KR20050074017A - 반도체 에싱 설비의 공정 제어 장치 - Google Patents

반도체 에싱 설비의 공정 제어 장치 Download PDF

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Abstract

덮개 형상의 상부 챔버와 외벽에 관찰 포트가 형성된 하부 챔버로 이루어지는 공정 챔버부 내부에 포토레지스트가 형성된 웨이퍼를 탑재하여 플라즈마의 빛을 통해 포토레지스트 막을 제거시키는 반도체 에싱 설비의 한 부분으로서, 에싱 공정 시 플라즈마 소스의 양을 조절하는 가스 제어부와, 램프의 파워를 조절하는 램프 제어부, 및 공정 시간/온도, 공정 순서를 제어하는 프로세스 제어부를 포함하는 공정 제어 장치에 있어서, 하부 챔버의 관찰 포트 외벽에 부착되고 하부 챔버 내의 플라즈마 발생을 감지하며 감지 결과에 따라 프로세스 제어부에 신호를 보내는 플라즈마 감지기(Detector)를 포함하는 것을 특징으로 하여, 하부 챔버 내의 일부분에 대한 플라즈마의 리크(Leak) 발생이 사전에 감지됨으로써 플라즈마 리크 발생 시 나타나는 반도체 제조 공정의 불량율을 줄이고, 리크된 플라즈마로 인해 하부 챔버 내부가 손상되는 것이 방지되며, 더 나아가 고가의 반도체 에싱 설비의 수명이 연장된다.

Description

반도체 에싱 설비의 공정 제어 장치{Process Control Apparatus of Semiconductor Ashing Equipment}
본 발명은 반도체 설비의 공정 제어 장치에 관한 것으로, 상세하게는 플라즈마를 이용하여 웨이퍼 상에 형성된 포토레지스트 막을 제거하는 반도체 에싱 설비에 있어서, 공정이 이루어지는 공정부 외부로 플라즈마가 리크(Leak)되는 것을 사전에 감지하는 공정 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치는 베이스 기판으로 사용하는 웨이퍼 상에 증착, 사진, 식각, 이온 주입, 연마, 세정 등의 단위 공정들을 반복적으로 수행함으로써 제작된다. 여기서 식각 공정은 습식 식각 및 건식 식각으로 구분되며, 최근 0.15㎛ 이하의 디자인 룰(Design Rule)을 요구하는 미세 패턴을 형성하기 위한 식각은 주로 건식 식각에 의해 수행되고 있다.
또한, 식각 및 이온 주입 공정은 웨이퍼 상에 형성된 피가공막을 선택적으로 식각하거나 웨이퍼 상에 선택적으로 이온을 주입하기 위해서 마스크(Mask)를 필요로 한다. 이 마스크는 웨이퍼 상에 포토레지스트를 도포하여 포토레지스트 막을 형성하는 공정과, 포토레지스트 막을 특정 패턴으로 형성하기 위한 노광 공정 및 현상 공정을 통해 웨이퍼 상에 형성된다.
이러한 식각 및 이온 주입 공정이 완료된 후에는 마스크로 사용된 포토레지스트 막을 제거하는 에싱(Ashing) 공정이 수행된다. 에싱 공정은 웨이퍼를 배치하는 형식에 따라 멀티형과 싱글형으로 분류할 수 있고, 웨이퍼 기판 상에 형성되는 다층막들의 가공과 더불어 수차례 반복되어 실시되며, 최근에는 에싱 공정을 수행하는 장치들이 처리 능력, 공정의 안정성 및 생산성의 견지에서 낱장 단위로 공정을 진행하는 싱글형 장치들이 주류를 이루고 있다.
에싱 공정은 플라즈마 상태의 산소 레디칼이 공정 챔버부로 공급됨으로써, 공정 챔버 내부에 탑재된 웨이퍼 상의 포토레지스트 막과 산소 레디칼이 서로 반응하여 포토레지스트 막이 제거되는 공정으로 일명 피알 스트립(PR Strip)공정이라고도 한다.
여기서, 에싱 공정에 대한 반도체 에싱 설비는 에싱 공정이 직접적으로 이루어지는 에싱 공정 장치 외에도 램프의 파워(Power)를 제어하는 램프 제어부와, 에싱 속도를 제어하기 위해 플라즈마 생성 가스 주입량을 제어하는 가스 제어부, 및 에싱 시간 및 에싱 온도 등을 제어하는 공정 제어 장치(Process Controller)를 포함한다.
이하 첨부 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 공정 제어 장치를 포함한 싱글형의 플라즈마 반도체 에싱 설비에 대해 설명하고자 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 공정 제어 장치를 포함한 반도체 에싱 설비(101)의 일부 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 반도체 에싱 설비(101)는 공정 챔버부(117), 진공 배기부(110), 가스 공급부(111), 웨이퍼 척(106), 램프(04), 플라즈마 발생 수단(105), 및 공정 제어 장치(113)를 포함한다.
공정 챔버부(117)는 상면이 아치형이며 전체적으로 덮개 형상을 이루고 있는 상부 챔버(102)와 상부에서는 플라즈마에 대한 실질적인 에싱 공정이 이루어지고 하부에서는 플라즈마 발생이 이루어 지지 않는 하부 챔버(103)로 나뉜다.
진공 배기부(110)는 진공 펌프를 구비하여 상기 공정 챔버부(117) 내를 진공으로 만든다. 이로써, 공정 챔버부(117) 내의 압력을 조절하여 에싱 공정을 수행하기에 최적이 되도록 한다. 또한, 에싱 공정이 완료된 후에는 공정 챔버부(117) 내에 존재하는 플라즈마 소스 및 반응 산물들이 배기구(도시 되지 않음)를 통해 공정 챔버부(117) 외부로 배출시킨다.
가스 공급부(111)는 공정 챔버부(117)에 형성된 주입구에 연결되어서, 공정 챔버부(117) 내로 공정 가스와 플라즈마 소스를 공급한다. 여기서 공정 가스는 이산화탄소 가스, 질소 가스, 산소 가스, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 이들은 포토레지스트 막의 에싱 처리에 이용된다.
웨이퍼 척(106)은 하부 챔버(103) 내에 장착되어지며 포토레지스트 막이 도포된 웨이퍼(도시 되지 않음)를 탑재하는 수단이다. 여기서 웨이퍼(도시 되지 않음)는 웨이퍼 척(106)의 상면 중앙부에 설치되어 있는 리프트 핀(107)에 놓이게 되며, 리프트 핀(107)은 구동부를 통해 웨이퍼(도시 되지 않음)를 승강시키고, 승강 속도는 구동부에 의해 제어된다.
램프(104)는 상부 챔버(102) 내부에 장착되며 램프(104) 하부에 위치한 돔(Dome)을 가열하여 공정 챔버부(117) 내부의 온도를 높인다. 이는 후에 플라즈마 에싱 공정율을 향상시키고, 에싱 공정 시간을 단축시킨다. 여기서 램프(104)로는 수은 방전 램프(Mercury Discharge lamp) 또는 텅스텐 램프 (Tungsten Lamp), 할로겐 램프(Halogen Lamp) 등이 사용될 수 있다.
플라즈마 발생 수단(105)은 에싱 공정 시 가스 공급부로부터 주입된 플라즈마 소스를 상부 챔버(102)에 위치한 RF 코일(105)과 웨이퍼 척(106) 하부에 위치한 캐소드 플레이트(112)에 의한 전기적 작용으로 인하여 공정 가스를 플라즈마 상태로 여기시킨다. 이는 여기된 웨이퍼(도시 되지 않음) 상의 포토레지스트 막과 반응함으로써 포토레지스트 막을 태워서 포토레지스트 막을 웨이퍼 상에서 제거시킨다.
공정 제어 장치(113)는 가스 공급부(111) 및 공정 챔버부(117) 내부에 장착된 압력 센서(도시 되지 않음)와 연결되어 에싱 공정 시 공정 챔버부(117) 내의 압력 및 에싱 속도를 조절하기 위해 플라즈마 소스의 양을 조절하는 가스 제어기(도시 되지 않음)와, 공정 가스와 플라즈마 소스에 의해 웨이퍼(도시 되지 않음)가 손상되지 않도록 웨이퍼(도시 되지 않음) 상에 보호막을 형성시키는 램프(104)의 파워를 조절하는 램프(104) 제어기, 및 에싱 공정 시간/온도, 에싱 공정 순서, 공정 챔버부(117) 내의 압력 등을 기 설정한 프로그램을 내제하여 에싱 공정 전반을 제어하는 프로세스 제어부(도시 되지 않음)를 포함한다.
이러한 구성을 가진 종래 기술에 따른 반도체 에싱 설비(101)에 따른 에싱 공정은 웨이퍼 척(106) 상에 포토레지스트가 도포된 웨이퍼(도시 되지 않음)를 탑재한 후 웨이퍼 척(106) 하부에 연결된 캐소드 플레이트(112)가 구동 장치(116)에 의해 위로 올라온다. 이로 인해 공정 챔버부(117)는 공간적으로 캐소드 플레이트(106) 상부와 하부로 나뉘어 밀봉되며, 이 때, 캐소드 플레이트(112) 상부에서는 플라즈마가 형성되어 에싱 공정이 이루어지고, 하부에서는 플라즈마가 형성되지 않는 안전한 공간이 형성된다.
그러나, 캐소드 플레이트(112)가 구동 장치(116)에 의해 위로 상승할 시 구동 장치(116)와 연결되어 캐소드 플레이트(112)를 지지 및 구동시키는 밸로즈(Bellows)(108)의 손상으로 인해 캐소드 플레이트(112)가 수평으로 상승되지 않고 틀어진 상태로 상승되어 진다. 따라서, 공정 챔버부(117) 내에서의 에싱 공정이 이루어지는 캐소드 플레이트(112) 상부가 캐소드 플레이트(112)에 의해 완전하게 밀봉되지 않고 틈이 발생하며, 그 틈으로 플라즈마 소스가 투입되어 캐소드 플레이트(112) 하부에 플라즈마 소스가 유입된다. 이는, 플라즈마 발생 공정 시 캐소드 플레이트(112) 하부로 플라즈마 리크(Leak)가 발생하게 되며, 이로 인해 하부 챔버(103) 내의 일부분이 플라즈마에 의해 손상되어 진다.
따라서, 본 발명은 하부 챔버 일부에 플라즈마 리크(Leak) 발생으로 인하여 챔버의 손상 및 웨이퍼의 손실이 발생하는 것을 사전에 방지하여 반도체 제조 공정비의 손실을 줄이고, 에싱 공정 효율을 증가시키며, 더 나아가 고가의 플라즈마 에싱 설비의 수명을 증가시키는 반도체 에싱 설비의 공정 제어 장치를 제공한다.
본 발명은 덮개 형상의 상부 챔버와 외벽에 관찰 포트가 형성된 하부 챔버로 이루어지는 공정 챔버부 내부에 포토레지스트가 형성된 웨이퍼를 탑재하여 플라즈마의 빛을 통해 포토레지스트 막을 제거시키는 반도체 에싱 설비의 한 부분으로서, 에싱 공정 시 플라즈마 소스의 양을 조절하는 가스 제어기와, 램프의 파워를 조절하는 램프 제어기, 및 공정 시간/온도, 공정 순서를 제어하는 프로세스 제어부를 포함하는 공정 제어 장치에 있어서, 하부 챔버의 관찰 포트 외벽에 부착되고 하부 챔버 내의 일부분에 대한 플라즈마 발생 여부를 감지하며 감지 결과에 따라 프로세스 제어부에 신호를 보내는 플라즈마 감지기(Detector)를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 에싱 설비의 공정 제어 장치는 플라즈마 감지기가 수광 다이오드를 이용하여 상기 하부 챔버 내의 빛을 감지하는 센서부와, 상기 프로세스 제어부와 연결되고 감지된 빛에 의한 광 신호를 전기 신호로 바꾸어 상기 프로세스 제어부에 상기 전기 신호를 보내는 신호 발생부를 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명에 따른 공정 제어 장치를 포함한 반도체 에싱 설비의 일부 단면도이고, 도 3은 도 2의 반도체 에싱 설비에 사용되는 본 발명에 따른 플라즈마 감지기를 포함한 공정 제어 장치를 갖는 반도체 에싱 설비 외관의 일부 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 에싱 설비(1)에 대한 에싱 공정에 대해 설명하면,
우선, 공정 챔버부(17) 내부는 램프(4)에 의해 일정한 온도를 유지하고 있고, 진공 펌프에 의해 소정의 진공 상태를 형성하고 있으며, 반도체 에싱 설비(1)는 프로그램화 되어 에싱 공정을 자동으로 제어하는 공정 제어 장치(13)에 따라 운전된다.
반도체 에싱 공정은 먼저, 상면에 포토레지스트가 형성된 웨이퍼(도시 되지 않음)는 웨이퍼 척(6) 하부에 위치하고 구동 장치(9)에 의해 웨이퍼 척(6)을 관통하여 상승한 리프트 핀(7)에 놓여지게 된다. 그 후, 리프트 핀(7)이 하강하여 웨이퍼(도시 되지 않음)를 웨이퍼 척(6)에 안착시킨다. 다음으로, 웨이퍼 척(6) 하부에 연결된 캐소드 플레이트(12)가 구동 장치(16)에 의해 위로 상승된다. 이로 인해, 공정 챔버부(17)는 공간적으로 캐소드 플레이트(12) 상부와 하부로 나뉘게 되고, 캐소드 플레이트(12) 상부는 캐소드 플레이트(12)에 의해 밀봉된다. 그 후, 캐소드 플레이트(12) 상부로 공정 가스와 플라즈마 소스가 공급되며, 공급된 플라즈마 소스는 RF 코일(5)과 캐소드 플레이트(12)에 의한 전기적 작용으로 플라즈마 상태의 가스로 여기된다. 따라서, 웨이퍼(도시 되지 않음) 상의 포토레지스트 막은 여기된 플라즈마 가스에 의해 에싱된다.
여기서, 캐소드 플레이트(12)가 밸로즈(Bellows)(8)의 손상으로 수평으로 상승되지 않고 틀어진 상태로 상승하게 되면, 캐소드 플레이트(12) 상부와 캐소드 플레이트(12) 하부에 틈이 발생하게 되고, 이 틈으로 캐소드 플레이트(12) 상부로 공급된 플라즈마 소스가 캐소드 플레이트(12) 하부로 유입되어 지며, 이로 인해 캐소드 플레이트(12) 하부에 플라즈마가 발생하게 된다. 이 때, 하부 챔버(3) 외관에 형성되고 관찰 포트(14)의 외벽에 부착된 플라즈마 감지기(15)가 센서를 통해 하부 챔버(3) 내에 발생된 플라즈마 빛을 감지하게 되고, 또한 플라즈마 감지기(15)의 신호 발생부가 감지된 빛에 의한 광 신호를 전기 신호로 바꾸어 플라즈마 감지기(15)와 연결된 공정 제어 장치(13)의 프로세스 제어부에 전기 신호를 보낸다. 그 후, 플라즈마 감지기(15)의 전기 신호를 받은 프로세스 제어부(13)는 에싱 공정 프로세스를 중단시키거나 공정 챔버부(17)의 전원을 차단하는 등의 조작을 실시하여, 리크(Leak)된 플라즈마에 의한 하부 챔버(3)의 손상을 막는다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 공정 제어 장치를 포함한 반도체 에싱 설비는 하부 챔버 외관에 형성된 관찰 포트 외벽에 부착된 플라즈마 감지기를 포함한 공정 제어 장치를 구비하여 하부 챔버 내의 일부분에 대한 플라즈마 리크 발생 여부를 사전에 감지함으로써, 플라즈마 리크 발생으로 인한 하부 챔버 내부의 손상을 방지하고, 리크된 플라즈마 양만큼 파워가 줄어든 상태로 에싱 공정 진행 시 웨이퍼가 손상되는 것을 막아 반도체 제조 공정비의 손실을 줄이며, 공정 효율을 높여 고가의 플라즈마 반도체 에싱 설비의 수명을 연장시킨다.
도 1은 종래 기술에 따른 공정 제어 장치를 포함한 반도체 에싱 설비의 일부 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 공정 제어 장치를 포함한 반도체 에싱 설비의 일부 단면도.
도 3은 도 2의 반도체 에싱 설비에 사용되는 본 발명에 따른 플라즈마 감지기를 포함한 공정 제어 장치를 갖는 반도체 에싱 설비 외관의 일부 단면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1, 101 : 에싱 설비
2, 102 : 상부 챔버
3, 103 : 하부 챔버
4, 104: 램프
5, 105 : RF 코일
6, 106 : 웨이퍼 척
7, 107 : 리프트 핀
8, 108 : 벨로즈
13, 113 : 공정 제어 장치
14 : 관찰 포트
15 : 플라즈마 감지기
17, 117: 공정 챔버부
19, 119 : 플라즈마 발생부

Claims (2)

  1. 덮개 형상의 상부 챔버와 외벽에 공정 진행 현황을 살필 수 있는 관찰 포트가 형성된 하부 챔버로 이루어지는 공정 챔버부 내부에 포토레지스트가 형성된 웨이퍼를 탑재하여 램프를 통해 포토레지스트가 도포되지 않은 웨이퍼 상에 보호막을 형성시키고 플라즈마의 빛을 통해 포토레지스트 막을 제거시키는 반도체 에싱 설비에 설치되어 있으며,
    에싱 공정 시 플라즈마 소스의 양을 조절하는 가스 제어부;
    램프의 파워를 조절하는 램프 제어부; 및
    공정 시간/온도, 공정 순서를 제어하는 프로세스 제어부;를
    포함하는 공정 제어 장치에 있어서,
    상기 하부 챔버에 형성된 상기 관찰 포트 외벽에 부착되어 상기 하부 챔버 내의 일부분에 대한 플라즈마 발생 여부를 감지하며 감지 결과에 따라 상기 프로세스 제어부에 신호를 보내는 플라즈마 감지기(Detector)를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에싱 설비의 공정 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 플라즈마 감지기는 수광 다이오드를 이용하여 상기 하부 챔버 내의 빛을 감지하는 센서부와, 감지된 빛에 의한 광 신호를 전기 신호로 바꾸어 상기 프로세스 제어부에 상기 전기 신호를 보내는 신호 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에싱 설비의 공정 제어 장치.
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WO2013048013A1 (ko) * 2011-09-28 2013-04-04 한국기초과학지원연구원 비접촉식 플라즈마 에싱 장치

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