KR100984177B1 - 정전척 및 이를 이용한 플라즈마 이온주입장치 - Google Patents

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Abstract

본 실시예에 따른 정전척은 다수의 바이어스 돌기를 정전척 몸체와 일체로 형성함으로써 다량의 바이어스 돌기를 구비하도록 하고, 정전기력 제공을 위한 단극형 배치구조 또는 다극형 배치구조 전극을 바이어스 돌기들 사이에 설치함으로써 양호한 정전기력의 제공과 유지가 가능하도록 함으로 정전척의 제조효율 및 제조된 정전척의 동작 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

정전척 및 이를 이용한 플라즈마 이온주입장치{Electrostatic chuck and plasma ion implantation apparatus using the same}
본 발명은 정전척 및 이를 이용한 플라즈마 이온주입장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 웨이퍼 또는 유리기판 등과 같은 기판처리를 수행하기 위한 정전척과 이를 이용한 플라즈마 이온주입장치에 관한 것이다.
정전척은 웨이퍼 또는 유리기판 등과 같은 기판을 척킹하기 위하여 기판처리장치에 설치되어 사용된다. 이들 기판을 처리하는 기판처리장치는 다양한 종류가 있는데, 그 중에서 기판에 이온을 주입하기 위한 플라즈마 이온주입 장치가 있다.
플라즈마 이온주입장치는 주입하고자 하는 이온을 기체 상태로 도입하여 플라즈마 상태로 형성시킨 후 처리하고자 하는 기판에 고전압의 바이어스를 인가함으로써 플라즈마 중의 양이온들이 기판의 표면에 충돌, 주입되도록 하는 장치이다. 이때 기판의 주위에는 플라즈마 쉬스(Plasma sheath)가 형성되며 이온들은 기판의 모든 표면에 입사, 충돌한다.
한편, 종래의 정전척을 구비하는 플라즈마 이온주입장치는 기판에 고전압의 바이어스를 인가하기 위하여 정전척을 관통하여 기판의 이면과 접하는 바이어스 핀을 구비한다. 또한 이들 바이어스 핀들은 기판 측으로 탄성부재에 의하여 탄성 지지된다.
그런데 기판에 대한 바이어스 포텐셜 균일도(bias potential uniformity)를 공정에 적합한 수준으로 유지시키기 위해서는 매우 많은 수의 바이어스 돌기가 설치되어야 한다. 그러나 바이어스 돌기의 개수가 많아지게 되면 정전척의 내부 구조가 매우 복잡해지고, 불필요한 아크 발생을 유발할 수 있기 때문에 바이어스 돌기를 무한정 많이 설치할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 정전척의 몸체와 일체로 된 다수의 바이어스 돌기를 구비하고, 정전기력 발생을 위한 전극이 바이어스 돌기들 사이에 구비하는 정전척 및 이 정전척을 이용한 플라즈마 이온주입장치를 제공하기 위한 것이다.
정전척은 도전성 금속으로 된 몸체, 상기 몸체의 상부면에 상기 몸체에서 일체로 돌출 형성된 다수개의 바이어스 돌기, 상기 몸체의 상면 중 다수개의 상기 바이어스 돌기들 사이에 구비되는 전극, 상기 전극과 상기 몸체 표면 사이에 구비되 는 절연부를 구비한다.
상기 절연부는 상기 전극을 둘러쌀 수 있다. 상기 절연부와 상기 몸체 표면 사이에는 실리콘 코팅층이 구비될 수 있다.상기 절연부는 Al₂0₃, Y₂O₃, ZrO₃, 레진중의 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 몸체의 상부 표면에는 실리콘 코팅층이 구비될 수 있다. 상기 전극은 단극형 배치구조일 수 있다. 상기 절연부 상에는 상기 절연부와 일체로 된 절연돌기가 형성될 수 있다. 상기 전극은 다극형 배치구조일 수 있다.
플라즈마 이온주입장치는 챔버, 상기 챔버 내부에 플라즈마 발생을 유도하는 상부전극, 상기 챔버 내부에 플라즈마 발생을 위한 가스를 공급하는 가스 공급부 및 상기 챔버 내부에 설치되며 도전성 금속으로 된 몸체와 상기 몸체의 상부면에 상기 몸체에서 일체로 돌출 형성된 다수개의 바이어스 돌기와 상기 몸체의 상면 중 다수개의 상기 바이어스 돌기들 사이에 구비되는 전극과 상기 전극과 상기 몸체 표면 사이에 구비되는 절연부를 포함하는 정전척을 구비한다.
상기 절연부는 상기 전극을 둘러쌀 수 있다. 상기 절연부와 상기 몸체 표면 사이에는 실리콘 코팅층이 구비될 수 있다.상기 절연부는 Al₂0₃, Y₂O₃, ZrO₃, 레진 중의 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 몸체의 상부 표면에는 실리콘 코팅층이 구비될 수 있다. 상기 전극은 단극형 배치구조일 수 있다. 상기 절연부 상에는 상기 절연부와 일체로 된 절연돌기가 형성될 수 있다. 상기 전극은 다극형 배치구조일 수 있다.
본 실시예에 따른 정전척은 다수의 바이어스 돌기를 정전척 몸체와 일체로 형성함으로써 다량의 바이어스 돌기를 구비하도록 하고, 정전기력 제공을 위한 단극형 배치구조 또는 다극형 배치구조 전극을 바이어스 돌기들 사이에 설치함으로써 양호한 정전기력의 제공과 유지가 가능하도록 함으로 정전척의 제조효율 및 제조된 정전척을 이용한 플라즈마 이온주입장치의 동작 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 정전척을 도시한 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 정전척(100)은 플라즈마 이온 주입장치에 사용될 수 있으며 알루미늄과 같은 도전성 금속 재질되 형성되고, 원판 형상으로 된 몸체(110)를 구비한다. 몸체(110)의 하부에는 정전척(100)의 냉각을 위하여 초순수(Deionized water)와 같은 냉각액이 유통하도록 냉매관(121)이 내설된 냉각플레이트(120)가 구비된다.
그리고 몸체(110)에는 설치된 전극으로 정전기력 발생용 직류의 제공을 위한 제 1전원부(130)가 연결되고, 또한 몸체(110)에 직접 DC 펄스(direct current pulse)를 제공하기 위한 펄스 발생부(140)와 고전압의 직류를 제공하는 제 2전원부(150)가 연결된다. 또한 몸체(110)와 냉각플레이트(120)에는 몸체(110)와 냉각플레이트(120)를 관통하여 몸체(110)의 상부에 형성된 토출홀(162)로 냉각가스가 토출되도록 하는 냉각가스 주입관(161, 도 2참조)이 설치되고, 이 냉각가스 주입 관(161)으로 질소 또는 헬륨과 같은 냉각가스의 배출을 위한 냉각가스 제공부(160)가 냉각가스 주입관(161)에 연결된다.
이하에서는 도 1과 같이 구성된 정전척(100)에서 단극형 배치구조 정전척(mono-polar ESC)의 실시예와 다극형 배치구조 정전척(bi-polar ESC)의 실시예를 설명한다. 도 1의 구성요소에 대한 부호는 이하의 단극형 배치구조 정전척과 다극형 배치구조 정전척에서 동일하게 사용한다.
도 2는 본 실시예에 따른 단극형 배치구조 정전척의 단면도이고, 도 3은 단극형 배치구조 정전척의 일부를 확대 도시한 단면도이다.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 단극형 배치구조 정전척(100)은 몸체(110)와 몸체(110)의 상부면에 몸체(110)에서 일체로 돌출 형성되는 다수의 바이어스 돌기(230)를 구비한다. 이 바이어스 돌기(230)는 상단 높이가 거의 동일하게 형성되어 기판(S)이 안착될 때 이 기판(S)의 하면과 접촉한다.
또한 바이어스 돌기(230)는 기판(S)과 몸체(110) 사이를 이격시킴으로써 냉각가스가 몸체(110) 상부와 기판(S) 사이에서 유통하도록 하여 기판(S)에 대한 균일한 냉각 온도 유지가 가능하게 한다.
그리고 바이어스 돌기(230)들 사이에는 전극(200)이 구비된다. 전극(200)은 바이어스 돌기(230)의 상단 높이 보다 낮은 위치에 구비된다. 이 전극(200)은 절연부(210)로 둘러싸인 단극형 배치구조 전극(200)으로 구비된다. 이 단극형 배치구조 전극(200)은 제 1전원부(130)와 연결된다. 그리고 전극(200)을 둘러싸는 각각의 절연부(210)의 상부에는 절연부(210)와 동일한 재질로 된 절연돌기(240)가 형성된다.
절연부(210)와 절연돌기(240) 그리고 몸체(110)의 상부에는 실리콘 코팅층(220)이 용사로 형성된다. 이 절연부(210)와 절연돌기(240) 그리고 실리콘 코팅층(220)은 유전체층(Dielectric layer)으로 기능한다. 실리콘 코팅층(220)은 다른 실시예로 몸체(110)와 절연부(210)의 사이에도 형성될 수 있다. 그리고 절연부(210)는 Al₂0₃, Y₂O₃, ZrO₃, 레진 중의 어느 하나로 형성될 수 있다.
이와 같이 구성된 단극형 배치구조 정전척(100)은 플라즈마 이온 주입장치에서 사용될 수 있다. 정전척(100)이 플라즈마 이온 주입장치에 사용되는 경우 몸체(110)의 상부에 기판(S)이 안착된다. 기판(S)의 하부면은 바이어스 돌기(230)들에 의하여 지지된다.
기판(S)이 정전척(100) 상에 안착되면 제 2전원부(150)에서 제공되는 DC는 펄스 발생부(140)를 거쳐서 몸체(110)로 직류펄스로 제공된다. 이에 따라 기판(S)의 몸체(110) 특히 바이어스 돌기(230)들은 바이어스 필드(bias field)를 형성하게 된다. 이에 따라 플라즈마에서 이온이 기판(S)으로 진행하게 하고, 이들 이온이 기판(S)에 충돌함으로써 기판(S)에 대한 이온 주입이 이루어진다.
한편, 제 1전원부(130)로부터 전원을 공급받은 전극(200)들은 전기장을 형성하며 기판(S)을 몸체(110) 상에 척킹한다. 이때의 척킹력은 각각의 전극(200)과 기판(S) 사이에 형성된 쿨롱(Coulomb)력과 기판(S)과 접하는 절연돌기(240)의 존슨-라벡(Johnsen-Rahbek)력에 의하여 견고한 척킹이 이루어진다.
다음으로 이하에서는 본 실시예에 따른 다극형 배치구조 정전척에 대하여 설명한다. 도 4는 본 실시예에 따른 다극형 배치구조 정전척의 단면도이고, 도 5는 다극형 배치구조 정전척의 일부를 확대 도시한 단면도이다.
도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 다극형 배치구조 정전척(100)은 몸체(110)와 몸체(110)의 상부면에 몸체(110)에서 일체로 돌출 형성되는 다수의 바이어스 돌기(330)를 구비한다. 이 바이어스 돌기(330)는 상단 높이가 거의 동일하게 형성되어 기판(S)이 안착될 때 이 기판(S)의 하면과 접촉한다. 또한 바이어스 돌기(330)는 기판(S)과 몸체(110) 사이를 이격시킴으로써 냉각용 가스가 몸체(110) 상부와 기판(S) 사이에서 유통하도록 하여 기판(S)에 대한 균일한 냉각 온도 유지가 가능하게 한다.
그리고 바이어스 돌기(330)들 사이에는 다극형 배치구조 전극(300)이 구비된다. 다극형 배치구조 전극(300)은 바이어스 돌기(330)의 상단 높이 보다 낮은 위치에 구비된다. 그러나 전극(300)은 단극형 배치구조 정전척(100)에서의 전극(300)의 높이보다는 높은 위치에 위치한다. 즉 바이어스 돌기(330)의 상단과 다극형 배치구조 전극(300) 사이의 간격은 바이어스 돌기(330)와 단극형 배치구조 전극(300) 사이의 간격보다 작을 수 있다. 이 다극형 배치구조 전극(300)은 제 1전원부(130)와 연결된다.
절연부(310)와 몸체(110)의 상부에는 실리콘 코팅층(320)이 용사로 형성된다. 이 절연부(310)와 실리콘 코팅층(320)은 유전체 층으로 기능한다. 실리콘 코팅층(320)은 다른 실시예로 몸체(110)와 절연부(310)의 사이에도 형성될 수 있다. 그리고 절연부(310)는 Al₂0₃, Y₂O₃, ZrO₃, 레진 중의 어느 하나로 형성될 수 있다.
이와 같이 구성된 다극형 배치구조 정전척(100)은 플라즈마 이온 주입장치에서 사용될 수 있다. 정전척(100)이 플라즈마 이온 주입장치에 사용되는 경우 몸체(110)의 상부에 기판(S)이 안착된다. 기판(S)의 하부면은 바이어스 돌기(330)들에 의하여 지지된다.
기판(S)이 정전척(100) 상에 안착되면 제 2전원부(150)에서 제공되는 DC는 펄스 발생부(140)를 거쳐서 몸체(110)로 직류펄스로 제공된다. 이에 따라 기판(S)의 몸체(110) 특히 바이어스 돌기(330)들은 바이어스 필드를 형성하게 된다. 이에 따라 플라즈마에서 이온이 기판(S)으로 진행하게 하고, 이들 이온이 기판(S)에 충돌함으로써 기판(S)에 대한 이온 주입이 이루어진다.
한편, 제 1전원부(130)로부터 전원을 공급받은 전극(300)들은 전기장을 형성하며 기판(S)을 몸체(110) 상에 척킹한다. 이때의 척킹력은 각각의 전극(300)과 기판(S) 사이에 형성된 쿨롱(Coulomb)력과 존슨-라벡(Johnsen-Rahbek)력에 의하여 견고한 척킹이 이루어진다. 다극형 배치구조 정전척(100)은 단극형 배치구조 정전척(100)에 비하여 낮은 전압으로 구동이 가능하다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 정전척은 이미 언급한 바와 같이 플라즈마 이온 주입장치에서 사용될 수 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 정전척을 이용한 플라즈마 이온 주입장치를 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 플라즈마 이온주입장치는 내부에 진공 분위기 형성되는 챔버(10)를 구비한다. 챔버(10) 상부 외측에는 RF 발생부(20)가 구비되고, 챔버(10)의 내부 상측에는 RF 발생부(20)와 연결되는 상부전 극(30)이 구비된다. 그리고 챔버(10) 내부 하측에는 본 실시예에 따른 정전척(100)이 구비된다. 정전척(100)에 대한 자세한 실시예는 전술한 실시예를 참조할 수 있다.
챔버(10) 외부에는 챔버(10) 내부로 플라즈마 발생을 위한 공정가스를 공급하는 공정가스 공급부(40)와 정전척으로 냉각가스를 공급하는 냉각가스 공급부(160)가 구비된다. 또한 냉각플레이트(120)로 냉각액을 공급하는 냉각액 공급부(170)가 구비된다.
이와 같이 구성된 플라즈마 이온주입장치는 정전척(100) 상으로 기판(S)이 외부에서 반입되어 안착되면, RF 발생부(20)에서 상부전극(30)으로 RF 전력을 공급하고, 공정가스 공급부에서 공정가스가 공급됨에 따라 플라즈마가 상부전극(30)과 정전척(100) 사이에 형성된다. 이때 정전척(100)으로 DC 바이어스가 인가됨에 따라 이온이 기판(S) 상으로 가속하여 충돌하면서 기판(S)에 대한 이온 주입이 수행된다.
한편, 본 실시예에 따른 정전척은 플라즈마 이온주입장치 외에 다른 기판처리장치인 E-beam 처리장치 등과 같은 장치들과 그 외에 다른 반도체 및 디스플레이 제조장치에서도 실시될 수 있다.
또한 정전척은 몸체의 상단에 코팅되는 실리콘 코팅층과 절연부는 다른 실시예로 강력한 쿨롱력으로 척킹이 가능하다면 본 실시예에서 언급한 재질 외에 다른 재질의 절연성 유전체로 형성할 수 있고, 또는 그 외의 균등한 기능을 하는 다른 반도체 유전체(semiconducting dielectric)로 실시할 수 있다.
그리고 바이어스 돌기들의 형상은 각각이 돌기 형태로 형성될 수 있지만, 다른 실시예로 링 형태로 형성될 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 정전척을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 단극형 배치구조의 정전척의 단면도이다.
도 3은 단극형 배치구조의 정전척의 일부를 확대 도시한 단면도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 다극형 배치구조의 정전척의 단면도이다.
도 5는 다극형 배치구조의 정전척의 일부를 확대 도시한 단면도이다.
도 6은 본 실시예에 따른 정전척을 이용한 플라즈마 이온 주입장치를 도시한 도면이다.

Claims (16)

  1. 도전성 금속으로 된 몸체;
    상기 몸체의 상부면에 상기 몸체에서 일체로 돌출 형성된 다수개의 바이어스 돌기;
    상기 몸체의 상면 중 다수개의 상기 바이어스 돌기들 사이에 구비되는 전극;
    상기 전극과 상기 몸체 표면 사이에 구비되는 절연부를 구비하는 것을 특징으로 하는 정전척.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 절연부는 상기 전극을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 정전척.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 절연부와 상기 몸체 표면 사이에는 실리콘 코팅층이 구비되는 것을 특징으로 하는 정전척.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 절연부는 Al₂0₃, Y₂O₃, ZrO₃, 레진 중의 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 정전척.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 몸체의 상부 표면에는 실리콘 코팅층이 구비되는 것을 특징으로 하는 정전척.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 전극은 단극형 배치된 것을 특징으로 하는 정전척.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 절연부 상에는 상기 절연부와 일체로 된 절연돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 정전척.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 전극은 다극형 배치된 된 것을 특징으로 하는 정전척.
  9. 챔버,
    상기 챔버 내부에 플라즈마 발생을 유도하는 상부전극;
    상기 챔버 내부에 플라즈마 발생을 위한 가스를 공급하는 가스 공급부; 및
    상기 챔버 내부에 설치되며 도전성 금속으로 된 몸체와 상기 몸체의 상부면에 상기 몸체에서 일체로 돌출 형성된 다수개의 바이어스 돌기와 상기 몸체의 상면 중 다수개의 상기 바이어스 돌기들 사이에 구비되는 전극과 상기 전극과 상기 몸체 표면 사이에 구비되는 절연부를 포함하는 정전척을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온주입장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 절연부는 상기 전극을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온주입장치.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 절연부와 상기 몸체 표면 사이에는 실리콘 코팅층이 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온주입장치.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 절연부는 Al₂0₃, Y₂O₃, ZrO₃, 레진 중의 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온주입장치.
  13. 제 9항에 있어서, 상기 몸체의 상부 표면에는 실리콘 코팅층이 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온주입장치.
  14. 제 9항에 있어서, 상기 전극은 단극형 배치로 된 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온주입장치.
  15. 제 9항에 있어서, 상기 절연부 상에는 상기 절연부와 일체로 된 절연돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온주입장치.
  16. 제 9항에 있어서, 상기 전극은 다극형 배치로 된 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온주입장치.
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