KR100669008B1

KR100669008B1 - 플라즈마 반응기

Info

Publication number: KR100669008B1
Application number: KR1020040101230A
Authority: KR
Inventors: 안드레이우샤코프; 손진석
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2007-01-16
Also published as: KR20060062403A

Abstract

본 발명은 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 챔버 내부에 아크 발생을 방지하고 파티클에 의한 챔버 내부 오염을 방지하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 플라즈마 반응기는 챔버와, 상기 챔버 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 장치 및 상기 챔버 내부에서 기판을 지지하는 지지대를 포함하는 플라즈마 반응기에 있어서, 상기 챔버 측벽에는 상기 챔버와 지지대 사이의 공간에 자기장을 형성하여 상기 챔버 내부에 아크 발생을 방지하기 위한 솔레노이드가 구비된 것을 특징으로 한다.

플라즈마 반응기, 아크, 파티클

Description

플라즈마 반응기{Plasma Reactor}

도1은 종래기술에 따른 플라즈마 반응기를 도시한 단면도.

도2은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 반응기를 도시한 단면도.

도3은 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 반응기를 도시한 단면도.

도4는 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 반응기를 도시한 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

20: 챔버 벽 21: 솔레노이드

27: 지지대 30,31,32,33: 라이너

34: 가스켓

본 발명은 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 제조공정에 사용되는 플라즈마 반응기의 챔버 구조에 관한 것이다.

반도체 제조를 위한 공정은 보통 여러가지의 플라즈마 공정을 포함하고 있다. 플라즈마 공정에 있어서 공정의 질은 플라즈마의 안정성에 의해 좌우된다. 플 라즈마는 그 흐름의 하류 영역에서 챔버와의 접촉 그리고 기판에 바이어스 전압(biased voltage)이 걸렸을 때 기판의 가장자리에 나타나는 전기장 구배로 인한 아크에 의해 불안정해질 수 있다.

종래의 플라즈마 공정 장비의 일 예는 미국등록특허공보 US 6,773,544호에 개시되어 있다. 도1을 참조하여 상기 공개특허공보에 개시된 플라즈마 공정장비를 간략히 설명하면 다음과 같다.

원통형의 측벽(1)과 환형의 상부 벽(3)이 가스 분배 플레이트(2)를 구비하는 덮개(7)와 함께 챔버 내부의 진공 공간을 형성한다. 반도체 웨이퍼(6, 혹은 기판)는 챔버의 하단부에 설치되는 디스크 형상의 금속 서셉터(5, 혹은 지지대) 바로 위에 얹혀진다. 기판(6)은 미도시된 정전척(ESC, Electorstatic Chuck)에 의해 지지대(5) 상면에 고정된다. 진공펌프(9)는 배기관(10) 및 펌핑 채널(11)을 통하여 챔버로부터 가스를 배기한다. 챔버 측벽(1)은 외측 라이너라고도 불리우는 제1원통형 라이너(7, 혹은 쉴드)에 의해 덮여 있다. 서셉터(5)의 원통형 외벽은 내측 라이너 혹은 서셉터 쉴드라고도 불리우는 제2원통형 라이너(8, 혹은 쉴드)에 덮여 있다. 한편 쉴드 링(4)이 서셉터(5)의 상면에 구비된다. 내측 라이너(8)는 챔버 하부 벽면을 덮어 보호한다. 내측 라이너(8)는 유전체인 외측 라이너(7)의 무게에 의해 고정된다. 오링이 내측 라이너(8)와 외측 라이너(7) 사이를 밀봉한다. 특히 배기관(10) 내측에는 모든 배기 가스가 바로 빠져 나가지 않고 수평 방향으로 흐르도록 흐름을 바꿔주는 적어도 하나의 디플렉터(15,16)가 구비된다. 디플렉터(15,16)는 배기 가스 중의 대전 입자들의 충돌율을 증가시켜 대전 입자들 간의 재결합을 촉진 하고, 배기 가스에 대전 입자들이 농축되는 것을 줄여준다. 또한, 디플렉터(15,16) 주위에 위치되는 마그네트(17,18)가 디플렉터(15,16) 근방의 배기관에 자기장을 형성한다. 자기장의 주요 방향은 배기관(10)에서의 가스흐름을 가로지르는 방향을 갖는 것이 바람직하다. 자기장의 횡방향 성분은 전자를 횡방향으로 움직이게 하여 양이온과 용이하게 재결합되고, 따라서 배기 가스에 대전입자가 농축되는 것을 방지한다.

이와 같은 플라즈마 장비는 다음과 같은 단점을 갖고 있다.

챔버 내벽과 외벽 사이의 간격이 줄어들어 기판에 수백볼트(대략 500V)의 바이어스 전압이 걸렸을 때 챔버 내부의 전기장 구배가 챔버 벽과 지지대 사이의 틈에서 아크(혹은 방전)를 일으킬 수 있다.

또한, 공정에 따라서 챔버 상부와 지지대 사이의 거리가 다양하게 요구되어 지는데 이에 따라 지지대와 챔버 상부 사이의 거리를 조절 할 수 없는 불편한 점이 있다.

또한, 디플렉터에 의해 진공 통로가 길어지고 진공저항이 커지는데, HDP-CVD(고밀도 플라즈마 화학 기상 증착, High Density Plasma-Chemical Vapor Deposition)와 같은 공정에 요구되는 2~5 mTorr의 고진공도를 유지하기 위하여는 매우 강한 펌프가 요구된다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 플라즈마 반응기에서 챔버 내부, 특히 챔버 벽 내면과 지지대 외면 사이의 아크 발생 가능성을 줄일 수 있는 플라즈마 반응기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기판 지지대의 상하 이동이 가능하여 챔버 상부와 기판지지대 사이의 거리 조절이 가능하고, 진공을 위한 펌핑이 용이한 플라즈마 반응기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 진공 챔버 내부 기판 지지대의 운동 요소에서 발생하는 파티클이 챔버 벽 및 기판을 오염시키는 것을 방지할 수 있는 플라즈마 반응기를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 반응기는 챔버와, 상기 챔버 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 장치 및 상기 챔버 내부에서 기판을 지지하는 지지대를 포함하는 플라즈마 반응기에 있어서,

상기 챔버 측벽에는 상기 기판과 상기 챔버의 상단 사이의 거리 조절이 가능하도록 승강 가능하게 설치된 상기 지지대와 상기 챔버 사이의 공간에 자기장을 형성하여 상기 챔버 내부에 아크 발생을 방지하며, 상기 지지대가 상하로 승강할 때 상기 지지대의 위치에 관계없이 항상 상기 지지대 근방에 자기장을 형성할 수 있도록 길게 형성된 솔레노이드가 구비된 것을 특징으로 한다.

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그리고 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 반응기는 챔버와, 상기 챔버 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 장치 및 상기 챔버 내부에서 기판을 지지하는 지지대를 포함하는 플라즈마 반응기에 있어서, 상기 지지대는 상기 기판과 상기 챔버의 상단 사이의 거리 조절이 가능하도록 상하로 승강 운동하도록 설치되고, 상기 지지대의 둘레에는 상기 챔버 내부를 오염시키는 파티클이 유출되는 것을 차단하도록 상기 지지대에 설치되어 상하로 승강하는 제1라이너와, 상기 챔버 바닥에 고정되는 제2라이너로 이루어진 라이너가 구비된 것을 특징으로 한다.

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또한, 본 발명에 따른 플라즈마 반응기는 챔버와, 상기 챔버 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 장치 및 상기 챔버 내부에서 기판을 지지하는 지지대를 포함하는 플라즈마 반응기에 있어서, 상기 지지대의 둘레에는 상기 챔버 내부를 오염시키는 파티클이 유출되는 것을 차단하도록 상기 지지대 측에 설치되는 제1라이너와, 상기 챔버 바닥에 설치되는 제2라이너로 이루어진 라이너가 구비되고, 상기 제1라이너와 제2라이너 사이에는 가스켓이 설치된 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 플라즈마 반응기의 바람직한 실시예들을 설명한다.

도2는 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 반응기를 도시하고 있는 측단면도로서, 통상적인 구성요소는 생략하고 특징부만을 도시한 것이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 반응기는 챔버 내부 공간에 대체로 길이 방향 성분을 갖는 자기장을 발생시키는 자기장 솔레노이드(21)를 구비한다. 지지대(27)는 웨어퍼(W)와 챔버 돔 저면 즉, 챔버의 상단 사이의 거리 조절이 가능하도록 상하로 이동 가능하게 설치되어 있다. 솔레노이드(21)의 길이는 지지대(27)가 상하 어느 위치에 있든지 챔버 벽(20)과 지지대(27) 사이 공간에 자기장을 제공할 수 있을 정도로 길게 형성하는 것이 바람직하다.

플라즈마 공정에서 챔버 내부에 부유하는 이온 입자들을 웨이퍼(W) 상에 끌 어 들일 수 있도록 웨어퍼(W)에는 약 500V정도의 바이어스 전압(biased voltage)을 걸어주게 된다. 이로 인하여 웨이퍼(W)와 챔버 벽(20) 사이에는 전기장이 형성된다. 진동하는 RF 전자기장 하에서 전기장이 형성되어 있는 유전체나 금속의 표면에서는 전자가 방출되어 전류 누설이나 표면 아크를 발생시킬 수 있다. 솔레노이드 코일(21)은 강한 전기장이 집중 될 수 있는 지지대 및 웨이퍼의 모서리 부근(25,26)에서 방출되는 전자가 챔버 벽(20)에 충돌하지 않도록 가두게 된다. 솔레노이드 코일(21)의 자기장은 지지대(27) 및 웨어퍼(W)에서 나온 전자가 챔버 벽(20) 사이의 갭을 건널 수 없도록 챔버의 반경방향으로 구배를 갖고 있다. 전자들은 방향이 꺾여 챔버 벽에 부딪히지 못하게 된다. 챔버 벽(20)과 지지대(27) 사이의 갭에 형성된 자기장은 아크 발생이나 챔버 벽(20)의 스퍼터링을 줄여준다. 한편 솔레노이드(21)는 길이방향으로 길게 형성되어 지지대(27)가 상하로 움직이더라도 지지대(27)가 어디에 있든지 그 주위에 자기장을 제공하게 된다. 한편, 이 자기장은 플라즈마 반응기의 하부에 형성되도록 하여 반도체 제조 공정에는 영향을 미치지 않게 하는 것이 바람직하다. 자기장의 세기는 예를 들어 챔버 근방에서 1~10Gs정도 인 것이 바람직하다.

도3은 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 반응기를 도시한 것이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 반응기는 지지대(27)의 저면에 결합되어 지지대(27)와 함께 상하로 움직이는 외측 라이너(30)와, 챔버의 하부(28)에 결합되어 챔버에 고정되어 있는 내측 라이너(31)를 구비한다. 두 라이너(30,31) 사이에는 대략 1mm 정도의 얇은 갭(G)이 있으며, 두 라이너 (30,31)에는 가스나 파티클이 외부로 새나가는 것을 방지하기 위하여 반경방향으로 돌출된 리브(30a, 31a)가 구비된다. 두 라이너(30,31)는 지지대(27)가 어느 위치에 있든지 서로 접촉하지 않도록 떨어져 있다. 이는 두 라이너(30,31) 사이에 마찰이 발생하지 않도록 하기 위함이다. 라이너 표면 사이에는 갭(G)이 있기 때문에 라이너에 의해 형성되는 공간 내부가 펌핑될 수 있다. 외측 라이너(30) 및 내측 라이너(31)는 지지대의 운동 요소에서 발생하는 파티클이 챔버 내부 공간으로 빠져나가는 것을 방지하기 위해 사용되는 것이다.

접지를 위하여 지지대(27)의 이동 축(29)을 따라 축방향으로 위치하는 수 개의 유연한 와이어(35)를 구비한다. 와이어(35)는 스테인리스스틸 재질로 만들어 지며, 지지대(27)의 하부와 챔버 바닥부(28)를 연결한다. 와이어(35)의 상단은 공정에서 요구되는 지지대(27)의 높이에 따라 상하로 움직이더라도 전기적인 접촉은 유효하게 유지되어야 한다. 와이어(35)의 단부에서는 전기적인 접촉이 제공되어 복귀 전류가 접지된 챔버 벽으로 흐르도록 한다.

한편, 외측 라이너 혹은 내측 라이너에 DC 또는 AC전위를 인가하여 라이너 근방 공간에 약한 전기장을 발생시키면 대전된 파티클을 끌어당겨 이들이 챔버 내부의 작용 공간으로 유입되는 것이 방지된다. 이를 트랩핑 효과라 한다. 이 경우 대전된 라이너는 챔버로부터 전기적으로 격리되어야 한다.

도4는 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 반응기를 도시한 것이다. 제2실시예의 반응기와 유사하나, 지지대(27)를 빈번하게 움직일 필요가 없을 경우에 적 용될 수 있는 것이다.

도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 반응기는 고정된 내측 라이너(33) 및 외측 라이너(32) 사이에 설치되는 가스켓(34)을 구비한다. 전기적인 접촉은 가스켓(34)에 씌워지는 금속커버에 의해 제공되기 때문에 별도의 그라운딩 와이어는 필요하지 않다. 복귀 전류의 흐름 경로는 외측 라이너(32)로부터 가스켓(34), 내측 라이너(33) 챔버 하부(28)로 이루어진다.

가스켓(34)에 씌워지는 금속 호일은 라이너들(32,33) 간의 전기적인 접촉을 위한 것이다. 두 라이너는 고정된 위치에 있기 때문에 추가적인 와이어는 필요하지 않다. 만일 지지대(27)의 위치를 바꿔야 한다면, 다른 적절한 높이를 갖는 새로운 라이너로 교체하여야 한다.

접촉되어 있는 두 라이너(32,33) 사이의 공간은 파티클을 가두기 위하여 사용되며, 라이너(32,33) 내부 공간은 별도의 펌핑채널을 이용하여 펌핑하거나, 라이너 표면에 작은 홀을 뚫어 펌핑할 수 있다. 이 홀은 라이너 내부의 파티클이 챔버 공간으로 유출되지 않을 정도로 작은 것이 바람직하다.

진공 챔버 밖에 설치되는 자기장 솔레노이드는 챔버 벽과 지지대 사이의 갭에 챔버 축방향으로 길게 형성되는 자기장을 형성한다. 이 자기장은 RF필드와 집중된 전기장의 영향으로 지지대, 정전척, 혹은 웨어퍼 표면에서 방출되는 전자가 공간을 가로질러 챔버 벽에 부딪힘으로써 아크가 발생할 가능성이 증가하는 것을 방지한다.

또한, 지지대의 상하 이동이 가능하여 챔버 상부와 기판 지지대 사이의 거리조절이 가능하고, 플라즈마 흐름 공간의 하류에 별도의 디플렉터가 구비되지 않아 진공을 위한 펌핑이 용이한 효과가 있다.

또한, 지지대를 둘러 싸고 있는 두 개의 원통형 라이너는 지지대의 동작부품에서 발생된 파티클이 챔버 내부로 흘러 들어가는 것을 막아준다. 따라서 챔버 내부로 유입되는 바람직하지 않은 파티클의 수를 줄여준다.

Claims

챔버와, 상기 챔버 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 장치 및 상기 챔버 내부에서 기판을 지지하는 지지대를 포함하는 플라즈마 반응기에 있어서,

상기 챔버 측벽에는 상기 기판과 상기 챔버의 상단 사이의 거리 조절이 가능하도록 승강 가능하게 설치된 상기 지지대와 상기 챔버 사이의 공간에 자기장을 형성하여 상기 챔버 내부에 아크 발생을 방지하며, 상기 지지대가 상하로 승강할 때 상기 지지대의 위치에 관계없이 항상 상기 지지대 근방에 자기장을 형성할 수 있도록 길게 형성된 솔레노이드가 구비된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
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챔버와, 상기 챔버 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 장치 및 상기 챔버 내부에서 기판을 지지하는 지지대를 포함하는 플라즈마 반응기에 있어서,

상기 지지대는 상기 기판과 상기 챔버의 상단 사이의 거리 조절이 가능하도록 상하로 승강 운동하도록 설치되고, 상기 지지대의 둘레에는 상기 챔버 내부를 오염시키는 파티클이 유출되는 것을 차단하도록 상기 지지대에 설치되어 상하로 승강하는 제1라이너와, 상기 챔버 바닥에 고정되는 제2라이너로 이루어진 라이너가 구비된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
챔버와, 상기 챔버 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 장치 및 상기 챔버 내부에서 기판을 지지하는 지지대를 포함하는 플라즈마 반응기에 있어서,

상기 지지대의 둘레에는 상기 챔버 내부를 오염시키는 파티클이 유출되는 것을 차단하도록 상기 지지대 측에 설치되는 제1라이너와, 상기 챔버 바닥에 설치되는 제2라이너로 이루어진 라이너가 구비되고, 상기 제1라이너와 제2라이너 사이에는 가스켓이 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.