KR19980040612A - Plasma Uniformity Control Method in Plasma Etching Equipment - Google Patents

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신규한 플라즈마 균일성 제어방법이 개시되어 있다. 임의의 파형, 소정 주파수 범위에서의 동일한 주파수 및 상기 전자석의 주코일과 부코일의 변조들 사이의 제어가능한 위상반전에 의해, 상기 주코일과 부코일에서 전류의 시간변조를 행하여 자장의 배치를 변화시킨다. 전자석 코일의 시간변조된 전류들 간의 위상반전을 제어하여 플라즈마 균일성을 제어할 수 있다.A novel plasma uniformity control method is disclosed. Any waveform, the same frequency in a predetermined frequency range, and a controllable phase inversion between the modulations of the main coil and the subcoil of the electromagnet, change the placement of the magnetic field by time-modulating the current in the main and subcoils. Let's do it. Plasma uniformity may be controlled by controlling phase inversion between time-modulated currents of the electromagnet coil.

Description

플라즈마 식각장비에서의 플라즈마 균일성 제어방법Plasma Uniformity Control Method in Plasma Etching Equipment

본 발명은 플라즈마 균일성 제어방법에 관한 것으로, 전자사이클로트론공명(electron cyclotron resonance; 이하 ECR이라 한다) 플라즈마 및 헬리콘웨이브(helicon wave) 플라즈마 식각장비에 있어서, 전자석 코일의 시간변조된 전류들 간의 위상반전(phase shift)을 제어하여 플라즈마 균일성을 제어하는 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for controlling plasma uniformity, wherein a phase between time-modulated currents of an electromagnet coil in an electron cyclotron resonance (hereinafter referred to as ECR) plasma and helicon wave plasma etching equipment A method of controlling plasma uniformity by controlling a phase shift.

플라즈마란 이온, 전자 및 다양한 중성종들로 이루어진 부분적으로 이온화된 가스를 말하며, Rf 전기장을 저전압에서 가스에 인가함으로써 발생된다. 플라즈마에 외부로부터 정자장(static magnetic field)을 인가하면 이를 상쇄시키기 위하여 플라즈마 속의 하전된 입자들, 예컨대 전자 및 이온들이 회전운동을 하게 되는데, 이때의 회전반경을 라모(Larmor) 반경이라 한다. 이는 플라즈마가 반자성체(diamagnetic material)이기 때문에 생기는 현상이며, 라모 반경을 수식으로 표현하면 다음 수학식과 같다.Plasma is a partially ionized gas of ions, electrons and various neutral species, which is generated by applying an Rf electric field to the gas at low voltage. When a static magnetic field is applied to the plasma from the outside, charged particles, such as electrons and ions, in the plasma are rotated in order to cancel them, and the radius of rotation is called a Larmor radius. This is a phenomenon that occurs because the plasma is a diamagnetic material (ramo radius), expressed by the equation of the L'amo in the following equation.

[수학식][Equation]

여기서, rl은 라모 반경을 나타내고, m은 충전된 입자의 직경을, v는 자장과 수직방향의 충전된 입자의 속도를, 그리고 B는 자장의 세기를 나타낸다.Where r l represents the lamo radius, m represents the diameter of the charged particles, v represents the velocity of the charged particles perpendicular to the magnetic field, and B represents the intensity of the magnetic field.

플라즈마를 발생하는 시스템의 크기, 예컨대 반응챔버의 반경이나 전극간의 간격에 비해 상기 라모 반경이 작을 경우 충전된 입자는 인가된 자장을 따라 한정되는데, 전자의 경우는 이온보다 가벼우므로 시스템의 크기보다 훨씬 작은 라모 반경을 갖게 되어 자장의 영향을 받는다.If the Ramo radius is small compared to the size of the system generating the plasma, e.g. the radius of the reaction chamber or the spacing between the electrodes, the charged particles are defined along the applied magnetic field, while the former is lighter than the ions and therefore much larger than the size of the system. It has a small lamo radius and is affected by the magnetic field.

이와 같이 자장은 플라즈마 파라미터들을 제어하는 가장 중요한 물리요소 중의 하나이다. 특히, 자장증대반응성이온식각(magnetic field enhanced reactive ion etch; 이하 MERIE이라 한다) 시스템에 있어서, 자장은 공정압력을 감소시키고, 이온화정도를 증가시키고 이온에너지를 감소시키는 등 플라즈마의 특성을 개선시킨다. 또한, 자장은 헬리콘웨이브 플라즈마 및 ECR 플라즈마를 발생시키는 필수적인 요소 중의 하나이다. 예컨대, 식각율 및 식각균일성은 ECR 존(zone) 영역과 웨이퍼 위치영역 사이의 거리에 강하게 의존하는데, 이러한 시스템들은 자장을 만들기 위하여 영구자석을 사용하거나 전자석을 사용하여야 하며, 통상적으로 자장은 정적(stationary)이다. Applied Material사의 MERIE P-5000장비에서 이용되는 자장은 식각균일성을 제어하기 위하여 반응챔버의 수직축 주위를 회전한다.As such, the magnetic field is one of the most important physical factors controlling plasma parameters. In particular, in a magnetic field enhanced reactive ion etch (MERIE) system, the magnetic field improves the characteristics of the plasma by reducing the process pressure, increasing the degree of ionization and decreasing the ion energy. In addition, the magnetic field is one of the essential factors for generating the helicon wave plasma and the ECR plasma. For example, etch rate and etch uniformity are strongly dependent on the distance between the ECR zone and the wafer location area. These systems require the use of permanent magnets or electromagnets to create a magnetic field. stationary). The magnetic field used by Applied Material's MERIE P-5000 machine rotates around the vertical axis of the reaction chamber to control etch uniformity.

본 발명의 목적은 ECR 플라즈마 및 헬리콘웨이브 플라즈마 식각장비에 있어서, 전자석 코일의 시간변조된 전류들 간의 위상반전을 제어하여 플라즈마 균일성을 제어하는 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a method for controlling plasma uniformity by controlling phase inversion between time-modulated currents of an electromagnet coil in an ECR plasma and helicon wave plasma etching apparatus.

도 1은 ECR 및 헬리콘웨이브 플라즈마 식각장비에서 사용되는 전자석 코일의 개략도.1 is a schematic diagram of an electromagnet coil used in an ECR and helicon wave plasma etching equipment.

도 2는 전자석 코일에서 전류의 변조를 나타내는 그래프.2 is a graph showing modulation of current in an electromagnet coil.

도 3은 두 개의 코일 시스템에 있어서, 동일한 주파수 및 주코일과 부코일의 변조 사이의 제어가능한 위상반전에서의 전류 변조를 나타내는 그래프.3 is a graph showing current modulation in controllable phase inversion between the same frequency and modulation of the main and subcoils, for two coil systems.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전자석을 갖는 플라즈마 식각장비의 플라즈마 균일성 제어방법에 있어서, 임의의 파형, 소정 주파수 범위에서의 동일한 주파수 및 상기 전자석의 주코일(main coil)과 부코일(subcoil)의 변조들 사이의 제어가능한 위상반전에 의해, 상기 주코일과 부코일에서 전류의 시간변조를 행하여 자장의 배치(configuration)를 변화시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 균일성 제어방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, in the plasma uniformity control method of the plasma etching equipment having an electromagnet, arbitrary waveforms, the same frequency in a predetermined frequency range, and the main coil and the sub-coil of the electromagnet ( A control method of plasma uniformity characterized by changing the configuration of a magnetic field by time-modulating the current in the main coil and the sub-coil by controllable phase inversion between modulations of a subcoil.

본 발명에 의하면, 상기 자장의 시간변조에 의해 식각균일성을 제어한다.According to the present invention, the etching uniformity is controlled by time modulation of the magnetic field.

상기 플라즈마 식각장비는 ECR 플라즈마 식각장비 및 헬리콘웨이브 플라즈마 식각장비를 포함한다.The plasma etching apparatus includes an ECR plasma etching apparatus and a helicon wave plasma etching apparatus.

상기 소정 주파수 범위는 0.1Hz∼10Hz 인 것이 바람직하다.The predetermined frequency range is preferably 0.1 Hz to 10 Hz.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 ECR 및 헬리콘웨이브 플라즈마 식각장비에서 사용되는 전자석 코일의 개략도이다. 도 2는 전자석 코일에서 전류의 변조를 나타내는 그래프이다.1 is a schematic diagram of an electromagnet coil used in an ECR and a helicon wave plasma etching apparatus. 2 is a graph showing modulation of current in an electromagnet coil.

먼저, 플라즈마에 정자장을 인가하는 방법을 살펴보면, 가장 대표적인 방법이 전자석 코일(electromagnetic coil)에 직류(dc) 전류를 인가하여 전류와 수직방향의 자장을 발생시키는 방법이다. 이때 발생되는 자장은 전류의 크기 및 전류원으로부터의 거리의 함수가 된다 (암페어의 회로법칙 또는 비오-사바르의 법칙 참조). 상기 전자석 코일은 ECR 및 헬리콘웨이브 플라즈마 식각장비에서 반응챔버의 축에 대해 대칭되는 자장을 발생시키는데 주로 사용된다. 때때로, 주코일과 공동축을 갖는 전자석 부코일이 자장의 배치와 플라즈마 균일성을 제어하기 위해 사용되기도 한다. 상기 자장의 배치, 즉 자장의 공간적 분포는 챔버 용적 내의 이온화 분포 및 해리율(dissociation rate)을 결정한다.First, the method of applying the static magnetic field to the plasma, the most typical method is a method of generating a magnetic field in the direction perpendicular to the current by applying a direct current (dc) current to the electromagnetic coil (electromagnetic coil). The magnetic field generated is a function of the magnitude of the current and the distance from the current source (see Ampere's Circuit Law or Bio-Savar's Law). The electromagnet coil is mainly used to generate a magnetic field symmetrical about the axis of the reaction chamber in ECR and helicon wave plasma etching equipment. Occasionally, an electromagnet subcoil having a coaxial axis with the main coil is used to control the placement of the magnetic field and the plasma uniformity. The placement of the magnetic field, ie the spatial distribution of the magnetic field, determines the ionization distribution and dissociation rate in the chamber volume.

코일 내의 일정 전류에서, 자장 유도계수(inductance) B는 균일하지 않은 정적인 공간분포를 갖는다. 이를 단순화시켜 살펴보기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 코일 축의 점들만을 고려한다면, 이 점들에서 상기 자장 유도계수 B를 간단한 식으로 표시할 수 있다. 자기 코일에서 전류의 시간변조는 자장 배치의 시간변조로 귀착될 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이 전류 I가 시간 t의 함수라면, 자장 유도계수 B는 시간과 코일 축 상의 점 A 위치의 함수로써 다음의 수학식 1로 정의된다.At a constant current in the coil, the magnetic field inductance B has a nonuniform static spatial distribution. In order to simplify this, considering only the points of the coil axis as shown in FIG. 1, the magnetic field induction coefficient B can be expressed in a simple manner at these points. Time modulation of the current in the magnetic coil will result in time modulation of the magnetic field arrangement. If the current I is a function of time t as shown in Fig. 2, the magnetic field induction coefficient B is defined by the following equation 1 as a function of time and the point A position on the coil axis.

[수학식 1][Equation 1]

여기서, n은 (N/L)로서 코일 내의 감은수(turn) 밀도를 나타내며, N은 코일 내의 감은수를, L은 코일의 길이를 각각 나타낸다. 또한,이다.Here, n denotes the number of turns in the coil as (N / L), N denotes the number of turns in the coil, and L denotes the length of the coil, respectively. Also, to be.

한편, 전류 I의 시간 의존성은 다음의 수학식 2와 같이 sin파로 선택될 수도 있고,On the other hand, the time dependence of the current I may be selected as a sin wave, as shown in Equation 2 below,

[수학식 2][Equation 2]

3각파, 직각 펄스 등으로 선택될 수도 있다. 여기서, I0는 코일 내의 직류(dc) 전류를 나타내고, I1은 코일 내의 교류(ac) 전류의 진폭을 나타내며, w는 변조 주파수를 나타낸다.It may be selected as a triangular wave, a right angle pulse, or the like. Where I 0 represents the direct current (dc) current in the coil, I 1 represents the amplitude of the alternating current (ac) current in the coil, and w represents the modulation frequency.

상기 수학식 1에 표시된 바와 같이 전류 I에 대한 자장 유도계수 B의 1차 (linear) 의존성으로 인해, 자장 유도계수 B의 시간 의존성은 전류의 경우와 동일하게 된다. 또한, 변조 주파수의 상한치는 코일 파라미터들 (구조 및 회전수)에 의해 좌우된다.As shown in Equation 1, due to the linear dependence of the magnetic field induction coefficient B on the current I, the time dependency of the magnetic field induction coefficient B becomes the same as that of the current. The upper limit of the modulation frequency also depends on the coil parameters (structure and rotational speed).

한편, ECR 플라즈마를 발생시키기 위해서는, 다음의 수학식 3으로 정의되는 ECR 조건을 만족하여야 한다.On the other hand, in order to generate an ECR plasma, the ECR condition defined by Equation 3 below must be satisfied.

[수학식 3][Equation 3]

여기서, we는 전자사이클로트론 주파수를 나타내고, me는 전자의 질량을 나타내며, e는 전자 전하를 나타낸다.Here, w e represents the electron cyclotron frequency, m e represents the mass of electrons, and e represents the electron charge.

자장 유도계수 B는 위치와 시간 모두의 함수이므로, 상기한 ECR 조건이 만족되는 영역의 위치가 플라즈마 내에서 변하게 된다. 이러한 플라즈마 발생원 (ECR 영역)의 위치의 변화 뿐만 아니라 확산영역에서의 자장 변화는 플라즈마 파라미터들의 시간 및 공간 변화로 귀착된다. 이에 따라, 플라즈마 파라미터들의 변화는 식각율과 식각균일성을 제어하게 된다.Since the magnetic field induction coefficient B is a function of both position and time, the position of the region where the above ECR condition is satisfied changes in the plasma. This change in the position of the plasma generation source (ECR region) as well as the change in the magnetic field in the diffusion region results in a change in the time and space of the plasma parameters. Accordingly, changes in the plasma parameters control the etching rate and the etching uniformity.

한편, 헬리콘웨이브는 자장의 방향에 대해 평행한 위치에서 전파되는데, 그 길이는 자장의 세기에 의존한다. 예컨대, 13.56MHz의 웨이브 주파수에 대해 헬리콘 웨이브는On the other hand, the helicon wave propagates at a position parallel to the direction of the magnetic field, the length of which depends on the strength of the magnetic field. For example, for a wave frequency of 13.56 MHz, the helicon wave

[수학식 4][Equation 4]

(cm) (cm)

된다. 따라서, 자장의 시간변조는 확산영역에서의 하전된 입자의 공간분포 뿐만 아니라 헬리콘웨이브의 발생에 영향을 미친다.do. Thus, the temporal modulation of the magnetic field affects the generation of helicon waves as well as the spatial distribution of charged particles in the diffusion region.

한편, 어떤 식각장비들에서는 자장의 배치를 제어하기 위해서 코일 내의 고정 전류에 멀티코일 자석 시스템이 사용된다. 이때, 자장의 변조는 단일 및 두 개의 코일 시스템에서 행해질 수 있다. 두 개의 코일 시스템에 대한 자장은 다음의 수학식 5로 나타낼 수 있다.On the other hand, some etching equipments use a multicoil magnet system for a fixed current in the coil to control the placement of the magnetic field. At this time, the modulation of the magnetic field may be performed in single and two coil systems. The magnetic fields for the two coil systems can be represented by Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

여기서, B1A(t)는 주코일에 의해 발생되는 자장의 유도계수를 나타내며, B2A(t)는 부코일에 의해 발생되는 자장의 유도계수를 나타낸다.Here, B 1A (t) represents the induction coefficient of the magnetic field generated by the main coil, B 2A (t) represents the induction coefficient of the magnetic field generated by the sub-coil.

상기한 두 개의 코일 시스템에 있어서는 전류의 변조가, 동일한 주파수를 가지면서 주코일과 부코일의 변조 사이에 제어가능한 위상반전을 갖는 변조방식으로 행해진다 (도 3 참조).In the two coil systems described above, the modulation of the current is performed in a modulation scheme having the same frequency and controllable phase inversion between the modulation of the main coil and the subcoil (see Fig. 3).

따라서, 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, ECR 플라즈마 및 헬리콘웨이브 플라즈마를 포함하는 식각장비에서 전자석 코일의 시간변조된 전류들 사이의 위상반전을 제어하여 플라즈마 균일성을 제어할 수 있다.Therefore, according to the present invention as described above, the plasma uniformity can be controlled by controlling the phase inversion between the time-modulated currents of the electromagnet coil in the etching equipment including the ECR plasma and the helicon wave plasma.

Claims (4)

전자석을 갖는 플라즈마 식각장비의 플라즈마 균일성 제어방법에 있어서,In the plasma uniformity control method of the plasma etching equipment having an electromagnet, 임의의 파형, 소정 주파수 범위에서의 동일한 주파수 및 상기 전자석의 주코일과 부코일의 변조들 사이의 제어가능한 위상반전에 의해, 상기 주코일과 부코일에서 전류의 시간변조를 행하여 자장의 배치를 변화시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 균일성 제어방법.Any waveform, the same frequency in a predetermined frequency range, and a controllable phase inversion between the modulations of the main coil and the subcoil of the electromagnet, change the placement of the magnetic field by time-modulating the current in the main and subcoils. Plasma uniformity control method characterized in that. 제1항에 있어서, 상기 자장의 시간변조에 의해 식각균일성을 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 균일성 제어방법.The method of claim 1, wherein the etching uniformity is controlled by temporal modulation of the magnetic field. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 식각장비는 전자사이클로트론공명(ECR) 플라즈마 식각장비 및 헬리콘웨이브 플라즈마 식각장비를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 균일성 제어방법.The method of claim 1, wherein the plasma etching equipment includes an electron cyclotron resonance (ECR) plasma etching equipment and a helicon wave plasma etching equipment. 제1항에 있어서, 상기 소정 주파수 범위는 0.1Hz∼10Hz 인 것을 특징으로 하는 플라즈마 균일성 제어방법.The method of claim 1, wherein the predetermined frequency range is 0.1 Hz to 10 Hz.
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