KR101909473B1 - 기판 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

기판 처리 장치가 개시된다. 기판 처리 장치는 상면이 개방된 내부 공간이 형성된 몸체; 상기 몸체의 개방된 상면을 밀폐하는 유전체 재질의 윈도우; 상기 몸체 내부에 위치하며, 기판을 지지하는 기판 지지부; 상기 몸체 내부에 공정 가스를 공급하는 가스 공급부; 상기 몸체 내부에 고주파 전력을 인가하여 상기 몸체 내부에 공급된 공정 가스를 여기시키는 안테나; 및 상기 윈도우에 설치되며, 열을 발생하여 상기 윈도우를 가열하는 비금속성 재질의 히터를 포함한다.

Description

기판 처리 장치{APPARATUS FOR TREATING SUBSTRATE}
본 발명은 기판 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라스마를 이용하여 기판을 처리하는 장치에 관한 것이다.
플라스마는 매우 높은 온도나, 강한 전계 혹은 고주파 전자계(RF Electromagnetic Fields)에 의해 생성되며, 이온이나 전자, 라디칼등으로 이루어진 이온화된 가스 상태를 말한다. 반도체 소자 제조 공정은 플라스마를 사용하여 식각 공정을 수행한다. 식각 공정은 플라스마에 함유된 이온 입자들이 기판과 충돌함으로써 수행된다.
식각 공정은 공정 챔버 내부에서 수행된다. 공정 챔버 내부로 공정 가스가 공급되고, 안테나가 공정 챔버 내부에 고주파 전력을 인가하여 공정가스를 플라스마 상태로 여기시킨다. 안테나로부터 인가된 고주파 전력은 유전체 윈도우를 투과하여 공정 챔버 내부에 제공된다. 유전체 윈도우의 온도는 기판 처리율에 영향을 미친다. 유전체 윈도우는 발생된 플라스마에 의해 가열되어 온도가 상승하나, 플라스마 발생 초기에는 낮은 온도로 유지되어 공정 초기 단계에 제공되는 기판의 처리율을 떨어뜨린다.
본 발명의 실시예들은 기판을 균일하게 처리할 수 있는 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치는 상면이 개방된 내부 공간이 형성된 몸체; 상기 몸체의 개방된 상면을 밀폐하는 유전체 재질의 윈도우; 상기 몸체 내부에 위치하며, 기판을 지지하는 기판 지지부; 상기 몸체 내부에 공정 가스를 공급하는 가스 공급부; 상기 몸체 내부에 고주파 전력을 인가하여 상기 몸체 내부에 공급된 공정 가스를 여기시키는 안테나; 및 상기 윈도우에 설치되며, 열을 발생하여 상기 윈도우를 가열하는 비금속성 재질의 히터를 포함한다.
또한, 상기 히터는 흑연 재질로 제공될 수 있다.
또한, 상기 히터는 상기 윈도우의 둘레를 따라 서로 이격하여 복수개 제공되고, 상기 히터들 각각은 그 길이방향이 상기 윈도우의 반경 방향과 나란하게 배치되며 상기 윈도우의 내부에 삽입되는 히팅 로드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 히팅 로드들은 상기 윈도우의 중심을 기준으로 방사형으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 히터는 상기 윈도우의 내부에 매설되며, 상기 윈도우와 동일한 중심을 갖는 링 형상의 코일을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 윈도우가 가열되어 온도가 균일하게 유지되므로, 기판이 균일하게 처리될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 히터를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 1의 히터가 윈도우에 배치되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히터를 나타내는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판 처리 장치(10)는 플라스마를 이용하여 기판(W)을 처리한다. 기판 처리 장치(10)는 공정 챔버(100), 기판 지지부(200), 가스 공급부(300), 그리고, 플라스마 생성부(400), 히팅 부재(500)를 포함한다.
공정 챔버(100)는 기판(W) 처리 공정이 수행되는 공간을 제공한다. 공정 챔버(100)는 몸체(110), 윈도우(120), 그리고 라이너(130)를 포함한다.
몸체(110)에는 상면이 개방된 공간이 내부에 형성된다. 몸체(110)의 내부 공간은 기판(W) 처리 공정이 수행되는 공간으로 제공된다. 몸체(110)는 금속 재질로 제공된다. 몸체(100)는 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 몸체(110)의 바닥면에는 배기홀(102)이 형성된다. 배기홀(102)은 배기 라인(151)과 연결된다. 공정 과정에서 발생한 반응 부산물 및 몸체의 내부 공간에 머무르는 가스는 배기 라인(151)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 배기 과정에 의해 몸체(110) 내부는 소정 압력으로 감압된다.
윈도우(120)는 몸체(110)의 개방된 상면을 덮는다. 윈도우(120)는 원판 형상으로 제공되며, 몸체(110)의 내부공간을 외부로부터 밀폐한다. 윈도우(120)는 몸체(110)와 상이한 재질로 제공될 수 있다. 윈도우(120)는 유전체(dielectric substance) 재질로 제공될 수 있다.
라이너(130)는 몸체(110) 내부에 제공된다. 라이너(130)는 상면 및 하면이 개방된 공간이 내부에 형성된다. 라이너(130)는 원통 형상으로 제공될 수 있다. 라이너(130)는 몸체(110)의 내측면에 상응하는 반경을 가질 수 있다. 라이너(130)는 몸체(110)의 내측면을 따라 제공된다. 라이너(130)의 상단에는 지지 링(131)이 형성된다. 지지 링(131)은 링 형상의 판으로 제공되며, 라이너(130)의 둘레를 따라 라이너(130)의 외측으로 돌출된다. 지지 링(131)은 몸체(110)의 상단에 놓이며, 라이너(130)를 지지한다. 라이너(130)는 몸체(110)와 동일한 재질로 제공될 수 있다. 라이너(130)는 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 라이너(130)는 몸체(110) 내측면을 보호한다. 공정 가스가 여기되는 과정에서 공정 챔버(100) 내부에는 아크(Arc) 방전이 발생될 수 있다. 아크 방전은 주변 장치들을 손상시킨다. 라이너(130)는 몸체(110)의 내측면을 보호하여 몸체(110)의 내측면이 아크 방전으로 손상되는 것을 방지한다. 라이너(130)는 몸체(110)에 비하여 비용이 저렴하고, 교체가 용이하다. 따라서, 아크 방전으로 라이너(130)이 손상될 경우, 새로운 라이너로 교체할 수 있다.
몸체(110)의 내부에는 기판 지지부(200)가 위치한다. 기판 지지부(200)는 기판(W)을 지지한다. 기판 지지부(200)는 정전기력을 이용하여 기판(W)을 흡착하는 정전 척을 포함한다.
정전 척(200)은 유전판(210), 하부 전극(220), 히터(230), 지지판(240), 그리고 절연판(270)을 포함한다.
유전판(210)은 정전 척(200)의 상단부에 위치한다. 유전판(210)은 원판 형상의 유전체(dielectric substance)로 제공된다. 유전판(210)의 상면에는 기판(W)이 놓인다. 유전판(210)의 상면은 기판(W)보다 작은 반경을 갖는다. 때문에, 기판(W) 가장자리영역은 유전판(210)의 외측에 위치한다. 유전판(210)에는 제1공급 유로(211)가 형성된다. 제1공급 유로(211)는 유전판(210)의 상면으로부터 저면으로 제공된다. 제1공급 유로(211)는 서로 이격하여 복수개 형성되며, 기판(W)의 저면으로 열전달 매체가 공급되는 통로로 제공된다.
유전판(210)의 내부에는 하부 전극(220)과 히터(230)가 매설된다. 하부 전극(220)은 히터(230)의 상부에 위치한다. 하부 전극(220)은 제1하부 전원(221)과 전기적으로 연결된다. 제1하부 전원(221)은 직류 전원을 포함한다. 하부 전극(220)과 제1하부 전원(221) 사이에는 스위치(222)가 설치된다. 하부 전극(220)은 스위치(222)의 온/오프(ON/OFF)에 의해 제1하부 전원(221)과 전기적으로 연결될 수 있다. 스위치(222)가 온(ON) 되면, 하부 전극(220)에는 직류 전류가 인가된다. 하부 전극(220)에 인가된 전류에 의해 하부 전극(220)과 기판(W) 사이에는 전기력이 작용하며, 전기력에 의해 기판(W)은 유전판(210)에 흡착된다.
히터(230)는 제2하부 전원(231)과 전기적으로 연결된다. 히터(230)는 제2하부 전원(231)에서 인가된 전류에 저항함으로써 열을 발생시킨다. 발생된 열은 유전판(210)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)부터 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 플라스마에서 기판(W)으로 전달된 열이 정전 척(200)으로 전달되는 매개체 역할을 한다. 플라스마에 함유된 이온 입자들은 정전 척(200)에 형성된 전기력에 끌려 정전 척(200)으로 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 정전 척(200)으로 전달된다. 이에 의해, 기판(W)은 설정온도로 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 정전 척(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 플라스마가 형성되는 영역의 중심에 기판(W)이 위치하도록 전기장 형성 영역을 확장시킨다. 이에 의해, 기판(W)의 전체 영역에 걸쳐 플라스마가 균일하게 형성되어 기판(W)의 각 영역이 균일하게 식각될 수 있다.
가스 공급부(300)는 공정 챔버(100) 내부에 공정 가스를 공급한다. 가스 공급부(300)는 가스 공급 노즐(310), 가스 공급 라인(320), 그리고 가스 저장부(330)를 포함한다. 가스 공급 노즐(310)은 윈도우(120)의 중앙부에 설치된다. 가스 공급 노즐(310)의 저면에는 분사구가 형성된다. 분사구는 윈도우(120)의 하부에 위치하며, 공정 챔버(100) 내부로 공정 가스를 공급한다. 가스 공급 라인(320)은 가스 공급 노즐(310)과 가스 저장부(330)를 연결한다. 가스 공급 라인(320)은 가스 저장부(330)에 저장된 공정 가스를 가스 공급 노즐(310)에 공급한다. 가스 공급 라인(320)에는 밸브(321)가 설치된다. 밸브(321)는 가스 공급 라인(320)을 개폐하며, 가스 공급 라인(320)을 통해 공급되는 공정 가스의 유량을 조절한다.
플라스마 생성부(400)는 공정 챔버(100) 내부에 고주파 전력을 인가하여 공정 챔버(100) 내부에 공급된 공정 가스를 여기시킨다. 플라스마 생성부(400)는 하우징(410), 상부 전원(420), 그리고 안테나(430)을 포함한다.
하우징(410)은 저면이 개방되며, 내부에 공간이 형성된다. 하우징(410)은 윈도우(120)의 상부에 위치하며, 윈도우(120)의 상면에 놓인다. 하우징(410)의 내부는 안테나(430)가 위치하는 공간으로 제공된다. 상부 전원(420)은 고주파 전류를 발생시킨다. 발생된 고주파 전류는 안테나(430)에 인가된다. 안테나(430)는 공정 챔버(100) 내부에 고주파 전류를 인가한다. 안테나(430)는 서로 상이한 반경을 갖는 링 형상의 코일들이 동일한 중심에 위치되도록 배치될 수 있다.
히팅 부재(500)는 윈도우(120)를 소정 온도로 가열한다. 히팅 부재(500)는 히터(510)와 전원(520)을 포함한다. 히터(510)는 윈도우(120)에 설치되며, 전원(520)에서 인가된 전류에 저항함으로써 열을 발생시킨다. 발생된 열은 윈도우(120)에 전달되어 윈도우(120)를 가열한다. 윈도우(120)는 100℃ 내지 200℃로 가열될 수 있다. 히터(510)는 비금속성 재질로 제공된다. 히터(510)는 탄소(carbon) 계열 재질로 제공될 수 있다. 히터(510)는 흑연(graphite) 재질로 제공될 수 있다.
도 2는 도 1의 히터를 나타내는 사시도이다. 도 2를 참조하면, 히터(510)는 히팅 로드(511)와 연결 로드(512)를 포함한다. 히팅 로드(511)는 봉 형상을 가진다. 연결 로드(512)는 히팅 로드(511)의 후단에 연결되며, 히팅 로드(511)와 전원(520)을 연결한다. 히터(510)의 외부 표면은 외부 환경으로부터 손상되지 않도록 표면처리될 수 있다. 히터(510)의 외부 표면은 실리콘 카바이드(SiC)로 코팅될 수 있다.
도 3은 도 1의 히터가 윈도우에 배치되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 히터(510)는 복수개 제공되며, 윈도우(120)의 둘레를 따라 서로 이격하여 제공된다. 히터(510)들은 윈도우(120) 내부에 삽입된다. 각각의 히터(510)들은 그 길이방향이 윈도우(120)의 반경 방향과 나란하게 배치된다. 이에 의해, 히터(510)들은 윈도우(120)의 중심(C)을 기준으로 방사형으로 배치된다. 히터(510)들은 병렬 연결되며, 하나의 전원(도 1의 520)으로부터 전류가 인가된다. 윈도우(120)의 중심(C)에 인접한 히터(510)의 선단부는 안테나(430)의 하부에 위치될 수 있다. 상부에서 바라볼 때, 히터(510)들의 선단부는 안테나(430)와 중첩될 수 있다. 히터(510)는 비금속 재질로 제공되므로, 안테나(430)가 공정 챔버(도 1의 100) 내부로 고주파 전류를 인가하는 과정에서 히터(510)와의 간섭이 예방되고, 고주판 전류가 히터(510)를 통해 외부로 손실되는 것이 예방될 수 있다.
윈도우(120)의 온도는 기판(도 1의 W) 처리에 영향을 미친다. 윈도우(120)의 온도가 기 설정된 온도에 이르지 못한 경우, 기판 처리율이 감소될 수 있다. 윈도우(120)는 공정 중에 발생된 플라스마에 의해 온도가 가열될 수 있다. 그러나, 플라스마 발생 초기에는 윈도우(120)가 낮은 온도로 유지되므로, 첫장 효과 즉 공정 초기 단계에 제공된 기판(W)은 공정 처리가 충분히 이루어지지 못하는 문제가 발생한다. 히터(510)는 공정 초기 단계에서 윈도우(120)의 온도를 소정 온도로 가열할 수 있으므로, 첫장 효과 발생을 예방할 수 있다. 또한, 히터(510)는 복수개가 윈도우(120)의 둘레를 따라 일정 간격으로 제공되므로, 윈도우(120)는 전체 영역이 균일하게 가열될 수 있다. 이는 윈도우(120)의 영역에 따른 온도 불균형으로 발생될 수 있는 기판 처리 불균일을 예방할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히터를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 히터(510)는 윈도우(120) 내부에 매설된다. 히터(510)는 링 형상으로 배치되는 코일을 포함한다. 히터(510)는 윈도우(120)와 동일한 중심을 가지며, 윈도우(120)의 중심영역을 둘러싸도록 제공된다. 히터(510)는 비금속성 재질로 제공된다. 히터(510)는 탄소(carbon) 계열의 재질, 예컨대 흑연(graphite) 재질로 제공될 수 있다. 히터(510)의 외부표면은 실리콘 카바이드(SiC)로 코팅될 수 있다.
이와 같이, 히터(510)는 윈도우(120)의 전체 영역을 균일하게 가열할 수 있는 범위 내에서 그 형상이 다양하게 변경될 수 있다.
상기 실시예에서는 기판 지지부(200)가 정전 척인 것으로 설명하였으나, 이와 달리 기판 지지부는 다양한 방법으로 기판을 지지할 수 있다. 예컨대, 기판 지지부(200)는 기판을 진공으로 흡착 유지하는 진공 척으로 제공될 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 플라스마를 이용하여 식각 공정을 수행하는 것으로 설명하였으나, 기판 처리 공정은 이에 한정되지 않으며, 플라스마를 이용하는 다양한 기판 처리 공정, 예컨대 증착 공정, 애싱 공정, 그리고 세정 공정등에도 적용될수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 공정 챔버 200: 기판 지지부
300: 가스 공급부 400: 플라스마 생성부
500: 히팅 부재

Claims (5)

  1. 상면이 개방된 내부 공간이 형성된 몸체;
    상기 몸체의 개방된 상면을 밀폐하는 유전체 재질의 윈도우;
    상기 몸체 내부에 위치하며, 기판을 지지하는 기판 지지부;
    상기 몸체 내부에 공정 가스를 공급하는 가스 공급부;
    상기 몸체 내부에 고주파 전력을 인가하여 상기 몸체 내부에 공급된 공정 가스를 여기시키는 안테나; 및
    상기 윈도우에 설치되며, 열을 발생하여 상기 윈도우를 가열하는 비금속성 재질의 히터를 포함하고,
    상기 히터는 상기 윈도우의 둘레를 따라 서로 이격하여 복수개 제공되고,
    상기 히터들 각각은 그 길이방향이 상기 윈도우의 반경 방향과 나란하게 배치되며 상기 윈도우의 내부에 삽입되는 히팅 로드를 포함하는 기판 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터는 흑연 재질로 제공되는 기판 처리 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 히팅 로드들은 상기 윈도우의 중심을 기준으로 방사형으로 배치되는 기판 처리 장치.
  5. 삭제
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