WO2015080516A1 - Plasma processing device capable of plasma shaping through magnetic field control - Google Patents

Plasma processing device capable of plasma shaping through magnetic field control Download PDF

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WO2015080516A1
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magnetic field
chamber
plasma
generating unit
coil
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PCT/KR2014/011557
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French (fr)
Korean (ko)
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황기웅
정희운
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서울대학교산학협력단
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431Constructional details of the reactor
    • H01J37/3266Magnetic control means
    • H01J37/32669Particular magnets or magnet arrangements for controlling the discharge
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082Radio frequency generated discharge
    • H01J37/321Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma

Definitions

  • the present invention relates to a plasma processing apparatus capable of plasma shaping through magnetic field control. More particularly, the present invention relates to a plasma processing apparatus, in which a plurality of magnetic field generators are disposed, and a plasma is formed through plasma shaping in a chamber by controlling a magnetic field through current control of each coil. It relates to a plasma processing apparatus for increasing the uniformity of.
  • Plasma generators include Helicon and microwave plasma sources using capacitively coupled plasma sources, inductively coupled plasma sources, and plasma waves. plasma source). Among them, inductively coupled plasma generators capable of easily forming high-density plasmas are widely used.
  • FIG. 1 illustrates an inductively coupled plasma generator, wherein the inductively coupled plasma generator 10 mounts a substrate to be processed in an accommodating space inside the chamber 15 to a holder of the substrate 16 and is inside the chamber.
  • the antenna 17 is supplied with a reactive gas and an RF power source is connected to an upper portion of the chamber 15.
  • the RF is applied to the antenna 17.
  • Power ie RF potential and current, is applied.
  • the applied RF potential forms a time-varying electric field in a direction parallel to the dielectric that isolates the antenna 17 and the RF current flowing through the antenna 17 creates a magnetic field in the space inside the reaction chamber 15 and is induced by this magnetic field. An electric field will be formed.
  • the reaction gas inside the chamber 15 obtains sufficient energy for ionization from the induction generated electric field and forms a plasma.
  • the formed plasma is incident on the substrate installed in the substrate holder 16 to process the substrate.
  • Such a plasma is generally called an inductively coupled plasma (ICP), and a device using the same is called an inductively coupled plasma processing apparatus.
  • ICP inductively coupled plasma
  • the plasma formed in the chamber 15 may be formed in the chamber 15. Since the density is higher by the induced electric field by the magnetic field than the electric field is formed to provide a plurality of magnetic field generating parts (11, 12, 13) by placing a permanent magnet on the outside of the chamber 15 to further increase the plasma density
  • Patent Publication No. 10-2009-37343 The method has been proposed (Patent Publication No. 10-2009-37343).
  • the reliability of product quality may be reduced by performing the process. For example, as the substrate is moved away from the center of the chamber during the plasma treatment process, the density of the plasma decreases, and the plasma treatment may not be performed properly. In particular, when processing a large-area substrate, the etching or the deposition process due to the non-uniformity of the plasma density may be a more serious problem.
  • the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, in the case of the inductively coupled high-density plasma processing apparatus using a magnetic field, because the plasma density of the center and the outer portion of the chamber inner space is not uniform and different from the plasma treatment It is to solve the problem that the reliability of the production of the product is poor.
  • the present invention to increase the intensity of the magnetic field toward the outside in the horizontal direction around the substrate on the chamber inner space to suppress the occurrence of flute instability, and to propagate the R-wave inside the chamber
  • To control the magnetic field to increase the strength of the magnetic field toward the top in the vertical direction with respect to the substrate it is possible to increase the plasma density and at the same time obtain a more uniform plasma density throughout the center and the outside of the substrate to improve the quality of the process. I want to improve more.
  • a plasma processing apparatus includes a vacuum chamber in which an internal space in which a substrate is mounted is formed; An antenna positioned above the chamber to generate plasma in an inner space of the chamber; A magnetic field generating unit including a first magnetic field generating unit disposed under the chamber and including at least one electromagnet coil and a second magnetic field generating unit including at least one electromagnet coil disposed at a side of the chamber; And continuously increasing the intensity of the magnetic field toward the outer side in the horizontal space, and increasing the strength of the magnetic field toward the upper side in the vertical space, in the effective plasma space in the chamber with respect to the center of the substrate mounted inside the chamber. And a control unit controlling a current input to each of the electromagnetic coils of the magnetic field generating unit.
  • the controller may control a current input to at least one coil of the coils of the first magnetic field generator in a direction opposite to the current input to the coil of the second magnetic field generator.
  • the controller may control a current input to each of the electromagnet coils so that a predetermined magnetic field strength is generated at the center of the substrate on the effective plasma space in the chamber.
  • the first magnetic field generating unit may include a plurality of electromagnet coils disposed at the bottom of the chamber, and each of the electromagnet coils may be spaced apart from each other on the outside of the bottom of the substrate mounted inside the chamber to sequentially increase a larger radius.
  • the controller may be configured to control a current input to at least one coil selected from a plurality of coils included in the first magnetic field generator in a direction opposite to the current input to the remaining coils.
  • the first magnetic field generating unit a plurality of electromagnet coils disposed in the lower end of the chamber, each of the electromagnet coils are spaced apart from each other on the outside of the lower end of the substrate mounted in the chamber in order to sequentially have a larger radius
  • the second magnetic field generating unit includes a plurality of electromagnet coils spaced apart from each other in the vertical direction of the chamber to surround the side circumference of the chamber, wherein the control unit is included in the first magnetic field generating unit.
  • the current input to the at least one electromagnet coil selected from the plurality of electromagnet coils may be controlled in a direction opposite to the current input to the electromagnet coil of the second magnetic field generator.
  • the plasma processing apparatus of the present invention further includes a third magnetic field generating unit disposed above the chamber and including one or more electromagnet coils, wherein the controller is configured to receive a current input to the electromagnet coil of the third magnetic field generating unit.
  • the second magnetic field generating unit may be controlled in the same direction as the current input to the electromagnet coil.
  • the plurality of electromagnet coils of the second magnetic field generating unit may be installed within a range from the outer side of the RF window provided in the upper end of the chamber to the horizontal space of the lower surface of the chamber.
  • the present invention it is possible to perform a reliable plasma process in the vicinity of the substrate by improving the uniformity of the plasma as a whole inside the chamber, in particular, it is possible to perform a more stable plasma process for a large area substrate .
  • the intensity of the magnetic field increases toward the outside in the horizontal direction around the substrate on the chamber internal space, eliminating the occurrence of flute instability, and propagating the R-wave inside the chamber.
  • a more uniform plasma density can be obtained at the same time as the center of the substrate and the outer edge of the substrate, the quality of the process It can be improved more.
  • FIG. 4 shows a conceptual diagram of the magnitude of the magnetic field according to the Biot-Savart ’s law.
  • FIG. 5 shows a configuration of a first comparative example compared with the plasma processing apparatus according to the present invention
  • FIG. 11 shows the configuration of the second embodiment as one configuration for the plasma processing apparatus according to the present invention
  • FIG 17 shows the configuration of the fourth embodiment as one configuration for the plasma processing apparatus according to the present invention
  • FIG. 22 shows a magnetic flux density distribution diagram for a second comparative example compared with the plasma processing apparatus according to the present invention
  • FIG. 23 is a graph showing magnetic field distribution results for the second comparative example compared with the plasma processing apparatus according to the present invention.
  • 25 to 29 show experimental results of measuring plasma density and electron temperature under the control conditions of FIG. 24.
  • a device having an antenna for generating an inductively coupled plasma, and separately from the magnetic field applied by a coil to obtain a high-density plasma using the characteristics of the magnetized plasma the inventors of the present invention provide a magnetized inductively coupled plasma (M-ICP).
  • M-ICP magnetized inductively coupled plasma
  • the present invention in the magnetized inductively coupled plasma (M-ICP) device to grasp the spatial distribution of the magnetic field in the chamber according to the number and location of the electromagnet coil, the current strength and the direction of application and maximize the effect of the M-ICP device
  • M-ICP magnetized inductively coupled plasma
  • the magnetic flux density applied to the center of the substrate is the same, depending on the spatial distribution of the magnetic field in the horizontal or vertical direction about the substrate, Discharge characteristics can vary significantly.
  • the present inventors observed that the non-uniformity of plasma density, which may be a problem depending on the distribution of the magnetic field in the M-ICP device, is due to a phenomenon called flute instability, and the method to solve this problem is derived. As a result of the experiment, the present invention was confirmed by confirming the remarkable effect.
  • the flute-stability is described first.
  • a magnetic field is applied on a system in which a gradient of plasma density exists, a phenomenon called flute-stability may occur in a special situation. It becomes possible.
  • Flute-stability also called Rayleigh-Taylor instability or Interchange instability
  • the flute-intelligence is caused by a gravitational field F which acts in a direction opposite to the gradient of density generated in the magnetized plasma.
  • F gravitational field
  • the gravitational field F which is not affected by the charge sign, operates in a direction perpendicular to the magnetic field B, the gravitational field F causes electrons and ions to move in opposite directions with respect to each other. Charge separation occurs. As a result, as shown in FIG. 2, an electric field E is formed. As the shift occurs, perturbation is amplified, resulting in a phenomenon called flute-stability.
  • the curved magnetic field plays a role as a gravity field.
  • Such flute-stability causes the plasma density gradient to become unstable, thereby impairing the uniformity of the plasma density in the chamber internal space, thereby lowering the reliability of the plasma process.
  • Plasma perturbation phenomenon called flute-intelligence occurs when the density code and the gradient sign of the magnetic field are the same.
  • the inventors have found that the non-uniformity of plasma density caused by the magnetic field distribution in the M-ICP device is exacerbated by the flute-intelligence phenomenon by the combination of the plasma density decreasing effect along the radial outward direction and the radial magnetic field decreasing effect.
  • experiments have been made by forming a magnetic field distribution that increases the magnetic field intensity in the opposite direction to prevent the situation, that is, plasma having a stable uniform density without flute-stability. Distribution was obtained.
  • the generation of flute-intelligence is eliminated by controlling the spatial distribution of the magnetic field in the chamber.
  • the effective plasma space in the chamber is located on the horizontal space in the chamber. The outward direction increases the strength of the magnetic field to eliminate the occurrence of flute-stability.
  • the effective plasma space refers to a space in the chamber including a horizontal space end and a vertical space end of the chamber with respect to the substrate as a space in which a plasma for performing a plasma process exists on a substrate mounted in the chamber.
  • it may be considered to include a horizontal space having a predetermined length wider than the substrate and a vertical space having a predetermined height from the substrate in consideration of the substrate size on which the process is to be performed.
  • the M-ICP device of the embodiments to be described below may use an electron cyclotron resonance (ECR) generated by applying a magnetic field as an acceleration energy source of electrons, for example, having a frequency of 27.12 MHz.
  • ECR electron cyclotron resonance
  • RF generator Radio frequency generator
  • the effect can be expected when the magnetic flux density is about 9.6Guass.
  • ICP Gauss
  • the magnetic flux density of at least a few Guass is formed at the center of the substrate, a smooth plasma process can be performed on the substrate.
  • a frequency of several GHz bands a larger magnetic flux density can be easily formed at the center of the substrate.
  • the diameter of the magnetic field coil needs to be increased and the number of turns needs to be large, so that the hardware configuration is not easy.However, when a frequency of several to several tens of MHz bands is used, relatively low current As applied, the diameter of the magnetic field coil may be relatively thin and the number of turns may be reduced, thereby facilitating a hardware configuration.
  • a magnetic field generating unit as a magnetic field generating unit, a first magnetic field generating unit and a second magnetic field generating unit are respectively installed in the lower and side surfaces of the chamber, and a third magnetic field generating unit is additionally installed in the upper portion of the chamber.
  • the magnetic field distribution according to the arrangement, the number of turns, and the current of the electromagnetic coils constituting each magnetic field generator can be predicted by calculation, etc.
  • the magnitude of the magnetic field B determined by the current I flowing in the closed path C ′ is determined by the Bioshavar law. Savart's law) is represented by the following [Formula 2].
  • Equation 2 the strength of the magnetic field at any position can be predicted given the position of the coil, the current flowing through it, and the like.
  • the number of windings and the position of each coil of the magnetic field generating unit to be applied to the embodiments may be determined.
  • the first magnetic field generating unit may be located near an exhaust pump at the bottom of the chamber.
  • the third magnetic field generating unit a configuration in which coils Upper 1, Upper 2, and Upper 3 are disposed between an antenna box and a matching box may be considered.
  • the number of coil windings of the second magnetic field generating units Lateral 1 and Lateral 2 which are spatially limited by a window located on the side of the chamber, is 1000, respectively, and the remaining first magnetic field generating unit and the second magnetic field generating are generated.
  • the number of coil windings included in the unit was set to 1400, respectively. If assuming that a current of 0.7 A is applied to all coils in the same direction, the magnetic flux density applied to the center of each substrate by the Bioshavar law can be obtained as shown in Table 1 below.
  • the magnetic flux density at the center of the substrate in the chamber will be about 45.6 Gauss at most when the coils with the conditions according to [Table 1] are arranged.
  • Case 1 shows the configuration of Case 1 as a first comparative example compared with the plasma processing apparatus of the present invention.
  • the horizontal linear chamber 150 of the coil Lateral 1 111 and the lower surface of the chamber 150 is located near the outside of the chamber 150 at the lower end of the RF window 180 as the second magnetic field generator.
  • Coil Lateral 2 (112) was placed near the outside.
  • FIG. 7 illustrates a magnetic flux density distribution in a right space obtained by cutting a space along a vertical axis.
  • (a) shows a magnetic flux density graph in a horizontal direction about a substrate
  • (b) shows a magnetic flux density distribution in a vertical direction about a substrate.
  • a magnetic flux density graph is shown.
  • the currents supplied to the coil Lateral 1 (111) and the Coil Lateral 2 (112) of the second magnetic field generating unit are forward in accordance with the configuration and current conditions of the plasma processing apparatus 100 according to Cases 1-1 to Case 1-4.
  • the magnetic field distribution in the horizontal direction is kept constant and the magnetic field in the vertical direction is slightly decreased, as described above. Instability occurs, making it impossible to uniformly form the plasma density over the entire effective plasma space.
  • the current supplied to the coil Lateral 1 (111) in the second magnetic field generating unit is controlled in the forward direction and the current supplied to the coil Lateral 2 (112) is controlled in the reverse direction.
  • the magnetic field in the horizontal direction and the magnetic field distribution in the vertical direction increase as the distance from the center of the substrate increases.
  • the magnetic flux density close to 0Gauss is formed in the center space of the substrate. It can be seen that in case 1-4, the magnetic flux density of approximately 1 Gauss band is formed in the center space of the substrate and increases as the magnetic flux density increases away from the center of the substrate. It can be seen that it decreases to 0Gauss and then increases again. In this case, as the magnetic field increases from the center of the substrate as a whole, the flute-intelligence phenomenon may be slightly reduced, but the magnetic flux density in the substrate center space is too low to substantially perform a plasma process on the substrate.
  • Case 2 shows a configuration of Case 2 according to the first embodiment as an example of the plasma processing apparatus according to the present invention.
  • one coil lower 1 221 is disposed outside the intake vicinity of the turbo molecular pump as the first magnetic field generating unit, and the RF is used as the second magnetic field generating unit.
  • the coil Lateral 1 211 is disposed near the outside of the chamber 250 at the lower end of the window 280 and the outside of the horizontal linear chamber 250 on the lower surface of the chamber 250.
  • the magnetic flux density distribution diagram of FIG. 9 is obtained by measuring the magnetic field distribution in the internal space of the chamber 250 by controlling the currents input to the first magnetic field generator and the second magnetic field generator under the current control conditions shown in Table 3 below. And a magnetic field distribution result graph of FIG. 10.
  • FIG. 10 shows a magnetic flux density graph in a horizontal direction about a substrate, and (b) shows a magnetic flux density graph in a vertical direction about a substrate.
  • the current supplied to the coil lower 1 221 of the first magnetic field generator in accordance with the configuration and current conditions of the plasma processing apparatus 200 according to Cases 2-1 to Case 2-3 is the coil lateral of the second magnetic field generator ( 211) and the magnetic field strength continuously increases in the horizontal direction, and also increases in the vertical direction, as shown in FIG. 10 when controlling in a reverse direction different from the current supplied to the coil Lateral 2 212. It can be seen that the magnetic flux density is controlled at least 6Gauss and as high as 12Gauss in the substrate center space.
  • FIG 11 shows a configuration of Case 3 according to the second embodiment as an example of the plasma processing apparatus according to the present invention.
  • a coil lower 2 322 is disposed as a first magnetic field generating unit adjacent to an inlet of a turbo-molecular pump, and an RF window 380 is used as a second magnetic field generating unit.
  • Coil Lateral 1 311 is disposed near the outside of the lower end of the chamber 350 and coil Lateral 2 312 is disposed near the outside of the horizontal line chamber 350 on the lower surface of the chamber 350.
  • FIG. 13 shows a magnetic flux density graph in a horizontal direction about a substrate, and (b) shows a magnetic flux density graph in a vertical direction about a substrate.
  • the current supplied to the coil lower 2 322 of the first magnetic field generating unit under the configuration and current conditions of the plasma processing apparatus 200 according to Cases 3-1 to 3-3 is the coil lateral 1 of the second magnetic field generating unit.
  • the magnetic field strength gradually increases in the horizontal direction and the vertical direction as shown in FIG. 13.
  • the magnetic flux density is similar to the result of controlling the current according to the above [Table 3].
  • case 3 of the second embodiment and case 2 of the first embodiment when one coil lower is disposed at a different position in the lower part of the chamber and the same current control is performed, both case 2 and case 3 have a magnetic field strength in a horizontal direction.
  • the magnetic flux density is continuously controlled, and the magnetic field strength increases gradually in the vertical direction, and the magnetic flux density is controlled at least 6Gauss and as high as 12Gauss in the substrate center space.
  • Case 4 shows a configuration of Case 4 according to the third embodiment as an example of the plasma processing apparatus according to the present invention.
  • two coils Lower 1 421 and Lower 2 422 are disposed near a suction port of a turbo-molecular pump as a first magnetic field generating unit, and an RF is provided as a second magnetic field generating unit.
  • Coil Lateral 1 411 is disposed near the outer side of the chamber 450 at the lower end of the window 480 and coil Lateral 2 412 is disposed near the outside of the horizontal linear chamber 450 on the lower surface of the chamber 450.
  • FIG. 16 shows a magnetic flux density graph with respect to the horizontal direction with respect to the substrate, and (b) shows a magnetic flux density graph with respect to the vertical direction with respect to the substrate.
  • the current supplied to the coils Lower 1 421 and Lower 2 422 of the first magnetic field generating unit is configured to correspond to the configuration and current conditions of the plasma processing apparatus 400 according to Cases 4-1 to 4-4.
  • the magnetic field generator when the magnetic field generator is controlled in a reverse direction different from the currents supplied to the coils Lateral 1 411 and the coil Lateral 2 412, the magnetic field strength continuously increases in the horizontal direction, and also in the vertical direction. It can be seen that the magnetic field strength gradually increases, and the magnetic flux density is controlled to about 6Gauss or more and 16Gauss as high as the substrate center space. In particular, it can be seen that the magnetic field strength increases rapidly in the horizontal and vertical directions when a larger current is supplied as shown in the result of Case 4-3.
  • FIG 17 shows a configuration of Case 5 according to the fourth embodiment as an example of the plasma processing apparatus according to the present invention.
  • two coils Lower 1 521 and Lower 2 522 are disposed near a suction port of a turbo-molecular pump as a first magnetic field generating unit, and an RF is used as a second magnetic field generating unit.
  • Coil Lateral 1 511 is disposed near the outer side of the chamber 550 at the lower end of the window 580 and coil Lateral 2 512 is disposed near the outside of the horizontal linear chamber 550 on the lower surface of the chamber 550.
  • two coils Upper 1 531 and Upper 2 532 are disposed on the upper antenna box 570 of the chamber 550.
  • FIG. 19 shows a magnetic flux density graph in a horizontal direction about a substrate, and (b) shows a magnetic flux density graph in a vertical direction about a substrate.
  • the current supplied to the coil lower 1 521 of the first magnetic field generating unit under the configuration and current conditions of the plasma processing apparatus 400 according to Cases 5-1 to 5-5 is the coil lower 2 of the first magnetic field generating unit. 522, a control in a reverse direction different from the current supplied to the coil lateral 511 and the coil latral 2 512 of the second magnetic field generating unit and the coils Upper 1 531 and upper 2 532 of the third magnetic field generating unit.
  • the magnetic field strength continuously increases in both the horizontal direction and the vertical direction.
  • the magnetic flux density is controlled to be about 2 Gauss in the center space of the substrate in the case 5-1, the magnetic flux density can be maintained at a predetermined level or more. It can be seen that the magnetic field strength in the vertical direction is rapidly increased by adding the third magnetic field generator.
  • the configuration of the case 6 according to the fifth embodiment is the same as that of FIG. 17.
  • 521 and Lower 2 522 are disposed, and the horizontal linear chamber of the coil Lateral 1 511 and the lower surface of the chamber 550 near the outside of the chamber 550 at the lower end of the RF window 580 as the second magnetic field generating unit.
  • Coil Lateral 2 (512) was placed near the outside.
  • two coils Upper 1 531 and Upper 2 532 are disposed on the upper antenna box 570 of the chamber 550.
  • the current input to the first magnetic field generating unit, the second magnetic field generating unit, and the third magnetic field generating unit is controlled in the internal space of the chamber 550 according to the current control conditions shown in Table 7 below.
  • Table 7 As a result of measuring the magnetic field distribution, a magnetic flux density distribution graph of FIG. 20 and a magnetic field distribution graph of FIG. 21 were obtained.
  • FIG. 21 shows a magnetic flux density graph with respect to the horizontal direction with respect to the substrate, and (b) shows a magnetic flux density graph with respect to the vertical direction with respect to the substrate.
  • Case 7 is arranged in the same manner as in FIG. 17, and the first magnetic field generating unit and the second magnetic field generating unit are arranged, and the third magnetic field generating unit is additionally arranged. It was.
  • the current input to the first magnetic field generating unit, the second magnetic field generating unit, and the third magnetic field generating unit is controlled in the internal space of the chamber 550 according to the current control conditions shown in [Table 8].
  • the magnetic flux density distribution graph of FIG. 22 and the magnetic field distribution graph of FIG. 23 were obtained.
  • FIG. 22 is a magnetic flux density distribution diagram corresponding to Case 7 of Table 8, and illustrates a magnetic flux density distribution in a right space obtained by cutting the internal space of the chamber 550 in a vertical axis.
  • a magnetic flux density graph is shown in the horizontal direction, and Axial shows a magnetic flux density graph in the vertical direction about the substrate.
  • 25 and 27 show the results of measuring the plasma density and plasma electron temperature for the process pressures of 1 mTorr, 5 mTorr and 10 mTorr, respectively, based on the 0.8 cm height from the substrate in the chamber (process gas: Ar, Plasma source power 1000W).
  • process gas Ar, Plasma source power 1000W.
  • an embodiment of the present invention controls the current supply direction of at least one electromagnet coil included in the first magnetic field generator differently from the current supply direction of the other electromagnet coils. 5 and Case 6 it can be seen that as the plasma density increases, the uniformity of the plasma in the horizontal direction is also improved.
  • Comparative Examples for controlling all the current supply direction of the magnetic field generating unit in the case 1 and 7 it can be seen that there is no effect of increasing the plasma density and poor uniformity characteristics of the plasma.
  • FIGS. 26 and 27 In all cases, the difference in electron temperature did not occur significantly, but in the case of FIG. 25 (1mTorr), cases 4, 5, and 6 of the embodiments of the present invention are more stable.
  • FIG. 28 shows plasma density and electron temperature measurement results in each case based on the center of the substrate.
  • Case 4, Case 5, and Case 6 which are embodiments of the present invention are relatively shown in FIG. It can be seen that the plasma density is improved and the electron temperature is also stable.
  • FIG. 29 illustrates nonuniformity of the plasma density in the horizontal direction on the chamber internal space.
  • the radial nonuniformity of the radial direction may be represented by the following Equation 3, and the uniformity of the plasma density is 100 Non-uniformity).
  • n max represents the plasma highest density and n min represents the plasma minimum density.
  • Case 1 and Case 7 which is a comparative example that applies a magnetic field but supplies current to the electromagnetic coil in the same direction as compared to the ICP does not apply a magnetic field can be seen that the non-uniformity is increased and the uniformity deteriorates.
  • the current is supplied to at least one electromagnet coil in a direction opposite to the other electromagnet coils, the strength of the magnetic field increases as the distance from the chamber center increases in the horizontal direction, and the uniformity can be confirmed.
  • the first magnetic field generating unit includes one or two electromagnet coils
  • the second magnetic field generating unit and the third magnetic field generating unit are respectively described as including two electromagnet coils.
  • the first magnetic field generating unit, the second magnetic field generating unit and the third magnetic field generating unit optionally includes only one electromagnet coil or three or more according to the situation It may be modified to include an electromagnet coil.
  • the strength of the magnetic field increases toward the outside in the horizontal direction around the substrate in the chamber internal space, and the substrate is moved to propagate the R-wave into the chamber.

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Abstract

The present invention relates to a plasma processing device capable of plasma shaping through magnetic field control, the device comprising: a vacuum chamber having an inner space formed therein, a substrate being mounted in the inner space; an antenna positioned on the upper portion of the chamber to generate plasma in the inner space of the chamber; a magnetic field generation unit comprising a first magnetic field generation unit, which is arranged on the lower portion of the chamber and comprises at least one electromagnet coil, and a second magnetic field generation unit, which is arranged on a side surface of the chamber and comprises at least one electromagnet coil; and a control unit for controlling the current input to each of the electromagnet coils of the magnetic field generation unit such that, with reference to the center of the substrate mounted in the chamber, and, in an effective plasma space inside the chamber, the intensity of the magnetic field continuously increases in proportion to the distance in the outward direction in the horizontal space, and the intensity of the magnetic field increases in proportion to the distance in the upward direction in the vertical space. According to the present invention described above, the uniformity of plasma is increased in the entire inner space of the chamber such that a highly reliable plasma process can be performed even near the outer periphery of the substrate, and the plasma process can be performed more stably particularly with regard to a large-area substrate.

Description

[규칙 제91조에 의한 정정 03.03.2015] 자장 제어를 통한 플라즈마 쉐이핑이 가능한 플라즈마 처리 장치[Revision 03.03.2015 by Rule 91] Plasma processing apparatus capable of plasma shaping through magnetic field control
본 발명은 자장 제어를 통한 플라즈마 쉐이핑이 가능한 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수개의 자장 발생부인 전자석 코일을 배치하고 각 코일의 전류 제어를 통한 자기장의 제어로 챔버 내 플라즈마 쉐이핑을 통해 플라즈마의 균일성을 높이는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma processing apparatus capable of plasma shaping through magnetic field control. More particularly, the present invention relates to a plasma processing apparatus, in which a plurality of magnetic field generators are disposed, and a plasma is formed through plasma shaping in a chamber by controlling a magnetic field through current control of each coil. It relates to a plasma processing apparatus for increasing the uniformity of.
플라즈마 발생장치로는 크게 용량 결합형 플라즈마 발생원(Capacitively coupled plasma source)과 유도결합형 플라즈마 발생원 (Inductively coupled plasma source) 및 플라즈마 웨이브(Plasma wave)를 이용한 헬리콘(Helicon)과 마이크로웨이브 플라즈마 발생원(Microwave plasma source) 등이 제안되어 있다. 그 중에서, 고밀도의 플라즈마를 쉽게 형성할 수 있는 유도결합형 플라즈마 발생원이 널리 사용되고 있다.Plasma generators include Helicon and microwave plasma sources using capacitively coupled plasma sources, inductively coupled plasma sources, and plasma waves. plasma source). Among them, inductively coupled plasma generators capable of easily forming high-density plasmas are widely used.
도 1은 유도결합형 플라즈마 발생장치를 도시한 것으로서, 상기 유도결합형 플라즈마 발생장치(10)는, 챔버(15) 내부의 수용 공간에 처리하고자 하는 기판을 기판(16) 홀더에 장착하고 챔버 내부로 반응 가스를 공급하며, 챔버(15)의 상부에 RF 전력원이 접속된 안테나(17)가 설치되어, 안테나(17)에 임피던스 정합된 RF 전력원으로부터 전력이 부가되면 안테나(17)에 RF 파워, 즉 RF 전위와 전류가 인가된다. 인가된 RF 전위는 안테나(17)를 격리한 유전체와 나란한 방향으로 시간에 따라 변하는 전기장을 형성하고 안테나(17)에 흐르는 RF 전류는 반응 챔버(15) 내부공간에 자기장을 만들고 이 자기장에 의해서 유도 전기장이 형성되게 된다.FIG. 1 illustrates an inductively coupled plasma generator, wherein the inductively coupled plasma generator 10 mounts a substrate to be processed in an accommodating space inside the chamber 15 to a holder of the substrate 16 and is inside the chamber. The antenna 17 is supplied with a reactive gas and an RF power source is connected to an upper portion of the chamber 15. When power is added from an impedance matched RF power source to the antenna 17, the RF is applied to the antenna 17. Power, ie RF potential and current, is applied. The applied RF potential forms a time-varying electric field in a direction parallel to the dielectric that isolates the antenna 17 and the RF current flowing through the antenna 17 creates a magnetic field in the space inside the reaction chamber 15 and is induced by this magnetic field. An electric field will be formed.
이 때, 챔버(15) 내부의 반응 가스는 유도 생성된 전기장으로부터 이온화에 필요한 충분한 에너지를 얻고 플라즈마를 형성한다. 형성된 플라즈마는 기판 홀더(16)에 설치된 기판으로 입사하여 기판을 처리하게 된다. 이러한 플라즈마를 일반적으로 유도결합형 플라즈마(ICP)라 하고, 이를 이용하는 장치를 유도결합형 플라즈마 처리 장치라 한다.At this time, the reaction gas inside the chamber 15 obtains sufficient energy for ionization from the induction generated electric field and forms a plasma. The formed plasma is incident on the substrate installed in the substrate holder 16 to process the substrate. Such a plasma is generally called an inductively coupled plasma (ICP), and a device using the same is called an inductively coupled plasma processing apparatus.
플라즈마 처리 공정의 생산성(Throughput) 및 오염 입자 발생 문제 등을 극복하기 위한 공정의 저압화를 감안할 때 플라즈마 밀도를 보다 높이는 것이 선호되는데, 상기 챔버(15)내에 형성되는 플라즈마는, 챔버(15) 내에 형성되는 전기장 보다 자기장에 의한 유도 전기장에 의해서 더욱 밀도가 높아지게 되므로 플라즈마 밀도를 더욱 높이기 위하여 챔버(15)의 외측에 영구자석을 배치함으로써 다수의 자기장 발생부(11,12,13)를 구비하도록 하는 방안이 제시된 바 있다(공개특허공보 제10-2009-37343호).In consideration of the productivity of the plasma processing process and the low pressure of the process for overcoming contaminant generation problems, it is preferable to increase the plasma density, and the plasma formed in the chamber 15 may be formed in the chamber 15. Since the density is higher by the induced electric field by the magnetic field than the electric field is formed to provide a plurality of magnetic field generating parts (11, 12, 13) by placing a permanent magnet on the outside of the chamber 15 to further increase the plasma density The method has been proposed (Patent Publication No. 10-2009-37343).
그러나, 영구자석의 경우나 또는 코일을 이용하는 전자석의 경우를 막론하고 이와 같이 자기장을 이용하는 플라즈마 처리 장치의 경우, 챔버 내부 공간의 중심부와 외곽부의 플라즈마 밀도를 균일하게 제어하는 일이 어려워지게 됨으로써 플라즈마 처리 공정 수행에 따른 제품 품질의 신뢰도가 떨어질 수 있게 되는데, 가령 일반적으로 기판의 플라즈마 처리 공정 중 챔버 중심으로부터 외곽으로 벗어날수록 플라즈마의 밀도가 낮아지게 되어 플라즈마 처리가 적절하게 수행되지 않아 불량이 유발될 수 있으며, 특히 대면적 기판의 처리 시에는 이러한 플라즈마 밀도의 불균일로 인한 식각 또는 증착 공정의 불균일이 더욱 심각한 문제가 될 수 있다.However, in the case of the permanent magnet or the electromagnet using the coil, in the case of the plasma processing apparatus using the magnetic field, it becomes difficult to uniformly control the plasma density of the center and the outer portion of the chamber interior space and thereby the plasma treatment. The reliability of product quality may be reduced by performing the process. For example, as the substrate is moved away from the center of the chamber during the plasma treatment process, the density of the plasma decreases, and the plasma treatment may not be performed properly. In particular, when processing a large-area substrate, the etching or the deposition process due to the non-uniformity of the plasma density may be a more serious problem.
그러므로, 자기장을 이용하는 유도결합형 플라즈마 장치에서 높은 플라즈마 밀도를 얻으면서도 그와 동시에 기판 중심부와 외곽에 걸친 플라즈마 밀도의 균일성(uniformity)을 높일 수 있는 방안이 필요한 상황이다.Therefore, there is a need for a method of increasing the uniformity of the plasma density across the center and the outside of the substrate while at the same time obtaining a high plasma density in an inductively coupled plasma apparatus using a magnetic field.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 자기장을 이용하는 유도결합형 고밀도 플라즈마 처리 장치의 경우에 챔버 내부 공간의 중심부와 외곽부의 플라즈마 밀도가 균일하지 못하고 상이하게 됨으로 인해 플라즈마 처리 공정 수행에 따른 제품 생산의 신뢰도가 떨어지는 문제점을 해결하고자 한다. The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, in the case of the inductively coupled high-density plasma processing apparatus using a magnetic field, because the plasma density of the center and the outer portion of the chamber inner space is not uniform and different from the plasma treatment It is to solve the problem that the reliability of the production of the product is poor.
또한, 본 발명은, 챔버 내부 공간 상에서 기판을 중심으로 수평 방향의 외측으로 갈수록 자기장의 세기를 증가시켜 플룻-인스테빌리티(Flute instability)의 발생을 억제하고, 챔버 내부로 R-웨이브를 전파하기 위해서 기판을 중심으로 수직 방향의 상부로 갈수록 자기장의 세기를 증가시키도록 자장을 제어함으로써, 플라즈마 밀도를 높이면서도 동시에 기판의 중심부 및 외곽에 걸쳐 보다 균일한 플라즈마 밀도를 얻을 수 있도록 하여 공정의 질을 보다 향상시키고자 하는 것이다.In addition, the present invention, to increase the intensity of the magnetic field toward the outside in the horizontal direction around the substrate on the chamber inner space to suppress the occurrence of flute instability, and to propagate the R-wave inside the chamber To control the magnetic field to increase the strength of the magnetic field toward the top in the vertical direction with respect to the substrate, it is possible to increase the plasma density and at the same time obtain a more uniform plasma density throughout the center and the outside of the substrate to improve the quality of the process. I want to improve more.
상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 기판이 장착되는 내부 공간이 형성된 진공 챔버; 상기 챔버의 상부에 위치되어 상기 챔버의 내부 공간에 플라즈마를 발생시키는 안테나; 상기 챔버의 하부에 배치되며 하나 이상의 전자석 코일을 포함하는 제1 자장 발생부 및 상기 챔버의 측면에 배치되는 하나 이상의 전자석 코일을 포함하는 제2 자장 발생부를 포함하는 자장 발생부; 및 상기 챔버 내부에 장착된 상기 기판의 중심을 기준으로 상기 챔버 내의 유효 플라즈마 공간 상에서, 수평 공간 상의 외측 방향으로 갈수록 자기장의 세기를 지속적으로 증가시키고, 수직 공간 상의 상측 방향으로 갈수록 자기장의 세기를 증가시키도록 상기 자장 발생부의 상기 각각의 전자석 코일에 입력되는 전류를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In accordance with another aspect of the present invention, a plasma processing apparatus includes a vacuum chamber in which an internal space in which a substrate is mounted is formed; An antenna positioned above the chamber to generate plasma in an inner space of the chamber; A magnetic field generating unit including a first magnetic field generating unit disposed under the chamber and including at least one electromagnet coil and a second magnetic field generating unit including at least one electromagnet coil disposed at a side of the chamber; And continuously increasing the intensity of the magnetic field toward the outer side in the horizontal space, and increasing the strength of the magnetic field toward the upper side in the vertical space, in the effective plasma space in the chamber with respect to the center of the substrate mounted inside the chamber. And a control unit controlling a current input to each of the electromagnetic coils of the magnetic field generating unit.
여기서, 상기 제어부는, 상기 제1 자장 발생부의 코일 중 적어도 하나 이상의 코일에 입력되는 전류를 상기 제2 자장 발생부의 코일에 입력되는 전류와는 상반된 방향으로 제어하는 것일 수 있다.The controller may control a current input to at least one coil of the coils of the first magnetic field generator in a direction opposite to the current input to the coil of the second magnetic field generator.
바람직하게는 상기 제어부는, 상기 챔버 내의 유효 플라즈마 공간 상의 기판 중심에서 기설정된 자기장 세기가 발생되도록 상기 각각의 전자석 코일에 입력되는 전류를 제어할 수 있다.Preferably, the controller may control a current input to each of the electromagnet coils so that a predetermined magnetic field strength is generated at the center of the substrate on the effective plasma space in the chamber.
또한, 상기 제1 자장 발생부는, 상기 챔버의 하단에 배치된 복수개의 전자석 코일을 포함하며, 상기 각각의 전자석 코일은 상기 챔버 내부에 장착되는 기판의 하단 외측에서 서로 이격되어 순차적으로 더 큰 반경을 갖도록 설치되며, 상기 제어부는, 상기 제1 자장 발생부에 포함된 복수개의 코일 중 선택된 하나 이상의 코일에 입력되는 전류를 나머지 코일에 입력되는 전류와 상반된 방향으로 제어하는 것일 수 있다.In addition, the first magnetic field generating unit may include a plurality of electromagnet coils disposed at the bottom of the chamber, and each of the electromagnet coils may be spaced apart from each other on the outside of the bottom of the substrate mounted inside the chamber to sequentially increase a larger radius. The controller may be configured to control a current input to at least one coil selected from a plurality of coils included in the first magnetic field generator in a direction opposite to the current input to the remaining coils.
한편, 상기 제1 자장 발생부는, 상기 챔버의 하단에 배치된 복수개의 전자석 코일을 포함하며, 상기 각각의 전자석 코일은 상기 챔버 내부에 장착되는 기판의 하단 외측에서 서로 이격되어 순차적으로 더 큰 반경을 갖도록 설치되며, 상기 제2 자장 발생부는, 상기 챔버의 수직 방향으로 서로 이격되어 상기 챔버의 측면 둘레를 둘러싸도록 배치된 복수개의 전자석 코일을 포함하며, 상기 제어부는, 상기 제1 자장 발생부에 포함된 복수개의 전자석 코일 중 선택된 하나 이상의 전자석 코일에 입력되는 전류를 상기 제2 자장 발생부의 전자석 코일에 입력되는 전류와 상반된 방향으로 제어하는 것일 수 있다.On the other hand, the first magnetic field generating unit, a plurality of electromagnet coils disposed in the lower end of the chamber, each of the electromagnet coils are spaced apart from each other on the outside of the lower end of the substrate mounted in the chamber in order to sequentially have a larger radius The second magnetic field generating unit includes a plurality of electromagnet coils spaced apart from each other in the vertical direction of the chamber to surround the side circumference of the chamber, wherein the control unit is included in the first magnetic field generating unit. The current input to the at least one electromagnet coil selected from the plurality of electromagnet coils may be controlled in a direction opposite to the current input to the electromagnet coil of the second magnetic field generator.
나아가, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는, 상기 챔버의 상부에 배치되며 하나 이상의 전자석 코일을 포함하는 제3 자장 발생부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 제3 자장 발생부의 전자석 코일에 입력되는 전류를 상기 제2 자장 발생부의 전자석 코일에 입력되는 전류와 동일 방향으로 제어하는 것일 수 있다.Furthermore, the plasma processing apparatus of the present invention further includes a third magnetic field generating unit disposed above the chamber and including one or more electromagnet coils, wherein the controller is configured to receive a current input to the electromagnet coil of the third magnetic field generating unit. The second magnetic field generating unit may be controlled in the same direction as the current input to the electromagnet coil.
또한, 상기 제2 자장 발생부의 복수개의 전자석 코일은, 상기 챔버의 상단부에 구비된 RF 윈도우(RF window)의 외측으로부터 상기 챔버 하부면의 수평 공간까지의 범위 내에서 설치된 것일 수 있다.In addition, the plurality of electromagnet coils of the second magnetic field generating unit may be installed within a range from the outer side of the RF window provided in the upper end of the chamber to the horizontal space of the lower surface of the chamber.
이와 같은 본 발명에 의하면, 챔버 내부 공간 전체적으로 플라즈마의 균일도를 향상시킴으로써 기판의 외곽 부근에서도 신뢰도 높은 플라즈마 공정이 수행될 수 있으며, 특히 대면적의 기판에 대한 플라즈마 공정을 보다 안정적으로 수행할 수 있게 된다.According to the present invention, it is possible to perform a reliable plasma process in the vicinity of the substrate by improving the uniformity of the plasma as a whole inside the chamber, in particular, it is possible to perform a more stable plasma process for a large area substrate .
또한, 본 발명에 따라, 챔버 내부 공간 상에서 기판을 중심으로 수평 방향의 외측으로 갈수록 자기장의 세기를 증가시켜 플룻-인스테빌리티(Flute instability)의 발생을 제거하고, 챔버 내부로 R-웨이브를 전파하기 위해서 기판을 중심으로 수직 방향의 상부로 갈수록 자기장의 세기를 증가시키도록 자장을 제어함으로써, 밀도가 높으면서도 동시에 기판의 중심부 및 외곽에 걸쳐 보다 균일한 플라즈마 밀도를 얻을 수 있게 되어, 공정의 질을 보다 향상시킬 수 있게 된다.In addition, according to the present invention, the intensity of the magnetic field increases toward the outside in the horizontal direction around the substrate on the chamber internal space, eliminating the occurrence of flute instability, and propagating the R-wave inside the chamber. In order to control the magnetic field to increase the strength of the magnetic field toward the top in the vertical direction with respect to the substrate, a more uniform plasma density can be obtained at the same time as the center of the substrate and the outer edge of the substrate, the quality of the process It can be improved more.
도 1은 유도결합형 플라즈마 발생장치를 도시하며,1 shows an inductively coupled plasma generator,
도 2는 플라즈마 처리 장치에서 발생되는 플룻-인스테빌리티(Flute instability)의 개념도를 도시하며,2 shows a conceptual diagram of flute instability generated in a plasma processing apparatus,
도 3은 R-웨이브 분산 관계식(Dispersion relation)을 도시하며,3 shows an R-wave dispersion relation,
도 4는 비오샤바르 법칙(Biot-Savart’s law)에 따른 자기장의 크기에 대한 개념도를 도시하며,FIG. 4 shows a conceptual diagram of the magnitude of the magnetic field according to the Biot-Savart ’s law.
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치와 대비되는 제1 비교예의 구성을 도시하며,5 shows a configuration of a first comparative example compared with the plasma processing apparatus according to the present invention,
도 6은 상기 제1 비교예에 대한 자속 밀도 분포도를 나타내며,6 shows a magnetic flux density distribution diagram for the first comparative example,
도 7은 상기 제1 비교예에 대한 자기장 분포 결과 그래프를 나타내며,7 shows a magnetic field distribution result graph for the first comparative example,
도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치에 대한 하나의 구성으로서 제1 실시예의 구성을 도시하며,8 shows the configuration of the first embodiment as one configuration for the plasma processing apparatus according to the present invention,
도 9는 상기 제1 실시예에 대한 자속 밀도 분포도를 나타내며,9 shows a magnetic flux density distribution diagram for the first embodiment,
도 10은 상기 제1 실시예에 대한 자기장 분포 결과 그래프를 나타내며,10 shows a magnetic field distribution result graph for the first embodiment,
도 11은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치에 대한 하나의 구성으로서 제2 실시예의 구성을 도시하며,11 shows the configuration of the second embodiment as one configuration for the plasma processing apparatus according to the present invention,
도 12는 상기 제2 실시예에 대한 자속 밀도 분포도를 나타내며,12 shows a magnetic flux density distribution diagram for the second embodiment,
도 13은 상기 제2 실시예에 대한 자기장 분포 결과 그래프를 나타내며,13 shows a magnetic field distribution result graph for the second embodiment;
도 14는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치에 대한 하나의 구성으로서 제3 실시예의 구성을 도시하며,14 shows the configuration of the third embodiment as one configuration for the plasma processing apparatus according to the present invention,
도 15는 상기 제3 실시예에 대한 자속 밀도 분포도를 나타내며,15 shows a magnetic flux density distribution diagram for the third embodiment,
도 16은 상기 제3 실시예에 대한 자기장 분포 결과 그래프를 나타내며,16 shows a magnetic field distribution result graph for the third embodiment,
도 17은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치에 대한 하나의 구성으로서 제4 실시예의 구성을 도시하며,17 shows the configuration of the fourth embodiment as one configuration for the plasma processing apparatus according to the present invention,
도 18은 상기 제4 실시예에 대한 자속 밀도 분포도를 나타내며,18 shows a magnetic flux density distribution diagram for the fourth embodiment,
도 19는 상기 제4 실시예에 대한 자기장 분포 결과 그래프를 나타내며,19 shows a magnetic field distribution result graph for the fourth embodiment,
도 20은 본 발명에 따른 제5 실시예에 대한 자속 밀도 분포도를 나타내며,20 shows a magnetic flux density distribution diagram for the fifth embodiment according to the present invention,
도 21은 본 발명에 따른 제5 실시예에 대한 자기장 분포 결과 그래프를 나타내며,21 shows a magnetic field distribution result graph for the fifth embodiment according to the present invention,
도 22는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치와 대비되는 제2 비교예에 대한 대한 자속 밀도 분포도를 나타내며,22 shows a magnetic flux density distribution diagram for a second comparative example compared with the plasma processing apparatus according to the present invention,
도 23은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치와 대비되는 제2 비교예에 대한 대한 자기장 분포 결과 그래프를 나타내며,23 is a graph showing magnetic field distribution results for the second comparative example compared with the plasma processing apparatus according to the present invention;
도 24는 상기 비교예 1과 비교예 2 및 실시예 1 내지 실시예 5의 각 케이스(Case)에서 대표적 제어 조건에 따른 결과를 나타내며,24 shows the results according to representative control conditions in each case of Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Examples 1 to 5,
도 25 내지 도 29는 상기 도 24의 제어 조건으로 플라즈마 밀도(Plasma density)와 전자 온도(Electron temperature)를 측정한 실험 결과를 나타낸다.25 to 29 show experimental results of measuring plasma density and electron temperature under the control conditions of FIG. 24.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.In order to explain the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, the following describes exemplary embodiments of the present invention and looks at it with reference.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.First, the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention, and singular forms may include plural forms unless the context clearly indicates otherwise. Also in this application, terms such as "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described on the specification, one or more other It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of adding or presenting features or numbers, steps, operations, components, components, or combinations thereof.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
유도결합형 플라즈마를 발생시키기 위한 안테나를 구비하며, 그와 별도로 코일에 의해 자기장을 인가하여 자화 플라즈마의 특성을 이용하여 고밀도 플라즈마를 얻을 수 있도록 하는 장치를 본 발명자는 M-ICP(Magnetized Inductively Coupled Plasma) 장치라 명명하였으며, 이의 기본적인 구성에 관해서는 본 발명자의 이전의 등록특허 제10-178847호를 인용한다.A device having an antenna for generating an inductively coupled plasma, and separately from the magnetic field applied by a coil to obtain a high-density plasma using the characteristics of the magnetized plasma, the inventors of the present invention provide a magnetized inductively coupled plasma (M-ICP). Device), and the basic configuration thereof is cited in the inventor's previous registered patent No. 10-178847.
본 발명은 이러한 M-ICP(Magnetized Inductively Coupled Plasma) 장치에 있어서 전자석 코일의 개수 및 위치, 전류의 세기와 인가 방향에 따른 챔버 내에서 자기장의 공간적인 분포를 파악하고 M-ICP 장치의 효과를 극대화할 수 있는 최적화된 자기장의 분포를 형성하기 위해 적절한 개수의 전자석을 최적의 위치에 배치하고 각 전자석의 제어를 통한 자기장 제어로 플라즈마를 쉐이핑하는 방안을 제시한다.The present invention, in the magnetized inductively coupled plasma (M-ICP) device to grasp the spatial distribution of the magnetic field in the chamber according to the number and location of the electromagnet coil, the current strength and the direction of application and maximize the effect of the M-ICP device In order to form an optimized magnetic field distribution, an appropriate number of electromagnets are placed in an optimal position, and a method of shaping plasma by magnetic field control through control of each electromagnet is proposed.
M-ICP 장치에 있어서, 기판(Substrate) 중심에 가해지는 자속밀도(Magnetic flux density)는 동일하다고 할지라도 기판을 중심으로 수평 방향 혹은 수직 방향으로 자기장의 공간적인 분포가 어떻게 이루어지느냐에 따라 플라즈마의 방전 특성은 현저히 달라질 수 있다. 특히 본 발명자는 M-ICP 장치에서 자기장의 분포에 따라 문제가 될 수 있는 플라즈마 밀도의 불균일이 플룻-인스테빌리티(Flute instability)라는 현상에 의한 것임을 관측하였으며, 이를 해소하고자 하는 방안을 도출하여 지속적으로 실험한 결과 현저한 작용효과를 확인함으로써 본 발명에 이르게 되었다.In the M-ICP device, although the magnetic flux density applied to the center of the substrate is the same, depending on the spatial distribution of the magnetic field in the horizontal or vertical direction about the substrate, Discharge characteristics can vary significantly. In particular, the present inventors observed that the non-uniformity of plasma density, which may be a problem depending on the distribution of the magnetic field in the M-ICP device, is due to a phenomenon called flute instability, and the method to solve this problem is derived. As a result of the experiment, the present invention was confirmed by confirming the remarkable effect.
본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위해 우선 플룻-인스테빌리티에 관하여 설명하면, 플라즈마 밀도의 구배(Gradient)가 존재하는 시스템 상에서 자기장을 인가하였을 경우 특수한 상황에서 플룻-인스테빌리티라는 현상이 발생할 수 있게 된다.In order to understand the technical idea of the present invention, the flute-stability is described first. When a magnetic field is applied on a system in which a gradient of plasma density exists, a phenomenon called flute-stability may occur in a special situation. It becomes possible.
플룻-인스테빌리티는 Rayleigh-Taylor instability 혹은Interchange instability 라고도 부르는데, 플라즈마 핵융합에 관한 연구를 통하여 밝혀지게 된 것이다. 도 2에 도시된 플룻-인스테빌리티의 개념도를 참고하여 살펴보자면, 플룻-인스테빌리티란 자화된 플라즈마에서 생기는 밀도의 구배(Gradient)와 반대 방향으로 작용하는 중력장(Gravitational field) F 등에 의해 발생할 수 있는 현상으로서, 가령 가벼운 액체보다 무거운 액체가 위에 있는 경우에 중력이 존재함으로 인해서 나타나는 현상과 비슷하다고 볼 수 있다. Flute-stability, also called Rayleigh-Taylor instability or Interchange instability, was discovered through research into plasma fusion. Referring to the conceptual diagram of the flute-intelligence shown in FIG. 2, the flute-intelligence is caused by a gravitational field F which acts in a direction opposite to the gradient of density generated in the magnetized plasma. As a possible phenomenon, it is similar to the phenomenon caused by the presence of gravity when a liquid that is heavier than a light liquid is present.
만약, 전하 부호(Charge sign)의 영향을 받지 않는 중력장 F가 자기장 B에 수직한 방향으로 작용한다고 가정했을 때, 이러한 중력장 F에 의해 전자와 이온은 서로에 대해 반대 방향으로 이동(Drift) 하면서 전하 분리(Charge separation)가 발생한다. 이로 인해 상기 도 2에 도시된 바와 같이 전기장(Electric field) E가 형성되고
Figure PCTKR2014011557-appb-I000001
이동이 발생하면서 섭동(Perturbation)이 증폭되어 결과적으로 플룻-인스테빌리티라고 불리는 현상이 발생하게 된다.
If it is assumed that the gravitational field F, which is not affected by the charge sign, operates in a direction perpendicular to the magnetic field B, the gravitational field F causes electrons and ions to move in opposite directions with respect to each other. Charge separation occurs. As a result, as shown in FIG. 2, an electric field E is formed.
Figure PCTKR2014011557-appb-I000001
As the shift occurs, perturbation is amplified, resulting in a phenomenon called flute-stability.
자장이 가해지는 공정용 플라즈마 발생 장치에서는 휘어진 자장이 중력장과 같은 역할을 한다.In a process plasma generator in which a magnetic field is applied, the curved magnetic field plays a role as a gravity field.
이와 같은 플룻-인스테빌리티의 발생으로 플라즈마의 밀도 구배가 불안정하게 되므로 챔버 내부 공간에서 플라즈마 밀도의 균일성(Uniformity)이 저해되며, 이로 인해 플라즈마 공정의 신뢰도가 떨어지게 된다.Such flute-stability causes the plasma density gradient to become unstable, thereby impairing the uniformity of the plasma density in the chamber internal space, thereby lowering the reliability of the plasma process.
플룻-인스테빌리티라는 플라즈마 섭동(Plasma perturbation) 현상은 하기 [식 1]과 같이 밀도와 자장의 구배 부호가 같을 때 발생한다. Plasma perturbation phenomenon called flute-intelligence occurs when the density code and the gradient sign of the magnetic field are the same.
[식 1][Equation 1]
Figure PCTKR2014011557-appb-I000002
Figure PCTKR2014011557-appb-I000002
통상적으로 플라즈마 밀도는 반경 방향의 확산 혹은 벽에서의 손실 등으로 인해 반경 방향으로 감소하기 때문에 반경 방향 자장 세기까지 감소하게 된다면 플룻-인스테빌리티 현상이 발생하여 플라즈마 밀도의 불균일이 더욱 악화될 수 있는 것이다. (참고: A.B.Mikhailovskii, Theory of plasma instabilities, Volume 2: Instabilities of an inhomogeneous plasma) In general, since the plasma density decreases in the radial direction due to radial diffusion or loss in the wall, if it is reduced to the radial magnetic field strength, flute-stability phenomenon may occur and the nonuniformity of the plasma density may be worsened. will be. (Note: A.B.Mikhailovskii, Theory of plasma instabilities, Volume 2: Instabilities of an inhomogeneous plasma)
본 발명자는 M-ICP 장치에서의 자기장 분포에 의해 발생하는 플라즈마 밀도의 불균일이 반경 외측 방향에 따른 플라즈마 밀도 감소 효과와 반경 방향 자장 세기의 감소 효과의 결합에 의한 플룻-인스테빌리티 현상에 의해 악화될 수 있다는 점에 착안하여, 이를 방지할 수 있는 반대의 상황, 즉, 반경 방향으로의 자기장 세기가 증가되도록 하는 자기장 분포를 형성하여 실험한 결과 플룻-인스테빌리티 없이 안정적으로 균일한 밀도의 플라즈마 분포를 얻을 수 있었다.The inventors have found that the non-uniformity of plasma density caused by the magnetic field distribution in the M-ICP device is exacerbated by the flute-intelligence phenomenon by the combination of the plasma density decreasing effect along the radial outward direction and the radial magnetic field decreasing effect. In view of the fact that it can be avoided, experiments have been made by forming a magnetic field distribution that increases the magnetic field intensity in the opposite direction to prevent the situation, that is, plasma having a stable uniform density without flute-stability. Distribution was obtained.
따라서 본 발명에서는 챔버 내에서 자기장의 공간적인 분포를 제어함으로써 플룻-인스테빌리티의 발생을 제거하는데, 특히 상기 [식 1]에 따라 챔버의 기판을 중심으로 상기 챔버 내의 유효 플라즈마 공간에서 수평 공간 상의 외측 방향으로 갈수록 자기장의 세기를 증가시켜 플룻-인스테빌리티의 발생을 제거한다.Therefore, in the present invention, the generation of flute-intelligence is eliminated by controlling the spatial distribution of the magnetic field in the chamber. In particular, according to [Equation 1], the effective plasma space in the chamber is located on the horizontal space in the chamber. The outward direction increases the strength of the magnetic field to eliminate the occurrence of flute-stability.
여기서 상기 유효 플라즈마 공간이란, 챔버 내에 장착된 기판에 플라즈마 공정을 수행하는 플라즈마가 존재하는 공간으로서 기판을 기준으로 챔버의 수평 공간 끝단과 수직 공간 끝단까지를 포함하는 챔버 내의 공간을 의미한다. 상황에 따라서는 공정이 수행될 기판 사이즈를 고려하여 챔버 내에서 기판을 중심으로 기판보다 소정 길이 더 넓은 수평공간과 기판으로부터 일정 높이의 수직 공간을 포함하는 의미가 될 수도 있다.Here, the effective plasma space refers to a space in the chamber including a horizontal space end and a vertical space end of the chamber with respect to the substrate as a space in which a plasma for performing a plasma process exists on a substrate mounted in the chamber. In some cases, it may be considered to include a horizontal space having a predetermined length wider than the substrate and a vertical space having a predetermined height from the substrate in consideration of the substrate size on which the process is to be performed.
한편, 전자석의 적절한 배치 및 제어를 통해 수직 방향의 자장 세기가 감소하거나 또는 증가하도록 할 수 있는데, 본 발명자는 상기 챔버 내의 유효 플라즈마 공간에서 기판을 중심으로 수직 공간 상의 상측 방향으로 갈수록 자기장의 세기를 증가시키면 챔버 내 공간 상에서 플라즈마 생성의 효율성을 향상시켜 밀도를 보다 증가시킬 수 있다는 점을 관측하였다.On the other hand, it is possible to reduce or increase the magnetic field strength in the vertical direction through proper placement and control of the electromagnet, the present inventors to increase the strength of the magnetic field toward the upper direction on the vertical space with respect to the substrate in the effective plasma space in the chamber It has been observed that increasing can improve the efficiency of plasma generation in space in the chamber to further increase density.
그 이유는, 도 3의 R 웨이브 그래프를 고려하면 수직 방향으로의 자장이 증가해야 R 웨이브(R-wave)의 챔버 내부 전파(Propagation)가 용이하게 되어 전자 사이클로트론 공진(ECR:Electron Cyclotron Resonance)에 의한 전자 히팅(Electron heating)이 가능하여 플라즈마 생성 효율이 증가될 수 있기 때문이라고 설명할 수 있다.The reason for this is that considering the R wave graph of FIG. 3, the magnetic field in the vertical direction must be increased to facilitate propagation of the R-wave in the chamber, and thus to the electron cyclotron resonance (ECR). This can be explained by the fact that electron heating can be performed to increase the plasma generation efficiency.
이하에서 설명할 실시예들의 M-ICP 장치는, 자기장을 인가하여 발생하는 전자 사이클로트론 공진(ECR:Electron Cyclotron Resonance)을 전자의 가속 에너지원으로 사용할 수 있는데, 이를 위해서는 가령, 27.12MHz 의 주파수를 가지는 RF 제너레이터(Radio frequency generator)를 사용할 경우 자속밀도가 약 9.6Guass일 때 그 효과를 기대할 수 있다. 만일 2.45GHz의 주파수를 가지는 마이크로파 기반의 ECR 플라즈마 장치의 경우라면 약 1 kG에 이르는 엄청난 세기의 자기장을 필요로 하지만, 27.12MHz 의 주파수를 가지는 RF 제너레이터를 사용할 경우는 기판 중심에 최소 수 Gauss(ICP 기준)에서 최대 30Gauss 정도의 자기장이 인가될 수 있도록 하면 되므로, 자장 코일의 턴 수나 전류가 보다 낮아도 되어 하드웨어 구성이 용이해지는 장점이 있게 된다.The M-ICP device of the embodiments to be described below may use an electron cyclotron resonance (ECR) generated by applying a magnetic field as an acceleration energy source of electrons, for example, having a frequency of 27.12 MHz. When using a RF generator (Radio frequency generator), the effect can be expected when the magnetic flux density is about 9.6Guass. If a microwave-based ECR plasma device with a frequency of 2.45 GHz requires a tremendous magnetic field of up to about 1 kG, an RF generator with a frequency of 27.12 MHz will require a minimum number of Gauss (ICP) at the center of the substrate. In this case, a magnetic field of up to 30 Gauss may be applied, so that the number of turns or current of the magnetic field coil may be lower, thereby facilitating a hardware configuration.
즉, 기판 중심부에서 최소 수 Guass 이상의 자속 밀도를 형성시켜야 기판에 대한 원활한 플라즈마 공정 수행이 이루어질 수 있는데, 수 GHz 대역의 주파수를 사용할 경우에 기판 중심부에서 보다 큰 자속밀도를 용이하게 형성시킬 수 있으나 그만큼의 고파워 부여를 위해서 높은 전류가 인가됨에 따라 자장 코일의 직경이 두꺼지고 턴 수가 많아질 필요가 있어 하드웨어 구성이 용이하지 않지만, 수 내지 수십 MHz 대역의 주파수를 사용하는 경우에 상대적으로 낮은 전류가 인가됨에 따라 자장 코일의 직경이 상대적으로 얇아지고 턴 수도 적어지게 되어 하드웨어 구성이 용이해질 수 있다.In other words, when the magnetic flux density of at least a few Guass is formed at the center of the substrate, a smooth plasma process can be performed on the substrate. When using a frequency of several GHz bands, a larger magnetic flux density can be easily formed at the center of the substrate. As the high current is applied to give high power, the diameter of the magnetic field coil needs to be increased and the number of turns needs to be large, so that the hardware configuration is not easy.However, when a frequency of several to several tens of MHz bands is used, relatively low current As applied, the diameter of the magnetic field coil may be relatively thin and the number of turns may be reduced, thereby facilitating a hardware configuration.
이하의 실시예들에서는 자장 발생부로서 기본적으로 챔버의 하부와 측면에 각각 제1 자장 발생부와 제2 자장 발생부를 설치하고, 추가적으로 챔버의 상부에 제3 자장 발생부를 설치한다.In the following embodiments, as a magnetic field generating unit, a first magnetic field generating unit and a second magnetic field generating unit are respectively installed in the lower and side surfaces of the chamber, and a third magnetic field generating unit is additionally installed in the upper portion of the chamber.
각 자장 발생부를 이루는 전자석 코일들의 배치, 턴 수 및 전류에 따른 자기장 분포는 계산 등에 의해 예측이 가능한데, 폐경로 C′에 흐르는 전류 I에 의해 결정되는 자기장 B의 크기는 비오샤바르 법칙(Biot-Savart’s law)에 의해 하기 [식 2]와 같이 표현된다.The magnetic field distribution according to the arrangement, the number of turns, and the current of the electromagnetic coils constituting each magnetic field generator can be predicted by calculation, etc. The magnitude of the magnetic field B determined by the current I flowing in the closed path C ′ is determined by the Bioshavar law. Savart's law) is represented by the following [Formula 2].
[식 2][Equation 2]
Figure PCTKR2014011557-appb-I000003
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그러므로 상기 [식 2]에 기반하여 코일의 위치, 흐르는 전류 등이 주어졌을 때, 임의의 위치에서의 자기장의 세기를 예측할 수 있다.Therefore, based on Equation 2, the strength of the magnetic field at any position can be predicted given the position of the coil, the current flowing through it, and the like.
이와 같은 조건을 기초로 실시예들에 적용될 자장 발생부의 각각의 코일의 권선 횟수와 위치 등을 정할 수 있는데, 예를 들어, 상기 제1 자장 발생부로서 챔버 하단의 배기 펌프(Pump) 부근에 두 개의 코일 Lower 1과 Lower 2를 배치하고, 상기 제2 자장 발생부로서 RF 윈도우(RF window) 하단부의 챔버 외측 부근에 코일 Lateral 1과 기판의 수평 선상 챔버 외측 부근에 코일 Lateral 2를 배치하며, 추가적으로 상기 제3 자장 발생부로서 안테나 박스(Antenna Box)와 매칭 박스(Matching box) 사이에 코일 Upper 1, Upper 2 및 Upper 3를 배치하는 구성을 생각해 볼 수 있다,Based on such a condition, the number of windings and the position of each coil of the magnetic field generating unit to be applied to the embodiments may be determined. For example, the first magnetic field generating unit may be located near an exhaust pump at the bottom of the chamber. Two coils, Lower 1 and Lower 2, and as the second magnetic field generator, Coil Lateral 1 and Coil Lateral 2 near the outside of the horizontal line chamber of the substrate near the outside of the chamber at the bottom of the RF window, and additionally As the third magnetic field generating unit, a configuration in which coils Upper 1, Upper 2, and Upper 3 are disposed between an antenna box and a matching box may be considered.
이때, 챔버의 측면에 위치한 윈도우(Window)에 의한 공간적인 제약이 있는 상기 제2 자장 발생부인 Lateral 1과 Lateral 2의 코일 권선 횟수는 각각 1000으로, 나머지 상기 제1 자장 발생부와 제2 자장 발생부에 포함되는 코일 권선 횟수는 각각 1400으로 정하였다. 만일 모든 코일에 동일한 방향으로 0.7A의 전류를 인가한다고 가정하고 각 코일이 기판 중심에 가하는 자속 밀도를 비오샤바르 법칙에 의해 산출하면 하기 [표 1]와 같은 결과를 얻을 수 있다.At this time, the number of coil windings of the second magnetic field generating units Lateral 1 and Lateral 2, which are spatially limited by a window located on the side of the chamber, is 1000, respectively, and the remaining first magnetic field generating unit and the second magnetic field generating are generated. The number of coil windings included in the unit was set to 1400, respectively. If assuming that a current of 0.7 A is applied to all coils in the same direction, the magnetic flux density applied to the center of each substrate by the Bioshavar law can be obtained as shown in Table 1 below.
[표 1]TABLE 1
Figure PCTKR2014011557-appb-I000004
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결과적으로 상기 [표 1]에 따른 조건의 코일을 배치하면 챔버 내의 기판 중심에서의 자속 밀도가 최대 약 45.6Gauss 정도가 될 것임을 예측할 수 있다.As a result, it can be expected that the magnetic flux density at the center of the substrate in the chamber will be about 45.6 Gauss at most when the coils with the conditions according to [Table 1] are arranged.
이하에서는 위의 각 자장 발생부를 구성하는 각 전자석 코일의 개수 및 위치, 전류의 세기와 인가 방향에 따른 실험 결과를 살펴본다.Hereinafter, the experimental results according to the number and location of each electromagnetic coil constituting the magnetic field generating unit, the strength of the current and the direction of application.
도 5는 본 발명의 플라즈마 처리 장치와 대비되는 제1 비교예로서 Case 1의 구성을 도시한다.5 shows the configuration of Case 1 as a first comparative example compared with the plasma processing apparatus of the present invention.
상기 도 5의 플라즈마 처리 장치(100)에서는 제2 자장 발생부로서 RF 윈도우(180) 하단부의 챔버(150) 외측 부근에 코일 Lateral 1(111)과 챔버(150) 하부면의 수평 선상 챔버(150) 외측 부근에 코일 Lateral 2(112)를 배치하였다.In the plasma processing apparatus 100 of FIG. 5, the horizontal linear chamber 150 of the coil Lateral 1 111 and the lower surface of the chamber 150 is located near the outside of the chamber 150 at the lower end of the RF window 180 as the second magnetic field generator. Coil Lateral 2 (112) was placed near the outside.
그리고 하기 [표 2]의 전류 제어 조건으로 상기 제2 자장 발생부에 입력되는 전류를 제어하여 챔버(150) 내부 공간에서의 자기장 분포를 측정한 결과 도 6의 자속 밀도 분포도와 도 7의 자기장 분포 결과 그래프를 얻었다.Then, the magnetic field distribution in FIG. 6 and the magnetic field distribution in FIG. 7 were measured by controlling the current input to the second magnetic field generating unit under the current control conditions shown in [Table 2]. The resulting graph was obtained.
[표 2]TABLE 2
Figure PCTKR2014011557-appb-I000005
Figure PCTKR2014011557-appb-I000005
상기 도 6의 (a), (b), (c) 및 (d)는 각각 순차적으로 상기 [표 2]의 Case 1-1부터 Case 1-4에 대응되는 자속 밀도 분포도로서 챔버(150) 내부 공간을 수직축으로 절단한 우측 공간에서의 자속 밀도 분포를 나타내며, 상기 도 7에서 (a)는 기판을 중심으로 수평 방향에 대한 자속 밀도 그래프를 나타내고, (b)는 기판을 중심으로 수직 방향에 대한 자속 밀도 그래프를 나타낸다. 6 (a), (b), (c) and (d) are magnetic flux density distribution diagrams corresponding to Case 1-1 to Case 1-4 of Table 2, respectively, sequentially in the chamber 150. FIG. 7 illustrates a magnetic flux density distribution in a right space obtained by cutting a space along a vertical axis. In FIG. 7, (a) shows a magnetic flux density graph in a horizontal direction about a substrate, and (b) shows a magnetic flux density distribution in a vertical direction about a substrate. A magnetic flux density graph is shown.
상기 Case 1-1 내지 Case 1-4에 따른 플라즈마 처리 장치(100)의 구성과 전류 조건으로 상기 제2 자장 발생부의 코일 Lateral 1(111)과 코일 Lateral 2(112)에 공급되는 전류를 모두 순방향으로 제어하면, 상기 도 7에서 보는 바와 같이 Case 1-1과 Case 1-3의 경우에는 수평 방향의 자기장 분포는 일정하게 유지되고 수직 방향의 자기장은 소폭 감소하는 것을 볼 수 있으므로 앞서 설명한 바와 같이 플룻-인스테빌리티 현상이 발생되어 전체적인 유효 플라즈마 공간 상에서 플라즈마 밀도를 균일하게 형성시킬 수 없게 된다.The currents supplied to the coil Lateral 1 (111) and the Coil Lateral 2 (112) of the second magnetic field generating unit are forward in accordance with the configuration and current conditions of the plasma processing apparatus 100 according to Cases 1-1 to Case 1-4. As shown in FIG. 7, in the case of Case 1-1 and Case 1-3, the magnetic field distribution in the horizontal direction is kept constant and the magnetic field in the vertical direction is slightly decreased, as described above. Instability occurs, making it impossible to uniformly form the plasma density over the entire effective plasma space.
그리고 상기 제2 자장 발생부의 코일 Lateral 1(111)에 공급되는 전류를 순방향으로 제어하고 코일 Lateral 2(112)에 공급되는 전류를 역방향으로 제어하는 상기 도 7에서 보는 바와 같이 Case 1-2와 Case 1-4의 경우에는 수평 방향으로의 자기장과 수직 방향의 자기장 분포가 기판의 중심부로부터 멀어질수록 증가하는 형태로 나타나는데, Case 1-2의 경우에는 기판 중심 공간에서 0Gauss에 가까운 자속 밀도가 형성됨을 알 수 있고, Case 1-4의 경우에는 기판 중심 공간에서 대략 1Gauss대의 자속 밀도가 형성되면서 기판의 중심부로부터 멀어질수록 증가하는 형태를 나타내지만 수직 방향의 자속밀도의 경우에는 기판 중심부로부터 멀어질수록 감소하여 0Gauss 정도에 이른 후 다시 증가하는 형태로 형성됨을 알 수 있다. 이와 같은 경우에 기판 중심부로부터 자기장이 전체적으로 증가함에 따라 플룻-인스테빌리티 현상을 소폭 감소시킬 수는 있지만 기판 중심 공간에서 자속 밀도가 너무 낮아 실질적으로 기판에 대한 플라즈마 공정 수행이 불가능한 문제점이 있다.As shown in FIG. 7, the current supplied to the coil Lateral 1 (111) in the second magnetic field generating unit is controlled in the forward direction and the current supplied to the coil Lateral 2 (112) is controlled in the reverse direction. In the case of 1-4, the magnetic field in the horizontal direction and the magnetic field distribution in the vertical direction increase as the distance from the center of the substrate increases. In the case of Case 1-2, the magnetic flux density close to 0Gauss is formed in the center space of the substrate. It can be seen that in case 1-4, the magnetic flux density of approximately 1 Gauss band is formed in the center space of the substrate and increases as the magnetic flux density increases away from the center of the substrate. It can be seen that it decreases to 0Gauss and then increases again. In this case, as the magnetic field increases from the center of the substrate as a whole, the flute-intelligence phenomenon may be slightly reduced, but the magnetic flux density in the substrate center space is too low to substantially perform a plasma process on the substrate.
도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 한 예로서 제1 실시예에 따른 Case 2의 구성을 도시한다.8 shows a configuration of Case 2 according to the first embodiment as an example of the plasma processing apparatus according to the present invention.
상기 도 8의 플라즈마 처리 장치(200)에서는 제1 자장 발생부로서 터보 모레큘러 펌프(Turbo molecular pump)의 흡입구 부근 외측에 하나의 코일 Lower 1(221)을 배치하고, 제2 자장 발생부로서 RF 윈도우(280) 하단부의 챔버(250) 외측 부근에 코일 Lateral 1(211)과 챔버(250) 하부면의 수평 선상 챔버(250) 외측 부근에 코일 Lateral 2(212)를 배치하였다.In the plasma processing apparatus 200 of FIG. 8, one coil lower 1 221 is disposed outside the intake vicinity of the turbo molecular pump as the first magnetic field generating unit, and the RF is used as the second magnetic field generating unit. The coil Lateral 1 211 is disposed near the outside of the chamber 250 at the lower end of the window 280 and the outside of the horizontal linear chamber 250 on the lower surface of the chamber 250.
그리고 하기 [표 3]의 전류 제어 조건으로 상기 제1 자장 발생부 및 제2 자장 발생부에 입력되는 전류를 제어하여 챔버(250) 내부 공간에서의 자기장 분포를 측정한 결과 도 9의 자속 밀도 분포도와 도 10의 자기장 분포 결과 그래프를 얻었다.The magnetic flux density distribution diagram of FIG. 9 is obtained by measuring the magnetic field distribution in the internal space of the chamber 250 by controlling the currents input to the first magnetic field generator and the second magnetic field generator under the current control conditions shown in Table 3 below. And a magnetic field distribution result graph of FIG. 10.
[표 3]TABLE 3
Figure PCTKR2014011557-appb-I000006
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상기 도 9의 (a) 내지 (c)는 각각 순차적으로 상기 [표 3]의 Case 2-1부터 Case 2-3에 대응되는 자속 밀도 분포도로서 챔버(250) 내부 공간을 수직축으로 절단한 우측 공간에서의 자속 밀도 분포를 나타내며, 상기 도 10에서 (a)는 기판을 중심으로 수평 방향에 대한 자속 밀도 그래프를 나타내고, (b)는 기판을 중심으로 수직 방향에 대한 자속 밀도 그래프를 나타낸다.9 (a) to 9 (c) are magnetic flux density distribution diagrams corresponding to Case 2-1 to Case 2-3 in Table 3, respectively, and the right space in which the interior space of the chamber 250 is cut along the vertical axis. In FIG. 10, (a) shows a magnetic flux density graph in a horizontal direction about a substrate, and (b) shows a magnetic flux density graph in a vertical direction about a substrate.
상기 Case 2-1 내지 Case 2-3에 따른 플라즈마 처리 장치(200)의 구성과 전류 조건으로 상기 제1 자장 발생부의 코일 Lower 1(221)에 공급되는 전류를 상기 제2 자장 발생부의 코일 Lateral(211)과 코일 Lateral 2(212)에 공급되는 전류와 다른 역방향으로 제어하는 경우에 상기 도 10에서 보는 바와 같이 수평 방향으로 자기장 세기는 지속적으로 증가하고, 또한 수직 방향으로 자기장 세기도 점차 증가하며, 기판 중심 공간에서 적게는 6Gauss 이상이며 높게는 12Gauss 정도로 자속밀도가 제어되는 것을 알 수 있다.The current supplied to the coil lower 1 221 of the first magnetic field generator in accordance with the configuration and current conditions of the plasma processing apparatus 200 according to Cases 2-1 to Case 2-3 is the coil lateral of the second magnetic field generator ( 211) and the magnetic field strength continuously increases in the horizontal direction, and also increases in the vertical direction, as shown in FIG. 10 when controlling in a reverse direction different from the current supplied to the coil Lateral 2 212. It can be seen that the magnetic flux density is controlled at least 6Gauss and as high as 12Gauss in the substrate center space.
도 11은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 한 예로서 제2 실시예에 따른 Case 3의 구성을 도시한다.11 shows a configuration of Case 3 according to the second embodiment as an example of the plasma processing apparatus according to the present invention.
상기 도 11의 플라즈마 처리 장치(300)에서는 제1 자장 발생부로서 터보 모레큘러 펌프의 흡입구 부근에 인접하여 하나의 코일 Lower 2(322)을 배치하고, 제2 자장 발생부로서 RF 윈도우(380) 하단부의 챔버(350) 외측 부근에 코일 Lateral 1(311)과 챔버(350) 하부면의 수평 선상 챔버(350) 외측 부근에 코일 Lateral 2(312)를 배치하였다.In the plasma processing apparatus 300 of FIG. 11, a coil lower 2 322 is disposed as a first magnetic field generating unit adjacent to an inlet of a turbo-molecular pump, and an RF window 380 is used as a second magnetic field generating unit. Coil Lateral 1 311 is disposed near the outside of the lower end of the chamber 350 and coil Lateral 2 312 is disposed near the outside of the horizontal line chamber 350 on the lower surface of the chamber 350.
그리고 하기 [표 4]의 전류 제어 조건으로 상기 제1 자장 발생부 및 제2 자장 발생부에 입력되는 전류를 제어하여 챔버(350) 내부 공간에서의 자기장 분포를 측정한 결과 도 12의 자속 밀도 분포도와 도 13의 자기장 분포 결과 그래프를 얻었다.And as a result of measuring the magnetic field distribution in the interior space of the chamber 350 by controlling the current input to the first magnetic field generating unit and the second magnetic field generating unit under the current control conditions of the following [Table 4] And a magnetic field distribution result graph of FIG. 13.
[표 4]TABLE 4
Figure PCTKR2014011557-appb-I000007
Figure PCTKR2014011557-appb-I000007
상기 도 12의 (a) 내지 (c)는 각각 순차적으로 상기 [표 4]의 Case 3-1부터 Case 3-3에 대응되는 자속 밀도 분포도로서 챔버(350) 내부 공간을 수직축으로 절단한 우측 공간에서의 자속 밀도 분포를 나타내며, 상기 도 13에서 (a)는 기판을 중심으로 수평 방향에 대한 자속 밀도 그래프를 나타내고, (b)는 기판을 중심으로 수직 방향에 대한 자속 밀도 그래프를 나타낸다. 12 (a) to 12 (c) are magnetic flux density distribution diagrams corresponding to Cases 3-1 to 3-3 of Table 4, respectively, in order to sequentially cut the inner space of the chamber 350 along the vertical axis. In FIG. 13, (a) shows a magnetic flux density graph in a horizontal direction about a substrate, and (b) shows a magnetic flux density graph in a vertical direction about a substrate.
상기 Case 3-1 내지 Case 3-3에 따른 플라즈마 처리 장치(200)의 구성과 전류 조건으로 상기 제1 자장 발생부의 코일 Lower 2(322)에 공급되는 전류를 상기 제2 자장 발생부의 코일 Lateral 1(311)과 코일 Lateral 2(312)에 공급되는 전류와 다른 역방향으로 제어하는 경우에 상기 도 13에서 보는 바와 같이 수평 방향 및 수직 방향으로 자기장 세기가 점차 증가하는 것을 알 수 있으며, 그 결과가 상기 도 8의 제1 실시예에서 상기 [표 3]에 따라 전류를 제어한 결과와 자속밀도가 유사하게 나타나는 것을 알 수 있다. The current supplied to the coil lower 2 322 of the first magnetic field generating unit under the configuration and current conditions of the plasma processing apparatus 200 according to Cases 3-1 to 3-3 is the coil lateral 1 of the second magnetic field generating unit. In the case of controlling in a reverse direction different from the current supplied to the 311 and the coil Lateral 2 312, it can be seen that the magnetic field strength gradually increases in the horizontal direction and the vertical direction as shown in FIG. 13. In the first embodiment of Figure 8 it can be seen that the magnetic flux density is similar to the result of controlling the current according to the above [Table 3].
즉, 상기 제2 실시예의 Case 3와 상기 제1 실시예의 Case 2는 챔버 하부에 하나의 코일 Lower를 상이한 위치에 배치시키고 동일한 전류 제어를 한 경우로서, Case 2와 Case 3 모두 수평 방향으로 자기장 세기는 지속적으로 증가하고, 또한 수직 방향으로 자기장 세기도 점차 증가하며, 기판 중심 공간에서는 적게는 6Gauss 이상이며 높게는 12Gauss 정도로 자속밀도가 제어되는 것을 알 수 있다.That is, in case 3 of the second embodiment and case 2 of the first embodiment, when one coil lower is disposed at a different position in the lower part of the chamber and the same current control is performed, both case 2 and case 3 have a magnetic field strength in a horizontal direction. The magnetic flux density is continuously controlled, and the magnetic field strength increases gradually in the vertical direction, and the magnetic flux density is controlled at least 6Gauss and as high as 12Gauss in the substrate center space.
도 14는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 한 예로서 제3 실시예에 따른 Case 4의 구성을 도시한다.14 shows a configuration of Case 4 according to the third embodiment as an example of the plasma processing apparatus according to the present invention.
상기 도 14의 플라즈마 처리 장치(400)에서는 제1 자장 발생부로서 터보 모레큘러 펌프의 흡입구 부근에 두 개의 코일 Lower 1(421)과 Lower 2(422)를 배치하고, 제2 자장 발생부로서 RF 윈도우(480) 하단부의 챔버(450) 외측 부근에 코일 Lateral 1(411)과 챔버(450) 하부면의 수평 선상 챔버(450) 외측 부근에 코일 Lateral 2(412)를 배치하였다.In the plasma processing apparatus 400 of FIG. 14, two coils Lower 1 421 and Lower 2 422 are disposed near a suction port of a turbo-molecular pump as a first magnetic field generating unit, and an RF is provided as a second magnetic field generating unit. Coil Lateral 1 411 is disposed near the outer side of the chamber 450 at the lower end of the window 480 and coil Lateral 2 412 is disposed near the outside of the horizontal linear chamber 450 on the lower surface of the chamber 450.
그리고 하기 [표 5]의 전류 제어 조건으로 상기 제1 자장 발생부 및 제2 자장 발생부에 입력되는 전류를 제어하여 챔버(450) 내부 공간에서의 자기장 분포를 측정한 결과 도 15의 자속 밀도 분포도와 도 16의 자기장 분포 결과 그래프를 얻었다.And as a result of measuring the magnetic field distribution in the internal space of the chamber 450 by controlling the current input to the first magnetic field generating unit and the second magnetic field generating unit under the current control conditions shown in Table 5 below, the magnetic flux density distribution diagram of FIG. And a magnetic field distribution result graph of FIG. 16.
[표 5]TABLE 5
Figure PCTKR2014011557-appb-I000008
Figure PCTKR2014011557-appb-I000008
상기 도 15의 (a) 내지 (c)는 각각 순차적으로 상기 [표 5]의 Case 4-1부터 Case 4-3에 대응되는 자속 밀도 분포도로서 챔버(450) 내부 공간을 수직축으로 절단한 우측 공간에서의 자속 밀도 분포를 나타내며, 상기 도 16에서 (a)는 기판을 중심으로 수평 방향에 대한 자속 밀도 그래프를 나타내고, (b)는 기판을 중심으로 수직 방향에 대한 자속 밀도 그래프를 나타낸다. 15 (a) to 15 (c) are magnetic flux density distribution diagrams corresponding to Cases 4-1 to 4-4 of Table 5, respectively, to sequentially show the right space in which the interior space of the chamber 450 is cut along the vertical axis. In FIG. 16, (a) shows a magnetic flux density graph with respect to the horizontal direction with respect to the substrate, and (b) shows a magnetic flux density graph with respect to the vertical direction with respect to the substrate.
상기 Case 4-1 내지 Case 4-3에 따른 플라즈마 처리 장치(400)의 구성과 전류 조건으로 상기 제1 자장 발생부의 코일 Lower 1(421)과 Lower 2(422)에 공급되는 전류를 상기 제2 자장 발생부의 코일 Lateral 1(411)과 코일 Lateral 2(412)에 공급되는 전류와 다른 역방향으로 제어하는 경우에 상기 도 16에서 보는 바와 같이 수평 방향으로 자기장 세기는 지속적으로 증가하고, 또한 수직 방향으로 자기장 세기도 점차 증가하는 것을 알 수 있으며, 기판 중심 공간에서는 적게는 6Gauss 이상이며 높게는 16Gauss 정도로 자속밀도가 제어되는 것을 알 수 있다. 특히, 상기 Case 4-3의 결과에서 보듯이 더 큰 전류를 공급하는 경우에 수평 방향 및 수직 방향으로 자기장 세기가 급격하게 증가되는 것을 알 수 있다.The current supplied to the coils Lower 1 421 and Lower 2 422 of the first magnetic field generating unit is configured to correspond to the configuration and current conditions of the plasma processing apparatus 400 according to Cases 4-1 to 4-4. As shown in FIG. 16, when the magnetic field generator is controlled in a reverse direction different from the currents supplied to the coils Lateral 1 411 and the coil Lateral 2 412, the magnetic field strength continuously increases in the horizontal direction, and also in the vertical direction. It can be seen that the magnetic field strength gradually increases, and the magnetic flux density is controlled to about 6Gauss or more and 16Gauss as high as the substrate center space. In particular, it can be seen that the magnetic field strength increases rapidly in the horizontal and vertical directions when a larger current is supplied as shown in the result of Case 4-3.
도 17은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 한 예로서 제4 실시예에 따른 Case 5의 구성을 도시한다.17 shows a configuration of Case 5 according to the fourth embodiment as an example of the plasma processing apparatus according to the present invention.
상기 도 17의 플라즈마 처리 장치(500)에서는 제1 자장 발생부로서 터보 모레큘러 펌프의 흡입구 부근에 두 개의 코일 Lower 1(521)과 Lower 2(522)을 배치하고, 제2 자장 발생부로서 RF 윈도우(580) 하단부의 챔버(550) 외측 부근에 코일 Lateral 1(511)과 챔버(550) 하부면의 수평 선상 챔버(550) 외측 부근에 코일 Lateral 2(512)를 배치하였다. 추가적으로 제3 자장 발생부로서 챔버(550)의 상단 안테나 박스(570) 상부에 두 개의 코일 Upper 1(531)과 Upper 2(532)를 배치하였다.In the plasma processing apparatus 500 of FIG. 17, two coils Lower 1 521 and Lower 2 522 are disposed near a suction port of a turbo-molecular pump as a first magnetic field generating unit, and an RF is used as a second magnetic field generating unit. Coil Lateral 1 511 is disposed near the outer side of the chamber 550 at the lower end of the window 580 and coil Lateral 2 512 is disposed near the outside of the horizontal linear chamber 550 on the lower surface of the chamber 550. In addition, as a third magnetic field generating unit, two coils Upper 1 531 and Upper 2 532 are disposed on the upper antenna box 570 of the chamber 550.
그리고 하기 [표 6]의 전류 제어 조건으로 상기 제1 자장 발생부, 제2 자장 발생부 및 제3 자장 발생부에 입력되는 전류를 제어하여 챔버(550) 내부 공간에서의 자기장 분포를 측정한 결과 도 18의 자속 밀도 분포도와 도 19의 자기장 분포 결과 그래프를 얻었다.And as a result of measuring the magnetic field distribution in the interior space of the chamber 550 by controlling the current input to the first magnetic field generating unit, the second magnetic field generating unit and the third magnetic field generating unit under the current control conditions of the following [Table 6] A magnetic flux density distribution diagram of FIG. 18 and a magnetic field distribution result graph of FIG. 19 were obtained.
[표 6]TABLE 6
Figure PCTKR2014011557-appb-I000009
Figure PCTKR2014011557-appb-I000009
상기 도 18의 (a) 내지 (c)는 각각 순차적으로 상기 [표 6]의 Case 5-1부터 Case 5-3에 대응되는 자속 밀도 분포도로서 챔버(550) 내부 공간을 수직축으로 절단한 우측 공간에서의 자속 밀도 분포를 나타내며, 상기 도 19에서 (a)는 기판을 중심으로 수평 방향에 대한 자속 밀도 그래프를 나타내고, (b)는 기판을 중심으로 수직 방향에 대한 자속 밀도 그래프를 나타낸다. 18A to 18C are magnetic flux density distribution diagrams corresponding to Cases 5-1 to 5-3 of Table 6, respectively, in order to sequentially cut the inner space of the chamber 550 in a vertical axis. In FIG. 19, (a) shows a magnetic flux density graph in a horizontal direction about a substrate, and (b) shows a magnetic flux density graph in a vertical direction about a substrate.
상기 Case 5-1 내지 Case 5-3에 따른 플라즈마 처리 장치(400)의 구성과 전류 조건으로 상기 제1 자장 발생부의 코일 Lower 1(521)에 공급되는 전류를 상기 제1 자장 발생부의 코일 Lower 2(522), 상기 제2 자장 발생부의 코일 Lateral(511)과 코일 Lateral 2(512) 및 상기 제3 자장 발생부의 코일 Upper 1(531)과 Upper 2(532)에 공급되는 전류와 다른 역방향으로 제어하는 경우에 상기 도 19에서 보는 바와 같이 수평 방향과 수직 방향 모두 자기장 세기가 지속적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 비록 상기 Case 5-1의 경우에 기판 중심 공간에서 2Gauss 정도로 자속밀도가 다소 낮게 제어되기는 하나 일정 수준 이상으로 자속 밀도를 유지시킬 수 있으며, 특히, 챔버(550) 내부 공간에서의 자기장 보강을 위해서 상기 제3 자장 발생부를 추가함으로써 수직 방향으로의 자기장 세기가 급격하게 증가되는 것을 알 수 있다.The current supplied to the coil lower 1 521 of the first magnetic field generating unit under the configuration and current conditions of the plasma processing apparatus 400 according to Cases 5-1 to 5-5 is the coil lower 2 of the first magnetic field generating unit. 522, a control in a reverse direction different from the current supplied to the coil lateral 511 and the coil latral 2 512 of the second magnetic field generating unit and the coils Upper 1 531 and upper 2 532 of the third magnetic field generating unit. In this case, as shown in FIG. 19, it can be seen that the magnetic field strength continuously increases in both the horizontal direction and the vertical direction. Although the magnetic flux density is controlled to be about 2 Gauss in the center space of the substrate in the case 5-1, the magnetic flux density can be maintained at a predetermined level or more. It can be seen that the magnetic field strength in the vertical direction is rapidly increased by adding the third magnetic field generator.
본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치에 대한 하나의 구성으로서 제5 실시예에 따른 Case 6의 구성은 상기 도 17과 동일하게 제1 자장 발생부로서 터보 모레큘러 펌프의 흡입구 부근에 두 개의 코일 Lower 1(521)과 Lower 2(522)을 배치하고, 제2 자장 발생부로서 RF 윈도우(580) 하단부의 챔버(550) 외측 부근에 코일 Lateral 1(511)과 챔버(550) 하부면의 수평 선상 챔버(550) 외측 부근에 코일 Lateral 2(512)를 배치하였다. 추가적으로 제3 자장 발생부로서 챔버(550)의 상단 안테나 박스(570) 상부에 두 개의 코일 Upper 1(531)과 Upper 2(532)를 배치하였다.As one configuration of the plasma processing apparatus according to the present invention, the configuration of the case 6 according to the fifth embodiment is the same as that of FIG. 17. 521 and Lower 2 522 are disposed, and the horizontal linear chamber of the coil Lateral 1 511 and the lower surface of the chamber 550 near the outside of the chamber 550 at the lower end of the RF window 580 as the second magnetic field generating unit. Coil Lateral 2 (512) was placed near the outside. In addition, as a third magnetic field generating unit, two coils Upper 1 531 and Upper 2 532 are disposed on the upper antenna box 570 of the chamber 550.
그리고 상기 도 17과 상이하게 하기 [표 7]의 전류 제어 조건으로 상기 제1 자장 발생부, 제2 자장 발생부 및 제3 자장 발생부에 입력되는 전류를 제어하여 챔버(550) 내부 공간에서의 자기장 분포를 측정한 결과 도 20의 자속 밀도 분포도와 도 21의 자기장 분포 결과 그래프를 얻었다.In addition, the current input to the first magnetic field generating unit, the second magnetic field generating unit, and the third magnetic field generating unit is controlled in the internal space of the chamber 550 according to the current control conditions shown in Table 7 below. As a result of measuring the magnetic field distribution, a magnetic flux density distribution graph of FIG. 20 and a magnetic field distribution graph of FIG. 21 were obtained.
[표 7]TABLE 7
Figure PCTKR2014011557-appb-I000010
Figure PCTKR2014011557-appb-I000010
상기 도 20의 (a) 내지 (c)는 각각 순차적으로 상기 [표 7]의 Case 6-1부터 Case 6-3에 대응되는 자속 밀도 분포도로서 챔버(550) 내부 공간을 수직축으로 절단한 우측 공간에서의 자속 밀도 분포를 나타내며, 상기 도 21에서 (a)는 기판을 중심으로 수평 방향에 대한 자속 밀도 그래프를 나타내고, (b)는 기판을 중심으로 수직 방향에 대한 자속 밀도 그래프를 나타낸다. 20 (a) to 20 (c) are magnetic flux density distribution diagrams corresponding to Case 6-1 to Case 6-3 in the Table 7, respectively, and the right space in which the interior space of the chamber 550 is cut along the vertical axis. In FIG. 21, (a) shows a magnetic flux density graph with respect to the horizontal direction with respect to the substrate, and (b) shows a magnetic flux density graph with respect to the vertical direction with respect to the substrate.
상기 [표 7]의 전류 제어 조건을 적용한 결과 상기 [표 6]의 전류 제어 조건과 유사한 결과를 얻었는데, 즉, 상기 제1 자장 발생부의 코일 Lower 2(522)에 공급되는 전류를 상기 제1 자장 발생부의 코일 Lower 1(521), 상기 제2 자장 발생부의 코일 Lateral(511)과 코일 Lateral 2(512) 및 상기 제3 자장 발생부의 코일 Upper 1(531)과 Upper 2(532)에 공급되는 전류와 다른 역방향으로 제어하는 경우에 상기 도 21에서 보는 바와 같이 수평 방향과 수직 방향 모두 자기장 세기가 지속적으로 증가하는 것을 알 수 있으며, 기판 중심 공간에서 적게는 6Gauss 이상이며 높게는 16Gauss 정도로 자속밀도가 제어되는 것을 알 수 있다. As a result of applying the current control condition of [Table 7], a result similar to the current control condition of [Table 6] was obtained. That is, the current supplied to the coil Lower 2 522 of the first magnetic field generating unit is obtained by the first control. Supplied to the coil lower 1 521 of the magnetic field generator, the coil lateral 511 and the coil late 2 512 of the second magnetic field generator, and the coil upper 1 531 and the upper 2 532 of the third magnetic field generator. As shown in FIG. 21, when the magnetic field is controlled in a different direction from the current, the magnetic field strength continuously increases in both the horizontal direction and the vertical direction. The magnetic flux density is about 6Gauss or higher and 16Gauss in the substrate center space. It can be seen that it is controlled.
한편, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치와 대비되는 제2 비교예로서 Case 7의 구성을, 상기 도 17과 동일하게 제1 자장 발생부, 제2 자장 발생부를 배치하고, 추가적으로 제3 자장 발생부를 배치하였다.On the other hand, as a second comparative example compared with the plasma processing apparatus according to the present invention, the configuration of Case 7 is arranged in the same manner as in FIG. 17, and the first magnetic field generating unit and the second magnetic field generating unit are arranged, and the third magnetic field generating unit is additionally arranged. It was.
그리고 상기 도 17과 상이하게 하기 [표 8]의 전류 제어 조건으로 상기 제1 자장 발생부, 제2 자장 발생부 및 제3 자장 발생부에 입력되는 전류를 제어하여 챔버(550) 내부 공간에서의 자기장 분포를 측정한 결과 도 22의 자속 밀도 분포도와 도 23의 자기장 분포 결과 그래프를 얻었다.In addition, the current input to the first magnetic field generating unit, the second magnetic field generating unit, and the third magnetic field generating unit is controlled in the internal space of the chamber 550 according to the current control conditions shown in [Table 8]. As a result of measuring the magnetic field distribution, the magnetic flux density distribution graph of FIG. 22 and the magnetic field distribution graph of FIG. 23 were obtained.
[표 8]TABLE 8
Figure PCTKR2014011557-appb-I000011
Figure PCTKR2014011557-appb-I000011
상기 도 22는 상기 [표 8]의 Case 7에 대응되는 자속 밀도 분포도로서 챔버(550) 내부 공간을 수직축으로 절단한 우측 공간에서의 자속 밀도 분포를 나타내며, 상기 도 23에서 Radial은 기판을 중심으로 수평 방향에 대한 자속 밀도 그래프를 나타내고, Axial은 기판을 중심으로 수직 방향에 대한 자속 밀도 그래프를 나타낸다. FIG. 22 is a magnetic flux density distribution diagram corresponding to Case 7 of Table 8, and illustrates a magnetic flux density distribution in a right space obtained by cutting the internal space of the chamber 550 in a vertical axis. In FIG. A magnetic flux density graph is shown in the horizontal direction, and Axial shows a magnetic flux density graph in the vertical direction about the substrate.
상기 [표 8]의 전류 제어 조건에 따라 상기 제1 자장 발생부, 제2 자장 발생부 및 제3 자장 발생부에 모두 동일한 전류 방향으로 순방향의 전류를 공급한 결과, 상기 도 23에서 보는 바와 같이 수평 방향 및 수직 방향으로 자기장 세기가 모두 감소되는 것을 알 수 있다. 즉, 제1 자장 발생부, 제2 자장 발생부 및 제3 자장 발생부에 입력되는 전류를 모두 동일 방향으로 제어하는 경우에는 수평 방향과 수직 방향 모두 자기장이 감소하게 됨으로써 플룻-인스테빌리티 현상이 발생되어 전체적인 유효 플라즈마 공간 상에서 플라즈마 밀도를 균일하게 형성시킬 수 없게 된다.As a result of supplying forward current in the same current direction to all of the first magnetic field generating unit, the second magnetic field generating unit, and the third magnetic field generating unit according to the current control conditions shown in [Table 8], as shown in FIG. It can be seen that the magnetic field strength is reduced in both the horizontal direction and the vertical direction. That is, when all currents inputted to the first magnetic field generator, the second magnetic field generator, and the third magnetic field generator are controlled in the same direction, the magnetic field decreases in both the horizontal and vertical directions, thereby causing the flute-stability phenomenon. It is not possible to uniformly form the plasma density over the entire effective plasma space.
상기 비교예 1과 비교예 2 및 실시예 1 내지 실시예 5까지의 각 케이스(Case)에서 대표적 제어 조건에 따른 결과를 도 24에 정리하여 나타내었는데, 기판 중심의 자장 세기 B가 7Gauss로 모두 동일한 경우에, 제1 자장 발생부에 포함된 코일 중 적어도 하나 이상의 코일에 공급되는 전류를 나머지 코일들과는 상반된 방향으로 제어하는 본 발명에 따른 상기 실시예 1 내지 실시예 5의 경우에 수평 방향으로의 자기장 B(Radial)과 수직 방향으로의 자기장 B(Axial)의 세기가 모두 증가하는 것을 확인할 수 있다.The results according to representative control conditions in each case (Case) of Comparative Example 1, Comparative Example 2 and Examples 1 to 5 are summarized in FIG. 24, where the magnetic field strength B of the center of the substrate is the same as 7 Gauss. In the case of the embodiments 1 to 5 according to the present invention for controlling the current supplied to at least one of the coils included in the first magnetic field generating unit in a direction opposite to the other coils in the horizontal direction It can be seen that the intensity of both B (radial) and magnetic field B (Axial) in the vertical direction increases.
나아가서 상기 도 24의 제어 조건으로 제1 자장 발생부, 제2 자장 발생부 및 제3 자장 발생부를 제어하는 경우에 챔버 내 공간에서의 플라즈마 밀도(Plasma density)와 전자 온도(Electron temperature)를 측정하는 실험을 수행한 결과를 도 25 내지 도 29에 도시하였다.Furthermore, in the case of controlling the first magnetic field generating unit, the second magnetic field generating unit, and the third magnetic field generating unit under the control condition of FIG. 24, the plasma density and the electron temperature in the chamber are measured. The results of the experiment are shown in FIGS. 25 to 29.
도 25, 도 26 및 도 27은 챔버 내 기판으로부터 0.8cm 높이를 기준으로 하여 각각 공정 압력 1mTorr, 5mTorr 및 10mTorr의 경우에 대한 플라즈마 밀도와 플라즈마 전자 온도를 측정한 결과를 나타낸다(공정 가스: Ar, 플라즈마 소스 전력 1000W를 기준). 상기 도 25 내지 도 27에서 보는 바와 같이 제1 자장 발생부에 포함된 하나 이상의 전자석 코일의 전류 공급 방향을 나머지 다른 전자석 코일의 전류 공급 방향과 상이하게 제어하는 본 발명의 일실시예인 Case 4, Case 5 및 Case 6의 경우에 플라즈마 밀도가 증가되면서 수평 방향으로의 플라즈마의 균일도도 향상되는 것을 확인할 수 있다. 반면에, 자장 발생부의 모든 전류 공급 방향을 동일하게 제어하는 비교예 경우인 Case 1 및 7의 경우에는 플라즈마 밀도의 증가 효과가 없으며 플라즈마의 균일도 특성도 좋지 못한 것을 확인할 수 있다.25, 26 and 27 show the results of measuring the plasma density and plasma electron temperature for the process pressures of 1 mTorr, 5 mTorr and 10 mTorr, respectively, based on the 0.8 cm height from the substrate in the chamber (process gas: Ar, Plasma source power 1000W). As shown in FIGS. 25 to 27, an embodiment of the present invention controls the current supply direction of at least one electromagnet coil included in the first magnetic field generator differently from the current supply direction of the other electromagnet coils. 5 and Case 6 it can be seen that as the plasma density increases, the uniformity of the plasma in the horizontal direction is also improved. On the other hand, in the case of Comparative Examples for controlling all the current supply direction of the magnetic field generating unit in the case 1 and 7 it can be seen that there is no effect of increasing the plasma density and poor uniformity characteristics of the plasma.
전자 온도가 지나치게 높은 경우에는 식각 마스크에 전자의 차징(Charging)이 심해져 이온(Ion)이 수직 입사하지 못하고 편향되므로 인해 식각이 수직으로 이루어지지 않는 문제가 발생될 수 있는데, 상기 도 26과 도 27에서는 모든 경우에서 전자 온도의 차이가 크게 발생되지 않았으나, 상기 도 25의 경우(1mTorr)에는 본 발명의 일실시예인 Case 4, Case 5 및 Case 6의 경우가 보다 안정적임을 확인할 수 있다.If the electron temperature is too high, the charging of the electrons to the etching mask is severe, so that the ion is not vertically incident and deflected, which may cause a problem that the etching is not performed vertically. FIGS. 26 and 27 In all cases, the difference in electron temperature did not occur significantly, but in the case of FIG. 25 (1mTorr), cases 4, 5, and 6 of the embodiments of the present invention are more stable.
또한 도 28은 기판 중심부를 기준으로 하여 플라즈마 밀도 및 전자 온도 측정 결과를 각 경우에 따라 나타내는데, 상기 도 28에서 보는 바와 같이 본 발명의 일실시예인 Case 4, Case 5 및 Case 6의 경우가 상대적으로 플라즈마 밀도가 향상되고 전자 온도도 안정적인 것을 알 수 있다.In addition, FIG. 28 shows plasma density and electron temperature measurement results in each case based on the center of the substrate. As shown in FIG. 28, Case 4, Case 5, and Case 6 which are embodiments of the present invention are relatively shown in FIG. It can be seen that the plasma density is improved and the electron temperature is also stable.
나아가서 도 29는 챔버 내부 공간 상에서 수평 방향으로 플라즈마 밀도의 비균일도(Nonuniformity)를 나타내는데, 반경 방향의 플라즈마 비균일도는 하기 [식 3]으로 표현될 수 있으며, 플라즈마 밀도의 균일도(Uniformity)는 (100-비균일도)로 표현된다.Furthermore, FIG. 29 illustrates nonuniformity of the plasma density in the horizontal direction on the chamber internal space. The radial nonuniformity of the radial direction may be represented by the following Equation 3, and the uniformity of the plasma density is 100 Non-uniformity).
즉, 비균일도가 높을수록 반경 방향으로 플라즈마가 불균일하게 분포함을 뜻한다.In other words, the higher the non-uniformity, the more uniformly the plasma is distributed in the radial direction.
[식 3][Equation 3]
Figure PCTKR2014011557-appb-I000012
Figure PCTKR2014011557-appb-I000012
여기서, nmax는 플라즈마 최고 밀도를 나타내고, nmin은 플라즈마 최소 밀도를 나타낸다.Where n max represents the plasma highest density and n min represents the plasma minimum density.
상기 도 29에 나타난 비균일도를 살펴보자면, 본 발명의 일실시예인 Case 4, Case 5 및 Case 6의 경우 상대적으로 비균일도가 낮으므로 수평 방향으로의 플라즈마 밀도가 더 균일하게 됨을 알 수 있다.Looking at the non-uniformity shown in FIG. 29, it can be seen that the case of Case 4, Case 5 and Case 6, which is an embodiment of the present invention because the non-uniformity is relatively low, the plasma density in the horizontal direction becomes more uniform.
특히, 자기장을 가하지 않는 ICP에 비해 자기장을 가하되 전자석 코일에 모두 동일한 방향으로 전류를 공급하는 비교예인 Case 1과 Case 7의 경우는 비균일도가 증가하여 균일도가 악화되는 현상을 확인할 수 있으며, 그 반면에 적어도 1개 이상의 전자석 코일에 다른 전자석 코일과는 반대 방향으로 전류를 공급하는 경우 챔버 중심에서 수평 방향으로 멀어지면서 자기장의 세기가 증가하게 되고, 균일도가 개선되는 결과를 확인할 수 있다.In particular, the case of Case 1 and Case 7, which is a comparative example that applies a magnetic field but supplies current to the electromagnetic coil in the same direction as compared to the ICP does not apply a magnetic field can be seen that the non-uniformity is increased and the uniformity deteriorates. On the other hand, when the current is supplied to at least one electromagnet coil in a direction opposite to the other electromagnet coils, the strength of the magnetic field increases as the distance from the chamber center increases in the horizontal direction, and the uniformity can be confirmed.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 제1 자장 발생부가 하나 또는 두 개의 전자석 코일을 포함하고, 제2 자장 발생부와 제3 자장 발생부도 각각 두 개의 전자석 코일을 포함하는 것으로 설명하였지만, 이는 본 발명에 따른 작동 원리와 효과를 용이하게 설명하기 위한 것으로서, 상기 제1 자장 발생부, 제2 자장 발생부 및 제3 자장 발생부는 상황에 따라서 선택적으로 하나의 전자석 코일만 포함하던가 또는 세 개 이상의 전자석 코일을 포함하도록 변형 구성될 수도 있다.As described above, in the embodiment of the present invention, the first magnetic field generating unit includes one or two electromagnet coils, and the second magnetic field generating unit and the third magnetic field generating unit are respectively described as including two electromagnet coils. In order to easily explain the operating principle and effects according to the present invention, the first magnetic field generating unit, the second magnetic field generating unit and the third magnetic field generating unit optionally includes only one electromagnet coil or three or more according to the situation It may be modified to include an electromagnet coil.
이와 같은 본 발명에 의하면 플룻-인스테빌리티의 발생을 제거하기 위해 챔버 내부 공간 상에서 기판을 중심으로 수평 방향의 외측으로 갈수록 자기장의 세기를 증가시키고, 챔버 내부로 R-웨이브를 전파하기 위해서 기판을 중심으로 수직 방향의 상부로 갈수록 자기장의 세기를 증가시키도록 자장을 제어하는 구성을 통하여, 챔버 내부 공간 전체적으로 플라즈마의 균일도를 향상시킴으로써, 기판의 외곽 부근에서도 신뢰도 높은 플라즈마 공정이 수행될 수 있으며, 특히 대면적의 기판에 대한 플라즈마 공정을 보다 안정적으로 수행할 수 있게 된다.According to the present invention, in order to eliminate the occurrence of flute-stability, the strength of the magnetic field increases toward the outside in the horizontal direction around the substrate in the chamber internal space, and the substrate is moved to propagate the R-wave into the chamber. Through the configuration of controlling the magnetic field to increase the strength of the magnetic field toward the upper portion in the vertical direction to the center, by improving the uniformity of the plasma throughout the interior of the chamber, a reliable plasma process can be performed in the vicinity of the substrate, in particular It is possible to more stably perform a plasma process for a large-area substrate.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention but to explain, and the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (7)

  1. 기판이 장착되는 내부 공간이 형성된 진공 챔버;A vacuum chamber in which an inner space in which the substrate is mounted is formed;
    상기 챔버의 상부에 위치되어 상기 챔버의 내부 공간에 플라즈마를 발생시키는 안테나;An antenna positioned above the chamber to generate plasma in an inner space of the chamber;
    상기 챔버의 하부에 배치되며 하나 이상의 전자석 코일을 포함하는 제1 자장 발생부 및 상기 챔버의 측면에 배치되는 하나 이상의 전자석 코일을 포함하는 제2 자장 발생부를 포함하는 자장 발생부; 및A magnetic field generating unit including a first magnetic field generating unit disposed under the chamber and including at least one electromagnet coil and a second magnetic field generating unit including at least one electromagnet coil disposed at a side of the chamber; And
    상기 챔버 내부에 장착된 상기 기판의 중심을 기준으로 상기 챔버 내의 유효 플라즈마 공간 상에서, 수평 공간 상의 외측 방향으로 갈수록 자기장의 세기를 지속적으로 증가시키고, 수직 공간 상의 상측 방향으로 갈수록 자기장의 세기를 증가시키도록 상기 자장 발생부의 상기 각각의 전자석 코일에 입력되는 전류를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.In the effective plasma space in the chamber with respect to the center of the substrate mounted inside the chamber, the intensity of the magnetic field is continuously increased in the outward direction on the horizontal space, and the strength of the magnetic field is increased in the upward direction on the vertical space. And a control unit for controlling a current input to each of the electromagnetic coils of the magnetic field generating unit.
  2. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 제어부는, 상기 제1 자장 발생부의 코일 중 적어도 하나 이상의 코일에 입력되는 전류를 상기 제2 자장 발생부의 코일에 입력되는 전류와는 상반된 방향으로 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.And the control unit controls a current input to at least one coil of the coils of the first magnetic field generator in a direction opposite to a current input to the coil of the second magnetic field generator.
  3. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제어부는, The control unit,
    상기 챔버 내의 유효 플라즈마 공간 상의 기판 중심에서 기설정된 자기장 세기가 발생되도록 상기 각각의 전자석 코일에 입력되는 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.And controlling a current input to each of the electromagnet coils so that a predetermined magnetic field intensity is generated at the center of the substrate on the effective plasma space in the chamber.
  4. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제1 자장 발생부는,The first magnetic field generating unit,
    상기 챔버의 하단에 배치된 복수개의 전자석 코일을 포함하며,It includes a plurality of electromagnet coils disposed at the bottom of the chamber,
    상기 각각의 전자석 코일은 상기 챔버 내부에 장착되는 기판의 하단 외측에서 서로 이격되어 순차적으로 더 큰 반경을 갖도록 설치되며,Each of the electromagnet coils are spaced apart from each other at the bottom outer side of the substrate mounted inside the chamber so as to have a larger radius sequentially.
    상기 제어부는, 상기 제1 자장 발생부에 포함된 복수개의 코일 중 선택된 하나 이상의 코일에 입력되는 전류를 나머지 코일에 입력되는 전류와 상반된 방향으로 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.The control unit is characterized in that for controlling the current input to at least one coil selected from the plurality of coils included in the first magnetic field generating unit in a direction opposite to the current input to the remaining coil.
  5. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제1 자장 발생부는,The first magnetic field generating unit,
    상기 챔버의 하단에 배치된 복수개의 전자석 코일을 포함하며,It includes a plurality of electromagnet coils disposed at the bottom of the chamber,
    상기 각각의 전자석 코일은 상기 챔버 내부에 장착되는 기판의 하단 외측에서 서로 이격되어 순차적으로 더 큰 반경을 갖도록 설치되며,Each of the electromagnet coils are spaced apart from each other at the bottom outer side of the substrate mounted inside the chamber so as to have a larger radius sequentially.
    상기 제2 자장 발생부는,The second magnetic field generating unit,
    상기 챔버의 수직 방향으로 서로 이격되어 상기 챔버의 측면 둘레를 둘러싸도록 배치된 복수개의 전자석 코일을 포함하며,A plurality of electromagnet coils disposed to be spaced apart from each other in a vertical direction of the chamber to surround a side circumference of the chamber,
    상기 제어부는, 상기 제1 자장 발생부에 포함된 복수개의 전자석 코일 중 선택된 하나 이상의 전자석 코일에 입력되는 전류를 상기 제2 자장 발생부의 전자석 코일에 입력되는 전류와 상반된 방향으로 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.The controller may control a current input to at least one electromagnet coil selected from a plurality of electromagnet coils included in the first magnetic field generator in a direction opposite to the current input to the electromagnet coil of the second magnetic field generator. Plasma processing apparatus.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5,
    상기 챔버의 상부에 배치되며 하나 이상의 전자석 코일을 포함하는 제3 자장 발생부를 더 포함하며,A third magnetic field generator disposed on the chamber and including one or more electromagnet coils,
    상기 제어부는 상기 제3 자장 발생부의 전자석 코일에 입력되는 전류를 상기 제2 자장 발생부의 전자석 코일에 입력되는 전류와 동일 방향으로 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.And the control unit controls the current input to the electromagnet coil of the third magnetic field generator in the same direction as the current input to the electromagnet coil of the second magnetic field generator.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항의 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5,
    상기 제2 자장 발생부의 복수개의 전자석 코일은,The plurality of electromagnet coils of the second magnetic field generator,
    상기 챔버의 상단부에 구비된 RF 윈도우(RF window)의 외측으로부터 상기 챔버 하부면의 수평 공간까지의 범위 내에서 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.Plasma processing apparatus characterized in that installed in the range from the outside of the RF window (RF window) provided in the upper end of the chamber to the horizontal space of the lower surface of the chamber.
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