KR100784793B1 - 플라즈마 처리 장치 및 이를 이용한 기판의 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 처리 장치 및 이를 이용한 기판의 처리 방법을 개시한 것으로서, 공정 챔버 내에 설치된 방전 전극들 중 어느 일 측의 전극을 통해 전극들 사이의 플라즈마 처리 공간에 처리 가스를 공급/배기하는 것을 특징으로 가진다.
이러한 특징에 의하면, 방전 전극들 사이의 플라즈마 처리 공간에 처리 가스를 균일하게 공급하여, 플라즈마 처리 공정의 균일도를 향상시킬 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 이를 이용한 기판의 처리 방법을 제공할 수 있다.
상압 플라즈마, 유전체 장벽 방전, 전극, 처리 가스

Description

플라즈마 처리 장치 및 이를 이용한 기판의 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND METHOD FOR TREATING SUBSTRATES USING THE SAME}
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 일 예를 도시해 보인 개략적 구성도,
도 2a 및 도 2b는 각각 도 1에 도시된 하부 전극의 실시 예들을 도시해 보인 개략적 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략적 동작 상태도,
도 4a 및 도 4b는 각각 하부 전극의 실시 예들에 따른 처리 가스의 흐름 상태를 보여주는 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 공정 챔버 210 : 상부 전극
220,220' : 하부 전극 212,222 : 유전체 막
220a,220'a : 제 1 전극부 220b,220'b : 제 2 전극부
224,224' : 가스 공급 홀 226,226' : 배기 홀
300 : 전원 공급부
본 발명은 반도체 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상압의 분위기에서 플라즈마를 생성시켜 기판을 처리하는 플라즈마 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 플라즈마(Plasma)는 이온이나 전자, 라디칼(Radical) 등으로 이루어진 이온화된 가스 상태를 말하며, 플라즈마는 매우 높은 온도나, 강한 전계 혹은 고주파 전자계(RF Electromagnetic Fields)에 의해 생성된다.
특히, 글로우 방전(Glow Discharge)에 의한 플라즈마 생성은 직류나 고주파 전자계에 의해 여기된 자유 전자에 의해 이루어지는데, 여기된 자유 전자는 가스 분자와 충돌하여 이온, 라디칼, 전자 등과 같은 활성종(Active Species)을 생성한다. 그리고, 이와 같은 활성종은 물리 혹은 화학적으로 물질의 표면에 작용하여 표면의 특성을 변화시킨다. 이와 같이 활성종에 의해 물질의 표면 특성을 변화시키는 것을 플라즈마 표면 처리라고 한다.
플라즈마 처리 장치는 반응 물질을 플라즈마 상태로 만들어 반도체 기판상에 증착하거나, 플라즈마 상태의 반응 물질을 이용하여 기판을 세정, 애싱(Ashing) 또는 식각 처리하는 장치를 말한다.
이러한 플라즈마 처리 장치는, 플라즈마 상태가 이루어지는 챔버 내의 기압이 어떠한 압력 상태에 있는가에 따라, 저압 플라즈마 처리 장치와 상압 플라즈마 처리 장치 등으로 분류될 수 있다.
저압 플라즈마 처리 장치는, 진공에 가까운 저압 하에서 글로우 방전 플라즈 마를 발생시켜, 기판상에 박막을 형성하거나, 기판상에 형성된 소정 물질을 식각 혹은 애싱하는 처리 장치이다. 그러나, 이러한 저압 플라즈마 처리 장치는 진공 챔버, 진공 배기 장치 등의 고가 장비가 요구되며, 또한 장치 내의 구성이 복잡하기 때문에 장비 유지 관리 및 진공 펌핑 시간이 길어지는 문제점이 있었다.
이로 인해, 진공 조건의 장비가 요구되지 않는 대기압 하에서 방전 플라즈마를 발생시켜 기판을 처리하는 상압 플라즈마 처리 장치가 제안되어 왔다. 상압 플라즈마 처리 장치, 예컨대 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge, DBD) 구조의 상압 플라즈마 처리 장치는, 플라즈마 처리를 하는 챔버 내의 전극을 절연 특성이 좋은 유전체 물질로 절연한 후 고주파 전원을 인가하면, 대기압 상태에서도 전극들 사이에 사일런트(Silent) 방전이 일어나고, 캐리어 가스(Carrier Gas)로 준안정 상태인 불활성 기체, 예를 들어, 헬륨(He), 아르곤(Ar)을 이용하면 대기압 하에서도 균일하고 안정된 상태의 플라즈마를 얻을 수 있다.
상압 플라즈마 유전체 장벽 방전(DBD) 구조의 방전 전극에서 상부 전극과 하부 전극의 간격은 수백 마이크로미터 수준의 미세한 간격으로 관리가 된다. 그런데, 일반적인 플라즈마 처리 장치의 경우, 플라즈마 처리 가스가 상부 전극과 하부 전극 사이의 미세 간격 측면부를 통해 공급되기 때문에, 처리 가스의 공급 압력이 전극들 사이의 공간에 고르게 전달되지 못하게 된다.
이로 인하여, 전극들 사이에 불균형한 가스의 공급이 이루어져, 플라즈마를 이용한 기판의 에칭 또는 애싱 공정 등에서 기판의 플라즈마 처리 후 에칭 또는 애싱의 균일도가 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 통상적인 플라즈마 처리 장치가 가진 문제점을 감안하여 이를 해소하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 방전 전극들 사이의 플라즈마 처리 공간에 균일하게 처리 가스를 공급하여, 플라즈마 처리 공정의 균일도를 향상시킬 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 이를 이용한 기판의 처리 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 플라즈마 처리 장치는, 플라즈마 처리 공정이 진행되는 공정 챔버와; 상기 공정 챔버의 내측에 플라즈마 처리 공간이 형성되도록 대향 설치되는 상부 전극 및 하부 전극;을 포함하되, 상기 상부 및 하부 전극 중 어느 일 측의 전극을 통해 상기 플라즈마 처리 공간에 처리 가스를 공급/배기하도록 상기 어느 일 측의 전극에 다수의 가스 공급 홀들과 배기 홀들이 관통 형성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 가스 공급 홀들과 상기 배기 홀들 각각은 짝을 이루며 상기 전극 면상에 좌우 대칭 구조를 이루도록 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 가스 공급 홀들과 상기 배기 홀들은 상기 플라즈마 처리 공간에 반입된 기판 둘레의 외측 공간에 대응하도록 상기 어느 일 측 전극의 가장자리부에 형성되는 것이 바람직하다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 기판 처리 방법은, 플라즈마 를 이용하여 기판을 처리하는 방법에 있어서, 상부 전극과 하부 전극 사이의 플라즈마 처리 공간에 기판을 로딩하고, 상기 상부 및 하부 전극 중 어느 일 측의 전극에 형성된 가스 공급 홀들과 배기 홀들을 통해 상기 플라즈마 처리 공간에 처리 가스를 공급/배기하여 상기 기판을 처리하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 기판 처리 방법에 있어서, 상기 가스 공급 홀들과 상기 배기 홀들 각각은 짝을 이루며 상기 전극 면상에 좌우 대칭 구조를 이루도록 형성되고, 상기 가스 공급 홀들을 통해 공급된 처리 가스가 상기 가스 공급 홀들과 짝을 이루는 각각의 상기 배기 홀들을 통해 배기되는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치 및 이를 이용한 기판의 처리 방법을 상세히 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
아래의 실시 예에서는 플라즈마 처리 장치로 사진 공정 후 기판상에 남아있는 불필요한 감광막 층을 제거하는 플라즈마 애싱 장치를 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않으며, 플라즈마를 이용하여 기판상에 막질을 증착하거나 기판을 세정 또는 식각 처리하는 다른 종류의 장치에도 적용 될 수 있다.
( 실시예 )
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 일 예를 도시해 보인 개략적 구성도이고, 도 2a 및 도 2b는 각각 도 1에 도시된 하부 전극의 실시 예들을 도시해 보인 개략적 평면도이다.
도 1 내지 도 2b를 참조하면, 본 실시 예에 따른 플라즈마 처리 장치(10)는 그 내부에 플라즈마 처리 공정이 진행되는 공간이 마련되며, 하부가 개방된 구조의 공정 챔버(100)를 포함한다. 공정 챔버(100)는 내측에 개구부가 형성된 하부벽(110)을 가진다. 하부벽(110)의 가장자리에는 상측으로 연장 형성된 측벽(120)이 결합되고, 측벽(120)의 상단에는 공정 챔버(100) 내의 상부 공간를 밀폐하도록 상부벽(130)이 결합된다.
공정 챔버(100)의 내측에는 한 쌍의 평행 평판형 전극(200)이 구비된다. 전극(200)은 공정 챔버(100)의 상단에 설치되는 상부 전극(210)과, 상부 전극(210)에 대향하도록 공정 챔버(100)의 하부벽(110) 상면에 설치되는 하부 전극(220)을 포함한다. 하부 전극(220)은 공정 챔버(100)의 하부벽(110) 상면에 놓여져 챔버(100) 내의 하부 공간을 밀폐한다. 상부 전극(210) 및 하부 전극(220)은 스테인레스, 알루미늄 및 구리 등의 도체 금속으로 마련될 수 있다.
상부 전극(210)의 하면과 하부 전극(220)의 상면에는 절연 특성이 좋은 유전체 막(212,222)이 각각 구비된다. 유전체 막(212,222)은 플라즈마의 생성시 발생되는 아크(Arc)로 인하여 상부 전극(210) 및 하부 전극(220)이 손상되는 것을 방지한 다. 유전체 막(212,222)의 재질로는 석영 또는 세라믹 등이 사용될 수 있다.
그리고, 상부 전극(210) 및 하부 전극(220)에는 전원을 인가하는 전원 공급부(300)가 연결된다. 상부 전극(210)은 고주파(Radio Frequency, RF) 전원에 연결되고, 하부 전극(220)은 접지되어 있다. 전원 공급부(300)는 상부 전극(210)에 고주파 전원을 인가하여 상부 전극(210)으로부터 플라즈마 발생을 위한 전자가 방출되도록 한다. 플라즈마 발생을 위한 고주파(RF) 전원의 주파수 대역은 50 Hz ~ 2,45 GHz를 사용하는 것이 바람직하다.
상부 전극(210)과 하부 전극(220) 사이의 플라즈마 처리 공간(S)에는 처리 공정이 진행될 기판(W)이 반입된다. 반입된 기판(W)은 하부 전극(220)의 상면에 배치된 지지 핀(400)들에 의해 지지된다. 지지 핀(400)들은 하부 전극(220)으로부터 상측으로 돌출되도록 구비되며, 하부 전극(220)의 상면 가장자리부에 일정 배열로 배치된다.
공정 챔버(100) 내에 설치된 상부 전극(210)과 하부 전극(220) 사이의 간격은 수백 마이크로미터 수준의 미세한 간격으로 관리된다. 이 때문에, 상부 전극(210)과 하부 전극(220)의 사이로 플라즈마 처리 가스를 공급함에 있어서, 가스의 공급 압력이 전극들(200) 사이의 공간에 균일하게 전달되도록 플라즈마 처리 가스가 공급되어야 한다.
이를 위해, 본 발명은 상부 전극(210)과 하부 전극(220) 중 어느 일 측의 전극을 통해 플라즈마 처리 공간(S)에 처리 가스를 공급하고 배기시키는 구성을 가진다. 본 실시 예에서는 하부 전극(220)을 이용하여 처리 가스를 공급/배기하는 경우 를 예로 들어 설명하지만, 이와는 달리 상부 전극(210)을 이용하여 처리 가스를 공급/배기할 수도 있다.
하부 전극(220)은 플라즈마 처리 공간(S)에 로딩된 기판(W)에 대응하도록 원형의 판 부재로 마련될 수 있으며(도 2a의 실시 예), 또한 기판(W)의 전면(全面)을 커버할 수 있는 크기의 면적을 가지는 사각형의 판 부재로 마련될 수도 있다.(도 2b의 실시 예)
먼저, 도 2a를 참조하여 원형의 하부 전극에 대해 설명하면 다음과 같다. 원형의 하부 전극(220)은, 도 2a에 도시된 바와 같이, 대칭을 이루도록 그 전극 면을 양분하는 가상의 중심선(A-A')에 의해 제 1 전극부(220a)와 제 2 전극부(220b)로 나누어진다. 제 1 전극부(220a)에는 플라즈마 처리 공간(S)으로 처리 가스를 공급하는 가스 공급 홀(224)들이 관통 형성되고, 제 2 전극부(220b)에는 플라즈마 처리 공간(S)에 공급된 처리 가스를 배기시키는 배기 홀(226)들이 관통 형성된다.
가스 공급 홀(224)들과 배기 홀(226)들은 각각 짝을 이루며 전극 면상에서 좌우 대칭 구조를 이루도록 배열된다. 그리고, 짝을 이루며 대칭 구조로 배열된 가스 공급 홀(224)들과 배기 홀(226)들은 플라즈마 처리 공간(S)에 반입된 기판(W) 둘레의 외측 공간에 대응하도록 하부 전극(220)의 가장자리부에 배열된다. 이러한 구성에 의해, 가스 공급 홀(224)들을 통해 플라즈마 처리 공간(S)에 공급된 처리 가스는 짝을 이루는 각각의 배기 홀(226)들을 통해 배기되며, 기판(W)의 전면(全面)을 플라즈마 처리할 수 있게 된다.
다음으로, 도 2b를 참조하여 사각형의 하부 전극에 대해 설명하면 다음과 같 다. 사각형의 하부 전극(220')은, 도 2b에 도시된 바와 같이, 대칭을 이루도록 그 전극 면을 좌우로 양분하는 가상의 중심선(A-A')에 의해 제 1 전극부(220'a)와 제 2 전극부(220'b)로 나누어진다. 그리고, 하부 전극(220')은 기판(W)의 전면(全面)에 대한 처리가 가능하도록 그 폭이 기판의 지름보다 충분히 크게 마련된다. 제 1 전극부(220'a)에는 플라즈마 처리 공간(S)으로 처리 가스를 공급하는 가스 공급 홀(224')들이 관통 형성되고, 제 2 전극부(220'b)에는 플라즈마 처리 공간(S)에 공급된 처리 가스를 배기시키는 배기 홀(226')들이 관통 형성된다.
가스 공급 홀(224')들과 배기 홀(226')들은 각각 짝을 이루며 전극 면상에서 좌우 대칭 구조를 이루도록 배열된다. 그리고, 짝을 이루며 대칭 구조로 배열된 가스 공급 홀(224')들과 배기 홀(226')들은 플라즈마 처리 공간(S)에 반입된 기판(W)의 전면(全面)에 대한 처리가 가능하도록 하부 전극(220) 양측의 가장자리부에 배열된다.
이상에 설명한 바와 같은 구성을 가지는 하부 전극(220,220')의 가스 공급 홀(224,224')들에는 처리 가스의 공급 경로를 제공하는 가스 공급 라인(510)이 연결된다. 가스 공급 홀(224,224')들에 연결된 가스 공급 라인(510)의 타 측에는 가스 공급원(512)이 연결된다. 가스 공급 홀(224,224')들과 가스 공급원(512) 사이의 가스 공급 라인(510) 상에는 가스 공급원(512)으로부터 공급된 처리 가스를 필터링하는 필터(514)와 처리 가스의 공급 유량을 조절하는 밸브(516)가 각각 배치된다.
그리고, 하부 전극(220,220')에 형성된 배기 홀(226,226')들에는 배기 라인(520)이 연결되고, 배기 라인(520) 상에는 공정 챔버(100) 내의 공정 부산물을 흡입 배출하기 위한 펌프 등의 배기 부재(522)가 배치된다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략적 동작 상태도이고, 도 4a 및 도 4b는 각각 하부 전극의 실시 예들에 따른 처리 가스의 흐름 상태를 보여주는 도면이다.
도 3 내지 도 4b를 참조하면, 먼저 기판(W)이 상부 전극(210)과 하부 전극(220)의 사이로 로딩된다. 로딩된 기판(W)은 하부 전극(220)의 상면에 배치된 지지 핀(400)들에 의해 지지된다.
이후, 하부 전극(220)의 제 1 전극부(220a)에 형성된 가스 공급 홀(224)들을 통해 플라즈마 처리 공간(S)에 처리 가스가 공급된다. 가스 공급 홀(224)들을 통해 공급된 처리 가스는 상부 전극(210)과 하부 전극(220)을 따라 흐르면서 하부 전극(220)의 배기 홀(226)들로 그 흐름이 유도된다. 이때, 도 4a에 도시된 바와 같이, 대칭 구조로 서로 짝을 이루는 가스 공급 홀(224)들과 배기 홀(226)들 간에 처리 가스의 흐름이 유도된다. 이와 같이, 처리 가스의 흐름이 유도되면, 처리 가스의 공급 압력이 상부 전극(210)과 하부 전극(220) 사이의 플라즈마 처리 공간(S)에 균일하게 전달되고, 이를 통해 기판의 전면(全面)에 보다 높은 방전 효과를 발생시켜 플라즈마 처리 공정의 균일도를 향상시킬 수 있다.
플라즈마 처리 공간(S)에 처리 가스가 공급된 후 전원 공급부(300)로부터 전극들(200)에 소정 주파수의 고주파 전원이 인가되고, 전극들(200) 사이에는 강한 고주파 전계가 형성된다. 고주파 전계에 의해 처리 가스는 플라즈마 상태로 된다.
생성된 플라즈마를 기판(W)에 작용시켜 기판(W)상에 남아 있는 불필요한 감 광막 층을 제거한다. 감광막 층을 제거하는 애싱 공정이 진행되는 동안 플라즈마 처리 공간(S)에는 공정 부산물이 생성되며, 생성된 공정 부산물은 하부 전극(220)에 형성된 배기 홀(226)들을 통해 공정 챔버(100)의 외부로 배출된다.
이상은 원형의 하부 전극(220)을 이용해 플라즈마 처리 공간(S)에 처리 가스를 공급/배기하여 기판을 플라즈마 처리하는 경우를 설명하였으나, 도 4b에 도시된 바와 같이, 사각형의 하부 전극(220')을 이용하여 플라즈마 처리 공간(S)에 처리 가스를 공급/배기할 수도 있다. 사각형의 하부 전극(220')을 이용한 기판 처리 과정은 원형의 하부 전극(220)을 이용한 기판 처리 과정과 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 방전 전극들 사이의 플라즈마 처리 공간에 처리 가스를 균일하게 공급할 수 있다.
그리고, 본 발명에 의하면, 플라즈마 처리 공정의 균일도를 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 플라즈마 처리 공정이 진행되는 공정 챔버와;
    상기 공정 챔버의 내측에 플라즈마 처리 공간이 형성되도록 대향 설치되는 상부 전극 및 하부 전극;을 포함하되,
    상기 상부 및 하부 전극 중 어느 하나의 전극에는 평면상의 가상의 중심선을 기준으로 일 측에 가스 공급홀이 형성되고, 타 측에 배기 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 플라즈마 처리 공정이 진행되는 공정 챔버와;
    상기 공정 챔버의 내측에 플라즈마 처리 공간이 형성되도록 대향 설치되는 상부 전극 및 하부 전극;을 포함하며,
    상기 상부 및 하부 전극 중 어느 일 측의 전극을 통해 상기 플라즈마 처리 공간에 처리 가스를 공급/배기하도록 상기 어느 일 측의 전극에 다수의 가스 공급 홀들과 배기 홀들이 관통 형성되되,
    상기 가스 공급 홀들과 상기 배기 홀들 각각은 짝을 이루며 상기 전극 면상에 좌우 대칭 구조를 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 공급 홀들과 상기 배기 홀들은 상기 플라즈마 처리 공간에 반입된 기판 둘레의 외측 공간에 대응하도록 상기 어느 일 측 전극의 가장자리부에 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 방법에 있어서,
    상부 전극과 하부 전극 사이의 플라즈마 처리 공간에 기판을 로딩하고, 상기 상부 및 하부 전극 중 어느 일 측의 전극에 형성된 가스 공급 홀들과 배기 홀들을 통해 상기 플라즈마 처리 공간에 처리 가스를 공급/배기하여 상기 기판을 처리하되,
    상기 가스 공급 홀들과 상기 배기 홀들 각각은 짝을 이루며 상기 전극 면상에 좌우 대칭 구조를 이루도록 형성되고, 상기 가스 공급 홀들을 통해 공급된 처리 가스가 상기 가스 공급 홀들과 짝을 이루는 각각의 상기 배기 홀들을 통해 배기되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 공급 홀과 상기 배기 홀은 복수 개가 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가스 공급홀과 상기 배기 홀은 상기 하부 전극에 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스 공급 홀과 상기 배기 홀은 상기 플라즈마 처리 공간에 반입된 기판 둘레의 외 측 공간에 대응하도록 상기 하부 전극의 가장자리부에 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH09223685A (ja) * 1996-02-14 1997-08-26 Sony Corp プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法
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