KR20100029464A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 발생부를 정의하는 두 전극, 상기 두 전극 중 적어도 하나에 배치되어 있으며, 각기 전력을 인가하는 복수의 전력 인가부, 상기 플라즈마 발생부의 플라즈마를 감지하는 감지부, 그리고 상기 복수의 전력 인가부에 인가되는 전력의 특성을 조절하는 제어부를 포함하여, 전력이 인가되는 위치, 인가되는 전력의 크기, 인가되는 전력에 의한 전자파의 위상을 조절함으로써, 각 공정 조건에 맞추어, 균일한 플라즈마를 발생할 수 있다.

플라즈마, 전극, 전력, 균일도

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 균일한 플라즈마를 발생할 수 있는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로 기판 위에 박막을 증착하거나, 식각할 때 플라즈마를 이용하는 장치를 많이 사용하고 있다.

최근에, 박막을 증착하거나 식각하는 기판의 크기가 커짐에 따라, 플라즈마 처리 장치의 크기도 커지고 있다. 이에 따라 플라즈마 발생에 이용되는 전력의 파장과 플라즈마 처리 챔버의 폭이 거의 일치하게 될 수 있고, 이 경우 플라즈마 처리 장치 내부에서는 웨이브 형태의 플라즈마가 발생하게 되는 정상파 효과(standing wave effect)가 나타나고 있다. 예를 들어, 이러한 정상파 효과는 수MHz의 주파수 범위의 플라즈마 전력을 이용하여 2m 정도의 챔버 폭을 가지는 플라즈마 처리 장치에서 나타날 수 있다.

이처럼, 플라즈마가 위치에 따라 일정하게 발생하지 않고, 웨이브 형태로 발생하게 되면, 이러한 플라즈마를 이용한 박막 증착이나 식각이 위치에 따라 불균일하게 일어나게 된다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 대면적의 기판을 처리하는 경우에도 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 발생부를 정의하는 두 전극, 상기 두 전극 중 적어도 하나에 배치되어 있으며, 각기 전력을 인가하는 복수의 전력 인가부, 상기 플라즈마 발생부의 플라즈마를 감지하는 감지부, 그리고 상기 복수의 전력 인가부에 인가되는 전력의 특성을 조절하는 제어부를 포함한다.

상기 감지부와 상기 제어부는 서로 연결될 수 있다.

상기 감지부와 상기 제어부는 서로 통신할 수 있다.

상기 제어부는 상기 감지부의 감지 결과에 따라 상기 복수의 전력 인가부 중 적어도 하나에 인가되는 전력의 위상을 조절할 수 있다.

상기 제어부는 상기 감지부의 감지 결과에 따라 상기 복수의 전력 인가부 중 적어도 하나에 인가되는 전력의 크기를 조절할 수 있다.

상기 복수의 전력 인가부는 2개 내지 15개일 수 있다.

상기 복수의 전력 인가부는 서로 독립되어 이격될 수 있다.

상기 플라즈마 처리 장치는 상기 복수의 전력 인가부에 각기 연결되어 있는 복수 개의 정합기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 플라즈마 처리 장치의 플라즈마 전극에 고주파 전력을 인가하는 복수 개의 전력 인가부와 제어부를 포함함으로써, 플라즈마 전극의 위치에 따라 인가되는 전력의 크기 및 위상(phase)을 공정 조건에 따라 조절할 수 있어, 위치에 따라 균일한 플라즈마를 발생할 수 있다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1을 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으 로 도시한 단면도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(100)는 상부 전극(110)과 하부 전극(120)을 포함하는데, 상부 전극(110)과 하부 전극(120) 사이의 공간은 플라즈마가 발생하는 플라즈마 발생부(130)를 정의한다.

하부 전극(120)은 복수 개의 정합기(matching box)(150a, 150b, 150c)가 각기 연결되어 있는 복수의 전력 인가부를 가지는데, 복수의 전력 인가부에는 각기 개별적인 정합기(150a, 150b, 150c)와 전원(160a, 160b, 160c)이 하나씩 연결되어 있다.

플라즈마 처리 장치(100)는 플라즈마 발생부(130)에 발생되는 플라즈마의 균일도를 감지할 수 있는 감지부(140)와, 전력 인가부에 연결되어 있는 전원(160a, 160b, 160c)의 크기 또는 위상 등을 조절할 수 있는 제어부(170)를 포함한다. 제어부(170)는 플라즈마 처리 장치의 내부 또는 외부에 위치할 수 있으며, 컴퓨터 프로그램일 수도 있다. 또한, 플라즈마의 균일도를 감지하는 감지부(140)와 제어부(170)는 서로 연결되거나 원격으로 통신하여, 정보를 주고 받을 수 있다.

그러면, 도 1와 함께 도 2를 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(100)의 전력 인가부에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 하부 전극을 도시한 개략도이다.

본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(100)의 하부 전극(130)은 복수 개의 전력 인가부(a, b, c, d, e)를 가지는데, 각 전력 인가부(a, b, c, d, e)에는 개별적으로 정합기(150a, 150b, 150c, 150d, 150e)와 전원(160a, 160b, 160c, 160d, 160e)이 하나씩 연결되어 있다.

각 전력 인가부(a, b, c, d, e)에 연결되어 있는 정합기(150a, 150b, 150c, 150d, 150e)와 전원(160a, 160b, 160c, 160d, 160e)은 제어부(170)에 연결되어 있어서, 각 전력 인가부(a, b, c, d, e)에 인가되는 전원의 위상을 조절할 수 있다.

도 1 내지 도 2에서는 플라즈마 처리 장치(100)의 하부 전극(130)만 복수 개의 전력 인가부(a, b, c, d, e)를 가지는 것으로 도시하였으나, 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는 상부 전극(120)도 역시 복수 개의 전력 인가부를 가질 수 있다. 따라서, 하부 전극(130)뿐만 아니라 상부 전극(120)에도 복수의 위치에 전원을 인가하고 이러한 전원의 크기 및 위상을 조절할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는 상부 전극(120)에만 복수의 위치에 전원을 인가하고 이러한 전원의 크기 및 위상을 조절할 수도 있다.

그러면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(100)의 동작에 대하여 도 1과 함께 도 3을 참고하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 동작 순서를 나타내는 순서도이다.

먼저, 플라즈마 처리 장치의 처리 조건, 예를 들어, 플라즈마 전원의 전력, 플라즈마 처리 장치의 내부 압력, 공정 기체의 유량 등을 원하는 값을 가지도록 설정(310)한 후, 플라즈마를 발생한다(320).

플라즈마가 발생하면, 감지부(140)는 플라즈마 처리 장치 내부의 위치에 따른 플라즈마의 균일도를 측정하여(330, a'), 위치에 따른 플라즈마의 균일도를 판단한다(340). 만일, 위치에 따라 플라즈마가 불균일하게 발생한 경우(N), 이 결과 를 제어부에 전달한다(350, b').

제어부는 각 전력 인가부(a, b, c, d, e)에 연결되어 있는 정합기(150a, 150b, 150c, 150d, 150e)와 전원(160a, 160b, 160c, 160d, 160e)을 조절(c')하여, 각 전력 인가부(a, b, c, d, e)에 인가되는 전력의 크기 및 위상을 조절한다(360). 그 후, 다시 플라즈마를 발생(320)하고, 감지부(140)는 플라즈마의 균일도를 측정하여(330, a'), 위치에 따른 플라즈마의 균일도를 판단한다(340).

균일한 플라즈마가 발생할 때까지 이러한 과정을 반복한 후, 위치에 따라 균일한 플라즈마가 발생하면(Y) 원하는 공정이 끝날 때까지 플라즈마를 연속하여 발생(370)하여, 공정을 완료하게 된다.

이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(100)는 각 전력 인가부(a, b, c, d, e)에 인가되는 전력의 크기 및 위상을 조절함으로써, 각 전력 인가부(a, b, c, d, e)에 인가되는 전원에 따른 전자파의 위상이 서로 보상될 수 있도록 전원을 조절하여 정상파 효과에 의한 플라즈마의 불균일을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(100)는 전력 인가부(a, b, c, d, e) 중 일부에만 전력을 인가할 수도 있어서, 전력이 인가되는 위치, 인가되는 전력의 크기, 인가되는 전력에 의한 전자파의 위상을 조절함으로써, 각 공정 조건에 맞추어, 균일한 플라즈마를 발생할 수 있다.

그러면, 본 발명의 한 실험예에 따른 플라즈마 처리 장치(100)의 전력 조절에 대하여, 도 4 내지 도 9를 참고로 설명한다. 도 4 내지 도 9는 본 발명의 한 실험예에 따른 플라즈마 처리 장치의 플라즈마 밀도의 공간 분포를 나타내는 그래 프이다.

본 실험예에서는 실제 약 2m의 기판이 장착될 수 있는 플라즈마 처리 장치와 동일한 공정 조건을 가질 수 있도록 플라즈마 처리 장치를 축소 제작하여 실험하였으며, 본 실험에 사용된 전극은 20 cm X 30 cm의 크기를 가지고, 플라즈마 발생부를 정의하는 두 전극 사이의 간격은 약 3cm이고, 플라즈마 처리 장치 챔버 내부의 압력은 300mTorr이었다. 이러한 조건 하에서, 전극에 RF 전력을 인가하는 전력 인가부의 위치와 인가되는 전력의 크기, 전력 인가부에 인가되는 전력의 위상을 달리하여, 플라즈마를 발생시키고, 위치에 따른 플라즈마 밀도를 측정하여, 그래프로 나타내었다.

본 실험예의 제1 실험(A)에서는 플라즈마 전극의 중심부에 위치한 전력 인가부(도 2의 a)에만 50W의 크기를 가지는 전력을 인가하여 플라즈마를 발생하였고, 제2 실험(B)에서는 플라즈마 전극의 좌측부 2곳(도 2의 b, c)에 50W의 크기를 가지는 전력을 인가하여 플라즈마를 발생하였고, 제3 실험(C)에서는 플라즈마 전극의 좌측부 2곳(도 2의 b, c)에 100W의 전력을 인가하였고, 제4 실험(D)에서는 플라즈마 전극의 좌측부 2곳과 우측부 2곳(도 2의 b, c, d, e)에 50W의 크기를 가지는 전력을 인가하여 플라즈마를 발생하였고, 제5 실험(E)에서는 플라즈마 전극의 좌측부 2곳과 우측부 2곳(도 2의 b, c, d, e)에 100W의 크기를 가지는 전력을 인가하여 플라즈마를 발생하였으며, 제6 실험(F)에서는 플라즈마 전극의 좌측부 2곳과 우측부 2곳(도 2의 b, c, d, e)에 100W의 크기를 가지는 전력을 이용하여, 좌측부에 전력이 인가되어 발생한 전자기파와 우측부에 전력이 인가되어 발생한 전자기파가 서로 180°의 위상차를 가지도록 전력의 위상을 조절하여 인가하여 플라즈마를 발생하였다.

도 4 내지 도 9는 이러한 조건에 따른 위치별 플라즈마 밀도 분포를 나타낸다. 도 4 내지 도 9의 (a)에서 x축은 플라즈마 전극의 장축(30cm) 상의 각 위치(X position)를 나타내고, y축은 형성된 플라즈마 밀도를 표준화(normalize)하여 나타낸 값(Ne)을 나타내는데, 플라즈마 전극의 단축(20cm)상의 위치(Y)에 따라 플라즈마 밀도의 표준화 값을 도시한다. 도 4 내지 도 9의 (b)에서는 플라즈마 전극의 장축(30cm) 상의 각 위치(X position)와 단축(20cm) 상의 위치(Y position)에 따라 플라즈마 밀도의 표준화 값(Normalized Ne)을 나타낸다.

도 4를 참고하면, 플라즈마 전극의 중심부에만 전력을 인가한 제1 실험(A)의 경우, 플라즈마 밀도는 전극 중심부에서는 상대적으로 낮고 전극 외곽 부분에서 높은 밀도를 보인다. 이러한 플라즈마 밀도의 분포는 대면적, 고주파 플라즈마 처리 장치의 전극 외곽 부분에서 유도되는 유도 전기장(Inductive Electric Field)에 의해 전극의 외각부에 더 높은 전력이 인가됨으로써, 발생 되는 것이다.

다음으로 도 5를 참고하면, 전극의 한쪽 부분에 치우쳐 전력을 인가하는 제2 실험(B)의 경우, 전력 인가부(도 2의 b, c) 쪽에서 가장 높은 플라즈마 밀도가 형성되며, 플라즈마의 고밀도 부분이 전반적으로 전력을 인가한 전력 인가부(도 2의 b, c) 쪽으로 치우치는 모습을 보여주었다. 또한, 전력을 인가한 전력 인가부(도 2의 b, c) 쪽이 아닌 전극의 반대편 끝 부분(도 2의 d, e) 쪽에서도 전극의 중심부(도 2의 a)보다는 높은 플라즈마 밀도가 형성되었음을 알 수 있다. 이러한 결과 는 유도 전기장(Inductive Electric Field)의 영향으로 판단된다. 전력 인가부에서 시작된 전자기 파는 전극 표면을 따라 진행한 후, 전극의 끝부분에서 반대 방향으로 진행하게 되는데, 이 때 챔버 내에서 서로 반대 방향으로 진행하다 서로 만나는 전자기파의 위상이 서로 동일하지 않게 되어, 전극의 양단에서 발생한 유도 전기장의 위상이 대칭이되지 않게 된다. 따라서, 전극의 중앙부에 전력을 인가하는 제1 실험(A) 다른 형태의 전기장 세기 분포를 가지게 된다.

다음으로, 도 6을 참고하면, 전극의 중심부에서 대각선 상으로 동일한 거리에 위치한 4개 부위(도 2의 b, c, d, e)에 동시에 전력을 인가하는 제3 실험(C)의 경우, 전극의 단축 방향의 중심부의(Y position=10cm) 플라즈마 밀도가 단축방향의 외곽 부분(Y position=5cm, 15cm)보다 작다는 것을 알 수 있다. 즉, 전극의 중심부에만 전력을 인가한 경우(제1 실험(A))보다 플라즈마의 공간적 분포가 전극의 모서리 부분에서 크게 나타나고, 전력 인가부(도 2의 b, c, d, e) 부근에서 플라즈마 밀도가 높고 전력 인가부 사이의 공간에서는 상대적으로 낮은 플라즈마 밀도가 형성됨을 알 수 있었다.

이처럼, 도 4 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 전극의 중앙부에만 전력을 인가하는 경우(제1 실험(A))에 비하여, 전극의 한쪽 측면이나 전극의 외곽부에 전력을 인가한 경우(제2 실험(B)와 제3 실험(C))의 경우, 전력 인가부의 위치 및 개수를 조절함으로써, 플라즈마의 공간 분포를 변화 시킬 수 있었다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 경우 플라즈마 처리 공정 조건에 맞추어 감지부(140)와 제어부(170)를 이용하여, 전력 인가부의 위치 및 개수를 조절함으로 써, 대면적, 고주파 플라즈마 처리 장치의 플라즈마 균일도를 제어할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

다음으로, 도 7을 참고하면, 제2 실험(B)과 동일한 위치의 전력 인가부에 2배 크기의 전력(100W)을 인가한 제4 실험(D) 경우, 도 5에 비하여, 전력 인가부 인접부(도 7의 화살표)에서 플라즈마 밀도가 더 높게 나타남을 알 수 있었다.

또한, 도 8에 도시한 바와 같이, 제3 실험(C) 동일한 위치의 전력 인가부에 2배 크기의 전력(100W)을 인가한 제 5 실험(E)의 경우에도, 도 6에 비하여, 전력 인가부 인접부에서 플라즈마 밀도가 더 높게 나타남을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는 전력을 인가하는 전력 인가부의 위치나 개수뿐만 아니라, 인가되는 전력의 크기를 조절함으로써, 플라즈마의 공간 분포를 조절할 수 있었음을 알 수 있다.

마지막으로, 도 9를 참고하면, 플라즈마 전극의 좌측부 2곳과 우측부 2곳(도 2의 b, c, d, e)에 100W의 크기를 가지는 전력을 이용하여, 좌측부에 전력이 인가되어 발생한 전자기파와 우측부에 전력이 인가되어 발생한 전자기파가 서로 180°의 위상차를 가지도록 전력의 위상을 조절하여 인가하여 플라즈마를 발생한 제6 실험(F)의 경우, 도 8과 비교하여, 전력 인가부 인접부에서 플라즈마 밀도가 높게 나타나는 현상을 완화할 수 있음을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는 전력을 인가하는 전력 인가부의 위치나 개수, 인가되는 전력의 크기뿐만 아니라, 인가되는 전력의 전자파 위상을 조절함으로써, 플라즈마의 공간 분포를 조절할 수 있었음을 알 수 있 다.

위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는 전력이 인가되는 위치, 인가되는 전력의 크기, 인가되는 전력에 의한 전자파의 위상을 조절함으로써, 각 공정 조건에 맞추어, 균일한 플라즈마를 발생할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 하부 전극을 도시한 개략도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 동작 순서를 나타내는 순서도이다.

도 4 내지 도 9는 본 발명의 한 실험예에 따른 플라즈마 처리 장치의 플라즈마 밀도의 공간 분포를 나타내는 그래프이다.

Claims (12)

1. 플라즈마 발생부를 정의하는 두 전극,

   상기 두 전극 중 적어도 하나에 배치되어 있으며, 각기 전력을 인가하는 복수의 전력 인가부,

   상기 플라즈마 발생부의 플라즈마를 감지하는 감지부, 그리고

   상기 복수의 전력 인가부에 인가되는 전력의 특성을 조절하는 제어부를 포함하는 플라즈마 처리 장치.
2. 제1항에서,

   상기 감지부와 상기 제어부는 서로 연결되어 있는 플라즈마 처리 장치.
3. 제1항에서,

   상기 감지부와 상기 제어부는 서로 통신하는 플라즈마 처리 장치.
4. 제3항에서,

   상기 제어부는 상기 감지부의 감지 결과에 따라 상기 복수의 전력 인가부 중 적어도 하나에 인가되는 전력의 위상을 조절하는 플라즈마 처리 장치.
5. 제3항에서,

   상기 제어부는 상기 감지부의 감지 결과에 따라 상기 복수의 전력 인가부 중 적어도 하나에 인가되는 전력의 크기를 조절하는 플라즈마 처리 장치.
6. 제1항에서,

   상기 제어부는 상기 감지부의 감지 결과에 따라 상기 복수의 전력 인가부 중 적어도 하나에 인가되는 전력의 위상을 조절하는 플라즈마 처리 장치.
7. 제1항에서,

   상기 제어부는 상기 감지부의 감지 결과에 따라 상기 복수의 전력 인가부 중 적어도 하나에 인가되는 전력의 크기를 조절하는 플라즈마 처리 장치.
8. 제1항에서,

   상기 복수의 전력 인가부는 2개 내지 15개인 플라즈마 처리 장치.
9. 제8항에서,

   상기 복수의 전력 인가부는 서로 독립되어 이격되어 있는 플라즈마 처리 장치.
10. 제9항에서,

    상기 복수의 전력 인가부에 각기 연결되어 있는 복수 개의 정합기를 더 포함 하는 플라즈마 처리 장치.
11. 제1항에서,

    상기 복수의 전력 인가부는 서로 독립되어 이격되어 있는 플라즈마 처리 장치.
12. 제1항에서,

    상기 복수의 전력 인가부에 각기 연결되어 있는 복수 개의 정합기를 더 포함하는 플라즈마 처리 장치.

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