KR100478106B1 - Apparatus of high density plasma - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고밀도 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 반도체 또는 전자부품을 제작하는 플라즈마 공정장비에 있어서 고밀도 플라즈마를 발생하기 위한 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 안테나를 플라즈마와의 거리에 대하여 이중으로 구성하고, 전원공급장치와 연결되어 플라즈마와 상대적으로 높은 전위를 갖는 안테나의 전원 인가 부분을 상대적으로 플라즈마에서 먼 곳에 위치하게 하여 안테나에 의한 플라즈마의 밀도강하를 억제하고, 상기의 이중의 안테나 사이에 접지와 전기적으로 연결되어 있는 전도성 판이나 전도성 영구자석 또는 상기의 두 가지 모두를 포함한 전도성 물질을 구비하여 플라즈마의 밀도의 균일도를 높이고, 고밀도의 플라즈마를 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 발생 장치를 개시한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high density plasma generating apparatus, and more particularly, to an apparatus for generating a high density plasma in a plasma processing apparatus for manufacturing a semiconductor or an electronic component. More specifically, the antenna is doubled with respect to the distance from the plasma, and the power supply portion of the antenna connected to the power supply device having a relatively high potential with respect to the plasma is relatively far away from the plasma so that the antenna It suppresses the density drop of the plasma, and has a conductive plate, a conductive permanent magnet, or a conductive material including both of them, which is electrically connected to the ground, between the dual antennas to increase the uniformity of the plasma density. Disclosed is a high-density plasma generating apparatus, characterized by being capable of maintaining plasma.
Description
고밀도 플라즈마에는 유도 결합형 플라즈마(inductively coupled plasma), 트랜스포머결합형 플라즈마(transformer coupled plasma), 헬리칼 공진형 플라즈마(helical resonator plasma), 헬리콘 플라즈마(helicon plasma), 전자 사이클로트론 공명 플라즈마(electron cyclotron resonance plasma)등이 있다. 본 발명은 고밀도 플라즈마 특히 유도 결합형 플라즈마에 적합하다High density plasmas include inductively coupled plasmas, transformer coupled plasmas, helical resonator plasmas, helicon plasmas, and electron cyclotron resonance plasmas. plasma). The present invention is suitable for high density plasmas, especially for inductively coupled plasmas.
유도 결합형 플라즈마 발생 장치는 기존의 정전용량형 플라즈마 발생원에 비해 보다 낮은 압력에서 고밀도 플라즈마를 발생할 수 있고, 또한 플라즈마 밀도와 이온충돌에너지를 독립적으로 조절할 수 있기 때문에 증착 및 식각 공정에 적용 시 많은 장점을 가지고 있다.Inductively coupled plasma generators can generate high density plasma at lower pressure than conventional capacitive plasma generators, and can independently control plasma density and ion bombardment energy. Have
도 1 은 종래의 실린더형 안테나를 갖는 유도 결합형 플라즈마 발생장치의 개략도를 도시하였다.1 shows a schematic diagram of an inductively coupled plasma generator having a conventional cylindrical antenna.
상기의 유도 결합형 플라즈마 발생 장치는 고주파 전력원(10)과 정합기(20)로 구성된 전원 공급장치와, 전원 공급장치에 연결되어 고주파 전력이 인가되는 안테나(40)와, 유전체 윈도우(50), 웨이퍼등을 올려 놓을 수 있는 기판척(80)으로 구성된 플라즈마 발생기로 구성되어 진다. 또한 고밀도 플라즈마 발생원의 구성요소 중 반응가스를 공급하기 위한 가스 주입구와 내부를 진공으로 유지하고 반응이 끝난 반응가스를 배출하기 위한 진공 펌프 및 가스 배출구 및 웨이퍼 입· 출입구는 통상적으로 사용되는 부분으로 본 발명에서는 자세한 설명은 생략하였다.The inductively coupled plasma generator includes a power supply device including a high frequency power source 10 and a matching unit 20, an antenna 40 connected to the power supply device to which high frequency power is applied, and a dielectric window 50. And a plasma generator composed of a substrate chuck 80 on which a wafer or the like can be placed. In addition, among the components of the high density plasma source, the gas inlet for supplying the reaction gas and the vacuum pump, the gas outlet, and the wafer inlet / outlet for discharging the reaction gas after the reaction are maintained are generally used. Detailed description is omitted in the invention.
일반적인 유도 결합형 플라즈마 발생 장치에 의한 고밀도 플라즈마 생성 원리에 의하면, 안테나에 인가되는 고주파 전원에 의하여 용량성 결합형 플라즈마와 유도 결합형 플라즈마가 발생하게 되고, 전자를 E-mode 플라즈마,후자를 H-mode 플라즈마로 구분한다. H-mode 플라즈마는 맥스웰(maxwell) 법칙에 따라 안테나에 흐르는 시간에 따라 사인파(Sinusoidal Wave)의 변위를 갖는 전류에 의해 유도되는 자기장이 시간에 따른 변화 함에 따라 유도 되는 전기장에 의해 전자 가속이 일어나고, 이로써 플라즈마가 지속되는 현상을 설명한다. E-mode 플라즈마는 안테나에 인가되는 고주파 전위와 플라즈마 전위간의 차이에 의해서 안테나와 수직방향으로 형성되어 전자를 가속하는 전기장에 의해, 플라즈마의 점화에 주요한 역할을 하는 현상을 설명한다. 상기의 E-mode 플라즈마는 유전체 윈도우면에 플라즈마에 의한 부산물의 생성을 유발하고, 플라즈마 내의 이온 손실의 원인이 된다. 즉 플라즈마 공정의 재현성에 큰 영향을 미치는 불순물을 생성하고, 또한 이온손실에 의한 플라즈마 밀도감소와 밀도 균일성의 저하를 초래하는 단점이 있다. 따라서 E-mode 플라즈마의 발생을 가능한 범위내에서 작게 하여야 한다.According to the principle of high density plasma generation by a general inductively coupled plasma generator, capacitively coupled plasma and inductively coupled plasma are generated by a high frequency power applied to an antenna, and the former is an E-mode plasma and the latter is H-. It is divided into mode plasma. In the H-mode plasma, electron acceleration is induced by an electric field induced by a magnetic field induced by a current having a displacement of a sinusoidal wave over time according to the Maxwell law. This explains the phenomenon in which the plasma persists. E-mode plasma describes a phenomenon in which the E-mode plasma plays a major role in the ignition of the plasma by an electric field which is formed in the direction perpendicular to the antenna due to the difference between the high frequency potential and the plasma potential applied to the antenna to accelerate electrons. The E-mode plasma causes generation of by-products by the plasma on the dielectric window surface and causes ion loss in the plasma. That is, there are disadvantages in that impurities which have a great influence on the reproducibility of the plasma process are generated, and in addition, plasma density decreases and density uniformity decreases due to ion loss. Therefore, the generation of E-mode plasma should be made as small as possible.
상기의 E-mode 플라즈마를 감소하는 방법은 유전체와 안테나 사이에 전기장 차폐수단(30)를 장착하여, 안테나에서 방출되는 전자기파중에서 전기장을 효과적으로 감소시키는 방법으로, 통상 전기장 차폐 수단으로 패러데이 쉴드를 사용한다. 하지만 플라즈마 밀도가 패러데이 쉴더가 없는 경우에 비하여 낮아지는 단점이 있다.The method of reducing the E-mode plasma is a method of effectively reducing the electric field in the electromagnetic waves emitted from the antenna by mounting the electric field shielding means 30 between the dielectric and the antenna, usually using a Faraday shield as the electric field shielding means. . However, there is a disadvantage that the plasma density is lower than that without the Faraday shield.
본 발명에서는 고주파 안테나에 인가되는 고주파 전위를 효과적으로 낮추어 E-mode 플라즈마를 감소시키고, 동시에 고주파 안테나에 인가되는 전류를 적정수준으로 유지하여 H-mode 플라즈마를 감소시키지 않는 고밀도 플라즈마 발생장치를 개시한다. 또한 상기의 효과와 더불어 영구자석을 이용하여 플라즈마를 구속(plasma confinement)함으로써 플라즈마 밀도 및 밀도 균일도를 향상할 수 있는 고밀도 플라즈마 발생장치를 개시한다. The present invention discloses a high-density plasma generator that effectively lowers the high frequency potential applied to the high frequency antenna to reduce the E-mode plasma, and simultaneously maintains the current applied to the high frequency antenna at an appropriate level so as not to reduce the H-mode plasma. In addition, the present invention discloses a high-density plasma generator capable of improving plasma density and density uniformity by confining plasma using a permanent magnet.
고밀도 플라즈마에는 유도 결합형 플라즈마(inductively coupled plasma), 트랜스포머결합형 플라즈마(transformer coupled plasma), 헬리칼 공진형 플라즈마(helical resonator plasma), 헬리콘 플라즈마(helicon plasma), 전자 사이클로트론 공명 플라즈마(electron cyclotron resonance plasma)등이 있다. 본 발명의 고밀도 플라즈마는 특히 유도 결합형 플라즈마에 적합하나 트랜스포머 결합형 플라즈마나 헬리칼 공진형 플라즈마등의 다른 고밀도 플라즈마에도 사용될 수 있다.High density plasmas include inductively coupled plasmas, transformer coupled plasmas, helical resonator plasmas, helicon plasmas, and electron cyclotron resonance plasmas. plasma). The high density plasma of the present invention is particularly suitable for inductively coupled plasma, but can also be used for other high density plasma such as transformer coupled plasma or helical resonant plasma.
유도 결합형 플라즈마 발생 장치에 의한 고밀도 플라즈마 생성 원리에 의하면, 안테나에 인가되는 고주파 전원에 의하여 용량성 결합형 플라즈마와 유도 결합형 플라즈마가 발생하게 되고, 전자를 E-mode 플라즈마, 후자를 H-mode 플라즈마라구분한다. H-mode 플라즈마는 안테나에 흐르는 시간에 따라 사인파(Sinusoidal Wave)의 변위를 갖는 전류에 의해 유도되는 자기장이 시간에 따른 변화 함에 따라 유도 되는 전기장에 의해 전자 가속이 일어나고, 이로써 플라즈마가 지속되는 현상을 설명한다. E-mode 플라즈마를 감소시키고 H-mode 플라즈마를 강화하기 위한 한 방법은 고주파안테나의 저항을 작게하는 것이다. 즉 고주파 안테나의 길이를 짧게하여 저항을 작게하는 방법이다. 하지만 안테나의 길이가 유전체 윈도우의 원둘레 길이 정도 또는 그 이하인 경우에는 플라즈마 밀도 균일도가 낮아 지는 단점이 있다. 밀도 균일도를 향상하기 위해서는 안테나의 길이를 유전체 윈도우의 원둘레 길이의 2배에서 10배사이로 하여야 한다. 본 발명에서는 안테나의 일부분 중 고 전위가 인가되는 부분에 의한 E-mode 플라즈마를 최소하 하고, 저 전위가 인가되는 부분에 의한 E-mode 플라즈마와 H-mode 플라즈마를 최대화한 고밀도 플라즈마 발생장치를 개시한다. 또한 상기의 효과와 더불어 영구자석을 이용하여 플라즈마를 구속(plasma confinement)함으로써 플라즈마 밀도 및 밀도 균일도를 향상할 수 있는 고밀도 플라즈마 발생장치를 개시한다.According to the principle of high density plasma generation by the inductively coupled plasma generator, capacitively coupled plasma and inductively coupled plasma are generated by the high frequency power applied to the antenna, and the former is an E-mode plasma and the latter is an H-mode. It is classified as plasma. In the H-mode plasma, electron acceleration is induced by an electric field induced by a magnetic field induced by a current having a displacement of a sinusoidal wave with a time that flows through the antenna. Explain. One way to reduce the E-mode plasma and to enhance the H-mode plasma is to reduce the resistance of the high frequency antenna. That is, the resistance is reduced by shortening the length of the high frequency antenna. However, when the length of the antenna is about or less than the circumferential length of the dielectric window, the plasma density uniformity is lowered. To improve density uniformity, the antenna length should be between two and ten times the circumference of the dielectric window. The present invention discloses a high-density plasma generating apparatus which minimizes an E-mode plasma by a portion of which a high potential is applied, and maximizes an E-mode plasma and an H-mode plasma by a portion where a low potential is applied. do. In addition, the present invention discloses a high-density plasma generator capable of improving plasma density and density uniformity by confining plasma using a permanent magnet.
도 2 에 본 발명의 고밀도 플라즈마 발생 장치의 구조도를 도시하였다. 전력원과 정합기로 구성되어 고주파 전원을 공급하기 위한 전원 공급장치와; 고주파 전원이 인가되는 안테나와; 유전체 윈도우와; 기판척으로 이루어진 유도 결합형 플라즈마 발생장치를 도시한다. 안테나는 임피던스를 낮게 하기 위하여 하나 이상의 병렬로 연결된다. 상기한 각각의 병렬로 연결된 안테나는 (1)전원 공급 장치와 전기적으로 연결되어 있으며, 플라즈마 발생기에서 먼 곳에 위치한 안테나 A와 (2)접지와 연결되어 플라즈마 발생기에서 가까운 곳에 위치한 안테나 B가 서로 겹쳐져 있는 것을 특징으로 한다. 또한 상기의 안테나 A와 안테나 B는 전기적으로 서로 연결되어 있으며, 높은 전위가 인가되는 안테나 A에 의한 E-mode 플라즈마의 발생을 억제하고(즉, 안테나 A에 의한 용량성 결합형 플라즈마 발생을 억제하고), 안테나 A로부터 플라즈마에 인가되는 전기장의 크기를 줄이기 위해 안테나 A와 안테나 B 사이에 접지와 전기적으로 연결되어 있는 패러데이 쉴드를 구비한다. 즉 안테나의 일부분중 고 전위가 인가되는 안테나 A에 의한 E-mode 플라즈마를 최소하 하고 , 저 전위가 인가되는 안테나 B에 의한 E-mode 플라즈마와 H-mode 플라즈마를 최대화함으로써 E-mode 플라즈마에 의한 유전체손상 및 플라즈마 부산물 발생을 최소화하는 고밀도 플라즈마 발생장치를 개시한다.2 is a structural diagram of the high density plasma generating apparatus of the present invention. A power supply configured to provide a high frequency power source comprising a power source and a matcher; An antenna to which high frequency power is applied; A dielectric window; An inductively coupled plasma generator comprising a substrate chuck is shown. The antennas are connected in one or more parallel to lower the impedance. Each of the antennas connected in parallel is electrically connected to (1) the power supply, and antenna A located far from the plasma generator and (2) antenna B located close to the plasma generator overlap with each other. It is characterized by. In addition, the antenna A and the antenna B are electrically connected to each other, and suppress the generation of the E-mode plasma by the antenna A to which a high potential is applied (that is, suppress the generation of the capacitively coupled plasma generated by the antenna A ), A Faraday shield is electrically connected to the ground between the antenna A and the antenna B to reduce the magnitude of the electric field applied to the plasma from the antenna A. That is, the part of the antenna minimizes the E-mode plasma by the antenna A to which the high potential is applied, and maximizes the E-mode plasma and the H-mode plasma by the antenna B to which the low potential is applied, Disclosed is a high density plasma generating apparatus which minimizes dielectric damage and generation of plasma byproducts.
또한 상기의 효과와 더불어 영구자석을 이용하여 플라즈마를 구속(plasma confinement)함으로써 플라즈마 밀도 및 밀도 균일도를 향상할 수 있는 고밀도 플라즈마 발생장치를 개시한다. 도 5는 본 발명의 고밀도 플라즈마 발생 장치에서 영구 자석의 자기 미러 효과에 의한 플라즈마 구속(magnetic confinement) 효과를 설명하기 위한 자석 배치도 및 자력선을 나타낸다. 자석의 N극과 S극을 교대로 배치하여 자력선 밀집을 극대화 함으로써 플라즈마 구속을 효율적으로 증대한다. 따라서 유전체 윈도우를 향한 전자손실 및 이온손실을 줄임으로써 플라즈마 밀도 및 밀도 균일성을 향상시킨다. 제 1 안테나, 제 2 안테나 및 패러데이 쉴드, 자석의 배치를 더욱 명확히 하기위해, 도 3 에 본 발명의 고밀도 플라즈마 발생 장치의 입체도를, 도 4 에 본 발명의 고밀도플라즈마 발생 장치의 평면도를 도시하였다In addition, the present invention discloses a high-density plasma generator capable of improving plasma density and density uniformity by confining plasma using a permanent magnet. FIG. 5 shows a magnet arrangement and magnetic lines for explaining the plasma confinement effect by the magnetic mirror effect of the permanent magnet in the high density plasma generating apparatus of the present invention. Placing the N pole and the S pole of the magnet alternately maximizes the magnetic force line density, thereby effectively increasing plasma confinement. Therefore, plasma density and density uniformity are improved by reducing electron loss and ion loss toward the dielectric window. In order to clarify the arrangement of the first antenna, the second antenna and the Faraday shield and the magnet, a three-dimensional view of the high-density plasma generator of the present invention is shown in FIG. 3 and a plan view of the high-density plasma generator of the present invention is shown in FIG. 4.
상기의 고밀도 플라즈마 발생장치의 구성요소 중 반응가스를 공급하기 위한 가스주입구와 내부를 진공으로 유지하고 반응이 끝난 반응 가스를 배출하기 위한 진공 펌프 및 가스 배출구 및 웨이퍼 출입구는 통상적으로 사용되는 부분으로 본 발명에서는 자세한 설명은 생략하였다Among the components of the high-density plasma generator, a vacuum inlet for supplying a reaction gas and a vacuum pump, a gas outlet, and a wafer inlet for discharging the reaction gas after the reaction are generally used are considered as commonly used parts. Detailed description is omitted in the invention.
본 발명에서는 고주파 안테나에 인가되는 고주파 전위를 효과적으로 낮추어 E-mode 플라즈마를 감소시키고, 동시에 고주파 안테나에 통전되는 전류를 적정수준으로 유지하여 H-mode 플라즈마를 감소시키지 않음으로써 E-mode 플라즈마에 의한 유전체 손상 및 플라즈마 부산물 발생을 최소화하는 효과와, 또한 영구자석을 이용하여 플라즈마를 구속(plasma confinement)함으로써 플라즈마 밀도 및 밀도 균일도를 향상할 수 있는 효과가 있다.In the present invention, by effectively lowering the high-frequency potential applied to the high-frequency antenna to reduce the E-mode plasma, at the same time maintaining the current supplied to the high-frequency antenna at an appropriate level does not reduce the H-mode plasma dielectric by the E-mode plasma There is an effect of minimizing the generation of damage and plasma by-products, and also to improve the plasma density and density uniformity by constraining the plasma using a permanent magnet (plasma confinement).
도 1 은 종래의 유도 결합형 플라즈마 발생 장치의 구조도.1 is a structural diagram of a conventional inductively coupled plasma generator.
도 2 는 본 발명의 고밀도 플라즈마 발생 장치의 구조도..2 is a structural diagram of a high density plasma generating apparatus of the present invention;
도 3 은 본 발명의 고밀도 플라즈마 발생 장치의 입체도.3 is a three-dimensional view of the high density plasma generating apparatus of the present invention.
도 4 는 본 발명의 고밀도 플라즈마 발생 장치의 평면도.4 is a plan view of the high density plasma generating apparatus of the present invention;
도 5 는 본 발명의 고밀도 플라즈마 발생 장치에서 영구 자석의 자기 미러 효과에 의한 플라즈마 가둠(magnetic confinement) 효과를 설명하기 위한 자석 배치도.5 is a magnet arrangement diagram for explaining the plasma confinement effect by the magnetic mirror effect of the permanent magnet in the high-density plasma generator of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 고주파 전력원 20 : 정합기10: high frequency power source 20: matching device
30 : 전기장 차폐 수단 40 : 안테나30: electric field shielding means 40: antenna
41 : 한 개의 코일의 전원 인가부 42 : 한 개의 코일의 접지부41: power supply of one coil 42: ground of one coil
43 : 다른 코일의 전원 인가부 44 : 다른 코일의 접지부43: power supply of the other coil 44: grounding part of the other coil
55 : 유전체 윈도우 60 : 영구 자석55: dielectric window 60: permanent magnet
70 : 접지 80 : 기판 척70: ground 80: substrate chuck
100. 플라즈마 발생기100. Plasma Generator
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