KR100817290B1 - 유도결합형 플라즈마 발생장치용 안테나 - Google Patents

Abstract

유도결합형 플라즈마 발생장치용 안테나가 개시된다. 챔버 상부의 유전체 위에 안테나가 설치되며, 이 안테나는 일단에 RF 전원이 인가되는 전원공급단이 형성되고 타단에 접지단이 형성되는 적어도 2개의 루프형 안테나들이 수평면 상에 일정한 간격으로 이격 중첩되어 전기적으로 병렬 결합되고, 하나의 안테나의 중간부분은 다른 하나의 안테나의 전원공급단과 접지단 사이를 수평면 상으로 통과하도록 절곡된다.

ICP, ICP 안테나, Remote ICP, 플라즈마 소스

Description

유도결합형 플라즈마 발생장치용 안테나{Antenna for inductive coupled plasma generating apparatus}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나를 보여주는 사시도이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나를 보여주는 평면도이다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 안테나를 보여주는 사시도이다.

도 4는 각 안테나의 절곡부분의 다양한 형태를 보여주는 예시도이다.

도 5는 본 발명의 변형예의 하나를 보여주는 도면이다.

도 6과 도 7은 본 발명의 또 다른 변형예를 보여주는 도면이다.

본 발명은 유도결합형 플라즈마 발생장치용 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안테나 전류가 끊어지지 않고 지속되도록 함으로써 플라즈마 발생효율을 향상시키고 고밀도의 플라즈마를 균일하게 분포시킬 수 있는 유도결합형 플라즈마 발생장치용 안테나에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼 또는 평판표시장치 등과 같은 미세패턴을 형성하는 기술 분야에서는 플라즈마를 생성하여 건식식각, 화학기상증착, 스퍼터링 등 각종 표면처리 공정을 수행한다.

최근에는 비용절감 및 스루풋 향상 등을 달성하기 위하여 반도체 웨이퍼나 평판표시장치용 기판의 크기가 예컨대 300㎜ 이상으로 대형화되는 경향을 보이며, 이에 따라 대형의 웨이퍼나 기판을 가공하기 위한 플라즈마 발생장치의 규모도 증가되고 있다.

일반적으로, 플라즈마 발생장치로는 유도결합형 플라즈마 발생장치나 축전결합형 플라즈마 발생장치가 많이 적용되고 있다.

이 중에서 유도결합형 플라즈마 발생장치는 플라즈마가 생성되는 챔버를 포함하며, 이 챔버에는 반응가스를 공급하기 위한 가스주입구와 챔버 내부를 진공으로 유지하고 반응이 끝나면 반응가스를 배출하기 위한 진공펌프 및 가스배출구가 구비되어 있다. 또한, 챔버의 내부에는 웨이퍼 또는 유리기판 등의 시료를 올려놓기 위한 척이 구비되어 있으며, 챔버의 상부에는 고주파전원이 접속된 안테나가 설치된다. 안테나와 챔버 사이에는 절연판을 설치하여 안테나에 의해 유도되는 전자기파가 투과될 수 있어 안테나로부터 플라즈마로 전력이 전달될 수 있다.

이와 같은 구조의 유도결합형 플라즈마 발생장치는 초기에 챔버의 내부가 진공펌프에 의해 진공상태가 되도록 배기된 다음, 가스주입구로부터 플라즈마를 발생시키기 위한 반응가스가 도입되어 필요한 압력으로 유지된다. 이어서 안테나에는 고주파전원으로부터 고주파전력이 인가된다.

종래의 유도결합형 플라즈마 발생장치에는 단일의 나선형 안테나 또는 복수개의 분할 전극형 안테나가 사용되었는데, RF전력이 인가됨에 따라 안테나가 이루는 평면과 수직방향의 시간적으로 변화하는 자기장이 형성되며, 이러한 시간적으로 변화하는 자기장은 챔버 내부에 유도전기장을 형성하고 유도전기장은 전자를 가열하여 안테나와 유도성으로 결합된 플라즈마가 발생하게 된다. 이렇게 전자들은 주변의 중성기체입자들과 충돌하여 이온 및 라디칼 등을 생성하고 이들은 플라즈마 식각 및 증착에 이용된다.

그러나, 나선형 구조의 안테나에서는 안테나를 구성하는 각 유도코일이 직렬 연결되어 있는 구조이므로 유도코일마다 흐르는 전류량이 일정하게 되는데, 이 경우 유도전기장 분포 조절이 어려워 챔버 내벽에서의 이온 및 전자의 손실로 플라즈마의 중심부가 높은 밀도를 갖게 되고, 챔버의 내벽에 가까운 부분에는 플라즈마의 밀도가 낮아지게 되는 것을 막기 힘들게 된다. 따라서 플라즈마의 밀도를 균일하게 유지하는 것이 극히 곤란하게 된다.

또한, 안테나의 각 유도코일이 직렬로 연결되어 있으므로 안테나에 의한 전압강하가 크게 되므로 플라즈마와의 용량성 결합에 의한 영향이 증가된다. 따라서, 전력 효율이 낮아지며 플라즈마의 균일성을 유지하는 것도 어렵게 된다.

다음으로, 서로 위상이 다른 3개의 고주파 전원에 각각 접속된 3개의 분할전극 구조의 안테나에서는 각 분할전극에 가까운 위치에서 플라즈마의 밀도가 높고, 챔버의 중앙부일수록 플라즈마의 밀도가 낮아 플라즈마의 균일성 확보에 어려움이 따르며, 특히 넓은 면적의 시료를 처리하는 것이 현저히 곤란하게 된다. 또한 각각 독립적으로 동작하는 전원을 사용하여야 하므로 비용이 증가하게 되며, 전원의 효율적인 사용을 위한 임피던스정합을 위해서는 각 분할전극마다 독자적인 임피던스 정합회로를 사용하여야 하는 문제점이 있었다.

한편, 상기한 플라즈마 발생장치에서는 루프형 안테나의 구조적인 원인에 의해 챔버 내부에서의 플라즈마 밀도분포가 균일한지 못한 문제점이 있다. 즉, 안테나의 중간부분에는 상대적으로 플라즈마 밀도가 높은 구역이 형성되고, 안테나의 전원공급단 및 접지단 쪽의 플라즈마 밀도는 상대적으로 낮게 나타났으며, 직경을 따라 절단한 단면상에서의 플라즈마 밀도분포가 서로 대칭이 되지 않고 불균일하였다.

이는 안테나의 전원공급단 쪽이 상대적으로 고전압이 인가되므로 이온손실이 발생하게 되고 이에 따라 플라즈마 밀도의 강하가 이루어지며, 이와 아울러 루프형 안테나의 끊어진 부분 즉, 전원공급단과 접지단 사이에서는 전류의 흐름이 영(zero)이기 때문에 유도전기장이 발생하지 않게 되어 이 부분의 플라즈마발생이 약해져 플라즈마 밀도 강하가 생기기 때문이었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 등록실용신안공보 제253559호에서는 일단에 RF전원이 인가되는 파워드 엔드가 형성되고 타단의 그라운드 엔드는 전기적으로 접지된 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나에 있어서, 안테나는 적어도 2개의 루프형 안테나가 병렬로 설치되고, 각 안테나의 파워드 엔드와 그라운드 엔드는 안테나의 중심에 대하여 대칭위치에 배치되며, 각 안테나의 파워드 엔드와 그라운드 엔드는 챔버에서 먼 위치에 배치되고 각 안테나의 중간부분은 챔버에서 가까운 위치에 오도록 상호 평행하게 교차 설치되는 회전방향으로 균일한 플라즈마 밀도를 발생시키는 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나 구조를 제공하고 있다.

이 안테나 구조에 따르면, 안테나를 병렬 결합시킴으로써 안테나의 임피던스를 낮추고 이에 따라 전압의 불균일성 문제를 해소할 수 있음과 동시에 낮은 전압으로도 고른 전압분포를 갖도록 할 수 있으므로 고전압의 인가에 의한 수율의 저하를 막을 수 있고, 병렬안테나를 외측과 내측에 설치할 수 있어 안테나를 넓게 제작할 수 있으므로 공정면적을 대구경화 할 수 있도록 한다는 이점을 갖는다.

그러나, 상기한 안테나 구조에서는 여러 가지의 문제점이 발생한다.

먼저, 챔버에서 가까운 위치에 오는 각 안테나의 중간부분은 상하로 교차되기 때문에 안테나가 이루는 평면과 수직방향으로의 높이 차이에 의하여 전기장의 차이가 발생하여 챔버에 발생되는 플라즈마의 균일성을 저해한다.

또한, 각각의 루프형 안테나가 상하로 교차되기 때문에 교차부분에서 이들 사이의 절연이 중요한 문제가 된다.

더욱이, 직경 5mm 정도의 구리관이 사용되는 루프형 안테나 각각을 교차부분에서 절연을 고려하여 절곡하여 교차하도록 제작하는 것이 쉽지 않다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제시되는 것으로, 본 발명의 목적은 안테나 전류가 끊어지지 않고 지속되도록 함과 동시에 각 안테나들 사이에 높이 차이에 의한 전기장의 차이가 발생하지 않도록 함으로써 플라즈마 발생효율을 향상시키고 고밀도의 플라즈마를 균일하게 분포시킬 수 있는 유도결합형 플라즈마 발생장치용 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 절연상의 문제가 전혀 없으며, 제작이 용이한 유도결합형 플라즈마 발생장치용 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적과 특징들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예를 통하여 명확하게 이해될 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 챔버 상부의 유전체 위에 안테나가 설치되는 유도결합형 플라즈마 발생장치에 적용되며, 일단에 RF 전원이 인가되는 전원공급단이 형성되고 타단에 접지단이 형성되는 적어도 2개의 루프형 안테나들이 수평면 상에 일정한 간격으로 이격 중첩되어 전기적으로 병렬 결합되고, 하나의 안테나의 중간부분은 다른 하나의 안테나의 전원공급단과 접지단 사이를 수평면 상으로 통과하도록 절곡되는 유도결합형 플라즈마 발생장치용 안테나가 개시된다.

선택적으로, 루프형 안테나의 쌍이 복수개 상호 인접하도록 배치되거나 직경이 상이한 루프형 안테나의 쌍이 복수개 동심상으로 배치된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 챔버 주위를 감싸도록 안테나가 설치되는 유도결합형 플라즈마 발생장치에 적용되며, 일단에 RF 전원이 인가되는 전원공급단이 형성되고 타단에 접지단이 형성되는 적어도 2개의 루프형 안테나들이 수직방향으로 일정한 간격으로 이격 중첩되어 전기적으로 병렬 결합되고, 하나의 안테나의 중간부분은 다른 하나의 안테나의 전원공급단과 접지단 사이를 수직방향으로 통과하도록 절곡되는 유도결합형 플라즈마 발생장치용 안테나가 개시된다.

바람직하게, 루프형 안테나는 3개 이상이며, 하나의 안테나의 중간부분은 인접하는 다른 하나의 안테나의 전원공급단과 인접하는 또 다른 하나의 안테나의 접지단 사이를 통과하도록 절곡된다.

본 발명에 따른 루프형 안테나는 원형 또는 사각형일 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나를 보여주는 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 안테나는 일단에 RF 전원이 인가되는 전원공급단 P가 형성되고 타단에 접지단 G가 형성되는 적어도 2개의 루프형 안테나(10, 20)가 수평면 상에 일정한 간격으로 이격 중첩되어 전기적으로 병렬 결합되고, 각 안테나의 전원공급단 P와 접지단 G는 안테나(10, 20)의 중심에 대하여 대칭되는 위치에 배치되며, 각 하나의 안테나(10, 20)의 수평 절곡부분(10a, 20a)은 다른 하나의 안테나(10, 20)의 전원공급단 P와 접지단 G 사이에 위치한다.

이와 같이, 각 안테나(10, 20)는 전기적으로 병렬로 연결되어 있으므로 안테나의 전체적인 임피던스는 낮아지게 되며 이에 의해 낮은 전압의 인가가 가능하게 되는 것은 당연하다.

본 발명에 따르면, 안테나(10)의 중간에 해당되는 부분은 수평으로 구부러져 절곡부분(10a)을 이루어 다른 안테나(20)의 전원공급단 P와 접지단 G 사이를 통과하며, 안테나(20)의 중간에 해당되는 부분은 수평으로 구부러져 절곡부분(20a)을 이루어 다른 안테나(10)의 전원공급단 P와 접지단 G 사이를 통과한다.

이와 같이, 전원공급단 P와 접지단 G 사이의 끊어지는 부분을 절곡부분(10a, 20a)이 보완해주는 역할을 함으로써 안테나 전류가 끊어지지 않고 지속되도록 한다.

또한, 종래기술과 달리 각 안테나의 중간부분에서 수평방향으로 절곡이 이루어지므로 전기장의 차이가 발생하지 않음으로써 플라즈마를 균일하게 분포시킬 수 있다.

또한, 각 안테나의 중간부분에서의 상호 절연을 고려할 필요가 없이 절곡할 수 있어 제작이 용이하다는 이점이 있다.

한편, 각 안테나에 공급되는 전원은 상기와 같이 각각 개별적으로 공급되거나 공통으로 공급될 수 있다.

도 4는 각 안테나의 절곡부분의 다양한 형태를 보여주는 예시도로써, 곡선 계단상이나 직각 계단상 또는 완만한 계단상 등 어느 형태라도 무방하다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나를 보여주는 평면도이다.

이 실시예에서는 각각의 안테나들(10, 20, 30, 40)이 90도의 각도로 이격 배치되며, 일정한 간격으로 이격 중첩되어 전기적으로 병렬 결합된다. 또한, 하나의 안테나의 중간부분은 인접하는 안테나들의 전원공급단과 접지단 사이를 통과한다.

이와 같이, 교차되는 안테나의 개수를 더욱 많게 하고, 교차간격을 조밀하게 함으로써 더욱 낮은 임피던스의 확보가 가능하다.

더욱이, 교차되는 횟수가 증가하더라도, 교차부분에 형성되는 절곡부분이 제작하기가 용이하므로 전체적인 안테나 제작에 어려움이 없다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예를 보여주는 사시도이다.

이 실시예는 안테나가 챔버의 상부가 아니라 측면을 감도록 설치되는 형태에 관련된다.

이 실시예에 따르면, 각 안테나(100, 200)가 수직으로 일정한 간격으로 중첩되어 전기적으로 병렬 결합되는 구조를 갖는다.

이 실시예에서도 각 안테나(100, 200)의 중간부분에 형성되는 절곡부분(100a, 200a)은 수직방향으로 절곡되며, 다른 안테나의 전원공급단 P와 접지단 G 사이를 통과한다.

따라서, 전원공급단과 접지단 사이에서 안테나 전류가 끊어지지 않고 지속되도록 하며, 특히 챔버에서 보면, 각 안테나들 사이에 높이 차이에 의한 전기장의 차이를 제거할 수 있다.

도 5는 본 발명의 변형예의 하나를 보여주는 도면이다.

이 예에서는 전기적으로 병렬 결합되는 각 안테나가 상기한 실시예와 같이 원형이 아니라 사각형으로 형성된다.

도 6과 도 7은 본 발명의 또 다른 변형예를 보여주는 도면이다.

도 6을 참조하면, 넓은 면적에 복수개의 안테나를 상호 인접하도록 배치할 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 넓은 면적에 적용하기 위하여 전기적으로 병렬 결합된 안테나 쌍 단위로 직경을 다르게 하여 동심상으로 배치할 수 있다.

어느 경우는 각각의 안테나 쌍에는 개별적으로 전원이 공급되거나 공통으로 전원이 공급될 수 있다.

이러한 변형은 당업자에 의해 여러 가지로 제안될 수 있으며, 도 5의 사각형상의 안테나를 도 6 및 도 7과 같이 배치할 수도 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다.

예를 들어, 안테나들이 전원공급단 P와 접지단 G는 챔버로부터 먼 위치에 배치하고, 절곡부분은 챔버로부터 가까운 위치에 배치하여 플라즈마의 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 범위는 상기한 실시예에 국한되어서는 안되며, 이하에 서술되는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 전원공급단과 접지단 사이에서 안테나 전류가 끊어지지 않고 지속되도록 함과 동시에 각 안테나들 사이에 높이 차이에 의한 전기장의 차이가 발생하지 않도록 함으로써 플라즈마 발생효율을 향상 시키고 고밀도의 플라즈마를 균일하게 분포시킬 수 있다.

또한, 종래기술에 비하여 절연상의 문제가 전혀 없으며, 교차부분에서의 절연을 고려할 필요가 없으므로 제작이 용이하다.

또한, 안테나의 끊어진 부분에서 발생하는 기생 캐패시턴스 성분에 의한 변위전류로 소모되는 전력을 줄일 수 있다.

Claims (6)

1. 챔버 상부의 유전체 위에 안테나가 설치되는 유도결합형 플라즈마 발생장치에 적용되며,

   일단에 RF 전원이 인가되는 전원공급단이 형성되고 타단에 접지단이 형성되는 적어도 2개의 루프형 안테나들이 수평면 상에 일정한 간격으로 이격 중첩되어 전기적으로 병렬 결합되고, 하나의 안테나의 중간부분은 다른 하나의 안테나의 전원공급단과 접지단 사이를 상기 수평면 상으로 통과하도록 절곡되는 것을 특징으로 하는 유도결합형 플라즈마 발생장치용 안테나.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 루프형 안테나의 쌍이 복수개 상호 인접하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 유도결합형 플라즈마 발생장치용 안테나.
3. 제 1 항에 있어서, 직경이 상이한 상기 루프형 안테나의 쌍이 복수개 동심상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 유도결합형 플라즈마 발생장치용 안테나.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 루프형 안테나는 3개 이상이며, 하나의 안테나의 중간부분은 인접하는 다른 하나의 안테나의 전원공급단과 인접하는 또 다른 하나의 안테나의 접지단 사이를 통과하도록 절곡되는 것을 특징으로 하는 유도결합형 플라즈마 발생장치용 안테나.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 루프형 안테나는 원형 또는 사각형인 것을 특징으로 하는 유도결합형 플라즈마 발생장치용 안테나.

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