KR20170058638A - 기판처리장치의 제어방법 및 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판처리장치의 제어방법 및 제어장치에 관한 것으로, 내부공간에 서셉터가 배치된 진공챔버와, 상기 진공챔버의 상부에 제공되며 상기 진공챔버의 내부에 공정가스를 공급하는 샤워헤드를 포함하고, 상기 진공챔버 내에 플라즈마가 발생되어 기판의 처리 공정이 행해지는 기판처리장치의 제어방법은, 상기 진공챔버의 내부 임피던스(impedance)를 측정하는 임피던스 측정 단계와; 상기 임피던스 측정단계에서 얻어진 임피던스 측정값을 이용하여 상기 샤워헤드의 온도를 제어하는 온도 제어 단계를; 포함하여, 공정중의 가스온도를 균일하게 유지할 수 있으며, 온도 저하에 따른 파티클 생성을 저감시킬 수 있다.

Description

기판처리장치의 제어방법 및 제어장치{METHOD AND DEVICE OF CONTROLLING OF SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 기판처리장치의 제어방법 및 제어장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 기판처리공정 중 챔버 내의 파티클(파우더) 생성을 저감시킬 수 있으며, 공정 효율을 향상시킬 수 있는 기판처리장치의 제어방법 및 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD) 장비는, 디스플레이 제조 공정 또는 반도체 제조 공정 중에 진공 상태에서 가스의 화학적 반응을 이용하여 절연막, 보호막, 산화막, 금속막 등을 기판에 증착시키기 위해 사용된다.
도 1은 기존 기판처리장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 기존 기판처리장치는 진공챔버(10), 상기 진공챔버(10)의 내부에 승강 가능하게 제공되며 기판(2)이 안착되는 서셉터(20)를 포함하며, 서셉터(20)의 상부에는 전극 및 공정가스가 분출되는 샤워헤드(30)가 구비된다.
상기 샤워헤드(30)를 통해 진공챔버(10)의 내부에 공정가스가 공급됨과 동시에 전극에 RF 전원이 인가됨에 따라, 진공챔버(10)의 내부에 공급된 공정가스는 플라즈마화 되어 서셉터(20)의 상면에 안착된 기판(2) 상에 증착될 수 있다.
한편, 상기 진공챔버의 내부에서 공정가스는 액체상태에서 기체로 기화된 상태로 공급되는데, 진공챔버의 내부 온도가 일정 미만으로 낮아지면, 공정가스의 분자 결합력이 높아져 공정가스가 다시 액화됨에 따라 파티클(파우더) 형태로 변환되는 문제점이 있다. 특히, 진공챔버 내부에서 플라즈마 발생이 중단됨에 따라 진공챔버의 내부 온도가 낮아질수록 파티클의 발생량이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 상기 진공챔버의 내부에 파티클이 일정 이상 발생될 경우에는 기판 처리 공정을 수행할 수 없기 때문에, 진공챔버의 내부를 세정하는 세정 공정이 수행될 수 있어야 한다. 하지만, 진공챔버 내부의 파티클의 발생량이 증가할수록 세정 공정 주기가 짧아지기 때문에 공정 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 진공챔버 내의 파티클 발생을 저감시키고 공정 효율을 향상시키기 위한 다양한 검토가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 플라즈마 처리 공정이 이루어지는 챔버 내의 파티클 생성을 저감시킬 수 있으며, 공정 효율을 향상시킬 수 있는 기판처리장치의 제어방법 및 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 챔버 내의 임피던스 정보를 기반으로 샤워헤드의 온도를 제어하여 챔버 내부로 유입되는 공정가스의 액화를 방지하고, 챔버 내의 파티클 생성을 저감시킬 수 있는 기판처리장치의 제어방법 및 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 박막의 두께를 균일하게 할 수 있는 기판처리장치의 제어방법 및 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 챔버의 세정 공정 주기를 연장할 수 있는 기판처리장치의 제어방법 및 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 내부공간에 서셉터가 배치된 진공챔버와, 상기 진공챔버의 상부에 제공되며 상기 진공챔버의 내부에 공정가스를 공급하는 샤워헤드를 포함하고, 상기 진공챔버 내에 플라즈마가 발생되어 기판의 처리 공정이 행해지는 기판처리장치의 제어방법은, 상기 진공챔버의 내부 임피던스(impedance)를 측정하는 임피던스 측정 단계와; 상기 임피던스 측정단계에서 얻어진 임피던스 측정값을 이용하여 상기 샤워헤드의 온도를 제어하는 온도 제어 단계를; 포함한다. 이러한 구성에 의하여, 진공챔버 내부의 임피던스에 따라 샤워헤드의 온도를 제어함으로써, 공정중의 가스온도 및 챔버온도를 균일하게 유지할 수 있으며, 챔버 내의 온도 저하에 따른 파티클 생성을 저감시킬 수 있다.
임피던스 측정 단계에서, 진공챔버의 내부 임피던스는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 측정될 수 있다. 예를 들어, 진공챔버의 내부 임피던스는, 진공챔버 내에 RF에너지를 공급하는 전극(예를 들어, 샤워헤드)과 접지(예를 들어, 서셉터) 사이의 전압 실효값(Vrms), 또는 진공챔버 내에 RF에너지를 공급하는 전극(예를 들어, 샤워헤드)과 접지(예를 들어, 서셉터) 사이의 전류 실효값(Irms)을 측정하여 얻어질 수 있다. 경우에 따라서는 임피던스 측정부가 진공챔버의 내부의 임피던스와 밀접한 관련이 있는 다른 인자를 측정하도록 구성하는 것도 가능하다.
일반적으로, Zc(챔버 임피던스) = R + L +1/C 로 표현된다. 진공챔버의 내부에 박막이 증착하게 되면 C 값(커패시턴스)이 증가하게 된다. 따라서, 진공챔버의 내부에 박막이 많이 증착되어 C 값이 증가하게 되면 챔버 임피던스가 감소하게 된다. 다시 말하자면, 샤워헤드의 히팅을 통해 진공챔버 내부(예를 들어, 샤워헤드 또는 인슐레이터링 부근)에 박막 증착이 덜 되게 되면 챔버 임피던스 변화가 작아지게 된다.
아울러, 전압 실효값(Vrms)은 진공챔버의 내부 임피던스와 비례하는 특성을 가지므로, 전압 실효값(Vrms)을 측정하면 진공챔버의 내부 임피던스를 측정할 수 있다. 마찬가지로, 상기 전류 실효값(Irms)은 진공챔버의 내부 임피던스와 반비례한 특성을 가지므로, 전류 실효값(Irms)을 측정하면 진공챔버의 내부 임피던스를 측정할 수 있다.
또한, 전압 실효값(Vrms)은 진공챔버의 내부 온도 또는 샤워헤드의 온도에 따라 반비례한 특성을 가지므로, 전압 실효값(Vrms)을 측정하면 진공챔버의 내부 온도 또는 샤워헤드의 온도를 산출할 수 있다. 구체적으로, 온도(예를 들어, 진공챔버의 내부 온도 또는 샤워헤드 온도)가 높아짐에 따라 전압 실효값(Vrms)이 낮아지고, 반대로 온도(예를 들어, 진공챔버의 내부 온도 또는 샤워헤드 온도)가 낮아짐에 따라 전압 실효값(Vrms)이 높아지는 것을 확인할 수 있다. 아울러, 전류 실효값(Irms)은 진공챔버의 내부 온도 또는 샤워헤드의 온도에 따라 비례한 특성을 가지므로, 전류 실효값(Irms)을 측정하면 진공챔버의 내부 온도 또는 샤워헤드의 온도를 산출할 수 있다.
바람직하게, 기판의 처리 공정(증착) 중에, 진공챔버의 내부에 플라즈마를 발생시키기 위한 공정 변수는 정해진 설정 조건으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 기판의 처리 공정 중에, 진공챔버 내벽 및 서셉터의 온도 변동폭은 설정 조건에서 정하는 설정 온도를 기준으로 ±10℃ 이내의 범위로 유지될 수 있다. 본 발명에서 서셉터는 처리 공정중 설정 온도가 100~600℃로 유지될 수 있고, 진공챔버의 내벽은 처리 공정중 설정 온도가 80~200℃로 유지될 수 있다.
또한, 진공챔버의 내부에 플라즈마를 발생시키기 위한 공정 변수는 정해진 설정 조건으로 유지될 수 있는 바, 설정 조건에서 정하는 진공챔버의 내부 압력은 0.5~20 [Torr] 조건으로 유지될 수 있고, 바람직하게는 2~6 [Torr] 조건으로 유지될 수 있다. 또한, 설정 조건에서 정하는 샤워헤드와 서셉터의 사이 간격은 4~30㎜의 치수 조건으로 유지될 수 있다.
아울러, 진공챔버의 내부 임피던스는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 측정수단을 이용하여 측정할 수 있다. 일 예로, 고주파 발생기의 출력 임피던스를 진공챔버의 내부 임피던스와 매칭시키는 정합기(matcher)와 진공챔버의 사이(예를 들어, 정합기의 출력단 또는 진공챔버의 입력단)에는 VI 센서(전류 측정 센서 또는 전압 측정 센서)가 제공될 수 있으며, VI 센서를 통해 진공챔버 내에 RF에너지를 공급하는 전극(예를 들어, 샤워헤드)과 접지(예를 들어, 서셉터) 사이의 전압 실효값(Vrms) 또는 전류 실효값(Irms)을 측정할 수 있다.
온도제어단계에서 샤워헤드의 온도 조절은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 샤워헤드의 온도는 통상의 온도 조절 수단에 의해 조절될 수 있으며, 온도 조절 수단의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 샤워헤드의 탑 플레이트에 제공되어 탑 플레이트를 선택적으로 가열하는 가열 엘리먼트(heating element)를 포함할 수 있으며, 가열 엘리먼트에 의한 단위 시간당 가열량을 조절하여 탑 플레이트의 온도를 조절할 수 있다.
아울러, 온도제어단계에서는, 임피던스 측정단계에서 측정된 임피던스 측정값이 기설정된 설정값을 초과하면, 가열 엘리먼트에 전원을 인가하거나 가열 엘리먼트의 온도를 높이는 것에 의해, 샤워헤드로의 단위 시간당(또는 단위 중량당) 열전달량을 증대시켜 샤워헤드를 가열할 수 있다.
온도제어단계에서는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 임피던스 측정값을 이용하여 샤워헤드의 온도를 높일 수 있다. 일 예로, 온도 제어 단계에서는, 임피던스 측정값과 샤워헤드 온도와의 관계식(함수)을 이용하여 샤워헤드의 온도를 높일 수 있다. 여기서, 임피던스 측정값과 샤워헤드 제어온도와의 관계식은 이론적인 수식에 의해 얻어질 수도 있지만, 임피던스 측정값에 따라 적정한 샤워 헤드의 온도를 실험데이터로 구하여, 임피던스 측정값에 따른 샤워헤드의 제어 온도의 관계식을 커브 피팅(curve fitting) 등의 방법으로 얻어질 수 있다. 이에 따라, 실시간으로 임피던스를 측정하여 임피던스 측정값에 대한 관계식으로 샤워헤드 타겟 제어 온도를 구하여, 관계식으로부터 얻어진 샤워헤드의 타겟 제어 온도가 되도록 샤워헤드의 온도를 제어한다. 다른 일 예로, 온도 제어 단계에서는, 임피던스 측정값과, 데이터베이스(메모리)에 저장된 진공챔버의 내부 임피던스 및 샤워헤드 온도에 대한 데이터를 이용하여 샤워헤드의 온도를 제어하는 것도 가능하다. 이 때, 데이터베이스에 저장된 데이터로부터 임피던스 값에 대한 샤워헤드의 온도의 상관관계를 얻을 때에 보간법(interpolation)을 이용하여, 저장된 데이터와 일치하지 않더라도 임피던스 측정값에 대한 샤워헤드의 제어 온도를 데이터베이스로부터 호출하여 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 내부공간에 서셉터가 배치된 진공챔버와, 진공챔버의 상부에 제공되며 진공챔버의 내부에 공정가스를 공급하는 샤워헤드를 포함하고, 진공챔버 내에 플라즈마가 발생되어 기판의 처리 공정이 행해지는 기판처리장치의 제어장치는, 진공챔버의 내부 임피던스(impedance)를 측정하는 임피던스 측정부와; 임피던스 측정부에서 얻어진 임피던스 측정값을 이용하여 상기 샤워헤드의 온도를 제어하는 온도제어부를; 포함한다.
샤워헤드는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 샤워헤드는 외부로 노출되는 탑 플레이트와, 탑 플레이트의 하부에 배치되며 진공챔버의 내부공간에 노출되는 엔드 플레이트를 포함할 수 있다.
임피던스 측정부는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 진공챔버의 내부 임피던스를 측정하도록 구성될 수 있으며, 임피던스 측정부의 측정 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 임피던스 측정부는 진공챔버 내에 RF에너지를 공급하는 전극(예를 들어, 샤워헤드)과 접지(예를 들어, 서셉터) 사이의 전압 실효값(Vrms), 또는 진공챔버 내에 RF에너지를 공급하는 전극(예를 들어, 샤워헤드)과 접지(예를 들어, 서셉터) 사이의 전류 실효값(Irms)을 측정함으로써, 진공챔버의 내부 임피던스를 얻을 수 있다.
또한, 기판의 처리 공정(증착) 중에, 진공챔버의 내부에 플라즈마를 발생시키기 위한 공정 변수는 정해진 설정 조건으로 유지될 수 있는 바, 진공챔버 내벽 및 서셉터의 온도 변동폭은 설정 조건에서 정하는 설정 온도를 기준으로 ±10℃ 이내의 범위로 유지될 수 있다.
임피던스 측정부로서는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 진공챔버의 내부 임피던스를 측정할 수 있는 다양한 측정수단이 사용될 수 있으며, 임피던스 측정부의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 임피던스 측정부로서는, 정합기의 출력단 또는 진공챔버의 입력단에 제공되어, 진공챔버 내에 RF에너지를 공급하는 전극과 접지 사이의 전압 실효값(Vrms) 또는 전류 실효값(Irms)을 측정하는 VI 센서(전류 측정 센서 또는 전압 측정 센서)가 사용될 수 있다.
온도제어부는 임피던스 측정부에서 측정된 임피던스 측정값에 대응하여 샤워헤드의 온도를 제어하도록 구성된다. 바람직하게, 온도제어부는 임피던스 측정부에서 측정된 임피던스 측정값이 기설정된 설정값을 초과하면, 가열 엘리먼트에 의한 단위 시간당 가열량을 조절하여 샤워헤드의 온도를 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 챔버 내의 파티클 생성을 저감시킬 수 있으며, 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면 샤워헤드의 엔드 플레이트의 온도를 100℃ 이상으로 유지함으로써, 챔버 내의 파티클 발생량을 저감시켜 챔버의 세정 공정 주기를 연장하며, 수율 및 공정 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 챔버 내의 임피던스 정보를 기반으로 샤워헤드의 온도를 제어하여, 샤워헤드를 통해 챔버 내부로 유입되는 공정가스가 가열될 수 있게 함으로써, 공정가스의 액화를 방지하고, 챔버 내의 파티클 생성을 저감시킬 수 있다.
즉, 일반적으로 샤워헤드의 탑 플레이트는 열용량이 낮은 재질 및 구조로 형성되어, 가열 엘리먼트에 의한 발열량의 변동에 따라 탑 플레이트의 온도가 급격하게 변동하므로, 엔드 플레이트의 온도의 변동 추세와 탑 플레이트의 온도가 시간 차를 두고 변동하게 된다. 이에 따라, 탑 플레이트의 온도를 기준으로 공정가스의 주변 온도를 제어하면, 공정중의 공정가스의 주변 온도가 균일하게 유지되기 어려운 문제가 야기된다. 그러나, 본 발명은 공정가스의 주변 온도(예를 들어, 엔드 플레이트의 주변 온도)와 밀접한 관계가 있는 챔버 내의 임피던스를 측정하고, 임피던스 정보를 기반으로 샤워헤드(특히, 엔드 플레이트)의 온도를 제어하므로, 공정가스의 주변의 온도를 보다 균일하게 제어할 수 있으며, 공정 편차를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 샤워헤드의 온도를 균일하게 제어하여 공정가스가 챔버 내부에 확실하게 기화된 상태로 공급되게 함으로써, 박막의 두께를 균일하게 할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 절연 인슐레이터를 이용하여 가열 엘리먼트와 샤워헤드 간의 전기전인 연결은 차단하면서 가열 엘리먼트로부터 샤워헤드 측으로의 열전달 특성을 효과적으로 보장할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 단열 인슐레이터를 이용하여 가열 엘리먼트에 의한 외부로의 발열을 효과적으로 차단할 수 있음은 물론, 샤워헤드의 급격한 온도저하를 방지함으로써 샤워헤드와 주변 구조물(예를 들어, 인슐레이터링)과의 온도차에 의한 파티클 발생을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
도 1은 기존 기판처리장치를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 기판처리장치의 제어장치를 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 기판처리장치의 제어방법을 설명하기 위한 블록도,
도 4 및 본 발명에 따른 기판처리장치의 제어방법으로서, 온도와 임피던스 파라미터의 상관관계를 설명하기 위한 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 기판처리장치의 제어방법으로서, 샤워헤드 온도와 임피던스 파라미터의 상관관계를 설명하기 위한 그래프,
도 6 및 도 7은 진공챔버의 내부 온도 조절에 따른 파티클 생성량을 설명하기 위한 사진이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 기판처리장치의 제어장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 진공챔버(110)와, 상기 진공챔버(110)의 상부에 제공되며 상기 진공챔버(110)의 내부에 공정가스를 공급하는 샤워헤드(210)와, 상기 샤워헤드(210)와 상기 진공챔버(110) 내벽의 사이에 제공되는 인슐레이터링(112)을 포함하는 기판처리장치의 제어장치는, 임피던스 측정부(720) 및 온도제어부(730)를 포함한다.
상기 진공챔버(110)는 내부에 소정 처리 공간을 갖도록 제공되며, 측벽 적어도 일측에는 기판(12) 및 이송유닛이 출입하기 위한 출입부가 제공된다.
상기 진공챔버(110)의 사이즈 및 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 적절히 변경될 수 있으며, 진공챔버(110)의 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 발명에 진공챔버(110)라 함은, 대기압 조건 및 대기압보다 낮은 조건의 처리 환경을 모두 조성할 수 있는 개념으로 이해될 수 있다.
상기 진공챔버(110)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 소재로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 진공챔버(110) 내벽은 통상의 알루미늄(Al) 소재로 형성될 수 있다.
또한, 상기 진공챔버(110)의 내부에는 서셉터(120)가 구비된다. 상기 서셉터(120)는 진공챔버(110)의 내부에 상하 방향을 따라 승강 가능하게 제공되며, 서셉터(120)의 상면에는 기판(12)이 안착될 수 있다. 상기 서셉터(120)는 모터와 같은 통상의 구동수단에 의해 상하 방향을 따라 이동될 수 있다.
상기 샤워헤드(210)는 서셉터(120)의 상부에 배치되며 진공챔버(110)의 내부에 공정가스를 제공하고 플라즈마를 발생시키기 위한 전극으로 이용된다.
상기 샤워헤드(210)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 샤워헤드(210)의 구조 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 상기 샤워헤드(210)는 외부로 노출되는 탑 플레이트(212)와, 상기 탑 플레이트(212)의 하부에 배치되며 진공챔버(110)의 내부공간에 노출되는 엔드 플레이트(216)와, 상기 탑 플레이트(212) 및 엔드 플레이트(216)의 사이에 배치되는 미드 플레이트(214)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 탑 플레이트(212)와 미드 플레이트(214)의 사이 공간으로 공급된 공정가스는 미드 플레이트(214)의 관통공(214a)을 거쳐 미드 플레이트(214)와 엔드 플레이트(216)의 사이 확산된 후, 엔드 플레이트(216)의 배출공(216a)을 통해 진공챔버(110)의 내부 공간으로 분사될 수 있다.
아울러, 상기 샤워헤드(210)로 공급되는 공정가스는 통상의 기화기에 의해 액체상태에서 기체로 기화된 상태로 샤워헤드(210)에 공급될 수 있다.
상기 인슐레이터링(112)은 샤워헤드(210)와 진공챔버(110) 내벽의 전기적 절연(예를 들어, RF 차단)을 위해 샤워헤드(210)와 진공챔버(110)의 사이에는 개재된다.
상기 인슐레이터링(112)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 소재로 형성될 수 있다. 바람직하게 상기 인슐레이터링(112)은 샤워헤드(210)보다 열용량(heat capacity)이 높은 재질로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 인슐레이터링(112)은 통상의 세라믹 소재로 형성될 수 있다.
상기 임피던스 측정부(720)는 진공챔버(110)의 내부 임피던스(impedance)를 측정하기 위해 제공된다.
상기 임피던스 측정부(720)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 진공챔버(110)의 내부 임피던스를 측정하도록 구성될 수 있으며, 임피던스 측정부(720)의 측정 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 상기 임피던스 측정부(720)는 진공챔버(110)의 내부로부터 임피던스 파라미터(impedance parameter)를 측정함으로써, 진공챔버(110)의 내부 임피던스를 산출할 수 있다. 여기서, 임피던스 파라미터미터라 함은, 진공챔버(110)의 내부 임피던스와 밀접한 관련이 있는 인자(parameter)로서, 진공챔버(110)의 내부 임피던스 변화에 따라 측정값(또는 수치값)이 가변될 수 있는 인자로 이해될 수 있다. 예를 들어, 상기 임피던스 파라미터는 진공챔버(110) 내에 RF에너지를 공급하는 전극(예를 들어, 샤워헤드)과 접지(예를 들어, 서셉터) 사이의 전압 실효값(Vrms), 또는 진공챔버(110) 내에 RF에너지를 공급하는 전극(예를 들어, 샤워헤드)과 접지(예를 들어, 서셉터) 사이의 전류 실효값(Irms)을 포함할 수 있으며, 진공챔버(110)의 내부로부터 측정되는 전압 실효값(Vrms) 또는 전류 실효값(Irms)의 측정값이 변화함에 따라 진공챔버(110)의 내부 임피던스가 가변될 수 있다. 경우에 따라서는 임피던스 측정부가 진공챔버의 내부의 임피던스와 밀접한 관련이 있는 다른 인자를 측정하도록 구성하는 것도 가능하다.
참고로, V(전압)=I(전류)*R(임피던스)이기 때문에, 상기 전압 실효값(Vrms)은 진공챔버(110)의 내부 임피던스와 비례하는 특성을 가지므로, 전압 실효값(Vrms)을 측정하면 진공챔버(110)의 내부 임피던스를 측정할 수 있다. 마찬가지로, 상기 전류 실효값(Irms)은 진공챔버(110)의 내부 임피던스와 반비례한 특성을 가지므로, 전류 실효값(Irms)을 측정하면 진공챔버(110)의 내부 임피던스를 측정할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 전압 실효값(Vrms)은 진공챔버(110)의 내부 온도 또는 샤워헤드의 온도에 따라 반비례한 특성을 가지므로, 전압 실효값(Vrms)을 측정하면 진공챔버(110)의 내부 온도 또는 샤워헤드의 온도를 산출할 수 있다. 구체적으로, 온도(예를 들어, 진공챔버의 내부 온도 또는 샤워헤드 온도)가 높아짐에 따라 전압 실효값(Vrms)이 낮아지고, 반대로 온도(예를 들어, 진공챔버의 내부 온도 또는 샤워헤드 온도)가 낮아짐에 따라 전압 실효값(Vrms)이 높아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 4를 참조하면, 온도(진공챔버의 내부 온도 또는 샤워헤드의 온도)가 100℃에 근접할수록, 전압 실효값(Vrms)의 최대값(예를 들어, 도 4에서 100℃ 조건에서 108.2) 및 최소값(예를 들어, 도 4에서 100℃ 조건에서 103.8) 사이의 편차(108.2-103.5=4.4)가 작은 것을 확인할 수 있다.
아울러, 상기 전류 실효값(Irms)은 진공챔버(110)의 내부 온도 또는 샤워헤드의 온도에 따라 비례한 특성을 가지므로, 전류 실효값(Irms)을 측정하면 진공챔버(110)의 내부 온도 또는 샤워헤드의 온도를 산출할 수 있다.
바람직하게, 기판의 처리 공정(증착) 중에, 진공챔버(110)의 내부에 플라즈마를 발생시키기 위한 공정 변수는 정해진 설정 조건으로 유지될 수 있다. 여기서, 공정 변수라 함은 진공챔버(110)의 내부에 플라즈마를 발생시키는데 영향을 미치는 변수로 이해될 수 있다.
예를 들어, 기판의 처리 공정 중에, 진공챔버(110) 내벽 및 서셉터(120)의 온도 변동폭은 설정 조건에서 정하는 설정 온도를 기준으로 ±10℃ 이내의 범위로 유지된다. 본 발명에서 상기 서셉터(120)는 처리 공정중 설정 온도가 100~600℃로 유지될 수 있고, 진공챔버(110)의 내벽은 처리 공정중 설정 온도가 80~200℃로 유지될 수 있다. 따라서, 처리 공정중 서셉터(120)의 설정 온도가 200℃이면, 처리 공정중 서셉터(120)의 온도는 200±10℃로 유지될 수 있다. 같은 방식으로, 처리 공정중 진공챔버(110)의 내벽 설정 온도가 80℃이면, 처리 공정중 진공챔버(110)의 내벽 온도는 80±10℃로 유지될 수 있다.
참고로, 상기 샤워헤드(210) 온도, 서셉터(120)의 온도, 및 진공챔버(110)의 내벽 온도는, 진공챔버(110)의 내부에 플라즈마를 발생시키는데 비교적 큰 영향을 미치기 때문에, 서셉터(120)의 온도, 및 진공챔버(110)의 내벽 온도가 일정하게 유지(설정 온도를 기준으로 온도 변동폭이 ±10℃ 이내로 유지)된 조건에서, 진공챔버(110)의 내부 임피던스를 측정하면, 진공챔버(110)의 내부 임피던스를 이용하여 샤워헤드(210)의 온도를 산출하는 것이 가능하다.
또한, 진공챔버(110)의 내부에 플라즈마를 발생시키기 위한 공정 변수는 정해진 설정 조건으로 유지될 수 있는 바, 설정 조건에서 정하는 진공챔버(110)의 내부 압력은 0.5~20 [Torr] 조건으로 유지될 수 있고, 바람직하게는 2~6 [Torr] 조건으로 유지될 수 있다. 또한, 설정 조건에서 정하는 샤워헤드와 서셉터(120)의 사이 간격은 4~30㎜의 치수 조건으로 유지될 수 있다.
상기 임피던스 측정부(720)로서는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 진공챔버(110)의 내부 임피던스를 측정할 수 있는 다양한 측정수단이 사용될 수 있으며, 임피던스 측정부(720)의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
참고로, 플라즈마가 발생되는 진공챔버(110) 내에는 고주파 발생기(RF Generator)로부터 파워가 공급된다. 아울러, 고주파 발생기의 출력 임피던스와 진공챔버(110)의 내부 임피던스가 서로 정합이 되지 않으면, 고주파 발생기의 출력인 파워가 진공챔버(110)의 내부에 전부 공급되지 못하고 일부가 반사되어 다시 고주파 발생기로 되돌아 오는 현상이 발생되어, 파워의 손실과 반사된 파워에 의해 고주파 발생기의 손상이 야기될 수 있다. 이에 따라, 고주파 발생기의 출력 임피던스와 진공챔버(110)의 내부 임피던스가 서로 켤레를 이루는 정합(matching)이 되도록, 고주파 발생기의 출력 임피던스를 진공챔버(110)의 내부 임피던스와 매칭시키는 정합기(matcher)(710)가 고주파 발생기와 진공챔버(110)의 사이에 배치될 수 있다.
이하에서는 상기 임피던스 측정부(720)로서, 정합기(710)와 진공챔버(110)의 사이(예를 들어, 정합기의 출력단 또는 진공챔버의 입력단)에 제공되는 VI 센서(전류 측정 센서 또는 전압 측정 센서)가 사용된 예를 들어 설명하기로 한다. 상기 VI 센서를 통해 진공챔버(110) 내에 RF에너지를 공급하는 전극(예를 들어, 샤워헤드)과 접지(예를 들어, 서셉터) 사이의 전압 실효값(Vrms) 또는 전류 실효값(Irms)을 측정할 수 있다.
아울러, 상기 임피던스 측정부(720)(예를 들어, VI 센서)는 정합기의 내/외부에 장착되거나 샤워헤드의 내외측에 장착될 수 있으며, 임피던스 측정부(720)의 장착위치는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
상기 온도제어부(730)는 임피던스 측정부(720)에서 측정된 임피던스 측정값에 대응하여 샤워헤드(210)의 온도를 제어하도록 구성된다. 일 예로, 임피던스 측정부(720)에서 측정된 임피던스 측정값이 기설정된 설정값을 초과(예를 들어, 샤워헤드의 온도가 100℃일때의 임피던스 설정값보다 임피던스 측정값이 높은 조건)하면, 상기 온도제어부(730)가 샤워헤드(210)에 단위 시간당 보다 많은 열을 전달하는 방식으로 샤워헤드(210)의 온도를 높이도록 제어할 수 있다.
상기 온도제어부(730)에 의한 샤워헤드(210)의 온도 제어는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 제어될 수 있다. 일 예로, 상기 샤워헤드(210) 상에 제공되며, 샤워헤드(210)를 선택적으로 가열하는 가열 엘리먼트(heating element)(300)를 포함할 수 있으며, 상기 가열 엘리먼트(300)에 의한 단위 시간당 가열량을 조절하여 샤워헤드(210)의 온도를 조절할 수 있다.
상기 가열 엘리먼트(300)로서는 탑 플레이트(212)를 가열할 수 있는 통상의 가열 수단이 사용될 수 있으며, 가열 엘리먼트(300)의 종류 및 특성은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 가령, 가열 엘리먼트는 열선과 같은 열원만으로 구성되거나, 열원의 주변에 열전도율이 높은 별도의 열전달 매개체가 조립된 구조로 제공될 수 있다. 이하에서는 열전도율이 높은 가열블록 내부에 열원(열선)이 배치되어 가열 엘리먼트(300)를 구성하는 예를 들어 설명하기로 한다.
상기 가열 엘리먼트(300)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 샤워헤드를 선택적으로 가열할 수 있는 다양한 위치에 장착될 수 있다. 일 예로, 상기 가열 엘리먼트(300)는 탑 플레이트(212)의 상면에 장착될 수 있다. 경우에 따라서는 가열 엘리먼트가 탑 플레이트의 내면 또는 측면에 배치되도록 구성하는 것도 가능하다.
상기 가열 엘리먼트(300)의 온도 조절을 통해 탑 플레이트(212)로부터 열전달이 이루어지는 엔드 플레이트(216)의 온도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 가열 엘리먼트(300)에 전원을 인가하여 OFF상태에서 ON상태로 되게 하거나, 가열 엘리먼트(300)의 온도를 보다 높이는 것에 의하여, 가열 엘리먼트(300)로부터 탑 플레이트(212)에 단위 시간당 보다 많은 열을 전달하여 탑 플레이트(212)를 가열할 수 있다.
상기 가열 엘리먼트(300)의 구조 및 형태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 일 예로, 상기 가열 엘리먼트(300)는 샤워헤드(210)의 원주 방향을 따라 배치된 형태로 형성될 수 있다. 이하에서는 가열 엘리먼트(300)가 샤워헤드(210)의 원주 방향을 따라 배치된 "C" 형태로 형성된 예를 들어 설명하기로 한다. 참고로, 본 발명의 실시예에서는 가열 엘리먼트(300)가 오픈루프(open loop) 형태로 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 가열 엘리먼트가 폐루프(close loop) 형태로 형성되는 것도 가능하다.
아울러, 상기 가열 엘리먼트(300)와 샤워헤드(210)의 사이에는 절기적 절연을 위한 절연 인슐레이터(400)가 제공될 수 있다. 아울러, 상기 절연 인슐레이터(400)은 가열 엘리먼트(300)와 샤워헤드(210) 간의 전기적 절연을 수행함과 동시에 가열 엘리먼트(300)로부터 발생된 열이 샤워헤드(210)로 효과적으로 전달될 수 있게 한다.
상기 가열 엘리먼트(300)가 탑 플레이트(212)의 상면에 장착되는 조건에서는, 상기 절연 인슐레이터(400)가 탑 플레이트(212)의 상면에 제공될 수 있으며, 상기 가열 엘리먼트(300)는 절연 인슐레이터(400)의 상면에 장착될 수 있다.
상기 절연 인슐레이터(400)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 소재로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 절연 인슐레이터(400)는 열전도성을 갖는 통상의 금속 소재로 형성될 수 있다. 다른 일 예로, 상기 절연 인슐레이터(400)가 전기절연성 및 열전도성을 동시에 가질 수 있도록, 절연 인슐레이터(400)는 표면이 아노다이징(anodising) 처리된 열전도성을 갖는 소재로 형성될 수 있다. 이하에서는 상기 절연 인슐레이터(400)가 표면이 아노다이징(anodising) 처리된 알루미늄으로 형성된 예를 들어 설명하기로 한다.
상기 절연 인슐레이터(400)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 형태 및 사이즈로 제공될 수 있다. 일 예로, 상기 절연 인슐레이터(400)는 가열 엘리먼트(300)에 대응되는 형태 및 사이즈로 제공될 수 있다. 경우에 따라서는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 절연 인슐레이터가 가열 엘리먼트와 다른 형태 및 다른 사이즈(예를 들어, 큰 사이즈 또는 작은 사이즈)로 제공되는 것이 가능하다.
또한, 상기 가열 엘리먼트(300)의 상면에는 단열 소재로 이루어진 단열 인슐레이터(500)가 제공될 수 있다. 상기 단열 인슐레이터(500)는 가열 엘리먼트(300)에 의한 외부로의 발열을 차단함과 동시에, 가열 엘리먼트(300)에 의한 발열이 중단될 시 샤워헤드(210)의 급격한 온도저하를 방지하기 위해 제공될 수 있다.
특히, 상기 진공챔버(110) 내부에서의 플라즈마 발생이 중단되면 비교적 열전도성이 높은 샤워헤드(210)의 온도가 주변 구조물(예를 들어, 인슐레이터링 및 진공챔버(110))에 비해 급격히 낮아지는 현상이 발생할 수 있으며, 샤워헤드(210)와 주변 부재(예를 들어, 인슐레이터링)와의 온도 차이가 클수록 챔버 내부에서 공정 가스가 액화나 고화되면서 파티클의 발생량이 증가할 수 있다. 상기 단열 인슐레이터(500)는 샤워헤드(210)의 온도 변화가 보다 서서히 이루어질 수 있게 함으로써 챔버 내부의 온도를 급격히 변동하는 것을 피할 수 있다.
상기 단열 인슐레이터(500)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 단열 특성을 갖는 다양한 소재로 형성될 수 있다. 바람직하게 상기 단열 인슐레이터(500)는 단열 특성이 우수한 마이카(mica)로 형성될 수 있다.
상기 가열 엘리먼트(300)가 탑 플레이트(212)의 상면에 장착되는 조건에서는, 상기 절연 인슐레이터(400)가 탑 플레이트(212)의 상면에 제공될 수 있고, 상기 가열 엘리먼트(300)는 절연 인슐레이터(400)의 상면에 장착될 수 있으며, 상기 단열 일슐레이터는 가열 엘리먼트(300)의 상면을 덮도록 형성될 수 있다. 경우에 따라서는 단열 인슐레이터가 가열 엘리먼트의 상면과 측면을 함께 덮도록 형성되는 것도 가능하다.
상기 단열 인슐레이터(500)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 형태 및 사이즈로 제공될 수 있다. 일 예로, 상기 단열 인슐레이터(500)는 가열 엘리먼트(300)에 대응되는 형태 및 사이즈로 제공될 수 있다. 경우에 따라서는 절연 인슐레이터가 가열 엘리먼트의 상면을 부분적으로 덮도록 형성되는 것이 가능하며, 단열 인슐레이터의 형태 및 사이즈에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
아울러, 전술한 가열 엘리먼트는 단 하나가 구비될 수 있으나, 경우에 따라서는 복수개의 가열 엘리먼트가 사용될 수도 있다. 일 예로, 샤워헤드의 상면에는 샤워헤드의 원주 방향을 따라 형성된 2개의 가열 엘리먼트(미도시)가 샤워헤드의 반경 방향을 따라 이격되게 배치될 수 있으며, 각 가열 엘리먼트와 샤워헤드의 사이에는 각각 절연 인슐레이터가 제공될 수 있고, 각 가열 엘리먼트의 상면에는 단열 인슐레이터가 제공될 수 있다. 또한, 2개의 가열 엘리먼트는 서로 유사한 형태 및 구조를 가질 수 있으나, 다르게는 서로 다른 형태 및 구조를 갖는 복수개의 가열 엘리먼트를 사용하는 것이 가능하다. 또 다른 일 예로, 가열 엘리먼트는 샤워헤드의 원주 방향을 따라 이격된(분리된) 형태로 형성될 수 있다. 가령, 샤워헤드의 상면에는 샤워헤드의 원주 방향을 따라 이격되게 4개의 가열 엘리먼트(미도시)가 제공될 수 있다. 다르게는 복수개의 가열 엘리먼트가 격자 형태로 배열되거나 여타 다른 배열 구조로 배열될 수 있으며, 가열 엘리먼트의 배열 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 단열 인슐레이터(500)의 상면에는 커버부재(600)가 제공될 수 있다. 상기 커버부재(600)는 단열 인슐레이터(500)를 보호하고 외관을 형성하기 위해 제공될 수 있으며, 상기 커버부재(600)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 소재로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 커버부재(600)는 통상의 스테인레스강(SUS:steel use stainless)으로 형성될 수 있다.
상기 커버부재(600)는 단열 인슐레이터(500)의 상면을 전체적으로 덮거나 부분적으로 덮도록 형성될 수 있으며, 커버부재(600)의 형상 및 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 적절히 변경될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 공정가스가 진공챔버(110)의 내부에 공급될 시 공정가스의 주변 온도와 밀접한 관계를 갖는 샤워헤드의 엔드 플레이트(216)의 온도를 진공챔버(110)의 내부 임피던스를 이용하여 측정하고, 진공챔버(110)의 내부 임피던스에 따라 탑 플레이트(212)의 온도를 조절함으로써, 탑 플레이트(212)로부터 열전달이 이루어지는 엔드 플레이트(216)의 온도를 제어하도록 구성된다.
이와 같은 방식은 탑 플레이트의 온도를 측정하고, 탑 플레이트의 온도에 따라 탑 플레이트의 온도를 조절하는 방식에 비해, 공정가스의 주변 온도를 보다 온도 요동이 없는 균일한 온도로 안정되게 제어할 수 있게 한다.
즉, 탑 플레이트는 열용량이 낮은 재질 및 구조로 형성되기 때문에, 다시 말해서, 탑 플레이트는 가열 엘리먼트로부터 전달되는 단위 시간당 열량 변화에 따라 온도가 급격하게 변하므로, 엔드 플레이트의 온도는 탑 플레이트의 온도와 서로 다르게 변화한다. 따라서, 탑 플레이트의 온도를 기준으로 공정가스의 주변 온도를 제어하면, 공정중의 공정가스의 주변 온도가 균일하게 유지되기 어려운 문제점이 있다. 특히, 진공가스의 주변 온도가 저하될 경우에는 파티클의 발생량이 증가하게 되는 문제점이 있다. 하지만, 본 발명에서는 공정가스의 주변 온도와 밀접한 관계를 갖는 엔드 플레이트(216)의 온도를 진공챔버(110)의 내부 임피던스를 이용하여 측정하고, 엔드 플레이트(216)의 온도와 상관관계를 갖는 진공챔버(110)의 내부 임피던스를 기반으로 엔드 플레이트(216)의 온도를 조절하기 때문에, 공정가스의 주변의 온도를 보다 균일하게 제어할 수 있으며, 공정 편차를 최소화하는 것이 가능하다.
한편, 도 3은 본 발명에 따른 기판처리장치의 제어방법을 설명하기 위한 블록도이다. 또한, 도 4 및 본 발명에 따른 기판처리장치의 제어방법으로서, 온도와 임피던스 파라미터의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 기판처리장치의 제어방법으로서, 샤워헤드 온도와 임피던스 파라미터의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른, 내부공간에 서셉터(120)가 배치된 진공챔버(110)와, 상기 진공챔버(110)의 상부에 제공되며 진공챔버(110)의 내부에 공정가스를 공급하는 샤워헤드(120)를 포함하는 기판처리장치의 제어방법은, 상기 진공챔버(110)의 내부 임피던스(impedance)를 측정하는 임피던스 측정 단계(S10)와; 상기 임피던스 측정단계에서 얻어진 임피던스 측정값에 대응하여 샤워헤드의 온도를 제어하는 온도 제어 단계(S20)를; 포함한다.
단계 1:
먼저, 진공챔버(110)의 내부 임피던스(impedance)를 측정한다.(S10)
상기 임피던스 측정 단계(S10)에서, 진공챔버(110)의 내부 임피던스는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 측정될 수 있다.
일 예로, 상기 임피던스 측정 단계(S10)에서, 진공챔버(110)의 내부 임피던스는 진공챔버(110)의 내부로부터 임피던스 파라미터(impedance parameter)를 측정함으로써 산출할 수 있다. 여기서, 임피던스 파라미터미터라 함은, 진공챔버(110)의 내부 임피던스와 밀접한 관련이 있는 인자(parameter)로서, 진공챔버(110)의 내부 임피던스 변화에 따라 측정값(또는 수치값)이 가변될 수 있는 인자로 이해될 수 있다.
예를 들어, 상기 임피던스 파라미터는 진공챔버(110) 내에 RF에너지를 공급하는 전극(예를 들어, 샤워헤드)과 접지(예를 들어, 서셉터) 사이의 전압 실효값(Vrms), 또는 진공챔버(110) 내에 RF에너지를 공급하는 전극(예를 들어, 샤워헤드)과 접지(예를 들어, 서셉터) 사이의 전류 실효값(Irms)을 포함할 수 있으며, 진공챔버(110)의 내부로부터 측정되는 전압 실효값(Vrms) 또는 전류 실효값(Irms)의 측정값이 변화함에 따라 진공챔버(110)의 내부 임피던스가 가변될 수 있다. 경우에 따라서는 임피던스 측정부가 진공챔버의 내부의 임피던스와 밀접한 관련이 있는 다른 인자를 측정하도록 구성하는 것도 가능하다.
전술한 바와 같이, V(전압)=I(전류)*R(임피던스)이기 때문에, 상기 전압 실효값(Vrms)은 진공챔버(110)의 내부 임피던스와 비례하는 특성을 가지므로, 전압 실효값(Vrms)을 측정하면 진공챔버(110)의 내부 임피던스를 측정할 수 있다. 마찬가지로, 상기 전류 실효값(Irms)은 진공챔버(110)의 내부 임피던스와 반비례한 특성을 가지므로, 전류 실효값(Irms)을 측정하면 진공챔버(110)의 내부 임피던스를 측정할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 전압 실효값(Vrms)은 진공챔버(110)의 내부 온도 또는 샤워헤드의 온도에 따라 반비례한 특성을 가지므로, 전압 실효값(Vrms)을 측정하면 진공챔버(110)의 내부 온도 또는 샤워헤드의 온도를 산출할 수 있다. 구체적으로, 온도(예를 들어, 진공챔버의 내부 온도 또는 샤워헤드 온도)가 높아짐에 따라 전압 실효값(Vrms)이 낮아지고, 반대로 온도(예를 들어, 진공챔버의 내부 온도 또는 샤워헤드 온도)가 낮아짐에 따라 전압 실효값(Vrms)이 높아지는 것을 확인할 수 있다. 아울러, 상기 전류 실효값(Irms)은 진공챔버(110)의 내부 온도 또는 샤워헤드의 온도에 따라 비례한 특성을 가지므로, 전류 실효값(Irms)을 측정하면 진공챔버(110)의 내부 온도 또는 샤워헤드의 온도를 산출할 수 있다.
바람직하게, 기판의 처리 공정(증착) 중에, 진공챔버(110)의 내부에 플라즈마를 발생시키기 위한 공정 변수는 정해진 설정 조건으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 기판의 처리 공정 중에, 진공챔버(110) 내벽 및 서셉터(120)의 온도 변동폭은 설정 조건에서 정하는 설정 온도를 기준으로 ±10℃ 이내의 범위로 유지된다. 본 발명에서 상기 서셉터(120)는 처리 공정중 설정 온도가 100~600℃로 유지될 수 있고, 진공챔버(110)의 내벽은 처리 공정중 설정 온도가 80~200℃로 유지될 수 있다. 따라서, 처리 공정중 서셉터(120)의 설정 온도가 200℃이면, 처리 공정중 서셉터(120)의 온도는 200±10℃로 유지될 수 있다. 같은 방식으로, 처리 공정중 진공챔버(110)의 내벽 설정 온도가 80℃이면, 처리 공정중 진공챔버(110)의 내벽 온도는 80±10℃로 유지될 수 있다.
참고로, 상기 샤워헤드(210) 온도, 서셉터(120)의 온도, 및 진공챔버(110)의 내벽 온도는, 진공챔버(110)의 내부에 플라즈마를 발생시키는데 비교적 큰 영향을 미치기 때문에, 서셉터(120)의 온도, 및 진공챔버(110)의 내벽 온도가 일정하게 유지(설정 온도를 기준으로 온도 변동폭이 ±10℃ 이내로 유지)된 조건에서, 진공챔버(110)의 내부 임피던스를 측정하면, 진공챔버(110)의 내부 임피던스를 이용하여 샤워헤드(210)의 온도를 산출하는 것이 가능하다.
또한, 진공챔버(110)의 내부에 플라즈마를 발생시키기 위한 공정 변수는 정해진 설정 조건으로 유지될 수 있는 바, 설정 조건에서 정하는 진공챔버(110)의 내부 압력은 0.5~20 [Torr] 조건으로 유지될 수 있고, 바람직하게는 2~6 [Torr] 조건으로 유지될 수 있다. 또한, 설정 조건에서 정하는 샤워헤드와 서셉터(120)의 사이 간격은 4~30㎜의 치수 조건으로 유지될 수 있다.
아울러, 상기 진공챔버(110)의 내부 임피던스는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 측정수단을 이용하여 측정할 수 있다. 일 예로, 고주파 발생기의 출력 임피던스를 진공챔버(110)의 내부 임피던스와 매칭시키는 정합기(710)와 진공챔버(110)의 사이(예를 들어, 정합기의 출력단 또는 진공챔버의 입력단)에는 VI 센서(전류 측정 센서 또는 전압 측정 센서)가 제공될 수 있으며, 상기 VI 센서를 통해 진공챔버(110) 내에 RF에너지를 공급하는 전극(예를 들어, 샤워헤드)과 접지(예를 들어, 서셉터) 사이의 전압 실효값(Vrms) 또는 전류 실효값(Irms)을 측정할 수 있다.
단계 2:
다음, 상기 임피던스 측정단계(S10)에서 얻어진 임피던스 측정값에 대응하여 샤워헤드(210)의 온도를 제어한다.(S20)
온도제어단계(S20)에서 샤워헤드(210)의 온도 조절은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 상기 샤워헤드(210)의 온도는 통상의 온도 조절 수단에 의해 조절될 수 있으며, 온도 조절 수단의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 샤워헤드(210)의 탑 플레이트(212)에 제공되어 탑 플레이트(212)를 선택적으로 가열하는 가열 엘리먼트(heating element)를 포함할 수 있으며, 상기 가열 엘리먼트에 의한 단위 시간당 가열량을 조절하여 탑 플레이트(212)의 온도를 조절할 수 있다.
상기 온도제어단계(S20)에서는, 전술한 임피던스 측정 단계(S10)에서 측정된 임피던스 측정값을 기반으로, 탑 플레이트(212)의 온도를 조절함으로써, 탑 플레이트(212)와 열전달이 이루어지는 엔드 플레이트(216)의 온도를 제어할 수 있다. 구체적으로, 임피던스 측정부(720)에서 측정된 임피던스 측정값이 기설정된 설정값을 초과(예를 들어, 샤워헤드의 온도가 100℃일때의 임피던스 설정값보다 임피던스 측정값이 높은 조건)하면(S22), 가열 엘리먼트(300)에 전원을 인가하거나 가열 엘리먼트(300)의 온도를 높이는 것에 의해, 탑 플레이트로(214)의 단위 시간당(또는 단위 중량당) 열전달량을 증대(S24)시켜 탑 플레이트(212)를 가열할 수 있다. 그 후, 샤워헤드(210)의 탑 플레이트로(214)의 온도가 기설정된 조건보다 높으면(S26), 가열 엘리먼트의 전원을 차단하거나 가열 엘리먼트로부터 탑 플레이트(212)에 전달되는 단위 시간당 열량을 줄이는 방식으로 엔드 플레이트(216)의 온도를 낮출 수 있다.(S28)
참고로, 상기 온도제어단계(S20)에서는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 임피던스 측정값을 이용하여 샤워헤드의 온도를 높일 수 있다. 일 예로, 온도 제어 단계(S20)에서는, 임피던스 측정값과 샤워헤드 온도와의 관계식(함수)를 이용하여 샤워헤드의 온도를 조절할 수 있다. 즉, 실시간으로 임피던스 측정값을 읽고, 임피던스 측정값과 샤워헤드 온도와의 관계식을 실시간 비교하여 샤워헤드의 온도를 조절할 수 있다. 다른 일 예로, 온도 제어 단계(S20)에서는, 임피던스 측정값과, 데이터베이스에 저장된 진공챔버의 내부 임피던스 및 샤워헤드 온도에 대한 데이터를 호출하여 샤워헤드의 온도를 제어하는 것도 가능하다.
반면, 임피던스 측정부(720)에서 측정된 임피던스 측정값이 기설정된 설정값보다 낮으면, 가열 엘리먼트의 전원을 차단하거나 가열 엘리먼트로부터 탑 플레이트(212)에 전달되는 단위 시간당 열량을 줄여 엔드 플레이트(216)의 온도를 낮출 수 있다. 바람직하게, 상기 온도제어단계(S20)에서는, 진공챔버(110)의 내부 임피던스에 대응하여 상기 엔드 플레이트(216) 및 인슐레이터링(112) 중 적어도 어느 하나의 온도가 100℃ 이상이고 200℃ 이하가 되도록 탑 플레이트(212)의 온도를 조절할 수 있다. 여기서, 엔드 플레이트(216)의 온도가 200℃ 이하인 것은 변동 가능하다.
참고로, 상기 탑 플레이트(212)와 엔드 플레이트(216) 간의 열전달은 전도, 대류, 복사 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 실질적으로 탑 플레이트(212)와 엔드 플레이트(216) 간의 열전달은 전도에 의한 열전달이 가장 큰 비중을 차지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 공정가스의 주변 온도와 밀접한 관계를 갖는 샤워헤드(예를 들어, 엔드 플레이트)의 온도를 진공챔버(110)의 내부 임피던스를 통해 측정하고, 엔드 플레이트의 온도를 기반으로 탑 플레이트의 온도를 조절하여 엔드 플레이트의 온도를 제어하기 때문에, 공정가스의 주변의 온도를 보다 균일하게 제어할 수 있으며, 공정 편차를 최소화하는 것이 가능하다.
한편, 도 6 및 도 7은 진공챔버(110)의 내부 온도 조절에 따른 파티클 생성량을 설명하기 위한 사진이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6을 참조하면, 진공챔버(도 2 110 참조)의 내부에서 측정된 임피던스 측정값이 기설정된 설정값보다 높은 조건, 다시 말해서 진공챔버(110)의 내부 임피던스와 상관관계를 갖는 샤워헤드(210)의 온도가 낮은 조건(예를 들어, 엔드 플레이트의 온도가 85℃인 조건)에서는 샤워헤드(도 2의 210 참조)의 저면에 비교적 많은 파티클이 발생된 것을 확인할 수 있다. 특히, 온도 차이가 큰 샤워헤드(210)와 인슐레이터링(112)의 사이에 보다 많은 파티클이 발생되는 것을 확인할 수 있었다.
이에 반하여, 도 7을 참조하면, 진공챔버(110)의 내부 임피던스 정보를 기반으로 하여, 가열 엘리먼트(도 2의 300 참조)에 의해 가열되는 탑 플레이트(도 2의 212)를 매개로 엔드 플레이트(도 2의 216 참조)의 온도를 비교적 높은 온도 조건(예를 들어, 엔드 플레이트의 온도가 100℃ 이상인 조건)로 제어하면, 샤워헤드(210)의 저면에서의 파티클 발생량이 1/3 내지 1/5로 현저하게 줄어든 것을 확인 수 있었다. 또한, 온도 차이가 비교적 크게 발생되는 샤워헤드(210)와 인슐레이터링(112)의 사이에서의 파티클 발생량이 줄어든 것을 확인할 수 있다.
이는, 액화된 공정 가스를 기화시켜 진공챔버(110) 내부로 유입시켜 플라즈마에 의한 처리 공정을 행하는 과정에서, 엔드 플레이트 또는 인슐레이터링의 온도를 100℃ 미만으로 하면, 기화되었던 공정 가스가 진공챔버 내부에서 액화나 고화되면서 파티클의 발생량이 급격히 많아진다는 새로운 발견에 입각한 것이다.
다시 말하면, 본 발명은, 가열 엘리먼트에 의해 가열되는 탑 플레이트 또는 샤워헤드를 이용하여 엔드 플레이트(또는 인슐레이터링)의 온도를 100℃ 이상으로 가열하는 것에 의하여, 샤워헤드를 통해 공급되는 공정 가스의 온도를 충분히 높게 유지시켜 확실하게 기화된 상태의 공정가스를 진공챔버(110) 내부에 유입시킴으로써, 진공챔버(110) 내부로 유입된 공정가스가 다시 액화 또는 고화되면서 파티클로 챔버 내벽에 달라붙는 현상을 억제할 수 있게 된다.
이를 통해, 본 발명은, 엔드 플레이트의 온도를 100℃ 이상으로 유지함으로써, 진공챔버(110) 내의 파티클 발생량을 1/3 내지 1/5 이하로 크게 줄여, 진공챔버(110)의 세정 공정 주기를 연장시킬 수 있고 수율 및 공정 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 진공챔버 120 : 서셉터
210 : 샤워헤드 212 : 탑 플레이트
214 : 미드 플레이트 216 : 엔드 플레이트
300 : 가열 엘리먼트 400 : 절연 인슐레이터
500 : 단열 인슐레이터 600 : 커버부재
720 : 임피던스 측정부 730 : 온도제어부

Claims (22)

  1. 내부공간에 서셉터가 배치된 진공챔버와, 상기 진공챔버의 상부에 제공되며 상기 진공챔버의 내부에 공정가스를 공급하는 샤워헤드를 포함하고, 상기 진공챔버 내에 플라즈마가 발생되어 기판의 처리 공정이 행해지는 기판처리장치의 제어방법에 있어서,
    상기 진공챔버의 내부 임피던스(impedance)를 측정하는 임피던스 측정 단계와;
    상기 임피던스 측정단계에서 얻어진 임피던스 측정값을 이용하여 상기 샤워헤드의 온도를 제어하는 온도 제어 단계를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 측정단계에서는 상기 샤워헤드와 상기 서셉터 사이의 전압 실효값(Vrms)을 측정하여 상기 임피던스 측정값을 얻는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 측정단계에서는 상기 샤워헤드와 상기 서셉터 사이의 전류 실효값(Irms)을 측정하여 상기 임피던스 측정값을 얻는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 제어 단계는,
    상기 임피던스 측정값이 기설정된 설정값을 초과하면 상기 샤워헤드의 온도를 높이는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 제어 단계는,
    상기 임피던스 측정값과 상기 샤워헤드 온도와의 관계식을 이용하여 상기 샤워헤드의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 제어 단계는,
    상기 임피던스 측정값과, 데이터베이스에 저장된 상기 진공챔버의 내부 임피던스 및 상기 샤워헤드 온도에 대한 데이터를 이용하여 상기 샤워헤드의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 기판의 처리 공정 중에, 상기 플라즈마를 발생시키기 위한 공정 변수는 정해진 설정 조건으로 유지되는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기판의 처리 공정 중에, 상기 진공챔버 내벽 및 상기 서셉터의 온도 변동폭은 상기 설정 조건에서 정하는 설정 온도를 기준으로 ±10℃ 이내의 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 서셉터의 설정 온도는 100~600℃ 중 어느 하나의 온도인 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 진공챔버 내벽의 설정 온도는 80~200℃ 중 어느 하나의 온도인 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 설정 조건에서 정하는 상기 진공챔버의 설정 압력은 0.5~20 Torr 중 어느 하나의 압력인 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 설정 조건에서 정하는 상기 서셉터와 상기 샤워헤드의 간격은 4~30mm 중 어느 하나의 치수인 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어방법.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 샤워헤드에 제공되며, 상기 샤워헤드를 선택적으로 가열하는 가열 엘리먼트(heating element)를 더 포함하되,
    상기 온도 제어 단계에서는, 상기 가열 엘리먼트에 의한 단위 시간당 가열량을 조절하여 상기 샤워헤드의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 샤워헤드는, 외부로 노출되는 탑 플레이트와; 상기 탑 플레이트의 하부에 배치되며 상기 진공챔버의 내부공간에 노출되는 엔드 플레이트를; 포함하여 제공되고,
    상기 가열 엘리먼트는 상기 탑 플레이트의 상면에 제공되되,
    상기 온도 제어 단계에서, 상기 임피던스 측정값이 상기 기설정된 챔버 임피던스를 초과하면 상기 가열 엘리먼트로부터 보다 많은 단위 시간당 열을 상기 탑 플레이트에 전달하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 온도 제어 단계에서는, 상기 엔드 플레이트의 온도, 및 상기 샤워헤드와 상기 진공챔버 내벽의 사이에 제공되는 인슐레이터링의 온도 중 적어도 어느 하나의 온도가 100℃ 이상이 되게 제어하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어방법.
  16. 내부공간에 서셉터가 배치된 진공챔버와, 상기 진공챔버의 상부에 제공되며 상기 진공챔버의 내부에 공정가스를 공급하는 샤워헤드를 포함하고, 상기 진공챔버 내에 플라즈마가 발생되어 기판의 처리 공정이 행해지는 기판처리장치의 제어장치에 있어서,
    상기 진공챔버의 임피던스(impedance)를 측정하는 임피던스 측정부와;
    상기 임피던스 측정부에서 얻어진 임피던스 측정값을 이용하여 상기 샤워헤드의 온도를 제어하는 온도제어부를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 임피던스 측정부는 상기 샤워헤드와 상기 서셉터 사이의 전압 실효값(Vrms)을 측정하여 상기 임피던스 측정값을 얻는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 임피던스 측정부는 상기 샤워헤드와 상기 서셉터 사이의 전압 실효값(Irms)을 측정하여 상기 임피던스 측정값을 얻는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어장치.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임피던스 측정부는 상기 임피던스 측정값이 기설정된 설정범위를 벗어나면 상기 샤워헤드의 온도를 높이는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 기판의 처리 공정 중에, 상기 진공챔버 내벽 및 상기 서셉터의 온도 변동폭은 설정 조건에서 정하는 설정 온도를 기준으로 ±10℃ 이내의 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어장치.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 샤워헤드에 제공되며, 상기 샤워헤드를 선택적으로 가열하는 가열 엘리먼트(heating element)를 더 포함하되,
    상기 온도제어부는, 상기 가열 엘리먼트에 의한 단위 시간당 가열량을 조절하여 상기 샤워헤드의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 샤워헤드는, 외부로 노출되는 탑 플레이트와; 상기 탑 플레이트의 하부에 배치되며 상기 진공챔버의 내부공간에 노출되는 엔드 플레이트를; 포함하여 제공되고,
    상기 가열 엘리먼트는 상기 탑 플레이트의 상면에 제공되되,
    상기 온도제어부는 상기 임피던스 측정값이 상기 기설정된 챔버 임피던스를 초과하면 상기 가열 엘리먼트로부터 보다 많은 단위 시간당 열이 상기 탑 플레이트에 전달되게 하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 제어장치.
KR1020150162463A 2015-11-19 2015-11-19 기판처리장치의 제어방법 및 제어장치 KR102070450B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20010092676A (ko) * 2000-03-24 2001-10-26 가나이 쓰도무 플라즈마를 사용하여 반도체 웨이퍼를 처리하는반도체제조장치 및 처리방법 및 웨이퍼 전위프로브
KR101345904B1 (ko) * 2003-12-23 2013-12-31 램 리써치 코포레이션 플라즈마 프로세싱 장치용 샤워헤드 전극 어셈블리
KR20140026724A (ko) * 2012-08-23 2014-03-06 주식회사 원익아이피에스 박막 제조 방법 및 기판 처리 장치

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