KR100367662B1 - 하이퍼서멀 중성입자 발생 장치 및 이를 채용하는 중성입자 처리 장치 - Google Patents

Abstract

반도체 및 액정 패널과 같은 피처리체를 가공하는데 사용할 수 있고 그 유효 단면이 넓은 하이퍼서멀 중성입자 빔을 발생할 수 있는 장치를 제공한다.

하이퍼서멀 중성입자 발생 장치에 있어서, 중성입자는 플라즈마 이온이 금속면에 충돌할 때 생성된다. 하이퍼서멀 중성입자 발생 장치는 플라즈마 생성 수단 및 중성입자 변환 수단을 포함한다. 플라즈마 생성 수단은 소정의 가스를 받아들이고, 외부로부터의 고주파 전력에 의해 가스로부터 다수의 플라즈마 이온들을 포함하는 플라즈마를 생성한다. 중성입자 변환 수단은 상기 플라즈마 생성 수단에 인접하여 배치되어 있으며, 각각이 서로 평행하게 설치되고 각각에 다수의 관통 홀들이 형성되어 있는 복수의 금속판들을 포함한다. 복수의 금속판들 각각은 적어도 그 표면이 상기 가스보다 분자량이 큰 중금속으로 되어 있어서 플라즈마 이온이 충돌할 때 다수의 플라즈마 이온들 중 적어도 일부가 중성입자로 변환되게 할 수 있다.

Description

하이퍼서멀 중성입자 발생 장치 및 이를 채용하는 중성입자 처리 장치{Hyperthermal Neutral Particle Beam Source and Neutral Particle Beam Processing Apparatus Employing the Same}

본 발명은 반도체 제조 장비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체나 액정 패널의 제조 공정에 있어서 입자 빔에 의해 반도체 웨이퍼 등을 처리하는 장치에 관한 것이다.

건식 식각이나, 물리적 또는 화학적 기상 증착, 감광제 세정 및 기타 표면 처리 등의 단위 공정에 있어서, 플라즈마 챔버를 사용해서 발생되는 플라즈마가 널리 이용되고 있다. 이와 같은 플라즈마 챔버 상부의 내측 또는 외측에는 플라즈마발생을 위한 안테나가 설치되어 있으며, 챔버 하부에는 웨이퍼 또는 액정 패널을 탑재하기 위한 서셉터가 설치되어 있다. 안테나를 통해 챔버 내측의 상부 공간에 고주파전력을 인가하면, 챔버 내에 도입되어 있는 처리가스가 해리되어 글로우 방전에 의한 플라즈마가 여기된다. 이때, 서셉터에 고주파 바이어스 전압을 인가하면, 플라즈마에 포함된 이온이 웨이퍼의 피처리면으로 효과적으로 도입되어 원하는 처리를 실시할 수 있게 된다.

반도체 소자가 고집적화되고 반도체 웨이퍼 또는 액정 디스플레이가 대구경화 내지 대면적화됨에 따라, 피처리체를 처리하기 위한 장치에 대한 요구 조건도 갈수록 엄격해지고 있는데, 이러한 상황은 플라즈마 처리장치에 있어서도 마찬가지라고 할 수 있다. 이와 관련하여, 플라즈마 처리 장치의 성능을 향상시키기 위해 많은 제안이 행해져 왔다. 이러한 노력 내지 제안은 처리실 내의 플라즈마 밀도를 높여서 고속 처리를 가능하게 하는 것과, 플라즈마 분포를 균일하게 하여 대면적의 피처리체를 처리할 수 있도록 하는 것에 초점이 맞추어져 있다. 특히, 플라즈마 밀도를 높이는 것과 관련해서는 유도결합형 플라즈마 처리 장치가 널리 사용되고 있으며, 플라즈마 분포를 균일하게 하는 것과 관련해서는 안테나의 배치 형태나 처리가스 도입위치의 변경 등이 시도되고 있다.

그렇지만 이러한 성능 개선에도 불구하고, 플라즈마가 대전된 입자라는 점에서 플라즈마에 의한 처리방식은 웨이퍼를 초정밀하게 처리하는데 한계를 가지고 있다. 예컨대 식각을 함에 있어서, 대전된 입자를 사용하게 되면 식각 과정에서 피처리체가 대전될 수 있는데, 이러한 경우 식각 프로파일이 변경되거나 전압 구배가발생하여 피처리체 내에 형성되는 소자가 손상될 수 있다. 아울러, 가속된 이온에 의한 식각 반응은 기판재료 표면에 전위(Dislocation)이나 변형된 표면층 형성 등의 손상층을 형성할 수 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는, 플라즈마 이온의 에너지를 낮게 하거나, 식각 후에 피처리체의 손상을 치유하기 위해 별도의 열처리를 행해야만 한다.

이와 같은 플라즈마 처리의 단점을 해결하기 위하여, 1987년 5월 5일 유니버시티 패턴츠 인크에 부여된 미합중국특허 제4,662,977호(발명의 명칭: 중성입자에 의한 표면 처리)은 플라즈마 대신 중성입자를 사용하는 시스템이 제안하고 있다. 상기 시스템은 플라즈마 건에 의해 플라즈마를 발생하고 이를 경사진 금속판에 의해 반사시켜서 중성 입자를 생성하게 된다. 그렇지만, 이 시스템은 웨이퍼에 입사되는 중성입자 빔의 단면이 좁게 되어 대략 8인치 이상의 대형 피처리체를 처리하기에는 부적합하다는 문제점이 있다. 만약 넓은 피처리체에 대해 적용하고자 하는 경우에는 식각의 균일성을 확보하기가 어렵게 된다. 아울러, 이 시스템은 식각을 위한 활성종의 원자 또는 분자를 직접 사용하여 플라즈마를 생성하도록 되어 있으며, 챔버 내에 식각 성능 향상을 위한 첨가재료를 추가적으로 도입하거나 활성종을 별도로 도입하기가 곤란할 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반도체 및 액정 패널과 같은 피처리체를 가공하는데 사용할 수 있고 그 유효 단면이 넓은 하이퍼서멀 중성입자 빔을 발생할 수 있는 장치를 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

아울러, 본 발명은 유효 단면이 넓은 중성입자 빔을 발생하여 반도체 및 액정 패널과 같은 피처리체의 표면 처리를 하기 위한 하이퍼서멀 중성입자 처리 장치를 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 장치의 일 예를 보여주는 도면.

도 2는 도 1에 도시된 반사판 조립체의 일 실시예의 확대 단면도.

도 3은 도 1에 도시된 반사판 조립체의 일 실시예의 분해 사시도.

도 4는 반사판 조립체에서의 중성입자 생성 과정을 설명하기 위한 도면.

도 5는 반사판 조립체의 다른 실시예의 분해 사시도.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 중성입자 발생 장치에 있어서, 하이퍼서멀 중성입자는 플라즈마 이온이 금속면에 충돌할 때 생성된다. 중성입자 발생 장치는 플라즈마 생성 수단 및 중성입자 변환 수단을 포함한다. 플라즈마 생성 수단은 소정의 가스를 받아들이고, 외부로부터의 고주파 전력에 의해 가스로부터 다수의 플라즈마 이온들을 포함하는 플라즈마를 생성한다. 중성입자 변환 수단은 상기 플라즈마 생성 수단에 인접하여 배치되어 있으며, 각각이 서로 평행하게 설치되고 각각에 다수의 관통부들이 형성되어 있는 복수의 금속판들을 포함한다. 복수의 금속판들 각각은 적어도 그 표면이 상기 가스보다 분자량이 큰 중금속으로 되어 있어서 플라즈마 이온이 충돌할 때 다수의 플라즈마 이온들 중 적어도 일부가 중성입자로 변환되게 할 수 있다.

플라즈마 발생 수단은 중성입자 변환 수단에 의해 정해지는 어느 한 면을 포함하는 복수의 내부면들에 의해 한정되고, 상기 내부면들 중 적어도 어느 하나에는 플라즈마 이온을 가속하기 위한 바이어스가 인가된다. 이에 따라, 플라즈마 이온은 가속되어 내부면에 충돌하고, 중성입자로 변환된다. 플라즈마 발생 수단은 그 내부 단면이 대략 원형으로 되어 있으며, 직경 대 높이의 비가 5이상이 되는 것이바람직하다.

중성입자 변환 수단을 가로질러서 제1 편향 수단이 배치되는데, 제1 편향 수단은 상기 중성입자 변환 수단에 유입되는 상기 플라즈마 이온의 진행 방향을 변화시켜 상기 복수의 금속판들과 추가적으로 충돌할 수 있게 유도한다. 중성입자 변환 수단에 있어서, 각 금속판의 관통부들은 그 크기가 다르게 형성되는 것이 바람직한데, 특히 플라즈마 발생 수단으로 멀리 배치되어 있는 금속판일수록 관통부의 크기가 작게 되어 있는 것이 바람직하다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 중성입자 처리 장치는 중성입자를 발생하고 발생된 중성입자에 의해 피처리물을 처리하기 위한 것이다. 처리 장치는 탑재 수단, 제1 가스공급 수단, 플라즈마 생성 수단 및 중성입자 변환 수단을 포함한다.

탑재 수단은 피처리물을 탑재하게 되며, 제1 가스공급 수단은 피처리물을 처리하기 위한 제1 가스를 공급한다. 플라즈마 생성 수단은 제2 가스공급 수단으로부터 제1 가스를 받아들이고 외부로부터의 고주파 전력에 의해 제1 가스로부터 다수의 플라즈마 이온들을 포함하는 플라즈마를 생성한다. 중성입자 변환 수단은 상기 플라즈마 생성 수단에 인접하여 배치되어 있으며, 각각이 서로 평행하게 설치되고 각각에 다수의 관통부들이 형성되어 있는 복수의 금속판들을 포함한다. 복수의 금속판들 각각은 적어도 그 표면이 제1 가스보다 분자량이 큰 중금속으로 되어 있어서 플라즈마 이온이 충돌할 때 다수의 플라즈마 이온들 중 적어도 일부가 중성입자로 변환되게 할 수 있다.

플라즈마 발생 수단은 중성입자 변환 수단에 의해 정해지는 어느 한 면을 포함하는 복수의 내부면들에 의해 한정되고, 상기 내부면들 중 적어도 어느 하나에는 플라즈마 이온을 가속하기 위한 바이어스가 인가된다. 이에 따라, 플라즈마 이온은 가속되어 내부면에 충돌하고, 중성입자로 변환된다. 플라즈마 발생 수단은 그 내부 단면이 대략 원형으로 되어 있으며, 직경 대 높이의 비가 5이상이 되는 것이 바람직하다.

중성입자 변환 수단을 가로질러서 제1 편향 수단이 배치되는데, 제1 편향 수단은 상기 중성입자 변환 수단에 유입되는 상기 플라즈마 이온의 진행 방향을 변화시켜 상기 복수의 금속판들과 추가적으로 충돌할 수 있게 유도한다. 중성입자 변환 수단의 후방에는 플라즈마 이온들 중 중성입자로 변환되지 않은 이온들이 피처리물로 향하지 않게 그 진행 방향을 변경할 수 있도록 제2 편향 수단이 배치되는 것이 바람직하다.

중성입자 변환 수단에 있어서, 각 금속판의 관통부는 그 크기가 다르게 형성되는 것이 바람직한데, 특히 플라즈마 발생 수단으로 멀리 배치되어 있는 금속판일수록 관통부의 크기가 작게 되어 있는 것이 바람직하다. 중성입자의 지향성을 증대시키기 위하여 복수의 금속판들 중 하단에 있는 두 개의 금속판들 각각에 형성되는 관통부들은 각각에 대응하여 마련되는 튜브에 의해 서로 연결될 수도 있다. 또한, 복수의 금속판들 중 하단에는 서로 동일한 패턴으로 관통부들이 형성되는 둘 이상의 금속판을 서로 맞닿게 포갤 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 장치의 일 예를 보여준다. 도 1에 나타낸 식각 장치는 도전성 재료 예컨대 표면이 양극산화처리된 알루미늄으로 이루어져 있고, 대략 원통형상을 가지는 챔버(100)를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 챔버(100)는 그 내측 상부에 설치된 안테나 지지 패널(110)에 의해 안테나 수납실(120)과 처리실(140)로 구분된다. 본 실시예에 있어서, 안테나 수납실(120)과 처리실(140)은 서로 다른 챔버로 이루어지지만, 외부의 진공 흡입 부분(128, 212, 146, 226)에서 서로 연결되어 있다. 상기 안테나 지지 패널(110)은 석영 등의 절연재로 구성된다. 한편, 처리실(140)은 반사판 조립체(150)에 의해 플라즈마 생성 공간(142)과 처리 공간(148)으로 구분된다.

안테나 수납실(120)에 있어서, 안테나 지지 패널(110) 상부면에는 루프형 또는 나선형의 고주파 안테나(122)가 설치된다. 고주파 안테나(122)는 챔버의 상부면을 관통하여 설치되어 있는 급전봉(124)을 통하여 외부의 고주파 전원(200)에 접속되어 있다. 고주파 전원(200)은 수백㎑ 내지 수백㎒의 고주파 전력을 발생하여 임피던스 정합부(202)를 통하여 안테나(122)에 급전한다. 여기서, 임피던스 정합부(202)는 전원(202)과 안테나(122)의 임피던스를 정합시켜서, 최대의 에너지가 안테나(122)에 전달될 수 있게 해준다.

한편, 안테나 수납실(120)의 일측에는 제1 배기구(128)가 마련되어 있는데, 이 제1 배기구(128)에는 바늘밸브 또는 누출밸브로 이루어진 제1 진공흡인밸브(212)가 연결되어 있다. 식각 장치가 동작할 때, 제1진공흡인밸브(212)는 안테나 수납실(120) 내부의 공기를 흡인하여, 안테나 수납실(120)이 일정한 감압 분위기, 예컨대 200∼300 밀리토르(mTorr)의 압력으로 유지되도록 해준다. 이처럼 안테나 수납실(120)이 일정한 감압 상태로 유지됨에 따라 안테나 수납실(120)은 플라즈마 생성 가능성이 낮아지게 되며, 플라즈마로 인해 안테나가 열화되는 것을 방지할 수가 있게 된다. 또한, 안테나 수납실(120)에는 제3 가스공급구(126)가 마련되어 있는데, 이 제3 가스공급구(126)에는 제3 유입밸브(210)가 연결되어 있다. 안테나 수납실(120)은 제3 유입밸브(210)를 통한 공기 공급과 제1 진공흡인밸브(212)를 통한 공기 배출을 통해 내부 압력이 조절된다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 있어서는, 안테나 수납실(120)이 공기 대신에 산소, 아르곤 또는 할로겐족 원소를 포함하는 물질로 채워질 수도 있다. 이러한 경우, 제3 유입밸브(210)에는 이러한 가스를 공급하기 위한 가스공급원이 연결된다.

반사판 조립체(150)는 안테나(122)로부터 유도되는 전력에 의해 처리가스로부터 생성되는 플라즈마 이온을 중성입자로 변환하여 처리 공간(148)에 공급한다. 후술하는 바와 같이, 반사판 조립체(150)는 다수의 홀이 형성되어 있는 복수의 반사판으로 구성된다. 이와 같은 반사판 조립체(150)는 안테나 수납실(120) 및 플라즈마 생성 공간(142)을 한정하는 챔버 상부 하우징와 처리 공간(148)을 측방향 및 하방향에서 한정하는 챔버 하부 하우징에 각각 마련되는 플랜지들(102, 104) 사이에 삽입한 후, 볼트 및 너트를 체결함으로써 조립된다.

플라즈마 생성 공간(142)의 내부 직경과 높이의 비는 5 이상이 되는 것이 바람직하다. 플라즈마 생성 공간(142)의 측벽에는 제1 가스공급구(144)가 마련되어 있는데, 제1 가스공급구(144)에는 유량제어기(MFC: Mass Flow Controller, 222) 및 제1 유입밸브(224)를 통해서 플라즈마 생성을 위한 원천가스를 공급하는 제1 가스공급원(220)이 접속되어 있다. 또한, 플라즈마 생성 공간(142)에는 제3 배기구(146)가 마련되어 있는데, 이 제3 배기구(146)에는 바늘밸브 또는 누출밸브로 이루어진 제3 진공흡인밸브(226)가 연결되어 있다. 제3 진공흡인밸브(226)는 제1 진공흡인밸브(212)와 함께 안테나 수납실(120)과 플라즈마 발생실(142) 간의 압력차를 조절하는데 사용된다.

반사판 조립체(150) 외측에는, 반사판 조립체(150) 내부로 유입되는 플라즈마 이온에 자력을 인가하여 플라즈마 이온의 진행 방향을 변경하기 위한 제1 자석 유닛(170, 172)이 설치된다. 제1 자석 유닛(170, 172)은 N극과 S극이 번갈아서 배치된 다수의 자석들을 포함한다.

처리 공간(148)의 하부에는 대략 원통 또는 원반 형상으로 되어 있으며 웨이퍼를 탑재할 수 있는 탑재대(180)가 설치되어 있다. 탑재대(180)는 승강기구(미도시됨)에 접속되어 있는 승강축(182)에 의해 챔버(100)의 저면 상에 지지된다. 또한, 탑재대(180)는 승강기구의 작동에 의해 승강축(182)을 매개해서 상하방향으로 승강할 수 있게 되어 있어서, 새로이 처리할 웨이퍼를 반입하고 처리가 완료된 웨이퍼를 반출할 수 있다. 한편, 탑재대(180)의 하방에는 탑재대(180)를 회전시키기 위한 모터(미도시됨)가 설치되어 있다. 이에 따라, 중성입자들이 웨이퍼 상에 도입되는 지점이 국부화되어 중성입자들의 도입량이 적은 부분(Blind spot)이 존재하게 되는 현상을 방지하고 중성입자가 웨이퍼 전체의 모든 지점에 고르게 도입될 수 있게 된다.

아울러 처리 공간(148)의 저면 또는 측면에는 제2 배기구(190)가 마련되어 있는데, 이 제2 배기구(190)에는 제2 진공흡인밸브(230)가 연결되어 있다. 식각 장치의 동작 개시 초기에, 제2 진공흡인밸브(230)는 처리실(140) 내부의 공기를 흡인하여, 처리실(140)이 진공 분위기, 예컨대 10^-5밀리토르(mTorr) 정도의 압력으로 유지되도록 해준다. 아울러, 식각이 진행되는 도중에 제2 진공흡인밸브(230)는 처리실(140) 내부의 공기를 흡인하여 처리실(140) 내부에서 발생되는 폐가스를 외부로 배출하게 된다.

한편, 처리실(140)의 측면에는 에칭을 극대화시킬 수 있도록 하기 위해 가스도입실(195)이 별도로 마련된다. 가스도입실(195)은 처리실(140)에 연결되어 있으며, 활성종 가스 또는 첨가재료가 잘 퍼지면서(diffusively) 처리실(140)에 공급될 수 있게 되어 있다. 가스도입 공간(195)의 외측벽에는 제2 가스공급구(197)가 마련되어 있는데, 제2 가스공급구(197)에는 제2 유입밸브(242)를 통해서 활성종 가스 또는 첨가재료를 공급하는 제2 가스공급원(240)이 접속되어 있다. 제1 가스공급원(220)에서 공급되는 처리가스가 아르곤과 같은 비활성가스인 경우 식각을 위한 활성종은 제2 가스공급원(240)으로부터 공급된다. 그렇지만, 제1 가스공급원(220)에서 공급되는 처리가스에 활성종이 포함되어 있는 경우에는, 제2 가스공급원(240)은 첨가재료만을 공급하거나 활성종과 첨가재료가 포함된 혼합가스를 공급하게 된다.

도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 반사판 조립체(150)를 구체적으로 보여준다. 바람직한 실시예에 있어서, 반사판 조립체(150)는 3 개의 반사판(310, 320, 330)으로 구성된다. 각각의 반사판(310, 320, 330)은 일종의 패러데이 쉴드로써 다수의 관통 홀들(312, 322, 332)이 형성되어 있다. 또한, 각 반사판(310, 320, 330)의 외주에는 오링(O-ring) 형태의 냉매순환로(314, 324, 334)가 설치되어 있는데. 이 냉매순환로(314, 324, 334)는 도시하지 않은 온도조정기에 접속되어 있다. 온도조정기와 냉매순환로 사이에서 냉매, 예컨대 물이나 에틸렌글리콜 등을 순환시킴으로써, 중성입자 생성 과정에서 발생하는 반사판(310, 320, 330)의 열을 냉각시켜 반사판(310, 320, 330)의 온도를 충분히 낮게 유지하는 것이 가능하다.

각 반사판(310, 320, 330)에 있어서, 관통 홀들은 같은 직경을 가질 수 있다. 그렇지만, 제1 반사판(310)에 형성되는 홀들(312)에 비해 제2 반사판(320)에 형성되는 홀들(322)은 작은 크기를 가지는 것이 바람직하며, 마찬가지로 제3 반사판(330)에 형성되는 홀들(332)은 제2 반사판(320)에 형성되는 홀들(322)에 비해 작은 크기를 가지는 것이 바람직하다. 그러나, 각 반사판(310, 320, 330)에서 홀들이 차지하는 비율 즉, 투명성(Transparency)은 대략 40∼50%로 동일할 수 있다. 한편, 적어도 제1 반사판(310)에는 바이어스 단자(316)가 형성되어 있어서, 플라즈마 이온을 흡인하여 유도할 수 있게 되어 있다. 이와 같은 반사판들(310, 320, 330)은 탄탈룸(Ta)이나, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 또는 스테인레스강과 같이 분자량이 큰 중금속으로 제작되거나, 적어도 이러한 금속 재질로 코팅이 된다. 여기서, 각 반사판(310, 320, 330)이 서로 다른 재질로 되어 있을 수도 있다.

도 1에 도시된 식각 장치는 다음과 같이 동작한다.

먼저, 제1 진공흡인밸브(212)를 구동하여 안테나 수납실(120)이 일정한 감압 분위기, 예컨대 200∼300 밀리토르(mTorr)의 압력으로 유지되도록 해준다. 이때, 안테나 수납실(120)과 플라즈마 발생실(142)의 압력차가 커짐으로 인해 안테나 지지 패널(110)이 파손되는 것을 방지할 수 있도록 하기 위해, 제3 진공흡인밸브(226)를 함께 구동하여 플라즈마 발생실(142)을 감압시키는 것이 바람직하다. 그다음, 제2 진공흡인밸브(230)를 구동하여 처리실(140)을 진공 분위기, 예컨대 10^-5밀리토르(mTorr)의 압력으로 변화시킨다. 이 상태에서, 유량제어기(MFC: 222) 및 제1 유입밸브(224)를 조절하여 플라즈마 생성 공간(142)에 플라즈마 생성을 위한 원천가스를 공급한다. 이때, 원천가스로는 아르곤이 사용될 수 있다.

이와 같이 플라즈마 생성 공간(142)에 처리가스가 주입되는 상태에서 안테나(122)에 고주파 전력을 공급하면, 안테나(122)로부터 방사되는 전파에 의해 글로우 방전이 시작되어 처리가스로부터 플라즈마가 생성된다. 플라즈마 중에 유도전류가 발생함에 따라, 안테나(122)로부터의 전파 공급과 제1 가스공급원(220)으로부터의 처리가스공급이 계속되는 한 플라즈마 발생은 지속적으로 유지될 수 있다.

이때, 반사판 조립체(150)의 제1 반사판(310)에 -10 내지 -20볼트 정도의 바이어스가 인가된다. 바이어스에 의해 플라즈마 이온들은 반사판 조립체(150) 쪽으로 가속되어 반사판 조립체(150)와 충돌할 수 있게 된다. 반사판 조립체(150)가분자량이 큰 금속으로 되어 있기 때문에, 플라즈마 이온들 중 일부는 반사판 조립체(150)에 충돌할 때 완전탄성충돌을 하는 대신에 일정한 에너지를 잃고 반사판 조립체(150)로부터 전자를 흡수하여 중성입자로 변환된다. 일반적으로, 각 플라즈마 이온이 반사판 조립체(150)의 어느 한 반사판에 충돌할 때 중성입자로 변환될 확률은 약 50%에 이르며, 이때 중성입자의 에너지는 플라즈마 이온의 에너지에 비해 약 50% 정도 감소되는 것으로 알려져 있다(1991년 프린스턴대에서 발행된 John William Cuthbertson의 논문 "Reflection of Plasma Ions from Metals"를 참고할 것).

도 4에 도시된 바와 같이, 플라즈마 이온들 중에는 제1 반사판(310)에서의 첫 번째 충돌에서 중성입자로 변환되는 것도 있지만(입자 1), 제1 내지 제3 반사판(310, 320, 330) 사이에서 중성입자로 변환되는 것도 있다(입자 2 내지 입자 5). 즉, 제1 반사판(310)을 통과하는 이온들이 제2 및 제3 반사판(320, 330)을 통과하는 동안에 중성화될 수 있는 기회를 가지도록 하게 되어, 중성 입자 플럭스의 크기를 증가시키게 된다. 변환된 중성입자는 처리 공간(148)에 도입된다.

입자 1 및 입자 6과 같이 중성입자가 다시 플라즈마 생성 공간(142)으로 재유입될 수도 있는데, 이러한 입자는 플라즈마 생성 공간(142) 내벽면에서 탄성충돌을 반복한 후 최종적으로는 처리 공간(148)에 공급된다. 플라즈마 이온이 일단 중성입자로 변환되면, 각 충돌시마다 약 10%의 에너지만을 잃게 된다. 본 발명에 의한 중성입자 발생 장치에 있어서 웨이퍼에 공급되는 중성입자 빔은 평균 10전자볼트(eV)의 고에너지를 가지는 입자 빔(Hyperthermal neutral beam)이다.

한편, 이와 같은 중성입자로의 변환 과정에 있어서, 반사판 조립체(150) 외측에 설치된 제1 자석 유닛(170, 172)은 아직 중성입자로 변환되지 않은 플라즈마 이온에 대해 자력을 인가하여 반사판에 수직으로 입사하는 플라즈마 이온의 진행 방향을 변경해줌으로써, 플라즈마 이온이 다시 한번 반사판과 충돌하여 중성입자화할 수 있는 기회를 제공한다. 한편, 제2 자석 유닛(174, 176)은 중성입자로 변환되지 않고서 플라즈마 이온 상태로 처리 공간(148)에 유입되는 입자들을 측방향으로 유도하여, 이와 같은 플라즈마 이온이 웨이퍼로 향하는 것을 방지하게 된다.

한편, 제2 가스공급원(240)으로부터 공급되는 활성종 가스 및/또는 첨가가스는 웨이퍼 상의 피식각 물질과 화학반응을 일으켜 자발적으로 증발하거나 피식각 물질에 흡착된다. 중성입자는 웨이퍼 상에 흡착되어 있거나 잔류하는 부산물에 충돌하여 이 부산물이 제거될 수 있게 해준다. 이때, 중성입자는 대전된 입자가 아니기 때문에 웨이퍼에 미치는 손상이 거의 없게 된다. 이와 같이 식각이 진행되는 동안에, 증발된 폐가스는 제2 배기구(190) 및 제2 진공흡인밸브(230)를 통해 외부로 배출된다.

이상의 설명은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양하게 변형될 수 있다.

예컨대, 이상의 설명에서는 제1 반사판(310)에 대해서 플라즈마 이온의 가속을 위한 바이어스를 인가하였지만, 제1 또는 제3 반사판(320, 330)에 또는 이들 모두에 바이어스를 인가할 수도 있다. 아울러, 반사판 대신에 안테나 지지 패널(110) 하부면에서 반대극성의 바이어스를 인가할 수도 있다. 다른 한편으로,챔버의 측벽에 양 또는 음의 바이어스를 인가할 수도 있는데, 이러한 경우 플라즈마 이온은 측방향으로 가속되어 중성입자로 변환된다. 일단 플라즈마 이온이 중성입자로 변환되면, 중성입자는 바이어스 영향을 받지 않고 플라즈마 발생실 내부면과 충돌을 반복한 후 반사판 조립체(150)를 통과하여 웨이퍼에 도입된다.

바람직한 실시예에 있어서는, 반사판 조립체(150)에 유입된 플라즈마 이온이 반사판들과 충돌하여 중성입자로 변환되는 기회를 추가적으로 부여하기 위해 반사판 조립체(150)를 가로질러 제1 자석 유닛(170, 172)가 설치된다. 그렇지만, 이러한 실시예가 변형된 예에 있어서는, 자석 대신에 반사판 조립체(150)를 가로질러 바이어스 회로가 설치될 수 있다. 나아가, 플라즈마 이온의 진행 경로를 변경하기 위한 여타의 편향 장치가 사용될 수 있다. 한편, 반사판 조립체(150)를 통과한 플라즈마 이온의 진행 경로를 변경하기 위한 제2 자석 유닛(174, 176)의 경우에도, 바이어스 회로나 여타의 편향 장치로 대체될 수 있다.

한편, 이상의 설명에서는 플라즈마 발생 공간(142)의 하부면을 한정하는 반사판들(310, 320, 330)만을 탄탈룸(Ta)이나, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 또는 스테인레스강과 같이 분자량이 큰 중금속으로 제작하는 것으로 기술하였다. 그렇지만, 플라즈마 발생 공간(142)의 다른 다른 면들도 이러한 중금속을 코팅하거나 중금속 판을 덧댈 수도 있다.

이상의 설명에서는 플라즈마 생성을 위한 처리가스로서 아르곤만이 제1 가스공급원(220)으로부터 플라즈마 생성 공간(142)에 유입되고 활성종은 제2 가스공급원(240)으로부터 공급되는 것으로 기술하였다. 그렇지만, 본 발명의 다른 실시예에 있어서는, 제1 가스공급원(220)에서 공급되는 처리가스에 플루어린(CF₄)과 같은 활성종이 포함되어 있고, 제2 가스공급원(240)으로부터는 첨가재료 또는 활성종 및 첨가가스의 혼합가스가 공급될 수 있다.

아울러, 이상의 설명에서는 식각 장치를 중심으로 설명하였지만, 본 발명에 의한 중성입자 발생 장치는 여타의 반도체 처리 장치에도 응용될 수도 있다. 여기서, 반도체 처리란, 반도체 웨이퍼나 액정 기판 등의 피처리체상에 반도체층, 절연층, 도전층 등을 소정의 패턴으로 형성함으로써, 해당 피처리체 상에 반도체 장치 또는 상기 반도체 장치에 접속되는 배선, 전극 등을 포함하는 구조체를 제조하기 위해 실시되는 여러가지 처리를 의미한다. 이러한 반도체 처리 과정의 예를 들면 식각이외에 애싱, 산화막 형성, 클리닝 등을 들 수 있다.

이와 같이, 중성입자 발생장치가 실제로 응용되는 구체적인 공정에 따라서도 제1 가스공급원(220) 및 제2 가스공급원(240)을 통해 공급되는 가스의 종류는 서로 달라질 수 있다. 예컨대, 활성종 가스를 제1 가스공급원(220)으로부터 공급하는 경우를 생각하면, 식각 특히 절연체로 이용되는 SiO₂의 식각 공정에 있어서는 활성종으로서 위에서 기술한 불소 함유 가스가 사용될 수 있지만, 애싱이나 클리닝 또는 산화막 형성 등에 있어서는 활성종 가스로서 산소(O₂)가 공급될 수 있다. 어떠한 경우에 있어서든, 제2 가스공급원(240)으로부터 공급되는 가스는 공정에 따라 또는 소망하는 바에 따라 정해질 수 있다.

한편, 이상의 설명에서는 고주파 안테나(122)로서, 유전체 격벽 상에 설치되는 루프형 또는 나선형의 안테나가 사용되었지만, 본 발명의 다른 실시예에 있어서는 챔버를 둘러싸도록 감겨지는 나선형 안테나나 그밖에 여타 형태의 안테나가 채용될 수도 있다. 또한, 고주파 안테나(122)로부터의 플라즈마 생성 공간(142)으로의 급전 방식에 있어서도, 위에서 기술한 유도결합 방식 이외에 용량결합 방식이나 두가지가 혼합된 방식이 채용될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서는, 도파관을 통해 플라즈마 생성 공간(142)에 급전할 수도 있다. 아울러, 안테나가 챔버 내에서 피처리물인 반도체 웨이퍼에 대향하는 위치에 설치될 수도 있음은 물론이다. 물론, 상술한 바람직한 실시예도, 안테나가 챔버 내부에 설치된다는 점에서 내장형 안테나를 채용하는 시스템으로 볼 수도 있다.

다른 한편으로, 반사판 조립체(150)를 구성하는 반사판(310, 320, 330)의 경우, 위에서는 3개가 되는 예를 중심으로 설명하였지만, 반사판의 개수는 2개 또는 4개 이상이 될 수도 있다. 반사판의 개수가 많을수록 중성입자의 평균 에너지는 감소할 수 있다. 따라서, 반사판의 개수는 이러한 중성입자의 입사각 내지 이방성 식각 요구와 입자 에너지간의 상관 관계를 고려하여 정하는 것이 바람직하다. 아울러, 이상의 설명 및 도면에 있어서는 반사판에 형성되는 관통 홀이 원형인 것을 예로 들었지만, 이러한 관통 홀이 장방형 또는 모따기된 부채꼴 단면으로 된 슬릿 형태가 될 수도 있다.

반사판에 형성되는 각 홀의 지름 대 깊이 비율(지름/깊이)을 작을수록, 하이퍼서멀 중성입자가 웨이퍼에 거의 수직인 방향으로 입사될 수 있다. 그렇지만, 지름 대 깊이 비율이 작을수록 반사판의 가공이 어려워질 수 있는데, 이를 고려하여반사판 조립체(150)를 다른 형태로 배치함으로써 지름 대 깊이 비율을 필요한 수준으로 확보할 수도 있다. 예컨대, 반사판 조립체(150) 중 하단에 있는 제3 반사판(330)에 대해서는, 서로 맞닿아 있으면서 홀 위치가 일치되도록 두 개 이상의 동일 반사판을 포개어 사용할 수도 있다. 또한, 반사판 조립체(150) 중 하단에 있는 제3 반사판(330)에 대해서는, 두 개의 동일한 반사판을 사용하되 서로 대응되는 각 홀을 튜브에 의해 연결할 수도 있다.

도 5는 이와 같은 반사판 조립체(150)를 보여준다. 도 5의 반사판 조립체(150a)에 있어서는, 제3 반사판으로 두 개의 반사판(330, 330a)이 사용된다. 그리고 두 반사판들(330, 330a)의 각각의 대응하는 홀들은 튜브(340)에 의해 서로 연결되어 있다. 이러한 튜브(340)는 스테인레스 강으로 되어있을 수 있다. 이와 같은 반사판 조립체(150)에 있어서, 연직 방향이 아닌 경사진 방향으로 제3 반사판의 홀에 입사되는 중성입자들은 튜브(340) 내면에서 반사되어 그 진행 방향이 변경되어서, 거의 수직에 가까운 방향으로 진행하여 하방의 탑재대(180)에 탑재되는 웨이퍼에 도입될 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 플라즈마 이온을 각각이 패러데이 쉴드 형태로 된 복수의 반사판으로 되어 있는 반사판 조립체에 충돌시켜서 중성입자를 생성한다. 이러한 중성입자 생성 장치에 따르면, 단순하고 값싼 구조만으로 저압 하에서 고밀도의 중성입자를 넓은 면적에 걸쳐 발생할 수 있게 된다.

플라즈마 이온보다는 중성입자에 의해 피처리체를 처리하기 때문에, 피처리체에 손상이 야기될 가능성 내지 손상 정도가 크게 감소된다. 또한, 반사판 조립체 내에서 플라즈마 입자의 방향을 하방으로 정해주게 되고 반사판에 다수의 홀이 형성되어 있기 때문에, 피처리체에 도입되는 입자들이 피처리체 상에서 균일하게 분포되어 식각 등 처리의 균일성이 충분히 확보될 수 있다. 나아가, 고속으로 대형의 웨이퍼를 처리할 수 있게 되기 때문에 생산성이 향상될 수 있다.

아울러, 중성입자가 생성되기 이전에 플라즈마 생성 공간 내에서 플라즈마 입자를 가속시키기 때문에, 일반적인 플라즈마 처리 장치에서와는 달리 웨이퍼 탑재대 내지 서셉터에 입자를 가속하기 위한 음전위의 고주파 바이어스를 인가할 필요가 없게 된다.

한편, 반사판 조립체는 볼트 및 너트에 의해 챔버에 결합되기 때문에, 플라즈마 이온 및 중성입자와의 충돌에 의해 열화되어 성능이 저하되면, 이를 편리하고 용이하게 교체할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (18)

1. 소정의 피처리체를 처리하기 위한 중성입자를 발생하기 위한 중성입자 발생 장치로서,

   소정의 가스를 받아들이고, 외부로부터의 고주파 전력에 의해 상기 소정의 가스로부터 다수의 플라즈마 이온들을 포함하는 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 수단; 및

   상기 플라즈마 생성 수단과 상기 피처리체 사이의 경로를 횡방향으로 가로질러 배치되며, 각각이 서로 평행하게 설치되고 각각에 다수의 관통부들이 형성되어 있으며 적어도 그 표면이 상기 소정의 가스보다 분자량이 큰 금속으로 되어 있어서 상기 플라즈마 이온이 충돌할 때 상기 다수의 플라즈마 이온들 중 적어도 일부가 중성입자로 변환되게 할 수 있는 복수의 금속판들을 구비하는 중성입자 변환 수단;

   을 포함하는 중성입자 발생 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 플라즈마 발생 수단은 상기 중성입자 변환 수단에 의해 정해지는 어느 한 면을 포함하는 복수의 내부면들에 의해 한정되고,

   상기 내부면들 중 적어도 어느 하나에는 상기 플라즈마 이온을 가속하기 위한 바이어스가 인가되는 중성입자 발생 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 발생 수단은 그 내부 단면이 대략 원형으로 되어 있으며, 직경 대 높이의 비가 5이상인 중성입자 발생 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 중성입자 변환 수단을 가로질러 배치되어 있고, 상기 중성입자 변환 수단에 유입되는 상기 플라즈마 이온의 진행 방향을 변화시켜 상기 복수의 금속판들과 추가적으로 충돌할 수 있게 유도하기 위한 제1 편향 수단;

   을 더 포함하는 중성입자 발생 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 복수의 금속판들은 상기 플라즈마 발생 수단에 가장 인접해 있는 제1 금속판과, 상기 제1 금속판에 평행하게 배치되어 있는 제2 금속판을 포함하며,

   상기 제1 금속판에 형성되어 있는 관통부들이 상기 제2 금속판에 형성되어 있는 관통부들에 비해 크기가 큰 중성입자 발생 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 복수의 금속판들은 상기 플라즈마 발생 수단에 가장 멀리 배치되어 있는 마지막 금속판과, 상기 마지막 금속판에 인접하여 평행하게 배치되어 있는 마지막 이전 금속판을 포함하며,

   상기 마지박 금속판에 형성되어 있는 관통부들 각각은 상기 마지막 이전 금속판에 형성되어 있는 관통부들 각각과 튜브에 의해 연결되어 있는 중성입자 발생 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 복수의 금속판들은 상기 플라즈마 발생 수단에 가장 멀리 배치되어 있는 마지막 금속판과, 상기 마지막 금속판에 인접하여 평행하게 배치되어 있는 마지막 이전 금속판을 포함하며,

   상기 마지막 금속판과 마지막 이전 금속판에는 서로 동일한 패턴으로 상기 관통부들이 형성되어 있고, 상기 마지막 금속판과 상기 마지막 이전 금속판은 각각의 관통부들의 위치가 일치하도록 서로 맞닿아 포개어져 배치되는 중성입자 발생 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 중성입자 변환 수단의 후방에 배치되어 있고, 상기 다수의 플라즈마 이온들 중 상기 중성입자로 변환되지 않은 이온들의 진행 방향을 상기 복수의 금속판들과 평행한 쪽으로 유도하기 위한 제2 편향 수단;

   을 더 포함하는 중성입자 발생 장치.
9. 중성입자를 발생하고 발생된 중성입자에 의해 피처리물을 처리하기 위한 중성입자 처리 장치로서,

   상기 피처리물을 탑재하기 위한 탑재 수단;

   플라즈마 원천가스를 공급하는 제1 가스공급 수단;

   상기 플라즈마 원천가스를 받아들이고 외부로부터의 고주파 전력에 의해 상기 플라즈마 원천가스부터 다수의 플라즈마 이온들을 포함하는 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 수단; 및

   상기 플라즈마 생성 수단과 상기 탑재 수단 사이의 경로를 횡방향으로 가로질러 배치되어 있으며, 각각이 서로 평행하게 설치되고 각각에 다수의 관통부들이 형성되어 있으며 적어도 그 표면이 상기 제1 가스보다 분자량이 큰 금속으로 되어 있어서 상기 플라즈마 이온이 충돌할 때 상기 다수의 플라즈마 이온들 중 적어도 일부가 상기 중성입자로 변환되게 할 수 있는 복수의 금속판들을 구비하는 중성입자 변환 수단;

   을 포함하는 중성입자 처리 장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 플라즈마 발생 수단은 상기 중성입자 변환 수단에 의해 정해지는 어느 한 면을 포함하는 복수의 내부면들에 의해 한정되고,

    상기 내부면들 중 적어도 어느 하나에는 상기 플라즈마 이온을 가속하기 위한 바이어스가 인가되는 중성입자 처리 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 플라즈마 발생 수단은 그 내부 단면이 대략 원형으로 되어 있으며, 직경 대 높이의 비가 5이상인 중성입자 처리 장치.
12. 제9항 또는 제10항에 있어서,

    상기 중성입자 변환 수단을 가로질러 배치되어 있고, 상기 중성입자 변환 수단에 유입되는 상기 플라즈마 이온의 진행 방향을 변화시켜 상기 복수의 금속판들과 추가적으로 충돌할 수 있게 유도하기 위한 제1 편향 수단;

    을 더 포함하는 중성입자 처리 장치.
13. 제9항 또는 제10항에 있어서,

    상기 복수의 금속판들은 상기 플라즈마 발생 수단에 가장 인접해 있는 제1 금속판과, 상기 제1 금속판에 평행하게 배치되어 있는 제2 금속판을 포함하며,

    상기 제1 금속판에 형성되어 있는 관통부들이 상기 제2 금속판에 형성되어 있는 관통부들에 비해 크기가 큰 중성입자 처리 장치.
14. 제9항 또는 제10항에 있어서,

    상기 복수의 금속판들은 상기 플라즈마 발생 수단에 가장 멀리 배치되어 있는 마지막 금속판과, 상기 마지막 금속판에 인접하여 평행하게 배치되어 있는 마지막 이전 금속판을 포함하며,

    상기 마지막 금속판에 형성되어 있는 관통부들 각각은 상기 마지막 이전 금속판에 형성되어 있는 관통부들 각각과 튜브에 의해 연결되어 있는 중성입자 처리 장치.
15. 제9항 또는 제10항에 있어서,

    상기 복수의 금속판들은 상기 플라즈마 발생 수단에 가장 멀리 배치되어 있는 마지막 금속판과, 상기 마지막 금속판에 인접하여 평행하게 배치되어 있는 마지막 이전 금속판을 포함하며,

    상기 마지막 금속판과 마지막 이전 금속판에는 서로 동일한 패턴으로 상기 관통부들이 형성되어 있고, 상기 마지막 금속판과 마지막 이전 금속판은 각각의 관통부들의 위치가 일치하도록 서로 맞닿아 포개어져 배치되는 중성입자 처리 장치.
16. 제9항 또는 제10항에 있어서,

    상기 탑재대의 측 방향에 설치되며, 상기 피처리물을 변화시키기 위한 제2 가스를 공급하는 제2 가스공급 수단;

    을 더 포함하는 중성입자 처리 장치.
17. 제9항 또는 제10항에 있어서,

    상기 중성입자 변환 수단의 후방에 배치되어 있고, 상기 다수의 플라즈마 이온들 중 상기 중성입자로 변환되지 않은 이온들이 상기 피처리물로 향하지 않도록 그 진행 방향을 변경하기 위한 제2 편향 수단;

    을 더 포함하는 중성입자 처리 장치.
18. 제9항에 있어서, 상기 탑재 수단은 상기 탑재 수단을 회전시키기 위한 회전 수단을 포함하는 중성입자 처리 장치.