KR100387900B1 - 박막 공정 장치의 크리닝 방법 및 이를 적용한 박막 공정장치 - Google Patents

Abstract

박막의 성장 또는 증착을 위한 박막 성장 장치 또는 박막의 에칭을 위한 에칭 장치등의 박막 공정장치에 적용되는 크리닝 방법 및 이를 적용한 박막 공정 장치에 관해 개시된다. 개시된 크리닝 방법은: 박막공정이 진행되는 가공대상물이 설치되는 것으로 내벽에 박막 공정시 발생된 오염물질이 부착되어 있는 진공 채임버의 내부로 소정의 물질로 된 크리닝 가스를 이온화시켜 상기 크리닝 가스가 상기 진공 채임버 내로 활성입자 상태로 도입시키는 단계; 상기 진공채임버를 진공 배기시켜 플라즈마 상태의 상기 크리닝 가스와, 상기 오염물질과 플라즈마의 활성입자 간의 반응에 의한 부산물을 배출하는 단계;를 포함한다. 본 발명은 박막 증착 장치 또는 에칭 장치 등의 박막 공정 장치에서 필연적으로 발생하는 진공 채임버 내의 오염 물질을 제거함에 있어서, 진공 채임버 내의 부품을 일일이 분해하여 크리닝할 필요없이 진공 상태의 진공 채임버 내에 크리닝 가스를 활성입자 상태로 주입함에 의해 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있다.

Description

박막 공정 장치의 크리닝 방법 및 이를 적용한 박막 공정 장치{ cleanning method of thin layer process device and this layer process device adopting the same }

본 발명은 박막 공정 장치의 크리닝 방법 및 이를 적용한 박막 공정 장치에 관한 것으로서, 고집적도의 반도체 분야에서나 디스플레이 산업에 필요한 필수적인 재료인 절연박막과 금속박막, 그리고 식각 장치등의 진공용기나 배기관에 증착되는 원하지 않는 물질을 효과적으로 제거하기 위한 박막 공정 장치의 크리닝 방법 및 이를 적용한 박막 공정 장치에 관한 것이다.

박막의 제조 공정은 반도체소자의 제조뿐만 아니라 마이크로 일렉트로닉스(microelectronics), 옵토일렉트로닉스(optoelectronics), 보호막 코팅, 장식용 코팅, 광학용 코팅등 그 응용 범위가 대단히 광범위하다. 이러한 광범위한 박막 재료들은 반도체 소자의 절연, 게이트(gate) 산화막, 보호막, 전기적 신호 전달을 위한 금속 배선등으로 상용화되어 있고 그 자체로서 각종 센서 및 전기적, 광학적, 기계적 특성을 가짐으로써 신기능 반도체 소자 제조가 가능하다.

최근에는 반도체 분야의 DRAM이 고집적화 됨에 따라 보다 작은 면적에서 더 높은 집적도를 가지는 소자를 만들기 위해 매우 미세한 선폭과 두께를 가진 박막의 사용은 당연한 결과라 할 수 있다.

일반적으로 박막의 제조 방법에는 폴리머(polymer) 및 솔젤(sol-gel)을 이용한 스핀 온 코팅(spin on coating), 스퍼터링(sputtering)이나 증발을 이용하는 물리적 증착(PVD), 화학적 반응을 이용하는 화학 기상 증착(CVD), 이온 빔(ion beam)을 이용하는 증착법과 액체 증기를 직접 증착하는 방법등 매우 다양한 방법이 사용되고 있다.

반도체 분야에서 가장 많이 이용되고 있는 방법은 스핀 온 코팅, 물리적 증착법과 화학 기상 증착법이다. 특히 화학 기상 증착법에 의해 박막을 증착하는 기술은 집적도의 증가와 더불어 그 수요가 점점 늘어나고 있고 기존의 물리적 증착법의 단점을 극복할 수 있는 기술이지만 화학 반응을 제어하는 기술은 매우 복잡하고 미세한 제어를 요구하고 있다.

화학 기상 증착 기술은 가장 보편화된 기술로 여러 가지의 기체를 주입한 후 기체들에 열, 빛, 플라즈마(plasma)등의 에너지를 이용하여 기체들의 반응을 유도하여 기판에 증착시키는 기술이다. 화학 기상 증착법에서의 화학 반응 속도는 반응 에너지를 공급하는 열, 빛, 플라즈마등에 의해 제어되거나 기체의 양과 비율 등을 통해 제어되게 된다. 그러나 이러한 화학 반응은 일반적으로 매우 빠르게 일어나 원자들의 열역학적 안정성을 이루면서 증착되도록 제어하기는 매우 어렵다. 화학 기상 증착법에 의해 증착된 박막은 물리적, 전기적, 화학적 성질 등이 물리적 증착에 의한 박막에 비해 떨어지는 단점이 있지만, 미세한 요철에서의 박막 균일성을 확보하는데 유리한 방법이다.

화학 기상 장치를 비롯한 모든 박막 증착 장치는 원하는 기판에만 증착하기가 불가능하고, 기판이 놓여진 주변 뿐만 아니라 배기되는 모든 배관에도 증착이 이루어져 주기적인 세정을 필요로 한다. 이러한 결과는 기판의 일정부분만 식각하는 장치에 있어서도 식각된 물질이나 식각시 부가적으로 발생되는 폴리머등이 진공용기나 배기관에 증착되어 오염 입자를 발생시키거나 진공 용기의 전기적 성질을 변화시켜 공정을 안정적으로 수행할 수 없게 만든다. 이를 방지하기 위해 주기적인 세정이 반드시 필요하게 되어 박막 증착 장치의 가동 효율을 크게 떨어뜨리는 원인이 되고 있다.

이와같이, 박막 공정 장치 내에 부착된 오염물질을 제거하는 세정 방법으로는 일반적으로 박막 공정 장치의 내부 부품을 분리한 후, 오염물질과 화학적인 반응을 일으키는 수용액에 담가 화학적인 반응을 이용하는 습식 세정과 미세한 입자를 고속으로 분사하여 물리적으로 떼어내거나 플라즈마를 피 세정물에 발생시켜 이온이 고속으로 가속하여 세정하는 드라이 세정법이 사용된다. 또한 위에서 설명한 물리적인 세정과 화학적인 세정을 혼용하여 연속적인 공정을 거쳐 세정하는 경우가 더 일반적으로 사용되고 있다.

화학적인 반응을 이용하는 세정은 화학 반응 용액이 피 세정물과의 반응 후발생된 오염물질이 많이 발생하여 환경 오염을 일으킬 뿐만 아니라 인체에도 해로워 그 사용에 특별한 주의를 필요로 한다. 특히 많은 양의 화학 반응 용액이 사용되기 때문에 환경 오염을 일으키기 쉬워 그 처리 비용이 많이 들어가는 단점이 있을 뿐만 아니라 장시간 장비의 가동을 멈추어 생산성을 크게 떨어뜨리는 단점이 있다.

물리적으로 미세 분말을 고속으로 분사하여 오염 물질을 제거하는 방법은 오염물질 제거 후 표면이 매우 거칠게 변형되거나 그 형태 자체가 변형되는 단점이 있다. 또한 물리적 세정 방법의 하나인 플라즈마를 이용하는 방법은 피 세정물에 (-)전압을 인가하여 플라즈마를 발생시킨 후 플라즈마 내의 (+)이온의 전기적인 가속을 받아 피 세정물의 표면에 증착된 오염물질을 제거하는 방법이다. 이 방법도 피 세정물의 표면의 거칠기가 커지거나 형태 자체가 변형되기 쉽고, 장치가 복잡해지는 단점이 있다. 특히 미세한 오염 입자가 충분히 배기되기 어려워 세정 후 안정적인 공정 조건을 만들기 어렵고, 화학적인 세정과 마찬가지로 장시간 장비의 가동을 멈추어야 하는 단점이 있다.

본 발명은 박막의 증착 장비나 식각 장치에 있어서 진공 용기, 진공 용기 내에 놓여진 모든 구성품과 배기관에 원하지 않는 오염 박막을 진공 상태에서 효과적으로 제거함으로서 장비의 효과적인 가동 효율을 높이는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 크리닝 방법이 적용되는 박막 공정 장치로서 화학 기상 증착 장치의 개략적 구성도이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

가공 대상물에 대한 박막 또는 식각 공정이 이루어지는 진공 채임버;

상기 진공 채임버 내로 반응가스를 주입하는 가스 주입구;

상기 진공 채임버내의 가스를 배기하는 배기구;

상기 가스 주입구에 연결되는 가스 도입부;

상기 진공채임버의 외부의 가스 도입부 내에 유도 자계를 형성하는 유도 코일을 포함하며, 가스 도입부를 통과하는 소정의 크리닝 가스를 이온화하여 활성입자(radical)를 포함하는 크리닝 플라즈마를 발생시켜 채임버 내에 부착된 오염물질을 제거하기 위한 적어도 가스 플라즈마를 생성하는 크리닝 플라즈마 발생부;

상기 크리닝 플라즈마 발생부에 전력을 공급하는 전력공급부;를 구비하는 박막 공정 장치가 제공된다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

박막공정이 진행되는 가공대상물이 설치되는 것으로 내벽에 박막 공정시 발생된 오염물질이 부착되어 있는 진공 채임버의 내부로 소정의 물질로 된 크리닝 가스를 활성화시켜 상기 크리닝 가스가 상기 진공 채임버 내로 활성화된 상태로 도입시키는 단계;플자즈마 상태의 상기 크리닝 가스가 유동하는 상기 진공채임버 내의 유동경로 상의 내벽이 전기적으로 접지시켜, 크리닝 플라즈마 중에 포함된 이온 및 전자가 상기 내벽으로 유도되게 하고, 상기 활성입자만이 진공채임버 내의 오염물질과 반응하도록 하는 단계;

상기 크리닝 가스와, 상기 오염물질과 플라즈마의 활성입자 간의 반응에 의한 부산물을 배출하는 단계;를 포함하는 박막 공정 장치의 크리닝 방법이 제공된다.

상기 크리닝 가스로서 NF₃를 적용하는 것이 바람직하며, 나아가서는 Ar, O₂, H₂, H₂O 로 이루어지는 그룹 중 선택된 적어도 어느 하나가 상기 크리닝 가스에 포함되는 것이 바람직하다.

상기 채임버의 진공배기 시의 진공압은 10Torr 이하로 설정하며, 바람직하기로는 8 mTorr 에서 10Torr 의 범위로 설정하는 것이 바람직하며, 특히 상기 크리닝 플라즈마 가스에 의해 크리닝이 이루어지는 상기 채임버 내의 크리닝 대상이 20 에서 500℃의 범위로 가열되는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명의 박막 공정 장치 및 박막 공정 장치의 세정방법은, 피 세정물에 대해 직접적으로 프라즈마를 발생시키지 않고, 채임버 바깥에서 원격 플라즈마(remote plasma)를 발생시킨 후 상기 채임버 내로 유도하여 플라즈마 내에서 생성된 래디컬(radical)이 피 세정물과의 화학반응을 일으키도록 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 세정 방법 및 이를 적용한 박막 공정 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 크리닝 방법이 적용된 화학 기상 증착 장치의 개략적 구성도이다.

벽체(1)에 의해 밀폐된 진공 채임버(1a) 내에 상부 및 하부 히이터 조립체(2a, 2b)가 위치한다. 상기 하부 히이터 조립체(2a, 2b)의 내면에는 박막 공정 대상인 웨이퍼(3)가 위치한다. 여기에서 웨이퍼(3)는 본 발명의 크리닝 방법이 실시될 때에는 제거된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 진공 채임버(1a)의 벽체(1a)의 내벽 및 상부 및 하부 히이터 조립체(2a, 2b)의 표면에 피 세정물인 오염물질(6)이 부착되어 있다.

상기 벽체(1)의 하부 일측에는 상기 진공 채임버(1a)를 진공 상태로 배기하는 배기구(1b) 및 배기 장치(1c)가 마련된다. 상기 벽체(1)의 타측에는 반응 가스를 상기 상부 및 하부 히이터 조립체(2a, 2b) 사이로 도입시키는 도입관(4)이 마련된다. 여기에서 도입관(4)은 도시된 바와 같이 상부 및 하부 히이터 조립체(2a, 2b)의 사이에 까지 연장되어 있으며, 경우에 따라서는 벽체(1)까지만 연결되어 있을 수 있다. 바람직하기로는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 도입관(4)인 상기 상부 및 하부 히이터 조립체(2a, 2b)의 사이로 연장되는 것이 바람직하며, 특히 상기 플라즈마가 유동하는 유동 공간의 벽체는 전기적으로 접지되는 것이 바람직하다.

상기 진공 채임버(1a)의 외부에는 상기 도입과(4)과 연결되는 크리닝 플라즈마 발생실(5)이 마련되어 있고, 이 주위에 유도 코일(5a)이 감겨 있다.

상기 유도 코일(5a)은 크리닝 플라즈마 발생 장치의 한 요소로서, 임피던스 매칭부(5b)를 통해 주파수 측정부(5c)에 연결되어 있고, 주파수 측정부(5c)는 전력공급장치(5d)에 연결되어 있다.

상기 전력 공급부(5d)는 저 주파수, 예를 들어 220 볼트 60Hz의 교류 전원을 정류한 후, 1MHz 내지 13.56MHz 의 교류를 생성하고 이를 증폭하여 출력한다.

상기 주파수 측정부(5c)는 전력 공급부(5d)로 부터의 전력의 주파수를 측정하며, 상기 임피던스 매칭부(5b)는 상기 유동 코일에 대한 임피던스를 정합시킨다.

상기 전력 공급부(5d)에서의 출력은 한번만 측정되고, 그 내부에 마련된 고주파의 증폭기의 이득을 제어하는데 사용된다.

고주파의 전력이 공급되는 유도 코일(5)은 강한 에너지 상태의 유도 자계에 의해 도입되는 크리닝 가스를 이온화, 전자 및 활성입자(Radical)를 가지는 크리닝 플라즈마를 발생시킨다. 이 고밀도의 플라즈마 내에는 활성화된 입자, 이온과 전자가 공존하는 상태가 되어 피 세정물(6)이 부착되어 있는 진공 채임버(1) 내로 유도되게 되는데 이온과 전자는 도입관의 벽면을 통해 빠져 나가거나 유도관을 통과하는 동안 서로 반응하여 중성의 기체로 변하고, 여기된 입자(excited species) 즉 활성입자(radical)만이 진공채임버 내의 피 세정물, 즉 오염물질(6)과 화학적인 반응을 일으켜 피세정물을 세정하게 된다.

본 발명에 따르면 플라즈마 발생실(5)로 주입되는 기체는 NF₃를 기본적으로 사용하며, 소량의 Ar, O₂, H₂, H₂O 들로 이루어 지는 그룹 중 선택되어 진 적어도 어느 하나를 첨가하는 것이 바람직하다. 주 기체인 NF₃와 첨가 기체가 플라즈마 내에서 아래의 반응식 1에서와 같은 연속 반응으로 분해된다.

NF₃+ e^-->NF₂+ F^*

NF₂+ e^--> NF + F^*

NF + e^--> N + F^*

N + N -> N₂

마찬가지로 H₂O가 함유된 경우에 있어서는 아래의 반응식들에 의해 연속적으로 분해된다.

H₂O + e^-->H^*+ OH

H + F^*-> HF

F^*+ F^*-> F₂

O^*+ O^*-> O₂

또한, O₂가 포함된 경우는 아래의 반응식 3에서와 같은 반응이 일어나고, 동시에 역반응도 활발히 일어나게 된다.

O₂+ e^_->O^*+ O^*+ e^_

이렇게 분해된 기체(Excited species)는 진공 상태에서 매우 빠른 속도로 피 세정물이 있는 진공 채임버(1)의 내부로 유입되어 진공 채임버(1) 내에 증착되어 있는 증착물과 아래의 반응식들에 의해 반응하여 부산물로서 배기구(6)를 통해 외부로 배출된다.

세정하고자 하는 피 세정물, 즉 오염물질(6)이 Si인 경우는 아래의 반응식 4를 따른다.

Si + F^*->SiF 또는

SiF + F^*-> SiF₂또는

SiF₂+ F^*-> SiF₃

그리고, 세정하고자 하는 피 세정물, 즉 오염물질(6)이 SiO₂인 경우는 아래의 반응식 5를 따른다.

SiO₂+ HF ->SiF₂+ 2H₂O

그리고, 세정하고자 하는 피 세정물, 즉 오염물질(6)이 Al₂O₃인 경우는 아래의 반응식 6을 따른다.

2Al₂O₃+ 4F^*->4AlF + 3O₂

위의 예에서 설명되지 않은 모든 물질의 세정에 적용될 수 있고, 유사한 반응 메커니즘으로 설명될 수 있다.

마찬가지로 식각 장치에서 발생되는 폴리머의 세정에 있어서도 유사한 반응으로 진공 용기내에 증착된 폴리머를 효과적으로 세정할 수 있고, 특히, 주 기체에 첨가 기체가 포함되어 경우에도 상기와 유사한 반응 메커니즘으로 세정될 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 크리닝 방법에 있어서, 크리닝 시 진공 채임버(1a)내의 진공압력은 10 Torr 이하, 바람직하기로는 8 mTorr ~ 10 Torr 범위를 유지시키고, 그리고, 세정시 피 세정물의 온도는 20 ~ 500℃ 범위로 가열하는 것이 보다 효과적인 세정이 가능하게 된다.

이상과 같은 본 발명의 크리닝 방법은 도 1에 도시된 화학 기상 증착장치외의 다른 박막 공정 장치등에 적용될 수 있다. 적용가능한 장치로서는, 박막 성장 장치, 박막 에칭 장치등이 있다.

본 발명은 박막 증착 장치에서나 식각 장치에서 필연적으로 진공 채임버 내의 기판 주위나 배기관에 증착된 오염 물질을 제거하기 위해 진공을 대기상태로 만들거나 진공 채임버 내의 부품을 일일이 분해하여 수용액에 담가 세정할 필요가 없이 진공 상태에서 NF₃기체에 의해 효과적으로 제거함으로서 장치를 효율적으로가동하여 생산성을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 폐 용액의 배출을 줄여 생산 비용을 크게 줄일 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

1. 가공 대상물에 대한 박막 공정이 이루어지는 진공 채임버;

   상기 진공 채임버 내로 반응가스를 주입하는 가스 주입구;

   상기 진공 채임버내의 가스를 배기하는 배기구;

   상기 가스 주입구에 연결되는 가스 도입부;

   상기 진공채임버의 외부의 상기 가스 도입부 내에 유도 자계를 형성하는 유도 코일을 포함하며, 가스 도입부를 통과하는 소정의 크리닝 가스를 이온화하여 활성입자(radical)를 포함하는 크리닝 플라즈마를 발생키는 채임버 내에 부착된 오염물질을 제거하기 위한 적어도 가스 플라즈마를 생성하는 크리닝 플라즈마 발생부;

   상기 크리닝 플라즈마 발생부에 전력을 공급하는 전력공급부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 플라즈마가 유동하는 채임버 내의 유동 공간의 벽체를 전기적으로 접지 시킨 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치.
3. 박막공정이 진행되는 가공대상물이 설치되는 것으로 내벽에 박막 공정시 발생된 오염물질이 부착되어 있는 진공 채임버의 내부로 소정의 물질로 된 크리닝 가스를 이온화시켜 상기 크리닝 가스가 상기 진공 채임버 내로 활성입자 상태로 도입시키는 단계;

   플자즈마 상태의 상기 크리닝 가스가 유동하는 상기 진공채임버 내의 유동경로 상의 내벽이 전기적으로 접지시켜, 크리닝 플라즈마 중에 포함된 이온 및 전자가 상기 내벽으로 유도되게 하고, 상기 활성입자만이 진공채임버 내의 오염물질과 반응하도록 하는 단계;

   상기 크리닝 가스와, 상기 오염물질과 플라즈마의 활성입자 간의 반응에 의한 부산물을 배출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치의 크리닝 방법.
4. 삭제
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 크리닝 가스로서 NF₃를 적용하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치의 크리닝 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 크리닝 가스에는 Ar, O₂, H₂, H₂O 로 이루어지는 그룹 중 선택된 적어도 어느 하나를 포함시키는 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치의 크리닝 방법.
7. 제 3 항, 제 5 항, 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 진공 채임버의 진공배기 시의 진공압은 8mTorr 내지 10Torr 범위 내로 설정하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치의 크리닝 방법.
8. 삭제
9. 제 3 항, 제 5 항, 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 크리닝 플라즈마에 의해 크리닝이 이루어지는 상기 채임버 내의 피 세정물을 20 에서 500℃의 범위로 가열하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치의 크리닝 방법.
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 크리닝 플라즈마에 의해 크리닝이 이루어지는 상기 채임버 내의 피 세정물을 20 에서 500℃의 범위로 가열하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치의 크리닝 방법.