KR101016810B1 - 플라즈마 표면처리 장치 - Google Patents

Abstract

공정 챔버 내로 플라즈마 형성용 가스를 공급하는 라인과 연결된 기체 주입공이 다수 형성된 전극과, 전극에 대향되도록 장착된 기판을 음극으로 대전시킬 수 있는 척을 구비하여 이루어지는 플라즈마 표면처리 장치에 있어서, 전극과 기판 사이에 중간 전극이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면처리 장치가 개시된다.

따라서, 공급된 가스량 대비 플라즈마에 의한 표면처리 효과를 극대화할 수 있고, 비반응 가스가 전극부에 퇴적되어 전극부 절연 현상이 발생하는 것을 방지하여 공정 챔버 내의 방전의 안정성 및 기판 처리를 위한 이온 집속의 효과를 높일 수 있다.

Description

플라즈마 표면처리 장치 {Apparatus for surface treatment using plasma}

도1은 종래의 플라즈마 표면처리를 수행할 수 있는 플라즈마 처리 장치의 일 예에서 기판이 장착된 척과 전극부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도2는 본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치의 일 실시예에서 기판이 장착된 척과 전극부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 공정 챔버 20: 척

30: 기판 40: 전극

50: 가스 주입구 60: 쉴드

70: 절연체 80: 가스 공급 라인

110: 중간 전극

본 발명은 박막 형성 공정의 전처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막 형성 전 플라즈마를 이용한 표면처리에 사용되는 장치에 관한 것이다.

플라즈마 분위기는 화학기상증착이나 에칭, 표면처리 등의 박막 관련 분야에 서 다양하게 사용되고 있다. 이는 플라즈마 상태가 이들 공정에서 반응의 효율성을 높이고, 유리한 조건 하에서 공정을 수행할 수 있도록 해주는 장점을 가지기 때문이다.

플라즈마가 이용되는 목적에 따라 플라즈마의 형성 방법도 다양하고 이에 따른 플라즈마 형성 장치도 다양하게 개발되고 있다. 최근에는 반도체 제조공정 등에서 공정 효율을 더욱 높일 수 있는 고밀도 플라즈마를 사용하는 플라즈마 처리장치를 이용하는 경우가 증가하고 있다. 고밀도 플라즈마 처리장치로는 공진주파수의 마이크로파를 이용하는 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마 처리장치, 헬리콘(helicon) 또는 휘슬러파(whistler wave)를 이용하는 헬리콘 플라즈마 처리장치 및 고온 저압의 플라즈마를 이용하는 유도결합형(inductively coupled) 플라즈마 처리장치 등이 있다.

도1은 종래의 플라즈마 표면처리를 수행할 수 있는 플라즈마 처리 장치의 일 예에서 기판이 장착된 척과 전극부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도1에 따르면, 전극(40)은 하부에 설치되고 전극 측부 및 전극 상부 주연부는 쉴드(shield:60)로 둘러싸여 있다. 전극의 하부는 절연체(70)이고 외부 가스 라인(80)과 연결되며, 전극(40)에는 다수의 가스 주입구(50)가 형성되어 있다. 전극(40)의 상부에는 기판(30)이 척(20)에 고정되어 전극(40)과 대향하고 있다. 기판(30)이 고정된 척(20)에는 음극이 연결되어 기판(30)이 음으로 대전된 상태를 이루고 있다.

전극(40)의 가스 주입구(50)를 통해 활성이 적은 질소, 불활성 기체, 혹은 반응성 기체가 주입되면 전극부에서 발생된 전자가 가스와 충돌하여 불활성기체의 양이온이나 반응성 기체 라디칼을 형성할 수 있다. 이들은 전자와 함께 플라즈마를 형성하게 된다. 기판(30)이 음으로 대전된 경우 양이온은 정전력에 의해 기판(30)으로 가속되며 플라즈마를 통한 전류 흐름이 이루어진다. 이때 양이온이 기판(30)에 부딪쳐 기판(30)을 식각하거나 식각은 아니라도 표면을 개질시키는 역할을 할 수 있다.

이런 표면처리적 효과로 인하여 반도체 박막 등 기판에 화학기상증착으로 박막을 형성하는 공정에서 하지막과 형성막 사이의 부착력을 높이기 위해 플라즈마 표면처리가 전처리 공정으로 개재되는 경우가 많다.

불활성 및 반응성 기체의 이온화작용은 비평형 글로우 방전(abnormal glow discharge) 영역에서 주로 이루어지며, 이렇게 표면처리용 플라즈마 형성 방법 가운데 현재 많이 적용되는 이극관법에서는 금속재를 이용하여 전극부를 형성한 후 공정 챔버와 전극을 절연시킨 상태로 전극부에 전원을 인가함으로써 전극부 표면에서 전자를 방출시키는 방법을 사용한다.

이런 방법을 사용하는 경우, 공정 챔버 내부의 가스 압력이나 전력 공급량에 의해 전자 및 이온의 발생량이 결정되는 것이지만 가스의 공급량이 일정 이상으로 많을 경우, 이온화된 입자들 사이에 서로 척력이 작용하고 기체분산효과에 의해 챔버 내부의 가스 압력 조건이나 전력 공급량에 비례하는 플라즈마 발생 및 작용의 효과를 거둘 수 없다는 문제가 있다.

또한, 이온화가 이루어지지 않은 기체들이 전극 주변에 퇴적되어 전극부의 절연으로 부도체화가 발생하여 안정적인 전류 흐름 및 플라즈마 발생과 이에 의한 표면처리가 이루어지기 어렵다는 문제도 있다.

따라서, 본 발명은 플라즈마 표면 처리의 효율을 높일 수 있도록, 공정 챔버 내부의 가스 압력이 높은 상황에서도 그에 비례하는 플라즈마 발생 및 작용의 효과를 거둘 수 있는 구성을 가지는 플라즈마 표면처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 공정 챔버 내부로의 가스 공급을 늘리는 경우에도 플라즈마 계속 형성과 표면처리를 위한 방전의 안정성을 높게 유지할 수 있도록 하는 플라즈마 표면처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 표면처리 장치는,

공정 챔버 내로 플라즈마 형성용 가스를 공급하는 라인과 연결된 기체 주입공이 다수 형성된 전극과, 전극에 대향되도록 장착된 기판을 음극으로 대전시킬 수 있는 척을 구비하여 이루어지는 플라즈마 표면처리 장치에 있어서, 전극과 기판 사이에 중간 전극이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 중간 전극은 통상 음극으로 대전되지만 양극이 인가되어 플라즈마 형성 및 밀도를 조절하도록 구성될 수 있다.

본 발명에서 중간 전극은 2개 이상 복수개로 설치될 수도 있다.

본 발명에서 중간 전극은 메쉬 혹은 그리드 형태로 이루어져 그 사이를 통해 이온의 유동이 원활하도록 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에서 전극의 주연부는 쉴드로 둘러싸여 발생되는 플라즈마가 집중되고 플라즈마 효율을 높일 수 있도록 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에서 전극에 형성되는 가스 주입구는 에어 샤워 형태로 다수가 전극의 전면(全面)에 고르게 분포되는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 일 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도2는 본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치의 일 실시예에서 기판이 장착된 척과 전극부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도2에 따르면, 도1에서와 같이 전극(40)은 하부에 설치되고 전극 측부 및 상부 주연부는 쉴드(shield:60)로 둘러싸여 있다. 쉴드(60)는 전극 상부에서 발생되는 플라즈마가 전극 전방에 집중되고 플라즈마 효율을 높일 수 있도록 이루어진다. 전극(40)의 하부는 절연체(70)로 이루어지며, 외부 가스 라인(80)과 연결되어 전극(40)에 형성된 다수의 가스 주입구(50)로 가스를 분배하도록 이루어진다. 전극(40)에 형성되는 가스 주입구(50)는 에어 샤워 형태로 가스 주입구 다수가 전극의 전면(全面)에 고르게 분포되도록 한다.

전극(40)의 상부에는 전극과 대향하도록 척이 형성되고 척(20)에는 기판(30)이 장착된다. 척(20)에는 음전압이 연결되어 척(20)에 고정되는 기판(30)은 음극으로 대전된 상태가 된다. 반드시 척(20)에 전압이 걸릴 필요는 없으며 척(20)도 유전체이고 척(20)의 위쪽에 기판(30)을 사이에 두고 전극(40)과 대향하는 다른 음으 로 바이어스된 전극이 존재할 수도 있다.

그리고, 본 발명에서는 기판(30)과 전극(40) 사이에 중간 전극(110)이 더 형성된다. 본 실시예에서 중간 전극(110)은 음극으로 대전되지만 구성에 따라 양극이 인가되어 플라즈마 형성 및 밀도를 조절할 수도 있다. 발생된 양이온을 기판(30) 쪽으로 집속시키기 위해서는 중간 전극(110)은 음극성을 띄고 양이온들이 기판(30)쪽으로 이동할 수 있도록 메쉬(mesh) 혹은 그리드(grid) 형태로 이루어져 그 사이를 통해 이온의 유동이 원활하게 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 이온과 전자의 흐름을 조절하기 위해서 특히 양이온의 챔버 내에서의 집속도를 조절하기 위해 중간 전극(110)은 극성뿐 아니라 도시된 화살표 방향으로 전극(40)과 기판(30) 사이의 상대적 거리도 조절할 수 있도록 한다.

본 실시예에서의 작용을 살펴보면, 전극 사이의 가스 주입구(50)를 통해 불활성 기체 혹은 반응성 기체가 주입되면 전극(40)에서 발생된 전자가 가스와 충돌하여 불활성기체의 양이온이나 반응성 기체 라디칼을 형성한다. 기판(30)이 음으로 대전되어 양이온은 정전력에 의해 기판(30)으로 가속되며, 기판(30)에 부딪쳐 기판(30)의 표면을 개질시키는 역할을 한다.

한편, 기판(30)과 전극(40) 사이에 하나 형성된 메쉬형 중간 전극(110)에는 음전압이 인가된다. 따라서, 전극(40) 근처에서 플라즈마를 형성하는 입자들 가운데 양이온을 끌어당겨 양이온들이 기판(30)쪽으로 집속되도록 한다. 한편 플라즈마 입자들 가운데 전자들에 대해서는 중간 전극(110)은 척력을 작용하여 전자가 기판(30) 표면에 주는 영향을 극소화한다.

결국 중간 전극(110)은 기판(30)쪽에 집속되어 기판(30) 표면에 닿는 양이온의 수를 늘려주며 양이온의 운동 에너지를 증가시켜 표면 처리의 효과를 늘리는 역할을 한다. 따라서, 별도로 표면 처리의 효과를 높이기 위해 공급되는 가스양을 늘일 필요를 덜어준다. 또한, 중간 전극(110)은 공정 챔버(10)에 공급되는 가스양이 늘어날 경우에도 가스 분산 효과 등으로 늘어난 가스양에 비해 플라즈마 처리 효과가 즐어드는 현상을 어느 정도 방지할 수 있다.

본 발명은 기판과 전극부 사이에 중간 전극을 설치하여 종래의 전극부를 분리하는 형태를 가진다. 이러한 본 발명에 따르면, 공급된 가스의 기체분산효과를 최소화하여 점성 유동과 분자 유동의 경계영역인 공정 압력내에서의 가스압을 최소화하여 가스량에 비해 플라즈마에 의한 표면처리 효과가 점감하는 현상을 줄일 수 있고, 비반응 가스가 전극부에 퇴적되어 전극부 절연 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명은 공정 챔버 내의 방전의 안정성 및 기판 처리를 위한 이온 집속의 효과를 높일 수 있다.

Claims (4)

1. 공정 챔버 내에 플라즈마 형성용 가스를 공급하기 위한 가스 공급라인,

   상기 가스 공급라인에 연결되며, 기체 주입공이 다수 형성되고 전자를 발생시키는 전극과,

   상기 전극에 대향되게 장착된 기판을 음극으로 대전시킬 수 있는 척을 구비하여 이루어지는 플라즈마 표면처리 장치에 있어서,

   상기 전극과 상기 기판 사이에 중간 전극이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 중간 전극에는 음 또는 양의 전압을 인가할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면처리 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 중간 전극이 복수개로 나뉘어 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면처리 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 중간 전극은 그리드 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면처리 장치.

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