KR101032084B1 - 플라즈마 처리장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 처리장치에 관한 것으로, 플라즈마가 발생되는 공정 공간을 형성하는 챔버; 상기 챔버 내에 구비되며, 단면이 가우스 곡선을 이루는 판 형태의 상부 전극; 상기 상부 전극과 대향되는 위치에 구비되며, 기판을 안착하는 하부 전극; 및 상기 상부 전극 및 하부 전극에 서로 다른 주파수를 가지는 전력을 공급하는 다수개의 전원을 포함한다.
본 실시예에 따르면, 대면적의 전극을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 과정에서 상기 플라즈마의 공간적으로 균일하게 발생시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 처리장치의 제조 비용을 종래 기술에 비해 낮출 수 있으며, 구현도 용이하다.

Description

플라즈마 처리장치 및 방법 {Apparatus and method for plasma processing}
본 발명은 플라즈마 처리장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수개의 전원을 이용하여 플라즈마를 공간적으로 균일하게 발생시키는 플라즈마 처리장치 및 방법에 관한 것이다.
플라즈마 처리장치는 방전 플라즈마를 발생시켜 처리 대상물의 표면을 처리하는데 사용되는 장치로, 예컨대, 평판 디스플레이 장치, 박막 트랜지스터 또는 태양전지 등에 형성된 박막을 플라즈마를 이용하여 식각하는 공정(Dry etching)이나 CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 클리닝 공정 등에 널리 사용되는 장치이다.
이러한 플라즈마 처리장치는 공정챔버 벽을 둘러싼 코일에 RF전원을 인가하여 유도 결합된 플라즈마를 생성하는 유도성 플라즈마 처리장치와 2개의 금속판 즉, 전극에 RF전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 용량성 플라즈마 처리장치로 구분할 수 있다. 유도성 플라즈마 처리장치는 기본적인 제조 비용이 많이 든다는 점에서 문제가 있으며, 상대적으로 낮은 비용으로 용량성 플라즈마 처리장치를 만 들 수 있다.
이러한 용량성 플라즈마 처리장치는 종래 국제 통신 규약에 의해 산업용으로 개방된 13.56MHz 주파수를 가지는 전원을 이용하였는데, 최근에는 27MHz이상의 초단파(VHF, Very High Frequency) 전원을 이용하는 경우도 있다. 여기서 초단파는 보통 27MHz 내지 300MHz의 주파수 범위를 가지는 전자기파를 가리키는데 그 파장이 대략 1m 내지 10m 이므로 미터파라고 하기도 한다. 상기 초단파 범위의 주파수를 가지는 전원을 사용하면 플라즈마의 생성 속도를 증가시켜 플라즈마 밀도를 높게 만들 수 있고, 기판을 충격하는 이온의 충돌 에너지를 낮게 할 수 있는 장점 때문이다.
그런데, 용량성 플라즈마 처리장치에 초단파 전원을 이용하는 경우에는 문제가 있는데, 그것은 플라즈마 처리장치에 이용되는 전극이 상기 초단파 파장의 1/4 이상 크기를 가지는 경우 플라즈마가 공간적으로 균일하게 형성되지 않는다는 점이다. 플라즈마의 공간적 불균일성이 발생하는 이유는 특히, 정재파(standing wave)가 주된 원인으로 알려져 있다.
예를 들어, 평판 형태의 대면적(1m x 1m 이상) 전극에 초단파(VHF) 주파수를 가지는 단일 전원을 인가하면, 상기 전극에는 정재파에 의해 불균일한 전압 분포가 발생하며, 그 결과 플라즈마가 공간적으로 불균일하게 발생하는 것이다.
본 발명의 목적은, 대면적의 전극에 초단파를 사용하는 경우, 공간적으로 균일한 밀도를 가지는 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 처리장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치는 플라즈마가 발생되는 공정 공간을 형성하는 챔버; 상기 챔버 내에 구비되는 상부 전극; 상기 챔버 내에서 상기 상부 전극과 대향되는 위치에 구비되며, 기판을 안착하는 하부 전극; 상기 하부 전극에는 초단파 범위 내의 제 1 주파수를 가지는 전압을 제공하고, 상기 상부 전극에는 상기 제 1 주파수의 전압을 위상 변경하여 제공하는 제 1 전원부; 상기 하부 전극에 상기 제 1 주파수보다 낮은 제 2 주파수를 가지는 전압을 제공하는 제 2 전원부; 및 상기 하부 전극에 상기 제 1 주파수보다 낮고, 상기 제 2 주파수보다 높은 제 3 주파수를 가지는 전압을 제공하는 제 3 전원부를 포함한다.
상기 상부 전극은 단면이 가우스 곡선 형태를 가지는 판 형태이거나, 다수개의 바(bar)가 사다리 형태로 연결된 형상이고 상기 다수개의 바 각각은 길이 방향으로 가우스 곡선 모양을 가지는 것일 수 있다.
상기 제 1 주파수는 27MHz 내지 300MHz, 상기 제 2 주파수는 1MHz 내지 10MHz, 상기 제 3 전원부는 13.56MHz일 수 있다. 특히, 상기 제 1 주파수는 13.56 × n MHz(여기서, n은 자연수이고 2≤n≤8), 상기 제 2 주파수는 13.56/m MHz(여기 서, m은 자연수이고 2≤m≤6)일 수 있다.
상기 제 1 전원부는 전력 분배기와 연결되고, 상기 전력 분배기에서 분배된 전력의 일부는 상기 하부 전극에 제공되고, 나머지 전력은 위상 변환기를 통해 위상이 변경되어 상기 상부 전극에 공급될 수 있다.
상기 제 1 내지 제 3 전원부 각각과 상기 하부 전극 사이에, 각 전원부의 출력 임피던스와 상기 각 전원부에서 하부 전극 쪽을 바라본 입력 임피던스를 매칭시키는 정합부를 더 구비할 수 있으며, 상기 정합부와 상기 하부 전극 사이에 각 전원부의 주파수를 중심으로 소정 범위 내의 주파수만을 통과시키는 필터를 더 구비할 수 있다.
상기 상부 전극은 상기 챔버 내로 공정 가스를 유입시킬 수 있는 다수개의 홀(hole) 또는 슬릿(slit)을 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리방법은 챔버 내부에 공정 가스가 유입되면, 기판이 안착되는 하부 전극에 초단파 범위 내의 제 1 주파수를 가지는 전압, 상기 제 1 주파수보다 낮은 제 2 주파수를 가지는 전압 및 상기 제 1 주파수보다 낮고 상기 제 2 주파수보다 높은 제 3 주파수를 가지는 전압을 제공하는 동시에, 상기 하부 전극에 대향하는 위치에 있는 상부 전극에 상기 제 1 주파수의 전압을 위상 변화시킨 전압을 제공하여 상기 공정 가스를 플라즈마 상태로 만든다.
다른 실시예에 따른 플라즈마 처리장치는 플라즈마가 발생되는 공정 공간을 형성하는 챔버; 상기 챔버 내에 구비되는 상부 전극; 상기 챔버 내에서 상기 상부 전극과 대향되는 위치에 구비되며, 기판을 안착하는 하부 전극; 상기 하부 전극에 초단파 범위 내의 제 1 주파수를 가지는 전압을 제공하는 제 1 전원부; 상기 하부 전극에 상기 제 1 주파수보다 낮은 제 2 주파수를 가지는 전압을 제공하는 제 2 전원부; 상기 하부 전극에 상기 제 1 주파수보다 낮고, 상기 제 2 주파수보다 높은 제 3 주파수를 가지는 전압을 제공하는 제 3 전원부; 상기 상부 전극에 상기 제 1 전원부와 동일한 주파수의 전압을 위상 변경하여 제공하는 제 4 전원부; 및 상기 제 1 전원부와 제 4 전원부와 연결되어 전력을 조절하는 제어부를 포함한다.
플라즈마 처리장치의 전극을 가공하는 방법은 소정의 균일한 두께를 가지는 평판을 가장자리 부분은 두께가 두껍고, 가운데 부분은 두께가 얇게 계단 모양으로 소정의 단차를 가지게 깎는 제 1 가공 단계; 및 상기 제 1 가공 단계를 거친 평판에서 상기 계단 모양의 모서리 부분을 깎아 가우스 곡선 모양으로 가공하는 제 2 가공 단계를 포함한다.
상기 제 1 가공 단계는 상기 가장자리 부분은 경사가 급하고 좁은 계단 모양으로 깎고 상기 가운데 부분은 경사가 완만하고 넓은 계단 모양으로 깎는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치 및 방법은 대면적의 전극을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 과정에서 공간적으로 균일한 밀도를 가지는 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치 및 방법에 대해, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 구성을 보여주는 블록도이다. 도 2는 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 단면을 보여주는 단면도이다. 도 1및 도 2를 참조하면, 상기 플라즈마 처리장치는 챔버(210), 상부 전극(220), 하부 전극(230), 다수개의 전원부(240,250,260)를 포함한다.
상기 챔버(210)는 플라즈마가 발생되는 공정 공간을 형성하는 부분이다. 이러한 챔버(210)에는 공정 가스를 유입하는 가스 유입관(270), 챔버 내의 가스를 챔버 외부로 배기하는 진공 펌프와 연결되는 펌핑관(280)이 구비된다.
하부 전극(susceptor,230)은 기판을 안착하는 부분으로, 기판에 전압을 인가할 수 있다. 하부 전극(230)에는 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 용도에 따라 히터(heater), ESC(ElectroStatic Chuck)가 모두 구비되거나 하나만 구비될 수 있다. 즉, 플라즈마 처리장치가 증착공정에 사용되는 경우에는 히터, ESC 모두 사용될 수 있고, 애셔(Asher)로 사용되는 경우에는 히터만, 에쳐(Etcher)로 사용되는 경우에는 ESC만 하부 전극(230)에 구비될 수도 있다. 상기 히터는 기판을 가열하여 기판의 온도를 조절할 수 있는 것으로 하부 전극(230)에 내장될 수 있으며, 이 경우 하부 전극(230)에는 기판에 열을 가하는 AC 또는 DC 전원이 추가로 구비된다. 상기 AC 또는 DC전원에 의해 히터가 가열되어 상기 기판의 온도는 100℃ 내지 300℃로 설정될 수 있다.
하부 전극(230)에는 도 1에 도시된 바와 같이 제 1 전원부(240), 제 2 전원부(250) 및 제 3 전원부(260)가 연결되며, 상기 히터에 전력을 제공하는 AC 또는 DC 전원이 추가로 구비될 수도 있다.
상부 전극(220)은 챔버(210)내에 기판이 안착되는 하부 전극(230)과 대향하는 위치에 구비되는 전극인데, 그 크기는 1m x 1m 이상으로 1㎡ 보다 큰 대면적을 가지며, 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들면, 상부 전극(220)은 단면이 가우스 곡선(Gaussian curve, 가운데 부분을 기준으로 좌우 대칭 형태의 종 모양을 하고 있는 정상분포곡선)모양을 가지는 판(plate) 형태로 구성될 수 있다. 도 3은 단면이 가우스 곡선을 가지는 판 형태의 상부 전극(220)을 나타낸 도면으로, 도 3의 (a)는 상부 전극(220)을 나타낸 사시도이고, 도 3의 (b)는 y축 방향의 단면을 -x축 방향으로 바라본 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상부 전극(220)의 단면이 가우스 곡선을 가지도록 하는 이유는 상부 전극(220)과 하부 전극(230) 사이의 전위의 불균일성으로 인한 플라즈마 밀도의 불균일성을 보상하기 위해서이다. 즉, 평편한 평판을 상부 전극으로 사용하는 경우, 상기 상부 전극의 가운데 부분에서는 플라즈마 밀도가 높은 반면, 상기 상부 전극의 가장자리에서는 플라즈마 밀도가 낮게 된다. 도 4는 이러한 실험결과를 나타내는 도면으로, 평편한 평판을 상부 전극으로 한 경우 40.68MHz의 전원을 하부 전극에 단독으로 인가한 경우의 실험결과이다. 도 4를 참조하면 평판을 상부 전극으로 한 경우 상부 전극과 하부 전극사이의 공정 공간의 가장자리에서 플라즈마 방출 세기와 이온 포화 전류가 작아지는 것을 알 수 있다.
따라서, 상부 전극(220)의 가운데 부분은 하부 전극(230)과의 갭(gap)을 크게 하고, 가장자리는 하부 전극(230)과의 갭을 상대적으로 작게 하는 형상으로 상부 전극(220)을 구성하여 전위를 조절하는 것이다.
상부 전극(220)의 형상은 다른 모양으로도 구성할 수 있는데, 도 5는 다른 실시예에 따른 상부 전극의 형상을 나타내는 사시도이다. 도 5를 참조하면, 상부 전극은 다수개의 바(bar,510)가 사다리 형태로 연결되며, 각 바(510)가 길이 방향으로 가우스 곡선 모양을 가진다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예들에서 상부 전극의 단면을 가우스 곡선을 가지도록 만드는 한 가지 예를 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 상부 전극(220)을 먼저 계단 모양으로 소정의 단차를 가지게 형성한다. 이 경우, 가장자리는 경사가 급하고 좁은 계단 모양으로 하고 가운데 부분은 경사가 완만하고 넓은 계단 모양으로 단차를 형성한다(도 6의 (a)참조). 그리고, 상기 계단 모양의 모서리 부분을 부드러운 곡선 형태로 깎아서 가우스 곡선에 가깝게 가공할 수 있다(도 6의 (b)참조). 이러한 방법에 의하면 상기 상부 전극(220)의 제조 비용을 낮출 수 있다.
이러한 가우스 곡선 형태의 단면을 가지는 상부 전극(220)은 평판 형태의 전극과는 달리 가운데 부분에서 가장자리 부분까지 보다 균일한 플라즈마를 발생하게 한다. 따라서, 이러한 상부 전극(220)을 사용하면 기판을 에칭하는 경우 균일한 두께로 에칭할 수 있다. 상기와 같은 상부 전극(220)은 알루미늄, 스테인리스 스틸로 만들 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 상부 전극의 평면도이다. 도 7을 참조하면, 상부 전극(220)은 공정 가스가 유입될 수 있는 홀(hole,710)을 다수개 구비한 샤워 헤드(shower head)형태로 구성될 수 있다. 또한, 상부 전극(220)은 공정 가스가 유입되는 슬릿(slit,720)이 소정의 간격을 두고 다수개 구비되는 형태로 구성될 수 있다. 상부 전극(220)에는 외부에서 공정 가스가 공급되는 가스 유입관(270)이 연결되며, 유입된 공정 가스는 상부 전극(220)의 홀이나 슬릿을 통해 챔버(210)내의 공정 공간으로 도입된다. 상부 전극(220)이 다수개의 바(510)가 연결된 사다리 모양으로 구비되는 경우에는 다수개의 바(510)에 상기 홀(710)을 만들어 가스를 유입할 수 있다.
이하에서는 하부 전극(230) 및 상부 전극(220)에 연결되는 다수개의 전원부에 대해 설명한다. 상기 다수개의 전원부(240,250,260)는 서로 다른 주파수를 가지는 전압을 상부 전극(220)과 하부 전극(230)에 제공하는 부분인데, 도 1에 도시된 바와 같이 연결된다. 즉, 하부 전극(230)에 초단파 범위 내의 제 1 주파수를 가지는 전압을 제공하는 제 1 전원부, 상기 제 1 주파수보다 낮은 제 2 주파수를 가지는 전압을 제공하는 제 2 전원부, 상기 제 1 주파수보다 낮고 상기 제 2 주파수보다 높은 제 3 주파수를 가지는 제 3 전원부가 연결된다.
상부 전극(220)에는 하부 전극(230)에 제공되는 제 1 전원부(240)와 주파수는 동일하나 위상이 다른 전압을 제공한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 전원부(240)가 위상변환기(243)를 통해 상부 전극(220)에 연결될 수도 있고, 별도의 전원을 추가적으로 구비하여도 무방하다. 도 8은 다른 실시예에 따라 별도의 전원을 추가적으로 구비하여 상부 전극에 전압을 제공하는 플라즈마 처리장치를 구성한 블 록도이다. 도 8에 도시된 바와 같이 제 4 전원부(810)는 상부 전극(220)에 연결되어 제 1 전원부(240)와 주파수는 동일하나 위상은 다른 전압을 제공한다. 또한, 제 1 전원부(240)와 제 4 전원부(810) 사이에는 제어부(820)가 구비되어 제 1 전원부(240)와 제 4 전원부(810) 사이의 전력을 조절할 수 있다.
제 1 전원부(240)는 주로 플라즈마의 발생에 기여하는 전원이다. 제 1 전원부(240)는 제 1 정합부(241)와 연결되어 있고, 이후 전력분배기(242)와 전기적으로 연결되며, 상부 전극(220) 및 하부 전극(230)에 전력을 제공한다. 제 1 전원부(140)는 초단파(VHF)주파수 범위(27MHz 내지 300MHz)의 전원을 제공하는 부분으로, 13.56 × n MHz(여기서, n은 2 내지 8의 자연수 중 하나)의 주파수를 가지는 전압을 제공한다. 즉, 제 1 전원부(140)는 27.12MHz, 40.68MHz, 54.24MHz, 67.8MHz, 81.36MHz, 94.92MHz, 108.48MHz 중 어느 하나의 주파수를 가질 수 있다.
이하에서는 제 1 전원부(140)가 40.68MHz(n이 3인 경우)의 주파수를 가지는 경우를 예로 들어 설명하지만, 이는 제한이 아니며 상기 다양한 주파수 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 이러한 제 1 전원부(240)는 저주파에 비해 발생하는 플라즈마 밀도가 크기 때문에, 예를 들어 에칭 공정(dry etching)에 사용될 경우 에칭 속도를 증가시켜 생산성을 향상시키는 장점이 있다.
그러나, 이러한 VHF 주파수의 전원을 단독으로 사용하는 경우, 이론적으로 상기 하부 전극(230)의 크기가 제 1 전원부(240) 파장의 1/4보다 커지게 되면 정재파(standing wave)의 문제가 발생한다. 하부 전극(230)에 정재파가 발생하면, 하부 전극(230)의 가운데 부분에서는 플라즈마 밀도가 높고 가장자리 부분에서는 낮게 된다(이를 이하에서 정재파 효과라 한다). 이러한 문제점은 상술한 상부 전극(220)의 모양을 가우스 곡선 형태로 한 것과 후술할 상부 전극(220)에 인가되는 제 1 전원부(240)의 위상을 변화한 전원(이하 편의상 위상변환전원이라 한다)에 의해 해결될 수 있다. 또한, 하부 전극(230)에 인가되는 낮은 주파수의 제 2 전원부(250) 및 제 3 전원부(260)도 상기 정재파 효과를 완화하는데 기여한다.
제 1 정합부(matcher, 241)는 제 1 전원부(240)에서 공급하는 전력에서 부하(load)인 상부 전극, 플라즈마 및 하부 전극에 최대 전력이 전달되도록 임피던스 매칭을 시켜주는 부분이다. 제 1 전원부(240)의 출력 임피던스와 상부 전극, 플라즈마 및 하부 전극에 의해 존재하는 부하 임피던스가 매칭되지 않으면 상기 부하에 전달되는 전력의 양이 최대로 되지 않아 효율이 떨어지며, 공정에 따라 요구되는 최적 플라즈마 밀도가 유지되지 않을 수 있기 때문에 이러한 정합부를 통해 임피던스 매칭을 능동적으로 해 주어야 한다.
전력분배기(power distributor, 242)는 제 1 전원부(240)에서 공급되는 전력을 나누어 일부는 상부 전극(220)으로, 나머지는 하부 전극(230)으로 제공하는 역할을 한다. 전력분배기(242)에서 하부 전극(230) 방향으로는 고역통과필터(High Pass Filter, HPF, 244)가 연결되는데, 이 고역통과필터(244)는 제 1 전원부(240)의 주파수는 잘 통과시키고, 상기 주파수보다 낮은 주파수를 차단하는 역할을 한다.
전력분배기(242)에서 상부 전극(220) 방향으로는 위상 변환기(Phase shifter, 243)가 전기적으로 연결되는데, 상기 위상 변환기(243)는 제 1 전원 부(240)에서 공급되는 초단파 전압의 위상을 변환시킨 뒤, 상부 전극(220)에 제공한다. 그 결과 상부 전극(220)과 하부 전극(230)은 공간적으로 서로 다른 위상을 가지는 전압이 제공되며, 이러한 전압의 위상차는 시간적으로도 변화될 수 있다. 다시 말해 위상 변환기(243)에 의해 상부 전극(220)은 단순히 접지되었을 때와는 달리 시간적으로 공간적으로 변화하는 전압을 가지게 된다.
상부 전극(220)에 상술한 바와 같이 제 1 전원부(240)의 위상을 변화시킨 전압, 즉 위상변환전원을 연결시키면, 상부 전극(220)의 전압과 하부 전극(230)의 전압은 공간적으로 서로 다른 위상을 가지게 되며, 이러한 위상이 시간적으로 변화하게 되어 정재파의 발생을 줄일 수 있다.
종래, 초단파 전원을 상부 전극의 일단(one end)에 제공함과 동시에 상기 상부 전극의 타 일단에 위상변환전원을 제공함으로써 상부 전극(120)에 발생하는 정재파의 공간적 위치를 고속으로 이동시키는 방법을 사용하였다. 그러나, 이러한 방식에 의해 정재파 효과를 제거하는 것은 전기적으로 안정성이 떨어지고, 하드웨어적으로 구현이 어렵다. 반면, 본 실시예와 같이 위상변환전원을 하부 전극(230)과 이격된 상부 전극(220)에 연결하는 것은 전기적으로 안정성이 높고, 하드웨어적으로 구현도 간단한 장점이 있다.
위상 변환기(243)는 예외적으로 사용하지 않을 수도 있는데, 예컨대, 제 1 전원부(240)에서 제공되는 전력이 크지 않아 상기 정재파 효과를 무시할 수 있는 경우이다. 이러한 경우에는 하드웨어적으로 구현이 편리하도록 상기 위상 변환기(243)를 사용하지 않고, 제 1 전원부(240)를 바로 상부 전극(220)에 연결할 수도 있다.
제 2 전원부(250)는 제 1 전원부에 비해 낮은 주파수를 가지는 전원을 공급하는 부분이다. 제 2 전원부(150)는 1MHz 내지 10MHz 범위의 주파수를 가지는 전원을 사용할 수 있는데, 보다 구체적으로 13.56/m MHz(여기서, m은 2 내지 6인 자연수 중 하나)의 주파수를 가질 수 있다. 즉, 제 2 전원부(150)는 6.78MHz, 4.52MHz, 3.39MHz, 2.712MHz, 2.26MHz 중 어느 하나의 주파수를 가질 수 있다.
이하에서는 제 2 전원부(150)가 3.39MHz(m이 4인 경우)의 주파수를 가지는 경우를 예로 하여 설명하지만, 이는 제한이 아니며 상기 다양한 주파수 중 어느 하나를 가질 수 있다. 상술한 바와 같이 3.39MHz는 13.56MHz의 1/4 주파수로 13.56MHz와 싱크를 맞추기 쉽다는 장점이 있다.
하부 전극(230)에 상부 전극(220)에 비해 낮은 주파수를 가지는 제 2 전원부(250)를 연결하는 이유는 플라즈마 밀도의 균일성을 향상시키는 측면과, 기판에 충돌하는 플라즈마 이온의 에너지를 조절하기 위한 측면이 있다.
먼저, 플라즈마 밀도의 균일성 향상의 측면을 살펴보면 제 2 전원부(250)처럼 낮은 주파수의 전원이 하부 전극(230)에 인가되면, 평판 형태의 하부 전극(230) 가장자리에서는 플라즈마 밀도가 높아지고 하부 전극의 가운데 부분에서는 플라즈마 밀도가 낮아지는 효과가 발생한다. 상기 효과는 하부 전극(230)에 제 1 전원부(240)와 같은 초단파 주파수 범위의 전원이 단독으로 인가되었을 때 기판의 가운데 부분에 발생하는 정재파 효과를 보상하는 역할을 하게 된다.
특히, 상기 상부 전극(220)과 상기 하부 전극(230)의 간격 즉, 공정 갭(process gap)이 크지 않을 경우 제 2 전원부(250)와 같은 저주파 전원을 하부 전극(230)에 연결하는 것은 기판에 형성되는 박막의 균일성을 개선시키는 효과가 있음을 실험적으로 확인하였다.
제 2 전원부(250)의 플라즈마 이온의 충돌에너지 조절의 측면은, 플라즈마에 고주파 전원과 저주파 전원을 같이 걸면 고주파 전원은 주로 플라즈마의 생성 즉 ,원자를 이온과 전자로 해리시키는 과정이나 재결합하는 과정에 영향을 미치고, 저주파 전원은 주로 생성된 플라즈마 이온의 충돌 에너지에 주로 영향을 준다는 사실로 설명이 가능하다. 따라서, 제 2 전원부(250)의 전력을 조절함으로써 이온의 충돌 에너지를 조절할 수 있다.
제 2 전원부(250)에도 임피던스 매칭을 시켜 최대 전력이 하부 전극(230)에 전달되게 하는 제 2 정합부(251)가 구비되며, 이 후 저역통과필터(Low Pass Filter, LPF, 252)가 연결된다. 이 저역통과필터(252)는 제 2 전원부의 주파수는 잘 통과시키되, 그보다 높은 주파수는 잘 통과시키지 않도록 구성된다. 예컨대, 제 2 전원부가 3.39MHz를 가지면 저역통과필터는 3.39MHz를 기준으로 통과여부를 결정하게끔 대역이 결정된다. 저역통과필터(252)는 하부 전극(230)을 통해 연결된 후술한 제 3 전원부(260)의 전원이 역류하는 것을 막아주는 아이솔레이터(isolator) 역할도 겸할 수 있다.
제 3 전원부(260)는 하부 전극(230)에 상기 제 1 주파수보다 낮고, 상기 제 2 주파수보다 높은 제 3 주파수를 가지는 전압을 제공하는 부분으로, 13.56MHz 주파수를 가지는 전압을 공급하는 부분이다. 제 3 전원부(260)는 기판에 형성되는 박 막의 균일성을 조절하기 위해 추가적으로 인가되는 전원인데, 제 3 전원부(260)에 의해 기판의 가운데 부분과 가장자리 부분의 사이 공간에 대한 플라즈마 밀도가 보상된다. 제 3 전원부의 주파수가 제 1 전원부의 주파수와 제 2 전원부의 주파수 사이이기 때문이다.
제 3 전원부(260)는 제 3 정합부(261), 대역통과필터(Band Pass Filter, BPF, 262)를 통과하여 하부 전극(230)에 전원을 제공한다. 상기 대역통과필터(262)는 13.56MHz의 주파수를 중심으로 소정 범위의 통과 대역을 가지며, 그 외의 범위에 대해서는 차단하는 역할을 한다. 상기 제 3 정합부(261)는 최대 전력 전달을 위하여 임피던스 매칭을 한다.
상술한 바와 같이 하부 전극(230)에 서로 다른 주파수를 가지는 다수의 전원을 인가하는 이유는 플라즈마 밀도가 높아지는 위치가 서로 다른 다수개의 전원을 연결함으로써 공간적으로 균일한 플라즈마를 발생시키기 위해서이다.
상기 다수개의 전원(240,250,260)은 전극(220,230)에 다수개의 급전점(feeding point)을 통해 전압을 제공할 수 있는데, 다수개의 급전점들은 전극(220,230)의 가운데 부분을 기준으로 대칭되는 위치에 배치된다. 이러한 다수개의 급전점을 통해 전원이 공급되는 것을 멀티 피딩(multi feeding)이라고 하며, 멀티 피딩을 통해 보다 공간적으로 균일한 플라즈마가 발생할 수 있다.
본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치는 대면적 플라즈마 처리장치 예컨대, 대면적의 LCD, PDP 및 태양전지를 대상으로 한 대면적 에칭공정(dry etcher)이나 클리닝 공정, 이온 임플랜트 공정(Ion implanter), 박막 형성공정 등에 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 예를 들어, 에칭 공정에 사용하는 경우를 설명하면, 먼저 챔버(210) 내로 기판을 반입한다. 반입된 기판은 하부 전극(230)에 안착된다. 하부 전극(230)에 구비된 ESC(ElectroStatic Chuck, 정전척, 미도시)가 온(on) 되어 정전기력에 의해 기판을 부착하면, 공정 가스가 챔버(210)내로 유입된다. 이러한 공정 가스는 상부 전극(220)에 있는 홀이나 슬릿을 통해 유입될 수도 있다.
그러면, 상부 전극(220)과 하부 전극(230)에 연결된 다수개의 전원(240,250,260)이 온(on)되면서 상부 전극(220)과 하부 전극(230) 사이의 공정 공간에 플라즈마가 생성된다. 상기 다수개의 전원(240,250,260)이 상부 전극(220)과 하부 전극(230)에 연결되어 공간적으로 균일한 플라즈마가 생성되는 것에 대해서는 이미 상술하였으므로 여기서는 생략한다.
공간적으로 균일하게 형성된 플라즈마는 상부 전극(220)과 하부 전극(230) 사이에 형성되는 전기장에 의해 기판 쪽으로 움직이며, 기판의 표면을 에칭하게 된다. 기판의 표면을 처리하는 과정이 종료되면, 공정 가스는 챔버(210) 외부로 배기되며, 정전척이 오프(off)된 후 기판은 챔버 외부로 이송된다.
이상에서 본 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 특허청구범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 단면을 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 상부 전극(220)의 모양을 나타낸 도면이다.
도 4는 평판을 상부 전극으로 하고 VHF 전원을 인가한 경우 플라즈마 방출 세기와 이온 포화 전류를 나타낸 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 상부 전극의 형상을 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 실시예들에서 상부 전극의 단면을 가우스 곡선을 가지도록 만드는 한 가지 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 상부 전극의 평면도이다.
도 8은 다른 실시예에 따라 별도의 전원을 추가적으로 구비하여 상부 전극에 전압을 제공하는 플라즈마 처리장치를 구성한 블록도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
210 : 챔버 220 : 상부 전극
230 : 하부 전극 240 : 제 1 전원부
250 : 제 2 전원부 260 : 제 3 전원부

Claims (17)

  1. 플라즈마가 발생되는 공정 공간을 형성하는 챔버;
    상기 챔버 내에 구비되는 상부 전극;
    상기 챔버 내에서 상기 상부 전극과 대향되는 위치에 구비되며, 기판을 안착하는 하부 전극;
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극에 초단파 범위 내의 제1 주파수를 가지는 전압을 제공하는 제1 전원부;
    상기 하부 전극에 상기 제 1 주파수보다 낮은 제 2 주파수를 가지는 전압을 제공하는 제 2 전원부; 및
    상기 하부 전극에 상기 제 1 주파수보다 낮고, 상기 제 2 주파수보다 높은 제 3 주파수를 가지는 전압을 제공하는 제 3 전원부를 포함하고,
    상기 제1 전원부는 전력 분배기 및 위상 변환기와 연결되어, 상기 제1 전원으로부터 공급되는 전력이 상기 전력 분배기에 의해 상기 상부 전극과 상기 하부 전극으로 분배되고, 상기 위상 변환기에 의해 상기 상부 전극과 상기 하부 전극에 서로 다른 위상을 갖는 전압이 제공되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 전극은 단면이 가우스 곡선 형태를 가지는 판 형태인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 전극은 다수개의 바(bar)가 사다리 형태로 연결된 형상이고, 상기 다수개의 바 각각은 길이 방향으로 가우스 곡선 모양을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 27MHz 내지 300MHz, 상기 제 2 주파수는 1MHz 내지 10MHz, 상기 제 3 전원부는 13.56MHz인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 13.56 × n MHz(여기서, n은 자연수이고 2≤n≤8), 상기 제 2 주파수는 13.56/m MHz(여기서, m은 자연수이고 2≤m≤6)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 3 전원부 각각과 상기 하부 전극 사이에, 각 전원부의 출력 임피던스와 상기 각 전원부에서 하부 전극 쪽을 바라본 입력 임피던스를 매칭시키는 정합부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 정합부와 상기 하부 전극 사이에, 각 전원부의 주파수를 중심으로 소정 범위 내의 주파수만을 통과시키는 필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 전극은 상기 챔버 내로 공정 가스를 유입시킬 수 있는 다수개의 홀(hole) 또는 슬릿(slit)을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  10. 챔버 내부에 공정 가스가 유입되면,
    기판이 안착되는 하부 전극에, 초단파 범위 내의 제 1 주파수를 가지는 전압, 상기 제 1 주파수보다 낮은 제 2 주파수를 가지는 전압 및 상기 제 1 주파수보다 낮고 상기 제 2 주파수보다 높은 제 3 주파수를 가지는 전압을 제공하는 동시에,
    상기 하부 전극에 대향하는 위치에 있는 상부 전극에 상기 제1 주파수를 갖는 전압을 제공하여 상기 공정 가스를 플라즈마 상태로 만들고,
    상기 상부 전극 및 상기 하부 전극으로 제공되는 상기 제1 주파수를 갖는 전압은 하나의 전원으로부터 공급되어 전력 분배기에 의해 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극으로 분배되고, 상기 전력 분배기와 전기적으로 연결된 위상 변환기에 의해 상기 상부 전극과 상기 하부 전극으로 서로 다른 위상을 갖는 전압으로 제공되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 27MHz 내지 300MHz 이고, 상기 제 2 주파수는 1MHz 내지 10MHz이며, 상기 제 3 주파수는 13.56MHz인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 13.56 × n MHz(여기서, n은 자연수이고 2≤n≤8), 상기 제 2 주파수는 13.56/m MHz(여기서, m은 자연수이고 2≤m≤6)의 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 상부 전극은 단면이 가우스 곡선을 가지는 판 형태인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 상부 전극은 다수개의 바(bar)가 사다리 형태로 연결된 형상이고, 상기 다수개의 바 각각은 길이 방향으로 가우스 곡선 모양을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
  15. 플라즈마가 발생되는 공정 공간을 형성하는 챔버;
    상기 챔버 내에 구비되는 상부 전극;
    상기 챔버 내에서 상기 상부 전극과 대향되는 위치에 구비되며, 기판을 안착하는 하부 전극;
    상기 하부 전극에 초단파 범위 내의 제 1 주파수를 가지는 전압을 제공하는 제 1 전원부;
    상기 하부 전극에 상기 제 1 주파수보다 낮은 제 2 주파수를 가지는 전압을 제공하는 제 2 전원부;
    상기 하부 전극에 상기 제 1 주파수보다 낮고, 상기 제 2 주파수보다 높은 제 3 주파수를 가지는 전압을 제공하는 제 3 전원부;
    상기 상부 전극에 상기 제 1 전원부와 동일한 주파수의 전압을 위상 변경하여 제공하는 제 4 전원부; 및
    상기 제 1 전원부와 제 4 전원부와 연결되어 전력을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  16. 소정의 균일한 두께를 가지는 평판을 가장자리 부분은 두께가 두껍고, 가운데 부분은 두께가 얇게 계단 모양으로 소정의 단차를 가지게 깎는 제 1 가공 단계; 및
    상기 제 1 가공 단계를 거친 평판에서 상기 계단 모양의 모서리 부분을 깎아 가우스 곡선 모양으로 가공하는 제 2 가공 단계를 포함하는 플라즈마 처리장치의 전극 가공방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 가공 단계는 상기 가장자리 부분은 경사가 급하고 좁은 계단 모양으로 깎고 상기 가운데 부분은 경사가 완만하고 넓은 계단 모양으로 깎는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치의 전극 가공방법.
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