KR100262883B1 - 플라즈마 크리닝 방법 및 플라즈마 처리장치 - Google Patents

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니시히라 쥰지
아넬바 가부시키가이샤
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/4401—Means for minimising impurities, e.g. dust, moisture or residual gas, in the reaction chamber
    • C23C16/4405—Cleaning of reactor or parts inside the reactor by using reactive gases

Abstract

반도체 디바이스 제조과정에서 사용되는 진공처리 장치에서 판형 배치영역 프로텍터(400)는 기판(40)의 표면치수 및 형상과 같거나 기판 스테이지(4) 표면 중기판배치 영역에 맞는 치수 및 형상과 같은 표면을 갖는 동시에 기판처리 중에 기판 스테이지의 표면 및 진공용기의 내면에 퇴적된 불필요한 막과 동일한 전기적 특성을 갖는 재료로 된 판형상으로 되어 있다. 에칭가스는 가스도입기구(2)에 의해 진공용기(1) 내로 도입되고 소정의 고주파 전력은 스테이지용 고주파전원(41)으로부터 기판 스테이지(4)로 인가된다. 플라즈마는 인가된 고주파 전력에 의해 기판 스테이지(4) 표면 근방에 형성되고, 기판 스테이지 표면 상에 퇴적된 박막 플라즈마에 의해 제거된다.

Description

플라즈마 크리닝 방법 및 플라즈마 처리장치
제1도는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 크리닝 방법이 실행되는 진공처리 장치의 개략도.
제2도는 제1도 장치의 가스도입체 구조를 도시한 도면.
제3도는 플라즈마 크리닝 방법이 실행될 때의 압력을 시험하는 실험결과를 나타내는 그래프.
제4도는 플라즈마 크리닝 방법이 실행되는 다른 장치의 개략적인 구조를 도시하는 도면.
제5도는 종래의 진공처리장치의 실예로서 플라즈마 강화 화학 증기 침전 장치의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 진공용기 2 : 가스도입기구
3 : 전력공급기구 4 : 기판스테이지
11 : 배기채널 12 : 종형덮개
13 : 배기파이프 21, 22 : 가스도입채널
23 : 지지막대 24 : 수송관
25 : 가스분사구멍 26 : 배관
30 : 전력공급기구 31 : 고주파코일
32 : 정합기 33 : 고주파전원
34 : 루프형 안테나 35 : 자기장 형성기구
35a : 내부코일 35b : 외부코일
40 : 기판 41 : 고주파전원
101 : 성막실 102 : 공기배기실
104 : 스테이지본체 111 : 진공펌프
112 : 메인펌프 113 : 메인밸브
114 : 가변컨덕턴스밸브 211, 221 : 배관
212, 222 : 가스도입체 400 : 배치영역프로텍터
401 : 스테이지본체 402 : 흡착용 유전체블록
403 : 흡착용 전극 404 : 흡착용 전원
405 : 차폐판 406 : 절연블록
본 발명은 예를 들어 반도체 디바이스 제조공정에서 사용되는 플라즈마 화학적 증기 침전(plasma enhanced chemical vapor deposition : PECVD)과 같은 진공처리 장치에서 진공용기 내면이나 진공용기 내의 부품 표면에 퇴적된 박막을 제거하는 플라즈마 크리닝 방법 및 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
제5도는 종래의 진공처리 장치의 실예로서 플라즈마 강화 화학적 증기 침전장치의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
제5도에 도시된 플라즈마 강화 화학적 증기 침전장치는 일반적으로 배기채널(11)을 구비한 진공용기(1), 소정의 가스를 진공용기(1)내로 도입하기 위한 가스 도입기구(2), 플라즈마를 형성하기 위해 도입된 가스를 활성화하기 위한 전력공급기구(3) 및 박막이 형성되는 기판(40)을 배치하기 위한 기판 스테이지(4)로 구성된다.
제5도의 장치의 경우 게이트밸브(도시되지 않음)를 통해 기판(40)을 진공용기(1)내로 반송하여 기판 스테이지(4) 위에 배치한다. 진공용기내의 공기를 배기채널(11)을 통해 배출한 후에 장치는 소정의 가스를 가스도입기구(2)에 의해 도입한다. 다음에 고주파 전력의 에너지를 전력공급기구(3)로부터 진공용기(1)내의 가스에 인가한다. 그 후에, 장치는 플라즈마에 의해 강화된 증기 반응에 의해 기판(40) 표면 위에 소정의 박막을 침전한다. 예를들면 모노실란(mono-silane) 가스 및 산소가스가 가스도입기구(2)에 의해 도입되면 플라즈마는 분해반응을 야기하여 산화규소 박막이 기판(40) 표면에 퇴적된다.
박막퇴적이 플라즈마 강화 화학적 증기 침전장치 내에서 되풀이되는 경우 플라즈마에 노출된 기판 스테이지(4)의 표면 및 진공용기(1)의 내면에도 산화규소 박막이 퇴적되는 현상이 발생한다. 박막이 그 위에 퇴적되면 박막의 내부 응력으로 인해 즉시 벗겨져 미세한 입자의 발생원이 된다. 이 미세한 입자가 기판(40) 위의 산화규소 박막에 부착된다면 그것은 표면결함이 되고, 산화규소 박막의 상업적 가치를 저하시키는 문제가 된다.
이와 같은 문제는 플라즈마 강화 화학적 증기 침전 장치에서 뿐만 아니라, 플라즈마 에칭(etching)장치 등의 진공처리 장치에서도 발생한다. 즉 에칭된 재료는 기판 스테이지의 표면 및 진공용기의 내부면 위에 퇴적되어 박막이 되고 이 박막이 박리될 때 발생하는 미세한 입자가 기판 위의 회로를 손상시키는 문제가 있다.
이와 같은 퇴적막의 박리를 억제하기 위하여 박리하기 전에 퇴적막을 에칭 하여 제거하는 플라즈마 크리닝 방법이 일반적으로 사용된다. 이 방법에서는 퍼플루오로카본14가스 : 산소가스를 80:20 정도 혼합한 가스 등이 가스도입기구(2)에 의해 진공용기(1)내로 도입되고, 퍼플루오로카본14가스와 산소가스에 의해 플라즈마를 생성시켜 플라즈마의 작용에 의해 퇴적막을 에칭하여 제거한다. 즉, 플라즈마 속에는 유리(遊離) CFx(x=1,2 또는 3), CFx 이온(x=1,2 또는 3), 유리불소 또는 불소이온이 생성되고 이들의 불소계 활성중 또는 이온이 퇴적막과 반응하여 휘발성 물질을 생성하며, 이 휘발성 물질이 배기채널(11)을 통해 방출됨으로써 박막이 제거된다.
플라즈마 크리닝이 수행되는 진공처리 장치에서 플라즈마가 원칙적으로 기판처리를 위해 형성된다는 가정 하에 각 부재가 구성된다. 따라서 만일 기판 스테이지가 너무 많이 플라즈마를 노출하도록 만들어진다면 기판에 손상이 야기된다. 그러므로 기판 스테이지는 플라즈마 형성위치로부터 상당히 먼 위치에 배치된다. 이와 같은 구성으로 플라즈마 크리닝이 실행되는 경우, 기판 스테이지 표면 부근에서의 플라즈마 밀도는 낮아진다. 결과적으로 기판 스테이지의 표면상에 퇴적막을 제거하기 위해서는 플라즈마 크리닝이 긴 시간동안 수행되어야 한다.
특히 플라즈마 강화 화학적 증기 퇴적장치와 같은 박막형성 장치에 있어서, 기판 스테이지 표면 중에서 처리중 기판에 의해 덮히는 영역(이하 “비배치 영역”이라 함)에는 기판과 동일하게 박막이 퇴적된다. 근년 성막(成膜)속도를 향상시키는 여러 가지 시도가 있어 왔지만 이와 같은 시도에 의해 기판 상에 빠른 속도로 성막이 이루어질 뿐만 아니라 기판 스테이지의 비배치 영역에 두껍게 막이 퇴적되는 결과를 낳는다. 이와 같이 두껍게 퇴적된 기판 스테이지의 비배치영역에 대하여 결과적으로 낮은 밀도의 플라즈마가 공급되므로 상기 플라즈마 크리닝의 장시간화는 시스템의 가동율을 낮추는 등의 심각한 문제를 초래한다.
또 기판 스테이지 이외의 부분, 예를 들면 진공용기 내면 등의 부위에 플라즈마 크리닝을 행할 경우에도 에칭속도를 충분히 높일 수 없어 작업시간을 단축할 수 없는 문제가 있다.
따라서 본 발명의 목적은 진공용기 내의 기판 스테이지의 표면 등에 침전된 박막을 제거하기 위해 플라즈마 크리닝을 짧은 시간에 완성할 수 있고, 기타 장치의 가동율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기위해 본 발명의 한 특징구성에 따른 플라즈마 크리닝 방법은 처리하는 기판의 표면치수 및 형상과 같거나 기판 스테이지 표면 중 기판 배치 영역에 맞는 치수 및 형상의 표면을 갖는 동시에 기판처리 중에 기판 스테이지의 표면 및 진공용기의 내면에 퇴적된 불필요한 막과 동일한 전기적 특성을 갖는 재료로 된 판형상의 배치영역 프로텍터를 기판 배치영역에 배치하여 이 기판배치 영역을 덮는 단계와, 에칭작용을 하는 가스를 가스도입기구에 의해 진공용기 내로 도입하는 단계와, 제1고주파 전원에 의해 제1고주파 전력을 상기 진공용기 둘레에 배치된 고주파 코일에 인가하여 이 진공용기 내에 플라즈마를 형성하는 단계와, 제2고주파 전원에 의해 제2고주파 전력을 기판 스테이지에 인가하고, 기판 스테이지 표면 근방에 플라즈마를 보조적으로 형성하는 단계와, 이 플라즈마에 의해 발생한 상기 가스의 에칭작용을 이용하여 상기 기판 스테이지의 표면막 및 상기 진공용기 내면에 퇴적된 불필요한 막을 제거하는 단계를 구비한다.
바람직하게는 상기 도입된 에칭가스의 압력이 0.5 내지 5 Torr의 범위에 있다.
본 발명의 또 다른 특징구성에 따른 플라즈마 크리닝처리장치는 배기채널을 구비한 진공용기와, 진공용기 내에 소정의 가스를 도입하는 가스도입기구와, 진공용기 내의 소정의 위치에 기판을 배치하기 위한 기판 스테이지와, 제1고주파전력을 진공용기 둘레에 배치된 고주파코일에 인가하여 이 진공용기 내에서 플라즈마를 형성하는 제1고주파전원과, 플라즈마를 이용하여 기판 스테이지의 표면막 및 진공용기(1)의 내면에 퇴적된 불필요한 막을 제거하는 플라즈마 크리닝 수단을 구비하며, 상기 플라즈마 크리닝 수단은 처리하는 기판 표면의 치수 및 형상 또는 기판 스테이지의 표면 중에서 기판배치 영역에 맞는 치수 및 형상을 갖는 표면으로 되고, 기판처리 중에 기판 스테이지의 표면 및 진공용기의 내면에 퇴적된 불필요한 막과 동일한 전기적 특성을 갖는 재료로 되는 동시에 기판배치 영역에 배치되어 이 영역을 덮는 판형상의 배치영역 프로텍터와, 제2고주파 전력을 기판 스테이지에 인가하고, 기판 스테이지의 표면근방에 플라즈마를 보조적으로 형성하는 제2고주파전원을 구비한다.
이하 첨부도면을 참고로 하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
제1도는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 크리닝 방법이 실행되는 진공처리장치의 개략도이며, 일예로서, 플라즈마 강화 화학적 증기침전장치의 개략적 구성을 도시한다.
제5도에 도시된 장치와 같이, 제1도에 도시된 플라즈마 강화 화학적 증기 침전장치는 배기채널(11)을 구비한 진공용기(1), 진공용기(1) 내로 소정의 가스를 도입하기 위한 가스도입기구(2), 플라즈마를 형성하기 위하여 도입된 가스에 에너지를 부여하는 전력공급기구(3) 및 박막이 퇴적되는 기판을 배치하기 위한 기판 스테이지(4)를 구비한다. 또한 상기 장치는 소정의 고주파 전력을 기판 스테이지(4)에 인가하기 위한 스테이지용 고주파전원(41)을 포함한다.
진공용기(1)는 성막실(101)과, 밑에 성막실(101) 밑에 배치된 작은 공간의 진공배기실(102)을 구비하고 있다. 성막실(101)을 형성하는 부분과 진공배기실(102)을 형성하는 부분은 진공용기(1) 내의 부재들의 유지보수를 위해 서로 분리될 수 있다.
성막실(101) 부분의 진공용기(1) 벽에는 게이트밸브(도시되지 않음)가 배치되고, 진공배기실(102) 부분의 벽에는 배기채널(11)이 연결되는 배기파이프(13)가 설치되어 있다. 배기채널(11)은 대체로 거친 진공펌프(111), 거친진공펌프(111)의 전단(前段)에 배치된 메인펌프(112) 및 배기 경로 상에 배치되어 이들 펌프(111)(112)에 의해 배기를 행하는 메인밸브(113)와 가변 컨덕턴스밸브(114)로 구성된다.
진공용기(1)는 그 상단에 종형 덮개(12)를 가지고 있다. 진공용기(1)의 상부 벽에는 중앙에 원형의 개구가 설치되고 종형덮개(12)는 이 개구에 기밀하게 접속 되어 있다. 종형덮개(12)는 직경 200mm 정도의 반구형으로서 석영유리 등의 유리 전체로 형성되어 있다. 진공용기(1)는 상부벽 중앙에 원형의 개구를 가지며, 이 개구에 기밀하게 접속하도록 종형덮개(12)가 배치된다.
제1도에 도시된 실시예에서 가스도입기구(2)는 2개의 가스도입채널(21)(22)로 구성되어 2종의 다른 가스를 동시에 도입할 수 있도록 되어 있다. 각각의 가스도입채널(21)(22)은 가스탱크(도시하지 않음)에 접속된 배관(211)(221)과, 배관(211)(221)의 종단에 접속된 가스도입체(212)(222)로 구성된다.
제2도는 상기 가스도입체(212)(222)의 구성을 설명하는 도면이다. 제2도에서와 같이 가스도입체(212)(221)는 원형 단면을 가진 환상 파이프로 만들어지며 진공용기(1)내에 배치된 지지막대(23)에 의해 지지되고 진공용기(1)의 내부면을 따라 수평으로 배치된다. 진공용기(1)는 원통형 또는 사각 튜브형일 수 있다.
또 진공용기(1)의 벽을 기밀하게 관통하는 상태로 수송관(24)이 설치되어 있고, 이 수송관(24)의 일단은 가스도입체(212)(222)에 접속되어 있다. 가스도입체(212)(222)의 타단은 제1도의 배관(211)(221)에 접속된다.
제2도에 도시된 바와 같이 가스도입체(212)(222)는 내측면 상의 가스분사구멍(25)을 가지고 있다. 가스분사구멍(25)은 각각 직경 약 0.5mm인 개구부이며, 약 10mm의 간격으로 외주면에 배치된다.
한편, 제1도를 다시 참고하면 전력공급기구(30)는 대체로 종형덮개(12) 둘레에 배치된 고주파코일(31) 및 정합기(32)를 통해 고주파코일(31)로 고주파전력을 공급하기 위한 고주파전원(33)으로 구성된다. 예를 들어 13.56MHz의 고주파 전력을 발생하기 위한 장치가 고주파전원(33)으로서 채용된다; 즉, 고주파전력은 고주파코일(31)로부터 종형덮개(12)로 공급된다.
기판 스테이지(4)는 진공용기(1)내의 종형덮개(12) 밑에 배치된다. 이 기판 스테이지(4)는 처리를 행할 기판(40)을 표면에 배치하는 것으로서 금속으로 된 스테이지본체(401)와, 이 스테이지본체(401)의 상단에 배치된 흡착용 유전체블록(402)으로 구성된다.
기판 스테이지(4) 정전흡착에 의해 기판(40)을 표면에 흡착하는 기구를 채용하고 있으며, 흡착용 유전체블록(402) 내에는 흡착용 전극(403)이 박혀 있다. 또 흡착용 전극(403)에 소정의 전위를 부여하는 흡착용 전원(404)이 설치되고, 이것에 의해 유전체 블록의 표면에 정전기를 발생시켜 기판을 흡착하게 된다. 또 기판 스테이지(4)의 측면을 덮을 수 있도록 차폐판(405)이 배치되며, 절연블록(406)은 차폐판(405)과 기판 스테이지(4) 사이에 배치된다. 차폐판(405)은 플라즈마가 기판 스테이지(4)의 측면에서 회전하여 고주파 방전을 형성하는 것을 방지하기 위한 것으로서 소정의 금속으로 만들어져 접지되어 있다.
전술된 바와 같이 기판 스테이지(4)에는 소정의 고주파 전력을 인가하는 스테이지용 고주파전원(41)이 구비되어 있다. 이 스테이지용 고주파전원(41)은 처리중에 플라즈마와 고주파 사이의 상호작용에 의해 기판(40)에 소정의 기판 바이어스전압을 인가하도록 동작하고 플라즈마 크리닝 시간에는 기판 스테이지 표면 부근에 플라즈마가 형성되도록 작용한다.
다음에 플라즈마 강화 화학적 증기 퇴적장치의 동작을 설명한다.
먼저, 진공용기(1)내에 배치된 게이트밸브(도시되지 않음)를 통해 기판(40)을 진공용기(1)내로 반입하여 기판 스테이지(4)위에 배치한다. 이어서 게이트밸브는 닫히고 배기채널(11)이 작동하여 예를 들어 약 5mTorr로 진공용기(1)를 배기시킨다.
다음에, 가스도입기구(2)를 동작시켜 소정의 가스를 소정의 유량으로 진공용기(1) 내로 도입한다. 이때에 가스는 배관(211)(221)으로부터 수송관(24)을 경유하여 가스도입체(212)(222)로 공급되고, 가스도입체(212)(222)의 가스분사구멍(25)을 통해 진공용기(1) 내로 분출되면서 도입된다. 도입된 가스는 진공용기(1)내로 확산되고 종형덮개(12)의 내측에 도달한다.
이와 같은 상태에서 전력공급기구(3)를 작동시켜, 고주파전원(33)으로부터 정합기(32)를 통해 고주파코일(31)에 약 13.56MHz, 2000W 고주파 전력을 인가한다. 동시에, 스테이지용 고주파전원(41)도 작동하여 소정의 바이어스 전압을 기판(40)으로 인가한다. 이 바이어스 전압은 기판 스테이지용 고주파전원(41)이 부여하는 고주파 플라즈마 사이의 상호작용에 의해 발생하는 전압이다. 전력공급기구(3)에 의해 공급되는 고주파 전력은 고주파 코일(31)을 통해 종형덮개(12)내로 도입되고 이 종형덮개(12)내에 존재하는 가스에 에너지를 부여하여 플라즈마를 생성한다. 생성된 플라즈마는 종형덮개(12)로부터 기판(40)으로 하향으로 확산된다. 플라즈마 내에서 소정의 생성물이 만들어지고, 이 생성물이 기판(40)에 도달함으로써 소정의 박막이 형성된다. 이때에 스테이지용 고주파전원(41)에 의해 발생된 바이어스 전압에 의해 플라즈마 속의 이온이 가속화되어 기판(40)에 충돌하고 이 충돌에너지에 의해 박막형성이 효과적으로 행해진다.
예를 들어 산화규소 박막을 형성하는 경우, 제1가스도입채널(21)을 통해 모노실란 가스를 도입하고 산소가스는 제2가스도입채널(22)을 통해 도입된다. 모노실란/산소플라즈마에 의해 모노실란이 분해되며, 산소와 반응함으로써 산화규소 박막이 형성된다.
제1도에 도시된 장치에 있어서는 성막실의 압력이 100mTorr 이하의 영역에서 1010cm-3또는 그 이상의 고밀도 플라즈마가 만들어질 수 있고, 이 고밀도 플라즈마에 의해 높은 성막속도로 박막을 형성할 수 있다.
박막 형성처리를 반복함에 따라 진공용기(1)의 내부면과 기판 스테이지(4)의 비배치영역 등에 박막이 퇴적된다. 상기 과정을 상당히 여러번 반복하여 박막의 제거가 필요하게 되면 다음의 플라즈마 크리닝이 수행된다.
우선, 처리된 기판(40)을 반출하고 게이트밸브(도시되지 않음)를 폐쇄한다. 그리고 배치채널(11)을 동작시켜 일단 진공용기(1)를 배기시킨 후 배치영역 프로텍터(400)를 게이트밸브를 통해 진공용기(1)내로 반입한다. 이 프로텍터(400)를 기판과 같이 기판 스테이지 위에 배치한다. 즉, 기판(40)이 위치할 때 덮이게 되는 배치영역에 배치영역 프로텍터(400)를 위치시킨다.
다음에 배기채널(11)을 다시 동작시켜 약 0.1Torr 정도까지 진공용기(1)내를 배기한다. 다음에, 가스도입기구(2)를 동작시켜, 퍼플루오로탄소가스를 400SCCM, 산소가스를 100SCCM의 유량으로 하여 진공용기(1)내로 도입한다. 4불화 탄소가스를 도입하는 구성으로서는 박막형성에 작용하는 모노실란 가스의 배관(221) 또는 플라즈마 형성용 가스로서의 산소가스의 배관(211)에 접속시켜 퍼플루오르카본14가스의 배관(26)을 설치하고, 각각의 밸브의 개폐에 의해 도입하는 구성 등이 채용될 수 있다.
그 후에, 배기채널(11) 내에 배치된 가변 컨덕턴스밸브(114)를 제어하여 진공용기(1)내의 압력을 약 2Torr 정도로 유지하고, 이 상태에서 전력공급기구(3)와 스테이지용 고주파전원(41)을 동작시킨다. 이것에 의해 플라즈마가 진공용기 내에 형성된다. 이때 상기 기판(40)처리 때와 다른 점은 스테이지용 고주파전원(41)에 의해 기판 스테이지(4)의 표면부근에도 보조적으로 플라즈마가 형성된다.
즉, 스테이지용 고주파전원(41)에 의해 공급되는 고주파전력은 기판 스테이지(4)의 흡착용 유전체블록(402) 및 배치영역 프로텍터(400)를 통해 기판 스테이지(4) 표면부근의 공간에 도입되고, 상기 공간에 존재하는 가스를 플라즈마화 한다. 한편, 전력공급기구(3)는 기판(40)을 처리할 때와 같이 기판 스테이지(4)로부터 상당히 멀리 떨어져 있는 위치에서 고밀도 플라즈마를 발생시킨다.
플라즈마는 이와 같은 두부분에서 발생되므로 진공용기(1) 내의 넓은 공간에서 효율적으로 플라즈마가 형성된다. 그 결과 진공용기(1)의 내면이나 기판 스테이지(4)의 배치영역의 퇴적막이 효율적으로 에칭되어 플라즈마 크리닝에 필요한 시간을 단축시킬 수 있다.
예를 들면 스테이지용 고주파전원(41)이 부여하는 고주파전력이 13.56Hz 1000W 정도이고, 이 전력을 배치영역 프로텍터(400)이 표면 면적으로 나눈 전력 밀도가 0.5W/㎠ 정도의 조건이 되는 동시에 전력공급기구(3)가 부여하는 고주파전력을 13.56MHz 100W 정도로 하고, 상기 조건으로 가스를 도입한 경우에는 종래 60분 정도 소요되는 플라즈마 크리닝이 10분 정도에서 종료된다.
다음에 본 실시예의 플라즈마 크리닝 방법에서 사용되는 배치영역 프로텍터(400)에 대해 설명한다.
전술한 바와 같이 배치영역 프로텍터(400)는 플라즈마 크리닝이 수행될 때 기판(40)을 대신하여 기판 스테이지(4) 위에 배치된다. 그러나 배치영역 프로텍터(400)는 유전체 물질로 제한되기 때문에 배치영역 프로텍터(400)를 소위 “더미 기판”으로는 사용할 수 없다.
배치영역 프로텍터(400)가 유전체 물질로 제한되는 이유는 전술한 설명으로부터 알 수 있으나 다시 설명하면 유전체가 스테이지용 고주파전원(41)에 의해 주어지는 고주파를 기판 스테이지(4) 표면 부근의 공간으로 효과적으로 전달하기 때문이다. 전술된 바와 같이 흡착용 유전체 블록(402)이 기판 스테이지(4)의 스테이지 본체(401)의 상면 위에 배치되므로 배치영역 프로텍터(400)가 배치되지 않은 경우에도 기판 스테이지(4)의 표면의 부재는 유전체 물질이다. 따라서, 고주파 전력이 기판 스테이지(4) 부근의 공간 내로 도입될 수 있다.
그러나 만일 플라즈마 크리닝이 배치영역 프로텍터(400)를 배치하지 않고 수행된다면 흡착용 유전체블록(402)의 표면이 강하게 에칭된다; 즉, 기판 스테이지(4) 표면중 배치영역 즉 기판(40) 처리시에 기판(40)에 의해 덮이는 영역표면에는 기판 처리 중에 어떤 박막도 퇴적되지 않기 때문에 상기 플라즈마 크리닝시에는 에칭가스에 직접 노출되어 강하게 에칭된다.
이와 같은 흡착용 유전체블록(402)의 표면이 에칭되면, 에칭이 균일하게 진행하지 않으면, 표면을 거칠게 만든다. 결과적으로 정전기 흡착작용이 불균일하게 된다. 열악한 경우에 있어서 흡착용 전극(403) 상측부분이 모두 에칭되어 흡착용전극(403)이 노출되고 그 결과 정전흡착이 불가능하게 되는 경우도 있다. 기판 스테이지(4) 표면중 비배치 영역에서는 처리 중에 박막이 퇴적하여 에칭되므로 하측의 기판 스테이지 표면은 에칭되지 않는다. 또 박막을 완전히 제거한 후에 크리닝 동작이 연속된다면 그 부분은 에칭될 수 있지만 배치영역보다 덜 에칭된다. 또 에칭이 되는 경우라도 원래의 기판(40)을 배치하는 부분에는 에칭이 되지 않으므로 기판(40)의 정전흡착이 곤란하게 되는 문제가 발생하지 않는다.
본 실시예에서는 이와 같은 점을 고려하여 배치영역 프로텍터(400)를 기판(40) 대신에 기판 스테이지(4)에 배치하고 기판 스테이지(4)의 배치영역의 보호를 도모하고 있다. 배치영역 프로텍터(400) 표면의 크기, 및 형상은 기판 스테이지(4) 표면의 배치면의 크기 및 형상과 일치한다. 즉 박막이 퇴적되는 부분이 덮이지 않는 정도의 크기 및 형상을 갖는 것이 바람직하다. 만일 박막이 퇴적되지 않는 부분의 일부에 덮이지 않는 부분이 있으면 그 부분에 상기 기판 스테이지(4)의 에칭이 발생하게 되고, 박막이 퇴적된 부분에 대해서 일부 덮이지 않은 부분이 있으면 그 부분의 박막에 대하여 에칭성의 가스를 차단하게 되며 그 부분의 박막이 제거되지 않고 잔류하게 된다.
본 실시예에서는 이와 같은 점을 고려하여 배치영역 프로텍터(400)를 유전체로 된 판상부재로 형성하고, 그 표면의 치수 및 형상을 처리하는 기판(40) 표면의 치수 및 형상 또는 기판 스테이지(4)의 표면중 배치영역의 치수 및 형상에 맞게 형성하였다. 또 배치영역의 치수 및 형상은 기판(40)의 표면치수 형상과 동일한 경우가 많지만 기판(40)을 교체 이동하기 위한 공간이 존재할 경우 양자가 상호 다를 수 있다.
또 상기 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 배치영역 프로텍터(400) 자체는 플라즈마 크리닝 중에 에칭이 된다. 따라서 기판(40) 처리시에 이물질이 피지 않는 재료를 방출하는 재질인 것이 바람직하고, 기판(40)이 규소계 반도체로 되는 경우에는 전술한 석영유리가 사용하기에 적합하다.
또 배치영역 프로텍터(400)는 기판(40)을 반송하는 것과 동일한 반송기구에 의해 진공용기(1)의 안, 밖으로 반입 및 반출되도록 하는 것이 장치나 동작의 간략화를 위해 바람직하다. 이와 같은 경우에 있어서, 배치영역 프로텍터(400)가 기판(40) 보다 휠씬 무겁다면 종종 반송기구의 허용범위를 초과하는 경우가 발생한다. 이 점에서 배치영역 프로텍터(400)의 중량은 기판(40) 중량의 10배 이하인 것이 바람직하다.
또 배치영역 프로텍터(400)를 도입할 때에는 기판(40)과 같이 게이트밸브 등의 개구를 통과하여 반송하는 것이 바람직하지만 너무 두께가 두꺼워지면 개구를 통과시킬 수 없게 된다. 이 경우에는 진공용기(1) 내를 대기압으로 복귀시킨 후 진공용기(1)를 분할하고, 그 상태에서 기판 스테이지(4)에 배치영역 프로텍터(400)를 배치시킬 필요가 있다. 이 점에서 배치영역 프로텍터(400)의 두께는 기판 두께(40)의 3배 이하가 되는 것이 바람직하다.
전술한 석영유리로 된 배치영역 프로텍터(400)의 치수 및 형상의 일예로는 두께 1.5mm 6-인치 웨이퍼와 동일한 표면 치수 및 형상을 들 수 있다. 에칭 비율은 압력이 더욱 증가하는 범위에서 미세하게 감소한다.
다음에, 상기 실시예의 플라즈마 크리닝 방법을 실시할 때의 압력에 대하여 설명한다.
제3도는 본 실시예의 플라즈마 크리닝 방법을 실시할 때의 압력에 대하여 실험한 결과를 나타내며, 진공용기(1) 내의 압력과 진공용기(1) 내면에 있어서의 산화 규소막의 에칭속도의 관계를 나타낸 그래프이다. 제3도의 종축은 에칭속도, 횡축은 성막실(101) 내부의 압력을 나타낸다.
제3도의 실험조건으로서는 퍼플루오로카본14가스 유량을 400SCCM, 산소가스 유량을, 100SCCM으로 하고, 플라즈마 생성실에 공급하는 고주파 전력을 2000W, 기판(40)에 인가하는 고주파전력을 0.5W/㎠로 하였다. 또 가변콘덕턴스 밸브(114)의 개폐도를 조정하는 동시에 메인펌프(112)가 되는 터보분자 펌프의 회전수를 조정하여 진공배기 함으로써 진공용기(1) 내의 압력을 0.1Toor로 부터 5Torr까지 변화시켰다.
제3도에 나타낸 바와 같이 진공용기(1) 내의 압력이 0.1로부터 0.5Torr의 영역에서는 에칭속도가 50nm/분 정도이지만 0.5Torr을 초과함에 따라 증가하는 경향이 있고, 약 2Torr 부근에서 400nm/분으로 최대치가 되고 더욱 압력이 높은 영역에서는 완만하게 감소하는 경향이 있다. 또 압력이 5Torr를 초과하는 영역에서는 플라즈마 방전이 불안정하게 되고, 플라즈마가 생성될 수 없는 경우도 있다.
이상의 결과로부터 에칭속도가 높아서 플라즈마 크리닝에 적합한 압력영역은 0.5 내 5Torr로 판정된다.
상기 플라즈마 크리닝 방법이 실시되는 장치로서는 헬리콘(helicon)파 플라즈마를 형성하는 장치를 선정하는 것이 가능하다. 제4도는 이와 같은 장치의 개략적인 구성을 도시한다.
헬리콘파 플라즈마을 사용하는 이유는 강한 자기장을 가할 때 플라즈마 진동수보다 낮은 주파수의 전자파가 플라즈마 속에서 전파된다는 사실 때문이다. 최근에는 저압에서 고밀도 플라즈마를 만들 수 있는 기술로서 헬리콘파 플라즈마를 주목하고 있다. 플라즈마 내의 전자파 전파방향과 자장방향이 평행할 때 전자파는 어느 정해진 방향의 원평광이 되어 나선형으로 진행한다. 이때문에 헬리콘파 플라즈마라 불리운다.
헬리콘파 플라즈마를 형성하는 제4도의 장치는 제1도의 고주파코일(31) 대신에 루프형 안테나(34)를 가지고 있다. 이 루프형 안테나(34)는 원형봉 또는 띠형판을 구부려 상,하 2단계 루프형으로 형성한 것이다. 또 자기장 형성기구(35)가 종형덮개(12) 둘레에 배치된다. 자기장 형성기구(35)는 내부코일(35a) 및 외부코일(35b)로 구성된 2중 코일구조를 가지고 있고, 각 코일은 종형덮개(12)와 동축선상의 위치에 배치된다. 내부코일(35a) 및 외부코일(35b)은 서로 역방향의 자장이 형성되도록 코일감김 방향과 통전 방향이 조정된다. 2중 코일구조로 만들어진 자기장 형성기구(35)는 바람직한 자기장을 용이하게 만드는 장점을 가지고 있다. 또 자기장 형성기구(35)를 단일코일로 구성할 수도 있다.
자기장 형성기구(35)에 의해 발생되는 자장은 종형덮개(12) 내에서 만들어지는 플라즈마를 성막실(101)내부로 효율성 있게 수송하므로 성막실(101) 내에서 플라즈마의 고밀도화를 촉진할 수 있다. 그 결과 진공용기91)의 내부면과 기판 스테이지(4)의 표면에 대한 플라즈마 크리닝이 또한 더욱 효과적으로 수행될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 크리닝 방법은 플라즈마 강화 화학적 증착장치에 대해서 뿐만 아니라 기판건조 에칭방법과 같은 다른 진공처리장치에 대해서도 효과적이다.
전술된 에칭가스로서 퍼플루오로카본 14가스(CF4)를 사용하였지만 퍼플루오로카본 116가스(C2F6), 설파플루오라이드가스(SF6), 니트로겐 트리플루오라이드(NF3), 산소가스와 아르곤가스의 혼합가스 등을 사용하여도 효과가 동일하다. 만일 아르곤 가스가 사용되면 플라즈마 내에 만들어지는 아르곤이온은 스패터율이 높기 때문에 매우 효과적인 스패터링을 행하면서 플라즈마 크리닝을 행할 수 있다.
배치영역 프로텍터(400)를 형성하는 재료로서는 산화규소 또는 석영유리 뿐만 아니라, 산화알루미늄 또는 사파이어와 같은 재료를 들 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명에 따라서 진공용기 내에서 기판 스테이지 표면에 퇴적된 박막을 제거하기 위한 플라즈마 크리닝은 짧은 시간 내에 완성될 수 있으며, 장치의 가동율의 향상에 기여할 수 있다.

Claims (3)

  1. 처리하는 기판(40)의 표면치수 및 형상과 같거나 기판 스테이지(4) 표면중 기판배치 영역에 맞는 치수 및 형상의 표면을 갖는 동시에 기판처리중에 기판 스테이지의 표면 및 진공용기의 내면에 퇴적된 불필요한 막과 동일한 전기적 특성을 갖는 재료로 된 판형상의 배치영역 프로텍터를 기판 배치영역에 배치하여 이 기판배치 영역을 덮는 단계와, 에칭작용을 하는 가스를 가스도입기구(2)에 의해 진공용기(1)내로 도입하는 단계와, 제1고주파 전원에 의해 제1고주파 전력을 상기 진공용기 둘레에 배치된 고주파 코일에 인가하여 이 진공용기(1) 내에 플라즈마를 형성하는 단계와, 제2고주파 전원에 의해 제2고주파 전력을 기판 스테이지에 인가하고, 기판 스테이지 표면 근방에 플라즈마를 보조적으로 형성하는 단계와, 이 플라즈마에 의해 발생한 상기 가스의 에칭작용을 이용하여 상기 기판 스테이지의 표면막 및 상기 진공용기 내면에 퇴적된 불필요한 막을 제거하는 단계; 를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 크리닝 방법.
  2. 제1항에 있어서, 도입된 에칭가스의 압력이 0.5 내지 5 Torr의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 크리닝 방법.
  3. 배기채널(11)을 구비한 진공용기(1)와, 진공용기(1) 내에 소정의 가스를 도입하는 가스도입기구(2)와, 진공용기(1)내의 소정의 위치에 기판(40)을 배치하기 위한 기판 스테이지(4)와, 제1고주파전력을 진공용기(1) 둘레에 배치된 고주파코일에 인가하여 이 진공용기(1) 내에서 플라즈마를 형성하는 제1고주파전원(33)과, 플라즈마를 이용하여 기판 스테이지(4)의 표면막 및 진공용기(1)의 내면에 퇴적된 불필요한 막을 제거하는 플라즈마 크리닝 수단을 구비하는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 플라즈마 크리닝 수단은 처리하는 기판(40) 표면의 치수 및 형상 또는 기판 스테이지(4)의 표면 중에서 기판배치 영역에 맞는 치수 및 형상을 갖는 표면으로 되고, 기판처리 중에 기판 스테이지의 표면 및 진공용기의 내면에 퇴적된 불필요한 막과 동일한 전기적 특성을 갖는 재료로 되는 동시에 기판배치 영역에 배치되어 이 영역을 덮는 판형상의 배치영역 프로텍터(400)와, 제2고주파 전력을 기판 스테이지(4)에 인가하고, 기판 스테이지(4)의 표면근방에 플라즈마를 보조적으로 형성하는 제2고주파전원(41)을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
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