KR100323613B1 - 대면적 플라즈마 소스 형성장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공정챔버(30)의 상부에 복수의 석영실린더(32)가 설치되고 그 주위에 복수의 안테나(34)가 배치되어 고주파전원(36) 및 정합회로(38)에 의한 제어로 공정챔버(30) 내에 플라즈마를 형성하는 방법에 있어서: 상기 고주파전원(34)으로부터의 신호가 안테나(34)의 중간에 연결되어 전달되며, 상기 안테나(34)에 흐르는 시변화전류에 의해 병렬 연결된 캐패시턴스와 인덕턴스가 유도되며 이들의 공명에 의해 효율적인 에너지 전달이 가능하게 되어 유도결합 플라즈마를 형성하도록 단위 플라즈마 소스가 어레이 형태로 배치되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라 대면적의 실리콘 웨이퍼나 평판 디스플레이용 유리기판에 박막을 증착하거나 패턴형성을 위해 식각하는 데에 필요한 비평형 저온 플라즈마를 대면적으로 균일하게 형성하는 효과가 있다.

Description

대면적 플라즈마 소스 형성장치{Apparatus for generating a large area plasma source}
본 발명은 대면적 플라즈마 소스 형성장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 헬리컬 공명기(Helical Resonator)를 공정챔버의 상부에 어레이(array) 형태로 복수로 배열하여 대면적 플라즈마 소스를 형성함으로써 대면적의 실리콘 웨이퍼나평판 디스플레이용 유리기판에 박막을 증착하거나 패턴형성을 위해 식각하는 데에 필요한 비평형 저온 플라즈마를 대면적으로 균일하게 형성하는 대면적 플라즈마 소스 형성장치에 관한 것이다.
도 1 및 도 2는 종래의 플라즈마 소스를 개략적으로 나타내는 구성도가 도시된다.
도 1은 대형 TCP(Transformer Coupled Plasma)를 사용하는 것으로서, 공정챔버(process chamber)(10) 상부에 유전체창(dielectric window)(12)을 두고 그 상측으로 복수의 안테나(14)를 방사상으로 연결한 구성이다.
도 2는 배열 ICP(Array Inductively Coupled Plasma)를 사용하는 것으로서, 공정챔버(20), 유전체창(22), 안테나(24), 고주파전원(RF power supply)(26), 정합회로(matching network)(28), 가변축전기(variable capacitor) 등을 주요 구성품으로 한다.
작동에 있어서, 1단계로 2-20MHz의 라디오주파수 신호를 고주파전원(26)에서 발생시키고, 2단계로 전력전달 효율을 높이기 위해 정합회로(28)을 통하여 안테나(24)에 전력을 공급하고, 3단계로 원형방향으로 안테나(24)에 흐르는 회전전류로 인하여 시변화 자기장을 공정챔버(20) 내에 수직방향으로 생성하면서 또한 원형방향의 시변화 전기장을 유도하고, 4단계로 유도된 전기장이 전자를 가속시키면서 고밀도 저온플라즈마를 발생시킨다.
그러나 도 1과 같은 대형 TCP방식은 안테나의 대형화로 인해 다음과 같은 문제가 있다. 첫째 안테나(14)를 구성하는 선(또는 관)이 길어지기 때문에 직렬 임피던스와 저항이 커지게 되며, 이는 전압강하를 야기시켜 전력손실을 초래한다. 또한 플라즈마와의 전압차이를 크게 하기 때문에 패러데이 실드(Faraday Shield)와 같은 추가 장치를 필요로 하게 되며 이러한 추가장치는 결국 플라즈마 밀도를 감소시킨다.
둘째, 안테나(14)의 크기에 맞는 유전체창(12)이 있어야하므로 안테나의 대형화는 유전체창(12)의 대형화를 필요로 한다. 고진공에서 플라즈마를 얻어야 하므로 고진공의 압력을 견딜 수 있도록 유전체창(12)도 더욱 두꺼워져야 하며 이는 또한 유도결합효율을 떨어뜨린다.
반면 도 2와 같은 배열 ICP 또는 배열 TCP방식은 고주파전원에 안테나(24)가 병렬로 연결되므로 직렬 임피던스 문제나 두꺼운 유전체창(22) 문제는 없으나, 단위 소스 사이의 불균형 문제가 발생한다. 즉 단위 안테나(24)의 형태와 크기를 아무리 똑같이 유지하더라도 전력선과 연결부위의 연결상태가 다를 수밖에 없으므로 하나의 고주파전원(26)에 여러 개의 단위 소스가 연결되면 각 소스가 발생하는 플라즈마는 그 밀도가 서로 다를 수밖에 없다. 이를 해결하기 위해서는 각 소스의 안테나(24)에 연결할 가변축전기(29)를 필요로 하게 된다.
그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 헬리컬 공명기(Helical Resonator)를 공정챔버의 상부에 어레이(array) 형태로 복수로 배열하여 대면적 플라즈마 소스를 형성함으로써 대면적의 실리콘 웨이퍼나 평판 디스플레이용 유리기판에 박막을 증착하거나 패턴형성을 위해 식각하는 데에 필요한비평형 저온 플라즈마를 대면적으로 균일하게 형성하는 대면적 플라즈마 소스 형성장치를 제공한다.
도 1 및 도 2는 종래의 플라즈마 소스를 개략적으로 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 장치의 주요부 구성을 나타내는 예시도,
도 4는 도 3에 적용된 헬리컬 공명기의 주요 구조를 나타내는 예시도,
도 5 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 장치를 이용한 실험 데이터를 나타내는 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
30 : 공정챔버 32 : 석영 실린더
34 : 안테나 36 : 고주파전원
38 : 정합회로 39 : RF탭
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 공정챔버(30)의 상부에 복수의 석영실린더(32)가 설치되고 그 주위에 복수의 안테나(34)가 배치되어 고주파전원(36) 및 정합회로(38)에 의한 제어로 공정챔버(30) 내에 플라즈마를 형성하는 방법에 있어서: 상기 고주파전원(34)으로부터의 신호가 안테나(34)의 중간에 연결되어 전달되며, 상기 안테나(34)에 흐르는 시변화전류에 의해 병렬 연결된 캐패시턴스와 인덕턴스가 유도되며 이들의 공명에 의해 효율적인 에너지 전달이 가능하게 되어 유도결합 플라즈마를 형성하도록 단위 플라즈마 소스가 어레이 형태로 배치되는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 단위 플라즈마 소스는 가스투입구(32a)가 형성되는 중공의 석영 실린더(32) 상에 스파이럴형 안테나(34)를 지니는 헬리컬 공명기를 사용한다.
상기 안테나(34)의 한쪽 끝은 접지되며 다른 끝은 프로우팅(Floating)되며, 전원(36)으로 부터의 연결은 안테나(34)의 중간부에 하게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
대면적 플라즈마를 손쉽게 얻는 방법은 단위 소스를 배열하는 것이다. 요구되는 플라즈마 면적에 맞게 배열수를 증가하면 되므로 매우 유연성이 있는 기술이라 할 수 있다. 그러나 단위 소스로 ICP나 TCP를 사용하는 것은 소스간의 불균형문제를 해결하기 위하여 가변축전기라는 추가부품이 개별 안테나에 부착이 되어야 한다. 따라서 추가부품이 필요없으면서도 각 단위 소스간의 불균형이 없는 플라즈마 발생기술이 요구된다.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 주요부 구성을 나타내는 예시도이고, 도 4는 도 3에 적용된 헬리컬 공명기의 주요 구조를 나타내는 예시도이다.
본 발명은 공정챔버(process chamber)(30) 상부에 중공의 석영 실린더(quartz cylinder)(32)가 배치된다. 석영실린더(32)의 외주면에 공명코일(resonant coil)이 감겨 안테나(34)를 구성하고 코일의 중간에서 RF탭(RF tap)(39)을 통하여 정합회로(matching network)(38)에 연결된다. 안테나(34)의 외측으로는 고주파차폐막(RF shield)이 설치된다. 정합회로(38)에는 고주파전원(RF power supply)(36)이 인가된다.
고주파전원(36)과 배열된 공명코일들 사이에 하나의 정합회로(38)를 설치하면, 공정챔버(30) 내부의 압력, 사용하는 공정기체의 종류, 고주파전원(36)의 전력 등을 임의로 변화시키면서 보다 다양한 공정조건에서 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다.
도 3에서 미설명 부호 32a는 석영 실린더(32)의 내부와 연통되는 가스투입구이고, 부호 46은 측정을 위해 공정챔버(30) 내부로 유도되는 랭뮤어(Langmuir) 프로브이다.
이와 같은 구성에 따라 종래의 배열 ICP나 TCP와는 달리 배열 도 4의 헬리컬공명기를 사용하면 각 단위 소스에 추가부품이 필요없이 RF탭(39)의 위치를 변경함으로써 완벽한 공명을 얻고 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 종래의 가변축전기(29)도 생략하는 것이 가능하다.
작동에 있어서, 1단계로 10 - 30MHz의 라디오주파수신호를 고주파전원(36)에서 발생시키고, 2단계로 RF(39)탭을 통하여 안테나(34)에 고주파신호를 인가한다. 안테나(34)의 공명코일의 길이는 신호의 파장과 일정한 관계가 있다. RF탭(39)은 공명코일을 양분하여 한쪽은 캐패시티브(capacitive)를 유도하고 다른 쪽은 인덕티브(inductive)를 유도함으로써 병렬 LC공명회로를 이루게 된다.
다음, 3단계로 헬리컬공명기의 RF탭(39)의 위치를 조절하면 L과 C의 값이 변하게 되고 주어진 RF신호의 주파수에 따라 특정위치에서 공명상태를 얻게 되며, 전력전달효율이 극대화되어 공정챔버(30)에 플라즈마가 발생하게 된다. 4단계로 각 헬리컬공명기마다 RF탭의 위치를 적절히 변화시켜 공명조건을 찾는다. 이때 가변축전기는 필요없다.
이와 같은 본 발명의 장치는 헬리컬공명기의 배열의 수를 증가함으로써 플라즈마를 원하는 크기로 대면적화 할 수 있다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 장치를 이용한 실험 데이터를 나타내는 그래프가 도시된다.
도 5에서 공정챔버(30) 중간에서의 산소플라즈마 분포가 7 ×1016∼ 9 ×1016/m 으로 비교적 균일함을 알 수 있고, 도 6에서 공정챔버(30)에서 기판 주변에서의 산소플라즈마 분포도 균일함을 알 수 있다. 도 7의 산소기체 유입량과 RF전력에 따른 플라즈마 밀도변화 및 도 8의 챔버압력과 RF전력에 따른 플라즈마밀도의 변화가 그다지 크지않아 안정적인 공정을 수행할 수 있다. 도 9에서 기판위치에 따른 감광제(photoresist)의 식각율의 분포도 균일하다.
이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 대면적 플라즈마 소스를 형성함으로써 대면적의 실리콘 웨이퍼나 평판 디스플레이용 유리기판에 박막을 증착하거나 패턴형성을 위해 식각하는 데에 필요한 비평형 저온 플라즈마를 대면적으로 균일하게 형성하는 효과가 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (2)

  1. 공정챔버(30)의 상부에 복수의 석영실린더(32)가 설치되고 그 주위에 복수의 안테나(34)가 배치되어 고주파전원(36) 및 정합회로(38)에 의한 제어로 공정챔버(30) 내에 플라즈마를 형성하는 방법에 있어서:
    상기 고주파전원(34)으로부터의 신호가 안테나(34)의 중간에 연결되어 전달되며, 상기 안테나(34)에 흐르는 시변화전류에 의해 병렬 연결된 캐패시턴스와 인덕턴스가 유도되며 이들의 공명에 의해 효율적인 에너지 전달이 가능하게 되어 유도결합 플라즈마를 형성하도록 단위 플라즈마 소스가 어레이 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 대면적 플라즈마 소스 형성장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 플라즈마 소스는 가스투입구(32a)가 형성되는 중공의 석영실린더(32) 상에 스파이럴형 안테나(34)를 지니는 헬리컬 공명기인 것을 특징으로 하는 대면적 플라즈마 소스 형성장치.
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