KR100602258B1 - 플라즈마 가속장치 및 그것을 구비하는 플라즈마 처리시스템 - Google Patents

플라즈마 가속장치 및 그것을 구비하는 플라즈마 처리시스템 Download PDF

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Abstract

반도체 기판 처리공정에 사용되는 플라즈마 가속장치 및 그것을 구비하는 플라즈마 처리 시스템이 개시된다. 플라즈마 가속장치는, 내벽, 내벽과 소정거리를 두고 내벽을 에워싸는 외벽, 및 내벽과 외벽의 일단부를 오픈하는 출구를 형성하도록 내벽과 외벽의 타단부를 연결하는 단부벽을 구비하는 채널; 채널내에 가스를 공급하는 가스 공급부; 및 채널내의 가스에 이온화 에너지를 공급하여 플라즈마 빔을 생성하고, 생성된 플라즈마 빔을 출구쪽으로 가속시키는 플라즈마 생성/가속부를 포함하며; 채널의 내벽과 외벽 사이의 소정거리는 2 내지 4cm의 범위를 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 플라즈마 채널의 내벽과 외벽 사이의 거리가 2 내지 4cm의 범위를 가지도록 함으로써, 식각, 스퍼터링 등과 같은 반도체 기판 처리공정시 플라즈마 에처 또는 플라즈마 스퍼터링 시스템의 효율을 최적화할 수 있다.
플라즈마, 가속, 채널, 내벽, 외벽, 거리

Description

플라즈마 가속장치 및 그것을 구비하는 플라즈마 처리 시스템{Plasma accelerating apparatus and plasma processing system having the same}
도 1은 한 종래의 플라즈마 가속장치의 개략 절개 사시도.
도 2는 다른 종래의 플라즈마 가속장치의 개략 단면도.
도 3은 또 다른 종래의 플라즈마 가속장치의 개략 절개 사시도.
도 4는 도 3에 도시한 플라즈마 가속장치의 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 가속장치를 구비한 플라즈마 처리 시스템의 개략 절개 사시도.
도 6은 도 4에 도시한 플라즈마 처리 시스템의 플라즈마 채널의 단면도.
도 7a 내지 도 7d는 도 6에 도시한 플라즈마 처리 시스템의 상부원형 루프 인덕터를 1mTorr의 압력에서 1.8KW의 RF에너지로 가동했을 때 프라즈마 채널의 내벽과 외벽 사이의 거리에 대한 일렉트론 온도, 플라즈마 밀도, 최대 이온에너지, 및 플라즈마 처리 시스템의 효율 사이의 관계를 예시하는 그래프.
도 8는 도 4에 도시한 플라즈마 처리 시스템의 플라즈마 채널의 축방향 거리에 따른 자기장의 세기를 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 플라즈마 가속장치를 구비한 플라즈마 스퍼터링 시스템의 개략 절개 사시도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100, 100': 플라즈마 처리 시스템 110: 플라즈마 채널
120, 190: 가스 공급부 130: 플라즈마 생성/가속부
132, 140, 144: 원형 루프 인덕터 150: RF전원
170: 공정쳄버 180, 180': 기판홀더
185, 185': 기판
본 발명은 플라즈마 가속장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판으로부터 박막을 식각하여 제거하거나 기판에 박막을 증착하는 반도체 기판 처리공정에 사용되는 플라즈마 가속장치 및 그것을 구비하는 플라즈마 처리 시스템에 관한 것이다.
최근, 고속의 마이크로 프로세서 및 고기록 밀도의 메모리의 필요가 증가함에 따라, 하나의 반도체 칩 상에 많은 소자를 탑재할 수 있도록 게이트 유전체의 두께 및 로직 소자의 측방향 크기를 감소시키는 기술, 예를들면, 트랜지스터 게이트 길이를 35mm 이하로 감소시키고, 게이트 옥사이드의 두께를 0.5nm 이하로 감소시키며, 금속화 레벨을 6이상으로 향상시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나, 이러한 기술을 실현하기 위해서는 반도체 칩 제조공정시 장치의 실장밀도를 높일 수 있는 고성능의 증착 및/또는 식각장치가 요구된다. 이러한 고성능의 증착 및/또는 식각장치의 예로는 플라즈마 가속장치를 사용하는 플라즈마 에 처(Plasma etcher), 플라즈마 스퍼터링시스템(Plasma sputtering system) 등이 널리 알려져 있다.
도 1은 플라즈마 에처 또는 플라즈마 스퍼터링시스템에 사용되는 종래의 홀 효과 플라즈마 가속장치(10)를 개략적으로 도시한다. 이 홀 효과 플라즈마 가속장치(10)는 미국특허 제5,847,593호에 개시되어 있다.
도 1을 참조하면, 홀 효과 플라즈마 가속장치(10)는 차폐된 상단과 개방된 하단을 가지는 원형 채널(22)를 구비한다. 내부 및 외부 원형 코일(16, 17, 18, 18', 19)은 원형 채널(22)의 내부 및 외부에 동축으로 나란히 위치하며, 물리적 및 자기적으로 분리된 자극을 가지고 자기장을 형성한다. 원형 양극(24)은 가스공급 파이프(25)가 연결되어 공급되는 가스를 이온화시킨다. 음극(27)은 채널(22) 하단의 자극 상에 위치하고, 가스공급선(29)이 연결되어 전자를 공급한다.
외부 코일(17, 18, 18', 19)은 채널(22) 외부를 감싸는 상부 코일(17) 및 채널(22)의 개구를 감싸는 분리된 섹션의 하부 코일(18, 18', 19)로 구분되고, 상부 코일(17)과 내부 코일(16)의 상부는 유전층(23)으로 격벽되어 이 영역의 자기
장을 차폐함으로써 채널(22) 전체가 아닌 채널(22)의 개구부(22a) 영역에서만 채널(22)의 공간부(20)를 가로지르는 국소적인 자기장이 유도되도록 한다. 하부 코일(18, 18',19)이 위치하는 부분에 형성된 자기장은 전자를 국소적으로 포획한다.
따라서, 홀 효과 플라즈마 가속장치(10)는 양극(24)과 음극(27)이 존재하여 형성된 전기장으로는 양이온만을 가속시킬 수 있고, 전기적으로 중성인 플라즈마를 가속시킬 수 없다. 또한, 홀 효과 플라즈마 가속장치(10)는 이온을 증착시키고자 하는 기판 표면상에 전하를 축적하여 전하 단락과 같은 손실을 일으킬 수 있으며, 미세 패턴 내 노칭을 유발하여 식각 프로파일을 불균일하게 할 수 있다.
도 2는 플라즈마 스퍼터링시스템 또는 플라즈마 에처에 사용되는 종래의 동축 플라즈마 가속장치(40)를 개략적으로 도시한다. 이 동축 플라즈마 가속장치(40)는 논문 IEEE Tran. on Plasma Sci., VOL. 22, No. 6, 1015, 1994. J. T. Scheuer, et. al.에 개시되어 있다.
도 2를 참조하면, 동축 플라즈마 가속장치(40)는 차폐된 상단과 개방된 하단을 가지고 내부로 인입되는 가스가 방전되면서 생성되는 플라즈마가 가속되는 원형 채널(50)을 구비한다. 실린더형 음극(54)은 채널(50)의 내부에 위치하고, 실린더형 양극(52)은 음극(54)과 소정간격 이격되어 채널(50) 개구부의 외측에 동축방향으로 나란히 위치한다.
또한, 동축 플라즈마 가속장치(40)는 채널(50) 내 플라즈마를 제어하는 제어코일(64), 음극(54) 내부에 마련된 음극 코일(56), 및 양극(52) 외부에 마련된 양극 코일(58)을 구비한다.
이러한 동축 플라즈마 가속장치(40)는 양극(52)과 음극(54)이 각각 마련되는 내벽 및 외벽이 설치된 채널(50)과 채널(50)의 외부에 제어 코일(64)을 구비함으로써, 채널(50)을 가로지르는 전류를 내부에 형성하고 이 전류에 의해 음극(54)을 감싸는 방사상 방향으로 자기장을 유도한다. 이 동축 플라즈마 가속장치(40)에는 기본적으로 출구속도가 500eV 정도로 매우크고 양극과 음극이 존재하는 직류방전을 이용하기 때문에, 채널(50)내에서 양극(52)에서 음극(54)으로 가속되는 플라즈마 이온이 음극(54)에 충돌하여 음극(54)을 손상시키는 정도가 심하여 반도체 박막 증착공정의 식각 공정을 위한 용도로 사용하기는 어렵다.
이러한 문제를 방지하기 위하여, 양극과 음극을 구비하지 않는 인덕티블리 커플드 방전형(Inductively coupled discharge type) 플라즈마 가속장치(60; 도 3)가 제안되었다.
도 3을 참조하면, 이 플라즈마 가속장치(60)는 플라즈마 채널(77), 상부 원형루프 인덕터(79), 및 내부 및 외부 원형 루프 인덕터(71, 73)를 구비한다.
플라즈마 채널(77)은 가스가 이온화되고 가속화되는 곳으로, 하부방향으로 오픈된 출구(77a)를 갖는 도우넛 형태로 형성된다. 플라즈마 채널(77)의 출구(77a)는 플라즈마 가속장치(60)가 적용되는 플라즈마 에처 또는 스퍼터링 시스템의 공정쳄버(70; 도 5 참조)와 연통된다.
플라즈마 채널(77)의 단부벽(81)에는 상부 원형루프 인덕터(79)가 배치되어 있다. 상부 원형 루프 인덕터(79)는 플라즈마 채널(77)내의 가스에 RF에너지를 공급하여, RF에너지에 의해 발생된 전자를 가스의 중성원자에 충돌시켜 플라즈마 빔을 형성한다.
플라즈마 채널(77)의 내벽(82)과 외벽(83)에는 자기장을 발생하도록 코일이 권선된 내부 및 외부 원형 루프 인덕터(71, 73)가 배치되어 있다. 내부 및 외부 원형 루프 인덕터(71, 73)는 동축으로 나란히 배열되어 있다.
이러한 종래의 플라즈마 가속장치(60)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 가스소스(도시하지 않음)로부터 플라즈마 채널(77) 내부에 가스가 공 급되면, 상부 원형 루프 인덕터(79)은 공급된 가스에 RF에너지를 공급한다. 그 결과, RF에너지에 의해 발생하는 전자는 가스의 중성원자와 충돌하게 되고, 가스는 이온화하여 플라즈마 빔을 발생한다.
내부 및 외부 원형 루프 인덕터(71, 73)는 플라즈마 채널(77) 내부에 자기장(B)과 이차 전류(J)를 유도하여 플라즈마 빔을 플라즈마 채널(77)의 출구(77a)쪽으로 가속시키는 전자기력(F)을 형성한다.
이러한 플라즈마 가속장치(60)는 전자기력(F)에 의해 극성에 관계없이 동일방향으로 이온을 가속하므로, 종래의 정전형 가속장치(10, 40)에 반드시 구비되던 양극과 음극을 구비할 필요가 없게되어 장치의 구성을 간단히 할 수 있고, 또 내부 및 외부 원형 루프 인덕터(71, 73)에 흐르는 전류를 조절함으로써, 생성되는 전자기력(F)을 간단히 조절할 수 있는 장점이 있다.
그러나, 일반적으로, 플라즈마 에처 또는 스퍼터링 시스템에서 식각이나 스퍼터링이 발생하는 식각율(Etching rate)은 이온 에너지와 플라즈마 밀도에 의해 좌우된다. 이러한 이온 에너지와 플라즈마 밀도는 플라즈마 채널(77) 내부에 인가되는 RF에너지와 플라즈마 채널(77) 내부에 유도되는 자기장(B)과 이차 전류(J)에 의해 형성되는 전자기력(F) 뿐 아니라, 플라즈마 빔이 생성 및 소멸되는 플라즈마 채널(77)의 내부공간의 크기에 의해 결정된다. 따라서, 플라즈마 채널(77)의 내부공간, 즉 내벽(82)과 외벽(83)사이의 거리(D')는 플라즈마 에처 또는 스퍼터링 시스템의 효율을 결정하는 중요한 변수가 된다.
하지만, 지금까지 내벽(82)과 외벽(83)사이의 거리(D')를 이온 에너지, 플라 즈마 밀도 등의 여러 변수를 종합적으로 고려하여 결정하려는 시도는 전혀 없었다.
따라서, 이온 에너지, 플라즈마 밀도 등의 여러 변수를 고려하여 플라즈마 에처 또는 스퍼터링 시스템의 효율을 최적화할 수 있도록 결정한 내벽(82)과 외벽(83)사이의 거리(D')를 갖는 플라즈마 가속장치(60)의 필요성이 요구되고 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 내벽과 외벽사이의 거리가 시스템의 효율을 최적화할 수 있도록 구성된 플라즈마 채널을 구비한 플라즈마 가속장치 및 그것을 구비하는 플라즈마 처리 시스템을 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈마 가속장치는, 내벽, 내벽과 소정거리를 두고 내벽을 에워싸는 외벽, 및 내벽과 외벽의 일단부를 오픈하는 출구를 형성하도록 내벽과 외벽의 타단부를 연결하는 단부벽을 구비하는 채널; 채널내에 가스를 공급하는 가스 공급부; 및 채널내의 가스에 이온화 에너지를 공급하여 플라즈마 빔을 생성하고, 생성된 플라즈마 빔을 출구쪽으로 이동시키는 플라즈마 생성/가속부를 포함하며; 채널의 내벽과 외벽 사이의 소정거리는 2 내지 4cm의 범위를 갖는 것을 특징으로 한다.
양호한 실시예에 있어서, 채널의 내벽과 외벽 사이의 소정거리는 약 3cm인 것이 바람직하다.
플라즈마 생성/가속부는 채널의 단부벽의 축방향 외측에 배치된 상부 인덕 터, 채널의 내벽의 방사상 내측에 위치하고, 축방향으로 유도 자기장이 감소하도록 형성된 내부 인덕터, 및 채널의 외벽의 방사상 외측에 내부 인덕터와 나란하게 위치하고, 축방향으로 유도 자기장이 감소하도록 형성된 외부 인덕터로 구성될 수 있다.
내부 및 외부 인덕터는 각각, 코일의 권선수가 동일하게 구성되고 각각에 공급되는 전류가 축방향으로 감소하도록 인가되는 복수의 루프 코일로 구성되는 것이 바람직하다. 선택적으로, 내부 및 외부 인덕터는 각각, 코일의 권선수가 축방향으로 감소되도록 구성된 복수의 루프 코일로 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 의한 플라즈마 처리 시스템은, 내벽, 내벽과 소정거리를 두고 내벽을 에워싸는 외벽, 및 내벽과 외벽의 일단부를 오픈하는 출구를 형성하도록 내벽과 외벽의 타단부를 연결하는 단부벽을 구비하는 채널, 채널내에 가스를 공급하는 제1가스 공급부, 채널내의 가스에 이온화 에너지를 공급하여 플라즈마 빔을 생성하고, 생성된 플라즈마 빔을 출구쪽으로 이동시키는 플라즈마 생성/가속부, 및 채널의 출구와 연통되고, 기판을 고정하는 기판홀더를 구비하는 공정쳄버를 포함하며; 채널의 내벽과 외벽 사이의 소정거리는 2 내지 4cm의 범위를 갖는 것을 특징으로 한다.
양호한 실시예에 있어서, 채널의 내벽과 외벽 사이의 소정거리는 다음식에 의해 계산된 시스템의 효율(Eff)(cm-3eV1/2)을 토대로 결정된 것이 바람직하다.
Eff(cm-3eV1/2) = Np x (εmax)1/2
여기서, Np는 플라즈마 밀도이고,
εmax는 채널과 공정쳄버 사이의 플라즈마 전위차(≒ 4.7 x [채널의 일렉트론온도(Te)-공정쳄버의 일렉트론온도(Te')])임.
플라즈마 생성/가속부는 채널의 단부벽의 축방향 외측에 배치된 상부 인덕터, 채널의 내벽의 방사상 내측에 위치하고, 축방향으로 유도 자기장이 감소하도록 형성된 내부 인덕터, 및 채널의 외벽의 방사상 외측에 내부 인덕터와 나란하게 위치하고, 축방향으로 유도 자기장이 감소하도록 형성된 외부 인덕터로 구성될 수 있다.
내부 및 외부 인덕터는 각각, 코일의 권선수가 동일하게 구성되고 각각에 공급되는 전류가 축방향으로 감소하도록 인가되는 복수의 루프 코일로 구성되는 이 바람직하다. 선택적으로, 내부 및 외부 인덕터는 각각, 코일의 권선수가 축방향으로 감소되도록 구성된 복수의 루프 코일로 구성될 수 있다.
선택적으로, 플라즈마 처리 시스템은 공정쳄버에 공정가스를 공급하는 제2가스 공급부를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 플라즈마 가속장치 및 그것을 구비하는 플라즈마 처리 시스템을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 가속장치를 구비하는 플라즈마 처리 시스템(100)을 개략적으로 도시한다.
본 발명의 플라즈마 처리 시스템(100)은 이온화된 고온의 플라즈마를 이용하 여 기판(185)에 도포된 포토 레지스트 등과 같은 박막을 기화(氣化) 또는 회화(灰化)하여 제거함으로써 기판(185)상에 선택적인 식각패턴을 형성하는 플라즈마 에처(Plasma etcher)이다.
도 5을 참조하면, 플라즈마 처리 시스템(100)은 플라즈마 채널(110), 제1가스 공급부(120), 플라즈마 생성/가속부(130), 공정쳄버(170), 및 제2 가스공급부(190)를 구비한다. 플라즈마 채널(110), 제1가스 공급부(120), 및 플라즈마 생성/가속부(130)는 본 발명에 따른 플라즈마 가속장치를 구성한다.
플라즈마 채널(110)은 가스가 이온화되고 가속화되는 곳으로, 가스 방출방향으로 오픈된 출구(110a)를 구비하는 도우넛 형태를 가진다.
플라즈마 채널(110)은 내벽(112), 외벽(114), 및 내벽(112)과 외벽(114)을 연결하는 단부벽(116)을 구비한다.
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 플라즈마 채널(110)의 내벽(112)은 원통형태를 가진다.
외벽(114)은 내벽(112)과 사이에 소정공간을 형성하도록 단부벽(116) 쪽에 위치한 내벽(112)의 상부의 직경보다 소정거리(D) 만큼 더 큰 직경을 갖는 원통형태를 가진다.
내벽(112)과 외벽(114) 사이의 거리(D)는 2 내지 4cm의 범위를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
이 거리(D) 범위는, 80cm의 플라즈마 채널(110)의 높이(h), 24cm의 외벽(114)의 직경(d), 26.5cm의 공정쳄버(170)의 높이(h'), 및 35cm의 공정쳄버(170)의 직경(d')을 갖는 플라즈마 처리 시스템(100)에서, 내벽(112)과 외벽(114) 사이의 거리(D)를 각각 1cm, 2cm, 3cm, 4cm, 6cm, 8cm, 10cm로 유지한 상태에서 시스템의 압력, 즉 공정쳄버(170)의 압력을 1 mTorr로 유지하고 플라즈마 채널(110)의 상부 원형 루프 인덕터(132)를 1.8KW의 RF에너지로 가동하는 실험을 통해 얻은 플라즈마 채널(110)의 일렉트론온도(Electron temperature)(Te; 도 7a), 공정쳄버(170)의 일렉트론온도(Te'), 플러즈마 밀도(Np; 도 7b), 및 최대 이온에너지(εmax; 도 7c)를 토대로 다음식(1)에 따라 플라즈마 처리 시스템(100)의 효율(Eff; 도 7d)(cm-3eV1/2)을 계산하고, 이를 토대로 최적값(즉, 2 내지 4cm)을 선택하는 것에 의해 얻어졌다.
Eff(cm-3eV1/2) = Np x (εmax)1/2 ------------(1)
여기서, Np는 플라즈마 밀도이고,
εmax는 플라즈마 채널(110)과 공정쳄버(170) 사이의 플라즈마 전위차(≒ 4.7 x [플라즈마 채널(110)의 일렉트론온도(Te)-공정쳄버(170)의 일렉트론온도(Te')])임.
도 7d에 도시한 바와 같이, 플라즈마 처리 시스템(100)의 효율(Eff)은 내벽(112)과 외벽(114) 사이의 거리(D)를 각각 2 내지 4cm, 바람직하게는 3cm로 하였을 때 가장 양호한 것으로 나타났다.
플라즈마 채널(110)의 내벽(112), 외벽(114) 및 단부벽(116)은 석영(Quartz) 또는 파이렉스(Pyrex)와 같은 비도전성 물질로 구성된다.
플라즈마 채널(110)의 출구(110a)는 공정쳄버(170)와 연통된다.
제1가스 공급부(120)는 제1가스주입부(125)와 제1가스 소스(121)로 구성된다. 제1가스주입부(125)는 플라즈마 채널(110)의 단부벽(116) 내측에 고정 설치되고, 제1연결관(123)을 통해 제1가스 소스(121)에 접속된 연결된 가스주입링(126)으로 구성된다. 가스주입링(126)은 링의 직경보다 작은 직경을 갖는 다수의 토출구멍을 출구(110a)쪽으로 향하도록 형성하고 있다. 제1가스 소스(121)는 Ar과 같은 0족 기체와 O2 및 O2혼합물과 같은 반응기체 등의 이온화 기능한 가스, 및 C2F2와 같은 공정가스를 저장한다.
플라즈마 채널(110)의 단부벽(116), 내벽(112) 및 외벽(114)의 외측에는 플라즈마 생성/가속부(130)가 배치된다.
플라즈마 생성/가속부(130)는 상부 원형 루프 인덕터(132)와 내부 및 외부 원형 루프 인덕터(140, 144)를 구비한다.
상부 원형 루프 인덕터(132)는 플라즈마 채널(110)의 단부벽(116)의 외측(도 5의 상부)에 복수회로 권선된 원형 루프 코일(133)로 구성된다. 상부 원형 루프 코일(133)은 RF전원(150)에 연결된 제1증폭기(151)와 제1매칭네트워크(158)를 통하여 약 2MHz의 주파수에서 약 500W 내지 5.0KW의 RF에너지로 가동된다. 따라서, 상부 원형 루프 코일(133)은 가스주입링(126)의 토출구멍을 통해 공급된 가스에 RF에너지를 인가하여 RF에너지에 의해 발생하는 전자가 가스의 중성원자와 충돌하게 함으 로써, 가스를 이온화하여 플라즈마 빔을 발생하는 역할을 하게 된다.
또한, 상부 원형 루프 코일(133)은 RF전원(150)에 연결된 제1증폭기(151)와 제1매칭네트워크(158)를 통하여 40A의 전류가 인가된다. 따라서, 아래에서 도 6을 참조하여 내부 및 외부 원형 루프 인덕터(140, 144)에 의해 전자기력(F)이 유도되는 과정을 상세히 설명한 것과 같이, 상부 원형 루프 코일(133)은 부수적으로 플라즈마 채널(110) 내부에 자기장(B)과 이차 전류(J)를 유도하여 플라즈마 빔을 플라즈마 채널(110)의 출구(110a)쪽으로 가속시키는 전자기력(F)을 형성한다.
내부 및 외부 원형 루프 인덕터(140, 144)는 각각 플라즈마 채널(110)의 내벽(112)의 내측(도 5의 방사상 내측)과 외벽(114)의 외측(도 5의 방사상 외측)에 배치되어 있다.
내부 및 외부 원형 루프 인덕터(140, 144)는, 각각 일회 권선된 제1, 제2, 및 제3 내부 원형 루프 코일(141, 142, 143)과 제1, 제2, 및 제3 외부 원형 루프 코일(145, 146, 147)로 구성된다. 제1, 제2, 및 제3 내부 원형 루프 코일(141, 142, 143)과 제1, 제2, 및 제3 외부 원형 루프 코일(145, 146, 147)는 서로 동축으로 나란히 배열되어 있다.
제1, 제2, 및 제3 내부 원형 루프 코일(141, 142, 143)과 제1, 제2, 및 제3 외부 원형 루프 코일(145, 146, 147)은 각각, RF전원(150)에서 제2 내지 제7증폭기(152, 153, 154, 155, 156, 177)와 제2 내지 제7매칭네트워크(159, 160, 161, 162, 163, 164)를 통하여 약 2MHz의 주파수에서 약 500W 내지 5.0KW의 RF에너지로 가동된다.
본 실시예에서, 제1, 제2, 및 제3 내부 원형 루프 코일(141, 142, 143)과 제1, 제2, 및 제3 외부 원형 루프 코일(145, 146, 147)은, 상부 원형 루프 인덕터(132)와 마찬가지로 약 2MHz에서 약 500W 내지 5.0KW의 RF에너지로 가동되지만, 각각 일회 권선되어 있고 서로의 간격이 떨어져 있으므로, 가스에 RF에너지를 인가하기는 하지만 플라즈마 빔은 거의 생성하지 않는다.
또한, 제1, 제2, 및 제3 내부 원형 루프 코일(141, 142, 143)과 제1, 제2, 및 제3 외부 원형 루프 코일(145, 146, 147)은 RF전원(150)에서 제2 내지 제7증폭기(152, 153, 154, 155, 156, 177)와 제2 내지 제7매칭네트워크(159, 160, 161, 162, 163, 164)를 통하여 공급되는 전류가 순차적으로 감소되게 공급된다. 이 이유는 자장압력은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 성질을 가지기 때문에, 제1, 제2, 및 제3 내부 원형 루프 코일(141, 142, 143)과 제1, 제2, 및 제3 외부 원형 루프 코일(145, 146, 147)에 공급되는 전류가 순차적으로 감소되게 공급하는 것에 의하여 도 8에 도시한 바와 같이 플라즈마 채널(110)의 내부에 유도되는 자기장이 출구(110a)쪽, 즉 축방향으로 감소되면, 제1, 제2, 및 제3 내부 원형 루프 코일(141, 142, 143) 사이와 제1, 제2, 및 제3 외부 원형 루프 코일(145, 146, 147) 사이에서 자장압력 차이가 발생하고, 이에 의해 플라즈마 빔이 플라즈마 채널(110)의 출구(110a)쪽으로 더욱 빨리 가속될 수 있기 때문이다.
예를들면, 제1, 제2, 및 제3 내부 원형 루프 코일(141, 142, 143)은 RF전원(150)에서 제2 내지 제4증폭기(152, 153, 154)와 제2 내지 제4매칭네트워크(159, 160, 161)를 통하여 각각 60A, 40A, 및 20A의 전류가 인가되고, 제1, 제2, 및 제3 외부 원형 루프 코일(145, 146, 147)은 RF전원(150)에서 제5 내지 제7증폭기(155, 156, 177)와 제5 내지 제7매칭네트워크(162, 163, 164)를 통하여 각각 -25A, -15A, 및 -5A의 전류가 인가된다.
따라서, 도 6에 도시한 바와 같이, 제1, 제2, 및 제3 내부 원형 루프 코일(141, 142, 143)과 제1, 제2, 및 제3 외부 원형 루프 코일(145, 146, 147)에 흐르는 전류는 채널(110) 내부에 자기장(B)을 유도하고 유도된 자기장(B)은 맥스웰 방정식에 따라 이차 전류(J)를 유도한다.
이차전류(J)와 자기장(B)은 수학식(1)에 의해 플라즈마 빔을 극성에 관계없이 플라즈마 채널(110)의 출구(110a)쪽으로 가속시키는 Z축방향의 전자기력(F)을 형성한다.
F= J x B -------------(1)
또한, 제1, 제2, 및 제3 내부 원형 루프 코일(141, 142, 143)과 제1, 제2, 및 제3 외부 원형 루프 코일(145, 146, 147)에 인가되는 전류가 순차적으로 감소되도록 공급되고, 이에 의하여 플라즈마 채널(110)의 내부에 유도되는 자기장이 축방향으로 감소되므로, 전자기력(F)에 의해 가속되는 플라즈마 빔은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 자장압력의 성질에 의해 플라즈마 채널(110)의 출구(110a)쪽으로 더욱 가속된다.
제1, 제2, 및 제3 내부 및 외부 원형 루프 코일(141, 142, 143; 145, 146, 147)에 흐르는 전류에 의해 형성된 전자기력(F)과 제1, 제2, 및 제3 내부 및 외부원형 루프 코일(141, 142, 143; 145, 146, 147) 사이의 자장압력 차이에 의해 가속 되는 플라즈마 빔은 전자와 양이온이 함께 혼합되므로 중성을 나타내며, 예를들면 1011 내지 1012 일렉트론/cm3 의 플라즈마 밀도와 20 내지 500eV의 이온에너지를 가진다.
여기서, 제1, 제2, 및 제3 내부 및 외부 원형 루프 코일(141, 142, 143; 145, 146, 147)은 플라즈마 채널(110)의 내부에 유도되는 자기장이 축방향으로 감소되도록 하기 위해, 공급되는 전류를 순차적으로 감소되게 공급하는 것으로 예시 및 설명하였지만, 그 대신 축방향으로 권선되는 원형 루프 코일의 권선수가 감소되도록 구성하고, 제1, 제2, 및 제3 내부 및 외부 원형 루프 코일(141, 142, 143; 145, 146, 147)에 동일한 전류를 인가하도록 하는 것에 의하여 플라즈마 채널(110)의 내부에 유도되는 자기장을 축방향으로 감소시키도록 할 수 있다.
또한, 제1, 제2, 및 제3 내부 및 외부 원형 루프 코일(141, 142, 143; 145, 146, 147)은 플라즈마 빔을 가속하는 역할만하는 것으로 예시 및 설명하였지만, 권선수를 증가시키도록 구성하여 플라즈마 빔을 생성하는 역할을 하도록 할 수도 있을 것이다.
공정쳄버(170)는 플라즈마 채널(110)의 출구(110a)와 연통되고, 자기장 생성/가속부(130)에 의해 발생된 전자기력(F) 및 자장압력 차에 의해 이동하는 플라즈마 빔이 공급된다. 공정쳄버(170)는 0.3 내지 3 mTorr의 압력으로 유지된다.
공정쳄버(170)의 내부 중앙에는 식각될 포토 레지스트 등과 같은 박막이 도포된 기판(185)이 고정되는 기판홀더(180)가 배치되어 있다. 기판홀더(180)는 가열 /냉각회로(도시하지 않음)에 의해 가열 또는 냉각되는 구리블록으로 구성된다.
공정쳄버(170)의 일측에는 공정가스를 공정쳄버(170) 내부로 공급하는 제2 가스공급부(190)의 제2가스주입구(197)가 배치되어 있다. 제2가스주입구(197)는 연결관(196)을 통해 제2 가스소스(195)와 연결되어 있다. 제2 가스소스(195)는 C2F2와 같은 공정가스를 저장한다.
이상에서, 본 발명에 따른 플라즈마 가속장치를 구비하는 플라즈마 처리 시스템(100)은 고온의 플라즈마를 이용하여 기판(185)상에 선택적인 식각패턴을 형성하는 플라즈마 에처로 예시 및 설명하였으나, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 예를들면, 본 발명의 플라즈마 처리 시스템은 동일한 구성과 원리로 기판에 박막을 증착하는 플러즈마 스퍼터링시스템(100'; 도 9)으로도 구성될 수 있다. 이 경우, 도 9에 도시한 바와 같이, 플러즈마 스퍼터링시스템(100')은 파워 서플라이(198)에 의해 일정한 바이어스 전압이 인가되는 스퍼터 타겟(186)을 더 포함한다. 기판(185')은 기판홀더(180')에 고정되며, 스퍼터 타겟(186)위에 위치한다. 기판홀더(180')는 스퍼터 타겟(186)에서 스퍼터된 물질을 기판(185')에 균일하게 증착하기 위해 고정축(도시하지 않음)을 중심으로 회전한다. 또, 기판홀더(180')는 플라즈마 생성/가속부(130)에서 가속되는 플라즈마 빔이 스퍼터 타겟(186)까지 유도되도록 플라즈마 빔이 통과하는 원형 개구(180a')를 구비한다. 제2가스주입구(197) 위쪽에는 기판(180') 근처의 가스압력을 제어하는 수평배플(193)이 배치되어 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 플라즈마 처리시스템(100)의 동작을 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, C2F2, O2, Ar와 같은 가스는 제1가스소스(121)로부터 제1가스 주입부(125)를 통해 플라즈마 채널(110)에 공급된다.
플라즈마 채널(110)에 공급된 가스는 예를들면 약 2MHz에서 약 1.8KW의 RF에너지로 가동되는 상부 원형 루프 인덕터(132)에 의해 인가된 RF에너지에 의해 발생하는 전자와 가스의 중성원자가 충돌하게 되며, 그 결과 가스는 이온화되어 플라즈마 빔을 발생한다.
플라즈마 빔은 내부 및 외부 원형 루프 인덕터(140, 144)에 의해 발생된 전자기력(F)과 내부 및 외부 원형 루프 인덕터(140, 144)의 제1, 제2, 및 제3 내부 및 외부 원형 루프 코일(141, 142, 143; 145, 146, 147) 사이의 자장압력 차이에 의해 플라즈마 채널(110)내부에서 플라즈마 채널(110)의 출구(110a)쪽으로 가속되어, 출구(110a)를 통해 공정쳄버(170) 내부로 1011 내지 1012 일렉트론/cm3의 플라즈마 밀도와 20 내지 500eV의 이온 에너지로 방출된다.
이때, 출구(110a)를 통해 공정쳄버(170) 내부로 방출되는 플라즈마 빔은 쳄버(170)의 기판홀더(180)에 고정된 기판(185)쪽으로 이동된다. 또한, 공정가스는 제2가스소스(195)로부터 제2가스주입구(197)를 통해 공정쳄버(170)에 약 1mTorr의 압력으로 공급된다. 따라서, 프라즈마 빔은 공정가스와 충돌하여, 방향성을 가지거나 방향성이 없는 에칭이온 또는 원자로 된다. 그 결과, 공정쳄버(170)내에서 플라즈마 채널(110)의 중심(O) 아래쪽에 배치되는 기판(185)의 포토 레지스트 등과 같 은 박막은 에칭이온 또는 원자에 의해 기화 또는 탄화하여 약 20nm/min의 식각율로 식각된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 가속장치 및 그것을 구비하는 플라즈마 처리 시스템은 플라즈마 채널의 내벽과 외벽 사이의 거리가 2 내지 4cm의 범위를 가지도록 함으로써, 식각, 스퍼터링 등과 같은 반도체 기판 처리공정시 플라즈마 에처 또는 플라즈마 스퍼터릴 시스템의 효율을 최적화할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 특정한 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 수정과 변형실시가 가능할 것이다.

Claims (11)

  1. 내벽, 상기 내벽과 소정거리를 두고 상기 내벽을 에워싸는 외벽, 및 상기 내벽과 상기 외벽의 일단부를 오픈하는 출구를 형성하도록 상기 내벽과 상기 외벽의 타단부를 연결하는 단부벽을 구비하는 채널;
    상기 채널내에 가스를 공급하는 가스 공급부; 및
    상기 채널내의 가스에 이온화 에너지를 공급하여 플라즈마 빔을 생성하고, 생성된 플라즈마 빔을 상기 출구쪽으로 가속시키는 플라즈마 생성/가속부를 포함하며;
    상기 채널의 상기 내벽과 상기 외벽 사이의 소정거리는 2 내지 4cm의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 채널의 상기 내벽과 상기 외벽 사이의 상기 소정거리는 약 3cm인 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 생성/가속부는,
    상기 채널의 상기 단부벽의 축방향 외측에 배치된 상부 인덕터;
    상기 채널의 상기 내벽의 방사상 내측에 위치하고, 축방향으로 유도 자기장이 감소하도록 형성된 내부 인덕터; 및
    상기 채널의 상기 외벽의 방사상 외측에 상기 내부 인덕터와 나란하게 위치 하고, 축방향으로 유도 자기장이 감소하도록 형성된 외부 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 내부 및 외부 인덕터는 각각, 코일의 권선수가 동일하게 구성되고 각각에 공급되는 전류가 축방향으로 감소하도록 인가되는 복수의 루프 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 내부 및 외부 인덕터는 각각, 코일의 권선수가 축방향으로 감소되도록 구성된 복수의 루프 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치.
  6. 상기 내벽, 상기 내벽과 소정거리을 두고 상기 내벽을 에워싸는 외벽, 및 상기 내벽과 상기 외벽의 일단부를 오픈하는 출구를 형성하도록 상기 내벽과 상기 외벽의 타단부를 연결하는 단부벽을 구비하는 채널;
    상기 채널내에 가스를 공급하는 제1가스 공급부;
    상기 채널내의 가스에 이온화 에너지를 공급하여 플라즈마 빔을 생성하고, 생성된 플라즈마 빔을 출구쪽으로 이동시키는 플라즈마 생성/가속부; 및
    상기 채널의 상기 출구와 연통되고, 기판을 고정하는 기판홀더를 구비하는 공정쳄버를 포함하며;
    상기 채널의 상기 내벽과 상기 외벽 사이의 상기 소정거리는 2 내지 4cm의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 채널의 상기 내벽과 상기 외벽 사이의 상기 소정거리는 다음식에 의해 계산된 시스템의 효율을 토대로 결정된 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치.
    Eff(cm-3eV1/2)= Np x (εmax)1/2
    여기서, Np는 플라즈마 밀도이고,
    εmax는 상기 채널과 상기 공정쳄버 사이의 플라즈마 전위차(≒ 4.7 x [상기 채널의 일렉트론온도(Te)-상기 공정쳄버의 일렉트론온도(Te)])임.
  8. 제6항에 있어서, 상기 플라즈마 생성/가속부는,
    상기 채널의 상기 단부벽의 축방향 외측에 배치된 상부 인덕터;
    상기 채널의 상기 내벽의 방사상 내측에 위치하고, 축방향으로 유도 자기장이 감소하도록 형성된 내부 인덕터; 및
    상기 채널의 상기 외벽의 방사상 외측에 상기 내부 인덕터와 나란하게 위치하고, 축방향으로 유도 자기장이 감소하도록 형성된 외부 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 내부 및 외부 인덕터는 각각, 코일의 권선수가 동일하 게 구성되고 각각에 공급되는 전류가 축방향으로 감소하도록 인가되는 복수의 루프 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 내부 및 외부 인덕터는 각각, 코일의 권선수가 축방향으로 감소되는 복수의 루프 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
  11. 제6항에 있어서, 상기 공정쳄버에 공정가스를 공급하는 제2가스 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
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WO2021256606A1 (ko) * 2020-06-16 2021-12-23 주식회사 뉴파워 프라즈마 플라즈마 반응 장치

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