KR20150122063A - 헬리컬공명플라즈마 안테나 및 이를 구비하는 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

헬리컬공명플라즈마 안테나 및 이를 구비하는 플라즈마 발생 장치 Download PDF

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Abstract

일 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 안테나가 개시된다. 상기 헬리컬공명플라즈마 안테나는 서로 다른 양측 단부를 구비하는 복수의 나선형 코일을 포함한다. 상기 복수의 나선형 코일은, 상기 복수의 나선형 코일이 공유하는 중심축에 대하여 서로 대칭적으로 배치된다. 상기 복수의 나선형 코일은 상기 각각의 나선형 코일에 대하여, 상기 양측 단부 중 일 단부는 RF 전원에 접속되며 다른 단부는 개방되며, 상기 양측 단부 사이의 상기 나선형 코일의 몸체부에 접지 단자가 배치되고, 상기 복수의 나선형 코일은 상기 RF 전원에 각각 병렬 연결된다.

Description

헬리컬공명플라즈마 안테나 및 이를 구비하는 플라즈마 발생 장치{helical resonance plasma antenna and plasma generating equipment including the same}
본 출원은 플라즈마 발생용 안테나 및 이를 구비하는 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 헬리컬공명플라즈마 안테나 및 이를 구비하는 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
플라즈마 발생 장치는 반도체 웨이퍼 또는 평판표시장치 등과 같은 미세패턴을 형성하여야 하는 기술 분야에서 식각, 화학 기상증착, 스퍼터링, 플라즈마 산화, 플라즈마 질화 등 각종 표면처리 공정을 수행하는데 적용되고 있다. 최근에는 비용절감 및 생산성 향상 등을 달성하기 위하여 반도체 장치용 웨이퍼나 평판표시장치용 기판의 크기가 예컨대 450㎜ 이상으로 대형화되는 경향을 보임에 따라 대형의 웨이퍼나 기판을 가공하기 위한 플라즈마 발생장치의 수요가 증가되고 있다.
일반적으로 널리 적용되는, 플라즈마 발생 장치는 유도 결합형 플라즈마(inductive coupled plasma, 이하, ICP) 발생 장치, 축전 결합형 플라즈마(capacitive coupled plasma, 이하 CCP) 발생 장치 등으로 분류 될 수 있다. 유도 결합 형 플라즈마 발생 장치를 구동하는 방법은 반응기 주변에 플라즈마 발생용 안테나를 설치하고 상기 플라즈마 발생용 안테나에 고주파 또는 라디오 주파수(radio frequency, 이하 RF) 전력을 인가하면, 상기 안테나가 이루는 평면과 수직방향으로 시간적으로 변화하는 자기장이 형성된다. 이러한 시간적으로 변화하는 자기장은 상기 반응기 내부에 유도전기장을 형성하고 상기 유도전기장은 상기 반응기 내의 자유 전자를 가속시켜 주변의 중성기체와 충돌시킴으로써 플라즈마를 형성하게 된다. 축전 결합 형 플라즈마 발생 장치를 구동하는 방법은 반응기 내에 두 개의 전극을 설치하고, 상기 두 개의 전극 사이에 RF 전원을 인가하여 상기 두 전극 사이의 공간에 시간에 따라 변화하는 전기장을 형성한다. 상기 형성된 전기장은 상기 반응기 내의 자유 전자를 효율적으로 가속시켜 주변의 중성기체와 충돌시킴으로써 플라즈마를 형성하게 된다.
이 중 유도 결합 형 플라즈마 발생 장치는 반응기 외부에 안테나를 배치할 수 있으며, 안테나에 의해 유도되는 전기장이 원형으로 형성되어, 축전 결합 형 플라즈마 발생 장치와 비교할 때, 전극의 위치와 무관하게 가속될 수 있으며 고밀도의 플라즈마를 확보할 수 있는 장점이 있다.
한편, 비교적 최근에 등장한 헬리컬공명플라즈마 발생 장치는 RF 전류에 의해 구동되는 헬리컬 안테나로부터 전자기파 에너지를 복사시키고, 이를 반응기 내의 기체가 흡수하도록 하여 플라즈마를 발생시키는 장치이다. 상기 헬리컬공명플라즈마 발생장치는 종래의 고밀도 플라즈마 발생장치에 종종 적용되던 자계 발생 장치가 필요하지 않고, 비교적 저렴한 RF 고주파 전력을 사용함으로써 최대전력전달을 위한 정합 회로가 생략될 수도 있어서, 하드웨어 구성이 상대적으로 간단한 장점이 있다. 이러한, 헬리컬공명플라즈마 안테나를 이용하는 장치와 관련하여, 한국등록특허 KR 0561848의 헬리컬 공진기형 플라즈마 처리 장치가 있다.
일반적으로 헬리컬공명플라즈마는 RF고주파를 공명시키어 정재파를 형성시킴으로써 진행파를 사용하는 일반적인 유도 결합형보다 플라즈마 밀도가 상당히 높은 장점을 가지고 있다.
또한, 헬리컬공명플라즈마를 포함한 일반적인 유도 결합형 플라즈마 발생장치는 RF고주파 전원을 코일의 한 쪽을 연결하고 다른 한쪽은 접지에 연결되는 형태를 취하는데, 이러한 구조에서는 코일에 발생된 전압의 차이로 인해 반응기 내부에서는 플라즈마의 이온들이 축전 형 전류(Capacitive Current)를 발생시킨다. 이러한 이온들이 시편의 표면으로 흐르게 되고 이로 인하여 시편에 손상을 준다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 종래의 많은 경우 이온의 중화 그리드를 설치하나, 이로 인하여 시편의 표면에서는 플라즈마 밀도가 감소가 되는 단점이 있다. 또한 이러한 구조를 가진 유도 결합형 플라즈마는 플라즈마 밀도는 높으나 전자 온도가 3~5eV 정도로 높은 수치를 가지고 있어 실제 공정 중 시편에 여러 가지 문제를 야기 시킨다.
본 발명의 실시 예는 고밀도와 동시에 매우 낮은 전자온도(1~2 eV)를 가진 플라즈마를 안정적으로 발생시키며, 또한 축전형 전류가 시편으로 흐르지 않는 구조를 가진 플라즈마 발생용 안테나 및 이를 구비하는 플라즈마 발생 장치를 제공한다.
일 측면에 따르는 헬리컬공명플라즈마 안테나가 개시된다. 상기 헬리컬공명플라즈마 안테나는 서로 다른 양측 단부를 구비하는 복수의 나선형 코일을 포함한다. 상기 복수의 나선형 코일은, 상기 복수의 나선형 코일이 공유하는 중심축에 대하여 서로 대칭적으로 배치된다. 상기 복수의 나선형 코일은 상기 각각의 나선형 코일에 대하여, 상기 양측 단부 중 일 단부는 RF 전원에 접속되며 다른 단부는 개방되며, 상기 양측 단부 사이의 상기 나선형 코일의 몸체부에 접지 단자가 배치되고, 상기 복수의 나선형 코일은 상기 RF 전원에 각각 병렬 연결된다.
다른 측면에 따르는 헬리컬공명플라즈마 안테나가 개시된다. 상기 헬리컬공명플라즈마 안테나는 서로 다른 양측 단부를 구비하는 복수의 나선형 코일을 포함한다. 상기 복수의 나선형 코일은, 상기 복수의 나선형 코일이 공유하는 중심축에 대하여 서로 대칭적으로 배치된다. 상기 각각의 나선형 코일에 대하여, 상기 양측 단부 중 일 단부는 접지되며 다른 단부는 개방되며, 상기 양측 단부 사이의 상기 나선형 코일의 몸체부에 RF 전원과 연결되는 전원 단자가 배치되고, 상기 복수의 나선형 코일은 상기 RF 전원에 각각 병렬 연결된다.
일 실시 예에 있어서, 상기 각각의 나선형 코일은 상기 중심축에 대하여 동일한 거리를 유지하며 높이 방향으로 서로 동일한 길이 및 동일한 수의 턴을 가질 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 상기 복수의 나선형 코일은 상기 양측 단부로부터 코일의 몸체부를 따라 동일한 거리의 서로 대응되는 위치에서 전위 및 위상이 서로 동일할 수 있다.
또다른 측면에 따르는 헬리컬공명플라즈마 발생장치가 개시된다. 상기 헬리컬공명플라즈마 발생장치는 서로 다른 양측 단부를 구비하는 복수의 나선형 코일, 및 상기 복수의 나선형 코일과 병렬 연결되는 RF 전원을 구비한다. 상기 복수의 나선형 코일은, 상기 복수의 나선형 코일이 공유하는 중심축에 대하여 서로 대칭되도록 배치된다. 상기 각각의 나선형 코일에 대하여, 상기 양측 단부 중 일 단부는 RF 전원에 접속되며 다른 단부는 개방되며, 상기 양측 단부 사이의 상기 나선형 코일의 몸체부에 접지 단자가 배치된다.
또다른 측면에 따르는 헬리컬공명플라즈마 발생장치가 개시된다. 상기 헬리컬공명플라즈마 발생장치는 서로 다른 양측 단부를 구비하는 복수의 나선형 코일, 및 상기 복수의 나선형 코일과 병렬 연결되는 RF 전원을 구비한다. 상기 복수의 나선형 코일은, 상기 복수의 나선형 코일이 공유하는 중심축에 대하여 서로 대칭되도록 배치된다. 상기 각각의 나선형 코일에 대하여, 상기 양측 단부 중 일 단부는 접지되며 다른 단부는 개방되며, 상기 양측 단부 사이의 상기 나선형 코일의 몸체부에 상기 RF 전원과 연결되는 전원 단자가 배치된다.
일 실시 예에 있어서, 1 ~ 2 Torr의 공정 압력 및 4.2 내지 6.3 W/cm2의 플라즈마 파워에서 발생하는 플라즈마의 전자온도가 0.7 ~ 1.5 eV 일 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 상기 복수의 나선형 코일 중 적어도 하나는 상기 RF 전원과, 상기 RF 전원과 연결되는 상기 적어도 하나의 나선형 코일의 일 단부 사이에 배치되는 위상 변조기를 더 포함할 수 있다.
또다른 실시 예에 있어서, 상기 나선형 코일의 몸체부와 전기적으로 병렬 연결되며, 상기 나선형 코일의 몸체부의 길이 방향을 따라 병렬 배치되는 복수의 스위치를 구비하고, 상기 접지 단자와 연결되어 접지 위치를 미세 조정하는 접지 위치 조절기를 더 포함할 수 있다.
또다른 측면에 따르는 플라즈마 반응 장치가 개시된다. 상기 플라즈마 반응 장치는 가스 유입구 및 상기 유입된 가스의 반응 공간을 구비하는 체임버, 상기 체임버의 외벽에 배치되는 헬리컬공명플라즈마 안테나, 및 상기 헬리컬공명플라즈마 안테나에 전원을 공급하는 RF 전원을 구비한다. 상기 헬리컬공명플라즈마 안테나는 상기 RF 전원에 병렬 연결되는 복수의 나선형 코일을 포함하고, 상기 복수의 나선형 코일은, 상기 복수의 나선형 코일이 공유하는 중심축에 대하여 서로 대칭되도록 배치된다. 상기 양측 단부의 어느 하나는 개방되고, 다른 하나는 상기 RF 전원과의 접속되며, 상기 양측 단자 사이의 상기 코일의 몸체부에 배치되는 접지 단자를 포함한다.
본 출원의 실시 예에 따르면, 헬리컬공명플라즈마 안테나는 복수의 나선형 코일을 구비하되, 대응되는 양측 단부가 코일의 중심축에 대하여 서로 대칭되는 형태로 배치될 수 있다. 또한, 상기 헬리컬공명플라즈마 안테나는 상기 복수의 나선형 코일이 동일한 RF 전원에 병렬 연결되도록 구성할 수 있다.
상술한 구성을 통해 헬리컬공명플라즈마 안테나는 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 이때, 코일에 흐르는 전류는 병렬로 연결되어 있으므로 전체 코일에 흐르는 동일하나 각각의 코일에 흐르는 전류는 감소하게 되어 플라즈마의 에너지, 즉, 전자온도(eV)는 종래의 ICP 플라즈마보다 낮아, 플라즈마 장치 내의 측벽 손상과 같은 플라즈마에 의한 손상을 경감시킬 수 있다. 또한, 코일의 일측은 전원을 공급하고 다를 일측은 개방되어 있고, 양단의 코일 중간 부분에 접지가 형성된 구조를 가지고 있으므로 해서 코일의 전압 차로 인해 발생된 축전형 전류는 접지를 중심으로 진동하게 되어 시편으로 흐르지 않게 된다. 이러한 결과로 종래의 안테나의 여러 가지 문제점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 중화 그리드 등 여러가지 부품이 필요 없게 됨으로써 경제적인 효과도 볼 수 있다.
상술한 발명의 효과는 본 발명의 일 실시 예의 구성으로부터 도출되는 다양한 효과 중 어느 하나를 예시하는 것이며, 제시하는 실시예의 구성으로부터 자명하게 도출될 수 있는 다른 다양한 효과를 배제하는 것은 아니다.
도 1a은 본 출원의 제1 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 구성하는 헬리컬공명플라즈마 안테나를 중심축에 수직인 단면으로 자른 일 평면도이다.
도 1c는 도 1a의 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 구성하는 헬리컬공명플라즈마 안테나를 중심축에 수직인 단면으로 자른 다른 평면도이다.
도 2는 본 출원의 제2 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 출원의 제3 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 출원의 제4 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5a는 본 출원의 제5 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 5b는 도 5a의 헬리컬공명플라즈마 발생장치의 단면도이다.
도 6은 본 출원의 제6 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 안테나의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 플라즈마 반응 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시 예에 있어서, 플라즈마 밀도 측정을 위해 구성된 챔버를 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시 예에 따라 다양한 안테나들에 의해 발생한 플라즈마 밀도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 일 실시 예에 따라 다양한 안테나들에 의해 발생한 플라즈마내의 전자 온도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 일 실시 예에 따라 다양한 안테나들에 의해 구현된 장치에서 광감막을 식각 속도의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 일 실시 예에 따라 구현된 장치에서 텅스텐 막의 시편을 처리한 후 상부에 형성된 산화의 두께를 SIMS로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 개시의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 개시에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면에서 각 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다.
본 명세서에서 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 바로 위치하거나또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 본 명세서에서, '상부' 또는 '하부' 라는 용어는 관찰자의 시점에서 설정된 상대적인 개념으로, 관찰자의 시점이 달라지면, '상부' 가 '하부'를 의미할 수도 있고, '하부'가 '상부'를 의미할 수도 있다.
복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다. 또, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
상술한 종래의 ICP 발생 장치는 일반적으로, 반응기를 감싸고 있는 코일의 일측의 단부에 RF 전원이 공급되고, 타측 단부는 접지된다. 이에 반해, 본 출원의 실시 예에 따르는 헬리컬(Helical)공명플라즈마 발생 장치는 복수의 나선형 코일을 구비하되, 각각의 나선형 코일은 다음과 같은 구성을 가질 수 있다. 즉, 상기 나선형 코일은 RF 전원과 연결되는 일측 단부, 개방부인 타측 단부, 및 상기 양측 단부 사이의 코일의 내부에 위치하는 접지 단자로 이루어질 수 있다. 또는, 상기 나선형 코일은 개방부인 일측 단부, 접지부인 타측 단부 및 상기 양측 단부 사이의 코일 내부에 위치하는 RF 전원과 연결되는 전원 단자로 이루어질 수 있다. 이때, 코일 내 접지 단자 또는 전원 단자는 코일에 유도되는 인덕턴스 값(L)과 정전 용량 값(C)이 공명을 일으키는 지점에 위치할 수 있다.
도 1a은 본 출원의 제1 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 1b는 도 1a의 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 구성하는 헬리컬공명플라즈마 안테나를 중심축에 수직인 단면으로 자른 일 평면도이다. 도 1c는 도 1a의 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 구성하는 헬리컬공명플라즈마 안테나를 중심축에 수직인 단면으로 자른 다른 평면도이다.
도 1a를 참조하면, 헬리컬공명플라즈마 발생장치(1000)는 헬리컬공명플라즈마 안테나(100) 및 헬리컬공명플라즈마 안테나에 전원을 공급하는 RF 전원(200)을 포함한다.
헬리컬공명플라즈마 안테나(100)는 복수의 나선형 코일(100a, 100b)을 포함한다. 도면에서는, 일 실시 예로서, 제1 나선형 코일(100a) 및 제2 나선형 코일(100b)과 같이, 2개의 나선형 코일을 개시하고 있다. 제1 나선형 코일(100a) 및 제2 나선형 코일(100b)은 소정의 부피를 가지는 공간(50)의 주변을 둘러싸도록 복수의 턴(turn)으로 꼬여서 배치될 수 있다. 상기 공간(50)에는 일 예로서, 플라즈마 챔버가 배치될 수 있다.
제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)는 RF 전원(200)에 병렬 연결될 수 있다. 도시되는 바와 같이, 제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)는 RF 전원(200)과 각각 연결되는 제1 단부(10a, 10b)를 구비할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)는 제1 단부(10a, 10b)의 반대쪽에 위치하며, 전기적 개방 상태, 즉, 플로팅(floating) 상태를 유지하는 제2 단부(20a, 20b)를 구비할 수 있다. 이때, 제1 단부(10a, 10b) 및 제2 단부(20a, 20b) 사이의 제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)의 몸체부(60a, 60b)의 소정의 위치에 접지 단자(30a, 30b)가 배치될 수 있다.
헬리컬공명플라즈마 안테나에서, 상기 전기적 개방이 되는 제2 단부(20a, 20b) 및 접지 단자(30a, 30b)의 위치는 각각의 나선형 코일(100a, 100b)의 총길이 및 사용 주파수 파장과 관계될 수 있다. 구체적인 예에서, 제2 단부(20a, 20b) 및 접지 단자(30a, 30b)의 위치는 각각의 나선형 코일(100a, 100b)의 총길이 및 사용 주파수 파장에 의해 결정될 수 있다. 각각의 나선형 코일(100a, 100b)의 총길이(L)와 사용 주파수 파장(λ)은 전기적 공명을 발생시키기 위해, 다음 식 (1)의 관계를 이루도록 설정될 수 있다.
L = λ/4 + N*(λ/2) ------------------(1)
(여기서, N은 정수)
이때, 사용 주파수 파장을 λ/2, 또는 λ/4로 감소시키는 경우, 나선형 코일(100a, 100b)의 총길이는 각각 L/2 또는 L/4로 감소될 수 있다. 상기 헬리컬공명플라즈마 안테나는 RF 파가 전달되는 일종의 전송선일 수 있으며, 상기 헬리컬공명플라즈마 안테나 상의 전압과 전류는 선로 이론(transmission line theory)에 의해 산출할 수 있다. 상기 헬리컬공명플라즈마 안테나의 제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)의 제1 단부(10a, 10b)를 통해 입사된 RF 파는 나선 형태의 코일을 따라 진행하다가 코일의 제2 단부(20a, 20b)에서 완전 반사하게 된다. 이때, 반사되는 파와 입사되는 파의 합성으로 나선 형태의 코일 상에 RF 정재파가 생성될 수 있다. 아래 식 2 및 3에서와 같이, 상기 RF 정재파는 전압정재파(Vs)와 전류정재파(Is)로 이루어질 수 있다.
Vs(z) = -2jV+sinβz ----------------(2)
Is(z) = 2 I+/Zo * cosβz ----------------(3)
여기서, V+ (z)는 입사된 전압파, I+(z)는 입사된 전류파이며, β는 전파상수이고, Zo는 헬릭스의 특성임피던스이다. 특정 여기 주파수에서 상술한 식(2) 및 (3)을 만족하는 선로가 존재할 때, 선로는 공명상태가 되어 선로 상에 고전압 및 고전류의 정재파가 형성될 수 있다. 이어서, 상기 정재파에 의해 전자장이 헬리컬공명플라즈마 안테나의 주위에 유도되며, 이에 의해 플라즈마 가스 내의 하전 입자의 충돌에 의해 고밀도의 플라즈마가 발생하게 된다.
도 1a를 다시 참조하면, 제1 나선형 코일(100a)와 제2 나선형 코일(100b)은 제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)이 공유하는 중심축(40)에 대해 서로 대칭적으로 배치될 수 있다. 일 예로서, 제1 나선형 코일(100a)의 제1 단부(10a)와 제2 나선형 코일(100b)의 제1 단부(10b)는 제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)의 중심축(40)에 대하여 서로 대칭되는 위치에 배치될 수 있다. 도 1b 및 도 1c는 제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)을 중심축(40)에 대하여 수직으로 자른 일 단면도이다. 도 1b를 참조하면, 제1 나선형 코일(100a)의 제1 단부(10a)와 제2 나선형 코일(100b)의 제1 단부(10b)는 중심축(40)에 수직인 방향의 단면 상에서 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 도 1c를 참조하면, 제1 나선형 코일(100a)의 제2 단부(20a)와 제2 나선형 코일(100b)의 제2 단부(20b)는 중심축(40)에 수직인 방향의 단면 상에서 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 도 1a, 도 1b 및 도 1c에 도시되는 바와 같이, 제1 나선형 코일(100a) 및 제2 나선형 코일(100b)는 중심축(40)에 대하여 동일한 거리(d)를 유지하며 높이 방향으로 복수의 턴을 가지도록 꼬여서 형성될 수 있다. 또한, 제1 나선형 코일(100a) 및 제2 나선형 코일(100b)은 서로 동일한 수의 턴(turn)으로 이루어지며 동일 길이를 가질 수 있다.
이와 같이, 상술한 도 1a 내지 도 1c의 헬리컬공명플라즈마 발생장치는 2개의 나선형 코일(100a, 100b)를 포함하는 헬리컬공명플라즈마 안테나를 구비할 수 있다. 2개의 나선형 코일(100a, 100b)의 제1 단자(10a, 10b)는 RF 전원(200)에 병렬 연결될 수 있다. 따라서, RF 전원(200)으로부터 각각의 나선형 코일(100a, 100b)에 흐르는 전류는 반으로 줄어들게 되어, 코일의 전류에 따라 형성되는 유도 전기장도 줄어들게 된다. 따라서, 반응기 내벽에 발생하는 손상을 감소시킬 수 있다.
본 실시 예에 의하면, 동일 주파수에서 공명을 발생시키는 복수의 나선형 코일(100a, 100b)을 배치시킴으로써, 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 특히, 도 1b를 참조하면, 중심축(40)에 수직인 임의의 단면 상에서, 제1 나선형 코일(100a)의 제1 단자(10a)로부터 제1 나선형 코일(100a)의 몸체부를 따라 반시계 방향으로 제1 길이만큼 진행한 몸체부의 부분(70a)은 제2 나선형 코일(100b)의 제1 단자(10b)로부터 제2 나선형 코일(100b)의 몸체부를 따라 반시계 방향으로 상기 제1 길이만큼 진행한 몸체부의 부분(70b)과 중심축(40)에 대하여 대칭적으로 배치시킬 수 있다. 이때, 제1 나선형 코일(100a)의 몸체부 부분(70a)과 제2 나선형 코일(100b)의 몸체부 부분(70b)에서의 전위 및 위상은 서로 동일할 수 있다. 마찬가지로, 도 1c의 경우에서도, 중심축(40)에 수직인 임의의 단면 상에서, 제1 나선형 코일(100a)의 제2 단자(20a)로부터 제1 나선형 코일(100a)의 몸체부를 따라 반시계 방향으로 제2 길이만큼 진행한 몸체부의 부분(80a)은 제2 나선형 코일(100b)의 제2 단자(20b)로부터 제2 나선형 코일(100b)의 몸체부를 따라 반시계 방향으로 상기 제2 길이만큼 진행한 몸체부의 부분(80b)과 중심축(40)에 대하여 대칭적으로 배치시킬 수 있다. 이때, 제1 나선형 코일(100a)의 몸체부 부분(80a)과 제2 나선형 코일(100b)의 몸체부 부분(80b)에서의 전위 및 위상은 서로 동일할 수 있다.
따라서, 제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)에 의해 둘러싸인 공간(50) 내에서 서로 전기적 전위 및 위상이 동일한 코일의 몸체부의 부분들의 쌍에 의해 연속적으로 플라즈마가 발생됨으로써, 플라즈마의 밀도를 보다 증가시킬 수 있다. 또한, 제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)를 상술한 배치법으로 위치시킴으로써, 나선형 코일을 하나만 배치시키는 경우와 비교하여, 공간(50) 내부에서 플라즈마가 유지되는 영역을 상대적으로 확장시킬 수 있으며, 보다 균일하게 분포시킬 수 있다.
본 실시 예에서, 플라즈마 발생과 관련되는 제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)의 턴수는, 상술한 식 (1)에서와 같이, 사용 주파수 파장 및 정수값 N에 근거한 코일의 길이에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 결정된 코일의 길이의 한도 내에서, 턴수를 비교적 자유롭게 결정할 수 있다. 이와 같이, 본 실시 예의 헬리컬공명플라즈마 안테나의 경우, 코일의 턴수를 증가할 때의 제약 요소가 종래의 ICP 플라즈마 장치의 경우에 비해 상대적으로 작을 수 있다. 종래의 ICP 플라즈마 안테나의 경우, 안테나 코일의 턴 수를 증가함에 따라, 코일의 유도계수가 증가하고 이에 따라 임피던스가 증가될 수 있다. 따라서, 상기 ICP 플라즈마 안테나의 경우, 유도 전류의 크기가 감소할 수 있어, 플라즈마 발생에 있어서 상대적으로 불리할 수 있다.
도 2는 본 출원의 제2 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 헬리컬공명플라즈마 발생장치(2000)는 임피던스 매칭장치(300)를 구비하는 것을 제외하고는, 도 1과 관련하여 상술한 제1 실시 예의 헬리컬공명플라즈마 발생장치(1000)와 그 구성이 실질적으로 동일하다.
도 1의 헬리컬공명플라즈마 발생장치(1000)는 임피던스 매칭 장치(300)를 별도로 구비하지 않을 수 있지만, 본 실시 예의 헬리컬공명플라즈마 발생장치(2000)는 RF 전원(200)의 후단에 임피던스 매칭 장치(300)를 구비한다. 임피던스 매칭 장치(300)는 RF 전원(200)의 출력 임피던스와 헬리컬공명플라즈마 안테나(100a, 100b)의 제1 단부(10a, 10b)로의 입력 임피던스를 정합시킬 수 있다. 이로써, 헬리컬공명플라즈마 발생장치(2000)가 플라즈마의 발생 및 유지를 위한 동작을 보다 안정적으로 할 수 있다.
도 3은 본 출원의 제3 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 헬리컬공명플라즈마 발생장치(3000)는 헬리컬공명플라즈마 안테나(100)와 RF 전원(200)의 연결 구성 차이를 제외하고는, 도 1과 관련하여 상술한 제1 실시 예의 헬리컬공명플라즈마 발생장치(1000)와 그 구성이 실질적으로 동일하다.
도 3을 참조하면, 제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)는 RF 전원(200)에 병렬 연결되되, 도시되는 바와 같이, 제1 나선형 코일(100a)의 제1 단자(10a)와 제2 나선형 코일(100b)의 제1 단자(10b)는 중심축(40)에 수직인 일 단면 상에 함께 존재하지 않을 수 있다.
다시 말하면, 플로팅 상태를 유지하는 제1 나선형 코일(100a)의 제2 단부(20a)와 RF 전원(200)에 연결되는 제2 나선형 코일(100b)의 제1 단부(10b)가 중심축(40)에 수직인 동일 평면 상에 존재할 수 있다. 이 경우, 제2 단부(20a)와 제1 단부(10b)는 중심축(40)에 대하여 대칭으로 배치될 수 있다.
마찬가지로, RF 전원(200)에 연결되는 제1 나선형 코일(100a)의 제1 단부(10a)와 플로팅 상태를 유지하는 제2 나선형 코일(100b)의 제2 단부(20b)가 중심축(40)에 수직인 동일 평면 상에 존재할 수 있다. 이 경우, 제1 단부(10a)와 제2 단부(20b)는 중심축(40)에 대하여 대칭으로 배치될 수 있다.
도 4는 본 출원의 제4 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 4을 참조하면, 헬리컬공명플라즈마 발생장치(4000)는 3개의 나선형 코일(100a, 100b, 100c)을 구비하는 헬리컬공명플라즈마 안테나(100)를 구비하는 구성을 제외하고는 도 1과 관련하여 상술한 제1 실시 예의 헬리컬공명플라즈마 발생장치(1000)와 그 구성이 실질적으로 동일하다.
도 4를 참조하면, 헬리컬공명플라즈마 안테나(100)는 제1 나선형 코일(100a), 제2 나선형 코일(100b) 및 제3 나선형 코일(100c)를 구비할 수 있다. 제1 내지 제3 나선형 코일(100a, 100b, 100c)은 RF 전원(200)에 병렬 연결될 수 있다. 도시되는 바와 같이, 제1 내지 제3 나선형 코일(100a, 100b, 100c)는 RF 전원(200)과 각각 연결되는 제1 단부(10a, 10b, 10c)를 구비할 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 나선형 코일(100a, 100b, 100c)는 제1 단부(10a, 10b, 10c)의 반대쪽에 각각 위치하며, 전기적 개방 상태, 즉, 플로팅 상태를 유지하는 제2 단부(20a, 20b, 20c)를 구비할 수 있다. 이때, 제1 단부(10a, 10b, 10c) 및 제2 단부(20a, 20b, 20c) 사이의 제1 내지 제3 나선형 코일(100a, 100b, 100c)의 몸체부(60a, 60b, 60c)의 소정의 위치에 접지 단자(30a, 30b, 30c)가 배치될 수 있다.
제1 내지 제3 나선형 코일(100a, 100b, 100c)의 제1 단부(10a, 10b, 10c)는 중심축(40)에 대해 대칭적으로 배치될 수 있다. 구체적으로, 제1 단부(10a, 10b, 10c)는 중심축(40)에 수직인 단면 상에서 각각 120°의 각을 이루며 대칭적으로 배치될 수 있다. 마찬가지로, 제2 단부(20a, 20b, 20c)도 중심축(40)에 대해 대칭적으로 배치될 수 있으며, 구체적으로, 제2 단부(20a, 20b, 20c)는 중심축(40)에 수직인 단면 상에서 각각 120°의 각을 이루며 대칭적으로 배치될 수 있다.
도면을 참조하면, 제1 내지 제3 나선형 코일(100a, 100b, 100c)은 RF 전원(200)과 병렬로 연결되어 있으므로, 제1 내지 제3 나선형 코일(100a, 100b, 100c)의 각각에 흐르는 전류는, 나선형 코일이 1개일 때와 대비하여 1/3 수준으로 줄어들게 된다. 이때, 나선형 코일에 흐르는 전류에 의해 유도되는 전기장의 세기도 줄어들게 되므로, 채임버와 같은 반응기 내벽에 발생하는 손상을 감소시킬 수 있으며, 제1 내지 제3 나선형 코일(100a, 100b, 100c)은 각각 헬리컬공명플라즈마를 발생시켜, 나선형 코일이 1개일 때와 대비하여 발생되는 플라즈마의 밀도가 높을 수 있다.
또한, 나선형 코일을 하나만 배치시키는 경우와 비교하여, 반응기 내부에서 플라즈마가 유지되는 영역을 상대적으로 확장시킬 수 있으며, 보다 균일하게 분포시킬 수 있다.
도 5a는 본 출원의 제5 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타내는 평면도이다. 도 5b는 도 5a의 헬리컬공명플라즈마 발생장치의 단면도이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 헬리컬공명플라즈마 발생장치(5000)는 헬리컬공명플라즈마 안테나(500)가 반응 챔버(520)의 외벽의 일면 상에 배치될 수 있다. 헬리컬공명플라즈마 안테나(500)는 제1 나선형 코일(500a) 및 제2 나선형 코일(500b)를 구비한다. 제1 및 제2 나선형 코일(500a, 500b)는 RF 전원(530)에 병렬로 연결될 수 있다. 도시되는 바와 같이, 제1 및 제2 나선형 코일(500a, 500b)는 RF 전원(530)과 각각 연결되는 제1 단부(10a, 10b)를 구비할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 나선형 코일(500a, 500b)는 제1 단부(10a, 10b)의 반대쪽에 위치하며, 전기적 개방 상태, 즉, 플로팅 상태를 유지하는 제2 단부(20a, 20b)를 구비할 수 있다. 이때, 제1 단부(10a, 10b) 및 제2 단부(20a, 20b) 사이의 제1 및 제2 나선형 코일(500a, 500b)의 몸체부(510a, 510b)의 소정의 위치에 접지 단자(30a, 30b)가 배치될 수 있다.
제1 및 제2 나선형 코일(500a, 500b)은 도시된 것과 같이, 각각 동일 평면 상에서, 챔버(520)의 외곽부로부터 중심부 방향으로 나선형으로 꼬이는 형태를 가질 수 있다. 제1 및 제2 나선형 코일(500a, 500b)은 서로 만나지 않도록 일정 간격을 유지하며, 나선의 중심으로부터 외곽쪽으로 회오리 형태로 확장될 수 있다. 상술한 구성은 본 출원의 제1 내지 제4 실시 예의 헬리컬공명플라즈마 안테나(100)가 챔버가 배치될 수 있는 공간(50)을 입체적으로 둘러싸도록 배치되는 구성과 차별될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 제1 및 제2 나선형 코일(500a, 500b)이 반응기(520)의 외벽 상부 평면 상에 배치되는 경우, RF 전원(530)으로부터 공명 진동수를 가지는 전력이 공급될 때, 반응 챔버(520) 내부에서는 제1 및 제2 나선형 코일(500a, 500b)를 관통하는 방향으로 시간에 따라 변화하는 자기장(PI)가 발생한다. 이어서, 상기 자기장(PI)는 RF 전원(530)으로부터 공급되는 전력의 방향과 반대 방향의 유도 전기장을 발생시킬 수 있다. 도시되는 바와 같이, 제1 및 제2 나선형 코일(500a, 500b)로 구성되어 일면 상에 배치되는 헬리컬공명플라즈마 안테나(500)는 각각이 유도 전기장을 발생시킴으로써, 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다.
도 5a 및 5b를 다시 참조하면, 헬리컬공명플라즈마 발생장치(5000)는 RF 전원(530)의 후단에 임피던스 매칭 장치(540)를 추가적으로 구비할 수 있다. 임피던스 매칭 장치(540)는 RF 전원(530)의 출력 임피던스와 제1 및 제2 나선형 코일(500a, 500b)의 제1 단부(10a, 10b)로의 입력 임피던스를 정합시킬 수 있다. 이로써, 헬리컬공명플라즈마 발생장치(5000)가 플라즈마의 발생 및 유지를 위한 동작을 보다 안정적으로 할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 헬리컬공명플라즈마 안테나(500)에 의해 발생되는 플라즈마에 의해, 기판 홀더(525) 상에 배치되는 기판(1)에 대해 증착, 식각, 세정 등의 플라즈마 공정이 이루어질 수 있다. 기판 홀더(525)에는 화학 반응을 위한 열원 또는 전극이 배치될 수 있다.
도 6은 본 출원의 제6 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타내는 평면도이다. 도 6을 참조하면, 헬리컬공명플라즈마 발생장치(6000)는 RF 전원(200)의 후단과 제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)의 제1 단부(10a, 10b) 사이에, 각각의 위상 변조기(610a, 610b)가 추가적으로 배치되는 구성을 제외하고는 도 1의 제1 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 발생장치(1000)와 실질적으로 동일하다.
도 6을 참조하면, 위상 변조기(610a, 610b)는 RF 전원(200)으로부터 공급되는 고주파 전력의 위상을 변조시킨 후에, 상기 전력을 제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)에 제공할 수 있다. 위상 변조기(610a, 610b)는 RF 전원(200)과 제1 단부(10a, 10b) 사이에 각각 배치되고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 나선형 코일(100a, 100b) 중 어느 하나의 제1 단부(10a, 10b)와 RF 전원(200) 사이에만 배치될 수도 있다.
위상 변조기(610a, 610b)는 RF 전원(200)의 고주파 전력의 위상을 제어하는 역할을 수행할 수 있으며, 경우에 따라, 서로 다른 위상을 가지는 고주파 전력을 제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)에 각각 제공할 수 있다. 위상 변조기(610a, 610b)는 동일한 주파수를 가지는 전력을 제1 및 제2 나선형 코일(100a, 100b)에 적용시에 서로 간에 발생하는 간섭효과를 방지하는 역할을 수행 할 수 있다.
상술한 위상 변조기(610a, 610b)는 도 5a 및 도 5b와 관련하여 상술한 제5 실시 예의 헬리컬공명플라즈마 발생장치(5000)에도 적용될 수 있다. 이 경우, 위상 변조기(610a, 610b)는 임피던스 매칭 장치(540)과 제1 단자(10a, 10b) 사이에 배치될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 헬리컬공명플라즈마 안테나의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 7a는 본 출원의 제1 내지 제 4 실시 예, 및 제6 실시예의 헬리컬공명플라즈마 안테나의 적어도 하나의 나선형 코일에 추가적으로 배치되는 접지 위치 조절기(710)를 개략적으로 나타내고 있다. 도 7b는 본 출원의 제5 실시 예의 헬리컬공명플라즈마 안테나의 적어도 하나의 나선형 코일에 추가적으로 배치되는 접지 위치 조절기(720)를 개략적으로 나타내고 있다. 도 7a 및 도 7b에서는 설명의 편의상 복수의 나선형 코일 중 하나의 코일만을 도시하고 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 나선형 코일의 몸체부(60a, 60b)의 소정의 위치에는 접지 단자(30a, 30b)가 배치된다. 접지 단자(30a, 30b)는 제1 단부(10a, 10b) 및 제2 단부(20a, 20b)와 함께 나선형 코일에 공명을 일으키기 위한 구성요소에 해당된다.
본 실시 예에서는, 나선형 코일의 몸체부(60a, 60b)에 접지 위치 조절기(710)가 배치될 수 있다. 접지 위치 조절기(710)는 나선형 코일의 몸체부(60a, 60b)의 길이 방향을 따라 병렬 배치되는 복수의 스위치(710a, 710b, 710c, 710d)를 구비할 수 있다. 복수의 스위치(710a, 710b, 710c, 710d) 중 어느 하나를 접지 단자(30a, 30b)와 연결함으로써, 나선형 코일의 몸체부의 접지 위치를 미세 조정할 수 있다. 이로써, 상기 헬리컬공명플라즈마 안테나로 하여금 플라즈마의 발생 및 유지를 위한 동작을 보다 안정적으로 유도할 수 있다.
도 8은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 플라즈마 반응 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 8을 참조하면, 플라즈마 반응 장치(8000)는 플라즈마 발생 챔버(812) 및 플라즈마 반응 챔버(814)를 구비할 수 있다.
플라즈마 발생 챔버(812)는 가스유입구(820)를 통해 유입되는 반응 가스와 헬리컬공명플라즈마 안테나(830)에 의해 발생하는 전자장에 의해, 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 헬리컬공명플라즈마 안테나(830)는 일 예로서, 본 출원의 제1 내지 제 4 실시 예, 및 제6 실시예의 헬리컬공명플라즈마 안테나 중 어느 하나일 수 있다. 플라즈마 발생 챔버(812)에서 발생한 플라즈마는 플라즈마 반응 챔버(814)로 이동할 수 있다.
플라즈마 반응 챔버(814) 내에는 반응 대상물인 기판(1)이 배치될 수 있다. 기판(1)은 기판 홀더(840) 상에서 지지 핀(845)에 의해 지지될 수 있다. 기판 홀더(840) 내부에는 전극부가 배치되어, 플라즈마 내부의 하전된 화학종을 기판(1) 쪽으로 유인할 수 있다. 상기 전구부는 일 예로서, RF 고주파 전원기를 적용할 수 있다.
플라즈마 반응 챔버(814)의 일 측부에는 반응이 완료된 가스를 배출시키는 가스 배출구(825)가 배치될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 가스 배출구(825)는 진공 펌프와 같은 진공 발생 장치에 연결될 수 있다.
플라즈마 반응 챔버(814)의 일 측벽에는 플라즈마 반응 챔버(814) 내의 반응을 화학적 또는 광학적으로 모니터링할 수 있는 검사 시스템(850)이 배치될 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 8과 관련하여 상술한 실시 예들은 나선형 코일의 일측 단부가 RF 전원과 연결되고, 타측 단부는 전기적으로 플로팅되는 개방부이며, 상기 양측 단부 사이의 코일의 내부에 접지 단자가 배치되는 구성을 구비하고 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 나선형 코일의 일측 단부가 전기적으로 플로팅되는 개방부이고, 타측 단부가 전기적으로 접지되며, 상기 양측 단부 사이의 코일의 내부에 RF 전원과 연결되는 전원 단자가 배치되며, 이때, 복수의 나선형 코일의 상기 전원 단자는 상기 RF 전원에 병렬 연결되는 구성을 구비하는 실시예도 가능하며, 이러한 구성은, 복수의 나선형 코일의 구조 및 배치와 관련하여 제1 내지 제8 실시 예들의 구성과 실질적으로 동일할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 기술적 사상을 보다 상세하게 파악할 수 있는 실시예가 기재된다.
<실시 예>
2회 턴을 갖는 단일 코일을 가지는 단일 코일 안테나, 2회 턴을 갖는 단일 코일 2개를 결합한 이중 코일 안테나, 헬리컬공명플라즈마를 발생시키기 위한 2회 턴을 갖는 단일 코일을 가지는 헬리컬 단일 코일 안테나, 및 본 출원의 실시 예에 따르는 2회 턴을 갖는 단일 코일 2개를 결합한 헬리컬 이중 나선형 코일 안테나의 4 종류를 실린더 형 반응기의 외벽을 감싸 안도록 각각 배치하고 플라즈마 밀도를 관찰하였다. 상기 본 출원에 의해 실시예에 따르는 헬리컬 이중 나선형 코일 안테나는 도 1에 도시되는 헬리컬공명플라즈마 안테나와 실질적으로 동일하다.
상기 반응기의 내부에 아르곤 가스 400 sccm을 공급하고, 반응기 내의 압력을 10, 30 및 50 mTorr로 유지하였다. RF 전원을 통해 각각 100 Watt, 200 Watt 및 300 Watt의 전력을 공급하였다. 반응기 내부에 웨이퍼를 배치하고, 랑미어 프로브를 사용하여 웨이퍼 상의 일단으로부터 타 단에 이르기까지 일정 간격으로 플라즈마 밀도를 측정함으로써, 반응기 내의 플라즈마 밀도 분포를 관찰하였다.
도 9는 일 실시 예에 있어서, 플라즈마 밀도 측정을 위해 구성된 챔버를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 각각의 안테나에 대하여 전력을 변화시키며 웨이퍼 상의 9 포인트들에 대하여 플라즈마 밀도를 측정하였다.
<평가>
도 10a 내지 도 10c은 일 실시 예에 따라 다양한 안테나들에 의해 발생한 플라즈마 밀도를 측정한 결과를 나타내고 있다. 도 10a은 100 Watt의 전력이 제공될 때, 상기 웨이퍼의 위치별 다양한 안테나들에 의해 발생한 플라즈마 밀도를 나타내고 있다. 마름모형 표시자는 종래의 단일 코일 안테나의 실험 결과이며, 사각형 표시자는 종래의 이중 코일 안테나의 실험 결과이며, 삼각형 표시자는 헬리컬 단일 코일 안테나 결과이며, ×형 표시자는 본 출원의 실시 예에 의해 개시되는 헬리컬 이중 나선형 안테나의 실험 결과이다. 도 10b는 200 Watt의 전력이 제공될 때, 상기 웨이퍼의 위치별 다양한 안테나들에 의해 발생한 플라즈마 밀도를 나타내고 있다. 도 10c는 300 Watt의 전력이 제공될 때, 상기 웨이퍼의 위치별 다양한 안테나들에 의해 발생한 플라즈마 밀도를 나타내고 있다.
도 10a를 참조하면, 10mT, 30mT 및 50mT의 모든 경우에 있어서, 본 출원에 의해 개시되는 개시되는 헬리컬 이중 나선형 안테나가 생성하는 플라즈마의 밀도가 나머지 다른 세 종류의 안테나가 생성하는 플라즈마의 밀도보다 높게 관찰된다.
도 10b, 및 도 10c의 경우에도 10mT, 30mT 및 50mT의 모든 경우에 있어서, 본 출원의 실시 예에 의해 개시되는 헬리컬 이중 나선형 안테나가 생성하는 플라즈마의 밀도가 나머지 다른 세 종류의 안테나가 생성하는 플라즈마의 밀도보다 매우 높게 관찰된다.
도 11a 및 도 11b은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 안테나에서 발생하는 플라즈마의 전자온도를 측정한 결과를 나타내고 있다.
먼저, 도 11a를 참조하면 점선으로 표시한 결과가 종래의 일반적인 이중 코일 안테나 결과(A)이며 실선은 본 발명의 헬리컬 이중 나선형 안테나 결과(B)이다. 여기서 일반적인 이중 코일 안테나란, 복수 턴을 가지는 단일 코일 2개가 결합하여 이루어지되, 단일 코일의 양 단부가 각각 접지 및 RF 전원에 연결되는 코일 안테나이다. 상기 이중 코일 안테나와 상기 헬리컬 이중 나선형 안테나는 코일 중심축으로부터의 거리가 서로 동일하면서 턴을 이루도록 준비되었다. 상기 이중 코일 안테나와 상기 헬리컬 이중 나선형 안테나는 실질적으로 동일한 높이를 이루며, 나선형으로 감긴 코일 몸체부 사이의 간격이 서로 동일하도록 준비되었다.
도 11a를 참조하면, 단위 면적당 플라즈마 파워는 서로 다름에도 불구하고, 본 발명의 헬리컬 이중 나선 안테나의 경우, 약 1 ~ 2 Torr의 공정 압력에서 4.2 내지 6.3 W/cm2 의 플라즈마 파워에서 발생하는 플라즈마의 전자온도가 0.7 ~ 1.5 eV로 종래의 이중 코일 안테나에 의해 발생하는 플라즈마 전자 온도 보다 2 ~ 3 eV보다 매우 낮게 관찰된다.
도 11b는 플라즈마 파워가 4500 Watt에서 측정한 결과인데, 그래프에서 점선으로 표시한 결과가 미국 LAM사의 상용의 TCP 플라즈마 안테나 결과(C)이며 실선이 본 발명의 안테나 결과(D)이다. 도 11b에서와 같이, 본 발명의 실시 예를 따르는 안테나에 의해 발생하는 플라즈마의 전자온도가 1 ~ 1.5 eV로 LAM사의 안테나에 의해 발생하는 플라즈마의 전자 온도인 2 ~ 5 eV 보다 매우 낮게 관찰된다.
도 12는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 플라즈마 안테나를 이용하는 감광막 제거 공정의 결과를 나타내는 그래프이다. 서로 비교하는 감광막 제거 장치로서, 미국 LAM사의 GxT 장치, 한국 PSK사의 마이크로웨이브 장치, 그리고 일본 FOI사의 단일 헬리칼 안테나 장치들 이용한 감광막 제거 장치가 제공되었다. 도 12에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르는 헬리컬 이중 나선 안테나에 따라 발생한 플라즈마를 이용하는 식각속도가 동일 또는 유사 조건의 타 장비 대비 최소 2배에서 최대 5배의 높은 결과를 보여 주고 있다.
도 13는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 플라즈마 안테나를 이용하는 감광막 제거 공정시의 결과를 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 본 발명의 실시 예를 따르는 헬리컬 이중 나선 안테나에 의해 형성되는 플라즈마를 이용하여, 텅스텐 층 상에 위치하는 광감막 제거 공정의 한 예의 결과를 보여 주는 그래프이다. 광감막 제거 시 하부의 텅스텐이 산화가 5nm 이하가 되도록 관리되어야 하는 공정이다. 그래프는 상대적인 산화된 결과를 보기 위해 시료를 처리 후 SIMS의 결과를 나타낸다.
실선(1)은 아무런 처리를 하지 않은 시료이며, 점선(2)은 1.5Torr압력/4500W 플라즈마 파워/7200 sccm 유량의 N2/300 sccm 유량의 H2/250℃ 분위기에서 감광막 제거를 실시하였으며, 일 점 쇄선(3) 은 1.5Torr 압력/4500W 플라즈마 파워/250 sccm 유량의 O2/7200 sccm 유량의 N2/300 sccm 유량의 H2/250℃ 분위기에서, 감광막 제거를 실시하였으며, 이점 쇄선(4)은 1.5Torr 압력/4500W 플라즈마 파워/7500 sccm 유량의 O2/750 sccm 유량의 N2/250℃ 분위기에서 각각 시료를 처리한 결과이다. 그래프에서 보듯이 상술한 모든 조건에서 모두 3nm 이하의 텅스텐 산화가 발생함을 알 수 있다. 이 결과는 종래의 상용화 장비에서 볼 수 없는 매우 우수한 결과이다.
이로서, 본 출원에 의해 개시되는 헬리컬 플라즈마 발생용 이중 나선 안테나를 사용하여 생성한 플라즈마가 보다 고밀도임과 동시에 매우 낮은 전자온도 그리로 예로 보여준 두 가지 공정에서 종래의 상용화 장치에서는 볼 수 없는 매우 탁월한 결과를 확인할 수 있다.
이와 같이, 상기에서는 본 개시된 기술의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 개시된 기술의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 개시된 기술을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1000 2000 3000 4000 5000 6000: 헬리컬공명플라즈마 발생장치,
8000: 플라즈마 반응 장치,
10a 10b: 제1 단부, 20a 20b: 제2 단부,
30a 30b: 접지 단자,
40: 나선형 코일의 중심축, 50: 공간,
60a 60b 510a 510b: 나선형 코일의 몸체부,
100 500: 헬리컬공명플라즈마 안테나,
100a 500a: 제1 나선형 코일, 100b 500b: 제2 나선형 코일,
200 530: RF 전원, 300 540: 임피던스 매칭 장치,
525: 기판 홀더, 610a 640b: 위상 변조기,
710: 접지 위치 조절기, 710a 710b 710c 710d: 스위치,
812: 플라즈마 발생 챔버, 814: 플라즈마 반응 챔버,
820: 가스유입구, 825: 가스배출구,
830: 헬리컬공명플라즈마 안테나, 840: 기판 홀더,
845: 지지 핀, 850: 검사 시스템.

Claims (16)

  1. 서로 다른 양측 단부를 구비하는 복수의 나선형 코일을 포함하되,
    상기 복수의 나선형 코일은, 상기 복수의 나선형 코일이 공유하는 중심축에 대하여 서로 대칭적으로 배치되며,
    상기 각각의 나선형 코일에 대하여, 상기 양측 단부 중 일 단부는 RF 전원에 접속되며 다른 단부는 개방되며, 상기 양측 단부 사이의 상기 나선형 코일의 몸체부에 접지 단자가 배치되고,
    상기 복수의 나선형 코일은 상기 RF 전원에 각각 병렬 연결되는
    헬리컬공명플라즈마 안테나.
  2. 서로 다른 양측 단부를 구비하는 복수의 나선형 코일을 포함하되,
    상기 복수의 나선형 코일은, 상기 복수의 나선형 코일이 공유하는 중심축에 대하여 서로 대칭적으로 배치되며,
    상기 각각의 나선형 코일에 대하여, 상기 양측 단부 중 일 단부는 접지되며 다른 단부는 개방되며, 상기 양측 단부 사이의 상기 나선형 코일의 몸체부에 RF 전원과 연결되는 전원 단자가 배치되고,
    상기 복수의 나선형 코일은 상기 RF 전원에 각각 병렬 연결되는
    헬리컬공명플라즈마 안테나.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 각각의 나선형 코일은 상기 중심축에 대하여 동일한 거리를 유지하며 높이 방향으로 서로 동일한 길이 및 동일한 수의 턴을 가지는,
    헬리컬공명플라즈마 안테나.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 나선형 코일은 상기 양측 단부로부터 코일의 몸체부를 따라 동일한 거리의 서로 대응되는 위치에서 전위 및 위상이 서로 동일한
    헬리컬공명플라즈마 안테나.
  5. 서로 다른 양측 단부를 구비하는 복수의 나선형 코일; 및
    상기 복수의 나선형 코일과 병렬 연결되는 RF 전원을 구비하되,
    상기 복수의 나선형 코일은, 상기 복수의 나선형 코일이 공유하는 중심축에 대하여 서로 대칭되도록 배치되며,
    상기 각각의 나선형 코일에 대하여, 상기 양측 단부 중 일 단부는 RF 전원에 접속되며 다른 단부는 개방되며, 상기 양측 단부 사이의 상기 나선형 코일의 몸체부에 접지 단자가 배치되는,
    헬리컬공명플라즈마 발생장치.
  6. 서로 다른 양측 단부를 구비하는 복수의 나선형 코일; 및
    상기 복수의 나선형 코일과 병렬 연결되는 RF 전원을 구비하되,
    상기 복수의 나선형 코일은, 상기 복수의 나선형 코일이 공유하는 중심축에 대하여 서로 대칭되도록 배치되며,
    상기 각각의 나선형 코일에 대하여, 상기 양측 단부 중 일 단부는 접지되며 다른 단부는 개방되며, 상기 양측 단부 사이의 상기 나선형 코일의 몸체부에 상기 RF 전원과 연결되는 전원 단자가 배치되는,
    헬리컬공명플라즈마 발생장치.
  7. 제5 항에 있어서,
    1 ~ 2 Torr의 공정 압력 및 4.2 내지 6.3 W/cm2의 플라즈마 파워에서 발생하는 플라즈마의 전자온도가 0.7 ~ 1.5 eV 인
    헬리컬공명플라즈마 발생 장치.
  8. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 복수의 나선형 코일은 한쌍으로 이루어지며,
    상기 한쌍의 나선형 코일의 양측 단부는 서로 마주보도록 배치되는
    헬리컬공명플라즈마 발생장치.
  9. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 복수의 나선형 코일은 상기 양측 단부로부터 코일의 몸체부를 따라 동일한 거리의 서로 대응되는 위치에서 전위 및 위상이 서로 동일한
    헬리컬공명플라즈마 발생장치.
  10. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 복수의 나선형 코일 중 적어도 하나는
    상기 RF 전원과, 상기 RF 전원과 연결되는 상기 적어도 하나의 나선형 코일의 일 단부 사이에 배치되는
    위상 변조기를 더 포함하는
    헬리컬공명플라즈마 발생장치.
  11. 제5 항에 있어서,
    상기 나선형 코일의 몸체부와 전기적으로 병렬 연결되며,
    상기 나선형 코일의 몸체부의 길이 방향을 따라 병렬 배치되는 복수의 스위치를 구비하고,
    상기 접지 단자와 연결되어 접지 위치를 미세 조정하는
    접지 위치 조절기를 더 포함하는
    헬리컬공명플라즈마 발생장치.
  12. 가스 유입구 및 상기 유입된 가스의 반응 공간을 구비하는 체임버;
    상기 체임버의 외벽에 배치되는 헬리컬공명플라즈마 안테나; 및
    상기 헬리컬공명플라즈마 안테나에 전원을 공급하는 RF 전원을 구비하되,
    상기 헬리컬공명플라즈마 안테나는 상기 RF 전원에 병렬 연결되는 복수의 나선형 코일을 포함하고,
    상기 복수의 나선형 코일은, 상기 복수의 나선형 코일이 공유하는 중심축에 대하여 서로 대칭되도록 배치되며,
    상기 양측 단부의 어느 하나는 개방되고, 다른 하나는 상기 RF 전원과의 접속되며, 상기 양측 단자 사이의 상기 코일의 몸체부에 배치되는 접지 단자를 포함하는
    플라즈마 반응 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    1 ~ 2 Torr의 공정 압력 및 4.2 내지 6.3 W/cm2의 플라즈마 파워에서 발생하는 플라즈마의 전자온도가 0.7 ~ 1.5 eV 인
    플라즈마 반응 장치.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 복수의 나선형 코일은
    상기 체임버의 외벽을 둘러싸는 형태, 및 상기 체임버의 외벽의 일 표면 상에 배치되는 형태 중 적어도 하나 이상의 배치 형태를 가지는
    플라즈마 반응 장치.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 복수의 나선형 코일 중 적어도 하나는
    상기 RF 전원과, 상기 RF 전원과 연결되는 상기 적어도 하나의 나선형 코일의 일 단부 사이에 배치되는 위상 변조기를 더 포함하는
    플라즈마 반응 장치.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 나선형 코일의 몸체부와 전기적으로 병렬 연결되며,
    상기 나선형 코일의 몸체부의 길이 방향을 따라 따라 병렬 배치되는 복수의 스위치를 구비하고, 상기 접지 단자와 연결되어 접지 위치를 미세 조정하는 접지 위치 조절기를 더 포함하는
    플라즈마 반응 장치.
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