KR101040541B1 - 플라즈마 발생용 하이브리드 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 공정장치에 사용되는 플라즈마 발생용 하이브리드 안테나에 관한 것으로 특히, 화학 기상 증착 공정에서 유도 결합형 플라즈마를 위한 안테나의 구조를 변경시켜 공정의 효율을 극대화시키기 위한 하이브리드 안테나에 관화시킬 수 있는 안테나의 구조를 제시하고, 공정 효율을 극대화시키기 위한 유도 결합형 플라즈마를 위한 하이브리드 안테나를 제공하는 것이다.

유도 결합형 플라즈마, 하이브리드 안테나, 권선, 공정, 직렬연결, 병렬연결

Description

플라즈마 발생용 하이브리드 안테나{HYBRID ANTENNA FOR PLASMA}

도 1은 종래의 플라즈마 공정 장치의 개략적인 단면도.

도 2a 및 도 2b는 종래의 플라즈마 발생 장치의 안테나 구조.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 안테나 구조도 및 회로도.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 안테나 구조도 및 회로도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 플라즈마 공정 장치 11: 진공 챔버

13: 챔버 벽 17: 플라즈마 발생용 안테나

27: 가스 주입구 29: 웨이퍼 척

35: 임피던스 정합 장치 37: RF 전원

40: 임피던스 정합 회로 41, 51, 61: 고주파 전원

42, 52, 62: 안테나 50, 60: 매칭박스

본 발명은 플라즈마 공정장치에 사용되는 유도 결합형 플라즈마를 위한 하이브리드 안테나에 관한 것으로 특히, 화학 기상 증착(CVD) 공정에서 유도 결합형 플라즈마(ICP, inductively coupled plasma)를 위한 안테나(antenna)의 구조를 개선하여 공정의 효율을 극대화시킨 하이브리드 안테나에 관한 것이다.

반도체 소자를 제조함에 있어서, 플라즈마를 이용하는 증착(plasma CVD) 및 식각 공정이 많이 개발되고 있다. 이는 플라즈마에 의해 반응 기체들이 활성화되어, 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 공정의 경우보다 그 증착 온도가 낮고, 증착 속도는 빠르다는 장점이 있다. 또한, 단지 플라즈마 전극이나 서셉터에 적절하게 상대적인 바이어스를 인가함으로써 용이하게 화학 기상 증착 및 식각 공정을 진행할 수 있다.

플라즈마 발생장치 중 널리 사용되는 것으로는, 유도 결합형 플라즈마 발생장치, 용량 결합형 플라즈마 발생장치 등이 있다. 그리고 이들의 기본적 플라즈마 발생장치에 자기장을 인가한 방식도 개발되어 있다.

종래의 유도 결합형 플라즈마 발생장치에는 단일의 나선형 안테나 또는 복수개의 분할 전극형 안테나가 사용되었다. RF 전력이 인가됨에 따라 안테나가 이루는 평면과 수직방향으로 시간적에 따라 변화하는 자기장이 형성되며, 이와 같이 시간에 따라 변화하는 자기장은 챔버 내부에 유도전기장을 형성하고 유도전기장은 전자를 가열하여 플라즈마가 발생하게 된다. 이와 같이 전자들은 주변의 중성기체입자들과 충돌하여 이온 및 라디칼 등을 생성하고 이들은 플라즈마 식각 및 증착에 이용되게 된다. 또한, 별도의 고주파전원으로부터 웨이퍼 척에 전력을 인가하면 시료에 입사하는 이온의 에너지를 제어하는 것도 가능하게 된다.

도 1은 종래의 플라즈마를 이용한 공정 장치의 일예로 유도 결합형 플라즈마 발생장치를 이용한 반도체 제조장치(10)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이 진공 챔버(11)의 상부에는 플라즈마 발생용 안테나(17)가 설치되어 있다. 진공 챔버(11) 내부와 안테나 사이에는 유전체나 절연체로 차단되어 있다. 일반적으로 상기 유전체나 절연체로는 쿼츠(quartz)나 세라믹 재질의 절연체가 많이 사용되며, 도 1에서는 돔(Dome)형 절연체가 설치된 경우이다.

상기 유전체나 절연체는 안테나와 플라즈마 사이의 용량성 결합(capacitive coupling)을 감소시킴으로써 고주파 전원으로부터의 에너지가 유도성 결합(inductive coupling)에 의해 플라즈마로 전달되는 것을 돕는다. 한편, 플라즈마 발생용 안테나(17)에는 임피던스 정합 장치(35)가 연결되어 있고, 플라즈마 발생용 안테나(17)에 RF 전원(37)이 연결되어 있다. 또한, 챔버(11) 측면에는 세정용 가스 또는 증착용 가스를 공급하기 위한 가스 주입구(27)가 형성되어 있고, 챔버(11) 하부 면에는 증착이 진행될 웨이퍼가 놓여지는 웨이퍼 척(29)이 설치되어 있다. 한편, 챔버 내부를 배기하기 위한 (도시되지 않은) 배기구 등이 있다. 이와 같은 구조의 유도성 결합형 플라즈마 발생장치(10)는 초기에 챔버(11)의 내부가 (도시되지 않은) 진공펌프에 의해 진공화 되도록 배기된 다음, 가스주입구(27)로부터 플라즈마를 발생시키기 위한 반응가스가 도입되어 필요한 압력으로 유지된다. 이어서 상기 공정용 플라즈마 발생용 안테나(17)에는 고주파전원인 RF 전원(37)으로부터 고주파전력이 인가된다. 이와 같이 플라즈마 공정장치는 진공 챔버를 둘러 싸는 공정용 플라즈마 발생용 안테나(17)와 같은 유도성 결합형 플라즈마를 위한 안테나에 단일 주파수 대역의 고주파 전력 또는 여러 주파수 대역의 고주파 전력을 적절히 인가함으로써 플라즈마를 형성시킬 수 있다.

상기 반도체 제조 장치에 사용되는 공정용 플라즈마 발생장치에는 도 2a와 같은 나선형의 안테나가 사용될 수 있는데, 안테나는 이를 구성하는 단일 혹은 복수의 권선이 직렬 연결되어 있는 구조를 나타낸다.

도 2a에서는 고주파 전원(41)이 나선형 직렬 안테나(42)에 임피던스 정합회로(40)를 통하여 연결되어 있다. 도 2b는 도 2a를 회로적으로 구현한 것이다. 이와 같은 구조에서는 안테나(42)를 구성하는 각 권선이 직렬 연결되어 있는 구조이므로, 권선마다 흐르는 전류량이 일정하게 된다. 또한, 공정 조건별로 스위치와 가변 캐패시터 등을 사용하는 용량 결합형 플라즈마(CCP, capacitively coupled plasma) 특성을 사용하여 플라즈마를 발생시킬 수도 있다. 그러나 권선마다 흐르는 전류량이 일정하기 때문에 유도전기장 분포 조절이 어려워진다. 또한, 안테나의 각 권선이 직렬로 연결되어 있으므로 안테나에 의한 전압강하가 크게 되므로 플라즈마와의 용량성 결합에 의한 영향이 증가된다.

또한, 챔버 내벽에서의 이온 및 전자의 손실로 인해서 플라즈마 밀도 분포가 불균일해지는 것을 막기 어렵게 된다.

이와 같이 일반적인 유도 결합형 플라즈마 안테나의 플라즈마 밀도는 중앙부분이 가장 높다. 따라서 플라즈마 균일도를 맞추기 위하여 가장자리 부분의 반응가스를 중앙부분보다 많이 공급하는 방법을 사용하고 있다. 특히, 식각 균일도는 플라즈마 균일도와 밀접한 관계가 있는데 이 식각 균일도가 다름에 따라 중앙과 가장자리의 공정능력이 다르게 되는 문제가 있다.

이와 달리 안테나의 중앙 부분을 병렬로 구성하고 마지막 권선에 가변 캐패시터를 사용하여 공명효과를 통해 전력을 가장자리에 많이 유도시키는 방식도 있다. 그러나 가변 캐패시터를 사용하는 방식은 가장자리에 너무 많은 전력이 유도되면 원하지 않는 곳으로 방전이 일어나거나 정확한 정전용량을 맞추는데 한계가 있기도 한 문제가 있다.

본 발명의 목적은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 플라즈마 발생장치에서 플라즈마 밀도 분포를 균일화시킬 수 있는 안테나(antenna)의 구조를 제시하고, 공정 효율을 극대화시키기 위한 유도결합형 플라즈마를 위한 하이브리드 안테나를 제공하는 것이다.

전술한 목적 및 기타 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 하이브리드 안테나는 플라즈마 발생장치용 안테나에 있어서, 안테나는 복수 개의 영역을 포함하고, 상기 안테나의 각 영역은 서로 다른 개수의 권선이 병렬 연결되고, 각 영역은 서로 직렬 연결되어 구성될 수 있다.

상기 안테나는 중앙 영역과 이를 둘러싸는 복수 개의 환형 영역을 포함하고, 이들 각 영역의 권선의 개수는 가장자리 영역으로 갈수록 감소할 수 있다.

본 발명에 따른 하이브리드 안테나는 플라즈마 발생장치에 있어서, 고주파 전력을 발생시키는 고주파 전원; 상기 고주파 전원으로부터 고주파 전원을 공급받는 안테나; 상기 안테나는 복수 개의 영역을 포함하고, 상기 안테나의 각 영역은 서로 다른 개수의 권선이 병렬 연결되고, 각 영역은 서로 직렬 연결되어 구성될 수 있다.

상기 안테나는 중앙 영역과 이를 둘러싸는 복수 개의 환형 영역을 포함하고, 이들 각 영역의 권선의 개수는 가장자리 영역으로 갈수록 감소할 수 있다. 또한, 상기 안테나는 3개의 영역을 포함하고, 중심 영역의 권선은 3개, 중간 영역의 권선은 2개, 가장자리 영역의 권선은 1개를 포함할 수 있다. 상기 안테나는 2개의 영역을 포함하고, 중심 영역의 권선은 3개, 가장자리 영역의 권선은 1개를 포함할 수 있다. 상기 직렬로 연결된 전체 영역의 형상은 나선형일 수 있다.

본 발명은 고밀도 플라즈마 장치, 플라즈마 화학 기상 증착(PECVD) 장치 또는 에칭을 위한 장치 등의 플라즈마 발생장치에 모두 활용할 수 있다. 하기 실시예에서는 본 발명의 고밀도 플라즈마 발생장치를 상세히 설명하겠다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 유도 결합형 플라즈마를 위한 하이브리드 안테나를 상세히 설명한다.

도 3a와 도 4a에는 본 발명에 따른 하이브리드 안테나의 개념도가 도시되어 있으며, 이때 도 3b와 도 4b는 각각 도 3a와 도 4a의 회로도이다. 구조적으로 안테나(52, 62)는 나선형으로서 진공 챔버의 외벽에 설치되며, 구동부 및 전자회로는 하나의 매칭 박스(50, 60)로 형성되어 진공 챔버로부터 원격지에 설치됨으로써 챔버 주위의 공간을 효율적으로 활용할 수 있다.

도 3a의 안테나(52)의 중심부분의 권선을 병렬로 구성하고 안테나의 가장자리로 가면서 차례로 병렬 연결된 권선의 횟수를 감소시켜 마지막에는 1개의 권선으로 구성한다. 도면의 중심 영역(A)은 3개의 권선으로 이루어진 병렬 구조가 되며, 중간 영역(B)은 2개의 권선으로, 가장자리 영역(C)은 1개의 권선으로 구성된 병렬 구조가 되며 이들 영역은 서로 직렬구조로 연결된다.

이와 같이 중심부분의 중심 영역(A)의 권선을 병렬로 배치함으로써, 중심 영역의 하나의 권선에 유기되는 전력 및 전류밀도는 가장자리 영역(C)의 1개의 권선보다 낮게 된다. 즉, 중심 영역(A)은 병렬형태이므로 각 권선에 할당되는 전력 및 전류밀도가 가장 적으며 가장자리로 갈수록 권선수가 적으므로 마지막 권선인 가장자리 영역(C)의 권선에 할당되는 전력 및 전류밀도가 가장 크다. 가장자리 영역(C)의 플라즈마 밀도를 보강하는 개념에 의해 플라즈마 밀도가 전체적으로 균일한 방향으로 유기된다. 이와 같이 구성함으로써 중심 영역(A)에 비해 낮은 플라즈마 밀도를 가진 가장자리 영역(C)을 보상하여 균일한 플라즈마 밀도를 갖도록 안테나를 구성할 수 있다. 이는 공정 진행 시 균일도 측면에서 많은 장점이 있다.

본 발명의 또 다른 실시예로 도 4a와 도 4b의 안테나는 중심 영역(D)은 3개의 권선을 병렬로 연결하고, 가장자리 영역(E)은 1개의 권선으로 하여 중심 영역(D)과 가장자리 영역(E)을 직렬로 구성하였다. 이는 더 작은 공간을 요구하므로 공간의 제약이 있는 공정에 사용할 수 있다.

상기 2가지 실시예는 공정에 따라 더 적절한 플라즈마 균일도가 유지되는 것으로 선택하여 사용하면 된다.

이 외에도 여러 가지 형태의 실시예가 가능하다.

공정 시에는 웨이퍼 표면상의 균일한 증착 또는 식각을 위하여, 웨이퍼 표면상의 플라즈마 균일도가 중요하고, 이를 위해 진공 챔버의 압력을 수 mTorr로 하여 상기의 하이브리드 안테나를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따른 유도 결합형 플라즈마를 위한 하이브리드 안테나는 전술한 실시예들에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

본 발명의 유도 결합형 플라즈마를 위한 하이브리드 안테나에 의하면, 안테나의 중앙영역의 권선을 수를 많게 하여 병렬연결하고 가장자리로 갈수록 권선의 수를 적게하고 가장 바깥쪽 가장자리에는 1개의 권선으로 구성한다. 각 영역은 서로 직렬로 연결하여 각 권선에 할당되는 전력 및 전류밀도를 조절하여, 전체적으로 균일한 플라즈마 밀도가 발생될 수 있도록 하고 있다. 따라서 본 발명의 하이브리드 안테나는 웨이퍼 표면상의 플라즈마 균일도가 중요한 증착 또는 식각과 같은 공정에서 효과적으로 균일한 플라즈마 밀도를 유지할 수 있다.

Claims (12)

1. 플라즈마 발생 장치용 안테나에 있어서,

   안테나는 복수 개의 영역을 포함하고, 상기 안테나의 각 영역은 1개 내지 3개의 권선이 서로 다른 개수로 병렬 연결되고, 각 영역은 서로 직렬 연결되어 구성된 플라즈마 발생 장치용 안테나.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 안테나는 중앙 영역과 이를 둘러싸는 복수 개의 환형 영역을 포함하고, 이들 각 영역의 권선의 개수는 가장자리 영역으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치용 안테나.
3. 플라즈마 발생 장치에 있어서,

   고주파 전력을 발생시키는 고주파 전원;

   상기 고주파 전원으로부터 고주파 전원을 공급받는 안테나를 포함하고,

   상기 안테나는 복수 개의 영역을 포함하고, 상기 안테나의 각 영역은 1개 내지 3개의 권선이 서로 다른 개수로 병렬 연결되고, 각 영역은 서로 직렬 연결되어 구성된 플라즈마 발생 장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 안테나는 중앙 영역과 이를 둘러싸는 복수 개의 환형 영역을 포함하고, 이들 각 영역의 권선의 개수는 가장자리 영역으로 갈수록 감 소하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 안테나는 3개의 영역을 포함하고, 중심 영역의 권선은 3개, 중간 영역의 권선은 2개, 가장자리 영역의 권선은 1개를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
6. 청구항 4에 있어서, 상기 안테나는 2개의 영역을 포함하고, 중심 영역의 권선은 3개, 가장자리 영역의 권선은 1개를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치
7. 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직렬로 연결된 전체 영역의 형상은 나선형인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
8. 플라즈마 발생 장치용 안테나에 있어서,

   중심 영역과 가장자리 영역을 포함하는 복수의 영역에 마련되고 1개 내지 3개의 서로 다른 개수의 권선들을 포함하고,

   상기 복수의 영역은 중심 영역과 가장자리 영역 사이에 적어도 하나의 환형 영역을 포함하고, 각 영역의 권선의 개수는 가장자리 영역으로 갈수록 감소하며,

   상기 중심 영역의 권선에 할당되는 전력 및 전류 밀도가 가장 작고 가장자리 영역으로 갈수록 권선에 할당되는 전력 및 전류 밀도가 증가하는 플라즈마 발생 장치용 안테나.
9. 삭제
10. 청구항 8에 있어서,

    상기 복수의 영역의 각 영역 내에 권선들은 병렬 연결되고, 각 영역 간의 권선은 서로 직렬 연결된 플라즈마 발생 장치용 안테나.
11. 플라즈마 발생 장치에 있어서,

    고주파 전력을 발생시키는 고주파 전원;

    상기 고주파 전원으로부터 고주파 전원을 공급받는 안테나를 포함하고,

    상기 안테나는 중심 영역과 가장자리 영역을 포함하는 복수의 영역에 마련되고 1개 내지 3개의 서로 다른 개수의 권선들을 구비하고, 상기 복수의 영역은 중심 영역과 가장자리 영역 사이에 적어도 하나의 환형 영역을 포함하며, 각 영역의 권선의 개수는 가장자리 영역으로 갈수록 감소하여 상기 중심 영역의 권선에 할당되는 전력 및 전류 밀도가 가장 작고 가장자리 영역으로 갈수록 권선에 할당되는 전력 및 전류 밀도가 증가하는 플라즈마 발생 장치.
12. 청구항 11에 있어서,

    상기 복수의 영역의 각 영역 내에 권선들은 병렬 연결되고, 각 영역 간의 권선은 서로 직렬 연결된 플라즈마 발생 장치.

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