KR100501823B1

KR100501823B1 - 플라즈마 발생 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100501823B1
Application number: KR10-2003-0000641A
Authority: KR
Inventors: 이원묵
Original assignee: 장명식
Priority date: 2003-01-06
Filing date: 2003-01-06
Publication date: 2005-07-20
Also published as: KR20040063285A

Abstract

본 발명은 반도체 소자 또는 LCD 제조용 플라즈마 발생 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 서로 다른 전자기적 특성을 갖는 2개의 안테나를 직렬 또는 병렬로 조합하여 코일 인덕턴스, 안테나 코일에 인가되는 전압 및 전류 분포, 반응로 안의 이온 밀도/분포/공정 민감도 등을 적절하게 조절함으로서, 반도체 및 LCD 공정들에 중요한 식각률, 선택비, 안테나 코일에 대한 효율, 폴리머 증착 상태, 바이-프로덕트에 의한 분진, MWBC(Mean Wafer Between Clean) 및 오염 등의 문제들을 적은 비용으로 개선시킬 수 있는 효과가 있다.

이를 위한 본 발명에 의한 플라즈마 발생 장치는 플라즈마를 발생하기 위한 고주파 전원을 공급하는 고주파 정합기; 상기 고주파 정합기로부터 고주파 전원을 공급받아 전자기장을 발생하며, 서로 다른 전자기적 특성을 갖는 제 1 안테나와 제 2 안테나가 병렬 또는 직렬로 연결된 안테나 코일; 및 상기 안테나 코일로부터 발생된 전자기장을 진공 챔버 내부로 공급하며 소정의 유전율을 갖는 유전체 판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 발생 방법 및 그 장치{METHOD OF PLASMA GENERATION AND APPARATUS THEREOF}

본 발명은 플라즈마(Plasma) 발생 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 적은 비용과 간단한 장치로 반도체 및 LCD 공정들에 중요한 식각률(Etch Rate), 선택비(Selectivity), 안테나 코일에 대한 효율, 폴리머 증착(Polymer Deposition) 상태, 바이-프로덕트(By-product)에 의한 분진(Particle), MWBC(Mean Wafer Between Clean) 및 오염(Contamination) 등의 문제를 개선시킨 플라즈마 발생 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

반도체 소자 혹은 LCD 제조용 플라즈마 반응로는 플라즈마(Plasma) 발생 장치, 공정 가스(Process Gas) 주입장치, 웨이퍼가 안착되는 페더스털(Pedestal)을 포함한 진공 챔버, 그리고 진공 유지 및 진공도 조정을 위한 진공 시스템 등 크게 4 부분으로 나누어진다.

본 발명은 반응로 구성 요소 중 플라즈마(Plasma) 발생 장치에 관련 된 것으로 주 구성 요소는 안테나 코일(Source Coil), 플라즈마 발생 소스의 고주파 정합기(RF Match Network), 소스(Source) 고주파 전원 공급 장치 및 플라즈마 발생 소스로부터 진공 챔버를 분리시켜주는 소정의 유전율을 갖는 유전체 판(Dielectric Window)으로 이루어지며, 안테나 코일(Source Coil) 형태에 따라 코일 인덕턴스(Coil Inductance), 코일에 인가되는 전압 분포, 반응로 안의 이온 밀도(Ion Density)/분포(Distribution)/민감도(Sensitivity)가 달라진다. 이는 반도체/LCD 건식 식각(Dry etching) 및 박막 증착 공정들에 중요한 요소인 식각률(Etch Rate), 증착률(Deposition Rate), 박막 품질, 선택비(Selectivity), 안테나 코일(Source Coil)에 대한 효율, 폴리머 증착(Polymer Deposition) 상태, 바이-프로덕트(By-product)에 의한 분진(Particle), MWBC(Mean Wafer Between Clean) 및 오염(Contamination) 등의 문제들과 밀접한 관계가 있다.

여기서, 건식 식각(Dry etching)이란 진공 챔버를 배기한 후에 식각(etching)용 반응성 가스를 주입한 후 거기에 고주파 전력이나 마이크로 웨이브(micro-wave) 전력 등을 인가하여 여기된 가스가 플라즈마를 형성하고, 플라즈마 내의 프리 라디칼(free radical)이나 이온 등에 의하여 식각하는 방법으로, 플라즈마 상태에서 피가공 재료가 노출되어 가스 플라즈마 중의 프리 라디칼(free radical)의 반응으로 제거하는 방법(화학적 방법), 또는 피가공막을 플라즈마 중에서 가속된 이온에 의하여 물리적으로 제거하는 방법(물리적 방법), 그리고 이 두 방법이 동시에 작용하여 제거하는 방법 등이 있다.

이러한 방법은 플라즈마 형성 및 응용에 따라 그 방법이 달라질 수 있으며, 건식 식각(dry etch) 장치의 특성에 따라 서로 달라질 수 있다.

일반적으로, 반도체 소자 혹은 LCD 제조용 플라즈마 반응로 중 ICP(Transformer Coupled Plasma)형 플라즈마 반응로는 챔버(Chamber) 상부에 원형/나선형/실린더(Cylinder) 형태로 코일을 구성하거나 혹은 챔버 측면에 실린더(Cylinder) 형태로 코일을 구성한다.

도 1은 종래의 반도체 웨이퍼 식각 및 증착 공정을 위한 ICP형 플라즈마 반응로를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 종래의 ICP형 플라즈마 반응로는 도시된 바와 같이, 고주파 차폐기(RF Shield)(1), 고주파 정합기(RF Match Network)(2), 소스 고주파 전원 공급장치(3), 안테나 코일(4), 유전체 판(Dielectric Window)(5)을 구비한 플라즈마(Plasma) 발생 장치(13)와, 가스 주입 장치(6)와, 웨이퍼(Wafer)(7)가 안착되는 페더스털(Pedestal)(8), 고주파 분리기(9), 캐소드 어셈블리(Cathode Assembly)(10)를 구비한 바이어스 고주파 전원 공급장치(11)와, 진공 시스템(12), 진공 챔버(14)를 포함하여 구성된다.

상기 고주파 차폐기(1)는 플라즈마 발생 장치(13)에서 발생된 고주파가 밖으로 나가지 못하도록 차폐하는 역할을 한다.

상기 고주파 정합기(2)는 플라즈마를 발생하기 위한 소스의 임피던스 정합장치이다.

상기 소스 고주파 전원 공급장치(3)는 고주파 전원을 상기 고주파 정합기(2)로 공급하는 역할을 한다.

상기 안테나 코일(4)은 원형 또는 나선형 코일로 구성되며, 상기 고주파 정합기(2)로부터 고주파 전원을 공급받아 전자기장을 발생한다.

상기 유전체 판(5)은 플라즈마 발생 소스로부터 진공 챔버(14)를 분리시켜 주는 소정의 유전율을 갖는 유전체 판 또는 돔 형태로 구성된다.

상기 고주파 차폐기(1), 고주파 정합기(2), 소스 고주파 전원 공급장치(3), 안테나 코일(4), 유전체 판(5)을 포함하여 플라즈마(Plasma) 발생 장치(13)라고 한다.

상기 가스 주입 장치(6)는 공정 가스(Process Gas)를 주입하는 장치로, 예를 들면 식각(etching)용 반응성 가스인 CHF₃ 가스를 주입하는 장치이다.

상기 웨이퍼(7)는 반도체 소자를 제조하기 위한 웨이퍼로서, 건식 식각 또는 증착 공정을 하기 위한 피가공 재료이다.

상기 페더스털(Pedestal)(8)은 상기 진공 챔버(13) 안에 위치하며 상기 웨이퍼(7)를 안착한다. 상기 페더스털(8)은 웨이퍼(7)가 공정이 진행되는 동안 안정된 상태로 위치하도록 잡아주는 역할을 한다.

상기 고주파 분리기(9)는 상기 페더스털(8)과 상기 캐소드 어셈블리(10) 사이에 위치하며, 상기 페더스털(8)이 상기 캐소드 어셈블리(10)로부터 전기적으로 플로팅(floating)되도록 한다.

상기 진공 시스템(12)은 상기 진공 챔버(14) 내부를 진공 상태로 유지시키고 진공도를 조정한다.

상기 진공 챔버(14)는 프로세스(Process)가 진행되는 공간으로 대기와 분리되어 있다. 그리고, 일정한 진공도를 유지하며 공정 가스가 유입되도록 되어있다. 또한, 상기 유전체 판(5)을 통해 인가된 전자기장에 의해 상기 가스 주입 장치(6)를 통해 유입된 가스를 플라즈마 상태로 여기 시킨다.

이하, 도 1에 도시된 종래의 ICP형 플라즈마 반응로에서 플라즈마를 발생하는 동작에 대해 간단히 설명하기로 한다.

먼저, 상기 진공 챔버(14) 상부에 원형 또는 나선형의 안테나 코일(4)에 고주파 전원(RF Power)을 인가한다.

상기 안테나 코일(4)에 흐르는 전류에 의해 플라즈마 발생장치 내에 인덕턴스(Inductance) 성분이 유기 된다(즉, 전기적으로 결합된 트랜스포머(Transformer) 형태가 형성됨).

그 다음, 플레밍의 왼손법칙에 따라 수직방향의 자계나 수평방향의 전계가 형성되고, 스킨 깊이(Skin depth) 내에 형성된 전계를 따라 전자가 회전운동을 함으로서 가속되어 에너지를 얻는다.

그 다음, 가속된 전자가 가스입자와 충돌하여 플라즈마를 형성한다.

도 2는 종래의 반도체 웨이퍼 식각 공정을 위한 다른 CCP형 플라즈마 반응로를 개략적으로 도시한 도면으로, 플라즈마 반응로 상부에 플라즈마 발생 장치(도 1의 13)가 없는 것이 도 1의 ICP형 플라즈마 반응로와 다르다.

도 2에 도시된 종래의 CCP형 플라즈마 반응로는 도시된 바와 같이, 챔버 리드(Chamber Lid)(21)와, 가스 주입 장치(22)와, 웨이퍼(Wafer)(23)가 안착되는 페더스털(Pedestal)(24), 고주파 분리기(25), 캐소드 어셈블리(Cathode Assembly)(26)를 구비한 바이어스 고주파 전원 공급장치(27)와, 진공 시스템(28), 진공 챔버(29)를 포함하여 구성된다.

상기 챔버 리드(21)는 평형평판구조의 애노드(Anode) 전극을 형성한다.

상기 가스 주입 장치(22)는 공정 가스(Process Gas)를 주입하는 장치로, 예를 들면 식각(etching)용 반응성 가스인 CHF₃ 가스를 주입하는 장치이다.

상기 웨이퍼(23)는 반도체 소자를 제조하기 위한 웨이퍼로서, 건식 식각 또는 증착 공정을 하기 위한 피가공 재료이다.

상기 페더스털(Pedestal)(24)은 상기 진공 챔버(29) 안에 위치하며 상기 웨이퍼(23)를 안착한다. 상기 페더스털(24)은 웨이퍼(23)가 공정이 진행되는 동안 안정된 상태로 위치하도록 잡아주는 역할을 한다.

상기 고주파 분리기(25)는 상기 페더스털(24)과 상기 캐소드 어셈블리(26) 사이에 위치하며, 상기 페더스털(24)이 상기 캐소드 어셈블리(26)로부터 전기적으로 플로팅(floating)되도록 한다.

상기 진공 시스템(28)은 상기 진공 챔버(29) 내부를 진공 상태로 유지시키고 진공도를 조정한다.

상기 진공 챔버(29)는 프로세스(Process)가 진행되는 공간으로 대기와 분리되어 있다. 그리고, 일정한 진공도를 유지하며 공정 가스가 유입되도록 되어있다. 또한, 상기 챔버 페더스털(24)을 통해 인가된 고주파 전원에 의해 상기 가스 주입 장치(22)를 통해 유입된 가스를 글로우(glow) 방전에 의해 가스를 이온(ion)화 함으로서 플라즈마 상태로 여기 시킨다.

그리고, 상기 구성을 갖는 종래의 ICP형 플라즈마 반응로는 안테나 코일의 인덕턴스 값이 비정상적으로 크거나 혹은 너무 작게 되어 있어 고주파 정합기(RF Match Network) 설계에 어려움이 있다. 높은 안테나 코일의 인덕턴스는 임피던스를 크게 하여 많은 열이 발생하고 이로 인해 안테나 효율이 떨어지게 된다. 또한 플라즈마 이온 밀도(Plasma Ion Density)의 균일(Uniformity)을 너무 의식한 나머지 안테나 코일 설계가 웨이퍼 및 유전체 판(Dielectric Plate or Window) 상에서 균일하지 않으며, 이는 안테나 코일에 인가된 높은 전압이 고르고 넓게 분포되지 않기 때문에 원하지 안는 스퍼터링(Sputtering)에 의한 심각한 분진(Particle) 및 오염(Contamination) 문제를 야기한다. 이와 같은 문제들을 해결하기 위해서는 특수한 장치를 부가적으로 설계해야 하며 이는 비용이 많이 들어가며 효율을 떨어지게 하는 원인이 된다.

또한, 종래의 플라즈마 소스는 균일(Uniformity) 하면서 높은 플라즈마 이온 밀도(Plasma Ion Density)를 갖도록 설계되었으며, 민감도(Sensitivity) 측면은 크게 고려되지 않았다. 플라즈마 이온 밀도(Plasma Ion Density) 측면에서 보면 이씨알(ECR) 및 헤리콘(HELICON)의 경우는 약 n₀ ≤10¹³ Cm^-3 정도이고, 전형적인 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma; ICP)의 경우는 약 10¹¹ ≤ n₀ 10¹² Cm^-3 정도이다. 이는 용량결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma; CCP)에 비해 10배 이상 높다. 높은 플라즈마 이온 밀도(Plasma Ion Density)는 식각율(Etch Rate)을 빠르게 할 수 있지만 너무 민감(Sensitive)하기 때문에 공정 변수의 작은 변화에도 불량률이 발생하여 대량 생산 설비로 채택하는데 한계가 있다. 또한, 플라즈마 이온 밀도/분포(Plasma Ion Density/Distribution)의 경우도 공정과 반응로 구조에 맞게 적절히 조정될 수 있도록 되어야 한다.

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 서로 다른 전자기적 특성을 갖는 2개의 안테나를 직렬 또는 병렬로 조합하여 코일 인덕턴스(Coil Inductance), 안테나 코일에 인가되는 전압(Voltage) 및 전류(Current) 분포, 반응로 안의 이온 밀도(Ion Density)/분포(Distribution)/공정 민감도(Sensitivity) 등을 적절하게 조절함으로서, 반도체 및 LCD 공정들에 중요한 식각률(Etch Rate), 선택비(Selectivity), 안테나 코일에 대한 효율, 폴리머 증착(Polymer Deposition) 상태, 바이-프로덕트(By-product)에 의한 분진(Particle), MWBC(Mean Wafer Between Clean) 및 오염(Contamination) 등의 문제들을 적은 비용으로 개선시킨 플라즈마 발생 방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.

삭제

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 플라즈마 발생 장치는,

고주파 전원을 공급받아 고주파 정합하는 고주파 정합기;

상기 고주파 정합기로부터 고주파 전원을 공급받아 전자기장을 발생하며, 서로 다른 전자기적 특성을 갖는 제 1 안테나 코일과 제 2 안테나 코일이 직렬로 연결된 안테나 코일; 및

상기 안테나 코일로부터 발생된 전자기장을 진공 챔버 내부로 공급하며 소정의 유전율을 갖는 유전체 판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 안테나 코일은 상기 고주파 정합기의 출력 단자(A)와 B 노드 사이에 접속된 제 1 안테나 코일; 및 상기 B 노드와 상기 접지전압(Vss) 사이에 병렬 접속된 복수개의 안테나 코일로 이루어진 제 2 안테나 코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 안테나 코일은 상기 유전체 판 위의 가장자리 부분에 시작점과 끝점이 만나지 않는 원형 구조로 형성되며, 일측 종단은 상기 고주파 정합기의 출력 단자(A)에 연결되고 타측 종단은 상기 B 노드에 연결된 제 1 안테나 코일; 및 상기 제 1 안테나 코일 아래에 상기 제 1 안테나 코일과 직렬로 연결되며 커브 형태로 병렬로 연결된 복수개의 안테나 코일로 이루어지고, 상기 커브 형태를 갖는 각각의 안테나 코일은 그 일측 종단이 상기 B 노드에 연결되고 타측 종단은 접지전압에 연결된 제 2 안테나 코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 안테나 코일은 1개 이상의 안테나 코일이 병렬 또는 직렬로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 제 2 안테나 코일은 적어도 2개 이상의 안테나 코일로 이루어지며, 상기 적어도 2개 이상의 안테나 코일의 커브 각도는 시작점에서의 코일의 접선벡터와 끝점에서의 코일의 접선벡터가 이루는 각도가 180도 이상 360도 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 안테나 코일은 상기 유전체 판 위의 가장자리 부분에 시작점과 끝점이 만나지 않는 다각형 구조로 형성되며, 일측 종단은 상기 고주파 정합기의 출력 단자(A)에 연결되고 타측 종단은 상기 B 노드에 연결된 제 1 안테나 코일; 및 상기 제 1 안테나 코일 아래에 상기 제 1 안테나 코일과 직렬로 연결되며 다각형 구조로 병렬로 연결된 복수개의 안테나 코일로 이루어지고, 상기 다각형 구조를 갖는 각각의 안테나 코일은 그 일측 종단이 상기 B 노드에 연결되고 타측 종단은 접지전압에 연결된 제 2 안테나 코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 플라즈마 발생 방법은,

플라즈마를 발생하기 위한 고주파 전원을 공급하는 단계;

상기 고주파 전원을 수신하며, 서로 다른 전자기적 특성을 갖는 제 1 안테나 코일과 제 2 안테나 코일이 직렬로 구성된 안테나 코일에 의해 전자기장을 발생하는 단계; 및

상기 안테나 코일로부터 발생된 전자기장을 진공 챔버 내부로 공급하여 상기 진공 챔버 내부에 공급된 반응 가스를 여기시켜 플라즈마를 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 안테나 코일은 상기 고주파 전원을 공급하는 고주파 정합기의 출력 단자(A)와 B 노드 사이에 접속된 제 1 안테나 코일; 및 상기 B 노드와 상기 접지전압(Vss) 사이에 병렬 접속된 복수개의 안테나 코일로 이루어진 제 2 안테나 코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 의한 반도체 웨이퍼 식각 및 증착 공정을 위한 ICP형 플라즈마 반응로를 개략적으로 도시한 도면으로, 도 1과 다른 점은 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 안테나 코일(34)을 다르게 구성한 것이다.

도 3에 도시된 본 발명의 ICP형 플라즈마 반응로는 도시된 바와 같이, 고주파 차폐기(31), 고주파 정합기(32), 소스 고주파 전원 공급장치(33), 안테나 코일(34), 유전체 판(35)을 구비한 플라즈마(Plasma) 발생 장치(30)와, 가스 주입 장치(36)와, 웨이퍼(Wafer)(37)가 안착되는 페더스털(Pedestal)(38), 고주파 분리기(39), 캐소드 어셈블리(Cathode Assembly)(40)를 구비한 바이어스 고주파 전원 공급장치(41)와, 진공 시스템(42), 진공 챔버(43)를 포함하여 구성된다.

도 1과 마찬가지로, 상기 고주파 차폐기(31)는 플라즈마 발생 장치(30)에서 발생된 고주파가 밖으로 나가지 못하도록 차폐하는 역할을 한다.

상기 고주파 정합기(32)는 플라즈마를 발생하기 위한 소스의 임피던스 정합장치이다.

상기 소스 고주파 전원 공급장치(33)는 고주파 전원을 상기 고주파 정합기(32)로 공급하는 역할을 한다.

상기 안테나 코일(34)은 서로 다른 전자기적 특성을 갖는 제 1 안테나와 제 2 안테나가 직렬 또는 병렬로 조합되어 구성되며, 상기 고주파 정합기(32)로부터 고주파 전원을 공급받아 전자기장을 발생한다. 상기 안테나 코일(34)의 구성 및 동작에 대해서는 도 4 내지 도 7에서 상세히 설명하기로 한다.

상기 유전체 판(35)은 플라즈마 발생 소스로부터 진공 챔버(43)를 분리시켜 주는 소정의 유전율을 갖는 유전체 판 또는 돔 형태로 구성된다.

상기 고주파 차폐기(31), 고주파 정합기(32), 소스 고주파 전원 공급장치(33), 안테나 코일(34), 유전체 판(35)을 포함하여 플라즈마(Plasma) 발생 장치(30)라고 한다.

상기 가스 주입 장치(36)는 공정 가스(Process Gas)를 주입하는 장치로, 예를 들면 식각(etching)용 반응성 가스인 CHF₃ 가스를 주입하는 장치이다.

상기 웨이퍼(37)는 반도체 소자를 제조하기 위한 웨이퍼로서, 건식 식각 또는 증착 공정을 하기 위한 피가공 재료이다.

상기 페더스털(Pedestal)(38)은 상기 진공 챔버(43) 안에 위치하며 상기 웨이퍼(37)를 안착한다. 상기 페더스털(38)은 웨이퍼(37)가 공정이 진행되는 동안 안정된 상태로 위치하도록 잡아주는 역할을 한다.

상기 고주파 분리기(39)는 상기 페더스털(38)과 상기 캐소드 어셈블리(40) 사이에 위치하며, 상기 페더스털(38)이 상기 캐소드 어셈블리(40)로부터 전기적으로 플로팅(floating)되도록 한다.

상기 진공 시스템(42)은 상기 진공 챔버(43) 내부를 진공 상태로 유지시키고 진공도를 조정한다.

상기 진공 챔버(43)는 프로세스(Process)가 진행되는 공간으로 대기와 분리 되어 있다. 그리고, 일정한 진공도를 유지하며 공정 가스가 유입되도록 되어있다. 또한, 상기 유전체 판(35)을 통해 인가된 전자기장에 의해 상기 가스 주입 장치(36)를 통해 유입된 가스를 플라즈마 상태로 여기 시킨다.

이하, 도 3에 도시된 본 발명에 의한 ICP형 플라즈마 반응로에서 플라즈마를 발생하는 동작에 대해 간단히 설명하기로 한다.

먼저, 상기 진공 챔버(43) 상부에 위치한 안테나 코일(34)에 고주파 전원(RF Power)을 인가한다.

상기 안테나 코일(34)에 흐르는 전류에 의해 플라즈마 발생장치 내에 인덕턴스(Inductance) 성분이 유기 된다(즉, 전기적으로 결합된 트랜스포머(Transformer) 형태가 형성됨).

도 4는 도 3에 도시된 안테나 코일(34)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 안테나 코일(34)은 유전체 판(도 3의 35) 위의 가장자리 부분에 시작점과 끝점이 만나지 않는 원형 루프의 구조로 형성되며, 일측 종단은 상기 고주파 정합기(32)의 출력 단자(A)에 연결되고 타측 종단은 접지전압(Vss)에 연결된 제 1 안테나 코일(34a)과, 상기 제 1 안테나 코일(34a) 아래에 상기 제 1 안테나 코일(34a)과 병렬 접속되며 커브 형태로 병렬로 연결된 복수개의 안테나 코일로 이루어지고, 상기 커브(Curved) 형태를 갖는 각각의 안테나 코일은 그 일측 종단이 상기 고주파 정합기(32)에 연결되고 타측 종단은 접지전압(Vss)에 연결된 제 2 안테나 코일(34b)을 포함하여 구성된다.

상기 제 2 안테나 코일(34b)의 각각의 안테나 코일은 시작점에서의 코일의 접선벡터와 끝점에서의 코일의 접선벡터가 이루는 각도가 180도 이상 360도 이하의 커브 각도를 가지며, 적어도 2개 이상의 안테나 코일이 같은 형상으로 일정하게 배열되어 있다. 이 때, 커브 각도라 함은 상기 제 2 안테나 코일(34b)의 시작점과 끝점 사이의 각도를 말한다.

한편, 상기 제 1 안테나 코일(34a)은 공정의 적용용도 및 플라즈마 반응로의 크기, 그리고 형태에 따라 사각 또는 다각의 형태로 구성할 수 있으며, 상기 제 2 안테나 코일(34b)의 경우도 상기 제 1 안테나 코일(34a)과 마찬가지로 공정의 적용용도 및 플라즈마 반응로의 크기, 그리고 형태에 따라 사각 또는 다각의 형태로 구성할 수 있다.

도 5는 도 4에 도시된 안테나 코일(34)의 회로도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 안테나 코일(34)의 회로는 상기 고주파 정합기(32)의 출력 단자(A)와 접지전압(Vss) 사이에 병렬로 접속된 복수개의 안테나 코일(Ln)로 이루어진 제 2 안테나 코일(34b)과, 상기 출력 단자(A)와 접지전압(Vss) 사이에 접속되며, 상기 제 2 안테나 코일(34b)과 병렬로 접속된 제 1 안테나 코일(34a)을 포함한다.

상기 제 1 안테나 코일(34a)을 사용하지 않고 상기 제 2 안테나 코일(34b)만을 단독으로 사용할 경우, 각 커브 형태의 안테나 코일(Curved Type Antenna Coil)의 배열 및 형태에 의해 자기장이 반응로 중심부에 밀집됨에 따라 반응로 내부의 플라즈마 이온 밀도가 외곽부 보다 중심부에서 높게 되고 너무 낮은 인덕턴스에 의해 민감도 측면에서 떨어지는 원인이 된다. 이는 효율은 높일 수 있으나 낮은 반응로 외곽부 이온 밀도 및 작은 공정 변수의 변화에도 그 결과가 크게 바뀌는 높은 민감도를 갖게 된다.

이를 보완하기 위해, 상기 제 1 안테나 코일(34a)이 상기 제 2 안테나 코일(34b)의 상부에 위치하게 되며, 이는 반응로 외곽 부분에 낮은 자기장을 보완하게 되어 플라즈마 밀도를 균일하게 만들 수 있다. 또한, 상기 제 2 안테나 코일(34b)은 인덕턴스 값이 적고(아래의 식 1 참조) L1=L2=L3=L4...=Ln와 같은 복수 개의 커브 형태 안테나 코일들(Ln)이 병렬로 연결된 집합체이고, 상기 제 1 안테나 코일(34a)이 상기 제 2 안테나 코일(34b)과 역시 병렬로 결합되기 때문에 합성 임피던스가 작게되어 안테나 효율을 극대화 할 수 있다. 그리고, 상기 제 2 안테나 코일(34b)의 각 커브 형태의 개별 안테나 코일에 높은 전류를 흐르게 함으로서 상대적으로 웨이퍼 중심부의 식각율(Center Etch Rate)을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 제 2 안테나 코일(34b)에 인가된 전압을 상기 유전체 판(도 3의 35)위에 넓고 고르게 분포되어 원하지 않는 스퍼터링을 특수한 장치 없이 최소화 할 수 있다.

따라서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 안테나 코일(34a)과 상기 제 2 안테나 코일(34b)이 병렬로 연결된 안테나 코일(34)은 상기 제 2 안테나 코일(34b)이 상기 제 1 안테나 코일(34a)에 비해 상대적으로 큰 효율을 갖게 된다. 이러한 구조를 갖는 안테나 코일(34)은 공정 적용용도 및 플라즈마 반응로의 크기 및 형태에 따라 플라즈마 이온밀도 균일성(Plasma Ion Density Uniformity)이 상대적으로 중심부가 낮은 경우에 적합하다. 또한, 안테나 코일(34)의 전압을 제 2 안테나 코일(34b)에 의해 유전체 판(도 3의 35)위에 넓고 고르게 분포시키며 제 1 안테나 코일(34a)에 의해 가장자리의 식각율(Edge Etch Rate)을 보상하게 한다.

도 4 및 도 5에서, 상기 제 1 안테나 코일(34a)은 적어도 1개 이상의 안테나 코일을 병렬 또는 직렬로 접속하여 구성할 수 있다.

다음은, 병렬 또는 직렬로 연결된 안테나 코일의 등가 인덕턴스는 다음과 같다.

1/Leq = 1/L1 + 1/L2 + … + 1/Ln (병렬)

여기서, Leq는 병렬 접속된 인덕터의 등가 인덕턴스이다.

L = L1 + L2 + …………… + Ln (직렬)

도 6은 도 3에 도시된 안테나 코일(34)의 다른 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 안테나 코일(34)은 유전체 판(도 3의 35) 위의 가장자리 부분에 시작점과 끝점이 만나지 않는 원형 루프의 구조로 형성되며, 일측 종단은 상기 고주파 정합기(32)의 출력 단자(A)에 연결되고 타측 종단은 B 노드(B)에 연결된 제 1 안테나 코일(34a)과, 상기 제 1 안테나 코일(34a) 아래에 상기 제 1 안테나 코일(34a)과 직렬로 접속되며 커브 형태로 병렬로 연결된 복수개의 안테나 코일로 이루어지고, 상기 커브 형태를 갖는 각각의 안테나 코일은 그 일측 종단이 상기 B 노드(B)에 연결되고 타측 종단은 접지전압(Vss)에 연결된 제 2 안테나 코일(34b)을 포함하여 구성된다.

도 7은 도 6에 도시된 안테나 코일(34)의 회로도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 안테나 코일(34)의 회로는 상기 고주파 정합기(32)의 출력 단자(A)와 B 노드(B) 사이에 접속된 제 1 안테나 코일(34a)과, 상기 B 노드(B)와 접지전압(Vss) 사이에 병렬로 접속된 복수개의 안테나 코일(Ln)로 이루어진 제 2 안테나 코일(34b)을 포함한다.

도 6 및 도 7에 도시된 안테나 코일(34)은 상기 제 1 안테나 코일(34a)과 제 2 안테나 코일(34b)이 직렬로 연결된 형태이다.

공정 적용용도 및 플라즈마 반응로의 크기 및 형태에 따라 플라즈마 이온밀도 균일성(Plasma Ion Density Uniformity)이 상대적으로 가장자리가 낮은 경우가 발생하게 되며, 이는 웨이퍼 가장자리의 식각율(Wafer Edge Etch Rate)을 낮게 하는 원인이 된다. 이를 개선하기 위해 웨이퍼 가장자리 부분의 이온밀도를 높게 하는 것이 요구되었다. 따라서, 도 6 및 도 7에 도시된 안테나 코일(34)은 제 1 안테나 코일(34a)의 효율을 더욱 높여 줄 수 있기 때문에 이에 부응 할 수 있다. 또한, 상기 제 1 안테나 코일(34a)과 상기 제 2 안테나 코일(34b)이 직렬로 연결되기 때문에 상기 제 2 안테나 코일(34b)에 인가된 낮은 전압을 유전체 판(도 3의 35)위에 넓고 고르게 분포시킬 수 있으며, 상기 제 2 안테나 코일(34b)에 의해 중심부의 식각율(Center Etch Rate)을 보상할 수 있다.

도 6 및 도 7에서, 상기 제 1 안테나 코일(34a)은 적어도 1개 이상의 안테나 코일을 병렬 또는 직렬로 접속하여 구성할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 플라즈마 발생 방법 및 그 장치는, 공정의 적용용도 및 플라즈마 반응로의 크기 및 형태에 맞게 제 1 안테나 코일(34a)과 제 2 안테나 코일(34b)이 병렬 또는 직렬로 연결하여 용도에 맞게 사용 할 수 있다. 이는 플라즈마 반응로 설계에 있어 중요한 3가지 요소, 즉 플라즈마 이온 밀도의 균일성, 스퍼터링 방지, 낮은 민감도를 갖게 하여 반도체 및 LCD 건식 식각 및 박막 증착 공정들에 중요한 식각율(Etch Rate), 증착율(Deposition Rate), 박막 품질, 선택비(Selectivity), 균일도(Uniformity)등을 획기적으로 개선할 수 있다. 또한, 스퍼터링(Sputtering)에 의한 폴리머 증착(Polymer Deposition) 상태, 분진(Particle), 오염(Contamination) 문제를 개선시킬 수 있기 때문에 MWBC(Mean Wafer Between Cleaning)를 크게 향상시킬 수 있다. 또한 안테나 코일의 효율을 높임으로써 원치 않는 안테나 코일의 발열을 최소화 할 수 있다.

그리고, 본 발명은 적은 비용과 간단한 장치로 반도체 및 LCD 공정들에 중요한 식각률(Etch Rate), 선택비(Selectivity), 안테나 코일에 대한 효율, 폴리머 증착(Polymer Deposition) 상태, 바이-프로덕트(By-product)에 의한 분진(Particle), MWBC(Mean Wafer Between Clean) 및 오염(Contamination) 등의 문제들을 해결할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 반도체 웨이퍼 식각 및 증착 공정을 위한 ICP형 플라즈마 반응로를 개략적으로 도시한 도면

도 2는 종래의 반도체 웨이퍼 식각 공정을 위한 다른 CCP형 플라즈마 반응로를 개략적으로 도시한 도면

도 3은 본 발명에 의한 반도체 웨이퍼 식각 및 증착 공정을 위한 ICP형 플라즈마 반응로를 개략적으로 도시한 도면

도 4는 도 3에 도시된 안테나 코일의 구성을 개략적으로 나타낸 도면

도 5는 도 4에 도시된 안테나 코일의 회로도

도 6은 도 3에 도시된 안테나 코일의 다른 구성을 개략적으로 나타낸 도면

도 7은 도 6에 도시된 안테나 코일의 회로도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

30 : 플라즈마 발생 장치 31 : 고주파 차폐기

32 : 고주파 정합기

33 : 소스 고주파 전원 공급장치

34 : 안테나 코일 34a : 제 1 안테나 코일

34b : 제 2 안테나 코일 35 : 유전체 판

36 : 가스 공급 장치 37 : 웨이퍼

38 : 페더스털(Pedestal) 39 : 고주파 분리기

40 : 캐소드 어셈블리

41 : 바이어스 고주파 전원 공급장치 42 : 진공 시스템

43 : 진공 챔버

Claims

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플라즈마 발생 장치에 있어서,

고주파 전원을 공급받아 고주파 정합하는 고주파 정합기;

상기 고주파 정합기로부터 고주파 전원을 공급받아 전자기장을 발생하며, 서로 다른 전자기적 특성을 갖는 제 1 안테나 코일과 제 2 안테나 코일이 직렬로 연결된 안테나 코일; 및

상기 안테나 코일로부터 발생된 전자기장을 진공 챔버 내부로 공급하며 소정의 유전율을 갖는 유전체 판을 포함하고,

상기 안테나 코일은:

상기 유전체 판 위의 가장자리 부분에 시작점과 끝점이 만나지 않는 원형 구조로 형성되며, 일측 종단은 상기 고주파 정합기의 출력 단자(A)에 연결되고 타측 종단은 상기 B 노드에 연결된 제 1 안테나 코일; 및

상기 제 1 안테나 코일 아래에 상기 제 1 안테나 코일과 직렬로 연결되며 커브 형태로 병렬로 연결된 복수개의 안테나 코일로 이루어지고, 상기 커브 형태를 갖는 각각의 안테나 코일은 그 일측 종단이 상기 B 노드에 연결되고 타측 종단은 접지전압에 연결된 제 2 안테나 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 10 항에 있어서,

상기 제 1 안테나 코일은 1개 이상의 안테나 코일이 병렬 또는 직렬로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 10 항에 있어서,

상기 제 2 안테나 코일은 적어도 2개 이상의 안테나 코일로 이루어지며,

상기 적어도 2개 이상의 안테나 코일의 커브 각도는 시작점에서의 코일의 접선벡터와 끝점에서의 코일의 접선벡터가 이루는 각도가 180도 이상 360도 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
플라즈마 발생 장치에 있어서,

고주파 전원을 공급받아 고주파 정합하는 고주파 정합기;

상기 고주파 정합기로부터 고주파 전원을 공급받아 전자기장을 발생하며, 서로 다른 전자기적 특성을 갖는 제 1 안테나 코일과 제 2 안테나 코일이 직렬로 연결된 안테나 코일; 및

상기 안테나 코일로부터 발생된 전자기장을 진공 챔버 내부로 공급하며 소정의 유전율을 갖는 유전체 판을 포함하고,

상기 안테나 코일은:

상기 유전체 판 위의 가장자리 부분에 시작점과 끝점이 만나지 않는 다각형 구조로 형성되며, 일측 종단은 상기 고주파 정합기의 출력 단자(A)에 연결되고 타측 종단은 상기 B 노드에 연결된 제 1 안테나 코일; 및

상기 제 1 안테나 코일 아래에 상기 제 1 안테나 코일과 직렬로 연결되며 다각형 구조로 병렬로 연결된 복수개의 안테나 코일로 이루어지고, 상기 다각형 구조를 갖는 각각의 안테나 코일은 그 일측 종단이 상기 B 노드에 연결되고 타측 종단은 접지전압에 연결된 제 2 안테나 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 13 항에 있어서,

상기 제 1 안테나 코일은 1개 이상의 안테나 코일이 병렬 또는 직렬로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
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플라즈마 발생 방법에 있어서,

플라즈마를 발생하기 위한 고주파 전원을 공급하는 단계;

상기 고주파 전원을 수신하며, 서로 다른 전자기적 특성을 갖는 제 1 안테나 코일과 제 2 안테나 코일이 직렬로 구성된 안테나 코일에 의해 전자기장을 발생하는 단계; 및

상기 안테나 코일로부터 발생된 전자기장을 진공 챔버 내부로 공급하여 상기 진공 챔버 내부에 공급된 반응 가스를 여기시켜 플라즈마를 발생하는 단계를 포함하고,

상기 안테나 코일은:

상기 유전체 판 위의 가장자리 부분에 시작점과 끝점이 만나지 않는 원형 구조로 형성되며, 일측 종단은 상기 고주파 정합기의 출력 단자(A)에 연결되고 타측 종단은 상기 B 노드에 연결된 제 1 안테나 코일; 및

상기 제 1 안테나 코일 아래에 상기 제 1 안테나 코일과 직렬로 연결되며 커브 형태로 병렬로 연결된 복수개의 안테나 코일로 이루어지고, 상기 커브 형태를 갖는 각각의 안테나 코일은 그 일측 종단이 상기 B 노드에 연결되고 타측 종단은 접지전압에 연결된 제 2 안테나 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 방법.
제 24 항에 있어서,

상기 제 1 안테나 코일은 1개 이상의 안테나 코일이 병렬 또는 직렬로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 방법.
제 24 항에 있어서,

상기 제 2 안테나 코일은 적어도 2개 이상의 안테나 코일로 이루어지며,

상기 적어도 2개 이상의 안테나 코일의 커브 각도는 시작점에서의 코일의 접선벡터와 끝점에서의 코일의 접선벡터가 이루는 각도가 180도 이상 360도 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 방법.
플라즈마 발생 방법에 있어서,

플라즈마를 발생하기 위한 고주파 전원을 공급하는 단계;

상기 고주파 전원을 수신하며, 서로 다른 전자기적 특성을 갖는 제 1 안테나 코일과 제 2 안테나 코일이 직렬로 구성된 안테나 코일에 의해 전자기장을 발생하는 단계; 및

상기 안테나 코일로부터 발생된 전자기장을 진공 챔버 내부로 공급하여 상기 진공 챔버 내부에 공급된 반응 가스를 여기시켜 플라즈마를 발생하는 단계를 포함하고,

상기 안테나 코일은:

상기 유전체 판 위의 가장자리 부분에 시작점과 끝점이 만나지 않는 다각형 구조로 형성되며, 일측 종단은 상기 고주파 정합기의 출력 단자(A)에 연결되고 타측 종단은 상기 B 노드에 연결된 제 1 안테나 코일; 및

상기 제 1 안테나 코일 아래에 상기 제 1 안테나 코일과 직렬로 연결되며 다각형 구조로 병렬로 연결된 복수개의 안테나 코일로 이루어지고, 상기 다각형 구조를 갖는 각각의 안테나 코일은 그 일측 종단이 상기 B 노드에 연결되고 타측 종단은 접지전압에 연결된 제 2 안테나 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 방법.
제 27 항에 있어서,

상기 제 1 안테나 코일은 1개 이상의 안테나 코일이 병렬 또는 직렬로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 방법.