KR20070048481A - 상압 플라즈마 처리장치 및 이를 이용한 기판 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상압 플라즈마 처리장치 및 이를 이용한 기판 처리방법을 개시한 것으로서, 공정챔버 내에 존재하는 파티클 등과 같은 불순물을 제거한 후 분위기 가스를 주입하여 공정챔버의 내측을 상압 분위기로 형성시킴으로써, 파티클 등에 의한 공정 영향성을 최소화하여 불순물에 의해 야기되는 공정불량을 해소시킬 수 있는 상압 플라즈마 처리장치 및 이를 이용한 기판 처리방법을 제공할 수 있다.

상압, 플라즈마, 표면처리, 파티클

Description

상압 플라즈마 처리장치 및 이를 이용한 기판 처리방법{APPARATUS FOR TREATING SUBSTRATES UNDER ATMOSPHERE PRESSURE PLASMA AND METHOD FOR TREATING SUBSTRATES USING THE SAME}

도 1은 본 발명에 따른 상압 플라즈마 처리장치의 일 예를 도시해 보인 개략적 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 상압 플라즈마 기판 처리방법의 공정 흐름도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 로드락챔버 110 : 펌프

120 : 질소가스 공급부 130 : 게이트 밸브

200 : 공정챔버 310 : 상부전극

320 : 하부전극 400 : 고주파 전원공급부

500 : 유전체막 510 : 분사홀

600 : 제 1 가스공급부 700 : 제 2 가스공급부

710 : 가스공급관 800 : 배기장치

본 발명은 플라즈마 처리장치 및 이를 이용한 기판 처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상압의 분위기에서 플라즈마를 생성시켜 기판을 처리하는 상압 플라즈마 처리장치 및 이를 이용한 기판 처리방법에 관한 것이다.

일반적으로, 플라즈마(Plasma)는 이온이나 전자, 라디칼(Radical) 등으로 이루어진 이온화된 가스 상태를 말하며, 이러한 플라즈마는 매우 높은 온도나, 강한 전계 혹은 고주파 전자계(RF Electromagnetic Fields)에 의해 생성된다.

특히, 글로우 방전(Glow Discharge)에 의한 플라즈마 생성은 직류나 고주파 전자계에 의해 여기된 자유전자에 의해 이루어지는데, 여기된 자유전자는 가스분자와 충돌하여 이온, 라디칼, 전자 등과 같은 활성족(Active Species)을 생성한다. 그리고, 이와 같은 활성족은 물리 혹은 화학적으로 물질의 표면에 작용하여 표면의 특성을 변화시킨다. 이와 같이 활성족에 의해 물질의 표면 특성을 변화시키는 것을 표면처리라고 한다.

플라즈마 처리 방법이란, 반응 물질을 플라즈마 상태로 만들어 기판상에 증착하거나, 플라즈마 상태의 반응 물질을 이용하여 세정, 에슁(Ashing) 또는 식각을 하는 처리방법을 말한다.

이러한 플라즈마 처리방법은, 플라즈마 상태가 이루어지는 챔버 내의 기압이 어떠한 압력 상태에 있는가에 따라, 저압 플라즈마 처리방법과 상압 플라즈마 처리방법 등으로 분류될 수 있다.

저압 플라즈마 처리방법은, 진공에 가까운 저압 하에서 글로우 방전 플라즈마(Glow Discharge Plasma)를 발생시켜, 기판상에 박막을 형성하거나, 기판상에 형 성된 소정 물질을 식각 혹은 에슁(Ashing)하는 처리방법이다. 그러나, 이러한 저압 플라즈마 처리방법은 진공챔버, 진공 배기장치 등의 고가 장비가 요구되며, 또한 장치 내의 구성이 복잡하기 때문에 장비 유지 관리 및 진공 펌핑 시간이 길어지는 문제점이 있었다.

이로 인해, 진공 조건의 장비가 요구되지 않는 대기압 하에서 방전 플라즈마를 발생시켜 기판을 처리하는 상압 플라즈마 처리방법이 제안되어 왔다. 그러나, 상압 플라즈마 처리방법은, 대기압 하에서 챔버 내 두 전극 사이의 방전시 발생되는 글로우 디스차지(Glow Discharge) 상태가 열역학적 평형 상태인 아크 디스차지(Arc Discharge) 상태로 전환되어, 안정적인 플라즈마 특성을 나타내지 못해 플라즈마 처리 공정을 진행하기에 적합하지 않았다.

이 경우, 플라즈마 처리를 하는 챔버 내의 두 전극 중 일측 전극을 절연 특성이 좋은 유전체 물질로 절연한 후, 고주파(RF,Radio Frequency) 전원을 인가하면, 대기압 상태에서도 상기 두 전극 사이에 사일런트(Silent) 방전이 일어나고, 캐리어 가스(Carrier Gas)로 준안정 상태인 불활성 기체, 예를 들어, 헬륨(He), 아르곤(Ar)을 이용하면 대기압 중에서도 균일하고 안정된 상태의 플라즈마를 얻을 수 있다.

그런데, 상기와 같은 종래의 일반적인 상압 플라즈마 처리방법은, 플라즈마를 생성시켜 표면처리 공정을 수행한 후 생성된 공정부산물을 단순히 공정챔버의 외부로 배출시키고, 기판을 언로딩하여 플라즈마 처리공정을 수행하였다. 이후 다시 공정챔버에 기판을 로딩하여 상압 분위기에서 플라즈마 처리공정을 진행하게 되 는데, 이러한 경우, 기판이 로딩된 후 상압 플라즈마 처리공정이 진행되기 전단계에서, 공정챔버 내에 존재하는 파티클(Particle) 등과 같은 불순물을 제거하고 상압 분위기를 형성시키는 공정단계가 불비(不備)하여, 플라즈마 처리의 후속 공정에서 파티클 등과 같은 불순물로 인해 공정불량이 야기되는 등의 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 통상적인 상압 플라즈마 처리방법이 가진 문제점을 감안하여 이를 해소하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 공정챔버 내에 존재하는 파티클 등과 같은 불순물을 제거한 후 분위기 가스를 주입하여 공정챔버의 내측을 상압 분위기로 형성시킬 수 있는 상압 플라즈마 처리장치 및 이를 이용한 기판 처리방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 상압 플라즈마 처리정치는, 공정챔버와; 상기 공정챔버의 내측에 소정 간격 이격되어 대향되도록 설치되는 전극들과; 상기 전극들 중 어느 일 측의 전극에 고주파 전원을 인가하는 고주파 전원공급부와; 상기 고주파 전원이 인가되는 전극에 설치되는 유전체막과; 상기 공정챔버의 내측이 상압 분위기로 형성되도록 상기 공정챔버에 가스를 공급하는 제 1 가스공급부와; 상기 공정챔버에 플라즈마 생성 반응가스를 공급하는 제 2 가스공급부와; 상기 공정챔버에 연결된 배기장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 상압 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 제 1 가스공급부로부터 상기 공정챔버로 공급되는 가스는 불활성 가 스를 포함하는 것이 바람직하다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 상압 플라즈마 기판 처리방법은, 기판이 투입된 상기 공정챔버 내의 불순물을 배출시키는 공정챔버 펌핑단계와; 불순물이 펌핑된 상기 공정챔버의 내측에 상압 분위기를 형성하도록 분위기 가스를 주입시키는 상압분위기가스 주입단계와; 상기 분위기 가스가 주입된 상기 공정챔버의 내측에 플라즈마 반응가스를 주입시키는 반응가스 주입단계와; 상기 반응 가스가 주입된 상기 공정챔버 내의 상기 전극에 고주파 전원을 인가하여 대기압 하에서 플라즈마 여기를 행하는 플라즈마 여기단계와; 여기된 플라즈마를 이용하여 기판의 표면을 처리하는 기판표면 처리단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 단계들을 포함하는 본 발명에 의한 상압 플라즈마 기판 처리방법에 있어서, 상기 상압분위기가스 주입단계에서 상기 공정챔버에 주입되는 분위기 가스는 불활성 가스를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 상압 플라즈마 기판 처리방법은, 반응가스를 상기 공정챔버의 내측에 주입하기 전에, 상기 공정챔버의 내측을 펌핑한 후 상기 공정챔버 내측에 분위기 가스를 주입하여, 상기 공정챔버의 내측을 상압으로 유지하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상압 플라즈마 처리장치 및 이를 이용한 기판 처리방법을 상세히 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

( 실시예 )

도 1은 본 발명에 따른 상압 플라즈마 처리장치의 일 예를 도시해 보인 개략적 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 상압 플라즈마 처리장치는, 상압의 분위기에서 플라즈마를 생성시켜 기판을 처리하기 위한 것으로, 로드락챔버(100), 공정챔버(200), 전극(300), 고주파 전원공급부(400), 유전체막(500), 제 1 가스공급부(600), 제 2 가스공급부(700) 및 배기장치(800)를 포함한다.

로드락챔버(100)는, 공정챔버(200)에 인접하게 설치되어 기판 카세트(미도시)로부터 공정챔버(200)로 기판(W)을 이송하기 위한 것으로, 로드락챔버(100) 내측의 불순물 등을 펌핑하는 펌프(110)와, 로드락챔버(100)의 내측에 상압 분위기가 형성되도록 질소가스를 공급하는 질소가스 공급부(120)와, 로드락챔버(100)와 공정챔버(200) 간의 기판(W) 이송이 가능하도록 형성된 개구부(미도시)를 개폐시키는 게이트 밸브(130)를 포함한다.

공정챔버(200)는, 기판상에 물질막의 증착을 위해 반응가스를 공급하도록 구성된 증착챔버 또는 증착된 물질막의 식각을 위해 가스를 공급하도록 구성된 식각챔버 등으로 구비될 수 있다.

전극(300)은, 공정챔버(200)의 내측에 소정 간격 이격되어 대향되도록 설치 된 상부전극(310) 및 하부전극(320)을 포함한다. 상부전극(310)은 고주파(Radio Frequency, RF) 전원에 연결되고, 하부전극(320)은 로드락챔버(100)로부터 이송된 기판(W)을 지지하며 접지되어 있다. 상부전극(310) 및 하부전극(320)은 스테인레스, 알루미늄 및 구리 등의 도체 금속으로 형성하는 것이 바람직하다.

고주파 전원공급부(400)는, 상부전극(310)에 고주파 전원을 인가하여 상부전극(310)으로부터 플라즈마 발생을 위한 전자가 방출되도록 한다. 플라즈마 발생을 위한 고주파(RF) 전원의 주파수 대역은 50 Hz ~ 2,45 GHz를 사용하는 것이 바람직하다.

유전체막(500)은, 상부전극(310)과 하부전극(320)의 대향면 가운데 고주파 전원이 인가되는 상부전극(310) 측의 일면에 설치되고, 후술할 제 2 가스공급부(700)로부터 공급된 반응가스가 기판(W)상에 분사되도록 다수의 분사홀(510)들이 형성되어 있다. 상부 전극(310)의 일면을 절연 특성이 좋은 유전체막(500)으로 절연한 후 상부전극(310)에 고주파 전원을 인가하면, 상압 상태에서도 상부전극(310)과 하부전극(320) 사이에 사일런트(Silent) 방전이 일어나고, 반응가스로 불활성 기체를 이용하면, 대기압 하에서도 균일하고 안정된 상태의 플라즈마를 얻을 수 있다.

제 1 가스공급부(600)는, 공정챔버(200)의 내측에 상압 분위기가 형성되도록 공정챔버(200)에 가스를 공급한다. 제 1 가스공급부(600)로부터 공정챔버(200)로 공급되는 가스는 질소가스 등의 불활성 가스를 포함하는 것이 바람직하다.

제 2 가스공급부(700)는, 가스공급관(710)을 통해 공정챔버(200)에 플라즈마 생성 반응가스를 공급한다. 제 2 가스공급부(700)에 연결된 가스공급관(710)은 그 일단이 상부전극(310)을 관통하도록 연장 설치되며, 반응가스는 가스공급관(710)을 통해 상부전극(310)과 유전체막(500) 사이의 공간에 공급된다. 제 2 가스공급부(700)로부터 공급되는 반응가스로는 헬륨, 아르곤 등과 같은 불활성 기체를 이용하는 것이 바람직하다.

배기장치(800)는, 공정챔버(200) 내의 공정 부산물 등을 공정챔버(200)의 외부로 배출시키거나, 상압 분위기 형성을 위한 가스의 공급시 공정챔버(200) 내측의 압력을 조절하는 역할을 수행한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 상압 플라즈마 처리장치를 이용한 기판 처리방법에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 상압 플라즈마 기판 처리방법의 공정 흐름도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(W)이 기판카세트(미도시)로부터 로드락챔버(100)로 이송되면, 펌프(110)를 이용하여 로드락챔버(100) 내의 기체 및 불순물 등을 외부로 배출시켜 로드락챔버(100)의 내측을 감압시킨다.

그리고, 질소가스 공급부(120)로부터 공급된 질소 가스를 로드락챔버(100)에 충전시키고, 압력게이지(미도시)를 이용하여 로드락챔버(100) 내의 압력이 대기압에 이르도록 조절함으로써 상압 분위기를 형성한다.

로드락챔버(100)와 공정챔버(200) 간의 압력 편차를 최소화시키도록 로드락챔버(100)의 내측을 상압 분위기로 형성한 후, 게이트 밸브(130)를 개폐시켜 기판(W)을 공정챔버(200)의 내측으로 투입시킨다. (S100)

기판(W)이 투입된 공정챔버(200)의 내측을 배기장치(800)로 펌핑하여, 불순물 등을 공정챔버(200)의 외부로 배출시키고, 공정챔버(200)의 내측을 대략 10^-3 Torr 까지 감압시킨다. (S200)

불순물이 펌핑된 공정챔버(200)의 내측에 상압 분위기가 형성되도록 제 1 가스공급부(600)로부터 공정챔버(200)로 분위기 가스를 주입시킨다. 공정챔버에 주입되는 분위기 가스는 질소가스 등의 불활성 가스를 포함한다. (S300)

분위기 가스가 주입된 공정챔버의 내측에 제 2 가스공급부(700)로부터 가스공급관(710)을 통해 플라즈마 생성을 위한 반응가스를 주입시킨다. (S400) 그리고, 이와 동시에 상부전극(310)에 고주파 전원을 인가하면 주입된 반응가스는 플라즈마 상태가 된다. (S500)

이 때, 제 2 가스공급부(700)로부터 공급되는 반응가스와 상부전극(310)에 인가되는 고주파 전원에 의해 생성된 플라즈마를 이용하여, 기판(W)상에 임의의 물질을 증착시키거나, 기판(W)상에 형성된 물질을 에슁(Ashing), 식각 혹은 세정하는 등 기판의 표면 처리를 진행한다. (S600)

기판의 표면 처리가 완료된 후, 플라즈마를 이용한 기판 표면 처리에 의해 공정챔버(200) 내측에 생성된 각종의 공정부산물을 배기장치(800)로 배출시킨다. (S700) 그리고, 게이트 밸브(130)를 개폐시켜 표면 처리된 기판(W)을 로드락챔버(100)로 이송시킨다. (S800)

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으 로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 공정챔버 내에 존재하는 파티클 등과 같은 불순물을 제거한 후, 분위기 가스를 주입하여 공정챔버의 내측을 상압 분위기로 형성시킴으로써, 상압 플라즈마 처리공정에서 파티클 등에 의한 공정 영향성을 최소화하여 불순물에 의해 야기되는 공정불량을 해소시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 상압의 분위기에서 플라즈마를 생성시켜 기판을 처리하는 상압 플라즈마 처리장치에 있어서,

   공정챔버와;

   상기 공정챔버의 내측에 소정 간격 이격되어 대향되도록 설치되는 전극들과;

   상기 전극들 중 어느 일 측의 전극에 고주파 전원을 인가하는 고주파 전원공급부와;

   상기 고주파 전원이 인가되는 전극에 설치되는 유전체막과;

   상기 공정챔버의 내측이 상압 분위기로 형성되도록 상기 공정챔버에 가스를 공급하는 제 1 가스공급부와;

   상기 공정챔버에 플라즈마 생성 반응가스를 공급하는 제 2 가스공급부와;

   상기 공정챔버에 연결된 배기장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 처리장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 가스공급부로부터 상기 공정챔버로 공급되는 가스는 불활성 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 처리장치.
3. 상압의 분위기에서 플라즈마를 생성시켜 기판을 처리하는 상압 플라즈마 기 판 처리방법에 있어서,

   기판이 투입된 상기 공정챔버 내의 불순물을 배출시키는 공정챔버 펌핑단계와;

   불순물이 펌핑된 상기 공정챔버의 내측에 상압 분위기를 형성하도록 분위기 가스를 주입시키는 상압분위기가스 주입단계와;

   상기 분위기 가스가 주입된 상기 공정챔버의 내측에 플라즈마 반응가스를 주입시키는 반응가스 주입단계와;

   상기 반응 가스가 주입된 상기 공정챔버 내의 상기 전극에 고주파 전원을 인가하여 대기압 하에서 플라즈마 여기를 행하는 플라즈마 여기단계와;

   여기된 플라즈마를 이용하여 기판의 표면을 처리하는 기판표면 처리단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 기판 처리방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 상압분위기가스 주입단계에서 상기 공정챔버에 주입되는 분위기 가스는 불활성 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 기판 처리방법.
5. 상압에서 플라즈마를 생성하여 기판을 처리하는 방법에 있어서,

   반응가스를 상기 공정챔버의 내측에 주입하기 전에, 상기 공정챔버의 내측을 펌핑한 후 상기 공정챔버 내측에 분위기 가스를 주입하여, 상기 공정챔버의 내측을 상압으로 유지하는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 기판 처리방법.

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