KR101333521B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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KR101333521B1
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Abstract

본 발명은 소정의 박막 패턴을 갖는 소자가 형성된 웨이퍼와 같은 기판의 배면에 형성된 각종 이물질을 제거하기 위한 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로서, 제1가스가 분사되는 제1전극; 상기 제1전극과 상호 이격되어 기판을 지지하는 기판 지지대; 및 상기 기판 지지대와 이격배치되며, 전원이 인가되고 제2가스가 분사되어 상기 기판 지지대에 지지된 상기 기판과의 사이에 플라즈마를 형성시키면서, 상기 제2가스를 구속하는 제3가스가 분사되는 제2전극;을 포함하여, 종래의 건식 식각에 비하여 기판 상의 식각이 요구되지 않는 면을 효율적으로 보호하도록 하여 최종 제품의 수율을 상승시키고 불량 발생을 방지할 수 있다.
식각, 기판 배면, 웨이퍼, 플라즈마 처리

Description

플라즈마 처리 장치{Apparatus for plasma treatment}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타낸 단면도,
도 2는 도 1의 다른 예를 나타낸 도면,
도 3a 내지 도 3f는 도 1의 분사구의 각 실시예를 나타낸 확대도,
도 4는 도 1의 가스 흐름을 개략적으로 나타낸 도면,
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 작동을 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1... 플라즈마 처리 장치, 10... 챔버,
20,80..기판 지지대, 21,81...암,
30... 제1전극, 31... 공급공,
40... 제2전극, 42... 분사공,
43... 절연링, 46... 분사구,
50... 기판, 51... 기판 전면,
52... 기판 배면.
본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소정의 박막 패턴을 갖는 소자가 형성된 웨이퍼와 같은 기판의 배면에 형성된 각종 이물질을 제거하기 위한 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 소자 및 평판 표시 장치는 기판 상에 다수의 박막 증착과 식각을 통해 형성된다. 즉, 기판의 소정 영역 주로 중심부에 박막을 증착하고, 식각 마스크를 이용한 식각 공정을 통해 기판 중심부의 박막의 일부를 제거하여 소정의 박막 패턴을 갖는 소자를 제조하게 된다.
하지만, 박막의 증착 시에는 기판의 전면에 박막을 형성하고, 식각시에는 기판 중심부의 박막을 식각 타겟으로 하기 때문에 기판 가장자리에는 박막이 제거되지 않은 상태로 잔류하게 되고, 식각 공정 진행 시 기판 가장자리에 파티클이 퇴적되는 현상이 발생한다. 이와 더불어, 통상적으로 기판을 지지하는 기판 지지대에는 정전력 또는 진공력에 의해 기판을 안착시키기 때문에 상기 기판과 기판 지지대 사이의 계면은 소정 거리 이격되어 틈이 발생되고, 이에 의해 기판의 배면 전체에도 파티클 및 박막이 퇴적된다.
따라서, 상기 기판에 존재하는 파티클 및 퇴적된 박막을 제거하지 않은 상태에서 계속적인 공정이 진행될 경우 기판이 휘어지거나 기판의 정렬이 어려워지는 등의 많은 문제점이 발생된다.
통상적으로, 상기와 같은 파티클 및 퇴적된 박막을 제거하기 위한 방법으로 는 용제나 린스에 침적하여 표면의 파티클을 제거하는 습식 식각과, 플라즈마로 표면을 식각하여 제거하는 건식 세정이 알려져 있다.
습식 식각은 기판의 표면에 도포되는 파티클을 제거하는데 효과적으로 활용되고 있으나 공정 관리가 어려워 기판 배면만을 국부적으로 제거하기에는 많은 어려움이 있을 뿐만 아니라, 막대한 화공 약품 사용으로 인한 비용 증가 문제, 폐수 처리 문제 등의 환경 문제를 유발시키는 원인이 되고 장시간의 처리를 요하며 장비 크기가 대형화되어야 한다는 문제점이 있다. 반면, 건식 식각은 플라즈마를 이용하여 기판 및 배면의 박막 또는 파티클을 제거하는 방식으로 상술한 습식 식각의 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 최근에는 이러한 기판 배면을 식각하기 위한 건식 식각 장치의 개발이 활발히 수행중이다.
즉, 상기와 같은 플라즈마를 이용하여 기판의 배면을 식각하는 종래의 플라즈마 식각 장비에 관해서는 미합중국특허공보 제5213650호에 개시되어 있다.
상기의 미합중국특허공보 제5213650호에서는 플레이트와 웨이퍼 전방 표면과의 공간을 형성하여 이 공간으로 반응 가스를 분사시키고, 웨이퍼 후방 표면 상에 플라즈마를 생성시켜 식각을 수행하도록 하는 진공챔버를 포함하는 장치가 개시되어 있다.
그러나, 상기와 같은 구성에 있어서는, 웨이퍼와 플레이트 사이에 형성된 공간으로 반응성 가스가 분사되고 웨이퍼의 후방 표면에 형성된 플라즈마로 식각이 수행되는 것과 동시에, 박막 패턴 등이 형성된 웨이퍼의 전방 표면 상으로 웨이퍼 후방 표면 상에 형성된 플라즈마가 유입되거나 또는 그 공간 내에서 가스 방전으로 플라즈마가 형성되어 식각이 이루어질 우려가 있다.
따라서, 웨이퍼의 전방 표면의 식각으로 인하여 최종 제품의 수율이 저하되고 불량률이 상승하거나, 이를 미연에 방지하기 위하여 웨이퍼의 전방 표면을 식각으로부터 보호하는 별도의 수단이 요구된다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 습식 식각에 비하여 소형의 장치를 사용하여 신속하게 식각을 수행하고 제조비용을 절감하면서 환경 유해성 폐기물이 발생되지 않도록 하는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 종래의 건식 식각에 비하여 기판 상의 식각이 요구되지 않는 면을 효율적으로 보호하도록 하여 최종 제품의 수율을 상승시키고 불량 발생을 방지하도록 하는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 제1가스가 분사되는 제1전극; 상기 제1전극과 상호 이격되어 기판을 지지하는 기판 지지대; 및 상기 기판 지지대와 이격배치되며, 전원이 인가되고 제2가스가 분사되어 상기 기판 지지대에 지지된 상기 기판과의 사이에 플라즈마를 형성시키면서, 상기 제2가스를 구속하는 제3가스가 분사되는 제2전극;을 포함한다.
여기서, 상기 제1가스는 수소 또는 불활성 가스를 포함하는 비반응성 가스일 수 있고, 상기 제2가스는 불소계 또는 산소계 가스를 포함하는 반응성 가스일 수 있으며, 상기 제3가스는 반응성 가스 또는 비반응성 가스일 수 있다.
또한, 상기 제2전극에는 상기 제2가스를 상기 기판 방향으로 분사시키도록 다수의 분사공이 형성되고, 상기 제2전극에는 상기 제3가스가 상기 제2전극의 외연에서 중심방향 사선으로 분사되도록 분사 수단이 형성될 수 있다.
이때, 상기 분사 수단에는 상기 제3가스가 사선으로 분사되도록 곡률이 형성될 수 있고, 상기 분사 수단은 상기 제1전극 방향으로 상기 제2전극보다 더 연장형성될 수 있으며, 상기 분사 수단의 배출단은 확산형성되거나, 상기 분사 수단은 상기 제2전극의 중심 방향으로 구배 형성될 수도 있다.
또한, 상기 분사 수단에는 상기 제2전극의 중심 방향으로 다수의 분사구가 형성될 수도 있다.
여기서, 상기 분사 수단의 외연에는 상기 제2전극의 중심 방향으로 비반응성 가스인 제4가스를 분사시키는 보조 분사구가 더 구비될 수 있다.
더욱이, 상기 기판 지지대에는 상기 제2전극 방향으로 비반응 가스인 제5가스가 분사되도록 분사부를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 제1가스가 분사되는 제1전극; 상기 제1전극과 상호 이격되어 기판을 지지하는 기판 지지대; 및 상기 기판 지지대와 이격배치되며, 전원이 인가되고 제3가스가 분사되어 상기 기판 지지대에 지지된 상기 기판과의 사이에 플라즈마를 형성시키는 제2전극;을 포함한다.
여기서, 상기 제3가스는 불소계 또는 산소계 가스를 포함하는 반응성 가스인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2전극에는 상기 제3가스가 상기 제2전극의 외연에서 중심방향 사선으로 분사되도록 분사 수단이 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(1)는 제1가스가 분사되는 제1전극(30)과, 제1전극(30)으로부터 이격 조정가능하며, 기판(50)의 외연부를 지지하는 기판 지지대(20) 및 기판 지지대(20)와 이격 배치되며, 전원(70)이 인가되고 제2가스가 분사되어 기판 지지대(20)에 의해 지지된 기판(50)과의 사이에 플라즈마를 형성시키는 제2전극(40)을 포함한다.
본 발명의 실시예에서 플라즈마 처리 장치(1)는 반응성 플라즈마를 발생시켜 소정의 박막 패턴을 갖는 소자가 형성된 웨이퍼와 같은 기판(50)의 배면 상에 퇴적된 박막 및 파티클을 식각하는 식각 장치이다.
플라즈마 처리 장치(1)는 개폐가능하도록 형성된 챔버(10)와 이 챔버(10)와 연통된 통상의 진공 배기계(60)를 포함한다.
챔버(10)의 상부에는 제1전극(30)이 배치되며 이 제1전극(30)은 접지 구성된다. 또한, 제1전극(30)에는 비반응성 가스가 분사되는 분사공(33)이 형성되어 있으며, 분사공(33)은 챔버(10) 외부로부터 비반응성 가스가 공급되도록 공급공(31)과 연통구성된다.
바람직하게는, 제1전극(30)에는 하나의 공급공(31)을 통하여 챔버(10) 외부로부터 공급된 비반응성 가스가 가능한한 제1전극(30)의 비반응성 가스가 분사되는 면의 전면적에 걸쳐 균일하게 분사되도록 다수의 분사공(33)이, 소위 샤워헤드형으로 형성되며, 다수의 분사공(33)은 제1전극(30)의 내부에서 그와 연통된 공급공(31)으로부터 다수 개가 분기된다.
더 바람직하게는, 제1전극(30)에서 공급공(31)이 형성된 부분에 대하여 원거리에 형성된 분사공(33)의 지름은 근거리에 형성된 분사공(33)의 지름보다 크게 형성되어, 비반응성 가스 분사시 가스 이동 경로 증가에 따른 압력강하를 보상할 수 있도록 한다.
도 1에서, 제1전극(30)의 내부에 형성되어 제1전극(30)을 냉각시키는 냉각 유로의 구성은 생략되었다.
제1전극(30)의 공급공(31)을 통하여 공급되는 가스는 수소 또는 불활성 가스일 수 있으며, 이외의 비반응성 가스, 즉 기판 전면(51)과 반응하지 아니하는 가스일 수도 있다.
여기서, 기판 전면(51)은 웨이퍼와 같은 기판(50) 상의 소정의 박막 패턴을 갖는 소자가 형성된 면일 수 있고, 이외의 기판(50)의 식각이 요구되지 아니하는 면일 수도 있다.
기판(50)은 제1전극(30)의 분사공(33)이 형성된 면으로부터 소정 간격 이격되어 그 전면(51)을 분사공(33)과 대향하도록 배치되며, 기판 지지대(20)에 의하여 지지된다.
기판 지지대(20)는 챔버(10) 상부로부터 연장된 암(21)이 기판(50)을 지지하도록 구성되며, 암(21)은 챔버(10) 외부의 기판 지지대(20)에 구성된 구동수단(미도시)에 의하여 신축가능하도록 구성된다.
구동수단에 의해 신축가능한 기판 지지대(20)의 구성으로 인한 진공 기밀을 유지하도록 하기 위하여, 챔버(1) 외부에 노출된 기판 지지대(20)가 구동수단과 연결되는 부위는 신축가능한 벨로우즈로 구성되는 것이 바람직하다.
기판 지지대(20)의 암(21)은 기판(50)의 외연부만을 지지하도록, 더 상세하게는 기판 배면(52)의 외연부만을 하부에서 지지하도록 형성되며, 구동수단과 연결되어 승하강 운동, 즉 제1전극(30)에 대하여 근접 또는 원접 이동가능하여, 이에 지지된 기판(50) 또한 제1전극(30)에 대하여 근접 또는 원접 배치되도록 한다.
종래의 리프트 핀 방식에서 리프트 핀과 전극과의 접촉 위험이 존재하였던 것과는 달리, 전극과 기판 지지수단과의 접촉 위험이 없는 기판 지지대(20)를 사용함으로써 전호방전 발생 가능성을 저감시킬 수 있다.
여기서, 기판 배면(52)은 웨이퍼와 같은 기판(50) 상의 소정의 박막 패턴을 갖는 소자가 형성된 면에 대한 타면일 수 있고, 이외의 기판(50)의 식각이 요구되는 면일 수도 있다.
암(21)의 승하강 운동에 의하여 기판(50)의 전면(51)은 제1전극(30)의 비반응성 가스가 분사되는 면에 대하여 가변가능한 소정의 간극(d)을 유지하게 된다.
또한, 기판 지지대(20)는 플라즈마 처리 장치(1)에서 전기적으로 부유(floating)되어 여타의 구성물에 대해서 전기적으로 비간섭되도록 구성되는 것이 바람직하며, 암(21)을 포함하는 기판 지지대(20)는 Al2O3와 같은 절연 물질로 구성되어 외부 전격(electric shock)에 의한 기판 지지대(20)의 손상을 방지한다.
기판 지지대(20)의 하부에는 기판 지지대(20)와 소정 간격 이격되어 제2전극(40)이 배치된다.
이 제2전극(40)은 전원(70)이 인가되도록 구성되며, 이를 통하여 반응성 가스가 분사되도록 분사공(42) 및 분사구(46)를 가진다.
분사공(42)은, 제1전극(30)에서의 그것과 유사하게, 챔버(1) 외부의 공급수단(44)으로부터 그와 연통된 공급공(41)을 통하여 반응성 가스가 공급되어 챔버(1) 내부로 반응성 가스를 분사하도록, 소위 샤워헤드형으로 구성되며, 기판 지지대(20)에 지지된 기판(50)의 배면(52) 전면적에 걸쳐 균일한 반응성 가스가 분사되도록 기판 배면(52) 방향을 향하여 다수 개가 형성된다.
제2전극(40)에서 분사공(42)에서도 공급공(41)이 형성된 부분에 대하여 원거리에 형성된 분사공(42)의 지름이 근거리에 형성된 분사공(42)의 지름보다 크게 형성되어, 반응성 가스 분사시 가스 이동 경로 증가에 따른 압력강하를 보상할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성 이외에도, 제1전극(30) 또는 제2전극(40)에서의 가스 분사 구조는 필요에 의하여 다양하게 가변가능하다.
한편, 제2전극(40)의 외주에는 제2전극(40) 상에 생성되는 플라즈마를 집중시키기 위한 절연링(43)이 구비된다. 이 절연링(43)은 Al2O3와 같은 절연 물질로 구성될 수 있다.
분사구(46)는 별도의 공급수단(45)으로부터 공급된 반응성 가스가 제2전극(40)의 외연에서 제2전극(40)의 중심축 또는 기판(50)의 중심방향으로 분사되도록, 소위 노즐형으로 형성된다.
분사공(42)에서 분사되는 반응성 가스가 제2전극(40)의 평면 외연을 초과하여 확산되지 않도록, 즉 반응성 가스가 제2전극(40)의 평면적 상에서만 방전을 일으켜 플라즈마 발생 효율을 향상시킬 수 있도록, 분사구(46)에서의 가스압은 분사공(42)에서의 가스압과 같거나 보다 큰 것이 바람직하다.
제2전극(40)의 분사공(42) 및 분사구(46)를 통하여 분사되는 반응성 가스는 CF4, CHF4, SF6, C2F6 및 C4F8와 같은 불소계 또는 산소계 가스를 포함할 수 있으며, 이외의 기판 배면(52)에 퇴적된 박막이나 파티클 등을 화학적으로 식각시킬 수 있는 이외의 원소를 포함하는 가스일 수도 있다.
또한, 분사구(46)에서는 불활성 기체와 같은 비반응성 가스가 분사될 수도 있다. 분사구(46)에서 반응성 가스 또는 비반응성 가스 중 어느 가스가 분사될 지는 요구되는 공정에 따라 달라질 수 있으며, 그에 따라 분사구(46)에서의 분사 압 력 또한 달라질 수 있다.
분사구(46)에서 반응성 가스가 분사될 시에는 노출된 기판 배면(52)에서의 플라즈마 생성 효율이 더욱 향상될 수 있으며, 비반응성 가스가 분사될 시에는 분사공(42)에서 분사되는 반응성 가스의 구속 효율을 향상시킬 수 있다.
분사구(46)에서 반응성 가스가 분사되는 경우 분사공(42)에서의 가스 분사가 이루어지지 않은 채로, 분사구(46)에서 분사되는 반응성 가스로만 사용가능할 수 있다.
반응성 가스의 분사압이 과다할 시에 기판 배면(52)에서 기판(50)의 요동을 야기할 수 있으므로, 분사공(42) 및 분사구(46)를 통하여 분사되는 반응성 가스는 기판(50) 인근에서의 반응성 가스의 압력이 제1전극(30)의 분사공(33)을 통하여 분사되는 비반응성 가스의 기판(50) 인근에서의 압력보다 작거나 같도록 분사되는 것이 바람직하다.
또한, 제2전극(40)은 챔버(1) 외부에 별도로 구성된 구동수단(49)에 의하여, 기판 지지대(20)의 그것과 유사하게, 승하강 운동 가능하도록 구성되어 기판 지지대(20)에 지지된 기판(50)의 배면(52)으로부터 제2전극(40)까지의 간격(D)이 가변가능하도록 한다.
구동수단(49)에 의해 승하강 운동 가능한 제2전극(40)의 구성으로 인한 진공 기밀을 유지하도록 하기 위하여, 챔버(1) 외부에 노출된 제2전극(40)이 구동수단(49)과 연결되는 부위는 신축가능한 벨로우즈로 구성되는 것이 바람직하다.
도 1에서, 제2전극(40)의 내부에 형성되어 제2전극(40)을 냉각시키는 냉각 유로의 구성은 생략되었다.
제2전극(40)에 연결된 전원(70)은 13.56 ㎒의 정수배의 주파수를 가지는 고주파 전력일 수 있으며, 목적하는 공정 또는 장치 등에 따라 여타의 전원이 사용될 수도 있다. 이때, 제2전극(40)과 연결된 고주파 전원(70)의 구성은 정합기를 포함한다.
접지된 제1전극(30)과 고주파 전원(70)이 연결된 제2전극(40)의 구성으로 인하여, 제1전극(30)은 애노드의 역할을 제2전극(40)은 캐소드의 역할을 하게 되며 애노드 및 캐소드 사이의 가스에 13.56 ㎒ 또는 13.56 ㎒의 정수배의 교번진동을 부여하여 플라즈마 발생 효율을 향상시킨다.
도 2는 도 1의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 2에서는, 도 1에서와 비교하여, 기판 지지대(20)의 암(21)에 별도의 분사구(23)가 구비되어 있다. 이 분사구(23) 또한 제2전극(40)의 분사구(46)와 마찬가지로 반응성 가스 또는 비반응성 가스가 분사되어 분사공(42)에서 분사되는 반응성 가스가 제2전극(40)의 평면 외연을 초과하여 확산되지 않도록, 즉 반응성 가스가 제2전극(40)의 평면적 상에서만 방전을 일으켜 플라즈마 발생 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.
이때, 분사구(23)는 평면상으로 제2전극(40)의 분사구(46)보다 외각에 또는 내각에 배치될 수 있으나, 어느 경우에나 분사공(42) 보다는 외각에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 이 분사구(23)도 제2전극(40)의 분사구(46)와 마찬가지로, 기판(50)의 중심방향으로 배치될 수 있으나, 연직 하방을 향하여 배치될 수도 있다.
도 3a 내지 도 3f는 제2전극(40)의 분사구(46)의 각 실시예를 나타낸 확대도이다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 제2전극(40)의 분사구(46)는 제2전극(40)의 상부보다 소정 길이 연장된 형태로 제2전극(40)의 내측, 즉 제2전극(40)의 중심축 방향을 향하도록 형성되어 제2전극(40)의 분사공(42)에서 기판(50) 방향으로 분사되는 반응성 가스의 제2전극(40) 외연 방향으로의 이탈을 방지한다.
분사구(46)가 제2전극(40) 몸체와 이루는 각도(θ)는 특별히 한정되지 아니하며, 챔버(10)의 크기나 제2전극(40)의 크기 또는 제2전극(40)과 기판(50)과의 간격(D)에 따라 가변가능할 수 있다.
분사구(46)가 제2전극(40) 몸체와 이루는 각도(θ)를 가변시키기 위하여 별도의 구동수단(미도시)이 마련될 수도 있다.
또한, 분사구(46)는 별도의 노즐로 구성되지 아니하는 제2전극(40) 몸체에 일체형으로 구비될 수 있고, 바람직하게는 제2전극(40) 상부 표면과 각도(θ)를 이루는 경사를 가질 수 있으며, 더 바람직하게는 도 3b에서처럼, 제2전극(40) 몸체에서 분사 방향으로 가스가 유통되도록 소정의 곡률로 형성된 경사를 가질 수 있다.
즉, 곡률을 가지고 분사구(46a) 일부를 폐색하는 폐색부(46b)를 따라 분사되는 가스는 제2전극(40)의 중심 방향으로 분사될 수 있다.
동일한 취지로서, 도 3c에서처럼 가스 배출단이 확산형으로 형성된 분사구(46')를 가져 분사구(46')에서 분사되는 가스가 간격(D) 상의 넓은 영역으로 확 산되도록 할 수 있다.
다른 예로서, 도 3d와 같이, 제2전극(40)의 분사공(42)이 형성된 방향과 동일한 방향으로 연장형성되는 분사 구조체(46")에 다수의 분사구(46c)가 제2전극(40)의 중심 방향을 향하도록 형성되어 이를 통하여 가스가 분사되도록 할 수 있다.
어느 경우에나, 분사구(46c)에서 분사되는 가스는 반응성 가스 또는 비반응성 가스일 수 있으며, 제2전극(40)과 기판 배면(52) 간에 형성되는 반응성 가스의 플라즈마 집약 효율을 향상시키도록 한다.
더욱이, 제2전극(40)과 기판 배면(52) 간에 형성되는 반응성 가스의 플라즈마의 집약 효율을 더욱 향상시켜 공정 효율을 높이기 위해서, 도 3e에서와 같이, 도 3a의 구조를 가지는 제2전극(40)의 분사구(46) 외부에 별도의 분사 노즐(46''')을 더 구비할 수도 있다.
분사 노즐(46''')은 분사공(42)과 동향을 이루어, 더 정확하게는 반응성 가스로 형성되는 플라즈마 영역이 기판 배면(52)의 전면적과 반응되도록 형성되므로 기판 지지대(20)의 암(21) 방향 또는 그 외측 방향을 향하도록 형성되며, 분사공(42) 및 분사구(46)에서 분사되는 반응성 가스가 제2전극(2)의 외연, 즉 평면으로 분사 노즐(45)보다 바깥쪽으로 확산되는 것을 방지하기 위하여 별도의 가스를 분사한다. 이때 분사되는 가스는 비반응성 가스인 것이 바람직하며, 분사공(42) 및 분사구(46)에서 분사되는 반응성 가스의 분사압보다 분사 노즐(46''')에서 분사되는 비반응성 가스의 분사압이 크거나 같도록 분사된다.
분사 노즐(46''')에서 분사되는 비반응성 가스는 반응성 가스보다 절연파괴전압이 더 크며, 제2전극(40)에 인가되는 전력에 의하여 플라즈마가 생성되지 않는 것이 바람직하다.
분사 노즐(46''')은 제2전극(40)의 외연에 복수개가 겹으로 설치될 수 있으며, 이 경우에 외각으로 갈수록 비반응 가스의 분사압이 높아지는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 도 3f를 참조하면, 분사 노즐(46)은, 도 3a 내지 도 3e에서의 구조와는 다르게, 절연링(43)의 내측에 구비되는 구조를 가질 수도 있다. 즉, 도 3f의 구조는 절연링(43)이 제2전극(40)의 최외각에 배치된다. 이러한 구조가 도 3b 내지 도 3e에서의 분사 노즐 구조에 또한 적용될 수 있음은 물론이다.
도 4는 분사공(42) 및 분사구(46)에서 분사되는 가스의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4에서와 같이, 분사공(42)을 통하여 분사되는 반응성 가스는 제2전극(40)과 기판(50) 간에 플라즈마를 형성하며, 이때 제2전극(40)의 외연에서 플라즈마 형성 영역 방향으로 분사되는 가스로 인하여 플라즈마 영역이 제2전극(40) 외연 방향으로 확산되지 아니하고 기판 배면(52)으로 집약될 수 있다.
물론, 분사구(46)를 통한 가스의 분사각은 요구되는 공정의 종류 및 공정 진행 정도에 따라 가변가능할 수 있다.
분사구(46)에서 분사되는 가스압(P1)은 분사공(42)에서 분사되는 반응성 가 스의 흐름을 제2전극(40) 상으로만 한정시키기에 충분한 것이 바람직하다.
또한, 분사구(46)에서는 불활성 기체와 같은 비반응성 가스를 분사시켜 공정중에 소모되는 비반응성 가스를 저감시킬 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 작동을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 작동을 순차적으로 도시한 도면이며, 특히 도 5d에서는 기판 처리 시의 가스 유동 경로를 화살표로 도시하였다.
본 발명의 실시예에서 플라즈마 처리 장치의 작동은 플라즈마를 발생시켜 소정의 박막 패턴을 갖는 소자가 형성된 웨이퍼와 같은 기판(50)의 배면 상에 퇴적된 박막 및 파티클을 식각하는 식각 방법이다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 작동은, 기판(50)을 플라즈마 처리 장치(1) 내의 제1전극(30) 및 제2전극(40) 사이의 기판 지지대(80) 상에 안착시키는 기판 안착 단계와, 안착된 기판(50)을 고정시키는 기판 고정 단계와, 고정된 기판(50)의 제1면(51) 상에 제1가스를 분사시키고, 제2면(52) 상에 제2가스를 분사시키는 가스 분사 단계 및 분사된 제2가스에 전원(70)을 인가하여 플라즈마를 형성시켜 기판(50)의 제2면(52)을 처리하는 기판 처리 단계를 포함한다.
도 5a에서와 같이, 기판(50)은 챔버(1)에 별도로 구비된 인입구를 통하여 인입되며, 기판 지지대(80) 상에 안착된다. 기판 지지대(80) 상에 지지된 기판(50)은 그 전면(51)이 제1전극(30)의 분사공(33)을 향하고, 배면(52)이 제2전극의 분사 공(42)을 향하도록 배치된다.
도 5a에서는 도 1, 도 2 또는 도 4에서와 달리, 상부에서 기판(50)을 지지하는 기판 지지대(20)의 구성 대신 하부에서 기판(50)을 지지하는 기판 지지대(80)의 구성을 채택하였다. 어느 경우에나 본 발명의 취지에 부합할 수 있으며, 이외의 다른 기판 지지대의 구성에서 또한 본 발명의 구성이 적용될 수 있음을 유념해야 한다.
기판 지지대(80)는 제1전극(30)에 대하여 간극(d')을 이루어 후퇴된 위치에 있으며, 제2전극(40) 또한 제1전극(30)에 대하여 간격(D")를 이루어 후퇴된 위치에 있다.
도 5b에서와 같이, 개폐수단(11)을 통하여 챔버(1)가 밀폐되고 진공이 형성되면 기판 지지대(80)는 구동수단(미도시)에 의하여 상승이동하여 기판 전면(51)과 제1전극(30)이 간극(d)을 이루도록 한다(d<d'). 기판 지지대(80)가 상승하여 제1전극(30)과 기판 전면(51)과의 간극(d)이 감소됨에 따라 제2전극(40)과 기판 배면(52)과의 간격(D") 또한 간격(D')으로 넓어지게 된다.
이후, 도 5c에서와 같이, 제2전극(40)도 구동수단(49)에 의하여 상승이동되어 기판 배면(52)과 제2전극(40)이 간격(D)을 이루도록 한다(D<D').
제1전극(30)과 기판(50)과의 간극(d) 또는 기판(50)과 제2전극(40)과의 간격(D)은 본 발명의 실시예에서 설명된 바와 같이 기판 지지대(80) 및 제2전극(40)의 승하강 운동만으로 달성되지 아니하고, 제1전극(30), 기판 지지대(80) 및 제2전극(40) 중 적어도 2 개의 부재의 구동을 통하여 달성시킬 수도 있으며, 이를 위하 여 각 부재에 별도의 구동수단이 구비될 수 있다.
또한, 제2전극(40)과 기판 배면(52)과의 간격(D)은 반드시 가변될 필요는 없고 간격(D) 내에서 플라즈마를 생성시킬 수 있을 정도이면 어느 간격(D, D', D")이나 가능할 수 있으며, 이에 따라 제2전극(40)을 이동하지 않고 기판 지지대(80)만 이동한 뒤 공정을 진행하는 것도 가능하다.
물론, 도면 상에 도시된 간격(D, D', D") 이외의 간격 또한 가능하며, 기판 지지대(80)와 제2전극(40) 간의 간격은 요구되는 공정, 챔버 또는 기판 크기에 따라 가변가능할 수 있고, 공정 수행 중에도 가변될 수 있음은 물론이다.
이후, 도 5d에서와 같이, 제1전극(30)을 통하여 비반응성 가스가 먼저 유입된 뒤, 제2전극(40)을 통하여 반응성 가스가 유입되고 고주파 전원(70)을 통하여 전력이 인가되어 반응성 가스 플라즈마가 생성된다.
반응성 가스의 플라즈마는 플라즈마 생성영역에 형성되며 플라즈마 내의 라디칼은 기판 배면(52)에 퇴적된 박막 또는 파티클 등과 반응하여 이들을 기판 배면(52)으로부터 탈리시킴으로써 식각 공정이 수행된다.
이때, 플라즈마는 기판 배면(52)과 제2전극(40)간의 간격(D)에 형성되며, 제1전극(30)과 기판 전면(51)과의 간극(d)에서는 비반응성 가스의 유입으로 인하여 비플라즈마 상태의 가스 유동만이 존재하게 된다.
이때, 간극(d)은 0.1 내지 0.7 ㎜인 것이 바람직하다. 간극(d)이 0.1 ㎜ 미만일 시에는 제1전극(30)과의 접촉가능성이 존재하며 보다 안정된 공정을 수행하기 위하여 0.1 ㎜ 이상의 간극(d)을 유지할 필요가 있다. 0.7 ㎜를 초과하는 간극(d) 에서는 상대적으로 비반응성 가스의 압력이 저하되어 간격(D)에서 형성된 라디칼이 간극(d)으로 유입되어 기판 전면(51)을 식각시킬 수가 있으므로, 간극(d)은 0.7 ㎜ 이하가 바람직하다. 또한, 0.7 ㎜를 초과하는 간극에서는 비반응성 가스의 플라즈마화가 진행될 수 있으며, 이로 인하여 기판 전면(51)이 식각될 수도 있으나, 0.7 ㎜ 이하의 간극(d)에서는 통상의 식각 공정에서의 공정 압력 및 공정 전압에 의하여 플라즈마가 생성되지 않는 영역을 유지할 수 있다.
또한, 제1전극(30)으로부터 분사되는 비반응성 가스는 제2전극(40)에서 분사되는 반응성 가스보다 절연파괴전압이 더 크며, 제2전극(40)에 인가되는 전력에 의하여 플라즈마가 생성되지 않는 것이 바람직하다.
제2전극(40)에서 분사되는 반응성 가스는 CF4, CHF4, SF6, C2F6 및 C4F8와 같은 불소계 등의 반응성이 강한 7족 원소계열이나 산소가 포함된 가스를 사용할 수 있으며, 사용되는 기판 배면(52) 상에 퇴적된 박막이나 파티클 등의 종류에 따라서 이를 식각할 수 있는 여타의 원소종이 포함된 기체일 수 있다.
이와 같은 반응성 가스로 플라즈마를 형성하면 상기 원소들의 라디칼이 생성되어 높은 활성을 가지고 기판 배면(52) 상의 식각 대상 원소와 반응하여 식각을 수행할 수 있다.
제2전극(40)의 분사공(42)에서 분사되는 가스압(P2)은 제2전극(40)의 분사구(46)에서 분사되는 가스압(P1) 보다 크지 아니하여 분사공(42)에서 분사된 반응성 가스 플라즈마가 제2전극(40) 상에 집약될 수 있다. 또한, 제1전극(30)에서 분사되 는 비반응성 가스의 가스압(P3)은 분사공(42)에서 분사되는 가스압(P2) 및 제2전극(40)의 분사구(46)에서 분사되는 가스압(P1) 보다 작지 아니하여 반응성 가스의 간극(d) 유입을 방지하고 반응성 가스 플라즈마의 집약을 더욱 확보시킬 수 있다.
플라즈마 영역의 한정을 위하여 별도의 구속 자계를 더 형성할 수 있으며, 이 구속 자계는 영구 자석, 전자석 또는 유도자계 등으로 형성될 수 있다. 경우에 따라서, 자력으로 플라즈마 내 이온들의 진동을 야기시켜 플라즈마 발생 효율을 더욱 향상시킬 수도 있다. 이 경우 형성되는 자계는 챔버(10), 기판(50), 제1전극(30) 또는 제2전극(40) 등의 형상에 따라서 다르게 형성될 수 있다.
또한, 제2전극(40)에 전력을 인가하는 전원(70)은 고주파 전원 이외에 직류, 교류 등이 사용될 수 있으며, 단극 또는 양극 펄스 전원이 사용될 수도 있다. 이 경우 사용되는 전원에 따라서 제1전극(30) 또는 제2전극(40)의 전기적 연결이 달라질 수 있으며, 전력인가를 위한 별도의 부재가 더 구비될 수도 있다.
식각이 종료되면 전력 공급을 중단하고 반응성 가스 및 비반응성 가스의 공급을 차단하며, 진공 배기를 통하여 식각 부산물을 챔버(10) 내에서 제거한다. 이때의 식각 부산물은 플라즈마의 라디칼과 반응한 기체형태이므로 진공 배기만으로 충분히 제거가능하다.
식각 부산물의 제거가 이루어지면 구동수단(49)을 통하여 제2전극(40)이 하강되고, 기판 지지대(20)의 구동수단을 통하여 기판(50)이 제1전극(30)으로부터 퇴거된다.
이후 진공을 파기하고 개폐수단(11)을 개봉하여 기판(50)을 인출함으로써 식각 공정이 완료된다.
본 발명의 기술적 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치에 의하여, 습식 식각에 비하여 소형의 장치를 사용하여 신속하게 식각을 수행하고 제조비용을 절감하면서 환경 유해성 폐기물이 발생되지 않도록 하는 플라즈마 처리 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치에 의하여 종래의 건식 식각에 비하여 기판 상의 식각이 요구되지 않는 면을 효율적으로 보호하도록 하여 최종 제품의 수율을 상승시키고 불량 발생을 방지할 수 있다.

Claims (20)

  1. 제1가스가 분사되는 제1전극;
    상기 제1전극과 상호 이격되어 기판을 지지하는 기판 지지대; 및
    상기 기판 지지대와 이격배치되며, 전원이 인가되고 제2가스가 분사되어 상기 기판 지지대에 지지된 상기 기판과의 사이에 플라즈마를 형성시키면서, 상기 제2가스를 구속하는 제3가스가 분사되는 제2전극;
    을 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1가스는 비반응성 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 비반응성 가스는 수소 또는 불활성 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2가스는 반응성 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 반응성 가스는 불소계 또는 산소계 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제3가스는 반응성 가스 또는 비반응성 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2전극에는 상기 제2가스를 상기 기판 방향으로 분사시키도록 다수의 분사공이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2전극에는 상기 제3가스가 상기 제2전극의 외연에서 중심방향 사선으로 분사되도록 분사 수단이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 분사 수단에는 상기 제3가스가 사선으로 분사되도록 곡률이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 분사 수단은 상기 제1전극 방향으로 상기 제2전극보다 더 연장형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 분사 수단의 배출단은 확산형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 분사 수단은 상기 제2전극의 중심 방향으로 구배 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 분사 수단에는 상기 제2전극의 중심 방향으로 다수의 분사구가 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  14. 제10항에 있어서, 상기 분사 수단의 외연에는 상기 제2전극의 중심 방향으로 제4가스를 분사시키는 보조 분사구가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제4가스는 비반응성 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 기판 지지대에는 상기 제2전극 방향으로 제5가스가 분사되도록 분사부를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제5가스는 비반응성 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  18. 제1가스가 분사되는 제1전극;
    상기 제1전극과 상호 이격되어 기판을 지지하는 기판 지지대; 및
    상기 기판 지지대와 이격배치되며, 전원이 인가되고 제3가스가 분사되어 상기 기판 지지대에 지지된 상기 기판과의 사이에 플라즈마를 형성시키고, 상기 제3가스가 외연에서 중심방향 사선으로 분사되도록 하는 분사수단을 포함하는 제2전극;
    을 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제3가스는 불소계 또는 산소계 가스를 포함하는 반응성 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  20. 삭제
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