KR101209298B1

KR101209298B1 - 반도체 엘이디 제조용 엣칭 챔버

Info

Publication number: KR101209298B1
Application number: KR1020120076734A
Authority: KR
Inventors: 이상필; 김상진
Original assignee: 주식회사한국큐텍
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2012-12-06
Also published as: CN104054162A; WO2014010798A1

Abstract

본 발명은 반도체 엘이디를 제조하기 위한 엣칭 챔버의 구조를 개선하여 엣칭 공정에서 발생하여 퇴적되는 부산물이 웨이퍼에 낙하함으로 인한 불량을 크게 낮출 수 있도록 하며, 나아가 챔버의 잦은 세정으로 인한 생산성의 저하를 줄일 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 챔버의 상부 천정에 아래를 향하도록 웨이퍼를 설치하도록 하고 직하부에 진공펌프를 설치하며, 그 아래에 플라즈마를 발생시키는 장치를 구비함에 있어서는 부산물의 낙하에 장애를 받지 않고 곧바로 진공펌프로 배출될 수 있도록 직하방이 개방되도록 구성함을 특징으로 한다.

Description

반도체 엘이디 제조용 엣칭 챔버{Etching chamber for semiconductor LED manufacturing}

본 발명은 반도체 엘이디를 제조하기 위한 공정 중에서 플라즈마 엣칭공정(식각; etching)에 관한 것으로, 특히 엣칭 챔버(chamber)의 획기적인 구조개선으로 엣칭 공정에서 발생하여 퇴적되는 부산물(byproduct)이 웨이퍼에 낙하함으로 인한 불량을 크게 낮출 수 있도록 하며, 나아가 챔버의 잦은 세정으로 인한 생산성의 저하를 줄일 수 있도록 한 것이다.

주지된 바와 같이 반도체를 제조하기 위해서는 산화공정, 감광액도포(photo resist), 노광, 현상, 엣칭, 이온주입, 화학기증착, 금속배선 등의 여러 공정이 필요한데, 본 발명은 엣칭 공정 중에서 플라즈마를 이용하는 건식 엣칭에 관한 것이다.

종래 기술을 통하여 기본적인 플라즈마를 이용하는 엘이디(LED) 엣칭 챔버에 대하여 살펴보면, 도 1에서 볼 수 있듯이 챔버(100)의 상부에 소스절연체(101; source insulator)를 구성한 다음, 그 상면에 RF 유도코일(102)을 구성하고 소스절연체(101)의 중앙으로 가스주입구(103)를 구성하여 엣칭용 가스(BCl₃)가 주입되도록 하며, 챔버(100)의 하부에는 바이어스 절연체(104) 위에 사파이어 재질의 웨이퍼(WAFER)가 장착된 트레이(110)가 척(120)에 고정되고, 상기 척(120)의 옆, 즉 측방향의 아래에 배기통로(105)가 구성되면서 진공펌프(130)가 연결되는 구성이다.

상기 구성에서 챔버(100)의 내부에 진공이 유지되도록 하고 진공상태에서도 열전달이 이루어지도록 트레이(110)와 척(120)의 사이에는 헬륨가스를 충진시키며, 이러한 상태에서 먼저 가스주입구(103)를 통해 챔버(100)의 내부에 엣칭용 가스를 공급한 후 상부의 RF 유도코일(102)에 소스파워를 인가하면 플라즈마가 발생되어 가스(BCl₃)의 분자와 비탄성 충돌을 일으켜 이온?활성 가스 분자, 라디칼이 다량 발생하게 된다. 이때 활성 가스 분자는 인접한 피식각 물질의 표면과 화학적인 반응을 통하여 엣칭을 유발할 수 있으나, 사파이어 재질의 웨이퍼는 화학적으로 안정되어 있으므로 화학적인 엣칭은 거의 발생하지 않게 된다.

상기와 같은 상태에서 트레이(110) 하단의 척(102)에 RF 파워를 인가하여 상층부에 발생된 플라즈마의 이온(ION)에 인력을 가하여 이온에 물리적인 potential을 유도하게 되고, 물리적인 힘을 가진 이온이 피식각 물체인 사파이어 웨이퍼와 충돌하여 엣칭이 이루어진다.

이러한 과정에서 생성된 피식각 물체의 파편과 이온의 결합으로 생성된 부산물(byproduct)이 발생하게 되는데 보통 휘발성 물질이다. 즉, 웨이퍼의 재질인 사파이어(Al₂O₃)에 가스(BCl₃)가 작용하여 AlCl₃과 B₂O₃가 발생하는 것이다.

이와 같은 문제로 인해 엣칭 공정의 회수가 누적되면 챔버 내에 플라즈마가 미치는 면에 부산물이 쌓이게 되고, 공정 횟수가 통상 80회를 넘으면 부산물이 층을 이루게 되고 구조가 약해지게 되며, 벽면에 퇴적된 부산물은 플라즈마에 의해 재분해되면서 이 과정에서 부산물 덩어리가 낙하하여 웨이퍼에 불량을 가져오는 것이었다.

따라서 통상 챔버는 소스절연체에 퇴적된 부산물이 낙하하기 이전에 세정이 실시되어야 하며, 현재 그 주기는 100회의 작업회수를 넘지 못하는 현실로서, 잦은 세정에 소요되는 시간의 낭비로 인하여 생산효율이 크게 저하되는 문제로 이어진다.

본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 플라즈마 엣칭 과정에서 발산하는 부산물에 의한 불량 발생을 최대한 줄이고, 챔버의 세정주기도 크게 늘여 생산성의 향상을 가져오도록 함을 목적으로 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 챔버의 상부 천정에 아래를 향하도록 웨이퍼를 설치하도록 하고 직하부에 진공펌프를 설치하며, 그 아래에 플라즈마를 발생시키는 장치를 구비함에 있어서는 부산물의 낙하에 장애를 받지 않고 곧바로 진공펌프로 배출될 수 있도록 직하방이 개방되도록 구성하며, 웨이퍼 트레이를 고정시키는 장치는 스프링의 탄성을 가지면서 상부 방향으로 클램프가 트레이를 당겨 올리면서 고정하도록 구성함으로써, 간단하고 신속한 동작으로 고정 가능하면서 과도한 클램핑에 의해 트레이가 파손되는 경우도 방지되도록 특징으로 한다.

본 발명은 척의 위치를 챔버의 천정으로 하고 웨이퍼가 아래 방향으로 향한 상태에서 엣칭이 이루어지도록 함에 의해 유용한 장점을 갖게 되는데, 웨이퍼가 챔버의 내부 벽에 퇴적되었다가 낙하하는 부산물의 영향을 전혀 받지 않게 되는 것이고, 이에 따라 부산물에 낙하에 의한 웨이퍼의 불량률을 크게 낮출 수 있는 여건이 마련되는 것이다.

또한, 웨이퍼의 불량률을 크게 낮출 수 있게 됨으로 인해 챔버를 세정하는 주기가 크게 연장되므로 엣칭 가동시간을 늘릴 수 있는 것이며, 이에 따라 생산 효율을 크게 향상시키게 된다.

특히 본 발명은 척과 진공펌프의 중심 축이 일치되는 직하배기 형태이면서 척이 상부에 위치하고 아래 방향이 완전히 오픈되는 구조로서, 평균자유행정(Mean free path)의 입자 유동을 가지는 특성대의 Process Pressur를 사용하는 PSS Etching Process에서 배기구조가 가장 이상적이라 할 수 있다.

이와 같이 배기구조가 이상적일 때 펌핑 효율이 증가되어 소용량의 펌프를 사용할 수 있므으로 비용절감 및 장치 소형화 기여하게 되고 낙하하는 부산물의 처리가 용이하며, 부산물의 퇴적도 감소하게 된다. 아울러 장치구조 간소화로 세정시간을 단축하는 효과도 있다.

도 1은 종래 일반적인 챔버의 구성을 도시한 단면도
도 2는 본 발명의 전체 구성을 도시한 개략도
도 3a, 도 3b, 도 3c는 본 발명의 클램핑장치 부분을 도시한 단면도로서
도 3a은 해제시의 상태도
도 3b는 1차 상승시의 상태도
도 3c는 탄성작용으로 완전히 클램핑된 상태도
도 4는 도 2의 A-A선 단면도

본 발명을 구현하기 위한 바람직한 구성실시 예를 첨부된 도면에 의거 상세히 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에 의한 챔버(1)는 기본적으로 챔버(1)의 내부 천장에 웨이퍼가 적재되는 트레이(10)를 안착시키도록 된 척(20)을 구성하여 트레이를 장착하면 웨이퍼가 아래를 향하도록 하였으며, 척(20)의 상부에는 챔버(1)와의 사이에 절연체(21)를 구성하였다.

챔버(1)의 상부 척(20)의 바로 아래 측면에는 웨이퍼가 적재된 트레이(10)가 측방향으로 출입할 수 있는 통로(2)를 구성하였다.

상부 척(20)의 아래에 일정간격 이격된 위치에는 척(20)보다 넓은 직경으로 절연통체(31)를 설치한 후, 상기 절연통체(31) 외부에 원통형의 RF 유도코일(30)을 설치하여 트레이(10)가 설치되는 척(20)의 직하방이 아래 방향으로 완전히 관통하도록 구성한다.

상기 RF 유도코일(30)의 아래에는 직경이 축소되도록 경사면(3)을 구성한 다음 하부에 진공밸브(40)와 진공펌프(41)를 설치하여 구성된다. 상기 진공펌프(41)는 고진공을 구현할 수 있는 터보분자 진공펌프이다.

좀 더 구체적으로 본 발명의 각 부분 구성을 살펴보면, 다음과 같다.

먼저, 트레이(10)를 척(20)에 고정되도록 하는 장치에 대하여 살펴보면, 챔버(1)의 상부에 지지대(4)에 고정되는 실린더(50)를 구성한 다음, 실린더(50)의 작동으로 승강하는 승강봉(51)을 챔버(1)의 내부로 관통되도록 구성하고, 승강봉(51)의 하단에 클램프(52)를 고정하여 트레이(10)를 고정시킬 때는 실린더(50)가 승강봉(51)을 상승시켜 클램프(52)가 트레이(10)를 척(20)에 고정시키고, 해제할 때는 승강봉(51)을 하강시켜 클램프(52)가 트레이(10)를 척(20)과 이격시킨다.

좀 더 구체적으로 실린더(50)의 로드(50')에 승강판(53)을 구성한 후 승강봉(51)이 승강판(53)을 관통하도록 설치되고, 승강봉(51)의 상단에는 고정블록(54)을 설치한 다음 고정블록(54)과 승강판의 사이에는 스프링(55)을 설치하여 승강판(53)이 상승하면 스프링(55)이 고정블록(54)을 밀어 올려 승강봉(51)을 상승시키게 되고 승강봉(51)의 상승이 중지되면 그때부터는 스프링(55)이 압축되도록 구성하였다.

부호 56은 가이드봉, 57은 벨로우즈이다.

도 5와 같이 상기 승강봉(51)과 클램프(52)는 척(20)의 주변에 균등한 각도로 3개를 배치하는 것이 바람직하며, 그 중에서 2개의 클램프(52)의 중앙으로 트레이(10)가 진입하도록 통로(2)가 설계되면 트레이(10)가 수평으로 진입하면 곧바로 클램프(52)가 트레이(10)를 들어올려 고정할 수 있으므로 바람직할 것이다.

챔버(1)의 통로(2) 아래에는 챔버(1) 내부 공간의 직경이 줄어들게 되는 상부 경사면(5)을 형성하였고 상기 상부 경사면(5)의 중간에 엣칭 가스가 챔버(1) 내부로 유입되게 하는 가스유입구(6)를 형성하였다.

부호 7은 헬륨가스 라인, 8은 최초 진공을 위한 드라이펌프 라인이다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

항상 고진공이 유지되는 챔버(1)의 내부에 통로(2)를 통하여 웨이퍼가 안착된 트레이(10)를 직선방향으로 진입시켜 2개의 클램프(52) 사이로 진입하게 되며, 진입이 완료되면 3개의 클램프(52) 사이의 정중앙에 트레이(10)가 위치하게 된다.

트레이(10)가 진입하기 전에는 실린더(50)가 하강하여 승강판(53)과 승강봉(51)이 하강하여 있으며, 따라서 클램프(53)도 진입하는 트레이(10)보다 아래에 위치하게 된다.

트레이(10) 진입이 완료되면 곧바로 실린더(50)가 작용하여 승강판(53)을 들어올리게 되고 승강판(53)이 스프링(55)을 밀어 올리면서 스프링(55)이 고정블록(54)을 밀러 올리고 고정블록(54)에 고정된 승강봉(51)이 상승하면서 끝단의 클램프(52)가 트레이(10)를 위로 당겨 척(20)에 밀착시키게 된다.

클램프(52)가 트레이(10)를 들어올리다가 척(20)에 밀착되면(도 3b 참조) 그때부터는 더 이상 승강봉(51)과 클램프(52)는 상승할 수가 없으므로 승강판(53)이 스프링(55)을 압축시키면서 조금 더 상승하게 된다. (도 3c 참조) 따라서 스프링(55)의 탄성력이 승강봉(51)과 클램프(52)에 작용하면서 트레이(10)가 견고하고도 안정적으로 고정되면서, 세라믹 재질의 트레이가 파손되는 경우도 방지할 수 있다.

챔버(1)의 내부에 플라즈마를 위한 엣칭 가스를 가스주입구를 통해 주입한다.

RF 유도코일(30)에 전원을 인가하면 플라즈마가 발생되어 엣칭 가스의 분자와 비탄성 충돌을 일으켜 이온?활성 가스 분자(여기), 라디칼이 다량 발생하게 된다.

챔버(1) 상단부의 척(20)에 RF 파워를 인가하여 하층부에 발생한 플라즈마의 이온에 인력을 가하여 이온에 중력의 반대방향으로 물리적인 POTENTIAL을 유도하여 피식각물체(사파이어 웨이퍼)를 엣칭하게 되는 것으로, 이러한 과정에서 발생하는 부산물(byproduct; AlCl₃ 및 B₂O₃)이 챔버(1)의 내부에서 브라운 운동을 하다가 점차 내부 벽에 퇴적되며, 퇴적된 후 중력에 의해 낙하를 하더라도 중간에 부산물이 걸림이 없이 곧바로 진공펌프(41)를 통해 배출이 되므로 웨이퍼에는 전혀 영향을 주지 않게 되는 것이다.

엣칭이 완료된 후에는 실린더(50)가 하강하여 승강판(53)을 하강시키면 승강봉(51)이 하강하기 전에 스프링(55)이 압축된 만큼 이완작용이 먼저 이루어지고, 이후 승강봉(51)과 클램프(52)가 하강하면서 트레이(10)를 척(20)으로부터 분리되게 하며, 이후 진입된 반대방향으로 통로(2)를 통해 배출된다.

1: 챔버
2: 통로
3: 경사면
6: 가스유입구
10: 트레이
20: 척
30: RF 유도코일
40: 진공밸브
41: 진공펌프
50: 실린더
51: 승강봉
52: 클램프
53: 승강판
54: 고정블록
55: 스프링

Claims

챔버의 내부 천정에 웨이퍼 적재 트레이를 아래를 향하도록 안착시킬 수 있는 척을 구성하고, 척의 중심선 상의 직하부에 진공펌프를 구성하며,
척의 아래 일정한 간격으로 이격된 위치에 절연통체를 구성하고 그 외부에 RF 유도코일을 배치하여 척의 하부가 완전히 개방되도록 구성함을 특징으로 하는 반도체 엘이디 제조용 엣칭 챔버.
제1항에 있어서, 척의 주변에 3개 방향으로 클램프를 배치하고 2개의 클램프 사이로 트레이가 진입하도록 통로를 구성하며 트레이가 진입완료하면 클램프가 상승하면서 트레이를 고정시키도록 함을 특징으로 하는 반도체 엘이디 제조용 엣칭 챔버.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
클램프를 승강시키는 구성으로서 챔버의 상부에 실린더의 작용으로 승강하면서 챔버 내부로 연결되는 승강봉을 구성하고 승강봉의 하단에 클램프를 구성함을 특징으로 하는 반도체 엘이디 제조용 엣칭 챔버.
제4항에 있어서, 실린더의 로드에 승강판을 연결하고 승강봉은 승강판을 관통하면서 설치하고, 승강봉의 상단과 승강판의 사이에 스프링을 구성하여 클램프가 트레이를 척에 밀착시킨 이후에는 스프링을 압축하면서 승강판이 상승하여 트레이를 고정하도록 구성함을 특징으로 하는 반도체 엘이디 제조용 엣칭 챔버.
제1항 또는 제2항에 있어서,
챔버의 통로 아래에는 챔버 내부 공간의 직경이 줄어들게 되는 상부 경사면을 형성하고 상기 상부 경사면의 중간에 엣칭 가스가 챔버 내부로 유입되게 하는 가스유입구를 형성함을 특징으로 하는 반도체 엘이디 제조용 엣칭 챔버.