KR100303156B1 - 2중 가스 플레이트를 구비한 건식 식각장비 - Google Patents

Abstract

2중 가스 플레이트를 구비한 상향식의 건식 식각장비에 관하여 개시된다. 개시된 건식 식각장비는, 중심부위에는 반응가스를 기판의 식각면 전체에 균일하게 분배시키기 위한 가스 분배헤드가 마련되고 외곽부위에는 반응가스를 배기시키기 위한 가스 배기헤드가 마련된 상부 가스 플레이트와, 일측에는 반응가스가 유입되는 반응가스 주입관이 연결되고 상단부는 상부 가스 플레이트의 중심부위 저면에 결합되어 내부에 가스 흐름 공간을 형성시키는 블록과, 상부 가스 플레이트와 소정 간격을 두고 블록의 내부에 설치되며 그 중심에는 블록의 내부로 유입된 반응가스를 상부 가스 플레이트의 중심으로 유도하기 위한 가스 주입헤드가 마련된 하부 가스 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기에서, 가스 분배헤드는 상부 가스 플레이트의 중심에 하나가 마련되고 중심과 소정 거리 떨어진 원주 상에 등간격으로 복수개가 배치되며, 가스 배기헤드는 외곽부위의 소정 원주 상에 등간격으로 다수개가 배치된다. 따라서, 반응가스가 기판의 식각면 전체에 균일하게 분배되어 흐르게 되므로 기판의 식각 균일성이 향상된다.

Description

2중 가스 플레이트를 구비한 건식 식각장비{Dry etching apparatus having double gas plates}

본 발명은 반도체 제조공정에 사용되는 건식 식각장비에 관한 것으로, 상세하게는 상향식의 건식 식각 방식에 적합하도록 된 2중 가스 플레이트를 구비한 건식 식각장비에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자를 제조하기 위해서는 다양한 공정을 거치게 되며, 그 중에서 반도체 웨이퍼 상에 증착된 박막을 선택적으로 식각하는 식각 공정은 필수적으로 이용된다. 또한, 사진 공정에서 사용되는 포토 마스크(Photo mask) 상에 패턴을 형성시키기 위해서도 식각 공정을 거치게 된다.

이와 같이 웨이퍼나 포토 마스크 등 기판 상에 형성된 박막을 식각하는 식각 공정은 습식 식각(Wet etching) 공정 및 건식 식각(Dry etching) 공정으로 분류할 수 있다. 습식 식각 공정은 화학용액을 사용하여 박막을 식각하는 공정인 데 반하여, 건식 식각 공정은 주로 반응가스를 플라즈마 가스화 시켜 박막을 식각하는 공정이다. 특히, 습식 식각 공정은 등방성 식각이 이루어지므로 미세 패턴을 형성하는 데 적합하지 않은 반면에, 건식 식각 공정은 이방성 식각이 가능하므로 고집적 반도체 소자의 제조에 적합하다.

상술한 플라즈마를 이용한 건식 식각 공정을 수행하는 건식 식각장비는 소정의 진공상태를 유지하는 챔버를 구비하며, 그 챔버 내에 웨이퍼나 포토 마스크 등의 기판을 로딩 한 후 반응가스를 주입하여 건식 식각이 진행되도록 되어 있다.도 5에는 종래의 건식 식각장비의 일례가 개략적으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 현재 사용되고 있는 건식 식각장비는 일반적으로 하향식(Down- stream) 건식 식각 방식을 채용한 장비이다. 하향식 건식 식각장비는 챔버(1)의 상부로부터 반응가스를 주입하여 기판(10)의 상면에 식각이 이루어지도록 한다. 이와 같은 하향식 건식 식각장비는 그 내부에 플라즈마 형성 공간이 마련된 챔버(1)를 구비하고 있으며, 챔버(1)의 내부에는 기판(10)이 그 상면에 탑재되는 하부전극(2)이 마련되고, 챔버(1)의 상부에는 하부전극(2)과 소정 거리를 두고 서로 대향하도록 상부전극(3)이 설치되어 있다. 통상, 하부전극(2)에는 플라즈마 생성을 위해 RF 전력을 공급하기 위한 RF 전원(9)이 연결되며, 상부전극(3)은 접지된다. 상부전극(3)에는 가스공급라인(6)으로부터 공급되는 반응가스가 통과되는 다수의 가수토출구(5)가 형성되어 있다. 그리고, 챔버(1)의 하부에는 챔버(1) 내부를 소정의 진공상태로 만들기 위한 진공펌프(8)가 마련되어 있다. 그런데, 이와 같은 종래의 하향식 건식 식각장비는 기판의 홀딩 구조가 간단한 반면에, 반응 부산물이 하부전극 및 기판의 상면에 부착되어 기판에 결함을 발생시키게 되는 문제점이 있다.

이에 따라, 최근에는 이러한 하향식 건식 식각방식을 채용한 장비의 문제점을 해소하기 위하여 챔버의 하부로부터 주입된 반응가스가 상승하며 기판의 하면을 식각하도록 된 상향식(Up-stream)의 건식 식각방식이 제안되고 있다. 이와 같은 상향식 건식 식각방식에 의하면 기판의 식각면이 아래를 향하고 있어 반응 부산물이 기판의 식각면에 부착되지 않는 장점이 있다. 그러나, 상향식 건식 식각방식을 채용하는 장비에 있어서는 기판의 식각면이 아래를 향하도록 홀딩하여야 하고 기판의 하부에 반응가스가 흐를 수 있도록 소정의 공간을 형성시켜야 하기 때문에 그 구조가 복잡해지며, 이에 따라 기판의 저면, 즉 식각면 전체에 반응가스를 균일하게 흘려주기가 곤란하게 되는 문제점이 있다. 이와 같이 반응가스의 흐름이 기판의 부위에 따라 차이가 있는 경우에는, 기판의 부위에 따라 식각률(Etch rate)이 달라지게 되고, 이는 반도체 소자의 제조에 있어서 특히 중요시되는 배선의 선폭(Critical Dimension : CD)의 균일성을 저해하는 문제점을 발생시키게 된다. 이에 따라, 상향식의 건식 식각방식은 그 장점에도 불구하고 아직까지 그 실용화는 늦추어지고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 특히 상향식의 건식 식각방식에 적합하도록 된 2중 가스 플레이트를 구비한 건식 식각장비를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 2중 가스 플레이트를 구비한 건식 식각장비를 도시한 개략도,

도 2는 도 1에 도시된 상부 가스 플레이트의 평면도,

도 3은 도 2에 도시된 상부 가스 플레이트의 A-A 단면도,

도 4는 도 1에 도시된 하부 가스 플레이트의 수직 단면도,

도 5는 가스 분배헤드의 상세 평면도,도 6은 종래의 건식 식각장비의 구조를 개략적으로 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10...기판 100...챔버

110...기판 출입구 120...개폐장치

130...냉각가스 주입구 140...샤워 헤드

150...배기관 200...상부 가스 플레이트

210...가스 분배헤드 211...가스 분배구멍

220...가스 배기헤드 221...가스 배기구멍

230...승강로드 삽입구멍 300...블록

310...반응가스 주입관 320...가스 흐름 공간

400...하부 가스 플레이트 410...가스 주입헤드

411...가스 주입구멍 510...승강장치

520...승강 로드 530...기판 홀더

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 2중 가스 플레이트를 구비한 건식 식각장비는, 반도체 제조공정에 사용되는 것으로, 소정의 진공 상태를 유지하는 챔버 내부에 기판을 로딩한 후, 상기 챔버의 하부로부터 반응가스를 주입하여 상기 기판 상에 증착된 박막을 선택적으로 식각하는 상향식의 건식 식각장비에 있어서: 상기 챔버의 내부에 수평으로 설치되며, 그 중심부위에는 상기 반응가스를 상기 기판의 식각면 전체에 균일하게 분배시키기 위한 다수의 구멍을 가진 가스 분배헤드가 마련되고, 그 외곽부위에는 상기 반응가스를 배기시키기 위한 다수의 구멍을 가진 가스 배기헤드가 마련된 상부 가스 플레이트; 일측에는 상기 반응가스가 외부로부터 유입되는 반응가스 주입관이 연결되고, 그 상단부는 상기 상부 가스 플레이트의 중심부위 저면에 결합되어 그 내부에 가스 흐름 공간을 형성시키는 블록; 및 상기 상부 가스 플레이트와 소정 간격을 두고 상기 블록의 내부에 설치되며, 그 중심에는 상기 블록의 내부로 유입된 상기 반응가스를 상기 상부 가스 플레이트의 중심으로 유도하기 위한 다수의 구멍을 가진 가스 주입헤드가 마련된 하부 가스 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 가스 분배헤드는, 상기 상부 가스 플레이트의 중심에 하나가 마련되고, 상기 중심과 소정 거리 떨어진 원주 상에 등간격으로 복수개가 배치되는것이 바람직하다.

그리고, 상기 가스 배기헤드는 상기 상부 가스 플레이트 외곽부위의 소정 원주 상에 등간격으로 다수개가 배치되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 2중 가스 플레이트를 구비한 건식 식각장비를 도시한 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 식각장비는 포토 마스크 또는 웨이퍼 등의 기판(10) 상에 증착된 박막을 선택적으로 식각하는 반도체 제조장비로서, 챔버(100)의 하부로부터 반응가스를 주입하는 상향식(Up-stream)의 건식 식각장비이다. 본 발명의 특징은, 상부 가스 플레이트(200)와 하부 가스 플레이트(400)가 구비된 2중 가스 플레이트 구조를 가지며, 상부 가스 플레이트(200)의 하부에 가스 흐름 공간(320)을 형성시키는 블록(300)이 마련되는 것이다.

건식 식각장비에는 소정의 내부 공간을 갖는 챔버(100)가 구비된다. 상기 챔버(100)의 일측에는 기판(10)을 로딩/언로딩 할 수 있도록 기판 출입구(110)가 마련되며, 상기 기판 출입구(110)의 외측에는 챔버(100) 내부를 밀폐시킬 수 있도록 개폐장치(120)가 설치된다. 상기 챔버(100) 내부에는 로딩된 기판(10)을 홀딩하기 위한 기판 홀더(530)가 마련되며, 상기 기판 홀더(530)는 소정의 승강장치(510)에 의해 승강가능하도록 설치되는 승강 로드(520)의 상단부에 결합되어 지지된다. 그리고, 상기 챔버(100)의 하부에는 도시되지 않은 진공펌프에 연결되는 배기관(150)이 마련되며, 상기 배기관(150)을 통해 챔버(100) 내부의 가스를 배기시킴으로써 챔버(100) 내부를 소정의 진공 상태로 만들게 된다. 이와 같이 챔버(100) 내부를 진공 상태로 만드는 이유는 이물질에 의해 기판(10) 상에 결함이 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다.

한편, 건식 식각공정 진행중에는 반응가스에 의해 기판(10)의 온도가 상승하게 되므로, 공정진행중인 기판(10)의 온도를 낮추어 안정된 공정을 실현할 수 있도록 기판(10)의 식각면의 배면에 냉각가스를 흐르도록 할 필요가 있다. 이에 따라, 상기 챔버(100)의 상부에는 상기 냉각가스를 주입하는 냉각가스 주입구(130)가 마련된다. 상기 냉각가스 주입구(130)에는 샤워 헤드(140)가 설치되어 냉각가스를 분산시킬 수 있도록 되어 있다. 상기 냉각가스로는 통상 헬륨(He)가스가 사용된다.

본 발명의 특징부인 상기 상부 가스 플레이트(200)는 챔버(100)의 내부에 수평으로 설치되며, 상기 기판(10)과는 소정 간격을 두고 그 하부에 위치하게 된다. 상기 상부 가스 플레이트(200)의 중심부위, 즉 기판(10)의 저면에 대응하는 부위에는 다수의 구멍을 가진 가스 분배헤드(210)가 마련된다. 상기 가스 분배헤드(210)는 기판(10)의 저면, 즉 식각면 전체에 반응가스를 균일하게 분배시키는 역할을 하게 된다. 상기 상부 가스 플레이트(200)의 외곽부위에는 반응가스와 냉각가스를 배기시키기 위한 다수의 구멍을 가진 가스 배기헤드(220)가 마련된다.

상기 블록(300)은 그 상단부가 상부 가스 플레이트(200)의 중심부위 저면에 결합되도록 설치된다. 그리고, 상기 블록(300)의 일측에는 반응가스가 외부로부터 유입되는 반응가스 주입관(310)이 연결된다. 따라서, 상기 블록(300)의 내부는 유입된 반응가스가 흐르는 가스 흐름 공간(320)을 형성하게 된다.

상기 하부 가스 플레이트(400)는 상기 상부 가스 플레이트(200)와 소정 간격을 두고 상기 블록(300)의 내부에 수평으로 설치된다. 하부 가스 플레이트(400)의 중심에는 블록(300)의 내부로 유입된 반응가스를 상부 가스 플레이트(200)의 중심으로 유도하기 위한 다수의 구멍을 가진 하나의 가스 주입헤드(410)가 마련된다.

도 2에는 도 1에 도시된 상부 가스 플레이트의 평면도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2에 도시된 상부 가스 플레이트의 A-A 단면도가 도시되어 있다.

도 2와 도 3을 함께 참조하면, 상부 가스 플레이트(200)의 중심부위에는 복수의 가스 분배헤드(210)가 마련된다. 바람직하게는 가스 분배헤드(210)는 다섯개가 마련되며, 그 중 하나는 상부 가스 플레이트(200)의 중심에 위치하고, 나머지 네개는 상기 중심과 소정 거리 떨어진 원주 상에 등간격으로 배치된다. 상기 다섯개의 가스 분배헤드(210)는 모두 상기 블록(300)의 내부에 위치하게 되며, 이에 따라 블록(300)의 내부로 유입된 반응가스를 기판의 저면 전체에 균일하게 분배시킬 수 있게 된다. 이때, 상부 가스 플레이트(200)의 중심에 위치한 가스 분배헤드(210a)에 형성된 가스 분배구멍(211a)의 크기는 상기 중심과 소정 거리 떨어진 원주상에 배치된 가스 분배헤드(210b)에 형성된 가스 분배구멍(211b)의 크기보다 작게 된 것이 바람직하다. 이것은 하부 가스 플레이트에 마련된 가스 주입헤드가 상부 가스 플레이트(200)의 중심에 위치한 가스 분배헤드(210a)의 직하부에 위치하므로, 이곳의 가스 분배구멍(211b)의 크기를 보다 작게 함으로써 다섯개의 가스 분배헤드(210a, 210b) 각각을 통해 기판(10) 쪽으로 주입되는 반응가스의 양을 보다 더 균일하게 할 수 있기 때문이다.

상기 상부 가스 플레이트(200)의 외곽부위에는 다수의 가스 배기헤드(220)가 마련된다. 바람직하게는 상기 가스 배기헤드(220)는 상부 가스 플레이트(200) 외곽부위의 소정 원주 상에 30도 간격으로 12개가 배치된다. 그리고, 상기 가스 배기헤드(220) 각각에는 다수개의 가스 배기구멍(221)이 형성된다. 이와 같은 배치는 이를 통해 배기되는 반응가스와 냉각가스의 흐름을 공간대칭적으로 이루어지도록 한다.

한편, 도 2에 표시된 참조부호 230은 도 1에 도시된 승강 로드가 삽입되는 승강로드 삽입구멍을 나타낸다.

도 4는 도 1에 도시된 하부 가스 플레이트의 수직 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 하부 가스 플레이트(400)에는 하나의 가스 주입헤드(410)가 마련된다. 상기 가스 주입헤드(410)는 하부 가스플레이트(400)의 중심에 위치하여 반응가스를 상부 가스 플레이트의 중심으로 유도하게 된다. 상기 가스 주입헤드(410)에는 다수개의 가스 주입구멍(411)이 형성된다.

도 5에는 가스 분배헤드의 상세 평면도가 도시되어 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 가스 분배헤드(210)는 원형으로 된 것이 바람직하며, 이에 따라 가스 분배구멍(211)도 다수의 동심원 상에 등간격으로 배치됨으로써, 이들을 통해 분배되는 반응가스 흐름의 대칭성을 극대화시키게 된다. 이와 같은 가스 분배헤드(210)의 형상이나 가스 분배구멍(211)의 배치는 상술한 가스 배기헤드 및 가스 주입헤드에도 동일하게 적용될 수 있다.

이하에서는 상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 건식 식각장비에 있어서, 반응가스의 주입 및 배기 흐름을 도 1을 참조하며 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 반응가스는 외부로부터 반응가스 주입관(310)을 통해 블록(300)의 가스 흐름 공간(320)으로 주입된 후, 하부 가스 플레이트(400)의 중심에 마련된 가스 주입헤드(410) 쪽으로 유도된다. 가스 주입헤드(410)에 도달한 반응가스는 이를 통해 상부 가스 플레이트(200)의 저면으로 유입되어, 상부 가스 플레이트(200)의 중심부위에 대칭적으로 마련된 다섯개의 가스 분배헤드(210) 각각으로 흘러가게 된다. 이때, 상술한 바와 같이 상부 가스 플레이트(200)의 중심에 위치하는 가스 분배헤드(210)의 가스 분배구멍이 나머지 네개의 가스 분배헤드(210)의 가스 분배구멍보다 그 크기가 작도록 되어 있으므로, 다섯개의 가스 분배헤드(210) 각각을 통해 기판(10)의 저면, 즉 식각면으로 공급되는 반응가스의 양이 식각면 전체에 보다 더 균일하게 분배될 수 있다. 이와 같이, 반응가스의 균일한 흐름은 기판(10)의 식각 균일성을 향상시키게 된다.

한편, 식각 공정중에 발생되는 반응부산물은 잔여 반응가스와 함께 상부 가스 플레이트(200)의 외곽부위에 마련된 가스 배기헤드(220)를 통해 그 하부로 흘러나가 챔버(100)의 하부에 마련된 배기관(150)을 통해 외부로 배출된다. 여기에서, 배기관(150)은 챔버(100)의 중심에 위치하고, 또한 가스 배기헤드(220)도 챔버(100) 중심에 대해 대칭적으로 다수개가 배치되어 있으므로, 반응가스의 흐름이 공간대칭적으로 이루어지게 된다. 이에 따라, 반응가스의 흐름이 균일하게 되고 그 배출도 원활하게 되어 반응부산물이 기판(10)과 챔버(10)의 상부 내측면에 부착되는 것이 방지된다.

그리고, 챔버(100) 내부에 공간대칭적인 가스 흐름이 형성되므로 챔버(100)의 상부에 마련된 냉각가스 주입구(130)를 통해 주입되는 냉각가스의 흐름도 대칭적으로 균일하게 이루어지게 된다. 이에 따라 기판(10) 전체에 균일한 냉각이 이루어지게 되고, 냉각효율도 향상된다. 기판(10)의 균일한 냉각은 기판(100)의 온도에 영향을 받는 식각률의 균일성을 향상시키게 된다.

본 발명은 개시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 2중 가스 플레이트를 구비한 건식 식각장비는, 하부 가스 플레이트에 마련된 가스 주입헤드에 의해 상부 가스 플레이트의 중심으로 반응가스가 유도되고, 다시 상부 가스 플레이트에 마련된 가스 분배헤드를 통해 반응가스가 기판의 식각면 전체에 균일하게 분배되도록 되어 있다. 또한, 상부 가스 플레이트의 외곽부위에 대칭적으로 마련된 가스 배기헤드에 의해 반응가스와 냉각가스의 배기 흐름이 균일하게 이루어지게 된다. 따라서, 기판의 식각과 냉각이 전면에서 균일하게 이루어지므로, 기판의 CD 균일성이 향상되는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 반도체 제조공정에 사용되는 것으로, 소정의 진공 상태를 유지하는 챔버 내부에 기판을 로딩한 후, 상기 챔버의 하부로부터 반응가스를 주입하여 상기 기판 상에 증착된 박막을 선택적으로 식각하는 상향식의 건식 식각장비에 있어서:

   상기 챔버의 내부에 수평으로 설치되며, 그 중심부위에는 상기 반응가스를 상기 기판의 식각면 전체에 균일하게 분배시키기 위한 다수의 구멍을 가진 가스 분배헤드가 마련되고, 그 외곽부위에는 상기 반응가스를 배기시키기 위한 다수의 구멍을 가진 가스 배기헤드가 마련된 상부 가스 플레이트;

   일측에는 상기 반응가스가 외부로부터 유입되는 반응가스 주입관이 연결되고, 그 상단부는 상기 상부 가스 플레이트의 중심부위 저면에 결합되어 그 내부에 가스 흐름 공간을 형성시키는 블록; 및

   상기 상부 가스 플레이트와 소정 간격을 두고 상기 블록의 내부에 설치되며, 그 중심에는 상기 블록의 내부로 유입된 상기 반응가스를 상기 상부 가스 플레이트의 중심으로 유도하기 위한 다수의 구멍을 가진 가스 주입헤드가 마련된 하부 가스 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 2중 가스 플레이트를 구비한 건식 식각장비.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 가스 분배헤드는, 상기 상부 가스 플레이트의 중심에 하나가 마련되고, 상기 중심과 소정 거리 떨어진 원주 상에 등간격으로 복수개가 배치되는 것을 특징으로 하는 2중 가스 플레이트를 구비한 건식 식각장비.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 상부 가스 플레이트의 중심에 마련된 가스 분배헤드에 형성된 구멍의 크기는 상기 중심과 소정 거리 떨어진 원주상에 배치된 가스 분배헤드에 형성된 구멍의 크기보다 작게 된 것을 특징으로 하는 2중 가스 플레이트를 구비한 건식 식각장비.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 가스 배기헤드는 상기 상부 가스 플레이트 외곽부위의 소정 원주 상에 등간격으로 다수개가 배치되는 것을 특징으로 하는 2중 가스 플레이트를 구비한 건식 식각장비.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 가스 분배헤드, 가스 배기헤드 및 가스 주입헤드는 원형으로 된 것을 특징으로 하는 2중 가스 플레이트를 구비한 건식 식각장비.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 가스 분배헤드, 가스 배기헤드 및 가스 주입헤드에 각각 형성되는 구멍은 다수의 동심원 상에 등간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 2중 가스 플레이트를 구비한 건식 식각장비.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 기판은 포토 마스크 또는 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 2중 가스 플레이트를 구비한 건식 식각장비.