KR101161200B1 - 플라즈마 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 처리 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 제1 플라즈마 방전 공간을 갖는 제1 플라즈마 챔버; 상기 제1 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 방전 공간으로 제1차 활성화 에너지를 공급하는 제1 플라즈마 소스; 제2 플라즈마 방전 공간을 갖는 제2 플라즈마 챔버; 상기 제1 플라즈마 챔버와 상기 제2 플라즈마 챔버를 연결하여 상기 제1 플라즈마 챔버에서 제1차 활성된 가스가 상기 제2 플라즈마 챔버로 공급되게 하는 어댑터; 상기 제2 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 방전 공간으로 유입된 제1차 활성된 가스로 제2차 활성화 에너지를 공급하는 제2 플라즈마 소스를 포함한다. 본 발명의 플라즈마 처리 장치 및 방법에 의하면 높은 밀도와 균일성을 갖는 플라즈마를 공급할수 있어 피처리 기판을 효율적으로 처리할 수 있다. 또한 이중으로 플라즈마를 발생시키기 때문에 한번에 방전되지 못한 방전 가스를 완전하게 방전시키며 유지할 수 있어 플라즈마 방전 효율을 더욱 높일 수 있다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 방법{PLASMA PROCESSING DEVICE AND METHOD}
본 발명은 플라즈마 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중으로 활성화된 플라즈마 가스를 이용하여 피처리 기판의 균일하게 처리하기 위한 플라즈마 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
플라즈마는 같은 수의 양이온(positive ions)과 전자(electrons)를 포함하는 고도로 이온화된 가스이다. 플라즈마 방전은 이온, 자유 래디컬, 원자, 분자를 포함하는 활성 가스를 발생하기 위한 가스 여기에 사용되고 있다. 활성 가스는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며 집적 회로 장치, 액정 디스플레이, 태양 전지등과 같은 장치를 제조하기 위한 여러 반도체 제조 공정 예를 들어, 식각(etching), 증착(deposition), 세정(cleaning), 에싱(ashing) 등에 다양하게 사용된다.
플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 소스는 여러 가지가 있는데 무선 주파수(radio frequency)를 사용한 용량 결합 플라즈마(capacitive coupled plasma)와 유도 결합 플라즈마(inductive coupled plasma)가 그 대표적인 예이다. 용량 결합 플라즈마 소스는 정확한 용량 결합 조절과 이온 조절 능력이 높아서 타 플라즈마 소스에 비하여 공정 생산력이 높다는 장점을 갖는다. 그러나 대형화되는 피처리 기판을 처리하기 위하여 용량 결합 전극을 대형화하는 경우 전극의 열화에 의해 전극에 변형이 발생되거나 손상될 수 있다. 이러한 경우 전계 강도가 불균일하게 되어 플라즈마 밀도가 불균일하게 될 수 있으며 반응기 내부를 오염시킬 수 있다. 유도 결합 플라즈마 소스의 경우에도 유도 코일 안테나의 면적을 크게 하는 경우 마찬가지로 플라즈마 밀도를 균일하게 얻기가 어렵다. 또한 대형의 피처리 기판을 한번에 고온으로 히팅하는 경우 기판 표면이 뭉치거나 오그라들어 손상이 발생할 수 있고, 불균일한 플라즈마 밀도로 인해 피처리 기판 전면이 균일하게 처리되기 어렵다.
최근 반도체 제조 산업에서는 반도체 소자의 초미세화, 반도체 회로를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판이나 유리 기판 또는 플라스틱 기판과 같은 피처리 기판의 대형화 그리고 새로운 처리 대상 물질의 개발되고 있는 등과 같은 여러 요인으로 인하여 더욱 향상된 플라즈마 처리 기술이 요구되고 있다. 특히, 대면적의 피처리 기판에 대한 우수한 처리 능력을 갖는 향상된 플라즈마 소스 및 플라즈마 처리 기술이 요구되고 있다. 더욱이 레이저를 이용한 다양한 반도체 제조 장치가 제공되고 있다. 레이저를 이용하는 반도체 제조 공정은 피처리 기판에 대한 증착, 식각, 어닐닝, 세정 등과 같은 다양한 공정에 넓게 적용되고 있다. 이와 같은 레이저를 이용한 반도체 제조 공정의 경우에도 상술한 문제점 및 처리에 많은 비용이 소요될 뿐만아니라 처리 시간도 증가된다.
본 발명의 목적은 두번 방전된 플라즈마 소스를 이용하여 효율적으로 플라즈마를 발생시켜 피처리 기판의 처리 효율을 증대시키기 위한 플라즈마 처리 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 플라즈마 처리 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 제1 플라즈마 방전 공간을 갖는 제1 플라즈마 챔버; 상기 제1 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 방전 공간으로 제1차 활성화 에너지를 공급하는 제1 플라즈마 소스; 제2 플라즈마 방전 공간을 갖는 제2 플라즈마 챔버; 상기 제1 플라즈마 챔버와 상기 제2 플라즈마 챔버를 연결하여 상기 제1 플라즈마 챔버에서 제1차 활성된 가스가 상기 제2 플라즈마 챔버로 공급되게 하는 어댑터; 상기 제2 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 방전 공간으로 유입된 제1차 활성된 가스로 제2차 활성화 에너지를 공급하는 제2 플라즈마 소스를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 플라즈마 챔버는 피처리 기판이 놓이는 기판 지지대; 및 상기 기판 지지대와 상기 제2 플라즈마 방전 공간 사이에 구비되는 가스 분배 배플을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 플라즈마 챔버의 플라즈마 방전 영역은 돔형 챔버 구조 또는 평판형 챔버 구조를 갖는다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마 소스는 용량 결합형 플라즈마 소스(Capacitively Coupled Plasma Source), 유도 결합형 플라즈마 소스(Inductively Coupled Plasma Source), 또는 변압기 결합형 플라즈마 소스(Transformer Coupled Plasma Source)중 하나를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 플라즈마 소스는 용량 결합형 플라즈마 소스(Capacitively Coupled Plasma Source), 유도 결합형 플라즈마 소스(Inductively Coupled Plasma Source), 또는 변압기 결합형 플라즈마 소스(Transformer Coupled Plasma Source)중 하나를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 유도 결합형 플라즈마 소스는 제2차 활성화 에너지를 공급하기 위한 유도 안테나; 및 상기 유도 안테나를 따라서 설치되는 마크네틱 코어 커버를 포함한다.
본 발명의 플라즈마 처리 방법은 제1 플라즈마 챔버로 유입된 가스를 제1 플라즈마 소스에 의해서 제1차 활성하는 단계; 상기 제1 플라즈마 챔버 내에서 제1차 활성화된 가스를 제2 플라즈마 챔버로 공급하는 단계; 상기 제2 플라즈마 챔버로 유입된 제1차 활성화된 가스를 제2 플라즈마 소스에 의해서 제2차 활성하는 단계; 상기 제2차 활성화된 가스로 피처리 기판을 처리하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 플라즈마 챔버 내에서 구비된 가스 분배 플레이트에 의해서 상기 제2차 활성화된 가스를 피처리 기판으로 분배하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치 및 방법에 의하면 높은 밀도와 균일성을 갖는 플라즈마를 공급할수 있어 피처리 기판을 효율적으로 처리할 수 있다. 또한 이중으로 플라즈마를 발생시키기 때문에 한번에 방전되지 못한 방전 가스를 완전하게 방전시키며 유지할 수 있어 플라즈마 방전 효율을 더욱 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 단면을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 이용하여 기판을 처리하는 순서를 도시한 순서도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 단면을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 반응기(100)는 제1 플라즈마 소스에 의해 1차 활성화 플라즈마 가스를 생성하는 제1 플라즈마 챔버(110)와 제1 플라즈마 챔버(110)에서 활성화된 플라즈마 가스를 제2 플라즈마 소스에 의해 2차 활성화 플라즈마 가스로 생성하는 제2 플라즈마 챔버(120)를 포함한다.
제1 플라즈마 챔버(110)는 가스 공급원(200)으로부터 가스를 공급받는다. 제1 플라즈마 챔버(110)로 제공된 가스는 제1 플라즈마 소스에 의해 1차로 활성화되어 플라즈마 가스를 생성한다. 여기서, 제1 플라즈마 소스는 전원 공급원(10)으로부터 전원을 공급받아 플라즈마를 생성한 후 외부로 공급하는 원격 플라즈마 발생기에 의해 생성된다. 제1 플라즈마 소스는 용량 결합형 플라즈마 소스(Capacitively Coupled Plasma Source), 유도 결합형 플라즈마 소스(Inductively Coupled Plasma Source), 또는 변압기 결합형 플라즈마 소스(Transformer Coupled Plasma Source) 중 어느 하나로 형성된다.
제2 플라즈마 챔버(120)는 상부가 제1 플라즈마 챔버(110)에 연결되어 제1 플라즈마 챔버(110)에서 1차로 활성화된 플라즈마 가스를 제공받는다. 제2 플라즈마 챔버(120)는 제1 플라즈마 챔버(110)에서 1차로 활성화된 플라즈마 가스는 제2 플라즈마 소스에 의해 2차 활성화되어 플라즈마 가스를 생성한다. 제2 플라즈마 소스는 용량 결합형 플라즈마 소스(Capacitively Coupled Plasma Source), 유도 결합형 플라즈마 소스(Inductively Coupled Plasma Source), 또는 변압기 결합형 플라즈마 소스(Transformer Coupled Plasma Source) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 본 발명에서는 유도 결합형 플라즈마 소스를 예시로 도시하였다. 제2 플라즈마 소스는 제2 플라즈마 챔버(120)에 설치된 유도 안테나(124)에 의해 유도 결합되는 방식에 의해 생성된다. 유도 안테나(124)는 돔 형상의 유전체 윈도우(122)로 형성된 제2 플라즈마 챔버(120)의 상면에 구비되어 제2 전원 공급원(20)으로부터 주파수 전원을 공급받아 제2 플라즈마 챔버(120) 내부로 유도 결합된 플라즈마를 생성한다. 유도 안테나(124)는 유전체 윈도우(122)의 상면에 나선형으로 권취된다. 유도 안테나(124)는 임피던스 정합기(22)를 통해 제2 전원 공급원(20)으로부터 무선 주파수를 공급받는다. 또한 유도 안테나(124)에서 발생된 자속이 제2 플라즈마 챔버(120) 내부를 향하도록 유도 안테나(124)의 상부에 마그네틱 코어 커버(126)를 설치한다.
결론적으로 제1 플라즈마 챔버(110)는 가스를 공급받아 1차 활성화 플라즈마 가스를 생성하고, 1차 활성화 플라즈마 가스는 제2 플라즈마 챔버(120)로 제공되어 2차 활성화 플라즈마 가스가 생성된다. 그러므로, 제1 플라즈마 챔버(110)에서 활성화되지 못했던 플라즈마 가스가 제2 플라즈마 챔버(120) 내에서 다시 활성화되므로 효율적으로 플라즈마가 생성되어 피처리 기판(1)을 처리할 수 있다.
여기서, 제2 플라즈마 챔버(120) 내부에는 피처리 기판(1)이 놓이는 기판 지지대(121)가 구비된다. 기판 지지대(121)는 바이어스 전원 공급원(30)(서로 다른 무선 주파수 전원을 공급하는 두 개의 바이어스 전원 공급원이 연결될 수 있다)에 연결되어 바이어스된다. 바이어스 전원 공급원(30)이 임피던스 정합기(32)(또는 각각의 임피던스 정합기)를 통하여 기판 지지대(121)에 전기적으로 연결된다. 또는 기판 지지대(121)는 바이어스 전원의 공급 없이 제로 퍼텐셜(zero potential)을 갖는 구조로 변형 실시될 수도 있다. 또한 제2 플라즈마 챔버(122)의 하부에는 배기펌프(40)가 연결된다.
기판 지지대(122)와 제2 플라즈마 챔버(120) 방전 공간 사이에는 다수 개의 분사홀이 구비된 가스 분배 배플(130)이 구비된다. 제2 플라즈마 챔버(120)에서 활성화된 플라즈마 가스는 가스 분배 배플(130)의 다수 개의 분사홀을 통해 균일하게 피처리 기판(1)에 분사된다.
제1, 2 플라즈마 챔버(110, 120)는 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속 물질로 제작될 수 있다. 또는 코팅된 금속 예를 들어, 양극 처리된 알루미늄이나 니켈 도금된 알루미늄으로 제작될 수도 있다. 또는 탄소나노튜브가 공유 결합된 복합 금속을 사용할 수도 있다. 또는 내화 금속(refractory metal)로 제작될 수도 있다. 또 다른 대안으로 제1, 2 플라즈마 챔버(110, 120)를 전체적 또는 부분적으로 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 제작하는 것도 가능하다. 이와 같이 제1, 2 플라즈마 챔버(110, 120)는 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 어떠한 물질로도 제작될 수 있다. 제1, 2 플라즈마 챔버(110, 120)의 구조는 피처리 기판(1)에 따라 그리고 플라즈마의 균일한 발생을 위하여 적합한 구조 예를 들어, 원형 구조나 사각형 구조 그리고 이외에도 어떠한 형태의 구조를 가질 수 있다. 피처리 기판(1)은 예를 들어, 반도체 장치, 디스플레이 장치, 태양전지 등과 같은 다양한 장치들의 제조를 위한 웨이퍼 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판 등과 같은 기판들이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 단면을 도시한 도면이다.
앞서 설명한 바와 같이, 제2 플라즈마 챔버(120)는 돔 형상의 유전체 윈도우(122)로 천장이 이루어진다. 도 2에 도시된 바와 같이, 플라즈마 반응기(100a)는 제2 플라즈마 챔버(120)의 천장이 평평한 유전체 윈도우(122a)로 이루어진다. 이러한 제2 플라즈마 챔버(120)의 천장 형상은 처리 공정에 따라 다양한 형상으로 제작이 가능하다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 이용하여 기판을 처리하는 순서를 도시한 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 가스 공급원(200)으로부터 제1 플라즈마 챔버(110)는 가스를 공급받는다. 제1 플라즈마 챔버(110) 내부에서 발생된 제1 플라즈마 소스에 의해 가스 공급원(200)으로부터 제공받은 가스는 1차로 활성화되어 플라즈마 가스를 생성한다(S100).
제1 플라즈마 챔버(110)에서 1차로 활성화된 플라즈마 가스는 제2 플라즈마 챔버(120)로 공급된다(S200).
제2 플라즈마 챔버(120)로 제공된 1차 활성화 플라즈마 가스는 유도 안테나(124)에 의해 유도 결합된 제2 플라즈마 소스에 의해 2차로 활성화되어 플라즈마 가스를 생성한다. 1차 및 2차로 활성화된 플라즈마 가스는 제2 플라즈마 챔버(120) 내부에 머무르게 된다(S300).
제2 플라즈마 챔버(120)에서 2차로 활성화된 플라즈마 가스는 내부에 구비된 가스 분배 배플(130)을 통해 기판 지지대(121)에 놓인 피처리 기판(1)에 균일하게 분사된다. 그러므로 균일하게 분사된 플라즈마 가스에 의해 피처리 기판(1)이 가공된다.
이상에서 설명된 본 발명의 플라즈마 처리 장치 및 방법의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10: 제1 전원 공급원 20: 제2 전원 공급원
22: 임피던스 정합기 30: 바이어스 전원 공급원
32: 임피던스 정합기 40: 배기펌프
100, 100a: 플라즈마 반응기 110: 제1 플라즈마 챔버
120: 제2 플라즈마 챔버 121: 기판 지지대
122, 122a: 유전체 윈도우 124: 유도 안테나
126: 마그네틱 코어커버 130: 가스 분배 배플

Claims (8)

  1. 제1 플라즈마 방전 공간을 갖는 제1 플라즈마 챔버;
    상기 제1 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 방전 공간으로 제1차 활성화 에너지를 공급하는 제1 플라즈마 소스;
    돔 형상의 유전체 윈도우에 의해 형성되는 제2 플라즈마 방전 공간과 피처리 기판이 놓이는 기판 지지대 및 상기 기판 지지대와 상기 제2 플라즈마 방전 공간 사이에 구비되는 가스 분배 배플을 갖는 제2 플라즈마 챔버;
    상기 제1 플라즈마 챔버와 상기 제2 플라즈마 챔버를 연결하여 상기 제1 플라즈마 챔버에서 제1차 활성된 가스가 상기 제2 플라즈마 챔버로 공급되게 하는 어댑터;
    상기 유전체 윈도우의 상면에 구비되어 상기 제2 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 방전 공간으로 유입된 제1차 활성된 가스로 제2차 활성화 에너지를 공급하는 유도 안테나와 상기 유도 안테나를 따라서 설치되는 마그네틱 코어 커버를 갖는 제2 플라즈마 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 소스는 용량 결합형 플라즈마 소스(Capacitively Coupled Plasma Source), 유도 결합형 플라즈마 소스(Inductively Coupled Plasma Source), 또는 변압기 결합형 플라즈마 소스(Transformer Coupled Plasma Source)중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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