KR20160049628A - 듀얼 플라즈마 발생기, 플라즈마 처리 시스템 및 방법 - Google Patents

듀얼 플라즈마 발생기, 플라즈마 처리 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 듀얼 플라즈마 발생기와 이를 이용한 플라즈마 처리 시템은 제1 가스를 공급받아서 제1 플라즈마를 발생하는 제1 플라즈마 챔버, 상기 제1 플라즈마를 발생시키기 위한 제1 플라즈마 소스, 제2 가스를 공급받아서 제2 플라즈마를 발생하는 제2 플라즈마 챔버, 상기 제2 플라즈마를 발생시키기 위한 제2 플라즈마 소스, 상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스로 교류 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원, 및 상기 제1 플라즈마 또는 상기 제2 플라즈마를 받아들여 공정을 진행하는 공정 챔버를 포함한다. 본 발명의 듀얼 플라즈마 발생기와 이를 탑재한 공정 챔버를 구비한 플라즈마 처리 시스템에 의하면, 종래와 같이 전처리 공정을 위한 별도의 설비를 운영할 필요가 없다. 그럼으로 전체적인 공정 설비 비용과 유지 보수 비용이 감축된다. 또한 설비 감축에 따른 공정실의 바닥면적을 축소할 수 있다. 또한 공정 설비간에 피처리 기판의 이송이 줄어듦으로서 피처리 기판에 대한 외부 오염을 줄일 수 있으며 전체적인 공정 시간을 단축시킬 수 있다.

Description

듀얼 플라즈마 발생기, 플라즈마 처리 시스템 및 방법{DUAL PLASMA GENERATOR, PLASMA PROCESSING SYSTEM AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 플라즈마 방전에 의하여 이온, 자유 래디컬, 원자 및 분자를 포함하는 활성 가스를 발생 시키고 그 활성 가스로 고체, 분말, 가스 등에 대한 플라즈마 처리를 하기 위한 플라즈마 발생기에 관한 것으로, 구체적으로는 공정 챔버의 외부에서 원격으로 플라즈마 발생하여 공정 챔버로 활성 가스를 공급하는 플라즈마 발생기 및 그 처리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
플라즈마 방전은 이온, 자유 래디컬, 원자, 분자를 포함하는 활성 가스를 발생하기 위한 가스 여기에 사용되고 있다. 활성 가스는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며 대표적으로 반도체 제조 공정 예들 들어, 식각, 증착, 세정, 에싱 등 다양하게 사용되고 있다.
최근, 반도체 장치의 제조를 위한 웨이퍼나 LCD 글라스 기판은 더욱 대형화 되어 가고 있다. 그럼으로 플라즈마 이온 에너지에 대한 제어 능력이 높고, 대면적의 처리 능력을 갖는 확장성이 용이한 플라즈마 소스가 요구되고 있다. 플라즈마를 이용한 반도체 제조 공정에서 원격 플라즈마의 사용은 매우 유용한 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 공정 챔버의 세정이나 포토레지스트 스트립을 위한 에싱 공정에서 유용하게 사용되고 있다. 그런데 피처리 기판의 대형화에 따라 공정 챔버의 볼륨도 증가되고 있어서 고밀도의 활성 가스를 충분히 원격으로 공급할 수 있는 플라즈마 소스가 요구되고 있다.
원격 플라즈마 발생기(remote plasma generator)는 플라즈마 발생 방식에 따라 다양한 플라즈마 소스가 사용되고 있다. 예를 들어, 유도 결합 플라즈마 소스(inductively coupled plasma source), 용량 결합 플라즈마 소스(capacitively coupled plasma source), 마이크로웨이브 플라즈마 소스(microwave plasma source) 등이 원격 플라즈마 발생기에 사용되고 있다. 유도 결합 플라즈마 소스의 경우 특히 변압기를 채용한 방식을 변압기 결합 플라즈마 소스(transformer coupled plasma)라 한다. 변압기 결합 플라즈마 소스(transformer coupled plasma source)를 사용한 원격 플라즈마 발생기는 토로이달 구조의 챔버 몸체에 일차 권선 코일을 갖는 마그네틱 코어가 장착된 구조를 갖는다. 원격 플라즈마 발생기의 반도체 제조 공정에서의 초기 응용은 공정 챔버의 세정을 위한 세정 공정이나 포토레지스트의 스트립을 위한 에싱 공정 등에 활용되어 왔다. 그러나 최근에는 다양한 미세 공정에 응용하고자 하는 요구가 증가하고 있다.
반도체 제조 공정에서 수율을 높이기 위한 다양한 기술 개발 노력이 지속되고 있다. 많은 수의 처리 공정을 통해서 생산되는 반도체 장치의 경우 공정 수를 줄이는 것은 수율 향상에 매우 결정적인 요인이 된다. 따라서 별도의 공정 챔버에서 진행되는 공정을 하나의 공정 챔버에서 진행할 수 있도록 공정 챔버의 성능을 개선하려는 연구 개발이 각 공정에서 진행되고 있다.
피처리 기판에 대한 하나의 공정을 진행하기 전에 전처리를 수행하는 공정 챔버와 본 처리를 수행하는 공정 챔버가 분리된 경우에 이 두 공정을 하나의 공정 챔버에서 수행할 수 있다면 수율 향상을 이룰 수 있을 것이다. 예를 들어, 원자층 증착 공정(Atomic Layer Deposition Process)의 경우 원격 플라즈마 발생기를 이용하여 피처리 기판에 대한 표면 개질 공정을 전처리 공정 챔버에서 진행하고 이어서 본 공정 챔버로 이송하여 원자층 증착을 위한 본 공정을 진행한다. 그리고 본 공정이 완료된 후에는 원격 플라즈마 발생기를 이용하여 공정 챔버에 대한 세정 공정이 진행된다.
이와 같이 전처리 공정과 본 처리 공정이 별개의 두 개의 공정 챔버에서 진행되는 경우 수율을 높이기 어렵다. 즉, 두 개의 공정 챔버 사이에 피처리 기판이 이송되는 시간적 손실이 발생된다. 또한 공정 챔버간 피처리 기판을 이송하는 과정에서 피처리 기판에 대한 오염이 발생될 수 있는 등의 문제가 야기될 수도 있다. 뿐만 아니라 각각의 공정 챔버를 설치하고 운영하며 유지보수 해야 하는 등의 제반 비용이 증가하게 된다.
본 발명의 목적은 각기 독립적으로 설치되어 운영되는 원격 플라즈마 발생기를 하나의 원격 플라즈마 발생기로 통합하여 운영할 수 있는 듀얼 플라즈마 발생기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 듀얼 플라즈마 발생기를 이용한 플라즈마 처리 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 듀얼 플라즈마 발생기에 관한 것이다. 본 발명의 듀얼 플라즈마 발생기는: 제1 가스를 공급받아서 제1 플라즈마를 발생하는 제1 플라즈마 챔버; 상기 제1 플라즈마를 발생시키기 위한 제1 플라즈마 소스; 제2 가스를 공급받아서 제2 플라즈마를 발생하는 제2 플라즈마 챔버; 상기 제2 플라즈마를 발생시키기 위한 제2 플라즈마 소스; 및 상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스로 교류 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마 소스의 점화를 위한 제1 점화기; 상기 제2 플라즈마 소스의 점화를 위한 제2 점화기; 및 상기 제1 및 제2 점화기를 선택적으로 동작시키기 위한 점화 선택 스위칭 회로를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마와 상기 제2 플라즈마를 공정 챔버로 공급하기 위한 가스 출력 채널을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 출력 채널은 상기 제1 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 제2 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 공정 챔버를 공통으로 연결되는 공통 공급 채널을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 공통 공급 채널은 상기 제1 플라즈마와 상기 제2 플라즈마 중 어느 하나가 선택적으로 상기 공정 챔버로 배기되도록 스위칭 동작하는 스위칭 밸브를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 공급채널은 상기 제1 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 공정 챔버를 연결하는 제1 독립 공급 채널; 및 상기 제2 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 공정 챔버를 연결하는 제2 독립 공급 채널을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 교류 스위칭 전원은 상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 동작되는 것으로 교류 전력을 공급하는 단독 교류 스위칭 전원으로 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 교류 스위칭 전원은 상기 제1 플라즈마 소스로 교류 전력을 공급하는 제1 교류 스위칭 전원; 및 상기 제2 플라즈마 소스로 교류 전력을 공급하는 제2 교류 스위칭 전원을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 변압기 결합 플라즈마 소스로 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 유도 결합 플라즈마 소스로 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 용량 결합 플라즈마 소스로 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 마이크로웨이브 플라즈마 소스로 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마 챔버의 챔버 바디는 절연 물질을 포함하고, 상기 제2 플라즈마 챔버의 챔버 바디는 도전 물질을 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 플라즈마 처리 시스템은: 제1 가스를 공급받아서 제1 플라즈마를 발생하는 제1 플라즈마 챔버; 상기 제1 플라즈마를 발생시키기 위한 제1 플라즈마 소스; 제2 가스를 공급받아서 제2 플라즈마를 발생하는 제2 플라즈마 챔버; 상기 제2 플라즈마를 발생시키기 위한 제2 플라즈마 소스; 상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스로 교류 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원; 및 상기 제1 플라즈마 또는 상기 제2 플라즈마를 받아들여 공정을 진행하는 공정 챔버를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마 소스의 점화를 위한 제1 점화기; 상기 제2 플라즈마 소스의 점화를 위한 제2 점화기; 및 상기 제1 및 제2 점화기를 선택적으로 동작시키기 위한 점화 스위칭 회로를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마와 상기 제2 플라즈마를 상기 공정 챔버로 공급하기 위한 가스 출력 채널을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 출력 채널은 상기 제1 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 제2 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 공정 챔버를 공통으로 연결되는 공통 공급 채널을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 공통 공급 채널은 상기 제1 플라즈마와 상기 제2 플라즈마 중 어느 하나가 선택적으로 상기 공정 챔버로 배기되도록 스위칭 동작하는 스위칭 밸브를 포함한다.
ㅍ에 있어서, 상기 플라즈마 공급채널은 상기 제1 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 공정 챔버를 연결하는 제1 독립 공급 채널; 및 상기 제2 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 공정 챔버를 연결하는 제2 독립 공급 채널을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 교류 스위칭 전원은 상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 동작되는 것으로 교류 전력을 공급하는 단독 교류 스위칭 전원으로 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 교류 스위칭 전원은 상기 제1 플라즈마 소스로 교류 전력을 공급하는 제1 교류 스위칭 전원; 및 상기 제2 플라즈마 소스로 교류 전력을 공급하는 제2 교류 스위칭 전원을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 변압기 결합 플라즈마 소스로 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 유도 결합 플라즈마 소스로 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 용량 결합 플라즈마 소스로 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 마이크로웨이브 플라즈마 소스로 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마 챔버의 챔버 바디는 절연 물질을 포함하고, 상기 제2 플라즈마 챔버의 챔버 바디는 도전 물질을 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 플라즈마 처리 방법은: 제1 플라즈마 챔버에서 발생된 제1 플라즈마가 공정 챔버로 공급되는 단계; 상기 제1 플라즈마에 의해서 상기 공정 챔버 내에서 제1 공정이 수행되는 단계; 제2 플라즈마 챔버에서 발생된 제2 플라즈마가 상기 공정 챔버로 공급되는 단계; 및 상기 제2 플라즈마에 의해서 상기 공정 채버 내에서 제2 공정이 수행되는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 공정 챔버는 증착 공정 챔버이다.
일 실시예에 있어서, 상기 공정 챔버는 원자층 증착 공정 챔버이다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 공정과 제2 공정 사이에 상기 제1 플라즈마와 상기 제2 플라즈마를 이용하지 않고 상기 공정 챔버 내에서 제3 공정이 수행되는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 공정은 원자층 증착 공정이다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 공정은 상기 공정 챔버 내에서 메인 공정이 진행되기 전 수행되는 전처리 공정이고, 상기 제2 공정은 상기 공정 챔버 내에서 메인 공정이 진행된 후에 수행되는 후처리 공정이다.
일 실시예에 있어서, 상기 전처리 공정은 상기 피처리 기판에 표면 개질 공정이다.
일 실시예에 있어서, 상기 후처리 공정은 상기 공정 챔버의 내부를 세정하기 위한 세정 공정이다.
본 발명의 듀얼 플라즈마 발생기와 이를 탑재한 공정 챔버를 구비한 플라즈마 처리 시스템에 의하면, 종래와 같이 전처리 공정을 위한 별도의 설비를 운영할 필요가 없다. 그럼으로 전체적인 공정 설비 비용과 유지 보수 비용이 감축된다. 또한 설비 감축에 따른 공정실의 바닥면적을 축소할 수 있다. 또한 공정 설비간에 피처리 기판의 이송이 줄어듦으로서 피처리 기판에 대한 외부 오염을 줄일 수 있으며 전체적인 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀얼 플라즈마 발생기를 구비한 플라즈마 처리 시스템의 구성 보여주는 도면이다.
도 2는 듀얼 플라즈마 발생기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3 및 도 4는 듀얼 플라즈마 발생기의 플라즈마 소스와 전력 공급 구조의 변형예를 도면이다.
도 5는 듀얼 플라즈마 발생기를 이용한 플라즈마 처리 방법을 보여주는 순서도이다.
도 6은 듀얼 플라즈마 발생기의 전력 공급 구조의 변형예를 보여주는 도면이다.
도 7 내지 도 9는 듀얼 플라즈마 발생기의 가스 공급 구조의 변형들을 예시하는 도면이다.
도 10 내지 도 14는 듀얼 플라즈마 발생기의 다양한 변형예들을 보여주는 도면이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀얼 플라즈마 발생기를 구비한 플라즈마 처리 시스템의 구성을 보여주는 도면이고, 도 2는 듀얼 플라즈마 발생기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템은 듀얼 플라즈마 발생기(20)와 이를 위한 교류 스위칭 전원(50)과 제어부(60)를 구비한다. 듀얼 플라즈마 발생기(20)는 서로 독립된 제1 및 제2 플라즈마 챔버(30, 40)을 갖는다. 제1 플라즈마 챔버(30)는 제1 가스 입력 채널(71)을 통하여 제1 가스(Gas1)를 제공받아서 제1 플라즈마를 발생한다. 제2 플라즈마 챔버(40)는 제2 가스(Gas2)를 제공 받아서 제2 플라즈마를 발생한다. 듀얼 플라즈마 발생기(20)와 공정 챔버(10) 사이에는 가스 출력 채널(75)이 연결된다. 가스 출력 채널(75)은 제1 플라즈마 챔버(30)의 가스 출구와 제2 플라즈마 챔버(40)의 가스 출구 그리고 공정 챔버(10)의 가스 입구 사이에서 제1 플라즈마와 제2 플라즈마의 이동 경로를 제공 한다. 도면에 도시된 바와 같이, 가스 출력 채널(75)은 공통 공급 채널 구조로 실시될 수 있다. 공정 챔버(10)에서는 듀얼 플라즈마 발생기(20)에서 발생된 제1 플라즈마와 제2 플라즈마를 이용하여 플라즈마 처리 공정을 수행한다.
도 2를 참조하여, 듀얼 플라즈마 발생기(20)는 서로 독립된 방전 공간을 갖는 제1 플라즈마 챔버(30)와 제2 플라즈마 챔버(40)를 갖는다. 제1 플라즈마 챔버(30)는 환형의 플라즈마 방전 채널을 갖는 제1 플라즈마 챔버 바디(31)와 제1 변압기(32)와 제1 점화기(35)를 갖는다. 제1 플라즈마 챔버 바디(30)에는 제1 변압기(32)의 마그네틱 코어(33)가 환영의 플라즈마 방전 채널을 쇄교하는 형태로 장착된다. 마그네틱 코어(34)에는 일차 권선 코일(34)이 권선되어 있다. 제2 플라즈마 챔버(40)는 환형의 플라즈마 방전 채널을 갖는 제2 플라즈마 챔버 바디(41)와 제2 변압기(42)와 제2 점화기(45)를 갖는다. 제2 플라즈마 챔버 바디(40)에는 제2 변압기(42)의 마그네틱 코어(43)가 환영의 플라즈마 방전 채널을 쇄교하는 형태로 장착된다. 마그네틱 코어(43)에는 일차 권선 코일(34)이 권선되어 있다.
이와 같이 제1 플라즈마 챔버(30)와 제2 플라즈마 챔버(40)는 각기 동일한 방식의 변압기 결합 플라즈마 소스(a transformer coupled plasma source)를 갖는다. 후술되겠지만, 듀얼 플라즈마 발생기(20)는 변압기 결합 플라즈마 소스 외에도 다양한 종류의 플라즈마 소스를 채용하여 구성할 수 있다. 또한 제1 플라즈마 챔버(30)와 제2 플라즈마 챔버(40)가 서로 동일한 종류 또는 서로 다른 종류의 플라즈마 소스가 장착될 수 있다. 제1 플라즈마 챔버(30)의 제1 플라즈마 챔버 바디(31)와 제2 플라즈마 챔버(40)의 제2 플라즈마 챔버 바디(41)를 구성하는 물질은 전도성 물질로 구성되거나 절연 물질로 구성될 수 있다. 또한 제1 및 제2 플라즈마 챔버 바디(31, 41)가 서로 동일한 물질로 구성되거나 또는 서로 다른 물질로 구성될 수 있다.
플라즈마 점화를 위하여 교류 스위칭 전원(50)으로부터 공급되는 전력은 점화 스위칭 회로(52)를 통하여 제1 점화기(35)와 제2 점화기(45) 중 어느 하나로 선택적으로 공급된다. 제1 점화기(35)와 제2 점화기(45) 모두가 구동되지 않을 때에 점화 스위칭 회로(52)는 플로팅 상태로 스위칭 된다. 제어부(60)는 공정 챔버(10)의 공정 진행 순서에 따라 점화 스위칭 회로(52)를 제어하여 제1 점화기(35)와 제2 점화기(45) 중 어느 하나만을 선택적으로 구동시킨다.
제1 변압기(32)의 일차 권선 코일(34)과 제2 변압기(42)의 일차 권선 코일(44)은 병렬로 교류 스위칭 전원(50)에 연결된다. 제1 점화기(35)가 구동되어 제1 플라즈마 챔버(30)에서 플라즈마 점화가 이루어지면 교류 스위칭 전원(50)에서 공급되는 플라즈마 유지를 위한 전력은 실질적으로 제1 변압기(32)의 일차 권선 코일(34)에서만 소비된다. 제2 점화기(45)가 구동되는 경우에도 제2 플라즈마 챔버(30)에서 플라즈마 점화가 이루어지면 교류 스위칭 전원(50)에서 공급되는 플라즈마 유지를 위한 전력은 실질적으로 제2 변압기(42)의 일차 권선 코일(44)에서만 소비된다.
도 3 및 도 4는 듀얼 플라즈마 발생기의 플라즈마 소스와 전력 공급 구조의 변형예를 도면이다.
도 3을 참조하여, 일 변형예로 제1 플라즈마 챔버(30)에 장착되는 제1 변압기(32)의 일차 권선(34)과 제1 플라즈마 챔버(40)에 장착되는 제2 변압기(42)의 일차 권선(44)이 교류 스위칭 전원(50)에 직렬로 연결될 수 있다.
도 4를 참조하여, 다른 변형예로, 제1 플라즈마 챔버(30)와 제2 플라즈마 챔버(40)에 하나의 공통 변압기(82)가 장착될 수 있다. 공통 변압기(82)의 마그네틱 코어(83)는 제1 플라즈마 챔버 바디(31)와 제2 플라즈마 챔버 바디(41)에 공통으로 쇄교하도록 장착되며 일차 권선 코일(84)이 권선된다.
도 5는 듀얼 플라즈마 발생기를 이용한 플라즈마 처리 방법을 보여주는 순서도이다.
도 5를 참조하여, 단계 S10에서 공정 챔버(10)로 제1 플라즈마가 공급되면 이어 단계 S20에서 공정 챔버(10)에서는 제1 플라즈마를 이용한 공정이 진행된다. 공정 챔버(10)로 제1 플라즈마를 공급하기 위하여 제어부(60)는 제1 가스 입력 채널(71)에 설치된 제1 가스 밸브(70)를 제어하여 제1 가스(Gas1)가 제1 플라즈마 챔버(30)로 공급되게한다. 이와 더불어 제어부(60)는 교류 스위칭 전원(50)을 제어하여 플라즈마 발생을 위한 전력이 듀얼 플라즈마 발생기(10)로 공급되게 한다. 공정 챔버(10)에서 제1 플라즈마를 이용한 공정이 완료되면, 단계 S30에서 공정 챔버(10)로 제1 플라즈마의 공급을 중단시킨다. 제어부(60)는 제1 가스 밸브(70)를 차단시킴과 함께 교류 스위칭 전원(50)에 의한 전력 공급을 차단시킨다.
단계 S40에서 공정 챔버(10)로 제2 플라즈마가 공급되면 이어 단계 S50에서 공정 챔버(10)에서는 제2 플라즈마를 이용한 공정이 진행된다. 공정 챔버(10)로 제2 플라즈마를 공급하기 위하여 제어부(60)는 제2 가스 입력 채널(73)에 설치된 제2 가스 밸브(72)를 제어하여 제2 가스(Gas2)가 제2 플라즈마 챔버(30)로 공급되도록 한다. 이와 더불어 제어부(60)는 교류 스위칭 전원(50)을 제어하여 플라즈마 발생을 위한 전력이 듀얼 플라즈마 발생기(10)로 공급되게 한다. 공정 챔버(10)에서 제2 플라즈마를 이용한 공정이 완료되면, 단계 S60에서 공정 챔버(10)로 제2 플라즈마의 공급을 중단시킨다. 제어부(60)는 제2 가스 밸브(73)를 차단시킴과 함께 교류 스위칭 전원(50)에 의한 전력 공급을 차단시킨다.
이상과 같은 듀얼 플라즈마 발생기(20)를 탑재한 공정 챔버(10)를 갖는 플라즈마 처리 시스템은 반도체 제조 공정에 있어서 플라즈마를 이용한 다양한 기판 처리 공정에 사용될 수 있다. 제1 플라즈마를 이용한 공정과 제2 플라즈마를 이용한 공정은 연속해서 진행될 수도 있고 그 사이에 또 다른 공정이 진행될 수 있다. 여기서 또 다른 공정이란 공정 챔버(10)에서 직접적으로 플라즈마가 발생되어 처리되는 공정일 수 있다. 공정 챔버(10)에서 진행되는 전체적인 기판 처리 공정은 피처리 기판에 대한 식각 공정이나 증착 공정 또는 표면 개질 공정을 포함할 수 있다.
예를 들어, 공정 챔버(10)에 피처리 기판이 로딩되고 본 공정을 진행하기 이전에 제1 플라즈마 챔버에서 발생된 제1 플라즈마를 이용하여 피처리 기판에 대한 전처리 공정이 진행된다. 이어 공정 챔버(10)에서 자체적으로 발생된 플라즈마에 의해 본 공정을 진행한다. 그리고 피처리 기판이 공정 챔버(10)에서 언로딩 된 후 제2 플라즈마 챔버에서 제2 플라즈마를 발생하여 공정 챔버(10)로 공급하여 공정 챔버(10)에 대한 후처리 공정으로 세정 공정을 진행할 수 있다.
듀얼 플라즈마 발생기(20)를 탑재한 공정 챔버(10)는 예를 들어 증착 공정을 진행하는 증착 공정 챔버(Deposition Process Chamber) 일수 있다. 구체적으로, 공정 챔버(10)는 원자층 증착 공정(Atomic Layer Deposition Process)을 수행하는 원자층 증착 공정 챔버일 수 있다. 듀얼 플라즈마 발생기(20)를 탑재한 공정 챔버(10)에서 수행되는 원자층 증착 공정은 다음과 같이 수행될 수 있다.
피처리 기판이 공정 챔버(10)로 로딩 된 후, 원자층 증착이 진행되기 이전에 피처리 기판에 대한 전처리 공정으로서 표면 개질 공정을 진행하기 위하여 제1 플라즈마 챔버(30)에서 제1 플라즈마가 발생되어 공정 챔버(10)로 공급된다. 표면 개질 공정을 위해 사용되는 가스는 예를 들어 수소 가스일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이어 공정 챔버(10)에서는 원자층 증착을 위한 플라즈마를 발생하여 원자층 증착을 진행한다. 원자층 증착이 완료되면 피처리 기판이 공정 챔버(10)에서 언로딩된다. 이후 제2 플라즈마 챔버(40)에서 제2 플라즈마가 발생되어 공정 챔버(10)로 공급되어 공정 챔버(10)에 대한 세정 공정이 진행된다. 세정 공정을 위해 사용되는 가스는 예를 들어 불소 계열의 가스일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 플라즈마 챔버(30)에서 수소 가스를 사용하는 경우 제1 플라즈마 챔버 바디(31)는 절연 물질로 구성하는 것이 바람직하다. 제2 플라즈마 챔버(40)에서 불소 계열의 가스를 사용하는 경우에는 제2 플라즈마 챔버 바디(41)는 전도성 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 제2 플라즈마 챔버 바디(41)에 와류(eddy current)가 발생되는 것을 막기 위하여 하나 이상의 절연 갭을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 플라즈마 챔버 바디(31, 41)는 공정 특성에 따라서 절연 물질 또는 전도성 물질을 선택적으로 사용하여 구성할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 듀얼 플라즈마 발생기(20)와 이를 탑재한 공정 챔버(10)를 구비한 플라즈마 처리 시스템에 의하면, 종래와 같이 전처리 공정을 위한 별도의 설비를 운영할 필요가 없다. 그럼으로 전체적인 공정 설비 비용과 유지 보수 비용이 감축된다. 또한 설비 감축에 따른 공정실의 바닥면적을 축소할 수 있다. 또한 공정 설비간에 피처리 기판의 이송이 줄어듦으로서 피처리 기판에 대한 외부 오염을 줄일 수 있으며 전체적인 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
도 6은 듀얼 플라즈마 발생기의 전력 공급 구조의 변형예를 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하여, 듀얼 플라즈마 발생기(20)의 제1 플라즈마 챔버(30)에 장착되는 플라즈마 소스와 제2 플라즈마 발생기(40)에 장착되는 플라즈마 소스가 각기 개별적으로 제1 교류 스위칭 전원(50a)과 제2 교류 스위칭 전원(50b)으로부터 공급되도록 할 수 있다. 그리고 도면에는 도시하지 않았으나, 제1 점화기(35)와 제2 점화기(45)도 제1 교류 스위칭 전원(50a)과 제2 교류 스위칭 전원(50b)으로부터 각기 개별적으로 전력을 공급받아 동작하도록 할 수 있다. 다만, 이때에도 제1 화기(35)와 제2 점화기(45)가 동시에 동작되지 않도록 스위칭 회로를 구성하여 제어부(60)에 의해서 제어되도록 할 수 있다.
도 7 내지 도 9는 듀얼 플라즈마 발생기의 가스 공급 구조의 변형들을 예시하는 도면이다.
도 7을 참조하여, 일 변형에 따른 가스 공급 구조로서 듀얼 플라즈마 발생기(20)와 공정 챔버(10) 사이에서 제1 플라즈마와 제2 플라즈마의 이동 경로를 제공하는 가스 출력 채널(75)에 가스 밸브(74)가 구비될 수 있다. 이 가스 밸브(74)는 제1 플라즈마 챔버(30)에서 제1 플라즈마가 발생될 때 가스의 이동 경로가 제1 플라즈마 챔버(30)에서 공정 챔버(10)로만 이루어지도록 스위칭 되며, 제2 플라즈마 챔버(40)에서 제2 플라즈마가 발생될 때에는 가스의 이동 경로가 제2 플라즈마 챔버(40)에서 공정 챔버(10)로만 이루어지도록 스위칭 된다.
도 8을 참조하여, 다른 변형에 따른 가스 공급 구조로서 제1 플라즈마 챔버(30)와 공정 챔버(10) 사이에 독립된 제1 가스 출력 채널(76)이 구비되고, 제2 플라즈마 챔버(40)와 공정 챔버(10) 사이에 또 다른 독립된 제2 가스 출력 채널(77)이 구비된다. 이러한 변형 구조에 추가하여, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 가스 출력 채널(76, 77)에 각각 가스 밸브(78, 79)가 구비될 수 있다.
도 10 내지 도 14는 듀얼 플라즈마 발생기의 다양한 변형예들을 보여주는 도면이다.
도 10을 참조하여, 일 변형예에 따른 듀얼 플라즈마 발생기(20a)는 제1 및 2 플라즈마 챔버(31a, 41a)에 각기 유도 안테나 코일(36a, 46a)이 장착된 유도 결합 플라즈마 소스(inductively coupled plasma source) 구조의 플라즈마 소스가 장착될 수 있다. 이 경우에 제1 및 제2 플라즈마 챔버 바디(31a, 41a)는 각각 유전체 물질로 구성되는 것이 바람직 한다. 이 변형예에서 유도 안테나 코일(36a, 46a)이 제1 및 제2 플라즈마 챔버 바디(31a, 41a)에 나선형으로 권선된 구조를 예시하였으나 평판 나선형 구조로 챔버 바디의 일측에 설치될 수도 있다.
도 11을 참조하여, 다른 변형예에 따른 듀얼 플라즈마 발생기(20b)는 제1 플라즈마 챔버(30b)는 변압기 결합 플라즈마 소스로서 일차 권선 코일(33b)이 권선된 마그네틱 코어(34b)를 갖는 변압기(32b)가 장착된다. 제2 플라즈마 챔버(40b)에는 유도 결합 플라즈마 소스로서 유도 안테나 코일(46b)이 장착된다. 이 변형예에서 유도 안테나 코일(46b)이 제2 플라즈마 챔버 바디(41b)에 나선형으로 권선된 구조를 예시하였으나 평판 나선형 구조로 챔버 바디의 일측에 설치될 수도 있다.
도 12를 참조하여, 또 다른 변형에 따른 듀얼 플라즈마 발생기(20c)는 제1 플라즈마 챔버(30c)는 변압기 결합 플라즈마 소스로서 일차 권선 코일(33c)이 권선된 마그네틱 코어(34c)를 갖는 변압기(32c)가 장착된다. 제2 플라즈마 챔버(40c)는 용량 결합 플라즈마 소스(capacitively coupled plasma source)로서 용량 결합 전극(47c)이 장착된다.
도 13을 참조하여, 또 다른 변형에 따른 듀얼 플라즈마 발생기(20d)는 제1 플라즈마 챔버(30d)는 변압기 결합 플라즈마 소스로서 일차 권선 코일(33d)이 권선된 마그네틱 코어(34d)를 갖는 변압기(32d)가 장착된다. 제2 플라즈마 챔버(40d)는 마이크로웨이브 플라즈마 소스(microwave plasma source)로서 마이크로웨이브 발생기(48d)가 구비된다. 이 변형예에서 제2 플라즈마 챔버 바디(41d)는 도파관으로 구성된다.
도 14를 참조하여, 또 다른 변형에 따른 듀얼 플라즈마 발생기(20d)는 제1 및 제2 플라즈마 챔버(30e, 40e)는 마이크로웨이브 플라즈마 소스(microwave plasma source)로서 마이크로웨이브 발생기(38e, 48e)가 각각 구비된다. 이 변형예에서 제1 및 제2 플라즈마 챔버 바디(31e, 41e)는 도파관으로 구성된다.
이상에서 설명된 본 발명의 얼 플라즈마 발생기, 플라즈마 처리 시스템 및 방법의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10: 공정 챔버 20: 듀얼 플라즈마 발생기
30: 제1 플라즈마 챔버 31: 제1 플라즈마 챔버 바디
32: 제1 변압기 33: 마그네틱 코어
34: 일차 권선 코일 35: 제1 점화기
40: 제2 플라즈마 챔버 41: 제2 플라즈마 챔버 바디
42: 제2 변압기 43: 마그네틱 코어
44: 일차 권선 코일 45: 제2 점화기
50, 50a, 50b: 교류 스위칭 전원 52: 점화 스위칭 회로
60: 제어부 70, 72, 78, 79: 가스 밸브
71, 73: 가스 입력 채널 75, 76, 77: 가스 출력 채널
82: 공통 변압기 83: 마그네틱 코어
84: 일차 권선

Claims (34)

  1. 제1 가스를 공급받아서 제1 플라즈마를 발생하는 제1 플라즈마 챔버;
    상기 제1 플라즈마를 발생시키기 위한 제1 플라즈마 소스;
    제2 가스를 공급받아서 제2 플라즈마를 발생하는 제2 플라즈마 챔버;
    상기 제2 플라즈마를 발생시키기 위한 제2 플라즈마 소스; 및
    상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스로 교류 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 플라즈마 발생기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 소스의 점화를 위한 제1 점화기;
    상기 제2 플라즈마 소스의 점화를 위한 제2 점화기; 및
    상기 제1 및 제2 점화기를 선택적으로 동작시키기 위한 점화 선택 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 플라즈마 발생기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마와 상기 제2 플라즈마를 공정 챔버로 공급하기 위한 가스 출력 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 플라즈마 발생기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스 출력 채널은
    상기 제1 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 제2 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 공정 챔버를 공통으로 연결되는 공통 공급 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 플라즈마 발생기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공통 공급 채널은 상기 제1 플라즈마와 상기 제2 플라즈마 중 어느 하나가 선택적으로 상기 공정 챔버로 배기되도록 스위칭 동작하는 스위칭 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 플라즈마 발생기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 플라즈마 공급채널은
    상기 제1 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 공정 챔버를 연결하는 제1 독립 공급 채널; 및
    상기 제2 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 공정 챔버를 연결하는 제2 독립 공급 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 플라즈마 발생기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 교류 스위칭 전원은 상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 동작되는 것으로 교류 전력을 공급하는 단독 교류 스위칭 전원으로 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 플라즈마 발생기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 교류 스위칭 전원은
    상기 제1 플라즈마 소스로 교류 전력을 공급하는 제1 교류 스위칭 전원; 및
    상기 제2 플라즈마 소스로 교류 전력을 공급하는 제2 교류 스위칭 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 플라즈마 발생기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 변압기 결합 플라즈마 소스로 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 플라즈마 발생기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 유도 결합 플라즈마 소스로 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 플라즈마 발생기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 용량 결합 플라즈마 소스로 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 플라즈마 발생기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 마이크로웨이브 플라즈마 소스로 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 플라즈마 발생기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 챔버의 챔버 바디는 절연 물질을 포함하고, 상기 제2 플라즈마 챔버의 챔버 바디는 도전 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 플라즈마 발생기.
  14. 제1 가스를 공급받아서 제1 플라즈마를 발생하는 제1 플라즈마 챔버;
    상기 제1 플라즈마를 발생시키기 위한 제1 플라즈마 소스;
    제2 가스를 공급받아서 제2 플라즈마를 발생하는 제2 플라즈마 챔버;
    상기 제2 플라즈마를 발생시키기 위한 제2 플라즈마 소스;
    상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스로 교류 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원; 및
    상기 제1 플라즈마 또는 상기 제2 플라즈마를 받아들여 공정을 진행하는 공정 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 소스의 점화를 위한 제1 점화기;
    상기 제2 플라즈마 소스의 점화를 위한 제2 점화기; 및
    상기 제1 및 제2 점화기를 선택적으로 동작시키기 위한 점화 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마와 상기 제2 플라즈마를 상기 공정 챔버로 공급하기 위한 가스 출력 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 가스 출력 채널은
    상기 제1 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 제2 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 공정 챔버를 공통으로 연결되는 공통 공급 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 플라즈마 발생기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 공통 공급 채널은 상기 제1 플라즈마와 상기 제2 플라즈마 중 어느 하나가 선택적으로 상기 공정 챔버로 배기되도록 스위칭 동작하는 스위칭 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 플라즈마 공급채널은
    상기 제1 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 공정 챔버를 연결하는 제1 독립 공급 채널; 및
    상기 제2 플라즈마 챔버의 가스 출구와 상기 공정 챔버를 연결하는 제2 독립 공급 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 교류 스위칭 전원은 상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 동작되는 것으로 교류 전력을 공급하는 단독 교류 스위칭 전원으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 교류 스위칭 전원은
    상기 제1 플라즈마 소스로 교류 전력을 공급하는 제1 교류 스위칭 전원; 및
    상기 제2 플라즈마 소스로 교류 전력을 공급하는 제2 교류 스위칭 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 변압기 결합 플라즈마 소스로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
  23. 제14항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 유도 결합 플라즈마 소스로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
  24. 제14항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 용량 결합 플라즈마 소스로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
  25. 제14항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 소스와 상기 제2 플라즈마 소스 중 적어도 하나는 마이크로웨이브 플라즈마 소스로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템..
  26. 제14항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 챔버의 챔버 바디는 절연 물질을 포함하고, 상기 제2 플라즈마 챔버의 챔버 바디는 도전 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
  27. 제1 플라즈마 챔버에서 발생된 제1 플라즈마가 공정 챔버로 공급되는 단계;
    상기 제1 플라즈마에 의해서 상기 공정 챔버 내에서 제1 공정이 수행되는 단계;
    제2 플라즈마 챔버에서 발생된 제2 플라즈마가 상기 공정 챔버로 공급되는 단계; 및
    상기 제2 플라즈마에 의해서 상기 공정 채버 내에서 제2 공정이 수행되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 공정 챔버는 증착 공정 챔버인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 공정 챔버는 원자층 증착 공정 챔버인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 제1 공정과 제2 공정 사이에
    상기 제1 플라즈마와 상기 제2 플라즈마를 이용하지 않고 상기 공정 챔버 내에서 제3 공정이 수행되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 제3 공정은 원자층 증착 공정인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 제1 공정은 상기 공정 챔버 내에서 메인 공정이 진행되기 전 수행되는 전처리 공정이고,
    상기 제2 공정은 상기 공정 챔버 내에서 메인 공정이 진행된 후에 수행되는 후처리 공정인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 전처리 공정은 상기 피처리 기판에 표면 개질 공정인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 후처리 공정은 상기 공정 챔버의 내부를 세정하기 위한 세정 공정인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
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