KR20070014402A - 플라즈마 처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 플라즈마를 이용하여 웨이퍼를 처리하는 장치는 공정이 수행되는 공간을 제공하는 공정 챔버와, 상기 공정 챔버에 연결되어 상기 공정 챔버 내부로 상기 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급 유닛과, 상기 공정 챔버의 내부에서 플라즈마를 형성하기 위한 제1전극 및 제2전극을 포함하되, 상기 제1전극 또는 제2전극은 서로 만나지 않으면서 개별적으로 폐루프를 이루며 하나의 전극 역할을 수행할 수 있는 복수의 주전극들과, 상기 주전극들을 서로 연결하는 보조전극을 포함한다. 상기 주전극은 원형이거나 다각형일 수 있다.
플라즈마, 주전극, 보조전극

Description

플라즈마 처리장치{treating system for plasma}
도 1은 종래의 플라즈마 처리장치를 개략적으로 나타낸 정면도;
도 2는 도 1에서 도시한 종래의 플라즈마 처리장치의 제1전극 부분을 나타낸 평면도;
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치를 개략적으로 나타낸 정면도;
도 4는 본 발명에 따른 제1전극 부분을 나타낸 평면도;
도 5는 본 발명에 따른 제1전극 부분을 나타낸 정면도;
도 6a와 도 6b는 금속 전극이 차지하는 면적(㎟)에 따른 소모전력(W)을 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1, 100 : 플라즈마 처리장치 10, 110 : 공정챔버
20, 120 : 웨이퍼 30, 130 : 제1전극
40, 140 : 제2전극 50, 150 : 가스 공급유닛
132 : 주전극 134 : 보조전극
136 : 유전체
본 발명은 반도체를 제조하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마를 이용하여 반도체 기판을 처리하는 장치에 관한 것이다.
플라즈마(plasma)란 이온(ion)이나 전자(electron), 라디칼(radical) 등으로 이루어진 이온화된 가스 상태를 의미하는데, 이러한 플라즈마는 매우 높은 온도나, 강한 전계 혹은 고주파 전자계(RF electromagnetic fields)에 의해 생성된다.
특히, 글로우 방전(glow discharge)에 의한 플라즈마 생성은 직류(DC)나 고주파 전자계에 의해 여기된 자유전자에 의해 이루어지는데, 여기된 자유전자는 가스분자와 충돌하여 이온, 라디칼, 전자 등과 같은 활성족(active species)을 생성한다. 그리고 이와 같은 활성족은 물리 혹은 화학적으로 물질의 표면에 작용하여 표면의 특성을 변화시킨다. 이와 같이 활성족(플라즈마)에 의해 의도적으로 물질의 표면 특성을 변화시키는 것을 '표면 처리'라고 한다.
한편, 일반적으로 플라즈마 처리 방법이란 반응 물질을 플라즈마 상태로 만들어 기판 상에 증착하거나, 플라즈마 상태의 반응 물질을 이용, 세정(cleaning), 애슁(ashing) 또는 에칭(etching)하는 데 이용하는 것을 말한다.
이러한 플라즈마 처리 방법은 플라즈마 상태가 이루어지는 영역이 챔버 내에 어떤 기압 하에 있는가로 분류할 수 있다.
종래에는 진공에 가까운 저압(Low Pressure)하에서 글로우 방전 플라즈마(glow discharge plasma)를 발생시켜 기판 상에 박막을 형성하거나, 기판 상에 형성된 소정 물질의 에칭(etching) 또는 애싱(ashing)을 하는 방법이 이용되었다. 그 러나, 이러한 저압 플라즈마 처리 방법은 진공 챔버, 진공 배기 장치 등의 고가 장비가 요구되며, 또한, 장치 내의 구성이 복잡하기 때문에 장비 유지 관리 및 진공 펌핑(pumping) 시간이 길어지는 문제점이 있다. 따라서, 대면적 기판에 플라즈마 처리가 요구되는 액정 표시 장치와 같은 경우, 기판의 크기에 따라 상승하는 비용 부담으로 거의 이용하기 힘든 실정이다.
이로 인해, 진공 조건의 장비가 요구되지 않는 대기압(atmospheric pressure, 상압) 근방의 압력 하에서 방전 플라즈마(discharge plasma)를 발생시키는 방법이 제안되어 왔다. 이와 같이, 대기압 하에서 플라즈마를 발생시키는 장치를 상압 플라즈마 처리장치(system for atmospheric pressure plasma)이라 한다.
그런데 대기압 상태에서, 챔버 내의 두 전극 사이의 방전시 발생하는 글로우 방전(glow discharge) 상태에서 열역학적 평형 상태인 아크 디스차지(arc discharge) 상태로 전환되어, 안정적인 플라즈마 특성을 나타내지 못해 플라즈마 처리 공정을 진행하기에 적합지 않았다.
이 경우, 플라즈마 처리를 하는 챔버 내의 두 전극 중 일측 전극을 절연 특성이 좋은 유전체 물질로 절연한 후, 타측에 RF(Radio Frequency)를 인가하면 대기압 상태에서도 상기 두 전극 사이에 사일런트(silent) 방전이 일어나고, 캐리어 가스(Carrier gas)로 준안정 상태(metastable state)인 불활성 기체(inert gas), 예를 들어 He, Ar를 이용하면 대기압 중에서도 균일하고 안정된 상태의 플라즈마를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 플라즈마 처리장치(1)를 개략적으로 나타낸 정면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 공정챔버(10)의 하부에는 웨이퍼(20)를 지지하는 제2전극(40)이 위치하며, 공정챔버(10)의 상부에는 제2전극(40)과 함께 반응 가스를 플라즈마로 변환하는 제1전극(30)이 위치한다.
제1전극(30)은 13.56㎒의 고주파(radio frequency:RF) 전원과 연결되며, 제2전극(40)은 접지된다.
공정챔버(10)의 일측에는 공급밸브(54)가 설치된 가스 공급라인(52)을 포함하는 가스 공급유닛(50)이 위치하여, 공정 챔버(10) 내로 반응 가스를 공급한다.
상기한 플라즈마 처리장치(1)의 동작을 설명하면, 가스 공급유닛(50)에 의하여 공정챔버(10)의 내부로 반응 가스가 공급되고, 이와 동시에 제1전극(30)에는 고주파 전원이 가해진다. 제1전극(30)에 13.56㎒의 고주파 전원이 가해지면 웨이퍼(20)와 제2전극(40)의 사이에는 플라즈마가 형성되며, 이를 이용하여 처리 공정을 수행한다.
도 2는 도 1에서 도시한 종래의 플라즈마 처리장치(1)의 제1전극(30) 부분을 나타낸 평면도이다.
종래에는 제1전극(30)은 평판으로 이루어져 있으며, 제1전극(30)에는 13.56㎒의 고주파 전원이 인가되었다. 따라서, 전원이 공급되는 면적이 과도하게 크므로 많은 전력소모가 필수적이었다.
본 발명의 목적은 소모되는 전력을 감소시킬 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면, 플라즈마를 이용하여 웨이퍼를 처리하는 장치는 공정이 수행되는 공간을 제공하는 공정 챔버와, 상기 공정 챔버에 연결되어 상기 공정 챔버 내부로 상기 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급 유닛과, 상기 공정 챔버의 내부에서 플라즈마를 형성하는 제1전극 및 제2전극을 포함하되, 상기 제1전극 또는 제2전극은 서로 만나지 않으면서 개별적으로 폐루프를 이루며 하나의 전극 역할을 수행할 수 있는 복수의 주전극들과, 상기 주전극들을 서로 연결하는 보조전극을 포함한다.
상기 제1전극은 금속 재질로 이루어지며, 상기 제1전극의 외부는 유전체(dielectric substance)로 둘러싸일 수 있다.
상기 주전극은 원형 또는 다각형일 수 있다.
상기 제1전극의 두께는 2㎜ 내지 4㎜일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도 3 내지 도 6b를 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석돼서는 안 된다. 본 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치(100)를 개략적으로 나타낸 정면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 공정챔버(110)의 하부에는 웨이퍼(120)를 지지하는 제2전극(140)이 위치하며, 공정챔버(110)의 상부에는 제2전극(140)과 함께 반응 가스를 플라즈마로 변환하는 제1전극(130)이 위치한다.
제1전극(130)은 13.56㎒의 고주파(radio frequency:RF) 전원과 연결되며, 제2전극(140)은 접지된다. 그러나, 본 실시예는 고주파 전원을 사용하여 플라즈마를 형성하는 방법 중 하나에 불과하며, 고주파 전원은 제1전극(130)과 제2전극(140) 모두에 연결될 수 있다.
공정챔버(110)의 일측에는 공급밸브(154)가 설치된 가스 공급라인(152)을 포함하는 가스 공급유닛(150)이 위치하여, 공정 챔버(110) 내로 반응 가스를 공급한다.
도 4는 본 발명에 따른 제1전극(130) 부분을 나타낸 평면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 제1전극 부분을 나타낸 정면도이다.
도시한 바와 같이, 제1전극(130)은 복수의 주전극(132)과 보조전극(134)을 포함한다.
주전극(132)은 서로 만나지 않으면서 개별적으로 폐루프(closed loop)를 이루면서 독자적으로 전극 역할을 수행할 수 있는 복수의 전극들을 포함한다. 본 실시예에서는 도시한 바와 같이 각각의 전극이 동심원을 갖는 원형 폐루프를 형성하고 있으나, 이와 달리 각각의 전극은 삼각형 또는 사각형 등의 다각형일 수 있다.
보조전극(134)은 복수의 주전극(132)들을 서로 연결하며, 보조전극(134)에 인가된 고주파 전원을 각각의 주전극(132)에 인가하는 역할을 한다. 보조전극(134) 의 형상은 다양하게 구성될 수 있으며, 본 실시예에서는 반지름 방향으로 연장되는 직선 모양을 하고 있다. 도시한 바와 같이 보조전극(134)에는 고주파 전원이 인가된다.
도 5는 본 발명에 따른 제1전극(130) 부분을 나타낸 정면도이다.
주전극(132)과 보조전극(134)은 고주파 전원이 인가되는 부분으로, 금속(metal) 재질로 이루어진다. 따라서, 상술한 바와 같이, 공정 챔버 내에서 안정한 플라즈마를 형성하기 위해서는 주전극(132)과 보조전극(134)을 포함하는 제1전극(130)과 제2전극(140) 사이에는 유전체(136)가 존재하여야 한다.
따라서, 공정 챔버 내에서 형성된 플라즈마와 인접하는 제1전극(130)의 하부 및 측부는 유전체(dielectric substance)로 덮여 있다. 이는 상기한 바와 같이 대기압(atmospheric pressure, 상압) 상태하에서 안정적인 플라즈마 특성을 나타내기 위한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 주전극(132) 및 보조전극(134)의 직경(d1, d2)은 2㎜∼4㎜이다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
도 5a는 금속 전극이 차지하는 면적(㎟)에 따라 금속 전극에 의하여 소모되는 전력(W)을 실험에 따라 그래프로 구성한 도면이다.
도 5a에 도시한 바와 같이, 금속 전극이 차지하는 면적(㎟)에 따라서 금속 전극에 의하여 소모되는 전력(W)은 증가함을 알 수 있다. 또한, 도 5a에 나타난 그래프를 근사하면, 금속 전극에 의하여 소모되는 전력(W)은 금속 전극이 차지하는 면적(㎟)에 따라 비례함을 알 수 있다.
도 5b는 금속 전극이 차지하는 면적(㎟)에 따라 금속 전극에 의하여 소모되는 전력(W)을 도 5a로부터 예측한 그래프이다.
도 5b를 살펴보면, 만약 300㎜의 웨이퍼를 플라즈마에 의하여 처리한다고 가정하였을 때 상기 웨이퍼의 하부에 위치하는 금속 전극의 면적은 약 70,686㎟이다. 따라서, 도 5b로부터 300㎜의 웨이퍼를 플라즈마에 의하여 처리하기 위해서는 약 2.25㎾의 전력이 소모됨을 알 수 있다.
만일, 금속 전극이 차지하는 면적을 45,000㎟로 줄이면 약 1.5㎾의 전력을 소모하게 되며, 약 30%에 해당하는 약 0.75㎾의 전력을 줄일 수 있다.
따라서, 금속 전극이 차지하는 면적을 줄이기 위해서는 도 4에서 도시한 바와 같이 주전극(132) 및 보조전극(134)의 직경(d1, d2)는 2㎜∼4㎜로 한다. 이는 주전극(132) 및 보조전극(134)의 직경(d1, d2)을 이보다 크게 할 경우에는 금속 전극에 의하여 소모되는 전력이 증가하며, 이보다 작게 할 경우에는 가공이 곤란하기 때문이다.
상기한 바와 같이, 본 실시예에서 고주파 전원이 인가되는 제1전극(130)의 면적을 축소함으로써 금속전극에서 소모되는 전력을 감소시킬 수 있음을 알 수 있다. 그러나, 본 실시예는 고주파 전원에 의하여 플라즈마를 발생시킬 수 있는 일례에 불과하며, 이와 달리 제1전극(130)과 제2전극(140) 모두에 고주파 전원을 인가하는 경우도 있다.
따라서, 제2전극(140)에 고주파 전원을 인가하는 경우에도, 금속전극에서 소모되는 전력을 줄이기 위하여 제1전극(130)과 마찬가지로 전극을 구성할 수 있다.
본 발명에 의하면 플라즈마 형성과정에서 금속전극에 의하여 소모되는 전력을 감소시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 플라즈마를 이용하여 웨이퍼를 처리하는 장치에 있어서,
    공정이 수행되는 공간을 제공하는 공정 챔버와;
    상기 공정 챔버에 연결되어 상기 공정 챔버 내부로 상기 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급 유닛과;
    상기 공정 챔버의 내부에서 플라즈마를 형성하기 위한 제1전극 및 제2전극을 포함하되,
    상기 제1전극 또는 제2전극은,
    서로 만나지 않으면서 개별적으로 폐루프를 이루며 하나의 전극 역할을 수행할 수 있는 복수의 주전극들과;
    상기 주전극들을 서로 연결하는 보조전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은 금속 재질로 이루어지며, 상기 제1전극의 외부는 유전체(dielectric substance)로 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주전극은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극의 두께는 2㎜ 내지 4㎜인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
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