KR20230128516A - 플라즈마 밀도를 조절할 수 있는 이온 소스 장치 - Google Patents

Abstract

본 출원은 이온소스캐비티, 방전캐비티, 나선코일, 평면코일 및 무선주파수전원을 포함하는 플라즈마 밀도 조절이 가능한 이온 소스 장치를 개시하며; 상기 이온소스캐비티와 상기 방전캐비티는 외부에서 내부로 동축으로 제공되며, 상기 방전캐비티의 헤드에는 공기유입패널이 구비되며; 상기 방전캐비티의 배럴몸체 둘레에 상기 나선코일이 동축으로 슬리브되고, 그 사이에 방사방향갭(R)이 구비되고; 상기 평면코일은 상기 상기 공기유입패널 외측 상류에 동축으로 장착되고, 그 사이에 축방향갭(L)이 구비되며; 상기 나선코일의 일단과 상기 평면코일의 일단은 모두 전력분배기, 무선주파수정합기 및 무선주파수전원에 순차적으로 전기적으로 연결되고, 상기 나선코일의 타단과 상기 평면코일의 타단은 모두 접지되며; 및 상기 전력분배기는 상기 나선코일과 상기 평면코일로 들어오는 무선주파수 전력을 분할할 수 있으므로, 상기 방전캐비티에서의 플라즈마 밀도 분포 조정은 분할률(r)을 조정하여 구현된다.

Description

플라즈마 밀도를 조절할 수 있는 이온 소스 장치

본 출원은 2021년 1월 4일자에 출원된 중국 특허 출원 제2021100020819호 명칭 "플라즈마 밀도를 조절할 수 있는 이온 소스 장치"의 우선권 혜택을 주장하고, 개시 내용은 본원에 그 전문이 참조문헌으로 포함된다.

본 발명은 이온 빔 에칭 기술 분야에 관한 것으로, 특히 플라즈마 밀도를 조절할 수 있는 이온 소스 장치에 관한 것이다.

이온 소스는 이온빔 식각의 핵심 부품으로 이온 소스의 품질이 식각 성능에 직접적인 영향을 미친다. 고주파 유도 결합 이온 소스는 고밀도, 무공해, 용이한 유지 보수 및 긴 수명의 장점으로 인해 이온 빔 식각, 재료 표면 개질 및 박막 처리와 같은 분야에서 널리 사용된다. 전자 사이클로트론 발진 소스 및 나선 웨이브 소스에 비해 유도 결합 이온 소스의 설계 및 공정이 비교적 간단하고 외부 자기장의 제약 없이 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다. 무선주파수 유도결합 이온 소스는 주로 안테나 모양을 기반으로 한 나선형 구조이다. 이온 소스의 전체 구조는 주로 무선 주파수 안테나, 플라즈마 방전캐비티 및 추출 시스템으로 구성된다. 작동 원리는 유전체 창에 위치한 고주파 코일에 일정한 고주파 전류가 흐르면 방전캐비티에 유도된 고주파 전계가 유도된다는 것이다. 유도된 전기장은 전자의 움직임을 가속하여 전자가 중성 가스 분자와 지속적으로 충돌하고 이온화함으로써 유도 코일의 무선 주파수 에너지를 이온화된 가스에 결합하여 방전을 위한 플라즈마를 유지한다. 무선 주파수 방전에 의해 발생하는 대부분의 이온은 도 1에 도시된 바와 같이 그리드 시스템을 통해 추출되어 이온빔을 형성한다.

기존 이온 소스의 사용 과정에서 대부분의 후면코일을 채용하고 있다. 나선코일이 통전되면 플라즈마 밀도는 표피층 내에서 가장 높고 표피층 외측에서 점차 감소한다. 낮은 압력 조건에서 방전캐비티의 플라즈마 밀도는 도 2a의 점선으로 나타낸 바와 같이 대부분 포물선 분포를 나타낸다. 전류의 증가에 따라 가장자리의 표피효과가 증가하고 방전캐비티의 플라즈마 밀도 분포는 일반적으로 안장형태를 보인다. 중앙과 가장자리에서 플라즈마 밀도의 분포는 도 2b의 실선으로 도시된 바와 같이 불균일하다. 이 문제는 기존 방식에서 화면 격자에 다른 크기의 개구부를 제공함으로써 해결된다. 일반적으로 스크린거드의 매체에 위치한 개구부는 작고 가장자리의 개구부 크기가 증가하여 낮은 에너지 조건에서 가장자리의 균일성을 개선시킬 수 있을 뿐 여러 동작 조건을 조정할 수 없으며 고에너지 상태의 경우는 식각의 균일성에 영향을 미친다.

본 발명의 실시예는 플라즈마 밀도를 조절할 수 있는 이온 소스 장치를 제공하며, 이는 나선코일과 평면코일을 동시에 채택하고 서로 다른 동작 조건에 따라 두 코일의 전력을 조정하여 분할함으로써 위에서 언급한 문제를 효과적으로 해결하고 식각 균일성을 개선시킨다.

본 발명의 실시예들은 이온소스캐비티, 방전캐비티, 나선코일, 평면코일 및 무선주파수전원을 포함하는 플라즈마 밀도 조절이 가능한 이온 소스 장치를 제공한다. 상기 이온소스캐비티와 상기 방전캐비티는 외부에서 내부로 동축으로 제공된다. 상기 방전캐비티의 헤드에는 가스유입패널이 장착되어 있다. 나선코일은 방전캐비티의 배럴몸체 둘레에 동축으로 슬리브되어 있으며, 상기 방전캐비티의 상기 배럴몸체의 외측 벽면과 상기 나선코일 사이에는 방사방향갭(R)이 형성되어 있다. 상기 평면코일은 상기 가스유입패널 외측 상류에 동축으로 장착되며, 상기 평면코일과 상기 가스유입패널 외측 표면 사이에는 방사방향갭(L)이 구비된다. 상기 나선코일의 한 단자와 상기 평면코일의 한 단자는 모두 전력분배기, 무선주파수정합기 및 무선주파수전원에 순차적으로 전기적으로 연결되고, 상기 나선코일의 다른 한 단자와 상기 평면코일과 다른 단자는 모두 접지된다. 전력분배기는 상기 나선코일과 상기 평면코일로 유입되는 무선주파수 전력을 분할할 수 있으므로 상기 방전캐비티에서 플라즈마 밀도 분포에 대한 분할률(r)(분할률(r)은 P1:P2임)에 대한 조정으로 구현된다. 여기서 P1은 상기 나선코일에 유입되는 무선주파수 전력이고 P2는 상기 평면코일에 들어가는 상기 무선주파수 전력이다.

일 실시예에서, 분할률 r은 1:20 내지 20:1 범위이다.

일 실시예에서, 평면코일은 단일 디스크형코일이다.

일 실시예에서, 평면코일은 2개의 디스크형코일의 교번 조합이다.

일 실시예에서, 상기 나선코일과 상기 방전캐비티의 배럴몸체 외측 벽면 사이에 구비된 방사방향갭(R)은 2mm 내지 30mm 범위이고, 상기 평면코일과 상기 가스유입패널의 외측 표면 사이에 구비된 상기 축방향갭(L)은 2mm에서 30mm 범위이다.

일 실시예에 있어서, 상기 나선코일은 상기 이온소스캐비티의 배럴몸체 내측 벽면에 나선코일서포터를 통해 배치되고, 상기 평면코일은 이온소스의 헤드패널의 내측 벽면에 평면코일서포터를 통해 배치된다.

일 실시예에서, 상기 이온소스캐비티의 테일단자와 상기 방전캐비티의 테일단자에 상기 그리드부품이 배치되고, 상기 그리드부품은 스크린그리드와 가속그리드를 포함하고, 상기 스크린그리드는 플라즈마를 집속하도록 구성되며, 상기 가속그리드는 이온 빔을 가속하도록 구성된다.

일 실시예에서, 상기 그리드부품은 상기 가속그리드 하류에 배치된 감속거드를 더 포함하고, 상기 감속거드는 상기 이온 빔의 발산을 감소시키도록 구성된다.

본 발명의 유익한 효과는 다음과 같다. 나선코일과 평면코일을 동시에 채용하고 서로 다른 동작 조건에 따라 두 코일의 전력을 분담하여 식각 균일도를 효과적으로 향상시킨다. 조정 및 사용 방법은 구체적으로 다음과 같다.

1. 본 발명에서는 저에너지 조건에서 나선코일 단독으로 작동하여 방전캐비티에서 플라즈마의 균일한 분포를 보장하므로, 나선코일 단독 활용으로 평면코일에 전력 할당 없이 우수한 균일성을 확보할 수 있다.

2. 본 발명에서는 중간 에너지 조건에서 평면코일에 의해 방전캐비티에 균일한 플라즈마가 생성될 수 있으므로 평면코일이 단독으로 동작하여 식각 균일도를 확보할 수 있다.

3. 본 발명에서는 고에너지 조건 하에서 나선코일만을 활용하며, 방전캐비티의 플라즈마 밀도 분포는 중간이 낮고 양측방에서 높으며, 이때 평면코일에 전원을 인가하여 방전캐비티의 플라즈마 밀도 분포를 보정하여, 방전캐비티의 플라즈마 밀도 분포가 균일해지게 되므로 식각 균일도 개선에 도움이 된다.

도 1은 종래 기술의 나선형 무선 주파수 유도 결합 이온 소스의 개략도를 도시한다.
도 2a 및 2b는 방전캐비티에서의 플라즈마 밀도 분포의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 조정 가능한 플라즈마 밀도를 갖는 이온 소스 장치의 구조 개략도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 단일 디스크형코일을 채용한 평면코일의 구조 개략도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 2개의 디스크형코일의 조합을 채용한 평면코일의 구조 개략도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 이온 소스의 작업 흐름의 개략도를 도시한다. 도 6(a)는 단독으로 작동하는 나선코일의 작업 흐름도를 나타낸다. 도 6(b)는 단독으로 동작하는 평면코일의 작업 흐름도를 나타낸다. 도 6(c)는 나선코일과 평면코일이 동시에 동작하는 작업 흐름도를 나타낸다.
도 7은 일 실시예에서 나선코일과 평면코일이 단독으로 작동할 때 플라즈마 밀도 분포의 개략도를 도시한다.
도 8은 나선코일과 평면코일이 일 실시예에서 동시에 작동할 때 수정된 플라즈마 밀도 분포의 개략도를 도시한다.
참조번호에 대한 설명은 다음과 같다.
1. 이온소스캐비티; 2. 방전캐비티; 3. 나선코일; 5. 나선코일서포터; 6. 평면코일; 61. 평면코일서포터; 7. 평면코일서포터; 80 내지 85. 무선주파수칼럼; 9. 가스유입파이프라인; 10. 그리드부품 11. 스크린거드; 12. 가속그리드; 13. 감속그리드; 100. 전력분배기; 110. 비디오정합기; 120. 비디오전원; 130 내지 131. 직류전원; 140 내지 141. 웨이브필터; 150. 메인이온소스캐비티.

본 발명은 첨부된 도면 및 구체적이며 비교적 바람직한 실시예와 연계하여 더 명확해질 것이다.

본 발명의 설명에 있어서, "좌측", "우측", "상부" 및 "하부"와 같은 용어로 표시되는 방향 또는 위치 관계는 방향 또는 위치를 기준으로 한 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 도시된 관계는 단지 본 발명을 설명하는 편의를 위한 것이며 언급된 장치 또는 구성 요소가 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 암시하는 것이 아니라 특정 방향으로 구성되고 동작한다. "제1" 및 "제2"는 구성요소의 중요성을 나타내는 것이 아니므로 본 발명에 대한 제한으로 이해되어서는 안 된다. 본 실시예에서 채택된 구체적인 치수는 단지 기술적 해법을 예시하기 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 메인이온소스캐비티(150) 및 무선주파수전원(120)를 포함하는 플라즈마 밀도 조절이 가능한 이온 소스 장치를 제공한다.

메인이온소스캐비티(150)은 이온소스캐비티(1), 방전캐비티(2), 나선코일(3), 평면코일(6) 및 그리드부품(10)을 포함한다.

상기 이온소스캐비티와 상기 방전캐비티는 외부에서 내부로 동축으로 제공된다.

상기 방전캐비티의 헤드에는 가스유입패널이 구비되어 있으며, 상기 가스유입패널의 중간 부분에는 가스유입파이프라인(9)이 배치되어 있다.

상기 나선코일은 방전캐비티의 배럴몸체 주변에 동축으로 슬리브되며, 상기 나선코일은 상기 이온소스캐비티의 배럴몸체 내측 벽면에 상기 나선코일서포터(5)를 통해 배치되는 것이 바람직하다.

상기 나선코일과 상기 방전캐비티의 상기 배럴몸체 외측 벽면 사이에는 방사방향갭(R)이 구비되며, R은 2~30mm 범위가 바람직하다.

상기 평면코일은 상기 기체유입패널 외측 상류에 동축으로 장착되며, 평면코일서포터(7)를 통해 이온소스의 헤드패널 내측 벽면에 상기 평면코일을 배치하는 것이 바람직하다.

상기 평면코일과 상기 가스유입패널의 외측 표면 사이에는 축방향갭(L)이 구비되며, L은 2~30mm 범위가 바람직하다.

위에서 언급한 상기 방사방향갭(R)과 상기 축방향갭(L)의 설정은 상기 방전캐비티에서 비교적 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다.

상술한 평면코일(6)은 디스크형코일인 것이 바람직하다. 평면코일(6)은 도 4에 도시된 바와 같이 단일 디스크형코일로 형성될 수 있다. 상기 플라즈마 밀도 분포를 보다 균일하게 하기 위해 상기 평면코일은 도 5와 같이 2개의 디스크 모양의 코일로 구성할 수도 있다. 상기 디스크형코일의 단면 형상은 제한되지 않으며 원형 또는 사각형일 수 있다.

또한, 상기 나선코일서포터 및 상기 평면코일서포터의 재질은 세라믹 등의 절연성 재질이 바람직하고, 상기 방전캐비티의 재질은 세라믹 또는 석영이 바람직하다.

상기한 그리드부품은 이온소스캐비티와 방전캐비티의 테일 단자에 장착된다. 그리드부품(10)은 2개의 그리드 또는 3개의 그리드를 선택할 수 있다. 2개의 그리드는 스크린그리드(12)와 가속그리드(11)를 포함한다. 스크린그리드(12)는 플라즈마를 집속시켜 이온빔을 형성할 수 있고, 가속그리드(11)는 이온빔을 가속할 수 있다. 3개의 그리드는 2개의 기본 그리드에 감속그리드(13)를 추가하는 것으로, 감속그리드(13)는 접지되어 있어 이온빔의 발산을 효과적으로 줄일 수 있다. 웨이브필터(140, 141)에 의해 필터링된 후, 직류전원(130, 131)은 각각 무선주파수칼럼(84, 85)을 통해 그리드부품(10)의 스크린그리드(12) 및 가속그리드(11)에 연결된다. 그리드(12)는 음으로 충전되고 가속그리드(11)은 양으로 충전된다.

나선코일의 한 단자와 평면코일의 한 단자는 전력분배기(100), 무선주파수정합기(110) 및 무선주파수전원(120)에 순차적으로 연결되고, 나선코일의 다른 한 단자와 평면코일의 다른 한 단자는 각각 접지된다.

일 실시예에서, 구체적인 전기 연결 모드는 다음과 같다. 무선주파수전원(100)의 전력 전달을 최대화하기 위해서는 무선주파수전원(100) 뒤에 무선주파수정합기(110)를 연결하여 부하 임피던스와 무선주파수전원(100)의 임피던스를 정합하여 반사 전력을 줄이고 및 최대 전송 전력을 보장한다. 무선주파수정합기(110)는 전력분배기(100)에 연결되며, 전력분배기(100)에는 다수의 캐패시터와 인덕터로 구성된 전력분할회로가 내장되어 있다. 전력분할회로의 한 회로는 무선주파수칼럼(83)을 통해 나선코일(3)의 한쪽 단자에 연결되고, 나선코일(3)의 다른 쪽 단자는 무선주파수칼럼(80)을 통해 접지된다. 동시에 전력분할회로의 다른 쪽 회로는 무선주파수칼럼(81)을 통해 평면코일(6)의 한쪽 단자에 연결되고 평면코일(6)의 다른 쪽 단자는 주파수무선칼럼(82)을 통해 접지된다.

즉, 전력분배기는 나선코일과 평면코일로 들어오는 무선주파수 전력을 분할할 수 있으며, 방전캐비티에서 플라즈마 밀도 분포에 대한 조정은 분할률(r)에 대한 조정으로 실현된다. 분할률(r)은 P1:P2이며, 여기서 P1은 나선코일에 유입되는 무선주파수 전력이고 P2는 평면코일에 유입되는 무선주파수 전력이다. 본 발명에서 분할률(r)은 1:20 내지 20:1인 것이 바람직하다. 특정 동작 조건 하에서 나선코일이 독립적으로 작동될 때, 방전캐비티의 플라즈마 밀도는 가장자리에서 높고 중간에서 낮은 경향을 보인다. 나선코일과 평면코일에서 전력 분할이 가능하며, 평면코일은 전체 방전캐비티의 플라즈마 밀도가 균일하게 분포되도록 매질의 플라즈마 밀도를 보상한다.

식각이 필요할 때 직류전원(130, 131)과 고주파전원(120)이 가동되면 Ar, O₂ 등의 플라즈마 가스가 가스유입파이프라인(9)을 통해 방전캐비티(2)로 유입된다. 나선코일(3)과 평면코일(6)에서는 방전캐비티의 가스가 이온화되어 플라즈마를 생성한다. 방전캐비티(4)의 플라즈마는 그리드부품(10)을 통해 추출되어 이온빔 형태로 충격을 가해 웨이퍼를 식각한다.

본 발명에서 나선코일과 평면코일은 독립적으로 또는 협동하여 동작할 수 있으며, 작업 흐름은 도 6과 같다.

일 실시예에서, 나선코일은 독립적으로 동작한다.

도 6(a)에 도시된 바와 같이, 나선코일(3)을 채용하여 메가헤르츠 대역에서 공진을 발생시킬 수 있으며, 저압에서 효과적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 에너지를 플라즈마에 효율적으로 전달할 수 있다. 낮은 에너지 조건(또는 특정 동작 조건)에서 나선코일이 독립적으로 작동한다고 가정하면 도 7에 구체적으로 도시된 바와 같이 방전캐비티에서 플라즈마의 균일한 분포를 보장할 수 있다. 따라서 평면코일에 전력분할 없이, 단독으로 나선코일을 활용하여 우수한 균일성을 확보할 수 있다.

일 실시예에서 평면코일은 독립적으로 동작한다.

도 6(b)에 도시된 바와 같이, 중간 에너지 조건(또는 특정 동작 조건)으로 가정하면, 평면코일(6)에 의해 방전캐비티(4)에서 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 따라서 평면코일을 독립적으로 운용함으로써 식각균일도를 확보할 수 있다.

일 실시예에서, 나선코일 및 평면코일은 동시에 동작한다.

평면코일과 평면코일의 2개의 코일을 채용하고 있으며, 2개의 코일에 서로 다른 전력 부하를 인가한다. 예를 들어, 고에너지 조건 하에서 나선코일은 단독으로 활용되며, 방전캐비티의 플라즈마 밀도 분포는 중간에서 낮고 가장자리에서 높다. 이때 전원을 평면코일에 인가하여 방전캐비티의 플라즈마 밀도를 보정하여 방전캐비티의 플라즈마 밀도가 균일해지도록 함으로써 식각균일도 개선에 도움이 된다. 즉, 도 8의 좌측의 플라즈마 밀도의 그래프는 도 8의 우측에 있는 플라즈마 밀도의 개략도로 보정된다.

본 발명의 바람직한 실시예는 위에서 구체적으로 설명되었다. 그러나, 본 발명은 전술한 실시예의 구체적인 내용에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명의 기술적 해법에 대해 다수의 등가적인 변형이 이루어질 수 있으며, 이러한 등가적인 변형은 모두 본 발명의 보호 범위 내에 속한다.

Claims (8)

1. 이온소스캐비티, 방전캐비티, 나선코일, 평면코일 및 무선주파수전원을 포함하되;
   상기 이온소스캐비티와 상기 방전캐비티는 외부에서 내부로 동축으로 구비되며, 상기 방전캐비티의 헤드에는 가스유입패널이 마련되며;
   상기 나선코일은 상기 방전캐비티의 배럴몸체 둘레에 동축으로 슬리브되어 있으며, 상기 나선코일과 상기 방전캐비티의 상기 배럴몸체의 외벽면 사이에 방사방향갭(R)이 구비되고;
   상기 평면코일은 상기 가스유입패널 외측 상류에 동축으로 장착되고, 상기 평면코일과 상기 가스유입패널 외면 사이에는 축방향갭(L)이 구비되며;
   상기 나선코일의 한 단자와 상기 평면코일의 한 단자는 모두 전력분배기, 무선주파수정합기 및 무선주파수전원에 순차적으로 전기적으로 연결되고, 상기 나선코일의 다른 단자와 상기 평면코일의 다른 단자는 모두 접지되며; 및
   상기 전력분배기는 상기 나선코일과 상기 평면코일로 유입되는 무선주파수 전력을 분할할 수 있으므로 상기 방전캐비티에서 플라즈마 밀도 분포에 대한 조정은 분할률(r)에 대한 조정으로 구현되되. 여기서 상기 분할률(r)은 P1:P2이며, 여기서 P1은 상기 나선코일에 유입되는 무선주파수 전력이고 P2는 상기 평면코일에 유입되는 무선 주파수 전력인,
   플라즈마 밀도 조절이 가능한 이온 소스 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 분할률(r)은 1:20 내지 20:1인,
   플라즈마 밀도 조절이 가능한 이온 소스 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 평면코일은 단일 디스크형코일인,
   플라즈마 밀도 조절이 가능한 이온 소스 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 평면코일은 두 개의 디스크형코일의 교번 조합인,
   플라즈마 밀도 조절이 가능한 이온 소스 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 나선코일과 상기 방전캐비티의 상기 배럴몸체 외측 벽면 사이에 구비된 상기 방사방향갭(R)은 2mm 내지 30mm 범위이고, 상기 평면코일과 상기 가스유입패널의 외측 표면 사이에 구비된 상기 축방향갭(L)은 2mm에서 30mm 범위인,
   플라즈마 밀도 조절이 가능한 이온 소스 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 나선코일은 상기 이온소스캐비티의 배럴몸체 내측 벽면에 나선코일서포터를 통해 배치되고, 상기 평면코일은 이온소스의 헤드패널의 내측 벽면에 평면코일서포터를 통해 배치되는,
   플라즈마 밀도 조절이 가능한 이온 소스 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 이온소스캐비티의 테일단자와 상기 방전캐비티의 테일단자에 상기 그리드부품이 배치되고, 상기 그리드부품은 스크린그리드와 가속그리드를 포함하고, 상기 스크린그리드는 플라즈마를 집속하도록 구성되며, 상기 가속그리드는 이온 빔을 가속하도록 구성되는,
   플라즈마 밀도 조절이 가능한 이온 소스 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 그리드부품은 상기 가속그리드 하류에 배치된 감속거드를 더 포함하고, 상기 감속거드는 상기 이온 빔의 발산을 감소시키도록 구성되는,
   플라즈마 밀도 조절이 가능한 이온 소스 장치.

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