KR20070099742A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 챔버와, 상기 챔버 상부 측벽에 구비된 고주파 투과창과, 상기 고주파 투과창의 외주면을 둘러싸도록 설치되고 소정 각도 기울어진 적어도 하나의 경사부를 갖는 안테나를 포함하는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
상기와 같은 발명은 안테나의 구조를 변경함으로써 플라즈마의 밀도를 효과적으로 제어하여 균일한 플라즈마를 형성하여, 공정 수율을 높일 수 있는 효과가 있다.
플라즈마, ICP, 고주파 투과창, 안테나, 챔버

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
도 1은 종래의 플라즈마 처리 장치를 나타낸 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 안테나를 구비한 플라즈마 처리 장치를 나타낸 개략 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 안테나의 변형된 실시예를 나타낸 단면도이다.
< 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10, 100: 반응 챔버 12, 112: 샤워 헤드
14, 114: 하부 전극부 18, 118: 기판
116: 안테나 120: 고주파 투과창
122: 외측 실드 126: 제 1 고주파 전원
130: 배기관 132: 배기 장치
본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안테나의 구조를 변경하여 균일한 플라즈마를 제공하기 위한 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 및 디스플레이 산업이 발전함에 따라 웨이퍼, 유리 등의 기판 가공도 한정된 면적에 원하는 패턴을 극미세화하고 고집적화하는 방향으로 진행되고 있다.
일반적으로 반도체 소자는 웨이퍼 같은 반도체 기판의 표면에 절연막 또는 금속막 등을 형성시킨 후, 이 막에 반도체 소자의 특성에 따른 패턴을 형성시킴으로써 제조된다.
플라즈마를 생성시키기 위한 전극 형태에 의한 플라즈마 처리 장치는 용량 결합 플라즈마(CCP)와 유도 결합 플라즈마(ICP)로 구분된다.
특히, ICP는 일반적으로 나선형의 코일에 고주파를 인가하여 상기 코일에 흐르는 고주파 전류에 의해 유도되는 전기장에 의해 플라즈마를 발생시킨다.
도 1은 종래의 플라즈마 처리 장치를 나타낸 개략 단면도이다.
도면을 참조하면, 플라즈마 처리 장치는 반응 챔버(10)와, 상기 반응 챔버(10) 내에 대향 위치한 샤워 헤드(12) 및 하부 전극부(14)와, 상기 반응 챔버(10)의 외주면을 따라 형성된 안테나(16)로 구성되어 있다.
상기 반응 챔버(10)는 통상 원통형 형상이나, 그 형상은 이에 한정되지 않는다.
상기 반응 챔버(10) 내부에는 서로 대향 위치하는 샤워 헤드(12) 및 하부 전극부(14)가 마련되어 있다.
상기 샤워 헤드(12)는 외부의 가스 공급원으로부터 반응 가스를 공급받아 플라즈마 영역에 반응 가스를 균일하게 분포시키는 역할을 하고, 하부 전극부(14)는 처리될 기판을 안착시키기는 역할을 한다.
상기 반응 챔버(10)의 외주면을 따라 안테나(16)가 상기 반응 챔버(10)를 둘러싸도록 설치되어 있다.
상기 안테나(16)는 외부의 고주파 전원에 의해 안테나(16) 주변에 자기장이 유도되고, 상기 자기장의 변화에 따라 반응 챔버(10) 내부에 전기장이 유도된다.
따라서, 외부로부터 처리될 기판(18)이 인입되어 기판(18)이 하부 전극부(14)에 안착되면, 외부 가스 공급원으로부터 가스가 샤워 헤드(12)에 인입되어 반응 챔버(10) 내의 플라즈마 영역(P)에 분사된다. 이후, 고주파 전류에 의해 플라즈마가 형성되고, 상기 플라즈마에 의해 기판(18)이 처리되어 진다.
하지만, 기판의 면적이 확대되고 공정에 필요한 플라즈마 영역이 확대됨에 따라 넓은 영역에 고밀도 플라즈마를 고르게 분포시키는 기술이 요구된다.
그러나, 종래의 반응 챔버(10) 외주면을 따라 안테나가 형성된 ICP 플라즈마 방식은 반응 챔버(10)를 감싸고 있는 안테나(16) 주변에 형성된 자장의 세기가 플라즈마 영역(P)의 중심보다 상대적으로 강하게 되어 고주파 전계의 불균일이 발생되고, 이에 따라, 플라즈마 영역(P)의 중심 부분의 플라즈마 밀도를 저하시키게 된다.
상기와 같은 현상으로 인해 기판(18)의 가장자리의 에칭속도가 빨라져 공정의 불균일성을 초래하고, 수율이 저하되는 문제를 야기시킨다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 안테나의 형상을 재구성하여 균일한 플라즈마를 생성시키기 위한 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 챔버와, 상기 챔버 상부 측벽에 구비된 고주파 투과창과, 상기 고주파 투과창의 외주면을 둘러싸도록 설치되고 소정 각도 기울어진 적어도 하나의 경사부를 갖는 안테나를 포함하는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
상기 경사부는 곡면을 가지고, 상기 경사부는 수평면을 기준으로 20 내지 90도 미만으로 기울어진 것을 특징으로 한다.
상기 고주파 투과창은 적어도 하나의 경사면이 형성되어 있으며, 상기 경사면은 곡선을 가질 수 있다.
또한, 상기 고주파 투과창의 외주면을 따라 소정각도를 가지는 홈을 형성할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명에 따른 안테나를 구비한 플라즈마 처리 장치를 나타낸 개략 단면도이다.
도면을 참조하면, 플라즈마 처리 장치는 반응 챔버(100)와, 상기 반응 챔버(100)의 외주면을 따라 형성된 안테나(116)와, 상기 반응 챔버(100) 내에 서로 대향 위치하는 샤워 헤드(112) 및 하부 전극부(114)로 구성되어 있다.
반응 챔버(100)는 기판 처리 영역을 기밀하게 유지시키고 이와 동시에 보안 접지(Safety-grounded) 되어 있다.
반응 챔버(100)의 측벽 상부의 일부는 고주파 투과창(120)이 형성되고, 상기 반응 챔버(100)의 상부면과 측벽(100b)을 연결하고 있다.
즉, 고주파 투과창(120)은 반응 챔버 상부면(100a)과 측벽(100b)을 연결하는 투과 측벽(120a, 120b)과, 상기 투과 측벽(120a, 120b)을 연결하고 내측으로 경사진 경사면(120c)을 포함하여 구성되어 있다. 상기 고주파 투과창(120)은 고주파 유도 수단으로써, 유전체인 세라믹, 석영 등이 바람직하다.
고주파 투과창(120)의 외측에는 안테나(116)가 형성되어 있다. 즉, 상기 안테나(116)는 일정 넓이를 가지는 원통형으로 고주파 투과창(120)의 외주면을 따라 형성되어 있다.
안테나(116)는 상부가 반응 챔버(100)를 향해 내측으로 기울어진 경사면을 포함한다. 즉, 안테나(116)의 지름은 하부로 갈수록 커지도록 형성되어 있다. 이는 상부의 지름을 짧게 형성하여, 플라즈마 영역 중심부의 플라즈마 밀도를 증가시킴 으로써, 전체적으로 고주파 전계를 균일하게 분포시킬 수 있다.
이때, 상기 경사면은 반응 챔버 측벽(100b)의 수직인 면 즉 수평면 대해 20 내지 90도 미만으로 기울어지는 것이 바람직하고, 장비의 구조상 안테나(116) 하부의 지름이 상부의 지름보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 도시된 실시예에서는 1 회전으로 형성된 안테나지만, 이 회전수는 다수일 수도 있다.
안테나(116)의 외측에는 외측 실드(122)가 더 설치될 수 있다. 상기 외측 실드(122)는 안테나(116)에서 발생되는 고주파가 누설되지 않도록 하는 역할을 하며, 그 재질은 알루미늄 등의 고주파 차폐체로 이루어지는 것이 바람직하다.
안테나(116)의 일측에는 제 1 정합기(124)를 통해 제 1 고주파 전원(126)이 접속된다. 상기 제 1 고주파 전원(126)으로부터 예를 들어 13.56MHz의 고주파를 출력하며, 안테나(116)로부터 발생된 고주파 자계는 고주파 투과창(120)을 통해 반응 챔버(100) 내의 플라즈마 영역에 인가된다.
상기 정합기(124)는 반응 챔버(100)의 임피던스를 검출하여 임피던스의 허수 성분과 반대 위상의 임피던스 허수 성분을 생성함으로써 임피던스가 실수 성분인 순수 저항과 동일하도록 반응 챔버(100) 내에 최대 전력을 공급하고, 그에 따라 최적의 플라즈마를 발생시키도록 한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 안테나의 변형된 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 안테나(116)는 제 1 측벽부(116a) 및 제 2 측벽 부(116c)와, 상기 제 1 측벽부(116a) 및 제 2 측벽부(116c)를 연결하는 경사부(116b)로 구성되어 있다. 이때 경사부(116b)는 제 2 측벽부(116c)로부터 내측으로 제 1 측벽부(116a)와 연결되어 있다. 이때, 상기 경사부(116b)는 수평면을 기준으로 20 내지 90도 미만으로 기울어진 것이 바람직하다.
이때, 고주파 투과창(120)은 안테나(116)의 형상에 대응하도록 형성됨이 바람직하며, 안테나(116)와 평행하도록 형성됨이 더 바람직하다.
또한, 안테나를 고주파 투과창의 측벽(120a, 120b)과, 경사면(120c)을 따라 복수개의 안테나로 형성할 수 있음은 물론이다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 고주파 투과창(120)의 구조를 변경함으로써, 안테나(116)의 하부의 지름이 상부의 지름보다 짧게 형성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 안테나(116)는 하부가 내측으로 경사진 원통형으로 형성된다. 이때, 안테나(116) 상부의 지름은 안테나(116) 하부의 지름보다 짧게 형성된다.
고주파 투과창(120)은 평행한 원통형으로 형성되어 있다. 이때, 고주파 투과창(120)의 외벽면에는 경사면을 가진 안테나(116)가 설치될 수 있도록 그에 대응하도록 외벽면을 따라 홈(128)이 형성되어 있다. 즉, 상기 홈(128)에 안테나(116)의 경사면이 삽입된다.
따라서, 안테나(116)의 하부 지름이 짧아져 플라즈마 형성 시 반응 챔버(100)의 중간 부분의 플라즈마 밀도를 높일 수 있다.
상기와 같은 구성은 도 2에 도시된 바와 같이, 상부의 지름을 하부의 지름보 다 짧게 형성될 수 있음은 물론이고, 구조상으로도 상부의 지름을 짧게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 안테나(116) 상부는 내측으로 경사진 경사면을 갖는 원통형으로 형성된다. 이때, 상기 경사면은 곡선으로 형성하였고, 고주파 투과창(126)은 그에 대응하도록 형성되어 있다.
이와 같이, 상기와 같은 구성은 안테나(116)의 지름에 변화를 주어 상대적으로 플라즈마 밀도가 낮은 중앙 부분의 플라즈마 밀도를 높임으로써 플라즈마를 균일하게 분포시킬 수 있는 효과가 있다.
도 2로 돌아가서, 상기 반응 챔버(100)의 측면에는 배기관(130)이 접속되어 있고, 상기 배기관(130)에는 배기 장치(132)가 접속되어 있다.
이때, 배기 장치(132)는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프가 사용될 수 있으며, 이에 따라 반응 챔버(100) 내부를 소정의 감압 분위기, 예를 들어 0.1mTorr 이하의 소정의 압력까지 진공 흡입할 수 있도록 구성되어 있다.
상기 배기관(130)은 측면 뿐만 아니라, 반응 챔버(100) 하부에 설치될 수 있다. 또한, 배기되는 시간을 줄이기 위해 다수개의 배기관(130) 및 그에 따른 진공 펌프(132)가 더 설치될 수도 있다.
또한, 반응 챔버(100) 측벽에는 게이트 밸브(134)가 설치되어 있고, 이 게이트 밸브(134)를 연 상태에서 기판이 인접하는 도시되지 않은 로드록실과의 사이에서 반송되도록 되어 있다.
상기 게이트 밸브(134)는 반응 챔버(100)의 일측에 설치되었지만, 일측과 대 향하는 타측에 더 형성할 수 있다. 이는 일측을 통해 인입된 기판(118)을 타측을 통해 반출할 수 있다.
반응 챔버(100) 내의 상부에 위치한 샤워 헤드(112)는 다수의 토출 구멍(138)이 형성되고 알루미늄으로 형성된 상부 전극판(136)과, 상기 상부 전극판(136)을 지지하고 도전성 재료로 이루어지는 전극 지지체(139)로 구성되어 있다.
상기 전극 지지체(139)의 상부 중앙에는 가스 도입구(140)가 설치되고, 가스 도입구(140)에는 다수의 라인으로 분기되어 가스 공급원(142)이 접속되어 있다. 각각의 라인에는 밸브(144) 및 질량 흐름 제어기(MFC, 146)가 설치되어 있고, 이는 가스 공급원(142)과 연결되어 있다.
따라서, 가스 공급원(142)으로부터 플라즈마 처리를 위한 반응 가스가 샤워 헤드(12)로 공급된다.
상기 반응 가스로는 플로로카본 가스나 하이드로플로로카본 가스와 같은 할로겐 원소를 함유하는 가스가 적절히 사용될 수 있다. 그 밖에도 Ar, He, C4F8, N2 가스가 제공될 수 있다.
상기 샤워 헤드(112)의 전극 지지체(139) 및 상부 전극판(136)은 반응 챔버(100) 내에 설치되었으나, 반응 챔버(100) 외부에 설치될 수 있음은 물론이다. 즉, 반응 챔버(100)의 상부벽(100a)을 상부 전극판(136)으로 구성하고, 그 상부에 전극 지지체(139)를 두어 사용할 수 있다.
반응 챔버(100)의 하부에는 샤워 헤드(112)와 대항하는 하부 전극부(114)가 위치해 있다. 상기 하부 전극부(114)는 반응 챔버(100) 바닥부에 위치한 기판 승강기(148)와, 상기 기판 승강기(148)의 상부면에 하부 전극(150)과, 기판(118)을 정전 흡착하기 위한 정전척(152)으로 구성되어 있다.
기판 승강기(148)는 처리되어 질 기판(118)이 하부 전극부(114)에 안착하면 하부 전극부(114)를 샤워 헤드(112)와 근접하도록 이동시키는 역할을 한다.
하부 전극(150)에는 칠러(154)가 연결되어 있고, 상기 하부 전극(150)과 칠러(154) 사이에는 냉매 순환부(156)가 접속되어 있다. 상기 칠러(154)로부터 냉매를 냉매 순환부(156)로 도입하여 순환함으로써, 그 냉열이 하부 전극(150)을 통해 기판(118)에 전달되는 역할을 한다. 즉, 기판(118)의 처리면의 온도를 원하는 온도로 제어할 수 있다.
또한, 하부 전극(150)에는 제 2 정합기(158) 및 제 2 고주파 전원(160)이 접속되어 있고, 이는 반응 챔버(100) 내에 전력을 공급하는 역할을 한다.
하부 전극(150)의 상부면에는 기판(118)과 대략 동일한 형상의 정전척(152)이 설치된다. 상기 정전척(152)은 절연재 사이에 마련된 도시되지 않은 하부 전극판을 가지며, 이 하부 전극판에 접속된 고압 직류 전원(162)으로부터 직류 전원이 인가된다. 따라서, 기판(118)은 정전력에 의해 정전척(152)에 흡착유지된다. 이때, 정전력 외에 기계적 힘에 의해 기판(118)을 유지할 수도 있다.
하부 전극(150) 및 정전척(152)의 외주면을 둘러싸도록 고리 형상의 포커스 링(164)이 설치된다. 상기 포커스 링(164)은 실리콘 등의 도전성 재료로 이루어져 있고, 플라즈마가 기판(118)을 향하도록 유도하는 역할을 한다. 이에 따라 식각의 균일성이 향상되는 효과가 있다.
다음은 도 2를 기판의 플라즈마 처리 방법에 대해 살펴본다.
먼저, 선행 공정을 완료한 기판(118)은 게이트 밸브(134)가 개방된 후 도시되지 않은 반송 로봇에 의해 로드록 챔버로부터 반응 챔버(100) 내로 반입된다. 이후, 반입된 기판(118)은 정전척(152)의 상면에 안착되고, 고압 직류 전원(162)이 정전척(152)에 인가되어 정전력에 의해 기판(118)은 정전척(152)에 흡착 유지된다.
이후, 반응 챔버(100) 내는 진공 펌프(132)에 의해 진공 상태로 유지되고, 가스 공급원(142)에 연결된 밸브(144)가 개방되어 MFC(146)에 의해 그 유량이 조절되면서 가스 공급원(142)으로부터 반응 가스가 공급된다. 이때, 반응 가스는 필요에 따라 한개 또는 복수개가 인입될 수 있다.
상기 반응 가스는 가스 라인, 가스 도입관(140)을 통해 샤워 헤드(112)로 제공되고, 상기 반응 가스는 상부 전극판(136)의 토출 구멍(138)을 통해 반응 챔버(100) 내에 균일하게 분사된다. 이때, 반응 가스가 공급되는 동안 반응 챔버(100) 내의 압력은 예를 들어 1Pa 정도의 소정 압력으로 유지된다.
이와 같은 상태에서, 플라즈마 발생용 고주파 전력이 제 1 고주파 전원(126)으로부터 고주파 전력이 안테나(116)에 인가되고 제 2 고주파 전원(160)으로부터 고주파 전력이 하부 전극부(114)에 인가된다.
이때, 안테나(116)에 고주파 전력이 인가됨으로써, 반응 챔버(100) 둘레에 고주파 유도 전계가 발생되고, 이에 따라 고주파 투과창(120)을 통해 반응 챔버(100) 내부로 침투한다. 이러한 고주파 전계는 반응 가스를 여기시켜 플라즈마를 형성시킨다.
이때, 본 발명에서와 같이 안테나(116)를 경사지게 형성하여 상대적으로 플라즈마 밀도가 낮은 중앙 부분의 플라즈마 밀도를 증가시킴으로써 플라즈마를 반응 챔버(100) 내에 균일하게 분포시킬 수 있다.
따라서, 샤워 헤드(112) 및 하부 전극부(114) 사이에 발생되는 전계에 의해 반응 가스는 플라즈마화되고, 이 플라즈마에 의해 기판 처리가 실시된다.
이후, 플라즈마에 의한 기판 처리가 종료되면 고압 직류 전원(162), 제 1 고주파 전원(126) 및 제 2 고주파 전원(166)으로부터 전력 공급이 정지되고 기판(118)은 게이트 밸브(134)를 통해 반응 챔버(100) 외부로 반출되어 공정을 마치게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는 안테나의 구조를 변경하였다. 그러므로 본 발명은 플라즈마의 밀도를 효과적으로 제어하여 균일한 플라즈마를 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 균일한 플라즈마 형성으로 기판에 대한 공정의 균일성을 높여 수율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 챔버와,
    상기 챔버 상부 측벽에 구비된 고주파 투과창과,
    상기 고주파 투과창의 외주면을 둘러싸도록 설치되고 소정 각도 기울어진 적어도 하나의 경사부를 갖는 안테나
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 경사부는 곡면을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 경사부는 수평면을 기준으로 20 내지 90도 미만으로 기울어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 고주파 투과창은 적어도 하나의 경사면이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서, 상기 고주파 투과창은 곡선을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 고주파 투과창의 외주면을 따라 소정 각도를 가지는 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
KR1020060030858A 2006-04-05 2006-04-05 플라즈마 처리 장치 KR100785373B1 (ko)

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