KR102175085B1 - 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 - Google Patents

기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 Download PDF

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Abstract

기판 처리 장치가 개시된다. 기판 처리 장치는, 내부에 처리 공간이 제공되는 공정 챔버, 처리 공간 내에서 기판을 지지하는 지지 유닛, 처리 공간 내로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛, 가스를 여기시켜 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 소스 및 처리 공간 내의 플라즈마 밀도를 측정하는 플라즈마 측정 유닛을 포함하되, 플라즈마 측정 유닛은, 공정 챔버의 측벽에 제공되는 링 부재, 링 부재의 외측에 제공되는 안테나 부재 및 안테나 부재로 전자기파를 인가하고 안테나 부재로부터 수신되는 반사파를 측정하여 처리 공간 내의 플라즈마 밀도를 산출하는 제어 부재를 포함한다.

Description

기판 처리 장치 및 기판 처리 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TREATING SUBSTRATE}
본 발명은 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 챔버 내 플라즈마 밀도를 측정하는 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 공정은 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 공정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체 제조 공정 중 에칭 공정은 플라즈마를 이용하여 기판 상의 박막을 제거할 수 있다.
기판 처리 공정에 플라즈마를 이용하기 위해, 공정 챔버에 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 소스가 장착된다. 이 플라즈마 소스는 플라즈마 발생 방식에 따라 크게 CCP(Capacitively Coupled Plasma) 타입과 ICP(Inductively Coupled Plasma) 타입으로 나뉜다. CCP 타입의 소스는 챔버 내에 두 전극이 서로 마주보도록 배치되고, 두 전극 중 어느 하나 또는 둘 모두에 RF 신호를 인가하여 챔버 내에 전기장을 형성함으로써 플라즈마를 생성한다. 반면, ICP 타입의 소스는 챔버에 하나 또는 그 이상의 코일이 설치되고, 코일에 RF 신호를 인가하여 챔버 내에 전자장을 유도함으로써 플라즈마를 생성한다.
플라즈마를 이용한 에칭 공정이 수행되는 기판 처리 장치의 특성을 검출하기 위하여 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마의 밀도를 측정하여야 하는데, 종래에는 챔버 내로 프로브를 삽입하고, 삽입된 프로브를 이용하여 플라즈마 밀도를 측정하였다. 이 경우, 프로브가 챔버 내부의 플라즈마에 영향을 주거나 외부 자기장에 의해 프로브가 영향을 받아서, 플라즈마 밀도에 대한 정확한 측정이 어려운 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 챔버 내부의 플라즈마에 영향을 주지 않으면서 챔버 내부의 플라즈마 밀도를 정확히 측정할 수 있는 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치는, 기판을 처리하는 장치에 있어서, 내부에 처리 공간이 제공되는 공정 챔버, 상기 처리 공간 내에서 기판을 지지하는 지지 유닛, 상기 처리 공간 내로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛, 상기 가스를 여기시켜 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 소스 및 상기 처리 공간 내의 플라즈마 밀도를 측정하는 플라즈마 측정 유닛을 포함하되, 상기 플라즈마 측정 유닛은, 상기 공정 챔버의 측벽에 제공되는 링 부재, 상기 링 부재의 외측에 제공되는 안테나 부재 및 상기 안테나 부재로 전자기파를 인가하고 상기 안테나 부재로부터 수신되는 반사파를 측정하여 상기 처리 공간 내의 플라즈마 밀도를 산출하는 제어 부재를 포함한다.
여기서, 상기 플라즈마 소스는, 소스 안테나 및 상기 소스 안테나에 전압을 인가하는 전원을 포함하고, 상기 공정 챔버는, 내부에 처리 공간이 제공되고, 상면이 개방되는 하우징 및 상기 소스 안테나의 하부에 제공되며, 상기 하우징의 상면을 밀폐하는 유전판을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 링 부재는, 상기 공정 챔버의 측벽과 상기 유전판 사이에 제공될 수 있다.
여기서, 상기 링 부재는, 유전체 물질로 제공될 수 있다.
여기서, 상기 제어 부재는, 상기 전자기파의 주파수를 조절하여, 상기 유전판을 흐르는 표면파의 파수(Wave Number)가 무한대로 증가하는 특이점을 검출하고, 상기 특이점에 기초하여 공진 주파수를 산출하며, 기저장된 공진 주파수와 플라즈마 밀도의 관계를 이용하여 상기 처리 공간 내의 플라즈마 밀도를 산출할 수 있다.
여기서, 상기 제어 부재는, 상기 표면파의 파수를 아래의 식을 이용하여 산출하며,
Figure 112019079277488-pat00001
여기서, kz는 상기 표면파의 파수, kd는 상기 유전판의 비유전상수, w는 상기 전자기파의 주파수, c는 상기 안테나 부재 사이의 커패시턴스, wpe는 상기 반사파의 주파수일 수 있다.
또한, 상기 전자기파는, 마이크로 웨이브일 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 측정 유닛은, 상기 링 부재의 외측에서 상기 링 부재와 동일한 높이로 제공되는 링 형상의 가이드 부재를 더 포함하고, 상기 안테나 부재는, 상기 가이드 부재 상에서 이동 가능하도록 상기 가이드 부재에 결합될 수 있다.
여기서, 상기 안테나 부재는, 상기 가이드 부재 상의 서로 다른 위치에 복수 개 제공될 수 있다.
여기서, 복수 개의 상기 안테나 부재는 서로 마주보는 위치에 배치될 수 있다.
또한, 상기 안테나 부재는, 측정 안테나 및 상기 측정 안테나를 둘러싸는 동축 케이블을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 측정 안테나는, 끝단이 상기 링 부재에 접하도록 위치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 방법은, 공정 챔버 내부의 처리 공간에 배치된 기판에 플라즈마를 제공하여 상기 기판을 플라즈마 처리하되, 상기 플라즈마를 발생시키는 소스 안테나의 하부에 제공되는 유전판과 상기 공정 챔버의 측벽 사이에는 링 부재가 제공되고, 상기 링 부재의 외측에는 안테나 부재가 제공되며, 상기 안테나 부재로 전자기파를 인가하고 상기 안테나 부재로부터 수신되는 반사파를 측정하여 상기 처리 공간 내의 플라즈마 밀도를 산출할 수 있다.
여기서, 상기 링 부재는, 유전체 물질로 제공될 수 있다.
여기서, 상기 전자기파의 주파수를 조절하여, 상기 유전판을 흐르는 표면파의 파수가 무한대로 증가하는 특이점을 검출하고, 상기 특이점에 기초하여 공진 주파수를 산출하며, 기저장된 공진 주파수와 플라즈마 밀도의 관계를 이용하여 상기 처리 공간 내의 플라즈마 밀도를 산출할 수 있다.
여기서, 상기 표면파의 파수는, 아래의 식을 이용하여 산출하며,
Figure 112019079277488-pat00002
여기서, kz는 상기 표면파의 파수, kd는 상기 유전판의 비유전상수, w는 상기 전자기파의 주파수, c는 상기 안테나 부재 사이의 커패시턴스, wpe는 상기 반사파의 주파수일 수 있다.
또한, 상기 전자기파는, 마이크로 웨이브일 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면 챔버 내 플라즈마 밀도를 보다 정확히 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 챔버 내 다양한 영역에서 플라즈마 밀도를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 부재를 상세히 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파의 주파수에 대한 표면파의 파수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 밀도에 따른 반사파의 반사율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시 예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이다.
본 발명의 실시 예에서는 플라즈마를 이용하여 기판을 식각하는 기판 처리 장치에 대해 설명한다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않고, 그 상부에 놓여진 기판을 가열하는 다양한 종류의 장치에 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치(10)를 예시적으로 나타내는 도면이다.
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 공정 챔버(100), 지지 유닛(200), 가스 공급 유닛(300), 플라즈마 소스(400) 및 배플 유닛(500)을 포함할 수 있다.
공정 챔버(100)는 기판 처리 공정이 수행되는 공간을 제공한다. 공정 챔버(100)는 하우징(110), 밀폐 커버(120) 및 라이너(130)를 포함한다.
하우징(110)은 내부에 상면이 개방된 공간을 갖는다. 하우징(110)의 내부 공간은 기판 처리 공정이 수행되는 처리 공간으로 제공된다. 하우징(110)은 금속 재질로 제공된다. 하우징(110)은 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 하우징(110)은 접지될 수 있다. 하우징(110)의 바닥면에는 배기홀(102)이 형성된다. 배기홀(102)은 배기 라인(151)과 연결된다. 공정 과정에서 발생한 반응 부산물 및 하우징의 내부 공간에 머무르는 가스는 배기 라인(151)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 배기 과정에 의해 하우징(110) 내부는 소정의 압력으로 감압된다.
밀폐 커버(120)는 하우징(110)의 개방된 상면을 덮는다. 밀폐 커버(120)는 판 형상으로 제공되며, 하우징(110)의 내부 공간을 밀폐시킨다. 밀폐 커버(120)는 유전체(dielectric substance) 창을 포함할 수 있다. 또한, 밀폐 커버(120)는 원판 형상의 유전체로 제공되는 유전판으로 제공될 수 있다(이하, 상부 유전판(120)이라 한다).
라이너(130)는 하우징(110) 내부에 제공된다. 라이너(130)는 상면 및 하면이 개방된 공간의 내부에 형성된다. 라이너(130)는 원통 형상으로 제공될 수 있다. 라이너(130)는 하우징(110)의 내측면에 상응하는 반경을 가질 수 있다. 라이너(130)는 하우징(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 하우징(110)의 상단에 놓이며, 라이너(130)를 지지한다. 라이너(130)는 하우징(110)과 동일한 재질로 제공될 수 있다. 즉, 라이너(130)는 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 라이너(130)는 하우징(110) 내측면을 보호한다. 공정 가스가 여기되는 과정에서 챔버(100) 내부에는 아크(Arc) 방전이 발생될 수 있다. 아크 방전은 주변 장치들을 손상시킨다. 라이너(130)는 하우징(110)의 내측면을 보호하여 하우징(110)의 내측면이 아크 방전으로 손상되는 것을 방지한다. 또한, 기판 처리 공정 중에 발생한 불순물이 하우징(110)의 내측벽에 증착되는 것을 방지한다. 라이너(130)는 하우징(110)에 비하여 비용이 저렴하고, 교체가 용이하다. 따라서, 아크 방전으로 라이너(130)가 손상될 경우, 작업자는 새로운 라이너(130)로 교체할 수 있다.
하우징(110)의 내부에는 기판 지지 유닛(200)이 위치한다. 기판 지지 유닛(200)은 기판(W)을 지지한다. 기판 지지 유닛(200)은 정전기력을 이용하여 기판(W)을 흡착하는 정전 척(210)을 포함할 수 있다. 이와 달리, 기판 지지 유닛(200)은 기계적 클램핑과 같은 다양한 방식으로 기판(W)을 지지할 수도 있다. 이하에서는 정전 척(210)을 포함하는 지지 유닛(200)에 대하여 설명한다.
지지 유닛(200)은 정전 척(210), 절연 플레이트(250) 및 하부 커버(270)를 포함한다. 지지 유닛(200)은 챔버(100) 내부에서 하우징(110)의 바닥면으로부터 상부로 이격되어 위치될 수 있다.
정전 척(210)은 하부 유전판(220), 전극(223), 히터(225), 지지판(230) 및 포커스 링(240)을 포함한다.
하부 유전판(220)은 정전 척(210)의 상단부에 위치한다. 하부 유전판(220)은 원판 형상의 유전체(dielectric substance)로 제공된다. 하부 유전판(220)의 상면에는 기판(W)이 놓인다. 하부 유전판(220)의 상면은 기판(W)보다 작은 반경을 갖는다. 때문에, 기판(W) 가장자리 영역은 하부 유전판(220)의 외측에 위치한다. 하부 유전판(220)에는 제1 공급 유로(221)가 형성된다. 제1 공급 유로(221)는 하부 유전판(220)의 상면으로부터 저면으로 제공된다. 제1 공급 유로(221)는 서로 이격하여 복수 개 형성되며, 기판(W)의 저면으로 열전달 매체가 공급되는 통로로 제공된다.
하부 유전판(220)의 내부에는 하부 전극(223)과 히터(225)가 매설된다. 하부 전극(223)은 히터(225)의 상부에 위치한다. 하부 전극(223)은 제1 하부 전원(223a)과 전기적으로 연결된다. 제1 하부 전원(223a)은 직류 전원을 포함한다. 하부 전극(223)과 제1 하부 전원(223a) 사이에는 스위치(223b)가 설치된다. 하부 전극(223)은 스위치(223b)의 온/오프에 의해 제1 하부 전원(223a)과 전기적으로 연결될 수 있다. 스위치(223b)가 온 되면, 하부 전극(223)에는 직류 전류가 인가된다. 하부 전극(223)에 인가된 전류에 의해 하부 전극(223)과 기판(W) 사이에는 정전기력이 작용하며, 정전기력에 의해 기판(W)은 하부 유전판(220)에 흡착된다.
히터(225)는 제2 하부 전원(225a)과 전기적으로 연결된다. 히터(225)는 제2 하부 전원(225a)에서 인가된 전류에 저항함으로써 열을 발생시킨다. 발생된 열은 하부 유전판(220)을 통해 기판(W)으로 전달된다. 히터(225)에서 발생된 열에 의해 기판(W)은 소정 온도로 유지된다. 히터(225)는 나선 형상의 코일을 포함한다.
하부 유전판(220)의 하부에는 지지판(230)이 위치한다. 하부 유전판(220)의 저면과 지지판(230)의 상면은 접착제(236)에 의해 접착될 수 있다. 지지판(230)은 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 지지판(230)의 상면은 중심 영역이 가장자리 영역보다 높게 위치되도록 단차질 수 있다. 지지판(230)의 상면 중심 영역은 하부 유전판(220)의 저면에 상응하는 면적을 가지며, 하부 유전판(220)의 저면과 접착된다. 지지판(230)에는 제1 순환 유로(231), 제2 순환 유로(232) 및 제2 공급 유로(233)가 형성된다.
제1 순환 유로(231)는 열전달 매체가 순환하는 통로로 제공된다. 제1 순환 유로(231)는 지지판(230) 내부에 나선 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 제1 순환 유로(231)는 서로 상이한 반경을 갖는 링 형상의 유로들이 동일한 중심을 갖도록 배치될 수 있다. 각각의 제1 순환 유로(231)는 서로 연통될 수 있다. 제1 순환 유로(231)는 동일한 높이에 형성된다.
제2 순환 유로(232)는 냉각 유체가 순환하는 통로로 제공된다. 제2 순환 유로(232)는 지지판(230) 내부에 나선 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 제2 순환 유로(232)는 서로 상이한 반경을 갖는 링 형상의 유로들이 동일한 중심을 갖도록 배치될 수 있다. 각각의 제2 순환 유로(232)는 서로 연통될 수 있다. 제2 순환 유로(232)는 제1 순환 유로(231)보다 큰 단면적을 가질 수 있다. 제2 순환 유로(232)는 동일한 높이에 형성된다. 제2 순환 유로(232)는 제1 순환 유로(231)의 하부에 위치될 수 있다.
제2 공급 유로(233)는 제1 순환 유로(231)부터 상부로 연장되며, 지지판(230)의 상면으로 제공된다. 제2 공급 유로(243)는 제1 공급 유로(221)에 대응하는 개수로 제공되며, 제1 순환 유로(231)와 제1 공급 유로(221)를 연결한다.
제1 순환 유로(231)는 열전달 매체 공급라인(231b)을 통해 열전달 매체 저장부(231a)와 연결된다. 열전달 매체 저장부(231a)에는 열전달 매체가 저장된다. 열전달 매체는 불활성 가스를 포함한다. 실시 예에 의하면, 열전달 매체는 헬륨(He) 가스를 포함한다. 헬륨 가스는 공급 라인(231b)을 통해 제1 순환 유로(231)에 공급되며, 제2 공급 유로(233)와 제1 공급 유로(221)를 순차적으로 거쳐 기판(W) 저면으로 공급된다. 헬륨 가스는 플라즈마에서 기판(W)으로 전달된 열이 정전 척(210)으로 전달되는 매개체 역할을 한다.
제2 순환 유로(232)는 냉각 유체 공급 라인(232c)을 통해 냉각 유체 저장부(232a)와 연결된다. 냉각 유체 저장부(232a)에는 냉각 유체가 저장된다. 냉각 유체 저장부(232a) 내에는 냉각기(232b)가 제공될 수 있다. 냉각기(232b)는 냉각 유체를 소정 온도로 냉각시킨다. 이와 달리, 냉각기(232b)는 냉각 유체 공급 라인(232c) 상에 설치될 수 있다. 냉각 유체 공급 라인(232c)을 통해 제2 순환 유로(232)에 공급된 냉각 유체는 제2 순환 유로(232)를 따라 순환하며 지지판(230)을 냉각한다. 지지판(230)은 냉각되면서 하부 유전판(220)과 기판(W)을 함께 냉각시켜 기판(W)을 소정 온도로 유지시킨다.
포커스 링(240)은 정전 척(210)의 가장자리 영역에 배치된다. 포커스 링(240)은 링 형상을 가지며, 하부 유전판(220)의 둘레를 따라 배치된다. 포커스 링(240)의 상면은 외측부(240a)가 내측부(240b)보다 높도록 단차질 수 있다. 포커스 링(240)의 상면 내측부(240b)는 하부 유전판(220)의 상면과 동일 높이에 위치된다. 포커스 링(240)의 상면 내측부(240b)는 하부 유전판(220)의 외측에 위치된 기판(W)의 가장자리 영역을 지지한다. 포커스 링(240)의 외측부(240a)는 기판(W)의 가장자리 영역을 둘러싸도록 제공된다. 포커스 링(240)은 챔버(100) 내에서 플라즈마가 기판(W)과 마주하는 영역으로 집중되도록 한다.
지지판(230)의 하부에는 절연 플레이트(250)가 위치한다. 절연 플레이트(250)는 지지판(230)에 상응하는 단면적으로 제공된다. 절연 플레이트(250)는 지지판(230)과 하부 커버(270) 사이에 위치한다. 절연 플레이트(250)는 절연 재질로 제공되며, 지지판(230)과 하부 커버(270)를 전기적으로 절연시킨다.
하부 커버(270)는 기판 지지 유닛(200)의 하단부에 위치한다. 하부 커버(270)는 하우징(110)의 바닥면에서 상부로 이격되어 위치한다. 하부 커버(270)는 상면이 개방된 공간이 내부에 형성된다. 하부 커버(270)의 상면은 절연 플레이트(250)에 의해 덮어진다. 따라서, 하부 커버(270)의 단면의 외부 반경은 절연 플레이트(250)의 외부 반경과 동일한 길이로 제공될 수 있다. 하부 커버(270)의 내부 공간에는 반송되는 기판(W)을 외부의 반송 부재로부터 정전 척(210)으로 이동시키는 리프트 핀 모듈(미도시) 등이 위치할 수 있다.
하부 커버(270)는 연결 부재(273)를 갖는다. 연결 부재(273)는 하부 커버(270)의 외측면과 하우징(110)의 내측벽을 연결한다. 연결 부재(273)는 하부 커버(270)의 외측면에 일정한 간격으로 복수 개 제공될 수 있다. 연결 부재(273)는 기판 지지 유닛(200)을 챔버(100) 내부에서 지지한다. 또한, 연결 부재(273)는 하우징(110)의 내측벽과 연결됨으로써 하부 커버(270)가 전기적으로 접지되도록 한다. 제1 하부 전원(223a)과 연결되는 제1 전원 라인(223c), 제2 하부 전원(225a)과 연결되는 제2 전원라인(225c), 열전달 매체 저장부(231a)와 연결된 열전달 매체 공급라인(231b), 및 냉각 유체 저장부(232a)와 연결된 냉각 유체 공급 라인(232c) 등은 연결 부재(273)의 내부 공간을 통해 하부 커버(270) 내부로 연장된다.
가스 공급 유닛(300)은 챔버(100) 내부에 공정 가스를 공급한다. 가스 공급 유닛(300)은 가스 공급 노즐(310), 가스 공급 라인(320) 및 가스 저장부(330)를 포함한다. 가스 공급 노즐(310)은 밀폐 커버(120)의 중앙부에 설치된다. 가스 공급 노즐(310)의 저면에는 분사구가 형성된다. 분사구는 밀폐 커버(120)의 하부에 위치하며, 챔버(100) 내부의 처리공간으로 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.
플라즈마 소스(400)는 챔버(100) 내 공정 가스를 플라즈마 상태로 여기시킨다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 플라즈마 소스(400)는 ICP 타입으로 구성될 수 있다. 플라즈마 소스(400)는 소스 안테나(410) 및 전원(420)을 포함할 수 있다.
배플 유닛(500)은 하우징(110)의 내측벽과 기판 지지 유닛(200) 사이에 위치된다. 배플 유닛(500)은 관통홀이 형성된 배플을 포함한다. 배플은 환형의 링 형상으로 제공된다. 하우징(110) 내에 제공된 공정가스는 배플의 관통홀들을 통과하여 배기홀(102)로 배기된다. 배플의 형상 및 관통홀들의 형상에 따라 공정가스의 흐름이 제어될 수 있다.
플라즈마 측정 유닛(800)은 공정 챔버(100) 내부의 처리 공간 내 플라즈마 밀도를 측정한다. 플라즈마 측정 유닛(800)은 링 부재(810), 안테나 부재(820) 및 제어 부재(830)를 포함한다. 링 부재(810)는 상부 유전판(120)과 하우징(110) 사이에 제공될 수 있다. 구체적으로, 링 부재(810)는 상부 유전판(120)과 하우징(110)이 맞닿는 위치에 제공되어 상부 유전판(120)과 접하도록 위치할 수 있다. 링 부재(810)는 유전 물질로 제공될 수 있다. 안테나 부재(820)는 링 부재(810)의 외측에 제공된다. 안테나 부재(820)는 복수 개 제공될 수 있다. 제어 부재(830)는 안테나 부재(820)로 전자기파를 인가하고, 안테나 부재(820)로부터 수신되는 반사파를 측정하여 공정 챔버(100) 내 처리 공간의 플라즈마 밀도를 산출할 수 있다. 여기서, 전자기파는 마이크로 웨이브일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 제어 부재(830)는 안테나 부재(820)에 인가되는 전자기파의 주파수를 조절하여, 링 부재(810)를 통해 상부 유전판(120)을 흐르는 표면파의 파수(Wave Number)가 무한대로 증가하는 특이점을 검출하고, 특이점에 기초하여 공진 주파수를 산출하며, 기저장된 공진 주파수와 플라즈마 밀도의 관계를 이용하여 처리 공간의 플라즈마 밀도를 산출할 수 있다. 구체적인 플라즈마 밀도 산출 방법에 대해서는 이하 도 4를 참조하여 상세히 후술한다.
도 2를 참조하면, 플라즈마 측정 유닛(800)은 링 부재(810)의 외측에 제공되는 가이드 부재(840)를 포함할 수 있다. 가이드 부재(840)는 링 부재(810)의 외측에서 링 부재(810)와 동일한 높이로 제공될 수 있다. 가이드 부재(840)는 링 형상으로 제공될 수 있다. 가이드 부재(840)는 레일 형태로 제공되어 안테나 부재(820)가 이동할 수 있는 가이드를 제공할 수 있다. 즉, 안테나 부재(820)는 가이드 부재(840) 상에서 이동 가능하도록 가이드 부재(840)와 결합되어 링 부재(810)의 외측을 따라 이동할 수 있다. 또한, 가이드 부재(840)는 안테나 부재(820)와의 사이에 제공되는 무빙 제어부(841)를 포함할 수 있다. 무빙 제어부(841)는 안테나 부재(820)를 특정 위치로 이동시키거나 특정 위치에 고정시킬 수 있다. 도 3을 참조하면, 안테나 부재(820)는 가이드 부재(840) 상의 서로 다른 위치에 복수 개 제공될 수 있다. 복수 개의 안테나 부재(820)는 서로 마주보는 위치에 배치될 수 있다. 또한, 도 3에서 복수 개의 안테나 부재(820)는 6개 제공되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 2개 내지 5개 제공되거나, 7개 이상 제공될 수 있다. 복수 개의 안테나 부재(820)는 가이드 부재(840) 상에서 이동하여 특정 위치에 고정될 수 있다. 안테나 부재(820)는 측정 안테나 및 측정 안테나를 둘러싸는 동축 케이블로 구성될 수 있다. 측정 안테나는 끝단이 링 부재(810)에 접하도록 위치될 수 있다. 이에 따라, 안테나 부재(820)에 인가되는 전자기파는 링 부재(810)를 통해 상부 유전판(120)으로 전달되며, 상부 유전판(120)을 통과한 전자기파는 링 부재(810)를 통해 다시 안테나 부재(820)에 전달된다. 이에 따라, 제어 부재(830)는 안테나 부재(820)에서 측정되는 반사파를 이용하여 처리 공간 내 플라즈마 밀도를 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파의 주파수에 대한 표면파의 파수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 일 예로, 2*1011 cm-3 의 밀도를 갖는 플라즈마의 경우 전자기파의 주파수가 1.8 GHz가 될 때 kz/kfree 가 무한대로 증가한다. 여기서, kz는 상부 유전판(120)을 흐르는 표면파의 파수(Wave Number)이고, kfree는 자유공간에서 표면파의 파수(Wave Number)이다. 따라서, 제어 부재(830)는 전자기파의 주파수를 조절하면서 kz/kfree를 측정하고, 전자기파의 주파수가 1.8 GHz일 때 kz/kfree 가 무한대로 증가하면 공진 주파수는 1.8 GHz가 되고, 1.8 GHz의 공진 주파수에 대응되는 플라즈마 밀도는 2*1011 cm-3 인 것으로 판단할 수 있다. 다른 예로, 전자기파의 주파수가 2.8 GHz일 때 kz/kfree 가 무한대로 증가하면 공진 주파수는 2.8 GHz가 되고, 2.8 GHz의 공진 주파수에 대응되는 플라즈마 밀도는 5*1011 cm-3 인 것으로 판단할 수 있다. 또 다른 예로, 전자기파의 주파수가 4 GHz일 때 kz/kfree 가 무한대로 증가하면 공진 주파수는 4 GHz가 되고, 4 GHz의 공진 주파수에 대응되는 플라즈마 밀도는 2*1010 cm-3 인 것으로 판단할 수 있다.
또한, 제어 부재(830)는 상부 유전판(120)을 흐르는 표면파의 파수 kz를 아래의 수학식 1을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure 112019079277488-pat00003
여기서, kz는 표면파의 파수, kd는 상부 유전판(120)의 비유전상수, w는 전자기파의 주파수, c는 안테나 부재(820) 사이의 커패시턴스, wpe는 반사파의 주파수이다.
즉, 제어 부재(830)는 안테나 부재(820)에 인가되는 전자기파의 주파수를 조절하면서 안테나 부재(820)에 수신되는 반사파의 주파수를 측정하여, 상부 유전판(120)을 흐르는 표면파의 파수를 산출할 수 있으며, 표면파의 파수가 무한대로 증가하는 전자기파의 주파수를 공진 주파수로 검출하여 공정 챔버(100) 내 처리 공간의 플라즈마 밀도를 산출할 수 있다. 따라서, 본 발명의 플라즈마 측정 유닛(800)은 공정 챔버(100) 내로 별도의 안테나를 삽입하지 않고, 공정 챔버(100)의 외측에 위치하는 안테나 부재(820)를 이용하여 공정 챔버(100) 내의 플라즈마 밀도를 측정할 수 있으며, 이에 따라, 공정 챔버(100) 내의 플라즈마에 영향을 주지 않으면서 공정 챔버(100) 내의 플라즈마 밀도를 측정할 수 있다. 또한, 본 발명은 안테나 부재(820)에 전자기파(마이크로 웨이브)를 인가하고, 안테나 부재(820)에 수신되는 반사파를 이용하여 플라즈마 밀도를 보다 정확히 측정할 수 있으며, 가이드 부재(840) 상의 서로 다른 위치에 복수 개의 안테나 부재(820)가 제공되어 공정 챔버(100) 내 다양한 영역에서 플라즈마 밀도를 측정할 수 있다.
또한, 상술한 실시 예에서 공진 주파수를 이용하여 플라즈마 밀도를 산출하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 표면파의 파수가 감소하는 컷오프 주파수를 이용하여 플라즈마 밀도를 산출할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 밀도에 따른 반사파의 반사율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 플라즈마 밀도가 상대적으로 낮은 5*1011 cm-3 의 경우, 전자기파가 낮은 주파수일 때 플라즈마 밀도가 상대적으로 높은 1*1012 cm-3 의 경우보다 반사율이 커진다. 반대로, 플라즈마 밀도가 상대적으로 높은 1*1012 cm-3 의 경우, 전자기파가 높은 주파수일 때 플라즈마 밀도가 상대적으로 낮은 5*1011 cm-3 의 경우보다 반사율이 커진다. 또한, 플라즈마 밀도가 증가할수록 반사파(S11)의 반사율 최소값이 나타나는 전자기파의 주파수가 증가한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 링 부재의 외측에 제공되는 안테나 부재로 전자기파를 인가한다(S610). 여기서, 링 부재는 플라즈마를 발생시키는 소스 안테나의 하부에 제공되는 유전판과 공정 챔버의 하우징 사이에 제공될 수 있다. 또한, 링 부재는 유전체 물질로 제공될 수 있다. 이에 따라, 링 부재를 통해 안테나 부재에 인가되는 전자기파가 유전판으로 전달되며, 유전판을 통과한 표면파는 링 부재를 통해 안테나 부재로 전달될 수 있다. 안테나 부재에 인가되는 전자기파는 마이크로 웨이브일 수 있다.
이어서, 안테나 부재로부터 수신되는 반사파를 측정하고(S620), 측정된 반사파를 이용하여 공정 챔버 내부의 플라즈마 밀도를 산출할 수 있다. 구체적으로, 전자기파의 주파수를 조절하여 유전판을 흐르는 표면판의 파수가 무한대로 증가하는 특이점을 검출하고, 검출된 특이점에 기초하여 공진 주파수를 검출할 수 있다. 공진 주파수가 검출되면, 기저장된 공진 주파수와 플라즈마 밀도의 관계를 이용하여 처리 공간 내의 플라즈마 밀도를 산출할 수 있다. 일 예로, 검출된 공진 주파수가 1.8 GHz인 경우, 1.8 GHz의 공진 주파수에 대응되는 플라즈마 밀도인 2*1011 cm-3 를 처리 공간 내 플라즈마 밀도로 산출할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면 챔버 내 플라즈마 밀도를 보다 정확히 측정할 수 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.
10: 기판 처리 장치 100: 공정 챔버
200: 지지 유닛 300: 가스 공급 유닛
400: 플라즈마 소스 800: 플라즈마 측정 유닛
810: 링 부재 820: 안테나 부재
830: 제어 부재 840: 가이드 부재

Claims (17)

  1. 기판을 처리하는 장치에 있어서,
    내부에 처리 공간이 제공되는 공정 챔버;
    상기 처리 공간 내에서 기판을 지지하는 지지 유닛;
    상기 처리 공간 내로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛;
    상기 가스를 여기시켜 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 소스; 및
    상기 처리 공간 내의 플라즈마 밀도를 측정하는 플라즈마 측정 유닛;을 포함하되,
    상기 플라즈마 측정 유닛은,
    상기 공정 챔버의 측벽에 제공되는 링 부재;
    상기 링 부재의 외측에 제공되는 안테나 부재; 및
    상기 안테나 부재로 전자기파를 인가하고 상기 안테나 부재로부터 수신되는 반사파를 측정하여 상기 처리 공간 내의 플라즈마 밀도를 산출하는 제어 부재;를 포함하고,
    상기 플라즈마 측정 유닛은,
    상기 링 부재의 외측에서 상기 링 부재와 동일한 높이로 제공되는 링 형상의 가이드 부재;를 더 포함하고,
    상기 안테나 부재는, 상기 가이드 부재 상에서 이동 가능하도록 상기 가이드 부재에 결합되는 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 소스는,
    소스 안테나; 및
    상기 소스 안테나에 전압을 인가하는 전원;을 포함하고,
    상기 공정 챔버는,
    내부에 처리 공간이 제공되고, 상면이 개방되는 하우징; 및
    상기 소스 안테나의 하부에 제공되며, 상기 하우징의 상면을 밀폐하는 유전판;을 포함하는 기판 처리 장치.
  3. 기판을 처리하는 장치에 있어서,
    내부에 처리 공간이 제공되는 공정 챔버;
    상기 처리 공간 내에서 기판을 지지하는 지지 유닛;
    상기 처리 공간 내로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛;
    상기 가스를 여기시켜 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 소스; 및
    상기 처리 공간 내의 플라즈마 밀도를 측정하는 플라즈마 측정 유닛;을 포함하되,
    상기 플라즈마 측정 유닛은,
    상기 공정 챔버의 측벽에 제공되는 링 부재;
    상기 링 부재의 외측에 제공되는 안테나 부재; 및
    상기 안테나 부재로 전자기파를 인가하고 상기 안테나 부재로부터 수신되는 반사파를 측정하여 상기 처리 공간 내의 플라즈마 밀도를 산출하는 제어 부재;를 포함하고,
    상기 플라즈마 소스는,
    소스 안테나; 및
    상기 소스 안테나에 전압을 인가하는 전원;을 포함하고,
    상기 공정 챔버는,
    내부에 처리 공간이 제공되고, 상면이 개방되는 하우징; 및
    상기 소스 안테나의 하부에 제공되며, 상기 하우징의 상면을 밀폐하는 유전판;을 포함하며,
    상기 링 부재는, 상기 하우징과 상기 유전판 사이에 제공되며,
    상기 제어 부재는,
    상기 전자기파의 주파수를 조절하여, 상기 유전판을 흐르는 표면파의 파수(Wave Number)가 무한대로 증가하는 특이점을 검출하고, 상기 특이점에 기초하여 공진 주파수를 산출하며, 기저장된 공진 주파수와 플라즈마 밀도의 관계를 이용하여 상기 처리 공간 내의 플라즈마 밀도를 산출하는 기판 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 링 부재는, 유전체 물질로 제공되는 기판 처리 장치.
  5. 삭제
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제어 부재는,
    상기 표면파의 파수를 아래의 식을 이용하여 산출하며,
    Figure 112020092309403-pat00004

    여기서, kz는 상기 표면파의 파수, kd는 상기 유전판의 비유전상수, w는 상기 전자기파의 주파수, c는 상기 안테나 부재 사이의 커패시턴스, wpe는 상기 반사파의 주파수인 기판 처리 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 전자기파는, 마이크로 웨이브인 기판 처리 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 부재는, 상기 가이드 부재 상의 서로 다른 위치에 복수 개 제공되는 기판 처리 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    복수 개의 상기 안테나 부재는 서로 마주보는 위치에 배치되는 기판 처리 장치.
  11. 제1항 내지 제4항, 제6항 내지 제7항, 제9항 내지 제10항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 안테나 부재는, 측정 안테나 및 상기 측정 안테나를 둘러싸는 동축 케이블을 포함하는 기판 처리 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 측정 안테나는, 끝단이 상기 링 부재에 접하도록 위치되는 기판 처리 장치.
  13. 공정 챔버 내부의 처리 공간에 배치된 기판에 플라즈마를 제공하여 상기 기판을 플라즈마 처리하되,
    상기 플라즈마를 발생시키는 소스 안테나의 하부에 제공되는 유전판과 상기 공정 챔버의 하우징 사이에는 링 부재가 제공되고, 상기 링 부재의 외측에는 안테나 부재가 제공되며, 상기 안테나 부재로 전자기파를 인가하고 상기 안테나 부재로부터 수신되는 반사파를 측정하여 상기 처리 공간 내의 플라즈마 밀도를 산출하되,
    상기 전자기파의 주파수를 조절하여, 상기 유전판을 흐르는 표면파의 파수가 무한대로 증가하는 특이점을 검출하고, 상기 특이점에 기초하여 공진 주파수를 산출하며, 기저장된 공진 주파수와 플라즈마 밀도의 관계를 이용하여 상기 처리 공간 내의 플라즈마 밀도를 산출하는 기판 처리 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 링 부재는, 유전체 물질로 제공되는 기판 처리 방법.
  15. 삭제
  16. 제13항에 있어서,
    상기 표면파의 파수는, 아래의 식을 이용하여 산출하며,
    Figure 112020092309403-pat00005

    여기서, kz는 상기 표면파의 파수, kd는 상기 유전판의 비유전상수, w는 상기 전자기파의 주파수, c는 상기 안테나 부재 사이의 커패시턴스, wpe는 상기 반사파의 주파수인 기판 처리 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 전자기파는, 마이크로 웨이브인 기판 처리 방법.

KR1020190093994A 2019-08-01 2019-08-01 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 KR102175085B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20040093017A (ko) * 2003-04-24 2004-11-04 동경 엘렉트론 주식회사 플라즈마 모니터링 방법, 플라즈마 모니터링 장치 및플라즈마 처리장치
JP2010056114A (ja) * 2008-08-26 2010-03-11 Hitachi High-Technologies Corp プラズマ処理装置
JP2011507195A (ja) * 2007-12-13 2011-03-03 ラム リサーチ コーポレーション プラズマ非閉じ込めセンサ及びその方法

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