KR100604107B1 - 플라즈마 에칭 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고밀도 플라즈마(8)를 이용하여 반응기(2)에 기판(9)을 에칭하기 위한 플라즈마 처리 시스템에 관한 것이며, 제 1 코일 단부(20, 20')와 제 2 코일 단부(21, 21')를 갖는 ICP 코일(6)은 반응기(2) 내에서 고주파 교류 전자기장을 발생시키며, 상기 교류 전자기장은, 반응 가스에 작용하고 유도적으로 커플링된 플라즈마 소스(18)로서 반응성 입자들과 이온들로부터 고밀도 플라즈마(8)를 발생시킨다. 양 코일 단부(20, 20', 21, 21')들은 각각 공급 전압점(31, 32)을 통해 고주파 공급부(23)에 연결되며, 상기 공급부는 제 1 코일 단부(20, 20')와 제 2 코일 단부(21, 21')에 각각 동 주파수의 고주파 교류 전압을 인가한다. 양 코일 단부(20, 20', 21, 21')에 인가된 양 고주파 교류 전압은 제 1 공급 전압점(32)과 제 2 공급 전압점(31)을 연결하는 λ/2 지연 라인(30)을 통해, 대칭 용량성 네트워크와 함께 서로 적어도 거의 역위상이 되며 적어도 거의 같은 진폭을 갖는다.
전압점, 고주파 공급부, 고밀도 플라즈마, 코일 단부, 반응기
Description
본 발명은 독립항의 전제부에 따른 플라즈마 처리 시스템에 관한 것이다.
유도적으로 커플링된 플라즈마 소스(원)를 사용하는 상기와 같은 플라즈마 처리 시스템은 특히 DE 42 41 045에 공지된 방법을 사용하여 대단히 높은 에칭율로 규소를 깊게 에칭하는데 적합하며 또한 넓게 공지되어 있다. 간단하고 신뢰성 있는 장치는 ICP-코일(ICP = "inductively coupled plasma" 유도 결합 플라즈마)로 구성되며 상기 코일은 플라즈마 체적 주위로 권취되어 고주파 교류 전압을 공급받는다. ICP-코일을 통해 흐르는 고주파 전류가 플라즈마 체적 내에 고주파 교류 자기장을 유도하며, 이 교류 자기장의 회전 전기장은 유도 법칙(rotE = -
)에 따라 다시 플라즈마를 여기시킨다. 사용된 고주파는 600 kHz 내지 27 MHz의 값을 가지며 보통 13.56 MHz의 주파수가 사용된다.
DE 42 41 045에 공지된 방법의 경우 플루오르를 제공하는 에칭 가스로부터 플루오르 래디칼을, 또한 테플론 형성 단량체를 제공하는 패시베이션 가스로부터 (CF2)x 래디칼을 방출시키기 위해, 바람직하게는 유도적으로 고주파 여기된 플라즈마 소스가 사용되며, 상기 플라즈마 소스는 낮은 에너지를 가진 비교적 고밀도의 이온(1010-1012 cm-3)을 갖는 고밀도 플라즈마를 생성하며 에칭 가스와 패시베이션 가스가 교대로 사용된다. 발생된 이온을 기판 표면 쪽으로 가속화하는 이온 에너지는 역시 비교적 낮으며 1 - 50 eV, 바람직하게는 5 - 30 eV 사이에 있다. 상세한 설명의 도 2는, 종래 기술에서 공지된 통상적으로 사용되는 플라즈마 소스의 ICP 코일(코일)의 비대칭 공급부를 도시하며, 이는 가장 간단한 경우 세라믹 재료로 이루어진 예컨대 40 cm 직경의 통 형태인 반응기 주위의 단일 권선으로 구성된다. 한 코일 단부는 접지되고, 다른 코일 단부에는 고주파 교류 전압이 공급되며 이 코일 단부를 "뜨거운(hot)"이라 하는데, 그 이유는 이 코일 단부에 예컨대 1000 - 3000 볼트의 매우 높은 전압이 형성되기 때문이며 이 전압은 공급된 고주파 고전압의 진폭에 대해서 전형적이다.
마찬가지로 도 2에 도시된 커패시턴스 C2와 C3은 사용된 고주파 공급부의 비대칭 50 Ω동축 케이블 출력의 임피던스를 비대칭적으로 작동되는 ICP 코일의 임피던스에 맞게 조정하기 위해 사용된다(소위 "매치 박스" 또는 "매칭 커패시턴스"). 커패시턴스 C4는 ICP 코일에 대해 병렬로 접속되며 매칭 커패시턴스와 함께 공진 조건을 형성한다.
플라즈마 소스의 공지된 비대칭적 유도성 공급은 생성된 플라즈마 내에서도 비대칭성이 나타나게 하는데, 상기 플라즈마는 평균적으로, 발생된 용량성 커플링의 강도에 따라 접지 전위보다 수 볼트 내지 수십 볼트 더 높다. 그래서 ICP 코일의 한 코일 단부는 접지 전위(0 v)에 접속되고, 대향하는 "뜨거운" 코일 단부는 수천 볼트까지의 높은 고주파 전압에 접속된다. 따라서 특히 "뜨거운" 코일 단부에서는 강한 전기장이 반응기의 세라믹 통벽을 통해 플라즈마로 유도되며 이는 재차 세라믹 통벽을 통해 플라즈마로 변위 전류를 유도한다. 이것이 앞에서 언급한 "용량성 커플링"이며 한편 실제의 플라즈마 발생은 유도성 메카니즘, 즉 시간 가변 자기장에 기초한 메카니즘이다.
대체로 용량성 커플링을 통해, 공급된 즉, "뜨거운" 코일 단부로부터 반응기의 세라믹 통벽을 통한 플라즈마로의 전류 흐름이 이뤄진다. 상기 전류 흐름은, "차가운" 코일 단부도 고정된 접지 전위 근방에서 평균 플라즈마 전위가 이동하고, 또한 플라즈마와 "차가운" 코일 단부 사이의 전압 차가 변위 전류를 다시 세라믹 통벽을 통해 코일로 흘려 보내기에는 너무 작기 때문에, 접지된 코일 단부로 흘러 나갈 수 없다. 따라서 변위 전류는 "뜨거운" 코일 단부의 영역으로부터 플라즈마 내로 흘러서, 플라즈마와 직접 접촉한 접지를 거쳐 상기 플라즈마로부터 다시 흘러나와야 한다. 종래 기술에서 상기 접지는 실질적으로 기판 전극으로서, 이 전극은 예컨대 기판으로서 웨이퍼를 지지하며 자체 고주파 공급을 통해 플라즈마에 대해 낮은 네가티브 DC 바이어스 전위 1 - 50 v로 작동된다. 따라서 상기 전극은 언급한 변위 전류를 직접 수용할 수 있지만, 이는 기판 표면에 걸쳐 각각의 플라즈마 처리 공정의 불균일성을 야기하므로 개별 영역들의 에칭시 부분적으로 상당한 프로필 편차가 일어난다.
또한 비대칭 공급을 통해 한쪽에서 발생하는 강한 전기장은 발생된 플라즈마의 위치 및 밀도 분포를 왜곡시키며, 상기 플라즈마는 반응기의 중앙에서 이동하여 예컨대 "뜨거운" 코일 단부의 방향으로 변위된다. 이것을 소위 "황소의 눈 이동(Bull's eye shift)"이라 부르는데, 그 이유는 플라즈마의 불균일성(모양)이 기판으로 사용된 웨이퍼 상에 눈 형태로 투영되어 이 "눈"이 웨이퍼의 중심부로부터 웨이퍼 에지로 이동되기 때문이다.
공정의 균일성을 개선하기 위한, 또한 "황소의 눈 이동"을 방지하기 위한 첫 번째 조치는 DE 42 41 045에 공개된 공정에 관해 미공고된 출원 DE 197 34 278.7에 기재되어 있는 것으로, 상기 간행물에 따르면 개구에 조립된 금속 실린더의 내벽에서 연장된 이온 재결합 구역으로 인해 기판으로 향하는 이온 흐름을 각 기판 표면 위에서 균일화하는 개구 구성이 제시되므로, 기판에 도달하는 플라즈마의 외부 영역에 이온 손실 메카니즘이 형성되고 플라즈마는 다시 센터링되며 전기장은 플라즈마의 소스 영역으로부터 기판에 이르는 도중 부분적으로 차폐된다.
부분적으로 간섭 전기장으로 인해 발생하는, 기판 또는 웨이퍼에 에칭된 구조물의 프로필 편차를 감소시키는 추가 조치는 미공고된 출원 DE 197 363 70.9에 제시된 것과 같이 소위 "파라미터 램핑"을 사용하는 것이다.
"뜨거운" 코일 단부와 마찬가지로, "차가운" 코일 단부, 즉 종래 기술에서 접지된 코일 단부도 문제 구역인데, 이는 발생된 플라즈마로의 용량성 커플링으로 인해 상기 단부가, 최소의 변위 전류가 커플링-인, 또는 커플링-아웃하는 지점이기 때문이다. 또한 종래의, "차가운" 코일 단부와 연결된 해당 ICP 코일의 "차가운" 공급 전압점의 접지는 매우 조심스럽게 이뤄져야 하는데, 그 이유는 특히 수직으로 흐르는 전류, 즉 접지된 하우징을 향해 ICP 코일로부터 하부쪽으로 흐르는 전류는플라즈마 반응기의 유효 환경에서 무조건 방지되어야 하기 때문이다. 상기와 같이 수직으로 흐르는 전류, 즉 ICP 코일에 의해 규정된 코일 평면에 대해 평행하지 않게 흐르는 전류는, 90°만큼 기울어지고 시간에 따라 변하는 자기장을 갖게 되며,이는 회전 전기장에 걸친 상응하는 전기 유도 작용을 갖는다. 이것은 플라즈마의 심한 국부적 장애을 일으키며 이 장애는 프로필 편차(포켓 형성, 네가티브 에칭 측면, 마스크 에지 언더컷)로 나타난다.
"뜨거운" 코일 단부에서의 고전압에 기인하는, 종래 기술 방법에서 공지된 추가의 간섭 효과는, 반응기 측벽의 내측이 이온 충격에 의해, 즉 강한 전기장에 의해 챔버 벽으로 가속화된 양전하 이온에 의해 스퍼터링되는 것이다. 스퍼터링된 벽 재료는 웨이퍼나 기판에 도달할 수 있으며 거기서 마이크로 마스킹으로서 작용하는데 그 결과 알려진 바와 같이 규소 바늘, 마이크로 거칠기(roughness) 또는 규소 입자가 형성된다. 반응기 측벽의 스퍼터 제거는 인가된 고주파 전압에 비례하기 때문에, 최소 스퍼터율을 얻기 위해서는 ICP 코일에 인가된 고주파 전압이 플라즈마 쪽으로 가능한 작게 유지되는 것이 바람직하다.
ICP 코일의 대칭 공급을 위한, 종래 기술로부터 이미 공지된 방법은 트랜스포머를 사용하는 것을 제시하며, 이 트랜스포머의 일차측에는 고주파 공급부를 통해 고주파 교류 전압이 제공되며 상기 트랜스포머는 중앙 탭핑점이 접지된 이차 코일을 포함하므로, 트랜스포머는 플라즈마 처리 시스템의 ICP 코일의 양 단부에 고주파 역위상 고전압을 적어도 거의 같은 진폭으로 공급할 수 있다. 상기와 같은 트랜스포머는 보통 페라이트 코어 재료에 권취된 리츠 와이어로 된 코일 권선에 의해 구현되며, 페라이트 코어로서는 포트형 코어 또는 링형 코어가 사용된다. 그러나 상기와 같은 트랜스포머는 예컨대 13.56 MHz의 주파수일 때 코어 재료들의 높은 자기 손실이 발생하고, 이 손실은 10-20 %의 범위에 달한다. 이것은, ICP 플라즈마 처리 시스템에서 통상 500 내지 3000 와트 사이에 있는 높은 고주파 전력을 사용하는 경우에는 상당한 열 문제를 일으킨다. 또한 트랜스포머의 코어 재료에 의한 주파수 의존적 에너지 흡수로 인해 위상 에러도 생기는데, 대칭 출력에서 이 에러는 커플링-인될 양 고전압의 역위상 커플링-인에 필요한 180°위상을 부분적으로 상당히 변조시킨다. 또한 상기와 같은 트랜스포머는 플라즈마 내에 커플링-인된, 사용 가능한 고주파 출력을 불리하게 제한한다.
독립항의 특징을 갖는, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 시스템은 종래 기술에 비해, 동일한 주파수의 고주파 전압이 대칭 코일 공급부를 통해 양 코일 단부에 공급되는 장점을 가지며, 이 경우 ICP 코일의 제 1 코일 단부와 제 2 코일 단부에는 서로 역위상인 두 고주파 교류 전압이 λ/2 지연 라인(소위 "케이블 발룬")에 의해 대칭 공급되고, 상기 지연 라인은 제 1 공급 전압점과 제 2 공급 전압점 사이에 제공되어 이들을 연결한다. λ/2 지연 라인은 전압 및 출력과 무관하게, 제 1 공급 전압점에 커플링-인된 전압(U(t))을 180°위상 이동시키며 이로써 제 2 공급 전압점에 -U(t)를 커플링-인한다. 따라서 큰 기술적 노력 없이 또한 비용이 많이 드는 추가의 부품 없이도, 고주파 공급에 의해 제공된 하나의 전압으로부터, 주파수가 동일하고 진폭이 적어도 거의 동일한 두 개의 고주파 역위상 교류 전압이 생성된다. 이로써 특히 유도성 플라즈마 소스의 경우, 특히 간단하고 손실이 적은 또한 높은 고주파 출력(큰 킬로와트)에 적합한 플라즈마 처리 방법 또는 플라즈마 에칭 방법이 가능해진다.
또한 본 발명에 따른 ICP 코일의 대칭 공급에서, 이제 두 코일 단부가 "뜨거운"이 되며, 즉 두 코일 단부는 이제 상당한, 이상적인 경우에는 동일한 진폭의 교류 전압을 안내하며 진폭은 두 코일 단부에서 정확히 역위상으로 일어난다. 따라서 제 1 코일 단부에 전압 U(t)이 인가되면, 제 2 코일 단부에는 대응적으로 전압 -U(t)이 인가되고, 이 전압의 진폭은 종래 기술의 비대칭 공급에 비해 단지 절반의 크기인데, 그 이유는 접지에 대한 원래의 교류 전압 2*U(t)이 이제 접지에 대한 U(t) 및 -U(t)로 분할되기 때문이다. 두 코일 단부의 전압 진폭이 절반이 됨으로써, 우선 반응기 내벽에서의 장애 벽 스퍼터율이 현저히 감소한다.
또한 불리한 고 에너지 이온의 성분도 매우 바람직하게 감소하는데, 그렇지 않을 경우 이들 고 에너지 이온은 높은 전기장으로 인해 반응기 벽으로 가속화되어 거기서 반사되므로, 생성된 플라즈마 내로 다시 돌아오며 거기서, 처리된 기판에 대해 다수의 장애를 일으키는데, 예컨대 프로필 장애 또는, 에칭된 웨이퍼 위의 산화층을 손상시키는 장애를 일으킨다. 이와 동시에, 생성된 플라즈마 내의 고 에너지 전자 성분도 바람직하게 감소하는데, 그 이유는 생성된 플라즈마로의 용량성 전류 커플링-인이 대칭적 코일 공급에 의해 크게(적어도 팩터 2 만큼) 감소하고 이로써 전자 가스가 더 이상 해당 방식으로 가열되지 않기 때문이다. 따라서 생성된 플라즈마는 매우 바람직하게 더 차가워진다. 또한 고 에너지 전자들은 불필요하게 고주파 출력을 흡수하기 때문에 플라즈마 처리를 위해서는 일반적으로 바람직하지 않다.
또한 대칭 코일 공급의 경우 코일 영역으로부터의 표유 전기장들(electrical stray fields)이 서로 반대 방향으로 동일하기 때문에 이들은 매우 바람직하게 균등화되며, 이로써 소위 "황소의 눈 이동"은 더 이상 일어나지 않는다.
또한 생성된 플라즈마 내로 용량성으로 커플링-인된, 앞서 언급한 바와 같이 이미 분명히 작아진 전류들은 이제 역시 서로 반대 방향으로 동일하며, 즉 그들 전류는 코일 단부들 사이에서 균등화되고, 매우 바람직하게 더 이상은 예컨대 기판 전극 및 처리된 기판과 같이 플라즈마와 직접 접촉하는 접지물을 통해 흐르지 않는다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리 시스템에서 매 시점마다 ICP 코일의 코일 단부 각각에 다른 코일 단부의 네가티브 전압값이 인가되기 때문에, 하나의 코일 단부에 의해 세라믹 반응기 벽을 거쳐 유전체로서, 생성된 플라즈마 내로 유도된 변위 전류는 다른 코일 단부에 의해 마찬가지로 세라믹 반응기 벽을 거쳐 유전체로서수용될 수 있으므로, 접지 전위를 통한, 예컨대 기판 표면을 통한 전하 보상이 일어날 필요가 없다. 따라서 기판 표면 위에서의 에칭율 및 프로필 균일성은 현저히 개선되며 프로필 편차는 별로 일어나지 않는다.
또한 플라즈마 전위는 바람직하게는 거의 접지 전위에 근접하는데, 이는 플라즈마로의 전기 커플링-인이 분명히 감소하고 남은 커플링-인은 그 대칭성으로 인해 균등화되기 때문이다. 또한 플라즈마 대칭성도 바람직하게 증가하는데, 이는 플라즈마를 왜곡시키는 용량성 커플링-인의 감소 또는 커플링-인의 균등화에 의해, 플라즈마 내의 개별 지점에서의 명백한 전위 차이 없이, 더 차가운, 이상적 경우에는 회전 대칭 플라즈마를 얻기 때문이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 종속항들에 기재된 조치에 의해 얻어질 수 있다.
따라서 ICP 코일의 대칭 공급의 경우에도, 반응기 또는 ICP 코일의 유효 환경에서 모든 전류 안내 도체들을 ICP 코일에 의해 규정된 코일 평면에 평행하게 안내하는 것이 바람직하다. 여기서 환경은 도체 내에서 흐르는 전류와 발생된 플라즈마 사이의 전자기적 교환 작용을 통해 해당 간섭 영향이 발생하는, 반응기와 ICP 코일 주변 영역이다. 따라서 바람직하게는 평행하게 안내된 동심 전류들만이 발생된 플라즈마 부근에서 흐르며, 상기 전류는 손상을 시키는 간섭 자기장을 플라즈마 내에 유도하지 않는다. 따라서 플라즈마는 더 적은 간섭을 가지며 더 차가우므로, 고 에너지 이온 또는 전자로 인해 일어날 수 있는 기판 손상은 현저히 감소한다. 동시에 플라즈마 전위도 감소하여 접지 전위에 근접한다.
발생된 유도 플라즈마에 맞게 임피던스를 조정하기 위해 양 공급 전압점과 양 코일 단부 사이에 설치된, 바람직하게는 대칭인 용량성 네트워크와 λ/2 지연 라인을 통합함으로써, 매우 바람직하게는 거의 손실 없이 ICP 코일의 대칭 공급에 이를 수 있다. 따라서 양 코일 단부에서의 공급 전압 진폭의 감소와 더불어 본 발명에 따른 ICP 코일의 대칭적 공급은 수 킬로와트의 범위에까지 이르는 대단히 높은 공급 전력이 유도 플라즈마 소스로서 발생 플라즈마 내로 공급될 수 있게 하고, 또한 플라즈마 처리 시스템의 출력 파라미터를 스케일링-업하므로 결과적으로 에칭 율을 매우 높인다.
본 발명에 따른 대칭 코일 공급의 경우 레벨이 낮은 때에도 양 코일 단부가 "뜨겁기" 때문에, 발생된 고밀도 플라즈마를 반응기 형태로 둘러싸는 세라믹 통으로부터 두 "뜨거운" 코일 단부를 크게 떨어뜨려 배치하는 것이 매우 바람직하다. 이를 위한 가장 간단한 방법은, 외부에서 반응기 통의 영역을 적어도 실질적으로 둘러싸며 플라즈마를 발생시키는 ICP 코일이, 반응기 외경보다 약간 더 큰 직경을 가지며, 또한 양 코일 단부에 대향 배치된 ICP 코일의 측면이 반응기 통의 세라믹과 직접 접촉하도록 상기 ICP 코일이 반응기 주위에 배치되는 것이다. 따라서 반응기 통 원주는 코일 단부에 대향되게 배치된 코일 측면에서, 이 원주를 둘러싸는 더 큰 코일 원주에 접선한다(tangent to). 상기의 방식으로 바람직하게 반응기 내부에서 발생된 플라즈마에 대한 ICP 코일의 간격은 전기 전위의 상승과 함께 증가하는데, 최고 전기 전위의 지점인 양 코일 단부는 반응기에 대해 최대 간격을 갖는다. 이것을 위해서는 약 1 - 2 cm로서 벌써 충분하다. 이 경우에도, 반응기 주변의 모든 전류 운반 도체가, ICP 코일에 의해 규정된 코일 평면에 수평으로 연장되는 것이 매우 중요한데, 이는 간섭을 일으키는 고주파 자기장을 플라즈마로부터 멀리 떨어뜨리기 위해서이다.
또한 이제 매우 바람직한 방법으로, 설명한 대칭 코일 공급을, 미공고 출원 DE 197 34 278.7에 제시된 개구 구성과 통합하는 것이 가능하며, 이는 기판의 지점에서의 ICP 코일의 고주파 자기장을 더욱 감소시켜 플라즈마 밀도 분포를 균일화한다.
또한 본 발명에 따른 플라즈마 처리 시스템에서 언급한 개구 구성에 대해 추가적으로 또는 그 구성을 대신하여, 플라즈마 소스와 기판 전극 사이에서 반응기 측벽에 삽입된 환형 금속 스페이서 부재에 의해, 기판 또는, 예컨대 기판에 배치된 규소 웨이퍼에서 발생된 고밀도 플라즈마 또는 ICP 코일의 영역으로부터의 고주파 자기장의 영향을 줄이는 것이 바람직하게 가능하다. 이를 위해 스페이서 부재는 바람직하게는 약 10 cm - 30 cm의 높이를 가지며, 바람직하게는 알루미늄 또는 플라즈마 처리에 견딜 수 있는 다른 금속으로 구성된다. 이것을 사용함으로써, 플라즈마 소스 사이의 간격, 즉 유도성 커플링으로 인한 고밀도 플라즈마의 발생 지점 사이의 간격 및 기판을 지지하는 기판 전극 사이의 간격이 확대되며 이로써 거리(r)의 함수로서 적어도 1/r 만큼 감소시키는 자기장 및 전기장의 영향이 줄어든다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리 시스템의 부품들은 원리적으로 전력 제한을 받지 않기 때문에, 매우 바람직하게는 킬로와트 범위의 매우 높은 소스 전력이 거의 손실 없이 사용될 수 있다. 에너지를 흡수하는 부품들이 부족하기 때문에, 코일 연결부 사이에서 요구되는 위상 관계는 공급된 전력과 무관하게 완전히 유지되며, 부품들의 냉각을 위한 특별한 조치는 필요 없다. 따라서 본 발명에 따른 플라즈마 처리 시스템에는 탁월한 재생산성과 신뢰성이 부여된다. 특히 양 코일 단부에서의 고전압 진폭의 절반화는 출력 파라미터의 스케일링-업에 의해 더욱 높은 플라즈마 출력을 위한 더 많은 자유 공간을 제공하므로, 규소에서는 매우 높은 에칭율에 이를 수 있다.
그와 동시에 본 발명에 따른 플라즈마 처리 시스템에 의해, 벽 스퍼터링, 스퍼터된 입자에 의한 마이크로 마스킹, 플라즈마 내의 고 에너지 이온 또는 대단히 뜨거운 전자의 생성, 불리한 에너지 분산, 변위 전류의 용량성 커플링-인, 전기장으로 인한 플라즈마의 왜곡, 플라즈마 분포의 이동, 플라즈마 전위의 상승과 왜곡, 생성된 플라즈마 내의 불균일성 및 기판과 기판 전극에서 접지로 흐르는 보상 전류와 같은 다수의 장애 효과가 분명 줄어들 수 있다.
도 1은 플라즈마 처리 시스템의 기본 단면도.
도 2는 종래 기술로부터 공지된, ICP 코일의 공급을 위한 비대칭 회로도.
도 3은 제 1 대칭 회로도.
도 4는 제 2 대칭 회로도.
도 5는 ICP 코일의 공급을 위한 제 3 대칭 회로도.
본 발명의 실시예는 도면에 의거해 하기의 상세한 설명에서 더 자세히 설명된다.
도 1은 대체로 독일 출원 DE 197 34 278.7로부터 이미 공지된 플라즈마 처리 시스템(1)의 기본 도면으로서, 상기 처리 시스템은 반응기(2), 예컨대 반응 가스 또는 에칭 가스를 공급하기 위한 공급관(3), 반응기(2) 내에서 소정의 고정 압력을 조정할 수 있는 조절 밸브(5)를 구비한 흡인관(4) 및, ICP 코일(6)로 구성되며 상기 ICP 코일은 권선을 갖는 코일로서 구현되고 반응기(1)의 상부 부분의 영역을 적어도 실질적으로 둘러싼다. 반응기(2)는 ICP 코일(6)의 영역에서 실질적으로, 통상 40 cm의 직경과 20 cm의 높이를 갖는 세라믹 통 형태의 세라믹 재료로 형성되며, 반응기 측벽(7)을 포함하는데, 상기 측벽 내에는 환형 링 형태의 금속 스페이서 부재(11)가 세라믹 통의 하부로 삽입된다. 스페이서 부재(11)는 약 10 cm 내지 30 cm의 높이를 가지며 특히 알루미늄으로 구성된다. 반응기(2) 내부의 상부 부분에서는, 유도성으로 커플링된 고밀도 플라즈마(8)가 ICP 코일(6)에 의해 공지된 방식으로 생성되므로, 반응기(2)에서는 IPC 코일(6)을 통해 고주파 교류 전자기장이 발생되고, 상기 교류 전자기장은 반응 가스에 작용하며 반응기(2) 내에서 유도성으로 커플링된 플라즈마 소스(18)로서 반응성 입자와 이온으로 된 고밀도 플라즈마(8)를 생성한다.
반응기(2)의 하부 영역에는, 예컨대 플라즈마 에칭에 의해 적절한 마스킹을 이용해서 처리하려는 규소 웨이퍼인 기판(9)이 있다. 기판(9)은 기판 전극(10) 위에 배치되며, 공지된 흡수체(17)에 의해 측방향으로 둘러싸이고, 상기 흡수체는 열적으로 양호하게 기판 전극에 커플링되며, 플라즈마(8)로부터 발생된 과잉의 반응 입자들을 소모한다. 에칭 가스 성분인 플루오르 입자에 대한 흡수체 재료로는 예컨대 규소 또는 흑연이 적합하다. 그러나 대체 실시예에서 흡수체(17)는 생략되거나 석영 또는 세라믹 덮개로 대체될 수 있다. 기판 전극(10)은 또한 공지된 방식으로 고주파 전압 소스(12)에 연결된다. 플라즈마 밀도 분포와 이온 전류 밀도를 균일화하기 위해 고밀도 플라즈마(8)와 기판(9) 사이에는 개구(13)가 삽입되며, 상기 개구는 예컨대 15 mm 두께의 알루미늄으로 제조된 개구 플레이트(14)를 포함한다. 개구 플레이트(14)의 개구(15)의 직경은 기판 전극(10) 위의 처리될 웨이퍼의 직경 보다 크다. 또한 개구 플레이트(14) 위에는 개구 플레이트(14)의 에지에 고정된 원통형 차폐부(16)가 있다. 차폐부는 알루미늄으로 구성되며 10 mm의 벽두께 와 25 내지 49 mm의 높이를 갖는다.
도 2는 종래 기술로부터 공지된, ICP 코일(6)에 고주파 교류 전압을 공급하기 위한 전기 회로 및, 도 1의 절취선 II을 따른 ICP 코일(6)과 고주파 플라즈마(8)의 단면을 반응기 측벽(7) 없이 개략적으로 도시한다. 고주파 공급부(23)를 통해, 50 Ω의 임피던스를 가진 공지된 통상의 동축 케이블을 거쳐 고주파 공급 고전압이 ICP 코일(6)의 "뜨거운" 코일 단부(20)에 공급되므로, 거기에서는 예컨대 3000 볼트의 고주파 고전압(V(t))이 접지에 인가된다. 제 2 "차가운" 코일 단부(21)는 접지(22)에 연결된다. ICP 코일(6)이 코일 평면(41)을 규정한다. 고주파 전압의 "뜨거운" 코일 단부(20)로의 공급 또는 상기 단부로부터의 인출 및 "차가운" 코일 단부(21)의 접지는 전기 도체(40)를 통해 이루어진다. 임피던스 조정을 위해 조정 가능한 2 개의 커패시터 C3(25) 및 C2(24)가 추가로 제공된다. 추가의 커패시터 C4(26)는 ICP 코일(6)과 함께 형성된 공진 회로의 공진 조건을 형성한다.
도 3은 도 2에 공지된 실시예의 변형예로서, 본 발명에 따른 제 1 실시예를 도시하며, 이제는 모두 "뜨거운" 코일 단부로서의 역할을 하는 제 1 코일 단부(20')와 제 2 단부(21')를 통한 ICP 코일(6)의 대칭 공급을 도시한다. 고주파 교류 고전압은 고주파 공급부(23)를 통해 제 1 공급 전압점(32) 및 이것과 연결된 제 2 공급 전압점(31)에 공급된다. 교류 고전압은 50Ω의 임피던스를 가진 일반적인 동축 케이블을 통해 고주파 공급부(23)에 공급된다.
그래서 고주파 공급부(23)는 전기 도체(40)를 통해 먼저 제 1 코일 단부(20')에 고주파 교류 고전압을 공급한다. 선택된 주파수에 따라 13.56 MHz에서는 7.2 미터를 갖고 바람직하게는 50Ω의 임피던스를 갖는 통상적 동축 케이블로 구성된 λ/2 지연 라인(30)이, 제 1 공급 전압점(32)과 제 2 공급 전압점(31)을 서로 연결한다. 이 경우 케이블에 최소 손실이 일어나고 λ/2 지연 라인(30)에서 정상파에 의한 방사는 일어나지 않는다. 이 경우 λ/2 지연 라인(30)의 길이는 λ/2 * V로 측정되며, 여기서 V는 대부분의 동축 케이블의 경우 0.65에 달하는 속도 팩터이고 λ는 진공 중에 전파될 때의 고주파 전압의 파장이다. 따라서 λ/2 지연 라인(30)에 의해 양 공급 전압점(31, 32)에는, 동일한 주파수의, 또한 그 값에 따라 적어도 거의 동일한 진폭의 고주파 교류 고전압이 인가되는데, 그들 고주파 교류 전압은 서로 180°만큼 위상 이동되므로 역위상을 갖는다. 총체적으로, λ/2 지연 라인(30)은 제 1 공급 전압점(32)에 인가된 고주파 고전압의 거울상을 형성하여 이를 제 2 공급 전압점(31)에 공급한다. 그와 동시에 상기 라인은 공급된 고주파 전력을 대칭화시킨다. 고주파 공급부(23) 및 공급 전압점(31 및 32)을 통해 ICP 코일(6)의 양 단부(20' 및 21')에 공급된 고주파 역위상 고전압 
와 
은 예컨대 크기에 따라 접지에 대해 1500 볼트의 진폭을 가지며 이것은 여전히, 앞서 도 2에 따른 ICP 코일의 "뜨거운" 단부에 인가된 전압 V(t)의 절반 크기이다.
전체적으로, 두 개의 케이블 코어에서 접지 대칭의 공급 전압이 얻어지는데, 즉 제 1 공급 전압점(32)의 고주파 공급 케이블에서는 전압 경로
가, 또한 제 2 공급 전압점(31)에서의 지연 라인의 출력에서는 전압 경로
가 얻어지는데, 전압점들(31, 32)은 서로 200Ω(비대칭시 50Ω입력에 대해 4 배의 임피던스)의 임피던스를 갖는다. 따라서 제 1 코일 단부(20')에는 전압 
이, 또한 제 2 코일 단부에는 전압 
이 공급된다.
공급 전압점들(31, 32)과, ICP 코일(6) 및 진동 회로 커패시터C4(26)를 통해 발생된 유도형 플라즈마(8) 사이의 임피던스 조정을 위해, 추가로 세 개의 커패시터 C2(24), C3(25) 및 C1(27)가 제공되는데, 이들의 커패시턴스는 C2(24)와 C1(27)의 경우 조정될 수 있으며 이들은 소위 "매치 박스"를 형성한다. ICP 코일(6)의 정확한 대칭 공급을 위해서는 커패시터 C1(27)의 커패시턴스가 커패시터 C3(25)의 커패시턴스와 같은 것이 바람직하다. 그러나 이 대칭으로부터의 약간의 편차는 공정에 손상이 되는 영향을 미치지 않고서 수용될 수 있다. 특히 양 커패시터 중의 하나, 예컨대 C1(27)가 소위 "부하 커패시턴스"(C2)와 같이, 임피던스 조정을 위해 변하는 가변 회전식 커패시터로 구현될 수 있는 반면, 다른 커패시터, 예컨대 고정값이 유지되는 커패시터 C1(25)는 조정된 위치에서 제 1 커패시터의 커패시턴스를 거의 재생산할 수 있다.
표 1에는 커패시터들 C2(24), C3(25), C4(26) 및 C1(27)의 바람직한 값 조합 및, 커패시턴스 C1 와 C3의 관계에 의해 얻어지는 대칭성 또는 비대칭성이 표시되어 있다. 필요한 최적의 커패시턴스를 결정하기 위해, 바람직하게 반복 과정을 실행하며, 우선 예컨대 커패시터 C3(25)의 커패시턴스를 위해 타당한(plausible) 고정값을 선택한다. 그 후 "매치 박스" 내에서 커패시터 C1(27)과 C2(24)를 이용하여 임피던스 조정 프로세스가 실행되므로, 공급 전압점(32)과 (31)사이의 200 Ω의 입력 임피던스는 생성된 유도성 플라즈마(8)에 최적으로 조정된다.
C3(25)의 커패시턴스의 고정값 및 C1(27)의 커패시턴스의 조정값으로부터, 임피던스 조정을 위해 중요한 총 커패시턴스 C' =(C1
-1 + C3
-1)-1 가 얻어지며 이는 양 커패시터의 직렬 회로에서 생긴다. 이제 C3' = (2 * C') = 2 * (C1
-1 + C3
-1)-1에 따라, 고정값 커패시턴스 C3(25)의 새로운 고정 커패시턴스를 선택하면, "매치 박스"는 커패시터 C3(25)의 커패시턴스를 위한 이 새로운 값에, 가변 커패시터 C1(27)의 값을 정확히 일치하게 조정하는데, 즉 C1 = C3 = C'이다. 이로써 이전과 마찬가지로 직렬 회로의 동일한 총 커패시턴스 및, 이로써 동일한 임피던스 변환이 이루어지지만, 이제는 두 커패시터(C1과 C2) 및, 이로써 두 코일 단부(21' 와 20')에서의 양 코일 전압이 대칭 구조가 된다. 따라서 단 한 번의 반복에 의해, 유도형 소스 장치의 대칭 조정된 작동을 위한 커패시터 C3(25)의 최적의 고정 커패시턴스값이 구해진다. 상기의 고려에서 커패시터 C2(24)와 C4(26)는 중요하지 않는데, 이는 이들이 대칭성에 영향을 주지 않기 때문이다.
도 4는 도 1 및 3에 의해 설명되었던 실시예와 동일하나, 양 커패시터 C1(27) 및 C3(25)를 위해 탠덤 회전 커패시터를 사용한 추가 실시예를 도시하며, 이 경우 양 커패시턴스 값은 동시에 변한다. 이 탠덤 장치는 예컨대, 양 회전 커패시터 C1(27) 및 C3(25)가 전기 절연성 기계 커플링에 의해 직렬 배치되어 동시에 변하거나, 또는 체인 작동 또는 로프 작동에 의해 병렬 배치되어 동시에 움직임으로써 구현될 수 있다.
회전 커패시터가 병렬 배치된 다른 실시예에서, 양 회전 커패시터 축을 기계적으로 서로 커플링하기 위해 전기 절연성 기어 휠이 사용될 수도 있다. 또한 서보 모터에 의해 동기적으로 제어되는 2 개의 자율적 회전 커패시터 C1(27)과 C3(25)를 사용하는 것도 가능하다. 또한 필요에 따라, 회전 커패시터 C1(27)과 C3(25)에 병렬 접속된 추가의 작은 트림 커패시터가 고정값 커패시터로서 사용될 수 있으며 이는 완전한 대칭 균형을 이루기 위해서이다. 이로써 모든 경우에, 항상 ICP 코일(6) 내에서는 대칭적 코일 공급이 이루어지며, 처리의 다양성을 위해 ICP 코일(6)과 발생된 고밀도 플라즈마(8) 내에 최적의 대칭 상태가 존재하므로, 매우 다양한 구조화 공정은 동일한 시스템 구조에 의해 최적으로 커버될 수 있다.
표 2에는 추가적으로 최적의 커패시턴스 세트가 도시되며, 이는 도 4에 따라 설명된 실시예 및, 도 5에 따른 하기의 실시예에도 적합하다.
도 4로 설명한 실시예의 정확히 대칭인 코일 공급은, 코일 중심(42)이 이제는 언제나 0 볼트의 전압에 놓인다는 큰 장점을 갖는다. 따라서 도 4의 개선예인 추가 실시예로서 도 5에 의해 설명되는 바와 같이, 코일 중심(42)은 이제 코일 접지부(33)에 의해 접지될 수 있다. 코일 중심(42)의 명백한 접지는, 접지 전위에 고정 연결되지 않은 ICP 코일(6)의 경우 발생하는 문제점을, 즉 ICP 코일(6)에 소위 고주파 공통 모드 전압이 발생할 때의 문제점을 해결한다. ICP 코일(6) 내의 전류 흐름을 구동시키는 고주파 불균일형 전압에 중첩된, 고주파 공통 모드 전압은 ICP 코일(6)의 모든 지점에서 동일하며 코일 회로 내에서 어떤 전류 흐름도 일으키지 않는다.
상기 공통 모드 전압의 발생 원인은 양 코일 단부(20', 21')에 인가된 고주파 고전압 사이의 작은 위상 에러, ICP 코일(6) 상에서 고밀도 플라즈마(8)로부터의 반작용 및 그 외의 약간의 대칭 에러일 수 있다. 공통 모드 전압은 고밀도 플라즈마(8)로의 용량성 커플링에 의해 또한 반응기(2)의 유전성 반응기 측벽(7)을 통한 유도성 변위 전류에 의해서만 감쇠될 수 있다. 따라서 ICP 코일(6)은 용량성으로 커플링된 2차 플라즈마를 구동시키는 전극과 유사하게 부분적으로 작용하며- 상기 전극은 애노드와 플라즈마 사이에 유전체를 가진 공지된 트리오드 시스템과 유사하다. 플라즈마(8) 내의 언급한 유도성 변위 전류는 유도성 고밀도 플라즈마(8)를 구동하는 코일 전류에 비해 비교적 작다. 따라서 플라즈마(8) 내에 추가적으로 커플링-인된 에너지 양은 처음에는 적다. 그럼에도 불구하고 공통 모드 전압은 특히 ICP 코일(6)에서 600 와트 이상의 대단히 큰 고주파 전력의 경우 플라즈마 특성을 심하게 저하시킬 수 있다. 코일 중심(42)에 코일 접지부(33)를 구성함으로써, ICP 코일(6)에서의 공통 모드 전압은 효과적으로 억제되므로, 특히 매우 높은 고주파 전력일 때의 플라즈마 에칭 처리시 프로필 충실도 및 에칭율 균일성이 현저하게 개선될 수 있다.
Claims (15)
- 제 1 코일 단부(20, 20')와 제 2 코일 단부(21, 21')를 갖는 ICP 코일(6)의 사용 하에, 고밀도 플라즈마(8)를 이용하여 반응기(2)에서 기판(9)을 에칭하기 위한 플라즈마 처리 시스템으로서, 상기 코일 단부들은 각각 해당하는 제 1 공급 전압점(32) 및, 해당하는 제 2 공급 전압점(31)을 통해 고주파 공급부(23)에 연결되며, 상기 코일 단부들 각각에는 상기 공급 전압점(31, 32)을 통해 동일한 주파수의 고주파 교류 전압이 인가되는 플라즈마 처리 시스템에 있어서,상기 제 1 공급 전압점(32)과 상기 제 2 공급 전압점(31)은 λ/2 지연 라인(30)을 통해 서로 연결되므로, 상기 양 코일 단부(20, 20', 21, 21')에 인가된 양 고주파 교류 전압은 서로 적어도 거의 역위상을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 양 코일 단부(20, 20', 21, 21')에 인가된 두 교류 전압이 적어도 거의 동일한 진폭을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 ICP 코일(6)이 단지 하나의 권선을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 ICP 코일(6)이 상기 반응기(2)의 영역을 적어도 실질적으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반응기(2) 내에서 고밀도 플라즈마(8)를 발생시키기 위한 지점인 플라즈마 소스(18)와 상기 기판(9) 사이에 개구(13)가 제공되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판(9)은 고주파 전압 소스(12)에 연결된 기판 전극(10) 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 고주파 교류 전압은 상기 ICP 코일(6)에 의해 형성된 코일 평면(41)에 대해 평행하게 연장된 전기 도체(40)를 통해, 상기 제 1 코일 단부(20, 20')와 상기 제 2 코일 단부(21, 21')에 인가되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 ICP 코일(6) 및/또는 상기 반응기(2) 주위에서 발생하는 전류는 상기 ICP 코일(6)에 의해 형성된 코일 평면(41)에 평행하게 연장되도록 안내되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 양 공급 전압점(30, 31) 및 이들 공급 전압점에 연결된 상기 양 코일 단부(20', 21') 사이에는 임피던스 매칭을 위한 전기 회로가 제공되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
- 제 9 항에 있어서, 상기 전기 회로는 커패시터(24, 25, 26, 27)를 갖는 용량성 네트워크인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
- 제 10 항에 있어서, 상기 용량성 네트워크는 적어도 실질적으로 대칭이며 특히 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 ICP 코일(6)의 코일 중심(42)은 접지되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
- 제 1 항 또는 4 항에 있어서, 상기 ICP 코일(6)은, 특히 원형 세라믹 통으로 구현된 상기 반응기(2)를, 상기 코일 단부들(20, 20', 21, 21')이 상기 반응기(2)로부터 최대 간격을 갖도록, 둘러싸는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판(9) 및/또는 상기 ICP 코일(6)은 상기 기판(9) 과 상기 ICP 코일(6) 사이의 간격이 코일 평면(41)에 대해 수직으로 최대가 되도록, 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반응기(2)에서 발생된 플라즈마 소스(18)로서의 고밀도 플라즈마(8)와 상기 기판(9) 사이에서, 환형 금속 스페이서 부재(11)가 반응기 측벽(7) 내로 삽입되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.
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