KR20230100087A - 플라즈마 제어 장치 및 플라즈마 처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 제어 장치는, 플라즈마 챔버 내에 배치되며 플라즈마 생성을 위하여 적어도 하나의 제1 주파수를 갖는 RF 파워가 공급되는 플라즈마 전극, 상기 플라즈마 전극 둘레에서 플라즈마 에지 영역에 대응하도록 배치되는 에지 전극, 및 상기 에지 전극에 전기적으로 연결되며, 상기 제1 주파수 성분, 플라즈마의 비선형성에 의해 발생된 고조파 성분, 및 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분과 각각의 상기 제1 주파수 성분과 상기 고조파 성분에 의해 발생된 상호변조 주파수 성분들의 상기 플라즈마 에지 경계 영역에서의 전기적 경계 조건을 제어하기 위한 플라즈마 제어 회로를 포함한다. 상기 플라즈마 제어 회로는 상기 전기적 경계 조건을 변경하여 상기 플라즈마 챔버 내의 정상파를 제어한다

Description

플라즈마 제어 장치 및 플라즈마 처리 시스템{PLASMA CONTROL APPARATUS AND PLASMA PROCESSING SYSTEM}
본 발명은 플라즈마 제어 장치 및 플라즈마 처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 분포를 제어하기 위한 플라즈마 제어 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 처리 시스템에 관한 것이다.
플라즈마 처리 시스템에 있어서, 챔버 내 플라즈마의 균일도는 공정 성능에 지대한 영향을 준다. 특히 고종횡비 콘택(HARC) 식각 설비에서는 충분한 밀도 생성을 위하여 고주파를 출력으로 사용하기 때문에, 플라즈마의 비선형에 의해 발생하는 제1 주파수(기본 주파수)의 고조파(harmonics) 성분과 상호변조(IMD, Intermodulation Distortion) 주파수 성분들이 공정 결과에 큰 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 일 과제는 플라즈마 챔버 내에 개선된 플라즈마 균일도를 제공하기 위한 플라즈마 제어 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 상술한 플라즈마 제어 장치를 포함하는 플라즈마 처리 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 제어 장치는, 플라즈마 챔버 내에 배치되며 플라즈마 생성을 위하여 적어도 하나의 제1 주파수(fundamental frequency)를 갖는 RF 파워가 공급되는 플라즈마 전극, 상기 플라즈마 전극 둘레에서 플라즈마 에지 영역에 대응하도록 배치되는 에지 전극, 및 상기 에지 전극에 전기적으로 연결되며, 상기 제1 주파수 성분, 플라즈마의 비선형성에 의해 발생된 고조파(harmonic wave) 성분, 및 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분과 각각의 상기 제1 주파수 성분과 상기 고조파 성분에 의해 발생된 상호변조(IMD, Intermodulation Distortion) 주파수 성분들의 상기 에지 경계 영역에서의 전기적 경계 조건을 제어하기 위한 플라즈마 제어 회로를 포함한다. 상기 플라즈마 제어 회로는 상기 전기적 경계 조건을 변경하여 상기 플라즈마 챔버 내의 정상파(standing wave)를 제어한다.
상기 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 처리 시스템은, 플라즈마 전극을 포함하는 플라즈마 챔버, 플라즈마 생성을 위하여 상기 플라즈마 전극에 적어도 하나의 기본 주파수를 갖는 RF 파워를 공급하기 위한 플라즈마 전력 공급부, 상기 플라즈마 전극 둘레에서 플라즈마 에지 경계 영역에 대응하도록 배치되는 에지 전극, 상기 에지 전극에 전기적으로 연결되며 입력된 제어 신호에 따라 상기 에지 경계 영역에서의 전기적 경계 조건을 변경하기 위한 플라즈마 제어 회로, 상기 에지 전극의 전기적 신호 데이터를 획득하기 위한 센서, 및 상기 센서에 의해 획득한 전기적 신호 데이터에 기초하여 상기 에지 경계 영역에서의 전기적 경계 조건을 산출하고, 원하는 전기적 경계 조건을 획득하도록 상기 제어 신호를 상기 플라즈마 제어 회로로 출력하기 위한 제어부를 포함한다.
상기 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 처리 시스템은, 기판을 처리하기 위한 공간을 제공하는 챔버, 상기 챔버 내부에서 상기 기판을 지지하며 하부 전극을 갖는 기판 스테이지, 플라즈마 생성을 위하여 상기 하부 전극에 적어도 하나의 기본 주파수를 갖는 RF 파워를 공급하기 위한 플라즈마 전력 공급부, 상기 하부 전극 둘레에 배치되며 플라즈마 에지 경계 영역에서의 전기적 경계 조건을 제어하기 위한 에지 전극, 상기 에지 전극에 전기적으로 연결되며, 상기 제1 주파수 성분, 플라즈마의 비선형성에 의해 발생된 고조파 성분, 및 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분과 각각의 상기 제1 주파수 성분과 상기 고조파 성분에 의해 발생된 상호변조 주파수 성분들의 상기 에지 경계 영역에서의 전기적 경계 조건을 제어하기 위한 플라즈마 제어 회로, 상기 에지 전극의 전기적 신호 데이터를 획득하기 위한 센서, 및 상기 센서에 의해 획득한 전기적 신호 데이터에 기초하여 상기 에지 경계 영역에서의 전기적 경계 조건을 산출하고, 원하는 전기적 경계 조건을 획득하도록 제어 신호를 상기 플라즈마 제어 회로로 출력하기 위한 제어부를 포함한다.
예시적인 실시예들에 따르면, 플라즈마 처리 시스템은 적어도 하나의 기본 주파수(제1 주파수)를 갖는 RF 파워가 공급되는 플라즈마 전극을 갖는 플라즈마 챔버, 및 플라즈마 에지 경계 영역에서의 전기적 경계 조건을 변경하여 상기 플라즈마 챔버 내의 정상파(standing wave)를 제어하기 위한 플라즈마 제어 장치를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 제어 장치는 상기 플라즈마 전극 둘레에 배치되는 에지 전극 및 상기 에지 전극에 전기적으로 연결되며 입력된 제어 신호에 따라 상기 전기적 경계 조건을 변경하기 위한 플라즈마 제어 회로를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 제어 회로는 상기 제1 주파수 성분, 플라즈마의 비선형성에 의해 발생된 고조파 성분, 및 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분과 각각의 상기 제1 주파수 성분과 상기 고조파 성분에 의해 발생된 상호변조 주파수 성분들의 상기 플라즈마 에지 경계 영역에서의 전기적 경계 조건을 제어할 수 있다.
이에 따라, 상기 플라즈마 에지 경계 영역에서의 전기적 경계 조건을 변경하여 상기 플라즈마 챔버 내의 정상파들을 제어함으로써, 웨이퍼 상의 전체 영역(center-middle-edge)의 플라즈마 산포를 제어할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 처리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 제어 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2의 플라즈마 제어 회로를 나타내는 회로도이다.
도 4는 도 1의 플라즈마 챔버 내의 고주파 성분들을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 에지 전극에 연결된 플라즈마 제어 회로를 나타내는 회로 블록도이다.
도 6은 에지 경계 영역에서의 경계 조건들에 따른 식각율 분포를 나타내는 그래프들이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 제어 장치의 플라즈마 제어 회로를 나타내는 회로 블록도이다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 처리 방법을 나타내는 순서도이다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 처리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 10은 도 9의 플라즈마 챔버 내의 고주파 성분들을 나타내는 도면이다.
도 11은 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 처리 시스템을 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 처리 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 2는 도 1의 플라즈마 제어 장치를 나타내는 블록도이다. 도 3은 도 2의 플라즈마 제어 회로를 나타내는 회로도이다. 도 4는 도 1의 플라즈마 챔버 내의 고주파 성분들을 나타내는 도면이다. 도 5는 도 4의 에지 전극에 연결된 플라즈마 제어 회로를 나타내는 회로 블록도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 플라즈마 처리 시스템(10)은 웨이퍼(W)와 같은 기판 상에 플라즈마 공정을 수행하기 위한 공간을 제공하는 챔버(20), 상기 기판을 지지하며 하부 전극(40)을 갖는 기판 스테이지(30), 상부 전극(50), 및 플라즈마 제어 장치(100)를 포함할 수 있다. 또한, 플라즈마 처리 시스템(10)은 플라즈마 전력 공급부, 가스 공급부, 배기부 등을 더 포함할 수 있다. 플라즈마 제어 장치(100)는 에지 전극(110), 센서(120), 플라즈마 제어 회로(130), 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 플라즈마 처리 시스템(10)은 용량 결합형 플라즈마(CCP, capacitively coupled plasma) 챔버(20) 내에 배치된 반도체 웨이퍼(W)와 같은 기판 상의 식각 대상막을 식각하기 위한 장치를 포함할 수 있다. 하지만, 상기 플라즈마 처리 시스템에 의해 생성된 플라즈마는 용량 결합형 플라즈마에 제한되지는 않으며, 예를 들면, 유도 결합형 플라즈마일 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 처리 시스템은 반드시 식각 장치로 제한되지 않으며, 예를 들면, 증착 장치, 세정 장치 등으로 사용될 수 있다. 여기서, 상기 기판은 반도체 기판, 유리 기판 등을 포함할 수 있다.
챔버(20)는 웨이퍼(W) 상에 플라즈마 식각 공정을 수행하기 위한 밀폐된 공간을 제공할 수 있다. 챔버(20)는 원통형 진공 챔버일 수 있다. 챔버(20)는 알루미늄, 스테인리스 스틸과 같은 금속을 포함할 수 있다. 챔버(20)의 측벽에는 웨이퍼(W)의 출입을 위한 게이트(도시되지 않음)가 설치될 수 있다. 상기 게이트를 통해 웨이퍼(W)가 상기 기판 스테이지 상으로 로딩 및 언로딩될 수 있다.
챔버(20)의 하부에는 배기 포트(도시되지 않음)가 설치되고, 상기 배기부는 상기 배기 포트에 배기관을 통해 연결될 수 있다. 상기 배기부는 터보 분자 펌프와 같은 진공 펌프를 포함하여 챔버(20) 내부의 처리 공간을 원하는 진공도의 압력으로 조절할 수 있다. 또한, 챔버(20) 내에 발생된 공정 부산물들 및 잔여 공정 가스들을 상기 배기 포트를 통하여 배출될 수 있다.
챔버(20) 내부에는 상기 기판을 지지하기 위한 기판 스테이지(30)가 배치될 수 있다. 예를 들면, 기판 스테이지(30)는 웨이퍼(W)를 지지하기 위한 서셉터로서의 역할을 수행할 수 있다. 기판 스테이지(30)는 상부에 웨이퍼(W)를 정전 흡착력으로 유지하기 위한 정전 전극을 갖는 지지 플레이트(32)를 포함할 수 있다. 상기 정전 전극은 직류 전원(도시되지 않음)으로부터 공급되는 직류 전압에 의해, 정전력으로 웨이퍼(W)를 흡착 및 유지할 수 있다. 또한, 상기 기판 플레이트는 내부에 냉각을 위한 순환 채널(도시되지 않음)을 가질 수 있다. 또한, 웨이퍼 온도의 정밀도를 위해, He 가스와 같은 냉각 가스가 상기 정전 척과 웨이퍼(W) 사이에 공급될 수 있다.
기판 스테이지(30)는 지지 플레이트(32)에 원판 형상의 하부 전극(40)을 포함할 수 있다. 기판 스테이지(30)은 구동부(도시되지 않음)에 의해 상하로 이동 가능하도록 설치될 수 있다. 하부 전극(40)은 플레이트, 천공된 플레이트, 와이어 스크린 또는 임의의 다른 분산형 어레인지먼트를 포함할 수 있다. 하부 전극(40)은 시트 타입(sheet type) 또는 메쉬 타입(mesh type)의 전극을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 포커스 링(36)은 지지 플레이트(32) 상에 안착된 웨이퍼(W)의 외주면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 포커스 링(36)은 기판 스테이지(30) 둘레에 배치되는 외측 절연링(34) 상에 배치될 수 있다. 포커스 링(36)은 웨이퍼(W)를 둘러싸도록 링 형상을 가질 수 있다. 에지 전극(110)은 외측 절연링(34) 내에 배치될 수 있다. 에지 전극(110)은 포커스 링(36)의 하부에 배치될 수 있다. 에지 전극(110)은 환형 형상을 가질 수 있다. 에지 전극(110)은 하부 전극(40)를 둘러싸며 이격되도록 배열될 수 있다.
하부 전극(40)은 지지 플레이트(32)의 내부에서 웨이퍼(W)에 대응하는 제1 영역에 구비되고 에지 전극(110)는 지지 플레이트(32)를 둘러싸는 외측 절연링(34) 내부에서 웨이퍼(W)의 주변 영역에 대응하는 제2 영역에 구비될 수 있다. 상기 제1 영역은 플라즈마(또는 플라즈마 쉬스) 영역의 중심 영역(PS1)이라 할 수 있고, 상기 제2 영역은 플라즈마(또는 플라즈마 쉬스) 영역의 에지 영역(PS2)이라 할 수 있다.
에지 전극(110)은 포커스 링(36)과 직접 접촉하거나 포커스 링(36)과 전기적으로 연결될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 플라즈마 제어 장치(100)는 에지 전극(110)과 전기적으로 연결되어 독립한 하나의 회로 경로를 구성하는 플라즈마 제어 회로(130)를 통해 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건(electrical boundary condition)을 조절하여 챔버(20) 내 정상파(standing wave)의 전계 분포를 변경하여 플라즈마의 균일성을 개선할 수 있다. 또한, 포커스 링(36)은 웨이퍼(W) 상에 수행되는 플라즈마 처리 공정 중 웨이퍼(W)의 외주면에 플라즈마가 집중되는 것을 방지할 수 있다.
기판 스테이지(30)는 금속성 또는 세라믹 재료들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 금속성 또는 세라믹 재료들은 적어도 하나의 금속들, 금속 산화물들, 금속 질화물들, 금속 산질화물들, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 기판 스테이지(30)는 알루미늄, 알루미늄 산화물, 알루미늄 질화물, 알루미늄 산질화물 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
외측 절연링(34)은 하부 전극(40)을 둘러싸는 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 외측 절연링(34)은 알루미나와 같은 절연 물질을 포함할 수 있다. 포커스 링(36)은 알루미늄과 같은 금속 또는 절연 물질을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 플라즈마 전력 공급부는 하부 전극(40)에 플라즈마 소스 파워를 인가하기 위한 제1 전력 공급부(60)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 전력 공급부(60)는 플라즈마 소스 엘리먼트들로서, RF 파워 소스(62) 및 RF 정합기(64)를 포함할 수 있다. RF 파워 소스(62)은 고주파(RF) 신호를 발생시킬 수 있다.
RF 파워 소스(62)는 적어도 하나의 소스를 포함할 수 있다. 예를 들면, RF 파워 소스(62)는 수 MHz 내지 수십 MHz 범위의 제1 주파수(기본 주파수(fundamental frequency)를 갖는 RF 파워를 생성하기 위한 제1 소스를 포함할 수 있다. 또한, RF 파워 소스(62)는 상기 제1 주파수보다 낮은 범위의 제2 주파수를 갖는 RF 파워를 생성하기 위한 제2 소스를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 소스로부터의 높은 주파수의 RF 파워는 플라즈마를 생성하는 역할을 하며, 상기 제2 소스로부터의 낮은 주파수의 RF 파워는 이온에 에너지를 공급하는 역할을 할 수 있다. 하지만, 이에 제한되지는 않으며, 상기 RF 파워 소스는 3개 이상의 소스를 포함할 수 있으며, 상기 낮은 주파수의 RF 파워는 다양한 기능을 가질 수 있다.
RF 정합기(64)는 RF 파워 소스(62)에서 발생된 RF 신호의 임피던스를 매칭하여 RF 파워가 플라즈마 챔버(20)로 최대로 전달될 수 있도록 할 수 있다. 예를 들면, RF 정합기(64)는 최대 파워 전달 이론(maximum power delivery theory)에 기초하여 켤레 복소수(Complex Conjugate) 조건이 만족하도록 임피던스를 조절하여, RF 파워 전달을 최대로 할 수 있다.
RF 정합기(64)는 RF 파워의 각각의 주파수에 대응하여 2개의 부 매처들을 포함할 수 있다. 예를 들면, RF 정합기(64)는 상기 제1 소스의 제1 주파수에 대응한 제1 부 매처 및 상기 제2 소스의 제2 주파수에 대응한 제2 부 매처를 포함할 수 있다.
제1 전송 라인(66)은 제1 전력 공급부(60)와 플라즈마 챔버(20) 사이에 배치되어 RF 파워를 플라즈마 챔버(20)로 전달할 수 있다. 제1 전송 라인(66)은 제1 전력 공급기(60)와 하부 전극(40)을 전기적으로 연결할 수 있다. 제1 전송 라인(66)은 예를 들면, 동축 케이블(coax cable), RF 스트랩(strap), RF 로드(rod) 등으로 구현될 수 있다. 상기 동축 케이블은 중심 도체, 외부 도체, 절연체 및 외피를 포함할 수 있다. 상기 동축 케이블은, 상기 중심 도체와 상기 외부 도체가 동축형으로 배치된 구조를 가질 수 있다.
제어부(140)는 제1 전력 공급부(60) 및 플라즈마 제어 장치(100)에 연결되어 이들의 동작을 제어할 수 있다. 상기 제어부는 마이크로컴퓨터 및 각종 인터페이스를 포함하고, 외부 메모리 또는 내부 메모리에 저장되는 프로그램 및 레시피 정보에 따라 상기 플라즈마 처리 시스템의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부(140)는 제1 전력 공급부(60)에 제2 제어 신호(S2)를 출력하여 RF 주파수, RF 전달 특성 등을 제어할 수 있다.
상부 전극(50)은 하부 전극(40)과 대향하도록 기판 스테이지(30) 상부에 배치될 수 있다. 상부 전극(50)과 하부 전극(40) 사이의 챔버 공간은 플라즈마 발생 영역으로 사용될 수 있다. 상부 전극(50)은 그라운드로 연결될 수 있다. 이와 다르게, 제2 전력 공급부가 구비되어 상부 전극(50)에 RF 전력을 공급할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상부 전극(50)은 상기 제2 파워 공급부으로부터 RF 전력을 공급받고, 하부 전극(40)과 동기화되어 챔버(20) 내부로 공급된 소스 가스를 플라즈마로 여기시킬 수 있다.
상부 전극(50)은 챔버(20) 내부로 가스를 공급하기 위한 샤워 헤드의 일부로서 제공될 수 있다. 상부 전극(50)은 원형 형상의 전극 플레이트를 포함할 수 있다. 상부 전극(50)은 관통 형성되어 챔버(20) 내부로 가스를 공급하기 위한 복수 개의 공급 홀들(도시되지 않음)을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 샤워 헤드는 상부 전극(50)을 지지하며 상부 전극(50)을 거쳐 공급된 가스를 챔버(20) 내부로 분사하기 위한 샤워 헤드 몸체(70)를 포함할 수 있다. 샤워 헤드 몸체(70)는 내부에 가스 확산실(74)을 포함하고, 가스 확산실(74)은 샤워 헤드 몸체(70)에 형성된 분사 홀들(72)과 연결될 수 있다.
상기 가스 공급부는 가스 공급 엘리먼트들로서, 가스 공급관(80), 유량 제어기(84) 및 가스 공급원(82)을 포함할 수 있다. 가스 공급관(80)은 상부 전극(50)의 상기 공급 홀들을 통해 샤워 헤드 몸체(72)의 가스 확산실(74)과 연결되고, 유량 제어기(84)는 가스 공급관(80)을 통하여 챔버(20) 내부로 유입되는 가스의 공급 유량을 제어할 수 있다. 예를 들면, 가스 공급원(82)은 복수 개의 가스 탱크들을 포함하고, 유량 제어기(84)는 상기 가스 탱크들에 각각 대응하는 복수 개의 질량 유량 제어기들(MFC, mass flow controller)을 포함할 수 있다. 상기 질량 유량 제어기들은 상기 가스들의 공급 유량들을 각각 독립적으로 제어할 수 있다.
제1 파워 공급부(60)는 하부 전극(40)에 RF 파워를 인가하여 하부 전극(40) 상부에 형성되는 RF 전기장을 이용하여 챔버(20) 내에 공정 가스로부터 플라즈마를 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 플라즈마 제어 장치(100)는 포커스 링(36) 상의 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건(electrical boundary condition)을 변경하여 상기 플라즈마 챔버 내의 정상파(standing wave)를 제어함으로써, 웨이퍼(W) 상의 전체 영역(center-middle-edge)에 걸쳐 플라즈마 산포를 제어할 수 있다.
구체적으로, 플라즈마 제어 회로(130)는 제2 전송 라인(112)에 의해 에지 전극(110)과 전기적으로 연결될 수 있다. 플라즈마 제어 회로(130)는 제어부(140)로부터 입력된 제1 제어 신호(S1)에 따라 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 변경하기 위한 리플렉터(reflector)로서의 역할을 수행할 수 있다. 플라즈마 제어 회로(130)는 포커스 링(36)에 인접하는 플라즈마(또는 플라즈마 쉬스) 영역의 에지 영역(PS2)의 특성 임피던스(characteristic impedance)를 제어함으로써 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 변경할 수 있다.
센서(120)는 제2 전송 라인(112)에 설치되어 에지 전극(110)의 전기적 신호 데이터를 획득할 수 있다. 예를 들면, 센서(120)는 전압 전류 측정 센서(Voltage Current sensor, VI sensor)를 포함할 수 있다. 상기 전압 전류 측정 센서는 상기 제1 주파수 이외에도 고조파(harmonic wave), 상호변조(IMD, Intermodulation Distortion) 성분들의 전압(V), 전류(I) 및 위상(
Figure pat00001
)을 검출할 수 있다.
제어부(140)는 센서(120)에 의해 획득한 전기적 신호 데이터에 기초하여 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 산출하고, 원하는 전기적 경계 조건을 획득하도록 제1 제어 신호(S1)를 플라즈마 제어 회로(130)로 출력할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 고주파(예를 들면, 60MHz)를 갖는 RF 성분(F1)이 하부 전극(40)에 공급되면 표면을 따라 이동하여 플라즈마 챔버(20) 내에 플라즈마(P)가 형성될 수 있다. 상기 제1 주파수를 갖는 RF 파워가 플라즈마 챔버(20)에 인가되면, 플라즈마의 비선형으로 인해 부가적 성분들(고조파(harmonic wave) 성분, 상호변조(IMD, Intermodulation Distortion) 주파수 성분)이 발생할 수 있다.
플라즈마 쉬스 내에 존재하는 고주파 성분 중 일부의 주파수 성분(F2)은 에지 경계 영역(EB)으로 진행할 수 있다. 에지 경계 영역(EB)을 사이에 두고 상기 플라즈마 쉬스의 중심 영역(PS1)은 하부 전극(40)에 연결된 파워 소스 회로에 의해 제1 매질을 갖고, 상기 플라즈마 쉬스의 에지 영역(PS2)은 에지 전극(110)에 연결된 플라즈마 제어 회로(130)에 의해 제1 매질과 다른 제2 매질을 가질 수 있다.
따라서, 에지 경계 영역(EB)으로 진행하는 주파수 성분(F2)은 에지 경계 영역(EB)에서 서로 다른 제1 및 제2 매질들의 차이로 인해 일부 고주파 성분(F3)은 반사되어 다시 상기 플라즈마 쉬스 내로 진행하고, 일부 고주파 성분(F4)은 투과하여 에지 전극(110)으로 진행할 수 있다. 상기 플라즈마 쉬스 내에서 에지 경계 영역(EB)으로 진행하는 진행파(F2)와 에지 경계 영역(EB)에서 반사된 반사파(F3)는 중심 영역(PS1)에서 만나서 정상파(standing wave)를 형성할 수 있다. 플라즈마 쉬스의 중심 영역(PS1)에서 상기 제1 주파수를 갖는 진행파와 반사파가 서로 만나서 정상파를 형성할 수 있고, 상기 고조파 성분의 진행파와 반사파가 서로 만나서 정상파를 형성할 수 있고, 상기 상호변조 주파수 성분의 진행파와 반사파가 서로 만나서 정상파를 형성할 수 있다.
플라즈마(또는 플라즈마 쉬스) 내의 중심 영역(PS1)에서 존재하는 정상파들의 양과 위상을 제어하여 웨이퍼(W) 상의 전체 영역(center-middle-edge)에 걸쳐 플라즈마 산포를 제어할 수 있다. 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 상기 고주파 성분의 반사량을 제어함으로써 상기 정상파들의 양과 위상을 제어할 수 있다. 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 상기 고주파 성분의 반사량은 에지 경계 영역(EB)에서의 경계 조건에 의해 결정될 수 있다. 즉, 상기 에지 경계 영역에서의 경계 조건에 따라 상기 진행파의 반사량과 투과량이 변화될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 플라즈마 제어 회로(130)는 상기 제1 주파수 성분, 플라즈마의 비선형성에 의해 발생된 고조파 성분, 및 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분과 각각의 상기 제1 주파수 성분과 상기 고조파 성분에 의해 발생된 상호변조 주파수 성분들의 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 제어하기 위한 임피던스 제어 회로를 포함할 수 있다.
플라즈마 제어 회로(130)는 상기 제1 주파수(기본파(fundamental wave))의 경계 조건을 변경하기 위한 기본 주파수 제어 회로부(132), 상기 제1 주파수 성분과 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분에 의해 발생된 상기 상호변조 주파수 성분의 경계 조건을 변경하기 위한 제1 상호변조 주파수 제어 회로부(136), 상기 고조파 성분의 경계 조건을 변경하기 위한 고조파 주파수 제어 회로부(134), 및 상기 고조파 주파수 성분과 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분에 의해 발생된 상기 상호변조 주파수 성분의 경계 조건을 변경하기 위한 제2 상호변조 주파수 제어 회로부(138)를 포함할 수 있다.
기본 주파수 제어 회로부(132) 및 고조파 주파수 제어 회로부(134)는 에지 전극(110)에 병렬로 연결될 수 있다. 제1 상호변조 주파수 제어 회로부(136)는 기본 주파수 제어 회로부(132)에 직렬로 연결될 수 있다. 제2 상호변조 주파수 제어 회로부(138)는 고조파 주파수 제어 회로부(134)에 직렬로 연결될 수 있다.
기본 주파수 제어 회로부(132)는 상기 제1 주파수(기본파)에 대한 공진을 만들기 위한 기본 주파수 공진 회로를 포함할 수 있다. 기본 주파수 제어 회로부(132)는 제1 인덕터(L1)와 제1 가변 커패시터(Cv1)가 병렬로 연결된 회로 구조를 가질 수 있다. 제1 가변 커패시터(Cv1)의 커패시턴스는 제어부(140)로부터의 제1 제어 신호(S11)에 의해 가변되어 상기 기본 주파수 공진 회로의 임피던스(Zh1)를 결정할 수 있다. 이와 다르게, 기본 주파수 제어 회로부(132)는 제1 인덕터(L1)와 제1 가변 커패시터(Cv1)가 직렬로 연결된 회로 구조를 가질 수 있다.
제1 상호변조 주파수 제어 회로부(136)는 상기 제1 상호변조 주파수에 대한 공진을 만들기 위한 제1 상호변조 주파수 공진 회로를 포함할 수 있다. 제1 상호변조 주파수 제어 회로부(136)는 제2 인덕터(L2)와 제2 가변 커패시터(Cv2)가 병렬로 연결된 회로 구조를 가질 수 있다. 제2 가변 커패시터(Cv2)의 커패시턴스는 제어부(140)로부터의 제1 제어 신호(S12)에 의해 가변되어 상기 제1 상호변조 주파수 공진 회로의 임피던스(Zimd1)를 결정할 수 있다. 이와 다르게, 제1 상호변조 주파수 제어 회로부(136)는 제2 인덕터(L2)와 제2 가변 커패시터(Cv2)가 직렬로 연결된 회로 구조를 가질 수 있다.
고조파 주파수 제어 회로부(134)는 상기 고조파에 대한 공진을 만들기 위한 고조파 주파수 공진 회로를 포함할 수 있다. 고조파 주파수 제어 회로부(132)는 제3 인덕터(L3)와 제3 가변 커패시터(Cv3)가 병렬로 연결된 회로 구조를 가질 수 있다. 제3 가변 커패시터(Cv3)의 커패시턴스는 제어부(140)로부터의 제1 제어 신호(S13)에 의해 가변되어 상기 고조파 주파수 공진 회로의 임피던스(Zh2)를 결정할 수 있다. 이와 다르게, 고조파 주파수 제어 회로부(132)는 제3 인덕터(L3)와 제3 가변 커패시터(Cv3)가 직렬로 연결된 회로 구조를 가질 수 있다.
제2 상호변조 주파수 제어 회로부(138)는 상기 제2 상호변조 주파수에 대한 공진을 만들기 위한 제2 상호변조 주파수 공진 회로를 포함할 수 있다. 제2 상호변조 주파수 제어 회로부(138)는 제4 인덕터(L4)와 제4 가변 커패시터(Cv4)가 병렬로 연결된 회로 구조를 가질 수 있다. 제4 가변 커패시터(Cv4)의 커패시턴스는 제어부(140)로부터의 제1 제어 신호(S14)에 의해 가변되어 상기 제2 상호변조 주파수 공진 회로의 임피던스(Zimd2)를 결정할 수 있다. 이와 다르게, 제2 상호변조 주파수 제어 회로부(138)는 제4 인덕터(L4)와 제4 가변 커패시터(Cv4)가 직렬로 연결된 회로 구조를 가질 수 있다.
또한, 플라즈마 제어 회로(130)는 고조파 주파수 제어 회로부(134) 전단에 상기 제1 주파수(기본 주파수)의 진행을 차단하기 위한 제1 주파수 차단용 필터 회로부(133)를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 주파수 차단용 필터 회로부(133)는 직렬로 연결된 커패시터(Cf)와 병렬로 연결된 인덕터(Lf)로 구성된 회로 구조를 가질 수 있다.
상기 플라즈마 제어 회로의 회로 구조는 이제 제한되지 않으며, 플라즈마 제어 시스템의 전체 회로적인 특성, 에지 경계 영역에서 나타나는 특성 임피던스에 따라 다양하게 달라질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이하에서는, 상기 플라즈마 에지 경계 영역에서의 상기 고주파 성분의 반사량을 산출하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 반사량은 플라즈마 제어 회로(130)의 임피던스(Zc)에 의해 결정될 수 있다. 제어부(140)는 센서(120)에 의해 획득한 전기적 신호 데이터에 기초하여 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 산출하고 원하는 전기적 경계 조건(반사량)을 획득하도록 제1 제어 신호(S1)를 플라즈마 제어 회로(130)로 출력할 수 있다.
먼저, 플라즈마 제어 회로(130)의 임피던스(Zc)는 센서(120)에 의해 획득한 전기적 신호 데이터(전압(Vc), 전류(Ic) 및 위상(
Figure pat00002
)로부터 산출될 수 있으며 아래 식(1)에 의해 표현될 수 있다.
Figure pat00003
------ 식(1)
에지 전극(110)은 특성 임피던스(Z0)를 갖는 전송선로, 즉, 제2 전송 라인(112)에 의해 상기 전송선로의 끝단에 위치한 부하(load)로서의 플라즈마 제어 회로(130)와 전기적으로 연결될 수 있다. 높은 주파수를 갖는 RF 파워가 진행하는 구조물에서는 물리적 위치(길이)에 따라 전압값과 전류값이 달라지므로 구조물의 길이에 따라 임피던스가 달라질 수 있다. 이러한 회로 구조에서 에지 전극(110)의 임피던스(Zedge)는 아래 식(2)와 같이 부하와 특성 임피던스(characteristic impedance)로 표현한 입력 임피던스 식에 의해 표현될 수 있다.
Figure pat00004
------ 식(2)
여기서, β는 위상 상수(2π/λ)임.
상기 전송선로는 챔버(20)로부터 에지 전극(110) 사이의 제1 물리적 거리(lc1) 및 플라즈마 제어 회로(130)로부터 챔버(20)까지의 제2 물리적 거리(lc2)를 포함할 수 있다. 따라서, 전송선로의 특성 임피던스(Z0)는 제1 및 제2 물리적 거리들(lc1, lc2)의 임피던스들의 조합에 의해 산출될 수 있다. 이 때, 특성 임피던스(Z0)나 물리적 길이(lc1, lc2)는 챔버의 구성에 의해 결정되는 상수값들이다. 따라서, 에지 전극(110)의 임피던스(Zedge)는 플라즈마 제어 회로(130)의 임피던스(Zc)에 따라 변하게 됨을 알 수 있다.
하부 전극(40)과 에지 전극(110)의 전기적 특성 차이에 발생하는 에지 경계 영역(EB)에서의 반사량(Γ)은 다음 식(3)에 의해 계산될 수 있다.
Figure pat00005
------ 식(3)
여기서, Zplasma는 플라즈마의 임피던스임.
플라즈마의 임피던스(Zplasma)는 상수이므로, 반사량(Γ)은 에지 전극(110)의 임피던스(Zedge)에 따라 변하게 됨을 알 수 있다. 따라서, 에지 경계 영역(EB)에서의 반사량(Γ)은 플라즈마 제어 회로(130)의 임피던스(Zc)에 의해 결정될 수 있다.
이에 따라, 제어부(140)는 센서(120)에 의해 획득한 전기적 신호 데이터에 기초하여 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 산출하고, 원하는 전기적 경계 조건을 획득하도록 플라즈마 제어 회로(130)의 임피던스(Zc)를 변경할 수 있다.
도 6은 에지 경계 영역에서의 경계 조건들에 따른 식각율 분포를 나타내는 그래프들이다.
도 6을 참조하면, 그래프 G1은 플라즈마 제어 장치(100)가 구비되지 않은 경우(비교예)의 웨이퍼 반경에 따른 식각율을 나타내고, 그래프 G2, 그래프 G3 및 그래프 G4는 플라즈마 제어 장치(100)가 구비된 경우의 웨이퍼 반경에 따른 식각율을 나타낸다. 그래프 G2, 그래프 G3 및 그래프 G4는 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서 서로 다른 경계 조건들에서의 식각율 분포를 나타내는 그래프들이다.
제1 전기적 경계 조건(EBC1)에서의 식각율 분포(그래프 G2)를 살펴보면, 비교예(그래프 G1)에 비해 웨이퍼 중심(center)에서의 식각율이 감소되고 웨이퍼 에지(edge)에서의 식각율이 증가되어 전체 영역(center-middle-edge)의 플라즈마 산포를 개선시킬 수 있다.
제2 전기적 경계 조건(EBC2)에서의 식각율 분포(그래프 G3)를 살펴보면, 비교예(그래프 G1)에 비해 웨이퍼 중심(center)에서의 식각율이 감소되어 전체 영역(center-middle-edge)의 플라즈마 산포를 개선시킬 수 있다.
제3 전기적 경계 조건(EBC3)에서의 식각율 분포(그래프 G4)를 살펴보면, 비교예(그래프 G1)에 비해 웨이퍼 중심(center), 중간(middle) 및 에지(edge)에서의 식각율이 증가되어 전체 영역(center-middle-edge)의 플라즈마 산포를 개선시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 플라즈마 처리 시스템(10)은 적어도 하나의 기본 주파수(제1 주파수)를 갖는 RF 파워가 공급되는 플라즈마 전극으로서의 하부 전극(40)을 갖는 플라즈마 챔버(20), 및 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 변경하여 상기 플라즈마 챔버 내의 정상파(standing wave)를 제어하기 위한 플라즈마 제어 장치(100)를 포함할 수 있다. 플라즈마 제어 장치(100)는 하부 전극(40) 둘레에 배치되는 에지 전극(110) 및 에지 전극(110)에 전기적으로 연결되며 입력된 제어 신호(S1)에 따라 상기 전기적 경계 조건을 변경하기 위한 플라즈마 제어 회로(130)를 포함할 수 있다.
플라즈마 제어 회로(130)는 상기 제1 주파수 성분, 플라즈마의 비선형성에 의해 발생된 고조파 성분, 및 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분과 각각의 상기 제1 주파수 성분과 상기 고조파 성분에 의해 발생된 상호변조 주파수 성분들의 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 제어할 수 있다.
이에 따라, 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 변경하여 상기 플라즈마 챔버 내의 정상파들을 제어함으로써, 웨이퍼(W) 상의 전체 영역(center-middle-edge)의 플라즈마 산포를 제어할 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 제어 장치의 플라즈마 제어 회로를 나타내는 회로 블록도이다. 도 7은 도 2의 플라즈마 제어 회로를 나타내는 회로 블록도이다.
도 7을 참조하면, 플라즈마 제어 회로(130)는 제1 주파수 성분, 플라즈마의 비선형성에 의해 발생된 고조파 성분, 및 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분과 각각의 상기 제1 주파수 성분과 상기 고조파 성분에 의해 발생된 상호변조 주파수 성분들의 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 제어하기 위한 필터 제어 회로를 포함할 수 있다.
플라즈마 제어 회로(130)는 상기 제1 주파수(기본파(fundamental wave))의 경계 조건을 변경하기 위한 기본 주파수 제어 회로부(132), 상기 제1 주파수 성분과 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분에 의해 발생된 상기 상호변조 주파수 성분의 경계 조건을 변경하기 위한 제1 상호변조 주파수 제어 회로부(136), 상기 고조파 성분의 경계 조건을 변경하기 위한 고조파 주파수 제어 회로부(134), 및 상기 고조파 주파수 성분과 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분에 의해 발생된 상기 상호변조 주파수 성분의 경계 조건을 변경하기 위한 제2 상호변조 주파수 제어 회로부(138)를 포함할 수 있다.
기본 주파수 제어 회로부(132), 제1 상호변조 주파수 제어 회로부(136), 고조파 주파수 제어 회로부(134) 및 제2 상호변조 주파수 제어 회로부(138) 각각은 직렬로 연결된 밴드 패스 필터들(BPF) 및 상기 밴드 패스 필터들 각각의 동작을 스위칭하는 스위치들을 포함할 수 있다. 상기 스위치들은 제어부(140)로부터의 제2 제어 신호(S11, S12, S13, S14)에 의해 각각 온(ON), 오프(OFF) 될 수 있다. 제어부(140)는 상기 스위치들을 통해 상기 밴드 패스 필터들을 선택적으로 동작시켜 특정 범위의 주파수만을 통과시키는 필터 제어 회로의 역할을 수행할 수 있다.
이하에서는, 도 1의 플라즈마 처리 시스템을 이용하여 기판을 처리하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 처리 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 제어하기 위한 에지 전극(110)을 제공할 수 있다(S100).
예시적인 실시예들에 있어서, 에지 전극(110)은 기판 스테이지(30)의 지지 플레이트(32)를 둘러싸는 외측 절연링(34) 내에 배치될 수 있다. 에지 전극(110)은 웨이퍼(W)를 둘러싸도록 환형 형상을 갖는 포커스 링(36)의 하부에 배치될 수 있다. 에지 전극(110)은 환형 형상을 가질 수 있다. 에지 전극(110)은 지지 플레이트(32) 내의 하부 전극(40)를 둘러싸며 이격되도록 배열될 수 있다.
하부 전극(40)은 지지 플레이트(32)의 내부에서 웨이퍼(W)에 대응하는 제1 영역에 구비되고 에지 전극(110)는 지지 플레이트(32)를 둘러싸는 외측 절연링(34) 내부에서 웨이퍼(W)의 주변 영역에 대응하는 제2 영역에 구비될 수 있다. 상기 제1 영역은 플라즈마(또는 플라즈마 쉬스) 영역의 중심 영역(PS1)이라 할 수 있고, 상기 제2 영역은 플라즈마(또는 플라즈마 쉬스) 영역의 에지 영역(PS2)이라 할 수 있다.
이어서, 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 변경하기 위한 플라즈마 제어 회로(130)를 에지 전극(110)에 전기적으로 연결시킬 수 있다(S110).
플라즈마 제어 회로(130)는 에지 전극(110)과 전기적으로 연결되어 독립한 하나의 회로 경로를 구성할 수 있다. 플라즈마 제어 회로(130)는 입력된 제어 신호(S1)에 따라 상기 전기적 경계 조건을 변경할 수 있다.
구체적으로, 플라즈마 제어 회로(130)는 제1 주파수 성분, 플라즈마의 비선형성에 의해 발생된 고조파 성분, 및 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분과 각각의 상기 제1 주파수 성분과 상기 고조파 성분에 의해 발생된 상호변조 주파수 성분들의 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 제어하기 위한 임피던스 제어 회로 또는 필터 제어 회로를 포함할 수 있다.
이어서, 플라즈마 생성을 위한 상기 제1 주파수(RF 주파수)를 갖는 RF 파워를 플라즈마 챔버(20)로 공급할 수 있다(S120).
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 전력 공급부(60)는 제1 고주파(예를 들면, 60MHz)를 갖는 RF 성분(F1)을 하부 전극(40)에 공급할 수 있다. 상기 RF 성분은 하부 전극(40)을 포함하는 기판 스테이지(30) 표면을 따라 이동하여 플라즈마 챔버(20) 내에 플라즈마(P)를 형성할 수 있다. 상기 제1 주파수를 갖는 RF 파워가 플라즈마 챔버(20)에 인가되면, 플라즈마의 비선형으로 인해 부가적 성분들(고조파(harmonic wave) 성분, 상호변조(IMD, Intermodulation Distortion) 주파수 성분)이 발생할 수 있다.
플라즈마 쉬스 내에 존재하는 고주파 성분 중 일부의 주파수 성분(F2)은 플라즈마 쉬스 내에서 에지 경계 영역(EB)으로 진행할 수 있다. 에지 경계 영역(EB)을 사이에 두고 상기 플라즈마 쉬스의 중심 영역(PS1)은 하부 전극(40)에 연결된 파워 소스 회로에 의해 제1 매질을 갖고, 상기 플라즈마 쉬스의 에지 영역(PS2)은 에지 전극(110)에 연결된 플라즈마 제어 회로(130)에 의해 제1 매질과 다른 제2 매질을 가질 수 있다.
따라서, 에지 경계 영역(EB)으로 진행하는 주파수 성분(F2)은 에지 경계 영역(EB)에서 서로 다른 제1 및 제2 매질들의 차이로 인해 일부 고주파 성분(F3)은 반사되어 다시 상기 플라즈마 쉬스 내로 진행하고, 일부 고주파 성분(F4)은 투과하여 에지 전극(110)으로 진행할 수 있다. 상기 플라즈마 쉬스 내에서 에지 경계 영역(EB)으로 진행하는 진행파(F2)와 에지 경계 영역(EB)에서 반사된 반사파(F3)는 중심 영역(PS1)에서 만나 정상파(standing wave)를 형성할 수 있다. 플라즈마 쉬스의 중심 영역(PS1)에서 상기 제1 주파수를 갖는 진행파와 반사파가 서로 만나서 정상파를 형성할 수 있고, 상기 고조파 성분의 진행파와 반사파가 서로 만나서 정상파를 형성할 수 있고, 상기 상호변조 주파수 성분의 진행파와 반사파가 서로 만나서 정상파를 형성할 수 있다.
이어서, 에지 전극(110)의 전압 및 전류 정보를 실시간으로 획득하여 상기 에지 경계 영역에서의 경계 조건을 산출하고(S130), 상기 산출된 경계 조건에 기초하여 플라즈마 제어 회로(130)를 이용하여 에지 경계 영역(EB)에서의 경계 조건을 변경할 수 있다(S140).
예시적인 실시예들에 있어서, 센서(120)는 제2 전송 라인(112)에 설치되어 에지 전극(110)의 전기적 신호 데이터를 획득할 수 있다. 예를 들면, 센서(120)는 전압 전류 측정 센서(Voltage Current sensor, VI sensor)를 포함할 수 있다. 상기 전압 전류 측정 센서는 상기 제1 주파수 이외에도 고조파(harmonic wave), 상호변조(IMD, Intermodulation Distortion) 성분들의 전압(V), 전류(I) 및 위상(
Figure pat00006
)을 검출할 수 있다.
제어부(140)는 센서(120)에 의해 획득한 전기적 신호 데이터에 기초하여 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 산출하고, 원하는 전기적 경계 조건을 획득하도록 제1 제어 신호(S1)를 플라즈마 제어 회로(130)로 출력할 수 있다.
예를 들면, 하부 전극(40)과 에지 전극(110)의 전기적 특성 차이에 발생하는 에지 경계 영역(EB)에서의 반사량(Γ)(경계 조건)은 플라즈마 제어 회로(130)의 임피던스(Zc)에 의해 결정될 수 있다.
플라즈마 제어 회로(130)는 제어부(140)로부터 입력된 제1 제어 신호(S1)에 따라 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 변경하기 위한 리플렉터(reflector)로서의 역할을 수행할 수 있다.
따라서, 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 상기 고주파 성분의 반사량을 제어함으로써 상기 정상파들의 양과 위상을 제어할 수 있다. 이에 따라, 플라즈마(플라즈마 쉬스) 내의 중심 영역(PS1)에서 존재하는 정상파들의 양과 위상을 제어하여 웨이퍼(W) 상의 전체 영역(center-middle-edge)에 걸쳐 플라즈마 산포를 제어할 수 있다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 처리 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 10은 도 9의 플라즈마 챔버 내의 고주파 성분들을 나타내는 도면이다. 상기 플라즈마 처리 시스템은 플라즈마 전력 공급부 및 플라즈마 제어 장치의 배치를 제외하고는 도 1 내지 도 5를 참조로 설명한 플라즈마 처리 장치와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 플라즈마 처리 시스템(11)의 플라즈마 전력 공급부는 상부 전극(50)에 플라즈마 소스 파워를 인가하기 위한 제2 전력 공급부(70)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제2 전력 공급부(70)는 플라즈마 소스 엘리먼트들로서, RF 파워 소스(72) 및 RF 정합기(76)를 포함할 수 있다. RF 파워 소스(72)은 고주파(RF) 신호를 발생시킬 수 있다. 제1 전송 라인(76)은 제2 전력 공급부(70)와 플라즈마 챔버(20) 사이에 배치되어 RF 파워를 플라즈마 챔버(20)로 전달할 수 있다. 상기 제2 전력 공급부는 도 1의 제1 전력 공급부와 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있다. 따라서, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
하부 전극(40)은 그라운드로 연결될 수 있다. 이와 다르게, 제1 전력 공급부가 구비되어 하부 전극(40)에 RF 전력을 공급할 수 있다. 이 경우에 있어서, 하부 전극(40)은 상기 제1 파워 공급부으로부터 RF 전력을 공급받고, 상부 전극(50)과 동기화되어 챔버(20) 내부로 공급된 소스 가스를 플라즈마로 여기시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 에지 전극(110)은 샤워 헤드 몸체(70)를 둘러싸도록 챔버(20)의 상부 내에 구비된 외측 절연링(22)에 배치될 수 있다. 외측 절연링(22)은 샤워 헤드 몸체(70)를 둘러싸는 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 외측 절연링(22)은 알루미나와 같은 절연 물질을 포함할 수 있다. 에지 전극(110)은 환형 형상을 가질 수 있다. 에지 전극(110)은 상부 전극(50)를 둘러싸며 이격되도록 배열될 수 있다. 이와 다르게, 에지 전극(110)의 샤워 헤드 몸체(70) 내부의 외측 영역에 배치될 수 있다.
상부 전극(50)은 샤워 헤드 몸체(70)의 내부에서 웨이퍼(W)에 대응하는 제1 영역에 구비되고 에지 전극(110)는 샤워 헤드 몸체(70)를 둘러싸는 챔버(20)의 상부 내에서 웨이퍼(W)의 주변 영역에 대응하는 제2 영역에 구비될 수 있다. 상기 제1 영역은 플라즈마(또는 플라즈마 쉬스) 영역의 중심 영역(PS1)이라 할 수 있고, 상기 제2 영역은 플라즈마(또는 플라즈마 쉬스) 영역의 에지 영역(PS2)이라 할 수 있다.
플라즈마 제어 회로(130)는 제2 전송 라인(112)에 의해 에지 전극(110)과 전기적으로 연결될 수 있다. 플라즈마 제어 회로(130)는 제어부(140)로부터 입력된 제1 제어 신호(S1)에 따라 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 변경하기 위한 리플렉터(reflector)로서의 역할을 수행할 수 있다. 플라즈마 제어 회로(130)는 에지 전극(1106)에 인접하는 플라즈마(또는 플라즈마 쉬스) 영역의 에지 영역(PS2)의 특성 임피던스(characteristic impedance)를 제어함으로써 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 변경할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1 고주파(예를 들면, 60MHz)를 갖는 RF 성분(F1)이 상부 전극(50)에 공급되면 표면을 따라 이동하여 플라즈마 챔버(20) 내에 플라즈마(P)가 형성될 수 있다. 상기 제1 주파수를 갖는 RF 파워가 플라즈마 챔버(20)에 인가되면, 플라즈마의 비선형으로 인해 부가적 성분들(고조파(harmonic wave) 성분, 상호변조(IMD, Intermodulation Distortion) 주파수 성분)이 발생할 수 있다.
플라즈마 쉬스 내에 존재하는 고주파 성분 중 일부의 주파수 성분(F2)은 에지 경계 영역(EB)으로 진행할 수 있다. 에지 경계 영역(EB)을 사이에 두고 상기 플라즈마 쉬스의 중심 영역(PS1)은 상부 전극(50)에 연결된 파워 소스 회로에 의해 제1 매질을 갖고, 상기 플라즈마 쉬스의 에지 영역(PS2)은 에지 전극(110)에 연결된 플라즈마 제어 회로(130)에 의해 제1 매질과 다른 제2 매질을 가질 수 있다.
따라서, 에지 경계 영역(EB)으로 진행하는 주파수 성분(F2)은 에지 경계 영역(EB)에서 서로 다른 제1 및 제2 매질들의 차이로 인해 일부 고주파 성분(F3)은 반사되어 다시 상기 플라즈마 쉬스 내로 진행하고, 일부 고주파 성분(F4)은 투과하여 에지 전극(110)으로 진행할 수 있다. 상기 플라즈마 쉬스 내에서 에지 경계 영역(EB)으로 진행하는 진행파(F2)와 에지 경계 영역(EB)에서 반사된 반사파(F3)는 중심 영역(PS1)에서 만나서 정상파(standing wave)를 형성할 수 있다. 플라즈마 쉬스의 중심 영역(PS1)에서 상기 제1 주파수를 갖는 진행파와 반사파가 서로 만나서 정상파를 형성할 수 있고, 상기 고조파 성분의 진행파와 반사파가 서로 만나서 정상파를 형성할 수 있고, 상기 상호변조 주파수 성분의 진행파와 반사파가 서로 만나서 정상파를 형성할 수 있다.
상기 플라즈마 제어 장치의 플라즈마 제어 회로(130)는 상기 제1 주파수 성분, 플라즈마의 비선형성에 의해 발생된 고조파 성분, 및 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분과 각각의 상기 제1 주파수 성분과 상기 고조파 성분에 의해 발생된 상호변조 주파수 성분들의 상기 플라즈마 에지 경계 영역에서의 전기적 경계 조건을 제어할 수 있다.
상기 플라즈마 제어 장치는 도 1의 플라즈마 제어 장치와 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있다. 따라서, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 11은 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 처리 시스템을 나타내는 블록도이다. 상기 플라즈마 처리 시스템은 플라즈마 전력 공급부의 배치를 제외하고는 도 1 내지 도 5를 참조로 설명한 플라즈마 처리 장치와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.
도 11을 참조하면, 플라즈마 처리 시스템(12)의 플라즈마 전력 공급부는 상부 전극(50)에 플라즈마 소스 파워를 인가하기 위한 제2 전력 공급부(70)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제2 전력 공급부(70)는 플라즈마 소스 엘리먼트들로서, RF 파워 소스(72) 및 RF 정합기(76)를 포함할 수 있다. RF 파워 소스(72)은 고주파(RF) 신호를 발생시킬 수 있다. 상기 제2 전력 공급부는 도 1의 제1 전력 공급부와 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있다. 따라서, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
하부 전극(40)은 그라운드로 연결될 수 있다. 이와 다르게, 제1 전력 공급부가 구비되어 하부 전극(40)에 RF 전력을 공급할 수 있다. 이 경우에 있어서, 하부 전극(40)은 상기 제1 파워 공급부으로부터 RF 전력을 공급받고, 상부 전극(50)과 동기화되어 챔버(20) 내부로 공급된 소스 가스를 플라즈마로 여기시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 에지 전극(110)은 외측 절연링(34) 내에 배치될 수 있다. 에지 전극(110)은 포커스 링(36)의 하부에 배치될 수 있다. 에지 전극(110)은 환형 형상을 가질 수 있다. 에지 전극(110)은 하부 전극(40)를 둘러싸며 이격되도록 배열될 수 있다.
상부 전극(50)은 샤워 헤드(70)의 내부에서 웨이퍼(W)에 대응하는 제1 영역에 구비되고 에지 전극(110)는 지지 플레이트(32)를 둘러싸는 외측 절연링(34) 내부에서 웨이퍼(W)의 주변 영역에 대응하는 제2 영역에 구비될 수 있다. 상기 제1 영역은 플라즈마(또는 플라즈마 쉬스) 영역의 중심 영역(PS1)이라 할 수 있고, 상기 제2 영역은 플라즈마(또는 플라즈마 쉬스) 영역의 에지 영역(PS2)이라 할 수 있다.
에지 전극(110)은 포커스 링(36)과 직접 접촉하거나 포커스 링(36)과 전기적으로 연결될 수 있다. 플라즈마 제어 장치(100)는 에지 전극(110)과 전기적으로 연결되어 독립한 하나의 회로 경로를 구성하는 플라즈마 제어 회로(130)를 통해 플라즈마 에지 경계 영역(EB)에서의 전기적 경계 조건을 조절하여 챔버(20) 내 정상파(standing wave)의 전계 분포를 변경하여 플라즈마의 균일성을 개선할 수 있다.
상기 플라즈마 제어 장치는 도 1의 플라즈마 제어 장치와 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있다. 따라서, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
전술한 반도체 패키지는 로직 소자나 메모리 소자와 같은 반도체 소자를 포함할 수 있다. 상기 반도체 패키지는, 예를 들어 중앙처리장치(CPU, MPU), 애플리케이션 프로세서(AP) 등과 같은 로직 소자, 예를 들어 에스램(SRAM) 장치, 디램(DRAM) 장치 등과 같은 휘발성 메모리 장치, 및 예를 들어 플래시 메모리 장치, 피램(PRAM) 장치, 엠램(MRAM) 장치, 알램(RRAM) 장치 등과 같은 불휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10, 11, 12: 플라즈마 처리 시스템 20: 챔버
30: 기판 스테이지 32: 지지 플레이트
34: 외측 절연링 36: 포커스 링
40: 하부 전극 60: 제1 전력 공급부
62, 72: RF 파워 소스 64, 74: RF 정합기
66, 76: 제1 전송 라인 70: 샤워 헤드 몸체
72: 분사 홀 74: 가스 확산실
80: 가스 공급관 82: 가스 공급원
84: 유량 제어기 100: 플라즈마 제어 장치
110: 에지 전극 112: 제2 전송 라인
120: 센서 130: 플라즈마 제어 회로
132: 기본 주파수 제어 회로부
134: 제1 상호변호 주파수 제어 회로부
136: 고조파 주파수 제어 회로부
138: 제2 상호변조 주파수 제어 회로부
140: 제어부

Claims (20)

  1. 플라즈마 챔버 내에 배치되며, 플라즈마 생성을 위하여 적어도 하나의 제1 주파수(fundamental frequency)를 갖는 RF 파워가 공급되는 플라즈마 전극;
    상기 플라즈마 전극 둘레에서 플라즈마 에지 영역에 대응하도록 배치되는 에지 전극; 및
    상기 에지 전극에 전기적으로 연결되며, 상기 제1 주파수 성분, 플라즈마의 비선형성에 의해 발생된 고조파(harmonic wave) 성분, 및 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분과 각각의 상기 제1 주파수 성분과 상기 고조파 성분에 의해 발생된 상호변조(IMD, Intermodulation Distortion) 주파수 성분들의 상기 플라즈마 에지 경계 영역에서의 전기적 경계 조건을 제어하기 위한 플라즈마 제어 회로를 포함하고,
    상기 플라즈마 제어 회로는 상기 전기적 경계 조건을 변경하여 상기 플라즈마 챔버 내의 정상파(standing wave)를 제어하는 플라즈마 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 에지 전극을 환형 형상을 갖는 플라즈마 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 전극은 상기 플라즈마 챔버 내에서 기판을 지지하는 기판 스테이지 내에 구비되는 하부 전극을 포함하는 플라즈마 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 에지 전극은 상기 기판 스테이지의 외측 영역에 상기 하부 전극 둘레에 배치되는 플라즈마 제어 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 에지 전극 상에 상기 기판 둘레를 따라 연장하는 포커스 링을 더 포함하는 플라즈마 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 에지 전극은 상기 포커스 링과 전기적으로 연결되는 플라즈마 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 에지 전극의 전기적 신호 데이터를 획득하기 위한 센서; 및
    상기 센서에 의해 획득한 전기적 신호 데이터에 기초하여 상기 플라즈마 에지 경계 영역에서의 전기적 경계 조건을 산출하고, 원하는 전기적 경계 조건을 획득하도록 제어 신호를 상기 플라즈마 제어 회로로 출력하기 위한 제어부를 더 포함하는 플라즈마 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 센서에 의해 획득한 전기 신호 데이터는 전압, 전류 및 위상을 포함하는 플라즈마 제어 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 센서는 전압 전류 측정 센서(Voltage Current sensor, VI sensor)를 포함하는 플라즈마 제어 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 제어 회로는,
    상기 기본 주파수의 경계 조건을 변경하기 위한 기본 주파수 제어 회로부;
    상기 기본 주파수 성분과 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분에 의해 발생된 상기 상호변조 주파수 성분의 경계 조건을 변경하기 위한 제1 상호변조 주파수 제어 회로부;
    상기 고조파 성분의 경계 조건을 변경하기 위한 고조파 주파수 제어 회로부; 및
    상기 고조파 주파수 성분과 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분에 의해 발생된 상기 상호변조 주파수 성분의 경계 조건을 변경하기 위한 제2 상호변조 주파수 제어 회로부를 포함하는 플라즈마 제어 장치.
  11. 플라즈마 전극을 포함하는 플라즈마 챔버;
    플라즈마 생성을 위하여 상기 플라즈마 전극에 적어도 하나의 기본 주파수를 갖는 RF 파워를 공급하기 위한 플라즈마 전력 공급부;
    상기 플라즈마 전극 둘레에서 플라즈마 에지 경계 영역에 대응하도록 배치되는 에지 전극;
    상기 에지 전극에 전기적으로 연결되며, 입력된 제어 신호에 따라 상기 플라즈마 에지 경계 영역에서의 전기적 경계 조건을 변경하기 위한 플라즈마 제어 회로;
    상기 에지 전극의 전기적 신호 데이터를 획득하기 위한 센서; 및
    상기 센서에 의해 획득한 전기적 신호 데이터에 기초하여 상기 플라즈마 에지 경계 영역에서의 전기적 경계 조건을 산출하고, 원하는 전기적 경계 조건을 획득하도록 상기 제어 신호를 상기 플라즈마 제어 회로로 출력하기 위한 제어부를 포함하는 플라즈마 처리 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 에지 전극을 환형 형상을 갖는 플라즈마 처리 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 플라즈마 전극은 상부 전극 및 하부 전극 중 적어도 하나를 포함하는 플라즈마 처리 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 플라즈마 전극이 상기 하부 전극을 포함할 때, 상기 에지 전극은 상기 하부 전극 둘레에 배치되는 플라즈마 처리 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 에지 전극 상에 상기 기판 둘레를 따라 연장하는 포커스 링을 더 포함하는 플라즈마 처리 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 에지 전극은 상기 포커스 링과 전기적으로 연결되는 플라즈마 처리 시스템.
  17. 제 11 항에 있어서, 상기 플라즈마 제어 회로는,
    상기 기본 주파수의 경계 조건을 변경하기 위한 기본 주파수 제어 회로부;
    상기 기본 주파수 성분과 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분에 의해 발생된 상호변조(IMD, Intermodulation Distortion) 주파수 성분의 경계 조건을 변경하기 위한 제1 상호변조 주파수 제어 회로부;
    플라즈마의 비선형성에 의해 발생된 고조파(harmonic wave) 성분의 경계 조건을 변경하기 위한 고조파 주파수 제어 회로부; 및
    상기 고조파 주파수 성분과 상기 플라즈마 챔버 내의 주파수 성분에 의해 발생된 상호변조 주파수 성분의 경계 조건을 변경하기 위한 제2 상호변조 주파수 제어 회로부를 포함하는 플라즈마 처리 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 플라즈마 제어 회로는 임피던스 제어 회로 또는 필터 제어 회로를 포함하는 플라즈마 처리 시스템.
  19. 제 11 항에 있어서, 상기 센서에 의해 획득한 전기 신호 데이터는 전압, 전류 및 위상을 포함하는 플라즈마 처리 시스템.
  20. 제 11 항에 있어서, 상기 센서는 전압 전류 측정 센서(Voltage Current sensor, VI sensor)를 포함하는 플라즈마 처리 시스템.
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