KR930004713B1 - 변조방식을 이용한 플라즈마 발생장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

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Description

변조방식을 이용한 플라즈마 발생장치 및 방법
제1도는 종래의 전자기기공명(ECR)방식을 이용한 플라즈마 발생장치의 구조도.
제2도는 제1도의 마그네틱코일에 흐르는 전류가 직류임을 나타낸 도면.
제3도는 본 발명을 달성하기 위한 마그네틱코일전류 발생장치의 블록도.
제4a도 내지 제4d도는 제3도에 도시한 변조용 신호발생기에서 만들어내는 전압파형을 나타낸 도면.
제5a도 내지 제5d도는 제3도에 도시한 전류발생장치에 의해 생성된 변조된 전류파형을 나타낸 도면.
제6도는 종래의 ECR구조에 의해 발생된 플라즈마 내부의 이온밀도 분포도.
제7도는 본 발명에 의한 변조방식 ECR구조에 의해 발생된 플라즈마 내부의 이온밀도분포의 개선도.
제8도는 본 발명에 의한 변조방식 ECR장치중 한 개의 마그네틱코일을 사용한 경우의 구조도.
제9도는 본 발명에 의한 변조방식 ECR장치중 두 개의 마그네틱코일을 사용한 경우의 구조도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1,1' : 마그네틱코일 2 : 도파관
3 : 석영창 4 : 챔버벽
5 : 플라즈마 집속링 6 : 시료지지대
7 : 시료(웨이퍼등 피가공물)
본 발명은 변조방식을 이용한 플라즈마 발생장치 및 방법에 관한 것으로 반도체 제조공정중 에칭이나 침적공정에 응용되는 ECR (전자자기공명)플라즈마장치 또는 다른 ECR방식을 이용한 플라즈마 발생장치에서 플라즈마의 균일도를 향상하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
플라즈마를 발생시켜 반도체 기판의 표면에 침적, 에칭등의 처리를 하는 종래 반도체 기판처리장치로는 발생된 고밀도 플라즈마를 자장회전에 의해 플라즈마의 균일성을 개선하는 장치가 있고, 최근에는 도파관과, 구형모터의 마이크로파를 원형 모터로 변환하는 구형/원형 변형수단을 구비하여 플라즈마 생성밀도의 불균일을 개선하는 플라즈마 반응장치가 개발되어 실용화되고 있다.
제1도는 종래의 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마장치의 구조를 도시한 개략 단면도이다.
우선 ECR(전자자기공명)에 대하여 알아보면, 이는 전자석에서 발생하는 자계에 의해 회전운동을 하는 전자의 운동주파수와, 전자파에 의해 회전하는 전자의 운동주파수가 공명을 일으킬 때 (즉, 주파수가 같아질때)운동 에너지가 최대로 되는 현상을 의미하며, 이때 플라즈마 발생효율이 최대가 된다(예를들어, 마이크로 웨이브가 2.45GHz의 주파수 일때 전자석에 의한 자계가 875Gauss이면 공명이 일어난다.)상기와 같은 관계로 인하여, 공명이 일어나는 부분은 한정되어 있으므로 플라즈마의 중앙부분의 이온밀도가 높고 주변이 낮게 되는 것이 일반적이었다. 그런데, 이와같이 하여 발생된 종래의 플라즈마는 배출창을 통해 빠져 나와 웨이퍼에 도달하여 에칭 또는 침적(CVD)이 이루어지게 되어 있어 웨이퍼 중앙부와 주변부의 에칭속도 또는 침적속도차가 커지는 불균일성 문제가 발생하는등 여러 결점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 결점을 해소하기 위하여 플라즈마가 발생하는 발생실 내부에 전자자기공명이 일어나는 고밀도 이온발생부분을 변조방식을 이용하여 이동시킴으로써 웨이퍼상에서의 평균식각속도의 균일도를 높이는 것이 목적이다.
또한, 본 발명의 또다른 목적은 마그네틱코일과, 여러개의 출력파형을 생성하는 변조용 신호발생기와, 고정전류에서 가변전류로 변경하기 위해 변조용 신호발생기의 출력전압과 기준전압을 합성하여 변조된 전압파형을 만드는 전압형성기와, 상기 전압합성기의 출력전압에 의해 전류를 가변시키는 전류전원장치로 구성된 플라즈마 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적과 장점들은 본 발명의 원리를 도시한 첨부도면과 하기 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 자계를 발생하는 코일에 공급되는 전류를 종래의 고정전류방식에서 가변전류(변조된 전류)로 변경하였다. 그리고, 상기 변경을 위해 변조용 신호발생기의 출력전압과 기준전압을 합성하여 변조된 전압파형을 만드는 전압합성기를 구성하여 전압합성기로 기준전압과 변조용 신호발생기의 전압을 변조시켜 출력전압을 가변시키는 전류전원장치에 입력시켜서 최종적으로 코일에 공급되는 전류(i)를 변조파형으로 만들었다.
또한, 본 발명에서는 단일코일방식 또는 복합코일(이중코일)방식을 사용하여 자계방생을 위한 코일을 구성할 수 있으며, 복합코일방식일 경우에는 상하코일에 공급되는 전류 i1, i2를 서로 각기 제어할 수 있도록 하고 가변전류의 위상을 서로 반전시킬 경우에는 이온의 혼합효과를 극대화하여 이온의 밀도를 균일화 할 수 있도록 되어 있다.
제2도는 통상적인 기존의 ECR장치에서 마그네틱코일(1,1')에 흐르는 전류가 시간에 따라 변화하지 않고 일정함을 보여주는 도면이다.
본 발명의 전류전원장치는 제3도에서 보는 바와 같이 입력전압 V1(통상 0 내지 10V 범위)에 의해 출력전류 i가 가변되는 기능을 가지고 있으며, 마그네틱코일에 전류를 공급하여 자장을 형성하게 된다.
일반적으로 반응실 주위의 코일에 의해 자장이 발생할 경우 반응실 중앙부분에서 자장이 공명조건을 만족하도록 코일전류를 조절해주게 되므로 중앙부 이외의 부분은 공명조현상이 일어나도 에너지가 최대가 되지 못하여 플라즈마 이온밀도분포는 제6도에 도시한 바와 같이 중앙부가 높고 주변부가 낮게 된다.
본 발명은 전류전원장치의 입력포트에 전압합성기출력측을 연결하고 전압합성기는 변조용 신호발생기의 출력전압 V2(제4a도)와 시스템의 기준전압V3를 합성하여 제5a도 내지 제5d도에 도시한 바와 같이 변조된 전류 i(t)를 얻게 된다.
본 발명은 상기 변조된 전류를 자기코일에 공급함으로써 결과적으로 자기코일로부터 발생하는 자장의 세기를 기준전압에 상응하는 자장의 세기인 875Gauss를 중심으로 상하로 높거나 낮게하여 ECR공명이 일어나는 위치를 자장내에서 방사선 방향으로 시간적으로 변화시킴으로써 최종적으로 플라즈마이온밀도가 시간평균적으로 균일한 분포를 가지도록 하는 것이다.
제4a도 내지 제4d도에서 0 내지 t1일 경우 공명이 일어나는 875Gauss 부분이 도우넛 모양으로 되어 (중앙부는 875Gauss 보다 세다) 제7도의 F와 같은 플라즈마 이온밀도분포를 얻게 된다.
또한, t1내지 t2의 범위에서는 중앙부가 875Gauss에 가까워지게 되어 중앙부의 플라즈마 이온밀도가 가장 높은 모양(제7도의 E)을 가지게 된다. 이때 t1, t2의 듀티사이클(duty cycle)과 주파수 T를 적절히 설정할 경우 제7도의 G와 같은 플라즈마이온분포를 가지게 되며 이것으로 에칭시 식각속도의 균일도를 향상시킬 수 있고 또한 침적공정에 응용할 경우 침적속도의 균일도를 향상시킬 수 있다.
이 경우 듀티사이클인 t1/t2은 0.1 내지 0.9 범위가 가능하며 주파수 T는 코일의 인덕턴스를 고려할 경우 1/10 내지 10Hz범위가 사용가능하다.
이상과 같이, 본 발명은 플라즈마 발생장치의 플라즈마 이온밀도분포를 균일하게 하기 위해 전류변조방식을 이용하여 ECR공명이 일어나는 고밀도 이온밀도 부분을 방사선 형태로 이동시켰으며, 종래의 고정전류 방식에 비해 플라즈마 이온밀도분포가 균일한 면적으로 넓어져 웨이퍼내에서의 식각속도 또는 침적속도의 균일도를 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 마그네틱코일과, 변조용신호발생기와, 고정전류에서 가변전류로 변경하기 위해 변조용 신호발생기의 출력전압과 기준전압을 합성하여 변조된 전압파형을 생성하는 전압합성기와, 상기 전압합성기의 출력전압에 의해 전류를 가변시키는 전류전원장치로 구성되어 전압합성기를 이용하여 기준전압과 변조용 신호발생기의 전압을 변조시켜 전류전원장치에 입력시킴으로서 자장을 형성하는 코일의 전류를 가변시켜서 플라즈마의 균일성을 증가시키는 것을 특징으로 하는 변조방식을 이용한 플라즈마 발생방법
  2. 제1항에 있어서, 변조용 신호발생기의 듀티사이클이 0.1 내지 0.9이고, 주파수가 1/10 내지 10Hz인 것을 특징으로 하는 변조방식을 이용한 플라즈마 발생방법.
  3. 제1항에 있어서, 변조전류 발생장치(신호발생기와 전압합성기 및 전원장치의 구성)를 1개 이상 사용하여 두 코일에 의한 플라즈마 이온밀도분포의 합성이 평탄화 되도록 하는 것을 특징으로 하는 변조방식을 이용한 프라즈마 발생방법.
  4. 제1항에 있어서, 변조용 신호발생기의 출력파형이 구형파, 톱니파, 나사산파, 싸인파 등임을 특징으로 하는 변조방식을 이용한 플라즈마 발생방법.
  5. 마그네틱코일과, 여러가지 출력파형을 출력하는 변조용신호발생기와, 고정전류에서 가변전류로 변경하기 위해 변조용 신호발생기의 출력전압과 기준전압을 합성하여 변조된 전압파형을 생성하는 전압합성기와, 상기 전압합성기의 출력전압에 의해 전류를 가변시키는 전류전원장치로 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
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