KR100994502B1 - 플라즈마 처리장치 및 방법 - Google Patents

플라즈마 처리장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100994502B1
KR100994502B1 KR1020080125484A KR20080125484A KR100994502B1 KR 100994502 B1 KR100994502 B1 KR 100994502B1 KR 1020080125484 A KR1020080125484 A KR 1020080125484A KR 20080125484 A KR20080125484 A KR 20080125484A KR 100994502 B1 KR100994502 B1 KR 100994502B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
frequency
power supply
power
mhz
upper electrode
Prior art date
Application number
KR1020080125484A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20100066956A (ko
Inventor
손형규
Original Assignee
엘아이지에이디피 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘아이지에이디피 주식회사 filed Critical 엘아이지에이디피 주식회사
Priority to KR1020080125484A priority Critical patent/KR100994502B1/ko
Publication of KR20100066956A publication Critical patent/KR20100066956A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100994502B1 publication Critical patent/KR100994502B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32091—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being capacitively coupled to the plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32174—Circuits specially adapted for controlling the RF discharge
    • H01J37/32183—Matching circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32532—Electrodes
    • H01J37/32541—Shape
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H05H1/4645—Radiofrequency discharges
    • H05H1/466—Radiofrequency discharges using capacitive coupling means, e.g. electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H2242/00—Auxiliary systems
    • H05H2242/20—Power circuits

Abstract

본 발명은 플라즈마 처리장치 및 방법에 관한 것으로,
본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치는 플라즈마가 발생되는 공정 공간을 형성하는 챔버; 상기 챔버 내에 위치하며, 소정 간격 이격되어 구비되는 다수개의 바(bar)가 사다리 형태로 연결된 상부 전극; 상기 챔버 내의 상기 상부 전극과 대향되는 위치에 구비되며, 기판을 안착하는 하부 전극; 상기 상부 전극에는 VHF 주파수의 전력을 공급하고, 상기 하부 전극에는 상기 VHF 주파수의 전력을 위상 변환하여 공급하는 제 1 전원부; 상기 상부 전극에 상기 VHF 주파수보다 낮은 주파수의 전력을 공급하는 제 2 전원부; 및 상기 하부 전극에 상기 제 1 전원부보다는 낮은 주파수이고 상기 제 2 전원부보다는 높은 주파수의 전력을 공급하는 제 3 전원부를 포함한다.
본 실시예에 따르면 대면적의 전극을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 과정에서 상기 플라즈마의 공간적으로 균일하게 발생시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 처리장치의 제조 비용을 종래 기술에 비해 낮출 수 있으며, 구현도 용이하다.

Description

플라즈마 처리장치 및 방법 {Apparatus and method for plasma processing}
본 발명은 플라즈마 처리장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수개의 전원을 이용하여 공간적으로 균일한 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 처리장치 및 방법에 관한 것이다.
플라즈마 처리장치는 처리 대상물의 표면을 처리하는데 사용되는 플라즈마(plasma)를 발생시키는 장치로, 예컨대, 평판 디스플레이 장치, 박막 트랜지스터 또는 태양전지 등에 형성된 박막을 플라즈마를 이용하여 식각하는 공정(Dry etching)이나 CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 클리닝 공정 등에 널리 사용되는 장치이다.
이러한 플라즈마 처리장치는 공정챔버 벽을 둘러싼 코일에 RF(Radio Frequency)전원을 인가하여 코일 주면에 발생하는 유도 전기장을 이용하여 플라즈마를 생성하는 유도성 플라즈마(Inductively Coupled Plasma) 처리장치와 2개의 금속판 즉, 전극(electrode)에 RF전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 용량성 플라 즈마(Capacitive Coupled Plasma) 처리장치로 구분할 수 있다. 유도성 플라즈마 처리장치는 상대적으로 전자의 온도가 높고, 공정 갭(process gap)이 큰 반면, 용량성 플라즈마 처리장치는 상대적으로 전자의 온도가 낮고, 공정 갭이 작다.
이러한 플라즈마 처리장치는 종래, 국제 통신 규약에 의해 산업용으로 개방된 13.56MHz 주파수를 가지는 전원을 이용하였는데, 최근에는 27MHz이상의 초단파(VHF, Very High Frequency) 전원을 이용하는 경우도 있다. 여기서 초단파는 보통 27MHz 내지 300MHz의 주파수 범위를 가지는 전자기파를 가리키는데 그 파장이 대략 1m 내지 10m 이므로 미터파라고 하기도 한다. 상기 초단파 전원을 사용하는 이유는 플라즈마의 생성 속도를 증가시키는 장점을 가지고 있기 때문이다.
그런데, 플라즈마 처리장치에 초단파 전원을 이용하는 경우에는 문제가 있는데, 그것은 플라즈마 처리장치에 이용되는 전극이 상기 초단파 파장의 1/4 이상 크기를 가지는 경우 플라즈마가 공간적으로 균일하게 형성되지 않는다는 점이다. 플라즈마의 공간적 불균일성이 발생하는 이유는 특히, 정재파(standing wave)가 주된 원인으로 알려져 있다.
다시 말해, 평판 형태의 대면적 전극에 VHF 주파수를 가지는 단일 전원을 인가하면, 정재파에 의해 상기 전극에는 불균일한 전압 분포를 가지게 되며, 그 결과 플라즈마가 공간적으로 불균일하게 발생하여 플라즈마의 밀도 분포가 불균일하게 되는 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 사다리(ladder) 형상의 전극구조를 사용하여 플라즈마를 발생시키는 기술이 제안된 바 있다.
상기 기술에서는 기판에 대향하는 위치에 다수개의 바(bar)를 사다리 형태로 구비한 전극(electrode)이 사용된다. 이러한 사다리형 전극에 위치한 2개 이상의 급전점(feeding point)으로 초단파 전원을 분배하여 공급하는데, 이 때, 어느 하나의 초단파 전원 분배 경로에는 위상변환기(phase shifter)가 구비되어 서로 다른 위상을 가지는 초단파가 상기 전극에 제공되도록 한다.
서로 다른 위상을 가지는 초단파 전원들은 상기 전극 상에서 합성되어 정재파가 발생하는데, 이때, 상기 위상변환기로 위상을 시간에 따라 변화시키면 상기 정재파의 발생 위치가 시간에 따라 변화되는 원리로 플라즈마의 발생 밀도를 시간적으로 균일하게 한다.
그런데, 상기한 기술은 사다리형 전극에 VHF 전원의 전력을 2개로 분배하여 동시에 걸면서 그 중 하나의 전력은 위상 변화시키는 것을 요구하고 있다. 이것은 전기적으로나 하드웨어적으로나 구현이 어려울 뿐더러, 구현한다고 해도 장비의 제조비용이 높아지는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 공간적으로 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 처리장치 및 방법을 제공함에 있다. 그와 동시에, 그 구현이 간단하고 제조 비용이 낮은 플라즈마 처리장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치는 플라즈마가 발생되는 공정 공간을 형성하는 챔버; 상기 챔버 내에 위치하며, 소정 간격 이격되어 구비되는 다수개의 바(bar)가 사다리 형태로 연결된 상부 전극; 상기 챔버 내의 상기 상부 전극과 대향되는 위치에 구비되며, 기판을 안착하는 하부 전극; 상기 상부 전극에는 VHF 주파수의 전력을 공급하고, 상기 하부 전극에는 상기 VHF 주파수의 전력을 위상 변환하여 공급하는 제 1 전원부; 상기 상부 전극에 상기 VHF 주파수보다 낮은 주파수의 전력을 공급하는 제 2 전원부; 및 상기 하부 전극에 상기 제 1 전원부보다는 낮은 주파수이고 상기 제 2 전원부보다는 높은 주파수의 전력을 공급하는 제 3 전원부를 포함한다.
상기 제 1 전원부는 27MHz 내지 300MHz, 상기 제 2 전원부는 1MHz 내지 10MHz, 상기 제 3 전원부는 13.56MHz의 주파수를 가질 수 있으며, 특히, 상기 제 1 전원부는 13.56 × n MHz(여기서, n은 자연수이고 2≤n≤8), 상기 제 2 전원부는 13.56/m MHz(여기서, m은 자연수이고 2≤m≤6)의 주파수를 가질 수 있다.
상기 제 1 전원부는 전력 분배기와 연결되고, 상기 전력 분배기에서 분배된 전력의 일부는 상기 상부 전극에 제공되고, 나머지 전력은 위상 변환기를 통해 위상이 변경되어 상기 하부 전극에 공급될 수 있다.
상기 다수개의 전원부와 상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극 사이에, 각 전원부의 출력 임피던스와 상기 다수개의 전원부 각각에서 부하(load) 쪽을 바라본 입력 임피던스를 매칭시키는 정합부를 더 구비할 수 있다.
상기 정합부와 상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극 사이에, 전기적으로 연 결된 각 전원부의 주파수를 중심으로 소정 범위 내의 주파수만을 통과시키는 필터를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 발생 방법은 챔버 내부에 공정 가스가 유입되면, 상부 전극에 VHF 주파수 범위의 제 1 주파수를 가지는 전력 및 상기 제 1 주파수보다 낮은 제 2 주파수의 전력을 제공하는 동시에 하부 전극에 상기 제 1 주파수의 전력을 위상 변화한 전력 및 상기 제 1 주파수보다는 낮고 상기 제 2 주파수보다는 높은 제 3 주파수를 가지는 전력을 공급하여 플라즈마를 발생시킨다.
상기 제 1 주파수는 27 내지 300MHz, 상기 제 2 주파수는 1 MHz 내지 10MHz, 상기 제 3 주파수는 13.56MHz일 수 있고, 특히, 상기 제 1 주파수는 13.56 × n MHz(여기서, n은 자연수이고 2≤n≤8), 상기 제 2 주파수는 13.56/m MHz(여기서, m은 자연수이고 2≤m≤6)일 수 있다.
본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치 및 방법은 대면적의 전극을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 과정에서 상기 플라즈마의 공간적으로 균일하게 발생시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 처리장치의 제조 비용을 종래 기술에 비해 낮출 수 있으며, 구현도 용이하다.
이하, 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치 및 방법에 대해, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 구성을 보여주는 블록도이다. 도 2는 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 단면을 보여주는 단면도이다. 도 1및 도 2를 참조하면, 상기 플라즈마 처리장치는 챔버(110), 상부 전극(120), 하부 전극(130), 다수개의 전원부(140,150,160)를 포함한다.
상기 챔버(110)는 플라즈마가 발생하는 공정 공간을 형성하는 부분이다. 이러한 챔버(110)에는 공정 가스를 유입하는 가스 유입관(270), 챔버 내의 가스를 챔버 외부로 배기하는 진공 펌프와 연결되는 펌핑관(280)이 구비된다. 상기 챔버 내에는 상부 전극(120)과 하부 전극(susceptor, 130)이 구비된다.
상부 전극(120)은 챔버(110) 내에 하부 전극(130)과 대향하는 위치에 구비되며, 소정 간격 이격되어 구비되는 다수개의 바(bar)가 사다리 형태(ladder shape)로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 다수개의 바는 길이 방향으로 직선 형태를 가지는 원기둥 모양이다. 도 3은 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 하부 전극 및 상부 전극(120) 을 나타낸 사시도인데, 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 상부 전극(120)이 사다리 형태를 하고 있는 것을 알 수 있다. 상기 상부 전극(120)은 도 3에 도시된 x 또는 y가 500mm 내지 2000mm의 길이를 가지는 사각형의 형태이며, 다수개의 바가 소정 간격을 두고 이격되며, 상기 다수개의 바는 전기적으로 연결된다. 따라서, 상부 전극(120)은 전체가 전기적으로 연결되어 있는 상태이며, 하나의 급전점(single feeding point, 310)에 전원을 연결하면 상부 전극(120)의 표면을 따라 전류가 흐른다. 상부 전극(120)에 연결되는 전원의 파장과 비교하여, 상부 전 극(120)의 x, y중 어느 하나가 상기 파장의 1/4보다 큰 경우, 상기 상부 전극(120)에는 정재파(standing wave)가 발생하게 된다.
도 4는 다른 실시예에 따른 상부 전극(120)의 형상을 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 상기 상부 전극(120)의 바(bar)는 길이 방향으로 가우스 곡선 형태를 가지는 것을 알 수 있다. 여기서, 가우스 곡선(Gaussian curve)은 그 곡선의 가운데 부분을 기준으로 좌우 대칭 형태의 종 모양을 하고 있는 정상분포곡선을 의미한다. 상부 전극(120)의 바(bar)가 길이 방향으로 가우스 곡선 형태를 가지도록 하는 이유는 상부 전극(120)과 하부 전극(130) 사이의 전위의 불균일성으로 인한 플라즈마 이온 밀도의 불균일성을 보상하기 위해서이다. 즉, 직선 형태의 바를 사용하여 사다리 모양의 형상을 가진 상부 전극을 사용하는 경우, 상기 상부 전극의 가운데 부분에서는 플라즈마 밀도가 높은 반면, 상기 상부 전극의 가장자리에서는 플라즈마 밀도가 낮게 된다. 따라서, 바의 가운데 부분은 하부 전극(130)과의 갭(gap)을 크게 하고, 가장자리는 하부 전극(130)과의 갭을 상대적으로 작게 하는 형상으로 상부 전극(120)을 구성하여 전위를 조절하는 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예들에서 상부 전극에 연결되는 다수개의 급전점을 보여주는 평면도이다. 도 5를 참조하면, 상부 전극(120)에는 다수개의 급전점(feeding point)을 통해 전원이 공급되는데, 다수개의 급전점들이 대칭되는 형태로 상부 전극(120)의 가장자리에 배치된다. 이러한 다수개의 급전점을 통해 전원이 공급되는 것을 멀티 피딩(multi feeding)이라고 하며, 멀티 피딩을 통해 보다 공간적으로 균일한 플라즈마가 발생할 수 있다.
상부 전극(120)에 인가되는 전원(즉, 전압)의 파장은 전극 간의 미터당 정전용량(electrostatic capacitance per meter), 전극의 미터당 인덕턴스(inductance per meter)와 미터당 저항(resistance per meter)에 의해 결정된다. 도 6에는 상부 전극(120)과 하부 전극(130)사이에 플라즈마가 형성되었을 때, 모델링하는 회로를 도시하였다. 도 6에서, Ls(H/m)는 전극의 미터당 인덕턴스, Rs(ohm/m)는 전극의 미터당 저항, Ce(F/m)은 상부 전극(120)과 하부 전극(130)사이의 미터당 커패시턴스, Cs1, Cs2(F/m)는 미터당 쉬스(sheath) 커패시턴스, Rp(ohm/m)는 미터당 플라즈마 저항, Cp(F/m)는 미터당 플라즈마 커패시턴스, Csub(F/m)는 기판의 미터당 커패시턴스를 나타낸다.
쉬스(sheath)와 기판 간의 정전용량이 대략 진공에서의 정전용량보다 3배 크다고 보면, 수학식 1과 같이 전압의 파장을 구할 수 있다.
Figure 112008085139097-pat00001
수학식 1에서 Vo는 진공에서의 전압의 속도로 3x108m/s로 하였고, 주파수 f는 40MHz로 하였다. 그러면, 전압의 파장은 대략 4.5m가 되며, 이 파장의 1/4은 대략 1.1m가 된다. 즉, 상부 전극(120)에서 x, y가 1.1m보다 큰 경우 정재파의 효과가 나타나게 되는 것이다.
상부 전극(120)에는 제 1 전원부(140) 및 제 2 전원부(150)에 의해 전력이 공급된다. 상부 전극(120)에 상기와 같이 서로 다른 주파수를 가지는 전력이 공급되는 경우의 효과에 대해서는 후술한다. 상기와 같은 상부 전극(120)은 알루미늄, 스테인리스 스틸로 만들 수 있다.
하부 전극(susceptor,130)은 기판을 안착하는 부분으로, 기판에 전압을 인가할 수 있다. 하부 전극(130)에는 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 용도에 따라 히터(heater), ESC(ElectroStatic Chuck)가 모두 구비되거나 하나만 구비될 수 있다. 즉, 플라즈마 처리장치가 증착공정에 사용되는 경우에는 히터, ESC 모두 사용될 수 있고, 애셔(Asher)로 사용되는 경우에는 히터만, 에쳐(Etcher)로 사용되는 경우에는 ESC만 하부 전극(130)에 구비될 수도 있다. 상기 히터는 기판을 가열하여 기판의 온도를 조절할 수 있는 것으로 하부 전극(130)에 내장될 수 있으며, 이 경우 하부 전극(130)에는 기판에 열을 가하는 AC 또는 DC 전원이 추가로 구비된다. 상기 AC 또는 DC전원에 의해 히터가 가열되어 상기 기판의 온도는 100℃ 내지 300℃로 설정될 수 있다.
다수개의 전원부(140,150,160)는 서로 다른 주파수를 가지는 전력을 상기 상부 전극(120) 또는 하부 전극(130)에 제공하는 부분이다. 도 1에 도시된 바와 같이 서로 다른 주파수를 가지는 다수개의 전원(140,150,160)이 상부 전극(120)과 하부 전극(130)에 연결된다.
제 1 전원부(140)는 주로 플라즈마의 발생에 기여하는 전원이다. 제 1 전원부(140)는 제 1 정합부(141)와 연결되어 있고, 이후 전력분배기(142)와 전기적으로 연결되며, 상부 전극(120) 및 하부 전극(130)에 전력을 제공한다. 제 1 전원 부(140)는 VHF주파수 범위(27MHz 내지 300MHz)의 초단파 전원을 제공하는 부분으로, 13.56 × n MHz(여기서, n은 2 내지 8의 자연수 중 하나)의 주파수를 가지는 전압을 제공한다. 즉, 제 1 전원부(140)는 27.12MHz, 40.68MHz, 54.24MHz, 67.8MHz, 81.36MHz, 94.92MHz, 108.48MHz 중 어느 하나의 주파수를 가질 수 있다. 이하에서는 제 1 전원부(140)가 40.68MHz(n이 3인 경우)의 주파수를 가지는 경우를 예로 들어 설명하지만, 이는 제한이 아니며 상기 다양한 주파수 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
제 1 전원부(140)는 저주파에 비해 발생하는 플라즈마 밀도가 상대적으로 크고, 그 결과 예컨대 에칭 공정(dry etching)에 사용될 경우 에칭 속도를 증가시켜 생산성을 향상시키는 장점이 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 이러한 VHF 주파수의 전원을 단독으로 사용하는 경우, 상기 상부 전극의 크기가 상기 전원의 파장의 1/4보다 커지게 되면 정재파(standing wave)의 문제가 발생한다.
상부 전극(120)에 정재파가 발생하면, 상부 전극(120)에서 공간적으로 불균일한 전압이 형성된다는 의미이므로 발생하는 플라즈마 밀도 역시 불균일하게 된다.(이를 이하에서 정재파 효과라 한다). 이러한 문제점은 후술할 하부 전극(130)에 인가되는 제 1 전원부(140)의 위상을 변화한 전원(이하 편의상 위상변환전원이라 한다)에 의해 해결될 수 있다. 또한, 상부 전극(120)에 추가적으로 인가되는 낮은 주파수의 제 2 전원부(150)도 상기 정재파 효과를 완화하는데 기여한다.
종래, VHF 주파수의 전원을 상부 전극의 일단(one end)에 제공함과 동시에 상부 전극의 타 일단에 위상변환전원을 제공함으로써 상부 전극(120)에 발생하는 정재파의 발생 위치를 고속으로 이동시키는 방법을 사용하였다. 그러나, 이러한 방식에 의해 정재파 효과를 제거하는 것은 전기적으로 안정성이 떨어지고, 하드웨어적으로 구현이 어렵다. 반면, 본 실시예와 같이 위상변환전원을 상부 전극(120)과 이격된 하부 전극(130)에 연결하는 것은 전기적으로 안정성이 높고, 하드웨어적으로 구현도 간단한 장점이 있다.
제 1 정합부(matcher, 141)는 제 1 전원부(140)에서 공급하는 전력에서 부하(load)인 상부 전극, 플라즈마 및 하부 전극에 최대 전력이 전달되도록 임피던스 매칭을 시켜주는 부분이다. 제 1 전원부(140)의 출력 임피던스와 제 1 전원부(140)에서 부하(상부 전극, 플라즈마 및 하부 전극)쪽을 바라본 입력 임피던스(도 4의 회로도를 참조)가 매칭되지 않으면, 상기 부하에 전달되는 전력의 양이 최대로 되지 않아 비효율적이다. 이러한 경우, 공정에 따라 요구되는 최적 플라즈마 밀도가 유지되지 않을 수 있기 때문에 정합부를 통해 임피던스 매칭을 능동적으로 해 주어야 한다.
전력분배기(142)는 제 1 전원부(140)에서 공급되는 전력을 2분하여 하나는 상부 전극(120)으로, 하나는 하부 전극(130)으로 제공하는 역할을 한다. 전력분배기(142)에서 상부 전극(120) 방향으로는 고역통과필터(High Pass Filter, HPF, 144)가 구비되는데, 이 고역통과필터(144)는 제 1 전원부(140)의 주파수를 중심으로 소정 범위의 통과대역을 가지도록 설계되며, 상기 통과대역보다 낮은 주파수는 차단하는 역할을 한다. 도면에 도시하지는 않았지만 상기 제 1 전원부(140)와 제 1 정합부(141) 사이에 아이솔레이터를 더 구비하여 제 1 전원부(140)를 보호할 수 있 다.
전력분배기(142)에서 하부 전극(130) 방향으로는 위상 변환기(Phase shifter, 143)가 전기적으로 연결되는데, 상기 위상 변환기(143)는 제 1 전원부(140)에서 공급되는 초단파 전원의 위상을 변환시킨 뒤, 하부 전극(130)에 제공한다. 그 결과 상부 전극(120)과 하부 전극(130)은 공간적으로 서로 다른 위상을 가지는 전압을 가지게 된다. 상기 위상 변환기(143)에서는 시간적으로 변화하는 위상차를 만든다. 다시 말해 위상 변환기(143)에 의해 하부 전극(130)은 단순히 접지되었을 때와는 달리 시간적으로 공간적으로 변화하는 전압을 가지게 된다.
하부 전극(130)에 상술한 바와 같이 제 1 전원부(140)의 위상을 변화시킨 전원, 즉 위상변환전원을 연결시키면, 상부 전극(120)의 전압과 하부 전극(130)의 전압이 서로 위상이 시간적으로 계속 달라지게 되어, 시간 평균으로는 정재파 효과가 줄어들게 된다.
제 2 전원부(150)는 상부 전극(130)에 제 1 전원부(140)의 주파수보다 낮은 주파수를 가지는 전원을 공급하는 부분이다. 제 2 전원부(150)는 1MHz 내지 10MHz 범위의 주파수를 가지는 전원을 사용할 수 있는데, 보다 구체적으로 13.56/m MHz(여기서, m은 2 내지 6인 자연수 중 하나)의 주파수를 가질 수 있다. 즉, 제 2 전원부(150)는 6.78MHz, 4.52MHz, 3.39MHz, 2.712MHz, 2.26MHz 중 어느 하나의 주파수를 가질 수 있다. 이하에서는 제 2 전원부(150)가 3.39MHz(m이 4인 경우)의 주파수를 가지는 경우를 예로 하여 설명하지만, 이는 제한이 아니며 상기 다양한 주파수 중 어느 하나를 가질 수 있다. 상술한 바와 같이 3.39MHz는 13.56MHz의 1/4 주파수로 13.56MHz와 싱크를 맞추기 쉽다는 장점이 있다.
상부 전극(130)에 제 1 전원부(140)의 주파수보다 낮은 주파수를 가지는 제 2 전원부(150)를 연결하는 이유는 플라즈마 밀도의 균일성을 향상시키는 측면과, 기판에 증착되는 플라즈마 이온의 충돌에너지를 조절하기 위한 측면이 있다.
먼저, 플라즈마 밀도의 균일성 향상의 측면을 살펴보면 제 2 전원부(150)처럼 낮은 주파수의 전원이 상부 전극(130)에 인가되면, 상부 전극(130)의 가장자리에서는 플라즈마 밀도가 높아지고, 가운데 부분에서는 플라즈마 밀도가 낮아지는 효과가 있다. 이러한 효과는 상부 전극(130)에서 제 1 전원부에 의하여 발생하는 정재파의 위치와 제 2 전원부에 의해 발생하는 정재파의 위치가 서로 다르기 때문에 플라즈마의 공간적 불균일성을 개선하는 것이다. 따라서, 서로 주파수가 다른 2개의 전원을 상부 전극(130)에 연결함으로써, 플라즈마 밀도의 불균일성을 보상하는 것이다.
제 2 전원부(150)의 플라즈마 이온의 충돌에너지 조절의 측면은, 플라즈마에 고주파 전원과 저주파 전원을 같이 걸면 고주파 전원은 주로 플라즈마의 생성 즉 원자를 이온과 전자로 해리시키는 과정이나 재결합과정에 영향을 미치고, 저주파 전원은 주로 생성된 플라즈마 이온의 충돌 에너지에 주로 영향을 준다는 사실로 설명이 가능하다. 따라서, 제 2 전원부(150)의 전력을 조절함으로써 이온의 충돌 에너지를 조절할 수 있다.
제 2 전원부(150)에도 임피던스 매칭을 시켜 최대 전력이 상부 전극(130)에 전달되게 하는 제 2 정합부(151)가 구비되며, 이 후 저역통과필터(Low Pass Filter, LPF, 152)가 구비된다. 이 저역통과필터(152)는 제 2 전원부가 가지는 주파수를 중심으로 소정 범위의 통과대역을 가지며, 제 2 전원부의 주파수보다 높은 주파수는 잘 통과시키지 않도록 구성된다. 예컨대, 제 2 전원부가 3.39MHz를 가지면 저역통과필터는 3.39MHz를 기준으로 통과여부를 결정하게끔 대역이 결정된다. 저역통과필터(152)는 상부 전극(130)을 통해 연결된 제 1 전원부(140)의 전원이 역류하는 것을 막아주는 아이솔레이터(isolator) 역할도 겸한다.
제 3 전원부(160)는 하부 전극(130)에 13.56MHz 주파수를 가지는 전원을 공급하는 부분이다. 제 3 전원부(160)는 하부 전극에 전기적으로 연결되어, 플라즈마 밀도의 균일성을 향상시키는 측면과 기판에 증착되는 플라즈마 이온의 충돌에너지를 조절하기 위한 측면에서 기여한다. 제 3 전원부(160)는 하부 전극(130)의 가운데와 가장 자리(edge)의 사이 부분에 대해 플라즈마 밀도를 높이는 역할을 한다.
제 3 전원부(160)는 제 3 정합부(161), 대역통과필터(Band Pass Filter, BPF, 162)를 통과하여 하부 전극(130)에 전원을 제공한다. 상기 대역통과필터(162)는 13.56MHz의 주파수를 중심으로 소정 대역의 주파수를 가지는 전원에 대해서는 통과시키고 그 외의 범위에 대해서는 차단하는 역할을 하며, 제 3 정합부(161)는 최대 전력 전달을 위하여 임피던스 매칭을 한다.
상술한 바와 같이 예컨대, 제 1 전원부(140)는 40.68MHz, 제 2 전원부(150)는 3.39MHz, 제 3 전원부(160)는 13.56MHz의 주파수를 가질 수 있는데, 상기 3개의 주파수는 종래에 사용되는 13.56MHz와 13.56MHz의 고조파로서 파장이 13.56MHz인 경우의 1/3인 40.68MHz, 13.56MHz보다 파장이 4배 긴 3.39MHz라는 특징이 있다. 상 기와 같은 주파수를 선택하는 것은 국제 통신 규약에서 산업용으로 개방한 주파수인 13.56MHz에서 쉽게 생성할 수 있고 서로 싱크를 맞추기 쉽다는 장점이 있기 때문이다. 그러나, 이는 반드시 이러한 상관관계가 있는 주파수를 사용하여야 한다는 의미는 아니며 소정 범위 내의 주파수를 각각 선택하여도 된다.
본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 예를 들어, 에칭 공정에 사용하는 경우를 설명하면, 먼저 챔버(110) 내로 기판을 반입한다. 반입된 기판은 하부 전극(130)에 안착된다. 하부 전극(130)에 구비된 ESC(ElectroStatic Chuck, 정전척, 미도시)가 온(on) 되어 정전기력에 의해 기판을 부착하면, 공정 가스가 챔버(110)내로 유입된다. 이러한 공정 가스는 상부 전극(120)에 있는 홀이나 슬릿을 통해 유입될 수도 있다.
그러면, 상부 전극(120)과 하부 전극(130)에 연결된 다수개의 전원(140,150,160)이 온(on)되면서 상부 전극(120)과 하부 전극(130) 사이의 공정 공간에 플라즈마가 생성된다. 상기 다수개의 전원(140,150,160)이 상부 전극(120)과 하부 전극(130)에 연결되어 공간적으로 균일한 플라즈마가 생성되는 것에 대해서는 이미 상술하였으므로 여기서는 생략한다.
공간적으로 균일하게 형성된 플라즈마는 상부 전극(120)과 하부 전극(130) 사이에 형성되는 전기장에 의해 기판 쪽으로 움직이며, 기판의 표면을 에칭하게 된다. 기판의 표면을 처리하는 과정이 종료되면, 공정 가스는 챔버(110) 외부로 배기되며, 정전척이 오프(off)된 후 기판은 챔버 외부로 이송된다.
본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치는 대면적 기판을 대상으로 한 플라즈마 처리공정 예컨대, 대면적의 LCD, PDP 및 태양전지를 대상으로 대면적 에칭공정(dry etcher), 증착공정, 애싱공정, 클리닝 공정 또는 이온 임플랜트 공정(Ion implanter) 등에 사용될 수 있으며, 플라즈마의 발생이 필요한 임의의 장치에도 사용될 수 있음은 자명하다.
이상에서 본 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 특허청구범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 단면을 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 상부 전극 및 하부 전극을 나타낸 사시도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 상부 전극(120)의 형상을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예들에서 상부 전극에 연결되는 다수개의 급전점을 보여주는 평면도이다.
도 6은 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 상부 전극 및 하부 전극 사이에 플라즈마가 형성되었을 때, 이를 모델링하는 회로를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
110 : 챔버 120 : 상부 전극
130 : 하부 전극 140 : 제 1 전원부
150 : 제 2 전원부 160 : 제 3 전원부
143 : 위상변환기

Claims (9)

  1. 플라즈마가 발생되는 공정 공간을 형성하는 챔버;
    상기 챔버 내에 위치하며, 소정 간격 이격되어 구비되는 다수개의 바(bar)가 사다리 형태로 연결된 상부 전극;
    상기 챔버 내의 상기 상부 전극과 대향되는 위치에 구비되며, 기판을 안착하는 하부 전극;
    상기 상부 전극에는 VHF 주파수의 전력을 공급하고, 상기 하부 전극에는 상기 VHF 주파수의 전력을 위상 변환하여 공급하는 제 1 전원부;
    상기 상부 전극에 상기 VHF 주파수보다 낮은 주파수의 전력을 공급하는 제 2 전원부; 및
    상기 하부 전극에 상기 제 1 전원부보다는 낮은 주파수이고 상기 제 2 전원부보다는 높은 주파수의 전력을 공급하는 제 3 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전원부는 27MHz 내지 300MHz, 상기 제 2 전원부는 1MHz 내지 10MHz, 상기 제 3 전원부는 13.56MHz의 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전원부는 13.56 × n MHz(여기서, n은 자연수이고 2≤n≤8), 상기 제 2 전원부는 13.56/m MHz(여기서, m은 자연수이고 2≤m≤6)의 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전원부는 전력 분배기와 연결되고, 상기 전력 분배기에서 분배된 전력의 일부는 상기 상부 전극에 제공되고, 나머지 전력은 위상 변환기를 통해 위상이 변경되어 상기 하부 전극에 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수개의 전원부와 상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극 사이에, 각 전원부의 출력 임피던스와 상기 다수개의 전원부 각각에서 부하(load) 쪽을 바라본 입력 임피던스를 매칭시키는 정합부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 정합부와 상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극 사이에, 전기적으로 연결된 각 전원부의 주파수를 중심으로 소정 범위 내의 주파수만을 통과시키는 필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  7. 챔버 내부에 공정 가스가 유입되면, 상부 전극에 VHF 주파수 범위의 제 1 주파수를 가지는 전력 및 상기 제 1 주파수보다 낮은 제 2 주파수의 전력을 제공하는 동시에 하부 전극에 상기 제 1 주파수의 전력을 위상 변화한 전력 및 상기 제 1 주파수보다는 낮고 상기 제 2 주파수보다는 높은 제 3 주파수를 가지는 전력을 공급하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 처리 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 주파수는 27 내지 300MHz, 상기 제 2 주파수는 1 MHz 내지 10MHz, 상기 제 3 주파수는 13.56MHz인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 13.56 × n MHz(여기서, n은 자연수이고 2≤n≤8), 상기 제 2 주파수는 13.56/m MHz(여기서, m은 자연수이고 2≤m≤6)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
KR1020080125484A 2008-12-10 2008-12-10 플라즈마 처리장치 및 방법 KR100994502B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080125484A KR100994502B1 (ko) 2008-12-10 2008-12-10 플라즈마 처리장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080125484A KR100994502B1 (ko) 2008-12-10 2008-12-10 플라즈마 처리장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100066956A KR20100066956A (ko) 2010-06-18
KR100994502B1 true KR100994502B1 (ko) 2010-11-15

Family

ID=42365778

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080125484A KR100994502B1 (ko) 2008-12-10 2008-12-10 플라즈마 처리장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100994502B1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101313166B1 (ko) * 2011-11-23 2013-09-30 엘아이지에이디피 주식회사 플라즈마 처리장치
KR102070768B1 (ko) * 2015-11-20 2020-01-30 주식회사 원익아이피에스 박막 증착 장치
KR101842127B1 (ko) 2016-07-29 2018-03-27 세메스 주식회사 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법
TWI800505B (zh) * 2017-04-24 2023-05-01 美商應用材料股份有限公司 對電漿反應器的電極施加功率

Also Published As

Publication number Publication date
KR20100066956A (ko) 2010-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100338057B1 (ko) 유도 결합형 플라즈마 발생용 안테나 장치
KR20080071491A (ko) 플라즈마 이온 밀도 균일성을 제거하기 위해 가변 높이접지 리턴 경로를 갖는 플라즈마 반응기에서 소재를처리하는 방법
KR20120094980A (ko) 플라즈마 처리장치
US20180308663A1 (en) Plasma reactor with phase shift applied across electrode array
KR100994502B1 (ko) 플라즈마 처리장치 및 방법
KR101353684B1 (ko) 플라즈마 발생장치 및 방법
KR101626039B1 (ko) 대면적 플라즈마를 이용한 연속 기판 처리 시스템
KR20150028694A (ko) 플라즈마 처리 장치
KR101572100B1 (ko) 복합 주파수를 이용한 대면적 플라즈마 반응기
KR100878467B1 (ko) 반도체 기판 처리장치
KR100898165B1 (ko) 플라즈마 발생장치 및 방법
KR100786537B1 (ko) 반도체 기판 공정 챔버에 사용되는 다중 플라즈마 발생소스
JP2012174668A (ja) 高周波電力供給装置、プラズマ処理装置、及び半導体薄膜の製造方法
JP5484375B2 (ja) プラズマ成膜装置及びプラズマ成膜方法
US20180308664A1 (en) Plasma reactor with filaments and rf power applied at multiple frequencies
KR100994501B1 (ko) 플라즈마 처리장치
WO2018200409A1 (en) Applying power to electrodes of plasma reactor
US8409991B2 (en) Method for manufacturing large-area vacuum plasma treated substrates and vacuum plasma treatment apparatus
KR101032084B1 (ko) 플라즈마 처리장치 및 방법
CN115088054A (zh) 用于在等离子体处理装置中的边缘环处操纵功率的设备和方法
Bera et al. Plasma-profile control using external circuit in a capacitively coupled plasma reactor
KR101111062B1 (ko) 플라즈마 처리장치
US20180308667A1 (en) Plasma reactor with groups of electrodes
KR100785404B1 (ko) 유도 결합형 플라즈마 안테나 및 이를 이용한 기판 처리장치와 방법
JP2005123203A5 (ko)

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131108

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141111

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151110

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161110

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171109

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee