KR100488363B1 - 회전방향으로 균일한 플라즈마 밀도를 발생시키는유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼 등 피가공물이 수용되는 챔버 내부의 플라즈마 밀도를 회전방향에 대하여 대칭적으로 균일하게 발생시킬 수 있도록 함으로써 대구경의 피가공물을 효과적으로 가공할 수 있도록 한 플라즈마 발생장치의 안테나 구조에 관한 것인바, 일단에 RF전원이 인가되는 파워드 엔드가 형성되고 타단은 접지된 그라운드 엔드를 갖는 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나에 있어서, 상기 안테나는 적어도 2개의 루프형 안테나(10,20)가 전기적으로 병렬접속되고, 각 안테나(10,20)의 파워드 엔드(P)와 그라운드 엔드(G)는 안테나(10,20)의 중심에 대하여 대칭위치에 배치되며, 각 안테나(10,20)의 파워드 엔드(P)와 그라운드 엔드(G)는 챔버에서 먼 위치에 배치되고 각 안테나(10,20)의 중간부분(10a,20a)은 챔버에서 가까운 위치에 오도록 상호 평행하게 교차설치되어 챔버내에서 회전방향에 대한 균일한 플라즈마 밀도를 갖도록 한 것이다.

Description

회전방향으로 균일한 플라즈마 밀도를 발생시키는 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나구조 {Antenna Structure of Inductively Coupled Plasma Generating Device}

본 발명은 플라즈마 발생장치의 안테나구조에 관한 것으로, 특히 유도결합형 플라즈마 발생장치에서 고전압의 인가와 안테나의 전 구역에 걸친 전압의 불균일성으로 인한 불균일한 플라즈마 밀도분포를 고르게 할 수 있도록 병렬안테나를 사용하여 임피던스를 낮추고, 각 안테나는 상호 대칭적으로 설치하고 파워드 엔드와 그라운드 엔드쪽 및 안테나의 중간부분을 상호 평행하게 교차설치하여 챔버 내부에서 플라즈마 밀도분포를 회전방향에 대하여 균일하고 대칭적으로 형성되도록 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 유도성으로 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. 또한 각각 독립적으로 동작하는 전원을 사용하여야 하므로 비용이 증가하게 되며, 전원의 효율적인 사용을 위한 임피던스정합을 위하여는 각 분할전극마다 독자적인 임피던스 정합회로를 사용하여야 하는 문제점이 있었다.

본 출원인은 이와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 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 기출원한 바 있다.

한편, 상기한 플라즈마 발생장치에서는 루프형 안테나의 구조적인 원인에 의해 챔버 내부에서의 플라즈마 밀도분포가 균일한지 못한 문제점, 즉, 도 1에 도시된 기존의 루프형 안테나의 A - A'선 및 B - B'선 단면상에서 볼 때, 도 2에 도시한 바와 같이 플라즈마 밀도가 안테나(1)의 중간부분에서는 상대적으로 플라즈마 밀도가 높은 구역(Z)이 형성되고, 안테나의 파워드 엔드 및 그라운드 엔드쪽의 플라즈마 밀도는 상대적으로 낮게 나타났으며, A - A'선 및 B - B'선 단면상에서의 플라즈마 밀도분포가 서로 대칭이 되지 않고 불균일하다는 점을 발견하게 되었는데, 이와 같은 플라즈마 밀도분포가 회전방향에 대하여 비대칭적으로 발생되는 원인은 안테나의 파워드 엔드쪽이 상대적으로 고전압이 인가되므로 이온손실이 발생하게 되고 이에 따라 플라즈마밀도의 강하가 이루어지기 때문이었고, 이와 아울러 루프형 안테나의 끊어진 부분 즉, 파워드 엔드와 그라운드 엔드사이에서는 전류의 흐름이 영(0)이기 때문에 유도전기장이 발생하지 않게 되어 이 부분의 플라즈마발생이 약해져 플라즈마 밀도강하가 생기기 때문이었다.

또한, 종래의 안테나는 고전압의 인가에 의해 플라즈마 내에 반도체소자의 수율을 저하시키는 더스티 파티클이 형성되는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 플라즈마 발생장치에서 안테나의 구조를 개선하여 고전압을 인가시키지 않아 더스티 파티클의 생성믈 방지하고 안테나의 전구역에 걸친 고른 전압분포가 가능하도록 하며, 챔버 내부에서의 플라즈마 밀도분포를 회전방향에 대하여 대칭적이고 균일하게 발생시킬 수 있도록 함으로써 대구경의 웨이퍼가공을 효과적으로 할 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 일단에 RF전원이 인가되는 파워드 엔드가 형성되고 타단의 그라운드 엔드는 전기적으로 접지된 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나에 있어서, 상기 안테나는 적어도 2개의 루프형 안테나가 병렬로 설치되고, 각 안테나의 파워드 엔드와 그라운드 엔드는 안테나의 중심에 대하여 대칭위치에 배치되며, 각 안테나의 파워드 엔드와 그라운드 엔드는 챔버에서 먼 위치에 배치되고 각 안테나의 중간부분은 챔버에서 가까운 위치에 오도록 상호 평행하게 교차설치되는 것을 특징으로 하는 회전방향으로 균일한 플라즈마 밀도를 발생시키는 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나구조를 제공한다.

본 발명에서는 안테나를 병렬결합시킴으로써 안테나의 임피던스를 낮추고 이에 따라 전압의 불균일성 문제를 해소할 수 있음과 동시에 낮은 전압으로도 고른 전압분포를 갖도록 할 수 있으므로 고전압의 인가에 의한 수율의 저하를 막을 수 있고, 병렬안테나를 외측과 내측에 설치할 수 있어 안테나를 넓게 제작할 수 있으므로 공정면적을 대구경화 할 수 있도록 한다.

본 발명의 구체적인 실시예에서 평판형 챔버상에 설치되는 안테나는 상하로 교차설치되고, 실린더형 챔버상에 설치되는 안테나는 동일 평면상에서 내,외로 교차설치되도록 하여 챔버 내에 회전방향으로 균일한 플라즈마밀도를 형성하도록 한다.

이하, 본 발명을 한정하지 않는 안테나 구조의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 안테나 구조를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 안테나가 설치된 유도결합형 플라즈마 발생장치의 개략적인 단면구조를 도시한 것이다.

상기 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 본 실시예에서의 안테나는 일단에 RF전원이 인가되는 파워드 엔드가 형성되고 타단의 그라운드 엔드는 전기적으로 접지된 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나에 있어서, 상기 안테나는 적어도 2개의 루프형 안테나(10,20)가 병렬로 설치되고, 각 안테나의 파워드 엔드(P)와 그라운드 엔드(G)는 안테나(10,20)의 중심에 대하여 대칭위치에 배치되며, 각 안테나(10,20)의 파워드 엔드(P)와 그라운드 엔드(G)는 챔버(C)에서 먼 위치, 즉 상부에 배치되고 각 안테나(10,20)의 중간부분(10a,20a)은 챔버(C)에서 가까운 위치, 즉 하부에에 오도록 상호 평행하게 교차설치된 것이다.

상기 각 안테나(10,20)는 전기적으로 병렬로 연결되어 있으므로 안테나의 전체적인 임피던스는 낮아지게 되며 이에 의해 낮은 전압의 인가가 가능하게 된다.

상기 각 안테나(10,20)의 상,하 교차범위는 파워드 엔드(P)와 그라운드 엔드(G)가 속한 상부(T)와 안테나(10,20)의 중간부분(10a,20a)이 속한 하부(B)가 절반씩 상하로 대칭되게 교차되어 파워드 엔드(P)쪽의 고전압에 의한 이온손실로 인한 밀도강하와 안테나(10,20)의 중간부분(10a,20a)에 형성되는 플라즈마의 고밀도가 상호 보상되어 플라즈마 밀도분포가 균일성을 갖도록 하게 된다.

도 5는 도 3의 C - C' 및 D - D'상에서의 플라즈마 밀도분포를 도시한 그래프로서, 도 1에 도시된 기존의 플라즈마 발생장치와 동일한 조건하에서 플라즈마 밀도분포를 측정한 것으로, 본 실시예에 의한 안테나가 설치된 유도결합형 플라즈마 발생장치에서는 C - C' 및 D - D' 단면도에서와 같이 플라즈마의 밀도분포가 챔버의 중심에서 사방으로 대칭을 이루고 있음을 보여주고 있다.

즉, 본 발명에서 C - C'단면상에서의 플라즈마 밀도분포가 중심부에 대하여 좌우로 거의 대칭을 이루고 있음을 보여주고 있는데, 이는 일측 안테나(10)의 파워드 엔드(P)및 그라운드 엔드(G)와 타측 안테나(20)의 중간부분(20a)이 교차된 C위치와, 타측 안테나(20)의 파워드 엔드(P)및 그라운드 엔드(G)와 일측 안테나(10)의 중간부분(10a)이 교차된 C'위치에서의 플라즈마 밀도가 거의 균일하게 발생함을 보여주고 있다.

또한, C - C'선과 D - D'선 상에서의 플라즈마 밀도 분포도 동일한 곡선을 이루고 있어 챔버내에서 플라즈마의 밀도분포가 회전방향에 대하여 대칭을 이루고 있음을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 안테나의 사시도로서, 본 실시예에서는 3개의 안테나(10,20,30)가 전기적으로 병렬로 접속되고, 각 안테나(10,20,30)의 파워드 엔드(P)와 그라운드 엔드(G)는 안테나의 중심에 대하여 대칭위치에 즉, 상호 120°각도로 이격배치되어 상,중,하부(10,10b,10a)(20,20b,20a)(30,30b,30a)의 평행한 3단으로 3중 교차설치된 특징으로 갖는다.

도 6에 도시된 3중 교차형 안테나는 안테나의 갯수와 교차횟수가 더욱 높아짐에 따라 회전방향에 대한 대칭성향이 더욱 높아지도록 한 것이며, 본 발명의 원리에 따르면 교차되는 안테나의 갯수를 더욱 많게 하고 교차간격을 조밀하게 함에 따라 더욱 낮은 임피던스의 확보가 가능하고 플라즈마 밀도분포의 회전방향에 대한 대칭성도 더욱 정교해지도록 할 수 있다.

도 7은 본 발명의 또다른 실시예를 도시한 안테나의 사시도이고, 도 8은 이 안테나가 설치된 플라즈마 발생장치의 개략적인 단면도로서, 본 실시예에 도시된 안테나는 실린더형 챔버에 설치되는 안테나로서, 동일평면상에 2개의 안테나(10, 20)가 내외로 교차설치된 것이며, 회로적으로는 첫번째 실시예의 그것과 동일하다.

도 9는 본 발명의 또다른 실시예를 도시한 안테나의 사시도로서, 본 실시예의 안테나도 도 8에 도시한 바와같은 실린더형 챔버에 설치되는 안테나로서, 동일평면상에 3개의 안테나(10,20,30)가 최외측(10,20,30), 중간부(10b,20b,30b), 최내측(10a,20a,30a)의 동심원상에서 3중으로 교차설치된 것이며, 회로적으로는 두번째 실시예의 그것과 동일하다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 안테나의 설치상태도로서, 본 실시예에서는 도시생략된 챔버 상부의 평판형 유전체 상부 외측과 내측에 각각 교차설치된 병렬 안테나(A,B; 도 3 또는 도 6에 도시된 안테나)가 전기적으로 상호 병렬접속된 것으로, 대구경의 반도체를 가공하고자 할 경우 대구경의 챔버 내측과 외측의 플라즈마 밀도분포를 균일하게 할 수 있도록 병렬안테나를 이중 또는 삼중으로 동심원상에 배치함으로써 챔버 내에서의 회전방향 및 뱀버 외곽과 챔버 내측의 플라즈마 밀도분포가 균일하게 되도록 할 수 있도록 한 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 안테나를 병렬안테나로 사용하고, 각 안테나를 상,하 또는 내,외로 교차시킨 구조로서, 본 발명에 의하면 안테나가 전기적으로 병렬결합되어 있으므로 임피던스가 낮아져 낮은 전압으로도 고른 전압분포가 가능하며, 이에 의해 고전압의 인가에 의하여 수율에 영향을 미치는 더스티 파티클의 발생을 억제할 수 있고, 까다로운 전압의 조절없이 웨이퍼가 가공되는 챔버 내부에서 회전방향에 대하여 플라즈마 밀도분포를 대칭적으로 발생시킬 수 있으므로 플라즈마 발생효율을 높여 대구경의 웨이퍼를 가공하기에 적합한 플라즈마 발생장치를 제공할 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 종래 플라즈마 발생장치의 안테나 구조를 도시한 평면도,

도 2는 도 1의 A - A' 및 B - B' 단면상에서의 플라즈마 밀도분포를 도시한 그래프,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 안테나 구조를 개략적으로 도시한 사시도,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 안테나가 설치된 유도결합형 플라즈마 발생장치의 단면도,

도 5는 도 2에 대응되는 그래프로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 안테나가 설치된 플라즈마 발생장치에서 C - C' 및 D - D' 단면상에서의 플라즈마 밀도분포를 도시한 것이고,

도 6은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 안테나의 사시도,

도 7은 본 발명의 또다른 실시예를 도시한 안테나의 사시도,

도 8은 도 7에 도시된 안테나가 설치된 유도결합형 플라즈마 발생장치의 단면도,

도 9는 본 발명의 또다른 실시예를 도시한 안테나의 사시도,

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 안테나의 설치상태도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10,20,30 : 안테나 P : 파워드 엔드

G : 그라운드 엔드 C : 챔버

Claims (3)

1. 일단에 RF전원이 인가되는 파워드 엔드가 형성되고 타단은 접지된 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나에 있어서,

   상기 안테나는 적어도 2개의 루프형 안테나가 전기적으로 병렬로 설치되어지되, 각 안테나의 파워드 엔드들이 안테나의 중심에 대하여 대칭위치에 배치되고, 각 안테나의 그라운드 엔드들이 안테나의 중심에 대하여 대칭위치에 배치되며, 각 안테나의 파워드 엔드와 그라운드 엔드는 챔버에서 먼 위치에 배치되고, 각 안테나의 중간부분은 챔버에서 가까운 위치에 오도록 상호 평행하게 교차설치되는 것을 특징으로 하는 회전방향으로 균일한 플라즈마 밀도를 발생시키는 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나구조.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 각 안테나는 상하로 교차설치되는 것을 특징으로 하는 회전방향으로 균일한 플라즈마 밀도를 발생시키는 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나구조.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 각 안테나는 내,외로 동심원상에서 교차설치되는 것을 특징으로 하는 회전방향으로 균일한 플라즈마 밀도를 발생시키는 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나구조.