KR20090021690A - 플라즈마 프로세싱 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 플라즈마 프로세싱 시스템은 공정 가스를 받아들여 플라즈마를 발생하는 플라즈마 반응기, 상기 플라즈마 반응기로 플라즈마 점화 및 발생을 위한 무선 주파수 전력을 공급하는 무선 주파수 발생기, 및 상기 플라즈마 반응기의 플라즈마 점화 오류를 감지하고, 점화 오류 발생시 재점화가 진행되도록 상기 플라즈마 반응기와 상기 무선 주파수 발생기를 제어하는 제어부를 포함한다. 본 발명의 플라즈마 프로세싱 시스템에 의하면, 고밀도의 플라즈마를 안정적으로 발생 및 유지할 수 있는 플라즈마 프로세싱 시스템을 제공할 수 있다. 특히, 플라즈마 점화에 오류가 발생되더라도 곧바로 공정을 중지하지 않고 재점화에 의해 점화 실패를 극복함으로서 공정 생산성을 높일 수 있다.
플라즈마 점화, 플라즈마 반응기, 활성 가스

Description

플라즈마 프로세싱 시스템 및 그 제어 방법{PLASMA PROCESSING SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREFOR}
본 발명은 플라즈마 방전에 의하여 이온, 자유 래디컬, 원자 및 분자를 포함하는 활성 가스를 발생 시기고 활성 가스로 고체, 분말, 가스 등의 플라즈마 처리를 하기 위한 플라즈마 프로세싱 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
플라즈마 방전은 이온, 자유 래디컬, 원자, 분자를 포함하는 활성 가스를 발생하기 위한 가스 여기에 사용되고 있다. 활성 가스는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며 대표적으로 반도체 제조 공정 예들 들어, 식각, 증착, 세정 등 다양하게 사용되고 있다.
플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 소스는 여러 가지가 있는데 무선 주파수(radio frequency)를 사용한 용량 결합 플라즈마와 유도 결합 플라즈마가 그 대표적인 예이다. 그중 유도 결합 플라즈마 소스는 무선 주파수 전원의 증가에 따라 이온 밀도를 비교적 용이하게 증가시킬 수 있어서 고밀도 플라즈마를 얻기에 적합한 것으로 알려져 있다.
그러나 유도 결합 플라즈마 방식은 공급되는 에너지에 비하여 플라즈마에 결 합되는 에너지가 낮아서 매우 고전압의 구동 코일을 사용하고 있다. 그럼으로 이온 에너지가 높아서 플라즈마 반응기의 내부 표면이 이온 충격(ion bombardment)에 의해 손상되는 경우가 발생된다. 이온 충격에 의한 플라즈마 발생기의 내부 표면 손상은 플라즈마 처리 오염원으로 작용하는 부정적인 결과를 얻게 된다. 이온 에너지를 낮추려는 경우에는 플라즈마에 결합되는 에너지가 더욱 낮아져서 잦은 플라즈마가 오프 되는 경우가 발생하게 된다. 그럼으로 안정적인 플라즈마 유지가 어렵다.
한편, 플라즈마의 안정적인 초기 점화는 생산성과 직결되는 매우 중요한 문제이다. 어떠한 원인에서 플라즈마 점화에 실패하는 경우 공정 진행이 중단되어 공정 생산성이 저하된다. 즉, 플라즈마 점화 단계 이전까지 진행된 단계들이 다시 진행되어야 할 수 있는데 이러한 경우 해당 공정은 실패하게 되고 다시 초기화하여 공정을 다시 시작하여야 한다. 최근, 반도체 장치의 제조를 위한 웨이퍼나 LCD 글라스 기판은 더욱 대형화 되어 가고 있어서 한 번의 공정 실패에 따른 손실률은 더욱 높아지게 된다.
반도체 제조 공정에서 플라즈마를 이용한 공정에서 원격 플라즈마의 사용은 매우 유용하다. 예를 들어, 프로세스 챔버의 세정이나 포토레지스트 스트립을 위한 에싱 공정에서 유용하게 사용되고 있다. 그런데 피처리 기판의 대형화에 따라 프로세스 챔버의 볼륨도 증가되고 있어서 고밀도의 활성 가스를 충분히 원격으로 공급할 수 있으면서도 매우 안정적으로 플라즈마를 유지할 수 있는 플라즈마 소스가 요구되고 있다.
한편, 높은 밀도의 플라즈마를 대량으로 발생시켜 제공하기 위해서는 플라즈마 반응기의 볼륨도 커질 수밖에 없다. 원격 플라즈마 반응기의 경우에는 대부분이 프로세스 챔버의 상부에 설치되는데 반응기 사이즈가 커지는 경우 설치가 용이라지 않게 되는 문제점이 발생된다. 더욱이, 종래와 같이 무선 주파수 발생기와 플라즈마 반응기가 하나의 유닛으로 구성되는 경우에는 더욱 그러하다.
따라서 본 발명의 목적은 고밀도의 플라즈마를 안정적으로 발생 및 유지할 수 있는 플라즈마 프로세싱 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 특히, 플라즈마 점화에 오류가 발생되더라도 곧바로 공정을 중지하지 않고 재점화에 의해 점화 실패를 극복함으로서 공정 생산성을 높일 수 있는 플라즈마 프로세싱 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 플라즈마 프로세싱 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 플라즈마 프로세싱 시스템은: 공정 가스를 받아들여 플라즈마를 발생하는 플라즈마 반응기; 상기 플라즈마 반응기로 플라즈마 점화 및 발생을 위한 무선 주파수 전력을 공급하는 무선 주파수 발생기; 및 상기 플라즈마 반응기의 플라즈마 점화 오류를 감지하고, 점화 오류 발생시 재점화가 진행되도록 상기 플라즈마 반응기와 상기 무선 주파수 발생기를 제어하는 제어부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 점화시도 최대값까지 반복하여 재점화를 시도한다.
본 발명의 다른 일면은 플라즈마 프로세싱 시스템의 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 플라즈마 프로세싱 시스템의 제어 방법은: 플라즈마 점화를 시도하는 단계; 정상적으로 플라즈마 점화가 되었는가를 판단하는 단계; 및 플라즈마 점화가 정상적으로 이루지지 않는 경우 플라즈마 점화를 재시도하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 점화의 재시도는 설정된 점화시도 최대값까지 반복하여 재점화가 시도된다.
이상과 같은 본 발명의 플라즈마 프로세싱 시스템 및 그 제업 방법에 의하면, 고밀도의 플라즈마를 안정적으로 발생 및 유지할 수 있는 플라즈마 프로세싱 시스템을 제공할 수 있다. 특히, 플라즈마 점화에 오류가 발생되더라도 곧바로 공정을 중지하지 않고 재점화에 의해 점화 실패를 극복함으로서 공정 생산성을 높일 수 있다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보 다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 플라즈마 프로세싱 시스템 및 그 제어 방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 프로세싱 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 프로세싱 시스템(200)은 공정 가스를 받아들여 플라즈마 발생하는 플라즈마 반응기(300)와 무선 주파수 발생기(400)를 구비한다. 플라즈마 반응기(300)는 프로세스 챔버(600)에 장착된다. 예를 들어, 프로세스 챔버(600)의 천정 외측에 장착될 수 있다. 플라즈마 반응기(300)는 무선 주파수 발생기(400)로부터 무선 주파수를 제공받고, 가스 공급 시스템(700)에 의해 공정 가스를 공급받아 플라즈마를 발생한다.
프로세스 챔버(600)는 플라즈마 반응기(300)에서 발생된 활성 가스를 수용하여 소정의 플라즈마 처리를 수행한다. 프로세스 챔버(600)는 예를 들어, 증착 공정을 수행하는 증착 챔버이거나, 식각 공정을 수행하는 식각 챔버일 수 있다. 또는 포토레지스트를 스트립핑하기 위한 에싱 챔버일 수 있다. 이외에도 다양한 반도체 제조 공정을 수행하기 위한 플라즈마 프로세싱 챔버일 수 있다.
가스 공급 시스템(700)은 다양한 종류의 가스 공급원(730)과 다수의 유량 제어기(710, 720)를 구비한다. 플라즈마 반응기(300)로 유입되는 가스는 불활성 가스, 반응 가스, 불활성 가스와 반응 가스의 혼합 가스를 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 프로세스 챔버(600)로 공급되는 가스는 프로세스 챔버(600)에서 수행되는 공정에 따라 가스 공급 시스템(700)으로부터 다양한 가스가 선택되어 공급된다.
냉각수 공급원(800)은 플라즈마 반응기(300)와 무선 주파수 발생기(400)로 냉각수를 공급한다. 시스템 제어부(500)는 플라즈마 프로세싱 시스템(200)의 전반적인 제어를 수행한다.
도 2는 무선 주파수 발생기의 회로 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2를 참조하여, 무선 주파수 발생기(400)는 소정 주파수의 무선 주파수 전력을 발생하기 위한 무선 주파수 발생 회로(401)와 무선 주파수 발생기의 전반을 제어하는 제어부(470) 및 외부 통신을 위한 입출력 포트(480)를 포함한다. 그리고 동작 상태를 표시하기 위한 디스플레이(482)와 동작을 지시하기 위한 제어 패널(484)을 구비한다.
구체적으로, 무선 주파수 발생 회로(401)는 교류 전원(402)을 입력받아 정류하는 정류기(404), 정류된 전원을 무선 주파수로 변환하는 무선 주파수 변환기(410), 무선 주파수를 출력하는 무선 주파수 출력단(450), 무선 주파수 변환기(410)와 무선 주파수 출력단(450) 사이에 연결되는 저역 통과 필터(440), 무선 주파수 변환기와(410) 저역 통과 필터(440) 사이에 연결되는 파워 결합기(430), 무선 주파수의 진행파와 반사파, 임피던스, 및 위상을 검출하는 센서 회로(460)를 포 함한다. 무선 주파수 변환기(410)는 하나 이상의 스위칭 반도체 장치로 구성되는 하나 이상의 하프 브리지 회로(420a, 420b)로 구성된다. 입출력 포트(480)는 제어부(480)와 시스템 제어부(500) 사이에 연결된다.
제어부(470)는 센서 회로(460)를 통해서 무선 주파수의 진행파와 반사파, 임피던스, 및 위상을 검출하고 무선 주파수 변환기(410)의 전류 값을 검출하여 무선 주파수 변환기(410)의 구동을 제어한다. 특히, 제어부(470)는 플라즈마 점화에 오류가 발생되더라도 곧바로 공정 진행을 중지하지 않고 재점화에 의해 점화 실패를 극복할 수 있도록 제어하여 안정적인 플라즈마 발생이 이루어 질 수 있도록 한다. 즉, 제어부(470)는 플라즈마 점화가 초기에 정상적으로 이루어지지 않더라도 곧바로 시스템 제어부(500)로 점화 오류를 통지하는 것이 아니라 설정된 재점화 시토 횟수만큼 재점화를 시도한다. 재점화를 시도하는 횟수는 사용자가 임의로 설정할 수 있다. 다만, 재점화를 시도하였지만 또다시 점화 오류가 발생되는 경우에는 제어부(470)는 입출력 포트(480)를 통하여 시스템 제어부(500)로 점화 오류를 통지한다.
도 3은 플라즈마 반응기의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하여, 플라즈마 반응기(300)는 플라즈마 방전실(315)을 형성하는 반응기 몸체(310)를 구비한다. 변압기(320)는 플라즈마 방전실(315)에 플라즈마 발생을 위한 기전력이 전달되도록 반응기 몸체에 장착되는 마그네틱 코어(321) 및 일차 권선(322)을 갖는다. 무선 주파수 입력단(390)은 일차 권선(322)에 전기적으로 연결되며, 무선 주파수 발생기(400)에서 공급되는 무선 주파수를 받아들인다. 일차 권선(322)의 구동 전류는 변압기(320)의 이차 회로를 완성하는 토로이달형의 유도 결합된 플라즈마(P)를 형성하는 플라즈마 방전실(315)의 내측의 AC 전위(AC potential)를 유도한다.
반응기 몸체(310)는 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속물질로 재작된다. 또는 코팅된 금속 예를 들어, 양극 처리된 알루미늄이나 니켈 도금된 알루미늄으로 재작될 수 있다. 또는 내화 금속(refractory metal)로 재작될 수 있다. 또 다른 대안으로 반응기 몸체(310)를 석영, 세라믹과 같은 절연물질로 재작하는 것도 가능하며, 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 다른 물질로도 재작될 수 있다. 반응기 몸체(310)가 금속 물질을 포함하는 경우에는 에디 전류를 최소화하기 위하여 전기적 불연속성을 갖도록 하는 하나 이상의 전기적 절연 영역(380)을 포함한다. 절연 영역(380)은 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 구성된다.
플라즈마 반응기(300)는 플라즈마 방전실(315) 내부의 플라즈마 점화를 돕는 자유 전하를 발생시키기 위하여 점화 전극(370)과 점화 전극(370)으로 점화 전력을 공급하는 점화 전원 회로(330)를 포함한다. 점화 전원 회로(330)는 무선 주파수 입력단(390)을 통해 입력되는 무선 주파수 전력을 이용하여 점화 전력을 발생한다. 점화 전극(370)은 반응기 몸체(310)의 상부에 장착된다.
반응기 몸체(310)는 전체적으로 토로이달 플라즈마(P)에 적합한 구조적 형상을 갖는다. 반응기 몸체의 상부측으로 가스 입구(340)가 개구되어 있으며, 점화 전극(370)에 가깝게 구성된다. 반응기 몸체(310)의 하부에는 활성 가스가 출력되 는 가스 출구(350)가 구성된다. 가스 출구(350)는 특별히 황동 재질로 재작되거나 스텐이리스 스틸로 구성될 수 있다.
반응기 몸체(310)는 반응기 몸체(310)의 온도를 제어하기 위한 냉각 유체가 흐르는 냉각 채널(미도시)이 구비된다. 그리고 냉각 채널의 냉각 유체 흐름의 비정상 상태를 감지하기 위한 냉각 오류 발생 감지부(미도시)를 구비한다. 또한 반응기 몸체(310)의 온도를 감지하기 위한 온도 감지 센서(360)를 구비한다. 온도 감지 센서(360)는 반응기 몸체(310)에서 가장 온도가 높게 상승되는 가스 출구(350)에 가깝게 설치되는 것이 바람직하다. 시스템 제어부(470)는 냉각 오류 발생 감지부(미도시) 및/또는 온도 감지 센서(360)를 통해서 입력되는 감지 데이터에 기초하여 플라즈마 반응기(300)의 온도를 제어한다. 그리고 냉각 오류가 발생되는 경우에는 플라즈마 반응기를 동작 시키지 않는다.
특별히, 플라즈마 반응기(300)와 무선 주파수 발생기(400)는 물리적으로 분리된 구조를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 분리된 구조일 때, 플라즈마 반응기(300)는 프로세스 챔버(600)에 장착 가능한 고정형으로 구성되고, 무선 주파수 발생기(400)는 플라즈마 반응기와 분리 가능한 분리형으로 구성된다. 그리고 무선 주파수 발생기(400)의 출력단(450)과 플라즈마 반응기(300)의 무선 주파수 입력단(390)은 무선 주파수 케이블(455)에 의해 상호 원격으로 연결된다. 그럼으로 종래와 같이 무선 주파수 발생기와 플라즈마 반응기가 하나의 유닛으로 구성되는 것과 달리 분리형으로 구성되는 경우 플라즈마 반응기(300)를 프로세스 챔버(600)에 매우 용이하게 설치할 수 있으며 시스템의 유지 관리 효율을 높일 수 있다.
도 4는 플라즈마 처리 시스템에서 수행되는 플라즈마 처리 공정의 일예로서 세정 프로세스를 예시적으로 설명하기 위한 프로우 차트이다.
도 4를 참조하여, 단계 S100에서 세정 프로세스가 개시된다. 단계 S110에서 냉각수가 정상적으로 공급되는지를 점검한다. 이때, 냉각수가 정상적으로 공급되지 않으면 세정 프로세스는 진행되지 않는다. 단계 S120에서 정화 가스(purge gas)(예를 들어, Ar 이나 N2)를 공급하여 플라즈마 반응기(300)의 내부를 정화한다. 단계 S130에서는 플라즈마 반응기(300)로 점화 가스(예를 들어, Ar)가 공급되면서 점화 기압(예를 들어 1Torr)까지 기본 펌핑이 이루어진다.
이어, 제어부(470)는 단계 S140에서 점화 시도 값(n)을 1로 초기화한다. 단계 S141에서 제어부(470)는 무선 주파수 발생기(400)와 플라즈마 반응기(300)를 제어하여 플라즈마 점화가 시도된다. 단계 S142에서는 플라즈마 반응기(300)에서 정상적으로 플라즈마 점화가 되었는가를 판단한다. 플라즈마 점화가 정상적으로 이루어지지 않은 경우에는 단계 S143으로 진행하여 점화시도 값(n)이 점화시도 최대값(N) 보다 작은가를 판단하고, 작은 경우에는 단계 S144로 진행하여 점화시도 값(n)을 증가하고 다시 단계 S141로 진행하여 재점화를 시도한다. 이러한 재점화 시도는 설정된 점화시도 최대값(N) 만큼 반복될 수 있다. 점화시도 최대값(N)까지 점화 시도를 반복했음에도 불구하고 정상적으로 플라즈마 점화가 발생되지 않은 경우에는 단계 S143으로 진행하여 시스템 제어부(500)로 점화 오류를 통지한다.
정상적으로 점화가 이루어지면, 단계 S160에서는 세정 가스(예를 들어 NF3나 SF6+O2 등)가 공급된다. 세정 가스는 플라즈마 반응기(300)에서 활성 가스로 분해 되어 프로세스 챔버(600)로 공급된다. 단계 S170에서는 활성 가스에 의해서 챔버의 세정이 이루어진다. 챔버 세정이 완료되면 단계 S180에서는 플라즈마 반응기(300)가 오프되고, 가스 공급이 중단되면서 세정 프로세스가 종료된다.
상술한 실시예에 플라즈마 반응기(390)는 토로이달형의 유도 결합 플라즈마 방식을 예로 하였으나 다른 형태의 플라즈마 반응기의 경우도 동일하게 본 발명의 사상을 적용할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 반응기에 직접 유도 코일을 권선한 타입의 경우나 마이크로웨이브를 이용한 플라즈마 반응기의 경우에도 본 발명의 사상을 동일하게 구현할 수 있다. 또한 상술한 바와 같이 외부 반응기에서 원격으로 플라즈마를 공급하는 구조뿐만 아니라 프로세스 챔버 내부에서 플라즈마 발생하는 구조에서도 본 발명의 사상이 적용될 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 플라즈마 프로세싱 시스템 및 그 제어 방법의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 플라즈마 프로세싱 시스템 및 그 제어 방법은 플라즈마를 이용한 다양한 응용에 매우 유용하게 이용될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마를 이용한 반도체 제조 공정 예를 들어, 챔버 세정 공정, 에싱 공정, 증착 공정, 식각 공정 등에 다양하게 이용될 수 있다. 뿐만 아니라 플라즈마를 점화시켜서 발생된 플라즈마를 이용하여 어떠한 플라즈마 처리를 수행하는 모든 응용에 유용하게 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 프로세싱 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2는 무선 주파수 발생기의 회로 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3은 플라즈마 반응기의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 4는 플라즈마 처리 시스템에서 수행되는 플라즈마 처리 공정의 일예로서 세정 프로세스를 예시적으로 설명하기 위한 프로우 차트이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
200: 플라즈마 프로세싱 시스템
300: 플라즈마 반응기
400: 무선 주파수 발생기
500: 시스템 제어부
600: 프로세스 챔버
700: 가스 공급 시스템

Claims (4)

  1. 입력 가스를 받아들여 플라즈마를 발생하는 플라즈마 반응기;
    상기 플라즈마 반응기로 플라즈마 점화 및 발생을 위한 무선 주파수 전력을 공급하는 무선 주파수 발생기; 및
    상기 플라즈마 반응기의 플라즈마 점화 오류를 감지하고, 점화 오류 발생시 재점화가 진행되도록 상기 플라즈마 반응기와 상기 무선 주파수 발생기를 제어하는 제어부를 포함하는 플라즈마 프로세싱 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 점화시도 최대값까지 반복하여 재점화를 시도하는 플라즈마 프로세싱 시스템.
  3. 플라즈마 점화를 시도하는 단계;
    정상적으로 플라즈마 점화가 되었는가를 판단하는 단계; 및
    플라즈마 점화가 정상적으로 이루지지 않는 경우 플라즈마 점화를 재시도하는 단계를 포함하는 플라즈마 프로세싱 시스템의 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플라즈마 점화의 재시도는 설정된 점화시도 최대값까지 반복하여 재점화가 시도되는 플라즈마 프로세싱 시스템의 제어 방법.
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