KR100541448B1 - 플라즈마 반응장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 고주파 전력을 공급받아 전자기파를 방사하는 코일 안테나와, 상기 전자기파를 차폐하기 위한 금속체와, 상기 금속체 하부에 마련되어 플라즈마 반응장치 내에 플라즈마 생성 공간을 형성하게 하는 플레이트를 구비한 플라즈마 반응장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 플라즈마 반응장치는, 상기 금속체가 상기 금속체를 가열하도록 작동하는 발열체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 전자기파를 차폐하는 금속체인 패러데이 실드와 온도 조절을 위한 발열체를 일체로 형성할 수 있게 됨으로써, 제조비용 및 장치공간의 감소로 인한 설비 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

플라즈마 반응장치{Plasma Reactor}

도 1은 종래 기술에 따른 플라즈마 반응장치의 사시도,

도 2는 도 1의 가스분배판 및 패러데이 실드의 분해사시도,

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 반응장치의 측단면도,

도 4는 본 발명에 따른 패러데이 실드의 평면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

101 : 플라즈마 반응챔버 102 : 가스공급장치

103 : 진공펌프 104 : RF 발생기

105 : 플레이트 106 : 코일 안테나

107 : 전극 108 : 기판

109 : 금속체 110 : 발열체

112 : 발열전원장치 113 : RF 발생기

130 : 슬릿

본 발명은 플라즈마 반응장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자기파를 차폐하는 금속체인 패러데이 실드와 온도 조절을 위한 발열체를 일체로 형성하여, 제조비용 및 장치공간의 감소로 인한 설비 효율을 향상시킬 수 있는 플라즈마 반응장치에 관한 것이다.

반도체 제조 공정에 있어서, 고주파를 인가하여 발생하는 플라즈마를 이용하여 웨이퍼를 처리하는 플라즈마 반응장치는, 대략적으로 용량성 결합(CCP)과 유도성 결합(ICP)을 이용하는 것으로 크게 구분된다.

특히, 유도성 결합 플라즈마는 용량성 결합 플라즈마에 비해서 상대적으로 높은 플라즈마 밀도를 발생시키기가 쉽고 대면적 플라즈마 발생장치에 응용이 용이하여 플라즈마 처리, 특히 반도체 공정에서의 증착 또는 식각 장비에 널리 쓰이고 있다.

이러한 유도성 결합 플라즈마 반응장치에 있어서, 플라즈마는 코일 RF 안테나에 의해, 플라즈마 반응장치 내에 마련되어 있으며 플라즈마 반응이 일어나는 공간인 진공챔버 내부에 생성된다.

플라즈마 반응장치의 성능에 크게 영향을 미치는 이온 밀도는 상기 코일 안테나의 RF 전류를 조정함으로써 조절될 수 있고, 이온 에너지는 하부전극에 접속된 다른 RF 출력에 의해 조절될 수 있다.

여기서, 이온 에너지는 하나의 에너지 레벨로 한정되는 것이 아니라, 소정의 에너지 분포를 가지게 되는데, 상기 안테나와 플라즈마와의 용량성 결합은 이러한 에너지 분포의 폭을 확장시켜 플라즈마 반응장치의 성능, 예를 들어 식각 선택성 등을 감소시키는 성질을 가지고 있다.

이와 같은 용량성 결합은 대부분의 플라즈마 반응장치에서 정도의 차이는 있을지라도 모두 존재하는데, 이러한 용량성 결합으로 인해 플라즈마는 불안정해지게 된다. 나아가, 상기 RF 안테나에 인접한 챔버 벽에서의 용량성 결합으로 인해 야기되는 과잉 이온의 충돌은 오염 입자 및 챔버의 마모를 증가시킨다.

이와 같이 오염 입자 및 챔버의 마모를 증가시키는 이러한 용량성 결합을 감소시키기 위해, 상기 코일 안테나와 플라즈마 사이에 소위 패러데이 실드를 마련한 플라즈마 반응장치들이 제안되고 있는데, 그 중 미국등록특허 제5,540,800호에 개시되어 있는 플라즈마 반응장치를 예로 들어 설명하기로 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 플라즈마 반응장치의 사시도이다. 본 도면에 도시된 바와 같이, 종래의 유도결합형 플라즈마 반응장치는, 원통형 측벽(15), 바닥벽(20) 및 돔 천정(25)을 가지는 진공챔버(10)를 포함한다.

또한, 반도체 웨이퍼(30)가 지지되는 하부전극(35)과, 절연체(44)에 의해 전기적으로 절연되어 있는 하부 전극(35)에 RF 전력을 공급하는 RF 발생기(40)와, 진공챔버(10) 내부에 진공을 만들어 주는 진공 펌프(41)를 더 가진다.

나아가, 돔 천정(25)의 경계면을 따라 돔 천정(25)의 대칭축 주위에 나선 형태로 형성되어 있는 RF 코일 안테나(45)와, 전도체인 RF 코일 안테나(45)에 RF 전력을 공급하는 RF 발생기(50)를 더 가진다.

진공챔버(10)는 코일 RF 안테나(45)로부터 유도 결합된 RF 에너지에 의해 이온화되어 플라즈마로 생성될 가스를 함유한다.

도 2는 도 1의 코일 안테나와 돔 천정 사이에 배치되는 패러데이 실드 및 가 스분배판의 분해사시도이다. 본 도면에 도시된 바와 같이, 이중층 패러데이 실드(80)는 안테나(45)와 진공챔버(10) 내의 플라즈마의 용량성 결합을 감소시키기 위해 돔 천정(25)과 코일 안테나(45) 사이에 배치된다. 여기서, 패러데이 실드(80)와 코일 안테나(45) 사이를 전기적으로 절연시키기 위해 절연층(81)이 채용될 수 있다.

이중층 패러데이 실드(80)는 구리와 같은 금속 시트로 형성되는데, 제1도전층(82)과 제2도전층(86)을 포함한다.

여기서, 제1도전층(82)은 돔 천정(25)을 따라 돔 형태로 형성되고, 제1도전층(82)에 주기적으로 이격되어 길이방향으로 형성된 슬릿(84)은 제1도전층(82)의 둘레를 따라 흐르게 되는 에디 전류를 감소시키는 역할을 한다. 이와 유사하게, 제2도전층(86)은 제1도전층(82)과 구조적으로 동일하고, 제1도전층(82)과 중첩되게 형성되어 있는 에디 전류 감소 슬릿(88)을 포함한다.

제1 및 제2도전층(82, 86)은 접지되어 있고, 상부 또는 하부에서 상호 접속되어 있을 수 있다.

두 개의 돔 형상의 도전층(82, 86)은 상호 이격되어 배치되고, 제1도전층(82)의 슬릿(84)과 제2도전층(86)의 슬릿(88)은 각각 제2도전층(86)의 견고한 부분(슬릿이 아닌 부분)과 제1도전층(82)의 견고한 부분을 덮게 됨으로써, 이중층 패러데이 실드(80)를 통과하는 전기장을 위한 개방된 또는 차폐되지 않은 통로는 없게 된다. 따라서, 이중층 패러데이 실드(80)는 진공챔버(10) 내의 플라즈마와 안테나(45) 사이의 용량성 결합을 감소시키는 효과를 증대시키게 된다.

또한, 이중층 패러데이 실드층(82, 86)은 실드층(82, 86) 사이의 아킹을 방지하기 위한 충분한 두께의 절연층(89)에 의해 상호 전기적으로 절연된다.

나아가, 이러한 이중층 패러데이 실드(80)에 의해, 진공챔버(10) 내의 플라즈마의 용량성 결합은 천정(25)에 대향하여 가스분배판을 마련하더라도 가스분배판 내에서의 가스 이온화가 거의 발생하지 않을 정도로 감소되게 된다.

따라서, 천정(25)의 내측에 가스분배판(90)을 배치하는데, 가스분배판(90)은 쿼츠와 같은 물질로 형성되고 가스주입구(92) 및 웨이퍼(30)에 대면하는 하부표면(96) 상에 다수의 가스 분배 구멍(94)을 가진다. 여기서, 구멍(94)은 웨이퍼 전체 표면에 균일한 가스 분배를 위해 가스분배판 하부표면(96) 전체에 걸쳐 분포시키게 된다.

한편, 플라즈마 처리, 예를 들어, 증착 공정에 있어서 전체적인 온도 상승에 따라 기판(30)뿐 아니라 온도가 상승된 천정(25)에도 증착이 일어나게 되고, 소정 두께로 증착된 이후에는 박리현상이 발생하여 진공챔버(10) 내에 오염 입자가 증가하는 문제점이 있었다.

또한, 천정은 플라즈마가 작용되고 있을 때의 온도와 플라즈마가 작용되고 있지 않을 때의 온도 차에 의해 플라즈마 처리 공정 중에 파손되는 일이 종종 생기고, 나아가 ESC 및 터보 펌프 등과 같은 부설 장비의 주요 부품의 파손 또한 초래하게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 유도성 결합 플라즈마 반응장치에 있어서, 소망하는 장치 성능, 특히 이러한 오염 입자의 발생 저지를 위해, 별도로 천정 등의 진공챔버 벽 외측에 온도 조절이 가능한 히터 또는 쿨링 시스템 등을 부설하는 기술이 제안되어 있다.

이와 같이, 오염 입자 및 챔버의 마모를 증가시키는 용량성 결합을 감소시키기 위해 코일 안테나와 플라즈마 사이에 패러데이 실드를 마련하는 기술 및 오염 입자의 발생 저지를 위해, 별도로 천정 등의 진공챔버 벽 외측에 온도 조절이 가능한 히터 또는 쿨링 시스템 등을 부설하는 기술이 각각 독립적으로 제안되어 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 전자기파를 차폐하는 금속체인 패러데이 실드와 온도 조절을 위한 발열체를 일체로 형성함으로써, 제조비용 및 장치공간의 감소로 인한 설비 효율을 향상시킬 수 있는 플라즈마 반응장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 고주파 전력을 공급받아 전자기파를 방사하는 코일 안테나와, 상기 전자기파를 차폐하기 위한 금속체와, 상기 금속체 하부에 마련되어 플라즈마 반응장치 내에 플라즈마 생성 공간을 형성하게 하는 플레이트를 구비한 플라즈마 반응장치에 있어서, 상기 금속체는 상기 금속체를 가열하도록 작동하는 발열체를 포함하는 것에 의해 달성될 수 있다. 여기서, 상기 발열체는 상기 플레이트의 온도를 조절하기 위해 마련되도록 한다.

또한, 상기 금속체는 코일의 방향과 대체로 수직하는 방향으로 형성되어 있는 슬릿을 포함하고, 상기 발열체는 상기 슬릿과 대체로 나란한 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.

나아가, 상기 발열체는 그 중심부에 형성된 원형의 열선과, 슬릿과 교차하여 방사형으로 형성된 열선을 포함하는 것이 효과적이다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 반응장치의 측단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 패러데이 실드의 평면도이다. 본 도면들에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 반응장치는, 원통형 측벽, 바닥벽 및 유전체 플레이트(105)를 가지는 플라즈마 반응챔버(101)를 포함한다.

또한, 반도체 웨이퍼와 같은 기판(108)을 지지하는 전극(107)과, 절연체(미도시)에 의해 전기적으로 절연되어 있는 전극(107)에 RF 전력을 공급하는 RF 발생기(113)와, 플라즈마 반응챔버(101) 내부에 진공을 만들어 주는 진공 펌프(103)를 더 가진다.

나아가, 플라즈마 반응챔버(101)의 천정에 해당되는 판상의 플레이트(105)의 경계면을 따라 플레이트(105)의 대칭축 주위에 나선 형태로 형성되어 있는 RF 코일 안테나(106)와, 전도체인 RF 코일 안테나(106)에 RF 전력을 공급하는 RF 발생기(104)를 더 가진다.

플라즈마 반응챔버(101) 내에 가스공급장치(102)로부터 소정의 가스를 도입하면서 진공 펌프(103)로 배기를 행하여 플라즈마 반응챔버(101) 내를 소정의 압력으로 유지하면서, 방전용 RF 발생기(104)로 평면 형태 소용돌이형 방전코일 안테나(106)에 고주파 전력을 공급하면 플라즈마 반응챔버(101) 내에 플라즈마가 발생하여, 전극(107) 상에 놓여진 기판(108)에 대하여 에칭, 증착, 표면 개질 등의 플라즈마 처리를 행할 수 있다. 전극(107)에도 전극용 RF 발생기(104)로 고주파전력을 공급함으로써 기판(108)에 도달하는 이온에너지를 제어할 수가 있다.

코일 안테나(106) 하단 면에는 코일 안테나(106)와 플라즈마 반응챔버(101) 내의 플라즈마의 용량성 결합을 감소시키기 위해 플레이트(105)과 코일 안테나(106) 사이에 금속체(109)가 배치된다. 여기서, 금속체(109)는 구리와 같은 열전도성이 높은 금속 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 금속체인 패러데이 실드(109)와 코일 안테나(106) 사이를 전기적으로 절연시키기 위해 절연층(미도시)이 채용될 수 있다.

금속체(109)는 주기적으로 이격되어 길이방향으로 형성된 슬릿(130)을 포함하는데, 이는 금속체(109)의 둘레를 따라 흐르게 되는 에디 전류를 감소시키는 역할을 하여 결과적으로 용량성 결합의 원인이 되는 정전기장을 차단하는 기능을 한다.

즉, 방전용 RF 발생기(104)로 평면 형태 소용돌이형 방전코일 안테나(106)에 고주파 전력이 공급되면 플라즈마 반응챔버(101) 내에 플라즈마가 형성된다. 이 때 코일 안테나(106)와 플라즈마 사이에 정전기장이 형성되고 이는 접지된 금속체인 패러데이 실드를 통해 차단될 수 있게 된다.

여기서, 패러데이 실드에 마련된 슬릿(130)에 의해 전자기파가 플라즈마에 전달되게 되며, 이로서 플라즈마 반응장치를 이용하여 플라즈마 처리를 하고자 하는 공정에 필요한 충분한 전력을 전달할 수 있게 되는 것이다.

이와 동시에 금속체(109)는 플라즈마 반응챔버(101), 특히 플레이트(105)의 온도를 조절하기 위해 금속체(109) 상에 발열체(110)인 열선과, 발열체(110)에 전원을 공급하는 발열전원장치(112)를 포함한다. 여기서, 금속체(109)는 플레이트(105)의 온도 조절이라는 목적 달성을 위해 냉각 시스템인 쿨링 라인(미도시)을 더 포함할 수도 있다.

슬릿(130)은 도 4에 도시된 바와 같이, 코일의 방향과 대체로 수직하는 방향으로 형성되어 있고, 발열체(110)는 슬릿(130)의 용량성 결합 감소 기능을 방해하지 않도록 슬릿(130)과 대체로 나란한 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.

특히, 발열체(110)는 발열전원 공급의 편의 및 설치의 용이성을 위해 금속체(109) 중심부에 형성된 원형의 열선과, 슬릿과 교차하여 방사형으로 형성된 열선을 포함하도록 설계되는 것이 바람직하다.

그 외에, 사용자의 편의에 따라 소정의 온도로 조절할 수 있도록 하기 위해 세라믹 재질의 플레이트(105)의 온도를 모니터하는 온도 모니터링 시스템(미도시)을 더 포함할 수도 있다.

이로써, 코일 안테나 하부에 위치하는 세라믹 재질의 플레이트에 설치된 온도 모니터링 시스템에서 온도를 감지하여 패러데이 실드에 마련된 열선 또는 쿨링 라인을 통하여 온도를 조절할 수 있게 된다. 따라서, 플레이트를 일정한 온도로 유지할 수 있게 됨으로써, 플레이트의 파손을 방지할 수 있게 되며, 오염 입자의 발생을 억제하는 효과를 제공하게 된다.

즉, 상기와 같은 구성에 의하여, 전자기파를 차폐하는 금속체인 패러데이 실드와 온도 조절을 위한 발열체를 일체로 형성할 수 있게 됨으로써, 전자기파 차폐 및 온도 조절 각각의 효과에 더하여, 제조비용 및 장치공간의 감소로 인한 설비 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전자기파를 차폐하는 금속체인 패러데이 실드와 온도 조절을 위한 발열체를 일체로 형성할 수 있게 됨으로써, 전자기파 차폐 및 온도 조절 각각의 효과에 더하여, 제조비용 및 장치공간의 감소로 인한 설비 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 고주파 전력을 공급받아 전자기파를 방사하는 코일 안테나와, 상기 전자기파를 차폐하기 위한 금속체와, 상기 금속체 하부에 마련되어 플라즈마 반응장치 내에 플라즈마 생성 공간을 형성하게 하는 플레이트를 구비한 플라즈마 반응장치에 있어서,

   상기 금속체는,

   상기 금속체의 둘레를 따라 흐르게 되는 에디 전류를 감소시키기 위해 코일의 방향과 수직하는 방향으로 형성되어 있는 슬릿과;

   상기 금속체 상에 형성되어 상기 금속체를 가열하도록 작동하여 상기 플레이트의 온도를 조절하며, 상기 에디 전류를 감소시키는 상기 슬릿의 기능을 방해하지 않도록 상기 슬릿과 나란한 방향으로 형성되어 있는 발열체를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 발열체는 상기 금속체의 중심부에 형성된 원형의 열선과, 상기 슬릿과 교차하여 방사형으로 형성된 열선을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.

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