KR20150130647A - 플라즈마 처리장치용 안테나 구조 - Google Patents

플라즈마 처리장치용 안테나 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공정 챔버 내의 플라즈마 균일도를 향상시키기 위한 플라즈마 처리장치용 안테나 구조에 대한 것이다.
본 발명은 플라즈마를 이용하여 기판의 처리를 수행하는 플라즈마 처리장치에 구비되는 안테나 구조에 있어서, 복수의 코일 형태로 구비되는 안테나; 및 상기 안테나의 중앙에 구비되어 상기 안테나에서 발생되는 유도 자기장의 적어도 일부를 차폐하는 플라즈마 쉴드를 포함하는 플라즈마 처리장치용 안테나 구조를 제공한다.

Description

플라즈마 처리장치용 안테나 구조{Antenna Structure for Plasma Processing Apparatus}
본 발명은 플라즈마 처리장치용 안테나 구조에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 공정 챔버 내의 플라즈마 균일도를 향상시키기 위한 플라즈마 처리장치용 안테나 구조에 대한 것이다.
반도체 제조에 있어서 기판 상에 박막을 형성하거나 원하는 패턴으로 가공하기 위하여 플라즈마(Plasma)를 이용한다. 플라즈마를 이용한 기판 처리의 대표적인 예로서, 플라즈마 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition : PECVD) 공정과 플라즈마 식각(Plasma Etching) 공정을 들 수 있다.
플라즈마는 기상의 화학 물질을 반응성이 강한 라디칼(radical)로 만들어 반응성을 증가시킨다. 이러한 원리는 이용한 PECVD 공정은 플라즈마 분위기에서 가스 상태의 공정 가스를 반응시켜 기판 상에 박막을 형성시키는 공정이다. 한편, 플라즈마 내의 이온들이 기판 표면에 충돌하면서 식각하고자 하는 물질을 물리적으로 제거하거나 물질 내의 화학 결합을 절단하여 라디칼에 의한 식각이 빠르게 일어나도록 한다. 이를 이용한 플라즈마 식각 공정은 감광제(Photoresist) 등으로 마스크 처리된 기판 영역은 남겨 두고 나머지 부분은 부식성 가스로 선택적으로 제거함으로써 기판에 반도체 회로 패턴을 형성한다.
플라즈마 처리 장치는 플라즈마를 발생시키는 방법에 따라 용량결합형 플라즈마(Capacitive Coupled Plasma : CCP) 타입과 유도결합형 플라즈마(Inductive Coupled Plasma : ICP) 타입으로 구분할 수 있다. CCP 타입 플라즈마 처리 장치의 경우에는 플라즈마를 형성하기 위하여 반응 챔버의 상부에 상부 전극이 구비되고, 기판 또는 기판 트레이가 올려지는 기판 지지부 또는 척(chuck)의 하부에 하부 전극이 구비된다. 반면, ICP 타입 플라즈마 처리 장치의 경우에는 반응 챔버의 상부 또는 상부 둘레에 유도 코일이 구비되고, 척의 하부에 하부 전극이 구비된다. CCP 타입 및 ICP 타입 플라즈마 처리 장치는 상기 상부 전극과 하부 전극 또는 상기 유도 코일과 하부 전극에 RF 또는 DC전원을 공급하여 반응 챔버 내에 플라즈마를 생성시킨다.
그런데, 플라즈마 처리 장치의 기판 처리에 있어서 공정 챔버 내의 플라즈마 균일도가 중요하다. 플라즈마가 공정 챔버 내에서 균일하게 형성되지 않는 경우 기판이 척에 놓여지는 위치에 따라 기판의 처리 결과가 상이하여 불량 발생의 요인이 될 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0039010호 (2014.03.31.자 공개)
본 발명은 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 플라즈마 처리 장치의 공정 챔버 내의 플라즈마 균일도를 향상시키기 위한 플라즈마 처리장치용 안테나 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 플라즈마를 이용하여 기판의 처리를 수행하는 플라즈마 처리장치에 구비되는 안테나 구조에 있어서, 복수의 코일 형태로 구비되는 안테나; 및 상기 안테나의 중앙에 구비되어 상기 안테나에서 발생되는 유도 자기장의 적어도 일부를 차폐하는 플라즈마 쉴드를 포함하는 플라즈마 처리장치용 안테나 구조를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 코일은 동심원을 이루며 배치되고, 상기 플라즈마 쉴드는 상기 상기 안테나와 동일 평면상에 디스크 형태로 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 코일은 동심원을 이루며 배치되고, 상기 플라즈마 쉴드는 상기 안테나가 이루는 평면과 소정 거리 이격되어 디스크 형태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 쉴드는 도전성 금속 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 쉴드는 상하 관통된 호 형상 또는 직선 형상의 슬릿을 적어도 하나 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 처리 장치의 공정 챔버 내에서 플라즈마가 균일하게 형성되도록 하는 플라즈마 처리장치용 안테나 구조가 제공된다.
상기 안테나 구조는 동심원을 이루는 복수의 코일의 중앙부에 플라즈마 쉴드가 구비됨에, 종래 기판 지지부의 중앙 부분에 위치한 기판에서 다른 부분에 비해 과도하게 기판이 처리(예컨대, 과도한 식각)가 되는 문제점이 해소된다.
한편, 상기 플라즈마 쉴드의 크기 또는 위치를 조절함으로써 기판 지지부 상부에 형성되는 플라즈마의 밀도를 조절하는 것도 가능하여 기판 처리를 위한 플라즈마 형성 조건을 다양하게 조정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치용 안테나 구조를 구비한 플라즈마 처리 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치용 안테나 구조의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치용 안테나 구조의 단면도(도 2의 A-A' 방향)이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치용 안테나 구조의 다른 실시 형태의 단면도(도 2의 A-A' 방향)이다.
도 5는 통상적인 플라즈마 처리 장치의 공정 챔버에 형성되는 플라즈마의 밀도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치용 안테나 구조를 구비한 플라즈마 처리 장치의 공정 챔버에 형성되는 플라즈마 밀도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치용 안테나 구조의 플라즈마 쉴드의 다른 실시예를 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치용 안테나 구조의 플라즈마 쉴드의 또 다른 실시예를 도시한 평면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치용 안테나 구조를 구비한 플라즈마 처리 장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치용 안테나 구조의 사시도이다.
플라즈마 처리 장치(10)는, 플라즈마를 이용하여 기판이 처리되는 공간을 형성하는 공정 챔버(20), 상기 공정 챔버(20) 내에 구비되며 기판(32)이 안치되는 기판 지지대(30), 상기 공정 챔버(20)의 상부에 구비되며 공정 챔버 내에 플라즈마를 형성하기 위한 안테나(50), 상기 안테나(50)에 구비되는 플라즈마 쉴드(60), 상기 안테나(50)에 RF 전력을 공급하는 RF 전원(80)과 연결되어 RF 전원(80)과 안테나(50) 사이의 임피던스를 매칭시키는 매칭부(70), 및 안테나(50)와 공정 챔버(20) 사이에 구비되는 절연 플레이트(40)를 포함한다.
한편, 플라즈마 처리 장치(10)는 기판에 대한 증착이나 식각 등의 공정에 필요한 공정 가스를 공급하기 위한 공정가스 공급부(미도시)가 추가로 구비될 수 있다. 공정가스 공급부는, 일 실시예에 있어서 샤워헤드 형태로 구비될 수 있다. 일례로서, 대한민국 공개특허 제10-2014-0039010호는 플라즈마 에칭 반응기에 대한 가스 분배 샤워헤드를 개시한다. 공정 가스를 공급하는 구성은 다양하게 형성될 수 있으며, 공지된 다수의 기술이 존재하는바 본 발명의 설명에서는 추가적인 구성의 설명은 생략한다.
기판 지지대(30)에는 기판(32)이 안치되는데, 상기 기판(32)은 단일 기판이거나, 도 1에 도시된 바와 같이 복수로 안치될 수 있다. 경우에 따라 복수의 기판(32)은 기판 트레이(미도시)에 로딩된 상태로 기판 지지대(30)의 상부에 구비될 수 있다.
절연 플레이트(40)는 세라믹 재질로 이루어질 수 있다. 절연 플레이트(40)는 RF 전원(80)의 에너지 전달 및 안테나(50)에서 발생된 시변 자기장의 공정 챔버(20) 내부로의 전달을 용이하게 하는 기능을 수행할 수 있다.
안테나(50)는 RF 전원(80)에서 매칭부(70)를 통해 전력을 공급받아 유도 자기장을 형성하는 기능을 수행한다. 일 실시예에 있어서, 상기 안테나(50)는 동심원을 이루는 복수의 코일 형태로 구성될 수 있다.
플라즈마 쉴드(60)는 판 형태로 구성될 수 있으며, 도전성 금속으로 구성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 쉴드(60)는 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)과 같은 도전성 금속으로 이루어질 수 있다.
도 2를 참조하면, 안테나(50)는, 동심원을 이루는 복수의 안테나 코일(50a, 50b, 50c, 50d)을 포함하여 형성될 수 있다. 각각의 안테나 코일(50a, 50b, 50c, 50d)은 동일 평면상에 구비될 수 있다. 또한, 각각의 안테나 코일(50a, 50b, 50c, 50d)은 일부가 절단되어 있고, 절단된 일측 단부는 매칭부(70)를 통해 RF 전원(80)에 연결되고, 타측 단부는 접지된다.
판 형상의 플라즈마 쉴드(60)는, 상기 복수의 안테나 코일(50a, 50b, 50c, 50d) 중 가장 내측의 안테나 코일(50a)의 내부 영역에 구비된다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 쉴드(60)는 원판 형태일 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치용 안테나 구조의 단면도(도 2의 A-A' 방향)이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치용 안테나 구조의 다른 실시 형태의 단면도(도 2의 A-A' 방향)이다.
도 3을 참조하면, 동심원을 이루며 배치된 안테나 코일(50)과 동일 평면 상에 디스크 형태의 플라즈마 쉴드(60)가 구비되어 있다. 안테나 코일(50)이 동심원으로 배치되어 있어 동심원의 중심 부분의 플라즈마 밀도가 다른 부분에 비해 더 높을 수 있으나, 플라즈마 쉴드(60)가 구비되어 안테나 코일(50)에 의해 형성되는 유도 자기장을 일부 차폐하여 동심원 중심 부분의 플라즈마 밀도의 상승이 방지될 수 있다.
도 4를 참조하면, 다른 실시예로서, 플라즈마 쉴드(60)는 안테나 코일(50)이 위치한 평면과 소정이 높이 차(h)를 이루며 배치된다. 플라즈마 쉴드(60)가 안테나 코일(50)가 이루는 높이 차(h)는 안테나 코일(50)에 의해 생성되는 유도 자기장의 형태나, 공정 챔버(20) 내부에 형성되는 플라즈마의 상태에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
도 5는 통상적인 플라즈마 처리 장치의 공정 챔버에 형성되는 플라즈마의 밀도를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치용 안테나 구조를 구비한 플라즈마 처리 장치의 공정 챔버에 형성되는 플라즈마 밀도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 플라즈마 쉴드(60)가 구비되지 않는 경우, 공정 챔버(20) 내의 기판 지지대(30) 상부의 플라즈마 밀도는 외곽보다는 중앙 부분이 높게 형성될 수 있다. 플라즈마를 이용한 에칭 공정의 경우에는 중앙 부분에 위치한 기판의 식각이 다른 부분에 위치한 기판의 식각보다 더 많이 이루어져 불량의 원인이 될 수 있다.
도 6을 참조하면, 플라즈마 쉴드(60)가 구비됨에 따라 공정 챔버(20) 내의 플라즈마 밀도가 균일하게 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치용 안테나 구조의 플라즈마 쉴드의 다른 실시예를 도시한 평면도이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치용 안테나 구조의 플라즈마 쉴드의 또 다른 실시예를 도시한 평면도이다.
도 7과 도 8에서는 플라즈마 쉴드(60)에 상하 방향으로 관통 형성된 슬릿(62)을 구비한 실시예를 도시하였다.
플라즈마 쉴드(60)는 안테나(50)에 의해 형성되는 유도 자기장의 적어도 일부를 차폐함으로써 공정 챔버(20)내에 형성되는 플라즈마의 밀도를 균일하게 한다. 경우에 따라서, 도 7과 같이 플라즈마 쉴드(60)에 호 형상의 슬릿(62)을 형성할 수 있다. 안테나(50)는 동심원을 이루는 복수의 코일 형태로 구성되므로 도 7과 같이 호 형상으로 슬릿(62)을 구성하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우 슬릿(62)의 갯수 및 슬릿(62)의 크기는 필요에 따라 변경하는 것이 가능할 수 있다.
한편, 플라즈마 쉴드(60)에 구비되는 슬릿(62)은 도 8과 같이 직선 형태로 구비되는 것도 가능할 수 있다.
슬릿(62)이 플라즈마 쉴드(60)에 관통 형성되는 경우, 안테나(50)에 의해 형성되는 유도 자기장의 일부가 상기 슬릿(62)을 통해 전달되어 공정 챔버(20) 내의 플라즈마 형성을 변화시키는 것이 가능하다.
이상의 설명에 있어서, 플라즈마 쉴드(60)의 실시 형태로 금속 재질의 디스크 형태를 예시하였다. 플라즈마 쉴드(60)에 의해 조절되는 공정 챔버(20) 내의 플라즈마 밀도는, 플라즈마 쉴드(60)의 재질, 슬릿(62)의 구비여부나 배치, 및/또는 플라즈마 쉴드(60)의 크기나 두께에 의해 변화될 수 있음은 물론이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 플라즈마 처리 장치
20 : 공정 챔버
30 : 기판 지지대
32 : 기판
40 : 절연 플레이트
50 : 안테나
60 : 플라즈마 쉴드
62 : 슬릿
70 : 매칭부
80 : RF 전원

Claims (5)

  1. 플라즈마를 이용하여 기판의 처리를 수행하는 플라즈마 처리장치에 구비되는 안테나 구조에 있어서,
    복수의 코일 형태로 구비되는 안테나; 및
    상기 안테나의 중앙에 구비되어 상기 안테나에서 발생되는 유도 자기장의 적어도 일부를 차폐하는 플라즈마 쉴드
    를 포함하는 플라즈마 처리장치용 안테나 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 코일은 동심원을 이루며 배치되고, 상기 플라즈마 쉴드는 상기 상기 안테나와 동일 평면상에 디스크 형태로 배치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치용 안테나 구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 코일은 동심원을 이루며 배치되고, 상기 플라즈마 쉴드는 상기 안테나가 이루는 평면과 소정 거리 이격되어 디스크 형태로 배치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치용 안테나 구조.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 쉴드는 도전성 금속 재질인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치용 안테나 구조.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 쉴드는 상하 관통된 호 형상 또는 직선 형상의 슬릿을 적어도 하나 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치용 안테나 구조.
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