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KR20140087215A - 플라즈마 장치 및 기판 처리 장치 - Google Patents

플라즈마 장치 및 기판 처리 장치 Download PDF

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KR20140087215A
KR20140087215A KR1020120156371A KR20120156371A KR20140087215A KR 20140087215 A KR20140087215 A KR 20140087215A KR 1020120156371 A KR1020120156371 A KR 1020120156371A KR 20120156371 A KR20120156371 A KR 20120156371A KR 20140087215 A KR20140087215 A KR 20140087215A
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KR
South Korea
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peripheral
magnets
chamber
center
plasma
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Application number
KR1020120156371A
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English (en)
Inventor
엄승환
이기수
Original Assignee
주식회사 윈텔
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Publication date
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Priority to CN201380068456.5A priority patent/CN104885575A/zh
Priority to PCT/KR2013/011372 priority patent/WO2014104615A1/ko
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Priority to US14/747,657 priority patent/US20150371823A1/en
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Abstract

본 발명은 플라즈마 발생 장치를 제공한다. 이 플라즈마 발생 장치는 챔버의 상부면의 중심에서 일정한 반경을 가진 원주 상에 균일한 간격으로 배치된 주변 유전체 튜브들, 주변 유전체 튜브들 감싸도록 배치된 주변 안테나들, 주변 유전체 튜브들로부터 수직으로 이격되어 동일한 제1 평면에 배치된 상부 자석들, 및 상부 자석들과 주변 유전체 튜브들 사이에 동일한 제2 평면에 각각 배치된 하부 자석들을 포함한다. 상부 자석과 하부 자석의 중심축은 서로 일치하고, 주변 유전체 튜브 내부에 플라즈마가 형성된다.

Description

플라즈마 장치 및 기판 처리 장치{PLASMA GENERATION APPARATUS AND SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 복수의 안테나를 사용하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
헬리콘 플라즈마는 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다. 그러나, 상기 헬리콘 플라즈마는 공정 균일성 및 공정 안정성을 제공하기 어렵다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 균일한 헬리콘 또는 유도 결합 플라즈마를 형성하는 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 챔버의 상부면의 중심에서 일정한 반경을 가진 원주 상에 균일한 간격으로 배치된 주변 유전체 튜브들; 상기 주변 유전체 튜브들 감싸도록 배치된 주변 안테나들; 상기 주변 유전체 튜브들로부터 수직으로 이격되어 동일한 제1 평면에 배치된 상부 자석들;및 상기 상부 자석들과 상기 주변 유전체 튜브들 사이에 동일한 제2 평면에 각각 배치된 하부 자석들을 포함한다. 상부 자석과 상기 하부 자석의 중심축은 서로 일치하고, 상기 주변 유전체 튜브 내부에 플라즈마가 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 기 상부 자석들은 토로이드 형상의 영구 자석이고, 상기 상부 자석들의 자화 방향은 상기 토로이드 형상의 중심축 방향일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 자석들은 토로이드 형상의 영구 자석이고, 상기 하부 자석들의 자화 방향은 상기 토로이드 형상의 중심축 방향이고, 상기 상부 자석의 자화 방향은 상기 하부 자석의 자화 방향과 동일하고, 기 상부 자석들의 외부 직경은 상기 하부 자석들의 외부 직경 보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 주변 안테나들에 전력을 공급하는 제1 RF 전원; 및 상기 주변 안테나들에 전력을 분배하는 전력 분배부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전력 분배부는 상기 제1 RF 전원으로터 전력을 공급받는 동축 케이블 형태의 입력 브랜치; 상기 입력 브랜치와 연결되고 3 갈래로 갈라지는 동축 케이블 형태의 3 웨이(way) 브랜치; 상기 3 웨이 브랜치에 연결되어 2 갈래로 갈라지는 동축 케이블 형태의 T 브랜치들; 및 상기 T 브랜치들의 외피와 상기 주변 안테나들을 연결하는 접지 라인들을 포함할 수 있다. 상기 T 브랜치들의 내부 도선은 상기 주변 안테나들의 일단에 연결되고, 상기 T 브랜치들의 외피는 상기 주변 안테나들의 타단에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버의 상부면의 중심에 배치되는 중심 유전체 튜브; 및 상기 중심 유전체 튜브 주위에 배치된 중심 안테나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 주변 유전체 튜브들 내에서 자기장의 방향과 상기 중심 유전체 튜브 내의 자기장은 방향은 서로 반대일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버는 금속 재질의 하부 챔버; 상기 하부 챔버에 연속적으로 연결되는 비금속 재질의 상부 챔버; 및 상기 상부 챔버의 상부면을 덮는 금속 재질의 상판을 포함할 수 있다. 상기 상부 챔버의 측면을 감싸는 측면 코일을 더 포함하고, 상기 측면 코일은 유도 결합 플라즈마를 상기 챔버의 내부에 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 챔버 주변에는 2층 자석 구조의 헬리콘 플라즈마를 형성하고, 중심에는 플라즈마를 형성하지 않거나 자석을 이용하지 않는 유도 결합 플라즈마를 형성한다. 이에 따라, 공정 균일도 및 공정 속도가 현저히 증가될 수 있다.
도 1a는 통상적인 헬리콘 플라즈마 장치의 안테나 배열을 설명하는 평면도이다.
도 1b은 도 1a의 I-I'선을 따라 자른 단면에서 자기장 프로파일을 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
도 1c는 도 1a의 II-II'선을 따라 자른 단면에서 자기장 프로파일을 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 사시도이다.
도 3은 도 2의 상부 자석과 하부 자석을 설명하는 사시도이다.
도 4는 도 3의 유전체 튜브들의 배치관계를 설명하는 평면도이다.
도 5는 도 2의 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념 단면도이다.
도 6은 도 2의 플라즈마 발생 장치를 설명하는 회로도이다.
도 7은 도 2의 유전체 튜브들를 설명하는 도면이다.
도 8a은 도 1의 전력 분배부를 설명하는 사시도이다.
도 8b는 도 8a의 III-III'선을 따라 자른 단면도이다.
도 8c는 도 8a의 IV-IV'선을 따라 자른 단면도이다.
도 8d는 도 8a의 V-V'선을 따라 자른 단면도이다.
도 9a는 도 4의 VI-VI'선을 따라 자른 단면에서 자기장을 설명하는 도면이다.
도 9b는 도 4의 VII-VII'선을 따라 자른 단면에서 자기장을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 단면도이다.
도 11a는 도 1a의 구조를 가진 플라즈마 발생 장치를 이용하여 증착한 실리콘 산화막의 두께 분포를 설명하는 도면이다.
도 11b는 도 3의 구조를 가진 플라즈마 발생 장치를 이용하여 증착한 실리콘 산화막의 두께 분포를 설명하는 도면이다.
도 1a는 통상적인 헬리콘 플라즈마 장치의 안테나 배열을 설명하는 평면도이다.
도 1b은 도 1a의 I-I'선을 따라 자른 단면에서 자기장 프로파일을 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
도 1c는 도 1a의 II-II'선을 따라 자른 단면에서 자기장 프로파일을 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 실린더형 챔버의 상판(53)에 7 개의 유전체 튜브가 배치된다. 중심 유전체 튜브(11)는 상기 상판(53)의 중심에 배치되고, 6개의 주변 유전체 튜브(21)는 상기 상판(53)의 중심을 기준으로 일정한 반경의 원주 상에 일정한 간격으로 대칭적으로 배치된다. 또한, 중심 안테나(16)는 상기 중심 유전체 튜브(11)를 감싸고 있다. 주변 안테나(26)는 상기 주변 유전체 튜브(21)를 감싸고 있다. 또한, 헬리콘 플라즈마를 형성하기 위하여, 상기 중심 안테나 및 상기 주변 안테나와 수직으로 이격되어 영구자석들(12,22)이 배치된다.
컴퓨터 시뮬레이션에 따르면, 종래의 유전체 튜브마다 하나의 영구 자석을 사용하는 경우, 자기장은 상기 유전체 튜브의 측면을 경사 입사한다. 따라서, 상기 유전체 튜브를 감싸는 안테나에 의하여 형성된 플라즈마는 상기 유전체 튜브의 내벽을 충격한다. 즉, 전자는 자기장을 따라 운동하고, 상기 전자가 상기 유전체 튜브의 내벽에 충돌함에 따라, 열이 발생된다. 따라서, 전자의 손실이 증가하여, 플라즈마 밀도가 감소하고, 열에 의하여 장비의 안정성이 감소한다. 특히, 중심 유전체 튜브를 감싸는 안테나는 기판 상의 플라즈마 밀도를 챔버 중심에서 증가시킨다. 따라서, 균일한 공정이 어렵다.
실험결과 및 컴퓨터 시뮬레이션 결과에 따르면, 하나의 유전체 튜브마다 한 개의 영구자석만이 배치된 경우, 병렬 연결된 상기 주변 안테나들(116a~116f)은 챔버 내부의 기판 상에 균일한 플라즈마를 생성하지 못한다. 그 이유는 영구 자석들 하부의 유전체 튜브의 내부에서 자기장의 방향이 z 측 방향에서 벗어나기 때문이다. 따라서, 균일한 플라즈마를 형성하기 위한 새로운 자석 구조가 요구된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 사시도이다.
도 3은 도 2의 상부 자석과 하부 자석을 설명하는 사시도이다.
도 4는 도 3의 유전체 튜브들의 배치관계를 설명하는 평면도이다.
도 5는 도 2의 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념 단면도이다.
도 6은 도 2의 플라즈마 발생 장치를 설명하는 회로도이다.
도 7은 도 2의 유전체 튜브들를 설명하는 도면이다.
도 8a은 도 1의 전력 분배부를 설명하는 사시도이다.
도 8b는 도 8a의 III-III'선을 따라 자른 단면도이다.
도 8c는 도 8a의 IV-IV'선을 따라 자른 단면도이다.
도 8d는 도 8a의 V-V'선을 따라 자른 단면도이다.
도 9a는 도 4의 VI-VI'선을 따라 자른 단면에서 자기장을 설명하는 도면이다.
도 9b는 도 4의 VII-VII'선을 따라 자른 단면에서 자기장을 설명하는 도면이다.
도 2 내지 도 7, 및 도 8a 내지 도 8d를 참조하면, 플라즈마 발생 장치(100)는 상기 챔버(152)의 상부면(153)의 중심에서 일정한 반경을 가진 원주 상에 균일한 간격으로 배치된 주변 유전체 튜브들(112a~112f), 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f)를 감싸도록 배치된 주변 안테나들(116a~116f), 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f)로부터 수직으로 이격되고 동일한 제1 평면에 배치된 상부 자석들(132a~132f), 및 상기 상부 자석들(132a~132f)과 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f) 사이에 동일한 제2 평면에 각각 배치된 하부 자석들(192a~192f)을 포함한다. 상기 상부 자석(132a)과 상기 하부 자석(192a)의 중심축은 서로 일치한다.
상기 챔버(152)는 원통 형상 또는 사각통 형상을 가질 수 있다. 상기 챔버(152)는 가스를 공급하는 가스 공급부 및 가스를 배출하는 배기부를 포함할 수 있다. 상기 챔버(152)는 기판 홀더(154) 및 상기 기판 홀더(154) 상에 장착되는 기판(156)을 포함할 수 있다. 상기 챔버(152)는 상부면(153)을 포함할 수 있다. 상기 상부면(153)은 상기 챔버(152)의 뚜껑일 수 있다. 상기 상부면(153)은 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있다. 상기 상부면은 x-y 평면에 배치될 수 있다.
상기 상부면(153)에는 주변 관통홀들(111a~111f)이 배치될 수 있다. 상기 상부면은 사각판 또는 원판 형상일 수 있다. 상기 주변 관통홀들(111a~111f)은 상기 상부면(153)의 중심에서 일정한 반경을 가진 원주 상에 일정한 간격을 가지고 배치될 수 있다. 상기 주변 관통홀(111a)의 내경은 상기 주변 유전체 튜브(112a)의 내경과 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 상부면(153)의 중심에는 중심 관통홀(211)이 배치될 수 있다.
주변 관통홀들(111a~111f) 상에 각각 주변 유전체 튜브들(112a~112f)이 배치될 수 있다. 중심 관통홀(211) 상에 중심 유전체 튜브(212)가 배치될 수 있다. 상기 상부면(153)은 2개의 판을 서로 결합하여 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 상부면(153) 내부에는 냉매가 흐를 수 있는 유로가 형성될 수 있다.
상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f) 및 상기 중심 유전체 튜브(212)는 뚜껑이 없는 벨자(bell-jar) 형태일 수 있다. 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f) 및 상기 중심 유전체 튜브(212)는 와셔 형태의 지지부와 원통 형상의 실린더부를 포함할 수 있다. 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f)의 내부 및 상기 중심 유전체 튜브(212)의 내부는 진공 상태로 유지될 수 있다.
상기 주변 유전체 튜브(112a~112f) 및 상기 중심 유전체 튜브(212)는 유리, 쿼츠, 알루미나, 사파이어, 또는 세라믹으로 형성될 수 있다. 상기 중심 유전체 튜브(212)의 일단은 상기 챔버(152)의 중심 관통홀(211)에 연결되고, 상기 중심 유전체 튜브(212)의 타단은 금속 뚜껑(214)에 연결될 수 있다.
상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f)의 일단은 상기 챔버(152)의 주변 관통홀(111a~111f)에 연결되고, 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f)의 타단은 금속 뚜껑들(114a~114f)에 연결될 수 있다. 상기 금속 뚜껑들(114a~114f)은 가스를 유입하기 위한 가스 유입부(115)를 포함할 수 있다. 상기 금속 뚜껑들(114a~114f)은 헬리콘 웨이브를 반사시켜 보강 간섭을 일으킬 수 있다. 상기 주변 유전체 튜브(112a~112f)의 길이는 수 센치 미터 내지 수십 센치 미터일 수 있다. 상기 주변 유전체 튜브(112a~112f)의 길이는 유전체 튜브의 반경(R), 상기 주변 유전체 튜브에서의 자속밀도의 세기(B0), 플라즈마 밀도(n0), 및 전원의 주파수(f)에 의하여 결정될 수 있다.
반경이 R인 경우, 상기 주변 유전체 튜브 내의 플라즈마가 균일하다고 가정한 경우, m=0인 헬리콘 모드에 대하여 상기 주변 유전체 튜브(112a~112f)의 벽에서의 라디알 전류 밀도(radial current density)는 영이 된다. 상기 주변 유전체 튜브(112a~112f)의 길이(L/2=π/kz)는 헬리콘 웨이브의 반파장에 해당되고 다음과 같이 주어진다. kz는 헬리콘 웨이브의 파수(wave number)이다.
Figure pat00001
여기서, e는 전자의 전하량이고, B0는 자속 밀도의 세기이고, μ0는 투자율이이고, ω는 각주파수이고, n0은 플라즈마의 밀도이다. 주파수(f)가 13.56 Mhz이고, B0는 90 Gauss이고, n0가 4x 1012 cm- 3 인 경우, 주변 유전체 튜브의 길이(L/2)는 5.65 cm일 수 있다.
주변 안테나들(116a~116f)은 기하학적 대칭성을 가질 수 있다. 상기 주변 안테나들은 동일한 구조를 가지고 서로 전기적으로 병렬 연결될 수 있다. 상기 주변 안테나들(116a~116f)은 원통 형상 또는 사각통 형상의 도전성 파이프일 수 있다. 상기 주변 안테나들(116a~116f)의 내부에 냉매가 흐를 수 있다.
상기 주변 안테나들(116a~116f)은 상기 상부면(153)의 중심을 기준으로 일정한 반경의 원주의 주위에 대칭적으로 될 수 있다. 상기 중심 안테나(216)는 상기 상부면(153)의 중심에 배치될 수 있다. 상기 주변 안테나들(116a~116f)은 6개일 수 있다. 상기 주변 안테나들(116a~116f)은 상기 주변 유전체 튜브를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 주변 안테나들(116a~116f)은 3 턴(turn)의 안테나일 수 있다. 또한, 상기 중심 안테나(216)는 한 개일 수 있다. 상기 중심 안테나는 상기 중심 유전체 튜브를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 중심 안테나는 상기 주변 안테나와 동일한 구조 또는 다른 구조를 가질 수 있다.
상기 주변 안테나들(116a~116f)은 상부 자석들(132a~132f) 및 하부 자석들(192a~192f)에 의하여 형성된 자기장을 이용하여 수 밀리 토르의 저압에서 헬리콘 플라즈마를 형성할 수 있다. 상기 주변 안테나는 상기 주변 유전체 튜브 내의 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 또한, 중심 안테나는 헬리콘 플라즈마가 아닌 유도 결합 플라즈마를 형성할 수 있다. 이에 따라, 주변 유전체 튜브는 헬리콘 플라즈마에 의하여 높은 플라즈마 밀도를 유지하고, 중심 유전체 튜브는 유도 결합 플라즈마에 상대적으로 낮은 플라즈마 밀도를 유지할 수 있다. 상기 헬리콘 플라즈마와 상기 유도 결합 플라즈마는 상기 기판 상에 확산하여 전체적으로 균일한 플라즈마 밀도 분포를 형성할 수 있다.
상부 자석들(132a~132f) 및 하부 자석들(192a~192f)에 의하여 형성된 자기장의 방향은 상기 주변 유전체 튜브 내에서 음의 z축 방향일 수 있다. 또한, 상기 중심 유전체 튜브 상에는 자석들이 배치되지 않으므로, 상기 중심 유전체 튜브 내에서 자기장은 방향은 양의 z축 방향일 수 있다. 상기 주변 유전체 튜브 내의 헬리콘 플라즈마의 밀도는 중심 유전체 튜브 내의 유도 결합 플라즈마의 밀도보다 높을 수 있다. 상기 주변 유전체 튜브 내에서 헬리콘 플라즈마가 형성되는 부위는 구면 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 전체적으로, 기판 상의 플라즈마 밀도 분포는 향상될 수 있다. 또한, 주변 유전체 튜브 내의 헬리콘 플라즈마에 스퍼터링 손상 및 열 손상이 억제될 수 있다.
상기 제1 RF 전원(162)은 제1 주파수의 정현파를 출력할 수 있다. 상기 제1 RF 전원(162)의 전력은 제1 임피던스 매칭 네트워크(163)를 통하여 제1 전력 분배부(122)에 제공될 수 있다. 상기 제1 RF 전원(162)의 주파수는 수백 kHz 내지 수백 MHz 일 수 있다.
제1 전력 분배부(122)는 상기 제1 임피던스 매칭 네트워크(163)를 통하여 공급받은 전력을 병렬 연결된 주변 안테나들(116a~116f)에게 분배할 수 있다. 상기 제1 전력 분배부(122)는 제1 전력 분배 라인(122c), 및 상기 제1 전력 분배 라인(122c)을 감싸고 접지되는 제1 도전성 외피(122a)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전력 분배부(122)의 입력단(N1)과 상기 주변 안테나들(116a~116f) 사이의 거리는 동일할 수 있다. 제1 절연부는 상기 제1 전력 분배라인(122c)과 상기 제1 도전성 외피(122a) 사이에 개재될 수 있다.
상기 제1 전력 분배부(122)는 상기 제1 RF 전원(162)으로터 전력을 공급받는 동축 케이블 형태의 입력 브랜치(123), 상기 입력 브랜치(123)와 연결되고 3 갈래로 갈라지는 동축 케이블 형태의 3 웨이(way) 브랜치(124), 및 상기 3 웨이 브랜치(124)에 연결되어 2 갈래로 갈라지는 동축 케이블 형태의 T 브랜치들(125)을 포함할 수 있다.
상기 입력 브랜치(123)는 원통 형상일 수 있다. 상기 입력 브랜치(123)는 동축 케이블 구조를 가지고 있다. 상기 입력 브랜치(123)는 원통형의 내부 도전체(123c), 내부 도전체를 감싸는 원통형의 절연체(123b), 및 절연체를 감싸는 원통형의 외부 도전체(123a)를 포함할 수 있다. 상기 내부 도전체(123c)에는 냉매가 흐를 수 있다.
상기 입력 브랜치(123)의 일단은 상기 제1 임피던스 매칭 네트워크(163)에 연결되고, 상기 입력 브랜치(123)의 타단은 120도 간격으로 갈라진 상기 3 웨이(way) 브랜치(124)에 연결될 수 있다.
상기 3 웨이(way) 브랜치(124)는 축을 따라 절단된 사각통 형상일 수 있다. 상기 3 웨이(way) 브랜치(124)는 상기 상판에 z축 방향으로 이격된 xy 평면에 배치될 수 있다. 상기 3 웨이(way) 브랜치(124)는 동축 케이블 구조를 가질 수 있다. 상기 3 웨이(way) 브랜치(124)는 원통형의 내부 도전체(124c), 내부 도전체를 감싸는 절단된 사각통 형상의 절연체(124b), 및 절연체를 감싸는 절단된 사각통 형상의 외부 도전체(124a)를 포함할 수 있다. 상기 입력 브랜치(123)의 내부 도전체(123c)를 통하여 공급된 냉매는 상기 3 웨이(way) 브랜치(124)의 내부 도전체(124c) 내부로 흐를 수 있다. 상기 3 웨이(way) 브랜치(124)의 팔의 길이는 상기 상부면의 중심으로터 상기 주변 유전체 튜브의 배치 위치 사이의 거리보다 클 수 있다. 이에 따라, T 브랜치들(125)과 주변 안테나들의 전기적 연결은 용이하게 수행될 수 있다.
T 브랜치들(125)은 상기 3 웨이(way) 브랜치(124)에 연결되어 전력을 2 갈래로 분배할 수 있다. 상기 T 브랜치들(125)은 절단된 사각통 형상일 수 있다. 상기 T 브랜치들(125)은 동축 케이블 구조를 가질 수 있다. 상기 T 브랜치들(125)은 원통 형상의 내부 도전체(125c), 내부 도전체를 감싸는 절연체(125b), 및 절연체를 감싸는 외부 도전체(125a)를 포함할 수 있다. 상기 내부 도전체(125c) 내부로 냉매가 흐를 수 있다. 상기 T 브랜치들(125)은 동일한 길이의 팔을 가질 수 있다.
상기 T 브랜치들(125) 각각은 한 쌍의 주변 안테나(116a,116b)에 전력을 공급할 수 있다. 상기 T 브랜치들(125)은 동일한 형상일 수 있다. 상기 내부 도전체(125c)는 상기 주변 안테나(116a,116b)와 연속적으로 연결되어 전력 및 냉매를 동시에 공급할 수 있다. 상기 3 웨이 브랜치(124)의 내부 도전체(124c)를 통하여 공급된 냉매는 상기 T 브랜치(125)의 내부 도전체(125c) 내부로 흐를 수 있다.
고정판들(113)은 상기 주변 안테나들(116a~116f)을 고정하고 상기 상부면(153)에 고정될 수 있다. 상기 고정판들(113)은 스트립 라인 형태일 수 있다. 상기 고정판들(113)의 일단은 상기 주변 안테나들(116a~116f)의 일단에 연결되어 접지될 수 있다. 상기 고정판들(113)의 타단은 접지 라인(119)의 일단에 연결되어 접지될 수 있다.
상기 접지 라인(119)은 상기 고정판(113)과 상기 T 브랜치(125)의 외부 도전체(125a)를 서로 연결할 수 있다. 상기 접지 라인(119)의 일단은 상기 고정판(113)의 타단에 연결되고, 상기 접지 라인(119)의 타단은 상기 T 브랜치(125)의 외부 도전체(125a)에 연결될 수 있다. 상기 접지 라인(119)의 길이는 주변 안테나들(116a~116f)에 대하여 동일할 수 있다. 이에 따라, 주변 안테나들((116a~116f))은 모두 동일한 임피던스를 가질 수 있다.
가스 분배부(172)는 주변 유전체 튜브들 및/또는 중심 유전체 튜브에 가스를 공급할 수 있다. 상기 가스 분배부(172)는 하나의 제1 전력 분배부(122)와 유사한 구조를 가지고 가스를 유전체 튜브들에 균등하게 분배할 수 있다. 상기 가스 분배부는 금속 뚜껑(114a~114f)에 연결될 수 있다. 상기 가스 분배부(172)는 금속 투껑들(114a~114f)에 동일한 길이를 가지도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 가스 분배부(172)는 중심의 금속 뚜껑(214)에서 3 갈래로 분기되고, 다시 T 자로 분기되어 금속 뚜껑(114a~114f)에 연결될 수 있다.
제2 RF 전원(164)은 중심 안테나(216)에 전력을 공급할 수 있다. 상기 제1 RF 전원(162)과 제2 RF 전원(164)의 간섭을 최소화하기 위하여, 상기 제1 RF 전원(162)의 제1 주파수는 상기 제2 RF 전원(164)의 제2 주파수와 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 주파수는 13.56 Mhz이고, 제2 주파수는 12Mhz일 수 있다.
상기 제2 RF 전원(164)은 제2 임피던스 매칭 네트워크(165)를 통하여 중심 안테나(216)에 직접 연결될 수 있다.
상부 자석(132a~132f)은 도넛 형상 또는 토로이드 형상일 수 있다. 상기 상부 자석(132a~132f)의 단면은 사각형 또는 원형일 수 있다. 상기 상부 자석의 자화 방향은 상기 상부 자석이 배치된 평면에 수직할 수 있다. 상기 상부 자석들은 토로이드 형상의 영구 자석일 수 있다. 상기 상부 자석들의 자화 방향은 상기 토로이드 형상의 중심축 방향일 수 있다.
상기 상부 자석(132a~132f)은 상부 자석 고정판(141)에 삽입될 수 있다. 상기 상부 자석은 상기 주변 안테나의 중심에서 z 축 방향으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 상부 자석 고정판(141)은 원판 형상 또는 사각 형상이고 비자성 물질일 수 있다.
상부 자석 이동부(140)는 상기 상판(153)에 고정 결합할 수 있다. 상기 상부 자석 이동부(140)는 상기 주변 유전체 튜브들이 배치된 평면(xy 평면)에 수직하게 연장되는 적어도 하나의 상부 자석 지지 기둥(142)을 포함할 수 있다. 상기 상부 자석 고정판(141)은 상기 상부 자석 지지 기둥(142)에 삽입되어 상기 상부 자석 지지 기둥(142)을 따라 이동할 수 있다. 상기 상부 자석 고정판(141)의 중심에는 관통홀(143)이 배치될 수 있다. 상기 입력 브랜치(123)는 상기 관통홀(143)을 관통하여 상기 제1 임피던스 매칭 네트워크(163)에 연결될 수 있다.
상기 상부 자석 고정판(141)은 상기 상부 자석(132a~132f)을 고정하는 수단일 수 있다. 상기 상부 자석(132a~132f)은 상기 주변 안테나들의 중심에서 z축 방향으로 이격될 수 있다. 상기 상부 자석의 중심은 상기 주변 유전체 튜브의 중심과 정렬되어 배치될 수 있다. 상기 상부 자석(132a~132f)은 상기 상부 자석 고정판(141)에 삽입되어 고정될 수 있다.
하부 자석들(192a~192f)은 상기 상부 자석들(132a~132f)과 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f) 사이에 동일한 제2 평면에 각각 배치될 수 있다. 상기 상부 자석과 상기 하부 자석의 중심축은 서로 일치할 수 있다. 상기 하부 자석들(192a~192f)은 토로이드 형상의 영구 자석일 수 있다. 상기 하부 자석들의 자화 방향은 상기 토로이드 형상의 중심축 방향일 수 있다. 상기 상부 자석의 자화 방향은 상기 하부 자석의 자화 방향과 동일할 수 있다. 상기 상부 자석들의 외부 직경은 상기 하부 자석들의 외부 직경과 동일하거나 상기 하부 자석들의 외부 직경 보다 클 수 있다. 상기 하부 자석은 상기 상부 자석과 상기 주변 유전체 튜브의 금속 뚜껑 사이에 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 상부 자석 및 하부 자석에 의한 자기장이 상기 주변 유전체 튜브의 측면에 경사 입사하는 것이 억제될 수 있다. 그 결과, 기판 상의 플라즈마 밀도 분포는 균일할 수 있다. 또한, 상기 주변 유전체 튜브 내부의 헬리콘 플라즈마가 상기 주변 유전체 튜브를 가열하는 것이 억제될 수 있다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 상기 하부 자석들(192a~192f)과 상기 상부 자석들(132a~132f)에 형성된 주변 유전체 튜브 내부의 자기장의 방향은 음의 z축 방향이고, 상기 중심 유전체 튜브 내부의 자기장의 방향은 양의 z축 방향일 수 있다.
하부 자석 이동부(195)는 상기 상부면(153)에 고정 결합할 수 있다. 상기 하부 자석 이동부(195)는 상기 주변 유전체 튜브들이 배치된 평면(xy 평면)에 수직하게 연장되는 적어도 하나의 하부 자석 지지 기둥(194)을 포함할 수 있다. 상기 하부 자석 고정판(193)은 상기 하부 자석 지지 기둥(194)에 삽입되어 상기 하부 자석 지지 기둥(194)을 따라 이동할 수 있다. 상기 하부 자석 고정판(193)의 중심에는 관통홀이 배치될 수 있다. 상기 입력 브랜치(123)는 상기 관통홀을 관통하여 상기 제1 임피던스 매칭 네트워크(163)에 연결될 수 있다.
상기 하부 자석 고정판(193)은 상기 하부 자석(192a~192f)을 고정하는 수단일 수 있다. 상기 하부 자석(192a~192f)은 상기 주변 안테나들의 중심에서 z축 방향으로 이격될 수 있다. 상기 하부 자석의 중심은 상기 주변 유전체 튜브의 중심과 정렬되어 배치될 수 있다. 상기 하부 자석(192a~192f)은 상기 하부 자석 고정판(193)에 삽입되어 고정될 수 있다. 상기 하부 자석 고정판(193)은 상기 하부 자석이 배치되는 위치에 관통홀(193a)을 포함할 수 있다. 가스 라인은 상기 관통홀(193a)을 관통하여 상기 주변 유전체 튜브에 가스를 공급될 수 있다.
상기 상부 자석 이동부(140) 및 상기 하부 자석 이동부(195)는 주변 유전체 튜브에서의 자속 밀도(B0)의 세기 및 분포를 조절하여 평면형 헬리콘 모드를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 주어진 조건(L, ω, R)에 대하여, 자속 밀도(B0)에 대한 플라즈마 밀도(n0)의 비(B0/n0)이 일정하도록 상부 자석 고정판(141) 및 하부 자석 고정판(193)은 이동할 수 있다. 이에 따라, 균일한 플라즈마가 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 자석 및 하부 자석을 사용하면, 자기장이 상기 주변 유전체 튜브에 경사 입사하는 것이 억제될 수 있다. 상기 주변 유전체 튜브 내에서 자기장의 방향은 음의 z축 방향이고, 중심 유전체 내에서 자기장의 방향은 양의 z축 방향일 수 있다. 또한, 상기 주변 유전체 튜브 내에서 자기장의 세기는 중심 유전체 내에서 자기장의 세기보다 현저히 작을 수 있다.
또한, 상부 자석 및 하부 자석을 사용하면, 플라즈마 형성되는 영역 및 위치를 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 헬리콘 플라즈마가 생성되는 위치는 주변 유전체 튜브의 안쪽 또는 하부면에 배치될 수 있다.
또한, 중심 안테나가 헬리콘 플라즈마를 형성하면, 챔버 내의 중심 영역에서 플라즈마 밀도가 증가하여 균일한 플라즈마를 형성하기 어렵다. 이에 따라, 플라즈마 밀도 분포의 균일성이 감소한다. 플라즈마 밀도 분포의 균일성을 증가시키기 위하여, 중심 안테나가 헬리콘 플라즈마를 생성하지 않는 것이 바람직하다. 결국, 상기 중심 안테나 상에는 자석이 제거된다. 이에 따라, 상기 중심 유전체 튜브를 감싸는 중심 안테나는 헬리콘 플라즈마가 아닌 통상적인 유도 결합 플라즈마를 형성한다. 이에 따라, 챔버 중심의 플라즈마 밀도를 감소시키어, 균일한 공정이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판 상에 3 퍼센트 이내의 범위에서 균일한 공정이 진행될 수 있다.
대면적 플라즈마를 형성하기 위하여, 하나의 전원은 병렬 연결된 주변 안테나들에 전력을 공급할 수 있다. 전력 분배부는 주변 안테나들과 전원 사이에 배치되어 각 주변 안테나들에 동일한 전력을 공급할 수 있다.
예를 들어, 챔버의 상판에 중심 안테나와 상기 중심 안테나의 주변에 균일한 간격으로 배치된 6 개의 주변 안테나들이 배치될 수 있다. 상기 중심 안테나는 상판의 중심에 배치되고, 나머지 6 개의 상기 주변 안테나들은 상기 중심 안테나를 기준으로 하는 소정의 원주 상에 대칭적으로 배치될 수 있다. 상기 6 개의 주변 안테나들은 상기 전력 분배부를 통하여 하나의 전원에 연결될 수 있다.
그러나, 주변 안테나들이 플라즈마를 형성하는 경우, 대칭성을 가진 원주 상의 주변 안테나들의 임피던스와 상기 주변 안테나들로 둘러싸인 중심 안테나의 임피던스는 서로 다르게 된다. 따라서, 일부의 안테나들에 전력이 집중되어 불균일한 플라즈마가 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 주변 안테나들은 제1 전원 및 제1 전력 분배부를 통하여 전력을 공급받고, 중심 안테나는 제2 전원으로부터 전력을 공급받는다. 이에 따라, 주변 안테나들에 공급되는 전력과 중심 안테나에 공급되는 전력은 독립적으로 제어될 수 있다.
또한, 전력 분배부는 주변 안테나들에 동일한 길이를 가지는 동축 케이블 형태를 가진다. 따라서, 주변 안테나들은 동일한 조건에서 동작될 수 있다. 또한, 주변 안테나들은 동일한 임피던스를 유지하도록, 주변 안테나의 일단은 전력 공급 라인에 연결되고, 주변 안테나의 타단은 전력 분배부를 구성하는 외피에 동일한 길이를 가지는 접지라인을 통하여 연결되어야 한다.
결국, 중심 안테나는 유도 결합 플라즈마를 형성하고, 주변 안테나들은 헬리콘 플라즈마를 형성한다. 이에 따라, 균일하고 고밀도의 대면적 플라즈마가 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 산화 공정, 질화 공정, 또는 증착 공정 등을 수행할 수 있다.
반도체 소자의 집적도가 높아지면서, 산화막의 증착 속도를 조절하고 고순도의 산화막을 증착할 수 있는 낮은 압력(수 mtorr)에서 높은 밀도를 가지는 플라즈마 발생 장치가 필요하다.
유도 결합 플라즈마 장치는 통상적으로 수십 밀리토르(mTorr) 이상에서 고밀도 플라즈마를 생성한다. 하지만, 상기 유도 결합 플라즈마 장치는 수 밀리토르(mTorr)의 저압에서 고밀도 플라즈마를 생성하기 어렵다. 따라서, 하나의 챔버 내에서 저압 공정 및 고압 공정은 연속적으로 수행될 수 없었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치는 대면적 고밀도 헬리콘 플라즈마를 수 밀리토르(mTorr)의 낮은 압력에서 생성한다. 낮은 압력에서 생성된 높은 밀도의 플라즈마는 주입된 가스(예를 들어, O2)를 가스를 최대한 많이 해리시켜 고순도의 산화막을 형성할 수 있다. 또한, 플라즈마 장치는 연속적으로 높은 압력에서 대면적 고밀도 플라즈마를 수십 밀리토르(mTorr) 내지 수 토르의 높은 압력에서 생성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 단면도이다.
도 10을 참조하면, 플라즈마 발생 장치(100)는 상기 챔버(152)의 상부면의 중심에서 일정한 반경을 가진 원주 상에 균일한 간격으로 배치된 주변 유전체 튜브들(112a~112f), 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f)를 감싸도록 배치된 주변 안테나들(116a~116f), 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f)로부터 수직으로 이격되고 동일한 제1 평면에 배치된 상부 자석들(132a~132f), 및 상기 상부 자석들(132a~132f)과 상기 주변 유전체 튜브들(112a~112f) 사이에 동일한 제2 평면에 각각 배치된 하부 자석들(192a~192f)을 포함한다. 상기 상부 자석(132a)과 상기 하부 자석(192a)의 중심축은 서로 일치한다.
상기 챔버(152)는 금속 재질의 하부 챔버(152b), 상기 하부 챔버(152b)에 연속적으로 연결되는 비금속 재질의 상부 챔버(152a), 및 상기 상부 챔버(152a)의 상부면을 덮는 금속 재질의 상판(153)을 포함한다. 측면 코일(264)은 상기 상부 챔버(152a)의 측면을 감도록 배치될 수 있다. 상기 측면 코일(264)은 유도 결합 플라즈마를 상기 챔버의 내부에 형성할 수 있다. 상기 측면 코일은 임피던스 매칭 네트워크(263)를 통하여 RF 전원(262)으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 기판 홀더는 임피던스 매칭 네트워크(363)를 통하여 RF 전원(362)으로부터 전력을 공급받을 수 있다.
도 11a는 도 1a의 구조를 가진 플라즈마 발생 장치를 이용하여 증착한 실리콘 산화막의 두께 분포를 설명하는 도면이다.
도 11b는 도 3의 구조를 가진 플라즈마 발생 장치를 이용하여 증착한 실리콘 산화막의 두께 분포를 설명하는 도면이다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 30 mTorr의 압력에서 아르곤, 산소, 및 수소를 이용하여 희생 산화막이 형성되었다. 실리콘 산화막의 균일도(1-(최대값-최소값)/(최대값))는 도 1a의 구조를 가진 플라즈마 발생 장치에서 300 mm 웨이퍼에 대하여 82.5 퍼센트를 보였으며, 도 3의 구조를 가진 플라즈마 발생 장치에서 300 mm 웨이퍼에 대하여 99.15 퍼센트를 보였다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
100: 플라즈마 발생 장치
52: 챔버
111a~111f: 주변 관통홀들
112a~112f: 주변 유전체 튜브들
116a~116f: 주변 안테나들
132a~132f: 상부 자석들
192a~192f: 하부 자석들
162: 제1 RF 전원
122: 제1 전력 분배부
164: 제2 RF 전원
211: 중심 관통홀
212: 중심 유전체 튜브
216: 중심 안테나

Claims (8)

  1. 챔버의 상부면의 중심에서 일정한 반경을 가진 원주 상에 균일한 간격으로 배치된 주변 유전체 튜브들;
    상기 주변 유전체 튜브들 감싸도록 배치된 주변 안테나들;
    상기 주변 유전체 튜브들로부터 수직으로 이격되어 동일한 제1 평면에 배치된 상부 자석들;및
    상기 상부 자석들과 상기 주변 유전체 튜브들 사이에 동일한 제2 평면에 각각 배치된 하부 자석들을 포함하고,
    상부 자석과 상기 하부 자석의 중심축은 서로 일치하고,
    상기 주변 유전체 튜브 내부에 플라즈마가 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 상부 자석들은 토로이드 형상의 영구 자석이고,
    상기 상부 자석들의 자화 방향은 상기 토로이드 형상의 중심축 방향인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 하부 자석들은 토로이드 형상의 영구 자석이고,
    상기 하부 자석들의 자화 방향은 상기 토로이드 형상의 중심축 방향이고,
    상기 상부 자석의 자화 방향은 상기 하부 자석의 자화 방향과 동일하고,
    상기 상부 자석들의 외부 직경은 상기 하부 자석들의 외부 직경과 동일하거나 상기 하부 자석들의 외부 직경 보다 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 주변 안테나들에 전력을 공급하는 제1 RF 전원; 및
    상기 주변 안테나들에 전력을 분배하는 전력 분배부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 전력 분배부는:
    상기 제1 RF 전원으로터 전력을 공급받는 동축 케이블 형태의 입력 브랜치;
    상기 입력 브랜치와 연결되고 3 갈래로 갈라지는 동축 케이블 형태의 3 웨이(way) 브랜치;
    상기 3 웨이 브랜치에 연결되어 2 갈래로 갈라지는 동축 케이블 형태의 T 브랜치들; 및
    상기 T 브랜치들의 외피와 상기 주변 안테나들을 연결하는 접지 라인들을 포함하고,
    상기 T 브랜치들의 내부 도선은 상기 주변 안테나들의 일단에 연결되고,
    상기 T 브랜치들의 외피는 상기 주변 안테나들의 타단에 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 챔버의 상부면의 중심에 배치되는 중심 유전체 튜브; 및
    상기 중심 유전체 튜브 주위에 배치된 중심 안테나;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 주변 유전체 튜브들 내에서 자기장의 방향과 상기 중심 유전체 튜브 내의 자기장은 방향은 서로 반대인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 챔버는:
    금속 재질의 하부 챔버;
    상기 하부 챔버에 연속적으로 연결되는 비금속 재질의 상부 챔버; 및
    상기 상부 챔버의 상부면을 덮는 금속 재질의 상판을 포함하고,
    상기 상부 챔버의 측면을 감싸는 측면 코일을 더 포함하고,
    상기 측면 코일은 유도 결합 플라즈마를 상기 챔버의 내부에 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
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