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KR20060073737A - 플라즈마 장치 - Google Patents

플라즈마 장치 Download PDF

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KR20060073737A
KR20060073737A KR1020040112123A KR20040112123A KR20060073737A KR 20060073737 A KR20060073737 A KR 20060073737A KR 1020040112123 A KR1020040112123 A KR 1020040112123A KR 20040112123 A KR20040112123 A KR 20040112123A KR 20060073737 A KR20060073737 A KR 20060073737A
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KR
South Korea
Prior art keywords
conductive plate
coil
reaction space
plasma
lower electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
KR1020040112123A
Other languages
English (en)
Inventor
최희환
김상갑
오민석
진홍기
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020040112123A priority Critical patent/KR20060073737A/ko
Priority to TW094140315A priority patent/TWI298005B/zh
Priority to CNB2005101294287A priority patent/CN100414673C/zh
Priority to US11/298,107 priority patent/US20060137611A1/en
Priority to JP2005372806A priority patent/JP4587951B2/ja
Publication of KR20060073737A publication Critical patent/KR20060073737A/ko
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Abstract

본 발명은 플라즈마 장치에 관한 것으로서, 처리대상 기판이 위치하며 플라즈마가 형성되는 반응 공간을 가지는 공정챔버와, 상기 반응공간의 외부에 위치하는 코일과, 상기 코일에 고주파 교류를 인가하는 전원부와, 상기 코일과 상기 반응공간 사이에 위치하며, 상기 코일에 인가되는 고주파 교류에 의해 유도전류가 생성되는 도전판을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여 반응공간 내에 플라즈마가 균일하게 형성되며 수명이 향상된 플라즈마 장치가 제공된다.

Description

플라즈마 장치{PLASMA APPARATUS}
도 1은 본발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 장치의 사시도이고,
도 2는 본발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 장치의 단면도이고,
도 3는 도전판에 형성되는 유도전류를 설명하기 위한 개념도이고,
도 4는 도전판의 두께에 따른 유도전류의 강도 변화를 설명하기 위한 개념도이고,
도 5는 본발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 장치의 사시도이고,
도 6은 도 5의 'A'부분의 확대 단면도이다.
* 도면의 주요부분의 부호에 대한 설명 *
11 : 공정챔버 12 : 반응공간
13 : 유입구 14 : 유출구
21 : 도전판 22 : 전원부
23 : 임피던스 정합 유닛 31 : 도전판
41 : 절연부 51 : 하부전극
52 : 하부 전원부 53 : 하부 임피던스 정합회로
61 : 처리대상 기판
본 발명은, 플라즈마 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는 반도체, 평판디스플레이(flat panel display), 인쇄회로기판(printed circuit board) 및 다른 박막 가공 공정에 사용되는 플라즈마 식각(plasma etching), 물리적 또는 화학적 증기 증착(PVD, CVD) 그리고 포토레지스트-스트리핑(photo-resist stripping) 등에 사용되는 플라즈마 장치에 관한 것이다.
플라즈마 장치는 플라즈마 식각, 물리적 또는 화학적 증기 증착 그리고 포토레지스트 스트리핑 및 기타 표면처리를 통한 다양한 박막제조를 위하여 넓은 영역에서 균일한 플라즈마를 필요로 한다.
플라즈마는 생성 원리에 따라 용량결합형 플라즈마(capacitive coupled plasma, CCP)와 유도결합형 플라즈마(induced coupled plasma, ICP)로 나눌 수 있다. 이 중 코일에 고주파(radio frequency) 전원을 인가하여 유도된 전기장(electric field)을 이용하는 유도결합형 플라즈마는 고밀도 플라즈마를 얻을 수 있는 장점이 있다.
유도결합형 플라즈마를 사용하는 종래의 플라즈마 장치는, 반응공간을 형성하는 공정챔버, 반응공간 외부에 위치하는 코일 및 전원부 그리고 반응공간과 코일 사이에 위치하는 유전판(dielectric plate)을 포함한다. 여기서 유전판은 통상 쿼츠(quartz)나 세라믹(ceramic)으로 이루어져 있다.
전원부를 통해 코일에 고주파 전원이 인가되면 유전판을 통해 전기장이 반 응공간 내의 기체에 인가된다. 플라즈마 생성에 기여하는 전기장은 시간에 따라 변하는 자기장에 의하여 유도되는 전기장(inductive electric field)과 전하에 의해 생기는 정전기 유도에 의해 유도되는 전기장으로 나눌 수 있다. 그리고 이 중에서 시간에 따라 변하는 자기장에 의하여 유도되는 전장이 더 높은 플라즈마를 형성하는 것으로 알려져 있다.
그런데 플라즈마 공정이 장시간 진행되면, 반응공간을 향하는 유전판의 표면 중 코일에 대응하는 위치에 폴리머가 침적되거나 식각되는 문제가 발생한다. 유전판의 표면에 침적된 폴리머는 처리대상 기판 등의 표면에 떨어져 불량을 유발한다. 또한 이로 인해 유전판의 수명이 단축되어 유전판을 자주 교체해 주어야 하는 문제가 있다. 유전판의 특정 부분에 폴리머가 침적되고 식각이 일어나는 것은 반응공간 내에, 특히 유전판 부근에 인가되는 전기장이 불균일하기 때문이다.
따라서 본 발명의 목적은, 반응공간 내에 플라즈마가 균일하게 형성되며 수명이 향상된 플라즈마 장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적은, 플라즈마 장치에 있어서, 처리대상 기판이 위치하며 플라즈마가 형성되는 반응 공간을 가지는 공정챔버와, 상기 반응공간의 외부에 위치하는 코일과, 상기 코일에 고주파 전원을 인가하는 전원부와, 상기 코일과 상기 반응공간 사이에 위치하며, 상기 코일에 인가되는 고주파 전원에 의해 유도전류가 생성되는 도전판을 포함하는 것에 의하여 달성된다.
상기 전원부가 상기 코일에 인가하는 고주파 전원의 주파수는 1MHz이하인 것이 바람직하다.
상기 전원부가 상기 코일에 인가하는 고주파 전원의 주파수는 500KHz이하인 것이 바람직하다.
상기 도전판은 상기 반응공간의 상부 전면에 걸쳐 있는 것이 바람직하다.
상기 도전판의 둘레와 상기 반응공간 사이에는 절연부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 절연부는 세라믹 물질로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 도전판의 크기는 약 1m×1m보다 큰 것이 바람직하다.
상기 도전판의 두께는 약 3cm이하인 것이 바람직하다.
상기 도전판은 알루미늄, 철, 구리, 은, 니켈로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하여 형성된 것이 바람직하다.
상기 반응공간 내에 마련되어 있는 판형상의 하부전극과, 상기 하부전극에 고주파 전원를 인가하는 하부전극 전원부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 하부전극은 판형상이며, 상기 도전판과 상기 하부전극은 평행하게 배치되어 있는 것이 바람직하다.
상기 처리대상 기판은 상기 하부전극에 안착되는 것이 바람직하다.
상기 처리대상 기판은 액정표시장치용 기판인 것이 바람직하다.
상기 코일은 상기 도전판 전면에 걸쳐 위치하고 있는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본발명을 더욱 상세히 설명하겠다.
도 1 및 도 2는 각 본발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 장치의 사시도와 단면도이다.
플라즈마 장치(1)는 공정챔버(11), 코일(21), 도전판(31) 등을 포함한다.
공정챔버(11)는 대략 직육면체 형상이며 플라즈마가 생성되는 반응공간(reaction space, 12)을 형성하고 있다. 공정챔버(11)의 상부 영역에는 소스가스가 유입되는 유입구(inlet, 13)가 설치되어 있다. 소스가스는 처리 목적이 식각일 경우SF6, 염소(Cl2), 염산(HCl), CF4, 산소, 질소, 헬륨, 아르곤 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 처리 목적이 증착일 경우 SiH4, 메탄(CH4), 암모늄(NH3), 질소 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 유입구(13)는 실시예와 달리 반응공간(12)의 상부, 즉, 도전판(31)에 마련될 수도 있다. 또한 반응공간(12)에 소스가스를 균일하게 공급하기 위해 복수로 마련될 수도 있다. 공정챔버(11)의 하부 영역에는 반응을 마친 소스가스, 식각 부산물 등이 반응공간(12) 외부로 유출되는 유출구(outlet, 14)가 형성되어 있다. 유출구(14)의 위치 및 개수 역시 다양하게 변형될 수 있다. 도시하지는 않았지만 유출구(14)는 진공펌프와 연결되어 있는 것이 바람직하다. 진공펌프는 반응을 마친 소스가스 및 식각 부산물이 반응공간(12) 외부로 효율적으로 유출되도록 하며, 반응공간(12)의 진공도를 적절히 유지하는 역할을 한다.
반응공간(12)의 외부에는 코일(21)이 위치하고 있다. 코일(21)은 반응공간(12)의 상부 전면에 걸쳐 있다. 코일(21)은 고주파 전원(RF power)을 인가 하는 전원부(22)에 연결되어 있다. 코일(21)과 전원부(22) 사이에는 임피던스 매칭 유닛(impedence matching unit, 23)이 마련되어 있다.
반응공간(12)과 코일(21)의 사이에는 도전판(conducting plate, 31)이 위치하고 있다. 즉 도전판(31)에 의해 반응공간(12)과 코일(21)은 서로 분리되어 있는 것이다. 코일(21)과 도전판(31)은 서로 평행하게 그리고 소정의 간격을 두고 배치되어 있다. 도전판(31)은 금속판으로 마련될 수 있으며, 알루미늄, 철, 구리, 은, 니켈로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하여 형성된 것이 바람직하다. 도전판(31)은 직사각형의 판으로서 두께(d1)는 3cm이하인 것이 바람직하다. 도전판(31)의 두께가 3cm이상이면 도전판(31)에 형성되는 유도전류(induced current)가 반응공간(12)에 적절히 인가되지 않는 문제가 있는데, 이에 대한 자세한 내용은 후술하겠다. 도전판(31)의 길이(L1)와 폭은 모두 1m이상인 것이 바람직하다. 이는 처리 대상인 기판(61)의 크기가 점차 대형화되기 때문이다.
공정챔버(11)와 도전판(31) 사이에는 절연부(41)가 마련되어 있다. 절연부(41)는 사각 띠 형상으로 세라믹 등의 절연물질로 이루어져 있다. 절연부(41)에 의해 공정챔버(11)와 도전판(31)은 전기적으로 분리된다. 도전판(31)은 코일(21)과도 전기적으로 연결되어 있지 않기 때문에 플로팅(floating)되어 있는 상태이다. 여기서, 도전판(31)과 절연부(41)의 연결, 공정챔버(11)와 절연부(41)의 연결은 반응공간(12)이 일정 수준의 진공이 유지될 수 있도록 밀폐되어 있어야 한다.
반응공간(12)의 하부에는 하부전극(lower electrode, 51)이 마련되어 있다. 하부전극(51)은 판 형상으로 도전판(31)과 평행하게 배치되어 있으며, 알루미늄으로 만들어질 수 있다. 하부전극(51) 상에는 처리대상 기판(61)이 안착되므로, 하부전극(51)은 처리대상 기판(61)의 크기보다 큰 것이 바람직하다. 하부전극(51)은 고주파 전원을 인가하는 하부 전원부(52)에 연결되어 있으며, 하부전극(51)과 하부 전원부(52) 사이에는 하부 임피던스 매칭 유닛(53)이 마련되어 있다. 하부전극(51)에는 고주파 전원이 인가되면 반응공간(12) 내에 플라즈마가 더욱 균일하게 형성된다.
하부전극(51)에는 처리대상 기판(61)이 안착되어 있다. 처리대상 기판(61)은 반도체 웨이퍼, 액정표시장치의 박막트랜지스터 기판, 액정표시장치의 컬러필터 기판일 수 있다. 본발명에 따르면 큰 반응공간(12)에서도 균일한 플라즈마를 얻을 수 있으므로, 점차 대형화되는 액정표시장치의 박막트랜지스터 기판과 컬러필터 기판도 용이하게 처리할 수 있다.
이하에서는 제1실시예에 따른 플라즈마 장치(1)에서 반응공간(12)에 전기장이 인가되는 원리를 도 3을 참조하여 설명하겠다.
전원부(22)가 코일(21)에 고주파 전원을 인가하면 코일(21)에는 전류가, 예를 들어 도 2와 같이 반시계방향으로 흐르게 되며 코일(21)의 전류에 의해 하부에 위치한 도전판(31)을 관통하는 자기장(magnetic field)이 발생한다. 이 때 코일(21)의 하부에 위치한 도전판(31)에는 코일(21)과 반대, 즉 시계방향으로의 유도전류(induced current)가 생성된다.
유도전류가 발생하는 원인은 다음과 같다. 교류가 흐르는 코일(21)에 도체 를 가까이 하면 코일(21) 주위에서 발생한 자기장이 도체에 작용하게 된다. 이 때 도체에는 도체를 관통하는 자속의 변화를 방해하려는 기전력이 생긴다. 이러한 현상을 전자기 유도(electromagnetic induction)라 하며, 이 기전력에 의해 도체에 형성된 전류를 유도전류 또는 와전류(eddy current)라 한다.
이와 같이 도전판(31)에 발생한 유도전류의 전기장이 다시 반응공간(12)에 인가되어 플라즈마를 생성하는 것이다. 종래의 유전판의 경우 전하(electro charge)에 의해 생기는 정전기 유도에 의한 전기장 성분은 위치별로 달라, 폴리머 증착, 식각, 플라즈마 비균일 등의 문제가 발생하였다. 반면 본발명에 따른 도전판(31)의 경우 전체적으로 등전위를 형성하기 때문에 국부적으로 폴리머가 증착되거나 식각되는 문제가 발생하지 않는다. 또한 이에 따라 반응공간(12) 내의 플라즈마 밀도가 균일해져 처리대상 기판(61) 처리가 용이해진다.
이하에서는 도 4를 참조하여 적절한 밀도의 플라즈마 형성을 위한 도전판(31)의 조건에 대하여 설명하겠다.
도 4를 보면, 도전판(31)의 두께에 따라 유도전류의 강도가 약해지는 것을 알 수 있다. 즉 도전판(31) 내에서, 유도전류는 코일(21)과 인접한 부분이 가장 강하고 반응공간(12)을 향할수록 점차 약해진다.
표면에서의 유도전류가 1/e(e=2.718..)로 감쇄하는 깊이인 스킵 깊이(skip depth, δ는,
Figure 112004061294448-PAT00001
의 관계를 갖는다. 여기서, ω는 각 주파수(angular frequency)로서 2πf(f는 고주파 전원의 주파수), μ는 도전판(31)의 투자율(magnetic permeability), σ은 도전판(31)의 전기 전도도(electric conductivity)이다.
따라서 스킵 깊이를 크게 위해서는, 즉 유도 전류의 강도가 일정비율로 줄어드는 도전체 두께를 늘리려면 고주파 전원의 주파수를 줄이거나, 도전판(31)을 투자율과 전기 전도도가 큰 물질로 제조하면 된다. 고주파 전원의 주파수, 투자율 그리고 전기 전도도 중 스킵 깊이에 가장 큰 영향을 주는 것은 고주파 전원의 주파수이다. 통상 플라즈마 형성을 위한 고주파 전원의 주파수는 13.56MHz인데 반하여, 제1실시예에서 사용하는 고주파 전원의 주파수는 바람직하게는 1MHz 이하이고 더 바람직하게는 500MHz 이하이다.
스킵 깊이를 크게 하는 방법과 별도로 도전판(31)의 두께를 얇게 하면 반응공간(12)에 인가되는 전기장의 강도를 크게 할 수 있다. 이에 따라 도전판(31)의 두께는 3cm이하인 것이 바람직하다.
여기서 도전판(31)의 두께나 재질은 유도 전류의 크기 뿐만 아니라 도전판(31)의 크기와 형태도 고려하여 결정하는 것이 바람직하다.
제1실시예에 따른 플라즈마 장치(1)는 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어 공정챔버(11)의 형태는 육면체에 한정되지 않으며 원기둥 형상일 수 있다. 이 경우, 코일(21)과 도전판(31) 그리고 절연부(41)도 공정챔버(11)의 형상을 따라 변형된다.
이하 도 5와 도 6을 참조하여 본발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 장치를 설명하겠다. 제1실시에와 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여하였으며, 중복된 설명은 생략한다.
도 5는 본발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 장치의 사시도이고 도 6은 도 5의 'A'부분의 확대 단면도이다.
제2 실시예에 따른 플라즈마 장치(1)에는 코일(21) 상부에 도전판(31)을 지지하며 서로 평행한 한 쌍의 지지부재(70)가 마련되어 있다.
지지부재(70)는 공정챔버(11)의 측벽에 스크류 고정되어 있는 한 쌍의 고정부(71)와, 한 쌍의 고정부(71)를 서로 연결하며 도전판(31)을 가로지르는 지지바(72)를 포함한다. 고정부(71)와 지지바(72)는 일체로 마련되는 것이 바람직하며, 강도가 큰 금속으로 마련되는 것이 바람직하다. 도전판(31)을 향한 지지바(72) 면에는 일정 간격으로 링 고정부(73)가 돌출되어 마련되어 있다. 각 링고정부(73)에는 링(74)이 결합되어 있다.
각 링고정부(73)에 대응하는 위치의 도전판(31)에는 고리(32)가 형성되어 있다. 고리(32)는 도전판(31)에 용접 등의 방법으로 고정될 수 있다.
지지부재(70)의 링(74)은 지지부재(70)의 링고정부(73)와 도전판(31)의 고리(32)에 각각 결합되어 지지부재(70)가 도전판(31)을 지지할 수 있도록 한다.
처리대상 기판(61)의 크기가 커지면, 도전판(31) 역시 커져야 한다. 도전판(31)의 둘레는 공정챔버(11)에 고정되어 있는 절연부(41)에 의해 지지되지만, 도전판(31)의 중앙 부분은 지지되지 않아 반응공간(12) 쪽으로 휘어질 우려가 있다. 특히 적절한 유도전류 강도를 유지하기 위해 도전판(31)의 두께를 얇게 유지해야 하며, 반응공간(12)에 진공이 걸리기 때문에 도전판(31)의 휘어짐은 더욱 심각해질 수 있다.
제2실시예의 지지부재(70)는 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로 도전판(31)이 평행을 유지하도록 한다. 지지부재(70)는 코일(21)의 상부에 위치하기 때문에 코일(21)과 도전판(31)의 간격이 증가하지 않아, 도전판(31)에 생성되는 유도전류의 강도에는 실질적 변화가 없다.
제2실시예에 따른 지지부재(70)는 다양하게 변형이 가능하다. 예를 들어, 지지부재(70)의 개수, 설치방향은 필요에 따라 변형될 수 있다. 또한 지지부재(70) 자체의 휨을 방지하기 위하여 지지바(72)를 서로 연결하거나 지지바(72)의 가운데 부분을 별도로 지지하는 구성을 추가하는 것도 가능하다.
이상과 같이, 본발명에서는 반응공간(12)과 코일(21) 사이에 도전판(31)을 설치하여 플라즈마를 균일하게 형성하고 플라즈마 장치(1)의 수명을 증가시켰다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 반응공간 내에 플라즈마가 균일하게 형성되며 수명이 향상된 플라즈마 장치가 제공된다.

Claims (14)

  1. 처리대상 기판이 위치하며 플라즈마가 형성되는 반응 공간을 가지는 공정챔버와;
    상기 반응공간의 외부에 위치하는 코일과;
    상기 코일에 고주파 전원을 인가하는 전원부와;
    상기 코일과 상기 반응공간 사이에 위치하며, 상기 코일에 인가되는 고주파 전원에 의해 유도전류가 생성되는 도전판을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전원부가 상기 코일에 인가하는 고주파 전원의 주파수는 1MHz이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전원부가 상기 코일에 인가하는 고주파 전원의 주파수는 500KHz이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 도전판은 상기 반응공간의 상부 전면에 걸쳐 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 도전판의 둘레와 상기 반응공간 사이에는 절연부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 절연부는 세라믹 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 도전판의 크기는 약 1m×1m보다 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 도전판의 두께는 약 3cm이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 도전판은 알루미늄, 철, 구리, 은, 니켈로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 반응공간 내에 마련되어 있는 판형상의 하부전극과;
    상기 하부전극에 고주파 전원를 인가하는 하부전극 전원부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 하부전극은 판형상이며,
    상기 도전판과 상기 하부전극은 평행하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 처리대상 기판은 상기 하부전극에 안착되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 처리대상 기판은 액정표시장치용 기판인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 코일은 상기 도전판 전면에 걸쳐 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
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