WO2014104615A1 - 플라즈마 장치 및 기판 처리 장치 - Google Patents

플라즈마 장치 및 기판 처리 장치 Download PDF

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WO2014104615A1
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plasma
center
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엄승환
이기수
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주식회사 윈텔
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
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    • H05H1/4645—Radiofrequency discharges
    • H05H1/4652—Radiofrequency discharges using inductive coupling means, e.g. coils

Definitions

  • the present invention relates to a plasma generating apparatus, and more particularly to an inductively coupled plasma generating apparatus using a plurality of antennas.
  • Helicon plasma can produce high density plasma.
  • the helicon plasma is difficult to provide process uniformity and process stability.
  • One technical problem to be solved of the present invention is to provide a plasma generating apparatus for forming a uniform helicon or inductively coupled plasma.
  • a plasma generating apparatus includes: peripheral dielectric tubes disposed at uniform intervals on a circumference having a constant radius at the center of an upper surface of a chamber; Peripheral antennas arranged to surround the peripheral dielectric tubes; Upper magnets vertically spaced apart from the peripheral dielectric tubes and disposed in the same first plane; and lower magnets respectively disposed in the same second plane between the upper magnets and the peripheral dielectric tubes.
  • the central axes of the upper magnet and the lower magnet coincide with each other, and a plasma is formed inside the peripheral dielectric tube.
  • the upper upper magnets are toroidal permanent magnets, the magnetization direction of the upper magnets may be the central axis direction of the toroidal shape.
  • the lower magnets are toroidal permanent magnets
  • the magnetization direction of the lower magnets is the central axis direction of the toroidal shape
  • the magnetization direction of the upper magnet is the magnetization of the lower magnet
  • the outer diameter of the upper upper magnets may be larger than the outer diameter of the lower magnets.
  • a first RF power supply for powering the peripheral antennas; And a power distribution unit that distributes power to the peripheral antennas.
  • the power distribution unit comprises: an input branch in the form of a coaxial cable that receives power from the first RF power source; A three-way branch in the form of a coaxial cable connected to the input branch and split into three branches; T branches in the form of biaxially coaxial cables connected to the three-way branch; And ground lines connecting the envelope of the T branches and the peripheral antennas.
  • the inner leads of the T branches may be connected to one end of the peripheral antennas, and the envelope of the T branches may be connected to the other end of the peripheral antennas.
  • the center dielectric tube disposed in the center of the upper surface of the chamber; And a center antenna disposed around the center dielectric tube.
  • the direction of the magnetic field in the peripheral dielectric tubes and the magnetic field in the central dielectric tube may be opposite directions.
  • the chamber comprises a lower chamber of a metal material; An upper chamber of a non-metallic material continuously connected to the lower chamber; And it may include a top plate of a metal material covering the upper surface of the upper chamber. Further comprising a side coil surrounding the side of the upper chamber, the side coil may form an inductively coupled plasma inside the chamber.
  • the plasma generating apparatus forms a helicon plasma having a two-layer magnet structure around the chamber, and forms an inductively coupled plasma that does not form a plasma or uses a magnet in the center.
  • process uniformity and process speed can be significantly increased.
  • FIG. 1 is a plan view illustrating an antenna arrangement of a conventional helicon plasma apparatus.
  • FIG. 2 is a computer simulation result showing a magnetic field profile in a section taken along the line II ′ of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a computer simulation result showing a magnetic field profile in the section taken along the line II-II ′ of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating an upper magnet and a lower magnet of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a plan view illustrating an arrangement relationship of the dielectric tubes of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a conceptual cross-sectional view illustrating the plasma generating apparatus of FIG. 4.
  • FIG. 8 is a circuit diagram illustrating the plasma generation device of FIG. 4.
  • 10A is a perspective view illustrating the power distribution unit of FIG. 1.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view taken along the line III-III ′ of FIG. 10A.
  • FIG. 10C is a cross-sectional view taken along the line IV-IV ′ of FIG. 10A.
  • FIG. 10D is a cross-sectional view taken along the line VV ′ of FIG. 10A.
  • FIG. 11A is a diagram illustrating a magnetic field in a cross section taken along line VI-VI ′ of FIG. 6.
  • FIG. 11B is a diagram illustrating a magnetic field in a cross section taken along the line VII-VII ′ of FIG. 6.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a plasma generating apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13A is a diagram illustrating a thickness distribution of a silicon oxide film deposited using a plasma generator having the structure of FIG. 1.
  • FIG. 13B is a diagram illustrating a thickness distribution of a silicon oxide film deposited by using the plasma generator having the structure of FIG. 5.
  • FIG. 1 is a plan view illustrating an antenna arrangement of a conventional helicon plasma apparatus.
  • FIG. 2 is a computer simulation result showing a magnetic field profile in a section taken along the line II ′ of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a computer simulation result showing a magnetic field profile in the section taken along the line II-II ′ of FIG. 1.
  • a center dielectric tube 11 is disposed at the center of the top plate 53, and six peripheral dielectric tubes 21 are symmetrically arranged at regular intervals on a circumference of a constant radius with respect to the center of the top plate 53. do.
  • a center antenna 16 surrounds the center dielectric tube 11.
  • the peripheral antenna 26 surrounds the peripheral dielectric tube 21.
  • the permanent magnets 12 and 22 are disposed to be spaced vertically from the center antenna and the peripheral antenna to form the helicon plasma.
  • the magnetic field is obliquely incident on the side of the dielectric tube.
  • the plasma formed by the antenna surrounding the dielectric tube impacts the inner wall of the dielectric tube. That is, electrons move along a magnetic field, and heat is generated as the electrons strike the inner wall of the dielectric tube. Therefore, the loss of electrons increases, the plasma density decreases, and the stability of the equipment decreases due to heat.
  • the antenna surrounding the central dielectric tube increases the plasma density on the substrate at the center of the chamber. Therefore, uniform process is difficult.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating an upper magnet and a lower magnet of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a plan view illustrating an arrangement relationship of the dielectric tubes of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a conceptual cross-sectional view illustrating the plasma generating apparatus of FIG. 4.
  • FIG. 8 is a circuit diagram illustrating the plasma generation device of FIG. 4.
  • 10A is a perspective view illustrating the power distribution unit of FIG. 1.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view taken along the line III-III ′ of FIG. 10A.
  • FIG. 10C is a cross-sectional view taken along the line IV-IV ′ of FIG. 10A.
  • FIG. 10D is a cross-sectional view taken along the line VV ′ of FIG. 10A.
  • FIG. 11A is a diagram illustrating a magnetic field in a cross section taken along line VI-VI ′ of FIG. 6.
  • FIG. 11B is a diagram illustrating a magnetic field in a cross section taken along the line VII-VII ′ of FIG. 6.
  • the plasma generating apparatus 100 is disposed at uniform intervals on a circumference having a constant radius at the center of the upper surface 153 of the chamber 152.
  • Upper magnets 132a to 132f disposed on the first plane, and lower magnets disposed on the same second plane between the upper magnets 132a to 132f and the peripheral dielectric tubes 112a to 112f, respectively.
  • 192a through 192f The central axes of the upper magnet 132a and the lower magnet 192a coincide with each other.
  • the chamber 152 may have a cylindrical shape or a square cylinder shape.
  • the chamber 152 may include a gas supply part supplying a gas and an exhaust part exhausting the gas.
  • the chamber 152 may include a substrate holder 154 and a substrate 156 mounted on the substrate holder 154.
  • the chamber 152 may include an upper surface 153.
  • the upper surface 153 may be a lid of the chamber 152.
  • the upper surface 153 may be formed of a metal or a metal alloy. The upper surface may be disposed in the x-y plane.
  • Periphery through holes 111a to 111f may be disposed on the upper surface 153.
  • the upper surface may be in the form of a square plate or a disc.
  • the peripheral through holes 111a to 111f may be disposed at regular intervals on a circumference having a constant radius at the center of the upper surface 153.
  • the inner diameter of the peripheral through hole 111a may be substantially the same as the inner diameter of the peripheral dielectric tube 112a.
  • a center through hole 211 may be disposed at the center of the upper surface 153.
  • Peripheral dielectric tubes 112a through 112f may be disposed on the peripheral through holes 111a through 111f, respectively.
  • the central dielectric tube 212 may be disposed on the central through hole 211.
  • the upper surface 153 may be formed by combining two plates with each other. Accordingly, a passage through which the refrigerant flows may be formed in the upper surface 153.
  • the peripheral dielectric tubes 112a to 112f and the central dielectric tube 212 may have a bell-jar shape without a lid.
  • the peripheral dielectric tubes 112a to 112f and the central dielectric tube 212 may include a washer-shaped support and a cylindrical cylinder.
  • the interior of the peripheral dielectric tubes 112a to 112f and the interior of the central dielectric tube 212 may be maintained in a vacuum state.
  • the peripheral dielectric tubes 112a to 112f and the central dielectric tube 212 may be formed of glass, quartz, alumina, sapphire, or ceramic. One end of the center dielectric tube 212 may be connected to the center through hole 211 of the chamber 152, and the other end of the center dielectric tube 212 may be connected to the metal lid 214.
  • One end of the peripheral dielectric tubes 112a to 112f is connected to the peripheral through holes 111a to 111f of the chamber 152, and the other end of the peripheral dielectric tubes 112a to 112f is formed of metal lids 114a to. 114f).
  • the metal lids 114a to 114f may include a gas inlet 115 for introducing gas.
  • the metal caps 114a to 114f may reflect constructive waves to cause constructive interference.
  • the length of the peripheral dielectric tubes 112a to 112f may be several centimeters to several tens of centimeters.
  • the length of the peripheral dielectric tubes 112a to 112f is determined by the radius R of the dielectric tube, the intensity of magnetic flux density B 0 in the peripheral dielectric tube, the plasma density n 0 , and the frequency f of the power source. Can be determined.
  • e is the charge of the electron
  • B 0 is the intensity of the magnetic flux density
  • ⁇ 0 is the permeability
  • ⁇ is the angular frequency
  • n 0 is the density of the plasma. If the frequency f is 13.56 Mhz, B 0 is 90 Gauss, and n 0 is 4 ⁇ 10 12 cm ⁇ 3 , the length L / 2 of the peripheral dielectric tube may be 5.65 cm.
  • the peripheral antennas 116a to 116f may have geometric symmetry.
  • the peripheral antennas may have the same structure and may be electrically connected to each other in parallel.
  • the peripheral antennas 116a to 116f may be conductive pipes having a cylindrical shape or a rectangular cylinder shape. Refrigerant may flow inside the peripheral antennas 116a to 116f.
  • the peripheral antennas 116a to 116f may be symmetrically around a circumference of a constant radius with respect to the center of the upper surface 153.
  • the center antenna 216 may be disposed at the center of the upper surface 153.
  • the peripheral antennas 116a to 116f may be six.
  • the peripheral antennas 116a to 116f may be disposed to surround the peripheral dielectric tube.
  • the peripheral antennas 116a to 116f may be three turn antennas.
  • the center antenna 216 may be one.
  • the center antenna may be arranged to surround the center dielectric tube.
  • the center antenna may have the same structure or a different structure from that of the peripheral antenna.
  • the peripheral antennas 116a to 116f may form a helicon plasma at a low pressure of several milliTorr using a magnetic field formed by the upper magnets 132a to 132f and the lower magnets 192a to 192f.
  • the peripheral antenna may increase the plasma density in the peripheral dielectric tube.
  • the center antenna may form an inductively coupled plasma rather than a helicon plasma. Accordingly, the peripheral dielectric tube can maintain a high plasma density by the helicon plasma, and the central dielectric tube can maintain a low plasma density relative to the inductively coupled plasma.
  • the helicon plasma and the inductively coupled plasma may diffuse onto the substrate to form an overall uniform plasma density distribution.
  • the direction of the magnetic field formed by the upper magnets 132a to 132f and the lower magnets 192a to 192f may be in the negative z-axis direction in the peripheral dielectric tube. Also, since magnets are not disposed on the center dielectric tube, the direction of the magnetic field in the center dielectric tube may be in the positive z-axis direction.
  • the density of the helicon plasma in the peripheral dielectric tube may be higher than the density of the inductively coupled plasma in the central dielectric tube.
  • the region where the helicon plasma is formed in the peripheral dielectric tube may have a spherical structure. Thus, overall, the plasma density distribution on the substrate can be improved. In addition, sputtering damage and thermal damage to the helicon plasma in the peripheral dielectric tube can be suppressed.
  • the first RF power source 162 may output a sine wave of a first frequency. Power of the first RF power source 162 may be provided to the first power distribution unit 122 through the first impedance matching network 163. The frequency of the first RF power source 162 may be several hundred kHz to several hundred MHz.
  • the first power distributor 122 may distribute the power supplied through the first impedance matching network 163 to the peripheral antennas 116a to 116f connected in parallel.
  • the first power distribution unit 122 may include a first power distribution line 122c and a first conductive envelope 122a surrounding and grounding the first power distribution line 122c.
  • the distance between the input terminal N1 of the first power distributor 122 and the peripheral antennas 116a to 116f may be the same.
  • the first insulation portion may be interposed between the first power distribution line 122c and the first conductive shell 122a.
  • the first power distributor 122 is an input branch 123 of the coaxial cable type that receives power from the first RF power source 162, and is coaxially connected to the input branch 123 and split into three branches. It may include a three way branch 124 of, and the T branches 125 in the form of a two-coaxial coaxial cable connected to the three-way branch 124.
  • the input branch 123 may have a cylindrical shape.
  • the input branch 123 has a coaxial cable structure.
  • the input branch 123 may include a cylindrical inner conductor 123c, a cylindrical insulator 123b surrounding the inner conductor, and a cylindrical outer conductor 123a surrounding the insulator.
  • a coolant may flow in the inner conductor 123c.
  • One end of the input branch 123 may be connected to the first impedance matching network 163, and the other end of the input branch 123 may be connected to the three way branch 124 divided at 120 degree intervals. .
  • the three way branch 124 may have a rectangular cylinder shape cut along an axis.
  • the three way branch 124 may be disposed in an xy plane spaced apart in the z-axis direction from the top plate.
  • the three way branch 124 may have a coaxial cable structure.
  • the three-way branch 124 includes a cylindrical inner conductor 124c, a cut rectangular cylindrical insulator 124b surrounding the inner conductor, and a cut rectangular cylindrical outer conductor surrounding the insulator ( 124a).
  • the coolant supplied through the inner conductor 123c of the input branch 123 may flow into the inner conductor 124c of the three-way branch 124.
  • the length of the arm of the three way branch 124 may be greater than the distance between the placement of the peripheral dielectric tube from the center of the top surface. Accordingly, electrical connection between the T branches 125 and the peripheral antennas can be easily performed.
  • the T branches 125 may be connected to the three way branch 124 to distribute power bifurcated.
  • the T branches 125 may have a cut square shape.
  • the T branches 125 may have a coaxial cable structure.
  • the T branches 125 may include a cylindrical inner conductor 125c, an insulator 125b surrounding the inner conductor, and an outer conductor 125a surrounding the insulator. Refrigerant may flow into the inner conductor 125c.
  • the T branches 125 may have arms of the same length.
  • Each of the T branches 125 may supply power to a pair of peripheral antennas 116a and 116b.
  • the T branches 125 may have the same shape.
  • the internal conductor 125c may be continuously connected to the peripheral antennas 116a and 116b to simultaneously supply power and refrigerant.
  • the refrigerant supplied through the inner conductor 124c of the three-way branch 124 may flow into the inner conductor 125c of the T branch 125.
  • the fixing plates 113 may fix the peripheral antennas 116a to 116f and may be fixed to the upper surface 153.
  • the fixing plates 113 may have a strip line shape.
  • One end of the fixing plates 113 may be connected to one end of the peripheral antennas 116a to 116f and grounded.
  • the other ends of the fixing plates 113 may be connected to one end of the ground line 119 and grounded.
  • the ground line 119 may connect the fixing plate 113 and the external conductor 125a of the T branch 125 to each other. One end of the ground line 119 may be connected to the other end of the fixing plate 113, and the other end of the ground line 119 may be connected to the external conductor 125a of the T branch 125.
  • the length of the ground line 119 may be the same with respect to the peripheral antennas 116a to 116f. Accordingly, the peripheral antennas 116a to 116f may all have the same impedance.
  • the gas distributor 172 may supply gas to the peripheral dielectric tubes and / or the central dielectric tube.
  • the gas distributor 172 may have a structure similar to that of the first power distributor 122 and may evenly distribute gas to the dielectric tubes.
  • the gas distribution part may be connected to the metal caps 114a to 114f.
  • the gas distribution part 172 may be formed to have the same length on the metal lids 114a to 114f.
  • the gas distribution part 172 may be branched into three branches from the central metal lid 214 and again branched into a T-shape to be connected to the metal lids 114a to 114f.
  • the second RF power source 164 may supply power to the center antenna 216.
  • the first frequency of the first RF power source 162 may be different from the second frequency of the second RF power source 164. can be different.
  • the first frequency may be 13.56 Mhz
  • the second frequency may be 12 Mhz.
  • the second RF power source 164 may be directly connected to the center antenna 216 through the second impedance matching network 165.
  • the upper magnets 132a to 132f may have a toroidal shape or a toroidal shape. Cross sections of the upper magnets 132a to 132f may be rectangular or circular. The magnetization direction of the upper magnet may be perpendicular to the plane on which the upper magnet is disposed. The upper magnets may be toroidal permanent magnets. The magnetization direction of the upper magnets may be in the direction of the central axis of the toroidal shape.
  • the upper magnets 132a to 132f may be inserted into the upper magnet fixing plate 141.
  • the upper magnet may be spaced apart from the center of the peripheral antenna in the z-axis direction.
  • the upper magnet fixing plate 141 may have a disc shape or a square shape and may be a nonmagnetic material.
  • the upper magnet moving unit 140 may be fixedly coupled to the upper plate 153.
  • the upper magnet moving part 140 may include at least one upper magnet supporting pillar 142 extending perpendicular to a plane (xy plane) in which the peripheral dielectric tubes are disposed.
  • the upper magnet fixing plate 141 may be inserted into the upper magnet support pillar 142 to move along the upper magnet support pillar 142.
  • the through hole 143 may be disposed at the center of the upper magnet fixing plate 141.
  • the input branch 123 may be connected to the first impedance matching network 163 through the through hole 143.
  • the upper magnet fixing plate 141 may be a means for fixing the upper magnets 132a to 132f.
  • the upper magnets 132a to 132f may be spaced apart in the z-axis direction from the centers of the peripheral antennas.
  • the center of the upper magnet may be aligned with the center of the peripheral dielectric tube.
  • the upper magnets 132a to 132f may be inserted into and fixed to the upper magnet fixing plate 141.
  • the lower magnets 192a to 192f may be disposed in the same second plane between the upper magnets 132a to 132f and the peripheral dielectric tubes 112a to 112f, respectively.
  • the central axis of the upper magnet and the lower magnet may coincide with each other.
  • the lower magnets 192a to 192f may be permanent toroidal shapes.
  • the magnetization direction of the lower magnets may be a direction of the central axis of the toroidal shape.
  • the magnetization direction of the upper magnet may be the same as the magnetization direction of the lower magnet.
  • the outer diameter of the upper magnets may be the same as or larger than the outer diameter of the lower magnets.
  • the lower magnet may be disposed between the upper magnet and the metal lid of the peripheral dielectric tube.
  • the oblique incidence of the magnetic fields by the upper magnet and the lower magnet on the peripheral dielectric tube can be suppressed.
  • the plasma density distribution on the substrate can be uniform.
  • the helicon plasma inside the peripheral dielectric tube can be suppressed from heating the peripheral dielectric tube.
  • the direction of the magnetic field inside the peripheral dielectric tubes formed in the lower magnets 192a to 192f and the upper magnets 132a to 132f is in the negative z-axis direction, and the center dielectric tube
  • the direction of the internal magnetic field may be in the positive z-axis direction.
  • the lower magnet moving unit 195 may be fixedly coupled to the upper surface 153.
  • the lower magnet moving part 195 may include at least one lower magnet supporting pillar 194 extending perpendicular to a plane (xy plane) in which the peripheral dielectric tubes are disposed.
  • the lower magnet fixing plate 193 may be inserted into the lower magnet support pillar 194 to move along the lower magnet support pillar 194.
  • a through hole may be disposed in the center of the lower magnet fixing plate 193.
  • the input branch 123 may be connected to the first impedance matching network 163 through the through hole.
  • the lower magnet fixing plate 193 may be a means for fixing the lower magnets 192a to 192f.
  • the lower magnets 192a to 192f may be spaced apart in the z-axis direction from the centers of the peripheral antennas. The center of the lower magnet may be aligned with the center of the peripheral dielectric tube.
  • the lower magnets 192a to 192f may be inserted into and fixed to the lower magnet fixing plate 193.
  • the lower magnet fixing plate 193 may include a through hole 193a at a position where the lower magnet is disposed. The gas line may pass through the through hole 193a to supply gas to the peripheral dielectric tube.
  • the upper magnet mover 140 and the lower magnet mover 195 may generate a planar helicon mode by adjusting the intensity and distribution of the magnetic flux density B 0 in the peripheral dielectric tube. For example, for a given condition (L, ⁇ , R), the upper magnetic fixing plate 141 and the lower magnetic fixing plate such that the ratio B0 / n0 of the plasma density n 0 to the magnetic flux density B 0 is constant. 193 may move. Thus, a uniform plasma can be generated.
  • the oblique incidence of the magnetic field on the peripheral dielectric tube can be suppressed.
  • the direction of the magnetic field in the peripheral dielectric tube may be in the negative z-axis direction, and the direction of the magnetic field in the central dielectric may be in the positive z-axis direction.
  • the strength of the magnetic field in the peripheral dielectric tube may be significantly less than the strength of the magnetic field in the central dielectric.
  • the upper magnet and the lower magnet it is possible to adjust the region and the position where the plasma is formed.
  • the position where the helicon plasma is generated may be disposed on the inner or lower surface of the peripheral dielectric tube.
  • the center antenna forms the helicon plasma
  • it is difficult to form a uniform plasma because the plasma density increases in the center region in the chamber.
  • the uniformity of the plasma density distribution is reduced.
  • the center antenna does not produce a helicon plasma.
  • the magnet is removed on the center antenna.
  • the center antenna surrounding the center dielectric tube forms a conventional inductively coupled plasma rather than a helicon plasma. Accordingly, the plasma density at the center of the chamber is reduced, so that a uniform process is possible.
  • a uniform process may be performed on the substrate within a range of 3 percent.
  • one power source can power peripheral antennas connected in parallel.
  • the power distribution unit may be disposed between the peripheral antennas and the power supply to supply the same power to the peripheral antennas.
  • peripheral antennas may be arranged on the top plate of the chamber at a uniform interval around the center antenna and the center antenna.
  • the center antenna is disposed at the center of the upper plate, and the remaining six peripheral antennas may be symmetrically disposed on a predetermined circumference relative to the center antenna.
  • the six peripheral antennas may be connected to one power source through the power distribution unit.
  • the peripheral antennas form a plasma
  • the impedance of the peripheral antennas on the symmetrical circumference and the center antenna surrounded by the peripheral antennas are different from each other.
  • power may be concentrated in some of the antennas to form a non-uniform plasma. Therefore, according to an embodiment of the present invention, the peripheral antennas are supplied with power through the first power source and the first power distribution unit, and the center antenna is supplied with power from the second power source. Accordingly, the power supplied to the peripheral antennas and the power supplied to the center antenna can be controlled independently.
  • the power distribution also has the form of a coaxial cable having the same length to the peripheral antennas.
  • the peripheral antennas can be operated under the same conditions.
  • one end of the peripheral antenna is connected to the power supply line, and the other end of the peripheral antenna must be connected through a ground line having the same length to the outer shell constituting the power distribution unit so that the peripheral antennas maintain the same impedance.
  • the center antenna forms an inductively coupled plasma
  • the peripheral antennas form a helicon plasma.
  • the plasma generating apparatus may perform an oxidation process, a nitriding process, or a deposition process.
  • Inductively coupled plasma apparatuses typically produce high density plasmas at or above tens of millitorr (mTorr). However, the inductively coupled plasma apparatus is difficult to generate a high density plasma at low pressure of several millitorr (mTorr). Therefore, the low pressure process and the high pressure process could not be performed continuously in one chamber.
  • the plasma apparatus generates a large area high density helicon plasma at a low pressure of several millitorr (mTorr).
  • the high density plasma generated at low pressure may dissociate the injected gas (for example, O 2 ) as much as possible to form an oxide film having high purity.
  • the plasma apparatus can generate large area high density plasma at high pressures of several tens of millitorr to several torr at continuously high pressure.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a plasma generating apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the plasma generating apparatus 100 includes peripheral dielectric tubes 112a to 112f disposed at regular intervals on a circumference having a constant radius at the center of the upper surface of the chamber 152, and the peripheral dielectric.
  • Peripheral antennas 116a through 116f disposed to surround the tubes 112a through 112f, and upper magnets 132a through 132f vertically spaced from the peripheral dielectric tubes 112a through 112f and disposed in the same first plane.
  • lower magnets 192a to 192f disposed in the same second plane between the upper magnets 132a to 132f and the peripheral dielectric tubes 112a to 112f, respectively.
  • the central axes of the upper magnet 132a and the lower magnet 192a coincide with each other.
  • the chamber 152 is formed of a metal material covering a lower chamber 152b of a metallic material, an upper chamber 152a of a nonmetallic material continuously connected to the lower chamber 152b, and an upper surface of the upper chamber 152a. And a top plate 153.
  • the side coil 264 may be disposed to wind the side surface of the upper chamber 152a.
  • the side coil 264 may form an inductively coupled plasma inside the chamber.
  • the side coil may be powered from the RF power supply 262 through the impedance matching network 263.
  • the substrate holder may be powered from the RF power source 362 via the impedance matching network 363.
  • FIG. 13A is a diagram illustrating a thickness distribution of a silicon oxide film deposited using a plasma generator having the structure of FIG. 1.
  • FIG. 13B is a diagram illustrating a thickness distribution of a silicon oxide film deposited by using the plasma generator having the structure of FIG. 5.
  • a sacrificial oxide film was formed using argon, oxygen, and hydrogen at a pressure of 30 mTorr.
  • the uniformity (1- (maximum value-minimum value) / (maximum value)) of the silicon oxide film showed 82.5 percent for the 300 mm wafer in the plasma generator having the structure of FIG. 1A, and the plasma generator having the structure of FIG. 3. At 99.15 percent for a 300 mm wafer.

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Abstract

본 발명은 플라즈마 발생 장치를 제공한다. 이 플라즈마 발생 장치는 챔버의 상부면의 중심에서 일정한 반경을 가진 원주 상에 균일한 간격으로 배치된 주변 유전체 튜브들, 주변 유전체 튜브들 감싸도록 배치된 주변 안테나들, 주변 유전체 튜브들로부터 수직으로 이격되어 동일한 제1 평면에 배치된 상부 자석들, 및 상부 자석들과 주변 유전체 튜브들 사이에 동일한 제2 평면에 각각 배치된 하부 자석들을 포함한다. 상부 자석과 하부 자석의 중심축은 서로 일치하고, 주변 유전체 튜브 내부에 플라즈마가 형성된다.

Description

플라즈마 장치 및 기판 처리 장치
본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 복수의 안테나를 사용하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
헬리콘 플라즈마는 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다. 그러나, 상기 헬리콘 플라즈마는 공정 균일성 및 공정 안정성을 제공하기 어렵다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 균일한 헬리콘 또는 유도 결합 플라즈마를 형성하는 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 챔버의 상부면의 중심에서 일정한 반경을 가진 원주 상에 균일한 간격으로 배치된 주변 유전체 튜브들; 상기 주변 유전체 튜브들 감싸도록 배치된 주변 안테나들; 상기 주변 유전체 튜브들로부터 수직으로 이격되어 동일한 제1 평면에 배치된 상부 자석들;및 상기 상부 자석들과 상기 주변 유전체 튜브들 사이에 동일한 제2 평면에 각각 배치된 하부 자석들을 포함한다. 상부 자석과 상기 하부 자석의 중심축은 서로 일치하고, 상기 주변 유전체 튜브 내부에 플라즈마가 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 기 상부 자석들은 토로이드 형상의 영구 자석이고, 상기 상부 자석들의 자화 방향은 상기 토로이드 형상의 중심축 방향일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 자석들은 토로이드 형상의 영구 자석이고, 상기 하부 자석들의 자화 방향은 상기 토로이드 형상의 중심축 방향이고, 상기 상부 자석의 자화 방향은 상기 하부 자석의 자화 방향과 동일하고, 기 상부 자석들의 외부 직경은 상기 하부 자석들의 외부 직경 보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 주변 안테나들에 전력을 공급하는 제1 RF 전원; 및 상기 주변 안테나들에 전력을 분배하는 전력 분배부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전력 분배부는 상기 제1 RF 전원으로터 전력을 공급받는 동축 케이블 형태의 입력 브랜치; 상기 입력 브랜치와 연결되고 3 갈래로 갈라지는 동축 케이블 형태의 3 웨이(way) 브랜치; 상기 3 웨이 브랜치에 연결되어 2 갈래로 갈라지는 동축 케이블 형태의 T 브랜치들; 및 상기 T 브랜치들의 외피와 상기 주변 안테나들을 연결하는 접지 라인들을 포함할 수 있다. 상기 T 브랜치들의 내부 도선은 상기 주변 안테나들의 일단에 연결되고, 상기 T 브랜치들의 외피는 상기 주변 안테나들의 타단에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버의 상부면의 중심에 배치되는 중심 유전체 튜브; 및 상기 중심 유전체 튜브 주위에 배치된 중심 안테나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 주변 유전체 튜브들 내에서 자기장의 방향과 상기 중심 유전체 튜브 내의 자기장은 방향은 서로 반대일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버는 금속 재질의 하부 챔버; 상기 하부 챔버에 연속적으로 연결되는 비금속 재질의 상부 챔버; 및 상기 상부 챔버의 상부면을 덮는 금속 재질의 상판을 포함할 수 있다. 상기 상부 챔버의 측면을 감싸는 측면 코일을 더 포함하고, 상기 측면 코일은 유도 결합 플라즈마를 상기 챔버의 내부에 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 챔버 주변에는 2층 자석 구조의 헬리콘 플라즈마를 형성하고, 중심에는 플라즈마를 형성하지 않거나 자석을 이용하지 않는 유도 결합 플라즈마를 형성한다. 이에 따라, 공정 균일도 및 공정 속도가 현저히 증가될 수 있다.
도 1는 통상적인 헬리콘 플라즈마 장치의 안테나 배열을 설명하는 평면도이다.
도 2는 도 1의 I-I'선을 따라 자른 단면에서 자기장 프로파일을 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
도 3은 도 1의 II-II'선을 따라 자른 단면에서 자기장 프로파일을 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 사시도이다.
도 5은 도 4의 상부 자석과 하부 자석을 설명하는 사시도이다.
도 6는 도 5의 유전체 튜브들의 배치관계를 설명하는 평면도이다.
도 7는 도 4의 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념 단면도이다.
도 8은 도 4의 플라즈마 발생 장치를 설명하는 회로도이다.
도 9은 도 4의 유전체 튜브들를 설명하는 도면이다.
도 10a은 도 1의 전력 분배부를 설명하는 사시도이다.
도 10b는 도 10a의 III-III'선을 따라 자른 단면도이다.
도 10c는 도 10a의 IV-IV'선을 따라 자른 단면도이다.
도 10d는 도 10a의 V-V'선을 따라 자른 단면도이다.
도 11a는 도 6의 VI-VI'선을 따라 자른 단면에서 자기장을 설명하는 도면이다.
도 11b는 도 6의 VII-VII'선을 따라 자른 단면에서 자기장을 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 단면도이다.
도 13a는 도 1의 구조를 가진 플라즈마 발생 장치를 이용하여 증착한 실리콘 산화막의 두께 분포를 설명하는 도면이다.
도 13b는 도 5의 구조를 가진 플라즈마 발생 장치를 이용하여 증착한 실리콘 산화막의 두께 분포를 설명하는 도면이다.
도 1는 통상적인 헬리콘 플라즈마 장치의 안테나 배열을 설명하는 평면도이다.
도 2는 도 1의 I-I'선을 따라 자른 단면에서 자기장 프로파일을 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
도 3은 도 1의 II-II'선을 따라 자른 단면에서 자기장 프로파일을 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 실린더형 챔버의 상판(53)에 7 개의 유전체 튜브가 배치된다. 중심 유전체 튜브(11)는 상기 상판(53)의 중심에 배치되고, 6개의 주변 유전체 튜브(21)는 상기 상판(53)의 중심을 기준으로 일정한 반경의 원주 상에 일정한 간격으로 대칭적으로 배치된다. 또한, 중심 안테나(16)는 상기 중심 유전체 튜브(11)를 감싸고 있다. 주변 안테나(26)는 상기 주변 유전체 튜브(21)를 감싸고 있다. 또한, 헬리콘 플라즈마를 형성하기 위하여, 상기 중심 안테나 및 상기 주변 안테나와 수직으로 이격되어 영구자석들(12,22)이 배치된다.
컴퓨터 시뮬레이션에 따르면, 종래의 유전체 튜브마다 하나의 영구 자석을 사용하는 경우, 자기장은 상기 유전체 튜브의 측면을 경사 입사한다. 따라서, 상기 유전체 튜브를 감싸는 안테나에 의하여 형성된 플라즈마는 상기 유전체 튜브의 내벽을 충격한다. 즉, 전자는 자기장을 따라 운동하고, 상기 전자가 상기 유전체 튜브의 내벽에 충돌함에 따라, 열이 발생된다. 따라서, 전자의 손실이 증가하여, 플라즈마 밀도가 감소하고, 열에 의하여 장비의 안정성이 감소한다. 특히, 중심 유전체 튜브를 감싸는 안테나는 기판 상의 플라즈마 밀도를 챔버 중심에서 증가시킨다. 따라서, 균일한 공정이 어렵다.
실험결과 및 컴퓨터 시뮬레이션 결과에 따르면, 하나의 유전체 튜브마다 한 개의 영구자석만이 배치된 경우, 병렬 연결된 상기 주변 안테나들(116a~116f)은 챔버 내부의 기판 상에 균일한 플라즈마를 생성하지 못한다. 그 이유는 영구 자석들 하부의 유전체 튜브의 내부에서 자기장의 방향이 z 측 방향에서 벗어나기 때문이다. 따라서, 균일한 플라즈마를 형성하기 위한 새로운 자석 구조가 요구된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 사시도이다.
도 5은 도 4의 상부 자석과 하부 자석을 설명하는 사시도이다.
도 6는 도 5의 유전체 튜브들의 배치관계를 설명하는 평면도이다.
도 7는 도 4의 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념 단면도이다.
도 8은 도 4의 플라즈마 발생 장치를 설명하는 회로도이다.
도 9은 도 4의 유전체 튜브들를 설명하는 도면이다.
도 10a은 도 1의 전력 분배부를 설명하는 사시도이다.
도 10b는 도 10a의 III-III'선을 따라 자른 단면도이다.
도 10c는 도 10a의 IV-IV'선을 따라 자른 단면도이다.
도 10d는 도 10a의 V-V'선을 따라 자른 단면도이다.
도 11a는 도 6의 VI-VI'선을 따라 자른 단면에서 자기장을 설명하는 도면이다.
도 11b는 도 6의 VII-VII'선을 따라 자른 단면에서 자기장을 설명하는 도면이다.
도 4 내지 도 9, 및 도 10a 내지 도 10d를 참조하면, 플라즈마 발생 장치(100)는 상기 챔버(152)의 상부면(153)의 중심에서 일정한 반경을 가진 원주 상에 균일한 간격으로 배치된 주변 유전체 튜브들(112a~112f), 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f)를 감싸도록 배치된 주변 안테나들(116a~116f), 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f)로부터 수직으로 이격되고 동일한 제1 평면에 배치된 상부 자석들(132a~132f), 및 상기 상부 자석들(132a~132f)과 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f) 사이에 동일한 제2 평면에 각각 배치된 하부 자석들(192a~192f)을 포함한다. 상기 상부 자석(132a)과 상기 하부 자석(192a)의 중심축은 서로 일치한다.
상기 챔버(152)는 원통 형상 또는 사각통 형상을 가질 수 있다. 상기 챔버(152)는 가스를 공급하는 가스 공급부 및 가스를 배출하는 배기부를 포함할 수 있다. 상기 챔버(152)는 기판 홀더(154) 및 상기 기판 홀더(154) 상에 장착되는 기판(156)을 포함할 수 있다. 상기 챔버(152)는 상부면(153)을 포함할 수 있다. 상기 상부면(153)은 상기 챔버(152)의 뚜껑일 수 있다. 상기 상부면(153)은 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있다. 상기 상부면은 x-y 평면에 배치될 수 있다.
상기 상부면(153)에는 주변 관통홀들(111a~111f)이 배치될 수 있다. 상기 상부면은 사각판 또는 원판 형상일 수 있다. 상기 주변 관통홀들(111a~111f)은 상기 상부면(153)의 중심에서 일정한 반경을 가진 원주 상에 일정한 간격을 가지고 배치될 수 있다. 상기 주변 관통홀(111a)의 내경은 상기 주변 유전체 튜브(112a)의 내경과 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 상부면(153)의 중심에는 중심 관통홀(211)이 배치될 수 있다.
주변 관통홀들(111a~111f) 상에 각각 주변 유전체 튜브들(112a~112f)이 배치될 수 있다. 중심 관통홀(211) 상에 중심 유전체 튜브(212)가 배치될 수 있다. 상기 상부면(153)은 2개의 판을 서로 결합하여 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 상부면(153) 내부에는 냉매가 흐를 수 있는 유로가 형성될 수 있다.
상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f) 및 상기 중심 유전체 튜브(212)는 뚜껑이 없는 벨자(bell-jar) 형태일 수 있다. 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f) 및 상기 중심 유전체 튜브(212)는 와셔 형태의 지지부와 원통 형상의 실린더부를 포함할 수 있다. 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f)의 내부 및 상기 중심 유전체 튜브(212)의 내부는 진공 상태로 유지될 수 있다.
상기 주변 유전체 튜브(112a~112f) 및 상기 중심 유전체 튜브(212)는 유리, 쿼츠, 알루미나, 사파이어, 또는 세라믹으로 형성될 수 있다. 상기 중심 유전체 튜브(212)의 일단은 상기 챔버(152)의 중심 관통홀(211)에 연결되고, 상기 중심 유전체 튜브(212)의 타단은 금속 뚜껑(214)에 연결될 수 있다.
상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f)의 일단은 상기 챔버(152)의 주변 관통홀(111a~111f)에 연결되고, 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f)의 타단은 금속 뚜껑들(114a~114f)에 연결될 수 있다. 상기 금속 뚜껑들(114a~114f)은 가스를 유입하기 위한 가스 유입부(115)를 포함할 수 있다. 상기 금속 뚜껑들(114a~114f)은 헬리콘 웨이브를 반사시켜 보강 간섭을 일으킬 수 있다. 상기 주변 유전체 튜브(112a~112f)의 길이는 수 센치 미터 내지 수십 센치 미터일 수 있다. 상기 주변 유전체 튜브(112a~112f)의 길이는 유전체 튜브의 반경(R), 상기 주변 유전체 튜브에서의 자속밀도의 세기(B0), 플라즈마 밀도(n0), 및 전원의 주파수(f)에 의하여 결정될 수 있다.
반경이 R인 경우, 상기 주변 유전체 튜브 내의 플라즈마가 균일하다고 가정한 경우, m=0인 헬리콘 모드에 대하여 상기 주변 유전체 튜브(112a~112f)의 벽에서의 라디알 전류 밀도(radial current density)는 영이 된다. 상기 주변 유전체 튜브(112a~112f)의 길이(L/2=π/kz)는 헬리콘 웨이브의 반파장에 해당되고 다음과 같이 주어진다. kz는 헬리콘 웨이브의 파수(wave number)이다.
수학식 1
Figure PCTKR2013011372-appb-M000001
여기서, e는 전자의 전하량이고, B0는 자속 밀도의 세기이고, μ0는 투자율이이고, ω는 각주파수이고, n0은 플라즈마의 밀도이다. 주파수(f)가 13.56 Mhz이고, B0는 90 Gauss이고, n0가 4x 1012 cm-3 인 경우, 주변 유전체 튜브의 길이(L/2)는 5.65 cm일 수 있다.
주변 안테나들(116a~116f)은 기하학적 대칭성을 가질 수 있다. 상기 주변 안테나들은 동일한 구조를 가지고 서로 전기적으로 병렬 연결될 수 있다. 상기 주변 안테나들(116a~116f)은 원통 형상 또는 사각통 형상의 도전성 파이프일 수 있다. 상기 주변 안테나들(116a~116f)의 내부에 냉매가 흐를 수 있다.
상기 주변 안테나들(116a~116f)은 상기 상부면(153)의 중심을 기준으로 일정한 반경의 원주의 주위에 대칭적으로 될 수 있다. 상기 중심 안테나(216)는 상기 상부면(153)의 중심에 배치될 수 있다. 상기 주변 안테나들(116a~116f)은 6개일 수 있다. 상기 주변 안테나들(116a~116f)은 상기 주변 유전체 튜브를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 주변 안테나들(116a~116f)은 3 턴(turn)의 안테나일 수 있다. 또한, 상기 중심 안테나(216)는 한 개일 수 있다. 상기 중심 안테나는 상기 중심 유전체 튜브를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 중심 안테나는 상기 주변 안테나와 동일한 구조 또는 다른 구조를 가질 수 있다.
상기 주변 안테나들(116a~116f)은 상부 자석들(132a~132f) 및 하부 자석들(192a~192f)에 의하여 형성된 자기장을 이용하여 수 밀리 토르의 저압에서 헬리콘 플라즈마를 형성할 수 있다. 상기 주변 안테나는 상기 주변 유전체 튜브 내의 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 또한, 중심 안테나는 헬리콘 플라즈마가 아닌 유도 결합 플라즈마를 형성할 수 있다. 이에 따라, 주변 유전체 튜브는 헬리콘 플라즈마에 의하여 높은 플라즈마 밀도를 유지하고, 중심 유전체 튜브는 유도 결합 플라즈마에 상대적으로 낮은 플라즈마 밀도를 유지할 수 있다. 상기 헬리콘 플라즈마와 상기 유도 결합 플라즈마는 상기 기판 상에 확산하여 전체적으로 균일한 플라즈마 밀도 분포를 형성할 수 있다.
상부 자석들(132a~132f) 및 하부 자석들(192a~192f)에 의하여 형성된 자기장의 방향은 상기 주변 유전체 튜브 내에서 음의 z축 방향일 수 있다. 또한, 상기 중심 유전체 튜브 상에는 자석들이 배치되지 않으므로, 상기 중심 유전체 튜브 내에서 자기장은 방향은 양의 z축 방향일 수 있다. 상기 주변 유전체 튜브 내의 헬리콘 플라즈마의 밀도는 중심 유전체 튜브 내의 유도 결합 플라즈마의 밀도보다 높을 수 있다. 상기 주변 유전체 튜브 내에서 헬리콘 플라즈마가 형성되는 부위는 구면 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 전체적으로, 기판 상의 플라즈마 밀도 분포는 향상될 수 있다. 또한, 주변 유전체 튜브 내의 헬리콘 플라즈마에 스퍼터링 손상 및 열 손상이 억제될 수 있다.
상기 제1 RF 전원(162)은 제1 주파수의 정현파를 출력할 수 있다. 상기 제1 RF 전원(162)의 전력은 제1 임피던스 매칭 네트워크(163)를 통하여 제1 전력 분배부(122)에 제공될 수 있다. 상기 제1 RF 전원(162)의 주파수는 수백 kHz 내지 수백 MHz 일 수 있다.
제1 전력 분배부(122)는 상기 제1 임피던스 매칭 네트워크(163)를 통하여 공급받은 전력을 병렬 연결된 주변 안테나들(116a~116f)에게 분배할 수 있다. 상기 제1 전력 분배부(122)는 제1 전력 분배 라인(122c), 및 상기 제1 전력 분배 라인(122c)을 감싸고 접지되는 제1 도전성 외피(122a)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전력 분배부(122)의 입력단(N1)과 상기 주변 안테나들(116a~116f) 사이의 거리는 동일할 수 있다. 제1 절연부는 상기 제1 전력 분배라인(122c)과 상기 제1 도전성 외피(122a) 사이에 개재될 수 있다.
상기 제1 전력 분배부(122)는 상기 제1 RF 전원(162)으로터 전력을 공급받는 동축 케이블 형태의 입력 브랜치(123), 상기 입력 브랜치(123)와 연결되고 3 갈래로 갈라지는 동축 케이블 형태의 3 웨이(way) 브랜치(124), 및 상기 3 웨이 브랜치(124)에 연결되어 2 갈래로 갈라지는 동축 케이블 형태의 T 브랜치들(125)을 포함할 수 있다.
상기 입력 브랜치(123)는 원통 형상일 수 있다. 상기 입력 브랜치(123)는 동축 케이블 구조를 가지고 있다. 상기 입력 브랜치(123)는 원통형의 내부 도전체(123c), 내부 도전체를 감싸는 원통형의 절연체(123b), 및 절연체를 감싸는 원통형의 외부 도전체(123a)를 포함할 수 있다. 상기 내부 도전체(123c)에는 냉매가 흐를 수 있다.
상기 입력 브랜치(123)의 일단은 상기 제1 임피던스 매칭 네트워크(163)에 연결되고, 상기 입력 브랜치(123)의 타단은 120도 간격으로 갈라진 상기 3 웨이(way) 브랜치(124)에 연결될 수 있다.
상기 3 웨이(way) 브랜치(124)는 축을 따라 절단된 사각통 형상일 수 있다. 상기 3 웨이(way) 브랜치(124)는 상기 상판에 z축 방향으로 이격된 xy 평면에 배치될 수 있다. 상기 3 웨이(way) 브랜치(124)는 동축 케이블 구조를 가질 수 있다. 상기 3 웨이(way) 브랜치(124)는 원통형의 내부 도전체(124c), 내부 도전체를 감싸는 절단된 사각통 형상의 절연체(124b), 및 절연체를 감싸는 절단된 사각통 형상의 외부 도전체(124a)를 포함할 수 있다. 상기 입력 브랜치(123)의 내부 도전체(123c)를 통하여 공급된 냉매는 상기 3 웨이(way) 브랜치(124)의 내부 도전체(124c) 내부로 흐를 수 있다. 상기 3 웨이(way) 브랜치(124)의 팔의 길이는 상기 상부면의 중심으로터 상기 주변 유전체 튜브의 배치 위치 사이의 거리보다 클 수 있다. 이에 따라, T 브랜치들(125)과 주변 안테나들의 전기적 연결은 용이하게 수행될 수 있다.
T 브랜치들(125)은 상기 3 웨이(way) 브랜치(124)에 연결되어 전력을 2 갈래로 분배할 수 있다. 상기 T 브랜치들(125)은 절단된 사각통 형상일 수 있다. 상기 T 브랜치들(125)은 동축 케이블 구조를 가질 수 있다. 상기 T 브랜치들(125)은 원통 형상의 내부 도전체(125c), 내부 도전체를 감싸는 절연체(125b), 및 절연체를 감싸는 외부 도전체(125a)를 포함할 수 있다. 상기 내부 도전체(125c) 내부로 냉매가 흐를 수 있다. 상기 T 브랜치들(125)은 동일한 길이의 팔을 가질 수 있다.
상기 T 브랜치들(125) 각각은 한 쌍의 주변 안테나(116a,116b)에 전력을 공급할 수 있다. 상기 T 브랜치들(125)은 동일한 형상일 수 있다. 상기 내부 도전체(125c)는 상기 주변 안테나(116a,116b)와 연속적으로 연결되어 전력 및 냉매를 동시에 공급할 수 있다. 상기 3 웨이 브랜치(124)의 내부 도전체(124c)를 통하여 공급된 냉매는 상기 T 브랜치(125)의 내부 도전체(125c) 내부로 흐를 수 있다.
고정판들(113)은 상기 주변 안테나들(116a~116f)을 고정하고 상기 상부면(153)에 고정될 수 있다. 상기 고정판들(113)은 스트립 라인 형태일 수 있다. 상기 고정판들(113)의 일단은 상기 주변 안테나들(116a~116f)의 일단에 연결되어 접지될 수 있다. 상기 고정판들(113)의 타단은 접지 라인(119)의 일단에 연결되어 접지될 수 있다.
상기 접지 라인(119)은 상기 고정판(113)과 상기 T 브랜치(125)의 외부 도전체(125a)를 서로 연결할 수 있다. 상기 접지 라인(119)의 일단은 상기 고정판(113)의 타단에 연결되고, 상기 접지 라인(119)의 타단은 상기 T 브랜치(125)의 외부 도전체(125a)에 연결될 수 있다. 상기 접지 라인(119)의 길이는 주변 안테나들(116a~116f)에 대하여 동일할 수 있다. 이에 따라, 주변 안테나들((116a~116f))은 모두 동일한 임피던스를 가질 수 있다.
가스 분배부(172)는 주변 유전체 튜브들 및/또는 중심 유전체 튜브에 가스를 공급할 수 있다. 상기 가스 분배부(172)는 하나의 제1 전력 분배부(122)와 유사한 구조를 가지고 가스를 유전체 튜브들에 균등하게 분배할 수 있다. 상기 가스 분배부는 금속 뚜껑(114a~114f)에 연결될 수 있다. 상기 가스 분배부(172)는 금속 투껑들(114a~114f)에 동일한 길이를 가지도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 가스 분배부(172)는 중심의 금속 뚜껑(214)에서 3 갈래로 분기되고, 다시 T 자로 분기되어 금속 뚜껑(114a~114f)에 연결될 수 있다.
제2 RF 전원(164)은 중심 안테나(216)에 전력을 공급할 수 있다. 상기 제1 RF 전원(162)과 제2 RF 전원(164)의 간섭을 최소화하기 위하여, 상기 제1 RF 전원(162)의 제1 주파수는 상기 제2 RF 전원(164)의 제2 주파수와 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 주파수는 13.56 Mhz이고, 제2 주파수는 12Mhz일 수 있다.
상기 제2 RF 전원(164)은 제2 임피던스 매칭 네트워크(165)를 통하여 중심 안테나(216)에 직접 연결될 수 있다.
상부 자석(132a~132f)은 도넛 형상 또는 토로이드 형상일 수 있다. 상기 상부 자석(132a~132f)의 단면은 사각형 또는 원형일 수 있다. 상기 상부 자석의 자화 방향은 상기 상부 자석이 배치된 평면에 수직할 수 있다. 상기 상부 자석들은 토로이드 형상의 영구 자석일 수 있다. 상기 상부 자석들의 자화 방향은 상기 토로이드 형상의 중심축 방향일 수 있다.
상기 상부 자석(132a~132f)은 상부 자석 고정판(141)에 삽입될 수 있다. 상기 상부 자석은 상기 주변 안테나의 중심에서 z 축 방향으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 상부 자석 고정판(141)은 원판 형상 또는 사각 형상이고 비자성 물질일 수 있다.
상부 자석 이동부(140)는 상기 상판(153)에 고정 결합할 수 있다. 상기 상부 자석 이동부(140)는 상기 주변 유전체 튜브들이 배치된 평면(xy 평면)에 수직하게 연장되는 적어도 하나의 상부 자석 지지 기둥(142)을 포함할 수 있다. 상기 상부 자석 고정판(141)은 상기 상부 자석 지지 기둥(142)에 삽입되어 상기 상부 자석 지지 기둥(142)을 따라 이동할 수 있다. 상기 상부 자석 고정판(141)의 중심에는 관통홀(143)이 배치될 수 있다. 상기 입력 브랜치(123)는 상기 관통홀(143)을 관통하여 상기 제1 임피던스 매칭 네트워크(163)에 연결될 수 있다.
상기 상부 자석 고정판(141)은 상기 상부 자석(132a~132f)을 고정하는 수단일 수 있다. 상기 상부 자석(132a~132f)은 상기 주변 안테나들의 중심에서 z축 방향으로 이격될 수 있다. 상기 상부 자석의 중심은 상기 주변 유전체 튜브의 중심과 정렬되어 배치될 수 있다. 상기 상부 자석(132a~132f)은 상기 상부 자석 고정판(141)에 삽입되어 고정될 수 있다.
하부 자석들(192a~192f)은 상기 상부 자석들(132a~132f)과 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f) 사이에 동일한 제2 평면에 각각 배치될 수 있다. 상기 상부 자석과 상기 하부 자석의 중심축은 서로 일치할 수 있다. 상기 하부 자석들(192a~192f)은 토로이드 형상의 영구 자석일 수 있다. 상기 하부 자석들의 자화 방향은 상기 토로이드 형상의 중심축 방향일 수 있다. 상기 상부 자석의 자화 방향은 상기 하부 자석의 자화 방향과 동일할 수 있다. 상기 상부 자석들의 외부 직경은 상기 하부 자석들의 외부 직경과 동일하거나 상기 하부 자석들의 외부 직경 보다 클 수 있다. 상기 하부 자석은 상기 상부 자석과 상기 주변 유전체 튜브의 금속 뚜껑 사이에 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 상부 자석 및 하부 자석에 의한 자기장이 상기 주변 유전체 튜브의 측면에 경사 입사하는 것이 억제될 수 있다. 그 결과, 기판 상의 플라즈마 밀도 분포는 균일할 수 있다. 또한, 상기 주변 유전체 튜브 내부의 헬리콘 플라즈마가 상기 주변 유전체 튜브를 가열하는 것이 억제될 수 있다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 상기 하부 자석들(192a~192f)과 상기 상부 자석들(132a~132f)에 형성된 주변 유전체 튜브 내부의 자기장의 방향은 음의 z축 방향이고, 상기 중심 유전체 튜브 내부의 자기장의 방향은 양의 z축 방향일 수 있다.
하부 자석 이동부(195)는 상기 상부면(153)에 고정 결합할 수 있다. 상기 하부 자석 이동부(195)는 상기 주변 유전체 튜브들이 배치된 평면(xy 평면)에 수직하게 연장되는 적어도 하나의 하부 자석 지지 기둥(194)을 포함할 수 있다. 상기 하부 자석 고정판(193)은 상기 하부 자석 지지 기둥(194)에 삽입되어 상기 하부 자석 지지 기둥(194)을 따라 이동할 수 있다. 상기 하부 자석 고정판(193)의 중심에는 관통홀이 배치될 수 있다. 상기 입력 브랜치(123)는 상기 관통홀을 관통하여 상기 제1 임피던스 매칭 네트워크(163)에 연결될 수 있다.
상기 하부 자석 고정판(193)은 상기 하부 자석(192a~192f)을 고정하는 수단일 수 있다. 상기 하부 자석(192a~192f)은 상기 주변 안테나들의 중심에서 z축 방향으로 이격될 수 있다. 상기 하부 자석의 중심은 상기 주변 유전체 튜브의 중심과 정렬되어 배치될 수 있다. 상기 하부 자석(192a~192f)은 상기 하부 자석 고정판(193)에 삽입되어 고정될 수 있다. 상기 하부 자석 고정판(193)은 상기 하부 자석이 배치되는 위치에 관통홀(193a)을 포함할 수 있다. 가스 라인은 상기 관통홀(193a)을 관통하여 상기 주변 유전체 튜브에 가스를 공급될 수 있다.
상기 상부 자석 이동부(140) 및 상기 하부 자석 이동부(195)는 주변 유전체 튜브에서의 자속 밀도(B0)의 세기 및 분포를 조절하여 평면형 헬리콘 모드를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 주어진 조건(L, ω, R)에 대하여, 자속 밀도(B0)에 대한 플라즈마 밀도(n0)의 비(B0/n0)이 일정하도록 상부 자석 고정판(141) 및 하부 자석 고정판(193)은 이동할 수 있다. 이에 따라, 균일한 플라즈마가 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 자석 및 하부 자석을 사용하면, 자기장이 상기 주변 유전체 튜브에 경사 입사하는 것이 억제될 수 있다. 상기 주변 유전체 튜브 내에서 자기장의 방향은 음의 z축 방향이고, 중심 유전체 내에서 자기장의 방향은 양의 z축 방향일 수 있다. 또한, 상기 주변 유전체 튜브 내에서 자기장의 세기는 중심 유전체 내에서 자기장의 세기보다 현저히 작을 수 있다.
또한, 상부 자석 및 하부 자석을 사용하면, 플라즈마 형성되는 영역 및 위치를 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 헬리콘 플라즈마가 생성되는 위치는 주변 유전체 튜브의 안쪽 또는 하부면에 배치될 수 있다.
또한, 중심 안테나가 헬리콘 플라즈마를 형성하면, 챔버 내의 중심 영역에서 플라즈마 밀도가 증가하여 균일한 플라즈마를 형성하기 어렵다. 이에 따라, 플라즈마 밀도 분포의 균일성이 감소한다. 플라즈마 밀도 분포의 균일성을 증가시키기 위하여, 중심 안테나가 헬리콘 플라즈마를 생성하지 않는 것이 바람직하다. 결국, 상기 중심 안테나 상에는 자석이 제거된다. 이에 따라, 상기 중심 유전체 튜브를 감싸는 중심 안테나는 헬리콘 플라즈마가 아닌 통상적인 유도 결합 플라즈마를 형성한다. 이에 따라, 챔버 중심의 플라즈마 밀도를 감소시키어, 균일한 공정이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판 상에 3 퍼센트 이내의 범위에서 균일한 공정이 진행될 수 있다.
대면적 플라즈마를 형성하기 위하여, 하나의 전원은 병렬 연결된 주변 안테나들에 전력을 공급할 수 있다. 전력 분배부는 주변 안테나들과 전원 사이에 배치되어 각 주변 안테나들에 동일한 전력을 공급할 수 있다.
예를 들어, 챔버의 상판에 중심 안테나와 상기 중심 안테나의 주변에 균일한 간격으로 배치된 6 개의 주변 안테나들이 배치될 수 있다. 상기 중심 안테나는 상판의 중심에 배치되고, 나머지 6 개의 상기 주변 안테나들은 상기 중심 안테나를 기준으로 하는 소정의 원주 상에 대칭적으로 배치될 수 있다. 상기 6 개의 주변 안테나들은 상기 전력 분배부를 통하여 하나의 전원에 연결될 수 있다.
그러나, 주변 안테나들이 플라즈마를 형성하는 경우, 대칭성을 가진 원주 상의 주변 안테나들의 임피던스와 상기 주변 안테나들로 둘러싸인 중심 안테나의 임피던스는 서로 다르게 된다. 따라서, 일부의 안테나들에 전력이 집중되어 불균일한 플라즈마가 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 주변 안테나들은 제1 전원 및 제1 전력 분배부를 통하여 전력을 공급받고, 중심 안테나는 제2 전원으로부터 전력을 공급받는다. 이에 따라, 주변 안테나들에 공급되는 전력과 중심 안테나에 공급되는 전력은 독립적으로 제어될 수 있다.
또한, 전력 분배부는 주변 안테나들에 동일한 길이를 가지는 동축 케이블 형태를 가진다. 따라서, 주변 안테나들은 동일한 조건에서 동작될 수 있다. 또한, 주변 안테나들은 동일한 임피던스를 유지하도록, 주변 안테나의 일단은 전력 공급 라인에 연결되고, 주변 안테나의 타단은 전력 분배부를 구성하는 외피에 동일한 길이를 가지는 접지라인을 통하여 연결되어야 한다.
결국, 중심 안테나는 유도 결합 플라즈마를 형성하고, 주변 안테나들은 헬리콘 플라즈마를 형성한다. 이에 따라, 균일하고 고밀도의 대면적 플라즈마가 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 산화 공정, 질화 공정, 또는 증착 공정 등을 수행할 수 있다.
반도체 소자의 집적도가 높아지면서, 산화막의 증착 속도를 조절하고 고순도의 산화막을 증착할 수 있는 낮은 압력(수 mtorr)에서 높은 밀도를 가지는 플라즈마 발생 장치가 필요하다.
유도 결합 플라즈마 장치는 통상적으로 수십 밀리토르(mTorr) 이상에서 고밀도 플라즈마를 생성한다. 하지만, 상기 유도 결합 플라즈마 장치는 수 밀리토르(mTorr)의 저압에서 고밀도 플라즈마를 생성하기 어렵다. 따라서, 하나의 챔버 내에서 저압 공정 및 고압 공정은 연속적으로 수행될 수 없었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치는 대면적 고밀도 헬리콘 플라즈마를 수 밀리토르(mTorr)의 낮은 압력에서 생성한다. 낮은 압력에서 생성된 높은 밀도의 플라즈마는 주입된 가스(예를 들어, O2)를 가스를 최대한 많이 해리시켜 고순도의 산화막을 형성할 수 있다. 또한, 플라즈마 장치는 연속적으로 높은 압력에서 대면적 고밀도 플라즈마를 수십 밀리토르(mTorr) 내지 수 토르의 높은 압력에서 생성할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 단면도이다.
도 12를 참조하면, 플라즈마 발생 장치(100)는 상기 챔버(152)의 상부면의 중심에서 일정한 반경을 가진 원주 상에 균일한 간격으로 배치된 주변 유전체 튜브들(112a~112f), 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f)를 감싸도록 배치된 주변 안테나들(116a~116f), 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f)로부터 수직으로 이격되고 동일한 제1 평면에 배치된 상부 자석들(132a~132f), 및 상기 상부 자석들(132a~132f)과 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f) 사이에 동일한 제2 평면에 각각 배치된 하부 자석들(192a~192f)을 포함한다. 상기 상부 자석(132a)과 상기 하부 자석(192a)의 중심축은 서로 일치한다.
상기 챔버(152)는 금속 재질의 하부 챔버(152b), 상기 하부 챔버(152b)에 연속적으로 연결되는 비금속 재질의 상부 챔버(152a), 및 상기 상부 챔버(152a)의 상부면을 덮는 금속 재질의 상판(153)을 포함한다. 측면 코일(264)은 상기 상부 챔버(152a)의 측면을 감도록 배치될 수 있다. 상기 측면 코일(264)은 유도 결합 플라즈마를 상기 챔버의 내부에 형성할 수 있다. 상기 측면 코일은 임피던스 매칭 네트워크(263)를 통하여 RF 전원(262)으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 기판 홀더는 임피던스 매칭 네트워크(363)를 통하여 RF 전원(362)으로부터 전력을 공급받을 수 있다.
도 13a는 도 1의 구조를 가진 플라즈마 발생 장치를 이용하여 증착한 실리콘 산화막의 두께 분포를 설명하는 도면이다.
도 13b는 도 5의 구조를 가진 플라즈마 발생 장치를 이용하여 증착한 실리콘 산화막의 두께 분포를 설명하는 도면이다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 30 mTorr의 압력에서 아르곤, 산소, 및 수소를 이용하여 희생 산화막이 형성되었다. 실리콘 산화막의 균일도(1-(최대값-최소값)/(최대값))는 도 1a의 구조를 가진 플라즈마 발생 장치에서 300 mm 웨이퍼에 대하여 82.5 퍼센트를 보였으며, 도 3의 구조를 가진 플라즈마 발생 장치에서 300 mm 웨이퍼에 대하여 99.15 퍼센트를 보였다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

Claims (8)

  1. 챔버의 상부면의 중심에서 일정한 반경을 가진 원주 상에 균일한 간격으로 배치된 주변 유전체 튜브들;
    상기 주변 유전체 튜브들 감싸도록 배치된 주변 안테나들;
    상기 주변 유전체 튜브들로부터 수직으로 이격되어 동일한 제1 평면에 배치된 상부 자석들;및
    상기 상부 자석들과 상기 주변 유전체 튜브들 사이에 동일한 제2 평면에 각각 배치된 하부 자석들을 포함하고,
    상부 자석과 상기 하부 자석의 중심축은 서로 일치하고,
    상기 주변 유전체 튜브 내부에 플라즈마가 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 상부 자석들은 토로이드 형상의 영구 자석이고,
    상기 상부 자석들의 자화 방향은 상기 토로이드 형상의 중심축 방향인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 하부 자석들은 토로이드 형상의 영구 자석이고,
    상기 하부 자석들의 자화 방향은 상기 토로이드 형상의 중심축 방향이고,
    상기 상부 자석의 자화 방향은 상기 하부 자석의 자화 방향과 동일하고,
    상기 상부 자석들의 외부 직경은 상기 하부 자석들의 외부 직경과 동일하거나 상기 하부 자석들의 외부 직경 보다 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 주변 안테나들에 전력을 공급하는 제1 RF 전원; 및
    상기 주변 안테나들에 전력을 분배하는 전력 분배부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 전력 분배부는:
    상기 제1 RF 전원으로터 전력을 공급받는 동축 케이블 형태의 입력 브랜치;
    상기 입력 브랜치와 연결되고 3 갈래로 갈라지는 동축 케이블 형태의 3 웨이(way) 브랜치;
    상기 3 웨이 브랜치에 연결되어 2 갈래로 갈라지는 동축 케이블 형태의 T 브랜치들; 및
    상기 T 브랜치들의 외피와 상기 주변 안테나들을 연결하는 접지 라인들을 포함하고,
    상기 T 브랜치들의 내부 도선은 상기 주변 안테나들의 일단에 연결되고,
    상기 T 브랜치들의 외피는 상기 주변 안테나들의 타단에 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 챔버의 상부면의 중심에 배치되는 중심 유전체 튜브; 및
    상기 중심 유전체 튜브 주위에 배치된 중심 안테나;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 주변 유전체 튜브들 내에서 자기장의 방향과 상기 중심 유전체 튜브 내의 자기장은 방향은 서로 반대인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 챔버는:
    금속 재질의 하부 챔버;
    상기 하부 챔버에 연속적으로 연결되는 비금속 재질의 상부 챔버; 및
    상기 상부 챔버의 상부면을 덮는 금속 재질의 상판을 포함하고,
    상기 상부 챔버의 측면을 감싸는 측면 코일을 더 포함하고,
    상기 측면 코일은 유도 결합 플라즈마를 상기 챔버의 내부에 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
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