KR101196422B1 - 플라즈마 처리장치 - Google Patents

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KR101196422B1
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손형규
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엘아이지에이디피 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는 챔버, 상기 챔버 상부에 구비되는 상부전극, 상기 챔버 하부의 상기 상부전극과 마주하는 위치에 구비되는 하부전극, 상기 하부전극의 하부에 설치되는 절연 플레이트, 상기 절연 플레이트의 하부에 구비되며 상기 하부전극와의 사이의 간격이 경사지게 형성되도록 설치된 베이스 플레이트를 구비한 것으로, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는 절연 플레이트를 사이에 두고 상부와 하부에 위치하는 쿨링 플레이트(또는 하부전극)와 베이스 플레이트 사이의 간격을 평행 평판으로 구성하지 않고, 경사지게 형성함으로써 하부 전극으로 제공되는 RF 흐름이 쿨링 플레이트와 베이스 플레이트 사이에서 발생하는 전계로 인하여 손실되는 것을 최소화하여 RF 전달효율을 향상시키는 효과가 있다.

Description

플라즈마 처리장치{Plasma processing apparatus}
본 발명은 플라즈마 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용량 결합형 플라즈마(Capacitively coupled plasma) 처리장치에서의 RF 전달효율을 향상시킨 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마 처리장치는 기판에 박막을 형성하는 플라즈마 화학기상증착 장치, 플라즈마 스퍼터링 장치, 플라즈마 에칭장치 및 플라즈마 이온 주입 및 도핑장치 등에 널리 사용된다.
플라즈마를 생성하는 방법으로는 용량 결합형 플라즈마를 생성하는 방법, 유도 결합형 플라즈마를 생성하는 방법, ECR(전자사이크로트론공명) 플라즈마를 생성하는 방법 그리고 마이크로파 플라즈마를 생성하는 방법 등 여러가지 방법이 있다.
이들 중에서 용량 결합형 플라즈마를 생성하는 장치는 상부전극과 하부전극을 구비하고, 하부전극의 하부에는 절연체와 베이스 플레이트가 구비되어 있다.
그런데, 베이스 플레이트와 하부전극 사이는 평행평판 상태로 구현되어 있는 경우가 대부분이다. 따라서 베이스 플레이트와 하부전극 사이는 커페시터로 기능하여 예상치 못한 전계가 발생할 수 있다. 이 전계는 베이스 플레이트 하부로부터 하부전극으로 인가되는 RF의 흐름을 방해하여 RF 전달효율을 떨어뜨리는 원인이 된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 본 발명의 목적은 하부전극 하부의 베이스 플레이트와 베이스 플레이트 상부의 하부전극 또는 쿨링 플레이트 사이를 경사지게 구현하여 하부전극으로 제공되는 RF의 전달효율을 향상시키도록 한 플라즈마 처리장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는 챔버, 상기 챔버 상부에 구비되는 상부전극, 상기 챔버 하부의 상기 상부전극과 마주하는 위치에 구비되는 하부전극, 상기 하부전극의 하부에 설치되는 절연 플레이트, 상기 절연 플레이트의 하부에 구비되며 상기 하부전극와의 사이의 간격이 경사지게 형성되도록 설치된 베이스 플레이트를 구비한다.
상기 하부전극과 상기 절연 플레이트 사이에는 쿨링 플레이트가 구비되고, 상기 쿨링 플레이트의 상기 절연 플레이트와 접하는 면은 중앙부와 가장자리 부분의 두께가 다르게 형성될 수 있다.
상기 쿨링 플레이트의 중앙부는 가장자리보다 두께가 두껍게 형성될 수 있다.
상기 쿨링 플레이트의 중앙부는 가장자리보다 두께가 얇게 형성될 수 있다.
상기 베이스 플레이트의 상기 절연 플레이트와 접하는 면은 중앙부와 가장자리 부분의 두께를 다르게 형성될 수 있다.
상기 베이스 플레이트의 중앙부는 가장자리보다 두께가 두껍게 형성될 수 있다.
상기 베이스 플레이트의 중앙부는 가장자리보다 두께가 얇게 형성될 수 있다.
상기 절연 플레이트는 테프론 재질로 된 제 1절연 플레이트와 상기 제 1절연 플레이트의 하부에 겹쳐지는 세라믹 재질로 된 제 2절연 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 제 2절연 플레이트를 상기 제 1절연 플레이트보다 측방으로 더 연장될 수 있다.
상기 제 1절연 플레이트와 상기 제 2절연 플레이트의 서로 접하는 면은 경사진 요철 형태로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는 절연 플레이트를 사이에 두고 상부와 하부에 위치하는 쿨링 플레이트(또는 하부전극)와 베이스 플레이트 사이의 간격을 평행 평판으로 구성하지 않고, 경사지게 형성함으로써 하부 전극으로 제공되는 RF 흐름이 쿨링 플레이트와 베이스 플레이트 사이에서 발생하는 전계로 인하여 손실되는 것을 최소화하여 RF 전달효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 세 번째 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 네 번째 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다섯 번째 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면과 관련한 상세한 실시예의 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리장치는 용량 결합형 플라즈마 처리장치를 실시예로 하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 플라즈마 처리장치는 내부에 반응실을 제공하는 챔버(100)를 구비한다. 챔버(100)의 상측 또는 하측은 접지되어 있다.
챔버(100)의 상부에는 상부전극(110)이 구비되고, 챔버(100)의 하부에는 하부전극(130)이 구비된다. 상부전극(110)에는 접지 전극이 연결될 수 있고, 또는 메칭부(matching unit)가 연결될 수 있다.
그리고 상부전극(110)에는 플라즈마의 여기 및 공정 진행을 위한 공정가스가 공급되는 가스 공급부(120)가 구비된다. 이 가스 공급부(120)에 연결되는 상부전극(110)은 도면에 도시하지 않았지만 공정 가스가 챔버(100)의 반응실 내부로 고르게 공급되도록 샤워헤드 구조로 형성될 수 있다.
챔버(100)의 하부에는 하부전극(130)이 구비된다. 하부전극(130)의 상부에는 도면에 도시하지 않았지만 정전척(ESC)이 구비될 수 있다. 정전척의 상부에는 플라즈마 처리가 수행되는 기판이 안착된다.
한편, 하부전극(130)의 하부에는 쿨링 플레이트(140)가 구비된다. 쿨링 플레이트(140)에는 냉매가 유통하는 유로(142)와 이 유로(142)와 연결되어 외부에서 공급되는 냉매가 순환하도록 하는 냉매관(143)이 연결된다. 쿨링 플레이트(140)는 하부전극(130)을 냉각시키기 위한 것으로, 플라즈마로 기판을 처리할 때 하부전극이 설정온도 이상으로 가열되는 것을 방지하기 위한 것이다.
따라서 쿨링 플레이트(140)의 유로(142)에는 냉매로 사용되는 헬륨 및 기타의 냉각 가스가 공급될 수 있고, 또는 물과 같은 액체 상태의 냉매가 공급될 수 있다. 그리고 쿨링 플레이트(140)의 하부에는 절연 플레이트(150)(151)가 구비되고, 절연 플레이트(150)(151)의 하부에는 베이스 플레이트(160)가 구비된다. 베이스 플레이트(160)는 접지되어 있다.
절연 플레이트(150)(151)는 쿨링 플레이트(140) 하부에 위치하는 제 1절연 플레이트(150)와 제 1절연 플레이트(150)의 하부에 겹쳐서 위치하는 제 2절연 플레이트(151)를 포함한다. 제 1절연 플레이트(150)는 PTFE(polytetrafluoroethylene)와 같은 강화 테프론으로 형성되고, 제 2절연 플레이트(151)는 세라믹으로 형성될 수 있다.
한편, 제 2절연 플레이트(151)의 측부는 제 1절연 플레이트(150)보다 폭이 넓게 연장되어 있다. 이러한 제 2절연 플레이트(151)를 형성하게 되면, 기판이 안착되는 플레이트의 주변에서의 전자기장의 세기가 약해져 기생 플라즈마가 플레이트의 주변으로 발생하는 것을 방지할 수 있다.
그리고 하부전극(130)으로 RF를 공급하기 위한 RF 인가선(180)이 베이스 플레이트(160), 절연 플레이트(150)(151), 쿨링 플레이트(140)를 관통하여 연장되어 있고, RF 인가선(180)의 설치를 위하여 베이스 플레이트(160)로부터 하부전극(130)의 하부면까지 관통하는 설치홀(170)이 형성된다. 그리고 설치홀(170) 내부의 RF 인가선(180)의 주변에는 절연체(190)가 내장된다.
한편, 쿨링 플레이트(140)의 하부전극(130)과 접하는 상부면은 평평하게 형성되고, 쿨링 플레이트(140)의 하부면(141)은 경사지게 형성된다. 이와 같은 형상에 의하여 쿨링 플레이트(140)의 중앙부분은 두께가 얇고, 주변 가장자리 부분은 두께가 두껍게 형성된다.
또한 베이스 플레이트(160)는 절연 플레이트(150)(151)와 접하는 상부면(161)이 경사지게 형성되고, 하부면은 평평하게 형성되어 있다. 따라서 베이스 플레이트(160)는 중앙부분의 두께가 얇고, 주변 가장자리 부분의 두께가 두껍게 형성되어 있다.
즉, 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160)는 평행 평판 구조가 아니며, 서로간의 간격은 경사지게 형성되어 있다. 그리고 경사각도(θ)는 5 ~ 45 각도일 수 있다.
이와 같이 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160)를 경사지게 구현한 것은 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160) 사이에 발생하는 전계에 의하여 RF 에너지의 전달효율이 나빠지는 것을 최소화하기 위한 것이다.
즉, 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160)가 절연 플레이트(150)(151)를 사이에 두고 평행 평판 상태로 유지되는 경우 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160)사이는 일종의 커페시터(Capacitor)로써 작용을 하게 된다.
이에 따라 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160) 사이에는 전계가 형성되고, 이 전계는 하부전극(130)으로 흐르는 RF의 흐름을 방해하여 RF 전달효율을 떨어뜨리게 된다. 종래의 용량 결합형 플라즈마 처리장치에서 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160) 사이에 발생하는 전계에 의하여 RF 전달 효율이 대략 30% 정도가 손실되는 것으로 보여진다.
이러한 RF 전달 효율의 손실을 줄이기 위하여 RF 공급 전력의 세기를 높일 수 있는데, 이와 같이 RF 공급 전력의 세기를 높이더라도 상대적으로 유전체 재질인 절연 플레이트(150)(151)에서의 분극전류의 크기도 커지게 되므로, RF 공급 전력을 크게 하는 것은 효과적인 방법이 되지 못한다.
따라서 본 발명에서는 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160) 사이의 간격을 일부는 멀게 그리고 일부는 가깝게 형성함으로써 RF 전달 효율이 떨어지는 것을 최소화한다.
먼저 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160) 사이의 간격을 멀리할 경우에는 수학식 1에서와 같이 그 거리만큼 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160) 사이의 정전용량이 약해지므로 전계가 약해진다.
Figure 112011012740167-pat00001
(ε: 유전율, A: 전극의 대향면적, d: 전극간 거리)
따라서 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160) 사이의 간격을 멀리하는 방법으로 RF 전달 훼손을 줄여준다.
한편, 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160) 사이의 간격을 멀리하게 되면 상대적으로 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160) 사이의 간격이 가까워지는 부분이 발생한다. 이 가까워지는 부분에서는 분극전류(polarization current)의 집중 현상, 즉 전하가 집중되는 현상이 발생한다.
그런데, 전하의 집중현상은 전계를 정재파(standing wave)로 매칭되는 현상을 발생시킨다. 이 정재파는 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160)의 서로 마주보는 면에서 교류성분에 의하여 서로 반대방향으로 반사되어 오는 전자기파가 서로 합쳐지면서 정지된 파동이 되는 것을 말한다. 따라서 간격이 가까운 곳에서는 정재파에 의하여 RF 전달 효율이 떨어지는 문제가 발생하지 않는다.
그리고 정재파의 구현을 위해서는 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160)의 면적 및 두께에 따라 가까워지는 부분의 간격에 대한 설계값의 조정이 필요하며, 이러한 간격에 대한 설계값의 조정은 장비의 크기와 전극의 면적에 따라 다양하게 변형 실시될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 플라즈마 처리장치는 도 1에 도시된 바와 같이 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160) 사이의 간격 중 중앙부분의 간격을 크게 하고, 주변부분의 간격을 작게 하고, 중앙부분에서 주변부분으로 경사지게 형성한 구성이다.
그리고 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160) 사이에 개재되는 절연 플레이트(150)는 쿨링 플레이트(140)와 베이스 플레이트(160) 사이의 형상에 맞게 형성하였다.
한편, 쿨링 플레이트와 베이스 플레이트 사이의 간격을 경사지게 하는 것은 다양하게 변형 실시할 수 있다.
도 2는 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 세 번째 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 네 번째 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 다섯 번째 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다.
도 2에서는 도 1과 달리 쿨링 플레이트(240)의 하부면 만을 경사지게 하고, 베이스 플레이트(250)의 상부면은 평행하게 형성하고, 제 1절연 플레이트(250)와 제 2절연 플레이트(251)를 쿨링 플레이트(240)의 하부 형상에 맞게 형성한 실시예이다. 도 2와 같이 구성하는 경우에도 쿨링 플레이트(240)와 베이스 플레이트(250) 사이의 간격은 경사지게 형성된다. 그리고 두 번째 실시예는 첫 번째 실시예보다 경사각도가 더 커지는 것이 보다 효율적일 수 있다.
한편, 도 3의 세 번째 실시예에서는 쿨링 플레이트(340)와 베이스 플레이트(360) 사이에서 중앙부분의 간격을 좁게하고, 주변부분의 간격을 크게 형성하며, 제 1절연 플레이트(350))와 제 2절연 플레이트(351)을 쿨링 플레이트(340)과 베이스 플레이트(360)의 형상에 맞게 형성한 실시예이다. 이와 같이 구성하는 경우에도 RF 전달효율의 향상에 기여할 수 있다.
그리고 도 4의 네 번째 실시예에서는 도 3과 달리 쿨링 플레이트(440) 하부면 만을 경사지게 하고, 베이스 플레이트(460)의 상부면은 평행하게 형성하고, 제 1절연 플레이트(450)과 제 2절연 플레이트(451)을 쿨링 플레이트(440)의 형상에 맞게 실시한 예이다. 도 4와 같이 구성하는 경우에도 쿨링 플레이트(440)와 베이스 플레이트(460) 사이의 간격은 경사지게 형성되므로 RF 전달효율의 감소를 최소화할 수 있다.
또한 도 5의 다섯 번째 실시예에서는 쿨링 플레이트(440) 하부면중에서 적어도 2곳에서 하부로 경사지게 돌출한 돌출부를 형성하고, 제 2절연 플레이트(551)의 중앙부분을 마름모 형태로 형성하며, 마름모 형태의 주변을 대략 삼각형 형태로 연장한 부분을 형성한다. 그리고 제 1절연 플레이트(550)은 제 2절연 플레이트(551)와 쿨링 플레이트(440) 사이에 채워지도록 형성한 실시예이다. 도 5와 같이 구성하는 경우에도 쿨링 플레이트(440)와 베이스 플레이트(460) 사이의 간격은 다수의 경사진 부분을 포함하므로 RF 전달효율의 감소를 줄일 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예들에서는 다양한 방법으로 절연 플레이트(150)를 사이에 두고 상부와 하부에 위치하는 쿨링 플레이트(140)(240)(340)(440)와 베이스 플레이트(160)(260)(360)(460) 사이의 간격을 평행 평판으로 구성하지 않고, 경사지게 형성함으로써 하부 전극으로 제공되는 RF 전달이 쿨링 플레이트(140)(240)(340)(440)와 베이스 플레이트(160)(260)(360)(460) 사이에 발생하는 전계로 인하여 손실되는 것을 최소화하여 RF 전달효율을 향상시켜 보다 높은 효율의 플라즈마 처리장치를 제공할 수 있도록 한다. 이와 같은 본 발명의 실시예는 용량 결합형 플라즈마 처리장치에서 더욱 효과적으로 활용될 수 있다.
상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 챔버;
    상기 챔버 상부에 구비되는 상부전극;
    상기 챔버 하부의 상기 상부전극과 마주하는 위치에 구비되는 하부전극;
    상기 하부전극의 하부에 설치되는 절연 플레이트;
    상기 절연 플레이트의 하부에 구비되는 베이스 플레이트; 및
    상기 하부 전극과 상기 절연 플레이트 사이에 구비되는 쿨링 플레이트를 포함하고,
    상기 쿨링 플레이트와 상기 베이스 플레이트 사이에 발생하는 전계를 약화시키도록 상기 쿨링 플레이트와 상기 베이스 플레이트 사이 간격이 경사지도록 형성된 부분을 포함하는 플라즈마 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 쿨링 플레이트의 상기 절연 플레이트와 접하는 면은 중앙부와 가장자리 부분의 두께가 다르게 형성된 플라즈마 처리장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 쿨링 플레이트의 중앙부는 가장자리보다 두께가 두껍게 형성된 플라즈마 처리장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 쿨링 플레이트의 중앙부는 가장자리보다 두께가 얇게 형성된 플라즈마 처리장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 베이스 플레이트의 상기 절연 플레이트와 접하는 면은 중앙부와 가장자리 부분의 두께를 다르게 형성된 플라즈마 처리장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 베이스 플레이트의 중앙부는 가장자리보다 두께가 두껍게 형성된 플라즈마 처리장치.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 베이스 플레이트의 중앙부는 가장자리보다 두께가 얇게 형성된 플라즈마 처리장치.
  8. 챔버;
    상기 챔버 상부에 구비되는 상부전극;
    상기 챔버 하부의 상기 상부전극과 마주하는 위치에 구비되는 하부전극;
    상기 하부전극의 하부에 설치되는 절연 플레이트; 및
    상기 절연 플레이트의 하부에 구비되며 상기 하부전극과의 사이의 간격이 경사지게 형성되도록 설치된 베이스 플레이트를 구비하며,
    상기 절연 플레이트는 테프론 재질로 된 제 1절연 플레이트와 상기 제 1절연 플레이트의 하부에 겹쳐지는 세라믹 재질로 된 제 2절연 플레이트를 포함하는 플라즈마 처리장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제 2절연 플레이트를 상기 제 1절연 플레이트보다 측방으로 더 연장된 플라즈마 처리장치.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 제 1절연 플레이트와 상기 제 2절연 플레이트의 서로 접하는 면은 경사진 요철 형태로 형성된 플라즈마 처리장치.
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