KR102039799B1 - 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어진 플라즈마 장치용 부품 - Google Patents

Abstract

플라즈마에 대한 내식성이 우수하고 플라즈마 분포의 균일성을 확보하며, 전기전도도 및 열전도도를 개선하고 구조가 간단한 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어진 플라즈마 장치용 부품 및 제조방법을 제시한다. 그 부품 및 방법은 플라즈마 처리를 위한 반응공간을 형성하는 챔버 및 챔버의 내부에 위치하고 플라즈마와 접촉하는 부품에 있어서, 그 부품은 플라즈마 내식성이 있고 부피 비저항이 10³~10^{- 6}Ω·cm인 텅스텐옥사이드 벌크이다.

Description

텅스텐옥사이드 벌크로 이루어진 플라즈마 장치용 부품{Parts for plasma processing apparatus having tungsten oxide bulk}

본 발명은 플라즈마 장치용 부품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마에 대한 내식성이 높은 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어진 플라즈마 장치용 부품에 관한 것이다.

플라즈마 처리장치는 챔버 내에 상부전극과 하부전극을 배치하고, 하부전극의 위에 반도체 웨이퍼, 유리 기판 등의 기판을 탑재하여, 양 전극 사이에 전력을 인가한다. 양 전극 사이의 전계에 의해서 가속된 전자, 전극으로부터 방출된 전자, 또는 가열된 전자가 처리가스의 분자와 전리 충돌을 일으켜, 처리가스의 플라즈마가 발생한다. 플라즈마 중의 래디컬이나 이온과 같은 활성종은 기판 표면에 원하는 미세 가공, 예를 들면 에칭 가공을 수행한다. 최근, 미세전자소자 등의 제조에서의 디자인 룰이 점점 미세화되고, 특히 플라즈마 에칭에서는 더욱 높은 치수 정밀도가 요구되고 있어서, 종래보다도 현격히 높은 전력이 이용되고 있다. 이러한 플라즈마 처리장치에는 플라즈마에 영향을 받는 에지링, 포커스링, 샤워헤드 등의 부품들이 내장되어 있다.

상기 에지링의 경우, 전력이 높아지면, 정재파가 형성되는 파장 효과 및 전극 표면에서 전계가 중심부에 집중하는 표피 효과 등에 의해서, 대체로 기판 상에서 중심부가 극대로 되고 에지부가 가장 낮아져서, 기판 상의 플라즈마 분포의 불균일성이 심화된다. 기판 상에서 플라즈마 분포가 불균일하면, 플라즈마 처리가 일정하지 않게 되어 미세전자소자의 품질이 저하된다. 국내공개특허 제2009-0101129호는 서셉터와 에지부 사이에 유전체를 두어 플라즈마 분포의 균일성을 도모하고자 하였다. 하지만, 상기 특허는 구조가 복잡하고, 유전체 및 에지부 사이의 정밀한 설계가 어려운 문제가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 플라즈마에 대한 내식성이 우수하고 플라즈마 분포의 균일성을 확보하며, 전기전도도 및 열전도도를 개선하고 구조가 간단한 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어진 플라즈마 장치용 부품을 제공하는 데 있다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어진 플라즈마 장치용 부품은 플라즈마 처리를 위한 반응공간을 형성하는 챔버 및 상기 챔버의 내부에 위치하고 상기 플라즈마와 접촉하는 부품에 있어서, 상기 부품은 플라즈마 내식성이 있는 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어지며, 상기 텅스텐옥사이드는 부피 비저항 10³~10^-6Ω·cm을 갖는다.

본 발명의 장치에 있어서, 상기 텅스텐옥사이드 벌크는 텅스텐 및 산소를 기반으로 하는 모든 화합물일 수 있다. 상기 텅스텐옥사이드 벌크는 단일상 또는 복합상일 수 있다. 상기 단일상은 텅스텐 및 산소의 화학양론적 상 및 상기 화학양론적 조성을 벗어난 비화학양론적 상을 포함할 수 있다. 상기 단일상 또는 복합상은 상기 단일상 또는 복합상에 불순물이 추가된 고용체를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 장치에 있어서, 상기 부품은 에지링, 포커스링 또는 샤워헤드 중에 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 부품은 서셉터에 안치된 기판의 가장자리를 압착하는 에지링이고, 상기 플라즈마의 분포는 상기 기판의 가장자리를 벗어나 확장될 수 있다. 상기 부품은 임계두께 0.3mm를 가지는 것이 좋다. 상기 부품은 소결된 벌크(bulk)일 수 있다. 상기 부품은 물리 또는 화학기상증착된 벌크(bulk)일 수 있다.

본 발명의 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어진 플라즈마 장치용 부품에 의하면, 플라즈마 내식성이 우수하고 전기전도성이 부여된 텅스텐옥사이드를 포함하는 부품을 사용함으로써, 플라즈마에 대한 내식성이 우수하고, 플라즈마 분포의 균일성을 확보하며, 구조가 간단하다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 의한 플라즈마 부품이 장착된 플라즈마 처리장치를 개략적으로 도시한 도면들이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명의 실시예는 텅스텐옥사이드 벌크를 사용함으로써, 플라즈마에 대한 내식성이 우수하고, 플라즈마 분포의 균일성을 확보하며, 구조가 간단한 플라즈마 장치용 부품(이하, 플라즈마 부품)을 제시한다. 이러한 플라즈마 처리장치에는 플라즈마에 영향을 받는 에지링, 포커스링, 샤워헤드 등의 부품들이 있으며, 여기서는 그 중에서 에지링을 사례로 들어 설명하기로 한다. 이를 위해, 본 발명의 에지링을 중심으로 플라즈마 부품에 대하여 구체적으로 알아보고, 상기 플라즈마 부품을 제조하는 방법을 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에서 벌크(bulk)라 함은 모재의 개입이 없이 자체적으로 플라즈마 부품을 이루는 형태를 말한다. 모재의 개입이 있는 경우는 모재에 텅스텐옥사이드를 코팅하거나 접합하는 것이다. 다시 말해, 본 발명의 벌크는 모재에 텅스텐옥사이드를 코팅하거나 접합하는 것을 배제한다. 상기 벌크를 적용하는 이유는 내식성의 관점에서 모재의 영향력을 배제하여 오직 벌크의 특성을 활용하기 위한 것이다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 플라즈마 부품이 장착된 플라즈마 처리장치를 개략적으로 도시한 도면들이다. 본 발명의 범주 내에서 제시된 장치의 구조 이외에도 다양한 구조의 플라즈마 처리장치에 적용될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 처리장치는 챔버(10), 서셉터(20), 샤워헤드(30) 및 에지링(40)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 서셉터(20), 샤워헤드(30), 에지링(40) 등이 플라즈마에 영향을 받는 플라즈마 부품(AP)이다. 챔버(10)는 반응공간을 정의하며, 서셉터(20)는 상면에 기판(50)을 탑재하고 상하운동을 한다. 경우에 따라, 서셉터(20)는 고정되어 움직이지 않을 수 있지만, 여기서는 상하운동을 하는 경우를 예로 들었다. 샤워헤드(30)는 서셉터(20)의 상부에 위치하며, 기판(50)으로 공정가스를 분사한다. 샤워헤드(30)는 가스공급관(12)이 챔버(10)를 관통하여 연결되어, 상기 공정가스를 외부로부터 유입시킨다. 샤워헤드(30)는 가스공급관(12)을 통해 유입된 공정가스가 분사되기 전에 샤워헤드(30) 내부에 균일하게 확산하도록 하는 버퍼공간(31)과, 수많은 관통홀로 구성되는 노즐부(32)를 포함한다. 에지링(40)은 챔버(10)의 내벽에 설치되며 링지지대(41) 위에 위치한다.

챔버(10)의 외부에는 플라즈마의 발생을 위해 RF전력을 공급하는 RF 전원(16)이 플라즈마전극이나 안테나에 연결된다. 상기 연결 방식은 다양하게 존재하며, 도시된 바와 같이, 플라즈마 전극을 샤워헤드(30)와 일체로 형성하고, 상기 RF전력이 전극의 중심에 인가되도록 하기 위해 가스공급관(12)에 RF전원(16)을 연결될 수 있다. 기판(50)에 입사하는 플라즈마의 에너지를 제어하기 위하여 서셉터(20)에도 별도의 RF전원을 인가되기도 한다. 도시되지는 않았지만, 서셉터(20)에는 기판(50)을 예열하거나 가열하는 히터, 기판(50)의 탑재를 위한 리프트 핀 등을 포함할 수 있다.

기판(50)이 서셉터(20)에 안치되면, 서셉터(20)가 플라즈마 처리공정의 위치까지 상승한다. 에지링(40)은 기판(50)의 가장자리를 압착하면서 함께 상승한다. 서셉터(20)를 상승시켜 기판(50)이 공정위치에 놓이면, 샤워헤드(30)를 통해 공정가스를 분사한 후, RF전력을 인가하여 공정가스를 강력한 반응성을 가지는 플라즈마 활성종으로 변환시킨다. 상기 활성종이 기판(50)에 대한 증착, 식각 공정 등을 수행하며, 공정진행 중에 배기구(14)를 통해 공정가스를 일정한 유량으로 배출시킬 수 있다. 소정 시간동안 처리공정을 수행한 후, 배기구(14)로 잔류가스를 배출한다. 이어서, 서셉터(20)를 하강시키고 기판(50)을 챔버(10)로부터 외부로 반출한다.

본 발명의 실시예에 의한 텅스텐옥사이드(WO)는 WO₃ 등이 있으며, 텅스텐 및 산소를 기반(base)로 하는 모든 화합물을 말한다. 본 발명의 텅스텐옥사이드는 단일상 또는 복합상 중의 어느 하나일 수 있다. 여기서, 텅스텐옥사이드 단일상은 텅스텐 및 산소의 화학양론적 상(phase)과 화학양론적 조성에서 벗어난 비화학양론적 상을 모두 포함하며, 복합상이란, 예를 들어 상기 텅스텐 및 산소를 기반(base)로 하는 텅스텐옥사이드 화합물 중의 적어도 2개가 소정의 비율로 혼합된 것을 말한다. 또한, 본 발명의 텅스텐옥사이드는 상기 텅스텐옥사이드의 단일상 또는 복합상에 불순물이 추가되어 고용체를 이루거나 또는 텅스텐옥사이드를 제조하는 공정에서 불가피하게 추가되는 불순물 등이 모두 포함된다.

이하에서는 플라즈마 부품(AP) 중에서 에지링(40)을 중심으로 플라즈마의 영향을 살펴보기로 한다. 플라즈마를 형성하는 전력이 높아지면, 챔버(10) 내에 정재파가 형성되는 파장 효과나 전극 표면에서 전계가 중심부에 집중하는 표피 효과 등에 의해서, 대체로 기판(50)의 중심부가 극대로 되고 가장자리가 가장 낮아져서, 기판(50) 상의 플라즈마의 분포가 불균일하게 된다. 기판(50) 상에서 플라즈마 분포가 불균일하면, 플라즈마 처리가 일정하지 않게 되어 미세전자소자의 품질이 저하된다. 여기서, 플라즈마 분포는 기판(50) 및 텅스텐옥사이드 에지링(40) 상에 플라즈마가 인가되는 상태를 말하는 것으로, 상기 분포는 기판(50) 및 텅스텐옥사이드 에지링(40) 각 지점에서의 플라즈마 밀도 및 기판(50)을 향한 직진성과 연관이 있다.

기판(50)의 가장자리 근처(ED)에서, 텅스텐옥사이드 에지링(40)과의 부피 비저항 차이는 플라즈마 분포 균일성에 큰 영향을 준다. 여기서, 균일성은 플라즈마 분포의 변화 정도를 말하는 것으로, 균일성이 작으면 플라즈마 분포가 급격하게 변하고, 크면 플라즈마 분포의 변화가 완만하다. 이를 위해, 텅스텐옥사이드 에지링(40)의 부피 비저항은 기판(50)의 부피 비저항과 유사하거나 낮은 것이 바람직하다. 이렇게 되면, 플라즈마 분포는 기판(50)의 가장자리를 벗어나 텅스텐옥사이드 에지링(40)으로 확장되므로, 기판(50)의 가장자리는 상대적으로 높은 균일성을 가진다. 상기 균일성은 플라즈마 밀도 및 기판(50)을 향한 직진성이 우수하다는 것을 의미한다. 도면에서는 기판(50)의 가장자리를 벗어나는 상태를 가장자리 근처(ED)로 표현하였다.

본 발명의 실시예에 의한 텅스텐옥사이드 에지링(40)의 부피 비저항이 기판(50)과 유사하거나 작다는 것은 다음과 같은 관점에서 설명될 수 있다. 텅스텐옥사이드 에지링(40)의 부피 비저항이 기판(50)과 유사하거나 작으면, 플라즈마 분포는 기판(50)의 가장자리를 벗어나 텅스텐옥사이드 에지링(40)으로 확장된다. 이에 따라, 본 발명의 텅스텐옥사이드 에지링(40)의 부피 비저항은 기판의 가장자리로부터 텅스텐옥사이드 에지링(40)으로 확장되어, 기판(50) 전체에 대한 플라즈마 분포가 기판(50)의 가장자리에도 균일하다고 볼 수 있다. 이와 같은 부피 비저항은 플라즈마 분포를 기판(50)의 가장자리를 벗어나 텅스텐옥사이드 에지링(40)의 확장하는 것이라고 정의할 수 있다.

본 발명의 텅스텐옥사이드 에지링(40)의 부피 비저항 10³~10^{- 6}Ω·cm은 기판(50)의 가장자리에서 플라즈마 분포를 균일하게 하기 위한 기술적 사상에 근거한다. 이에 따라, 상기 부피 비저항은 상기 기술적 사상을 고려하지 않고, 단순한 반복실험을 통하여 획득할 수 없는 것이다. 앞에서는, 텅스텐옥사이드 에지링(40)과 기판(50)의 부피 비저항의 관계는 에지링을 사례로 들어 설명하였다. 하지만, 샤워헤드와 같은 다른 부품의 경우에서, 텅스텐옥사이드의 부피 비저항은 플라즈마 내식성을 향상시킨다는 관점은 동일하다.

한편, 플라즈마 내식성은 부품의 밀도(g/㎤)에 영향을 받는다. 즉, 플라즈마 부품의 밀도가 클수록 플라즈마 내식성은 증가한다. 본 발명의 텅스텐옥사이드(WO) 중 WO₃의 밀도는 7.16(g/㎤)으로, 통상적으로 사용되는 실리콘카바이드(SiC)의 3.12(g/㎤) 및 알루미나(Al₂O₃)의 3.95(g/㎤)의 벌크보다 현저하게 크다. 이에 따라, 본 발명의 텅스텐옥사이드 벌크는 종래의 실리콘카바이드 및 알루미나에 비해 플라즈마에 대한 내식성이 커진다.

본 발명의 실시예에 의한 에지링(40)을 포함한 플라즈마 부품(AP)은 임계두께를 가진다. 그 이유는 적어도 다음과 같다. 첫째, 에지링(40)이 최초에 식각장비에 장착되면, 에지링(40)의 표면은 기판(50)의 표면과 동일선상에 놓이게 된다. 추후의 식각공정마다 기판(50)은 교체되나 에지링(40)은 동일한 것으로 계속 유지된다. 이와 같은 식각공정이 반복됨에 따라, 기판(50)의 표면과 에지링(40)의 표면 사이에는 단차가 발생하며 지속적으로 단차가 증가한다.

둘째, 소자의 패턴에 미세화됨에 따라 식각패턴의 종횡비가 지속적으로 증가하여 최근에는 거의 한계치에 다다르고 있다. 이러한 종횡비에 대응하는 식각을 위해서는 플라즈마 파워를 상승시켜야 한다. 플라즈마 식각에는 화학반응에 의한 화학적 식각과 물리적 이온 충돌에 의한 물리적 식각이 혼재되어 있다. 그런데, 플라즈마 파워가 커질수록 물리적 식각의 강도가 화학적 식각보다 상대적으로 커지며 소정 파워 이상에서는 압도적이 된다. 따라서 에지링(40)의 내식성을 유지하기 더욱 어려워진다.

셋째, 기판(50)의 표면과 에지링(40)의 표면 간의 단차가 소정두께 이상으로 벌어지면, 기판(50)의 가장자리부로 돌진하는 활성이온의 방향이 기판(50)의 표면에 수직방향으로부터 점차 사선방향으로 변하게 된다. 이러한 사선방향의 식각 이온에 의해 기판(50) 상에 식각 홀(hole) 또는 트렌치(trench)와 같은 식각 패턴 역시 사선방향으로 형성되게 된다. 사선방향은 식각막의 하지 층의 패턴으로부터 오정렬(misalignment) 현상이 발생하여 소자의 수율이 감소하게 된다. 따라서, 상기 오정렬이 허용되는 한계가 되는 최대 식각두께와 최대한 많은 수의 기판(50)을 식각 가공하여 장비의 생산성을 유지하기 위한 최소한의 식각두께 한계치를 설정하여야 한다.

앞에서 설명한 이유를 감안한 일반적인 내식성을 위한 두께는 0.3mm 이상이어야 한다. 이러한 두께를 임계두께라고 한다. 물론, 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어진 플라즈마 두께는 통상적으로 3mm 이내의 두께를 적용하나, 필요에 따라 그 이상의 두께도 적용할 수 있다. 왜냐하면, 플라즈마 부품(AP)의 두께는 내식성을 위한 최소한의 두께인 임계두께를 요구하기 때문이다. 상기 임계두께는 본 발명의 기술적 사상을 고려하여 설계된 것이며, 이는 플라즈마 부품(AP)의 반복실험으로 얻을 수 없다.

이하, 텅스텐옥사이드(WO, tungsten oxide)를 포함하는 벌크 형태의 플라즈마 부품(AP)을 제조하는 방법을 설명하기로 한다. 텅스텐옥사이드 플라즈마 부품(AP)은 소결 및 물리 또는 화학기상증착과 같은 증착에 의해 제조되며 자체가 벌크(bulk) 형태의 부품이 된다. 또한, 물리 또는 화학기상증착은 소스 물질을 활용하여 텅스텐옥사이드 플라즈마 부품(AP)을 제조하는 것으로, 여타의 다른 방법(예, 소결)과 구분될 수 있다. 여기에서 제시하는 방법은 각각에 대해 적절한 사례를 제시하는 것에 불과하므로, 본 발명의 범주 내에서 다른 방법을 포함한다.

<소결에 의한 텅스텐옥사이드 플라즈마 부품(AP)>

상기 소결은 텅스텐옥사이드 분말을 대기분위기 또는 산소가스 분위기 또는 불활성기체 분위기에서 소결한다. 상기 불활성 가스는 공지의 불활성 가스이면 모두 가능하며, 바람직하게는 아르곤, 질소 등이 있다. 이와 같이 소결에 의해 제조된 텅스텐옥사이드 플라즈마 부품은 벌크(bulk) 형태인 소결체이다.

<물리 또는 화학기상증착에 의한 텅스텐옥사이드 플라즈마 부품(AP)>

상기 화학기상증착은 텅스텐 소스 및 산소 소스를 반응시켜 일정한 조건에서 모재에 증착시켜 성장시키고, 추후에 모재를 제거한 것이다. 예를 들어, 텅스텐 프리커서(precursor)로써 WF₆, 산소 프리커서로 산소(O₂) 또는 오존(O₃)을 사용하여, 증착온도는 500~1500℃로 하여 화학기상증착 장치로 증착할 수 있다. 물리 기상증착은 텅스텐 타겟 (target)을 Ar과 같은 불활성 기체로 스퍼터(sputter)하고 산소(O₂) 또는 오존(O₃)와 같은 기체를 주입하여 모재 상부에 텅스텐옥사이드가 합성되어 성장되게 하거나, 타겟 자체를 텅스텐옥사이드로 하여 스퍼터하여 모재 상부에 텅스텐옥사이드가 성장되게 한 후 모재를 제거한 것이다. 이와 같이 물리 또는 화학기상증착에 의해 제조된 텅스텐옥사이드 부품은 앞에서 설명한 벌크(bulk) 형태이다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

10; 챔버 12; 가스공급관
20; 서셉터 30; 샤워헤드
40; 에지링 41; 링지지대
50; 기판 AP; 플라즈마 부품

Claims (10)

1. 플라즈마 처리를 위한 반응공간을 형성하는 챔버: 및
   상기 챔버의 내부에 위치하고 상기 플라즈마와 접촉하고 기판의 가장자리를 압착하는 에지링에 있어서,
   상기 에지링은 플라즈마 내식성이 있는 0.3mm 임계두께의 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어지며, 상기 텅스텐옥사이드는 부피 비저항 10³~10^-6Ω·cm을 갖고,
   상기 부피 비저항은 상기 기판의 부피 비저항과 유사하거나 낮으며, 상기 기판의 표면은 상기 에지링의 표면과 동일선상에 놓이고,
   상기 기판을 향한 상기 플라즈마의 분포는 상기 기판의 가장자리를 벗어나 상기 에지링으로 확장되는 것을 특징으로 하는 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어진 플라즈마 장치용 부품.
2. 제1항에 있어서, 상기 텅스텐옥사이드 벌크는 텅스텐 및 산소를 기반으로 하는 화합물인 것을 특징으로 하는 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어진 플라즈마 장치용 부품.
3. 제1항에 있어서, 상기 텅스텐옥사이드 벌크는 단일상 또는 복합상인 것을 특징으로 하는 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어진 플라즈마 장치용 부품.
4. 제3항에 있어서, 상기 단일상은 텅스텐 및 산소의 화학양론적 상 및 상기 화학양론적 상의 조성을 벗어난 비화학양론적 상을 포함하는 것을 특징으로 하는 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어진 플라즈마 장치용 부품.
5. 제3항에 있어서, 상기 단일상 또는 복합상은 상기 단일상 또는 복합상에 불순물이 추가된 고용체를 포함하는 것을 특징으로 하는 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어진 플라즈마 장치용 부품.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 제1항에 있어서, 상기 에지링은 소결된 벌크(bulk)인 것을 특징으로 하는 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어진 플라즈마 장치용 부품.
10. 제1항에 있어서, 상기 에지링은 물리 또는 화학기상증착된 벌크(bulk)인 것을 특징으로 하는 텅스텐옥사이드 벌크로 이루어진 플라즈마 장치용 부품.
    
    
    

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