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KR20240012883A - 포커스 링 및 이를 포함하는 플라즈마 식각장치 - Google Patents

포커스 링 및 이를 포함하는 플라즈마 식각장치 Download PDF

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KR20240012883A
KR20240012883A KR1020220090392A KR20220090392A KR20240012883A KR 20240012883 A KR20240012883 A KR 20240012883A KR 1020220090392 A KR1020220090392 A KR 1020220090392A KR 20220090392 A KR20220090392 A KR 20220090392A KR 20240012883 A KR20240012883 A KR 20240012883A
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KR
South Korea
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focus ring
groove
main body
electrostatic chuck
groove portion
Prior art date
Application number
KR1020220090392A
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English (en)
Inventor
민경열
최용수
황성식
김경인
강중근
채수만
Original Assignee
에스케이엔펄스 주식회사
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Filing date
Publication date
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Priority to CN202310753507.3A priority patent/CN117438270A/zh
Priority to EP23181516.8A priority patent/EP4310886A1/en
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Priority to US18/349,557 priority patent/US20240030007A1/en
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Abstract

구현예에 따른 포커스 링은, 식각대상이 안착되도록 플라즈마 식각장치 내에 배치되는 포커스 링으로서, 식각대상이 안착되는 안착면을 포함하는 안착부; 및 상기 안착부의 외주에 형성된 본체부를 포함할 수 있다. 상기 본체부는 상면의 적어도 일부에 홈이 형성된 홈부를 포함할 수 있고, 상기 홈부는 상기 포커스 링의 평균 두께보다 얇은 두께를 가질 수 있다.

Description

포커스 링 및 이를 포함하는 플라즈마 식각장치{FOCUS RING AND APPARATUS OF PLASMA ETCHING COMPRISING THE SAME}
구현예는 포커스 링 및 이를 포함하는 플라즈마 식각장치에 관한 것이다.
고집적화된 반도체 소자의 미세 패턴을 형성하기 위해, 기판에 건식 식각인 플라즈마 식각이 주로 사용된다. 플라즈마 식각장치는 챔버, 챔버 내에 배치된 정전 척(electrostatic chuck) 및 정전 척의 상하에 설치된 고주파 전력을 인가하는 전극 등의 수단들을 구비한다. 플라즈마 식각 공정은 상기 전극들 사이에 인가된 고주파 전력에 의해 상기 챔버 내로 유입된 가스를 플라즈마로 변환시키고, 이 플라즈마를 사용하여 정전 척 상에 안착된 기판을 식각하는 과정으로 진행될 수 있다. 플라즈마를 구성하는 라디칼 또는 이온들은 기판의 표면과 물리적 및 화학적으로 반응하여 식각한다.
플라즈마 식각장치의 플라즈마는 식각대상이 놓인 정전 척의 상하에 인가되는 고주파 전력에 의해 생성되므로, 고주파 전력이 인가되는 부분까지는 플라즈마의 제어가 용이하지만, 상대적으로 정전 척의 외측 부분은 직접적인 플라즈마의 제어가 어렵다. 정전 척 외측 부분에 생성되는 플라즈마의 양은 상대적으로 적으며, 그에 따라 기판의 가장자리의 식각률이 중앙 영역에 비해 다소 낮아질 수 있다. 이에 따라 기판 전면에 걸친 균일한 식각을 달성하기 어려울 수 있다.
이러한 기판의 식각 균일도를 향상시키기 위하여, 정전 척 상에 놓이는 식각대상의 외주에는 식각대상을 둘러싸도록 포커스 링이 마련된다. 이 포커스 링은 식각장치 내에서 플라즈마 식각 처리가 행해지면, 플라즈마를 식각대상의 표면을 향하도록 유도하여, 처리 효율을 향상시킨다.
이러한 포커스 링을 통한 식각대상의 처리 효율을 향상시키기 위해, 경사를 두는 등의 여러 형상 변경이 시도되었다. 다만, 식각 공정 시 포커스 링에 흔들림 등이 일부 발생하여 안정적으로 식각 처리가 진행되지 못하는 경우가 보고되었다.
이에, 보다 안정적으로 포커스링을 고정하고 식각대상의 균일한 식각을 만족하기 위해 더욱 개선된 방안이 필요한 실정이다.
전술한 배경기술은 발명자가 구현예의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
관련 선행기술로, 한국 공개특허공보 제10-2020-0052973호에 개시된 "정전 척 어셈블리, 정전 척 및 포커스 링" 등이 있다.
구현예의 목적은 보다 안정적으로 플라즈마 식각장치의 부품에 고정되고 식각대상의 균일한 식각을 만족하도록 하는 포커스 링을 제공하는 데 있다.
구현예의 다른 목적은 플라즈마 식각장치의 정전 척과 양호한 정전기적 인력을 만족하는 포커스 링을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 포커스 링은,
식각대상이 안착되도록 플라즈마 식각장치 내에 배치되는 포커스 링으로서,
상기 식각대상이 안착되는 안착면을 포함하는 안착부; 및
상기 안착부의 외주에 형성된 본체부;를 포함하고,
상기 본체부는 상기 본체부의 적어도 일부에 배치되는 홈부를 포함하고,
상기 홈부는 상기 본체부의 상면에 홈이 형성된 영역이고,
상기 홈부의 상면은 상기 본체부의 최대 높이보다 낮은 높이를 갖고,
상기 홈부의 홈의 체적 Vg 및 상기 홈의 체적과 포커스 링의 체적의 합 Vf의 비 Vg/Vf는 0.1 내지 0.5이고,
상기 Vg는 하기 식 1로 계산될 수 있다.
[식 1]
Vg = (Hb-Hg)×Wavg×Lsum
상기 식 1에서, Hb는 상기 본체부의 최대 높이이고, Hg는 상기 홈부 상면의 평균 높이이고, Wavg는 상기 포커스 링의 반경방향에서 본 상기 홈부의 평균 폭이고, Lsum은 상기 포커스 링의 원주방향 기준 홈부의 길이의 합이다.
일 구현예에 있어서, 상기 포커스 링의 본체부는,
상기 안착부의 외주에 위치하는 연결부; 상기 연결부 외주에 위치하는 홈부; 상기 홈부 외주에 위치하는 가장자리부;를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 연결부의 폭 Ws 및 상기 홈부의 폭 Wg의 비 Ws/Wg는 0.04 내지 0.2일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 포커스 링의 반경방향에서 본 상기 홈부는 최대 폭이 15 mm 내지 25 mm일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 포커스 링의 평균 두께는 3.2 mm 이하일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 홈부의 평균 두께 Tg 및 상기 홈부를 제외한 본체부의 평균 두께 Tb의 비 Tg/Tb는 0.16 내지 0.72일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 홈부의 평균 두께는 0.5 mm 내지 2.3 mm일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 홈부를 제외한 본체부의 평균 두께는 2.2 mm 내지 3.2 mm일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 안착부의 평균 두께는 1 mm 내지 2 mm일 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 플라즈마 식각장치는,
챔버;
상기 챔버 내부에 배치된 정전 척; 및
상기 정전 척 상에 안착되는 식각대상의 외주를 둘러싸는 포커스 링;을 포함하고,
상기 정전 척의 전극은 상기 포커스 링의 하부에 위치한 영역에 배치되고,
상기 포커스 링은 상기에 따른 포커스 링일 수 있다.
구현예에 따른 포커스 링은 플라즈마 식각장치의 정전 척과 더욱 향상된 정전기적 인력을 만족하면서, 양호한 내구성과 내식성을 나타낼 수 있다.
구현예에 따른 포커스 링을 적용한 플라즈마 식각장치는, 식각대상의 플라즈마 식각 시 균일한 식각률을 나타낼 수 있다.
도 1은 구현예에 따른 플라즈마 식각장치의 일례를 나타낸 개략도.
도 2는 구현예에 따른 플라즈마 식각장치에 적용되는 포커스 링의 일례를 나타낸 개략도.
도 3은 구현예에 따른 포커스 링의 우측 일부를 정면의 관점에서 나타낸 정면도.
도 4는 구현예에 따른 포커스 링을 위에서 바라본 관점에서 나타낸 평면도.
이하, 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하나 이상의 구현예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 구현예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서, 어떤 구성이 다른 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성들을 더 포함할 수도 있음을 의미한다.
본 명세서에서, 어떤 구성이 다른 구성과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우만이 아니라, '그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결'되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서, A 상에 B가 위치한다는 의미는 A 상에 직접 맞닿게 B가 위치하거나 그 사이에 다른 층이 위치하면서 A 상에 B가 위치하는 것을 의미하며 A의 표면에 맞닿게 B가 위치하는 것으로 한정되어 해석되지 않는다.
본 명세서에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B"를 의미한다.
본 명세서에서, “제1”, “제2” 또는 “A”, “B”와 같은 용어는 특별한 설명이 없는 한 동일한 용어를 서로 구별하기 위하여 사용된다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
포커스 링(100)
도 2 내지 4는 구현예에 따른 포커스 링(100)의 개략적인 형태를 나타낸 도면이다. 이하, 도 2 내지 4를 참고하여 구현예에 따른 포커스 링을 설명한다.
구현예에 따른 포커스 링(100)은,
식각대상(10)이 안착되도록 플라즈마 식각장치 내에 배치되는 포커스 링으로,
상기 식각대상이 안착되는 안착면(111)을 포함하는 안착부(110); 및
상기 안착부의 외주에 형성된 본체부(120)를 포함할 수 있다.
상기 본체부(120)는 상기 본체부의 적어도 일부에 배치되는 홈부(130)를 포함하고,
상기 홈부는 상기 본체부의 상면에 홈이 형성된 영역이고,
상기 홈부의 상면은 상기 본체부의 상면의 최대 높이보다 낮은 높이를 가질 수 있다.
상기 홈부(130)의 홈(132)의 체적 Vg와, 상기 홈의 체적과 포커스 링(100)의 체적의 합 Vf의 비 Vg/Vf는 약 0.1 내지 0.5일 수 있고, 약 0.19 내지 0.36일 수 있으며, 약 0.24 내지 0.34일 수 있다.
이때, 상기 홈의 체적 Vg는 하기 식 1로 계산될 수 있다.
[식 1]
Vg = (Hb-Hg)×Wavg×Lsum
상기 식 1에서, Hb는 상기 본체부(120) 상면의 최대 높이이고, Hg는 상기 홈부 상면의 평균 높이이고, Wavg는 상기 포커스 링(100)의 반경방향(도 3의 y방향)에서 본 상기 홈부의 평균 폭이고, Lsum은 상기 포커스 링의 원주방향 기준 홈부의 길이의 합이다.
상기 홈부(130)의 평균 폭 Wavg는 상기 포커스 링(100)의 원주방향을 따라 홈을 일정한 간격으로 n등분하고, 홈 내 n등분선의 길이의 평균으로 계산할 수 있다. 상기 n은 3 내지 10의 정수일 수 있다.
상기 홈부(130)의 길이의 합 Lsum은 포커스 링(100)의 원주방향을 따라 측정되는 각각의 홈의 최대길이의 합일 수 있다.
상기 홈부(130)의 평균 폭 Wavg 및 길이의 합 Lsum은 별도의 모델링 프로그램(CATIA, SolidWorks, AutoCAD 등)을 통해서도 계산될 수 있다.
상기 홈(132)은 상기 본체부(120)의 최대높이보다 낮은 높이를 갖는 본체부의 상면에서 상기 본체부의 최대높이 까지의 공간을 의미한다. 상기 홈부(132)의 상면은 상기 본체부(120) 상면의 최대 높이보다 낮은 높이를 갖는다.
상기 홈의 체적과 포커스 링(100)의 체적의 합 Vf는 상기 Vg에서 상기 포커스 링의 체적을 합하여 계산될 수 있다.
구현예에서 정의한 홈의 체적 Vg 및 상기 홈의 체적과 포커스 링(100)의 체적의 합 Vf의 계산은 모델링을 통해 홈의 체적을 계산할 수 있는 수단(CATIA, SolidWorks, AutoCAD 등)이라면 가리지 않고 사용할 수 있다.
상기 본체부(120) 및 홈부(130)의 높이는 포커스 링(100)의 반경 방향과 수직한 방향을 기준으로 측정될 수 있다.
이러한 홈부(130)의 홈(132)의 체적비율을 갖는 포커스 링(100)은, 포커스 링 하부에 위치하는 플라즈마 식각장치의 절연성 부품인 정전 척과 더욱 안정적으로 정전기적 흡착이 형성되도록 유도할 수 있고, 정전 척과 포커스링 사이의 처킹 포스(chucking force)의 향상을 기대할 수 있다. 상기 홈부의 체적비율 미만이거나 초과인 경우, 안정적인 고정이 이루어질 수 없거나, 내마모성이 저하되고 크랙 등이 쉽게 발생할 우려가 있다.
상기 홈부(130)의 홈(132)의 체적은 예시적으로 약 8,268 mm3 내지 41,342 mm3일 수 있고, 약 15,720 mm3 내지 29,501 mm3일 수 있으나, 상기 식각대상(10)의 직경, 크기에 따라 달라지는 포커스 링의 크기에 따라 상기 체적은 달라질 수 있다.
상기 정전 척(20)과 포커스 링(100) 간의 처킹 포스 Fc는 개략적으로 다음 식 2와 같이 계산될 수 있다.
[식 2]
Fc = (ε0×εr×A×V)/(2×D2)
상기 식 2에서, ε0는 진공의 유전율이고, εr은 포커스 링의 유전율이고, A는 포커스 링과 정전 척이 접하는 단면적이고, V는 포커스 링과 접하는 정전 척의 하부에 위치한 전극에 인가되는 전압이고, D는 포커스 링의 평균 두께이다.
상기 처킹 포스(Fc)는 절대적인 값이 아니고 상대적인 값으로 이해해야 하며, 다른 조건이 일정할 때, 포커스 링의 평균 두께의 제곱과 반비례하는 것을 알 수 있다.
상기 포커스 링(100)은 상기 처킹 포스의 상승률이, 상기 홈부(100)가 없는(홈이 파이지 않은) 포커스 링 대비 152 % 내지 500 %일 수 있다. 이러한 처킹 포스 상승률을 가짐으로, 플라즈마 식각장치의 정전 척과 안정적으로 고정되도록 할 수 있다.
상기 포커스 링(100)의 평균 두께는 약 3.2 mm 이하일 수 있고, 약 3.0 mm 이하일 수 있으며, 약 2.7 mm 이하일 수 있다. 상기 포커스 링의 평균 두께는 약 1.7 mm 이상일 수 있고, 약 2 mm 이상일 수 있다. 이러한 두께 범위를 만족하는 포커스 링은 상기와 같은 적절한 홈부를 구비하여 플라즈마 식각장치의 정전 척과 안정적으로 고정될 수 있고, 양호한 내구성을 나타낼 수 있다.
상기 포커스 링(100)의 평균 높이는, 포커스 링의 반경 방향과 수직한 방향을 기준으로(z 방향), 약 3.2 mm 이하일 수 있고, 약 3.0 mm 이하일 수 있으며, 약 2.7 mm 이하일 수 있다. 상기 포커스 링의 평균 높이는 약 1.7 mm 이상일 수 있고, 약 2 mm 이상일 수 있다.
상기 홈부(130)는 상기 안착부(110)의 외주에 위치하는 포커스링 중에서 상기 포커스 링(100)의 최대 높이보다 낮은 영역을 나타낼 수 있다.
상기 홈부(130)는 상기 본체부(120)에 형성된 홈(132)을 포함한다.
상기 홈(132)은 상기 본체부의 상면에서 본체부의 원주방향을 따라 고리(링) 모양으로 형성될 수 있다.
상기 홈(132)은 상기 본체부 상면의 일부에서만 홈이 형성될 수 있다.
상기 홈부(130)는 상기 안착부의 안착면(111)과 실질적으로 평행한 홈부 상면을 가지며 홈의 측벽이 상기 홈부 상면과 직교하는 실질적으로 단면이 사각형 형태의 홈(132)을 가질 수 있다.
상기 홈부(130)는 상기 안착부의 안착면(111)과 실질적으로 평행한 가상의 선과 홈부의 측벽이 직교하는 일 측면, 일 측면과 이어지며 경사진 타 측면을 갖는, 실질적으로 단면이 사분원 또는 삼각형 형태의 홈(132)을 가질 수 있다.
상기 홈부(130)는 상기 홈부 상면이 곡면인 형태로, 오목, 볼록 및 이들의 조합으로 파인 형태의 홈(132)을 가질 수 있다.
상기 홈부 상면은 일부는 곡면을 갖고 일부는 각진 형태로 형성될 수 있다.
상기 홈부(130)의 평균 두께는 약 0.5 mm 내지 2.3 mm일 수 있고, 약 1 mm 내지 2 mm일 수 있다.
포커스 링(100)의 반경 방향과 수직한 방향에서 본 상기 홈부(130)의 평균 높이는 약 0.5 mm 내지 2.3 mm일 수 있고, 약 1 mm 내지 2 mm일 수 있다.
포커스 링(100)의 반경 방향에서 본 상기 홈부(130)의 최대 폭은 약 15 mm 내지 25 mm일 수 있고, 약 17 mm 내지 22 mm일 수 있다.
상기 홈부(130)의 평균 두께 Tg 및 상기 홈부를 제외한 본체부(120)의 평균 두께 Tb의 비 Tg/Tb는 약 0.16 내지 0.72일 수 있고, 약 0.19 내지 0.58일 수 있다.
상기 홈부(130)의 평균 두께 Tg 및 상기 홈부를 제외한 본체부(120)의 평균 두께 Tb는 포커스 링(100)의 반경 방향으로 일정한 간격으로 n등분하고, n등분된 것의 두께 평균으로 계산할 수 있다. 상기 n은 3 내지 10의 정수일 수 있다. 또한, 모델링을 통해 평균 두께를 계산할 수 있는 수단(CATIA, SolidWorks, AutoCAD 등)을 활용할 수 있다.
상기 홈부(130)가 이러한 두께, 높이, 폭 및 Tg/Tb를 가짐으로, 파손이나 크랙을 방지하되 상기 포커스 링(100)이 플라즈마 식각장치의 정전 척과 안정적으로 흡착을 유도할 수 있다.
상기 안착부(110)는 식각대상(10)이 놓일 수 있도록 하는 안착면(111)을 포함할 수 있다. 상기 안착면은 상기 포커스 링(100)의 반경방향으로 소정 폭을 갖도록 형성될 수 있고, 식각대상과 안착 가능한 평평한 면을 가질 수 있다.
상기 안착부(110)의 평균 두께는 약 1 mm 내지 2 mm일 수 있고, 약 1.2 mm 내지 1.8 mm일 수 있다.
포커스 링(100)의 반경 방향과 수직한 방향에서 본 상기 안착부(110)의 평균 높이는 약 1 mm 내지 2 mm일 수 있고, 약 1.2 mm 내지 1.8 mm일 수 있다.
상기 안착부(110)의 폭은 상기 포커스 링(100)의 반경방향을 기준으로 약 2 mm 내지 8 mm일 수 있고, 약 3 mm 내지 7 mm일 수 있다.
상기 안착부(110)는 이러한 두께, 높이 및 폭을 가짐으로, 상기 식각대상(10)을 여유있게 안착할 수 있고, 안정성을 확보할 수 있다.
상기 본체부(120)는 상기 안착부(110)의 안착면(111) 영역과는 상이한 두께를 가지며 외주로 연장된 것일 수 있고, 더 큰 두께를 가지며 외주로 연장된 것일 수 있다.
상기 안착부(110) 및 본체부(120)는 각각 고리(링) 형상일 수 있으나, 식각대상의 형상에 따라 변경될 수 있다.
상기 본체부(120)는 상기 안착부(110)의 외주에 위치하는 연결부(121)를 포함할 수 있다. 상기 연결부는 연결부 상면이 상기 안착면(111)과 평행할 수 있고, 연결부 상면 전체가 경사질 수 있고, 또는 연결부 상면 일부가 경사지고 다른 일부는 상기 안착면과 평행할 수 있다. 상기 연결부의 경사진 영역에서 경사 각도는 상기 안착면을 기준으로 0 °초과일 수 있고, 70 °이하일 수 있다. 이러한 경사각을 갖는 경우 플라즈마 식각장치 내에서 플라즈마 이온의 흐름을 보다 안정적으로 제어할 수 있다.
상기 연결부(121)는 상기 포커스 링(100)의 반경방향을 기준으로 폭이 약 1 mm 내지 3 mm일 수 있고, 약 1.5 mm 내지 2.5 mm일 수 있다.
상기 포커스 링(100)의 반경방향에서 본 상기 연결부(121)의 폭 Ws 및 상기 홈부(130)의 폭 Wg의 비 Ws/Wg는 약 0.04 내지 0.2일 수 있고, 약 0.05 내지 0.16일 수 있다. 이러한 Ws/Wg 폭 비를 갖는 포커스 링(100)은 플라즈마 식각 시 홈 형상으로 인해 식각 균일도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
상기 본체부(120)의 상면 Ra 조도는 약 0.05 ㎛ 내지 0.5 ㎛일 수 있고, 약 0.08 ㎛ 내지 0.3 ㎛일 수 있다. 이러한 상면 Ra조도를 가짐으로, 플라즈마 식각장치에서 식각공정 진행 시 식각대상의 양호한 식각률을 나타내도록 할 수 있다.
상기 본체부(120)는 상기 홈부(130)를 제외한 평균 두께가 약 2.2 mm 내지 3.2 mm일 수 있고, 약 2.5 mm 내지 3 mm일 수 있다. 이러한 두께를 만족하도록 하여, 포커스 링(100)이 플라즈마 식각장치의 정전 척에 안정적으로 고정되도록 하되, 내구성을 높이고 쉽게 파손되는 것을 방지할 수 있다.
상기 포커스 링(100)의 가장자리부(124)는 상기 홈부(130)의 외주에 위치하여 플라즈마 식각장치의 정전 척에 안정적으로 고정되도록 할 수 있다. 상기 가장자리부의 평균 두께는 상기 홈부의 평균 두께보다 더 두꺼울 수 있다.
상기 가장자리부(124)의 평균 두께는 약 1.7 mm 내지 3.7 mm일 수 있고, 약 1.9 mm 내지 3.5 mm일 수 있다. 이러한 평균 두께를 갖는 가장자리부는 상기 포커스 링(100)이 플라즈마 식각장치의 정전 척에 놓일 시 전체적인 균형을 유지하도록 할 수 있다.
상기 가장자리부(124)는 저면 일부에 홈이 형성된 저면 홈부(125);를 더 포함할 수 있다.
상기 포커스 링(100)의 반경방향을 기준으로 상기 홈부의 저면에서 상기 저면 홈부(125)까지 최소폭은 약 0.5 mm 내지 5 mm일 수 있고, 약 1 mm 내지 3 mm일 수 있다. 이러한 폭을 만족하도록 하여, 플라즈마 식각 시 적절한 냉각 효율을 나타낼 수 있도록 할 수 있다.
상기 포커스 링(100)의 내곽을 기준으로, 상기 포커스 링의 내경은 상기 식각대상(10)의 길이나 직경에 따라 달라질 수 있고, 예시적으로 약 100 mm 내지 400 mm일 수 있다.
상기 포커스 링(100)의 외곽을 기준으로, 상기 포커스 링의 외경은 또한 상기 내경과 같이 상기 식각대상(10)의 길이나 직경에 따라 달라질 수 있고, 예시적으로 약 150 mm 내지 500 mm일 수 있다.
상기 포커스 링(100)의 저면은 내곽과 외곽의 단차가 약 0.1 ㎛ 내지 12 ㎛가 되도록 경사질 수 있고, 상기 단차가 약 1 ㎛ 내지 7 ㎛가 되도록 경사질 수 있다. 예시적으로, 도 3의 포커스 링의 안착면(111)과 평행한 면을 기준으로 할 때,상기 포커스 링의 저면은 상기 단차를 갖도록 소정 각도로 경사질 수 있다. 또한, 상기 안착면과 평행하되 상기 포커스 링의 내곽의 하부와 접하는 가상의 내곽저면은, 상기 안착면과 평행하되 상기 포커스 링의 외곽의 하부와 접하는 가상의 외곽저면과 상기의 단차를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 외곽저면은 상기 내곽저면보다 높은 위치를 가질 수 있다.
이러한 경사를 갖는 포커스 링은 저면에서 냉각 가스가 효과적으로 순환될 수 있도록 하고, 플라즈마 식각 시 식각대상이 고르게 식각되도록 할 수 있다.
상기 포커스 링(100)은 탄화규소(SiC) 또는 탄화붕소(B4C)를 포함할 수 있다. 상기 탄화규소 또는 탄화붕소는 매우 높은 강도를 갖는 재료로, 내화학성 및 내침식성이 매우 우수하다.
구현예에서 탄화규소는 규소 및 탄소를 기반으로 하는 모든 화합물을 지칭하고, 탄화붕소는 붕소 및 탄소를 기반으로 하는 모든 화합물을 지칭한다. 상기 탄화규소 또는 탄화붕소는 단일상 또는 복합상 중 어느 하나일 수 있다. 여기서, 단일상은 화학양론적 상과 화학양론적 조성에서 벗어난 비화학양론적 상을 모두 포함한다. 구현예의 탄화규소 또는 탄화붕소는 단일상 또는 복합상에 불순물이 추가되어 고용체를 이루거나 제조하는 공정에서 불가피하게 추가되는 불순물이 혼입되는 경우도 포함한다.
상기 포커스 링(100)에 적용되는 탄화붕소는 25 ℃ 내지 800 ℃ 중 어느 온도에서 측정한 열전도도 값이 약 5 W/mK 내지 60 W/mK 일 수 있다. 이러한 열 전도도를 갖는 보론카바이드의 경우, 보다 우수한 내식각성을 가질 수 있다.
상기 포커스 링(100)에 적용되는 탄화붕소는 상대밀도가 약 97 % 내지 99.999%일 수 있다.
상기 포커스 링(100)에 적용되는 탄화붕소는 공극률이 약 0.01 % 내지 3 %일 수 있다.
이러한 상대밀도 및 공극률 특성을 갖는 포커스 링(100)은 보다 강한 내식각성을 가질 수 있다.
상기 포커스 링(100)의 본체부(120) 상면은 약 800 W의 플라즈마 파워와 약 100 mTorr의 챔버 압력으로 약 300분의 노출 시간 동안 식각 시, 상기 상면의 평균 식각률이 약 0.5 % 내지 1.2 %일 수 있다. 이러한 식각률을 갖는 포커스 링을 플라즈마 식각장치에 적용 시 포커스 링의 내구성을 높일 수 있고, 교체빈도를 줄일 수 있다. 상기 식각률은 상기 상면의 평균 식각률로 평가한다. 상기 상면의 평균 식각률은 소정 거리를 두고 상면의 적어도 세 지점 이상에서 평가한 식각률의 평균을 상기 평균 식각률로 평가한다.
플라즈마 식각장치
도 1 및 2는 구현예에 따른 플라즈마 식각장치의 개략적인 형태를 나타낸 도면이다. 이하, 도 1 및 2를 참고하여 구현예에 따른 플라즈마 식각장치를 설명한다.
구현예에 따른 플라즈마 식각장치는,
챔버(2);
상기 챔버 내부에 배치된 정전 척(20); 및
상기 정전 척 상에 안착되는 식각대상(10)의 외주를 둘러싸는 포커스 링(100);을 포함하고,
상기 정전 척의 전극은 상기 포커스 링의 하부에 위치한 영역에 배치되고,
상기 포커스 링은 위에서 설명한 포커스 링일 수 있다.
구현예에 따른 플라즈마 식각장치는 금속 소재의 챔버(2)를 포함하고, 상기 챔버 내부는 식각대상의 플라즈마 식각 처리가 진행될 수 있다.
상기 챔버(2)의 내부에는 식각대상으로 웨이퍼 등의 기판이 안착되는 정전 척(20)이 배치될 수 있다.
상기 정전 척(20)은 쿨롱힘을 발휘할 수 있는 체적 저항률을 가질 수 있고, 질화알루미늄, 질화규소 및 산화알루미늄 등의 세라믹 재료를 포함할 수 있다.
상기 정전 척(20)의 내부에는 정전기력을 생성하여 식각대상(10)을 정전 척의 상면에 놓을 시 정전기적 흡착을 유도하는 제1전극(31)이 배치될 수 있다. 상기 제1전극은 직류전원인 제1전원(52)과 전기적으로 연결되어 직류전력을 인가받을 수 있고, 상기 정전 척 상에 안착될 식각대상 및 정전 척과 정전기적 흡착을 유지하도록 할 수 있다.
상기 정전 척(20)의 상부에는 상기 정전 척과 대향되도록 샤워헤드(60)가 배치될 수 있다.
상기 샤워헤드(60)는 상부전극(61)과 상기 상부전극을 지지하는 전극 지지체(62)가 포함될 수 있고, 상기 상부전극과 전극 지지체는 관통홀(63)이 다수 형성될 수 있다. 그리고 상기 샤워헤드의 내부에 상기 관통홀과 연통된 확산부(64)를 포함할 수 있다.
상기 샤워헤드(60)의 상부전극(61)은 상부전원(64)과 전기적으로 연결될 수 있고, 고주파 전력이 인가될 수 있다.
상기 샤워헤드(60)의 내부의 확산부(64)는 처리가스 공급부(65)와 연통될 수 있고, 처리가스 공급부의 처리가스가 상기 확산부 및 관통홀(63)을 통해 외부로 토출될 수 있다.
상기 정전 척(20)의 하부에는 기재(40)가 배치될 수 있고, 도전성 재료가 포함될 수 있다.
상기 기재(40)는 플라즈마 발생을 위해 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원(51)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이로 인해, 상기 기재에 고주파 전력이 인가될 수 있다.
상기 기재(40)의 내부에는 기재냉각부(41)를 포함할 수 있고, 냉각가스 공급부(35)와 연통되어 냉각가스의 흐름이 이루어질 수 있다.
상기 챔버(2)의 측벽과 상기 기재(40) 또는 기재를 지지하는 지지부(45) 사이에는 배기로(42)가 형성될 수 있다. 상기 배기로의 하부에는 배기구(43)가 배치되고 상기 배기구는 배기장치(44)와 연통될 수 있다. 상기 배기장치(44)는 진공펌프 등의 배기수단을 포함할 수 있고, 상기 챔버 내의 공간을 소정의 진공도까지 감압할 수 있다.
상기 챔버(2)의 측벽에는 상기 식각대상(10)을 인입 및 인출할 수 있는 출입구(46)를 포함할 수 있다.
상기 정전 척(20)에 놓이는 식각대상(10)의 외주에는 포커스 링(100)이 배치될 수 있다. 상기 포커스 링은 위에서 설명한 바와 동일한 구성을 가질 수 있다.
상기 포커스 링(100)의 하부 영역의 정전 척(20) 상에는 냉각 가스가 공급될 수 있는 냉각부(34)가 배치될 수 있다.
상기 포커스 링(100)이 위에서 설명한 홈부(130) 및 이의 체적비를 가짐으로, 플라즈마 식각 시 상기 냉각부(34)를 사이에 두고 정전 척(20)과 안정적으로 처킹이 이루어질 수 있고, 전체적인 균형을 유지할 수 있다.
상기 냉각부(34)는 냉각 가스 공급부(35)와 연통되어 냉각가스의 흐름이 이루어질 수 있다.
상기 냉각 가스 공급부(35)는 상기 포커스 링(100)을 향하는 냉각부(34)에 냉각 가스를 공급할 뿐만 아니라, 상기 정전 척(20)과 식각대상(10) 사이에 있는 공간에도 별도의 유로를 통해 냉각 가스를 공급할 수 있다.
상기 냉각 가스는 예시적으로 헬륨 가스를 사용할 수 있다.
상기 정전 척(20)은 상기 포커스 링(100)의 하부에 위치한 영역에 제2전극(32) 및 제3전극(33)이 배치될 수 있고, 이들은 각각 제2전원(53) 및 제3전원(54)과 전기적으로 연결되어 직류전력이 인가될 수 있다. 이에 따라 상기 포커스 링(100)과 그 하부 정전 척(20) 간 정전기적 흡착이 이루어질 수 있다.
상기 플라즈마 식각장치의 각 구성요소들은 제어부(70)와 연결될 수 있다.
상기 제어부(70)는 중앙처리장치(71) 및 기억장치(72)를 포함하고, 기억장치에 기억된 프로그램 및 처리 프로세스를 읽어내어 실행하여, 상기 플라즈마 식각장치의 식각대상(10) 식각 처리를 제어한다. 또한, 상기 제어부는 식각대상의 처리에 따라 상기 포커스 링(100)을 정전 흡착하기 위한 처리나, 냉각 가스를 공급하는 처리도 제어할 수 있다.
상기 챔버(2) 내부는 별도의 자석을 통해 일 방향의 수평 자계가 형성될 수 있다.
상기 챔버(2) 내부는 상기 기재(40)와 샤워헤드(60) 사이에 인가되는 고주파 전력에 의해 일 방향의 고주파 전계가 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 챔버 내부에서 처리 가스를 통한 마그네트론 방전이 진행되고, 상기 기재 상부의 정전 척(20)에 안착된 식각대상(10)에 상기 처리 가스로부터 고밀도의 플라즈마가 생성되며, 상기 플라즈마 중의 라디칼이나 이온에 의해 상기 식각대상의 표면은 식각될 수 있다.
상기 플라즈마 식각장치의 식각은 약 500 mTorr 이하의 챔버 압력, 불소 함유 화합물 또는 염소 함유 화합물을 포함하는 처리가스, 그리고 약 500 W 내지 15,000 W의 전력에서 약 100 시간 이상 동안 진행될 수 있다.
포커스 링(100)의 제조방법
구현예에 따른 포커스 링(100)의 제조방법은 소결, 화학 기상 증착, 물리 기상 증착 중 어느 하나의 방법으로 제조될 수 있다.
이하, 소결 공정에 의한 포커스 링(100)의 제조방법을 설명한다.
상기 소결 공정에 의한 포커스 링(100)의 제조방법은 원료물질을 주형에 장입시키는 준비단계; 상기 주형에 소정 온도와 압력을 가하여 소결하는 소결단계;를 포함할 수 있다.
상기 준비단계는 상기 포커스 링(100)을 제조하기 위해 먼저 원료 물질을 마련한다. 상기 원료 물질은 세라믹일 수 있고, 탄화규소, 탄화붕소 등일 수 있다. 상기 원료 물질은 이와 같은 세라믹 입자를 포함할 수 있고, 분말 형태를 가질 수 있다.
상기 원료 물질의 분말은 D50을 기준으로, 약 0.3 ㎛ 내지 1.5 ㎛의 평균입경을 가질 수 있다. 이러한 입경을 적용하여 소결체의 밀도 및 내식성을 높이고, 양호한 작업성과 생산성을 나타내도록 한다.
상기 준비단계는 원료 물질을 용매 및 첨가제와 혼합하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 건조시켜 과립을 제조하는 과립화과정을 포함할 수 있다.
상기 준비단계는 원료 물질을 1차적으로 성형하여 성형체를 제조하는 성형과정을 포함할 수 있다.
상기 성형과정은 원료 물질을 주형 등에 장입하고 가압하는 방식이 적용될 수 있고, 약 100 MPa 내지 200 MPa의 압력으로 적용될 수 있다.
상기 소결단계는 상기 준비단계를 거친 주형에 소정 압력과 온도를 가하여 원료 물질을 소결한다.
상기 소결단계의 소결은 고온고압 소결, 방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering) 등을 적용할 수 있다.
상기 포커스 링(100)의 홈은 상기 주형의 모양에 따라 형성될 수 있고, 성형 또는 소결 이후 별도의 연삭, 홈파기 가공, 연마 등을 통해 형성될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
2: 챔버
10: 식각대상
20: 정전 척
31: 제1전극
32: 제2전극
33: 제3전극
34: 냉각부
35: 냉각 가스 공급부
40: 기재
41: 기재냉각부
42: 배기로
43: 배기구
44: 배기장치
45: 지지부
46: 출입구
51: 고주파 전원
52: 제1전원
53: 제2전원
54: 제3전원
60: 샤워헤드
61: 상부전극
62: 전극 지지체
63: 관통홀
64: 확산부
65: 처리가스 공급부
100: 포커스 링
110: 안착부
111: 안착면
120: 본체부
121: 연결부
124: 가장자리부
125: 저면 홈부
130: 홈부
132: 홈

Claims (10)

  1. 식각대상이 안착되도록 플라즈마 식각장치 내에 배치되는 포커스 링으로서,
    상기 식각대상이 안착되는 안착면을 포함하는 안착부; 및
    상기 안착부의 외주에 형성된 본체부;를 포함하고,
    상기 본체부는 상기 본체부의 적어도 일부에 배치되는 홈부를 포함하고,
    상기 홈부는 상기 본체부의 상면에 홈이 형성된 영역이고,
    상기 홈부의 상면은 상기 본체부의 최대 높이보다 낮은 높이를 갖고,
    상기 홈부의 홈의 체적 Vg 및 상기 홈의 체적과 포커스 링의 체적의 합 Vf의 비 Vg/Vf는 0.1 내지 0.5이고,
    상기 Vg는 하기 식 1로 계산되는, 포커스 링:
    [식 1]
    Vg = (Hb-Hg)×Wavg×Lsum
    상기 식 1에서, Hb는 상기 본체부의 최대 높이이고, Hg는 상기 홈부 상면의 평균 높이이고, Wavg는 상기 포커스 링의 반경방향에서 본 상기 홈부의 평균 폭이고, Lsum은 상기 포커스 링의 원주방향 기준 홈부의 길이의 합이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포커스 링의 본체부는,
    상기 안착부의 외주에 위치하는 연결부; 상기 연결부 외주에 위치하는 홈부; 상기 홈부 외주에 위치하는 가장자리부;를 포함하는, 포커스 링.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연결부의 폭 Ws 및 상기 홈부의 폭 Wg의 비 Ws/Wg는 0.04 내지 0.2인, 포커스 링.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 포커스 링의 반경방향에서 본 상기 홈부는 최대 폭이 15 mm 내지 25 mm인, 포커스 링.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 포커스 링의 평균 두께는 3.2 mm 이하인, 포커스 링.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 홈부의 평균 두께 Tg 및 상기 홈부를 제외한 본체부의 평균 두께 Tb의 비 Tg/Tb는 0.16 내지 0.72인, 포커스 링.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 홈부의 평균 두께는 0.5 mm 내지 2.3 mm인, 포커스 링.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 홈부를 제외한 본체부의 평균 두께는 2.2 mm 내지 3.2 mm인, 포커스 링.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 안착부의 평균 두께는 1 mm 내지 2 mm인, 포커스 링.
  10. 챔버;
    상기 챔버 내부에 배치된 정전 척; 및
    상기 정전 척 상에 안착되는 식각대상의 외주를 둘러싸는 포커스 링;을 포함하고,
    상기 정전 척의 전극은 상기 포커스 링의 하부에 위치한 영역에 배치되고,
    상기 포커스 링은 제1항에 따른 포커스 링인, 플라즈마 식각장치.
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