KR101507937B1 - 플라즈마 식각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공정챔버에서 플라즈마를 이용하여 피처리체를 식각할 시 하부전극과 상부전극의 간격을 일정하게 조절하여 피처리체의 에지부분에 대한 식각레이트의 균일성을 확보하는 플라즈마 식각장치에 관한 것이다.

가스분배 플레이트와 피처리체의 간극을 일정하게 하여 식각레이트를 균일하게 하고 피처리체의 가장자리부분도 균일한 식각이 되도록 하기 위한 본 발명의 플라즈마 식각장치는, 외부로부터 공급되는 반응가스를 내부로 균일하게 공급되도록 하는 가스분배 플레이트와, 상기 가스분배 플레이트의 하부 가장자리에 하향 돌출되도록 설치된 스토퍼와, 상기 가스분배 플레이트를 통해 공급되는 반응가스가 플라즈마 상태로 변환되도록 상부전극과 상호 작용하여 소정의 전기장을 형성하는 하부전극과, 상기 하부전극의 가장자리에 수직방향으로 돌출되어 플라즈마 반응가스가 균일하게 측면으로 배출되고 상기 하부전극이 상승될 때 상기 스토퍼에 접촉되어 상기 하부전극이 더 이상 상승되지 않도록 하는 사이드 배플을 포함한다.

본 발명은 가스분배 플레이트와 피처리체의 간극을 일정하게 하여 식각레이트를 균일하게 하고, 또한 사이드 배플의 통기공을 통해 플라즈마 가스가 배출되도록 하여 피처리체의 에지부에 플라즈마 가스가 체류되는 시간을 연장하여 피처리체의 에지부분에 균일한 식각이 되도록 하여 공정 불량발생을 낮추어 제조비용을 절감한다.

공정챔버, 사이드 배플, 가스분배 플레이트, 상부전극, 하부전극

Description

플라즈마 식각장치{PLASMA ETCH EQUIPMENT}

본 발명은 플라즈마 식각장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공정챔버에서 플라즈마를 이용하여 피처리체를 식각할 시 하부전극과 상부전극의 간격을 일정하게 조절하여 피처리체의 에지부분에 대한 식각레이트(ETCHING RATE)의 균일성을 확보하는 플라즈마 식각장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체장치를 제조하기 위한 피처리체는 세정, 확산, 포토레지스트 코팅, 노광, 현상, 식각 및 이온주입 등과 같은 공정을 반복하여 거치게 되며, 반도체 제조공정은 그 소재가 되는 피처리체에 대하여 산화, 마스킹, 포토레지스트코팅, 식각, 확산 및 적층공정들과 이들 공정들의 전, 후에서 보조적으로 세척, 건조 및 검사 등의 여러 공정들이 수행되어야 한다. 특히, 식각공정은 실질적으로 피처리체 상에 패턴을 형성시키는 중요한 공정의 하나로서, 포토레지스트 코팅공정과 함께 사진식각공정을 이루는 것으로서, 감광성을 갖는 포토레지스트를 피처리체 상에 코팅하고, 패턴을 전사한 후, 그 패턴에 따라 식각을 수 행하여 상기 패턴에 따라 적절한 소자의 물리적 특성을 부여하는 것이다.

이러한 공정 중에 식각 공정은 다양한 장비와 방식에 의해 이루어지고 있는데, 이를 크게 구분하자면 등방성 식각과 비등방성 식각으로 나눌 수 있다.

먼저 등방성 식각은, 특정 방향을 따라 식각이 이루어지는 방식으로, 통상 습식 식각이나 플라즈마 식각 등의 화학적 식각이 이에 속한다.

그리고 비등방성 식각으로는 반응성 이온 식각(reactive ion etching)과 같은 대부분의 건식 식각을 들 수 있다. 반응성 이온 식각에서는 반응 가스가 공정챔버에서 이온화되고 전기적으로 가속됨으로써 주로 전계 방향을 따라 식각이 이루어지게 된다. 이러한 건식 식각에서는 대게 반응 가스에 활성을 주기 위해 플라즈마를 형성하게 되는데, 플라즈마를 형성하기 위한 방법으로는 주로 고주파 전계를 반응 가스에 인가하는 방식이 사용되고 있다.

통상의 플라즈마를 형성하는 방법은 다음과 같다.

플라즈마 챔버 내의 상하부 전극 사이에 전압을 걸어 전계를 형성하고, 상하부 전극 사이의 공간으로 저압의 반응 가스를 공급한다. 이때, 상하부 전극 사이에 인가되는 전압은 직류일 수도 있으나 대개는 고주파의 교류가 사용된다.

고주파 교류를 사용하게 되면 전극 단부를 반드시 전도성 물질로 구성할 필요가 없을 뿐만 아니라, 전계의 진동에 의해 상하부 전극 사이에 존재하는 전자들이 충분한 에너지를 얻을 수 있게 되므로 전자가 중성 원자와 충돌하여 보다 많은 하전입자를 생성할 수 있게 된다. 상하부 전극 사이의 공간에서 생성된 전자는 중성 가스와 충돌하여 분해 및 발광을 일으키게 되어 더 많은 이온과 전자를 발생시 키게 되며, 양이온은 전계에 의해 가속되어 전극과 충돌할 때도 전자를 추가로 발생시킨다. 이와 같은 플라즈마 식각 장치에 구비되는 하부 전극은 공정 챔버의 저면 중앙부에 위치되며, 그 상면에 식각 대상인 기판이 안착된다.

이러한 하부 전극은, 통상 기판과 접촉되는 용사(溶射)층과 용사층의 하부에 위치되는 모재(母材)층 등으로 구성되는데, 용사층에는 엠보스(emboss) 형태의 패턴이 형성되어 있어 돌출부가 기판과 접촉되고 함몰부는 기판과의 접촉이 이루어지지 않는다.

상기와 같은 플라즈마를 이용한 식각장치가 대한민국 등록특허공보 10-0145301호에 개시되어 있다. 대한민국 등록특허공보 10-0145301호는 위, 아래로 대향하는 하부전극과 상부전극과의 사이에 피처리체를 설치하고, 이들 전극사이에 플라즈마를 발생시켜 피처리체를 식각하는 방법에 있어서, 피처리체를 하부전극 위에 얹어놓은 후 하부전극과 상부전극과의 사이에 형성된 보호지지 부재에 위쪽으로부터 소정의 압력을 부여하면서 상기 하부전극을 상승시켜 피처리체를 보호지지 부재에 밀어붙여서 보호 지지시키며, 상기 하부전극과 상부전극과의 사이에 전력을 인가함과 동시에 그 사이로 반응 가스를 공급하여 전극 사이에 플라즈마를 형성하여 피처리체를 식각하도록 하고 있다.

상기와 같은 종래의 플라즈마를 이용한 식각장치는 하부전극이 상승하여 피처리체를 식각할 시 가스분배 플레이트(Gas Distribution Plate)와 피처리체 사이의 간극이 일정하지 않게 되어 피처리체의 가장자리부분에 대한 식각률이 떨어지는 문제가 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 가스분배 플레이트와 피처리체의 간극을 일정하게 조절하여 피처리체의 가장자리부분에 대한 식각레이트를 균일하게 하는 플라즈마 식각장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 식각장치는, 외부로부터 공급되는 반응가스를 내부로 균일하게 공급되도록 하는 가스분배 플레이트와, 상기 가스분배 플레이트의 하부 가장자리에 하향 돌출되도록 설치된 스토퍼와, 상기 가스분배 플레이트를 통해 공급되는 반응가스가 플라즈마 상태로 변환되도록 상부전극과 상호 작용하여 소정의 전기장을 형성하는 하부전극과, 상기 하부전극의 가장자리에 수직방향으로 돌출되어 플라즈마 반응가스가 균일하게 측면으로 배출되고 상기 하부전극이 상승될 때 상기 스토퍼에 접촉되어 상기 하부전극이 더 이상 상승되지 않도록 하는 사이드 배플을 포함함을 특징으로 한다.

상기 가스분배 플레이트에 형성된 상기 복수의 관통홀을 통해 레이저를 조사하여 상기 가스분배 플레이트와 피처리체 간의 간극을 감지하는 광센서와, 상기 광센서로부터 간극감지신호를 받아 상기 가스분배 플레이트와 상기 피처리체의 사이 간극을 계산하여 미리 설정된 간극범위 내로 좁혀지지 않을 경우 에러로 인식하여 인터록을 발생하는 제어부를 더 포함함을 특징으로 한다.

상기 하부전극을 관통하여 설치된 리프트핀을 승,하강 시키는 리프트핀 구동부와, 상기 하부전극의 하부에 연결된 샤프트에 결합되어 상기 하부전극을 승,하강하도록 구동하는 하부전극 이동부를 더 포함함을 특징으로 한다.

상기 복수의 관통홀은 3개로 형성되어 원호 상에 등간격으로 설치됨을 특징으로 한다.

상기 스토퍼는 상기 사이드 배플이 접촉될 때 스위칭 온되는 접촉스위치를 포함함을 특징으로 한다.

상기 제어부는 상기 접촉스위치가 온될 때 상기 하부전극 이동부를 제어하여 상기 하부전극이 더 이상 상승하지 않도록 제어함을 특징으로 한다.

상기 가스분배 플레이트는 중앙부로 비반응성 가스가 토출되고 가장자리부로 상기 피처리체의 에지부를 향해 반응성 가스가 토출됨을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 가스분배 플레이트와 피처리체의 간극을 일정하게 하여 식각레이트를 균일하게 하는 이점이 있다.

또한 사이드 배플의 통기공을 통해 플라즈마 가스가 배출되도록 하여 피처리체의 에지부에 플라즈마 가스가 체류되는 시간을 연장하여 피처리체의 에지부분에 균일한 식각이 되도록 하여 공정 불량발생을 낮추어 제조비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 식각장치의 구성도이다.

외부로부터 공급되는 반응가스를 내부로 균일하게 공급되도록 하는 가스분배 플레이트(1)와, 상기 가스분배 플레이트(1)의 하부 가장자리에 하향 돌출되도록 설치된 스토퍼(2)와, 상기 가스분배 플레이트(1)를 통해 공급되는 반응가스가 플라즈마 상태로 변환되도록 상부전극과 상호 작용하여 소정의 전기장을 형성하는 하부전극(4)과, 상기 하부전극(4)의 가장자리에 수직방향으로 돌출되어 플라즈마 반응가스가 균일하게 측면으로 배출되고 상기 하부전극(4)이 상승될 때 상기 스토퍼(2)에 접촉되어 상기 하부전극(4)이 더 이상 상승되지 않도록 하는 사이드 배플(3)과, 상기 하부전극(4)을 관통하여 설치된 리프트핀(13)을 승,하강 시키는 리프트핀 구동부(7)와, 상기 하부전극(4)의 하부에 연결된 샤프트(10)에 결합되어 상기 하부전극(4)을 승,하강하도록 구동하는 하부전극 이동부(8)와, 상기 가스분배 플레이트(1)의 관통홀(11a, 11b, 11c)을 통해 레이저를 조사하여 상기 가스분배 플레이트(1)와 피처리체(5) 간의 간극을 감지하는 광센서(9)와, 상기 광센서(9)로부터 간극감지신호를 받아 상기 가스분배 플레이트(1)와 상기 피처리체(5)의 사이 간극을 계산하여 미리 설정된 간극범위 내로 좁혀지지 않을 경우 에러로 인식하여 인터록 을 발생하는 제어부(12)로 구성되어 있다.

도 2는 도 1의 제어부(12)의 간극감지 및 스토퍼(2)와 사이드 배플(3)의 접촉감지라인과 리프트핀 및 하부전극 구동 제어라인을 나타낸 전기적 계통도이다.

도 1에 도시된 가스분배 플레이트(1)의 관통홀(11a, 11b, 11c)을 통해 레이저를 조사하여 가스분배 플레이트(1)와 피처리체(5) 간의 간극을 감지하는 광센서(9)와,

스토퍼(2)내에 장착되어 하부전극(4)이 상승되어 사이드 배플(3)이 접촉될 때 스위칭 온되는 접촉스위치(14)와,

상기 광센서(9)로부터 간극감지신호를 받아 가스분배 플레이트(1)와 상기 피처리체(5)의 사이 간극을 계산하여 미리 설정된 간극범위 내로 좁혀지지 않을 경우 에러로 인식하여 인터록을 발생하고, 상기 접촉스위치(14)가 스위칭 온될 때 상기 하부전극 이동부(8)를 제어하여 상기 하부전극(4)이 더 이상 상승하지 않도록 제어하는 제어부(12)로 구성되어 있다.

상술한 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세히 설명한다.

플라즈마 상태의 식각가스를 사용한 건식식각공정이 수행되는 식각챔버(20)가 구성되어 있다. 상기 식각챔버(20) 상부에는 외부로부터 공급되는 반응가스를 균일하게 확산시키는 가스분배 플레이트(1)가 설치되어 있다. 상기 가스분배 플레이트(1)에는 3개의 관통홀(11a, 11b, 11c)이 형성되어 있다. 그리고 상기 가스분배 플레이트(1)의 상부면에 3개의 광센서(9)가 일정간격으로 각각 설치되어 있다. 상 기 3개의 관통홀(11a, 11b, 11c)은 원호 상에 등간격으로 설치되어 있다. 상기 가스분배 플레이트(1)는 상부전극의 역할을 겸하게 된다. 상기 가스분배 플레이트(1)는 중앙부로 비반응성 가스가 토출되고 가장자리부로 상기 피처리체(5)의 에지부를 향해 반응성 가스가 토출된다.

또한, 상기 식각챔버(20)의 하측 내부에는 식각될 피처리체(5)가 위치하는 하부전극(4)이 설치되어 있고, 상기 식각챔버(20)의 상측 내부에는 하부전극(4)과 소정간격 이격되어 가스분배 플레이트(1)에 상부전극(도시하지 않음)이 설치되어 있다. 상기 상부전극의 표면에는 도면에는 도시되지 않았으나 다수의 식각가스 공급구(도시되지 않음)가 형성되어 있고, 상기 식각가스 공급구를 통해서 식각가스가 식각챔버(20) 내부로 공급될 수 있도록 되어 있다. 하부전극(4)의 가장자리부분에 사이드 배플(3)이 설치되어 플라즈마 반응가스가 사이드 배플(3)을 통해 배출되도록 형성되어 있다.

또한, 상기 하부전극(4)과 제1고주파전원(6)이 연결되어 있고, 상기 상부전극은 도시되지 않았지만 제2 고주파전원과 연결되어 있다.

따라서, 먼저 진공펌프(도시하지 않음)를 가동시킴에 따라 식각챔버(20) 내부의 압력상태는 특정 고진공상태로 전환된다.

이어서, 하부전극 이동부(8)를 구동시켜 하부전극(4)을 상승시킨다. 상기 하부전극(4)이 상승되어 가스분배 플레이트(1)의 가장자리에 형성된 스토퍼(2)에 사이드배플(3)이 접촉되면 하부전극(4)의 상승 동작이 정지된다. 이때 가스분배 플레이트(1)와 피처리체(5)의 사이 간극은 예를 들어 0.35mm로 고정된다. 상기 하부전 극(4)이 상승될 때 3개의 광센서(9)는 가스분배 플레이트(1)에 형성된 관통홀(11a, 11b, 11c)을 통해 레이저를 하부전극(4)에 놓여 있는 피처리체(5)로 조사하여 되돌아오는 광량의 세기를 감지하여 가스분배 플레이트(1)와 피처리체(5)의 상면 간의 간극을 측정하여 제어부(12)로 인가한다. 제어부(12)는 3개의 광센서(9)로부터 거리감지신호를 받아 가스분배 플레이트(1)와 피처리체(5)의 사이 간극을 계산하여 미리 설정된 간극범위 내로 좁혀지지 않을 경우 에러로 인식하여 인터록을 발생한다. 그리고 하부전극(4)이 상승하여 스토퍼(2)에 사이드 배플(3)이 접촉되면 스토퍼(2)의 내부에 설치된 접촉스위치(14)가 스위칭 온된다. 상기 접촉스위치(14)가 온되면 제어부(12)는 하부전극 이동부(8)를 제어하여 하부전극(4)이 더 이상 상승하지 않도록 제어한다. 따라서 상기 가스분배 플레이트(1)와 피처리체(5)의 사이 간극이 항상 일정하게 유지되므로, 피처리체(5)의 에지부분에 대한 식각레이트의 균일성을 확보할 수 있다. 상기 제어부(12)는 하부전극(4)에 놓여 있는 피처리체(5)가 센서에 의해 수평으로 놓여지지 않는 상태를 검출할 시 이 검출신호를 받아 인터록을 발생하는 것도 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시 가능하다.

다음으로, 식각가스 공급구를 통해서 식각챔버(20) 내부로 식각을 위한 반응가스를 공급한다.

제1 고주파전원(6)이 하부전극(4)으로 인가되고 상부전극은 접지전원에 연결된다. 이에 따라 상기 하부전극(4) 및 상부전극 사이에는 전기장이 형성되고, 상기 하부전극(4)에서는 자유전자를 방출하게 된다.

그리고, 상기 하부전극(4)에서 방출된 자유전자는 전기장에 의해서 운동에너 지를 얻어 가속된 후, 상기 식각가스를 통과하며 상기 식각가스와 충돌하여 식각가스에 의해 피처리체(5)로 에너지를 전달하게 된다. 이와 같은 과정이 반복됨에 따라 식각챔버(20) 내부는 양이온, 음이온, 원자단 등이 공존하는 플라즈마 상태가 형성된다.

그리고, 상기 플라즈마 상태의 양이온은 하부전극(4) 상부에 올려진 피처리체(5)와 충돌하여 피처리체(5)의 소정영역을 식각한다.

그런데, 플라즈마가 불균일하게 발생되는 원인에 의해서 식각챔버(20) 내부에 형성되는 플라즈마 상태의 이온밀도가 식각챔버(20)의 에지부분에서 불균일하게 발생하고 있으나, 본 발명에서는 플라즈마 반응가스가 하부전극(4)의 가장자리에 설치되어 있는 사이드 배플(3)을 통해 배출되도록 하여 플라즈마 반응가스가 피처리체(5)의 에지부분에 체류되는 시간을 연장하도록 하므로, 식각챔버(20)의 가장자리부분에 이온밀도가 균일하게 되어 식각 불량 발생을 방지하게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 본 발명에서 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 식각장치의 구성도

도 2는 도 1의 제어부(12)의 간극감지 및 스토퍼(2)와 사이드 배플(3)의 접촉감지라인과 리프트핀 및 하부전극 구동 제어라인을 나타낸 전기적 계통도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 가스분배 플레이트 2: 스토퍼

3: 사이드 배플 4: 하부전극

5: 피처리체 6: 제1 고주파전원

7: 리프트 핀구동부 8: 하부전극 이동부

9: 리프트 핀 10: 샤프트

11a, 11b, 11c: 관통홀 12: 제어부

20: 식각챔버

Claims (7)

1. 외부로부터 공급되는 반응가스를 내부로 균일하게 공급되도록 하는 가스분배 플레이트와,

   상기 가스분배 플레이트의 하부 가장자리에 하향 돌출되도록 설치된 스토퍼와,

   상기 가스분배 플레이트를 통해 공급되는 반응가스가 플라즈마 상태로 변환되도록 상부전극과 상호 작용하여 소정의 전기장을 형성하는 하부전극과,

   상기 하부전극의 가장자리에 수직방향으로 돌출되어 플라즈마 반응가스가 균일하게 측면으로 배출되고 상기 하부전극이 상승될 때 상기 스토퍼에 접촉되어 상기 하부전극이 더 이상 상승되지 않도록 하는 사이드 배플을 포함하고,

   상기 가스분배 플레이트는 중앙부에서는 비반응성 가스가 토출되고 가장자리부에서는 피처리체의 에지부를 향해 반응성 가스가 토출됨을 특징으로 하는 플라즈마 식각장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가스분배 플레이트에는 복수의 관통홀이 형성되고, 상기 복수의 관통홀을 통해 레이저를 조사하여 상기 가스분배 플레이트와 피처리체 간의 간극을 감지하는 광센서와,

   상기 광센서로부터 간극감지신호를 받아 상기 가스분배 플레이트와 상기 피처리체의 사이 간극을 계산하여 미리 설정된 간극범위내로 좁혀지지 않을 경우 에러로 인식하여 인터록을 발생하는 제어부를 더 포함함을 특징으로 하는 플라즈마 식각장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 하부전극을 관통하여 설치된 리프트핀을 승,하강 시키는 리프트핀 구동부와,

   상기 하부전극의 하부에 연결된 샤프트에 결합되어 상기 하부전극을 승,하강하도록 구동하는 하부전극 이동부를 더 포함함을 특징으로 하는 플라즈마 식각장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 복수의 관통홀은 3개로 형성되어 원호 상에 등간격으로 설치됨을 특징으로 하는 플라즈마 식각장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 스토퍼는 상기 사이드 배플이 접촉될 때 스위칭 온되는 접촉스위치를 포함함을 특징으로 하는 플라즈마 식각장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 접촉스위치가 온될 때 상기 하부전극 이동부를 제어하여 상기 하부전극이 더 이상 상승하지 않도록 제어함을 특징으로 하는 플라즈마 식각장치.
7. 삭제

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