KR100487575B1 - 3차원 구조의 플라즈마 소스 및 이를 채용한 플라즈마 챔버 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 3차원 구조의 플라즈마 소스는, 전원으로부터의 전력을 인가 받아 소정의 반응 공간 내에 플라즈마가 형성되도록 하기 위한 플라즈마 소스로서 부싱 기둥 및 적어도 2개 이상의 단위 코일들을 포함한다. 부싱 기둥은 하부의 제1 표면 및 상부의 제2 표면을 가지며 수직 방향으로 세워진다. 단위 코일은, 부싱 기둥의 제2 표면과 동일한 수평 표면상에서 부싱 기둥으로부터 분지되어 부싱 기둥의 제2 표면 둘레를 나선 형태의 순환형으로 배치되되, 일정 반경에 이르는 위치에서는 수직 방향으로 일정 반경을 유지하면서 제1 표면과 동일한 수평 표면상까지 연장되는 적어도 2개 이상의 단위 코일들을 포함한다.

Description

3차원 구조의 플라즈마 소스 및 이를 채용한 플라즈마 챔버{Plasma source having 3-dimension structure and Plasma chamber using the same}
본 발명은 반도체 제조를 위한 장치에 관한 것으로서, 특히 균일한 플라즈마 발생을 위한 코일 구조 및 이를 이용한 플라즈마 챔버에 관한 것이다.
초고집적(ULSI; Ultra-Large Scale Integrate) 회로 소자들의 제조 기술은 지난 20여년 간 눈부신 발전을 거듭하였다. 이는 극한의 기술이 요구되는 공정 기술들을 뒷받침할 수 있는 반도체 제조 설비들이 뒷받침되었기 때문에 가능한 것이었다. 이들 반도체 제조 설비들 중 하나인 플라즈마 챔버는, 주로 사용되던 식각(etching) 공정 이외에도 데포지션(deposition) 공정 등에서도 사용되는 등 그 적용 범위를 점점 넓여가고 있다.
플라즈마 챔버는, 그 내부에 플라즈마를 형성시키고, 이 플라즈마를 이용하여 식각, 데포지션 등의 공정들을 수행하기 위한 반도체 제조 설비이다. 이와 같은 플라즈마 챔버는, 플라즈마 발생 소스에 따라 전자 사이클로트론 공진(ECR; Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마 소스, 헬리콘파 여기 플라즈마(HWEP; Helicon-Wave Excited Plasma) 소스, 용량성 결합 플라즈마(CCP; Capacitively Coupled Plasma) 소스, 유도성 결합 플라즈마(ICP; Inductively Coupled Plasma) 소스 등 여러 가지 형태로 분류된다. 이 중 ICP 소스는, 유도 코일에 RF(Radio Frequency) 전력을 공급하여 자기장을 발생시키고, 이 발생된 자기장에 의해 유도된 전기장에 의하여 챔버 내부 중심에 전자를 가두어 낮은 압력에서도 고밀도 플라즈마를 생성시킨다. 이러한 ICP 소스는, ECR 플라즈마 소스나 HWEP 소스와 비교하여 구조적인 면에서 간단하고, 또한 대면적의 플라즈마를 상대적으로 용이하게 얻을 수 있다는 장점으로 인하여 널리 사용되고 있다.
ICP 소스를 채택하고 있는 플라즈마 챔버에 있어서, 공진 회로의 인덕터(inductor)를 구성하는 코일에는 큰 RF 전류가 흐르게 되는데, 이 RF 전류량은 챔버 내부에 생성되는 플라즈마의 분포에 큰 영향을 끼친다. 일반적으로 인덕터를 구성하는 코일 내부에는 자체 저항을 포함하고 있다는 사실은 잘 알려져 있는 사실이다. 따라서 코일 내부를 따라 전류가 흐를 때, 코일을 따라 진행할수록 자체 저항에 의해 에너지 소모가 발생하여 열로 변환되게 되고, 그 결과 코일 내부를 흐르는 전류량은 점점 감소될 수 있다. 이와 같이 코일 내부를 흐르는 전류량이 불균일하게 되면, 챔버 내부에 생성되는 플라즈마 분포도 또한 불균일해질 수 있다.
도 1은 종래의 2차원 플라즈마 소스를 갖는 반도체 제조용 플라즈마 설비에서의 플라즈마 밀도(ni)와 CD(Critical Dimension)의 변화율(△CD)(본 명세서에서 △CD는 공정이 이루어지기 전의 예상 CD와 공정이 이루어진 후의 결과 CD의 차이라 정의한다)의 분포를 각각 나타낸 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 밀도(ni)를 나타낸 곡선(12)을 관찰하면, 웨이퍼 중심에서 플라즈마 밀도(ni)가 가장 높은 반면에 웨이퍼 가장자리로 갈수록 플라즈마 밀도(ni)가 감소한다는 것을 알 수 있다. 또한 CD 변화율(△CD)을 나타낸 곡선(14)을 관찰하면, 상기와 같은 방식으로 플라즈마 밀도(ni)가 불균일해짐에 따라, CD 변화율(△CD)도 또한 웨이퍼 중심으로부터 웨이퍼 가장자리로 갈수록 증가한다는 사실을 쉽게 알 수 있다.
지금까지는 이와 같은 플라즈마 불균일에 의해 발생하는 문제를 공정적인 측면에서 해결하고자 하였다. 그러나 리소그라피 공정의 한계 등의 요인들로 인하여 공정적으로 상기와 같은 문제들을 해결하는데는 한계가 있다. 따라서 자체에서 균일한 플라즈마를 형성시킬 수 있는 반도체 제조용 플라즈마 설비가 제공될 필요가 있다. 이 외에도 비록 균일한 플라즈마를 형성시킬 수 있다고 하더라도 플라즈마 세기의 절대값이 낮은 경우에는 여러 공정 특성들, 예컨대 식각 선택비, 식각 속도 또는 재현성 등의 조절이 용이하지 않게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 균일한 플라즈마 분포를 발생시키면서 높은 플라즈마 밀도를 발생시켜서 공정 특성의 조절이 용이한 플라즈마 소스를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기와 같은 플라즈마 소스를 채용한 플라즈마 챔버를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 플라즈마 소스는, 전원으로부터의 전력을 인가 받아 소정의 반응 공간 내에 플라즈마가 형성되도록 하기 위한 플라즈마 소스에 있어서, 하부의 제1 표면 및 상부의 제2 표면을 가지며 수직 방향으로 세워진 부싱 기둥; 및 상기 부싱 기둥의 제2 표면과 동일한 수평 표면상에서 상기 부싱 기둥으로부터 분지되어 상기 부싱 기둥의 제2 표면 둘레를 나선 형태의 순환형으로 배치되되, 일정 반경에 이르는 위치에서는 수직 방향으로 상기 일정 반경을 유지하면서 상기 제1 표면과 동일한 수평 표면상까지 연장되는 적어도 2개 이상의 단위 코일들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 표면 및 제2 표면 사이에서 상기 부싱 기둥을 둘러싸면서 상기 단위 코일에 의해 둘러싸이도록 배치되는 절연체 기둥을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 단위 코일들은, 2 이상의 정수인 m개가 상기 제2 표면과 동일한 수평 표면상에서 양의 실수인 n회의 회전수를 가지는 것이 바람직하다.
상기 부싱 기둥은 도전성 재질로 이루어진 것이 바람직하다. 이 경우 상기 부싱 기둥은 구리 재질로 이루어질 수 있다.
상기 부싱 기둥은 원 형상, 원형의 도넛 형상, 사각 형상, 사각의 도넛 형상, 6각 형상, 6각형의 도넛 형상, 8각 형상 또는 8각의 도넛 형상을 갖는 것이 바람직하다.
상기 단위 코일은 원 형상, 원형의 도넛 형상, 사각 형상, 사각의 도넛 형상 또는 반원의 단면 형상을 갖는 것이 바람직하다.
상기 단위 코일은, 상기 코일 부싱으로부터의 방사상 거리가 증가할수록 코일 사이의 간격이 점점 감소되는 배치 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 코일의 단면적은, 상기 공통 중심으로부터 방사상 거리가 증가할수록 점점 더 감소하는 것이 바람직하다.
상기 단위 코일은 상기 부싱 기둥으로부터의 방사상 거리가 증가할수록 코일의 단면적이 점점 감소되는 구조를 갖는 것이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 플라즈마 챔버는, 측면의 외벽 및 상부의 돔을 가지며, 상기 외벽 및 돔 구조에 의해 플라즈마가 형성되는 반응 공간을 한정하는 챔버; 상기 챔버의 하부에 배치되어 처리될 반도체 웨이퍼를 안착하기 위한 지지대; 상기 돔 위에 배치되어 상기 반응 공간 내에 플라즈마를 형성하기 위하여, 하부의 제1 표면 및 상부의 제2 표면을 가지며 수직 방향으로 세워진 부싱 기둥과, 상기 부싱 기둥의 제2 표면과 동일한 수평 표면상에서 상기 부싱 기둥으로부터 분지되어 상기 부싱 기둥의 제2 표면 둘레를 나선 형태의 순환형으로 배치되되, 일정 반경에 이르는 위치에서는 수직 방향으로 상기 일정 반경을 유지하면서 상기 제1 표면과 동일한 수평 표면상까지 연장되는 적어도 2개 이상의 단위 코일들로 이루어진 플라즈마 소스; 및 상기 부싱 기둥에 연결되어 상기 단위 코일들로 전력을 공급하는 유도 전원을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 표면 및 제2 표면 사이에서 상기 부싱 기둥을 둘러싸면서 상기 단위 코일에 의해 둘러싸이도록 배치되는 절연체 기둥을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 단위 코일들은, 2 이상의 정수인 m개가 상기 제2 표면과 동일한 수평 표면상에서 양의 실수인 n회의 회전수를 가지는 것이 바람직하다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다.
도 2는 본 발명에 따른 3차원 구조의 플라즈마 소스를 나타내 보인 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 소스는, 하부의 A 표면 및 상부의 B 표면을 갖는 절연성 기둥(210)을 포함한다. 이 절연성 기둥(210)은 원기둥이며, 내부에는 절연성 기둥(210)을 수직 방향으로 관통하는 도전성의 부싱 기둥(220)이 배치된다. 도면상에는 절연성 기둥(210) 및 부싱 기둥(220)을 모두 원 기둥 형상으로 나타내었지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서 절연성 기둥(210) 및 부싱 기둥(220)은 모두 사각 기둥이나 다각 기둥과 같이 여러 가지 기둥 형상으로 이루어질 수 있다. 또한 절연성 기둥(210)은 빈 공간이 될 수고 있다. 부싱 기둥(220) 하부의 A' 표면은 절연성 기둥(210)의 A 표면과 동일한 수평면상에 배치되며, 부싱 기둥(220) 상부의 B' 표면 또한 절연성 기둥(210)의 B 표면과 동일한 수평면상에 배치된다.
상기 부싱 기둥(220)의 B' 표면 둘레로부터는 복수개의 단위 코일들, 예컨대 제1, 제2 및 제3 단위 코일(310, 320, 330)이 분지되어 절연성 기둥(220)의 B 표면상에 배치된다. 도면에서는 3개의 단위 코일들만을 나타냈지만, 이는 단지 예시적인 것에 불과하며, 따라서 적어도 2 이상의 양의 정수인 m개 이상인 보다 많은 개수의 단위 코일들이 사용될 수도 있다는 것은 당연하다. 분지된 제1, 제2 및 제3 단위 코일(310, 320, 330)은 B 표면상에서 부싱 기둥의 둘레를 따라 나선 형태의 순환형으로 배치된다. 이때 제1, 제2 및 제3 단위 코일(310, 320, 330)은 양의 실수인 n회의 회전수를 가지면서 부싱 기둥(220)을 감는다. 부싱 기둥(220)을 둘러싸는 제1, 제2 및 제3 단위 코일(310, 320, 330)은, 부싱 기둥(220)으로부터 방사 방향으로 일정 간격(r) 이격된 절연성 기둥(210)의 가장자리에 위치한 일정 지점(a, b, c)에 각각 다다르게 되면, 더 이상 B 표면상에 있지 않게 된다. 예컨대 제1 단위 코일(310)의 경우, 부싱 기둥(220)으로부터 방사 방향으로 일정 간격(r)만큼 이격된 절연성 기둥(210)의 가장자리의 제1 지점(a)에 다다른 후에는, 더 이상 수평 방향으로 진행되지 않고 수직 방향으로 하부의 A면을 향해 절연성 기둥(210)의 측면을 감으면서 아래로 진행된다. 제2 단위 코일(320) 및 제3 단위 코일(330)의 경우에도 마찬가지로, 부싱 기둥(220)으로부터 방사 방향으로 일정 간격(r)만큼 이격된 절연성 기둥(210)의 가장자리의 제2 지점(b) 및 제3 지점(c)에 각각 다다른 후에는, 더 이상 수평 방향으로 진행되지 않고 수직 방향으로 하부의 A면을 향해 절연성 기둥(210)의 측면을 감으면서 아래로 진행된다.
도 3은 도 2의 플라즈마 소스의 평면 구조의 일 예를 나타내 보인 도면이다.
도 3을 참조하면, 부싱 기둥(220)이 중앙에 배치되고, 이 부싱 기둥(220) 둘레를 제1, 제2 및 제3 단위 코일(310, 320, 330)이 나선형으로 감도록 배치된다. 상기 코일 부싱(220)은 제1, 제2 및 제3 단위 코일(310, 320, 330)과 동일한 재질로 구성되지만, 도전성을 유지하는 한 다른 재질을 사용하여 구성될 수도 있다. 예컨대 제1, 제2 및 제3 단위 코일(310, 320, 330)과 부싱 기둥(220)은 모두 구리(copper) 재질로 이루어진다.
도 4a는 도 2의 플라즈마 소스의 평면 구조의 다른 예를 나타내 보인 도면으로서, 제1 단위 코일(310)만을 예로서 나타내었다. 도 4b는 도 4a의 플라즈마 소스 구조에서 중심으로부터의 방사상 거리에 따른 코일 사이의 간격 변화를 나타내 보인 그래프이다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 단위 코일(310)은 중심부에 위치한 코일 부싱(220)으로부터 분지되어 코일 부싱(220)의 둘레를 나선 구조로서 감긴 구조를 갖는다. 특히 상기 제1 단위 코일(310)은, 중심으로부터 x 방향을 향한 방사상 거리(radial distance)가 커질수록 코일 사이의 간격(d)은 점점 줄어드는 구조를 갖는다. 즉 중심을 향할수록 코일 사이의 간격(d)은 점점 커지고, 반대로 중심으로부터 가장자리로 향할수록 코일 사이의 간격(d)은 점점 작아진다. 이에 따라 상대적으로 중심으로부터 방사상 방향으로 멀어질수록 제1 단위 코일(310) 내부를 흐르는 전류 사이의 간격도 줄어들게 된다. 이는 결과적으로 단위 면적을 통과하는 전체 전류량을 증가시키는 것과 동일한 효과를 제공한다. 따라서 중심으로부터 방사상 방향으로 멀어질수록 전류 밀도가 증가하게 되고, 웨이퍼 가장자리에 대응하는 위치에 배치되는 부분에서의 플라즈마 밀도는 증가될 수 있다. 이와 같이 가장자리에서의 플라즈마 밀도의 증대는, 코일 부싱(220)에 의한 중심부에서의 플라즈마 밀도의 감소와 함께, 전체적인 플라즈마 밀도가 균일하게 분포되도록 한다. 비록 도 4a에서는 복수개의 단위 코일들 중 하나의 제1 단위 코일(310)을 설명하였지만, 나머지 다른 단위 코일들도 동일한 구조를 갖는다는 것은 당연하다.
도 5a는 도 2의 플라즈마 소스의 평면 구조의 또 다른 예를 나타내 보인 도면으로서, 제1 단위 코일(310)만을 예로서 나타내었다. 도 5b 및 도 5c는 도 5a의 플라즈마 소스 구조에서 중심으로부터의 방사상 거리에 따른 코일의 단면적 변화 및 코일 사이의 간격 변화를 각각 나타내 보인 그래프들이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c를 참조하면, 제1 단위 코일(310)은 중심부에 위치한 코일 부싱(220)으로부터 분지되어 코일 부싱(220)의 둘레를 나선 구조로서 감긴 구조를 갖는다. 특히 중심으로부터 x 방향을 향하는 방사상 거리가 클수록 코일의 단면적(A1)은 점점 감소하는 반면에, 중심으로부터 x 방향을 향하는 방사상 거리가 클수록 코일 사이의 간격(d)은 일정한 거리를 유지하는 구조를 갖는다. 즉 중심에서 가까울수록 코일의 단면적(A1)은 점점 커지고, 반대로 중심에서 가장자리를 향해 멀어질수록 코일의 단면적(A1)은 점점 작아진다. 이에 따라 전류량은 동일하지만, 중심으로부터 방사상 방향을 향해 멀어질수록 제1 단위 코일(310) 내부를 흐르는 전류의 밀도는 커지게 된다. 따라서 웨이퍼 가장자리에 대응하는 위치에 배치되는 부분에서의 플라즈마 밀도는 증가될 수 있다. 이와 같이 가장자리에서의 플라즈마 밀도의 증대는, 코일 부싱(220)에 의한 중심부에서의 플라즈마 밀도의 감소와 함께, 전체적인 플라즈마 밀도가 균일하게 분포되도록 한다. 비록 도 5a에서는 복수개의 단위 코일들 중 제1 단위 코일(310)만을 설명하였지만, 나머지 다른 단위 코일들도 동일한 구조를 갖는다는 것은 당연하다.
도 6a는 도 2의 플라즈마 소스의 평면 구조의 또 다른 예를 나타내 보인 도면으로서, 제1 단위 코일(310)만을 예로서 나타내었다. 도 6b 및 도 6c는 도 6a의 플라즈마 소스 구조에서 중심으로부터의 방사상 거리에 따른 코일의 단면적 변화 및 코일 사이의 간격 변화를 각각 나타내 보인 그래프들이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c를 참조하면, 제1 단위 코일(310)은 중심부에 위치한 코일 부싱(220)으로부터 분지되어 코일 부싱(220)의 둘레를 나선 구조로서 감긴 구조를 갖는다. 즉 중심으로부터 x 방향을 향하여 방사상 거리가 클수록 코일 사이의 간격(d')은 점점 감소한다. 또한 중심으로부터 x 방향을 향하여 방사상 거리가 클수록 코일의 단면적(A1')도 점점 감소하는 구조를 갖는다. 결과적으로 본 실시예에 따른 코일 구조는, 도 4a에 도시된 코일 구조 및 도 5a에 도시된 코일 구조가 복합된 구조이다. 따라서 중심으로부터 방사상 방향으로 멀어질수록 코일 내부의 전류 밀도가 증가하는 효과가 가장 현저하게 나타나게 되고, 이에 따라 웨이퍼 가장자리에 대응하는 위치에 배치되는 부분에서의 플라즈마 밀도는 가장 높은 비율로 증가될 수 있다. 이와 같이 가장자리에서의 플라즈마 밀도의 증대는, 코일 부싱(220)에 의한 중심부에서의 플라즈마 밀도의 감소와 함께, 전체적인 플라즈마 밀도가 균일하게 분포되도록 한다. 비록 도 6a에서는 복수개의 단위 코일들 중 제1 단위 코일(310)만을 설명하였지만, 나머지 다른 단위 코일들도 동일한 구조를 갖는다는 것은 당연하다.
도 7a 내지 도 7j는 본 발명에 따른 플라즈마 소스의 부싱 기둥의 상부면 형상들을 각각 나타내 보인 평면도들이다.
먼저 도 7a에 도시된 바와 같이, 부싱 기둥(220a)은 단순한 원형의 형상을 가질 수 있다. 이 경우 부싱 기둥(220a)의 단면적은, 챔버 내부, 특히 웨이퍼 중앙 부분에서의 플라즈마 밀도의 분포에 영향을 주는 변수가 된다. 따라서 단면적을 결정하는 다른 변수, 즉 부싱 기둥(220a)의 반경도 또한 플라즈마 밀도 분포에 영향을 준다. 다음에 도 7b에 도시된 바와 같이, 부싱 기둥(220b)은 중앙의 빈 공간이 한정되도록 하는 원형의 도넛(donut) 형상을 가질 수 있다. 단 중앙의 빈 공간에는 가지들(221b)이 배치된다. 본 명세서에서 이와 같이 내부의 일정 공간에서 부싱 기둥(220b)을 상호 연결시키는 가지들(221b)이 배치된 구조를 "메쉬(mesh) 구조"라고 언급하기로 한다. 다음에 도 7c에 도시된 바와 같이, 부싱 기둥(220c)은, 중앙의 빈 공간이 한정되도록 하는 원형의 도넛 형상을 가질 수 있지만, 단 이 경우 중앙의 빈 공간에는 가지들이 배치되지 않는다는 점에서 도 7b의 부싱 기둥(220b)과는 다르다. 도 7c의 부싱 기둥(220c)의 경우 중앙이 완전한 빈 공간이므로 중앙에서의 플라즈마 밀도의 감소 효과가 상대적으로 더 큰 반면, 도 7b의 부싱 기둥(220b)의 경우 중앙에 가지들(221b)이 배치되어 있으므로 중앙에서의 플라즈마 밀도의 감소 효과가 상대적으로 더 작다.
다음에 도 7d에 도시된 바와 같이, 부싱 기둥(220d)은 단순한 사각형의 형상을 가질 수 있다. 이 경우 부싱 기둥(220d)의 단면적은, 챔버 내부, 특히 웨이퍼 중앙 부분에서의 플라즈마 밀도의 분포에 영향을 주는 변수가 된다. 따라서 단면적을 결정하는 다른 변수, 즉 부싱 기둥(220d)의 가로 및/또는 세로 길이도 또한 플라즈마 밀도 분포에 영향을 준다. 다음에 도 7e에 도시된 바와 같이, 부싱 기둥(220e)은 중앙의 빈 공간이 한정되도록 하는 사각 도넛 형상을 가질 수 있다. 단 중앙의 빈 공간에는 가지들(221e)이 배치되는 메쉬 구조를 갖는다. 다음에 도 7f에 도시된 바와 같이, 부싱 기둥(220f)은, 중앙의 빈 공간이 한정되도록 하는 사각 도넛 형상을 가질 수 있지만, 단 이 경우 중앙의 빈 공간에는 가지들이 배치되지 않는다는 점에서 도 7e의 부싱 기둥(220e)과는 다르다. 도 7f의 부싱 기둥(220f)의 경우 중앙이 완전한 빈 공간이므로 중앙에서의 플라즈마 밀도의 감소 효과가 상대적으로 더 큰 반면, 도 7e의 부싱 기둥(220e)의 경우 중앙에 가지들(221e)이 배치되어 있으므로 중앙에서의 플라즈마 밀도의 감소 효과가 상대적으로 더 작다.
다음에 도 7g 내지 도 7k에 도시된 바와 같이, 코일 부싱(220g, 220i)은 각각 6각형 및 8각형의 다각형 형상을 가질 수 있다. 그리고 도 7h 및 도 7j에 도시된 바와 같이, 코일 부싱(220h, 220j)은 각각 6각형의 도넛 형상 및 8각형의 도넛 형상을 가질 수도 있다. 또한 코일 부싱(220k)은 삼각 형상을 가질 수도 있다. 앞서 설명한 경우와 마찬가지로, 도 7h 및 도 7j의 코일 부싱(220h, 220j)의 경우 중앙에 빈 공간이 존재하므로, 도 7g 및 도 7i의 코일 부싱(220g, 220i)과 비교하여 상대적으로 중앙에서의 플라즈마 밀도를 더 감소시킬 수 있다. 한편 도 7a 내지 도 7k에 나타낸 코일 부싱의 평면 형상 이외의 다른 형상들을 가질 수도 있다는 것은 당연하다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명에 따른 플라즈마 소스를 구성하는 제1 단위 코일 단면 형상들을 각각 나타내 보인 도면들이다.
도 8a 내지 도 8e에 도시된 바와 같이, 제1 단위 코일(310)은 여러 가지 형상들을 가질 수 있는데, 그 예로서 원형의 단면 형상을 갖는 단위 코일(310a), 원형 도넛의 단면 형상을 갖는 단위 코일(310b), 사각형의 단면 형상을 갖는 단위 코일(310c), 사각형 도넛의 단면 형상을 갖는 단위 코일(310d) 또는 반원 형상을 갖는 단위 코일(310e)이 있으며, 이 외에도 다른 여러 가지 형태들의 단면 형상들을 가질 수 있다. 제2 단위 코일(320) 및 제3 단위 코일(330)도 제1 단위 코일(310)과 동일한 형상을 가질 수도 있다는 것은 당연하다.
도 9는 본 발명에 따른 플라즈마 소스를 채용한 플라즈마 챔버를 나타내 보인 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 소스를 채용한 플라즈마 챔버(900)는, 챔버 외벽(902)과 돔(912)에 의해서 일정 크기의 내부 공간(904)이 한정된다. 비록 도면상에는 챔버 내부 공간(904)이 외부를 향하여 개방된 것으로 도시되어 있으나, 이는 도면을 간단화하기 위한 것으로서, 실제로는 진공 상태를 유지하기 위하여 실질적으로 폐쇄되어 있다. 내부 공간(904) 내에는 처리가 이루어질 일정 패턴들을 갖는 반도체 웨이퍼(908)를 지지하기 위한 웨이퍼 지지대(906)가 하부 공간에 배치된다. 이 웨이퍼 지지대(906)에는 RF 전원(916)이 연결된다.
돔(912)의 외측 표면에는 플라즈마 소스를 구성하는 절연체 기둥(210), 부싱 기둥(220) 및 단위 코일들(310, 320, 330)이 일정 구조로 배치된다. 경우에 따라서 절연체 기둥(210)은 빈 공간일 수도 있다. 플라즈마 소스의 구조는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 마찬가지로 단위 코일들(310, 320, 330) 각각의 평면 구조는, 도 4a, 도 5a 또는 도 6a를 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다. 또한 각 단위 코일의 단면 구조도 도 7a 내지 도 7j를 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다. 또한 부싱 기둥(220)의 단면 구조도 도 8a 내지 도 8e를 참조하여 설명한 바와 동일하다. 부싱 기둥(220)에는 RF 전원(394)이 연결된다. 따라서 RF 전원(914)으로부터의 RF 전력이 부싱 기둥(220)을 통하여 단위 코일들(310, 320, 330)로 전달된다.
이와 같은 구조의 플라즈마 챔버(900)에 있어서, RF 전원(914)에 의해 RF 전력을 공급받는 단위 코일들(310, 320, 330)은 전기장을 발생시킨다. 이 전기장은 돔(912)을 통과하여 챔버 내부 공간(904) 내로 유기된다. 챔버 내부 공간(904) 내에 유기된 전기장은 챔버 내부 공간(904) 내의 가스 속에 방전을 발생시켜 가스를 플라즈마화하고, 이로부터 발생된 중성의 라디컬 입자들과 전하를 띤 이온 사이의 화학 반응을 발생시킴으로써 반도체 웨이퍼(908) 표면이 처리되도록 한다. 종래의 플라즈마 챔버의 경우, 챔버 내부 공간 내에 만들어지는 플라즈마 밀도는 웨이퍼 중심 부분에서 높고 웨이퍼 가장자리 부분에서는 낮은 불균일한 밀도 분포를 나타내었다. 그러나 본 발명에 따른 플라즈마 챔버(900)의 경우에는 코일 부싱(911)의 존재로 인하여 웨이퍼 중심 부분에서의 플라즈마 밀도를 감소시켜서 전체적으로 플라즈마 밀도가 균일해진다. 또한 3차원 구조를 가짐으로써 플라즈마 밀도를 높일 수 있고, 코일 길이의 연장으로 인하여 저항을 높일 수 있으므로 공정 특성, 예컨대 식각 선택비, 식각 속도 및 재현성 등의 특성들을 향상시킬 수 있다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 3차원 구조의 플라즈마 소스 및 이를 채용한 플라즈마 챔버에 의하면, 3차원 구조로 인하여 코일 사이의 간격에 대한 제한 없이 코일 턴 수를 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 낮은 이온 전류 플럭스에도 불구하고 높은 플라즈마 밀도를 발생시켜서 균일한 플라즈마 밀도의 형성 이외에도 식각 선택비, 식각 속도 또는 공정 재현성 등과 같은 공정 특성을 개선시킬 수 있다는 이점들을 제공한다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다.
도 1은 종래의 2차원 플라즈마 소스를 갖는 반도체 제조용 플라즈마 설비에서의 플라즈마 밀도와 CD 변화율의 분포를 각각 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 3차원 구조의 플라즈마 소스를 나타내 보인 도면이다.
도 3은 도 2의 플라즈마 소스의 평면 구조의 일 예를 나타내 보인 도면이다.
도 4a는 도 2의 플라즈마 소스의 평면 구조의 다른 예를 나타내 보인 도면이다.
도 4b는 도 4a의 플라즈마 소스 구조에서 중심으로부터의 방사상 거리에 따른 코일 사이의 간격 변화를 나타내 보인 그래프이다.
도 5a는 도 2의 플라즈마 소스의 평면 구조의 또 다른 예를 나타내 보인 도면이다.
도 5b 및 도 5c는 도 5a의 플라즈마 소스 구조에서 중심으로부터의 방사상 거리에 따른 코일의 단면적 변화 및 코일 사이의 간격 변화를 각각 나타내 보인 그래프들이다.
도 6a는 도 2의 플라즈마 소스의 평면 구조의 또 다른 예를 나타내 보인 도면이다.
도 6b 및 도 6c는 도 6a의 플라즈마 소스 구조에서 중심으로부터의 방사상 거리에 따른 코일의 단면적 변화 및 코일 사이의 간격 변화를 각각 나타내 보인 그래프들이다.
도 7a 내지 도 7k는 본 발명에 따른 플라즈마 소스를 구성하는 코일 부싱의 여러 형상들을 각각 나타내 보인 평면도이다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명에 따른 플라즈마 소스를 구성하는 코일의 여러 단면 형상들을 각각 나타내 보인 도면들이다.
도 9는 본 발명에 따른 플라즈마 소스를 채용한 플라즈마 챔버를 나타내 보인 단면도이다.

Claims (13)

  1. 전원으로부터의 전력을 인가 받아 소정의 반응 공간 내에 플라즈마가 형성되도록 하기 위한 플라즈마 소스에 있어서,
    하부의 제1 표면 및 상부의 제2 표면을 가지며 수직 방향으로 세워진 부싱 기둥; 및
    상기 부싱 기둥의 제2 표면과 동일한 수평 표면상에서 상기 부싱 기둥으로부터 분지되어 상기 부싱 기둥의 제2 표면 둘레를 나선 형태의 순환형으로 배치되되, 일정 반경에 이르는 위치에서는 수직 방향으로 상기 일정 반경을 유지하면서 상기 제1 표면과 동일한 수평 표면상까지 연장되는 적어도 2개 이상의 단위 코일들을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면 및 제2 표면 사이에서 상기 부싱 기둥을 둘러싸면서 상기 단위 코일에 의해 둘러싸이도록 배치되는 절연체 기둥을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단위 코일들은, 2 이상의 정수인 m개가 상기 제2 표면과 동일한 수평 표면상에서 양의 실수인 n회의 회전수를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 부싱 기둥은 도전성 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 부싱 기둥은 구리 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 부싱 기둥은 원 형상, 원형의 도넛 형상, 사각 형상, 사각의 도넛 형상, 6각 형상, 6각형의 도넛 형상, 8각 형상, 8각의 도넛 형상 또는 삼각 형상을 포함하는 다각 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단위 코일은 원 형상, 원형의 도넛 형상, 사각 형상, 사각의 도넛 형상 또는 반원의 단면 형상을 포함하는 다각 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단위 코일은, 상기 코일 부싱으로부터의 방사상 거리가 증가할수록 코일 사이의 간격이 점점 감소되는 배치 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 코일의 단면적은, 상기 공통 중심으로부터 방사상 거리가 증가할수록 점점 더 감소하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 단위 코일은 상기 부싱 기둥으로부터의 방사상 거리가 증가할수록 코일의 단면적이 점점 감소되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  11. 측면의 외벽 및 상부의 돔을 가지며, 상기 외벽 및 돔 구조에 의해 플라즈마가 형성되는 반응 공간을 한정하는 챔버;
    상기 챔버의 하부에 배치되어 처리될 반도체 웨이퍼를 안착하기 위한 지지대;
    상기 돔 위에 배치되어 상기 반응 공간 내에 플라즈마를 형성하기 위하여, 하부의 제1 표면 및 상부의 제2 표면을 가지며 수직 방향으로 세워진 부싱 기둥과, 상기 부싱 기둥의 제2 표면과 동일한 수평 표면상에서 상기 부싱 기둥으로부터 분지되어 상기 부싱 기둥의 제2 표면 둘레를 나선 형태의 순환형으로 배치되되, 일정 반경에 이르는 위치에서는 수직 방향으로 상기 일정 반경을 유지하면서 상기 제1 표면과 동일한 수평 표면상까지 연장되는 적어도 2개 이상의 단위 코일들로 이루어진 플라즈마 소스; 및
    상기 부싱 기둥에 연결되어 상기 단위 코일들로 전력을 공급하는 유도 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 챔버.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 표면 및 제2 표면 사이에서 상기 부싱 기둥을 둘러싸면서 상기 단위 코일에 의해 둘러싸이도록 배치되는 절연체 기둥을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 챔버.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 단위 코일들은, 2 이상의 정수인 m개가 상기 제2 표면과 동일한 수평 표면상에서 양의 실수인 n회의 회전수를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 챔버.
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