KR20120048417A - 플라즈마 임피던스 매칭 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 제조 설비의 플라즈마를 이용한 공정 장치에서 플라즈마의 임피던스를 매칭시키는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 제어기의 디지털 제어 신호에 따라 전기적으로 스위칭을 단속시켜 커팬시턴스를 조절하는 가변 커패시터를 이용하여 고주파 전원과 공정 챔버 사이의 임피던스를 매칭시킵니다.

Description

플라즈마 임피던스 매칭 장치 및 그 방법{PLASMA IMPEDANCE MATCHING SYSTEM AND THE METHODE}
본 발명은 플라즈마 임피던스 매칭 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 반도체 제조 설비의 플라즈마를 이용한 공정 장치에서 플라즈마의 임피던스를 매칭시키는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
고주파 전력을 이용한 플라즈마 임피던스 매칭 장치는 고주파 전원의 전력을 플라즈마 공정 챔버 내에 최대로 전달하기 위한 임피던스 정합기로서 플라즈마를 생성하고 유지하는데 중요한 핵심 장치이다.
고주파 전원 장치에서 플라즈마를 발생시키는 공정 챔버에 전력을 전달할 때, 반사파 없이 최대 전력이 전달되기 위해서는 전원 장치의 임피던스와 플라즈마의 임피던스가 동일해야 하며, 이러한 전기적 특성을 갖도록 임피던스를 조절하는 것을 임피던스 매칭이라고 한다.
플라즈마는 압력, 고주파 전력, 사용 기체 등과 같은 발생 조건에 따라 전기적인 특성인 임피던스가 변화하게 되는 데, 플라즈마 임피던스가 고주파 전원의 전력의 임피던스가 매칭되지 않을 경우 일정한 전력이 전달되지 못해 공정 중 플라즈마 밀도가 변하고 이로 인해 공정 결과의 편차가 높아지는 문제가 발생된다. 이에, 고주파 전력을 공정 챔버 내로 일정하게 전달하기 위해 임피던스 매칭을 고려해야 하며 이를 위해 고주파 전원과 공정 챔버 내 플라즈마 발생 장치 사이에 임피던스 정합 장치가 제공된다.
일반적으로 임피던스 정합 장치는 가변 커패시터와 인덕터로 구성되어 있으며, 가변 커패시터를 조절하여 고주파 전원의 임피던스와 공정 챔버의 임피던스를 동일하도록 임피던스 매칭을 구현한다.
일반적인 임피던스 정합 장치의 가변 커패시터는 스텝핑 모터와 기어단이 결합된 구동 수단을 이용하여 커패시터의 간격을 조절함으로써 커패시턴스를 변화시켜 고주파 전원의 임피던스를 변화시킨다.
그러나, 기계적 구동 수단에 의해 커패시터를 조절하기 때문에 구동 수단의 작동 시간만큼 타임 딜레이가 길어지며, 정밀한 제어가 어렵다. 특히, 고주파 전원이 펄스 모드로 전력을 공급하는 경우, 고속의 펄스에서는 플라즈마 상태 변화가 빠르기 때문에 신속한 임피던스 매칭이 어렵다.
본 발명은 플라즈마 임피던스 매칭에 있어서 보다 정확하고 신속한 매칭이 이루어지게 하는 플라즈마 임피던스 매칭 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 해결하고자 하는 과제는 여기에 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 임피던스 매칭 장치에 있어서, 고주파 전력의 전송로에 연결되어 플라즈마 임피던스를 매칭시키는 임피던스 정합기와 상기 임피던스 정합기에 제어 신호를 송출하는 제어기를 포함하되, 상기 임피던스 정합기는, 복수 개의 커패시터 각각에 스위치를 연결하고 상기 스위치를 상기 제어기의 제어신호에 따라 단속하여 커패시턴스를 조절하는 가변 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어기의 제어 신호는 디지털 신호로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 커패시터가 서로 병렬로 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 커패시터가 모두 동일한 커패시턴스를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 커패시터 중 일부는 서로 상이한 커패시턴스를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 커패시터의 커패시턴스가 2배수씩 증가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 커패시터가 8개 제공되며, 상기 커패시터들의 커패시턴스의 비율이 1:2:4:8:16:32:64:128 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스위치는 핀다이오드로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고주파 전원이 펄스 모드로 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치에 있어서, 공정 챔버와 상기 공정 챔버 내에 공급된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 전극과 고주파 전송 라인을 통해 상기 전극으로 고주파 전력을 출력하는 고주파 전원과 상기 고주파 전송 라인 상에 연결되어 고주파 전력의 임피던스를 매칭시키는 것을 특징으로 한다.
상기 임피던스 정합기에 제어 신호를 송출하는 제어기를 포함하되, 상기 임피던스 정합기는 상기 고주파 전송 라인에 커패시터를 복수 개 연결하고 각각의 커패시터에 스위치를 연결하고 상기 스위치를 상기 제어기의 제어 신호를 따라 단속하여 캐피시턴스를 조절하는 가변 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 커패시터가 서로 병렬로 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 커패시터 각각은 서로 상이한 커패시턴스를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 커패시터의 커패시턴스가 2배수씩 증가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 커패시터가 8개 제공되며, 상기 커패시터들의 커패시턴스의 비율이 1:2:4:8:16:32:64:128 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극은 상기 공정 챔버 내에 평행한 두 개의 전극 평판으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 설비의 플라즈마 임피던스 매칭방법에 있어서, 고주파 전력 공급에 의해 공정 챔버 내에 플라즈마를 발생시키는 단계와 상기 플라즈마의 임피던스를 측정하는 단계와 상기 플라즈마 임피던스 측정값에 대응하는 커패시턴스 조절값을 결정하는 단계 및 상기 커패시턴스 조절값에 따라 가변 커패시터의 작동 여부를 결정하여 임피던스를 매칭하는 단계를 포함하되, 상기 가변 커패시터 작동 여부를 결정하여 임피던스를 매칭하는 단계는 복수 개의 커패시터를 병렬로 연결하고 각각의 커패시터에 연결된 스위치를 단속하여 캐피시턴스를 조절하는 가변 커패시터의 작동 여부를 결정하는 단계 및 상기 복수 개의 커패시터 중 스위칭할 커패시터를 디지털 제어 신호에 의해 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 커패시터 각각이 서로 상이한 커패시턴스를 가져 각각의 스위칭된 커패시터의 커패시턴스 조합에 의해 상기 커패시턴스 조절값을 충족시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 커패시터가 8개 제공되며, 상기 커패시터들의 커패시턴스의 비율이 1:2:4:8:16:32:64:128 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고주파 전원이 펄스 모드로 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 임피던스를 매칭하는 방법에 있어서, 복수 개의 커패시터 각각의 스위치를 연결하고,
상기 스위치 각각을 전기적으로 그리고 선택적으로 단속하여 상기 임피던스를 매칭하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 커패시터가 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 커패시터의 커패시턴스가 모두 동일한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 커패시터의 커패시턴스가 서로 상이한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 플라즈마 임피던스 매칭을 효과적으로 수행함으로 인하여 반사 파워를 최소화할 수 있다.
본 발명에 의하면, 반사 파워를 최소화함으로서 기판의 공정 불량을 최소화할 수 있다.
본 발명에 의하면, 플라즈마 임피던스 매칭을 신속하게 수행할 수 있다. 특히, 펄스 플라즈마 발생시 더 큰 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 임피던스 매칭 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 플라즈마 임피던스 매칭 장치를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 임피던스 매칭 장치가 결합된 플라즈마 기판 처리 장치를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 플라즈마 임피던스 매칭 장치가 결합된 플라즈마 기판 처리 장치를 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 플라즈마 임피던스 매칭 장치가 결합된 플라즈마 기판 처리 장치를 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 임피던스 매칭 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 임피던스 매칭 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 플라즈마 임피던스 매칭 장치를 나타낸 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 플라즈마 임피던스 매칭 장치(1200)는 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원(1110)과 기판을 플라즈마 공정 처리하는 공정 챔버(1160) 사이에 배치된다.
본 발명의 플라즈마 임피던스 매칭 장치(1200)는 임피던스 정합기(1210)와 제어기(1250)를 포함한다.
임피던스 정합기(1210)는 가변 커패시터를 이용하여 고주파 전원(1110)과 공정 챔버(1160) 사이의 임피던스를 정합시킨다.
임피던스 정합기(1210)는 고주파 전송 라인(1120)에 연결되며, 제어기(1250)로부터 송출되는 제어 신호에 따라 커패시턴스가 변화된다. 임피던스 정합기(1210)는 가변 커패시터(1230)를 포함한다.
가변 커패시터(1230)는 커패시터(1231)와 스위치(1233)를 포함한다.
가변 커패시터(1230)는 커패시터(1231)가 고주파 전송 라인(1120)에 연결된다. 커패시터(1231)는 고주파 전송 라인(1120)에서 고주파 전력을 공급시키는 스위치(1233)와 연결된다. 캐피시터(1231)는 복수 개로 구성될 수 있으며 커패시터(1231) 각각에 스위치(1233)가 연결된다. 가변 커패시터(1230)는 복수 개의 커패시터(1231) 각각에 연결된 스위치(1233)를 단속하여 커패시턴스를 조절한다.
커패시터(1231)는 고주파 전송 라인(1120)에 복수 개 연결된다. 스위치(1233) 온(on)된 커패시터(1231)들의 커패시턴스의 조합으로 가변 커패시터(1230)의 커패시턴스를 조절한다. 복수 개의 커패시터(1231)는 서로 병렬로 연결될 수 있다. 이 때, 가변 커패시터(1230)의 커패시턴스는 병렬로 연결된 복수 개의 커패시터(1231) 중 스위치(1233) 온(on)된 커패시터(1231)의 커패시턴스를 단순하게 합함으로 구할 수 있다.
복수 개의 커패시터(1231)의 커패시턴스가 모두 동일한 커패시턴스를 가질 수 있다. 또한, 복수 개의 커패시터(1231) 중 일부가 서로 상이한 커패시턴스를 가질 수 있다. 또한, 복수 개의 커패시터(1231) 각각이 서로 상이한 커패시턴스를 가질 수 있다. 또한, 복수 개의 커패시터(1231)의 커패시턴스가 배열된 순서대로 순차적으로 증가할 수 있다. 예컨대, 복수 개의 커패시터(1231)의 커패시턴스가 2배수씩 증가할 수 있다.
이에, 복수 개의 커패시터(1231)의 커패시턴스를 조합하여 가변 커패시터(1230)의 커패시턴스 값을 정밀하게 제어할 수 있다. 예컨대, 커패시터(1231)가 8개 제공되며, 커패시터(1231)들의 커패시턴스 비율이 1:2:4:8:16:32:64:128로 이루어지는 경우 각각의 커패시터(1231)들이 조합하여 256가지 경우로 커패시턴스를 조절할 수 있다.
스위치(1233)는 제어 신호에 따라 전기적으로 단속되며 스위치(1233)가 온(on) 되면 커패시터(1231)는 고주파 전송 라인(1120)으로부터 전력을 공급받는다. 스위치(1233)는 전기적으로 작동하는 다양한 형태를 가질 수 있으며, 핀다이오드가 사용될 수 있다.
제어기(1250)는 공정 챔버(1160) 내의 임피던스를 측정한 값 또는 고주파 전원(1110)으로 들어오는 고주파 전송 라인(1120) 상의 반사 전력을 측정한 값을 수신하여 임피던스 정합기(1210)에 임피던스 매칭을 위한 커패시턴스 조절값을 송출한다.
제어기(1250)는 커패시턴스 조절값에 대응하여 가변 커패시터(1230)의 스위치(1233)의 on/off 제어 신호를 송출한다. 특히, 제어기(1250)는 커패시턴스 조절값에 따라 가변 커패시터(1230)의 복수 개의 커패시터(1231) 중 스위칭할 커패시터(1231)를 선택하기 위한 제어 신호를 송출한다. 커패시턴스 조절값에 따라 가변 커패시터(1230)의 복수 개의 커패시터(1231) 중 고주파 전송 라인(1120)에 연결되어야 할 커패시터를 선택하여 선택된 커패시터(1231)의 스위치(1233)를 온(on)이 되도록 제어 신호를 스위치로 송출한다.
제어기(1250)는 고주파 전송 라인(1120)의 전기적 특성을 측정한 값의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 가변 커패시터(1230)의 스위치(1233)에 전달할 수 있다. 스위치(1233)는 디지털 신호에 따라 작동하며 커패시터(1231)와 고주파 전송 라인(1120)을 연결한다.
제어기(1250)는 임피던스 측정기(1140) 및/또는 반사 파워 측정기(1150)로부터 측정된 값을 수신받아 고주파 전원(1110)과 공정 챔버(1160) 사이의 임피던스 조절을 위한 커패시턴스 조절값을 결정한다.
임피던스 측정기(1140)는 공정 챔버(1160 )내의 플라즈마 임피던스를 측정하여 제어기(1250)로 임피던스 측정값을 인가한다.
반사 파워 측정기(1150)는 고주파 전원(1110)으로 들어오는 반사 전력을 측정하여 제어기(1250)로 반사 전력 측정값을 인가한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 임피던스 매칭 장치이 결합된 플라즈마 기판 처리 장치를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 플라즈마 임피던스 매칭 장치이 결합된 플라즈마 기판 처리 장치를 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 플라즈마 임피던스 매칭 장치이 결합된 플라즈마 기판 처리 장치를 나타낸 구성도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 플라즈마 임피던스 매칭 장치(1200)이 결합된 플라즈마 기판 처리 장치(1000)는 공정 챔버(1160), 전극(1170), 고주파 전원(1110), 임피던스 정합기(1210), 제어기(1250)를 포함한다.
플라즈마 기판 처리 장치(1000)는 공정 챔버(1160) 내에 기체를 플라즈마 상태로 변화시켜 이를 이용하여 기판을 처리하는 장치이다.
공정 챔버(1160)는 플라즈마를 이용한 기판의 처리 공정을 수행하며, 전극(1170)은 공정 챔버(1160)로 유입되는 기체가 이온화되어 플라즈마 상태로 변화되도록 전기 에너지를 공급한다. 전극(1170)은 공정 챔버(1160) 내에 평행한 두 개의 전극 평판으로 이루어진 용량 결합형 플라즈마 소스(CCP,Capacitively Coupled Plasma) 또는 공정 챔버 외부에서 유도 코일로 이루어진 유도 결합형 플라즈마 소스(ICP, Inductively Coupled Plasma)일 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 용량 결합형 플라즈마 소스는 축전 전기장을 이용하여 공정 챔버(1160) 내로 유입된 기체의 전자에 전기 에너지를 전달한다. 용량 결합형 플라즈마 소스는 두 개의 전극 평판에 각각 고주파 전원이 연결된 형태 또는 두 개의 전극 평판 중 상부의 전극 평판에만 고주파 전원이 연결된 형태를 가진다.
도 5를 참조하면, 유도 결합형 플라즈마 소스는 유도 전기장을 이용하여 공정 챔버(1160) 내로 유입되는 기체의 전자에 전기 에너지를 전달한다. 유도 결합형 플라즈마 소스는 공정 챔버(1160) 상부에 플라즈마 발생 장치가 별도로 결합되어 유입된 기체를 플라즈마 상태로 변화시키고 그 플라즈마를 다운 스트림(Down Stream) 방식으로 공정 챔버(1160)에 제공한다.
고주파 전원(1110)은 고주파 전송라인(1120)을 통해 고주파 전력을 공정 챔버(1160) 내의 전극에 공급하여 공정 챔버(1160) 내에 공급되는 기체의 전자를 플라즈마 상태로 변화시킨다. 고주파 전원(1110)은 펄스 모드로 전력을 공급할 수 있다.
상기에서 설명한 것처럼, 본 발명의 플라즈마 임피던스 매칭 장치(1200)은 임피던스 정합기(1210), 제어기(1250)를 포함하며, 이에 임피던스 정합기(1210)와 제어기(1250)에 대한 설명은 상기에서 설명한 것으로 대체한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 임피던스 매칭 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6을 참조하여 본 발명의 플라즈마 임피던스 매칭 장치의 일 실시예들의 동작을 상세히 설명한다.
고주파 전원(1110)은 고주파 전력을 고주파 전송 라인(1120)을 통해 전극(1170)으로 공급한다. 이 때, 공정 챔버(1160) 내로 유입되는 기체가 전기 에너지를 전달받아 플라즈마 상태로 변화된다(S110) 플라즈마가 유입된 공정 챔버(1160)는 플라즈마를 이용하여 기판 처리 공정을 수행한다. 임피던스 측정기(1140)는 공정 챔버(1160) 내의 플라즈마 임피던스를 측정하고 이를 제어기(1250)로 인가하고 제어기는 수신된 플라즈마 임피던스 측정값에 따라 커패시턴스 조절값을 결정한다(S120). 커패시턴스 조절값에 따라 임피던스 정합기(1210)의 가변 커패시터(1230) 동작 여부를 결정한다(S130). 가변 커패시터(1230)의 동작이 결정된 경우에는 커패시턴스 조절값에 대응하여 조합가능한 커패시턴스를 가진 스위칭할 커패시터(2241)를 선택한다(S140). 제어기는 디지털 제어 신호를 선택된 커패시터의 스위치로 송출하여 스위치를 작동시킨다(S150). 스위치가 작동된 커패시터(1231)는 각각의 커패시턴스 조합에 따라 플라즈마 임피던스 매칭에 필요한 커패시턴스 조절값을 충족시킨다(S160).
이와 같이, 공정 챔버(1160) 내의 플라즈마 임피던스와 고주파 전원(1110)의 임피던스가 매칭되지 않은 경우에는 플라즈마 임피던스 매칭 장치(1200)의 가변 커패시터(1230)를 이용하여 플라즈마 임피던스를 매칭시킨다.
본 발명의 일실시예는 가변 커패시터(1230)의 복수 개의 커패시터(1231)가 서로 병렬로 연결된다. 이에, 가변 커패시터(1230)의 커패시턴스를 계산하기 쉽다. 그러나, 이에 국한되지 않고 가변 커패시터(1230)의 복수 개의 커패시터(1231)는 서로 직렬로 연결될 수 있다.
본 발명의 일실시예는 고주파 전원(1110)이 펄스 모드로 전력을 공급한다. 그러나, 이에 국한되지 않고 고주파 전원(1110)이 연속적인 주파수로 전력을 공급할 수 있다.
본 발명의 일실시예는 제어기(1250)에서 디지털 제어 신호를 스위치(1233)로 송출한다. 그러나, 이에 국한되지 않고 제어기(1250)에서 아날로그 제어 신호를 스위치(1233)로 송출할 수 있다.
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 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 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.
1000 플라즈마 기판 처리 장치
1110 고주파 전원 1120 고주파 전송 라인
1140 임피던스 측정기 1150 반사 파워 측정기
1160 공정 챔버 1170 전극
1180 인덕터
1200 플라즈마 임피던스 매칭 장치
1210 임피던스 정합기
1230 가변 커패시터
1231 커패시터 1233 스위치
1250 제어기

Claims (2)

  1. 고주파 전력의 전송로에 연결되어 플라즈마 임피던스를 매칭시키는 임피던스 정합기;
    상기 임피던스 정합기에 제어 신호를 송출하는 제어기;를 포함하되,
    상기 임피던스 정합기는,
    복수 개의 커패시터 각각에 스위치를 연결하고 상기 스위치를 상기 제어기의 제어신호에 따라 단속하여 커패시턴스를 조절하는 가변 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 임피던스 매칭 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 커패시터가 서로 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 플라즈마 임피던스 매칭 장치.
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