KR20100048326A - 플라즈마 밀도 균일도 향상을 위한 다분할 적층형 플레이트 구조의 유전체 윈도우를 가지는 플라즈마 발생장치 - Google Patents

플라즈마 밀도 균일도 향상을 위한 다분할 적층형 플레이트 구조의 유전체 윈도우를 가지는 플라즈마 발생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 에칭 장치, 플라스마화학기상 증착 장치, 플라즈마 표면처리 장치 등 대구경 웨이퍼 및 대면적 기판 가공을 위한 플라즈마 발생 장치의 챔버 내부 플라즈마 밀도를 균일하게 하기 위한 다분할 적층형의 유전체 윈도우를 가지는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다. 유전체 윈도우 상면에 유전율이 동일하거나 서로 다른 한개 혹은 다수의 보조 유전체 플레이트(plate)를 적층함으로써 유전체 윈도우 상부에 위치하는 코일의 구조와 관계없이 대면적에 걸쳐 균일한 플라즈마를 갖도록 하는 것을 목적으로 하는 것이다.
플라즈마 발생장치, 유전체 윈도우

Description

플라즈마 밀도 균일도 향상을 위한 다분할 적층형 플레이트 구조의 유전체 윈도우를 가지는 플라즈마 발생장치 {Plasma processing apparatus including multi-stacked dielecric window for uniform plasma density}
본 발명은 플라즈마 에칭 장치, 플라스마화학기상 증착 장치, 플라즈마 표면처리 장치 등 대구경 웨이퍼 및 대면적 기판 가공을 위한 플라즈마 발생 장치의 챔버 내부 플라즈마 밀도를 균일하게 하기 위한 다분할 적층형의 유전체 윈도우를 가지는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 유전체 윈도우 상면에 유전율이 동일하거나 서로 다른 한 개 혹은 다수의 보조 유전체 플레이트를 적층함으로써 유전체 윈도우 상부에 위치하는 코일의 구조와 관계없이 대면적에 걸쳐 균일한 플라즈마를 갖도록 한 것이다. 또한, 리액터(reactor) 외부에서도 보조 유전체 플레이트의 적층이 가능하도록 구성하여 공정 압력변화, 공정 가스의 변화, 고주파 전력원의 크기 변화 등의 공정 조건 변화에 따른 리액터 내부의 플라즈마 밀도의 불균일 조정을 위한 보조 유전체 플레이트의 재배열이 용이하도록 구성한 것이다.
일반적으로, 반도체 웨이퍼나 평판 표시 장치 기판 등 미세 패턴 형성을 필요로 하는 기술 분야에서는 플라즈마를 생성하여 건식 식각, 기상 증착 등 각종 표 면 처리 공정을 수행한다. 일련의 공정을 위한 플라즈마 발생 장치로는 유도 결합형 플라즈마 발생 장치나, 축전 결합형 플라즈마 발생 장치 등이 널리 사용되고 있으며 그 중 유도 결합형 플라즈마 발생 장치는 구조적인 면에서 비교적 간단하고 대면적에서 고밀도 플라즈마를 상대적으로 용이하게 얻을 수 있다는 장점으로 널리 사용되고 있다. 최근에는 반도체 웨이퍼나 평판 표시 장치용 기판의 고집적화 및 대면적화 경향으로 인하여 플라즈마 발생 장치의 규모도 점차 커지고 있으며 그에 따라 플라즈마 발생 장치의 과제는 대면적에서 고밀도 플라즈마의 균일화이다.
종래의 일반적인 유도 결합형 플라즈마 발생장치는 상대적으로 인접한 코일이 많은 중심부에서는 플라즈마 밀도가 높고, 인접한 코일이 적은 가장자리는 플라즈마 밀도가 낮은 특성을 가지는 나선형(spiral) 코일 구조에 기인하는 중심부와 가장자리부의 플라즈마 밀도차가 있다. 플라즈마 밀도의 불균일은 상기 언급한 각종 표면 처리 공정 시 대면적 기판상에 균일한 공정 특성을 확보할 수 없다. 그에 따라 유도 결합형 플라즈마 발생 장치에 의해 형성된 고밀도 플라즈마 밀도의 균일도를 개선하는 방법으로는 안테나와 유전체 윈도우의 상대적인 위치를 조정하여 플라즈마 밀도를 균일하게 개선하는 방법 (JP), 커패시터(capacitor)와 전기적으로 연결된 코일 복수를 병렬로 연결하고 각각 커패시터의 커패시턴스(capacitance)를 조정하여 코일에 흐르는 전류를 제어하여 방식을 통하여 궁극적으로 플라즈마 밀도의 균일도를 개선하는 방법 (US 6,463,875), 유전체 윈도우의 중심부를 가장자리보다 두껍게 제작하고 상·하, 좌·우 이동가능한 코일을 구성하여 플라즈마 밀도의 균일도를 개선하는 방법 (US 5,690,781) 등이 소개되고 있으나, 상기 언급한 방법 으로 플라즈마 발생장치를 구성하더라도 국부적으로 발생하는 플라즈마 밀도 균일도를 개선하는 데는 여전히 그 한계가 있다.
종래의 일반적인 유도 결합형 플라즈마 발생 장치의 단면을 도 1에 도시하였으며, 종래의 일반적인 유도 결합형 플라즈마 발생 장치의 나선형(spiral) 코일 구조의 평면을 도 2에 도시하였다. 종래의 일반적인 유도 결합형 플라즈마 발생 장치는 도 1에 도시한 것 같이 고주파 전력원(101)과 정합기(102)로 구성된 전원 공급장치와 코일(103), 평판 유전체 윈도우(104), 기판척 전력원(105), 기판척 정합기(106),기판척(107)을 포함하는 리액터(1)와 플라즈마 발생을 위한 가스(gas) 주입부분과 진공 펌핑 부분으로 이루어진다. (플라즈마 발생 장치의 구성요소 중 플라즈마 발생을 위한 가스(gas) 주입부분과 진공 펌핑 부분은 통상적으로 사용되는 부분임으로 생략하였다.)
상기 전력원(101)에 의해 고주파 전력이 코일(103)에 인가되면 평판 유전체 윈도우(104) 통하여 리액터(1) 내에 유도 자기장이 형성되고, 유도 자기장에 의한 유도 전기장이 발생하게 된다. 유도 전기장은 리액터(1) 내의 자유 전자에 에너지를 공급하게 되고, 플라즈마를 발생 유지하게 된다. 하지만, 다분할 영역에서 두께가 동일한 평판 유전체 윈도우(104)를 가지고, 도 2에 도시한 기존 나선형(spiral) 코일 구조에서 유도되는 자기장은 상대적으로 인접한 코일이 많은 중앙부에서 높고 그렇지 않은 가장자리는 낮게 된다. 유도 자기장의 불균일은 유도 전기장의 불균일을 가져오게 되어 리액터 내부의 플라즈마 밀도를 균일하게 하는 것이 어렵게 된다.
또한, 앞서 예시한 종래의 일반적인 유도 결합형 플라즈마 발생장치의 플라즈마 밀도 균일도를 개선하기 위한 일련의 방법에서도 중심축을 기준으로 비대칭한 코일 구조에서 국부적으로 발생하는 플라즈마 밀도의 불균일함과, 상대적으로 고전압이 인가에 따른 이온손실이 발생으로 플라즈마 밀도의 강하가 일어나는 전력원이 연결되는 중심부에서부터 그라운드에 연결되는 코일 가장자리까지 회전방향을 따라 발생하는 플라즈마 밀도의 불균일함을 개선하는데 한계가 있다. 또한, 코일 이동을 위한 추가되는 부대 장치를 구성하는 것 또한 기존 장비와 비교하여 구조가 복잡해지는 단점이 있다.
따라서, 본 발명을 상술한 문제점을 해결하기 위하여 유도 결합형 플라즈마 발생 장치의 플라즈마 밀도의 균일도를 대면적에서 가질 수 있도록 유전체 윈도우 상면에 유전율이 동일하거나 서로 다른 한 개 혹은 다수의 보조 유전체 플레이트(plate)를 적층함으로써 유전체 윈도우 상부에 위치하는 코일의 구조와 관계없이 대면적에 걸쳐 균일한 플라즈마를 갖도록 하는 데 있다. 나선형 코일의 중심부와 같이 코일이 인접하여 상대적으로 높은 플라즈마 밀도를 가지는 영역에서 적층되는 보조 유전체 플레이트의 수량을 증가시키고, 인접하는 코일이 적은 가장자리부와 같이 플라즈마 밀도가 낮은 영역은 적층되는 보조 유전체 플레이트의 수량을 감소시켜 리액터(1) 내부의 플라즈마 밀도 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 밀도를 균일하도록 추가하는 보조 유전체 플레이트의 적층이 리액터(1) 외부에서도 가능하도록 구성하여 코일 구조 변경과 공정 압력변화, 공정 가 스의 변화, 고주파 전력원의 크기 변화 등의 공정 조건 변화에 따른 리액터(1) 내 플라즈마 밀도의 불균일 조정을 위한 보조 유전체 플레이트의 재배열이 용이하도록 한다.
바람직하게, 상기의 유전체 플레이트는 일반적으로 원형이나 사각형, 다각형 등 플라즈마 발생장치의 크기나 사용자의 의도에 따라서 변경이 가능하다.
바람직하게, 상기의 보조 유전체 플레이트는 원형, 타원형, 사각형, 다각형 등 플라즈마 발생장치의 크기나 사용자의 의도에 따라서 변경이 가능하다.
바람직하게, 상기의 보조 유전체 플레이트는 Quartz, SiO2, Alumina, ZrO2 등 유전율이 서로 다른 재질로 구성할 수 있으며, 동일한 재질의 플레이트로 구성하더라도 두께를 서로 다르게 구성할 수 있다.
본 발명의 다분할 적층형 구조의 유전체 윈도우를 통하여 플라즈마 발생장치의 리액터 내부의 플라즈마 밀도 균일도를 개선할 수 있다. 아울러, 코일 구조의 변경과 공정 압력변화, 공정 가스의 변화, 고주파 전력원의 크기 변화 등의 공정 조건 변화에 따른 플라즈마 밀도의 불균일 조정을 위한 보조 플레이트의 재배열이 리액터 외부에서도 가능하게 하여 사용자에게 편의성을 제공할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 다분할 적층형 구조의 유전체 윈도우를 가지는 플라즈마 발생장치의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다 음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 다분할 적층형 구조의 유전체 윈도우를 가지는 유도 결합형 플라즈마 발생장치의 단면도이다. 도 3에 도시한 것 같이 고주파 전력원(101)과 정합기(102)로 구성된 전원 공급장치와 코일(103), 다분할 적층형 구조의 유전체 윈도우(300), 기판척 전력원(105), 기판척 정합기(106),기판척(107)을 포함하는 리액터(1)와 플라즈마 발생을 위한 가스(gas) 주입부분과 진공 펌핑 부분으로 이루어진다. (플라즈마 발생 장치의 구성요소 중 플라즈마 발생을 위한 가스(gas) 주입부분과 진공 펌핑 부분은 통상적으로 사용되는 부분임으로 생략하였다.)
이때, 리액터(1) 내부의 플라즈마 밀도를 균일하게 유지시키기 위하여 다분할 적층형 구조의 유전체 윈도우(300)는 도 4에 도시한 것과 같이 챔버 외부와 진공분위기 챔버 내부의 차압을 견딜 수 있도록 10 mm 이상의 두께를 가지면서 제 2 유전체 윈도우(302)가 삽입될 있도록 설계된 제 1 유전체 윈도우(301), 다수의 보조 유전체 플레이트를 적층 할 수 있도록 구성된 제 2 유전체 윈도우(302), 리액터 내부의 플라즈마 밀도의 분포에 따라 제 2 유전체 윈도우(302)에 적층되는 보조 유전체 플레이트(303,304,305,306)로 구성된다.
리액터(1) 내부의 플라즈마 밀도의 분포에 따라 두께 및 유전율이 동일하거나 서로 다른 한 개 혹은 다수의 보조 유전체 플레이트(303,304,305,306)를 적층함으로써 코일의 비대칭과, 밀집도 차이 등 코일 구조 및 공정 압력변화, 공정 가스의 변화, 고주파 전력원의 크기 변화 등의 공정 조건 변화에 따른 리액터 내부의 플라즈마 밀도의 불균일을 조정할 수 있다.
또한, 상기 보조 유전체 플레이트(303,304,305,306)가 적층된 제 2 유전체 윈도우(302)는 리액터 외부에서도 제 1 유전체 윈도우의 홈을 따라 탈, 부착이 가능하도록 되어 있어 보조 유전체 플레이트(303,304,305,306) 재배열시에도 리액터(1) 내부의 진공을 파기하지 않아 유지 및 보수를 위한 시간 단축 및 사용자에게 편의성을 제공할 수 있도록 구성된다.
또한, 상기 보조 유전체 플레이트(303,304,305,306) 원형, 타원형, 사각형, 다각형 등 플라즈마 발생장치의 크기나 사용자의 의도에 따라서 변경이 가능하다.
도 6은 상기 언급한 본 발명의 일 실시 예에 따라 유전체 윈도우(300)를 다분할 영역에서 동일한 두께를 가지도록 보조 유전체 플레이트(303)만을 이용하여 구성한 단면도이다. 코일(103)은 도 2와 같이 나선형(spiral)코일을 사용하였다. 종래의 평판 유전체 윈도우를 사용한 것과 같이 다분할 영역에서 유전체 윈도우(303) 두께를 동일하게 구성하면 도 8, A 에 도시한 것과 같이 중심부는 인접한 코일 많아 상대적으로 높은 플라즈마 밀도를 가지며, 인접하는 코일이 적은 가장자리는 플라즈마 밀도가 낮아지는 불균일이 발생하며, 또한 기판척의 중심축을 기준으로 코일(103)의 비대칭한 구조에 의하여 좌, 우 플라즈마 밀도의 불균일이 발생한다. 반면에, 도 7은 상기 언급한 본 발명의 일 실시 예에 따라 유전체 윈도우(300)를 다분할 영역에서 리액터(1) 내부의 플라즈마 밀도의 분포에 따라 두께 및 유전율이 동일하거나 서로 다른 한 개 혹은 다수의 보조 유전체 플레이트(303,304,305,306)를 적층함으로써, 도 8, B 에 도시한 것과 같이 대면적 에서 균일한 플라즈마 밀도를 가질 수 있다.
이상 바람직한 실시 예 및 변형 예에 대해 설명하였으나, 본 발명에 따른 다분할 적층형 플레이트 구조의 유전체 윈도우를 가지는 플라즈마 발생장치의 구성은 상술한 예들에 한정한 것은 아니며, 그 예들의 변형이나 조합에 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 구성이 구체화될 수 있다.
도 1은 종래의 유도 결합형 플라즈마 발생 장치를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 종래의 플라즈마 발생장치의 안테나 구조를 도시한 평면도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 다분할 적층형 유전체 윈도우가 설치된 유도 결합형 플라즈마 발생장치의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 다분할 적층형 유전체 윈도우의 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 다분할 적층형 유전체 윈도우의 평면도.
도 6. 본 발명의 다른 실시 예에 의한 다분할 적층형 유전체 윈도우가 설치된 유도 결합형 플라즈마 발생장치의 단면도
도 7. 본 발명의 다른 실시 예에 의한 다분할 적층형 유전체 윈도우가 설치된 유도 결합형 플라즈마 발생장치의 단면도
도 8. 본 발명의 실시 예에 의한 리액터 내부의 플라즈마 밀도 분포를 도시한 그래프
1 : 리액터
101 : 고주파 전력원 102 : 정합기
103 : 코일 104 : 평판 유전체 윈도우
105 : 기판척 전력원 106 : 기판척 정합기
107 : 기판척
300 : 다분할 적층형 구조의 유전체 윈도우
301 : 제 1 유전체 윈도우
302 : 제 2 유전체 윈도우
303 : 유전율이 A이고 두께가 낮은 보조 유전체 플레이트
304 : 유전율이 B이고 두께가 낮은 보조 유전체 플레이트
305 : 유전율이 A이고 두께가 높은 보조 유전체 플레이트
306 : 유전율이 A이고 추가 적층을 위한 보조 유전체 플레이트

Claims (6)

  1. 플라즈마 에칭 장치, 플라스마화학기상 증착 장치, 플라즈마 표면처리 장치 등 대구경 웨이퍼 및 대면적 기판 가공을 위한 플라즈마 발생 장치의 리액터 내부 플라즈마 밀도를 균일하게 하기 위하여
    챔버 외부와 진공분위기의 챔버 내부의 차압을 견딜 수 있는 두께를 가지면서 제 2 유전체 윈도우가 삽입될 있도록 설계된 제 1 유전체 윈도우,
    다수의 보조 유전체 플레이트를 적층 할 수 있도록 구성된 제 2 유전체 윈도우,
    리액터 내부의 플라즈마 밀도의 분포에 따라 제 2 유전체 윈도우에 적층되는 보조 유전체 플레이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 다분할 적층형의 유전체 윈도우를 가지는 플라즈마 발생장치
  2. 제 1항에 있어서, 제 1 유전체 윈도우, 제 2 유전체 윈도우, 보조 유전체 플레이트를 포함하는 다분할 적층형의 유전체 윈도우는 Quartz, SiO2, Alumina, ZrO2 등의 세라믹 소재를 사용하는 것을 특징으로 하는 유전체 윈도우.
  3. 제 1항에 있어서, 다분할 영역에서 보조 유전체 플레이트를 구성함에 있어 유전율이 동일하거나 서로 다른 한 개 혹은 다수의 보조 유전체 플레이트 적층 하는 것을 특징으로 하는 유전체 윈도우.
  4. 제 1항에 있어서, 다분할 영역에서 보조 유전체 플레이트를 구성함에 있어 두께가 동일하거나 서로 다른 한 개 혹은 다수의 보조 유전체 플레이트 적층 하는 것을 특징으로 하는 유전체 윈도우.
  5. 제 1항에 있어서, 다분할 영역에서 보조 유전체 플레이트를 구성함에 있어 보조 플레이트 형상이 원형, 타원형, 사각형, 다각형을 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 윈도우.
  6. 제 1항에 있어서, 제 2 유전체 윈도우는 플라즈마 발생장치의 리액터 내부의 진공을 파기하지 않고 제 1 유전체 윈도우에 탈, 부착할 수 있는 것을 특징으로 하는 유전체 윈도우
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