KR100562994B1 - Apparatus for processing substrate with plasma - Google Patents
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Abstract
본 발명은 진공 상태의 챔버 내에 플라즈마를 발생시켜 기판에 소정의 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma processing apparatus for generating a plasma in a vacuum chamber to perform a predetermined process on a substrate.
본 발명은, 진공 상태의 챔버 내에 플라즈마를 발생시켜 기판에 소정의 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 챔버 상부 및 하부에 각각 마련되어 챔버 내부에 고주파 전력을 인가하는 상부 전극 및 하부 전극; 상기 상부 전극 하부에서 하측으로 돌출된 상부 전극 테두리부에 결합되어 마련되며, 상기 챔버 내부로 공정가스를 확산시키는 샤워헤드; 상기 하부 전극과 챔버 측벽 사이에 배치되며, 상기 챔버 내부의 기체를 흡입하여 외부로 배출하는 배기부; 상기 샤워헤드의 테두리부에 챔버 하측으로 돌출되어 마련되며, 상기 샤워헤드의 테두리부분으로 확산되는 공정가스의 흐름 방향 및 속도를 조절하는 가스흐름 조절부;가 마련되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치를 제공한다.The present invention provides a plasma processing apparatus for generating a plasma in a vacuum chamber to perform a predetermined treatment on a substrate, the plasma processing apparatus comprising: an upper electrode and a lower electrode respectively provided at upper and lower portions of the chamber to apply high frequency power into the chamber; A shower head coupled to an upper electrode rim protruding downward from the upper electrode, and diffusing a process gas into the chamber; An exhaust unit disposed between the lower electrode and the side wall of the chamber, and configured to suck the gas inside the chamber and discharge the gas to the outside; And a gas flow control unit protruding downward from the chamber at the edge of the shower head and adjusting a flow direction and speed of the process gas diffused to the edge of the shower head. to provide.
플라즈마 처리장치, 샤워헤드, 플라즈마, 균일도, 가스흐름 조절 Plasma Processing Equipment, Shower Head, Plasma, Uniformity, Gas Flow Control
Description
도 1은 종래의 플라즈마 처리장치의 구조를 설명하는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view illustrating the structure of a conventional plasma processing apparatus.
도 2는 종래의 플라즈마 처리장치 내에서의 공정가스 흐름을 나타내는 도면이다. 2 is a view showing a process gas flow in a conventional plasma processing apparatus.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 구조를 설명하는 단면도이다. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 샤워헤드 및 가스흐름 조절부의 구조를 설명하는 부분 사시도이다. 4 is a partial perspective view illustrating a structure of a shower head and a gas flow adjusting unit according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스흐름 조절부의 수평 이동모습을 나타내는 도면이다. 5 is a view showing a horizontal movement of the gas flow control unit according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스흐름 조절부의 정면도이다. 6 is a front view of a gas flow adjusting unit according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스흐름 조절부 및 스토퍼의 구조를 나타내는 도면이다. 7 is a view showing the structure of the gas flow adjusting unit and the stopper according to another embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스흐름 조절부의 구조를 나타내는 도면이다. 8 is a view showing the structure of the gas flow control unit according to another embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치 내에서의 공정가스 흐름을 나타내는 도면이다.9 is a view showing a process gas flow in the plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
1 : 종래의 플라즈마 처리장치 1: conventional plasma processing apparatus
100 : 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치100: plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention
10, 110 : 상부전극 12, 112 : 샤워헤드10, 110:
20, 120 : 하부 전극 30, 130 : 내부 승강핀20, 120:
40, 140 : 배기부 150 : 가스흐름 조절부40, 140: exhaust 150: gas flow control unit
152 : 회동부 154 : 스토퍼152: rotating part 154: stopper
G : 게이트 밸브 C : 챔버G: gate valve C: chamber
S : 기판S: Substrate
본 발명은 진공 상태의 챔버 내에 플라즈마를 발생시켜 기판에 소정의 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma processing apparatus for generating a plasma in a vacuum chamber to perform a predetermined process on a substrate.
반도체 장치, 액정표시 장치 등의 제조 프로세스에는, 플라즈마를 사용하여 기판의 표면을 처리하는 플라즈마 처리장치가 많이 사용되고 있다. 이러한 플라즈마 처리장치로는, 기판에 에칭을 실시하는 플라즈마 에칭 장치나, 화학적 기상 성장(Chemical Vapor Deposition : CVD)을 실시하는 플라즈마 CVD 장치 등을 예로 들 수 있다. BACKGROUND OF THE INVENTION Many plasma processing apparatuses for treating a surface of a substrate using plasma have been used in manufacturing processes such as semiconductor devices and liquid crystal display devices. Examples of such a plasma processing apparatus include a plasma etching apparatus for etching a substrate, a plasma CVD apparatus for performing chemical vapor deposition (CVD), and the like.
이러한 플라즈마 처리장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상하에 서로 평행하게 대향하는 2개의 평판 전극(10, 20)을 구비한다. 2개의 전극 중 하부 전극(20)상에는 기판(S)이 탑재된다. 따라서 이 하부 전극(20)을 기판 탑재대라고도 한다. As shown in FIG. 1, the plasma processing apparatus 1 includes two
또한 이러한 플라즈마 처리장치(1)에는 도 1에 도시된 바와 같이, 처리장치 내부로 기판을 반입하거나 반출하는 과정을 돕기 위하여 내부 승강핀(30)과 외부 승강바가 마련된다. 이때 내부 승강핀(30)은 하부 전극(20)의 가장자리부를 관통하여 형성되며, 하부 전극(20)에 형성된 관통공(22)을 통과하며 상하로 구동된다. In addition, as shown in FIG. 1, the plasma processing apparatus 1 is provided with an internal elevating
그리고 외부 승강바(도면에 미도시)는 하부 전극(20)의 외측에 별도로 마련된다. 즉, 하부 전극(20)의 측벽과 플라즈마 처리장치의 측벽 사이에 형성되는 공간에 마련되며 상하로 구동할 수 있는 구조로 마련된다. 경우에 따라서는 이 외부 승강바가 설치되지 않을 수도 있다. And an external lifting bar (not shown) is provided separately on the outside of the
다음으로 상부 전극(10)은 하부 전극(20)과 대향하는 위치에 마련된다. 이 상부 전극은 전극으로서의 역할 뿐만아니라, 양 전극 사이에 공정가스를 공급하는 공정가스 공급부의 역할도 수행한다. 따라서 이 상부 전극(10) 하부에는 도 1에 도시된 바와 같이, 샤워헤드(shower head, 12)가 결합되어 마련된다. 여기에서 샤워헤드(12)에는 미세한 직경을 가지는 다수개의 공정가스 확산공(14)이 형성된다. 따라서 이 샤워헤드(12)를 통해서 공정가스가 양 전극(10, 20) 사이의 공간으로 균일하게 공급된다. 전극 사이에 공급된 처리가스는 전극으로의 고주파 전력의 인가에 의해 플라즈마로 되고, 이 플라즈마에 의해 기판의 표면이 처리된다. Next, the
그리고 이 플라즈마 처리장치(1)에는 그 내부의 가스를 배기시키기 위한 배기부(40)가 마련된다. 이 배기부(40)는 플라즈마 처리장치(1) 외부에 마련되는 펌프(도면에 미도시)에 의하여 플라즈마 처리장치(1) 내부의 기체를 흡입하여 제거하고, 플라즈마 처리장치 내부를 진공 상태로 유지한다. 일반적으로 이 배기부(40)는 하부 전극(20)과 챔버(C) 측벽 사이의 공간에 배치되며, 특히 하부 전극(20)의 모서리 측에 배치된다. The plasma processing apparatus 1 is provided with an
이러한 플라즈마 처리장치(1)에서는 전술한 바와 같이, 상부 전극(10)에서 공급된 처리가스가 양 전극에 의하여 형성되는 전계에 의하여 플라즈마화된 상태에서 이동하며 기판(S)을 처리하게 된다. 그런데 전술한 바와 같이, 배기부(40)가 챔버(C) 가장자리부에 배치되어, 챔버(C) 내의 기체를 흡입하게 되므로, 배기부(40)와 가까운 부분에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 기체의 흐름이 챔버 중앙 부분보다 매우 빨라지는 현상이 발생한다. 이렇게 기체 흐름이 달라지는 경우에는 기판의 처리정도가 달라져서 기판의 균일한 처리가 어려워지는 문제점이 있다. 이러한 문제점은 기판이 대면적화되면서 더욱 심각해지고 있다. In the plasma processing apparatus 1, as described above, the processing gas supplied from the
본 발명의 목적은 챔버 내부의 모든 영역에서 기체흐름이 일정하게 하여 기판 처리의 균일성을 향상시키는 플라즈마 처리장치를 제공함에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus for improving the uniformity of substrate processing by making the gas flow constant in all regions inside the chamber.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 진공 상태의 챔버 내에 플라즈마를 발생시켜 기판에 소정의 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 챔 버 상부 및 하부에 각각 마련되어 챔버 내부에 고주파 전력을 인가하는 상부 전극 및 하부 전극; 상기 상부 전극 하부에서 하측으로 돌출된 상부 전극 테두리부에 결합되어 마련되며, 상기 챔버 내부로 공정가스를 확산시키는 샤워헤드; 상기 하부 전극과 챔버 측벽 사이에 배치되며, 상기 챔버 내부의 기체를 흡입하여 외부로 배출하는 배기부; 상기 샤워헤드의 테두리부에 챔버 하측으로 돌출되어 마련되며, 상기 샤워헤드의 테두리부분으로 확산되는 공정가스의 흐름 방향 및 속도를 조절하는 가스흐름 조절부;가 마련되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, in the plasma processing apparatus for generating a plasma in the chamber in a vacuum to perform a predetermined process, the upper and lower chambers respectively provided for applying high frequency power to the chamber An upper electrode and a lower electrode; A shower head coupled to an upper electrode rim protruding downward from the upper electrode, and diffusing a process gas into the chamber; An exhaust unit disposed between the lower electrode and the side wall of the chamber, and configured to suck the gas inside the chamber and discharge the gas to the outside; And a gas flow control unit protruding downward from the chamber at the edge of the shower head and adjusting a flow direction and speed of the process gas diffused to the edge of the shower head. to provide.
그리고 본 발명에서는, 가스흐름 조절부를, 샤워헤드의 테두리부에 회동부에 의하여 결합되도록 하며, 가스흐름 조절부가 이 회동부를 중심으로 회동하여 각도 조절이 가능하도록 마련함으로써, 공정도에 따라 가스흐름 속도를 적절하게 조정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. In the present invention, the gas flow adjusting unit is coupled to the rim of the shower head by the rotating unit, and the gas flow adjusting unit rotates around the rotating unit to adjust the angle, thereby providing a gas flow rate according to the process diagram. It is desirable to make it possible to adjust.
또한 본 발명에서는, 회동부에, 회동부를 샤워헤드 하면과 평행되는 방향으로 수평 이동시키는 수평이동부가 더 마련되도록 함으로써 공정가스의 분사 방향 및 흐름 속도를 적절하게 조정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. In the present invention, it is preferable that the rotating part further includes a horizontal moving part for horizontally moving the rotating part in a direction parallel to the lower surface of the shower head so that the injection direction and the flow rate of the process gas can be adjusted appropriately.
이때 본 발명에서, 가스흐름 조절부는, 샤워헤드의 테두리의 모든 부분에 걸쳐 배치되도록 함으로써, 하부 전극 상의 모든 부분에 걸쳐서 가스흐름이 일정하도록 하는 것이 바람직하다. At this time, in the present invention, it is preferable that the gas flow control unit is arranged over all parts of the edge of the shower head, so that the gas flow is constant over all parts on the lower electrode.
그리고 본 발명에서는, 가스흐름 조절부를, 샤워헤드의 각 변부에 대응되도록 4 분할되어 각각 구동되도록 마련함으로써, 가스흐름 조절부의 각도 조절 또는 수평 이동이 용이하게 함이 바람직하다. In the present invention, it is preferable that the gas flow adjusting unit is divided into four parts so as to correspond to each side of the shower head so as to be driven respectively, so that angle adjustment or horizontal movement of the gas flow adjusting unit is facilitated.
이때, 각 가스흐름 조절부는, 하단부의 길이가 상단부의 길이보다 짧은 등변사다리꼴 형상으로 마련됨으로써, 회동부를 중심으로 회전하면서 서로간에 간섭되지 않도록 하는 것이 바람직하다. At this time, it is preferable that each gas flow adjusting unit has an equilateral trapezoidal shape having a length lower than that of the upper end, so that the gas flow adjusting unit does not interfere with each other while rotating about the rotational unit.
그리고 본 발명에 있어서, 가스흐름 조절부는, 세라믹 재질로 형성되어 플라즈마에 의하여 손상되거나 공정 중에 파티클을 발생시키지 않는 것이 바람직하다. In the present invention, it is preferable that the gas flow adjusting unit is made of a ceramic material so as not to be damaged by plasma or to generate particles during the process.
또한 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치에는, 샤워헤드 하면 테두리 안쪽에 마련되며, 하측으로 돌출되어 상기 가스흐름 조절부의 회동시에 상기 가스흐름 조절부가 일정각도 이상 회동하지 않고 멈추도록 하는 스토퍼(stopper)가 더 마련되어 가스흐름 조절부의 과도한 회전을 방지하고, 샤워헤드 등이 손상되지 않도록 하는 것이 바람직하다. In addition, in the plasma processing apparatus according to the present invention, a stopper is provided inside the lower edge of the showerhead and protrudes downward so that the gas flow control unit stops without turning over a certain angle when the gas flow control unit is rotated. It is desirable to prevent excessive rotation of the gas flow control unit and to prevent damage to the shower head or the like.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 일 실시예를 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a specific embodiment of the present invention.
본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 챔버(C); 상부 전극(110); 하부 전극(120); 샤워헤드(112); 배기부(140); 가스흐름 조절부(150);를 포함하여 구성된다.
이때 챔버(C), 상부 전극(110), 하부 전극(120), 샤워헤드(112), 배기부(140)는 종래의 플라즈마 처리장치(1)의 그것과 동일한 구조 및 기능을 가지므로 여기에서 반복하여 설명하지 않는다. In this case, the chamber C, the
이하에서는 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치(100)에서 특징적인 부분인 가스흐름 조절부(150)의 구성 및 작용을 설명한다. 이 가스흐름 조절부(150)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 샤워헤드(112)의 테두리부에 챔버(C) 하측으로 돌출되어 마련되며, 샤워헤드(112)의 테두리부분으로 확산되는 공정가스의 흐름 방향 및 속도를 조절하는 구성요소이다. 이 가스흐름 조절부(150)는 얇은 판상의 형상으로 마련되어, 샤워헤드(112)에서 분출된 공정가스가 배기부(140) 방향으로 급속하게 흐르는 것을 막아서 하부 전극(120)의 테두리부에서 가스흐름이 빨라지는 것을 방지한다. Hereinafter, the configuration and operation of the gas
본 실시예에서는 이 가스흐름 조절부(150)를, 도 4에 도시된 바와 같이, 샤워헤드(112) 테두리의 모든 부분에 걸쳐 배치시킨다. 이는 기판(S) 상의 모든 부분이 균일하게 처리되게 하기 위함이며, 특정한 부분에 가스흐름 조절부(150)가 배치되지 않는 경우에는 그 부분에서의 가스흐름이 더욱 빨라져서 공정 처리의 균일도가 더욱 나빠질 수 있기 때문이다. In this embodiment, the gas
이때 이 가스흐름 조절부(150)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 4분할된 조각으로 마련되는 것이 바람직하다. 즉, 샤워헤드(112)의 각 변부에 대응되도록 4분할되는 것이다. 이는 각 가스흐름 조절부(150)의 회전 구동 및 수평 이동을 용이하게 하기 위함이다. 가스흐름 조절부 전체가 하나의 부재로 형성되는 경우에는 그 각도 조정이 어려우며, 수평 위치 이동도 어렵다. 따라서 각도 및 위치 이동이 용이하도록 4분할 하며, 분할된 각 가스흐름 조절부가 각각 별도로 구동되도록 한다. At this time, the gas
이때 각 가스흐름 조절부(150)는 도 6에 도시된 바와 같이, 하단부의 길이가 상단부의 길이보다 짧은 등변사다리꼴 형상인 것이 바람직하다. 이렇게 등변사다리꼴로 형성되는 경우에는 가스흐름 조절부(150)가 샤워헤드(112) 면과 이루는 각도를 작게 하여도 서로 간섭되지 않으므로 각도조절이 용이한 장점이 있다. At this time, each gas
그리고 본 실시예에서는 이 가스흐름 조절부(150)를 도 3에 도시된 바와 같이, 회동부(152)를 사용하여 샤워헤드(112)에 결합시킨다. 따라서 이 가스흐름 조절부(150)는 이 회동부(152)를 중심으로 회전가능하다. 이렇게 가스흐름 조절부(150)를 회전시키는 이유는, 이 가스흐름 조절부(150)의 배치 각도에 따라 가스흐름 방향이나 속도가 달라지므로, 공정 정도에 따라 가스 흐름을 자유롭게 조절하기 위함이다. 즉, 기판 가장자리 부분의 가스 흐름 속도가 중앙 부분보다 큰 경우에는 가스흐름 조절부(150)가 샤워헤드(112) 면과 이루는 각도를 줄여서 가스 흐름 속도를 더 줄이고, 반대의 경우에는 각도를 늘여서 가스 흐름 속도를 늘이게 된다. In this embodiment, as shown in FIG. 3, the gas
또한 본 실시예에서는 이 회동부(152)에, 수평 이동부(도면에 미도시)를 더 마련한다. 이 수평 이동부는, 회동부(152)와 결합되어 마련되며 도 5에 도시된 바 와 같이, 샤워헤드(112) 하면과 평행되는 방향으로 회동부(152) 및 가스흐름 조절부(150)를 수평 이동시킨다. 이렇게 가스흐름 조절부(150)를 수평 이동시키는 것은 공정 처리 정도에 따라 가스 흐름 방향 및 속도를 미세하게 조정할 수 있도록 하기 위함이다. 즉, 가스흐름 조절부(150)의 각도 조절만으로 기체 흐름을 원하는 만큼 조절하지 못하는 경우에는 이 수평 이동부를 이용하여 가스흐름 조절부(150)의 위치를 이동시켜 가스흐름을 제어하는 것이다. 따라서 가스흐름 조절부의 각도 조정과 수평 위치 조정의 두가지 포인트를 이용하여 보다 효과적으로 가스흐름을 조절하는 것이다. In addition, in this embodiment, a horizontal moving part (not shown in figure) is further provided in this
그리고 본 실시예에 따른 가스흐름 조절부(150)는, 세라믹 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 이 가스흐름 조절부는 플라즈마가 발생하는 공간에 배치되므로 그 재질이 플라즈마에 강한 내플라즈마성 재료이어야 하므로 세라믹으로 이루어지는 것이 바람직한 것이다. 따라서 본 실시예에 따른 가스흐름 조절부(150)는 기판 처리과정에서 아킹 현상이나 파티클이 발생하지 않는 장점이 있다. In addition, the gas
또한 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치(100)에는, 도 7에 도시된 바와 같이, 샤워헤드(112) 하면 테두리 안쪽에 마련되며, 하측으로 돌출되어 가스흐름 조절부(150)의 회동시에 가스흐름 조절부가 일정각도 이상 회동하지 않고 멈추도록 하는 스토퍼(stopper, 154)가 더 마련되는 것이, 가스흐름 조절부(150)의 회전 운동을 용이하게 제어할 수 있어서 바람직하다. In addition, in the
또한 전술한 가스흐름 조절부는 도 8에 도시된 바와 같이, 복수개가 배치될 수도 있다. 즉, 샤워헤드(112)의 각 변부에 평행하게 다수개의 가스흐름 조절부 (150a, 150b, 150c, 150d)가 소정 간격 이격되도록 배치되는 것이다. 그리고 각 가스흐름 조절부(150a, 150b, 150c, 150d)는 독립적으로 회전 구동 및 수평 이동이 가능한 구조로 마련된다. 이렇게 다수개의 가스흐름 조절부가 마련되는 경우에는 샤워헤드(112)의 중앙 영역에서 부터 테두리 영역까지 미세한 가스흐름의 차이에 대하여 정밀하게 대응할 수 있어서, 더욱 일정한 가스흐름을 얻을 수 있는 장점이 있다. 이때 복수개의 가스흐름 조절부(150a, 150b, 150c, 150d)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 샤워헤드(112)의 중앙 부분으로 갈수록 그 길이가 짧아지는 것이 바람직하다. 이는 샤워헤드(112)의 테두리부로 갈수록 가스흐름이 빨라지므로 이에 대응하기 위한 것이다. In addition, as shown in FIG. 8, a plurality of gas flow adjusting units may be disposed. That is, the plurality of gas
본 발명에 따르면 샤워헤드로 부터 분출되는 공정가스 흐름의 방향 및 속도를 미세하게 조절할 수 있으므로, 기판의 각 영역에서의 가스흐름의 차이로 인한 공정의 불균일성을 해소할 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, since the direction and speed of the process gas flow ejected from the shower head can be finely controlled, there is an advantage of eliminating the process nonuniformity due to the difference in gas flow in each region of the substrate.
즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 샤워헤드(112)에서 분출된 공정가스가 바로 배기부(140) 방향으로 흐르는 것이 아니라, 가스흐름 조절부(150)에 의하여 그 방향 및 속도가 변경되어 기판의 중앙부분과 유사한 흐름으로 된다. 따라서 기판의 중앙 영역과 테두리 영역의 처리 정도가 균일하게 되는 것이다. That is, as shown in FIG. 8, the process gas ejected from the
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