KR20050107269A - 펄스형 알에프전력을 이용하는 공정장비 및 이를 이용한기판의 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부에 일정한 반응공간을형성하는 챔버와 상기 챔버의 내부에 위치하며, 상면에 기판이 안치되는 서셉터와 ; 상기 서셉터의 상부에 위치하는 RF전극과 상기 서셉터의 상부에 위치하며, 공정가스의 층류를 형성하는 가스분사장치와 일단은 상기 가스분사장치에 연결되고, 타단은 외부의 공정가스 저장부에 연결되는 가스유입관과 배기가스를 배출하기 위해 상기 챔버에 연결되는 배기수단과; 상기 RF전극에 펄스파 형태의 RF전력을 공급하는 펄스형 RF전원을 포함하는 플라즈마 공정장비를 제공한다. 또한 이를 이용하는 기판의 처리방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, RF전극 또는 샤워헤드의가공이 용이해져 비용절감의 효과가 뛰어나며, 챔버 내부에 공급되는 공정가스의 균일도를 향상시킴으로써 공정의 균일도를 향상시킬 수 있게 된다.

Description

펄스형 알에프전력을 이용하는 공정장비 및 이를 이용한 기판의 처리방법{Process apparatus which uses pulse RF　power, and method of processing a substrate using the same}

본 발명은 플라즈마를 이용하는 공정장비에 관한 것으로서, 특히 펄스파형의 RF전력을 이용하는 공정장비에 관한 것이다.

일반적으로 액정표시소자나 반도체 웨이퍼(이하 '기판'이라 함)를 제조하기 위해서는, 기판 상에 유전체 물질 등을 박막으로 증착하는 박막증착공정, 감광성 물질을 사용하여 이들 박막 중 선택된 영역을 노출 또는 은폐시키는 포토리소그라피(photolithography) 공정, 선택된 영역의 박막을 제거하여 목적하는 대로 패터닝(patterning)하는 식각공정, 잔류물을 제거하기 위한 세정공정 등을 수차례 반복하여야 하는데, 이들 각 공정은 해당 공정을 위해 최적의 환경이 조성된 챔버 내부에서 진행된다.

도 1은 이러한 기판을 제조하는 장비 중에서 플라즈마를 이용하여 박막증착을 하는 PECVD 장비(10)의 내부 구성을 개략적으로 도시한 단면도로서, 내부에 일정한 반응공간을 형성하는 챔버(11)와, 상기 챔버(11)의 내부에 위치하며 상면에 기판(12)을 안치하는 서셉터(13)와, 다수의 분사홀(16)을 가지는 샤워헤드와 일체로 형성되며 유입된 가스를 1차 확산시키는 버퍼공간(17)을 내부에 포함하는 RF전극(15)과, 일단이 외부의 가스탱크(미도시)에 연결되어 RF전극(15) 내부의 버퍼공간(17)으로 공정가스를 유입하는 가스유입관(19)을 포함하고 있다. 챔버(11)의 저면에는 배기가스의 배출을 위한 배기구(14)가 형성된다.

또한 RF전력이 RF전극(15)의 중심에 인가되도록 하기 위해 가스공급관(19)에 RF전원(18)을 연결하고 있으며, 기판(12)에 입사하는 활성종의 에너지를 제어하기 위하여 서셉터(13)에도 별도의 RF전원을 인가하는 경우가 있다.

서셉터(13)는 상면에 안치되는 기판(12)을 예열하거나 가열하기 위해 통상 내부에 히터(미도시)를 포함한다.

한편, 대기압 영역인 RF전극(15)과 챔버리드(20) 사이의 공간을 진공영역인 RF전극(15) 하부의 공간과 격리시키기 위한 오링(O-ring) 등의 실링부재(21)를 설치한다.

이와 같은 구성을 가지는 PECVD 장비(10)에서 공정이 진행되는 순서를 살펴보면 다음과 같다. 먼저 로봇암이 미도시된 슬롯을 통해 챔버(11) 내부로 진입하여 기판(12)을 서셉터(13)의 상면에 안치한 후 챔버(11)로부터 빠져나가면, 슬롯을 닫고 진공펌핑을 실시하여 공정분위기를 조성한다.

이어서 하부의 배기구(14)에 의한 영향을 최소화하기위하여, 서셉터(13)를 공정위치까지 상승시키고, RF전극(15)과 일체로 형성된 샤워헤드의 분사홀(16)를 통해 공정가스를 분사한 후, RF전력을 인가하여 공정가스를 강력한 산화력을 가지는 플라즈마 활성종으로 여기시킨다. 상기 활성종이 기판(12)에 대한 박막증착 공정을 수행하게 된다.

증착공정을 완료하고 나면, 배기구를 통해 잔류가스를 완전히 배출시킨 후, 서셉터(13)를 하강시키고 기판(12)을 공정챔버(10)로부터 반출한다.

이와 같은 증착공정 수행에 있어서, 박막의 균일도를 확보하기 위해서는 일단 공정가스를 최대한 균일하게 분사하여야 하는데, 분사홀(16)을 통해 분사되는 공정가스의 균일도는, 분사홀(16)의 크기 및 형태에 의해 좌우되므로, 최대한 균일하게 분사홀(16)을 형성하는 것이 균일도 확보의 관건이라고 할 수 있다.

그런데 최근 LCD 기판(12)의 대면적화가 가속화되면서, RF전극(15)과 이에 결합되는 샤워헤드의 면적이 함께 커지는 추세에 있는데, 이에 따라 샤워헤드의분사홀(16)도 당연히 더 많이 형성될 수밖에 없게 되었다.

그러나 가공 기술상 수만 개의 분사홀(16)을 동일한 규격으로 뚫는 것이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 분사홀의 개수 증가와 가공기술의 난이도로 인하여 샤워헤드의 가격이 종래보다 크게 상승하게 되었다.

한편, RF전극에 인가되는 RF전력은 RF전극의 표면에서 일정한 파장의 정재파를 형성하게 되며, 이로 인해 위치에 따라 RF전력이 불균일해지는 현상이 불가피하게 발생하게 되는데, 이러한 RF전력의 불균일은 공정균일도에 악영향을 미치게 된다.

종래에는 이러한 정재파의 파장에 비해 RF전극의 사이즈가 비교적 작아서 이와 같은 영향을 무시할 수 있었지만, 기판의 크기가 대형화되면서 그 영향을 고려하지 않을 수 없게 되었으므로, 이에 대한 개선방안의 마련도 시급한 실정이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, RF전극의 제작비용을 절감하는 한편, 대면적 기판에 대한 공정 균일도를 향상시킬 수 있는 공정장비를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 내부에 일정한 반응공간을 형성하는 챔버와 상기 챔버의 내부에 위치하며, 상면에 기판이 안치되는 서셉터와 ; 상기 서셉터의 상부에 위치하는 RF전극과 상기 서셉터의 상부에 위치하며, 공정가스의 층류를 형성하는 가스분사장치와 일단은 상기 가스분사장치에 연결되고, 타단은 외부의 공정가스 저장부에 연결되는 가스유입관과 배기가스를 배출하기 위해 상기 챔버에 연결되는 배기수단과 상기 RF전극에 펄스파 형태의 RF전력을 공급하는 펄스형 RF전원을 포함하는 플라즈마 공정장비를 제공한다.

상기 챔버의 측벽에는 측방으로 공정가스를 분사하는 측면 인젝터가 더 설치되는 것이 바람직하다.

상기 공정가스의 층류는 단일 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 공정가스의 층류는 공정챔버의 중심축을 기준으로 대칭적으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 공정가스의 층류는 공정챔버의 중심으로부터 방사형으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 RF전극에는 상하를 관통하는 하나 이상의 장방형 삽입구가 평행하게 형성되고, 상기 가스분사장치는 상기 삽입구에 삽입되어 상기 RF전극과 결합하는 것이 바람직하다.

상기 장방형 삽입구는 상기 RF전극의 중심에서 축방향으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 가스분사장치는 상기 RF전극의 삽입구에 삽입되며 내부에 중공부를 가지는 직선형의 관 형상을 가지며, 양 끝단은 밀봉되고 저면에는 수직선을 기준으로 0도 이상 90도 미만 기울기의 분사각도를 가지는 분사구가 형성되는 것이 바람직하다.

상기 RF전극에는 상하를 관통하는 환형의 삽입구가 하나 이상 형성되고, 상기 가스분사장치는 내부에 중공부를 가지고 저면에 수직선을 기준으로 0도 이상 90도 미만 기울기의 분사각도를 가지는 분사구가 환형으로 형성되며, 상기 RF전극의 삽입구에 삽입되어 상기 RF전극과 결합하는 것이 바람직하다.

상기 분사구는 이웃하는 분사구와의 간격이 50mm이상 500mm이하가 되도록 설치되는 것이 바람직하다.

상기 분사구의 상류측에는 상기 분사구의 하류측보다 폭이 좁은 오리피스가 형성되는 것이 바람직하다.

상기 가스분사장치는 상기 서셉터의 상부 중앙에 위치하며, 일단은 상기 가스유입관에 연결되고 타단에는 방사형으로 배치된 다수의 분사구가 형성되는 인젝터인 것이 바람직하다.

상기 가스분사장치는 상기 RF전극의 하부에 평행하게 위치하는 하나 이상의 수평 인젝터로서, 끝단이 밀봉된 관 형상을 가지며 저면에는 다수의 분사홀이 길이방향으로 1열 이상 형성되는 것이 바람직하다.

상기 수평 인젝터와 이웃하는 다른 수평 인젝터와의 간격은 50mm이상 500mm이하인 것이 바람직하다.

상기 분사홀은 1mm이상 10mm이하의 간격으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 RF전력의 진동수는 2MHz 내지 20MHz 인 것이 바람직하다.

상기 RF전력의 펄스는 20Hz 내지 10kHz 의 반복주파수를 가지는 것이 바람직하다.

상기 RF전력의 펄스는 한 주기의 40%이상 99%이하의 듀티레이트(duty rate)를 가지는 것이 바람직하다.

상기 RF전력 펄스의 한 주기당 출력은 7kW이상 110kW이하인 것이 바람직하다.

또한 본 발명은, RF전극에 인가되는 RF전력에 의하여 발생하는 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 공정장비에 있어서, 일정한 반응공간을 형성하는 챔버 내부의 서셉터 상에 기판을 안치하는 단계와 상기 서셉터의 상부에 위치하는 가스분사장치에서 공정가스를 분사하여 측방으로 유동시키는 단계와 상기 RF전극에 펄스형 RF전력을 인가하여 공정가스를 활성종으로 여기시키는 단계와 상기 활성종을 이용하여 기판에 대한 공정을 수행하는 단계를 포함하는 기판의 처리방법을 제공한다.

상기 펄스형 RF전력을 인가하는 단계는, 서로 다른 듀티 레이트의 펄스를 교대로 인가하는 것이 바람직하다.

상기 펄스형 RF전력을 인가하는 단계는, 듀티 레이트는 같고 출력이 서로 다른 펄스를 교대로 인가하는 것이 바람직하다.

상기 펄스형 RF전력을 인가하는 단계의 이전 또는 이후에는 연속형 RF전력을 인가하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명은 챔버 내부에서 공정가스를 분사한 후 펄스형 RF전원을 인가하여 공정가스를 활성종으로 여기시키고, 이를 이용하여 기판에 대한 공정을 수행하는 PECVD장비, 에처(Etcher), 또는 애싱장비(Asher) 등에 관한 것으로서, LCD 제조장비뿐만 아니라 반도체 제조장비에도 적용될 수 있는 것이다. 따라서 이하에서 언급하는 기판은 유리기판뿐만 아니라 반도체 웨이퍼도 포함하는 것이며, 다만 설명의 편의를 위해 PECVD 장비를 예를 들어 설명하기로 한다.

이하에서는 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 기판을 안치하는 서셉터 상부에서 공정가스의 수평흐름 즉, 층류(laminar flow)를 형성하고, RF전력을 펄스형태로 인가하는 것을 특징으로 한다.

도 2a는 PECVD장비(100) 내부에서 공정가스가단일 방향으로 흐르는 모습을 도시한 것으로서, 일정한 반응공간을 형성하는 챔버(110)의 내부에 기판(120)을 안치한 서셉터(130)가 위치하고, 서셉터(130)의 상부에 위치하는 가스분사장치(160)로부터 분사된 공정가스가 상기 서셉터(130)의 가장자리 근방의 챔버 측벽에 형성된 배기포트(140)까지 유동하는 모습을 도시하고 있다.

공정가스가 가스분사장치(160)로부터 하부로 수직 또는 비스듬히 분사되었으나, 배기포트 쪽으로 일정 거리 유동한 이후에는 서셉터의 상면과 평행하게 흐르는 모습을 나타내고 있다.

도면에서 가스분사장치(160)를 한쪽으로 치우치게 배치하는 것은 단일 방향의 층류를 형성하기 위해서는 상부에서 분사된 공정가스가 층류를 형성하기 전까지 유동할 수 있는 일정한 거리가 필요하고, 배기포트(140) 근방의 가스분사장치(160)로부터 분사되는 가스는 공정에 관여하기 전에 바로 배출되어 버리는 문제가 발생하기 때문이다. 이와 같이 가스분사장치를 한쪽으로 치우치게 배치하는 것은 이하에서도 마찬가지로 적용된다.

도 2b는 도 2a에 도시된 바와 같은 수평 흐름을 형성하기 위한 가스분사장치(160) 및 배기포트(140)의 배열을 예시한 것으로서, 서셉터(130)의 상부에 서셉터의 단축방향으로 다수의 직선형 가스분사장치(160)를 평행하게 배열하고, 가스의 유동을 위하여 챔버(110)의 일 측벽에 배기포트(140)를 형성하였다. 이때 상기 가스분사장치(160)는 서셉터의 장축방향으로 배열되어도 무방하다.

도 2c는 서셉터(130) 상면에서 보다 균일한 층류를 형성하기 위하여 서셉터(130) 상부의 가스분사장치(160) 이외에 챔버의 측벽에도 측면 인젝터(161)를 설치한 경우를 도시하고 있다.

균일하게 형성된 수 만개의 분사홀을 통해 공정가스를 분사하는 종래의 샤워헤드와 달리, 서로 상당거리 이격된 직선형 분사구를 가지는 직선형 가스분사장치(160)를 사용할 수 있는 것은 본 발명이 펄스형 RF전력을 이용하고 있기 때문인데, 펄스형 RF전력에 대한 자세한 설명은 후술한다.

도 3a는 서셉터(130) 상부의 가스분사장치(160)로부터 분사된 공정가스가 기판(120)의 중심을 기준으로 양방향으로 대칭적으로 유동하는 모습을 도시한 것으로서, 이와 같은 대칭적인 층류를 형성하기 위하여 배기포트(140)도 서로 대칭적으로 형성하였다. 역시 처음에는 상부에서 수직 또는 비스듬한 방향으로 분사되었으나 배기포트 쪽으로 일정거리 유동한 이후에는 기판(120)과 평행하게 유동하는 모습을 나타내고 있다.

도 3b는 도 3a와 같은 대칭적인 층류를 형성하기 위한 직선형 가스분사장치(160)를 예시한 평면도이다. 도면에는 직선형 가스분사장치(160)가 챔버의 중심에서 장축방향으로 하나만 배열되어 있으나, 상기 가스분사장치(160)와 챔버 측벽 사이에 하나 이상의 직선형 가스분사장치(160)를 대칭적으로 더 배치할 수 있음은 물론이다.

도 4a는 도 2b 에서 예시하고 있는 직선형 가스분사장치(160)가 설치된 PECVD 장비(100)의 구성을 도시한 단면도로서, 일정한 반응공간을 형성하는 챔버(110)와, 챔버 내부에 위치하며 상면에 기판(120)이 안치되는 서셉터(130)와, 서셉터(130)의 상부에 위치하는 RF전극(150)과, 상기 RF전극(150)에 결합되는 다수의 가스분사장치(160)와, 상기 RF전극(150)에 RF전력을 펄스형태로 인가하는 펄스형 RF전원(170)을 포함하고 있다.

상기 RF전극(150)에는 4개의 삽입구가 형성되고 이 삽입구에 직선형 가스분사장치(160)가 각 삽입되어 결합되는데, 상기 직선형 가스분사장치(160)는 내부에 중공부(164)를 가지고 저면에 분사구(162)가 형성되어 있다. 여기서 RF전극(150)에 형성되는 삽입구의 개수가 4개로 제한되는 것이 아님은 물론이다.

챔버(100)의 측벽에는 배기가스의 배출을 위한 배기포트(140)를 형성하였는데, 이와 같이 챔버(100)의 측벽에 형성하는 이유는 상부의 직선형 가스분사장치(160)에서 분사된 공정가스를 측방으로 유동시켜 펄스 플라즈마에 의한 가스리프레쉬(gas refresh)효과를 극대화시키기 위한 것이다. 따라서 측방으로의 균일한 층류를 형성할 수 있다면 배기포트(140)를 챔버(100)의 저면에 형성하는 것을 배제하는 것은 아니다.

한편 공정가스의 균일한 측방향 유동을 위하여, 배기포트(140)는 인접한 서셉터(130) 가장자리 이상의 길이를 가지는 장방형의 슬릿 또는 일렬 이상 배열된 다수의 배기홀로 형성하는 것이 바람직하다.

그 밖에도 대기압 영역인 RF전극(150)의 상부공간과 진공영역인 RF전극(150)의 하부공간을 격리하기 위해서 RF전극(150)의 가장자리에 실링부재(180)가 설치되어야 한다.

또한 도면에서는 분사된 공정가스가 서셉터(130)의 하부로 축적되는 것을 방지하기 위해 서셉터(130)의 가장자리와 챔버(110)의 측벽을 연결하는 차단부재(190)가 도시되어 있는데, 상기 차단부재(190)는 생략할 수도 있으나, 공정가스를 기판(120)의 상부에서 배기포트(140) 쪽을 향하여 측방으로 유동시키기 위해서는 이를 설치하는 것이 보다 바람직하다.

도 4b는 RF전극(150)과 직선형 가스분사장치(160)가 결합된 모습을 도시한 평면도로서, 직선형 가스분사장치(160)의 상면 중앙에 가스유입관(200)이 결합되어 있음을 알 수 있다. 가스분사장치(160)에 도시된 길이 방향의 점선은 슬릿형태의 분사구(162)를 나타낸다.

도 4c는 직선형 가스분사장치(160)가 결합한 RF전극(150)의 저면도로서, 평행하게 도시된 다수의 슬릿은 직선형 가스분사장치(160)의 하면에 형성되는 분사구(162)를 나타낸 것이다. 상기 분사구(162)는 이웃하는 분사구(162)와 50mm이상 500mm이하의 간격으로 이격하여 설치하는 것이 공정의 균일도 측면에서 바람직하다. 보다 바람직하게는 300mm정도로 이격하여 설치한다.

상기 분사구(162)는 가스유입관(200)을 통해 유입된 공정가스를 분사하는 수단이므로, 슬릿형상에 한정되는 것은 아니며, 도 4d와 같이 다수의 분사홀(163)을 일렬로 배열하여도 동일한 효과를 거둘 수 있다. 또한 이와 같은 분사홀(163)을 2열 이상으로 배열하여도 무방하다. 이때 각 분사홀(163)은 이웃하는 분사홀과의 간격이 1mm이상 10mm 이하의 범위가 되도록 설치하는 것이 균일한 가스분사를 위하여 바람직하다.

도 5는 도 4a에서와 같은 직선형 가스분사장치(160)가 결합되는 RF전극(150)의 사시도로서, 사각판 형상의 바디에 상하로 관통하는 장방형의 삽입구(154)가 4개 형성되고, 상기 삽입구(154)의 내측벽에는 걸림턱(152)이 돌출 형성되어 직선형 가스분사장치(160)가 삽입될 때 이를 지지하도록 하였다.

상기 걸림턱(152)은 생략될 수도 있는 것이며, 이를 생략하는 경우에는 가스분사장치(160)의 측상부에 후술하는 상단걸림단(169)을 형성하여 가스분사장치(160)가 지지되도록 한다.

도면에서는 삽입구(154)가 RF전극(150)의 단축 방향으로 형성되어 있으나, 이를 장축 방향으로 형성하여도 무방하며, 삽입구(154) 사이의 간격이나 개수는 공정의 종류나 조건에 따라 다양하게 변경될 수 있으나, 저면의 가스분사구(162)의 간격이 상술한 바와 같이 50mm이상 500mm이하의 범위내에서 형성하는 것이 공정균일도 측면에서 바람직하다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 직선형 가스분사장치(160)의 사시도로서, 내부에 중공부를 가지고 양 끝단이 막혀있는 관 형상으로 이루어지며, 측상부의 양쪽에는 RF전극(150)의 상면에 걸리는 상단걸림단(169)이 돌출 형성되고, 양쪽 측면에는 RF전극의 걸림턱(152)에 걸리는 측면걸림단(168) 형성된다.

직선형 가스분사장치(160)의 상면에는 가스유입관(200)이 연결되는데, 이를 통해 유입된 가스는 내부의 중공부에서 1차 확산된 후에 저면의 분사구를 통해 분사된다. 상기 가스유입관(200)을 상면에 연결하는 것은 예시에 불과한 것이므로, 점선으로 도시된 바와 같이 직선형 가스분사장치(160)의 일 끝단에 연결할 수도 있다.

한편 상기 직선형 가스분사장치(160)는 공정가스에 대한 내산화성이나 내부식성이 뛰어난 알루미늄, 세라믹 등의 재질을 이용하여 제작하는 것이 바람직하다.

도 7a는 상기 직선형 가스분사장치(160)와 RF전극(150)의 일부를 도시한 분리 단면도로서, 가스분사장치(160)의 내부에는 사각의 단면을 가지는 중공부(164)가 형성되고, 저면에는 분사구(162)가 형성되어 있으며, RF전극(150)의 삽입구(154) 내벽에는 가스분사장치(160)의 측면걸림단(168)이 걸리는 걸림턱(152)이 형성된다.

도면에는 일직선 형태의 분사구(162)를 도시하고 있으나, 공정가스의 보다 균일한 분사를 위해서는 도 7b에서 도시하고 있는 바와 같이 분사구(162)의 단면을 오리피스 형태로 제작하는 것이 바람직하다.

즉 중공부(164)와 분사구(162) 사이에 상기 중공부(164)와 분사구(162)의 폭보다 좁은 오리피스(162a)를 설치하고, 분사구(162)의 내면에 제1 확산부(162b)와 제2 확산부(162c)를 설치하게 되면, 분사된 가스가 챔버 내부로 보다 균일하게 확산할 수 있게 된다.

여기서는 확산부(162b, 162c)가 2개인 경우를 예시하고 있으나, 확산부는1개만 형성될 수도 있고, 3개 이상 형성될 수도 있다.

도 8은 RF전극(150)의 삽입구(154) 내벽에 걸림턱이 형성되지 않고, 가스분사장치(160)의 상단걸림단(169)만이 RF전극(150)의 상면에 거치되는 경우를 도시한 것이며, 분사구(162)에는 상술한 바와 같은 오리피스를 설치하는 것이 바람직하다.

도 7a 및 도 8에서 미설명 부호 166은 오링(O-ring)을 도시한 것으로서, RF전극(150)과 가스분사장치(160)의 경계면을 진공실링하기 위한 진공 실링부재가 사용된다. 통상 RF전극(150)의 상부는 대기압상태이고, RF전극(160)의 하부는 공정분위기인 진공상태이므로 양 공간을 철저하게 격리할 필요가 있는데, 상기 오링(166)은 이를 위해 필요하다.

도면에는 가스분사장치(160)의 상단걸림단(169)과 RF전극(150) 사이에 오링(166)을 삽입하는 것으로 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니므로 가스분사장치(160)와 RF전극(150) 사이의 어느 위치에나 설치할 수 있으며, 보다 철저한 실링을 위해서는 2 이상의 오링을 설치할 수도 있다.

이상에서는 가스분사장치(160)의 저면에 형성되는 분사구가 수직방향인 경우만을 설명하였으나, 본 발명의 특징이라고 할 수 있는 펄스 플라즈마는 공정가스가 측면방향으로 유동할 때 그 효과가 극대화될 수 있으므로 공정가스가 측면방향으로 분사될 수 있도록 분사구를 경사지게 형성하는 것이 보다 바람직하다.

도 9a 및 도 9b는 각각 도 7 및 도 8에서 도시된 유형의 가스분사장치에서 분사구(162)를 경사지게 형성한 경우를 예시한 것이다. 경사 정도는 공정조건에 따라 다양하게 변화시킬 수 있으므로, 수직방향을 기준으로 0도 이상 90도 미만의 범위 내에서 형성하면 된다. 이와 같이 분사구(162)를 경사지게 형성하는 경우에도 공정가스의 균일한 분사를 위하여 분사구(162)의 내부에는 상술한 바와 같은 오리피스를 형성하는 것이 바람직하다.

도 10a는 기판의 상부에서 전후좌우의4방향 층류를 대칭적으로 형성하기 위한 환형 가스분사장치(260)와 배기포트(140)의 배열을 도시한 것으로서, 챔버 측벽의 네변 모두에 배기포트(140)를 형성한 것은, 환형 가스분사장치(260)의 각 변에서 분사된 공정가스가 배기포트(140)까지 일방향 유동을 할 수 있도록 하기 위함이다.

도 10b는 RF전극(150)에 환형 가스분사장치 3개(260a, 260b, 260c)가 결합된 모습을 도시한 평면도로서, 4각링 형태의 환형 가스분사장치 3개가 동심원 형태로 배치되어 있다.

RF전극(150)은 환형 가스분사장치(260)를 삽입할 수 있는 환형의 삽입구를 가지며, 상기 환형 가스분사장치(260)는 상술한 직선형 가스분사장치(160)와 마찬가지로, 내부에 중공부를 포함하고, 저면에는 분사구를 가진다.

또한 직선형 가스분사장치(160)와 마찬가지로 측벽 상단에 RF전극(150)의 상면에 걸릴 수 있는 상단걸림단을 형성하거나, 삽입구 내벽의 걸림턱에 걸릴 수 있는 측면걸림단을 측벽에 형성하는 것이 바람직하다.

도 10c는 RF전극(150)의 저면으로 노출되는 상기 환형 가스분사장치(260)의 각 분사구(262a,262b,262c)를 도시한 것으로서, 분사구를 슬릿형태로 도시하고 있으나, 다수의 분사홀을 일렬 이상 배치하여 구성할 수도 있음은 앞서 설명한 직선형 가스분사장치(160)와 같다.

이 경우에도 각 분사구(262a,262b,262c)의 간격은 50mm이상 500mm이하의 범위에서 결정되는 것이 바람직하며, 분사홀을 형성하는 경우에는 인접하는 분사홀과의 간격이 1mm이상 10mm이하인 것이 바람직하다. 또한 각 분사구 내부에는 상술한 오리피스를 형성하는 것이 바람직하다.

도 11a는 기판의 상부에서 방사형의 층류를 형성하기 위한 방사형 가스분사장치(360)와 배기포트(140)의 배열을 도시한 것으로서, 배기포트는 도 10a와 마찬가지로 챔버 네 측벽에 모두 형성되어 있다. 상기 방사형 가스분사장치는 RF전극(150)의 하부에 위치하여야 하므로 RF전극(150)의 중심을 관통하여 설치되는 것이 바람직하나, 챔버 측벽쪽에서 챔버 중심부까지 연장되는 가스유입관의 끝단에 연결될 수도 있다.

도 11b 내지 도 11d는 다양한 형태의 방사형 가스분사장치(360)를 예시한 것으로서, 일단은 가스유입관에 연결되고, 타단에는 방사형의 분사구(362)가 다수 형성되는 인젝터형의 가스분사장치를 나타내고 있다.

이상에서는 주로 가스분사장치가 RF전극(150)을 관통하여 설치되는 경우를 설명하였으나, 가스분사장치를 RF전극(150)의 하부에 위치시킬 수도 있으며, 도 12는 이를 나타내는 것이다.

도 4a와 대비하면, RF전극(150)에 삽입구가 없다는 점과, RF전극(150)의 하부에 4개의 수평 인젝터(400)가 설치된다는 점에서 차이가 있다. 상술한 직선형 가스분사장치(160)와 마찬가지로 수평 인젝터(400)의 개수가 이에 한정되는 것은 아니다.

화살표는 수평 인젝터(400)의 저면에 형성된 분사홀로부터 분사되는 공정가스의 흐름을 도시한 것으로서, 분사각도에 따라 다를 수 있으나 분사 후 배기포트 쪽으로 일정거리 이동한 후에는 서셉터의 상면과 평행하게 흐름을 알 수 있다.

도 13은 상기 수평 인젝터(400)가 설치된 챔버(110)의 평면을 도시한 것으로서, 수평 인젝터(400)의 끝단은 막혀 있고, 타단은 챔버 측벽을 관통하여 미도시된 가스유입관에 연결된다. 수평 인젝터(400)의 저면에는 다수의 분사홀(410)이 일렬로 형성되어 있는데, 2열 이상으로 형성되어도 무방하다.

공정균일도를 위하여 상기 수평인젝터(400)는 50mm이상 500mm이하의 간격으로 설치되는 것이 바람직하며, 저면에 형성되는 분사홀(410)도 균일한 가스분사를 위하여 인접하는 분사홀과 1mm이상 10mm이하의 간격으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 도 12에서는 수평 인젝터(400)를 원형 파이프 형태로 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니어서 다각형 형태의 단면을 가져도 된다.

분사방향 역시 상술한 직선형 가스분사장치(160)와 마찬가지로 배기포트 쪽으로 수직선을 기준으로 0° 이상 90° 미만의 각도로 분사할 수 있다.

한편 이상과 같이 서로 상당 거리 이격된 분사구를 통해 공정가스를 분사한 후 서셉터의 상부에서 공정가스의 층류를 형성하는 PECVD장비(100)에서 공정을 수행하기 위해서는, RF전극(150)에 펄스형 RF전력이 인가되는 것을 전제로 하므로 이하에서는 이에 대해서 설명한다.

펄스형 RF전력은 RF전극(150)에 연결되는 RF전원을 일정 주기로 온/오프 시키거나, 별도의 펄스파 발생기를 연결함으로써 실현할 수 있다.

일반적으로 공정가스는 분사된 후 제자리에 머무르지 않고 배기포트를 향해서 유동하게 되는데, 이때 연속형 RF전력이 인가되면 공정가스는 분사구에서 분사되자마자 활성종으로 여기되어 기판에 대한 증착 또는 에칭 등의 공정을 수행하게 되므로, 증착 공정의 경우 분사구 근방에서는 박막두께가 두껍고, 분사구에서 멀어질수록 박막두께가 얇은 불균일 현상이 나타난다.

이는 분사구에 가까울수록 활성종의 밀도가 높고 분사구로부터 멀어질수록 공정에 기여한 만큼 활성종의 밀도가 낮아지기 때문이다. 현재 많이 사용되는 샤워헤드는 이러한 불균일 현상을 최소화하기 위해 수 만개에 이르는 분사구를 조밀하게 형성하여 사용하고 있는 것이다.

그런데 서셉터에 평행한 층류를 형성하고, 펄스형 RF전원(170)을 인가하게 되면, RF펄스가 온(ON) 상태인 때에는 활성종이 생성되어 기판에 대한 공정을 수행하고, RF펄스가 오프(OFF) 상태인 때에는 잔류 활성종의 배기와 공정가스의 리프레쉬(refresh)가 수행된다. 챔버 내부에 공정가스가 균일하게 리프레쉬되면, 다시 RF펄스가 온(ON)되어 플라즈마 활성종이 발생하여 공정을 수행하게 된다.

이때에도 활성종의 밀도는 분사구로부터 멀어질수록 감소하게 되는데. 연속형 RF전원을 이용하면서 이러한 밀도 불균형을 해소하기 위해서는 상술한 바와 같이 분사구간의 간격을 샤워헤드처럼 조밀하게 형성할 수 밖에 없으나, 펄스형 RF전원을 이용하는 경우에는 다수의 분사구를 일정 거리 이격시켜 평행하게 배치하는 방법으로 이러한 밀도 불균형을 해소할 수 있다.

즉 펄스형 RF 전원을 이용하는 경우에도 분사구로부터 멀어질수록 활성종의 밀도가 감소하는 현상이 수반되나, 샤워헤드처럼 조밀한 분사구가 아니라 서로 상당거리 이격된 몇 개의 분사구만으로 밀도 불균형을 해소할 수 있는 것이다.

이때 펄스형 RF전원의 펄스 주기는 공정가스의 유동속도, 챔버의 크기, 분사구 사이의 간격 등을 고려하여 결정되어야 한다.

1주기의 RF펄스마다 공정가스의 리프레쉬와 잔여 활성종의 배출이 이루어지는 경우를 예를 들어 설명하면, 펄스 오프(OFF) 상태에서 공정가스를 분사한 후 층류를 형성하여 챔버 내부에 공정가스를 균일하게 분산시킨 다음에, RF펄스를 인가하여 활성종을 만들어 공정을 수행한다.

일정 기간 공정을 수행한 다음, 펄스 오프 상태에서 잔여 활성종을 모두 배출하고, 상기 배출 과정 이후에 또는 상기 배출 과정과 동시에 공정가스를 다시 분사하여 공정가스를 챔버 내부로 균일하게 리프레쉬한다.

리프레쉬 이후에 다시 펄스가 온(ON)되면, 활성종이 다시 여기되어 공정을 수행하게 되며, 이러한 과정이 펄스마다 반복된다.

즉, RF전원이 오프상태일 때에는 공정가스가측방으로 유동하면서 리프레쉬(refresh) 되므로, 전체적으로 공정가스의 밀도가 균일해지게 되고, 이 상태에서 다시 플라즈마가 켜지면 전체적으로 활성종의 밀도가 균일해지는 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.

펄스형 RF전원(170)의 펄스 반복주파수는 공정의 종류나 챔버내 환경에 따라 달라지는 것이나, 20Hz 내지 10kHz의 범위내에서 선택되는 것이 바람직하다.

그리고 한 주기당 펄스가 켜지는 비율을 나타내는 듀티레이트(duty rate)는 아래의 식으로 표현될 수 있는데, 40%이상 99%이하인 것이 바람직하다.

듀티 레이트 = 펄스ON time/(펄스ON time + 펄스OFF time)*100

이 범위보다 낮으면 RF전력이 충분이 전달되지 못하며, 이 범위보다 높으면 충분한 가스 리프레쉬(refresh)효과를 얻기 힘들어 연속형 RF전력과 구별이 어렵기 때문이다.

또한 RF전력의 진동수는 2MHz 내지 20MHz 인 것이 바람직하다. 이때 RF 전력의 진동수는 펄스의 반복 주파수를 의미하는 것이 아니고 전원 주파수를 의미함은 물론이다.

한 주기당 요구되는 RF출력에 있어서도, 통상 펄스형 RF전력은 연속형 RF전력보다 대략 2배 정도의 전력이 요구되므로, 1870㎜*2200㎜

의 크기를 가지는 7세세 LCD기판의 경우 대략 25kW 정도의 연속형 RF전력이 요구되는 점을 감안하면, 펄스형인 경우에는 약 50kW의 RF전력이 필요하다.

또한 앞으로 양산이 예상되는 8세대 기판이 약 2200㎜*2550㎜ 정도의 크기를 가질 것으로 가정하면, 7세대 기판보다 약 1.4배의 면적을 가지게 되므로, 펄스형 RF전력에 있어서도 약 70kW 정도가 요구된다.

따라서 9세대 이상의 기판까지 감안하면 한 주기당 인가되는 RF출력은 7kW 내지110kW 정도의 범위내인 것이 바람직하다.

한편 RF전극(150)에는 펄스형 RF전원(170) 뿐만 아니라 연속형 RF전원을 동시에 연결하여 공정에 따라 교대로 사용할 수도 있는데, 예를 들어 막질이 중요한 증착 초기에는 펄스형 RF전원을 연결하여 증착하고, 이후에는 증착률의 증가를 위해 연속형 RF전원을 연결하여 증착할 수 있다.

일반적으로 펄스형 RF전원을 이용하는 것보다 연속형 RF전원을 이용하는 것이 증착속도가 느려질 수 밖에 없는데, 증착속도가 느릴수록 막질이 향상되는 특징이 있다.

예를 들어 게이트 절연막을 증착하는 경우에, 경계부에서는 보다 나은 막질이 요구되므로, 초기 단계에서는 저속으로 증착을 진행하다가 일정 정도 증착이 진행된 이후에는 일정한 한도 내에서 고속으로 증착하기도하는데, 따라서 이러한 경우에 초기 단계에서는 펄스형 RF전원을 이용하고, 이후에 연속형 RF전원을 이용할 수 있는 것이다.

또한 펄스형 RF전원을 이용하는 경우에도, 서로 다른 듀티 레이트의 펄스를 교대로 인가하거나, 듀티 레이트는 같고 출력이 서로 다른 펄스를 교대로 인가할 수도 있다.

또한 서로 다른 주파수를 가지는 2 이상의 펄스형 RF전원을 동시에 연결하여 사용할 수도 있으며, 일반적인 연속형 RF전원의 경우와 마찬가지로 서셉터(130)에 별도의 펄스형 RF전원(170)이 연결될 수도 있다.

도 4a와 같은 구성의 공정장비(100)에서, 각 분사구간의간격을 300mm로 하고, 듀티레이트 60%, 펄스의 반복주파수 100Hz, 진동수 13.56MHz의 펄스형 RF전원을 인가한 실험결과, 1084Å/min, 두께균일도 2%, 굴절률 균일도 0.5%의 막질을 얻을 수 있었다.

이상의 PECVD 장비에서 기판(120)에 대한 공정이 수행되는 과정을 도 4a를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 챔버 측벽의 미도시된 도어를 통해 로봇암이 기판(120)을 서셉터(130)에 안치한 후 빠져나가면, 도어를 닫고 진공 펌핑 등을 통해 공정분위기를 조성한다. 필요한 경우 서셉터(130)를 상부의 공정위치까지 상승시킨 후에 가스분사장치(160)의 저면에 형성된 분사구(162)를 통해 공정가스를분사한다.

분사된 공정가스는챔버(110)의 측벽에 형성된 배기구(140) 방향으로 유동하게 되는데, 이러한 공정가스의유동은 가급적 수평방향으로 이루어지는 것이 바람직하므로, 상기 분사구(162)는 공정가스의 유동방향으로 최대한 경사지게 형성하는 것이 바람직하다.

공정가스의 분사 및 유동과 동시에 펄스형 RF전원을 인가하게 되면, 플라즈마가 켜질때는 활성종이 생성되어 기판(120)에 대한 공정을 수행하고, 플라즈마가 꺼지게 되면 공정가스의 리프레쉬(refresh)가 일어나 공정가스를 챔버 내부에 다시 균일하게 분포시키며, 다시 플라즈마가 켜지면 상기 균일하게 분포된 공정가스를 활성종으로 여기시키는 과정이 반복된다.

따라서 종래와 같이 수만개의 분사홀을 가공한 샤워헤드를 사용하지 않고, RF전극을 단순하게 구성하면서도 균일도의 측면에서 동일 내지 향상된 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 제조비용의 절감 효과도 얻을 수 있게 된다.

공정이 끝난 후에는 기판(120)을 반출하거나, 제자리에서 다시 다른 공정을 수행할 수도 있는데, 다른 공정을 수행하는 경우에는 앞선 공정과 마찬가지로 펄스형 RF전원(170)을 이용할 수도 있고, 일반적인 방식의 연속형 RF전원을 이용할 수도 있다.

공정시 서셉터(130)를 상승시킨 경우에는 이를 다시 하강시키고나서, 기판(120)을 반출하게 된다.

한편 이상에서는 PECVD 장비를 이용하여 기판(120)에 증착공정을 수행하는 경우에 대하여 설명하였으나, 에칭 등과 같이 플라즈마를 이용하는 다른 공정에도 본 발명이 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따르면, RF전극 또는 샤워헤드의 가공이 용이해져 비용절감의 효과가 뛰어나며, 챔버 내부에 공급되는 공정가스의 균일도를 향상시킴으로써 공정의 균일도를 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래 PECVD 장비의 단면도

도 2a는 공정가스의단일방향 층류를 예시한 단면도

도 2b는 도 2a의 층류를 형성하는 가스분사장치의 배열을 예시한 평면도

도 2c는 챔버의 상부와 측면에 설치된 가스분사장치를 통해 형성되는 층류를 예시한 단면도

도 3a는 양방향의 대칭적인 층류를 예시한 단면도

도 3b는 도 3a의 층류를 형성하는 가스분사장치의 배열을 예시한 평면도

도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 가스분사장치를 포함하는 PECVD 장비의 단면도

도 4b 내지 도 4d는 RF전극과 가스분사장치의 결합모습을 도시한 평면도 및 저면도

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 RF전극의 사시도

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스분사장치의 사시도

도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스분사장치와 RF전극의 분리 단면도

도 7b는 가스분사구의 일 실시예를 도시한 단면도

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스분사장치와 RF전극의 분리 단면도

도 9a 및 도 9b는 분사구를 경사지게 형성한 가스분사장치의 단면도

도 10a는 방사형 층류를 형성하기 위한 가스분사장치의 배열을 예시한 평면도

도 10b 및 도 10c는 방사형의 층류를 형성하기 위한 가스분사장치와 RF전극의 결합모습을 도시한 평면도 및 저면도

도 11a는 방사형 층류를 형성하기 위한 다른 유형의 가스분사장치의 배열을 예시한 평면도

도 11b 내지 도 11d는 방사형 가스분사장치의 예시도

도 12는 RF전극하부에 수평 인젝터를 설치한 모습을 도시한 단면도

도 13은 도 12의 수평 인젝터 배열을 도시한 평면도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 공정장비 110 : 챔버

120 : 기판 130 : 서셉터

140 : 배기포트 150 : RF전극

152 : 걸림턱 154 : 삽입구

160 : 직선형 가스분사장치 161 : 측면인젝터

162, 262, 362 : 분사구 163 : 분사홀

164 : 중공부 166 : 오링(O-ring)

168 : 측면걸림단 169 : 상단걸림단

170 : RF전원 180 : 실링부재

190 : 차단부재 200 : 가스유입관

260 : 환형 가스분사장치 360 : 방사형 가스분사장치

400 : 수평 인젝터

Claims (23)

1. 내부에 일정한 반응공간을 형성하는 챔버와

   상기 챔버의 내부에 위치하며, 상면에 기판이 안치되는 서셉터와 ;

   상기 서셉터의 상부에 위치하는 RF전극과

   상기 서셉터의 상부에 위치하며, 공정가스의 층류를 형성하는 가스분사장치와

   일단은 상기 가스분사장치에 연결되고, 타단은 외부의 공정가스 저장부에 연결되는 가스유입관과

   배기가스를 배출하기 위해 상기 챔버에 연결되는 배기수단과

   상기 RF전극에 펄스파 형태의 RF전력을 공급하는 펄스형 RF전원

   을 포함하는 플라즈마 공정장비
2. 제1항에 있어서,

   상기 챔버의 측벽에는 측방으로 공정가스를분사하는 측면 인젝터가 더 설치되는 플라즈마 공정장비
3. 제1항에 있어서,

   상기 공정가스의 층류는 단일 방향으로 형성되는 플라즈마 공정장비
4. 제1항에 있어서,

   상기 공정가스의 층류는 공정챔버의 중심축을 기준으로 대칭적으로 형성되는 플라즈마 공정장비
5. 제1항에 있어서,

   상기 공정가스의 층류는 공정챔버의 중심으로부터 방사형으로형성되는 플라즈마 공정장비
6. 제1항에 있어서,

   상기 RF전극에는 상하를 관통하는 하나 이상의 장방형 삽입구가 평행하게 형성되고, 상기 가스분사장치는 상기 삽입구에 삽입되어 상기 RF전극과 결합하는 플라즈마 공정장비
7. 제6항에 있어서,

   상기 장방형 삽입구는 상기 RF전극의 중심에서 축방향으로 형성되는 플라즈마 공정장비
8. 제6항에 있어서,

   상기 가스분사장치는 상기 RF전극의 삽입구에 삽입되며 내부에 중공부를 가지는 직선형의 관 형상을 가지며, 양 끝단은 밀봉되고 저면에는 수직선을 기준으로 0도 이상 90도 미만 기울기의 분사각도를가지는 분사구가 형성되는 플라즈마 공정장비
9. 제1항에 있어서,

   상기 RF전극에는 상하를 관통하는 환형의 삽입구가 하나 이상 형성되고,

   상기 가스분사장치는 내부에 중공부를 가지고 저면에 수직선을 기준으로 0도 이상 90도 미만 기울기의 분사각도를 가지는 분사구가 환형으로 형성되며, 상기 RF전극의 삽입구에 삽입되어 상기 RF전극과 결합하는 플라즈마 공정장비
10. 제8항 또는 제9항에 있어서,

    상기 분사구는 이웃하는 분사구와의 간격이 50mm이상 500mm이하가 되도록 설치되는 플라즈마 공정장비
11. 제8항 또는 제9항에 있어서,

    상기 분사구의 상류측에는 상기 분사구의 하류측보다 폭이 좁은 오리피스가 형성되는 플라즈마 공정장비
12. 제1항에 있어서,

    상기 가스분사장치는 상기 서셉터의 상부 중앙에 위치하며, 일단은 상기 가스유입관에 연결되고 타단에는 방사형으로 배치된 다수의 분사구가 형성되는 인젝터인 플라즈마 공정장비
13. 제1항 또는 제3항에 있어서,

    상기 가스분사장치는 상기 RF전극의 하부에 평행하게 위치하는 하나 이상의 수평 인젝터로서, 끝단이 밀봉된 관 형상을 가지며 저면에는 다수의 분사홀이 길이방향으로 1열 이상 형성되는 플라즈마 공정장비
14. 제13항에 있어서,

    상기 수평 인젝터와 이웃하는 다른 수평 인젝터와의 간격은 50mm이상 500mm이하인 플라즈마 공정장비
15. 제13항에 있어서,

    상기 분사홀은 1mm이상 10mm이하의 간격으로 형성되는 플라즈마 공정장비
16. 제1항에 있어서,

    상기 RF전력의 진동수는 2MHz 내지 20MHz 인 플라즈마 공정장비
17. 제1항에 있어서,

    상기 RF전력의 펄스는 20Hz 내지 10kHz 의 반복주파수를 가지는 플라즈마 공정장비
18. 제1항에 있어서,

    상기 RF전력의 펄스는 한 주기의 40%이상 99%이하의 듀티레이트(duty rate)를 가지는 플라즈마 공정장비
19. 제1항에 있어서,

    상기 RF전력 펄스의 한 주기당 출력은 7kW이상 110kW이하인 플라즈마 공정장비
20. RF전극에 인가되는 RF전력에 의하여 발생하는 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 공정장비에있어서,

    일정한 반응공간을 형성하는 챔버 내부의 서셉터 상에 기판을 안치하는 단계와

    상기 서셉터의 상부에 위치하는 가스분사장치에서 공정가스를 분사하여 측방으로 유동시키는 단계와

    상기 RF전극에 펄스형 RF전력을 인가하여 공정가스를 활성종으로 여기시키는 단계와

    상기 활성종을 이용하여 기판에 대한 공정을 수행하는 단계

    를 포함하는 기판의 처리방법
21. 제20항에 있어서,

    상기 펄스형 RF전력을 인가하는 단계는, 서로 다른 듀티 레이트의 펄스를 교대로 인가하는 기판의 처리방법
22. 제20항에 있어서,

    상기 펄스형 RF전력을 인가하는 단계는, 듀티 레이트는 같고 출력이 서로 다른 펄스를 교대로 인가하는 기판의 처리방법
23. 제20항에 있어서,

    상기 펄스형 RF전력을 인가하는 단계의 이전 또는 이후에는 연속형 RF전력을 인가하는 단계를 더 포함하는 기판의 처리방법