KR20020083097A - 낮은 종횡비를 갖는 유도결합형 플라즈마 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 낮은 종횡비를 갖는 ICP형 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 반도체의 산화막 식각에 적합하도록 전자온도는 낮고 챔버의 체적을 작게 함으로써 고선택비를 확보할 수 있으며, 회전방향에 대한 밀도분포가 대칭을 이루며 챔버의 외곽과 중앙부가 균일한 플라즈마 밀도를 갖도록 한 것으로, 본 발명의 일 실시예에서는 반응가스를 공급하기 위한 가스주입구(11)와 내부를 진공으로 유지하고 반응이 끝나면 반응가스를 배출하기 위한 진공펌프(12) 및 가스배출구(13)가 구비되는 챔버(10)와, 이 챔버(10)내부에 피가공물을 올려놓기 위한 척(20)과, 챔버(10)의 상부에 설치되어 고주파전원이 인가되는 안테나(30)를 구비한 유도결합형 플라즈마 발생장치에서, 안테나(30)는 낮은 전자온도를 확보할 수 있도록 고주파 방전이 가능하고 임피던스가 낮게 병렬 안테나를 사용하되, 각 안테나(32,34)는 플라즈마 밀도분포가 회전방향에 대한 대칭성을 확보할 수 있도록 안테나(32,34)가 형성하는 가상원의 중심에서 각 안테나의 파워드 엔드(P)와 타단의 그라운드 엔드(G)를 상호 대칭 위치에 오도록 배치하고, 각 안테나(32,34)는 나선형태로 서로 꼬인 상태로 형성되며, 각 안테나의 파워드 엔드(P)는 챔버(10)에서 먼 위치에, 그라운드 엔드(G)는 챔버(10)에서 가까운 위치에 오도록 하여 파워드 엔드 쪽의 이온손실에 의한 플라즈마 밀도강하를 상호 보완할 수 있도록 한다.

Description

낮은 종횡비를 갖는 유도결합형 플라즈마 발생장치 {Device for Generating Inductively Coupled Plasma with Lower Aspect Ratio}

본 발명은 낮은 종횡비를 갖는 유도결합형 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 특히, 반도체 산화막 식각에 적합하도록 전자온도는 낮고 챔버의 체적을 작게 함으로써 필요한 고선택비(high selectivity)를 확보할 수 있고, 플라즈마의 밀도분포가 회전대칭 및 챔버 외곽과 중심부의 밀도분포를 균일하게 함으로써 대구경의 반도체를 정밀하게 가공할 수 있도록 한 것이다.

반도체 웨이퍼나 평판표시장치 등과 같은 미세패턴을 형성하여야 하는 분야에서 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. 이러한 플라즈마 발생장치는 유도결합형 플라즈마 발생장치, 축전결합형 플라즈마 발생장치 등이 있다. 그리고 이들의 기본적 플라즈마 발생장치에 자기장을 인가한 방식도 개발되어 있다.

유도결합형 플라즈마 발생장치는 축전결합형에 비해 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. 즉, 산화막 식각(oxide etching)에서는 공정상 고선택비(high selectivity)를 요구로 하기 때문에 챔버의 체적이 비교적 크고 플라즈마의 균일도 조절이 확산방식이어서 기체가 챔버내에 잔류되는 시간 (residence time)이 길어지게 됨과 아울러 전자온도(Te)가 높은 기존의 유도결합형 플라즈마 발생장치를 사용하기에는 한계가 있었다.

상기한 유도결합형 플라즈마 발생장치에 대하여 간단히 설명하면, 플라즈마가 생성되는 챔버를 포함하며, 이 챔버에는 반응가스를 공급하기 위한 가스주입구와 챔버 내부를 진공으로 유지하고 반응이 끝나면 반응가스를 배출하기 위한 진공펌프 및 가스배출구가 구비되어 있다. 또한, 상기 챔버의 내부에는 웨이퍼 또는 유리기판 등의 시료를 올려놓기 위한 척이 구비되어 있으며, 챔버의 상부에는 고주파전원(통상 13.56MHz)이 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 유도결합형 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 인가됨에 따라 안테나가 이루는 평면과 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 유도코일이 직렬연결되어 있는 구조이므로 유도코일마다 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 유도코일이 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.

한편, 여러개의 원형 안테나가 동심원상으로 병렬결합된 구조의 병렬 안테나에 있어서는 회전방향에 대한 플라즈마의 균일도가 떨어지는 현상 즉, 안테나의 중간부분은 상대적으로 높고, 안테나의 파워드 엔드(powered end) 및 그라운드 엔드 (ground end)쪽의 플라즈마 밀도는 상대적으로 낮게 나타나게 되는데, 이와 같은 플라즈마 밀도분포가 회전방향에 대하여 비대칭적으로 발생되는 원인은 안테나의 파워드 엔드쪽이 상대적으로 고전압이 인가되므로 이온손실이 발생하게 되고 이에 따라 플라즈마 밀도의 강하가 이루어지기 때문이었고, 이와 아울러 루프형 안테나의 끊어진 부분 즉, 파워드 엔드와 그라운드 엔드사이에서는 전류의 흐름이 영(0)이기 때문에 유도전기장이 발생하지 않게 되어 이 부분의 플라즈마 발생이 약해져 플라즈마 밀도강하가 생기기 때문이었으며, 이에 의해 피가공물의 균일한 가공이 어렵게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 플라즈마 밀도가 높은 유도결합형 플라즈마 발생장치를 반도체의 산화막 식각에 사용하기 적합하도록 전자온도는 낮게 하고 챔버의 체적을 작게 함으로써 고선택비를 확보할 수 있도록 하고, 회전방향에 대한 플라즈마 밀도분포가 대칭을 이루도록 함으로써 반도체 산화막 식각에 사용하기 적합한 낮은 종횡비를 갖는 유도결합형 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반응가스를 공급하기 위한 가스주입구와 내부를 진공으로 유지하고 반응이 끝나면 반응가스를 배출하기 위한 진공펌프 및 가스배출구가 구비되는 챔버와, 이 챔버 내부에 피가공물을 올려놓기 위한 척과, 상기 챔버의 상부 또는 측부에 고주파전원이 인가되는 안테나를 구비한 유도결합형 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 안테나는 낮은 전자온도를 확보할 수 있도록 50MHz~100MHz범위의 고주파 방전이 가능하고 임피던스가 낮은 병렬 안테나를 사용하되, 각 안테나는 플라즈마 밀도분포가 회전방향에 대한 대칭성을 확보할 수 있도록 안테나가 형성하는 가상원의 중심에서 각 안테나의 파워드 엔드와 타단의 그라운드 엔드를 상호 대칭 위치에 오도록 하고, 각 안테나는 나선형태로 서로 꼬인 상태로 형성되며, 각 안테나의 파워드 엔드는 챔버에서 먼 위치의 오고 각 안테나의 그라운드 엔드는 챔버에서 가까운 위치에 오도록 하여 파워드 엔드 쪽의 이온손실에 의한 플라즈마 밀도저하를 상호 보완할 수 있도록 한 플라즈마 발생장치를 제공한다.

본 발명에서 상기 병렬안테나를 이루는 각 안테나는 상호 나선형으로 꼬인형태를 이루어 동일반경에 위치하며, 각 안테나의 파워드 엔드는 챔버에서 먼쪽 즉, 상대적인 상부 또는 외측에 위치하고 그라운드 엔드는 챔버에서 가까운쪽 즉, 파워드 엔드에 비하여 상대적으로 하부 또는 내측에 위치하도록 함으로써 파워드 엔드 쪽에 고전압이 인가되어 이온손실에 의한 플라즈마 밀도의 강하가 이루어지는 것을 최소화 한 것이며, 파워드 엔드 쪽의 이온손실에 의한 밀도강하와 파워드 엔드와 그라운드 엔드 사이의 끊어진 부분에서의 무유도전기장에 의한 일측 안테나의 플라즈마 밀도강하는 동일반경을 갖고 이중나선형으로 꼬인 다른 안테나의 중간부분-플라즈마 밀도가 파워드 엔드 쪽에 비하여 상대적으로 높게 발생되는 부분-이 같은 위치에 중첩되어 플라즈마 밀도를 상호 보완함으로써 회전방향에 대한 플라즈마 밀도분포의 대칭성을 확보할 수 있도록 한 것이다.

본 발명에서는 챔버의 전구역에 걸쳐 균일한 플라즈마 밀도를 발생시킬 수 있도록 챔버 상부 외측의 병렬 안테나와 내측의 병렬 안테나를 더 구비할 수 있다.

본 발명에서 상기 병렬 안테나는 2개의 안테나가 180°로 대칭교차되고 이중나선형으로 꼬인 형태, 3개의 안테나가 120°로 대칭교차되고 3중 나선형으로 꼬인형태, 4개의 안테나가 90°로 교차된 4중나선형으로 꼬인 형태를 이룰 수 있으며, 보다 더 낮은 종횡비를 실현하기 위하여 이보다 더 많은 수의 안테나가 병렬결합되고 중심에 대하여 교차되어 서로 다중으로 꼬인 형태를 이룰 수 있다.

본 발명에서는 챔버의 외곽과 중심부에서의 플라즈마 밀도분포를 고르게 하기 위하여 챔버 외측의 병렬안테나와 내측의 병렬안테나를 구비할 수 있으며, 외측의 병렬안테나에 인가되는 전류와 내측의 병렬안테나에 인가되는 전류를 비슷하게 맞춰 줄 수 있는 수단을 더 구비할 수 있고, 안테나의 임피던스조정을 위하여 내측의 병렬안테나의 교차수와 외측 병렬안테나의 교차수를 상호 다르게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 단면도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 등가회로도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 안테나 구조도,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 안테나 평면도,

도 5는 도 4에 도시된 플라즈마 발생장치의 안테나에 의해 발생되는 플라즈마의 A -A선 및 B - B선 단면에서의 밀도분포 그래프,

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 안테나 구조도,

도 7은 도 6에 도시된 안테나의 평면도,

도 8은 도 7의 안테나를 사용한 경우 C-C선 단면상에서의 플라즈 밀도분포 그래프,

도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 등가회로도로서 외측과 내측에 각각 병렬안테나가 설치된 경우를 도시한 것이며,

도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 안테나의 구조도이고,

도 11은 도 10에 도시된 안테나의 설치상태 단면도이며,

도 12는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 안테나의 구조도이고,

도 13은 도 12에 도시된 안테나의 설치상태 단면도이며,

도 14는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 챔버 11 : 가스주입구

12 : 진공펌프 13 : 가스배출구

14 : 임피던스 매칭박스 20 : 척

30 : 병렬식 안테나 31 : 보빈

32,34,36 : 안테나 32a,34a : 중간부분

40 : 외측 안테나

이하, 본 발명을 한정하지 않는 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 등가회로도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 안테나 구조도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 안테나 평면도이다.

상기 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 발생장치는 유도결합형 플라즈마 발생장치의 기본적인 형태 즉, 반응가스를 공급하기 위한 가스주입구(11)와 내부를 진공으로 유지하고 반응이 끝나면 반응가스를 배출하기 위한 진공펌프 (12)및 가스배출구(13)가 구비되는 챔버(10)와, 이 챔버(10)내부에 피가공물을 올려놓기 위한 척(20)과, 상기 챔버(10)의 상부에 고주파전원이 인가되는 안테나(30)를 구비하고 있다.

상기 안테나(30)는 일정한 두께를 갖는 평판 도우넛형의 보빈(31)에 2개의 안테나(32,34)가 꼬인형태를 유지할 수 있도록 감겨져 있다.

도면중 미설명부호 14는 임피던스 매칭 박스이다.

본 발명에서 상기 챔버(10)상부에 설치되는 안테나(30)는 병렬안테나의 형태로 이루어져 있는데, 이는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 2개의 안테나(32,34)가 가상원의 중심(C)에서 각 안테나(32,34)의 파워드 엔드(P)와 타단의 그라운드 엔드(G)를 상호 대칭위치에 오도록 하고, 각 안테나(32,34)는 이중나선형태로 서로 꼬인 상태로 형성되며, 각 안테나(32,34)의 파워드 엔드(P)는 챔버(10)에서 먼 수직위치에 오고 각 안테나(32, 34)의 그라운드 엔드(G)는 챔버(10; 도 1참조)에서 가까운 수직위치에 오도록 한 것이다.

본 실시예에서 상기 안테나(30)를 이루는 각 안테나(32,34)는 상호 이중나선형으로 꼬인형태를 이루어 동일반경에 위치하며, 각 안테나(32,34)의 파워드 엔드 (P)는 챔버(10)에서 먼쪽 즉, 상대적으로 상부에 위치하고 그라운드 엔드(G)는 챔버(10)에서 가까운쪽 즉, 파워드 엔드(P)에 비하여 상대적으로 하부에 위치하도록 함으로써 파워드 엔드(P) 쪽에 고전압이 인가되어 이온손실에 의한 플라즈마 밀도의 강하가 이루어지는 것을 최소화 한 것이며, 일측 안테나(32,34중의 하나)에서 파워드 엔드(P)쪽의 이온손실에 의한 밀도강하와 파워드 엔드(P)와 그라운드엔드(G)사이의 끊어진 부분에서의 무유도전기장에 의한 일측 안테나(32,34중의 하나)의 플라즈마 밀도강하는 동일반경을 갖고 이중나선형으로 꼬인 다른 안테나(34,32중의 하나)의 중간부분(34a,32a)-플라즈마 밀도가 파워드 엔드(P)쪽에 비하여 상대적으로 높게 발생되는 부분-이 같은 위치에 중첩되어 플라즈마 밀도를 상호 보완함으로써 회전방향에 대한 플라즈마 밀도분포의 대칭성을 확보할 수 있도록 한 것이다.

도 5는 도 4에 도시된 플라즈마 발생장치의 안테나에 의해 발생되는 플라즈마의 밀도분포를 그래프로 도시한 것으로, 실선은 양 안테나(32,34)의 파워드 엔드(P)쪽을 가로지른 A - A선 단면에서의 플라즈마 밀도 분포이고, 점선은 여기와 직각으로 가로지른 B - B선 단면에서의 플라즈마 밀도 분포를 도시한 것으로, 도 5의 그래프에서 보여지는 바와같이 본 실시예에서의 플라즈마 발생장치는 챔버(10)의 중심에 대하여 회전방향으로 플라즈마 밀도의 분포가 대칭형태를 띠고 있음을 확인할 수 있는바, 2개의 안테나(32,34)가 상호 대칭으로 교차되어 일측 안테나의 회전방향에 대한 플라즈마 밀도분포의 비대칭성을 타측 안테나의 회전방향에 대한 플라즈마 밀도분포의 비대칭이 교차됨으로써 상호 보완을 이루어 플라즈마 밀도분포가 대칭을 이루게 되는 것이며, 양 안테나(32,34)의 파워드 엔드쪽을 가로지른 위치의 플라즈마 밀도분포와 이에 직각으로 가로지른 위치에서의 플라즈마 밀도분포도 유사하여 챔버(10)내에서 전체적으로 회전방향에 대하여 대칭을 이루고 있음을 알 수 있다.

상기 도 5의 플라즈마 밀도분포 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 플라즈마 발생장치는 반도체 등 피가공물을 올려 놓기 위한 척을 챔버 내부에 위치시킴에 있어서 종전 유도결합형 플라즈마 발생장치에서 플라즈마가 챔버의 위에서부터 아래로 확산되면서 평활해지는 위치에 배치해야 함으로써 챔버의 높이가 높아지게 되어 결과적으로 챔버의 체적이 커지게 되었고 플라즈마의 잔류시간이 길어지게 되었던 것에 반하여, 본 발명에서는 상기한 확산방식에 의하지 않고 챔버의 비교적 높은 위치에서도 플라즈마의 밀도가 균일하게 분포하므로 챔버의 높이를 작게 할 수 있으며, 이에 따라 챔버의 체적을 최소화 시킬 수 있게 되고 플라즈마의 잔류시간이 짧아지게 되므로 산화막 식각에서 공정상 요구로 하는 고선택비를 확보할 수 있는 여건을 조성할 수 있는 것이며, 기존의 유도결합형 플라즈마 발생장치에서통상 13.56MHz의 고주파전원보다 상대적으로 높은 50MHz~100MHz범위의 고주파 방전을 실시하므로 전자온도도 떨어뜨릴 수 있으므로 고선택비를 확보하기 위한 다른 또하나의 여건도 조성할 수 있게 되는 것이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 안테나 구조도이고, 도 7은 도 6에 도시된 안테나의 평면도이다.

상기 도 6 및 도 7에 도시된 병렬 안테나(30)는 3개의 안테나(32,34,36)가 가상원의 중심(C)에서 각 안테나(32,34,36)의 파워드 엔드(P)와 타단의 그라운드 엔드(G)를 상호 120°의 각으로 대칭위치에 오도록 하고, 각 안테나(32,34,36)는 삼중나선형태로 서로 꼬인상태로 형성되며, 각 안테나(32,34,36)의 파워드 엔드(P)는 상부에 위치하고, 각 안테나(32,34,36)의 그라운드 엔드(G)는 하부에 위치하고 있다.

본 실시예에서도 상기 안테나(30)를 이루는 각 안테나(32,34,36)는 상호 삼중나선형으로 꼬인형태를 이루어 동일반경에 위치하며, 각 안테나(32,34,36)의 파워드 엔드(P)는 챔버(10)에서 먼쪽 즉, 상대적으로 상부에 위치하고 그라운드 엔드(G)는 챔버(10)에서 가까운쪽 즉, 파워드 엔드(P)에 비하여 상대적으로 하부에 위치하도록 함으로써 파워드 엔드(P) 쪽에 고전압이 인가되어 이온손실에 의한 플라즈마 밀도의 강하가 이루어지는 것을 최소화 한 것이며, 파워드 엔드(P) 쪽의 이온손실에 의한 밀도강하와 파워드 엔드(P)와 그라운드 엔드(G)사이의 끊어진 부분에서의 무유도전기장에 의한 일측 안테나(32)의 플라즈마 밀도강하는 동일반경을 갖고 이중나선형으로 꼬인 다른 안테나(34,36)의 중간부분(34a,36a)-플라즈마 밀도가 파워드 엔드(P)쪽에 비하여 상대적으로 높게 발생되는 부분-이 같은 위치에 중첩되어 플라즈마 밀도를 상호 보완함으로써 회전방향에 대한 플라즈마 밀도분포의 대칭성을 확보할 수 있도록 한 것이다.

본 발명에 의한 안테나 구조는 상기한 이중나선형 3중 나선형에 한정되는 것은 아니며, 보다 더 낮은 종횡비(aspect ratio)를 실현할 수 있도록 4개의 안테나가 90°로 교차된 4중나선형으로 꼬인 형태와 이보다 더 많은 수의 안테나가 병렬결합되고 중심에 대하여 교차되어 서로 다중으로 꼬인 형태를 이룰 수도 있다.

도 8은 도 7의 삼중나선형 안테나를 사용한 경우 C-C선 단면상에서의 플라즈말도분포를 나타낸 그래프이다. 도 8의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 일측 안테나(32,34,36중의 하나)의 파워드 엔드(P)와 그라운드 엔드(G)에서 안테나의 중간부분을 가로지른 위치에서의 플라즈마 밀도분포가 대칭을 이루고 있으며, 이와 같은 플라즈마 밀도분포의 대칭은 3개의 안테나가 상호 120°각도로 상호 교차되어 있는 구조를 이루게 되어 안테나의 모든 회전방향에 대하여 거의 동일하게 나타나게 됨을 알 수 있다.

상기한 도 1 내지 도 8에서 설명된 실시예의 플라즈마 발생장치에서는 하나의 병렬 안테나(30)가 챔버(10)의 상부 외측에 설치된 타입으로서, 챔버(10)의 외곽에 비하여 챔버(10)중심부 쪽의 플라즈마 밀도분포가 낮게 나타나는 점을 감안하여 외측의 병렬 안테나(30)와 같은 구조로 상기 외측 병렬 안테나(30)와 동심원상으로 내측에 병렬 안테나(40)를 설치할 수 있으며, 이에 대한 등가회로는 도 9에 도시되어 있다.

상기한 도 9의 실시예에서는 외측의 병렬안테나(30)와 내측의 병렬안테나 (40)가 구비되어 있어 챔버의 전구역에 걸쳐 플라즈마 밀도분포의 회전대칭이 이루어짐과 동시에 챔버의 외곽과 중심부에서의 플라즈마 밀도분포를 균일하게 형성할 수 있는 것이며, 이러한 실시예의 플라즈마 발생장치에서는 외측의 병렬 안테나(30)에 인가되는 전류와 내측의 병렬 안테나(40)에 인가되는 전류를 비슷하게 맞춰 줄 수 있는 수단을 더 구비할 수 있으며, 안테나의 임피던스조정을 위하여내측의 병렬안테나의 교차수와 외측 병렬안테나의 교차수를 상호 다르게 예를 들면 외측의 병렬 안테나는 3개의 안테나가 3중으로 교차된 형태를 이루고, 내측의 병렬 안테나는 2개의 안테나가 2중으로 교차된 형태의 것으로 할 수 있다.

상술한 본 발명의 플라즈마 발생장치는 상대적으로 고밀도의 플라즈마발생이 가능한 유도결합형 플라즈마 발생장치에서 챔버의 체적이 크고 전자온도가 높아 고선택비를 확보할 수 없었던 문제점을 해소할 수 있도록 고선택비를 확보할 수 있는 조건, 즉 낮은 전자온도와 챔버체적의 최소화를 위하여 고주파방전이 가능하고 임피던스가 낮은 병렬 안테나를 사용하되, 챔버내에서 플라즈마 밀도분포가 회전대칭을 이루도록 플라즈마 발생이 대칭을 이루도록 꼬인형태로 제작함으로써 고선택비를 확보할 수 있게 된다.

본 발명의 플라즈마 발생장치에서 플라즈마가 챔버 내부에서 잔류되는 시간을 짧게 하기 위하여 챔버 체적을 최소화 하여야 하는데, 기존의 유도결합형 플라즈마 발생장치에서는 확산방식에 의한 플라즈마의 균일도 조절에 의존하였으므로 체적이 상대적으로 커져야 했었으나, 본 발명은 플라즈마의 밀도분포가 꼬인 형태의 대칭형 병렬 안테나 구조에 의해 회전방향에 대하여 대칭을 이루어 확산방식이 아니더라도 요구로 하는 낮은 종횡비를 실현할 수 있고, 외측 병렬안테나와 내측 병렬 안테나가 설치되어 피가공물이 놓여지는 위치에서 챔버의 외곽과 챔버의 중심부가 균일한 플라즈마 분포를 이루게 되므로 피가공물이 놓여지는 위치를 높게 하더라도 즉, 챔버의 상,하거리를 단축시킬 수 있으므로 챔버의 체적을 최소화 시킬수 있으며, 안테나가 병렬접속되어 있으므로 임피던스가 낮고 고주파방전이 가능하므로 전자온도를 낮출 수 있어 반도체의 산화막 식각에서 요구로 하는 고선택비를 얻을 수 있는 것이다.

도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 안테나의 구조도이고, 도 11은 도 10에 도시된 안테나의 설치상태 단면도이다.

상기 도 10에 도시된 안테나는 짧은 관형태의 보빈(31)에 2개의 안테나 (32,34)가 감겨진 구조를 이루고 있는데, 병렬결합된 2개의 안테나(32,34)는 보빈(31)의 중심(C)에서 각 안테나(32,34)의 파워드 엔드(P)와 타단의 그라운드 엔드(G)가 상호 대칭위치에 오고, 각 안테나(32,34)는 이중나선형태로 서로 꼬인 상태로 감겨 있으며, 각 안테나(32,34)의 파워드 엔드(P)는 보빈(31)의 외측에 위치하고, 각 안테나(32,34)의 그라운드 엔드(G)는 보빈(31)의 내측에 오도록 하여 파워드 엔드(P) 쪽에 고전압이 인가되어 이온손실에 의한 플라즈마 밀도의 강하가 이루어지는 것을 최소화 한 것이며, 파워드 엔드(P) 쪽의 이온손실에 의한 밀도강하와 파워드 엔드(P)와 그라운드 엔드(G)사이의 끊어진 부분에서의 무유도전기장에 의한 일측 안테나(32)의 플라즈마 밀도강하는 동일반경을 갖고 이중나선형으로 꼬인 다른 안테나(34,36)의 중간부분(34a,36a)-플라즈마 밀도가 파워드 엔드(P)쪽에 비하여 상대적으로 높게 발생되는 부분-이 같은 위치에 중첩되어 플라즈마 밀도를 상호 보완함으로써 회전방향에 대한 플라즈마 밀도분포의 대칭성을 확보할 수 있도록 한 것이다.

상기 도 10에 도시된 안테나(30)는 본 명세서의 도 2 및 도 3에 도시된 안테나와 동일한 기능을 발휘할 수 있도록 단순히 형태를 변경하여 도 11에 도시한 바와 같은 실린더형태로 이루어진 유도결합형 플라즈마 발생장치에 사용할 수 있도록 한 것으로, 이의 작용에 대하여는 본 발명의 첫번째 실시예에서 구체적으로 언급하였으므로 반복되는 설명은 생략한다.

도 12는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 안테나의 구조도이고, 도 13은 도 12에 도시된 안테나의 설치상태 단면도로서, 본 실시예에서는 돔형태의 유도결합형 플라즈마 발생장치에 돔 위에 설치하기 적합하도록 형성한 원추형 보빈(31)에 안테나(32,34)를 권취시킨 것이며, 이의 작용 및 효과는 본 발명의 첫번째 실시예와 동일하다.

도 14는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 단면도로서, 본 실시예에서는 안테나(30)가 챔버(10)의 측부에 설치된 타입의 플라즈마 발생장치에서 본 발명의 안테나-도 10에 도시된 안테나-를 설치한 예를 보여주고 있으며, 이의 작용도 도 10 및 도 11의 설명에서와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.

또한, 본 발명에서 상기 도 10내지 도 14에서 표현된 안테나는 2개의 안테나가 병렬결합된 형태를 도시하였으나, 본 발명은 여기에 한정되지 않고 3개 또는 그 이상의 안테나를 대칭형태로 배치하여 사용함으로써 유도되는 플라즈마의 밀도분포가 회전방향에 대하여 높은 대칭성을 갖도록 할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나 구조를 개선하여 반도체 산화막 식각에 적합하도록 전자온도는 낮고 챔버의 체적을 작게 함으로써 고선택비(high selectivity)를 확보할 수 있고, 플라즈마의 밀도분포가 회전대칭을 이루도록 함으로써 대구경 반도체를 정밀하게 가공할 수 있는 유용한 효과를 갖는다.

Claims (4)

1. 반응가스를 공급하기 위한 가스주입구와 내부를 진공으로 유지하고 반응이 끝나면 반응가스를 배출하기 위한 진공펌프 및 가스배출구가 구비되는 챔버와, 이 챔버 내부에 피가공물을 올려놓기 위한 척과, 상기 챔버의 상부 또는 측부에 고주파전원이 인가되는 안테나를 구비한 유도결합형 플라즈마 발생장치에 있어서,

   상기 안테나(30)는 낮은 전자온도를 확보할 수 있도록 고주파 방전이 가능하고 임피던스가 낮은 병렬 안테나를 사용하되, 각 안테나(32,34)는 플라즈마 밀도분포가 회전방향에 대한 대칭성을 확보할 수 있도록 안테나(32,34)가 형성하는 가상원의 중심에서 각 안테나의 파워드 엔드(P)와 타단의 그라운드 엔드(G)를 상호 대칭 위치에 오도록 하고, 각 안테나(32,34)는 나선형태로 서로 꼬인 상태로 형성되며, 각 안테나의 파워드 엔드(P)는 챔버(10)에서 먼 위치의 오고 각 안테나의 그라운드 엔드(G)는 챔버(10)에서 가까운 위치에 오도록 하여 파워드 엔드 쪽의 이온손실에 의한 플라즈마 밀도저하를 상호 보완할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 낮은 종횡비를 갖는 유도결합형 플라즈마 발생장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 병렬 안테나(30)는 3개 이상의 안테나가 그 중심에 대하여 대칭교차되고 상호 나선형으로 꼬인 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 낮은 종횡비를 갖는 유도결합형 플라즈마 발생장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 병렬 안테나(30)와 병렬결합되고 상기 병렬 안테나(30)와 같은 대칭형의 꼬인 구조로 이루어져 챔버(10)상부 내측에 설치되는 병렬 안테나(40)가 더 구비됨을 특징으로 하는 낮은 종횡비를 갖는 유도결합형 플라즈마 발생장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 안테나(32,34)는 꼬인형태를 유지할 수 있도록 보빈(31)에 감겨져 설치되는 것을 특징으로 하는 낮은 종횡비를 갖는 유도결합형 플라즈마 발생장치.