KR100905464B1 - 활성화된 플라즈마 처리장치 - Google Patents

활성화된 플라즈마 처리장치

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Abstract

챔버와 관련되어 설치되는 RF 안테나; 상기 챔버 위에 설치되고 공급되는 플라즈마 발생가스를 가두어 열적 활성화시켜 상기 챔버에 공급하는 플라즈마 발생가스 활성화 유닛; 상기 챔버 내 상부에 형성되며 상기 활성화된 플라즈마 발생가스를 제공받는 플라즈마 발생부; 상기 플라즈마 발생부의 하부에 설치되며, 다수의 제 1 플라즈마 안내공이 형성된 제 1 샤워헤드; 및 상기 제 1 샤워헤드 하부에 이격 설치되며, 소스/퍼지가스 안내공 및 상기 제 1 플라즈마 안내공에 대응하여 연결되는 제 2 플라즈마 안내공이 형성된 제 2 샤워헤드를 포함하며, 상기 제 1 샤워헤드와 제 2 샤워헤드 사이에는 다수의 소스/퍼지가스 도입관이 연통된 소스/퍼지가스 도입부가 형성되는 활성화된 플라즈마 처리장치가 개시된다.

Description

활성화된 플라즈마 처리장치{Activated plasma processing apparatus}
본 발명은 플라즈마 처리장치에 관한 것으로, 특히 플라즈마를 열적으로 활성화시켜 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있는 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
참고로 본 발명은 테라급나노소자개발사업단에서 지원한 연구개발과제(고유번호: M103KC010007 07K030100710, 과제명: 단원자층 증착기술 개발)의 결과물이다.
반도체소자의 미세화에 대응해서, 드라이 에칭에 있어서는 고 어스펙트비의 가공 등을 실현하기 위하여, 또한 플라즈마 CVD 및 ALD에 있어서는 고 어스펙트비의 매립 등을 실현하기 위하여 더욱 고진공으로 플라즈마 처리를 행하는 일이 요구되고 있다.
도 1은 본 발명의 출원인에 의해 출원된 특허출원 제2006-15759호에 기재된 플라즈마 처리장치를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 챔버와 관련되어 설치되는 RF 안테나(107), 상기 챔버 내 상부에 형성되며 다수의 플라즈마 발생가스 도입관(102)이 균일하게 연통된 플라즈마 발생부(110), 상기 플라즈마 발생부(110) 하부에 설치되는 DC 바이어스 발생유닛(120), 상기 DC 바이어스 발생유닛(120)의 하부에 설치되며, 다수의 제 1 플라즈마 안내공(132)이 형성된 제 1 샤워헤드(130), 상기 제 1 샤워헤드(130) 하부에 설치되며 소스/퍼지가스 안내공(152) 및 상기 제 1 플라즈마 안내공(132)과 각각 직접 연결되는 다수의 제 2 플라즈마 안내공(154)이 형성된 제 2 샤워헤드(150)를 포함하며, 상기 제 1 샤워헤드(130)와 제 2 샤워헤드(150) 사이에는 소스/퍼지가스 도입부(140)가 형성되고, 상기 소스/퍼지가스 도입부(140)에는 다수의 소스/퍼지가스 도입관(104)이 연통되는 플라즈마 처리장치가 개시되어 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 플라즈마 발생가스를 기판에 균일하게 공급함으로써 형성되는 박막의 균일도를 향상시킬 수 있고, 플라즈마 발생시 생성되는 양이온을 적절하게 제어하여 박막을 품질을 향상시킬 수 있다는 효과를 갖는다.
그러나, 상기한 구조에 따르면, 플라즈마 발생부에서 발생하는 플라즈마가 특별히 활성화되지 않기 때문에 플라즈마 밀도가 증가하지 않으며, 이는 결국 생산수율과 연관되어 생산수율이 저하한다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 발생하는 플라즈마를 활성화시켜 플라즈마 밀도를 증가시킨 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적과 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 이하에 서술되는 실시예를 통하여 명확하게 이해될 것이다.
상기한 목적은, 챔버와 관련되어 설치되는 RF 안테나; 상기 챔버 위에 설치되고 공급되는 플라즈마 발생가스를 가두어 열적 활성화시켜 상기 챔버에 공급하는 플라즈마 발생가스 활성화 유닛; 상기 챔버 내 상부에 형성되며 상기 활성화된 플라즈마 발생가스를 제공받는 플라즈마 발생부; 상기 플라즈마 발생부의 하부에 설치되며, 다수의 제 1 플라즈마 안내공이 형성된 제 1 샤워헤드; 및 상기 제 1 샤워헤드 하부에 이격 설치되며, 소스/퍼지가스 안내공 및 상기 제 1 플라즈마 안내공에 대응하여 연결되는 제 2 플라즈마 안내공이 형성된 제 2 샤워헤드를 포함하며, 상기 제 1 샤워헤드와 제 2 샤워헤드 사이에는 다수의 소스/퍼지가스 도입관이 연통된 소스/퍼지가스 도입부가 형성되는 활성화된 플라즈마 처리장치에 의해 달성된다.
상기 플라즈마 발생가스 활성화 유닛은, 일측에 상기 플라즈마 발생가스가 공급되는 다수의 플라즈마 발생가스 공급관이 연통되고 타측에 상기 챔버와 연통되는 다수의 플라즈마 발생가스 도입관이 연통되며, 내부에 금속 필라멘트가 설치된 매니폴더; 및 상기 플라즈마 발생가스 도입관의 개폐를 제어하는 셔터를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 금속 필라멘트는 일함수가 낮은 금속으로 구성된다.
바람직하게, 상기 다수의 플라즈마 발생가스 공급관을 예열하기 위해 상기 공급관을 감싸는 히터유닛을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 바람직하게, 상기 플라즈마 발생부 하부에 설치되는 DC 바이어스 발생유닛를 추가로 포함할 수 있다.
상기 DC 바이어스 발생유닛은 그리드(grid) 형상을 가지며, 금속재질로 그 표면이 아노다이징(anodizing) 처리될 수 있다.
또한, 상기한 목적은, 챔버 외측 상부에 설치되는 RF 안테나; 상기 RF 안테나 위에 설치되는 하나의 절연부재; 상기 절연부재 위에 설치되고 플라즈마 발생가스를 가두어 열적 활성화시켜 상기 챔버에 공급하는 플라즈마 발생가스 활성화 유닛; 상기 챔버 내측 상부에 형성되며 다른 절연부재에 의해 상기 RF 안테나로부터 절연되고 상기 열적 활성화된 플라즈마 발생가스를 제공받아 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부; 상기 플라즈마 발생부의 하부에 설치되며, 다수의 제 1 플라즈마 안내공이 형성된 제 1 샤워헤드; 및 상기 제 1 샤워헤드 하부에 이격 설치되며, 소스/퍼지가스 안내공 및 상기 제 1 플라즈마 안내공에 대응하여 연결되는 제 2 플라즈마 안내공이 형성된 제 2 샤워헤드를 포함하며, 상기 제 1 샤워헤드와 제 2 샤워헤드 사이에는 다수의 소스/퍼지가스 도입관이 연통된 소스/퍼지가스 도입부가 형성되는 활성화된 플라즈마 처리장치에 의해 달성된다.
바람직하게, 상기 플라즈마 발생가스 활성화 유닛은, 상기 플라즈마 발생가스를 공급하는 다수의 플라즈마 발생가스 공급관이 상부에 설치되고, 다수의 플라즈마 발생가스 도입관이 하부에 설치되어 상기 하나의 절연부재, 상기 RF 안테나 및 상기 다른 절연부재를 통과하여 상기 플라즈마 발생부에 상기 활성화된 플라즈마를 도입하며, 그 내부에 다수의 금속 필라멘트가 설치된 매니폴더; 및 상기 플라즈마 발생가스 도입관의 입구의 개폐를 제어하는 셔터를 포함한다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 구조에 대한 설명이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 보여주는 단면도이다. 설명의 편의를 위하여 종래와 동일한 구성에 대해서는 동일한 번호를 부여하는 것에 유의해야 한다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는 최상부로부터 플라즈마 발생가스를 공급하는 다수의 플라즈마 발생가스 공급관(202)이 연통하고, 공급된 플라즈마 발생가스를 체류시키는 매니폴드(220), 매니폴드(220)에 플라즈마 발생가스가 체류하도록 밀폐시키는 셔터(210), RF 안테나(107), 매니폴드(220)로부터의 플라즈마 발생가스를 도입하는 다수의 플라즈마 발생가스 도입관(102)이 연통된 플라즈마 발생부(110), DC 바이어스 발생유닛(120), 제 1 샤워헤드(shower head; 130), 소스/퍼지가스 도입부(140), 제 2 샤워헤드(150)로 이루어진다.
매니폴드(220)는 챔버와 같이 원통형으로 형성될 수 있으며, 상기한 바와 같이, 상부에 다수의 플라즈마 발생가스 공급관(202)이 연통하고 하부에 다수의 플라즈마 발생가스 도입관(102)이 연통하여 자연스러운 다운 스트림(down stream)이 형성된다.
선택적으로, 매니폴드(220)로 공급되는 플라즈마 발생가스의 예비 가열을 위한 히터유닛(140)이 플라즈마 발생가스 공급관(202)을 감싸도록 설치될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 매니폴드(220) 내에서 플라즈마 발생가스를 가열하기 이전에 미리 예열함으로써 가열을 용이하게 할 수 있다.
매니폴드(220) 내부에서 상부 측벽에는 다수의 금속 필라멘트(230)가 설치되어 전원이 인가됨에 따라 가열되어 매니폴드(220) 내부에 포집된 플라즈마 발생가스를 가열한다. 바람직하게, 금속 필라멘트(230)의 금속은 일함수가 낮은 텅스텐(W)을 적용할 수 있으며, 일함수가 낮을수록 전자 방출량이 증가한다.
이러한 구성에 의하면, 플라즈마 발생가스가 매니폴드(220)에 체류하는 동안 금속 필라멘트(230)의 가열에 의해 열이온 방출이 일어나 전자가 방출되며, 이에 따라 플라즈마 발생가스 입자와 충돌하여 플라즈마 발생가스를 활성화시킨다. 이에 따라, 후술하는 바와 같이, 플라즈마 발생부(110)에서 동일한 크기의 RF 전력에 의해 더 많은 플라즈마를 발생시킬 수 있기 때문에 실질적으로 플라즈마 밀도가 증가하는 효과를 갖는다.
본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이, 열이온 방출이 일어나도록 매니폴드(220)에 플라즈마 발생가스가 공급된 후, 일정 시간 동안 매니폴드(220)는 밀폐 상태를 이루며, 이를 위해 셔터유닛(210)이 적용된다. 구체적으로, 셔터유닛(210)은 매니폴드(220)와 플라즈마 발생부(110)를 연결하는 플라즈마 발생가스 도입관(102)의 입구를 개폐함으로써, 활성화된 플라즈마 발생가스가 플라즈마 발생부(110)로 도입되는 것을 제어한다.
셔터유닛(210)의 하부에는 석영 등의 재질의 절연부재(118)가 설치되어 RF 안테나(107)와 절연을 유지한다.
한편, RF 안테나(107)는 챔버의 석영 절연부재(108)의 상부에 위치하여 RF 전원을 플라즈마 발생부(110)에 인가시킨다. 본 발명의 RF 안테나(107)는 균일한 플라즈마 발생이 가능하도록 구성될 수 있으며, 이를 위해 상기한 특허출원 제2006-15759호에 기재된 안테나 구조를 적용할 수 있다.
또한, 플라즈마 발생부(110)의 상부에는 석영 등의 절연부재(108)가 설치되어 RF 안테나(107)와 절연을 유지한다.
도 2를 참조하면, 다수의 플라즈마 발생가스 도입관(102)이 상부로부터 플라즈마 발생부(110)에 균일하게 연통되는데, 측부로부터 플라즈마 발생부(110)에 연통될 수 있다. 다수의 플라즈마 발생가스 도입관(102)을 통하여 도입된 활성화된 플라즈마 발생가스는 RF 전력에 의해 여기되면서 플라즈마를 발생한다.
DC 바이어스 발생유닛(120)은 플라즈마 발생부(110) 하부에 설치된다. 바람직하게, DC 바이어스 발생유닛(120)은 플라즈마가 통과할 수 있도록 그리드(grid) 형상을 가지며 금속재질로 그 표면이 아노다이징(anodizing) 처리될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 플라즈마 생성시 발생하는 이온, 특히 양이온이 트랩되어 기판이나 박막에 손상을 가하는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 표면을 아노다이징 처리함으로써 플라즈마 발생시 금속 불순물에 의한 오염을 방지할 수 있게 된다.
DC 바이어스 발생유닛(120)의 하부에는 다수의 제 1 플라즈마 안내공(132)이 형성된 제 1 샤워헤드(130)가 설치된다. 제 1 샤워헤드(130)와 제 2 샤워헤드(150) 사이에는 소스/퍼지가스 도입부(140)가 형성되고, 소스/퍼지가스 도입부(140)에는 측부로부터 다수의 소스/퍼지가스 도입관(104)이 연통된다. 소스/퍼지가스 안내공(152)에는 소스/퍼지가스 안내관이 끼워질 수 있으며, 상기한 바와 같이 플라즈마 안내관이 제 1 샤워헤드(130)로부터 소스/퍼지가스 도입부(140)를 통하여 제 2 샤워헤드(150)까지 연장된다.
이러한 구성에 의하면, 플라즈마 발생가스가 매니폴드에 체류하는 동안 금속 필라멘트의 가열에 의해 열이온 방출이 일어나 전자가 방출되며, 이에 따라 플라즈마 발생가스 입자와 충돌하여 플라즈마 발생가스를 활성화시킨다. 이에 따라, 플라즈마 발생부에서 동일한 크기의 RF 전력에 의해 더 많은 플라즈마를 발생시킬 수 있기 때문에 실질적으로 플라즈마 밀도가 증가하는 효과를 갖는다.
또한, DC 바이어스 발생유닛에 의해 플라즈마 생성시 발생하는 양이온을 확실하게 트랩함으로써 기판이나 박막의 손상을 방지하여 박막의 품질을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경과 변형을 가할 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 되며, 이하에 기재된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 플라즈마 발생을 위해 미리 플라즈마 발생가스를 활성화시킴으로써 실질적으로 플라즈마 밀도가 증가하는 효과를 갖는다.
또한, 플라즈마 발생시 생성되는 양이온을 적절하게 제어하여 박막을 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 특허출원 제2006-15759호에 기재된 플라즈마 처리장치를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 보여주는 단면도이다.

Claims (8)

  1. 챔버와 관련되어 설치되는 RF 안테나;
    상기 챔버 위에 설치되고 공급되는 플라즈마 발생가스를 가두어 가열에 의해 열적 활성화시켜 상기 챔버에 공급하는 플라즈마 발생가스 활성화 유닛;
    상기 챔버 내 상부에 형성되며 상기 활성화된 플라즈마 발생가스를 제공받는 플라즈마 발생부;
    상기 플라즈마 발생부의 하부에 설치되며, 다수의 제 1 플라즈마 안내공이 형성된 제 1 샤워헤드; 및
    상기 제 1 샤워헤드 하부에 이격 설치되며, 소스/퍼지가스 안내공 및 상기 제 1 플라즈마 안내공에 대응하여 연결되는 제 2 플라즈마 안내공이 형성된 제 2 샤워헤드를 포함하며,
    상기 제 1 샤워헤드와 제 2 샤워헤드 사이에는 다수의 소스/퍼지가스 도입관이 연통된 소스/퍼지가스 도입부가 형성되는 것을 특징으로 하는 활성화된 플라즈마 처리장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 발생가스 활성화 유닛은,
    일측에 상기 플라즈마 발생가스가 공급되는 다수의 플라즈마 발생가스 공급관이 연통되고 타측에 상기 챔버와 연통되는 다수의 플라즈마 발생가스 도입관이 연통되며, 내부에 금속 필라멘트가 설치된 매니폴더; 및
    상기 플라즈마 발생가스 도입관의 개폐를 제어하는 셔터를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성화된 플라즈마 처리장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속 필라멘트는 일함수가 낮은 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 활성화된 플라즈마 처리장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 다수의 플라즈마 발생가스 공급관을 예열하기 위해 상기 공급관을 감싸는 히터유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 활성화된 플라즈마 처리장치.
  5. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 플라즈마 발생부 하부에 설치되는 DC 바이어스 발생유닛를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 활성화된 플라즈마 처리장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 DC 바이어스 발생유닛은 그리드(grid) 형상을 가지며, 금속재질로 그 표면이 아노다이징(anodizing) 처리된 것을 특징으로 하는 활성화된 플라즈마 처리장치.
  7. 챔버 외측 상부에 설치되는 RF 안테나;
    상기 RF 안테나 위에 설치되는 하나의 절연부재;
    상기 절연부재 위에 설치되고 플라즈마 발생가스를 가두어 가열에 의해 열적 활성화시켜 상기 챔버에 공급하는 플라즈마 발생가스 활성화 유닛;
    상기 챔버 내측 상부에 형성되며 다른 절연부재에 의해 상기 RF 안테나로부터 절연되고 상기 열적 활성화된 플라즈마 발생가스를 제공받아 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부;
    상기 플라즈마 발생부의 하부에 설치되며, 다수의 제 1 플라즈마 안내공이 형성된 제 1 샤워헤드; 및
    상기 제 1 샤워헤드 하부에 이격 설치되며, 소스/퍼지가스 안내공 및 상기 제 1 플라즈마 안내공에 대응하여 연결되는 제 2 플라즈마 안내공이 형성된 제 2 샤워헤드를 포함하며,
    상기 제 1 샤워헤드와 제 2 샤워헤드 사이에는 다수의 소스/퍼지가스 도입관이 연통된 소스/퍼지가스 도입부가 형성되는 것을 특징으로 하는 활성화된 플라즈마 처리장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 플라즈마 발생가스 활성화 유닛은,
    상기 플라즈마 발생가스를 공급하는 다수의 플라즈마 발생가스 공급관이 상부에 설치되고, 다수의 플라즈마 발생가스 도입관이 하부에 설치되어 상기 하나의 절연부재, 상기 RF 안테나 및 상기 다른 절연부재를 통과하여 상기 플라즈마 발생부에 상기 활성화된 플라즈마를 도입하며, 그 내부에 다수의 금속 필라멘트가 설치된 매니폴더; 및
    상기 플라즈마 발생가스 도입관의 입구의 개폐를 제어하는 셔터를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성화된 플라즈마 처리장치.
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