KR100621698B1 - 유도결합 플라즈마 처리장치 - Google Patents

유도결합 플라즈마 처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도결합 플라즈마 처리장치에 관한 것으로, 특히 본 발명은 본 발명의 목적은 플라즈마 생성을 위해 발생시키는 전자계를 반도체 웨이퍼가 장착되는 챔버 내부로 집중 형성시켜 고밀도의 플라즈마를 효과적으로 생성하면서도 챔버의 크기를 줄인다.
이를 위해 본 발명은 상측에 개구부가 형성된 챔버바디와, 이 챔버바디의 개구부를 덮는 챔버 탑과, 이 챔버 탑에 마련되어 고주파 전력을 공급받는 고주파 안테나와, 챔버 탑에 마련되고, 고주파 안테나를 대향되게 내부에 수용하되, 고주파 안테나에 의해 발생되는 전자계가 챔버바디 내부로 집중되도록 챔버바디 내부 방향으로 일측이 개구된 채로 고주파 안테나를 수용하는 환형상의 자기코어부를 포함한다.

Description

유도결합 플라즈마 처리장치 {INDUCTIVELY COUPLED PLASMA PROCESS APPARATUS}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유도결합 플라즈마 처리장치의 단면도이다.
도 2는 도 1의 자기코어부의 사시도이다.
도 3은 도 1의 자기코어부의 자기력선의 대략적인 흐름 형성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예로, 자기코어부가 'ㄷ'자 형상의 자기코어만으로 이루어지는 것을 설명하기 위한 유도결합 플라즈마 처리장치의 단면도이다.
*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명*
10 : 챔버바디 11 : 챔버 탑
12a, 12b : 고주파안테나 13 : 가스투입구
14 : 웨이퍼안착부 15 : 자기코어부
16 : 제1자기코어 17 : 제2자기코어
18 : 자기력선안내부재 19 : 유전체플레이트
본 발명은 유도결합 플라즈마 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 웨이퍼에 미세 패턴을 형성하는 기술분야에서 플라즈마를 생성하여 건식 식각, 화학기상 증착, 스퍼터링 등의 각종 표면 처리 공정이 수행되는 유도결합 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
플라즈마란 이온화된 기체로, 양이온, 음이온, 전자, 여기된 원자, 분자 및 화학적으로 매우 활성이 강한 리디칼(radical) 등으로 구성되며, 전기적 및 열적으로 보통 기체와는 매우 다른 성질을 갖기 때문에 물질의 제4상태라고도 칭한다. 이러한 플라즈마는 이온화된 기체를 포함하고 있기 때문에 전기장 또는 자기장을 이용해 가속시키거나 화학반응을 일으켜 웨이퍼와 같은 반도체 기판을 에칭(etching)하거나 증착(deposition)하는 등, 반도체의 제조공정에 유용하게 활용되고 있다.
최근에 반도체 제조공정에서는 고밀도 플라즈마를 사용하는 플라즈마 처리장치를 이용하는 경우가 증가하고 있다. 이는 반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라 미세 가공의 요구는 커지고 있는 반면 직경이 큰 대구경의 웨이퍼 사용이 늘어나고 있기 때문이다.
상기 고밀도 플라즈마 처리장치로는 공진주파수의 마이크로파를 이용하는 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마 처리장치, 헬리콘(helicon) 또는 휘슬러파(whistler wave)를 이용하는 헬리콘 플라즈마 처리장치 및 고온 저압의 플라즈마를 이용하는 유도결합(inductively coupled) 플라즈마 처리장치 등이 있다. 이 중 유도결합 플라즈마 처리장치는 기판과 같은 피처리체가 반응챔버의 외부에 배치된 나선형의 안테나로부터 발생되는 전자기장의 영향권 밖에 있으면서도 기판에 매 우 근접하여 플라즈마가 발생되기 때문에 플라즈마의 손실이 적다는 장점을 갖고 있어서 널리 사용되고 있는 추세이다.
이러한 유도결합 플라즈마 처리장치는 내부의 기밀이 유지되고 감압의 분위기가 형성된 반응챔버 내로 처리가스를 도입하고, 상부의 유전체 벽체에 근접 배치된 고주파 안테나에 플라즈마 생성용 고주파 전력을 인가하면, 유전체 벽체를 매개로 하여 반응챔버의 내부에 전계가 형성된다. 이와 같이 형성된 전계에 의해 처리가스는 이온화되어 플라즈마를 생성하고, 이 플라즈마가 하부전극 상에 탑재된 반도체 웨이퍼에 충돌하여 웨이퍼를 에칭한다.
한편, 상기와 같은 유도결합 플라즈마 처리장치에서는 고주파 안테나와 플라즈마간에 유도결합뿐 아니라, 용량 결합도 이루어져, 고주파 안테나 부근의 유전체 벽체, 즉, 챔버 천장 표면에 플라즈마에 대한 음의 바이어스가 부가되고, 이에 따라, 챔버 내에 수직 정전용량이 발생된다. 이처럼 챔버 내부 천장 표면의 플라즈마와의 전위차에 의해 플라즈마 중의 양이온이 가속되는 현상이 발생되는 데, 이렇게 가속된 양이온들은 통상 석영으로 이루어진 유전체 벽을 두드려 챔버 내부에 불순물을 발생시키고, 유전체 벽체의 소모를 유발한다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 종래에는 고주파 안테나를 챔버 내부에 삽입하는 방식을 이용하고 있다.
이러한 고주파 안테나 내부 삽입형 유도결합 플라즈마 처리장치는 고주파 안테나를 챔버 내부에 삽입하므로 유전체 벽이 필요없으며, 챔버 내부에 직접 장착할 수 있어 대형화가 유리한 잇점이 있다.
그러한, 이러한 고주파 안테나 내부 삽입형 유도결합 플라즈마 처리장치는 고주파 안테나에 의해 발생되는 전자계가 반도체 웨이퍼가 장착된 챔버 하부 뿐만 아니라, 챔버 상부측으로도 불필요하게 형성되기 때문에 전자계에 의한 플라즈마를 챔버 하부측으로 집중시킬 수 없는 문제점이 있었다.
또한, 종래에는 챔버 상부측에도 전자계가 형성되므로, 챔버 크기가 커지는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 플라즈마 생성을 위해 발생시키는 전자계를 반도체 웨이퍼가 장착되는 챔버 내부로 집중 형성시켜 고밀도의 플라즈마를 효과적으로 생성할 수 있으면서도 챔버의 크기를 줄일 수 있는 유도결합 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유도결합 플라즈마 처리장치는 상측에 개구부가 형성된 챔버바디와, 상기 개구부를 덮는 챔버 탑와, 상기 챔버 탑에 마련되어 고주파 전력을 공급받는 고주파 안테나와, 상기 챔버 탑에 마련되고, 상기 고주파 안테나를 대향되게 내부에 수용하되, 상기 고주파 안테나에 의해 발생되는 전자계가 상기 챔버바디 내부로 집중되도록 상기 챔버바디 내부 방향으로 일측이 개구된 채로 상기 고주파 안테나를 수용하는 환형상의 자기코어부를 포함한다.
상기 자기코어부는 내측 원주면에 마련된 원형의 제1자기코어와 외측 원주면에 마련된 원형의 제2자기코어를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1자기코어와 제2자기코어는 실질적으로 'ㄷ' 형상인 것을 특징으로 한다.
상기 자기코어부는 상기 제1자기코어와 제2자기코어사이의 자기력선을 안내하는 자기력선안내부재를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 자기력선안내부재는 환형상이고, 상기 제1자기코어와 제2자기코어의 상부측에 마련되는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 유도결합 플라즈마 처리장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 내부에 웨이퍼를 수용하고, 상측에 개구부가 형성된 챔버바디(10)와, 이 챔버바디(10)의 개구부를 덮는 챔버 탑(11)과, 이 챔버 탑(11)에 마련되어 고주파 전력을 공급받는 고주파 안테나(12a, 12b)와, 이 챔버바디(10)와 챔버 탑(11)을 관통하여 챔버 내부로 반응기체를 공급하기 위한 기체주입구(13)와, 챔버바디(10) 내부에는 웨이퍼를 안착시키기 위한 웨이퍼안착부(14)와, 챔버 탑(11)에 마련되고, 고주파 안테나(12a, 12b)를 수용하는 자기코어부(15)를 포함한다.
자기코어부(15)는 도 2에 도시된 바와 같이, 환형상이며, 두 개의 고주파 안테나(12a, 12b)를 상호간에 대향되게 내부에 수용하도록 이루어지되, 두 개의 고주파 안테나(12a, 12b)에 의해 발생되는 전자계가 챔버바디(10) 내부로 집중되도록 챔버바디(10) 내부 방향으로 일측이 개구된 채로 고주파 안테나(12a, 12b)를 수용하도록 구성된다.
자기코어부(15)는 내측 원주면에 하부에 내측 원주면을 따라 마련된 원형의 제1자기코어(16)와 외측 원주면에 하부에 외측 원주면을 따라 마련된 원형의 제2자기코어(17)를 구비한다. 이 제1자기코어(16)와 제2자기코어(17)는 상부, 하부 일측이 막혀있고, 타측에 개구부가 형성된 실질적으로 'ㄷ' 형상으로 이루어지며, 내부에 수용되는 고주파 안테나(12a, 12b)가 서로 대향되도록 서로의 개구부가 마주보도록 마련된다. 제1자기코어(16)는 한 쌍의 코일로 이루어지고, 수직으로 배열된 제1고주파안테나(12a)를 수용하고, 제2자기코어(17)는 한 쌍의 코일로 이루어지고, 수직으로 배열된 제2고주파안테나(12b)를 수용한다.
또한, 자기코어부(15)는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1자기코어(16)와 제2자기코어(17)사이의 자기력선(20)을 안내하는 자기력선안내부재(18)를 구비한다. 이 자기력선안내부재(18)는 환형상이고, 제1자기코어(16)와 제2자기코어(17)의 상부측에 마련된다. 따라서, 제1자기코어(16)와 제2자기코어(17)의 개구부를 제외한 부분으로 방사되는 제1고주파안테나(12a)와 제2고주파안테나(12b)에 의해 형성된 자기력선의 보조흐름은 제1자기코어(16), 자기력선안내부재(18), 그리고, 제2자기코어(17)를 통하여 형성되고, 개구부측으로 방사되는 자기력선의 주흐름은 제1자기코어(16)와 제2자기코어(17)를 통하여 형성된다. 따라서, 제1자기코어(16)와 제2자기코어(17)의 개구부를 통하여 챔버 내측으로 대부분 방사되도록 함으로서, 챔버바디(10) 내부로 자기장이 집중되게 할 수 있어 고밀도의 플라즈마를 효과적으로 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 챔버의 크기를 줄일 수 있게 된다.
한편, 제1자기코어(16)와 제2자기코어(17)의 개구부에는 내부에 수용된 각 제1고주파안테나와 제2고주파안테나를 챔버 내부와 분리시켜 챔버 내부에 생성된 플라즈마에 의해 영향받지 않도록 하기 위하여 유전체플레이트(19)가 각각 마련된다. 또한, 이 유전체플레이트(19)는 자기력선안내부재(18)와 챔버 내부를 분리시키기 위하여 자기력선안내부재(18)의 노출면에 설치된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유도결합 플라즈마 처리장치에서 자기력선안내부재(18)가 없애고, 제1자기코어(21)와 제2자기코어(22)만으로 자기력선의 흐름을 형성시킨 유도결합 플라즈마 처리장치로도 동일한 목적을 달성할 수 있다. 이러한 경우에도 제1자기코어(21)와 제2자기코어(22)의 개구부에는 내부에 수용된 각 제1고주파안테나(12a)와 제2고주파안테나(12b)를 챔버 내부와 분리시켜 챔버 내부에 생성된 플라즈마에 의해 영향받지 않도록 하기 위하여 유전체플레이트(19)가 각각 마련된다.
상기한 구조의 유도결합 플라즈마 처리장치는 플라즈마 생성을 위하여 초기에 챔버바디(10)와 챔버 탑(11)으로 이루어진 챔버 내부가 진공화되도록 진공펌프를 이용하여 그 내부를 배기시킨다. 그런 후 플라즈마 발생용 반응가스를 기체주입구(13)를 통해 챔버의 내부에 주입하고, 필요한 압력으로 유지시킨다.
이어서, 제1고주파안테나(12a)와 제2고주파안테나(12b)에 고주파 전력을 인가한다. 이 때, 고주파 전력의 인가에 따라 제1고주파안테나(12b)와 제2고주파안테나(12b)가 이루는 평면과 수직방향으로 시간적으로 변하는 자기장이 유도된다. 이 자기장은 제1자기코어(16)와 제2자기코어(17), 그리고, 자기력선안내부재(18)에 의하여 도 3과 같은 자기력선의 흐름을 이루고, 이러한 자기력선의 흐름에 의하여 전자계 챔버 내부로 집중 형성시킴으로서 상대적으로 고밀도의 플라즈마를 생성하게 된다. 즉, 시간적으로 변하고, 챔버 내부에 집중 형성된 자기장은 챔버 내부에 유도 전기장을 형성하는데, 이 유도 전기장이 전자를 가열하여 제1고주파안테나(12a) 및 제2고주파안테나(12b)와 유도성으로 결합된(inductively coupled) 플라즈마를 발생하게 한다.
이렇게 가열된 전자들은 주변의 중성기체 입자들과 충돌하여 이온 및 라디칼(radical) 등을 생성하고 이들은 플라즈마 식각 및 증착에 이용되게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 플라즈마 생성을 위해 발생시키는 전자계를 반도체 웨이퍼가 장착되는 챔버 내부로 집중 형성시켜 고밀도의 플라즈마를 효과적으로 생성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 플라즈마 생성을 위해 발생시키는 전자계를 반도체 웨이퍼가 장착되는 챔버 내부로 집중 형성시킬 수 있어 챔버의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 상측에 개구부가 형성된 챔버바디;
    상기 개구부를 덮는 챔버 탑;
    상기 챔버 탑에 마련되어 고주파 전력을 공급받는 두 개의 고주파 안테나;
    상기 챔버 탑에 마련되고, 상기 두 개의 고주파 안테나를 상호간에 대향되게 내부에 수용하되, 상기 두 개의 고주파 안테나에 의해 발생되는 전자계가 상기 챔버바디 내부로 집중되도록 상기 챔버바디 내부 방향으로 일측이 개구된 채로 상기 두 개의 고주파 안테나를 수용하는 환형상의 자기코어부를 포함하는 유도결합 플라즈마 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자기코어부는 내측 원주면에 마련된 원형의 제1자기코어와 외측 원주면에 마련된 원형의 제2자기코어를 구비하는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1자기코어와 제2자기코어는 'ㄷ' 형상인 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 자기코어부는 상기 제1자기코어와 제2자기코어사이의 자기력선을 안내하는 자기력선안내부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 자기력선안내부재는 환형상이고, 상기 제1자기코어와 제2자기코어의 상부측에 마련되는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치.
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