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KR101986744B1 - 플라즈마 처리 장치 및 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 방법 Download PDF

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KR101986744B1
KR101986744B1 KR1020170124725A KR20170124725A KR101986744B1 KR 101986744 B1 KR101986744 B1 KR 101986744B1 KR 1020170124725 A KR1020170124725 A KR 1020170124725A KR 20170124725 A KR20170124725 A KR 20170124725A KR 101986744 B1 KR101986744 B1 KR 101986744B1
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Abstract

본 발명의 유도 결합형 플라즈마(ICP) 안테나는, ICP 처리 장치에 사용되는 ICP 안테나로서, 일단이 임피던스 매칭 회로를 게재하여 RF 전원에 연결되고 타단이 접지되는 제1 인덕터; 및 상기 제1 인덕터와 공통 유도 자기장을 형성하며, 일단이 상기 제1 인덕터의 타단에 연결되고 타단이 개방되는 제2 인덕터를 포함하며, 상기 임피던스 매칭 회로는 상기 제1 인덕터에 대한 임피던스 매칭 회로이며, 상기 제2 인덕터의 길이는 가변이다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 플라즈마 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 구조가 간단하면서도 효율이 높은 ICP 안테나를 이용한 플라즈마 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 공정에 사용되는 기판 처리 장치는 반도체 회로의 초미세화, 반도체 회로를 제조하기 위한 기판의 대형화 및 액정 디스플레이의 대면적화에 따라 전체 처리 면적은 대형화됨에 반해 내부 회로는 더욱 소형화되는 추세에 있다. 따라서 한정된 영역에 보다 많은 소자의 집적이 필요하게 되었을 뿐 아니라 대형화된 전체 면적에 형성되는 소자의 균일성을 개선시키도록 연구 및 개발이 진행되고 있다.
기판 처리 장치로 이용되고 있는 플라즈마 처리 장치는 챔버 내의 반응 가스를 활성화시켜 플라즈마를 형성한 후 형성된 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 건식 처리 장치로, 전극 형태에 따라 용량 결합형 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma; CCP)와 유도 결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma; ICP) 방식으로 구분된다.
CCP 방식은 일반적으로 평행한 한 쌍의 플레이트형 전극에 고주파를 인가함으로써 전극 사이의 공간에 형성되는 전기장에 의해 플라즈마를 발생시키는 것으로, 정확한 용량 결합 조절과 이온 조절 능력이 높아서 ICP 방식에 비하여 공정 생산성이 높다는 장점을 갖는다. 반면, 무선 주파수 전원의 에너지가 거의 배타적으로 용량 결합을 통하여 플라즈마에 전달되기 때문에 플라즈마 이온 밀도는 용량 결합된 무선 주파수 전력의 증가 또는 감소에 의해서만 조절될 수 있다. 그러므로 고밀도 플라즈마를 생성하기 위해서는 높은 무선 주파수 전력이 필요하게 된다. 그러나 무선 주파수 전력을 증가시키는 것은 이온 충격 에너지를 증가시킨다. 따라서 이온 충격에 의한 손상을 방지하기 위해서는 공급되는 무선 주파수 전력을 증가시키는데 한계를 갖게 된다.
이에 반해, ICP 방식은 일반적으로 나선형의 안테나에 고주파를 인가하고 안테나에 유입되는 고주파 전류에 의한 자기장의 변화에 따라 유도되는 전기장으로 챔버 내부의 전자를 가속시켜 플라즈마를 발생시키는 것으로, 무선 주파수 전력의 증가에 따라 이온 밀도를 쉽게 증가시킬 수 있는 반면 이에 따른 이온 충격은 상대적으로 낮아 고밀도 플라즈마를 발생시키기에 적합한 것으로 알려져 있다. 또한 ICP 방식은 CCP 방식에 비하여 실질적으로 더 넓은 방전 조건, 즉 가스 압력 및 전력에서 동작한다는 이점이 있다. 따라서 플라즈마를 이용하는 기판 처리 장치에 있어서 고밀도 플라즈마를 발생시키기 위하여 ICP 방식을 사용하는 것이 일반적인 추세이다.
도 1은 종래 유도 결합형 플라즈마 처리 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이이다. 도 1을 참조하면, 종래 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(100)는 소스 가스로부터 플라즈마를 발생시키기 위하여 유도 전기장이 형성되는 유도 챔버(110), 내부에 플라즈마(P)에 의해 처리되는 피처리 기판(W)이 배치되는 처리 챔버(120), 유도 챔버(110) 내부에 기판의 처리를 위한 소스 가스를 도입하는 가스 도입부(130) 및 기판 처리 후 잔여 가스 및 미반응 가스가 배출되는 가스 배출구(미도시), 챔버(110) 내에 배치되며 상기 피처리 기판이 배치되는 서셉터(140), 유도 챔버(110)의 상부 또는 측면에 위치하며 챔버 내부에 플라즈마(P)를 발생시키기 위한 전자기장을 형성하는 안테나(150), 상기 안테나에 소스 전원을 인가하는 고주파 발진기(RF generator, 160) 및 안테나(150)를 외부로부터 차단하는 외부 챔버(170)를 포함한다.
이 기술분야에서 공지된 바와 같이 플라즈마를 발생시키기 위한 안테나(150)에는 수 kW에 이르는 고전력이 인가되고 따라서 안테나는 수십 A 범위 RF 전류를 반송한다. 옴의 법칙에 따라 이러한 전류는 안테나를 따라 수 kV의 전압차를 발생시켜 안테나가 유도 결합을 하는 인덕터 외에 용량성 전극으로의 역할을 하게 한다. 필연적으로, 이러한 고전압 안테나에 의해 기생 용량성 전류가 발생되거나 방전 플라즈마로 전달되어 플라즈마 전위의 RF 변동을 야기한다. 플라즈마 전위의 RF 변동은 처리 대상인 기판에 전기적 손상 및 처리 챔버 내에 기생 RF 용량성 플라즈마를 야기할 뿐 아니라 RF 시스(RF sheaths)를 발생시키기 때문에 플라즈마 처리에 있어서 바람직하지 않다. 또한 안테나로부터의 기생 용량성 전류는 플라즈마 처리의 불균일성, 처리 챔버 및 처리 대상 기판의 손상 및 RF 전력 손실 증가의 주요 원인이 된다.
특허 제10-0663874호(종래기술)는 유도 결합 구조에 의해 플라즈마를 발생시키는 ICP 장치에 있어서 유도 결합 구조에 의해 플라즈마 기체 방전에 결합된 위상 및 역위상의 용량성 전류가 파형 조정 회로에 의해 실질적으로 평형을 이루도록 하는 플라즈마 처리 방법을 개시한다. 도 2는 종래기술에 따른 파형 조정 회로를 사용하는 플라즈마 소스를 구비한 플라즈마 처리 장치를 도시한다. 종래 기술에 따른 플라즈마 처리 장치(50)는 유도 챔버(52), 안테나(55), 외부 챔버(54), 상위 파형 조정 회로(57), 하위 파형 조정 회로(59), 고주파 발진기(61) 및 파형 조정 회로의 실드(66, 68)를 포함한다. 이는 안테나에 위상 및 역위상의 RF 전압(70 및 71)을 인가함으로써 푸쉬-풀(push-pull) 전압을 발생시킬 수 있는 샐프-밸런스드 안테나이다. 이러한 RF 푸쉬-풀 구조에 의하면, 위상 및 역위상의 용량성 전류는 플라즈마 내에서 서로 상쇄되어 용량성 문제를 감소시키거나 제거할 수 있다.
그러나, 도 2에 도시된 바와 같이 푸쉬-풀 전압을 발생시키기 위한 파형 조정 회로(67, 69)는 외부 챔버(54)로 둘러싸인 플라즈마 소스 영역(53) 밖에 위치되며, 별도의 실드를 요구하고 있어 장치를 복잡하게 하며 장비의 제조 단가를 상승시키는 문제가 있다. 또한 파형 조정 회로와 안테나가 직렬로 연결되어 있어 푸쉬-풀 전압을 구성하기 위하여 상대적으로 높은, 실질적으로 플라즈마에 결합되는 RF 전력의 수배에 해당하는 높은 전력의 RF 전원이 필요하다는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 구조가 간단하면서도 높은 플라즈마 밀도를 가질 수 있도록 효율이 향상된 ICP 안테나와 이를 이용한 플라즈마 처리 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 플라즈마 처리 장치의 목적에 따라 플라즈마 소스의 효율을 조절할 수 있는 ICP 안테나와 이를 이용한 플라즈마 처리 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 구조가 간단하면서도 안정된 플라즈마 전위를 가지는 ICP 안테나 및 이를 이용한 플라즈마 처리 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 ICP 안테나는 유도 결합형 플라즈마(ICP) 처리 장치에 사용되는 ICP 안테나로서, 일단이 임피던스 매칭 회로를 게재하여 RF 전원에 연결되고 타단이 접지되는 제1 인덕터; 및 상기 제1 인덕터와 공통 유도 자기장을 형성하며, 일단이 상기 제1 인덕터의 타단에 연결되고 타단이 개방되는 제2 인덕터를 포함하며, 상기 임피던스 매칭 회로는 상기 제1 인덕터에 대한 임피던스 매칭 회로이며, 상기 제2 인덕터의 길이는 가변이다.
일 실시예에서, 상기 제1 인덕터의 길이와 상기 제2 인덕터의 길이는 다른 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 인덕터의 길이가 상기 제2 인덕터보다 긴 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 인덕터의 길이가 상기 제2 인덕터보다 짧은 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 일단이 상기 제1 인덕터의 타단에 연결되고 타단이 개방된 커패시터를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 인덕터 및 제2 인덕터는 직렬로 연결된 실린더형 안테나 코일일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 인덕터 및 제2 인덕터는 직렬로 연결된 평판형 안테나 코일일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 인덕터 및 제2 인덕터는 직렬로 연결된 돔형 안테나 코일일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는, 내부에 플라즈마를 발생시키기 위하여 소스 가스가 도입되는 유도 챔버; 상기 유도 챔버에서 발생한 플라즈마에 의해 처리되는 피처리 기판이 배치되는 처리 챔버; 상기 유도 챔버 외부에 위치하며, 상기 유도 챔버 내부로 도입되는 소스 가스로부터 플라즈마를 발생시키기 위하여 유도 자기장을 형성하는 ICP 안테나; 상기 ICP 안테나에 RF 전력을 인가하는 고주파 발진기; 및 상기 ICP 안테나와 상기 고주파 발진기 사이에 연결된 임피던스 매칭 회로를 포함하며, 상기 ICP 안테나는, 일단이 상기 임피던스 매칭 회로를 게재하여 상기 고주파 발진기에에 연결되고 타단이 접지되는 제1 인덕터; 및 상기 제1 인덕터와 공통 유도 자기장을 형성하며, 일단이 상기 제1 인덕터의 타단에 연결되고 타단이 개방되는 제2 인덕터를 포함하며, 상기 임피던스 매칭 회로는 상기 제1 인덕터에 대한 임피던스 매칭 회로이며, 상기 제2 인덕터의 길이는 가변이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 방법은, 내부에 플라즈마를 발생시키기 위하여 소스 가스가 도입되는 유도 챔버; 상기 유도 챔버에서 발생한 플라즈마에 의해 처리되는 피처리 기판이 배치되는 처리 챔버; 상기 유도 챔버 외부에 위치하며, 상기 유도 챔버 내부로 도입되는 소스 가스로부터 플라즈마를 발생시키기 위하여 유도 자기장을 형성하는 ICP 안테나; 상기 ICP 안테나에 RF 전력을 인가하는 고주파 발진기; 및 상기 ICP 안테나와 상기 고주파 발진기 사이에 연결된 임피던스 매칭 회로를 포함하며, 상기 ICP 안테나는 일단이 상기 임피던스 매칭 회로를 게재하여 상기 고주파 발진기에에 연결되고 타단이 접지되는 제1 인덕터; 및 상기 제1 인덕터와 공통 유도 자기장을 형성하며, 일단이 상기 제1 인덕터의 타단에 연결되고 타단이 개방되는 제2 인덕터를 포함하는 플라즈마 처리 장치에서 플라즈마를 처리하는 방법에 있어서, 상기 임피던스 매칭 회로에 의해 상기 제1 인덕터에 대한 임피던스 매칭을 수행하는 단계; 처리하고자 하는 공정 조건에 따라 상기 제2 인덕터의 길이를 설정하는 단계; 및 상기 설정된 제2 인덕터의 길이에 따라 기판을 처리하는 단계를 포함하되, 상기 기판을 처리하는 단계 후에 상기 기판의 처리 상태에 따라 제2 인덕터의 길이를 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 구조가 간단하면서도 높은 플라즈마 밀도를 가질 수 있도록 효율이 향상된 ICP 안테나와 이를 이용한 플라즈마 처리 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 효과는 플라즈마 처리 장치의 목적에 따라 플라즈마 소스의 효율을 조절할 수 있는 ICP 안테나와 이를 이용한 플라즈마 처리 장치 및 방법을 제공할 수 있는 것이다.
본 발명의 또 다른 효과는 구조가 간단하면서도 안정된 플라즈마 전위를 가지는 ICP 안테나 및 이를 이용한 플라즈마 처리 장치 및 방법을 제공할 수 있는 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 일반적인 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 종래기술에 따른 파형 조정 회로를 사용하는 플라즈마 소스를 구비한 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 유도 챔버 및 ICP 안테나를 나타내는 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 임피던스 매칭 회로를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 임피던스 매칭 회로를 나타낸다.
도 7는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 유도 챔버 및 ICP 안테나를 나타내는 부분 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 유도 챔버 및 ICP 안테나를 나타내는 부분 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 3 내지 도 8을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
이하에서는 도 3 및 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 ICP 안테나 및 이를 이용한 플라즈마 처리 장치의 구체적인 구성 및 동작을 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이며, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 유도 챔버 및 ICP 안테나를 나타내는 부분 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(300)는 소스 가스로부터 플라즈마를 발생시키기 위하여 유도 전자기장이 형성되는 유도 챔버(310), 내부에 플라즈마(P)에 의해 처리되는 피처리 기판(W)이 배치되는 처리 챔버(320), 유도 챔버(310) 내부에 기판의 처리를 위한 소스 가스를 도입하는 가스 도입부(330) 및 기판 처리 후 잔여 가스 및 미반응 가스가 배출되는 가스 배출구(미도시), 처리 챔버(320) 내에 배치되며 상기 피처리 기판이 배치되는 서셉터(340), 유도 챔버(310)의 상부 또는 측면에 위치하며 챔버 내부에 플라즈마(P)를 발생시키기 위한 전자기장을 형성하는 ICP 안테나(350), 상기 안테나에 소스 전원을 인가하는 고주파 발진기(RF generator, 360), 상기 고주파 발진기(360)에 연결되는 연결 케이블의 특성 임피던스를 로드 임피던스에 맞추기 위한 임피던스 매칭 회로(365) 및 ICP 안테나(350)를 외부로부터 보호 및 차단하는 외부 챔버(370)를 포함한다.
도 3에 도시된 실시예에서, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 원통형의 유도 챔버(310)를 구비하는 것으로 도시하고 있으나 이에 한정되지 않으며, 유도 챔버(310)는 플랫 천정, 각뿔대, 직사각형 등을 포함하는 임의의 적절한 형상이나 외형으로 형성될 수 있다. 또한, 이 실시예에서 본 발명의 ICP 안테나(350)는 유도 챔버(310) 형상에 대응하여, 유도 챔버(310)를 근접하게 감싸는 원통형 스파이럴 코일로 구성되는 것으로 도시하고 있으나 이에 한정되지 않으며, 플랫 천정의 유도 챔버의 경우 플랫 천정 상에 배치된 평한형 안테나, 돔형 유도 챔버의 경우 유도 챔버를 감싸는 돔형 안테나 등 임의의 적절한 형태의 인덕터가 사용될 수 있다.
도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 ICP 안테나(350)는 일단이 임피던스 매칭 회로(365)를 게재하여 고주파 발진기(360)에 연결되고 타단이 접지되는 제1 인덕터(350a) 및 일단이 제1 인덕터(350a)의 타단에 연결되고 타단이 개방되는 제2 인덕터(350b)를 포함한다. 고주파 발진기(360), 임피던스 매칭 회로(365) 및 제1 인덕터(350a)는 폐회로를 형성하며, 임피던스 매칭 회로(365)는 이러한 폐회로에 있어서 고주파 발진기(360)에 연결되는 연결 케이블의 특성 임피던스를 제1 인덕터(350a)의 특성 임피던스와 매칭되도록 한다. 즉, 본 발명의 임피던스 매칭 회로(365)는 제1 인덕터(350a)에 대한 임피던스 매칭을 수행하는 회로이다.
고주파 발진기(360)로부터 RF 전력이 제1 인덕터(350a)에 인가되면 제1 인덕턱(350a)에 흐르는 전류에 의해 형성되는 전기장이 변화하고 전기장의 변화에 따라 유도 챔버(310) 내부에 유도 자기장이 발생한다. 유도 자기장는 유도 챔버(310) 내에 원형 전기장을 생성하여 전자를 가속시키며 이러한 전자의 가속에 의하여 처리 가스가 이온화되어 플라즈마 방전이 유지된다. 제2 인덕터(350b)는 제1 인덕터(350a)와의 공통 유도 자기장을 가지며, 따라서 공통 유도 자기장에 의하여 생성된 원형 전기장에 의해 제2 인덕터(350b)에 제1 인덕터(350a)에 인가되는 전압과 반대 부호의 유도 전압이 형성된다. 즉, 제1 인덕터(350a)는 유도 전류를 반송하여 유도 챔버 내부에 플라즈마 방전을 유도하는 유도 자기장을 발생시키는 반면, 이러한 유도 자기장는 제1 인덕터(350a)와 공통 유도 자기장을 형성하는 제2 인덕터(350b)에 유도 전압을 형성하여 제1 인덕터(350a)의 용량성 전류에 대한 보상기로서 기능하게 된다.
이를 전력 효율의 관점에서 살펴보면, 종래 고주파 발진기(160)로부터 안테나(150)에 인가되는 전력(PRF)은 이하의 수학식 1과 같이 유도 챔버 내부의 플라즈마에 결합되는 전력(Pplasma)과 플라즈마에 결합되지 못하고 발열 등에 의하여 손실되는 전력(Ploss)으로 나뉘며, 고주파 발진기(160)로부터 플라즈마에 결합되는 전력의 전력 분배 효율은 Pplasma/PRF로 표현될 수 있다.
Figure 112017094278686-pat00001
반면, 본 발명의 플라즈마 처리 장치(300)에 있어서 고주파 발진기(360)로부터 제1 인덕터(350a)에 인가되는 전력(PRF)은 상술한 수학식 1과 같이 유도 챔버 내부의 플라즈마에 결합되는 전력(Pplasma)과 플라즈마에 결합되지 못하는 전력(Ploss)으로 나뉘나, 이하의 수학식 2와 같이 제1 인덕터(350a)에 의해 플라즈마에 결합되지 못하는 전력(Ploss) 모두가 발열 등에 의해 손실되지 않고 제2 인덕터(350b)에 의해 플라즈마에 결합되는 전력(Pplasma')과 손실되는 전력(Ploss')으로 구별된다.
Figure 112017094278686-pat00002
결과적으로, 고주파 발진기(360)로부터 ICP 안테나(350)에 인가되는 전력은 이하의 수학식 3과 같이 표현될 수 있으며, 최종 전력 분배 효율은 (Pplasma+Pplasma')/PRF로 개선될 수 있다.
Figure 112017094278686-pat00003
본 발명은 이와 같이 제1 인덕터(350a)에 의해 발생한 플라즈마를 통하여 제2 인덕터(350b)에 의해 새로운 유도 방식의 플라즈마를 형성할 수 있으며, 따라서 제1 인덕터(350a) 영역에서만 발생하던 플라즈마를 제2 인덕터(350b)에 의한 플라즈마와 동시에 사용함으로써 플라즈마 발생 영역을 증가시켜, 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 반면, 접지점을 기준으로 제1 인덕터(350a)에 인가되는 전압과 제2 인덕터(350b)에 인가되는 전압이 반대 부호로 형성되기 때문에 용량성 전류에 의한 기생 커패시턴스의 영향을 감소 또는 상쇄시킬 수 있다. 또한, 고주파 발진기(360)로부터 인가되는 전력을 증가시키지 않고 플라즈마 밀도를 향상시키고 있기 때문에 플라즈마 전위나 전자 온도가 증가하지 않아 높은 전자 온도나 플라즈마 전위에서 오는 문제가 발생하지 않는다.
또한, 상술한 바와 같이 본원발명은 임피던스 매칭 회로(365)를 이용하여 제1 인덕터(350a)에 대한 특성 임피던스를 매칭한다. 임피던스 매칭 회로(365)의 일 예를 도 5를 참조하여 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 회로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 회로는 고주파 발진기(360)에 연결되는 RF 입력단 및 ICP 안테나(350)에 연결되는 RF 출력단을 구비하는 파이-타입(Pi-Type) 매칭 네트워크를 사용한다. 매칭 네트워크는 RF 입력단과 접지 사이에 연결된 인덕터(L1) 및 RF 입력단과 출력단 사이에 배치된 인덕터(L2)를 포함하며, 일단이 RF 입력단과 L2 사이에 연결되고 타단이 L1에 연결된 가변 커패시터(C1) 및 일단이 RF 출력단과 L2 사이에 연결되고 타단이 접지된 가변 커패시터(C2)를 포함한다. 가변 커패시터들(C1 및 C2)의 값은 스미스 차트를 이용하여 결정될 수 있으며, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 사항이므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 임피던스 매칭 회로를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 5와 마찬가지로 파이-타입 매칭 네트워크를 사용하고 있으며, C2에 직렬로 고정형 커패시터(C4)를 포함하고 있는 점을 제외하면 도 5와 동일하다. 도 6에 있어서 가변 커패시터(C1 및 C2)의 값은 스미스 차트를 이용하여 결정될 수 있으며, 상술한 바와 동일한 이유로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이, 본원발명은 제2 인덕터(350b)의 존재 여부 및 인덕턴스의 크기에 관계없이 제1 인덕터(350a)의 전력 전송을 최대화하여 전력 손실을 최소화할 수 있으며, 따라서 플라즈마 처리 장치의 목적 및 용도에 따라 제2 인덕터(350a)의 크기를 자유롭게 조정할 수 있다. 또한, 본 명세서에서는 임피던스 매칭 회로의 예로 파이-타입의 매칭 네트워크를 예로 들어 설명하고 있으나 이에 한정되지 않으며, 본 명세서에서 제시된 매칭 네트워크 외에도 고주파 발진기와 ICP 안테나 사이에 삽입되어 플라즈마를 안정되게 발생시킬 수 있는 임의의 적절한 매칭 방법들이 사용될 수 있다.
도 7는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 유도 챔버 및 ICP 안테나를 나타내는 부분 단면도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는 제1 인덕터(350a)와 제2 인덕터(350b)의 길이를 조절할 수 있다는 점을 제외하면 제1 실시예와 동일하므로, 도 4와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치에 있어서, ICP 안테나(350)는 원주 방향으로 플라즈마 및도의 균일성을 위하여 짝수로 권선된 코일(6회 권선 코일)을 사용하였으며, 6회 권선된 코일에서 2회, 3회 및 4회 권선이 끝나는 지점(351, 353 및 355)에 탭(tap)을 내어 각 탭을 스위치(351a, 353a, 355a)를 이용하여 접지단에 연결하였다. 또한, 각 스위치(351a, 353a, 355a)에는 제어 신호를 인가하는 것에 의하여 각 스위치(351a, 353a, 355a)의 개폐를 조정할 수 있는 제어기(380)를 연결하였으며, 따라서 안테나(350) 외부에서 제1 인덕터(350a)와 제2 인덕터(350b)의 길이를 조절할 수 있다.
이와 같이 본원발명은 기존 헬리컬 안테나(제1 인덕터)의 일 단에 새로운 인덕터(제2 인덕터)를 연결하고 제2 인덕터의 타단을 개방시킴으로써, 기존 안테나 영역에서만 발생하던 플라즈마를 제2 인덕터의 유도 플라즈마와 동시에 사용하여 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있을 뿐 아니라, 플라즈마 내 라디칼의 생성 및 반응 시간을 증가시키는 것에 의하여 라디칼 결합을 사용하는 프로세스를 보다 효율적으로 진행할 수 있게 한다. 또한, 제1 인덕터에 매칭 회로를 연결함으로써 제1 인덕터로부터 플라즈마에 결합되는 전력을 안정시킬 수 있으며, 제2 인덕터의 길이를 자유롭게 조정할 수 있기 때문에, 플라즈마 처리 장치의 목적 및 용도에 따라 플라즈마 밀도 및 플라즈마 전위, 즉 전자 온도를 좀 더 자유롭게 조정할 수 있다.
도 7에 도시된 실시예에서는 하나의 코일에 다수의 탭을 내어 제1 인덕터와 제2 인덕터의 길이를 조절하는 것으로 개시하고 있으나 이에 한정되지 않으며, 제1 인덕터(350a)의 길이를 고정하여 임피던스 매칭을 실시하고 제1 인덕터(350a)의 접지 단에 서로 다른 길이의 제2 인덕터(350b)를 연결하는 것에 의하여 제2 인덕터(350b)의 길이를 조절할 수도 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 플라즈마 처리 장치를 이용하여 플라즈마 처리를 수행하는 플라즈마 처리 방법은 임피던스 매칭 회로(365)에 의해 제1 인덕터(350a)에 대한 임피던스 매칭을 수행하고, 처리하고자 하는 공정 조건에 따라 제2 인덕터(350b)의 길이를 설정한 후, 설정된 제2 인덕터(350b)의 길이에 따라 기판을 처리할 수 있다. 또한 이와 같이 기판을 처리한 후 기판의 처리 상태, 즉 기판의 에칭률이나 에칭 균일도 등에 따라 제2 인덕터(350b)의 길이를 조절한 후 다시 기판을 처리함으로써 원하는 처리 공정을 달성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 유도 챔버 및 ICP 안테나를 나타내는 부분 단면도이다. 도 8에 도시된 실시예는 제2 인덕터(350b)의 개방 단자에 커패시터가 직렬로 결합된 점을 제외하면 도 4에 도시된 제1 실시예와 동일하므로, 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는 제2 인덕터(350b)의 타단인 개방단에 커패시터가 설치된다. 이와 같이 제2 인덕터(350b)의 개방단에 커패시터를 설치하는 것에 의하여 도 4에 도시된 실시예에 비하여 안정적인 공진이 가능해 진다.
110, 310: 유도 챔버
120, 320: 처리 챔버
130, 330: 가스 도입부
140, 340: 서셉터
150, 350: ICP 안테나
160, 360: 고주파 발진기
365: 임피던스 매칭 회로
170, 370: 외부 챔버
380: 제어기
390: 커패시터

Claims (10)

  1. 내부에 플라즈마를 발생시키기 위하여 소스 가스가 도입되는 유도 챔버;
    상기 유도 챔버에서 발생한 상기 플라즈마에 의해 처리되는 피처리 기판이 배치되는 처리 챔버;
    상기 유도 챔버 외부에 위치하며, 상기 유도 챔버 내부로 도입되는 상기 소스 가스로부터 플라즈마를 상기 발생시키기 위하여 유도 자기장을 형성하는 ICP 안테나;
    상기 ICP 안테나에 RF 전력을 인가하는 고주파 발진기; 및
    상기 ICP 안테나와 상기 고주파 발진기 사이에 연결된 임피던스 매칭 회로를 포함하며,
    상기 ICP 안테나는,
    일단이 상기 임피던스 매칭 회로를 게재하여 상기 고주파 발진기에 연결되고 타단이 접지되는 제1 인덕터; 및
    상기 제1 인덕터와 공통 유도 자기장을 형성하며, 일단이 상기 제1 인덕터의 타단에 연결되고 타단이 개방되어, 상기 제1 인덕터에 인가되는 전압과 반대 부호의 유도 저압이 형성되는 제2 인덕터를 포함하며,
    상기 고주파 발진기부터 상기 제1 인덕터의 타단까지 폐회로를 형성하고 상기 임피던스 매칭회로는 상기 폐회로를 기준으로 상기 제1 인덕터에 대한 임피던스 매칭을 수행하며,
    상기 제2 인덕터의 길이는 가변인, 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인덕터의 길이와 상기 제2 인덕터의 길이가 다른, 플라즈마 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 인덕터의 길이가 상기 제2 인덕터보다 긴, 플라즈마 처리 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 인덕터의 길이가 상기 제2 인덕터보다 짧은, 플라즈마 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    일단이 상기 제2 인덕터의 타단에 연결되고 타단이 개방된 커패시터를 더 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인덕터 및 제2 인덕터는 직렬로 연결된 실린더형 안테나 코일인, 플라즈마 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인덕터 및 제2 인덕터는 직렬로 연결된 평판형 안테나 코일인, 플라즈마 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인덕터 및 제2 인덕터는 직렬로 연결된 돔형 안테나 코일인, 플라즈마 처리 장치.
  9. 내부에 플라즈마를 발생시키기 위하여 소스 가스가 도입되는 유도 챔버; 상기 유도 챔버에서 발생한 상기 플라즈마에 의해 처리되는 피처리 기판이 배치되는 처리 챔버; 상기 유도 챔버 외부에 위치하며, 상기 유도 챔버 내부로 도입되는 상기 소스 가스로부터 상기 플라즈마를 발생시키기 위하여 유도 자기장을 형성하는 ICP 안테나; 상기 ICP 안테나에 RF 전력을 인가하는 고주파 발진기; 및 상기 ICP 안테나와 상기 고주파 발진기 사이에 연결된 임피던스 매칭 회로를 포함하는 플라즈마 처리장치에서, 상기 플라즈마로 상기 피처리 기판을 처리하는 방법에 있어서,
    상기 ICP 안테나는 일단이 상기 임피던스 매칭 회로를 게재하여 상기 고주파 발진기에에 연결되고 타단이 접지되는 제1 인덕터; 및 상기 제1 인덕터와 공통 유도 자기장을 형성하며, 일단이 상기 제1 인덕터의 타단에 연결되고 타단이 개방되어, 상기 제1 인덕터에 인가되는 전압과 반대 부호의 유도 저압이 형성되는 제2 인덕터를 포함하며,
    상기 처리 방법은,
    상기 고주파 발진기부터 상기 제1 인덕터의 타단까지 형성된 폐회로를 기준으로, 상기 임피던스 매칭회로는 상기 제1 인덕터에 대한 임피던스 매칭을 수행하는 단계;
    처리하고자 하는 공정 조건에 따라 상기 제2 인덕터의 길이를 설정하는 단계;
    상기 설정된 제2 인덕터의 길이를 기준으로 상기 피처리 기판을 처리하는 단계를 포함하되,
    상기 기판을 처리하는 단계 후에 상기 기판의 처리 상태에 따라 제2 인덕터의 길이를 조절하는 단계를 포함하는, 플라즈마 처리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 인덕터의 길이와 상기 제2 인덕터의 길이가 다른, 플라즈마 처리 방법.
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