KR101124167B1 - 플라즈마 처리용 기판 홀더 및 이를 적용한 플라즈마 장치 - Google Patents

Abstract

플라즈마 처리 장치에 관하여 기술된다. 개시된 플라즈마 처리 장치는 기판 전체적으로 플라즈마 영역과 기판 사이의 쉬스(sheath)의 왜곡을 감소시키는 구조를 갖추며 이로써 기판에 대한 고른 에칭을 유도한다. 기판 상방에서의 쉬스의 왜곡은 기판 주위에 주로 발생하며 이는 주로 기판의 표면 주위의 비평면적 표면형상(지형) 구조(geographic profile)에 의해 발생한다. 개시된 플라즈마 처리 장치는 기판의 표면과 기판을 고정하는 홀딩 부재의 표면이 실질적으로 동일한 평면상에 위치한다.

Description

플라즈마 처리용 기판 홀더 및 이를 적용한 플라즈마 장치{a holder of substrate for plasma treatment and plasma apparatus adopting the same}

플라즈마 처리용 기판 홀더 및 이를 적용한 플라즈마 장치에 관련하여 기술된다.

플라즈마 장치는 전자 제품의 제조에 있어 다양하게 응용된다. 특히 디스플레이나 반도체 소자 등의 제조에 있어 건식 식각 장치로 널리 이용된다.

이러한 플라즈마 장치는 기판이 로딩된 챔버 내에 플라즈마를 발생시킴으로써 기판에 대한 다양한 형태의 식각을 행한다. 일반적으로 챔버의 하부 측에 처킹장치가 마련되어 여기에 기판이 장착되며 그 상방에서 플라즈마가 형성된다. 플라즈마 영역의 주위에는 쉬스(sheath)가 존재하게 되는데, 이 영역은 잘 알려진 바와 같이 전자가 고갈되어 전자에 의한 이온화가 거의 발생하지 않는 영역으로서 암부에 해당한다. 플라즈마 영역과 기판 사이에 존재하는 쉬스는 기판 및 기판을 고정하는 처킹 장치들에 의해 비평면적 표면 형상 구조, 즉 기판 및 이를 고정하는 척킹 장치 표면들에 의해 형성되는 지오그래픽 프로파일(geographic profile)에 영향을 받아 왜곡되게 된다. 쉬스의 왜곡은 결과적으로 기판에 대한 플라즈마 이온의 공급의 불균일을 의미하며, 따라서 기판에 대한 부분별 에칭 상태가 다르게 나타난다.

본 발명에 따르면, 기판 위에서의 쉬스 왜곡을 감소시켜 양호한 기판의 처리가 가능한 기판 홀더 및 이를 적용한 플라즈마 장치가 제공된다.

본 발명의 한 유형에 따른 기판 홀더는:

플라즈마 처리 대상인 기판이 삽입되는 안착 홈을 다수 가지는 베이스; 그리고

상기 기판을 베이스에 대해 고정하는 것으로 상기 안착 홈에 대응하는 윈도우를 다수 가지는 기판 홀딩 부재:를 구비하며,

상기 기판 홀딩 부재의 표면은 상기 안착홈에 위치하는 기판의 표면에 실질적으로 동일한 평면 상에 위치하는 구조를 가진다.

본 발명의 다른 유형에 따른 플라즈마 장치는

기판을 베이스에 대해 고정하는 기판 홀딩 부재의 표면이, 기판 베이스에 마련된 안착홈에 위치하는 기판의 표면과 실질적으로 동일한 평면 상에 위치하는 구조를 가지는 기판 홀더와;

상기 기판 홀더가 장착되는 테이블과;

상기 기판 홀더 및 테이블을 수용하는 플라즈마 챔버를 구비한다.

한 실시 예에 따르면, 상기 베이스에는 안착홈의 둘레에 상기 윈도우 내로 진입하는 소정 높이의 벽체가 마련된다.

다른 실시 예에 따르면, 상기 벽체의 표면은 상기 기판과 홀딩 부재의 표면과 실질적으로 동일한 평면상에 위치한다.

또 다른 실시 예에 따르면, 상기 윈도우의 둘레를 따라서 상기 기판을 상기 안착홈에 고정하는 핑거가 소정 각도 간격으로 배치되어 있다.

또 다른 실시 예에 따르면, 상기 핑거는 상기 윈도우의 가장자리를 따라서 상기 홀딩 부재의 표면에 형성된다.

또 다른 실시 예에 따르면,

상기 베이스의 표면에 소정 높이의 기둥형 보스가 다수 마련되어 있고, 상기 홀딩 부재의 저면에는 상기 기둥형 보스에 대응하는 보스 결합부가 마련되어 있고, 그리고 상기 베이스와 홀딩 부재는 상기 보스 결합부를 관통하여 상기 기둥형 보스에 체결되는 볼트에 의해 상호 고정된다.

실시 예들에 의한 처킹 장치는 플라즈마 이온의 공급의 균일도에 연관되는 쉬스의 왜곡을 감소하며, 따라서 기판에 대한 플라즈마 처리, 예를 들어 플라즈마 에칭 상태가 고르게 나타날 수 있다. 이러한 고른 에칭에 의해 사용될 수 없는 기판의 가장자리의 실효 영역(失效領域)의 크기를 감소시킴으로써 기판의 유효면적(有效面積)을 증대한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 기판 홀더의 개략적 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 기판 홀더의 개략적 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 기판 홀더의 부분확대도로서 기판 안착부와 윈도우의 관계를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 기판 홀더에 기판이 장착된 상태를 보이는 개략적 부분 단면도이다.
도 6은 기판 홀더 부분에서 핑거에 의한 기판의 고정 상태를 보이는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기판 홀더의 분해사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 기판 홀더가 결합상태에서의 기판 홀더의 구성 요소이베이스 홀딩 부재를 상호 고정하는 부분의 단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명에 따른 다양한 실시 예들에 대해 설명한다.

도 1은 플라즈마 처리장치의 구조를 개략적으로 도시한다. 도 1는 플라즈마 처리 장치의 일례로서 플라즈마 에칭 장치를 예시하며, 공지의 구성 요소 등은 생략하고 주요 요소들에 의한 얼개만 도시한다. 본 발명의 기술적 범위는 공지의 요소들에 의해 제한되지 않는다. 그리고 실시 예의 설명되는 기판은 플라즈마에 피처리 대상으로서 그 재질이나 형상에 국한되지 않는다. 피처리 대상으로서는 대표적으로 반도체, 사파이어 또는 유리등으로 된 웨이퍼 또는 기판이며, 플라즈마 처리는 웨이퍼 또는 기판 그 자체에 대해 수행될 수 있고, 또한 웨이퍼 또는 기판 위에 형성되는 적층에 대해 수행될 수 있다. 이하의 설명에서는 다양한 재료 및/또는 형상의 피처리 대상을 기판이라 통칭한다.

도 1을 참조하면, 플라즈마 챔버(12)는 바닥(11a)과 천정(11b), 벽체(11c)등을 포함하는 하우징(11, 또는 콘테이너)에 의해 마련된다. 플라즈마 챔버(12, 이하 챔버) 내부 하방에 일반적으로 척(chuck)이라 호칭되는 테이블(14)이 마련되고 그 위에 기판 홀더(13)가 마련된다. 기판 홀더(13)에는 피처리 대상인 다수의 기판들이 장착되어 있다. 상기 기판 홀더(13)는, 별도의 클램핑 부품(clamping parts)등의 고정 요소(15)에 의해, 테이블(14) 상에 밀착 고정된다. 테이블(14)에는 일반적으로 바이어스용 제 1 RF 전원(19a)에 연결되며, 잘 알려진 바와 같이 그 내부에 액체 및 기체 쿨런트(coolant, 18)가 공급된다. 액체 쿨런트(18a)는 일반적으로는 테이블(14)의 하부로부터 공급되어 테이블(14) 내부를 순환한 후 배출된다. 기체 쿨런트(18b)는 주로 He이며, 이는 기판 홀더(13) 내부에 까지 공급되어 기판과 홀더 간의 열 교환을 돕는다. 한편, 천정(11b)위에는 제 2 RF 전원(19b)에 연결되는 스파이럴 형 고주파 안테나(16)가 배치된다. 안테나는 강한 자기장에 의해 챔버 내에 ICP(Inductively coupled plasma)를 유도한다.

테이블(14)의 상방의 천정(11b) 가까이에는 Ar 등의 소스 가스를 챔버(12) 내로 공급하는 디스트리뷰터(17)가 마련되어 있다. 지금까지의 설명은 본 발명에 따른 기판 홀더를 이용하는 플라즈마 처리 장치의 대략을 설명한 것이다.

이하, 도 2를 참조하면서 본 발명의 한 실시 예에 따른 기판 홀더(13)에 대해 설명한다.

기판 홀더(13)는 베이스(13a)와 홀딩 부재(13b)를 구비한다. 베이스(13a)에는 기판(10)이 삽입되는 안착 홈(131)이 다수 마련되며, 홀딩 부재(13b)는 상기 안착 홈(131) 내에 기판(10)을 고정하는 것으로 처리대상 표면인 기판(10)의 표면을 노출시키는 윈도우(132)를 갖춘다. 상기 윈도우(132)의 둘레에는 상기 안착 홈(131)에 장착될 기판을 가압하는 복수의 핑거(132a)가 마련된다. 이때에 윈도우(132)의 직경은 기판(10)보다 크며 이를 둘러싸는 원통형 벽체(131a)가 끼워질 수 있는 정도의 직경을 가진다. 이들 핑거(132a)들은, 이들 선단부들이 통과하는 임의의 원의 직경은 기판(10)의 직경보다 작도록 설계되고 배치된다. 따라서 핑거(132a)들은 기판(10)의 가장자리 이 부분을 적정 각도 간격으로 가압한다.

한편, 상기 홀딩 부재(13b)에는 베이스(13a)에 홀딩부재(13b)를 고정하기 위한 나사 삽입공(133)이 마련되어 있다. 도 3을 참조하면, 베이스(13a)와 홀딩 부재(13b)를 체결부품, 예를 들어 윗면이 편평한 접시머리 볼트(136, 또는 나사)에 의해 상호 고정된다. 베이스(13a)에는 전술한 바와 같이 우물형태의 기판 안착 홈(131)이 다수 마련되어 있다. 그리고 안착 홈(131)들 각각의 둘레에 일정 높이 및 폭을 가지는 원통형 벽체(131a)가 형성되어 있고, 그 바깥 영역은 소정 깊이 제거되어, 상기 기판 홀딩 부재(13b)의 저면이 접촉하는 베이스 표면(135)이 마련된다.

안착 홈(131)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 벽체(131a)를 포함하는 나직한 기둥의 정상면 중앙에 기판(10)을 수용할 수 있는 정도의 직경과 깊이로 형성된 것이며, 여기에는 공지 요소로서, 안착홈(131)의 바닥에 형성되는 쿨런트 도입구(미도시)를 통해 유입된 쿨런트가 기판 둘레로 유출되는 것을 억제하는 링형 가스켓(138)이 마련되어 있다. 여기에서 안착 홈(131)의 깊이는 기판(10)의 두께와 일치할 수 있다. 안착 홈(131)을 에워싸는 원통형 벽체(131a)의 바깥 쪽의 영역은 벽체(131a)의 상면을 제공하는 원래의 판재의 표면부분을 소정 깊이 제거한 베이스 상면(135)이다. 이 부분은 도 4에 도시된 바와 같이, 기판 홀딩 부재(13b)의 저면이 접촉한다.

본 발명의 특징에 따라, 안착 홈(131)에 장착된 기판(10)에 표면 처리 조건, 예를 들어 에칭 조건을 최대한으로 균일화 하기 위하여 기판(10) 상방에서의 쉬스의 왜곡을 불러오는 기판(10)의 표면과 홀딩 부재(13b) 표면 간의 높이 차를 제거한다. 따라서, 기판(10)의 주위에서 핑거(132a) 근방의 제한된 영역에서만 쉬스의 왜곡이 일어나며, 핑거(132a)가 없는 영역에서는 기판(10)과 홀딩부재(13b)가 같은 높이의 표면, 즉 실질적으로 동일한 임의 표면에 위치하므로 표면 왜곡에 의한 쉬스의 왜곡이 발생하지 않는다. 이때에 더욱 바람직한 실시 예로서, 전술한 바와 같이 상기 상기 벽체(131a)의 상면이 기판(10)의 표면에 일치되도록, 즉 상기 기판(10)과 홀딩부재(13b) 및 이들 사이의 벽체(131a)의 표면들이 즉 실질적으로 동일한 임의 표면에 위치할 수 있다.기판(10) 가장자리 몇 개소의 일부 영역만 가압하는 핑거(132a)를 제외한 영역에서는 기판(10)의 표면을 기준으로 이로부터 돌출되는 요소를 제거함으로써, 기판(10) 상방에서 형성되는 쉬스가 전반적으로 평탄하게 형성, 달리 표현하면 쉬스의 두께가 일정하게 형성될 수 있도록 한다. 상기 판상 홀딩 부재(13b)는 기판(10)을 안정되게 고정할 수 있도록 일정 수준 이상의 기계적인 강도을 가져야 한다. 이를 위하여 판상 홀딩 부재(13b)는 최대한 두꺼운 두께를 가지도록 설계한다. 이때에 원통형 벽체(131a) 및 이 안쪽의 안착홈(131)이 윈도우(132)에 끼워진 상태에서 상기 홀딩 부재(13b)의 저면이 베이스 상면(135)에 밀착되게 한다.

상기 베이스 상면(135)은 기판이 장착되는 안착홈(131) 및 이를 에워싸는 벽체(131a) 주위 부분을 적절한 깊이로 일정하게 제거함으로써 마련될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따라 돌출 요소를 최소화하여 기판(10)의 표면과 홀딩 부재(13b)의 표면이 임의의 평면에 공히 위치하도록 된 기판 홀더(13)의 개략적 단면 구조를 보이며, 도 6은 그 평면도이다. 도 5, 6을 참조하면, 기판(10)이 삽입되는 안착홈(131)의 바닥에 홈(132b)가 형성되어 있고 여기에 상기한 가스켓(138)이 삽입되어 있다. 그리고 기판(10)을 안착홈(131)에 고정시키는 홀딩 부재(13b)의 표면 위의 영역이 전체적으로 평탄하다. 이러한 구조는 종래 기판 홀더("기판 트레이" 라고도 불리움)에 대비된다, 즉, 종래에는 홀딩 부재의 표면과 기판의 표면이 일치하지 않아서 이들의 사이에는 기판(10) 둘레를 따라서 쉬스의 왜곡을 불러오는 단차가 존재하였다. 그러나, 본 발명에 따르면, 도 5, 6에 도시된 바와 같이 핑거(132)가 형성된 부분을 제외하고 홀딩 부재(13b), 기판(10), 벽체(131a)의 표면이 일치하여 이들 사이에는 쉬스의 왜곡을 초래하는 단차가 존재하지 않는다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라, 홀딩 부재(13b)를 베이스(13a)에 고정하는 부품 역시 홀딩 부재의 표면으로부터 돌출되지 않게 접시머리 볼트(136)를 적용하고, 나사 삽입공(133) 위 부분에 볼트의 머리(136a)에 대응하는 접시형 확개부(133a)가 마련되어 있다. 안착홈(131)에 장착된 기판(10)의 상면 가장자리는 윈도우(132) 가장자리 부분(132a)에 의해 눌려져 있다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 것으로, 베이스(13a)와 홀딩 부재(13b)간의 회전 오프셋을 최대한 억제하여 베이스(13a)와 홀딩 부재(13b)를 정밀하게 결합하고, 또한 이들을 기계적으로 견고하게 고정할 수 있는 결합구조를 보이는 분리 사시도이다. 도 7에서 위 부분은 홀딩 부재(13b)의 저면을 보이며, 그 아래 부분은 베이스(13a)의 상면을 보인다.

도 7에 도시된 바와 같이, 베이스(13a)에 나사 체결공(135a)을 갖는 기둥형 보스(135b)가 다수 형성되어 있고, 이에 대응하는 홀딩 부재(13b)의 저면에 상기 원기둥형 보스(135b)가 끼워 지는 원통형 보스 결합부(133a)가 마련되어 있다. 이 보스 결합부(133a)는 나사 삽입공(133)의 하부에 연속하여 형성된다. 상기 보스 결합부(133a)와 원기둥형 보스(135b)의 결합은 베이스(13a)와 홀딩 부재(13b)간의 정확한 결합 및 기계적으로 안정된 결합을 돕는다.

도 8은 도 7에 도시된 베이스(13a)와 홀딩 부재(13b)가 결합되었을 때, 상기 보스 결합부(133a)와 원기둥형 보스(133b)의 결합 및 이들에 대한 접시 머리 볼트(136)의 체결 상태를 보인다.

한편, 전술한 실시 예들에서 상기 베이스(13a)의 표면(135)과 홀딩 부재(13b)의 저면의 형상은 전술한 바와 같이 평탄한 형태를 가질 수 있으나, 다양한 형태로의 변형이 가능한다. 즉, 베이스 표면(135)과 홀딩 부재(13b)의 저면은 상호 접촉되며, 그라나 이들 접촉면이 비평탄한 3차원적인 형태를 가지되 이들이 상보적인 결합구조, 즉 상기 베이스 표면(135)과 홀딩 부재(13b)의 저면이 상호 끼워져 맞추어 지는 암수자웅하는 형태로 가공될 수 있다.

이러한 실시 예에 따른 기판 홀더는 전술한 바와 같은 플라즈마 에칭 장치외의 다양한 플라즈마 처리장치에 적용이 가능할 것이다. 따라서, 이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

1. 플라즈마 처리 대상인 기판이 삽입되는 안착 홈을 다수 가지는 베이스; 그리고
   상기 기판을 베이스에 대해 고정하는 것으로 상기 안착 홈에 대응하는 윈도우를 다수 가지는 기판 홀딩 부재:를 구비하며,
   상기 안착홈은, 상기 안착홈에 위치하는 기판의 표면이 상기 기판 홀딩 부재의 표면과 실질적으로 동일한 평면 상에 위치하도록 하는 깊이를 가지며,
   상기 베이스에는 안착홈의 둘레에 상기 윈도우 내로 진입하는 소정 높이의 벽체가 마련되어 있는 기판 홀더.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 벽체의 표면은 상기 기판과 홀딩 부재의 표면과 실질적으로 동일한 평면상에 위치하는 것을 특징으로 하는 기판 홀더.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 윈도우의 둘레를 따라서 상기 기판을 상기 안착홈에 고정하는 핑거가 소정 각도 간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 홀더.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 핑거는 상기 윈도우의 가장자리를 따라서 상기 홀딩 부재의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 기판 홀더.
6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 베이스의 표면에 소정 높이의 기둥형 보스가 다수 마련되어 있고,
   상기 홀딩 부재의 저면에는 상기 기둥형 보스에 대응하는 보스 결합부가 마련되어 있고,
   상기 베이스와 홀딩 부재는 상기 보스 결합부를 관통하여 상기 기둥형 보스에 체결되는 볼트에 의해 상호 고정되는 것을 특징으로 하는 기판 홀더.
7. 제 1 항 기재된 기판 홀더와;
   상기 기판 홀더가 장착되는 테이블과;
   상기 기판 홀더 및 테이블을 수용하는 플라즈마 챔버를 구비하는 플라즈마 처리 장치.
8. 삭제
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 벽체의 표면은 상기 기판과 홀딩 부재의 표면과 실질적으로 동일한 평면상에 위치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
10. 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 윈도우의 둘레를 따라서 상기 기판을 상기 안착 홈에 고정하는 핑거가 소정 각도 간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 핑거는 상기 윈도우의 가장자리를 따라서 상기 홀딩 부재의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
12. 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 베이스의 표면에 소정 높이의 기둥형 보스가 다수 마련되어 있고,
    상기 홀딩 부재의 저면에는 상기 기둥형 보스에 대응하는 보스 결합부가 마련되어 있고,
    상기 베이스와 홀딩 부재는 상기 보스 결합부를 관통하여 상기 기둥형 보스에 체결되는 볼트에 의해 상호 고정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.

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