KR20020079300A - High Density Plasma Source Apparatus and Method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고밀도 플라즈마 발생원 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 또는 전자부품을 제작하는 플라즈마 공정장비에 있어서 고밀도 플라즈마를 발생하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high density plasma generating source and method, and more particularly to an apparatus and method for generating a high density plasma in a plasma processing equipment for manufacturing a semiconductor or electronic component.
본 발명은 안테나에 두 가지 이상의 서로 다른 주파수를 가진 전력을 인가하여 플라즈마 밀도 및 밀도 균일도를 향상하는 고밀도 플라즈마 발생원 및 방법을 제공한다.The present invention provides a high density plasma source and method for applying a power having two or more different frequencies to the antenna to improve the plasma density and density uniformity.
고밀도 플라즈마 발생원을 장착한 플라즈마 공정 장비는 기존의 정전용량형 플라즈마 발생원에 비해 보다 낮은 압력에서 고밀도 플라즈마를 발생할 수 있고, 또한 플라즈마 밀도와 이온충돌에너지를 독립적으로 조절할 수 있기 때문에 증착 및 식각공정에 적용 시 많은 장점을 가지고 있다.Plasma processing equipment equipped with high density plasma generators can generate high density plasma at lower pressure than conventional capacitive plasma generators and can independently control plasma density and ion bombardment energy. Poetry has many advantages.
그림 1 부터 그림 3 에 기존의 고밀도 플라즈마 장치들의 개략도를 도시하였다. 고밀도 플라즈마 발생원(81,82,83)은 전력원(10)과 정합기(20)로 구성된 전원 공급장치와 안테나(40), 유전체 윈도우(50), 기판척(60)으로 이루어진 리액터(70)와 기판척 전원공급장치로 이루어 진다. 또한 고밀도 플라즈마 발생원의 구성요소 중 플라즈마 발생을 위한 가스(gas) 주입부분과 진공펌핑 부분은 통상적으로 사용되는 부분으로 그림 1 부터 그림 3 에는 생략하였다.Figures 1 through 3 show schematic diagrams of existing high density plasma devices. The high density plasma generators 81, 82, and 83 may include a power supply including a power source 10 and a matcher 20, a reactor 70 including an antenna 40, a dielectric window 50, and a substrate chuck 60. And substrate chuck power supply. In addition, the gas injection part and the vacuum pumping part for plasma generation among the components of the high-density plasma generation source are commonly used parts and are omitted from Fig. 1 to Fig. 3.
안테나를 사용하는 고밀도 플라즈마 발생원은 안테나의 형상, 장착위치와 전력인가 위치, 인가전력의 주파수에 따라 여러 가지로 분류되어 개발되고 있다.High-density plasma sources using antennas have been developed in various ways according to the shape of the antenna, the mounting position and the power application position, and the frequency of the applied power.
안테나의 형상에 따라, 헬리콘 안테나(Hclicon Antenna)를 사용하는 헬리콘플라즈마 발생원(Hslicon Plasma Source)(81,그림 1), 평판형 인덕터 코일을 사용하는 트랜스 포머 결합형 플라즈마 발생원(Transformer Coupled Plasma Source)(82,그림 2), 헬리칼 코일(Helical Coil)또는 스파이랄 코일(Spiral Coil)등을 사용하는 유도용량 결합형 플라즈마 발생원(Inductivc Coupled Plasma Source)(83,그림 3)로 구분된다.Depending on the shape of the antenna, a Helicon Plasma Source using a Helicon Antenna (81, Figure 1) and a Transformer Coupled Plasma Source using a Flat Inductor Coil (82, Fig. 2), Inductivc Coupled Plasma Source (83, Fig. 3) using helical coils or spiral coils.
안테나는 일반적으로 유전체 윈도우(Dielctric Window)(50)의 외부에 장착되나, 때론 유전체 윈도우의 내부에도 장착되고 있다.The antenna is generally mounted outside of the dielectric window 50, but sometimes also inside the dielectric window.
안테나에 전력이 인가되는 위치에 따라 유도성 결합(Induction Coupling)과 공진결합형(Resonance Coupling)의 고밀도 플라즈마 발생원으로 구별된다.According to the location where the power is applied to the antenna, it is classified into induction coupling and high density plasma generating sources of resonance coupling.
상기의 안테나의 형상, 장착위치와 전력 인가 위치의 조합에 의한 고밀도 플라즈마 발생구조를 이용하여 고밀도 플라즈마를 유기하기 위해서는 일반적으로 100kHz에서 27.12MHz범위 사이의 특정주파수의 사인파(Sinusoidal Wave)를 인가한다. 가장 많이 사용되는 주파수는 13.56MHz이고, 이 외에 2 MHz, 1.8MHz등의 주파수도 널리 사용되고 있다. 일반적으로 주파수의 증가에 따라 플라즈마 밀도는 증가하는 반면 플라즈마 밀도의 균일도는 감소한다.In order to induce a high density plasma by using a high density plasma generating structure by a combination of the shape, the mounting position, and the power application position of the antenna, a sinusoidal wave of a specific frequency is generally applied between 100 kHz and 27.12 MHz. The most used frequency is 13.56MHz, and 2MHz, 1.8MHz, etc. are also widely used. In general, the plasma density increases with increasing frequency while the uniformity of the plasma density decreases.
따라서 높은 플라즈마 밀도를 유지하면서 플라즈마 밀도의 균일도를 향상시키기 위해서는 (ㄱ)안테나의 형상과 장착위치와 전력 인가 위치의 조합하는 방법 ; (ㄴ)플라즈마 발생원 근처에 자석을 장착하여 플라즈마를 한정(Plasma Confinement)하는 방법 ; (ㄷ)유전체 윈도우의 형상, 치수 및 재질등을 적절히 조합하는 방법 ; (ㄹ)리액터(Reactor)(70)의 형상, 치수 및 재질을 적절히 조합하는방법 ; (ㅁ)기판 척(Substrate Chuck)(60)의 형상, 치수 및 재질과 안테나와의 상대적인 위치를 조절하는 방법이 개발되고 있다.Therefore, in order to improve the uniformity of the plasma density while maintaining the high plasma density, (a) a method of combining the shape of the antenna, the mounting position, and the power application position; (B) Plasma confinement by mounting magnets near the plasma generating source; (C) a method of appropriately combining the shape, dimensions, and materials of the dielectric window; (D) a method of properly combining the shape, dimensions, and materials of the reactor 70; (ㅁ) A method of controlling the shape, dimensions, and material of the substrate chuck 60 and its relative position with the antenna has been developed.
본 발명에서는 안테나에 두 가지 이상의 서로 다른 주파수를 가진 전력을 인가하여, 플라즈마 밀도 균일도가 향상된 고밀도 플라즈마 발생원 및 방법을 제공한다.The present invention provides a high density plasma generating source and method by applying power having two or more different frequencies to an antenna, thereby improving plasma density uniformity.
일반적으로 유도 결합형 플라즈마 발생원에서 고주파 에너지의 흡수는 플라즈마의 표면층에 의해 흡수된다. 이는 도체에 흐르는 고주파 전류는 스킨 깊이(Skin Depth)영역에 제한된다는 사실과 유사하다. 도체에 흐르는 고주파 전류의 경우 스킨 깊이는 도체의 전도도에 반비례하고, 도체에 인가되는 전력의 주파수에 반비례한다.In general, absorption of high frequency energy in an inductively coupled plasma source is absorbed by the surface layer of the plasma. This is similar to the fact that the high frequency current flowing through the conductor is limited to the skin depth area. In the case of high frequency current flowing through a conductor, the skin depth is inversely proportional to the conductivity of the conductor and inversely proportional to the frequency of the power applied to the conductor.
유도 결합형 플라즈마 발생원에서 안테나에 인가된 고주파 전력은 주로 플라즈마의 스킨 깊이내에 있는 전자의 오믹 손실(Ohmic Dissipation)에 의해 플라즈마로 공급된다. 전자의 오믹 손실이 일어나는 스킨 깊이는 다음과 같은 식으로 표현된다.The high frequency power applied to the antenna in the inductively coupled plasma source is supplied to the plasma mainly by ohmic dissipation of electrons within the skin depth of the plasma. The skin depth at which the ohmic loss of electrons occurs is expressed as
여기서 δ는 스킨 깊이, ω는 고주파 주파수,μ0는 진공의 투자율, σDC는 플라즈마 DC 전도도이다. 유도 결합형 플라즈마의 경우 스킨 깊이는 주파수의 제곱근에 반비례한다. 플라즈마 벌크(Plasma Bulk)는 스킨 깊이 영역의 플라즈마 생성구역(Plasma Generation Region)과 확산 영역(Diffusion Region)으로 구분된다. 일반적으로 플라즈마 가공을 위한 기판은 확산영역내에 존재하게 되는데, 플라즈마 기판이 존재하는 영역의 플라즈마 밀도 및 밀도 분포는 스킨 깊이와 밀접한 관계가 있다.Where δ is the skin depth, ω is the high frequency, μ 0 is the permeability of the vacuum, and σ DC is the plasma DC conductivity. For inductively coupled plasma, the skin depth is inversely proportional to the square root of the frequency. The plasma bulk is divided into a plasma generation region and a diffusion region of the skin depth region. In general, the substrate for plasma processing is present in the diffusion region, the plasma density and density distribution of the region where the plasma substrate is present is closely related to the skin depth.
본 발명에서는 두 가지 주파수 이상의 고주파 전력을 한 개의 안테나에 공급하여 각각 다른 스킨 깊이를 가지는 플라즈마를 생성함으로써, 보다 높은 주파수의 고주파 전력에 의해 고밀도 플라즈마를 형성하고 보다 낮은 주파수의 고주파전력에 의해 플라즈마 밀도 분포를 균일하게 하는 고밀도 플라즈마 발생원 및 방법을 제공하고자 한다.In the present invention, by supplying a high frequency power of two or more frequencies to one antenna to generate a plasma having a different skin depth, to form a high-density plasma by a higher frequency high-frequency power, the plasma density by a lower frequency high-frequency power It is an object of the present invention to provide a high density plasma generating source and method for uniformizing the distribution.
제 1 도는 기존의 고밀도 플라즈마 장치의 구성도이다.1 is a block diagram of a conventional high density plasma apparatus.
(a) 헬리콘 플라즈마 발생원,(b) 결합형 플라즈마 발생원,(c) 유도용량 결합형 플라즈마 발생원(a) helicon plasma generator, (b) coupled plasma generator, (c) inductively coupled plasma generator
제 2 도는 본 발명의 고밀도 플라즈마 발생원의 구성도2 is a block diagram of a high density plasma generating source of the present invention
제 3 도는 본 발명의 두 가지 주파수를 안정적으로 결합하는 고밀도 플라즈마 발생원의 실시예3 is an embodiment of a high density plasma generating source stably combining two frequencies of the present invention.
10. 전력원 80. 고밀도 플라즈마 발생원10. Power source 80. High density plasma generation source
20. 정합기 81. 헬리콘 플라즈마 발생원20. Matcher 81. Helicon plasma generator
30. 결합기 82. 트랜스포머 결합형 플라즈마 발생원30. Coupler 82. Transformer-coupled plasma source
40. 안테나 83. 유도용량 결합형 플라즈마 발생원40. Antenna 83. Inductively coupled plasma generator
50. 유전체 윈도우 90. 기판척 정합기50. Dielectric Window 90. Substrate Chuck Matcher
60. 기판 척 100. 기판척 전력원60. Substrate Chuck 100. Substrate Chuck Power Source
70. 리액터70. Reactor
본 발명의 구성예를 그림 4에 나타내었다. 유도 결합형 플라즈마 임피던스(Plasma Impedence)는 안테나와 플라즈마의 유도결합에 의한 인덕턴스, 커패시터 및 리액턴스 성분으로 등가적으로 표현될 수 있다. 본 발명의 고찰에서는 전력 공급의 방법 및 장치를 보다 효율적으로 설명하기 위하여 플라즈마 임피던스를 단순한 안테나로 대체하고자 한다. 한개의 안테나에 두 가지 이상의 고주파 전력을 공급하기 위해서는 그림 4 에서 나타낸 것과 같이 n 개의 서로 다른 주파수(F1, F2,....,Fn)의 전력을 공급하는 n개의 전력원 (Power Supply)(10)과 n 개의 정합기(Matching Network)(20)와 한개의 주파수결합기(Combiner)(30)로 구성된다. 주파수 결합기에서 결합된 n 개의 고주파 전력은 상호 중첩(Superposition)되어 고밀도 플라즈마 생성을 위한 안테나에 인가된다. 전력원과 정합기는 본 발명의 분야에서는 통상적으로 사용되는 고주파 부품이므로 상세한 설명은 생략한다.A configuration example of the present invention is shown in FIG. Inductively coupled plasma impedance may be equivalently expressed as an inductance, a capacitor, and a reactance component by inductive coupling of an antenna and a plasma. In the consideration of the present invention, in order to more efficiently explain the method and apparatus of power supply, the plasma impedance is replaced with a simple antenna. In order to supply two or more high frequency powers to one antenna, as shown in Fig. 4, n power sources supplying power of n different frequencies (F 1 , F 2 , ...., F n ) Supply 10, n matching network (20) and one frequency combiner (Combiner) (30). The n high frequency powers coupled in the frequency combiner are superpositioned and applied to the antenna for generating high density plasma. Since the power source and the matching unit are high frequency components commonly used in the field of the present invention, detailed description thereof will be omitted.
n 개의 전력원으로 부터 발생되는 고주파 전력은 전송선을 통해 n 개의 정합기 에 각각 공급된다. n 개의 정합기는 안테나로 간략하게 도시된 고밀도 플라즈마로 최대 전력을 공급하기 위하여 각각 자동적으로 정합된다. 각각의 정합기로부터 공급되는 고주파 전력은 각각의 적절히 설계된 주파수 필터와 전송선을 통하여 안테나로 공급된다. n 개의 주파수 필터가 한 개의 주파수 결합기(Combiner)를 형성한다. n 개의 주파수 필터의 설계기준은 다음과 같다 그림 4 에서 보는바와 같이 각각의 주파수의 크기를 F1>F2>...>Fn이라 하면, F1의 주파수의 필터는 F1이하 주파수를 차단하는 고역 통과필터(High Pass Filter)(31)를 장착하고 ; 주파수가 가장 낮은 Fn에는 저역 통과필터(Low Pass Filter)(39)를 장착한다, F1과 Fn사이의 주파수 영역에서는 각각의 주파수만을 통과시키는 대역 통과필터(Band Pass Filter)(32)를 장착한다. n개의 모든 전력원들은 주파수필터로 구성된 주파수 결합기(Combiner)에 의해 전기적으로 분리(Decoupling)된다. 따라서 안테나에 n 개의 주파수를 가진 고주파 전력을 안정적으로 공급한다.The high frequency power from the n power sources is fed to the n matchers through the transmission line, respectively. The n matchers are each automatically matched to provide maximum power to the high density plasma, briefly shown by the antenna. The high frequency power supplied from each matcher is supplied to the antenna through each suitably designed frequency filter and transmission line. n frequency filters form one frequency combiner. The design criteria of the n frequency filters are as follows. As shown in Fig. 4, if the magnitude of each frequency is F 1 > F 2 >...> F n , the filter of the frequency of F 1 has a frequency below F 1 . A high pass filter 31 for blocking; A low pass filter 39 is attached to the lowest frequency F n , and a band pass filter 32 for passing only respective frequencies in the frequency region between F 1 and F n. do. All n power sources are electrically decoupled by a frequency combiner consisting of frequency filters. Therefore, the antenna is stably supplied with high frequency power having n frequencies.
n 개의 주파수의 전력이 안테나에 인가됨으써, 유도 결합형 플라즈마에는 n 개의 스킨 깊이가 생성된다. 주파수가 가장 높은 고주파 전력에 의해 플라즈마의 표면에 고밀도의 플라즈마가 유기되고, 주파수가 낮은 고주파 전력에 의해 플라즈마 벌크(Plasma Bulk)내부에도 n-1 개의 스킨 깊이가 형성된다. 본 발명은 플라즈마 벌크의 보다 깊은 영역까지 스킨 깊이를 침투시킴으로써, 확산에 의한 플라즈마 벌크의 형성보다 적극적인 방법으로 플라즈마 벌크에 고주파에너지를 제공하여 플라즈마 밀도 및 밀도 균일도를 향상시키는 방법을 제공한다.By applying power of n frequencies to the antenna, n skin depths are created in the inductively coupled plasma. High-density plasma is induced on the surface of the plasma by the high frequency power having the highest frequency, and n-1 skin depths are formed inside the plasma bulk by the high frequency power having a low frequency. The present invention provides a method of improving the plasma density and density uniformity by penetrating the skin depth to a deeper region of the plasma bulk, thereby providing high frequency energy to the plasma bulk in a more aggressive manner than the formation of the plasma bulk by diffusion.
본 발명의 사상을 더욱 정확히 전달하기 위하여 두개의 주파수를 안정적으로 결합하는 실시예를 그림 5 에 도시하였다. 본 실시예에서는 한 개의 전력원은 13.56 MHz의 주파수를 사용하고 다른 한 개의 전력원은 400 kHz의 주파수를 사용하는 경우를 나타내었다. 13.56 MHz 전력원에는 직렬연결된 커패시터를 사용한 고역 통과필터(High Pass Filter)를,400 kHz 전력원에는 커패시터와 인덕터가 병열연결된 저역 통과필터(Low Pass Filter)를 장착하여 두 필터를 연결함으로써 두개의 주파수를 안정적으로 결합하는 주파수 결합기를 제공한다. 플라즈마의 DC 전도도가 13.56 MHz 와 400 kHz의 주파수에 대해 동일한 경우 두 고주파 전력의 스킨 깊이의 비는 약 6 이다.In order to more accurately convey the spirit of the present invention, an embodiment of stably combining two frequencies is shown in FIG. In this embodiment, one power source uses a frequency of 13.56 MHz and the other power source uses a frequency of 400 kHz. Two frequencies are connected by connecting a high pass filter with a series-connected capacitor to a 13.56 MHz power source and a low pass filter with a capacitor and an inductor connected to the 400 kHz power source. It provides a frequency combiner that combines stably. If the DC conductivity of the plasma is the same for the frequencies of 13.56 MHz and 400 kHz, the ratio of the skin depth of the two high frequency powers is about 6.
여기서 δ는 스킨 깊이, ω 는 고주파 주파수, μ0는 진공의 투자율, σDC는 플라즈마 DC 전도도를 각각 가르킨다.Where δ is the skin depth, ω is the high frequency, μ 0 is the permeability of the vacuum, and σ DC is the plasma DC conductivity.
따라서 13.56 MHz와 400 kHz의 주파수를 동시에 인가하는 경우는 13.56 MHz 의 주파수만을 인가하는 경우에 비해 스킨 깊이가 약 6 배 증가함으로써 고밀도 플라즈마 생성 및 밀도 균일도를 향상시키는 효과를 제공한다.Therefore, the application of the frequencies of 13.56 MHz and 400 kHz simultaneously increases the skin depth by about six times compared to the case of applying only the 13.56 MHz frequency, thereby providing the effect of generating high density plasma and improving density uniformity.
본 발명은 두 가지 주파수 이상의 고주파 전력을 한 개의 안테나에 공급하여 각각 다른 스킨 깊이를 가지는 플라즈마를 생성함으로써, 보다 높은 주파수의 고주파전력에 의해 고밀도 플라즈마를 형성하고 보다 낮은 주파수의 고주파전력에 의해 플라즈마 밀도 분포를 균일하게 하는 고밀도 플라즈마 발생원 및 방법을 제공한다. 보다 상세하게는 상기에 기술된 사상에 의해 쉽게 유추할 수 있는 것 처럼, 두가지 이상의 주파수를 적절히 선택하고, 전력을 적절히 공급함으로써 플라즈마 밀도 및 밀도 균일 도를 제어할 수 있는 고밀도 플라즈마 발생원 및 방법을 제공한다.The present invention supplies a high frequency power of two or more frequencies to one antenna to generate a plasma having a different skin depth, thereby forming a high density plasma by a higher frequency high frequency power and a plasma density by a lower frequency high frequency power. Provided are a high density plasma generating source and method for uniform distribution. More specifically, as can be easily inferred by the idea described above, there is provided a high density plasma generating source and method that can control the plasma density and density uniformity by appropriately selecting two or more frequencies and supplying power appropriately. do.
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