KR100553757B1 - 유도결합형 플라즈마 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용량성 전계의 간섭효과를 줄이는 동시에, 플라즈마의 균일도를 향상시키기 위한 것으로, 이를 위하여, 유전체로 구비된 용기부와 천정부를 포함하고, 상기 용기부에 플라즈마 처리 될 피처리체를 수용하는 반응챔버와, 상기 반응챔버의 외부에 상기 천정부와 근접하도록 배치되며, 고주파 전압이 인가되는 고주파 안테나와, 상기 반응챔버 내부에서 상기 고주파 안테나와 실질상 평행한 평면상에 설치되고, 상기 피처리체를 탑재하는 하부전극과, 도전체로 이루어지고, 복수개의 개구부를 구비한 것으로, 상기 천정부의 내부, 상부면, 및 하부면 중 적어도 일부에 위치하고, 상기 제어판의 개구부들은 그 개구율의 패턴이 불균일하도록 구비된 제어판과, 상기 고주파 안테나와 하부전극에 고주파 전원을 인가하는 전력인가부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도결합형 플라즈마 처리장치를 제공한다.

Description

유도결합형 플라즈마 처리장치{Inductively coupled plasma processing apparatus}

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유도결합형 플라즈마 처리장치를 개략적으로 나타낸 단면도,

도 2는 도 1의 제어판을 나타내는 평면도,

도 3은 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 유도결합형 플라즈마 처리장치의 일부를 나타낸 단면도,

도 4는 본 발명의 바람직한 또 다른 일 실시예에 따른 유도결합형 플라즈마 처리장치의 일부를 나타낸 단면도,

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1: 반응 챔버 2: 고주파 안테나

3: 하부 전극 6: 제어판

11: 용기부 14: 천정부

14a: 상부 유전체층 14b: 하부 유전체층

61: 플레이트 본체 62: 접지부

63: 개구부

본 발명은 유도결합형 플라즈마 처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라즈마의 수직 정전용량을 감소시키는 패러데이 실드를 구비한 유도결합형 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.

플라즈마란 이온화된 기체로, 양이온, 음이온, 전자, 여기된 원자, 분자 및 화학적으로 매우 활성이 강한 리디칼(radical) 등으로 구성되며, 전기적 및 열적으로 보통 기체와는 매우 다른 성질을 갖기 때문에 물질의 제4상태라고도 칭한다. 이러한 플라즈마는 이온화된 기체를 포함하고 있기 때문에 전기장 또는 자기장을 이용해 가속시키거나 화학반응을 일으켜 웨이퍼와 같은 반도체 기판을 에칭(etching)하거나 증착(deposition)하는 등, 반도체의 제조공정에 유용하게 활용되고 있다.

최근에 반도체 제조공정에서는 고밀도 플라즈마를 사용하는 플라즈마 처리장치를 이용하는 경우가 증가하고 있다. 이는 반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라 미세 가공의 요구는 커지고 있는 반면 직경이 큰 대구경의 웨이퍼 사용이 늘어나고 있기 때문이다.

한편, TFT(Thin Film Transistor)-LCD 또는 유기 EL을 비롯한 PDP(Plasma Display Panel)등과 같은 평판 디스플레이(flat panel display)의 제조공정에서는 웨이퍼 공정과 달리 대면적의 기판에 복수개의 트랜지스터를 포함하고 있으며, 이러한 트랜지스터의 미세패턴을 구현하기 위한 건식 에칭으로서 플라즈마 처리공정이 이용되고 있다.

상기 고밀도 플라즈마 처리장치로는 공진주파수의 마이크로파를 이용하는 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마 처리장치, 헬리콘(helicon) 또는 휘슬러파(whistler wave)를 이용하는 헬리콘 플라즈마 처리장치 및 고온 저압의 플라즈마를 이용하는 유도결합형(inductively coupled) 플라즈마 처리장치 등이 있다. 이 중 유도결합형 플라즈마 처리장치는 기판과 같은 피처리체가 반응챔버의 외부에 배치된 나선형의 안테나로부터 발생되는 전자기장의 영향권 밖에 있으면서도 기판에 매우 근접하여 플라즈마가 발생되기 때문에 플라즈마의 손실이 적다는 장점을 갖고 있어서 널리 사용되고 있는 추세이다.

이러한 유도결합형 플라즈마 처리장치는 내부의 기밀이 유지되고 감압의 분위기가 형성된 반응챔버와 이 반응챔버 외부의 고주파 안테나를 구비하며, 반응챔버의 내부에는 피처리체를 정확한 위치에 고정하고 이온들의 수직 입사를 위한 쉬스를 형성할 수 있도록 Rf 전원이 공급되는 하부전극이 위치한다.

상기 반응챔버 내로 처리가스가 도입되면, 상부의 유전체 벽체에 근접 배치된 고주파 안테나에 플라즈마 생성용 고주파 전력을 인가하면, 이 안테나에 의해 수직방향으로 유도자기장이 형성된다. 이 유도자기장은 반응챔버 내에 유도전기장을 형성시키고, 이 유도전기장에 의해 처리가스가 이온화되어 플라즈마가 생성된다. 이 플라즈마가 하부전극 상에 탑재된 피처리체에 충돌하여 상기 피처리체를 에칭한다. 이 때, 하부전극에는 바이어스용 고주파 전력이 인가되어 있다.

한편, 플라즈마의 발생은 상기 유도전기장 뿐만 아니라, 고주파 안테나와 챔버 내부와의 전위 차이로 인한 축전 전기장에 의해서도 발생될 수 있다. 즉, 상기 와 같은 유도결합형 플라즈마 처리장치에서는 고주파 안테나 부근의 유전체 벽체, 즉, 챔버 천장 표면에 플라즈마에 대한 음의 바이어스가 부가되고, 이에 따라, 챔버 내에 수직 축전용량이 발생된다. 이러한 축전용량은 챔버 내부에 수직 방향의 축전 전기장을 일으키고, 이에 따라 플라즈마 중의 이온이 가속되어, 가속된 이온들은 통상 석영으로 이루어진 유전체 벽을 두드려 챔버 내부에 불순물을 발생시키고, 유전체 벽체의 소모를 유발한다. 유도결합형 플라즈마 처리장치를 이용한 에칭은 빠른 속도만큼 발생되는 부산물이 챔버의 벽이나 상부 벽체에 증착되어 부착되는 정도가 매우 심하다. 특히, 상부 천정에 부착된 부산물은 상기와 같은 가속된 양이온들에 의해 하부에 위치한 피처리체에 떨어질 가능성이 높아지게 된다. 따라서, 이로 인해 챔버 내를 세정해야 하는 세정 주기가 매우 짧아져 생산성이 떨어지게 되는 문제가 발생된다.

상기와 같은 문제, 즉, 챔버 내의 수직 축전용량 문제를 해결하기 위하여, 미국 특허 제5,433,812호에는 고주파 안테나의 아래쪽에 패러데이 실드를 설치하여 고주파 안테나와 플라즈마가 용량 결합하는 것을 억제하는 기술이 제안되었다.

그리고, 일본 특개평 11-251303호에는 유전성 윈도우, 즉, 챔버의 천정과, 패러데이 실드와의 열응력에 따라 유전체 벽에 크랙이 발생되는 것을 방지한 기술이 개시되어 있다.

이 외에도, 미국 특허 제5,650,032호에는 패러데이 실드에 고주파 안테나의 코일에 수직이 되는 원 중심상으로 슬릿이 형성된 플라즈마 처리장치가 개시되어 있다.

상기와 같은 패러데이 실드들은 고주파 안테나인 코일에 의하여 생성된 용량성 전계를 외측 상방으로 유도하여 용량성 전계에 의한 간섭 효과를 줄인다.

한편, 상기와 같은 축전 전기장에 의해 챔버의 내부에는 축전 전기장에 의한 플라즈마와 유도자기장에 의한 플라즈마가 공존하며 일정한 분포를 이루게 된다. 그런데, 일반적인 유도결합형 플라즈마 처리장치는 고주파 안테나의 구조상 축전 전기장과 유도 자기장의 비대칭성을 필연적으로 유발시키며, 이에 따라 챔버 내에서 플라즈마의 불균일성을 초래하게 된다.

상기와 같은 패러데이 실드들은 용량성 전계의 차단을 축전 전기장을 약화시키는 기능을 하나, 전체적으로 균일한 슬릿 패턴을 가져 상술한 바와 같이, 챔버 내부에서 축전 전기장과 유도 자기장이 비대칭됨으로 말미암아 발생되는 플라즈마 불균일의 문제를 해결하지는 못하는 한계가 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 용량성 전계의 간섭효과를 줄이는 동시에, 플라즈마의 균일도를 향상시킬 수 있는 유도결합형 플라즈마 처리장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유전체로 구비된 용기부와 천정부를 포함하고, 상기 용기부에 플라즈마 처리 될 피처리체를 수용하는 반응챔버;

상기 반응챔버의 외부에 상기 천정부와 근접하도록 배치되며, 고주파 전압이 인가되는 고주파 안테나;

상기 반응챔버 내부에서 상기 고주파 안테나와 실질상 평행한 평면상에 설치되고, 상기 피처리체를 탑재하는 하부전극;

도전체로 이루어지고, 복수개의 개구부를 구비한 것으로, 상기 천정부의 내부, 상부면, 및 하부면 중 적어도 일부에 위치하고, 상기 제어판의 개구부들은 그 개구율의 패턴이 불균일하도록 구비된 제어판; 및

상기 고주파 안테나와 하부전극에 고주파 전원을 인가하는 전력인가부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도결합형 플라즈마 처리장치를 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 제어판의 개구부는 원형 또는 다각형일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제어판의 개구부들은 상기 반응챔버 내부의 플라즈마 밀도가 높은 부분에서는 개구율이 낮게 되도록 형성되고, 상기 반응챔버 내부의 플라즈마 밀도가 낮은 부분에서는 개구율이 높게 되도록 형성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

도 1에는 디스플레이 장치의 기판과 같은 피처리체를 건식 에칭하는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유도결합형 플라즈마 처리장치를 나타낸 단면도가 개략적으로 도시되어 있다.

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 플라 즈마 처리장치는 플라즈마 처리 될 피처리체(10)를 수용하는 반응챔버(1)와, 이 반응챔버(1)의 외부에 배치된 고주파 안테나(2)와, 상기 피처리체(10)를 탑재하는 하부전극(3)과, 상기 고주파 안테나(2)와 하부전극(3)에 고주파 전원을 인가하는 전력인가부(41,42,51,52)로 구비된다.

상기 반응챔버(1)는 플라즈마 처리가 이루어질 수 있도록 밀폐된 용기를 구성하는 데, 이 용기는 측벽 및 하부벽을 이루는 용기부(11)와, 천정을 덮는 천정부(14)로 구비된다. 이 용기부(11)와, 천정부(14)는 모두 유전체로 구비되는 데, 알루미나(Al₂O₃), 또는 질화알루미늄(AlN)으로 형성할 수 있다.

반응챔버(1) 내부에 배치된 하부전극(3)은 피처리체(10)가 탑재되는 것으로, 도시되지는 않았지만 상하로 이동 가능하도록 구비된다. 그리고, 이 하부전극(3)에는 정합회로(42)를 거쳐 고주파 전원(41)이 접속된다. 이 고주파 전원(41)은 상기 하부전극(3)에 바이어스용 고주파 전력을 인가한다.

한편, 상기 반응챔버(1) 내에는 감압이 유지되는 상태에서 처리가스가 공급되는 데, 가스 공급을 위한 공급관(12)과, 진공 펌프와 연결된 배기과(13)이 용기부(11)에 연결되어 있다. 상기 공급관(12)을 통해 공급되는 배기가스는 C₄F₈ 등의 탄화불소계 가스를 포함할 수 있으며, 배기관(13)을 통해서는 10mTorr 내지 100mTorr 정도의 내압이 유지될 수 있다.

상기와 같은 반응챔버(1)의 천정부(14) 외측 상부에는 고주파 안테나(2)가 배치되는 데, 이 고주파 안테나(2)에는 정합회로(52)를 거쳐 고주파 전원(51)이 접 속된다. 이 고주파 전원(51)은 상기 고주파 안테나(2)에 플라즈마생성용 고주파 전력을 인가한다.

상기 고주파 안테나(2)는 다양한 형상으로 형성될 수 있는 데, 대략 원형 또는 사각형상의 코일로 형성될 수 있다. 이러한 여러 형태의 고주파 코일들은 평면상으로 코팅되어 형성될 수도 있으며, 그 밖에 어떠한 형태라도 적용될 수 있다.

한편, 상기와 같은 유도결합형 플라즈마 처리장치에 있어서, 반응챔버(1)의 천정부(14)는 적어도 둘 이상의 유전체층으로 이루어질 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 천정부(14)는 도 1에서 볼 수 있듯이, 두 개의 유전체층, 즉, 상부 및 하부 유전체층(14a)(14b)으로 분할되어 있다. 상기 하부 유전체층(14b)은 반응챔버(1) 내부의 플라즈마로부터 상기 상부 유전체층(14a)이 오염 또는 식각되는 것을 막기 위해 설치된 것으로, 상부 유전체층(14a)에 비해 두께가 얇게 형성된다.

이러한 본 발명에 있어서, 제어판(6)이 상기 천정부(14) 내, 상기 천정부(14)의 상부, 및 상기 천정부(14)의 하부의 적어도 한 부분에 설치될 수 있다.

이 제어판(6)은 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 챔버(1) 내부 공간의 단면에 대응되도록 구비된 플레이트 본체(61)와, 이 플레이트 본체(61)의 가장자리에 구비되어 접지선(64)이 연결되도록 하는 접지부(62)와, 플레이트 본체(61)에 형성된 복수개의 개구부(63)로 구비된다.

상기 플레이트 본체(61) 및 접지부(62)는 일체로 형성될 수 있는 데, 도전 체, 바람직하게는 금속판으로 형성될 수 있다. 상기 접지부(62)는 플레이트 본체(61)의 가장자리를 따라 적어도 하나 이상 형성되어, 별도의 접지선(64)에 연결되어 접지된다.

이렇게 접지된 플레이트 본체(61)에 의해 반응챔버(1) 내에서 플라즈마와 고주파 안테나(2)의 용량 결합이 끊어지게 되고, 이에 따라 챔버(1) 내에서 축전 전기장의 세기가 약화되게 된다.

한편, 상기 플레이트 본체(61)에는 복수개의 개구부(63)가 천공되어 있어, 이 개구부(63)를 통해 고주파 안테나(2)에서 발생한 자속이 챔버(1) 내로 유입되어 플라즈마를 생성할 수 있도록 한다. 상기 개구부(63)들은 다양한 형상으로 형성될 수 있는 데, 도 2에서 볼 수 있듯이, 원형의 구멍으로 형성될 수 있고, 비록 도면으로 도시하지는 않았지만, 다각형 또는 타원형의 구멍으로 형성될 수 있다.

이 때, 본 발명에서는 상기 개구부(63)들의 개구율 패턴을 불균일하게 함으로써 플라즈마의 균일도를 향상시킬 수 있다.

즉, 챔버(1) 내부에서 플라즈마의 밀도가 상대적으로 높은 부분에 대응되는 플레이트 본체(61)의 부분에는 개구부(63)의 개구율을 상대적으로 낮추어 플레이트 본체(61)에 의해 차폐되는 축전 전기장의 세기를 억제한다.

또한, 챔버(1) 내부에서 플라즈마의 밀도가 상대적으로 낮은 부분에 대응되는 플레이트 본체(61)의 부분에는 개구부(63)의 개구율을 상대적으로 높여 축전 전기장의 세기를 보완해준다.

이처럼, 본 발명에서는 제어판(6)의 개구부(63)들의 개구율을 불균일하게 함 으로써 축전 전기장의 세기를 챔버(1) 내의 부분별로 제어할 수 있게 되고, 이에 따라 플라즈마의 균일도가 전체적으로 균일하게 이뤄지도록 조절할 수 있다.

이러한 제어판(6)은 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 천정부(14)를 이루는 상부 유전체층(14a)과 하부 유전체층(14b)의 사이에 매립되도록 설치할 수도 있고, 도 3에서 볼 수 있듯이, 천정부(14)의 상부면, 즉, 챔버(1)의 외측면과 고주파 안테나(2)의 사이에 설치할 수도 있다. 뿐만 아니라, 도 4에서 볼 수 있듯이, 챔버(1)의 내측면에, 즉, 하부 유전체층(14b)의 하면에 설치할 수도 있다.

즉, 상기 제어판(6)은 상기 고주파 안테나(2)의 하측부의 천정부(14)의 어느 위치에든 설치함으로써 축전 전기장의 세기를 챔버(1)의 부분에 따라 제어할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 유도결합형 플라즈마 처리장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 접지된 도전체인 제어판으로 인해 고주파 안테나와 챔버사이에서 발생되는 축전 용량이 작아지고, 이에 따라 축전 전기장을 차단하여 챔버 내부 벽체, 특히, 천정부의 식각을 억제하고, 부산물에 의한 챔버 내부의 오염을 억제할 수 있다.

둘째, 축전 전기장의 세기를 챔버 내의 플라즈마 밀도 분포에 따라 제어함으로써, 챔버 내부의 플라즈마 균일도를 향상시킬 수 있다.

셋째, 챔버 내부가 전체적으로 균일한 플라즈마 분포를 이루게 됨으로써 대 면적 기판의 처리도 가능하게 된다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 유전체로 구비된 용기부와 천정부를 포함하고, 상기 용기부에 플라즈마 처리 될 피처리체를 수용하는 반응챔버;

   상기 반응챔버의 외부에 상기 천정부와 근접하도록 배치되며, 고주파 전압이 인가되는 고주파 안테나;

   상기 반응챔버 내부에서 상기 고주파 안테나와 실질상 평행한 평면상에 설치되고, 상기 피처리체를 탑재하는 하부전극;

   도전체로 이루어지고, 복수개의 개구부를 구비한 것으로, 상기 천정부의 내부, 상부면, 및 하부면 중 적어도 일부에 위치하고, 상기 제어판의 개구부들은 그 개구율의 패턴이 불균일하도록 구비된 제어판; 및

   상기 고주파 안테나와 하부전극에 고주파 전원을 인가하는 전력인가부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도결합형 플라즈마 처리장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제어판의 개구부는 원형, 타원형, 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 유도결합형 플라즈마 처리장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제어판의 개구부들은 상기 반응챔버 내부의 플라즈마 밀도가 높은 부분에서는 개구율이 낮게 되도록 형성되고, 상기 반응챔버 내부의 플라즈마 밀도가 낮은 부분에서는 개구율이 높게 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유도결합형 플라즈마 처리장치.

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