KR101981549B1

KR101981549B1 - 기판 처리 장치

Info

Publication number: KR101981549B1
Application number: KR1020170105465A
Authority: KR
Inventors: 이상열; 강가람
Original assignee: 피에스케이홀딩스 (주)
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2019-08-28
Also published as: KR20190020465A

Abstract

본 발명은 기판을 플라즈마 처리하는 장치를 제공한다. 기판 처리 장치는 내부에 처리 공간이 형성되며, 상부가 개방되는 처리실, 내부에 방전 공간이 형성되며, 상기 처리실의 상부에 위치되는 방전실, 상기 처리 공간에서 기판을 지지하는 기판 지지 유닛, 상기 여기 공간에 가스를 공급하는 가스 공급 유닛, 상기 여기 공간에 공급된 가스를 여기시키는 플라즈마 소스, 상기 처리실의 상단에 위치되며, 복수의 배플홀들이 형성되는 배플, 그리고 상기 방전실 및 상기 배플에 결합되며, 상기 방전실로부터 상기 처리실로 플라즈마를 공급하는 확산실을 포함하되, 상기 방전실과 상기 배플 사이에는 절연 부재가 제공된다. 이로 인해 배플에 발생되는 아킹 현상을 방지할 수 있다.

Description

기판 처리 장치{Apparatus for treating substrate}

기판을 플라즈마 처리하는 장치에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조를 위해서는 웨이퍼와 같은 반도체 기판 상에 증착, 사진, 식각, 애싱, 세정, 연마 등 다양한 공정이 요구된다. 이들 중 증착, 식각, 그리고 애싱 공정과 같이 많은 공정은 챔버 내에서 플라즈마를 이용하여 웨이퍼와 같은 반도체 기판을 처리한다.

플라즈마는 전자기파와 같은 강한 에너지에 의해 가스가 변환된다. 따라서 플라즈마 처리 공정은 외부로부터 밀폐된 공간에서 진행된다. 도 1은 일반적인 플라즈마 처리 장치를 보여주는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 가스 공급 유닛(11)으로부터 플라즈마 발생실(12)에 가스를 공급하고, 플라즈마 발생실(12)에 공급된 가스는 플라즈마 소스(13)에 의해 여기된다. 플라즈마는 배플(14)을 통과하여 기판(W)으로 공급된다.

그러나 플라즈마는 매우 강한 에너지를 가진다. 이로 인해 플라즈마를 발생 시 주변 장치에 아킹(Arcing)을 발생시킨다. 특히 배플(14)은 플라즈마 발생실(12)과 접촉되게 위치되며, 다양한 이유로 인해 아킹(Arcing)이 발생된다. 예컨대, 아킹은 배플(14)과 플라즈마 발생실(12) 간의 전위차에 의해 발생될 수 있으며, 배플(14)의 온도차에 따른 열변형 시 발생될 수 있다. 또한 배플(14)과 플라즈마 발생실(12) 간에 틈으로 플라즈마가 유입되고, 유입된 플라즈마는 배플(14)에 아킹을 발생시킬 수 있다. 이러한 아킹 현상은 배플을 손상시킨다. 이에 따라 배플(14)은 정상적인 기능이 어려울 수 있으며, 배플(14)의 손상 시 발생된 파편은 파티클로 작용하여 기판(W)의 공정 불량을 야기한다.

본 발명은 플라즈마 발생 시 아킹 현상이 발생되는 것을 최소화할 수 있는 장치를 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 아킹 발생으로 인해 배플이 손상되는 것을 방지할 수 있는 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예는 기판을 플라즈마 처리하는 장치를 제공한다. 기판 처리 장치는 내부에 처리 공간이 형성되며, 상부가 개방되는 처리실, 내부에 방전 공간이 형성되며, 상기 처리실의 상부에 위치되는 방전실, 상기 처리 공간에서 기판을 지지하는 기판 지지 유닛, 상기 여기 공간에 가스를 공급하는 가스 공급 유닛, 상기 여기 공간에 공급된 가스를 여기시키는 플라즈마 소스, 상기 처리실의 상단에 위치되며, 복수의 배플홀들이 형성되는 배플, 그리고 상기 방전실 및 상기 배플에 결합되며, 상기 방전실로부터 상기 처리실로 플라즈마를 공급하는 확산실을 포함하되, 상기 방전실과 상기 배플 사이에는 절연 부재가 제공된다.

상기 절연 부재는 링 형상으로 제공될 수 있다. 상기 절연 부재의 두께는 상기 확산실의 외벽의 두께보다 얇게 제공되어 상기 확산실의 외벽의 일부는 상기 절연 부재와 직접 접촉되고, 상기 외벽의 나머지는 상기 배플과 직접 접촉될 수 있다. 상기 배플은 판 형상을 가지는 베이스 및상기 베이스의 측단으로부터 위로 연장되는 링 형상의 돌출부를 가지고, 상기 돌출부의 상면은 단차진 단차 영역을 가지고, 상기 돌출부의 상면은 제1부분 및 이보다 낮은 제2부분을 가지되, 상기 절연 부재는 제2부분에 제공될 수 있다.

상기 제1부분의 상단 높이와 상기 절연 부재의 상단 높이는 동일할 수 있다. 상기 제1부분은 상기 제2부분을 감싸는 외측 부분일 수있다. 상기 확산실의 하단에는 상기 돌출부가 삽입되는 체결홈이 형성되고, 상기 절연 부재는 상기 체결홈 내에서 상기 외벽과 상기 돌출부 사이에 위치될 수 있다.

상기 확산실 및 상기 배플 각각은 전기 전도성을 가지는 재질로 제공되고, 절연 부재는 전기 절연성을 가지는 재질로 제공될 수 있다. 상기 절연 부재는 일렉트릭 플라스틱 계열의 재질로 제공될 수 있다. 상기 절연 부재는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리에테르에테르 케톤(PEEK)을 포함하는 재질로 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 플라즈마 발생실과 배플의 접촉 영역에는 전기 절연성 부재가 제공된다. 이로 인해 배플에 발생되는 아킹 현상을 방지할 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 의하면, 전기 절연성 부재는 플라즈마 발생실과 배플의 접촉 영역 중 일부에만 제공된다. 이로 인해 전기 절연성 부재가 배플과 플라즈마 발생실 간에 열 교환을 간섭하는 것을 최소화할 수 있다.

도 1은 일반적인 플라즈마 처리 장치를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 배플 및 절연 부재를 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 3의 배플 및 절연 부재를 보여주는 평면도이다.
도 5는 도 2의 배플의 돌출부를 보여주는 단면도이다.
도 6은 도 4의 배플과 플라즈마 발생실 간에 체결 부분을 보다 확대해 보여주는 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.

본 발명의 실시 예에서 기판(W)은 반도체 웨이퍼일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고, 기판(W)은 유리 기판 등과 같이 다른 종류의 기판일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 기판 처리 장치는 플라즈마 또는 가스를 이용하여 애싱, 증착 또는 식각 등의 공정을 수행하는 장치일 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(1)에 관하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하면, 기판 처리 장치(1)는 공정 챔버(100), 기판 지지 유닛(200), 가스 공급 유닛(300), 플라즈마 소스(400), 배플(500), 그리고 절연 부재(600)를 가진다.

공정 챔버(100)는 처리실(120)과 플라즈마 발생실(140)을 가진다. 처리실(120)은 기판(W)이 처리되는 처리 공간을 제공한다. 플라즈마 발생실(140)은 공정 가스로부터 플라즈마가 발생되는 여기 공간을 제공한다.

처리실(120)은 내부에 상부가 개방된 공간을 가진다. 처리실(120)은 대체로 원통 형상으로 제공될 수 있다. 처리실(120)의 측벽에는 반출입구(미도시)가 형성된다. 반출입구는 기판(W)이 처리 공간에 반출입되는 개구로 기능한다. 반출입구(미도시)는 도어(미도시)와 같은 개폐 부재에 의해 개폐될 수 있다. 처리실(120)의 바닥면에는 배기홀(122)이 형성된다. 배기홀(122)에는 배기 라인(124)이 연결된다. 배기 라인(124)에는 펌프(126)가 설치된다. 펌프(126)는 처리 공간의 압력을 공정 압력으로 조절한다. 처리실(120) 내 잔류 가스 및 공정 부산물은 배기 라인(124)을 통해 처리실(120) 외부로 배출된다. 예컨대, 공정 압력은 상압보다 낮은 압력일 수 있다.

플라즈마 발생실(140)은 내부에 플라즈마를 발생시키는 여기 공간을 가진다. 가스 공급 유닛으로부터 공급된 가스는 여기 공간에서 여기된다. 플라즈마 발생실(140)은 처리실(120)의 상부에서 처리실(120)에 결합된다. 플라즈마 발생실(140)은 방전실(142)과 확산실(144)을 포함한다. 방전실(142)은 여기 공간의 상부인 방전 공간(142a)을 가지고, 확산실(144)은 여기 공간의 하부인 확산 공간(144a)을 가진다.

방전실(142)은 가스 공급 유닛으로부터 공급된 가스를 여기시킨다. 확산실(144)은 발생된 플라즈마를 확산시킨다. 방전실(142) 및 확산실(144) 각각은 중공의 원통 형상을 가진다. 확산실(144)은 방전실(142)과 처리실(120) 사이에 위치된다. 확산실(144)은 방전실(142)의 하단으로부터 아래로 연장되게 제공된다. 방전실(142)의 내부 공간은 확산실(142)의 내부 공간 보다 좁게 제공된다. 방전실(142)의 내부 공간은 위에서 아래로 갈수록 면적을 가지도록 제공되고, 확산실(144)의 내부 공간은 위에서 아래로 갈수록 그 면적이 증가된 후, 일정하게 제공된다. 확산실(144)의 하단에는 링 형상의 체결홈이 형성된다. 체결홈은 배플이 삽입 가능한 공간으로 제공된다. 예컨대, 확산실(142)은 도전성 재질로 제공될 수 있다. 확산실(142)은 알루미늄을 포함하는 재질로 제공될 수 있다.

기판 지지 유닛(200)은 처리 공간에서 기판(W)을 지지한다. 기판 지지 유닛(200)은 지지판(220)과 지지축(240)을 가진다.

지지판(220)은 처리 공간에 위치되며 원형의 판 형상으로 제공된다. 지지판(220)은 지지축(240)에 의해 지지된다. 기판(W)은 지지판(220)의 상면에 놓인다. 지지판(220)의 내부에는 전극(미도시)이 제공되고, 기판(W)은 정전기력 또는 기구적 클램프에 의해 지지판(220)에 지지될 수 있다. 예컨대, 지지판은 정전척으로 제공될 수 있다.

가스 공급 유닛(300)은 플라즈마 발생실(140)로 가스를 공급한다. 가스 공급 유닛(300)은 방전실(142)의 상부에 위치될 수 있다. 가스 공급 유닛(300)은 하나 또는 복수개가 제공될 수 있다. 가스 공급 유닛(300)은 가스 공급라인(320), 가스 저장부(340) 그리고 가스 포트(360)를 가진다.

가스 공급라인(320)은 가스 포트(360)에 연결된다. 가스 포트(360)는 방전실(142)의 상부에 결합된다. 가스 포트(360)를 통해 공급된 가스는 방전실(142)로 유입되고, 방전실(142)에서 플라즈마로 여기된다.

플라즈마 소스(400)는 방전실(142)에서 가스 공급 유닛(300)에 의해 공급된 가스로부터 플라즈마를 발생시킨다. 일 예에 의하면, 플라즈마 소스(400)는 유도 결합형 플라즈마 소스일 수 있다. 플라즈마 소스(400)는 안테나(420)와 전원(440)을 가진다.

안테나(420)는 방전실(142)의 외부에 제공되며 방전실(142)의 측면을 복수 회 감싸도록 제공된다. 안테나(420)의 일단은 전원(440)에 연결되고, 타단은 접지된다.

전원(440)은 안테나(420)에 전력을 인가한다. 일 예에 의하면, 전원(440)은 안테나(420)에 고주파 전력을 인가할 수 있다.

배플(500)은 처리실(120)과 확산실(144a)의 사이에 위치된다. 배플(500)은 처리 공간(121)과 확산 공간(144a)을 구획한다. 배플(500)은 확산 공간(144a)으로부터 공급된 플라즈마를 여과시킨다. 플라즈마는 자유 라디칼들(free radicals)과 이온들(ions)을 포함한다. 자유 라디칼들은 불충분한 결합(incomplete bonding)을 가지며, 전기적으로 중성을 나타낸다. 자유 라디칼들은 반응성이 매우 크며, 기판(W) 상의 물질과 주로 화학 작용을 통하여 공정을 수행한다. 반면, 이온들은 전하를 띠므로 전위차에 따라 일정한 방향으로 가속된다. 가속된 이온들은 기판(W) 상의 물질과 물리적으로 충돌하여 기판의 처리 공정을 수행한다. 이로 인해 기판 처리 공정에서 이온들은 처리하고자 하는 박막 뿐만 아니라 기판(W) 패턴들과 충돌할 수 있다. 이온들의 충돌은 기판(W) 패턴을 손상시킬 수 있다. 또한, 이온들의 충돌은 패턴들의 전햐량을 변동수 있다. 패턴들의 전하량 변동은 후속 공정에 영향을 미친다. 이에 따라 이온들이 기판(W)으로 직접 공급될 경우, 이온들은 공정 처리에 영향을 미친다. 배플(500)은 상술한 이온들로 인한 문제를 해결하기 위하여 접지된다. 배플(500)의 접지는 플라즈마 중 자유 라디칼을 기판(W)으로 이동시키고, 이온들의 이동을 차단한다.

도 3은 도 2의 배플(500) 및 절연 부재(600)를 보여주는 사시도이고, 도 4는 도 3의 배플(500) 및 절연 부재(600)를 보여주는 평면도이며, 도 5는 도 2의 배플(500)의 돌출부(540)를 보여주는 단면도이다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 배플(500)은 베이스(520) 및 돌출부(540)를 가진다. 베이스(520)는 원형의 판 형상을 가지도록 제공된다. 베이스(520)는 중심 영역이 가장자리 영역보다 두껍게 제공된다. 즉 베이스(520)는 중심 영역으로부터 멀어질수록 두께가 점차 얇아지는 형상을 가진다. 예컨대. 베이스(520)는 상면의 중심 영역이 위로 볼록한 형상을 가지며, 저면이 평편한 평면 형상을 가질 수 있다. 베이스(520)의 중심 영역은 가스 포트와 마주하며, 중심 영역은 가장자리 영역보다 높은 온도로 가열될 수 있다. 이때 베이스(520)의 중심 영역은 가장자리 영역에 비해 열 변형에 대해 완화될 수 있다.

베이스(520)에는 복수의 배플홀들(500)이 형성된다. 배플홀들(500)은 베이스(520)의 상면으로부터 저면까지 연장되는 관통홀로 제공된다. 배플홀들(500)은 수직한 아래 방향을 향하도록 제공될 수 있다. 각각의 배플홀(500)은 균등하게 배열될 수 있다.

베이스(520)의 내부에는 냉각 유로(미도시)가 형성된다. 냉각 유로는 냉각 유체가 흐르는 유로로 기능한다. 냉각 유로는 배플홀들(500)과 중첩되지 않도록 위치된다. 냉각 유체는 플라즈마 처리 공정 시 고온으로 인해 배플(500)이 열변형되는 것을 방지할 수 있다.

도 6은 도 4의 배플과 플라즈마 발생실 간에 체결 부분을 보다 확대해 보여주는 단면도이다. 도 3 내지 도 6을 참조하면, 돌출부(540)는 베이스(520)의 측단으로부터 위로 연장되는 링 형상을 가진다. 돌출부(540)는 확산실(144a)의 저면에 형성된 체결홈(145)이 삽입 가능하다. 돌출부(540)에는 복수의 체결홀들(542)이 형성되며, 배플(500)과 확산실(144a)은 체결홀(542)에 삽입된 나사를 통해 체결될 수 있다. 체결홀(542)은 돌출부(540)의 원주 방향을 따라 이격되게 배열될 수 있다. 돌출부(540)의 상면은 단차진 형상을 가진다. 예컨대, 돌출부(540)의 상면은 외측의 제1부분(540a)과 이보다 낮은 내측의 제2부분(540b)을 가질 수 있다. 제2부분(540b)은 절연 부재(600)가 위치되는 영역으로 제공될 수 있다. 예컨대, 배플(500)은 도전성 재질로 제공될 수 있다. 배플(500)은 알루미늄을 포함하는 재질로 제공될 수 있다.

절연 부재(600)는 플라즈마 발생 시 확산실(144a)과 배플(500) 간에 전위차로 인해 배플(500)에 아킹 현상이 발생되는 것을 방지한다. 절연 부재(600)는 전기 절연 성질을 포함하는 재질을 가진다. 절연 부재(600)는 돌출부(540)의 제2부분(540b)에 위치된다. 절연 부재(600)는 환형의 링 형상을 가지도록 제공된다. 예컨대, 절연 부재(600)는 돌출부(540)가 체결홈(145)이 삽입 시 돌출부(540)와 확산실(144a) 각각에 접촉 가능한 크기로 제공된다. 즉 절연 부재(600)는 확산실(144a)과 돌출부(540) 각각에 접촉되게 제공된다. 일 예에 의하면, 돌출부(540)의 일부는 절연 부재(600)에 접촉되고, 다른 일부는 확산실(144a)에 접촉될 수 있다. 제2부분(540b)에 제공된 절연 부재(600)는 제1부분(540a)의 상단 높이와 동일한 상단 높이를 가질 수 있다. 절연 부재(600)의 전기 절연 성질은 배플(500)의 아킹 현상을 방지할 수 있다. 절연 부재(600)가 돌출부(540)의 전체에 접촉되는 경우, 절연 부재(600)는 배플(500)과 확산실(144a) 간에 열 교환을 방해할 수 있다. 이에 따라 절연 부재(600)의 크기는 최소화되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 절연 부재(600)는 단면적의 직경은 3 mm 일 수 있다. 절연 부재(600)는 일렉트릭 플라스틱 계열의 재질로 제공될 수 있다. 절연 부재(600)는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리에테르에테르 케톤(PEEK)을 포함하는 재질로 제공될 수 있다.

145: 체결홈 500: 배플
520: 베이스 522: 배플홀
540: 돌출부 540a: 제1부분
540b: 제2부분 600: 절연 부재

Claims

내부에 처리 공간이 형성되며, 상부가 개방되는 처리실과;
내부에 방전 공간이 형성되며, 상기 처리실의 상부에 위치되는 방전실과;
상기 처리 공간에서 기판을 지지하는 기판 지지 유닛과;
여기 공간에 가스를 공급하는 가스 공급 유닛과;
여기 공간에 공급된 가스를 여기시키는 플라즈마 소스와;
상기 처리실의 상단에 위치되며, 복수의 배플홀들이 형성되는 배플과;
상기 방전실 및 상기 배플에 결합되며, 상기 방전실로부터 상기 처리실로 플라즈마를 공급하는 확산실을 포함하되,
상기 확산실과 상기 배플 사이에는 절연 부재가 제공되며,
상기 확산실 및 상기 배플 각각은 전기 전도성을 가지는 재질로 제공되고,
상기 절연 부재는 전기 절연성을 가지는 재질로 제공되며,
상기 절연 부재의 두께는 상기 확산실의 외벽의 두께보다 얇게 제공되어 상기 확산실의 외벽의 일부는 상기 절연 부재와 직접 접촉되고, 상기 외벽의 나머지는 상기 배플과 직접 접촉되는 기판 처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 절연 부재는 링 형상으로 제공되는 기판 처리 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 배플은
판 형상을 가지는 베이스와;
상기 베이스의 측단으로부터 위로 연장되는 링 형상의 돌출부를 가지고,
상기 돌출부의 상면은 단차진 단차 영역을 가지고,
상기 돌출부의 상면은 제1부분 및 이보다 낮은 제2부분을 가지되,
상기 절연 부재는 제2부분에 제공되는 기판 처리 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1부분의 상단 높이와 상기 절연 부재의 상단 높이는 동일한 기판 처리 장치.
제5항에 있어서,
상기 제1부분은 상기 제2부분을 감싸는 외측 부분인 기판 처리 장치.
제5항에 있어서,
상기 확산실의 하단에는 상기 돌출부가 삽입되는 체결홈이 형성되고,
상기 절연 부재는 상기 체결홈 내에서 상기 외벽과 상기 돌출부 사이에 위치되는 기판 처리 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 절연 부재는 일렉트릭 플라스틱 계열의 재질로 제공되는 기판 처리 장치.
제9항에 있어서,
상기 절연 부재는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리에테르에테르 케톤(PEEK)을 포함하는 재질로 제공되는 기판 처리 장치.