KR20070121395A - 유도 결합형 플라즈마 안테나 - Google Patents

유도 결합형 플라즈마 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도 결합형 플라즈마 안테나를 개시한 것으로서, 동심(同心)을 가지는 복수의 곡선부들과, 곡선부들을 연결하는 복수의 연결부들이 폐루프를 이루도록 제공되는 코일로 마련되며, 코일의 가장 내측 곡선부의 중간 지점에는 전원 입력단이 연결되고, 코일의 가장 외측 곡선부의 중간 지점에는 전원 출력단이 연결되는 것을 특징으로 한다.
이러한 특징에 의하면, 챔버 내의 기판 영역에 해당하는 공간 내에서 플라즈마 밀도를 상승시킬 수 있으며, 또한 플라즈마 밀도 분포의 균일성을 향상시킬 수 있는 유도 결합형 플라즈마 안테나를 제공할 수 있다.
플라즈마, 유도 전기장, 안테나

Description

유도 결합형 플라즈마 안테나{INDUCTIVELY COUPLED PLASMA ANTENNA}
도 1은 종래 일반적으로 사용되고 있는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치의 일 예를 도시해 보인 개략적 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 유도 결합형 플라즈마 안테나가 장착된 플라즈마 처리 장치의 일 예를 도시해 보인 구성도,
도 3은 도 2에 도시된 유도 결합형 플라즈마 안테나의 개략적 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 유도 결합형 플라즈마 안테나를 이용하여 생성된 플라즈마의 밀도 분포를 보여주는 모델링 결과이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 공정 챔버 110 : 진공 펌프
120 : 기판 지지 부재 130 : 유전체 윈도우
140 : 가스 분사 부재 200 : 안테나
210 : 고주파 전원 220 : 코일
본 발명은 유도 결합형 플라즈마 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 처리 장치 내에 플라즈마 생성을 위한 유도 전기장을 형성시키는 유도 결합형 플라즈마 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 플라즈마는 이온이나 전자, 라디칼(Radical) 등으로 이루어진 이온화된 가스 상태를 말하며, 플라즈마는 매우 높은 온도나, 강한 전계 혹은 고주파 전자계(RF Electromagnetic Fields)에 의해 생성된다.
플라즈마 처리 장치로는 플라즈마 생성 에너지원에 따라 축전 용량성 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma) 처리 장치, 유도 결합형 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma, ICP) 처리 장치 및 마이크로웨이브 플라즈마(Microwave Plasma) 처리 장치 등이 제안되어 있다. 이 중, 유도 결합형 플라즈마(ICP) 처리 장치는 낮은 압력에서 고밀도의 플라즈마를 생성시킬 수 있는 등의 장점으로 인해 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래 일반적으로 사용되고 있는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치의 일 예를 도시해 보인 개략적 구성도이다.
도 1을 참조하면, 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(1)는 플라즈마 처리 공정이 진행되는 공간을 제공하는 공정 챔버(10)를 가지며, 공정 챔버(10)의 내부에는 처리하고자 하는 기판(예를 들면, 웨이퍼)을 올려놓기 위한 기판 홀더(20)가 설치되고, 공정 챔버(10)의 상부에는 공정 챔버(10) 내에 주입된 반응 가스를 이온화하여 플라즈마를 생성시키기 위해 공정 챔버(10) 내부로 RF 파워를 전송하는 ICP(Inductively Coupled Plasma) 안테나(30)가 설치된다.
ICP 안테나(30)로는, 도 1에 도시된 바와 같이, 평면 나선형 안테나(Planar Spiral Antenna)가 일반적으로 사용되고 있다. 평면 나선형 안테나의 중심부에 연결된 고주파 전원(40)으로부터 ICP 안테나(30)에 고주파 전원이 인가되면 안테나(30)의 코일을 따라 흐르는 전류가 공정 챔버 내부 공간에 자기장을 만들고, 이 자기장에 의해서 유도 전기장이 형성되며, 공정 챔버에 공급된 반응 가스는 유도 전기장으로부터 이온화에 필요한 충분한 에너지를 얻어 플라즈마를 생성한다.
그런데, 평면 나선형 안테나의 경우, 유도 전기장의 세기는 안테나 코일의 중심 부분에서 가장 크며, 주변부로 갈수록 작아지는 분포를 갖게 된다. 이로 인해 공정 챔버 내에 생성된 유도 결합형 플라즈마의 밀도 또한 중심 부분에서 높고 주변부로 가면서 감소하는 불균일 분포를 갖게 된다.
300 mm 이상의 대면적 기판을 처리하기 위해서는 최소한 기판 영역에 해당하는 공간 내에서 균일한 분포를 갖는 플라즈마의 생성을 요구하나, 상술한 바와 같이 평면 나선형 안테나는 이러한 조건을 충족시키지 못하기 때문에, 플라즈마를 이용한 식각 공정이나 증착 공정 등에서 웨이퍼의 식각 깊이 또는 웨이퍼 표면에 증착되는 물질막의 두께 및 성질이 기판상의 위치에 따라 달라지는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 통상적인 유도 결합형 플라즈마 안테나가 가진 문제점을 감안하여 이를 해소하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 균일한 밀도 분포를 가지는 플라즈마를 생성할 수 있는 유도 결합형 플라즈마 안테나를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 유도 결합형 플라즈마 안테나는, 공정 챔버에 유입된 반응 가스를 이온화하여 플라즈마를 생성하도록 상기 공정 챔버 내에 유도 전기장을 형성시키는 유도 결합형 플라즈마(ICP) 안테나에 있어서, 폐루프를 이루도록 제공된 코일을 포함하며, 상기 코일의 제 1 지점에는 전원 입력단이 연결되고, 상기 코일의 제 2 지점에는 전원 출력단이 연결되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 유도 결합형 플라즈마 안테나에 있어서, 상기 코일은 동심(同心)을 가지는 복수의 곡선부들과; 상기 곡선부들을 연결하는 복수의 연결부들;을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 코일의 가장 내측 곡선부에는 상기 전원 입력단이 연결되고, 상기 코일의 가장 외측 곡선부에는 상기 전원 출력단이 연결되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 전원 입력단 및 상기 전원 출력단은 각각 상기 가장 내측 곡선부 및 상기 가장 외측 곡선부의 중간 지점에 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 곡선부들은 일 측이 개방된 고리 모양으로 감긴 제 1 코일 및 상기 제 1 코일을 둘러싸도록 감기며 일 측이 개방된 제 2 코일을 포함하며, 상기 연결부들은 상기 제 1 및 제 2 코일이 폐루프를 형성하도록 상기 제 1 코일의 끝단과 상기 제 2 코일의 끝단을 연결하는 연결 코일들을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 코일은 그 개방부가 동일 방향을 향하도록 감기는 것이 바람직하며, 그리고 상기 제 1 및 제 2 코일은 원형의 고리 모양으로 마련되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 제 1 코일의 중간 지점에는 상기 전원 입력단이 연결되고, 상기 제 2 코일의 중간 지점에는 상기 전원 출력단이 연결되는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유도 결합형 플라즈마 안테나를 상세히 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
( 실시예 )
본 실시예의 유도 결합형 플라즈마 안테나는 챔버 내에 유도 자기장을 형성하고 이에 의해 생성된 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 다양한 형태의 플라즈마 처리 장치에 적용될 수 있으며, 이러한 플라즈마 처리 장치로는, 기판상에 남아있는 불필요한 감광막 층을 제거하는 애싱 장치, 기판상에 막질을 증착하는 증착 장치 또는 기판을 식각 처리하는 식각 장치 등을 예로 들을 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 유도 결합형 플라즈마 안테나가 장착된 플라즈마 처리 장치의 일 예를 도시해 보인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 유도 결합형 플라즈마(ICP) 처리 장치는 그 내부에 플라즈마 생성 공간이 마련된 공정 챔버(100)를 가진다. 공정 챔버(100)의 내부는 진공 상태로 유지되며, 이를 위해 공정 챔버(100)의 저면에는 진공 펌프(110)에 연결되는 배기구(102)가 형성된다. 공정 챔버(100) 내측 하부에는 기판(W)을 지지하는 기판 지지 부재(120)가 마련된다. 기판 지지 부재(120)로는 정전력에 의해 기판(W)을 흡착 지지하는 정전척(Electro-Static Chuck, ESC)이 사용될 수 있다. 기판 지지 부재(120)에는 공정 챔버(100) 내에 생성된 플라즈마로부터 빠져나온 이온이 기판(W)의 표면에 충분히 높은 에너지를 가지고 충돌할 수 있도록 바이어스 전압을 제공하는 전원(122)이 연결된다. 그리고, 기판 지지 부재(120)는 구동 부재(미도시)에 의해 상하 방향으로 이동이 가능하도록 설치될 수 있다. 기판 지지 부재(120)를 상하 이동시킴으로써 기판 지지 부재(120)에 지지된 기판(W)을 보다 균일한 플라즈마 분포를 나타내는 영역에 위치시킬 수 있게 된다.
공정 챔버(100)의 상부에는 RF 파워가 투과될 수 있도록 유전체로 이루어진 윈도우(130)가 설치된다. 유전체 윈도우(130)는 공정 챔버(100)의 내부와 외부의 대기를 분리하는 역할도 하게 된다. 그리고, 공정 챔버(100)의 측벽에는 공정 챔버(100) 내부로 반응 가스를 주입하기 위한 가스 유입구(104)가 형성되고, 공정 챔버(100) 내의 상부에는 가스 유입구(104)에 연통되도록 가스 분사 부재(140)가 설치된다. 가스 분사 부재(140)에는 기판(W)을 향해 반응 가스를 분사하는 다수의 분사홀들(142)이 형성된다. 가스 유입구(104)를 통해 유입된 반응 가스는 가스 분사 부재(140)의 분사홀들(142)을 통해 기판 상부 공간으로 분사된다. 공정 챔버(100) 의 외측 상부, 즉 유전체 윈도우(130)의 상부에는 공정 챔버(100) 내부로 유입된 반응 가스를 이온화하여 플라즈마를 생성시키기 위해 RF 파워를 전송하는 ICP 안테나(200)가 설치되고, ICP 안테나(200)에는 RF 파워를 공급하기 위한 RF 전원(210)이 연결된다.
도 3은 도 2에 도시된 유도 결합형 플라즈마 안테나의 개략적 사시도이다.
도 3을 참조하면, ICP 안테나(200)는 폐루프를 이루도록 제공된 코일(220)을 가지며, 코일(220)은 동심(同心)을 가지는 복수의 곡선부들과, 곡선부들을 연결하는 복수의 연결부들을 포함한다. 일 예를 들면, 곡선부들은, 도 3에 도시된 바와 같이, 일 측이 개방된 고리 모양으로 감긴 제 1 코일(222) 및 제 1 코일(222)을 둘러싸도록 감기며 일 측이 개방된 제 2 코일(224)로 이루어질 수 있다. 연결부들은 제 1 코일(222) 및 제 2 코일(224)이 폐루프를 형성하도록 제 1 코일(222)의 끝단과 제 2 코일(224)의 끝단을 연결하는 연결 코일들(226a,226b)을 가진다. 여기서, 제 1 코일(222) 및 제 2 코일(224)은 그 개방부가 동일 방향을 향하도록 마련될 수 있다. 제 1 코일(222) 및 제 2 코일(224)은 원형의 고리 모양으로 마련될 수 있으며, 또한 원형 이외에도 타원형, 사각형 등 다양한 형태로 구비될 수도 있다.
상술한 바와 같이 폐루프를 이루는 코일(220)의 제 1 지점에는 전원이 인가되는 전원 입력단(232)이 연결되고, 코일(220)의 제 2 지점에는 전원 출력단(234)이 연결된다. 코일(220)이 복수 개의 곡선부들을 가지는 경우, 제 1 지점은 가장 내측에 배치된 곡선부 상의 임의의 위치를 말하고, 제 2 지점은 가장 외측에 배치된 곡선부 상의 임의의 위치를 말한다. 여기서, 전원 입력단(232) 및 전원 출력 단(234)은 곡선부 상의 중간 지점에 각각 연결되는 것이 바람직하다. 위에서 예를 든 도 3에 예시된 배치 구조를 가지는 ICP 안테나(200)의 경우에는, 전원 입력단(232)이 내측에 배치된 제 1 코일(222)에 연결되고, 전원 출력단(234)은 그 외측에 배치된 제 2 코일(224)에 연결된다. 그리고, 전원 입력단(232) 및 전원 출력단(234)은 제 1 코일(222) 및 제 2 코일(224) 상의 중간 지점에 각각 연결될 수 있다. 이러한 상태에서 고주파 전원(210)으로부터 전원 입력단(232)에 전원이 인가되면, 인가된 전류는 전원 입력단(232)이 연결된 지점에서 양 방향으로 분기되어 제 1 코일(222)을 따라 흐른다. 제 1 코일(222)을 따라 흐르는 분기된 입력 전류(iin)는 각각 연결 코일(226a,226b)들을 통해 제 2 코일(224)을 따라 흐르고, 이후 전원 출력단(234)이 연결된 지점에서 합쳐진다. 이때 제 1 코일(222)에 흐르는 전류(iin)와 제 2 코일(224)에 흐르는 전류(iout)는 폐루프를 이루는 코일의 배치 구조상 서로 반대 방향으로 흐르게 된다. 이와 같이 ICP 안테나(200)의 코일을 따라 전류가 흐르면 이에 의해 공정 챔버 내부 공간에 자기장이 만들어지고, 이 자기장에 의해서 유도 전기장이 형성되며, 공정 챔버에 공급된 반응 가스는 유도 전기장으로부터 이온화에 필요한 충분한 에너지를 얻어 플라즈마를 생성한다.
도 4는 본 발명에 따른 유도 결합형 플라즈마 안테나를 이용하여 생성된 플라즈마의 밀도 분포를 보여주는 모델링 결과이다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 유도 결합형 플라즈마 안테나(200)를 이용하여 공정 챔버(100) 내에 플라즈마를 생성시킬 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판 영역에 해당하는 챔버 내의 공간에서 플라즈마 밀도를 상승시킬 수 있을뿐만 아니라, 균일한 밀도 분포를 갖는 플라즈마를 생성시킬 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기판 영역에 해당하는 공간 내에서 플라즈마 밀도를 상승시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 플라즈마 밀도 분포의 균일성을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 공정 챔버에 유입된 반응 가스를 이온화하여 플라즈마를 생성하도록 상기 공정 챔버 내에 유도 전기장을 형성시키는 유도 결합형 플라즈마(ICP) 안테나에 있어서,
    폐루프를 이루도록 제공된 코일을 포함하며,
    상기 코일의 제 1 지점에는 전원 입력단이 연결되고,
    상기 코일의 제 2 지점에는 전원 출력단이 연결되는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일은,
    동심(同心)을 가지는 복수의 곡선부들과;
    상기 곡선부들을 연결하는 복수의 연결부들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 코일의 가장 내측 곡선부에는 상기 전원 입력단이 연결되고,
    상기 코일의 가장 외측 곡선부에는 상기 전원 출력단이 연결되는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 안테나.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전원 입력단 및 상기 전원 출력단은 각각 상기 가장 내측 곡선부 및 상기 가장 외측 곡선부의 중간 지점에 연결되는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 안테나.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 곡선부들은 일 측이 개방된 고리 모양으로 감긴 제 1 코일 및 상기 제 1 코일을 둘러싸도록 감기며 일 측이 개방된 제 2 코일을 포함하며,
    상기 연결부들은 상기 제 1 및 제 2 코일이 폐루프를 형성하도록 상기 제 1 코일의 끝단과 상기 제 2 코일의 끝단을 연결하는 연결 코일들을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 안테나.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 코일은 그 개방부가 동일 방향을 향하도록 감기는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 안테나.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 코일은 원형의 고리 모양으로 마련되는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 안테나.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 코일의 중간 지점에는 상기 전원 입력단이 연결되고,
    상기 제 2 코일의 중간 지점에는 상기 전원 출력단이 연결되는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 안테나.
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