KR20090037343A - Magnetized inductively coupled plasma processing apparatus and generating method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유도결합형 플라즈마 처리장치 및 그 발생방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저압에서 고밀도의 플라즈마 생성을 용이하게 하고, 시료에 대한 플라즈마 분포의 균일성을 향상하기 위해 영구자석을 이용하여 플라즈마 발생공간에 자기장이 생성되게 함으로써 시료의 전 면적에 골고루 플라즈마 처리를 할 수 있도록 하는 장치 및 그 발생 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an inductively coupled plasma processing apparatus and a method of generating the same, and more particularly, to facilitate the generation of high density plasma at low pressure, and to improve the uniformity of the plasma distribution for a sample. The present invention relates to an apparatus and a method for generating the same, which allow a plasma field to be uniformly applied to the entire area of a sample by generating a magnetic field in the generating space.
플라즈마 발생장치로는 크게 용량 결합형 플라즈마 발생원 (capacitively coupled plasma source)과 유도결합형 플라즈마 발생원 (inductively coupled plasma source) 및 플라즈마 웨이브(plasma wave)를 이용한 헬리콘(Helicon)과 마이크로웨이브 플라즈마 발생원(microwave plasma source) 등이 제안되어 있다. 그 중에서, 고 밀도의 플라즈마를 쉽게 형성할 수 있는 유도결합형 플라즈마 발생원이 널리 사용되고 있다.Plasma generators include Helicon and microwave plasma sources using capacitively coupled plasma sources, inductively coupled plasma sources, and plasma waves. plasma source). Among them, inductively coupled plasma generators capable of easily forming high-density plasmas are widely used.
도 1은 종래 일반적으로 사용되고 있는 유도결합형 플라즈마 발생장치를 도시한 것으로서, 상기한 유도결합형 플라즈마 발생장치(1)는 플라즈마(106)가 생성 되는 챔버(101), 상기 챔버(101) 내로 반응개스를 공급하는 개스 주입구(102), 상기 챔버(101) 내부를 진공으로 유지하고 반응이 종결되면 반응개스를 배출하기 위한 진공펌프(103)를 포함한다. 또한 상기 챔버(101)의 내부에는 처리하고자 하는 기판(104)(예를 들면, 웨이퍼)를 올려놓기 위한 기판 홀더(105)가 설치되며, 상기 챔버(101)의 상부에는 RF 전력원(109)이 접속된 안테나(107)가 설치된다. FIG. 1 illustrates an inductively coupled plasma generator that is generally used. The inductively coupled
상기 안테나(107)에 임피던스 정합(108)된 RF 전력원(109)으로부터 전력이 부가되면 안테나(107)에 RF 파워, 즉 RF 전위와 전류가 인가된다. 인가된 RF 전위는 상기 안테나(107)를 격리한 유전체(110)의 수직 방향으로 시간에 따라 변하는 전기장을 형성하고 안테나(107)에 흐르는 RF 전류는 반응 챔버(101) 내부공간(111)에 자기장을 만들고 이 자기장에 의해서 유도 전기장이 형성되게 된다. When power is added from the
이 때, 챔버(101) 내부의 반응 개스는 유도 생성된 전기장으로부터 이온화에 필요한 충분한 에너지를 얻고 플라즈마(106)를 형성한다. 형성된 플라즈마(106)는 음의 직류 바이어스 전압을 인가하는 다른 RF 전력원(112)에 의해 기판 홀더(105)에 설치된 기판(104)으로 입사하여 상기 기판(104)을 처리하게 된다.At this time, the reaction gas inside the
한편, 상기 챔버(101)내에 형성되는 플라즈마(106)는 챔버(101) 내에 형성되는 전기장 보다 자기장에 의한 유도 전기장에 의해서 더욱 밀도가 높아지며 이러한 플라즈마를 유도결합형 플라즈마라 하고 이런 장비를 유도결합형 플라즈마 발생장치 혹은 플라즈마 발생원이라 한다. 이 플라즈마 발생장치는 높은 운전 가스 압력에서 고 밀도의 플라즈마를 형성할 수 있다는 장점이 있으나, 가스 압력이 낮아지면 플라즈마의 점화, 유지가 어려워지는 단점이 있다.On the other hand, the
도 2는 상기한 플라즈마 발생장치에 널리 사용되어온 평면 나선형 안테나(planar spiral antenna)를 도시한 것이다. 상기 평면 나선형 안테나는 전자기파가 중심부에 크게 형성되고, 따라서 발생되는 유도결합형 플라즈마의 밀도분포는 공간 내에서 균일하지 못하며 중심부에서는 밀도는 높고 반응기의 가장자리로 가면서 감소하는 형태를 갖게 된다. FIG. 2 illustrates a planar spiral antenna which has been widely used in the plasma generator. In the planar spiral antenna, electromagnetic waves are largely formed at the center portion, and thus the density distribution of the inductively coupled plasma generated is not uniform in space, and the density is high at the center portion and decreases toward the edge of the reactor.
따라서, 실제 300 mm 이상의 대면적 기판을 처리하기 위해서는 최소한 기판 영역에 해당하는 공간 내에서 균일한 분포를 갖는 플라즈마의 형성을 요구하나, 상기한 평면 나선형 안테나는 이러한 조건을 충족시키지 못한다는 단점을 갖고 있다.Therefore, in order to process a large area substrate of 300 mm or more, it is required to form a plasma having a uniform distribution in a space corresponding to at least the substrate area, but the aforementioned flat spiral antenna does not satisfy such a condition. have.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 다양한 형태의 안테나가 개시되어 있다. 예를 들면, 대한민국 특허출원번호 제7010807/2000호는 상기 평면 나선형 안테나를 병렬로 배치한 트랜스포머 결합 평형 안테나를 개시하고 있으며(도3 참조), 대한민국 특허출원번호 제14578/1998호는 방사구조물 형태의 대면적 평면 안테나를 개시하고 있다(도 4참조). 그리고 대한민국 특허출원번호 제35702/1999호는 평행형 형태로 조합된 안테나를 개시하고 있다(도 5 참조). To solve this problem, various types of antennas have been disclosed. For example, Korean Patent Application No. 7010807/2000 discloses a transformer coupled balanced antenna in which the planar spiral antennas are arranged in parallel (see FIG. 3), and Korean Patent Application No. 14578/1998 forms a radiation structure. A large area planar antenna is disclosed (see FIG. 4). In addition, Korean Patent Application No. 35702/1999 discloses an antenna combined in a parallel form (see FIG. 5).
하지만 이런 종류의 안테나를 운용하는데 발생하는 문제점은 안테나와 입력전력의 정합에 어려움이 생기며, 조각된 안테나들은 안테나 상호 간에 만들어지는 전자기파의 교란으로 인한 문제, 제작상의 어려움이 있으며, 장시간 운전할 때 안테나 조합 중 일부 안테나 특성이 독립적으로 변하게 되는 경우 이를 조절할 수 없어 운전의 안정성에 문제가 있을 수 있다. 또한 평행 안테나의 경우 여러 안테나 코일 선으로 구성되어 있어 구조적으로 안테나 입력 단에서 출력 단까지 각 평행 안테나 라인에 흐르는 입력 전류의 위상을 맞추기 위해서 평행안테나의 각 라인에 독립적으로 인덕터나 캐패시터를 달아 조절해야 하며, 이러한 첨부 조건은 역시 반응기의 운전 영역을 좁히게 된다.However, the problem that occurs in operating this kind of antenna is a difficulty in matching the antenna and the input power, and the carved antennas are a problem due to the disturbance of electromagnetic waves generated between the antennas, a difficulty in manufacturing, and an antenna combination when driving for a long time. If some of the antenna characteristics are changed independently, there is a problem in the stability of the operation can not be adjusted. In addition, the parallel antenna is composed of several antenna coil wires. Therefore, in order to adjust the phase of the input current flowing through each parallel antenna line from the antenna input end to the output end, an inductor or a capacitor is independently attached to each line of the parallel antenna. This attachment condition also narrows the operating area of the reactor.
따라서, 하나의 입력단자와 다른 하나의 출력단자를 사용하는 안테나의 형태가 가장 이상적이나, 나선형 안테나에서 발생되는 중심부분에서의 유도전기장이 크게 형성되는 것을 제어하여 중앙부분의 플라즈마 밀도를 조절하기가 힘들어 플라즈마 분포 또는 밀도가 불균일하다는 문제점이 있다.Therefore, the shape of the antenna using one input terminal and the other output terminal is most ideal, but it is difficult to control the plasma density of the central part by controlling the formation of a large induced electric field in the center portion generated by the spiral antenna. There is a problem in that the plasma distribution or density is difficult.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 목적은, 유도 결합형 플라즈마 처리 장치에서 가스 압력이 낮아질 때 플라즈마의 점화 및 고밀도 플라즈마의 생성 및 유지가 어려워지는 문제와, 평면형 나선형 안테나에서 발생하는 유도전기장으로 인한 중앙부분의 플라즈마 밀도는 높고 가장자리로 가면서 급격히 감소하는 형태의 비 균일한 분포를 갖는 문제를 개선할 수 있는 자화된 유도결합형 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 발생방법을 제공하는데 있다.An object according to an embodiment of the present invention for solving the above problems is a problem that it is difficult to ignite the plasma and to generate and maintain the high-density plasma when the gas pressure is low in the inductively coupled plasma processing apparatus, and in the planar spiral antenna The present invention provides a magnetized inductively coupled plasma processing apparatus and a plasma generating method capable of improving the problem of having a non-uniform distribution in the form of a high density and rapidly decreasing toward the edge due to the generated induction electric field.
본 발명의 일 실시예에 따른 다른 목적은, 플라즈마 가둠 효과를 가져오는 외부자기장을 형성하기 위한 장치의 설치가 간단해지고, 그 장치의 문제가 발생하는 경우 쉽게 보수작업을 할 수 있을 뿐만 아니라, 간단한 형상 및 배치의 변화로 균일한 플라즈마 분포를 형성할 수 있는 자화된 유도결합형 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 발생방법을 제공하는데 있다.Another object according to an embodiment of the present invention is to simplify the installation of an apparatus for forming an external magnetic field with a plasma confinement effect, and to easily perform maintenance work in the event of a problem with the apparatus. The present invention provides a magnetized inductively coupled plasma processing apparatus and a plasma generating method capable of forming a uniform plasma distribution by a change in shape and arrangement.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유도결합형 플라즈마 처리 장치는 진공 챔버; 상기 진공 챔버의 내부에 마련되는 시료 장착수단; 상기 진공 챔버 내부에 플라즈마를 발생시키는 안테나; 및 상기 안테나의 상부 및 상기 진공 챔버 하부에 배치되고, 상기 진공 챔버의 수직 방향으로 자기장을 형성하는 서로 반대극을 갖는 적어도 한쌍의 영구자석을 포함할 수 있다.Inductively coupled plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention for solving the above problems is a vacuum chamber; Sample mounting means provided in the vacuum chamber; An antenna generating a plasma inside the vacuum chamber; And at least one pair of permanent magnets disposed above the antenna and below the vacuum chamber and having opposite poles to form a magnetic field in a vertical direction of the vacuum chamber.
나아가, 상기 진공 챔버 측면에 배치되고 상기 진공 챔버의 축과 수직한 방 향으로 다극성 표면 자기장을 형성하는 적어도 한쌍의 측면자석을 더 포함할 수 있고, 상기 측면자석은 서로 이웃하는 자석의 극성이 상반되게 배열될 수 있다.Furthermore, it may further comprise at least a pair of side magnets disposed on the side of the vacuum chamber and forming a multipolar surface magnetic field in a direction perpendicular to the axis of the vacuum chamber, wherein the side magnets have a polarity of neighboring magnets. It can be arranged oppositely.
더 나아가, 상기 안테나와 상기 플라즈마가 발생되는 상기 진공 챔버에 포함되는 반응 챔버를 격리시키고, 상기 안테나의 유도기전력을 통과시키는 비전도성 윈도우를 더 포함할 수 있고, 상기 비전도성 윈도우는 평면 형태 또는 비평면 형태를 가질 수 있다.Furthermore, the non-conductive window may further include a non-conductive window for isolating the antenna and the reaction chamber included in the vacuum chamber in which the plasma is generated and passing the induced electromotive force of the antenna, wherein the non-conductive window is planar or critical. It may have a cotton form.
이 때, 상기 안테나는 상기 진공 챔버 상부에 위치하거나 상기 진공 챔버에 포함되는 상기 플라즈마가 발생되는 반응 챔버 내부에 위치할 수 있다.In this case, the antenna may be located above the vacuum chamber or inside the reaction chamber where the plasma generated in the vacuum chamber is generated.
이 때, 상기 영구자석은 적어도 하나 이상의 동심원, 적어도 하나 이상의 동심사각 및 적어도 1회 이상의 나선형 중 어느 하나의 형태로 배열되거나 평행한 복수 개의 선형 및 적어도 하나 이상의 뱀형(serpentine) 중 어느 하나의 형태로 배열될 수 있다.At this time, the permanent magnet is in the form of any one of a plurality of linear and at least one serpentine arranged in parallel or in the form of at least one concentric circle, at least one concentric square and at least one spiral. Can be arranged.
여기서, 상기 진공 챔버의 수직 방향으로 형성되는 자기장 세기는 상기 안테나에 인가되는 라디오파 주파수가 전자 사이클로트론 주파수가 되는 자기장 세기의 0.2~10배가 될 수 있다.Here, the magnetic field strength formed in the vertical direction of the vacuum chamber may be 0.2 to 10 times the magnetic field strength at which the radio frequency applied to the antenna becomes an electron cyclotron frequency.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 방법은 유도결합형 플라즈마 처리 장치의 플라즈마 발생 방법에 있어서, (a) 저압의 반응챔버 내부의 시료 상부에 반응가스를 주입하는 단계; (b) RF 전원이 공급되는 안테나를 이용하여 상기 반응가스로 전자기파를 발생시키는 단계; (c) 상기 전자기파로 인하여 발생된 플라즈마의 분포를 균일하게 하고, 상기 시료의 상단에 형성될 수 있도록 상기 시료의 상. 하단에 위치한 영구자석를 이용하여 상기 반응챔버의 수직 방향으로 자기장을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.A plasma generating method according to an embodiment of the present invention, the plasma generating method of the inductively coupled plasma processing apparatus, comprising the steps of: (a) injecting a reaction gas on the upper sample inside the reaction chamber of low pressure; (b) generating electromagnetic waves with the reaction gas using an antenna supplied with RF power; (c) The image of the sample to be uniform on the distribution of the plasma generated by the electromagnetic wave, and to be formed on top of the sample. It may include the step of applying a magnetic field in the vertical direction of the reaction chamber by using a permanent magnet located at the bottom.
나아가, 상기 반응챔버의 측면에 장착된 복수개의 측면자석을 이용하여 상기 반응챔버의 축과 수직한 방향으로 다극성 표면 자기장을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.Furthermore, the method may further include applying a multipolar surface magnetic field in a direction perpendicular to the axis of the reaction chamber by using the plurality of side magnets mounted on the side of the reaction chamber.
여기서, 상기 반응챔버의 측면에 장착된 서로 이웃하는 자석의 극성이 상반되게 배열된 상기 복수개의 측면자석을 이용하여 상기 반응챔버의 축과 수직한 방향으로 다극성 표면 자기장을 인가할 수 있다.Here, the multipolar surface magnetic field may be applied in a direction perpendicular to the axis of the reaction chamber by using the plurality of side magnets having opposite polarities of magnets adjacent to each other mounted on the side of the reaction chamber.
또한, 상기 반응챔버의 수직 방향으로 인가되는 자기장은 상기 시료의 중심에서 반경방향으로 멀어질수록 자력선속의 밀도가 커지도록 인가될 수 있다.In addition, the magnetic field applied in the vertical direction of the reaction chamber may be applied to increase the density of the magnetic flux flux as the radial direction away from the center of the sample.
이와 같은 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치와 그 발생방법을 제공하게 되면, 저압에서 고밀도 플라즈마의 생성, 유지가 용이하게 되고, 플라즈마 밀도의 반응챔버 내에서의 불균등한 분포를 용이하게 균일한 분포로 개선할 수 있게 된다.By providing the plasma processing apparatus and the method of generating the same according to the present invention, it is easy to generate and maintain a high-density plasma at low pressure, and to improve the uniform distribution easily in the uneven distribution in the reaction chamber of the plasma density. You can do it.
또한, 플라즈마 가둠 효과를 가져오는 외부자기장을 형성하기 위한 장치의 설치가 간단해지고, 그 장치가 문제가 발생한 경우 쉽게 보수작업을 할 수 있을 뿐만 아니라, 간단한 형상 및 배치의 변화로 보다 균일한 플라즈마 분포를 형성할 수 있게 된다.In addition, the installation of an apparatus for forming an external magnetic field that has a plasma confinement effect is simplified, and the apparatus can be easily repaired in the event of a problem, and a more uniform plasma distribution can be achieved by a simple change in shape and arrangement. Can be formed.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.Other objects and features of the present invention in addition to the above object will be apparent from the description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 자화된 유도결합형 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 발생방법을 첨부된 도 6 내지 도 11을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a magnetized inductively coupled plasma processing apparatus and a plasma generating method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 6 to 11.
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예로서 유도결합형 플라즈마 처리장치의 구성도를 예시한 도면이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 진공 챔버(200), 상기 진공 챔버(200)의 내부에 마련되는 시료 장착수단(205), 상기 진공 챔버(200) 상부에 위치하고, 플라즈마를 발생시키는 평면형 안테나(210), 상기 안테나와 반응 챔버(201)를 격리시키되 안테나(210)의 유도기전력을 통과 시키는 비전도성 윈도우(240), 상기 진공 챔버(200) 측면에 배치되고 상기 챔버의 축과 수직한 방향으로 다극성 표면 자기장(multipolar surface magnetic field)을 형성하는 적어도 하나 이상의 측면자석(250), 안테나(210)의 상부 및 반응챔버(201) 하부에 배치되고, 상기 반응챔버(201)의 축과 평행한 방향으로 자기장을 형성할 수 있게 하는 서로 반대극을 갖는 적어도 한쌍의 영구자석(230,235)을 포함하는 구성이다.6 is a diagram illustrating a configuration of an inductively coupled plasma processing apparatus as an embodiment according to the present invention. As shown in FIG. 6, the present invention includes a
여기서, 진공챔버(200)는 안테나(210)가 형성되는 부분 및 반응 챔버(201)를 모두 포함하는 것으로, 진공챔버(200)와 반응챔버(201)를 동일한 명칭으로 사용할 수도 있지만, 본 발명에서의 반응챔버(201)는 진공챔버(200)에서 실제 플라즈마가 발생되는 부분을 지칭하는 말로 사용되기 때문에 본 발명의 상세한 설명에서는 진공챔버(200)와 반응챔버(201)를 구분하여 사용한다. 물론, 비전도성 윈도우(240)가 존재하지 않는 경우 진공챔버(200)는 반응챔버(201)일 수 있다.Here, the
이때, 비전도성 윈도우(240) 상부 안테나가 형성된 진공 챔버(200)의 일부는 진공 또는 대기압 상태를 유지할 수 있다.In this case, a part of the
보다 상세하게 설명하면, 나선형으로 수회 감겨진 평면형 안테나(210), 안테나(210)에 전력을 인가하는 전력공급원(도시하지 않음), 낮은 압력의 반응(식각 또는 증착) 챔버(201), 안테나와 반응 챔버(201)를 격리시키되 안테나(210)의 유도기전력은 통과시키는 비전도성 윈도우(예; 석영창 등)(240), 식각 또는 증착을 위한 전극(미도시), 안테나의 임피던스 정합회로(미도시), 전극에 바이어스를 인가하기 위한 라디오 주파수 전력공급원(미도시), 그 안테나에 대한 라디오 주파수 차폐막(미도시), 그리고 챔버의 축과 수직한 방향으로 다극성 표면 자기장을 발생하는 측면자석(250) 및 챔버의 축과 평행한 방향으로 외부자기장을 발생하는 영구자석(230,235)을 포함하는 구조이다.More specifically, the spiral-shaped
이 때, 상기 비전도성 윈도우(240)는 도 6에 도시된 실시예와 같이, 평면 형태의 윈도우 뿐만 아니라 비평면 형태의 윈도우 예를 들어, 돔 형태의 윈도우 등을 포함할 수도 있다.In this case, as shown in FIG. 6, the
또한 비록, 본 실시예에서는 플라즈마를 발생시키는 안테나가 평면형 안테나로 기술되어 있지만, 평면형 안테나로 한정하지 않고, 비평면형 안테나를 포함할 수도 있다. 예컨대, 돔 형태의 윈도우에 상응하도록 돔 형태에 맞는 비평면형의 나선형 안테나 또는 비평면형의 동심원 안테나 등이 사용될 수 있는데, 이때, 동심원 안테나는 복수 개가 사용되어 비평면형을 이루는 것이 바람직하다.In addition, although the antenna for generating plasma is described as a planar antenna in this embodiment, the antenna is not limited to the planar antenna and may include a non-planar antenna. For example, a non-planar helical antenna or a non-planar concentric antenna that is suitable for the dome shape may correspond to the window of the dome shape. In this case, a plurality of concentric antennas may be used to form a non-planar shape.
또한, 본 실시예에서는 평면형 안테나가 나선형으로 기술되어 있지만, 다른 형태의 안테나 예를 들어, 복수 개의 선형 안테나, 뱀형(serpentine) 안테나 등을 사용하여 플라즈마를 발생시킬 수 있는데, 안테나의 형태는 반응 챔버의 모양 등에 의해 결정될 수 있다. 예컨대, 반응 챔버가 원통형인 경우에는 나선형의 안테나, 복수 개의 동심원 안테나 등을 사용하고, 반응 챔버가 사각통형인 경우에는 복수 개의 선형 안테나, 뱀형 안테나 등을 사용하여 반응 챔버 내부에 플라즈마를 발생시킬 수 있다.In addition, although the planar antenna is described in a spiral form in this embodiment, other types of antennas, for example, a plurality of linear antennas, serpentine antennas, and the like may be used to generate a plasma, and the form of the antenna is a reaction chamber. It may be determined by the shape of the. For example, when the reaction chamber is cylindrical, a spiral antenna, a plurality of concentric antennas, or the like may be used, and when the reaction chamber is a rectangular cylinder, a plurality of linear antennas, a snake antenna, or the like may be used to generate plasma inside the reaction chamber. have.
이하에서는 도 6에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 구조를 통해 플라즈마를 발생하는 원리를 살펴보기로 한다.Hereinafter, the principle of generating plasma through the structure of the apparatus according to the embodiment shown in FIG. 6 will be described.
이온, 전자, 중성입자의 집합체인 플라즈마는 에너지, 조명, 환경, 표시기, 열원, 신물질 합성 및 박막 제조, 반도체 식각공정 등에 광범위하게 응용되고 있으며, 그 목적에 따라 플라즈마를 점화시키고 유지시키는 방법이 매우 다양하다. 반도체 식각 공정 및 부가가치 박막증착에 사용되는 플라즈마는 주로 초고주파, 라디오 주파수 등의 전류, 전압원을 이용하며, 여러가지 메카니즘에 의해 플라즈마로 전력을 전달한다. Plasma, which is a collection of ions, electrons and neutral particles, is widely applied to energy, lighting, environment, indicator, heat source, new material synthesis, thin film manufacturing, semiconductor etching process, and so on. Varies. Plasma used in semiconductor etching process and value-added thin film deposition mainly uses electric current and voltage source such as ultra high frequency and radio frequency, and transfers power to plasma by various mechanisms.
따라서 그 전력전달방법 및 방전 형태에 따라 플라즈마의 특성(전자밀도, 전자온도, 동작가능압력, 이온전류밀도, 이온에너지, 활성종의 종류, 활성종의 밀도, 플라즈마 균일도)이 결정되며 식각 및 증착공정의 성패는 생성된 플라즈마의 성질에 의해 좌우된다.Therefore, the characteristics of plasma (electron density, electron temperature, operating pressure, ion current density, ion energy, type of active species, density of active species, plasma uniformity) are determined according to the power delivery method and discharge type. The success of the process depends on the nature of the plasma produced.
유도결합형 플라즈마 처리장치는 안테나, 안테나전원, 안테나와 비 전도성 윈도우(예; 석영창 등)를 사이에 두고 격리된 저압상태의 처리(식각 또는 증착)용 챔버, 처리전극에 대한 라디오 주파수 전력원 등으로 구성된다. 이러한 유도결합 플라즈마 처리장치는 외부에서 라디오 주파수(수MHz ~ 수십MHz) 전류가 임피던스 정합회로를 통해 안테나로 전달되어, 석영창과 같은 세라믹 계통의 비전도체로 되어 외부와 격리된 저압상태의 처리용 챔버에 유도기전력을 통과시켜서 플라즈마를 얻을 수 있다.An inductively coupled plasma processing apparatus includes an antenna, an antenna power source, a chamber for low pressure treatment (etching or deposition) isolated between an antenna and a non-conductive window (e.g. a quartz window), and a radio frequency power source for the treatment electrode. And the like. In the inductively coupled plasma processing apparatus, a radio frequency (a few MHz to several tens of MHz) current is transmitted to an antenna through an impedance matching circuit from outside, and is a non-conducting chamber of a ceramic system such as a quartz window, and is isolated from the outside. Plasma can be obtained by passing an induced electromotive force through.
위와 같은 유도결합 플라즈마 처리장치의 경우, 유도기전력이 처리용 챔버내의 플라즈마내로 깊이 침투하지 못하여, 보통의 경우 석영창의 바로 밑 수 cm 이내에서만 존재하며 이 침투 깊이는, In the case of the above-described inductively coupled plasma processing apparatus, the induced electromotive force does not penetrate deeply into the plasma in the processing chamber, and usually exists only within a few cm below the quartz window, and the penetration depth is
의 형태로 주어진다(ωpe, υ , c, ω는 각각 플라즈마 주파수, 충돌주파수, 빛의 속도, 인가되는 라디오파 주파수를 의미한다).(Ω pe , υ, c, and ω are the plasma frequency, the collision frequency, the speed of light, and the applied radio frequency, respectively).
따라서, 종래의 플라즈마 처리장치는 유도기전력이 처리용 챔버내로 깊숙이 침투하지 못함에 따라 균일한 대면적의 플라즈마를 고밀도로 발생시킬 수 없는 결점을 개선하기 위해 유도기전력을 처리 챔버내에 깊게 침투시켜서 고밀도 플라즈마를 발생시키기 위해 플라즈마를 자화시키는 장치가 개발 되었다. [참고특허 : 대한민국 특허 등록번호 :10-0178847]Therefore, in the conventional plasma processing apparatus, induction electromotive force is deeply penetrated into the processing chamber to improve the defect that uniform induction of plasma cannot be generated at high density as the induced electromotive force does not penetrate deeply into the processing chamber. An apparatus for magnetizing plasma has been developed to generate. [Reference Patent: Republic of Korea Patent Registration Number: 10-0178847]
수회의 나선형으로 감겨진 평면형 안테나를 사용하고, 적어도 1쌍의 코일 전자석에 의해 안테나와 수직방향의 자기장을 처리 챔버에 가해 플라즈마를 효과적으로 자화시킬 수 있다.By using several spirally wound planar antennas, at least one pair of coil electromagnets can apply a magnetic field perpendicular to the antenna to the processing chamber to effectively magnetize the plasma.
외부자기장에 의하여 플라즈마가 자화되면 플라즈마의 성질을 결정하는 전도 텐서(Conductivity tensor) 또는 유전 텐서(Dielectric tensor)는 아래의 식으로 주어지며, When the plasma is magnetized by an external magnetic field, a conductivity tensor or dielectric tensor, which determines the properties of the plasma, is given by the following equation.
자기장이 없는 경우의 플라즈마의 전기전도도Electrical Conductivity of Plasma Without Magnetic Field
와는 크게 다르게 된다.(여기서 n, e, ω, υm, ωce는 각각 전자의 밀도, 전하량, 외부인가 전자기파 주파수, 충돌 주파수, 전자 사이클로트론 회전 주파수를 의미한다.(Where n, e, ω, υ m and ω ce are the electron density, charge amount, externally applied electromagnetic frequency, collision frequency, and electron cyclotron rotation frequency, respectively).
이렇게 플라즈마의 성질이 바뀌게 되면 플라즈마내에 전자기파가 전달될 수 있으므로 유도전계 및 유도자계의 침투 깊이를 크게 할 수 있으며, 또한 자기장의 크기로 그것을 조절할 수 있게 된다. 따라서 전력전달이 일어나는 플라즈마 체적이 크게 확대된다. When the properties of the plasma are changed in this way, electromagnetic waves can be transferred into the plasma, thereby increasing the penetration depth of the induction field and the induction field, and controlling the size of the magnetic field. Therefore, the plasma volume at which power transfer takes place is greatly enlarged.
이때 생성되는 전자기파의 파수(wave number)의 실수부 또는 허수부(에너지 흡수를 나타냄)는 유전 텐서로부터 도출이 되며 충돌주파수, 전자The real or imaginary part (which represents energy absorption) of the wave number of the generated electromagnetic waves is derived from the dielectric tensor, and the collision frequency and electron
밀도, 자기장의 세기의 함수가 된다. 본 장치가 주로 동작하는 영역(서브 mTorr - 수십mTorr, 입력전력 : 100W-수 kW, 자기장: 수 - 수십 가우스) 에서의 파장은 수 - 수십cm 정도이다.Density, magnetic field strength. The wavelength in the region where the device is mainly operated (sub mTorr-several tens of mTorr, input power: 100W-several kW, magnetic field: several-tens of Gauss) is about several-several tens of centimeters.
이와 더불어, 외부자기장이 반응 챔버 전체에 걸쳐 존재하므로 전자의 반경방향 손실이 감소하고 이 결과 플라즈마 전위가 낮아져 이온의 손실 또한 감소하므로 균일한 대면적의 고밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있었다.In addition, since the external magnetic field is present throughout the reaction chamber, the radial loss of electrons is reduced, and as a result, the plasma potential is lowered, and thus the ion loss is also reduced, thereby generating a uniform high-density plasma.
그러나, 외부 자기장을 형성하는 한 쌍 코일 전자석 등을 설치하는 데 어려움이 있고, 문제가 발생할 경우 보수 하거나 수정하기가 쉽지 않다는 문제점 이 있으며, 더 중요하게는 반경 방향의 자기장세기 분포를 자유롭게 설계할 수 없는 단점이 있다.However, it is difficult to install a pair of coil electromagnets, etc., which form an external magnetic field, and there is a problem that it is not easy to repair or correct when a problem occurs. More importantly, the magnetic field strength distribution in the radial direction can be freely designed There are no drawbacks.
이에 본 발명에서는 유도 기전력에 의한 플라즈마 분포의 균일도 향상을 위해 영구자석의 형상 및 배치 등을 용이하게 할 수 있는 적어도 한쌍의 영구자석을 반응챔버 상부 및 하부에 배치하고 그 형상을 플라즈마 분포에 맞게 달리하여 시스템을 구성한다.Therefore, in the present invention, in order to improve the uniformity of the plasma distribution by the induced electromotive force, at least one pair of permanent magnets, which can facilitate the shape and arrangement of the permanent magnets, may be disposed in the upper and lower portions of the reaction chamber, and the shape may be changed according to the plasma distribution. To configure the system.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도결합형 플라즈마 처리장치에서 외부 자기장을 형성하는 영구자석 단면의 형상을 예시한 도면이다.7 is a view illustrating a shape of a permanent magnet cross section forming an external magnetic field in the inductively coupled plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 7에 나타낸 바와 같이, 영구 자석은 동일한 중심을 갖는 수개의 원형이나 적어도 1회전하는 나선형으로 배열된 영구자석을 반응 챔버 상부 및 하부에 내부로 향하는 자석의 극성을 서로 달리하여 배치시키면, 챔버 축과 평행한 방향으로 자기장을 형성할 수 있게 된다. 자력선속의 분포는 영구자석의 형상 또는 배열방법 중 적어도 어느 하나에 따라 변화시킬 수 있는데 이는 플라즈마 분포에 상당한 영향을 미칠 수 있다. As shown in FIG. 7, the permanent magnet is arranged by disposing the permanent magnets arranged in several circular or at least one rotating spirals having the same center at different polarities of the magnets directed inwardly at the upper and lower portions of the reaction chamber. It is possible to form a magnetic field in a direction parallel to the. The distribution of the magnetic flux can be changed according to at least one of the shape and arrangement of the permanent magnets, which can have a significant effect on the plasma distribution.
영구자석은 외부로부터 전기에너지를 공급받지 않고서도 안정된 자기장을 발생, 유지하는 자석이다. 영구자석에 대해 자화상태를 유지하는 능력이 극히 작은 자석을 일시자석이라 한다. 영구자석의 재료로는 높은 투자율(透磁率)을 지닌 물질과는 반대로 잔류자기가 클 뿐 아니라(수천∼1만 G 정도) 보자력(保磁力)이 큰 것이(수백 Oe) 적합하며, 대표적으로 알니코(알루미늄ㆍ니켈ㆍ코발트ㆍ구리의 합금), 큐니페(구리ㆍ니켈ㆍ철의 합금), Sm-Co, Nd-Fe-B 등이 있다. A permanent magnet is a magnet that generates and maintains a stable magnetic field without receiving electrical energy from the outside. A magnet with a very small ability to maintain magnetization for a permanent magnet is called a temporary magnet. In contrast to materials with high permeability, permanent magnets are suitable not only for high residual magnetism (thousands to 10,000G) but also for high coercivity (hundreds of Oe). Nico (alloy of aluminum, nickel, cobalt, copper), quinipe (alloy of copper, nickel, iron), S m -Co, Nd-Fe-B, and the like.
즉, 종래의 코일에 의한 전자석처럼 외부에서 전기에너지를 공급받아 자기장 을 형성하는 것이 아니라 자성체 자체에서 자기장을 영구적으로 형성 시킬 수 있는 자석을 말한다. 본 발명에서는 이러한 영구자석을 이용하여 플라즈마 분포를 균일하게 할 수 있을 뿐 아니라 외부자기장의 형성을 보다 용이하게 형성할 수 있게 된다.In other words, it refers to a magnet that can permanently form a magnetic field in the magnetic body instead of forming a magnetic field by receiving electric energy from the outside like an electromagnet by a conventional coil. In the present invention, such a permanent magnet can be used to not only make the plasma distribution uniform, but also to form an external magnetic field more easily.
한편, 반응 챔버내에서 플라즈마를 형성하는 원리를 살펴보면, 반응챔버 내부에 서브 mTorr에서 수백 mTorr 정도의 압력을 가진 가스를 넣고, 안테나에 낮은 전압을 인가한 후 서서히 전압을 상승시키면, 어떤 전압 이상에서 반응챔버 내부는 관벽 및 전극 부근을 제외한 모든 영역에서 플라즈마가 생성이 되면서 발광한다. 이 현상을 기체 방전(Gas Discharge)이라 한다.On the other hand, if you look at the principle of forming a plasma in the reaction chamber, a gas having a pressure of several hundred mTorr in the sub-mTorr inside the reaction chamber, and after applying a low voltage to the antenna and gradually increasing the voltage, over a certain voltage The inside of the reaction chamber emits light as plasma is generated in all regions except the tube wall and the vicinity of the electrode. This phenomenon is called gas discharge.
발광 영역에서 가스는 이온화되어 전자 및 이온의 밀도는 방전이 일어나기 전보다 비약적으로 증가된다. 여기서 방전이라고 하는 것은 기체 원자 혹은 분자를 구성하는 전자가 외부로부터 에너지를 얻어, 원자나 분자의 속박에서 벗어나 자유전자가 지속적으로 많이 형성되는 것을 의미한다. 즉, 이온화에 의해 기체 원자와 분자는 정이온과 전자로 되며, 이온화된 기체를 전리기체 혹은 플라즈마라고 한다. 발광 영역에 있는 이온화된 가스의 하전입자 밀도는 상당히 크며(형광등에서 109/cm3 정도), 전체적으로 전기적 중성을 유지한다.In the light emitting region, the gas is ionized so that the density of electrons and ions is dramatically increased than before discharge occurs. Here, the term "discharge" means that electrons constituting a gas atom or molecule obtain energy from the outside, thereby releasing the bonds of atoms or molecules, and continuously forming a large number of free electrons. That is, by ionization, gas atoms and molecules become positive ions and electrons, and the ionized gas is called an ionizing gas or plasma. The charged particle density of the ionized gas in the emitting region is quite large (about 10 9 / cm 3 in fluorescent lamps) and maintains electrical neutrality as a whole.
플라즈마내에서는 전자의 평균밀도와 이온의 평균밀도가 동일하다.(중성입자의 밀도는 이들보다 훨씬 크다) 이것을 플라즈마 밀도(Plasma Density)라고 한다. 또한, 플라즈마의 주위에는 얇은 층의 발광하지 않는 영역이 존재하며, 마치 플라 즈마를 감싸고 있는 것처럼 보인다. 이 영역을 Sheath라고 한다. Sheath는 전자가 고갈되어 있어서 전자에 의한 이온화가 거의 발생하지 않는다. 따라서 하전 입자의 밀도는 적으며 전기적으로 중성이 아니고 Glow도 관찰되지 않는다. Sheath는 음극에만 형성되는 것이 아니라 플라즈마에 노출되는 양극, 전도체, 절연체 등 모든 접촉물에 형성된다In the plasma, the average density of electrons and the average density of ions are the same (the density of neutral particles is much larger than these). This is called plasma density. In addition, there is a thin layer of non-emission region around the plasma, which seems to surround the plasma. This area is called Sheath. Sheath is depleted of electrons, so the ionization by electrons hardly occurs. Therefore, the charged particles have a low density, are not electrically neutral, and no glow is observed. Sheaths are not only formed on the cathode, but on all contacts such as anodes, conductors, and insulators exposed to the plasma.
이와 같은 원리로 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는 도 6에 나타낸 바와 같이 반응 챔버(201)의 측면이나 상부면 및 하부면의 외부에 영구 자석을 배치하여 영구자석(230,235,250)에 의해 발생한 자력선이 반응 챔버 내에서 최적의 형태로 형성될 수 있도록 배치시키는 것도 가능하다.As described above, in the plasma processing apparatus of the present invention, as shown in FIG. 6, the magnetic force lines generated by the
상부 영구자석(230)과 하부 영구자석(235)의 극성은 반응 챔버(201) 내부로 향하는 극성이 서로 반대되게 하여, 챔버 내부에서 자력선이 반응 챔버(201) 축방향으로 곧게 형성이 될 수 있다.Polarities of the upper
반면 측면자석(250)의 영구자석인 경우, 이웃하는 자석의 극성은 반응 챔버(201) 내부로 향하는 극성을 교차되게 하여 다극(multipole) 표면 자기장에 의해 플라즈마 가둠 효과를 주어 챔버내 플라즈마 손실을 줄여 플라즈마 밀도를 크게하고, 반경 방향의 밀도 균일도를 향상시키는 역할을 하게 할 수 있다.On the other hand, in the case of the permanent magnets of the
상부 영구자석(230)과 하부 영구자석(235)에 의해 생성된 자력선은 반응 챔버(201)의 축 방향의 성분뿐만 아니라 반경 방향의 성분을 갖으며, 이는 sheath 내에서 반응 챔버(201)의 축방향 전기장과 반경 방향의 자기장에 의해 전자의 표류(drift) 운동을 야기하여, 반응 챔버(201) 축에 대한 회전 방향과 반경방향 으 로 균일도를 향상시키며, 이온화 반응을 촉진시키는 역할을 하게 된다.The magnetic force lines generated by the upper
도 8은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서 영구자석의 배열 단면을 도시한 도면이다. 도 8 (a)에 나타낸 바와 같이, 영구자석은 동일한 중심을 갖는 수개의 사면체로 배열된 것으로, 그 단면은 동일한 중심을 갖는 수개의 사각링 형태로 이루어진다. 이 형상은 도 7에 나타난 동심원 형상의 영구 자석과 같이 전자 또는 이온의 반경방향의 분포를 균일하게 할 수 있는 형상이다. 도 8 (b) 또한 미로형태로 배열된 영구자석으로서, 적어도 1회 감기 형상으로, 반응 챔버(201)의 상하방향으로 형성되는 자기장의 세기를 반경 방향으로 균일하게 형성시킬 수 있는 구조이다. 이러한 구조는 도면에서 예시된 형상과 달리 반경방향으로 다양한 대칭적 구조로 형상화 할 수 있음은 물론이다.8 is a cross-sectional view showing an arrangement of permanent magnets according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8 (a), the permanent magnets are arranged in several tetrahedrons having the same center, and the cross section is formed in the form of several square rings having the same center. This shape is a shape which can make the radial distribution of an electron or ion uniform like the concentric permanent magnet shown in FIG. FIG. 8 (b) also shows a permanent magnet arranged in a labyrinth shape, in which the strength of the magnetic field formed in the vertical direction of the
또한, 상술한 복수개의 동심형 또는 나선형의 영구자석 배열에 있어서, 자석간 간격이 반경방향으로 멀어질수록 좁아지는 형상을 취하게 되면, 또한 자력선속의 밀도가 반경방향으로 멀어질수록 높아지게 되어 플라즈마의 균일도가 향상되는 효과를 얻을 수 있게 된다.(도시하지 않음)In the plural concentric or helical permanent magnet arrangements described above, when the spacing between the magnets becomes narrower as the distance between the magnets increases in the radial direction, the density of the magnetic flux becomes higher as the distance in the radial direction increases. The effect of improving the uniformity can be obtained (not shown).
여기서, 상기 상부 및 하부 영구자석을 도 7 및 도 8에 도시한 형태가 아닌 다른 형태로 배열할 수도 있는데, 일 예로, 복수 개의 선형 영구자석을 병렬로 배열하거나 격자 형태 예를 들어, 사각 격자 형태나 벌집(육각) 격자 형태 등으로 배열할 수도 있다.Here, the upper and lower permanent magnets may be arranged in a form other than those shown in FIGS. 7 and 8. For example, a plurality of linear permanent magnets may be arranged in parallel or a grid, for example, a rectangular lattice form. Or honeycomb (hexagonal) lattice.
또한, 상기 상부 및 하부 영구자석의 배열 형태는 반응 챔버의 형태에 따라 달라질 수도 있는데, 일 예로, 원통형 챔버인 경우에는 도 7에 도시한 바와 같이, 복수 개의 동심원 또는 나선형 영구자석을 사용하고, 사각통형 챔버인 경우에는 도 8에 도시된 사면체 및 미로형태의 영구자석과 복수의 선형 영구자석 및 격자형 영구자석 중 어느 하나를 사용할 수 있다.In addition, the arrangement of the upper and lower permanent magnets may vary depending on the shape of the reaction chamber. For example, in the case of a cylindrical chamber, as shown in FIG. 7, a plurality of concentric circles or spiral permanent magnets are used, and a rectangular In the case of a cylindrical chamber, any one of tetrahedral and maze-type permanent magnets, a plurality of linear permanent magnets, and a lattice permanent magnet shown in FIG. 8 may be used.
물론, 영구자석의 배치 밀도는 반응 챔버의 중심부와 주변주에서 플라즈마 처리 균일도를 좋게 하기 위해 다르게 할 수도 있으며, 상부 영구자석과 하부 영구자석은 서로 반대이면서 반응 챔버 내부로 향하도록 하는 것이 바람직하다.Of course, the placement density of the permanent magnets may be different in order to improve the plasma treatment uniformity at the center and the peripheral circumference of the reaction chamber, and it is preferable that the upper permanent magnet and the lower permanent magnet are opposite to each other and directed into the reaction chamber.
이 때, 상부 영구자석 및 하부 영구자석의 형태 및 배열은 반응 챔버 내에서 상하 수직 자기장의 세기에 따라 달라질 수 있는데, 상하 수직 자기장의 세기가 장치에 인가되는 라디오파 주파수가 전자 사이클로트론 주파수가 되는 자기장의 세기 즉, (여기서, B, m, e, f는 자기장세기, 전자의 질량, 전하, 주파수를 말한다.)의 0.2~10배 사이 값을 갖는 자기장이 형성되도록 영구자석의 세기 및 위치 등을 선택할 수 있다.At this time, the shape and arrangement of the upper permanent magnet and the lower permanent magnet may vary depending on the strength of the vertical and vertical vertical magnetic fields in the reaction chamber. The magnetic field in which the radio frequency applied to the device is the electromagnetic cyclotron frequency. Century that is, (Where B, m, e, and f represent magnetic field strength, mass of electrons, charge, and frequency). The strength and position of the permanent magnet may be selected to form a magnetic field having a value between 0.2 and 10 times.
여기서, 안테나와 기판 지지대에 별도의 주파수를 갖는 라디오파가 인가되는 경우 자기장의 세기를 계산하기 위한 주파수 f는 큰 출력을 갖는 라디오파의 주파수를 사용하는 것이 바람직하다.Here, when a radio wave having a separate frequency is applied to the antenna and the substrate support, the frequency f for calculating the strength of the magnetic field is preferably used as the frequency of the radio wave having a large output.
도 9는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 유도결합형 플라즈마 처리장치의 구성 및 자력선속 분포를 예시한 도면이다. 9 is a view illustrating a configuration and magnetic flux distribution of an inductively coupled plasma processing apparatus as another embodiment according to the present invention.
도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 진공 챔버(300), 상기 진공 챔버(300)의 내부에 마련되는 시료 장착수단(305), 상기 진공 챔버(300) 상부에 위치하고, 플라즈마를 발생시키는 평면형 안테나(310), 상기 안테나와 반응 챔버(301)를 격리시키되 안테나(310)의 유도기전력을 통과 시키는 비전도성 윈도우(340), 상기 진공 챔버(300) 측면에 배치되고 상기 챔버의 축과 수직한 방향으로 다극성 표면 자기장을 형성하는 적어도 하나 이상의 측면자석(350), 안테나(310)의 상부 및 진공 챔버(300) 하부에 배치되고, 상기 진공 챔버(300)의 축과 평행한 방향으로 자기장을 형성할 수 있게 하는 서로 반대극을 갖는 적어도 한쌍으로서, 단면이 중심에서 멀어질수록 두꺼워 지거나 촘촘히 배열된 동심원 또는 나선형인 영구자석(330, 335)을 포함하는 구성이다.As shown in FIG. 9, the present invention includes a
여기서 측면자석(350)은 전자석인 것도 가능하고, 영구자석인 것도 역시 가능하다. 측면자석은 앞서 설명한 바와 같이 이웃하는 자석의 극성은 반응 챔버 내부로 향하는 극성을 교차되게 하여 다극성 표면 자기장에 의해 플라즈마 가둠 효과를 주어 챔버내 플라즈마 손실을 줄여 플라즈마 밀도를 크게 하고, 반경 방향의 밀도 균일도를 향상시키는 역할을 하게 할 수 있다.The
그리고, 상부 및 하부 영구자석(330,335)은 극성을 달리하여 상부에서 하부 방향으로 자기장이 형성되도록 배치되고, 종래의 유도전기장으로 인한 중앙부분의 플라즈마 밀도는 높고 가장자리로 가면서 급격히 감소하는 형태의 비균일한 분포를 갖는 문제를 해결하기 위해 영구자석 단면의 반경 방향으로 그 두께가 두꺼워 지거나, 촘촘히 배열하는 형상을 구비한다.In addition, the upper and lower
도 10은 본 발명의 플라즈마 처리 장치의 수직 자기장을 형성하는 영구자석의 실시예로서, 동심원 또는 나선 형태를 도시한 도면이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 도 7의 실시예와 대응되는 영구자석의 단면 두께가 중심에서 멀어질수록 두꺼워지는 형상을 하고 있는 것으로, 그 단면의 형상이 원형인 것을 특징으로 한다.FIG. 10 is a view showing a concentric circle or spiral shape as an embodiment of a permanent magnet forming a vertical magnetic field of the plasma processing apparatus of the present invention. As shown in FIG. 10, the cross-sectional thickness of the permanent magnet corresponding to the embodiment of FIG. 7 becomes thicker as it moves away from the center, and the cross-section has a circular shape.
도 11은 본 발명의 플라즈마 처리 장치의 수직 자기장을 형성하는 영구자석의 다른 실시예로서, 사각모양의 동심형 또는 나선 형태를 도시한 도면이다. 역시 도 11에 나타낸 바와 같이, 도 8의 실시예와 대응되는 영구자석의 단면 두께가 중심에서 멀어질수록 두꺼워지는 형상을 하고 있는 것으로, 그 단면의 형상이 사각인 것을 특징으로 한다.FIG. 11 is a view showing a rectangular concentric or spiral shape as another embodiment of a permanent magnet forming a vertical magnetic field of the plasma processing apparatus of the present invention. As shown in FIG. 11, the cross-sectional thickness of the permanent magnet corresponding to the embodiment of FIG. 8 becomes thicker as it moves away from the center, and the cross-section has a rectangular shape.
피처리 대상인 시료의 모양에 따라 반경방향으로 대칭인 형상이면 어떠한 형상도 가능하고 참고한 도면의 실시예에 한정하는 것은 아니다. 즉, 시료의 가장부분에 자력선속의 밀도를 높이게 되면 단위 면적당 자기장의 세기가 커지고, 이 영역에서 전기장과 자기장의 상호작용으로 전자 또는 이온의 표류(drift) 운동이 커지게 됨으로써, 플라즈마의 밀도가 높아지게 되어 전체적으로 플라즈마 분포가 시료 전 영역에서 균일하게 되는 효과가 있다.As long as the shape is symmetric in the radial direction depending on the shape of the sample to be processed, any shape is possible and is not limited to the embodiment of the drawings. In other words, increasing the density of magnetic flux at the top of the sample increases the strength of the magnetic field per unit area, and the interaction of the electric and magnetic fields in this region As the drift movement is increased, the density of the plasma is increased, so that the plasma distribution is uniform throughout the entire sample area.
상술한 영구자석의 단면 형상은 실시예로 나타난 형상뿐 아니라, 플라즈마 분포의 균일도를 향상하기 위한 적절한 형상으로 될 수 있음은 물론이다.The cross-sectional shape of the permanent magnet described above can be not only the shape shown in the embodiment, but also an appropriate shape for improving the uniformity of the plasma distribution.
본 발명의 상세한 설명에서 플라즈마를 생성시키는 안테나가 반응 챔버와 격리되는 비전도성 윈도우 상부에 위치하는 실시예들을 중심으로 기술되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 실제 플라즈마가 생성되는 반응 챔버 내부에 위치시킬 수도 있다는 것을 당업자라면 인지할 수 있을 것이다.In the detailed description of the present invention, the antenna for generating a plasma is described with reference to embodiments in which the antenna is positioned above the non-conductive window, which is isolated from the reaction chamber, but the present invention is not limited thereto. Those skilled in the art will appreciate that they may be located at.
본 발명에 의한, 자화된 유도결합형 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 발생방 법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.The magnetized inductively coupled plasma processing apparatus and the plasma generating method according to the present invention can be modified and applied in various forms within the scope of the technical idea of the present invention and are not limited to the above embodiments. In addition, the embodiments and drawings are merely for the purpose of describing the contents of the invention in detail, not intended to limit the scope of the technical idea of the invention, the present invention described above is common knowledge in the technical field to which the present invention belongs As those skilled in the art can have various substitutions, modifications, and changes without departing from the spirit of the present invention, it is not limited to the embodiments and the accompanying drawings. And should be judged to include equality.
도 1은 종래 일반적으로 사용되고 있는 유도결합형 플라즈마 발생장치를 도시한 도면,1 is a view showing an inductively coupled plasma generator that is generally used in the prior art,
도 2는 종래의 플라즈마 처리장치에 널리 사용되어온 평면 나선형 안테나(planar spiral antenna)를 도시한 도면,FIG. 2 illustrates a planar spiral antenna which has been widely used in a conventional plasma processing apparatus.
도 3은 대한민국 특허출원번호 제7010807/2000호는 상기 평면 나선형 안테나를 병렬로 배치한 트랜스포머 결합 평형 안테나를 나타낸 도면,3 is a diagram illustrating a transformer coupled balanced antenna having the planar spiral antennas arranged in parallel with Korean Patent Application No. 7010807/2000;
도 4는 대한민국 특허출원번호 제14578/1998호는 방사구조물 형태의 대면적 평면 안테나를 나타낸 도면,4 is a view showing a large area planar antenna in the form of a radiation structure of Korean Patent Application No. 14578/1998;
도 5는 대한민국 특허출원번호 제35702/1999호는 평행형 형태로 조합된 안테나를 나타낸 도면,5 is a view showing an antenna combined in a parallel type of Korean Patent Application No. 35702/1999,
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예로서 유도결합형 플라즈마 처리장치의 구성도를 예시한 도면,6 is a diagram illustrating a configuration of an inductively coupled plasma processing apparatus as an embodiment according to the present invention;
도 7은 본 발명에 따른 유도결합형 플라즈마 처리장치에서 외부 자기장을 형성하는 영구자석 배열 단면의 형상을 예시한 도면,7 is a view illustrating a shape of a permanent magnet array cross section forming an external magnetic field in the inductively coupled plasma processing apparatus according to the present invention;
도 8은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서 영구자석의 배열 단면을 도시한 도면,8 is a cross-sectional view showing an arrangement of a permanent magnet as another embodiment according to the present invention;
도 9는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 유도결합형 플라즈마 처리장치의 구성 및 자력선속 분포를 예시한 도면,9 is a view illustrating a configuration and magnetic flux distribution of an inductively coupled plasma processing apparatus as another embodiment according to the present invention;
도 10은 본 발명의 플라즈마 처리 장치의 수직 자기장을 형성하는 영구자석 의 실시예로서, 동심원 또는 나선 형태를 도시한 도면,10 is a view showing a concentric circle or spiral shape as an embodiment of a permanent magnet forming a vertical magnetic field of the plasma processing apparatus of the present invention;
도 11은 본 발명의 플라즈마 처리 장치의 수직 자기장을 형성하는 영구자석의 실시예로서, 사각모양의 동심형 또는 나선 형태를 도시한 도면이다.FIG. 11 is a view showing a rectangular concentric or spiral shape as an example of a permanent magnet forming a vertical magnetic field of the plasma processing apparatus of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
200: 진공 챔버200: vacuum chamber
201: 반응 챔버201: reaction chamber
205: 시료 장착수단205: sample mounting means
210: 안테나210: antenna
230, 235: 영구자석230, 235: permanent magnet
240: 비전도성 윈도우240: non-conductive window
250: 측면자석250: side magnet
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