KR100766093B1

KR100766093B1 - 플라즈마를 분리 가속시키는 중성 빔 에칭 장치

Info

Publication number: KR100766093B1
Application number: KR1020050063433A
Authority: KR
Inventors: 이원태
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2007-10-11
Also published as: US7789992B2; JP4563346B2; KR20070008311A; US20070012403A1; JP2007027097A

Abstract

플라즈마를 분리 가속시키는 중성 빔 에칭 장치가 개시된다. 본 중성 빔 에칭 장치는, 일 측이 제1 개구(開口)를 형성하는 제1 챔버, 일 측이 제2 개구를 형성하며 제1 챔버와의 사이에서 플라즈마 생성 영역이 형성되도록 제1 챔버의 내부에 배치되는 제2 챔버, 제1 개구 및 플라즈마 생성영역을 연결하는 제1 채널, 제2 개구 및 플라즈마 생성영역을 연결하는 제2 채널, 자기장을 형성하여 플라즈마 생성 영역에서 플라즈마를 생성하는 코일, 및, 제1 채널 및 제2 채널을 통해 플라즈마를 양이온 및 전자로 분리 가속시켜 방출시키는 가속부를 포함한다. 이에 따라, 에칭시 필요한 가속 에너지를 확보할 수 있게 된다.

플라즈마, 그리드, 뿔 형, 양이온, 전자

Description

플라즈마를 분리 가속시키는 중성 빔 에칭 장치 { Neutral beam etching device for seperating and accelating plasma }

도 1은 종래 중성 빔 에칭 장치의 구성을 나타내는 모식도,

도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 중성 빔 에칭 장치의 구성을 나타내는 모식도,

도 3은 도 3의 중성 빔 에칭 장치의 상측에서 바라본 평면도,

도 4는 도 3의 중성 빔 에칭 장치의 하측에서 바라본 평면도,

도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 중성 빔 에칭 장치의 구성을 나타내는 모식도, 그리고,

도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 중성 빔 에칭 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.

* 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

110 : 제1 챔버 120 : 제2 챔버

130 : 제1 채널 140 : 제2 채널

150 : 플라즈마 생성 영역 160 : 코일

170 : 가속부 171 : 제1 그리드

172 : 제2 그리드

본 발명은 중성 빔 에칭 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그리드를 이용하여 플라즈마를 분리 가속시키는 중성 빔 에칭 장치에 관한 것이다.

중성 빔 에칭 장치란 플라즈마 상태의 물질을 이용하여 웨이퍼 등을 에칭시키는 장치를 의미한다. 웨이퍼를 에칭시킬 수 있을 만한 에너지를 가지기 위해서, 중성 빔 에칭 장치는 장치 내에서 생성되는 플라즈마를 가속시키는 과정을 필요로 한다.

플라즈마 가속 방법은 우주 장거리 여행용 로켓의 이온엔진이나, 핵융합 방법에 대한 연구 목적으로 개발되어 오다가, 최근에는 반도체 제조 공정 상에서 웨이퍼(wafer) 등을 식각하기 위해 사용되고 있다.

플라즈마란, 고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체상태를 의미한다. 즉, 플라즈마는 전하분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로는 음과 양의 전하 수가 같아서 중성을 띄는 물질 상태이다. 엄밀하게는 고체, 액체, 기체에 이은 제4의 물질상태라 할 수 있다. 온도를 차차 높여가면 거의 모든 물체가 고체로부터 액체 그리고 기체 상태로 변화한다. 수만 ℃에서 기체는 전자와 원자핵으로 분리되어 플라스마 상태가 된다. 플라즈마 상태는 중성을 띄기 때문에, 플라즈마를 이용한 에칭 장치는 중성 빔 에칭 장치라고도 불린다.

도 1은 종래의 중성 빔 에칭 장치의 구성을 나타내는 모식도이다. 도 1에 따 른 중성 빔 에칭 장치는 위상 정합 방법 (Phase Matching Method)을 이용한 것으로, 'Traveling Wave Engine'이라고 불린다. 도 1에 따르면, 종래의 중성 빔 에칭 장치는, 외부코일(10), 내부코일(20), 방전코일(30), 외부 실린더(40), 내부 실린더(50), 채널(70)을 포함한다.

외부 실린더(40) 및 내부 실린더(50)는 덮개면(60)을 통해 연결되며, 외부 및 내부 실린더(40, 50) 사이의 공간이 채널(70)을 형성한다. 덮개면(60) 상에는 방전코일(30)이 제작된다.

외부 및 내부코일(10, 20)은 각각 수 개의 코일로 이루어지며, 각각이 동 축 상에서 나란히 배열되어 채널(70)을 감고 있다. 도 1에서는, 외부 및 내부 코일(10, 20)이 각각 3개(1, 2, 3)로 구현되어 있다.

외부 및 내부코일(10, 20), 방전코일(30)에 각각 전류가 인가되면, 채널(70) 내부에 자기장이 형성된다. 생성된 자기장은 맥스웰(Maxwell) 방정식에 따라 유도 전류를 생성하며, 생성된 유도 전류는 채널(70) 내부의 기체를 플라즈마 상태로 변환시킨다. 이에 따라, 채널(70) 상부에서 플라즈마가 생성된다.

플라즈마가 생성되면, 채널(70) 상부로부터 출구방향(화살표로 표시)으로 감긴 코일(10, 20)에 전류를 순차적으로 인가하여, 채널 상부에 생성된 플라즈마를 출구 방향으로 가속시킨다. 즉, 제1 코일(1), 제2 코일(2), 제3 코일(3) 순으로 순차적으로 전류를 인가한다. 이에 따라, 채널(70)에서 자기장의 기울기가 형성되며, 이에 의해 플라즈마가 가속된다.

하지만, 종래의 중성 빔 에칭 장치에 따르면, 채널(70) 상부에서 형성되는 플라즈마가 충분히 가속되지 못해서, 에칭에 필요한 정도의 에너지를 가지지 못한다는 문제점이 있었다. 이에 따라, 에칭 효과가 떨어진다는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 중성 빔 에칭 장치에서는 자기장의 기울기가 채널(70) 내부에 순차적으로 형성되도록 각 코일(10, 20)에 투입되는 전류의 위상을 조정하여 매칭시켜야 한다. 이 경우, 채널(70) 상부에서의 플라즈마의 초기속도가 작으면, 위상 차이가 너무 커서 위상 정합을 이용하기가 어렵게 된다. 또한, 초기속도를 위하여 구동전류의 주파수를 작게 하는 경우 방전코일(30)에서 플라즈마로 에너지 전달이 잘 안 되고, 플라즈마의 생성 효율이 떨어지게 된다. 결과적으로, 에칭 효율이 떨어진다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 채널 내에 그리드를 배치하여, 정전기력에 의해 플라즈마를 분리 가속시킴으로써, 에칭에 필요한 에너지를 확보하여 에칭 효율을 높일 수 있는 중성 빔 에칭 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 정전기력에 의해 분리 가속되는 플라즈마가 에칭하고자 하는 영역에 집속될 수 있도록 뿔 형태의 챔버를 이용하는 중성 빔 에칭 장치를 제공함에 있다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시 예에 따른 중성 빔 에칭 장치는, 일 측이 제1 개구(開口)를 형성하는 제1 챔버, 일 측이 제2 개구를 형성하며 상기 제1 챔버와의 사이에서 플라즈마 생성 영역이 형성되도록 상기 제1 챔버의 내부에 배치되는 제2 챔버, 상기 제1 개구 및 상기 플라즈마 생성영역을 연결하는 제1 채널, 상기 제2 개구 및 상기 플라즈마 생성영역을 연결하는 제2 채널, 자기장을 형성하여 상기 플라즈마 생성 영역에서 플라즈마를 생성하는 코일, 및, 상기 제1 채널 및 제2 채널을 통해 상기 플라즈마를 양이온 및 전자로 분리 가속시켜 방출시키는 가속부를 포함하며, 상기 가속부는 그리드를 포함하고 상기 그리드는 상기 제1 채널 및 상기 제2 채널 내부에 배치된다.

바람직하게는, 상기 그리드는, 상기 플라즈마를 형성하는 양이온 및 전자 중 하나를 가속시켜 상기 제1 채널을 통해 방출하는 제1 그리드, 및, 상기 양이온 및 전자 중 다른 하나를 가속시켜 상기 제2 채널을 통해 방출하는 제2 그리드로 구성된다.

또한 바람직하게는, 상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버를 연결하는 연결부;를 더 포함할 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 제1 챔버는, 상기 제1 개구 면적보다 큰 면적을 가지며 상기 제1 개구의 반대 측에 형성된 폐쇄면, 및, 상기 제1 개구와 상기 폐쇄면을 연결하는 사이드면을 가지는 뿔 형태가 될 수 있다.

또한, 상기 제2 챔버는, 상기 제2 개구의 반대 측에 형성되며 상기 제2 개구 면적보다 큰 면적을 가지는 상부면, 및, 상기 제2 개구와 상기 상부면을 연결하는 사이드면을 가지는 뿔 형태가 될 수 있다.

이 경우, 상기 제1 채널은 상기 제1 챔버의 사이드면 및 상기 제2 챔버의 사이드면 사이에 형성될 수 있다.

한편, 상기 제1 그리드는, 상기 제1 채널 상에 배치되며, 제1 극성으로 대전되면 상기 플라즈마 생성 영역에 존재하는 상기 양이온 및 전자 중에서 상기 제1 극성의 반대 극성을 가지는 물질을 가속시킨다.

또한, 상기 제2 그리드는, 상기 제2 채널 상에 배치되어 상기 제1 극성의 반대 극성으로 대전되며, 상기 플라즈마 생성 영역에 존재하는 상기 양이온 및 전자 중에서 상기 제1 극성을 가지는 물질을 가속시킨다.

또한 바람직하게는, 상기 코일은 상기 제1 챔버의 폐쇄면 상에 제작될 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 플라즈마 생성 영역 내로 가스를 주입하는 가스주입부를 더 포함할 수 있다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 중성 빔 에칭 장치의 구성을 나타내는 모식도이다. 도 2에 따르면, 본 중성 빔 에칭 장치는, 제1 챔버(110), 제2 챔버(120), 제1 채널(130), 제2 채널(140), 코일(160) 및 가속부(170)를 포함한다.

제1 챔버(110)는 일 측이 오픈되어 개구(開口)를 형성한다. 개구의 반대 측은 폐쇄면(閉鎖面)을 형성한다.

제2 챔버(120)는 제1 챔버(110) 내부에 배치된다. 제2 챔버(120)도 일 측이 오픈되어 개구를 형성한다. 제1 챔버(110) 및 제2 챔버(120)는 동 축 상에서 배치되며, 서로 상이한 직경을 가진다. 이에 따라, 제2 챔버(120)의 개구는 제1 챔버(110)의 개구 내에 배치된다.

한편, 제1 챔버(110)의 폐쇄면 및 제2 챔버(120)의 상부면은 서로 이격되어 플라즈마 생성 영역(150)을 형성한다. 플라즈마 생성 영역(150)에는 가스(gas)가 투입된다. 종래 중성 빔 에칭 장치에서는 플라즈마가 생성되는 영역이 채널 상부로 제한되어 협소한 데 반해, 본 중성 빔 에칭 장치에서는 제1 챔버(110) 및 제2 챔버(120)가 분리되어 있기 때문에 상대적으로 넓은 플라즈마 생성 영역(150)이 확보된다.

제1 챔버(110)의 폐쇄면 상에는 코일(160)이 제작된다. 코일(160)에 전류가 인가되면, 플라즈마 생성 영역(150) 내부에 자기장이 형성된다. 형성된 자기장은 채널(70) 내부에 자기장이 형성된다. 형성된 자기장은 맥스웰(Maxwell) 방정식에 따라 유도 전류를 생성한다. 생성된 유도 전류는 플라즈마 생성 영역(150) 내부의 기체를 플라즈마 상태로 변환시킨다.

한편, 제1 챔버(110)의 사이드면과 제2 챔버(120)의 사이드면 사이의 공간은 제1 채널(130)을 형성한다.

또한, 제2 챔버(120)의 내부에는 제2 채널(140)이 형성된다. 제2 채널(140)은 제2 챔버(120)의 개구와 플라즈마 생성 영역(150)을 연결한다.

가속부(170)는 플라즈마 생성 영역(150)에 생성된 플라즈마를 양이온 및 전자로 분리 가속하여, 제1 채널(130) 및 제2 채널(140)을 통해 외부로 방출한다. 즉, 양이온이 제1 채널(130)을 통해 가속된다면, 전자는 제2 채널(140)을 통해 가속된다. 반대로, 전자가 제1 채널(130)을 통해 가속된다면, 양이온은 제2 채널(140)을 통해 가속된다.

구체적으로는, 가속부(170)는 제1 채널(130) 내부에 배치되는 제1 그리드(171), 제2 채널(140) 내부에 배치되는 제2 그리드(172)를 포함한다. 제1 그리드(171) 및 제2 그리드(172)는 도전성 물질로 이루어진 격자 망을 의미한다. 제1 그리드(171) 및 제2 그리드(172)에는 서로 다른 극성의 전원이 연결된다. 이에 따라, 제1 그리드(171) 및 제2 그리드(172)는 서로 다른 극성으로 대전된다.

만약, 제1 그리드(171)가 (+)로 대전되고 제2 그리드(172)는 (-)로 대전된다면, 플라즈마 중 (-)극성을 띄는 전자가 제1 그리드(171)와의 정전기력에 의해 제1 채널(130)의 출구 방향으로 가속된다. 플라즈마 중 (+)극성을 띄는 양이온은 제2 그리드(172)와의 정전기력에 의해 제2 채널(140)의 출구 방향으로 가속된다. 도 2에서 화살표 방향이 출구 방향을 의미한다.

반대로, 제1 그리드(171)가 (-)로 대전되고 제2 그리드가 (+)로 대전된다면, 양이온이 제1 채널(130)을 통해 가속되고, 전자가 제2 채널(140)을 통해 가속된다.

도 3은 도 2의 중성 빔 에칭 장치의 상측에서 바라본 모식도이다. 도 3에 따르면, 제1 챔버(110) 상부의 폐쇄면은 원형으로 구현되었음을 알 수 있다.

코일(160)은 제1 챔버(110)의 폐쇄면 상에서 제1 챔버(110)와 동축 상에 배치된 복수개의 원형 코일로 구현될 수 있다. 또한, 코일(160)은 스파이럴(spiral) 형태로 구현될 수도 있다.

도 4는 도 2의 중성 빔 에칭 장치의 하측에서 바라본 모식도이다. 도 4에 따르면, 제1 채널(130)의 출구는 중앙부가 뚫린 링(ring) 형태이며, 제2 채널(140)의 출구는 원형이다. 이에 따라, 제1 및 2 그리드(171, 172)도 각각 링 형태 및 원형 으로 구현하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 중성 빔 에칭 장치의 구성을 나타내는 모식도이다. 도 5에 따르면, 본 중성 빔 에칭 장치의 제1 챔버(210), 제2 챔버(220)는 개구 측 방향이 뾰족한 뿔 형태로 구현된다. 구체적으로는, 원뿔이나 사각뿔, 오각뿔 등의 형태로 구현될 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 생성 영역(250)에서 생성되어 출구 측으로 방출되는 양이온 및 전자가 에칭하고자 하는 영역에 집속되도록 할 수 있다.

한편, 제1 챔버(210) 및 제2 챔버(220)의 형태가 뿔 형태가 됨에 따라, 제1 그리드(271)의 형태도 변형된다. 즉, 제1 그리드(271)는 링 형태에서 내측 원을 형성하는 부분이 상측으로 휘어진 형태가 된다. 제2 그리드(272)는 원형으로 구현될 수 있다. 그 밖에 코일(260), 제1 채널(230), 제2 채널(240) 등의 형태 및 기능은 도 2의 실시 예에서와 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.

도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 중성 빔 에칭 장치의 구성을 나타내는 모식도이다. 도 6에 따르면, 중성 빔 에칭 장치는 제1 챔버(310), 제2 챔버(320), 제1 채널(330), 제2 채널(340), 코일(360), 제1 그리드(371), 제2 그리드(372) 이외에, 가스주입부(365) 및 연결부(380)를 더 포함한다.

플라즈마 생성 영역(350)에서 생성되어 제1 및 제2 채널(330, 340)을 통해 가속된 양이온 및 전자는, 웨이퍼(400) 방향으로 방출되어 웨이퍼(400) 상의 일부 영역을 에칭시키게 된다.

제1 챔버(310), 제2 챔버(320), 제1 채널(330), 제2 채널(340), 코일(360), 제1 그리드(371), 제2 그리드(372)의 구성 및 기능은 제2 실시 예와 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.

가스주입부(365)는 플라즈마 생성 영역(350) 내부로 가스를 주입시키는 역할을 한다. 중성 빔 에칭 장치에서는 Ar과 같은 0족 기체와, O₂ 및 O₂ 혼합물과 같이 이온화 가능한 가스, 및 C₂F₂와 같은 가스가 사용될 수 있다. 가스주입부(365)는 플라즈마 생성 영역(350)까지 연결되는 연결관을 통해 가스를 주입할 수 있다.

한편, 연결부(380)는 제1 챔버(310) 및 제2 챔버(320)를 연결시키는 역할을 한다. 제1 챔버(310) 및 제2 챔버(320)는 제1 그리드(371)에 의해 연결되어 있으나, 제2 챔버(320)의 무게를 지지하기 위해서는 별도로 연결부(380)를 제작하는 것이 바람직하다. 연결부(380)는 플라즈마 생성 영역(350)에서 생성된 양이온 및 전자가 제1 및 제2 채널(330, 340) 방향으로 배출될 수 있도록, 일정 영역에만 제작되는 것이 바람직하다. 즉, 제1 및 제2 챔버(310, 320)가 원 뿔형태로 제작된 경우, 90°간격마다 연결부(380)를 제작하여, 제2 챔버(320)를 지지하는 것이 바람직하다.

한편, 제2 챔버(320) 내에서 제2 채널(340)이 형성된 부분을 제외한 나머지 부분은, 빈공간(390)으로 만들 수 있다. 이에 따라, 제2 챔버(320)의 무게를 줄여서 연결부(380)에 실리는 하중을 경감시킬 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 정전기력을 이용하여 플라즈마를 양이온 및 전자로 분리 가속시킬 수 있다. 이에 따라, 에칭에 필요한 가속 에너지를 확보할 수 있게 되므로, 에칭 효율을 높일 수 있다. 또한, 챔버 형태를 뿔 형태로 구현하여, 분리 가속되는 양이온 및 전자를 에칭하고자 하는 영역에 집속시킬 수 있게 된다. 결과적으로, 에칭 공정을 용이하게 수행할 수 있게 된다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어 져서는 안 될 것이다.

Claims

일 측이 제1 개구(開口)를 형성하는 제1 챔버;

일 측이 제2 개구를 형성하며, 상기 제1 챔버와의 사이에서 플라즈마 생성 영역이 형성되도록 상기 제1 챔버의 내부에 배치되는 제2 챔버;

상기 제1 개구 및 상기 플라즈마 생성영역을 연결하는 제1 채널;

상기 제2 개구 및 상기 플라즈마 생성영역을 연결하는 제2 채널;

자기장을 형성하여 상기 플라즈마 생성 영역에서 플라즈마를 생성하는 코일; 및,

상기 제1 채널 및 제2 채널을 통해 상기 플라즈마를 양이온 및 전자로 분리 가속시켜 방출시키는 가속부;를 포함하며, 상기 가속부는 그리드를 포함하고 상기 그리드는 상기 제1 채널 및 상기 제2 채널 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 중성 빔 에칭 장치.
제1항에 있어서,

상기 그리드는,

상기 플라즈마를 형성하는 양이온 및 전자 중 하나를 가속시켜 상기 제1 채널을 통해 방출하는 제1 그리드; 및,

상기 양이온 및 전자 중 다른 하나를 가속시켜 상기 제2 채널을 통해 방출하는 제2 그리드;로 구성되는 것을 특징으로 하는 중성 빔 에칭 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버를 연결하는 연결부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중성 빔 에칭 장치.
제2항에 있어서,

상기 제1 챔버는,

상기 제1 개구 면적보다 큰 면적을 가지며 상기 제1 개구의 반대 측에 형성된 폐쇄면, 및, 상기 제1 개구와 상기 폐쇄면을 연결하는 사이드면을 가지는 뿔 형태인 것을 특징으로 하는 중성 빔 에칭 장치.
제4항에 있어서,

상기 제2 챔버는,

상기 제2 개구의 반대 측에 형성되며 상기 제2 개구 면적보다 큰 면적을 가지는 상부면, 및, 상기 제2 개구와 상기 상부면을 연결하는 사이드면을 가지는 뿔 형태인 것을 특징으로 하는 중성 빔 에칭 장치.
제5항에 있어서,

상기 제1 채널은 상기 제1 챔버의 사이드면 및 상기 제2 챔버의 사이드면 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 중성 빔 에칭 장치.
제6항에 있어서,

상기 제1 그리드는,

상기 제1 채널 상에 배치되며, 제1 극성으로 대전되면 상기 플라즈마 생성 영역에 존재하는 상기 양이온 및 전자 중에서 상기 제1 극성의 반대 극성을 가지는 물질을 가속시키는 것을 특징으로 하는 중성 빔 에칭 장치.
제7항에 있어서,

상기 제2 그리드는,

상기 제2 채널 상에 배치되어 상기 제1 극성의 반대 극성으로 대전되며, 상기 플라즈마 생성 영역에 존재하는 상기 양이온 및 전자 중에서 상기 제1 극성을 가지는 물질을 가속시키는 것을 특징으로 하는 중성 빔 에칭 장치.
제4항에 있어서,

상기 코일은 상기 제1 챔버의 폐쇄면 상에 제작되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 중성 빔 에칭 장치.
제1항에 있어서,

상기 플라즈마 생성 영역 내로 가스를 주입하는 가스주입부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중성 빔 에칭 장치.