KR100230360B1 - 유도 결합형 플라즈마 형성 장치 - Google Patents

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Abstract

고주파를 이용한 유도 결합형 플라즈마 형성 장치에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 유도 결합형 플라즈마 형성 장치는 고주파를 발생시키는 고주파 발생기와, 플라즈마 에칭 장치의 에칭 챔버 외부에 감겨 있고, 상기 고주파 발생기로부터 고주파를 공급받는 코일과, 상기 고주파 발생기와 상기 코일 사이에 연결되어 임피던스를 정합시키는 매칭 네트워크(matching network)와, 상기 코일을 중심으로 일정 방향으로 순환되는 자기장이 형성될 수 있도록 상기 코일에 직류 전류를 공급하는 직류 공급 수단을 포함한다.

Description

유도 결합형 플라즈마 형성 장치
제1도는 유도 결합형 플라즈마(ICP) 에칭 장치에 적용한 통상적인 플라즈마 형성 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
제2도는 종래의 플라즈마 형성 장치를 사용하여 에칭 챔버에 고주파 전력을 인가한 경우의 에칭 챔버 내의 2차 유도 전기장을 나타낸 것이다.
제3도는 고주파 전력이 높은 경우에 에칭 챔버 내에 형성되는 2차 유도 전기장을 나타낸 것이다.
제4도는 ICP를 발생시키기 위한 원형 코일에 직류 전류를 인가한 경우에 원형 코일에 형성되는 자기장을 나타낸 것이다.
제5도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유도 결합형 플라즈마 형성 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
112 : 고주파 발생기 114 : 코일
116 : 매칭 네트워크 120 : 직류 공급 수단
VDC: 직류 전압 공급기 L : 인덕터
C : 커패시터
본 발명은 플라즈마 형성 장치에 관한 것으로, 특히 플라즈마를 이용한 에칭 장치에서 용량 결합형(Capacitively Coupled mode; 이하 "CC 모드"라 함) 자기장에 의한 플라즈마 발생을 억제할 수 있는 구성을 가지는 유도 결합형 플라즈마 형성 장치에 관한 것이다.
반도체 소자의 패턴이 집적화될수록 에칭 선택비와 높은 아스펙트비(aspect ratio)를 가지는 패턴의 가공은 그 중요도를 더해가고 있다. 최근에, 반도체 소자의 제조 공정중에서 플라즈마를 이용한 건식 에칭과 관련된 기술이 많이 발전되었다. 특히, 최근 개발되고 있는 저압, 고밀도 플라즈마를 발생할 수 있는 플라즈마원의 하나로서 유도 결합형 플라즈마(Inductively Couples Plasma; 이하 "ICP"라 함)를 실용화하기 위한 노력이 두드러지고 있다.
제1도는 ICP 에칭 장치에 적용한 통상적인 플라즈마 형성 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
제1도를 참조하여 설명하면 통상적인 플라즈마 형성 장치는 고주파를 발생시키는 고주파 발생기(12)와, 에칭 챔버(10) 주위에 감겨서 상기 고주파 발생기(12)로부터 발생된 고주파에 의해 상기 에칭 챔버(10) 내에 플라즈마를 발생시키는 ICP형 코일(14)과, 상기 고주파 발생기(12)와 상기 ICP형 코일(14) 사이에 연결되어 플라즈마 형성 장치 내에 임피던스를 정합시키는 매칭 네트워크(matching network)(16)를 포함하여 구성된다.
상기한 바와 같이 구성된 통상의 플라즈마 형성 장치에서는 상기 고주파 발생기(12)에서 발생된 고주파 전력(RF power)을 상기 에칭 챔버(10) 주변에 1회 또는 수 회 감겨 있는 코일을 통하여 상기 에칭 챔버(10) 내에 인가한다. 이와 같이 인가된 고주파 전력에 의해 상기 에칭 챔버(10) 내에는 2차로 유도된 전기장이 형성된다.
제2도는 제1도를 참조하여 설명한 바와 같은 플라즈마 형성 장치를 사용하여 에칭 챔버(10)에 고주파 전력을 인가한 경우에 상기 에칭 챔버(10)에 형성되는 2차 유도 전기장의 양상을 나타낸 도면으로서, 상기 제1도에 도시한 에칭 챔버(10)를 코일(14)이 감기는 방향으로 자른 단면을 도시한 것이다.
제2도에 도시한 바로부터 알 수 있는 바와 같이, 통상의 플라즈마 형성 장치를 사용하여 코일(14)을 통하여 에칭 챔버(10) 내에 고주파 전력을 인가할 때, 일반적으로 에칭 챔버(10) 내에서는 1차 전기장(20)에 대하여 반대 방향으로 유도 결합형 모드의 유도 전기장, 즉 2차 전기장(22)이 형성되고, 2차 전기장(22)에 의하여 상기 에칭 챔버(10) 내에서 전자가 가속된다.
그러나, 상기한 종래의 플라즈마 형성 장치를 사용하는 경우에 ICP형 에칭 장치에서 2차 전기장에 의해서만 전자가 가속되는 것은 아니다. 즉, 고주파 전력이 높은 경우에는 코일에 걸리는 전압이 높기 때문에 에칭 챔버 내에서 형성되는 전기장의 방향이 상기 제2도에 도시한 방향과는 다르게 된다.
제3도는 고주파 전력이 높은 경우에 에칭 챔버(10) 내에 형성되는 2차 유도 전기장의 양상을 나타낸 도면으로서, 상기 제2도에 도시한 방향과 동일한 방향에서는 단면을 도시한 것이다.
제3도에 도시한 바로부터 알 수 있는 바와 같이, 통상의 플라즈마 형성 장치를 사용하여 코일(14)을 통하여 에칭 챔버(10) 내에 비교적 높은 고주파 전력을 인가할 때, 코일(14)에 걸리는 전압이 높기 때문에, 에칭 챔버(10) 내에서는 상기 제2도를 참조하여 설명한 바와 같은 2차 전기장(22) 외에도, 에칭 챔버(10) 내에서 방사 방향으로 에칭 챔버(10)의 내벽에 향하는 CC 모드의 전기장(32)이 형성되고, 그에 따라 에칭 챔버(10) 내의 전자도 상기 CC 모드의 전기장(32) 방향에 따라 에칭 챔버(10)의 내벽에 향하여 가속된다.
상기한 바와 같이, 종래의 플라즈마 형성 장치를 사용하는 에칭 장치에서 에칭 챔버 내에 CC 모드의 전기장이 형성됨으로 인해 플라즈마 발생 효율이 낮아질 뿐만 아니라, 에칭 챔버의 내벽에 향해 방사 방향으로 가속되는 전자 및 이온에 의하여 에칭 챔버의 내벽이 스퍼터링 되는 결과를 야기한다. 따라서, 이는 반도체 제조 설비 및 가공하고자 하는 반도체 소자에 대하여 오염 및 파티클 발생의 원인으로 작용하게 되고, 설비의 수명 또는 단축시키는 결과를 초래한다.
따라서, 본 발명의 목적을 비교적 높은 고주파 전력을 인가하는 경우에도 플라즈마 에칭 장치에서 발생할 수 있는 CC 모드의 전기장의 영향을 최소화할 수 있는 유도 경합형 플라즈마 형성 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 고주파를 이용한 유도 결합형 플라즈마 형성 장치에 있어서, 고주파를 발생시키는 고주파 발생기와, 플라즈마 에칭 장치의 에칭 챔버 외부에 감겨 있고, 상기 고주파 발생기로부터 고주파를 공급받는 코일과, 상기 고주파 발생기와 상기 코일 사이에 연결되어 임피던스를 정합시키는 매칭 네트워크(matching network)와, 상기 코일을 중심으로 일정 방향으로 순환되는 자기장이 형성될 수 있도록 상기 코일에 직류 전류를 공급하는 직류 공급 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 형성 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 직류 공급 수단은 직류 전압 공급기, 인덕터 및 커패시터를 포함한다.
본 발명에 의하면, 비교적 높은 고주파 전력을 인가하는 경우에도 플라즈마 에칭 장치에서 발생할 수 있는 CC 모드의 전기장의 영향을 최소화함으로써, 반도체 제조 설비 및 반도체 장치의 오염원을 제거하고, 설비의 효율을 극대화할 수 있다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
일반적으로 암페어의 법칙에 따르면 다음 식
으로 나타낸 바와 같이, 자기 벡터 H의 커얼은 전류 J와 변위 전류 1dD/1dt의 곱으로 나타낼 수 있다. 상기 식에 따르면, 도선 주위에 전류 J를 흘리게 되면 도선 주변에 자기장 B이 형성된다. 이와 같이 형성되는 자기장 B의 크기는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
식중 μ0는 진공에서의 투자율(magnetic permeability)이고, I는 도선을 통하여 흐르는 전류이며, r은 도선으로부터의 거리이다.
상기한 바와 같은 원리를 이용하여 ICP를 발생시키기 위한 원형 코일에 직류 전류를 인가하면, 코일을 중심으로 일정 방향으로 순환되는 형태의 자기장을 얻을 수 있다.
제4도는 ICP를 발생시키기 위한 원형 코일(50)에 직류 전류를 인가한 경우에, 원형 코일(50)에 형성되는 자기장 B을 나타낸 것이다.
상기한 바와 같은 원리를 플라즈마 형성 장치에 적용하면 에칭 챔버 내에서 형성되는 CC 모드의 전기장의 영향을 최소화할 수 있다.
제5도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 형성 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 플라즈마 형성 장치에서는 에칭 챔버 내에 자기장을 형성시키는 데 있어서 고주파와 직류 전류를 함께 사용한다.
제5도를 참조하여 구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 플라즈마 형성 장치는 고주파를 발생시키는 고주파 발생기(112)와, 에칭 장치의 에칭 챔버 외부에 수평 방향으로 감겨 있고, 상기 고주파 발생기(112)로부터 고주파를 공급받아서 상기 에칭 챔버 내에 플라즈마를 발생시키는 코일(114)과, 상기 고주파 발생기(112)와 상기 코일(114) 사이에 연결되어 플라즈마 형성 장치 내의 임피던스를 정합시키는 매칭 네트워크(matching network)(116)와, 상기 코일(114)을 중심으로 일정 방향으로 순환되는 자기장이 형성될 수 있도록 상기 코일(114)에 직류 전류를 공급하는 직류 공급 수단(120)을 포함하여 구성된다. 상기 직류 공급 수단(120)은 직류 전압 공급기(VDC)로 구성되며, 또한 상기 고주파 발생기(112)로부터 발생된 고주파(RF)가 상기 직류 전압 공급기(VDC)로 역으로 흐르는 것을 방지하기 위하여 인덕터(L)와 커패시터(C)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 직류 공급 수단(120)은 상기 코일(114)에 직접 연결되어 상기 코일(114)에 직류를 공급할 수도 있고, 다른 방법으로서 외부의 별도의 코일(도시 생략)에 연결되어 상기 별도의 코일을 통하여 상기 코일(114)에 직류를 공급할 수도 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 유도 결합형 플라즈마 형성 장치에서는 에칭 장치의 외부에 감겨 있는 코일을 중심으로 일정방향으로 순환되는 자기장이 형성되므로, 에칭 챔버 내벽 근체에서 직류 공급에 의한 자기장이 형성된다. 따라서, 종래의 플라즈마 형성 장치의 경우와 같이 에칭 챔버 내벽에 향해 방사 방향으로 가속되던 전자 또는 이온이 에칭 챔버의 내벽 근처에서 로렌쯔(Lorentz)의 힘의 법칙에 따른 영향을 받아서 에칭 챔버 내벽에 도달되지 않고 에칭 챔버 내부로 다시 되돌아가게 된다.
따라서, 본 발명에 따르면 에칭 챔버 내벽에 스퍼터링에 의해 손상되는 일이 없으며, 그에 따라 반도체 제조 설비 및 반도체 소자의 오염도를 줄일 수 있고, 설비의 유지를 원활히 할 수 있다.
상기 실시예에서는 플라즈마를 이용하여 에칭 장치의 에칭 챔버로서 ICP형 에칭 챔버에 대하여만 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 TCP(Transformer Coupled Plasma)형 에칭 챔버 또는 헬리콘파 플라즈마(helicon wave plasma) 에칭 챔버에도 적용할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의하여 실시 가능함은 명백하다.

Claims (2)

  1. 고주파를 이용한 유도 결합형 플라즈마 형성 장치에 있어서, 고주파를 발생시키는 고주파 발생기와, 플라즈마 에칭 장치의 에칭 챔버 외부에 감겨 있고, 상기 고주파 발생기로부터 고주파를 공급받는 코일과, 상기 고주파 발생기와 상기 코일 사이에 연결되어 임피던스를 정합시키는 매칭 네트워크(matching network)와, 상기 코일을 중심으로 일정 방향으로 순환되는 자기장이 형성될 수 있도록 상기 코일에 직류 전류를 공급하는 직류 공급 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 형성 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 직류 공급 수단은 직류 전압 공급기, 인덕터 및 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 형성 장치.
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