KR100510279B1 - 고밀도 플라즈마 발생원 및 방법 - Google Patents

고밀도 플라즈마 발생원 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고밀도 플라즈마 발생원 및 방법에 관한 것 으로, 더욱 상세하게는 반도체 또는 전자부품을 제작하는 플라즈마 공정장비에 있어서 고밀도 플라즈마를 발생하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 인덕터 코일또는 안테나에 두가지 이상의 서로 다른 주파수를 가진 전력을 인가하여 플라즈마 밀도 및 밀도 균일도를 향상하는 장치 및 방법을 제공한다.

Description

고밀도 플라즈마 발생원 및 방법{High Density Plasma Source Apparatus and Method}
본 발명은 고밀도 플라즈마 발생원 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 또는 전자부품을 제작하는 플라즈마 공정장비에 있어서 고밀도 플라즈마를 발생하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 안테나에 두 가지 이상의 서로 다른 주파수를 가진 전력을 인가하여 플라즈마 밀도 및 밀도 균일도를 향상하는 고밀도 플라즈마 발생원 및 방법을 제공한다.
고밀도 플라즈마 발생원을 장착한 플라즈마 공정 장비는 기존의 정전용량형 플라즈마 발생원에 비해 보다 낮은 압력에서 고밀도 플라즈마를 발생할 수 있고, 또한 플라즈마 밀도와 이온충돌에너지를 독립적으로 조절할 수 있기 때문에 증착 및 식각공정에 적용 시 많은 장점을 가지고 있다.
그림 1 부터 그림 3 에 기존의 고밀도 플라즈마 장치들의 개략도를 도시하였다. 고밀도 플라즈마 발생원(81,82,83)은 전력원(10)과 정합기(20)로 구성된 전원 공급장치와 안테나(40), 유전체 윈도우(50), 기판척(60)으로 이루어진 리액터(70)와 기판척 전원공급장치로 이루어 진다. 또한 고밀도 플라즈마 발생원의 구성요소 중 플라즈마 발생을 위한 가스(gas) 주입부분과 진공펌핑 부분은 통상적으로 사용되는 부분으로 그림 1 부터 그림 3 에는 생략하였다.
안테나를 사용하는 고밀도 플라즈마 발생원은 안테나의 형상, 장착위치와 전력인가 위치, 인가전력의 주파수에 따라 여러 가지로 분류되어 개발되고 있다.
안테나의 형상에 따라, 헬리콘 안테나(Hclicon Antenna)를 사용하는 헬리콘 플라즈마 발생원(Hslicon Plasma Source)(81,그림 1), 평판형 인덕터 코일을 사용하는 트랜스 포머 결합형 플라즈마 발생원(Transformer Coupled Plasma Source)(82,그림 2), 헬리칼 코일(Helical Coil)또는 스파이랄 코일(Spiral Coil)등을 사용하는 유도용량 결합형 플라즈마 발생원(Inductivc Coupled Plasma Source)(83,그림 3)로 구분된다.
안테나는 일반적으로 유전체 윈도우(Dielctric Window)(50)의 외부에 장착되나, 때론 유전체 윈도우의 내부에도 장착되고 있다.
안테나에 전력이 인가되는 위치에 따라 유도성 결합(Induction Coupling)과 공진결합형(Resonance Coupling)의 고밀도 플라즈마 발생원으로 구별된다.
상기의 안테나의 형상, 장착위치와 전력 인가 위치의 조합에 의한 고밀도 플라즈마 발생구조를 이용하여 고밀도 플라즈마를 유기하기 위해서는 일반적으로 100kHz에서 27.12MHz범위 사이의 특정주파수의 사인파(Sinusoidal Wave)를 인가한다. 가장 많이 사용되는 주파수는 13.56MHz이고, 이 외에 2 MHz, 1.8MHz등의 주파수도 널리 사용되고 있다. 일반적으로 주파수의 증가에 따라 플라즈마 밀도는 증가하는 반면 플라즈마 밀도의 균일도는 감소한다.
따라서 높은 플라즈마 밀도를 유지하면서 플라즈마 밀도의 균일도를 향상시키기 위해서는 (ㄱ)안테나의 형상과 장착위치와 전력 인가 위치의 조합하는 방법 ; (ㄴ)플라즈마 발생원 근처에 자석을 장착하여 플라즈마를 한정(Plasma Confinement)하는 방법 ; (ㄷ)유전체 윈도우의 형상, 치수 및 재질등을 적절히 조합하는 방법 ; (ㄹ)리액터(Reactor)(70)의 형상, 치수 및 재질을 적절히 조합하는 방법 ; (ㅁ)기판 척(Substrate Chuck)(60)의 형상, 치수 및 재질과 안테나와의 상대적인 위치를 조절하는 방법이 개발되고 있다.
본 발명에서는 안테나에 두 가지 이상의 서로 다른 주파수를 가진 전력을 인가하여, 플라즈마 밀도 균일도가 향상된 고밀도 플라즈마 발생원 및 방법을 제공한다.
일반적으로 유도 결합형 플라즈마 발생원에서 고주파 에너지의 흡수는 플라즈마의 표면층에 의해 흡수된다. 이는 도체에 흐르는 고주파 전류는 스킨 깊이(Skin Depth)영역에 제한된다는 사실과 유사하다. 도체에 흐르는 고주파 전류의 경우 스킨 깊이는 도체의 전도도에 반비례하고, 도체에 인가되는 전력의 주파수에 반비례한다.
유도 결합형 플라즈마 발생원에서 안테나에 인가된 고주파 전력은 주로 플라즈마의 스킨 깊이내에 있는 전자의 오믹 손실(Ohmic Dissipation)에 의해 플라즈마로 공급된다. 전자의 오믹 손실이 일어나는 스킨 깊이는 다음과 같은 식으로 표현된다.
여기서 δ는 스킨 깊이, ω는 고주파 주파수,μ0 는 진공의 투자율, σDC 는 플라즈마 DC 전도도이다. 유도 결합형 플라즈마의 경우 스킨 깊이는 주파수의 제곱근에 반비례한다. 플라즈마 벌크(Plasma Bulk)는 스킨 깊이 영역의 플라즈마 생성구역(Plasma Generation Region)과 확산 영역(Diffusion Region)으로 구분된다. 일반적으로 플라즈마 가공을 위한 기판은 확산영역내에 존재하게 되는데, 플라즈마 기판이 존재하는 영역의 플라즈마 밀도 및 밀도 분포는 스킨 깊이와 밀접한 관계가 있다.
본 발명에서는 두 가지 주파수 이상의 고주파 전력을 한 개의 안테나에 공급하여 각각 다른 스킨 깊이를 가지는 플라즈마를 생성함으로써, 보다 높은 주파수의 고주파 전력에 의해 고밀도 플라즈마를 형성하고 보다 낮은 주파수의 고주파전력에 의해 플라즈마 밀도 분포를 균일하게 하는 고밀도 플라즈마 발생원 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 구성예를 그림 4에 나타내었다. 유도 결합형 플라즈마 임피던스(Plasma Impedence)는 안테나와 플라즈마의 유도결합에 의한 인덕턴스, 커패시터 및 리액턴스 성분으로 등가적으로 표현될 수 있다. 본 발명의 고찰에서는 전력 공급의 방법 및 장치를 보다 효율적으로 설명하기 위하여 플라즈마 임피던스를 단순한 안테나로 대체하고자 한다. 한개의 안테나에 두 가지 이상의 고주파 전력을 공급하기 위해서는 그림 4 에서 나타낸 것과 같이 n 개의 서로 다른 주파수(F1, F2,....,Fn)의 전력을 공급하는 n개의 전력원 (Power Supply)(10)과 n 개의 정합기(Matching Network)(20)와 한개의 주파수결합기(Combiner)(30)로 구성된다. 주파수 결합기에서 결합된 n 개의 고주파 전력은 상호 중첩(Superposition)되어 고밀도 플라즈마 생성을 위한 안테나에 인가된다. 전력원과 정합기는 본 발명의 분야에서는 통상적으로 사용되는 고주파 부품이므로 상세한 설명은 생략한다.
n 개의 전력원으로 부터 발생되는 고주파 전력은 전송선을 통해 n 개의 정합기 에 각각 공급된다. n 개의 정합기는 안테나로 간략하게 도시된 고밀도 플라즈마로 최대 전력을 공급하기 위하여 각각 자동적으로 정합된다. 각각의 정합기로부터 공급되는 고주파 전력은 각각의 적절히 설계된 주파수 필터와 전송선을 통하여 안테나로 공급된다. n 개의 주파수 필터가 한 개의 주파수 결합기(Combiner)를 형성한다. n 개의 주파수 필터의 설계기준은 다음과 같다 그림 4 에서 보는바와 같이 각각의 주파수의 크기를 F1>F2>...>Fn이라 하면, F1의 주파수의 필터는 F1이하 주파수를 차단하는 고역 통과필터(High Pass Filter)(31)를 장착하고 ; 주파수가 가장 낮은 Fn에는 저역 통과필터(Low Pass Filter)(39)를 장착한다, F1과 Fn사이의 주파수 영역에서는 각각의 주파수만을 통과시키는 대역 통과필터(Band Pass Filter)(32)를 장착한다. n개의 모든 전력원들은 주파수필터로 구성된 주파수 결합기(Combiner)에 의해 전기적으로 분리(Decoupling)된다. 따라서 안테나에 n 개의 주파수를 가진 고주파 전력을 안정적으로 공급한다.
n 개의 주파수의 전력이 안테나에 인가됨으써, 유도 결합형 플라즈마에는 n 개의 스킨 깊이가 생성된다. 주파수가 가장 높은 고주파 전력에 의해 플라즈마의 표면에 고밀도의 플라즈마가 유기되고, 주파수가 낮은 고주파 전력에 의해 플라즈마 벌크(Plasma Bulk)내부에도 n-1 개의 스킨 깊이가 형성된다. 본 발명은 플라즈마 벌크의 보다 깊은 영역까지 스킨 깊이를 침투시킴으로써, 확산에 의한 플라즈마 벌크의 형성보다 적극적인 방법으로 플라즈마 벌크에 고주파에너지를 제공하여 플라즈마 밀도 및 밀도 균일도를 향상시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 사상을 더욱 정확히 전달하기 위하여 두개의 주파수를 안정적으로 결합하는 실시예를 그림 5 에 도시하였다. 본 실시예에서는 한 개의 전력원은 13.56 MHz의 주파수를 사용하고 다른 한 개의 전력원은 400 kHz의 주파수를 사용하는 경우를 나타내었다. 13.56 MHz 전력원에는 직렬연결된 커패시터를 사용한 고역 통과필터(High Pass Filter)를,400 kHz 전력원에는 커패시터와 인덕터가 병열연결된 저역 통과필터(Low Pass Filter)를 장착하여 두 필터를 연결함으로써 두개의 주파수를 안정적으로 결합하는 주파수 결합기를 제공한다. 플라즈마의 DC 전도도가 13.56 MHz 와 400 kHz의 주파수에 대해 동일한 경우 두 고주파 전력의 스킨 깊이의 비는 약 6 이다.
여기서 δ는 스킨 깊이, ω 는 고주파 주파수, μ0 는 진공의 투자율, σDC 는 플라즈마 DC 전도도를 각각 가르킨다.
따라서 13.56 MHz와 400 kHz의 주파수를 동시에 인가하는 경우는 13.56 MHz 의 주파수만을 인가하는 경우에 비해 스킨 깊이가 약 6 배 증가함으로써 고밀도 플라즈마 생성 및 밀도 균일도를 향상시키는 효과를 제공한다.
본 발명은 두 가지 주파수 이상의 고주파 전력을 한 개의 안테나에 공급하여 각각 다른 스킨 깊이를 가지는 플라즈마를 생성함으로써, 보다 높은 주파수의 고주파전력에 의해 고밀도 플라즈마를 형성하고 보다 낮은 주파수의 고주파전력에 의해 플라즈마 밀도 분포를 균일하게 하는 고밀도 플라즈마 발생원 및 방법을 제공한다. 보다 상세하게는 상기에 기술된 사상에 의해 쉽게 유추할 수 있는 것 처럼, 두가지 이상의 주파수를 적절히 선택하고, 전력을 적절히 공급함으로써 플라즈마 밀도 및 밀도 균일 도를 제어할 수 있는 고밀도 플라즈마 발생원 및 방법을 제공한다.
제 1 도는 기존의 고밀도 플라즈마 장치의 구성도이다.
(a) 헬리콘 플라즈마 발생원,(b) 결합형 플라즈마 발생원,(c) 유도용량 결합형 플라즈마 발생원
제 2 도는 본 발명의 고밀도 플라즈마 발생원의 구성도
제 3 도는 본 발명의 두 가지 주파수를 안정적으로 결합하는 고밀도 플라즈마 발생원의 실시예
10. 전력원 80. 고밀도 플라즈마 발생원
20. 정합기 81. 헬리콘 플라즈마 발생원
30. 결합기 82. 트랜스포머 결합형 플라즈마 발생원
40. 안테나 83. 유도용량 결합형 플라즈마 발생원
50. 유전체 윈도우 90. 기판척 정합기
60. 기판 척 100. 기판척 전력원
70. 리액터

Claims (5)

  1. 안테나에 전력을 인가하여 플라즈마를 생성하는 고밀도 플라즈마 발생원에 있어서,
    안테나 코일 또는 헬리콘 코일 형상의 안테나에 복수개의 서로 다른 주파수를 갖는 전력을 인가하는 복수의 전력원;
    상기 복수의 전력원과 안테나의 임피던스 정합을 위하여 일대일 매칭되는 복수의 정합기; 및
    상기 복수의 정합기에서 공급되는 전력을 동시에 안테나에 공급하기 위한 복수의 주파수 필터로 구성된 주파수 결합기를 포함하고,
    상기 복수의 주파수 필터는
    각각의 주파수 크기가 F1> F2> ...... >Fn이라 하면, F1의 주파수필터는 F1이하의 주파수를 차단하는 고역통과필터를 장착하고, Fn의 주파수필터는 저역통과필터를 장착하고, F1과 Fn 사이의 주파수영역에는 각각의 주파수를 통과시키는 대역통과필터를 장착하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 발생원.
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