KR102591647B1 - 플라즈마 기판 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치는, 플라즈마와 활성종을 생성하는 원격 플라즈마 발생기; 상기 원격 플라즈마 발생기의 출력 포트에 연결되는 개구부를 가지고 상기 원격 플라즈마 발생기의 활성종을 제공받아 확산시키는 상부 챔버; 상기 상부 챔버의 개구부에 배치된 제1 배플; 상기 상부 챔버에서 확산된 활성종을 제공받는 하부 챔버; 상기 상부 챔버와 상기 하부 챔버를 구획하고 상기 활성종을 투과시키는 제2 배플; 상기 하부 챔버에 배치된 기판을 지지하는 기판 홀더; 및 상기 기판 홀더에 RF 전력을 인가하는 RF 전원을 포함한다.
Description
본 발명은 플라즈마 장치에 관한 것으로, 원격 플라즈마 발생기에서 생성된 라디칼을 공급받아 상부 챔버에서 확산시켜 하부 챔버에 공급하고, 하부 챔버에서 축전 결합 플라즈마를 형성하여 기판을 처리하는 플라즈마 기판 장치에 관한 것이다.
플라즈마 처리 장치는 식각, 세정, 표면 처리 등에 사용된다. 예를 들어, 플라즈마 식각 처리 장치는 높은 식각 선택성 및 식각율을 얻기 위하여 활성종 밀도, 플라즈마 밀도, 및 이온 에너지의 독립적 제어가 요구된다. 수 MHz 대역 이하의 저주파 RF 전원은 주로 이온 에너지의 제어를 위하여 사용되고, 수십 MHz 대역 이상의 고주파 RF 전원은 주로 플라즈마 밀도 및 활성종 밀도를 제어하기 위하여 사용한다. 또한, 이온의 에너지를 증가시키기 위하여 저주파 RF 전원의 파워가 증가된다. 플라즈마 밀도를 증가시키기 위하여 고주파 RF 전원의 파워의 증가가 요구된다. 그러나, 고주파 RF 전원의 파워의 증가는 활성종을 과분해하여 식각 선택성을 감소시킬 수 있다. 정전척은 고전압에 의하여 쉽게 파손된다.
펄스 플라즈마는 RF 파워를 온/오프하여, 오프 구간은 전자 온도 및 플라즈마 밀도를 감소시키어 플라즈마 특성을 변경할 수 있다. 이에 따라, 펄스 플라즈마는 노칭(notching) 및 보우잉(bowing) 현상을 감소시킬 수 있다.
통상적인 이중 챔버 구조의 플라즈마 장치는 상부 챔버와 하부 챔버를 확산판을 통하여 구획한다. 상부 챔버 및 하부 챔버 각각은 플라즈마를 형성하여, 확산판은 각각의 플라즈마 영역을 구획하고, 활성종의 이동을 위한 통로로 이용된다. 상부 챔버의 플라즈마 불균일도에 의하여, 확산판은 하부 챔버에서 공간적으로 균일한 활성종의 제어를 어렵게한다. 상호 플라즈마 확산을 방지하기 위한 확산판의 구조는 각각의 독립적인 압력 조절을 어렵게한다. 따라서, 상부 챔버 및 하부 챔버는 원하는 플라즈마 특성을 확보하는 한계가 있다. 확산판은 상부/하부 플라즈마의 상호 누출을 방지하기 위하여 충분히 작은 직경의 관통홀을 가진다. 이에 따라, 상기 확산판의 컨덕턴스가 감소하고, 활성종은 상기 확산판에 이물질로 증착되고, 증착된 이물질은 분리되어 오염 입자를 방출할 수 있다. 또한, 하부 챔버의 플라즈마는 상기 챔버의 플라즈마와 간섭을 가지며, 하부 챔버의 플라즈마는 활성종의 불균일성 등에 기인하여 플라즈마 공간 균일도를 제공하기 어렵다.
본 발명은 원격 플라즈마 소스를 사용하여 균일한 플라즈마 공정을 제공하는 기판 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치는, 플라즈마와 활성종을 생성하는 원격 플라즈마 발생기; 상기 원격 플라즈마 발생기의 출력 포트에 연결되는 개구부를 가지고 상기 원격 플라즈마 발생기의 활성종을 제공받아 확산시키는 상부 챔버; 상기 상부 챔버의 개구부에 배치된 제1 배플; 상기 상부 챔버에서 확산된 활성종을 제공받는 하부 챔버; 상기 상부 챔버와 상기 하부 챔버를 구획하고 상기 활성종을 투과시키는 제2 배플; 상기 하부 챔버에 배치된 기판을 지지하는 기판 홀더; 및 상기 기판 홀더에 RF 전력을 인가하는 RF 전원을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 배플은, 전기적으로 접지되고 상기 상부 챔버를 마주보고 복수의 제1 관통홀을 포함하는 상부 배플; 및 전기적으로 접지되고 상기 상부 배플과 이격되어 복수의 제2 관통홀을 포함하는 하부 배플을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 관통홀은 상기 제1 관통홀과 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 관통홀의 직경은 상기 하부 배플과 플라즈마 사이의 플라즈마 쉬스(plasma sheath)의 두께보다 2 배 초과이고, 상기 플라즈마는 상기 제2 관통홀의 내부로 침투할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 배플과 상기 하부 배플 사이의 간격은 수 밀리미터 이하이고, 상기 기판 홀더와 상기 상부 배플의 하부면 사이의 간격은 상기 상부 배플과 상기 하부 배플 사이의 간격보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 배플의 제1 관통홀의 직경은 상기 하부 배플의 제2 관통홀의 직경보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 관통홀은 상기 제1 관통홀과 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 배플의 직경은 상기 하부 배플의 직경보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 배플은, 경사진 외측면을 가진 원판; 및 경사진 내측면 및 경사진 외측면을 가지고 상기 원판과 소정의 간격을 가지고 상기 원판을 감싸도록 배치된 링 판을 포함할 수 있다. 상기 원판의 외측면은 높이에 따라 외경이 증가하고, 상기 링 판의 내측면은 높이에 따라 내경이 증가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 원판과 상기 링 판은 복수의 브리지에 의하여 고정되고, 상기 링 판은 복수의 기둥에 의하여 상기 상부 챔버에 고정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 배플은 복수의 관통홀을 포함하고, 상기 제1 배플의 중심부에 배치된 관통홀들은 중심축을 향하도록 경사진 홀이고, 상기 제1 배플의 가장 자리에 배치된 관통홀들은 외측을 향하도록 경사진 홀일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 적어도 하나의 접지링을 더 포함하고, 상기 접지링은 상기 기판 홀더와 상기 제2 배플 사이의 플라즈마를 감싸도록 상기 제2 배플의 하부에 배치되고 링형태이고, 상기 접지링의 내경은 상기 기판 홀더 외경보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 배플은, 전기적으로 접지되고 상기 상부 챔버를 마주보고 복수의 제1 관통홀을 포함하는 상부 배플; 및 전기적으로 접지되고 상기 상부 배플과 이격되어 복수의 제2 관통홀을 포함하는 하부 배플을 포함할 수 있다. 상기 하부 배플은, 도전체 형성된 타공판 및 상기 타공판의 하부에 배치되고 유전상수를 가지는 절연체 또는 반도체인 보상판을 포함할 수 있다. 상기 하부 배플의 상기 제2 관통홀은 상기 타공판 및 상기 보상판을 관통하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 배플은 일정한 두께를 가지며, 상기 타공판의 두께는 위치에 따라 서로 다르고, 상기 보상판의 두께는 상기 하부 배플의 두께를 일정하게 유지하도록 위치에 따라 서로 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 보상판은 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘산화질화물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 보상판의 두께는 중심 영역 및 가장 자리 영역 중에서 적어로 하나의 영역에서 가장 크고, 상기 중심 영역은 원형이고, 상기 가장 자리 영역은 링 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 RF 전원은, 13.56 MHz 이하의 저주파 RF 전원; 및 13.56 MHz 초과 60 MHz 미만의 고주파 RF 전원;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 저주파 RF 전원와 상기 고주파 RF 전원을 제어하는 펄스 제어부를 더 포함하고, 상기 저주파 RF 전원와 상기 고주파 RF 전원은 각각 펄스 모드로 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 원격 플라즈마 발생기는 유전체 원통을 감고 있는 유도 코일을 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 원격 플라즈마 발생기의 출력 포트의 직경은 50 밀리미터 내지 150 밀리미터이고, 상기 상부 챔버는 절두 콘 형상이고, 상기 상부 챔버의 개구부는 절두된 부위에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치는 독립적으로 플라즈마 특성을 제어하고 균일한 공정을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치를 나타내는 개념도이다.
도 2a는 도 1의 플라즈마 기판 처리 장치에서 제1 배플을 나타내는 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 제1 배플을 나타내는 단면도이다.
도 3a는 도 1의 플라즈마 기판 처리 장치에서 제2 배플을 나타내는 평면도이다.
도 3b는 도 3a의 A-A' 선을 따라 자른 제2 배플을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 1의 플라즈마 기판 처리 장치의 기판 홀더와 제2 배플을 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 배플을 설명하는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제2 배플을 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제2 배플을 나타내는 개념도이다.
도 8은 도 7의 제2 배플의 하부 배플을 나타내는 절단 사시도이다.
도 9는 도 7의 제2 배플에 의한 플라즈마 밀도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 개념도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1 배플을 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1 배플을 나타내는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 RF 전원의 저주파 RF 신호와 고주파 RF 신호를 나타낸다.
도 2a는 도 1의 플라즈마 기판 처리 장치에서 제1 배플을 나타내는 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 제1 배플을 나타내는 단면도이다.
도 3a는 도 1의 플라즈마 기판 처리 장치에서 제2 배플을 나타내는 평면도이다.
도 3b는 도 3a의 A-A' 선을 따라 자른 제2 배플을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 1의 플라즈마 기판 처리 장치의 기판 홀더와 제2 배플을 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 배플을 설명하는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제2 배플을 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제2 배플을 나타내는 개념도이다.
도 8은 도 7의 제2 배플의 하부 배플을 나타내는 절단 사시도이다.
도 9는 도 7의 제2 배플에 의한 플라즈마 밀도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 개념도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1 배플을 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1 배플을 나타내는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 RF 전원의 저주파 RF 신호와 고주파 RF 신호를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치는 공정 챔버에 공간적으로 분리된 원격 플라즈마 발생기를 사용하여 독립적으로 플라즈마 및 활성종을 생성하여 공정 챔버를 구성하는 상부 챔버에 활성종만을 공급한다. 원격 플라즈마 발생기는 독립적으로 활성종 및 플라즈마를 형성하고, 공정 챔버의 RF 전원과 간섭하지 않는다.
공정 챔버는 상부 챔버와 하부 챔버를 포함한다. 상부 챔버에 공급되는 활성종은 제1 배플에 의하여 넓은 영역으로 분사되어 확산하고, 상부 챔부는 확산에 필요한 충분한 공간을 제공한다. 상부 챔버와 하부 챔버 사이에 배치된 제2 배플은 하부 챔버에서 생성된 이온과 전자 등의 하전 입자를 막으면서 상부 챔버의 활성종들을 하부 챔버로 통과시킬 수 있는 최적화된 구조를 가진다. 제2 배플은 활성종을 손실 없이 하부 챔버로 이동시킬 수 있으며, 최단 거리에서 확산시켜 하부 챔버에 균일하게 분사시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는 원격 플라즈마 발생기를 사용하여 활성종을 독립적으로 생성하여 상부 챔버와 하부 챔버로 구성된 공정 챔버에 제공한다. 상기 원격 플라즈마 발생기는 상기 공정 챔버와 전기적 간섭을 제거하고 독립적으로 최적의 플라즈마 조건에서 활성종을 생성한다. 제1 배플은 원격 플라즈마 발생기가 공급하는 플라즈마를 제거하고 활성종만을 상부 챔버에 제공한다. 제1 배플은 활성종을 넓은 면적으로 분사시키어 확산시킨다. 상부 챔버와 하부 챔버는 제2 배플에 의하여 구분된다. 상부 챔버의 활성종은 접지된 제2 배플을 투과하여 의하여 하부 챔버로 공급된다. 기판 홀더는 하부 챔버에 배치되고, 기판 홀더에 인가되는 RF 전력은 기판 홀더 상의 기판과 제2 배플 (접지) 사이에 축전 결합 플라즈마를 생성한다. 활성종이 하부 챔버로 독립적으로 공급됨에 따라, 하부 챔버에서 활성종 생성을 위한 고주파 RF 전원의 파워는 감소될 수 있다. 또한, 이온의 에너지를 조절하기 위한 저주파 RF 전원의 파워는 이온 에너지 조절에 주로 사용되도록 감소될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치에서 제1 배플은 활성종을 공간적으로 균일하게 분포시키고, 제2 배플은 하부 챔버에서 발생하는 축전 결합 플라즈마의 접지 전극으로 사용될 수 있다. 제2 배플은 서로 이격된 상부 배플과 하부 배플을 가진 복층 구조이다. 제2 배플의 하부 배플은 하측에서 플라즈마가 침투할 수 있도록 충분한 직경을 가지며, 상기 하부 배플의 개구부를 통하여 침투한 플라즈마는 상부 배플에 의하여 막힐 수 있다. 상기 제2 배플의 상부 배플 및 하부 배플은 모두 접지되어, 플라즈마와 접촉하는 접지 면적은 증가되고, 기판 측에서 플라즈마 쉬스(sheath)에 인가되는 바이어스 전압이 증가될 수 있다. 이에 따라, 기판에 입사하는 이온 에너지 조절을 위한 저주파 RF 전원의 파워가 감소될 수 있다.
하전 입자들(이온, 전자)은 벽에 충돌을 하면 중성으로 변한다. 따라서 이온이나 전자들을 막는 방법은 관통홀이 없도록 하여 제2 배플을 통과시 충돌을 하도록 하는 것이다. 이에 비하여 중성종 또는 활성종들은 충돌에서 반응성을 크게 잃지는 않는다. 하전 입자들은 하부에서 상부로 이동하면서 충돌에 의하여 중성이 되고, 중성종들은 최소한의 충돌로 상부에서 하부로 이동할 수 있다. 이를 위하여, 상기 제2 배플은 큰 진공 컨덕턴스(vacuum conductance)를 가지도록 복층 구조를 가지며, 상부 배플의 개구부와 하부 배플의 개구부가 서로 중첩되지 않도록 설계된다.
제2 배플은 타공판 구조의 상부 배플과 하부 배플로 구성된다. 각각의 상부 배플 및 하부 배플 각각은 최대 크기의 삼각형, 사각형, 원 등 다양한 형태의 관통 구조를 가지고 있다. 하전 입자가 이동하는 것을 막기 위하여 여러 개의 타공판을 중첩시키면 상부에서 하부로 관통하지는 않는다. 즉 충돌 없이 입자가 하부에서 상부로 이동을 할 수는 없다. 하부에서 상부로 충돌 없이 직진할 수 없는 구조를 가지면서 진공 컨덕턴스(conductance)는 최대로 설계될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 타공판을 사용할 경우, 각각의 타공판은 최대의 컨덕턴스를 갖도록 개구부를 최대로 한다. 두 타공판을 포개 놓으면 중첩되는 개구부(관통하는 부분)이 없도록 한다.
또한, 하부 배플의 홀 직경은 하부 챔버에서 생성된 플라즈마가 하부 배플을 투과할 수 있도록 충분히 클 수 있다. 예를 들어, 하부 배플의 홀의 직경은 수 밀리미터일 수 있다. 바람직하게는 하부 배플의 홀의 직경은 5밀리미터 내지 10 밀리미터일 수 있다. 상기 하부 배플의 홀 직경은 상부 배플의 홀 직경보다 클 수 있다. 이에 따라, 하부 배플로 입사하는 플라즈마는 상기 상부 배플에 의하여 막혀 중성화될 수 있다. 또한, 플라즈마가 접촉하는 접지 면적이 증가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 배플은 서로 이격된 상부 배플과 하부 배플로 구성되며, 하부 배플은 RF 전원의 파워가 인가되는 기판을 마주보고 있다. 이에 따라, 플라즈마와 접촉하는 상기 하부 배플의 표면적과 상기 기판의 면적의 비는 상기 기판에 인가되는 전압에 의존한다. 이에 따라, 플라즈마와 접촉하는 상기 하부 배플의 표면적을 증가시키면, 상기 기판에 인가되는 DC 바이어스 전압이 증가한다. 따라서, 동일한 RF 파워에서, 더 높은 이온 에너지가 얻어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 배플의 하부 배플은 2층의 적층 구조를 가질 수 있다. 고주파 RF 플라즈마의 경우, 스탠딩 효과(standing wave effect) 또는 고조파 효과(harmonic effect) 등에 의하여, 공간적으로 비균일 플라즈마 밀도 분포가 생성된다. 예를 들어, 플라즈마 반경 방향 공간 분포는 중심 피크(central peak) 및/또는 가장 자리(edge peak) 피크를 가질 수 있다. 그러나, 플라즈마 밀도는 RF 전원의 주파수가 증가함에 따라 증가하여, 60 MHz 이상의 고주파 RF 전원이 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 60 MHz 이상의 고주파 RF 전원은 정상파 효과(standing wave effect) 또는 고조파 효과(harmonic effect) 등에 의하여, 공간적으로 비균일 플라즈 밀도 분포가 생성된다. 적어도 하나의 접지링은 방전 영역을 감싸도록 배치되어, 가스의 컨덕턴스에 영향을 최소화하고, 정상파 효과를 억제하도록 공명 주파수를 증가시키고, 접지 면적을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 원격 플라즈마 발생기의 도움을 받아, 60 MHz 이상의 고주파 RF 전원이 플라즈마 밀도를 증가시키기 위하여 사용되지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 60 MHz 이하의 고주파 RF 전원이 사용된 경우에도, 중심 피크(central peak) 및/또는 가장 자리(edge peak)가 제어될 수 있다. 전기장의 세기의 공간적 제어는 상부 전극(제2 배플)과 하부 전극(기판 홀더) 사이의 간격 분포를 조절하여 수행될 수 있다. 접지된 상부 전극(제2 배플)과 하부 전극(기판 홀더) 사이의 간격 조절을 위하여, 접지된 상부 전극(제2 배플)의 하부면에 단차를 주는 경우, 접지된 상부 전극(제2 배플)의 하부면에 단차는 가스가 제2 배플을 통하여 이동시 컨덕턴스에 영향을 준다. 또한, 상부 전극(제2 배플)의 하부면에 단차는 방전 공간에서 가스의 유동에 방해물로 동작할 수 있다. 또한, 상부 전극(제2 배플)의 하부면에 단차 부위는 오염물질이 부착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 배플의 하부 배플은 활성종들이 하부 배플을 통하여 이동시 컨덕턴스에 영향을 제거하도록 공간적으로 동일한 두께를 유지한다. 즉, 하부 배플은 상부의 도전성 타공판과 하부의 유전성 보상판을 포함할 수 있다. 하부 배플은 방전 공간에서 가스의 유동에 방해물을 제거하도록 추가적인 유전체 또는 반도체로 형성된 보상판을 포함한다. 하부 배플의 하부면은 동일 평면일 수 있다. 상기 보상층의 유전율은 진공 유전율에 근접할수록 유리할 수 있다. 상기 보상층은 실리콘, 실리콘산화물, 실리콘 질화물, 실리콘산화질화물, 또는 알루미늄 산화물일 수 있다. 상기 보상층의 두께는 위치에 따라 다를 수 있다. 상기 보상층의 두께가 증가함에 따라, 대응하는 위치에서 방전 공간에서 전기장의 세기는 감소할 수 있다. 이에 따라, 상기 보상층의 두께 공간 분포는 중심 피크(central peak) 및/또는 가장 자리(edge peak)를 제어할 수 있다. 상기 보상층은 하부 배플의 도전성 타공판과 분해되고 결합할 수 있다. 상기 보상층은 소모품으로 새로운 부품으로 교체될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하부 배플은 플라즈마와 접촉 면적을 증가시키기 위하여 하부 배플에 형성된 복수의 트랜치들 및/또는 홀들을 더 포함할 수 있다. 복수의 트랜치들 및/또는 홀들은 플라즈마와 접촉 면적을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 배플과 기판 홀더 사이의 방전 공간을 감싸도록 링 구조의 가드링들이 배치될 수 있다. 상기 가드링들은 접지되어, 플라즈마의 접지 면적을 증가한다. 또한, 상기 가드링들은 플라즈마의 확산을 억제하고 방전 공간에 플라즈마를 감금하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 가드링들은 서로 수직으로 적층되고 접지될 수 있다. 상기 가드링들 사이의 공간으로 공정 부산물들은 확산되어 진공 펌프를 통하여 배기될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판 홀더에 인가되는 고주파 RF 전원과 저주파 RF 전원은 각각 서로 동기화되어 펄스 모드로 동작할 수 있다. 고주파 RF 전원은 고전력 구간과 저전력 구간을 포함하고, 저주파 RF 전원은 고주파 RF 전원의 저전력 구간에 온 구간을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예 따른 기판 처리 장치는, 반도체 공정에서 에칭, 증착, 클리닝 장치 등에 하전 입자를 필터링하고 반응성을 가진 활성종만을 공정 장치에서 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치는 반도체 에칭의 원자층 식각장치(Atomic Layer Etching), 플라즈마 클리닝 장치, 플라즈마를 이용한 증착 장치 등에 적용될 수 있다.
제1 배플은 활성종이 하부로 확산하면서 충돌에 의한 손실(Loss)를 최소로 하고, 약 10cm 직경 수준의 상부 영역에서 직경 40cm 수준의 하부 영역으로 최단 거리에서 균일하게 활성종을 확산시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치를 나타내는 개념도이다.
도 2a는 도 1의 플라즈마 기판 처리 장치에서 제1 배플을 나타내는 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 제1 배플을 나타내는 단면도이다.
도 3a는 도 1의 플라즈마 기판 처리 장치에서 제2 배플을 나타내는 평면도이다.
도 3b는 도 3a의 A-A' 선을 따라 자른 제2 배플을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 1의 플라즈마 기판 처리 장치의 기판 홀더와 제2 배플을 나타내는 개념도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 플라즈마 기판 처리 장치(100)는, 플라즈마와 활성종을 생성하는 원격 플라즈마 발생기(110); 상기 원격 플라즈마 발생기(110)의 출력 포트(114)에 연결되는 개구부(120a)를 가지고 상기 원격 플라즈마 발생기(110)의 활성종을 제공받아 확산시키는 상부 챔버(122); 상기 상부 챔버(122)의 개구부에 배치된 제1 배플(152); 상기 상부 챔버(122)에서 확산된 활성종을 제공받는 하부 챔버(124); 상기 상부 챔버(122)와 상기 하부 챔버(124)를 구획하고 상기 활성종을 투과시키는 제2 배플(160); 상기 하부 챔버(160)에 배치된 기판(134)을 지지하는 기판 홀더(134); 및 상기 기판 홀더(134)에 RF 전력을 인가하는 RF 전원(142,146)을 포함한다.
플라즈마 기판 처리 장치(100)는 식각 장치, 세정 장치, 표면 처리 장치, 또는 증착 장치일 수 있다. 기판은 반도체 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판일 수 있다.
원격 플라즈마 발생기(110)는 유전체 원통을 감고 있는 유도 코일(미도시)을 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스(Source)일 수 있다. 유전체 원통은 외부로부터 제1 가스를 공급받을 수 있다. 상기 유전체 원통의 직경은 50 mm 내지 150 nm일 수 있다. 상기 유도 코일은 상기 유전체 원통을 적어도 한턴 이상 감싸고, 원격 플라즈마 RF 전원(112)으로부터 RF 전력을 공급받을 수 있다. 상기 원격 플라즈마 RF 전원(112)의 주파수는 400 kHz 내지 13. 56 MHz 일 수 있다. 상기 유도 코일은 상기 유전체 원통 내부에 유도 결합 플라즈마를 생성할 수 있다. 상기 원격 플라즈마 RF 전원의 출력은 수 kW 내지 수십 kW일 수 있다. 이에 따라, 상기 원격 플라즈마 발생기(110)의 동작 압력은 수백 밀리토르(mTorr) 내지 수십 토르(Torr)일 수 있다. 식각 공정의 경우, 상기 제1 가스는 불소함유 가스를 포함할 수 있다. 상기 원격 플라즈마 발생기(110)는 플라즈마와 제1 가스로부터 분해된 활성종들 (또는 중성종들)을 생성할 수 있다. 상기 원격 플라즈마 발생기(110)는 플라즈마 공간 균일도를 고려하지 않고 플라즈마의 특성만을 제어할 수 있다. 전자 온도는 압력에 의존할 수 있으며, 플라즈마 밀도는 원격 플라즈마 RF 전원의 출력에 의존할 수 있다. 상기 원격 플라즈마 RF 전원(112)은 플라즈마의 특성을 제어하기 위하여 연속 모드 또는 펄스 모드로 동작할 수 있다. 이에 따라, 상기 원격 플라즈마 발생기(110)는 독립적으로 활성종들의 밀도 및 활성종들의 밀도 비를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 원격 플라즈마 발생기(110)는 압력 및 RF 펄스 모드를 사용하여 전자 온도를 독립적으로 조절할 수 있다. 이에 따라, CxFy 가스에서, 분해된 F, CF, CF2, CF3의 활성종들의 밀도 비율이 조절될 수 있다.
상기 활성종들은 공정 챔버(120)에 제공된다. 상기 공정 챔버(120)는 상부 챔버(122) 및 하부 챔버(124)를 포함할 수 있다. 상기 원격 플라즈마 발생기(110)는 출력 포트(114)를 통하여 상기 상부 챔버(122)에 연결될 수 있다. 제2 가스는 상기 출력 포트(114)에 추가적으로 공급될 수 있다. 상기 제2 가스는 제1 가스와 동일하거나 다를 수 있다. 상기 제2 가스는 활성종과 충돌하여 활성종의 온도를 감소시킬 수 있다. 상기 제2 가스는 하부 챔버에서 플라즈마 발생에 용이한 산소 포함 가스, 수소 가스, 및 불활성 가스 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 상부 챔버(122)는 절두 콘(truncated cone) 형상일 수 있다. 상기 상부 챔버(122)의 개구부(122a)는 절두된 부위에 배치될 수 있다. 상기 상부 챔버(122)의 하단부는 원통형상을 가질 수 있다. 상기 상부 챔버(122)는 금속 또는 금속 합금으로 제작되고 접지될 수 있다.
상기 제1 배플(152)은, 경사진 외측면을 가진 원판(152a); 및 경사진 내측면 및 경사진 외측면을 가지고 상기 원판(152a)과 소정의 간격을 가지고 상기 원판을 감싸도록 배치된 링 판(152b)을 포함할 수 있다. 상기 원판(152a)의 외측면은 높이에 따라 외경이 증가할 수 있다. 상기 링 판(152b)의 내측면은 높이에 따라 내경이 증가할 수 있다. 상기 원판(152a)과 상기 링 판(152b)은 복수의 브리지(152c)에 의하여 고정될 수 있다. 상기 링 판(152b)은 복수의 기둥(153)에 의하여 상기 상부 챔버(122)에 고정될 수 있다.
상기 원판(152a)과 상기 링 판(152b) 사이의 공간은 동심형 슬릿을 형성할 수 있다. 동심형 슬릿을 통과한 활성종들은 상기 상부 챔부(122)의 중심 방향으로 분사되어 확산될 수 있다. 상기 링 판(152b)의 외측면은 높이에 따라 외경이 감소할 수 있다. 상기 링 판의 외측면과 상기 상부 챔버 사이의 공간을 통과한 활성종들은 상기 상부 챔부(122)의 벽 방향으로 분사되어 확산될 수 있다. 이에 따라, 활성종은 상기 상부 챔버(122) 내에서 넓게 확산되어 균일한 밀도 분포를 생성할 수 있다. 상기 제1 배플(152)은 빠른 확산을 위하여 활성종들을 공간적으로 분배한다. 이에 따라, 상기 상부 챔버(122)의 높이는 감소될 수 있다.
상기 제1 배플(152)은 도전성 물질 또는 절연체로 형성될 수 있다. 상기 제1 배플(152)은 상기 원격 플라즈마 발생기(110)에서 생성된 플라즈마를 차단하고 활성종을 투과시키는 플라즈마 차단 필터로 동작할 수 있다. 또한, 상기 제1 배플(152)은 활성종을 공간적으로 분배하는 기능을 수행할 수 있다. 수직으로 입사한 이온이 상기 제1 배플(152)의 동심형 슬릿을 지나면서 상기 제1 배플(152)의 경사면에 충돌할 수 있다. 원판(152a)의 경사진 외측면에서 최대 직경(R1)은 링판(152b)의 경사진 내측면에서 최소 직경(R2)보다 클 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 링판(152b)은 복수 개일 수 있다. 이에 따라, 링판들(152b) 사이의 동심형 슬릿은 경사면을 통하여 플라즈마를 차단하고 활성종을 특정 방향으로 분사시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 배플(152)은 복수의 동심형 슬릿에 의하여 충분한 컨덕턴스를 제공할 수 있다. 상기 상부 챔버(122)의 높이는 감소될 수 있다.
하부 챔버(124)의 내부는 원통 형상이고, 하부 챔버(124)는 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있다. 상기 하부 챔버(124)는 상기 상부 챔버(122)와 연속적으로 연결될 수 있다. 상기 하부 챔버(124)에는 진공 펌프(126)가 연결되어 상기 하부 챔버(124)를 배기할 수 있다. 또한, 하부 챔버(124)의 압력은 수십 밀리토르(mTorr) 내지 수백 밀리토르일 수 있다. 또한, 상기 상부 챔버(122)의 압력은 상기 하부 챔버의 압력보다 높을 수 있다.
제2 배플(160)은 상기 공정 챔버(120)의 원통 부위에 배치되어 상기 상부 챔버(122)와 상기 하부 챔버(124)를 구획한다. 상기 제2 배플(160)은 상부 챔버(122)의 활성종을 상기 하부 챔버(124)에 공급한다. 상기 제2 배플(160)은 상기 하부 챔버(124)의 축전 결합 플라즈마를 상부 챔버(122)로 투과하지 못하도록 중성화시키고, 축전 결합 플라즈마와 접촉하는 접촉 면적을 증가시킨다.
상기 제2 배플(160)은, 전기적으로 접지되고 상기 상부 챔버(122)를 마주보고 복수의 제1 관통홀(162a)을 포함하는 상부 배플(162); 및 전기적으로 접지되고 상기 상부 배플(162)과 이격되어 복수의 제2 관통홀(164a)을 포함하는 하부 배플(164)을 포함할 수 있다. 상기 제2 관통홀(164a)은 상기 제1 관통홀(162a)과 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.
상기 상부 배플(162)의 두께는 상기 하부 배플(164)의 두께보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 상부 배플(162)은 상기 제1 관통홀(162a)과 얇은 두께에 의하여 충분히 큰 컨덕턴스를 제공할 수 있다. 상기 하부 배플(164)은 두꺼운 두께에 의하여 플라즈마와 접촉 면적을 증가시킬 수 있다.
상기 제2 관통홀(164a)의 직경은 상기 하부 배플(164)과 플라즈마 사이의 플라즈마 쉬스(plasma sheath)의 두께보다 2 배 초과일 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 관통홀(164a)의 직경은 5 밀리미터 내지 10 밀리미터일 수 있다. 이에 따라, 상기 플라즈마는 상기 제2 관통홀(164a)의 내부로 침투할 수 있다. 상기 하부 배플(164)의 제2 관통홀(164a)은 플라즈마와 접촉하는 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 상기 제2 관통홀(164a)로 침투한 플라즈마는 상기 상부 배플(162)에 충돌하여 중성화될 수 있다. 상기 상부 배플(162)은 플라즈마와 접촉하는 접촉 면적을 추가적으로 증가시킬 수 있다.
상기 상부 배플(162)과 상기 하부 배플(164) 사이의 간격은 수 밀리미터 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 상부 배플(162)과 상기 하부 배플(164) 사이의 간격(g)은 1 밀리미터 내지 5 밀리미터 수준일 수 있다. 상기 상부 배플과 상기 하부 배플 사이의 간격(g)은 충분히 작아, 제2 관통홀(164a)을 통하여 상기 상부 배플(162)에 도달한 플라즈마가 측 방향으로 확산하는 것을 억제할 수 있다.
상기 기판 홀더(132)와 상기 상부 배플(164)의 하부면 사이의 간격(d)은 상기 상부 배플과 상기 하부 배플 사이의 간격(g)보다 클 수 있다. 상기 기판 홀더와 상기 상부 배플의 하부면 사이의 간격(g)은 10 밀리미터 내지 30 밀리미터일 수 있다.
기판 홀더(132)는 기판(134)을 지지하고 RF 전원(142,146)의 전력을 전달받아 축전 결합 플라즈마를 생성할 수 있다. 상기 기판 홀더(132)는 정전척을 위한 전극(136)을 포함할 수 있다. 상기 정척척은 외부로부터 DC 고전압을 제공받아 상기 기판(134)을 정전력으로 고정할 수 있다. 상기 기판 홀더(132)는 RF 전원의 전력을 전달받는 파워 전극(135)을 포함할 수 있다. 상기 파워 전극(135) 상에 정전척의 전극(136)이 배치될 수 있다.
기판(134)은 반도체 기판, 유리 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 상기 반도체 기판은 300mm 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
RF 전원(142,146)은 상기 파워 전극(135)에 RF 전력을 제공할 수 있다. 상기 RF 전원(142,146)은, 13.56 MHz 이하의 저주파 RF 전원(146); 및 13.56 MHz 초과 60 MHz 미만의 고주파 RF 전원(142); 를 포함할 수 있다. 저주파 RF 전원(146)의 주파수는 400 kHz 내지 10 MHz 일 수 있다. 상기 고주파 RF 전원(142)의 주파수는 20 MHz 내지 60 MHz일 수 있다. 상기 RF 전원(142,146)은 펄스 모드 또는 연속 모드로 동작할 수 있다.
상기 저주파 RF 전원(146)은 제1 임피던스 매칭 네트워크(148)를 통하여 상기 파워 전극(135)에 저주파 RF 전력을 공급할 수 있다. 상기 고주파 RF 전원(142)은 제21 임피던스 매칭 네트워크(144)를 통하여 상기 파워 전극(135)에 저주파 RF 전력을 공급할 수 있다.
펄스 제어부(149)는 상기 저주파 RF 전원(146)와 상기 고주파 RF 전원(142)을 제어할 수 있다. 상기 저주파 RF 전원와 상기 고주파 RF 전원은 각각 펄스 모드로 동작할 수 있다.
상기 RF 전원(142,146)의 RF 전력은 상기 기판(134)와 상기 제2 배플(160) 사이에 축전 결합 플라즈마를 형성할 수 있다. 상기 기판과 플라즈마 사이에는 제1 플라즈마 쉬스(a)가 생성된다. 또한, 상기 제2 배플(160)과 플라즈마 사이에는 제2 플라즈마 쉬스(b)가 생성된다. 상기 제1 플라즈마 쉬스(a) 및 상기 제2 플라즈마 쉬스(b)는 회로적으로 축전기일 수 있다. 제1 플라즈마 쉬스(a)에는 제1 DC 접압(Va)이 인가되고, 상기 제2 플라즈마 쉬스(b)에는 제2 DC 전압(Vb)이 인가될 수 있다. 상기 플라즈마와 상기 기판(134)이 접촉하는 면적은 제1 면적(Aa)이고, 상기 플라즈마와 상기 제2 배플(160)이 접촉하는 면적은 제2 면적(Ab)이다.
상기 기판(134)에 입사하는 이온의 에너지는 상기 제1 DC 접압(Va)에 의존할 수 있다. 따라서, 상기 제1 DC 접압(Va)을 증가하기 위하여, 상기 제2 배플(160)과 상기 플라즈마가 접촉하는 제2 면적(Ab)을 증가시킬 수 있다. 즉, 제2 면적(Ab)을 증가시키기 위하여 상기 하부 배플(164)은 플라즈마가 침투할 수 있도록 충분히 큰 제2 관통홀(164a)을 구비한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 배플을 설명하는 사시도이다.
도 5를 참조하면, 상기 제2 배플(260)은, 전기적으로 접지되고 상기 상부 챔버를 마주보고 복수의 제1 관통홀(262a)을 포함하는 상부 배플(262); 및 전기적으로 접지되고 상기 상부 배플과 이격되어 복수의 제2 관통홀(264a)을 포함하는 하부 배플(264)을 포함할 수 있다. 상기 제2 관통홀(264a)은 상기 제1 관통홀(262a)과 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.
상기 상부 배플(262)의 직경은 상기 하부 배플(264)의 직경보다 작을 수 있다. 제1 배플(152)의 직경은 100 ~ 150mm 정도이고, 제2 배플(260)의 직경은 400 mm 수준이고, 상기 제2 배플(260)은 기판과 최소한의 거리에서 균일하게 활성종을 확산시킬 수 있는 구조를 가진다. 상기 제1 배플(152)과 상기 제2 배플(260)의 직경 차이에 의하여, 제2 배플(260)의 중심 부위에서 활성종의 밀도는 가장자리보다 높을 수 있다. 상부 챔버(122)에서 활성종 밀도의 비균일 공간 분포가 상기 하부 챔버(124)에 전사되는 방지하기 위하여, 상기 상부 배플(262)의 직경은 상기 하부 배플(264)의 직경보다 클 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 배플(260)의 외곽 부위로 더 많은 활성종들이 흘러갈 수 있다. 이에 따라, 하부 챔버(124)에서 활성종 밀도의 균일한 공간 분포가 획득될 수 있다.
상기 하부 배플(264)은 최외곽에 돌출된 링 형태의 턱(265)을 가지며, 돌출된 링형태의 턱(265)은 상부 배플(262)과의 정렬을 위한 돌출된 돌출부(265a)를 포함할 수 있다. 상기 상부 배플(262)은 상기 하부 배플(264)보다 작은 직경을 가지나, 반경 방향으로 연장되는 복수 개의 브리지(263)를 포함할 수 있다. 상기 브리지(263)는 상기 돌출부(265a)와 결합하여 고정될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제2 배플을 나타내는 평면도이다.
도 6을 참조하면, 상기 제2 배플(160')은, 전기적으로 접지되고 상기 상부 챔버를 마주보고 복수의 제1 관통홀(162a)을 포함하는 상부 배플(162); 및 전기적으로 접지되고 상기 상부 배플과 이격되어 복수의 제2 관통홀(164a)을 포함하는 하부 배플(164)을 포함할 수 있다. 상기 상부 배플의 제1 관통홀(162a)의 직경은 상기 하부 배플의 제2 관통홀(164a)의 직경보다 작을 수 있다. 상기 제2 관통홀(164a)은 상기 제1 관통홀(162a)과 중첩되지 않도록 배치될 수 있다. 제1 관통홀(162a)의 직경은 제2 배플에서 플라즈마 쉬스의 두께보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 관통홀(162a)을 통하여 플라즈마는 하부에서 상부로 침투할 수 없다. 하지만, 활성종은 자유롭게 제1 관통홀(162a)을 상부에서 하부로 투과할 수 있다. 상기 제2 관통홀(164a))은 상기 제1 관통홀(162a)과 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.
그러나, 상기 제1 관통홀들(162a)의 직경이 플라즈마 쉬스의 두께보다 작은 경우, 상기 제2 관통홀(164a)은 상기 제1 관통홀(162a)과 중첩되도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1 관통홀(162a)의 개수는 상기 제2 관통홀(164a)의 개수보다 충분히 클 수 있다. 이에 따라, 상부 배플과 하부 배플 각각은 유사한 개방 면적비( 개방 면적/전체 면적)를 제공하여, 유사한 컨덕턴스를 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제2 배플을 나타내는 개념도이다.
도 8은 도 7의 제2 배플의 하부 배플을 나타내는 절단 사시도이다.
도 9는 도 7의 제2 배플에 의한 플라즈마 밀도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7 내지 9를 참조하면, 상기 제2 배플(360)은, 전기적으로 접지되고 상기 상부 챔버를 마주보고 복수의 제1 관통홀(362a)을 포함하는 상부 배플(363); 및 전기적으로 접지되고 상기 상부 배플과 이격되어 복수의 제2 관통홀(364a)을 포함하는 하부 배플(364)을 포함한다.
상기 하부 배플(364)은, 도전체로 형성된 타공판(365) 및 상기 타공판(365)의 하부에 배치되고 유전상수를 가지는 절연체 또는 반도체인 보상판(366)을 포함할 수 있다. 상기 하부 배플(364)의 상기 제2 관통홀(364a)은 상기 타공판(365) 및 상기 보상판(366)을 관통하여 배치된다. 상기 하부 배플(364)은 일정한 두께를 가지며, 상기 타공판(365)의 두께는 위치에 따라 서로 다를 수 있다. 상기 보상판(366)의 두께는 상기 하부 배플(364)의 두께를 일정하게 유지하도록 위치에 따라 서로 다를 수 있다.
상기 보상판(366)은 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘산화질화물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 보상판(366)의 두께는 중심 영역 및/또는 가장 자리 영역 중에서 적어로 하나의 영역에서 가장 클 수 있다. 상기 중심 영역은 원형이고, 상기 가장 자리 영역은 링 형상일 수 있다.
RF 전원(142)의 주파수가 증가함에 따라, 정상파 효과 또는 고조파(harmonics) 효과가 발생한다. 정상파 효과 및 고조파 효과는 주파수가 증가함에 따라 증가하고, 플라즈마 밀도의 중심 피크 및/또는 가장 자리 피크를 형성한다.
한편, RF 전원(142)의 주파수가 증가함에 따라, 플라즈마 밀도가 증가하고 전자 온도가 감소하여, 저주파 RF 전원에 비하여 다양한 공정 환경이 조성될 수 있다.
통상적으로, 축전 결합 플라즈마에서 전기장의 세기를 공간적으로 조절하기 위하여, RF 전원이 인가되는 파워 전극에 표면 단차가 제공될 수 있다. 그러나, 파워 전극의 표면 단차는 오염 물질이 증착되어 파티클을 형성하는 원인이 될 수 있다. 파워 전원이 표면 곡률을 가지는 경우에도, 이러한 곡률 전극은 제작하기 어려우며, 이러한 곡률 전극은 유체의 흐름을 방해하여 공간적으로 균일한 공정을 제공하기 어렵다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 축전 결합 플라즈마에서 접지 전극으로 동작하는 하부 배플(364)의 타공판(365)은 그 하부면 표면에 굴곡 또는 단차를 가질 수 있다. 상기 타공판(365)의 표면 굴곡 또는 단차는 하부 배플(364)과 RF 전력이 인가되는 기판 홀더 (132) 사이에 간격(d)을 공간적으로 조절하여, 위치별 전기장의 세기를 조절할 수 있다.
하부 배플(364)은 제2 관통홀(364a)을 구비하며, 상기 하부 배플(364)의 두께가 위치에 따라 변하는 경우, 제2 관통홀(364a)의 컨덕턴스는 서로 다를 수 있다. 제2 관통홀(364a)의 컨덕턴스를 일정하게 유지하면서, 방전 공간의 유체 흐름에 영향을 억제하기 위하여, 하부 배플(364)은 복층 구조이고, 일정한 두께를 가지고 평탄할 수 있다.
구체적으로, 상기 하부 배플(364)은, 도전체로 형성된 타공판(365)과 상기 타공판의 하부에 배치되고 유전상수를 가지는 절연체 또는 반도체인 보상판(366)을 포함할 수 있다. 상기 보상판(366)은 유전상수를 가지는 절연체 또는 반도체일 수 있다. 상기 하부 배플의 상기 제2 관통홀(364a)은 상기 타공판 및 상기 보상판을 관통하여 배치된다. 이에 따라, 상기 하부 배플(364)의 하부면은 동일 평면이다.
방전 영역에서, 전기장의 세기(E1,E,E3)는 보상층(366)의 두께(d1,d2,d3), 보상층의 유전율, 방전 영역의 높이(d)에 의하여 정해진다. 즉, 보상층(366)의 유전율이 감소할수록, 전기장의 세기(E1)는 용이하게 변경될 수 있다. 이에 따라, 상기 보상층(366)의 재질은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막, 알루미늄 산화막, 또는 실리콘일 수 있다.
보상층(366)의 두께는 상기 방전 영역의 높이(d)의 약 1/2 내지 1/10 일 수 있다. 예를 들어, 상기 방전 영역의 높이(d)가 10mm인 경우, 상기 보상층(366)의 최대 두께(d1)은 5mm 내지 1mm일 수 있다. 상기 보상층(366)의 두께가 클수록, 대응하는 방전 영역에서 전기장의 세기는 감소한다. d1>d3>d2인 경우, E1 < E3 < E2 일 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 밀도의 중심 피크 및/또는 가장 자리 피크를 억제하도록, 상기 보상층(366)의 두께가 위치에 따라 선택될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 보상층(366)의 두께는 위치에 따라 급격히 변화하지만, 점진적으로 변화할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 개념도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 기판 처리 장치(100)는, 플라즈마와 활성종을 생성하는 원격 플라즈마 발생기(110); 상기 원격 플라즈마 발생기(110)의 출력 포트(114)에 연결되는 개구부(120a)를 가지고 상기 원격 플라즈마 발생기(110)의 활성종을 제공받아 확산시키는 상부 챔버(122); 상기 상부 챔버(122)의 개구부에 배치된 제1 배플(152); 상기 상부 챔버(122)에서 확산된 활성종을 제공받는 하부 챔버(124); 상기 상부 챔버(122)와 상기 하부 챔버(124)를 구획하고 상기 활성종을 투과시키는 제2 배플(160); 상기 하부 챔버(160)에 배치된 기판(134)을 지지하는 기판 홀더(134); 및 상기 기판 홀더(134)에 RF 전력을 인가하는 RF 전원(142,146)을 포함한다.
평행판 축전기를 감싸는 원통 케비티 구조에서, 정상파의 공진 주파수는 하부 챔버(124)의 반경에 역비례할 수 있다. 이에 따라, 하부 챔버(124)의 직경이 증가하면, 공진 주파수는 감소할 수 있다. 예를 들어, 하부 챔버의 반경이 0.3m인 경우, 공진 주파수는 약 300 MHz일 수 있다. RF 전원(142)의 주파수가 100 MHz인 경우, 3차 고조파(harmonics)는 공진 주파수와 일치하여 정상파 효과를 현저히 발생시킬 수 있다. 따라서, 하부 챔버에 의한 공진기의 공진 주파수를 증가시키기 위하여, 하부 챔버의 반경은 감소될 필요가 있다.
실질적으로 하부 챔버의 반경을 감소시키기 위하여, 적어도 하나의 접지링(170)이 방전 영역을 감싸도록 배치된다. 이에 따라, 공진 주파수가 증가하여, 정상파 효과가 감소하고, 플라즈마와 접촉하는 접지 면적을 증가시킨다. 공진 주파수는 RF 전원(142)의 고조파에 의하여 달성되므로, RF 전원(142)의 주파수는 60 MHz 이하로 사용하면, 정상파 효과가 감소될 수 있다.
상기 접지링(170)은 상기 기판 홀더(132)와 상기 제2 배플(160) 사이의 플라즈마를 감싸도록 상기 제2 배플(160)의 하부에 배치되고 와셔 형태이다. 상기 접지링(170)의 내경은 상기 기판 홀더(132)의 외경보다 크다. 상기 접지링(170)은 방전 공간을 한정하여 플라즈마가 확산하는 공간을 제한할 수 있다. 또한, 상기 접지링(170)은 접지되어 있어 접지 면적을 증가시키어 기판(134)에 인가되는 DC 바이어스 전압을 증가시킬 수 있다. 상기 접지링들(170)은 서로 이격되어 수직으로 적층되어 배치되어 중성 가스는 상기 접지링(170) 사이의 공간으로 배기될 수 있다. 상기 접지링(170)의 재질은 도전성 물질이고, 금속 또는 금속 합금일 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1 배플을 나타내는 단면도이다.
도 11을 참조하면, 상기 제1 배플(152')은 경사진 외측면을 가진 원판(152a); 및 경사진 내측면 및 경사진 외측면을 가지고 상기 원판(152a)과 소정의 간격을 가지고 상기 원판을 감싸도록 배치된 복수의 링 판(152b)을 포함할 수 있다.
상기 원판(152a)과 상기 링 판(152b) 사이의 공간 및 상기 링 판들(152b) 사이의 공간은 동심형 슬릿을 형성할 수 있다. 상기 원판(152a)과 상기 링 판(152b) 사이의 동심형 슬릿을 통과한 활성종들은 상기 상부 챔부의 중심 방향으로 확산될 수 있다.
상기 링 판들(152b) 사이의 동심형 슬릿을 통과한 활성종들은 상기 상부 챔부의 벽 방향으로 확산될 수 있다. 상기 제1 배플(152')은 빠른 확산을 위하여 활성종들을 공간적으로 분배한다. 이에 따라, 상기 상부 챔버(122)의 높이는 감소될 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1 배플을 나타내는 단면도이다.
도 12을 참조하면, 상기 제1 배플(452)은 복수의 사선 방향의 관통홀들(452a, 452b)을 포함할 수 있다. 중심 영역의 관통홀들(452a)은 활성종을 중심축 방향으로 분사하도록 경사질 수 있다. 가장 자리 영역의 관통홀들(452b)은 활성종을 상부 챔버의 벽 방향으로 분사하도록 경사질 수 있다. 상기 제1 배플(452)은 빠른 확산을 위하여 활성종들을 공간적으로 분배한다. 이에 따라, 상기 상부 챔버의 높이는 감소될 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 RF 전원의 저주파 RF 신호와 고주파 RF 신호를 나타낸다.
도 13을 참조하면, 고주파 RF 전원(122)의 고주파 RF 신호(RF1)는 일정한 주기(T)를 가지고 고출력 구간(T1)와 저출력 구간(T2)을 반복할 수 있다. 상기 고출력 구간(T1)은 방전 영역에서 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 저출력 구간(T2)은 플라즈마의 완전한 소멸을 억제하여, 고주파 RF 전원(122)이 다음 고출력 구간(T1)에서 안정적인 플라즈마 생성을 독립적으로 제어할 수 있다. 활성종은 제2 배플을 통하여 별도로 공급받기 때문에, 고주파 RF 전원(122)의 파워 및 주파수는 플라즈마 밀도를 증가시키는 조건에서 동작시킬 수 있다. 상기 고주파 RF 전원(122)의 주파수는 13.56 MHz 내지 60 MHz일 수 있다.
한편, 상기 고출력 구간(T1)에서, 저주파 RF 전원(146)의 저주파 RF 신호(RF2)는 오프될 수 있다. 저출력 구간(T2)에서, 저주파 RF 전원의 저주파 RF 신호(RF2)는 제공될 수 있다. 저주파 RF 신호(RF2)는 이온의 에너지를 독립적으로 제어할 수 있다. 각 공정에 적합하도록 플라즈마 특성이 독립적으로 제어될 수 있다. 제2 배플 및/또는 접지링에 의하여 접지 면적의 증가에 의하여 높은 DC 바이어스가 기판에 인가되므로, 상기 저주파 RF 전원(146)의 파워는 상대적으로 감소될 수 있다. 또한, 저주파 RF 신호(RF2)에 의한 이온의 에너지는 높은 에너지를 가질 수 있다.
본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
100: 플라즈마 기판 처리 장치
110: 원격 플라즈마 발생기
122: 상부 챔버
124: 하부 챔버
152: 제1 배플
160: 제2 배플
142,146: RF 전원
110: 원격 플라즈마 발생기
122: 상부 챔버
124: 하부 챔버
152: 제1 배플
160: 제2 배플
142,146: RF 전원
Claims (20)
- 플라즈마와 활성종을 생성하는 원격 플라즈마 발생기;
상기 원격 플라즈마 발생기의 출력 포트에 연결되는 개구부를 가지고 상기 원격 플라즈마 발생기의 활성종을 제공받아 확산시키는 상부 챔버;
상기 상부 챔버의 개구부에 배치된 제1 배플;
상기 상부 챔버에서 확산된 활성종을 제공받는 하부 챔버;
상기 상부 챔버와 상기 하부 챔버를 구획하고 상기 활성종을 투과시키는 제2 배플;
상기 하부 챔버에 배치된 기판을 지지하는 기판 홀더; 및
상기 기판 홀더에 RF 전력을 인가하는 RF 전원을 포함 하고,
상기 제1 배플은 활성종만을 상기 상부 챔버에 공급하고,
상기 제2 배플은 전기적으로 접지되고,
상기 상부 챔버는 절두 콘 형상이고,
상기 상부 챔버의 상기 개구부는 상기 상부 챔버의 절두된 부위에 배치된 것을 특징으로 플라즈마 기판 처리 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 배플은:
전기적으로 접지되고 상기 상부 챔버를 마주보고 복수의 제1 관통홀을 포함하는 상부 배플; 및
전기적으로 접지되고 상기 상부 배플과 이격되어 복수의 제2 관통홀을 포함하는 하부 배플을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 제2 관통홀은 상기 제1 관통홀과 중첩되지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 제2 관통홀의 직경은 상기 하부 배플과 플라즈마 사이의 플라즈마 쉬스(plasma sheath)의 두께보다 2 배 초과이고,
상기 플라즈마는 상기 제2 관통홀의 내부로 침투하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 상부 배플과 상기 하부 배플 사이의 간격은 수 밀리미터 이하이고,
상기 기판 홀더와 상기 상부 배플의 하부면 사이의 간격은 상기 상부 배플과 상기 하부 배플 사이의 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 상부 배플의 제1 관통홀의 직경은 상기 하부 배플의 제2 관통홀의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제6 항에 있어서,
상기 제2 관통홀은 상기 제1 관통홀과 중첩되지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 상부 배플의 직경은 상기 하부 배플의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 배플은:
경사진 외측면을 가진 원판; 및
경사진 내측면 및 경사진 외측면을 가지고 상기 원판과 소정의 간격을 가지고 상기 원판을 감싸도록 배치된 링 판을 포함하고,
상기 원판의 외측면은 높이에 따라 외경이 증가하고,
상기 링 판의 내측면은 높이에 따라 내경이 증가하는 것을 특징을 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제9 항에 있어서,
상기 원판과 상기 링 판은 복수의 브리지에 의하여 고정되고,
상기 링 판은 복수의 기둥에 의하여 상기 상부 챔버에 고정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제9 항에 있어서,
상기 제1 배플은 복수의 관통홀을 포함하고,
상기 제1 배플의 중심부에 배치된 관통홀들은 중심축을 향하도록 경사진 홀이고,
상기 제1 배플의 가장 자리에 배치된 관통홀들은 외측을 향하도록 경사진 홀인 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제1 항에 있어서,
적어도 하나의 접지링을 더 포함하고,
상기 접지링은 상기 기판 홀더와 상기 제2 배플 사이의 플라즈마를 감싸도록 상기 제2 배플의 하부에 배치되고 링형태이고,
상기 접지링의 내경은 상기 기판 홀더 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 배플은:
전기적으로 접지되고 상기 상부 챔버를 마주보고 복수의 제1 관통홀을 포함하는 상부 배플; 및
전기적으로 접지되고 상기 상부 배플과 이격되어 복수의 제2 관통홀을 포함하는 하부 배플을 포함하고,
상기 하부 배플은:
도전체 형성된 타공판 및
상기 타공판의 하부에 배치되고 유전상수를 가지는 절연체 또는 반도체인 보상판을 포함하고,
상기 하부 배플의 상기 제2 관통홀은 상기 타공판 및 상기 보상판을 관통하여 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제13 항에 있어서,
상기 하부 배플은 일정한 두께를 가지며,
상기 타공판의 두께는 위치에 따라 서로 다르고,
상기 보상판의 두께는 상기 하부 배플의 두께를 일정하게 유지하도록 위치에 따라 서로 다른 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제13 항에 있어서,
상기 보상판은 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘산화질화물 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제14 항에 있어서,
상기 보상판의 두께는 중심 영역 및 가장 자리 영역 중에서 적어로 하나의 영역에서 가장 크고,
상기 중심 영역은 원형이고,
상기 가장 자리 영역은 링 형상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제14 항에 있어서,
상기 RF 전원은:
13.56 MHz 이하의 저주파 RF 전원; 및
13.56 MHz 초과 60 MHz 미만의 고주파 RF 전원; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제17 항에 있어서,
상기 저주파 RF 전원와 상기 고주파 RF 전원을 제어하는 펄스 제어부를 더 포함하고,
상기 저주파 RF 전원와 상기 고주파 RF 전원은 각각 펄스 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 기판 처리 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 원격 플라즈마 발생기는 유전체 원통을 감고 있는 유도 코일을 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스인 것을 특징으로 플라즈마 기판 처리 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 원격 플라즈마 발생기의 출력 포트의 직경은 50 밀리미터 내지 150 밀리미터인 것을 특징으로 플라즈마 기판 처리 장치.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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