KR101881538B1 - 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 플라즈마처리장치는 피처리 기판을 처리하기 위한 챔버; 상기 챔버 내로 공정 가스가 유입되어 플라즈마가 직접 유도되는 상기 챔버 내의 직접 플라즈마 발생 영역; 상기 직접 플라즈마 발생 영역으로 플라즈마를 유도하는 플라즈마 유도 어셈블리; 상기 직접 플라즈마 발생 영역으로부터 유입된 플라즈마와 상기 챔버의 외부에서 유입된 기화가스가 혼합되어 반응종을 형성하고, 반응종에 의해 상기 피처리 기판이 처리되는 상기 챔버 내의 기판 처리 영역; 상기 직접 플라즈마 발생 영역과 상기 기판 처리 영역 사이에 구비되어 상기 기판 처리 영역으로 플라즈마를 제공하고, 기화가스를 상기 기판 처리 영역의 중심영역과 주변영역으로 분배하는 듀얼 가스 분배 배플;상기 듀얼 가스 분배 배플에 관통 형성되어 상기 직접 플라즈마 발생 영역에서 발생된 플라즈마를 상기 기판 처리 영역으로 제공하기 위한 복수 개의 관통홀; 상기 듀얼 가스 분배 배플 내에 구비되며, 기화가스 공급로를 통해 공급된 기화가스가 저장되는 센터 버퍼영역; 상기 센터 버퍼영역으로 공급된 기화가스를 상기 기판 처리 영역의 중심영역으로 분사하기 위하여 상기 듀얼 가스 분배 배플에 구비되는 하나 이상의 센터 기화가스 토출구; 상기 듀얼 가스 분배 배플 내에 형성된 기화가스 공급로를 통해 공급된 기화가스를 상기 기판 처리 영역의 주변영역으로 분사하기 위한 하나 이상의 에지 기화가스 토출구를 포함한다.

Description

균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치{PLASMA TREATMENT APPARATUS HAVING DUAL GAS DISTRIBUTION BAFFLE FOR UNIFORM GAS DISTRIBUTION}
본 발명은 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응성이 높은 원자 혹은 분자들을 직접 이용하여 피처리 기판 표면의 박막과 직접적인 반응을 일으켜서 선택적인 세정을 하는 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
반도체는 전기신호의 저장, 증폭, 스위칭 등의 기능을 갖는 능동형 전자소자로서, 고집적, 고성능, 저전력을 기반으로 시스템 산업 및 서비스 산업의 고부가가치화를 견인하고 디지털 정보화시대를 주도하는 핵심부품이다.
반도체 제조공정은 크게 전공정(웨이퍼 가공공정) 및 후공정(조립공정 및 검사공정)으로 구분할 수 있으며, 전공정 장비시장 비중이 약 75%를 차지한다. 이중에서 습식세정 장치와 플라즈마 식각이라 불리는 건식식각이 합계 22.6%로 두 번째로 큰 시장을 형성하고 있다. 반도체 공정시, 각각의 부품과 이를 전기적으로 연결하는 회로를 하나의 패턴(회로 설계도)으로 만들어 반도체 내 여러 층의 얇은 막(박막)에 그려 넣는 방식을 사용하게 되는데, 이때 박막이 형성된 기판(웨이퍼) 위에 불필요한 부분을 제거해 회로 패턴이 드러나도록 하는 과정이 식각(etching)공정이다. 식각공정에는 플라즈마를 이용한 드라이 식각공정과 세정용액을 이용한 습식공정이 있다.
드라이 식각공정은 플라즈마를 사용한 이온흐름(Ion Flux)에 의한 수직 입사 입자에 의한 물리, 화학적 식각을 하는 공정이다. 따라서 디바이스 디자인이 점차 작아지면서 공정에 따라서 패턴에 손상을 주는 문제가 대두되었다. 습식공정은 오랫동안 보편적으로 사용되어 온 기술로 세정용액을 담은 용기에 웨이퍼를 일정시간동안 담그거나, 웨이퍼를 일정속도로 회전시키면서 세정용액을 분사하여 웨이퍼 표면에 불필요한 부분을 제거하는 방식이다. 그러나 습식공정에서는 다량의 폐수가 발생하며 세정량 조절 및 세정 균일도 제어가 어려운 단점이 있다. 또한 등방성 식각에 따라 세정 후의 패턴이 설계 상의 의도보다 커지거나 작아지게 되어 미세폐턴의 가공이 어려워지게 되었다.
최근에는 더 빠른 처리속도를 가진 소자와 고용량 메모리에 대한 수요가 늘어남에 따라 반도체 칩의 단위 소자들의 크기가 계속 줄어들고 있으며, 이에 따라 웨이퍼 표면에 형성되는 패턴들의 간격은 계속 좁아지고, 소자의 게이트 절연막 두께는 점점 더 얇아지고 있다. 이에 따라 예전의 반도체 공정 시에 나타나지 않거나 중요하지 않았던 문제들이 점점 더 부각되고 있다. 그 중 플라즈마에 의해 나타나는 대표적인 문제는 대전에 의한 손상(Plasma Damage)이다. 대전에 의한 손상은 반도체 소자의 미세화가 진행되면서 웨이퍼 표면이 노출되는 모든 공정에서 트랜지스터를 포함한 많은 소자의 특성과 신뢰에 영향을 미친다. 플라즈마로 야기되는 대전에 의한 박막손상은 주로 식각공정에서 나타난다. 대전에 의한 손상은 드라이 식각공정 또는 습식공정시 발생하는 문제점으로 이를 해결하기 위한 노력이 요구되어 진다.
본 발명의 목적은 대전에 의한 손상이 없도록 피처리 기판 표면의 박막과 직적접인 반응을 일으켜 세정을 할 수 있는 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 균일한 플라즈마 처리를 위해 수증기를 센터와 에지로 분리하여 공급하고, 특히, 센터에서 공급되는 가스의 유량 및 압력을 조절함으로써, 균일하게 가스를 분배 공급하여 기판을 처리할 수 있는 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다. 본 발명의 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치는 피처리 기판을 처리하기 위한 챔버; 상기 챔버 내로 공정 가스가 유입되어 플라즈마가 직접 유도되는 상기 챔버 내의 직접 플라즈마 발생 영역; 상기 직접 플라즈마 발생 영역으로 플라즈마를 유도하는 플라즈마 유도 어셈블리; 상기 직접 플라즈마 발생 영역으로부터 유입된 플라즈마와 상기 챔버의 외부에서 유입된 기화가스가 혼합되어 반응종을 형성하고, 반응종에 의해 상기 피처리 기판이 처리되는 상기 챔버 내의 기판 처리 영역; 상기 직접 플라즈마 발생 영역과 상기 기판 처리 영역 사이에 구비되어 상기 기판 처리 영역으로 플라즈마를 제공하고, 기화가스를 상기 기판 처리 영역의 중심영역과 주변영역으로 분배하는 듀얼 가스 분배 배플; 상기 듀얼 가스 분배 배플에 관통 형성되어 상기 직접 플라즈마 발생 영역에서 발생된 플라즈마를 상기 기판 처리 영역으로 제공하기 위한 복수 개의 관통홀; 상기 듀얼 가스 분배 배플 내에 구비되며, 기화가스 공급로를 통해 공급된 기화가스가 저장되는 센터 버퍼영역; 상기 센터 버퍼영역으로 공급된 기화가스를 상기 기판 처리 영역의 중심영역으로 분사하기 위하여 상기 듀얼 가스 분배 배플에 구비되는 하나 이상의 센터 기화가스 토출구; 및 상기 듀얼 가스 분배 배플 내에 형성된 기화가스 공급로를 통해 공급된 기화가스를 상기 기판 처리 영역의 주변영역으로 분사하기 위한 하나 이상의 에지 기화가스 토출구를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 유도 어셈블리는 복수 개의 용량 결합 전극을 포함한 용량 결합 전극 어셈블리 또는 무선 주파수 안테나이다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 유도 어셈블리는 상기 직접 플라즈마 발생 영역의 중심 영역으로 플라즈마를 유도하는 센터 플라즈마 유도 어셈블리; 및 상기 직접 플라즈마 발생 영역의 주변 영역으로 플라즈마를 유도하는 에지 플라즈마 유도 어셈블리를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 듀얼 가스 분배 배플은 열선을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 기화 가스는 기화된 H2O 이다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 장치는 상기 챔버 내부로 공정가스를 공급하기 위한 하나 이상의 가스 주입구를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 처리 장치는 상기 가스 주입구와 대향되도록 설치되어 공정가스를 상기 직접 플라즈마 발생 영역 내에서 확산시키기 위한 디퓨저 플레이트를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 센터 버퍼영역은 상기 센터 버퍼영역으로 제공된 상기 기화가스가 회전하며 이동할 수 있도록 상기 센터 버퍼영역에 구비되는 하나 이상의 버퍼필러를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 듀얼 가스 분배배플은 상기 기화가스 공급로를 통해 공급된 기화가스가 저장되는 제1 센터 버퍼영역; 상기 제1 센터 버퍼영역으로부터 상기 기화가스가 배출되도록 관통형성된 제1 센터 기화가스 토출구; 상기 제1 센터 기화가스 토출구를 통해 공급된 기화가스가 저장되는 제2 센터 버퍼영역; 상기 제2 센터 버퍼영역으로부터 상기 기화가스를 상기 기판 처리 영역으로 분사하기 위한 제2 센터 기화가스 토출구를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1, 2 센터 버퍼영역에는 상기 기화가스가 회전하며 이동하기 위한 하나 이상의 버퍼필러를 포함한다.
본 발명의 균일한 가스 분배를 위한 듀얼가스분배배플을 갖는 플라즈마 처리 장치에 의하면 반응종을 형성하여 피처리 기판을 처리하는 것으로 대전에 의한 손상이 없이 피처리 기판을 처리할 수 있다. 또한 피처리 기판 세정시 부산물이 발생되하지 않으며 선택비가 높은 장점이 있다. 또한 기상세정을 위한 기화가스가 센터와 에지 영역으로 제공되고, 특히 센터 영역으로 제공되는 기화가스의 유량 및 압력을 조절하여 전체적으로 균일하게 반응종이 생성될 수 있을 뿐만 아니라, 이를 통해 피처리 기판의 표면을 균일하게 처리할 수 있다. 기화가스를 분사하는 가스 분배 배플에 구비된 열선을 이용하여 기화가스의 온도를 조절할 수 있다. 또한 대전에 의한 손상이 없어 미세 패턴 가공 공정에서도 피처리 기판의 처리가 가능하다. 또한 디퓨저 플레이트를 통해 공정가스가 챔버 내로 균일하게 확산되므로 플라즈마가 균일하게 발생한다. 대면적의 플라즈마를 균일하게 발생시킬 수 있어 소형 기판은 물론 대형 기판을 처리하는 경우에도 기판을 균일하게 처리할 수 있다. 또한 디퓨저 플레이트의 설치 간격을 조절하여 공정가스의 확산 정도를 조절할 수 있다. 또한 공정가스의 존속 시간이 증가되어 가스 분해율을 상승시켜 에치량(Etch amount)이 증가한다. 또한 하이브리드 척이 더 구비되어 기판을 처리하는 공정에 따라 기판을 지지하기 위해 정전방식 또는 진공방식 중 하나를 선택하여 구동할 수 있기 때문에 공정 분위기와 환경에 따라 기판 고정 방식을 선택할 수 있다. 또한 하나의 방식을 사용하지 못하는 경우 다른 방식을 선택하여 기판을 고정할 수 있으므로 고장 시 기판 처리 공정을 중단하거나 척을 교체할 필요가 없다. 또한 생산성이 증가하고 수리비용 및 생산비용이 절감되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 듀얼 가스 분배 배플이 구비된 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 용량 결합 전극 어셈블리의 구조를 간략하게 도시한 도면이다.
도 3은 듀얼 가스 분배 배플의 상부를 도시한 평면도이다.
도 4는 듀얼 가스 분배 배플의 하부를 도시한 평면도이다.
도 5는 플라즈마 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 듀얼 가스 분배 배플의 단면을 도시한 도면이다.
도 7은 듀얼 가스 분배 배플의 센터 버퍼 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 듀얼 가스 분배 배플의 에지 공급로를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 듀얼 가스 분배 배플이 구비된 플라즈마 처리 장치를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 듀얼 가스 분배 배플의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 9에 도시된 제1 센터 버퍼를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 9에 도시된 제2 센터 버퍼를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 디퓨저 플레이트가 구비된 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다.
도 14는 디퓨저 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 15는 디퓨저 플레이트의 간격에 따른 플라즈마 균일도를 도시한 그래프이다.
도 16은 도 13의 플라즈마 처리 장치를 이용한 플라즈마 처리 방법을 도시한 흐름도이다.
도 17 및 도 18은 유도 결합 플라즈마 방식의 플라즈마 처리 장치를 도시한 도면이다.
도 19 및 도 20은 복수 개의 가스 주입구를 갖는 플라즈마 처리 장치를 도시한 도면이다.
도 21은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 척의 평면을 도시한 도면이다.
도 22는 도 21의 하이브리드 척의 단면을 도시한 도면이다.
도 23은 하이브리드 척의 동작 방법에 대한 흐름도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 듀얼 가스 분배 배플이 구비된 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치(10)는 챔버(12), 용량 결합 전극 어셈블리(20), 가스 분배 배플(40), 듀얼 가스 분배 배플(50) 및 전원 공급원(3)으로 구성된다. 챔버(12)는 내부에 피처리 기판(1)이 놓이는 기판 지지대(2)가 구비된다. 챔버(12)의 상부에는 플라즈마 처리를 위한 공정 가스가 공급되는 가스 주입구(14)가 구비되고, 공정 가스 공급원(15)으로부터 공급된 공정 가스가 가스 주입구(14)를 통해 챔버(12) 내부로 공급된다. 가스 주입구(14)에는 복수 개의 가스 분사홀(32)이 구비된 가스 분사 헤드(30)가 구비되어, 가스 분사홀(32)을 통해 공정 가스를 직접 플라즈마 발생 영역(200)으로 공급한다. 가스 분사 헤드(30)는 유전체 윈도우(28)의 하부로 공정 가스를 분사할 수 있도록 가스 주입구(14)에 연결된다. 챔버(12)의 하부에는 가스 배출구(16)가 구비되어 배기 펌프(17)에 연결된다. 챔버(12)의 하부에는 기판 지지대(2)를 둘러싸고 배기홀(72)이 형성된 배기영역(75)이 형성된다. 배기홀(72)은 연속적으로 개구된 형태일 수도 있고, 복수 개의 관통홀로 형성될 수도 있다. 또한 배기영역(75)에는 배기가스를 균일하게 배출하기 위한 하나 이상의 배기배플(74)을 구비한다.
챔버(12)는 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속 물질로 제작될 수 있다. 또는 코팅된 금속 예를 들어, 양극 처리된 알루미늄이나 니켈 도금된 알루미늄으로 제작될 수도 있다. 또는 내화 금속(refractory metal)로 제작될 수도 있다. 또 다른 대안으로 챔버(12)를 전체적 또는 부분적으로 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 제작하는 것도 가능하다. 이와 같이 챔버(12)는 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 어떠한 물질로도 제작될 수 있다. 챔버(12)의 구조는 피처리 기판(1)에 따라 그리고 플라즈마의 균일한 발생을 위하여 적합한 구조 예를 들어, 원형 구조나 사각형 구조 그리고 이외에도 어떠한 형태의 구조를 가질 수 있다.
피처리 기판(1)은 예를 들어, 반도체 장치, 디스플레이 장치, 태양전지 등과 같은 다양한 장치들의 제조를 위한 웨이퍼 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판 등과 같은 기판들이다. 기판 지지대(1)는 바이어스 전원 공급원(6)에 연결될 수도 있다. 기판 지지대(2)에는 피처리 기판(1)을 지지하면서 피처리 기판(1)을 승강 또는 하강시키기 위해 리프트핀 구동부(62)에 연결된 리프트 핀(60)이 구비된다. 기판 지지대(2)는 히터를 포함할 수 있다.
용량 결합 전극 어셈블리(20)는 챔버(12)의 천장을 이루도록 챔버(12)의 상부에 구비된다. 용량 결합 전극 어셈블리(20)는 접지(21)로 연결된 제1 전극(22)과 전원 공급원(3)에 연결되어 주파수 전원을 공급받는 제2 전극(24)으로 구성된다. 제1 전극(22)은 챔버(12)의 천장을 형성하며, 접지(21)로 연결된다. 제1 전극(22)은 하나의 판 형상으로 형성되고, 일정한 간격으로 챔버(12) 내부로 돌출 형성된 복수 개의 돌출부(22a)를 갖는다. 제1 전극(22)의 중앙에는 가스 주입구(14)가 구비된다. 제2 전극(24)은 제1 전극(22)과 소정의 간격으로 이격되도록 돌출부(22a) 사이에 구비된다. 제2 전극(24)은 일부가 제1 전극(22)에 삽입되어 장착된다. 여기서 제2 전극(24)은 제2 전극(24)은 전원 공급원(3)과 연결되어 무선 주파수 전원을 공급받는 전원 전극(24a)과 전원 전극(24a)이 설치되고 제1 전극(22)에 삽입되는 절연부(24b)로 구성된다. 절연부(24b)는 전원 전극(24a) 전체를 감싸는 형태로 형성될 수도 있다. 제1 전극(22)과 제2 전극(24)은 플라즈마 발생 영역으로 직접 용량 결합된 플라즈마를 발생시킨다. 본 발명에서는 플라즈마를 유도하기 위한 구성으로 용량 결합 전극 어셈블리(20)를 이용하였으나, 유도 결합된 플라즈마를 발생하기 구성으로 무선 주파수 안테나를 이용할 수도 있다. 전원 공급원(3)은 임피던스 정합기(5)를 통하여 제2 전극(24)에 연결되어 무선 주파수 전원을 공급한다. 제2 전극(24)은 직류 전원 공급원(4)이 선택적으로 연결될 수 있다.
도 2는 도 1의 용량 결합 전극 어셈블리의 구조를 간략하게 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 용량 결합 전극 어셈블리(20)는 접지(21)에 연결된 제1 전극(22)과 전원 공급원(3)에 연결된 제2 전극(24)이 나선형 구조로 구비된다. 제1 전극(22)의 돌출부(22a)와 제2 전극(24)의 전원 전극(24a)은 소정의 간격으로 이격되어 나선형 구조를 이룬다. 제2 전극(24)의 전원전극(24a)과 제1 전극(22)의 돌출부(22a)가 일정한 간격을 유지하며 마주하고 있어 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다. 여기서, 제1, 2 전극(22, 24)은 병렬 전극으로도 구비될 수 있고, 다양한 구조로 배열될 수 있다. 본 발명에서의 제1, 2 전극(22, 24)은 사각 형상으로 도시하였으나, 삼각형, 원형 등 다양한 형태로의 변형이 가능하다.
용량 결합 전극 어셈블리(20)와 가스 분배 배플(40) 사이에는 유전체 윈도우(28)가 구비된다. 유전체 윈도우(28)는 대전 손상(Plasma Damage)에 강하며 반영구적으로 사용이 가능하다. 그러므로 유전체 윈도우(28)에 의해 용량 결합 전극 어셈블리(20)가 플라즈마에 노출되지 않아 제1, 2 전극(22, 24)의 손상을 방지한다.
다시 도 1을 참조하면, 듀얼 가스 분배 배플(50)은 기화가스를 기판 처리 영역(230)으로 분사하기 위한 구성으로, 기판 지지대(2)와 마주하도록 챔버(12) 내에 설치된다. 듀얼 가스 분배 배플(50)은 관통 형성된 복수 개의 관통홀(52)과 복수 개의 센터 기화가스 토출구(53) 및 에지 기화가스 토출구(54)로 구성된다. 센터 기화가스 토출구(53)와 에지 기화가스 토출구(54)는 듀얼 가스 분배 배플(50) 내에 구비되고, 센터 및 에지 공급로(57a, 57b)로 공급되는 기화가스가 센터 기화가스 토출구(53)와 에지 기화가스 토출구(54)를 통해 외부로 분사된다. 센터 기화가스 토출구(53)과 에지 기화가스 토출구(54)는 기화가스가 기판 처리 영역(230)으로 분사되도록 듀얼 가스 분배 배플(50)의 하면에 형성된다. 센터 기화가스 토출구(53)와 에지 기화가스 토출구(54)는 독립적으로 분리되어 있어 기화가스가 센터 및 에지로 독립적으로 분사된다. 센터 및 에지 기화가스 토출구(53. 54)을 통해 기판 처리 영역(230)의 중심영역과 주변영역으로 공급되는 기화가스의 양을 조절함으로써 기판 처리 영역(230)의 전체에서 균일한 반응종 형성이 이루어질 수 있다. 결과적으로 균일하게 형성된 반응종에 의해 피처리 기판(1)의 균일한 처리가 가능하다. 예를 들어 에지 기화가스 분사홀(54)은 ㅨ 112~ㅨ 548 구간으로 한정할 수 있다.
챔버(12)에는 직접 플라즈마 발생 영역(200)에서 플라즈마를 균일하게 분배하기 위한 가스 분배 배플(40)이 더 구비될 수 있다. 가스 분배 배플(40)은 직접 플라즈마 발생 영역(200, 210) 내에 구비되며, 관통 형성된 복수 개의 관통홀(42)을 통해 플라즈마에 의해 해리된 공정가스를 균일하게 분배한다. 듀얼 가스 분배 배플(50)의 센터, 에지 기화가스 토출구(53, 54)을 통해 기판 처리 영역(220)으로 기화가스가 공급되고, 관통홀(52)을 통해 기판 처리 영역(220)으로 플라즈마가 공급되어 반응종(reactive sepcies)을 형성한다. 반응종은 피처리 기판(1)의 부산물과 흡착되어 열처리 과정에서 제거된다. 이러한 방식의 세정을 기상 세정(Vapor Phase etching)이라한다.
기상 세정은 습식세정과 건식식각의 장점을 갖춘 세정 방식으로 저온의 진공 챔버에서 반응성이 높은 원자 혹은 분자들을 직접 이용하여 피처리기 기판(1)의 표면의 박막과 직접적인 반응을 일으켜서 선택적인 식각 및 세정을 일으킨다. 기상 세정은 선택비가 높으며, 세정량 제어가 용이하고 대전 손상(Plasma Damage)이 전혀 없다는 장점이 있다. 또한 일반적으로 부산물을 만들지 않고, 만들더라도 습식세정보다 간단한 방법으로 제거가 충분히 가능한 장점이 있다.
반응종을 형성하기 위한 기화가스로는 기화된 물(H2O)을 사용한다. 플라즈마를 발생시키기 위한 중심 에칭 가스(Main etchant gas)로는 NF3, CF4(Fluorine 계열), Carrier 가스로는 He, Ar, N2(비활성 가스) 등이 사용된다. 각 공정 압력은 수 m torr 내지 수백 torr가 바람직하다.
가스 분배 배플(40) 및 듀얼 가스 분배 배플(50)에는 온도를 조절하기 위한 히팅수단으로 열선이 더 포함될 수 있다. 여기서, 히팅수단은 가스 분배 배플(40) 및 듀얼 가스 분배 배플(50)에 모두 형성될 수도 있고, 어느 하나에만 형성될 수도 있다. 특히, 듀얼 가스 분배 배플(50)에 형성되는 열선은 전원 공급원(55)으로부터 전력을 공급받아 센터, 에지 가스 공급로(57a, 57b)를 지나는 기화된 물(H2O)에 지속적으로 열을 가하여 기화된 물(H2O)이 액화되지 않고 기화상태를 유지하여 피처리 기판(1)에 도달할 수 있도록 한다. 또한 듀얼 가스 분배 배플(50)에는 기화가스의 온도를 측정할 수 있는 센서가 더 구비될 수 있다.
플라즈마 처리 장치(10)는 접지(21)로 연결된 제1 전극(22)의 내부에 냉각 채널(26)을 구비할 수 있다. 냉각 채널(26)은 냉각수 공급원(27)으로부터 냉각수를 공급받아 과열된 제1 전극(22)의 온도를 낮춰 일정한 온도를 유지할 수 있도록 한다.
도 3은 듀얼 가스 분배 배플의 상부를 도시한 평면도이고, 도 4는 듀얼 가스 분배 배플의 하부를 도시한 평면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 듀얼 가스 분배 배플(50)의 관통홀(52)은 듀얼 가스 분배 배플(50)을 관통하여 형성된다. 반면, 센터 기화가스 토출구(53)와 에지 기화가스 토출구(54)는 듀얼 가스 분배 배플(50) 내부에 형성된 기화가스 공급로의 하부, 즉 듀얼 가스 분배 배플(50)의 하면에 형성된다. 관통홀(52)과 센터, 에지 기화가스 토출구(53, 54)는 그 크기가 동일하거나 서로 다를 수 있다. 또한 센터 기화가스 토출구(53)와 에지 기화가스 토출구(54)의 크기도 동일하거나 서로 다를 수 있다. 관통홀(52)과 센터, 에지 기화가스 토출구(53, 54)의 크기를 조절하여 플라즈마 및 기화가스의 분사량을 조절할 수도 있다.
센터 기화가스 토출구(53)는 듀얼 가스 분배 배플(50)의 중심영역에 균일한 간격으로 형성되고, 에지 기화가스 토출구(54)는 센터 기화가스 토출구(53)를 중심으로 그 주변영역에 균일한 간격으로 형성된다. 각 토출구 사이의 간격은 다양하게 조절이 가능하다.
도 5는 제1 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 이용한 플라즈마 처리 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 공정가스 공급원(15)으로부터 공급된 공정가스는 플라즈마 처리 장치(10)의 가스 분사 헤드(30)를 통해 직접 플라즈마 발생 영역(200)으로 공급된다(S20). 직접 플라즈마 발생 영역(200)에서 발생된 플라즈마는 가스 분배 배플(40) 및 듀얼 가스 분배 배플(50)을 통해 기판 처리 영역(220)으로 분배된다(S21). 기화가스는 듀얼 가스 분배 배플(50)의 센터 기화가스 토출구(53)와 에지 기화가스 토출구(54)를 통해 기판 처리 영역(220)의 센터 영역과 에지 영역에 공급되어 반응종을 형성한다(S22). 기판 처리 영역(220)에서 형성된 반응종으로 피처리 기판(1)을 처리한다(S23).
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 듀얼 가스 분배 배플의 단면을 도시한 도면이고, 도 7은 듀얼 가스 분배 배플의 센터 버퍼 영역을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 듀얼 가스 분배 배플의 에지 공급로를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 듀얼 가스 분배 배플(50)은 중심영역으로 기화가스를 공급하는 센터 공급로(57a)와 주변영역으로 기화가스를 공급하는 에지 공급로(57b)로 구성된다. 여기서, 에지 공급로(57b)는 듀얼 가스 분배 배플(50)의 테두리를 따라 형성된 다수 개의 격판(57)에 의해 기화가스의 이동경로가 형성된다. 다시 말해, 다수 개의 격판(57)이 듀얼 가스 분배 배플(50)의 테두리를 따라 간격을 갖고 형성되어, 기화가스가 듀얼 가스 분배 배플(50)의 테두리를 따라 돌며 평면의 중심방향으로 이동하고, 듀얼 가스 분배 배플(50)에 형성된 에지 기화가스 토출구(54)를 통해 기화가스가 주변영역으로 분사된다. 격판(57) 사이를 지나 중심방향으로 공급되는 에지 공급로(57b)는 약 5mm폭으로 형성될 수 있다.
듀얼 가스 분배 배플(50)의 센터 공급로(57a)를 통해 공급된 기화가스는 센터 버퍼(58)에 제공된다. 센터 버퍼(58)는 다수 개의 버퍼 필러(59)가 구비되어 듀얼 가스 분배 배플(50) 내의 센터 영역에 기화가스가 머물 수 있도록 공간이 형성된다. 버퍼 필러(59)는 기둥형태로 내부에 플라즈마가 통과되기 위한 관통홀(52)이 구비되거나 관통홀(52)이 구비되지 않은 형태일 수 있다. 버퍼 필러(59)의 설치 개수 및 두께는 다양하게 변형 가능하며. 버퍼 필러(59)의 배치 구조도 기화가스의 흐름 상태에 따라 다양하게 변형 실시가 가능하다.
센터 버퍼(58)의 하부에는 기화가스를 배출하기 위한 센터 기화가스 토출구(53)가 구비된다. 센터 공급로(57a)를 통해 공급된 기화가스는 센터 버퍼(58)의 버퍼 필러(59)를 회전하며 센터 버퍼(58) 내에서 머물게 되고, 센터 기화가스 토출구(53)를 통해 기판 처리 영역의 중심 영역으로 분사된다. 버퍼 필러(59)에 의해 기화가스가 센터 버퍼(58) 내에 소정 시간 머물게 되고, 버퍼 필러(59)에 의해 회전되며 센터 버퍼(58) 전체 영역으로 기화가스가 확산되어 기화가스의 압력 및 유량을 조절하여 분사할 수 있다. 센터 기화가스 토출구(53)와 에지 기화가스 토출구(54)는 독립적으로 분리되어 형성된다.
듀얼 가스 분배 배플(50)은 상부 플레이트(50-1)와 하부 플레이트(50-2)로 구성될 수 있다. 상부 플레이트(50-1)와 하부 플레이트(50-2)에는 공통으로 플라즈마 분배를 위한 복수 개의 관통홀(52)이 형성된다. 본 발명에서의 듀얼 가스 분배 배플(50)는 일 실시예로써 두 개의 플레이트를 용접하여 제작하였으나, 듀얼 가스 분배 배플(50)은 단일 플레이트로 제작되거나, 다수 개의 플레이트를 결합하여 제작될 수 있다.
듀얼 가스 분배 배플(50)의 테두리를 따라 형성된 다수 개의 격판(57)에 의해 에지 공급로(57b)가 형성된다. 격판(57)에 의해 주변영역으로 공급되는 기화가스는 듀얼 가스 분배 배플(50)의 테두리를 따라 돌며 평면의 중심방향으로 이동하여 에지 기화가스 분사홀(54)을 통해 기화가스가 주변영역으로 분사된다. 격판(57)의 설치 위치에 따라 듀얼 가스 분배 배플(50)의 중심영역과 주변영역으로 공급되는 기화가스의 양을 조절할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 듀얼 가스 분배 배플이 구비된 플라즈마 처리 장치를 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 듀얼 가스 분배 배플의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 도 9에 도시된 제1 센터 버퍼를 설명하기 위한 도면이고, 도 12는 도 9에 도시된 제2 센터 버퍼를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예인 듀얼 가스 분배 배플(300)은 제1 센터 버퍼(306)와 제2 센터 버퍼(326)를 포함한다. 듀얼 가스 분배 배플(300)은 상부면을 이루고 다수 개의 관통홀(302)이 구비된 제1 플레이트(310), 하부면을 이루고 다수 개의 에지 기화가스 토출구(336)와 제2 센터 기화가스 토출구(332)가 구비된 제3 플레이트(330), 및 제1 플레이트(310)와 제3 플레이트(330) 사이에 구비되고 다수 개의 제1 센터 토출구(322)가 구비된 제2 플레이트(320)로 구성된다. 제1, 2, 3 플레이트(310, 320, 33)는 용접되어 결합될 수 있다. 본 발명에서의 듀얼 가스 분배 배플(300)은 하나의 이상의 플레이트가 결합되어 형성되었으나, 듀얼 가스 분배 배플(300)이 하나의 플레이트로 형성될 수도 있다. 제1 플레이트(310)와 제2 플레이트(320) 사이의 센터 부분에는 제1 센터 버퍼(306)가 형성되고, 제2 플레이트(320)와 제3 플레이트(330) 사이의 센터 부분에는 제2 센터 버퍼(326)가 형성된다.
센터 공급로(301)를 통해 공급된 기화가스는 제1 센터 버퍼(306)에 구비된 다수개의 버퍼필러(315)에 의해 회전되며 이동된다. 이동된 기화가스는 제1 센터 버퍼(326)에 구비된 다수 개의 제1 센터 토출구(322)를 통해 제2 센터 버퍼(326)로 분사된다. 제2 센터버퍼(326)에는 제1 센터 버퍼(306)와 마찬가지로 다수 개의 버퍼필러(315)가 구비된다. 제2 센터버퍼(326) 내로 분사된 기화가스는 제2 센터 기화가스 토출구(332)를 통해 기판 처리 영역으로 분사된다. 센터 공급로(301)를 통해 공급된 기화가스는 제1, 2 센터 버퍼(306, 326)를 통과하며 유속이 조절되어 기판 처리 영역으로 균일하게 분사된다. 특히, 기판 처리 영역의 센터로 공급되는 기화가스는 유량과 압력조절이 불가능하나, 본 발명에서와 같이, 제1, 2 센터 버퍼(306, 326)를 통해 기화가스가 공급되면서 유량과 압력 조절이 가능하다. 또한 기화가스의 분사되는 시간을 조절하여 기판 처리 영역의 센터 영역에서의 균일한 분사가 가능하다.
본 발명에서는 다중 센터 버퍼가 2단으로 형성되어 있으나, 센터 버퍼의 개수는 다양한 변형 실시가 가능하다. 제1 센터 기화가스 토출구(322)와 제2 센터 기화가스 토출구(332)의 크기는 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 센터 기화가스 토출구(322)는 1.0ㅨ이고, 제2 센터 기화가스 토출구(332)는 0.5ㅨ의 크기로 형성할 수 있다. 그러므로 제1 센터 기화가스 토출구(322)를 통해 분사된 분사된 기화가스는 그기가 작아진 제2 센터 기화가스 토출구(332)를 통해 분사되며 분사 속도를 조절할 수 있다.
에지 공급로(57b)로 공급된 기화가스는 에지 기화가스 토출구(336)를 통해 기판 처리 영역의 주변영역으로 분사된다. 여기서, 에지 영역과 센터 영역으로 분사되는 기화가스가 혼합되는 것을 방지하기 위하여 파티션월(338)이 구비된다. 다중 센터 버퍼가 형성되는 센터 영역은 ㅨ100 구간으로 한정되며 파티션월(338)의 두께는 6mm이다. 또한 에지영역으로 기화가스를 공급하는 경우처럼 센터영역으로 기화가스를 공급하는 경우 다수 개의 격판(57)을 설치할 수 있다. 또한 듀얼 가스 분배 배플(300)은 여러 방향에서 기화가스가 공급될 수 있도록 다수의 센터 공급로(57a)가 구비될 수 있다.
제1 센터 기화가스 토출구(322)와 제2 센터 기화가스 토출구(332)는 동일 선상에 배치될 수 있다. 또는 동일 선상에 위치되지 않을 수도 있다. 센터 공급라인(57a)은 대칭으로 형성되어 브레이징 공정시 필러에 의해 공급 통로가 막힐 가능성을 낮추고 가공 후 크리닝 작업을 진행할 수 있다. 센터 공급라인(57a)은 직선으로 형성될 수도 있고, 곡선으로 형성될 수도 있다.
도 13은 디퓨저 플레이트가 구비된 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 플라즈마 처리장치(10a)는 공정가스를 균일하게 확산시키기 위한 디퓨저 플레이트(80)가 구비된다. 디퓨저 플레이트(80)는 세라믹류로 형성되며 챔버(12) 내로 유입되는 공정가스를 직접 플라즈마 발생 영역(200) 내에서 균일하게 확산시킨다. 디퓨저 플레이트(80)는 판 형상으로 가스 분사 헤드(30)와 대향되도록 이격되어 설치된다. 가스 분사 헤드(30)를 통해 유입된 공정가스는 직접 플라즈마 발생 영역(200)의 센터(center)에 집중되게 되는데, 디퓨저 플레이트(80)에 의해 에지(edge)영역으로 확산된다. 그러면 직접 플라즈마 발생 영역(200)에서의 공정가스 전체 잔여 시간이 증가되어 분해율이 상승된다. 가스 분사 헤드(30)을 통해 분사되어 분해되지 않은 공정가스는 직접 플라즈마 발생 영역(200)의 센터에 집중되어 존재하게 되는데, 디퓨저 플레이트(80)를 통해 확산되어 플라즈마에 의해 분해되기 때문에 플라즈마의 균일한 발생을 이룰 수 있다. 또한 에칭 타겟인 이산화 규소(sio2)의 에칭양(etch amount)이 증가한다. 제3 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는 디퓨저 플레이트(80)를 제외한 나머지 구성 및 기능은 도 1에 도시된 플라즈마 처리 장치 장치와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 14는 디퓨저 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 12를 참조하면, 디퓨저 플레이트(80)는 가스 분사 헤드(30)에 연결 설치되는 고정바(82)와 고정바(82)에 연결된 판 형상의 분배판(84)으로 형성된다. 챔버(12)의 센터에 설치된 가스 분사 헤드(30)에서 공급된 공정가스는 분배판(84)에 부딪히며 주변으로 확산된다. 그러므로 직접 플라즈마 발생 영역(200)의 센터에 집중되어 형성되던 플라즈마는 직접 플라즈마 발생 영역(200)의 전체에서 균일하게 형성될 수 있다.
분배판(84)은 관통홀이 없는 하나의 판으로 형성될 수도 있고, 다수의 관통홀(86)이 형성될 수도 있다. 분배판(84)에 의해 공정가스가 확산되면서 다수의 관통홀(86)을 통해 하부로 분배될 수도 있다. 마개(87) 및 마개 고정부재(88)를 관통홀(86)에 삽입 하여 다수의 관통홀(86)을 막아 관통홀(86)의 전체 개수를 조절할 수도 있다. 분배판(84)은 분배판(84)의 직경은 64Φ ㅁ 10Φ 로 형성하는 것이 바람직하나, 가스 분사 헤드(30)의 형태에 따라 형태 및 크기를 조절하여 형성한다.
도 15는 디퓨저 플레이트의 간격에 따른 플라즈마 균일도를 도시한 그래프이다.
도 15를 참조하면, 디퓨저 플레이트(80)와 가스 분사 헤드(30) 사이의 간격(gap)에 따라 플라즈마 균일도를 조절할 수도 있다. 먼저, 디퓨저 플레이트(80)가 구비되지 않은 경우(Normal)의 조건에서의 에칭양(etch amount) 및 균일도(uniformity)를 확인해 보면, 427Å/min 7.5%으로 나타난다. 도면에서 보는 바와 같이, 피처리 기판(1)의 센터 영역이 에지 영역에 비해 에칭양이 많은 것을 알 수 있다. 이는 플라즈마 발생이 센터 영역에 집중된 것을 의미한다.
반면에, 본 발명에 따른 디퓨저 플레이트(80)를 플라즈마 장치(10a)에 설치한 후의 에칭양 및 균일도를 확인해 보면, 디퓨저 플레이트(80)의 설치 갭(gap)이 5mm인 경우의 에칭양 및 균일도는 503Å/min 3.8%, 10mm인 경우는 516Å/min 3.4%, 15mm인 경우는 508Å/min 3.3%으로 나타난다. 그러므로 디퓨저 플레이트(80)을 통해 플라즈마 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한 디퓨저 플레이트(80) 갭의 변화에 따라 공정가스의 확산 속도 및 거리 차이가 발생하기 때문에 갭의 변화를 통해 에칭양을 조절함으로써 플라즈마 균일도를 향상시킬 수 있다.
도 16은 도 13의 플라즈마 처리 장치를 이용한 플라즈마 처리 방법을 도시한 흐름도이다.
도 16을 참조하면, 공정가스 공급원(15)으로부터 공급된 공정가스는 플라즈마 처리 장치(10a)의 가스 분사 헤드(30)를 통해 직접 플라즈마 발생 영역(200)으로 공급된다(S200). 공급된 공정가스는 디퓨저 플레이트(80)에 의해 플라즈마 발생 영역(200)내에서 균일하게 확산된다(S210). 직접 플라즈마 발생 영역(200)에서 발생된 플라즈마는 가스 분배 배플(40) 및 듀얼 가스 분배 배플(50)을 통해 기판 처리영역으로 공급된다(S220). 기판 처리 영역으로 듀얼 가스 분배 배플(50)의 중심영역과 주변영역으로 기화가스를 분사함으로써 플라즈마와 기화가스가 반응하여 반응종을 형성한다(S230). 기판 처리 영역에서 생성된 반응종을 이용하여 피처리 기판(1)을 처리한다(S240).
도 17 및 도 18은 유도 결합 플라즈마 방식의 플라즈마 처리 장치를 도시한 도면이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 플라즈마 처리 장치(10b, 10c)는 챔버(12) 내부로 유도 결합된 플라즈마를 공급하기 위한 무선 주파수 안테나(92)가 구비된다. 무선 주파수 안테나(92)는 챔버(12) 상부에 구비된 유전체 윈도우(96)의 상부에 나선형으로 권선되어 설치된다. 무선 주파수 안테나(92)는 임피던스 정합기(5)를 통해 전원 공급원(3)에 연결되어 전력을 공급받는다. 무선 주파수 안테나(92)의 상부를 감싸는 형태로 마그네틱 커버(94)가 설치되어 챔버(12) 내부로 자속을 집중시킬 수 있다. 하나의 무선 주파수 안테나(92)를 나선형으로 설치할 수도 있고, 다수 개의 무선 주파수 안테나(92)를 병렬로 설치할 수도 있다.
또한 플라즈마 처리 장치(10c)는 공정가스를 균일하게 공급하기 위한 디퓨저 플레이트(80)가 더 구비된다. 디퓨저 플레이트(80)는 가스 분사 헤드(30)에 설치되어 챔버(12) 내로 공급되는 공정가스가 균일하게 분사되도록 한다. 디퓨저 플레이트(80)의 구조 및 기능은 상기에 설명한 내용과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 19 및 도 20은 복수 개의 가스 주입구를 갖는 플라즈마 처리 장치를 도시한 도면이다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 플라즈마 처리 장치(10d, 10e)는 챔버(12)의 중심영역으로 공정가스를 공급하기 위한 제1 가스 분사 헤드(30a) 및 주변 영역으로 공정가스를 공급하기 위한 제2 가스 분사 헤드(30b)가 더 구비된다. 제1, 2 가스 분사헤드(30a, 30b)를 통해 중심영역과 주변영역으로 공급되는 공정가스의 공급량을 조절함으로써 플라즈마의 전체 균일도를 조절할 수 있다.
플라즈마 처리 장치(10, 10e)는 중심영역과 주변영역으로 플라즈마를 유도하기 위한 플라즈마 소스가 다르게 형성된다. 예를 들어, 중심영역에는 용량 결합 전극이 설치되고, 주변영역에는 무선 주파수 안테나가 설치될 수도 있다. 또한 반대로 중심영역에는 무선 주파수 안테나가 설치되고, 주변영역에는 용량 결합 전극이 설치될 수도 있다. 용량 결합 전극과 무선 주파수 안테나에 의해 복합적으로 플라즈마가 방전된다.
또한 플라즈마 처리 장치(10e)는 공정가스를 균일하게 공급하기 위한 디퓨저 플레이트(80)가 더 구비된다. 디퓨저 플레이트(80)는 제1, 2 가스 분사 헤드(30a, 30b)에 각각 설치되어 중심영역과 주변영역으로 공급되는 공정가스가 균일하게 분사되도록 한다. 디퓨저 플레이트(80)의 구조 및 기능은 상기에 설명한 내용과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
상기에 설명한 다양한 형태의 플라즈마 처리 장치(10a, 10b, 10c, 10d, 10e)에 구비된 기판 지지대(2)는 정전 방식 또는 진공 방식으로 중 어느 하나의 방식으로 동작되어 피처리 기판(1)을 고정한다. 본 발명에서의 기판 지지대(2)는 정전 방식 또는 진공 방식 중 하나의 방식을 선택하여 구동할 수 있는 하이브리드 척(Chuck)으로 구성될 수 있다. 이러한 하이브리드 척은 상기에 설명한 플라즈마 처리 장치(10a, 10b, 10c, 10d, 10e)에 모두 적용된다.
이하에서는 하이브리드 척의 구성 및 동작 방법에 대해 설명한다.
도 21은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 척의 평면을 도시한 도면이고, 도 22는 도 21의 하이브리드 척의 단면을 도시한 도면이다.
도 21 및 도 22를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 척은 피처리 기판(1)을 지지하기 위한 기판 지지대(100)로 명칭한다. 기판 지지대(100)는 몸체부(102), 제1, 2 전극부(112, 114) 및 하이브리드 라인(106)으로 구성된다.
몸체부(102)는 피처리 기판(1)이 상부에 안착되는 기저부로써, 플라즈마 챔버 내에 구비된다. 몸체부(102)는 처리하고자하는 피처리 기판(1)의 형태에 따라 원형 또는 사각형 등 다양한 형태로의 변형이 가능하다. 몸체부(102)에는 피처리 기판(1)을 지지하면서 피처리 기판(1)을 승강 또는 하강시키기 위한 리프트 핀(104)이 구비된다. 피처리 기판(1)은 예를 들어, 반도체 장치를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판 또는 액정 디스플레이나 플라즈마 디스플레이 등의 제조를 위한 유리 기판이다.
제1, 2 전극부(112, 114)는 몸체부(102)에서 피처리 기판(1)이 안착되는 상면에 형성된다. 제1, 2 전극부(112, 114)의 상면에는 유전층(108)이 형성되어 유전층(108) 위로 피처리 기판(1)이 안착된다. 유전층(108)은 하나의 판 형상으로 형성될 수도 있고, 제1, 2 전극부(112, 114)와 동일한 형상으로 형성될 수도 있다. 제1, 2 전극부(112, 114)는 지그재그 형상으로 형성되어 서로 끼워지듯이 설치된다. 이러한 전극부의 형상은 전극부와 피처리 기판(1)의 접촉면을 증가시켜 정전기력의 발생을 극대화할 수 있다. 본 발명에서의 전극부 형상은 예시적인 것으로 다양한 형상으로의 변형이 가능하다. 제1, 2 전극부(112, 114)는 정전척 전원공급원(120)에 연결되어 정전 방식으로 기판 지지대(100)를 구동하는 경우 정전기력 발생을 위한 전압을 공급받는다.
제1, 2 전극부(112, 114) 사이에는 전기적 절연을 위한 절연부(113)가 구비된다. 본 발명에 따른 하이브리드 척은 유니폴라(Unipolar, 또는 모노폴라(Monopolar)) 방식으로 몸체부(102)에 하나의 전극을 구비하여 정전기력을 발생시킬 수도 있고, 바람직하게는 기판을 고정할 때 별도의 전계가 필요하지 않는 바이폴라(Bipolar) 방식으로 둘 이상의 전극을 구비하여 정전기력을 발생시킬 수 있다. 본 발명에서는 바이폴라 방식의 제1, 2 전극부(112, 114)를 개시하여 설명한다.
하이브리드 라인(106)은 하나 이상이 몸체부(102)를 관통하여 형성된다. 하나 이상의 하이브리드 라인(106)은 진공펌프(130)에 연결되고, 진공 방식으로 기판 지지대(100)를 구동하는 경우 하이브리드 라인(106)을 통해 공기를 흡입함으로써, 몸체부(102) 상면에 안착되는 피처리 기판(1)을 고정한다.
하이브리드 라인(106)은 냉매 공급원(150)에 연결되어 피처리 기판(1)의 냉각을 위한 냉각 채널로 사용될 수도 있다. 다시 말해, 하이브리드 라인(106)은 기판 지지대(100)가 진공 방식으로 구동되는 경우에는 공기를 흡입하여 피처리 기판(1)을 고정하고, 기판 지지대(100)가 정전 방식으로 구동되는 경우에는 냉매를 공급받아 피처리 기판(1)을 냉각시킨다.
둘 이상의 하이브리드 라인(106)은 서로 연결되어 냉매 순환 패스(107)를 형성한다. 냉매 순환 패스(107)는 몸체부(102)의 상면인 유전체층(108)에 동심원 형태로 형성된다. 냉매 순환 패스(107)는 몸체부(102)의 상면 전체에 균일하게 분포된다. 냉매 순환 패스(107)에서 하나의 하이브리드 라인(106)은 냉매 공급로로 사용되고, 다른 하나의 하이브리드 라인(106)은 냉매 배출로로 사용된다. 냉매 공급원(150)으로부터 하나의 하이브리드 라인(106)을 통해 냉매가 공급되고, 냉매 순환 패스(107)를 따라 순환하며 피처리 기판(W)의 온도를 조절한 후 다시 다른 하나의 하이브리드 라인(106)을 통해 배출된다. 이때, 각각의 하이브리드 라인(106)은 냉매의 유량을 조절하기 위한 유량 조절 밸브(154)가 연결된다. 진공 방식의 기판 지지대(100)에서 냉매로는 헬륨(He) 가스가 공급될 수 있다.
진공 방식으로 기판 지지대(100)를 구동하는 경우에는 제1, 2 전극부(112, 114)가 구동되어 전기적인 힘에 의해 피처리 기판(1)을 고정한다. 진공 방식은 기판 지지대(100)가 설치되는 챔버 내의 분위기에 제약을 받지 않으며, 냉매 순환 패스(107) 및 하이브리드 라인(106)을 통해 피처리 기판(1) 후면으로 헬륨 가스가 순환되면서 기판의 온도를 조절하여 온도 균일도를 개선한다.
하이브리드 라인(106)은 스위칭 밸브(140)를 통해 진공 펌프(130) 또는 냉매 공급원(150)과 연결된다. 스위칭 밸브(140)는 제어부(110)로부터 진공 방식으로의 구동을 위한 신호를 전달받으면 하이브리드 라인(106)과 진공 펌프(130)를 연결한다. 또한 스위칭 밸브(140)는 제어부(110)로부터 정전 방식으로의 구동을 위한 신호를 전달받으면 하이브리드 라인(106)과 냉매 공급원(150)을 연결한다. 이때, 제어부(110)는 정전척 전원공급원(120)으로 구동 신호를 전송한다.
피처리 기판(1)이 기판 지지대(100)에 고정된 상태를 확인하기 위해 하이브리드 라인(106)과 진공 펌프(130) 사이에는 압력 측정 센서부(132)가 구비된다. 압력 측정 센서부(132)는 하이브리드 라인(106)의 진공 압력 변화량을 측정하여 기판이 고정된 상태를 확인한다. 또한 피처리 기판(1)이 기판 지지대(100)에 고정된 상태를 확인하기 위해 하이브리드 라인(106)과 냉매 공급원(150) 사이에는 유량 측정 센서부(152)가 구비된다. 유량 측정 센서부(152)는 하이브리드 라인(106) 및 냉매 순환 패스(107)의 냉매 유량 변화량을 측정하여 기판이 고정된 상태를 확인한다.
종래의 기판 지지대(100)는 주로 세라믹(Ceramic) 재질로 형성되었으나, 본 발명에서의 기판 지지대(100)는 폴리이미드(Polyimide)로 형성된다. 세라믹은 높은 내구성과 높은 열전도율 및 흡착력이 우수한 장점있다. 단점으로는 고비용이고 제조공정이 어려울 뿐만 아니라 다공성(porous) 성질로 인해 수분을 흡수하는 단점이 있다. 반면에, 폴리이미드(Polyimide)는 가격이 저념하고 내열성이 뛰어나 저온에서 고온까지 특성의 변화가 적다. 또한 높은 절연파괴 전압, 짧은 방전시간을 갖는 장점이 있다. 또한 수분에 의한 영향성이 없어 세라믹에 비하여 넓은 활용범위를 갖는다.
도 23은 하이브리드 척의 동작 방법에 대한 흐름도이다.
도 23을 참조하면, 공정 진행을 위해 피처리 기판(1)이 챔버 내로 유입되면, 사용자 또는 제어부(110)는 기판 지지대(100)를 정전 방식 또는 진공 방식 중 어느 하나로 구동할지 선택한다(S300). 사용자에 의해 수동으로 방식을 선택할 수도 있고, 제어부(110)에 의해 챔버 내의 분위기 또는 기판 지지대(100)의 상태에 따라 시스템적으로 선택될 수 있다.
정전 방식으로 동작하는 것을 선택한 경우, 정전척 전원공급원(120)으로부터 제1, 2 전극부(112, 114)에 정전척 전압을 인가한다(S310). 냉매 공급원(150)으로부터 공급된 냉매는 하이브리드 라인(106) 및 냉매 순환 패스(107)를 따라 순환한다(S311). 도면에는 도시하지 않았으나 압력 측정 장치를 이용하여 순환된 냉매의 압력을 측정하고(S312), 유량 측정 센서(152)를 통해 냉매의 유량을 측정하여 제어부로 전송한다(S313). 제어부(110)는 측정된 냉매의 유량 변화량을 통해 피처리 기판(1)의 고정 상태를 확인한다. 예를 들어, 제어부(110)에서는 피처리 기판(1)이 정상적으로 고정된 상태와 비정상적으로 고정된 상태의 유량 변화에 대한 데이터를 측정된 유량 변화량과 비교하여 고정 상태를 확인할 수 있다(S314). 냉매 유량 변화량이 정상이라고 판단되면 피처리 기판(1)에 대한 공정을 진행한다(S316).그러나 냉매 유량 변화량을 통해 피처리 기판(1)이 정상적으로 고정되지 않았다고 판단되면, 피처리 기판(1)을 다시 기판 지지대(100)에 안착시켜 상기의 과정을 반복할 수 있다. 또는 정전 방식으로 구동이 원활하지 않다고 판단하여 진공 방식으로 전환하여 피처리 기판(1)을 기판 지지대(100)에 고정할 수도 있다(S315). 이러한 동작 방식의 전환은 사용자에 의해 수동으로 이루어질 수도 있고, 제어부(110)의 판단에 의해 자동으로 이루어질 수도 있다.
진공 방식으로 동작하는 것을 선택한 경우, 진공 펌프(130)를 구동하여 하이브리드 라인(106)을 통해 공기를 흡입한다(S320). 압력 측정 센서(132)를 통해 하이브리드 라인(106)의 진공 압력을 측정하여 제어부로 전송한다(S321). 제어부(110)는 측정된 진공 압력 변화량을 통해 피처리 기판(1)의 고정 상태를 확인한다. 예를 들어, 제어부(110)에서는 피처리 기판(1)이 정상적으로 고정된 상태와 비정상적으로 고정된 상태의 압력 변화에 대한 데이터를 측정된 압력 변화량과 비교하여 고정 상태를 확인할 수 있다(S322). 진공 압력 변화량이 정상이라고 판단되면 피처리 기판(1)에 대한 공정을 진행한다(S324).그러나 진공 압력 변화량을 통해 피처리 기판(1)이 정상적으로 고정되지 않았다고 판단되면, 피처리 기판(1)을 다시 기판 지지대(100)에 안착시켜 상기의 과정을 반복할 수 있다. 또는 진공 방식으로 구동이 원활하지 않다고 판단하여 정전 방식으로 전환하여 피처리 기판(1)을 고정할 수도 있다(S323). 이러한 동작 방식의 전환은 사용자에 의해 수동으로 이루어질 수도 있고, 제어부(110)의 판단에 의해 자동으로 이루어질 수도 있다.
그러므로 본 발명의 하이브리드 척을 이용하면 공정 분위기와 환경에 따라 기판 고정 방식을 선택할 수 있다. 또한 하나의 방식을 사용하지 못하는 경우 다른 방식을 선택하여 기판을 고정할 수 있으므로 고장 시 기판 처리 공정을 중단하거나 척을 교체하지 않아도 되어 생산성이 증가하고 수리비용 및 생산비용이 절감되는 효과를 갖는다.
이상에서 설명된 본 발명의 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다.
그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
1: 피처리 기판 2: 기판 지지대
3: 전원 공급원 4: 직류 전원 공급원
5, 7: 임피던스 정합기 6: 바이어스 전원 공급원
10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e: 플라즈마 처리 장치
12: 챔버 14: 가스 주입구
15: 공정 가스 공급원 16: 가스 배출구
17: 배기펌프 20: 용량 결합 전극 어셈블리
21: 접지 22: 제1 전극
22a: 돌출부 24: 제2 전극
24a: 전원 전극 24b: 절연부
26: 냉각 채널 27: 냉각수 공급원
28: 유전체 윈도우 30: 가스 분사 헤드
30a, 30b: 제1, 2 가스 분사 헤드 32: 센터 가스 분사 헤드
34: 에지 가스 분사 헤드 40: 가스 분배 배플
42: 관통홀 50, 300: 듀얼 가스 분배 배플
50-1: 상부 플레이트 50-2: 하부 플레이트
52: 관통홀 53: 센터 기화가스 토출구
54: 에지 기화가스 토출구 55: 전원 공급원
56: 분리판 57: 격판
57a: 센터 공급로 57b: 에지 공급로
57: 전원 공급원 60: 리프트 핀
62: 리프트 핀 구동부 72: 배기홀
74: 배기배플 75: 배기영역
80: 디퓨저 플레이트 82: 고정바
84: 분배판 86: 관통홀
87: 마개 88: 마개 고정부재
92: 무선 주파수 안테나 94: 마그네틱 커버
96: 유전체 윈도우 100: 기판 지지대
102: 몸체부 104: 리프트 핀
106: 하이브리드 라인 107: 냉매 순환 패스
108: 유전층 110: 제어부
200, 210: 직접 플라즈마 발생 영역
230: 기판 처리 영역

Claims (10)

  1. 피처리 기판을 처리하기 위한 챔버;
    상기 챔버 내로 공정 가스가 유입되어 플라즈마가 직접 유도되는 상기 챔버 내의 직접 플라즈마 발생 영역;
    상기 직접 플라즈마 발생 영역으로 플라즈마를 유도하는 플라즈마 유도 어셈블리;
    상기 직접 플라즈마 발생 영역으로부터 유입된 플라즈마와 상기 챔버의 외부에서 유입된 기화가스가 혼합되어 반응종을 형성하고, 반응종에 의해 상기 피처리 기판이 처리되는 상기 챔버 내의 기판 처리 영역;
    상기 직접 플라즈마 발생 영역과 상기 기판 처리 영역 사이에 구비되어 상기 기판 처리 영역으로 플라즈마를 제공하고, 기화가스를 상기 기판 처리 영역의 중심영역과 주변영역으로 분배하는 듀얼 가스 분배 배플;
    상기 듀얼 가스 분배 배플에 관통 형성되어 상기 직접 플라즈마 발생 영역에서 발생된 플라즈마를 상기 기판 처리 영역으로 제공하기 위한 복수 개의 관통홀;
    상기 듀얼 가스 분배 배플 내에 구비되며, 기화가스 공급로를 통해 공급된 기화가스가 저장되는 센터 버퍼영역;
    상기 센터 버퍼영역에 구비되고, 상기 센터 버퍼영역으로 제공된 상기 기화가스가 회전하며 상기 센터 버퍼영역 내에서 이동할 수 있도록 기둥형태로 형성되어 내부에 상기 관통홀이 구비되는 하나 이상의 버퍼필러;
    상기 센터 버퍼영역으로 공급된 기화가스를 상기 기판 처리 영역의 중심영역으로 분사하기 위하여 상기 듀얼 가스 분배 배플에 구비되는 하나 이상의 센터 기화가스 토출구; 및
    상기 듀얼 가스 분배 배플 내에 형성된 기화가스 공급로를 통해 공급된 기화가스를 상기 기판 처리 영역의 주변영역으로 분사하기 위한 하나 이상의 에지 기화가스 토출구를 포함하고,
    상기 듀얼 가스 분배 배플의 테두리를 따라 다수 개의 격판이 구비되어, 상기 격판에 의해 상기 기화가스가 이동하는 에지 공급로를 포함하고,
    상기 에지 공급로는,
    상기 듀얼 가스 분배 배플의 테두리를 따라 다수개의 격판으로 형성되는 제 1 에지 공급로;
    상기 제 1 에지 공급로 내측으로 상기 제 1 에지 공급로를 형성하는 상기 다수개의 격판을 따라 다른 다수개의 격판으로 형성되는 제 2 에지 공급로;를 포함하고,
    상기 기화가스가 이동하는 상기 다수개의 격판에 형성된 통로와 상기 다른 다수개의 격판에 형성된 다른 통로가 서로 엇갈려서 형성되는, 것을 특징으로 하는 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 유도 어셈블리는 복수 개의 용량 결합 전극을 포함한 용량 결합 전극 어셈블리 또는 무선 주파수 안테나인 것을 특징으로 하는 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 유도 어셈블리는
    상기 직접 플라즈마 발생 영역의 중심 영역으로 플라즈마를 유도하는 센터 플라즈마 유도 어셈블리; 및
    상기 직접 플라즈마 발생 영역의 주변 영역으로 플라즈마를 유도하는 에지 플라즈마 유도 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 듀얼 가스 분배 배플은 열선을 포함하는 것을 특징으로 하는 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기화 가스는 기화된 H2O 인 것을 특징으로 하는 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리 장치는 상기 챔버 내부로 공정가스를 공급하기 위한 하나 이상의 가스 주입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리 장치는
    상기 가스 주입구와 대향되도록 설치되어 공정가스를 상기 직접 플라즈마 발생 영역 내에서 확산시키기 위한 디퓨저 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 듀얼 가스 분배배플은 상기 기화가스 공급로를 통해 공급된 기화가스가 저장되는 제1 센터 버퍼영역;
    상기 제1 센터 버퍼영역으로부터 상기 기화가스가 배출되도록 관통형성된 제1 센터 기화가스 토출구;
    상기 제1 센터 기화가스 토출구를 통해 공급된 기화가스가 저장되는 제2 센터 버퍼영역;
    상기 제2 센터 버퍼영역으로부터 상기 기화가스를 상기 기판 처리 영역으로 분사하기 위한 제2 센터 기화가스 토출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 균일한 가스 분배를 위한 듀얼 가스 분배 배플을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  10. 삭제
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