KR20080060834A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

Abstract

플라즈마 처리 장치는 상부벽과 측벽을 갖고 기판이 반입되는 챔버, 상기 챔버 내로 플라즈마 생성 가스를 제공하는 가스 공급부, 및 상기 가스로부터 플라즈마를 발생시키고, 상기 상부벽의 외측 상에 배치되는 제1 코일 및 상기 측벽을 감싸도록 배치되는 제2 코일을 갖는 제1 고주파 안테나를 포함한다.

Description

플라즈마 처리 장치{Apparatus for Processing A Substrate Using Plasma}

도 1a는 종래의 고주파 유도결합형 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.

도 1b는 종래의 고주파 유도결합형 플라즈마 처리 장치에 의해 생성된 플라즈마의 밀도를 나타내는 그래프이다.

도 2a는 종래의 고주파 유도결합형 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.

도 2b는 종래의 고주파 유도결합형 플라즈마 처리 장치에 의해 생성된 플라즈마의 밀도를 나타내는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 일부를 나타내는 사시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : ICP 타입의 플라즈마 처리 장치

11, 51 : 웨이퍼 20, 60 : 챔버

30, 70 : 코일 35, 75 : 고주파 전원부

50 : TCP 타입의 플라즈마 처리 장치

100 : 플라즈마 처리 장치 101 : 기판

200 : 챔버 201 : 상부벽

202 : 측벽 205 : 유전체 윈도우

210 : 제1 고주파 안테나 211 : 제1 코일

212 : 제2 코일 220, 260 : 정합기

230, 270 : 고주파 전원부 250 :제2 고주파 안테나

300 : 정전척 310 : 기판 지지부

320 : 내부 전극 400 : 가스 공급부

410 : 가스 공급관 420 : 버퍼실

421 : 가스 확산공 425 : 가스 샤워 헤드

510 : 배출구 520 : 진공 펌프

본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 상에 충분하고 균일한 플라즈마 밀도를 제공할 수 있는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

최근의 반도체 소자로 제조하기 위한 반도체 웨이퍼의 대구경화, 평면 디스플레이 소자로 제조하기 위한 유리 기판의 대면적화 등에 따라 에칭 처리나 성막 처리를 하는 처리 장치의 수요가 증가하고 있다. 예를 들어, 상기 에칭 처리나 성막 처리를 플라즈마를 이용하여 진행하는 플라즈마 에칭 장치, 플라즈마 증착 장치, 플라즈마 애싱(ashing) 장치 등의 플라즈마 처리 장치에 대한 수요도 증가하고 있는 추세이다.

이러한 플라즈마 처리 장치에 사용되는 플라즈마 소스로서, 고주파 용량 결합형 플라즈마 소스, 마이크론파 ECR 플라즈마 소스, 고주파 유도결합형 플라즈마소스 등이 있다. 이들 각각은 그 특징에 따라 다양한 처리 공정마다 구분하여 사용된다.

이러한 플라즈마 소스 중에서 고주파 유도결합형 플라즈마 소스를 구비한 플라즈마 처리 장치는 고주파 안테나와 고주파 전원을 포함한다. 이에 플라즈마는 고주파 안테나와 고주파 전원을 이용하여 수 mTorr의 낮은 압력 하에서 비교적 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 특히 고주파 유도 결합형 플라즈마 소스는 코일의 배치에 따라 ICP(inductively coupled plasma) 타입과 TCP(transformer coupled plasma) 타입이 있다.

도 1a 및 도 2a는 종래의 고주파 유도결합형 플라즈마 처리 장치들을 나타내는 단면도들이다. 도 1b 및 도 2b는 종래의 고주파 유도결합형 플라즈마 처리 장치들에 의해 생성된 플라즈마의 밀도를 나타내는 그래프들이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 ICP 타입의 플라즈마 처리 장치(10)는 챔버(20)의 측벽을 감싸도록 배치되는 코일(30) 및 상기 코일에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원부(35)를 포함한다.

도 1b의 그래프에 나타난 바와 같이, 챔버(20) 내의 웨이퍼(11) 상부에 생성되는 플라즈마 밀도는 웨이퍼의 외측(edge) 영역에서 높은 밀도를 나타내고, 웨이퍼(11)의 중심(center) 영역에서 낮은 밀도를 나타낸다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 종래의 TCP 타입의 플라즈마 처리 장치(50)는 챔버(60)의 상부벽의 외측 상에 배치되는 코일(70) 및 상기 코일에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원부(75)를 포함한다.

도 2b의 그래프에 나타난 바와 같이, 챔버(60) 내의 웨이퍼(51) 상부에 생성되는 플라즈마 밀도는 웨이퍼(11)의 중심(center) 영역에서 높은 밀도를 나타내고, 웨이퍼의 외측(edge) 영역에서 낮은 밀도를 나타낸다.

종래의 플라즈마 처리 장치는 단일 플라즈마 소스로 구성되어 있다. 즉, 고주파 전원 장치에 연결된 고주파 안테나가 공중 챔버 외부에 설치된 단일형으로, 고주파 안테나에 전력을 공급하면 공정 챔버 내부의 가스가 고주파 안테나를 따라 형성된 전자기장의 영향을 받아 플라즈마를 형성한다.

그러나, 상술한 바와 같이, 상기 코일이 배치되는 위치에 따라 플라즈마는 웨이퍼 상에 불균일하게 생성된다. 불균일하게 생성되는 플라즈마를 이용하여 식각 공정 등을 수행하게 되는 경우, 웨이퍼의 위치에 따라 식각되는 형태가 달라지므로 식각 균일성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 기판 상에 충분하고 균일한 플라즈마 밀도를 제공할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는 상부벽과 측벽을 갖고 기판이 반입되는 챔버, 상기 챔버 내로 플라즈마 생성 가스를 제공하는 가스 공급부, 및 상기 가스로부터 플라즈마를 발생시키고, 상기 상부벽의 외측 상에 배치되는 제1 코일 및 상기 측벽을 감싸도록 배치되는 제2 코일을 갖는 제1 고주파 안테나를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제1 코일은 상기 상부벽과 평행하게 배치되며, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일은 서로 연결될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 챔버와 상기 제1 고주파 안테나 사이에 배치되어 고주파 전력이 투과되는 유전체 윈도우를 더 포함할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는 챔버의 상부벽의 외측 상에 배치되는 제1 코일 및 챔버의 측벽을 감싸도록 배치되는 제2 코일을 갖는 제1 고주파 안테나를 이용하여 플라즈마를 발생시킨다.

상기 챔버의 상부벽 외측 상에 배치된 제1 코일은 기판의 중심 영역 상에 상기 챔버의 측벽 상에 배치된 제2 코일은 기판의 외측 영역 상에 각각 높은 밀도를 갖는 플라즈마 상태를 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 기판 상에 충분하고 균일한 플라즈마 밀도를 제공할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고 자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 또한, 각 구조물들이 "제1" 및/또는 "제2"로 언급되는 경우, 이러한 부재들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 각 구조물들을 구분하기 위한 것이다. 따라서, "제1" 및/또는 "제2"는 각 구조물들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 일부를 나타내는 사 시도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(100)는 챔버(200), 상기 챔버에 플라즈마 생성 가스를 제공하는 가스 공급부(400) 및 상기 챔버의 외측 상에 배치되는 제1 고주파 안테나(210)를 포함한다.

상기 챔버(200)는 그 내부에 플라즈마 처리 공정이 진행되는 공간을 제공한다. 상기 챔버(200)는 외부로부터 밀폐되는 구조를 갖고, 예를 들면, 원기둥 형상을 가질 수 있다.

상기 챔버(200)로 반도체 웨이퍼와 같은 기판(101)이 반입되고, 상기 챔버 내에는 기판(101)을 지지하기 위한 기판 지지부(310)가 구비되고, 상기 기판 지지부 상에는 정전척(300)이 배치된다.

상기 정전척(300)은 알루미늄과 같은 도전성 부재를 포함하고, 상기 정전척(300)의 내부에는 내부 전극(320)이 형성된다. 상기 내부 전극은 외부의 직류 전원(도시되지 않음)과 연결되고, 직류 전압이 인가됨으로써 발생된 정전력에 의해 상기 기판(101)은 상기 정전척 상에 정전 흡착되게 된다.

또한, 기판 지지부(310)의 내부에는 상기 기판을 승강시키기 위한 승강핀(도시되지 않음)이 형성되고, 상기 승강핀은 이송 로봇에 의해 상기 기판의 반출입을 행하기 위해 상기 기판을 승강시킨다.

상기 챔버 상부에는 챔버(200)내에 상기 기판(101)을 식각하기 위한 공정 가스를 제공하기 위한 가스 공급관(410)이 구비된다. 상기 가스 공급관은 버퍼실(420)을 통해 다수의 가스 확산공(421)이 형성된 가스 샤워 헤드(425)와 연결되 어, 상기 정전척(300) 상에 탑재된 기판(101)을 향해 소정의 공정 가스를 분사시킨다. 상기 가스 공급관은 챔버(200) 외부의 가스 공급부(400)와 연결되고, 상기 가스 공급부는 공정 가스를 챔버(200) 내에 공급한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 챔버는 상부벽(201)과 상기 상부벽과 실질적으로 수직하는 측벽(202)을 가질 수 있다. 상부벽(201)과 측벽(202)의 외측 상에는 제1 고주파 안테나(210)가 배치된다. 상기 제1 고주파 안테나는 정합기(220)를 거쳐서 소스용의 전력을 인가하는 고주파 전원부(230)와 접속되어 있다.

상기 제1 고주파 안테나(210)는 제1 코일(211)과 제2 코일(212)을 포함한다. 구체적으로, 상기 상부벽의 외측상에는 제1 코일(211)이 배치되고, 상기 측벽의 외측상에는 제2 코일(212)이 배치된다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 코일은 상부벽(201)과 평행한 평면상에 나선 형상으로 배치될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 코일을 상부벽(201)과 수직하는 방향으로 스프링 형상으로 배치될 수 있다.

상기 제2 코일(212)은 측벽(202)을 감싸도록 배치된다. 구체적으로, 상기 챔버(200)의 측벽을 따라 나선형으로 둘러싸도록 배치된다. 또한, 상기 제1 코일(211)과 상기 제2 코일(212)은 서로 연결될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 코일은 챔버(200) 내의 공간에 자기장을 형성할 수 있도록 다양한 형상으로 배치될 수 있다.

상기 챔버(200)와 상기 제1 고주파 안테나 사이에는 유전체 윈도 우(dielectric window: 205)가 배치된다. 구체적으로, 상기 챔버의 상부벽(201)과 상기 제1 코일(211) 사이에는 상기 유전체 윈도우(205)가 배치되고, 상기 챔버의 측벽(202)과 상기 제2 코일(212) 사에에는 상기 유전체 윈도우(205)가 배치된다. 예를 들면, 상기 유전체 윈도우는 고주파 전력이 투과될 수 있는 절연 물질을 포함할 수 있다.

상기 기판 지지부(310) 내부에는 제2 고주파 안테나(250)가 배치된다. 상기 제2 고주파 안테나는 정합기(260)를 거쳐서 바이어스용의 전력을 인가하는 고주파 전원부(270)가 접속되어 있다.

상기 챔버 하부에는 배출구(510)가 형성되고, 상기 배출구(510)는 드라이펌프와 같은 진공펌프(520)에 연결된다. 상기 배출구(510)를 통해 플라즈마를 이용한 공정 중에 생성된 폴리머와 같은 생성 물질이 배출된다.

상기 제1 고주파 안테나(210)와 상기 제2 고주파 안테나(250)에 고주파 전원부(230, 270)로부터 고주파 전원이 인가되면, 상기 제1 및 제2 고주파 안테나의 코일들을 따라 흐르는 전류가 챔버(200)내의 공간에 자기장을 형성한다. 상기 자기장에 의해 유도 전기장이 형성되며, 상기 가스 공급부(400)로부터 공급된 가스는 유도 전기장으로부터 이온화에 필요한 충분한 에너지를 얻어 플라즈마를 형성한다.

본 발명에 따르면, 챔버(200)의 상부벽(201) 상에 배치된 제1 코일(211)은 기판(101)의 중심 영역 상에 높은 밀도를 갖는 플라즈마 상태를 제공한다. 챔버(200)의 측벽(202) 상에 배치된 제2 코일(212)은 기판(101)의 외측 영역 상에 높은 밀도를 갖는 플라즈마 상태를 제공한다.

또한, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 형상을 조절하여 가스 분자의 해리 및 이온의 추종성을 조절할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는 챔버의 상부벽의 외측 상에 배치되는 제1 코일 및 챔버의 측벽을 감싸도록 배치되는 제2 코일을 갖는 제1 고주파 안테나를 이용하여 플라즈마를 발생시킨다.

상기 챔버의 상부벽 외측 상에 배치된 제1 코일은 기판의 중심 영역 상에 상기 챔버의 측벽 상에 배치된 제2 코일은 기판의 외측 영역 상에 각각 높은 밀도를 갖는 플라즈마 상태를 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 기판 상에 충분하고 균일한 플라즈마 밀도를 제공할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 상부벽과 측벽을 갖고, 기판이 반입되는 챔버;

   상기 챔버 내로 플라즈마 생성 가스를 제공하는 가스 공급부; 및

   상기 가스로부터 플라즈마를 발생시키고, 상기 상부벽의 외측 상에 배치되는 제1 코일 및 상기 측벽을 감싸도록 배치되는 제2 코일을 갖는 제1 고주파 안테나를 포함하는 플라즈마 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 코일은 상기 상부벽과 평행하게 배치되며, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일은 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 코일은 스프링 형상 또는 나선 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 챔버와 상기 제1 고주파 안테나 사이에 배치되어 고주파 전력이 투과되는 유전체 윈도우를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 챔버 내에 배치되어, 상기 기판을 지지하기 위한 기 판 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 기판 지지부 내부에 배치되는 제2 고주파 안테나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.

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