KR20050046363A - 플라즈마 에칭 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼, 평판화면(flat paneldisplay), 인쇄회로기판 및 다양한 박막 가공 공정에 사용되는 플라즈마 식각과 물리적 또는 화학적 증기 증착법, 포토레지스트 스트리핑(photo-resist stripping) 및 기타 공정 분야에 적용되는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치는 공정 챔버의 측벽에 일정한 둘레 방향으로 간격을 두고 방사상으로 설치되는 그리고, 각각 자체적으로 플라즈마를 발생시키며, 발생된 플라즈마를 공정 챔버로 주입하는 다수의 고밀도 플라즈마 발생유닛을 갖는다. 이 고밀도 플라즈마 발생유닛은 상기 공정 챔버의 둘레방향으로 간격을 두고 방사상으로 2 - 24개소에 설치되어 플라즈마 고밀도 달성, 균일도 개선 및 향상시킬 수 있도록 디자인되어 있다.

Description

플라즈마 에칭 장치{PLASMA ETCHING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 식각 장치와 같은 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는 반도체, 평판화면(flat paneldisplay), 인쇄회로기판 및 다양한 박막 가공 공정에 사용되는 플라즈마 식각과 물리적 또는 화학적 증기 증착법, 포토레지스트 스트리핑(photo-resist stripping) 및 기타 공정 분야에 적용되는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치에 관한 것이다.
플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치는 플라즈마 식각, 물리적 또는 화학적 증기 증착법, 포토레지스트 스트리핑 및 기타 표면 처리를 통한 다양한 박막 제조를 위하여 넓은 영역에 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 원(plasma source)을 필요로 한다. 따라서 실리콘과 복합 화합물 반도체의 제조, 액티브 매트릭스(active matrix) 액정 화면, 플라즈마 화면, 필드 에미션(field emission) 화면 등을 포함하는 평판 화면의 제조 등이 플라즈마 원을 필요로 하는 분야의 예이다.
도 12에는 기존의 반도체 제조용 건식식각장비로 사용되고 있는 헬리콘 식각장치가 도시되어 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 식각 장치는 플라즈마 발생원(source), 안테나, 정자속 발생용 보빈(전자석), 매칭회로 및 반응가스 공급구, 반응가스 배기구등이 설치된 반응실 등으로 구성되어 있다.
이 헬리콘 식각장치는 란다우 댐핑(Landau Damping)을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 것으로서, 종래의 RIE 장치와는 그 원리가 근본적으로 다르다. 이처럼 란다우 댐핑을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 헬리콘 식각장치는 13.56MHz의 RF전원을 이용하여 고밀도(1012/㎤)의 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
이러한 헬리콘 플라즈마 발생장치에 사용될 수 있는 모드는 안테나의 구조에 따라 m=0 모드와 m=1 모드로 나눌 수 있다. m=0 모드는 모리타입의 안테나가 사용되며, 이 모드에 의해 발생되는 플라즈마는 그 밀도가 중심과 주변의 차이가 너무 크게 되므로, 공정중에서 중심과 주변의 공정특성상 균일성의 문제가 야기될 수 있는데, 그것은 E × B 운동에 의해 플라즈마의 밀도가 중심으로 집중되기 때문이다. [도 13 (a) 참조]
그리고, m=1 모드는 보스웰 타입과 나고야타입의 안테나가 사용되며, 이 모드에 의해 발생되는 플라즈마는 m=0 모드에 비해 중심으로부터 주변으로의 밀도의 차이가 작지만 안테나의 특성에 의해 방위 방향으로의 밀도의 소밀이 존재하므로, 공정특성상 방위 방향으로의 균일성에 문제가 야기될 수 있다.[도 13 (b) 참조]
또한, 종래의 식각 장치는 대개 반응 후의 반응부산물 및 미반응가스의 배출을 용이하게 하기 위하여 웨이퍼 보다 낮은 위치에 배기구가 형성된다. 이 배기구는 진공펌프(도시하지 않음)에 연결되어 상기 공정챔버 내부를 진공화하는 기능을 하며, 미반응의 공정가스 및 반응 후의 부산물들을 배출시키고, 공정조건을 일정하게 하는 역할을 한다.
그러나, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 배기구는 웨이퍼가 얹혀지는 하부 일렉트로드에 대하여 일측부에 존재하기 때문에 배기구의 위치 및 그 크기에 따라 웨이퍼에 적용되는 플라즈마의 이온밀도가 불균일하게 형성되고, 그에 따라 하나의 웨이퍼에 대하여도 식각이 불균일하게 진행되게 되는 문제점이 있었다. 특히, 이 문제는 반도체장치의 생산에 사용되는 웨이퍼의 대구경화에 따라 더욱 심각한 문제가 되고 있다.
본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 개발한 것으로서, 플라즈마의 다양한 밀도의 구현과 더불어 균일도를 향상시키는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 다양한 밀도의 구현과 더불어 균일한 대면적 식각, 증착 및 표면처리를 가능하게 하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 챔버 내부의 배기 흐름을 수직 하방으로 형성하여 효율적인 배기가 이루어지도록 하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명의 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치는 소정의 진공도로 유지가능한 내부 공간을 갖는 공정챔버; 상기 공정챔버 상부에 상기 내부공간과 연결되도록 설치되는 그리고 플라즈마를 상기 공정챔버로 공급하기 위한 플라즈마 소스 챔버; 상기 공정 챔버의 측면으로부터 지지되어 설치되는 그리고 적어도 하나 이상의 피처리체가 놓여지는 피처리체 유지부 및; 상기 유지수단에 놓인 피처리체를 기준으로 가스 배출이 수직 하방으로 이루어지도록 상기 공정 챔버 하단에 설치되는 배기부를 갖는다.
본 실시예에 의하면, 상기 플라즈마 소스 챔버는 측벽에 일정한 둘레 방향으로 간격으로 두고 방사상으로 설치되는 그리고 각각 자체적으로 플라즈마를 발생시키며, 발생된 플라즈마를 상기 공정챔버의 내부 공간으로 주입하는 플라즈마 발생유닛들; 및 상기 프라즈마 발생유닛들 각각으로 소스가스를 균일하게 공급하기 위한 가스 공급부를 포함한다.
본 실시예에 의하면, 상기 가스 공급부는 가스 공급관과; 상기 가스 공급관으로부터 공급되는 가스가 일시적으로 머무르는 버퍼공간을 제공하는 버퍼부; 및 상기 버퍼부로부터 각각의 상기 플라즈마 발생유닛으로 가스를 공급하는 분기관들을 포함한다.
본 실시예에 의하면, 상기 피처리체 유지부는 상기 공정 챔버의 측면으로부터 연장되어 형성되는 적어도 3개의 수평지지대와, 상기 적어도 3개의 수평지지대들에 의해 지지되는 중앙부를 갖는 지지부와; 상기 중앙부 상부에 착탈 가능하게 설치되는 그리고 적어도 하나의 피처리체가 놓여지는 서셉터를 포함한다.
본 실시예에 의하면, 상기 피처리체 유지부는 상기 공정 챔버의 중앙부에 설치되는 그리고 적어도 하나의 피처리체가 놓여지는 서셉터; 및 상기 서셉터에 피처리체를 안착시키는데 사용하는 리프트장치를 포함하되; 상기 리프트 장치는 상기 서셉터 내부에 설치되고 피처리체의 저면을 지지하기 위한 적어도 3개의 리프트 핀과; 상기 리프트 핀들이 고정되는 핀고정판과; 상기 핀고정판을 승강시키기 위한 에어 실린더를 포함한다.
본 실시예에 의하면, 상기 핀고정판은 상기 피처리체를 지지하기 위한 리프트핀들이 고정되는 제1고정홀들과; 상기 피처리체와는 상이한 크기의 피처리체를 지지하기 위한 리프트핀들이 고정되는 제2고정홀들을 포함한다.
본 실시예에 의하면, 상기 핀고정판은 상기 피처리체의 중심으로부터 동일반경에 형성되는 그리고 상기 리프트핀들이 고정되는 제1고정홀들; 및 상기 제1고정홀들과는 동일한 중심을 갖되, 제1고정홀들과는 다른 반경에 형성되는 제2고정홀들을 포함한다.
본 실시예에 의하면, 상기 서셉터는 상기 제1고정홀들과 동일선상에 형성되는 그리고 상기 리프트핀들이 삽입될 수 있는 제1관통홀들과; 상기 제2고정홀들과 동일선상에 형성되는 그리고 상기 리프트핀들이 삽입될 수 있는 제2관통홀들을 포함한다.
본 실시예에 의하면, 상기 서셉터는 상기 제1관통홀들 또는 제2관통홀들 중 상기 리프트핀이 삽입되지 않은 홀들을 막기 위한 더미핀들을 더 포함한다.
본 실시예에 의하면, 상기 서셉터는 음극과; 상기 음극상에 설치되는 피처리체가 놓여지는 정전척과; 상기 정전척과 음극 사이에 설치되는 절연체로 이루어진다.
본 실시예에 의하면, 상기 수평 지지대는 내부 통로를 갖으며, 상기 수평 지지대의 내부 통로들을 통해서는 상기 음극으로 RF파워라인이 연결되고, 상기 정전척으로는 DC전원라인이 연결되며, 상기 정전척으로는 불활성냉각 가스가 공급된다.
본 실시예에 의하면, 상기 정전척은 적어도 3개의 피처리체가 각각 놓여지는 스테이지들을 갖으며; 상기 스테이지는 상기 피처리체의 가장자리를 실링하기 위한 제1오링과; 상기 피처리체의 중앙부분을 실링하기 위한 제2오링과; 상기 제1오링과 제2오링 그리고 피처리체의 저면에 의해 형성된 공간으로 상기 피처리체를 냉각시키는 불활성가스를 공급하는 가스홀을 포함한다.
본 실시예에 의하면, 상기 제1오링과 상기 제2오링은 상기 스테이지에 형성된 고정홈에 고정되는 고정부분과; 상기 고정부분의 상부로부터 상기 외측으로 경사지게 연장되어 형성되는 그리고 피처리체가 놓여졌을 때 완충되는 자유단을 갖는다.
본 실시예에 의하면, 상기 플라즈마 발생유닛은 상기 플라즈마 소스 챔버의 둘레방향으로 간격을 두고 방사상으로 2 - 24개소에 설치된다.
본 실시예에 의하면, 상기 플라즈마 발생유닛으로부터 생성되어 상기 공정챔버로 공급되는 플라즈마의 밀도를 보다 균일하게 하기 위해 상기 플라즈마 소스 챔버의 상부에 와선형으로 형성된 유도성 안테나를 더 포함한다.
본 실시예에 의하면, 상기 플라즈마 발생유닛은 가스 공급부와 연결되는 플라즈마 튜브와; 상기 플라즈마 튜브의 외부를 둘러싸는 유도성 안테나 및; 상기 안테나 및 상기 플라즈마 튜브를 둘러싸며, 상기 플라즈마 튜브내에 자장을 발생시키는 자장발생수단을 포함한다.
본 실시예에 의하면, 상기 플라즈마 튜브는 세라믹 또는 석영 재질로 이루어지고, 상기 유도성 안테나는 M=0 모드인 모리타입 또는 M=1 모드타입의 안테나 구조로 이루어지며, 상기 자장발생수단은 영구자석 또는 전자석이다.
본 실시예에 의하면, 상기 유도성 안테나는 고주파 인가시 발생되는 과열을 방지하기 위해 수냉식 또는 공냉식으로 이루어진다.
본 실시예에 의하면, 상기 플라즈마 발생유닛 각각에 의하여 형성되는 자장의 방향은 인접한 플라즈마 발생유닛에 의하여 형성되는 자장의 방향과 반대 방향이다.
본 실시예에 의하면, 상기 자장발생수단들은 N극과 S극이 서로 번갈아서 배치된다.
본 실시예에 의하면, 상기와 같은 박막을 식각시 공정 온도는 -30도에서 600도, 공정 압력은 0.1mT-300mT의 범위에서 실시하며, 특히 비휘발성 박막을 식각시 공정 온도는 150도에서 500도, 공정 압력은 낮은 0.5mT-30mT 범위내에서 실시하고, 상기 유도성 안테나로 공급되는 공정 주파수는 1MHz-500MHz 범위이고, 음극으로 공급되는 공정 주파수는 100KHz-60MH 범위이며, 유도성 안테나에 공급되는 공정 주파수의 전력은 0W-5000W 범위이고, 음극으로 공급되는 공정 주파수 전력은 0W-5000W 범위이다.
본 실시예에 의하면, 상기 가스는 통상 반도체 공정에 사용하는 가스를 사용하며, 이때 각각 사용되는 가스의 양은 0sccm-300sccm 이다.
예컨대, 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 11을 참조하면서 보다 상세히 설명한다. 상기 도면들에 있어서 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 병기되어 있다.
도 1 내지 도 8b에서는 본 발명의 제1실시예에 따른 고주파 유도결합형 플라즈마 에칭장치가 개략적으로 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 이 플라즈마 에칭장치(100)는, 소정의 진공도로 유지 가능한 원통형의 공정 챔버(110), 플라즈마 소스챔버(120), 기판 유지부(140) 그리고 배기부(170)로 크게 나누어진다.
상기 플라즈마 소스챔버(120)는 플라즈마를 상기 공정챔버(110)의 내부 공간(a)으로 공급하기 위한 것으로, 상기 공정챔버(110) 상부에 설치된다. 상기 플라즈마 소스챔버(120)의 내부공간은 상기 공정챔버(110)의 내부공간과 연결된다. 상기 플라즈마 소스챔버(120)는 외주면에 둘레방향으로 60도 간격을 두고 방사상으로 설치되는 6개의 플라즈마 발생유닛(122)을 갖는다. 그리고, 상기 플라즈마 소스 챔버(120)는 상부에 상기 플라즈마 발생유닛들 각각으로 소스가스를 균일하게 공급하기 위한 가스 공급부(180)를 갖는다.
상기 가스 공급부(180)는 메인 가스공급관(182)과, 상기 메인 가스공급관(182)으로부터 공급되는 가스가 일시적으로 머무르는 버퍼 공간(184a)을 갖는 버퍼부(184) 그리고 이 버퍼부로부터 각각의 플라즈마 발생유닛(122)들로 가스를 공급하기 위한 6개의 분기관(186)들로 이루어진다. 이와 같이, 본 발명의 플라즈마 에칭장치(100)는 소스가스가 상기 가스 공급부(180)를 통해 각각의 플라즈마 발생유닛(122)들로 균일하게 배급(공급)됨으로써 챔버내에서 플라즈마 발생시 플라즈마의 균일성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 상기 기판유지부(140)는 상기 공정챔버(110)의 측면으로부터 지지되어 설치된다. 그리고, 상기 배기부(170)는 상기 기판 유지부(140)에 놓여지는 기판(w)을 기준으로 가스(처리후의 가스 및 반응 부산물들)배기가 수직 하방으로 이루어지도록 상기 공정챔버(110) 하단에 설치된다.
도 2, 5, 7을 참조하면, 상기 기판 유지부(140)는 크게 지지부(142)와 서셉터(150) 그리고 리프트 장치(160)를 포함한다.
상기 지지부(142)는 상기 공정챔버(110)의 측면으로부터 연장되어 형성되는 4개의 수평지지대(144)와, 이 지지대들에 의해 지지되는 중앙부(146)를 갖는다. 상기 서셉터(150)는 상기 지지부(142)의 중앙부(146) 상부에 착탈 가능하게 설치된다. 이 서셉터(150)의 상면에는 기판(w)이 놓여진다.
도 5 및 도 8a를 참조하면, 상기 리프트 장치(160)는 서셉터(150)에 웨이퍼(W)를 안착시키는데 사용하는 장치로, 3개의 리프트 핀(162), 상기 리프트 핀들이 고정되는 핀고정판(164) 그리고 상기 핀고정판(164)을 승강시키기 위한 구동 장치인 실린더(166)를 포함한다. 상기 실린더(166)는 배기가스의 배기 흐름에 영향을 주기 않도록 상기 중앙부(146)의 저면에 설치된다. 상기 실린더(166)의 구동을 위한 에어라인(미도시됨)은 상기 공정챔버(110) 외부로부터 상기 지지부(142)의 수평지지대(144)에 형성된 공간(144a;도 8a에 도시됨)을 통해 들어온다.
이처럼, 하나의 어셈블리로 이루어진 리프트 장치(160)는 상기 실린더(166)의 구동에 의해 상기 핀고정판에 고정된 리프트 핀들이 상하 이동될 수 있는 것이다.
한편, 본 발명의 상기 리프트 장치(160)는 기판의 사이즈에 따라 리프트 핀의 장착 위치를 변경할 수 있는 구조적인 특징을 갖는다. 이러한 특징을 실현하기 위해, 상기 핀고정판(164)은 3개의 제1고정홀(164a)들과, 3개의 제2고정홀(164b)들을 갖는다. 제1고정홀(164a)들은 기판의 중심으로부터 동일반경에 형성되며, 제2고정홀(164b)들도 기판의 중심으로부터 동일반경에 형성된다. 도 8a 및 도 8b에서와 같이, 상기 리프트 핀(162)들은 공정 처리를 위한 기판의 사이즈에 따라 선택적으로 상기 제1고정홀(164a)들 또는 제2고정홀(164b)들에 고정될 수 있다.
도 2, 7을 참조하면, 상기 서셉터(150)는 상기 리프트 핀(162)들이 삽입되는 다수의 관통공들을 갖는다. 좀 더 구체적으로 살펴보면, 상기 서셉터(150)는 상기 제1고정홀(164a)들과 동일선상에 형성되는 제1관통공(150a)들과, 상기 제2고정홀(164b)들과 동일선상에 형성되는 제2관통공(150b)들을 갖는다. 그리고, 상기 서셉터(150)의 제1,2관통공(150a150b)들은 기판의 사이즈에 따라 하나만 선택적으로 사용되게 되며, 사용되지 않는 관통공들을 그대로 방치할 경우 문제가 될 수 있으므로, 관통공들을 막기 위한 더미핀(151)들이 설치된다.
이와 같이, 본 장치는 서셉터(150)에 안착되어 가공될 기판 사이즈에 맞게 서셉터(150)를 용이하게 변환하여 사용할 수 있는 장점이 있다. 즉, 기존에는 기판의 사이즈에 따라 서셉터를 포함한 리프트 장치 등의 일부를 교체해야 하지만, 본 장치는 리프트 핀들의 장착 위치를 변경하고 클램프(157)를 교체하는 것만으로 작업이 쉽게 이루어진다.
상기 서셉터(150)는 상기 음극(캐소드,cathode;152)과, 정전척(156)을 갖는다. 예컨대, 상기 정전척(156)과 음극(152) 사이에는 절연체(미도시됨)가 설치될 수도 있다.
상기 4개의 수평 지지대(144) 각각은 챔버 외부와 상기 서셉터(150)를 연결하는 내부 통로(154a)를 갖는다. 상기 수평 지지대(144)의 내부 통로들(144a)을 통해서, 상기 음극(152)으로 RF파워 라인이, 그리고 상기 정전척(156)으로는 DC전원라인과 헬륨 가스(정전척에서 사용하는 냉각가스) 공급 라인이 지나가게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 에칭 장치(100)에서는 서셉터(150)가 공정 챔버(110)의 바닥으로부터 설치되지 않고, 상기 지지부(142)에 의해 공정 챔버(110)의 중앙에 부양된 상태로 설치된다는데 그 특징이 있다. 상기 서셉터(150)가 공정 챔버(110)의 바닥으로부터 부양된 상태로 설치됨으로써, 서셉터(150)의 수직 하방(공정 챔버의 하단에 해당)에 배기부(170)를 구성할 수 있는 것이다. 즉, 공정 챔버(110) 내부에서의 미반응의 공정가스 및 반응 후의 부산물들 배출이 수직 하방(서셉터에 놓인 웨이퍼 기준)으로 이루어지기 때문에 효율적이면서 균일한 배기가 가능하다.
예컨대, 상기 음극(152)에는 콘덴서(미도시됨)를 통하여 고주파 전원이 접속되며, 예컨대, 음극(152)에는 100㎑-60㎒ 영역의 범위에 있는 저주파에서 고주파에 이르는 전압이 인가될 수 있다. 미설명부호 180은 상기 공정챔버 하부에 상기 플라즈마로부터 이온빔을 추출하기 위한 이온빔 추출기를 나타낸다.
상기 공정 챔버(110)는 박막 식각시 공정 온도는 -30도에서 600도, 공정 압력은 0.1mT-300mT의 영역에서 실시하며, 특히 비휘발성 박막을 식각시에는 150도에서 500도의 공정 온도에서 0.5mT-30mT의 낮은 압력에서 실시한다.
본 발명의 특징적인 구성요소인 상기 플라즈마 발생유닛(122)는 소규모의 고밀도 헬리콘 플라즈마를 발생시킬 수 있는 것으로서 예컨대, 소형의 헬리콘 플라즈마원과 같이 축방향 자기장을 가지는 통상적인 플라즈마 발생원을 사용할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하면서 상기 플라즈마 발생유닛(122)의 구성을 구체적으로 살펴보면, 상기 분기관(186)과 연결된 주입관(123)을 통해 플라즈마를 발생시키기 위한 소스가스가 공급되어지는 플라즈마 튜브(124), 이 플라즈마 튜브(124)의 외부를 둘러싸는 유도성 안테나(126) 그리고 이 안테나(126)와 플라즈마 튜브(124)를 둘러싸며, 플라즈마 내에 자장을 발생시키는 자장발생수단인 영구자석(128)으로 이루어진다.
상기 가스 주입관(123)을 통해 공급되는 소스가스는 통상적인 반도체 공정가스를 조합하여 사용할수 있으며, 예를 들면, 포토 레지스트 마스크의 경우 Ar, C12 가스를 기본으로하여 다른 가스와 조합하여 같이 사용될 수 있으며, Hard 마스크의 경우 Ar, C12, CF4, HBr 또는 Ar, C12, BC13 또는 Ar, C12, BC13 등의 가스일 수 있다. 이때 각각 사용되는 가스의 양은 0sccm-300sccm 정도를 사용하게 된다.
예컨대, 상기 유도성 안테나(126)에는 고주파 전원이 매칭회로를 통하여 접속되며, 이 유도성 안테나(126)에는 고밀도 플라즈마를 형성시키기 위하여 1㎒에서부터 500㎒ 영역의 범위에 있는 고주파가 인가될 수 있다. 상기 유도성 안테나는 2턴 또는 3턴 방식으로도 제작될 수 있으나, 본 실시예에서는 1턴 방식으로 외형을 단순하게 제작하여, 유지보수가 용이하고, 플라즈마 발생유닛의 용적을 줄일 수 있는 것이다. 상기 유도성 안테나(124)는 m=0 모드인 모리 타입의 안테나 구조로, 이 유도성 안테나(126)는 고주파 인가시 발생되는 과열을 방지하기 위해 수냉식으로 이루어짐이 바람직하다. 여기서, 상기 플라즈마 튜브(124)는 세라믹 재질로 이루어지며,(물론 석영 재질도 상관없다.) 플라즈마 튜브(124)에는 상기 가스 주입관(123)이 연결되어, 플라즈마를 발생시키기 위한 기체가 공급된다.
상기 플라즈마 발생유닛(122)에서 생성된 플라즈마는 프로세스 가스의 주입압력과 자기장 분포에 의한 자기압에 의하여 상기 공정챔버(110)로 공급된다. 상기 플라즈마 발생유닛(122)에 사용되는 다수의 플라즈마 발생유닛(122)는 축방향의 자기장을 포함한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 플라즈마 발생유닛(122)에서 생성된 헬리콘파 플라즈마가 확산도중에 공정 챔버의 내벽면에 충돌함으로써 벽면 부근에서 플라즈마가 손실되는 것을 억제하고, 플라즈마의 밀도를 높이기 위하여, 상기 영구자석(128)들은 도 6에서와 같이 N극과 S극이 서로 번갈아서 배치된다. 이렇게 서로 엇갈리게 배치됨으로써, 도 6에 도시된 바와 같은 자기장 분포를 형성할 수 있다. 도 6에 도시된 화살표는 이러한 방식으로 배치된 영구자석(128)들에 의하여 형성된 자기장의 방향을 나타낸다.
상기 6개의 플라즈마 발생유닛(122)들로부터 생성된 플라즈마가 상기 공정 챔버(110) 내부로 주입되고, 이렇게 형성된 대규모의 플라즈마는 상기 영구자석(128)들에 의해 형성된 자기장에 의해 상기 공정챔버(110)의 내벽과 반응하지 못하고 자기장의 장벽 내에 갇히게 된다. 즉, 복수의 플라즈마 발생유닛(122)으로부터 각각 생성되어 공정 챔버(110) 내부에 집결된 대규모의 플라즈마의 안전성 및 균일성을 확보할 수 있고, 생성된 모든 플라즈마를 상기 서셉터(150) 방향으로 가속하여 시료인 웨이퍼를(W)를 효과적으로 가공할 수 있으며, 나아가 상기 공정챔버(110)의 내부에 플라즈마에 의한 오염물이 잔류하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 에칭장치(100)는 높은 플라즈마 발생 효율과 높은 플라즈마 밀도를 얻을 수 있는 축 방향의 자기장을 포함하는 복수의 헬리콘 플라즈마 발생유닛(122)을 갖는다. 이 헬리콘 플라즈마 발생유닛(122)은 유도성 안테나(126)를 외부의 영구자석(128)에 의해 형성된 축방향의 자기장 하에 설치하여 플라즈마 튜브(124)로 유입된 프로세스 가스를 플라즈마화 하는 것이다.
예컨대, 본 발명의 플라즈마 에칭 장치(100)에서 상기 플라즈마 발생유닛(110)는 도시된 바와 같이 6개가 설치되었으나, 상기 공정챔버(110) 또는 웨이퍼의 크기에 따라 2개, 8개, 12개, 16개, 24개 등으로 개수를 증가시킬 수 있음은 물론이다. 또한, 본 명세서에 있어서, 공정챔버(110)에 생성된 플라즈마의 규모에 비하여 각각의 플라즈마 발생유닛(122)에 의하여 공급되는 플라즈마의 규모가 상대적으로 작기 때문에 대규모 또는 소규모라는 표현을 사용한 것 뿐으로, 이러한 대규모 또는 소규모라는 표현은 상대적인 것으로서 특정의 수치에 의하여 절대적으로 구별되는 것은 아님을 주의하여야 한다.
한편, 본 발명에 의한 플라즈마 에칭 장치(100)는, 상기와 같은 다수의 플라즈마 발생유닛(122)로부터 생성되어 상기 공정챔버(110)로 공급되는 플라즈마의 밀도 분포가 상기 공정챔버 내부의 위치에 무관하게 균일하도록 하기 위하여, 상기 플라즈마 소스챔버(120)의 상부에 와선형으로 형성된 보조 유도성 안테나(미도시됨)를 추가적으로 설치할 수 있다. 종래의 유도 결합 방식의 플라즈마 발생원에서는 높은 에너지를 가하기 위하여 유도성 안테나의 권선수를 높게 하여야만 하였으나, 본 발명에 의하면, 상기 보조 유도성 안테나의 권선수가 많을 필요가 없다. 이것은, 상기 보조 유도성 안테나의 기능이 종래의 경우와 달리 생성된 플라즈마의 균일성을 높이기 위하여 보조적인 에너지를 공급하는 것이기 때문이다. 따라서, 상기 플라즈마 발생유닛(122)의 개수가 증가됨에 따라 상기 보조 유도성 안테나의 기능이 불필요할 수도 있으며, 보다 적은 개수의 플라즈마 발생유닛(122)을 사용하는 경우에는 상기 보조 유도성 안테나의 권선수를 증가시켜 균일한 밀도 분포를 달성할 수 있다. 상기 보조 유도성 안테나는 TCP 또는 ICP 안테나를 사용할 수 있다.
도 9 내지 도 11는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치(200)가 도시되어 있다. 도 9는 제2실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치의 단면 구성도이고, 도 10은 도 9에 표시된 10-10선 단면도이며, 도 11은 도 9에 표시된 "k"부분의 확대도이다.
도 9 내지 도 11에 도시된 플라즈마 에칭 장치(200)는 도 1에 도시된 제1실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치(100)와 동일한 구성과 기능을 갖는 공정 챔버(210), 플라즈마 소스챔버(220), 기판 유지부(240), 지지부(242) 그리고 배기부(270)를 갖으며, 이들에 대한 설명은 제1 실시예에서 상세하게 설명하였기에 본 실시예에서는 생략하기로 한다.
다만, 본 실시예에서는 상기 기판 유지부(240)의 서셉터(250)가 5개의 기판 스테이지(290)를 갖는데 그 특징이 있다. 이 기판 스테이지(290)에는 2인치에서 3인치 정도의 기판들이 놓여진다.
도 11에 도시된 바와 같이, 상기 기판 스테이지(290)는 기판의 가장자리를 실링하기 위한 제1오링(292a)과, 중앙부분을 실링하기 위한 제2오링(292b)을 갖는다. 그리고 상기 기판 스테이지(290)는 이들 오링들(292a,292b)과 기판의 저면에 의해 형성된 밀폐된 공간으로 기판 냉각용 헬륨가스가 공급되는 가스홀(295)이 형성되어 있다.
상기 제1오링(292a)과 제2오링(292b)은 상기 기판 스테이지(290)에 형성된 홈에 고정되는 고정부분(293)과, 이 고정부분(293)의 상부로부터 외측으로 경사지게 형성된 자유단(294)을 갖는다.
기판(w)은 상기 기판 스테이지의 중앙에 위치된 리프트 핀(296)에 의해 상기 기판 스테이지(290)에 놓여진다. 이때, 상기 제1,2오링의 자유단(294)이 상기 기판(w)의 저면과 접촉되면서 밀폐공간이 형성되고, 상기 가스홀(295)을 통해 기판을 냉각시키기 위한 헬륨가스가 공급된다. 이와 같이, 본 실시예에서는 서셉터(250)의 기판 스테이지(290)에 안착된 기판에 균일한 냉각가스를 공급하여 플라즈마 챔버내에서 가공되는 각각의 기판에 고정후의 디바이스 수율에 중요한 인자인 포토레지스트 손상 방지 및 균일도를 향상시킬 수 있는 것이다.
예컨대, 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
이상에서, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 웨이퍼 에칭장치의 구성 및 작용을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.
이와 같은 본 발명에 의해 얻을 수 있는 기본적인 효과는 공정챔버의 측벽에 방사상으로 설치된 다수의 플라즈마 발생유닛들에 의하여 챔버 내부에 대규모의 균일한 플라즈마를 생성할 수 있으며, 다수의 영구자석에 의한 자기장의 장벽에 의하여 안정적으로 그 플라즈마가 유지될 수 있는 것이다.
따라서, 공정챔버의 중심부분에서의 플라즈마 밀도의 저하 없이 균일한 고밀도 플라즈마를 만들며, 대구경의 피처리체(웨이퍼나 평판 디스플레이)를 처리하는 경우에서도 헬리콘파 플라즈마를 사용하여 균일하게 처리할 수 있으며, 플라즈마의 밀도를 감쇠시키는 일이 없이 피처리체를 균일하게 플라즈마 처리할 수 있는 것이다.
이의 결과로 제품의 신뢰도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 일차적인 제품의 수율 향상 뿐만 아니라 필드에서 발생되는 진행성 불량의 감소에 따른 클레임의 감소, 클레임의 감소에 따른 시간과 인건비의 절약이 가능하게 된다. 공정적인 측면에서는 아주 균일하거나 극단적으로 균일한 플라즈마 처리가 이루어지기 때문에 궁극적으로 소자의 특성 개선 및 신뢰도 증가 등이 본 발명의 효과로 나타나게 된다.
또한, 본 발명에 의하면 미반응의 공정가스 및 반응 후의 부산물들의 배출이 공정 챔버의 수직하방으로 이루어짐으로써, 일측으로 치우침 없이 웨이퍼 상의 플라즈마 밀도 균일성을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 소스가스가 가스 공급부를 통해 각각의 플라즈마 발생유닛들로 균일하게 배급(공급)됨으로써 챔버내에서 플라즈마 발생시 플라즈마의 균일성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명의 장치는 서셉터에 안착되어 가공될 기판 사이즈에 맞게 서셉터를 용이하게 변환하여 사용할 수 있는 장점이 있다. 그리고, 본 발명은 서셉터의 기판 스테이지에 안착된 기판에 균일한 냉각가스를 공급하여 플라즈마 챔버내에서 가공되는 각각의 기판에 고정후의 디바이스 수율에 중요한 인자인 포토레지스트 손상 방지 및 균일도를 향상시킬 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치의 개략적인 구성도;
도 2는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치의 정단면도;
도 3a는 본 발명에서 플라즈마 에칭 장치의 평면도;
도 3b는 본 발명에서 플라즈마 소스챔버와 가스 공급부를 설명하기 위한 도면;
도 4는 본 발명에서 플라즈마 발생유닛의 분해 사시도;
도 5는 본 발명에서 리프트 장치를 보여주는 사시도;
도 6은 본 발명에서 영구자석의 배치 및 영구자석들에 의하여 형성된 자기장을 표시한 도면;
도 7은 도 2에 표시된 7-7선을 따라 바라본 공정챔버의 평면도;
도 8a는 도 7에 표시된 8a-8a 선을 따라 절단한 단면도;
도 8b는 도 8a에서 리프트 핀들의 위치가 기판 사이즈에 따라 변경된 상태를 보여주는 도면;
도 9는 제2실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치의 단면 구성도;
도 10은 도 9에 표시된 10-10선을 따라 절단한 단면도;
도 11은 도 9에 표시된 "k"부분의 확대도;
도 12는 기존의 헬리콘 식각 장치의 구성도;
도 13은 종래 플라즈마 발생용 안테나의 설명도;
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110 : 공정 챔버 120 : 플라즈마 소스 챔버
122 : 플라즈마 발생유닛 124 : 플라즈마 튜브
126 : 유도성 안테나 128 : 영구자석(전자석)
140 : 기판 유지부 150 : 서셉터
160 : 리프트 장치 170 : 배기부
180 : 가스 공급부

Claims (24)

  1. 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치에 있어서:
    소정의 진공도로 유지가능한 내부 공간을 갖는 공정챔버;
    상기 공정챔버 상부에 상기 내부공간과 연결되도록 설치되는 그리고 플라즈마를 상기 공정챔버로 공급하기 위한 플라즈마 소스 챔버;
    상기 공정 챔버의 측면으로부터 지지되어 설치되는 그리고 적어도 하나 이상의 피처리체가 놓여지는 피처리체 유지부 및;
    상기 유지수단에 놓인 피처리체를 기준으로 가스 배출이 수직 하방으로 이루어지도록 상기 공정 챔버 하단에 설치되는 배기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 소스 챔버는
    측벽에 일정한 둘레 방향으로 간격으로 두고 방사상으로 설치되는 그리고 각각 자체적으로 플라즈마를 발생시키며, 발생된 플라즈마를 상기 공정챔버의 내부 공간으로 주입하는 플라즈마 발생유닛들; 및
    상기 플라즈마 발생유닛들 각각으로 소스가스를 균일하게 공급하기 위한 가스 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스 공급부는
    가스 공급관과;
    상기 가스 공급관으로부터 공급되는 가스가 일시적으로 머무르는 버퍼공간을 제공하는 버퍼부; 및
    상기 버퍼부로부터 각각의 상기 플라즈마 발생유닛으로 가스를 공급하는 분기관들을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 피처리체 유지부는
    상기 공정 챔버의 측면으로부터 연장되어 형성되는 적어도 3개의 수평지지대와, 상기 적어도 3개의 수평지지대들에 의해 지지되는 중앙부를 갖는 지지부와;
    상기 중앙부 상부에 착탈 가능하게 설치되는 그리고 적어도 하나의 피처리체가 놓여지는 서셉터를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 피처리체 유지부는
    상기 공정 챔버의 중앙부에 설치되는 그리고 적어도 하나의 피처리체가 놓여지는 서셉터; 및
    상기 서셉터에 피처리체를 안착시키는데 사용하는 리프트장치를 포함하되;
    상기 리프트 장치는 상기 서셉터 내부에 설치되고 피처리체의 저면을 지지하기 위한 적어도 3개의 리프트 핀과;
    상기 리프트 핀들이 고정되는 핀고정판과;
    상기 핀고정판을 승강시키기 위한 에어 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 핀고정판은
    상기 피처리체를 지지하기 위한 리프트핀들이 고정되는 제1고정홀들과;
    상기 피처리체와는 상이한 크기의 피처리체를 지지하기 위한 리프트핀들이 고정되는 제2고정홀들을 포함하여, 상기 리프트핀들의 장착 위치를 피처리체의 사이즈에 따라 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 핀고정판은
    상기 피처리체의 중심으로부터 동일반경에 형성되는 그리고 상기 리프트핀들이 고정되는 제1고정홀들; 및
    상기 제1고정홀들과는 동일한 중심을 갖되, 제1고정홀들과는 다른 반경에 형성되는 제2고정홀들을 포함하여, 상기 리프트핀들의 장착 위치를 피처리체의 사이즈에 따라 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 서셉터는
    상기 제1고정홀들과 동일선상에 형성되는 그리고 상기 리프트핀들이 삽입될 수 있는 제1관통홀들과;
    상기 제2고정홀들과 동일선상에 형성되는 그리고 상기 리프트핀들이 삽입될 수 있는 제2관통홀들을 포함하여, 상기 피처리체의 사이즈에 따라 상기 제1,2관통홀들은 하나만 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 서셉터는
    상기 제1관통홀들 또는 제2관통홀들 중 상기 리프트핀이 삽입되지 않은 홀들을 막기 위한 더미핀들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 서셉터는
    음극과;
    상기 음극상에 설치되는 피처리체가 놓여지는 정전척과;
    상기 정전척과 음극 사이에 설치되는 절연체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 수평 지지대는 내부 통로를 갖으며,
    상기 수평 지지대의 내부 통로들을 통해서는 상기 음극으로 RF파워라인이 연결되고, 상기 정전척으로는 DC전원라인이 연결되며, 상기 정전척으로는 불활성냉각 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 정전척은 적어도 3개의 피처리체가 각각 놓여지는 스테이지들을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 스테이지는
    상기 피처리체의 가장자리를 실링하기 위한 제1오링과;
    상기 피처리체의 중앙부분을 실링하기 위한 제2오링과;
    상기 제1오링과 제2오링 그리고 피처리체의 저면에 의해 형성된 공간으로 상기 피처리체를 냉각시키는 불활성가스를 공급하는 가스홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1오링과 상기 제2오링은
    상기 스테이지에 형성된 고정홈에 고정되는 고정부분과;
    상기 고정부분의 상부로부터 상기 외측으로 경사지게 연장되어 형성되는 그리고 피처리체가 놓여졌을 때 완충되는 자유단을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  15. 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생유닛은 상기 플라즈마 소스 챔버의 둘레방향으로 간격을 두고 방사상으로 2 - 24개소에 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  16. 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생유닛으로부터 생성되어 상기 공정챔버로 공급되는 플라즈마의 밀도를 보다 균일하게 하기 위해 상기 플라즈마 소스 챔버의 상부에 와선형으로 형성된 유도성 안테나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  17. 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생유닛은
    가스 공급부와 연결되는 플라즈마 튜브와;
    상기 플라즈마 튜브의 외부를 둘러싸는 유도성 안테나 및;
    상기 안테나 및 상기 플라즈마 튜브를 둘러싸며, 상기 플라즈마 튜브내에 자장을 발생시키는 자장발생수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 플라즈마 튜브는 세라믹 또는 석영 재질로 이루어지고,
    상기 유도성 안테나는 M=0 모드인 모리타입 또는 M=1 모드타입의 안테나 구조로 이루어지며,
    상기 자장발생수단은 영구자석 또는 전자석인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 유도성 안테나는 고주파 인가시 발생되는 과열을 방지하기 위해 수냉식 또는 공냉식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생유닛 각각에 의하여 형성되는 자장의 방향은 인접한 플라즈마 발생유닛에 의하여 형성되는 자장의 방향과 반대 방향인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 자장발생수단들은 N극과 S극이 서로 번갈아서 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 공정 챔버의 하부에서 상기 플라즈마로부터 이온빔을 추출하기 위한 이온빔 추출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기와 같은 박막을 식각시 공정 온도는 -30도씨에서 600도씨, 공정 압력은 0.1mT-300mT의 범위에서 실시하며, 특히 비휘발성 박막을 식각시 공정 온도는 150도씨에서 500도씨, 공정 압력은 낮은 0.5mT-30mT 범위내에서 실시하고,
    상기 유도성 안테나로 공급되는 공정 주파수는 1MHz-500MHz 범위이고, 음극으로 공급되는 공정 주파수는 100KHz-60MH 범위이며, 유도성 안테나에 공급되는 공정 주파수의 전력은 0W-5000W 범위이고, 음극으로 공급되는 공정 주파수 전력은 0W-5000W 범위인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 공정 가스는 통상 반도체 공정에 사용하는 가스를 사용하며, 이때 각각 사용되는 가스의 양은 0sccm-300sccm 인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치.
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