KR100539622B1 - 플라즈마처리장치 - Google Patents

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마사츠구 아라이
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츠네히코 츠보네
아키라 도이
마나부 에다무라
사부로 가나이
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가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명은, 고주파 전원(10)이 발생한 고주파 전력을 안테나(1)에 공급함으로써 플라즈마를 생성하나 안테나의 다른 한쪽 끝단을 전기용량이 가변인 콘덴서(9)를 끼워 어스에 접지되는 것이다. 패러데이 실드(8)는 어스로부터 전기적으로 사이를 두고, 가변 콘덴서(9)의 전기용량은 플라즈마 착화 후에는 벽의 깎임량이 작아지도록 안테나의 양단 전압의 절대치가 같고 정부(正負)가 반대로 되는 값으로 설정한다. 플라즈마(6)를 착화할 때에는 콘덴서(9)의 전기용량을 벽의 깎임량이 최소가 되는 값보다 큰 값 또는 작은 값으로 되도록 한다.

Description

플라즈마 처리장치
본 발명은 안테나에 고주파 전계를 공급하여 전계를 발생시키고, 그 전계에 의해 플라즈마를 발생하고, 그 플라즈마에 의해 기판의 에칭이나 박막 형성 등의 표면처리를 행하는 플라즈마 처리장치에 관한 것이며, 특히 피처리물로서 반도체 디바이스를 대상으로 하는 반도체 처리장치에 관한 것이다.
코일 형상의 안테나에 전류를 흘리고 그 유도로 플라즈마를 생성하는 반도체 처리장치에 있어서, 진공분위기를 제공하기 위해 플라즈마 생성부를 둘러싸는 비도전성 재료로 된 진공용기 벽이 플라즈마에 의해 깎이는 것이 문제가 되었다. 이 문제를 해결하기 위해, 일본국 특개평5-502971호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 패러데이 실드라고 불리워지는 전계 실드를 사용하는 방법이 고안되어 있다. 그러나 패러데이 실드를 사용하면, 플라즈마 착화성이 악화되고, 코일 형상 안테나의 급전부에는 수십kV에 이르는 고전압을 공급하지 않으면 플라즈마가 착화하지 않게 된다. 이러한 장치에서는, 안테나와 그 근방의 도전성 구조물 사이에서 방전하는 등의 사고가 발생할 가능성이 높아지고, 그 대책으로서 방전을 방지하기 위해 안테나와 구조물 사이를 절연하는 구조가 별도로 필요하게 되어 장치가 복잡해진다.
또, 패러데이 실드를 사용하여 벽의 깎임량을 작게 한 경우, 플라즈마로부터 벽에 이물 등이 부착하는 것이 빨라질 경우, 벽에 이물이 부착되어 이물이 나오기 쉬워진다. 그 때문에, 프로세스에 따라 벽의 깎이는 량을 조정할 필요가 있다.
또, 플라즈마 밀도 분포는 주로 생성율 분포와 이온, 전자의 수송 상태로 결정된다. 외부 자장이 없는 경우의 플라즈마의 수송은, 각 방향으로 등방으로 확산해 간다. 이때 전자는 이온보다 그 질량이 1/1000 이하이기 때문에 순간적으로 진공벽에 도달하여 달아나려고 하는데, 벽 근방에는 시스(이온시스)가 형성되어 전자를 되보낸다. 그 결과 플라즈마 내는 항상 전자 밀도∼이온 밀도의 준중성(準中性) 조건이 충족됨으로써, 이온, 전자 모두 양극성 확산으로 벽으로 달아나게 된다. 이때 플라즈마 밀도, 정확하게는 이온 밀도가 최대가 되는 개소에서 플라즈마의 전위가 최대로 된다. 이 전위를 플라즈마 포텐셜(Vp)이라고 하고, Te, mi, me를 전자온도, 이온 질량, 전자 질량으로 하면, Vp∼Te×1n(mi/me) 정도로 된다. 플라즈마 중은 이 Vp와 벽 전위(통상은 0V)로 결정되는 전위 분포로 되고, 이것에 따라 밀도 분포가 결정되게 된다. 이 경우, 플라즈마는 자기자신이 만드는 정전장에 가두어지므로, 밀도 분포의 형태는 장치의 형상과 유도전계가 최대로 되는 장소 및 생성율/양극성 확산 플랙스(flex)의 비로 결정되게 된다.
예를 들면 진공용기 위에 코일 안테나를 둘레에 수회 감은 경우, 안테나가 만드는 자속은 중앙부에서 최대로 되기 때문에 유도전계는 중앙부에서 최대로 된다. 더우기 유도전계는 skin depth 정도, 통상 1cm 정도 밖에 침투할 수 없기 때문에, 전리율, 해리율 모두 지름 방향(r방향)의 중앙부, 또 유전체 직하(z방향)에서 최대로 된다. 그 후, 플라즈마는 웨이퍼쪽(하류쪽)으로 확산해 간다. 그 때문에 통상의 원통 형상의 용기인 경우, r방향 중앙부에서 플라즈마 밀도가 최대가 됨과 동시에 하류로 감에 따라서 중심 집중의 정도가 늘어나고, 웨이퍼 설치부에서의 플라즈마 밀도도 불균일하게 된다.
본 발명은 플라즈마 생성부를 둘러싸는 진공용기 벽이 플라즈마에 의해 깎이는 양을 제어하는 것을 본 발명의 제 1 목적으로 하고 있다. 또, 플라즈마 착화성을 향상하는 것을 본 발명의 제 2 목적으로 하고 있다. 또한, 균일 고밀도인 플라즈마를 실현하는 것을 제 3 목적으로 하고 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 플라즈마 생성부에 전계를 발생하는 안테나와, 상기 안테나에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원과, 진공분위기를 형성하기 위해 플라즈마 생성부를 둘러싸는 진공용기와, 상기 진공용기 주위에 마련된 패러데이 실드와, 상기 진공용기 내에 가스를 공급하는 가스공급장치와, 피처리물을 두기 위한 시료대와, 상기 시료대에 고주파 전계를 인가하기 위한 고주파 전원을 구비하고, 상기 안테나가 발생하는 전계에 의해 전자를 가속하여 상기 가스를 충돌전리함으로써 플라즈마를 발생시켜 상기 피처리물을 처리하는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 안테나의 어스부에 부하를 설치하고, 플라즈마 착화시에는 착화가 향상되도록 상기 안테나의 평균적인 전위를 커지도록 하고, 플라즈마 생성 후에는 상기 진공용기 벽의 깎임량이 작아지도록 안테나의 평균적인 전위를 어스의 전위에 가까워지도록 상기 부하를 조정한 플라즈마 처리장치에 특징이 있다.
여기에서, 안테나의 평균적인 전위가 어스에 가깝게 된다는 것은, 도 4의 30a, 30b의 전위가 역상에서 대략 같은 것을 말하며, 즉 Va≒-Vb로 되는 것을 말한다.
도 2를 이용하여, 상기 과제를 해결하기 위한 수단에 대하여 설명한다. 도 2는 일반적인 유도형의 플라즈마 발생장치를 나타내고 있고, 이 장치를 사용하여 패러데이 실드의 어스를 취하는 방법과, 안테나의 어스의 취하는 방법을 변화시키고, 플라즈마 생성부를 둘러싸는 진공용기 벽이 플라즈마에 의해 깎이는 량을 감소시키고, 플라즈마의 착화성을 향상하는 방법을 조사했다.
이 장치에서는 가스공급장치(4)로부터 알루미나제의 진공용기(2) 중으로 염소가스와 삼염화 붕소가스의 혼합가스를 공급하고, 그 가스를 진공용기(2) 주위에 감긴 2턴의 코일 형상의 안테나(1)에 의해 발생하는 전계에서 전리하여 플라즈마(6)를 생성하고 있다. 가스는 플라즈마 생성한 후에 배기장치(7)에 의해 진공용기 밖으로 배기된다. 고주파 전원(10)에 의해 발생한 13.56MHz의 고주파 전력을 안테나(1)에 공급함으로써 플라즈마 생성용 전계를 얻고 있으나, 전력의 반사를 억누르기 위해 임피던스 정합기(3)를 사용하여 안테나(1)의 임피던스를 고주파 전원(10)의 출력 임피던스에 일치시키고 있다. 임피던스 정합기로서는 일반적인 역L자형이라고 불리는 전기용량이 가변인 콘덴서를 2개 사용한 것을 사용하고 있다. 안테나의 다른 한쪽 끝단은 콘덴서(9)를 끼워 어스에 접지되는데, 콘덴서(9)를 단락하도록 스위치(21)를 마련하고 있다. 또, 진공용기(2)가 플라즈마(6)에 의해 깎이는 것을 방지하기 위한 패러데이 실드(8)를 안테나(1)와 진공용기(2) 사이에 설치하고 있는데, 복수의 스위치(22)를 개폐함으로써 패러데이 실드는 어스되어 있는 상태와 어스되어 있지 않은 상태의 양쪽으로 할 수 있다. 도 3은 패러데이 실드가 설치된 상태를 나타내는 사시도이다. 패러데이 실드(8)에는, 코일 형상 안테나(1)가 발생하는 유도적인 전계(15a)는 진공용기 중으로 전달되고, 또 용량적인 전계(15b)는 차단하도록 슬릿(14)이 마련되어 있다. 플라즈마는 용량적인 전계(15b)에 의해 주로 착화하는데, 패러데이 실드가 어스에 접지되어 있을 경우, 안테나로부터의 용량적인 전계는 거의 진공용기 중으로 전달되지 않기 때문에 플라즈마의 착화성이 악화된다. 패러데이 실드가 어스에 접지되어 있지 않은 경우는 안테나와 패러데이 실드가 용량적으로 연결되어 있음으로써, 패러데이 실드의 전위가 안테나의 평균적인 전위와 가까워지고, 패러데이 실드(8)와 전극(5) 사이에 용량적인 전계가 발생하기 때문에 플라즈마의 착화성은 그다지 악화되지 않는다고 생각된다.
용량적인 전계(15b)는 진공용기(2)의 벽에 수직인 전계이고, 플라즈마 중의 하전입자가 가속되어 벽에 충돌하여 벽을 깎게 된다. 플라즈마가 발생하는 빛(16)을 분광기(20)를 사용하여 관측하고, 벽의 알루미나가 깎이는 것에서 플라즈마에 존재하는 알루미늄의 발광량을 측정함으로써 벽이 깎이는 량을 같게 정했다.
먼저 처음에 도 2에 나타낸 실험장치에 있어서, 안테나의 어스부에 설치한 콘덴서(9)의 전기용량을 벽의 깎임량이 작아지도록 최적화하는 방법에 대하여 서술한다. 이하에 있어서, 스위치의 양단이 도통의 상태를 on, 차단의 상태를 off라고 부르기로 한다. 스위치(21)가 off 상태, 즉 콘덴서(9)가 단락되어 있지 않은 상태에서 콘덴서(9)의 전기용량 크기의 최적치를 검토한다. 도 2의 실험장치의 등가회로는 도 4와 같이 쓸 수 있는데, 이때 안테나(1)가 트랜스의 1차 코일로서 작용하고, 플라즈마(6)는 그 2차 코일로 되어 있다. 안테나(1)와 플라즈마(6)는 전기용량적으로 결합되어 있으나, 그 전기용량을 콘덴서(31a와 31b)로 나타내고 있다. 콘덴서(9)의 전기용량(C)는 안테나의 인덕턴스를 L로 했을 때에 회로상의 점(30a)의 위치의 전위(Va)와 점(30b)의 위치의 전위(Vb)의 관계가 항상 Va=-Vb로 되도록 결정한다. 이 조건이 성립할 때, 콘덴서(31a와 31b)의 양단에 부가되는 전위가 최소가 되므로, 벽이 깎이는 양도 최소가 된다. 도 5는 도 4를 더욱 간략화한 것이고 안테나와 플라즈마를 모두 하나의 합성 임피던스를 가지는 소자(17)에 근사시킨 것이다. 이 소자의 임피던스(Z1)를 실험적으로 구하면 Z1=2.4+114j(Ω)이었다. 여기에서, j는 복소수를 나타낸다. 이러한 임피던스의 측정은 측정대상물에 흐르는 전류와, 그 양단의 전압을 측정함으로써 간단히 측정할 수 있다. 콘덴서(9)가 가지는 임피던스(Z2)는 13.56MHz에 대응하는 각진동수를 ω로 하면, Z2=-(1/ωC)j로 되므로, Va=-Vb로 되기 위해서는 Z1의 실수부는 작으므로 무시하면 Z1+Z2 : Z2 = 1 : -1의 관계가 성립하면 된다. 따라서 콘덴서(9)의 전기용량은 계산에 의하면 150pF 정도에서 Va=-Vb의 관계가 성립하게 된다. 도 6은 점(30a)(점선)과 점(30b)(실선)에 발생하는 전위의 진폭을 계산에 의해 구한 것이다. 횡축이 콘덴서(9)의 전기용량이고, 종축이 발생하는 전위의 진폭이다. 그 결과, 콘덴서(9)의 전기용량이 150pF로 되는 근처에서 발생하는 전위의 진폭이 같아져 있고, 그 때의 진동하는 전압의 위상이 180도 어긋나 있기 때문에 Va=-Vb의 관계가 성립하였었다. 따라서 이러한 결정법에 의해 벽의 깎임량이 더욱 작아지는 안테나의 어스쪽에 넣는 콘덴서의 전기용량을 결정할 수 있다.
이어서 도 2에 있어서, 콘덴서(9)의 전기용량을 150pF로 고정한 상태에서, 스위치(21)와 스위치(22)를 on 또는 off한 때에 벽의 깎임량과 플라즈마 착화성을 조사한 것이 도 15이다. 벽의 깎임량이 큰 조건은 스위치(21)를 on, 스위치(22)를 off로 한 때인데, 그 조건에서의 플라즈마 착화성이 우수하다. 그 밖의 조건에서는 벽의 깎임량은 작게 할 수 있으나 플라즈마의 착화성이 떨어진다. 따라서, 벽의 깎임량이 작고, 또 플라즈마의 착화성이 우수한 조건은 이 체계에서는 존재하지 않는 것을 알 수 있었다. 그러나, 플라즈마 착화시에 있어서 스위치(21)를 on, 스위치(22)를 off로 한 조건에서 플라즈마를 착화한 후에, 벽의 깎임량이 작아지도록 스위치(21) 또는 스위치(22)의 어느쪽을 조작하는 것으로 양쪽의 목적을 달성할 수 있다. 여기에서, 장치구조를 간소화하기 위해서는, 스위치(21)만을 사용한 쪽이 우수하다. 그것은 스위치(22)를 사용하여 벽의 깎임량을 작게 하기 위해서는 패러데이 실드의 전위를 가능한한 제로로 할 필요가 있으므로, 스위치(22)는 복수 필요하고, 또 패러데이 실드를 어스에 최단 거리로 접지할 필요가 있으므로 스위치(22)는 안테나나 패러데이 실드의 바로 근처에 설치할 필요가 있다. 그 때문에 안테나나 패러데이 실드 등이 인접한 부분에 복수의 스위치를 설치하면 구조가 복잡해진다. 그 점, 스위치(21)는 어느 정도 안테나로부터 떨어진 곳에 두어지는 콘덴서(9)쪽에 1개 설치하는 것만으로 장치를 간소화할 수 있다.
스위치(21)가 off인 상태는, 안테나와 어스 사이에 150pF인 콘덴서가 삽입된 상태이고, 스위치(21)가 on인 상태는 HF나 VHF 등의 고주파 영역에서는, 콘덴서(9)의 전기용량이 무한대로 변화한 것과 같은 값이다. 이것에서 콘덴서(9)의 전기용량을 150pF로부터 크게 해 가는 것으로 벽의 깎임량이 증가하게 된다. 마찬가지로 콘덴서(9)의 전기용량을 150pF보다 작게 해가도 벽의 깎임량은 증가해 간다. 따라서 콘덴서(9)의 전기용량을 변화시키는 것으로 벽의 깎임량을 제어할 수 있다.
도 7에 나타낸 장치에는 안테나(1)의 어스쪽에 설치하는 콘덴서(9)의 전기용량을 가변으로 한 것인데, 콘덴서(9)의 전기용량을 변화시키는 것으로 플라즈마에 의한 벽의 깎임량을 조정할 수 있다. 또 플라즈마 착화시에는 콘덴서(9)의 전기용량은 150pF보다 충분히 크게 하거나 작게 하는 것으로 플라즈마의 착화성은 현저히 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 안테나의 어스쪽에 넣은 콘덴서의 전기용량을 조절함으로써 플라즈마가 벽을 깎는 량을 조절할 수 있고 본 발명의 제 1 목적은 달성할 수 있다. 또, 플라즈마의 착화시에는 안테나의 어스쪽에 넣은 콘덴서의 값을 변화시켜 착화성이 우수한 상태로 함으로써 본 발명의 제 2 목적을 달성할 수 있다.
이어서, 균일한 플라즈마를 생성하기 위한 방법에 대하여 검토한다. 코일 형상의 안테나를 진공용기 윗면에 두는 경우, 안테나의 지름을 변경시켜 유도전계의 강도를 지름 방향으로 변화시켜도, 중앙부에는 유도전계가 생기고, 그 결과 플라즈마 밀도 분포는 중심 집중으로 되어 불균일하게 된다. 또 복수의 안테나를 배치하여 각 안테나 유전체의 거리를 변경시켜도 플라즈마 밀도의 중심 집중 경향은 변하지 않는다. 도 21은 안테나를 진공용기 위에 둔 경우(도 21a)의 플라즈마 밀도 분포를 계산한 일례이다. 이것에 의하면 장치 높이(H)/반경(R)의 비율(아스펙트 비율(aspect ratio))이 H/R=20/25와 같이 큰 경우(도 21b)는, 안테나 직하(z=2cm)에서는 안테나의 존재하는 개소에서 플라즈마 밀도가 최대가 되고, 하류쪽(z의 증가하는 방향)을 향함에 따라 밀도의 절대치가 커지고(z=10cm), 기판 바로 위에서 밀도가 감소한다. 이때 지름 방향으로는 불균일하게 되어 있는 것을 알 수 있다. 또 z방향으로 보면 장치 중심 z=10cm에서 밀도가 최대가 된다. 도 21c와 같이 아스펙트 비율을 작게 하면 (H/R=15/25), 밀도 분포는 본질적으로는 도21b와 같으나 기판 직상의 분포는 도 21b에 비하여 완만해지는 것이 중심 집중 분포이다.
플라즈마 밀도 분포는 진공용기 벽에서 플라즈마 밀도가 0이라는 경계조건과 생성율 분포 즉 안테나 위치에서 결정되는데, 도 21d에 나타내는 바와 같이 안테나 위치를 변화시키거나 복수 안테나를 두어 파워 배분을 바꾸어도, 밀도 분포의 형태는 변화하지 않는다. 윗면에 두는 경우 안테나가 만드는 유도전계가 안테나 직하에서 최대가 되기 때문에, 하류에서는 중심 집중 분포로 반드시 된다고 생각된다.
한편 안테나를 진공용기의 가로로 감은 배치인 경우[도 22(a)], 유도전계는 용기측면에서 최대로 된다. 용기측면에는 시스가 형성되고, 플라즈마 밀도는 안테나에 최접하는 시스보다 약간 내측에서 최대로 된다. 이때 수평단면에서 보면, 벽 시스 끝단에서는 시스 끝단쪽이 전위가 높고, 시스 끝단-플라즈마 중심에서도 시스 끝단이 전위가 높아져, 시스 끝단으로부터 양쪽으로 플라즈마가 수송된다. 그와 동시에, 이 위치에서 하류로 플라즈마가 흐르기 때문에, 이 밀도 최대인 곳으로부터 z 방향으로 어느 정도 떨어진 수평단면에서는 밀도 분포가 균일해지는 개소가 생긴다. 예를 들어 원통 형상의 장치인 경우, 장치의 지름을 R로 높이를 H로 하면, R/H의 비율이 큰 경우는 웨이퍼 근방에서 오목 분포로 되는 일도 있고, 또 R/H를 충분히 작게 하면 볼록 분포로 되는 등, 플라즈마 밀도 분포를 어느 정도 제어할 수 있다[도 22 (b) 참조]. 그때 최대의 지배인자는 R/H의 비율 즉 장치의 형상이다. 단, 이 안테나 측면 설치인 경우, 안테나 플라즈마의 결합면적이 큰 것에 의한 결합효율의 저하, 밀도 최대로 되는 개소가 측면 벽 근방이기 때문에 플라즈마의 손실이 큼으로써 플라즈마 밀도가 저하한다. 투입 파워, 진공용기의 크기가 같은 경우, 이 경우의 플라즈마 밀도는 상술한 안테나 윗면 설치의 경우보다도 작아진다. 그 때문에 피처리물의 가공속도가 작아진다는 문제점이 있었다.
이상과 같이 유도결합 플라즈마는, 장치의 형상과 안테나 배치에 의해 플라즈마 밀도 분포가 변화하는데, 처리실을 구성하는 진공용기의 윗면의 면적이 아랫면의 면적보다 작고, 윗면이 평면 형상으로 함으로써, 본 발명의 제 3 목적은 달성된다.
또, 바람직하게는 상기 플라즈마 처리장치에 있어서, 윗면과 아랫면을 잇는 능선과 윗면의 법선의 이루는 각도가 5도 이상인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는 상기 플라즈마 처리장치에 있어서, 장치 높이(피처리물로부터 윗면까지의 거리)/아랫면의 반경의 비율이 1 이하인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다. 도 1에 본 발명을 이용한 반도체 처리장치의 제 1 실시예를 나타낸다. 본 장치에서는, 가스공급장치(4)에서 진공용기 중으로 반도체의 처리에 사용하는 산소, 염소, 삼염화 붕소 등의 원료가스를 공급하고, 그 가스를 코일 형상의 안테나(1)에 의해 발생하는 전계에서 전리하여 플라즈마(6)를 생성한다. 가스는 플라즈마 생성한 후에, 배기장치(7)에 의해 진공용기 밖으로 배기된다. 13,56MHz, 27.12MHz, 40.68MHz등의 고주파 전원(10)이 발생한 고주파 전력을 안테나(1)에 공급함으로써 플라즈마 생성용 전계를 얻고 있는데, 전력의 반사를 억누르기 위해 임피던스 정합기(3)를 사용하여 안테나(1)의 임피던스를 고주파 전원(10)의 출력 임피던스와 일치시키고 있다. 임피던스 정합기로서 역L자형이라고 불리는 것을 나타내고 있는데, 주파수나 안테나의 구조에 따라 정합을 얻기 쉬운 것을 사용할 필요가 있다. 안테나(1)의 다른 한쪽 끝단은 전기용량이 가변인 콘덴서(9)를 끼워 어스에 접지된다. 또, 진공용기(2)가 플라즈마(6)에 의해 깎이는 것을 방지하기 위한 패러데이 실드(8)를 안테나(1)와 진공용기(2) 사이에 설치하고 있는데, 패러데이 실드는 전기적으로 어스되어 있지 않은 상태로 한다. 또, 패러데이 실드(8)에는 도 3에 나타낸 바와 같이, 코일 형상 안테나의 감긴 방향과 직교하도록 슬릿이 설치되어 있다. 처리되는 반도체 웨이퍼(13)는 전극(5) 위에 둔다. 플라즈마 중에 존재하는 이온을 웨이퍼(13) 위로 끌어들이기 위해 전극(5)에는 고주파 전원(12)에 의해 진동전압을 인가한다. 가변콘덴서(9)의 전기용량은, 과제를 해결하기 위한 수단에 대해 설명한 바와 같이, 벽의 깎임량이 최소로 되는 전기용량치를 취할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 도 1의 29는 항온조를 나타내며 진공용기(2)의 온도를 제어한다. 구체적으로는 팬이나 히터를 구비함으로써 온도를 제어한다.
본 실시예에서는 플라즈마(6)를 착화할 때에는 콘덴서(9)의 전기용량을 벽의 깎임량이 최소로 되는 값보다도 큰 값 또는 작은 값으로 되도록 한다. 그때의 전기용량의 값으로서는, 벽의 깎임량이 최소로 되는 전기용량치의 2배 정도, 또는 2분의 1 정도로 함으로서, 수십w의 고주파 파워로 플라즈마를 착화할 수 있다.
플라즈마의 착화후에는, 벽의 깎임량을 감소시키기 위해 콘덴서(9)의 전기용량을 깎임량이 최소로 되는 값에 접근시켜 가는데, 이물의 관점에서 어느 정도 벽이 깎인 것이 좋은 경우는, 구하는 벽의 깎임량이 되는 값에 콘덴서(9)의 전기용량을 셋트한다. 그 값의 최적치는 반도체 프로세스를 반복시행하여 결정할 필요가 있다.
본 발명의 제 2 실시예를 도 8을 따라 설명한다. 본 실시예의 기본적인 장치 구성은 제 1 실시예와 같으나, 본 실시예와 제 1 실시예의 차이는 안테나(1)의 어스쪽에 설치되는 콘덴서의 구조이다. 본 실시예에서는 안테나(1)의 어스쪽에 콘덴서(9a)와 콘덴서(9b)의 두 개의 콘덴서를 병렬로 삽입하고, 콘덴서(9a)는 직접 어스에 연결하고, 콘덴서(9b)는 스위치(21)를 삽입하여 어스에 연결하도록 한다.
콘덴서(9a)의 전기용량을 깎임량이 최소가 되는 값으로 해놓으면, 플라즈마 착화시에는 스위치(21)를 on으로 하는 것으로 안테나(1)의 어스쪽에 넣는 전기용량은 콘덴서(9b)분만큼 커지게 되므로, 콘덴서(9b)의 전기용량을 충분히 크게 하는 것으로 플라즈마 착화성은 향상된다. 그리고 플라즈마 착화 후에는, 스위치(21)를 off로 하는 것으로 벽의 깎임량이 최소가 된다. 또, 제 1 실시예와 마찬가지로, 이물의 관점에서 어느 정도 벽이 깎인 것이 좋을 경우에 구하는 벽의 깎임량이 되는 값으로 콘덴서(9a)의 값을 셋트해 두면 된다.
본 발명의 제 3 실시예를 도 9에 따라 설명한다. 본 실시예의 기본적인 장치구성은 제 2 실시예와 같으나, 본 실시예와 제 2 실시예의 차이는 도 8의 콘덴서(9b) 대신에 인덕터(19)를 사용하고 있는 것이다. 콘덴서(9)의 전기용량을 C, 인덕터(19)의 인덕턴스를 L, 고주파 전원(10)이 출력하는 고주파의 각진동수를 ω로 하면, 안테나의 어스쪽과 어스 사이의 임피던스(Z)는 스위치(21)가 off일 때 Z=-(1/ωc)j, 스위치(21)가 on일 때 Z=-(1/(ωC-1/ωL))j로 된다. 콘덴서(9)의 전기용량을 스위치(21)가 off인 상태에서 벽의 깎임량이 최소가 되도록 해 두면, 스위치(21)를 조작하는 것으로 Z값을 변화시킬 수 있고, 플라즈마의 착화성을 향상할 수 있다. 따라서 플라즈마 착화시에는 스위치(21)를 on으로 하여 플라즈마를 착화하고, 플라즈마 착화 후에는 스위치(21)를 off로 하는 것으로 벽의 깎임량을 최소로 할 수 있다. 또, 제 1 실시예와 마찬가지로, 이물의 관점에서 어느 정도 벽이 깎인 것이 좋을 경우에는, 구하는 벽의 깎임량이 되는 값으로 콘덴서(9)의 값을 셋트해 두면 된다.
상기 제 3 실시예에서, 콘덴서와 인덕터와 스위치를 조합하는 것에 의해 안테나와 어스 사이에 삽입하는 부하의 임피던스를 변화시키는 방법에 대하여 기술했다. 상기 실시예 이외에서도 부하의 임피던스 값을 변화시킬 수 있는 수단을 사용함으로써 플라즈마 착화성이 우수한 상태와 벽의 깎임량이 작아지는 상태로 하는 것이 가능해진다.
본 발명의 제 4 실시예를 도 10을 따라 설명한다. 본 실시예의 기본적인 장치구성은 제 1, 제 2, 제 3 실시예와 같으나, 본 실시예와의 차이는 유전성 재료로 이루어진 패러데이 실드(8)를 비유전성 재료로 이루어진 진공용기(2) 벽의 내부에 묻는 것이다. 진공용기(2)의 재료로서는 알루미나, 유리 등이 사용되는데, 알루미나에는 크롬, 알루미늄 등의 금속이 쉽게 융착하므로, 알루미나 내부에 그것들의 패턴을 작성하는 것도 용이하다. 또 유리에 있어서도 자동차의 서리제거용 히터와 같이 금속 박막을 묻는 것은 가능하다.
이와 같이 패러데이 실드(8)를 진공용기(2)의 벽 내부에 묻는 것의 장점으로서, 안테나(1)와 패러데이 실드(8) 사이의 절연구조가 불필요하게 되는 것, 진공용기(2)와 안테나(1)의 거리를 작게 할 수 있고 장치가 콤팩트화되는 것이 있다.
본 발명의 제 5 실시예를 도 11을 따라 설명한다. 본 실시예의 기본적인 장치구성은 제 4 실시예와 같으나, 본 실시예와의 차이는 패러데이 실드로서의 도전성 재료의 막을 비도전성 재료로 된 진공용기(2)의 벽면에 코팅한 것이다. 본 실시예에서는 진공용기의 내측의 플라즈마쪽에 도전성의 패러데이 실드(8)를 코팅한 예를 나타내고 있는데, 진공용기의 대기쪽에 패러데이 실드(8)를 코팅해도 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 실시예에서는 패러데이 실드(8)에 직접 플라즈마(6)가 접하므로, 패러데이 실드(8)의 슬릿 부분에서는 진공용기(2)의 벽이 플라즈마(6)에 의해 깎이게 된다. 프로세스에 의하나, 원료가스로서 산소 등을 사용한 산화막 에칭 프로세스에서는 알루미나와 알루미늄과의 접착성이 우수한 것을 이용하여, 패러데이 실드(8)를 도전성의 알루미늄, 진공용기(2)를 절연성의 알루미나로 함으로써, 절연재료에 도전성 재료를 코팅한 구성을 달성할 수 있다. 원료 가스에 염소나 삼염화 붕소를 사용한 메탈 프로세스 등의 경우에는 절연재료에 알루미나, 도전성 재료에 Si C로 함으로써 목적을 달성할 수 있다. 이러한 조합은 이밖에도 다수 생각할 수 있는데, 진공용기가 고온이 된 때에 코팅한 도전성 재료가 벗겨지지 않는 성능을 가지며, 또 절연재료와 도전성 재료 모두 플라즈마에 대하여 깎이기 어려운 것이면 어떠한 조합으로도 같은 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 제 6 실시예를 도 12를 따라 설명한다. 본 실시예의 기본적인 장치구성은 제 1, 제 2, 제 3 실시예와 같으나, 본 실시예와 다른 실시예의 차이는, 패러데이 실드(8)를 저항(18)을 이용하여 어스에 접지하고 있는 것이다.
장치의 재편성 등의 작업시에 사람이 패러데이 실드(8)를 만지는 일도 종종 있다고 생각된다. 그때 패러데이 실드가 대전하는 것을 방지하기 위한 기구가 필요하다. 본 실시예에서는 저항(18)을 이용하여 패러데이 실드를 어스에 접지하고 있는데, 이 저항의 저항치는 플라즈마를 생성하기 위한 고주파 전원(10)의 주파수에 있어서 패러데이 실드(8)와 어스 사이의 전기용량이 가지는 임피던스보다 큰 임피던스를 가지도록 할 필요가 있다. 그러기 위해서는, 패러데이 실드와 어스 사이의 전기용량을 C로 하고, 접지저항(18)의 저항치를 R, 고주파 전원(10)이 출력하는 고주파의 각진동수를 ω로 하면, R〉1/ωC로 되도록 R을 설정한다. 즉, 플라즈마를 생성하기 위한 고주파의 주파수에 있어서 상기 패러데이 실드와 상기 어스 사이의 전기용량이 가지는 임피던스보다 큰 임피던스를 가지는 부하로 상기 패러데이 실드와 상기 어스 사이를 결합하고, 또 상기 부하의 임피던스가 직류에 있어서는 작아지도록 하여 운전종료시의 패러데이 실드의 대전을 방지하고 있다.
본 발명의 제 7 실시예를 도 13를 따라 설명한다. 본 실시예의 기본적인 장치구성은 제 6 실시예와 같으나, 본 실시예와 제 6 실시예의 차이는, 진공용기(2)를 도전성 재료로 만듦으로써 패러데이 실드의 효과를 가지게 한 것이다.
패러데이 실드 겸용의 진공용기에는, 도 3에서 설명한 바와 같이 유도적인 전계를 차단시키기 위한 슬릿을 설치할 수 없기 때문에, 도전성 진공용기의 벽 두께를 조정함으로써 유도적인 전계를 통과할 수 있도록 할 필요가 있다. 여기에서, 진공용기는 절연 플랜지(24)에 의해 전기적으로 어스로부터 뜨게 한 구조이다.
본 실시예에 의하면, 패러데이 실드를 진공용기 주위에 설치하는 작업이 불필요하기 때문에, 작업성이 좋아진다. 본 실시예에서 안테나(1)의 평균적인 전위를 어스 주변 및 어스보다 절대치로서 크게 하도록 조정하는 회로는 제 6 실시예와 같다.
도 14는 본 실시예에서 진공용기를 흐르는 와전류의 모습을 나타낸 사시도이다. 도 3에서 설명한 유도적인 전계(15a)를 진공용기(2) 중을 전달하는 것을 없애기 위한 와전류는 화살표(25)와 같이 원통 형상의 진공용기(2)의 둘레 방향으로 흐른다. 이 와전류의 유로에서의 저항을 R, 인덕턴스를 L, 고주파 전원(10)이 출력하는 고주파의 각진동수를 ω로 하면, R〉ωL의 관계가 성립하도록 하면 저항에 의한 와전류 감쇠가 커지고, 진공용기 중에 유도적인 전계가 전달되게 된다.
진공용기(2)의 재질로서는, 제 5 실시예와 마찬가지로 플라즈마에 직접 면하고 있으므로, 플라즈마에 의해 깎이기 어려운 것일 필요가 있다. 또, 진공용기의 벽 두께는 통상 2cm 정도이므로, 예를 들어 주파수 13.56MHz에 있어서 그 정도의 표피 두께로 하기에는, 0.02Ωm 정도의 전기저항율의 재료를 이용하면 좋아진다.
진공용기(2)는 어스와 절연하기 위해 절연 플랜지(24)를 사용하여 절연하고 있는데, 제 6 실시예와 마찬가지로 대전을 방지하기 위한 저항(18)을 마련하고 있다. 저항(18)의 저항치는 제 6 실시예에서 설명한 바와 같이, 플라즈마를 생성하기 위한 고주파 전원(10)의 주파수에 있어서 패러데이 실드와 어스 사이의 임피던스보다 큰 임피던스를 가지도록 할 필요가 있다. 또, 반도체 처리에 있어서 고주파 전원(12)에 의해 전극(5)에 바이어스 전압을 인가하고 있는데, 플라즈마가 어스에 대하여 전기적으로 떠 있으면 바이어스 전압이 플라즈마와 전극 사이에서 강하게 발생하지 않게 된다. 그것을 방지하기 위해서는, 플라즈마를 어스로 가능한한 접촉시켜 플라즈마의 전위를 낮게 할 필요가 있으나, 저항(18)의 저항치를 고주파 전원(12)의 주파수대에 있어서, 패러데이 실드와 어스 사이의 임피던스보다 작은 임피던스를 가지도록 함으로써 달성할 수 있다.
본 실시예는, 진공용기 전체가 도전성 재료로 이루어진 경우에 대해서이나, 다른 실시예에 있어서 패러데이 실드에서 슬릿을 없애고, 본 실시예와 마찬가지로 도전성 재료의 두께만을 조정함으로써 같은 효과를 얻을 수 있게 된다.
상기한 실시예에서는, 진공용기(2)의 형상이 원통 형상인 것에 대하여 설명했으나, 진공용기(2)의 측면 형상에 경사를 가지게 하고, 단면을 사다리꼴로 한 진공용기(2)에 코일, 패러데이 실드를 설치하도록 해도 상기한 실시예를 똑같이 적용할 수 있다.
본 발명의 제 8 실시예를 도 16을 따라 설명한다. 본 실시예의 기본적인 장치구성은 제 1, 제 2, 제 3 실시예와 같으나, 본 실시예와 다른 실시예의 차이는 진공용기 윗면[전극(5)보다 먼 쪽](2a)이 진공용기 아랫면의 면적이 작은 것을 특징으로 한다. 또 바람직하게는 윗면이 평면 형상인 것이다. 상기와 같이 구성한 본 발명에 있어서는, 안테나의 배치, 안테나의 권수, 안테나 진공용기의 거리 등에 의해, 플라즈마와 안테나의 결합의 정도나 위치를 변화시킬 수 있다. 예를 들어 안테나를 가로로 1권한 경우에는, 도 23a에 나타낸 바와 같이 그 안테나의 상하에 따라 결합하는 장소가 변화한다. 복수권인 경우에는 안테나의 상하 위치, 각 권선과 진공용기의 거리에 의해, 결합 상태를 변화시킬 수 있다[도 23b]. 이것에 의해 중앙부의 밀도를 상승시키려 하면 안테나를 윗쪽으로 이동시키고, 반대로 주변을 고분포로 할 경우에는 안테나를 아랫쪽으로 이동시키면 된다. 결합 위치를 바꿀 수 있는 것은 윗면의 면적이 작고 아랫면의 면적이 큼으로써, 장치 형상이 기울어 있기 때문이다. 또 유도결합 플라즈마의 경우, 전자·이온은 양극성 확산이고 등방적으로 용기 벽을 향하여 확산하기 때문에, 그 분포는 용기 형상의 영향을 받는다. 그 때문에 윗면이 평면 형상이면 플라즈마 분포도 평탄화하기 쉬워진다. 안테나 배치와 특징적인 장치 형상에 의해 플라즈마 밀도 분포를 제어하기 쉬워진다. 또 안테나(1)에 의한 정전계 때문에 안테나 근방에서는 플라즈마 진공용기 벽(2)의 상호작용으로 발생하는 이물이나 반응 생성물이 많아지나, 아랫면의 면적이 크기 때문에 용기 벽-배기계(7)를 따라 유로가 생기고, 벽을 따라 흐르기 쉬워지기 때문에, 웨이퍼(13) 방향을 향하는 양이 저감되어 양호한 처리를 실현할 수 있다.
도 16의 191은 코일의 위치를 이동시키는 수단이고, 플라즈마 밀도 분포를 조절하기 위해 코일의 높이를 조절할 수 있다.
본 발명의 제 9 실시예를 도 17에 나타낸다. 본 실시예의 기본적인 장치구성은 제 8 실시예와 같으나, 본 실시예와 다른 실시예의 차이는, 진공용기(2)의 윗면(2a)와 아랫면(2b)을 잇는 능선과 윗면의 법선의 이루는 각도가 5도 이하인 것을 특징으로 한다. 도 24는 본 발명에 의한 진공용기의 형상, 예를 들어 윗면의 반경(Ru) : 아랫면의 반경(Rd)의 반경=4 : 5일 때의 피처리물 표면에 입사하는 이온전류 밀도 분포를 나타낸 것이다. 진공용기 높이 H=13cm인 때 φ300(r=15cm)까지 이온전류는 평탄하다. 또 H를 증가시키면 중앙부가 약간 높은 분포가 된다. 또 H를 이것보다 작게 하면 주변고로 되는 것도 확인하고 있다. tan-1{(Rd-Ru)/H}≥5도이면 평탄, 중심고, 주변고의 분포가 실현된다.
도 18은 본 발명의 제 10 실시예를 나타낸다. 본 실시예의 기본적인 장치구성은 제 8 실시예와 같으나, 본 실시예와 다른 실시예의 차이는 진공용기(2)의 높이(H)[전극(5)로부터 윗면(2a)까지의 거리]와 진공용기(2)의 지름, 즉 아랫면의 반경(Rd)이 H/Rd≤1의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 한다. 예를 들어 도 24에 나타낸 진공용기 형상은 이 관계를 만족시키고 있다.
도 19는 본 발명의 제 11 실시예를 나타낸다. 본 실시예의 기본적인 장치구성은 제 8 실시예와 같으나, 본 실시예와 다른 실시예의 차이는 진공용기(1)의 외측에 자장발생수단(26)을 구비한 것을 특징으로 한다. 자장존재시의 기판 직상의 플라즈마 밀도 분포를 도 25에 나타낸다. 그것에 의하면, 자장을 증가시킴에 따라 플라즈마 밀도 분포가 주변고로 되고, 분포제어할 수 있는 보조수단인 것을 알 수 있다.
도 25에 있어서, 파라미터가 되고 있는 D1은 자력선 방향의 확산계수를 나타내고, Dp는 자력선에 수직인 방향의 확산계수를 나타낸다.
도 20은 본 발명의 제 12 실시예를 나타낸다. 본 실시예의 기본적인 장치구성은 제 8 실시예와 같으나, 본 실시예와 다른 실시예의 차이는 전극(5)에 대향하는 면, 진공용기의 윗면(2a)의 내측에 도체 또는 반도체로 구성되는 판(27)을 둔 것을 특징으로 한다. 또 바람직하게는 판(27)에 고주파 전압 인가수단(28)을 접속하여 고주파를 인가한다. 여기에서 말하는 고주파는 펄스 상태의 직류전압이어도 된다. 또 판(27)을 접지해도 된다. 전위를 전극(5)에 의해 규정하고, 플라즈마 분포를 미(微)조정한다. 클리닝 할 때에 본 실시예를 사용할 수 있다. 본 실시예에 의하면, 벽의 상태를 제어하므로, 플라즈마 중의 라디칼, 반응생성물의 양이나 분포를 변화시키고 에칭 등의 프로세스 시의 제어를 행할 수 있다.
본 실시예를 사용함으로써, 플라즈마 생성부를 둘러싸는 진공용기 벽이 플라즈마에 의해 깎이는 양을 제어할 수 있고, 또 플라즈마 착화성을 향상할 수 있다. 또, 안테나의 배치, 안테나의 권수, 안테나 진공용기의 거리 등에 따라 플라즈마와 안테나의 결합의 정도나 위치를 변화시킴으로써, 플라즈마의 분포를 제어할 수 있어 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명을 검증하기 위해 사용한 실험체계를 나타내는 구성도,
도 3은 패러데이 실드가 설치된 상태를 나타내는 사시도,
도 4는 본 발명을 검증하기 위해 사용한 실험체계의 등가 회로도,
도 5는 본 발명을 검증하기 위해 사용한 실험체계의 등가 회로도,
도 6은 안테나 양단에 발생하는 전위의 진폭을 나타낸 도,
도 7은 본 발명을 검증하기 위해 사용한 실험체계의 구성도,
도 8은 본 발명의 제 2 실시예를 나타내는 구성도,
도 9는 본 발명의 제 3 실시예를 나타내는 구성도,
도 10은 본 발명의 제 4 실시예를 나타내는 구성도,
도 11은 본 발명의 제 5 실시예를 나타내는 구성도,
도 12는 본 발명의 제 6 실시예를 나타내는 구성도,
도 13은 본 발명의 제 7 실시예를 나타내는 구성도,
도 14는 본 발명의 제 7 실시예의 와전류의 흐름을 나타낸 사시도,
도 15는 스위치(21, 22)와 진공용기 벽의 깎임량과 플라즈마 착화에 필요한 RF 파워에 대하여 정리한 도,
도 16은 본 발명의 제 8 실시예에 의한 플라즈마 처리장치를 나타내는 도,
도 17은 본 발명의 제 9 실시예에 의한 플라즈마 처리장치를 나타내는 도,
도 18은 본 발명의 제 10 실시예에 의한 플라즈마 처리장치를 나타내는 도,
도 19는 본 발명의 제 11 실시예에 의한 플라즈마 처리장치를 나타내는 도,
도 20은 본 발명의 제 12 실시예에 의한 플라즈마 처리장치를 나타내는 도,
도 21은 안테나 위에 둘 경우의 플라즈마 밀도 분포를 나타내는 도,
도 22는 안테나를 측면에 둘 경우의 기판 입사 이온전류 밀도 분포를 나타내는 도,
도 23은 본 발명의 원리를 나타내는 모식도,
도 24는 본 발명의 경우의 기판 입사 이온전류 밀도 분포를 나타내는 도,
도 25는 본 발명의 제 4 실시예의 효과를 나타내는 도이다.

Claims (5)

  1. 그 안쪽에 시료가 배치되는 용기와, 상기 용기의 바깥쪽에 배치되어 상기 용기 내에 전계를 공급하는 안테나와, 상기 안테나에 전압을 공급하는 전원을 가지고, 상기 안테나로부터 공급된 전계에 의하여 상기 용기 내의 공간에서 착화되어 발생된 플라즈마를 이용하여 상기 시료를 처리하는 플라즈마처리장치에 있어서,
    상기 플라즈마의 발생 중에 상기 전압에 의하여 생기는 상기 안테나의 전위를, 상기 플라즈마 점화시의 상기 전위보다도 작아지도록 조절하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나와 상기 용기 내의 공간과의 사이에, 상기 용기의 주위를 덮어 배치되어 상기 안테나에 생기는 전계를 차단하기 위한 실드수단을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마의 발생 중에 상기 실드수단이 접지되어 있지 않은 상태로 조절되는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 실드수단을 상기 플라즈마의 점화시에 접지된 상태로 하고, 상기 플라즈마가 점화된 후의 발생 중에 접지되어 있지 않은 상태로 변환하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  5. 그 안쪽에 시료가 배치되는 용기와, 상기 용기의 바깥쪽에 배치되어 이 용기 내에 전계를 공급하는 안테나와, 상기 안테나에 전압을 공급하는 전원을 가지고, 상기 안테나로부터 공급된 전계에 의하여 상기 용기 내의 공간에서 착화되어 발생된 플라즈마를 이용하여 상기 시료를 처리하는 플라즈마처리장치에 있어서,
    상기 안테나와 상기 용기 내의 공간과의 사이에 배치되어 상기 안테나에 생기는 전계를 차단하기 위한 실드수단과, 상기 실드수단을 상기 플라즈마의 점화시에 접지된 상태로 하고, 상기 플라즈마가 점화되어 발생 중에는 접지되지 않은 상태로 스위치 가능한 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
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