KR20220094272A - 기판 처리 장치 - Google Patents

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KR20220094272A
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antenna
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plasma
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coils
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KR1020200184821A
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갈스티안
이혁진
김영빈
봉윤근
안종환
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세메스 주식회사
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Abstract

기판 처리 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 기판 처리 장치는, 내부에 처리 공간을 가지는 챔버; 상기 처리 공간에서 기판을 지지하는 기판 지지 유닛; 상기 처리 공간 내로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛; 및 상기 처리 공간 내에서 상기 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 플라즈마 발생 유닛;을 포함하고, 상기 플라즈마 발생 유닛은, RF 신호를 공급하는 RF 전원; 및 상기 RF 신호를 공급받아 상기 처리 공간 내에 공급된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 제1 안테나와 제2 안테나를 포함하고, 상기 제1 안테나는 상기 제2 안테나의 내측에 배치되고, 상기 제2 안테나가 포함하는 코일들의 총 높이는 상기 제1 안테나가 포함하는 코일들의 총 높이보다 높을 수 있다.

Description

기판 처리 장치{SUBSTRATE TREATING APPARATUS}
본 발명은 기판 처리 장치에 관한 발명이다. 보다 구체적으로, 플라즈마를 이용하여 식각 처리를 하는 기판 처리 장치에 관한 발명이다.
반도체, 디스플레이, 솔라셀 등을 제조하는 공정에는 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 공정이 포함되어 있다. 예를 들어, 반도체 제조 공정 중에서 건식 식각에 사용되는 식각 장치 또는 애싱(ashing)에 사용되는 애싱 장치는 플라즈마를 생성하기 위한 챔버를 포함하며, 기판은 상기 플라즈마를 이용하여 식각 또는 애싱 처리될 수 있다.
플라즈마 장치는 RF전력의 인가방식에 따라 용량결합형(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 장치와 유도결합형(Inductively Coupled Plasma, ICP) 장치로 구분된다. 용량결합형 장치는 서로 대향되는 평행판과 전극에 RF전력을 인가하여 전극 사이에 수직으로 형성되는 RF 전기장을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 방식이다. 유도결합형 장치는 안테나에 의하여 유도되는 유도전기장을 이용하여 소스물질을 플라즈마로 변환시키는 방식이다.
유도결합형 장치에서는 RF 전원에 연결된 매칭기 및 전류 분배기를 통해 플라즈마 안테나에 전류를 분배하고, 내부 코일과 외부 코일 간의 결합을 제어할 수 있다. 또한 이를 통해 내부 코일과 외부 코일 간의 전류 비율을 제어할 수 있고, 이를 통해 플라즈마 에칭의 방사형 균일성을 제어할 수 있다. 그러나 기존의 유도결합형 장치에서는 여전히 챔버의 에지 영역과 센터 영역 간의 에칭 레이트가 차이나는 문제점이 존재하였다.
본 발명에서는, 챔버의 에지 영역에서의 플라즈마 밀도를 높일 수 있는 안테나 구조를 제안하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치는, 내부에 처리 공간을 가지는 챔버; 상기 처리 공간에서 기판을 지지하는 기판 지지 유닛; 상기 처리 공간 내로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛; 및 상기 처리 공간 내에서 상기 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 플라즈마 발생 유닛;을 포함하고, 상기 플라즈마 발생 유닛은, RF 신호를 공급하는 RF 전원; 및 상기 RF 신호를 공급받아 상기 처리 공간 내에 공급된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 제1 안테나와 제2 안테나를 포함하고, 상기 제1 안테나는 상기 제2 안테나의 내측에 배치되고, 상기 제2 안테나가 포함하는 코일들의 총 높이는 상기 제1 안테나가 포함하는 코일들의 총 높이보다 높을 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 제2 안테나가 포함하는 코일들은 하나의 층으로 적층되어 제공될 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 제2 안테나는 복수의 코일이 층층이 겹쳐지게 제공될 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 제2 안테나가 포함하는 코일들은 상부에서 바라보았을 때 모두 겹쳐지는 위치에 제공될 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 병렬로 연결될 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 제2 안테나가 포함하는 코일의 개수는 4개로 제공될 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 제1 안테나가 포함하는 코일의 개수는 4개 혹은 그 이하로 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 기판 처리 장치에 있어서, 내부에 처리 공간을 가지는 챔버; 상기 처리 공간에서 기판을 지지하는 기판 지지 유닛; 상기 처리 공간 내로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛; 및 상기 처리 공간 내에서 상기 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 플라즈마 발생 유닛;을 포함하고, 상기 플라즈마 발생 유닛은, RF 신호를 공급하는 RF 전원; 및 상기 RF 신호를 공급받아 상기 처리 공간 내에 공급된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 제1 안테나와 제2 안테나를 포함하고, 상기 제1 안테나는 상기 제2 안테나의 내측에 배치되고, 상기 제2 안테나는 복수의 코일을 포함하며, 상기 제2 안테나가 포함하는 복수의 코일들은 상기 제2 안테나의 접촉 면적이 최소화 될 수 있는 구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 기판 처리 장치에 있어서, 내부에 처리 공간을 가지는 챔버; 상기 처리 공간에서 기판을 지지하는 기판 지지 유닛; 상기 처리 공간 내로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛; 및 상기 처리 공간 내에서 상기 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 플라즈마 발생 유닛;을 포함하고, 상기 플라즈마 발생 유닛은, RF 신호를 공급하는 RF 전원; 및 상기 RF 신호를 공급받아 상기 처리 공간 내에 공급된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 제1 안테나와 제2 안테나를 포함하고, 상기 제1 안테나는 상기 제2 안테나의 내측에 배치되고, 상기 제2 안테나는 복수의 코일을 포함하며, 상기 제2 안테나는 상기 복수의 코일이 적층되어 제공될 수 있다.
본 발명에서는, 챔버의 에지 영역에서의 플라즈마 밀도를 높일 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 형상을 보다 상세하게 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예예 따른 안테나의 형상을 측면에서 바라본 도면이다.
도 4(a)는 기존의 안테나의 형상을 나타내는 도면이고, 도 4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 형상을 나타내는 도면이다.
도 5(a) 내지 도(b)는 본 발명에 따른 기판 처리 장치를 회로의 형태로 표현한 도면이다.
도 6(a) 내지 도 6(b)는 기존 기판 처리 장치와 본 발명에 따른 기판 처리 장치에서의 자기장의 분포를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 구체적으로, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 도면이다.
도 1a를 참조하면, 기판 처리 장치(100)는 바디(110), 유전체 윈도우(120), 가스 공급부(130), 플라스마 소스(140), 배플(150) 그리고 기판 지지 유닛(200)을 포함할 수 있다.
바디(110)는 상면이 개방되며, 내부에 공간이 형성된다. 바디(110)의 내부 공간은 기판 처리가 수행되는 공간을 제공한다. 바디(110)의 바닥면에는 배기홀(111)들이 형성될 수 있다. 배기홀(111)들은 배기 라인(161)과 연결되며, 공정 과정에서 발생한 반응 부산물과 바디(110) 내부에 머무르는 가스가 외부로 배출되는 통로를 제공한다. 유전체 윈도우(120)는 바디(110)의 개방된 상면을 밀폐한다. 유전체 윈도우(120)는 바디(110) 둘레에 상응하는 반경을 가진다. 유전체 윈도우(120)는 유전체 재질로 제공될 수 있다. 유전체 윈도우(120)는 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 본 발명에 따른 챔버는 바디(110)와 유전체 윈도우(120)를 포함하도록 구성될 수 있다.
가스 공급 유닛(130)은 기판 지지 유닛(200)에 지지된 기판(W) 상으로 공정 가스를 공급한다. 가스 공급 유닛(130)은 가스 저장부(135), 가스 공급 라인(133), 그리고 가스 유입 포트(131)를 포함한다. 가스 공급 라인(133)은 가스 저장부(135) 및 가스 유입 포트(131)를 연결한다. 가스 저장부(135)에 저장된 공정 가스는 가스 공급 라인(133)을 통해 가스 유입 포트(131)로 공급한다. 가스 유입 포트(131)는 챔버의 상부벽에 설치된다. 가스 유입 포트(131)는 기판 지지 유닛(200)과 대향되게 위치된다. 일 예에 의하면, 가스 유입 포트(131)는 챔버 상부벽의 중심에 설치될 수 있다. 가스 공급 라인(133)에는 밸브가 설치되어 그 내부 통로를 개폐하거나, 그 내부 통로에 흐르는 가스의 유량을 조절할 수 있다. 예컨대, 공정 가스는 식각 가스일 수 있다.
배플(150)은 챔버(110) 내에서 공정가스의 흐름을 제어한다. 배플(150)은 링 형상으로 제공되며, 챔버(110)와 기판 지지 유닛(200) 사이에 위치한다. 배플(150)에는 관통홀(151)들이 형성된다. 챔버(110) 내에 머무르는 공정가스는 관통홀(151)들을 통과하여 배기홀(111)에 유입된다. 관통홀(151)들의 형상 및 배열에 따라 배기홀(111)로 유입되는 공정 가스의 흐름이 제어될 수 있다.
기판 지지 유닛(200)은 공정 챔버(110) 내부에 위치하며, 기판(W)을 지지한다. 기판 지지 유닛(200)은 정전기력을 이용하여 기판(W)을 지지하는 정전 척(Electrode static chuck)이 제공될 수 있다. 이와 달리, 기판 지지 유닛(200)은 기계적 클램핑과 같은 다양한 방식으로 기판(W)을 지지할 수 있다. 이하, 정전 척을 예를 들어 설명한다.
정전 척(200)은 제1플레이트(210), 전극(220), 히터(230), 포커스 링(240)을 포함할 수 있다. 제1플레이트(210)는 원판 형상으로 제공되며, 상면에 기판(W)이 놓인다. 제1플레이트(210)의 상면은 가장 자리 영역보다 중앙 영역이 높게 위치하도록 단차질 수 있다. 제1플레이트(210)의 상면 중앙 영역은 기판(W)보다 작은 반경을 가질 수 있다. 때문에 기판(W)의 가장자리영역은 제1플레이트(210)의 상면 중앙영역 외측에 위치한다. 제1플레이트(210)는 유전체(dielectric substance) 재질의 유전 판으로 제공될 수 있다.
제1플레이트(210)의 내부에는 전극(220)이 제공된다. 전극(220)은 외부 전원(260)과 연결되며, 전원으로부터 전력이 인가된다. 전극(220)은 기판(W)과의 사이에 정전기력을 형성하여 기판(W)을 제1플레이트(210)의 상면에 흡착시킨다.
제1플레이트(210)의 내부에는 히터(230)가 제공된다. 히터(230)는 전극(220)의 하부에 제공될 수 있다. 히터(230)는 외부 전원(260)과 전기적으로 연결되며, 인가된 전류에 저항함으로써 열을 발생시킨다. 발생된 열은 제1플레이트(210)를 거쳐 기판(W)으로 전달된다. 히터(230)에서 발생된 열에 의해 기판(W)은 소정 온도로 가열된다. 히터(230)는 나선 형상의 코일로 제공될 수 있다. 히터(230)는 균일한 간격으로 제1플레이트(210)에 매설될 수 있다.
제1 플레이트(210)의 하부에 배치된 몸체는 금속판을 포함할 수 있다. 일 예에 의하면, 몸체 전체가 금속판으로 제공될 수 있다. 몸체는 추가 전원(300)과 전기적으로 연결될 수 있다. 추가 전원(300)은 고주파 전력을 발생시키는 고주파 전원으로 제공될 수 있다. 고주파 전원은 RF 전원을 포함할 수 있다. 몸체는 추가 전원(300)으로부터 고주파 전력을 인가받을 수 있다. 이로 인하여 몸체는 전극, 즉 하부 전극으로서 기능할 수 있다. 몸체와 추가 전원(300) 사이에는 추가 매처(310)가 배치되어, 임피던스 정합을 수행할 수 있다.
포커스 링(240)은 링 형상으로 제공되며, 제1플레이트(210)의 둘레를 따라 배치된다. 포커스 링(240)의 상면은 제1플레이트(210)에 인접한 내측부가 외측부보다 낮도록 단차져서 제공될 수 있다. 포커스 링(240)의 상면 내측부는 제1플레이트(210)의 상면 중앙영역과 동일 높이에 위치할 수 있다. 포커스 링(240)의 상면 내측부는 제1플레이트(210)의 외측에 위치하는 기판(W)의 가장자리 영역을 지지한다. 포커스 링(240)은 플라스마가 형성되는 영역의 중심에 기판이 위치하도록 전기장 형성 영역을 확장시킨다.
플라스마 발생 유닛(140)은 챔버 내부로 공급된 공정 가스를 플라스마 상태로 여기시킨다. 플라스마 발생 유닛(140)은 안테나(1411, 1412)와 RF 전원(142), 매처(144)를 포함할 수 있다. 안테나(1411, 1412)는 유전체 윈도우(120)의 상부에 위치하며, 나선 형상의 코일로 제공될 수 있다. RF 전원(142)은 안테나(1411, 1412)와 연결되며, 고주파 전력을 안테나(141)에 인가할 수 있다. 매처(144)는 RF 전원(142)의 출력단에 연결되어 전원 측의 출력 임피던스와 부하 측의 입력 임피던스를 정합시킬 수 있다. 매처(144)는 전류 분배기(143)를 포함할 수 있다. 전류 분배기(143)는 매처(144) 내에 통합되어 구현될 수 있다. 그러나 이와 다르게 매처(144) 및 전류 분배기(143)는 별도의 구성요소로 제공되어 구현될 수도 있다. 전류 분배기(143)는 RF 전원(142)으로부터 공급되는 전류를 안테나(1411, 1412)로 분배할 수 있다. 안테나(1411, 1412)에 인가된 고주파 전력에 의해, 챔버 내부에는 유도 전기장이 형성된다. 공정 가스는 유도 전기장으로부터 이온화에 필요한 에너지를 얻어 플라스마 상태로 여기된다. 플라스마 상태의 공정 가스는 기판(W)으로 제공되며, 기판(W)을 처리한다. 플라스마 상태의 공정 가스는 에칭 공정을 수행할 수 있다.
도 1에서 기판 처리 장치(100)가 포함하는 안테나(141)는 제1 안테나(1411)와 제2 안테나(1412)를 포함하도록 구성될 수 있다. 도 1의 ICP 공정 챔버에서 플라즈마는 유전체 윈도우(120)에 의해 챔버로부터 분리되는 유도 코일을 통해 방위각 전기장에 의해 형성된다.
제1 안테나(1411)와 제2 안테나(1412)는 RF 신호를 공급받아 상기 챔버 내의 처리 공간 내에 공급된 가스로부터 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 제1 안테나(1411)는 제2 안테나(1412)의 내측에 배치될 수 있다. 제1 안테나(1411)는 내부 안테나일 수 있다. 제2 안테나(1412)는 외부 안테나일 수 있다. 제1 안테나(1411)와 제2 안테나(1412)는 병렬로 연결될 수 있다. 제1 안테나(1411)와 제2 안테나(1412) 각각은 코일을 포함할 수 있다. 제1 안테나(1411)와 제2 안테나(1412)의 구체적인 구조에 대해서는 도 2 내지 도 3을 참조하여 후술한다.
도 1b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 기판 처리 장치의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 1a에서 중복된 부분에 대한 설명은 생략한다. 도 1b의 일 실시예에 따르면 RF 전원은 복수 개(142a, 142b)로 제공되어, 제1 안테나(1411) 및 제2 안테나(1412)에 각각 연결될 수 있다. 이를 통해 제1 안테나(1411) 및 제2 안테나(1412)는 별도의 RF 전원을 통해 고주파 전력을 인가받을 수 있다. 이 때, 제1 매처(144a) 및 제2 매처(144b)를 포함할 수 있다. 제1 매처(144a)는 제1 RF 전원(142a)과 부하 측의 임피던스를 정합시킬 수 있다. 제2 매처(144b)는 제2 RF 전원(144a)과 부하 측의 임피던스를 정합시킬 수 있다. 도 1b에서의 실시예의 경우, 제1 매처(144a) 및 제2 매처(144b)는 전류 분배기를 포함하지 아니할 수 있다.
도 1c는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 기판 처리 장치의 일 예시를 나타내는 도면이다.
마찬가지로, 도 1a에서 중복된 부분에 대한 설명은 생략한다. 도 1c의 일 실시예에 따르면 하부 전원은 DWG(170) 및 하부 매처(171)를 포함할 수 있다.
일 예시에 따르면 본 발명에 따른 기판 처리 장치는 설정 파형 발생기(Designed Waveform Generator, 이하에서 DWG 또는 설정 파형 발생기로 칭함)(170)를 포함할 수 있다. 설정 파형 발생기(170)는 사용자가 설정한 임의 파형(이하 '설정 파형'이라 지칭함)을 갖는 출력 전압(Vout)을 생성할 수 있고, 생성된 출력 전압(Vout)을 바디(110)로 제공할 수 있다. 예를 들어, 설정 파형은 수 kHz 내지 수 MHz의 주파수로 출력될 수 있고, 수십 V 내지 수십 kV의 임의의 가변 전압 레벨로 출력될 수 있다. 바디(110) 내에는 공정이 수행될 반도체 웨이퍼(W)가 배치될 수 있고, 이에 제공된 출력 전압을 이용하여 반도체 웨이퍼(W)에 대해 반도체 공정을 수행할 수 있다.
설정 파형 발생기(170)는 구형파를 생성하는 적어도 하나의 펄스 모듈 및 가변 파형을 생성하는 적어도 하나의 슬로프 모듈을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 펄스 모듈은 복수의 펄스 모듈들로 구현될 수 있고, 적어도 하나의 슬로프 모듈은 복수의 슬로프 모듈들로 구현될 수 있다. 펄스 모듈들의 개수 및 슬로프 모듈들의 개수는 실시예에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
설정 파형 발생기(170)의 최대 출력 전압은 펄스 모듈들의 개수 및 슬로프 모듈들의 개수에 따라 결정될 수 있다. 설정 파형 발생기(170)의 출력 전압은 적어도 하나의 펄스 모듈에 공급되는 DC 전압과 적어도 하나의 슬로프 모듈에 공급되는 DC 전압의 합에 대응할 수 있다. 구체적으로, 적어도 하나의 펄스 모듈 및 적어도 하나의 슬로프 모듈은 서로 연결될 수 있고, 이에 따라, 설정 파형 발생기(170)는 적어도 하나의 펄스 모듈에 공급되는 DC 전압과 적어도 하나의 슬로프 모듈에 공급되는 DC 전압의 합에 대응하는 전압 레벨을 제공할 수 있다.
복수의 펄스 모듈들은 포지티브 전압을 생성하는 적어도 하나의 포지티브 펄스 모듈 및/또는 네거티브 전압을 생성하는 적어도 하나의 네거티브 펄스 모듈을 포함할 수 있다. 복수의 슬로프 모듈들은 포지티브 전압을 생성하는 적어도 하나의 포지티브 슬로프 모듈 및/또는 네거티브 전압을 생성하는 적어도 하나의 네거티브 슬로프 모듈을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 적어도 하나의 펄스 모듈 및 적어도 하나의 슬로프 모듈은 캐스케이드(cascade) 방식으로 연결될 수 있다. 여기서, 캐스케이드 방식은 복수의 모듈들을 연결하는 경우 하나의 모듈의 출력을 다른 모듈의 입력으로 직렬 연결하는 방식을 나타내며, 캐스케이드 연결이라고 지칭할 수도 있다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 펄스 모듈의 출력은 적어도 하나의 슬로프 모듈의 입력으로 연결될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 적어도 하나의 슬로프 모듈의 출력이 적어도 하나의 펄스 모듈의 입력으로 연결될 수도 있다.
이하에서 보다 상세한 도면을 통해 본 발명에 따른 안테나(141)의 구조를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나(141)의 구조를 보다 상세하게 나타내는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에서는 코일 간의 상호 결합을 감소시키는 동시에 플라즈마 챔버의 에지 영역에서의 자기장을 증가시키기 위해, 에지 부분에 배치되는 제2 안테나(1412)를 수직으로 적층된 복수의 코일을 사용할 수 있다. 제2 안테나(1412)는 복수의 코일들을 포함할 수 있다. 일 예시에 따르면, 제2 안테나(1412)가 포함하는 코일들은 하나의 층으로 적층되어 제공될 수 있다. 일 예시에 따르면, 제2 안테나(1412)는 복수의 코일이 층층이 겹쳐지게 제공될 수 있다.
에칭 챔버의 외부 영역, 즉 에지 영역에서 플라즈마의 밀도를 높이기 위해서는 유전체 윈도우을 통한 ICP 코일의 용량 결합(capacitive coupling)을 줄이는 것이 중요하다. 이를 위해 본 발명에서는 ICP 소스가 포함하는 제2 안테나(1412)를 코일이 적층된 구조로 적용한다. 이를 통해, 유전체 윈도우에 대한 제2 안테나(1412) 코일의 용량성 커플링(capacitive coupling)을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 제1 안테나(1411) 코일과 제2 안테나(1412) 코일 간의 결합을 줄여 제1 안테나(1411) 대 제2 안테나(1412)의 전류 비율 제어를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 예시에 따른 안테나의 경우, 이중으로 스택(stack)된 제1 안테나(1411)와, 수직으로 스택(stack)된 제2 안테나(1412)를 포함하는 안테나 구조가 개시될 수 있다. 이와 같은 설계 구조를 통해, 에지 영역의 플라즈마에 대한 제2 안테나(1412)의 유도 결합을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의(141) 형상을 측면에서 바라본 도면이다.
도 3의 일 예시에 따르면, 제2 안테나(1412)의 총 높이는 제1 안테나(1411)의 총 높이보다 더 높게 제공될 수 있다. 일 예시에 따르면 제2 안테나(1412)가 포함하는 코일들이 형성하는 총 높이는 제1 안테나(1411)가 포함하는 코일들이 형성하는 총 높이보다 높게 제공될 수 있다. 일 예시에 따르면 제2 안테나(1412)가 포함하는 코일들의 개수는 제1 안테나(1411)가 포함하는 코일들의 개수보다 많게 형성될 수 있다.
일 예시에 따르면, 제1 안테나(1411)는 2개의 코일이 트위스트 되어 제공될 수 있다. 일 예시에 따르면 제2 안테나(1412)는 4개의 코일이 층층이 적층되어 제공될 수 있다.
본 발명은, 공간의 제약으로 인해 코일의 평면 방향 회전 수를 늘리는 데 어려움이 있는 문제를 극복하기 위해, 축 방향으로 회전 수를 증가시키는 안테나 구조를 채택할 수 있다.
일 예시에 따르면, 제2 안테나(1412)가 포함하는 코일들은 상부에서 바라보았을 때 모두 겹쳐지는 위치에 제공될 수 있다. 이를 통해 제2 안테나(1412)가 복수의 코일을 포함하더라도 하나의 층으로 적층되어 제공됨을 확인할 수 있다. 또한, 이를 통해 제2 안테나(1412)가 포함하는 복수의 코일들은 제2 안테나(1412)와 유전체 윈도우와의 접촉 면적이 최소화될 수 있는 구조로 제공될 수 있다.
도 4(a)는 기존의 안테나의 형상을 나타내는 도면이고, 도 4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 형상을 나타내는 도면이다.
도 4(a)의 경우 기존의 안테나의 형상과 같이 동일 평면상에서 확장되는 코일로 제공되는 일 예시가 개시된다. 도 4(a)를 참조하면, 제1 안테나(1411)와 제2 안테나(1412) 사이의 거리가 가까워, 제1 안테나(1411)가 포함하는 코일과 제2 안테나(1412)가 포함하는 코일 간의 상호 결합(mutual coupling)이 높게 나타나는 문제가 있었다. 또한, 도 4(a)와 같은 평면 코일은 유전체 윈도우(120)와 접촉하는 표면적이 넓어 유전체 윈도우를 통한 플라즈마(Cd)를 통한 용량성 커플링(capacitive coupling)이 크게 나타나는 문제가 있었다.
이를 극복하기 위해 제2 안테나(1412)를 제1 안테나(1411)와 보다 멀게 배치하는 경우에는, 챔버의 내벽과 제2 안테나(1412)가 포함한 코일 간의 거리가 가까워지게 되어 외부로 빠져나가는 자기장의 양이 많게 되는 문제점이 발생하였다.
도 4(b)의 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 형상을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예와 같이 안테나를 형성할 경우, 제1 안테나(1411)가 포함한 코일과 제2 안테나(1412)가 포함한 코일의 사이의 거리가 증가하여 상호 결합(mutual coupling)을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 4(b)를 참조하면, 기존의 안테나 구조에 비해 본 발명에 따른 안테나 구조는 제2 안테나(1412)가 유전체 윈도우(120)와 접촉하는 면적이 적어진 것을 확인할 수 있다.
안테나의 접촉 표면이 커질수록, 유전체 윈도우(120)를 통한 용량 결합이 높아지는 문제점이 있다. 본 발명에 따른 제2 안테나(1412)가 포함하는 코일들의 수직 적층 구조는 유전체 윈도우(120)에 접촉하는 코일의 접촉 표면을 최소화 할 수 있는 효과가 있으므로, 유전체 윈도우(120)를 통한 용량 결합을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 자기장을 플라즈마 챔버의 가장 바깥 쪽 영역으로 향하게 할 수 있는 효과가 있다. 또한 유전체 윈도우(120)와의 접촉 면적이 작으므로, 발생하는 부산물이나 파티클의 영향도 최소화 할 수 있는 효과가 존재한다. 이와 같은 구조를 통해 에칭 챔버의 익스트림 에지(extreme edge) 부분에서의 최대 효과를 얻을 수 있다.
도 5(a) 내지 도(b)는 본 발명에 따른 기판 처리 장치를 회로의 형태로 표현한 도면이다.
도 5(a)는 본 발명에 따른 기판 처리 장치의 인덕티브 커플링(inductive coupling)을 회로화 한 것이다.
도 5(a)에 도시된 각각의 부호의 의미는 다음과 같다. Lant는 안테나의 인덕턴스(Antenna inductance), Rant는 안테나의 저항(Antenna resistance), Lp는 코일에 결합된 플라즈마 지오메트리 영역의 인턱턴스(Plasma geometrical region coupled to coil (donut shape)), Le는 전자 관성 인덕턴스(Electron inertia inductance), Rp는 플라즈마 저항(Plasma resistance)을 나타낸다.
도 5(a)에 따르면 안테나의 인덕턴스와 플라즈마 간의 인덕턴스 간의 상호 커플링이 발생하는 바, 유도성 결합(inductive coupling)를 높이기 위해 제2 안테나(1412)에 포함되는 코일을 보다 많은 개수로 형성할 수 있다.
도 5(b)는 본 발명에 따른 기판 처리 장치의 캐패시티브 커플링(capacitive coupling)을 회로화 한 것이다.
도 5(b)에 도시된 각각의 부호의 의미는 다음과 같다.
Lant는 안테나의 인덕턴스(Antenna inductance), Rant는 안테나의 저항(Antenna resistance), Cd는 유전체 윈도우의 커패시턴스(dielectric window capacitance), Cs는 플라즈마 쉬스의 커패시턴스(sheath capacitance), Rs는 플라즈마 쉬스의 저항(sheath resistance)을 나타낸다.
도 5(b)에 따르면, 유전체 윈도우와 플라즈마 쉬스에서의 커패시터로 인해 발생하는 용량성 결합을 줄이기 위해 제2 안테나(1412) 코일을 하나의 층으로 적층하여 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 용량성 결합(capacitive coupling)을 줄이고, 유도성 결합(inductive coupling)을 높이는 것을 통해 플라즈마 처리를 보다 효율적으로 수행할 수 있는 효과가 있다. 또한 높은 인덕턴스(inductance)를 가지도록 제어하는 것을 통해 높은 자기장(magnetic field)을 확보할 수 있다.
본 발명에서는 에지 영역에서의 플라즈마 밀도를 높이기 위해 유도성 전력 결합을 늘리고, 용량성 전력 결합을 줄일 수 있다.
일 예시에 따르면 제2 안테나(1412)가 포함하는 코일의 개수를 많게 하여 복수의 권선을 형성함으로써, 챔버의 에지 부분에서의 높은 자기장을 확보하는 것이 가능한 효과가 있다.
즉 본 발명에 따르면, 제2 안테나(1412)에 포함된 코일들의 스택 구조를 통해 유전체 윈도우와의 접촉 면적을 줄임으로써 용량성 결합(capacitive coupling)을 줄이고, 제2 안테나(1412)에 복수의 권선을 포함하는 구조를 통해 인덕턴스를 높일 수 있는 효과가 존재한다. 또한 이를 통해 가장자리에 자기장을 집중시킴으로써 플라즈마 밀도의 균일화를 만족시킬 수 있는 효과도 존재한다.
도 6(a) 내지 도 6(b)는 기존 기판 처리 장치와 본 발명에 따른 기판 처리 장치에서의 자기장의 분포를 나타내는 도면이다.
도 6(a)는 종래 기술의 기판 처리 장치에서 유전체 윈도우의 아래에서 측정된 축 방향 자기장과 CR = 1 일 때 자기 PCB 코일 센서를 사용하여 측정한 결과를 나타내며, 도 6(b)는 본 발명에 따른 기판 처리 장치에서 유전체 윈도우의 아래에서 측정된 축 방향 자기장과 CR = 1 일 때 자기 PCB 코일 센서를 사용하여 측정한 결과를 나타낸다.
본 발명에 따른 기판 처리 장치를 이용하는 경우, 제2 안테나(1412)의 코일 아래에서 자기장이 증가 한 결과를 확인할 수 있다. 이를 통해 에지 부분에서의 플라즈마 밀도 역시 균일해질 것임을 확인할 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.
100 : 기판 처리 장치
120 : 유전체 윈도우
130 : 가스 공급 유닛
140 : 플라즈마 발생 유닛
142 : RF 전원
1411 : 제1 안테나
1412 : 제2 안테나
143 : 전류 분배기
144 : 매처

Claims (20)

  1. 기판을 처리하는 장치에 있어서,
    내부에 처리 공간을 가지는 챔버;
    상기 처리 공간에서 기판을 지지하는 기판 지지 유닛;
    상기 처리 공간 내로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛; 및
    상기 처리 공간 내에서 상기 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 플라즈마 발생 유닛;을 포함하고,
    상기 플라즈마 발생 유닛은,
    RF 신호를 공급하는 RF 전원; 및
    상기 RF 신호를 공급받아 상기 처리 공간 내에 공급된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 제1 안테나와 제2 안테나를 포함하고,
    상기 제1 안테나는 상기 제2 안테나의 내측에 배치되고,
    상기 제2 안테나가 포함하는 코일들의 총 높이는 상기 제1 안테나가 포함하는 코일들의 총 높이보다 높은 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 안테나가 포함하는 코일들은 하나의 층으로 적층되어 제공되는 기판 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 안테나는 복수의 코일이 층층이 겹쳐지게 제공되는 기판 처리 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제2 안테나가 포함하는 코일들은 상부에서 바라보았을 때 모두 겹쳐지는 위치에 제공되는 기판 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 병렬로 연결되는 기판 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 안테나가 포함하는 코일의 개수는 4개로 제공되는 기판 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 안테나가 포함하는 코일의 개수는 4개 혹은 그 이하로 제공되는 기판 처리 장치.
  8. 기판을 처리하는 장치에 있어서,
    내부에 처리 공간을 가지는 챔버;
    상기 처리 공간에서 기판을 지지하는 기판 지지 유닛;
    상기 처리 공간 내로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛; 및
    상기 처리 공간 내에서 상기 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 플라즈마 발생 유닛;을 포함하고,
    상기 플라즈마 발생 유닛은,
    RF 신호를 공급하는 RF 전원; 및
    상기 RF 신호를 공급받아 상기 처리 공간 내에 공급된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 제1 안테나와 제2 안테나를 포함하고,
    상기 제1 안테나는 상기 제2 안테나의 내측에 배치되고,
    상기 제2 안테나는 복수의 코일을 포함하며,
    상기 제2 안테나가 포함하는 복수의 코일들은 상기 제2 안테나의 접촉 면적이 최소화 될 수 있는 구조로 제공되는 기판 처리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 안테나가 포함하는 코일들은 하나의 층으로 적층되어 제공되는 기판 처리 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 안테나는 복수의 코일이 층층이 겹쳐지게 제공되는 기판 처리 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 제2 안테나가 포함하는 코일들은 상부에서 바라보았을 때 모두 겹쳐지는 위치에 제공되는 기판 처리 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 안테나의 총 높이는 상기 제1 안테나의 총 높이보다 높은 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 안테나가 포함하는 코일의 개수는 4개로 제공되는 기판 처리 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 안테나가 포함하는 코일의 개수는 4개 혹은 그 이하로 제공되는 기판 처리 장치.
  15. 기판을 처리하는 장치에 있어서,
    내부에 처리 공간을 가지는 챔버;
    상기 처리 공간에서 기판을 지지하는 기판 지지 유닛;
    상기 처리 공간 내로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛; 및
    상기 처리 공간 내에서 상기 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 플라즈마 발생 유닛;을 포함하고,
    상기 플라즈마 발생 유닛은,
    RF 신호를 공급하는 RF 전원; 및
    상기 RF 신호를 공급받아 상기 처리 공간 내에 공급된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 제1 안테나와 제2 안테나를 포함하고,
    상기 제1 안테나는 상기 제2 안테나의 내측에 배치되고,
    상기 제2 안테나는 복수의 코일을 포함하며,
    상기 제2 안테나는 상기 복수의 코일이 적층되어 제공되는 기판 처리 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 안테나가 포함하는 복수의 코일들은 상부에서 바라보았을 때 모두 겹쳐지는 위치에 제공되는 기판 처리 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 안테나의 총 높이는 상기 제1 안테나의 총 높이보다 높은 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 안테나가 포함하는 코일의 개수는 4개로 제공되는 기판 처리 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 안테나가 포함하는 코일의 개수는 4개 혹은 그 이하로 제공되는 기판 처리 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 병렬로 연결되는 기판 처리 장치.
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