KR102467966B1 - Hybrid plasma generator and control method of hybrid plasma generator - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 발생 장치는 상부 챔버, 상기 상부 챔버의 상부에 배치되는 용량 결합형 플라즈마 모듈, 상기 용량 결합형 플라즈마 모듈의 측면에 배치되는 유도 결합형 플라즈마 모듈, 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈의 안테나의 상부와 연결되어 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈로 흐르는 전류를 제어하는 전류 조절 모듈 및 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈의 안테나의 하부와 연결되어 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈에 인가되는 전압의 크기를 제어하는 전압 조절 모듈을 포함할 수 있다.An apparatus for generating a hybrid plasma according to an embodiment includes an upper chamber, a capacitive coupled plasma module disposed above the upper chamber, an inductively coupled plasma module disposed on a side surface of the capacitive coupled plasma module, and the inductively coupled plasma module. A current control module connected to the upper part of the antenna of the inductively coupled plasma module to control the current flowing to the inductively coupled plasma module and connected to the lower part of the antenna of the inductively coupled plasma module to control the magnitude of the voltage applied to the inductively coupled plasma module. It may include a voltage regulation module that does.
Description
본 발명은 하이브리드 플라즈마 발생 장치 및 하이브리드 플라즈마 발생 장치의 제어방법에 관한 발명으로서, 보다 구체적으로 용량 결합형 플라즈마 발생 모듈과 유동 결합형 플라즈마 발생 모듈을 포함하고 있는 하이브리드 플라즈마 발생 장치에 있어서, 유도 결합형 플라즈마 발생 모듈에 입력단과 출력단에 각각 연결되어 있는 가변 커패시터들을 이용하여 유도성 결합형 플라즈마 발생 모듈에 인가되는 전류와 전압의 크기를 제어하는 기술에 관한 발명이다. The present invention relates to a hybrid plasma generating device and a control method of the hybrid plasma generating device, and more specifically, in a hybrid plasma generating device including a capacitive coupled plasma generating module and a flow coupled plasma generating module, an inductively coupled plasma generating module. The present invention relates to a technique for controlling the magnitude of current and voltage applied to an inductively coupled plasma generating module using variable capacitors connected to input terminals and output terminals of the plasma generating module, respectively.
플라즈마란 이온화된 기체로, 양이온, 음이온, 전자, 여기된 원자, 분자 및 화학적으로 매우 활성이 강한 라디칼(radical) 등으로 구성되며, 전기적 및 열적으로 보통 기체와는 매우 다른 성질을 갖기 때문에 물질의 제4상태라고도 칭한다. 이러한 플라즈마는 이온화된 기체를 포함하고 있어, 전기장 또는 자기장을 이용해 가속시키거나, 화학 반응을 일으켜 웨이퍼 혹은 기판을 세정하거나, 식각하거나 혹은 증착하는 등 반도체의 제조공정에 매우 유용하게 활용되고 있다. Plasma is an ionized gas, composed of positive ions, negative ions, electrons, excited atoms, molecules, and chemically very active radicals. Also called the fourth state. This plasma contains ionized gas and is very useful in semiconductor manufacturing processes such as accelerating it using an electric or magnetic field or causing a chemical reaction to clean, etch, or deposit a wafer or substrate.
최근에 반도체 제조공정에서는 고밀도 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 장치를 사용하고 있으며, 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 모듈은 여러 가지가 있는데 무선 주파수(radio frequency)를 사용한 용량 결합형 플라즈마(CCP, capacitive coupled plasma)와 유도 결합형 플라즈마(ICP, inductive coupled plasma)가 그 대표적인 예이다.Recently, plasma generators that generate high-density plasma are used in semiconductor manufacturing processes, and there are several plasma modules for generating plasma. Capacitive coupled plasma (CCP) using radio frequency and inductively coupled plasma (ICP) are representative examples.
용량 결합형 플라즈마 모듈은 정확한 용량 결합 조절과 이온 조절 능력이 높아서 타 플라즈마 모듈에 비하여 공정 생산력이 높다는 장점을 갖는다. 반면, 무선 주파수 전원의 에너지가 거의 배타적으로 용량 결합을 통하여 플라즈마에 연결되기 때문에 플라즈마 이온 밀도는 용량 결합된 무선 주파수 전력의 증가 또는 감소에 의해서만 증가 또는 감소될 수 있다. 그러나 무선 주파수 전력의 증가는 이온 충격 에너지를 증가시킨다. 결과적으로 이온 충격에 의한 손상을 방지하기 위해서는 무선 주파수 전력의 한계성을 갖게 된다.The capacitive coupled plasma module has an advantage of higher process productivity than other plasma modules due to accurate capacitive coupling control and high ion control capability. On the other hand, since the energy of the radio frequency power source is coupled to the plasma almost exclusively through capacitive coupling, the plasma ion density can be increased or decreased only by increasing or decreasing the capacitively coupled radio frequency power. However, increasing radio frequency power increases the ion bombardment energy. As a result, in order to prevent damage due to ion bombardment, radio frequency power has limitations.
한편, 유도 결합 플라즈마 모듈은 무선 주파수 전원의 증가에 따라 이온 밀도를 쉽게 증가시킬 수 있으며 이에 따른 이온 충격은 상대적으로 낮아서 고밀도 플라즈마를 얻기에 적합한 것으로 알려져 있다. 그러므로 유도 결합 플라즈마 모듈은 고밀도의 플라즈마를 얻기 위하여 일반적으로 사용되고 있다. 유도 결합 플라즈마 모듈은 대표적으로 무선 주파수 안테나(RF antenna)를 이용하는 방식과 변압기를 이용한 방식(변압기 결합 플라즈마(transformer coupled plasma)라고도 함)으로 기술 개발이 이루어지고 있다. Meanwhile, the inductively coupled plasma module is known to be suitable for obtaining high-density plasma because it can easily increase ion density with an increase in radio frequency power and has relatively low ion impact. Therefore, inductively coupled plasma modules are generally used to obtain high-density plasma. Inductively coupled plasma modules are being developed in a typical way using a radio frequency antenna (RF antenna) and a method using a transformer (also referred to as transformer coupled plasma).
무선 주파수 안테나는 나선형 타입 안테나(spiral type antenna) 또는 실린더 타입의 안테나(cylinder type antenna)가 일반적으로 사용된다. 무선 주파수 안테나는 플라즈마 반응기(plasma reactor)의 외부에 배치되며, 석영과 같은 유전체 위도우(dielectric window)를 통하여 플라즈마 반응기의 내부로 유도 기전력을 전달한다. 무선 주파수 안테나를 이용한 유도 결합 플라즈마는 고밀도의 플라즈마를 비교적 손쉽게 얻을 수 있으나, 안테나의 구조적 특징에 따라서 플라즈마 균일도가 영향을 받는다. 그럼으로 무선 주파수 안테나의 구조를 개선하여 균일한 고밀도의 플라즈마를 얻기 위해 노력하고 있다.As a radio frequency antenna, a spiral type antenna or a cylinder type antenna is generally used. The radio frequency antenna is disposed outside the plasma reactor and transmits an induced electromotive force to the inside of the plasma reactor through a dielectric window such as quartz. Inductively coupled plasma using a radio frequency antenna can obtain high-density plasma relatively easily, but plasma uniformity is affected by the structural characteristics of the antenna. Therefore, efforts are being made to obtain uniform high-density plasma by improving the structure of the radio frequency antenna.
그러나 대면적의 플라즈마를 얻기 위하여 안테나의 구조를 넓게 하거나 안테나에 공급되는 전력을 높이는 것은 한계성을 갖는다. 예를 들어, 정상파 효과(standing wave effect)에 의해 방사선상으로 비균일한 플라즈마가 발생되는 것으로 알려져 있다. 또한, 안테나에 높은 전력이 인가되는 경우 무선 주파수 안테나의 용량성 결합(capacitive coupling)이 증가하게 됨으로 유전체 윈도우를 두껍게 해야 하며, 이로 인하여 무선 주파수 안테나와 플라즈마 사이의 거리가 증가함으로 전력 전달 효율이 낮아지는 문제점이 발생된다. However, widening the antenna structure or increasing the power supplied to the antenna in order to obtain large-area plasma has limitations. For example, it is known that a radially non-uniform plasma is generated by a standing wave effect. In addition, when high power is applied to the antenna, capacitive coupling of the radio frequency antenna increases, so that the dielectric window must be thick, and as a result, the distance between the radio frequency antenna and the plasma increases, resulting in low power transfer efficiency. A losing problem arises.
최근 반도체 제조 산업에서는 반도체 소자의 초미세화, 반도체 회로를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판의 대형화 등과 같은 여러 요인으로 인해 더욱 향상된 플라즈마 처리 기술이 요구되고 있으며, 이에 따라 앞서 설명한 용량 결합형 플라즈마 모듈과 유도 결합형 플라즈마 소소를 결합형 하이브리드(hybrid) 플라즈마 발생 장치가 개발되고 있다. Recently, in the semiconductor manufacturing industry, a more advanced plasma processing technology is required due to various factors such as ultra-miniaturization of semiconductor devices and enlargement of silicon wafer substrates for manufacturing semiconductor circuits. A hybrid plasma generating device combining type plasma sources is being developed.
그러나, 종래 기술에 따른 하이브리드 플라즈마 발생 장치의 경우 용량 결합형 플라즈마 모듈과 유도 결합형 플라즈마 모듈을 독립적으로 제어를 하여 플라즈마를 발생시킬 뿐, 용량 결합형 플라즈마 모듈과 유도 결합형 플라즈마 모듈을 결합되는 경우 발생되는 소스의 밸런스 조건 및 문제들을 고려하지 않고 플라즈마를 발생시키다 보니, 하이브리드 플라즈마 발생 장치의 효율성이 떨어지는 문제점이 존재하였다. However, in the case of the hybrid plasma generator according to the prior art, plasma is generated by independently controlling the capacitive coupled plasma module and the inductively coupled plasma module, but when the capacitive coupled plasma module and the inductively coupled plasma module are combined As the plasma is generated without considering the balance conditions and problems of the generated source, there is a problem in that the efficiency of the hybrid plasma generator is low.
따라서, 일 실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 발생 장치 및 하이브리드 플라즈마 발생 장치의 제어 방법은, 앞서 설명한 문제점을 보완하기 위해 고안된 발명으로서, 유도 결합형 플라즈마 발생 모듈에 입력단과 출력단에 각각 연결되어 있는 가변 커패시터들을 이용하여 유도성 결합형 플라즈마 발생 모듈에 인가되는 전류와 전압의 크기를 제어할 수 있는 하이브리드 플라즈마 발생 장치 및 하이브리드 플라즈마 발생 장치의 제어 방법을 제공하기 위함이다. Therefore, a hybrid plasma generating device and a control method of the hybrid plasma generating device according to an embodiment are inventions designed to compensate for the above-described problems, and include variable capacitors connected to an input terminal and an output terminal of an inductively coupled plasma generating module, respectively. It is to provide a hybrid plasma generating device and a control method of the hybrid plasma generating device capable of controlling the magnitude of the current and voltage applied to the inductively coupled plasma generating module using the inductively coupled plasma generating module.
일 실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 발생 장치는 상부 챔버, 상기 상부 챔버의 상부에 배치되는 용량 결합형 플라즈마 모듈, 상기 용량 결합형 플라즈마 모듈의 측면에 배치되는 유도 결합형 플라즈마 모듈, 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈의 안테나의 상부와 연결되어 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈로 흐르는 전류를 제어하는 전류 조절 모듈 및 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈의 안테나의 하부와 연결되어 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈에 인가되는 전압의 크기를 제어하는 전압 조절 모듈을 포함할 수 있다.An apparatus for generating a hybrid plasma according to an embodiment includes an upper chamber, a capacitive coupled plasma module disposed above the upper chamber, an inductively coupled plasma module disposed on a side surface of the capacitive coupled plasma module, and the inductively coupled plasma module. A current control module connected to the upper part of the antenna of the inductively coupled plasma module to control the current flowing to the inductively coupled plasma module and connected to the lower part of the antenna of the inductively coupled plasma module to control the magnitude of the voltage applied to the inductively coupled plasma module. It may include a voltage regulation module that does.
상기 전류 조절 모듈의 일측은 상기 안테나의 상부와 연결되고, 상기 전류 조절 모듈의 타측은 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈에 전원을 공급하는 전원 모듈과 연결될 수 있다. One side of the current control module may be connected to an upper portion of the antenna, and the other side of the current control module may be connected to a power module supplying power to the inductively coupled plasma module.
상기 전압 조절 모듈의 일측은 상기 안테나의 하부와 연결되고, 상기 전압 조절 모듈의 타측은, 상기 하이브리드 플라즈마 발생 장치의 접지부와 연결될 수 있다.One side of the voltage control module may be connected to a lower part of the antenna, and the other side of the voltage control module may be connected to a grounding part of the hybrid plasma generating device.
상기 전류 조절 모듈은, 제1가변 커패시터를 포함하고, 상기 전압 조절 모듈은, 제2가변 커패시터를 포함할 수 있다.The current control module may include a first variable capacitor, and the voltage control module may include a second variable capacitor.
상기 제1가변 커패시터와 상기 제2가변 커패시터의 정전용량의 크기를 제어하는 제어 모듈을 더 포함할 수 있다.The control module may further include a control module that controls capacitances of the first variable capacitor and the second variable capacitor.
상기 제어 모듈은 상기 제1가변 커패시터의 정전용량 크기를 제어하여 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈의 안테나와 상기 용량 결합형 플라즈마 모듈의 전극에 흐르는 전류의 크기를 제어할 수 있다. The control module may control the size of a current flowing through the antenna of the inductively coupled plasma module and the electrode of the capacitively coupled plasma module by controlling the size of the capacitance of the first variable capacitor.
상기 제어 모듈은, 상기 제2가변 커패시터의 정전용량 크기를 제어하여 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈의 안테나에 인가되는 전압의 크기를 제어할 수 있다.The control module may control the size of the voltage applied to the antenna of the inductively coupled plasma module by controlling the size of the capacitance of the second variable capacitor.
상기 제어 모듈은, 상기 안테나의 입력단과 출력단의 전압이 위상이 서로 반대이고, 전압의 크기가 서로 동일하도록 상기 제2가변 커패시터의 정전용량의 크기를 제어할 수 있다.The control module may control the capacitance of the second variable capacitor so that phases of voltages of the input and output terminals of the antenna are opposite to each other and voltages are equal to each other.
다른 실시예에 따른 용량 결합형 플라즈마 모듈과 유도 결합형 플라즈마 모듈을 포함하는 하이브리드 플라즈마 발생 장치의 제어 방법은, 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈의 안테나의 상부와 연결되어 있는 제1가변 커패시터를 이용하여 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈로 흐르는 전류를 제어하는 단계 및 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈의 안테나의 하부와 연결되어 있는 제2가변 커패시터를 이용하여 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈에 인가되는 전압의 크기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.A control method of a hybrid plasma generator including a capacitively coupled plasma module and an inductively coupled plasma module according to another embodiment includes the control of the hybrid plasma using a first variable capacitor connected to an upper portion of an antenna of the inductively coupled plasma module. Controlling the current flowing through the inductively coupled plasma module and controlling the magnitude of the voltage applied to the inductively coupled plasma module using a second variable capacitor connected to a lower part of the antenna of the inductively coupled plasma module. can include
상기 전압의 크기를 제어하는 단계는, 상기 안테나의 입력단과 출력단의 전압이 위상이 서로 반대이고, 전압의 크기가 서로 동일하도록 상기 제2가변 커패시터의 정전용량의 크기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. The controlling of the magnitude of the voltage may include controlling the magnitude of the capacitance of the second variable capacitor so that the phases of the voltages at the input terminal and the output terminal of the antenna are opposite to each other and the magnitudes of the voltages are equal to each other. have.
일 실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 발생 장치 및 하이브리드 플라즈마 발생 장치는 가변 커패시터를 이용하여 용량 결합형 플라즈마 모듈과 유도 결합형 플라즈마 모듈에 흐르는 전류의 크기를 조절하여, 원하는 종류의 플라즈마 소스를 발생시킬 수 있다. 또한, 가변 커패시터를 이용하여 안테나에 인가되는 전압 자체의 크기를 줄일 수 있어, 하이브리드 플라즈마 발생 장치에서 발생되는 축전결합 및 스퍼터링(sputtering) 문제를 감소시킬 수 있어, 보다 밀도가 높은 플라즈마를 형성시킬 수 있는 장점이 존재한다.The hybrid plasma generating device and the hybrid plasma generating device according to an embodiment can generate a desired type of plasma source by adjusting the amount of current flowing through the capacitively coupled plasma module and the inductively coupled plasma module using a variable capacitor. . In addition, since the magnitude of the voltage applied to the antenna can be reduced by using a variable capacitor, capacitive coupling and sputtering problems generated in the hybrid plasma generator can be reduced, so that a higher density plasma can be formed. There are advantages to
또한, 가변 커패시터의 정전 용량 값은 제어 모듈에 의해 실시간으로 제어될 수 있으므로, 사용자가 원하는 바에 따라 발생되는 플라즈마의 양과 밀도를 실시간으로 제어할 수 있는 효과가 존재한다.In addition, since the capacitance value of the variable capacitor can be controlled in real time by the control module, the amount and density of generated plasma can be controlled in real time according to the user's desire.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 발생 장치의 일부 구성 요소를 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 발생 장치를 상부에서 바라 보았을 때의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 발생 장치의 단면도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 전원 모듈이 하이브리드 플라즈마 발생 장치에 전원을 공급하는 모습을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 전류 조절 모듈과 전압 조절 모듈에 가변 커패시터가 배치된 모습을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 효과를 증명하기 위해, 가변 커패시터 값의 변화에 따른 플라즈마 발생 밀도의 실험 결과를 도시한 도면이다. 1 is a block diagram showing some components of a hybrid plasma generator according to an embodiment of the present invention.
2 is a plan view of a hybrid plasma generator according to an embodiment of the present invention when viewed from above.
3 is a cross-sectional view of a hybrid plasma generating device according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a state in which a power module supplies power to a hybrid plasma generating device according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a state in which variable capacitors are disposed in a current control module and a voltage control module according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing experimental results of plasma generation density according to a change in a variable capacitor value in order to prove the effect according to the present invention.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 실시 예들을 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components have the same numerals as much as possible even if they are displayed on different drawings. In addition, in describing an embodiment of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function hinders understanding of the embodiment of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, embodiments of the present invention will be described below, but the technical idea of the present invention is not limited or limited thereto and can be modified and implemented in various ways by those skilled in the art.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. In addition, terms used in this specification are used to describe embodiments, and are not intended to limit and/or limit the disclosed invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.In this specification, terms such as "include", "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or the existence or addition of more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not excluded in advance.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함하며, 본 명세서에서 사용한 "제 1", "제 2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. In addition, throughout the specification, when a part is said to be “connected” to another part, this is not only the case where it is “directly connected”, but also the case where it is “indirectly connected” with another element in the middle. Terms including ordinal numbers, such as "first" and "second" used herein, may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 발생 장치의 일부 구성 요소를 도시한 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 발생 장치를 상부에서 바라 보았을 때의 평면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 발생 장치의 단면도를 도시한 도면이다.1 is a block diagram showing some components of a hybrid plasma generator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of the hybrid plasma generator according to an embodiment of the present invention when viewed from above, 3 is a cross-sectional view of a hybrid plasma generating device according to an embodiment of the present invention.
도 1 내지 도3을 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 플라즈마 발생 장치(1)는 용량 결합형 플라즈마 모듈(100), 유도 결합형 플라즈마 모듈(200), 전류 조절 모듈(10), 전압 조절 모듈(20), 전원 모듈(30), 제어 모듈(40), 상부 챔버(50) 및 하부 챔버(60)를 포함할 수 있다.1 to 3, the
도 2와 도 3을 참고하면, 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)은 하이브리드 플라즈마 발생 장치(1)의 반응 챔버(50)의 상부 중심으로부터 하부 중심으로까지 관통되는 구조를 취하고 있으며, 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)은 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)의 외주면 밖에서 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)을 둘러싸고 있는 형태로 구성될 수 있다.Referring to FIGS. 2 and 3 , the capacitively coupled
유도 결합형 플라즈마 모듈(200)이 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)을 둘러싸는 형태로는 도 3에 도시된 바와 같이 원형의 도넛 형상을 가질 수 있으며, 이에 따라 상기 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)은 원 형상을 가질 수 있다. 그러나, 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)이 가질 수 있는 형태는 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)이 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)을 둘러싸는 형태로 표현될 수 있다면 이에 한정되는 것은 아니며, 처리하고자 하는 기판의 종류 및 특성에 따라 다각의 도넛 형상 및 다각 형상도 가능하다.The form in which the inductively coupled
하이브리드 플라즈마 발생 장치(1)에 인가되는 전원은 전원 모듈(30)로부터 공급받을 수 있으며, 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)에 저주파(Low Frequency, LF)를 인가되고, 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)에는 고주파(High Frequency, HF)가 인가될 수 있으며, 인가되는 주파수는 공정의 조건에 따라 변경이 가능하다.Power applied to the
예를 들어, 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)에 저주파를 인가하고, 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)에 고주파를 인가하는 경우, 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)에 인가되는 주파수는 400kHz 내지 12.56MHz의 범위일 수 있으며, 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)을 둘러싸는 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)에 인가되는 주파수의 범위는 13MHz 내지 60MHz의 범위일 수 있다. For example, when a low frequency is applied to the capacitive coupled
도 3을 참조하여 하이브리드 플라즈마 발생 장치(1)의 구성을 구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 하이브리드 플라즈마 발생 장치(1)는 상부 챔버(50)와 하부 챔버(60)를 포함하고, 상부 챔버(80)으로부터 하부 챔버(50)를 향해 관통하고, 상부 챔버(50)에 배치되는 제 1 전극(120) 및 제 1 전극(120)에 대향하는 제 2 전극(140)을 포함하는 용량 결합형 플라즈마 모듈(100) 및 상부 챔버(50)에 형성되고, 상기 제 1 전극(120)으로부터 일정 거리 이격되어 배치된 쿼츠판(240) 상에 적어도 하나의 단위 코일들을 포함하고 있는 안테나(220)를 포함하는 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)을 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 3, the configuration of the hybrid
이 때, 상기 제 1 전극(120)은 상부 챔버(50)의 외부로 돌출된 상부 전극봉(120a), 상부 전극봉(120a)에 연결되고, 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)이 배치된 공간에 설치되는 중심 전극봉(120b) 및 중심 전극봉(120b)에 연결되고, 하부 챔버(60)를 향해 돌출된 하부 전극봉(120c)을 포함하는 I자 형태로 형성될 수 있으며, 하이브리드 플라즈마 발생 장치(1)의 지지대 역할을 수행할 수 있다.At this time, the
쿼츠판(240)의 상부에는 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)을 구성하는 단위 코일들을 포함하는 안테나(220)가 배치된다. 이 때, 단위 코일의 갯수에는 제한이 없다. An antenna 220 including unit coils constituting the inductively coupled
하부 챔버(60)의 상부 즉, 쿼츠판(240)과 제 1 전극(120)의 하부 전극봉(120c) 사이 및 쿼츠판(240)과 측면 외벽 사이에 진공을 유지시켜주기 위하여 지지볼(260)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 지지볼(260)은 오링(O-ring)일 수 있다.
하부 챔버(60)는 플라즈마(P)가 형성되어 반도체 웨이퍼 혹은 유리기판 등의 시료의 처리가 이루어지는 반응 공간을 형성하며, 이 반응 공간을 진공과 일정온도로 유지시켜 주는 기능을 수행할 수 있다. 하부 챔버(60)에는 외부로부터 반응가스를 주입하기 위한 가스노즐(미도시)과, 반응이 끝나면 반응가스를 외부로 배출하기 위한 배기구가 마련될 수 있다. 또한, 반응 챔버(50)의 내부에는 반도체 웨이퍼 또는 유리기판 등의 시료를 탑재하기 위한 제2전극(140)이 구비될 수 도 있다.The
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 전원 모듈이 하이브리드 플라즈마 발생 장치에 전원을 공급하는 모습을 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 전류 조절 모듈과 전압 조절 모듈에 가변 커패시터가 배치된 모습을 도시한 도면이다.4 is a diagram showing a state in which a power module supplies power to a hybrid plasma generating device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a view showing a variable current control module and a voltage control module according to an embodiment of the present invention. It is a drawing showing how the capacitor is arranged.
도 4를 참조하면, 전원 모듈(30)은 제 1 전극(120), 제 2 전극(140) 및 안테나(220)에 각각 연결되어 전력을 공급할 수 있다.Referring to FIG. 4 , the
먼저, 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)이 생성하는 플라즈마를 설명하면, 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)을 구성하는 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(140)에 RF 전원이 인가되면 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(140) 간에는 전기장이 유도된다. 이와 동시에 하이브리드 플라즈마 발생 장치(1)의 측면의 외벽에 설치된 가스 주입구(미도시)를 통하여 반응 가스가 주입되면 하부 챔버(60) 내부에는 유도된 전기장에 의하여 반응 가스가 플라즈마 상태로 변형될 수 있다. 이 때 이로부터 발생된 중성의 라디컬 입자들과 전하를 띤 이온들 사이에 화학 반응이 일어나 기판의 표면이 식각 또는 증착되는 등의 처리가 이루어진다.First, the plasma generated by the capacitive coupled
유도 결합형 플라즈마 모듈(200)의 경우, 전원 모듈(30)로부터 RF 전력을 공급받을 수 있으며, 단위 코일들을 포함하고 있는 안테나(220)가 전기장을 발생시킬 수 있다. 이렇게 발생된 전기장은 가스 주입구(미도시)를 통하여 주입된 반응 가스 속에 방전을 발생시켜 가스를 플라즈마화하고 상기로부터 발생된 중성의 라디컬입자들과 전하를 띤 이온 사이의 화학 반응을 발생시킴으로써 기판 표면 처리를 수행할 수 있으며, 이 때, 전원 모듈(30)은 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)의 제 1 전극(120), 제 2 전극(140) 및 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)의 안테나(220)에 각각 서로 다른 주파수를 인가할 수 있다. In the case of the inductively coupled
또한, 하이브리드 플라즈마 발생 장치(1)는 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)의 안테나의 상부(220a)와 연결되어 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)로 흐르는 전류의 크기를 제어할 수 있는 전류 조절 모듈(10) 및 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)의 안테나의 하부(220b)와 연결되어 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)에 인가되는 전압의 크기를 제어하는 전압 조절 모듈(20)을 포함할 수 있다. 전류 조절 모듈(10)과 전압 조절 모듈(20)은 각각 가변 커패시터(C1, C2)를 포함할 수 있으며, 가변 커패시터(C1, C2)의 정전용량의 크기는 제어 모듈(40)에 의해 실시간으로 가변되고 제어될 수 있다.In addition, the hybrid
또한, 도 4와 도5에 도시된 바와 같이 전류 조절 모듈(10)의 일측은 안테나의 입력단인 안테나 상부(220a)와 연결되고, 전류 조절 모듈(10)의 타측은 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)에 전원을 공급하는 전원 모듈(30)과 연결될 수 있으며, 전압 조절 모듈(20)의 일측은 안테나의 출력단인 안테나 하부(220b)와 연결되고, 전압 조절 모듈(20)의 타측은 하이브리드 플라즈마 발생 장치의 접지부(G)와 연결될 수 있다. In addition, as shown in FIGS. 4 and 5, one side of the
구체적으로, 전류 조절 모듈(10)의 제1커패시터(C1)는 전원 모듈(30) 및 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)과 전기적으로 연결되어 있으므로, 제어 모듈(40)은 제1커패시터(C1)의 정전용량 값을 가변시키는 방법으로 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)의 안테나(220)와 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)의 전극에 흐르는 전류의 크기를 제어할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 경우 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)과 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)에 흐르는 전류의 크기를 조절하여, 원하는 종류의 플라즈마 소스를 발생시킬 수 있으며, 경우에 따라 동시 사용 및 제어가 가능하도록 할 수 있다. Specifically, since the first capacitor C1 of the
또한, 전압 조절 모듈(20)의 제2커패시터(C2)는 하이브리드 플라즈마 발생 장치의 접지부(G)와 연결되어 있으므로, 제어 모듈(40)은 제2커패시터(C2)의 정전용량 값을 가변시키는 방법으로 유도 결합형 플라즈마 모듈(200)의 안테나(220)에 인가되는 전압의 크기를 제어할 수 있다. In addition, since the second capacitor C2 of the voltage control module 20 is connected to the ground part G of the hybrid plasma generator, the
구체적으로, 제어 모듈(40)은 제2커패시터(C2)의 타측은 그라운드(G)와 접지 연결되어 있어, 정전용량 값을 조절하여 전압 밸런스 조건을 형성할 수 있는데, 전압 밸런스 조건이란 안테나(220)의 입력단과 출력단에 같은 크기의 전압이 인가되면서 위상이 반대인 경우를 의미한다. 전압 밸러스 조건은 경우 제2커패시터의 임피던스의 크기가, 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)의 코일의 임피던스 크기의 반이 되는 경우를 의미할 수 있다. Specifically, in the
예를 들어, 용량 결합형 플라즈마 모듈(100)에 10V의 전압이 인가되는 경우, 제2커패시터가 없다면 안테나의 출력단은 그라운드(G)와 접지 연결되어 있으므로 안테나의 입력단의 전원은 10V가 되고, 안테나의 출력단은 0V가 된다. 그러나, 본 발명과 같이 그라운드와 접지되어 있는 제2커패시터(C2)가 안테나의 출력단인 안테나의 하부(220b)와 연결되어 있는 경우 안테나 출력단의 전압이 -5V가 되도록 제어할 수 있으며, 이에 따라 안테나의 입력단의 전압이 +5V가 될 수 있다. For example, when a voltage of 10V is applied to the capacitively coupled
본 발명과 같은 특징을 가지는 경우, 안테나에 인가되는 전압 자체의 크기가 작아져 용량 결합형 플라즈마 모듈(200)에서 발생되는 축전 결합에 따른 문제점 및 스퍼터링(sputtering)에 따른 문제점을 감소시킬 수 있어, 보다 밀도가 높은 플라즈마를 형성시킬 수 있는 장점이 존재하며, 가변 커패시터(C1, C2)의 정전 용량 값은 제어 모듈(40)에 의해 실시간으로 제어될 수 있으므로, 사용자가 원하는 바에 따라 발생되는 플라즈마의 양과 밀도를 실시간으로 제어할 수 있는 장점이 존재한다. In the case of having the same characteristics as the present invention, the size of the voltage itself applied to the antenna is reduced, so that problems due to capacitive coupling and sputtering generated in the capacitive coupled
도 6은 본 발명에 따른 효과를 증명하기 위해, 가변 커패시터 값의 변화에 따른 플라즈마 발생 밀도의 실험 결과를 도시한 도면으로서, 도 6의 각각의 실험 결과는 제2커패시터의 정전용량 값을 각각 200pF, 300pF, 400pF, 600pF, 1000pF 로 하였을 때, 발생된 플라즈마의 밀도를 표시한 도면이다.FIG. 6 is a diagram showing the experimental results of the plasma generation density according to the change in the variable capacitor value in order to prove the effect according to the present invention. Each experimental result in FIG. , 300pF, 400pF, 600pF, and 1000pF, it is a diagram showing the density of the generated plasma.
도 6을 참고하면, 제2커패시터의 정전용량 값을 증가시킬 때마다, 발생되는 플라즈마의 분포 및 밀도가 달라지는 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해, 사용자는 실험 환경에 따라 커패시터의 정전 용량 값을 조절하는 방식으로 발생되는 플라즈마의 분포 및 밀도를 용이하게 제어할 수 있다. Referring to FIG. 6 , it can be seen that the distribution and density of generated plasma change whenever the capacitance value of the second capacitor is increased. Through these results, the user can easily control the distribution and density of the generated plasma by adjusting the capacitance value of the capacitor according to the experimental environment.
일 실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 발생 장치 및 하이브리드 플라즈마 발생 장치는 가변 커패시터를 이용하여 용량 결합형 플라즈마 모듈과 유도 결합형 플라즈마 모듈에 흐르는 전류의 크기를 조절하여, 원하는 종류의 플라즈마 소스를 발생시킬 수 있다. 또한, 가변 커패시터를 이용하여 안테나에 인가되는 전압 자체의 크기를 줄일 수 있어, 하이브리드 플라즈마 발생 장치에서 발생되는 축전결합 및 스퍼터링(sputtering) 문제를 감소시킬 수 있어, 보다 밀도가 높은 플라즈마를 형성시킬 수 있는 장점이 존재한다.The hybrid plasma generating device and the hybrid plasma generating device according to an embodiment can generate a desired type of plasma source by adjusting the amount of current flowing through the capacitively coupled plasma module and the inductively coupled plasma module using a variable capacitor. . In addition, since the magnitude of the voltage applied to the antenna can be reduced by using a variable capacitor, capacitive coupling and sputtering problems generated in the hybrid plasma generator can be reduced, so that a higher density plasma can be formed. There are advantages to
또한, 가변 커패시터의 정전 용량 값은 제어 모듈에 의해 실시간으로 제어될 수 있으므로, 사용자가 원하는 바에 따라 발생되는 플라즈마의 양과 밀도를 실시간으로 제어할 수 있는 효과가 존재한다.In addition, since the capacitance value of the variable capacitor can be controlled in real time by the control module, the amount and density of generated plasma can be controlled in real time according to the user's desire.
한편, 본 명세서에 기재된 "~부"로 기재된 구성요소들, 유닛들, 모듈들, 컴포넌트들 등은 함께 또는 개별적이지만 상호 운용 가능한 로직 디바이스들로서 개별적으로 구현될 수 있다. 모듈들, 유닛들 등에 대한 서로 다른 특징들의 묘사는 서로 다른 기능적 실시예들을 강조하기 위해 의도된 것이며, 이들이 개별 하드웨어 또는 소프트웨어 컴포넌트들에 의해 실현되어야만 함을 필수적으로 의미하지 않는다. 오히려, 하나 이상의 모듈들 또는 유닛들과 관련된 기능은 개별 하드웨어 또는 소프트웨어 컴포넌트들에 의해 수행되거나 또는 공통의 또는 개별의 하드웨어 또는 소프트웨어 컴포넌트들 내에 통합될 수 있다.On the other hand, components, units, modules, components, etc. described in this specification described as “~ unit” may be implemented together or separately as interoperable logic devices. Depiction of different features for modules, units, etc. is intended to highlight different functional embodiments and does not necessarily mean that they must be realized by separate hardware or software components. Rather, functionality associated with one or more modules or units may be performed by separate hardware or software components or integrated within common or separate hardware or software components.
부가적으로, 본 특허문헌에서 기술하는 논리 흐름과 구조적인 블럭도는 개시된 구조적인 수단의 지원을 받는 대응하는 기능과 단계의 지원을 받는 대응하는 행위 및/또는 특정한 방법을 기술하는 것으로, 대응하는 소프트웨어 구조와 알고리즘과 그 등가물을 구축하는 데에도 사용 가능하다. Additionally, the logic flow and structural block diagrams described in this patent document describe corresponding actions and/or specific methods supported by corresponding functions and steps supported by the disclosed structural means. It can also be used to build software structures and algorithms and their equivalents.
본 기술한 설명은 본 발명의 최상의 모드를 제시하고 있으며, 본 발명을 설명하기 위하여, 그리고 당업자가 본 발명을 제작 및 이용할 수 있도록 하기 위한 예를 제공하고 있다. 이렇게 작성된 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 본 발명을 제한하는 것이 아니다. The present description presents the best mode of the invention and provides examples to illustrate the invention and to enable those skilled in the art to make and use the invention. The specification thus prepared does not limit the invention to the specific terms presented.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art or those having ordinary knowledge in the art do not deviate from the spirit and technical scope of the present invention described in the claims to be described later. It will be understood that the present invention can be variously modified and changed within the scope not specified. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.
1: 하이브리드 플라즈마 발생 장치
10: 전류 조절 모듈
20: 전압 조절 모듈
30: 전원 모듈
40: 제어 모듈
50: 상부 챔버
60: 하부 챔버
100: 용량 결합형 플라즈마 모듈
200: 유도 결합형 플라즈마 모듈1: hybrid plasma generator
10: current regulation module
20: voltage regulation module
30: power module
40: control module
50: upper chamber
60: lower chamber
100: capacitive coupled plasma module
200: inductively coupled plasma module
Claims (10)
상기 상부 챔버의 상부에 배치되는 용량 결합형 플라즈마 모듈;
상기 용량 결합형 플라즈마 모듈의 측면에 배치되는 유도 결합형 플라즈마 모듈;
상기 유도 결합형 플라즈마 모듈의 안테나의 상부와 연결되어 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈로 흐르는 전류를 제어하며, 제1가변 커패시터를 포함하는 전류 조절 모듈;
상기 유도 결합형 플라즈마 모듈의 안테나의 하부와 연결되어 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈에 인가되는 전압의 크기를 제어하며, 제2가변 커패시터를 포함하는 전압 조절 모듈; 및
상기 제1가변 커패시터와 상기 제2가변 커패시터의 정전용량의 크기를 제어하는 제어 모듈;을 포함하고
상기 제어 모듈은,
상기 안테나의 입력단과 출력단의 전압이 위상이 서로 반대이고, 전압의 크기가 서로 동일하도록 상기 제2가변 커패시터의 정전용량의 크기를 제어하는, 하이브리드 플라즈마 발생 장치. upper chamber;
a capacitively coupled plasma module disposed above the upper chamber;
an inductively coupled plasma module disposed on a side of the capacitively coupled plasma module;
a current control module connected to an upper portion of an antenna of the inductively coupled plasma module to control current flowing to the inductively coupled plasma module and including a first variable capacitor;
a voltage control module connected to a lower portion of an antenna of the inductively coupled plasma module to control a voltage applied to the inductively coupled plasma module and including a second variable capacitor; and
A control module for controlling capacitances of the first variable capacitor and the second variable capacitor; and
The control module,
Controlling the size of the capacitance of the second variable capacitor so that the phases of the voltages at the input terminal and the output terminal of the antenna are opposite to each other and the magnitudes of the voltages are equal to each other, the hybrid plasma generator.
상기 전류 조절 모듈의 일측은 상기 안테나의 상부와 연결되고,
상기 전류 조절 모듈의 타측은 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈에 전원을 공급하는 전원 모듈과 연결되는, 하이브리드 플라즈마 발생 장치.According to claim 1,
One side of the current control module is connected to the top of the antenna,
The other side of the current control module is connected to a power module for supplying power to the inductively coupled plasma module, hybrid plasma generating device.
상기 전압 조절 모듈의 일측은 상기 안테나의 하부와 연결되고,
상기 전압 조절 모듈의 타측은, 상기 하이브리드 플라즈마 발생 장치의 접지부와 연결되는, 하이브리드 플라즈마 발생 장치. According to claim 1,
One side of the voltage control module is connected to the lower part of the antenna,
The other side of the voltage control module is connected to the ground of the hybrid plasma generating device.
상기 제어 모듈은,
상기 제1가변 커패시터의 정전용량 크기를 제어하여 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈의 안테나와 상기 용량 결합형 플라즈마 모듈의 전극에 흐르는 전류의 크기를 제어하는, 하이브리드 플라즈마 발생 장치. According to claim 1,
The control module,
Controlling the size of the capacitance of the first variable capacitor to control the size of the current flowing through the antenna of the inductively coupled plasma module and the electrode of the capacitively coupled plasma module.
상기 제어 모듈은,
상기 제2가변 커패시터의 정전용량 크기를 제어하여 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈의 안테나에 인가되는 전압의 크기를 제어하는, 하이브리드 플라즈마 발생 장치. According to claim 1,
The control module,
Controlling the size of the voltage applied to the antenna of the inductively coupled plasma module by controlling the size of the capacitance of the second variable capacitor.
상기 유도 결합형 플라즈마 모듈의 안테나의 상부와 연결되어 있는 제1가변 커패시터를 이용하여 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈로 흐르는 전류를 제어하는 단계; 및
상기 유도 결합형 플라즈마 모듈의 안테나의 하부와 연결되어 있는 제2가변 커패시터를 이용하여 상기 유도 결합형 플라즈마 모듈에 인가되는 전압의 크기를 제어하는 단계;를 포함하고,
상기 전압의 크기를 제어하는 단계는,
상기 안테나의 입력단과 출력단의 전압이 위상이 서로 반대이고, 전압의 크기가 서로 동일하도록 상기 제2가변 커패시터의 정전용량의 크기를 제어하는 단계를 포함하는, 하이브리드 플라즈마 발생 장치의 제어 방법.A method for controlling a hybrid plasma generating device including a capacitively coupled plasma module and an inductively coupled plasma module,
controlling a current flowing into the inductively coupled plasma module using a first variable capacitor connected to an upper portion of an antenna of the inductively coupled plasma module; and
Controlling the magnitude of the voltage applied to the inductively coupled plasma module using a second variable capacitor connected to a lower portion of an antenna of the inductively coupled plasma module;
The step of controlling the magnitude of the voltage,
Controlling the size of the capacitance of the second variable capacitor so that the phases of the voltages of the input terminal and the output terminal of the antenna are opposite to each other and the magnitudes of the voltages are equal to each other.
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