KR20070002252A - 플라즈마를 사용하는 기판 가공 장치 - Google Patents

플라즈마를 사용하는 기판 가공 장치 Download PDF

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Abstract

플라즈마를 사용하는 기판 가공 장치에 있어서, 상기 장치는 챔버, 캐소드 조립체, 포커스링 및 포커스링 승하강부를 포함할 수 있다. 상기 챔버는 플라즈마가 형성되는 영역을 가지며, 상기 영역에서 형성된 공정 플라즈마를 이용하여 기판의 가공이 수행될 수 있다. 상기 캐소드 조립체는 상기 기판을 지지하며, 상기 기판 상으로 상기 공정 플라즈마를 유도하기 위하여 사용된다. 상기 포커스링은 상기영역과 상기 캐소드 조립체 사이에 배치되며 상기 공정 플라즈마를 상기 기판 상으로 집중시키기 위하여 사용된다. 상기 포커스링 승하강부는 상기 영역에서 형성된 세정 플라즈마를 이용하여 상기 포커스링을 세정하기 위하여 상기 포커스링을 상기 영역으로 이동시키기 위한 구동 실린더를 포함할 수 있다. 상기와 같이 상기 포커스링의 세정 공정이 상기 영역 내에서 수행되므로 상기 포커스링의 세정 효율이 크게 향상될 수 있으며, 이에 따라 가공 부산물에 의한 기판 오염이 감소될 수 있다.

Description

플라즈마를 사용하는 기판 가공 장치{Apparatus for processing a substrate using a plasma}
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 플라즈마를 사용하는 기판 가공 장치의 계략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 포커스링 승하강부를 상세하게 나타내는 사시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 플라즈마 기판 가공 장치(챔버) 102, 104 : 상위, 하위 챔버
108 : 노즐 110 : 돔
112 : RF 코일 114 : 돔 상부벽
116 : 수직축 117 : 링컵
118 : 링핑거 119 : 링플레이트
120 : 포커스링 122 : 지지핀
124 : 지지부 126 : 지지축
128 : 구동 실린더 129 : 포커스링 승하강부
130 : 진공 펌핑 채널 132 : 펌프
140 : 캐소드 조립체 142 : 정전척
144 : 기판 접촉핀 146 : 핀 구동 실린더
148 : 캐소드 조립체 구동 실린더 150, 160 : 상위, 하위 챔버의 내부
본 발명은 플라즈마를 사용하는 기판 가공 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 기판을 가공하기 위하여 형성된 플라즈마를 상기 반도체 기판 상으로 균일하게 제공하기 위한 포커스링을 갖는 플라즈마 가공 장치에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조 공정 중에서 플라즈마를 사용하는 여러 공정들이 있다. 그 중, 기판 상에 미세 패턴을 형성하는데 사용할 수 있으며, 전원공급의 중추적인 역할을 하는 금속 배선의 패턴을 형성할 때에 플라즈마 식각 공정을 포함한다.
일반적으로, 반도체 장치의 금속 배선을 형성하기 위해서는, 알루미늄이나 알루미늄/구리 합금을 스퍼터링(sputtering) 방법이나 증착(evaporation)방법에 의해 금속막을 반도체 기판 상에 증착시킨다. 이어서, 금속 배선의 패턴형성을 위하여, 통상적으로, 알루미늄이나 알루미늄/구리 박막을 습식 식각(wet etching)이나 건식 식각(dry etching)을 사용하여 금속 배선을 형성하게 된다.
그러나, 반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라, 상기 습식 식각은 배선 공정의 한계에 부딪치게 되어, 최근에는 건식 식각 기술이 주로 사용되고 있다. 이러한 건식 식각에서는, SiCl4, BCl3, Cl2 등의 특수 가스를 사용하여 형성한 공정 플라즈마를 이용하는데, 특히, 금속 배선의 패턴형성에 있어서, 상기 공정 플라즈마에 의해 형성된 염소기(Cl)와 금속 배선용 박막에 존재하는 알루미늄과의 화학반응에 의하여 식각이 이루어진다. 상기 식각 공정을 수행하는 동안 발생된 알루미늄 화합물과 같은 식각 부산물은 상기 챔버의 내부를 한정하는 표면들에 흡착될 수 있다. 상기와 같이 챔버의 내부 표면들에 흡착된 식각 부산물은 다른 반도체 기판에 대한 식각 공정을 수행하는 동안 챔버 내부 표면들로부터 박리될 수 있으며, 상기 반도체 기판을 오염시키는 원인으로서 작용할 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 상기 챔버 내부 표면들에 흡착된 식각 부산물을 제거하기 위한 세정 공정이 주기적으로 수행된다.
일반적인 플라즈마 소스의 예로는 분리 플라즈마 소스(DPS ; Decoupled Plasma Source)가 있는데, 그런 DPS를 사용하는 플라즈마 기판 가공 장치는, 플라즈마가 형성되는 영역을 가지며, 상기 영역에서 형성된 공정 플라즈마를 이용하여 기판을 가공하기 위한 챔버와, 상기 플라즈마 형성 영역 하부에 배치되어 상기 기판을 지지하며, 상기 지지된 기판 상으로 상기 공정 플라즈마를 유도하기 위한 캐소드 조립체와, 상기 플라즈마 형성 영역과 상기 캐소드 조립체 사이에 배치되어 상기 공정 플라즈마를 상기 기판 상으로 집중시키기 위한 포커스링을 포함하여 이루어진다.
상기 배선 공정에 의해 발생하는 알루미늄 및 알루미늄 화합물 등의 식각 부산물은 상기 식각 공정을 수행하는 챔버 내부 표면뿐만 아니라 상기 포커스링의 표면에도 부착하여 성장하게 된다. 상기 챔버를 개방하고 분해하여 세정하지 않고, 상기 식각 공정과 후속하는 기판의 유출입 사이에 상기 포커스링의 표면에서 성장 하는 식각 부산물을 제거하고자 세정 플라즈마를 사용하는 건식 세정 공정을 진행하고 있다.
그러나, 상기 챔버 내에 세정 플라즈마가 형성되는 영역이 상기 포커스링의 위치보다 높기 때문에, 종래의 고정된 포커스링 표면에 부착된 식각 부산물을 완전히 제거하는 것이 어렵다. 따라서 식각 부산물에 의한 기판 오염이 발생한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 세정 플라즈마가 형성되는 영역 안에서 포커스링의 세정 공정을 수행시켜 상기 포커스링의 세정 효율을 향상시키는 플라즈마를 사용하는 기판 가공 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 사용하는 기판 가공 장치는, 플라즈마가 형성되는 영역을 가지며, 상기 영역에서 형성된 공정 플라즈마를 이용하여 기판을 가공하기 위한 챔버와, 상기 플라즈마 형성 영역 하부에 배치되어 상기 기판을 지지하며, 상기 지지된 기판 상으로 상기 공정 플라즈마를 유도하기 위한 캐소드 조립체와, 상기 플라즈마 형성 영역과 상기 캐소드 조립체 사이에 배치되어 상기 공정 플라즈마를 상기 기판 상으로 집중시키기 위한 포커스링 상기 영역에서 형성된 세정 플라즈마를 이용하여 상기 포커스링을 세정하기 위하여 상기 포커스링을 상기 영역으로 이동시키기 위한 구동 실린더를 갖는 포커스링 승하강부로 구성된다.
상기 포커스링 승하강부는, 상기 포커스링 하면을 지지하는 적어도 2개의 지 지핀이 형성된 지지부와, 상기 지지부의 일측부와 상기 구동 실린더를 연결하는 지지축을 더 포함하여 형성시킨다.
여기서, 상기 챔버는, 상부 및 하부가 개방되어 있으며 상기 기판을 가공하기 위한 공간을 제공하는 상위 챔버와, 상기 상위 챔버의 상부에 결합되어 상기 플라즈마 형성 영역을 한정하는 돔과, 상기 상위 챔버의 하부에 결합되어 상기 기판의 로딩 및 언로딩을 위한 하위 챔버로 구성된다.
따라서 상기 세정 플라즈마가 상기 포커스링의 표면과 충분히 반응할 수 있어서, 상기 공정 플라즈마와 상기 기판의 표면 막질의 반응에 의해 형성된 가공 부산물이 상기 포커스링 상에서 제거된다. 이에 따라 상기 세정 공정 후 후속하는 가공 공정에 사용되도록 유입된 기판의 표면에 상기 포커스링 상에 잔류하는 상기 부산물에 의하여 발생하는 오염은 현저히 감소된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 플라즈마를 사용하는 기판 가공 장치의 계략적인 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 포커스링 승하강부를 상세하게 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 기판 가공 장치는 챔버(100), 캐소드 조립체(140), 포커스링(120) 및 포커스링 승하강부(129)를 포함한다.
상기 챔버(100)는 크게 상위 챔버(102)와 하위 챔버(104)로 나뉜다. 기판 가 공 공정은 하위 챔버(104)와 분리되어 있는 상위 챔버(102) 내에서 이루어진다. 상위 챔버(102)는 다른 형태의 플라즈마를 사용하여 가공 공정이 이루어지는 챔버들보다 작기 때문에, 상기 플라즈마 형성 영역도 더 작게 된다. 하위 챔버(104)는 상기 기판 가공 장치 내로 상기 기판을 로딩 및 언로딩하는 전송 챔버로서 작용한다. 상기 챔버(100)는 상부 및 하부가 상기 챔버(100)의 기저부에 있는 원형 개구(도시안됨)를 통해 개방되어 있다.
상기 상위 챔버(102)는 기판을 가공하기 위한 공간을 제공하며, RF(radio frequency) 코일, 전극 플레이트, 상기 플라즈마 형성 영역을 한정하는 돔(dome), 가스 공급하는 다수의 노즐(nozzle), 진공 펌핑 채널을 갖는다.
상기 상위 챔버(102)의 상부에는 상기 가공 공정이 이루어지는 동안 플라즈마를 형성하고 유지하기 위하여 RF 코일(112) 및 전극 플레이트(도시안됨)가 돔 상부벽(114)의 외측에 배치된다. 상기 RF 코일(112)은 돔(110)의 상부벽(114)을 둘러싸며 나선형으로 감기고, 상기 전극 플레이트는 수직축(116) 주위에서 대칭을 이루며 배치된다. 상기 RF 코일(112)의 일 단부는 RF 소스(도시안됨)에 연결되고, RF 코일(112)의 반대 단부는 접지에 연결된다. 상기 RF 소스로부터 발생되는 RF 에너지에 의해 공정 가스가 여기되고 상기 공정 플라즈마를 발생한다. 상기 돔(110)은 RF의 누설을 방지하고, 자외선 방사로부터 사용자를 보호한다.
상기 공정 가스는 상위 챔버(102)를 통하여 돔(110) 내부로 연장하는 다수의 노즐(1개만 도시, 108)들에 의해 공급될 수 있다. 상기 노즐(108)들은 밸브들을 통해 가스 매니 폴드(도시안됨)에 연결되고, 상기 밸브들은 상기 공정 가스들을 상기 매니 폴드로부터 상기 밸브들 및 노즐(108)들을 통해 내부 체적 안으로 들어가게 하기 위하여 동작할 수 있다. 상기 노즐(108)들로부터 공급된 공정 가스는 상기 돔(110) 내부로 인가된 RF 에너지에 의해 플라즈마 상태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 4개의 노즐(108)이 상위 챔버의 측벽을 통해 연장될 수 있으며, 각각의 노즐들은 약 90°의 간격으로 배치될 수 있다.
상기 상위 챔버(102)는 또한 그 한 쪽 측면부 상에 진공 펌핑 채널(130)을 형성하며 상기 펌핑 채널은 펌프(132)에 연결된다. 펌프(132)가 동작할 때, 상기 공정 가스들이 내부 체적 내 압력을 감소시키기 위하여 진공 펌핑 채널(130)을 통해 내부 체적으로부터 추출된다.
상기 하위 챔버(104)는 상기 상위 챔버(102)의 하부에 결합되어 상기 기판을 로딩 및 언로딩 시키기 위하여 전송 메카니즘과 캐소드 조립체(140)를 구비한다. 하위 챔버(104)에는 상기 플라즈마 형성 영역 하부에 배치되어 상기 기판을 지지하고 있는 캐소드 조립체(140)가 전송 메카니즘의 최상부 상에 보유된다. 전송 메카니즘은 캐소드 조립체(140)를 상승 또는 하강시키기 위하여 사용될 수 있다.
상기 캐소드 조립체(140)는 상기 기판과 접촉하는 정전척(142)과 상기 정전척(142)을 둘러싸는 정전척커버(도시안됨)와, 캐소드(도시안됨)와, 상기 캐소드를 절연시키는 베이스인슐레이터(도시안됨)와, 상기 캐소드의 측면을 감싸는 인슐레이팅파이프(도시안됨) 및 상기 캐소드를 감싸는 캐소드실드링(도시안됨)을 구비하여 이루어진다.
상기 전송 메카니즘은 상기 기판과 접촉하는 핀(144)과, 상기 핀을 승하강시 키는 핀 구동 실린더(146) 및 상기 캐소드 조립체(140)를 승하강시키는 캐소드 조립체 구동 실린더(148)를 이용하여 상기 기판을 로딩 및 언로딩하도록 동작할 수 있다. 상기 전송 메카니즘은 상기 기판을 지지하는 캐소드 조립체(140)가 하위 챔버(104)의 내부(160)로 하강하도록 동작된다. 다음에 로봇 암(도시안됨)에 부착된 블레이드(blade)(도시안됨)상에 배치된 상기 기판이 하위 챔버(104)의 벽에 있는 슬릿 밸브 개구(도시안됨)를 통해 내부(160)로 전송된다. 그 다음, 상기 전송 메카니즘이 캐소드 조립체(140)를 상승시키도록 동작하여, 캐소드 조립체(140)가 상기 기판의 하부 표면에 접촉하고 상기 기판을 상기 블레이드로부터 상승시킨다. 다음에 상기 블레이드는 하위 챔버(104)로부터 제거되고, 그 후에 상기 전송 메카니즘은 다시 캐소드 조립체(140)를 상기 상위 챔버(102)와 연결된 개구(도시안됨)안으로 상승시키도록 동작한다. 그로 인해, 캐소드 조립체(140) 상에 위치한 상기 기판은 상위 챔버(102)의 내부에 노출되는 상부 표면을 갖게 된다.
상기 캐소드 조립체(140)에 놓여진 상기 기판의 측면에는 포커스링(120)이 구비된다. 상기 포커스링(120)의 역할은 상기 기판의 가장자리를 지지하는 역할 이외에도 플라즈마를 상기 기판 상으로 집중시켜 상기 기판 주변에 상기 공정 플라즈마가 한정시키고, 상기 기판의 플라즈마를 이용하는 가공 공정이 균일하게 이루어지도록 한다. 구체적으로 설명하면, 상기 기판을 가공하기 위한 플라즈마는 상기 기판의 중심에 비해서 가장자리 부분에서 그 밀도가 높아서 상기 기판의 가장자리의 식각 속도가 상대적으로 더 빠르다. 그러므로 플라즈마 기판 가공 공정을 수행하면 기판 중심과 가장자리에서 상기 가공 공정이 균일하게 수행되지 않아서 평편 도가 나빠지므로 이를 보상하기 위해 상기 기판 가장자리의 하부를 지지하면서 기판 측면 부근에서 돌출턱이 형성되는 석영 유리 재질의 링을 구비한다. 그러면 상기 기판 가공 공정의 수행시에, 상기 공정 가스에 포함되는 이온과 상기 석영 유리와 결합하여 상기 기판 가장자리 부분에서의 상기 이온의 수가 감소한다. 상기 이온의 감소로 인해 상기 기판 가장자리에서 식각율이 감소되고, 이에 따라 상기 기판의 평편도(uniformity)를 향상시키게 된다.
그러나 상기 포커스링(120)의 표면 상에 상기 플라즈마 기판 가공 공정 이 후 가공 부산물이 남아 상기 가공 공정이 이루어지는 기판의 불량을 발생시킬 수 있으므로 후속하는 기판의 오염을 막기 위해 상기 포커스링(120)의 세정을 하는 것이 매우 중요하다.
상기 포커스링(120)의 세정공정을 설명하기 위한 상기 기판 가공의 예로써 금속 배선의 패턴을 형성하기 위한 플라즈마 식각 공정을 들 수 있다. 상기 플라즈마 식각 공정은 공정 가스로서 Cl2 등을 포함하는 공정 가스를 공급하여 형성한 상기 공정 플라즈마를 이용하여 식각 공정을 진행한다. 상기 기판의 플라즈마 식각 공정은 상기 공정 플라즈마로부터 형성된 염소기(Cl)와 금속 배선용 박막에 존재하는 알루미늄과의 화학반응으로 알루미늄 화합물을 포함하는 식각 부산물을 형성한다. 따라서 상기 식각 공정 후에 상기 식각 공정이 진행되는 상위 챔버(102)의 내부(150)의 벽면 전체와 포커스링(120)의 표면 상에 부착되어 성장한 상기 식각 부산물을 제거하는 세정 공정이 진행되어야 한다. 이 때, 상기 포커스링(120)은 복수 의 부품들이 결합된 형태이며, 이들의 결합부에 미세한 불연속상태가 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 불연속적인 결합부에 식각 부산물의 퇴적은 세정이 어려워 기판의 오염을 일으킨다. 상기 플라즈마 식각 공정과 후속하는 기판의 유입 사이에 진행되는 상기 상위 챔버(102)의 상기 세정 공정은 산소 가스를 주입하여 세정 플라즈마를 형성시켜 20초간 지속시키고 상기 세정 플라즈마가 형성된 가스를 제거하는 과정을 거친다.
여기서, 상기 플라즈마의 형성 영역이 상기 세정 공정이 일어나는 포커스링(120)의 위치에서 이격되어 있는 장치는 상기 세정 플라즈마를 사용하는 세정이 한 방향으로만 활발히 일어나서 상기 세정 플라즈마에 노출되어 식각이 이루어지는 면이 한정된다. 또한 상기 포커스링(120)의 표면까지 도달하는 상기 세정 플라즈마의 양이 적어 상기 기판과 접촉하는 돌출부가 있는 링핑거(118)의 표면 상에 있는 상기 식각 부산물을 모두 제거하기가 어렵다. 그러므로 상기 세정 플라즈마가 형성된 영역에서 포커스링(120)을 세정하기 위하여 구동 실린더(128)를 갖는 상기 포커스링 승하강부(129)를 사용하여 포커스링(120)을 상기 영역으로 이동시켜 줌으로서 상기 세정 플라즈마에 노출된 면적을 증가시킬 수 있다. 따라서 상기 포커스링(120)의 세정 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 포커스링(120)은 원형의 링플레이트(119)와 상기 링플레이트에 대하여 상방으로 돌출된 링컵(117) 및 상기 링플레이트(119)의 내부 저면에 위치하여 기판를 눌러주는 링핑거(118)를 포함하여 구성되어 있다.
상기 포커스링(120)을 상하로 이동시킬 수 있는 상기 포커스링 승하강부 (129)는, 상기 포커스링 하면을 지지하는 적어도 2개의 지지핀(122)이 형성된 지지부(124)와, 상기 지지부(124)의 일측부와 상기 구동 실린더(128)를 연결하는 지지축(126) 및 상기 구동 실린더(128)를 구비하여 이루어진다. 상기 지지부(124)는 상기 캐소드 조립체(140)상에 캐소드 조립체(140)의 단면적보다 넓은 홀이 존재하며, 지지핀(122)은 그 홀 가까이에 일정거리를 가지고 배치된다. 상기 지지축(126)은 충분히 길어 하위 챔버(104)의 외부에 위치한다. 여기서, 상기 지지부(124)와 지지축(126)은 하나로 만들어져 있기보다는 나뉘어져 있는 쪽이 상기 챔버(100)의 오픈 시에 분리하기 쉬워 바람직하다. 그리고 상기 구동 실린더(128)로는 공압 실린더와 유압 실린더를 사용할 수 있으며, 일반적으로는 공압 실린더를 사용한다. 상기 구동 실린더(128)를 대신하여 리니어 모터를 구비하여 활용할 수도 있다.
종래에는 상기 금속 배선의 패턴 형성에서 플라즈마 식각 공정을 거쳤을 때 공정 플라즈마의 염소기와 알루미늄 금속의 반응으로 생긴 식각 부산물을 산소 가스를 이용해 세정 플라즈마 형성시켜 상기 식각 부산물을 제거하였다. 그러나 상기 식각 부산물이 부착되어 성장한 상기 포커스링에 대한 세정 효율은 상기 세정 플라즈마가 형성되는 영역이 상기 포커스링의 위치에서 이격되어 있어 대체로 낮았다. 그러므로, 본 발명에서는 상기 포커스링을 상기 세정 플라즈마 영역으로 이동시킬수 있는 포커스링 승하강부를 구비하여 상기 세정 플라즈마에 노출되는 상기 포커스링의 면적을 넓혀 세정 효율을 크게 향상시켰다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기판의 플라즈마 기판 가공 공정에서 포커스링 승하강부를 구비하여 포커스링 표면에 발생하는 가공 부산물의 제거를 위한 세정 공정을 수행할 때 세정 플라즈마가 형성되어 있는 영역으로 수직 이동할 수 있다. 따라서 상기 포커스 링보다 높은 위치에 형성된 상기 세정 플라즈마 영역에 상기 포커스링이 도달할 수 있어 부착된 상기 공정 부산물의 세정 효율을 향상시킬 수 있다. 그러므로 후속하는 가공 공정을 위해 유입되는 기판의 오염에 의한 불량이 감소되고, 반도체 장치의 신뢰성 및 생산성에 안정을 가져올 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 플라즈마가 형성되는 영역을 가지며, 상기 영역에서 형성된 공정 플라즈마를 이용하여 기판을 가공하기 위한 챔버;
    상기 플라즈마 형성 영역 하부에 배치되어 상기 기판을 지지하며, 상기 지지된 기판 상으로 상기 공정 플라즈마를 유도하기 위한 캐소드 조립체;
    상기 플라즈마 형성 영역과 상기 캐소드 조립체 사이에 배치되어 상기 공정 플라즈마를 상기 기판 상으로 집중시키기 위한 포커스링; 및
    상기 영역에서 형성된 세정 플라즈마를 이용하여 상기 포커스링을 세정하기 위하여 상기 포커스링을 상기 영역으로 이동시키기 위한 구동 실린더를 갖는 포커스링 승하강부를 포함하는 플라즈마를 사용하는 기판 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 포커스링 승하강부는, 상기 포커스링 하면을 지지하는 적어도 2개의 지지핀이 형성된 지지부와, 상기 지지부의 일측부와 상기 구동 실린더를 연결하는 지지축을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 사용하는 기판 가공 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 챔버는, 상부 및 하부가 개방되어 있으며 상기 기판을 가공하기 위한 공간을 제공하는 상위 챔버와, 상기 상위 챔버의 상부에 결합되어 상기 플라즈마 형성 영역을 한정하는 돔과, 상기 상위 챔버의 하부에 결합되어 상 기 기판의 로딩 및 언로딩을 위한 하위 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 사용하는 기판 가공 장치.
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