KR20100037974A - 플라즈마 처리방법 및 처리장치 - Google Patents

Abstract

플라즈마 처리방법은 스테이지를 구비한 플라즈마 챔버 내부에 소정 온-오프 주기로 고주파 펄스를 인가하여 플라즈마를 발생시키고, 상기 고주파 펄스의 온 주기 내에서 바이어스 온 주기가 시작되어 상기 고주파 펄스의 오프 주기 내에서 상기 바이어스 온 주기가 끝나는 직류 바이어스 펄스를 상기 스테이지에 인가하는 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 처리 대상물에 이온을 도핑하기 위한 공정을 진행할 때 플라즈마 내의 음이온이 플라즈마 처리 대상물로 주입되는 것을 방지할 수 있어 플라즈마 처리 대상물에 주입되는 양이온의 주입효율을 향상시키고, 원하지 않는 음이온이 처리 대상물에 주입되어 발생하는 불순물 효과도 줄일 수 있다.

Description

플라즈마 처리방법 및 처리장치{Plasma processing method and processing apparatus}

본 발명은 플라즈마 처리방법 및 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 처리 대상물에 플라즈마 처리를 수행하는 플라즈마 처리방법 및 장치에 관한 것이다.

플라즈마는 양(+) 또는 음(-)의 전하를 갖는 같은 수의 입자를 포함하는 부분적으로 이온화된 기체를 의미한다. 상기 기체는 다수의 입자를 가지며 상기 입자 각각은 양 또는 음의 전하를 가지거나 전기적으로 중성인 상태이지만, 이러한 입자들의 집합인 상기 기체 전체 즉 플라즈마는 전기적으로 중성인 성질을 가진다.

이러한 플라즈마를 이용하는 처리방법, 특히 플라즈마 이온 도핑 기술은 플라즈마 내의 이온을 수 ~ 수백 keV로 가속시켜 처리 대상물의 표면에 주입시키는 기술로써, 이온의 양이나 에너지를 변화시킴으로서 이온의 주입 깊이, 분포 및 조성을 쉽게 조절할 수 있는 기술이다.

플라즈마 이온 도핑 기술은 주로 디스플레이 기판 및 반도체 소자 제작시에 불순물의 도핑과정에 주로 사용되고, 최근에는 금속, 세라믹, 고분자 등 다양한 소재의 표면 개질(Surface modification)에도 사용된다.

종래의 플라즈마 이온 도핑장치는 진공 챔버, 플라즈마원, 가스 공급 장치 그리고 고전압 인가장치로 구성된다. 플라즈마 이온 도핑장치는 플라즈마원의 종류에 따라 구분될 수 있다. 플라즈마원은 필라멘트(Hot filament), 고주파(radio frequency, RF), ECR(electron cyclotron resonance), 마그네트론 그리고 글로 방전(grow discharge)과 같이 다양한 종류가 사용된다.

이중에서 고주파 플라즈마원은 그 구성이 간단하고, 낮은 압력에서의 공정 진행 및 플라즈마의 균일성, 그리고 넓은 공간에서 낮은 밀도의 균일한 플라즈마를 형성할 수 있다.

한편, 고전압 인가장치는 처리 대상물에 바이어스 전압을 인가하는 장치인데, 바이어스 전압은 직류 또는 교류형태로 인가될 수 있다. 바이어스 전압이 직류 형태인 경우 상기 처리 대상물의 처리 대상면이 플라즈마가 가지는 전위(Electric potential)에 대하여 음전위를 가지도록 인가된다. 상기 처리 대상면이 플라즈마에 대해 음전위를 가지도록 하는 이유는 상기 처리 대상면에 주입되는 이온이 보통 양이온이기 때문이다.

또한, 상기 직류 바이어스 전압은 통상적으로 1 ~ 100kV의 크기를 가지는 펄스 형태로 인가되는데, 그 이유는 재료 표면에서의 아크 발생 방지, 쉬스의 크기 제한, 바이어스-오프(bias-off) 기간 동안의 이온의 재충전 등을 위한 것이다.

하지만 종래의 기술에서는 처리 대상물에 인가되는 직류 바이어스 전압의 온/오프 기간에 대한 명확한 공정 기준이 제공되지 않아 사용자의 경험적 기준에 의하여 공정이 수행되는 경우가 대부분이다.

본 발명은 플라즈마 이온 도핑 공정의 진행시에 직류 바이어스 인가 전압과 플라즈마를 발생시키는 고주파를 상호 연동하여 펄스 형태로 제공함으로써 플라즈마 이온 도핑 공정에서 원하지 않는 음이온의 주입을 방지할 수 있는 플라즈마 처리 방법과 처리 장치를 제공하기 위한 것이다.

플라즈마 처리 방법은 스테이지를 구비한 플라즈마 챔버 내부에 소정 온-오프 주기로 고주파 펄스를 인가하여 플라즈마를 발생시키고, 상기 고주파 펄스의 온 주기 내에서 바이어스 온 주기가 시작되어 상기 고주파 펄스의 오프 주기 내에서 상기 바이어스 온 주기가 끝나는 직류 바이어스 펄스를 상기 스테이지에 인가하는 것일 수 있다.

상기 직류 바이어스 펄스의 바이어스 온 주기의 시작은 상기 고주파 펄스의 온 주기가 시작된 후 소정 지연시간 이후에 이루어지고, 상기 직류 바이어스 펄스의 바이어스 온 주기의 끝은 상기 고주파 펄스의 오프 주기가 시작되는 시점과 일 치하는 것일 수 있다.

상기 스테이지에는 디스플레이 기판 또는 반도체 기판 중 어느 하나가 처리되기 위해 안착될 수 있다.

플라즈마 처리 장치는 처리 대상물이 안착되는 스테이지가 구비되는 챔버, 상기 챔버에 연결되는 고주파 전원, 상기 스테이지에 연결되는 직류 바이어스 전원, 상기 고주파 전원에서 제공되는 고주파를 온/오프 하여 고주파 펄스를 제공하고, 상기 직류 바이어스 전원에서 제공되는 직류 바이어스를 온/오프 하여 직류 바이어스 펄스를 제공하는 스위치, 상기 스위치를 제어하여 상기 고주파 펄스의 온 주기 내에서 바이어스 온 주기가 시작되고 상기 고주파 펄스의 오프 주기 내에서 상기 바이어스 온 주기가 끝나는 직류 바이어스 펄스를 인가하는 제어부를 구비하는 것일 수 있다.

본 실시예에 따른 플라즈마 처리방법과 장치는 플라즈마 처리 대상물, 예를 들어 디스플레이 기판 등과 같은 것들에 이온을 도핑하기 위한 공정을 진행할 때 플라즈마 내의 음이온이 플라즈마 처리 대상물로 주입되는 것을 방지할 수 있어 플라즈마 처리 대상물에 주입되는 양이온의 주입효율을 향상시키고, 원하지 않는 음이온이 처리 대상물에 주입되어 발생하는 불순물 효과도 줄일 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 플라즈마 처리장치는 진공 챔버(100)와 진공 챔버(100) 내부에 설치되며 플라즈마 처리 대상물(이하에서는 "기판"이라고 한다)이 안착되는 스테이지(120)를 구비한다. 본 실시예에서 플라즈마 처리 대상물은 디스플레이 제조용 기판(130) 또는 반도체 소자 제조용 기판일 수 있다.

진공 챔버(100)의 외부에는 플라즈마 유도를 위한 유도코일(110, Inductively coil)이 구비되며, 유도코일(110)이 위치한 챔버(100) 외벽은 유전체 창(dielectric window)으로 구성될 수 있다. 유도코일(110)은 고주파(RF) 전원(140)과 연결되어, 플라즈마 발생을 위한 자기장을 유도한다. 그리고 플라즈마 처리장치는 고주파 전원(140)과 유도코일(110) 사이에 고주파 전원(140)의 고주파 펄스(High frequency pulse) 인가를 위한 제 1스위치(200)를 구비한다.

또한 기판(130)에 대한 이온 도핑과 같은 플라즈마 처리를 위하여 스테이지(120)에 연결되어 플라즈마 전위(plasma potential)를 기준으로 마이너스 전압(negative voltage)인 직류 바이어스 펄스(DC bias pulse)의 제공을 위한 직류(DC) 전원(150)을 구비한다.

직류 바이어스 펄스의 제공을 위하여 플라즈마 처리장치는 직류 전원(150)과 스테이지(120) 사이에 설치되는 제 2스위치(210)를 구비한다. 플라즈마 처리장치는 제 1스위치(200)와 제 2스위치(210)의 온/오프를 제어하기 위하여 제 1스위치(200)와 제 2스위치(210)에 각각 연결된 제어부(220)를 구비한다.

그리고 도면에 도시되지 않았지만 플라즈마 발생을 위한 다양한 종류의 공정 가스(공정가스는 플라즈마 처리 공정의 종류 및 처리 대상물에 따라 달라질 수 있다.)를 공급하는 가스 공급부와 챔버(100) 내부의 진공 형성을 위한 진공 펌프가 각각 진공 챔버(100)에 연결된다.

이하에서는 전술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 작용상태에 대하여 설명한다.

도 2는 본 실시예에 따른 플라즈마 처리방법에 대한 플로우 차트이다.

도 2에 도시된 바와 같이 진공 챔버(100) 내부의 스테이지(120)에 플라즈마 처리를 위한 플라즈마 처리 대상물인 기판(130)이 로봇 등과 같은 반송장치에 의하여 로딩되어 안착된다(S100).

그리고 이후 챔버(100) 내부가 공정 수행을 위한 소정 진공도까지 펌핑된 후 챔버(100) 내부에는 플라즈마 발생을 위하여 공정 가스가 투입된다. 이후 고주파 전원(140)으로부터 유도코일(110)에 고주파가 인가되면 이때의 자기장에 의하여 챔버(100) 내부에 플라즈마가 발생된다(S200).

이후, 상기 고주파 펄스와 연동하여 직류 바이어스 펄스를 스테이지(120)에 인가한다(S300). 이 과정은 좀더 상세히 후술한다.

도 3은 본 실시예에 따른 플라즈마 처리방법에서 인가되는 고주파 펄스와 직류 바이어스 펄스를 시간주기로 나타낸 타임 스케줄이다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예에서의 플라즈마 처리장치는 고주파를 펄스 형태로 유도코일(110)에 인가한다. 소정 주기(T)를 가진 고주파를 펄스 형태로 인가하게 되면 챔버(100) 내부에는 고주파 펄스의 온 주기(Ton)동안 플라즈마가 발생하고, 상기 고주파 펄스의 오프 주기(Toff) 동안에는 발생하지 않는다. 이러한 고주파 펄스의 제공은 제어부(220)에서 제 1스위치(200)를 제어함으로써 수행될 수 있다.

상기한 고주파 펄스의 소정 주기(T) 동안 직류 바이어스 전압도 펄스 형태로 스테이지(120)에 인가된다. 이때, 제어부(220)는 상기 고주파 펄스 주기(T)에 따라 미리 설정된 지연 시간(Delay Time; DT) 후 소정시간(TBon) 동안 직류 바이어스 전압을 스테이지(120)에 인가한다. 이때, 상기 소정시간(TBon)동안 스테이지(120)에 인가되는 직류 바이어스 전압은 음(negative)의 바이어스 전압이다.

챔버(100) 내부에 플라즈마가 발생한 상태(즉, 고주파 펄스의 온주기(Ton))에서 상기 스테이지(120)에 음의 바이어스 전압이 인가되면 상기 스테이지(120)에 안착된 기판(130)의 주위에서 음전하를 띠고 있는 입자 예를 들면, 전자나 음이온들은 상기 기판(130)의 처리 대상면으로부터 멀어지고 양전하를 띠는 양이온들은 가까워진다.

이때 전자와 양이온 간의 큰 질량차이로 인하여 전자들은 기판(130)의 처리 대상면으로부터 빠르게 멀어져 챔버(100)의 벽이나 양극(Anode, 미도시)으로 흡수되지만, 양이온들은 느리게 움직이므로 플라즈마 내에 남게된다. 그 결과 상기 플라즈마는 전체적으로 양전위(positive potential)를 가지게 되며 기판의 처리 대상면 방향으로 전기장이 형성된다.

상기 전기장에 의해 양이온들은 기판(130)의 처리 대상면으로 가속되어 기 판(130)의 처리 대상면으로 주입된다. 여기서, 상기 양이온들이 모두 기판(130)의 처리 대상면으로 주입되는 것은 아니고, 일부는 상기 처리 대상면 주위에 쌓이게 된다.

그런데, 이러한 상태에서 스테이지(120)에 인가되는 직류 바이어스 전압이 꺼지면 기판(130)의 처리 대상면에 근접하여 쌓여 있던 양이온들에 의해 상기 전기장과 반대 방향으로 쉬스 필드가 형성된다. 그 결과 플라즈마 내의 음이온이 끌어당겨져 기판(130)으로 주입되는 현상이 발생한다. 이러한 현상은 플라즈마 처리에 있어서 원하지 않는 불순물이 기판(130)에 주입되는 결과를 발생하게 한다.

따라서, 직류 바이어스 전압은 고주파 펄스가 오프 주기(Toff)에 돌입한 후에 꺼지는 것이 바람직하다. 다시 말해 직류 바이어스 전압의 바이어스 온 주기(TBon)는 상기 고주파 펄스가 오프 주기(Toff)에 돌입한 후까지 지속되도록 하는 것이다.

도 4는 본 실시예에 따른 플라즈마 처리방법에서 인가되는 고주파 펄스와 직류 바이어스 펄스를 시간주기로 나타낸 다른 타임 스케줄이다.

도 4를 참조하면, 고주파 펄스가 온 주기(Ton)에서 오프 주기(Toff)로 변하는 순간에 동기화(synchronization)하여 직류 바이어스 전압을 오프하고 있다. 직류 바이어스 온 주기(TBon)가 지나치게 길면 더 많은 전력을 소모하게 되므로 고주파 펄스가 오프 주기(Toff)에 돌입한 직후에 직류 바이어스 전압을 오프하는 것이 바람직하다.

이를 위하여 제어부(220)는 제어부(220)에 포함될 수 있는 타이머의 동작에 따라 제 2스위치(210)를 온/오프하여 설정된 시간(TBon)동안 직류 바이어스 전압이 스테이지(120)에 인가되도록 하여 기판(130)에 대한 보다 효과적인 이온 도핑이 이루어지도록 한다.

즉, 본 실시예에서는 고주파 펄스를 온(on) 시킨 후 소정 지연시간(delay time: DT) 이후에 직류 바이어스 전압을 온 시키고, 고주파 펄스가 오프된 후 또는 오프되는 시점에 직류 바이어스 전압을 오프시키는 방법으로 기판에 원하지 않는 음이온이 주입되지 않게 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리방법에 대한 플로우 차트이다.

도 3은 본 실시예에 따른 플라즈마 처리방법에서의 고주파와 직류 바이어스 인가를 시간주기로 나타낸 타임 스케줄이다.

도 4는 본 실시예에 따른 플라즈마 처리방법에서 고주파와 직류 바이어스 인가를 시간주기로 나타낸 다른 타임 스케줄이다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

140 : 고주파 전원

150 : 직류전원

200 : 제 1 스위치

210 : 제 2 스위치

220 : 제어부

Claims (6)

1. 스테이지를 구비한 플라즈마 챔버 내부에 소정 온-오프 주기로 고주파 펄스를 인가하여 플라즈마를 발생시키고,

   상기 고주파 펄스의 온 주기 내에서 바이어스 온 주기가 시작되어 상기 고주파 펄스의 오프 주기 내에서 상기 바이어스 온 주기가 끝나는 직류 바이어스 펄스를 상기 스테이지에 인가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 직류 바이어스 펄스의 바이어스 온 주기의 시작은 상기 고주파 펄스의 온 주기가 시작된 후 소정 지연시간 이후에 이루어지고, 상기 직류 바이어스 펄스의 바이어스 온 주기의 끝은 상기 고주파 펄스의 오프 주기가 시작되는 시점과 일치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 스테이지에는 디스플레이 기판 또는 반도체 기판 중 어느 하나가 처리되기 위해 안착되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
4. 처리 대상물이 안착되는 스테이지가 구비되는 챔버;

   상기 챔버에 연결되는 고주파 전원;

   상기 스테이지에 연결되는 직류 바이어스 전원;

   상기 고주파 전원에서 제공되는 고주파를 온/오프 하여 고주파 펄스를 제공하고, 상기 직류 바이어스 전원에서 제공되는 직류 바이어스를 온/오프 하여 직류 바이어스 펄스를 제공하는 스위치;

   상기 스위치를 제어하여 상기 고주파 펄스의 온 주기 내에서 바이어스 온 주기가 시작되어 상기 고주파 펄스의 오프 주기 내에서 상기 바이어스 온 주기가 끝나는 직류 바이어스 펄스를 인가하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 직류 바이어스 펄스의 바이어스 온 주기의 시작은 상기 고주파 펄스의 온 주기가 시작된 후 소정 지연시간 이후에 이루어지고, 상기 직류 바이어스 펄스의 바이어스 온 주기의 끝은 상기 고주파 펄스의 오프 주기가 시작되는 시점과 일치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
6. 제 4항에 있어서, 상기 처리 대상물은 디스플레이 기판 또는 반도체 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.

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