KR101285728B1 - 플라즈마 기판 처리 장치 및 방법 - Google Patents

플라즈마 기판 처리 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부에 플라즈마에 의해 기판의 처리 공정이 수행되는 공간을 제공하고, 가스의 배기를 위한 배기구가 형성된 공정챔버; 기판을 지지하기 위해 상기 공정챔버의 내측 하부에 배치되는 기판 지지부재; 공정 가스 공급관에 의해 상기 공정챔버에 공정 가스를 공급하는 공정 가스 공급부재; 세정 가스 공급관에 의해 상기 공정챔버에 세정 가스를 공급하는 세정 가스 공급부재; 및 가스가 상기 공정챔버에 공급되기 전 미리 에너지를 공급하기 위해 상기 공정 가스 공급관 및 상기 세정 가스 공급관의 일측에 각각 배치되어 에너지를 공급하는 보조 에너지 공급부재를 포함하는 플라즈마 기판 처리 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명에 따르면, 공정챔버에 공급되기 전 보조 에너지 공급부재에 의해 공정 가스 및 세정 가스에 미리 에너지를 공급하기 때문에 공정 가스가 미리 이온화되어 공정챔버 내부에서 플라즈마 이온화율이 극대화될 수 있고, 세정 가스 역시 리모트 플라즈마 발생장치에 의하여 발생된 이온화율이 높지 않은 세정 가스의 이온화율을 극대화할 수 있다.

Description

플라즈마 기판 처리 장치 및 방법 {Apparatus for and Method of treating substrate using plasma}
본 발명은 기판 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반도체 웨이퍼나 유리기판 등과 같은 기판에 대해 플라즈마를 이용하여 증착, 식각, 세정 등의 공정을 수행할 수 있는 플라즈마 기판 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자 제조를 위해서는 식각, 애싱, 세정 등의 다양한 공정이 필요하다. 최근에는 플라즈마를 이용하여 위와 같은 공정을 수행하고 있다.
플라즈마 소스로는 유도 결합형 플라즈마 소스, 리모트 플라즈마 소스 등이 사용되고 있다.
도 1은 유도 결합형 플라즈마 방식의 화학 기상 증착 장치를 나타내는 것으로, 유도 결합형 플라즈마(ICP; Inductively Coupled Plasma) 방식은 기판(W) 을 처리하기 위한 공정 영역(11)을 제공하는 처리 챔버(10) 를 포함한다. 기판(W)은 공정 영역(11) 내에서 지지대(20) 상에 고정된다.
증착 가스를 포함하는 공정 가스는 공정 가스 공급원(31)으로부터 처리 챔버(10) 내로 전달할 수 있는 공정 가스 전달 시스템(30)에 의해 처리 챔버(10) 내로 주입된다.
플라즈마는 전자기 에너지를 처리 챔버(10) 의 공정 영역(11)에 결합시키는 플라즈마 발생기(40)에 의해 처리 챔버(10) 내로 주입되는 공정 가스로부터 형성된다. 플라즈마 발생기(40)는 처리 챔버(10)의 외측에 배치되는 인덕터 코일(41)을 포함한다. 즉, 처리 챔버(10) 상부에 원형 또는 나선형의 안테나(14)를 설치한 후 고주파 전력을 인가하게 되면 코일 상에 전류가 흐르며 자기장을 형성하게 되고, 이러한 자기장에 의해 처리 챔버(10) 내부에 유도 전기장이 발생하며 전자를 가속시켜 플라즈마가 생성되는 방식이다.
한편, 처리 챔버(10)의 세정을 위해 세정 가스 공급 시스템(50)이 더 구비될 수도 있다. 세정 가스 공급 시스템(50)의 외측에는 리모트 플라즈마 발생장치(51)를 장착하고, 이 리모트 플라즈마 발생장치(51)에 의하여 세정 가스에 에너지를 가하여 활성화시킨다. 이렇게 활성화된 반응가스는 세정 가스 공급 시스템(50)을 통해 챔버안으로 투입되어 세정 공정이 진행된다.
이러한, 종래의 플라즈마 기판 처리 장치의 경우, 공정 가스는 공정 가스 공급원(31)으로부터 공정 가스 전달 시스템(30)에 의해 처리 챔버(10) 내로 주입되는데, 공정 가스는 처리 챔버(10)로 제공되는 순간 반응하기 때문에 제어가 어려운 문제점이 있다. 아울러, 세정 가스 역시 리모트 플라즈마 발생장치(51)에 의하여 에너지를 가하여 활성화시키지만, 이온화율이 높지 않은 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 이온화 효율을 향상시킬 수 있는 플라즈마 기판 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치는 내부에 플라즈마에 의해 기판의 처리 공정이 수행되는 공간을 제공하고, 가스의 배기를 위한 배기구가 형성된 공정챔버; 기판을 지지하기 위해 상기 공정챔버의 내측 하부에 배치되는 기판 지지부재; 공정 가스 공급관에 의해 상기 공정챔버에 공정 가스를 공급하는 공정 가스 공급부재; 세정 가스 공급관에 의해 상기 공정챔버에 세정 가스를 공급하는 세정 가스 공급부재; 및 가스가 상기 공정챔버에 공급되기 전 미리 에너지를 공급하기 위해 상기 공정 가스 공급관 및 상기 세정 가스 공급관의 일측에 각각 배치되어 에너지를 공급하는 보조 에너지 공급부재를 포함한다.
여기서, 상기 보조 에너지 공급부재는, 상기 공정 가스 공급관의 단부와 상기 공정챔버의 내부를 연통시키는 공정 가스 공급홀과, 상기 세정 가스 공급관의 단부와 상기 공정챔버의 내부를 연통시키는 세정 가스 공급홀이 각각 형성된 하나의 매니폴드(manifold)일 수 있다.
아울러, 상기 공정 가스 공급관의 단부는 상기 매니폴드의 일측과 연결되고, 상기 세정 가스 공급관의 단부는 상기 매니폴드의 상측과 연결될 수 있다.
나아가, 상기 공정 가스를 상기 공정챔버의 내부에 분사하기 위하여 상기 매니폴드의 하부 중앙에 상기 공정 가스 공급홀과 연통된 가스 인젝터를 더 구비하고, 상기 세정 가스를 상기 공정챔버의 내부에 분사하기 위하여 상기 세정 가스 공급홀은, 가스 인젝터의 반경 방향 외측에 형성될 수 있다.
또한, 상기 공정 가스는, SiH4, SiClH2, CO2, H2, N2O, Si(OC2H5)4, NH3 및 N2 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
게다가, 상기 세정 가스는, NF3, NH3, F2, C2F6, C3F8, CF4 및 SF6 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
더욱이, 상기 보조 에너지 공급부재는, 400kHz 내지 13.56MHz 범위의 주파수를 가진 전력공급원일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 방법은 기판 지지부재와 배기구를 구비한 공정챔버, 공정 가스 공급 부재, 세정 가스 공급 부재 및 보조 에너지 공급부재를 포함하는 플라즈마 기판 처리 장치의 기판 지지부재에 기판을 배치하는 단계; 상기 기판을 처리하기 위해 상기 보조 에너지 공급부재에 의해 에너지가 공급된 공정 가스를 상기 공정챔버에 제공하는 단계; 상기 공정챔버의 내부에서 상기 에너지가 공급된 공정 가스로부터 발생된 플라즈마에 의해 기판을 처리하는 단계; 상기 배기구를 통하여 상기 공정 가스를 배기하는 단계; 상기 처리된 기판을 제거하는 단계; 상기 보조 에너지 공급부재에 의해 에너지가 공급된 세정 가스를 상기 공정챔버에 제공하는 단계; 및 상기 에너지가 공급된 세정 가스에 의해 상기 공정챔버의 내측 표면을 세정하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 보조 에너지 공급부재는, 400kHz 내지 13.56MHz 범위의 주파수를 가진 전력공급원에 의해 에너지를 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치 및 방법에 의하면,
첫째, 공정챔버에 공급되기 전 보조 에너지 공급부재에 의해 공정 가스 및 세정 가스에 미리 에너지를 공급하기 때문에 공정 가스가 미리 이온화되어 공정챔버 내부에서 플라즈마 이온화율이 극대화될 수 있고, 세정 가스 역시 리모트 플라즈마 발생장치에 의하여 발생된 이온화율이 높지 않은 세정 가스의 이온화율을 극대화할 수 있다.
둘째, 공정 가스 공급관의 단부와 공정챔버의 내부를 연통시키는 공정 가스 공급홀과, 세정 가스 공급관의 단부와 공정챔버의 내부를 연통시키는 세정 가스 공급홀이 각각 형성된 하나의 매니폴드를 구비할 경우, 하나의 매니폴드가 2개의 보조 에너지 공급부재 역할을 할 수 있다.
셋째, 매니폴드의 하부 중앙에 공정 가스 공급홀과 연통된 가스 인젝터를 구비하고, 세정 가스 공급홀이 가스 인젝터의 반경 방향 외측에 형성될 경우, 공정 가스 및 세정 가스의 고른 분사가 가능하다.
넷째, 공정챔버에 공급되기 전 보조 에너지 공급부재에 의해 공정 가스 및 세정 가스에 미리 에너지를 공급하기 때문에 다양한 공정 가스 및 세정 가스의 활용이 가능한 효과가 있다.
도 1은 유도 결합형 플라즈마 방식의 화학 기상 증착 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 A 부분을 확대한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치를 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하면, 플라즈마 기판 처리 장치는 공정챔버(100), 기판 지지부재(200), 공정 가스 공급부재(300), 세정 가스 공급부재(400) 및 보조 에너지 공급부재(500)를 포함한다.
공정챔버(100)는 내부에 플라즈마에 의해 기판의 처리 공정이 수행되는 공간(S)을 제공하고, 가스의 배기를 위한 배기구(110)가 하측에 형성된다. 공정챔버(100)는 직각형, 돔형, 실린더형 등을 포함한다. 공정챔버(100)는 금속, 세라믹, 유리, 폴리머 및 합성물을 포함하는 다양한 재료로 제조될 수 있다.
기판 지지부재(200)는 기판(W)을 지지하기 위해 공정챔버(100)의 내측 하부에 배치된다. 기판(W)은 공정 공간(S) 내에서 지지대(210) 상에 고정되며, 이 지지대(210)는 기판(W)을 정전기적으로 유지하도록 대전가능한 정전 척 등을 포함할 수 있다.
공정 가스 공급부재(300)는 공정 가스 공급관(310)에 의해 공정챔버(100)에 공정 가스를 공급한다. 증착 가스 등의 공정 가스는 공정 가스 공급원(320) 으로부터 공정챔버(100) 내의 공정 가스 분배기(330)로 전달할 수 있는 공정 가스 공급관(310) 상의 하나 이상의 가스 유량계(340)를 포함하는 공정 가스 공급 부재(300) 에 의해 공정챔버(100) 쪽으로 제공된다.
이때, 공정 가스가 공정챔버(100)에 공급되기 전 미리 에너지를 공급하기 위해 공정 가스 공급관(310)의 일측에 보조 에너지 공급부재(500)가 배치되어 공정 가스에 에너지를 공급한다. 즉, 공정챔버(100)에 공급되기 전 보조 에너지 공급부재(500)에 의해 공정 가스에 미리 에너지를 공급하기 때문에 공정 가스가 미리 이온화되어 공정챔버 내부에서 플라즈마 이온화율이 극대화될 수 있다. 보조 에너지 공급부재(500)는 400kHz 내지 13.56MHz 범위의 주파수를 가진 전력공급원일 수 있다. 또한, 공정 가스는 SiH4, SiClH2, CO2, H2, N2O, Si(OC2H5)4, NH3 및 N2 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함한다.
플라즈마는 전자기 에너지를 공정챔버(100)의 공정 공간(S)에 제공하는 플라즈마 발생기(600)에 의해 공정챔버(100) 내로 주입되는 공정 가스로부터 형성된다. 플라즈마 발생기(60)는 공정챔버(10)의 외측에 배치되는 인덕터 코일(610)을 포함한다.
공정챔버(100) 내에 주입된 공정 가스는 기판 처리 후에 배기구(110)에 의해 배기된다.
다음으로, 세정 가스 공급부재(400)는 세정 가스 공급관(410)에 의해 공정챔버(100)에 세정 가스를 공급한다. 더욱 구체적으로는 세정 가스 공급 부재(400)의 일단에는 리모트 플라즈마 발생장치(RPSC)가 결합되고, 이 리모트 플라즈마 발생장치(RPSC)에 의하여 세정 가스에 에너지를 가하여 활성화시킨다. 이렇게 활성화된 세정 가스는 세정 가스 공급부재(400)을 통해 공정챔버(100) 안으로 투입되어 세정 공정이 진행된다.
여기서도, 보조 에너지 공급부재(500)는 세정 가스가 공정챔버(100)에 공급되기 전 미리 에너지를 공급하기 위해 세정 가스 공급관(410)의 일측에 배치되어 에너지를 공급한다. 즉, 공정챔버(100)에 공급되기 전 보조 에너지 공급부재(500)에 의해 세정 가스에 미리 에너지를 공급하기 때문에 리모트 플라즈마 발생장치(RPSC)에 의하여 발생된 이온화율이 높지 않은 세정 가스의 이온화율을 극대화할 수 있다. 보조 에너지 공급부재(500)는 400kHz 내지 13.56MHz 범위의 주파수를 가진 전력공급원일 수 있다. 또한, 세정 가스는 NF3, NH3, F2, C2F6, C3F8, CF4 및 SF6 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치를 나타낸 단면도, 도 4는 도 3에 도시된 A 부분을 확대한 단면도이다.
앞서 설명한 실시예에서는 보조 에너지 공급부재(500)가 공정 가스 공급관(310) 및 세정 가스 공급관(410)의 일측에 각각 배치되었지만, 도 3 및 도 4에 도시된 것처럼 여기서는 보조 에너지 공급부재(500)가 하나의 매니폴드(manifold)(500)이다.
즉, 매니폴드(500)에는 공정 가스 공급관(310)의 단부와 공정챔버(100)의 내부를 연통시키는 공정 가스 공급홀(510)과, 세정 가스 공급관(410)의 단부와 공정챔버(100)의 내부를 연통시키는 세정 가스 공급홀(520)이 각각 형성되어 있다. 또한, 공정 가스 공급관(310)의 단부는 매니폴드(500)의 일측과 연결되고, 세정 가스 공급관(410)의 단부는 매니폴드(500)의 상측과 연결된다.
더욱 구체적으로는 공정 가스를 공정챔버(100)의 내부에 분사하기 위하여 매니폴드(500)의 하부 중앙에 공정 가스 공급홀(510)과 연통된 가스 인젝터(530)를 더 구비하고, 세정 가스를 공정챔버(100)의 내부에 분사하기 위하여 세정 가스 공급홀(520)은 가스 인젝터(530)의 반경 방향 외측에 형성된다. 매니폴드(500)는 아울러 400kHz 내지 13.56MHz 범위의 주파수를 가진 전력공급원(RF)이 된다.
이렇게 매니폴드(100)의 하부 중앙에 공정 가스 공급홀과 연통된 가스 인젝터를 구비하고, 세정 가스 공급홀이 가스 인젝터의 반경 방향 외측에 형성될 경우, 공정 가스 및 세정 가스의 고른 분사가 가능하다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 방법은 단계 S110 내지 단계 S170을 포함한다. 편의상 도면 부호는 앞서 설명한 것과 동일한 부호를 사용하기로 한다.
단계 S110은 기판 지지부재(200)와 배기구(110)를 구비한 공정챔버(100), 공정 가스 공급 부재(300), 세정 가스 공급 부재(400) 및 보조 에너지 공급부재(500)를 포함하는 플라즈마 기판 처리 장치의 기판 지지부재(200)에 기판을 배치하는 단계이다.
단계 S120에서는 기판을 처리하기 위해 보조 에너지 공급부재(500)에 의해 에너지가 공급된 공정 가스를 공정챔버(100)에 제공한다. 보조 에너지 공급부재(500)는 400kHz 내지 13.56MHz 범위의 주파수를 가진 전력공급원에 의해 에너지를 공급한다.
단계 S130에서는 공정챔버(100)의 내부에서 에너지가 공급된 공정 가스로부터 발생된 플라즈마에 의해 기판을 처리한다.
단계 S140에서는 배기구(110)를 통하여 공정 가스를 배기하고, 단계 S150에서는 처리된 기판을 제거한다.
단계 S160은 보조 에너지 공급부재(500)에 의해 에너지가 공급된 세정 가스를 공정챔버(100)에 제공하는 단계이다.
단계 S170에서는 에너지가 공급된 세정 가스에 의해 공정챔버(100)의 내측 표면을 세정한다.
이렇게, 본 발명의 실시예에 따르면, 공정챔버(100)에 공급되기 전 보조 에너지 공급부재(500)에 의해 공정 가스 및 세정 가스에 미리 에너지를 공급하기 때문에 공정 가스가 미리 이온화되어 공정챔버(100) 내부에서 플라즈마 이온화율이 극대화될 수 있고, 세정 가스 역시 리모트 플라즈마 발생장치(RPSC)에 의하여 발생된 이온화율이 높지 않은 세정 가스의 이온화율을 극대화할 수 있다. 또한, 공정챔버(100)에 공급되기 전 보조 에너지 공급부재(500)에 의해 공정 가스 및 세정 가스에 미리 에너지를 공급하기 때문에 다양한 공정 가스 및 세정 가스의 활용이 가능한 효과가 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100...공정챔버 200...기판 지지부재
300...공정 가스 공급부재 400...세정 가스 공급부재
500...보조 에너지 공급부재

Claims (9)

  1. 내부에 플라즈마에 의해 기판의 처리 공정이 수행되는 공간을 제공하고, 가스의 배기를 위한 배기구가 형성된 공정챔버;
    기판을 지지하기 위해 상기 공정챔버의 내측 하부에 배치되는 기판 지지부재;
    공정 가스 공급관에 의해 상기 공정챔버에 공정 가스를 공급하는 공정 가스 공급부재;
    세정 가스 공급관에 의해 상기 공정챔버에 세정 가스를 공급하는 세정 가스 공급부재; 및
    가스가 상기 공정챔버에 공급되기 전 미리 에너지를 공급하기 위해 상기 공정 가스 공급관 및 상기 세정 가스 공급관의 일측에 각각 배치되어 에너지를 공급하는 보조 에너지 공급부재를 포함하되,
    상기 보조 에너지 공급부재는,
    상기 공정 가스 공급관의 단부와 상기 공정챔버의 내부를 연통시키는 공정 가스 공급홀과, 상기 세정 가스 공급관의 단부와 상기 공정챔버의 내부를 연통시키는 세정 가스 공급홀이 각각 형성된 하나의 매니폴드(manifold)이고,
    상기 보조 에너지 공급부재는,
    400kHz 내지 13.56MHz 범위의 주파수를 가진 전력공급원인 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공정 가스 공급관의 단부는 상기 매니폴드의 일측과 연결되고, 상기 세정 가스 공급관의 단부는 상기 매니폴드의 상측과 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 공정 가스를 상기 공정챔버의 내부에 분사하기 위하여 상기 매니폴드의 하부 중앙에 상기 공정 가스 공급홀과 연통된 가스 인젝터를 더 구비하고,
    상기 세정 가스를 상기 공정챔버의 내부에 분사하기 위하여 상기 세정 가스 공급홀은, 가스 인젝터의 반경 방향 외측에 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 공정 가스는,
    SiH4, SiClH2, CO2, H2, N2O, Si(OC2H5)4, NH3 및 N2 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 세정 가스는,
    NF3, NH3, F2, C2F6, C3F8, CF4 및 SF6 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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