KR100390665B1 - 플라즈마 프로세스용 장치 - Google Patents

플라즈마 프로세스용 장치 Download PDF

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다다히로 오미
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Abstract

플라즈마를 여기시키기 위해서 필요한 원료 가스를 공급하는 가스 공급 시스템과, 그것을 배기하여 용기내를 감압하기 위한 배기 시스템을 갖고, 그 용기내에 있어서 플라즈마를 여기시켜, 상기 플라즈마중에서 피 처리물의 처리를 실행하도록 구성된 플라즈마 프로세스용 장치에 있어서, 상기 용기의 내부에 피 처리물을 탑재하는 도전성의 스테이지가 설치되어 있고, 상기 스테이지에는 직류 전압 또는 고주파를 인가할 수 있는 구조가 설치되어 있고, 상기 스테이지의 내부에는 피 처리물을 냉각하기 위한 냉각 매체 유로가 설치되어 있고, 상기 냉각 매체 유로에는 상기 스테이지의 열을 상기 냉각 매체에 전달하기 위해서 열전도도가 높고, 상기 스테이지에 인가된 직류 전압 또는 고주파를 상기 냉각 매체에 전달하지 않도록 전기 절연성이 높은 재료를 이용한다.

Description

플라즈마 프로세스용 장치{DEVICE FOR PLASMA PROCESSING}
최근, 플라즈마 프로세스용 장치에는 고속으로 또한 성능이 높은 막 형성이나 드라이 에칭을 실행함과 동시에, 그 장치의 점유 면적을 소형화하고, 초기 투자 및 운전 비용을 억제하는 것이 요구되고 있다.
플라즈마 드라이 에칭 장치에 있어서는, 피 처리물 표면 수직 방향의 에칭 속도를 평행 방향에 대하여 크게 하는, 즉 에칭 속도의 이방성을 높이기 위해서, 그리고 에칭 마스크로 되는 유기 레지스트의 염반(burning)을 방지하기 위해서, 스테이지의 냉각 매체에 의한 냉각에 의해서 피 처리물의 플라즈마 조사에 의한 열을 제거한다. 플라즈마 막 형성 장치에 있어서도 피 처리물 또는 박막에 내열성이 없는 경우에는 냉각이 필요하게 된다.
특히 반도체 제조에 있어서는, 제조 비용을 낮게 하기 위해서, 고밀도 플라즈마를 이용함으로써 프로세스 속도를 높게 하고, 실리콘 기판의 사이즈를 직경200㎜에서 300㎜로 대구경화함으로써 1개의 기판으로부터 취해지는 칩의 수를 증가시켜 생산성을 높이고자 한다. 플라즈마가 고밀도로 되고 기판 사이즈가 대형화되면 제거해야 하는 단위 시간당의 열량이 커지기 때문에, 냉각 장치가 대규모로 된다. 기판의 온도 분포를 균일하게 하고자 하면 냉각 매체의 입구와 출구의 온도차를 작게 하지 않으면 안되기 때문에 냉각 매체를 고속으로 순환시켜야 하므로, 순환 장치가 대규모로 된다. 일반적으로는, 냉각 기구와 순환 기구를 겸비한 칠러(chiller)가 이용된다.
피 처리물을 탑재하는 스테이지에는 냉각 기구 이외에 피 처리물을 스테이지에 밀착시키기 위한 정전 척 기구, 플라즈마를 생성하기 위해 또는 플라즈마로부터의 이온 조사 에너지를 제어하기 위한 고주파 또는 직류 전압 전극 기구, 피 처리물과 스테이지의 열전달을 양호하게 하기 위해 피 처리물과 스테이지의 간극에 헬륨 가스를 충진시키는 기구, 피 처리물 또는 스테이지의 온도 모니터 기구 등이 설치된다.
종래, 직류 전압 또는 고주파를 인가하는 스테이지를 냉각하는 경우, 직류 전압, 고주파를 절연하기 위해서, 냉매로서 저 유전율, 저 전기 전도도의 불소계 불활성 액체가 이용된다.
그러나, 상기 종래 기술에서는, 사용하고 있는 냉매의 비열, 열전도율이 작고, 열을 빼앗는 능력이 낮기 때문에, 냉매를 칠러에 의해서 마이너스 수십도까지 냉각하여, 스테이지와의 온도차를 크게 하여 열을 빼앗는 능력을 높인다. 이 저온의 냉매의 공급 배관이 길게 되면 단열이 대규모로 되고, 또한 이 냉매는 고가이기때문에, 필요량이 커지면 비용이 높아진다. 따라서 보통은 각 플라즈마 프로세스용 장치의 근방에 비교적 소형의 냉매 칠러 장치를 설치한다.
따라서, 본 발명은 소형이고 저 비용인 스테이지 냉각 기구를 갖는 플라즈마 프로세스용 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명의 요약
본 발명의 플라즈마 프로세스용 장치는 플라즈마를 여기시키기 위해서 필요한 원료 가스를 공급하는 가스 공급 시스템과, 그것을 배기하여 용기내를 감압하기 위한 배기 시스템을 갖고, 그 용기내에 있어서 플라즈마를 생성시켜, 상기 플라즈마중에서 피 처리물의 처리를 실행하도록 구성된 플라즈마 프로세스용 장치에 있어서, 상기 용기의 내부에 피 처리물을 탑재하는 도전성의 스테이지가 설치되고, 상기 스테이지는 직류 전압 또는 고주파가 인가될 수 있는 구조로 되어 있고, 상기 스테이지의 내부에는 피 처리물을 냉각하기 위한 냉각 매체 유로가 설치되어 있고, 상기 냉각 매체 유로에는 상기 스테이지의 열을 상기 냉각 매체에 전달하기 위해서 열전도도가 높고, 상기 스테이지에 인가된 직류 전압 또는 고주파를 상기 냉각 매체에 전달하지 않도록 전기 절연성이 높은 재료를 이용하고 있다.
본 발명은 피 처리물인 기판에 막 형성, 드라이 에칭 등의 플라즈마 프로세스를 실행하는 플라즈마 프로세스용 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 프로세스용 장치의 일례를 도시하는 모식적인 단면도,
도 2는 일반적인 플라즈마 프로세스용 장치의 피 처리물을 탑재하는 스테이지의 냉각 기구를 도시하는 모식적인 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 프로세스용 장치의 피 처리물을 탑재하는 스테이지의 냉각 기구를 도시하는 모식적인 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 프로세스용 장치의 플라즈마 여기용 고주파 전력의 피 처리물을 탑재하는 스테이지를 냉각하는 냉각 매체 온도와의 관계를 나타내는 그래프.
이하, 본 발명의 일 실시예를 도 1 내지 도 4에 근거하여 설명한다.
도 1은 본 실시예에서 이용한 플라즈마 프로세스용 장치를 도시하는 도면이다. 직경 200㎜인 실리콘 기판상에 형성된 실리콘 산화막을 드라이 에칭하기 위한 장치로서, 기판 스테이지(105)에 인가되는 고주파에 의해서 플라즈마가 여기된다.
참조부호(101)는 프로세스를 실행하는 용기 본체이고, 참조부호(102)의 가스 공급 시스템에 의해서 참조부호(104)의 플라즈마를 여기시키기 위해서 필요한 원료 가스를 공급하고, 참조부호(103)의 배기 시스템에 의해서 원료 및 반응 부(副)생성 가스를 배기한다. 그 때, 필요에 따라 용기 본체(101) 내를 감압한다. 13.56MHz의 전원(106) 및 정합기(107)에 의해서 피 처리물을 탑재하는 기판 스테이지(105)에 고주파를 인가함으로써 플라즈마(104)를 여기시킨다. 기판 스테이지(105) 하부에는 냉각 매체 입구(108) 및 출구(109)의 포트가 설치되어 있다.
도 2는 일반적인 스테이지의 냉각 기구를 상세하게 도시한 도면이다. 참조부호(201)는 스테이지 본체로서, 열전도성이 양호한 동이나 알루미늄 등의 도체로 이루어지고, 이 부분에 직류 전압 또는 고주파가 인가된다. 참조부호(203)는 냉각 매체 유로이고, 스테이지 본체(201)와 일체로 형성되어 있든지, 스테이지 본체(201)와 마찬가지의 열전도성이 양호한 도체 재료로 가공하여, 본체와 납땜(204) 또는 나사 등에 의해서 고정되어 있다. 냉각 매체 유로(203)는 절연성의 튜브(206)를 거쳐서 칠러(207)에 접속되어 있고, 칠러(207)가 냉매의 온도 제어 및 순환을 실행하고 있다. 스테이지 본체에 인가한 직류 전압 또는 고주파가 냉매에 누전되는 것을 방지하기 위해서, 절연성의 냉매가 이용된다.
표 1은 상기 냉각 기구로 사용되는 대표적인 냉각 매체와 물의 물성을 나타내는 것이다. 절연성의 냉각 매체로서 대표적인 것은 플루오르이너트(Fluorinert)(3M사 제품)와 갈덴(Galden)(아우지몬트사 제품)이다. 이들은 불소계 불활성 액체로서 절연성이다. 이들 냉각 매체를 물과 비교한 경우, 비열, 열전도율이 작기 때문에, 스테이지 본체(201)의 냉각 효율을 높이기 위해서는, 냉매를 마이너스 수십도까지 냉각해야 한다.
한편, 도 3은 본 발명의 스테이지 냉각 기구를 상세하게 도시한다. 냉각 매체에는 5 내지 10℃의 물을 이용한다. 표 1에 나타내는 바와 같이, 물은 비열, 열전도율 모두 불소계 불활성 액체에 비해서 크기 때문에, 이 정도의 온도로 충분하다. 이러한 물 라인에 직류 전류나 고주파가 전달되지 않도록 하기 위한 고안이 이루어져 있다.
냉매 비열(J/g·K) 열전도율(W/m·K) 비 유전율 비 저항(Ω㎝) 유동점(℃) 비점(℃)
물 4.2 0.55 80 0℃ 100
플루오르이너트 1.05 0.063 1.9 3×1015 -100 내지 -25 30 내지 215
갈덴 0.966 0.071 2.1 1×1015 ＜-110 내지 -66 70 내지 270
참조부호(301)는 스테이지 본체이고, 열전도성이 양호한 동, 알루미늄 등의 도체로 이루어지며, 이 부분에 직류 전압 또는 고주파가 인가된다. 참조부호(303)는 냉각 매체 유로이고, 고 열전도율 절연재료인 질화 알루미늄 세라믹으로 이루어지며, 본체에 납땜(304)에 의해서 고정한다. 냉각 매체 유로(303)에는 절연성 재료인 퍼플루오르알콕시(perfluoroalkoxy)(PFA)제의 커플러(coupler)(305)에 의해서 PFA 튜브(306)가 접속되어 있고, 스테이지 하부의 커버(314)의 저면 부분에서 스테인레스제 커플러(307)를 접속하고, 이 부분에서 접지되어 있다. 냉각수의 순환은 펌프(311)에 의해서 실행하여, 스테이지의 온도 모니터(313)가 설정 온도보다 높은 값을 검출한 경우, 냉각수 입구(309)로부터 유량 제어기(312)에 의해서 5 내지 10℃의 냉각수가 부가되고, 그것과 등량의 물이 출구(310)에 배출된다. 냉각수 입구(309) 및 출구(310)는 클린 룸(clean room)내를 순환하고 있는 장치 냉각수 라인에 접속되어 있다.
스테이지 본체에 고주파를 인가하는 경우, 고주파를 플라즈마 여기에 사용하여, 커버(314) 내부의 스테이지 본체(301)와 접지부(커플러)(307) 사이의 튜브(306)에 의해 손실되지 않도록 그 사이의 저항을 매우 크게 하는 것이, 또한 물의 전기 분해에 의한 기포 발생을 방지하기 위해서, 튜브를 길게 하고 물에 인가되는 전계 강도를 작게 하는 것이 필요하다. 튜브(306)를 필요 이상으로 가늘고 길게 하면 냉각수의 압력 손실이 커지게 되기 때문에, 본 장치에서는 외경 1/4 인치(약 6.35㎜), 길이 30㎝의 튜브를 선정하였다.
튜브의 사이즈는 스테이지 본체(301)에 인가되는 고주파 전력의 크기에 따라 최적화된다.
스테이지 본체(301)와 냉각 매체 유로(303)의 접속부(납땜)(304)는 납땜에 한정되지 않고, 나사 고정 등에 의해서 기계적으로 접촉시켜도 상관없다. 그 경우 접촉 부분에 열전도성이 양호한 그리스를 도포해 두면 보다 확실히 열을 스테이지 본체(301)로부터 냉각 매체 유로(303)에 전달할 수 있다.
또한, 냉각 매체 유로(303)는 동이나 알루미늄 등의 금속으로 구성되고, 그 표면에 질화 알루미늄 세라믹으로 이루어지는 부재를 부착하거나, 용사(溶射)에 의해서 표면에 질화 알루미늄 세라믹을 피복한 것이어도 상관없다.
또한, 냉각수의 순환 방법은 상기의 방법에 한정되지 않고, 장치 근방에 칠러를 설치하여도 상관없다. 그 경우에도 불소계 불활성 매체의 경우에 비해서 냉각 온도가 높기 때문에 칠러를 소형화할 수 있다.
또한, 상기 냉각수는 냉각수 공급 설비의 부식을 방지하기 위해서 환원성 물인 것이 바람직하다. 환원성 물은 물에 수소 가스를 버블링 등의 기법에 의해 용해시킴으로써 얻어진다. 이와 같이 형성되는 냉각수는 표준 산화 환원 전위가 표준 수소 전극을 기준 전극으로 하여 0 이하의 환원성을 갖고 있다.
이하, 본 발명의 장치에 의해서, 실리콘 산화막의 드라이 에칭 프로세스중에 스테이지 본체(301)를 냉각한 결과에 대하여 설명한다. 프로세스 조건은 다음과 같다. 냉각 매체는 본 발명에서 사용하는 물과, 비교를 위해 플루오르이너트(3M사 제품)에 대하여 결과를 나타낸다.
(프로세스 조건)
기판 스테이지 고주파 : 13.56MHz/1500W
프로세스 가스 : C4F8/CO/O2/Ar=10/50/5/200sccm
프로세스 압력 : 5.33Pa (약 40mTorr)
기판 : 0.75㎜ 실리콘 기판/1.6㎛ 실리콘 산화막/0.8㎛ 포토레지스트(φ0.15㎛ 홀 패턴 형성)
기판 스테이지 온도 : 20℃로 제어
냉각 매체 : 물 또는 불소계 불활성 액체 플루오르이너트(3M사 제품)
스테이지를 20℃로 유지하기 위해서 필요한 냉각 매체의 온도는 고주파 전력에 의존한다. 도 4는 냉각 매체 온도의 고주파 전력 의존성의 측정 결과를 나타내고 있다. 고주파 전력이 0 내지 2,000W의 범위이고, 플루오르이너트 및 물이 각각 -25℃ 내지 20℃와 15 내지 20℃이며, 물은 플루오르이너트와 비교하여 열전도가 9배 높기 때문에, 냉각하는 온도가 약 1/9과 마찬가지의 효과가 얻어지는 것이 확인되었다.
또한, 고주파가 공중에 누설되어 전파되고 있지 않는가를 조사하기 위해서 알파랩사 제품의 전계 강도계를 이용하여 측정한 바, 물의 경우에도 고주파 전력이 최대의 2,000W의 경우에 있어서 계측기 검출 한계의 0.01mW/㎠ 이하였다.
이상의 예에서는, 피 처리물로서 실리콘 기판을 예로 들어 설명하였지만, 유리 기판 등, 다른 피 처리물에 있어서도 적용되는 것은 말할 필요도 없다.
본 발명에 따르면, 고가인 칠러나 저 유전율, 저 전기 전도성을 갖춘 특별한 냉매가 불필요하게 되어, 장치 비용을 저감할 수 있고 또한 장치 점유 면적도 작게 한 플라즈마 프로세스용 장치를 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 용기내에 플라즈마를 여기하여 플라즈마내에서 피 처리물을 처리하는 플라즈마 프로세스용 장치에 있어서,
    플라즈마를 여기시키기 위하여 필요한 원료 가스를 공급하는 가스 공급 시스템과,
    상기 용기밖으로 상기 원료 가스를 배기하기 위한 배기 시스템과,
    처리될 피 처리물이 그 위에 놓이는 도전성 스테이지로서, 상기 도전성 스테이지는 상기 용기내에 설치되며, 처리동안 직류 또는 고주파 전압이 상기 도전성 스테이지에 인가되는, 도전성 스테이지와,
    처리되는 피 처리물을 냉각시키기 위해 처리동안 전기 전도성 냉각 매체가 그것을 통해 흐르는 냉각 매체 유로를 포함하며, 상기 냉각 매체 유로는 적어도 부분적으로 상기 스테이지내에 배치되며, 상기 냉각 매체 유로는 상기 스테이지로부터 상기 냉각 매체로 열을 전달하도록 높은 열전도성을 갖는 재료로 제조되며, 상기 스테이지에 인가된 직류 또는 고주파 전압을 상기 냉각 매체에 전달하지 않도록 전기 절연성이고 접지되어 있으며, 상기 스테이지내 이외의 위치에서 접지되어 있는 커플러에 연결된 연장 유로를 가지며, 상기 냉각 매체가 물 베이스의 액체인
    플라즈마 프로세스용 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 매체 유로의 상기 냉각 매체와 접하는 적어도 표면이, 질화 알루미늄 성분을 포함하는 물질에 의해서 피복되어 있는
    플라즈마 프로세스용 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 질화 알루미늄 성분을 포함하는 물질이 질화 알루미늄 세라믹인
    플라즈마 프로세스용 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 매체 유로가 질화 알루미늄 세라믹인
    플라즈마 프로세스용 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 물 베이스의 액체는 순수한 물인
    플라즈마 프로세스용 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 물 베이스의 액체는 표준 산화 환원 전위가 표준 수소 전극을 기준 전극으로서 0 이하의 환원성 액체인
    플라즈마 프로세스용 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉각 매체 유로가 질화 알루미늄 세라믹인
    플라즈마 프로세스용 장치.
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