KR101138609B1

KR101138609B1 - 효율적인 라디칼 생성을 위한 플라즈마 발생장치

Info

Publication number: KR101138609B1
Application number: KR1020050084047A
Authority: KR
Inventors: 권기청
Original assignee: 주성엔지니어링(주)
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2012-04-26
Also published as: KR20070029356A

Abstract

본 발명은 반응영역을 정의하는 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되는 기판안치수단; 상기 기판안치수단의 상부에 설치되며, 상기 챔버와 절연되는 RF전극; 상기 RF전극에 연결되는 제1 RF전원; 상기 제1 RF전원과 상기 RF전극의 사이에서 임피던스를 정합하는 제1 매처; 상기 RF전극과 상기 기판안치수단의 사이에 설치되며 다수의 제1 관통부를 가지는 절연플레이트; 상기 절연플레이트의 상부에 설치되며 상기 제1 관통부와 연통되는 제2 관통부를 다수 구비하는 도전성의 접지전극; 상기 접지전극의 상부로 원료물질을 공급하는 가스공급수단을 포함하는 플라즈마 발생장치를 제공한다. 본 발명의 플라즈마 발생장치에 따르면, 고에너지 이온을 필터링함으로써 PECVD장치의 경우 이온충격으로 인한 박막손상이 방지되어 우수한 막질을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 재결합으로 인한 활성종의 손실이 줄어들어 박막증착율을 높일 수 있다. 또한 식각장치에서도 고에너지 이온이 필터링되므로 소프트한 박막을 손상 없이 정밀하게 식각할 수 있다.

플라즈마 발생장치, 접지전극

Description

효율적인 라디칼 생성을 위한 플라즈마 발생장치{Plasma generation apparatus for making radical effectively}

도 1은 일반적인 PECVD장비의 개략 구성도

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 개략 구성도

도 3은 절연플레이트 및 접지전극의 일부를 도시한 평면도

도 4는 서셉터에 제2 RF전원이 연결되는 플라즈마 발생장치의 개략 구성도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 플라즈마 발생장치 110 : 챔버

112 : 챔버리드 120 : 서셉터

122 : 서셉터 지지대 130 : RF전극

132 : 절연부재 134 : 오링

140 : 가스분배판 142 : 버퍼공간

150 : 절연플레이트 151 : 제1 관통부

152 : 걸림턱 156 : 지지부재

160 : 접지전극 161 : 제2 관통부

170 : 제1 RF전원 172 : 급전선

174 : 제1 매처 176 : 제2RF 전원

178 : 제2 매처 180 : 가스유입관

182 : 플랜지 190 : 배기구

본 발명은 액정표시소자(Liquid Crystal Display, LCD), 전계방출소자(Field Emission Display, FED), 유기발광다이오드소자(Organic Light Emitting Diode Device, OLED) 등의 디스플레이 장치나 반도체소자를 제조하기 위해 플라즈마를 이용하여 글래스 또는 웨이퍼(이하 '기판'이라 함)를 처리하는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

도 1은 상기 플라즈마 발생장치의 한 예로서, 원료물질을 플라즈마 상태로 변환시킨 후 이를 이용하여 기판에 박막을 증착하는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장치의 일반적인 구성을 개략적으로 도시한 것이다.

이를 살펴보면, PECVD 장치(10)는 일정한 반응영역을 정의하는 챔버(11), 상기 챔버(11)의 내부에 위치하며 상면에 기판(30)을 안치하는 서셉터(12), 상기 서셉터(12)의 상부로 원료물질을 분사하는 가스분배판(13), 상기 가스분배판(13)의 상부에 위치하는 RF전극(15), 상기 RF 전극(15)의 중앙부에 관통하여 연결되는 가 스유입관(16), 챔버(11)의 저면에 형성되어 잔류가스를 배기하는 배기구(19)를 포함한다.

RF전극(15)은 RF전원(17)과 연결되며, RF전원(17)과 RF전극(15)의 사이에는 임피던스를 매칭시키는 매처(matcher, 18)가 설치된다.

서셉터(12)는 서셉터 지지대(12a)에 의해 지지되며, 미도시된 구동장치가 서셉터 지지대(12a)에 연결되어 서셉터(12)를 상하로 이동시킨다.

가스분배판(13)은 그 주연부가 RF전극(15)에 결합되어 RF전극(15)과의 사이에 버퍼공간(14)을 형성하며, 가스분배판(13)과 RF전극(15)은 통상 아노다이징(anodizing) 처리된 알루미늄 재질로 제조되기 때문에 양자는 전기적으로 연결된 상태에 있다.

챔버(11)는 통상 접지되고, 가스분배판(13) 및 RF전극(15)은 챔버(11)로부터 절연부재(20)를 이용하여 절연된다.

이러한 구성을 가지는 PECVD장치(10)에서 플라즈마가 발생하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 진공펌핑 등을 통해 챔버(11) 내부에서 공정분위기를 조성한 후 가스유입관(16)과 가스분배판(13)을 거쳐 원료물질을 서셉터(12)의 상부로 분사한다. 동시에 RF전극(15)에 RF전력이 인가되는데 RF전력은 RF전극(15)과 전기적으로 연결된 가스분배판(13)으로 전달되며, 가스분배판(13)으로 전달된 RF전력은 접지된 서셉터(12)와의 사이에서 RF전기장을 생성하게 되며, 이렇게 생성된 RF전기장에 의해 원 료물질내의 전자가 가속되어 중성기체와 충돌하게 된다.

충돌로 인해 원료물질은 전자와 이온의 혼합체인 플라즈마 상태가 되며, 이온으로 해리되지 않는 경우에도 충돌에너지로 인해 여기상태의 활성종(radical)이 생성된다.

원료물질이 플라즈마 상태로 해리되는 비율은 10^-5 내지 10^-6 정도로 매우 낮으므로, 플라즈마가 생성되더라도 실제로는 중성상태인 활성종의 밀도가 훨씬 높으며, 따라서 박막증착공정에서는 밀도가 높은 활성종이 주로 이용된다.

그런데 PECVD 장치(10)에서 플라즈마가 발생하면, 플라즈마와 기판사이에 쉬쓰(sheath)가 발생한다. 쉬쓰는 플라즈마와 주변물질의 경계면에서 전자와 이온의 이동도(mobility)의 차이로 인하여 발생하는 현상으로서, 경계면에 먼저 도달한 전자와 플라즈마 표면의 양이온 사이에 일종의 빌트인(built-in) 전계가 형성되어 플라즈마 벌크(bulk)의 밀도를 준안정적으로 유지시켜 주는 역할을 한다.

그러나 쉬쓰는 이러한 긍정적인 역할만을 하는 것이 아니라 쉬쓰에 트랩된 양이온을 가속시키는 역할도 하게 되는데, 이렇게 가속된 양이온은 주변물질에 충격(ion bombardment)을 주어 제품을 열화시키거나 불필요한 파티클을 발생시키게 되고, 박막증착 공정에서는 증착된 박막의 손상을 초래하게 된다.

한편 도 1의 구성에서 서셉터(12)를 접지시키는 대신에 제2의 RF전원에 연결하면 기판(30)을 선택적으로 식각하는 에처(Etcher)로 이용될 수 있는데, 종래 방식의 에처는 이온에너지를 적절히 제어하기가 어렵기 때문에, 다공성의 소프트 (soft)한 박막을 박막손상 없이 식각하기에는 부적합하다는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 PECVD장치나 에처에서 이온에너지 및 전자에너지를 적절히 제어하여 이온충격을 최소화함으로써 막질을 향상시키는 한편 정밀한 식각공정이 가능한 플라즈마 발생장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 반응영역을 정의하는 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되는 기판안치수단; 상기 기판안치수단의 상부에 설치되며, 상기 챔버와 절연되는 RF전극; 상기 RF전극에 연결되는 제1 RF전원; 상기 제1 RF전원과 상기 RF전극의 사이에서 임피던스를 정합하는 제1 매처; 상기 RF전극과 상기 기판안치수단의 사이에 설치되며, 서로 이격하는 다수개의 제1 관통부를 전면에 구비하는 절연플레이트; 상기 절연플레이트의 상부에 설치되며, 상기 제1 관통부와 연통되는 제2 관통부를 다수개 구비하는 도전성의 접지전극; 상기 접지전극의 상부로 원료물질을 공급하는 가스공급수단을 포함하는 플라즈마 발생장치를 제공한다.

이때 상기 접지전극은 0.1㎛ 이상 10mm 이하의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

또한 상기 접지전극은 상기 절연플레이트의 상부에 코팅되어 형성될 수 있 고, 이 경우 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 알루미늄으로 제조되는 것이 바람직하다.

상기 제1 관통부의 직경은 상기 제2 관통부의 직경보다 작은 것이 바람직하며, 이 경우 상기 제1 관통부는 상기 제2 관통부보다 1mm 내지 10mm 작은 직경을 가지는 것이 바람직하다.

상기 기판안치수단에는 제2 RF전원이 연결되며, 상기 제2 RF전원과 상기 기판안치수단의 사이에는 임피던스 정합을 위한 제2 매처가 연결될 수 다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(100)의 구성 단면도로서, 이를 살펴보면, 반응공간을 정의하는 챔버(110), 챔버(110)의 내부에 위치하며 기판(30)을 안치하는 서셉터(120), 서셉터(120)의 상부에 위치하는 RF전극(130), RF전극(130)의 하부에 결합하며 다수의 분사홀을 가지는 가스분배판(140), 가스분배판(140)과 RF전극(130) 사이의 버퍼공간(142)으로 원료물질을 공급하는 가스유입관(180)을 포함한다.

상기 RF전극(130)에는 급전선(172)을 통해 RF전원(170)이 연결되는데, 통상 RF전극(130)의 중앙을 관통하여 가스유입관(180)을 연결하는 플랜지(182)에 상기 급전선(172)이 연결된다. RF전원(170)과 RF전극(130) 사이에는 임피던스를 정합하는 매처(174)가 설치된다.

가스분배판(140)과 RF전원(170)에 연결되는 RF전극(130)은 알루미늄 등의 재 질로 제조되어 서로 전기적으로 연결된 상태이며, 절연부재(132)를 이용하여 접지된 챔버(110)와는 절연시켜야 한다.

본 발명의 플라즈마 발생장치는 RF전극(130)과 서셉터(120) 사이의 공간에, 더 자세하게는 RF전극(130)과 전기적으로 연결된 가스분배판(140)과 서셉터(120) 사이의 공간에 절연플레이트(150)를 설치하고, 상기 절연플레이트(150)의 상부에 접지전극(160)을 설치한 점에 특징이 있다.

상기 절연플레이트(150)는 세라믹 등의 절연체로 제조되며, 평판형상의 모재에 다수의 제1 관통부(151)를 형성한 것으로서, 챔버(110)의 내측벽에 고정되는 지지부재(156)의 상부에 거치된다.

절연플레이트(150)는 자중과 상부에 거치되는 접지전극(160)의 하중을 견딜 수 있어야 하므로 적절한 강성을 가져야 한다.

접지전극(160)은 도전성의 평판 모재에 제1 관통부(151)와 연통하는 제2 관통부(161)를 형성한 것이거나, 상기 절연플레이트(150)의 상부에 도전성 금속을 소정 두께로 코팅하여 형성한 것일 수도 있다.

도전성 평판모재는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 아노다이징 처리된 알루미늄을 이용하는 것이 바람직하며, 코팅하는 경우에는 알루미늄 또는 ITO(Indium Tin Oxide)를 이용하여 코팅한다.

이러한 접지전극(160)은 하부의 절연플레이트(150)에 의해 지지되므로 지나치게 두꺼울 필요가 없으며, 0.1㎛ 이상 10mm 이하인 것이 바람직하다.

어떠한 형태로 제조되든지 간에 접지전극(160)은 접지되어야 하는데, 통상 챔버(110)가 접지상태이므로 챔버(110)와 전기적으로 연결되도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 챔버 내부를 수평으로 분할하는 접지전극(160) 및 절연플레이트(150)를 설치함으로써, 챔버 내부는 플라즈마가 발생하는 접지전극(160)의 상부영역(Ⅰ, 이하 '발생영역')과, 발생영역(Ⅰ)에서 생성된 이온 및 활성종이 확산되어 기판(30)과 반응하는 영역(Ⅱ, 이하 '반응영역')으로 구분된다.

즉, RF전원(170)으로부터 공급되는 RF전력은 RF전극(130)에 인가된 후에 가스분배판(140)의 하면으로 전달되며, 가스분배판(140)과 접지전극(160) 사이의 발생영역(Ⅰ)에는 수직방향의 RF전기장이 형성된다.

RF전기장 내에서 전자가 가속되어 중성기체와 충돌함으로써 이온 및 활성종이 발생하며, 이렇게 생성된 이온 및 활성종은 제1,2 관통부(151,161)를 통해 하부의 반응영역(Ⅱ)으로 확산된다.

그런데 발생영역(Ⅰ)에서 생성된 이온은 플라즈마 경계면이나 제1,2관통부(151,161) 주변의 쉬쓰에 트랩되거나 중성기체와 충돌하여 중성입자로 변환되는 경우가 많으므로, 제1,2 관통부(151,161)를 통과하여 반응영역(Ⅱ)으로 확산되는 비율이 낮을 뿐만 아니라 제1,2 관통부(151,161)를 통과하더라도 이온의 에너지가 크게 저하되는 경우가 많다.

반면에 활성종은 전기적으로 중성이므로 제1,2 관통부(151,161)를 통해 하부 의 반응영역(Ⅱ)으로 원활하게 확산하며, 반응영역(Ⅱ)에서는 플라즈마의 밀도가 매우 낮으므로 발생영역(Ⅰ)에 비하여 활성종이 재결합에 의해 소멸되는 비율이 낮아 잔류시간이 길어지게 된다.

따라서 반응영역(Ⅱ)에서는 종래의 플라즈마 발생장치에 비해 활성종의 밀도가 높아 증착속도가 빨라질 뿐만 아니라, 이온의 에너지 및 밀도가 낮으므로 이온충격으로 인한 박막손상이 줄어들어 막질을 크게 향상시킬 수 있다.

접지 전극(160) 상부의 발생영역(Ⅰ)의 상기 RF 전극(130)과 접지 전극(160) 사이의 간격은 5mm 내지 100mm 이내로 구성한다. 더 자세하게는 가스분배판(140)과 접지 전극(160) 사이의 간격을 5mm 내지 100mm 이내로 구성한다.

발생영역(Ⅰ)에서 발생하는 플라즈마를 효과적으로 감금하고, 적정한 밀도의 플라즈마를 유지하고, 활성종을 형성하기 위해서 상기 범위내에서 간격을 적절히 조절할 수 있다.

또한, 접지 전극(160)과 서셉터(120) 사이의 반응영역(Ⅱ)의 간격은 10mm 내지 200mm 이하의 범위에서 선택되고, 기판에 증착되는 박막의 균일도와 반응영역(Ⅱ)에서 확산되는 활성종의 분포가 균일한 위치에서 선택된다.

한편, 접지전극(160)의 제2 관통부(161)는 절연플레이트(150)의 제1 관통부(151) 보다 직경이 큰 것이 바람직하며, 따라서 상부에서 보면 도 3에 도시된 바와 같이 제2 관통부(161)의 내측으로 절연플레이트(150)의 일부와 제1 관통부(151)가 노출된다.

이는 접지전극(160)에 불가피하게 증착되는 박막이 박리된 후 하부로 확산되어 기판(30)을 오염시키지 않도록 하기 위한 것이다. 즉, 제2 관통부(161)가 제1 관통부(151) 보다 큰 직경을 가지면 제2 관통부(161)의 내측으로 절연플레이트(150)의 일부가 노출되어 단차(152)가 형성되는데, 접지전극(160)에서 박리된 파티클이 이 단차(152)에 쌓임으로써 하부로 유입되지 않게 된다.

이와 같이 절연플레이트(150)는 접지전극(160)을 지지할 뿐만 아니라 파티클로 인한 오염을 방지함으로써 장치의 재현성을 높이는 역할을 한다.

한편 발생영역(Ⅰ)에서 발생한 이온 중에서 쉬쓰에 트랩되거나 중성기체와 충돌하여 중성입자로 변환된 것을 제외하고는 반응영역(Ⅱ)으로 유입되므로, 이러한 이온을 이용하여 기판(30)을 식각하는데 이용할 수도 있다.

이를 식각에 이용하기 위해서는 이온의 입사방향과 에너지를 제어하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이 서셉터(120)에 제2 RF전원(176)을 연결하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치에서는 이온이 반응영역(Ⅱ)으로 확산되는 과정에서 고에너지 이온이 필터링되므로 다공성의 소프트한 박막을 식각하는데 적합하다.

특히 유전율이 3이하인 박막(예, SiOC 등)은 종래 방식의 식각장치를 이용할 경우 고에너지 이온으로 인해 박막손상이 너무 크다는 문제점이 있었는데, 본 발명과 같이 고에너지 이온이 필터링된 식각장치를 이용함으로써 이러한 박막손상을 방 지할 수 있다.

한편 본 발명의 플라즈마 발생장치는 반도체 제조장치나 평면표시장치에 한정되는 것은 아니어서, CNT(Carbon Nano Tube) 등의 박막을 제조하는데도 사용될 수 있고, 특히 LTPS(Low Temperature Poly Silicon) 박막을 증착하는데 유용하게 적용될 수 있다.

본 발명의 플라즈마 발생장치에 따르면, 고에너지 이온을 필터링함으로써 PECVD장치의 경우 이온충격으로 인한 박막손상이 방지되어 우수한 막질을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 재결합으로 인한 활성종의 손실이 줄어들어 박막증착율을 높일 수 있다.

또한 식각장치에서도 고에너지 이온이 필터링되므로 소프트한 박막을 손상 없이 정밀하게 식각할 수 있다.

Claims

반응영역을 정의하는 챔버;

상기 챔버의 내부에 설치되는 기판안치수단;

상기 기판안치수단의 상부에 설치되며, 상기 챔버와 절연되는 RF전극;

상기 RF전극에 연결되는 제1 RF전원;

상기 제1 RF전원과 상기 RF전극의 사이에서 임피던스를 정합하는 제1 매처;

상기 RF전극과 상기 기판안치수단의 사이에 설치되며, 서로 이격하는 다수개의 제1 관통부를 전면에 구비하는 절연플레이트;

상기 절연플레이트의 상부에 설치되며, 상기 제1 관통부와 연통되는 제2 관통부를 다수개 구비하는 도전성의 접지전극;

상기 접지전극의 상부로 원료물질을 공급하는 가스공급수단

을 포함하는 플라즈마 발생장치
제1항에 있어서,

상기 접지전극은 0.1㎛ 이상 10mm 이하의 두께를 가지는 플라즈마 발생장치
제1항에 있어서,

상기 접지전극은 상기 절연플레이트의 상부에 코팅되어 형성되는 플라즈마 발생장치
제3항에 있어서,

상기 접지전극은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 알루미늄으로 제조되는 플라즈마 발생장치
제1항에 있어서,

상기 제1 관통부의 직경은 상기 제2 관통부의 직경보다 작은 플라즈마 발생장치
제5항에 있어서,

상기 제1 관통부는 상기 제2 관통부보다 1mm 내지 10mm 작은 직경을 가지는 플라즈마 발생장치
제1항에 있어서,

상기 기판안치수단에는 제2 RF전원이 연결되며, 상기 제2 RF전원과 상기 기판안치수단의 사이에는 임피던스 정합을 위한 제2 매처가 연결되는 플라즈마 발생장치