KR20020035249A - 유도결합으로 보강된 축전결합형 플라즈마 발생장치 및플라즈마 발생방법 - Google Patents

유도결합으로 보강된 축전결합형 플라즈마 발생장치 및플라즈마 발생방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 유도결합형과 축전결합형을 조합하여 플라즈마의 밀도분포가 넓은 범위에 걸쳐 균일하도록 함으로써 비교적 큰 사이즈의 시료를 빠른 공정속도로 정밀하게 가공할 수 있도록 한 것으로, 이는 진공챔버(10)와, 이 진공챔버(10)의 상부에 배치된 원판형의 상부 전극판(30)과, 이 상부 전극판(30)에 RF전원을 인가하는 전원부(40)와, 상기 상부 전극판(30)에 병렬접속되는 복수개의 안테나(50)를 포함하여 이루어지고, 이 안테나(50)는 높이조절에 의하여 진공챔버 외곽을 진공챔버의 중심부에서와 같은 플라즈마 밀도를 갖도록 하거나, 전원부(40)에서 대역이 다른 2개의 RF전원을 상부 전극판(30)에 인가하여 상호간의 전력을 조절함으로써 안테나의 높이조절없이 진공챔버내에서 넓은 범위에 걸쳐 플라즈마의 밀도를 균일하게 제어할 수 있도록 하거나, 대역이 다른 2개의 RF전원을 인가하여 필요로 하는 특성의 플라즈마를 생성한 상태에서 안테나의 높이조절에 의해 진공챔버내의 플라즈마 균일도를 조절할 수 있도록 한다.

Description

유도결합으로 보강된 축전결합형 플라즈마 발생장치 및 플라즈마 발생방법 {Device and Method for Generating Capacitively Coupled Plasma Enhanced Inductively Coupled Plasma}
본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 특히 대형의 시료를 가공할 수 있는 넓은 유효면적과 균일하고 높은 밀도를 갖는 플라즈마를 발생시킬 수 있도록유도결합형과 축전결합형이 조합구성된 플라즈마 발생장치 및 플라즈마 발생방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 또는 평판표시장치 등과 같은 미세패턴을 형성하여야 하는 기술분야에서는 플라즈마를 생성하여 건식 식각, 화학기상증착, 스퍼터링 등 각종 표면처리 공정을 수행하는데, 최근에는 비용절감 및 스루풋 향상 등을 달성하기 위하여 반도체 장치용 웨이퍼나 평판표시장치용 기판의 크기가 예컨데 300㎜ 이상으로 대형화되는 경향을 보이며, 이에 따라 대형의 웨이퍼나 기판을 가공하기 위한 플라즈마 발생장치의 규모도 증가되고 있다.
한편, 플라즈마 발생장치 중 널리 사용되는 것으로는, 유도결합 플라즈마 발생장치, 축전결합형 플라즈마 발생장치 등이 있다. 그리고 이들의 기본적 플라즈마 발생장치에 자기장을 인가한 방식도 개발되어 있다.
유도결합형 플라즈마 발생장치는 플라즈마의 밀도가 높지만 균일도를 개선하기 위해서는 부대적인 요소들이 많이 필요하다. 예를 들면 가운데 부분이 더 두꺼운 유전체를 사용한다거나 돔 형태로 안테나를 변형시켜 사용하고 있으나, 이는 구조가 복잡해질 뿐만 아니라 산화막 식각 등의 공정에는 적용하기가 어렵다는 한계점을 가지고 있다.
축전결합형 플라즈마 발생장치는 구조가 간단하고 균일도를 확보하기 쉽다는 장점이 있지만 플라즈마의 밀도가 낮아 공정진행속도가 낮아 생산성이 낮다는 문제점이 있다. 이들 방식에 자기장을 인가하는 방식도 개발되었지만 이들은 구조적으로 복잡하여 장비 자체가 커지고 제조비용이 증가하는 단점을 가지고 있다.
한편, 유도결합형 플라즈마 발생장치는 플라즈마가 생성되는 챔버를 포함하며, 이 챔버에는 반응가스를 공급하기 위한 가스주입구와 챔버 내부를 진공으로 유지하고 반응중 발생하는 가스를 배출하기 위한 진공펌프 및 가스배출구가 구비되어 있다. 또한, 상기 챔버의 내부에는 웨이퍼 또는 유리기판 등의 시료를 올려놓기 위한 척이 구비되어 있으며, 챔버의 상부에는 고주파전원이 접속된 안테나가 설치된다. 상기 안테나와 챔버 사이에는 절연판을 설치하여 안테나와 플라즈마 사이의 용량성 결합을 감소시킴으로써 고주파전원으로부터의 에너지가 유도성 결합에 의하여 플라즈마로 전달되는 것을 돕는다.
이와 같은 구조의 플라즈마 발생장치는 초기에 챔버의 내부가 진공펌프에 의해 진공화되도록 배기된 다음, 가스주입구로부터 플라즈마를 발생시키기 위한 반응가스가 도입되어 필요한 압력으로 유지된다. 이어서 상기 안테나에는 고주파전원으로부터 고주파전력이 인가된다.
종래의 유도결합형 플라즈마 발생장치에는 단일의 나선형 안테나 또는 복수개의 분할전극형 안테나가 사용되었는데, RF전력이 인감됨에 따라 안테나가 이루는평면과 수직방향의 시간적으로 변화하는 자기장이 형성되며, 이러한 시간적으로 변화하는 자기장은 챔버 내부에 유도전기장을 형성하고 유도전기장은 전자를 가열하여 안테나와 유도성으로 결합된 플라즈마가 발생하게 된다. 이렇게 전자들은 주변의 중성기체입자들과 충돌하여 이온 및 라디칼 등을 생성하고 이들은 플라즈마 식각 및 증착에 이용되게 된다. 또한, 별도의 고주파전원으로부터 척에 전력을 인가하면 시료에 입사하는 이온의 에너지를 제어하는 것도 가능하게 된다.
그러나, 나선형 구조의 안테나에서는 안테나를 구성하는 각 권선이 직렬연결되어 있는 구조이므로 권선마다 흐르는 전류량이 일정하게 되는데, 이럴 경우 유도전기장 분포 조절이 어려워 챔버 내벽에서의 이온 및 전자의 손실로 플라즈마의 중심부가 높은 밀도를 갖게 되고 챔버의 내벽에 가까운 부분에는 플라즈마의 밀도가 낮아지게 되는 것을 막기 힘들게 된다. 따라서 플라즈마의 밀도를 균일하게 유지하는 것이 극히 곤란하게 된다.
또한, 안테나의 각 권선이 직렬로 연결되어 있으므로 안테나에 의한 전압강하가 크게 되므로 플라즈마와의 용량성 결합에 의한 영향이 증가된다. 따라서, 전력 효율이 낮아지며 플라즈마의 균일성을 유지하는 것도 어렵게 된다.
다음으로, 서로 위상이 다른 3개의 고주파 전원에 각각 접속된 3개의 분할전극 구조의 안테나에서는 각 분할전극에 가까운 위치에서는 플라즈마의 밀도가 높고, 챔버의 중앙부일수록 플라즈마의 밀도가 낮아 플라즈마의 균일성 확보에 어려움이 따르며, 특히 넓은 면적의 시료를 처리하는 것이 현저히 곤란하게 된다. 또한 각각 독립적으로 동작하는 전원을 사용하여야 하므로 비용이 증가하게 되며, 전원의 효율적인 사용을 위한 임피던스정합을 위하여는 각 분할전극마다 독자적인 임피던스 정합회로를 사용하여야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 대면적의 시료를 가공할 수 있도록 넓은 유효면적과 균일하고 높은 밀도를 갖는 플라즈마를 발생장치를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 진공챔버와, 이 진공챔버의 내부에 웨이퍼 등의 시료를 올려놓기 위한 척과, 상기 진공챔버의 상부에 배치된 원판형의 상부 전극판과, 이 상부 전극판에 RF전원을 인가하는 전원부와, 상기 상부 전극판에 병렬접속되는 복수개의 안테나를 포함하여 이루어지는 유도결합으로 보강된 축전결합형 플라즈마 발생장치를 제공한다.
본 발명은 또, 상기 상부 전극판과 안테나는 각각 수직방향으로의 높이조절이 가능하도록 구성하여 플라즈마의 진공챔버 중심부와 외곽에 걸쳐 플라즈마의 밀도분포가 균일해지도록 제어할 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 전원부에서 대역이 다른 2개의 RF전원을 상부 전극판에 인가할 수 있도록 구성하여 2개의 고주파 전원의 전력을 비대칭적으로 조절함으로써 안테나의 높이조절 없이도 챔버내에서 유도결합과 축전결합에 의한 플라즈마 의 밀도분포를 균일하게 제어할 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공한다.
본 발명은 또, 대역이 다른 2개의 RF전원을 상부 전극판에 인가하면서 전력을 비대칭적으로 조절하여 필요로 하는 특성을 갖는 플라즈마를 발생시키고 상부 전극판 또는 안테나의 높이를 조절하는 것에 의해 플라즈마의 밀도분포를 조절할 수 있도록 한 플라즈마 발생장치 및 플라즈마 발생방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치를 개략적으로 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 회로도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 안테나 평면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 안테나 평면도,
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 높이조절이 가능한 안테나의 구조도,
도 6은 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치의 진공챔버내에서 플라즈마 균일한 밀도분포를 개략적으로 도시한 도시한 것이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 진공챔버 11 : 가스주입구
12 : 가스 방출구 13 : 진공펌프
20 : 척 30 : 상부 전극판
40 : 전원부 50 : 안테나
이하, 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치의 바람직한 실시예들을 첨부도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치의 단면구조도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 회로도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 상부 전극판과 안테나의 구조를 도시한 평면도이다.
상기 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 가스주입구(11)와 가스방출구(12) 및 진공펌프(13)가 구비된 진공챔버(10)와, 이 진공챔버(10)의 내부에 웨이퍼 또는 유리기판 등의 시료를 올려놓기 위한 척(20)과, 상기 진공챔버(10)의 상부에 배치되는 원판형의 상부 전극판(30)과, 이 상부 전극판(30)에 RF전원을 인가하는 전원부(40)와, 상기 상부 전극판(30)의 외측에 일단이 상부 전극판(30)과전기적으로 접속되고 타단은 접지되어 있는 안테나(50)를 포함하여 이루어져 있다.
본 발명에서는 원판형의 상부 전극판(30)과 안테나(50)는 전기적으로 접속되어 있으며, 상부 전극판(30)에 의한 축전결합형 플라즈마 발생장치와, 이 상부 전극판(30)의 외측에 배치되어 전기적으로 접속되는 안테나(50)에 의한 유도결합형 플라즈마 발생장치가 조합되어 있으며, 상기 안테나(50)는 바람직하게는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 복수개(50a,50b,50c,50d)로 이루어져 상부 전극판(30)에 병렬로 접속된 구조를 이루므로써 이 안테나(50)의 인덕턴스가 낮아지게 되므로 플라즈마 발생장치에 비교적 높은 대역(30~150㎒)을 갖는 고주파의 인가가 가능하도록 한 것이다.
또, 본 실시예에서 상기 상부 전극판(30)에 병렬접속된 안테나(50a,50b,50c, 50d)는 동일한 방사간격으로 접속되고, 상부 전극판(30)의 중심으로부터 동심원상으로 배치되도록 각각 원호형을 이루고 있어 진공챔버(10)외곽에 대한 플라즈마 분포를 동일하게 제어할 수 있도록 되어 있다.
본 발명은 또, 도 4에 도시한 다른 실시예에서와 같이 상기 안테나(50a,50b, 50c,50d)는 상부 전극판(30)의 중심으로부터 외측을 향하여 나선상으로 즉, 스파이어럴형으로 형성시키는 것도 무방하며, 이와 같은 안테나의 갯수와 배치형태는 다양한 변화가 가능하며, 이와 같은 안테나 구조의 단순한 설계변경은 당해기술에서 통상의 지식을 가진 자가 후술하는 본 발명의 청구범위 내에서 다양하게 실시할 수 있으며, 이와 같은 단순한 모방과 설계변경은 후술하는 본 발명의 권리범위에 속함이 자명하다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것으로, 본 실시예에서는 상부 전극판(30)에 병렬접속된 다수개의 안테나(50a,50b,50c,50d)들이 수직방향으로 위치이동이 가능한 구조를 이루도록 한 것으로, 본 실시예에 의하면 안테나(50a,50b, 50c,50d)와 상부 전극판(30)사이의 접속부분(A)과 안테나(50a,50b,50c,50d)와 접지부분사이의 접속부분(B)을 고정된 상태가 아닌 상하 임의의 위치로 슬라이드 가능하도록 하고 전기적으로는 여전히 접속된 상태를 이루도록 제작하여 안테나의 수직위치이동을 기구적 또는 기계적으로 조절함에 따라 안테나(50a, 50b,50c,50d)에 전달되는 에너지를 선택적으로 증감시킴으로써 진공챔버(10)외측의 플라즈마 밀도분포가 진공챔버(10)중심부의 밀도와 균일하게 되도록 제어할 수 있도록 한 것이며, 상부 전극판(30)도 상기 안테나(50a,50b,50c,50d)에 대하여 상대적으로 수직방향으로의 높이조절이 가능하도록 구성한다.
본 발명의 다른 실시예에서는 상기 축전결합형과 유도결합형이 조합된 플라즈마 발생장치에서 대역이 다른 2개의 고주파 전력을 인가할 수 있도록 전원부(40)를 구성하여 상대적으로 낮은 주파수를 갖는 고주파 전력을 인가하면 주로 바깥쪽의 안테나(50a,50b,50c,50d)에 전류경로가 형성되어 유도결합에 의한 플라즈마가 발생하도록 하고, 상대적으로 높은 주파수를 갖는 고주파 전력을 인가하면 주로 상부 전극판(30)으로 전류경로가 형성되어 축전결합에 의한 플라즈마가 발생되도록 할 수 있으며, 이와 같은 상태에서 외측 안테나(50a,50b,50c,50d) 또는 상부 전극판(30)의 높낮이를 조절함으로써 진공챔버(10)내부의 소정의 높이 즉, 가공하고자하는 시료의 높이에서 플라즈마의 밀도분포를 중심부와 외측이 균일하게 되도록 제어할 수 있도록 한 플라즈마 발생장치를 제공한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 플라즈마 발생장치에서는 고주파 전력이 상부 전극판(30)의 중심으로 인가되어 상부 전극판(30)에 의한 축전결합형의 플라즈마가 발생됨과 동시에, 이 상부 전극판(30)의 외측에 이 상부 전극판(30)과 전기적으로 접속된 안테나(50)에도 전력이 인가되어 이 안테나(50)에 의한 유도결합형 플라즈마가 동시에 발생하게 되는 것이며, 진공챔버(10)의 외벽에서는 플라즈마의 손실이 발생하여 플라즈마의 밀도가 낮아지게 되므로, 이와 같은 상태에서 플라즈마의 균일도는 원형의 상부 전극판(30)에서 발생되는 플라즈마와 이 상부 전극판(30)의 바깥쪽에 위치한 안테나(50)에 의해 발생되는 플라즈마의 양을 제어함으로써 가능하며, 이는 안테나(50) 또는 상부 전극판(30)의 높낮이를 상대적으로 조절함으로써 가능하게 된다.
즉, 진공챔버(10)내부에서 발생된 플라즈마와 안테나(50)의 거리가 가까울 때는 플라즈마 내의 안테나(50)에 의한 유도전기장의 크기가 크고, 상대적으로 거리가 멀어질 수록 유도전기장의 세기는 작아진다. 따라서, 플라즈마의 발생률은 유도전기장의 세기에 비례하므로 안테나(50)의 거리를 조절하는 것에 의해 안테나 (50) 아랫 부분에서 플라즈마의 발생률을 조절하는 것을 의미한다. 이에 의해 진공챔버(10)내에서 처리하고자 하는 시료의 위치에서 안테나(50)또는 상부 전극판(30)의 높이를 조절함으로써 플라즈마의 균일도를 확보할 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명의 다른 실시예 즉, 전원부에서 대역이 다른 2개의 고주파 전력을 인가하는 방식에서 플라즈마의 균일도를 제어하는 원리에 대하여 설명하면 다음과 같다.
즉, 도 2의 회로도에서 알 수 있는 바와 같이, 전원부(30)에서는 대역이 다른 2개의 고주파 전력이 발생되어 임피던스 매칭회로를 통하여 상부 전극판(30)으로 표시된 축전결합형 플라즈마 발생장치와 이 상부 전극판에 전기적으로 접속된 복수개의 안테나로 이루어진 유도결합형 플라즈마 발생장치로 인가된다.
이와 같은 상태에서 상대적으로 낮은 주파수를 갖는 고주파전력을 높이고 높은 주파수를 갖는 고주파 전력을 낮추면 주파수에 반비례하는 상부 전극판(30)의 임피던스()는 높아지고, 주파수에 비례하는 안테나(50)의 임피던스 ()는 상대적으로 낮아지게 되므로 주로 안테나(50)쪽으로 전류경로가 형성되어 유도결합에 의한 플라즈마의 발생률이 커지게 된다.
또, 상대적으로 높은 주파수를 갖는 고주파전력을 높이고 낮은 주파수를 갖는 고주파 전력을 낮추면 위와는 반대로 상부 전극판(30)의 임피던스는 낮아지고, 안테나의 임피던스는 높아지게 되므로 주로 상부 전극판(30)쪽으로 전류경로가 형성되어 축전결합에 의한 플라즈마의 발생률이 커지게 된다.
따라서, 주파수가 상대적으로 높은 고주파 전력과 주파수가 상대적으로 낮은 고주파 전력의 비율을 조절함으로써 상부 전극판(30) 즉, 진공챔버(10)중앙부의 플라즈마 발생률과 안테나(50) 즉, 진공챔버(10)외측의 플라즈마 발생률을 조절할 수있는 것이다.
상기한 대역이 다른 2개의 고주파 전원을 인가하면서 이의 비율을 조절함으로써 필요로 하는 특성을 갖는 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 이와 같은 상태에서 상기 안테나(50)와 상부 전극판(30)의 높이를 조절함으로써 진공챔버(10)의 중앙부와 외곽의 플라즈마 밀도 분포가 균일하게 되도록 즉, 도 6에 도시된 바와 같이 상부 전극판(30)에 의하여 D1으로 표시된 축전결합에 의해 발생된 플라즈마 밀도분포를 안테나(50)에 의하여 D2로 표시된 유도결합에 의해 발생된 플라즈마 밀도분포에 의해 진공챔버(10)외곽의 플라즈마 밀도가 진공챔버(10)중앙부의 플라즈마 밀도와 같아지도록 보강되어 D3로 표시된 균일한 플라즈마 밀도분포를 갖게 됨으로써 넓은 범위에 걸쳐 균일한 플라즈마 밀도분포가 이루어져 대구경의 시료를 정밀하게 처리할 수 있는 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 상부 전극판의 외측에 유도결합방식에 의한 복수개의 안테나가 병렬 설치되어 있으므로 상부 전극판에 의한 축전결합형 플라즈마 발생시 이 안테나에 의해 진공챔버 외곽의 밀도분포를 보완 조절할 수 있으므로 넓은 범위에서 플라즈마의 밀도분포가 균일하게 되어 비교적 큰 규모의 시료(웨이퍼)를 가공하기에 유리하며, 상기 안테나에 비교적 높은 주파수대의 고주파(30~150㎒)를 인가할 수 있으므로 낮은 전자온도의 유지가 가능하며, 유도결합에 의해 보강된 축전결합방식이므로 높은 플라즈마 밀도를 가지므로 빠른 공정속도와 공정가능영역이 증대하게 되는 효과를 갖는다.

Claims (7)

  1. 가스주입구(11)와 가스방출구(12) 및 진공펌프(13)가 구비된 진공챔버(10)와;
    상기 진공챔버(10)의 내부에 웨이퍼 등의 시료를 올려놓기 위한 척(20)과;
    상기 진공챔버(10)의 상부에 배치되는 원판형의 상부 전극판(30)과;
    상기 상부 전극판(30)에 RF전원을 인가하는 전원부(40)와;
    상기 상부 전극판(30)의 외측에 일단이 상부 전극판(30)과 전기적으로 접속되고 타단은 접지된 안테나(50)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도결합으로 보강된 축전결합형 플라즈마 발생장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나(50)는 수직방향으로의 위치조절이 가능하도록 된 것을 특징으로 하는 유도결합으로 보강된 축전결합형 플라즈마 발생장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전원부(40)는 대역이 다른 2개의 RF전원을 상부 전극판(30)에 동시에 인가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유도결합으로 보강된 축전결합형 플라즈마 발생장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나(50)는 복수개이고, 각 안테나(50)는 상부 전극판(30)의 외측에 동일 방사간격으로 병렬접속되는 것을 특징으로 하는 유도결합으로 보강된 축전결합형 플라즈마 발생장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 안테나(50)는 상부 전극판(30)의 중심에서 동심원상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 유도결합으로 보강된 축전결합형 플라즈마 발생장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 안테나(50)는 상부 전극판(30)의 중심에서 스파이어럴형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 유도결합으로 보강된 축전결합형 플라즈마 발생장치.
  7. 가스주입구(11)와 가스방출구(12) 및 진공펌프(13)가 구비된 진공챔버(10)와; 상기 진공챔버(10)의 내부에 웨이퍼 또는 유리기판 등의 시료를 올려놓기 위한 척(20)과; 상기 진공챔버(10)의 상부에 배치되는 원판형의 상부 전극판(30)과; 상기 상부 전극판(30)에 RF전원을 인가하는 전원부(40)와; 상기 상부 전극판(30)의 외측에 일단이 상부 전극판(30)과 전기적으로 접속되고 타단은 접지된 안테나(50)를 포함하여 이루어지는 플라즈마 발생장치를 작동시키는 방법에 있어서,
    상기 전원부(40)에서 대역이 다른 2개의 고주파 전원을 상부 전극판(30)으로공급하고, 각 고주파 전원의 전력을 비대칭적으로 조절하는 것에 의해 주요 전류경로가 상부 전극판(30) 또는 안테나(50)에 선택적으로 형성되도록 하여 상부 전극판(30)에 의한 플라즈마 발생률과 안테나(50)에 의한 플라즈마 발생률을 조절하여 진공챔버(10)내에 필요로 하는 특성을 갖는 플라즈마를 발생시키는 단계와; 상기 진공챔버(10) 상부의 안테나(50)와 상부 전극판(30)의 높낮이를 조절하여 진공챔버(10)의 중앙부와 외측의 플라즈마 밀도를 균일하게 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생방법.
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