KR20070100070A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 공정챔버 내부에서 충분한 플라즈마 밀도 확보와 균일성을 상승시키는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는 원통형의 유전체 원도우를 가지며 플라즈마 공정이 수행되는 공간을 제공하는 공정챔버와, 공정챔버 상단에 구비되는 상부 전극과, 공정챔버 하단에 구비되는 하부 전극과, 공정챔버를 둘러싸도록 배치되는 고주파 안테나와, 상부 전극에 전원을 인가하는 제 1고주파 전원부와, 하부 전극에 전원을 인가하는 제 2고주파 전원부 및 고주파 안테나에 전원을 인가하는 제 3고주파 전원부를 포함한다.
플라즈마, CCP, ICP, 고주파 안테나, 유도결합, 용량결합

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA GENERATING SYSTEM}
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타낸 종단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치에서 고주파 안테나를 확대하여 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 1의 플라즈마 처리 장치에서 또 다른 고주파 안테나를 확대하여 보여주는 사시도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 설명*
102: 상부 전극 103: 공정챔버
104: 하부 전극 108: 제 1고주파 전원부
110: 제 3고주파 전원부 112: 제 2고주파 전원부
114: 고주파 안테나
본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 챔버 내부에서 충분한 플라즈마 밀도 확보와 균일성을 상승시키는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
최근에 반도체 장비는 반도체 소자의 고집적화, 반도체 기판의 대구경화, 액정 디스플레이의 대면적화 등에 따라 고용량 및 고기능화를 추고 하고 있다. 이에 따라 한정된 영역에서 보다 많은 소자의 직접이 필요하게 되어 반도체 장비는 원하는 패턴을 극미세화 및 고집적화시키도록 연구 및 개발되고 있다.
플라즈마 처리 장치는 반응가스를 활성화시켜 플라즈마 상태로 변형함으로써, 플라즈마 상태의 반응가스의 양이온 또는 라디칼(Radical)이 반도체 기판의 소정영역을 식각하는 건식식각기술을 많이 이용하고 있다. 이들 플라즈마원 중에는 용량결합형 플라즈마원(CCP; Capacitive Coupled Plasma), 유도결합형 플라즈마원(ICP; Induced Coupled Plasma), 마이크로파를 사용하는 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마원, SWP(Surface Wave Plasma) 플라즈마원 등이 있다. 일반적으로 CCP 타입은 공정채버 내부에 설치된 다수의 전극에 선택적으로 고주파 전력을 인가함으로서 형성된 전기장에 의하여 반응가스가 플라즈마 상태로 변형된다. 그리고 일반적인 ICP 타입은 공정챔버 외측에 감겨진 코일에 고주파 전력을 인가함으로서 형성된 자기장 및 전기장에 의해서 반응가스가 플라즈마 상태로 변형된다.
기존의 플라즈마 처리 장치는 기판이 대구경화 됨에 따라 식각, 에싱, 증착 균일성 및 능력 등에 한계가 있다. 종래의 CCP 타입의 플라즈마 처리 장치에서는 저압하에서 고밀도 플라즈마를 얻기 위하여 고주파 전원의 파워를 높이게 되면 플라즈마가 기판의 중심부에 집중적으로 형성되어 기판의 가장자리 부위에서 플라즈마 밀도 균일성 및 식각 균일성이 저하되는 문제점이 있었다. 또한 종래의 ICP 타 입의 플라즈마 처리 장치는 안테나 코일의 나선형 프로파일로 인하여 기판과의 거리의 불균일로 인하여 유도되는 자기장과 전기장의 불균일로 인하여 공정시에 균일도가 낮아지는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 안출된 것으로서, 챔버 내부에서 충분한 플라즈마 밀도 확보와 균일성을 상승시키는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는, 원통형의 유전체 원도우를 가지며 플라즈마 공정이 수행되는 공간을 제공하는 공정챔버와, 공정챔버 상단에 구비되는 상부 전극과, 공정챔버 하단에 구비되는 하부 전극과, 공정챔버를 둘러싸도록 배치되는 고주파 안테나와, 상부 전극에 전원을 인가하는 제 1고주파 전원부와, 하부 전극에 전원을 인가하는 제 2고주파 전원부 및 고주파 안테나에 전원을 인가하는 제 3고주파 전원부를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발 명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타낸 종단면도이고, 도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치에서 고주파 안테나를 확대하여 보여주는 사시도이다.
본 발명의 제 1실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는, 원통형의 유전체 원도우를 가지며 플라즈마 공정이 수행되는 공간을 제공하는 공정챔버(103)와, 공정챔버 상단에 구비되는 상부 전극(102)과, 공정챔버 하단에 구비되는 하부 전극(104)과, 공정챔버를 둘러싸도록 배치되는 고주파 안테나(114)와, 상부 전극에 전원을 인가하는 제 1고주파 전원부(108)와, 하부 전극에 전원을 인가하는 제 2고주파 전원부(112) 및 고주파 안테나에 전원을 인가하는 제 3고주파 전원부(110)를 포함한다.
공정챔버(103)는 가스 주입구(101)를 통하여 주입되는 가스를 공급받고 플라즈마 상태로 여기시키는 공정을 수행하는 공간을 제공한다. 공정챔버(103)는 기판의 크기보다 넓은 단면적을 지닌 원통이나 다각형 단면을 지닌 용기로 이루어진다. 공정챔버(103)는 공정챔버 내에서의 수행하는 공정이 있은 후에 잔유물이나 가스를 외부로 유출시키는 배출구(105)를 포함 할 수 있다. 공정챔버(103)는 고주파 파워가 투과될 수 있도록 유전체 원도우(Dielectric Window)로 이루어 진다.
상부 전극(102)은 공정챔버(103) 상부에 위치하여 하부 전극(104)에 대향되게 설치된고, 상부 전극(102)에는 가스 주입구(101)로부터 공급된 가스를 공정챔버 내부로 분사시키기 위한 분사홀(106)들을 갖는다. 상부 전극(102)에는 제 1고주파 전원부(108)와 연결되어 상부 전극(102)과 하부 전극(104) 사이에 전기장이 형성하여 주입된 가스를 플라즈마 상태로 여기시킨다.
하부 전극(104)은 상기 상부 전극과 공정챔버 내부에 서로 대향되게 배치되고, 하부 전극은 공정시에 기판을 장착하는 역할을 할 수 있다. 따라서 바람직하게는 유전분극현상으로 발생되는 정전기력을 제어하여 기판을 유전체 표면에 흡착 또는 이탈시키는 기능을 수행할 수 있다. 다만, 이와 동등하게 기능을 수행하는 기계적 클램프(Mechanical Clamp), 진공 척(Vacuum Chuck) 등에 의해 기판을 장착 할 수도 있다.
고주파 안테나(114)는 유전체 원도우를 갖는 공정챔버의 외부면에 유도 코일로서, 유도 코일에 고주파 전원을 인가하는 경우 플라즈마를 발생시키는 역할을 한다. 도 2에서 도시하는 바와 같이 고주파 안테나는 실질적으로 동일한 크기를 갖고 상호 연결되는 서브 안테나를 포함하며, 본 발명의 실시예에서는 제 1안테나(206)와 제 2안테나(207)를 포함한다. 바람직한 서브 안테나의 개수는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변경될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 서브 안테나의 개수가 2개인 경우이다.
제 1안테나(206)는 제 3고주파 전원부(110)에서 생성된 전원을 공급하는 안테나의 입력단(201)에 연결된다. 제 1안테나(206)와 제 2안테나(207)는 공정챔버(103)의 양측면 방향으로 분기되어 공정챔버(103)를 둘러싸게 된다. 다만 분기된 제 1안테나(206)와 제 2안테나(207)는 실질적으로 동심원을 이루고, 공정챔버(103)에서 분기된 위치인 입력단(201)의 반대편에서 유턴부(208)에 의해 연결된다. 다시 말해, 연결된 유턴부(208)에 의해 제 2안테나(207)는 이격된 상태로 평행하게 공정챔버(103)를 감싸게 된다. 결국 제 2안테나(207)는 입력단(201)의 아래에 위치한 출력단(202)에서 만나게 되어 접지부에 연결된다.
고주파 전원부는 상부 전극(102)에 인가되는 제 1고주파 전원부(108)와, 하부 전극(104)에 인가되는 제 2고주파 전원부(112)와, 고주파 안테나(114)에 인가되는 제 3고주파 전원부(110)로 이루어 진다. 공정챔버(103)내에 공급된 가스에 다수개의 고주파의 전력을 공급하여 가스 상태를 플라즈마 상태로 여기(excited) 시킬 수 있다. 인가되는 고주파 전원부의 주파수는 본 발명의 플라즈마 처리 장치가 사용되는 공정의 목적에 부합되게 정해지며, 따라서 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변경될 수 있다. 바람직하게는 각각의 3개의 고주파 전원부(108, 112,110)는 고주파 전원으로부터 상하부 전극(102, 104)과 고주파 안테나(114)에 에너지가 최대로 전달되기 위하여 임피던스 정합회로(107, 111, 109)를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 작용을 설명하 면 다음과 같다.
가스 주입구를 통하여 공정에 필요한 가스를 주입하고 각 고주파 전원을 인가시킨다. 먼저 제 1고주파(108)와 제 2고주파(112)에 의한 작용을 설명하기로 한다. 제 1고주파(108)는 상부 전극(102)에 인가되고, 제 2고주파(112)는 하부 전극(104)에 인가되어 상하부 전극에서는 전기장이 형성되고, 형성된 전기장에 의해 공정챔버 내에서는 전자와 이온이 분리되는 플라즈마 상태가 형성된다. 이와 함께 하부 전극(104)에서는 기판을 효과적으로 장착하고, 제 2고주파 전원부(112)에서 고주파 전원을 하부 전극으로 인가하여 챔버 내부의 이온을 기판이 위치하는 방향으로 가속시키게 된다. 하부 전극은 제 2고주파 전원부(112)에 의해 바이어스(bias)되므로, 공정챔버내의 플라즈마 입자들은 기판이 위치하는 하부 전극(104) 방향으로 당겨진다. 따라서 공정챔버(103)내의 플라즈마 입자들이 충분히 높은 에너지를 가지고 기판의 표면에 충돌할 수 있도록 함으로써 플라즈마를 이용하는 공정의 효율을 높일 수 있다.
이와 함께 제 3고주파 전원(110)은 고주파 안테나(114)에 인가된다. 고주파 전류는 도 2에서 도시하는 안테나의 형상과 같이 상기 제 1안테나(206)로 분기되어 흐른다. 그리하여 각각의 제 1안테나(206)와 제 2안테나(207)를 연결하는 유턴부(208)에서 유턴되어 평행하게 이격된 채로 공정챔버(103)를 감싸는 제 2안테로(207)로 흐른다. 제 2안테나(207)로 흐르는 전류는 고주파 안테나의 출력단(202)에서 다시 마주쳐 출력단 측의 접지를 통해 빠져나간다. 제 3고주파 전력이 인가된 고주파 안테나(114)에는 코일이 이루는 평면과 수직 방향의 시간적으로 변화하는 자기장이 형성된다. 이러한 시간적으로 변화하는 자기장은 공정챔버(103) 내부에 유도 전기장을 형성하고 유도 전기장은 입자를 가열하여 유도성으로 결합된 플라즈마가 발생하게 된다. 이와 함께 본 발명의 고주파 안테나(114)의 형상이 나선형이 아니기 때문에 기판과 안테나 사이의 거리의 불균형으로 인하여 발생할 수 있는 플라즈마의 밀도와 세기의 불균형을 방지할 수 있다.
예컨데, 각 고주파 전원부에 의한 전체적인 작용을 설명하면 다음과 같다. 상기의 제 1고주파 전원부(108)와 제 2고주파 전원부(112)에 의해서는 고주파 전원의 파워를 높이면 기판 중심부에 상대적으로 고밀도의 플라즈마가 형성되게 된다. 이와 함께 공정챔버(103)를 감싸는 고주파 안테나(114)를 공정챔버 외부면에 부착하여 제 3고주파 전원(110)을 인가함으로써 공정챔버(103)의 가장자리 부근에서 상대적으로 고밀도의 플라즈마가 형성되도록 유도하여 전체적으로 플라즈마 밀도의 균일성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 공정챔버를 감싸는 고주파 안테나(114)와 기판 사이의 거리를 공정챔버 둘레에 상관없이 일정하게 유지하여 공정챔버 가장자리 부근에서의 플라즈마 균일성을 향상 시킬 수 있다.
도 3에서는 본 발명의 플라즈마 처리 장치에서 또 다른 고주파 안테나를 확대하여 보여주는 사시도이다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 본 발명의 플라즈마 처리 장치의 타 구성요소들은 도 1에서 도시하는 구성요소들(102, 103, 104, 108, 110, 112)과 동일하며, 고주파 안테나(114a)의 형상에 있어서 도 3에서 도시하는 바와 같이 상기의 유턴부(208a)가 바깥방향으로 돌출되게 한다.
한편, 도 3에서 도시한 다른 실시예에 의한 작용에 대하여 설명한다.
고주파 안테나(114a)의 제 1안테나(206)와 제 2안테나(207)를 연결하는 유턴부(208a)가 서로 마주보면 전기장과 자기장의 중첩 현상에 의해 상기 유턴부(208a)쪽의 플라즈마 밀도가 증가하여 플라즈마 밀도 균일성 저하를 국부적으로 초래할 가능성이 있다. 따라서 상기 유턴부(208a)를 공정챔버의 바깥방향으로 90도씩 구부려 두 중첩된 전기장 및 자기장의 방향을 바꾸어 공정챔버 내의 플라즈마에 미치는 영향을 최소화 하도록 하였다. 이로써, 기판의 유턴부(208a)가 위치하는 가장자리 부근에서도 생성되는 플라즈마의 밀도 균일성을 도모할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명에 따를 경우, 공정챔버 내에서 생성되는 플라즈마의 밀도를 상승시키고, 공정챔버의 중심부 뿐만 아니라 가장자리 부근에서도 충분한 플라즈마 를 발생시켜 균일성을 개선하여 플라즈마를 이용하는 공정의 효율성을 향상 시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 플라즈마 공정이 수행되는 공간을 제공하는 공정챔버;
    상기 공정챔버 상단에 구비되는 상부 전극;
    상기 공정챔버 하단에 구비되는 하부 전극;
    상기 공정챔버를 둘러싸도록 배치되는 고주파 안테나;
    상기 상부 전극에 전원을 인가하는 제 1고주파 전원부;
    상기 하부 전극에 전원을 인가하는 제 2고주파 전원부; 및
    상기 고주파 안테나에 전원을 인가하는 제 3고주파 전원부를 포함하며
    상기 고주파 안테나는 상기 공정챔버를 소정 간격으로 평행하게 둘러싸는 적어도 2개 이상의 서브 안테나를 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 고주파 안테나는 서브 안테나를 상호 연결하는 유턴부를 더 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 2항 있어서, 상기 유턴부는 공정챔버의 중심에 대하여 반대방향으로 향하도록 구부러져 있는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 유턴부는 상기 고주파 안테나에 인가되는 전류를 유턴 형상에 의해 이격된 상태로 평행하게 다시 공정챔버를 감싸게 흐르도록 유도함 으로써, 상기 공정챔버의 플라즈마 밀도에 미치는 영향을 최소화하는 플라즈마 처리 장치.
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