KR20070020798A - 플라즈마 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코일형 안테나의 하부에 다수의 관통부를 가지는 판형전극을 병렬로 결합한 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 코일형 안테나에 의해 발생하는 유도결합형 플라즈마와 판형전극에 의하여 발생하는 용량결합형 플라즈마가 적절히 혼재하여 챔버 내부의 플라즈마 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한 판형전극이 코일형 안테나의 코일에서 발생하는 RF전기장을 적절히 차폐함으로써 코일 주변에서 발생하는 고에너지의 용량결합형 플라즈마를 억제하여 국부적인 플라즈마 불균일 현상을 완화시키고, 이온충격으로 인한 챔버 내부부재의 열화를 방지한다.

코일형 안테나, 판형전극, 플라즈마 발생장치

Description

플라즈마 발생장치{Plasma generation apparatus}

도 1은 일반적인 유도결합형 플라즈마 발생장치를 포함한 기판처리장치의 개략 구성도

도 2는 코일형 안테나의 개략 구성도

도 3은 바람개비형 병렬공명안테나의 연결 구성도

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 구성도

도 5는 챔버 상부에 설치된 플라즈마 발생장치의 평면도

도 6은 별도의 연결부재를 이용하여 내외부 안테나를 연결한 모습을 나타낸 도면

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치가 설치된 기판처리장치의 구성단면도

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 등가회로도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 기판처리장치 11 : 챔버

11a : 챔버측벽 11b : 절연플레이트

12 : 서셉터 13 : 가스분배판

14 : 가스유입관 15 : 코일안테나

16 : 정합회로 17 : RF전원

18 : 배기구 19 : 바이어스전원

20,100 : 바람개비형 병렬공명안테나

31, 32 : 제1,2 급전선

110, 120, 130 : 제1,2,3 안테나유닛

112, 122, 132 : 제1,2,3 내부코일

114, 124, 134 : 제1,2.3 외부코일

118, 128, 138 : 접지부재 140 : 판형전극

142 : 관통부 150 : 제1 급전단

160 : 제2 급전단 170 : 내외부코일 연결부재

본 발명은 플라즈마를 이용하여 웨이퍼나 유리기판(이하 '기판'이라 함)에 대한 식각 및 증착 공정을 수행하는 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 코일형 안테나와 판형 전극을 병렬로 연결한 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

일반적으로 플라즈마를 이용한 기판처리장치에는 박막증착을 위한PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장치, 증착된 박막을 패터닝하기 위해 에칭해내는 식각장치(Etcher), 스퍼터(Sputter), 애싱(ashing) 장치 등이 있다.

플라즈마 발생장치는 플라즈마를 형성시키는 방식에 따라 용량결합형 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 발생장치와 유도결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 발생장치로 나눌 수 있는데, 전자는 서로 대향하는 전극에 RF전력을 인가하여 양 전극사이에 수직으로 형성되는 RF전기장을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 방식이고, 후자는 코일형 안테나에 의하여 유도되는 유도전기장을 이용하여 원료물질을 플라즈마로 변화시키는 방식이다.

용량결합형 플라즈마 발생장치가 많이 사용되기는 하나 높은 이온에너지 때문에 이온충격으로 인해 기판이나 챔버 내부부재에 손상을 일으키는 문제점이 있고, 유도결합형 플라즈마 발생장치는 고밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있는 장점이 있으나 코일형 안테나를 이용하기 때문에 균일한 플라즈마를 발생시키기 어렵다는 문제점이 있다.

도 1은 이중에서 유도결합형 플라즈마 발생장치인 코일형 안테나를 포함하는 기판처리장치의 구성을 개략적으로 도시한 것으로서, 이를 살펴보면, 밀폐된 반응영역을 정의하는 챔버(11)와, 상기 챔버의 내부에 위치하며 상면에 기판(s)을 안치하는 서셉터(12)와, 상기 서셉터(12)의 상부에서 원료물질을 분사하는 가스분배판(13)과, 상기 가스분배판(13)에 원료물질을 공급하는 가스유입관(14)을 포함한 다.

챔버(11)는 챔버측벽(11a)과 챔버측벽(11a)의 상단에 결합하는 절연플레이트(11b)로 이루어지며, 챔버측벽(11a)과 절연플레이트(11b)의 경계면에는 진공시일을 위한 오링(O-ring, 11c)이 설치된다.

절연플레이트(11b)의 상부에는 RF전력이 인가되는 코일형 안테나(15)가 위치하며, 코일형 안테나(15)에는 RF전원(17)이 연결된다. 코일형 안테나(15)와 RF전원(17)의 사이에 위치하는 정합회로(16)는 코일형 안테나(15)로 최대전력을 인가하기 위하여 부하임피던스와 소스임피던스를 정합시키는 역할을 한다.

이러한 구성에서 코일형 안테나(15)에 RF전원(17)이 인가되면 수직방향의 시변 자기장이 발생하고, 챔버(11) 내부에는 시변 자기장에 의한 전기장이 유도된다.

이 유도전기장에 의하여 가속된 전자가 중성기체와 충돌함으로써 이온 및 활성종(radical)이 생성되며, 상기 이온 또는 활성종이 기판(s)으로 입사하여 증착, 에칭 등의 공정을 수행하게 되는 것이다.

이때 기판(s)으로 입사하는 이온의 에너지를 조절하기 위하여 서셉터(12)에는 RF전원(17)과 별도의 바이어스 전원(19)이 인가될 수도 있다.

한편, 서셉터(12)의 내부에는 기판의 예열을 위하여 히터(미도시)가 내장되며, 챔버 하부의 배기구(18)는 진공펌프 등을 통하여 공정잔류가스를 배기하는 역할을 한다.

도 2는 이러한 유도결합형 플라즈마 발생장치인 코일형 안테나(15)를 도시한 것으로서, 서로 다른 직경의 코일(15a,15b,15c)을 병렬로 연결하여 동심원 형태로 배치한 후 정합회로(16)를 경유하여RF전원(17)에 연결한다.

그런데 이러한 코일형 안테나(15)를 구성하는 각 코일은 RF전원에 대한 임피던스가 크기 때문에 20MHz 이상의 초단파(Very High Frequency, VHF) 영역의 RF전원을 인가할 경우 RF전력의 감쇄가 심해져서 챔버 내부에서 균일한 플라즈마를 발생시키기 어렵다는 문제점이 있다.

이러한 문제점 때문에 통상의 유도결합형 플라즈마 발생장치에서는 약 13.56MHz 정도의 RF전원을 이용하고 있다.

그러나 최근 들어 소자패턴이 갈수록 미세해짐에 따라 1*10¹¹/cm³ 이상의 고밀도 플라즈마에 대한 요구가 증가하고 있는데, 이 정도의 고밀도 플라즈마를 얻기 위해서는 초단파 영역의 RF전력을 이용할 필요가 있다.

도 3은 이러한 요구에 부응하기 위해 발명된 바람개비형 병렬공명안테나(특허공개공보 제2003-0000791호 참조)로서, 제1,2,3,4 내부코일(Z1,Z2,Z3,Z4)과 제1,2,3,4 외부코일(Z5,Z6,Z7,Z8)의 쌍으로 이루어지는 제1,2,3,4 안테나유닛(21,22,23,24)이 2차원의 방사형으로 배치되는 한편 서로 병렬로 연결된다.

또한 RF전원을 내부코일과 외부코일에 동시에 연결하고, 각 안테나유닛(21,22,23,24)의 내부코일(Z1,Z2,Z3,Z4)과 외부코일(Z5,Z6,Z7,Z8)의 접점(e,f,g,h)을 모두 접지시킨다.

여기서 Z1,Z2,Z3,Z4는 제1,2.3,4 내부코일의 식별기호 및 임피던스를 나타내 고, Z5,Z6,Z7,Z8은 제1,2.3,4 외부코일의 식별기호 및 임피던스를 나타낸다.

이와 같은 형태로 인해 바람개비형 병렬공명안테나(20)의 전체 임피던스는 크게 낮아지며, 따라서 20MHz 이상 300MHz이하의 초단파 영역의 RF전원을 인가하여도 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

특히, 각 외부코일(Z5,Z6,Z7,Z8)과 RF전원(17)의 사이에 가변공진커패시터(C3)를 설치하여 외부코일에 흐르는 RF전력의 세기를 조절함으로써 보다 능동적으로 플라즈마 균일도를 조절할 수 있는 장점이 있다.

그런데 이러한 코일형 안테나는 초단파영역의 RF 전력을 효과적으로 인가하기 위해 설계된 것이지만, 초단파 RF 전력으로 인해 안테나 코일 주변에 강한 용량결합형 플라즈마가 발생한다는 문제점이 있다.

유도결합형 플라즈마 발생장치인 코일형 안테나에서 발생하는 용량결합형 플라즈마는 플라즈마 점화단계에서 플라즈마 시드(Seed)의 역할을 수행하지만, 이온에너지가 크게 되면 챔버 내부에 대한 스퍼터링과 기판에 이온충격을 가해서 박막손상을 초래하기 쉽다. 인가되는 RF 전력의 주파수가 높아질수록 이러한 경향은 무시할 수 없게 된다.

또한 이러한 코일형 안테나는 용량결합형 플라즈마 발생장치에 사용되는 판형전극에 비해서는 플라즈마 균일도 측면에서 여전히 한계를 가지고 있다.

용량결합형 플라즈마 발생장치에서 사용되는 판형전극은 코일형 안테나에 비해 대향전극과의 사이에 균일한 RF전기장을 형성하기가 용이하지만, 코일형 안테나 는 그 구조상 판형전극과 같은 균일도를 기대하기는 어렵기 때문이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 코일형 안테나의 용량결합형 플라즈마 성분을 제어하는 방안을 제공하고, 플라즈마 균일도를 향상시킬 수 있는 방안을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, RF 전원에 연결된 임피던스 정합회로와 연결되는 플라즈마 발생장치로서, 상기 임피던스 정합회로에 연결되며, 다수의 관통부를 가지는 판형 전극; 상기 임피던스 정합회로에 연결되고, 상기 판형 전극에 병렬로 연결되며, 상기 판형 전극의 상부에 위치하는 코일형 안테나를 포함하는 플라즈마 발생장치를 제공한다.

상기 판형 전극의 관통부는 상기 코일형 안테나에 나란하지 않게 관통되며, 상기 판형 전극의 관통부는 상기 코일형 안테나의 코일에 대해서는 수직방향으로 형성되고, 상기 코일형 안테나의 코일 사이에는 상기 판형 전극의 중심에서 방사형으로 형성된다.

상기 코일형 안테나는 상기 판형 전극의 중심점을 기준으로 복수개의 안테나유닛이 2차원의 방사형으로 배치되고, 상기 각 안테나유닛은 동일한 형상으로서 소정 부위에 접지점을 가지는 한편, 상기 접지점을 기준으로 동일한 방향으로 절곡되 며, 상기 각 안테나유닛의 끝단이 상기 판형 전극과 전기적으로 연결된다.

상기 판형 전극은 그물망 패턴을 포함할 수 있으며, 상기 판형 전극은 곡면으로 형성될 수도 있다.

상기 판형 전극의관통부의 면적은 상기 판형 전극 면적의60% 이상 90% 이하인 것이 바람직하다.

상기 판형 전극과 상기 코일형 안테나의 간격은 10mm 이상 30mm 이하인 것이 바람직하다.

상기 임피던스 정합회로에 연결되는 판형 전극의 전단에는 가변콘덴서가 설치되는 것이 바람직하다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 코일형 안테나의 하부에 판형전극을 위치시키고, 양자를 병렬로 연결함으로써 유도결합형 플라즈마 및 용량결합형 플라즈마를 동시에 발생시킬 수 있는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

이때 상기 코일형 안테나와 판형전극은 챔버의 상부에 함께 위치하고, 코일형 안테나와 챔버의 사이에 판형전극이 위치하므로 코일형 안테나에서 발생하는 RF자기장이 챔버 내부로 충분히 전달될 수 있도록 판형전극에는 다수의 관통부를 형성하는 점에 본 발명의 특징이 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 코일형 안테나와 판형전극을 병렬로 연결한 플라즈마 발생장치의 구성을 나타낸 것이고, 도 5는 챔버 상부에 배치된 코일형 안테나와 판형전극의 평면도를 나타낸 것이다.

본 발명의 플라즈마 발생장치에 사용되는 코일형 안테나는 특별한 형상으로 제한될 필요는 없으므로 나선형 안테나 또는 동심원형 안테나를 이용하여도 무방하나, 이하에서는 초단파 영역에 적합한 바람개비형 병렬공명안테나를 이용하는 경우를 예를 들어 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.

도 4 및 도 5를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 플라즈마 발생용 플라즈마 발생장치는 제1,2,3 안테나유닛(110,120,130)을 포함하는 바람개비형 병렬공명안테나(100)의 하부에 평판형상의 판형전극(140)을 설치하고 양자를 전기적으로 연결하고 있다.

바람개비형 병렬공명안테나(100)의 제1,2,3 안테나유닛(110,120,130)은 서로 동일한 형상을 가지면서 상기 판형전극(140)의 상부에 2차원의 방사형으로 배치된다.

각 안테나유닛(110,120,130)은 중심점(O)과 접지점(e,f,g) 사이에 놓여지는 곡선 형상의 제1,2,3 내부코일(112,122,132)과 접지점(e,f,g)에서 제1,2,3 내부코일(112,122,132)과 각 연결되는 제1,2,3 외부코일(114,124,134)로 이루어진다. 도면에서 3개의 안테나유닛을 도시한 것은 예시에 불과한 것이므로 더 많은 개수의 안테나유닛이 방사형으로 배치될 수 있음은 물론이다.

각 외부코일(114,124,134)은 중심점(O)을 기준으로 하는 원주상에 배열되며, 일단은 접지점(e,f,g)에서 각 내부코일과 연결되고, 반대편의 끝단은 하부의 판형전극(140)에 연결된다.

각 외부코일(114,124,134)은 중심점(O)을 기준으로 하는 소정 길이의 원호 형상으로서, 연결되어 있는 내부코일(112,122,132)과 원호의 볼록한 방향이 비슷하여야 한다.

판형전극(140)은 각 안테나유닛(110,120,130)의 하부에 위치하므로, 제1,2,3 외부코일(114,124,134)의 끝단을 도시된 바와 같이 수직하방으로 절곡하여 판형전극(140)에 결합하거나, 별도의 연결부재를 이용하여1,2,3 외부코일(114,124,134)의 끝단과 판형전극(140)을 연결할 수 있다.

각 안테나유닛(110,120,130)은 동일한 임피던스를 가져야 하므로 절곡된 길이나 절곡 각도 등이 동일하여야 하며, 연결부재를 이용할 경우에도 동일한 형상을 가지는 연결부재를 이용하여야 함은 물론이다.

한편, 내부코일과 외부코일로 구성되는 각 안테나유닛(110,120,130)은 RF전력의 공급을 위해 도전체로 제조되어야 하는데, 속이 비어있는 튜브형태의 구리관으로 제조되는 것이 바람직하다. 구리관 내부로 냉매를 유동시켜 안테나의 과열을 방지할 수 있기 때문이다.

다만 하나의 구리관을 중간에서 절곡하여 안테나유닛을 제조할 경우, 절곡으로 인해 냉매유로가 폐쇄되거나 각 안테나유닛(110,120,130)의 형상이 달라질 우려가 있으므로, 내부코일과 외부코일을 별도로 제작하여 도 6에 도시된 바와 같이 내외부코일 연결부재(170)를 이용하여 서로 연결하는 것이 바람직하다.

상기 내외부코일 연결부재(170)는 내부코일과 외부코일의 내부유로를 서로 연결해주어야 하므로 내부에 유로를 가지는 것이 바람직하고, 접지점(e,f,g)에 위치하므로 각각 접지되어야 한다.

제1,2,3 접지점(e,f,g)을 접지시키기 위해서는, 도 5에 도시된 바와 같이 접지된 챔버측벽(11a)과제1,2,3 접지점(e,f,g)을 도전성의 제1,2,3 접지부재(116,126,136)를 이용하여 연결한다.

한편, 판형전극(140)은 균일한 용량결합성 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마를 형성시키는 단계에서는 코일형 안테나보다 용이하게 플라즈마를 형성시킬 수 있다.

또한, 판형전극(40)은 코일형 안테나, 즉 바람개비형 병렬공명안테나(100)의 각 코일에서 발생하는 RF전기장을 적절히 차폐하여 코일주변에 국부적으로 발생하는 용량결합형 플라즈마의 발생을 억제한다. 이렇게 발생한 용량결합형 플라즈마는 플라즈마 균일도를 저하시키고 고에너지 이온충격으로 내부 부재를 열화시키는 문제점이 있기 때문이다.

따라서 판형전극(140)은 코일형 안테나에 대해 일종의 패러데이 쉴드(Faraday shield)의 역할을 하며, 이를 위해 도전성 금속재질로 제조되어야 한다.

반면에, 챔버 내부에서 플라즈마를 발생시키기 위해서는 바람개비형 병렬공명안테나(100)에서 발생하는 RF자기장이 챔버 내부로 충분히 전달되어야 하는데, 만일 도전성 판형전극(140)이 RF자기장 내에 놓이면 판형전극(140)의 표면에 와전 류(eddy current)가 유도되기 때문에 에너지손실로 인해 RF자기장이 챔버 내부로 충분히 전달되지 못하게 된다.

따라서 판형전극(140)은 유도자기장이 지나갈 수 있는 통로를 구비하여야 하며, 이를 위해 홀 또는 슬릿 형상의 관통부(142)를 판형전극(140)에 형성한다.

상기 관통부(142)의 형상이나 패턴은 무작위로 형성될 수도 있으나,가급적 판형전극(140)의 상부에 위치하는 코일형 안테나의 코일패턴에 따라 관통부(142)의 패턴도 결정되는 것이 바람직하다.

예를 들어, 바람개비형 병렬공명안테나(100)를 이용하는 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이 제1,2.3 안테나유닛(110,120,130)의 사이에는 판형전극(140)의 중심에서 방사형으로 배열하고, 안테나코일의 하부에는 안테나코일에 대하여 수직방향으로 형성된 관통부(142)를 형성한다.

이때 각 내부코일(112,122,132)의 직하부에 위치하는 관통부(142)는 각 코일(112,122,132)에서 발생하는 RF전기장을 제한적으로 투과 및 차폐하는 역할을 한다.

그리고 각 내부코일(112,122,132)에서 발생하는 RF전기장이 중심점(O)과 각 접지점(e,f,g) 사이에서 균일하게 투과될 수 있도록, 각 내부코일(112,122,132)의 직하부에 위치하는 관통부(142)의 형상과 크기는 중심점(O)과 각 접지점(e,f,g) 사이에서 가급적 동일한 것이 바람직하다.

특히, 도시된 바와 같이 관통부(142)가 슬릿형으로 형성되는 경우에는, 각 내부코일(112,122,132)의 설치방향과 직하부에 위치하는 슬릿의 장축방향의 사잇각 이 중심점(O)과 각 접지점(e,f,g) 사이에서 동일한 것이 바람직하다.

각 내부코일(112,122,132)의 설치방향과 슬릿의 장축방향의 사잇각은 90도로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 사잇각이 약 30도 이상이면 무방하다. 즉 내부코일의 방향과 슬릿방향이 나란하게 되면 코일에서 발생하는 RF전기장의 차폐율이 너무 낮아지기 때문에 이들을 나란하지 않도록 배치하는 것이 바람직하다.

한편, 관통부(142)를 어느 정도의 비율로 형성할 것인지 여부가 문제되는데, 안테나코일에서 발생하는 RF자기장을 충분히 챔버내부로 전달하기 위해서는 판형전극(140)의 전체면적에서 관통부의 면적이 차지하는 비율, 즉 개구율은 60% 이상인 것이 바람직하다.

다만 관통부의 비율이 지나치게 커질 경우에는 강성의 저하로 판형전극(140)의 변형이 초래될 위험이 높아지므로, 개구율은 90%를 넘지 않는 것이 바람직하다.

판형전극(140)은 코일형 안테나에서 발생하는 RF자기장은 통과시키고 코일에서 직접적으로 발생하는 RF전기장은 적절히 차폐시키기 위한 것이므로, 그 형상이 다수의 관통부(142)를 가지는 평판으로 제한되는 것은 아니며, 그물망 또는 메쉬(mesh) 형태로 제공될 수도 있다. 메쉬형 전극은 예를 들어 원형의 프레임과 상기 프레임 내부에 연결되는 메쉬로 이루어질 수 있다.

또한 판형전극(140)의 형상은 원형에 한정되는 것은 아니므로, 챔버의 형상에 따라 사각형 등 다른 형상을 가질 수도 있다.

또한 판형전극(140)과 상부의 코일형 안테나와의 간격은 10mm 내지 30mm로 제한되는 것이 바람직하다. 이보다 넓어지면 안테나와 챔버의 거리가 너무 멀어서 유도자기장의 에너지전달효율이 저하되고, 너무 가까울 경우 안테나코일과 도전성의 판형전극(140) 사이에 아킹이 발생할 우려가 있기 때문이다.

전술한 바람개비형 병렬공명안테나(100)와 판형전극(140)은 정합회로(16)를 경유하여 RF전원(17)과 연결되는데, 바람개비형 병렬공명안테나(100)의 중심점(O)에는 제1 급전선(31)과 연결되는 제1 급전단(150)을 형성하고 판형전극(140)에는 제2 급전선(32)과 연결되는 제2 급전단(160)을 형성한다.

이때 제2 급전단(160)은 판형전극(140)의 중심에 연결되는 것이 바람직하며, 여의치 않을 경우에도 최대한 중심에 인접하여 연결되어야 한다.

한편, 제2 급전선(32)은 제1 급전선(31)으로부터 분기되는데, 따라서 RF전원(17)에서 공급되는 RF전력은 정합회로(16)를 지난 후, 일부는 제1 급전선(31)과 제1 급전단(150)을 통해 바람개비형 병렬공명안테나(100)의 중심점(O)으로 인가된 후 제1,2.3 내부코일(112,122,132)을 거쳐 각 접지점(e,f,g)으로 전달되고, 나머지 일부는 제2 급전선(32) 및 제2 급전단(160)을 거쳐 판형전극(140)의 중심부근으로 인가되며, 판형전극(140)의 주변부에서 제1,2,3 외부코일(114,124,134)로 전달된 후 접지점(e,f,g)으로 전달된다.

따라서 상기 플라즈마 발생장치를 이용하면, 중심점(O)에서 내부코일을 통해 방사형으로 전달되는 RF전력과 주변부에서 외부코일을 통해 원주방향으로 전달되는 RF전력이 공존하게 되며, 이를 통해 챔버 내부에서 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있게 된다.

또한 판형전극(140)이 연결되는 제2 급전선(32)에 가변공명커패시터(C3)를 설치하면, 판형전극(140)과 각 외부코일(114,124,134)에 흐르는 RF전력의 세기를 조절함으로써 챔버 내부의 플라즈마 균일도를 조절할 수 있다.

도 7은 전술한 플라즈마 발생장치가 설치된 기판처리장치의 구성단면을 개략적으로 도시한 것이다.

이를 살펴보면, 밀폐된 반응영역을 정의하는 챔버(11)와, 상기 챔버(11)의 내부에 위치하며 상면에 기판(s)을 안치하는 서셉터(12)와, 상기 서셉터(12)의 상부에서 원료물질을 분사하는 가스분배판(13)과, 상기 가스분배판(13)으로 원료물질을 유입하는 가스유입관(14)을 포함하며, 챔버(11)의 상부에는 판형전극(140)과 바람개비형 병렬공명안테나(100)가 설치된다.

바람개비형 병렬공명안테나(100)는 중심점(O)의 제1 급전단(150) 및 제1 급전선(31)을 통해 RF전원(17)에 연결되고, 제1 급전선(31)에서 분기된 제2 급전선(32)은 제2 급전단(160)을 통해 하부의 판형전극(140)에 연결되는 한편 중간에 가변공명커패시터(C3)를 구비한다.

상기 챔버(11)는 챔버측벽(11a)과 챔버측벽(11a)의 상부에 결합하는 절연플레이트(11b)로 이루어지는데, 챔버측벽(11a)은 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 아노다이징(anodizing) 처리된 알루미늄을 이용하여 제조되며 접지된다.

바람개비형 병렬공명안테나(100)는 외주의 제1,2,3 접지점(e,f,g)에서 접지 되는데, 접지부재를 이용하여 상기 각 접지점을 접지된 챔버측벽(11a)에 연결함으로써 접지시킬 수 있다.

절연플레이트(11b)는 상부에 위치하는 바람개비형 병렬공명안테나(100)에서 발생하는 유도자기장이 챔버 내부로 전달될 수 있도록 세라믹, 쿼츠(quartz) 등의 절연재질로 제작되며, 챔버측벽(11a)과 절연플레이트(11b)의 경계면에는 진공시일을 위한 오링(11c)이 설치된다.

상기 혼합형 플라즈마 발생장치의 판형전극(140)은 절연플레이트(11b)의 상면에 밀착될 수도 있고 이격될 수도 있는데, 이격되어 설치되는 경우에도 절연플레이트(11b)와의 간격이 30mm 이상을 넘지 않는 것이 바람직하다. 이보다 멀어지면 안테나와 챔버의 간격이 멀어져 RF전력의 전달효율이 저하되기 때문이다.

한편, 서셉터(12)는 내부에 기판의 예열을 위하여 히터(미도시)를 내장하거나, 기판의 냉각을 위하여 냉각수단(미도시) 또는 냉매유로(미도시)를 내장하며, 이온에너지를 제어하기 위하여 바이어스 전원(19)이 연결될 수도 있다. 바이어스 전원(19)이 연결되는 경우에는 접지된 챔버측벽(11a)과는 전기적으로 절연되어야 함은 당연하다.

챔버 하부의 배기구(18)는 진공펌프 등을 통하여 공정잔류가스를 배기하는 역할을 한다.

도 8은 이러한 구성의 혼합형 플라즈마 발생장치의 등가회로를 나타낸 것으로서, Z1,Z2,Z3은 제1,2,3 내부코일(112,122,132)의 임피던스를 각각 나타낸 것이 고, Z4,Z5,Z6은 제1,2,3 외부코일(114,124,134)의 임피던스를 각각 나타낸 것이다.

이때 각 내부코일(112,122,132)은 동일한 형상을 가지므로 Z1=Z2=Z3이며, 이는 각 외부코일(114,124,134)의 경우도 마찬가지이므로 Z4=Z5=Z6이어야 한다.

여기서 Z1,Z2,Z3은 RF전원(17)에 대하여 서로 병렬로 연결된 상태이고, Z4,Z5,Z6도 RF전원(17)에 대하여 서로 병렬로 연결된 상태이다. RF전력의 일부는 Z1,Z2,Z3의 내부코일로 전달되고, 나머지 일부는 가변공명커패시터(C3)를 경유하여 Z4,Z5,Z6의 외부코일로 전달된다.

다만, 여기서 외부코일과 RF전원의 연결수단이 평판형상의 판형전극(140)으로 주어질 경우, 도전성의 판형전극(140)과 챔버(11) 사이에 RF전기장이 형성될 수 있으므로 가변공명커패시터(C3)를 경유한 RF전력의 일부는 도시된 바와 같이 챔버 내부로 전달된다.

이러한 안테나 구성에서 가변공명커패시터(C3)를 적절히 조절하면, Z1,Z2,Z3의 내부코일과 Z4,Z5,Z6의 외부코일로 전달되는 RF전력의 비율을 조절할 수 있다. 따라서 챔버 내부에서 중앙부와 주변부의 플라즈마 밀도를 능동적으로 조절하여 플라즈마의 균일도를 향상시킬 수 있게 된다.

한편 상기 판형전극(140)은 편평한 것이 바람직하지만, 판형전극(140)이 챔버 내부에 용량결합형 플라즈마를 발생시키는 역할을 하므로 판형전극(140)의 형상을 적절히 조절하여 챔버 내부의 플라즈마의 균일도를 조절할 수 있다.

예를 들어 판형전극(140)의 중심부를 위로 볼록한 곡면형태로 제작하면, 판 형전극(140)의 중심부와 챔버의 거리가 멀어지므로 챔버 중심부의 플라즈마 밀도를 낮출 수 있고, 반대로 아래로 오목한 곡면으로 제작하면 챔버 중심부의 플라즈마 밀도를 높일 수 있다. 어떤 형태의 곡면 판형전극(140)을 이용할 지는 구체적인 공정종류나 공정파라미터에 따라 결정하면 된다.

한편 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치는 반도체 제조장치 뿐만 아니라 평판디스플레이의 제조장치 등 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 모든 장치에 적용될 수 있다.

본 발명에 따르면 코일형 안테나에 의해 발생하는 유도결합형 플라즈마와 판형전극에 의하여 발생하는 용량결합형 플라즈마가 적절히 혼재하여 챔버 내부의 플라즈마 균일도를 향상시킬 수 있다.

또한 판형전극이 코일형 안테나의 코일에서 발생하는 RF전기장을 적절히 차폐함으로써 코일 주변에서 발생하는 고에너지의 용량결합형 플라즈마를 억제하여 국부적인 플라즈마 불균일 현상을 완화시키고, 이온충격으로 인한 챔버 내부 부재의 열화를 방지한다.

Claims (9)

1. RF 전원에 연결된 임피던스 정합회로와 연결되는 플라즈마 발생장치로서,

   상기 임피던스 정합회로에 연결되며, 다수의 관통부를 가지는 판형 전극;

   상기 임피던스 정합회로에 연결되고, 상기 판형 전극에 병렬로 연결되며, 상기 판형 전극의 상부에 위치하는 코일형 안테나

   를 포함하는 플라즈마 발생장치
2. 제1항에 있어서,

   상기 판형 전극의 관통부는 상기 코일형 안테나에 나란하지 않게 관통된 플라즈마 발생장치
3. 제1항에 있어서,

   상기 판형 전극의 관통부는 상기 코일형 안테나의 코일에 대해서는 수직방향으로 형성되고, 상기 코일형 안테나의 코일 사이에는 상기 판형 전극의 중심에서 방사형으로 형성되는 플라즈마 발생장치
4. 제1항에 있어서,

   상기 코일형 안테나는 상기 판형 전극의 중심점을 기준으로 복수개의 안테나유닛이 2차원의 방사형으로 배치되고,

   상기 각 안테나유닛은 동일한 형상으로서 소정 부위에 접지점을 가지는 한편,

   상기 접지점을 기준으로 동일한 방향으로 절곡되며,

   상기 각 안테나유닛의 끝단이 상기 판형 전극과 전기적으로 연결되는 플라즈마 발생장치
5. 제1항에 있어서,

   상기 판형 전극은 그물망 패턴을 포함하는 플라즈마 발생장치
6. 제1항에 있어서,

   상기 판형 전극은 곡면으로 형성되는 플라즈마 발생장치
7. 제1항에 있어서,

   상기 판형 전극의관통부의 면적은 상기 판형 전극 면적의60% 이상 90% 이하인 플라즈마 발생장치
8. 제1항에 있어서,

   상기 판형 전극과 상기 코일형 안테나의 간격은 10mm 이상 30mm 이하인 플라즈마 발생장치
9. 제1항에 있어서,

   상기 임피던스 정합회로에 연결되는 판형 전극의 전단에 가변콘덴서가 설치되는 플라즈마 발생장치

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