KR102496724B1 - 플라스마 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

플라스마 발생 장치가 개시된다. 플라스마 발생 장치는 내부에 제1공간과, 상기 제1공간과 연통하는 제2공간이 형성된 플라스마 생성관; 상기 플라스마 생성관 내부로 공급된 반응 가스를 상기 제1공간에서 분해하여 라디칼을 생성하는 제1플라스마 생성부; 및 상기 제 2 공간에서, 상기 라디칼을 재분해하는 제2플라스마 생성부를 포함한다.

Description

플라스마 발생 장치{APPARATUS FOR GENERATING PLASMA}
본 발명은 플라스마 발생 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고밀도 플라스마를 생성할 수 있는 플라스마 발생 장치에 관한 것이다.
최근 반도체 산업이 발달됨에 따라 반도체 제조장치는 고 용량 및 고 기능화를 추구하고 있으며, 이에 따라 한정된 영역에 보다 많은 소자의 집적이 필요하게 되었고, 반도체를 제조하는 기술은 패턴을 극 미세화, 그리고 고 집적화 시킬 수 있도록 연구·개발되고 있는 실정이다.
이러한 극 미세화 및 고 집적화된 반도체장치를 구현하기 위한 반도체장치 제조공정에서는 반응가스를 활성화시켜 플라스마 상태로 생성함으로써, 플라스마 상태의 반응가스의 양이온 또는 라디칼(radical)이 반도체 기판의 소정영역을 처리하는 기술이 많이 이용되고 있다.
일반적으로, 플라스마 생성 방법은 용량성 결합 플라스마(Capacitively coupled plasma) 방식과 유도 결합형 플라스마(Inductively coupled plasma) 방식으로 구분된다.
용량성 결합 플라스마 방식은 낮은 밀도의 플라스마를 쉽게 만들 수 있으나, 높은 밀도에서 플라스마 발생효율이 급감하는 단점이 있다. 유도 결합형 플라스마 방식은 용량성 결합 플라스마에 비해 높은 밀도의 플라스마를 생성할 수 있으나, 매우 높은 밀도에서는 플라스마 발생 효율이 급감한다. 이러한 기존 방식에서는 넓은 범위의 플라스마 운용 동작 영역을 확보하기 어렵다.
본 발명은 반응 가스를 용이하게 점화 및 분해하고, 고밀도 플라스마를 생성할 수 있는 플라스마 발생 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 플라스마 발생 장치는 내부에 제1공간과, 상기 제1공간과 연통하는 제2공간이 형성된 플라스마 생성관; 상기 플라스마 생성관 내부로 공급된 반응 가스를 상기 제1공간에서 분해하여 라디칼을 생성하는 제1플라스마 생성부; 및 상기 제 2 공간에서, 상기 라디칼을 재분해하는 제2플라스마 생성부를 포함한다.
또한, 상기 제 1 플라스마 생성부는 CCP 방식으로 상기 라디칼을 생성하고, 상기 제 2 플라스마 생성부는 CCP 방식 또는 ICP 방식으로 상기 라디칼을 재분해할 수 있다.
또한, 상기 제 1 플라스마 생성부는 상기 제 1 공간에 위치하며, 표면에 절연층이 형성된 내부 전극; 및 상기 플라스마 생성관의 외부에서 상기 제 1 공간을 에워싸며, 접지된 외부 전극을 포함하고, 상기 제 2 플라스마 생성부는 상기 제 2 공간의 외부에서 상기 플라스마 생성관에 복수 회 감기는 안테나를 포함하고, 상기 내부 전극과 상기 안테나에 전압을 인가하는 교류 전원; 및 상기 내부 전극과 상기 안테나에 인가되는 전압 비를 조절하는 가변 커패시터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 플라스마 생성부는 상기 제 1 공간에 위치하며, 표면에 절연층이 형성된 제 1 내부 전극; 및 상기 플라스마 생성관의 외부에서 상기 제 1 공간을 에워싸며, 접지된 제 1 외부 전극을 포함하고, 상기 제 2 플라스마 생성부는 상기 제 2 공간에 위치하며, 표면에 절연층이 형성된 제 2 내부 전극; 및 상기 플라스마 생성관의 외부에서 상기 제 2 공간을 에워싸며, 접지된 제 2 외부 전극을 포함하고, 상기 제 1 내부 전극과 상기 제 2 내부 전극에 전압을 인가하는 교류 전원; 및 상기 제 1 내부 전극과 상기 제 2 내부 전극에 인가되는 전압 비를 조절하기 위한 인덕터와 가변 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 플라스마 생성관 외부에 제공되며, 상기 제1공간과 상기 제 2 공간에 직류 자기장을 형성하는 자석을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 반응 가스로부터 점화 및 분해가 용이하게 일어나 라디칼이 쉽게 생성되고, 라디칼을 재분해함으로써 다량의 라디칼을 생성할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 직류 자기장의 인가로 플라스마에 의한 전자기장의 차폐 효과가 제거되므로, 고밀도 플라스마를 효율적으로 발생시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 발생 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라스마 발생 장치를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 발생 장치를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 플라스마 발생장치(1)는 반응 가스를 분해하여 라디칼(radical)을 생성하고, 생성된 라디칼을 공정 챔버(2) 내부로 공급한다. 플라스마 발생장치(1)는 플라스마 생성관(10), 제 1 플라스마 생성부(20), 제 2 플라스마 생성부(30), 교류 전원(35), 가변 커패시터(36), 그리고 자석(37)를 포함한다.
플라스마 생성관(10)은 내부에 공간이 형성된 원형 관으로 제공된다. 플라스마 생성관(10)의 내부 공간은 제 1 공간(11)과 제 2 공간(12)을 포함하며, 제1공간(11)과 제2공간(12)은 연통된다. 플라스마 생성관(10)의 일단에는 소소 가스가 유입되는 유입구(13)가 형성되고, 타단에는 라디칼이 공정 챔버(2)로 공급되는 토출구(14)가 형성된다.
제 1 플라스마 생성부(20)는 플라스마 생성관(10) 내부로 공급된 반응 가스를 제 1 공간(11)에서 분해하여 라디칼을 생성한다. 제 1 플라스마 생성부(20)는 용량성 결합 플라스마(Capacitively coupled plasma, CCP) 방식으로 라디칼을 생성한다. CCP 방식은 강한 전기장 발생에 의해 반응 가스의 점화(ignition) 및 해리(dissociation)가 용이하게 일어나 낮은 밀도의 플라스마를 쉽게 만들 수 있다. 제 1 플라스마 생성부(20)는 내부 전극(21)과 외부 전극(22)을 포함한다.
내부 전극(21)은 제 1 공간(11)에 위치하며, 교류 전원(35)과 연결된다. 내부 전극(21)은 원형 단면을 가지며, 표면에 절연층(21a)이 형성된다.
외부 전극(22)은 플라스마 생성관(10)의 외부에서 제 1 공간(11)을 에워싼다. 외부 전극(22)은 접지된다.
제 2 플라스마 생성부(30)는 제 2 공간(12)에서 라디칼을 재분해하여 다량의 라디칼을 생성한다. 제 2 플라스마 생성부(30)는 유도 결합형 플라스마(Inductively coupled plasma, ICP) 방식으로 라디칼을 재분해한다. ICP 방식은 CCP 방식에 비해 높은 밀도의 플라스마를 효율적으로 만들 수 있다. 때문에 제 2 플라스마 생성부(30)에서 라디칼이 더욱 잘 분해되고 해리가 잘 되어 다량으로 라디칼이 생성된다. 제 2 플라스마 생성부(30)는 안테나(31)를 포함한다. 안테나(31)는 제 2 공간(12)에 대응하는 영역에서 플라스마 생성관(10)에 복수 회 감기는 코일로 제공된다. 안테나(31)는 교류 전원(35)과 연결된다.
교류 전원(35)은 내부 전극(21)과 안테나(31)에 전압을 인가한다.
가변 커패시터(36)는 정전 용량을 조절함으로써, 안테나(31)에 인가되는 전압을 조절할 수 있다. 이에 의해 내부 전극(21)과 안테나(31)에 인가되는 전압 비가 조절될 수 있다. 전압 비 조절로, 제 1 플라스마 생성부(20)와 제 2 플라스마 생성부(30)에서 라디칼 생성 정도가 조절될 수 있다.
자석(37)은 플라스마 생성관(10) 외부에 제공되며, 제 1 공간(11)과 제 2 공간(12)에 직류 자기장을 형성된다. 직류 자기장은 플라스마 생성관(10)의 길이방향을 따라 선형으로 형성된다. 플라스마 생성관(10) 내부에 높은 밀도의 플라스마가 생성될 경우, 플라스마에 의한 전자기장의 차폐로 인하여 플라스마 발생 효율이 급격히 낮아질 수 있다. 이러한 플라스마 발생 효율 저하는 전자기장이 플라스마로 진행할 수 있도록 함으로써 해결될 수 있다. 본 발명에서는 직류 자기장 형성으로, 전자기장이 플라스마에서 진행할 수 있어 효율적으로 고밀도 플라스마를 생성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라스마 발생 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 플라스마 발생장치(1')는 플라스마 생성관(40), 제 1 플라스마 생성부(50), 제 2 플라스마 생성부(60), 교류 전원(71), 인덕터(72), 가변 커패시터(73), 그리고 자석(74)을 포함한다.
플라스마 생성관(40)은 도 1에서 설명한 플라스마 생성관(10)과 동일한 구조로 제공된다.
제 1 플라스마 생성부(50)는 제 1 공간(41)에서 CCP 방식으로 반응 가스로부터 라디칼을 생성한다. 제 1 공간(41)에서 강한 전기장 발생으로, 반응 가스의 점화 및 해리가 용이하게 일어나 라디칼이 쉽게 생성된다. 제 1 플라스마 생성부(50)는 제 1 내부 전극(51)과 제 1 외부 전극(52)을 포함한다.
제 1 내부 전극(51)은 제 1 공간(41)에 위치하며, 교류 전원(71)과 연결된다. 내부 전극(51)은 원형 단면을 가지며, 표면에 절연층(51a)이 형성된다.
제 1 외부 전극(52)은 플라스마 생성관(40)의 외부에서 제 1 공간(41)을 에워싼다. 제 1 외부 전극(52)은 접지된다.
제 2 플라스마 생성부(60)는 제 2 공간(42)에서 CCP 방식으로 라디칼을 재분해한다. 제 2 공간(42)에서 강한 전기장 발생으로, 라디칼이 다량으로 재분해된다. 제 2 플라스마 생성부(60)는 제 2 내부 전극(61)과 제 2 외부 전극(62)을 포함한다.
제 2 내부 전극(61)은 제 2 공간(42)에 위치하며, 교류 전원(71)과 연결된다. 내부 전극(61)은 원형 단면을 가지며, 표면에 절연층(61a)이 형성된다.
제 2 외부 전극(62)은 플라스마 생성관(40)의 외부에서 제 2 공간(42)을 에워싼다. 제 2 외부 전극(62)은 접지된다.
교류 전원(71)은 제 1 내부 전극(61)과 제 2 내부 전극(62)에 전압을 인가한다.
교류 전원(71)과 제 2 내부 전극(71)을 연결하는 구간에는 인덕터(72)와 가변 커패시터(73)가 제공된다. 가변 커패시터(73)는 전체 임피던스 크기를 가변시켜 제 1 내부 전극(51)과 제 2 내부 전극(61)에 인가되는 전압 비를 조절한다. 전압 비 조절로, 제 1 플라스마 생성부(50)와 제 2 플라스마 생성부(60)에서의 라디칼 생성 정도가 조절될 수 있다.
자석(74)은 플라스마 생성관(40) 외부에 제공되며, 제 1 공간(41)과 제 2 공간(42)에 직류 자기장을 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 플라스마 발생 장치(1, 1')는 제 1 플라스마 생성부(20, 50)에서 소소 가스의 점화 및 분해가 용이하게 일어나 라디칼이 쉽게 생성된 후, 제 2 플라스마 생성부(30, 60)에서 라디칼을 한번 더 분해시킴으로써 다량의 라디칼을 생성할 수 있다. 또한, 제 1 공간(11, 41)과 제 2 공간(12, 42)에 직류 자기장을 형성함으로써, 전자기파가 플라스마에서 진행할 수 있어 효율적으로 고밀도 플라스마를 생성할 수 잇다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
1, 1': 플라스마 발생장치
10, 40: 플라스마 생성관
20, 50: 제 1 플라스마 생성부
30, 60: 제 2 플라스마 생성부
35, 71: 교류 전원
72: 인덕터
36, 73: 가변 커패시터
37, 74: 자석

Claims (5)

  1. 내부에 제1공간과, 상기 제1공간과 연통하는 제2공간이 형성된 플라스마 생성관;
    상기 플라스마 생성관 내부로 공급된 반응 가스를 상기 제1공간에서 분해하여 라디칼을 생성하는 제1플라스마 생성부; 및
    상기 제 2 공간에서, 상기 라디칼을 재분해하는 제2플라스마 생성부를 포함하되,
    상기 제 1 플라스마 생성부는 CCP 방식으로 상기 라디칼을 생성하고,
    상기 제 2 플라스마 생성부는 ICP 방식으로 상기 라디칼을 재분해하며,
    상기 제 1 플라스마 생성부는
    상기 제 1 공간에 위치하며, 표면에 절연층이 형성된 제 1 내부 전극; 및
    상기 플라스마 생성관의 외부에서 상기 제 1 공간을 에워싸며, 접지된 제 1 외부 전극을 포함하고,
    상기 제 2 플라스마 생성부는
    상기 제2공간에 대응하는 영역에서 상기 플라스마 생성관에 복수 회 감기는 코일로 제공되는 안테나;
    제1회로를 통해 상기 제1내부 전극과 연결되고, 상기 제1회로에서 분기된 제2회로를 통해 상기 안테나와 연결되며, 상기 제 1 내부 전극과 상기 안테나 각각에 전압을 인가하는 교류 전원; 및
    상기 제2회로와 연결되며, 정전 용량 조절로 상기 제 1 내부 전극과 상기 안테나에 인가되는 전압 비를 조절하는 가변 커패시터를 포함하며,
    상기 가변 커패시터의 전압 비 조절로 상기 제1플라스마 생성부에서 상기 반응 가스의 점화 및 해리가 일어나 낮은 밀도의 플라스마가 발생하고, 상기 제2플라스마 생성부에서 상기 제1플라스마 생성부에서 발생된 낮은 밀도의 플라스마를 재분해하여 높은 밀도의 플라스마가 발생하며,
    상기 제1외부 전극과 상기 안테나에 걸쳐 상기 플라스마 생성관의 외부에 제공되며, 상기 제1공간과 상기 제2공간의 내부에 상기 플라스마 생성관의 길이 방향을 따라 선형으로 직류 자기장을 형성하는 자석을 더 포함하는 플라스마 발생 장치.
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