KR100639076B1

KR100639076B1 - 플라즈마 처리 장치

Info

Publication number: KR100639076B1
Application number: KR1020030080252A
Authority: KR
Inventors: 오사다도모아키; 노자키요시카즈
Original assignee: 캐논 아네르바 가부시키가이샤
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2006-10-27
Also published as: KR20040042873A; JP4141234B2; CN1288725C; TW200409827A; US7849815B2; US20040149216A1; US20090044910A1; JP2004165460A; TWI250219B; CN1501452A

Abstract

본 출원은 플라즈마 밀도 불균일성 및 전력 손실 없이 플라즈마 한정이 가능한 실제적인 플라즈마 처리 장치를 개시한다. 이 장치는 플라즈마의 확산을 방지하기 위해 플라즈마 발생 영역을 둘러싸는 플라즈마 실드를 포함한다. 이 실드는 적어도 하나의 개구를 가지고 있다. 이 장치는 플라즈마가 플라즈마 실드의 개구를 통해 확산하는 것을 방지하는 확산 방지 전극을 포함한다. 플라즈마에 노출된 플라즈마 실드의 표면은 절연체로 제조된다. 확산 방지 전극은 개구로 확산하거나 플라즈마로부터 개구를 통해 확산한 전자가 자체내로 흐르는 위치에 위치되어 있다.

플라즈마 처리 장치, 확산 방지 전극, 플라즈마 실드, 기판 홀더, 펌핑 라인, 가스 확산 구멍, 배출구멍

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}

도 1은 본 발명의 제1 실시예로서의 플라즈마 처리 장치의 개략 전면도,

도 2는 수십 분의 짧은 기간 동안에 관찰된 셀프 바이어싱 전압의 변경을 도시하는 도면,

도 3은 수백 시간에 이르는 장기간 동안에 관찰된 셀프 바이어싱 전압의 변경을 도시하는 도면,

도 4는 도 1에 도시된 장치에 제공된 확산 방지 전극의 단면 개략도,

도 5는 확산 방지 전극의 위치를 설명하는 도면, 및

도 6은 제2 실시예의 플라즈마 처리 장치의 전단면 개략도.

본 발명은 기판상에 플라즈마에 의한 처리를 행하는 장치에 관한 것이다.

기판상으로의 플라즈마에 의한 처리는 반도체 디바이스 및 액정 디스플레이와 같은 분야에서 광범위하게 수행된다. 기판상에 마이크로 회로를 형성하는데 있어, 예를 들어, 플라즈마 에칭은 마스크와 같은 기판상의 레지스트 패턴을 사용하여 수행된다. 도체막 또는 절연체막을 준비하는데 있어, 플라즈마내의 기상 반응 을 사용하는, 플라즈마 강화 화학 증착(CVD) 방법이 실용적이었다. 이러한 처리를 위한 장치는 공정 챔버내에 RF 방전 또는 dc 2극 방전에 의해 플라즈마를 발생시키고 공정 챔버내에 배치된 기판상으로의 플라즈마의 기능에 의해 처리를 수행한다.

플라즈마 처리 장치는 처리 시간을 감소시킴으로써 생산성을 향상시키기 위해 플라즈마 밀도를 증가시킬 필요가 있다. 플라즈마 밀도를 증가시키기 위해, 플라즈마를 임의의 영역내에 한정하여 플라즈마가 확산하는 것을 방지하는 것이 효과적이다.

방전 실드의 채용은 플라즈마를 한정하는 한 방법이다. 이 방전 실드는 플라즈마가 발생되는 영역을 둘러싸는 접지된 금속 부재이다. 아무런 자계가 방전 실드의 외측에 인가되지 않기 때문에 플라즈마는 방전 실드내에 한정된다. 그러나, 방전 실드는 플라즈마의 대전된 입자가 방전 실드내로 흐르기 때문에 플라즈마 밀도 분배에 있어 균일성이 부족하게 되어 방사 실드의 근방에서 플라즈마 밀도가 감소하는 결과를 초래하는 문제를 가지고 있다. 또한, 방사 실드를 통하여 접지부에 흐르는 전류가 처리를 위한 플라즈마 발생에 기여하지 않는다면, 그것은 곧 에너지의 손실을 의미하고, 즉, 전력 효율의 감소를 의미하게 된다.

플라즈마 밀도 균일성의 부족 및 전력의 손실 없이 플라즈마를 한정하는 방법으로서, 플라즈마에 노출된 실드의 표면을 절연층으로 덮는 방법이 알려져 있다. 주지된 바와 같이, 접지된 금속체를 덮는 표면 절연층이 플라즈마에 접촉하도록 제조될 때, 표면 절연층의 표면은 소위 절연 전위(또는 가끔 부유 전위로 불린다)를 갖게 된다. 이온과 비교하여 전자의 높은 이동성 때문에, 절연 전위는 수 볼트에 서 수십 볼트 범위의 음의 값을 갖게 된다. 본질적으로 아무런 대전된 입자가 절연 전위인 표면으로 흐르지 않지 때문에, 아무런 플라즈마 밀도 감소 및 아무런 전력의 감소가 나타나지 않는다.

그러나, 실드에 의해 플라즈마 발생 영역을 완전히 둘러싸는 것은 비현실적이다. 대부분의 경우에, 실드에 개구가 요구된다. 예를 들어, 개구는 플라즈마 발생 영역이 펌핑되거나, 가스가 플라즈마 발생 영역으로 유입되거나, 또는 기판이 플라즈마에 인접한 위치로 전달되는 경우에 요구된다. 이러한 경우에, 실드의 표면이 플라즈마를 내측에 한정하는 절연체로 제조된다 할지라도, 플라즈마는 개구를 통해 바이폴라 확산을 용이하게 수행하게 된다. 구체적으로, 고 이동성의 전자는 개구를 통해 초기에 확산한다. 그다음, 이들 전자들을 따라 이온들이 확산하여 전기적으로 중성을 유지하게 된다. 그 결과, 플라즈마는 개구를 통해 외측으로 확산하게 된다. 따라서, 플라즈마 밀도 불균일성 및 전력 손실이 없는 플라즈마 한정은 실제적으로 곤란하다.

본 발명은 상기 설명된 문제를 해결하기 위한 것이고, 플라즈마 밀도 불균일성 및 전력 손실 없이 플라즈마 한정을 행할 수 있는 실제적인 플라즈마 처리 장치를 제공한다. 구체적으로, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 플라즈마의 확산을 방지하기 위해 플라즈마 발생 영역을 둘러싸는 플라즈마 실드를 포함한다. 이 플라즈마 실드는 적어도 하나의 개구를 가지고 있다. 이 플라즈마 처리 장치는 플라즈마가 플라즈마 실드의 개구를 통해 확산하는 것을 방지하는 확산 방지 전극을 포함 한다. 플라즈마에 노출된 플라즈마 실드의 표면은 절연체로 제조되어 있다. 확산 방지 전극은 개구쪽으로 확산하거나 플라즈마로부터 개구를 통해 확산한 전자가 자체내로 흐르는 위치에 위치되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시예는 다음과 같이 설명될 것이다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예로서의 플라즈마 처리 장치의 전단면 개략도이다. 도 1에 도시된 장치는 플라즈마 에칭용이다.

구체적으로, 본 장치는 플라즈마 에칭이 기판(9)상에 수행되는 공정 챔버(1)를 포함하고 있다. 공정 챔버(1)는 기밀 진공 챔버이다. 공정 챔버(1)는 전기적으로 접지되어 있다. 트랜스퍼 챔버(5)는 게이트 밸브(10)가 개재된 공정 챔버(1)와 기밀식으로 연결되어 있다. 트랜스퍼 로봇(51)이 트랜스퍼 챔버(5)내에 제공되어 있다. 로드-로크 챔버(도시되지 않음)가 또 다른 게이트 밸브(도시되지 않음)가 개재된 트랜스퍼 챔버(5)와 연결되어 있다. 기판(9)은 트랜스퍼 챔버(5)를 통하여 대기중의 외측으로부터 공정 챔버(1)로 전달되고, 처리 후에 대기중의 외측으로 반환된다.

배출 구멍(102)이 공정 챔버(1)의 바닥벽에 제공되어 있다. 펌핑 라인(11)은 배출홀(102)에 연결되어 있다. 펌핑 라인(11)은 10^-6 내지 10^-7 토르 범위의 요구되는 진공 압력에서 공정 챔버(1)를 펌핑할 수 있다. 펌핑 라인(11)은 펌핑 라인(11)은 터보-분자 펌프 또는 확산 펌프와 같은 진공 펌프를 포함한다. 펌핑 속 도 제어기(도시되지 않음)가 펌핑 라인(11)에 제공되어 있다.

가스 유입 구멍(103)이 공정 챔버(1)의 상부 벽에 제공되어 있다. 처리-가스 유입 라인(2)은 공정 챔버(1)내로 처리 가스를 유입시키는 가스 유입 구멍(103)에 연결되어 있다. 이러한 실시예에서, 처리-가스 유입 라인(2)은 4불화 탄소(CF₄), 아르곤 및 산소의 가스를 유입시킬 수 있다. 처리-가스 유입 라인(2)은 이러한 가스 각각으로 채워진 각각의 가스 봄베(도시되지 않음), 이 봄베 및 공정 챔버(1)를 서로 연결시키는 피딩 파이프의 각각에 제공된 밸브(22) 및 유량 제어기(23)를 포함한다.

본 장치는 에너지를 유입된 처리 가스에 인가함으로써 플라즈마 발생 영역에서 플라즈마(P)를 발생시키는 플라즈마 발생기를 포함한다. 이 플라즈마 발생기는 대전극(opposite electrode; 31), 및 이 대전극(31)에 전압을 인가하여 플라즈마(P)를 발생시키는 플라즈마 전원(32)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 대전극(31)은 가스 유입용 루트로서 보통 사용된다. 대전극(31)은 가스 확산 구멍(310)이 바닥부에 제공된 중공 구조를 가지고 있다. 가스는 대전극(31)의 안측으로 유입되고, 대전극(31)의 안측으로부터 가스 분산 구멍(310)을 통하여 하방으로 분산된다.

본 장치는 기판(9)이 발생된 플라즈마에 의해 처리된 위치에서 기판(90)을 유지하는 기판 홀더(4)를 포함한다. 대전극(31)은 프로세서 챔버(1)내에서 기판 홀더(4)와 마주보고 있다. 기판 홀더(4)는 스테이지 형상의 부재이다. 기판(9)은 기판 홀더(4)의 상부면에 유지된다. 이러한 표면은 이후로 "홀딩면"으로 부른다. 기판 홀더(4)는 금속 본체(41) 및 이 본체(41)상에 고정된 유전 블록부(42)를 포함한다. 기판 홀더(4)는 대전극과 평행하게 마주보고 있어 소위 평행판 구조를 구성한다.

이러한 실시예에서 플라즈마 전원(32)의 출력 전력은 2kw이고, 주파수는 60㎒이다. 플라즈마 전원(32)에 의해 대전극(31)에 인가된 RF 전압은 대전극(31)과 기판 홀더(4) 사이에서 RF 방전 점화를 행하여, 유입된 가스를 플라즈마 상태로 천이되도록 활성화시킨다. 플라즈마 전원(32)은 매칭 요소(321)가 개재된 상태로 대전극에 연결되어 있다.

본 장치는 기판(9)을 냉각시킬 때 기판(9)의 온도를 제어하는 온도 제어기를 포함한다. 온도 제어기는 냉각기(43)를 포함한다. 냉각기(43)는 기판 홀더(4) 내측의 캐비티(40)를 통하여 냉매를 순환시킨다. 냉각기(43)는 냉매를 캐비티내로 유입시키는 냉매 유입 파이프(431), 냉매를 캐비티(40) 밖으로 배출하는 냉매 배출 파이프(432), 및 냉매를 재냉각하고 냉매를 다시 캐비티(40)에 공급하는 순환기(433)를 포함한다.

냉각기(43)에 의한 온도의 효율 및 정확도를 향상시키기 위해, 본 장치는 기판 홀더(4) 및 기판(9)의 인터페이스내로 열교환 가스를 유입시키는 열교환 가스 유입 라인(48)을 포함한다. 기판(9) 및 기판 홀더(4)의 표면은 완전한 평면은 아니지만 미세하게 가공되어 있다. 따라서, 많은 미세한 공간이 인터페이스에 형성되어 있다. 열교환은 진공 압력으로 인해 이러한 공간에서는 불량하다. 이것을 고려하여, 헬륨과 같은 열교환 가스가 인터페이스에서의 압력을 증가시켜 열교환 효율을 향상시키기 위해 유입된다. 기판 홀더의 표면은 기판(9)의 후방에서 가압된 큰 면적을 제공하는 오목부(420)를 가지고 있다. 열교환 가스는 오목부(420)내로 유입되어 있다.

냉각기(43)에 의한 온도 제어의 효율 및 정확도를 더욱 향상시키기 위해, 본 장치는 정전 척부(ESC; 6)를 포함한다. ESC(6)는 유전 블록(42)내에 제공된 처킹 전극(61) 및 이 처킹 전극(61)에 연결되어 있는 처킹 전원(62)을 포함한다. 처킹 전원(62)에 의해 처킹 전극(61)에 인가된 전압으로 인해 유전 블록(42)은 유전식으로 다극화되고 홀딩면상에 정전하가 유입된다. 그 결과, 기판(9)은 정전식으로 홀딩면상에 처킹된다. 필터 회로(63)가 처킹 전원(62)으로 RF파가 전파되는 것을 방지하기 위해 제공되어 있다.

바이어스 전원(44)이 플라즈마로부터 이온들을 추출하고 이 이온들을 기판(9)상에 입사시키기 위해 기판 홀더(4)에 연결되어 있다. 이 바이어스 전원(44)은 출력 전력이 2kw이고 주파수가 1.6㎒인 RF 전원이다. 매칭 요소(441)는 바이어스 전원(44)으로부터 기판 홀더(4)로의 선을 따라 제공되어 있다. RF 전압이 플라즈마가 발생되는 상태에서 바이어스 전원(44)에 의해 기판 홀더(4)로 인가될 때, 셀프 바이어싱 전압이 RF파 및 플라즈마의 상호작용을 통해 기판(9)에 주어진다. 셀프 바이어싱 전압은 기판(9)을 부바이어싱하는 전압이다. 셀프 바이어싱 전압은 플라즈마로부터 이온을 추출하고 기판(9)에 충돌시켜 에칭 효율을 향상시키거나 에칭 특성을 개선시킨다.

보정 링(45)이 기판 홀더(4)상의 기판(9)을 둘러싸는 상태로 제공되어 있다. 이 보정 링(45)은 유전 블록(42)의 표면을 보호하고 기판(9)의 주변부에서의 처리 불균일성을 방지하기 위한 것이다. 절연 부재(46)이 접지 전위에서 유지되는 공정 챔버(1)로부터 기판 홀더(4)를 절연시키기 위해 제공되어 있다. 이 기판 홀더(4)는 공정 챔버(1)의 바닥부에 기밀식으로 끼워맞추어져 있고 절연 부재(46)가 개재되어 있다. 또 다른 절연 부재(47)는 절연 홀더(4)의 측부를 덮는다.

이러한 실시예를 특징화하는 한 포인트는 플라즈마를 플라즈마 발생 영역으로 한정하는 구조이다. 이러한 포인트는 아래에 상세하게 설명될 것이다.

설명된 바와 같이, 플라즈마 발생 영역은 서로 마주보고 있는 기판 홀더(4)와 대전극(31) 사이에 위치되어 있다. 한 쌍의 플라즈마 실드(71,72)가 플라즈마 발생 영역을 둘러싼 상태로 제공되어 있다. 한 실드(71)는 주로 플라즈마 제한용이다. 이러한 실드(71)는 이후로 "메인 실드"로 부른다. 또 다른 실드(72)는 동시에 공정 챔버(1)의 내측 공간을 분할하는 파티션의 역할을 한다. 이러한 실드(72)는 이후로 "파티션 실드"로 부른다.

메인 실드(71)는 전체적으로 원통형상을 가지고 있다. 기판 홀더(4) 및 대전극(31)은 디스크 형상 또는 마찬가지로 원통형상을 가지고 있다. 이것들은 서로 동축을 가지고 있다. 기판(9)은 이들과 동축인 위치에 유지되어 있다. 메인 실드(71)은 공정 챔버(1)의 상부 부분에서 상부 벽에 끼워맞추어져 있다. 메인 실드(71)의 상부 부분은 상부 벽을 기밀식으로 관통하여 전기적으로 접지되어 있다.

메인 실드(71)는 동시에 대전극(31)을 위한 홀더로서 기능한다. 메인 실드(71)는 내측으로 돌출한 플랜지 부분을 포함하고, 이 플랜지 부분 상에 대전극(31)이 유지되어 있다. 절연 부재(33)는 메인 실드(71)로부터 대전극(31)을 절연시키도록 대전극(31)을 둘러싼다. 메인 실드(71)의 바닥부는 기판 홀더(4)의 홀딩면의 약간 아래에 위치되어 있다. 다른 말로 하면, 기판 홀더(4)의 상부 부분은 메인 실드(71)에 삽입되어 있다.

파티션 실드(72)는 튜브 형상, 예를 들어, 단면이 원통형상 또는 다각형상을 가지고 있고, 메인 실드(71)에 대해 동축을 갖는다. 메인 실드(71)는 대전극(31) 및 기판 홀더(4)를 포함하는 공정 챔버(1)의 상부 벽 및 바닥 벽을 상호 연결시킨다. 파티션 실드(72)는 하부 부분에서 배출 구멍(720)을 가지고 있다. 파티션 실드의 외부에 배출실(100)이 있다. 배출실(720)에서, 공정 챔버(1)는 메인 밸브(101)를 포함한다. 펌핑 라인(11)은 배출구멍(720) 및 배출실(100)을 통하여 파티션 실드(72)의 내측 공간을 펌핑한다. 파티션 실드(72)는 기판(9)의 내외부로 전달하기 위한 개구(도시되지 않음)를 포함한다.

메인 실드(71) 및 파티션 실드(72)의 표면은 절연체로 되어 있다. 구체적으로, 실드(71,72)의 본체는 알루미늄과 같은 금속으로 제조되어 있고, 알루마이트와 같은 절연체로 코팅되어 있다. 이것은 플라즈마 불균일성 및 에너지 손실을 가져오는 대전된 입자의 유입을 방지하기 위한 것이다.

본 실시예의 장치는 플라즈마 확산을 방지하는 전극(8)을 포함한다. 이후로 "확산 방지 전극"으로 불리는 전극(8)은 각 실드(71,72)의 개구를 향해 확산하는 전자 및 각 실드(71,72)의 개구를 통해 확산한 전자를 모으는 전극이다. 설명된 바와 같이, 표면이 절연체, 즉, 절연 전위인 플라즈마 실드로 인해 플라즈마 밀도 불균일성 및 전력 손실을 방지할 수 있다. 그러나, 실드가 개구를 가지고 있다면, 플라즈마는 이 개구를 통해 바이폴라 확산을 실행하는 것이 용이해진다. 본 실시예에서, 메인 실드(71)의 바닥 개구 및 파티션 실드(72)의 배출 구멍(720)은 이것에 상응한다.

발명자에 의한 조사에 의해, 플라즈마 확산은 플라즈마가 확산할 수도 있는 개구 근방에 도체를 제공함으로써 방지될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 구체적으로, 발명자는 절연 코팅이 메인 실드(71)의 바닥 단부에서 제거되었고 금속 본체가 노출된 구조를 연구하였다. 노출된 금속 본체는 접지부(이후로 "접지 요소"로 부른다)용 금속 요소에 연결되어 있었다. 그다음, 파티션 실드(72)의 배출 구멍(720)을 통한 플라즈마 확산이 방지되었다는 것을 알게 되었다. 상기 사실이 밝혀진 실험 결과가 도 1 내지 도 3에 도시되어 있다.

이 실험은 표 1에 표시된 조건에서 수행되었다.

유입된 가스의 유입량(SCCM)	C₄H₈	22.5
	Ar	500
	O₂	10
플라즈마 전원		60㎒, 1.6 kw
바이어싱 전원		1.6㎒, 1.8 kw
처킹 전원		+100 V(dc)
볼록부(420)에서의 압력		30 토르

표 1. 확산 방지가 인식된 실험의 조건. SCCM은 "분당 표준 세제곱 센티미터(standard cubic centimeter per minute)"를 나타낸다.

2개의 파티션 실드가 준비되었고 이미 이러한 실험에서 사용되었다. 이것들은 배출구멍의 크기에서 상이하였다. 하나의 구멍은 직경이 1.5mm이었고, 또 다른 하나는 2.0mm이었다. 공정 챔버(1)내의 압력이 변화함에 따라, 플라즈마는 파티션 실드내에 제한될 수 있음이 확인되었다. 또한, 어떻게 펌핑 특성이 배출구멍의 크기에 의존하는 지를 조사하기 위해, 펌핑 속도를 일정하게 유지한 상태에서 기판에 인접한 위치에서의 최종 압력이 측정되었다.

	배출구멍의 직경	기판 근방의 압력	가능한 플라즈마 한정 범위
접지 요소가 없을 때	1.5 mm	25 mTorr ~	~ 50 mTorr
접지 요소가 없을 때	2.0 mm	16 mTorr ~	~ 30 mTorr
접지 요소가 있을 때	1.5 mm	25 mTorr ~	~ 100 mTorr
접지 요소가 있을 때	2.0 mm	16 mTorr ~	~ 100 mTorr

표 2. 배출 구멍의 크기에 의존하는 펌핑 특성

표 2에서 도시된 바와 같이, 접지 요소가 없을 때, 즉, 절연체에 의해 전체가 덮힌 메인 실드(71)가 사용될 때, 가능한 플라즈마 한정 범위는 기판(9) 근방의 최종 압력이 단지 25 mTorr 이었음에도 불구하고, 배출구멍(720)의 크기가 1.5mm인 경우에 50 mTorr 보다 크지 않았다. 배출구멍(720)의 직경이 2.0mm 인경우에, 가능한 플라즈마 한정 범위는 기판 근방의 최종 압력이 16 mTorr로 감소되었을지라도, 30 mTorr 또는 그 이하로 더욱 제한되었다. 일반적으로, 압력이 증가할 때, 플라즈마 시스의 폭이 협소화되는 것은 물론 평균 자유 행로가 감소되어, 중성 분자와 충돌하는 이온의 확률이 증가하는 결과를 가져온다. 따라서, 플라즈마는 개구를 통해 용이하게 확산하는 경향이 있어서, 플라즈마 한정을 불가능하게 한다.

접지 요소가 있을 때, 가능한 플라즈마 한정 범위는 배출구멍(720)의 직경이 1.5mm 인 경우에 100 mTorr 이상으로 확대되었다. 배출구멍(720)의 직경이 2.0mm 인 경우조차도, 가능한 플라즈마 한정 범위는 100 mTorr이상으로 확대되었다. 이러한 결과는 접지 요소가 한정 가능한 범위를 확대하는 기능을 갖는다는 것을 보여준다.

상기 설명된 실험에서, 대전극(31)에서 나타나는 일시적인 셀프 바이어싱 전압(Vdc)의 변경이 플라즈마의 상태를 관찰하기 위해 측정되었다. 셀프 바이어싱 전압은 RF 전압이 커패시턴스를 통해 도체에 인가될 때 플라즈마에 인접한 도체의 표면에 나타나는 dc 전압이다. 전자의 높은 이동성 때문에, 음 dc 전압으로서 변경된 도체의 표면에서의 전위가 RF파상에 중첩된다. 이러한 음 dc 전압은 "셀프 바이어싱 전압"이다. 도 2는 수십 분의 짧은 기간 동안 관찰된 변경된 셀프 바이어싱 전압을 도시하고 있다. 도 3은 2백 시간에 이르는 장기간 동안 관찰된 변경된 셀프 바이어싱 전압을 도시하고 있다.

도 2에 도시되지는 않았지만, 접지 요소가 있는 경우에 셀프 바이어싱 전압이 -360 V 정도에서 안정적이었다. 이와 대조적으로, 접지 요소를 가지고 있지 않은 경우에, 리플 모양으로 빠르게 증가된 셀프 바이어싱 전압이 자주 관찰되었다. 발명자는 셀프 바이어싱 전압이 리플 형상으로 증가하는 순간에 펌핑실(100)에서 발광 플래시를 인지하였다. 따라서, 리플 형상의 증가는 플라즈마의 펌핑실(100)로의 일시 확산 때문에 발생한 것으로 생각된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 접지 요소가 있는 경우에, 셀프 바이어싱 전압은 2백 시간에 이르는 동작 시간 동안 안정적이었다. 그러나, 접지 요소가 없는 경우 에, 셀프 바이어싱 전압은 짧은 동작 시간에 점차적으로 감소하여, 약 20 시간 동작 시간 후에 약 -260V에서 안정하는 경향이 있다. 그 이유는 플라즈마의 배출 구멍(720)을 통한 누설, 즉, 확산이라고 추측된다. 구체적으로, 이것은 플라즈마 확산에 이은 막증착으로 인해 야기되는 것으로 추측된다. 일반적으로, 플라즈마 처리는 자주 막증착을 동반한다. 플루오르화탄소 가스를 사용하는 플라즈마 에칭에서, 예를 들어, 탄소 고분자막이 플라즈마내 가스 분해를 통해 생성된 종에 의해 공정 챔버의 내표면상에 증착된다. 전체 동작 시간이 짧은 반면, 배출구멍(720)은 탄소 고분자막이 위에 증착됨에도 불구하고 플라즈마가 확산할 정도로 충분히 넓다. 그러나, 전체 동작 시간이 증가함에 따라, 배출구멍(720)은 막 증착에 의해 협소화된다. 결과적으로, 배출구멍(720)을 통한 플라즈마 확산은 중지되어 셀프 바이어싱 전압을 안정화시킨다. 도 3에 도시된 접지 요소가 없는 경우의 결과는 이러한 현상을 설명하는 것으로 생각된다.

어쨋거나, 이러한 셀프 바이어싱 전압의 진동은 공정 재생산성을 악화시키는 플라즈마의 불안정성을 의미한다. 접지 요소를 가지고 있는 경우는 이러한 문제가 없어져 높은 공정 재생산성의 안정 능력을 갖게된다. 플라즈마 확산을 방지하고 플라즈마를 안정하게 하는 접지 요소의 이러한 장점은 접지 요소를 통한 방전 회로의 구성에 기인한다고 생각된다. 메인 실드(71)의 절연체로 제조된 표면상에 있는 전자는 접지 요소내로 흘러 접지 요소로부터 접지부에 이르게 되는 것으로 생각된다. 따라서, 전자가 메인 실드(71)의 표면상에 과도하게 저장될 때조차, 전자는 파티션 실드(72)로 넘쳐 흐를 수 없게 된다. 그 결과, 파티션 실드(72)상의 배출 구멍(720)을 통한 플라즈마 확산은 방지된다.

상기 설명된 현상을 고려하여, 본 실시예의 장치는 접지 요소에 상응하는 확산 방지 전극(8)을 포함한다. 도 4는 도 1에 도시된 장치내에 제공된 확산 방지 전극(8)의 단면 개략도를 나타낸다. 이러한 실시예에서, 확산 방지 전극(8)은 메인 실드(71)의 바닥부에 제공되어 있다. 확산 방지 전극(8)은 링 원형상을 가지고 있고 메인 실드(71)와 직경이 동일하다. 확산 방지 전극(8)은 용이하게 장착해제가능한 방법, 예를 들어, 스크류잉 또는 클램핑등에 의해 메인 실드(71)상에 장착되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 메인 실드(71)는 금속 본체(711) 및 이 본체(711)를 덮고 있는 절연층(712)를 포함한다. 절연층(712)은 예를 들어, 알루마이트 처리에 의해 제공된다. 절연층은 확산 방지 전극(8)이 단락되는 메인 실드(71)의 바닥 단부를 덮고 있지는 않다. 확산 방지 전극(8)은 메인 실드(71), 정확하게는 본체(711)가 접지되어 있기 때문에 접지되어 있다.

확산 방지 전극(8)의 위치는 플라즈마 처리의 효율과 동질성에 있어서 중요하다. 설명되는 된 바와 같이, 확산 방지 전극(8)은 전자가 유입되는 포트이다. 따라서, 확산 방지 전극(8)은 대전극(31)과 기판 홀더(4) 사이의 공간, 즉, 플라즈마 발생 영역에 가깝게 위치된다면, 플라즈마의 분배에 큰 영향을 주게 된다. 많은 전자가 확산 방지 전극(8)을 통해 접지부로 흐르게 되면, 플라즈마 밀도는 상기 공간의 주변부에서 많이 감소하게 될 수도 있다. 그렇지 않으면, 많은 입력 전력이 확산 방지 전극(8)으로부터 접지부로 회로상에서 낭비될 수도 있다. 상기 주변 부에서의 플라즈마 밀도의 감소로 플라즈마 처리의 불균일성이 나타나게 된다. 입력 전력의 낭비는 플라즈마 처리의 비효율을 의미한다. 이러한 문제의 해결책으로서, 확산 방지 전극(8)은 대전극(31)으로부터 기판 홀더(4)의 홀딩면까지의 거리보다 먼 거리에 위치되는 것이 바람직하다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 장치는 이러한 위치를 만족시킨다.

확산 방지 전극은 플라즈마가 플라즈마 실드의 개구를 통하여 확산하는 것을 방지하기 위한 것이다. 따라서, 개구를 향하여 확산하거나 개구를 통하여 확산된 전자는 확산 방지 전극내로 흐를 수 있는 것이 중요하다. 이러한 점을 도 5를 사용하여 설명할 것이다. 도 5는 확산 방지 전극의 위치를 설명한다.

도 5에서, 개구(70)는 플라즈마(P)가 발생되는 영역으로부터 떨어져 존재한다. 도 5(1)에 도시된 바와 같이, 확산 방지 전극(8)은 전자가 플라즈마 발생 영역으로부터 개구(70)로 확산하는 경로상에 위치될 수 있다. 그렇지 않으면, 도 5(2)에 도시된 바와 같이, 확산 방지 전극(8)은 개구(70)의 출구측에 인접하여 위치될 수 있다. 이러한 경우 역시 플라즈마(P)의 확산은 전자가 개구(70)로부터 멀리 확산하지 않기 때문에 방지된다. 또한, 도 5(3)에 도시된 바와 같이, 전극(8)은 개구(70)내에, 예를 들어, 개구(70)의 에지에 제공될 수 있다.

설명된 바와 같이, 본 실시예에서의 플라즈마 처리는 탄소 고분자막의 증착을 수반한다. 그러나, 어떤 탄소 고분자막도 파티션 실드(72)에, 특별히, 배출구멍(720)의 에지에 증착하지 않는다. 만약 두꺼운 막이 배출구멍(720)의 에지에 증착된다면, 협소화, 즉, 도전성의 감소의 문제를 가져오게 된다. 본 실시예는 이러 한 문제로부터 역시 자유롭다. 압력 및 입력 전력과 같은 파라미터에 의존하여, 때때로 막 증착 대신에 에칭이 많이 쓰인다. 이러한 경우에 조차, 파티션 실드(72)는 파티션 실드(72)에 대한 플라즈마 확산이 방지되기 때문에 에칭의 영향을 받지 않는다.

본 실시예의 확산 방지 전극(8)은 탄소로 제조된다. 이것은 전극(8)이 플라즈마에 의해 에칭될 때조차 임의의 오염물질을 생성할 수 없도록 고려한 것이다. 본 실시예의 장치는 플루오르화 탄소 가스를 사용하여 플라즈마 에칭을 수행한다. 따라서, 에칭 전극(8)으로부터 방출된 탄소는 특별히 중요하지 않다. 그렇지 않으면, 확산 방지 전극(8)은 실리콘으로 제조될 수 있다. 기판(9)이 실리콘으로 제조된 경우에, 실리콘으로 제조된 전극(8)은 오염원을 전혀 갖지 않게 된다. 확산 방지 전극(8)이 용이하게 장착해제가능해야 하는 이유는 처리가 반복됨에 따라 소비로 인해 교체될 필요가 있기 때문이다.

다음은 본 실시예의 제2 실시예에 관한 설명이다. 도 6은 제2 실시예의 플라즈마 처리 장치의 전단면 개략도이다. 제1 실시예와 마찬가지로, 도 6에 도시된 장치는 공정 챔버(1), 처리 가스를 공정 챔버(1)내로 유입시키는 처리 가스 유입 라인(2), 공정 챔버(1)내의 플라즈마 발생 영역에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기, 및 공정 챔버(1)내에 기판(9)을 유지하는 기판 홀더(4)를 포함한다.

도 6에 도시된 실시예에서, 확산 방지 전극(8)은 플라즈마 실드(71,72)로부터 분리되어 제공되어 있다. 구체적으로, 전극(8)은 기판 홀더(4)측에 제공되어 있다. 전극(8)은 기판 홀더(4)를 둘러싸는 링 형상을 가지고 있다. 전극(8)은 기 판 홀더(4)의 홀딩면 아래에, 즉, 대전극(31)으로부터 홀딩면 보다 긴 거리를 갖는 위치에 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 확산 방지 소스(81)는 전극(8)에 연결되어 있다. 확산 방지 소스(81)는 확산 방지를 위해 전극(8)에 전압을 인가하기 위한 것이다. 이러한 실시예에서, 소스(81)는 약 -20 V의 음 dc 전압을 인가한다. 임의의 음 dc 전압이 확산 방지 전극(81)에 인가될 때, 이 음 dc 전압은 전자를 플라즈마(P)내로 다시 밀어넣는 기능을 한다. 그 결과, 플라즈마의 바이폴라 확산이 방지된다. 만약 너무 많은 음전압이 인가된다면, 이 음전압은 많은 이온을 당길 수도 있고, 그 결과 방지 대신에 바이폴라 확산을 촉진시키게 된다. 전압은 전자가 확산 방지 전극(8) 근방에 남아 있는 만큼 확산 방지 전극(8)에 인가되어 이온과 비교한 전자의 이동도의 크기를 보상하는 것이 바람직하다.

이러한 실시예에서, 확산 방지 전극(8)은 플라즈마 실드(71,72)로부터 분리되어 제공되기 대문에, 높은 융통성을 가지고 설계된다. 여전히, 확산 방지 전극(8)은 실드(71,72)중 하나의 일부일 수 있거나 실드(71,72)중 어느 하나에 장착될 수 있다. 이러한 경우는 구조를 단순하게 하는 유익을 얻을 수 있다. 확산 방지 전극(8)에 전압을 인가하는 소스(81)는 처리 조건에 따라 확산 방지 기능을 최적화할 수 있다.

확산 방지 전극(8)은 기판 홀더(4)에 동축으로 한 원 위에 동일한 간격으로 배치된 복수의 다이스 형상 또는 볼 형상의 부재로 구성될 수 있다. 공정 챔버를 오염시키지 않는 전극(8)의 물질을 항상 채용할 필요는 없다. 임의의 다른 재료 가, 전극(8)이 에칭되는 것이 방지되거나, 전극(8)이 에칭될 지라도 아무런 문제도 발생하지 않는 위치에 위치되는 경우에 채용될 수 있다. 확산 방지 전극(8)은 텅스텐과 같은 고 용융점 금속으로 제조될 수 있다. 확산 방지 전극(8)이 기판(9)의 내외로의 전달을 위한 개구 또는 메인 실드(71)의 바닥 개구를 통한 플라즈마 확산을 방지하는 경우가 있을 수 있다.

플라즈마 전원(32)이 기판 홀더(4)를 통한 방전을 위해 전계를 인가하도록 기판 홀더(4)에 연결될 수 있다. 본 발명의 장치에 의해 수행된 플라즈마 처리는 설명된 플라즈마 에칭 대신에 CVD, 애싱, 또는, 산화 또는 질화와 같은 표면 처리일 수 있다.

본 발명에 의해, 플라즈마 밀도 불균일성 및 전력 손실 없이 플라즈마 한정을 행할 수 있는 실제적인 플라즈마 처리 장치를 제공할 수 있다.

Claims

플라즈마 처리 장치에 있어서,

공정 챔버;

상기 공정 챔버의 벽에 제공된 배출구멍과 연결되어 있는 펌핑 라인;

상기 공정 챔버내의 플라즈마 발생 영역내로 가스를 유입시키기 위해 상기 공정 챔버의 벽에 제공된 가스 유입 구멍과 연결되어 있는 가스 유입 라인;

유입된 가스에 에너지를 인가함으로써 플라즈마 발생 영역에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기;

상기 공정 챔버내에 제공되고, 상기 플라즈마에 의해 처리되는 기판이 유지되는 표면을 포함하는 기판 홀더;

상기 플라즈마의 확산을 방지하기 위해 상기 플라즈마 발생 영역을 둘러싸고 적어도 하나의 개구를 갖고 있는 플라즈마 실드; 및

상기 플라즈마가 상기 플라즈마 실드의 개구를 통해 확산하는 것을 방지하는 확산 방지 전극;을 포함하고,

상기 플라즈마에 노출되는 플라즈마 실드의 표면이 절연체로 제조되어 상기 표면이 부유 전위에 있고,

상기 확산 방지 전극은 접지되어 있고, 상기 플라즈마 발생 영역이 앞쪽에 있을 때 상기 플라즈마 실드의 표면이 상기 확산 방지 전극의 뒷쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 플라즈마 발생기는 상기 기판 홀더와 대면하는 대전극을 포함하고,

상기 플라즈마 발생 영역은 상기 기판 홀더와 상기 대전극 사이에 있고,

상기 확산 방지 전극은, 상기 대전극으로부터, 상기 기판이 유지되는 기판 홀더의 표면보다 먼 거리의 위치에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
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제 1 항에 있어서, 상기 확산 방지 전극은 처리 품질을 유지시키는 재료로 제조된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 가스는 플루오르화탄소 가스이고,

상기 처리는 플라즈마 에칭 처리이고, 그리고,

상기 확산 방지 전극은 탄소로 제조된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 기판은 실리콘으로 제조되고,

상기 확산 방지 전극은 실리콘으로 제조된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
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제 1 항에 있어서,

상기 플라즈마 발생기는 상기 기판 홀더와 대면하는 대전극을 포함하고,

상기 플라즈마 발생 영역은 상기 기판 홀더와 대전극 사이에 있고,

상기 플라즈마 실드는 상기 기판 홀더를 둘러싸고,

상기 플라즈마 실드의 개구는 플라즈마 발생 영역에서의 배출을 위한 것이고,

상기 개구는, 상기 대전극과 기판 홀더 사이를 잇는 방향에 대해 측면쪽으로 플라즈마 실드에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 15 항에 있어서, 상기 플라즈마 실드의 개구는, 상기 대전극으로부터, 상기 기판이 유지되는 기판 홀더의 표면보다 먼 거리의 위치에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 확산 방지 전극이 용이하게 장착해제가능한 방법으로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 플라즈마 실드 내부에 또 다른 플라즈마 실드가 제공되고,

상기 또 다른 플라즈마 실드는 금속본체 및 상기 금속본체를 덮고 있는 절연층을 포함하고,

상기 금속본체는 접지되어 있고,

상기 확산 방지 전극은 상기 절연층에 의해 덮여지지 않은 금속본체의 일부인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 기판 홀더는 상기 기판을 수평으로 유지하고,

상기 대전극은 상기 기판 홀더의 상부에 위치하고,

상기 확산 방지 전극은, 상기 확산 방지 전극의 상부표면이 기판이 유지되는 기판 홀더의 표면보다 낮은 위치가 되도록 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 16 항에 있어서,

상기 기판 홀더는 상기 기판을 수평으로 유지하고,

상기 대전극은 상기 기판 홀더의 상부에 위치하고,

상기 플라즈마 실드의 개구는, 기판이 유지되는 기판 홀더의 표면보다 낮은 위치에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
플라즈마 처리 장치에 있어서,

공정 챔버;

상기 공정 챔버의 벽에 제공된 배출구멍과 연결되어 있는 펌핑 라인;

상기 공정 챔버내의 플라즈마 발생 영역내로 가스를 유입시키기 위해 상기 공정 챔버의 벽에 제공된 가스 유입 구멍과 연결되어 있는 가스 유입 라인;

유입된 가스에 에너지를 인가함으로써 플라즈마 발생 영역에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기;

상기 공정 챔버내에 제공되고, 상기 플라즈마에 의해 처리되는 기판이 유지되는 표면을 포함하는 기판 홀더;

상기 플라즈마의 확산을 방지하기 위해 상기 플라즈마 발생 영역을 둘러싸고 적어도 하나의 개구를 갖고 있는 플라즈마 실드;

상기 플라즈마가 상기 플라즈마 실드의 개구를 통해 확산하는 것을 방지하는 확산 방지 전극, 및

전자를 플라즈마 내로 다시 밀어넣기 위해, 상기 확산 방지 전극에 음의 DC 전압을 인가하는 소스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서,

상기 플라즈마 발생기는 상기 기판 홀더와 대면하는 대전극을 포함하고,

상기 플라즈마 발생 영역은 상기 기판 홀더와 상기 대전극 사이에 있고,

상기 확산 방지 전극은, 상기 대전극으로부터, 상기 기판이 유지되는 기판 홀더의 표면보다 먼 거리의 위치에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 확산 방지 전극은 처리 품질을 유지시키는 재료로 제조된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서,

상기 가스는 플루오르화탄소 가스이고,

상기 처리는 플라즈마 에칭 처리이고, 그리고,

상기 확산 방지 전극은 탄소로 제조된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서,

상기 기판은 실리콘으로 제조되고,

상기 확산 방지 전극은 실리콘으로 제조된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서,

상기 플라즈마 발생기는 상기 기판 홀더와 대면하는 대전극을 포함하고,

상기 플라즈마 발생 영역은 상기 기판 홀더와 대전극 사이에 있고,

상기 플라즈마 실드는 상기 기판 홀더를 둘러싸고,

상기 플라즈마 실드의 개구는 플라즈마 발생 영역에서의 배출을 위한 것이고,

상기 개구는, 상기 대전극과 기판 홀더 사이를 잇는 방향에 대해 측면쪽으로 플라즈마 실드에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 26 항에 있어서, 상기 플라즈마 실드의 개구는, 상기 대전극으로부터, 상기 기판이 유지되는 기판 홀더의 표면보다 먼 거리의 위치에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 확산 방지 전극이 용이하게 장착해제가능한 방법으로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 22 항에 있어서,

상기 기판 홀더는 상기 기판을 수평으로 유지하고,

상기 대전극은 상기 기판 홀더의 상부에 위치하고,

상기 확산 방지 전극은, 상기 확산 방지 전극의 상부표면이 기판이 유지되는 기판 홀더의 표면보다 낮은 위치가 되도록 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 27 항에 있어서,

상기 기판 홀더는 상기 기판을 수평으로 유지하고,

상기 대전극은 상기 기판 홀더의 상부에 위치하고,

상기 플라즈마 실드의 개구는, 기판이 유지되는 기판 홀더의 표면보다 낮은 위치에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.