KR101183141B1 - 가스분배판 및 이를 포함하는 플라즈마 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고밀도, 고선택비를 가지는 플라즈마를 생성할 수 있는 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는, 내부에 반응공간을 가지는 챔버; 상기 챔버의 내부에 위치하는 기판안치수단; 상기 기판안치수단의 상부에 위치하며, 가운데에 개방부를 가지고 상기 개방부와 연통하는 가스유로를 가지는 분배판이 상하로 다수 개 적층되며, 상부쪽으로 갈수록 상기 각 분배판의 개방부 직경이 작아지고, 최상층의 분배판은 커버부재에 의해 개방부가 밀폐되는 가스분배판; 상기 기판안치수단에 연결되는 RF전원을 포함하는 플라즈마 발생장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 원료물질의 유량을 제어함으로써 플라즈마의 균일도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 VHF 영역의 RF전원을 플라즈마 소스로 이용함으로써 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있으며, 활성종의 잔류시간을 조절함으로써 활성종의 선택비를 향상시킨 플라즈마 발생장치를 제공할 수 있다.

플라즈마, 고선택비, 선택적 해리, 가스분배판

Description

가스분배판 및 이를 포함하는 플라즈마 발생장치{Gas distribution plate and plasma generation apparatus comprising the same}

도 1은 일반적인 RIE장치의 구성도

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 구성도

도 3 및 4는 가스분배판의 분해사시도 및 결합단면도

도 5 및 6은 다른 유형의 가스분배판을 도시한 분해사시도 및 결합단면도

도 7a 및 도 7b는 진폭변조된 신호를 각각 시간영역 및 주파수영역에서 도시한 도면

도 8은 월라이너가 설치된 플라즈마 발생장치의 구성도

도 9는 월라이너의 사시도

도 10 및 도 11은 퍼지가스 인젝터의 사용상태도 및 단면도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 플라즈마 발생장치 110 : 챔버

120 : 서셉터 130 : 가스분배판

131,132,133 : 제1,2,3 분배판 131a : 개방부

134 : 커버부재 135 : 그루브

135a : 버퍼용 그루브 135b : 분사용 그루브

136,137,138 : 제1,2,3 가스공급홀 139 : 오링

141,142,143 : 제1,2,3 가스공급관 151,152 : 제1,2 RF전원

161,162 : 제1,2 매처 171,172 : 제1,2 필터

180 : 배기구 182 : 배기플레이트

190 : 절연부재 200 : 분사용 유로

210 : 버퍼용 유로 300 : 월라이너

310 : 홀 320, 330 : 제1,2 퍼지가스 유입관

340 : 퍼지가스 인젝터 350 : 기판출입용 슬릿

본 발명은 플라즈마 소스를 이용하여 웨이퍼나 글래스(이하 '기판'이라 함)에 대한 식각 및 증착 공정을 수행하는 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 초단파 영역의 고주파전원을 인가하여 고밀도, 고 선택비의 플라즈마를 생성할 수 있는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

일반적으로 플라즈마 소스를 이용하여 기판을 처리하는 플라즈마 발생장치에는 박막증착을 위한 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장치, 증 착된 박막을 패터닝하기 위해 에칭해내는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE) 장치, 스퍼터(Sputter), 애싱(ashing) 장치 등이 있다.

도 1은 이 중에서 RIE 장치(10)의 일반적인 구성을 개략적으로 도시한 것으로서, 이를 살펴보면, 밀폐된 반응영역을 정의하는 챔버(11), 상기 챔버의 내부에 위치하며 상면에 기판(s)을 안치하는 서셉터(12), 상기 서셉터(12)의 상부에서 소스물질을 분사하는 가스분배판(13), 상기 가스분배판(13)으로 소스물질을 유입하는 가스유입관(14), 챔버(11)의 하부에 위치하여 공정잔류가스를 배출하는 배기구(17)를 포함한다.

챔버(11)는 챔버측벽(11a)과 챔버측벽(11a)의 상단에 결합하는 챔버리드(11b)로 이루어지며, 챔버측벽(11a)과 챔버리드(11b)의 경계면에는 진공시일을 위한 오링(O-ring, 11c)이 설치된다.

서셉터(12)에는 통상 13.56Mz의 RF전력을 공급하는 RF전원(15)이 연결되며, RF전원(15)과 서셉터(12)의 사이에는 부하임피던스와 소스임피던스를 정합시키기 위해 매처(16)가 설치된다.

챔버(11)는 통상 접지되므로 RF전원(15)이 인가되는 알루미늄 재질의 서셉터(12)와는 절연부재(19)를 위하여 절연시켜야 한다.

또한 배기구(17)의 주위에 배기압력이 집중하게 되면 공정균일도가 크게 저하되기 때문에 배기압력을 분산시키기 위해 서셉터(12) 주위로 배기플레이트(18)를 설치한다.

이러한 구성의 RIE장치(10)에서 서셉터(12)에 RF전원(15)이 인가되면 서셉터 (12)와 챔버(11) 사이에 RF전기장이 형성되고, 이 RF전기장에 의하여 가속된 전자가 중성기체와 충돌함으로써 이온 및 활성종(radical)이 생성되며, 이것이 기판(s)으로 입사하여 소정의 식각공정을 수행한다.

그런데 최근 들어 소자패턴이 갈수록 미세해짐에 따라 다음과 같은 문제점이 대두되고 있다.

첫째, 소자패턴이 미세해질수록 패턴의 소한 부분과 밀한 부분 간의 식각률(E/R)이나 증착률(D/R)의 격차가 발생하는 소위 마이크로 로딩(micro loading) 현상이 심해지고 있다.

이러한 현상을 해소하기 위해서는 종래보다 저압 환경에서 고밀도의 플라즈마를 균일하게 발생시킬 수 있어야 한다.

둘째, 선폭(critical dimension)이 100nm 이하인 미세패턴을 형성하기 위해 사용되는 ArF 또는 F₂광원용 포토레지스트(PR)는 3000Å 이하로 도포되어 KrF광원용 PR에 비해 매우 얇은 두께를 가지는데 이 정도로 얇은 두께의 PR이 도포될 경우 콘택홀이 완전 개구되기 전에 PR이 먼저 식각되는 현상이 발생한다.

따라서 종횡비(aspect ratio)가 큰 콘택홀 또는 트렌치를 형성하기 위해서는 종래에 비해 선택비(selectivity)가 크게 개선되어야만 하며, 최근 DRAM을 중심으로 25:1 이상의 종횡비를 가지는 패턴이 많이 이용되므로 선택비를 향상시킬 필요성이 어느 때보다 높다고 할 수 있다.

본 발명은 마이크로 로딩 현상을 방지하여 갈수록 미세화되는 소자패턴을 효과적으로 가공하기 위해 고밀도의 플라즈마를 발생시켜 식각율(E/R) 또는 증착율(D/R)을 높이는 한편 플라즈마의 균일도 및 선택비를 향상시킬 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 가운데에 개방부를 가지며, 상기 개방부와 연통하는 가스유로를 가지는 분배판이 상하로 다수 개 적층되고, 상부쪽으로 갈수록 상기 각 분배판의 개방부 직경이 작아지며, 최상층의 분배판은 커버부재에 의해 개방부가 밀폐되는 가스분배판을 제공한다.

이때 상기 가스유로는, 각 분배판의 상면에 형성되며, 직상부의 분배판 또는 커버부재에 의해 상부가 밀폐되는 그루브인 것을 특징으로 하며, 상기 그루브는, 상기 분배판의 상면에 형성되는 환형의 버퍼용 그루브; 상기 버퍼용 그루브와 분배판의 개방부를 연통하는 분사용 그루브를 포함한다.

상기 분사용 그루브의 깊이 및 폭은 10㎛ 이상 2mm 이하인 것을 특징으로 한다.

최하층의 분배판을 제외한 나머지 분배판 및 커버부재는 외부의 가스공급관과 연결되는 가스공급홀을 구비하며, 상기 가스공급홀은 직하부의 분배판에 형성된 그루브와 연통한다.

상기 가스유로는, 분배판의 내부에 형성되는 환형의 버퍼용 유로; 분배판의 내부에 형성되며, 상기 버퍼용 유로와 개방부를 연통하는 분사용 유로를 포함한다. 이때 상기 각 분배판은 상기 버퍼용유로와 외부의 가스공급관을 연결하는 가스공급홀을 가진다.

상기 가스분배판은 상기 각 분배판의 전체 직경이 상부쪽으로 갈수록 작아짐으로 인해 돔 형상을 가진다.

또한 본 발명은, 내부에 반응공간을 가지는 챔버; 상기 챔버의 내부에 위치하는 기판안치수단; 상기 기판안치수단의 상부에 위치하며, 가운데에 개방부를 가지고 상기 개방부와 연통하는 가스유로를 가지는 분배판이 상하로 다수 개 적층되며, 상부쪽으로 갈수록 상기 각 분배판의 개방부 직경이 작아지고, 최상층의 분배판은 커버부재에 의해 개방부가 밀폐되는 가스분배판; 상기 기판안치수단에 연결되는 RF전원을 포함하는 플라즈마 발생장치를 제공한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(100)의 구성을 도시한 것으로서, 내부에 반응공간을 형성하는 챔버(110), 챔버(110)의 내부에 위치하며 기판(s)을 안치하는 서셉터(120), 챔버(110)의 하부에서 잔류기체를 배기하는 배기구(180), 서셉터(120)의 주위에 설치되어 배기구 부근에 배기압력이 집중되는 것을 방지하는 배기플레이트(182)를 구비하는 한편, RF전원 및 바이어스 전원이 인가되 는 서셉터(120)를 절연부재(190)를 이용하여 접지된 챔버(110)와 절연시키는 점에서는 종래의 플라즈마 발생장치와 공통된다.

본 발명의 플라즈마 발생장치는 고밀도의 플라즈마를 균일하게 발생시키고 선택비를 높이기 위해 다음과 같은 특징을 가진다.

먼저, 고밀도 플라즈마를 발생시키기 위해 초진공 분위기에서 초단파(Very High Frequency, VHF) 영역의 고주파전원을 이용한다.

또한 플라즈마의 균일도를 향상시키기 위해 챔버(110) 내부의 공정압력은 1mTorr 내지 20mTorr 범위로 유지시킨다. 압력이 낮을수록 활성종 및 이온의 평균자유행로(mean free path)가 길어져서 플라즈마의 균일도를 높일 수 있기 때문이다. 100nm 급의 패턴을 형성할 때는 약 20mTorr의 공정압력을 유지하고 소자패턴이 더 미세해질 경우에는 공정압력을 20mTorr이하로 유지한다.

이 정도의 저압환경에서는 CCP장치는 물론이고 통상 사용되는 ICP 장치에서도 플라즈마 점화가 잘 일어나지 않기 때문에, 본 발명에서는 플라즈마 소스로 사용되는 제1 RF전원(251)에 VHF 영역인 60MHz 전원을 이용한다.

또한 플라즈마 균일도를 향상시키기 위하여 별도로 고안된 가스분배판(130)을 이용하는데, 이에 대해서는 후술한다.

또한 본 발명의 플라즈마 발생장치(100)는 플라즈마의 선택비(selectivity)를 향상시키는데 주안점을 두고 있는데, 이는 원료물질을 선택적으로 해리시킴으로써 특정 PR에 대해 선택비가 높은 활성종을 많이 생성시킴으로써 가능해진다.

특정 PR에 대해 선택비가 높은 활성종을 선택적으로 생성하기 위해서는 일반 적으로 플라즈마 내의 전자온도(Te)가 낮고 활성종의 잔류시간(residence time)이 짧은 것이 바람직하다. 잔류시간이 길어지면 선택비가 낮은 활성종이 공정에 관여하는 시간이 길어지기 때문이다. 특히 활성종의 잔류시간(τ)은 15msec 이하가 바람직하다.

일반적으로 활성종의 잔류시간(τ)은 PV/Q에 비례하는데, 여기서 P는 공정압력이고, V는 플라즈마 체적, Q는 공정기체의 총유량을 의미하므로, 압력(P)이 낮을수록, 플라즈마의 체적(V)이 작을수록, 공정기체의 유량(Q)이 많을수록 활성종의 잔류시간(τ)이 줄어들게 되고, 따라서 활성종을 선택적으로 생성시키는데 유리하다.

따라서 본 발명의 플라즈마 발생장치(100)에서는 활성종의 잔류시간을 제어하기 위해 상하구동이 가능한 서셉터(120)를 채택하고 있다. 서셉터(120)를 승강시킴으로써 플라즈마의 체적(V)을 조절하여 활성종의 잔류시간(τ)을 조절할 수 있고 나아가 선택적인 해리도를 높일 수 있기 때문이다.

이하에서는 플라즈마의 균일도를 개선하고 정밀한 유량제어를 위해 본 발명의 플라즈마 발생장치(100)에서 사용되는 가스분배판(130)의 구조에 대하여 상세히 설명한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스분배판(130)의 분해사시도 및 결합단면도를 나타낸 것으로서, 이를 살펴보면, 상기 가스분배판(130)은 가운데에 개방부(131a,132a,133a)를 가지는 판상의 제1,2,3 분배판(131,132,133)이 적층되어 이루어진다.

이때 상부로 갈수록 각 분배판(131,132,133)의 전체 직경 및 개방부(131a,132a,133a)의 직경이 작아지므로, 가스분배판(130)의 형태는 전체적으로 돔(dome) 형상이 된다.

최하층의 제1 분배판(131)은 외주면이 플라즈마 발생장치(100)의 챔버(110) 내측벽에 고정되고, 제1 분배판(131)의 상부에 제2, 3 분배판(132,133)이 순차적으로 적층되며, 제3 분배판(133)의 상부에는 개방부(133a)를 밀폐하기 위해 커버부재(134)가 적층된다.

이때 가스분배판(130)의 상부공간은 대기압상태이고 하부공간은 진공상태이므로 진공시일을 위하여 제1 분배판(131)과 챔버 내측벽의 경계면, 제1,2,3 분배판(131,132,133)의 경계면, 제3 분배판(133)과 커버부재(134)의 경계면에는 도 2에 도시된 바와 같이 오링(O-ring, 139)을 설치하는 것이 바람직하다.

각 분배판(131,132,133)은 상면에 형성된 가스유로를 통해 개방부(131a,132a,133a)쪽으로 원료물질을 분사하게 되는데, 이러한 가스유로는 각 분배판(131,132,133)의 상면에 형성된 그루브(135)와 상기 그루브(135)의 상부를 밀폐하는 직상부의 분배판 및 커버부재(134)를 통해 제공된다.

예를 들어, 제1 분배판(131)의 상면에 형성되는 그루브(135)는제2 분배판(132)의 평탄한 저면에 의해 상부가 밀폐되므로, 상기 제1 분배판(131)과 제2 분배판(132)의 사이에 가스유로가 형성되는 것이다.

상기 그루브(135)는 각 분배판(131,132,133)의 내주면과 평행하게 형성되는 버퍼용 그루브(135a)와 상기 버퍼용 그루브(135a)와 각 분배판의 개방부(131a,132a,133a)를 연통하는 분사용 그루브(135b)로 이루어진다.

버퍼용 그루브(135a)는 유입된 원료물질을 개방부(131a,132a,133a)쪽으로 분사하기 전에 먼저 균일하게 확산시키는 역할을 하며, 분사용 그루브(135b)는 버퍼용 그루브(135a)로부터 개방부쪽으로 원료물질을 분사시키는 분사노즐의 역할을 한다.

버퍼용 그루브(135a)는 원료물질을 빠른 시간내에 확산시킬 수 있어야 하므로 비교적 큰 단면적을 가질 수 있으나, 분사용 그루브(135b)는 원료물질의 균일한 분사를 위해 정밀하게 가공되어야 한다. 본 발명에서는 상기 분사용 그루브(135b)의 폭과 깊이를 10㎛ 이상 2mm 이하로 제한한다.

또한 각 분배판(131,132,133)은 RF전원이 인가된 서셉터(120)에 대하여 대향전극의 역할을 하므로 알루미늄 재질로 제조되는 것이 바람직하나, 접지된 챔버(110)와 연결되기 때문에 세라믹 등의 절연체로 제조될 수도 있다.

한편, 각 버퍼용 그루브(135a)로 원료물질을 유입시키기 위해 각 분배판(131,132,133)의 직상부에 적층되는 분배판(132,133) 및 커버부재(134)에 가스공급홀(136,137,138)을 형성한다.

즉, 제2 분배판(132)에 형성된 제1 가스공급홀(136)은 직하부에 위치한 제1 분배판(131)의 버퍼용 그루브(135a)와 연통되고, 제3 분배판(133)에 형성된 제2 가스공급홀(137)은 직하부에 위치한 제2 분배판(132)의 버퍼용 그루브(135a)와 연통되고, 커버부재(134)에 형성된 제3 가스공급홀(138)은 직하부에 위치한 제3분배판 (133)의 버퍼용 그루브(135a)와 연통된다.

이때 상기 제1,2,3 가스공급홀(136,137,138)은 하나만 형성될 수도 있으나 2개 이상 형성될 수도 있다. 한편 버퍼용 유로(135a)는 진공상태인 챔버 내부와 연통되므로 진공시일을 위한 오링(139)은 버퍼용 유로(135a)의 외측에 설치되어야 한다.

상기 제1,2,3 가스공급홀(136,137,138)에는 도 2에 도시된 바와 같이 제1,2,3 가스공급관(141,142,143)이 각 연결되는데, 이때 각 가스공급관(141,142,143)은 동일한 가스를 공급할 수도 있고 가스공급관(141,142,143)마다 서로 다른 종류의 가스를 공급할 수도 있다.

또한 각 가스공급관(141,142,143) 마다 유량조절수단을 설치하여 각 개방부(131a,132a,133a) 쪽으로 분사되는 원료물질의 유량을 서로 다르게 조절할 수도 있다.

일반적으로 평면형 가스분배판을 이용하면, 챔버 중앙부에서 원료물질의 밀도가 상대적으로 높을 뿐만 아니라 RF전압도 높게 나타나기 때문에 플라즈마 밀도가 중앙부에서 높고 주변부로 갈수록 낮아지는 현상이 종종 발생한다.

그러나 본 발명의 실시예에 따른 가스분배판(130)은 돔 형상이어서 중앙부로 갈수록 서셉터(120)와의 거리가 멀어지므로 중앙부에 집중되는 RF전력을 분산시킬 수 있을 뿐만 아니라 최상층의 제3 가스분배판(133)을 통해 분사된 원료물질이 하강하면서 주변부로 고르게 확산되므로 플라즈마 균일도를 크게 향상시킬 수 있다.

도 5및 도 6은 다른 유형의 가스분배판(130)을 나타낸 분해사시도 및 결합단면도로서, 가운데에 개방부(131a,132a,133a)를 가지는 판상의 제1,2,3 분배판(131,132,133)을 이용하는 점에서는 앞서 설명한 유형과 동일하나, 각 분배판(131,132,133)의 내부에 가스유로를 형성한 점에서 차이가 있다.

즉, 각 분배판(131,132,133)의 내부에 각 분배판(131,132,133)의 내주면과 평행한 환형의 버퍼용 유로(210)을 형성하고, 상기 버퍼용 유로와 각 개방부(131a,132a,133a)를 연통하는 분사용 유로(200)를 형성한다.

버퍼용 유로(210)는 유입된 원료물질을 먼저 확산시킴으로써 원료물질이 균일하게 분사될 수 있도록 하기 위한 것이므로, 분사용 유로(200)에 비해서는 큰 단면적을 가지는 것이 바람직하다.

각 분배판(131,132,133)에는 내부의 버퍼용 유로(210)와 연통되는 제1,2,3 가스공급홀(136,137,138)이 형성되는데, 이점은 앞서 설명한 유형의 가스분배판(130)과 다른 점이다.

즉, 도 3 및 도 4에 의하면, 제1,2,3 가스공급홀(136,137,138)은 직하부의 분배판에 형성된 버퍼용 그루브(135b)와 연통되는데 반하여, 도 5 및 도 6에 도시된 유형의 가스분배판(130)에서는 각 분배판(131,132,133)에 형성된 가스공급홀(136,137,138)은 해당 분배판의 내부에 형성된 버퍼용 유로(210)와 바로 연통되는 점에서 차이가 있다.

한편 이상에서 각 분배판(131,132,133)이 원형인 것은 원형의 웨이퍼를 가공하는 반도체 제조장치에 사용되는 경우를 가정한 때문이며, 만일 사각의 글래스를 처리하는 액정표시소자 제조장치인 경우에는 사각형으로 제조될 수도 있다.

또한 분배판의 개수가 3개인 경우를 설명하였으나, 이는 2개일 수도 있고 정밀한 유량제어와 플라즈마 균일도 제어를 위해 4개 이상을 설치할 수도 있다.

다시 도 2에서 서셉터(120)에는 제1,2 RF전원(151,152)이 함께 연결되는데, 제1 RF전원(151)은 VHF 영역인 60MHz 전원이고, 제2 RF 전원(152)은 2MHz전원이다.

제1,2 RF전원(251,252)의 공급단에는 임피던스 매칭을 위해 제1,2 매처(161,162)가 각 설치되며, 제1,2 RF전원(151,152)은 서로 다른 주파수를 가지면서 알루미늄 재질의 서셉터(120)에 함께 연결되므로, 양자간의 전기적 간섭을 방지하기 위해 제1,2 매처(161,162)의 선단에는 제1,2 필터(171,172)를 각 설치한다.

제1,2 필터(171,172)는 일종의 대역통과필터(Band Pass Filter, BPF)로서, 자신이 연결된 RF전원의 주파수만을 통과시킴으로써 제1,2 RF전원(251,252)이 서로간에 영향을 미치지 않도록 한다.

이와 같이 서셉터(120)에 동시에 인가되는 제1,2 RF전원(151,152)은 서로 그 역할을 달리하는데, 제1 RF전원(151)을 통해 공급되는 60MHz의 RF전력은 주로 전자를 가속시켜 플라즈마를 생성하고 유지시키는 역할을 하며, 제2 RF전원(152)를 통해 공급되는 2MHz 의 RF전력은 주로 이온을 가속시켜 기판(s)으로 입사하도록 하는 역할을 한다.

즉, 제1 RF전원(151)은 주로 플라즈마 소스로서의 역할을 하며, 제2 RF전원(152)는 이온에너지를 제어하는 역할을 한다.

특히 제1 RF 전원(151)은 진폭변조부를 통해 진폭변조된 전원을 공급할 수도 있는데, 진폭변조는 RF신호의 진폭을 시간에 따라 변화시키기 때문에 이온에너지의 제어를 통해 플라즈마 데미지를 최소화하는 역할을 한다.

또한 진폭변조된 RF전원은 플라즈마를 주기적으로 온/오프시킴으로써 종횡비가 큰 콘택홀이나 트렌치를 식각할 때 내부에 과다 식각으로 인한 만곡부가 형성되는 것을 방지하는 효과를 가진다.

진폭변조는 제1 RF전원(151)의 신호와 이와 다른 주파수의 국부발진기(Local Oscillator) 신호를 혼합기(mixer)를 이용하여 혼합함으로써 이루어진다.

이때 국부발진기에서 생성되는 신호는 제1 RF전원(151)으로부터 공급되는 신호에 비하여 낮은 주파수를 가져야 한다. 제1 RF전원(151)의 신호를 cosω_ct 라 하고, 국부발진기의 신호를 1+mcosω_mt (1은 직류성분, m은 변조지수)라 하면, 혼합기의 출력은 (1+mcosω_mt)cosω_ct 가 된다.

혼합기의 출력신호인 (1+mcosω_mt)cosω_ct 는 도 7a에 도시된 바와 같이 시간에 따라 진폭이 변화하는 파형을 가지는데, 포락선(envelope)의 최대폭을 A, 최소폭을 B라고 하면, 변조지수 m은 (A-B)/(A+B)를 나타낸다.

(1+mcosω_mt)cosω_ct 를 다시 나타내면,

cosω_ct +(m/2)cos(ω_c+ω_m)t + (m/2)cos(ω_c-ω_m)t 가 되므로, 혼합기의 출력신호에는 ω_c, ω_c+ω_m, ω_c-ω_m 등의 여러 주파수가 포함된다.

본 발명에서는 제1 RF전원(151)은 60MHz의 주파수로 제공되며, 국부발진기는 일반적으로는 ω_c ≥ 10ω_m 의 관계를 가지는 주파수를 이용한다.

도 7a 및 도 7b는 변조지수 m=0.5일 때, 혼합기의 출력신호를 각각 시간영역과 주파수 영역에서 나타낸 것으로서, 도 7a는 진폭변조된 제1 RF전원(151)의 신호 파형을 나타낸 것이다.

포락선의 진폭은 변조지수 m의 크기에 따라 달라지게 되는데, m = (A-B)/(A+B) 이므로, 예를 들어 m=1 이면, 포락선의 최소폭 B가 0이 되어 신호의 단절이 발생하기 시작하며, m이 1보다 커질수록 신호의 단절시간이 길어진다. 이에 따라 플라즈마가 주기적으로 온/오프 되어, 콘택홀이나 트렌치를 식각하는 과정에서 홀 내부의 반응기체가 외부로 배출될 수 있는 충분한 시간이 주어지게 되어 콘택홀 내부의 과다식각이 방지된다.

다만 변조지수 m이 지나치게 커지면 RF전원의 오프시간이 길어지므로 본 발명에서는 제1 RF전원(151)의 온/오프 시간이 비슷하도록 m을 1.5이하로 제한하는 한편, 최소한의 진폭변조 효과를 얻을 수 있도록 m을 0.1 이상으로 한다.

도 7b는 진폭변조된 신호에 포함된 세가지 주파수 성분 ω_c, ω_c+ω_m, ω_c-ω_m을 나타낸 것으로서, 제1 RF전원(151)의 주파수(c) 범위에서 최대전력을 가짐을 알 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(100)에 월라이너(300)와 퍼지가스 분사장치를 설치한 모습을 나타낸 도면이다.

상기 월라이너(300)는 챔버측벽(110)에 공정기체나 공정부산물이 증착되는 것을 막기 위한 것이다.

플라즈마 내의 이온이나 활성종 중 일부는 기판(s)으로 입사하지 않고 챔버측벽(110)에 증착되는 경우가 있으며, 기판(s)에 대한 식각공정에서 발생하는 폴리머 등의 공정부산물도 챔버측벽(110)에 증착되는 경우가 불가피하게 발생하는데, 이와 같이 증착된 박막은 공정재현성에 큰 영향을 미치는 요인이 된다.

즉, 이와 같이 증착된 박막이 항상 일정 두께를 유지한다면 공정에 큰 영향을 미치지는 않지만, 일정 두께 이상으로 증착되면 결국 박리가 일어나 챔버 내부의 플라즈마 파라미터를 변화시켜 공정재현성에 영향을 미치게 되는 것이다. 또한 박리된 파티클이 기판(s)에 대한 직접적인 오염원이 될 수도 있다.

상기 월라이너(300)는 도 9에 도시된 바와 같이 상하부가 개구된 실린더형상으로서 챔버측벽(110)에서 소정간격 이격되도록 설치되며, 측면에 다수의 홀(310)을 가지며, 측면에는 기판(s)이 출입할 수 있는 슬릿(350)이 형성될 수도 있다.

월라이너(300)가 원형실린더로 도시된 것은 반도체 제조장치에 설치되는 경우를 가정한 때문이며, 챔버의 형상에 따라 사각형 실린더 형태로 제조될 수도 있다.

월라이너(150)는 세라믹 또는 절연재로 표면처리된 금속재질로 제조되는데, 상기 절연재는 알루미늄 아노다이징(Anodizing) 처리나 Y₂O₃코팅처리 등으로 금속재 질에 표면처리 된다.

한편 상기 월라이너(300)와 챔버측벽(110)의 사이 공간에는 상부에서 하부로 퍼지가스를 분사하는데, 이를 통해 월라이너(300) 주변에서 유동하는 폴리머 등 증착소스를 배기구(180)를 통해 배출시킴으로써 월라이너(300)에 불필요한 박막이 증착되지 않도록 한다.

퍼지가스로는 He, Ar, Xe 등의 불활성 8족원소나 질소를 이용한다. 이러한 퍼지가스는 제1 퍼지가스 공급관(320)을 통해 공급되는데, 제1퍼지가스 공급관(320)은 도시된 바와 같이 제1 분배판(131)을 관통하여 설치될 수도 있고, 챔버 측벽(110)을 관통하여 설치될 수도 있다.

퍼지가스는 챔버의 중심에 대하여 대칭적으로 분사되어야 하고, 월 라이너(300)의 측면 전체를 균일하게 커버할 수 있어야 하므로 제1 퍼지가스 공급관(320)의 말단에는 도 10에 도시된 바와 같이 링 형태의 퍼지가스인젝터(340)를 연결하는 것이 바람직하다.

상기 퍼지가스 인젝터(340)는 월라이너(300)와 챔버측벽(110)의 사공간의 상부에 설치되며, 단면을 도시한 도 11에 나타낸 바와 같이 내부에 상기 제1 퍼지가스공급관(320)과 연통되는 중공부(340a)를 가지고 저면에 다수의 분사구(340b)를 가지는 것이 바람직하다.

이때 퍼지가스 인젝터(340)에는 제1 퍼지가스공급관(320)을 하나만 연결할 수도 있으나, 퍼지가스를 보다 균일하게 분사시키기 위해 도 10에 도시된 바와 같이 2개를 연결하거나 그 이상 연결할 수도 있다. 따라서 제1 퍼지가스 공급관(320) 을 통해 유입되는 퍼지가스는 퍼지가스 인젝터(340)의 중공부(340a)에서 충분히 확산된 후에 분사구(340b)를 통해 분사된다.

퍼지가스를 월라이너(300)와 챔버측벽(110)의 사이에만 분사시켜서는 월라이너(300)의 내측벽에 박막이 증착되는 것을 완전히 방지하지 못할 수는 있으므로, 월라이너(300)의 내측벽을 따라 하방으로 퍼지가스를 분사시킬 수도 있다.

이를 위해 도 8에 도시된 바와 같이 제2 퍼지가스 공급관(330)을 설치하고, 상기 제2 퍼지가스 공급관(330)에 연통되는 환형의 퍼지가스 인젝터를 추가로 설치할 수도 있다. 추가로 설치되는 퍼지가스 인젝터는 월라이너(300)의 내측면 상부에 위치하게 되며 그 형상은 전술한 바와 같다.

이와 같이 월라이너(300)의 내외측에 각각 퍼지가스를 분사하는 경우에 월라이너(300)와 챔버측벽(110) 사이에서 분사되는 퍼지가스의 유속이 월라이너(300)의 내측면을 따라 분사되는 퍼지가스의 유속보다 더 빠르게 함으로써 폴리머 등 박막증착물질을 보다 효과적으로 배출시킬 수 있다.

또한 월라이너(300) 내외측에서 분사되는 퍼지가스의 온도를 각각 다르게 할 수도 있는데, 예를 들어 월라이너(300)의 내측에는 폴리머의 증착을 방지하기 위하여 -20 ℃ 내지 30 ℃ 정도의 저온 퍼지가스를 분사하고 외측에는 100 ℃ 정도의 고온 퍼지가스를 분사하는 것이 그것이다.

그러나 이러한 온도차는 폴리머의 증착을 보다 효과적으로 방지하기 위한 것이므로 월라이너(300)의 내외측을 따라 분사되는 퍼지가스의 온도차를 이와 반대로 하거나, 내외측에서 모두 고온 퍼지가스를 분사할 수도 있고, 모두 저온 퍼지가스 를 분사할 수도 있다.

한편 각 퍼지가스 공급관(320,330)을 통해 공급되는 퍼지가스의 유량은 챔버의 용적에 따라 달라질 수 있으나, 10sccm 내지 1000sccm 정도의 범위로 공급하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 원료물질의 유량을 제어함으로써 플라즈마의 균일도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 VHF 영역의 RF전원을 플라즈마 소스로 이용함으로써 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있으며, 활성종의 잔류시간을 조절함으로써 활성종의 선택비를 향상시킨 플라즈마 발생장치를 제공할 수 있다.

Claims (15)

1. 가운데에 개방부와 상기 개방부와 연통되는 가스유로를 가지며, 상하로 적층되는 다수의 분배판; 및

   상기 다수의 분배판 각각의 상기 개방부는 상부쪽으로 갈수록 직경이 작아지고, 상기 다수의 분배판 중 최상층에 위치한 상기 분배판의 상기 가스유로를 밀폐하는 커버부재;

   를 포함하고,

   상기 가스유로는 상기 다수의 분배판 각각의 상면에 형성되며, 직상부의 상기 분배판 또는 상기 커버부재에 의해 밀폐되는 그루브이고, 상기 그루브는,

   상기 다수의 분배판 각각의 상면에 형성되는 환형의 버퍼용 그루브; 및

   상기 버퍼용 그루브와 상기 다수의 분배판 각각의 상기 개방부를 연통하는 분사용 그루브;

   를 포함하는 가스분배판.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 분사용 그루브의 깊이 및 폭은 10㎛ 이상 2mm 이하인 것을 특징으로 하는 가스분배판.
5. 제1항에 있어서,

   최하층의 상기 분배판을 제외한 나머지 상기 다수의 분배판 및 상기 커버부재는 외부의 가스공급관과 연결되는 가스공급홀을 구비하며, 상기 가스공급홀은 상기 다수의 분배판 및 상기 커버부재의 직하부의 상기 그루브와 연통하는 가스분배판.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 분배판 각각의 전체 직경이 상부쪽으로 갈수록 작아짐으로 인해 돔 형상을 가지는 가스분배판.
9. 내부에 반응공간을 가지는 챔버;

   상기 챔버의 내부에 위치하는 기판안치수단;

   상기 기판안치수단의 상부에 위치하며, 가운데에 개방부와 상기 개방부와 연통되는 가스유로를 가지며, 상하로 적층되는 다수의 분배판, 및 상기 다수의 분배판 각각의 상기 개방부는 상부쪽으로 갈수록 직경이 작아지고, 상기 다수의 분배판 중 최상층에 위치한 상기 분배판의 상기 가스유로를 밀폐하는 커버부재를 포함하는 가스분배판; 및

   상기 기판안치수단에 연결되는 RF전원;

   을 포함하고,

   상기 가스유로는 상기 다수의 분배판 각각의 상면에 형성되며, 직상부의 상기 분배판 또는 상기 커버부재에 의해 밀폐되는 그루브이고, 상기 그루브는,

   상기 다수의 분배판 각각의 상면에 형성되는 환형의 버퍼용 그루브; 및

   상기 버퍼용 그루브와 상기 다수의 분배판 각각의 상기 개방부를 연통하는 분사용 그루브;

   를 포함하는 플라즈마 발생장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 챔버의 내부면에 이격되어 설치되고, 다수의 홀을 가지며 상하가 개구된 실린더 형상의 월라이너; 및

    상기 월라이너와 상기 챔버의 내주면 사이의 공간에 퍼지가스를 상부에서 하부방향으로 분사하는 제1 퍼지가스 분사수단;

    을 포함하는 플라즈마 발생장치.
11. 삭제
12. 제10항에 있어서,

    상기 제1퍼지가스 분사수단은,

    퍼지가스공급관; 및

    상기 퍼지가스공급관에 연결되는 링 형태의 퍼지가스인젝터

    를 포함하는 플라즈마 발생장치.
13. 제10항에 있어서,

    상기 월라이너의 내측면에서 상기 퍼지가스를 상부에서 하부로 분사하는 제2퍼지가스 분사수단을 더 포함하는 플라즈마 발생장치.
14. 제13항에 있어서,

    상기 제1퍼지가스 분사수단을 통해서 분사되는 상기 퍼지가스의 유속이 상기 제2퍼지가스 분사수단을 통해서 분사되는 상기 퍼지가스보다 더 빠른 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
15. 제13항에 있어서,

    상기 제1 및 제2퍼지가스 분사수단 각각을 통해서 분사되는 상기 퍼지가스는 서로 다른 온도를 가지는 플라즈마 발생장치.

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