KR100725614B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 본 발명은 챔버와, 상기 챔버 내의 상부에 위치하는 상부 전극부와, 상기 상부 전극부와 대향 위치하는 하부 전극과 상기 하부 전극을 둘러싸고 있는 포커스 링을 포함하는 하부 전극부를 포함하고, 상기 하부 전극에 대한 포커스 링의 비는 1.1 내지 1.3인 것과 상기 상부 전극판에 대한 포커스 링의 비는 1.0 내지 1.2인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 발명은, 플라즈마에 영향을 미치는 고주파 전원을 효과적으로 제어하고, 이에 따라 상부 및 하부 전극부를 구성하는 부품의 파손 방지 및 공정의 균일도와 처리 속도의 향샹을 도모할 수 있는 효과가 있다.

플라즈마, 진공 챔버, 상부 전극부, 하부 전극부, 포커스 링

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}

도 1은 일반적인 플라즈마 처리 장치를 나타낸 개략 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타낸 개략 단면도이다.

도 3 및 도 4는 포커스 링 직경이 변화된 경우의 상부 및 하부 전극부를 나타낸 개략 단면도이다.

도 5 및 도 6은 상부 전극 직경이 변화된 경우의 상부 및 하부 전극부를 나타낸 개략 단면도이다.

< 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10, 100: 진공 챔버 12, 112: 상부 전극부

14, 114: 하부 전극부 16, 116: 기판

18, 154: 상부 전극판 20: 전극 지지체

22, 156: 실드링 26, 126: 하부 전극

28, 128: 정전척 30, 146: 포커스 링

138: 정합기 140: 고주파 전원

142: 가스 공급원 D1: 하부 전극 직경

D2: 포커스 링 직경 D3: 상부 전극 직경

본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공정의 균일도와 처리 속도를 향상시킬 수 있도록 상부 및 하부 전극과 이에 관련된 부분품의 크기를 적정 비율로 조절하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

반도체 및 디스플레이 산업이 발전함에 따라 웨이퍼, 유리 등의 기판 가공도 한정된 면적에 원하는 패턴을 극미세화하고 고집적화하는 방향으로 진행되고 있다.

일반적으로 반도체 소자는 웨이퍼 같은 반도체 기판의 표면에 절연막 또는 금속막 등과 같은 막을 형성시킨 후, 이 막을 반도체 소자의 특성에 따른 패턴을 형성시킴으로써 제조된다. 이때, 기판 표면에 형성시킬 수 있는 패턴은 기판 상에 형성시킨 막을 완전히 제거시키거나 또는 선택적으로 제거시킴으로써 형성시킬 수 있으며, 이는 주로 식각 공정에서 수행된다.

이와 같은 식각 공정은 반도체 장치의 고집적화에 따라 케미컬을 이용한 습식 식각(Wet etching) 공정에서 플라즈마(Plasma)를 이용한 건식 식각(Dry etching) 공정으로 이어지고 있다. 그리고 최근에는 플라즈마의 효율을 더욱 향상시킨 반응성 이온 식각(Reactive ion etching) 공정으로 발전해 가고 있다.

도 1은 일반적인 플라즈마 처리 장치를 나타내는 개략 단면도이다. 도면을 참조하면, 플라즈마 처리 장치는 챔버(10)와, 챔버(10) 내에 처리 가스를 공급하고 상부 전극을 포함하는 상부 전극부(12)와, 기판(16)을 탑재하며 하부 전극을 포함하는 하부 전극부(14)로 구성된다.

상부 전극부(12)는 도시되지 않은 다수의 가스 분사 구멍을 갖는 상부 전극판(18)과, 상부 전극판(18)을 지지하는 전극 지지체(20)로 구성된다. 상부 전극판(18)의 외주면에는 실드링(22)에 의해 둘러싸여 있다. 실드링(22)은 이상 방전의 발생을 저감시키는 역할을 한다.

하부 전극부(14)는 절연 지지부재(24)와, 전극을 발생시키기 위해 형성된 하부 전극(26)과, 기판(16)을 탑재하기 위한 정전척(28)으로 구성된다. 하부 전극(26)과 정전척(28)의 양측면에는 포커스 링(30)이 설치되어 플라즈마를 기판(16) 내측으로 집속하여 기판(16) 표면으로 플라즈마 활성종의 입사 효율을 높인다.

상기 플라즈마 처리 장치는 상부 전극판(18)의 가스 분사 구멍으로부터 기판에 반응 가스를 공급하고, 상부 전극판(18)에 RF 전력을 공급하여, 상부 전극판(18)의 노출면과 하부 전극부(14) 사이에 전계를 형성한다. 이에 따라 기판(18) 상에 반응 가스의 플라즈마를 발생시켜, 기판(18) 표면을 처리한다.

상기와 같은 구조를 가진 챔버(10) 내부에는 더욱 밀도 높은 플라즈마를 발생시키기 위해서 전극에 인가되는 고주파 전원의 사양이 높아지고 있으며, 최근에는 100Mhz의 주파수도 사용되고 있다. 또한, 인가 전원의 손실을 줄이기 위해 부품들의 적절한 매칭과 상부 및 하부 전극부(12, 14)의 크기와 모양 및 간격을 최적의 조건으로 유지하는 것이 아주 중요하다.

만약, 상부 및 하부 전극의 크기의 비가 일정한 비율을 넘어버리면 인가되는 고주파 전원에 의한 전계가 균일하게 형성되지 못하기 때문에 발생된 플라즈마의 상태가 불안정하게 되고, 상부 전극부(12)로부터 분출되는 반응 가스도 상부 및 하 부 전극부(12, 14) 사이의 공간에 균일하게 분포되지 못하고 플라즈마 영역을 벗어나 배기되어 버리기 때문에 공정의 균일성이 저하된다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 고주파 전원의 영향에 의한 부품의 손상을 막고, 반응 가스의 흐름을 안정화시키기 위한 하부 전극의 직경 및 하부 전극을 둘러싸고 있는 포커스 링의 직경 비를 제어하는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 고주파 전원의 영향에 의한 부품의 손상을 막고 반응 가스가 기판에 분포되는 범위를 조절하기 위한 포커스 링의 직경 및 상부 전극판의 직경 비를 제어하는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 챔버와, 상기 챔버 내의 상부에 위치하는 상부 전극판과 그를 둘러싸고 있는 실드링을 포함한 상부 전극부와, 상기 상부 전극부와 대향 위치하는 하부 전극과 상기 하부 전극을 둘러싸고 있는 포커스 링을 포함하는 하부 전극부를 포함하고, 상기 하부 전극에 대한 포커스 링의 비는 1.1 내지 1.3이고, 상기 상부 전극판에 대한 포커스 링의 비는 1.0 내지 1.2인 것을 특징으로 한다.

상기 포커스 링의 재질은 실리콘으로 형성되었고, 상기 포커스 링의 비저항은 10 내지 100 Ω·cm 인 것을 특징으로 한다. 상기 포커스 링의 외주면은 원형 또는 다각형의 형상을 가진다. 또한, 상기 실드링의 재질은 유전율 4 이하인 것으 로 구성한다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타낸 개략 단면도이다. 도면을 참조하면, 플라즈마 처리 장치는 진공 챔버(100) 내에 상부 전극부(112) 및 상기 상부 전극부(112)와 대향 위치하고 피처리체인 반도체 기판(116)이 장착되는 하부 전극부(114)를 구비한다.

진공 챔버(100)의 측벽에는 기판 반입 및 반출을 위한 게이트(132)가 형성되어, 이를 통해 기판(116)을 반입 및 반출한다. 또한 진공 챔버(100)의 측벽 하부에는 진공 펌프(134) 등의 배기 장치가 배기구(136)에 연결되어 이로부터 배기가 실행되어 진공 챔버(100) 내를 소정의 감압 분위기, 예컨대 0.01Pa 이하의 소정 압력이 될 때까지 진공 펌프(134)로 내부를 감압한다.

진공 챔버(100)는 통상 원통 형상으로, 식각 공정이 진행되도록 외부와 밀폐된 소정 공간을 마련해 주는 역할을 한다. 진공 챔버(100) 내에 상부에 위치한 상부 전극부(112)에는 고주파 전원 장치(140) 및 임피던스 정합기(138)가 연결되어 고주파 전력이 가해질 수 있다. 또한, 상기 상부 전극부(112)는 샤워 헤드의 기능을 함께하여 가스 공급원(142)으로부터 상부 전극부(112)로 CHF₃, Ar, O₂ 와 같은 반응 가스를 공급할 수 있다.

또한, 상부 전극부(112) 하부면에는 상부 전극판(154)이 위치한다. 상부 전극판(154)은 실리콘 재질로 구성되어 있으며, 플라즈마 처리 공간에 반응 가스를 배출하기 위한 복수개의 분사홀(155)이 형성되어 있다.

상부 전극판(154)의 외주면에는 석영 재질의 실드링(156)이 고정 결합된다. 실드링(156)은 상부 전극판(154)의 하면을 노출시키도록 형성되어 있으며, 이상 방전을 방지하는 역할을 한다.

하부 전극부(114)는 기판 승강기(144)와, 정전척(128)과, 하부 전극(126)과, 포커스 링(146)으로 구성되어 있다.

하부 전극부(114)는 진공 챔버(100) 내의 밑면에 장착되어 기판(116)을 안착시키고 공정의 진행에 따라 기판(116)을 상하로 이동시키는 서셉터의 역할을 한다. 정합기(138, 148)를 거쳐 고주파 전원(140, 150)이 접속되어 기판(116)을 플라즈마 처리하는 경우 하부 전극부(114)에는 고주파 전원(140)에 의해 고주파 전력이 공급된다.

정전척(128)은 원형 플레이트 형상으로 기판의 형상과 대략 동일한 형상이나 특별히 형상이 한정되지는 않는다. 또한, 정전척(128)은 진공 챔버(100) 내로 이송되는 기판(116)이 안착되도록 하여 이를 보유하는 역할을 한다. 즉, 정전척(128)은 고압 직류 전원(152)에 접속되어 고전압이 인가됨으로써 기판(116)을 흡착 유지시킨다. 이때, 정전척(128)은 정전력 외에 기계적 힘 등에 의해 기판(116)을 보유할 수 있다.

기판 승강기(144)는 절연체로 이루어져 있다. 기판 승강기(144)의 하부면은 진공 챔버(100) 밑면에 고정되고, 상부면에는 정전척(128)이 장착되어 정전척(128)을 하부에서 지지하고 공정의 진행에 따라 정전척(128)을 상하로 이동시켜주는 역할을 한다.

포커스 링(146)은 기판(116)이 진공 챔버(100)의 중심에 정렬 및 안착되도록 내측에 소정 공간이 마련된 원형 링 형상으로 정전척(128)의 외주면에 포커스 링(146)의 내주면이 끼워져 장착되며, 반응 가스가 플라즈마 상태로 변환될 때, 이 플라즈마 상태의 반응 가스가 기판(116)에 집중되도록 하는 역할을 한다.

다음은 하부 전극 직경(D1)과, 포커스 링 직경(D2)과, 상부 전극 직경(D3) 비의 관계를 알아본다.

하부 전극 직경(D1)은 실질적으로 하부 전극으로서 기능을 하는 면의 직경을 가리키는 것으로, 포커스 링(146)의 내경과 거의 일치한다. 포커스 링 직경(D2)은 포커스 링(146)의 외경을 의미한다. 상부 전극 직경(D3)은 상부 전극의 실질적 기능을 하는 상부 전극판(154)의 직경과 동일하다.

예컨데, 하부 전극 직경(D1)에 대한 포커스 링 직경(D2)은, 그 비(D2/D1)가 1.1 내지 1.3 이 되도록 하고, 바람직하게는 1.15 내지 1.25 가 되도록 한다. 즉, 하부 전극 직경(D1)을 200mm로 한 경우, 포커스 링 직경(D2)은 220mm 내지 260mm, 바람직하게는 230mm 내지 250mm 이다.

도 3 및 도 4는 포커스 링 직경이 변화된 경우의 상부 및 하부 전극부를 나타낸 개략 단면도이다. 도면을 참조하면, 상부 전극부(112)에는 상부 전극판(154)과 상부 전극판(154)의 외주면에 형성된 실드링(156)으로 구성되며, 고주파 전원(140)이 연결되어 있다. 하부 전극부(114)에는 하부 전극(126)과 상기 하부 전극(126)의 양측에 형성된 포커스 링(146)이 형성되어 있다.

포커스 링(146)의 외주면은 원형 이외에도 다각형 등의 형상이 가능하며, 재 질은 실리콘으로 형성되어 있다. 또한, 포커스 링(146)의 비저항은 10 내지 100 Ω·cm인 것이 바람직하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 포커스 링 직경(D2)이 본 발명에서 제안한 직경비보다 클 경우 하부 전극부(114)가 너무 커져서 진공 챔버(100) 내부 공간을 과도하게 차지하게 되어, 주로 하부로 배기되는 반응 가스의 흐름에 영향을 미친다.

즉, 상부 전극부(112)를 통해 주입된 반응 가스가 플라즈마 영역을 통과하고 좁은 진공 챔버(100) 내부 공간에 의해 배출되는데 어려움을 갖는다. 반응 가스가 소정의 시간 내에 배기되지 못하면 설정된 압력까지의 배기 시간이 길어지게 되고, 결과적으로 전체적인 공정의 흐름이 늦어지게 된다. 이는 전체 공정에 커다란 악영향을 미친다.

또한, 플라즈마에 의해 에너지를 얻은 반응 가스의 이온이나 전자들이 처리실 내벽에 충돌할 가능성이 높아, 진공 챔버(100) 내의 일부 부품들과 반응하여 진공 챔버(100) 내에 스퍼터링 또는 증착되는 문제점이 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 포커스 링의 직경(D2)이 본 발명에서 제안한 직경보다 작을 경우 상부 전극부(112)를 통해 분사되는 반응 가스 중 상부 전극부(112)의 외주면에서 분사되는 반응 가스의 일부분은 플라즈마 영역을 통과하지 못하고 배기될 가능성이 높다. 또한, 일정 시간 이상의 공정이 계속되면 상부 전극부(112)에서 인가되는 고주파 전력이 좁은 면적에 집중되어 포커스 링에 피로가 누적되어 절연 파괴될 가능성이 높아진다.

다음은 포커스 링 직경(D2)에 대한 상부 전극 직경(D3) 비를 알아본다. 포커 스 링 직경(D2)과 상부 전극 직경(D3)은, 그 비(D2/D3)가 1.0 내지 1.2, 바람직하게는 1.05 내지 1.15 가 되도록 구성된다.

도 5 및 도 6은 상부 전극 직경이 변화된 경우의 상부 및 하부 전극부를 나타낸 개략 단면도이다. 도면을 참조하면, 상부면에는 상부 전극판(154)과 상부 전극판(154)의 양측에 형성된 실드링(156)으로 구성되며, 고주파 전원(140)이 연결되어 있다. 하부면에는 하부 전극(126)과 상기 하부 전극(126)의 양측에 형성된 포커스 링(146)이 형성되어 있다.

실드링(156)의 외주면은 원형 이외에도 다각형 등의 형상이 가능하며, 재질은 유전율이 4 이하인 것이면 가능하다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상부 전극 직경(D3)이 본 발명에서 제안한 직경비 보다 클 경우, 상부 전극부(112)를 통해 인가되는 고주파 전원(140)이 하부 전극부(114)로 형성되는 범위가 넓어진다. 이에, 포커스 링(146)이 받는 전계의 범위는 더욱 커지게 된다.

포커스 링(146)에 받는 전계의 범위가 넓어지게 되면, 포커스 링(146)이 받는 피로도는 증가하게 된다. 이에 따라, 포커스 링(146)의 두께나 직경이 커져야 하는 단점이 있다.

또한, 상부 전극 직경(D3)이 크기 때문에 반응 가스는 플라즈마 영역을 벗어나게 되고, 분출되는 반응 가스가 공정에 이용되지 못하게 된다. 이에 따라, 반응 가스의 일부는 그대로 배기되는 현상도 발생한다.

또한, 플라즈마 발생 측면에서 보면, 상부 전극부(112)로부터 전달되는 고주 파 전력이 하부 전극부(114)에 효율적으로 전달되지 못한다. 즉, 고주파 전력이 필요없는 공간에 전파됨으로써, 손실을 가져온다. 이에 따라, 플라즈마 외주면의 밀도가 저하되고, 공정의 균일성의 저하를 가져온다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상부 전극 직경(D3)이 본 발명에서 제안한 직경비 보다 작을 경우, 상부 전극부(112) 및 하부 전극부(114) 사이의 공간에서 발생하는 플라즈마 면적이 축소되어, 기판의 외주면에 대한 플라즈마의 노출 정도가 약해진다. 따라서, 기판의 전체적인 공정의 균일도는 저하된다.

또한, 상부 전극부(112)에 인가된 고주파 전원(140)의 에너지가 하부 전극부(114)에 효율적으로 전달되지 않기 때문에 초기 플라즈마 점화에 있어서, 상부 전극 직경(D3)이 큰 경우보다도 나쁘게 된다.

결과적으로, 고주파 전력은 하부 전극부(114)에 위치한 포커스 링(146)의 수명이나 플라즈마의 점화 및 플라즈마의 밀도 등 넓은 범위에 영향을 미치게 된다. 즉, 안정적인 전계의 형성으로 인한 플라즈마 점화 및 유지와, 진공 챔버(100) 내의 부품의 수명을 고려해야 한다.

본 발명에서는, 하부 전극 직경(D1)에 대한 포커스 링 직경(D2) 비와, 포커스 링 직경(D2)과 상부 전극 직경(D3)의 비에 대해 따로 설명하였지만, 하부 전극 직경(D1)에 대한 포커스 링 직경(D2)은, 그 비(D2/D1)가 1.1 내지 1.3 이 되도록 하고, 포커스 링 직경(D2)에 대한 상부 전극 직경(D3)은, 그 비(D2/D3)가 1.1 내지 1.3 이 되도록 한다면 더욱 효율적이다.

상기와 같이, 하부 전극 직경(D1)과, 포커스 링 직경(D2)과, 상부 전극 직경 (D3)은 적절하게 조절해야 하며, 이에 따라 진공 챔버(100) 내부가 원활한 공정 가스의 흐름을 갖을 수 있다. 따라서, 안정적인 전계를 형성하여 플라즈마를 생성하게 되고, 전계의 집중에 의한 부품의 손상을 막을 수 있다.

다음은 도 2를 참조하여 플라즈마 처리 장치의 처리 공정에 대해 설명한다. 선행 공정을 완료한 기판(116)이 게이트(132)로부터 진공 챔버(100) 내에 반입되어 진공 챔버(100) 내에 위치한 정전척(128)에 안착되면, 직류 전원(152)으로부터 기판(116)을 정전 흡착시킨다.

이후, 상부 전극부(112)와 하부 전극부(114)에 고주파 전원(140, 150)으로부터 각각 소정 전압의 전력을 인가되도록 한다. 이후, 기판 승강기(144)로부터 기판(116)이 안착된 하부 전극부(114)를 상부 전극부(112) 방향으로 상승시킨다.

이때, 기판(116)과 상부 전극부(112)의 간격이 수십 mm 가 되면, 기판 승강기(144)는 기판(116)의 상승을 중지시키며, 가스 공급원(142)은 상부 전극부(112)로 반응 가스를 공급하기 시작한다.

상부 전극부(112)로 유입된 반응 가스는 상부 전극판(154)의 분사홀(155)을 통해 기판(116)에 균일하게 분사하게 된다.

계속해서, 진공 챔버(100) 내에 분사된 반응 가스는 상부 전극부(112)와 하부 전극부(114)에 인가되는 고주파 전력에 의해 플라즈마 상태로 변환되고, 이 플라즈마 상태로 변환된 반응 가스는 기판(116) 표면에 형성된 막과 반응하여 이 막을 선택적으로 건식 식각 등의 플라즈마 처리를 균일하게 수행한다. 특히, 본 발명의 제안한 상부 전극 직경(D3)과, 하부 전극 직경(D1)과, 포커스 링 직경(D2)의 비 를 적용하여 더 균일하고 안정적으로 플라즈마 처리를 한다.

이후, 기판(116)에 형성된 막과 반응하지 않은 비반응 가스는 배기 펌프(134)에 의해 배기구(136)로 배기되고, 플라즈마 처리가 종료되면 고압 직류 전원(152) 및 고주파 전원(140, 150)으로부터 전력 공급이 정지되고 기판(116)은 게이트(132)를 통해 진공 챔버(100) 외부로 반출되어 공정을 마치게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는 하부 전극과 포커스 링의 직경 비와 상부 전극의 직경과 포커스 링 직경 비를 제어하였다.

그러므로, 본 발명은 진공 챔버 내의 원활한 반응 가스의 흐름을 가지고 안정적인 전계를 형성하여 플라즈마를 생성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전계의 집중에 의한 부품의 손상을 막을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기판을 균일하게 플라즈마 처리할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 기판을 플라즈마 처리하기 위한 플라즈마 처리 장치로서,

   챔버와,

   상기 챔버 내의 상부에 위치하는 상부 전극부와,

   상기 상부 전극부와 대향 위치하는 하부 전극과 상기 하부 전극을 둘러싸고 있는 포커스 링을 포함하는 하부 전극부를 포함하고,

   상기 하부 전극 직경에 대한 포커스 링 직경의 비는 1.1 내지 1.3인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 포커스 링의 재질은 실리콘인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 포커스 링의 비저항은 10 내지 100 Ω·cm인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 포커스 링의 외주면은 원형 또는 다각형의 형상을 가진 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
5. 기판을 플라즈마 처리하기 위한 플라즈마 처리 장치로서,

   챔버와,

   상기 챔버 내에 위치하며, 하부 전극과 그를 둘러싸고 있는 포커스 링을 구비한 하부 전극부와,

   상기 하부 전극부와 대향 위치하여, 상부 전극판과 그를 둘러싸고 있는 실드링을 포함한 상부 전극부를 포함하며,

   상기 상부 전극판 직경에 대한 포커스 링 직경의 비는 1.0 내지 1.2인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 실드링의 재질은 유전율 4 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서, 상기 하부 전극 직경에 대한 포커스 링 직경의 비는 1.1 내지 1.3인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.

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