KR101104093B1 - 내부 안테나 및 플라즈마 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부 안테나 및 플라즈마 발생 장치를 제공한다. 이 내부 안테나는 진공용기의 내부에 직접 삽입되어 플라즈마를 발생시킨다. 내부 안테나는 일단에 전력이 공급되고 타단에서 전력이 4갈래로 분배되는 전원 공급부, 전원 공급부와 수직하게 배치된 전력 분배 평면에 배치되고 전원 공급부의 타단에서 대칭적으로 4 갈래로 갈라지는 주 방사상(main radial) 브랜치들, 인접한 주 방사상 브랜치들을 서로 연결시키는 외곽 브랜치들, 외곽 브랜치들의 중심 영역에서 전원 공급부의 타단 방향으로 연장되는 보조 방사상 브랜치들(sub radial), 및 보조 방사상 브랜치들에 각각 연결되고 전원 공급부와 평행하게 연장되는 접지부들을 포함한다.

Description

내부 안테나 및 플라즈마 발생장치{INTERNAL ANTENNA AND PLASMA GENERATION APPARATUS}

본 발명은 ICP(Inductively Coupled Plasma) 플라즈마 발생용 안테나에 관한 것, 더 구체적으로 진공 용기에 삽입되는 내부 안테나에 관한 것이다.

반도체, 디스플레이, 태양 전지 등의 현대 산업의 주류를 형성하는 분야에서 플라즈마 공정은 핵심적인 역할을 하고 있다. 특히 기업 간 경쟁이 치열해 지면서 대면적화 및 효율성 증가에 대한 요구가 커지고 있는 실정이다. 이러한 현실에서 기존 산업계에서 주류로 쓰이고 있는 CCP(Capacitively Coupled Plasma)를 대체할 고밀도 및 고균일도(High Uniformity)를 가지는 플라즈마 소스에 대한 개발이 시급하다. 이에 대한 대안으로 CCP 보다 고밀도 특성을 가지는 유도 자기장을 이용하는 ICP(Inductively Coupled Plasma) 및 마이크로웨이브를 이용하는 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마, 자기장을 이용하는 Helicon 플라즈마 등의 소스들이 연구되고 있다. 하지만, ECR 플라즈마 및 Helicon 플라즈마의 경우, 외부 자기장이 필요하고, 자기장으로 인하여 미세 공정의 안정성을 담보할 수 없다.

ICP의 경우, 안테나(Antenna) 주변에서만 높은 밀도를 가지는 불균일성으로 인하여 이를 보상하기 위하여 챔버의 종횡비(Aspect Ratio)가 증가하는 단점을 가지고 있다. 또한 이로 인하여 공정가스의 체류시간(Residence Time)이 증가하여 공정과정에서 중합체(Polymer)가 과다 생성되는 문제점을 안고 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 안테나 자체가 완전한 대칭을 이루며 이를 따라 흐르는 전류에 의해 형성되는 유도 자기장이 대칭적인 사중극(Quadrupole)을 형성하는 내부 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 안테나 자체가 완전한 대칭을 이루며 이를 따라 흐르는 전류에 의해 형성되는 유도 자기장이 대칭적인 사중극(Quadrupole)을 형성하는 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나는 진공용기의 내부에 직접 삽입되어 플라즈마를 발생시킨다. 상기 내부 안테나는 일단에 전력이 공급되는 되고 타단에서 전력이 4갈래로 분배되는 전원 공급부, 상기 전원 공급부와 수직하게 배치된 전력 분배 평면에 배치되고 상기 전원 공급부의 타단에서 대칭적으로 4 갈래로 갈라지는 주 방사상(main radial) 브랜치들, 인접한 상기 주 방사상 브랜치들을 서로 연결시키는 외곽 브랜치들, 상기 외곽 브랜치들의 중심 영역에서 상기 전원 공급부의 타단 방향으로 연장되는 보조 방사상 브랜치들(sub radial), 및 상기 보조 방사상 브랜치들에 각각 연결되고 상기 전원 공급부와 평행하게 연장되는 접지부들을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 상기 진공 용기를 밀폐시키는 상판을 포함하는 진공용기, 상기 진공 용기의 상판에 배치된 절연판, 및 상기 진공 용기의 내부에 배치된 내부 안테나를 포함하고, 상기 내부 안테나는 상기 절연판을 통하여 RF 전력을 공급받는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나는 고밀도, 고효율 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 상기 내부 안테나는 사중극자 안테나(Quadrupole Antenna)의 대칭성을 이용하여 공간적으로 안테나와 근거리에서 균일한 분포를 이루는 고밀도 플라즈마를 구현할 수 있다.

상기 내부 안테나는 기존의 CCP 타입의 플라즈마 소스에 비하여 높은 플라즈마 밀도를 제공하여 빠른 공정이 가능하다. 또한, 상기 내부 안테나는 고균일성(High Uniformity)를 제공하고, 낮은 종횡비를 가진 진공 용기에 장착되어, 공정 가스의 높은 체류 시간에 따른 중합체의 과다 생성을 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나가 장착된 플라즈마 소스를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 내부 안테나를 설명하는 사시도이다.
도 3은 도 2의 I-I'선을 따라 자른 플라즈마 소스의 단면도이다.
도 4는 본 발명은 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나를 설명하는 평면도이다.
도 5b 및 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 내부에서 자기장의 시뮬레이션 결과이다.
도 6a는 비교 안테나 1을 설명하는 평면도이다.
도 6b 및 도 6c는 비교 안테나 1에 따른 플라즈마 내부에서 자기장의 시뮬레이션 결과이다.
도 7a는 비교 안테나 2를 설명하는 평면도이다.
도 7b 및 도 7c는 비교 안테나 2에 따른 플라즈마 내부에서 자기장의 시뮬레이션 결과이다.

ICP 플라즈마 발생장치는 안테나에 유도되는 자기장을 이용하여 진공 용기 내부에 2차 유도전류를 형성하여 플라즈마를 발생시키는 방법이다. 안테나의 모양에 따라 유도되는 자기장의 형태가 결정되게 된다. 자기장을 진공 용기 내에서 균일하게 분포하여 고균일도를 실현하게 위해 많은 연구가 있어왔다. 기존의 안테나들은 나선형, 복합형 등의 안테나가 이루는 평면 내에 조밀하게 안테나를 구성하여 유도 자가장의 세기를 증가기거나 균일도를 높이는데 중점을 두었다. 그러나 이러한 형태는 안테나의 인덕턴스를 증가시키며 안테나로부터 균일한 플라즈마를 형성하는 지점의 거리가 멀어지게 되는 단점을 가지고 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나는 안테나 자체가 완전한 대칭을 이루며 이를 따라 흐르는 전류에 의해 형성되는 유도 자기장이 대칭적인 사중극(Quadrupole)을 형성하게 된다. 이에 따라, 상기 내부 안테나에서 근접한 곳에서 균일한 2차 전류가 유도되고 결과적으로 고밀도의 플라즈마가 안테나의 근거리에서 형성되게 되는 것이다. 이를 통하여 안테나가 형성하는 반경 대비 챔버의 높이를 줄여 시스템의 공간적 제약을 해결하고, 공정 가스의 체류 시간을 줄일 수 있다.

유도 결합 플라즈마는 통상적으로 유전체 창문을 통하여 유도 기전력을 전달하여 플라즈마를 형성한다. 상기 유도 기전력은 안테나의 주위에 집중되어 공간적으로 불균일한 플라즈마를 생성한다. 따라서, 균일한 플라즈마를 생성하기 위하여, 플라즈마 발생 영역과 공정 처리 영역 사이에 소정의 거리가 요구된다. 이에 따라, 통상적인 유도 결합 플라즈마 장치는 높은 종횡비를 가진 진공용기를 가진다. 높은 종횡비를 가진 유도 결합 플라즈마 장치는 높은 체류 시간에 따라 중합체를 과다 생성하여 산화막 식각 같은 특정한 공정에서 식각 특성을 얻을 수 없었다.

본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나는 낮은 종횡비를 가진 진공 용기에 삽입되어 높은 플라즈마 밀도 및 높은 공정 균일성을 제공하고, 낮은 체류 시간을 제공할 수 있다. 따라서, 종래에 유도 결합 플라즈마로 처리될 수 없었던 산화막 식각 공정 등에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나가 장착된 플라즈마 소스를 설명하는 도면이다.

도 2는 도 1의 내부 안테나를 설명하는 사시도이다.

도 3은 도 2의 I-I'선을 따라 자른 플라즈마 소스의 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 내부 안테나(120)는 진공 용기(112) 내부에 장착된다. 상기 내부 안테나(120)는 전력을 최대로 전달하는 매칭 네트워크(132)를 통하여 RF 주파수의 정현파를 제공하는 전력을 공급하는 RF 전원(134)에 연결된다. 상기 진공 용기(112)는 금속 재질로 접지되어 있어 상기 내부 안테나(120)로 흘러들어간 전류가 빠져나가는 통로(Path)가 될 수 있다. 상기 내부 안테나(120)에 상기 RF 전원(134)이 인가되는 경우, 암페어 법칙에 의하여 자기장이 유도된다. 상기 진공 용기(112)는 상판(114)을 포함한다. 상기 상판(114)은 상기 진공 용기(112)의 뚜껑이다. 상기 상판(114)의 중심 영역에 절연판(116)이 배치된다.

가스 유량 조절부(154)는 상기 진공 용기(112)에 가스를 공급한고, 가스 저장부(152)는 가스 유량 조절부(154)에 가스를 공급한다. 상기 진공 용기(112)는 진공 펌프(160)에 의하여 펌핑된다.

기판 지지부(140)는 상기 내부 안테나(120)와 이격되어 배치되고, 상기 내부 안테나(120)를 마주보며 배치된다. 상기 기판 지지부(140) 상에는 기판(142)이 배치된다.

상기 RF 전원(134)의 출력 임피던스는 50옴일 수 있다. 이에 따라, 상기 매칭 네트워크(132)는 부하의 저항을 50오옴으로 맞추는 과정에서, 상기 내부 안테나(120)와 상기 진공 용기(112)의 벽 사이의 전위 차이에 의한 플라즈마가 형성되며 이를 E 모드(E mode)라고 한다. 상기 E 모드는 종래의 CCP 플라즈마 소스의 구동메커니즘과 같다. 이 후 적절한 매칭 조건에서 충분한 전원을 공급하게 되면, 유도된 자기장이 플라즈마 내부에서 2차 유도 전류를 형성함으로써 ICP 타입 특유의 H 모드(H mode)의 플라즈마를 발생시킨다.

본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나(120)는 종래의 외부 ICP 안테나들이 가지는 문제점을 사중극자를 형성하는 안테나를 사용하여 개선하였다. 4중 극자 구조의 안테나는 거리에 따른 자기장의 감쇄율이 높아, 안테나와 플라즈마 사이에 거리가 큰 경우에는 적합하지 않다. 그러나, 상기 4중 극자 구조의 안테나가 플라즈마 내부에 삽입되는 구조를 가진 경우에는 상기 4중 극자 구조의 안테나는 효율적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

상기 내부 안테나(120)는 상기 진공용기(112)의 내부에 직접 삽입되어 플라즈마를 발생시킨다. 상기 내부 안테나(120)는 일단에 전력이 공급되고 타단에서 전력이 4갈래로 분배되는 전원 공급부(121), 상기 전원 공급부(121)의 전력이 분배되는 평면에서 상기 전원 공급부(121)의 타단에서 대칭적으로 4 갈래로 갈라지는 주 방사상(main radial) 브랜치들(122), 인접한 상기 주 방사상 브랜치들(122)을 서로 연결시키는 외곽 브랜치들(123), 상기 외곽 브랜치들(123)의 중심 영역에서 상기 전원 공급부(121)의 타단 방향으로 연장되는 보조 방사상 브랜치들(sub radial branches, 124), 및 상기 보조 방사상 브랜치들(124)에 각각 연결되고 상기 전원 공급부(121)와 평행하게 연장되는 접지부들(125)을 포함한다.

상기 외곽 브랜치들(123)은 원호를 형성할 수 있다. 상기 내부 안테나(120)에 의하여 형성된 자기장은 8개의 자기쌍극자를 형성하고, 서로 이웃한 자기쌍극자들의 자화방향은 서로 반대이다. 상기 2개의 자기 쌍극자는 하나의 자기 4중 극자를 형성한다.

상기 전원 공급부(121)는 상기 내부 안테나(120)의 중심부에 배치되고, 상기 전원 공급부(121)로 들어온 전류는 상기 주 방사상(main radial) 브랜치들(122)을 통하여 4개의 서로 다른 통로로 흐른다. 상기 전류는 상기 외곽 브랜치들(123)을 통하여 외부 원호 부분을 돌아 4개의 보조 방사상 브랜치들(124)로 들어온다. 상기 전류는 접지부들(125)을 통하여 빠져 나간다. 상기 전류에 의한 유도 자기장이 자기 4중 극자를 형성한다. 상기 자기 4 중극자의 유도 자기장은 상기 주 방사상 브랜치들(122)이 배치된 평면에서 N극과 S극이 교차로 나타나는 대칭 구조를 갖는다.

상기 자기 4 중극자의 자기장은 거리에 따라 빨리 감소한다. 따라서, 상기 자기 4 중 극자의 주위에만 높은 유도 기전력을 형성할 수 있다. 즉, 상기 4 중 극자에 의하여 형성된 유도 기전력은 자기 쌍극자에 의하여 형성된 유도 기전력에 비하여 거리에 따라 빨리 감소한다. 자기 4중 극자 안테나는 유전체를 통하여 유도 기전력을 형성하는 경우, 거리에 따른 빠른 감소에 기인하여 플라즈마 발생용 안테나에 부적합할 수 있다. 그러나, 진공 용기에 삽입된 경우에는, 상기 자기 4중 극자 안테나는 거리에 따른 빠른 감소에 기인하여 안테나 근처에만 얇은 플라즈마를 형성할 수 있다. 이에 따라, 진공 용기의 종횡비(Aspect ratio)를 감시킬 수 있다. 상기 자기 4중 극자 안테나에 의하여 생성된 플라즈마는 확산에 의하여 균일하게되며, 낮은 종횡비는 공정가스의 체류시간을 줄일 수 있다. 이에 따라, 유도 결합 플라즈마에서 실현할 수 없었던 산화물 식각 공정 등이 가능하다.

기존의 ICP 안테나 중 가장 간단한 형태는 원턴(one turn) 안테나이다. 상기 원턴 안테나의 자기장은 공간상에서 전류가 흘러들어가는 곳에서 강하게 나타나는 불균일한 분포를 가진다. 상기 원턴 안테나는 대면적의 시스템으로 확장할수록 그 불균일도가 증가하며 플라즈마의 확산(Diffusion)을 증가시켜 이러한 불균일도를 보상하고자 안테나의 반경 대비 챔버의 비율(L/R)이 커지게 된다. 또한 이러한 구조적 제약으로 인하여 챔버 부피를 펌프의 펌핑속도로 나눈 공정 가스의 체류 시간(Residence Time)이 증가하게 되어 공정 과정에서 중합체(Polymer)가 과도하게 생성되는 단점을 지니고 있다.

적절한 중합체의 생성은 식각 표면을 미세하게 코팅하여 이방성(Anisotropy) 식각률을 높이는 장점이 될 수 있으나 지금과 같이 과도하게 생성되게 되면 식각 자체를 저해하는 요소로 작용하여 문제가 된다.

도 4는 본 발명은 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다.

도 4를 참조하면, 상기 플라즈마 발생 장치는 진공 용기를 밀폐시키는 상판(114)을 포함하는 진공용기(미도시), 상기 진공 용기의 상판에 배치된 절연판(116), 및 상기 진공 용기의 내부에 배치된 내부 안테나(120)를 포함한다. 상기 내부 안테나(120)는 상기 절연판을 통하여 RF 전력을 공급받는다.

상기 상판(114)에는 복수의 절연판들(116)이 배치될 수 있다. 상기 절연판(116)은 상기 내부 안테나에 전력을 공급하기 위한 관통홀들(미도시)을 포함할 수 있다. 전원 공급부는 상기 관통홀에 삽입될 수 있다.

상기 내부 안테나는 일단에 전력이 공급되는 되고 타단에서 전력이 4갈래로 분배되는 전원 공급부, 상기 전원 공급부와 수직하게 배치된 전력 분배 평면에 배치되고 상기 전원 공급부의 타단에서 대칭적으로 4 갈래로 갈라지는 주 방사상(main radial) 브랜치들, 인접한 상기 주 방사상 브랜치들을 서로 연결시키는 외곽 브랜치들, 상기 외곽 브랜치들의 중심 영역에서 상기 전원 공급부의 타단 방향으로 연장되는 보조 방사상 브랜치들(sub radial), 및 상기 보조 방사상 브랜치들에 각각 연결되고 상기 전원 공급부와 평행하게 연장되는 접지부들을 포함한다.

유도 결합 플라즈마를 이용한 대면적 플라즈마 발생 장치는 두꺼운 유전체 창문을 필요로 한다. 상기 유전체 창문의 두께의 증가는 비용을 증가시키고, 안정성을 감소시키며, 플라즈마 발생 효율을 감소시킨다. 상기 내부 안테나가 대면적 플라즈마 발생 장치에 결합하는 경우, 상기 내부 안테나는 작은 크기의 상기 절연판을 통하여 용이하게 대면적이고 균일한 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다. 또한, 상기 내부 안테나를 사용한 플라즈마는 진공 용기의 종횡비를 감소시키어 다양한 공정에 적용될 수 있다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나를 설명하는 평면도이다.

도 5b 및 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 내부에서 자기장의 시뮬레이션 결과이다.

도 6a는 비교 안테나 1을 설명하는 평면도이다.

도 6b 및 도 6c는 비교 안테나 1에 따른 플라즈마 내부에서 자기장의 시뮬레이션 결과이다.

도 7a는 비교 안테나 2를 설명하는 평면도이다.

도 7b 및 도 7c는 비교 안테나 2에 따른 플라즈마 내부에서 자기장의 시뮬레이션 결과이다.

상기 시뮬레이션은 CST사의 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 수행되었다.

본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나(120)가 형성하는 평면에 평행하고 안테나의 중심을 지나는 선(x축)과 이 선에 45도 각을 가지고 있는 선을 기준으로 유도 자기장이 표시된다.

상기 내부 안테나(120)의 경우, x축, 45 기울어진 곳 모두에서 중심 부분을 제외한 전 영역에서 고르게 자기장이 분포함을 알 수 있다. 비교 안테나 1(220)의 경우, 45 기울어졌을 때 중심에 멀어질수록 유도 자기장이 급속하게 감소함을 알 수 있다. 또한, 비교 안테나 2(320의 경우, 한쪽 부분으로 자기장이 쏠림을 알 수 있다. 이에 반하여 상기 내부 안테나(120)은 균일한 유도자기장이 안테나의 근거리 영역에서 생김을 알 수 있다.

상기 내부 안테나(120)의 경우 비교 안테나들(220,320)에 비하여 상기 내부안테나(120)의 근거리에서 균일한 자기장을 형성하였으며 이를 활용하여 진공 용기의 종횡비를 크게 줄일 수 있다. 더불어 공정가스의 체류 시간을 줄임으로써 식각 공정에서 요하는 고밀도, 고효율, 고균일도 플라즈마 소스의 조건을 만족시키는 ICP 플라즈마 발생 장치를 실현할 수 있다.

120: 내부 안테나
112: 진공 용기
114: 상판
116: 절연판
121: 전원 공급부
122: 주 방사상 브랜치들
123: 외곽 브랜치들
124: 보조 방사상 브랜치들
125: 접지부들

Claims (5)

1. 진공용기의 내부에 직접 삽입되어 플라즈마를 발생시키는 내부 안테나에 있어서,
   상기 내부 안테나는:
   일단에 전력이 공급되고 타단에서 전력이 4갈래로 분배되는 전원 공급부;
   상기 전원 공급부와 수직하게 배치된 전력 분배 평면에 배치되고 상기 전원 공급부의 타단에서 대칭적으로 4 갈래로 갈라지는 주 방사상(main radial) 브랜치들;
   인접한 상기 주 방사상 브랜치들을 서로 연결시키는 외곽 브랜치들;
   상기 외곽 브랜치들의 중심 영역에서 상기 전원 공급부의 타단 방향으로 연장되는 보조 방사상 브랜치들(sub radial); 및
   상기 보조 방사상 브랜치들에 각각 연결되고 상기 전원 공급부와 평행하게 연장되는 접지부들을 포함하고,
   상기 안테나에 의하여 형성된 자기장은 8개의 자기쌍극자를 형성하고, 서로 이웃한 자기쌍극자들의 자화방향은 서로 반대인 것을 특징으로 하는 내부 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,
   외곽 브랜치들은 원호를 형성하는 것을 특징으로 하는 내부 안테나.
3. 삭제
4. 진공 용기를 밀폐시키는 상판을 포함하는 진공용기;
   상기 진공 용기의 상판에 배치된 절연판; 및
   상기 진공 용기의 내부에 배치된 내부 안테나를 포함하고,
   상기 내부 안테나는 상기 절연판을 통하여 RF 전력을 공급받고,
   상기 내부 안테나는:
   일단에 전력이 공급되고 타단에서 전력이 4갈래로 분배되는 전원 공급부;
   상기 전원 공급부와 수직하게 배치된 전력 분배 평면에 배치되고 상기 전원 공급부의 타단에서 대칭적으로 4 갈래로 갈라지는 주 방사상(main radial) 브랜치들;
   인접한 상기 주 방사상 브랜치들을 서로 연결시키는 외곽 브랜치들;
   상기 외곽 브랜치들의 중심 영역에서 상기 전원 공급부의 타단 방향으로 연장되는 보조 방사상 브랜치들(sub radial); 및
   상기 보조 방사상 브랜치들에 각각 연결되고 상기 전원 공급부와 평행하게 연장되는 접지부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
5. 삭제

Images