KR101468656B1 - 유도 결합 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 유도 결합 플라즈마 처리 장치는 챔버, 상기 챔버 상부의 유전체 창과 상기 유전체 창 상측에 구비되는 안테나, 상기 안테나를 지하도록 설치되며 접지 처리된 안테나 지지 프레임을 구비하고, 상기 안테나는 전원으로부터 연장된 메인부와 상기 메인 부에서 복수개로 분기된 제 1버스 코일과 상기 제 1버스 코일의 끝단에서 적어도 하나 이상으로 분기된 제 2버스 코일과, 상기 제 2버스 코일에서 복수개로 분기되면 각각의 끝단이 상기 지지 프레임에 접지 처리된 소스 코일을 구비하고, 상기 제 2버스 코일 각각에는 제 2버스 코일측 가변 커페시터 제어장치가 구비되는 것으로, 본 발명에 따른 유도 결합 플라즈마 처리는 복수개의 소스 코일에 대한 임피던스 제어가 효과적으로 이루어지도록 각각의 소스 코일에 연결되어 임피던스 조절을 수행하는 가변 커패시터들의 동작을 정밀하게 제어하고, 또한 복수개의 가변 커패시터을 소스 코일의 인렛 부분과 버스 코일에 설치하여 정밀한 임피던스 제어가 가능하도록 하는 효과가 있다.

Description

유도 결합 플라즈마 처리 장치{INDUCTIVELY COUPLED PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 유도 결합 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 임피던스 제어가 효과적으로 이루어지도록 한 유도 결합 플라즈마 처리 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
유도 결합 플라즈마 처리 장치는 반도체 및 디스플레이 제조 공정 중에서 에칭 공정 또는 증착 공정에 사용되는 장치이다. 에칭 공정에 사용되는 유도 결합 플라즈마 처리장치는 반응성 이온 에칭 장치 또는 축전 결합형 플라즈마 에칭 장치에 비하여 금속에 대한 식각 효율이 상대적으로 매우 뛰어나다.
그러나 유도 결합 플라즈마 처리장치는 대면적의 기판에 대한 에칭에는 사용상의 어려움이 있다. 통상적으로 안테나가 유도 결합 플라즈마 처리장치의 진공 챔버 상부에 설치된다. 대면적의 기판에 대한 효과적인 에칭이 가능하기 위해서는 안테나의 배치와 임피던스 제어가 매우 중요한 기술적 요소이다.
또한, 아무리 효과적으로 안테나를 배치하더라도 복잡하고 길이가 긴 안테나의 구조로 인하여 임피던스 제어가 효과적으로 이루어지기가 매우 어렵다. 더욱이 대면적의 기판 에칭이 가능하기 위해서는 안테나를 영역별로 구분하여 설치할 필요가 있다.
그리고 보다 대면적의 기판 처리를 위하여 이러한 나선형의 안테나를 복수개의 서로 다른 영역에 별도로 배치하여 사용할 수 있는데, 이와 같은 안테나의 구조와 대면적의 기판 처리를 위한 임피던스 제어에는 더욱 큰 어려움이 있다.
한국공개특허번호 제 10-2010-0053253 호, "유도결합 플라즈마 안테나"
본 발명의 목적은 가변 커패시터를 다수의 소스 코일들에 개별적으로 제어되는 복수개의 가변 커패시터들을 설치하여 기판 처리 균일성이 향상되도록 하는 유도 결합 플라즈마 처리장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 유도 결합형 플라즈마 처리장치는 챔버, 상기 챔버 상부의 유전체 창과 상기 유전체 창 상측에 구비되는 안테나, 상기 안테나를 지하도록 설치되며 접지 처리된 안테나 지지 프레임을 구비하고, 상기 안테나는 전원으로부터 연장된 메인부와 상기 메인 부에서 복수개로 분기된 제 1버스 코일과 상기 제 1버스 코일의 끝단에서 적어도 하나 이상으로 분기된 제 2버스 코일과, 상기 제 2버스 코일에서 복수개로 분기되면 각각의 끝단이 상기 지지 프레임에 접지 처리된 소스 코일을 구비하고, 상기 제 2버스 코일 각각에는 제 2버스 코일측 가변 커페시터 제어장치가 구비된다.
상기 지지 프레임 상부에 위치하는 상기 소스 코일들은 인접한 상기 소스 코일들에 대하여 전류의 방향이 반대 방향이 되도록 설치될 수 있다.
상기 제 1버스 코일들 각각에는 제 1버스 코일측 가변 커패시터 제어장치가 설치될 수 있다.
상기 제 1버스 코일측 가변 커패시터 제어장치는 각각의 상기 제 1버스 코일측에서의 인덕턴스 값이 균일한 위치에 설치될 수 있다.
상기 가변 커패시터 제어장치는 상기 안테나에 연결되는 가변 커패시터와 상기 가변 커패시터를 자동으로 회전시키는 모터와 상기 모터의 회전을 감지하는 외부 엔코더를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유도 결합 플라즈마 처리는 복수개의 소스 코일에 대한 임피던스 제어가 효과적으로 이루어지도록 각각의 소스 코일에 연결되어 임피던스 조절을 수행하는 가변 커패시터들의 동작을 정밀하게 제어하고, 또한 복수개의 가변 커패시터을 소스 코일의 인렛 부분과 버스 코일에 설치하여 정밀한 임피던스 제어가 가능하도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치에 가변 커패시터 제어 장치가 제 2버스 코일에 설치된 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치에 가변 커패시터 제어 장치가 제 1버스 코일과 제 2버스 코일에 설치된 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치에서 소스 코일에 설치된 커패시터 개수에 따른 전압 강하를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치에 가변 커패시터 제어 장치를 도시한 도면이다.
이하에서는 본 발명에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치에 대한 실시예를 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치에 가변 커패시터 제어 장치가 소스 코일의 입구단(Inlet portion)에 설치된 상태를 도시한 도면이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치는 게이트(14)를 구비하며 공정 공간 내부가 진공 펌핑되도록 배기홀(11)이 형성된 챔버(10)를 구비한다. 챔버(10) 내부에는 기판(웨이퍼 또는 다양한 크기의 투명 기판)이 안착되는 스테이지(12)가 구비된다. 스테이지(12)의 상부에는 기판을 척킹하기 위한 정전척(13)이 설치된다.
챔버(10)의 상부에는 유전체 창(15)이 설치된다. 유전체 창(15)의 상부에는 안테나 설치부(16)를 형성하는 안테나 지지 프레임(17)이 구비된다. 이 안테나 지지 프레임(17)은 접지 처리되어 있다. 그리고 안테나 지지 프레임(17)의 상부에는 안테나(200)가 구비된다. 그리고 안테나(200)의 상부에는 RF 전원(30)이 구비된다.
안테나(200)는 RF 전원(30)으로부터 연장된 메인부와 메인부에서 복수개로 분기된 제 1버스 코일(210)과 각각의 제 1버스 코일(210)의 끝단에서 두 개로 분기된 제 2버스 코일(220)로 구비하고, 제 2버스 코일(220)의 끝단에는 네 개의 소스 코일(230)이 분기되어 구비된다. 이 네 개의 소스 코일(230)은 3번씩 동일한 직각 방향으로 절곡된 후 그 끝단이 안테나 지지 프레임(17)에 접지 처리되어 있다. 또한 하나의 영역에 구비되는 각각의 소스 코일(230)들은 동일 방향으로 균등하게 절곡되어 있다. 그리고 제 2버스 코일(220) 각각에는 제 2버스 코일측 가변 커페시터 제어장치(100)가 구비된다.
한편, 안테나 설치부(16)는 각각에 소스 코일(230)이 배치된 9개의 분할된 영역(A1 ~ A9)을 형성한다. 그리고 각각의 영역(A1 ~ A9)에 구비되는 소스 코일(230)은 제 1 ~ 제 4소스 코일(230)까지 4개로 분기되어 동일한 방향으로 감겨 있다. 그리고 각각의 영역에 설치된 소스 코일(230)들의 감긴 방향은 인접한 다른 영역의 소스 코일(230)들의 권취 방향과 반대로 형성되어 전류의 방향이 반대가 되도록 구성되어 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 가변 커패시터 제어장치(100)는 각각의 제 2버스 코일(220)에 설치될 수 있고, 또한 도 3에 도시된 바와 같이 가변 커패시터 제어장치(100)는 제 1버스 코일(210)과 제 2버스 코일(220)에 모두 설치될 수 있다.
그리고 도 3에서와 같이 제 1버스 코일(210)과 제 2버스 코일(220) 각각에 가변 커패시터 제어장치(100)를 설치한 경우 제 1버스 코일(210)에 설치되는 가변 커패시터 제어장치(100)들은 모두 인덕턴스 값이 서로 균일한 위치에 설치된다.
한편, 본 발명의 실시예에서 가변 커패시터 제어장치(100)에 의한 임피던스 조절은 수학식 1에 의하여 이루어진다. 또한, 가변 커패시터 제어장치(100)의 설치위치는 버스 코일의 길이에 따라 달라질 수 있다. 따라서 수학식 1에 따라 버스 코일에서 균일한 인덕턴스 값을 가지는 위치를 측정한 후 해당 위치에 가변 커패시터 제어장치를 설치할 수 있다.
Figure 112012109171040-pat00001
Z는 합성 저항값, R은 저항, j는 허수 단위, W는 주파수 상수, L은 인덕터, C는 커패시터이다. 따라서 수학식 1에서와 같이 커패시터 "C"를 조절하면 합성 저항값이 조절되므로 각각의 소스 코일(230)에서의 임피던스 제어가 이루어지게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치에서 소스 코일에 설치된 커패시터 개수에 따른 전압 강하를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이 가변 커페시터 제어장치(100)가 각각의 버스 코일(210)(220)의 균등한 위치에 설치한 숫자에 따라 각각의 소스 코일(230)에서의 전압 강하가 일어난다. 따라서 본 발명의 실시예에서와 같이 균일한 인덕턴스를 가지는 위치에 가변 커패시터 제어장치(100)를 복수개 설치하게 되면 각각의 소스 코일(230)에서의 전압 강하가 일어나기 때문에 필요한 임피던스 조절은 더욱 미세하게 수행될 수 있다.
도 4에서와 같이 커패시터를 2개를 설치한 경우 가변 커패시터가 설치된 지역에서의 전압강하가 각각 1/2씩 이루어지고, 또한 4개를 설치한 경우 가변 커패시터가 설치된 4곳의 지역에서 전압강하가 각각 1/4씩 이루어진다. 따라서 가변 커패시터 제어장치(100)를 제 2버스 코일(220)에 설치하거나 또는 제 1버스 코일(210)과 제 2버스 코일(220)에 설치하게 되면 각각의 소스 코일(230)들에 대한 임피던스 제어가 더욱 정밀하고, 미세하게 이루어지게 된다.
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치의 가변 커패시터 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이 가변 커패시터 제어장치(100)는 모터(110)와 모터(110)에서 연장된 회전축에 설치된 외부 엔코더(120)와 외부 엔코더(120)를 거쳐서 연장된 절연 프랜지(130)와 절연 프렌지(130)에서 연장되어 구동축이 절연 프렌지(130)와 연결된 가변 커패시터(VVC: Vacuum Variable Capacitor)(140)와 가변 커패시터(140)의 단부에 설치된 냉각 유닛(150)을 포함한다.
모터(110)는 스탭 모터(110)로 구비되고, 외부 엔코더(120)는 총 50개의 감지홀(121a)이 7.2도 마다 원주를 따라 형성된 원형판(121)과 이 원형판(121)의 원형홀(121a)을 감지하도록 원형판(121)의 외주 상부와 하부에 각각 발광부와 수광부가 위치하도록 된 감지센서(122)를 포함한다. 그리고 가변 커패시터(140)에는 Z-스캔 센서(미도시)가 함께 구비될 수 있다.
이와 같이 구성된 가변 커패시터 제어장치(100)는 대면적 기판 처리를 위하여 안테나(200)를 배치하는 경우 수십개의 가변 커패시터 제어장치(100)가 사용될 수 있다.
이하에서는 전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합형 플라즈마 처리장치의 제어방법에 대하여 설명한다.
챔버(10) 내부로 기판이 반입되어 정전척(13) 상에 안착된다. 그리고 챔버(10) 내부로 공정 가스가 공급되고, 또한 배기 장치에 의하여 챔버(10) 내부는 설정된 압력으로 유지된다. 이후 고주파 전원이 온되어 플라즈마 생성용 고주파가 소정의 RF 파워로 출력되고, 이 RF 파워는 안테나(20)에 급전된다. 이에 따라 안테나(20)에서의 자력선이 유전체 창(15)을 관통하여 챔버(10) 내부의 처리 공간을 횡단하여 유도 전계를 발생시킨다.
이 유도 전계에 의하여 공정 가스는 분자 또는 원자로 해리되며 충돌을 일으켜 플라즈마를 생성한다. 이 플라즈마는 라디칼 또는 이온으로 공정 공간 내부에서 넓은 처리 공간으로 확산된다. 이때 라디칼은 등방적으로 기판에 입사되고, 이온은 직류 바이어스에 의하여 기판으로 진행하여 기판에 대한 에칭과 같은 처리를 수행한다.
한편, 이와 같은 플라즈마 처리 공정의 효과적인 처리를 위하여 플라즈마 밀도를 균일하게 형성하여야 한다. 플라즈마 밀도가 균일하게 형성되도록 하기 위해서는 각각의 소스 코일(20)들에 대한 임피던스 조절이 필요하다. 따라서 소스 코일(20)들에 대한 임피던스 조절은 제 1버스 코일(210)과 제 2버스 코일(220)에 설치된 가변 커패시터 제어장치(100)를 이용하여 수행된다.
예를 들어 총 9개의 영역(A1 ~ A9)에 소스 코일(20)들이 분할되어 설치된 경우 모든 영역에 설치된 소스 코일(20)에 동일한 고주파 전류가 흐르도록 한다고 플라즈마 밀도 또는 기판 처리 균일성이 확보되지는 않는다.
즉, 공정 환경에 따라 9개 영역(A1 ~ A9)에 설치된 소스 코일(20)마다 고유한 임피던스 조절이 필요할 수 있다. 이에 따라 각각의 영역(A1 ~ A9)에 적합한 임피던스가 확보되도록 각각의 소스 코일(20)에 대한 임피던스 조절을 가변 커패시터 제어장치(100)를 이용하여 수행한다.
한편, 본 발명의 실시예에서 가변 커패시터(140)의 조작 동작은 스탭 모터(110)에 의하여 수행된다. 그러나 예상할 수 없는 이유로 스탭 모터(110)에서 탈조(step out)가 발생하는 경우가 있다. 스탭 모터(110)에서 탈조가 발생하게 되면 가변 커패시터(140) 동작을 위하여 스탭 모터(110)에 소정의 입력값이 주어지더라도 실제 스탭 모터(110)는 그 입력값으로 동작을 하지 않게 된다. 이러한 상태가 되면 임피던스 제어가 이루어지지 않는 상태가 되기 때문에 원하는 플라즈마 균일도 조절이 이루어지지 않게 되어 효과적인 기판 처리가 이루어지지 못하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 스탭 모터(110) 동작을 위하여 입력되는 값을 펄스값으로 표시하고, 모터(110)의 실제 동작을 외부 엔코더(120)가 감지하여 모터(110)의 실제 출력값을 펄스값으로 표시한다. 그리고 스탭 모터(110) 동작을 위하여 입력된 펄스값과 외부 엔코더(120)에서 감지하여 출력한 출력값을 비교하여 이 두 값이 균등하다고 표시되지 않으면 탈조가 발생하였다고 판단할 수 있게 된다. 그리고 탈조가 발생하면 해당 가변 커패시터 제어장치(100)를 초기화 하여 다시 동작시킬 수 있다.
한편, 임피던스 제어는 제 1버스 코일(210) 측에서의 1차 제어와 각각의 제 2버스 코일(220) 측에서의 전압 강하에 의한 임피던스 조절 범위가 보다 세부적으로 분할된다. 그리고 각각의 제 2버스 코일(220) 측에서 임피던스를 제어하게 되면 직접적으로 각각의 소스 코일(230)에서의 임피던스 제어가 이루어지게 된다. 즉 고주파 전원(30)에서 소스 코일(230)의 접지단부까지의 전위차를 최소화시킴에 따라 플라즈마 균일도를 조절하는 것이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
200...안테나
210...제 1버스 코일
220...제 2버스 코일
230...소스 코일

Claims (5)

  1. 챔버;
    상기 챔버 상부의 유전체 창과 상기 유전체 창 상측에 구비되는 안테나;
    상기 안테나를 지지하도록 설치되며 접지 처리된 안테나 지지 프레임을 구비하고,
    상기 안테나는
    전원으로부터 연장된 메인부와 상기 메인 부에서 복수개로 분기된 제 1버스 코일과,
    상기 제 1버스 코일의 끝단에서 적어도 하나 이상으로 분기된 제 2버스 코일과,
    상기 제 2버스 코일에서 복수개로 분기되어 각각의 끝단이 상기 지지 프레임에 접지 처리된 소스 코일;및
    상기 제 2버스 코일의 선로에 각각에 설치되는 제 2버스 코일측 가변 커페시터 제어장치를 포함하되,
    상기 제 2버스 코일측 가변 커페시터 제어장치는 제 2버스 코일측에서의 인덕턴스 값이 균일하도록 상기 제 2버스 코일의 중앙에 배치되는 유도 결합형 플라즈마 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 지지 프레임 상부에 위치하는 상기 소스 코일들은 인접한 상기 소스 코일들에 대하여 전류의 방향이 반대 방향이 되도록 설치된 유도 결합형 플라즈마 처리장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1버스 코일들 각각에는 제 1버스 코일측 가변 커패시터 제어장치가 설치된 유도 결합형 플라즈마 처리장치.

  4. 제 3항에 있어서, 상기 제 1버스 코일측 가변 커패시터 제어장치는 각각의 상기 제 1버스 코일측에서의 인덕턴스 값이 균일하도록 상기 제 1버스 코일의 중앙에 배치되는 유도 결합형 플라즈마 처리장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 가변 커패시터 제어장치는 상기 안테나에 연결되는 가변 커패시터와 상기 가변 커패시터를 자동으로 회전시키는 모터와 상기 모터의 회전을 감지하는 외부 엔코더를 포함하는 유도 결합형 플라즈마 처리장치.



KR1020120156692A 2012-12-28 2012-12-28 유도 결합 플라즈마 처리 장치 KR101468656B1 (ko)

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