KR101754562B1 - 플라즈마 발생 장치, 그를 포함하는 기판 처리 장치, 및 그 제어 방법 - Google Patents

플라즈마 발생 장치, 그를 포함하는 기판 처리 장치, 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 시스(sheath)를 이용하여 플라즈마 공정을 용이하게 제어하기 위한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 발생 장치는, 제1 RF 전력을 제공하는 상부 RF 전원; 상기 제1 RF 전력을 공급받아 플라즈마를 발생시키는 상부 전극; 상기 상부 전극에 대향되게 배치되는 하부 전극; 상기 하부 전극에 연결되며, 제2 RF 전력을 제공하는 하부 RF 전원; 및 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 중 적어도 하나에 형성된 플라즈마 시스(sheath)를 기반으로, 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

플라즈마 발생 장치, 그를 포함하는 기판 처리 장치, 및 그 제어 방법{APPARATUS FOR GENERATING PLASMA, APPARATUS FOR TREATING SUBSTRATE COMPRISING THE SAME, AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 플라즈마 발생 장치, 그를 포함하는 기판 처리 장치, 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 시스(sheath)를 이용하여 플라즈마 공정을 효율적으로 제어하기 위한 것이다.
반도체 제조 공정은 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 공정을 포함할 수 있다. 플라즈마는 매우 높은 온도나, 강한 전계 혹은 고주파 전자계(RF Electromagnetic Field)에 의해 생성되며, 이온이나 전자, 라디칼 등으로 이루어진 이온화된 가스를 말한다. 반도체 소자 제조 공정은 플라즈마를 사용하여 식각 공정을 수행한다. 식각 공정은 플라즈마에 함유된 이온 입자들이 기판과 충돌함으로써 수행된다.
플라즈마 공정 장비 중 하나인 CCP(Capacitive Coupled Plasma) 에칭 장비에서는 플라즈마를 생성하기 위해 상부 전극 및 하부 전극에 RF 전력을 인가한다. 이 때 상하부의 RF 시스템이 직렬로 연결되어 직렬 공진 현상이 발생하는 문제가 있다. 또한, 반도체 소자 제조에 있어서 높은 종횡비(High aspect ratio)가 요구됨에 따라 높은 RF 전력을 인가하게 되는데, 이 때 RF 시스템의 안정성 확보가 필요하다.
본 발명은 플라즈마 발생 장치, 예를 들어 CCP 에칭 장비에 있어서 상부 및 하부 RF 시스템의 직렬 공진 현상을 줄여 RF 전력 공급의 안정성을 높이기 위한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 발생 장치는, 제1 RF 전력을 제공하는 상부 RF 전원; 상기 제1 RF 전력을 공급받아 플라즈마를 발생시키는 상부 전극; 상기 상부 전극에 대향되게 배치되는 하부 전극; 상기 하부 전극에 연결되며, 제2 RF 전력을 제공하는 하부 RF 전원; 및 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 중 적어도 하나에 형성된 플라즈마 시스(sheath)를 기반으로, 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 플라즈마 시스에 관한 파라미터를 기반으로 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하며, 상기 파라미터는, 상기 플라즈마 시스의 두께를 포함할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 플라즈마 시스에 관한 파라미터를 기반으로 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하며, 상기 파라미터는, 상기 플라즈마 시스의 커패시턴스를 포함할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 파라미터 값을 기 설정된 값과 비교하여, 상기 파라미터 값이 더 큰 경우 상기 제1 RF 전력을 감소시키며, 상기 파라미터 값이 더 작은 경우 상기 제1 RF 전력을 증가시킬 수 있다.
상기 제어기는, 상기 파라미터 값이 기 설정된 값과 동일한 경우, 상기 제2 RF 전력 값을 기 설정된 최대 제2 RF 전력 값과 비교하여, 상기 제2 RF 전력 값이 더 작은 경우 상기 제2 RF 전력을 증가시킬 수 있다.
상기 제어기는, 상기 파라미터 값이 기 설정된 값과 동일한 경우, 상기 제2 RF 전력 값을 기 설정된 최대 제2 RF 전력 값과 비교하여, 동일한 경우 인가되는 상기 제1 RF 전력 값 및 상기 제2 RF 전력 값을 유지시킬 수 있다.
상기 플라즈마 발생 장치는, 상기 하부 RF 전원 및 상기 하부 전극 사이에 연결되는 임피던스 정합부를 더 포함하며, 상기 제어기는 상기 임피던스 정합부에 포함되는 가변 소자의 소자값을 기반으로 상기 파라미터 값을 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치는, 내부에 기판을 처리하는 공간을 갖는 챔버; 상기 챔버 내에 위치하며, 상기 기판을 지지하는 기판 지지 어셈블리; 상기 챔버 내부로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛; 및 상기 챔버 내의 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 플라즈마 발생 유닛을 포함하며, 상기 플라즈마 발생 유닛은: 제1 RF 전력을 제공하는 상부 RF 전원; 상기 제1 RF 전력을 공급받아 플라즈마를 발생시키는 상부 전극; 상기 상부 전극에 대향되게 배치되는 하부 전극; 상기 하부 전극에 연결되며, 제2 RF 전력을 제공하는 하부 RF 전원; 및 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 중 적어도 하나에 형성된 플라즈마 시스(sheath)를 기반으로, 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 플라즈마 시스에 관한 파라미터를 기반으로 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하며, 상기 파라미터는, 상기 플라즈마 시스의 두께를 포함할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 플라즈마 시스에 관한 파라미터를 기반으로 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하며, 상기 파라미터는, 상기 플라즈마 시스의 두께를 포함할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 파라미터 값을 기 설정된 값과 비교하여, 상기 파라미터 값이 더 큰 경우 상기 제1 RF 전력을 감소시키며, 상기 파라미터 값이 더 작은 경우 상기 제1 RF 전력을 증가시킬 수 있다.
상기 제어기는, 상기 파라미터 값이 기 설정된 값과 동일한 경우, 상기 제2 RF 전력 값을 기 설정된 최대 제2 RF 전력 값과 비교하여, 상기 제2 RF 전력 값이 더 작은 경우 상기 제2 RF 전력을 증가시킬 수 있다.
상기 제어기는, 상기 파라미터 값이 기 설정된 값과 동일한 경우, 상기 제2 RF 전력 값을 기 설정된 최대 제2 RF 전력 값과 비교하여, 동일한 경우 인가되는 상기 제1 RF 전력 값 및 상기 제2 RF 전력 값을 유지시킬 수 있다.
상기 플라즈마 발생 유닛은, 상기 하부 RF 전원 및 상기 하부 전극 사이에 연결되는 임피던스 정합부를 더 포함하며, 상기 제어기는 상기 임피던스 정합부에 포함되는 가변 소자의 소자값을 기반으로 상기 파라미터 값을 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치 제어 방법은, 상기 제1 RF 전력을 공급하여 플라즈마를 발생시키고, 상기 제2 RF 전력을 공급하여, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 중 적어도 하나에 형성된 플라즈마 시스에 관한 파라미터를 측정하는 단계; 및 상기 파라미터를 기반으로 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하며, 상기 파라미터는 상기 플라즈마 시스의 두께 및 커패시턴스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 파라미터를 기반으로 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하는 단계는: 상기 파라미터를 기 설정된 값과 비교하여, 상기 파라미터 값이 더 큰 경우 상기 제1 RF 전력을 감소시키며, 상기 파라미터 값이 더 작은 경우 상기 제1 RF 전력을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 파라미터를 기반으로 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하는 단계는: 상기 파라미터를 기 설정된 값과 비교하여 동일한 경우, 상기 제2 RF 전력 값을 기 설정된 최대 제2 RF 전력 값과 비교하여, 상기 제2 RF 전력 값이 더 작은 경우 상기 제2 RF 전력을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 파라미터를 기반으로 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하는 단계는: 상기 파라미터를 기 설정된 값과 비교하여 동일한 경우, 상기 제2 RF 전력 값을 기 설정된 최대 제2 RF 전력 값과 비교하고 동일한 경우, 인가되는 상기 제1 RF 전력 값 및 상기 제2 RF 전력 값을 유지시키는 단계를 포함하는 기판 처리 장치 제어 방법.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 플라즈마 발생 장치, 예를 들어 CCP 에칭 장비 사용시 상부 및 하부 RF 시스템의 직렬 공진 현상을 줄여 RF 전력 공급의 안정성을 높일 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 발생 유닛의 구성을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치 제어 방법의 예시적인 흐름도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 기판 처리 제어 방법을 더 구체적으로 나타낸 예시적인 흐름도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치(10)를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 1을 참조하면, 기판 처리 장치(10)는 플라즈마를 이용하여 기판(W)을 처리한다. 예를 들어, 기판 처리 장치(10)는 기판(W)에 대하여 식각 공정을 수행할 수 있다. 기판 처리 장치(10)는 챔버(100), 기판 지지 어셈블리(200), 가스 공급 유닛(300), 플라즈마 발생 유닛(400), 가열 유닛(500)을 포함한다.
챔버(100)는 내부에 공간(101)이 형성된다. 내부 공간(101)은 기판(W)에 대한 플라즈마 공정 처리를 수행하는 공간으로 제공된다. 기판(W)에 대한 플라즈마 처리는 식각 공정을 포함한다. 챔버(100)의 바닥면에는 배기홀(102)이 형성된다. 배기홀(102)은 배기 라인(121)과 연결된다. 공정 과정에서 발생한 반응 부산물 및 챔버(100) 내부에 머무르는 가스는 배기 라인(121)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 배기 과정에 의해 챔버(100)의 내부 공간(101)은 소정 압력으로 감압된다.
챔버(100)의 내부에는 기판 지지 어셈블리(200)가 위치한다. 기판 지지 어셈블리(200)는 기판(W)을 지지한다. 기판 지지 어셈블리(200)는 정전기력을 이용하여 기판(W)을 흡착 고정하는 정전 척을 포함한다. 기판 지지 어셈블리(200)는 유전판(210), 하부 전극(220), 히터(230), 지지판(240), 및 절연판(270)을 포함한다.
유전판(210)은 기판 지지 어셈블리(200)의 상단부에 위치한다. 유전판(210)은 원판 형상의 유전체로 제공된다. 유전판(210)의 상면에는 기판(W)이 놓인다. 유전판(210)의 상면은 기판(W)보다 작은 반경을 갖는다. 때문에, 기판(W) 가장자리 영역은 유전판(210)의 외측에 위치한다. 유전판(210)에는 제1 공급 유로(211)가 형성된다. 제1 공급 유로(211)는 유전판(210)의 상면으로부터 저면으로 제공된다. 제1 공급 유로(211)는 서로 이격하여 복수 개 형성되며, 기판(W)의 저면으로 열전달 매체가 공급되는 통로로 제공된다. 유전판(210)에는, 기판(W)을 유전판(210)에 흡착시키기 위한 별도의 전극이 매설될 수 있다. 상기 전극에는 직류 전류가 인가될 수 있다. 인가된 전류에 의해 상기 전극과 기판 사이에는 정전기력이 작용하며, 정전기력에 의해 기판(W)은 유전판(210)에 흡착될 수 있다.
하부 전극(220)은 하부 전력 공급부(221)와 연결된다. 하부 전력 공급부(221)는 하부 전극(220)에 전력을 인가한다. 하부 전력 공급부(221)는 하부 RF 전원(222, 223)과 하부 임피던스 정합부(225)를 포함한다. 하부 RF 전원(222, 223)은 도 1에 도시된 바와 같이 복수 개 제공될 수 있으며, 또는 선택적으로 1개만 제공될 수 도 있다. 하부 RF 전원(222, 223)은 플라즈마 밀도를 조절할 수 있다. 하부 RF 전원(222, 223)은 이온 충격 에너지(Ion Bombardment Energy)를 조절한다. 다수의 하부 RF 전원(222, 223)들은 각각 2Mhz 및 13.56Hz의 주파수 전력을 발생시킬 수 있다. 하부 임피던스 정합부(225)는 하부 RF 전원(222, 223)과 전기적으로 연결되며, 상이한 크기의 주파수 전력들을 매칭하여 하부 전극(220)에 인가한다.
히터(230)는 외부 전원(미도시)과 전기적으로 연결된다. 히터(230)는 외부 전원으로부터 인가된 전류에 저항함으로써 열을 발생시킨다. 발생된 열은 유전판(21)을 통해 기판(W)으로 전달된다. 히터(230)에서 발생된 열에 의해 기판(W)은 소정 온도로 유지된다. 히터(230)는 나선 형상의 코일을 포함한다. 히터(230)는 균일한 간격으로 유전판(210)에 매설될 수 있다.
유전판(210)의 하부에는 지지판(240)이 위치한다. 유전판(210)의 저면과 지지판(240)의 상면은 접착제(236)에 의해 접착될 수 있다. 지지판(240)은 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 지지판(240)의 상면은 중심 영역이 가장자리영역보다 높게 위치되도록 단차질 수 있다. 지지판(240)의 상면 중심 영역은 유전판(210)의 저면에 상응하는 면적을 가지며, 유전판(210)의 저면과 접착된다. 지지판(240)에는 제1순환 유로(241), 제2순환 유로(242), 그리고 제2공급 유로(243)가 형성된다.
제1순환 유로(241)는 열전달 매체가 순환하는 통로로 제공된다. 제1순환 유로(241)는 지지판(240) 내부에 나선 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 제1순환 유로(241)는 서로 상이한 반경을 갖는 링 형상의 유로들이 동일한 중심을 갖도록 배치될 수 있다. 각각의 제1순환 유로(241)들은 서로 연통될 수 있다. 제1순환 유로(241)들은 동일한 높이에 형성된다.
제2순환 유로(242)는 냉각 유체가 순환하는 통로로 제공된다. 제2순환 유로(242)는 지지판(240) 내부에 나선 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 제2순환 유로(242)는 서로 상이한 반경을 갖는 링 형상의 유로들이 동일한 중심을 갖도록 배치될 수 있다. 각각의 제2순환 유로(242)들은 서로 연통될 수 있다. 제2순환 유로(242)는 제1순환 유로(241)보다 큰 단면적을 가질 수 있다. 제2순환 유로(242)들은 동일한 높이에 형성된다. 제2순환 유로(242)는 제1순환 유로(241)의 하부에 위치될 수 있다.
제2공급 유로(243)는 제1순환 유로(241)로부터 상부로 연장되며, 지지판(240)의 상면으로 제공된다. 제2공급 유로(243)는 제1공급 유로(211)에 대응하는 개수로 제공되며, 제1순환 유로(241)와 제1공급 유로(211)를 연결한다.
제1순환 유로(241)는 열전달 매체 공급라인(251)을 통해 열전달 매체 저장부(252)와 연결된다. 열전달 매체 저장부(252)에는 열전달 매체가 저장된다. 열전달 매체는 불활성 가스를 포함한다. 실시예에 의하면, 열전달 매체는 헬륨(He) 가스를 포함한다. 헬륨 가스는 공급 라인(251)을 통해 제1순환 유로(241)에 공급되며, 제2공급 유로(243)와 제1공급 유로(211)를 순차적으로 거쳐 기판(W) 저면으로 공급된다. 헬륨 가스는 플라즈마에서 기판(W)으로 전달된 열이 기판 지지 어셈블리(200)로 전달되는 매개체 역할을 한다. 플라즈마에 함유된 이온 입자들은 기판 지지 어셈블리(200)에 형성된 전기력에 끌려 기판 지지 어셈블리(200)로 이동하며, 이동하는 과정에서 기판(W)과 충돌하여 식각 공정을 수행한다. 이온 입자들이 기판(W)에 충돌하는 과정에서 기판(W)에는 열이 발생한다. 기판(W)에서 발생된 열은 기판(W) 저면과 유전판(210)의 상면 사이 공간에 공급된 헬륨 가스를 통해 기판 지지 어셈블리(200)로 전달된다. 이에 의해, 기판(W)은 설정 온도로 유지될 수 있다.
제2순환 유로(242)는 냉각 유체 공급라인(261)을 통해 냉각 유체 저장부(262)와 연결된다. 냉각 유체 저장부(262)에는 냉각 유체가 저장된다. 냉각 유체 저장부(262) 내에는 냉각기(263)가 제공될 수 있다. 냉각기(263)는 냉각 유체를 소정 온도로 냉각시킨다. 이와 달리, 냉각기(263)는 냉각 유체 공급 라인(261) 상에 설치될 수 있다. 냉각 유체 공급 라인(261)을 통해 제2순환 유로(242)에 공급된 냉각 유체는 제2순환 유로(242)를 따라 순환하며 지지판(240)을 냉각한다. 지지판(240)의 냉각은 유전판(210)과 기판(W)을 함께 냉각시켜 기판(W)을 소정 온도로 유지시킨다.
지지판(240)의 하부에는 절연판(270)이 제공된다. 절연판(270)은 지지판(240)에 상응하는 크기로 제공된다. 절연판(270)은 지지판(240)과 챔버(100)의 바닥면 사이에 위치한다. 절연판(270)은 절연 재질로 제공되며, 지지판(240)과 챔버(100)를 전기적으로 절연시킨다.
포커스 링(280)은 기판 지지 어셈블리(200)의 가장자리 영역에 배치된다. 포커스 링(200)은 링 형상을 가지며, 유전판(210)의 둘레를 따라 배치된다. 포커스 링(280)의 상면은 외측부(280a)가 내측부(280b)보다 높도록 단차질 수 있다. 포커스 링(280)의 상면 내측부(280b)는 유전판(210)의 상면과 동일 높이에 위치된다. 포커스 링(280)의 상면 내측부(280b)는 유전판(210)의 외측에 위치된 기판(W)의 가장자리영역을 지지한다. 포커스 링(280)의 외측부(280a)는 기판(W) 가장자리영역을 둘러싸도록 제공된다. 포커스 링(280)은 플라즈마가 형성되는 영역의 중심에 기판(W)이 위치하도록 전기장 형성 영역을 확장시킨다. 이에 의해, 기판(W)의 전체 영역에 걸쳐 플라즈마가 균일하게 형성되어 기판(W)의 각 영역이 균일하게 식각될 수 있다.
가스 공급 유닛(300)은 챔버(100)에 공정 가스를 공급한다. 가스 공급 유닛(300)은 가스 저장부(310), 가스 공급 라인(320), 그리고 가스 유입 포트(330)를 포함한다. 가스 공급 라인(320)은 가스 저장부(310)와 가스 유입 포트(330)를 연결하며, 가스 저장부(310)에 저장된 공정 가스를 가스 유입 포트(330)에 공급한다. 가스 유입 포트(330)는 상부 전극(410)에 형성된 가스 공급홀(412)들과 연결된다.
플라즈마 발생 유닛(400)은 챔버(100) 내부에 머무르는 공정 가스를 여기시킨다. 플라즈마 발생 유닛(400)은 상부 전극(410), 분배판(420), 및 상부 전력 공급부(440)를 포함한다.
상부 전극(410)은 원판 형상으로 제공되며, 기판 지지 어셈블리(200) 상부에 위치한다. 상부 전극(410)은 상부판(410a)과 하부판(410b)를 포함한다. 상부판(410a)은 원판 형상으로 제공된다. 상부판(410a)은 상부 RF 전원(441)과 전기적으로 연결된다. 상부판(410a)은 상부 RF 전원(441)에서 발생된 제1 RF 전력을 챔버(100) 내부에 머무르는 공정 가스에 인가하여 공정 가스를 여기시킨다. 공정 가스는 여기되어 플라즈마 상태로 변환된다. 상부판(410a)의 저면은 중심 영역이 가장자리 영역보다 높게 위치하도록 단차진다. 상부판(410a)의 중심 영역에는 가스 공급홀(412)들이 형성된다. 가스 공급홀(412)들은 가스 유입 포트(330)와 연결되며, 버퍼 공간(414)으로 공정 가스를 공급한다. 상부판(410a)의 내부에는 냉각 유로(411)가 형성될 수 있다. 냉각 유로(411)는 나선 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 냉각 유로(411)는 서로 상이한 반경을 갖는 링 형상의 유로들이 동일한 중심을 갖도록 배치될 수 있다. 냉각 유로(411)는 냉각 유체 공급 라인(431)을 통해 냉각 유체 저장부(432)와 연결된다. 냉각 유체 저장부(432)는 냉각 유체를 저장한다. 냉각 유체 저장부(432)에 저장된 냉각 유체는 냉각 유체 공급 라인(431)을 통해 냉각 유로(411)에 공급된다. 냉각 유체는 냉각 유로(411)를 순환하며, 상부판(410a)을 냉각시킨다.
하부판(410b)은 상부판(410a)의 하부에 위치한다. 하부판(410b)은 상부판(410a)에 상응하는 크기로 제공되며, 상부판(410a)과 마주하여 위치한다. 하부판(410b)의 상면은 중심영역이 가장자리영역보다 낮게 위치하도록 단차진다. 하부판(410b)의 상면과 상부판(410a)의 저면은 서로 조합되어 버퍼공간(414)을 형성한다. 버퍼 공간(414)은 가스 공급홀(412)들을 통해 공급된 가스가 챔버(100) 내부로 공급되기 전에 일시적으로 머무르는 공간으로 제공된다. 하부판(410b)의 중심영역에는 가스 공급홀(413)들이 형성된다. 가스 공급홀(413)들은 일정 간격으로 이격되어 복수개 형성된다. 가스 공급홀(413)들은 버퍼 공간(414)과 연결된다.
분배판(420)은 하부판(410b)의 하부에 위치한다. 분배판(420)은 원판 형상으로 제공된다. 분배판(420)에는 분배홀(421)들이 형성된다. 분배홀(421)들은 분배판(420)의 상면으로부터 하면으로 제공된다. 분배홀(421)들은 가스 공급홀(413)에 대응하는 개수로 제공되며, 가스 공급홀(413)들이 위치된 지점에 대응하여 위치된다. 버퍼 공간(414)에 머무르는 공정 가스는 가스 공급홀(413)과 분배홀(421)들을 통해 챔버(100) 내부로 균일하게 공급된다.
상부 전력 공급부(440)는 상부판(410a)에 RF 전력을 인가한다. 상부 전력 공급부(440)는 상부 RF 전원(441) 및 상부 임피던스 정합부(442)를 포함한다.
가열 유닛(500)은 하부판(410b)을 가열한다. 가열 유닛(500)은 히터(510), 제2상부 전원(520), 그리고 필터(530)를 포함한다. 히터(510)는 하부판(410b)의 내부에 설치된다. 히터(510)는 하부판(410b)의 가장자리영역에 제공될 수 있다. 히터(510)는 히팅 코일을 포함하며, 하부판(410b)의 중심영역을 둘러싸도록 제공될 수 있다. 제2상부 전원(520)은 히터(510)와 전기적으로 연결된다. 제2상부 전원(520)은 직류 전력을 발생시킬 수 있다. 또는, 제2상부 전원(520)은 교류 전력을 발생시킬 수 있다. 제2상부 전원(520)에서 발생된 제2주파수 전력은 히터(510)에 인가되며, 히터(510)는 인가된 전류에 저항함으로써 발열한다. 히터(510)에서 발생된 열은 하부판(410b)을 가열하며, 가열된 하부판(410b)은 그 아래에 위치된 분배판(420)를 소정 온도로 가열한다. 하부판(420)은 60℃~300℃ 온도로 가열될 수 있다. 필터(530)는 제2상부 전원(520)과 히터(510) 사이 구간에서 제2상부 전원(520) 및 히터(510)와 전기적으로 연결된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치(10)에 사용되는 플라즈마 발생 유닛(400)의 구성을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 발생 유닛은 상부 RF 전원(441), 상부 전극(410), 하부 전극(220), 하부 RF 전원(222, 223), 및 제어기(443)를 포함한다. 또한, 상부 및 하부 RF 전원에 각각 연결된 상부 임피던스 정합부(442) 및 하부 임피던스 정합부(225)를 포함할 수 있다.
상부 RF 전원(441)은 제1 RF 전력을 제공하며, 상부 전극(410)은 상기 제1 RF 전력을 공급받아 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 하부 전극(220)은 상부 전극(410)에 대향되게 배치될 수 있다. 하부 RF 전원(222, 223)은 하부 전극(220)에 연결될 수 있다. 하부 RF 전원(222, 223)은 제2 RF 전력을 제공하며, 이를 통해 상기 플라즈마에 함유된 이온 입자가 상기 하부 전극으로 이동하도록 할 수 있다.
상부 전극(410)과 하부 전극(220)이 커패시터를 형성하여 상부 전력 공급부와 하부 전력 공급부가 직렬로 연결될 수 있다. 이 때, 공진 발생으로 상부 및 하부 임피던스 정합부(442, 225)의 소자 값이 변동될 수 있다. 이러한 현상으로 인하여 상부 RF 전원 및 하부 RF 전원의 독립적인 제어가 어려워질 수 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 발생 유닛은 제어기(443)를 이용하여 플라즈마 시스 파라미터를 기반으로 상부 및 하부 RF 전원을 제어한다.
다시 도 2를 참조하면, 제어기(443)는 상부 전극(410) 및 하부 전극(220) 중 적어도 하나에 형성된 플라즈마 시스(sheath)를 기반으로, 상부 RF 전원(441) 및 하부 RF 전원(222, 223) 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어기(443)는 플라즈마 시스에 대한 파라미터를 기반으로 상부 및 하부 RF 전원(441, 222, 223)을 제어할 수 있다.
상기 파라미터는, 플라즈마 시스의 두께 또는 커패시턴스일 수 있다. 도 2를 참조하면, 파라미터는 상부 전극(410)에 형성된 플라즈마 시스의 두께(t1) 및 하부 전극(220)에 형성된 플라즈마 시스의 두께(t2)가 될 수 있다. 또한, 상기 두께(t1, t2)를 기반으로 산출된 플라즈마 시스의 커패시턴스 값을 파라미터로 사용할 수 있다. 상기 파라미터는 하부 임피던스 정합부(225)에 포함되는 가변 소자의 소자값을 기반으로 결정될 수 있다. 상기 파라미터는 하부 임피던스 정합부(225)에 의해 측정된 플라즈마의 임피던스 값을 기반으로 산출될 수 있다.
제어기(443)는 상기 파라미터를 기반으로 제1 RF 전력 및 제2 RF 전력의 크기를 조절할 수 있다. 용이한 조절을 위해, 제1 RF 전력의 단위 증분값(α), 및 제2 RF 전력의 단위 증분값(δ), 및 최대 제2 RF 전력값이 사전에 미리 결정될 수 있다.
제어기(443)는 파라미터 값을 미리 설정된 기준 데이터와 비교하여, 파라미터 값이 더 큰 경우 제1 RF 전력을 감소시킬 수 있다. 이 때, 제1 RF 전력을 단위 증분값(α)만큼 감소시킬 수 있다. 반대의 경우, 파라미터 값이 더 작은 경우 제1 RF 전력을 증가시킬 수 있다. 마찬가지로, 이 때는 제1 RF 전력을 단위 증분값(α)만큼 증가시킬 수 있다.
파라미터 값을 미리 설정된 기준 데이터와 비교하였을 때 동일한 경우, 제어기(443)는 인가되는 제2 RF 전력값을 미리 설정된 최대 제2 RF 전력값과 비교할 수 있다. 제2 RF 전력값이 최대 제2 RF 전력값보다 작은 경우, 제어기(443)는 제2 RF 전력을 증가시킬 수 있다. 이 때, 제2 RF 전력을 단위 증분값(δ)만큼 증가시킬 수 있다. 증가된 제2 RF 전력에 의해 파라미터 값이 변동되므로, 제어기(443)는 다시 변동된 파라미터 값과 미리 설정된 기준 데이터를 비교할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치 제어 방법(600)의 예시적인 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치 제어 방법(600)은 플라즈마 시스에 관한 파라미터를 측정하는 단계(S610), 및 상기 파라미터를 기반으로 상부 또는 하부 RF 전원을 제어하는 단계(S620)를 포함할 수 있다. 앞서 기술된 바와 같이, 이 때 파라미터는 플라즈마 시스의 두께 또는 커패시턴스일 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 기판 처리 제어 방법을 더 구체적으로 나타낸 예시적인 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 제1 RF 전력 증감시 사용되는 단위 증분값(α), 및 제2 RF 전력 증감시 사용되는 단위 증분값(δ), 및 최대 제2 RF 전력값이 미리 설정될 수 있다. 플라즈마 공정을 위해 상부 및 하부 RF 전원에 제1 및 제2 RF 전력이 인가되면, 챔버 내 플라즈마가 발생할 수 있다. 이 때, 발생된 플라즈마를 기반으로 플라즈마 시스에 관한 파라미터를 측정한다(S610).
측정된 파라미터와 미리 설정된 기준 데이터를 비교하여 동일한지 판단할 수 있다(S621). 이 때, 동일하지 않은 경우 제1 RF 전력을 단위 증분값(α)만큼 증가 또는 감소시킬 수 있다. 이 경우, 증감된 제1 RF 전력값, 그리고 제2 RF 전력값이 다시 인가되며 이에 따라 발생하는 플라즈마에 의한 파라미터가 다시 측정될 수 있다(S610). 측정된 파라미터와 미리 설정된 기준 데이터가 동일한 경우, 제2 RF 전력값이 최대 제2 RF 전력값과 동일한지 판단할 수 있다. 동일한 경우, 이 때의 제1 RF 전력값 및 제2 RF 전력값을 유지시킬 수 있다. 그러나 제2 RF 전력값이 최대 제2 RF 전력값보다 작은 경우, 제2 RF 전력값을 단위 증분값(δ)만큼 증가시킬 수 있다. 변동된 제2 RF 전력값에 따라, S610단계부터 다시 수행할 수 있다.
이상에서는, 상기 실시 예에서는 플라즈마를 이용하여 식각 공정을 수행하는 것으로 설명하였으나, 기판 처리 공정은 이에 한정되지 않으며, 플라즈마를 이용하는 다양한 기판 처리 공정, 예컨대 증착 공정, 애싱 공정, 그리고 세정 공정 등에도 적용될 수 있다. 또한, 상기 실시 예에서는 플라즈마 생성 유닛이, 용량 결합형 플라즈마(capacitive coupled plasma) 소스로 제공되는 구조로 설명하였다. 그러나, 이와 달리, 플라즈마 생성 유닛은 유도 결합형 플라즈마(ICP: inductively coupled plasma)로 제공될 수 있다. 유도 결합형 플라즈마는 안테나를 포함할 수 있다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 도시된 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 반대로 여러 개로 분산된 구성 요소들은 결합 되어 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
10 : 기판 처리 장치
100 : 챔버
400 : 플라즈마 발생 유닛
410 : 상부 전극
441 : 상부 RF 전원
442 : 상부 임피던스 정합부
443 : 제어기
220 : 하부 전극
222, 223 : 하부 RF 전원
225 : 하부 임피던스 정합부
600 : 기판 처리 장치 제어 방법

Claims (18)

  1. 제1 RF 전력을 제공하는 상부 RF 전원;
    상기 제1 RF 전력을 공급받아 플라즈마를 발생시키는 상부 전극;
    상기 상부 전극에 대향되게 배치되는 하부 전극;
    상기 하부 전극에 연결되며, 제2 RF 전력을 제공하는 하부 RF 전원; 및
    상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 중 적어도 하나에 형성된 플라즈마 시스(sheath)에 관한 파라미터를 기반으로, 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하는 제어기를 포함하며,
    상기 파라미터는 상기 플라즈마 시스의 두께를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 파라미터 값을 기 설정된 값과 비교하여,
    상기 파라미터 값이 더 큰 경우 상기 제1 RF 전력을 감소시키며, 상기 파라미터 값이 더 작은 경우 상기 제1 RF 전력을 증가시키며,
    상기 파라미터 값이 기 설정된 값과 동일한 경우,
    상기 제2 RF 전력 값을 기 설정된 최대 제2 RF 전력 값과 비교하여, 상기 제2 RF 전력 값이 더 작은 경우 상기 제2 RF 전력을 증가시키는 플라즈마 발생 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 플라즈마 시스에 관한 파라미터를 기반으로 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하며,
    상기 파라미터는, 상기 플라즈마 시스의 커패시턴스를 포함하는 플라즈마 발생 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 파라미터 값이 기 설정된 값과 동일한 경우,
    상기 제2 RF 전력 값을 기 설정된 최대 제2 RF 전력 값과 비교하여, 동일한 경우 인가되는 상기 제1 RF 전력 값 및 상기 제2 RF 전력 값을 유지시키는 플라즈마 발생 장치.
  7. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 장치는,
    상기 하부 RF 전원 및 상기 하부 전극 사이에 연결되는 임피던스 정합부를 더 포함하며,
    상기 제어기는 상기 임피던스 정합부에 포함되는 가변 소자의 소자값을 기반으로 상기 파라미터 값을 결정하는 플라즈마 발생 장치.
  8. 내부에 기판을 처리하는 공간을 갖는 챔버;
    상기 챔버 내에 위치하며, 상기 기판을 지지하는 기판 지지 어셈블리;
    상기 챔버 내부로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛; 및
    상기 챔버 내의 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 플라즈마 발생 유닛을 포함하며, 상기 플라즈마 발생 유닛은:
    제1 RF 전력을 제공하는 상부 RF 전원;
    상기 제1 RF 전력을 공급받아 플라즈마를 발생시키는 상부 전극;
    상기 상부 전극에 대향되게 배치되는 하부 전극;
    상기 하부 전극에 연결되며, 제2 RF 전력을 제공하는 하부 RF 전원; 및
    상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 중 적어도 하나에 형성된 플라즈마 시스(sheath)에 관한 파라미터를 기반으로, 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하는 제어기를 포함하며,
    상기 파라미터는 상기 플라즈마 시스의 두께를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 파라미터 값을 기 설정된 값과 비교하여,
    상기 파라미터 값이 더 큰 경우 상기 제1 RF 전력을 감소시키며, 상기 파라미터 값이 더 작은 경우 상기 제1 RF 전력을 증가시키며,
    상기 파라미터 값이 기 설정된 값과 동일한 경우,
    상기 제2 RF 전력 값을 기 설정된 최대 제2 RF 전력 값과 비교하여, 상기 제2 RF 전력 값이 더 작은 경우 상기 제2 RF 전력을 증가시키는 기판 처리 장치.
  9. 삭제
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 플라즈마 시스에 관한 파라미터를 기반으로 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하며,
    상기 파라미터는, 상기 플라즈마 시스의 두께를 포함하는 기판 처리 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제8 항 또는 제10 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 파라미터 값이 기 설정된 값과 동일한 경우,
    상기 제2 RF 전력 값을 기 설정된 최대 제2 RF 전력 값과 비교하여, 동일한 경우 인가되는 상기 제1 RF 전력 값 및 상기 제2 RF 전력 값을 유지시키는 기판 처리 장치.
  14. 제8 항 또는 제10 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 유닛은,
    상기 하부 RF 전원 및 상기 하부 전극 사이에 연결되는 임피던스 정합부를 더 포함하며,
    상기 제어기는 상기 임피던스 정합부에 포함되는 가변 소자의 소자값을 기반으로 상기 파라미터 값을 결정하는 기판 처리 장치.
  15. 제8 항에 따른 기판 처리 장치를 제어하는 방법으로,
    상기 제1 RF 전력을 공급하여 플라즈마를 발생시키고, 상기 제2 RF 전력을 공급하여, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 중 적어도 하나에 형성된 플라즈마 시스에 관한 파라미터를 측정하는 단계; 및
    상기 파라미터를 기반으로 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 파라미터는 상기 플라즈마 시스의 두께 및 커패시턴스 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 파라미터를 기반으로 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하는 단계는:
    상기 파라미터를 기 설정된 값과 비교하여, 상기 파라미터 값이 더 큰 경우 상기 제1 RF 전력을 감소시키며, 상기 파라미터 값이 더 작은 경우 상기 제1 RF 전력을 증가시키는 단계와,
    상기 파라미터를 기 설정된 값과 비교하여 동일한 경우, 상기 제2 RF 전력 값을 기 설정된 최대 제2 RF 전력 값과 비교하여, 상기 제2 RF 전력 값이 더 작은 경우 상기 제2 RF 전력을 증가시키는 단계를 포함하는 기판 처리 장치 제어 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 파라미터를 기반으로 상기 제1 RF 전력 및 상기 제2 RF 전력 중 적어도 하나를 제어하는 단계는:
    상기 파라미터를 기 설정된 값과 비교하여 동일한 경우, 상기 제2 RF 전력 값을 기 설정된 최대 제2 RF 전력 값과 비교하고 동일한 경우, 인가되는 상기 제1 RF 전력 값 및 상기 제2 RF 전력 값을 유지시키는 단계를 포함하는 기판 처리 장치 제어 방법.
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