KR101754563B1 - 이온 빔 생성 장치, 그를 이용한 기판 처리 장치, 및 이온 빔 제어 방법 - Google Patents

이온 빔 생성 장치, 그를 이용한 기판 처리 장치, 및 이온 빔 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온 빔 생성 장치, 그를 이용한 기판 처리 장치, 및 이온 빔 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 이온 빔 생성 장치는, 플라즈마가 통과하여 이온 빔이 생성되도록 하는 적어도 하나의 어퍼쳐(aperture)가 형성된 플레이트; 상기 플레이트에 전력을 공급하여 바이어싱하는 전력 공급부; 상기 플레이트에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 센서; 및 상기 플레이트에 흐르는 전류의 크기에 따라 상기 전력 공급부가 공급하는 전력의 크기를 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

이온 빔 생성 장치, 그를 이용한 기판 처리 장치, 및 이온 빔 제어 방법{ION BEAM PRODUCING APPARATUS, SUBSTRATE TREATMENT APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING ION BEAM UTILIZING THE SAME}
본 발명은 이온 빔 생성 장치, 그를 이용한 기판 처리 장치, 및 이온 빔 제어 방법에 관한 것이다.
반도체 제조시 사용되는 에칭 공정은 하나 이상의 재료들이 부분적으로 제조된 기판으로부터 재료를 부분적으로 또는 전체를 제거하는 공정으로, 예를 들어 포토레지스트에 피복되어 있지 않은 산화막을 제거하는 공정을 이른다. 특히 관련된 기하 구조들이 작거나, 고 종횡비(High aspect ratio)가 요구되는 경우 플라즈마 에칭이 사용된다.
챔버 내부에 플라즈마를 발생시키고, 이온 추출 그리드(gird) 시스템을 통해 플라즈마를 어퍼쳐(aperture)에 통과시켜 이온 빔을 생성하여 에칭을 수행하는 방법이 이용되고 있다. 그러나 어퍼쳐의 크기가 작은 경우 부산물에 의해 막히는 문제가 발생하며, 크기가 큰 경우에는 공정의 효율이 떨어진다. 또한 공정 진행 정도에 따라 플라즈마 발생 등으로 인해 공정 조건이 변화하여 이온 빔의 크기 조절이 필요하다. 따라서 어퍼쳐의 크기 조절이 필요하나 기존의 이온 추출 시스템은 어퍼쳐가 고정된 상태로 제공되어 그 조절이 어려운 문제가 있다.
본 발명은 플라즈마 에칭 공정에 있어서 플라즈마 밀도 변화 등으로 인한 공정 조건 변화에도 이온 빔을 일정하게 유지하기 위한 것이다.
본 발명은 플라즈마 에칭 공정의 균일성을 향상시키기 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 이온 빔 생성 장치는, 플라즈마가 통과하여 이온 빔이 생성되도록 하는 적어도 하나의 어퍼쳐(aperture)가 형성된 플레이트; 상기 플레이트에 전력을 공급하여 바이어싱하는 전력 공급부; 상기 플레이트에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 센서; 및 상기 플레이트에 흐르는 전류의 크기에 따라 상기 전력 공급부가 공급하는 전력의 크기를 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 어퍼쳐는 플레이트의 상부면에서 하부면까지 점진적으로 좁아지도록 형성되어, 플라즈마가 상기 플레이트의 상부에서 하부로 어퍼쳐를 통과할 때 디바이 시스(Debye sheath)가 생성되도록 할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 플레이트에 흐르는 전류의 크기를 기반으로, 상기 어퍼쳐를 통과하는 플라즈마의 밀도, 및 상기 디바이 시스 두께를 산출할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 어퍼쳐의 미리 설정된 지점에서의 직경에 대한 상기 디바이 시스 두께의 비를 나타내는 디바이 시스 비(Debye sheath ratio)를 산출할 수 있다.
상기 제어부는, 산출된 디바이 시스 비 및 기 설정된 디바이 시스 비를 기반으로 상기 전력 공급부가 공급하는 전력의 크기를 조절할 수 있다.
상기 제어부는, 산출된 디바이 시스 비와 기 설정된 디바이 시스 비가 동일한 경우, 상기 플레이트에 형성된 전위가 유지되도록 상기 전력 공급부를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 산출된 디바이 시스 비가 기 설정된 디바이 시스 비보다 큰 경우, 상기 플레이트에 형성된 전위가 증가하도록 상기 전력 공급부를 제어하고, 산출된 디바이 시스 비가 기 설정된 디바이 시스 비보다 작은 경우, 상기 플레이트에 형성된 전위가 감소하도록 상기 전력 공급부를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치는, 기판이 처리되는 공간을 제공하는 챔버; 상기 챔버 내에서 상기 기판을 지지하는 기판 지지 어셈블리; 상기 챔버 내부로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛; 및 RF 신호를 제공하는 RF 전원, 상기 RF 신호를 제공받아 상기 챔버 내 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 플라즈마 소스, 및 상기 RF 전원과 상기 플라즈마 소스 사이에 연결되어 전원의 출력 임피던스와 부하의 입력 임피던스를 정합시키는 임피던스 정합기를 포함하는 플라즈마 발생 유닛; 플라즈마 상태로 여기된 상기 가스에서 이온 빔을 생성하는 이온 빔 생성 유닛을 포함하며, 상기 이온 빔 생성 유닛은: 플라즈마가 통과하여 이온 빔이 생성되도록 하는 적어도 하나의 어퍼쳐가 형성된 플레이트; 상기 플레이트에 전력을 공급하여 바이어싱하는 전력 공급부; 상기 플레이트에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 센서; 및 상기 플레이트에 흐르는 전류의 크기에 따라 상기 전력 공급부가 공급하는 전력의 크기를 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 어퍼쳐는 플레이트의 상부면에서 하부면까지 점진적으로 좁아지도록 형성되어, 플라즈마가 상기 플레이트의 상부에서 하부로 어퍼쳐를 통과할 때 디바이 시스(Debye sheath)가 생성되도록 할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 플레이트에 흐르는 전류의 크기를 기반으로, 상기 어퍼쳐를 통과하는 플라즈마의 밀도 및 상기 디바이 시스 두께를 산출할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 어퍼쳐의 미리 설정된 지점에서의 직경에 대한 상기 디바이 시스 두께의 비를 나타내는 디바이 시스 비(Debye sheath ratio)를 산출할 수 있다.
상기 제어부는, 산출된 디바이 시스 비 및 기 설정된 디바이 시스 비를 기반으로 상기 전력 공급부가 공급하는 전력의 크기를 조절할 수 있다.
상기 제어부는, 산출된 디바이 시스 비와 기 설정된 디바이 시스 비가 동일한 경우, 상기 플레이트에 형성된 전위가 유지되도록 상기 전력 공급부를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 산출된 디바이 시스 비가 기 설정된 디바이 시스 비보다 큰 경우, 상기 플레이트에 형성된 전위가 증가하도록 상기 전력 공급부를 제어하고, 산출된 디바이 시스 비가 기 설정된 디바이 시스 비보다 작은 경우, 상기 플레이트에 형성된 전위가 감소하도록 상기 전력 공급부를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치의 챔버 내에 생성되는 이온 빔을 제어하는 방법은, 상기 플레이트에 흐르는 전류를 측정하는 단계; 측정된 전류를 기반으로 디바이 시스의 두께를 산출하여, 상기 어퍼쳐의 미리 설정된 지점에서의 직경에 대한 상기 디바이 시스 두께의 비를 나타내는 디바이 시스 비를 산출하는 단계; 및 산출된 디바이 시스 비와 미리 설정된 디바이 시스 비를 비교하여, 동일한 경우 상기 플레이트에 형성된 전위가 유지되도록 상기 전력 공급부를 제어하고, 산출된 디바이 시스 비가 더 큰 경우 상기 플레이트에 형성된 전위가 증가하도록 상기 전력 공급부를 제어하고, 산출된 디바이 시스 비가 더 작은 경우 상기 플레이트에 형성된 전위가 감소하도록 상기 전력 공급부를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 플라즈마 에칭 공정에 있어서 플라즈마 밀도 변화 등으로 인한 공정 조건 변화에도 이온 빔을 일정하게 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 플라즈마 에칭 공정의 균일성을 향상시킬 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 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이온 빔 생성 장치를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2에서 'A' 부분의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이온 빔 제어 방법의 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)의 예시적인 단면도이다.
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), 샤워 헤드(300), 가스 공급 유닛(400), 배플 유닛(500) 그리고 플라즈마 발생 유닛을 포함할 수 있다.
챔버(100)는 내부에 기판 처리 공정이 수행되는 처리 공간을 제공할 수 있다. 챔버(100)는 내부에 처리 공간을 가지고, 밀폐된 형상으로 제공될 수 있다. 챔버(100)는 금속 재질로 제공될 수 있다. 챔버(100)는 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 챔버(100)는 접지될 수 있다. 챔버(100)의 바닥면에는 배기홀(102)이 형성될 수 있다. 배기홀(102)은 배기 라인(151)과 연결될 수 있다. 공정 과정에서 발생한 반응 부산물 및 챔버의 내부 공간에 머무르는 가스는 배기 라인(151)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 배기 과정에 의해 챔버(100)의 내부는 소정 압력으로 감압될 수 있다.
일 예에 의하면, 챔버(100) 내부에는 라이너(130)가 제공될 수 있다. 라이너(130)는 상면 및 하면이 개방된 원통 형상을 가질 수 있다. 라이너(130)는 챔버(100)의 내측면과 접촉하도록 제공될 수 있다. 라이너(130)는 챔버(100)의 내측벽을 보호하여 챔버(100)의 내측벽이 아크 방전으로 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 기판 처리 공정 중에 발생한 불순물이 챔버(100)의 내측벽에 증착되는 것을 방지할 수 있다. 선택적으로, 라이너(130)는 제공되지 않을 수도 있다.
챔버(100)의 내부에는 기판 지지 어셈블리(200)가 위치할 수 있다. 기판 지지 어셈블리(200)는 기판(W)을 지지할 수 있다. 기판 지지 어셈블리(200)는 정전기력을 이용하여 기판(W)을 흡착하는 정전 척(210)을 포함할 수 있다. 이와 달리, 기판 지지 어셈블리(200)는 기계적 클램핑과 같은 다양한 방식으로 기판(W)을 지지할 수도 있다. 이하에서는 정전 척(210)을 포함하는 기판 지지 어셈블리(200)에 대하여 설명한다.
기판 지지 어셈블리(200)는 정전 척(210), 하부 커버(250) 그리고 플레이트(270)를 포함할 수 있다. 기판 지지 어셈블리(200)는 챔버(100) 내부에서 챔버(100)의 바닥면에서 상부로 이격되어 위치할 수 있다.
정전 척(210)은 유전판(220), 몸체(230) 그리고 포커스 링(240)을 포함할 수 있다. 정전 척(210)은 기판(W)을 지지할 수 있다.
유전판(220)은 정전 척(210)의 상단에 위치할 수 있다. 유전판(220)은 원판 형상의 유전체(dielectric substance)로 제공될 수 있다. 유전판(220)의 상면에는 기판(W)이 놓일 수 있다. 유전판(220)의 상면은 기판(W)보다 작은 반경을 가질 수 있다. 때문에, 기판(W)의 가장자리 영역은 유전판(220)의 외측에 위치할 수 있다.
유전판(220)은 내부에 제 1 전극(223), 히터(225) 그리고 제 1 공급 유로(221)를 포함할 수 있다. 제 1 공급 유로(221)는 유전판(210)의 상면으로부터 저면으로 제공될 수 있다. 제 1 공급 유로(221)는 서로 이격하여 복수 개 형성되며, 기판(W)의 저면으로 열전달 매체가 공급되는 통로로 제공될 수 있다.
제 1 전극(223)은 제 1 전원(223a)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 전원(223a)은 직류 전원을 포함할 수 있다. 제 1 전극(223)과 제 1 전원(223a) 사이에는 스위치(223b)가 설치될 수 있다. 제 1 전극(223)은 스위치(223b)의 온/오프(ON/OFF)에 의해 제 1 전원(223a)과 전기적으로 연결될 수 있다. 스위치(223b)가 온(ON)되면, 제 1 전극(223)에는 직류 전류가 인가될 수 있다. 제 1 전극(223)에 인가된 전류에 의해 제 1 전극(223)과 기판(W) 사이에는 정전기력이 작용하며, 정전기력에 의해 기판(W)은 유전판(220)에 흡착될 수 있다.
히터(225)는 제 1 전극(223)의 하부에 위치할 수 있다. 히터(225)는 제 2 전원(225a)과 전기적으로 연결될 수 있다. 히터(225)는 제 2 전원(225a)에서 인가된 전류에 저항함으로써 열을 발생시킬 수 있다. 발생된 열은 유전판(220)을 통해 기판(W)으로 전달될 수 있다. 히터(225)에서 발생된 열에 의해 기판(W)은 소정 온도로 유지될 수 있다. 히터(225)는 나선 형상의 코일을 포함할 수 있다.
유전판(220)의 하부에는 몸체(230)가 위치할 수 있다. 유전판(220)의 저면과 몸체(230)의 상면은 접착제(236)에 의해 접착될 수 있다. 몸체(230)는 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 몸체(230)의 상면은 중심 영역이 가장자리 영역보다 높게 위치되도록 단차질 수 있다. 몸체(230)의 상면 중심 영역은 유전판(220)의 저면에 상응하는 면적을 가지며, 유전판(220)의 저면과 접착될 수 있다. 몸체(230)는 내부에 제 1 순환 유로(231), 제 2 순환 유로(232) 그리고 제 2 공급 유로(233)가 형성될 수 있다.
제 1 순환 유로(231)는 열전달 매체가 순환하는 통로로 제공될 수 있다. 제 1 순환 유로(231)는 몸체(230) 내부에 나선 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 제 1 순환 유로(231)는 서로 상이한 반경을 갖는 링 형상의 유로들이 동일한 중심을 갖도록 배치될 수 있다. 각각의 제 1 순환 유로(231)들은 서로 연통될 수 있다. 제 1 순환 유로(231)들은 동일한 높이에 형성될 수 있다.
제 2 순환 유로(232)는 냉각 유체가 순환하는 통로로 제공될 수 있다. 제 2 순환 유로(232)는 몸체(230) 내부에 나선 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 제 2 순환 유로(232)는 서로 상이한 반경을 갖는 링 형상의 유로들이 동일한 중심을 갖도록 배치될 수 있다. 각각의 제 2 순환 유로(232)들은 서로 연통될 수 있다. 제 2 순환 유로(232)는 제 1 순환 유로(231)보다 큰 단면적을 가질 수 있다. 제 2 순환 유로(232)들은 동일한 높이에 형성될 수 있다. 제 2 순환 유로(232)는 제 1 순환 유로(231)의 하부에 위치될 수 있다.
제 2 공급 유로(233)는 제 1 순환 유로(231)부터 상부로 연장되며, 몸체(230)의 상면으로 제공될 수 있다. 제 2 공급 유로(243)는 제 1 공급 유로(221)에 대응하는 개수로 제공되며, 제 1 순환 유로(231)와 제 1 공급 유로(221)를 연결할 수 있다.
제 1 순환 유로(231)는 열전달 매체 공급라인(231b)을 통해 열전달 매체 저장부(231a)와 연결될 수 있다. 열전달 매체 저장부(231a)에는 열전달 매체가 저장될 수 있다. 열전달 매체는 불활성 가스를 포함할 수 있다. 실시예에 의하면, 열전달 매체는 헬륨(He) 가스를 포함할 수 있다. 헬륨 가스는 공급 라인(231b)을 통해 제 1 순환 유로(231)에 공급되며, 제 2 공급 유로(233)와 제 1 공급 유로(221)를 순차적으로 거쳐 기판(W) 저면으로 공급될 수 있다. 헬륨 가스는 플라즈마에서 기판(W)으로 전달된 열이 정전 척(210)으로 전달되는 매개체 역할을 할 수 있다.
제 2 순환 유로(232)는 냉각 유체 공급 라인(232c)을 통해 냉각 유체 저장부(232a)와 연결될 수 있다. 냉각 유체 저장부(232a)에는 냉각 유체가 저장될 수 있다. 냉각 유체 저장부(232a) 내에는 냉각기(232b)가 제공될 수 있다. 냉각기(232b)는 냉각 유체를 소정 온도로 냉각시킬 수 있다. 이와 달리, 냉각기(232b)는 냉각 유체 공급 라인(232c) 상에 설치될 수 있다. 냉각 유체 공급 라인(232c)을 통해 제 2 순환 유로(232)에 공급된 냉각 유체는 제 2 순환 유로(232)를 따라 순환하며 몸체(230)를 냉각할 수 있다. 몸체(230)는 냉각되면서 유전판(220)과 기판(W)을 함께 냉각시켜 기판(W)을 소정 온도로 유지시킬 수 있다.
몸체(230)는 금속판을 포함할 수 있다. 일 예에 의하면, 몸체(230) 전체가 금속판으로 제공될 수 있다. 몸체(230)는 제 3 전원(235a)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제 3 전원(235a)은 고주파 전력을 발생시키는 고주파 전원으로 제공될 수 있다. 고주파 전원은 RF 전원을 포함할 수 있다. 몸체(230)는 제 3 전원(235a)으로부터 고주파 전력을 인가받을 수 있다. 이로 인하여 몸체(230)는 전극으로서 기능할 수 있다.
포커스 링(240)은 정전 척(210)의 가장자리 영역에 배치될 수 있다. 포커스 링(240)은 링 형상을 가지며, 유전판(220)의 둘레를 따라 배치될 수 있다. 포커스 링(240)의 상면은 외측부(240a)가 내측부(240b)보다 높도록 단차질 수 있다. 포커스 링(240)의 상면 내측부(240b)는 유전판(220)의 상면과 동일 높이에 위치될 수 있다. 포커스 링(240)의 상면 내측부(240b)는 유전판(220)의 외측에 위치된 기판(W)의 가장자리 영역을 지지할 수 있다. 포커스 링(240)의 외측부(240a)는 기판(W)의 가장자리 영역을 둘러싸도록 제공될 수 있다. 포커스 링(240)은 기판(W)의 전체 영역에서 플라즈마의 밀도가 균일하게 분포하도록 전자기장을 제어할 수 있다. 이에 의해, 기판(W)의 전체 영역에 걸쳐 플라즈마가 균일하게 형성되어 기판(W)의 각 영역이 균일하게 식각될 수 있다.
하부 커버(250)는 기판 지지 어셈블리(200)의 하단부에 위치할 수 있다. 하부 커버(250)는 챔버(100)의 바닥면에서 상부로 이격되어 위치할 수 있다. 하부 커버(250)는 상면이 개방된 공간(255)이 내부에 형성될 수 있다. 하부 커버(250)의 외부 반경은 몸체(230)의 외부 반경과 동일한 길이로 제공될 수 있다. 하부 커버(250)의 내부 공간(255)에는 반송되는 기판(W)을 외부의 반송 장치로부터 정전 척(210)으로 이동시키는 리프트 핀 모듈(미도시) 등이 위치할 수 있다. 리프트 핀 모듈(미도시)은 하부 커버(250)로부터 일정 간격 이격되어 위치할 수 있다. 하부 커버(250)의 저면은 금속 재질로 제공될 수 있다. 하부 커버(250)의 내부 공간(255)은 공기가 제공될 수 있다. 공기는 절연체보다 유전율이 낮으므로 기판 지지 어셈블리(200) 내부의 전자기장을 감소시키는 역할을 할 수 있다.
하부 커버(250)는 연결 장치(253)를 가질 수 있다. 연결 장치(253)는 하부 커버(250)의 외측면과 챔버(100)의 내측벽을 연결할 수 있다. 연결 장치(253)는 하부 커버(250)의 외측면에 일정한 간격으로 복수 개 제공될 수 있다. 연결 장치(253)는 기판 지지 어셈블리(200)를 챔버(100) 내부에서 지지할 수 있다. 또한, 연결 장치(253)는 챔버(100)의 내측벽과 연결됨으로써 하부 커버(250)가 전기적으로 접지되도록 할 수 있다. 제 1 전원(223a)과 연결되는 제 1 전원라인(223c), 제 2 전원(225a)과 연결되는 제 2 전원라인(225c), 제 3 전원(235a)과 연결되는 제 3 전원라인(235c), 열전달 매체 저장부(231a)와 연결된 열전달 매체 공급라인(231b) 그리고 냉각 유체 저장부(232a)와 연결된 냉각 유체 공급 라인(232c) 등은 연결 장치(253)의 내부 공간(255)을 통해 하부 커버(250) 내부로 연장될 수 있다.
정전 척(210)과 하부 커버(250)의 사이에는 플레이트(270)가 위치할 수 있다. 플레이트(270)는 하부 커버(250)의 상면을 덮을 수 있다. 플레이트(270)는 몸체(230)에 상응하는 단면적으로 제공될 수 있다. 플레이트(270)는 절연체를 포함할 수 있다. 일 예에 의하면, 플레이트(270)는 하나 또는 복수 개가 제공될 수 있다. 플레이트(270)는 몸체(230)와 하부 커버(250)의 전기적 거리를 증가시키는 역할을 할 수 있다.
샤워 헤드(300)는 챔버(100) 내부에서 기판 지지 어셈블리(200)의 상부에 위치할 수 있다. 샤워 헤드(300)는 기판 지지 어셈블리(200)와 대향하도록 위치할 수 있다.
샤워 헤드(300)는 가스 분산판(310)과 지지부(330)를 포함할 수 있다. 가스 분산판(310)은 챔버(100)의 상면에서 하부로 일정거리 이격되어 위치할 수 있다. 가스 분산판(310)과 챔버(100)의 상면은 그 사이에 일정한 공간이 형성될 수 있다. 가스 분산판(310)은 두께가 일정한 판 형상으로 제공될 수 있다. 가스 분산판(310)의 저면은 플라즈마에 의한 아크 발생을 방지하기 위하여 그 표면이 양극화 처리될 수 있다. 가스 분산판(310)의 단면은 기판 지지 어셈블리(200)와 동일한 형상과 단면적을 가지도록 제공될 수 있다. 가스 분산판(310)은 복수 개의 분사홀(311)을 포함할 수 있다. 분사홀(311)은 가스 분산판(310)의 상면과 하면을 수직 방향으로 관통할 수 있다. 가스 분산판(310)은 금속 재질을 포함할 수 있다. 가스 분산판(310)은 제 4 전원(351)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제 4 전원(351)은 고주파 전원으로 제공될 수 있다. 이와 달리, 가스 분산판(310)은 전기적으로 접지될 수도 있다. 가스 분산판(310)은 제 4 전원(351)과 전기적으로 연결되거나, 접지되어 전극으로서 기능할 수 있다.
지지부(330)는 가스 분산판(310)의 측부를 지지할 수 있다. 지지부(330)는 상단이 챔버(100)의 상면과 연결되고, 하단이 가스 분산판(310)의 측부와 연결될 수 있다. 지지부(330)는 비금속 재질을 포함할 수 있다.
가스 공급 유닛(400)은 챔버(100) 내부에 가스를 공급할 수 있다. 가스 공급 유닛(400)은 제 1 가스 저장부(411), 제 2 가스 저장부(421), 가스 노즐(430), 제 1 가스 공급 라인(412) 및 제 2 가스 공급 라인(422)을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 가스 저장부(411, 421)는 각각 제 1 가스 및 제 2 가스를 저장할 수 있다. 가스 노즐(430)은 챔버(100)의 상면 중앙부에 설치될 수 있다. 가스 노즐(430)의 저면에는 분사구가 형성될 수 있다. 분사구는 챔버(100) 내부로 가스를 공급할 수 있다. 제 1 및 제 2 가스 공급 라인(412, 422)은 각각 제 1 및 제 2 가스 저장부(411, 421)와 가스 노즐(430)을 연결하여 가스 노즐(430)로 제 1 및 제 2 가스를 제공한다. 제 1 및 제 2 가스 공급 라인(412, 422)에는 각각 제 1 및 제 2 밸브(413, 423)가 설치될 수 있다. 제 1 및 제 2 밸브(413, 423)는 각각 제 1 및 제 2 가스 공급 라인(412, 422)을 개폐하며, 제 1 및 제 2 가스 공급 라인(412, 422)을 통해 공급되는 제 1 및 제 2 가스의 유량을 조절할 수 있다.
배플 유닛(500)은 챔버(100)의 내측벽과 기판 지지 어셈블리(200)의 사이에 위치될 수 있다. 배플(510)은 환형의 링 형상으로 제공될 수 있다. 배플(510)에는 복수의 관통홀(511)들이 형성될 수 있다. 챔버(100) 내에 제공된 가스는 배플(510)의 관통홀(511)들을 통과하여 배기홀(102)로 배기될 수 있다. 배플(510)의 형상 및 관통홀(511)들의 형상에 따라 가스의 흐름이 제어될 수 있다.
플라즈마 발생 유닛은 챔버(100) 내 공정 가스를 플라즈마 상태로 여기시킬 수 있다. 상기 플라즈마 발생 유닛은 용량 결합형 플라즈마(CCP: capacitively coupled plasma) 타입의 플라즈마 소스를 사용할 수 있다. CCP 타입의 플라즈마 소스가 사용되는 경우, 챔버(100)의 내부에 상부 전극 및 하부 전극이 포함될 수 있다. 상부 전극 및 하부 전극은 챔버(100)의 내부에서 서로 평행하게 상하로 배치될 수 있다. 양 전극 중 어느 하나의 전극은 고주파 전력을 인가하고, 다른 전극은 접지될 수 있다. 양 전극 간의 공간에는 전자기장이 형성되고, 이 공간에 공급되는 공정 가스는 플라즈마 상태로 여기될 수 있다. 이 플라즈마를 이용하여 기판 처리 공정이 수행될 수 있다. 일 예에 의하면, 상부 전극은 샤워 헤드(300)로 제공되고, 하부 전극은 몸체(230)로 제공될 수 있다. 하부 전극에는 고주파 전력이 인가되고, 상부 전극은 접지될 수 있다. 이와 달리, 상부 전극과 하부 전극에 모두 고주파 전력이 인가될 수도 있다. 이로 인하여 상부 전극과 하부 전극 사이에 전자기장이 발생될 수 있다. 발생된 전자기장은 챔버(100) 내부로 제공된 공정 가스를 플라즈마 상태로 여기시킬 수 있다.
이하, 상술한 기판 처리 장치를 이용하여 기판을 처리하는 과정을 설명하도록 한다.
기판 지지 어셈블리(200)에 기판(W)이 놓이면, 제 1 전원(223a)으로부터 제 1 전극(223)에 직류 전류가 인가될 수 있다. 제 1 전극(223)에 인가된 직류 전류에 의해 제 1 전극(223)과 기판(W) 사이에는 정전기력이 작용하며, 정전기력에 의해 기판(W)은 정전 척(210)에 흡착될 수 있다.
기판(W)이 정전 척(210)에 흡착되면, 가스 노즐(430)을 통하여 챔버(100) 내부에 공정 가스가 공급될 수 있다. 공정 가스는 샤워 헤드(300)의 분사홀(311)을 통하여 챔버(100)의 내부 영역으로 균일하게 분사될 수 있다. 제 3 전원(235a)에서 생성된 고주파 전력은 하부 전극으로 제공되는 몸체(230)에 인가될 수 있다. 상부 전극으로 제공되는 샤워 헤드의 분사판(310)은 접지될 수 있다. 상부 전극과 하부 전극 사이에는 전자기력이 발생할 수 있다. 전자기력은 기판 지지 어셈블리(200)와 샤워 헤드(300) 사이의 공정 가스를 플라즈마로 여기시킬 수 있다. 플라즈마는 기판(W)으로 제공되어 기판(W)을 처리할 수 있다. 플라즈마는 식각 공정을 수행할 수 있다.
도 1에 도시된 기판 처리 장치(10)는 CCP(Capacitively Coupled Plasma) 타입의 플라즈마 소스(예컨대, 챔버 내에 설치된 전극)를 이용하여 챔버(100) 내에 전기장을 생성함으로써 플라즈마를 생성하였다. 하지만, 기판 처리 장치(10)는 이에 제한되지 않고 실시예에 따라 ICP(Inductively Coupled Plasma) 타입의 플라즈마 소스(예컨대, 챔버의 외부 또는 내부에 설치되는 코일)를 이용하여 전자기장을 유도함으로써 플라즈마를 생성할 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치(10)는 이온 빔 생성 유닛(600)을 포함한다. 이온 빔 생성 유닛(600)은 플라즈마 상태로 여기된 가스에서 이온 빔을 생성한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 이온 빔 생성 유닛(600)에 대해서는 도 2를 참조하여 이하에서 더 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이온 빔 생성 유닛(600)을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이온 빔 생성 유닛(600)은 플레이트(610), 전력 공급부(620), 센서(630), 및 제어부(640)를 포함한다.
플레이트(610)에는 플라즈마를 통과시켜 이온 빔이 생성되도록 하는 적어도 하나의 어퍼쳐(aperture)가 형성된다. 플레이트(610)는 챔버(100)를 상부 서브-챔버 및 하부 서브-챔버로 분할하는 기능을 할 수도 있다. 상부 서브-챔버에서는 플라즈마 소스에 의해 플라즈마가 생성되고, 하부 서브-챔버에서는 플레이트(610)에 의해 형성된 이온 빔에 의해 에칭 공정이 수행될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 플레이트(610)에 형성되는 어퍼쳐는 플레이트(610)의 상부면에서 하부면까지 점진적으로 좁아지도록 형성될 수 있다. 상기 플레이트(610)는 금속 재질로 형성될 수 있다. 이에 따라, 플레이트(610)의 상부에서 하부로 플라즈마가 통과하면서 이온 빔 생성과 함께, 디바이 시스(Debye sheath)(플라즈마 시스, 또는 정전(electrostatic) 시스로도 지칭됨)가 생성될 수 있다.
디바이 시스는 고밀도의 양이온으로 응축된 플라즈마 층으로, 전반적으로 높은 양전하를 가지며 접촉하고 있는 물체 표면에서 반대 극성을 띠는 음전하로 균형을 이룰 수 있다. 디바이 시스 층의 두께는 플라즈마의 온도 및 밀도에 따라 값이 변화한다. 구체적으로, 플라즈마 밀도가
Figure 112015102823994-pat00001
일 때 디바이 시스 두께는
Figure 112015102823994-pat00002
에 비례하며, 전자 온도가
Figure 112015102823994-pat00003
일 때 디바이 시스 두께는
Figure 112015102823994-pat00004
에 반비례한다. 따라서, 플레이트(610)에 흐르는 전류를 측정하여, 측정된 전류값을 기반으로 디바이 시스 두께를 추정하는 것이 가능하다.
도 3은 도 2에서 'A' 부분의 확대도이다. 전력 공급부(620)에 의해 플레이트(610)가 일정한 전위로 바이어싱되면, 플라즈마에 포함된 이온들이 플레이트(610) 쪽으로 이동하게 된다. 이 때, 이온들이 어퍼쳐를 통과하면서 이온 빔을 생성한다. 도 3을 참조하면, 화살표로 표시된 방향으로 이온 빔이 형성될 수 있다. 또한, 도 3에 진한 색으로 표시된 바와 같이, 어퍼쳐를 형성하는 플레이트(610)의 표면에 플라즈마 시스, 즉 디바이 시스가 형성된다.
다시 도 2를 참조하여 센서(630) 및 제어부(640)의 기능을 설명한다.
센서(630)는 플레이트에 흐르는 전류의 크기를 측정할 수 있다. 제어부(640)는 측정된 전류의 크기에 따라 상기 전력 공급부를 제어한다. 앞서 설명된 바와 같이, 제어부(640)는 측정된 전류의 크기를 기반으로 플라즈마의 밀도, 및 디바이 시스 두께를 산출할 수 있다.
제어부(640)는 어퍼쳐의 특정 지점에서의 직경에 대한 디바이 시스 두께의 비를 나타내는 디바이 시스 비(Debye sheath ratio)를 산출할 수 있다. 제어부(640)는 산출된 디바이 시스 비를 기 설정된 값과 비교하여, 동일한 경우 플레이트(610)에 형성된 전위가 유지되도록 전력 공급부(620)를 제어할 수 있다.
디바이 시스 두께는, 플레이트에 형성된 전위가
Figure 112015102823994-pat00005
인 경우,
Figure 112015102823994-pat00006
에 비례한다. 따라서 산출된 디바이 시스 비가 기 설정된 값보다 큰 경우, 상기 플레이트(610)에 형성된 전위가 증가하도록 전력 공급부(620)를 제어할 수 있다. 반면, 산출된 디바이 시스 비가 기 설정된 값보다 작은 경우, 상기 플레이트(610)에 형성된 전위가 감소하도록 전력 공급부(620)를 제어할 수 있다.
상기와 같이 제어부(640)에 의해 플레이트(610)에 형성된 전위를 제어함으로써, 디바이 시스 두께를 조절하여 이온 빔의 각도를 동일하게 유지할 수 있다. 이로 인해 다수의 공정 스텝을 거치며 플라즈마 밀도 변화와 같은 공정 조건의 변동이 발생하여도 이온 빔의 각도를 동일하게 유지하는 것이 용이해질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이온 빔 발생 유닛(600)은, 플레이트(610) 자체에 흐르는 전류를 이용하여 피드백(feedback) 요소로 사용하므로, 시스템의 복잡도가 크게 증가하지 않고도 용이하게 이온 빔을 제어할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 실시간으로 이온 빔을 제어함으로써 에칭의 균일성을 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이온 빔 제어 방법(700)의 예시적인 흐름도이다.
산출된 디바이 시스 비와 비교하기 위한 값을 미리 설정할 수 있다. 상하부 전극에 RF 전력이 인가되고, 플레이트에 전력을 인가하여 플라즈마 에칭 공정을 수행할 수 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이온 빔 제어 방법(700)은 이온 빔 생성 장치에 포함되는 플레이트에 흐르는 전류를 측정하고, 측정된 전류를 기반으로 플라즈마 밀도, 및 디바이 시스 두께를 산출하는 단계(S710)를 포함할 수 있다. 산출된 디바이 시스 두께로부터 결정된 디바이 시스 비와, 미리 설정된 디바이 시스 비의 값을 비교하여, 전력 공급부를 제어할 수 있다(S720). 설정된 디바이 시스 비와 산출된 디바이 시스 비가 동일한 경우, 플레이트에 형성된 전위가 동일하게 유지되도록 전력 공급부를 제어할 수 있다. 그러나 산출된 디바이 시스 비가 설정된 디바이 시스 비보다 큰 경우 전위가 감소하도록 제어할 수 있으며, 반대의 경우 전위가 증가하도록 제어할 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
600 : 이온 빔 생성 유닛
610 : 플레이트
620 : 전력 공급부
630 : 센서
640 : 제어부

Claims (15)

  1. 플라즈마가 통과하여 이온 빔이 생성되도록 하는 적어도 하나의 어퍼쳐(aperture)가 형성된 플레이트;
    상기 플레이트에 전력을 공급하여 바이어싱하는 전력 공급부;
    상기 플레이트에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 센서; 및
    상기 플레이트에 흐르는 전류의 크기에 따라 상기 전력 공급부가 공급하는 전력의 크기를 조절하는 제어부를 포함하며,
    상기 어퍼쳐는 상기 플레이트의 상부면에서 하부면까지 점진적으로 좁아지도록 형성되어, 플라즈마가 상기 플레이트의 상부에서 하부로 어퍼쳐를 통과할 때 디바이 시스(Debye sheath)가 생성되도록 하고,
    상기 제어부는,
    상기 어퍼쳐의 미리 설정된 지점에서의 직경에 대한 상기 디바이 시스의 두께의 비를 나타내는 디바이 시스 비(Debye sheath ratio)를 산출하고, 상기 디바이 시스 비 및 기 설정된 디바이 시스 비를 기반으로 상기 전력 공급부가 공급하는 전력의 크기를 조절하는 이온 빔 생성 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 플레이트에 흐르는 전류의 크기를 기반으로, 상기 어퍼쳐를 통과하는 플라즈마의 밀도, 및 상기 디바이 시스의 두께를 산출하는 이온 빔 생성 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    산출된 디바이 시스 비와 기 설정된 디바이 시스 비가 동일한 경우, 상기 플레이트에 형성된 전위가 유지되도록 상기 전력 공급부를 제어하는 이온 빔 생성 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    산출된 디바이 시스 비가 기 설정된 디바이 시스 비보다 큰 경우, 상기 플레이트에 형성된 전위가 증가하도록 상기 전력 공급부를 제어하고,
    산출된 디바이 시스 비가 기 설정된 디바이 시스 비보다 작은 경우, 상기 플레이트에 형성된 전위가 감소하도록 상기 전력 공급부를 제어하는 이온 빔 생성 장치.
  8. 기판이 처리되는 공간을 제공하는 챔버;
    상기 챔버 내에서 상기 기판을 지지하는 기판 지지 어셈블리;
    상기 챔버 내부로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛; 및
    RF 신호를 제공하는 RF 전원, 상기 RF 신호를 제공받아 상기 챔버 내 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 플라즈마 소스, 및 상기 RF 전원과 상기 플라즈마 소스 사이에 연결되어 전원의 출력 임피던스와 부하의 입력 임피던스를 정합시키는 임피던스 정합기를 포함하는 플라즈마 발생 유닛;
    플라즈마 상태로 여기된 상기 가스에서 이온 빔을 생성하는 이온 빔 생성 유닛을 포함하며,
    상기 이온 빔 생성 유닛은:
    플라즈마가 통과하여 이온 빔이 생성되도록 하는 적어도 하나의 어퍼쳐가 형성된 플레이트;
    상기 플레이트에 전력을 공급하여 바이어싱하는 전력 공급부;
    상기 플레이트에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 센서; 및
    상기 플레이트에 흐르는 전류의 크기에 따라 상기 전력 공급부가 공급하는 전력의 크기를 조절하는 제어부를 포함하며,
    상기 어퍼쳐는 상기 플레이트의 상부면에서 하부면까지 점진적으로 좁아지도록 형성되어, 플라즈마가 상기 플레이트의 상부에서 하부로 어퍼쳐를 통과할 때 디바이 시스(Debye sheath)가 생성되도록 하고,
    상기 제어부는,
    상기 어퍼쳐의 미리 설정된 지점에서의 직경에 대한 상기 디바이 시스의 두께의 비를 나타내는 디바이 시스 비(Debye sheath ratio)를 산출하고, 상기 디바이 시스 비 및 기 설정된 디바이 시스 비를 기반으로 상기 전력 공급부가 공급하는 전력의 크기를 조절하는 기판 처리 장치.
  9. 삭제
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 플레이트에 흐르는 전류의 크기를 기반으로, 상기 어퍼쳐를 통과하는 플라즈마의 밀도 및 상기 디바이 시스 두께를 산출하는 기판 처리 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    산출된 디바이 시스 비와 기 설정된 디바이 시스 비가 동일한 경우, 상기 플레이트에 형성된 전위가 유지되도록 상기 전력 공급부를 제어하는 기판 처리 장치.
  14. 제8 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    산출된 디바이 시스 비가 기 설정된 디바이 시스 비보다 큰 경우, 상기 플레이트에 형성된 전위가 증가하도록 상기 전력 공급부를 제어하고,
    산출된 디바이 시스 비가 기 설정된 디바이 시스 비보다 작은 경우, 상기 플레이트에 형성된 전위가 감소하도록 상기 전력 공급부를 제어하는 기판 처리 장치.
  15. 제8 항에 따른 기판 처리 장치의 챔버 내에 생성되는 이온 빔을 제어하는 방법으로,
    상기 플레이트에 흐르는 전류를 측정하는 단계;
    측정된 전류를 기반으로 디바이 시스의 두께를 산출하여, 상기 어퍼쳐의 미리 설정된 지점에서의 직경에 대한 상기 디바이 시스 두께의 비를 나타내는 디바이 시스 비를 산출하는 단계; 및
    산출된 디바이 시스 비와 미리 설정된 디바이 시스 비를 비교하여, 동일한 경우 상기 플레이트에 형성된 전위가 유지되도록 상기 전력 공급부를 제어하고, 산출된 디바이 시스 비가 더 큰 경우 상기 플레이트에 형성된 전위가 증가하도록 상기 전력 공급부를 제어하고, 산출된 디바이 시스 비가 더 작은 경우 상기 플레이트에 형성된 전위가 감소하도록 상기 전력 공급부를 제어하는 단계를 포함하는 이온 빔 제어 방법.
KR1020150147562A 2015-10-22 2015-10-22 이온 빔 생성 장치, 그를 이용한 기판 처리 장치, 및 이온 빔 제어 방법 KR101754563B1 (ko)

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