KR20130005841A - 기판 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 기판 처리 장치는 내부 공간을 가지는 챔버, 챔버 내에 배치되며, 플라즈마 발생을 위한 전원이 인가되되어, 내측 혹은 외측에 제 1 플라즈마 영역이 형성되도록 하는 샤워헤드, 샤워헤드를 관통하도록 설치되고, 내부에 제 2 플라즈마 영역이 형성되도록 하는 플라즈마 발생관 및 플라즈마 발생관의 외주면을 둘러 싸도록 설치되며, 플라즈마 발생을 위한 전원이 인가되는 안테나를 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 의하면, 이온 에너지 및 플라즈마 밀도가 높은 공진 플라즈마를 이용함으로써, 종래에 비해 기판 처리 공정 속도를 향상시킬 수 있다. 한편, 공진 플라즈마가 기판으로 이동하던 중에 그 밀도가 감소할 수 있는데, 공진 플라즈마에 비해 이온 에너지 및 플라즈마 밀도가 낮은 용량성 플라즈마를 함께 형성함으로써, 상기 공진 플라즈마 밀도의 감소를 보상한다. 또한, 공진 플라즈마와 용량성 플라즈마를 함께 형성하여, 기판으로 입사 또는 충돌하는 이온 에너지를 조절함으로써, 기판 또는 박막이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

Description

기판 처리 장치{Apparatus for processing substrate}
본 발명은 기판 처리 공정이 용이한 기판 처리 장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 소자가 소형화됨에 따라, 패턴을 미세화 및 고집적화시키는 기술이 연구 개발되고 있다. 고집적화 및 소형화된 반도체 소자를 제조하기 위해 일반적으로 반응 가스를 활성화시켜 플라즈마화하는 플라즈마 장치가 이용된다. 한편, 플라즈마 장치는 플라즈마화하는 방법에 따라 통상적으로 용량성 플라즈마(CCP: capacitive coupled plasma) 타입과, 유도성 플라즈마(inductive coupled plasma) 타입으로 나눌 수 있다.
용량성 플라즈마 장치는 예컨데, 챔버, 적어도 일부가 챔버 내에 배치되며 접지되는 상부 전극, 챔버 내에서 상부 전극의 하측에 배치되어 원료 가스를 분사하는 가스 분사부, 가스 분사부의 하측에 대향 배치되어 기판을 지지하는 정전척, 상부 전극에 전원을 인가하는 상부 전원 공급부, 하부 전극에 전원을 인가하는 하부 전원 공급부를 포함한다. 이러한 용량성 플라즈마 장치에서 상부 전극 및 하부 전극에 전원을 인가하면, 하부 전극과 상부 전극 사이에 전기장 및 플라즈마가 형성된다. 용량성 플라즈마 장치에서 생성된 플라즈마는 전기장에 의해 이온 에너지가 높은 장점이 있으나, 상기 고 에너지의 이온에 의해 기판 또는 기판 상에 형성된 박막이 손상되는 문제가 발생된다. 그리고 패턴이 미세화 됨에 따라 고 에너지의 이온에 의한 손상의 정도가 크다.
유도성 플라즈마 장치는 예컨데, 챔버, 챔버 내에 배치되어 원료 가스를 분사하는 가스 분사부, 챔버 내에서 가스 분사부와 대향 배치되어 기판을 지지하는 정전척, 챔버 외측에 배치되어 소스 전원이 인가되는 안테나, 안테나에 소스 전원을 인가하는 안테나 소스 전원 공급부 및 정전척에 고주파 바이어스 전원을 인가하는 바이어스 전원 공급부를 포함한다. 이러한 유도성 플라즈마 장치에서 정전척에 바이어스 전원을 인가하고, 안테나에 소스 전원이 인가되면, 챔버 내에 플라즈마가 형성된다. 생성된 플라즈마 중 양이온은 기판의 표면에 입사 또는 충돌함으로써, 기판 상에 박막을 형성하거나, 상기 기판 또는 기판 상에 형성된 박막을 식각한다. 유도성 플라즈마 장치에서 형성된 플라즈마는 높은 밀도를 가지고, 낮은 이온 에너지 분포를 형성하여, 기판 또는 박막에 대한 손상이 적은 장점이 있다. 하지만, 챔버 내에 형성되는 플라즈마의 이온 밀도가 챔버의 중앙 영역에서는 일정하나, 가장 자리 영역으로 갈 수록 이온 밀도의 균일도가 떨어지는 단점이 있다. 이와 같은 이온 밀도의 차이는 기판 및 챔버가 대형화 됨에 따라 더욱 두드러지게 나타나고 있다.
한편, 한국공개특허 제1997-0003557호 에는 상부 리엑터 전극, 상부 리엑터 전극 하측에 위치하는 하부 리엑터 전극을 포함하여, 용량성 플라즈마를 발생시키는 용량성 결합 플라즈마 장치가 개시되어 있고, 한국등록특허 제10-0963519호'에는 챔버 상부에 위치하며 상기 챔버에 소스 가스를 유입시키는 가스 분사부와, 소스 전원이 인가되는 안테나, 그리고 기판을 고정하며 바이어스 전원이 인가되는 정전척을 포함하는 유도성 결합 플라즈마발생장치가 제시되어 있다.
본 발명의 일 기술적 과제는 기판 처리 공정을 용이하게 실시할 수 있는 기판 처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 일 기술적 과제는 기판 또는 기판 상에 증착된 박막의 손상을 방지할 수 있는 기판 처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 일 기술적 과제는 플라즈마를 균일하게 확산시킬 수 있는 기판 처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 기판 처리 장치는 내부 공간을 가지는 챔버, 상기 챔버 내에 배치되며, 플라즈마 발생을 위한 전원이 인가되어, 내측 혹은 외측에 제 1 플라즈마 영역이 형성되도록 하는 샤워헤드, 상기 샤워헤드를 관통하도록 설치되고, 내부에 제 2 플라즈마 영역이 형성되도록 하는 플라즈마 발생관 및 상기 플라즈마 발생관의 외주면을 둘러 싸도록 설치되며, 플라즈마 발생을 위한 전원이 인가되는 안테나를 포함한다.
상기 제 1 플라즈마 영역에서 용량성 플라즈마(CCP PLASMA)가 발생되고, 상기 제 2 플라즈마 영역에서 공진 플라즈마가 발생된다.
상기 샤워헤드는 상측에 위치하며 RF 전원이 인가되는 제 1 샤워헤드, 상기 제 1 샤워헤드의 하측으로 이격 배치되며 접지되는 제 2 샤워헤드를 포함하고, 상기 제 1 플라즈마 영역은 상기 제 1 샤워헤드와 제 2 샤워헤드 사이의 영역이다.
상기 플라즈마 발생관은 상기 제 1 및 제 2 샤워헤드를 상하 방향으로 관통하여, 상기 제 1 샤워헤드의 상측에서부터 상기 제 2 샤워헤드의 하부까지 연장 설치된다.
상기 플라즈마 발생관은 상기 제 1 샤워헤드를 상하 방향으로 관통하여, 상기 제 1 샤워헤드의 상측에서부터 상기 제 1 샤워헤드의 하부까지 연장 설치된다.
상기 챔버의 내부 및 외부 중 적어도 어느 하나의 영역에 설치되어, 자기장을 발생시키는 자기장 발생부를 포함한다.
상기 챔버 내부에 배치되는 자기장 발생부는 상기 샤워헤드의 상측에 위치한다.
상기 플라즈마 발생관이 복수개로 마련되어 상호 이격 배치되고, 상기 플라즈마 발생관 사이에 자기장 발생부가 배치된다.
상기 챔버 내벽 중 상기 샤워헤드, 플라즈마 발생관 및 자기장 발생부의 주위 영역에 절연 부재가 배치되고, 상기 샤워헤드 상부에 절연 부재가 배치되며, 상기 샤워헤드 상부에 장착된 절연 부재 상측에 자기장 발생부가 배치된다.
상기 자기장 발생부로 전자석 코일을 이용한다.
상기 플라즈마 발생관은 절연 물질을 이용하여 제작된다.
상기 챔버 내부에서 상기 샤워헤드의 하측에 배치되어 기판을 지지하며, 바이어스 전원이 인가된다.
상기 샤워헤드로 원료 가스를 공급하는 제 1 원료 공급 라인 및 상기 플라즈마 발생관 내부로 원료 가스를 공급하는 제 2 원료 공급 라인을 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시형태들에 의하면, 이온 에너지 및 플라즈마 밀도가 높은 공진 플라즈마를 이용함으로써, 종래에 비해 기판 처리 공정 속도를 향상시킬 수 있다. 한편, 공진 플라즈마가 기판으로 이동하던 중에 그 밀도가 감소할 수 있는데, 공진 플라즈마에 비해 이온 에너지 및 플라즈마 밀도가 낮은 용량성 플라즈마를 함께 형성함으로써, 상기 공진 플라즈마 밀도의 감소를 보상한다. 또한, 공진 플라즈마와 용량성 플라즈마를 함께 형성하여, 기판으로 입사 또는 충돌하는 이온 에너지를 조절함으로써, 기판 또는 박막이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
자기장 발생부는 챔버의 외부 및 내부 중 적어도 어느 한 영역에 설치되어 자기장을 형성함으로써, 공진 플라즈마를 자기장의 자속을 따라 이동시킨다. 이에, 반응 영역 전체에 걸쳐 공진 플라즈마가 균일하게 확산된다. 따라서, 기판 전체에 대해 균일한 공정 조건을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기판 처리 장치를 도시한 단면도
도 2는 제 2 실시예에 따른 기판 처리 장치를 도시한 단면도
도 3은 제 3 실시예에 따른 기판 처리 장치를 도시한 단면도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기판 처리 장치를 도시한 단면도이다. 도 2는 제 2 실시예에 따른 기판 처리 장치를 도시한 단면도이다. 도 3은 제 3 실시예에 따른 기판 처리 장치를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 기판 처리 장치는 기판(S)을 처리하는 내부 공간을 가지는 챔버(100), 챔버(100) 내측에 배치되어 그 상부에 기판(S)이 지지 고정되는 기판 지지 유닛(200), 챔버(100) 내에서 기판 지지 유닛(200)의 상측에 배치되어 원료 가스를 분사하며, 상하 방향으로 이격 배치된 제 1 및 제 2 샤워헤드(310, 320), 상하 방향으로 배치된 제 1 및 제 2 샤워헤드(310, 320)를 관통하도록 설치되며, 내부에서 플라즈마가 발생되는 플라즈마 발생관(510), 플라즈마 발생관(510)의 외주면에 권취되는 안테나(520) 및 챔버(100)의 내부 및 외부 중 적어도 어느 하나의 영역에 설치된 복수의 자기장 발생부(600)를 포함한다. 또한, 일단이 제 1 샤워헤드(310)와 연결되어 상기 제 1 샤워헤드(310)로 원료 가스를 공급하는 제 1 원료 공급 라인(330), 일단이 플라즈마 발생관(510)과 연결되어 상기 플라즈마 발생관(510)으로 원료 가스를 공급하는 제 2 원료 공급 라인(530), 제 1 샤워헤드(310)의 전원을 인가하는 제 1 전원 공급부(340), 안테나(520)에 전원을 인가하는 제 2 전원 공급부(540) 및 기판 지지 유닛(200)에 바이어스(bias) 전원을 공급하는 제 3 전원 공급부(230)를 포함한다. 여기서 제 1 샤워헤드(310)와 플라즈마 발생관(510) 내로 공급되는 원료 가스는 기판(S)에 형성되는 막의 종류 및 식각 종류에 따라 이종 또는 동일의 가스를 사용한다. 예컨데 기판(S)에 옥사이드(SiO2) 막을 형성하기 위해 제 1 샤워헤드에는 O2 또는 N20 가스를 공급하여 플라즈마를 형성하며, 플라즈마 발생관(510)은 SiH4 또는 TEOS 가스를 주입하여 플라즈마를 형성 한다. 식각의 경우 제 1 샤워헤드(310)와 플라즈마 발생관(510) 내로 XF계열( NF3, F2, C3F8, SF6 등)과 O2 등 동일 가스를 사용한다. 또한 불활성 가스인 He, Ar, N2 등도 제 1 샤워헤드(310)와 플라즈마 발생관(510) 내로 동일한 가스를 공급하여 사용한다. 식각 가스로는 NF3, F2, BCl3, CH4, Cl2, CF4, CHF3, CH2F2, C2F6, C3F8, C4F8, C5F8, C4F6 등을 사용할 수 있다, 물론 이에 한정되지 않고 SiH4, TEOS, O2, NH4, N2O, CaHb(탄화수소화합물) 등을 사용하여 박막을 형성 할 수 있으며, 상기 연료의 수송 및 플라즈마 발생의 보조 가스로 He, Ar, N2 등 불활성 가스를 이용 할 수 있다.
챔버(100)는 내부가 비어있는 사각통 형상으로 제작되나, 내부에는 소정의 내부 공간이 마련된다. 챔버(100)의 형상은 이에 한정되지 않고, 기판(S)의 형상에 대응하는 다양한 형상으로 제조될 수 있음은 무론이다. 도시되지는 않았지만, 챔버(100)의 일측에는 기판(S)이 출입하는 출입구(미도시)가 마련되며, 챔버(100) 내부의 압력을 조절하는 압력 조절 수단(미도시) 및 챔버(100)의 내부를 배기하는 배기 수단(미도시)을 구비할 수도 있다. 이러한 챔버는 접지(ground) 되어 있는 것이 바람직하다. 실시예에서는 챔버(100) 내부의 상측 영역에 제 1 및 제 2 샤워헤드(310, 320), 플라즈마 발생관(510), 복수의 자기장 발생부(600)가 설치되므로, 제 1 및 제 2 샤워헤드(310, 320), 플라즈마 발생관(510), 복수의 자기장 발생부(600) 간을 절연시킬 필요가 있다. 이에, 챔버(100) 내 측벽 중 제 1 및 제 2 샤워헤드(310, 320), 플라즈마 발생관(510), 복수의 자기장 발생부(600)가 설치되는 영역의 챔버(100) 내 측벽에 제 1 절연 부재(110a)가 장착되고, 챔버(100) 내 상부벽에 제 2 절연 부재(110b)가 장착되며, 제 1 샤워헤드(310)의 상부면에 제 3 절연 부재(110c)가 장착된다. 여기서 제 1 내지 제 3 절연 부재(110c)는 절연 물질 예컨데, 세라믹 또는 파이렉스로 이루어진 플레이트를 이용하거나, 세라믹 또는 파이렉스로 이루어진 물질을 토포하여 코팅막 형태로 제조할수 있다.
기판 지지 유닛(200)은 챔버(100) 내에서 제 2 샤워헤드(320)의 하측에 배치되며, 그 상부에 기판(S)이 안치되는 기판 지지 부재(210), 일단이 기판 지지 부재(210)와 연결되고 타단이 챔버(100) 하부의 외측으로 돌출되어 제 3 전원 공급부(230)와 연결되는 샤프트(220)를 포함한다. 기판 지지 부재(210)는 예컨데 정전기력을 이용하여 기판(S)을 지지 고정하는 정전척 또는 진공 흡착력을 이용하여 기판(S)을 지지 고정하는 수단일 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고 기판(S)을 지지할 수 있는 다양한 수단을 기판 지지 부재(210)로 이용할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 기판 지지 부재(210) 내부에는 기판(S)을 가열하는 히터(미도시), 상기 기판 지지 부재(210) 또는 기판(S)을 쿨링 시키는 쿨링 라인(미도시)이 장착될 수 있다. 샤프트(220)의 타단은 도시되지는 않았지만, 상기 샤프트(220) 또는 기판 지지 부재(210)를 승하강 또는 회전시키는 구동부(미도시)와 연결될 수 있다.
제 1 샤워헤드(310)는 기판 지지 유닛(200)의 상측에서, 챔버(100)의 폭 방향으로 연장되도록 설치되며, 복수의 제 1 분사홀(310a)을 통해 원료 가스를 분사한다. 또한 제 1 샤워헤드(310)는 원료 가스를 공급하는 제 1 원료 공급 라인(330) 및 플라즈마 발생을 위한 전원을 인가하는 제 1 전원 공급부(340)와 연결된다. 제 2 샤워헤드(320)는 챔버(100) 내에서 제 1 샤워헤드(310)와 기판 지지 부재(210) 사이에서 위치하며, 상기 제 1 샤워헤드(310)의 연장 방향을 따라 설치되고, 접지된다. 또한, 제 2 샤워헤드(320)에는 복수의 제 2 분사홀(310b)이 마련되는데, 상기 제 2 분사홀(310b)은 제 1 샤워헤드(310)의 마련된 제 1 분사홀(310a)의 직하에 위치하여, 상기 제 1 분사홀(310a)을 통과한 원료 가스가 제 2 분사홀(310b)로 유입될 수 있도록 상호 연통된다. 물론 이에 한정되지 않고 제 1 분사홀(310a)과 제 2 분사홀(310b)이 서로 엇갈리도록 배치될 수도 있다. 여기서 제 1 분사홀(310a) 및 제 2 분사홀(310b) 각각의 크기는 0.01인치 이상이 되는 것이 바람직하다. 이는, 제 1 샤워헤드(310)에 전원 인가 시에, 상기 제 1 샤워헤드(310)와 제 2 샤워헤드(320)에서 아킹(arcking )이 발생되는 것을 억제하고, 플라즈마 발생 시에 기생 플라즈마 생성을 억제하기 위함이다.
하기에서는 제 1 샤워헤드(310)와 제 2 샤워헤드(320) 사이의 이격 공간에 플라즈마를 생성하는 과정을 설명한다.
제 1 원료 공급 라인(330)으로부터 제 1 샤워헤드(310)로 원료 가스가 공급되면, 상기 원료 가스는 복수의 제 1 분사홀(310a)을 통해 제 1 샤워헤드(310)와 제 2 샤워헤드(320)의 이격 공간으로 분사된다. 이때, 제 1 전원 공급부(340)는 제 1 샤워헤드(310)에 RF 전원을 공급하고, 제 2 샤워헤드(320)를 접지시키면, 제 1 샤워헤드(310)와 제 2 샤워헤드(320) 사이의 이격 공간에서 원료 가스가 방전되어, 플라즈마 바람직하게는 용량성 플라즈마(CCP PLASMA)가 발생된다. 하기에서는 제 1 샤워헤드(310)와 제 2 샤워헤드(320) 사이의 이격 공간을 '제 1 플라즈마 영역(P1)'이라 명명한다. 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 플라즈마화된 가스는 제 2 샤워헤드(320)의 복수의 제 2 분사홀(310b)을 통해 제 2 샤워헤드(320)의 하측으로 이동한다. 이때, 상부에 기판(S)이 안착된 기판 지지 부재(210)에는 바이어스 전원이 인가되므로, 제 2 샤워헤드(320)와 기판(S) 사이 영역의 플라즈마 중 양이온이 기판(S)의 표면에 입사 또는 충돌함으로써, 기판(S) 상에 박막을 형성하거나, 상기 기판(S) 또는 기판(S) 상에 형성된 박막을 식각한다. 여기서, 기판 지지 부재(210)에는 소정의 낮은 DC 파워가 인가되기 때문에, 제 2 샤워헤드(320)와 기판 지지부(210)로 인한 별도의 플라즈마는 생성되지 않는다. 하기에서는 제 2 샤워헤드(320)와 기판(S) 사이의 영역을 '반응 영역(R)'이라 명명한다. 이와 같이 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 발생된 용량성 플라즈마(CCP PLASMA)는 후술되는 플라즈마 발생관(510)으로부터 발생된 공명 플라즈마가 기판(S)까지 도달하는 과정에서 그 밀도가 감소하는 것을 보상하기 위한 것이다. 즉, 플라즈마 발생관(510) 내에서 발생된 공명 플라즈마는 안테나(520)로부터 멀어질 수록 그 밀도가 감소하는 경향을 보인다. 따라서, 플라즈마 발생관(510)으로부터 발생된 공명 플라즈마가 기판까지 도달하는 과정에서 그 밀도가 감소할 수 있다. 이에, 실시예에서 추가로 용량성 플라즈마(CCP PLASMA)를 발생시켜, 공명 플라즈마의 물리적인 밀도 감소를 보상한다. 또한, 플라즈마 발생관(510)에서 생성되는 공진 플라즈마의 경우 이온 에너지 및 이동 속도가 높아, 상기 공진 플라즈마 만을 단독으로 사용할 경우 기판(S) 또는 기판(S) 상에 형성된 박막이 손상될 수 있다. 하지만, 실시예에서와 같이 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 공진 플라즈마에 비해 이온 에너지 및 플라즈마 밀도가 낮은 용량성 플라즈마를 함께 생성하여, 상기 공진 플라즈마와 용량성 플라즈마의 상호 작용에 의해 기판(S) 또는 박막이 손상되는 것을 방지한다.
플라즈마 발생관(510)은 내부공간을 가지는 파이프 형상으로 제작되며, 그 외주면에는 안테나(520)가 권취된다. 이러한 플라즈마 발생관(510)은 챔버(100)의 길이 방향으로 연장되며, 제 1 및 제 2 샤워헤드(310, 320)를 상하 방향으로 관통하도록 장착된다. 즉, 플라즈마 발생관(510)은 제 1 샤워헤드(310)의 상측에서 제 2 샤워헤드(320)의 하부까지 연장되며, 상기 플라즈마 발생관(510)의 하부는 제 2 샤워헤드(320)의 하부로 돌출되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 실시예에서는 플라즈마 발생관(510)을 복수개로 마련하고, 상호 이격되도록 배치한다. 이러한 플라즈마 발생관(510)은 파이렉스 및 세라믹과 같은 절연 물질을 이용하여 제작된다. 절연 용기(미도시)로 이루어진다. 예를 들어, 절연 용기(미도시)로 파이렉스 또는 세라믹을 이용할 수 있다. 안테나(520)는 플라즈마 발생관(510) 즉, 절연 용기(미도시)의 외주면을 권취하고, 일단이 제 2 전원 공급부(540)와 연결 된다. 실시예에 따른 안테나(520)는 구리(Cu)로 이루어지며, 플라즈마 발생관(510)의 외주면을 나선형(helix)으로 권취한다. 하지만 안테나(520)의 형상은 상기에서 설명한 나선형(helica)에 한정되지 않고, 다양한 형상 예컨데, Nagoya 타입, half-nagoya 타입, double-leg 타입, double hafr-turn 타입, boswell(double-saddle) 타입, shoji 타입, phased 타입 등의 다양한 형상으로 제조될 수 있다. 이러한 안테나(520)는 여기 주파수 파장을 λ라 할때, λ/2의 정수배가 되는 길이를 가지는 것이 바람직하다. 이는 복수의 플라즈마 발생관(510) 각각에 안테나(520)를 권취하도록 설치함에 따라, 복수의 안테나(520)의 임피던스를 빠르게 매칭시켜, RF 전원 인가시 불안전한 플라즈마의 발생을 줄이기 위함입니다.
하기에서는 플라즈마 발생관 내부에서 플라즈마를 생성하는 과정을 설명한다.
제 2 원료 공급 라인(530)으로부터 플라즈마 발생관(510)으로 원료 가스를 공급하고, 제 2 전원 공급부(540)를 이용하여 안테나에 RF 전원을 인가하면, 플라즈마 발생관 내부에서 원료 가스가 방전되어 플라즈마가 생성된다. 하기에서는 플라즈마 발생관 내부를 '제 2 플라즈마 영역(P2)'으로 명명한다. 이때, 안테나(520)가 플라즈마 발생관(510)을 나선형으로 권취하고, 상기 안테나(520)의 길이가 전술한 바와 같이 λ/2의 정수배가 되며, 플라즈마 발생관(510) 내부의 좁은 공간에서 반응이 이루어지므로, 제 2 플라즈마 영역(P2)에서는 고밀도의 공진 플라즈마가 발생된다. 제 2 플라즈마 영역(P2)에서 발생된 공진 플라즈마 중 양이온은 기판 지지 부재(210)에 인가된 바이어스 전원에 의해, 상기 기판 지지 부재(210) 상에 안착된 기판의 표면에 입사 또는 충돌한다. 이로 인해, 기판(S) 상에 박막을 형성하거나, 상기 기판(S) 또는 기판(S) 상에 형성된 박막을 식각한다.ㄹ
이와 같이 제 2 플라즈마 영역(P2)에서 발생된 공진 플라즈마는 고밀도의 특성을 가지고 있고, 기판(S)을 향해 이동하는 이온 에너지 및 플라즈마 밀도가 높아 공정 속도를 향상시키는 효과가 있다. 하지만, 공명 플라즈마가 기판까지 도달하는 과정에서 그 밀도가 감소할 수 있는데, 이를 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 발생된 용량성 플라즈마(CCP PLASMA)가 보상해 준다. 따라서, 기판(S)과 반응하는 플라즈마의 전체 밀도가 감소하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 플라즈마 발생관(510)에서 생성되는 공진 플라즈마의 경우 이온 에너지 및 이동 속도가 높아, 상기 공진 플라즈마 만을 단독으로 사용할 경우 기판(S) 또는 기판(S) 상에 형성된 박막이 손상될 수 있다. 하지만, 실시예에서와 같이 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 공진 플라즈마에 비해 이온 에너지 및 플라즈마 밀도가 낮은 용량성 플라즈마를 함께 생성하여, 상기 공진 플라즈마와 용량성 플라즈마의 상호 작용에 의해 기판(S) 또는 박막이 손상되는 것을 방지한다.
자기장 발생부(600)는 챔버(100)의 내부 및 외부에 설치되어, 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 발생된 플라즈마와 제 2 플라즈마 영역(P2)에서 발생된 플라즈마가 균일하게 확산될 수 있도록 자기장을 발생시키는 역할을 한다. 이러한 자기장 발생부(600)는 챔버(100)의 내부 및 챔버 외부 중 적어도 어느 하나의 영역에 설치된다. 챔버(100) 내부에 설치되는 자기장 발생부(600)는 제 1 샤워헤드(310)의 상부에 장착된 제 3 절연 부재(110c)의 상측에 위치하는 것이 바람직하다. 즉, 챔버(100) 내부에 설치되는 자기장 발생부(600)는 챔버(100) 내의 상부벽에 장착된 제 2 절연 부재(110b)와 제 1 샤워헤드(310)의 상부에 장착된 제 3 절연 부재(110c) 사이에 장착된다. 또한, 복수의 플라즈마 발생관(510) 사이에서 상호 이격 배치된다. 챔버(100) 외부에 설치되는 자기장 발생부(600)는 상기 챔버(100)의 주위를 둘러 싸도록 설치되며, 상기 챔버(100)의 상측 및 하측에 설치되는 것이 바람직하다. 물론 챔버(100) 외부에 설치되는 자기장 발생부(600)의 위치는 다양하게 변경될 수 있다. 실시예에 따른 자기장 발생부(600)는 전자석 코일로 이루어지 진다. 여기서, 자기장 발생부(600)는 코일의 형태로 제작되어, 챔버(100) 내에 배치된 자기장 발생부(600)는 플라즈마 발생관(510) 주위를 감싸도록 설치되며, 외부에 설치된 자기장 발생부(600)는 챔버(100) 주위를 둘러싸도록 설치된다. 이러한 자기장 발생부(600)에 전원을 인가하면, 챔버(100) 외부 및 내부에 자기장이 발생되는데, 상기 자기장은 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 발생된 용량성 플라즈마 및 제 2 플라즈마 영역에서 발생된 공진 플라즈마가 균일하게 확산되도록 하는 역할을 한다. 예를 들어, 자기장 발생부(600)가 장착되지 않을 경우, 제 2 플라즈마 발생관(510)의 내부는 플라즈마 밀도가 높으나, 제 2 샤워헤드(320) 하측에 해당하는 반응 영역(R)의 플라즈마 밀도가 낮다. 따라서, 챔버(100)의 외부 및 내부에 자기장 발생부(600)를 장착하여, 플라즈마 발생관(510)의 주위에 자기장을 걸어줌으로써, 공진 플라즈마가 자기장의 자속을 따라 선형운동을 하도록 유도한다. 이에, 플라즈마 발생관(510) 내부의 공진 플라즈마가 외부로 이동하여 반응 영역 전체에 균일하게 확산된다.
상기에서는 플라즈마 발생관(510)이 제 1 샤워헤드(310)의 상측에서 제 2 샤워헤드(320)의 하부까지 연장 설치되는 것으로 설명하였다. 하지만, 이에 한정되지 않고 도 2에 도시된 제 2 실시예에서와 같이, 플라즈마 발생관(510)이 제 1 샤워헤드(310)의 상측에서 상기 제 1 샤워헤드(310)의 하부까지 연장되도록 설치될 수 있다. 즉, 플라즈마 발생관(510)이 제 1 샤워헤드(310) 하측으로 돌출되지 않도록 설치된다. 또한, 도 3에 도시된 제 3 실시예에서와 같이 제 1 샤워헤드(310)의 하측에 제 2 샤워헤드(320)가 설치되지 않고, 플라즈마 발생관(510)이 제 1 샤워헤드(310)의 상측에서 상기 제 1 샤워헤드(310)의 하부까지 연장되도록 설치될 수 있다.
또한, 도 1 내지 도 3에서는 자기장 발생부(600)가 챔버(100)의 내부 및 외부 모두에 설치되는 것을 설명하였다. 하지만 이에 한정되지 않고, 도 1 내지 도 3에 도시된 제 1 내지 제 3 실시예 각각의 경우에서, 챔버(100)의 내부 및 외부 중 어느 하나의 영역에 자기장 발생부(600)가 설치될 수도 있다.
하기에서는 도 1을 참조하여, 제 1 실시예에 따른 기판 처리 장치의 동작 및 기판 처리 방법을 설명한다.
먼저, 챔버(100) 내로 기판을 인입시켜, 상기 챔버(100) 내에 배치된 기판 지지 부재(210) 상에 기판(S)을 안착시킨다. 실시예에서는 기판(S)으로 웨이퍼를 이용하나 이에 한정되지 않고, 유리 기판, 고분자 기판, 플라스틱 기판, 금속 기판 등 다양한 기판을 이용할 수 있다.
기판 지지 부재(210) 상에 기판(S)이 안치되면, 제 1 원료 공급 라인(330)을 통해 제 1 샤워헤드(310)로 원료 가스를 공급하고, 제 1 전원 공급부(340)를 이용하여 제 1 샤워헤드(310)에 RF 전원을 인가하며, 제 2 샤워헤드(320)를 접치시킨다. 또한, 기판 지지 부재(210)에 바이어스 전원을 인가하고, 챔버(100) 내부 및 외부에 설치된 복수의 자기장 발생부(600)에 전원을 인가하여, 자기장을 발생시킨다. 이에, 제 1 샤워헤드(310)의 복수의 제 1 분사홀(310a)을 통해 상기 제 1 샤워헤드(310)와 제 2 샤워헤드(320) 사이의 이격 공간 즉, 제 1 플라즈마 영역(P1)으로 원료 가스가 분사된다. 제 1 샤워헤드(310)에는 RF 전원이 인가 되고, 제 2 샤워헤드(320)는 접지(ground) 되어 있으므로, 제 1 플라즈마 영역(P1)에 용량성 플라즈마(CCCP Plasma)가 발생된다. 이후, 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 발생된 용량성 플라즈마는 제 2 샤워헤드(320)의 복수의 제 2 분사홀(310b)을 통해 상기 제 2 샤워헤드(320)의 하측 즉, 반응 영역(R)으로 이동한다.
제 1 원료 공급 라인(330)을 통해 제 1 샤워헤드(310)로 원료 가스를 공급하고, 제 1 샤워헤드(310)에 RF 전원을 인가하는 작업과 함께, 제 2 원료 공급 라인(530)을 통해 플라즈마 발생관(510) 내로 원료 가스를 공급하고, 제 2 전원 공급부(540)를 이용하여 플라즈마 발생관(510)을 권취하는 안테나에 RF 전원을 인가한다. 이에, 플라즈마 발생관(510)의 내부 즉, 제 2 플라즈마 영역(P2)에서 공진 플라즈마가 발생된다. 이때, 플라즈마 발생관(510)의 내부 즉, 제 2 플라즈마 영역(P2)에서 생성된 공진 플라즈마는 자기장 발생부(600)에 의해 생성된 자기장의 자속에 의해 선형 운동을 하면서 반응 영역으로 이동한다. 따라서, 제 2 플라즈마 영역(P2)에서 생성된 공진 플라즈마가 반응 영역 전체에 균일하게 확산된다.
이와 같이 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 발생된 플라즈마 및 제 2 플라즈마 영역(P2)에서 발생된 플라즈마는 기판(S) 상에 박막을 형성하거나, 기판(S) 또는 박막을 식각한다. 즉, 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 발생된 플라즈마 및 제 2 플라즈마 영역(P2)에서 발생된 플라즈마의 양이온이 바이어스 전원이 인가된 기판(S)에 입사 또는 충돌함으로써, 기판(S) 상에 박막을 형성하거나, 기판(S) 또는 박막을 식각한다.
한편, 제 2 플라즈마 영역(P2)에서 생성된 공진 플라즈마는 반응 영역(R)으로 이동하던 중에 그 밀도가 감소할 수 있는데, 이를 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 생성된 용량성 플라즈마가 보상해 준다. 따라서, 공진 플라즈마의 밀도가 감소되어 공정 속도가 감소하는 것을 방지할 수 있으며, 종래에 비해 기판(S) 처리 공정 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다. 또한, 또한, 플라즈마 발생관(510)에서 생성되는 공진 플라즈마의 경우 이온 에너지 및 플라즈마 밀도가 높아, 상기 공진 플라즈마 만을 단독으로 사용할 경우 기판(S) 또는 기판(S) 상에 형성된 박막이 손상될 수 있다. 하지만, 실시예에서와 같이 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 공진 플라즈마에 비해 이온 에너지 및 플라즈마 밀도가 낮은 용량성 플라즈마를 함께 생성하여, 상기 공진 플라즈마와 용량성 플라즈마의 상호 작용에 의해 기판(S) 또는 박막이 손상되는 것을 방지한다. 따라서, 막질이 우수한 박막을 형성할 수 있다.
100: 챔버 200: 기판 지지 유닛
110a 내지 110c: 제 1 내지 제 3 절연 부재 310: 제 1 샤워헤드
320: 제 2 샤워헤드 510: 플라즈마 발생관
520: 안테나 600: 자기장 발생부

Claims (13)

  1. 내부 공간을 가지는 챔버;
    상기 챔버 내에 배치되며, 플라즈마 발생을 위한 전원이 인가되어, 내측 혹은 외측에 제 1 플라즈마 영역이 형성되도록 하는 샤워헤드;
    상기 샤워헤드를 관통하도록 설치되고, 내부에 제 2 플라즈마 영역이 형성되도록 하는 플라즈마 발생관; 및
    상기 플라즈마 발생관의 외주면을 둘러 싸도록 설치되며, 플라즈마 발생을 위한 전원이 인가되는 안테나를 포함하는 기판 처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 플라즈마 영역에서 용량성 플라즈마(CCP PLASMA)가 발생되고, 상기 제 2 플라즈마 영역에서 공진 플라즈마가 발생되는 기판 처리 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 샤워헤드는 상측에 위치하며 RF 전원이 인가되는 제 1 샤워헤드, 상기 제 1 샤워헤드의 하측으로 이격 배치되며 접지되는 제 2 샤워헤드를 포함하고,
    상기 제 1 플라즈마 영역은 상기 제 1 샤워헤드와 제 2 샤워헤드 사이의 영역인 기판 처리 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 플라즈마 발생관은 상기 제 1 및 제 2 샤워헤드를 상하 방향으로 관통하여, 상기 제 1 샤워헤드의 상측에서부터 상기 제 2 샤워헤드의 하부까지 연장 설치되는 기판 처리 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 플라즈마 발생관은 상기 제 1 샤워헤드를 상하 방향으로 관통하여, 상기 제 1 샤워헤드의 상측에서부터 상기 제 1 샤워헤드의 하부까지 연장 설치되는 기판 처리 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버의 내부 및 외부 중 적어도 어느 하나의 영역에 설치되어, 자기장을 발생시키는 자기장 발생부를 포함하는 기판 처리 장치.
  7. 청구항 7에 있어서,
    상기 챔버 내부에 배치되는 자기장 발생부는 상기 샤워헤드의 상측에 위치하는 기판 처리 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 발생관이 복수개로 마련되어 상호 이격 배치되고, 상기 플라즈마 발생관 사이에 자기장 발생부가 배치되는 기판 처리 장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 챔버 내벽 중 상기 샤워헤드, 플라즈마 발생관 및 자기장 발생부의 주위 영역에 절연 부재가 배치되고, 상기 샤워헤드 상부에 절연 부재가 배치되며, 상기 샤워헤드 상부에 장착된 절연 부재 상측에 자기장 발생부가 배치되는 기판 처리 장치.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 자기장 발생부로 전자석 코일을 이용하는 기판 처리 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 발생관은 절연 물질을 이용하여 제작되는 기판 처리 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버 내부에서 상기 샤워헤드의 하측에 배치되어 기판을 지지하며, 바이어스 전원이 인가되는 기판 처리 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 샤워헤드로 원료 가스를 공급하는 제 1 원료 공급 라인 및 상기 플라즈마 발생관 내부로 원료 가스를 공급하는 제 2 원료 공급 라인을 포함하는 기판 처리 장치.
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