KR100782985B1 - 이온빔을 이용한 식각장치 - Google Patents

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전윤광
이진석
김기태
김경선
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Abstract

본 발명은 이온빔을 이용한 식각장치에 관한 것으로, 특히 본 발명은 이온추출전극에 고절연성의 코딩막을 코딩함으로써 플라즈마로부터 이온빔을 추출하는 일련의 과정에서 생성되어 이온추출전극에 부착된 폴리머에 이온에 의한 전하가 일정량 이상 쌓이더라도 코딩막에 의해 이온추출전극의 절연이 파괴되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 이온추출전극간의 아크 발생을 미연에 방지할 수 있어 이온빔의 추출을 원활히 할 수 있다. 또한, 본 발명은 이온추출전극사이의 공간에 이온추출전극들과 접촉되지 않도록 절연체를 삽입함으로써 플라즈마로부터 이온빔을 추출하는 일련의 과정에서 생성되는 폴리머가 이온추출전극에 부착되는 것을 방해하여 부착되는 폴리머의 양을 줄일 수 있어 이온추출전극의 절연이 파괴되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 이온추출전극간의 아크 발생을 미연에 방지할 수 있어 이온빔의 추출을 원활히 할 수 있다.

Description

이온빔을 이용한 식각장치{ETCHING APPARATUS USING ION BEAM}
도 1은 종래 이온빔을 이용한 식각장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이온빔을 이용한 식각장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 이온추출전극에 형성된 오리피스의 다양한 형상을 보인 도면이다.
도 4는 도 2의 이온추출전극에 코딩막이 형성된 것을 보인 도 2의 A영역에 대한 부분 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이온빔을 이용한 식각장치의 개략적인 단면도이다.
도 6은 도 5의 각 이온추출전극사이의 공간에 절연체가 삽입된 것을 보인 도 5의 B영역에 대한 부분 확대 단면도이다.
*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명*
10 : 챔버부 11 : 가스공급부
12 : 이온추출전극 13 : 코딩막
13' : 절연체 14 : 반도체 웨이퍼
15 : 척 16 : 가스배기부
17a,17b : 고주파 파워소스부 18 : 직류 파워소스부
본 발명은 이온빔을 이용한 식각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마 소스로부터 이온빔을 추출하여 반도체 웨이퍼 등의 식각 대상체를 식각하는 이온빔을 이용한 식각장치에 관한 것이다.
일반적으로, 플라즈마란 이온화된 기체로, 이온, 전자, 여기된 원자, 분자 및 화학적으로 매우 활성이 강한 라디칼(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 웨이퍼를 식각하는 등 반도체의 제조공정에 유용하게 활용되고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이온빔을 이용한 식각장치는 플라즈마 생성을 위한 공간이 마련된 반응챔버(1)를 구비한다. 반응챔버(1) 내에는 식각 공정을 위한 반응가스를 공급하는 가스공급부(2)와, 반응챔버(1) 내에 생성된 플라즈마로부터 이온빔을 추출하는 이온추출전극(3)과, 이 이온추출전극(3)에 의해 추출된 이온빔에 의해 식각되는 반도체 웨이퍼(4)를 고정 지지하는 척(5)과, 반응챔버(1) 내의 가스를 배기시키는 가스 배기부(6)가 마련되어 있다. 이외에, 반응챔버(1) 내에 고주파 전원에 의한 자기장을 발생시켜 반응챔버(1) 내의 반응가스를 이온화하여 플 라즈마를 생성하는 고주파 파워소스부(7a,7b)와, 이온추출전극(3)에 각각 서로 다른 극성과 크기의 직류전원을 공급하는 직류 파워소스부(8)를 구비한다.
상기한 이온빔을 이용한 식각장치의 작동을 살펴보면, 반응챔버(1) 내부를 진공 형성 후 반응챔버(1) 내에 반응가스를 공급함과 함께 고주파 파워소스부(7a,7b)를 통해 반응챔버(1) 내의 반응가스를 이온화하여 플라즈마를 생성한다.
이러한 상태에서 이온추출전극(3)에 직류파워소스부(8)를 통해 직류 전원을 인가하여 플라즈마로부터 특정 극성의 이온에 일정한 방향성이 부여된 이온빔이 추출 및 가속하고, 추출 및 가속된 이온빔은 반도체 웨이퍼(4)에 충돌하여 막질을 식각하게 된다.
한편, 상기한 이온추출전극(3)을 통해 이온빔을 추출하는 일련의 과정에서 생성된 부산물 등의 폴리머가 이온추출전극(3) 상에 부착되고, 이 폴리머에 이온에 의한 전하가 축적된다. 일정량 이상의 전하가 축적되면, 이온추출전극(3)의 절연이 파괴된다. 이로 인해 전극 간에 급격한 통전이 일어나 아크가 발생하게 된다. 이러한 과정에서 과도한 전류가 전원공급장치로 흐르게 되어 원활한 전원 공급을 방해하고, 플라즈마를 유지해 주는 임피던스 매칭(Impedance Matching)을 불안정하게 하여 이온빔의 추출이 원활히 이루어지지 않는다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 플라즈마로부터 이온빔을 추출하는 과정에서 생성되어 이온추출전극에 부착된 폴리머에 일정 크기 이상의 전하가 축적됨으로 인해 이온추출전극의 절연이 파괴되는 것을 방지할 수 있는 이온빔을 이용한 식각장치를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이온빔을 이용한 식각장치는 고주파 전력에 의해 주입된 반응가스가 이온화하여 플라즈마가 생성되는 반응챔버와, 직류 전압에 의해 상기 플라즈마로부터 이온빔을 추출하는 다공성의 이온추출전극과, 상기 추출된 이온빔에 의해 식각되는 식각 대상체를 고정 지지하는 척을 포함하는 이온빔을 이용한 식각장치에 있어서, 상기 이온빔을 추출하는 과정에서 생성된 폴리머에 쌓이는 전하에 의해 상기 이온추출전극의 절연이 파괴되는 것을 방지하도록 마련된 절연부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 절연부재는 상기 이온추출전극 표면에 형성된 고절연성의 코딩막인 것을 특징으로 한다.
상기 코딩막의 재료는 상기 코딩막의 재료는 다이아몬드형 탄소(Diamond Like Carbon ; DLC), 석영(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화이트륨(Y2O3), 질화붕소(Boron Nitride ; BN) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물인 것을 특징으로 한다.
상기 이온추출전극은 일정 간격으로 이격되고 전기적으로 절연된 복수의 전극으로 이루어지며, 상기 절연부재는 각 전극 상에 상기 폴리머가 부착되는 것을 방해하도록 각 전극사이의 공간에 삽입되는 것을 특징으로 한다.
상기 절연부재의 재료는 알루미나, 석영, 폴리 에테르 에테르 케톤 중 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물인 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이온빔을 이용한 식각장치는 반응챔버(10), 가스공급부(11), 이온추출전극(12), 척(15), 가스배기부(16), 고주파 파워소스부(17a,17b) 및 직류 파워소스부(18)를 포함하여 이루어진다.
반응챔버(10)의 양측부에는 식각 공정을 위한 반응가스를 공급하기 위한 가스공급부(11)가 연결된다. 반응가스로는 N2, H2, Ar, NF3, 및 O2 등이 사용될 수 있다. 반응가스는 단독으로 공급될 수도 있고, 두 가지 이상의 조합으로 공급될 수도 있다. 즉, 식각 대상 물질에 따라 반응 가스들이 다르게 사용될 수 있으며, 공급 유량 및 공급 시간 등이 변화될 수 있다.
또한, 반응챔버(10)의 상부측에는 고주파 파워소스부(17a,17b)가 마련된다.
고주파 파워소스부(17a,17b)는 반응챔버(10)의 외측 상측면을 따라서 배치된 고주파 코일(17b)과, 이 고주파 코일(17b))에 연결된 고주파 파워유닛(17a)으로 이루어진다. 반응챔버(10) 내로 공급되는 반응가스는 일차적으로 고주파 전력에 노출된다. 이 고주파 파워소스부(17a,17b)에 의해 반응챔버(10) 내부에는 고주파 전기장이 조성되고, 반응가스에 의해 플라즈마가 생성된다. 가스 상태의 물질에 열을 더 가하면 각 원자들은 전자들과 양이온들로 깨져 제4 상태인 플라즈마 상태로 변화되는데, 이를 플라즈마라 한다. 이 플라즈마는 하전입자와 중성입자가 모여 있는 상태로서, 마이너스(-)로 하전된 입자의 밀도와 플러스(+)로 하전된 입자의 밀도가 거의 동일하여 거시적으로는 중성을 띠는 물질의 상태를 의미한다. 이 경우, 하전입자는 전자(electron) 및 이온(ion)을 포함하고, 중성입자는 라디칼(radical)을 포함한다. 이 플라즈마는 다운 스트림(down stream) 되어 반응챔버(10) 하부로 하향 흐름이 발생한다.
반응챔버(10)의 내부공간은 이온추출전극(12)에 의해 구획된다. 반응챔버(10)의 상측 내부공간과 하측 내부공간 간에는 압력차가 존재하고, 이 압력차는 이온추출전극(12)에 형성된 오리피스 사이즈에 따라서 달라지는데, 일반적으로 상측 내부 공간의 압력이 하측 내부 공간의 압력보다 2배 이상 높다.
또한, 반응챔버(10)의 하측 내부공간 중앙에는 식각대상체로서의 반도체 웨이퍼(14)를 지지하기 위한 척(15)이 배치된다. 척(15)은 반응챔버(10)의 저면으로부터 일정높이에서 반도체 웨이퍼(14)를 상면에 고정 지지한다.
또한, 반응챔버(10)의 일측에는 가스배기부(16)가 연결된다. 가스배기부(16)는 식각 공정 전과 후에 반응챔버(10) 내부의 가스, 일예로, 반응 생성물 또는 미반응 가스 등을 외부로 배기한다.
한편, 반응 챔버(10) 내부에는 플라즈마에서 일정한 극성을 띠는 이온빔을 추출하기 위한 이온추출전극(12)이 설치된다. 이온추출전극(12)은 반도체 웨이퍼가 안착된 척(15) 상부에 수평방향으로 배치된다. 이온추출전극(12)은 도전체 금속으로 제조되고, 직류 파워소스부(18)로부터 직류전원을 공급받아 극성을 띠어 전기장을 형성하게 된다. 또한, 이온추출전극(12)은 1개 또는 2개로도 설치가능하다.
이온추출전극(12)은 전기적으로 절연된 여러 개의 전극으로 이루어지며, 각 전극은 특정 간격으로 이격되어 있다. 여러 개의 전극을 가지는 이유는 이온빔의 에너지 등의 특성을 조절하기 위함이다. 예를 들어 일예로, 전극이 3개인 경우, 1번 전극은 이온의 추출 및 가속시키고, 2번 전극은 감속시키고, 3번 전극은 이온빔을 집중시키는 역할을 한다.
이온추출전극(12)은 통상 다공성 원판으로 이루어지며, 각 전극은 이온이 추출되는 방향으로 배치되어 있다. 원판의 크기는 반도체 웨이퍼의 크기에 따라 달라진다. 각 전극에는 플라즈마를 가두는 동시에 이온빔을 추출해야 하기 때문에 다수 개의 오리피스가 형성되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 오리피스는 플라즈마가 새어 나오지 않을 만큼 작은 원형 구멍(12a) 또는 장공(Slit)(12a')의 형상을 가지거나 망(Mesh)(12a'')의 형상을 가진다. 각 전극 상에 형성된 오리피스는 서로 정렬되어 있다.
상기한 구성을 갖는 이온빔을 이용한 식각장치의 작동을 살펴보면, 먼저, 식각 공정을 위해서 반응챔버(10)의 내부를 진공 상태로 조성한다. 즉, 반응챔버(10) 내부의 가스는 가스배기부(16)에 의해 배기하여 반응챔버(10) 내부를 진공상태로 조성한다.
이런 상태에서 반응챔버(10) 내로 가스공급부(11)를 통하여 식각 공정을 위한 반응가스가 공급된다. 식각 공정을 위한 반응가스는 다운 스트림(down stream) 방식으로 가스공급부(11)로부터 반응챔버(10)로 공급된다.
이와 함께 고주파 파워소스부(17a,17b)의 고주파 파워유닛(17a)을 통해 고주파 코일(17b)에 고주파 전력을 인가하면, 고주파 전류에 의해 자기장이 발생되며, 이 자기장의 시간에 따른 변화에 의해 반응챔버(10) 내부에는 전기장이 유도된다. 유도된 전기장에 의해 가속된 전자들은 충돌과정을 통해 반응가스를 이온화시켜 반응챔버(10) 내에 플라즈마를 생성한다. 플라즈마는 반응챔버(10)의 상측 내부공간에서 집중적으로 발생한다.
플라즈마는 하향 기류에 의하여 반응챔버(10)의 상측 내부공간에서 하측 내부공간으로 흘러간다. 이때, 직류파워소스부(18)를 통해 이온추출전극(3)에 직류 전원을 인가하면, 도 2의 화살표 방향과 같이, 전기장에 의해 플라즈마로부터 특정 극성의 이온에 일정한 방향성이 부여된 이온빔이 추출 및 가속되고, 추출 및 가속된 이온빔이 척 상의 반도체 웨이퍼(5)의 막질을 물리적으로 식각하게 된다.
하지만, 상술한 바와 같이, 이온빔을 추출하는 과정에서 생성된 폴리머가 이온추출전극(12) 상에 부착되어 절연막을 형성하고, 이 절연막에 이온에 의한 전하가 쌓이게 되는 데, 일정량 이상의 전하가 쌓이게 되면, 이온추출전극(12)의 절연이 파괴된다. 이로 인해 전극 간에 급격히 통전되어 아크가 발생하게 된다.
이를 방지하기 위해 본 발명에서는 이온추출전극(12)이 절연 파괴되는 것을 방지하기 위해서 절연부재를 구비한다. 이 절연부재는 이온추출전극(12)에 부착된 폴리머에 일정량 이상의 전하가 쌓여도 이온추출전극(12)이 절연 파괴되지 않도록 이온추출전극(12) 표면에 입혀지는 고절연성의 코딩막(13)이거나, 후술하겠지만 보다 근원적인 해결을 위해 이온추출전극(12)간의 공간상에 삽입되어 이온추출전극(12)에 폴리머가 부착되는 것을 방해하는 절연체(13')이다.
먼저, 이온추출전극(12)에 코딩막(13)을 입히는 것을 살펴보면, 도 4에 도시 된 바와 같이, 이온추출전극(12)에는 각각 높은 절연상수를 가지는 물질 또는 부도체로 코딩된 코딩막(13)을 코딩한다. 코딩막(13)은 화상기상증착(CVD), 플라즈마 스프레이코딩 등의 방법으로 한다. 코딩막(13)의 재료로는 다이아몬드형 탄소(Diamond Like Carbon ; DLC), 석영(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화이트륨(Y2O3), 질화붕소(Boron Nitride ; BN) 등이 사용된다.
이에 따라, 이온빔을 추출하는 과정에서 생성된 폴리머는 고절연성의 코딩막(13)에 쌓이게 되어 일정량 이상의 전하가 축적되더라도 이온추출전극(12)의 절연이 파괴되지 않는다. 이로 인해, 이온추출전극(12)간의 아크 발생을 미연에 방지할 수 있어 이온빔을 원활히 추출할 수 있다.
한편, 보다 근원적인 해결을 위해 이온추출전극(12)간의 공간에 절연체(13')를 삽입하는 것을 살펴보면, 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 이온추출전극(12)사이에 이온추출전극(12)에 폴리머가 부착되는 것을 방지할 수 있도록 절연체(13')를 삽입한다. 이 절연체(13')에 의해 이온이 이온추출전극(12)들 사이로 침투하는 것을 방지하여 이온추출전극(12)에 폴리머가 부착되는 것을 방해한다. 절연체(13')에 폴리머가 부착된 경우, 이온추출전극(12)간의 통전위험이 있으므로, 직접적으로 상하부의 전극과 접촉되지 않도록 이온추출전극(12)사이의 공간상에 이온추출전극(12)과 이격되게 설치된다. 절연체(13')의 재료로는 알루미나, 석영, 폴리 에테르 에테르 케톤(Poly Ether Ether Ketone ; PEEK) 등이 사용된다.
이에 따라, 이온추출전극(12)에 부착되는 폴리머의 양이 적어지기 때문에 폴 리머에 쌓이는 전하량도 함께 줄어들어 이온추출전극(12)의 절연 파괴를 보다 근본적으로 방지할 수 있다. 이로 인해, 이온추출전극(12)간의 아크 발생을 미연에 방지할 수 있어 이온빔을 원활히 추출할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 이온추출전극에 고절연성의 코딩막을 코딩함으로써 플라즈마로부터 이온빔을 추출하는 일련의 과정에서 생성되어 이온추출전극에 부착된 폴리머에 이온에 의한 전하가 일정량 이상 쌓이더라도 코딩막에 의해 이온추출전극의 절연이 파괴되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 이온추출전극간의 아크 발생을 미연에 방지할 수 있어 이온빔의 추출을 원활히 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 이온추출전극사이의 공간에 이온추출전극들과 접촉되지 않도록 절연체를 삽입함으로써 플라즈마로부터 이온빔을 추출하는 일련의 과정에서 생성되는 폴리머가 이온추출전극에 부착되는 것을 방해하여 부착되는 폴리머의 양을 줄일 수 있어 이온추출전극의 절연이 파괴되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 이온추출전극간의 아크 발생을 미연에 방지할 수 있어 이온빔의 추출을 원활히 할 수 있다.

Claims (5)

  1. 고주파 전력에 의해 주입된 반응가스가 이온화하여 플라즈마가 생성되는 반응챔버와, 직류 전압에 의해 상기 플라즈마로부터 이온빔을 추출하는 다공성의 이온추출전극과, 상기 추출된 이온빔에 의해 식각되는 식각 대상체를 고정 지지하는 척을 포함하는 이온빔을 이용한 식각장치에 있어서,
    상기 이온빔을 추출하는 과정에서 생성된 폴리머에 쌓이는 전하에 의해 상기 이온추출전극의 절연이 파괴되는 것을 방지하도록 마련된 절연부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온빔을 이용한 식각장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절연부재는 상기 이온추출전극 표면에 형성된 고절연성의 코딩막인 것을 특징으로 하는 이온빔을 이용한 식각장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 코딩막의 재료는 상기 코딩막의 재료는 다이아몬드형 탄소(Diamond Like Carbon ; DLC), 석영(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화이트륨(Y2O3), 질화붕소(Boron Nitride ; BN) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 이온빔을 이용한 식각장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이온추출전극은 일정 간격으로 이격되고 전기적으로 절연된 복수의 전극으로 이루어지며, 상기 절연부재는 각 전극 상에 상기 폴리머가 부착되는 것을 방해하도록 각 전극사이의 공간에 삽입되는 것을 특징으로 하는 이온빔을 이용한 식각장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 절연부재의 재료는 알루미나, 석영, 폴리 에테르 에테르 케톤 중 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 이온빔을 이용한 식각장치.
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