KR100596085B1 - 챔버 내벽 보호 부재 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유리형 카본재의 재질 성상을 특정하여, 장시간에 걸쳐 안정 사용이 가능한 플라즈마 처리 장치의 챔버 내벽 보호 부재 및 그 보호 부재를 배치한 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 플라즈마 처리 장치의 챔버 내벽을 보호하는 중공 형상의 보호 부재로서, 체적 비저항이 1×10^-2 Ω·cm 이하, 열전도율이 5 W/m·K 이상의 특성을 갖는 유리형 카본재로부터 일체형 구조로 형성되어 이루어진 챔버 내벽 보호 부재이다. 보호 부재의 두께는 4 mm 이상이며, 그 내면의 평균 표면 거칠기(Ra)는 2.0 μm 이하인 것이 바람직하다. 플라즈마 처리 장치는 이들 재질 성상을 갖춘 챔버 내벽 보호 부재를 플라즈마 처리 장치의 챔버 내벽부를 따라 배치하고, 챔버 내벽부와 보호 부재를 전기적으로 도통하는 동시에 챔버가 접지되도록 구성되어 있다.

Description

챔버 내벽 보호 부재 및 플라즈마 처리 장치{PROTECTIVE MEMBER FOR INNER SURFACE OF CHAMBER AND PLASMA PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 IC나 LSI 등의 반도체 디바이스를 제조하는 공정에 있어서 이용되는 예컨대 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭 장치나 플라즈마 CVD 장치 등의 플라즈마 처리 장치의 챔버 내벽을 보호하는 챔버 내벽 보호 부재 및 그 보호 부재를 배치한 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

플라즈마 에칭 가공에 이용되는 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 처리 챔버내에 하부 전극 및 상부 전극을 소정의 간격으로 서로 대향하는 위치에 배치하고, CF₄, CHF₃, Ar, O₂ 등의 반응성 가스를 상부 전극의 작은 구멍으로부터 유출시켜 상부와 하부 전극 사이에 인가한 고주파 전력에 의해 플라즈마를 발생시킨다. 이 플라즈마에 의해 하부 전극 위에 얹어놓은 실리콘 웨이퍼 등의 에칭 가공을 행하는 것이다.

전극에는 알루미늄, 그래파이트, 유리형 카본, 실리콘 등이 이용되고, 또한, 플라즈마 처리 챔버의 내벽 부재에는 알루미늄이나 그 표면을 산화한 알루미나 등이 이용되고 있다.

그러나, 플라즈마 에칭 처리의 계속과 함께 플라즈마 처리 챔버의 내벽부가 화학적으로 침식되어 더스트를 발생하여 마모하고, 이것이 웨이퍼 표면에 부착하여 불량품이 되어 수율이 저하한다. 또한, 챔버 자체의 수명이 줄어든다고 하는 문제도 있다. 그래서, 플라즈마 처리 챔버의 내벽부에 보호 부재를 설치하여 내벽부의 플라즈마에 의한 마모를 억제하는 수단이 강구되고 있다.

예컨대, 일본 특허 공개 공보 평성 제9-275092호에는 처리 대상이 되는 기판이 저장되는 챔버와, 그 챔버의 내부를 배기하는 펌프와, 그 챔버의 내부에 도입되는 처리용 가스를 플라즈마화하여 그 기판에 조사하여 원하는 처리를 행하는 전극 수단을 구비한 플라즈마 처리 장치로서, 그 챔버의 내벽을 따라 소정의 공극을 통해 교환 가능하게 장착된 보호벽 부재와, 그 공극에 냉각용 가스를 도입하여 그 챔버내에 발생한 열에 기인하는 보호벽 부재의 표면 온도 상승을 억제하는 냉각 수단을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 개시되어 있다.

이 일본 특허 공개 공보 평성 제9-275092호는 플라즈마 처리 장치의 챔버 내부에 설치한 보호벽 부재의 냉각 구조에 관한 것으로, 보호벽 부재에 플라즈마화에 의해 생기는 C_xF_y로 표시되는 폴리머를 흡착시킴으로써 챔버내의 모든 장소에 이 폴리머가 부착하는 것을 방지한다. 이 보호벽 부재 자체는 용이하게 교환 가능하기 때문에 클리닝 작업의 능률이 향상하고, 또한, 보호벽 부재 표면의 플라즈마에 의한 온도 상승이 방지되기 때문에 프로세스의 안정화를 꾀할 수 있다.

또한, 일본 특허 공개 공보 평성 제9-289198호에는 플라즈마 발생용 전극이 배치된 플라즈마 처리실을 갖는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 플라즈마 처리실내의 상기 전극 이외의 플라즈마에 노출되는 부분 중 적어도 표면을 유리형 카본 으로써 형성한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치 및 2개의 플라즈마 발생용 전극이 배치되고, 이들 양전극 사이에 플라즈마 영역이 형성되는 플라즈마 처리실내에 상기 양전극의 양측방에 상기 플라즈마 영역을 덮도록 배치되는 플라즈마 처리 장치용 보호 부재에 있어서, 이 보호 부재의 적어도 상기 플라즈마 영역측 표면을 유리형 카본으로써 형성한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치용 보호 부재가 개시되어 있다.

즉, 일본 특허 공개 공보 평성 제9-289198호에 따르면 플라즈마에 노출되는 부분이 유리형 카본으로써 형성되어 있기 때문에, 플라즈마에 의한 침식, 손상이 적어지고, 긴 수명으로 파티클(더스트)의 발생도 적으며, 더스트에 의한 피처리물의 오염도 방지된다.

그러나, 유리형 카본재의 플라즈마 내성은 유리형 카본의 재질 성상(性狀)에 따라 다르기 때문에, 챔버 내벽 보호 부재로서 적합한 성능을 발휘하기 위해서는 적절한 재질 선정이 필요하다.

본 발명의 발명자들은 플라즈마 처리 장치의 챔버 내벽부를 보호하는 챔버 내벽 부재로서 적합한 유리형 카본재의 재질 성상에 대해서 예의(銳意) 연구를 진행시킨 결과, 플라즈마 내성이 우수하여 더스트의 발생이 적고, 또한, 안정된 플라즈마 상태를 형성 유지할 수 있는 유리형 카본재의 재질 성상을 발견하여 본 발명에 도달한 것이다.

즉, 본 발명의 목적은 유리형 카본재의 재질 성상을 특정함으로써 장시간에 걸쳐 안정 사용이 가능한 플라즈마 처리 장치의 챔버 내벽 보호 부재 및 그 보호 부재를 배치한 플라즈마 처리 장치를 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 챔버 내벽 보호 부재는 중공 형상의 보호 부재로서, 체적 비저항이 1×10^-2 Ω·cm 이하, 열전도율이 5 W/m·K 이상의 특성을 갖는 유리형 카본재로부터 일체형 구조로 형성되어 이루어지는 것을 구성상의 특징으로 한다. 바람직하게는 두께가 4 mm 이상이며, 또한, 중공 형상의 내면의 평균 표면 거칠기(Ra)가 2.0 μm 이하이다. 여기서 중공 형상이란, 통형상 이외에 이것에 필요한 구멍, 노치를 넣은 것도 포함된다. 또한, 원통 형상 이외에 각기둥을 중공 형상으로 한 것도 포함된다.

또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 처리 장치의 챔버 내벽부를 따라 체적 비저항이 1×10^-2 Ω·cm 이하, 열전도율이 5 W/m·K 이상의 특성을 가지며, 바람직하게는 두께가 4 mm 이상이고 또한 내면의 평균 표면 거칠기(Ra)가 2.0 μm 이하의 성상을 갖추는 유리형 카본재로부터 일체형 구조의 중공 형상으로 형성된 챔버 내벽 보호 부재를 배치하고, 챔버 내벽부와 보호 부재를 전기적으로 도통하는 동시에 챔버가 접지되어 이루어진 것을 구성상의 특징으로 한다.

도 1은 플라즈마 처리 장치를 도시한 도면.

도 2는 챔버 내벽 보호 부재를 저면에서 처리 챔버에 전기적 도통한 도면.

유리형 카본재는 거시적으로 구멍이 없는 조직인 3차원 메쉬 구조를 나타내고, 유리질의 치밀한 조직 구조를 갖는 특이한 경질 탄소 물질로 통상의 카본재에 비하여 화학적 안정성, 가스 불투과성, 내마모성, 표면 평활성 및 견뢰성(堅牢性) 등이 우수하며, 또한, 불순물이 적은 등의 특징을 갖는 특수한 탄소 물질이다.

본 발명은 이들 특징을 갖춘 유리형 카본재 중, 그 체적 비저항이 1×10^-2 Ω·cm 이하, 열전도율이 5 W/m·K 이상의 특성을 갖는 유리형 카본재를 일체 구조의 중공 형상으로 가공하여 챔버 내벽 보호 부재로 하는 것이다. 즉, 보호 부재의 제작은 중공 형상의 유리형 카본재에 대하여 측면에 웨이퍼 반출, 반입용 구멍과 모니터링용 구멍, 배기관의 노치 등을 설치하여 일체형 구조로 형성된다. 또, 보호 부재의 두께는 4 mm 이상, 중공 형상의 내면의 평균 표면 거칠기(Ra)는 2.0 μm 이하로 하는 것이 바람직하다.

체적 비저항이 1×10^-2 Ω·cm를 초과하면 챔버 내벽 보호 부재 내면의 전위가 접지 전위에 근접하기 어렵기 때문에 양호한 플라즈마의 형성이 곤란해진다. 또한, 열전도율이 5 W/m·K 미만의 경우에는 챔버 내벽 보호 부재의 내면의 온도를 제어하고 있는 처리 용기와의 온도차가 커지기 때문에 온도의 조절 제어에 장시간을 요하게 되고, 더욱이 온도 분포도 불균일화하기 때문에 안정된 플라즈마 형성이 곤란해진다. 또한, 구조가 일체형이 아니라 분할 구조형이면 보호 부재 내면의 전위가 불균일해져서 양호한 플라즈마 형성이 곤란해진다.

더욱이, 챔버 내벽 보호 부재는 그 두께가 4 mm 이상인 것이 바람직하다. 보호 부재의 두께가 얇아지면 환상 단면의 단면적이 작아져서 보호 부재를 챔버내에 배치한 상태에서의 상하 방향의 전기 저항이 커지기 때문에 챔버 내벽 보호 부재 내면의 상하 방향의 전위차가 비교적 커지고, 양호한 플라즈마의 형성이 어렵게 된다. 보다 바람직하게는 두께가 8 mm 이상이며, 내구성이 향상한다.

또한, 중공 형상의 보호 부재의 내면은 그 평균 표면 거칠기(Ra)가 2.0 μm 이하인 것이 바람직하다. 챔버 내벽 보호 부재의 내면은 플라즈마 처리중에 부식성 가스와 반응하여 약간씩 소모되지만, 평균 표면 거칠기(Ra)가 2.0 μm를 초과하면 소모 형태에 따라서는 챔버 내벽 보호 부재의 내면으로부터 입자로서 탈락할 가능성이 생기기 때문이다. 또, 웨이퍼 반출, 반입용 구멍, 모니터링용 구멍 및 배기관의 노치부의 표면도 플라즈마 처리 중에 소모되기 때문에, 평균 표면 거칠기(Ra)가 2.0 μm 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 플라즈마 처리 장치는 이들 재질 성상을 갖추는 유리형 카본재로 일체형 구조의 중공 형상으로 형성된 챔버 내벽 보호 부재를 플라즈마 처리 장치의 챔버 내벽부를 따라 배치하여 챔버 내벽부와 보호 부재를 전기적으로 도통하는 동시에 챔버가 접지되도록 구성되어 있다. 챔버 내벽부와 내벽 보호 부재가 전기적으로 도통되어 있지 않고, 또한, 접지도 되어 있지 않은 경우에는 플라즈마가 불안정화하기 때문에 안정되고 균일한 플라즈마 처리가 곤란해지기 때문이다. 또, 챔버 내벽 보호 부재를 챔버 내벽부에 전기적으로 도통시키기 위해서는 내벽 부재의 표면에 형성되어 있는 산화 알루미늄 층을 제거하여 알루미늄재에 직접 보호 부재의 저면을 접촉시킴으로써 행할 수 있다.

본 발명의 챔버 내벽 보호 부재를 형성하는 유리형 카본재는 다음과 같이 하여 제조할 수 있다. 우선, 재질의 고밀도화 및 고순도화를 꾀하기 위해서, 원료로서 미리 정제 처리한 탄소 잔류율이 적어도 40% 이상인 페놀계, 푸란계 또는 폴리이미드계 혹은 이들을 혼합한 열경화성 수지가 선택 사용된다. 이들 원료 수지는 통상, 분체나 액상을 나타내고 있기 때문에, 그 형태에 따라서 몰드 성형, 사출 성형, 주형 성형 등 적절한 성형법에 의해 중공 형상으로 성형한다. 성형체는 계속해서 대기중에서 100∼250℃의 온도로 경화 처리를 실시한 후, 계속해서 흑연 도가니에 채우거나 흑연판으로 끼운 상태로 질소, 아르곤 등의 비산화성 분위기로 유지된 전기로 혹은 리드 해머로에 채워 800℃ 이상의 온도로 가열함으로써 소성 탄화하여 유리형 카본재로 전화(轉化)시킨다.

소성 탄화한 유리형 카본재는 분위기 치환 가능한 진공로에 넣고, 염소가스 등의 할로겐계의 정제 가스를 흘리면서 1500℃ 이상의 온도로 가열 처리함으로써 고순도화 처리가 실시된다. 고순도화 처리된 유리형 카본재는 다이아몬드 등의 경질 툴을 이용하여 기계 가공하고, 또한, 그 내면을 연마 가공하여 본 발명의 챔버 내벽 보호 부재를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 대비하여 구체적으로 설명한다.

실시예 1∼3, 비교예 1∼3

액상의 페놀·포름알데히드 수지[스미토모 듀레즈(가부시키가이샤)에서 제조한 상품명 PR940]를 폴리프로필렌으로 제조된 성형 틀에 유입시켜, 10 Torr 이하의 감압하에서 3시간 탈기 처리한 후 80℃의 전기 오븐에 넣고, 3일간 방치하여 원통 형상의 성형체를 얻었다. 성형체를 틀에서 꺼낸 후, 100℃에서 3일간, 130℃에서 3일간, 160℃에서 3일간, 200℃에서 3일간, 가열 처리하여 경화하였다. 경화물을 질소 분위기로 유지된 전기로 내에서 승온 속도 3℃/hr, 가열 온도 1000℃에서 소성 탄화하였다. 계속해서, 분위기 치환 가능한 진공로에 의해 가열 온도를 바꾸어 고순도화 처리하였다.

이와 같이 하여 얻어진 특성이 다른 유리형 카본재를 다이아몬드 툴을 이용하여 기계 가공한 후, 내면을 연마 가공하여 표면 거칠기 및 두께가 다른 중공 형상의 챔버 내벽 보호 부재를 제작하였다.

이들 챔버 내벽 보호 부재(2)는 도 1에 도시된 플라즈마 처리 챔버(1)의 내벽을 따라 전기적으로 도통하록 접하게 배치된다. 그러나, 처리 챔버(1)는 표면이 산화 처리된 알루미늄으로 제조되어, 접지되어 있다. 따라서, 챔버 내벽 보호 부재(2)는 도 1의 P부를 확대한 도 2에 도시된 바와 같이 저면(101)에서만 처리 챔버와 전기적으로 도통이 이루어지도록, 저면(101)과 접촉하고 있는 부분의 처리 챔버의 표면상의 산화 알루미늄층을 박리시켰다. 또, 챔버 내벽 보호 부재(2)의 저면 돌출부는 표면이 산화 처리된 알루미늄 부재(102)로 고정되어 있다. 이에 따라 챔버 내벽 보호 부재(2)는 저면에서 충분히 전기적으로 도통되어 있다. 또한, 산화 처리된 알루미늄 부재(102)의 나사 위에는 플라즈마에 의한 부식을 막기 위해 나사 커버(103)가 설치되어 있다.

이 처리 챔버(1)내의 하부 전극(5) 위에 정전 척(4)을 통해 반도체 웨이퍼(3)를 지지한다. 하부 전극(5)에는 고주파 전원(예컨대 800 kHz: 11)을 접속하고 있다. 하부 전극(5)은 절연체(6)를 통해 처리 챔버(1) 저면에 배치된다. 상부 전극(7)은 도체부(8)와 전기적으로 도통하고 있고, 도체부(8)에는 고주파 전원(예컨대 27.12 MHz: 12)을 접속하고 있다. 도체부(8)와 처리 챔버(1)는 절연체(9)를 통해 배치된다.

상부 전극(7)의 상측으로부터 처리 가스로서 C₄F₈과 O₂와 Ar을 챔버(1)내로 도입하고, 상부 전극과 하부 전극의 2개의 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 생성시켜 웨이퍼(3)의 SiO₂막을 에칭 처리하였다. 100장의 웨이퍼를 에칭 처리했을 때의 더스트수와 면내 균일도를 측정하였다. 이 결과를 표 1에 나타낸다. 또, 면내 균일도는 웨이퍼의 중심부와 단부의 에칭의 균일성을 나타내는 지표이고, 웨이퍼 중심부의 에칭율을 A, 웨이퍼 단부의 에칭율을 B라고 할 때, 하기 식에 의해 산출되는 값이다. 이것은 웨이퍼 중심부 및 단부의 에칭율과 이들 평균 에칭율의 차가 평균 에칭율의 몇%인지를 나타내고 있다. 따라서, 이 값에서 ±를 취한 수치가 클수록 불균일하며, 작을수록 균일한 것을 나타내고 있다. 본 측정에서는 웨이퍼 직경이 200 mm인 것을 이용하였다.

±×100 (％)

예 NO.		고순도처리온도 (℃)	체적비저항 (10-2Ω·cm)	열전도율 (W/m·K)	두께 (㎜)	평균표면거칠기 Ra(㎛)	더스트 발생수 (개)	면내 균일도 (±％)
실 시 예	1 2 3	2500 2200 1800	0.38 0.45 0.65	10.0 8.0 7.5	4.5 5.0 5.0	1.2 0.5 0.15	9 7 4	1.8 2.1 2.8
비 교 예	1 2 3	1200 1600 1700	1.85 1.15 1.05	3.5 4.0 4.5	5.0 3.0 5.0	0.9 0.7 7.8	8 10 102	4.2 4.4 3.6

표 1로부터, 본 발명의 재질 성상을 갖춘 유리형 카본재로 형성한 실시예의 챔버 내벽 보호 부재는 비교예에 비하여 더스트 발생수가 적고, 또한, 면내에서의 에칭 균일성도 있었다. 또, 챔버 내벽 보호 부재를 각진 형태의 통형상으로 하면 LCD 에칭 장치에도 적용이 가능하다. 또한, 본 실시예에서는 상하 양전극에 고주파 전력을 인가했지만, 상부 전극에만 고주파 전력을 인가하여 하부 전극과 챔버를 접지하는 장치, 혹은 하부 전극에만 고주파 전력을 인가하여 상부 전극과 챔버를 접지하는 장치에 적용하는 것도 가능하다.

이상과 같이, 본 발명의 재질 성상을 특정한 유리형 카본재에 의해 형성한 챔버 내벽 보호 부재 및 그것을 배치한 플라즈마 처리 장치에 따르면, 플라즈마 내성이 우수하고, 장시간, 안정되게 플라즈마 처리하는 것이 가능해진다.

Claims (5)

1. 플라즈마 처리 장치의 챔버 내벽을 보호하는 중공 형상의 보호 부재로서, 체적 비저항이 1×10^-2 Ω·cm 이하, 열전도율이 5 W/m·K 이상의 특성을 갖는 유리형 카본재로부터 일체형 구조로 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 챔버 내벽 보호 부재.
2. 제1항에 있어서, 보호 부재의 두께가 4 mm 이상인 것을 특징으로 하는 챔버 내벽 보호 부재.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 내면의 평균 표면 거칠기(Ra)가 2.0 μm 이하인 것을 특징으로 하는 챔버 내벽 보호 부재.
4. 플라즈마 처리 장치의 챔버 내벽부를 따라 청구항 제1항 또는 제2항에 기재된 챔버 내벽 보호 부재를 배치하고, 챔버 내벽부와 보호 부재를 전기적으로 도통하는 동시에 챔버가 접지되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
5. 제4항에 있어서, 챔버 내벽부와 보호 부재를 보호 부재의 저면에서 전기적으로 도통하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.

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