KR102487342B1 - 정전척 어셈블리 및 이를 구비하는 플라즈마 처리장치 - Google Patents

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Abstract

정전척 어셈블리 및 이를 구비하는 플라즈마 처리장치를 개시한다. 정전척 어셈블리는 기판을 지지하고 기판을 고정하는 정전기력을 생성하는 흡착전극을 구비하는 유전판, 유전판을 지지하도록 상기 유전판과 결합되고 고주파 전력이 인가되는 도전형 기저판 및 절연물질로 구성되고 기저판을 지지하도록 기저판과 결합되며 절연물질의 유전상수보다 작은 유전상수를 갖는 저유전층을 구비하는 절연판을 포함한다. 로드 사이즈를 0.4 내지 0.6의 범위를 갖도록 고주파 전력로드를 구성하고 차폐링을 유전상수 5이하의 물질로 구성한다. 이에 따라, 기판으로 공급되는 전류를 증가시켜 플라즈마 균일도를 높일 수 있다.

Description

정전척 어셈블리 및 이를 구비하는 플라즈마 처리장치{Electrostatic chuck and a plasma apparatus for processing substrates having the same}
본 발명은 정전척 어셈블리 및 이를 구비하는 플라즈마 처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 밀도를 높일 수 있는 정전척 어셈블리 및 이를 구비하는 반도체 소자용 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
평판 표시장치나 반도체 소자의 제조공정은 고정된 기판에 대한 다양한 미세패턴 공정을 수반하므로, 공정챔버의 내부에서 기판을 안정적으로 고정하는 것은 필수적이다. 최근에는 기판의 수평도를 충분히 보장할 수 있고 공정이 진행되는 동안 파티클 발생을 최소화 할 수 있는 정전척 어셈블 리가 널리 이용되고 있다.
정전척 어셈블리는 기판을 지지하는 유전체의 내부에 배치되는 전극으로 인가되는 전원에 의해 생성되는 정전기력으로 상기 기판을 지지한다. 특히, 상기 정전척 어셈블리가 플라즈마 공정의 기판 고정부재로 이용되는 경우 플라즈마 생성을 위한 하부전극으로도 기능한다.
따라서, 기판을 고정하는 정전기력의 발생뿐만 아니라 공정챔버의 내부에 생성되는 플라즈마의 균일도를 높이기 위한 다양한 노력들이 상기 정전척 어셈블리에 대해 이루어지고 있다. 특히, 최근에는 평판 표시장치용 유리 기판이나 반도체 소자용 웨이퍼의 사이즈가 대형화되면서 기판의 주변부와 중심부에서 플라즈마의 균일도를 높이기 위한 다양한 노력들이 이루어지고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 기판으로의 전류 공급량을 증가시켜 플라즈마의 세기와 균일도를 높일 수 있는 정전척 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 바와 같은 정전척 어셈블리를 구비하여 플라즈마 처리속도와 균일도를 높일 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 정전척 어셈블리는 기판을 지지하고 상기 기판을 고정하는 정전기력을 생성하는 흡착전극을 구비하는 유전판, 상기 유전판을 지지하도록 상기 유전판과 결합되고 고주파 전력이 인가되는 도전형 기저판 및 절연물질로 구성되고 상기 기저판을 지지하도록 상기 기저판과 결합되며 상기 절연물질의 유전상수보다 낮은 유전상수를 갖는 저유전층을 구비하는 절연판을 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전척 어셈블리는 기판을 지지하고 상기 기판을 고정하는 정전기력을 생성하는 흡착전극을 구비하는 유전판, 상기 유전판을 지지하도록 상기 유전판과 결합되고 고주파 전력이 인가되는 도전형 기저판, 절연물질을 포함하고 상기 기저판을 지지하도록 상기 기저판과 결합되는 절연판 및 상기 절연판을 관통하는 고주파 가이드 및 상기 고주파 가이드의 내부를 따라 연장하여 상기 기저판과 연결되며 상기 고주파 가이드 반경의 0.4배 내지 0.6배의 반경을 갖고 공기층에 의해 절연되는 고주파 전력로드를 구비하는 고주파 전력공급 구조물을 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리장치는 플라즈마 처리공간을 갖는 공정챔버, 상기 처리공간으로 플라즈마 소스가스를 공급하는 소스 공급부, 상기 공정챔버의 하부에 배치되어 기판을 지지하는 정전척 어셈블리, 상기 공정챔버의 상부에 배치되어 상기 플라즈마 소스가스를 플라즈마로 형성하는 플라즈마 생성부 및 상기 플라즈마 생성부 및 상기 정전척 어셈블리로 전원을 공급하는 파워소스를 구비하고 플라즈 처리공정을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 정전척 어셈블리는 상기 기판을 고정하는 정전기력을 생성하는 흡착전극을 구비하는 유전판, 상기 유전판을 지지하도록 상기 유전판과 결합되고 고주파 전력이 인가되는 도전형 기저판 및 절연물질로 구성되고 상기 기저판을 지지하도록 상기 기저판과 결합되며 상기 절연물질의 유전상수보다 낮은 유전상수를 갖는 저유전층을 구비하는 절연판을 구비한다.
본 발명에 의한 정전척 어셈블리 및 이를 구비하는 플라즈마 처리장치는 정전척 어셈블리를 구성하는 기저판의 하부에 배치된 절연판을 절연판의 유전상수보다 낮은 유전상수를 갖는 저유전층을 구비하도록 변형하고 상기 유전판을 둘러싸는 차폐 링을 석영과 같이 유전상수가 5 이하인 물질로 구성하여 절연판과 차폐 링 및 기저판 사이의 임피던스를 충분히 높일 수 있다. 또한, 상기 기저판으로 고주파를 인가하는 고주파 전력공급 구조물의 로드 사이즈를 약 0.4 내지 0.6의 범위를 갖도록 변형하여 상기 기저판과 고주파 전력공급 구조물 사이의 임피던스를 충분히 저하시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 기저판이나 차폐 링을 통하여 손실되는 전력을 최소화하고 상기 고주파 전력공급 구조물로부터 기판로 인가되는 전류를 최대화함으로써 생성되는 플라즈마의 세기와 균일도를 높일 수 있다. 따라서, 상기 기판에 대한 플라즈마 처리공정의 균일도와 속도를 현저하게 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 정전척 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따라 도 1에 도시된 절연판을 나타내는 사시도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 절연판을 I-I' 방향을 따라 절단한 단면도이다.
도 3a는 도 2a에 도시된 절연판의 변형례를 나타내는 사시도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 절연판을 I-I' 방향을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 고주파 전력 공급 구조물(700)을 반경방향을 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 정전척 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 정전척 어셈블리를 구비하는 플라즈마 처리장치를 나타내는 단면도이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 정전척 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 정전척 어셈블리(1000)는 유전판(100), 기저판(200), 절연판(300), 접지판(400), 차폐링(500), 포커스 링(600) 및 고주파 전력 공급 구조물(700)을 포함한다.
예를 들면, 상기 유전판(100)은 접착제(A)에 의해 하부에 배치되는 기저판(200)에 접착되는 원판 형상의 벌크형 유전 몸체(dielectric body, 110)로 제공된다. 상기 유전몸체(110)는 세라믹(예: Al2O3, AlN, Y2O3)이나 레진(예: 폴리이미드)과 같은 유전물질로 구성될 수 있다. 상기 유전 몸체(110)의 상면에는 플라즈마 처리공정이 수행될 기판(W)이 배치된다. 예를 들면, 상기 기판(W)은 반도체 소자용 미세패턴을 형성하기 위한 웨이퍼나 평판 표시장치용 미세패턴을 형성하기 위한 유리기판을 포함할 수 있다.
상기 유전 몸체(110)의 내부에는 정전기력을 생성하여 기판(W)을 유전 몸체(110)의 상면에 흡착하는 흡착전극(120) 및 상기 기판(W)을 일정한 온도로 유지하기 위한 히터전극(130)이 내장되어 배치된다.
상기 흡착전극(120)은 직류전원에 전기적으로 연결되어 흡착전극(120)과 기판(W) 사이에는 정전기력이 작용하게 된다. 이에 따라, 기판(W)은 정전기력에 의해 유전판(100)에 흡착된다. 상기 흡착 전극(120)은 원형 패턴과 고리형 패턴의 조합, 원형 패턴, 혹은 2개의 반원형 패턴이 합쳐진 형태 등으로 다양하게 구성될 수 있다.
상기 히터전극(130)은 히터전원과 전기적으로 연결되어 주울열을 발생시키고 상기 주울열은 기판(W)으로 전달되어 기판을 일정한 온도로 유지시킨다. 예를 들면, 상기 히터전극(130)은 상기 원판형 유전 몸체(110)의 중심축을 기준으로 동심원형 혹은 나선형의 패턴을 구비할 수 있다.
상기 흡착전극(120)이나 히터 전극(130)은 텅스텐(W), 구리(Cu), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 타이타늄(Ti), 니켈-크롬 합금(Ni-Cr alloy), 니켈-알루미늄 합금(Ni-Al alloy) 등과 같은 금속 혹은 텅스텐 카바이드(WC), 몰리브덴 카바이드(MoC), 타이타늄나이트라이드(TiN) 등과 같은 도전헝 세라믹으로 구성될 수 있다. 상기 흡착 전극(120)과 히터 전극(130)은 유전몸체(100)의 내부에서 전기적 쇼트가 일어나지 않도록 그 사이에 충분한 저항을 갖도록 배치된다.
상기 기저판(200)은 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 스테인레스 스틸(stainless steel), 텅스텐(W), 혹은 이들의 합금과 같은 금속으로 구성된 디스크 형태를 갖는다. 예를 들면, 상기 지지판(200)은 중심부가 가장자리 보다 높게 위치하도록 단차를 구비한다. 이에 따라, 지지판(200)의 상면은 유전판(100)의 하면에 대응하는 면적을 갖고 유전판(100)과 접촉하며, 지피판(200)의 하부에 배치된 단차면(201)은 후술하는 차폐 링(700)과 접촉한다.
상기 기저판(200)은 후술하는 고주파 전력 공급 구조물(700)과 연결되어 고주파 전력이 인가될 수 있다. 이에 따라 상기 기저판(200)은 기판(W)의 상부에 플라즈마를 생성하기 위한 하부전극으로 기능하게 된다.
싱기 기저판(200)의 내부에는 냉각수 유동을 위한 냉각 채널(210)이 내장되어 배치된다. 정전척 어셈블리(1000)에 고정된 기판(W)에 대하여 고온의 플라즈마 공정이 수행되는 경우 기판(W)에 대한 손상을 방지하기 위해 기판을 냉각할 필요가 있다. 따라서, 플라즈마 공정이 수행되는 동안 상기 냉각채널(210)을 통하여 냉각수를 공급함으로써 플라즈마 공정을 위한 고온과 무관하게 상기 기판(W)의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
예를 들면, 상기 냉각 채널(210)은 상기 기저판(200)의 중심축을 중심으로 동심 원형 혹은 나선형의 파이프 구조로 제공될 수 있다. 별도의 온도 조절부재에 의해 상기 냉각 채널(210)을 순환하는 냉각수의 흐름 속도와 온도를 조절할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 상기 기저판(200)의 내부에는 불활성 가스와 같은 열전달 매체를 전송하기 위한 유로(flow path)나 상기 유전판(100)의 온도를 검출하기 위한 온도 검출부(미도시)가 더 배치될 수 있고, 상기 흡착전극(120)이나 히터전극(130)으로 전원을 공급하는 파워라인이 관통하는 다수의 홀이 배치될 수 있다.
상기 단차면(201)으로부터 상방으로 연장하여 상기 기저판(210) 및 유전판(100)의 측부를 감싸는 차폐 링(500)이 배치되고, 차폐 링(500)의 상부에서 상기 기판(W)을 고리형태로 감싸는 포커스 링(600)이 제공된다.
상기 차폐 링(500)은 유전판(100)의 측부를 외부환경과 단절시킴으로써 플라즈마 공정이 진행되는 동안 플라즈마나 잔류 소스가스 기타 파티클로부터 유전판(100)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기 포커스 링(600)은 공정챔버의 내부공간에 형성되는 플라즈마가 유전판(100)의 중앙부에 배치된 기판(W)의 상면으로 집중되도록 유도함으로써 기판을 가공하는 플라즈마의 밀도를 높이고 균일하게 유지하도록 한다. 이에 따라, 기판에 대한 플라즈마 공정의 가공 균일도를 높일 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 차폐 링은(500)과 포커스 링(600)은 석영(quartz), 실리콘 카바이드(SiC) 및 실리콘 산화물(SiO2)과 같이 유전율이 5이하인 물질로 구성한다. 이에 따라, 상기 차폐 링(500)과 기저판(200) 사이의 임피던스(impedance)를 증가시켜 상기 기저판(200)으로 공급된 고주파 전류가 정전척 어셈블리(1000)의 측부를 통하여 손실되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 기저판(200)으로 공급된 고주파 전류가 기판(W)으로 흐르도록 유도함으로써 플라즈마 밀도를 높일 수 있다.
상기 지지판(20)의 하부에는 절연판(300)이 배치된다. 절연판(300)은 지지판(200)에 대응하는 면적을 갖고 상면(301)은 지지판(200)의 하면과 접촉하고 하면(302)은 접지판(400)과 접촉하도록 배치되어 도전물질로 이루어진 지지판(200)을 외부로부터 전기적으로 분리한다. 이때, 상기 절연판(300)은 유전상수가 상이한 적어도 한 쌍의 유전부를 구비하여 상기 기저판(200)과의 사이에 형성되는 정전용량의 크기를 저하시킨다.
본 실시예의 경우, 상기 절연판(300)은 절연물질로 구성되는 절연몸체(310)와 상기 절연물질의 유전상수보다 작은 유전상수를 갖는 적어도 하나의 저유전층(320)으로 구성된다. 예를 들면, 상기 저유전층(320)은 유전상수 1인 공기층으로 구성할 수 있다.
따라서, 단일한 절연물질로 이루어진 종래의 절연판과 비교하여 합성 커패시턴스는 현저하게 감소하고 기저판(200)과 절연판(300) 사이의 임피던스는 급격하게 상승하게 된다. 기저판(200)과 절연판(300) 사이의 임피던스상승은 기저판(200)으로 인가된 고주파 전류가 절연판(300)을 통하여 누설되는 것을 최소화함으로써 기판(W)으로 인가되는 전류를 극대화할 수 있다. 이에 따라, 기판(W) 상에 형성되는 플라즈마의 세기와 균일도를 높일 수 있다.
특히, 상기 절연판(300)은 상부에 배치되는 기저판(200) 내부 구조물 및 흡착전극(120)이나 히터전극(130)과 같은 유전판(100) 내부 구조물과 연결되는 배선이 관통하는 다양한 홀들이 비대칭적으로 배치된다. 예를 들면 상기 고주파 전력 공급 구조물(700)이 관통하는 중앙 홀(도 2a의 CH) 및 상기 유전판(100)으로 전력을 공급하는 공급라인이 관통하고 상기 중앙 홀(CH)과 다른 사이즈를 갖는 다수의 주변 홀(도2a의 PH)들이 배치된다. 따라서, 상기 기저판(200)으로 인가되는 고주파 전력에 의해 절연판(300)을 통하여 누설되는 전류가 큰 경우 상기 중앙 홀(CH)이나 주변 홀(PH)과 같은 비대칭적인 형상들이 플라즈마의 생성단계에서 그대로 전사되어 플라즈마의 균일도를 현저하게 저하시키게 된다.
따라서, 상기 절연판(300)을 통한 누설전류를 최소화함으로써 절연판(300)의 비대칭 형상이 플라즈마의 세기에 전사되는 것을 방지하고 기판(W) 상에 생성되는 플라즈마를 기판(W) 전체를 통하여 균일하게 형성할 수 있다.
기판 전체를 통하여 플라즈마의 균일도가 일정하게 형성되는 경우, 상기 기판(W)에 대한 플라즈마 공정의 가공 균일도를 현저하게 높일 수 있다. 특히, 대구경 웨이퍼에 대해 플라즈마 공정을 수행하는 경우, 웨이퍼의 중앙부와 주변부에 대한 증착속도나 식각속도를 균일하게 유지함으로써 웨이퍼 에지부에 대한 수율을 현저하게 향상할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따라 도 1에 도시된 절연판을 나타내는 사시도이며, 도 2b는 도 2a에 도시된 절연판을 I-I' 방향을 따라 절단한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상기 절연판(300)은 상기 절연몸체(310)의 배면에 두께(b)보다 작은 깊이(a)를 갖도록 함몰된 리세스(R)를 포함하고, 상기 저유전층(320)은 상기 리세스(R)에 의해 한정되는 공간을 매립하는 에어 갭(air gap, AG)으로 제공된다.
이때, 상기 리세스(R)는 디스크 형상을 갖는 절연몸체(310)와 동일한 중심을 갖고 단일한 반경을 갖도록 구비되어 상기 절연몸체(310)의 배면 가장자리를 따라 돌출한 돌출부(311)에 의해 한정된다. 이에 따라, 상기 절연층(300)의 배면(302)은 돌출부 상에 배치되는 제1 배면(302a)과 상기 제1 배면(302a)와 단차를 갖는 제2 배면(302b)으로 구성된다.
상기 리세스(R)를 구비하는 절연몸체(310)의 하부에는 절연판(300)의 배면(302)과 접촉하는 접지판(400)에 의해 덮여지므로, 리세스(R)는 절연몸체(310)의 돌출부(311)와 접지판(400)에 의해 한정되는 밀폐공간으로 제공된다. 따라서, 상기 밀폐공간을 충진하는 에어 갭(AG)은 상기 절연몸체(310)보다 낮은 유전상수를 갖는 저유전층(320)으로 기능한다.
본 실시예의 경우, 상기 리세스(R)의 깊이(a)는 상기 절연몸체 두께(b)의 적어도 0.5배 이상으로 구성하여 에어 갭(AG)에 의한 상기 절연판(300)의 전체 커패시턴스 감소 효과를 충분히 달성할 수 있다. 상기 기판(W)에 대한 플라즈마 공정의 가공 균일도는 동일한 단면적을 갖는 리세스(R)인 경우 리세스 깊이(a)에 더욱 민감하게 영향을 받으며 특히 절연몸체(310)의 두께(b)에 대한 리세스 깊이(a)의 비율이 0.5를 넘는 개선효과가 현전하게 나타난다. 이에 따라, 상기 절연몸체(310)의 두께(b)에 대한 상기 리세스 깊이(a)의 비율은 적어도 0.5 이상이 되도록 설정한다.
도 3a는 도 2a에 도시된 절연판의 변형례를 나타내는 사시도이며, 도 3b는 도 3a에 도시된 절연판을 I-I' 방향을 따라 절단한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 절연몸체(310)를 관통하여 상기 기저판(200)의 배면을 노출하는 다수의 보이드 홀(void hole, VH)을 배치하고 상기 저유전층(320)은 상기 보이드 홀(VH)을 충진하는 에어 갭(AG)으로 제공할 수 있다.
상기 보이드 홀(VH)을 구비하는 절연몸체(310)의 하부에는 절연판(300)의 배면(302)과 접촉하는 접지판(400)에 의해 덮여지므로, 보이드 홀(VH)의 내부공간은 기저판(200)과 접지판(400) 및 절연몸체(310)에 의해 한정되는 밀폐공간으로 제공된다. 따라서, 상기 밀폐공간을 충진하는 에어 갭(AG)은 상기 절연몸체(310)보다 낮은 유전상수를 갖는 저유전층(320)으로 기능할 수 있다.
상기 보이드 홀(VH)의 개수와 사이즈는 상기 에어 갭(AG)을 포함하는 절연판(300)의 전체 커패시턴스의 크기에 따라 다양하게 구비될 수 있음은 자명하다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 접지판(400)은 절연판(300)의 하부에 배치되어 절연판(300)과 동일한 형상으로 제공된다. 예를 들면, 상기 접지판(400)은 절연판(300)의 최외곽 반경과 동일한 반경을 갖는 디스크 형상으로 제공되어 절연판(300)의 배면(302)과 접착한다.
상기 접지판(400)은 절연판(300)의 중앙 홀(CH)이나 주변 홀(PH)과 연통하는 다수의 연결 홀(미도시)을 구비할 수 있다. 이에 따라, 상기 기저판(200)으로 고주파 전력을 제공하는 고주파 전력 공급 구조물(700)이나 상기 유전판(100)으로 전류를 공급하는 파워라인은 각각 상기 접지판(400)과 절연판(300)을 관통하도록 배치된다.
다만, 상기 절연판(300)의 리세스(R)나 보이드 홀(VH)은 접지판(400)으로 밀폐하고 내부를 공기로 충진하여 에어 갭(AG)을 형성함으로써 상기 절연판(300)의 저유전층(320)을 형성할 수 있다.
상기 접지판(400)은 도전성이 우수한 금속판으로 구성되고 연결부재에 의해 공정챔버(1100)의 하우징과 연결되어 정전척 어셈블리(1000)의 접지 구조물을 구성한다.
상기 기저판(200)에는 외부의 고주파 전원소스와 연결된 고주파 전력 공급 구조물(700)이 연결되어 고주파 전원이 인가된다.
상기 고주파 전력 공급 구조물(700)은 상기 절연판(300) 및 상기 접지판(400)을 관통하여 상기 기저판(200)의 배면을 노출하고 고주파 절연체(711)로 충진된 고주파 가이드(710) 및 상기 고주파 가이드(710)를 관통하여 상기 기저판(200)과 접촉하여 상기 기저판(200)으로 고주파 전력을 공급하는 고주파 전력 로드(720)를 구비한다.
상기 고주파 가이드(710)는 상기 접지판(400)의 연결 홀 및 상기 절연판(300)의 중앙 홀(CH)에 억지끼워 맞춤으로 배치되는 튜브형상을 갖고 상기 절연판(300)의 리세스(R)를 한정한다. 예를 들면, 상기 고주파 가이드(710)는 상기 절연몸체(310)의 유전상수 보다 작은 유전상수를 갖는 절연물질로 구성하여 기저판(200)의 하부에 배치되는 절연판(300)의 전체 커패시턴스를 줄일 수 있도록 한다. 이때, 고주파 가이드(710)는 공정챔버(1100)의 외부에 구비된 고주파 전원소스와 연결되도록 공정챔버(1100)의 하우징을 관통하여 외부로 연장된다.
이와 달리, 별도의 고주파 가이드(710) 없이 고주파 전력로드(720)만으로 구성될 수도 있다. 예를 들면, 상기 접지판(400) 및 절연판(300)을 관통하는 연결 홀 및 중앙 홀(CH)을 관통하도록 고주파 전력로드(720)를 배치할 수도 있다.
상기 고주파 전력 로드(720)는 튜브 형상을 갖는 고주파 가이드(710)의 내부에 배치되어 고주파 가이드(710)를 따라 기저판(200)의 배면까지 연장된다. 따라서, 상기 고주파 전력로그(720)의 일단부는 기저판(200)과 접촉하고 타단은 고주파 전원소스에 연결된다. 예를 들면, 상기 고주파 전력로드(720)는 구리로 구성된 동축 케이블로 제공될 수 있다.
고주파 전력로드(720)에 의해 기저판(200)으로 고주파 전력이 인가된다. 상기 고주파 전원은 기판(W)의 상부에 플라즈마를 생성하기 위한 RF 파워를 포함할 수도 있고, 공정챔버의 내부공간에 생성된 플라즈마의 방향성을 유도하기 위한 바이어스 파워를 포함할 수도 있다.
도 4는 도 1에 도시된 고주파 전력 공급 구조물(700)을 반경방향을 따라 절단한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 고주파 전력 공급 구조물(700)은 상기 고주파 전력로드(720)와 고주파 가이드(710)가 동일한 중심축을 서로 공유하도록 배치되고 상기 고주파 전력로드(720)의 반경(r2)은 상기 고주파 가이드(710) 반경(r1)의 약 0.4배 내지 0.6배의 크기를 갖도록 구성한다. 고주파 가이드(710)와 고주파 전력로드(720) 사이의 빈 공간은 고주파 절연체(711)로 충진하여 고주파 절연로드(720)로부터 전력이 인가되는 동안 고주파 가이드(710)를 통하여 전력이 손실되는 것을 방지한다. 본 실시예의 경우, 상기 고주파 절연체(711)는 고주파 가이드(720)의 내부에서 고주파 전력로드(720)를 감싸는 공기층(AG)으로 구성된다.
상기 정전척 어셈블리(1000)를 구비하는 플라즈마 식각장치의 상부에 플라즈마 생성을 위한 유도코일(미도시)이 배치되는 경우, 상기 유도코일과 고주파 전력로드(720) 사이의 임피던스는 고주파 가이드의 반경(r1)에 대한 전력로드(720) 반경(r2)의 비율인 로드 사이즈(r2/r1)에 반비례한다.
상기 유도코일과 고주파 전력로드(720) 자체의 임피던스가 큰 경우에는 동일한 고주파 전력에 대해 플라즈마 생성에 기여하는 전류가 줄어들게 되어 생성되는 플라즈마의 밀도가 작아진다. 따라서, 상기 로드 사이즈를 증가시켜 유도코일과 고주파 전력로드(720) 사이의 임피던스를 낮추는 것이 요구된다.
그러나, 상기 정전척 어셈블리(1000)의 설계 단계에서 결정되는 고주파 가이드(710)의 반경(r1)에 대하여 상기 로드 사이즈를 증가시키기 위하여 고주파 전력로드(720)의 반경(r2)을 증가시키는 경우 고주파 전력로드(720)를 감싸는 절연체(711)인 공기층의 두께가 얇아져서 공기방전의 위험이 증가하게 된다.
본 실시예의 경우, 고주파 전력로드(720)의 반경(r2)은 고주파 가이드 반경(r1)의 약 40% 내지 60%의 사이즈를 갖도록 설정하여 플라즈마 밀도와 균일도를 높일 수 있다. 즉, 상기 고주파 전력로드(720)을 둘러싸는 고추자 절연체(711)로 공기층을 이용하는 경우, 상기 로드 사이즈를 약 0.4 내지 0.6으로 설정하여 플라즈마 밀도의 세기와 균일도를 높일 수 있다.
상술한 바와 같은 정전척 어셈블리에 의하면, 기저판을 지지하는 절연판을 유전상수 1인 공기층을 포함하도록 변형하여 절연판의 임피던스를 높일 수 있다. 이에 따라, 기판의 상부에 형성되는 플라즈마의 밀도와 균일도를 높일 수 있다. 또한, 공기층을 고주파 절연체로 이용하는 고주파 전력 공급 구조물에서 로드 사이즈를 0.4 내지 0.6으로 설정하여 상부 및 하부 전력로드 사이의 임피던스를 저하시켜 기판으로 공급되는 전류를 증가시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 유전판을 감싸는 차폐 링을 유전상수가 5이하인 물질로 구성하여 차폐 링의 임피던스도 높게 설정함으로써 차폐 링을 통한 전류손실을 방지함으로써 기판으로 공급되는 전류를 증가시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 정전척 어셈블리를 나타내는 단면도이다. 도 5에 도시된 정전척 어셈블리는 절연판이 단일한 절연몸체로 구비된 것을 제외하고는 도 1에 도시된 정전척 어셈블리와 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 도 1에 도시된 정전척 어셈블리와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 정전척 어셈블리(1001)는 기판(W)을 지지하고 상기 기판(W)을 고정하는 정전기력을 생성하는 흡착전극을 구비하는 유전판(100), 도전물질을 포함하고 상기 유전판(100)을 지지하도록 상기 유전판(100)과 결합되는 기저판(200), 절연물질을 포함하고 상기 기저판(200)을 지지하도록 상기 기저판(200)과 결합되는 절연판(300a) 및 상기 절연판(300a)을 관통하는 고주파 가이드(710) 및 상기 고주파 가이드(710)의 내부를 따라 연장하여 상기 기저판(200)과 연결되며 상기 고주파 가이드 반경(r1)의 0.4배 내지 0.6배의 반경을 갖고 공기층(AG)에 의해 절연되는 고주파 전력로드(720)를 구비하는 고주파 전력공급 구조물(700)을 포함한다.
특히, 상기 유전판(100)의 주변부를 둘러싸도록 배치되어 상기 유전판(100)을 외부와 절연시키고 유전율이 5 이하인 물질로 구성되는 차폐링(500) 및 상기 차폐링(500)의 상부에서 상기 기판(W)을 둘러싸도록 배치되어 상기 플라즈마를 상기 기판(W)으로 집중시키는 포커스 링(600)을 더 포함한다. 이때, 상기 차폐 링은 석영(quartz)으로 구성한다.
본 실시예에 의한 정전척 어셈블리(1001)는 상기 기저판(200)을 지지하는 절연판(300a)이 절연물질로 구성된 단일한 몸체로 구성되어 도 1의 기전판(300)을 구성하는 저유전층(310)을 구비하고 있지 않다. 따라서, 상기 고주파 전력로드(700)의 로드 사이즈(r2/r1)와 차폐 링(600)의 구조변경만으로 플라즈마의 세기와 균일도를 높일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 정전척 어셈블리를 구비하는 플라즈마 처리장치를 나타내는 단면도이다. 본 실시예의 경우, 유도결합(IC) 방식으로 생성되는 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP)를 이용하는 플라즈마 처리장치를 개시하고 있지만, 용량결합 방식으로 생성되는 플라즈마(capacitively coupled plasma, CCP)를 이용하는 플라즈마 처리장치에도 동일하게 적용할 수 있음은 자명하다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈마 처리장치(2000)는 플라즈마 처리공간(S)을 갖는 공정챔버(1100), 상기 처리공간(S)으로 플라즈마 소스가스를 공급하는 소스 공급부(1200), 상기 공정챔버(1100)의 하부에 배치되어 기판을 지지하는 정전척 어셈블리(1000), 상기 공정챔버(1100)의 상부에 배치되어 상기 플라즈마 소스가스를 플라즈마로 형성하는 플라즈마 생성부(1300) 및 상기 플라즈마 생성부(1300) 및 상기 정전척 어셈블리(1000)로 전원을 공급하는 파워소스를 구비하고 플라즈마 처리공정을 제어하는 제어부(1400)를 포함한다.
상기 공정챔버(1100)는 금속제의 원통형 진공 챔버로 제공되고 진공상태의 고온 플라즈마 공정에 적합한 하우징(H)으로 둘러싸인 외형을 갖는다. 상기 공정챔버(1100)는 정전척 어셈블리(1000)가 배치되는 하부챔버와 플라즈마 생성부(1300)가 배치되는 상부챔버로 구분되고 상기 상부 및 하부 챔버 사이의 이격공간에 상기 플라즈마 처리공간(S)이 배치된다.
상기 정전척 어셈블리(1000)는 하부 챔버의 중앙에 배치되어 플라즈마 공정이 진행되는 동안 공정챔버(1100)의 중앙부에서 상기 기판(W)을 고정한다. 상기 정전척 어셈블리(1000)는 도 1 내지 도 5에 도시된 정전척 어셈블리와 동일한 구조를 가지므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
상기 정전척 어셈블리(1000)는 공정챔버(1100)의 내측벽에 고정된 지지부(1110)에 의해 하부 챔버에 고정되고, 상기 플라즈마 처리공간(S)과 하부챔버 사이에는 배플판(1120)이 배치된다. 상기 베플판(1120)은 다수의 관통 홀이 구비된 링 형상으로 제공되며 플라즈마 처리장치(2000)의 공정가스는 베플판(1120)의 관통 홀들을 통하여 하부의 배기관(1112)을 통하여 외부로 배출된다. 배기관(1112)에는 별도의 진공펌프(P)가 연결된다. 상기 베플판의 형상과 관통홀의 구조에 따라 상기 공정가스의 흐름을 제어할 수 있다.
공정챔버(1100)의 외측벽 상에 기판(W)이 출입하는 개구(1132) 및 상기 개구의 개폐를 조절하는 게이트 밸브(1134)를 구비하는 기판 게이트(1130)가 배치되고, 상기 기판 게이트(1130)와 대칭되는 공정챔버의 측벽에는 소스 공급부(1200)와 연결되는 소스가스 유입구(1136)가 배치된다.
소스가스 공급부(1200)는 플라즈마 처리공정에 필요한 공정가스 소스(미도시)들과 연결되어 플라즈마 처리공정에 필요한 공정가스들을 상기 처리공간(S)으로 공급한다. 플라즈마 처리용 소스 가스는 노즐이나 포트 홀과 같은 공급수단을 통하여 상기 유입구(1136)를 통하여 처리 공간(S)으로 공급된다.
상기 플라즈마 생성부(1300)는 처리공간(S)의 상부에 배치된 유전체 창(1310)에 의해 구분되는 코일 공간이 상기 공정챔버(1100)의 상부에 제공된다. 유전체창(1310)의 상면에 나선 혹은 동심원과 같은 코일 형상의 고주파 안테나(1320)가 배치되어 상기 처리공간(S)의 내부에 유도 전기장을 생성하여 처리공간으로 공급된 소스가스를 플라즈마로 변환한다.
상기 제어부(1400)는 상기 공정챔버(1100)의 외부에 배치되어 상기 정전척 어셈블리(1000) 및 상기 플라즈마 생성부(1300)로 전원을 공급하여 플라즈마를 생성하고 공정챔버 내부환경을 제어하여 플라즈마 처리공정이 최적하게 수행되도록 제어한다.
예를 들면, 상기 제어부(1400)는 고주파 전원을 공급하는 고주파 파워소스(1410), 상기 정전척 어셈블리(1000)의 흡착전극(120)으로 전원을 공급하는 정전척(ESC) 파워소스(1420), 상기 히터전극(130)으로 전원을 공급하는 히터 파워소스(1430), 상기 유전판(100)의 온도를 검출하여 채널(210)로 공급하는 냉각수의 유동을 조절하는 온도 조절기(1440) 및 상기 파워소스(1410 내지 1430)와 온도 조절기(1440)를 구동하여 프라즈마 처리공정의 조건을 제어하는 중앙 제어기(1450)를 구비한다.
상기 고주파 파워소스(1410)는 상기 고주파 안테나(1320)로 제1 고주파 전력을 인가하는 제1 고주파 소스(1411) 및 상기 정전척 어셈블리(1000)의 기저판(200)으로 제2 고주파 전력을 인가하는 제2 고주파 소스(1412)를 구비한다.
예를 들면, 상기 제1 고주파 소스(1411)는 상기 고주파 안테나(1320)로 RF 파워를 인가하는 고주파 생성기(미도시) 및 상기 안테나(1320)와 같은 부하의 임피던스와 상기 고주파 생성기의 임피던스를 정합시키는 임피던스 정합기(impedance matcher,미도시)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 파워소스(1411)는 상기 처리공간(S)에 플라즈마를 생성하기에 적합한 고주파 전력을 상기고주파 안테나(1320)로 인가할 수 있다.
상기 제2 고주파 소스(1412)는 상기 기저판(200)으로 인가되는 바이어스 전력을 공급하는 바이어스 파워소스를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 바이어스 전력은 RF 전력으로 제공될 수 있다.
플라즈마 처리를 위해 먼저 게이트 밸브(1134)를 열어 기판(W)을 공정챔버(1100) 내로 반입하고 정전척 어셈블리(1000)에 탑재한다. 이어서, 상기 정전척 파워 소스(1420)로부터 흡착전극(120)으로 전원을 인가하여 정전기력에 의해 상기 기판(W)이 유전판(100)의 상면에 고정한다.
이어서, 플라즈마 처리용 소스가스가 소스가스 공급부로부터 상기 처리공간(S)으로 공급한 후, 상기 고주파 파워소스(1410)로부터 고주파 전력을 상기 고주파 안테나(1320) 및 상기 기저판(200)으로 각각 인가한다.
상기 고주파 안테나(1320)에 흐르는 전류에 의해서 자기장이 고주파 안테나(1320) 주위에서 발생하고 자력선이 유전체창(1310)을 관통하여 처리공간(S)을 통과한다. 자기장의 시간적 변화에 의해 유도 전기장이 발생하고, 유도 전기장에 의해 가속된 전자가 소스가스의 분자나 원자와 충돌하여 플라즈마가 생성된다. 상기 플라즈마를 이용하여 기판(W)에 플라즈마 처리를 수행할 수 있다. 상기 플라즈마 처리공정은 상기 기판(W)에 대한 식각이나 증착공정을 포함할 수 있다.
이때, 상기 절연판(300) 및 차폐 링(500)을 저유전 물질로 구성하여 절연판 및 차폐링과 기저판 사이의 임피던스를 낮추고 고주파 전력로드의 로드 사이즈를 조절하여 기저판과 고주파 전력로드 사이의 임피던스를 높일 수 있다. 이에 따라, 기판으로 인가되는 전류를 증가시킴으로써 처리공간에서의 플라즈마 밀도와 균일도를 현저하게 높일 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의한 정전척 어셈블리 및 이를 구비하는 플라즈마 처리장치에 의하면, 정전척 어셈블리를 구성하는 기저판의 하부에 배치된 절연판을 절연판의 유전상수보다 낮은 유전상수를 갖는 저유전층을 구비하도록 변형하고 상기 유전판을 둘러싸는 차폐 링을 석영과 같이 유전상수가 5 이하인 물질로 구성하여 절연판과 차폐 링 및 기저판 사이의 임피던스를 충분히 높일 수 있다. 또한, 상기 기저판으로 고주파를 인가하는 고주파 전력공급 구조물의 로드 사이즈를 약 0.4 내지 0.6의 범위를 갖도록 변형하여 상기 기저판과 고주파 전력공급 구조물 사이의 임피던스를 충분히 저하시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 기저판이나 차폐 링을 통하여 손실되는 전력을 최소화하고 상기 고주파 전력공급 구조물로부터 기판로 인가되는 전류를 최대화함으로써 생성되는 플라즈마의 세기와 균일도를 높일 수 있다. 따라서, 상기 기판에 대한 플라즈마 처리공정의 균일도와 속도를 현저하게 높일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 기판을 지지하고 상기 기판을 고정하는 정전기력을 생성하는 흡착전극을 구비하는 유전판;
    상기 유전판을 지지하도록 상기 유전판과 결합되고 플라즈마 생성을 위한 하부전극으로 제공되는 도전형 기저판; 및
    절연물질로 구성되고 상기 기저판을 지지하도록 상기 기저판과 결합되며 상기 절연물질의 유전상수보다 낮은 유전상수를 갖는 저유전층을 구비하는 절연판을 포함하는 정전척 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절연판은 두께보다 작은 깊이를 갖도록 표면으로부터 함몰된 적어도 하나의 리세스를 포함하고, 상기 저유전층은 상기 리세스에 의해 한정되는 에어 갭을 포함하는 정전척 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서, 상기 절연판은 디스크 형상을 갖고 상기 리세스는 상기 디스크와 중심을 공유하도록 단일하게 제공되어 상기 절연판의 가장자리에 의해 한정되는 정전척 어셈블리.
  4. 제2항에 있어서, 상기 절연판 두께에 대한 상기 리세스 깊이의 비율은 적어도 0.5 이상인 정전척 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서, 도전성 물질을 포함하고 상기 절연판을 지지하도록 상기 절연판과 결합되는 접지판; 및
    상기 기저판으로 고주파 전력을 공급하고, 상기 절연판 및 상기 접지판을 관통하여 상기 기저판의 배면을 노출하고 고주파 절연체로 충진된 고주파 가이드 및 상기 고주파 가이드의 내부에서 상기 고주파 가이드를 연장하여 상기 기저판과 접촉하고 상기 고주파 가이드 반경의 0.4배 내지 0.6배의 반경을 갖는 고주파 전력로드를 구비하는 고주파 전력공급 구조물을 더 포함하는 정전척 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유전판의 주변부를 둘러싸도록 배치되고 유전율 5 이하인 물질로 구성되어 상기 유전판을 외부와 절연시키는 차폐링; 및
    상기 차폐링의 상부에서 상기 기판을 둘러싸도록 배치되어 상기 플라즈마를 상기 기판으로 집중시키는 포커스 링을 더 포함하는 정전척 어셈블리.
  7. 플라즈마 처리공간을 갖는 공정챔버;
    상기 처리공간으로 플라즈마 소스가스를 공급하는 소스 공급부;
    상기 공정챔버의 하부에 배치되어 기판을 지지하는 정전척 어셈블리;
    상기 공정챔버의 상부에 배치되어 상기 플라즈마 소스가스를 플라즈마로 형성하는 플라즈마 생성부; 및
    상기 플라즈마 생성부 및 상기 정전척 어셈블리로 전원을 공급하는 파워소스를 포함하고,
    상기 정전척 어셈블리는 상기 기판을 고정하는 정전기력을 생성하는 흡착전극을 구비하는 유전판, 상기 유전판을 지지하도록 상기 유전판과 결합되고 고주파 전력이 인가되는 도전형 기저판 및 절연물질로 구성되고 상기 기저판을 지지하도록 상기 기저판과 결합되며 상기 절연물질의 유전상수보다 낮은 유전상수를 갖는 저유전층을 구비하는 절연판을 구비하는 플라즈마 처리장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 절연판은 두께보다 작은 깊이를 갖도록 표면으로부터 함몰된 적어도 하나의 리세스를 포함하고, 상기 저유전층은 상기 리세스에 의해 한정되는 에어 갭을 구비하는 플라즈마 처리장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 정전척 어셈블리는 도전성 물질을 포함하고 상기 절연판을 지지하도록 상기 절연판과 결합되는 접지판 및 상기 접지판 및 상기 절연판을 관통하는 고주파 가이드 및 상기 고주파 가이드의 내부를 따라 연장하여 상기 기저판과 연결되어 상기 기저판으로 고주파 전력을 인가하는 고주파 전력로드를 더 포함하는 플라즈마 처리장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 정전척 어셈블리는 상기 유전판의 주변부를 둘러싸도록 배치되고 유전율이 5 이하인 유전물질로 구성되어 상기 유전판을 외부와 절연시키는 차폐링 및 상기 차폐링의 상부에서 상기 기판을 둘러싸도록 배치되어 상기 플라즈마를 상기 기판으로 집중시키는 포커스 링을 더 포함하는 플라즈마 처리장치.
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