KR101071246B1 - 등가전기장이 발생되는 정전척 및 이를 포함하는 플라즈마 이온 주입장치 - Google Patents

등가전기장이 발생되는 정전척 및 이를 포함하는 플라즈마 이온 주입장치 Download PDF

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Abstract

등가전기장이 발생되는 정전척 및 이를 포함하는 플라즈마 이온 주입장치가 개시된다.
등가전기장이 발생되는 정전척은 도전성 재질로 형성되어 기판이 안착되는 몸체, 상기 몸체 상에 세라믹 재질로 형성되는 제1 유전층, 및 상기 제1 유전층의 엣지부에 형성되어 상기 엣지부에서 발생되는 전기장의 세기를 강화시키는 제2 유전층을 포함함으로써, 상기 플라즈마 이온 주입장치의 크기가 소형화 되더라도 기판의 전면에 균등하게 플라즈마 이온을 주입할 수 있음에 따라 보다 고품질의 기판을 제작할 수 있는 효과가 있다.
플라즈마, 이온, 주입, 세라믹, 전기장

Description

등가전기장이 발생되는 정전척 및 이를 포함하는 플라즈마 이온 주입장치{Electrostatic chuck generating equivalent potential and plasma ion implantation apparatus including the same}
본 발명은 등가전기장이 발생되는 정전척 및 이를 포함하는 플라즈마 이온 주입장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프라즈마 이온 주입 공정 시 정적척 상에 등가전기장이 발생되도록 함으로써 기판 상에 플라즈마 이온이 균등한 양 및 깊이로 주입되도록 한 등가전기장이 발생되는 정전척 및 이를 포함하는 플라즈마 이온 주입장치에 관한 것이다.
플라즈마(plasma)란 부분적으로 이온화된 기체로서, 복수개의 양의 입자 및 음의 입자를 포함한다. 그러나 상기 기체 즉, 전체의 플라즈마는 전기적으로 중성인 성질을 나타낸다.
이러한 플라즈마를 이용하는 처리방법, 특히 플라즈마 이온 주입 기술(plasma ion implantation)은 플라즈마 내의 이온을 수 내지 수백 keV로 가속시켜 처리 대상물(이하, 기판이라 함)의 표면에 주입시키는 기술로서, 상기 플라즈마 이온의 양이나 에너지를 변화시켜 상기 플라즈마 이온의 주입 깊이, 분포, 조성 등 을 조절함으로써 대면적 기판의 표면에 균등하게 상기 플라즈마 이온을 주입할 수 있다.
이러한 플라즈마 이온 주입 기술은 주로 디스플레이 기판 및 반도체 소자 제작 시에 불순물의 도핑(doping)과정에 주로 사용되고, 금속, 세라믹, 고분자 등 다양한 소재의 표면 개질(surface modification)에도 사용된다. 여기서, 표면 개질이란 처리 대상물 표면의 특성을 변화시킴으로써 원하는 성질, 예를 들면 친수성이나 소수성을 나타내게 하는 것을 의미한다.
이와 같은 플라즈마 이온 주입 기술을 이용하는 플라즈마 이온 주입장치는 플라즈마에 기판이 함침(immersed)된 상태에서 기판에 음극을 인가하고, 기판과 플라즈마 사이에 발생하는 쉬스(sheath)로부터 양이온을 추출하여 기판에 양이온이 주입되도록 하는 장치이다.
그러나, 산업기술이 발전함에 따라 점차 기존의 디스플레이 패널보다 작은 디스플레이 패널이 요구되고 있고, 이에 따라 보다 작은 기판을 제작할 수 있는 기술이 요구되는 실정이다. 그러나 종래의 플라즈마 이온 주입장치는 정전척(ESC: Electro Static Chuck)의 엣지부에서 발생되는 전기장은 상기 정전척의 중심부에서 발생되는 전기장과 균등하지 않다. 그러므로 상기 기판이 소형화될 경우 상기 전기장으로 인하여 상기 플라즈마 이온에 균등한 에너지(equivalent potential energy)가 걸리지 않음에 따라 상기 기판 상에 균등한 양 및/또는 깊이의 플라즈마 이온이 주입되지 않게 되고 따라서 디스플레이 패널과 같은 기판의 품질이 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 정전척이 소형화되더라도 정전척 상에 등가전기장을 발생시켜 고품질의 기판을 제작할 수 있는 플라즈마 이온 주입장치의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 목적은 플라즈마 이온 주입장치의 정전척에서 발생되는 전기장이 상기 정전척의 엣지부와 중심부에서 균등하도록 보상함으로써 상기 플라즈마 이온 주입장치의 크기가 소형화 되더라도 기판의 전면에 균등한 양 및 깊이로 플라즈마 이온을 주입할 수 있는 등가전기장이 발생되는 정전척 및 이를 포함하는 플라즈마 이온 주입장치를 제공하는 것이다.
본 실시예에 따른 등가전기장이 발생되는 정전척은 도전성 재질로 형성되어 기판이 안착되는 몸체; 상기 몸체 상에 세라믹 재질로 형성되는 제1 유전층; 및 상기 제1 유전층의 엣지부에 형성되어 상기 엣지부에서 발생되는 전기장의 세기를 강화시키는 제2 유전층을 포함한다.
상기 제2 유전층은 상기 제1 유전층 보다 유전상수가 큰 세라믹 재질일 수 있다.
상기 제2 유전층은 Y2O3, La2O3, Ta2O3, TiO3, HfO2 및 ZrO2 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 제2 유전층은 상기 엣지부의 하측에 형성될 수 있다.
그리고, 본 실시예에 따른 등가전기장이 발생되는 정전척을 포함하는 플라즈 마 이온 주입장치는 챔버; 상기 챔버 일측에 구비되는 상부전극; 상기 챔버 내부에 플라즈마 이온의 발생을 위한 가스를 공급하는 가스 공급부; 및 도전성 재질로 형성되어 기판이 안착되는 몸체, 상기 몸체 상에 세라믹 재질로 형성되는 제1 유전층, 및 상기 제1 유전층의 엣지부에 형성되어 상기 엣지부에서 발생되는 전기장의 세기를 강화시키는 제2 유전층을 포함하는 정전척을 상기 챔버 내부에 구비한다.
상기 제2 유전층은 상기 제1 유전층 보다 유전상수가 큰 세라믹 재질일 수 있다.
상기 제2 유전층은 Y2O3, La2O3, Ta2O3, TiO3, HfO2 및 ZrO2 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 제2 유전층은 상기 엣지부의 하측에 형성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 등가전기장이 발생되는 정전척 및 이를 포함하는 플라즈마 이온 주입장치는 상기 정전척의 엣지부에 제2 유전층이 형성되어 기판에 주입되는 플라즈마 이온의 양 및 깊이가 상기 기판의 중심부 및 엣지부에서 균등해짐에 따라 상기 플라즈마 이온 주입장치의 크기가 소형화 되더라도 고품질의 기판을 제작할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 첨부 도면 및 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 참고로, 하기 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하였다.
도 1은 본 실시예에 따른 등가전기장이 발생되는 정전척을 포함하는 플라즈마 이온 주입장치의 사시도이다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 축전 결합형 플라즈마(CCP: Capacitively Coupled Plasma) 방식의 플라즈마 이온 주입장치를 도시하였으나, 본 실시예는 상기 CCP 방식 외에 유도 결합형 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma) 방식, MEICP(Magnetic Enhanced ICP) 방식, low or high frequency ICP 방식, multiple ICP 방식, helicon plasma 방식, ECR plasma 방식, SWP(Surface Wave Plasma) 방식, MERIE(Magnetic Enhanced RIE) 방식, dual frequency RIE 방식 등 다양한 형태의 플라즈마 이온 주입장치에도 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 처리장치는 챔버(100), RF 발생부(110), 상부전극(120), 공정가스 공급부(130), 냉각가스 공급부(140), 냉각플레이트(150), 냉각액 공급부(160), 펄스 발생부(170), 전원부(180) 및 정전척(200)을 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입장치는 내부가 진공으로 형성된 챔버(100)를 구비한다. 챔버(100) 상부 외측에는 복수개의 RF 안테나를 포함하는 RF 발생부(110)가 구비되고, 챔버(100)의 상부 내측에는 RF 발생부(110)와 연결되는 상부전극(120)이 구비된다.
그리고 챔버(100)의 일측에는 챔버(100) 내부로 플라즈마(P)의 발생을 위한 공정가스를 공급하는 공정가스 공급부(130) 및 상기 정전척(200)으로 냉각가스를 공급하는 냉각가스 공급부(140)가 구비된다. 상기 공정가스를 통하여 챔버(100) 내부에서 형성된 플라즈마(P)는 상부전극(120)과 정전척(200) 사이에 위치하게 된다.
챔버(100) 내부 하측에는 본 실시예에 따른 등가전기장이 발생되는 정전척(200)이 구비되고, 상기 정전척(200)의 상측에는 기판(S)이 안착된다. 여기서 상기 기판(S)은 실리콘(Si), 게르마늄 또는 그것의 조합과 같은 임의의 반도체 물질일 수 있다.
상기 정전척(200)은 기판(S)을 정전력으로 클램핑하는 것으로서, 상부전극(120)과 소정간격 이격시켜 상기 상부전극(120)과 정전척(200) 사이에 형성된 플라즈마(P)의 이온이 상기 기판(S) 상에 주입될 수 있도록 한다.
상기 정전척(200)은 플래튼(platen) 등으로 호명될 수 있는데, 하부전극(스테이지) 상에 구비될 수 있다. 이하 상기 정전척(200)의 상세한 설명은 후술되는 도 2 내지 도 3에서 설명할 때 하기로 한다.
한편 상기 정전척(200)의 하측에는 정전척의 냉각을 위하여 냉매관이 내설된 냉각플레이트(150)가 구비될 수 있고, 상기 냉각플레이트(150)로 탈이온수(deionized water)와 같은 냉각액을 공급하는 냉각액 공급부(160)가 구비될 수 있다.
그리고 정전척(200)에는 DC 펄스(direct current pulse)를 제공하기 위한 펄스 발생부(170) 및 고전압의 직류를 제공하는 전원부(180)가 연결될 수 있다.
상기 전원부(180)에서 발생한 바이어스(bias)가 정전척(200)으로 인가되면, 상기 정전척(200)의 상측에는 전기장이 형성되어 플라즈마(P)의 이온을 기판(S)으 로 끌어당기게 된다. 이때 바이어스의 세기는 조절이 가능하며, 바이어스의 세기를 크게 하면 정전척(200)에서 발생되는 전기장의 세기 또한 증가하게 되고, 이는 플라즈마 이온에 작용되는 인력을 증가시킴에 따라 플라즈마 양이온의 운동에너지(potential energy)를 증가시킨다. 이를 이용하면 기판(S)에 주입되는 플라즈마 이온의 양을 조절할 수 있다. 이를 위하여 정전척(200)은 알루미늄과 같은 도전성 금속 재질로 형성될 수 있다.
여기서 상기 바이어스는 직류전압(DC), 구형파(Square Wave) 또는 사인파(Sine Wave) 등 임의의 전압일 수 있다.
기판(S)이 외부에서 반입되어 정전척(200) 상으로 안착되면, RF 발생부(110)는 상부전극(120)으로 RF 전력을 공급하고, 공정가스 공급부(130)는 공정가스를 공급하여 상부전극(120)과 정전척(200) 사이에 플라즈마(P)가 형성되도록 한다. 이때 전원 공급부(180)에서 정전척(200)으로 바이어스가 인가되면 상기 정전척(200)에는 전기장이 발생되고, 상기 전기장에 의하여 발생한 인력에 의하여 플라즈마 이온이 가속되어 기판(S)에 충돌함에 따라 상기 기판(S)에 플라즈마 이온이 주입되는 것이다.
한편, 본 실시예에 따른 정전척(200)은 플라즈마 이온 주입장치 외에 다른 기판처리장치인 E-beam 처리장치 등과 같은 장치들과 그 외에 다른 반도체 및 디스플레이 제조장치에서도 실시될 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 3을 참조하여 본 실시예에 따른 등가전기장이 발생되는 정전척(200)을 보다 상세히 설명한다.
도 2a는 종래기술에 따른 정전척을 나타내는 사시도이고, 도 2b는 본 실시예에 따른 등가전기장이 발생되는 정전척을 나타내는 사시도이며, 도 3a, 3b 및 3c는 본 실시예에 따른 등가전기장이 발생되는 정전척을 나타내는 사시도이다.
본 실시예에 따른 정전척(200)은 몸체(210), 제1 유전층(220) 및 제2 유전층(230)을 포함한다.
먼저 도 2a를 살펴보면 정전척(200)은 금속과 같은 도전성 재질로 형성되는 상기 몸체(210) 및 세라믹 재질로 형성되는 제1 유전층(220)을 포함한다.
상기 정전척(200)에 음의 바이어스가 인가되면, 제1 유전층(200)의 세라믹 재질에는 유전분극이 발생됨에 따라 도시된 바와 같은 전기장(E)이 전정척(200) 상에 발생된다. 그러나 이와 같은 형상으로 전기장(E)이 발생되게 되면 정전척의 중심부에서 발생되는 인력과 엣지부에서 발생되는 인력은 서로 상이한 크기를 가지게 된다. 따라서, 상기 정전척의 전면에 걸쳐서 기판이 안착될 경우, 기판의 엣지부와 중심부는 주입되는 플라즈마 이온(P)의 양(dose level) 및 깊이(doping depth) 또한 서로 상이하게 되고 따라서 고품질의 기판을 제작하기 어렵다.
그러므로 제1 유전층의 엣지부 및 중심부에서 균등한 인력이 발생되도록 하기 위하여, 도 2b에 도시된 바와 같이 제2 유전층(230)이 제1 유전층(220)의 엣지부에 형성될 수 있다.
기판(S)에 주입되는 플라즈마 이온(P)의 양 및 깊이는 분극율에 의해 조절되는데, 상기 분극율은 세라믹 재질의 유전율에 따라 변경된다.
따라서 세라믹 재질의 유전상수가 높을수록 정전척에 바이어스를 인가하였을 때 상기 정전척에서 보다 센 전기장이 발생하므로, 이를 이용하여 제1 유전층의 엣지부에서 발생되는 전기장을 보상하여 제1 유전층의 중심부에서 발생되는 전기장과 균등한 전기장을 발생하도록 함으로써, 정전척(200)에서 등가전기장이 발생되도록 할 수 있다.
그러므로, 제2 유전층(230)을 유선상수가 큰 세라믹 재질로 형성하여 상기 엣지부에서 발생되는 전기장의 세기를 강화시킴으로써 정전척 상에 등가전기장이 발생되도록 하면, 기판에 주입되는 플라즈마 이온의 양 및 깊이를 균일하게 할 수 있다.
표 1은 각 세라믹 재질의 유전 상수를 나타낸다.
세라믹 재질 SiO2 Si3N4 Al2O3 Y2O3 La2O3 Ta2O3 TiO2 HfO2 ZrO2
유전상수 3.9 7 9 15 30 26 80 25 25
일 예로 제1 유전층(220)은 Al2O3 또는 Y2O3의 세라믹 재질로 형성될 수 있다. 제1 유전층(220)으로서 Al2O3 또는 Y2O3의 세라믹 재질을 사용할 경우, 상기 세라믹 재질의 유전 상수가 9 또는 15이므로, 엣지부에서 보다 센 전기장을 발생시키기 위하여 Y2O3, La2O3, Ta2O3, TiO3, HfO2 및 ZrO2 중 어느 하나를 상기 제2 유전층의 세라믹 재질로 사용할 수 있다.
이와 같은 경우 도 2b에 도시된 바와 같이 정전척의 상측에 등가전기장(E)을 발생시킬 수 있다.
한편 상기 제2 유전층(230)은 도 3에 도시된 바와 같이 제1 유전층(220)의엣지부의 상측, 내측 및 하측 중 어느 하나의 위치에 형성될 수 있다.
그러나, 보다 효율적으로 등가전기장을 발생시키기 위하여 상기 제2 유전층은 도 3c와 같이 상기 제1 유전층의 엣지부 중 하측에 구비될 수 있다.
이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.
도 1은 본 실시예에 따른 등가전기장이 발생되는 정전척을 포함하는 플라즈마 이온 주입장치의 사시도이다.
도 2a는 종래기술에 따른 정전척을 나타내는 사시도이고, 도 2b는 본 실시예에 따른 등가전기장이 발생되는 정전척을 나타내는 사시도이다.
도 3a, 3b 및 3c는 본 실시예에 따른 등가전기장이 발생되는 정전척을 나타내는 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 챔버 110: RF 발생부
120: 상부전극 130: 공정가스 공급부
140: 냉각가스 공급부 150: 냉각플레이트
160: 냉각액 공급부 170: 펄스 발생부
180: 전원부 200: 정전척
210: 몸체 220: 제1 유전층
230: 제2 유전층

Claims (8)

  1. 도전성 재질로 이루어지는 몸체;
    세라믹 재질로 이루어지고 상기 몸체의 상부에 형성되어 상부에 기판이 지지되는 제1 유전층;및
    상기 제1 유전층보다 유전상수가 큰 세라믹 재질로 이루어지고 상기 제1 유전층의 엣지부에서 상기 몸체와 상기 제1 유전층의 사이에 형성되어 상기 엣지부에서 발생되는 전기장의 세기를 강화시켜 상기 제1 유전층 상에 등가전기장이 형성되도록 하는 제2 유전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전척.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제2 유전층은
    Y2O3, La2O3, Ta2O3, TiO3, HfO2 및 ZrO2 중 어느 하나로 형성되는 정전척.
  4. 삭제
  5. 챔버;
    상기 챔버의 상부에 배치되는 상부전극;
    상기 챔버 내부에 플라즈마 이온의 발생을 위한 가스를 공급하는 가스 공급부;및
    상기 챔버의 내부에서 기판을 지지하는 정전척을 포함하되,
    상기 정전척은
    도전성 재질로 이루어지는 몸체;
    세라믹 재질로 이루어지며, 상기 몸체의 상부에 형성되어 상부에 상기 기판이 지지되는 제1 유전층;및
    상기 제1 유전층보다 유전상수가 큰 세라믹 재질로 이루어지고 상기 제1 유전층의 엣지부에서 상기 몸체와 상기 제1 유전층의 사이에 형성되어 상기 엣지부에서 발생되는 전기장의 세기를 강화시켜 상기 제1 유전층 상에 등가전기장이 형성되도록 하는 제2 유전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입장치.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서, 상기 제2 유전층은
    Y2O3, La2O3, Ta2O3, TiO3, HfO2 및 ZrO2 중 어느 하나로 형성되는 플라즈마 이온 주입장치.
  8. 삭제
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