KR101165724B1 - 플라스마 생성 방법 및 이를 이용한 기판 처리 장치 및 방법, - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 처리 장치 및 방법을 제공한다. 기판 처리 장치는 처리실 내부에 위치된 서셉터에 기판이 놓인다. 플라스마 공급부는 기판의 상부에 위치된 방전 공간에서 플라스마를 발생시키고 발생된 플라스마를 기판으로 공급한다. 방전공간에는 수소 가스와 보조 가스가 공급되며, 보조 가스는 수소 가스가 플라스마로 해리되는 것을 보조한다.

Description

플라스마 생성 방법 및 이를 이용한 기판 처리 장치 및 방법, {PLASMA GENERATING METHOD AND SUBSTRATE TREATING APPARATUS AND METHOD USING THE PLASMA GENERATING METHOD}
본 발명은 플라스마 생성 방법 및 이를 이용한 기판 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판을 플라즈마 처리하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 플라즈마는 이온이나 전자, 라디칼(Radical) 등으로 이루어진 이온화된 가스 상태를 말하며, 플라즈마는 매우 높은 온도나, 강한 전계 혹은 고주파 전자계(RF Electromagnetic Fields)에 의해 생성된다.
이러한 플라스마는 반도체 소자를 제조하기 위하여 포토레지스트(photoresist)를 사용하는 리소그래피(lithography) 공정에서 다양하게 활용된다. 일 예로, 기판상에 라인(line) 또는 스페이스(space) 패턴 등과 같은 각종의 미세회로패턴들을 형성하거나 이온 주입(ion implantation) 공정에서 마스크(mask)로 이용된 포토레지스트를 기판으로부터 제거하는 애싱(ashing) 공정에서 플라스마 활용도는 점점 높아지고 있다.
일반적으로 애싱 공정에는 산소 가스가 해리된 플라스마가 사용된다. 산소 가스는 인가된 전력에 의해 쉽게 플라스마 상태로 해리되나, 산소 라디칼의 침투로 미세 회로 패턴들의 계면이 산화되어 전기적인 단선 불량이 발생된다.
상기 산소 가스의 특성으로 인해, 최근 수소 가스를 플라스마 소스 가스로 사용하는 기술이 제안되고 있다. 수소 가스는 산소 가스에 비하여 실리콘 및 금속 산화 문제에서 자유로운 장점이 있다. 그러나, 수소 가스는 산소 가스에 비하여 플라스마 상태로 해리가 쉽지 않다. 수소 가스의 해리를 위하여 일반적으로 아르곤 가스, 질소 가스등이 함께 제공된다. 그러나, 도 1에 나타나듯이 산소 가스를 이용한 애싱 공정에 비하여 1/20의 애싱율로 애싱 효율이 낮게 나타난다. 수소 가스의 해리율을 향상시키기 위해 인가되는 전력 크기를 증가시키는 방법이 제안되나, 전력 크기 증가에는 한계가 따른다.
본 발명은 수소 플라스마 생성율을 향상시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 애싱 공정 수행시 기판 표면의 산화를 방지할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 기판 처리 장치를 제공한다. 기판 처리 장치는 내부에 공간이 형성된 처리실; 상기 처리실의 내부에 위치하며, 기판이 놓이는 서셉터; 상기 기판의 상부에 위치된 방전 공간에서 플라스마를 발생시키며, 상기 플라스마를 상기 기판으로 공급하는 플라스마 공급부를 포함하되, 상기 플라스마 공급부는 상기 방전 공간으로 수소 가스를 공급하는 공정 가스 공급부; 및 상기 수소 가스가 상기 플라스마로 해리되는 것을 보조하는 보조 가스를 상기 방전 공간으로 공급하는 보조 가스 공급부를 포함하되, 상기 보조 가스는 산소가스, 헬륨가스, 네온가스, 그리고 질소가스 중 적어도 두 개 이상의 가스가 혼합된 가스이다.
상기 공정 가스 공급부는 공정 가스 저장부; 상기 공정 가스 저장부에 저장된 상기 수소 가스를 상기 방전 공간으로 공급하는 공정 가스 공급 라인; 및 상기 공정 가스 공급 라인에 설치되며, 상기 수소 가스의 유량을 조절하는 제1유량 조절 밸브를 포함하고, 상기 보조 가스 공급부는 보조 가스 저장부; 상기 보조 가스 저장부에 저장된 상기 보조 가스를 상기 방전 공간으로 공급하는 보조 가스 공급 라인; 및 상기 보조 가스 공급 라인에 설치되며, 상기 보조 가스의 유량을 조절하는 제2유량 조절 밸브를 포함하며, 상기 플라스마 공급부는 상기 방전 공간 내에 상기 수소 가스와 상기 보조 가스의 유량이 기 설정된 비율로 제공되도록 상기 제1유량 조절 밸브 및 상기 제2유량 조절 밸브를 제어하는 가스 유량 제어부를 더 포함한다.
상기 가스 유량 제어부는 상기 방전 공간에서 상기 보조 가스 유량이 상기 수소 가스 유량의 1~10%에 해당되도록 상기 제1유량 조절 밸브 및 상기 제2유량 조절 밸브를 제어한다.
또한, 본 발명은 기판 처리 방법을 제공한다. 기판 처리 방법은 방전 공간에 수소 가스와 보조 가스를 기 설정된 비율로 공급하고, 상기 방전 공간에 전력을 인가하여 상기 수소 가스를 해리시키며, 해리된 상기 수소 가스를 기판으로 공급하여 애싱 공정을 수행하되, 상기 보조 가스는 적어도 두 개 이상의 이종 가스가 혼합된 가스이다.
상기 이종 가스는 산소가스, 헬륨가스, 네온가스, 그리고 질소가스를 포함한다.
다른 실시예에 의하면, 상기 보조 가스는 산소가스, 헬륨가스, 네온가스, 그리고 질소가스가 혼합된다.
상기 방전 공간에서 상기 보조 가스의 유량은 상기 수소 가스 유량의 1~10%이다. 구체적으로, 상기 보조 가스의 유량은 상기 수소 가스 유량의 3%이다.
상기 애싱 공정은 실리콘막 상에 형성된 포토레지스트를 제거한다.
상기 애싱 공정은 금속막 상에 형성된 포토레지스트를 제거한다.
상기 애싱 공정은 Low-k막 유전율의 열화도를 감소시킨다.
또한, 본 발명은 플라스마 생성 방법을 제공한다. 플라스마 생성 방법은 방전 공간에 수소 가스와 보조 가스를 공급하고, 상기 방전 공간에 전력을 인가하여 상기 수소 가스를 해리시키되, 상기 보조 가스는 산소 가스 또는 네온 가스를 포함한다.
상기 보조 가스는 산소 가스와 네온 가스가 혼합된 가스이다. 상기 보조 가스는 헬륨 가스와 질소 가스가 더 포함된다.
상기 방전 공간에서 상기 보조 가스의 유량은 상기 수소 가스 유량의 1~10%이다. 구체적으로, 상기 보조 가스의 유량은 상기 수소 가스 유량의 3%이다.
본 발명에 의하면, 수소 플라스마 생성이 증가되어 애싱 효율이 향상된다.
또한, 본 발명에 의하면, 기판 표면의 산화로 인한 패턴 불량이 예방된다.
도 1은 산소 플라스마와 수소 플라스마에 의한 애싱율을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 설비를 간략하게 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5a는 보조 가스를 첨가하지 않은 경우, 인가되는 전력의 크기변화에 따라 생성되는 플라스마의 강도를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 보조 가스를 첨가한 경우, 인가되는 전력의 크기변화에 따라 생성되는 플라스마의 강도를 나타내는 그래프이다.
도 6a는 보조 가스를 첨가하지 않은 경우, 공정 시간 진행에 따라 생성되는 플라스마의 강도를 나타내는 그래프이다.
도 6b는 보조 가스를 첨가한 경우, 공정 시간 진행에 따라 생성되는 플라스마의 강도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 보조가스가 첨가되기 전?후의 포토레지스트 제거율을 나타내는 그래프이다.
도 8은 애싱 공정 후 기판 표면의 XPS 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9a 내지 도 9c는 애싱 공정 후 기판의 패턴을 확대 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 장치를 간략하게 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 설비를 간략하게 나타내는 평면도이다.
도 2를 참조하면, 기판 처리 설비(1)는 설비 전방 단부 모듈(equipment front end module, EFEM, 10)과 공정 처리실(20)를 가진다.
설비 전방 단부 모듈(EFEM, 10)과 공정 처리실(20)은 일렬로 배치된다. 이하, 설비 전방 단부 모듈(EFEM, 10)과 공정 처리실(20)이 배열된 방향을 제1방향(1)이라 정의하고, 상부에서 바라볼 때 제 1 방향(1)에 수직인 방향을 제2방향(2)이라 정의한다.
설비 전방 단부 모듈(10)은 공정 처리실(20) 전방에 장착되며, 기판이 수납된 캐리어(16)와 공정 처리실(20) 간에 기판(W)을 이송한다. 설비 전방 단부 모듈(10)은 로드 포트(12)와 프레임(14)을 가진다.
로드 포트(12)는 프레임(14) 전방에 배치되며, 복수개 제공된다. 로드 포트(12)들은 서로 이격하여 제2방향(2)을 따라 일렬로 배치된다. 공정에 제공될 기판(W) 및 공정처리가 완료된 기판(W)이 수납된 캐리어(16)(예를 틀어, 카세트, FOUP등)는 로드 포트(12)들에 각각 안착된다.
프레임(14)은 로드 포트(12)와 로드락 챔버(22) 사이에 배치된다. 프레임(14) 내부에는 로드 포트(12)와 로드락 챔버(22)간에 기판(W)을 이송하는 이송로봇(18)이 배치된다. 이송로봇(18)은 제2방향(2)으로 구비된 이송 레일(19)을 따라 이동가능하다.
공정처리실(20)은 로드락 챔버(22), 트랜스퍼 챔버(24), 그리고 복수개의 기판 처리 장치(30)를 포함한다.
로드락 챔버(22)는 트랜스퍼 챔버(24)와 프레임(14) 사이에 배치되며, 공정에 제공될 기판(W)이 기판 처리 장치(30)로 이송되기 전, 또는 공정 처리가 완료된 기판(W)이 캐리어(16)로 이송되기 전 대기하는 공간을 제공한다. 로드락 챔버(22)는 하나 또는 복수개가 제공될 수 있다. 실시예에 의하면, 로드락 챔버(22)는 두 개가 제공된다. 하나의 로드락 챔버(22)에는 공정 처리를 위해 기판 처리 장치(30)로 제공되는 기판(W)이 수납되고, 다른 하나의 로드락 챔버(22)에는 기판 처리 장치(30)에서 공정이 완료된 기판(W)이 수납될 수 있다.
트랜스퍼 챔버(24)는 제1방향(1)을 따라 로드락 챔버(22)의 후방에 배치되며, 상부에서 바라볼 때 다각형의 몸체(25)를 갖는다. 몸체(25)의 외측에는 로드락 챔버(22)들과 복수개의 기판 처리 장치(30)들이 몸체(25)의 둘레를 따라 배치된다. 실시예에 의하면 트랜스퍼 챔버(24)는 상부에서 바라볼 때, 오각형의 몸체를 갖는다. 설비 전방 단부 모듈(10)과 인접한 두 측벽에는 로드락 챔버(22)가 각각 배치되고, 나머지 측벽에는 기판 처리 장치(30)들이 배치된다. 몸체(25)의 각 측벽에는 기판(W)이 출입하는 통로(미도시)가 형성된다. 통로는 트랜스퍼 챔버(24)와 로드락 챔버(22)간에, 또는 트랜스퍼 챔버(24)와 기판 처리 장치(30)간에 기판(W)이 출입하는 공간을 제공한다. 각 통로에는 통로를 개폐하는 도어(미도시)가 제공된다. 트랜스퍼 챔버(24)는 상기 형상뿐만 아니라, 요구되는 공정모듈에 따라 다양한 형태로 제공될 수 있다.
트랜스퍼 챔버(24)의 내부공간에는 반송로봇(26)이 배치된다. 반송로봇(26)은 로드락 챔버(22)에서 대기하는 미처리된 기판(W)을 기판 처리 장치(30)로 이송하거나, 기판 처리 장치(30)에서 공정처리가 완료된 기판(W)을 로드락 챔버(22)로 이송한다. 그리고, 반송 로봇(26)은 복수 개의 기판 처리 장치(30)들에 기판(W)을 순차적으로 제공하기 위하여 기판 처리 장치(30)들간에 기판(W)을 이송한다.
기판 처리 장치(30)는 플라스마 가스를 기판으로 공급하여 기판에 대한 공정 처리를 수행한다. 플라스마 가스를 이용한 기판 처리는 반도체 제작 공정에서 다양하게 적용될 수 있다. 본 발명에서는 플라스마 가스를 이용한 공정들 중 애싱(Ashing) 공정을 예를 들어 설명한다. 그러나, 본 발명의 기판 처리 장치는 애싱 공정뿐만 아니라, 플라스마 가스가 사용되는 다양한 공정에 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 기판 처리 장치(30)는 공정 처리부(100)와 플라스마 공급부(200)를 포함한다. 공정 처리부(100)는 기판(W) 처리가 수행되는 공간을 제공하고, 플라스마 공급부(200)는 기판(W) 처리 공정에 사용되는 플라스마를 발생시키고, 플라스마를 다운 스크림(Down Stream) 방식으로 기판(W)으로 공급한다. 이하, 각 구성에 대해 상세하게 설명하도록 한다.
공정 처리부(100)는 처리실(110), 서셉터(140), 그리고 배플(150)을 가진다.
처리실(110)은 기판(W) 처리가 수행되는 공간을 제공한다. 처리실(110)은 바디(120)와 밀폐 커버(130)를 가진다. 바디(120)는 상면이 개방된 내부공간(PS)을 가진다. 바디(120)의 일측벽 측벽에는 기판(W)이 출입하는 개구(미도시)가 형성되며, 개구는 슬릿 도어(slit door)(미도시)와 같은 개폐 부재에 의해 개폐된다. 개폐 부재는 처리실(110) 내에서 기판(W) 처리 공정이 수행되는 동안 개구를 폐쇄하고, 기판(W)이 처리실(110) 내부로 반입될 때와 처리실(110) 외부로 반출할 때 개구를 개방한다. 바디(120)의 하부벽에는 배기홀(121)이 형성되며, 배기홀(121)은 배기 부재(170)와 연결된다. 배기 부재(170)는 공정 진행실 처리실(110) 내부를 감압하여 공정압력으로 유지시키고, 공정에서 발생된 반응 부산물을 처리실(110) 외부로 배출시킨다.
밀폐 커버(130)는 바디(120)의 상부벽과 결합하며, 바디(120)의 개방된 상면을 덮어 바디(120) 내부(PS)를 외부로부터 밀폐시킨다. 밀폐 커버(130)의 상단은 플라스마 공급부(200)와 결합한다. 밀폐 커버(130)에는 플라스마 공급부(200)로부터 공급된 플라스마가 유입되는 유입구(131)와 유입된 플라스마를 배플(150)로 제공하는 유도공간(DS)이 형성된다. 유도 공간(DS)은 유입구(131)의 하부에 형성되며, 유입구(131)와 연결된다. 유도 공간(DS)은 밀폐 커버(130)의 하단으로 갈수록 반경이 점점 커지는 역 깔때기(inverted funnel) 형상으로 형성될 수 있다. 상기 유도 공간(DS)의 형상에 의하여, 유입구(131)를 통해 유입된 플라스마 가스는 확산되어 배플(150)의 각 영역으로 균일하게 공급될 수 있다.
서셉터(140)는 처리실(110)의 내부에 위치되며, 그 상면에 기판(W)이 놓인다. 서셉터(140)의 상면은 기판(W)에 대응되는 형상으로 제공되며, 기판(W)보다 넓은 면적을 갖는다. 서셉터(140)는 정전력에 의해 기판(W)을 흡착하는 정전 척(Electro Static Chuck)으로 제공될 수 있다. 서셉터(140)는 상면의 높이가 변경되도록 승강될 수 있다. 서셉터(140)는 기판(W)의 로딩/언로딩시 승강한다. 서셉터(140)에는 리프트 홀(미도시)들이 서셉터(140)의 상면 및 하면을 관통하여 형성될 수 있다. 리프트 홀들에는 리프트 핀(미도시)들이 각각 제공되며, 리프트 핀들은 기판(W)이 서셉터(140)상에 로딩/언로딩되는 경우, 리프트 홀들을 따라 승강한다. 서셉터(140)의 내부에는 히터(141)가 제공된다. 히터(141)는 기판(W)을 가열하여 기판(W)의 온도를 공정온도로 유지시킨다.
배플(150)은 바디(120)의 내부공간(PS)과 밀폐 커버(130)의 유도 공간(DS) 사이에서 바디(120)의 상부벽과 결합하며, 서셉터(140)의 상면과 나란하게 배치된다. 배플(150)은 원판 형상으로 제공되며, 서셉터(140)와 대향하는 면이 평평하게 제공된다. 배플(150)은 기판(W)보다 넓은 면적으로 제공된다. 배플(150)에는 복수개의 분사홀(151)들이 형성된다. 분사홀(151)들은 밀폐 커버(130)의 유도공간(DS)으로 유입된 플라스마 가스를 기판(W)으로 공급한다.
플라스마 공급부(200)는 공정가스를 해리시켜 플라스마 가스를 생성하고, 생성된 플라스마 가스를 기판(W)으로 공급한다. 플라스마 공급부(200)는 반응기(210), 유도 코일(220), 전원(230), 가스 주입 포트(240), 공정 가스 공급부(250), 보조 가스 공급부(260), 그리고 가스 유량 제어부(270)를 포함한다.
반응기(210)는 밀폐 커버(130)의 상부에 위치하며, 그 하단이 밀폐 커버(130)의 상단과 결합한다. 반응기(210)는 상면 및 하면이 개방된 공간(211)이 내부에 형성된다. 반응기(210)의 내부공간(211)은 플라스마가 생성되는 방전공간으로 제공된다. 방전공간(211)에서 상부영역은 가스 주입 포트(240)와 연결되고, 하부 영역은 밀폐커버(130)의 유입구(131)와 연결된다.
반응기(210)의 외부에는 유도 코일(220)이 위치한다. 유도 코일(220)은 반응기(210)의 원주 방향을 따라 반응기(210)의 외주면에 감긴다. 유도 코일(220)은 복수 회 감기며, 감겨진 유도 코일(220)은 반응기(210)의 길이방향을 따라 서로 이격된다. 유도 코일(220)의 일단(221)은 전원(230)과 연결되고, 타단(222)은 접지된다. 전원(230)은 유도 코일(220)에 고주파 전력 또는 마이크로파 전력을 인가한다.
가스 주입 포트(240)는 반응기(210)의 상단에 결합하며, 방전 공간(221)으로 공정 가스와 보조 가스를 공급한다. 가스 주입 포트(240)의 저면에는 유도 공간(241)이 형성된다. 유도 공간(241)은 역 깔때기 형상으로 제공되며, 방전 공간(211)과 연결된다. 유도 공간(241)은 유입된 공정 가스와 보조 가스가 확산되어 방전 공간(241)으로 제공되도록 한다.
공정 가스 공급부(250)는 방전 공간(211)으로 공정 가스를 공급한다. 공정 가스 공급부(250)는 공정 가스 저장부(251), 공정 가스 공급라인(252), 그리고 제1유량 조절 밸브(253)를 포함한다.
공정 가스 저장부(251)는 공정 가스를 저장한다. 실시예에 의하면, 공정 가스는 수소(H2) 가스가 제공된다. 이와 달리, 공정 가스는 수소 가스(H2)와 질소 가스(N2)가 혼합된 가스가 제공될 수 있다. 공정 가스 공급라인(252)은 공정 가스 저장부(251)와 가스 주입 포트(240)를 연결하며, 방전 공간(211)으로 공정 가스를 공급한다. 공정 가스 공급라인(252)에는 제1유량 조절 밸브(253)가 설치된다. 제1유량 조절 밸브(253)는 공정 가스 공급라인(252)을 통해 공급되는 공정 가스의 유량을 조절한다.
보조 가스 공급부(260)는 방전 공간(211)으로 보조 가스를 공급한다. 보조 가스 공급부(260)는 보조 가스 저장부(261), 보조 가스 공급라인(262), 그리고 제2유량 조절 밸브(263)를 포함한다.
보조 가스 저장부(261)는 보조 가스를 저장한다. 보조 가스는 적어도 두 개 이상의 이종 가스가 혼합되어 제공된다. 이종 가스는 산소(O2) 가스, 헬륨(He) 가스, 네온(Ne) 가스, 그리고 질소(N2) 가스를 포함한다. 이와 달리, 보조 가스는 산소(O2) 가스, 헬륨(He) 가스, 네온(Ne) 가스, 그리고 질소(N2) 가스가 모두 혼합된 가스로 제공될 수 있다. 보조 가스는 수소 가스가 플라스마 상태로 해리되는 것을 보조한다.
보조 가스 공급 라인(262)은 보조 가스 저장부(261)와 가스 주입 포트(240)를 연결하며, 방전 공간(211)으로 보조 가스를 공급한다. 보조 가스 공급라인(262)에는 제2유량 조절 밸브(263)가 설치된다. 제2유량 조절 밸브(263)는 보조 가스 공급라인(262)을 통해 공급되는 보조 가스의 유량을 조절한다.
가스 유량 제어부(270)는 제1 및 제2유량 조절 밸브(253, 263)를 제어한다. 가스 유량 제어부(270)는 방전 공간(211)에 공급된 수소 가스와 보조 가스의 유량이 기 설정된 비율을 갖도록 제1 및 제2 유량 조절 밸브(253, 263)를 제어한다.
이하, 상술한 바와 같은 기판 처리 장치를 이용하여 기판을 처리하는 방법을 설명한다.
다시 도 3 및 4를 참조하면, 기판(W)은 서셉터(140)에 놓여 공정 처리에 제공된다. 처리실(110) 내부는 배기 부재(170)에 의해 소정 압력으로 감압되고, 기판(W)은 히터(141)에 가열되어 소정 온도를 유지한다.
그리고, 방전 공간(211)으로 수소 가스와 보조 가스가 공급된다. 공정 가스 저장부(251)에 저장된 수소 가스가 공정 가스 공급 라인(252)을 통해 방정 공간(211)으로 공급되고, 보조 가스 저장부(261)에 저장된 보조 가스가 보조 가스 공급 라인(262)을 통해 방전 공간(211)으로 공급된다. 가스 유량 제어부(270)는 제1 및 제2 유량 조절 밸브(253, 263)를 제어하여, 방전 공간(211)으로 공급되는 수소 가스와 보조 가스의 유량을 조절한다. 실시예에 의하면, 방전 공간(211)에는 수소 가스 유량의 1~10%의 유량에 해당하는 보조 가스가 공급된다.
수소 가스와 보조 가스가 방전 공간(211)에 머무르는 동안 전원(230)에서 발생된 전력이 유도 코일(220)로 통해 방전 공간(211)에 인가된다. 인가된 전력은 기체 상태의 수소 가스를 플라스마 상태로 해리시킨다.
생성된 플라스마 가스는 유입구(131)를 거쳐 유도 공간(DS)으로 유입되고, 유도 공간(DS)에서 확산된다. 확산된 플라스마 가스는 배플(150)에 형성된 분사홀(151)들을 통해 기판(W)으로 균일하게 공급된다. 기판(W)으로 공급된 플라스마 가스는 애싱 공정을 수행한다. 애싱 공정은 실리콘막 상에 형성된 포토레지스트 또는 금속막 상에 형성된 포토레지스트를 제거한다. 또는, Low-k 막과 같은 저유전율 유천체의 유전율의 열화를 최소화시킨다.
이하, 보조 가스의 첨가에 따라 수소 가스가 해리되는 정도를 실험 데이터를 통해 살펴보도록 한다. 본 실험에서는 산소가스, 헬륨가스, 네온가스, 그리고 질소가스가 혼합된 보조 가스가 사용된다.
도 5a는 보조 가스를 첨가하지 않은 경우, 인가되는 전력의 크기변화에 따라 생성된 플라스마를 나타내는 그래프이고, 도 5b는 보조 가스를 첨가한 경우, 인가되는 전력의 크기변화에 따라 생성된 플라스마를 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 그래프의 가로축은 인가되는 전력의 주파수 크기를 나타내고, 세로축은 생성된 플라스마를 나타낸다. 그래프를 살펴보면, 인가되는 주파수 크기에 따라 플라스마로 생성되는 기체의 종류가 상이하다. 수소 가스는 650~675nm 주파수 대역에서 플라스마로 생성된다. 실험 결과에 의하면, 보조 가스가 첨가되지 않은 경우(도 5a 참조), 생성된 수소 플라스마(A)는 21×103 를 나타내고, 보조 가스가 첨가된 경우(도 5b 참조), 생성된 수소 플라스마(B)는 42×103를 나타낸다. 이를 통해, 보조 가스 첨가에 의하여, 수소 플라스마(B)의 생성률이 보조 가스 첨가 전(A)보다 약 두 배가량 향상됨을 알 수 있다. 이는, 수소 가스에 비해 상대적으로 해리가 용이한 보조 가스가 플라스마로 생성되고, 생성된 보조 가스 플라스마가 수소 가스와 서로 충돌하므로써 보조 가스 플라스마 에너지가 수소 가스에 전달되어 수소 가스의 해리를 돕는다. 이러한 과정에 의하여 수소 가스의 해리율이 향상될 수 있다. 보조 가스 유량이 수소 가스 유량의 3%에 해당하는 경우 수소 플라스마 생성율이 보다 향상될 수 있다.
도 6a는 보조 가스를 첨가하지 않은 경우, 공정 시간 진행에 따라 생성되는 플라스마를 나타내는 그래프이고, 도 6b는 보조 가스를 첨가한 경우, 공정 시간 진행에 따라 생성되는 플라스마를 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 그래프의 가로축은 공정 시간(time, S)을 나타내고, 세로축은 생성된 플라스마를 나타낸다. 그리고, 각 그래프에서 제1곡선(A)은 수소 플라스마를 나타내고, 제2곡선(B)은 질소 플라스마를 나타낸다.
먼저, 도 6a를 살펴보면, 공정 시간이 40초를 경과하면서 플라스마의 생성이 큰 폭으로 증가한다. 질소 플라스마(B1)는 40~45초 구간에서 약 12.5~13×103의 최고점에 도달한 후, 공정 시간 105~110초 구간이 경과하기까지 점차적으로 그 값이 감소된다. 그리고, 수소 플라스마(A1)는 40~45초 구간에서 약 29×103의 최고점에 도달한 후, 공정시간 105~110초 구간에 이르기까지 점차적으로 그 값이 감소된다. 공정시간 105~110초 구간에서 수소 플라스마(A1)는 약 17.5×103정도에 다다른다.
도 6b를 살펴보면, 공정 시간이 10초에 이르면서 플라스마의 생성이 큰 폭으로 증가한다. 질소 플라스마(B2)는 10~12.5초 사이 구간에서 약 17×103의 최고점에 도달한 후, 공정 시간 75초가 경과하기까지 약 15×103~17×103영역에서 유지된다. 그리고, 수소 플라스마(A2)는 공정시간 10초를 경과하면서 약 42.5×103 에 다다른 후, 공정시간 75초가 경과되기까지 약 42.5×103 영역에서 유지된다.
이와 같이, 보조 가스의 첨가로, 수소 플라스마(A2)와 질소 플라스마(B2)의 생성이 전체적으로 증가하고, 플라스마의 생성 속도가 향상된다. 특히, 수소 플라스마(A2)의 생성은 보조 가스가 첨가되기 전(A1)보다 약 13.5×103 향상된다. 그리고, 보조 가스가 첨가되기 전의 수소 플라스마(A1)는 공정 시간이 경과되는 동안 생성량이 감소됨에 반해, 보조 가스가 첨가된 후의 수소 플라스마(A2)는 공정 시간이 경과되더라도 일정한 생성량을 유지한다. 따라서, 전체 공정 시간 동안 수소 플라스마의 생성량(A2>A1)이 전체적으로 증가한다.
도 7은 보조가스가 첨가되기 전?후의 포토레지스트 제거율을 나타내는 그래프이다. 본 그래프는 실험 결과의 정확성을 높이기 위하여 보조가스가 첨가되기 전?후의 애싱율을 각각 세 번에 걸쳐 실험이 수행되었다.
그래프의 가로축은 보조가스가 첨가되기 전?후의 실험 횟수를 나타내고, 세로축은 애싱율(Ashing Rate)을 나타낸다. 보조 가스가 첨가되기 전의 경우(A), 세 번(1st, 2nd, 3rd)에 걸친 실험 결과는 3250~3500Å/mm의 애싱율을 나타낸다. 그리고, 보조 가스가 첨가된 후의 경우(B), 세 번(1st, 2nd, 3rd)에 걸친 실험 결과는 8750~9000Å/mm의 애싱율을 나타낸다.
상기 실험 결과를 통해, 보조 가스가 첨가된 후(B)의 애싱율은 첨가되기 전(A)보다 약 2.6배 향상되며, 애싱율의 향상으로 애싱속도 또한 비례하여 증가됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 상기 도 5a 내지 도 6b에서 검토한 바와 같이, 보조 가스의 첨가로 인한 수소 플라스마의 생성량 증가가 애싱율 및 애싱속도를 향상시켰음을 도출할 수 있다.
도 8은 애싱 공정 후 기판 표면의 XPS(x-ray photoelectron spectroscopy)분석 결과를 나타내는 그래프이다. 도 8의 XPS 분석은 기판 표면의 텅스텐(W) 성분을 분석한 결과이다. 그리고, 도 9a 내지 도 9c는 애싱 공정 후 기판의 패턴을 확대 촬영한 사진이다.
도 8에서, 제1곡선(A)은 산소 가스와 질소 가스를 공정 가스로 사용하여 애싱 처리한 기판 표면의 XPS분석 결과이다. 제1곡선(A)에는 산화된 텅스텐 성분(WOx)이 높게 나타난다. 이는 공정 가스로 제공된 산소 플라스마가 기판 표면의 텅스텐과 반응하여 텅스텐이 산화되었음을 나타낸다. 이러한 산화반응은 도 9a에 나타나듯이 패턴과 패턴 사이에 쇼트를 발생(점선영역)시켜 패턴불량의 원인이 된다.
제2곡선(B)은 수소 가스와 질소 가스를 공정 가스로 사용하여 애싱 처리한 기판 표면의 XPS분석 결과이다. 제2곡선(B)에는 산화되지 않은 텅스텐(W4f5, W4f7) 성분이 제1곡선(A)에 비하여 높게 나타난다. 이는 공정 가스에 산소 플라스마 가스가 포함되지 않아 텅스텐이 산화되는 것이 예방된 결과이다. 도 9b에 나타나듯이, 도 9a보다 산화반응이 적게 발생되어 산화반응으로 인한 패턴과 패턴 사이의 쇼트는 발생되지 않는다(점선영역).
제3곡선(C)은 공정가스와 보조가스를 사용하여 애싱 처리한 기판 표면의 XPS분석 결과이다. 공정가스로는 수소가스와 질소가스가 사용되었고, 보조가스로는 산소가스, 헬륨가스, 네온가스, 그리고 질소가스가 혼합된 가스가 사용되었다. 제3곡선(C)은 제2곡선(B)과 유사한 형상으로 나타나며, 제2곡선(B)과 동일하게 산화되지 않은 텅스텐(W4f5, W4f7) 성분이 제1곡선(A)에 비하여 높게 나타난다. 제2곡선(B) 결과와 달리 제3곡선(C)의 애싱 처리에서는 산소 플라스마 가스가 공정 처리에 제공되나, XPS 분석 결과에 의하면 텅스텐 성분은 제2곡선(B)과 유사하게 나타난다. 이는 산소 플라스마가 수소 가스를 해리시켜 수소 플라스마 가스의 강도 증가에는 큰 영향을 미치나, 텅스텐의 산화반응에는 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 도 9c에 나타나듯이 산화반응으로 인한 패턴과 패턴 사이의 쇼트는 발생되지 않는다(점선 영역). 이는 도 9b의 결과와 유사하다 할 것이다.
상기 실시예에서는, 플라스마 공급부가 유도 코일에 의해 플라스마를 생성하는 유도 결합형 플라스마 소스로 제공되는 것으로 기술하였으나, 플라스마 공급부는 이에 한정되지 아니한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 플라스마 공급부는 배플(150)이 전원(230)과 연결되어 제1전극으로 제공되고, 서셉터(140)가 접지되어 제2전극으로 제공될 수 있다. 방전 공간(PS)은 배플(150)과 서셉터(140) 사이공간에 형성된다. 방전 공간(PS)에는 공정가스와 보조가스가 공급되고, 인가된 전력에 의해 방전가스가 해리되어 플라스마 상태로 기판으로 제공될 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 공정 가스 공급부와 보조 가스 공급부가 별개로 제공되는 것으로 설명하였으나, 이와 달리 공정 가스 및 보조 가스가 하나의 가스 저장부에서 기 설정된 비율로 혼합된 상태로 제공되며, 가스 저장부와 가스 주입 포트를 연결하는 가스 공급 라인을 통해 방전 공간으로 공급될 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 보조 가스가 적어도 두 개의 이종 가스의 혼합 가스라고 설명하였으나, 이와 달리 보조 가스는 산소 가스 또는 네온 가스가 사용될 수 있다. 또는 산소 가스와 네온 가스가 혼합된 가스가 사용될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 공정 처리부 110: 처리실
140: 서셉터 150: 배플
200: 플라스마 공급부 210: 반응기
220: 유도 코일 230: 전원
250: 공정가스 공급부 260: 보조가스 공급부
270: 가스 유량 제어부

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 방전 공간에 수소 가스와 보조 가스를 기 설정된 비율로 공급하고,
    상기 방전 공간에 전력을 인가하여 상기 수소 가스를 해리시키며,
    해리된 상기 수소 가스를 기판으로 공급하여 애싱 공정을 수행하되,
    상기 보조 가스는 적어도 두 개 이상의 이종 가스가 혼합된 가스이며,
    상기 이종 가스는 산소가스, 헬륨가스, 네온가스, 그리고 질소가스를 포함하며,
    상기 방전 공간에서 상기 보조 가스의 유량은 상기 수소 가스 유량의 1~10%인 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 보조 가스는
    산소가스, 헬륨가스, 네온가스, 그리고 질소가스가 혼합된 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  7. 삭제
  8. 제 4 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 보조 가스의 유량은 상기 수소 가스 유량의 3%인 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  9. 제 4 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 애싱 공정은
    실리콘막 상에 형성된 포토레지스트를 제거하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  10. 제 4 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 애싱 공정은
    금속막 상에 형성된 포토레지스트를 제거하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  11. 제 4 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 애싱 공정은
    Low-k막 유전율의 열화도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
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