KR101218052B1 - 배플, 플라즈마 장치, 및 기판처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일정한 반응공간을 형성하며 제1 기판출입구를 가지는 챔버, 상기 챔버의 내부로 RF전력을 인가하는 RF전극, 상기 챔버의 내부에 설치되는 기판안치수단, 상기 기판안치수단의 상부로 원료물질을 공급하는 가스공급수단을 가지는 기판처리장치에 사용되는 배플(baffle)에 있어서, 상기 기판안치수단의 주변부에 위치하며, 상기 기판안치수단의 기판재치면보다 높은 위치에 형성된 제2 기판출입구를 가지는 실린더부; 상기 실린더부의 상단에서 외측으로 연장되며, 다수의 관통홀이 형성된 플랜지부; 상기 제2 기판출입구를 개폐하는 개폐수단을 포함하는 배플을 제공한다.

본 발명에 따르면, 플라즈마를 이용하여 기판을 처리할 때 기판(s)의 주변부에서 배기속도가 빨라지는 현상이 개선된다. 따라서 공정가스 또는 공정부산물의 잔류시간이 기판(s)의 중심부와 주변부에서 유사해지므로 균일한 식각률 또는 증착률을 달성하여 공정균일도를 크게 향상시킬 수 있다.

배플, 플라즈마, 균일도

Description

배플, 플라즈마 장치, 및 기판처리방법 {Baffle, Plasma apparatus, and Method for treating substrate}

도 1은 일반적인 플라즈마 식각장치의 구성도

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배플을 포함하는 플라즈마 식각장치의 구성도

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배플의 저면사시도

도 4는 도 2에서 기판출입구 개폐부재가 하강한 모습을 나타낸 도면

도 5는 제2 기판출입구 개폐부재를 나타낸 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 플라즈마 발생장치 110 : 챔버

112 : 챔버리드 114 : 제1 기판출입구

120 : 정전척 121 : 정전척 몸체

122 : 절연판 124 : DC전극

126 : 포커스링 130 : 절연플레이트

140 : 배플 141 : 실린더부

142 : 플랜지부 143 : 제2 기판출입구

144 : 배기홀 150 : 제1 RF전원

152 : 제1 매처 154 : RF안테나

160 : 제2 RF전원 162 : 제2 매처

170 : DC전원 180 : 벨로우즈

190 : 배기구 200 : 슬롯밸브

210 : 밸브하우징 220 : 제1 기판출입구개폐부재

230 : 구동부재 240 : 제2 기판출입구개폐부재

250 : 연결부재

본 발명은 플라즈마를 이용하여 웨이퍼나 글래스(이하 '기판'이라 함)를 처리하는 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 식각 또는 증착에 관여하는 활성종이 기판의 중심부와 주변부에서 비슷한 잔류시간을 가지도록 함으로써 기판의 식각균일도 및 증착균일도를 향상시키기 위해 설치되는 배플(baffle)에 관한 것이다.

일반적으로 플라즈마 소스를 이용하여 기판을 처리하는 장치에는 박막증착을 위한 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장치, 증착된 박막을 패터닝하는 건식 식각(etching)장치, 스퍼터(sputter), 애싱(ashing)장치 등이 있다.

도 1은 이 중에서 플라즈마 식각장치(10)의 일반적인 구성을 개략적으로 도 시한 것이다.

플라즈마 식각장치(10)는 반응공간을 형성하며 측면에 기판출입구(13)를 가지는 챔버(11), 챔버(11)의 내부에 설치되며 기판(s)을 안치하는 정전척(20), 챔버(11)의 상부에 설치되어 챔버 내부로 RF전력을 공급하는 RF안테나(64)를 포함한다. 또한 정전척(20)의 상부로 원료물질을 분사하는 가스공급수단(미도시)과 공정부산물 및 잔류가스를 배출하기 위해 챔버(11)의 하부에 형성되는 배기구(70)를 포함한다.

정전척(20)은 알루미늄 또는 아노다이징 처리된 알루미늄 재질로 제조되는 정전척 몸체(21)의 상부에 세라믹 재질의 절연판(22)이 결합하여 이루어지며, 절연판(22)의 내부에는 텅스텐 재질의 DC전극(23)이 설치된다. DC전극(23)은 DC전원(40)에 연결되어 정전기력을 발생시킴으로써 상부의 기판(s)을 안정적으로 유지한다.

정전척 몸체(21)의 내부에는 기판(s)을 가열시키는 히터와 기판(s)의 배면을 냉각시키기 위해 헬륨가스를 공급하는 헬륨유로(미도시)가 설치되며, 정전척(20)의 온도를 일정온도 이하로 유지시키기 위한 냉매유로를 포함하기도 한다.

정전척(20)의 주변부에는 포커스링(30)이 결합하는데, 상기 포커스링(30)은 세라믹 재질로 제조되며 플라즈마의 영역을 기판(s)의 외측부위까지 확장시킴으로써 기판(s)의 표면전체가 균일한 플라즈마 영역에 포함될 수 있도록 한다.

정전척(20)의 측면에는 수평의 배기플레이트(32)가 설치되며, 이것은 배기구(70) 부근에 배기압력이 집중되어 공정균일도가 저하되는 현상을 방지하기 위한 것 이다.

또한 정전척(20)은 미도시된 구동수단에 의하여 챔버(11) 내부에서 상하로 승하강할 수 있으며, 승하강 도중에도 챔버 내부를 진공으로 유지할 수 있도록 챔버(11)의 하부에는 진공시일을 위한 벨로우즈(90)가 설치된다.

RF안테나(64)는 제1 RF전원(60)에 연결되며, 제1 RF전원(60)과 RF안테나(64)의 사이에는 임피던스를 정합시키는 제1 매처(62)가 설치된다. RF안테나(64)는 챔버리드(12)의 상부에 설치되며, RF안테나(64)로 인해 용량성 플라즈마가 발생하는 것을 방지하기 위하여 챔버리드(12)에는 절연플레이트(50)가 설치된다.

한편 금속재질의 정전척 몸체(21)에는 제2 RF전원(80)이 연결되며, 제2 RF전원(80)과 정전척 몸체(21)의 사이에는 임피던스 정합을 위해 제2 매처(82)가 설치된다.

이러한 플라즈마 식각장치(10)의 동작을 살펴보면 다음과 같다. 먼저기판출입구(13)를 통해 반입된 기판(s)을 정전척(20)의 상면에 안치하고 진공펌핑을 통해 공정분위기를 조성한다.

이어서 미도시된 가스공급수단을 통해 기판(s)의 상부로 원료물질을 분사하면서 제1 RF전원(60)에서 통상 13.56MHz의 RF전력을 RF안테나(64)로 공급한다. 이로 인해 RF안테나(64)의 주위에는 시변 자기장이 발생하고, 이 시변 자기장에 의해 발생하는 유도전기장이 챔버(11)의 내부에 형성된다.

이 유도전기장에 의해 원료물질 중의 전자가 가속되어 중성기체와 충돌함으 로써 이온 및 활성종이 발생하며, 이렇게 생성된 이온 및 활성종이 기판(s)의 표면으로 입사하여 기판(s)의 표면을 식각한다.

제2 RF전원(80)은 통상 2MHz 정도의 RF전력을 제공하며, 기판(s)으로 입사하는 이온의 에너지를 제어하는 역할을 한다.

그런데 이러한 플라즈마 식각장치(10)에서는 일반적으로 기판(s)의 중심부에 비하여 주변부에서 식각률(E/R)이 높아서 기판(s)의 주변부가 과다하게 식각되는 경우가 빈번하다는 문제점이 있다.

이것은 기판(s)의 상부에서 배기가스의 유속과 배기압력이 균일하지 못하기 때문인 것으로 분석된다.

즉, 배기플레이트(32)를 설치하면 배기압력이 일부분에 편중되는 현상이 완화되기는 하지만 여전히 챔버(11) 내부의 중심부와 주변부의 사이에는 배기압력의 차이가 존재하고, 이로 인해 주변부에서의 배기속도가 중심부에 비하여 빠르다.

따라서 식각공정에서 발생하는 공정부산물이 기판(s)의 중심부보다 주변부에서 더 빨리 배출된다. 콘택홀 또는 트렌치를 형성하는 식각공정에서 공정부산물이 빨리 배출될수록 활성종 또는 이온에 의한 식각이 원활해지므로 기판(s)의 중심부에 비하여 주변부가 더 많이 식각된다.

예를 들어 텅스텐 에치백(etch-back) 공정에서는 반응 중 생성되는 WF가 기판의 중심부보다 주변부에서 보다 빨리 배기되기 때문에 플로린(F)의 유입이 그만큼 많아져 기판의 주변부에서 더 많이 식각되는 현상이 나타난다.

이런 현상은 텅스텐(W) 등의 금속뿐만 아니라 폴리실리콘을 식각하는 경우에도 자주 발생한다.

한편, 기판(s)의 중심부와 주변부에서 공정가스 또는 공정부산물의 잔류시간 차이로 인해 발생하는 문제점은 플라즈마 식각장치에만 국한되는 것이 아니며, 플라즈마를 이용하는 박막증착장치에서도 기판(s)의 위치에 따라 증착율(D/R)이 달라지는 원인으로 작용한다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기판(s)의 중심부와 주변부에서 공정가스 또는 공정부산물의 잔류시간을 유사하게 함으로써 기판의 식각균일도 및 증착균일도를 높이는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 일정한 반응공간을 형성하며 제1 기판출입구를 가지는 챔버, 상기 챔버의 내부로 RF전력을 인가하는 RF전극, 상기 챔버의 내부에 설치되는 기판안치수단, 상기 기판안치수단의 상부로 원료물질을 공급하는 가스공급수단을 가지는 기판처리장치에 사용되는 배플(baffle)에 있어서, 상기 기판안치수단의 주변부에 위치하며, 상기 기판안치수단의 기판재치면보다 높은 위치에 형성된 제2 기판출입구를 가지는 실린더부; 상기 실린더부의 상단에서 외측으로 연장되며, 다수의 관통홀이 형성된 플랜지부; 상기 제2 기판출입구를 개 폐하는 개폐수단을 포함하는 배플을 제공한다.

상기 실리더부는 상기 기판안치수단의 주변부와 결합하며, 상기 기판안치수단과 함께 승하강하는 것이 바람직하다.

상기 플랜지부는 상기 챔버의 제1 기판출입구의 상단보다 높거나 같은 위치에 있는 것이 바람직하다.

상기 개폐수단은, 상기 실린더부의 제2 기판출입구를 개폐하는 기판출입구개폐부재; 상기 기판출입구개폐부재에 구동력을 제공하는 개폐수단 구동부; 상기 기판출입구개폐부재와 상기 개폐수단 구동부를 연결하는 연결부재를 포함하며, 상기 개폐수단 구동부는 상기 챔버의 기판출입구를 개폐하는 슬롯밸브일 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배플(140)을 포함하는 플라즈마 식각장치(100)의 구성을 나타낸 단면도로서, 반응공간을 형성하며 측부에 제1 기판출입구(114)를 가지는 챔버(110), 챔버(110)의 내부에 설치되며 정전척몸체(121)와 그 상부에 설치되는 절연판(122)을 포함하는 정전척(120), 정전척(120)의 주위에 설치되는 포커스링(126), 챔버(110)의 하부에 형성되는 배기구(190)를 포함한다.

챔버 상부의 챔버리드(112)에는 절연플레이트(130)가 설치되고, 절연플레이트(130)의 상부에는 제1 RF전원(150)에 연결된 RF안테나(154)가 설치되며, RF안테나(154)와 제1 RF전원(150)의 사이에는 임피던스 정합을 위해 제1 매처(152)가 설치된다.

정전척 몸체(121)에는 이온에너지 제어를 위한 제2 RF전원(160)이 연결되고, 제2 RF전원(160)과 정전척 몸체(121)의 사이에는 임피던스 정합을 위한 제2 매처(162)가 설치된다.

절연판(122)의 내부에는 DC전극(124)이 설치되고, DC전극(124)은 DC전원(170)에 연결된다.

또한 챔버 내부로 원료물질을 공급하는 가스공급수단(미도시)이 챔버(110)에 설치되며, 상기 가스공급수단은 정전척(120)의 상부에 설치되는 가스분배판일 수도 있고 정전척(120)에 대하여 대칭적으로 설치되는 다수의 인젝터일 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각장치(100)는 기판(s)의 주변부와 중앙부에서 공정가스 또는 공정부산물의 잔류시간을 유사하게 유지하기 위하여 배기속도가 빠른 기판 주변부에서의 배기흐름을 상부방향으로 전환시키는 배플(140)을 설치하는 점에 특징이 있다.

배플(140)은 저면 사시도인 도 3에 도시된 바와 같이, 상하가 관통된 실린더 형상을 가지는 실린더부(141)의 상단에 플랜지부(142)가 외측으로 결합된 형상을 가지며, 실린더부(141)에는 제2 기판출입구(143)가 형성된다.

실린더부(141)는 내측면이 정전척(120)의 측면에 결합하고 상단은 정전척(120)에서 기판이 안치되는 절연판(122)의 상부로 돌출된다. 따라서 배플(140)은 정전척(120)과 함께 승하강할 수 있다.

상기 실린더부(141)는 기판(s)의 주변부에서 배기흐름을 상방향으로 전환시 켜 공정가스 또는 공정부산물(예를 들어 WF)의 잔류시간을 늘림으로써 기판(s)의 중심부와 주변부의 식각균일도 또는 증착균일도를 향상시키는 역할을 한다..

배플(140)은 아노다이징(anodizing) 처리되거나 Y₂O₃코팅된 알루미늄 재질로 제조되는 것이 바람직하며, 그 형상은 챔버(110)의 형상에 따라 달라질 수 있다. 따라서 실린더부(141)의 형상이 도시된 것처럼 원형실린더 형상에 국한되는 것은 아니며, 다각형 실린더 형상일 수도 있다.

플랜지부(142)에는 배기를 위해 다수의 배기홀(144)을 형성하는 것이 바람직하고, 배기홀(144)을 형성하지 않는 경우에는 플랜지부(142)의 단부와 챔버(110)의 내측벽 사이를 통해 배기가 이루어져야 하므로 양자 사이에 충분한 간격이 설정되어야 한다.

한편. 실린더부(141)의 상단, 즉 플랜지부(142)는 챔버의 제1 기판출입구(114)의 상단보다 높거나 같은 높이로 설치되는 것이 바람직하므로, 배플의 실린더부(141)에는 기판출입을 위한 제2 기판출입구(143)가 형성되어야 한다.

제2 기판출입구(143)를 열어둔 채로 공정을 진행하면, 플라즈마의 대칭성이 훼손될 뿐만 아니라 이를 통해 공정부산물 또는 잔류가스가 배출되므로 챔버 내부의 배기압력 또는 배기속도가 불균일해질 수밖에 없다.

따라서 공정 중에는 제2 기판출입구(143)를 차폐할 수 있는 수단이 요구되는데, 본 발명에서는 챔버(110)의 제1 기판출입구(114)를 개폐하는 슬롯밸브(200)와 연동하여 상기 제2 기판출입구(143)를 여닫는 방법을 제안한다

슬롯밸브(200)는 도 2에 도시된 바와 같이 기판출입구(114)의 외측에 결합하는 밸브하우징(210), 밸브하우징(210)의 내부에 설치되어 제1 기판출입구(114)를 개폐하는 제1 기판출입구 개폐부재(220)와 상기 제1 기판출입구개폐부재(220)를 상하로 구동시키는 구동부재(230)를 포함한다.

따라서 제1 기판출입구개폐부재(220)에 배플(140)의 제2 기판출입구(143)를 개폐하는 제2 기판출입구개폐부재(240)를 연결하면, 제1 기판출입구개폐부재(220)가 상승하여 제1 기판출입구(114)를 닫을 때 도 2에 도시된 바와 같이 제2 기판출입구개폐부재(240)도 상승하여 배플(140)의 제2 기판출입구(143)를 닫게 된다.

또한 도 4에 도시된 바와 같이 제1 기판출입구개폐부재(220)가 하강하여 제1 기판출입구(114)가 열리면 제2 기판출입구개폐부재(240)도 함께 하강하여 배플(140)의 제2 기판출입구(143)가 열리게 된다.

제2 기판출입구개폐부재(240)는 배플(140)의 제2 기판출입구(143)를 차폐할 수 있는 판형상으로 이루어지며, 배플(140)의 실린더부(141)가 곡면인 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이 제2 기판출입구개폐부재(240)도 이에 대응하는 곡면을 가져야 한다.

제2 기판출입구개폐부재(240)는 소정의 연결부재(250)에 의해 제1 기판출입구개폐부재(220)에 연결되며, 상기 연결부재(250)는 제1,2 기판출입구개폐부재(220,240)를 서로 연결하는 프레임으로서 배기홀을 구비하는 것이 바람직하다.

이하에서는 도 2 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 배플(140)을 포함하는 플라즈마 발생장치(100)의 동작을 살펴본다.

먼저 챔버측벽에 설치된 슬롯밸브(200)의 제1 기판출입구개폐부재(220)를 하강시키면 이에 연결된 제2 기판출입구개폐부재(240)도 함께 하강한다. 따라서 챔버측벽의 제1 기판출입구(114)와 배플(140)의 제2 기판출입구(143)를 통해 로봇(미도시)이 진입하여 정전척(120)의 상부에 기판(s)을 안치시킨다.

로봇이 물러나면 슬롯밸브(200)의 제1 기판출입구개폐부재(220)가 상승하여 제1 기판출입구(114)를 밀폐하고, 이와 동시에 제2 기판출입구개폐부재(240)도 함께 상승하여 배플(140)의 제2 기판출입구(143)를 닫는다.

이어서 미도시된 가스공급수단을 통해 기판(s)의 상부로 원료물질을 분사함과 동시에 제1 RF전원(150)에서 RF안테나(154)에 RF전력을 공급하면, 챔버(110)의 내부에 유도전기장이 형성된다.

이렇게 형성된 유도전기장 내에서 전자가 가속하여 중성기체와 충돌함으로써 활성종과 이온이 생성되며, 이렇게 생성된 활성종 및 이온이 기판으로 입사하여 식각공정을 수행한다. 이때 정전척 몸체(121)에는 제2 RF전원(160)을 인가하여 이온에너지를 제어한다.

이 과정에서 기판(s)의 주변부에서는 공정부산물 및 잔류가스가 상방향으로 유동한 후 배기되므로, 기판(s)의 중심부와 주변부에서 공정가스 및 공정부산물의 잔류시간이 비교적 균일해진다. 따라서 기판(s)의 주변부와 중심부에서 식각률(E/R)이 균일해지고 공정균일도가 향상된다.

이상에서는 플라즈마 식각장치에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 배플은 기판(s)의 중심부와 주변부에서 공정가스 또는 공정부산물의 잔류시간이 달라지는 현상을 개선하기 위한 것이므로 플라즈마를 이용하는 박막증착장치에도 동일하게 적용될 수 있다. 또한 반도체 제조장치 뿐만 아니라 LCD 등의 평면표시소자를 제조하는 장치에도 적용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 플라즈마를 이용하여 기판을 처리할 때 기판(s)의 주변부에서 배기속도가 빨라지는 현상이 개선된다. 따라서 공정가스 또는 공정부산물의 잔류시간이 기판(s)의 중심부와 주변부에서 유사해지므로 균일한 식각률 또는 증착률을 달성하여 공정균일도를 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 일정한 반응공간을 형성하며 제1 기판출입구를 가지는 챔버, 상기 제1 기판출입구를 개폐하는 제1 기판출입구 개폐부재, 상기 챔버의 내부로 RF전력을 인가하는 RF전극, 상기 챔버의 내부에 설치되는 기판안치수단, 상기 기판안치수단의 상부로 원료물질을 공급하는 가스공급수단을 가지는 기판처리장치에 사용되는 배플(baffle)에 있어서,

   상기 기판안치수단의 주변부에 위치하며, 상기 기판안치수단의 기판안치면보다 높은 위치에 형성된 제2 기판출입구를 가지는 실린더부;

   상기 실린더부의 상단에서 외측으로 연장되며, 다수의 관통홀이 형성된 플랜지부;

   상기 제2 기판출입구를 개폐하는 제2 기판출입구 개폐부재; 및

   상기 제2 기판출입구 개폐부재를 상하로 구동시키는 구동수단

   을 포함하는 배플
2. 제1항에 있어서,

   상기 실린더부는 상기 기판안치수단의 주변부에 결합하며, 상기 기판안치수단과 함께 승하강하는 것을 특징으로 하는 배플
3. 제1항에 있어서,

   상기 플랜지부는 상기 챔버의 상기 제1 기판출입구의 상단보다 높거나 같은 위치에 있는 배플
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2 기판출입구 개폐부재는 상기 제1 기판출입구 개폐부재와 연결되는 배플
5. 제4항에 있어서,

   상기 구동수단은 상기 챔버의 상기 제1 기판출입구를 구동시켜 개폐하는 슬롯밸브인 배플
6. 제1항에 있어서,

   상기 제2 기판출입구 개폐부재는 상기 제1 기판출입구 개폐부재의 상하 구동과 연동되는 배플
7. 제1항에 있어서,

   상기 제2 기판출입구 개폐부재는 곡판형상인 배플.
8. 반응공간을 형성하며 제1 기판출입구를 가지는 챔버;

   상기 챔버의 내부에 설치되는 기판안치수단;

   상기 기판안치수단의 주변부에 위치하며, 상기 기판안치수단의 기판안치면 보다 높은 위치에 형성된 제2 기판출입구를 가지는 실린더부;

   상기 제2 기판출입구를 개폐하는 제2 기판출입구 개폐부재;

   상기 제2 기판출입구 개폐부재의 승강에 의해서 상기 제2 기판출입구를 개폐하는 개폐수단;

   을 포함하는 플라즈마 처리장치를 이용한 기판처리방법에 있어서,

   상기 제2 기판출입구 개폐부재의 하강에 의해 제2 기판출입구를 통하여 기판을 상기 기판안치수단에 안치시키는 단계;

   상기 제2 기판출입구 개폐부재의 상승에 의해 상기 제2 기판출입구를 밀폐시키는 단계;

   상기 챔버의 내부에서 플라즈마를 발생시켜 상기 기판을 처리하는 단계; 및

   공정부산물 및 잔류가스를 상기 기판의 상방향으로 유동한 후 배기하는 단계;

   를 포함하는 플라즈마 처리장치를 이용한 기판처리방법.

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