KR100532365B1 - 균일한 플라즈마를 제공하는 유도 결합형 다중 코일플라즈마 소스 - Google Patents

균일한 플라즈마를 제공하는 유도 결합형 다중 코일플라즈마 소스 Download PDF

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Abstract

균일한 플라즈마를 제공하는 유도 결합형 다중 코일 플라즈마 소스(plasma source)를 제공한다. 본 발명의 일 관점에 따른 유도 결합형 플라즈마 소스는 제1유도 코일과, 제1유도 코일의 외곽을 둘러싸도록 배치되고 제1유도 코일에 대향되는 코일 부분이 제1유도 코일과 평행하도록 감긴 다수의 제2유도 코일들, 및 제1유도 코일 및 제2유도 코일들이 플라즈마를 발생할 유도 자장을 제공하도록 전력을 공급하는 전력 공급부를 포함하여 구성될 수 있으며, 제1유도 코일은 상기 전력 공급부에 연결되는 인입단과 접지될 인출단이 동일하게 높이로 위치하고 발생될 플라즈마와는 반대측인 제1유도 코일 상측으로 상기 인입단 및 인출단이 나란히 인입 인출되게 제1유도 코일은 내려 감고 다시 올려 감는 방식으로 감기되 유도 코일의 내려 감기는 부분과 올려 감기는 부분이 순차적으로 교차되게 감긴 코일일 수 있다.

Description

균일한 플라즈마를 제공하는 유도 결합형 다중 코일 플라즈마 소스{Inductively-coupled plasma source producing uniform plasma by using multi-coils}
본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 특히, 반도체 제조용 챔버(chamber)에서 최대 코일(coil) 면적을 가질 수 있으며 균일한 플라즈마(plasma)를 제공하는 유도 결합형 다중 코일 플라즈마 소스(plasma source)에 관한 것이다.
현재, 반도체 제조 공정, 특히, 식각이나 증착 공정에 플라즈마를 도입함으로써 공정상의 많은 개선들이 이루어지고 있다. 이와 함께, 고밀도 플라즈마를 생성시키고 플라즈마 균일도를 향상하기 위해서도 많은 시도들이 행해져오고 있다. 이러한 시도들 중의 한 예가 유도 결합형 플라즈마(ICP:Inductively Coupled Plasma)이다.
이러한 유도 결합 플라즈마 소스의 예들은 미국 특허 제5435881호(John S. Ogle 에 의한 "Apparatus for producing planar plasma using varying magnetic poles", 1995년 7월 25일 등록)나 미국 특허 제6,273,022 B1호(Bryan Y. Pu 등에 의한 "Distributed inductively-couped plasma source", 2001년 8월 14일 등록)에 제시된 바와 같다. 이러한 문헌들에는 유도 코일을 다수 개 배열함으로써 유도 결합 플라즈마 소스를 개선하고자 하고 있다.
이와 같이 유도 결합 플라즈마 소스에 대한 개선들이 시도되어 왔으나, 여전히 유도 코일들에 의해서 구현되는 유도 자기장의 불균일에 대한 개선이 계속 요구되고 있다. 특히, 방사상의 플라즈마의 불균일도는 더욱 개선되어야할 사항으로 인식되고 있다. 방사상의 플라즈마 불균일 현상은 유도 자기장이 방사상으로 고르게 분포되지 못하고 있는 현상에 의해서 주로 기인된다. 플라즈마 소스의 중심부와 외곽부의 유도 자기장이 불균일해지면 발생되는 플라즈마는 방사상으로 고르게 분포되지 못하여 플라즈마의 균일도는 현저하게 감소하게 된다.
따라서, 플라즈마의 균일도를 증가시키기 위해서는 유도 결합 플라즈마 소스가 보다 방사상으로 균일한 유도 자기장을 제공하여야 한다. 이에 따라, 방위각상 뿐만 아니라 방사상으로 보다 균일한 유도 자기장을 제공할 수 있는 유도 결합 플라즈마 소스가 절실히 요구된다. 특히, 현재 반도체 제조 공정이 300㎜ 구경의 대구경 웨이퍼를 사용하는 것이 크게 요구되고 있으므로, 이러한 방사상으로 균일한 유도 자기장을 제공할 수 있는 유도 결합 플라즈마 소스의 개발이 더욱 절실하게 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 주어진 면적 안에서 유도 자기장의 세기를 최대화하며 유도 자기장의 균일도를 극대화할 수 있는 유도 코일 배치를 가져 균일한 플라즈마를 제공할 수 있는 유도 결합형 다중 코일 플라즈마 소스를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 주어진 면적 안에서 유도 자기장의 세기를 최대화하며 유도 자기장의 균일도를 극대화할 수 있는 유도 결합형 다중 코일 플라즈마 소스를 제공할 수 있다.유도 결합형 플라즈마 소스는, 원형, 다각형 또는 정다각형 기둥 형상의 프레임(frame)의 제1코일 지지부의 측면에 감겨 원형, 다각형 또는 정다각형을 이루게 감긴 제1유도 코일, 상기 제1유도 코일의 외곽을 둘러싸도록 배치되되 상기 제1코일 지지부의 측면에 평행하게 대향되는 대향면을 가지는 기둥 형상의 프레임의 제2코일 지지부들의 측면에 감겨 상기 제1유도 코일에 대향되는 측면에 감긴 코일 부분이 상기 제1유도 코일과 평행하게 감긴 다수의 제2유도 코일들, 및 상기 제1유도 코일 및 상기 제2유도 코일들이 플라즈마를 발생할 유도 자장을 제공하도록 전력을 공급하는 전력 공급부를 포함하되, 상기 제1유도 코일은 상기 전력 공급부에 연결되는 인입단과 접지될 인출단이 동일하게 높이로 위치하고 상기 발생될 플라즈마와는 반대측인 상기 제1유도 코일 상측으로 상기 인입단 및 인출단이 나란히 인입 인출되게 상기 제1유도 코일은 상기 제1코일 지지부의 측면을 내려 감고 다시 올려 감는 방식으로 감기되 상기 유도 코일의 내려 감기는 부분과 올려 감기는 부분이 순차적으로 교차되게 감긴 코일일 수 있다. 또한, 상기 유도 결합형 플라즈마 소스에서, 상기 제2유도 코일이 코일의 면적을 증가시키기 위해 상기 제2유도 코일들 상호간에 대향하는 측면 부분의 코일 부분이 상호간에 평행하도록 감긴 코일로 도입될 수 있다. 상기 유도 코일은 솔레노이드형 코일, 평면 나선형 코일 또는 솔리노이드형과 평면 나선형이 혼재된 형태로 감긴 코일일 수 있다. 상기 제1유도 코일의 직경은 상기 제2유도 코일 및 제1유도 코일을 포함하는 전체 외주에 대한 직경에 대해 1/2 내지 1/4일 수 있다. 상기 유도 코일 각각의 중심에 삽입되는 자기 코어(magnetic core)를 더 포함할 수 있다. 상기 전력 공급부는 상기 제2유도 코일들이 인접하는 상호 간에 반대 극성인 자장을 발생시키고 상기 제1유도 코일이 어느 하나의 극성의 자장을 발생시키도록 상기 제1유도 코일 및 상기 제2유도 코일들에 상기 전력을 공급하거나, 또는 상기 제2유도 코일들이 인접하는 상호 간에 반대 극성인 자장을 발생시키도록 상기 인접하는 두 제2유도 코일들은 상호 간에 반대 방향으로 감긴 코일들로 이루어질 수 있다. 본 발명에 따르면, 주어진 면적 안에서 유도 자기장의 세기를 최대화하며 유도 자기장의 균일도를 극대화할 수 있는 유도 코일 배치를 가져 방사상으로도 균일한 플라즈마를 제공할 수 있는 유도 결합형 다중 코일 플라즈마 소스를 제공할 수 있다.
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이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
본 발명의 실시예들에서는 보다 균일한 유도 자기장을 제공할 수 있어 유도 자기장에 의해 발생되는 플라즈마의 균일도를 극대화할 수 있도록 유도 코일들이 배치된 유도 결합형 플라즈마 소스를 제공한다. 이러한 유도 결합형 플라즈마 소스는 반도체 제조용 챔버에 장착되어 300㎜의 대구경의 웨이퍼를 사용하는 데 효과적으로 이용될 수 있다. 이러한 유도 결합형 플라즈마 소스는, 특히 방위각상으로의 플라즈마의 균일도를 제고하기 위해서, 중심의 제1유도 코일과 제1유도 코일 주변으로 배열되는 다수의 제2유도 코일들을 포함하여 구성되고, 이때, 제2유도 코일들과 제1유도 코일의 대향하는 면들에서 이러한 코일들은 상호간에 평행하게 배치된다. 이와 같이 제1유도 코일과 제2유도 코일이 대향하는 면에서 서로 평행하게 배치됨에 따라, 유도 자기장이 중심부로부터 외곽 방향으로, 즉, 방사상으로 매우 균일하게 발생될 수 있다. 방사상으로 균일한 유도 자기장이 발생할 수 있으므로, 이에 의해 발생되는 플라즈마는 매우 균일하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 유도 결합형 플라즈마 소스가 챔버에 설치된 상태를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 제1유도 코일과 제2유도 코일들의 배치를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 평면도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 제1유도 코일과 제2유도 코일이 감긴 상태를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 의한 제1유도 코일과 제2유도 코일에의 전력 공급 상태를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 유도 결합형 플라즈마 소스는 챔버(100)의 상측에 설치될 수 있다. 챔버(100)는 반도체 제조 공정, 예컨대, 식각 공정이 수행될 웨이퍼(150), 예컨대, 300㎜ 구경의 웨이퍼(150)가 장착되는 공간을 제공한다. 챔버(100) 내부는 챔버 뚜껑(101)에 의해서 밀폐되어 진공이 구현될 수 있다. 이러한 챔버 뚜껑(101)은 디스크(disc) 형태의 절연체로 이루어질 수 있다. 또한, 웨이퍼(150)의 뒷면에는 공정에 따라 RF(Radio Frequency) 전력이 제공되어질 수도 있다.
유도 결합형 플라즈마 소스는 기본적으로 중앙부의 제1유도 코일(210)과 도 2에 제시된 바와 같이 제1유도 코일(210)의 주위를 감싸며 배열 배치되는 다수의 제2유도 코일(250)들로 구성될 수 있다. 이러한 유도 코일들(210, 250)은 각각의 코일 지지부들(310, 350)들에 감긴 상태로 도입된다. 코일 지지부들(310, 350)은 소스 지지판(390)에 올려져 실질적으로 하나의 플라즈마 소스의 형태로 결합된다. 소스 지지판(390)은 챔버 뚜껑(101) 상에 올려지게 되어 결국 유도 결합형 플라즈마 소스가 챔버(100)의 상측에 위치하게 한다. 그리고, 이러한 챔버(100)에는 이러한 유도 결합형 플라즈마 소스를 가려주는 커버(cover:105)가 더 설치된다.
유도 코일들(210, 250)들에는 유도 자장을 발생시키기 위한 전력이 공급할 전원 공급부(410)가 연결된다. 이러한 전원 공급부(410)는 교류 전류 발생기나 RF 발생기 등을 포함할 수 있다. 이러한 전원 공급부(410)는 유도 코일들(210, 250)이 서로 다른 위상의 전기를 공급하여 유도 코일들(210, 250)이 서로 같거나 혹은 다른 극성의 자장을 발생시키도록 허용한다. 이러한 위상차를 주기 위해서 전원 공급부(410)와 유도 코일들(210, 250)은 다양한 회로 형태로 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 전원 공급부(410)와 유도 코일들(210, 250) 사이에 다양한 매칭 네트워크(matching network:450)가 구성될 수 있다. 이와 같은 기본 적인 구성은 본 출원인에 의한 국내 특허 출원 제2002-65178호("건식식각용 반도체 제조장치", 2002년 10월 24일자 출원)에서 제시된 바에 의해서 설명될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1유도 코일(210)은 중앙부에 위치하고 제2유도 코일(250)들은 이러한 제1유도 코일(210) 주위를 감싸도록 배치된다. 이때, 제1유도 코일(210)과 제2유도 코일(250)이 대향하는 부분, 예를 들어, 도 2의 201과 같은 부분에서의 코일들은 상호 간에 평행하도록 한다. 즉, 제1유도 코일(210)이 도 2에 제시된 바와 같이 정8각형의 이루도록 제1코일 지지부(310)에 감긴 경우, 정8각형의 변(201)을 이루는 제1유도 코일(210) 부분과, 이러한 변(201)에 대향되는 제2유도 코일(250) 부분은 상호 간에 평행하게 도입된다.
이와 같이 두 유도 코일(210, 250)들이 상호간에 일정 부분에서 상호 간에 평행하기 위해서는 도 3에 제시된 바와 같이 코일 지지부들(310, 350)들의 형태를 이에 맞게 조절함으로써 가능해진다. 즉, 도 3에 제시된 바와 같이 제1코일 지지부(310)를 정8각형의 기둥 형상으로 구현하고, 그 측면에 코일을 위한 코일홈(전도성 층)을 구현한 후, 이러한 코일홈(전도성 층)에 코일, 예컨대, 직경 2㎜의 구리선을 감아 제1유도 코일(210)이 정8각형 형태를 가지도록 할 수 있다. 또한, 이에 대응하여 제2코일 지지부(350)는 제1코일 지지부(310)의 측면에 대응되는 측면을 가지는 다각형 형태, 예컨대, 도 3에 제시된 바와 같은 사각 사변형 기둥 형태로 형성될 수 있다. 이러한 제2코일 지지부(350)의 측면에도 코일홈(351)이 구비되고, 이러한 코일홈(351)에 코일이 감겨 제2유도 코일(250)이 구현된다.
이때, 도 3에 제시된 바와 같이 제1코일 지지부(310)의 측면과 제2코일 지지부(350)의 측면이 서로 평행하게 대향시킴으로써, 제1유도 코일(210)과 제2유도 코일(250)의 변이 상호간에 평행하게 대향되게 된다.
이러한 제2유도 코일(250)을 위한 제2코일 지지부(350)는 제1코일 지지부(310)가 정8각형과 같은 정다각형이나 또는 다각형 형태로 이루어질 경우, 정다각형 또는 다각형의 변의 수만큼 구비되어 설치된다. 이때, 각각의 제2코일 지지부(350)들은 도 2에 제시된 바와 같이 제1유도 코일(210)과 대향되는 부분의 제2유도 코일(250)들이 제1유도 코일(210)과 상호 간에 평형을 구현하도록 설치된다. 이때, 제1유도 코일(210)과 제2유도 코일(250)간의 이격 간격은 허용하는 한 최소가 되는 것이 바람직하다. 또한, 제2유도 코일(250)들 간의 이격 간격 또한 허용하는 한 최소가 되도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 상호 대향되는 부분에서 제1유도 코일(210)과 제2유도 코일(250)이 평행하게 되면, 중심으로부터 외곽으로 방사상으로 자기장 분포가 보다 고르게 분포되도록 하는 데 이점이 있다. 만일, 제1유도 코일과 제2유도 코일이 평행하지 않고 어는 한 점에서만 첨예하게 대향되도록 한다면, 예를 들어, 제2유도 코일이 쐐기 형태로 감긴 코일이라면, 쐐기의 끝점을 지나는 방사상 방향과 다른 방사상 방향 사이에서의 유도 자장 분포는 달라질 수 있다. 이는 심각한 자장 분포의 불균일을 초래하는 것으로 이해될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서는 설명한 바와 같이 상호 대향되는 부분에서 제1유도 코일(210)과 제2유도 코일(250)이 평행하여 방사상으로의 자기장 분포가 보다 균일하도록 유도할 수 있다. 이때, 제2유도 코일(250)들 간의 대향하는 부분 또한 상호 간에 평행한 것이 보다 균일한 자기장 분포에 더욱 유리하다.
한편, 도 2를 다시 참조하면, 제1유도 코일(210)은 인가되는 RF 전력에 의해서 N 극성의 자장을 발생시키게 되며, 주위의 제2유도 코일(250)들은 상호간에 다른 극성의 자장을 발생시키게 된다. 이러한 자장의 발생은 전원 공급부(410)로부터의 공급되는 RF 전력의 위상에 의해서 순차적으로 변화될 수 있다. 예를 들어, RF 전력을 13.56 MHz로 인가할 때, 제2유도 코일(250)과 제1유도 코일(210)에 위상차가 상호 간에 대략 90°정도로 주면, 제1유도 코일(210)과 제2유도 코일(250) 간에는 서로 다른 극성의 자장이 발생될 수 있다. 또한, 제2유도 코일(250)들 간에도 이러한 위상차로 전력을 공급하면, 상호간에 서로 다른 극성의 자장들이 순차적으로 발생되도록 유도할 수 있다. 또는, 동일한 위상 시에도 제2유도 코일(250)들이 상호간에 반대 방향으로 감긴 경우 서로 다른 극성의 자장들이 순차적으로 발생되도록 유도될 수 있다.
한편, 도 2와 도 3을 다시 참조하면, 제1유도 코일(210)은 제1코일 지지부(310)에 감기는 방법에 따라, 유도 결합형 플라즈마 소스가 발생시키는 유도 자장의 균일도에 영향을 미칠 수 있다. 도 3에 제시된 바는 제1코일 지지부(310)에 제1유도 코일(210)을 감을 때 상측에서부터 하측으로 일단 내려 감기를 한 후 다시 올려 감기를 하여, 제1유도 코일(210)의 인입단(211)과 인출단(215)이 대등한 높이를 가지도록 하고 동일한 방향으로 연장되도록 유도할 수 있다. 인입단(211)에는 RF 전력이 공급되고, 인출단(215)은 챔버(100)나 커버(105)로 연장되어 접지되게 된다. 이와 같이 인입단(211)과 인출단(215)이 모두 제1유도 코일(210)의 상측으로 연장될 수 있으면, 제1유도 코일(210) 또는 제2유도 코일(250) 하측으로 형성되는 유도 자장에의 영향을 최소화할 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 도 4a는 설명한 바와 같이 제1유도 코일(210)에서의 인출단(215)을 인입단(211)과 대등한 높이 또는 같은 방향에 설치한 상태를 보여주고 있다. 이에 비해 도 4b는 인입단(211)과 인출단(215')가 다른 높이로 구현되는 경우로, 이러한 경우는 제1유도 코일(210)이 도 3에 제시된 바와 달리, 상측에서부터 하측으로 내려 감기로 제1코일 지지부(310)에 감긴 경우에 해당된다. 이러한 경우, 인출단(215')은 제1유도 코일(210) 아래로 제2유도 코일(250) 아래 부분을 지나 인출될 수밖에 없어 형성되는 유도 자장에 영향을 미치게 된다.
이와 달리, 제2유도 코일(250)의 경우 인입단(251)과 인출단(255)이 서로 다른 높이로 구현될 지라도 인출단(255)이 발생되는 자장 중을 통과하지 않고도 인출되어 접지될 수 있다. 따라서, 제2유도 코일(250)은 내려 감기 방식으로 제2코일 지지부(350)에 감겨도 무방하다.
한편, 도 3을 다시 참조하면, 제1 및 제2코일 지지부(310, 350)는 내부에 빈 관통하는 공간이 구현되도록 프레임(frame) 형태로 구현되는 것이 바람직하다. 이는 유도 코일들(210,250)이 유도 자장을 발생시키는 동작에서 발생될 수 있는 열을 방산하는 데 보다 유리하기 때문이다.
이제까지 제1유도 코일(210)이 평면상에서 볼 때 정8각형 형태로 구현되고, 대등한 평면 상에서 이러한 제1유도 코일(210)의 주위로 상기 정 8각형의 변의 수만큼 제2유도 코일(250)들을 평행하게 도입하는 바를 예로 들어 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이에 변형된 형태들로도 구현될 수 있다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 의한 제1유도 코일과 제2유도 코일들의 배치에 대한 변형예들을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 평면도들이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 제1유도 코일(210) 및 제2유도 코일(250)은 제시된 바와 같이 대향되는 부분에서의 코일들이 평행 상태를 유지하는 한 다양한 형태로 변형될 수 있다. 평면 상에서 볼 때 주어진 제한된 면적 안에서 다수의 코일을 설계함에 있어 단위 면적당 유도 코일 단면적에 합을 가장 크게 할 수 있는 형태로 제1유도 코일(210) 및 제2유도 코일(250)의 형태가 설계되는 것이 바람직하다.
유도 코일에 의해서 유도되는 자기장은 유도 코일 단면적에 비례하므로 도 2에서 도시된 바와 같은 정8각형 형태로 제1유도 코일(210)이 도입되고 이에 대응되게 제2유도 코일(250)이 도입될 수 있으나, 제1유도 코일(210)이 도 5, 도 6 및 도 7 등에 제시된 바와 같이 정6각형이나 정4각형 형태의 정다각형 형태를 가질 수도 있다. 또한, 제시되지는 않았으나, 제1유도 코일(210)은 다각형 형태로도 구현될 수 있다. 또한, 이에 대응되게 제2유도 코일(250)도 다양하게 제시될 수 있고, 제2유도 코일(250)의 외곽 부분 또한 도 5 및 도 6에 제시된 바와 같이 원형이나 도 7에 제시된 바와 같이 LCD(Liquid Crystal Display)에 적합하게 정사각형 또는 사각형으로 구현될 수도 있다.
더욱이, 도 8에 제시된 바와 같이 제1유도 코일(210)이 원형으로 구현될 수 있고, 또한, 이에 대응되게 제2유도 코일(250)이 제1유도 코일(210)에 대응되게 오목하게 구현될 수도 있다. 이 경우, 제2유도 코일(250)이 오목한 형상으로 감기는 것은 코일 지지부를 구현하기가 다소 난해하나 불가능한 것은 아니다.
이와 같이 제1유도 코일(210)과 제2유도 코일(250)은 서로 대향되는 부분이 평행한 상태를 유지하는 한 다양한 평면 형태들로 구현될 수 있으나, 제1유도 코일(210)의 직경이 전체 외주에 대한 직경에 대해서 1/4배 내지 1/2배 범위인 것이 실재 유도 자장의 균일도 유지에 바람직하다. 실질적으로는 제1유도 코일(210)의 직경이 전체 외주 직경에 비해 2/5배 정도인 것이 실험적으로는 바람직하다.
이제까지 설명한 제1유도 코일(210) 및 제2유도 코일(250)은 그 내부에 자기 코어(magnetic core)를 도입하지 않은 상태에 대해서 설명하였다. 본 발명에서는 단위 면적당 유도 코일 면적이 최대가 되는 독특한 코일 배열을 제시하고 있어, 자기 코어 없이도 단일 코일에 상응하는 자기장을 발생시킬 수 있다. 이와 함께, 본 발명의 실시예들에서 설명한 바와 같은 다중 유도 코일 배열의 경우 유도 코일을 다수 개 사용하여 단일 코일에는 이룰 수 없는 균일도의 향상을 꾀할 수 있다. 그리고, 이웃하는 코일의 자기 극성을 반대로 하여 자기장을 웨이퍼 방향이 아닌 이웃하는 코일 방향으로 생성시켜 웨이퍼 방향으로의 자기 투과 거리를 줄여 웨이퍼 손상을 줄이는 이점이 있다. 따라서, 자기 코어 도입에 따른 발열과 균일도 저하는 유발하지 않고 다중 유도 코일의 장점인 높은 균일도와 낮은 자기 투과 거리는 그대로 유지할 수 있다.
그럼에도 불구하고, 이러한 다중 유도 코일 배열은 여러 개의 유도 코일을 사용함으로 인해 단위 면적당 유도 코일 면적이 단일 코일 이상으로 높아지기는 어렵다. 따라서, 상대적으로 자기장 손실이 발생하는 것을 회피하기는 실질적으로 매우 어렵다. 따라서, 이러한 유도 코일 면적 감소에 의한 자기장 손실을 보상해 주어 자기장의 강화가 상대적으로 크게 요구될 때, 유도 코일 속에 도 9에 제시된 바와 같은 자기 코어(910, 950), 예컨대, 페라이트(ferrite) 코어를 삽입할 수 있다.
이러한 자기 코어(910, 950)는 여러 개가 하나의 코일 내에 삽입될 수도 있다. 이때, 자기 코어(910, 950)는 동일한 재질과 크기의 것들이 사용되는 것이 바람직한 데, 이는 자기 코어(910, 950)를 동일한 재질과 크기의 것을 사용하지 않으면 자기장의 균일도의 저하를 초래하는 원인이 될 수도 있기 때문이다. 이러한 자기 코어(910, 950)는 자기장을 높여 주는 장점이 있는 반면 유도 코일 속에 존재함으로 인해 유도 가열되어 발열되는 단점이 있다. 이러한 발열은 도 3에 제시된 바와 같이 코일 지지부(310, 350)가 프레임 형태로 이루어져 열 방산을 용이하게 유도하는 것으로 보상할 수 있다.
이제까지의 제1유도 코일(210) 및 제2유도 코일(250)은 모두 기본적으로 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 솔레노이드 형태로 감긴 코일들을 이용하여 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시예에 의한 유도 결합형 플라즈마 소스는 이러한 솔레노이드 형태로 감긴 코일들을 제1유도 코일(210) 및 제2유도 코일(250)로 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 도 10에 제시된 바와 같이 평면 나선형태로 감긴 제1유도 코일(210') 및 제2유도 코일(250')들로도 구성될 수 있다.
이러한 경우에도 제1유도 코일(210')과 제2유도 코일(250')의 대향하는 부분은 평행 상태로 도입되고, 또한, 제2유도 코일(250')들 상호 간에도 평행 상태로 도입된다. 또한, 도 10에서는 전체 외곽 형태가 정사각형 형태로 제시되고 있으나, 앞서 설명한 바와 같이 상기한 바와 같은 평행 상태를 유지하는 한 필요에 따라 다양한 형태로 변형될 수 있다.
또한, 경우에 따라 솔레노이드형태와 평면 나선형태가 혼재된 형태로 감긴 코일들이 제1유도 코일(210') 및 제2유도 코일(250')로 이용될 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 의한 유도 결합형 플라즈마 소스에 의해서 구현되는 효과를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 웨이퍼 맵(wafer map)이다.
도 11 및 도 12는 도 2에 제시된 바와 같이 제1유도 코일(210) 및 제2유도 코일(250)을 포함하는 유도 결합형 플라즈마 소스를 이용하여 300㎜ 웨이퍼 상에 식각 공정을 수행했을 때, 웨이퍼 상에서 얻어지는 맵들을 도시한 것들이다. 도 11은 제1유도 코일(210)을 도 3을 인용하여 설명한 바와 같이 제1코일 지지부(310)에 코일을 내려감은 후 다시 올려 감아 제1유도 코일(210)을 구현한 경우이고, 도 12는 내려 감기만으로 제1유도 코일(210)을 구현한 경우이다.
도 11 및 도 12의 결과들을 살펴보면, 도 12의 맵에 비해 도 11의 맵이 보다 높은 식각 균일성이 구현된 것을 알 수 있다. 도 11의 결과는 대략 ±1% 대의 낮은 불균일도(최소-최대)가 구현된 것이고, 도 12의 결과는 대략 ±7% 대의 상대적으로 높은 불균일도가 구현된 것을 보여주고 있다. 도 12의 결과는 인출단으로부터 접지단 쪽으로의 식각률이 낮게 나타난 것으로 파악되므로, 도 4b에서와 같은 내려감기 방식이 균일도 개선에 불리함을 보여준다. 이와 함께 도 11의 결과는 본 발명의 실시예에 의해서 매우 높은 식각 균일도를 구현할 수 있음을 보여주고 있고, 따라서, 본 발명의 실시예에 의해서 매우 높은 유도 자장 균일도를 구현할 수 있음을 입증하고 있다. 또한, 제2유도 코일(250)의 경우 내려감기 방식이나 내려감은 후 올려 감은 경우 모두 식각 불균일도의 영향은 미미한 것으로 나타난다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
상술한 본 발명에 따르면, 단위 면적당 유도 코일 면적이 최대가 되는 독특한 코일 배열을 함으로써, 자기 코어 도입 없이도 단일 코일에 상응하는 자기장을 발생시킬 수 있다. 또한, 제1유도 코일과 제2유도 코일이 대향하는 부분이 평행한 상태로 도입되므로, 유도되는 자장의 균일도를 방사상으로도 매우 높일 수 있다. 따라서, 높은 식각 균일도 또는 유도 자장 균일도, 플라즈마 균일도와 하께 낮은 자기 투과 거리는 그대로 유지할 수 있다. 따라서, 300 mm 구경의 반도체 기판 상에서도 공정 능력을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 유도 결합형 플라즈마 소스가 챔버에 설치된 상태를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 유도 결합형 플라즈마 소스를 구성하는 제1유도 코일과 제2유도 코일들의 상호 간의 배치를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 유도 결합형 플라즈마 소스를 구성하는 제1유도 코일과 제2유도 코일이 감긴 상태를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 의한 유도 결합형 플라즈마 소스를 구성하는 제1유도 코일과 제2유도 코일에의 전력 공급 상태를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 평면도들이다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 의한 유도 결합형 플라즈마 소스를 구성하는 제1유도 코일과 제2유도 코일들의 상호 간의 배치에 대한 변형예들을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 평면도들이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 의한 유도 결합형 플라즈마 소스에 의해서 구현될 수 있는 효과를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 웨이퍼 맵(wafer map)이다.

Claims (11)

  1. 원형, 다각형 또는 정다각형 기둥 형상의 프레임(frame)의 제1코일 지지부의 측면에 감겨 원형, 다각형 또는 정다각형을 이루게 감긴 제1유도 코일;
    상기 제1유도 코일의 외곽을 둘러싸도록 배치되되 상기 제1코일 지지부의 측면에 평행하게 대향되는 대향면을 가지는 기둥 형상의 프레임의 제2코일 지지부들의 측면에 감겨 상기 제1유도 코일에 대향되는 측면에 감긴 코일 부분이 상기 제1유도 코일과 평행하게 감긴 다수의 제2유도 코일들; 및
    상기 제1유도 코일 및 상기 제2유도 코일들이 플라즈마를 발생할 유도 자장을 제공하도록 전력을 공급하는 전력 공급부를 포함하되,
    상기 제1유도 코일은 상기 전력 공급부에 연결되는 인입단과 접지될 인출단이 동일하게 높이로 위치하고 상기 발생될 플라즈마와는 반대측인 상기 제1유도 코일 상측으로 상기 인입단 및 인출단이 나란히 인입 인출되게 상기 제1유도 코일은 상기 제1코일 지지부의 측면을 내려 감고 다시 올려 감는 방식으로 감기되 상기 제1유도 코일의 내려 감기는 부분과 올려 감기는 부분이 순차적으로 교차되게 감긴 코일인 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 소스.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유도 코일은 솔레노이드형 코일, 평면 나선형 코일 또는 솔리노이드형과 평면 나선형이 혼재된 형태로 감긴 코일인 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 소스.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 원형, 다각형 또는 정다각형 기둥 형상의 프레임(frame)의 제1코일 지지부의 측면에 감겨 원형, 다각형 또는 정다각형을 이루게 감긴 제1유도 코일;
    상기 제1유도 코일의 외곽을 둘러싸도록 배치되되 상기 제1코일 지지부의 측면에 평행하게 대향되는 대향면을 가지는 기둥 형상의 프레임의 제2코일 지지부들의 측면에 감기겨 상기 제1유도 코일에 대향되는 코일 부분이 상기 제1유도 코일과 평행하도록 감긴 다수의 제2유도 코일들; 및
    상기 제1유도 코일 및 상기 제2유도 코일들이 플라즈마를 발생할 유도 자장을 제공하도록 전력을 공급하는 전력 공급부를 포함하되,
    상기 제1유도 코일은 상기 전력 공급부에 연결되는 인입단과 접지될 인출단이 동일하게 높이로 위치하고 상기 발생될 플라즈마와는 반대측인 상기 제1유도 코일 상측으로 상기 인입단 및 인출단이 나란히 인입 인출되게 상기 제1유도 코일은 상기 제1코일 지지부의 측면을 내려 감고 다시 올려 감는 방식으로 감기되 상기 제1유도 코일의 내려 감기는 부분과 올려 감기는 부분이 순차적으로 교차되게 감긴 코일이고,
    상기 제2유도 코일은 코일의 면적을 증가시키기 위해 상기 제2유도 코일들 상호간에 대향하는 측면 부분의 코일 부분이 상호간에 평행하도록 감긴 코일인 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 소스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1유도 코일의 직경은 상기 제2유도 코일 및 제1유도 코일을 포함하는 전체 외주에 대한 직경에 대해 1/2 내지 1/4인 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 소스.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 유도 코일 각각의 중심에 삽입되는 자기 코어(magnetic core)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 소스.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전력 공급부는 상기 제2유도 코일들이 인접하는 상호 간에 반대 극성인 자장을 발생시키고 상기 제1유도 코일이 어느 하나의 극성의 자장을 발생시키도록 상기 제1유도 코일 및 상기 제2유도 코일들에 상기 전력을 공급하거나
    또는 상기 제2유도 코일들이 인접하는 상호 간에 반대 극성인 자장을 발생시키도록 상기 인접하는 두 제2유도 코일들은 상호 간에 반대 방향으로 감긴 코일들로 이루어진 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 소스.
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