WO2017183872A1 - 건식 에칭장치 - Google Patents

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WO2017183872A1
WO2017183872A1 PCT/KR2017/004110 KR2017004110W WO2017183872A1 WO 2017183872 A1 WO2017183872 A1 WO 2017183872A1 KR 2017004110 W KR2017004110 W KR 2017004110W WO 2017183872 A1 WO2017183872 A1 WO 2017183872A1
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anode
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voltage power
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최상준
강지성
이경진
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최상준
강지성
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    • H01L21/67248—Temperature monitoring

Definitions

  • the present invention relates to a dry etching apparatus, and more particularly, to a dry etching apparatus that can be applied regardless of the material.
  • Etching processes are applied to semiconductors, various materials, or product processing processes.
  • the etching process is a process of etching a part of the surface of the workpiece, and a wet etching method using a chemical method is generally used.
  • the dry etching method is introduced rather than the wet etching method.
  • 1 is a view illustrating a process of etching copper (Cu) of a semiconductor using such a dry etching method.
  • a dry etching is performed on the hard mask 20 to perform etching.
  • the copper (Cu) film 42 is deposited in the vacuum chamber after the photoresist (PR: 30) film coated in the lithography process is prepared.
  • copper (Cu) is deposited 44 on the deposited copper film 42 by an electro-plating method, and then copper 44 above the hard mask 20 by the CMP (Chemicla-Mechanical Polishing) method. Remove it.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a dry etching apparatus and a control method thereof that can be applied to various materials without depending on a chemical process.
  • an anode part a bidirectional voltage power source in which a polarity of a voltage alternates a positive voltage and a negative voltage with time is applied and the anode part Disclosed is a dry etching apparatus including a cathode disposed to be spaced apart from a cathode, a mounting portion for placing a workpiece on a surface facing an anode portion of the cathode, and a bidirectional voltage power supply for applying a bidirectional voltage power to the cathode.
  • the cathode portion may be provided on the upper side, and the anode portion may be located on the lower side.
  • the direction in which gravity is directed based on the gravity direction will be referred to as a lower side, and the opposite direction will be referred to as an upper side.
  • a spacing controller may be further included to adjust the distance between the cathode and the anode.
  • the gap adjusting unit is inserted into the motor providing a rotational force, the coupling is formed by the rotational force of the motor and the through-hole is formed along the central axis of rotation and the thread formed on the inner circumferential surface of the through hole, the inner circumferential surface of the through hole of the coupling Including the support rod extending upward to support the cathode portion, as the coupling is rotated by the rotational force of the motor, the support rod and the cathode portion supported on the support rod are lifted so that the distance between the cathode portion and the anode portion can be adjusted.
  • the mounting portion may elastically support the workpiece such that the workpiece is in close contact with a surface facing the anode portion of the cathode portion.
  • the mounting portion may be inserted into the fixing piece provided on the lower side of the anode to be movable upward and downward, and may be formed to have a diameter larger than that of the first member on an upper end of the first member and an upper portion of the first member.
  • the second member is formed to be in close contact with the cathode portion, the outer side of the first member is positioned, the lower end is supported by the fixing piece and the upper end is supported by the second member to elastically the second member with respect to the fixing piece It may include a supporting spring.
  • the apparatus may further include a DC voltage power supply unit for applying a DC power to the anode to reduce the hitting time of the ions and the hitting time of the electrons to the workpiece.
  • a negative side or a positive side of a DC voltage may be applied to the anode part.
  • the frequency of the low frequency AC power applied to the cathode may be lower than 1 MHz.
  • the bidirectional voltage may include a voltage boosting section and a voltage boosting section and a voltage lowering section in which the voltage converges to zero.
  • the DC voltage power applied to the anode unit by the DC voltage power supply unit may be between 1 and 200% of the maximum voltage of the bidirectional voltage power applied to the cathode unit by the bidirectional voltage power supply unit.
  • the distance between the cathode part and the anode part controlled by the distance adjusting part may be between 3 mm and 50 mm.
  • the anode part may further include a first anode insulator provided on a surface of the anode part facing the cathode part.
  • the base unit may further include a base provided to be grounded below the anode, and a second anode insulator provided between the base and the anode.
  • the workpiece may be insulated so that no current is applied to the workpiece.
  • the cathode part may include a first conductor disposed at an uppermost side and grounded, a second conductor disposed below the first conductor and to which a bidirectional voltage power is applied from the bidirectional voltage power supply, and the first conductor and the second conductor. It may include a cathode insulator provided between and around the second conductor.
  • the cathode insulator may be an oxide such as aluminum oxide (Al 2 O 3) or a nitride insulator such as aluminum nitride (AlN).
  • the insulator in contact with the workpiece is quickly released by attaching the second conductor of the cathode to which the bidirectional voltage power is applied by using an integrated coating technique or an adhesive technique using a bonding material having excellent heat transfer to the cooling unit. You can smoothly control it.
  • a material having a high dielectric constant may be included to facilitate plasma characteristic control.
  • the cathode may be cooled or additionally supplied with heat to minimize the change of the etching process according to the temperature during the dry etching process, and may further include a temperature controller to perform the process within a predetermined temperature range.
  • the temperature control unit may be formed in the second conductor, and include a cooling channel through which coolant flows, and a refrigerant circulation unit configured to circulate a coolant in the cooling channel.
  • the temperature control unit may further include a temperature measuring unit measuring a temperature of the second conductor.
  • the etching process time is significantly reduced compared to the conventional, the productivity is improved, dry etching is possible regardless of the material is possible dry etching on a variety of materials and products, redeposition (redeposition) This does not occur so that the etched portion can be neatly formed without redeposition or contamination.
  • FIG. 1 is a view showing a process of forming a copper layer on a semiconductor using a conventional dry etching method
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a dry etching apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a dry etching apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view illustrating a state in which an atom (a) etched during plasma etching is rebound by plasma ions or gas (e) and redeposited again;
  • Fig. 5 is a graph showing a waveform of an AC-type bidirectional voltage power supply and a bidirectional voltage power supply voltage waveform formed between the cathode and the anode when DC power is applied to the anode portion;
  • FIG. 6 is a graph showing a bipolar waveform in which a bidirectional voltage power supply is symmetrical and a waveform change of the bidirectional voltage power supply voltage formed between the cathode and the anode when DC power is applied to the anode;
  • FIG. 7 is a graph illustrating a bipolar waveform in which a bidirectional voltage power supply is asymmetrical and a voltage waveform change of the bidirectional voltage power supply formed between the cathode and the anode when a direct current power supply is applied to the anode;
  • FIG. 8 is a view showing the motion of the etched atom (a) when a DC power is applied to the anode;
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a control method of a dry etching apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view illustrating a process of forming a copper film on a semiconductor through a dry etching apparatus and a control method thereof according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a view showing a state of a portion etched through a conventional wet etching method and a dry etching apparatus and a control method according to an embodiment of the present invention.
  • the applicant has to make the high energy ion source collide with the workpiece more strongly, the process temperature varies depending on the workpiece, and the process temperature At the time of setting, it was noted that the process temperature deviation during the process of the workpiece should be kept small. For example, when the temperature of the workpiece exceeds 80 degrees Celsius, to avoid curing the photoresist (PR).
  • PR photoresist
  • the applicant has devised the concept of the expansion of the sheath region of the plasma, the use of high voltage and bidirectional voltage power of less than 1MHz, and the plasma density improvement so that the high energy ion source collides with the workpiece with higher kinetic energy.
  • the concept of insulating the workpiece so that no current is applied to it and adding a temperature control function to the cathode portion where the workpiece is placed was devised.
  • the insulator in contact with the workpiece can be released by using the integrated coating technology or the bonding technology using the bonding material with excellent heat transfer to the part to which the bidirectional voltage power is applied. have.
  • the dry etching apparatus 100 focuses on such a direction, the anode part 120, the cathode part 110, the mounting part 140, and the bidirectional voltage power supply part 130. ) May be included.
  • the anode portion 120 and the cathode portion 110 are disposed to be spaced apart from each other in the vertical direction in the housing (not shown) not shown in the figure.
  • the housing forms a space in which various components to be described later are disposed, and is provided to form a vacuum therein or to inject a gas such as argon (Ar), and the workpiece W therein. Opening and closing may be provided to enable the insertion and withdrawal.
  • a gas such as argon (Ar)
  • the cathode 110 may be disposed above, and the anode 120 may be disposed below.
  • the bidirectional voltage power supply 130 may be provided to apply the bidirectional voltage power to the cathode 110.
  • the power of the bidirectional voltage may refer to a current in which the polarity of the voltage alternates bidirectionally with a positive voltage and a negative voltage over time.
  • the frequency of the power supply of the bidirectional voltage may have a frequency of 1MHz or less.
  • charge accumulation time may be increased by applying a bidirectional voltage power source, which may contribute to expansion of the sheath region.
  • a bidirectional voltage power source which may contribute to expansion of the sheath region.
  • the sheath region is enlarged, it is possible to secure a time for the ions to be accelerated toward the workpiece, thereby colliding the surface of the workpiece W with higher energy.
  • This bidirectional power supply will be described in detail later.
  • the workpiece (W) may be positioned to be in close contact with the lower side facing the anode portion 120 of the cathode portion 110.
  • etching is performed on the lower side of the workpiece W, and thus the atoms etched away from the surface of the workpiece W fall to the anode portion 120 by gravity, and the workpiece W Repositioning on the surface of the substrate may be prevented.
  • the mounting portion 140 is a component for positioning the workpiece (W) to be in close contact with the lower surface of the cathode portion (110).
  • the gap adjusting unit 150 for adjusting the distance between the cathode 110 and the anode 120 may be further included.
  • the charge amount Q is proportional to the applied voltage V, the dielectric constant ⁇ , and the area A of the workpiece, and is known to be inversely proportional to the distance d between the cathode part and the anode part. V ⁇ A / d)
  • the spacing controller 150 is constant or optimal even when etching various workpieces W having various areas A. Can work in the state of charge amount.
  • the gap adjusting unit 150 as described above may include a motor 152, a coupling 154, and a support rod 156.
  • the support rod 156 may use an insulating material to minimize the effect on the plasma between the cathode portion 110 and the anode portion 120.
  • the motor 152 is a component that generates a rotational force, and in the present embodiment, a step motor capable of finely adjusting the rotation angle will be described as an example.
  • the step motor may be controlled by a controller 190 provided separately.
  • the coupling 154 is rotated by the rotational force of the motor 152, the through-hole is formed coaxially with the rotation center axis along the rotation center axis, a thread may be formed on the inner peripheral surface of the through hole. At this time, the rotation center axis of the coupling 154 may be formed to face in the vertical direction.
  • the support rod 156 extends in the up and down direction, and a thread is formed on the outer circumferential surface to be engaged with the inner circumferential surface of the coupling 154 so as to be engaged with the through inner circumferential surface of the coupling 154, and the upper end of the cathode It is provided to support the unit (110).
  • the coupling 154 is also rotated, so that the support rod 156 is raised and lowered corresponding to the rotation angle of the motor 152 and the pitch of the coupling 154.
  • the cathode 110 supported on the upper end of the support rod 156 may also be elevated to adjust the distance between the cathode 110 and the anode 120.
  • the distance between the cathode 110 and the anode 120 which is adjusted by the gap adjusting unit 150 may be between 3mm ⁇ 50mm.
  • the gap adjusting part 150 is separated from the cathode part 110 supported on the top in order to smoothly attach the outer shape of the workpiece (W) and the method of mounting on the jig and the cathode part 110 (for example, And a vacuum chamber).
  • the mounting part 140 is configured to elastically support the workpiece W to closely contact the workpiece W to the lower side of the cathode part despite the lifting of the cathode part 110. Element.
  • the mounting portion 140 as described above may include a first member 144, a second member 146, and a spring 148.
  • the first member 144 is inserted into the fixing piece 142 provided below the anode portion 120 so as to be movable upward and downward, and is formed to extend upward.
  • the fixing piece 142 may be fixed to the housing (not shown).
  • the second member 146 is formed on the upper end of the first member 144 to have a larger diameter than the first member 144.
  • an upper end of the second member 146 may be provided to support the workpiece W to be in close contact with the cathode 110.
  • the second member 146 may use an insulating material to minimize the influence on the plasma between the cathode portion 110 and the anode portion 120.
  • the second member 146 may have various shapes such as a circle, a rectangle, a polygon, and a cone according to the shape of the workpiece W. FIG.
  • the spring 148 is positioned to surround the outside of the first member 144, a lower end of the spring 148 is supported by the fixing piece 142, and an upper end of the spring 148 is supported by the second member 146.
  • 146 is provided to elastically support the fixing piece 142.
  • the workpiece W supported by the second member 146 is always elastically supported upward by the spring 148, the workpiece W is cathode even when the cathode portion 110 is raised. It may be in close contact with the unit 110.
  • the spring 148 may use an insulating material to minimize the effect on the plasma between the cathode portion 110 and the anode portion 120.
  • the base portion 222 is provided to be grounded to the lower side of the anode portion 220, the anode portion 220 is provided above the base portion 222
  • the second anode insulator 224 may be provided between the base portion 222 and the anode portion 220.
  • some of the atoms (a) that are etched away from the surface of the workpiece (W) and fall toward the anode portion 120 are directed toward the surface of the workpiece (W).
  • i) or a collision with the plasma gas may cause a redeposition phenomenon to be redeposited on the surface of the workpiece W toward the surface side of the workpiece W again.
  • the negative side of the direct current to the anode portion 120 is reduced to reduce the ion hitting time and the electron hitting time to the workpiece.
  • a DC power applying unit 160 for applying a DC voltage power to the + side may be further provided.
  • the DC voltage power supply unit 160 applies the DC voltage power on the negative side as an example.
  • the voltage waveform supplied to the cathode may be referred to as a voltage whose voltage polarity alternates with + and ⁇ over time.
  • the waveform of the bidirectional voltage generated by the bidirectional voltage power supply 130 may be As shown in FIG. 5, a sign waveform, which is a form of general alternating current, may be represented, or as shown in FIGS. 6 and 7, a bipolar waveform having a trapezoidal shape may be represented.
  • the bidirectional voltage power source may be a voltage polarity of + and-alternately with time based on a point where the voltage is 0 regardless of the shape and size of the waveform.
  • the waveform of the bidirectional voltage when the waveform of the bidirectional voltage exhibits a trapezoidal bipolar waveform shown in FIGS. 6 and 7, the waveform of the voltage may include a boosting section U and a lowering section D.
  • a section diverging to the + or-side of the waveform of the voltage is referred to as a boosting section (U), and a section that converges to zero will be referred to as a lowering section (D).
  • FIG. 1 a section in which the voltage is kept constant between the boosting section U and the lowering section D will be referred to as a holding section D.
  • the sustain period D may or may not appear depending on the waveform of the bidirectional voltage supplied from the bidirectional voltage power supply.
  • the bidirectional voltage power supply unit 130 may control the waveform of the bidirectional voltage power generated by the bidirectional voltage power supply unit 130 by the controller 190.
  • the controller 190 may be implemented as a terminal or a PC connected to the bidirectional voltage power supply 130.
  • the present invention is not limited thereto, and the controller 190 may be a module including an input unit, a display unit, a calculation unit, and a communication unit.
  • the waveform of the bidirectional voltage exhibits a trapezoidal bipolar waveform shown in Figs. 6 and 7, the slope of the boosting section U, the lowering section D, and the holding section D, and The length may be controlled by the control of the controller 190.
  • the slopes of the boosting section U and the lowering pressure section D may be symmetrical, or as shown in FIG. 7, the boosting section U and the lowering pressure section.
  • the slope of (D) may appear different.
  • the length of the holding section M may be adjusted, and the holding section M may be controlled to appear in a 0 Voltage state in addition to the peak point of the waveform.
  • FIG. 5 is a sign waveform in which a waveform of a bidirectional voltage generated by the bidirectional voltage power supply unit 130 is a general AC form, and when a direct current is applied to the anode unit 120, the cathode unit 110 is connected to the cathode unit 110.
  • the waveform of the bidirectional current of the alternating current form generated by the bidirectional voltage power supply 130 is applied to the cathode unit 110, between the cathode unit 110 and the anode unit 120.
  • the waveform of the bidirectional current formed has a waveform of an alternating current shape, as shown in FIG. 5.
  • the DC voltage applying device even when the waveform of the bidirectional voltage power generated by the bidirectional voltage power supply 130 indicates a trapezoidal bipolar waveform, the DC voltage applying device.
  • the waveform of the bipolar bidirectional voltage power source formed between the cathode part 110 and the anode part 120 may be moved upward. have.
  • the waveform of the bipolar bidirectional voltage power supply falls below 0 Voltage, the ions collide with the workpiece W, and the waveform of the bipolar bidirectional voltage power supply rises above 0 Voltage. In the former, the electron may collide with the workpiece (W).
  • 5 to 7 illustrate that the bidirectional voltage power source is shifted by 20% than the original waveform form as an example.
  • the DC voltage power applied to the anode unit 120 by the DC voltage power supply unit 160 is a voltage of the bidirectional voltage power applied to the cathode unit 110 by the bidirectional voltage power supply unit 130. It can be between 1 and 200% of the maximum voltage.
  • the cathode unit 110 may include a first conductor 112, a second conductor 114, and a cathode insulator 116.
  • the first conductor 112 is disposed on the uppermost side, and may be formed of a conductor such as a metal having a ground.
  • the second conductor 114 is disposed below the first conductor 112, and a low frequency AC power is applied from the bidirectional voltage power supply 130, and may be formed of a conductive metal such as Al.
  • the cathode insulator 116 is disposed between the first conductor 112 and the second conductor 114 and around the outside of the second conductor 114 to insulate the second conductor 114 from the outside. It may be provided to make.
  • the cathode insulator 116 may be made of any material as long as it can serve as an insulator, but the thin insulator 118 provided on the lower side of the cathode insulator 116 may be formed of aluminum oxide (Al 2 O 3) or the like. It may be a nitride insulator such as an oxide or aluminum nitride (AlN).
  • the insulator in contact with the workpiece may be attached by applying an integral coating technique or an adhesive technique using a bonding material having excellent heat transfer to a portion to which a bidirectional voltage power is applied. Therefore, the heat generated can be quickly released to the cooling unit to facilitate temperature control.
  • the insulator 118 may contribute to an increase in capacity of the casing head 110.
  • the thickness of the insulator 118 may be 3 mm or less, and the present invention is not limited by the thickness of the insulator 118.
  • the cathode 110 may further include a temperature control unit 170 for adjusting the temperature.
  • the temperature control unit 170 is a component that maintains the temperature of the workpiece in contact with the cathode unit 110 within the process temperature section by controlling the temperature of the cathode unit 110.
  • the process temperature section may mean a range of the maintenance temperature in the work process to obtain a good work result according to the material of the work object and the kind of work.
  • the temperature control unit 170 may include a cooling channel 172, a refrigerant circulation unit 174, and a temperature measuring unit 176.
  • the cooling channel 172 may be formed in the second conductor 114, and may be formed in the shape of a tube such that the cooling water flows therein.
  • the surface of the first conductor 112 extends downward from the surface of the first conductor 112 to the inner side of the second conductor 114, and extends horizontally in the second conductor 114 so as to be parallel to the first conductor 112. It may be formed to cool the second conductor 114.
  • the refrigerant circulation unit 174 may be provided to circulate the cooling water in the cooling channel 172.
  • the temperature measuring unit 176 may be provided to measure the temperature of the second conductor 114.
  • the circulation amount of the cooling water is increased.
  • the refrigerant circulation unit 174 may be controlled.
  • the circulation rate of the cooling water may be controlled by controlling the refrigerant circulation unit 174 in the controller 190 so that the temperature measured by the temperature measuring unit 176 does not exceed the lower limit of the set temperature range.
  • the temperature control unit 170 controls the temperature of the cathode unit 110 and at the same time there is an effect that the workpiece being in contact with the cathode unit 110 is also temperature controlled.
  • the control method of the dry etching apparatus includes a work object positioning step S110, a distance adjusting step S120, a bidirectional voltage power applying step S130, and a direct current applying step S140. It may include an etching step (S150) and a temperature control step (S160).
  • the workpiece position step S110 is a step of placing the workpiece W in close contact with the lower surface of the cathode part 110 inside the housing of the dry etching apparatus. At this time, the surface to be etched of the workpiece (W) may be positioned to face the anode portion 120 located below.
  • etching is performed on the lower side of the workpiece W, and thus the atoms (a) that are etched away from the surface of the workpiece W fall to the anode portion 120 by gravity, and the workpiece Redeposition on the surface of (W) can be prevented.
  • the workpiece (W) can be fixed by sandwiching between the mounting portion 140 and the cathode (110).
  • the distance adjusting step S120 is to adjust the distance between the cathode unit 110 and the anode unit 120 so that the plasma etching operation may be performed in a state having an optimal amount of charge.
  • the support rod 156 is lifted by rotating the motor 152 through the controller 190 provided separately, and accordingly, the cathode 110 is lifted so that the distance from the anode 120 is adjusted. Can be.
  • the distance between the cathode 110 and the anode 120 may be between 3mm ⁇ 50mm.
  • the bidirectional voltage power applying step (S130) is a step of applying bidirectional voltage power to the cathode unit 110.
  • the frequency of the bidirectional voltage power source applied to the cathode unit 110 may be lower than 1 MHz.
  • the charge accumulation time can be increased, which can contribute to the expansion of the sheath region.
  • gas such as argon (Ar) may be filled in the housing.
  • the direct current applying step (S140) may be performed in the same manner as the bidirectional voltage power applying step (S130), and the direct current is applied to the anode unit 120. At this time, a negative side or a positive side may be applied to the anode 120. In the present embodiment, the negative side of the direct current is applied as an example, but the present invention is not necessarily limited thereto.
  • the waveform of the bidirectional voltage power formed between the cathode 110 and the anode 120 is moved to the + side as a whole. Accordingly, the hitting time of ions on the workpiece W may be increased and the hitting time of electrons may be reduced. Therefore, as shown in FIG. 6, since the atoms (a) that are etched away from the surface of the workpiece (W) and fall toward the anode portion 120 have sufficient time to reach the anode portion 120, the reposition is performed. (dedeposition) can be prevented.
  • the DC applied by the DC voltage power supply unit 160 to the anode unit 120 is the maximum voltage of the AC power applied by the bidirectional voltage power supply unit 130 to the cathode unit 110. It can be between 1 and 200%.
  • an etching step S150 in which etching is performed on the surface of the workpiece W may be performed.
  • the temperature control step S160 may be further performed during the etching step S150.
  • the temperature control step (S160) when the temperature is increased by driving the refrigerant circulation unit 174 in the controller 190 separately provided so that the temperature measured by the temperature measuring unit 176 does not exceed a set temperature range, the temperature of the cooling water is increased.
  • the refrigerant circulation unit 174 may be controlled to increase the circulation amount.
  • the temperature controller 170 cools the cathode unit 110, and at the same time, the workpiece W in contact with the cathode unit 110 is also cooled.
  • the temperature control unit 170 may also control the cooling rate of the workpiece (W), it may be controlled so that the temperature of the workpiece (W) does not exceed the lower limit of the set temperature range.
  • FIG. 10 is a view illustrating a process of etching copper (Cu) on a semiconductor through the dry etching apparatus of the present embodiment and a control method thereof.
  • the photoresist layer 30 is formed on the workpiece W on which the copper layer 46 is uniformly deposited on the silicon 10.
  • the photoresist layer 30 is formed.
  • all of the remaining portions except for the portion on which the photoresist PR 30 generated in the lithography process is coated may be etched. Thereafter, the process may be completed by peeling off the PR 30.
  • Figure 11 is a view comparing the cross-section of the portion etched using the conventional wet etching method and the portion etched through the dry etching apparatus and the control method of the present invention.
  • the etching method through the dry etching apparatus of the present invention and its control method is characterized by Since the cross section of the etched portion can be seen that it can be formed into a clean profile having the same width of the lower portion and the upper portion.

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Abstract

본 발명은 재질에 상관없이 적용이 가능한 건식 에칭장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 애노드부, 시간에 따라 전압의 극성이 양의전압과 음의전압을 교번하는 양방향 전압전원이 인가되며 상기 애노드부와 이격되도록 배치되는 캐소드부, 상기 캐소드부의 애노드부와 마주보는 면에 작업대상물을 위치시키는 거치부, 상기 캐소드부에 양방향 전압전원을 인가하는 양방향 전압전원 공급부를 포함하는 건식 에칭장치가 개시된다.

Description

건식 에칭장치
본 발명은 건식 에칭장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 재질에 상관없이 적용이 가능한 건식 에칭장치에 관한 것이다.
반도체나 여러가지 소재 또는 제품 가공공정중에 에칭공정이 적용되고 있다.
이러한 에칭공정은 작업대상물의 표면 일부를 식각하는 공정으로서, 화학적인 방법을 사용하는 습식(wet) 에칭공법이 일반적으로 사용된다.
그러나, 최근 여러가지 재질에 에칭공정이 적용되는데, 이러한 습식 에칭공법은 적용대상에서 한계점을 보이고 있다.
따라서, 최근에는 습식 에칭공법이 아닌 건식(dry) 에칭공법이 소개되고 있다.
도 1은 이러한 건식 에칭공법을 사용하여 반도체의 구리(Cu)를 에칭하는 과정을 설명한 도면이다.
먼저, 실리콘(10)에 하드마스크(20)가 증착된 작업대상물에 리소그래피과정을 거친 후, 상기 하드마스크(20)에 건식 에칭이 수행되어 식각이 이루어진다.
그리고, 상기 리스그래피 과정에서 입혀진 포토레지스트(PR:30)막 등을 제고한 후에 진공챔버에서 구리(Cu)막(42)을 증착한다.
그리고, 증착된 구리막(42)의 상측에 electro-plating 방식으로 구리(Cu)를 증착(44)한 후, CMP(Chemicla-Mechanical Polishing)공법으로 하드마스크(20)보다 상측의 구리(44)를 제거한다.
그러나, 이러한 종래의 건식 에칭공법은 결국 화학적 공정이 포함되어 공정단계가 길며, 소수의 휘발성 물질만 건식 에칭공법에 적용 가능하여 다양한 재질을 건식 에칭 공법에 적용하기는 불가능한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은, 화학적 공정에 의존하지 않으며, 다양한 재질에 적용 가능한 건식 에칭장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이 과제이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
양방향 전압전원상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 애노드부, 시간에 따라 전압의 극성이 양의전압과 음의전압을 교번하는 양방향 전압전원이 인가되며 상기 애노드부와 이격되도록 배치되는 캐소드부, 상기 캐소드부의 애노드부와 마주보는 면에 작업대상물을 위치시키는 거치부, 상기 캐소드부에 양방향 전압전원을 인가하는 양방향 전압전원 공급부를 포함하는 건식 에칭장치가 개시된다.
상기 캐소드부가 상측에 구비되고, 상기 애노드부는 하측에 위치될 수 있다.
이 때, 이하의 설명에서 중력방향을 기준으로 중력이 향하는 방향을 하측이라 칭하고, 그 반대방향을 상측이라 칭하기로 한다.
상기 캐소드부와 애노드부의 거리를 조절하는 간격조절부가 더 포함될 수 있다.
상기 간격조절부는, 회전력을 제공하는 모터, 상기 모터의 회전력에 의해 회전되며 회전중심축을 따라 통공이 형성되고 통공의 내주면에 나사산이 형성된 커플링, 상기 커플링의 통공의 내주면에 치합되도록 삽입되며, 상부로 연장되어 상기 캐소드부를 지지하는 지지봉을 포함하여, 상기 모터의 회전력에 의해 커플링이 회전되면서 상기 지지봉 및 지지봉에 지지된 캐소드부가 승강되면서 캐소드부와 애노드부의 거리가 조절될 수 있다.
상기 거치부는, 상기 작업대상물이 상기 캐소드부의 애노드부와 마주보는 면에 밀착되도록 상기 작업대상물을 탄성지지할 수 있다.
상기 거치부는, 상기 애노드부의 하측에 구비된 고정편에 상하방항으로 이동가능하게 삽입되며 상측으로 연장되는 제1부재, 상기 제1부재의 상단에 상기 제1부재보다 큰 직경으로 형성되며 작업대상물을 상기 캐소드부에 밀착시키도록 형성되는 제2부재, 상기 제1부재의 외측에 위치되며 하단은 상기 고정편에 지지되고 상단은 상기 제2부재에 지지되어 상기 제2부재를 상기 고정편에 대해서 탄성지지하는 스프링을 포함할 수 있다.
상기 작업대상물에 이온의 충돌(hitting)시간은 줄이고, 전자의 충돌(hitting)시간은 늘어나도록 상기 애노드부에 직류전원을 인가하는 직류전압전원인가부를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 애노드부에 직류전압의 - 측 또는 +측이 인가될 수 있다.
상기 캐소드부에 인가되는 저주파 교류전원의 주파수는 1MHz보다 낮을 수 있다.
상기 양방향 전압은, 전압의 파형이 + 또는 -측으로 변동되며 승압구간 및 전압이 0으로 수렴되는 하압구간을 포함할 수 있다.
상기 직류전압전원인가부에 의해 상기 애노드부에 인가되는 직류전압전원은 상기 양방향 전압전원 공급부에 의해 상기 캐소드부에 인가되는 양방향 전압전원의 최대전압의 1~200% 사이일 수 있다.
상기 거리조절부에 의해 조절되는 상기 캐소드부와 애노드부 사이의 거리는 3mm~50mm 사이일 수 있다.
상기 애노드부의 상기 캐소드부를 바라보는 면에 구비되는 제1애노드 절연체를 더 포함할 수 있다.
또는, 상기 애노드부의 하측에 접지가 이루어지도록 구비되는 베이스부, 상기 베이스부와 상기 애노드부의 사이에 구비되는 제2애노드 절연체를 더 포함할 수 있다.
상기 작업대상물에는 전류가 인가되지 아니하도록 절연이 이루어질 수 있다.
상기 캐소드부는, 최상측에 배치되며 접지가 이루어지는 제1컨덕터, 상기 제1컨덕터의 하측에 배치되며 상기 양방향 전압전원 공급부로부터 양방향 전압전원이 인가되는 제2컨덕터, 상기 제1컨덕터와 제2컨덕터의 사이 및 상기 제2컨덕터의 둘레에 구비되는 캐소드 절연체를 포함할 수 있다.
상기 캐소드 절연체는 산화알루미늄(Al2O3) 등의 산화물 또는 질화알루미늄(AlN)등의 질화물 절연체일 수 있다.
이때 작업대상물과 접촉하는 절연물은 양방향 전압전원이 인가되는 캐소드의 제2커덕터와 일체형의 코팅기술 또는 열전달이 우수한 본딩재질을 이용한 접착기술을 이용하여 부착됨으로 발생하는 열을 빠르게 냉각부로 방출시켜 온도 제어를 원할히 할 수 있다. 또한 플라즈마 특성제어에 용이하도록 유전율이 큰 소재를 포함할 수 있다.
상기 캐소드부를 냉각시키거나 추가로 열을 공급하여 작업대상물이 건식에칭과정에서 온도에 따른 에칭공정 변화를 최소화 시키며, 정해진 온도구간내에서 공정이 이루어 지도록 온도제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 온도제어부는, 상기 제2컨덕터 내부에 형성되며, 냉각수가 유동되는 냉각채널, 상기 냉각채널에 냉매를 순환시키는 냉매 순환부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 온도제어부는, 상기 제2컨덕터의 온도를 측정하는 온도측정부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 건식 에칭장치에 따르면, 에칭공정 시간이 종래에 비하여 현저하게 줄어들어 생산성이 향상되며, 재질에 구애받지 아니하고 건식 에칭이 가능하여 다양한 재질 및 제품에 건식 에칭이 가능하고, 재증착(redeposition)이 발생되지 않아 에칭된 부분이 재증착물 또는 오염 없이 깔끔하게 형성될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 종래의 건식 에칭 공법을 이용하여 반도체에 구리층을 형성하는 과정을 도시한 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 에칭장치를 도시한 단면도;
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 건식 에칭장치를 도시한 단면도;
도 4는 플라즈마 에칭과정 중에 식각된 원자(a)가 플라즈마 이온 또는 가스(e)에 의해 리바운드되어 다시 재증착(re-deposition)되는 모습을 도시한 도면;
도 5는 양방향 전압전원이 교류형태의 파형을 나타내고, 애노드부에 직류전원을 인가하였을 때 캐소드와 애노드 사이에 형성되는 양방향 전압전원전압 파형 변화를 도시한 그래프;
도 6은 양방향 전압전원이 대칭적인 바이폴라 형태의 파형을 나타내고, 애노드부에 직류전원을 인가하였을 때 캐소드와 애노드 사이에 형성되는 양방향 전압전원전압의 파형 변화를 도시한 그래프;
도 7은 양방향 전압전원이 비대칭적인 바이폴라 형태의 파형을 나타내고, 애노드부에 직류전원을 인가하였을 때 캐소드와 애노드 사이에 형성되는 양방향 전압전원의 전압파형 변화를 도시한 그래프;
도 8은 애노드에 직류전원을 인가하였을 때 식각된 원자(a)의 운동모습을 도시한 도면;
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 에칭장치의 제어방법을 도시한 순서도;
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 에칭장치 및 그 제어방법을 통해 반도체에 구리막을 형성하는 과정을 도시한 도면;
도 11은 종래의 습식 에칭 방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 에칭장치 및 그 제어방법을 통해 식각된 부분의 모습을 도시한 도면이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
배경기술에서 소개한 종래의 건식에칭공법과 비교하여 재질의 제한으로부터 자유롭기 위하여, 본 출원인은 고에너지 이온 소스가 작업대상물에 보다 강하게 충돌해야 함과, 작업대상물에 따라 공정 온도가 다르며, 공정온도를 설정시 작업대상물의 공정과정 중 공정온도 편차가 작게 유지되어야 하는 점에 주목하였다. 일예로, 작업대상물의 온도가 섭씨 80도를 초과하는 경우, 포토리지스트(PR)가 경화되는 것을 피하기 위함이다. 또한 작업대상물의 공정과정 중 공정온도 편차에 의한 에칭수율 편차발생의 억제 및 일부 작업대상물 소재의 온도 상한 또는 하한 설정 등의 다양한 공정온도 프로파일 설정제어가 가능할 수 있다.
한편, 본 출원인은 고에너지 이온소스가 보다 높은 운동에너지를 가지고 작업대상물과 충돌되도록 플라즈마의 쉬스 영역(Sheath Region)의 확대, 고전압 및 1MHz이하의 양방향 전압전원 사용 및 플라즈마 밀도 향상 개념을 착안하였다.
또한, 작업대상물의 주어진 온도제어를 원할히 수행하기 위하여, 작업대상물에 전류가 인가되지 않도록 절연하는 것과 작업대상물이 위치되는 캐소드부에 온도제어기능을 추가하는 개념을 착안 하였다. 이때 작업대상물과 접촉하는 절연물은 양방향 전압전원이 인가되는 부분과 일체형의 코팅기술 또는 열전달이 우수한 본딩재질을 이용한 접착기술을 이용하여 부착됨으로 발생하는 열을 빠르게 냉각부로 방출시켜 온도 제어를 원할히 할 수 있다.
이와 같은 방향으로 착안한 본 실시예에 따른 건식 에칭장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 애노드부(120)와 캐소드부(110), 거치부(140) 및 양방향 전압전원 공급부(130)를 포함할 수 있다.
상기 애노드부(120)와 캐소드부(110)는 도면에 도시되지 아니한 하우징(미도시) 내부에 상하방향으로 서로 이격되도록 배치된다.
상기 하우징(미도시)은 내부에 후술하는 각종 구성요소들이 배치되는 공간을 형성하며, 내부에 진공을 형성하거나 아르곤(Ar)등의 기체를 주입할 수 있도록 구비되고, 내부에 작업대상물(W)을 넣고 빼는 것이 가능하도록 개방 및 폐쇄가 가능하게 구비될 수 있다.
이 때, 상기 캐소드부(110)가 상측에 배치되며, 애노드부(120)가 하측에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 양방향 전압전원 공급부(130)는 상기 캐소드부(110)에 양방향 전압의 전원을 인가시키도록 구비될 수 있다.
이 때, 상기 양방향 전압의 전원은 시간에 따라 전압의 극성이 양의 전압과 음의 전압으로 양방향으로 교번하는 전류를 칭할 수 있다.
또한, 상기 양방향 전압의 전원의 주파수는 1MHz이하의 주파수를 가질 수 있다.
상기와 같이 양방향 전압의 전원을 인가함으로써 전하 축적시간을 증가시킬 수 있으며, 이는 쉬스영역의 확대에 기여할 수 있다. 또한, 쉬스영역이 확대되므로 인해 이온이 작업대상물 측으로 가속되는 시간을 확보할 수 있어 보다 높은 에너지로 작업대상물(W)의 표면을 충돌할 수 있다. 이러한 양방향 전압의 전원은 추후 자세하게 설명하기로 한다.
한편, 상기 작업대상물(W)은 상기 캐소드부(110)의 애노드부(120)를 바라보는 하측면에 밀착되도록 위치될 수 있다.
따라서, 상기 작업대상물(W)의 하측면에 에칭이 이루어지며, 그에따라 상기 작업대상물(W)의 표면에서 식각되어 떨어져 나온 원자들은 중력에 의해 애노드부(120) 측으로 떨어져, 작업대상물(W)의 표면에 재증착되는 리디포지션(reseposition)현상이 방지될 수 있다.
상기 거치부(140)는, 상기 작업대상물(W)을 상기 캐소드부(110)의 하측면에 밀착되도록 위치시키는 구성요소이다.
또한, 상기 캐소드부(110)와 애노드부(120)의 거리를 조절하는 간격조절부(150)가 더 포함될 수 있다.
일반적으로 전하량(Q)는 인가되는 전압(V)와 유전율(ε)및 작업대상물의 면적(A)에 비례하며, 캐소드부와 애노드부간의 거리(d)에 반비례하는 것으로 알려져 있다.(Q=VεA/d)
따라서, 상기 간격조절부(150)가 캐소드부(110)와 애노드부(120)의 거리를 조절함으로써, 다양한 면적(A)을 가지는 여러가지의 작업대상물(W)을 에칭할 때에도 일정하거나 또는 최적의 전하량의 상태로 작업할 수 있다.
상기와 같은 간격조절부(150)는 모터(152), 커플링(154), 지지봉(156)을 포함할 수 있다. 이때 지지봉(156)은 캐소드부(110)와 애노드부(120)사이의 플라즈마에 영향을 최소화 하도록 절연소재를 사용할 수 있다.
상기 모터(152)는 회전력을 발생시키는 구성요소로서, 본 실시예에서는 회전각도를 세밀하게 조절할 수 있는 스텝모터가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 또한, 상기 스텝모터는 별도로 구비된 제어부(190)에 의해 제어될 수 있다.
상기 커플링(154)은 상기 모터(152)의 회전력에 의해 회전되며, 회전중심축을 따라 상기 회전중심축과 동축인 통공이 형성되고, 상기 통공의 내주면에는 나사산이 형성될 수 있다. 이 때, 상기 커플링(154)의 회전중심축은 상하방향을 향하도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 지지봉(156)은 상하방향으로 연장되며, 외주면에 상기 커플링(154)의 내주면과 치합되는 나사산이 형성되어 상기 커플링(154)의 통공 내주면에 치합되도록 삽입되고, 상단이 상기 캐소드부(110)를 지지하도록 구비된다.
따라서, 상기 모터(152)가 회전하면, 상기 커플링(154)도 회전되며, 그에 따라 상기 지지봉(156)이 모터(152)의 회전각도 및 커플링(154)의 피치에 해당하는 만큼 승강하며, 그에 따라 상기 지지봉(156)의 상단에 지지된 캐소드부(110) 또한 승강하여, 상기 캐소드부(110)와 애노드부(120)간의 거리가 조절될 수 있다.
이 때, 상기 간격조절부(150)에 의해 조절되는 상기 캐소드부(110)와 애노드부(120) 사이의 거리는 3mm~50mm사이일 수 있다. 또한 간격조절부(150)는 작업대상물(W)의 외형 형상과 지그 및 캐소드부(110)에 장착하는 방식을 원할히 하기 위하여, 상단에 지지된 캐소드부(110)와 이격되어 별도 다른 지지대(예시 진공챔버 등)와 연결되어 사용될 수 있다.
상기 거치부(140)는 상기 캐소드부(110)의 승강에도 불구하고, 상기 작업대상물(W)을 상기 캐소드부(110)의 하측면에 밀착시키도록 상기 작업대상물(W)을 탄성지지하는 구성요소이다.
상기와 같은 거치부(140)는, 제1부재(144), 제2부재(146) 및 스프링(148)을 포함할 수 있다.
상기 제1부재(144)는 상기 애노드부(120)의 하측에 구비된 고정편(142)에 상하방향으로 이동가능하게 삽입되며, 상측으로 연장되도록 형성된다.
이 때, 상기 고정편(142)은 상기 하우징(미도시)에 고정된 것일 수 있다.
그리고, 상기 제2부재(146)는 상기 제1부재(144)의 상단에 상기 제1부재(144)보다 더 큰 직경을 갖도록 형성된다. 그리고, 상기 제2부재(146)의 상단은 상기 작업대상물(W)을 지지하여 상기 캐소드부(110)에 밀착시키도록 구비된다. 이때 제2부재(146)는 캐소드부(110)와 애노드부(120)사이의 플라즈마에 영향을 최소화 하도록 절연소재를 사용할 수 있다. 제2부재(146)는 작업대상물(W)의 형상에 따라 원형 및 사각형 및 다각형 및 원추형 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
그리고, 상기 스프링(148)은 상기 제1부재(144)의 외측을 감싸도록 위치되고, 하단은 상기 고정편(142)에 지지되고 상단은 상기 제2부재(146)에 지지되어 상기 제2부재(146)를 상기 고정편(142)에 대해서 탄성지지하도록 구비된다.
따라서, 상기 스프링(148)에 의해 상기 제2부재(146)에 지지된 작업대상물(W)이 항상 상측으로 탄성적으로 지지되므로, 상기 캐소드부(110)가 상승하더라도 작업대상물(W)이 캐소드부(110)에 밀착될 수 있다. 이때 스프링(148)은 캐소드부(110)와 애노드부(120)사이의 플라즈마에 영향을 최소화 하도록 절연소재를 사용할 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 애노드부(220)의 하측에 접지가 이루어지도록 구비되는 베이스부(222)가 구비되고, 상기 베이스부(222)의 상측에 애노드부(220)가 구비되며, 상기 베이스부(222)와 애노드부(220)의 사이에 절연은 이루는 제2애노드 절연체(224)가 구비될 수 도 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 작업대상물(W)의 표면에서 식각되어 떨어져 나와 애노드부(120) 측으로 떨어지는 원자(a)들 중 일부가 상기 작업대상물(W)의 표면으로 향하는 이온(i)이나 플라즈마가스를 만나 충돌하면서 다시 작업대상물(W)의 표면 측으로 향하여 작업대상물(W)의 표면에 재증착되는 리디포지션(redeposition)현상이 발생할 수 있다.
이를 방지하기 위해서, 본 실시예에 따른 건식 에칭장치에 따르면, 상기 작업대상물에 이온 충돌(hitting)시간은 줄이고, 전자의 충돌(hitting)시간은 늘어나도록 상기 애노드부(120)에 직류의 -측 또는 +측을 직류전압전원을 인가하는 직류전원인가부(160)가 더 구비될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 직류전압전원인가부(160)가 -측의 직류전압전원을 인가하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
상기 직류전압전원인가부(160)에 의한 작용을 설명하기에 앞서, 상기 양방향 전압전원 공급부에 의해 상기 캐소드부(114)에 공급되는 전압 파형의 형태에 대해서 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이, 캐소드부에 공급되는 전압파형은 시간에 따라 전압의 극성이 +와 -로 교번하는 전압으로 칭할 수 있는데, 상기 양방향 전압전원 공급부(130)에 의해 생성되는 양방향 전압의 파형은, 도 5에 도시된 바와 같이, 일반적인 교류의 형태인 사인(sign)파형을 나타낼 수도 있거나, 또는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 사다리꼴 형태의 바이폴라(bipolar)파형을 나타낼 수도 있다.
즉, 본 발명에서 상기 양방향 전압전원이란 파형의 형태 및 크기에 상관없이 전압이 0인 지점을 기준으로 시간에 따라 전압의 극성이 +와 -를 교번해서 나타나는 것일 수 있다.
*한편, 상기 양방향 전압의 파형이 도 6 및 도 7에 도시된 사다리꼴 형태의 바이폴라(bipolar)파형을 나타내는 경우, 전압의 파형은 승압구간(U)과 하압구간(D)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 전압의 파형 중 + 또는 -측으로 발산하는 구간을 승압구간(U)이라 칭하고, 0으로 수렴되는 구간을 하압구간(D)이라 칭하기로 한다.
또한, 상기 승압구간(U)과 하압구간(D) 사이에 전압이 일정하게 유지되는 구간을 유지구간(D)이라 칭하기로 한다.
상기 양방향 전압전원 공급부에서 공급되는 양방향 전압의 파형에 따라 상기 유지구간(D)은 나타날 수도 있으며, 나타나지 않을 수도 있다.
또한, 상기 양방향 전압전원 공급부(130)는 상기 양방향 전압전원 공급부(130)에 의해 발생되는 양방향 전압전원의 파형이 제어부(190)에 의해 제어될 수 있다.
상기 제어부(190)는 상기 양방향 전압전원 공급부(130)와 연결된 단말기나 PC등으로 구현될 수 있다. 물론, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 상기 제어부(190)은 입력수단과 표시수단 및 연산수단과 통신수단을 구비한 모듈일 수 있다.
또 한편, 상기 양방향 전압의 파형이 도 6 및 도 7에 도시된 사다리꼴 형태의 바이폴라(bipolar)파형을 나타내는 경우, 상기 승압구간(U)과 하압구간(D) 및 유지구간(D)의 기울기 및 길이는 상기 제어부(190)의 제어에 의해 제어될 수 있다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 승압구간(U)과 하압구간(D)의 기울기가 대칭적으로 나타날 수 있으며, 또는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 승압구간(U)과 하압구간(D)의 기울기가 서로 다르게 나타날 수 있다. 또는, 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 유지구간(M)의 길이도 조절할 수 있으며, 유지구간(M)이 파형의 피크지점 이외에도 0 Voltage 상태에서 나타나도록 제어할 수도 있다.
이는, 상기 작업대상물(W)에 필요한 전자(electron)를 충돌(hitting) 하는 시간 및 강도와 이온(Ion)을 충돌(hitting)하는 시간 및 강도에 따라 상기 제어부(190)에서 조절할 수 있다.
이하, 상기 직류전압전원인가부(160)에 의한 작용을 설명하기로 한다.
도 5는 상기 양방향 전압전원 공급부(130)에 의해 생성되는 양방향 전압의 파형이 일반적인 교류의 형태인 사인(sign)파형이고, 상기 애노드부(120)에 직류를 인가하였을 때 캐소드부(110)와 애노드부(120) 사이에 형성되는 양방향 전압전원의 파형 변화를 도시한 그래프이다.
전술한 바와 같이, 상기 양방향 전압전원 공급부(130)에 의해 생성된 교류 형태의 상기 양방향 전류의 파형이 상기 캐소드부(110)에 인가되므로, 상기 캐소드부(110)와 애노드부(120) 사이에 형성되는 양방향 전류의 파형은 은 도 5에 도시된 바와 같이, 교류 형태의 파형을 띄게 된다.
그런데, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 직류전압전원인가부(160)에 의해 상기 애노드부(120)에 직류의 - 측이 인가되면, 상기 캐소드부(110)와 애노드부(120) 사이에 형성되는 교류형태의 양방향 전압전원의 파형이 상측으로 이동된다. 도 5의 그래프에서, 교류파형이 0 Voltage 아래측(-측)으로 하강한 상태에서는 이온이 작업대상물(W)을 충돌하게 되며, 교류파형이 0 Voltage 위측(+측)으로 상승한 상태에서는 전자가 작업대상물(W)을 충돌할 수 있다.
또는, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 양방향 전압전원 공급부(130)에 의해 생성된 양방향 전압전원의 파형이 사다리꼴 형태의 바이폴라(bipolar)파형을 나타내는 경우에도, 상기 직류전압전원인가부(160)에 의해 상기 애노드부(120)에 직류의 - 측이 인가되면, 상기 캐소드부(110)와 애노드부(120) 사이에 형성되는 바이폴라형태의 양방향 전압전원의 파형이 상측으로 이동될 수있다. 도 6의 그래프에서, 바이폴라형태의 양방향 전압전원의 파형이 0 Voltage 아래측으로 하강한 상태에서는 이온이 작업대상물(W)을 충돌하게 되며, 바이폴라형태의 양방향 전압전원의 파형이 0 Voltage 위측으로 상승한 상태에서는 전자가 작업대상물(W)을 충돌할 수 있다
도 5 내지 도 7에서는 양방향 전압전원이 원래 파형 형태일 때 보다 20% 쉬프트(Shift)된 것을 예로 들어 설명하였다.
따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 작업대상물(W)의 표면에서 식각되어 떨어져 나와 애노드부(120) 측으로 떨어지는 원자(a)들이 애노드부(120)까지 도달할 시간이 충분하게 되므로 리디포지션(redeposition)현상이 방지될 수 있다.
이 때, 상기 직류전압전원인가부(160)에 의해 상기 애노드부(120)에 인가되는 직류전압전원은 상기 양방향 전압전원 공급부(130)에 의해 상기 캐소드부(110)에 인가되는 양방향 전압전원의 최대전압의 1~200%사이일 수 있다.
한편, 상기 캐소드부(110)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1컨덕터(112)와 제2컨덕터(114), 그리고 캐소드 절연체(116)를 포함할 수 있다.
상기 제1컨덕터(112)는 최상측에 배치되며, 접지가 이루어지는 금속 등의 도체로 형성될 수 있다.
상기 제2컨덕터(114)는 상기 제1컨덕터(112)의 하측에 배치되며, 상기 양방향 전압전원 공급부(130)로부터 저주파의 교류전원이 인가되며, Al등의 전도성 금속으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 캐소드 절연체(116)는 상기 제1컨덕터(112)와 제2컨덕터(114)의 사이 및 상기 제2컨덕터(114)의 외측 둘레에 배치되어 상기 제2컨덕터(114)를 외부와 절연시키도록 구비될 수 있다.
상기 캐소드 절연체(116)의 재질은 절연체의 역할을 수행할 수 있으면 어느것이나 무방하나, 상기 작업대상물(W)과 접촉하는 면인 하측면에 구비되는 얇은 절연체(118)는 산화알루미늄(Al2O3) 등의 산화물 또는 질화알루미늄(AlN) 등의 질화물 절연체일 수 있다.
이때 작업대상물과 접촉하는 절연물은 양방향 전압전원이 인가되는 부분과 일체형의 코팅기술 또는 열전달이 우수한 본딩재질을 이용한 접착기술을 적용하여 부착될 수 있다. 따라서 발생하는 열을 빠르게 냉각부로 방출시켜 온도 제어를 원할히 할 수 있다. 그리고, 상기 절연체(118)는 상기 캐소두부(110)의 캐퍼시티(Capacity)증가에 기여할 수 있다. 이러한 절연체(118)이 두께는 3mm이하일 수 있으며, 본 발명은 절연체(118)의 두께에 의해 한정되지 않는다.
따라서, 상기 캐소드부(110)에 접촉된 작업대상물(W)에 전류가 흐르지 않도록 절연이 이루어지므로, 작업대상물(W)의 온도상승을 방지할 수 있다.
또한, 상기 캐소드부(110)의 온도를 조절하는 온도제어부(170)를 더 포함할 수 있다.
상기 온도제어부(170)는, 상기 캐소드부(110)의 온도를 제어함으로써, 상기 캐소드부(110)에 접촉된 작업대상물의 온도를 공정 온도구간내로 유지시키는 구성요소이다.
이 때, 공정온도구간이란, 작업대상물의 재질 및 작업의 종류 등에 따라 양질의 작업결과를 얻을 수 있는 작업공정 중 유지온도의 범위를 뜻할 수 있다.
즉, 공정중에 원할한 작업이 이루어지는 온도를 유지함으로써 작업 대상물의 작업결과가 항상 최상을 유지할 수 있도록 하는 것이다.
상기 온도제어부(170)는 냉각채널(172)과 냉매순환부(174) 및 온도측정부(176)를 포함할 수 있다.
상기 냉각채널(172)은 상기 제2컨덕터(114)의 내부에 형성되며, 내부에 냉각수가 유동되도록 관의 형상으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 제1컨덕터(112)의 표면부터 제2컨덕터(114)의 내측까지 하측으로 연장되며, 상기 제2컨덕터(114)의 내부에서 수평으로 연장되어 상기 제1컨덕터(112)와 제2컨덕터(114)를 냉각하도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 냉매순환부(174)는 상기 냉각채널(172) 내부에 냉각수를 순환시키도록 구비될 수 있다.
그리고, 상기 온도측정부(176)는 상기 제2컨덕터(114)의 온도를 측정하도록 구비될 수 있다.
따라서, 상기 온도측정부(176)에서 측정된 온도가 설정된 온도 범위의 상한선를 초과하지 않도록 별도로 마련된 제어부(190)에서 상기 냉매 순환부(174)를 구동하여 온도가 상승되면 상기 냉각수의 순환량이 증대되도록 상기 냉매 순환부(174)를 제어할 수 있다.
또는, 상기 온도측정부(176)에서 측정된 온도가 설정된 온도범위의 하한선을 초과하지 않도록, 상기 제어부(190)에서 냉매 순환부(174)를 제어하여 냉각수의 순환량을 제어할 수도 있다.
따라서, 상기 온도제어부(170)가 상기 캐소드부(110)의 온도를 제어함과 동시에 상기 캐소드부(110)에 접촉된 작업대상물 또한 온도제어가 되는 효과가 있다.
이하, 전술한 건식 에칭장치를 제어하는 건식 에칭장치의 제어방법에 대해서 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 건식 에칭장치의 제어방법은 도 9에 도시된 바와 같이, 작업대상물 위치단계(S110), 거리조절단계(S120), 양방향 전압전원 인가단계(S130), 직류인가단계(S140), 에칭단계(S150) 및 온도조절단계(S160)를 포함할 수 있다.
상기 작업대상물 위치단계(S110)는 상기 건식 에칭장치의 하우징 내측에 작업대상물(W)을 상기 캐소드부(110)의 하측면에 밀착시키도록 위치시키는 단계이다. 이 때, 상기 작업대상물(W)의 에칭이 이루어져야 하는 면이 하측에 위치된 애노드부(120)를 향하도록 위치될 수 있다.
따라서, 상기 작업대상물(W)의 하측면에 에칭이 이루어지며, 그에 따라 상기 작업대상물(W)의 표면에서 식각되어 떨어져 나온 원자(a)들은 중력에 의해 애노드부(120) 측으로 떨어져, 작업대상물(W)의 표면에 재증착되는 리디포지션(reseposition)현상이 방지될 수 있다.
이 때, 상기 작업대상물(W)을 상기 거치부(140)와 캐소드부(110) 사이에 끼워넣어 고정할 수 있다.
상기 거리조절단계(S120)는 상기 캐소드부(110)와 애노드부(120) 사이의 거리를 조절함으로써, 최적의 전하량을 가진 상태에서 플라즈마 에칭 작업이 이루어지도록 하는 단계이다.
본 단계에서는 별도로 마련된 제어부(190)를 통해 상기 모터(152)를 회전시킴으로써 상기 지지봉(156)이 승강되고, 그에 따라 상기 캐소드부(110)가 승강되어 상기 애노드부(120)와의 거리가 조절될 수 있다.
이 때, 상기 캐소드부(110)와 상기 애노드부(120) 사이의 거리는 3mm~50mm사이일 수 있다.
따라서, 다양한 형상과 면적의 작업대상물(W)을 대상으로 작업할 때에도 최적의 거리를 조절할 수 있어, 최적의 전하량으로서 에칭작업이 가능하다.
상기 양방향 전압전원 인가단계(S130)는 상기 캐소드부(110)에 양방향 전압전원을 인가하는 단계이다.
이 때, 상기 캐소드부(110)에 인가되는 양방향 전압전원의 주파수는 1MHz보다 낮을 수 있다.
이렇게 비교적 저주파대역의 양방향 전압전원이 인가됨으로써 전하 축적시간을 증가시킬 수 있으며, 이는 쉬스영역의 확대에 기여할 수 있다. 또한, 이온이 작업대상물(W) 측으로 가속되는 시간을 확보할 수 있어 보다 높은 에너지의 플라즈마 이온이 상기 작업대상물(W)의 표면을 충돌할 수 있다.
상기 양방향 전압전원이 인가될 때에는 상기 하우징 내부에 아르곤(Ar)등의 기체가 충진된 상태일 수 있다.
그리고, 상기 직류인가단계(S140)는 상기 양방향 전압전원 인가단계(S130)와 같이 실행될 수 있으며, 상기 애노드부(120)에 직류를 인가하는 단계이다. 이 때, 애노드부(120)에 -측, 또는 +측의 직류가 인가될 수 있다. 본 실시예에서는 직류의 -측이 인가되는 것을 예로 들어 설명하나, 본 발명은 반드시 이에 한정되지 아니한다.
상기 애노드부(120)에 직류가 인가됨에 따라 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 캐소드부(110)와 애노드부(120) 사이에 형성되는 양방향 전압전원의 파형이 전체적으로 +측으로 이동되며, 그에 따라 상기 작업대상물(W)에 이온의 충돌(hitting)시간은 늘어나고 전자의 충돌(hitting)시간은 줄어들수 있다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 작업대상물(W)의 표면에서 식각되어 떨어져 나와 애노드부(120) 측으로 떨어지는 원자(a)들이 애노드부(120)까지 도달할 시간이 충분하게 되므로 리디포지션(redeposition)현상이 방지될 수 있다.
이 때, 상기 직류전압전원인가부(160)에 의해 상기 애노드부(120)에 인가되는 직류는 상기 양방향 전압전원 공급부(130)에 의해 상기 캐소드부(110)에 인가되는 교류 전원의 최대전압의 1~200%사이일 수 있다.
상기 양방향 전압전원 인가단계(S130)와 직류인가단계(S140)가 수행되면서, 작업대상물(W)의 표면에 에칭이 이루어지는 에칭단계(S150)가 수행될 수 있다.
한편, 상기 에칭단계(S150)의 수행중에 온도제어단계(S160)가 더 수행될 수 있다. 상기 온도제어단계(S160)에서는 상기 온도측정부(176)에서 측정된 온도가 설정된 온도 범위를 넘지 않도록 별도로 마련된 제어부(190)에서 상기 냉매 순환부(174)를 구동하여 온도가 상승되면 상기 냉각수의 순환량이 증대되도록 상기 냉매 순환부(174)를 제어할 수 있다.
따라서, 상기 온도제어부(170)가 상기 캐소드부(110)를 냉각함과 동시에 상기 캐소드부(110)에 접촉된 작업대상물(W) 또한 냉각시키는 효과가 있다. 물론, 상기 온도제어부(170)에 의해 상기 작업대상물(W)의 냉각속도 또한 제어할 수도 있으며, 작업대상물(W)의 온도가 설정된 온도범위의 하한선을 초과하지 않도록 제어할 수도 있다.
도 10은 본 실시예의 건식 에칭장치 및 그 제어방법을 통해 반도체에 구리(Cu)를 에칭하는 과정을 도시한 도면이다.
도 10에 도시된 바와같이, 실리콘(10)에 구리(Cu)층(46)이 균일하게 증착된 작업대상물(W)에 리소그래피 과정을 거쳐 포토레지스트층(30)이 형성된 후, 전술한 본 실시예의 건식 에칭장치(100)를 통하여 에칭을 수행하면, 리소그래피 과정에서 생성된 포토레지스트(PR: 30)가 입혀진 부분을 제외한 나머지 부분은 모두 식각될 수 있다. 이후, PR(30)을 벗겨내는 것으로서 공정이 완료될 수 있다.
이는 배경기술에서 설명한 종래의 건식 에칭 과정을 이용하여 에칭하는 과정에 비하여 현저하게 단계의 공정수가 줄어든 것을 알 수 있다.
한편, 도 11은 종래의 습식 에칭공법을 사용했을 때 식각된 부분의 단면과 본 발명의 건식 에칭장치 및 그 제어방법을 통해 식각된 부분의 단면을 비교한 도면이다.
도 11의 (a)에 도시된 바와 같이, 종래의 습식 에칭공법은 모든 방향으로 똑같이 에칭되는 등방성의 특성을 가지고 있으므로, 포토레지스트의 막 두께만큼 포토레지스트의 아랫부분을 측면으로 에칭하게 되어 식각된 부분의 단면이 아랫부분이 두껍고 위쪽으로 갈수록 좁아지는 포물선의 형태를 취하게 되나, 도 11(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 건식 에칭장치 및 그 제어방법을 통한 에칭방법은 이방성의 특성을 가지고 있으므로, 식각된 부분의 단면이 아랫부분과 윗부분이 똑 같은 너비를 가지는 깨끗한 프로파일로 형성이 가능함을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

Claims (18)

  1. 애노드부;
    시간에 따라 전압의 극성이 양의 전압과 음의 전압을 교번하는 양방향 전압전원이 인가되며, 상기 애노드부와 이격되도록 배치되는 캐소드부;
    상기 캐소드부의 애노드부와 마주보는 면에 작업대상물을 위치시키는 거치부;
    상기 캐소드부에 상기 양방향 전압전원을 인가하는 양방향 전압전원 공급부;
    상기 양방향 전압전원의 파형을 제어하는 제어부;
    를 포함하며,
    상기 양방향 전압전원은,
    전압의 파형이 + 또는 -측으로 발산하는 승압구간, 0으로 수렴되는 하압구간및 상기 승압구간과 하압구간 사이에 전압이 일정하게 유지되는 유지구간을 포함하고, 상기 승압구간 및 하압구간의 기울기는 일정하게 유지되는 바이폴라 파형을 띄며,
    상기 승압구간과 하압구간 및 유지구간의 기울기 및 길이는 상기 제어부에 의해 제어되는 건식 에칭장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드부가 상측에 구비되고,
    상기 애노드부는 하측에 위치되는 건식 에칭장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드부와 애노드부의 거리를 조절하는 간격조절부가 더 포함되는 건식 에칭장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 간격조절부는,
    회전력을 제공하는 모터;
    상기 모터의 회전력에 의해 회전되며, 회전중심축을 따라 통공이 형성되고, 통공의 내주면에 나사산이 형성된 커플링;
    상기 커플링의 통공의 내주면에 치합되도록 삽입되며, 상부로 연장되어 상기 캐소드부를 지지하는 지지봉;을 포함하여,
    상기 모터의 회전력에 의해 커플링이 회전되면서 상기 지지봉 및 지지봉에 지지된 캐소드부가 승강되면서 캐소드부와 애노드부의 거리가 조절되는 건식 에칭장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 거치부는, 상기 작업대상물이 상기 캐소드부의 애노드부와 마주보는 면에 밀착되도록 상기 작업대상물을 탄성지지하는 건식 에칭장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 거치부는,
    상기 애노드부의 하측에 구비된 고정편에 상하방항으로 이동가능하게 삽입되며, 상측으로 연장되는 제1부재;
    상기 제1부재의 상단에 상기 제1부재보다 큰 직경으로 형성되며, 작업대상물을 상기 캐소드부에 밀착시키도록 형성되는 제2부재;
    상기 제1부재의 외측에 위치되며, 하단은 상기 고정편에 지지되고, 상단은 상기 제2부재에 지지되어 상기 제2부재를 상기 고정편에 대해서 탄성지지하는 스프링;
    을 포함하는 건식 에칭장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 작업대상물에 이온의 충돌(hitting)시간은 줄이고, 전자의 충돌(hitting)시간은 늘어나도록 상기 애노드부에 직류전압전원을 인가하는 직류전압전원인가부를 더 포함하는 건식 에칭장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 애노드부에 직류전압전원의 음의전압 또는 양의전압이 인가되는 건식 에칭장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드부에 인가되는 저주파 교류전원의 주파수는 1MHz보다 낮은 건식 에칭장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 직류전압전원인가부에 의해 상기 애노드부에 인가되는 직류전압전원은 상기 양방향 전압전원 공급부에 의해 상기 캐소드부에 인가되는 양방향전원의 최대전압의 1~200% 사이인 건식 에칭장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 간격조절부에 의해 조절되는 상기 캐소드부와 애노드부 사이의 거리는 3mm~50mm 사이인 건식 에칭장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 애노드부의 하측에 접지가 이루어지도록 구비되는 베이스부;
    상기 베이스부와 상기 애노드부의 사이에 구비되는 제2애노드 절연체;
    를 더 포함하는 건식 에칭장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 작업대상물에는 전류가 인가되지 아니하도록 제2 컨덕터의 작업대상물을 바라보는 면은 절연이 이루어지는 건식 에칭장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드부는,
    최상측에 배치되며, 접지가 이루어지는 제1컨덕터;
    상기 제1컨덕터의 하측에 배치되며, 상기 양방향 전압전원 공급부로부터 양방향 전압전원이 인가되는 제2컨덕터;
    상기 제1컨덕터와 제2컨덕터의 사이 및 상기 제2컨덕터의 둘레에 구비되는 캐소드 절연체;
    를 포함하는 건식 에칭장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 캐소드 절연체 중, 상기 작업대상물과 접촉하는 면에 구비되는 제2컨덕터와 캐소드 절연체는 산화알루미늄(Al2O3) 또는 질화알루미늄 (AlN)을 포함하는 재질로 형성되는 건식 에칭장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 캐소드부를 냉각 또는 승온시켜 작업대상물의 온도를 공정 온도구간내에서 이루어 지도록하는 온도제어부를 더 포함하는 건식 에칭장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 온도제어부는,
    상기 제2컨덕터 내부에 형성되며, 냉각수가 유동되는 냉각채널;
    상기 냉각채널에 냉매를 순환시키는 냉매 순환부;
    를 포함하는 건식 에칭장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 온도제어부는,
    상기 제2컨덕터의 온도를 측정하는 온도측정부를 더 포함하는 건식 에칭장치.
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