KR101490419B1 - 플라즈마 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판을 처리할 때 챔버의 벽과 상부전극 어셈블리의 둘레 사이(이하, '공간'이라 한다)로 흘러드는 처리가스에 의한 로컬 플라즈마의 형성을 적극 방지할 수 있는 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.

이와 같은 본 발명은 챔버, 이 챔버 안에서 대향하고 있는 상부 및 하부전극 어셈블리, 이 상부전극 어셈블리와 하부전극 어셈블리 사이에 처리가스를 공급하는 수단, 앞서 언급한 공간에 비활성가스를 공급하여 이 공간 내 비활성가스의 농도가 처리가스보다 짙게 만드는 비활성가스 공급수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이에 따르면, 위와 같은 로컬 플라즈마의 형성이 방지되므로 기판을 매우 균일하게 처리할 수 있다.

기판, 비활성가스, 상부전극, 질소가스, 챔버, 처리가스, 플라즈마, 헬륨

Description

플라즈마 처리장치{Plasma processing apparatus}

본 발명은 챔버(chamber) 안에 플라즈마를 형성, 이 플라즈마에 의하여 기판에 소정의 처리를 하는 플라즈마 처리장치에 관한 것으로, 자세하게는 기판을 보다 균일하게 처리할 수 있도록 한 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.

웨이퍼(wafer)나 글라스(glass)와 같은 기판으로 반도체(semiconductor), 평판표시소자(flat panel display ; FPD) 등을 제조하는 데에 중요한 역할을 하는 장치 중 하나가 바로 플라즈마 처리장치인데, 이 플라즈마 처리장치는 기판 식각공정을 비롯한 여러 공정에 사용된다.

도 1은 종래기술에 따른 플라즈마 처리장치가 도시된 구성도로, 플라즈마 처리장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 내부공간을 외부와의 차단이 가능한 기판 처리실(12)로 하는 챔버(10), 이 챔버(10)의 기판 처리실(12)에 기판을 처리하는 데 필요한 처리가스(process gas)를 제공하는 처리가스 공급수단(도시되지 않음), 이 처 리가스 공급수단에 의하여 제공된 처리가스를 플라즈마 상태로 만드는 데에 필요한 전기장을 기판 처리실(12)에 형성하는 전계 발생수단(20), 기판 처리실(12)에 존재하는 가스를 제거하는 데 사용되는 배기수단(30) 등으로 이루어진다.

여기서, 전계 발생수단(20)은 기판 처리실(12)의 상부와 하부영역에 각각 마련된 상부 및 하부전극 어셈블리(upper/lower electrode assembly)(22)(24)를 포함하는데, 이 둘 중 상부전극 어셈블리(22)는 처리가스 공급수단으로부터 처리가스를 공급받아 아래로 분출하는 샤워 헤드(shower head)(도시되지 않음)를 가진다. 이러한 상부전극 어셈블리(22)는 또, 그 둘레가 챔버(10)의 벽으로부터 일정한 거리 떨어져 있을 수 있는 크기로 형성된다.

하부전극 어셈블리(24)는 상부전극 어셈블리(24)의 아래에 이 상부전극 어셈블리(22)와 대향하고 있도록 배치된다.

그러나 살펴본 바와 같은 종래기술은 그 상부전극 어셈블리(22)의 둘레가 챔버(10)의 벽으로부터 떨어져 있으므로 둘 사이에 일정한 크기의 공간(S)(이하, 'S 공간'이라 한다)이 형성되는 바, 기판을 처리할 때 처리가스가 S 공간으로 흘러들어 이 S 공간에 로컬 플라즈마(local plasma)가 형성되고, 이렇게 로컬 플라즈마가 형성되는 점 때문에 기판이 불균일하게 처리되고는 하는 문제가 있었다. 즉, 이 문제의 일례로서 기판을 식각할 때 에지(edge) 부분의 식각 정도가 다른 부분에 비하여 더 크게 되고는 하였던 것이다.

여기에서, 위와 같이 로컬 플라즈마가 형성되는 것, 바꾸어 말해 플라즈마의 밀도가 다른 것은 패시브 프로세스(passive process)를 진행하는 경우 크게 문제될 것이 없다. 하지만, 액티브 프로세스(active process)를 진행하는 경우에는 불화유황(SF6)을 다량 사용하여야 하므로 플라즈마 밀도가 높아 기판 처리실(12)의 각 영역별 플라즈마 밀도의 차가 크게 되고, 이에 따라 기판의 영역별 식각 정도의 균일성을 나타내는 식각균일도(etching uniformity)가 클 수밖에 없었다.

본 발명은 설명한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 목적은 기판을 처리할 때 처리가스가 챔버의 벽과 상부전극 어셈블리의 둘레 사이로 흘러들어 이 둘 사이의 공간에 로컬 플라즈마가 형성되는 것을 그러하지 못하게 방해함으로써, 기판을 보다 균일하게 처리할 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는 데에 있다.

위 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는 기판 처리실을 제공하는 챔버, 상기 챔버의 기판 처리실에 대향하도록 설치된 상부전극 어셈블리 및 하부전극 어셈블리, 상기 상부전극 어셈블리와 하부전극 어셈블리 사이에 처리가스를 공급하는 처리가스 공급수단, 상기 챔버의 벽과 상기 상부전극 어셈블리의 둘레 사이로 처리가스가 유입되어 로컬 플라즈마가 형성되는 것을 방지하는 비활성가스 공급수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 비활성가스 공급수단은 상기 챔버의 벽과 상기 상부전극 어셈블리의 둘레 사이에 비활성가스를 공급하여 비활성가스의 농도가 처리가스보다 짙게 만드는 것으로 로컬 플라즈마의 형성을 방지한다.

상기 비활성가스 공급수단에 의하여 공급되는 비활성가스의 유량은 상기 처 리가스 공급수단에 의하여 공급되는 처리가스의 유량의 1.2 내지 1.5배일 수 있다. 또, 상기 비활성가스는 주기율표의 18족에 속하는 원소와 질소가스 중 어느 하나, 또는 이들 중 적어도 어느 하나를 포함하는 혼합가스일 수 있다.

상기 비활성가스 공급수단은 상기 챔버의 벽과 상부전극 어셈블리의 둘레 사이에 배치된 디퓨저를 포함할 수 있다. 상기 디퓨저는 상기 챔버의 천장에 설치될 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는 또, 상기 상부전극 어셈블리의 둘레에 상기 상부전극 어셈블리의 하측 공간을 감싸도록 설치된 차단벽을 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 챔버의 벽과 하부전극 어셈블리의 둘레 사이로부터 가스를 배출하는 배기수단을 더 포함할 수 있다.

상기 차단벽은 공급되는 비활성가스의 흐름을 상기 챔버의 벽과 하부전극 어셈블리의 둘레 사이 측으로 유도 가능한 상하길이를 가질 수 있다. 또, 상기 차단벽은 그 하단 부분이 상기 챔버의 벽을 향하도록 형성될 수 있다.

본 발명은 그 비활성가스 공급수단으로부터 제공되는 비활성가스(주기율표의 18족에 속하는 원소와 질소가스 중 어느 하나 또는 이들 중 적어도 어느 하나를 포함하는 혼합가스)에 의하여 기판을 처리할 때 챔버의 벽과 상부전극 어셈블리의 둘 레 사이에 존재하게 되는 가스 중 비활성가스의 농도가 처리가스보다 짙게 만들 수 있는 바, 이 점 때문에 챔버의 벽과 상부전극 어셈블리의 둘레 사이에 로컬 플라즈마가 형성되는 것을 효과적으로 방지할 수 있고, 나아가서는 기판을 매우 균일하게 처리할 수 있다. 즉, 일례로 기판을 식각할 때 기판의 중앙 부분과 그 주변인 에지 부분의 식각 정도 차이가 상당히 적게 나타나도록 할 수 있는 것이다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치가 도시된 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는 기판 처리실(52)을 제공하는 챔버(50), 처리가스 공급수단, 상부전극 어셈블리(62)와 하부전극 어셈블리(64)를 갖춘 전계 발생수단(60), 배기수단(70), 비활성가스 공급수단(80), 차단벽(90) 등으로 이루어진다.

챔버(50)는 그 내부공간을 앞서 언급한 기판 처리실(52)로 한다. 챔버(50)의 벽 한쪽에는 이 기판 처리실(52)에 기판을 반입하고 이 반입된 기판을 반출하기 위한 기판 출입구, 즉 게이트 슬릿(gate slit)(54)이 좌우로 길게 형성되는데, 이 게 이트 슬릿(54)은 게이트 밸브(gate valve)(40)에 의하여 개폐된다.

처리가스 공급수단은 기판에 소정의 처리를 하는 데에 필요한 처리가스를 기판 처리실(52)에 공급하는 역할을 한다.

이와 같은 처리가스 공급수단은 처리가스 공급원과, 이 처리가스 공급원으로부터 처리가스를 공급받아 기판 처리실(52)로 분출하는 샤워 헤드(45)를 포함한다.

전계 발생수단(60)은 기판 처리실(52)에 전기장을 형성함으로써 처리가스 공급수단에 의하여 기판 처리실(52)에 공급된 처리가스를 플라즈마 상태로 만드는 역할을 한다.

전계 발생수단(60)의 두 전극 어셈블리(62)(64) 중 상부전극 어셈블리(62)는 기판 처리실(52)의 상부영역에 배치되고 하부전극 어셈블리(64)는 기판 처리실(52)의 하부영역에 이 상부전극 어셈블리(62)와 대향하고 있도록 배치되는 바, 두 전극 어셈블리(62)(64) 모두 그 둘레 부분이 챔버(50)의 벽으로부터 일정한 거리 떨어져 있을 수 있는 크기를 가지도록 마련된다.

또한, 두 전극 어셈블리(62)(64) 중 상부전극 어셈블리(62)에는 처리가스 공급수단의 샤워 헤드(45)가 처리가스를 하부전극 어셈블리(64) 측으로 분출할 수 있도록 장착된다.

하부전극 어셈블리(64)는 그 윗면에 반입된 기판이 놓이는 바, 이러한 점 때문에 이를 스테이지(stage)라고도 한다. 또, 도시된 바는 없으나, 하부전극 어셈블 리(64)에는 리프트 핀(lift pin)이 승강 가능하도록 복수 개 설치될 수 있는데, 리프트 핀은 핀 승강수단에 의하여 하부전극 어셈블리(64) 위에 놓인 기판을 들어 올리거나 내려놓는다.

배기수단(70)은 기판 처리실(52)을 진공으로 만들고 기판을 처리한 이후에는 기판 처리실(52)에 존재하는 처리가스가 제거되도록 배출하는 역할을 하는 것으로, 구성요소로는 적어도 하나의 펌프를 포함한다.

참고로, 펌프는 챔버(50)의 벽과 하부전극 어셈블리(64)의 둘레 사이에 마련된 공간(S2)(이하, 'S2 공간'이라 한다)으로부터 기판 처리실(52)의 가스를 배출하도록 설치된다.

비활성가스 공급수단(80)은 기판 처리 시 처리가스 공급수단으로부터 공급되는 처리가스가 챔버(50)의 벽과 상부전극 어셈블리(62)의 둘레 사이에 마련된 공간(S1)(이하, 'S1 공간'이라 한다)으로 흘러들어 이 S1 공간에 로컬 플라즈마가 형성되는 것을 방지하는 역할을 한다.

이와 같은 비활성가스 공급수단(80)은 화학적으로 활발하지 못하여 화합물을 잘 만들지 못하거나 다른 물질과의 반응이 어려운 기체인 비활성가스(inert gas)를 S1 공간에 공급하여 이 S1 공간의 비활성가스 농도가 처리가스보다 짙게 만드는 것으로 로컬 플라즈마의 형성을 방지한다. 물론, 이 같이 로컬 플라즈마의 형성을 방지하기 위하여 고려하여야 할 것 중 하나가 바로 S1 공간에 공급되는 비활성가스의 유량인데, 이 공급되는 비활성가스의 유량은 기판 처리실(52)에 공급되는 처리가스의 유량에 비하여 큰 1.2 ~ 1.5배인 것이 바람직하다. 즉, 공급되는 처리가스의 유량이 일례로 1000sccm(standard cubic centimeter per minute)이라면, 공급되는 비활성가스의 유량은 1200 ~ 1500sccm이어야 하는 것이다.

참고로, 공급되는 처리가스와 비활성가스의 유량이 거의 동일한 수준이라 할지라도 로컬 플라즈마는 형성이 방지된다. 하지만, 안정성 있는 수준이라 할 수 없다. 반면, 공급되는 비활성가스의 유량이 공급되는 처리가스의 1.5배를 초과하더라도 마찬가지로 로컬 플라즈마는 형성이 방지된다. 그렇지만, 이 수치는 비활성가스의 낭비인 데다 비활성가스가 기판의 처리에 영향을 미치는 수준일 수 있다.

설명한 바와 같은 비활성가스 공급수단(80)은 구성요소로서 비활성가스 공급원, 수송라인(82), 디퓨저(diffuser)(84)를 포함한다.

비활성가스 공급원은 저장탱크를 포함하는데, 이 저장탱크에는 비활성가스가 저장된다. 비활성가스로는 주기율표 18족(8A족)에 속하는 ①헬륨(helium, He) ②네온(neon, Ne) ③아르곤(argon, Ar) ④크립톤(krypton, Kr) ⑤크세논(xenon, Xe) ⑥라돈(radon, Rn), 이렇게 6원소 중 어느 하나가 이용될 수 있다. 또는, 이 대신 질소가스(N2)가 이용될 수 있다. 또는, 주기율표 18족에 속하는 6원소와 질소가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 혼합가스가 이용될 수 있다.

이와 같이 비활성가스로는 다양한 형태의 기체가 이용될 수 있다. 그렇지만, 헬륨과 질소가스 중 어느 하나 또는 이 헬륨과 질소가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 혼합가스를 이용하는 것이 다른 것들을 이용하는 것보다 경제적인 측면에서 볼 때 바람직하다 할 수 있겠다.

디퓨저(84)는 비활성가스를 살포하도록 된 복수 개의 노즐(nozzle)로 구성될 수 있다. 디퓨저(84)는 S1 공간에 위치하도록 챔버(50)의 천장에 설치되어 이 반대쪽인 챔버(50)의 바닥 측으로 비활성가스를 보낸다. 물론, 수송라인(82)의 경우 비활성가스 공급원으로부터 공급되는 비활성가스를 디퓨저(84)로 유실 없이 수송하는 역할을 한다.

차단벽(90)은 S1 공간에 공급되는 비활성가스가 상부전극 어셈블리(62)와 하부전극 어셈블리(64) 사이로 흘러들거나, 아니면 처리가스가 이 상부전극 어셈블리(62)와 하부전극 어셈블리(64) 사이로부터 S1 공간으로 흘러드는 것을 방지하는 역할을 하는 바, 상부전극 어셈블리(62)의 둘레에 이 상부전극 어셈블리(62)의 아래쪽 공간을 감싸고 있도록 설치된 커버 플레이트이다.

이와 같은 차단벽(90)은 차단효과를 높이기 위하여, 바람직하게는 그 하단이 챔버(50)의 벽 쪽을 향하고 있도록 형성된다. 즉, 그 둘레가 아래쪽으로 갈수록 점차 벌어지는 형상, 또는 하단 부분이 일정한 각도 꺾인 모양으로 형성되는 것이다.

또한, 차단벽(90)은 S1 공간에 공급되는 비활성가스의 흐름을 S2 공간 측으로 유도할 수 있는 상하길이를 가지도록 마련된다.

한편, 차단벽(90)은 세라믹(ceramics)으로 이루어질 수 있다. 그 이유는, 상부전극 어셈블리(62)의 경우에는 이 상부전극 어셈블리(62)를 플라즈마로부터 보호하고자 대부분 세라믹 차폐물이 피복되는데, 이 차폐물과 동일한 재질로 이루면 플라즈마 차폐역할도 겸할 수 있기 때문이다.

이상, 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 도면에 의하여 한정되지 않는다. 따라서 본 발명은 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 플라즈마 처리장치를 나타내는 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치를 나타내는 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

50 : 챔버 52 : 기판 처리실

62 : 상부전극 어셈블리 64 : 하부전극 어셈블리

70 : 배기수단 80 : 비활성가스 공급수단

84 : 디퓨저 90 : 차단벽

S1 : 챔버의 벽과 상부전극 어셈블리의 둘레 사이의 공간

Claims (9)

1. 기판 처리실을 제공하는 챔버와;

   상기 챔버의 기판 처리실에 대향하도록 설치된 상부전극 어셈블리 및 하부전극 어셈블리와;

   상기 상부전극 어셈블리와 하부전극 어셈블리의 사이에 처리가스를 공급하는 처리가스 공급수단과;

   상기 챔버의 벽과 상부전극 어셈블리의 둘레 사이로 처리가스가 유입되어 로컬 플라즈마가 형성되는 것을 상기 챔버의 벽과 상기 상부전극 어셈블리의 둘레 사이에 비활성가스를 공급하여 이 비활성가스의 농도가 처리가스보다 짙게 만드는 것으로 방지하는 비활성가스 공급수단을 포함하고,

   상기 비활성가스 공급수단은 상기 챔버의 벽과 상부전극 어셈블리의 둘레 사이에 배치된 디퓨저를 포함하며,

   상기 디퓨저는 상기 챔버의 천장에 설치된 것을 특징으로 하는,

   플라즈마 처리장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 비활성가스 공급수단에 의하여 공급되는 비활성가스의 유량은 상기 처리가스 공급수단에 의하여 공급되는 처리가스의 유량의 1.2 ~ 1.5배인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 비활성가스는 주기율표의 18족에 속하는 원소와 질소가스 중 어느 하나 또는 이들 중 적어도 어느 하나를 포함하는 혼합가스인 것인 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 상부전극 어셈블리의 둘레에 상기 상부전극 어셈블리의 하측 공간을 감싸도록 설치된 차단벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 챔버의 벽과 하부전극 어셈블리의 둘레 사이로부터 가스를 배출하는 배기수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 차단벽은 공급되는 비활성가스의 흐름을 상기 챔버의 벽과 하부전극 어셈블리의 둘레 사이 측으로 유도 가능한 상하길이를 가진 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
9. 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 차단벽은 그 하단 부분이 상기 챔버의 벽을 향하도록 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.

Images