KR100331053B1 - 플라즈마처리장치및플라즈마처리방법 - Google Patents

Abstract

플루오르원자를 함유하는 가스 플라즈마를 사용하여 피처리물의 처리를 행하는데 적합한 플라즈마 처리장치 및 처리방법이 제공된다.

플라즈마 처리장치의 고진공 처리실의 구성재질은 알루미늄, 피처리 표면을 알루마이트 처리한 알루미늄, 및 알루미나막 혹은 알루미나를 주성분으로 한 막을갖는 재질이 사용된다. 처리실의 일부 또는 전부의 내면을 미리 플루오르화 처리한 재료로 구성한다.

미리 플루오르화된 내면을 갖는 처리실에 있어서, 플루오르원자를 함유하는 가스 플라즈마를 사용하여 피처리물의 플라즈마 처리를 행하면, 프로세스 특성의 시간에 따른 변화가 억제된다.

Description

플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법{PLASMA PROCESSING APPARTUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}

본 명세서에 있어서,「알루미늄 재료」라 함은, 순수알루미늄 및 알루미늄 합금을 의미한다.

플라즈마 에칭장치나 플라즈마 화학증착장치 등의 플라즈마 처리장치의 진공처리실에서는 염소가스 등의 부식성이 높은 가스가 사용되기 때문에, 진공처리실은내식성이 높은 재료로서, 스테인레스강이나 석영유리, 알루미나세라믹스 등의 재료로 제조되었다. 또한, 이런 종류의 장치로서 예를들어, 일본국 특허공개공보 소 62-103379호를 들 수 있다.

플라즈마 처리장치의 진공처리실에 스테인레스강을 사옹하는 경우, 스테인레스강 자체도 플라즈마중의 하전입자 충격에 의해 그 구성원소인 Fe, Ni, Co 등을 방출한다. 그래서, 반도체 디바이스의 제조에 있어서, 중금속 오염의 문제가 발생되었다.

한편, 석영유리커버를 사용하면 중금속오염의 문제는 없으나, 플라즈마의 충격이나 열복사에 의해 시간에 따라 석영커버유리의 온도가 상승하기 때문에, 처리특성이 변동하는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 어떠한 수단에 의해 석영유리를 가열 또는 냉각하는 것이 효과적이나, 플라즈마 처리장치의 경우, 석영유리가 진공및 플라즈마에 노출되기 때문에, 구조적·기술적으로 곤란한 경우가 많다고 하는 문제가 있다.

중금속 오염도 없고, 또 가열 혹은 냉각도 포함한 가공성이 풍부한 재료로서알루미늄 재료를 들 수 있다. 그러나, 이 경우에, 플라즈마 처리장치에 쓰여지는염소원자 또는 플루오르원자를 함유하는 가스플라즈마에 대한 내식성이 없다고 하는 결점이 있다. 이것에 대한 대책으로서는, 예를들어 일본국 특허공개공보 소62-103379호 공보에 기재된 바와 같이, 어떠한 수단에 의해 알루미늄 재료의 표면에 A1₂O₃, AlC, TiN, TiC, AlN 등 내식성이 뛰어난 피막을 형성하는 방법이 있다.

그러나, 플루오르원자를 함유하는 가스를 사용하는 플라즈마 처리장치에서는, 처리실을 구성하는 재료 자체가 플루오르화됨으로써 처리특성의 시간에 따른변동을 초래하는 것에 대한 대책은 실시되지 않았었다.

본 발명은, 플라즈마 에칭장치나 플라즈마 화학증착장치 등에 의해 발생되는

플라즈마를 이용하여 피처리물의 처리를 행하는 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처

리방법에 관한 것이다.

도 1은 각종 알루미늄 재료 표면의 플루오르화층의 두께와 플라즈마 처리시간 사이의 관계도,

도 2는 처리실 표면처리시 산화막의 에칭속도비의 시간에 따른 변화를 나타내는 그래프, 및

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 실시예의 구성을 나타내는 단면도이다.

본 발명의 목적은, 플루오르원자를 함유하는 가스를 사용하는 플라즈마 처리에 있어서, 플루오르화의 진행에 수반하는 프로세스 특성의 시간에 따른 변동을 억제하여, 안정된 처리를 실시할 수 있는 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법을제공하는데 있다.

플루오르원자를 함유하는 가스를 사옹하는 플라즈마에 의한 처리실 표면의 플루오르화를 방지하기 위해서는, 플라즈마 처리실의 표면을 미리 플루오르를 함유하는 재료로 제조하면 된다.

처리실 내면의 일부 또는 전부가, 플루오르원자를 함유하는 재료로 제조되어있으면, 플루오르를 함유하는 가스를 사용하는 플라즈마 처리에 의한 처리실 내면의 플루오르화의 진행속도가 작아진다. 결과적으로, 처리실 내면으로 흡수되는 플루오르의 양이 적어짐과 동시에, 처리실의 내면의 상태변화가 적어져 처리실 내면상의 부착물의 질적 및 양적변화가 적어진다. 이로·인해, 시료를 플라즈마처리할때의 시료마다의 프로세스 변동을 작게할 수 있다. 이 때문에, 플라즈마 처리의 시간에 따른 변화를 적게할 수 있고, 각 시료에 대하여 안정된 처리가 가능해진다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 설명한다. 도 1은 고주파 플라즈마에 노출되는 알루미늄재 및 미리 플루오르화된 알루미늄재의 각각의 표면상의 플루오르화된층의 두께를 나타낸 것이다. 미리 플루오르화하지 않은 알루미늄재는, 표면을 미리 플루오르화한 알루미늄재에 비하여, 플루오르화의 속도가 크다.

도 2는, 도 1과 같은 처리실 재료를 사용하고, CHF₃가스로 실리콘산화막을 구멍형상으로 플라즈마 처리했을 때의 산화막의 평균에칭속도의 시간에 따른 변화를 나타낸 것이다. 각각의 평균에칭속도는 처리개시시의 초기치를 1.0으로 하고 있다. 미리 플루오르화 처리한 처리실을 사용함으로써, 산화막의 에칭속도의 시간에 따른 변화를 대폭 경감할 수 있다. 시료를 처리할 때의 가스로서, CnFm(n, m은정수), SF6, 플루오르를 함유하는 가스 혹은 CHF3 이외에 다른 가스와 혼합된 플루오르를 함유하는 가스를 사용할 때에도, 산화막의 에칭속도의 시간에 따른 변화를 대폭 경감할 수 있다. 처리실 내면의 플루오르화막의 두께가 큰경우, 에칭속도의감소를 예방하는 효과는 커진다. 처리실 내면의 2점간의 저항은 미리 플루오르화하지 않은 알루미늄재의 저항의 100배 이상인 것이 바람직하다. 특히 미리 플루오르화된 표면이 절연체 내에 혹은 가까이 형성될 때, 프로세스 특성의 시간에 따른변화가 더욱 적다.

도 3은 도 2의 특성을 얻도록 사용된 마이크로파 플라즈마 에칭장치의 주요부의 구성을 나타내는 단면도이다.

도 3에서, 진공용기(10)는 그 꼭대기부가 개방된 구조로 된다. 진공용기(10)는, 예를들어 알루미늄으로 형성된다. 진공용기(10)의 꼭대기부 개방부의 형상은, 이 경우 위에서 볼 때 대략 원형이다. 진공용기(10)의 측벽 바닥부에는,배기노즐(11)이 형성된다. 진공배기장치(20)는, 진공용기(10) 바깥에 설치된다. 배기노즐(11)과 진공배기장치(20)의 흡기구는, 배기관(21)에 의해 연결된다. 배기관(21)에는, 개폐밸브(도시생략), 배기저항 가변밸브(도시생략)등이 설치된다.

도 3에서 내부에 플라즈마 생성영역을 갖는 수단인 방전블록(30)은, 그 형상이 마이크로파의 진행방향에 대하여 단면적 변화가 적은 중공원통이다. 중공원통은 마이크로파 불투과재로 제조되고, 이 경우 내면을 미리 플루오르화 처리한 알루미늄재료로 형성된다. 방전블록(30)은 그 내부중공부의 축심을 대략 수직축으로 하고, 상기 내부중공부를 진공용기(10)의 꼭대기부 개방부를 거쳐 진공용기(10)에연통시켜 진공용기(10)의 꼭대기부에 기밀하게 설치된다. 방전블록(30)의 꼭대기부에는, 그 내부중공부를 기밀하게 봉지하여 마이크로파 투과창(40)이 설치된다. 마이크로파 투과창(40)은, 석영, 알루미나 등의 마이크로파 투과재료로 형성된다. 즉, 진공용기(10), 방전블록(30)의 내부중공부 및 마이크로파 투과창(40)에 의해 외부로부터 차단된 공간(50)이 형성된다.

도 3에서, 시료대축(60)의 상부는 공간(50)으로 돌출되고, 또 그 하부는 진공용기(10)바깥으로 돌출되며, 진공용기(10)의 바닥벽과 시료대축(60)은 전기절연부재(70)에 의해 전기적으로 절연된다. 시료대(61)는 한쪽의 면, 이 경우, 상면에 시료설치면을 가지고 있다. 시료대(61)는 그 시료설치면을 대략 수평면으로 하여 시료대축(60)의 상단에 설치된다. 물론, 시료대축(60)과 시료대(61)는 일체로 형성될 수도 있다. 본 실시예에서, 공간(50)의 바깥에는 바이어스용 전원인 고주파 전원(80)이 설치된다. 시료대축(60)은 고주파 전원(80)에 접속된다. 고주파전원(80)은 접지된다. 시료대축(60) 및 시료대(61)는 도전재료로 형성되고, 시료대(61)는 시료대축(60)과 도통상태에 있다. 한편, 본 실시예에서는 진공용기(10)는 접지되고, 방전블록(30)도 진공용기(10)를 통하여 접지된다. 또, 바이어스용 전원으로 고주파전원(80) 외에 직류전원 등의 사용도 가능하다. 또, 본 실시예에서, 시료대(61)의 내부에는 냉매유로(도시생략)가 형성되고, 시료대축(61)의 내부에는 냉매유로에 연통하여 냉매공급로(도시생략) 및·냉매배출로(도시생략)가 각각 형성된다. 냉매공급장치(도시생략)가 공간(50)바깥에 설치된다. 냉매공급장치의 냉매공급구와 시료대축(60)의 냉매공급로는 냉매공급관(도시생략)에 의해 연결된다. 시료대축(60)의 냉매배출로에는 냉매배출관(도시생략)의 일단에 연결되고, 그타단은 냉매회수조(도시생략)에 연결되거나 대기로 개방된다.

도 3에서, 마이크로파 투과창(40)과 시료대(61)의 시료설치면은 서로 대향하므로, 상기 시료설치면에 반도체소자 기판 등의 시료(90)가 설치된 경우, 마이크로투과창 및 피처리면은 상하방향으로 대향한 상태로 되고, 그들의 면은 대략 평행상태가 된다. 방전블록(30)의 내부중공의 축심, 마이크로파 투과창(40)의 중심 및 시료대(61)의 시료설치면의 중심, 즉 시료(90)의 피처리면의 중심이 각각 일치하도록 구성되는 것이 바람직하다.

도 3에서, 방전블록(30)의 내부에는 가스공급로(100)가 형성된다. 처리가스원(101)이 공간(50)의 바깥에 설치된다. 처리가스원(101)과 가스공급로(100)의 일단은 가스공급관(102)에 의해 연결된다. 가스공급관(102)에는 개폐밸브(도시생략), 가스유량제어기(도시생략) 등이 설치된다. 가스공급로(100)의 타단은 방전블록(30)의 높이방향의 상단부로부터 중도부와의 사이에서 방전블록(30)의 내부중공부으로 개구된다.

도 3에서, 방전블록(30)의 외측에는, 상기 블록(30)을 내부에 포함한 상태에서 도파관(110)이 제공된다. 도파관(110)은 진공용기(10)와 종단된다. 본 실시예에서, 도파관(110)의 형상은 대략 원통형이다. 도파관(110)의 폐지단벽의 꼭대기벽과 방전블록(30)의 상단부(마이크로파 투과창(40)의 상면)과의 사이에는, 소정의높이(간격)을 갖는 공간(120)이 형성된다. 본 실시예에서, 마이크로파 투과창(40)의 상면과 대향하는 도파관(110)의 꼭대기벽부에는 개구가 형성된다. 또한, 상기개구는 상기의 위치에 반드시 설치될 필요는 없다. 공간(50, 120)의 바깥에는 마이크로파를 발진하는 수단인 마그네트론(130)이 설치된다. 마그네트론(130)과 도파관(110)은 도파관(111, 112)에 의해 연결된다. 도파관(111, 112)내는 도파관(110)의 꼭대기벽의 개구를 거쳐 공간(120)과 연통상태에 있다. 도파관(111)은 장방형-원형직각 변환용의 도파관이고, 도파관(112)은 장방형의 도파관이다. 마그네트론(130)과 도파관(110)은 그 이외의 마이크로파 전파수단, 예를 들어 동축케이블 등에 의해 연결되어 있어도 된다.

도 3에서, 본 실시예에서의 도파관(110)의 측벽외주에는, 자계를 발생하는수단인 공심(空心)코일(140, 141)이 2단계로 장착된다. 공심코일(140)은 공간(120)의 외주벽에, 또 공심코일(141)은 방전블록(30)의 외주벽에 대략 대응된다. 각각의 공심코일(140, 141)은 0N, 0FF수단(도시생략)과 통전량 조절수단(도시생략) 등을 거쳐 전원(도시생략)에 접속된다.

도 3에서, 개폐밸브, 배기저항 가변밸브를 밸브개방하고 진공배기장치(20)를동작시킴으로써, 공간(50)은 감압배기된다. 또, 가스공급관(102), 개폐밸브, 가스유량 제어기와 같은 가스공급로(100)를 개방하여 처리가스원(101)으로부터 방전블록(30)의 내부중공부에 소정유량으로 소정의 에칭용 가스가 도입된다. 즉, 공간(50)에 에칭용 가스가 도입된다. 배기저항 가변밸브의 밸브개방을 조절함으로써, 공간(50)에 도입된 에칭용 가스의 일부는 진공배기장치(20)에 의해 배기되고, 이것에 의해 공간(50)의 압력은 소정의 에칭처리압력으로 조절된다.

또, 도 3에서, 본 실시예에서, 공지의 반송수단(도시생략)에 의해 시료(90)가 진공용기(10)내에 반입된다· 진공용기(10)내에 반입되는 시료(90)를 건네주는 반송수단은 시료(90)의 처리를 저해하지 않는 장소로 퇴피된다. 시료대(61)로 건네어진 시료(90)는 시료대(90)의 시료설치면상에 피처리면 상향자세로 설치된다. 그 후, 공심코일(140, 141)이 작동되어 방전블록(30)의 내부중공부에는 자계가 인가된다.

도 3에서, 마이크로파를 이용하여 플라즈마를 발생시키고 있으나, 본 발명은어떠한 특정 플라즈마의 발생수단에 한겅되는 것은 아니다. 본 발명은 고주파를 이용하여 플라즈마를 발생하는 경우에도 마찬가지로 적용할 수 있음은 물론이다.

처리실의 내면을 플루오르화 하는 방법은, (1) 처리실 구조부재를 고온(200℃∼600℃)로 가열하고 플루오르를 함유하는 가스를 흐르게 하며,(2) 플루오르를 함유하는 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시키고, 이 플라즈마 대기에서 처리실 구조부재를 설치하는 등이 있다.

또한, 처리실로서 그 표면을 미리 플루오르화 처리한 재료를 사용하여 구성하더라도, 플루오르를 함유하는 가스로 플라즈마를 발생시켜 플라즈마 처리하는 경우에, 서서히 처리실 내면상에 부착물이 부착되어 진다. 이 때문에, 미리 플루오르화한 표면을 갖는 재료를 사용하여 구성된 플루오르화 표면을 갖는 재질을 처리실에 사용하여 구성한 경우에도, 한 시료 또는 복수의 시료를 처리할 때마다 클리닝을 행할 필요가 있다. 이 클리닝으로서는 산소를·함유한 가스를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 지금까지는 처리실의 재질로서 알루미늄이 사용된 경우에 대하여 서술하였는데, 재료는 알루미늄으로만 한정되는 것은 아니다. 피처리표면을 알루마이트 처리한 알루미늄, 알루미나막(A12O3) 혹은 알루미나를 주성분으로 한 막(물라이트 등)을 부착시킨 알루미늄, 혹은 다른 금속이나 다른 절연물(막 및 단체)을 사용하여도 같은 효과가 있다. 절연물을 사용한 경우, 적은 양의 플루오르화 처리에 의해 동등한 효과를 얻을 수 있다.

또, 도 2에서는 시료로서, 실리콘 산화막의 경우에 대하여 서술하였으나, 실리콘 질화막에 있어서도 같은 효과가 얻어진다.

본 발명에 의하면, 플루오르를 함유하는 가스플라즈마를 사용하는 플라즈마처리장치에 있어서, 처리실 구성재료의 플루오르화 진행에 수반하는 프로세스 특성의 변동을 작게할 수 있고, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 플라즈마 처리 방법에 있어서,

   미리 플루오르화된 알루미늄 재료의 표면 전기 저항이 미리 플루오르화 되지않은 알루미늄 재료의 표면 전기 저항의 100배이상인 미리 플루오르화된 알루미늄재료를 사용하여 처리실 내면의 적어도 일부를 형성하는 단계;

   플루오르원자를 함유하는 가스를 사용하여 시료를 플라즈마 처리하는 단계;

   산소가스를 함유하는 가스를 사용하여 처리실을 클리닝 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
2. 플루오르원자를 함유하는 가스를 사용하여 시료를 플라즈마 처리하는 장치에있어서,

   미리 플루오르화된 알루미늄 재료의 표면 전기 저항이 미리 플루오르화 되지않은 알루미늄 재료의 표면 전기 저항의 100배이상인 미리 플루오르화된 알루미늄 재료를 사용하여 형성된 내면을 구비하는 처리실을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 미리 플루오르화된 알루미늄 재료는 표면상에 산화알루미늄 성분을 함유하는 막을 갖는 미리 플루오르화된 알루미늄 재료인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 미리 플루오르화된 알루미늄 재료는 미리 플루오르화된 순수 알루미늄인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 미리 플루오르화된 알루미늄 재료는 미리 플루오르화된 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.