KR100218836B1 - 플라스마 처리장치 - Google Patents

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Abstract

마이크로파가 파이크로파 투과공을 통하여 처리실을 통과하는 플라스마 처리장치가 개시되어 있다. 또한 마이크로파 투과공에 마이크로파 도입재가 유전체가 장착되어 있다. 유전체는 비유전율이 4~10, 절색저항이 108~1012Ω인 것이 바람직하다.

Description

플라스마 처리장치
제1도는 종래의 마이크로파 플라스마 처리장치를 모식적으로 나타낸 단면도.
제2도는 본 발명에 의한 마이크로파 플라스마 처리장치의 실시예를 모식적으로 나타낸 단면도.
제3도는 제2도에 표시한 실시예에 사용된 도전체판(접지전극)을 나타내는 정면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 반응기 14 : 마이크로파 도입창
15a : 시료지지대 18 : 고주파전원
21 : 유전체선로 22 : 도파관
23 : 마이크로파 반진기 24 : 도전체판
24a : 마이크로파 투과공 25 : 유전체판
본 발명은, 플라스마 처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 웨이퍼의 에칭 또는 박막을 형성하기 위한 마이크로파 플라스마 처리장치에 관한 것이다.
고집적 반도체장치의 제조에 있어서 마이크로파 플라스마 처리장치는 광범위하게 이용된다. 이러한 마이크로파 플라스마 처리장치에 있어서, 진공용기내에 반응가스와 마이크로파를 도입하여 가스방전을 일으켜 플라스마를 생성시키고, 이 플라스마를 기판표면에 조사하여 에칭이나 박막 형서 등의 처리를 실시하였다. 플라스마의 생성과 플라스마중의 이온의 가속이 각각 독립적으로 제어가능한 마이크로파 플라스마 처리장치는 드라이에칭이나 매립기술에 중요한 것으로, 그 연구개발이 강화되고 있다.
플라스마의 생성과 플라스마중의 이온 가속을 각각 독립적으로 제어하는 것을 목적으로 하며, 제1도는 본 출원인이 특개평 6-104098호 공보에 제안한 마이크로파플라스마 처리장치르 표시한 도면으로, 도면중 부호(11)은 반응기를 나타낸다.
이 반응기(11)은 스테인레스스틸, 알루미늄 등의 금속을 사용하여 형성되며, 그 주위벽은 이중구조로 되어 있고, 그 내부에는 냉매통로(12)가 형성되며, 냉매통로(12)로 흐르는 냉매는 냉매도입구(12a)로부터 공급되며 냉매배출구(12b)로 배출되도록 되어 있다. 반응기(11)내에 반응실(13)이 형성되어 있으며, 반응기(11)의 상부는 유도손실이 적고 또 내열성이 있는 석영글라스, 파리렉스글라스, 알루미나등의 유전체를 사용하여 형성된 마이크로파 도입창(14)에 의해 기밀상태로 봉지되어 있다. 반응실(13)의 내부를 가열하기 위해서 제1도에서는 도시하지 않은 전열기가 반응기(11)주위에 설치된다. 전열기로 가열하고 냉매통로(12)로 냉매를 순환시켜서 반응실(13)의 온조를 조정한다.
마이크로파 도입창(14)의 하면에는 접지전극으로 가능하는 금속제 도전체판(31)이 배설되며, 이 도전체판에는 마이크로파의 진행방향에 대하여 수직으로 복수개의 마이크로파 투과공(32)이 형성되며, 도전체판(31)은 반응기(11)를 통하여 접지(33)된다. 제3도에 도시하지 않았지만, 도전체판(31)은 마이크로 도입창(14)과 시료지지부(15a)의 중간부위치에 배설되며, 반응기(11)를 통하여 접지되어도 좋다.
반응실(13)내에 시료를 지지하기 위한 시료지지대(15a)와, 이것이 재치된 시료대(15)가 배설되어 있고, 시료대(15)는 상하방향으로 드라이버에 의해 승강이 가능하도록 되어 있다. 시료지지대(15a)에는 시료표면에 바이어스전압을 발생시키기 위한 고주파전원(18)이 접속되어 있다. 또 시료를 단단하게 지지하기 위한 정진척(eletrostatic chuck) 등의 척기구가 장비되어 있으며, 시료를 냉각하기 위한 냉매 등을 순환시키는 냉각기구가 배설되어 있다. 반응기(11)의 하부벽에는 도시하지 않은 배기장치에 접속된 배기구(16)가 형성되어 있고, 반응기(11)의 한쪽벽에는 반응실(13)내에 소요한 반응가스를 공급하기 위한 가스 공급관(17)이 접속되어 있다.
반응기(11)의 위쪽에는 유전체선로(21)가 배설되어 있고, 유전체선로(21)는 알루미늄 등의 금속판(21a)과 유전체층(21c)으로 구성되며, 유전체선로(21)의 끝에는 금속제의 반사판(21b)으로 봉지되어 있다. 유전체층(21c)은 금속판(21a)의 아랫면에 부착되어 있고, 그 유전체층(21c)은 유전손실이 적은 불소계수지, 폴리에틸렌 도는 폴리스티렌 등을 사용하여 형성된다. 유전체선로(21)에는 도파관(22)을 통하여 마이크로파 발진기(23)가 연결되어 있으며 마이크로파 발진기(23)에서 발생한 마이크로파가 도파관(22)을 통해서 유전체선로(21)에 도입되도록 되어 있다.
이렇게 구성된 마이크로파 플라스마 처리장치를 사용하여 시료지지대(15a)위에 재치된 시료표면에 에칭처리를 하는 경우, 시료지지대(15a)에 재치된 시료의 위치가 소정의 높이가 되도록 조정한 후, 불필요한 가스는 반응실(13)내에 배기구(16)로 배출하고, 그후에 가스공급관(17)에서 반응실(13)내로 반응가스를 공급하여 반응실(13)내에 소정의 압력으로 설정한다. 동시에 냉매를 낸매도입구(12a)로부터 공급하여 냉매통로(12)내를 순환시켜 냉매배출구(12b)로 배출한다. 계속해서 마이크로파 발진기(23)로 마이크로파를 발진시키고 도파관(22)를 통하여 유전체선로(21)에 도입한다. 유전체선로에 마이크로파를 도입하면 유전체선로 하부에 전자 기장이 형성되고 마이크로파가 마이크로파 투과공(32)을 통과하면 반응실(13)내에 플라스마를 발생시킨다. 그후 고주파전원을 사용하여 시료지지대(15a)에 고주파를 인가하여 시료표면에 바이어스전압이 발생된다. 안정하게 발생된 바이어스전압에 의해 플라스마중의 이온을 시료표면에 대하여 수직으로 입사시킴과 동시에 이온의 에너지를 제어하면서 에칠을 한다.
상기한 마이크로파 플라스마 처리장치에 있어서, 마이크로파 투과공(32)과 도전체판(31)이 마이크로파 도입창(14)에 맞닿아서, 그 결과 플라스마에 대한 접지전위가 안정하여 반응실(13)내에서 플라스마 포텐셜이 안정하고, 시료표면에 안정한 바이어스전압을 균일하게 생성시킬 수 있으며, 플라스마중의 이온에너지를 조정하여 시료표면에 대하여 이온을 수직으로 조절할 수 있다.
그러나 종래의 마이크로파 플라스마 처리장치에 있어서, 석영글라스계 마이크로파 도입창(14)이 사용되는 경우에는 불소계 가스를 사용하여 에칭처리를 하면, 마이크로파 도입창(14)의 일부가 플라스마 에칭된다. 즉, 마이크로파 도입창(14)의 일부가 마이크로파 투과공(32)에서 반응실(13)측으로 노출하기 때문이다. 또 한 마이크로파 도입창(14)은 매우 고가이므로 대체하기가 곤란하다.
본 발명의 목적은 에칭가스로서 불소가스를 사용해도 마이크로파 도입재가 에칭되지 않는 마이크로파 플라스마 처리장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적, 특징 등은 다음에서 설명되며, 본 기술분야에서의 당업자는 실험으 통해서 또는 본 발명의 실시를 습득하므로써 명확하게 될 것이다. 본 발명의 목적과 특징은 결합, 특히 청구범위에서 지적한 수단에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 제1관점에 의하면, 마이크로파가 처리실을 통하여 투과공에서 전극이 배설되며, 유전체는 비유전율(ralative dielectric constant)이 4~10, 절색저항(insulation resistance)이 108~1012Ω인 것이 바람직하다. 예를 들어 유전체는 알루미나 세라믹으로 형성되며, 그 두께는 전극판과 같은 것이 바람직하다. 상기한 유전체는 마이크로파 투과공에 고정된다.
본 발명의 마이크로파 플라스마 처리장치에 있어서, 마이크로파 도입재는 유전체와 함께 마이크로파 투과공에 설치되며, 에칭에 사용되는 부식형 가스 즉 불소 가스를 사용해도 마이크로파 도입창의 에칭이 방지된다. 마이크로파는 유전체를 통하여 처리실에서 플라스마를 발생시킨다.
실시예에 의한 마이크로파 플라스마 처리장치를 도면과 함께 설명한다. 제2도는 본 발명에 의한 마이크로파 플라스마 처리장치의 실시예를 모식적으로 나타낸 도이다. 제2도에서 도면중 부호(111)은 반응기를 나타낸다. 이 반응기(111)은 스테인레스스틸, 알루미늄등의 금속을 사용하여 형성되며, 그 주위벽은 이중구조로 되어 있어 냉매통로(112)가 형성되며, 냉매통로(112)로 흐르는 냉매는 냉매도입구(112a)로부터 공급되며 냉매배출구(122b)로 배출되도록 되어 있다. 반응기(111)내에 반응실(113)이 형성되어 있고, 반응기(111)의 상부는 유도손실이 적고 또 내열성이 있는 석영글라스, 파이렉스글라스, 알루미나 등의 유전체를 사용하여 형성된 마이크로파 도입창(114)에 의해 기밀상태로 봉지되어 있다. 반응실(113)의 내부를 가열하기 위해서 제2도에서는 도시하지 않은 전열기가 반응기(11)주위에 설치된다.
마이크로파 도입창(114)의 하면에는 접지전극으로 기능하는 도전체판(124)이 배설되며, 이 도전체판(124)에는 마이크로파의 진행방향에 대하여 수직으로 복수개의 마이크로파 투과공(124c)이 형성되며, 도전체판(124)은 반응기(111)를 통하여 접지(133)된다.
반응실(113)내에 시료(130)를 지지하기 위한 시료대(115)위에 시료지지대(115a)에 위치하여 에칭된다. 시료대(115)는 드라이버에 의해 상하방향으로 승강이 가능하도록 되어 있다. 시료지지대(115a)에는 시료표면에 바이어스전압을 발생시키기 위한 고주파전원(118)이 접속되어 있다. 또 시료(130)를 단단하게 지지하기 위한 정전척(chuck)등의 척기수가 장비되어 있으며, 시료(130)를 냉각하기 위한 냉매 등을 순환시키는 냉각기구가 장비되어 있다. 반응기(111)의 하부벽에는 도시하지 않은 배기장치에 접속된 배기구(116)가 형성되어 있고, 반응기(111)의 한쪽벽에는 반응실(113)내에 소요한 반응가스를 공급하기 위한 가스공급관(117)이 접속되어 있다.
반응기(111)의 위쪽에는 유전체선로(121)가 배설되어 있고, 유전체선로(121)는 알루미늄 등의 금속판(121a)으로 구성되며, 유전체층(121c)이 금속판(121a)의 일부에 부착되어 있다. 유전체선로(121)의 끝에는 금속제의 반사판(121b)으로 봉지되어 있다. 유전체층(121c)은 유전손실이 적은 불소계수지, 폴리에틸렌 또는 폴리스티렌 등을 사용하여 형성된다. 유전체선로(121)에는 도파관(122)을 통하여 마이크로파 발진기(123)가 연결되어 있으며 마이크로파 발진기(123)에서 발생한 마이크로파가 도파관(122)을 통해서 유전체선로(121)에 도입되도록 되어있다.
이렇게 구성된 마이크로파 플라스마 처리장치에 있어서 지지대(115)에 위치된 시료표면에 에칭처리를 하는 경우, 지지대(115)의 위치가 소정의 높이가 되도록 조정한 후, 불필요한 가스는 반응실(113) 내로 반응가스를 공급하여 반응실(113)내를 소정의 압력으로 설정한다. 동시에 냉매를 냉매도입구(112)로부터 공급하여 냉매통로(112)내를 순환시켜 냉매배출구(112b)로 배출한다. 계속해서 마이크로파 발진기(123)로 마이크로파를 발진시키고 도파관(122)을 통하여 유전체선로(121)에 도입한다. 유전체선로(121)에 마이크로파를 도입하면 유전체선로를 하부에 전자기장이 형성되고 마이크로파가 마이크로파 투과공(124c)을 통과하여 반응실(113)내에 플라스마를 발생시킨다. 그후 고주파전원을 사용하여 시료지지대(115a)에 고주파를 인가하여 시료표면에 바이어스전압을 발생시킨다. 안정하게 발생된 바이어스전압에 의해 플라스마중의 이온을 시료표면에 대하여 수직으로 조사시킴과 동시에 이온의 에너지를 제어한다. 시료(130)는 반응실(113)내에서 플라스마와 함께 에칭처리된다.
도전체판(124)은 알루미늄제로서 전체적으로 마이크로파 투과공(124c)을 제외하고 마이크로파 도입창(114)의 일부에 형성되며, 시료지지대(115a)에 평행하게 위치한다. 마이크로파 투고공(124c)은 형태가 한정되지 않으며, 제3도에 표시하듯이 마이크로파를 쉽게 통과시키는 직사각형도 바랍직하다. 마이크로파 투과공(124c) 각각에 알루미나 세라믹제 유전체판(125)이 고정된다.
유전체판(125)은 알루미나 세라믹에 한정되지 않으며, 비유전율(εr)이 4~10절색저항(IR)이 108~1012Ω인 석영글라스 등이 바람직하다. 이 실시예에서 유전체판(125)은 도전체판(124)과 같은 두껭의 10㎜로 형성된다. 유전체판의 두께는 2~4㎜로 할 수 있다.
실시예에서 접지도전체판(124)은 마이크로파 도입창(114)과 접속되어 있지만 마이크로파 도입창(114)과 시료지지대(115a)의 중간에 위치한다. 즉 도전체판은 마이크로파 도입창(114)으로부터 떨어져 위치한다. 상기한 기구에서 도전체판(124)은 알루미늄으로 구성되지만 쉽게 오염되지 않는 다른 도전물질이 사용될 수 있다. 예를 들어 탄소, 규소 및 알루마이트표면을 가지는 알루미늄과 같이 표면에 산화층을 가지는 물질이 도전체판(124)에 적합하다.
다음에 본 발명의 실험데이터를 설명한다. 이 실험은 마이크로파 플라스마 처리장치로 실시되었으며 제2도 및 제3도에 표시한다. 실험조건은 다음과 같다.
시료(130) : SiO2층의 1㎛ 실리콘웨이퍼 8
방전가스혼합물 : CF430 Sccm
CHF330 Sccm
Ar 100 Sccm
반응실(113)압력 : 30mTorr
마이크로파 주파수 : 2.45GHz
플라스마를 발생시키기 위한 전원 ; 1kW
지지대(115a)의 고주파(RF), 진동수 : 400kHz, 전원 : 600W
실험웨이퍼수 : 500
에칭시간 : 2분/웨이퍼
상기한 실험에 의하면 500의 웨이퍼 각각은 에칭이 잘 이루어졌으며 마이크로파 도입창(114)은 에칭되지 않는다.
참고로 마이크로파 도입창에 유전체판(125)을 장착하지 않은 것을 제외하고는 종래의 마이크로파 플라스마 처리장치를 사용하여 동일한 조건에서 실험하였다. 200웨이퍼를 에칭한 후에 마이크로파 도입창이 0.5㎜의 깊이로 에칭되었다.
상기한 실시에서 알 수 있듯이 실시예에 의하면 마이크로파 도입창(114)이 마이크로파 투과공(124c)에 유전체판(125)과 같이 형성되어 있어서, CF4, CHF3를 포함하는 불소가스 등과 같은 부식형 가스에서도 마이크로파 도입창(114)은 에칭이 방지된다. 유전체판(125)을 통해서 마이크로파는 반응실(113)내에서 플라스마를 발생시킨다.
본 발명은 명확하게 설명하기 위해서 특정 실시예를 들어서 설명했지만, 첨부된 첨구범위에 의해 한정되지 않으며 본 기술분양의 당업자는 본 발명의 정신과 범주를 벗어나지 않는한 변형과 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (7)

  1. 처리하기 위한 시료가 위치한 처리실과, 처리실증으로 처리가스를 공급하는 수단과, 처리실증의 플라스마를 흥분시키기 위해 사용되는 마이크로파 발생수단과, 처리실증으로 마이크로파를 통과시키는 마이크로파 도입재와, 마이크로파 도입재에 있어서 처리실에 노출되는 표면에 형성된 마이크로파가 통과하는 투과공이 설치된 접지전극판과, 전극판의 투과부분에 형성된 유전재 및 시료에 고주파전원을 인가하는 고주파전원으로 구성되는 플라스마 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 유전체는 비유전율이 4~10, 절색저항이 108~1012Ω인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  3. 제1항에 있어서, 유전체는 알루미나 세라믹으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  4. 제1항에 있어서, 유전체는 전극판과 같은 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  5. 제1항에 있어서, 유전체는 그 두께가 2~4㎜인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  6. 제1항에 있어서, 유전체는 마이크로파 투과공에 고정되는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  7. 처리하기 위한 시료가 위치한 반응실(13)과, 반응실(13)중으로 처리가스를 공공급하는 수단과, 반응실(13)중의 플라스마를 흥분시키기 위해 사용되는 마이크로파 발생수단(23)과, 반응실(13)중으로 마이크로파를 통과시키는 마이크로파 도입재(14)와, 마이크로파 도입재(14)에 있어서 반응실(14)에 노출되는 표면에 형성된 마이크로파가 통과하는 1개 이상의 투과공(32)이 설치된 접지전극판과, 전극판의 마이크로파 투과공(32)에 고정된 비유전율이 4~10, 절색저항이 108~1012Ω이고 전극판과 두께가 같은 유전체(21c) 및 시료에 고주파전압을 인가하는 고주파전원(18)으로 구성되는 플라스마 처리장치.
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