KR20090024415A - 플라즈마 식각 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 식각 장치에 관한 것으로, 플라즈마가 형성되는 챔버, 챔버의 일측에 배치되며 기판이 장착되는 제 1 전극, 제 1 전극의 가장자리부를 둘러싸는 실드 링, 제 1 전극과 대향하도록 배치되는 제 2 전극 및 챔버 내부로 공정 가스를 분사하는 가스 분사판을 포함하며, 실드 링에 제 1 전극의 일부가 노출되도록 비아홀이 형성되고, 비아홀에 제 1 전극과 연결되도록 측정용 플러그가 형성된다. 기판과 근접한 위치에 노출되도록 형성된 측정용 플러그를 통해 플라즈마 전위를 검출함으로써 식각 공정이 진행되는 동안에도 플라즈마의 상태를 계속적으로 모니터할 수 있다.
식각 장치, 플라즈마, 직류 전압, 플러그

Description

플라즈마 식각 장치 {Plasma etching apparatus}
본 발명은 플라즈마 식각 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 소자나 발광 소자의 제조 공정에 사용되는 플라즈마 식각 장치에 관한 것이다.
플라즈마 식각은 플라즈마 이온에 의한 화학 반응 및 물리적 충돌에 의해 식각이 이루어지도록 하는 방법으로, 플라즈마를 생성하는 방법에 따라 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching; RIE), 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma: ICP) 등의 방식으로 구분된다.
플라즈마 식각 장치는 전기장을 형성하기 위한 두 개의 전극을 포함하며, 전기장(electric field)에 의해 가속된 전자와 가스 분자가 충돌하여 플라즈마 상태로 여기되고, 여기된 플라즈마 이온에 의해 식각이 이루어지도록 구성된다.
일 예로서, 대한민국 공개특허 제2003-0019973호(2003. 3. 8. 공개)에는 플라즈마가 채워지는 챔버, 바이어스 전원이 인가되는 하부 전극, 소스 전원이 인가되는 상부 전극 및 공정 가스를 분사하는 가스 분사판을 포함하는 플라즈마 식각 장치가 개시되어 있다.
그런데 이와 같이 구성된 플라즈마 식각 장치는 챔버 내부의 조건에 따라 플라즈마 상태가 불균일해지기 때문에 균일한 식각이 이루어지기 어려운 문제점이 있다. 플라즈마 상태를 변화시킬 수 있는 챔버 내부의 조건으로는 오염 정도, 공정 가스의 유량 변화, 전력(reflected power)의 증가, 챔버 내벽에 증착되는 폴리머(polymer) 양의 증가 등이 될 수 있다.
본 발명의 목적은 식각 공정이 진행되는 동안에도 플라즈마의 상태를 확인할 수 있는 플라즈마 식각 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 플라즈마의 상태를 안정되게 유지할 수 있는 플라즈마 식각 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 식각 장치는 플라즈마가 형성되는 챔버, 상기 챔버의 일측에 배치되며 기판이 장착되는 제 1 전극, 상기 제 1 전극의 가장자리부를 둘러싸는 실드 링, 상기 제 1 전극과 대향하도록 배치되는 제 2 전극 및 상기 챔버 내부로 공정 가스를 분사하는 가스 분사판을 포함하며, 상기 실드 링에 상기 제 1 전극의 일부가 노출되도록 비아홀이 형성되고, 상기 비아홀에 상기 제 1 전극과 연결되도록 측정용 플러그가 형성된다.
또한, 본 발명의 플라즈마 식각 장치는 바이어스 전원을 공급하는 제 1 전원, 상기 제 1 전원 중 교류 전원을 상기 제 1 전극으로 공급하고 상기 측정용 플러그를 통해 검출된 직류 전압을 출력하는 매칭 회로, 상기 매칭 회로로부터 상기 직류 전압을 공급받아 상기 플라즈마의 상태를 검출하는 플라즈마 측정부 및 상기 제 2 전극에 소스 전원을 공급하는 제 2 전원을 더 포함한다.
유리 등의 절연 기판을 사용하는 경우 하부 전극이 플라즈마에 직접적으로 노출되지 않기 때문에 식각 공정이 진행되는 동안 플라즈마의 상태를 검출하기 어렵다. 그러나 본 발명은 절연 기판과 근접한 위치에 노출되도록 형성된 측정용 플러그를 통해 플라즈마 전위가 검출될 수 있도록 함으로써 식각 공정이 진행되는 동안에도 플라즈마 상태를 계속적으로 모니터할 수 있다. 따라서 플라즈마 상태를 안정되게 유지함으로써 균일한 식각이 이루어질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 식각 장치를 설명하기 위한 구성도로서, 도 2를 참조하여 설명한다.
본 발명의 플라즈마 식각 장치는 플라즈마(80)가 형성되는 챔버(10), 챔버(10)의 일측에 배치되며 절연 기판(70)이 장착되는 하부 전극(20), 하부 전극(20)의 가장자리부를 둘러싸는 실드 링(shield ring)(30), 하부 전극(20)과 대향하도록 배치되는 상부 전극(60) 및 챔버(10) 내부로 공정 가스를 분사하는 가스 분사판(50)을 포함한다.
챔버(10)는 플라즈마(80)가 생성되고 플라즈마(80)에 의해 식각이 이루어지는 밀폐된 공간으로, 소정의 압력 예를 들어, 진공으로 유지된다.
하부 전극(20)은 챔버(10)의 하부에 배치되며, 절연 기판(70)이 장착되는 기판 지지대 역할을 하도록 구성된다. 하부 전극(20)에는 바이어스(bias) 전원(24)으로부터 직류(DC) 또는 고주파((Radio Frequency; RF) 전원이 공급되는데, 바이어스 전원(24)과 하부 전극(20) 사이에는 임피던스 정합을 위한 매칭 회로(22)가 연결될 수 있다. 매칭 회로(22)는 예를 들어, 캐패시터 등을 통해 교류(AC) 전원만 하부 전극(20)으로 공급되도록 하고, 측정용 플러그(40)를 통해 검출된 플라즈마 전위에서 직류 전압(Vdc)을 검출하여 출력하도록 구성된다.
실드 링(30)은 절연물로 이루어지며, 하부 전극(20)을 보호할 수 있도록 하부 전극(20)의 가장자리 일부와 측벽을 둘러싸도록 형성된다. 실드 링(30)의 소정 부분에는 하부 전극(20)의 일부가 노출되도록 비아홀(32)이 형성되고, 비아홀(32)에는 하부 전극(20)과 연결되도록 측정용 플러그(40)가 형성된다. 이 때 하부 전극(20)의 상부면과 실드 링(30)의 상부면이 동일 평면상에 위치하도록 하부 전극(20)의 상부에 단차부(26)를 형성하여 측정용 플러그(40)의 상부면과 하부 전극(20)의 상부면이 동일 평면상에 위치하도록 하는 것이 바람직하다.
측정용 플러그(40)는 절연 기판(70)의 표면과 가장 근접한 위치에서 플라즈마 전위를 검출하기 위한 것으로, 플라즈마에 영향을 미치지 않으며 전도성을 갖는 카본(carbon)이나 실리콘(silicon) 등으로 형성한다. 측정용 플러그(40)는 상부를 하부보다 넓게 형성하여 노출되는 표면적을 크게 하고, 하부 전극(20)과의 접촉 면 적이 증대되도록 하부 전극(20)으로 소정 깊이 삽입되는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 비아홀(32)을 형성할 때 상부를 하부보다 넓게 형성하고, 노출되는 부분의 하부 전극(20)을 소정 깊이 식각해야 한다.
상부 전극(60)은 예를 들어, 유도결합형 코일(coil)(62)로 구성될 수 있으며, 소스(source) 전원(66)으로부터 직류(DC) 또는 고주파(RF) 전원을 공급받는다. 소스 전원(66)과 상부 전극(60) 사이에는 임피던스 정합을 위한 매칭 회로(64)가 연결될 수 있으며, 매칭 회로(64)에 의해 교류(AC) 전원만 상부 전극(60)으로 공급될 수 있다.
가스 분사판(50)은 가스 공급관(54)에 연결되어 외부로부터 공정 가스를 공급받으며, 일면에 형성된 복수의 구멍(52)을 통해 챔버(10) 내부로 공정 가스를 균일하게 분사한다.
또한, 본 발명의 플라즈마 식각 장치는 플라즈마(80)의 상태를 검출하여 모니터하기 위한 플라즈마 측정부(90)를 더 포함한다. 플라즈마 측정부(90)는 매칭 회로(22)로부터 직류 전압(Vdc) 즉, 측정용 플러그(40)를 통해 검출된 플라즈마(80) 전위에서 검출된 직류 전압(Vdc)을 입력받아 플라즈마(80)의 상태를 검출한다. 예를 들어, 직류 전압(Vdc)의 전위가 낮은 경우에는 플라즈마 이온의 에너지가 낮기 때문에 식각율이 저하될 수 있다. 그러므로 플라즈마 측정부(90)는 직류 전압(Vdc)을 통해 식각율을 검출할 수 있다. 플라즈마 측정부(90)는 플라즈마(80)의 상태를 모니터를 통해 표시하거나, 제어부(도시안됨)를 통해 바이어스 전원부(24) 또는 소스 전원부(66)로부터 공급되는 고주파 전원이 증가 또는 감소되도록 하여 플라즈마 이온의 에너지가 증가 또는 감소되도록 할 수 있다.
그러면 상기와 같이 구성된 본 발명의 플라즈마 식각 장치를 이용한 식각 과정을 설명하기로 한다.
먼저, 도전층 또는 절연층이 형성된 절연 기판(70)을 하부 전극(20)에 장착한다. 그리고 바이어스 전원부(24) 및 소스 전원부(64)로부터 하부 전극(20) 및 상부 전극(60)에 소정의 고주파 전원이 각각 인가되고, 가스 분사판(50)을 통해 챔버(10) 내부로 아르곤(Ar) 등의 공정 가스가 공급되도록 한다.
상부 전극(60)의 코일(62)을 통해 흐르는 전류에 의해 전기장이 유도되고, 유도된 전기장에 의해 가속된 전자와 가스 분자의 충돌에 의해 고밀도 플라즈마(80)가 생성된다. 이와 같이 생성된 고밀도 플라즈마(80)는 하부 전극(20)에 인가된 고주파 전원에 의해 형성되는 전기장을 따라 기판(70) 방향으로 이동하여 절연 기판(70) 상에 형성된 도전층 또는 절연층의 노출된 부분을 식각한다.
이와 같이 식각이 이루어지는 동안 측정용 플러그(40)를 통해 절연 기판(70)의 표면과 근접한 위치에서 플라즈마 전위를 검출하게 된다. 즉, 플라즈마 측정부(90)는 매칭 회로(22)로부터 직류 전압(Vdc)을 입력받아 플라즈마(80)의 상태를 감지하고, 플라즈마 이온의 에너지가 낮은 경우 예를 들어, 바이어스 전원부(24) 또는 소스 전원부(66)로부터 공급되는 고주파 전원이 증가되도록 하여 플라즈마 이온의 에너지가 증가되도록 한다. 따라서 이와 같은 과정을 통해 식각 공정이 진행되는 동안 플라즈마(80)의 상태를 균일하게 유지할 수 있다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시 하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 식각 장치를 설명하기 위한 구성도.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 보호의 설명>
10: 챔버 20: 하부 전극
22, 64: 매칭 회로 24: 바이어스 전원
26: 단차부 30: 실드 링
32: 비아홀 40: 측정용 플러그
50: 가스 분사판 52: 구멍
54: 가스 공급관 60: 상부 전극
62: 코일 66: 소스 전원
70: 절연 기판 80: 플라즈마

Claims (7)

  1. 플라즈마가 형성되는 챔버;
    상기 챔버의 일측에 배치되며, 기판이 장착되는 제 1 전극;
    상기 제 1 전극의 가장자리부를 둘러싸는 실드 링;
    상기 제 1 전극과 대향하도록 배치되는 제 2 전극; 및
    상기 챔버 내부로 공정 가스를 분사하는 가스 분사판을 포함하며,
    상기 실드 링에 상기 제 1 전극의 일부가 노출되도록 비아홀이 형성되고, 상기 비아홀에 상기 제 1 전극과 연결되도록 측정용 플러그가 형성된 플라즈마 식각 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 실드 링이 절연물로 이루어진 플라즈마 식각 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전극이 코일로 이루어진 플라즈마 식각 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 바이어스 전원을 공급하는 제 1 전원;
    상기 제 1 전원 중 교류 전원을 상기 제 1 전극으로 공급하고, 상기 측정용 플러그를 통해 검출된 직류 전압을 출력하는 매칭 회로; 및
    상기 매칭 회로로부터 상기 직류 전압을 공급받아 상기 플라즈마의 상태를 검출하는 플라즈마 측정부를 더 포함하는 플라즈마 식각 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 전극에 소스 전원을 공급하는 제 2 전원을 더 포함하는 플라즈마 식각 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 측정용 플러그의 상부면과 상기 제 1 전극의 상부면이 동일 평면상에 위치하는 플라즈마 식각 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 측정용 플러그가 카본(carbon) 또는 실리콘(silicon)으로 형성된 플라즈마 식각 장치.
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