KR100971510B1 - 플라즈마 식각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 식각장치에서 챔버 내부의 가스들을 균일하고 대칭적으로 배출시키기 위한 배기장치에 관한 것으로서, 바닥에 배기 홀을 가지는 챔버와, 챔버 하부에 설치되는 배기탱크와, 챔버와 배기탱크 사이에 설치되는 진자밸브실린더와, 진자밸브실린더 내부에서 왕복운동하는 진자밸브를 포함하는 배기시스템을 제공한다.

본 발명에 따르면 공정에 따라 진자밸브가 개방되는 폭을 적절하게 조절하여, 챔버 내부의 압력과 유동되는 소스가스들의 유량을 제어할 수 있게 함으로써, 기판의 식각에 있어 활성종들이 챔버 내부에 잔류하는 시간을 적절히 조절할 수 있게 되고, 식각되는 기판의 선택비를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

진자밸브, pendulum valve, 플라즈마 식각장치

Description

플라즈마 식각장치{Plasma etching apparatus}

도 1은 종래 플라즈마 식각장치의 개략적인 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 식각장치의 배기시스템 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 진자밸브의 일 예시도.

도 4는 본 발명에 따른 진자밸브의 다른 예시도.

도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 식각장치의 다른 배기시스템 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10, 100 : 챔버 20, 184 : 배기 라인

30, 130 : 코일부 40, 140 : 가스 분사부

50, 150 : 정전척 60, 160 : 포커스 링

70, 170 : 배플 120 : 배기 홀

180 : 배기 탱크 182 : 배기탱크 홀

184 : 배기라인 200 : 진자밸브

240 : 진자벨브 구동축 280 : 진자밸브실린더

300 : 진자밸브 구동부

본 발명은 배기시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라즈마를 이용하는 식각 장치에 있어서 소스 가스들을 챔버 외부로 적절하게 배출시켜 챔버내 활성종들의 잔류시간을 제어할 수 있는 배기시스템에 관한 것이다.

일반적으로 식각 공정은 포토레지스트(photoresist 또는 PR) 층의 구멍을 통해 기판 최상단층을 선택적으로 제거하는 공정으로서, 식각 방식에 따라 식각액을 이용하는 습식 식각(wet etch)과 가스를 이용하는 건식 식각(dry etch)으로 대별될 수 있다.

건식 식각 방식 중 식각 수단으로서 플라즈마를 이용하는 경우에는 웨이퍼를 수용하는 챔버 내부에 가스를 주입하고, 높은 에너지의 고주파를 인가함으로써 가스분자들을 고 에너지 준위로 여기시켜 플라즈마 상태로 형성시킨 후, 기판의 표면에 여기된 이온입자들을 입사시켜 식각을 수행하게 된다.

플라즈마를 이용하여 기판을 식각함에 있어 플라즈마 소스는 구현되는 웨이퍼가 고 선택비(selectivity)를 가짐과 동시에 표면손상(damage)이 적어야 한다는 상반된 조건을 충족시키기 위한 중요한 요인 중의 하나로 작용하고 있는데, 이러한 플라즈마 소스 측면에서 상호 상반되는 조건을 충족시키기 위해 개발된 것이 정전결합 플라즈마(capacitively coupled plasma 또는 CCP)를 이용하는 방식과, 유도결합 플라즈마(inductively coupled plasma 또는 ICP)를 이용하는 방식이 바로 그것 이다.

도 1은 이 중에서 유도결합 플라즈마를 이용하는 식각장치의 개략적인 구성도를 보여주고 있다.

유도결합 플라즈마를 이용하는 식각 장치는 소정의 용적을 가지며 배기 라인(20)과 연결되는 배기 홀을 포함하는 진공분위기의 챔버(10)와, 상기 챔버(10) 상부에 위치하며 상기 챔버(10)에 소스 가스를 유입시키는 가스 분사부(40) 및 소스 전원이 인가되는 코일부(30)와, 상기 챔버(10)의 하부에 설치되며 기판(W)이 안치되는 포커스 링(60)과, 상기 포커스 링(60) 내부에 위치하며 상기 기판을 고정하며 바이어스 전원이 인가되는 정전척(electrostatic chuck, 50)과, 상기 포커스 링(60) 외부를 감싸며 상기 포커스 링(60) 외부에 설치되며 다수의 관통 홀을 가지는 배플(baffle, 70)을 포함하여 이루어진다.

이러한 구성을 가지는 유도결합 플라즈마 식각 장치의 작동구성을 살펴보면, 먼저 포커스 링(60)에 기판을 안치시키고 미 도시된 전원 공급부에서 정전척(50)에 전원을 인가하면 기판은 정전력에 의해 상기 포커스 링(60)에 장착되어 고정되는데, 이 상태에서 챔버(10) 상부의 가스 분사부(40)에서 상기 챔버(10) 내부로 소스 가스를 분사함과 동시에 상기 정전척(50)에는 미 도시된 바어어스 제어부에 의해 바이어스 전원이, 그리고 코일부(30)에는 미 도시된 소스 제어부에 의해 소스 전원이 인가되면 챔버(10) 내부에 강력한 산화력을 가지는 플라즈마(P)가 형성되어 기판이 식각되게 된다.

챔버(10) 내부에서 플라즈마에 의한 식각 공정이 수행되는 동안에 소스 가스 들은 배플(70)에 의해 유량이 조절되며, 상기 배플(70)의 돌출단에 다수 형성되는 관통 홀을 통해 배기 라인(20)을 거쳐 외부로 배출되게 된다.

도 1은 유도결합 플라즈마를 이용하는 식각장치에 관하여 도시하고 있으나, 상기 코일부(30)를 플라즈마전극으로 대치하여 정전결합 플라즈마 식각장치로 구성할 수도 있으며, 이 경우에도 전체적인 공정은 유도결합플라즈마를 이용하는 경우와 큰 차이가 없다.

한편, 플라즈마에 의한 기판의 식각 공정에 있어 주된 입자들은 이온이나 중성입자들이며, 이 중에서 전자가 중성입자들과 충돌하여 해리된 이온과 같은 활성종(radical)들이 특히 중요한데, 이러한 활성종들이 챔버 내부에서 머무르는 잔류시간(resident time, )은 식각공정에 직접적으로 영향을 미치게 되는 바, 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.

τ= PV/Q

(P : 챔버 압력, V : 챔버 부피, Q : 소스가스 유량)

즉, 활성종들의 잔류시간은 챔버 내부의 압력이 일정하다면, 챔버의 기하학적인 요소와, 챔버 내부에서 외부로 빠져나가는 소스 가스들의 유량에 의존하게 되는데, 종래와 같이 별도의 펌프를 사용하여 일률적으로 내부의 소스 가스들을 배출시키는 배기 시스템으로는 배출되는 유량의 컨덕턴스(Conductance)가 커서 유량을 제어하는데 한계가 있어서, 활성종들의 잔류시간을 제어하기가 곤란하다는 문제점을 안고 있었다.

더욱이 활성종들의 잔류시간이 식각되는 기판의 선택비(selectivity)를 좌우 하는 중요한 요인 중의 하나임에도 이를 적절하게 제어할 수 없어 미세 패턴을 구현함에 있어서도 문제점으로 지적되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 고안된 것으로서, 챔버의 내부압력과, 챔버를 빠져나가는 소스가스의 유량을 적절하게 조절하여, 챔버내 활성종들의 잔류시간을 제어할 수 있는 배기시스템을 제공함으로써 식각되는 기판의 선택비를 향상시키는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 내부에 일정한 반응공간을 형성하며, 바닥에 배기 홀을 가지는 챔버와 상기 챔버 하부에 위치하는 배기탱크와 상기 챔버와 상기 배기탱크 사이에 설치되는 진자밸브실린더와 상기 진자밸브실린더의 내부에서 왕복 운동하는 진자 밸브를 포함하는 챔버 배기시스템을 제공한다.

상기 진자밸브는 진자밸브 몸체와, 상기 진자밸브 몸체의 일 측에 결합되는 구동축을 포함한다.

상기 진자밸브 몸체는 판상(板狀)으로 이루어진다.

상기 진자밸브의 왕복운동거리(△l)는 챔버내 가스를 대칭적으로 배기하기 위해서 챔버 내부반경(Rch)의 5% 내지 50% 범위내인 것이 바람직하다.

상기 진자밸브의 왕복운동거리(△l)의 중심은, 상기 챔버의 중심축과 일치하 는 것이 바람직하다.

상기 배기탱크의 중심축과 상기 챔버의 중심축 간의 거리(Roff)는, 상기 챔버 내부반경(Rch)의 5% 내지 50% 범위내인 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 살펴보기로 하며, 동일한 부분에 대해서는 도면 부호만 달리할 뿐 동일한 명칭을 사용하기로 한다.

본 발명은 유도결합 플라즈마식각장치 뿐만 아니라 정전결합 플라즈마 식각장치에도 적용되는 것이므로, 이하에서는 유도결합 플라즈마 식각장치에 대해서만 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 배기시스템을 구비한 유도결합 플라즈마 식각장치의 구성도로서, 기본적으로 바닥에 배기홀(120)을 가지며 내부에 일정한 반응공간을 가지는 챔버(100)와, 챔버(100) 하부에 위치하며 일부에 홀(182)을 가지는 배기탱크(180)와, 상기 챔버(100)와 상기 배기탱크(180) 사이에 설치되는 진자밸브실린더(280)와, 상기 진자밸브실린더(280)의 내부에서 왕복운동하는 진자밸브(pendulum valve, 200)를 포함하고 있다.

상기 배기홀(120)은 챔버(100) 내벽면과 배플(170) 사이에서원주 방향으로 형성되는 원 형상이 바람직하나, 이에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있음은 물론이다.

진자밸브실린더(280)는 진공챔버(100)와 배기탱크(180)의 사이에 위치하며, 진공챔버(100) 또는 배기탱크(180)와 일체로 형성될 수도 있고, 독립적으로 제작되 어 조인트링(미도시) 등과 같은 결합수단에 의해 진공챔버(100) 또는배기탱크(180)에 결합될 수도 있다. 진자밸브실린더(280), 진공챔버(100), 배기탱크(180)가 모두 일체로 형성되는 것도 물론 가능하다.

진자밸브실린더(280) 내부에는 외부의 구동부(300)에 연결되어 왕복운동(도면에서 좌,우 방향)을 하는 진자밸브(200)가 위치하며, 상기 진자밸브(200)의 개폐정도를 조절하여 챔버의 소스가스가 대칭적으로 배기되도록 조절함으로써, 활성종의 잔류시간을 제어할 수 있게 된다.

상기 진자밸브(200)의 바람직한 실시예들이 도 3 및 도 4에 개시되어 있는데, 진자밸브(200)는 평판형의 진자밸브 몸체(220, 230)와, 상기 진자밸브 몸체(220, 230)의 일 측에 결합되며 진자밸브 구동부(300)에 의해 구동되는 구동축(240)으로 이루어진다.

도면에서는 원판형상과, 사각판형상의 진자밸브 몸체(220, 230)를 도시하고 있으나, 진자밸브(200)의 역할은 왕복운동을 통해 소스가스의 배기통로를 개폐하는 데 있으므로, 그러한 기능을 갖는 것이라면, 그 형상은 진자밸브실린더(280)와 함께 다양하게 변경될 수 있음은 자명하다.

또한 구동축(240)을 구동시키는 진자밸브 구동부(300)의 작동은 당업자에게 자명한 기술이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 배기가스의 균일하고 대칭적인 배출을 위해 진자밸브(200)의 왕복운동 변위(△l)의 중심이 진공챔버의 중심축과 일치할 수 있도록 진자밸브실린더(280)를 설치하는 것이 바람직하다. 이는 배기가스가 챔버(100) 하부의 중심에서 대칭적으 로 배출될 수 있도록 하기 위함이다.

또한 진자밸브(200)의 왕복운동 변위(△l), 즉 배기가스가 지나는 통로의 폭(지름)은 챔버(100) 내부 반경(Rch)의 5% 내지50% 범위 내인 것이 바람직하다. 이 범위보다 작으면 배기통로가 너무 작아져 배기효율이 떨어지게 되며, 이 범위보다 더 크게 되면 배기통로가 너무 커서 배기량의 제어가 곤란해지는 문제가 있기 때문이다.

진자밸브 실린더(280)의 하면에 부착 설치되는 배기탱크(180)는, 챔버(100) 바닥의 배기홀(120)을 통해 유입되는 소스가스들을 저장하고 이를 외부로 배출시키기 위한 것이고, 배기탱크(180)의 하부에는 배기라인(184)과 연결되는 배기탱크 홀(182)이 형성된다.

상기 배기탱크(180)도 진자밸브실린더(280)와 일체로 결합되거나 또는 별도의 조인트링(미도시)에 의해 결합될 수 있으며, 그 횡단면의 형상도 원형이나 사각형이 바람직하나, 소스가스들을 저장하고 배출시킬 수만 있다면 반드시 이에 한정되지는 않는다.

배기탱크(180)를 설치하는 경우에도, 배기탱크(180)의 중심축과 챔버(100) 중심축 간의 거리(Roff)가 챔버 반경(Rch)의 5% 내지 50% 범위내에 있도록 배기탱크(180)를 설치하는 것이 바람직하다. 50%이상 떨어지게 되면 배기가스의 대칭적인 배기가 곤란해지기 때문이다.

따라서 도 2와 같이 배기탱크(180)의 중심축을 챔버(100)의 중심으로부터 어느 정도 이격시켜 설치할 수도 있고, 도 5와 같이 양자를 근접시켜 설치할 수도 있 다. 위에서 5% 내지 50% 범위 중 어느 범위를 선택할 것인가는 공정에 필요한 압력이나 활성종의 잔류시간 등에 따라 달라지므로, 균일한 배기가 이루어질 수 있도록 적정한 범위를 선택하면 된다.

상기와 같은 구성을 가지는 배기 장치의 작동구성을 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 진자밸브(200)가 닫힌 상태에서, 상기 챔버(100) 내부에서 플라즈마가 생성되고 이에 따라 포커스 링(160)에 안치된 기판의 식각 공정이 수행된다. 다음에 배기라인(184)에 연결된 미도시된 펌프가 펌핑을 수행하면 진자밸브 구동부(300)가 진자밸브(200)를 좌측(도 2기준)으로 이동시켜 챔버(100)의 밀폐상태를 해제시킴으로써, 상기 챔버(100)는 배기탱크(180)와 연통되게 된다.

챔버(100)와 배기탱크(180)가 연통되면, 도 3 내지 도 4에 개시된 것과 같이 소스가스들이 화살표방향으로 배기되면서, 상기 배기탱크(180)의 배기탱크 홀(182)을 통해 외부로 배출되며, 배출되는 소스가스들의 흐름 방향은 상기 진자밸브(200)가 개방되는 폭(△l)에 따라 도시된 A 내지 C와 같이 형성되게 된다.

이렇게 소스가스들이 공정 과정 중에 챔버(100)를 빠져나가는 것은, 챔버(100) 내 활성종들의 잔류시간 결정인자인 챔버(100) 내부의 압력 및 소스 가스유량을 변화시키는 것을 의미하며, 이러한 압력 및 유량은 진자밸브(200)가 개방되는 폭(△l)에 의해 좌우되므로 상기 진자밸브(200)의 개방폭을 적절하게 제어함으로써 활성종들의 잔류시간을 조절할 수 있게 되는 것이다.

그러나 진자밸브실린더(280)의 위치는 고정되는 것이 바람직하므로, 진자밸 브(200)가 개폐되는 폭(△l)을 시간에 따라 변경시키는 경우에는, △l의 중심과 챔버(100) 중심축이 일치하지 않을 수도 있다.

상기 진자밸브(200)의 시간에 따른 개방 폭은 챔버(100) 내부 반경(Rch)의 5 내지 50% 범위 내에서 미리 입력시켜 공정과정 중에 연동시킬 수도 있으며, 작업자가 감시하면서 직접 조절할 수도 있음은 물론이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나 본 발명은 다양한 변경 및 수정이 가능하며, 이러한 변경 및 수정은 본 발명의 청구항에 의해 해석되어져야 할 것이다.

본 발명에 따르면 공정에 따라 진자밸브가 개방되는 폭을 적절하게 조절하여, 챔버 내부의 압력과 유동되는 소스가스들의 유량을 제어할 수 있게 함으로써, 기판의 식각에 있어 활성종들이 챔버 내부에 잔류하는 시간을 적절히 조절할 수 있게 되고, 식각되는 기판의 선택비를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 반응공간을 제공하는 챔버;

   상기 반응공간의 상부에 위치하고 상기 반응공간에 소스가스를 유입시키는 가스 분사부;

   상기 반응공간의 하부에 위치하고 기판이 고정되는 정전척;

   상기 챔버의 하부에 위치하고, 상기 반응공간으로부터 유입되는 가스를 저장하는 배기탱크;

   상기 배기탱크와 연결되고 상기 배기탱크의 가스를 배출하기 위한 배기라인;

   상기 챔버와 상기 배기탱크 사이에 설치되는 밸브 실린더;

   상기 밸브 실린더 내부에서 왕복운동하고, 공정과정 중에 상기 반응공간과 상기 배기탱크 사이의 개방폭을 제어하여 상기 챔버 내부의 압력 및 소스가스의 유량을 변화시키는 밸브;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 밸브는 판상(板狀)으로 이루어지는 플라즈마 식각장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 밸브의 왕복운동거리(△l)는 상기 챔버 내부반경(Rch)의 5% 내지 50% 범위내인 플라즈마 식각장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,

   상기 배기탱크의 중심축과 상기 챔버의 중심축 간의 거리(Roff)는, 상기 챔버 내부반경(Rch)의 5% 내지 50% 범위내인 플라즈마 식각장치.

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