KR20240054905A - 건식 식각 처리장치 - Google Patents

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KR20240054905A
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김문주
김태언
성낙용
장지홍
정신원
정재형
권성용
홍민택
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Abstract

대면적화가 가능하고, 식각 균일성을 향상시킬 수 있는 대면적 건식 식각처리 장치가 개시된다. 이는 복수의 헬리컬 안테나가 조합된 플라즈마 모듈을 이용하여 헬리컬 안테나의 확장이 가능하기 때문에 건식 식각 처리장치의 대면적화가 가능하고, 헬리컬 안테나를 직렬 연결 구성 및 병렬 연결 구성을 조합하여 배치함으로써 장치를 대면적화 하더라도 RF 전력의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 실린더 하부에 분리 가능한 교체 이너월을 배치함으로써, 공정에 의해 실린더 내측면 및 하부면에 증착되는 오염 물질을 간편하게 처리 가능하다.

Description

건식 식각 처리장치{Dry Etching Device}
본 발명은 건식 식각 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대면적화가 가능하고, 식각 균일성을 향상시킬 수 있는 건식 식각 처리장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치의 제조 분야 등에서는 처리 가스를 플라즈마화하여, 반도체 웨이퍼나 유리 기판 등의 피처리 기판을 소정의 처리, 예를 들면 에칭 처리나 성막 처리 등을 실시하는 건식 식각처리 장치가 알려져 있다.
일예로, 건식 식각처리 장치는 플라즈마화 하는 방법에 따라 통상적으로 용량성 플라즈마(CCP: capacitive coupled plasma) 타입과, 유도성 플라즈마(inductive coupled plasma) 타입으로 나눌 수 있다.
허나, 이러한 건식 식각처리 장치는 RF 전력 공급 장치의 성능 제한으로 대면적화 또는 공정 성능의 한계가 발생한다. 즉, RF 플라즈마 처리 장치에 있어 면적과 전력이 비례하므로 고밀도 플라즈마 소스를 개발하더라도 이의 대형화에는 현실적인 난점이 발생한다. 일예로, 기판 사이즈 370 x 470mm2의 설비에 RF 6kW를 사용하여 실수 임피던스 2옴 이하의 공정을 구현할 경우 I = sqrt(6000 / 2) = 54Arms 이상의 RF 전류를 소비하게 된다, 이를 1500 x 1850mm2, 또는 2200 x 2500mm2으로 확장할 경우, 전력의 경우 면적에 비례하여, 약 17배, 32배가 소요되며, 전류는 이 배수의 제곱근에 비례한다. 또한 RF 시스템에서 많이 사용되는 커패시터 또는 가변 커패시터의 내압 한계로 사용할 수 있는 전류량이 사용하는 주파수에 반비례하여 제한되므로 낮은 주파수를 사용하는 경우 장비의 사양을 대폭 상향해야 하는 문제가 발생된다.
한국특허공개 10-2016-0125164
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 대면적화가 가능하고, 식각 균일성을 향상시킬 수 있는 건식 식각 처리장치를 제공하는데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 건식 식각 처리장치는 챔버 몸체, 상기 챔버 몸체에 의해 제공되고, 수용된 피처리 기판의 플라즈마 처리가 이루어지는 처리실, 상기 처리실 상부에 배치된 상부 프레임, 상기 상부 프레임 상에 배치된 실린더와 상기 실린더를 각각 감싸도록 형성된 코일 형태의 헬리컬 안테나를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 모듈, 상기 처리실 상부에 배치되고, 상기 헬리컬 안테나와 인접하게 배치된 링 형상의 전자석 및 상기 처리실 내에 상기 피처리 기판을 지지하는 지지대부를 포함하고, 상기 플라즈마 모듈은, 병렬로 분기되어 배치된 각각의 제1 헬리컬 안테나 및 병렬로 분기된 상기 제1 헬리컬 안테나 각각에 직렬로 연결된 제2 헬리컬 안테나를 포함한다.
병렬로 분기된 각각의 상기 제1 헬리컬 안테나는 전력 인입선과 공통으로 연결되되, 상기 전력 인입선과 동일한 거리로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 전력 인입선에는 상기 헬리컬 안테나의 임피던스를 제어하는 가변 축전기를 포함할 수 있다.
상기 제2 헬리컬 안테나의 일단은 상기 제1 헬리커 안테나와 연결되고, 타단은 가변 축전기와 연결될 수 있다.
상기 제1 헬리컬 안테나는 상부에서 하부 방향으로 감겨지고, 상기 제2 헬리컬 안테나는 하부에서 상부 방향으로 감겨질 수 있다.
상기 제1 헬리컬 안테나는 하부에서 상부 방향으로 감겨지고, 상기 제2 헬리컬 안테나는 상부에서 하부 방향으로 감겨질 수 있다.
상기 챔버 몸체가 커질수록 상기 플라즈마 모듈은 다수가 배치되되, 상기 챔버 몸체의 크기가 커짐에 따라 상기 플라즈마 모듈은 n2(n은 자연수) 개수로 증가될 수 있다.
상기 챔버 몸체가 커질수록 상기 헬리컬 안테나는 4×n2(n은 자연수) 개수로 증가될 수 있다.
상기 증가된 플라즈마 모듈에서 상기 헬리컬 안테나 간 간격은 모두 동일할 수 있다.
상기 병렬로 분기된 제1 헬리컬 안테나 간 거리와 상기 제1 헬리컬 안테나에 직렬로 연결된 상기 제2 헬리컬 안테나 간 거리는 모두 동일할 수 있다.
상기 제2 헬리컬 안테나가 상기 실린더에 감기는 방향은 상기 제1 헬리컬 안테나가 상기 실린더에 감기는 방향과 반대일 수 있다.
상기 제2 헬리컬 안테나가 상기 실린더에 감기는 방향은 상기 제1 헬리컬 안테나가 상기 실린더에 감기는 방향과 동일할 수 있다.
상기 헬리컬 안테나의 세그먼트 간 피치(pitch)는 6mm 내지 10mm 범위의 피치를 가질 수 있다.
상기 하나의 실린더에 감기는 상기 헬리컬 안테나의 인덕턴스는 4μH 내지 10μH 범위의 인덕턴스를 가질 수 있다.
상기 실린더 내측 및 하부에 배치되고, 상기 실린더와 분리 가능하도록 형성된 교체 이너월을 더 포함할 수 있다.
상기 교체 이너월은, 상기 실린더 내측 상부에 배치된 상부 이너월, 상기 상부 이너월과 일측이 결합되고, 상기 실린더 측벽에 배치되는 측벽 이너월, 일측이 상기 측벽 이너월의 타측과 결합되고, 상기 상부 프레임에 경사지게 형성된 관통홀의 경사면에 배치되는 테이퍼 이너월 및 상기 테이퍼 이너월 타측과 결합되고, 상기 상부 프레임의 하부면에 배치되는 하부 이너월을 포함할 수 있다.
상기 교체 이너월, 상기 상부 이너월, 상기 측벽 이너월, 상기 테이퍼 이너월 및 상기 하부 이너월은 상기 상부 프레임 하부에서 순차적으로 결합 및 분리 될 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 복수의 헬리컬 안테나가 조합된 플라즈마 모듈을 이용하여 헬리컬 안테나의 확장이 가능하기 때문에 건식 식각처리 장치의 대면적화가 가능하다.
또한, 헬리컬 안테나를 직렬 연결 구성 및 병렬 연결 구성을 조합하여 배치함으로써 장치를 대면적화 하더라도 RF 전력의 효율을 향상시킬 수 있다.
더 나아가, 실린더 하부에 분리 가능한 교체 이너월을 배치함으로써, 공정에 의해 실린더 내측면 및 하부면에 증착되는 오염 물질을 간편하게 처리 가능하다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건식 식각처리 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 플라즈마 모듈을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 플라즈마 모듈을 간략히 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 헬리컬 안테나의 감는 방향을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 헬리컬 안테나의 감는 위치를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 모듈의 확장을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 교체 이너월을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 교체 이너월의 교체 방법을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 헬리컬 안테나의 동관 피치(pitch)에 따른 이온 플럭스(ion flux) 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 헬리컬 안테나의 인덕턴스에 따른 이온 플럭스 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건식 식각처리 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 건식 식각처리 장치는 챔버 몸체(1000), 처리실(100), 지지대부(200), 상부 프레임(300), 플라즈마 모듈(400), 전자석(500) 및 교체 이너월(600)을 포함한다.
챔버 몸체(1000)는 피처리 기판(101)에 대해 플라즈마 처리 공정을 수행하기 위한 환경을 조성하고 플라즈마가 생성 및 반응되는 공간을 제공한다. 이때, 챔버 몸체(1000)는 사각의 판면 형상을 갖는 피처리 기판(101)에 적합하도록 전체적으로 사각 형상을 가질 수 있다. 다만, 본 발명에서 챔버 몸체(1000)의 형상은 플라즈마 처리 대상이 되는 피처리 기판(101)의 종류 및 형상에 따라 변경될 수 있다.
처리실(100)은 챔버 몸체(1000) 하부에 배치된다. 처리실(100)은 피처리 기판(101)이 유입되어 식각 공정이 수행될 수 있는 공간을 제공하며, 처리실(100) 하부에는 피처리 기판(101)을 지지하도록 배치된 지지대부(200)를 포함할 수 있다.
또한, 지지대부(200)는 정전척 전극부(210), 베이스 전극부(220), 절연부재(230) 및 포커스 링(240)을 포함할 수 있다.
정전척 전극부(210)는 피처리 기판(101)을 지지하는 동시에 피처리 기판(101)을 고정하며, 피처리 기판(101)의 온도를 유지시킨다. 피처리 기판(101)은 정전척 전극부(210)의 상면에 안착되며, 피처리 기판(101)이 안착되는 상면을 제외한 주변 영역은 상면이 돌출되도록 홈이 형성된다.
일반적으로 용량성 식각처리 장치는 플라즈마 밀도가 상대적으로 낮기 때문에 대면적 기판의 공정 중에도 기판의 온도 유지에 큰 문제가 발생되지 않는다. 하지만 상대적으로 높은 공정 온도를 이용하는 용량성 식각처리 장치는 높은 온도에 의해 기판이 휘어지게 되며, 이를 방지하기 위해 기판의 전면적을 고정시키기 위한 정전척(Electrostatic Chuck, ESC)을 사용한다. 따라서, 정전척 전극부(210) 하부에는 정전척을 발생시키기 위한 HVDC(High Voltage DC)가 인가될 수 있다.
또한, 정전척 전극부(210)에는 헬륨가스를 이용하여 피처리 기판(101)의 열전달 효율을 높이고 온도 분포를 향상시킬 수 있는 헬륨 홀(미도시)이 형성될 수 있다. 헬륨 홀은 피처리 기판(101)을 향하여 헬륨 가스를 분사하며, 온도 분포를 높이기 위해 피처리 기판(101)에 균일하게 분사되도록 형성될 수 있다.
베이스 전극부(220)는 정전척 전극부(210)의 하부에 배치될 수 있다.
베이스 전극부(220)에는 정전척 전극부(210)의 온도 분포를 제어하기 위한 냉각제 패턴(221)이 형성될 수 있다. 냉각제 패턴(221)은 냉각제 주입구(222) 및 냉각제 배출구(223)와 연결되어 있으며, 냉각제 주입구(222)를 통해 냉각제가 주입되면 냉각제는 베이스 전극부(220)에 형성된 냉각제 패턴(221)을 따라 이동하여 정전척 전극부(210)를 냉각시킨 후 냉각제 배출구(223)로 배출된다. 여기서, 냉각제 패턴(221)은 정전척 전극부(210)의 온도 분포도를 향상시키기 위해 다양한 패턴으로 형성될 수 있다.
또한, 베이스 전극부(220) 하부면에는 일단이 베이스 전극부(220) 하부면과 연결되고, 타단이 제1 정합기(224)에 연결되어 제1 고주파전원(225)에 의해 바이어스 고주파 전력을 정전척 전극부(210)에 전달하는 연결부재(226)가 포함될 수 있다.
절연부재(230)는 정전척 전극부(210)와 베이스 전극부(220)의 하부 및 측면을 감싸도록 형성될 수 있다. 따라서, 정전척 전극부(210)와 베이스 전극부(220)는 절연부재(230)에 의해 플라즈마 환경으로부터 보호될 수 있다.
정전척 전극부(210)의 주변부 즉, 지지대부(200) 상부에는 포커스 링(240)이 배치될 수 있다. 포커스 링(240)은 정전척 전극부(210)를 플라즈마로부터 보호하고, 피처리 기판(101)에 플라즈마를 집중시키거나 식각의 균일성을 향상시키는 기능을 가질 수 있다. 이러한 포커스 링(240)은 일반적인 세라믹 재질일 수 있다.
상부 프레임(300)은 처리실(100) 상부에 배치될 수 있다. 일예로, 챔버 몸체(1000)는 상부 프레임(300)에 의해 플라즈마를 이용하여 공정이 이루어지는 처리실(100) 영역과 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 모듈(400) 영역으로 구분될 수 있다. 또한, 상부 프레임(300)은 처리실(100)의 진공 상태에서도 상부에 배치된 플라즈마 모듈(400)이 진공 상태로부터 유지되도록 소정의 두께로 형성될 수 있다.
플라즈마 모듈(400)은 상부 프레임(300) 상부에 배치되고, 피처리 기판(101)을 식각하기 위한 플라즈마를 발생시킨다. 또한, 플라즈마 모듈(400)은 플라즈마를 발생시키기 위해 실린더(410), 헬리컬 안테나(420) 및 가스 공급부(430)를 포함할 수 있다.
실린더(410)은 처리실(100) 상부에 형성되되, 실린더(410) 내부가 처리실(100)과 연통되도록 형성될 수 있다. 실린더(410)은 내부가 빈 원통 형태를 가질 수 있으나, 삼각 기둥 또는 사각 기둥 형태 등 다양한 기둥 형태를 가질 수 있다.
또한, 실린더(410) 상부는 플라즈마를 발생시키기 위한 가스가 공급되는 가스 공급부(430)와 연결될 수 있다. 따라서, 실린더(410) 내부에는 헬리컬 안테나(420)에 의해 유도된 전기장과 가스 공급부(430)로부터 공급된 가스가 반응하여 플라즈마가 발생될 수 있다.
헬리컬 안테나(420)는 실린더(410) 외부를 감싸는 코일 형태를 가질 수 있다. 코일 형태는 하나의 나선형 세그먼트가 실린더(410)을 감싸도록 형성되거나, 둘 이상의 나선형 세그먼트가 서로 교대로 배치되도록 실린더(410)을 감싸는 코일 형태를 가질 수 있다. 즉, 하나의 나선형 세그먼트를 연결하여 자기장에 유도되는 인덕턴스를 강하게 하거나, 둘 이상의 세그먼트를 병렬로 연결하여 인덕턴스를 감소시킬 수 있다.
일예로, 실린더(410)를 감싸도록 형성된 동관 형태의 헬리컬 안테나(420)는 동관의 지름이 3mm 내지 5mm 범위를 갖도록 형성될 수 있다. 동관의 세그먼트 간 사이 거리인 피치(pitch)는 6mm 내지 10mm 범위를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 예컨대, 피치가 6mm 미만으로 형성되면, 동관의 세그먼트 간 사이 거리가 너무 가까워 절연 거리 확보의 어려움이 있으며, 인덕턴스가 증가하는 단점이 있다. 또한, 피치가 10mm를 초과하면 세그먼트 간 거리가 멀어져 플라즈마 결합 효과가 감소하는 단점이 있기 때문에 헬리컬 안테나(420)의 세그먼트 간 피치는 6mm 내지 10mm를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 하나의 실린더(410)에 배치되는 헬리컬 안테나(420)의 인덕턴스는 4μH 내지 10μH 범위로 형성하는 것이 바람직하다. 일예로, 헬리컬 안테나(420)의 인덕턴스가 4μH 미만으로 형성될 경우, 플라즈마 결합 효과가 감소하는 단점이 있고, 10μH를 초과하여 형성되면 헬리컬 안테나(420)의 리액턴스의 증가로 전압이 상승되어 플라즈마 방전의 어려움이 발생된다.
이러한, 헬리컬 안테나(420)는 실린더(410) 외부에 형성되되, 일단은 제2 고주파전원(440)과 연결되고, 타단은 접지 또는 다른 헬리컬 안테나(420)와 연결될 수 있다. 좀 더 상세하게는, 제2 고주파전원(440)부터 공급되는 고주파 전력은 챔버 몸체(1000) 상부에 마련된 제2 정합기(450)를 거쳐 전력 인입선(460)을 통해 헬리컬 안테나(420)에 인가된다. 이때, 제2 정합기(450)은 헬리컬 안테나(420)에 의한 부하 임피던스와 헬리컬 안테나(420)에 의해 발생되는 플라즈마에 의한 플라즈마 임피던스를 제2 고주파전원(440)의 내부 임피던스와 임피던스 매칭(Impedance matching)시켜 제2 고주파전원(440)부터 헬리컬 안테나(420)로 인가되는 전력의 손실을 최소화시킨다.
일반적으로 플라즈마는 낮은 압력에서 고주파 전기장에 의해 가속된 가스 입자의 이온화에 의해 발생된 이온과 가스 입자의 연속된 충돌에 의해 발생된 자유 전자들에 의해 생성된다.
이러한 고주파 전기장에서 전자들을 가속하기 위해 본 발명에 따른 건식 식각 처리장치는 실린더(410)을 감싸는 헬리컬 안테나(420)에 고주파 전력을 인가한다. 즉, 헬리컬 안테나(420)에 흐르는 전류에 의해 전기장이 변화하고 전기장의 변화에 따라 실린더(410) 내부에 유도 자기장이 발생된다. 유도 자기장은 실린더(410) 내부에 원형 전기장을 생성하여 전자들을 가속시키며 이러한 전자들의 가속에 의하여 처리 가스가 이온화되어 실린더(410) 내부에 플라즈마 방전이 유지된다.
실린더(410) 내부에서 플라즈마가 방전되면, 피처리 기판(101)에 물리적 식각을 목적으로 하는 높은 밀도의 이온이 공급되도록 할 수 있다. 이러한 높은 밀도의 이온을 이용하여 피처리 기판(101)의 물리적 식각을 위해 헬리컬 안테나(420)가 이용될 수 있으며, 헬리컬 안테나(420)를 이용한 플라즈마 방전은 예컨대, 2~13.56MHz의 주파수를 갖는 고주파 전원과 10mTorr 이하의 저압을 통해 구현될 수 있다.
상술한 실린더(410)을 감싸는 헬리컬 안테나(420)는 대면적 피처리 기판(101)을 처리하기 위해 플라즈마 모듈(400) 내에 다수 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 플라즈마 모듈을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 플라즈마 모듈을 간략히 나타낸 회로도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 모듈(400)은 병렬로 분기되어 배치된 각각의 제1 헬리컬 안테나(420a) 및 병렬로 분기된 제1 헬리컬 안테나(420a) 각각에 직렬로 연결된 제2 헬리컬 안테나(420b)를 포함할 수 있다. 즉, 제1 헬리컬 안테나(420a)는 전력 인입선(460)에서 병렬로 분기되어 각각 배치될 수 있고, 제2 헬리컬 안테나(420b)는 분기된 제1 헬리컬 안테나(420a)에 각각 직렬로 연결되어 배치될 수 있다. 따라서, 제1 헬리컬 안테나(420a)의 일단은 전력 인입선(460)에 연결될 수 있고, 타단은 제2 헬리컬 안테나(420b)와 연결될 수 있다. 또한, 제2 헬리컬 안테나(420b)의 일단은 제1 헬리컬 안테나(420a)와 연결될 수 있고, 타단은 챔버 몸체(1000)의 접지 또는 RF 전원 리턴단인 제2 정합기(450)에 연결될 수 있다.
일예로, 전력 인입선(460)에서 병렬로 분기된 제1 헬리컬 안테나(420a)는 서로 대각 방향에 위치할 수 있다. 또한, 제1 헬리컬 안테나(420a)와 직렬로 연결된 제2 헬리컬 안테나(420b)는 제1 헬리컬 안테나(420a)와 수직 또는 수평 방향으로 소정 거리 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 제1 헬리컬 안테나(420a)와 제2 헬리컬 안테나(420b)는 도 2에서와 같이 정사각형 형태의 사각 모서리 부위에 2×2 형태로 각각 배치될 수 있다.
이때, 제1 헬리컬 안테나(420a)와 제2 헬리컬 안테나(420b)는 전력 인입선(460)으로부터 모두 동일한 거리로 이격되어 배치될 수 있다. 일예로, 제1 헬리컬 안테나(420a)와 제2 헬리컬 안테나(420b)는 사각 형태의 모서리 부위에 배치될 수 있고, 전력 인입선(460)은 제1 헬리컬 안테나(420a) 및 제2 헬리컬 안테나(420b)와 이격된 거리가 모두 동일한 거리인 사각 형태의 중심 부위에 위치될 수 있다. 따라서, 제1 헬리컬 안테나(420a)와 제2 헬리컬 안테나(420b)는 모두 동일한 거리로 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 도 3에서와 같이, 제1 헬리컬 안테나(420a)와 제2 헬리컬 안테나(420b)로 전력을 공급하는 전력 인입선(460)에는 병렬로 분기된 제1 헬리컬 안테나(420a)의 임피던스를 제어하는 제1 가변 축전기(470)가 연결될 수 있고, 제2 헬리컬 안테나(420b)의 타측과 접지 사이에는 제2 헬리컬 안테나(420b)의 전압 분포를 제어하는 제2 가변 축전기(480)가 각각 연결될 수 있다. 제1 가변 축전기(470)와 제2 가변 축전기(480)를 제어하여 제1 헬리컬 안테나(420a)와 제2 헬리컬 안테나(420b)에 의해 발생되는 플라즈마를 제어할 수 있기 때문에 전체 플라즈마의 균일도를 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 헬리컬 안테나의 감는 방향을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 헬리컬 안테나의 감는 위치를 나타낸 도면이다.
여기서, 도 4(a) 및 도 4(b)는 헬리컬 안테나(420)의 감는 방향에 있어, 서로 다른 실시예를 나타내고, 도 5(a) 및 도 5(b)는 헬리컬 안테나(420)의 감는 위치에 있어, 서로 다른 실시예를 나타낸다.
우선, 도 4(a)를 참조하면, 제1 헬리컬 안테나(420a) 및 제2 헬리컬 안테나(420b)는 실린더(410)에서 모두 같은 방향으로 감길 수 있다. 일예로, 전력 인입선(460)에서 분기된 제1 헬리컬 안테나(420a)는 시계 방향으로 감긴 후 직렬로 제2 헬리컬 안테나(420b)와 연결되고, 제1 헬리컬 안테나(420a)와 연결된 제2 헬리컬 안테나(420b) 역시 시계 방향으로 감긴 후 접지와 연결될 수 있다. 제1 헬리컬 안테나(420a)와 제2 헬리컬 안테나(420b)가 모두 동일한 형상을 갖기 때문에 각각의 제1 가변 축전기(470) 및 제2 가변 축전기(480)를 이용한 헬리컬 안테나(420)의 임피던스 제어가 수월할 수 있다.
또한, 도 4(b)를 참조하면, 제1 헬리컬 안테나(420a)와 제2 헬리컬 안테나(420b)는 실린더(410)에서 서로 반대 방향으로 감길 수 있다. 일예로, 전력 인입선(460)에서 분기된 제1 헬리컬 안테나(420a)는 시계 방향으로 감긴 후 직렬로 제2 헬리컬 안테나(420b)와 연결되고, 제1 헬리컬 안테나(420a)와 연결된 제2 헬리컬 안테나(420b)는 제1 헬리컬 안테나(420a)와 반대 방향인 반 시계 방향으로 감긴 후 접지와 연결될 수 있다. 제1 헬리컬 안테나(420a)와 제2 헬리컬 안테나(420b)를 서로 반대 방향이 되도록 형성함으로써 제1 헬리컬 안테나(420a)와 제2 헬리컬 안테나(420b) 사이에 형성되는 자기장이 동일한 방향으로 형성되도록 할 수 있다. 따라서, 헬리컬 안테나(420) 간 상호 인덕턴스를 증가시킬 수 있기 때문에 플라즈마 효율을 향상시킬 수 있다.
계속해서, 도 5(a),(b)는 헬리컬 안테나(420)가 감기는 위치를 나타낸다.
우선, 도 5(a)를 참조하면, 제1 헬리컬 안테나(420a)는 실린더(410)의 상부에서 하부 방향으로 감길 수 있고, 제1 헬리컬 안테나(420a)와 연결된 제2 헬리컬 안테나(420b)는 하부에서 상부 방향으로 감길 수 있다. 또한, 도 5(b)를 참조하면, 제1 헬리컬 안테나(420a)는 실린더(410)의 하부에서 상부 방향으로 감길 수 있고, 제1 헬리컬 안테나(420a)와 연결된 제2 헬리컬 안테나(420b)는 상부에서 하부 방향으로 감길 수 있다. 일예로, 도 5(a)에 도시된 헬리컬 안테나(420)의 경우, 제1 헬리컬 안테나(420a)와 연결되는 전력 인입선(460)의 길이와 접지와 연결되는 제2 헬리컬 안테나(420b)의 길이를 감소시킬 수 있기 때문에 제1 가변 축전기(470) 및 제2 가변 축전기(480)의 제어가 용이할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 모듈(400)은 전력 인입선(460)에서 병렬로 분기된 제1 헬리컬 안테나(420a)와 제1 헬리컬 안테나(420a)에 직렬로 연결된 각각의 제2 헬리컬 안테나(420b)를 포함할 수 있다. 이러한 서로 균일하게 이격된 제1 헬리컬 안테나(420a)와 제2 헬리컬 안테나(420b)를 이용하여 처리실(100) 내에 균일한 플라즈마를 형성할 수 있으며, 제1 헬리컬 안테나(420a)와 제2 헬리컬 안테나(420b)에 각각 연결된 제1 가변 축전기(470) 및 제2 가변 축전기(480)를 이용하여 플라즈마 제어가 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 건식 식각 처리장치는 이러한 플라즈마 모듈(400)을 확장시켜 대면적 건식 식각 처리장치에 적용시킬 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 모듈의 확장을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 모듈(400)은 피처리 기판(101)의 크기가 커지고, 이에 챔버 몸체(1000)의 크기가 커짐에 따라 상부 프레임(300) 상에 다수 배치될 수 있다.
일예로, 도 6에서와 같이, 피처리 기판(101)의 크기가 작을 경우, 하나의 모듈을 이용하여 피처리 기판(101)의 공정이 수행될 수 있고, 피처리 기판(101)의 크기가 커져 장치의 크기가 커지게 되면, 하나의 장치에 4개의 플라즈마 모듈(400)이 적용될 수 있다. 또한, 피처리 기판(101)이 더욱 커져 장치의 크기가 더욱 커지게 되면, 하나의 장치에 9개의 플라즈마 모듈(400)이 적용될 수 있다. 즉, 피처리 기판(101)의 크기가 커짐에 따라 장치의 크기가 커지게 되면, 하나의 장치에 적용되는 플라즈마 모듈(400)은 1,4,9..개로 증가될 수 있다. 이는 플라즈마 모듈(400)이 피처리 기판(101)의 크기가 커짐에 따라, 즉 피처리 기판(101)의 크기에 의해 공정을 수행하기 위한 챔버 몸체(1000) 크기가 커짐에 따라 플라즈마 모듈(400)은 n2(n은 자연수)로 증가될 수 있음을 나타낸다.
또한, 4개의 헬리컬 안테나(420)가 하나의 플라즈마 모듈(400)을 구성하고 있기 때문에, 피처리 기판(101)의 크기가 커짐에 따라 장치의 크기가 커지게 되면, 헬리컬 안테나(420)는 4×n2(n은 자연수)로 증가될 수 있다. 이때, 플라즈마 모듈(400)이 증가하더라도 헬리컬 안테나(420) 간 이격된 거리는 모두 동일한 거리로 이격되도록 배치될 수 있다. 따라서, 복수의 헬리컬 안테나(420)가 조합된 플라즈마 모듈(400)을 이용하여 헬리컬 안테나(420)의 확장이 가능하기 때문에 간편하게 건식 식각 처리장치의 대면적화가 가능하다.
계속해서, 도 1을 참조하면, 전자석(500)은 처리실(100) 상부에 배치되되, 헬리컬 안테나(420)와 인접하게 배치될 수 있다. 일예로, 전자석(500)은 헬리컬 안테나(420) 주위에 배치되는 링 형태를 가질 수 있다. 또한, 전자석(500)은 헬리컬 안테나(420) 각각에 배치될 수 있다. 따라서, 하나의 플라즈마 모듈(400)은 4개의 헬리컬 안테나(420)와 4개의 전자석(500)으로 구성될 수 있다.
전자석(500)은 전자석(500)과 연결된 정전류원인 DC 전류 소스(510)로부터 신호를 인가받고, 인가된 신호에 의해 정자기장을 발생시킬 수 있다. DC 전류 소스(510)는 복수의 전자석(500)에 각각 개별로 연결되거나, 복수로 연결될 수 있다.
또한, 전자석(500)은 상부 프레임(300) 내에 삽입되어 배치될 수 있다. 이는, 실린더(410) 내에서 발생된 플라즈마가 처리실(100)로 이동될 때, 이동되는 플라즈마와의 거리를 최대한 단축시켜 플라즈마 밀도를 향상시키기 위함이다. 이때, 전자석(500)을 상부 프레임(300) 내에 삽입하여 배치하되, 상부 프레임(300)의 강성을 위해 상부 프레임(300) 하부보다는 상부에 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 전자석(500)을 상부 프레임(300) 내에 삽입하여 전자석(500)의 측벽이 상부 프레임(300)과 접하도록 배치시킴으로써, 전자석(500) 동작시 발생되는 열을 상부 프레임(300)의 온도에 의해 낮출 수 있다. 즉, 별도의 냉각장치가 구비되지 않아도, 상부 프레임(300)만으로 전자석(500)의 방열 기능을 수행할 수 있다.
교체 이너월(600)은 실린더(410) 내측 및 하부에 배치되고, 실린더(410)와 분리 가능하도록 형성될 수 있다.
일반적으로, 헬리컬 안테나(420)가 감겨진 실린더(410) 내측과 상부 프레임(300) 하부에는 플라즈마 공정이 진행됨에 따라 공정 중에 발생된 오염 물질이 점차적으로 증착될 수 있다. 이러한 증착된 오염 물질들은 플라즈마 환경을 변화시켜 공정 균일도를 저하시키거나, 피처리 기판(101)으로 낙하되어 공정 불량을 초래하기도 한다. 이러한 공정 불량을 방지하기 위해, 주기적으로 오염 물질을 세정 또는, 실린더(410) 및 상부 프레임(300)을 교체하는 작업이 수행되나, 이러한 작업에 많은 시간과 비용이 소비되게 된다. 허나, 본 발명에 따른 건식 식각 처리장치는 실린더(410) 내측과 프레임 하부에 간편하게 교체 가능한 교체 이너월(600)을 사용함으로써 작업 시간과 비용을 감소시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 교체 이너월을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 교체 이너월의 교체 방법을 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 교체 이너월(600)은 실린더(410) 상부, 측면 및 상부 프레임(300) 하부에 교체 가능하도록 장착될 수 있다. 또한, 교체 이너월(600)은 상부 이너월(610), 측벽 이너월(620), 테이퍼 이너월(630) 및 하부 이너월(640)을 포함할 수 있다.
상부 이너월(610)은 실린더(410) 상부에 배치될 수 있다. 이때, 상부 이너월(610) 중앙에는 가스 노즐(431)이 실린더(410)에 장착되도록 하는 홀이 형성될 수 있다.
측벽 이너월(620)은 상부 이너월(610) 하부에는 배치될 수 있다. 즉, 측벽 이너월(620)은 원통 형태로 형성되어 실린더(410)의 내측벽에 배치될 수 있다. 또한, 측벽 이너월(620)은 상부 이너월(610)과 결합 가능하도록 형성될 수 있다.
테이퍼 이너월(630)은 측벽 이너월(620) 하부에 배치될 수 있다. 또한, 테이퍼 이너월(630)은 측벽 이너월(620)과 결합 가능하도록 형성되되, 상부 프레임(300)에 형성된 관통홀(301)의 내측벽에 배치될 수 있다. 일예로, 상부 프레임(300)의 관통홀(301)은 실린더(410)에서 형성된 플라즈마가 넓은 범위로 확산되도록 하기 위해 하부 방향으로 갈수록 관통홀(301)의 크기가 커지는 경사면(302)을 가질 수 있다. 따라서, 테이퍼 이너월(630)도 관통홀(301)의 경사면(302)에 접하도록 경사지게 형성될 수 있다.
하부 이너월(640)은 테이퍼 이너월(630) 하부에 배치되되, 테이퍼 이너월(630)과 결합 가능하도록 형성될 수 있다. 또한, 하부 이너월(640)은 상부 프레임(300) 하부면에 접하도록 배치될 수 있다.
즉, 상부 이너월(610), 측벽 이너월(620), 테이퍼 이너월(630) 및 하부 이너월(640)은 서로 결합된 형태로 실린더(410) 및 상부 프레임(300)에 장착될 수 있다. 따라서, 상부 이너월(610)과 측벽 이너월(620)에 의해 실린더(410)가 플라즈마에 노출되는 것을 방지할 수 있고, 테이퍼 이너월(630)과 하부 이너월(640)에 의해 상부 프레임(300)이 플라즈마에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 교체 이너월(600)은 순차적으로 결합이 가능하기 때문에 도 8에서와 같이, 실린더(410)에 장작시에는 상부 이너월(610), 측벽 이너월(620), 테이퍼 이너월(630) 및 하부 이너월(640) 순서로 장착되고, 분리시에는 이에 역순으로 간편하게 분리가 가능하다. 따라서, 실린더(410) 및 상부 프레임(300) 대신 오염된 교체 이너월(600) 만을 교체하면 되기 때문에 교체 시간과 비용을 절감할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 헬리컬 안테나의 세그먼트 간 피치(pitch)에 따른 이온 플럭스(ion flux) 변화를 나타낸 그래프이다.
여기서, 세그먼트 간 피치는 지름이 3mm인 동관이 실린더(410)에 감겼을 때의 세그먼트 간 간격을 나타낸다.
도 9를 참조하면, 세그먼트 간 피치가 6mm 내지 10mm의 범위에서 높은 이온 플럭스값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는 세그먼트 간 피치가 6mm 미만이 되면 세그먼트 사이의 간격이 감소하여 인덕턴스가 증가하게 되고, 10mm를 초과하면 세그먼트 사이의 거리가 멀어져 플라즈마 결합 효과가 감소함에 기인한다.
도 10은 본 발명에 따른 헬리컬 안테나의 인덕턴스에 따른 이온 플럭스 변화를 나타낸 그래프이다.
여기서, 인덕턴스는 지름이 3mm인 동관의 턴수에 따른 헬리컬 안테나(420)의 인덕턴스를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 인덕턴스가 4μH 내지 10μH의 범위에서 높은 이온 플럭스값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는 헬리컬 안테나(420)의 인덕턴스가 4μH 미만이 되면 플라즈마 결합 효과가 감소하게 되고, 10μH를 초과하게 되면 헬리컬 안테나(420)의 리액턴스의 증가로 인한 전압 상승에 기인한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 건식 식각 처리장치는 복수의 헬리컬 안테나가 조합된 플라즈마 모듈을 이용하여 헬리컬 안테나의 확장이 가능하기 때문에 건식 식각 처리장치의 대면적화가 가능하고, 헬리컬 안테나를 직렬 연결 구성 및 병렬 연결 구성을 조합하여 배치함으로써 장치를 대면적화 하더라도 RF 전력의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 실린더(410) 하부에 분리 가능한 교체 이너월(600)을 배치함으로써, 공정에 의해 실린더(410) 내측면 및 하부면에 증착되는 오염 물질을 간편하게 처리 가능하다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1000 : 챔버 몸체 100 : 처리실
200 : 지지대부 300 : 상부 프레임
400 : 플라즈마 모듈 410 : 실린더
420 : 헬리컬 안테나 420a : 제1 헬리컬 안테나
420b : 제2 헬리컬 안테나 430 : 가스 공급부
500 : 전자석 600 : 교체 이너월
610 : 상부 이너월 620 : 측벽 이너월
630 : 테이퍼 이너월 640 : 하부 이너월

Claims (17)

  1. 챔버 몸체;
    상기 챔버 몸체에 의해 제공되고, 수용된 피처리 기판의 플라즈마 처리가 이루어지는 처리실;
    상기 처리실 상부에 배치된 상부 프레임;
    상기 상부 프레임 상에 배치된 실린더와 상기 실린더를 각각 감싸도록 형성된 코일 형태의 헬리컬 안테나를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 모듈;
    상기 처리실 상부에 배치되고, 상기 헬리컬 안테나와 인접하게 배치된 링 형상의 전자석; 및
    상기 처리실 내에 상기 피처리 기판을 지지하는 지지대부를 포함하고,
    상기 플라즈마 모듈은, 병렬로 분기되어 배치된 각각의 제1 헬리컬 안테나 및 병렬로 분기된 상기 제1 헬리컬 안테나 각각에 직렬로 연결된 제2 헬리컬 안테나를 포함하는 건식 식각 처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    병렬로 분기된 각각의 상기 제1 헬리컬 안테나는 전력 인입선과 공통으로 연결되되, 상기 전력 인입선과 동일한 거리로 이격되어 배치되는 것인 건식 식각 처리장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전력 인입선에는 상기 헬리컬 안테나의 임피던스를 제어하는 가변 축전기를 포함하는 건식 식각 처리장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 헬리컬 안테나의 일단은 상기 제1 헬리커 안테나와 연결되고, 타단은 가변 축전기와 연결되는 것인 건식 식각 처리장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 헬리컬 안테나는 상부에서 하부 방향으로 감겨지고, 상기 제2 헬리컬 안테나는 하부에서 상부 방향으로 감겨지는 것인 건식 식각 처리장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 헬리컬 안테나는 하부에서 상부 방향으로 감겨지고, 상기 제2 헬리컬 안테나는 상부에서 하부 방향으로 감겨지는 것인 건식 식각 처리장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 몸체가 커질수록 상기 플라즈마 모듈은 다수가 배치되되, 상기 챔버 몸체의 크기가 커짐에 따라 상기 플라즈마 모듈은 n2(n은 자연수) 개수로 증가되는 것인 건식 식각 처리장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 챔버 몸체가 커질수록 상기 헬리컬 안테나는 4×n2(n은 자연수) 개수로 증가되는 것인 건식 식각 처리장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 증가된 플라즈마 모듈에서 상기 헬리컬 안테나 간 간격은 모두 동일한 것인 건식 식각 처리장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 병렬로 분기된 제1 헬리컬 안테나 간 거리와 상기 제1 헬리컬 안테나에 직렬로 연결된 상기 제2 헬리컬 안테나 간 거리는 모두 동일한 것인 건식 식각 처리장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 헬리컬 안테나가 상기 실린더에 감기는 방향은 상기 제1 헬리컬 안테나가 상기 실린더에 감기는 방향과 반대인 것인 건식 식각 처리장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 헬리컬 안테나가 상기 실린더에 감기는 방향은 상기 제1 헬리컬 안테나가 상기 실린더에 감기는 방향과 동일한 것인 건식 식각 처리장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 헬리컬 안테나의 세그먼트 간 피치(pitch)는 6mm 내지 10mm 범위의 피치를 갖는 것인 건식 식각 처리장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 하나의 실린더에 감기는 상기 헬리컬 안테나의 인덕턴스는 4μH 내지 10μH 범위의 인덕턴스를 갖는 것인 건식 식각 처리장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 실린더 내측 및 하부에 배치되고, 상기 실린더와 분리 가능하도록 형성된 교체 이너월을 더 포함하는 건식 식각 처리장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 교체 이너월은,
    상기 실린더 내측 상부에 배치된 상부 이너월;
    상기 상부 이너월과 일측이 결합되고, 상기 실린더 측벽에 배치되는 측벽 이너월;
    일측이 상기 측벽 이너월의 타측과 결합되고, 상기 상부 프레임에 경사지게 형성된 관통홀의 경사면에 배치되는 테이퍼 이너월; 및
    상기 테이퍼 이너월 타측과 결합되고, 상기 상부 프레임의 하부면에 배치되는 하부 이너월을 포함하는 건식 식각 처리장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 교체 이너월, 상기 상부 이너월, 상기 측벽 이너월, 상기 테이퍼 이너월 및 상기 하부 이너월은 상기 상부 프레임 하부에서 순차적으로 결합 및 분리되는 것인 건식 식각 처리장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160125164A (ko) 2015-04-21 2016-10-31 부산대학교 산학협력단 대면적 고밀도 플라즈마 발생방법

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KR20160125164A (ko) 2015-04-21 2016-10-31 부산대학교 산학협력단 대면적 고밀도 플라즈마 발생방법

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