KR20040007301A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 Download PDF

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KR20040007301A
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Abstract

본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는 고주파 유도 안테나와 진공 챔버를 분리하는 플레이트를 포함한다. 이 플레이트는 개구가 마련된 비자성 금속 플레이트와 상기 개구를 밀봉하는 유전성 재료 부재를 포함한다. 상기 비자성 금속 플레이트의 영역은 유전성 재료 부재의 영역보다 크다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 유도 결합 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
유도 결합 플라즈마 처리 장치는 피처리 가공물이 서셉터(susceptor) 상에 배치되어 있는 진공 챔버와, 이 챔버 외부의 대기 중에 배치되어 있는 고주파 유도 안테나를 포함한다. 가스가 진공 챔버에 공급되고, 이와 동시에 상기 유도 안테나를 통하는 전류에 의해 발생된 전자기장이 상기 가스에 인가되면, 가스는 이온화되거나 가스 플라즈마가 된다. 이 가스 플라즈마는 반도체 웨이퍼 또는 유리 기재 등과 같은 피처리 가공물의 침적 또는 에칭 처리에 사용된다.
상기 진공 챔버에서 전자기장을 효과적으로 발생시키기 위해, 상기 유도 안테나와 진공 챔버를 분리하는 플레이트, 예컨대 벽 또는 벽의 일부분 등은 통상적으로 유전성 재료의 플레이트로 제조되었다. 따라서, 플라즈마가 발생될 때, 상기 유전성 재료의 플레이트의 양면 사이에 고전압이 인가된다. 상기 진공 챔버에 면하는 유전성 재료의 플레이트의 표면에는 상기 고전압에 의해 가속된 이온이 부딪힌다. 이러한 이온의 충돌을 통해, 상기 유전성 재료의 플레이트가 손상된다. 상기 이온에 의해 유전성 재료의 플레이트가 스퍼터링될 수 있고, 바람직하지 못한 오염물이 발생될 수 있다.
근래에는, 대규모 가공물을 위한 플라즈마 영역을 확장하기 위해, 대규모 진공 챔버 및 유도 안테나를 사용할 것을 필요로 한다. 또한, 유전성 재료의 플레이트도 대형화되고 있다. 대규모 유전성 재료의 플레이트는 부서지기 쉽기 때문에 제조하기 곤란하다.
본 발명의 목적은 이온 충돌에 의해 손상되지 않고 쉽게 제조할 수 있는 플레이트를 포함하는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 실시예를 보여주고,
도 1b는 본 발명에 따른 고주파 유도 안테나의 예를 보여주며,
도 2는 본 발명에 따른 유전성 재료 부재를 구비한 비자성 금속 몸체로 이루어진 플레이트의 예를 보여주고,
도 3은 도 2에 도시된 플레이트의 부분 단면도이며,
도 4는 유전성 재료 부재를 구비한 비자성 금속 몸체로 이루어진 플레이트의 제2 예를 보여주고,
도 5는 분할 유도 안테나의 예를 보여주며,
도 6은 유전성 재료 부재를 구비한 비자성 금속 몸체로 이루어진 플레이트의 제3 예를 보여주고,
도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예를 보여주며,
도 8은 통상의 플라즈마 처리 장치를 보여준다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 진공 챔버
2 : 서셉터
3 : 피처리 가공물
5 : 유도 안테나
6 : 고주파 파워 소스
4, 7, 12 : 플레이트
8 : 절연 부재
9 : 플라즈마 토치
10, 20 : 플라즈마 처리 장치
13 : 가스 공급 파이프
71, 121 : 비자성 금속 몸체
72, 122 : 유전성 재료 부재
본 발명에 따른 제1 양태는 피처리 가공물이 배열될 수 있는 진공 챔버와, 이 진공 챔버 외부에 배열되는 고주파 유도 안테나, 그리고 상기 진공 챔버와 유도 안테나 사이에 배열되는 플레이트를 포함하는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 플레이트는 개구가 마련된 비자성 금속 몸체와 상기 개구를 밀봉하는 유전성 재료 부재를 포함하며, 이 비자성 금속 몸체의 영역이 상기 유전성 재료 부재의 영역보다 큰 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 제2 양태는 피처리 가공물이 배열될 수 있는 진공 챔버와, 고주파 유도 안테나 사이에 배열되는 플라즈마 처리 장치용 플레이트로서, 개구가 마련된 비자성 금속 몸체와 상기 개구를 밀봉하는 유전성 재료 부재를 포함하고, 이 비자성 금속 몸체의 영역이 상기 유전성 재료 부재의 영역보다 큰 플레이트를 제공하는 것이다.
본 발명의 전술한 목적 및 특징은 이하의 첨부 도면과 관련한 바람직한 실시예의 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
본 발명의 실시예를 기술하기 전에, 관련 종래 기술과 그 단점을 관련 도면을 참조하여 기술한다.
도 8에 도시된 바와 같은 통상의 플라즈마 공정 장치는 진공 챔버(1)와, 이 진공 챔버(1)의 외부에 있는 유도 안테나(5)를 포함한다. 대개 알루미늄으로 제조되는 진공 챔버(1)는 서셉터(2)를 포함한다. 피처리 가공물(3), 예컨대 반도체 웨이퍼 또는 유리 기재는 상기 서셉터(2) 상에 배치된다. 이 서셉터(2)는 필요에 따라 고주파 바이어스 파워 소스(11)에 연결된다. 나선형인 유도 안테나(5)는 플라즈마 발생을 위해 고주파 파워 소스(6)에 연결된다. 안테나(5)와 진공 챔버(1) 사이에 있는 플레이트(4)는, 알루미나 또는 실리카 유리 등과 같은 유전성 재료의 플레이트이다. 또한, 이 유전성 재료의 플레이트(4)는 진공 공간과 대기압 공간을 분리하는 벽이다. 또한, 진공 챔버(1)는 가스 공급 유닛과 진공 펌핑 유닛(도시생략) 등을 포함한다.
플라즈마 처리는 플라즈마 처리 장치(10)를 이용하여 다음과 같이 수행된다. 먼저, 피처리 가공물(3)을 진공 챔버(1) 내의 서셉터(2) 상에 배치한다. 다음에, 진공 챔버(1)는 진공 펌핑 유닛을 이용하여 저압으로 유지되며, 이온화할 가스는 상기 가스 공급 유닛으로부터 가스 파이프를 통해 도입된다. 그 후, 가스 플라즈마(P)는 유도 안테나(5)를 통하는 전류에 의해 발생된 전자기장에 의해 발생된다. 이 가스 플라즈마는 가공물을 플라즈마 처리하는 데에, 예컨대 플라즈마 침적/에칭 처리하는 데 사용된다.
전술한 바와 같이, 진공 챔버의 벽이 되는 유전성 재료의 플레이트(4)의 양면 사이에는 고전압이 인가된다. 따라서, 진공 챔버(1)에 있는 유전성 재료의 플레이트(4)의 측면은 이온 충돌을 통해 손상받을 수 있다. 이러한 이온 충돌에 의해 플레이트(4)로부터 오염물이 방출될 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 실시예를 첨부 도면과 관련하여 기술하며, 이들 도면에서 유사한 도면 부호는 도면 전반에 있어서 유사한 요소를 나타낸다.
본 발명에 따르면, 도 1a에 도시된 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(10)는 진공 챔버(1)와 나선형 유도 안테나(5)를 포함한다. 진공 챔버(1)는 서셉터(2)를 구비하며, 이 서셉터 상에는 반도체 웨이퍼 또는 유리 기재 등과 같은 피처리 가공물이 배치된다. 안테나(5)는 진공 챔버의 외부에 상기 서셉터(2)에 대향하게 배열된다. 안테나(5)는 고주파 파워 소스(6)에 연결된다. 서셉터(2)는 고주파 바이어스 파워 소스(11)에 연결될 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 나선형 유도 안테나(5)는 정방형이다. 일반적으로, 나선형 안테나의 형태는 진공 챔버 또는 피처리 가공물의 형태에 상응한다. 따라서, 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 나선형 안테나의 형태는 원형일 수 있다.
상기 실시예에 따르면, 유도 안테나(5)와 진공 챔버(1)를 분리하는 플레이트(7)는 유전성 재료 부재(72)를 포함하는 비자성 금속 몸체(71)로 이루어진다. 진공 챔버에는 점화 장치로서 플라즈마 토치(9)가 배열된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 플레이트를 보여준다. 이 플레이트(7)는 비자성 금속 몸체(71)와 유전성 재료 부재(72)로 구성된다. 유전성 재료 부재는 슬릿에 끼워 맞춰져 진공 상태를 밀봉한다. 비자성 금속 몸체(71)의 림에 대하여 중앙에 슬릿을 절취한다. 도 2에서 상기 슬릿의 형상은 대략 장방형이다. 그러나, 슬릿의 형상은 상기 형상에 제한되는 것은 아니다. 슬릿이 길고 협소하다면, 슬릿은 단락이 있는 형상이거나 사다리꼴 형상일 수도 있다.
도 3은 플레이트(7)의 부분 단면도이다. 도 3은 개략적으로 플레이트(7) 위의 대기압 상태와, 플레이트 아래의 진공 상태를 보여준다. 유전성 재료 부재(72)의 단면 형상은, 예컨대 T형으로 형성된다. 유전성 재료 부재(72)는 슬릿에 삽입되고, 슬릿 하부에 있는 돌출부 상에 O링을 이용하여 배치된다. 그 결과, 유전성 재료 부재(72)는 압력차에 의해 압박되고 고정된다. 유전성 재료 부재(72)는 와전류가 비자성 금속 몸체의 표면에 유도되지 못하게 한다.
도 4는 플레이트(7)의 제2 예를 보여준다. 플레이트(7)는 대칭 배치된 복수 개의 슬릿을 구비한다. 이들 슬릿을 밀봉하기 위해, 복수 개(예컨대, 4개)의 유전성 재료 부재(72)가 배열될 수 있다. 따라서, 와전류의 유도를 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 상기 플레이트는 비자성 금속 몸체로 이루어지며, 이 금속 몸체의 슬릿은 상기 유전성 재료에 의해 밀봉된다. 이 플레이트는 유전성 재료의 플레이트보다 더 용이하고 저렴하게 제조될 수 있다. 이 플레이트는 효과적으로 패러데이 실드(Faraday Shield)로서 작용할 수 있다. 패러데이 실드는 진공 챔버에 있는 플라즈마와 안테나 사이의 용량 결합 효과를 감소시킬 수 있다. 플라즈마에 있는 이온이 플레이트에 충돌하는 경우에도, 상기 비자성 금속 몸체로부터 더이상 오염물이 스퍼터링되지 않는다. 또한, 상기 유전성 재료에 의해 밀봉되는 슬릿은 상기 안테나에 대해 실질적으로 직교한다. 유전성 재료는 와전류의 유도와 전자기장에서의 에너지 낭비를 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 유리 등과 같은 절연 부재(8)가 유도 안테나(5)와 금속 몸체(71) 사이에 배열된다. 이 절연 부재(8)는 유도 안테나(5)와 금속 몸체(71) 사이의 접촉을 방지하는 스페이서로서 사용된다. 이 절연 부재는 그 형상이 제한되지 않으며, 적절한 위치에 배치될 수 있다.
근래에, 피처리 가공물이 대형화되고 있다. 따라서, 대규모 진공 챔버와 대규모 유도 안테나가 필요하게 되었다. 코일을 권취하여 대규모 유도 안테나를 제조하는 경우, 이 안테나의 유도성 부품은 대형화될 수 있고, 이 안테나를 구동하기 위하여 고전압이 필요하다. 이러한 문제를 회피하기 위해, 여러개로 분할된 안테나를 제공할 수 있다. 예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이 4분할 안테나(51 - 54)를이용할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 비자성 금속 몸체의 슬릿을 절취하고, 이를 도 3에 도시된 바와 같이 유전성 재료 부재로 밀봉할 수 있다. 유도 안테나에 직교하는 유전성 재료 부재의 일부는 와전류의 유도를 효과적으로 방지할 수 있다.
이 경우, 슬릿과 유전성 재료 부재의 형태는 도 3에 도시된 바와 같이 실질적으로 동일할 수 있다. 그러나, 일반적으로 당업자라면 임의의 슬릿 형상, 슬릿 위치, 슬릿 개수 및 유전성 재료 부재를 적절하게 사용할 수 있을 것이다. 그러나, 유전성 재료 부재의 영역은 비자성 금속의 영역보다 커서는 안된다.
서셉터(3)는 금속 몸체(71)에 대향한다. 따라서, 고주파 소스(11)에 의해 서셉터(3)에 인가되는 고주파 바이어스 전압은 감소될 수 있다. 이와 같이 감소된 파워를 통해, 종래 기술과 실질적으로 동일한 플라즈마 처리를 할 수 있게 된다.
그러나, 금속 몸체(71)와 서셉터(3)가 대면하고 있다는 사실로 인해, 플라즈마 점화가 방지될 수 있다. 가스를 플라즈마 상태로 점화하려면, 일반적으로 유도 안테나(5)와 서셉터(3)가 평행 플레이트 모드에서 작동 가능할 필요가 있다. 본 발명의 실시예에서, 금속 몸체(71)는 유도 안테나(5)와 서셉터(3) 사이에 있다. 따라서, 유도 안테나(5)와 서셉터(3)는 평행 플레이트 모드에 있을 수 없다. 이러한 경우에, 필요한 전자기장의 부족으로 인해 가스를 플라즈마 상태로 점화할 수 없다.
가스를 플라즈마 상태로 점화하기 위해, 진공 챔버에 플라즈마 토치(9)를 설치할 수 있다. 플라즈마 토치(9)는 가스가 공급되는 복수 개의 관을 포함하며, 이들 중 중앙관과 유선 안테나가 외부에 감겨져 있다. 플라즈마 토치(9)는 상기 유선 안테나에 흐르는 고주파 전류에 의해 가스 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 화염을 챔버 내로 송풍할 수 있다. 진공 챔버에 비자성 금속 플레이트를 사용하는 경우에도, 플라즈마 토치(9)는 가스를 플라즈마 상태로 점화할 수 있다. 또한, 가스가 플라즈마 상태로 점화된 경우, 유도 안테나(5)로 인해 발생하는 고주파 전자기장은 플라즈마 토치 없이도 플라즈마를 유지할 수 있다.
플라즈마 토치 이외의 플라즈마 점화 수단을 사용할 수 있다. 예컨대, 진공 챔버의 압력을 증대시켜 가스를 플라즈마 상태로 점화할 수 있다. 또한, 플라즈마 점화용 바이어스 소스를 이용하여, 진공 챔버 내에 있는 가스에 전압을 인가할 수 있다. 또한, 가스를 플라즈마가 되게 하도록, 자외선 소스로부터의 빛을 조사(照射)할 수 있다.
일반적으로, 점화 플러그를 플라즈마 점화 수단으로 이용할 수 있다. 그러나, 점화 플러그에서 불꽃이 튈 때, 오염물이 진공 챔버에 발생하기 쉽다. 따라서, 점화 플러그는 본 발명용으로 부적합할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 다른 실시예를 보여준다. 플라즈마 처리 장치(20)는 2개의 플레이트(7, 12)를 포함한다. 제1 플레이트(7)는 제1 실시예와 동일하고, 서셉터(2)에 면하는 제2 플레이트(12)는 금속 몸체(123)에 다수의 구멍이 마련되어 있다. 제1 플레이트(7)와 제2 플레이트(12) 사이의 공간에 가스 공급 파이프(13)를 통해 가스를 공급한다.
보다 구체적으로 말하면, 제2 플레이트(12)는 진공 챔버에서 제1플레이트(7)의 전방에 배열된다. 제1 플레이트(7)는 유전성 재료 부재(72)가 마련된 비자성 금속 몸체(71)를 구비한다. 제2 플레이트(12)는 유전성 재료 부재(122)가 마련된 비자성 금속 몸체(121)를 구비한다. 비자성 금속 몸체(121)에는 일면에서 타면까지 관통하는 다수의 구멍이 마련되어 있다. 제1 플레이트(7)와 제2 플레이트(12) 사이에는 가스 공급 파이프(13)이 배열된다.
제1 플레이트(7)와 제2 플레이트(12) 사이에 가스 공급 파이프를 통해 가스를 공급하는 동안, 유도 안테나에 흐르는 전류는 전자기장을 발생시킬 수 있다. 가스는 상기 전자기장으로 인해 효과적으로 이온화될 수 있고 플라즈마 상태로 될 수 있다. 가스 플라즈마는 제2 플레이트(12)의 다수의 구멍을 통해 샤워처럼 진공 챔버 내로 송풍될 수 있다. 이러한 가스 샤워는 피처리 가공물의 임의의 표면 영역에 유사한 방식으로 작용할 수 있다.
플레이트의 금속 몸체는 용이하게 가공할 수 있으므로, 다수의 관통 구멍이 마련된 플레이트를 제조하는 것도 용이하다. 따라서, 피처리 웨이퍼 또는 기재를 위한 가스 샤워 구조는 용이하게 제조될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 유도 안테나와 진공 챔버를 분리하는 플레이트는 비자성 금속 몸체를 포함하고, 이 금속 몸체의 슬릿은 유전성 재료 부재로 밀봉된다. 용이하게 제조할 수 있는 상기 비자성 금속 몸체는 이온 충돌에 의해 손상을 받지 않는다. 또한, 슬릿에 있는 유전성 재료 부재는 금속 플레이트에 와전류가 유도되지 못하게 한다.
플라즈마 점화 수단이 진공 챔버에 배열되는 경우, 가스 플라즈마는 쉽게 발생된다.
복수 개의 구멍이 마련된 비자성 금속 플레이트를 이용하는 경우, 이 플레이트는 샤워 헤드로서 이용되어 이를 통해 가스가 분무될 수 있다.
또한, 금속판은 서셉터에 대향한다. 따라서, 고주파 바이어스 전압이 서셉터에 용이하게 인가된다. 본 발명에 따른 플라즈마 처리는 보다 적은 파워를 사용하지만, 이 플라즈마 처리의 처리량은 종래의 것과 거의 동일하다.

Claims (13)

  1. 피처리 가공물이 배열될 수 있는 진공 챔버와, 이 진공 챔버 외부에 배열되는 고주파 유도 안테나, 그리고 상기 진공 챔버와 유도 안테나 사이에 배열되는 플레이트를 포함하는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 플레이트는 개구가 마련된 비자성 금속 몸체와 상기 개구를 밀봉하는 유전성 재료 부재를 포함하며, 이 비자성 금속 몸체의 영역이 상기 유전성 재료 부재의 영역보다 큰 것인 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플레이트는 가스 구멍을 구비하여, 가스의 샤워 헤드로서 작용하는 것인 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 진공 챔버에는 플라즈마 점화 수단이 마련되는 것인 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속 몸체의 개구는 슬릿인 것인 플라즈마 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 유전성 재료 부재는 상기 유도 안테나에 직교하는 것인 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 비자성 금속 몸체의 복수 개의 개구에 상응하게, 복수 개의 유전성 재료 부재가 배열되는 것인 플라즈마 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 복수 개의 유도 안테나를 포함하는 것인 플라즈마 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 유도 안테나와 비자성 금속 플레이트 사이에 절연 부재가 배열되는 것인 플라즈마 처리 장치.
  9. 피처리 가공물이 배열될 수 있는 진공 챔버와, 고주파 유도 안테나 사이에 배열되는 플라즈마 처리 장치용 플레이트로서,
    개구가 마련된 비자성 금속 몸체와 상기 개구를 밀봉하는 유전성 재료 부재를 포함하고, 이 비자성 금속 몸체의 영역이 상기 유전성 재료 부재의 영역보다 큰 것인 플레이트.
  10. 제9항에 있어서, 가스 구멍을 구비하여, 샤워 헤드로서 작용하는 것인 플레이트.
  11. 제9항에 있어서, 상기 비자성 금속 몸체의 개구는 슬릿이고, 상기 유전성 재료 부재는 상기 슬릿을 밀봉하는 것인 플레이트.
  12. 제9항에 있어서, 상기 유전성 재료 부재는 상기 유도 안테나에 직교하는 것인 플레이트.
  13. 제9항에 있어서, 복수 개의 슬릿과 이 슬릿에 상응하는 복수 개의 유전성 재료 부재를 포함하는 것인 플레이트.
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