KR20210046150A - 기판 처리 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

진공 환경에서 식각 공정이 수행되는 동안 헬륨 가스가 배기 라인으로 바이패스되지 않도록 하여 헬륨 가스의 손실을 개선하는 기판 처리 시스템 및 방법을 제공한다. 상기 기판 처리 시스템은, 하우징; 하우징의 내부 상측에 설치되며, 기판을 식각하기 위한 공정 가스를 하우징의 내부로 공급하는 샤워 헤드 유닛; 하우징의 내부 하측에 설치되며, 기판이 안착되는 정전 척을 구비하는 지지 유닛; 기판을 식각하기 위해 공정 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 생성 유닛; 및 기판이 식각되는 동안 정전 척을 통해 기판의 일면으로 제어 가스를 공급하여 기판의 온도를 제어하는 기판 온도 제어부를 포함하며, 제어 가스는 기판의 일면으로 공급되는 도중에 배기 라인으로 바이패스되지 않는다.

Description

기판 처리 시스템 및 방법 {System and method for treating substrate}
본 발명은 기판을 처리하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
반도체 소자는 기판 상에 소정의 패턴을 형성함으로써 제조될 수 있다. 기판 상에 소정의 패턴을 형성할 때에는 증착 공정(depositing process), 사진 공정(lithography process), 식각 공정(etching process) 등 다수의 공정이 반도체 제조 공정에 사용되는 설비 내에서 연속적으로 수행될 수 있다.
한국공개특허 제10-2019-0070363호 (공개일: 2019.06.20.)
반도체 소자를 제조하는 데에 이용되는 건식 식각 공정(dry etching process)은 공정 챔버(process chamber) 내에서 수행될 수 있다. 이러한 공정 챔버에서는 플라즈마를 이용하여 기판(예를 들어, 웨이퍼(wafer))을 식각할 수 있다.
건식 식각 공정에서는 헬륨 가스(He)를 열 전달 매개체로 이용할 수 있다. 즉, 정전 척(ESC; Electro-Static Chuck)으로 헬륨 가스를 공급하는 공급 라인을 통해 기판을 지지하고 있는 정전 척과 웨이퍼 사이로 헬륨 가스를 공급하여, 진공 환경에서 식각 공정이 수행되는 동안 열 전달이 분산되도록 할 수 있다.
그런데 건식 식각 공정이 수행되는 동안 일부의 헬륨 가스가 공급 라인 상에서 배기 라인으로 계속적으로 흘러 들어가 드라이 펌프(dry pump)를 통해 외부로 배출됨으로써, 헬륨 가스가 낭비되는 문제점이 있다. 희귀 가스인 헬륨 가스의 채취 양이 감소하고 있는 현재 추세로 보았을 때, 헬륨 가스의 가치는 더욱 상승할 것으로 보이므로, 헬륨 가스의 절감은 필수적인 상황이 되고 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 진공 환경에서 식각 공정이 수행되는 동안 헬륨 가스가 배기 라인으로 바이패스(bypass)되지 않도록 하여 헬륨 가스의 손실을 개선하는 기판 처리 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 진공 환경에서 식각 공정이 수행되는 동안 헬륨 가스가 배기 라인으로 바이패스되지 않도록 하여 헬륨 가스의 손실을 개선하는 기판 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기판 처리 시스템의 일 면(aspect)은, 하우징; 상기 하우징의 내부 상측에 설치되며, 기판을 식각하기 위한 공정 가스를 상기 하우징의 내부로 공급하는 샤워 헤드 유닛; 상기 하우징의 내부 하측에 설치되며, 상기 기판이 안착되는 정전 척을 구비하는 지지 유닛; 상기 기판을 식각하기 위해 상기 공정 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 생성 유닛; 및 상기 기판이 식각되는 동안 상기 정전 척을 통해 상기 기판의 일면으로 제어 가스를 공급하여 상기 기판의 온도를 제어하는 기판 온도 제어부를 포함하며, 상기 제어 가스는 상기 기판의 일면으로 공급되는 도중에 배기 라인으로 바이패스되지 않는다.
상기 기판 온도 제어부는, 상기 제어 가스를 공급하는 제어 가스 공급부; 상기 제어 가스 공급부와 상기 정전 척을 연결하여 상기 제어 가스가 상기 기판의 일면으로 공급되도록 하는 제어 가스 공급 라인; 상기 제어 가스 공급 라인으로부터 분기되는 제2 배출 라인; 및 상기 제2 배출 라인 상에 설치되는 제4 개폐 밸브를 포함하며, 상기 제4 개폐 밸브는 상기 제어 가스가 상기 기판의 일면으로 공급될 때 폐쇄(close)될 수 있다.
상기 기판 온도 제어부는, 상기 정전 척의 내부 압력을 조절하기 위해 상기 정전 척에 공급된 상기 제어 가스를 외부로 배출시키는 제1 감압부; 및 상기 정전 척과 상기 제1 감압부를 연결하여 상기 정전 척에 공급된 상기 제어 가스가 외부로 배출되도록 하는 제1 배출 라인을 더 포함할 수 있다.
상기 기판 온도 제어부는, 상기 제어 가스 공급 라인 상에 설치되는 복수 개의 개폐 밸브를 더 포함하며, 상기 복수 개의 개폐 밸브 중 어느 하나인 제1 개폐 밸브는 상기 제2 배출 라인의 분기 지점과 상기 제어 가스 공급부 사이에 설치되며, 상기 복수 개의 개폐 밸브 중 다른 하나인 제2 개폐 밸브는 상기 제2 배출 라인의 분기 지점과 상기 정전 척 사이에 설치될 수 있다.
상기 기판 온도 제어부는 상기 제어 가스로 헬륨 가스를 공급할 수 있다.
상기 기판 온도 제어부는, 상기 제어 가스를 공급하는 제어 가스 공급부; 상기 제어 가스 공급부와 상기 정전 척을 연결하여 상기 제어 가스가 상기 기판의 일면으로 공급되도록 하는 제어 가스 공급 라인; 및 상기 제어 가스 공급 라인 상에 설치되는 적어도 하나의 개폐 밸브를 포함하며, 상기 제어 가스 공급 라인으로부터 분기되는 제2 배출 라인을 구비하지 않을 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기판 처리 방법의 일 면은, 기판의 온도를 제어하기 위한 제어 가스를 공급하는 제어 가스 공급부와 상기 기판이 안착되는 정전 척을 연결하는 제어 가스 공급 라인 상에 설치되는 적어도 하나의 밸브를 개방시키는 단계; 상기 제어 가스 공급 라인으로부터 분기되며, 상기 제어 가스가 상기 기판의 일면으로 공급되는 도중에 바이패스될 수 있도록 제공되는 제2 배출 라인 상에 설치되는 제4 개폐 밸브를 폐쇄시키는 단계; 상기 기판에 대해 식각 공정을 시작하는 단계; 및 상기 기판에 대해 식각 공정이 시작되면, 상기 제어 가스 공급부가 상기 정전 척을 통해 상기 기판의 일면으로 상기 제어 가스를 공급하여 상기 기판의 온도를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 제어하는 단계 이후에, 상기 정전 척과 배기 라인을 연결하는 제1 배출 라인 상에 설치되는 제3 개폐 밸브를 개방시키는 단계; 및 상기 제1 배출 라인 상에 설치되는 제1 감압부를 작동시켜, 상기 정전 척에 공급된 상기 제어 가스를 외부로 배출시켜, 상기 정전 척의 내부 압력을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제어하는 단계는 상기 제어 가스로 헬륨 가스를 공급할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 시스템을 구성하는 기판 온도 제어 시스템의 일 실시 형태에 따른 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 기판 온도 제어 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 제1 예시도이다.
도 5는 도 3에 도시된 기판 온도 제어 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 제2 예시도이다.
도 6은 도 3에 도시된 기판 온도 제어 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 제3 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 시스템을 구성하는 기판 온도 제어 시스템의 다른 실시 형태에 따른 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 진공 환경에서 식각 공정이 수행되는 동안 헬륨 가스(He)가 기판의 온도 제어를 위해 정전 척(ESC)으로 공급되는 도중에 배기 라인으로 바이패스(bypass)되지 않도록 하는 기판 처리 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 헬륨 가스의 불필요한 손실을 방지하는 효과를 얻을 수 있다. 이하에서는 도면 등을 참조하여 본 발명을 자세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1에 따르면, 기판 처리 시스템(100)은 하우징(housing; 110), 지지 유닛(120), 플라즈마 생성 유닛(130), 샤워 헤드 유닛(shower head unit; 140), 제1 가스 공급 유닛(150), 제2 가스 공급 유닛(160), 라이너(liner; 170), 배플 유닛(baffle unit; 180) 및 상부 모듈(190)을 포함하여 구성될 수 있다.
기판 처리 시스템(100)은 진공 환경에서 식각 공정(예를 들어, 건식 식각 공정(dry etching process))을 이용하여 기판(W)을 처리하는 시스템이다. 기판 처리 시스템(100)은 예를 들어, 플라즈마 공정(plasma process)을 이용하여 기판(W)을 처리할 수 있다.
하우징(110)은 플라즈마 공정이 수행되는 공간을 제공하는 것이다. 이러한 하우징(110)은 그 하부에 배기 홀(111)을 구비할 수 있다.
배기 홀(111)은 펌프(112)가 장착된 배기 라인(113)과 연결될 수 있다. 이러한 배기 홀(111)은 배기 라인(113)을 통해 플라즈마 공정 과정에서 발생된 반응 부산물과 하우징(110)의 내부에 잔여하는 가스를 하우징(110)의 외부로 배출할 수 있다. 이 경우, 하우징(110)의 내부 공간은 소정의 압력으로 감압될 수 있다.
하우징(110)은 그 측벽에 개구부(114)가 형성될 수 있다. 개구부(114)는 하우징(110)의 내부로 기판(W)이 출입하는 통로로서 기능할 수 있다. 이러한 개구부(114)는 도어 어셈블리(115)에 의해 개폐되도록 구성될 수 있다.
도어 어셈블리(115)는 외측 도어(115a) 및 도어 구동기(115b)를 포함하여 구성될 수 있다. 외측 도어(115a)는 하우징(110)의 외벽에 제공되는 것이다. 이러한 외측 도어(115a)는 도어 구동기(115b)를 통해 상하 방향(즉, 제3 방향(30))으로 이동될 수 있다. 도어 구동기(115b)는 모터, 유압 실린더, 공압 실린더 등을 이용하여 작동할 수 있다.
지지 유닛(120)은 하우징(110)의 내부 하측 영역에 설치되는 것이다. 이러한 지지 유닛(120)은 정전기력을 이용하여 기판(W)을 지지할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 지지 유닛(120)은 기계적 클램핑(mechanical clamping), 진공(vacuum) 등과 같은 다양한 방식으로 기판(W)을 지지하는 것도 가능하다.
지지 유닛(120)은 정전기력을 이용하여 기판(W)을 지지하는 경우, 베이스(121) 및 정전 척(ESC; Electro-Static Chuck)(122)을 포함하여 구성될 수 있다.
정전 척(122)은 정전기력을 이용하여 그 상부에 안착되는 기판(W)을 지지하는 것이다. 이러한 정전 척(122)은 세라믹 재질로 제공될 수 있으며, 베이스(121) 상에 고정되도록 베이스(121)와 결합될 수 있다.
정전 척(122)은 구동 부재(미도시)를 이용하여 하우징(110)의 내부에서 상하 방향(즉, 제3 방향(30))으로 이동 가능하게 설치될 수도 있다. 정전 척(122)이 이와 같이 상하 방향으로 이동 가능하게 형성되는 경우, 기판(W)을 보다 균일한 플라즈마 분포를 나타내는 영역에 위치시키는 것이 가능해질 수 있다.
정전 척(122)은 DC 전극과 히터 전극을 제외한 유전층 일부를 제거하고 그 위에 새로운 유전층을 증착시켜 재사용 가능하게 제조될 수 있다. 이때 정전 척(122)은 에어로졸 증착 프로세스(aerosol deposition process)에 따라 새로운 유전층을 증착시킬 수 있다. 정전 척(122)에 대한 보다 자세한 설명은 후술하기로 한다.
링 어셈블리(123)는 정전 척(122)의 테두리를 감싸도록 제공되는 것이다. 이러한 링 어셈블리(123)는 링 형상으로 제공되어, 기판(W)의 테두리 영역을 지지하도록 구성될 수 있다. 링 어셈블리(123)는 포커스 링(focus ring; 123a) 및 절연 링(123b)을 포함하여 구성될 수 있다.
포커스 링(123a)은 절연 링(123b)의 내측에 형성되며, 정전 척(122)을 감싸도록 제공된다. 이러한 포커스 링(123a)은 실리콘 재질로 제공될 수 있으며, 플라즈마를 기판(W)으로 집중시킬 수 있다.
절연 링(123b)은 포커스 링(123a)의 외측에 형성되며, 포커스 링(123a)을 감싸도록 제공된다. 이러한 절연 링(123b)은 쿼츠(quartz) 재질로 제공될 수 있다.
한편, 링 어셈블리(123)는 포커스 링(123a)의 테두리에 밀착 형성되는 에지 링(edge ring)(미도시)을 더 포함할 수 있다. 에지 링은 플라즈마에 의해 정전 척(122)의 측면이 손상되는 것을 방지하기 위해 형성될 수 있다.
제1 가스 공급 유닛(150)은 링 어셈블리(123)의 상부나 정전 척(122)의 테두리 부분에 잔류하는 이물질을 제거하기 위해 제1 가스를 공급하는 것이다. 이러한 제1 가스 공급 유닛(150)은 제1 가스 공급원(151) 및 제1 가스 공급 라인(152)을 포함하여 구성될 수 있다.
제1 가스 공급원(151)은 제1 가스로 질소 가스(N2 gas)를 공급할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 가스 공급원(151)은 다른 가스나 세정제 등을 공급하는 것도 가능하다.
제1 가스 공급 라인(152)은 정전 척(122)과 링 어셈블리(123) 사이에 제공되는 것이다. 제1 가스 공급 라인(152)은 예를 들어, 정전 척(122)과 포커스 링(123a) 사이로 연결되도록 형성될 수 있다.
한편, 제1 가스 공급 라인(152)은 포커스 링(123a)의 내부에 제공되어, 정전 척(122)과 포커스 링(123a) 사이로 연결되도록 절곡되도록 형성되는 것도 가능하다.
가열 부재(124) 및 냉각 부재(125)는 하우징(110)의 내부에서 식각 공정이 진행되고 있을 때에 기판(W)이 공정 온도를 유지할 수 있도록 제공되는 것이다. 가열 부재(124)는 이를 위해 열선으로 제공될 수 있으며, 냉각 부재(125)는 이를 위해 냉매가 흐르는 냉각 라인으로 제공될 수 있다.
가열 부재(124) 및 냉각 부재(125)는 기판(W)이 공정 온도를 유지할 수 있도록 하기 위해 지지 유닛(120)의 내부에 설치될 수 있다. 일례로, 가열 부재(124)는 정전 척(122)의 내부에 설치될 수 있으며, 냉각 부재(125)는 베이스(121)의 내부에 설치될 수 있다.
한편, 냉각 부재(125)는 냉각 장치(chiller; 126)를 이용하여 냉매를 공급받을 수 있다. 냉각 장치(126)는 하우징(110)의 외부에 설치될 수 있다.
플라즈마 생성 유닛(130)은 방전 공간에 잔류하는 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 것이다. 여기서, 방전 공간은 하우징(110)의 내부 공간 중에서 지지 유닛(120)의 상부에 위치하는 공간을 의미한다.
플라즈마 생성 유닛(130)은 유도 결합형 플라즈마(ICP; Inductively Coupled Plasma) 소스를 이용하여 하우징(110) 내부의 방전 공간에 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 이 경우, 플라즈마 생성 유닛(130)은 상부 모듈(190)에 설치되는 안테나 유닛(antenna unit; 193)을 상부 전극으로 이용하고, 정전 척(122)을 하부 전극으로 이용할 수 있다.
그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 플라즈마 생성 유닛(130)은 용량 결합형 플라즈마(CCP; Capacitively Coupled Plasma) 소스를 이용하여 하우징(110) 내부의 방전 공간에 플라즈마를 발생시키는 것도 가능하다. 이 경우, 플라즈마 생성 유닛(130)은 도 2에 도시된 바와 같이 샤워 헤드(140)를 상부 전극으로 이용하고, 정전 척(122)을 하부 전극으로 이용할 수 있다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
다시 도 1을 참조하여 설명한다.
플라즈마 생성 유닛(130)은 상부 전극, 하부 전극, 상부 전원(131) 및 하부 전원(133)을 포함하여 구성될 수 있다.
상부 전원(131)은 상부 전극, 즉 안테나 유닛(193)에 전력을 인가하는 것이다. 이러한 상부 전원(131)은 플라즈마의 특성을 제어하도록 제공될 수 있다. 상부 전원(131)은 예를 들어, 이온 충격 에너지(ion bombardment energy)를 조절하도록 제공될 수 있다.
상부 전원(131)은 도 1에 단일 개 도시되어 있지만, 본 실시예에서 복수 개 구비되는 것도 가능하다. 상부 전원(131)이 복수 개 구비되는 경우, 기판 처리 시스템(100)은 복수 개의 상부 전원과 전기적으로 연결되는 제1 매칭 네트워크(미도시)를 더 포함할 수 있다.
제1 매칭 네트워크는 각각의 상부 전원으로부터 입력되는 상이한 크기의 주파수 전력들을 매칭하여 안테나 유닛(193)에 인가할 수 있다.
한편, 상부 전원(131)과 안테나 유닛(193)을 연결하는 제1 전송 선로(132) 상에는 임피던스 정합을 목적으로 제1 임피던스 정합 회로(미도시)가 마련될 수 있다.
제1 임피던스 정합 회로는 무손실 수동 회로로 작용하여 상부 전원(131)으로부터 안테나 유닛(193)으로 전기 에너지가 효과적으로(즉, 최대로) 전달되도록 할 수 있다.
하부 전원(133)은 하부 전극, 즉 정전 척(122)에 전력을 인가하는 것이다. 이러한 하부 전원(133)은 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 소스 역할을 하거나, 상부 전원(131)과 더불어 플라즈마의 특성을 제어하는 역할을 할 수 있다.
하부 전원(133)은 도 1에 단일 개 도시되어 있지만, 상부 전원(131)과 마찬가지로 본 실시예에서 복수 개 구비되는 것도 가능하다. 하부 전원(133)이 복수 개 구비되는 경우, 복수 개의 하부 전원과 전기적으로 연결되는 제2 매칭 네트워크(미도시)를 더 포함할 수 있다.
제2 매칭 네트워크는 각각의 하부 전원으로부터 입력되는 상이한 크기의 주파수 전력들을 매칭하여 정전 척(122)에 인가할 수 있다.
한편, 하부 전원(133)과 정전 척(122)을 연결하는 제2 전송 선로(134) 상에는 임피던스 정합을 목적으로 제2 임피던스 정합 회로(미도시)가 마련될 수 있다.
제2 임피던스 정합 회로는 제1 임피던스 정합 회로와 마찬가지로 무손실 수동 회로로 작용하여 하부 전원(133)으로부터 정전 척(122)으로 전기 에너지가 효과적으로(즉, 최대로) 전달되도록 할 수 있다.
샤워 헤드 유닛(140)은 정전 척(122)과 하우징(110)의 내부에서 상하로 대향되도록 설치될 수 있다. 이러한 샤워 헤드 유닛(140)은 하우징(110)의 내부로 가스를 분사하기 위해 복수 개의 가스 분사 홀(gas feeding hole; 141)을 구비할 수 있으며, 정전 척(122)보다 더 큰 직경을 가지도록 제공될 수 있다.
한편, 샤워 헤드 유닛(140)은 실리콘 재질로 제공되거나, 금속 재질로 제공될 수 있다.
제2 가스 공급 유닛(160)은 샤워 헤드 유닛(140)을 통해 하우징(110)의 내부로 공정 가스(제2 가스)를 공급하는 것이다. 이러한 제2 가스 공급 유닛(160)은 제2 가스 공급원(161) 및 제2 가스 공급 라인(162)을 포함할 수 있다.
제2 가스 공급원(161)은 기판(W)을 처리하는 데에 이용되는 에칭 가스(etching gas)를 공정 가스로 공급하는 것이다. 이러한 제2 가스 공급원(161)은 에칭 가스로 불소(fluorine) 성분을 포함하는 가스(예를 들어, SF6, CF4 등의 가스)를 공급할 수 있다.
제2 가스 공급원(161)은 단일 개 구비되어 에칭 가스를 샤워 헤드 유닛(140)로 공급할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 가스 공급원(161)은 복수 개 구비되어 공정 가스를 샤워 헤드 유닛(140)로 공급하는 것도 가능하다.
제2 가스 공급 라인(162)은 제2 가스 공급원(161)과 샤워 헤드 유닛(140)을 연결하는 것이다. 제2 가스 공급 라인(162)은 제2 가스 공급원(161)을 통해 공급되는 공정 가스를 샤워 헤드 유닛(140)으로 이송하여, 에칭 가스가 하우징(110)의 내부로 유입될 수 있도록 한다.
한편, 샤워 헤드 유닛(140)이 센터 영역(center zone), 미들 영역(middle zone), 에지 영역(edge zone) 등으로 분할되는 경우, 제2 가스 공급 유닛(160)은 샤워 헤드 유닛(140)의 각 영역으로 공정 가스를 공급하기 위해 가스 분배기(미도시)와 가스 분배 라인(미도시)을 더 포함할 수 있다.
가스 분배기는 제2 가스 공급원(161)으로부터 공급되는 공정 가스를 샤워 헤드 유닛(140)의 각 영역으로 분배하는 것이다. 이러한 가스 분배기는 제2 가스 공급 라인(161)을 통해 제2 가스 공급원(161)과 연결될 수 있다.
가스 분배 라인은 가스 분배기와 샤워 헤드 유닛(140)의 각 영역을 연결하는 것이다. 가스 분배 라인은 이를 통해 가스 분배기에 의해 분배된 공정 가스를 샤워 헤드 유닛(140)의 각 영역으로 이송할 수 있다.
한편, 제2 가스 공급 유닛(160)은 증착 가스(deposition gas)를 공급하는 제2 가스 공급원(미도시)을 더 포함하는 것도 가능하다.
제2 가스 공급원은 기판(W) 패턴의 측면을 보호하여 이방성 에칭이 가능해지도록 샤워 헤드 유닛(140)로 공급하는 것이다. 이러한 제2 가스 공급원은 C4F8, C2F4 등의 가스를 증착 가스로 공급할 수 있다.
라이너(170)는 월 라이너(wall-liner)라고도 하며, 공정 가스가 여기되는 과정에서 발생되는 아크 방전, 기판 처리 공정 중에 발생되는 불순물 등으로부터 하우징(110)의 내측면을 보호하기 위한 것이다. 이러한 라이너(170)는 하우징(110)의 내부에 상부와 하부가 각각 개방된 원통 형상으로 제공될 수 있다.
라이너(170)는 하우징(110)의 내측벽에 인접하도록 제공될 수 있다. 이러한 라이너(170)는 그 상부에 지지 링(171)을 구비할 수 있다. 지지 링(171)은 라이너(170)의 상부에서 외측 방향(즉, 제1 방향(10))으로 돌출 형성되며, 하우징(110)의 상단에 놓여 라이너(170)를 지지할 수 있다.
배플 유닛(180)은 플라즈마의 공정 부산물, 미반응 가스 등을 배기하는 역할을 한다. 이러한 배플 유닛(180)은 하우징(110)의 내측벽과 지지 유닛(120) 사이에 설치될 수 있다.
배플 유닛(180)은 환형의 링 형상으로 제공될 수 있으며, 상하 방향(즉, 제3 방향(30))으로 관통되는 복수 개의 관통 홀을 구비할 수 있다. 배플 유닛(180)은 관통 홀의 개수 및 형상에 따라 공정 가스의 흐름을 제어할 수 있다.
상부 모듈(190)은 하우징(110)의 개방된 상부를 덮도록 설치되는 것이다. 이러한 상부 모듈(190)은 윈도우 부재(191), 안테나 부재(192) 및 안테나 유닛(193)을 포함할 수 있다.
윈도우 부재(191)는 하우징(110)의 내부 공간을 밀폐시키기 위해 하우징(110)의 상부를 덮도록 형성되는 것이다. 이러한 윈도우 부재(191)는 판(예를 들어, 원판) 형상으로 제공될 수 있으며, 절연 물질(예를 들어, 알루미나(Al2O3))을 소재로 하여 형성될 수 있다.
윈도우 부재(191)는 유전체 창(dielectric window)을 포함하여 형성될 수 있다 윈도우 부재(191)는 제2 가스 공급 라인(162)이 삽입되기 위한 통공이 형성될 수 있으며, 하우징(110)의 내부에서 플라즈마 공정이 수행될 때 파티클(particle)의 발생을 억제하기 위해 그 표면에 코팅막이 형성될 수 있다.
안테나 부재(192)는 윈도우 부재(191)의 상부에 설치되는 것으로서, 안테나 유닛(193)이 그 내부에 배치될 수 있도록 소정 크기의 공간이 제공될 수 있다.
안테나 부재(192)는 하부가 개방된 원통 형상으로 형성될 수 있으며, 하우징(110)과 대응되는 직경을 가지도록 제공될 수 있다. 안테나 부재(192)는 윈도우 부재(191)에 탈착 가능하도록 제공될 수 있다.
안테나 유닛(193)은 상부 전극으로 기능하는 것으로서, 폐루프를 형성하도록 제공되는 코일이 장착된 것이다. 이러한 안테나 유닛(193)은 상부 전원(131)으로부터 공급되는 전력을 기초로 하우징(110)의 내부에 자기장 및 전기장을 생성하여, 샤워 헤드 유닛(140)를 통해 하우징(110)의 내부로 유입된 가스를 플라즈마로 여기시키는 기능을 한다.
안테나 유닛(193)은 평판 스파이럴(planar spiral) 형태의 코일을 장착할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 코일의 구조나 크기 등은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양하게 변경될 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 플라즈마 생성 유닛(130)이 용량 결합형 플라즈마(CCP) 소스를 이용하는 경우, 상부 모듈(190)은 기판 처리 시스템(100)에 구비되지 않을 수 있으며, 윈도우 부재(191)만을 포함하여 구성될 수도 있다.
기판 처리 시스템(100)은 기판(W)의 온도를 제어하기 위해 제3 가스 공급 유닛(200)을 포함할 수 있다. 이러한 제3 가스 공급 유닛(200)은 제3 가스 공급원(210) 및 제3 가스 공급 라인(220)을 포함하여 구성될 수 있다.
제3 가스 공급원(210)은 정전 척(122)과 기판(W) 사이의 공간으로 제3 가스를 공급하는 것이다. 제3 가스 공급원(210)은 제3 가스로 헬륨 가스를 공급할 수 있으며, 하우징(110)의 외측에 설치될 수 있다.
제3 가스 공급 라인(220)은 제3 가스가 정전 척(122)을 통해 기판(W)의 저면에 공급되도록 제공되는 것이다. 이러한 제3 가스 공급 라인(220)은 제3 가스 공급원(210)과 정전 척(122)을 연결하도록 구성될 수 있다.
제3 가스 공급 유닛(200)은 진공 환경을 제공하는 하우징(110)의 내부에서 식각 공정이 진행되는 동안, 기판(W)의 저면으로 헬륨 가스를 공급하여, 기판(W)이 균일한 온도를 유지할 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다.
그런데 종래에는 일부의 헬륨 가스가 제3 가스 공급 라인(220)으로부터 배기 라인으로 유출되어 헬륨 가스가 낭비되는 문제점이 있었다. 본 실시예에서는 이를 위해 진공 환경에서 식각 공정이 수행되는 동안 헬륨 가스가 기판(W)의 온도 제어를 위해 정전 척(122)으로 공급되는 도중에 배기 라인으로 바이패스(bypass)되지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 시스템을 구성하는 기판 온도 제어 시스템의 일 실시 형태에 따른 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3에 따르면, 기판 온도 제어 시스템(300)은 정전 척(122), 제어 가스 공급부(310), 제어 가스 공급 라인(320), 제1 감압부(330), 제1 배출 라인(340), 제2 감압부(350) 및 제2 배출 라인(360)을 포함하여 구성될 수 있다.
제어 가스 공급부(310)는 기판(W)의 온도를 제어하는 데에 이용되는 제어 가스를 공급하는 것이다. 이러한 제어 가스 공급부(310)는 헬륨 가스를 제어 가스로 공급할 수 있다. 제어 가스 공급부(310)는 도 1 및 도 2에서 제3 가스 공급원(210)으로 구현될 수 있다.
제어 가스 공급 라인(320)은 제어 가스 공급부(310)에 의해 공급되는 제어 가스를 정전 척(122)으로 전달하는 것이다. 제어 가스 공급 라인(320)은 이를 위해 파이프 형태로 구현되어 제어 가스 공급부(310)와 정전 척(122)을 연결할 수 있다. 제어 가스 공급 라인(320)은 도 1 및 도 2에서 제3 가스 공급 라인(220)으로 구현될 수 있다.
제1 감압부(330)는 정전 척(122)의 내부 압력을 조절하기 위해 정전 척(122)으로 공급된 제어 가스를 외부로 배출시키는 것이다. 제1 감압부(330)는 드라이 펌프(dry pump)로 구현되어 정전 척(122)으로 공급된 제어 가스를 외부로 배출시킬 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 감압부(330)는 터보 분자 펌프(turbo molecular pump) 등으로 구현되어 정전 척(122)으로 공급된 제어 가스를 외부로 배출시키는 것도 가능하다.
제1 배출 라인(340)은 정전 척(122)과 연결되어 정전 척(122)으로 공급된 제어 가스가 외부로 배출될 수 있도록 제공되는 것이다. 제1 감압부(330)는 이러한 제1 배출 라인(340) 상에 설치되어, 정전 척(122)으로 공급된 제어 가스를 외부로 배출시킬 수 있다.
기판 온도 제어 시스템(300)은 메인터넌스(maintenance)를 위해 제어 가스 공급 라인(320)으로부터 분기되는 제2 배출 라인(360)을 포함할 수 있다. 이 경우, 제2 감압부(350)는 제2 배출 라인(360) 상에 설치될 수 있다.
제2 감압부(350)는 제1 감압부(330)와 마찬가지로 드라이 펌프 등으로 구현되어 정전 척(122)으로 공급되는 제어 가스 중 그 일부를 외부로 배출시킬 수 있다.
제2 배출 라인(360)은 제어 가스 공급 라인(320)으로부터 분기되어 제어 가스가 외부로 배출될 수 있도록 제공될 수 있다.
제어 가스 공급 라인(320) 상에는 적어도 하나의 개폐 밸브가 설치될 수 있다. 제어 가스 공급 라인(320) 상에는 예를 들어, 제1 개폐 밸브(411)와 제2 개폐 밸브(412) 등 두 개의 개폐 밸브(411, 412)가 설치될 수 있다.
제어 가스 공급 라인(320) 상에 제1 개폐 밸브(411)와 제2 개폐 밸브(412)가 설치되는 경우, 제1 개폐 밸브(411)는 제2 배출 라인(360)의 분기 지점(321)과 제어 가스 공급부(310) 사이에 설치될 수 있으며, 제2 개폐 밸브(412)는 제2 배출 라인(360)의 분기 지점(321)과 정전 척(122) 사이에 설치될 수 있다.
한편, 제어 가스 공급 라인(320) 상에 단일 개의 개폐 밸브가 설치되는 경우, 이 개폐 밸브는 제2 배출 라인(360)의 분기 지점(321)과 제어 가스 공급부(310) 사이에 설치될 수 있다.
한편, 제1 배출 라인(340) 상에는 적어도 하나의 개폐 밸브가 설치될 수 있다. 제1 배출 라인(340) 상에는 예를 들어, 제3 개폐 밸브(420)가 설치될 수 있다. 제3 개폐 밸브(420)는 덤프 밸브(dump valve)로 구현될 수 있다.
한편, 제2 배출 라인(360) 상에는 적어도 하나의 개폐 밸브가 설치될 수 있다. 제2 배출 라인(360) 상에는 예를 들어, 제4 개폐 밸브(430)가 설치될 수 있다. 제4 개폐 밸브(430)는 쿨 덤프 밸브(cool dump valve)로 구현될 수 있으며, 평상시 폐쇄(normal close)되어 있을 수 있다.
다음으로 기판 온도 제어 시스템(300)의 작동 방법에 대하여 설명한다.
진공 환경에서 식각 공정을 수행하기 위해 하우징(110)의 내부에서 정전 척(122) 상에 기판(W)이 안착되면, 기판(W)이 균일한 온도를 유지할 수 있도록 정전 척(122)을 통해 기판(W)의 저면으로 제어 가스(예를 들어, 헬륨 가스)를 공급해야 한다.
이 경우, 먼저 도 4에 도시된 바와 같이 제1 개폐 밸브(411) 및 제2 개폐 밸브(412)를 개방(open)시키고, 제3 개폐 밸브(420) 및 제4 개폐 밸브(430)를 폐쇄(close)시킨다. 도 4는 도 3에 도시된 기판 온도 제어 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 제1 예시도이다.
이후, 제어 가스 공급부(310)가 제어 가스를 공급한다. 그러면 도 5에 도시된 바와 같이 제어 가스는 기판(W)을 균일한 온도로 유지시키는 동안 제2 배출 라인(360)을 통해 배기 라인으로 바이패스되지 않아, 제어 가스가 낭비되는 것을 방지할 수 있다. 도 5는 도 3에 도시된 기판 온도 제어 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 제2 예시도이다.
이후, 정전 척(122)의 내부 압력을 조절하기 위해 제3 개폐 밸브(420)를 개방시키고, 제1 감압부(330)를 작동시킨다. 그러면 정전 척(122)으로 공급된 제어 가스는 도 6에 도시된 바와 같이 제1 배출 라인(340)을 통해 외부로 배출된다. 도 6은 도 3에 도시된 기판 온도 제어 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 제3 예시도이다.
한편, 본 실시예에서는 제어 가스가 배기 라인으로 바이패스되어 낭비되는 것을 방지하기 위해, 도 7에 도시된 바와 같이 기판 온도 제어 시스템(300)에서 제어 가스 공급 라인(320)으로부터 분기되는 제2 배출 라인(360)과 제2 배출 라인(360) 상에 설치되는 제2 감압부(350)를 제거하는 것도 가능하다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 시스템을 구성하는 기판 온도 제어 시스템의 다른 실시 형태에 따른 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
이상 도 3 내지 도 7을 참조하여 기판 온도 제어 시스템(300)에 대하여 설명하였다. 기판 온도 제어 시스템(300)은 헬륨 가스가 기판(W)의 온도 제어를 위해 정전 척(122)으로 공급되는 도중에 배기 라인으로 바이패스되지 않도록 구성되는 시스템(conserver helium emission system)이다. 이러한 기판 온도 제어 시스템(300)은 Semi close loop 구조에서 헬륨 가스가 배기 라인으로 바이패스되지 않도록 개선하여 He 소비를 개선할 수 있다. 실험 결과 총 개선 효과는 약 98.4 %이다. Center He는 약 99.4%의 감소 효과를 보였으며, Edge He는 약 98%의 감소 효과를 보였다. 따라서 기판 온도 제어 시스템(300)은 희귀 가스인 헬륨 가스가 불필요하게 소모되는 것을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 기판 처리 시스템 110: 하우징
120: 지지 유닛 121: 베이스
122: 정전 척 130: 플라즈마 생성 유닛
140: 샤워 헤드 유닛 150: 제1 가스 공급 유닛
160: 제2 가스 공급 유닛 170: 라이너
180: 배플 유닛 190: 상부 모듈
200: 제3 가스 공급 유닛 210: 제3 가스 공급원
220: 제3 가스 공급 라인 300: 기판 온도 제어 시스템
310: 제어 가스 공급부 320: 제어 가스 공급 라인
330: 제1 감압부 340: 제1 배출 라인
350: 제2 감압부 360: 제2 배출 라인
411: 제1 개폐 밸브 412: 제2 개폐 밸브
420: 제3 개폐 밸브 430: 제4 개폐 밸브

Claims (9)

  1. 하우징;
    상기 하우징의 내부 상측에 설치되며, 기판을 식각하기 위한 공정 가스를 상기 하우징의 내부로 공급하는 샤워 헤드 유닛;
    상기 하우징의 내부 하측에 설치되며, 상기 기판이 안착되는 정전 척을 구비하는 지지 유닛;
    상기 기판을 식각하기 위해 상기 공정 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 생성 유닛; 및
    상기 기판이 식각되는 동안 상기 정전 척을 통해 상기 기판의 일면으로 제어 가스를 공급하여 상기 기판의 온도를 제어하는 기판 온도 제어부를 포함하며,
    상기 제어 가스는 상기 기판의 일면으로 공급되는 도중에 배기 라인으로 바이패스되지 않는 기판 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 온도 제어부는,
    상기 제어 가스를 공급하는 제어 가스 공급부;
    상기 제어 가스 공급부와 상기 정전 척을 연결하여 상기 제어 가스가 상기 기판의 일면으로 공급되도록 하는 제어 가스 공급 라인;
    상기 제어 가스 공급 라인으로부터 분기되는 제2 배출 라인; 및
    상기 제2 배출 라인 상에 설치되는 제4 개폐 밸브를 포함하며,
    상기 제4 개폐 밸브는 상기 제어 가스가 상기 기판의 일면으로 공급될 때 폐쇄(close)되는 기판 처리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판 온도 제어부는,
    상기 정전 척의 내부 압력을 조절하기 위해 상기 정전 척에 공급된 상기 제어 가스를 외부로 배출시키는 제1 감압부; 및
    상기 정전 척과 상기 제1 감압부를 연결하여 상기 정전 척에 공급된 상기 제어 가스가 외부로 배출되도록 하는 제1 배출 라인을 더 포함하는 기판 처리 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판 온도 제어부는,
    상기 제어 가스 공급 라인 상에 설치되는 복수 개의 개폐 밸브를 더 포함하며,
    상기 복수 개의 개폐 밸브 중 어느 하나인 제1 개폐 밸브는 상기 제2 배출 라인의 분기 지점과 상기 제어 가스 공급부 사이에 설치되며, 상기 복수 개의 개폐 밸브 중 다른 하나인 제2 개폐 밸브는 상기 제2 배출 라인의 분기 지점과 상기 정전 척 사이에 설치되는 기판 처리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 온도 제어부는 상기 제어 가스로 헬륨 가스를 공급하는 기판 처리 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 온도 제어부는,
    상기 제어 가스를 공급하는 제어 가스 공급부;
    상기 제어 가스 공급부와 상기 정전 척을 연결하여 상기 제어 가스가 상기 기판의 일면으로 공급되도록 하는 제어 가스 공급 라인; 및
    상기 제어 가스 공급 라인 상에 설치되는 적어도 하나의 개폐 밸브를 포함하며,
    상기 제어 가스 공급 라인으로부터 분기되는 제2 배출 라인을 구비하지 않는 기판 처리 시스템.
  7. 기판의 온도를 제어하기 위한 제어 가스를 공급하는 제어 가스 공급부와 상기 기판이 안착되는 정전 척을 연결하는 제어 가스 공급 라인 상에 설치되는 적어도 하나의 밸브를 개방시키는 단계;
    상기 제어 가스 공급 라인으로부터 분기되며, 상기 제어 가스가 상기 기판의 일면으로 공급되는 도중에 바이패스될 수 있도록 제공되는 제2 배출 라인 상에 설치되는 제4 개폐 밸브를 폐쇄시키는 단계;
    상기 기판에 대해 식각 공정을 시작하는 단계; 및
    상기 기판에 대해 식각 공정이 시작되면, 상기 제어 가스 공급부가 상기 정전 척을 통해 상기 기판의 일면으로 상기 제어 가스를 공급하여 상기 기판의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 기판 처리 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 정전 척과 배기 라인을 연결하는 제1 배출 라인 상에 설치되는 제3 개폐 밸브를 개방시키는 단계; 및
    상기 제1 배출 라인 상에 설치되는 제1 감압부를 작동시켜, 상기 정전 척에 공급된 상기 제어 가스를 외부로 배출시켜, 상기 정전 척의 내부 압력을 조절하는 단계를 더 포함하는 기판 처리 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는 상기 제어 가스로 헬륨 가스를 공급하는 기판 처리 방법.
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