KR20070091965A - 플라즈마 처리장치용 전극 어셈블리 및 플라즈마 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 플라즈마 처리장치용 전극 어셈블리는, 반응 가스의 분사를 위한 분사구가 배치되는 전극판과, 전극판의 가장자리 측면 및 가장자리 전면의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되는 차폐부재를 포함되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는, 플라즈마를 가두는 챔버와, 가장자리 측면과 가장자리 전면의 적어도 일부를 둘러싸도록 차폐부재가 배치되는 상부전극 어셈블리와, 상부전극 어셈블리와 대향하여 배치되며, 피처리물을 지지하는 하부전극 어셈블리 및, 하부전극 어셈블리와 상부전극 어셈블리 사이에 플라즈마 전압을 인가하는 전원공급수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은, 전극 어셈블리의 가장자리가 차폐부재에 의하여 둘러싸여 있으므로, 전극 어셈블리의 가장자리에서 발생되는 아킹(arcing)에 의한 전극 표면의 손상이 방지되고, 전극 어셈블리의 가장자리를 통해 유입되는 플라즈마에 의한 전극 내부의 오염이 방지된다.

에칭, etching, 플라즈마, 전극

Description

플라즈마 처리장치용 전극 어셈블리 및 플라즈마 처리장치{ELECTRODE ASSEMBLY FOR PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING APPARATUS}

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 상부전극 어셈블리를 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 상부전극 어셈블리를 나타낸 전면도.

도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 하부전극 어셈블리의 전위를 나타낸 도면.

<도면의 주요 분에 대한 부호의 설명>

100 : 챔버 200 : 상부전극 어셈블리

210 : 절연판 220 : 베이스

221 : 스파이럴 쉴드 222 : 오링

223 : 냉매관 224A : 도입관

224B : 배출관 230 : 전극판

231 : 분사구 240 : 차폐부재

300 : 하부전극 어셈블리 400 : 피처리체

본 발명은 플라즈마 처리장치용 전극 어셈블리 및 플라즈마 처리장치에 관한 것으로, 특히 상부전극을 통하여 반응가스가 분사되는 샤워해드 형태(shower head type)의 플라즈마 처리 장치용 전극 어셈블리 및 이를 이용한 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.

에칭(etching)은 원하는 패턴(pattern)을 형성하기 위하여 화학용액 또는 가스를 이용하여 기판상의 필요한 부분만을 남겨놓고, 나머지 부분을 제거하는 것이다. 에칭 방식에는 반응 가스를 이용하는 건식 에칭과, 화학용액을 이용하는 습식 에칭이 있다.

정교함을 요하는 미세 선폭의 에칭은 플라즈마를 이용하는 플라즈마 에칭이 효율적이다. 플라즈마(plasma)는 준중성상태에 있는 이온화된 가스를 말하며, 플라즈마 에칭에서는 전기장에 의해 가속된 이온이 에칭 과정에 참여하게 된다.

일반적인 플라즈마 처리장치는, 기밀한 챔버(chamber)와, 대향 배치되는 상부전극 어셈블리 및 하부전극 어셈블리와, 반응 가스를 챔버에 제공하는 가스 공급부와, 플라즈마 발생용 전압을 인가하는 전원 공급부로 구성된다.

상기 챔버, 상부전극 어셈블리, 하부전극 어셈블리는 알루미늄 재질로 형성되며, 플라즈마 노출에 따른 부식을 방지하기 위하여 그 표면은 아노다이징(anodizing) 처리되어 있다. 그리고, 상기 상부전극 어셈블리에는 반응가스 유입을 위한 경로가 형성되어 있다.

챔버 내에 에칭하고자 하는 피처리체 예컨대, 소정의 박막이 형성된 기판이 이송되면, 챔버 내부는 배기되어 진공상태가 되고, 동시에 반응 가스가 공급된다. 반응 가스 내의 전자들은 두 전극 사이에 형성된 전기장에 의하여 가속되어 반응 가스의 분자들을 전리시킴으로써 플라즈마가 생성되고, 이때 플라즈마의 이온들은 피처리체 쪽으로 가속되어 에칭이 이루어진다.

이러한 플라즈마 처리장치에서 상부전극 어셈블리는 피처리체에 의해 보호되는 하부전극 어셈블리와는 달리 플라즈마에 직접적으로 노출된다.

일반적으로, 어떤 구조물의 가장자리는 물리적으로 전자가 몰리는 부분이고, 기술적으로도 아노다이징 처리가 약한 부분이다. 따라서, 플라즈마 방전에 따른 아킹(arcing)은 주로 상부전극 어셈블리의 가장자리에서 발생하게 된다. 또한, 상부전극 어셈블리의 가장자리의 틈을 통해 플라즈마가 유입되어 가스유입경로가 오염됨으로써 파티클(particle)이 발생되고, 이 파티클이 다시 챔버 내로 유입되는 문제가 발생하게 된다.

이처럼, 챔버 내에서 아킹이나 파티클이 발생될 경우 피처리체에 치명적인 손상이 발생 되므로 원하는 에칭 패턴을 얻을 수 없다. 또한, 아킹에 의해 손상된 상부전극 어셈블리를 교체해줘야 하고, 상부전극 어셈블리 내의 파티클을 정기적으로 제거해줘야 하므로, 이로 인해 초래되는 교체비용 및 공정손실이 상당하다.

본 발명은 플라즈마에 노출되는 상부전극 어셈블리의 가장자리를 둘러싸도록 차폐부재를 배치함으로써, 상부전극 어셈블리의 가장자리에서 발생되는 아킹에 의한 전극 표면의 손상을 방지하고, 상부전극 어셈블리의 가장자리를 통해 유입되는 플라즈마에 의한 전극 내부의 오염을 방지하는 개선된 구조의 플라즈마 처리장치용 전극 어셈블리 및 플라즈마 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치용 전극 어셈블리는, 반응 가스의 분사를 위한 분사구가 배치되는 전극판과, 상기 전극판의 가장자리 측면과 가장자리 전면의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되는 차폐부재를 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기 차폐부재는 전극판의 가장자리 측면을 모두 둘러싸며, 가장자리 전면을 소정의 폭으로 둘러싸는 것을 특징으로 한다.

상기 전극 어셈블리는, 상기 전극판과 결합되어 도통수단, 기밀수단, 냉각수단을 제공하는 베이스와, 상기 베이스와 챔버를 절연시키며, 일측면은 챔버에 고정되고, 타측면은 베이스와 결합되는 절연판을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 접지수단은 도전재료로 형성된 스파이럴 쉴드(spiral shield)인 것을 특징으로 하고, 상기 기밀수단은 고무재료로 형성된 오링(O-ring)인 것을 특징으로 하고, 상기 냉각수단은 공냉식, 수냉식, 기화식 중 어느 하나의 방식으로 냉각하는 것을 특징으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는, 플라즈마를 가두는 챔버와, 가장자리 측면과 가장자리 전면의 적어도 일부를 둘러싸도록 차폐부재가 배치되는 상부전극 어셈블리와, 상기 상부전극 어셈블리와 대향하여 배치되며, 피처리물을 지지하는 하부전극 어셈블리 및, 상기 하부전극 어셈블리와 상부전극 어셈블리 사이에 플라즈마 전압을 인가하는 전원공급수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 상부전극 어셈블리는 반응가스 분사구가 배치된 전극판을 포함하며, 상기 차폐부재는 상기 전극판의 가장자리 측면을 모두 둘러싸며, 가장자리 전면을 소정의 폭으로 둘러싸는 것을 특징으로 한다.

상기 차폐부재로 가려지지 않고 노출되는 전극면은 상기 피처리물의 크기 보다 큰 것을 특징으로 한다.

상기 전원공급수단은 RF 전원 또는 DC 전원을 인가하는 것을 특징으로 한다.

상기 상부전극 어셈블리는, 반응 가스의 분사를 위한 분사구가 배치되는 전극판과, 상기 전극판과 결합되어 도통수단, 기밀수단, 냉각수단을 제공하는 베이스와, 상기 베이스와 챔버를 절연시키며, 일측면은 챔버에 고정되고, 타측면은 베이스와 결합되는 절연판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 접지수단은 도전재료로 형성된 스파이럴 쉴드인 것을 특징으로 하고, 상기 기밀수단은 고무재료로 형성된 고무링인 것을 특징으로 하고, 상기 냉각수단은 공냉식, 수냉식, 기화식 중 어느 하나의 방식으로 냉각하는 것을 특징으로 한다.

이후, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2는 상기 플라즈마 처리장치의 상부전극 어셈블리를 나타낸 단면도이고, 도 3은 상기 플라즈마 처리장치의 상부전극 어셈블리를 나타낸 전면도이다.

도 1을 참조하면, 상기 플라즈마 처리장치는 기밀한 챔버(100) 내에 상부전극 어셈블리(200) 및 하부전극 어셈블리(300)가 대향하여 배치되어 있다. 상기 챔버(100)에는 반응 가스 주입을 위한 반응 가스 공급구와 챔버(100) 내의 배기를 위한 배기구가 각각 마련되어 있다.

도 2, 도 3을 참조하면, 상부전극 어셈블리(200)는 전극판(230), 베이스(220), 절연판(210)으로 구성되며, 그 가장자리는 차폐부재(240)에 의하여 둘러싸여 있다. 또한, 상부전극 어셈블리(200)에는 외부로부터 반응 가스가 유입되는 경로가 형성되어, 상기 반응 가스 공급구(110)와 연결된다.

상기 전극판(230)에는 반응 가스 공급부(110)를 통하여 유입된 반응 가스를 균일하게 분사하기 위한 미세한 직경을 갖는 분사구(231)가 다수로 형성되어 있다. 상기 전극판(230)은 바람직하게는 알루미늄을 모재로 하여 그 표면이 아노다이징 처리된 알루미늄 합금이다.

상기 베이스(220)의 표면, 즉 전극판(230)과의 대향면에는 중심영역(A1)에 도통수단이 배치되어 있으며, 외곽영역(A2)에 도통보강수단 및 기밀수단이 배치되어 있다.

상기 도통수단 및 도통보강수단은 베이스(220)와 전극판(230)을 전기적으로 접속시켜 준다. 이를 위해 베이스(220)의 중심영역(A1) 및 외곽영역(A2)에 돌출부를 형성하고, 이에 홈을 형성하여 스파이럴 쉴드(221,221a,221b)를 삽입한다. 스파 이럴 쉴드(221)는 구리와 같은 도전재료를 나선형으로 꼬아 형성한 전기 접속용 재료로써, 소정의 가변폭을 제공하기 때문에 이격된 베이스(220)과 전극판(230)을 원활하게 도통 시켜준다. 이때, 전극판(230)은 중심영역(A1)에 배치된 스파이럴 쉴드(221a,221b)에 의하여 도통상태가 되며, 외곽영역(A2)에 배치된 스파이럴 쉴드(221)에 의하여 도통상태가 보강된다.

상기 기밀수단은 플라즈마가 상부전극 어셈블리(200)의 내부로 유입되는 것을 차단한다. 이를 위해 베이스(220)의 외곽영역(A2)을 따라 돌출부를 형성하고, 이에 홈을 형성하여 오링(222)을 삽입한다. 상기 오링(222)은 바람직하게는 고무재료로 형성된 고무링이다.

상기 베이스(220)의 내부에는 냉각매체를 순환시키는 환형상의 냉각관(223)이 형성되어 있으며, 도입관(224A)과 배출관(224B)을 통해 외부의 냉각순환수단(미도시)에 연결되어 있다. 따라서, 전극판(230)에서 발생된 열은 이와 접촉하는 베이스(220)로 전달되고, 냉각관(223)을 순환하는 냉각매체에 의하여 외부로 방출된다.

이때, 사용되는 냉각방식은 구체적인 에칭 공정 조건에 따라 물을 순환시키는 수냉식이거나, 또는 공기를 순환시키는 공냉식이거나, 또는 냉매를 기화시켜 순환시키는 기화식 등 다양하게 선택될 수 있다. 이러한 냉각판은 반드시 필요한 것은 아니지만, 플라즈마를 안정적으로 유지시켜주는데 도움이 된다.

상기 절연판(210)은 챔버(100)의 내측벽 상부에 체결되어 고정되며, 챔버(100)와 상부전극 어셈블리(200)를 전기적으로 절연시켜준다. 상기 절연판(210)은 바람직하게는 테프론 재질로 형성된다.

한편, 상부전극 어셈블리(200)의 가장자리는 차폐부재(240)에 의하여 둘러싸여 있다. 이때, 차폐부재(240)는 상부전극 어셈블리(200)의 가장자리 측면을 모두 둘러싸며, 상부전극 어셈블리(200)의 가장자리 전면을 소정의 폭으로 덥도록 형성된다.

이러한 차폐부재(240)는 상부전극 어셈블리(200)와 챔버(100)를 절연시켜주므로, 상부전극 어셈블리(200)과 하부전극 어셈블리(300) 사이에서만 전계가 형성되고, 또한 전계는 수직으로 형성된다. 또한, 상부전극 어셈블리(200)의 가장자리를 기밀시켜 주므로, 플라즈마가 상부전극 어셈블리(200) 내부로 유입되어 스파이럴 쉴드(221)가 오염되고, 오링(222)이 부식되어 파티클이 발생하는 것을 방지한다. 또한, 상부전극 어셈블리(200)의 가장자리에서 발생하는 아킹을 감소시켜 주므로, 상부전극 어셈블리(200)의 손상으로 인한 교체비용 및 공정손실을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 차폐부재(240)는 상부전극 어셈블리(200)와 챔버(100)를 효과적으로 절연시키고, 플라즈마에 부식되지 않아야 하므로, 절연성, 내부식성이 우수한 재료, 예컨대 세라믹 재료로 형성하는 것이 바람직하다.

하부전극 어셈블리(300)는 챔버(100)와 고정된 하부 절연판(310) 위에 냉각수단이 제공되는 하부 베이스(320)가 체결되고, 그 위에 하부 전극판(330)이 결합 되어 구성되며, 피처리체(400)가 높여지는 스테이지(stage)로 기능 한다.

한편, 플라즈마와 접촉하는 챔버(100), 상부전극 어셈블리의 전극판(230), 하부전극 어셈블리의 전극판(330)은 플라즈마 이온에 의한 부식을 방지할 수 있도록 그 표면이 아노다이징 처리되어 있다. 예컨대, 모재가 알루미늄인 경우 그 표면 이 산화알루미늄으로 코팅된 합금이다.

또한, 상부전극 어셈블리(200)는 하부전극 어셈블리(300)와 함께 전계를 형성하여 플라즈마 발생을 유도하게 되는데, 그 가장자리가 차폐부재(240)에 의하여 둘러싸이게 되므로 종래보다 유효 전극면이 감소된다. 따라서, 상부전극 어셈블리(200)는 감소된 유효 전극면이 보상될 수 있도록 종래보다 더 크게 설계하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 차폐부재(240)로 가려지지 않고 노출되는 전극판(230)의 전극면은 하부전극 어셈블리(300)에 안착되는 피처리체(400)보다 큰 것이 바람직하며, 하부전극 어셈블리(300)의 전극판(330)의 전극면과 동일한 것이 더욱 바람직하다.

아러한 구성을 갖는 플라즈마 처리장치의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

피처리체(400) 예컨대, 소정의 박막이 형성된 기판(400)이 챔버(100)에 마련된 하부전극 어셈블리(300)에 이송되면, 챔버(100) 내는 배기되어 진공상태가 되고, 상부전극 어셈블리(200)의 분사구(231)를 통해 반응 가스가 분사되어 확산 된다.

도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 하부전극 어셈블리의 전위를 나타낸 도면으로서, 도 4a는 최초 전원 인가시의 하부전극 어셈블리 전위를 나타낸 것이고, 도 4b는 시간이 지남에 따라 음의 자기 바이어스(self-bias) 상태가 된 하부전극 어셈블리의 전위를 나타낸 것이다.

하부전극 어셈블리(300)에 도 4a와 같은 RF 전원이 인가되면 두 전극(200,300) 사이에는 시간에 따라 주기적으로 극성이 변화되는 교번 전계가 형성되 고, 반응 가스의 전자와 이온은 RF 전계와 상호 작용하여 가속되어 에너지를 얻게 되며, 분자와 충돌하여 분자를 전리시킴으로써 플라즈마가 발생 된다. 이때, 하부전극 어셈블리(300)의 전위는 플라즈마보다 높기 때문에 전리된 전자와 이온은 하부전극 어셈블리(300) 쪽으로 이동하게 되는데, 이온보다 이동도가 매우 큰 전자들은 하부전극 어셈블리(300)에 먼저 도달하기 때문에 하부전극 어셈블리(300)에는 음전하가 축적되어 플라즈마 전위보다 낮게 형성된다. 그 결과 하부전극 어셈블리(300)는 플라즈마에 대해 음전위를 갖게 된다. 다시 말하여, 도 4b와 같이 플라즈마에 대한 음의 자기 바이어스가 된다.

따라서, 전리된 이온은 하부전극 어셈블리(300) 쪽으로 가속되어 하부전극 어셈블리(300) 상에 놓인 피처리체(400)를 에칭하게 된다.

상기 에칭 과정에서 상부전극 어셈블리(200)는 플라즈마에 직접 노출된다. 이때, 상부전극 어셈블리(200)의 가장자리는 차폐부재(240)에 의하여 보호되고, 기밀 되므로, 아킹에 의한 상부전극 어셈블리(200)의 표면 손상 및 플라즈마 유입에 따른 상부전극 어셈블리(200)의 오염이 효과적으로 방지된다.

한편, 상기 플라즈마 처리장치에서는 상부전극 어셈블리(200)에 접지 전위가 인가되고, 하부전극 어셈블리(300)에 RF 전원이 인가되도록 구성하였고, 이를 중심으로 설명하였지만, 그 반대의 경우도 가능하며, RF 전원이 아닌 DC 전원이 인가될 수도 있다.

이상, 전술한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경, 개량, 대체 및 부 가 등의 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 첨부되는 특허청구범위에 의하여 정하여진다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치용 전극 어셈블리 및 플라즈마 처리장치는, 상부전극 어셈블리의 가장자리 측면 및 가장자리 전면이 차폐부재에 의하여 둘러싸이게 되므로, 상부전극 어셈블리의 가장자리에서 발생되는 아킹에 의한 전극 표면의 손상이 방지되고, 상부전극 어셈블리의 가장자리를 통해 유입되는 플라즈마에 의한 전극 내부의 오염이 방지된다. 따라서, 에칭 공정의 신뢰성이 향상되며, 상부전극 어셈블리의 손상 및 오염으로 인한 교체비용 및 공정손실을 줄일 수 있다.

Claims (15)

1. 반응 가스의 분사를 위한 분사구가 배치되는 전극판과,

   상기 전극판의 가장자리 측면 및 가장자리 전면의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되는 차폐부재를 포함되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치용 전극 어셈블리.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 차폐부재는 전극판의 가장자리 측면을 모두 둘러싸며, 가장자리 전면을 소정의 폭으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치용 전극 어셈블리.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 전극 어셈블리는,

   상기 전극판과 결합되어 도통수단, 기밀수단을 제공하는 베이스와,

   상기 베이스와 챔버를 절연시키며, 일측면은 챔버에 고정되고, 타측면은 베이스와 결합되는 절연판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치용 전극 어셈블리.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 베이스는 상기 전극판을 냉각시키기 위한 냉각수단을 제공하는 것을 특 징으로 하는 플라즈마 처리장치용 전극 어셈블리.
5. 청구항 3에 있어서,

   상기 도통수단은 도전재료로 형성된 스파이럴 쉴드인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치용 전극 어셈블리.
6. 청구항 3에 있어서,

   상기 기밀수단은 고무재료로 형성된 오링인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치용 전극 어셈블리.
7. 청구항 4에 있어서,

   상기 냉각수단은 공냉식, 수냉식, 기화식 중 어느 하나의 방식으로 냉각하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치용 전극 어셈블리.
8. 플라즈마를 가두는 챔버와,

   가장자리 측면 및 가장자리 전면의 적어도 일부를 둘러싸도록 차폐부재가 배치되는 상부전극 어셈블리와,

   상기 상부전극 어셈블리와 대향하여 배치되며, 피처리물을 지지하는 하부전극 어셈블리 및,

   상기 하부전극 어셈블리와 상부전극 어셈블리 사이에 플라즈마 전압을 인가 하는 전원공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 상부전극 어셈블리는 반응가스 분사구가 배치된 전극판을 포함하며, 상기 차폐부재는 상기 전극판의 가장자리 측면을 모두 둘러싸며, 가장자리 전면을 소정의 폭으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
10. 청구항 9 또는 10에 있어서,

    상기 차폐부재로 가려지지 않고 노출되는 전극면은 상기 피처리물의 크기 보다 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
11. 청구항 9에 있어서,

    상기 전원공급수단은 RF 전원 또는 DC 전원을 인가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
12. 청구항 9에 있어서,

    상기 상부전극 어셈블리는,

    반응 가스의 분사를 위한 분사구가 배치되는 전극판과,

    상기 전극판과 결합되어 도통수단, 기밀수단을 제공하는 베이스와,

    상기 베이스와 챔버를 절연시키며, 일측면은 챔버에 고정되고, 타측면은 베 이스와 결합되는 절연판을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
13. 청구항 12에 있어서,

    상기 베이스는 상기 전극판을 냉각시키기 위한 냉각수단을 더 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
14. 청구항 12에 있어서,

    상기 도통수단은 도전재료로 형성된 스파이럴 쉴드인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
15. 청구항 12에 있어서,

    상기 기밀수단은 고무재료로 형성된 오링인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.

Images