하게 설정할 수 있다. 그리고 안테나 루프의 개수 또한 적어도 2개 이상으로 구성할 수 있다.

첨부도면 도 7내지 도 11에는 3개의 안테나 루프를 갖는 평형 인덕터 코일을 사용하여 유도 결합 플라즈마 인덕터를 구성한 실시예를 보여준다.

도 7은 본 발명의 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터의 변형 예를 보여주는 사시도이고, 도 8은 도 7의 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터를 복층 구조로 구성한 예를 보여주는 사시도이다.

도면을 참조하여, 본 발명의 변형예에 따른 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터는 세 개의 안테나 루프(43, 44, 45)가 평형으로 직결되는 제1 평형 인덕터 코일(40)을 기본 구조로 한다. 그리고 제1 평형 인덕터 코일(40)과 동일한 형상을 갖는 제2 평형 인덕터 코일(50)이 제1 평형 인덕터 코일(40)과 일정 간격을 두고 수평으로 위치한다. 여기서 제1 및 제2 평형 인덕터 코일(40, 50)은 상호 안테나 루프(43, 44, 45)(53, 54, 55)가 엇갈리도록 배치된다.

상술한 바와 같이, 제1 및 제2 평형 인덕터 코일(40, 50)은 전기적으로 직렬로 연결되거나 또는 병렬로 연결되어 주파수 발생기(미도시)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 각각의 경우 있어서 자속의 발생 방향이 동일한 방향 또는 역방향이 되도록 상호 전기적으로 연결된다.

도 9는 도 7의 제1 평형 인덕터 코일의 전류 흐름에 의한 자속의 진행 방향을 보여주는 도면이고, 도 10은 도 8의 복층의 제1 및 제2 평형 인덕터 코일이 상호 동일한 전류 흐름 방향을 가질 때 상호 동일한 방향으로 자속을 발생하는 것을보여주는 도면이다. 그리고 도 11은 도 8의 복층 구조의 제1 및 제2 평형 인덕터 코일이 상호 역방향의 전류 흐름을 가질 때 상호 역방향으로 자속을 발생하는 것을 보여주는 도면이다.

도면에 도시된 바와 같이, 제1 평형 인덕터 코일(40)의 제1 단말(41)로부터 제2 단말(42)로 전류의 흐름이 발생될 때 안테나 루프(43, 44, 45)의 내부에서 자속의 방향은 나오는 방향으로 발생하게 된다. 제1 및 제2 평형 인덕터 코일(30,35)에 동일한 방향으로 전류의 흐름이 발생하게 되면 자속은 동일한 방향으로 발생하게 되고, 상호 역방향의 전류의 흐름이 발생하게 되면 상호 역방향의 자속이 발생하게 된다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 복수개의 안테나 루프를 갖는 평형 인덕터 코일에 의해 플라즈마 발생이 집중되는 영역을 다수의 영역으로 분산시키게되어 플라즈마 발생 밀도나 균일성을 증가시킬 수 있다. 그리고 안테나 루프의 개수와 사이즈를 조정하는 것으로 원하는 임피던스를 용이하게 얻을 수 있다.

Claims (6)

1. 플라즈마 반응기를 위한 유도 결합 플라즈마 인덕터에 있어서: 적어도 두 개 이상의 안테나 루프가 동일 평면상에 직렬로 연결되는 제1 평형 인덕터 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 제1 평형 인덕터 코일에 수평으로 위치하고, 적어도 두 개 이상의 안테나 루프가 동일 평면상에 직렬로 연결되는 제2 평형 인덕터 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 평형 인덕터 코일은 상호 안테나 루프가 엇갈리도록 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터.
4. 제2 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 평형 인덕터 코일은 상호 간에 전기적으로 직렬연결 또는 병렬연결 중의 어느 하나의 연결 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터.
5. 제4 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 평형 인덕터 코일에 의해 각기 발생되는 자속이 동일한 방향 또는 역방향 중의 어느 하나의 방향이 되도록 상기 제1 및 제2 평형 인덕터 코일이 상호 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터.
6. 제2 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 평형 인덕터 코일의 안테나 루프들은 상호 동일한 사이즈 및 형상을 갖는 또는 서로 다른 사이즈 및 형상을 갖는 것 중의 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 다중 유도 결합 플라즈마 인덕터.