KR20090009369A - 히터가 설치된 유도 결합 플라즈마 소스를 구비한 플라즈마반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유도 결합 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 플라즈마 반응기는 플라즈마 유도 방전 영역을 갖는 반응기 몸체, 반응기 몸체의 내부에 유도 결합 플라즈마를 형성하기 위한 유도 결합 플라즈마 소스, 반응기 몸체의 내부 온도를 제어하기 위해 유도 결합 플라즈마 소스에 설치된 히터 전극, 및 히터 전극으로 전원을 공급하여 반응기 몸체의 내부 영역의 온도를 제어하는 히터 구동 회로를 포함한다. 유도 결합 플라즈마 반응기는 플라즈마 반응기의 내부 온도를 공정 특성에 따라 적절히 정밀하게 제어할 수 있어서 공정 재현성을 향상 시킬 수 있으며, 내부 오염에 상관된 온도 제어를 적절히 실시하여 반응기 내부의 오염을 저감할 수 있어서 공정 수율을 향상 시킬 수 있다.
플라즈마, 안테나, 유도 결합

Description

히터가 설치된 유도 결합 플라즈마 소스를 구비한 플라즈마 반응기{PLASMA REACTOR HAVING INDUCTIVELY COUPLED PLASMA SOURCE WITH HEATER}
본 발명은 유도 결합 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 구체적으로는 유도 결합 플라즈마 소스에 히터를 구비하여 공정 온도에 대한 제어를 용이하게 하여 공정 재현성을 높임과 아울러 반응기 내부의 오염을 저감할 수 있는 히터가 설치된 유도 결합 플라즈마 소스를 구비한 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
플라즈마는 같은 수의 음이온(positive ions)과 전자(electrons)를 포함하는 고도로 이온화된 가스이다. 플라즈마 방전은 이온, 자유 라디컬, 원자, 분자를 포함하는 활성 가스를 발생하기 위한 가스 여기에 사용되고 있다. 활성 가스는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며 대표적으로 반도체 제조 공정 예들 들어, 식각(etching), 증착(deposition), 세정(cleaning), 에싱(ashing) 등에 다양하게 사용된다.
플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 소스는 여러 가지가 있는데 무선 주파수(radio frequency)를 사용한 용량 결합 플라즈마(capacitive coupled plasma)와 유도 결합 플라즈마(inductive coupled plasma)가 그 대표적인 예이다.
용량 결합 플라즈마 소스는 정확한 용량 결합 조절과 이온 조절 능력이 높아서 타 플라즈마 소스에 비하여 공정 생산력이 높다는 장점을 갖는다. 반면, 무선 주파수 전원의 에너지가 거의 배타적으로 용량 결합을 통하여 플라즈마에 연결되기 때문에 플라즈마 이온 밀도는 용량 결합된 무선 주파수 전력의 증가 또는 감소에 의해서만 증가 또는 감소될 수 있다. 그러나 무선 주파수 전력의 증가는 이온 충격 에너지를 증가시킨다.
한편, 유도 결합 플라즈마 소스는 무선 주파수 전원의 증가에 따라 이온 밀도를 쉽게 증가시킬 수 있으며 이에 따른 이온 충격은 상대적으로 낮아서 고밀도 플라즈마를 얻기에 적합한 것으로 알려져 있다. 그럼으로 유도 결합 플라즈마 소스는 고밀도의 플라즈마를 얻기 위하여 일반적으로 사용되고 있다. 유도 결합 플라즈마 소스는 대표적으로 무선 주파수 안테나(RF antenna)를 이용하는 방식과 변압기를 이용한 방식(변압기 결합 플라즈마(transformer coupled plasma)라고도 함)으로 기술 개발이 이루어지고 있다. 여기에 전자석이나 영구 자석을 추가하거나, 용량 결합 전극을 추가하여 플라즈마의 특성을 향상 시키고 재현성과 제어 능력을 높이기 위하여 기술 개발이 이루어지고 있다.
무선 주파수 안테나는 나선형 타입 안테나(spiral type antenna) 또는 실린더 타입의 안테나(cylinder type antenna)가 일반적으로 사용된다. 무선 주파수 안테나는 플라즈마 반응기(plasma reactor)의 외부에 배치되며, 세라믹이나 석영판과 같은 유전체 위도우(dielectric window)를 통하여 플라즈마 반응기의 내부로 유도 기전력을 전달한다. 무선 주파수 안테나를 이용한 유도 결합 플라즈마는 고밀 도의 플라즈마를 비교적 손쉽게 얻을 수 있으나, 안테나의 구조적 특징에 따라서 플라즈마 균일도가 영향을 받는다. 그럼으로 무선 주파수 안테나의 구조를 개선하여 균일한 고밀도의 플라즈마를 얻기 위해 노력하고 있다.
그러나 대면적의 플라즈마를 얻기 위하여 안테나를 넓게 하거나 안테나에 공급되는 전력을 높이는 것은 한계성을 갖는다. 예를 들어, 정상파 효과(standing wave effect)에 의해 방사선상으로 비균일한 플라즈마가 발생되는 것으로 알려져 있다. 또한, 안테나에 높은 전력이 인가되는 경우 무선 주파수 안테나의 용량성 결합(capacitive coupling)이 증가하게 됨으로 유전체 윈도우를 두껍게 해야 하며, 이로 인하여 무선 주파수 안테나와 플라즈마 사이의 거리가 증가함으로 전력 전달 효율이 낮아지는 문제점이 발생된다. 대면적 플라즈마를 얻기 위하여 복수개의 안테나를 사용하는 유도 결합 플라즈마 반응기들이 제안되고 있다. 그러나 복수개의 안테나들 사용하는 경우 대면적의 플라즈마를 얻을 수는 있겠지만 균일한 플라즈마를 얻기가 용이하지 않다.
최근 반도체 제조 산업에서는 반도체 소자의 초미세화, 반도체 회로를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판의 대형화, 액정 디스플레이를 제조하기 위한 유리 기판의 대형화 그리고 새로운 처리 대상 물질 등장 등과 같은 여러 요인으로 인하여 더욱 향상된 플라즈마 처리 기술이 요구되고 있다. 특히, 대면적의 피처리물에 대한 우수한 처리 능력을 갖는 향상된 플라즈마 소스 및 플라즈마 처리 기술이 요구되고 있다.
한편, 플라즈마 반응기의 내부 온도는 피처리 기판의 처리에 영향을 주게 되 는데, 공정 특성에 따라 그에 적합한 정밀한 온도 제어가 요구된다. 또한, 플라즈마 반응기의 내부 온도는 반응기의 내부 오염에 상관성을 갖기 때문에 오염 발생을 억제하기 위해서도 반응기 내부 온도의 제어는 매우 중요하다.
본 발명의 목적은 공정 재현성을 높이고 내부 오염을 저감할 수 있도록 플라즈마 반응기 내부의 온도를 제어할 수 있는 히터가 설치된 유도 결합 플라즈마 소스를 구비한 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 유도 결합 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 본 발명의 일 특징에 따른 유도 결합 플라즈마 반응기는: 플라즈마 유도 방전 영역을 갖는 반응기 몸체; 반응기 몸체의 내부에 유도 결합 플라즈마를 형성하기 위한 유도 결합 플라즈마 소스; 반응기 몸체의 내부 온도를 제어하기 위해 유도 결합 플라즈마 소스에 설치된 히터 전극; 및 히터 전극으로 전원을 공급하여 반응기 몸체의 내부 영역의 온도를 제어하는 히터 구동 회로를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 유도 결합 플라즈마 소스는: 반응기 몸체의 내부 영역과 접하며 가스 공급을 위한 복수개의 가스 공급과 히터 전극이 설치된 유전체 윈도우; 유전체 윈도우의 상부에 설치된 하나 이상의 무선 주파수 안테나; 및 자속 출입구가 반응기 몸체의 내부 영역을 지향하도록 무선 주파수 안테나를 덮는 코어 커버를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 유전체 윈도우는 안테나가 설치되는 트렌치 영역을 포함하고, 상기 히터 전극은 트렌치 영역을 따라서 설치된다.
일 실시예에 있어서 상기 히터 구동 회로는: 히터 동작 전원을 공급하는 히터 전원 공급원; 히터 동작 전원을 히터 전극으로 공급하거나 차단하는 스위치; 히터의 온도를 감지하는 온도 감지 센서; 및 온도 감지 센서에 의하여 감지된 온도에 따라서 히터 전원 공급원 및 스위치의 동작을 제어하는 히터 제어기를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 히터 구동 회로는 히터 전원 공급원으로부터 공급되는 히터 동작 전원의 노이즈 성분을 필터링하여 히터 전극으로 인가하는 필터를 포함한다.
본 발명의 히터가 설치된 유도 결합 플라즈마 소스를 구비한 플라즈마 반응기에 의하면, 플라즈마 반응기의 내부 온도를 공정 특성에 따라 적절히 정밀하게 제어할 수 있어서 공정 재현성을 향상 시킬 수 있으며, 내부 오염에 상관된 온도 제어를 적절히 실시하여 반응기 내부의 오염을 저감할 수 있어서 공정 수율을 향상 시킬 수 있다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서 는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 주요 구성을 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 반응기(10)는 플라즈마 유도 방전 영역을 갖는 반응기 몸체(12), 반응기 몸체(12)의 내부로 공정 가스를 공급하기 위한 가스 공급부(20), 반응기 몸체(12)의 내부에 유도 결합 플라즈마를 형성하기 위한 유도 결합 플라즈마 소스(30)를 구비한다. 유도 결합 플라즈마 소스(30)에는 반응기 몸체(12)의 내부 온도를 제어하기 위한 히터 전극(34)이 설치된다. 히터 구동 회로(40)는 히터 전극(34)으로 전원을 공급하여 반응기 몸체(12) 내부 영역의 온도를 제어한다.
반응기 몸체(12)의 내부에는 피처리 기판(18)이 놓이는 기판 지지대(14)가 구비된다. 피처리 기판(18)은 예를 들어, 반도체 장치를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판 또는 액정 디스플레이나 플라즈마 디스플레이 등의 제조를 위한 유리 기판이다. 반응기 몸체(12)의 하단에는 가스 배기를 위한 가스 출구(16)가 구비된다. 가스 출구(16)는 진공 펌프(미도시)에 연결된다. 반응기 몸체(12)는 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속 물질로 재작된다. 또는 코팅된 금속 예를 들 어, 양극 처리된 알루미늄이나 니켈 도금된 알루미늄으로 재작될 수 있다. 또는 내화 금속(refractory metal)로 재작될 수 있다. 또 다른 대안으로 반응기 몸체(12)를 전체적으로 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 재작하는 것도 가능하며, 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 다른 물질로도 재작될 수 있다.
도 2는 유도 결합 플라즈마 소스를 구성하는 유전체 윈도우의 평면도이고, 도 3은 유전체 윈도우에 설치된 안테나, 코어 커버, 및 히터 전극을 보여주는 유전체 윈도우의 부분 단면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하여, 유도 결합 플라즈마 소스(20)는 반응기 몸체(12)의 내부 영역과 접하며 가스 공급을 위한 복수개의 가스 공급홀(35)과 히터 전극(34)이 설치된 유전체 윈도우(31)를 구비한다. 유전체 윈도우(31)의 상부에는 하나 이상의 무선 주파수 안테나(32)가 설치된다. 코어 커버(33)는 자속 출입구가 반응기 몸체(12)의 내부 영역을 지향하며 무선 주파수 안테나(32)를 덮도록 유전체 윈도우(31)의 상부에 설치된다.
유전체 윈도우(31)의 상부는 하나 이상의 무선 주파수 안테나(32)가 설치되는 트렌치(trench) 영역(36)을 형성하는 요철 구조를 갖는다. 트렌치 영역(36)은 무선 주파수 안테나(32)의 구조와 동일하게 형성된다. 안테나(32)와 트렌치 영역(36)의 구조는 예를 들어, 평판 나선 구조일 수 있으나 균잉한 플라즈마의 발생을 위해 여타의 다른 구조로 변형이 가능하다. 복수개의 가스 공급홀(35)은 트렌치 영역(35) 사이의 융기된 부분으로 구성된다. 무선 주파수 안테나(32)는 각기 마그네틱 코어 커버(33)에 의해 덮여진다. 유전체 윈도우(32)의 트랜치 영역(36) 은 커버 부재(미도시)에 의해 덮여지며 이때 가스 공급홀(35)의 주변에는 가스가 누설되는 것을 방지하기 위하여 오링과 같은 진공 절연 부재에 의해 밀봉되는 것이 바람직하다. 유전체 윈도우(31)는 전체적으로 평판 구조를 갖지만, 돔형 구조를 가질 수도 있다. 또는 플라즈마의 균일한 발생을 위하여 다른 어떠한 형태의 구조로 변형이 가능하다.
코어 커버(33)는 페라이트 재질로 제작되지만 다른 대안의 재료로 제작될 수 도 있다. 코어 커버(33)는 수직 단면 구조가 말편자 형상을 갖고 무선 주파수 안테나(32)를 따라서 덮어지도록 설치되어 자속 출입구가 반응기 몸체(12)의 내부를 지행하도록 설치된다. 그럼으로 무선 주파수 안테나(32)에 의해 발생된 자속은 마그네틱 코어 커버(33)에 의해 집속되어 반응기 몸체(12)의 내부로 전달된다. 코어 커버(33)의 자속 보다 강하게 집속시키는 기능과 함께 반응기 몸체(12)의 상부에 보다 균일한 플라즈마가 발생되도록 한다.
도 1을 참조하여, 히터 구동 회로(40)는 히터 동작 전원을 공급하는 히터 전원 공급원(41), 히터 동작 전원을 히터 전극(34)으로 공급하거나 차단하는 스위치(42), 히터의 온도를 감지하는 온도 감지 센서(44) 및, 온도 감지 센서(44)에 의하여 감지된 온도에 따라서 히터 전원 공급원(41) 및 스위치(42)의 동작을 제어하는 히터 제어기(45)를 포함한다. 히터 구동 회로(40)는 필터(43)를 구비하여 히터 전원 공급원(41)으로부터 공급되는 히터 동작 전원의 노이즈 성분을 필터링하여 히터 전극으로 인가하도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
도 3을 참조하여, 히터 전극(24)은 트렌치 영역(36)의 양측 가장 자리를 따 라서 설치될 수 있다. 또는 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 히터 전극(34)은 온도 제어의 용이함과 그 효율을 높이기 위하여 유전체 윈도우(31)의 임의의 위치에 다양하게 설치될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 유전체 윈도우(31)의 가스 공급홀(35)과 트랜치 영역(36)의 사이에서 하부에 가깝게 수평으로 매설되는 구조로 설치될 수 있다. 또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 유전 윈도우(31)의 가스 공급홀(35)과 트랜치 영역(36)의 사이 부분에 수직으로 매설되는 구조로 설치될 수 있다. 또는, 도 6에 도시된 바와 같이, 유전체 윈도우(31)의 상부를 전체적으로 덮고 가스 공급홀(35)과 대응되는 부분은 개구부를 형성하는 구조로 설치될 수 있다. 이때, 히터 전극(37)은 알루미늄과 같은 재료의 커버(37)로 감싸는 것이 바람직할 수 있다.
도 1을 참조하여, 유도 결합 플라즈마 소스(30)의 상부에는 가스 공급부(20)가 구비된다. 가스 공급부(20)는 가스 공급원(미도시)에 연결되는 가스 입구(21)와 하나 이상의 가스 분배판(22)을 구비하며 유전체 윈도우(31)의 상부에서 복수개의 가스 공급홀(35)을 통하여 반응기 몸체(12)의 내부로 공정 가스를 입력한다. 가스 공급부(20)는 두 가지 이상의 공정 가스를 분리 공급하는 것이 공정 효율을 높일 수 있을 경우 두 개의 가스 공급원으로부터 공급되는 서로 다른 공정 가스를 분리 공급하는 분리된 가스 공급 구조를 갖도록 변형 실시할 수 있다.
무선 주파수 안테나(32)는 무선 주파수를 공급하는 전원 공급원(50)에 임피던스 정합기(51)를 통하여 전기적으로 연결된다. 전원 공급원(50)은 임피던스 정합기(51)를 통하여 무선 주파수 전력을 무선 주파수 안테나(32)로 공급한다. 전원 공급원(50)은 별도의 임피던스 정합기 없이 출력 전원의 제어가 가능한 무선 주파수 발생기를 사용하여 구성될 수도 있다.
기판 지지대(140) 하나 이상의 바이어스 전원 공급원(52, 53)으로부터 임피던스 정합기(54)를 통하여 바이어스 전력을 공급 받아 바이어스 된다. 도면에 도시되지 않았으나 직류 전원 공급원으로부터 직류 전원이 기판 지지대(14)로 공급될 수 있다. 둘 이상의 바이어스 전원 공급원(52, 53)으로부터 바이어스 전력이 공급되는 경우 각각의 바이어스 전력은 서로 다른 주파수를 갖는다.
도 7은 하나의 코어 커버에 의해 덮여진 단일 안테나 라인을 보여주는 도면이고, 도 8은 하나의 코어 커버에 의해 덮여진 이중 안테나 라인을 보여주는 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 트렌치 영역(36)에 설치되는 무선 주파수 안테나(32)는 단일 라인(32)으로 설치되거나 도 8에 도시된 바와 같이 두 개 이상 병렬 라인(32a, 32b)으로 설치될 수 있다. 하나 또는 둘 이상 병렬로 설치되는 경우라도 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 하나의 코어 커버(33)에 의해 덮여 지도록 할 수 있다. 물론, 병렬로 설치되는 경우 각기 독립적으로 코어 커버를 설치할 수도 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 히터가 설치된 유도 결합 플라즈마 소스를 구비한 플라즈마 반응기의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 주요 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 유도 결합 플라즈마 소스를 구성하는 유전체 윈도우의 평면도이다.
도 3은 유전체 윈도우에 설치된 안테나, 코어 커버, 및 히터 전극을 보여주는 유전체 윈도우의 부분 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 히터 전극의 다양한 변형 설치예를 보여주는 유전체 윈도우의 부분 단면도이다.
도 7은 하나의 코어 커버에 의해 덮여진 단일 안테나를 보여주는 도면이다.
도 8은 하나의 코어 커버에 의해 덮여진 이중 안테나를 보여주는 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 플라즈마 반응기 12: 반응기 몸체
14: 기판 지지대 16: 가스 출구
20: 가스 공급부 21: 가스 분배판
30: 유도 결합 플라즈마 소스 31: 유전체 윈도우
32: 안테나 33: 코어 커버
34: 히터 전극 35: 가스 공급홀
36: 트랜치 영역 40: 히터 구동 회로
41: 히터 전원 공급원 42: 스위치
43: 필터 44: 온도감지센서
45: 히터 제어기 50: 안테나 전원 공급원
51: 임피던스 정합기 52, 53: 바이어스 전원 공급원
54: 임피던스 정합기

Claims (5)

  1. 플라즈마 유도 방전 영역을 갖는 반응기 몸체;
    반응기 몸체의 내부에 유도 결합 플라즈마를 형성하기 위한 유도 결합 플라즈마 소스;
    반응기 몸체의 내부 온도를 제어하기 위해 유도 결합 플라즈마 소스에 설치된 히터 전극; 및
    히터 전극으로 전원을 공급하여 반응기 몸체의 내부 영역의 온도를 제어하는 히터 구동 회로를 포함하는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유도 결합 플라즈마 소스는:
    반응기 몸체의 내부 영역과 접하며 가스 공급을 위한 복수개의 가스 공급과 히터 전극이 설치된 유전체 윈도우;
    유전체 윈도우의 상부에 설치된 하나 이상의 무선 주파수 안테나; 및
    자속 출입구가 반응기 몸체의 내부 영역을 지향하도록 무선 주파수 안테나를 덮는 코어 커버를 포함하는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 윈도우는 안테나가 설치되는 트렌치 영역을 포함하고, 상기 히 터 전극은 트렌치 영역을 따라서 설치되는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 히터 구동 회로는:
    히터 동작 전원을 공급하는 히터 전원 공급원;
    히터 동작 전원을 히터 전극으로 공급하거나 차단하는 스위치;
    히터의 온도를 감지하는 온도 감지 센서; 및
    온도 감지 센서에 의하여 감지된 온도에 따라서 히터 전원 공급원 및 스위치의 동작을 제어하는 히터 제어기를 포함하는 유도 결합 플라즈마 반응기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 히터 구동 회로는 히터 전원 공급원으로부터 공급되는 히터 동작 전원의 노이즈 성분을 필터링하여 히터 전극으로 인가하는 필터를 포함하는 유도 결합 플라즈마 반응기.
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