KR101173574B1 - 기판처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 반응공간에 플라즈마를 형성하는 기판처리장치에서 기판을 처리하는 방법에 있어서, 반응공간에 공정가스를 공급하고, 기판 상에 플라즈마를 형성하여 박막증착 또는 식각 또는 세정하는 주 공정 단계; 상기 기판의 중심보다 외곽에서 플라즈마 포텐셜이 더 높아지도록 플라즈마를 제어하는 플라즈마 조절 단계; 플라즈마를 소멸시키는 단계를 포함하는 기판처리방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 발생장치 내부에서 대전된 오염입자가 플라즈마가 소멸되기 전에 플라즈마 포텐셜에 의해 기판의 외곽으로 이동하므로 기판 오염을 크게 줄일 수 있다.

플라즈마, 오염입자, 병렬연결안테나, 플라즈마 포텐셜

Description

기판처리방법{Substrate processing method}

도 1은 일반적인 ICP 방식 플라즈마 발생장치의 개략구성도

도 2는 챔버 내부의 플라즈마 포텐셜을 개략적으로 나타낸 도면

도 3 및 도 4는 병렬연결안테나의 구성도 및 등가회로도

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따라 챔버 내부의 플라즈마 포텐셜을 조절하는 모습을 나타낸 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 플라즈마 발생장치 11 : 챔버

12 : 기판안치대 13 : 가스분배판

14 : 절연플레이트 15 : 안테나

16 : 제1 RF전원 17 : 제1 매처

18 : 배기구 19 : 제2 RF전원

20 : 제2 매처

본 발명은 플라즈마를 이용하여 웨이퍼나 글래스(이하 '기판'이라 함)에 대한 식각 및 증착공정을 수행하는 플라즈마 발생장치에서 오염입자를 제어하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 플라즈마 발생장치에는 박막증착을 위한 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장치, 증착된 박막을 식각하여 패터닝하는 식각장치, 스퍼터(Sputter), 애싱(ashing) 장치 등이 있다.

또한 이러한 플라즈마 발생장치는 RF전력의 인가방식에 따라 용량결합형(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 장치와 유도결합형(Inductively Coupled Plasma, ICP) 장치로 나뉘는데, 전자는 서로 대향하는 평행평판 전극에 RF전력을 인가하여 전극사이에 수직으로 형성되는 RF전기장을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 방식이고, 후자는 안테나에 의하여 유도되는 유도전기장을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 방식이다.

도 1은 유도결합 플라즈마 식각장치(10)의 일반적인 구성을 개략적으로 도시한 것으로서, 이를 살펴보면, 내부에 반응영역을 가지는 챔버(11), 상기 챔버(11)의 내부에 위치하며 상면에 기판(s)을 안치하는 기판안치대(12), 상기 기판안치대(12)의 상부로 소스물질을 분사하는 가스분배판(13), 챔버(11)의 하부에 위치 하여 잔류가스를 배출하는 배기구(18)를 포함한다.

가스분배판(13)은 챔버리드를 구성하는 절연플레이트(14)의 하부에 결합하며, 절연플레이트(14)의 상부에는 RF전력이 인가되는 안테나(15)가 설치된다.

절연플레이트(14)는 세라믹 재질로 이루어지며, 안테나(15)와 플라즈마 사이의 용량성 결합을 감소시킴으로써 RF전원(16)의 에너지가 유도성 결합에 의하여 플라즈마로 전달되는 것을 돕는 역할을 하는 한편, 안테나(15)의 주위에 발생하는 시변자기장이 큰 전력손실 없이 챔버(11) 내부로 전달되도록 한다.

같은 이유로 절연플레이트(14)의 하부에 결합하는 가스분배판(13)도 절연재질로 제조된다. 가스분배판(13)은 챔버 측벽을 관통하는 인젝터로 대체될 수도 있다.

안테나(15)는 제1 RF전원(16)에 연결되며, 안테나(15)와 제1 RF전원(16)의 사이에는 임피던스를 정합시키는 제1 매처(17)가 설치된다. 기판안치대(12)에는 기판(s)으로 입사하는 이온에너지를 제어하기 위해 제2 RF전원(19)이 연결되며, 기판안치대(12)와 제2 RF전원(19)의 사이에는 임피던스 정합을 위해 제2 매처(20)가 설치된다.

이하에서는 상기 플라즈마 식각장치(10)의 동작을 살펴본다. 먼저 가스분배판(13)을 통해 SF₆, Cl₂, NF₃ 등의 식각기체를 분사하고, 제1 RF전원(16)에서 안테나(15)에 RF전력을 공급하면, 안테나 주위에서 수직방향으로 발생하는 시변(時變) 자기장에 의해 챔버(11) 내부에는 수평방향의 유도전기장이 발생한다.

상기 유도전기장에 의하여 가속된 전자가 중성 식각기체와 충돌하면, 상기 식각기체의 일부가 이온 또는 활성종(radical)으로 전환되며, 이러한 이온 및 활성종이 기판으로 입사하여 식각공정을 수행한다. 이때 기판으로 입사하는 이온의 에너지는 제2 RF전원(19)에 의해 제어된다.

한편 식각 공정은 기본적으로 기판(s)으로부터 입자를 분리해내는 공정이므로 공정부산물 등의 파티클이 불가피하게 발생하며 이러한 파티클의 전기적 성질은 중성이다.

그런데 이러한 파티클 중에서 0.2㎛ 내지 2㎛ 정도의 직경을 가지는 것은 플라즈마가 켜져 있는 동안에는 그 주위를 에워싸는 전자 때문에 음전기를 띄는 것으로 알려져 있다. 이것은 파티클의 주위에 플라즈마 쉬쓰(sheath)가 발생하기 때문이며, 플라즈마 쉬쓰는 전자와 이온의 이동도차이에 의해 발생한다.

이와 같은 이유로 플라즈마 내에 존재하는 대전된 파티클 또는 음이온은 플라즈마 내부에 존재하는 플라즈마 포텐셜의 영향을 받게 된다. 즉, 플라즈마 포텐셜은 대전입자에 전기력을 미치기 때문에 음이온 또는 음전기를 띄는 파티클은 플라즈마가 켜져 있는 동안에는 도 2에 도시된 바와 같이 플라즈마 포텐셜이 높은 곳으로 이동하게 된다.

일반적으로 챔버(11) 내부의 플라즈마 포텐셜은 중심부가 높고 주변부가 낮으며 챔버 내측벽에서 가장 낮게 나타나므로, 음이온 또는 음으로 대전된 파티클은 플라즈마 포텐셜이 높은 챔버 중심부 쪽으로 집중된다.

그런데 이와 같이 챔버 중심부에 집중된 음이온 또는 파티클은 식각공정이 끝나고 RF전원(16)이 차단되어 플라즈마가 꺼지면 챔버 내부에서 부유하다가 기판으로 떨어져서 기판을 오염시키는 오염입자가 된다.

현재는 이러한 문제를 해결하기 위하여 RF전원(16)을 차단시켜 플라즈마를 끄는 순간에 오염입자 제거를 위해 고효율(high effect) 펌핑을 실시하고 있으나, 오염입자가 중앙부에 집중된 상태이므로 기판을 오염시키지 않고 기판 외곽으로 이들을 완전히 배기하는 데는 어려움이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 플라즈마 발생장치에서 대전된 오염입자가 챔버의 중앙부로 집중되어 기판을 오염시키는 문제를 해결하는 데 목적이 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 반응공간에 플라즈마를 형성하는 기판처리장치에서 기판을 처리하는 방법에 있어서, 반응공간에 공정가스를 공급하고, 기판 상에 플라즈마를 형성하여 박막증착 또는 식각 또는 세정하는 주 공정 단계; 상기 기판의 중심보다 외곽에서 플라즈마 포텐셜이 더 높아지도록 플라즈마를 제어하는 플라즈마 조절 단계; 플라즈마를 소멸시키는 단계를 포함하는 기판처리방법을 제공한다.

이때 상기 플라즈마 조절 단계는 상기기판의 외곽에서 플라즈마 포텐셜이 최대가 되도록 조정할 수 있으며, 상기 플라즈마를 소멸시키는 단계는 공정가스의 공급을 차단하는 과정을 포함할 수 있다.

또한 본 발명은, 반응공간을 형성하는 챔버, 상기 챔버의 내부에 설치되어 기판을 안치하는 기판안치대, 상기 기판안치대의 상부로 공정가스를 공급하는 가스공급수단, 상기 기판안치대의 상부 또는 챔버의 상부에 위치하는 플라즈마 발생원, 상기 플라즈마 발생원으로 RF전력을 제공하는 RF전력공급수단을 포함하는 플라즈마 발생장치를 이용하여 기판을 처리하는 방법에 있어서, 상기 반응공간에 공정가스를 공급하고, 상기 RF전력공급수단으로부터 공급되는 RF전력을 이용하여 기판 상에 플라즈마를 형성하여 박막증착 또는 식각 또는 세정하는 주 공정 단계; 상기 기판의 중심보다 외곽에서 플라즈마 포텐셜이 더 높아지도록 플라즈마를 제어하는 플라즈마 조절 단계; 플라즈마를 소멸시키는 단계를 포함하는 기판처리방법을 제공한다.

이때, 상기 플라즈마 조절 단계는 상기 기판안치수단에 안치되는 기판의 외곽에서 플라즈마 포텐셜이 최대가 되도록 조정할 수 있다.

상기 플라즈마 발생원은, 상기 RF전력공급수단에 대하여 병렬 연결되고 동심원 형태로 배치되는 다수의 안테나코일; 상기 RF전력공급수단과 상기 안테나코일중 최외곽 코일사이에 설치되는 가변 커패시터를 포함할 수 있으며, 이때 상기플라즈마 조절 단계는, 상기 주 공정 단계보다 상기 안테나코일 중 최외곽 코일에 더 많은 전류가 흐르도록 상기 가변 커패시터를 조절하는 것이 바람직하다.

또한 상기 플라즈마 발생원은, 상기 RF전력공급수단에 대하여 병렬 연결되 고 동심원 형태로 배치되는 다수의 안테나코일; 상기 RF전력공급수단과 상기 각 안테나코일의 사이에 설치되는다수의 가변 커패시터를 포함할 수 있으며, 이때 상기플라즈마 조절 단계는, 상기 주 공정 단계보다 상기 안테나코일 중 최외곽 코일에 더 많은 전류가 흐르도록 상기 다수의 가변 커패시터를 조절하는 것이 바람직하다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명은 플라즈마 발생장치 내부의 플라즈마 포텐셜을 능동적으로 조절하기 위하여 병렬연결안테나를 이용하는 점에 특징이 있다.

도 3은 제1 매처(17)를 경유하여 제1 RF전원(16)에 연결된 병렬연결안테나(30)를 나타낸 도면이다. 병렬연결안테나(30)는 동심원 형태로 배치된 서로 다른 직경의 제1,2,3 안테나코일(31,32,33)로 이루어지며, 각 안테나코일은 제1 RF전원(16)에 대하여 병렬로 연결된다.

특히 최외각의 제3 안테나코일(33)과 제1 매처(17)의 사이에는 가변 커패시터(C3)가 설치되며, 경우에 따라서 내측의 제1,2 안테나코일(31,32)에도 가변 커패시터가 각각 연결될 수 있다.

도 4는 도 3의 등가회로를 나타낸 것으로서, 제1,2,3 안테나코일(31,32,33)은 각각 임피던스 Z1,Z2,Z3로 표시되며, 제1 매처(17)는 병렬 연결된 2개의 가변 커패시터로 표시된다.

일반적으로 동심원 또는 나선형으로 배열된 다수의 안테나 코일을 이용하는 유도결합형 플라즈마 발생장치에서는 길이가 긴 최외각의 안테나코일에 흐르는 전류량이 전압강하로 인해 내측 안테나코일의 전류량보다 작다. 따라서 플라즈마 포텐셜은 중심부에서 높고 최외각 안테나코일에서 낮은 것이 일반적이다.

그러나 병렬연결안테나(30)는 전술한 가변 커패시터(C3)를 조절하여 제3 안테나코일(33)과 내측의 제2 안테나코일(32)을 공진상태로 만들 수 있으며, 공진상태가 되면 제2,3 안테나코일(32,33)에 흐르는 전류량은 동일해진다. 또한 제1,2 안테나코일(31,32)에도 가변 커패시터를 설치하여 제1,2,3 안테나코일(31,32,33)에 흐르는 전류량을 모두 동일하게 할 수 있다.

각 안테나코일(31,32,33)에 흐르는 전류량이 동일해지면, 각 안테나코일(31,32,33) 주변의 플라즈마 포텐셜도 비슷해지므로 챔버내부의 플라즈마 균일도를 향상킬 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 전술한 병렬연결안테나(30)를 이용하는 플라즈마 식각장치(10)를 나타낸 것으로서 안테나를 제외하고는 도 1과 같은 구성을 가지기 때문에 중복되는 설명은 생략한다.

도 5a는 식각 공정이 진행중인 경우를 나타낸 것으로서, 공정균일도를 높이기 위해 제1,2,3 안테나코일(31,32,33)에 흐르는 전류량을 동일하게 하여 플라즈마포텐셜을 균일하게 유지한다. 따라서 플라즈마 내에서 유동하는 대전된 오염입자는 챔버 내부에서 비교적 균일하게 분포한다.

이 상태에서 RF전원을 차단하여 플라즈마를 끄면 중앙부의 오염입자는 미처 배기되지 못하고 기판을 오염시키게 되므로, 본 발명에서는 플라즈마를 끄기 전에 가변 커패시터(C3)를 조절하여 최외각의 제3 안테나코일(33)에 최대전류가 흐르도록 한다.

도 5b는 이로 인해 최외각의 제3 안테나코일(33) 주변에서 플라즈마 포텐셜이 가장 높게 나타나는 모습을 나타낸 것으로서, 이로 인해 플라즈마 포텐셜이 높은 외곽 영역으로 대전된 오염입자가 이동하게 된다.

이때 플라즈마 포텐셜이 높게 나타나는 영역은 기판(s)의 가장자리보다 외곽에 위치하는 것이 바람직하며, 이를 위해 최외곽 안테나코일의 직경은 적어도 기판(s)의 직경보다는 커야 한다. 예를 들어 300mm 웨이퍼를 처리하는 장치인 경우에는 최외각 안테나코일은 약 340mm 이상의 직경을 가지는 것이 바람직하다.

따라서, 식각 공정 중에는 기판 상의 플라즈마가 균일하도록 최외곽 코일의 가변 커패시터를 조절하여 최외곽 코일의 임피던스를 작게 하고, 식각 공정이 완료되면, 최외곽 코일의 가변 커패시터를 조절하여 식각 공정때보다 임피던스를 더 작게 하여, 최외곽 코일에 흐르는 전류를 증가시킨다. 이에 따라 최외곽 코일이 위치한 반응공간에 플라즈마 밀도가 상승하여, 오염입자가 반응 공간의 중심부에서 기판(s)의 외곽으로 이동하게 된다.

같은 방법으로, 플라즈마를 이용한 챔버 세정의 경우에도, 세정 공정이 완료되면, 최외곽 코일의 임피던스 값이 더 작아지도록 가변 커패시터를 조절하여 최외곽 코일에 흐르는 전류를 증가시킨다. 이에 따라 최외곽 코일이 위치한 반응공간의 플라즈마 밀도가 상승하여, 세정 공정에서 발생한 부산물(by-product) 등이 기 판(s)의 외곽으로 이동하게 된다.

이와 같이 대전된 오염입자가 기판(s)의 외곽으로 이동한 후에는 RF전원을 차단하여 플라즈마를 끄더라도 오염입자가 신속하게 배기될 수 있기 때문에 기판(s)을 오염시킬 가능성이 훨씬 줄어든다.

한편 이상에서는 플라즈마 식각장치를 중심으로 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 플라즈마를 끄기 전에 병렬연결안테나의 가변 커패시터를 조절하여 대전된 오염입자를 기판의 외곽으로 이동시키는 점에 특징이 있는 것이므로, 식각장치에만 한정되는 것은 아니며 증착장치 등에도 적용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 발생장치 내부에서 대전된 오염입자가 플라즈마가 소멸되기 전에 플라즈마 포텐셜에 의해 기판의 외곽으로 이동하므로 기판 오염을 크게 줄일 수 있다.

Claims (10)

1. 반응공간에 플라즈마를 형성하는 기판처리장치에서 기판을 처리하는 방법에 있어서,

   반응공간에 공정가스를 공급하고, 기판 상에 플라즈마를 형성하여 박막증착 또는 식각 또는 세정하는 주 공정 단계;

   상기 기판의 중심보다 외곽에서 플라즈마 포텐셜이 더 높아지도록 플라즈마를 제어하는 플라즈마 조절 단계;

   플라즈마를 소멸시키는 단계;

   를 포함하는 기판처리방법
2. 제1항에 있어서,

   상기 플라즈마 조절 단계는 상기 기판의 외곽에서 플라즈마 포텐셜이 최대가 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 기판처리방법
3. 제1항에 있어서,

   상기 플라즈마를 소멸시키는 단계는, 공정가스의 공급을 차단하는 과정을 포함하는 기판처리방법
4. 반응공간을 형성하는 챔버, 상기 챔버의 내부에 설치되어 기판을 안치하는 기판안치대, 상기 기판안치대의 상부로 공정가스를 공급하는 가스공급수단, 상기 기판안치대의 상부 또는 챔버의 상부에 위치하는 플라즈마 발생원, 상기 플라즈마 발생원으로 RF전력을 제공하는 RF전력공급수단을 포함하는 플라즈마 발생장치를 이용하여 기판을 처리하는 방법에 있어서,

   상기 반응공간에 공정가스를 공급하고, 상기 RF전력공급수단으로부터 공급되는 RF전력을 이용하여 기판상에 플라즈마를 형성하여 박막증착 또는 식각 또는 세정하는 주 공정 단계;

   상기 기판의 중심보다 외곽에서 플라즈마 포텐셜이 더 높아지도록 플라즈마를 제어하는 플라즈마 조절 단계;

   플라즈마를 소멸시키는 단계;

   를 포함하는 기판처리방법
5. 제4항에 있어서,

   상기 플라즈마 조절 단계는 상기 기판안치대에 안치되는 기판의 외곽에서 플라즈마 포텐셜이 최대가 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 기판처리방법
6. 제5항에 있어서,

   상기 플라즈마 발생원은,

   상기 RF전력공급수단에 대하여 병렬 연결되고 동심원 형태로 배치되는 안테나코일;

   상기RF전력공급수단과 상기 안테나코일 중 최외곽 코일 사이에 설치되는 가변 커패시터;

   를 포함하는 기판처리방법
7. 제6항에 있어서,

   상기 플라즈마 조절 단계는,

   상기 주 공정 단계보다 상기 안테나코일 중 최외곽 코일에 더 많은 전류가 흐르도록 상기 가변 커패시터를 조절하는 것을 특징으로 하는 기판처리방법
8. 제5항에 있어서,

   상기 플라즈마 발생원은,

   상기 RF전력공급수단에 대하여 병렬 연결되고 동심원 형태로 배치되는 안테나코일;

   상기 RF전력공급수단과 상기 각 안테나코일의 사이에 설치되는 가변 커패시터;

   를 포함하는 기판처리방법
9. 제8항에 있어서,

   상기플라즈마 조절 단계는,

   상기 주 공정 단계보다 상기 안테나코일 중 최외곽 코일에 더 많은 전류가 흐르도록 상기 가변 커패시터를 조절하는 것을 특징으로 하는 기판처리방법
10. 반응공간을 형성하는 챔버;

    상기 챔버의 내부에 설치되어 기판을 안치하는 기판안치대;

    상기 기판안치대의 상부로 공정가스를 공급하는 가스공급수단;

    상기 기판안치대의 상부 또는 챔버의 상부에 위치하는 플라즈마 발생원으로 RF전력을 제공하는 RF전력공급수단;

    상기 RF전력공급수단에 연결되고 동심원 형태로 배치되는 안테나코일; 및

    상기 RF전력공급수단과 상기 안테나코일 중 최외곽 코일 사이에 설치되어 상기 기판안치대의 중심보다 외곽에서 플라즈마 포텐셜이 더 높아지도록 플라즈마를 제어하는 가변 커패시터;

    를 포함하는 기판처리장치

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