KR20160092808A - 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 본 발명의 플라즈마 발생 장치는, 중앙에 관통공이 형성된 챔버; 상기 관통공에 설치되고, 내부에 중공이 형성된 플라즈마 발생실; 상기 플라즈마 발생실의 외주면을 감싸며, 상기 플라즈마 발생실 내부에 플라즈마를 발생시키는 유도코일; 상기 유도코일의 일측단에 형성되고, 무선 주파수 전원에 접속되는 제1 단자; 상기 유도코일의 타측단에 형성되며, 접지에 접속되는 제2 단자; 및 상기 제1 단자와 무선 주파수 전원의 사이에 연결되고, 상기 무선 주파수 전원의 전류량을 조절하는 전류량 조절부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 무선 주파수 전원과 유도코일 사이에 무선 주파수 전원의 전류량을 조절하는 전류량 조절부를 구비하여, 무선 주파수 전원의 전력이 가변되더라도 안정적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

플라즈마 발생 장치 {PLASMA GENERATING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마를 이용하여 시료를 에칭하거나 표면 처리하기 위한 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
반도체 기판 위에 형성된 실리콘 막이나 유전체 막 등을 에칭할 때, 플라즈마를 이용한 드라이 에칭 처리가 널리 이용되고 있다. 플라즈마를 이용한 드라이 에칭 처리는 감압된 상태에서 저압의 프로세스 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시키고, 발생된 플라즈마를 이용하여 시료를 에칭 가공하는 공정이다.
이를 위한 플라즈마 발생원(inductive plasma source)으로 플라즈마 발생 장치가 이용된다. 플라즈마 발생 장치는, 원통형의 챔버가 구비되고, 챔버 주위에 나선형의 유도코일이 권선된 형태가 많이 알려져 있다.
유전코일은 높은 전력이 걸리면 수십 [A] 범위에서 RF 고전류를 반송한다. 그에 따라 유도코일은 반송된 RF 고전류에 의해 유도코일을 따라 분배된 수 [kV] 범위의 RF 고전압이 발생되어 용량특성이 나타난다. 따라서 유도코일은 플라즈마와 상호작용하는 용량 전극으로 간주될 수 있으며, 종종 접지에 비해 제어 불가능한 높은 플라즈마 전위를 야기한다. 즉, 고전압 유도코일에서 기생 RF 용량 전류가 발생하거나 방전 플라즈마로 조사되어 플라즈마 전위의 RF 변동을 발생시킨다. 발생된 RF 변동으로 인해 제조하고자 하는 웨이퍼에 전기적 손상이 발생하거나 챔버에 기생 RF 용량 플라즈마 또는 RF 시스(sheath)가 형성되어 플라즈마 처리에 문제가 발생할 수 있다.
대한민국 공개특허 제2009-0068233호(플라즈마 처리 장치 및 방법, 공개일: 2009.06.25, 이하 선행문헌)는 상기의 문제를 해결하기 위한 플라즈마 처리 장치로, 플라즈마 처리 장치는 유도 코일의 일 측은 무선 주파수 전원이 접속되고, 타 측은 개방되며, 유도 코일의 실질적인 중심에 접지단자를 위치시킨 것이다. 하지만, 선행문헌은 플라즈마 처리 장치에 처리하기 위한 시료에 따라 무선 주파수 전원의 전력이 달라지는 경우, 그에 맞게 적절하게 대응하지 못하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 시료의 처리에 따라 무선 주파수 전원의 전력이 달라지더라도 플라즈마 발생 장치를 다시 구성하지 않고, 고유의 셀프 밸런스 유도코일을 갖는 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는, 중앙에 관통공이 형성된 챔버; 상기 관통공에 설치되고, 내부에 중공이 형성된 플라즈마 발생실; 상기 플라즈마 발생실의 외주면을 감싸며, 상기 플라즈마 발생실 내부에 플라즈마를 발생시키는 유도코일; 상기 유도코일의 일측단에 형성되고, 무선 주파수 전원에 접속되는 제1 단자; 상기 유도코일의 타측단에 형성되며, 접지에 접속되는 제2 단자; 및 상기 제1 단자와 무선 주파수 전원의 사이에 연결되고, 상기 무선 주파수 전원의 전류량을 조절하는 전류량 조절부를 포함한다.
이때, 상기 전류량 조절부는 적어도 하나 이상의 가변 캐패시터가 포함되고, 상기 제2 단자와 접지 사이에 전기적으로 연결되는 가변 캐패시터를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 전류량 조절부는 하나의 가변 캐패시터가 직렬로 연결되고, 하나 이상의 가변 캐패시터가 병렬로 연결된 회로일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는, 중앙에 관통공이 형성된 챔버; 상기 관통공에 설치되고, 내부에 중공이 형성된 플라즈마 발생실; 상기 플라즈마 발생실의 외주면을 감싸며, 상기 플라즈마 발생실 내부에 플라즈마를 발생시키는 유도코일; 상기 유도코일의 일측단에 형성되고, 개방 단부인 제1 단자; 상기 유도코일의 타측단에 형성되며, 무선 주파수 전원에 접속되는 제2 단자; 상기 제2 단자와 무선 주파수 전원의 사이에 연결되고, 상기 무선 주파수 전원의 전류량을 조절하는 전류량 조절부; 및 상기 제2 단자와 상기 전류량 조절부 사이에 연결된 접지 단자를 포함한다.
이때, 상기 전류량 조절부는 적어도 하나 이상의 가변 캐패시터가 포함된 회로이고, 상기 제2 단자와 접지 단자 사이에 전기적으로 연결되는 가변 캐패시터를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 전류량 조절부는 하나의 가변 캐패시터가 직렬로 연결되고, 하나 이상의 가변 캐패시터가 병렬로 연결된 회로일 수 있다.
또한, 상기 유도코일은 스파이럴 코일일 수 있으며, 상기 유도코일은 평면 코일일 수 있다.
본 발명에 의하면, 무선 주파수 전원과 유도코일 사이에 무선 주파수 전원의 전류량을 조절하는 전류량 조절부를 구비하여, 무선 주파수 전원의 전력이 가변되더라도 안정적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 전류량 조절부를 조절하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 전류량 조절부를 조절하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 전류량 조절부를 조절하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치(100)는, 챔버, 플라즈마 발생실(110), 유도코일(120), 무선 주파수 전원부(130), 전류량 조절부(140), 접지부(150) 및 접지 조절부(160)를 포함한다.
챔버는 에칭되기 위한 웨이퍼 등의 시료를 내부에 수용하고, 플라즈마 방전이 이루어질 수 있도록 중앙에 관통공이 형성된다. 관통공이 형성된 중앙에 플라즈마 발생실(110)이 구비되고, 관통공의 하부에 반응실이 형성된다. 반응실은 발생된 플라즈마와 시료가 반응하는 곳으로, 시료가 놓이는 시료대가 구비된다.
또한, 챔버의 상부에 관통공과 반응실 측으로 프로세스 가스를 유입시키기 위한 가스 유입관이 구비되고, 반응실 하부에 배기장치가 연결될 수 있는 배기구가 형성된다.
플라즈마 발생실(110)은 원통형으로 형성되며, 내부에 중공이 형성되어 하부의 반응실과 중공이 연장 형성된다. 플라즈마 발생실(110)의 외주면에는 유도코일(120)이 감겨 배치된다. 플라즈마 발생실(110)의 상부에는 플라즈마 발생시키기 위한 가스가 유입될 수 있는 가스 유입구(112)가 구비될 수 있고, 상부에 유전체(114)가 구비될 수 있다. 또한, 플라즈마 발생실(110)의 내부는 진공으로 형성되는 것이 바람직하며, 하단에는 이를 위한 펌핑 시스템(116)이 구비될 수 있다.
유도코일(120)은 중공이 형성된 플라즈마 발생실(110)의 외주면을 감싸며 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서 유도코일(120)은 플라즈마 발생실(110)의 외주면을 감싸는 나선형 유도코일(120)이 이용될 수 있고, 필요에 따라 평면 유도코일(120)이 이용될 수도 있다.
나선형 유도코일(120)은 도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 발생실(110)의 외주면을 나선형으로 감싼 형상으로 형성된다. 평면 유도코일(120)은 서로 평행하고 한 쪽인 개방된 둘 이상의 원형 코일이 원형 코일과 동일한 소재의 경사진 코일에 의해 연결된 코일이다. 평면 유도코일(120)을 이용함으로써, 시료와 평면 유도코일(120)의 하단의 거리가 일정해져 보다 균일하게 시료를 처리할 수 있다.
유도코일(120)의 양단에는 각각 제1 단자(122) 및 제2 단자(124)가 형성되고, 제1 단자(122)에는 무선 주파수 전원부(130)가 접속된다. 그리고 제2 단자(124)는 접지된다.
무선 주파수 전원부(130)는 유도코일(120)의 제1 단자(122)와 전기적으로 접속되어, 유도코일(120)에 교류 전원을 인가한다. 본 발명의 일 실시예에서 제1 단자(122)는 유도코일(120)의 상단에 위치한다.
전류량 조절부(140)는 무선 주파수 전원부(130)와 제1 단자(122)의 사이에 위치하며, 무선 주파수 전원부(130)에서 출력되는 전류량을 조절한다. 도 1에 도시된 본 발명의 플라즈마 발생 장치(100)를 임피던스 매칭회로로 단순화하여 도시하면, 도 2의 (a)와 같이 도시할 수 있고, 이때, 도 2의 (b)에 도시된 그래프와 같이, 전류가 최대가 되기 위해서는 XL = XC의 조건이 만족하여야 한다. 이는 유도코일(120)과 전류량 조절부(140) 전체에 걸리는 전위차가 0(zero)이 되도록 하기 위함이며, 그에 따라 최대 전류가 흐르도록 하기 위함이다.
그러므로 본 발명의 일 실시예에서 유도코일(120)의 인덕터 임피던스의 값(XL)과 전류량 조절부(140)의 임피던스 값을 일치시키기 위해 전류량 조절부(140)는 가변 캐패시터를 이용하여 조절한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전류량 조절부(140)는 세 개의 가변 캐패시터를 이용하여 회로를 구성한다. 하나의 캐패시터는 직렬로, 두 개의 캐패시터는 병렬로 구성하여 전류량 조절부(140)를 구성한다. 이렇게 구성된 전류량 조절부(140)를 본 발명의 일 실시예에서는 유도코일(120)과 직렬로 연결한다.
상기와 같이, 전류량 조절부(140)를 가변 캐패시터를 이용하여 구성함으로써, 무선 주파수 전원부(130)에서 출력되는 전력이 달라지더라도 가변 캐패시터를 조절하여 무선 주파수 전원부(130)에서 출력되는 전류량을 최대로 조절할 수 있다. 즉, 전류량 조절부(140)는 매칭 네트워크(matching network)로써의 역할을 수행할 수 있다.
접지부(150)는 유도코일(120)의 제2 단자(124)에 접속된다. 그리고 접지 조절부(160)는 제2 단자(124)와 접지부(150) 사이에 연결되며, 가변 캐패시터가 직렬로 연결된다. 가변 캐패시터가 포함된 접지 조절부(160)는 유도코일(120)의 제2 단자(124)와 접지부(150) 사이에 연결되어, 임피던스를 제어함으로써, 유도코일(120) 전단과 접지부(150) 간의 전위차(V1)와 접지 조절부(160) 전단와 접지부(150) 간의 전위차(V2)의 차이를 균일해질 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 도시한 개략도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 전류량 조절부를 조절하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치(200)는, 챔버, 플라즈마 발생실(210), 유도코일(220), 무선 주파수 전원부(230), 전류량 조절부(240), 접지부(250) 및 접지 조절부(260)를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치(200)의 각 구성은 일 실시예와 동일하고, 배치 상의 차이가 있어, 동일한 설명은 생략한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 플라즈마 발생실(210)의 외주면을 유도코일(220)이 감싸며 형성된다. 유도코일(220)의 양단에는 각각 제1 단자(222) 및 제2 단자(224)가 형성되고, 제1 단자(222)는 개방된다. 그리고 제2 단자(224)는 접지 조절부(260)와 접지부(250)가 병렬로 연결되며, 전류량 조절부(240)와 무선 주파수 전원부(230)가 각각 병렬로 연결된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치(200)를 임피던스 매칭회로로 단순화하여 도시하면, 도 4의 (a)와 같이 도시할 수 있다. 이때, 도 4의 (b)에 도시된 그래프와 같이, 전체 임피던스가 최대가 되어, 전체 전류량이 최소가 되도록 전류량 조절부(240)는 무선 주파수 전원부(230)에서 출력되는 전류량을 조절한다. 이를 위해 전류량 조절부(240)는 가변 캐패시터로 구비된다. 도 4의 (a)에서 전류량이 최소가 되기 위해서는 인덕터와 캐패시터의 임피던스가 최대가 되어 회로가 개방된 상태가 되므로, 전체 회로 상에서 최소의 전류가 흐른다.
전류량 조절부(240)는 본 발명의 일 실시예에서와 마찬가지로, 하나의 캐패시터는 직렬로, 두 개의 캐패시터는 병렬로 구성된다. 이렇게 구성된 전류량 조절부(240)를 본 발명의 다른 실시예에서 유도코일(220)과 병렬로 연결한다. 병렬로 연결된 전류량 조절부(240)의 가변 캐패시터를 조절하여 무선 주파수 전원부(230)에서 출력되는 전력이 달라지더라도 무선 주파수 전원부(230)에서 출력되는 전류량을 최소로 조절할 수 있다. 이때, 전류량 조절부(240)는 본 발명의 일 실시예에서와 마찬가지로 매칭 네트워크로서의 역할을 수행한다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
100, 200: 플라즈마 발생 장치
110, 210: 플라즈마 발생실 112, 222: 가스 유입구
114, 214: 유전체 116, 216: 펌핑 시스템
120, 220: 유도코일 122, 222: 제1 단자
124, 214: 제2 단자 130, 230: 무선 주파수 전원부
140, 240: 전류량 조절부 150, 250: 접지부
160, 260: 접지 조절부

Claims (5)

  1. 중앙에 관통공이 형성된 챔버;
    상기 관통공에 설치되고, 내부에 중공이 형성된 플라즈마 발생실;
    상기 플라즈마 발생실의 외주면을 감싸며, 상기 플라즈마 발생실 내부에 플라즈마를 발생시키는 유도코일;
    상기 유도코일의 일측단에 형성되고, 무선 주파수 전원에 접속되는 제1 단자;
    상기 유도코일의 타측단에 형성되며, 접지에 접속되는 제2 단자; 및
    상기 제1 단자와 무선 주파수 전원의 사이에 연결되고, 상기 무선 주파수 전원의 전류량을 조절하는 전류량 조절부를 포함하는 플라즈마 발생 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류량 조절부는 적어도 하나 이상의 가변 캐패시터가 포함된 회로인 플라즈마 발생 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 단자와 접지 사이에 전기적으로 연결되는 가변 캐패시터를 더 포함하는 플라즈마 발생 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류량 조절부는 하나의 가변 캐패시터가 직렬로 연결되고, 하나 이상의 가변 캐패시터가 병렬로 연결된 회로인 플라즈마 발생 장치.
  5. 중앙에 관통공이 형성된 챔버;
    상기 관통공에 설치되고, 내부에 중공이 형성된 플라즈마 발생실;
    상기 플라즈마 발생실의 외주면을 감싸며, 상기 플라즈마 발생실 내부에 플라즈마를 발생시키는 유도코일;
    상기 유도코일의 일측단에 형성되고, 개방 단부인 제1 단자;
    상기 유도코일의 타측단에 형성되며, 무선 주파수 전원에 접속되는 제2 단자;
    상기 제2 단자와 무선 주파수 전원의 사이에 연결되고, 상기 무선 주파수 전원의 전류량을 조절하는 전류량 조절부; 및
    상기 제2 단자와 상기 전류량 조절부 사이에 연결된 접지 단자를 포함하는 플라즈마 발생 장치.

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