KR100239389B1 - 플라즈마 에칭장치 - Google Patents

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쥰이찌 아라미
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이사히로 하세가와
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히가시 데쓰로
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니시무로 타이죠
가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

플라즈마 에칭장치는, 피처리체를 재치 고정하는 서셉터(12, 14)와, 서셉터(2, 14)를 저온역까지 신속하게 냉각하는 고냉각 능력의 냉매(21)를 가지는 냉각쟈켓과, 서셉터 및 냉각쟈켓(20)을 둘러싸는 프로세스 챔버(10a)와, 프로세스 챔버(10a)내를 진공배기하는 배기기구(34, 36)와, 서셉터(12, 24)와 냉각자켓(20)과의 사이에 개재하는 절연부재(16)와, 서셉터(12, 14)와 절연부재(16)와 냉각쟈켓(20)과의 상호 접촉면부에 형성된 O링용 홈(51, 53, 55)에 헬륨가스를 공급하는 가스공급기구(71, 80)와, 헬륨가스의 공급압력을 제어하는 압력제어기구(70)를 가진다.

Description

플라즈마 에칭장치
제1도는 본 발명의 제 1 실시예에 관한 마그네트론 플라즈마 에칭장치의 주요부를 절결하여 나타내는 기구 블록도,
제2도는 서셉터 주변의 상호 접촉면에 생기는 미소한 간격 및 가스공급통로를 나타내는 부분확대 단면도,
제3도는 자동압력 조정기(APC)의 내부 구성을 나타내는 블록도,
제4도는 웨이퍼 및 서셉터 주변의 열 저항을 설명하기 위해, 웨이퍼 및 서셉터 주변의 구성과 열저항 회로도를 대응시킨 전열 모델도,
제5도는 -156℃의 온도에서 이방성 에칭 처리된 웨이퍼의 부분 종단면도,
제6도는 -46℃의 온도에서 이방성 에칭 처리된 웨이퍼의 부분 종단면도,
제7도는 -9℃의 온도에서 이방성 에칭 처리된 웨이퍼의 부분 종단면도.
제8도는 본 발명의 제 2 실시예에 관한 마그네트론 플라즈마 에칭장치의 주요부를 절결하여 나타내는 기구 블록도,
제9도는 본 발명의 제 3 실시예에 관한 마그네트론 플라즈마 에칭장치의 주요부를 절결하여 나타내는 기구 블록도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10a : 프로세스 챔버 12, 14 : 서셉터
20 : 냉각 쟈켓 70 : 자동압력 조정기
81 : 온도 제어기
본 발명은 반도체 웨이퍼를 고온 플라즈마하에서 에칭 처리하는 플라즈마 에칭장치에 관하여, 특히 처리중에 반도체 웨이퍼를 열손상에서 보호하기 위한 냉각기구에 관한 것이다.
플라즈마 에칭등의 드라이에칭 처리에 있어서는, 플라즈마의 복사열에 의해 반도체 웨이퍼가 과열되고, 웨이퍼가 열 대미지(damage)를 받는다. 예를들면, 마그네트론 플라즈마 에칭장치에서는 플라즈마 발생중에 웨이퍼상의 포토레지스트가 열손실을 일으키고, 에칭정밀도가 저하된다. 특히, 웨이퍼를 이방성 에칭처리할 경우에, 에칭 제거부의 측벽의 경사가 완만하게 되며, 에칭의 이방성이 손상된다.
또한, 열대미지가 현저한 경우에는 바라는 에칭 처리가 완료하기 전에 마스크가 소멸해 버리는 일도 있다. 이와같은 부적합함을 피하기 위해서는 레지스트층을 두껍게 하는 것을 생각할수 있으나, 레지스트층을 두껍게 하면 마스크 패턴의 전사정밀도가 열화된다는 부적합함이 있다.
또, 고온 플라즈마의 복사열에 의해 레지스트가 탄화하는 일도 있으며, 레지스트를 웨이퍼에서 제거하는 것이 곤란하게 된다. 이 때문에, 플라즈마 발생중에 있어서 웨이퍼의 온도를 가능한 한 낮게할 필요가 있다.
본래의 장치에서는, 서셉터를 하부 냉각 쟈켓에 의해 냉각하고, 반도체 웨이퍼를 간접적으로 냉각 함으로써 웨이퍼의 열 손상을 방지하고 있다.
현 상태에서는 웨이퍼 냉각의 설정온도는 -60℃ ~ -100℃의 정도이지만, 더욱 웨이퍼의 저온처리화가 진행하고, 냉각 설정온도를 -150℃ 이하로 하는 것도 예정되고 있다. 이와같은 극저온역에 웨이퍼를 냉각하기에는, 각부의 열전달 손실등도 고려하면, 냉매로서 액체질소가 최적이다.
그런데, 에칭 프로세스조건이 바뀌면, 그것에 따라 최적한 웨이퍼 냉각 설정 온도도 바뀐다. 이와같이, 온도조정기구의 히터에 의해 과냉웨이퍼를 가열하고, 여러가지 냉각 설정온도로 웨이퍼를 온도 제어한다.
그렇지만, 냉각 쟈켓의 액체 질소에 의한 냉각 파워는 상당히 크기 때문에, 온도 조정기구의 가열 파워가 작으면, 웨이퍼를 신속하고 또한 적정하게 소망의 온도로 제어할 수가 없다. 이와같은 부적합함을 해소하기 위해, 온도조정 기구의 히터에 가열 파워가 큰 것을 이용하면, 소비전력이 증대하고, 러닝코스트가 높아진다.
본 발명의 목적은 웨이퍼를 저온 또는 극저온의 영역까지 신속하게 냉각할 경우에, 소비전력이 작고, 에너지가 절약되며, 또한 바라는 저온도로 정확하게 제어할 수가 있는 플라즈마 에칭장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 양상에 따라, 플라즈마 에칭장치는, 피처리체를 재치 고정하는 서셉터와, 상기 서셉터를 저온역 까지 신속하게 냉각하는 고냉각 능력의 냉매를 가지는 냉각부와, 상기 서셉터 및 상기 냉각부를 둘러싸는 프로세스 챔버와, 상기 프로세스 챔버내의 가스를 진공 배기하는 배기수단과, 상기 서셉터와 상기 냉각부와의 사이에 개재하는 부재와, 상기 개재부재와 상기 서셉터와의 상호 접촉면부, 상기 개재부재와 상기 냉각부와의 상호 접촉면부, 상기 서셉터의 구성부재끼리의 상호 접촉면부의 가운데 적어도 하나에 열전달 가스를 공급하는 가스공급수단과, 상기 열전달가스의 공급압력을 제어하는 압력 제어수단을 가진다.
두개의 부재사이에서 열전도율은, 양자의 접촉면의 상태, 즉 접촉면의 거칠음이나 평활도에 크게 좌우된다. 특히, 플라즈마 에칭장치에서는 챔버내를 감압상태로 하므로, 부재사이에 약간의 간격이 존재하면, 이것에 의해 양자가 진공단열되고, 열전도율이 크게 저하한다(열저항(R)이 높아진다).
각 접촉면부로의 열전달 가스의 공급 압력을 낮추면, 열저항(R)은 높아지며, 반대로 각 접촉면부로의 열전달 가스의 공급압력을 높이면 열저항(R)은 낮아진다.
이하, 본 발명의 여러가지 실시예에 대해 첨부한 도면을 참조하면서 설명한다.
마그네트론 플라즈마 에칭장치(10)의 웨이퍼 반입출구(도시하지 않음)에 통로(도시하지 않음)를 통하여 로드록 챔버(도시하지 않음)에 각각 연통하고 있다. 각 통로에는 게이트 기구(도시하지 않음)가 형성되고, 이것에 의해 통로가 개폐되도록 되어 있다. 각 로드록 챔버(도시하지 않음)내에는 핸드링 장치가 설치되고, 핸드링 장치에 의해 실리콘 웨이퍼(W)가 1 매씩 장치(10)의 챔버(10a)내에 반입 또는 반출 되도록 되어 있다.
제 1 도에 도시한 바와같이, 프로세스 챔버(10a)내에는 RIE방식의 에칭장치가 수납되어 있다. 프로세스 챔버(10a)는, 상부 프레임(30) 및 하부 프레임(32)을 조합하여 만들어져 있다. 이 상하부 프레임(30, 32)으로 구성하는 하우징은 접지되어 있다.
상부프레임(30)의 상부측벽을 통로(33)가 관통하고, 통로(33)를 통하여 프로세스공급원(도시하지 않음)에서 챔버(10a)내에 프로세스 가스가 공급되도록 되어 있다. 또, 상부 프레임(30)의 하부측벽을 통로(34)가 관통하고, 통로(34)를 통하여 챔버(10a)내의 가스가 배기 펌프(도시하지 않음)에 의해 배기되도록 되어 있다.
프로세스 챔버(10a)의 바로 위에는 자계발생장치(11)가 설치되고, 장치(11)에 의해 챔버(10a)내의 웨이퍼(W)에 수평 자계가 인가되도록 되어 있다.
제 1 도에 도시한 바와같이, 제 1 실시예의 마그네트론 플라즈마에칭장치(10)에 있어서는, 상부 서셉터(12) 및 하부 서셉터(14)의 사이에 히터(15)가 설치되고, 상부 서셉터(12)위의 실리콘 웨이퍼(W)의 온도를 미조정할수 있도록 되어 있다.
상하부 서셉터(12, 14)는 절연 프레임(16)에 의해 주위부터 절연되고 있다. 하부 서셉터(14)의 하면은 절연 프레임(16)의 상면에 밀착되어 있다. 절연 프레임(16)의 하면이 냉각쟈켓(20)의 상면에 밀착되도록, 절연프레임(16)이 냉각 쟈켓(20)의 위에 재치되어 있다.
실리콘 웨이퍼(W)는 상부 서셉터(12)의 상면에 재치 고정된다. 이 고정방식으로서는, 예를들면 쿨롱력을 이용한 정전 척 방식이 채용된다. 상부 서셉터(12)는 하부 서셉터(14)에 대하여 볼트(13)에 의해 붙이고 떼기 가능하게 고정되어 있다. 이와같이, 서셉터 유닛을 분리 가능한 2개의 서셉터(12, 14)로 구성하고 있는 이유는, RF전원(77)에 접속된 하부서셉터(14)를 자유롭게 유지하고, 오염된 상부서셉터(12)만을 교환하기 위함이다.
세라믹 히터(15)가 상부 서셉터(12)와 하부 서셉터(14)와의 사이에 메워져 있다. 히터(15)는 전류조절기(SSR)(82)를 경유하여 온도제어기(81)에 접속되어 있다. 또한, 히터(15)와 상부 서셉터(12)와의 사이의 상호 접촉면부는 O링용 홈(51)에 의해 주위를 둘러싸게 되어 있다.
상부 서셉터(12) 및 하부 서셉터(14)의 측둘레면 및 저면은 절연프레임(16)에 의해 덮어서 가려지고, 상부 서셉터(12)의 상면만이 프로세스 분위기에 노출되어 있다. 또한, 상부 서셉터(12)와 절연 프레임(16)과의 사이에 O링(40)이 삽입되고, 양자간에 제 1 간격(42)이 형성되어 있다. 또한, 상하부 서셉터(12, 14)의 측둘레면 및 절연프레임(16)의 내주면은, 모두 경면(鏡面) 마무리되어 있다. 또, 제 1 간격(42)은 고진공상태이다.
절연프레임(16)의 바로 아래에는 액체 질소(21)가 수용된 냉각 쟈켓(20)이 설치되어 있다. 열교환 기능을 가지는 액체질소 공급원(79)이 배관(78)을 통하여 냉각쟈켓(20)의 저부에 연통하고 있다. 액체 질소 공급원(79)의 유량 조절 밸브(도시하지 않음)에는 주제어기(90)의 출력부가 접속되고, 주제어기(90)에서 유량 조절밸브에 밸브 열린 정도 설정신호가 나오게 되도록 되어 있다.
냉각쟈켓(20)의 저부내벽은 다공질로 형성되고, 저부에서 핵비등(uncleate boiling)을 일으킬 수가 있으며, 쟈켓(20)내의 액체질소를 -196℃의 온도로 유지 할 수가 있다. 또한, 수용부(21)에 액체질소를 도입하기 위한 진공 단열관(도시하지 않음, 등록상표「바이올렛」)이 냉각쟈켓(20)에 접속되어 있다. 이와같은 진공단열관은 금속제이며, 접지되어 있다. 또, 상부 프레임(30)은 접지되어 있으며, 기능서셉터(하부 서셉터)(14)에 RF전원(77)에서 전력이 공급되면, 서셉터(12, 14)와 상부 프레임(30)과의 사이에 대향 전극이 형성된다.
복수개의 절연부재(22)가 냉각쟈켓(20)과 하부프레임의 보톰(bottom)(32b)과의 사이에 삽입되고, 양자간에 제 2 간격(23)이 형성되어 있다. 한편, 하부프레임의 보톰(32b)에서 내통(32a)이 상방으로 향하여 연장하고, 내통(32a)에 의해 냉각쟈켓(20) 및 절연 프레임(16)이 프로세스 분위기에서 덮어져 가려져 있다.
O링(44)이 절연 프레임(16)과 내통(32a)과의 사이에 삽입되고, 제 3 간격(24)이 형성되어 있다. 또한, 절연 프레임(16)의 외주면 및 내통(32a)의 내주면은 경면 마무리 되어 있다. 또, O링(40,44)은 테프론 등의 불소계수지로 만들어져 있다.
또한, 냉각쟈켓(20)을 지지하는 복수개의 절연부재(22)는 서로 떨어져 있다. 이와같이, 상술한 제 2 간격(23)과 제 3 간격(24)과는 서로 연통하고 있다. 또한, 제 3 간격(24)은 절연 프레임(16), 냉각쟈켓(20)의 각각과 내통(32a)이 밀착하지 않을 정도이면, 좁으면 좁을수록 바람직하다.
또한, 배기통로(36)가 하부프레임의 보톰(32b)을 관통하고 있다. 제 2 및 제 3 간격(23, 24)은 이 배기관(36)을 통하여 진공 배기되도록 되어 있다.
O링(52)이 상하부서셉터(12,14)의 사이에 삽입되어 있다. 이 O링(52)은 하부서셉터(14)의 상면에 형성된 홈(51)에 의해 유지되고, 히터(15)를 둘러싸도록 설치되어 있다. 또, O링(54)이 하부 서셉터(14)와 절연부재(16)와의 사이에 삽입되어 있다. 이 O링(54)은 하부 서셉터(14)의 하면에 형성된 홈(53)에 의해 유지되고 있다. 또한, O링(56)이 절연부재(16)와, 냉각쟈켓(20)과의 사이에 삽입되어 있다.
이 0링(56)은 절연부재(16)의 하면에 형성된 홈(55)에 의해 유지되어 있다. 또한, 각 O링(52, 54, 56)은 테프론 등의 불소계수지로 만들어져 있다.
프로세스챔버(10a)내의 에칭가스는 배기통로(34)를 통하여 배기되고, 이에 의해 챔버(10a)의 내압이 10-2~10-3Torr의 범위가 되기까지 감압된다. 에칭 가스는, 상기 대향전극 사이에서 플라즈마화 된다. 마그네트론 플라즈마 에칭에서는 자장과, 이것에 직교하는 플라즈마 시스의 전계의 상호작용에 의해, 전자가 사이클로이드(cycloid) 운동을 하고 분자에 전자가 충돌하여 전리시키는 회수를 증가시킨다. 따라서, 상술한 바와 같은 낮은 압력이여도 큰 에칭속도가 얻어진다.
다음에, 각 부재(W,12,14,16,20)상호의 접촉면부에서 온도제어 기구에 대해 각각 설명한다.
2개의 부재사이에서 열전도율은 양자의 접촉면의 상태, 즉 접촉면의 거칠음이나 평활도에 크게 좌우된다. 특히, 마그네트론 플라즈마 에칭장치에서는 챔버내를 감압상태로 하기 때문에, 부재사이에 약간의 간격이 존재하면, 이렇게 의해 양자가 진공단열되고, 열전도율이 크게 저하한다.
예를들면, 제 2 도에 도시한 바와같이, 상부 서셉터(12)및 하부서셉터(14)의 상호 접촉면부에는 약간의 간격(59)이 존재한다. 이와같은 마세적인 간격(59)에 의해 양부재(12,14)는 부분적으로 진공단열되고, 전체로서 보면 부재(12,14) 상호간의 열전도율이 대폭으로 저하한다.
그 상태에서, 본 실시예의 장치에서는, 자동 압력 조정기(70)의 분기통로(62)를 O링 유지용의 홈(51)의 내주측에 연통시키고, 분기통로(62)를 통하여 홈(51)에 가스를 도입함으로써 가스를 미세한 간격(59)으로 공급하고, 미세한 간격(59)에서 열전도성을 높이고 있다. 이 경우에, 홈(51)으로 도입하는 가스에는 헬륨가스를 이용한다. 그러나, 가스종류는 이것만으로 한정되지 않고, 어느정도의 열양도성을 가지며 또한 부식성 없는 가스이면, 아르곤가스, 크세논가스, 질소가스, 이산화탄소가스등의 다른 종류의 가스를 채용하여도 좋다. 또한, 헬륨가스의 공급압력은 자동압력조정기(70)에 의해 게이지압에서 0~760Torr의 범위로 제어되고 있다.
상기 압력변화와 열저항과의 관계를 조사한 결과, 0~300torr의 범위의 압력 변화에 대해서는 열저항이 직접적으로 바뀐다는 지견을 얻었다.
마찬가지로, 다른 O링용홈(53, 55)에도 APC(70)의 통로(64, 66)를 각각 지나서 소정 압력의 헬륨가스가 공급되도록 되어 있다.
또, 웨이퍼(W)와 상부 서셉터(12)의 상면(웨이퍼 척 톱(wafer chuck top))과의 접촉면부에도 APC(70)의 통로(60)를 지나 소정 압력의 헬륨가스가 공급되도록 되어 있다.
덧붙여서, 각 메탈부재(12,14,20)의 상하면은 각각 평활도가 0.01mm로, 평균치가 3.2㎛이하에 마무리되어 있다. 또, 각 절연부재(16,22)의 상하면은 각각 평활도가 0.01mm로, 평균 거칠음이 3.2㎛ 이하에 마무리되어 있다.
또한, 상하부서셉터(12,14), 냉각쟈켓(20) 및 하부프레임(32)은 모두 알루미늄계 합금으로 만들어져 있다. 또, 절연부재(16,22)는 Al2O3, AlN 등의 알루미나계 세라믹, 또는 Si3N4, SiC 등의 실리카계 세라믹으로 만들어져 있다.
온도센서(83)가 상부 서셉터(12)의 속에 매설되고, 온도검출신호가 온도제어기(81)에 입력되도록 되어 있다. 온도 제어기(81)의 출력부는 전류조절기(SSR)(82)에 접속되어 있다. 또한, SSR(82)은 히터(15)에 접속되고, 히터(15)로의 급전량이 조절되도록 되어 있다.
또, 온도 제어기(81)의 출력부는 주제어기(80)의 입력부에 접속되어 있다. 이 온도제어기(81)는 주제어기(80)를 보조하는 부제어기의 역할을 가진다.
다음에, 제 3 도를 참조하면서 APC(70)에 대하여 상세하게 설명한다.
APC(70)의 입구 통로(72)에 가스공급원(71)이 연통하고 있다. 이 가스공급원(71)의 전원 스위치에는 주제어기(80)의 출력부가 접속되어 있다. 또, 입구통로(72)에는 매스플로미터(73)가 설치되고, 가스공급원(71)에서의 가스유량이 측정되도록 되어 있다. 각 APC(70)의 출구측 통로는 주통로(60,61)와 부통로(76)로 분기되어 있다.
메인의 출구통로(60,61)는 각각 상부서셉터(12)의 상면(웨이퍼 척톱)및 O링용 홈(51, 53, 55)에 연통하고 있다.
한편, 서브의 출구통로(76)에는 제어밸브(75)가 설치되어 있다.
매스플로미터(73)와 제어밸브(75)와의 사이에는 압력센서(74)가 형성되고, 검출압력에 따라 제어밸브(75)가 작동하도록 되어 있다. 즉, 유량(Q)의 유입가스의 일부유량(Q1)의 가스가 부출구통로(76)를 지나 외부로 놓치게 되고, 주통로(60, 61)로의 유량(Q2)이 적당한 양으로 제어되도록 되어 있다.
다음에, 상기 장치에 의해 웨이퍼(W)를 소정의 프로세스온도로 냉각 제어하면서, 에칭처리할 경우에 대해 설명한다.
본 실시예의 RIE방식의 플라즈마 에칭장치에서는 상하부 프레임(30, 32)을 접지하고, 상하부 서셉터(12,14)에 RF 전력을 공급함으로써 대향 전극을 구성한다. 또, 챔버(10a)의 상방으로 장치(11)의 영구자석을 회전시키고, 웨이퍼(W)의 근방에 그 면과 평행한 자장을 형성한다. 그리고, 진공 배기한 상태에서 챔버(10a)내에 프로세스 가스를 도입하고, 플라즈마를 생성한다. 웨이퍼(W)의 근방에 수평자장을 형성하고 있으므로, 비상하는 이온이 웨이퍼(W)의 면에 대하여 수직인 방향으로 향해지고, 이방성 높은 에칭이 이루어진다.
여기서, 에칭처리전 및 처리중에 냉각 쟈켓(20)에 의해 서셉터 주변을 냉각하고, 웨이퍼(W)의 온도를 프로세스 설정온도로 제어한다.
냉각쟈켓(20)내의 액체질소(21)(-196℃)를 이용하는 냉각 파워는 프로세스 설정온도(-156℃)에 비해 과대이다. 이와같이, 히터(15)에 의해 상하부 서셉터(12, 14)를 가열하고, 쟈켓(20)에서 웨이퍼(W)에 미치는 냉각 파워를 약하게 한다. 또한, 각홈(51, 53, 55)및 웨이퍼 척 톱으로의 헬륨 가스의 공급압력을 조정하고, 각각의 접촉면부에서 열전도를 높이고, 자켓(20)에서 웨이퍼(W)에 미치는 냉각 파워를 약하게 한다.
제 4 도를 참조하면서, 상기 에칭장치의 서셉터 주변의 열전도의 조정에 대해 상세하게 설명한다.
처리중에 웨이퍼(W)는 열량(E1)의 복사열에너지를 플라즈마에서 받고, 이 열량(E1)이 부재(12,14,16)를 경유하여 냉각 자켓(20)에 놓치게 된다. 이 경우, 냉각쟈켓(20)의 하면은 부재(32)에서 진공단열되어 있기 때문에, 실질적으로 쟈켓(20)에서 부재(32)의 쪽으로 향하여 열에너지는 흐르지 않는다고 할수 있다. 이 이유는, 냉각쟈켓(20)의 하면은 부분적으로 개수의 절연부재(22)와만 접촉하고 있는것 만으로, 쟈켓(20)의 하면측의 열저항은 매우 크기 때문이다. 따라서, 열량(E3)이 냉각쟈켓(20)내의 액체질소(21)로 흐르고, 이 결과, 웨이퍼(W)가 냉각된다.
입열량(E1)보다 발열량(E3)의 쪽이 크기 때문에, 히터(15)에 의해 부재를 가열하고 열량(E2)을 입열한다.
이때, 히터 가열만으로는 웨이퍼(W)에 들어가는 열량이 부족하므로, 열저항(R1~R4)을 증대시키고, 쟈켓(20)으로의 발열량을 줄인다. 센서(83)에 의한 검출 온도에 기인하여, 입열량(E2) 및 발열량(E3)을 각각 제어하고, 웨이퍼(W)를 프로세스설정온도로 조절한다.
이 경우에, 각 접촉면부로의 헬륨가스의 공급압력을 낮추면, 열저항(R1~R4)은 높아지며, 반대로 각 접촉면부로의 헬륨가스의 공급압력을 높이면, 열 저항(R1~R4)은 낮아진다.
또, 볼트(13)의 조임력을 조정함으로써, 상하부 서셉터(12, 14)의 상호 접촉상태를 변화시킬 수가 있다. 즉, 볼트 조임력을 약하게 하면, 열저항(R2)이 커지며, 한편, 볼트 조임력을 강하게 하면, 열저항(R2)이 작아진다.
다음에, 제 5 도~제 7 도를 참조하면서 각종의 온도 조건에서 이방성 에칭한 웨이퍼(W)에 대해 설명한다. 어느 경우의 조건도, RF 전력을 900W, CHF3가스 유량을 50SCCM, 챔버내압을 40mTorr로 하였다.
제 5 도는, 웨이퍼(W)의 프로세스 설정온도를 -156℃로 설정하고, 에칭 처리한 웨이퍼(W)의 부분 단면도이다.
제 6 도는 웨이퍼(W)의 프로세스 설정온도를 -46℃로 설정하고, 에칭 처리한 웨이퍼(W)의 부분 단면도이다.
제 7 도는 웨이퍼(W)의 프로세스 설정온도를 -9℃로 설정하고, 에칭 처리한 웨이퍼(W)의 부분 단면도이다.
도면에서 분명한 바와같이, 이방성 에칭된 실리콘층의 측벽(2,3,4)은 처리중의 웨이퍼(W)가 저온도가 될수록 수직에 가깝다. 즉, 웨이퍼(W)가 저온이 될수록 에칭의 이방성이 강해진다. 이와같은 이방성의 강한 에칭처리에 의해, 16M, 32M, 64M과 고집적도의 반도체 장치의 제조가 가능하게 된다.
상기 실시예의 장치에 의하면, 웨이퍼(W)의 프로세스 설정온도를 -156℃로 한 경우이여도, 온도조정용의 히터(15)로의 급전량을 작게할 수가 있으며, 전체로서 전력소비량을 대폭으로 절감할 수가 있다.
또, 웨이퍼(W)와 상부 서셉터와의 접촉면부로의 열전도성 가스의 공급압력을 제어하는 것만이 아니라, 각 부재간의 접촉면부로의 열전도성가스의 공급 압력도 각각 제어하므로, -9℃에서 -156℃까지의 폭넓은 온도범위로 매우 세세한 냉각제어를 하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 실시예에서는, 냉각 쟈켓내의 냉매에 액체질소를 이용했으나, 본 발명은 이것만으로 한정짓지 않고, 액체 헬륨등의 다른 냉매를 이용하여도 좋다.
또, 상기 실시예에서는 각 부재의 O링 유지용의 홈으로 헬륨가스를 공급할 경우에 대해 설명했으나, 반드시 이것만으로 한정되는 것은 아니고, O링 유지용의 홈외에 다른 홈을 형성하고, 이것에 가스를 공급하도록 하여도 좋다.
다음으로, 제 8 도를 참조하면서 제 2 실시예에 대해 설명한다.
또한, 제 2 실시예가 상기 제 1 실시예와 공통하는 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
제 2 실시예의 에칭 장치(100)에서는 온도센서(83)에서의 온도 검출신호는 주제어기(90)에 직접 들어가도록 되어 있다. 그리고, 온도조정용 히터를 설치하지 않고, 각 접촉면부에 있어서 열저항(R1~R4)을 제어하는 기구만을 가지고 있다.
이와같은 열전도조절기구만에 의해서도, 액체질소에 의한 웨이퍼(W)의 냉각파워를 충분히 약하게 할수가 있다. 특히, 웨이퍼(W)의 프로세스 설정온도가, 예를들면 -156℃와 같이, 액체질소의 액화온도(-196℃)에 가까운 경우에는 이와같은 장치(100)에서도 충분히 대처할 수가 있다.
다음에, 제 9 도를 참조하면서 제 3 실시예에 대하여 설명한다.
또한, 제 3 실시예가 상기 제 1 및 제 2 실시예와 공통하는 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
제 3 실시예의 에칭장치(200)에서는 온도조정용 히터를 설치하지 않고, 통로(61)를 통하여 상하부서셉터(12,14)의 사이에 O링용 홈(51)으로만 가스를 도입하도록 하고 있다.
또, 서셉터(14)와 부재(16)에 각각 연통하는 통로(14a,16a)를 형성하고 있으며, 각각 O링(52, 54, 56)의 안쪽 영역에 가스를 공급할 수 있도록 되어 있다.
또, 온도센서(83)에서의 온도 검출 신호는 주제어기(90)에 직접 들어가도록 되어 있다,
이와같이 열전도 조절기구를 적게 하면, 장치가 간이한 구조로 되며, 장치의 보수 점검이 용이하게 된다.
또, 볼트(13)의 조임력을 조정함으로써, 상하부 서셉터(12,14)의 상호 접촉 상태를 변화시키고, 열저항(R2)을 적정하게 조절할 수가 있다.
이상 설명한 바와같이 본 발명의 장치에 의하면, 고냉각능력의 냉각수단을 채용함으로써 웨이퍼의 프로세스 설정온도의 폭을 넓히는 한편으로, 열전도성 가스공급기구에 의해 서셉터 주변의 열저항을 다양하게 조절할 수가 있다. 이와같이, 플라즈마 에칭중에 웨이퍼(W)를 극저온의 온도 영역으로 냉각할 수가 있으며, 이방성 높은 에칭을 웨이퍼(W)에 시행할 수가 있다. 이것에 의해, 더욱 반도체 장치의 고집적화를 꾀할 수가 있다.
또, 프로세스설정온도를 극저온으로 할 경우이여도, 온도조정용 히터로의 급전량을 적게하고, 에너지 절약화를 도모할 수가 있으므로, 러닝 코스트를 저감할 수가 있다.

Claims (16)

  1. 피처리체를 재치고정하는 서셉터와, 상기 서셉터를 냉각하는 냉매를 가진 냉각부와, 상기 서셉터 및 상기 냉각부를 둘러싸는 프로세스챔버와, 상기 프로세스챔버내의 가스를 진공배기하는 배기수단과, 상기 서셉터와 상기 냉각부 사이로 열전달가스를 공급하는 가스공급수단과, 상기 서셉터를 가열하는 가열수단, 및 상기 서셉터의 온도를 검출하는 온도검출수단을 가지고, 검출된 온도를 기초로하여 상기 가열수단의 가열을 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
  2. 제1항에 있어서, 가열수단과 서셉터 사이로 열전달가스를 공급하기 위하여 상기 온도검출수단에 의하여 검출된 온도에 기초하여 압력을 제어하는 압력제어수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가열수단과 상기 서셉터 사이로 공급되는 열전달 가스의 압력은 상기 압력제어수단에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
  4. 제1항에 있어서, 가스공급영역은 프로세스챔버 내의 대기에 대하여 절연되고 차단되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열전달가스는 불활성가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
  6. 제1항에 있어서, 서셉터와 냉각부 사이에 절연프레임이 추가로 개재하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 서셉터는 서로 접촉되어 있는 상태의 상부서셉터 및 하부서셉터로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
  8. 제7항에 있어서, 상부서셉터 및 하부서셉터의 접촉상태를 조절하는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
  9. 제1항에 있어서, 피처리체와 서셉터 사이로 가스를 공급함으로써 압력제어수단에 의하여 열전달가스의 압력을 제어하도록 하기 위한 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
  10. 제7항에 있어서, 하부서셉터의 상부표면에 형성되어 있는 O링 유지용의 홈의 내부표면을 통하여, 상부서셉터와 하부서셉터 사이로 열전달가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
  11. 제7항에 있어서, 상부서셉터와 하부서셉터 사이로 공급되는 열전달가스의 압력이 상기 압력제어수단에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
  12. 제6항에 있어서, 절연프레임 및 냉각부 사이로 공급되는 열전달가스의 압력이 상기 압력제어수단에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
  13. 제6항에 있어서, 절연프레임은 서셉터와 냉각부를 서로 전기적으로 절연하기 위한 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
  14. 제6항에 있어서, 절연프레임과 냉각부 사이 및 피처리체와 서셉터 사이로 O링 유지용 홈의 내부표면을 통하여 열전달가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
  15. 제6항에 있어서, 피처리체와 서셉터 사이로 가스를 공급함으로써 상기 압력제어수단에 의하여 열전달가스의 압력이 제어되도록 하기 위한 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
  16. 제6항에 있어서, 절연프레임 및 서셉터 사이로 공급되는 열전달가스의 압력이 압력제어수단에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
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