KR19990029069A - 대형 기판의 플라즈마 처리용 장치 - Google Patents

대형 기판의 플라즈마 처리용 장치 Download PDF

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KR19990029069A
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청 찬
Original Assignee
프랑소와 요셉 헨리
실리콘 제너시스 코포레이션
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Abstract

대형 기판을 처리하기 위한 플라즈마 장치(10)가 개시된다. 한 실시예에서, 장치는 처리 챔버(14)의 rf 투명 창문부(26)에 해체 가능하게 부착되어 있는 다수의 고주파(rf) 플라즈마 소스(40)를 포함하고 있다. 소스의 개수와 분포는 기판을 처리하기 위해 필요한 플라즈마 필드의 크기와 균일성을 제공하도록 다양하다. 랭뮤 탐침, 패러데이 컵 및 광학 센서와 같은 다수의 플라즈마 탐침(74)은 챔버 내부에 위치되며, 플라즈마 소스와 전기적으로 연통하여 바람직한 정도의 필드 균일성을 유지하도록 개개의 소스에 의해 생성되는 rf 필드를 조절한다.

Description

대형 기판의 플라즈마 처리용 장치
편평한 패널 디스플레이 또는 300 mm 실리콘 웨이퍼를 제조하는데 사용되는 유리 또는 반도체 기판과 같은 대형 기판의 플라즈마 처리는 소형 기판의 처리 공정에서 발생하지 않는 일련의 문제들을 각각 발생시킨다. 한 문제점은 대형 기판을 처리하는데 충분한 영역의 플라즈마를 간단하게 발생시키는 것이다. 다른 문제점은 그러한 넓은 영역에 걸쳐 플라즈마 밀도와 화학적 성질을 균일하게 유지하는 것이다.
유도 결합 플라즈마 소스(ICP) 또는 트랜스포머 결합 플라즈마 소스(TPC)를 사용하는 것은 유도 코일 안테나 설계를 이용하여 플라즈마의 균일성을 유지하는데 따르는 어려움과 처리 챔버 내로 안테나 방사선을 연결하기 위한 크고 두꺼운 석영 창문부를 필요로 하는 장치를 제조하고 유지하는 비용에 영향을 받는다. 그러한 크고 두꺼운 석영 창문부를 사용하는 것은 창문부 내에서의 열 소멸에 기인한 rf 전력의 증가(및 효율의 감소)로 귀결된다.
전자 싸이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance, ECR) 및 헬리콘식 소스의 사용은 단일 안테나 또는 도파관이 사용되는 경우 큰 영역에 공명 자기장을 스케일링하는데 따르는 어려움 때문에 제한된다. 더욱이, 대부분의 ECR 소스는 보다 고가이며 전기적 동조가 어려운 극초단파 전력을 사용한다. 고열 캐쏘드 플라즈마 소스를 사용하는 것은 음극 재료의 증발에 기인한 플라즈마 환경의 오염으로 귀결되는 한편, 저열 캐쏘드 소스는 발생된 플라즈마에 대한 저열 캐쏘드의 노출에 기인한 오염으로 귀결된다.
본 발명은 종래의 대형 플라즈마 처리 장치에 의해 발생되는 상기 문제점들을 극복한다.
본 발명은 기판을 플라즈마 처리하기 위한 장치, 특히 대형 기판을 플라즈마 처리하기 위한 rf 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 한 실시예의 블록선도이고,
도 2는 소형 플라즈마 소스를 사용하여 대형 플라즈마 범위를 제공하는 소스의 형상에 대한 평면도이고,
도 3은 내장 패러데이 컵을 갖춘 웨이퍼 홀더의 한 실시예의 평면도이고,
도 3a는 매립 패러데이 컵을 갖춘 Si 실험 웨이퍼의 한 실시예의 평면도이고,
도 4는 볼륨 소스로 형성된 본 발명에 따른 한 실시예의 사시도이고,
도 5는 통합 가스 공급부를 갖춘 본 발명에 따른 플라즈마 소스의 한 실시예의 사시도이고,
도 6은 도 5에 도시된 다수의 플라즈마 소스를 사용하는 연속 플라즈마 처리 장치에 대한 한 실시예의 사시도이고,
도 7은 두 개의 플라즈마 소스를 이용하는 장치의 개략적인 선도이고,
도 8은 두 개의 소스 장치 내의 ECR 플라즈마 발생을 위한 표면 자석의 배열에 대한 한 실시예를 도시한 도면이고, 그리고
도 8a는 ECR 플라즈마 발생을 위한 표면 자석의 배열에 대한 다른 실시예를 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 장치 14 : 진공 챔버
18 : 진공 포트 26 : 유전체 창문부
30 : O-링 40 : rf 플라즈마 소스
44 : 외부 차폐물 46 : 안테나
50 : 정합 네트워크 54 : 연결 축전기
58 : 동조 축전기 62 : 제어기
66 : rf 발생기 70 : 센서
74 : 랭뮤 탐침 78 : 페러데이 컵
82 : 기판 웨이퍼 홀더 90 : 웨이퍼
100 : 석영 창문부 104 : 튜브
108 : 개구부 112 : 컨베이어
116 : 배플 125 : 유도자
130, 135 : 가변 축전기 140, 145, 150 : 자석
본 발명은 어떠한 크기의 균일 플라즈마도 제조할 수 있는 용이하게 측정 및 유지 가능한 장치에 관한 것이다. 한 실시예에서 다수의 rf 플라즈마 소스는 진공 처리 챔버의 유리 또는 석영과 같은 유전체 창문부에 제거 가능하게 부착되는 한편, 다른 실시예에서는 다수의 소스 각각이 자체 창문부를 포함하며 챔버에 부착된다. 챔버 내의 플라즈마 측정 탐침은 플라즈마 균일성에 대한 정보를 제공하며 그러한 정보는 바람직한 균일성을 유지하도록 rf 플라즈마 소스 각각에 인가되는 rf 에너지를 제어하는데 사용된다. 한 실시예에서, 플라즈마 측정 탐침은 랭뮤 탐침(Langmuir probes)이다. 다른 실시예에서, 탐침은 패러데이 컵(Faraday cups)이다. 또 다른 실시예에서, 탐침은 광학 탐침이다.
다른 실시예에서, 플라즈마 소스는 가스 유입을 위한 통합 튜브를 갖춘 석영 창문부를 포함한다. 상이한 가스들을 사용하는 몇몇의 그러한 플라즈마 소스는 직렬 처리 장치 내의 기판의 연속 처리를 위한 직선 배열로 결합될 수도 있다.
본 발명의 특징은 첨부된 청구범위에 기술되어 있다. 본 발명의 전술한 이점 및 그 외의 이점들은 첨부된 도면과 관련하여 아래에 기술되어 있다.
도 1에 대해 개략적으로 언급하면, 본 발명에 따른 장치(10)의 한 실시예는 진공 펌프(도시 안함)에 연결된 진공 포트(18)를 갖춘 진공 챔버(14)를 포함하고 있다. 이 실시예에서, 장치(10)는 O-링(30)에 의해 진공 밀폐되고 제거 가능한 클램프(34)에 의해 진공 챔버(14)의 상부면(22)에 부착되는 일련의 유전체 창문부(26)를 포함하고 있다. 외부 차폐물(44) 내에 위치한 나선형 또는 팬케이크형 안테나(46)를 갖춘 한 실시예에서, rf 플라즈마 소스(40)는 상기 유전체 창문부(26)의 일부에 해체 가능하게 부착되어 있다. 용량성 또는 유도성 연결을 사용한 안테나의 다른 실시예가 사용될 수도 있다. 안테나 각각의 냉각은 냉각 유체를 안테나에 통과시켜 달성한다. 일반적으로 고전력에서만 냉각이 필요하다. rf 플라즈마 소스(40)가 부착되지 않은 창문부(26)는 진공 챔버(14) 내부를 관찰하는 포트로 사용 가능하다. rf 플라즈마 소스(40) 각각의 제거 가능성은 세척되는 결합 유전체 창문부(26)가 세척될 수 있게 하거나 또는 rf 플라즈마 소스(40)를 제거되는 장치(10) 내부의 진공 없이 교환되도록 허용한다. 비록 이 실시예에서는 유리 창문부가 사용되지만, 석영 또는 폴리에틸렌과 같은 다른 유전체 재료가 창문부의 재료로 사용될 수도 있다.
안테나(46) 각각은 연결 축전기(54)와 정합 네트워크(50)를 통해 rf 발생기(66)에 연결되어 있다. 또한 안테나(46) 각각은 각각의 안테나(46)와 병렬 연결된 동조 축전기(58)를 포함하고 있다. 동조 축전기(58) 각각은 제어기(62)로부터의 신호(D, D', D'')에 의해 제어된다. 동조 축전기(58)를 개별적으로 조절함으로써, 각각의 rf 안테나(46)로부터의 출력이 발생된 플라즈마의 균일성을 유지하도록 조절될 수 있다. 또한, 제로 반사 전력 동조와 같은 다른 동조 수단도 안테나로의 전력을 조절하는데 사용될 수 있다. 한 실시예에서, rf 발생기(66)는 제어기(62)로부터의 신호(E)에 의해 안테나(46)로의 전력을 제어한다. 한 실시예에서는, 제어기(62)가 정합 네트워크(50)로의 신호(F)에 의해 안테나(46)로 가는 전력을 제어한다.
제어기(62)는 안테나(46)로 이송되는 전력과, 플라즈마 밀도를 직접 측정하는 고속 스캐닝 랭뮤 탐침(74)으로부터의 신호(B)와 그리고 기판 웨이퍼 홀더(82)에 부착된 다수의 패러데이 컵(78)으로부터의 신호(C)를 모니터하는 (매사추세츠, 베버리에 있는 콤델, 인코포레이티드사의 리얼 파워 모니터와 같은) 센서(70)로부터의 신호(A)에 반응하여 rf 발생기(66)와 동조 축전기(58)를 조절한다. 랭뮤 탐침(74)은 탐침을 플라즈마 내외부로 움직임으로써(이중 화살표(I)) 스캐닝된다. 이러한 센서들 때문에, rf 발생기(66) 및 동조 축전기(58)를 위한 세팅은 기판을 플라즈마 처리하는 장치(10)의 실제 사용에 앞서 제어기에 의해 결정될 수도 있다. 일단 세팅이 결정되면, 탐침이 제거되고 가공될 웨이퍼가 유입된다. 장치의 다른 실시예에서, 탐침은 장치의 실시간 제어를 허용하는 처리 공정동안에 남아있게 된다. 랭뮤 탐침을 사용하는 그러한 실시예에서, 탐침으로부터 증발하는 소립자로 플라즈마를 오염시키지 않도록, 그리고 처리되는 기판을 가로막지 않도록 주의해야 한다. 그러한 장치의 또 다른 실시예에서, 장치의 특성은 제조에서 결정되고 장치는 플라즈마 탐침을 포함하지 않는다.
도 2에 대해 언급하면, 플라즈마 소스(40)의 형상은 개개의 소스의 면적의 합보다 큰 면적에 걸쳐 균일한 플라즈마를 생산하는 다수의 물리적으로 작은 플라즈마 소스(40)일 수 있다. 도시되어 있는 그러한 형상의 실시예에서, 각 변이 15.24 cm(6 inch)인 정사각형의 모서리에 놓여있는 네 개의 10.16 cm(4 inch) 직경 플라즈마 소스(40)는 단일 30.48 cm(12 inch) 직경 소스에 의해 발생되는 플라즈마에 상당하는 플라즈마를 생산한다. 그러므로, 다수의 창문부(26)를 갖춘 진공 챔버(14)를 제공함으로써, 플라즈마 소스(40)의 다양한 형상은 바람직한 균일성 및 형상을 갖는 균일 플라즈마를 생산하도록 형성될 수 있다. 기술되어 있는 안테나들은 도시되어 있는 바와 같이 철저하게 차폐되는 경우에는 소스들의 사이에서 rf 방해가 되지 않는다.
다중 rf 플라즈마 소스는 다중-이극 표면 자석 차폐물의 면전에서 전자 싸이클로트론 공명을 일으킬 수 있다. 예를 들어, 그러한 표면 자석 차폐물은 극표면에서 거의 1 KG이 될 것이며, 극표면으로부터 약 10 cm에서 약간의 가우스로 강하할 것이다. 그러한 장치에서, 전자 싸이클로트론 공명은 식 ν= 2.8 x 106(B) (여기서, B는 자기장 길이(가우스))에 의해 주어지는 전자 싸이클로트론 공명 주파수(Hz)로 정해진다. 따라서, 만일 기본 전자 싸이클로트론 공명 주파수가 13.56 MHz(즉, rf 발생기에 의해 공급되는 주파수)이면, (자석에 의해 인가되는 것과 같은) 필요한 자기장은 발생 공명 연결 동안 4.8 가우스가 된다. 기본 공명 주파수의 고조파(higher harmonics)는 균형 잡힌 자기장의 증가에 의해 달성될 수도 있다. 따라서, 연결되어 지는 제 2 고조파를 위하여, 자기장은 9.6 가우스까지 증가되어야 할 것이다. 그러한 ECR 연결은 저압(P < 1 mTorr)에서 가장 효과적이다. 소형 rf 플라즈마 소스의 사용은 그러한 자석이 전자 싸이클로트론 공명을 가능하게 하도록 위치될 수 있게 한다.
한 실시예에서, 필드 및 플라즈마 조사량의 균일성을 측정하는데 사용되는 패러데이 컵(78)은 웨이퍼 홀더(82)의 표면 내의 한 에지의 근처에 위치되어 있다(도 3). 웨이퍼(90)의 편평 에지(86)가 웨이퍼 홀더(82)상에 위치되어, 웨이퍼 홀더(82)의 패러데이 컵(78)은 플라즈마에 노출된다. 이러한 방법으로, 웨이퍼(90)에 닿는 플라즈마 조사량이 직접적으로 측정된다. 선택적으로, 도 3a에 도시된 바와 같은 특별한 웨이퍼(90')는 웨이퍼(90') 내에 묻혀있는 다수의 패러데이 컵(78)과 같이 제조된다. 이러한 특별한 웨이퍼(90')는 바람직한 플라즈마 밀도와 균일성을 달성하도록 rf 발생기(66)와 동조 축전기(58)를 세팅하는데 사용된다. 일단 작동 변수가 결정되면, 특별한 웨이퍼(90')는 제거되고 가공될 웨이퍼(90)가 웨이퍼 홀더(82)상에 위치된다.
도 4에 대해 언급하면, 비록 장치(10)에서 진공 챔버(14)의 상부면상에 위치한 플라즈마 소스(40)가 평면 배열되어 있는 것으로 기술되었지만, 플라즈마 소스(40)는 균일 볼륨의 플라즈마를 발생하도록 진공 챔버(14')의 다른 표면들에 걸쳐 분포될 수도 있다. 이러한 장치는 일괄 처리 공정에서 특히 효과적이다.
도 5에 대해 언급하면, 다른 실시예에서, 석영 창문부(100)가 진공 챔버(14)에 부착되지는 않지만 대신에, 플라즈마 소스(40')의 차폐물(44)의 한쪽 단부를 둘러싸고 있다. 이 실시예에서, 석영 창문부(100) 내의 개구부(108)에 부착되어 있는 튜브(104)는 특정 가스의 플라즈마를 형성하는 가스 공급물을 제공한다. 이러한 경우에, 플라즈마 소스(40')는 진공 챔버(14)의 벽 내의 창문부(26)에 부착되지는 않지만 대신에, 진공 챔버(14) 자체에 부착된다. 그러한 플라즈마 소스(40')는 다수의 공정에 의해 요구되는 것과 같은 특정 가스로부터 플라즈마를 생산할 수 있다. 몇몇의 그러한 플라즈마 소스(40')는 도 6에 도시된 바와 같은 직렬 장치의 실시예와 같이 상이한 플라즈마를 웨이퍼(90)를 연속적으로 처리하도록 정렬될 수 있다. 이 실시예에서, 웨이퍼(90)는 이 실시예의 구역(I 및 II) 내에 있는 연속 공정 라인(114)의 연속 구역을 통해 컨베이어(112)에 의해 이동된다. 구역 각각은 배플(baffle, 116)에 의해 인접 구역으로부터 분리된다. 한 실시예에서, 구역(I) 내의 가스는 Si-CVD 공정에서 사용되는 SiH3이고, 구역(II) 내의 가스는 도핑 공정에서 사용되는 PH3이다. 다른 실시예에서, 로봇을 가지며 다른 챔버로부터 각각의 처리 챔버를 절연하도록 로드-락을 갖춘 클로스터 기구는 플라즈마 CVD 및 플라즈마 에칭을 위한 본 발명의 rf 플라즈마 소스(40)를 포함하고 있다.
도 7은 두 개의 플라즈마 소스를 사용하는 본 발명에 따른 장치의 한 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 소스 각각은 7.62 내지 10.16 cm(3 내지 4 inch)의 직경을 갖는 유도 팬케이크식 안테나이다. 안테나(46) 각각은 0.635 cm(1/4 inch)의 구리 튜브로 구성되고, 5 내지 6번 감긴다. 안테나(46) 각각은 각자 160 rf 축전기를 통해 정합 네트워크(50)에 연결되어 있다. 정합 네트워크(50)는 0.03 μH 유도자(125)와 두 개의 가변 축전기(130, 135)를 포함하고 있다. 한 가변 축전기(130)는 10 내지 250 pf의 범위에 걸쳐 조절 가능하고, 제 2 가변 축전기(135)는 5 내지 120 pf의 범위에 걸쳐 조절 가능하다. 정합 네트워크(50)는 가변 축전기(130, 135)를 조절함으로써 동조된다. 정합 네트워크(50)는 13.56 mHz에서 작동하는 rf 소스(66)에 차례로 연결되어 있다. 일련의 자석(140, 145)이 자석 버킷을 형성하도록 매 7 cm당 극성을 교대로 하여 챔버의 주변에 위치되어 있다.
1 mTorr 압력에서 작동하는 챔버로 인해, 안테나(46)로 가는 전력은 안테나당 25 W 또는 전체적으로 약 50 W가 된다. 0.1 mTorr로 감소된 챔버 내의 압력으로 인해, 전력은 안테나당 200 W 또는 전체적으로 약 400 W가 된다. 50 W의 전체 전력에서 결과적인 플라즈마는 1011/cm3의 균일한 밀도를 갖는다. 균일성 및 밀도는 그러한 소스를 네 개 사용하여 더 향상될 수도 있다.
도 8에 대해 언급하면, ECR 발생을 위한 자석의 배열에 대한 한 실시예가 안테나(46)에 인접한 다수의 자석(150)을 사용하고 있다. 이 실시예에서, 다수의 자석(150)은 안테나 사이에서 역전되어 있다. 도 8a는 소스 각각이 자체의 자석 세트를 갖추고 있는 다른 실시예를 도시하고 있다. 다른 자석 형상도 가능하다.
도시된 바와 같은 양호한 실시예를 가지고, 당업자는 첨부된 청구의 범위와 그 정신 내에서 다양한 변형을 할 수 있다. 그러므로, 청구의 범위만으로 본 발명이 제한되지는 않는다.

Claims (13)

  1. 플라즈마로 기판을 처리하기 위한 장치에 있어서,
    챔버의 표면상에 다수의 평면 rf 투명 창문부를 갖춘 진공 챔버와,
    rf 발생기와, 그리고
    상기 rf 발생기에 각각 전기적으로 연결되어 있고, 상기 다수의 rf 투명 창문부 각각에 병치되어 있는 둘 이상의 rf 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 둘 이상의 rf 소스에 각각 전기적으로 연결되어 있는 하나 이상의 동조 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 플라즈마에 대한 하나 이상의 특성을 측정하는 하나 이상의 센서와, 그리고
    상기 하나 이상의 센서로부터 상기 플라즈마에 대한 하나 이상의 특성을 수용하며, 그것에 반응하여 상기 다수의 동조 회로를 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 rf 투명 창문부 각각이 석영으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 rf 투명 창문부 각각이 유리로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 센서가 랭뮤 탐침인 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 센서가 패러데이 컵의 배열인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 장치가 웨이퍼 홀더를 더 포함하고 상기 패러데이 컵을 상기 웨이퍼 홀더에 부착하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 장치가 실험 웨이퍼의 표면상에 다수의 패러데이 컵을 갖춘 실험 웨이퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 센서가 광학 센서인 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 2 항에 있어서, 상기 하나 이상의 동조 회로가 상기 개개의 플라즈마 소스와 전기적으로 병렬 연결되어 있는 동조 축전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 플라즈마 소스에 있어서,
    제 1 단부에서 개방되어 있으며 제2 단부에서 차폐물 구멍을 갖고 있는 차폐물과,
    상기 차폐물의 내부에 위치한 rf 안테나와, 그리고
    상기 차폐물의 제 1 단부를 둘러싸도록 위치되어 있으며, 가스가 상기 차폐물 및 유전체 창문부 구멍을 관통하도록, 구멍을 형성하며 상기 유전체 창문부 내의 상기 구멍으로부터 상기 차폐물 구멍까지 연장되는 유전체 가스 입구 튜브를 갖춘 유전체 창문부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  13. 직렬 연속 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    하우징 내에 위치되어 있는 다수의 배플을 포함하는 하우징과,
    상기 배플 사이에서 상기 하우징을 따라 위치되어 있는 다수의 rf 플라즈마 소스와, 그리고
    상기 하우징 내부에 위치되어 있는 컨베이어 벨트를 포함하고,
    상기 플라즈마 소스 각각은,
    제 1 단부에서 개방되어 있으며 제2 단부에서 차폐물 구멍을 갖고 있는 차폐물과,
    상기 차폐물의 내부에 위치한 rf 안테나와, 그리고
    상기 차폐물의 제 1 단부를 둘러싸도록 위치되어 있으며, 가스가 상기 차폐물 및 유전체 창문부 구멍을 관통하여 상기 하우징 내로 지나가도록, 구멍을 형성하며 상기 유전체 창문부 내의 구멍으로부터 상기 차폐물 구멍까지 연장되는 유전체 가스 입구 튜브를 갖춘 유전체 창문부를 포함하고,
    상기 컨베이어 벨트는 상기 배플의 사이에서 상기 각각의 rf 플라즈마에 의해 발생되는 플라즈마의 아래와 상기 하우징의 내부에서 웨이퍼를 운반하는 것을 특징으로 하는 장치.
KR1019980700373A 1995-07-19 1996-07-02 대형 기판의 플라즈마 처리용 장치 KR19990029069A (ko)

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US8/503973 1995-07-19
US08/503,973 US5653811A (en) 1995-07-19 1995-07-19 System for the plasma treatment of large area substrates

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KR19990029069A true KR19990029069A (ko) 1999-04-15

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ID=24004315

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