KR20070011692A - 플라즈마 처리장치 - Google Patents

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Abstract

챔버 내부에 플라즈마 형성영역과 기판 탑재영역이 분리되어 형성되는 플라즈마 처리장치에 있어서, 플라즈마 형성영역과 기판 탑재영역 사이에 양자를 구획하는 매니폴드가 설치되며, 매니폴드에는 내부 공간이 형성되고, 내부공간과 연통되는 복수개의 소스분출공들이 하부면에 형성되고, 챔버 외부에서 내부 공간과 연통된 소스공급관을 통하여 소스를 공급하며, 내부공간과 구획되고 소스분출공들과 겹치지 않도록 상하 관통되는 복수개의 플라즈마 통로들이 형성된 플라즈마 처리장치가 개시된다.
플라즈마, CVD, 매니폴드

Description

플라즈마 처리장치{Plasma processing apparatus}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 보여주는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 매니폴드를 보여주는 평면도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 매니폴드를 보여주는 저면도이다.
도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ을 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 매니폴드의 플라즈마 통로의 변형된 형상을 보여주는 단면도이다.
본 발명은 플라즈마 처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마의 웨이퍼 기판과의 반응을 균일하게 하고 플라즈마 이온에 의한 웨이퍼 기판의 손상을 최소화한 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
최근, 반도체소자의 미세화에 대응해서, 드라이에칭에 있어서는, 고아스펙트비의 가공 등을 실현하기 위하여, 또 플라즈마 CVD 및 ALD에 있어서는 고아스펙트비의 매립 등을 실현하기 위하여, 보다 고진공으로 플라즈마처리를 행하는 일이 요 구되고 있다.
종래의 일반적인 평행평판형의 플라즈마 처리장치는 진공챔버 내에 기판을 얹어놓는 기판전극과 대향전극을 배설하고, 이들 전극 사이에 전극용 고주파전원에 의해서 고주파전압을 인가하므로써 진공챔버 내에 플라즈마를 발생시키도록 구성되어 있다.
이러한 구성에 있어서는 발생된 플라즈마와 장착된 기판이 균일하게 반응하지 못한다는 문제점이 있다.
또한, 플라즈마에 생성된 플라즈마 이온이 웨이퍼 기판에 직접 충격을 가하여 기판이 손상된다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제시되는 것으로, 본 발명의 목적은 플라즈마와 기판의 반응이 균일하게 이루어질 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 플라즈마 이온의 충격에 의한 기판의 손상을 최소화하는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적과 특징들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예를 통하여 명확하게 이해될 것이다.
본 발명에 따르면, 챔버 내부에 플라즈마 형성영역과 기판 탑재영역이 분리되어 형성되는 플라즈마 처리장치에 있어서, 플라즈마 형성영역과 기판 탑재영역 사이에 양자를 구획하는 매니폴드가 설치되며, 매니폴드에는 내부 공간이 형성되고, 내부공간과 연통되는 복수개의 소스분출공들이 하부면에 형성되고, 챔버 외부에서 내부 공간과 연통된 소스공급관을 통하여 소스를 공급하며, 내부공간과 구획되고 소스분출공들과 겹치지 않도록 상하 관통되는 복수개의 플라즈마 통로들이 형성된 플라즈마 처리장치가 개시된다.
바람직하게, 매니폴드에 직류 바이어스가 인가될 수 있다.
또한, 플라즈마의 소스는 RF 안테나를 이용한 유도결합 플라즈마(ICP), 고밀도 플라즈마(HDP), 정전결합 플라즈마(CCP) 및 전자 싸이클론 공진(ECR) 중의 어느 하나일 수 있다.
바람직하게, 플라즈마 통로는 높이방향에서 경사지거나 절곡될 수 있다.
바람직하게, 챔버의 측면에는 펌핑에 의해 플라즈마를 순환하기 위하여 게이트 밸브를 경유하는 바이패스 라인이 설치될 수 있다.
또한, 플라즈마에서 형성되는 이온이 기판에 도달하는 양을 줄이거나, 에칭공정이나 애싱공정에 적용되도록 가속하는 것에 대응하여 인가되는 바이어스의 종류가 선택될 수 있다.
일 예로, 플라즈마 통로들과 소스분출공들은 균일한 분포로 형성되며, 각각의 직경은 1 내지 20mm 정도이다.
바람직하게, 매니폴드의 외측벽은 챔버의 내측벽에 밀착된다.
본 발명에 따르면, 고주파 전원이 인가되는 상부전극과 기판이 탑재되는 하부전극이 대향하여 설치된 챔버; 및 상부전극과 하부전극 사이에 기판으로부터 일 정 거리 이격되어 설치되며, 내부 공간이 형성되고 하부에 복수개의 소스분출공들이 형성되고 소스를 공급하는 소스공급관이 결합되며, 내부공간과 구획되고 소스분출공들과 겹치지 않도록 상하 관통되는 복수개의 플라즈마 통로들이 형성된 매니폴드를 포함하는 플라즈마 처리장치가 개시된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 보여주는 구성도이다.
도시된 바와 같이, 진공챔버(100)의 상부벽 외측에는 RF 안테나(120)이 평면상으로 배열되고, RF 안테나(120)에는 고주파 전원이 매칭회로(130)를 통하여 인가된다. 또한, RF 안테나(120)를 지지하는 챔버(100)의 상부벽은 석영이나 세라믹 재질로 이루어진다.
이러한 구성에 의하면, RF 안테나(120)에 인가되는 고주파 전원에 의해 진공챔버(100)내 상부 부분에 플라즈마(A)가 유도된다.
이와 같이, 이 실시예에서는 플라즈마 소스로 RF 안테나를 이용한 유도결합 플라즈마(ICP)를 예로 들고 있으나, 이것 이외에 고밀도 플라즈마(HDP), 정전결합 플라즈마(CCP) 및 전자 싸이클론 공진(ECR) 등 모든 플라즈마 소스를 적용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 챔버(100)의 하부에는 기판을 지지하는 기판 홀더(110)가 위치하며, RF 안테나(120)와 기판홀더(110) 사이에는 플라즈마를 통과시키고 소스 의 공급을 제어하는 매니폴드(150)가 설치된다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 적용되는 매니폴드를 보여주는 평면도, 저면도 및 단면도이다.
매니폴드(150)는 기판홀더(110)로부터 일정 거리, 일 예로 1 내지 50mm 정도 이격되어 설치된다.
또한, 매니폴드(150)와 RF 안테나(120) 사이의 플라즈마가 발생하는 공간 A의 높이는 바람직하게 10 내지 200mm 또는 그 이상, 이하로 할 수 있다.
매니폴드(150)는, 예를 들어, 원통형으로 제작될 수 있으며, 내부 공간(155)이 형성되고 하부에 복수개의 소스분출공들(154)이 형성된다. 또한, 플라즈마와 기판과의 반응을 균일하게 하기 위하여 챔버(100)의 측벽에 가장자리가 완전하게 밀착되어 플라즈마 형성영역과 기판 사이를 완전하게 차단한다.
또한, 측면 외측에는 소스를 공급하는 소스공급관(156)이 결합되어 공급되는 소스는 내부공간(155)으로 분산되어 소스분출공들(154)을 통하여 배출된다.
소스분출공들(154)은 기판과의 균일한 반응을 위하여, 예를 들어, 방사상에서 원주방향으로 배열될 수 있으며, 플라즈마 통로들(152)과 겹치지 않도록 배열된다.
복수개의 플라즈마 통로들(152)은 내부공간(155)과 구획되고 소스분출공들(152)과 겹치지 않도록 상하 관통된다. 따라서, 일 예로, 방사상에서 원주방향으로 배열된 소스분출공들(154) 사이에 원주방향으로 배열될 수 있다.
플라즈마 통로들(152)과 소스분출공들(154)의 배열은 이 실시예에 한정될 필 요는 없으며, 플라즈마와 기판과의 균일한 반응이 가능하다면 어떠한 배열이라도 무방하다.
또한, 플라즈마 통로들(152)과 소스분출공들(154)은 균일한 반응을 위하여 조밀하게 형성될 수 있으며, 예를 들어, 그 직경을 1 내지 20mm 정도 또는 그 이하로 설정할 수 있다.
바람직하게, 도 5의 A와 B를 참조하면, 플라즈마에서 형성된 이온이 직진성에 의해 직접적으로 기판에 도달하는 것을 최소화하기 위하여 플라즈마 통로(152)를 경사지게(152') 하거나 절곡하여(152") 이온이 플라즈마 통로(152)의 내측벽에 충돌하도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 매니폴드(150)에는, 예를 들어, +의 직류 바이어스가 인가될 수 있고, 이에 따라 플라즈마에서 형성된 양이온들은 매니폴드(150)로부터 밀려나게 되어 기판에 도달하는 이온의 양을 줄일 수 있다. 따라서, 이온 충격에 의한 기판의 손상을 최소화할 수 있다.
또한, 바이어스의 종류를 적절히 선택함으로써 플라즈마에서 형성된 가속할 수 있어 에칭공정이나 애싱공정에 적합하게 이용할 수 있다.
한편, 진공챔버(100)의 측면에는 게이트 밸브(170)를 통하는 바이패스 라인(180)이 설치된다. 이와 같이 바이패스 라인을 설치함으로써 플라즈마 처리가 필요없는 공정에서는 게이트 밸브(170)를 오픈하고 펌핑하여 플라즈마를 순환시킬 수 있다.
이하, 이와 같은 구성의 플라즈마 처리장치의 동작을 설명한다.
먼저, 소스공급관(156)을 통하여 소스를 공급하면, 소스는 매니폴드(150)의 내부공간(155)으로부터 소스분출공들(154)을 통하여 배출되어 기판에 흡착된다.
이때, 상기한 바와 같이, 매니폴드(150)의 저면에 균일하게 형성된 소스분출공(154)을 통하여 소스가 배출되어 기판 전면에 균일하게 흡착된다.
이어 퍼지가스를 공급하여 흡착되지 않은 소스를 배출한다.
다음, 진공챔버(100) 내부를 적당한 압력으로 유지하면서, 고주파전원으로부터 RF 안테나(120)에 고주파전압을 인가한다.
이에 따라, 도 1에 도시된 바와 같이, 진공챔버(100) 내의 공간 A에 플라즈마가 발생하며, 플라즈마 통로들(152)을 통하여 흘러 기판홀더(110)에 탑재된 기판과 반응하게 된다.
마찬가지로, 플라즈마는 플라즈마 통로(152)를 통하여 기판에 균일하게 공급되므로 기판 전면에서 균일하게 소스와 표면반응을 한다.
이때, 매니폴드(150)에, 예를 들어, +의 직류 바이어스가 걸린 경우에는 플라즈마의 양이온은 같은 극성 때문에 매니폴드(150)로부터 밀려나서 플라즈마 통로(152)를 통과하지 못하게 된다. 따라서, 기판은 플라즈마 이온 충격에 의한 손상을 최소화할 수 있다.
이러한 구성은 특히 플라즈마를 이용한 원자층 증착(ALD) 공정에 유용하다. 플라즈마를 이용한 원자층 증착시 기본적인 공정 단계는 매니폴드(150)내의 소스분출공들(154)에서의 소스 분출에 따른 기판에의 소스 흡착, 불활성 기체에 의한 소스 잔여물 및 잔여 가스를 제거하는 퍼지공정, 플라즈마 온에 따른 플라즈마 통로 들(152)에 의해 기판에 도달하는 반응종과 기판과의 반응, 플라즈마 오프 후 불활성 기체에 의해 잔여 반응물을 제거하는 퍼지공정 순으로 순차적으로 반복 진행되는 것을 기본으로 한다. 또한, 원자층 증착장치(ALD) 뿐만 아니라 화학기상증착장치(CVD)에도 적용할 수 있으며, 산화물, 실리콘 화합물, 단결정 화합물, 다결정 화합물 및 비정질 화합물 등을 Si, SiGe, Ge, Al2O3, GaAs and SiC 등의 기판에 형성할 수 있다.
상기한 실시예에서는 플라즈마 소스로 RF 안테나를 이용한 유도결합 플라즈마 소스를 예로 들었지만, 종래와 같이 챔버의 상부에 상부전극을 설치하고 기판홀더를 하부전극으로 이용하는 것도 물론 가능하다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기한 실시예에 국한되어서는 안되며, 이하에 서술되는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 플라즈마와 기판의 반응이 전면에서 균일하게 이루어질 수 있다는 효과가 있다.
더욱이, 플라즈마 이온의 충격에 의한 기판의 손상을 최소화할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 챔버 내부에 플라즈마 형성영역과 기판 탑재영역이 분리되어 형성되는 플라즈마 처리장치에 있어서,
    상기 플라즈마 형성영역과 기판 탑재영역 사이에 양자를 구획하는 매니폴드가 설치되며,
    상기 매니폴드에는 내부 공간이 형성되고, 상기 내부공간과 연통되는 복수개의 소스분출공들이 하부면에 형성되고, 상기 챔버 외부에서 상기 내부 공간과 연통된 소스공급관을 통하여 소스를 공급하며, 상기 내부공간과 구획되고 상기 소스분출공들과 겹치지 않도록 상하 관통되는 복수개의 플라즈마 통로들이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 매니폴드에 직류 바이어스가 인가되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마의 소스는 RF 안테나를 이용한 유도결합 플라즈마(ICP), 고밀도 플라즈마(HDP), 정전결합 플라즈마(CCP) 및 전자 싸이클론 공진(ECR) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마 통로는 높이방향으로 경사지거나 절곡된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 챔버의 측면에는 펌핑에 의해 상기 플라즈마를 순환하기 위하여 게이트 밸브를 경유하는 바이패스 라인이 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마에서 형성되는 이온이 상기 기판에 도달하는 양을 줄이거나, 에칭공정이나 애싱공정에 적용되도록 가속하는 것에 대응하여 상기 인가되는 바이어스의 종류가 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 통로들과 소스분출공들은 균일한 분포로 형성되며, 각각의 직경은 1 내지 20mm 정도인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 매니폴드의 외측벽은 상기 챔버의 내측벽에 밀착되는 것을 특징으로 하 는 플라즈마 처리장치.
  9. 플라즈마 처리장치에 있어서,
    고주파 전원이 인가되는 상부전극과 기판이 탑재되는 하부전극이 대향하여 설치된 챔버; 및
    상기 상부전극과 하부전극 사이에 상기 기판으로부터 일정 거리 이격되어 설치되며, 내부 공간이 형성되고 하부에 복수개의 소스분출공들이 형성되고 소스를 공급하는 소스공급관이 결합되며, 상기 내부공간과 구획되고 상기 소스분출공들과 겹치지 않도록 상하 관통되는 복수개의 플라즈마 통로들이 형성된 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
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