KR100628557B1 - 플라즈마 발생장치 - Google Patents

Abstract

대면적 기판에 대하여 플라즈마 처리공정을 할 수 있도록 플라즈마 밀도, 플라즈마 균일도, 플라즈마 포텐셜, 전자 온도 등의 플라즈마 특성을 향상시킬 수 있는 외부 자장이 인가된 챔버 내부에 내장형 안테나를 구비하는 유도 결합 플라즈마 소스가 개시된다. 본 발명의 유도 결합 플라즈마 소스는 반응 챔버의 내부 상단에 배치되고, 이들 안테나로부터 발생하는 전기장과 교차하는 자기장을 발생시키고 전자의 나선운동을 촉진하기 위한 자석이 반응 챔버 외부의 상단에 배치되는 것을 포함 한다.

플라즈마, 발생, 폐자로, 영구자석

Description

플라즈마 발생장치{Plasma generation apparatus}

도 1은 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치를 개략적으로 보인다.

도 2a 내지 도 5b는 본 발명의 플라즈마 발생장치에 적용되는 다양한 안테나의 변형 예를 도시한다.

도 6a 내지 도 7b는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치에 적용되는 영구자석 조립체의 자석 배치를 보인다.

본 발명은 대면적 처리용 유도결합 플라즈마 소스에 관한 것으로서, 상세히는 대면적 기판에 대해 고른 분포의 플라즈마를 형성할 수 있는 플라즈마 장치에 관한 것이다.

플라즈마 화학 기상 증착 또는 식각 공정을 수행하기 위한 반응 챔버 내에 유도 전기장을 형성하는 안테나가 반응 챔버 내에 구비하고, 생성된 플라즈마의 특성을 제어하기 위한 자석을 챔버 외부에 설치하는 것으로 조합된 플라즈마 발생장치 및 플라즈마 발생 방법에 관한 것이다.

많은 전기 디바이스, 반도체 및 디스플레이 디바이스 제조 공정에서, 플라즈 마는 반도체 웨이퍼 등의 기판과 가스와의 반응을 촉진하거나 반응에 필요한 전하를 생성한다. 플라즈마를 발생시키기 위해서는 파워를 용량성(capacitively) 또는 유도성(inductively) 플라즈마 결합소자(coupling element)에 의해 반응 가스에 전달한다.

반도체 소자의 제조공정뿐 아니라 평판 표시장치(FPD) 등과 같은 대면적에 미세 패턴을 형성해야 하는 기술분야에서는, 건식식각, 화학기상 증착, 스퍼터링 등 각종 표면처리 공정을 플라즈마에 의해 수행한다.

최근에는 비용절감, 생산성 향상 등을 위하여, 반도체 분야에서는 웨이퍼 사이즈가 300mm 이상으로 대형화되고 있고, 평판 표시장치 등에서는 기판의 크기가 1,500mm x 1,500mm 이상으로 대면적화되고 있다. 박막 트랜지스터 액정표시장치 등에서는 지금까지 습식 식각 장치가 사용되던 배선 및 화소 전극의 가공에 있어서, 미세해지는 회로 패턴과 박막두께 감소 실현을 위해서는 건식 식각장치의 도입이 필요하다.

종래의 일반적인 플라즈마 발생장치로는 용량결합 플라즈마 발생장치, 유도결합 플라즈마 발생장치 등이 있다.

용량 결합 플라즈마 발생장치는 구조가 간단하고 균일도를 확보하기가 쉽다는 장점이 있지만 플라즈마의 밀도가 낮아 공정진행속도가 낮아 생산성이 떨어지는 단점이 있다. 이들 방식 중에는 자기장을 인가하는 방식도 있지만 이들은 구조적으로 복잡해지고 대면적화된 기판에는 적용하기 어려운 단점이 있다.

유도 결합형 플라즈마 발생장치는 플라즈마의 밀도가 높지만 균일도를 개선하기 위해서는 부가적인 요소들이 많이 필요하다. 예를 들면 가운데 부분에 더 두꺼운 유전체를 사용한다거나 돔 형태의 안테나를 사용하고 있지만 구조가 복잡해지고, 산화막 식각 등의 공정에는 적용하기가 어렵다는 한계가 있다. 또한, 200mm 또는 300mm의 크기의 실리콘 기판의 건식식각에서는 적정히 균일한 플라즈마를 형성할 수 있지만, 그 이상의 면적, 예를 들면 500mm x 500mm 이상의 대면적에서는 소망하는 균일도를 얻기 어렵다.

또한, 종래의 나선형 유도 결합 플라즈마 발생 장치는, 안테나 자체의 인덕턴스가 증가하고, 안테나 상호 간의 인덕턴스의 증가가 수반되어 대면적에 걸쳐 유도된 전압이 커지게 되어 용량성 결합 성분이 증가하게 된다. 이로 인해 장치의 임피던스가 증가하여 전력 전달 효율이 감소하게 되어 불균일한 플라즈마를 발생시키는 요인이 된다는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 대면적 시료를 가공할 수 있도록 넓은 유효면적과 균일하고 높은 밀도의 플라즈마를 형성할 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면,

진공 챔버;

상기 진공 챔버의 내부에 마련되는 시료 장착수단;

상기 진공 챔버 내의 상방에 배치되는 다수의 소자를 구비하는 것으로 상기 소자가 적어도 두 개의 그룹으로 구별되어 있는 안테나;

상기 안테나에 고주파 전력을 공급하는 것으로 상기 안테나의 각 그룹에 전력을 별개로 공급하는 고주파 소스들을 구비하는 고주파 소스부; 그리고

상기 안테나의 상방에 마련되어 상기 안테나 하부에 발생하는 플라즈마 영역에 폐자로를 형성하여 플라즈마 영역 내의 전자를 플라즈마 영역 내에 고립시키는 것으로, 상기 시료를 중심으로 회전가능하게 설치되는 자석 조립체를 구비한다.

삭제

삭제

본 발명에 따른 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 안테나의 소자는 사각 루프형 또는 원형 루프형이다. 안테나의 각 그룹의 소자들은 별개의 고주파 소스에 대해 병렬접속된다.

상기 자석 조립체는 상기 진공 챔버의 상부와 상기 안테나의 사이에 마련되며, 바람직하게는 상기 진공 챔버의 바깥쪽 상부에 마련된다.

상기 본 발명의 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 자석 조립체는 상기 시료를 중심을 에워싸는 형태로 배치되는 자극을 가지는 영구자석을 다수 포함하며,

상기 자석 조립체는 자극이 연속적으로 형성되는 테두리 형 자석을 1 조 이상 포함한다.

이러한 본 발명의 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 테두리형 자석은 사각형과 도너츠 형 중의 어느 하나의 형태를 가지며,

바람직하게 상기 자석조립체는 복 수의 폐자로를 형성한다.

본 발명의 플라즈마 발생장치에 있어서,

상기 자석조립체는 상기 시료를 중심으로 회전 가능하고 나아가서는 승하강이 가능하게 설치된다.

상기와 같은 본 발명에 있어서, 상기 반응 챔버 상부에 배치되는 자기장 발생부는 자기장의 분포가 적어도 하나 이상의 폐회를 이루도록 구성되어 챔버 내 전자들의 나선운동을 유도하여 전자와 기체들과의 충돌 확률을 높이기 때문에 안정되고 균일한 플라즈마를 유지할 수 있게 해 줄 뿐만 아니라 전자의 손실을 줄여주기 때문에 전자의 온도가 낮아져 낮은 플라즈마 포텐셜을 유지할 수 있다.

또한, 상기 자기장 발생부의 폐회로 형상에 따라 플라즈마 밀도 분포를 변화시킬 수 있도록 구성되고, 상기 자기장 발생부의 높이를 변화시켜 플라즈마 밀도와 밀도 분포를 제어할 수 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니라, 본 발명의 구체적인 실시예로서 본 발명의 사상을 당업자가 쉽게 이해를 돕기 위한 단순한 예시에 불과하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 소스를 구비하는 플라즈마 발생장치를 나타내는 개략도이고,

도 2, 도 3, 도 4 및 도 5는 도 1의 유도 결합 플라즈마 소스에서 반응 챔버 내에 내장된 선형 안테나의 구조를 보여주는 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면 진공 챔버(1)에는 반응기체를 도입하기 위한 기체 도입구(2)와 챔버 내부를 원하는 진공 상태와 압력을 유지하기 위한 배기구(3)가 마련되어 있다.

이 진공 챔버(1)의 내부에는 웨이퍼 또는 유리 기판 등의 시료를 올려놓기 위한 시료 장착부로서의 히터 또는 척(4)이 마련되어 있다.

진공 챔버(1) 상부에는 고주파 소스(RF SOURCE)로 부터 전력이 인가되는 안테나(6)가 설치되어 있다. 안테나는 단일 소자 또는 복수의 소자로 이루어지며 그 표면은 절연물질에 의해 보호된다.

한편, 상기 진공 챔버의 상방에는 안테나(6)의 하부 즉 척(4)의 상방에 형성되는 플라즈마 영역에 폐자로(8a)를 형성하는 영구자석 조립체(8)가 마련된다. 도 1에 도시된 실시예에서는 영구자석 조립체(8)가 진공 챔버(1)의 상부 바깥쪽에 마련되어 있다. 영구자석 조립체(8)는 시료를 중심으로 회전하거나 승하강할 수 있다.

그러나 본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기 영구자석 조립체(8)는 상기 진공 챔버(1)의 내부에서 상기 안테나(6) 위에 설치될 수 있다.

상기 척(4)에는 바람직하게 외부 고주파 소스에 의해 바이어스 전압이 인가된다. 또한, 상기 안테나(6)는 단일 또는 복수의 소자를 포함하며, 복수의 소자로 이루어지는 경우 단일 고주파 소스 또는 소자별로 다른 고주파 소스로부터 전력이 인가됨으로써 플라즈마의 외곽과 내부의 밀도를 다르게 제어할 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 단일소자로 된 안테나를 보이는 것이다. 구체적으로 도 2a는 사각 루프형 소자, 도 2b는 원형 루프형 소자에 의한 안테나를 보인다. 이러한 도 2a 및 도 2b에 도시된 단소자 안테나는 하나의 소자로 이루어지기 때문에 하나의 고주파 소스로부터 전력을 공급받게 된다.

도 3a 및 도 3b는 2 소자 사각 루프 안테나 및 원형 루프 안테나를 도시한다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 안테나는 각 소자가 개별적인 고주파 소스에 연결되어 있다. 이와 같은 각각의 고주파소스에 의해 주파수 및 전력을 달리함으로써 플라즈마 영역에서의 부분별 플라즈마 밀도 조절이 가능하게 된다.

한편, 도 4a 및 도 4b는 4 소자 2 병렬 안테나로서 소자 두 개씩 병렬 접속되고 이러한 두 조의 안테나 소자가 각각 별개의 고주파 소스에 연결되는 구조를 가진다.

상기한 바와 같이 안테나를 다소자화하고 그 각각 또는 그룹을 별개의 고주파 소오스에 연결하면 전력 및 / 또는 고주파의 적절한 조절에 의해 플라즈마 밀도를 조절할 수 있고 따라서 전체적으로 플라즈마 밀도의 균일성을 향상할 수 있다. 바람직하게는 이는 플라즈마 내 전자가 반응 챔버의 벽으로 흡수되는 것을 방지하기 위하여 바깥쪽의 소자에 상대적으로 높은 전력을 공급하는 것이 바람직하다. 예를 들어 도 3a에 도시된 안테나의 경우 고주파 소스 1(RF SOURCE 1)의 파워를 안쪽 소자에 연결된 고주파 소스 2(RF SOURCE 2)에 비해 크게 한다. 챔버 벽체에서의 전자의 흡수는 전자의 이동도가 이온의 이동도에 비해 크기 때문인 것이며, 이러한 손실에 의하면 플라즈마 밀도가 중심에 비해 주변이 낮은 불균일의 문제가 발생한다.

또한, 복수의 고주파 소스를 이용하는 본 발명은 각 고주파 소스의 주파수를 달리함으로써 역시 플라즈마 밀도의 조절이 가능하고 따라서 이를 통해 플라즈마 밀도의 균일도를 더욱 향상시킬 수 있다. 이는 주파수가 증가하면 안테나의 인덕턴스가 낮아지게 되어 따라서 효과적으로 플라즈마의 밀도를 증가시킬 수 있기 때문이다.

한편, 도 5a 및 도 5b는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 단일소자 안테나로서 사각 서펜타인형 안테나 및 원형 스파이럴 안테나를 도시한다.

도 2a, 3a, 4a, 5a에 도시된 형태의 안테나는 사각형 시료, 예를 들어 사각 유리 기판에 대해 적합하고, 도 2b, 3b, 4b, 5b에 도시된 형태의 안테나는 원형 시료, 예를 들어 반도체 웨이퍼에 대해 적합하다.

이와 같은 안테나 다양한 변형은 보다 다양하게 이루어질 수 있으며, 이러한 다양한 형태의 안테나는 본 발명의 넓은 기술적 범위를 제한하지 않는다.

또한 상기 안테나소자들은 안테나 자체의 용량(capacitance)를 감소시키기 위하여 쿼츠 또는 알루미나등의 절연체로 보호하는 것이 바람직하다. 이는 안테나의 용량 성분을 감소시켜 가스와 안테나가 반응하는 것을 감소시키기 위한 것이다.

또한, 이러한 절연재료의 사용은 안테나 소자로 이용되는 고전도성의 구리 등은 반응기체와 반응하여 불순물을 생성하고 또한 안테나의 용량성 성분에 의한 이온의 충격으로 인해 안테나가 식각되는 것을 방지하기 위한 것이다.

본 발명의 특징 중의 하나는 안테나와 시료의 사이에 형성되는 플라즈마에 폐자로를 형성하여 플라즈마 내의 전자가 외부로 탈출하는 것을 방지하는 것이다. 즉, 본 발명에서는 반응 챔버 내부 또는 외부에 폐회로를 형성하는 영구자석을 배치하여 반응 챔버 내부의 전자들을 플라즈마 영역 내에 구속한다.

도 6a는 S 극의 자석편을 사각형으로 배치하고 그 바깥쪽에 N 극의 자석편을 사각형으로 배치한 형태의 영구 자석 배열을 보인다. 여기에서 안쪽과 바깥쪽의 자석편들은 하나의 자석체를 이룬다. 즉, 도 6에 도시된 영구자석 조립체는 자극이 연속적이지 않고 일정한 간격을 두고 불연속적인 구조를 가진다. 그러나 다수의 자석편이 하나로 통합된 단일 자석체에 의해 연속화될 수 있다.

도 6b는 연속된 자극을 가지는 두 개의 자석체에 의해 폐자로를 형성하는 자석의 배열을 보인다. 도 6b에 도시된 바와 같이 안쪽의 N 극은 도너츠형 자석에 의해 연속적으로 형성되고 N 극을 에워싸는 S 극은 N 극의 도너츠형 자석을 에워싸는 다른 도너츠형 자석에 의해 마련된다.

도 6a 와 도 6b에 도시된 바와 같이 N 극과 S극이 일정한 간격을 두고 마주보고 있고 이러한 마주보는 쌍은 폐자로를 형성하고 이러한 폐자로는 사각영역 또는 원형영역을 에워쌈으로써 중앙의 영역이 폐자로에 의해 갇혀 있게 된다.

도 7a 및 7b는 복수 쌍의 자석에 의한 폐자로의 구성을 보이는 자석의 배치 구조를 보인다.

도 7a는 안쪽의 작은 두 사각형 영역에 배치되는 자석편에 의해 폐자로와 바깥쪽의 큰 두 사각형 영역에 배치되는 자석편에 의해 다른 폐자로가 형성되는 구조를 보인다.

도 7b는 두 개의 도너츠형 S극 자석과 두 개의 N극 자석에 의한 두 개의 폐지로의 구성을 보인다.

앞에서 설명된 자석들의 배치는 시료의 형태에 따라 사각형 또는 원형을 이루고 자석의 연속 또는 불연속에 의해 자극이 연속 또는 불연속이 된다.

이러한 연속 또는 불연속은 목적하는 장치의 설계에 따라 선택되며, 본 발명의 넓은 기술적 범위를 제한하지 않는다.

이상과 같은 실시예의 자석 배치에 의해 얻어진 폐자로, 특히 폐자로에 의한 자장과 안테나에서 유도되는 전기장에 따라 전자는 자장과 전기장의 수직한 방향으로 나선운동을 하게 되며, 이러한 나선운동을 하는 전자가 플라즈마 영역 내에 구속됨으로써 전자와 반응 챔버 내부의 기체들과 충돌할 확률이 높아지고 따라서 충돌 주파수가 증대되게 된다. 플라즈마는 이온화된 기체의 집단이기 때문에 이온화된 입자, 특히 전자의 제어는 플라즈마의 특성을 제어하는 중요한 인자이다.

전자는 플라즈마 내에서 다른 이온보다 매우 큰 이동도를 가지고 있어 반응 챔버로 쉽게 이동하여 빠져나가게 되고, 이로 인해 반응 챔버 주변에서는 플라즈마 밀도가 상대적으로 낮아지는 원인이 된다.

이를 억제하기 위해 전자를 폐회로로 구성된 자석을 도 6a, 6b 및 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 자석이 배치되어 하나 또는 그 이상의 폐자로가 형성되면 반응용기의 벽 주변에서의 전자 밀도 감소를 효과적으로 막을 수 있어 플라즈마의 균일도를 높이는데 유용하다. 또한, 자석의 높이를 조절하여 자장의 세기를 조절함으로써 플라즈마의 밀도와 전자의 온도를 제어할 수 있도록 구성한다. 한편, 상기와 같은 구조의 자석 어레이를 챔버의 상방에서 시료를 중심으로 회전시키면(도 1에 상징적으로 표시)보다 효과적으로 플라즈마 밀도 분포의 개선이나 전자의 온도를 제어할 수 있다.

삭제

본 발명은 플라즈마 발생장치용 안테나와 반응 챔버 외부의 상단에 설치된 영구 자석으로 결합하여 반응 챔버 내부의 플라즈마 생성 영역에서 전기장과 자기장을 결합시켜 전자의 나선운동을 촉진함으로써 전자의 이동경로를 길게 하여 전자와 반응기체와의 충돌확률을 높이게 된다. 이러한 효과는 플라즈마의 밀도를 증가시키고, 전자의 온도를 낮추게 될 뿐만 아니라 저압에서도 플라즈마의 생성을 용이하게 하고, 안정성을 높여 대면적에서의 고밀도 플라즈마의 생성할 수 있다. 또한, 반응 챔버에 마련된 안테나를 다소자화하고 이에 각기 다른 고주파 전력과 전력의 비(Ratio)나 주파수를 다르게 함으로써 플라즈마 밀도의 분균일성을 제어할 수 있다.

이러한 본원 발명의 이해를 돕기 위하여 몇몇의 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었으나, 이러한 실시예들은 단지 넓은 발명을 예시하고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 구조와 배열에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 이는 다양한 다른 수 정이 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

Claims (15)

1. 진공 챔버;

   상기 진공 챔버의 내부에 마련되는 시료 장착수단;

   상기 진공 챔버 내의 상방에 배치되는 다수의 소자를 구비하는 것으로 상기 소자가 적어도 두 개의 그룹으로 구별되어 있는 안테나;

   상기 안테나에 고주파 전력을 공급하는 것으로 상기 안테나의 각 그룹에 전력을 별개로 공급하는 고주파 소스들을 구비하는 고주파 소스부; 그리고

   상기 안테나의 상방에 마련되어 상기 안테나 하부에 발생하는 플라즈마 영역에 폐자로를 형성하여 플라즈마 영역 내의 전자를 플라즈마 영역 내에 고립시키는 것으로, 상기 시료를 중심으로 회전가능하게 설치되는 자석 조립체;를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 소자는 사각 루프형인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 소자는 원 루프형인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   각 그룹의 소자는 해당 고주파 소스에 대해 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 자석 조립체는 상기 진공 챔버 내에서 상기 안테나의 위에 마련되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 자석 조립체는 상기 진공 챔버의 바깥쪽 상부에 마련되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 자석 조립체는 상기 시료를 중심을 에워싸는 형태로 배치되는 자극을 가지는 영구자석을 다수 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 자석 조립체는 자극이 연속적으로 형성되는 테두리형 자석을 1 조 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 테두리형 자석은 사각형과 도너츠 형 중의 어느 하나의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 자석조립체는 복 수의 폐자로를 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
13. 삭제
14. 제 1 항에 있어서,

    상기 자석조립체는 승하강이 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
15. 제 1 항에 있어서,

    상기 안테나는 쿼츠와 알루미나 중 어느 하나에 의한 절연체로 보호되는 것을 특징으로 하는 대면적 처리용 플라즈마 발생장치.

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