KR100642157B1 - 플라즈마 처리 장치 및 방법 그리고 플라즈마 생성용전극판 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 처리 장치는 진공 분위기를 갖도록 설정가능한 처리 용기(10)를 포함한다. 처리 용기(10)내에 배치되는 피처리 기판(W)과 대향하도록 링 형상으로 배치된 제 1 상부 전극(36)이 배치된다. 제 1 상부 전극(36)의 반경방향 내측에 이와 전기적으로 절연된 상태로 배치된 제 2 상부 전극(38)이 배치된다. 제 1 급전부(50)가 제 l 고주파 전원(52)으로부터의 제 1 고주파를, 제 1 전력값으로 제 1 상부 전극(36)에 공급한다. 제 1 급전부(50)로부터 분기된 제 2 급전부(76)가 제 1 고주파 전원으로부터의 상기 제 1 고주파를, 제 1 전력값보다도 작은 제 2 전력값으로 제 2 상부 전극(38)에 공급한다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 방법 그리고 플라즈마 생성용 전극판{PLASMA PROCESSING SYSTEM AND METHOD AND ELECTRODE PLATE OF PLASMA PROCESSING SYSTEM}
본 발명은 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 기술에 관한 것으로, 특히 고주파를 전극에 공급하여 플라즈마를 생성하는 방식의 플라즈마 처리 기술에 관한 것이다. 본 발명은 특히 반도체 디바이스를 제조하는 반도체 처리에 있어서 이용되는 플라즈마 처리 기술에 관한 것이다. 여기서, 반도체 처리란, 반도체 웨이퍼나 LCD(Liquid crystal disp1ay)이나 FPD(F1at Panel Display)용의 유리 기판 등의 피처리 기판상에 반도체층, 절연층, 도전층 등을 소정의 패턴으로 형성함으로써, 해당 피처리 기판상에 반도체 디바이스나, 반도체 디바이스에 접속되는 배선, 전극 등을 포함하는 구조물을 제조하기 위해서 실시되는 여러 가지의 처리를 의미한다.
반도체 디바이스나 FPD의 제조 프로세스에 있어서의 에칭, 퇴적, 산화, 스퍼터링 등의 처리에서는, 처리 가스에 비교적 저온에서 양호한 반응을 수행하게 하기 위해서 플라즈마가 대부분 이용되고 있다. 낱장식의 플라즈마 처리 장치 중에서는 용량 결합형의 평행 평판 플라즈마 처리 장치가 주류이다.
일반적으로, 용량 결합형의 평행 평판 플라즈마 처리 장치에서는, 감압가능한 처리 용기 또는 반응실내에 상부 전극과 하부 전극이 평행하게 배치된다. 하부 전극은 접지되고, 그 위에 피처리 기판(반도체 웨이퍼, 유리 기판 등)이 탑재된다. 상부 전극 및/또는 하부 전극에 정합기를 거쳐서 고주파 전압이 공급된다. 이와 동시에, 상부 전극에 설치한 샤워 헤드에 의해 처리 가스가 분사된다. 상부 전극과 하부 전극 사이에 형성된 전계에 의해 전자가 가속되어, 전자와 처리 가스의 충돌 전리에 의해 플라즈마가 발생한다. 그리고, 플라즈마중의 중성 래디컬이나 이온 등에 의해 기판 표면에 소정의 미세 가공이 실시된다. 또한, 여기서 양쪽 전극은 콘덴서로서 작용한다.
최근에는, 제조 프로세스에 있어서의 디자인 룰(design rule)의 미세화에 따라서, 플라즈마 처리에는 저압하에서 고밀도 플라즈마를 생성하는 것이 요구되고 있다. 이 때문에, 상기와 같은 용량 결합형의 평행 평판 플라즈마 처리 장치에서는, 상부 전극에 대하여 종래(일반적으로 27MHz 이하)보다도 각별히 높은 고주파수 영역(예컨대 50MHz 이상)의 고주파를 공급하게 되어 있다. 그러나, 상부 전극에 공급하는 고주파의 주파수가 높게 되면, 고주파 전원으로부터 급전봉을 통하여 전극 배면에 공급되는 고주파가 표피 효과에 의해 전극 표면을 전해져서 전극 하면(플라즈마 접촉면)의 중심부에 집중한다. 이 때문에, 전극 하면의 중심부의 전계 강도가 외주부의 전계 강도보다도 높게 되고, 생성되는 플라즈마의 밀도도 전극 중심부쪽이 전극 외주부보다 높게 된다. 더욱이, 플라즈마가 반경방향으로 고밀도 공간으로부터 저밀도 공간으로 확산하기 위해서, 플라즈마 밀도는 점점 더 전극 중심부에서 상대적으로 높고 전극 외주부에서 상대적으로 낮은 분포가 된다.
이 문제를 해소하기 위해서, 상부 전극의 하면 중심부를 고저항 부재로 구성하는 것이 알려져 있다(예컨대, 일본 특허 공개 제 2000-323456 호 공보 참조). 이 기법에서는, 상부 전극의 하면 중앙부를 고저항 부재로 구성하고, 이에 따라 많은 고주파 전력을 줄(joule) 열로서 소비시킨다. 이로써, 상부 전극의 하면(플라즈마 접촉면)의 전계 강도를 전극 외주부보다도 전극 중심부에서 상대적으로 저하시켜서, 상기와 같은 플라즈마 밀도의 불균일성을 보정한다.
그러나, 상기한 바와 같이 상부 전극의 하면 중심부를 고저항 부재로 구성하는 것에 있어서는, 줄 열에 의한 고주파 전력의 소비(에너지 손실)가 많아질 가능성이 있다. 또한, 상부 전극에 대한 급전 라인을 구성하는 급전봉 등의 유도성 리액턴스 성분의 영향이 RF 주파수를 높게 할수록 커진다. 이 때문에, 급전 라인 또는 상부 전극이 일정하지 않은 개소에서 공진 포인트를 생기게 하고, 그 공진 포인트 부근에서 매우 큰 전류가 흘러버릴 가능성도 나온다.
또한, 최근의 플라즈마 처리 장치에서는, 상부 전극이 다수의 가스 통기구를 갖고, 이들의 통기구로부터 처리 가스를 하부 전극측을 향하여 분사하는 소위 샤워 헤드를 겸하는 것이 많다. 이러한 샤워 헤드 겸용형의 상부 전극은 플라즈마로부터의 이온의 공격을 받아서 스퍼터(sputter)되기 때문에, 소모품으로서 취급되고 있다. 특히, 가스 통기구의 토출구(모서리부)가 전계를 집중시키기 때문에 스퍼터 되기 쉽다. 가스 토출구가 약해지면, 가스가 나팔 형상으로 넓어지게 되어, 플라 즈마를 안정하게 생성할 수 없다. 이 때문에, 가스 토출구의 스퍼터 진행도(확대 상태)가 전극 수명의 지표가 되고 있다. 이러한 샤워 헤드 구조의 상부 전극에 있어서는, 상기한 바와 같이 플라즈마의 고밀도화를 도모하려면, 전극 수명이 점점 더 줄어들 가능성이 있다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 플라즈마 생성용 고주파의 전송 효율을 향상시키는 플라즈마 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 플라즈마 밀도의 균일화를 용이하게 실현되도록 한 플라즈마 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 플라즈마 생성용의 고주파가 공급되는 고주파 전극의 수명을 연장시키도록 한 플라즈마 처리 장치 및 방법 또는 플라즈마 처리 장치의 전극판을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 실시예는 플라즈마 처리 장치로서,
진공 분위기를 갖도록 설정가능한 처리 용기와,
상기 처리 용기내에서 소정 위치에 배치되는 피처리 기판과 대향하도록 링 형상으로 배치된 제 1 상부 전극과,
상기 제 1 상부 전극의 반경방향 내측에 이것과 전기적으로 절연된 상태로 배치된 제 2 상부 전극과,
상기 처리 용기내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와,
제 1 고주파를 출력하는 제 1 고주파 전원과,
상기 제 1 고주파 전원으로부터의 상기 제 1 고주파를 제 1 전력값으로 상기 제 1 상부 전극에 공급하는 제 1 급전부와,
상기 제 1 고주파 전원으로부터의 상기 제 1 고주파를 상기 제 1 급전부에서 분기하여, 상기 제 1 전력값보다도 작은 제 2 전력값으로 상기 제 2 상부 전극에 공급하는 제 2 급전부를 구비한다.
본 발명의 제 2 실시예는 플라즈마 처리 방법으로서,
진공 분위기를 갖도록 설정가능한 처리 용기내에서 소정 위치에 피처리 기판을 배치하는 단계와,
상기 처리 용기내에서 상기 기판과 대향하도록 링 형상으로 배치된 제 1 상부 전극에, 제 1 급전부를 거쳐서 제 1 고주파 전원으로부터의 제 1 고주파를 제 1 전력값으로 공급하는 단계와,
상기 제 1 상부 전극으로 상기 제 1 고주파를 공급하는 동시에, 상기 제 1 상부 전극의 반경방향 내측에 이것과 전기적으로 절연된 상태에서 배치된 제 2 상부 전극에, 상기 제 1 급전부에서 분기한 제 2 급전부를 거쳐서 상기 제 1 고주파 전원으로부터 상기 제 1 고주파를 상기 제 1 전력값보다도 작은 제 2 전력값으로 상기 제 2 상부 전극에 공급하는 단계와,
상기 제 1 및 제 2 상부 전극에 상기 제 1 고주파를 공급하는 동시에, 상기처리 용기내에 소정의 처리 가스를 공급하고, 상기 제 1 및 제 2 상부 전극의 바로 아래 부근에서 상기 처리 가스를 플라즈마화하는 단계와,
상기 플라즈마에 의해 상기 기판에 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 단계를 구비한다.
본 발명의 제 3 실시예는 플라즈마 처리 장치의 처리 용기내에서 소정 위치에 탑재되는 피처리 기판과 대향하도록 설치되는 플라즈마를 생성하기 위한 전극판으로서,
링 형상의 제 1 상부 전극과,
상기 제 1 상부 전극의 반경방향 내측에 이것과 전기적으로 절연된 상태에서 배치된 제 2 상부 전극을 구비하며,
고주파 전원으로부터의 고주파가 제 1 급전부를 거쳐서 상기 제 1 상부 전극에 공급되는 동시에, 상기 제 1 급전부에서 분기하는 제 2 급전부를 거쳐서 상기 제 2 상부 전극에 공급된다.
상술한 제 1 내지 제 3 실시예에 따르면, 외측에 배치된 링 형상의 제 1 상부 전극의 바로 아래에서 주로 플라즈마가 생성된다. 생성된 플라즈마는 주로 내측 또는 중심측에 확산하고, 이로써 플라즈마의 밀도가 반경방향으로 균일화된다. 이와 같이 하여 얻을 수 있은 플라즈마에 의해, 기판(예컨대 하부 전극상에 지지됨)의 피처리면에 소정의 처리가 실시된다. 기판에 대한 제 1 상부 전극의 사이즈, 하부 전극과의 전극간 거리, 플라즈마 생성율 등을 적당하게 조정함으로써, 더욱 플라즈마 밀도의 균일화를 도모할 수 있다.
제 1 상부 전극의 재질은 제 1 고주파 전원으로부터의 제 1 고주파 전압에 대하여 전압 강하 또는 전력 손실이 작은 저 저항의 도전체 또는 반도체가 바람직 하다. 또한, 기판과 대향하는 면에 있어서, 제 1 상부 전극의 평면적은 제 2 상부 전극의 면적의 약 1/4배 내지 약 1배로 선택되는 것이 바람직하다.
제 1 상부 전극에 제 1 고주파 전원으로부터의 제 1 고주파를 효율적으로 급전하기 위해서 제 1 급전부가 설치된다. 이 제 1 급전부는 제 1 상부 전극에 원주방향으로 연속적으로 접속되는 제 1 원통형 도전 부재를 구비할 수 있다. 이 경우, 제 1 원통형 도전 부재를 동축 선로의 도파로로 하기 때문에, 그 반경방향 외측에 그라운드 전위에 접속된 제 2 원통형 도전 부재를 설치하는 것이 바람직하다. 이 제 2 원통형 도전 부재는 처리 용기와 일체로 구성할 수 있다.
플라즈마 밀도의 균일화를 보다 정확하게 실행하기 위해서, 처리 용기내에서 피처리 기판과 대향하여 제 1 상부 전극의 반경방향 내측에 절연하여 제 2 상부 전극이 설치된다. 제 1 급전부에서 분기한 제 2 급전부를 거쳐서 제 2 상부 전극에 제 1 고주파 전원으로부터의 제 1 고주파 전압을 공급하고, 제 2 상부 전극의 바로 아래 부근에서도 처리 가스를 플라즈마화한다. 이 제 2 상부 전극에 의한 플라즈마 생성을 보조적인 것으로 하기 위해서, 제 2 급전부가 분기하는 개소로부터 제 1 상부 전극까지의 구간에 있어서의 제 1 급전부의 인덕턴스가 제 2 급전부의 인덕턴스보다도 작아지도록 구성하는 것이 바람직하다.
제 2 급전부에는 가변 콘덴서를 설치하는 것이 바람직하다. 이 가변 콘덴서의 커패시턴스를 조정하는 것으로, 제 1 상부 전극 부근의 전계 강도 또는 전력 투입량(P1)과, 제 2 상부 전극 부근의 전계 강도 또는 전력 투입량(P2)의 비율(P1 : P2)을 일정 조건(P1 > P2) 하에서 자유롭게 제어한다. 이로써, 제 1 상부 전극 부근의 플라즈마 생성량(또는 생성율)과 제 2 상부 전극 부근의 플라즈마 생성량(또는 생성율)의 비율을 자유롭게 제어할 수 있다.
제 1 고주파 전원의 출력 임피던스와 부하 임피던스를 제 1 정합기를 이용하여 조정시켜도 좋다. 바람직하게는, 제 1 정합기의 출력 단자보다 제 1 고주파 전압을 제 1 급전부와 제 2 급전부에 분기시켜서, 병렬로 제 1 상부 전극과 상기 제 2 상부 전극에 공급할 수 있다. 이 경우, 제 1 정합기의 출력 단자로부터 본 제 1 고주파 전원에 대한 부하 임피던스의 리액턴스를 용량성으로 함으로써, 부하 회로를 구성하는 도파로내에 공진 포인트가 발생하는 것을 회피할 수 있다.
또한, 샤워 헤드 방식을 채용할 경우, 바람직하게는, 피처리 기판측에서 보아서 제 2 상부 전극의 상방(배면부 또는 배후)에 처리 가스 공급부로부터의 처리 가스를 도입하기 위한 가스 도입실을 설치할 수 있다. 이 경우, 제 2 상부 전극에 가스 도입실로부터 하부 전극을 향하여 처리 가스를 토출하기 위한 다수의 통기구를 형성할 수 있다. 상술한 바와 같이, 주로 제 1 상부 전극이 플라즈마 생성에 기여하기 때문에, 제 2 상부 전극은 플라즈마 이온으로부터 받는 공격이 적고, 따라서 샤워 헤드를 겸용해도 전극 수명을 연장시킬 수 있다. 바람직하게는, 상기 가스 도입실을 환상의 격벽 부재에 의해 내측의 중심 가스실과 외측의 외주 가스실로 분할하고, 중심 가스실과 외주 가스실에 처리 가스를 소정의 유량비로 도입할 수 있다. 이로써, 중심부와 외주부로 가스 토출 유량의 비율을 임의로 조정하고, 가스 분자 또는 래디컬 밀도의 공간 분포를 반경방향으로 제어할 수 있다. 이와 같이 하여 래디컬 밀도 분포를 제어하는 기능을 상기와 같은 제 1 상부 전극과 제 2 상부 전극 사이에서 플라즈마 생성 비율을 제어하여 플라즈마 밀도 분포를 제어하는 기능과 조합하여, 플라즈마 처리의 최적화를 도모할 수도 있다.
제 2 급전부의 주위에, 도체 부재, 바람직하게는 제 2 급전부의 인덕턴스를 작게 하기 위한 유도 전류가 흐르는 도체 부재를 설치할 수 있다. 이 경우, 제 2 급전부의 인덕턴스를 작게 함으로써, 상기 가변 콘덴서에 의한 제 1 및 제 2 상부 전극간의 전계 강도 또는 투입 전력 밸런스 조정의 범위를 향상시킬 수 있다. 인덕턴스 저감 효과를 높이기 위해서, 이 도체 부재를 제 2 급전부의 주위를 둘러싸도록 환형으로, 또한 제 1 급전부에서도 반경방향 내측에 배치하는 것이 바람직하다.
제 1 상부 전극은 제 2 상부 전극의 하면보다도 아래쪽으로 돌출하는 돌출부를 구비할 수 있다. 이 제 1 상부 전극에 있어서의 돌출부에 의해, 플라즈마 생성 공간에 대하여 주변측에서 반경방향내에 적합한 것의 전계를 부여함으로써 플라즈마를 가둬서 플라즈마 밀도의 향상과 균일화를 효과적으로 실현할 수 있다. 특히, 제 1 상부 전극에 있어서의 돌출부의 돌출량과 반경방향에 있어서의 기판의 상대 위치 관계는, 플라즈마 밀도의 공간분포 특성을 좌우하는 중요한 요인이 된다. 바람직하게는, 돌출부의 돌출량을 25mm 이하로 설정할 수 있다. 돌출부의 내경 부분은 기판의 외주 단부보다도 반경방향 외측으로 24mm 내지 30mm 떨어진 위치에 배치되는 것이 바람직하다.
제 1 상부 전극 아래에 쉴드 부재를 설치할 수 있다. 상기한 바와 같이 제 1 상부 전극에 돌출부를 설치하는 경우는, 이 돌출부의 하면을 덮도록 쉴드 부재를 배치할 수 있다. 이 쉴드 부재에 따르면, 플라즈마 생성 공간의 외측에서 제 1 상부 전극 부근의 고주파 방전로를 차단 또는 봉인하여, 그 바로 아래에 있어서의 플라즈마 생성을 억제하는 것이 가능해진다. 이로써, 플라즈마를 기판 바로 위에 가두는 효과를 한층 높일 수 있는 동시에, 처리 용기로의 소망하지 않는 중합막의 퇴적을 효과적으로 방지할 수 있다.
제 2 상부 전극은 적어도 직류를 통과시키는 로우패스 필터(low-pass filter)를 거쳐서 그라운드 전위에 전기적으로 접속할 수 있다. 이 로우패스 필터는 제 2 상부 전극에 생성되는 직류 전위를 조절하기 위한 저항을 갖는다. 이 저항을 가변 저항기에서 구성하는 경우는, 제 1 및 제 2 상부 전극의 전체에 공급되는 고주파 전력값에 따라 그 저항값을 가변하는 것이 바람직하다. 또한, 제 2 상부 전극을 가변 직류 전원을 거쳐서 그라운드에 접지하고, 전원 전압에 의해 제 2 상부 전극의 직류 전위를 직접 제어하는 것도 가능하다.
상술의 제 1 내지 제 3 실시예에 따르면, 상부 전극에 공급하는 플라즈마 생성용 고주파의 전송 효율을 향상시킬 수 있다. 별도의 실시예에 따르면, 플라즈마 밀도의 균일화를 용이하게 실현된다. 또 다른 실시예에 따르면, 플라즈마 생성용 고주파가 공급되는 고주파 전극의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치를 도시한 종단면도,
도 2는 도 1의 플라즈마 에칭 장치의 주요부를 도시하는 부분 확대 단면도,
도 3은 제 1 실시예에 있어서의 플라즈마 생성 수단의 주요부의 등가 회로를 도시한 회로도,
도 4는 제 1 실시예에 있어서의 전계 강도 밸런스 조정 기능에 의한 전계 강도(상대값) 분포 특성을 도시한 도면,
도 5는 제 1 실시예에 있어서의 전계 강도 밸런스 조정 기능에 의한 전계 강도 비율 특성을 도시한 도면,
도 6a 및 도 6b는 제 1 실시예에 있어서의 전자 밀도의 공간 분포 특성을 도시한 도면,
도 7a 및 도 7b는 제 1 실시예에 있어서의 에칭 속도(etching rate)의 공간 분포 특성을 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치를 도시한 단면도,
도 9a 및 도 9b는 제 2 실시예에 있어서의 에칭 속도의 공간 분포 특성을 도시한 도면,
도 10a 및 도 10b는 제 2 실시예에 있어서의 에칭 속도의 공간 분포 특성을 도시한 도면,
도 11은 제 2 실시예에 있어서의 가변 커패시턴스-내측 투입 전력 특성을 도시한 도면,
도 12는 제 2 실시예에 있어서의 플라즈마 생성용 고주파 급전 회로의 등가 회로를 도시한 회로도,
도 13은 제 2 실시예에 있어서 상부 급전봉의 주위에 설치되는 도체 부재의 작용을 도시한 도면,
도 14는 제 2 실시예에서 얻을 수 있는 가변 커패시턴스-보톰 자기 바이어스 전압 특성을 도시한 도면.
도 15a 및 도 15b는 제 2 실시예에 있어서의 로우패스 필터의 회로 구성을 도시한 도면,
도 16은 제 2 실시예에 있어서의 로우패스 필터내의 저항의 작용을 도시한 도면,
도 17은 제 2 실시예에 있어서의 로우패스 필터내의 저항값의 최적 범위를 도시한 도면,
도 18은 제 2 실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치의 주요부를 도시한 종단면도,
도 19a 내지 도 19e는 제 2 실시예에 있어서의 상부 전극 돌출부의 내경 및 돌출량을 파라미터로 하는 전자 밀도 공간 분포 특성을 도시한 도면,
도 20a 및 도 20b는 제 2 실시예에 있어서의 상부 전극 돌출부의 내경 및 돌출량을 이차원 파라미터로 하는 전자 밀도 균일성의 특성 곡선을 도시한 도면,
도 21은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치의 주요부를 도시한 종단면도,
도 22a 및 도 22b는 제 3 실시예에 있어서의 쉴드 부재의 작용을 실증하기 위한 전자 밀도의 공간 분포 특성을 도시한 도면,
도 23은 본 발명의 제 4 실시예에 있어서의 내측/외측 투입 파워비를 파라미터로 하는 전자 밀도의 공간 분포 특성을 도시한 도면,
도 24는 제 4 실시예에 있어서의 내측/외측 투입 파워비를 파라미터로 하는 중합막 퇴적 속도의 공간 분포 특성을 도시한 도면,
도 25는 제 4 실시예에 있어서의 내측/외측 투입 파워비를 파라미터로 하는 에칭 깊이의 공간 분포 특성을 도시한 도면,
도 26은 본 발명의 제 5 실시예에 있어서의 중심/주변 가스 유량비를 파라미터로 하는 CF2 래디컬 밀도의 공간 분포 특성을 도시한 도면,
도 27은 제 5 실시예에 있어서의 중심/주변 가스 유량비를 파라미터로 하는 Ar 래디컬 밀도의 공간 분포 특성을 도시한 도면,
도 28은 제 5 실시예에 있어서의 중심/주변 가스 유량비를 파라미터로 하는 N2 래디컬 밀도의 공간 분포 특성을 도시한 도면,
도 29는 제 5 실시예에 있어서의 중심/주변 가스 유량비를 파라미터로 하는 SiF4 반응 생성물의 공간 분포 특성을 도시한 도면,
도 30은 제 5 실시예에 있어서의 중심/주변 가스 유량비를 파라미터로 하는 C0 반응 생성물의 공간 분포 특성을 도시한 도면,
도 31은 제 5 실시예의 시뮬레이션에 있어서의 래디컬 생성(해리)의 구조를 도시한 도면,
도 32a 내지 도 32c는 본 발명의 제 6 실시예에 있어서의 BARC 에칭의 평가 모델 및 측정 데이터를 도시한 도면,
도 33a 내지 도 33c는 본 발명의 제 7 실시예에 있어서의 SiO2 에칭의 평가 모델 및 측정 데이터를 도시한 도면,
도 34는 플라즈마 밀도 분포 및 래디컬 밀도 분포의 2계통 독립 제어의 적용 예를 맵(map) 형식으로 도시한 도면.
이하에 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 대략 동일한 기능 및 구성을 갖는 구성요소에 대해서는, 동일부호를 부여하고, 중복 설명은 필요할 경우에만 실행한다.
(제 1 실시예)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치를 도시하는 종단면도이다. 이 플라즈마 에칭 장치는 용량 결합형의 평행 평판 플라즈마 에칭 장치로서 구성된다. 이 장치는 예컨대 표면이 알루마이트 처리(양극 산화 처리)된 알루미늄으로 이루어지는 원통형의 챔버(처리 용기)(10)를 갖는다. 챔버(10)는 보안 접지된다.
챔버(10)의 바닥부에는, 세라믹 등의 절연판(12)을 거쳐서 원주 형상의 서셉터 지지대(14)가 배치된다. 서셉터 지지대(14)상에, 예를 들면 알루미늄으로 이루어지는 서셉터(16)가 배치된다. 서셉터(16)는 하부 전극을 구성하고, 그상에 피처리 기판으로서 예컨대 반도체 웨이퍼(W)가 탑재된다.
서셉터(16)의 상면에는, 반도체 웨이퍼(W)를 정전 흡착력으로 유지하기 위한 정전 척(18)이 배치된다. 정전 척(18)은 도전막으로 이루어지는 전극(20)을 한쌍의 절연층 또는 절연 시트 사이에 끼운 것이다. 전극(20)에는 직류 전원(22)이 전기적으로 접속된다. 직류 전원(22)으로부터의 직류 전압에 의해, 반도체 웨이퍼(W)가 쿨롱력으로 정전 척(18)에 흡착 유지된다. 정전 척(18)의 주위에서 서셉터(16)의 상면에는, 에칭의 균일성을 향상시키기 위해서, 예를 들면 실리콘으로 이루어지는 포커스 링(24)이 배치된다. 서셉터(l6) 및 서셉터 지지대(14)의 측면에는, 예를 들면 석영으로 이루어지는 원통형의 내벽 부재(26)가 붙여진다.
서셉터 지지대(14)의 내부에는, 예컨대 원주방향으로 연장되는 냉매실(28)이 배치된다. 냉매실(28)에는, 외부 부착의 냉각 유닛(도시하지 않음)에 의해 배관(30a, 30b)을 거쳐서 소정 온도의 냉매, 예컨대 냉각수가 순환 공급된다. 냉매의 온도에 의해 서셉터(16)상의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 온도를 제어할 수 있다. 더욱이, 열전 가스 공급 기구(도시하지 않음)로부터의 열전 가스, 예컨대 He 가스가 가스 공급 라인(32)을 거쳐서 정전 척(18)의 상면과 반도체 웨이퍼(W)의 이면 사이에 공급된다.
서셉터(16)의 상방에는, 이 서셉터와 평행하게 대향하여 상부 전극(34)이 배치된다. 양쪽 전극(16, 34) 사이의 공간은 플라즈마 생성 공간이다. 상부 전극(34)은 서셉터(하부 전극)(16)상의 반도체 웨이퍼(W)와 대향하여 플라즈마 생성 공간과 접하는 면 즉 대향면을 형성한다. 상부 전극(34)은 서셉터(16)와 소정의 간격을 두어 대향 배치되는 링 형상 또는 도우넛 형상의 외측(outer) 상부 전극(36)과, 외측 상부 전극(36)의 반경방향 내측에 절연하여 배치되는 원판 형상의 내측(inner) 상부 전극(38)으로 구성된다. 이들 외측 상부 전극(36)과 내측 상부 전극(38)은 플라즈마 생성에 관하여, 전자(36)가 주이고, 후자(38)가 보조의 관계를 갖는다.
도 2는 도 1의 플라즈마 에칭 장치의 주요부를 도시하는 부분 확대 단면도이다. 도 2에 명시하는 바와 같이, 외측 상부 전극(36)과 내측 상부 전극(38) 사이에는 예를 들면 0.25mm 내지 2.Omm의 환상 갭(간극)이 형성되고, 이 갭에 예를 들면 석영으로 이루어지는 유전체(40)가 설치된다. 이 갭에 세라믹(96)을 설치할 수도 있다. 유전체(40)를 끼어서 양쪽 전극(36, 38) 사이에 콘덴서가 형성된다. 이 콘덴서의 커패시턴스(C40)는 갭의 사이즈와 유전체(40)의 유전율에 따라 소정의 값으로 선정 또는 조정된다. 외측 상부 전극(36)과 챔버(10)의 측벽 사이에는, 예를 들면 알루미나(A12O3)로 이루어지는 링 형상의 절연성 차폐 부재(42)가 기밀하게 부착된다.
외측 상부 전극(36)은 줄 열이 적은 저 저항의 도전체 또는 반도체, 예를 들면 실리콘으로 구성되는 것이 바람직하다. 외측 상부 전극(36)에는, 정합기(44), 상부 급전봉(46), 커넥터(48) 및 급전통(50)을 거쳐서 제 1 고주파 전원(52)이 전기적으로 접속된다. 제 1 고주파 전원(52)은 13.5MHz 이상의 주파수 예컨대 60MHz의 고주파 전압을 출력한다. 정합기(44)는 고주파 전원(52)의 내부(또는 출력) 임피던스에 부하 임피던스를 조정시키기 위한 것이다. 정합기(44)는 챔버(10)내에 플라즈마가 생성될 때, 고주파 전원(52)의 출력 임피던스와 부하 임피던스가 외견상 일치하도록 기능한다. 정합기(44)의 출력 단자는 상부 급전봉(46)의 상단부에 접속된다.
급전통(50)은 원통형 또는 원추형 혹은 그들에 가까운 형상의 도전판 예를 들면 알루미늄판 또는 동판으로 이루어진다. 급전통(50)의 하단부는 원주방향으로 연속적으로 외측 상부 전극(36)에 접속된다. 급전통(50)의 상단부는 커넥터(48)에 의해 상부 급전봉(46)의 하단부에 전기적으로 접속된다. 급전통(50)의 외측에서는, 챔버(10)의 측벽이 상부 전극(34)의 높이 위치보다도 상방으로 연장되어 원통형 접지 도체(1Oa)를 구성한다. 원통형 접지 도체(10a)의 상단부는 통형상의 절연 부재(54)에 의해 상부 급전봉(46)으로부터 전기적으로 절연된다. 이와 같은 구성에 있어서는, 커넥터(48)로부터 본 부하 회로에 있어서, 급전통(50) 및 외측 상부 전극(36)과 원통형 접지 도체(10a)로 전자(36, 50)를 도파로로 하는 동축 선로가 형성된다.
다시 도 1에 있어서, 내측 상부 전극(38)은 다수의 가스 통기구(56a)를 갖는 전극판(56)과 전극판(56)을 탈착가능하게 지지하는 전극 지지체(58)를 갖는다. 전극판(56)은 예를 들면 Si, SiC 등의 반도체 재료로 이루어지고, 전극 지지체(58)는 도전 재료 예컨대 표면이 알루마이트 처리된 알루미늄으로 이루어진다. 전극 지지체(58)의 내부에는, 예를 들면 O링으로 이루어진 환상 격벽 부재(60)로 분할된 2개의 가스 도입실, 즉 중심 가스 도입실(62)과 주변 가스 도입실(64)이 배치된다. 중심 가스 도입실(62)과 그 하면에 설치되는 다수의 가스 분출 구멍(56a)으로 중심 샤워 헤드가 구성된다. 주변 가스 도입실(64)과 그 하면에 설치되는 다수의 가스 분출 구멍(56a)으로 주변 샤워 헤드가 구성된다.
가스 도입실(62, 64)에는, 공통의 처리 가스 공급원(66)으로부터의 처리 가스가 소정의 유량비로 공급된다. 보다 상세하게는, 처리 가스 공급원(66)으로부터의 가스 공급관(68)이 도중에 2개로 분기하여 가스 도입실(62, 64)에 접속되고, 각각의 분기관(68a, 68b)에 유량 제어 밸브(70a, 70b)가 배치된다. 처리 가스 공급원(66)으로부터 가스 도입실(62, 64)까지의 유로의 컨덕턴스는 동일하므로, 유량 제어 밸브(70a, 70b)의 조정에 의해, 양쪽 가스 도입실(62, 64)에 공급하는 처리 가스의 유량비를 임의로 조정할 수 있다. 또한, 가스 공급관(68)에는 매스플로우 컨트롤러(MFC)(72) 및 개폐 밸브(74)가 배치된다.
이와 같이, 중심 가스 도입실(62)과 주변 가스 도입실(64)에 도입하는 처리 가스의 유량비를 조정한다. 이로써, 중심 가스 도입실(62)에 대응하는 전극 중심부의 가스 통기구(56a) 즉 중심 샤워 헤드보다 분출되는 가스의 유량(Fc)과, 주변 가스 도입실(64)에 대응하는 전극 주변부의 가스 통기구(56a) 즉 주변 샤워 헤드에 의해 분출되는 가스의 유량(FE)의 비율(Fc/FE)을 임의로 조정할 수 있다. 또한, 중심 샤워 헤드 및 주변 샤워 헤드에 의해 각기 분출시키는 처리 가스의 단위 면적당의 유량을 다르게 하는 것도 가능하다. 더욱이, 중심 샤워 헤드 및 주변 샤워 헤드에 의해 각기 분출시키는 처리 가스의 가스종 또는 가스 혼합비를 독립 또는 별개로 선정하는 것도 가능하다.
내측 상부 전극(38)의 전극 지지체(58)에는, 정합기(44), 상부 급전봉(46), 커넥터(48) 및 하부 급전통(76)을 거쳐서 제 1 고주파 전원(52)이 전기적으로 접속된다. 하부 급전통(76)의 도중에는, 커패시턴스를 가변 조정할 수 있는 가변 콘덴서(78)가 배치된다.
도시는 생략하지만, 외측 상부 전극(36) 및 내측 상부 전극(38)에도 적당한 냉매실 또는 냉각 재킷(도시하지 않음)을 설치해도 좋다. 이 냉매실 또는 냉각 재킷에, 외부의 냉각 유닛으로부터 냉매를 공급함으로써 전극의 온도를 제어할 수 있다.
챔버(10)의 바닥부에는 배기구(80)가 설치되고, 배기구(80)에 배기관(82)을 거쳐서 배기 장치(84)가 접속된다. 배기 장치(84)는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 갖고 있어서, 챔버(10)내의 플라즈마 처리 공간을 소정의 진공도까지 감압할 수 있다. 또한, 챔버(10)의 측벽에는 반도체 웨이퍼(W)의 반입출구를 개폐하는 게이트 밸브(86)가 부착된다.
이 실시예의 플라즈마 에칭 장치로는, 하부 전극으로서의 서셉터(16)에 정합기(88)를 거쳐서 제 2 고주파 전원(90)이 전기적으로 접속된다. 제 2 고주파 전원(90)은 2MHz 내지 27MHz의 범위내의 주파수, 예컨대 2MHz의 고주파 전압을 출력한다. 정합기(88)는 고주파 전원(90)의 내부(또는 출력) 임피던스에 부하 임피던스를 조정시키기 위한 것이다. 정합기(88)는 챔버(10)내에 플라즈마가 생성될 때, 고주파 전원(90)의 내부 임피던스와 부하 임피던스가 외견상 일치하도록 기능한다.
내측 상부 전극(38)에는, 제 1 고주파 전원(52)으로부터의 고주파(60MHz)를 통과시키지 않고, 제 2 고주파 전원(98)으로부터의 고주파(2MHz)를 그라운드로 통과시키기 위한 로우패스 필터(LPF)(92)가 전기적으로 접속된다. 로우패스 필터(LPF)(92)는, 바람직하게는 LR 필터 또는 LC 필터로 구성된다. 그러나, 1개의 도선만이라도 제 1 고주파 전원(52)으로부터의 고주파(60MHz)에 대하여는 충분히 큰 리액턴스를 부여할 수 있으므로, 그것으로 완료할 수도 있다. 한편, 서셉터(16)에는, 제 1 고주파 전원(52)으로부터의 고주파(60MHz)를 그라운드로 통과시키기 위한 하이패스 필터(HPF)(94)가 전기적으로 접속된다.
이 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭을 실행하기 위해서는, 우선 게이트 밸브(86)를 열린 상태로 하여 가공 대상의 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(10)내에 반입하고, 서셉터(16)상에 탑재한다. 그리고, 처리 가스 공급원(66)에 의해 에칭 가스(일반적으로 혼합 가스)를 소정의 유량 및 유량비로 가스 도입실(62, 64)에 도입하고, 배기 장치(84)에 의해 챔버(10)내의 압력 즉 에칭 압력을 설정값(예컨대 수 mTorr 내지 1Torr의 범위내)으로 한다. 더욱이, 제 1 고주파 전원(52)에 의해 플라즈마 생성용 고주파(60MHz)를 소정의 파워로 상부 전극[34(36, 38)]에 공급하는 동시에, 제 2 고주파 전원(90)에 의해 고주파(2MHz)를 소정의 파워로 서셉터(16)에 공급한다. 또한, 직류 전원(22)에 의해 직류 전압을 정전 척(18)의 전극(20)에 공급하고, 반도체 웨이퍼(W)를 서셉터(16)에 고정한다. 내측 상부 전극(38)의 가스 통기구(56a)에 의해 토출된 에칭 가스는 상부 전극[34(36, 38)]과 서셉터(16) 사이의 글로우(glow) 방전중으로 플라즈마화한다. 이 플라즈마에서 생성되는 래디컬이나 이온에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 피처리면이 에칭된다.
이 플라즈마 에칭 장치에서는, 상부 전극(34)에 대해 높은 주파수 영역(이온이 움직이지 않는 5MHz 내지 10MHz 이상)의 고주파를 공급한다. 이로써, 플라즈마를 바람직한 해리 상태에서 고밀도화하고, 보다 저압의 조건하에서도 고밀도 플라즈마를 형성할 수 있다.
또한, 상부 전극(34)에 있어서, 반도체 웨이퍼(W)와 바로 정면에 대향하는 내측 상부 전극(38)은 샤워 헤드 겸용형을 하고, 중심 샤워 헤드(62, 56a)와 주변 샤워 헤드(64, 56a)로 가스 토출 유량의 비율을 임의로 조정할 수 있다. 이 때문에, 가스 분자 또는 래디컬 밀도의 공간 분포를 반경방향으로 제어하고, 래디컬 베이스에 의한 에칭 특성의 공간적인 분포 특성을 임의로 제어할 수 있다.
한편, 상부 전극(34)에 있어서는, 후술하는 바와 같이, 플라즈마 생성을 위한 고주파 전극으로서 외측 상부 전극(36)을 주(主), 내측 상부 전극(38)을 부(副)라고 하고, 양쪽 고주파 전극(36, 38)에 의해 전극 바로 아래의 전자에 부여하는 전계 강도의 비율을 조정 가능하게 하고 있다. 이 때문에, 플라즈마 밀도의 공간 분포를 반경방향으로 제어하고, 반응성 이온 에칭의 공간적인 특성을 임의 또한 세밀하게 제어할 수 있다.
여기에서, 중요한 것은 플라즈마 밀도 공간 분포의 제어가 래디컬 밀도 공간분포의 제어에 실질적인 영향을 미치지 않는 것이다. 플라즈마 밀도 공간 분포의 제어는 외측 상부 전극(36)과 내측 상부 전극(38) 사이에서 전계 강도 또는 투입 전력의 비율을 가변함으로써 수행된다. 래디컬 밀도 공간 분포의 제어는 중심 샤워 헤드(62, 56a)와 주변 샤워 헤드(64, 56a) 사이로 처리 가스의 유량이나 가스 밀도 또는 가스 혼합비의 비율을 가변함으로써 수행된다.
즉, 중심 샤워 헤드(62, 56a)와 주변 샤워 헤드(64, 56a)에 의해 분출되는 처리 가스의 해리가 내측 상부 전극(38) 바로 아래의 영역내에서 수행된다. 이 때문에, 내측 상부 전극(38)과 외측 상부 전극(36) 사이에서 전계 강도의 밸런스를 바꾸어도, 내측 상부 전극(38)내(동일 영역내)의 중심 샤워 헤드(62, 56a)와 주변 샤워 헤드(64, 56a) 사이의 래디컬 생성량 또는 밀도의 밸런스에는 그다지 영향을 미치지 않는다. 이와 같이, 플라즈마 밀도의 공간 분포와 래디컬 밀도의 공간 분포를 실질적으로 독립으로 제어할 수 있다.
또한, 이 플라즈마 에칭 장치는, 외측 상부 전극(36)의 바로 아래에서 플라즈마의 대부분 또는 과반을 생성하여 내측 상부 전극(38)의 바로 아래로 확산시키는 방식으로 이루어진다. 이 방식에 따르면, 샤워 헤드를 겸하는 내측 상부 전극(38)이 받는 플라즈마의 이온으로부터의 공격이 적다. 이 때문에, 교환 부품인 전극판(56)의 가스 토출구(56a)의 스퍼터 진행도를 효과적으로 억제하고, 전극판(56)의 수명을 대폭 연장시킬 수 있다. 한편, 외측 상부 전극(36)은 전계가 집중하는 가스 토출구를 갖고 있지 않다. 이 때문에, 이온의 공격은 적고, 내측 상부 전극(38) 대신에 전극 수명이 단축되는 일은 없다.
도 2는, 먼저 설명한 바와 같이, 이 플라즈마 에칭 장치의 주요부(특히, 플라즈마 생성 수단을 구성하는 주요부)의 구성을 도시한다. 도 2중, 내측 상부 전극(38)의 샤워 헤드부(56a, 62, 64)의 구조를 생략하고 있다. 도 3은 제 1 실시예에 있어서의 플라즈마 생성 수단의 주요부의 등가 회로를 도시하는 회로도이다. 이 등가 회로에서는 각부의 저항을 생략하고 있다.
이 실시예에서는, 상기한 바와 같이, 커넥터(48)로부터 본 부하 회로에 있어서, 외측 상부 전극(36) 및 급전통(50)과 원통형 접지 도체(10a)에서, 전자(36, 50)를 도파로(Jo)로 하는 동축 선로가 형성된다. 여기에서, 급전통(50)의 반경(외경)을 ao, 원통형 접지 도체(1Oa)의 반경을 b로 하면, 이 동축 선로의 특성 임피던스 또는 인덕턴스(Lo)는 하기의 수학식 1에서 근사할 수 있다.
[수학식 1]
Lo = K·In(b/ao)
단, K는 도전로의 이동도 및 유전율로 결정되는 정수이다.
한편, 커넥터(48)로부터 본 부하 회로에 있어서, 하부 급전봉(76)과 원통형 접지 도체(10a) 사이에서도, 전자(76)를 도파로(Ji)로 하는 동축 선로가 형성된다. 내측 상부 전극(38)도 하부 급전봉(76)의 연장상에 있지만, 직경이 많이 달라서, 하부 급전봉(76)의 임피던스가 지배적이다. 여기에서, 하부 급전봉(76)의 반경(외경)을 ai라고 하면, 이 동축 선로의 특성 임피던스 또는 인덕턴스(Li)는 하기의 수학식 2에서 근사할 수 있다.
[수학식 2]
Li = K ·In(b/ai)
상기의 수학식 1, 2에서 이해되는 바와 같이, 내측 상부 전극(38)에 고주파를 전해주는 내측 도파로(Ji)는 종래 일반적인 RF 시스템와 마찬가지의 인덕턴스(Li)를 부여한다. 한편, 외측 상부 전극(36)에 고주파를 전해주는 외측 도파로(Jo)는 직경이 큰 만큼 현저하게 작은 인덕턴스(Lo)를 부여한다. 이로써, 정합기(44)로부터 보아서 커넥터(48)보다 먼저의 부하 회로에서는, 저 임피던스의 외측 도파로(Jo)에서 고주파가 전파하기 쉽다(전압 강하가 작음). 이 때문에, 외측 상부 전극(36)에 많은 고주파 전력(Po)을 공급하고, 외측 상부 전극(36)의 하면(플라즈마 접촉면)에 강한 전계 강도(Eo)를 얻을 수 있다. 한편, 고 임피던스의 내측 도파로(Ji)에서는 고주파가 전파하기 어렵다(전압 강하가 큼). 이 때문에, 내측 상부 전극(38)에 외측 상부 전극(36)에 공급되는 고주파 전력(Po)보다도 작은 고주파 전력(Pi)을 공급하고, 내측 상부 전극(38)의 하면(플라즈마 접촉면)에 얻어지는 전계 강도(Ei)를 외측 상부 전극(36)측의 전계 강도(Eo)보다도 작게 할 수 있다.
이와 같이, 상부 전극(34)에서는, 외측 상부 전극(36)의 바로 아래에서 상대적으로 강한 전계(Eo)에서 전자를 가속시키는 동시에, 내측 상부 전극(38)의 바로 아래에서는 상대적으로 약한 전계(Ei)에서 전자를 가속시킨다. 이로써, 외측 상부 전극(36)의 바로 아래에서 플라즈마(P)의 대부분 또는 과반이 생성되고, 내측 상부 전극(38)의 바로 아래에서는 보조적으로 플라즈마(P)의 일부가 생성된다. 그리고, 외측 상부 전극(36)의 바로 아래에서 생성된 고밀도의 플라즈마가 반경방향의 내측과 외측으로 확산함으로써, 상부 전극(34)과 서셉터(16) 사이의 플라즈마 처리 공간에 있어서 플라즈마 밀도가 반경방향으로 고르게 된다.
따라서, 외측 상부 전극(36) 및 급전통(50)과 원통형 접지 도체(1Oa)로 형성되는 동축 선로에 있어서의 최대 전송 전력(Pmax)은 급전통(50)의 반경(ao)과 원통형 접지 도체(10a)의 반경(b)에 의존하고, 하기의 수학식 3에서 주어진다.
[수학식 3]
Pmax / Eo 2max = ao 2 [In(b/ao)]2 / 2Zo
여기서, Zo는 정합기(44)측에서 본 해당 동축 선로의 입력 임피던스이고, Eomax는 RF 전송계의 최대 전계 강도이다.
상기의 수학식 3에 있어서, 최대 전송 전력(Pmax)은 (b/ao)≒ 1.65에서 극대치가 된다. 즉, 급전통(50)의 반경에 대하여 원통형 접지 도체(1Oa)의 반경의 비(b/ao)가 약 1.65일 때, 외측 도파로(Jo)의 전력 전송 효율이 가장 양호하게 된다. 이와 같은 실시예로부터, 외측 도파로(Jo)의 전력 전송 효율을 향상시키기 위해서, 급전통(50) 및/또는 원통형 접지 도체(10a)의 반경을 선정하고, 비(b/ao)를 적어도 1.2 내지 2.0의 범위내에 들어가도록 구성하는 것이 바람직하고, 1.5 내지 1.7의 범위내에 들어가도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.
이 실시예에서는, 플라즈마 밀도의 공간 분포를 임의 또한 세밀하게 제어하기 위해서, 외측 상부 전극(36) 바로 아래의 외측 전계 강도(Eo)[또는 외측 상부 전극(36)측으로의 투입 전력(Po)]와 내측 상부 전극(38) 바로 아래의 내측 전계 강도(Ei)[또는 내측 상부 전극(38)측으로의 투입 전력(Pi)]의 비율 즉 밸런스를 조정하기 위한 수단으로서, 하부 급전봉(76)의 도중에 가변 콘덴서(78)를 삽입하고 있다. 가변 콘덴서(76)의 커패시턴스(C78)를 바꿈으로써, 내측 도파로(Ji)의 임피던스 또는 리액턴스를 증감시켜서, 외측 도파로(Jo)의 전압 강하와 내측 도파로(Ji)의 전압 강하의 상대 비율을 바꾼다. 이로써, 외측 전계 강도(Eo)[외측 투입 전력(Po)]와 내측 전계 강도(Ei)[내측 투입 전력(Pi)]의 비율을 조정할 수 있다.
또한, 플라즈마의 전위 강하를 주는 이온 시스(sheath)의 인피던스는 일반적으로 용량성이다. 도 3의 등가 회로에서는, 외측 상부 전극(36) 바로 아래에 있어서의 시스 임피던스의 커패시턴스를 Cpo, 내측 상부 전극(38) 바로 아래에 있어서의 시스 임피던스의 커패시턴스를 Cpi로 가정(의제)하고 있다. 또한, 외측 상부 전극(36)과 내측 상부 전극(38) 사이에 형성되는 콘덴서의 커패시턴스(C40)는 가변 콘덴서(78)의 커패시턴스(C78)과 조합되어 상기와 같은 외측 전계 강도(Eo)[외측 투입 전력(Po)]와 내측 전계 강도(Ei)[내측 투입 전력(Pi)]의 밸런스를 좌우한다. 커패시턴스(C40)는 가변 콘덴서(78)에 의한 전계 강도(투입 전력) 밸런스 조정 기능을 최적화할 수 있도록 한 값으로 선정 또는 조정할 수 있다.
도 4 및 도 5는 이 실시예의 가변 콘덴서(78)에 의한 전계 강도 밸런스 조정 기능의 검증예(시뮬레이션 데이터}를 도시한다. 도 4는 가변 콘덴서(78)의 커패시턴스(C78)를 파라미터로 하여 전극의 반경방향에 있어서의 전계 강도(상대값)의 분포 특성을 도시한다. 도 5는 가변 콘덴서(78)의 커패시턴스(C78)를 바꾸었을 때의 외측 전계 강도(Eo)와 내측 전계 강도(Ei)의 상대 비율을 도시한다.
또한, 이 시뮬레이션에서는, 반도체 웨이퍼(W)의 구경을 200mm으로 하고, 원판 형상의 내측 상부 전극(38)의 반경을 100mm, 링 형상의 외측 상부 전극(36)의 내측 반경 및 외측 반경을 각각 10lmm, 141mm로 선택하였다. 이 경우, 반도체 웨이퍼(W)의 면적(314cm2)에 대하여, 내측 상부 전극(38)의 면적은 314cm2로 웨이퍼(W)와 동일하고, 외측 상부 전극(36)의 면적은 304cm2로 웨이퍼(W)보다도 다소 작다. 대체로, 웨이퍼(W)와 대향하는 면에 있어서, 외측 상부 전극(36)의 평면적은 내측 상부 전극(38)의 평면적의 약 1/4배 내지 약 1배로 선택되는 것이 바람직하다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 외측 상부 전극(36) 바로 아래의 외측 전계 강도(Eo)쪽이 내측 상부 전극(38) 바로 아래의 내측 전계 강도(Ei)보다도 크고, 양쪽전극(36, 38)의 경계부 근에서 전계 강도에 큰 단차가 생긴다. 특히, 외측 상부 전극(36) 바로 아래의 외측 전계 강도(Eo)는 내측 상부 전극(38)과의 경계 부근에서 최대가 되고, 반경방향의 외측으로 갈수록 낮아지는 경향이 있다. 이 예에서는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 가변 콘덴서(78)의 커패시턴스(C78)를 180pF 내지 350pF의 범위내에서 바꾸면, 전계 강도(Ei, Eo)의 비율 Ei/Eo를 약 10% 내지 40%의 범위내에서 연속적으로 제어할 수 있다. 또한, C78 = 125pF 내지 18OpF는 부하 회로가 공진하는 영역이며, 제어 불능으로 되어 있다. 기본적으로, 안정 영역에서는, 가변 콘덴서(78)의 커패시턴스(C78)를 크게 할수록, 내측 도파로(Ji)의 리액턴스를 감소시켜서, 내측 상부 전극(38) 바로 아래의 내측 전계 강도(Ei)를 상대적으로 증대시켜서, 외측 전계 강도(Eo)와 내측 전계 강도(Ei)의 비율 Ei/Eo를 높게 하는 방향으로 제어할 수 있다.
이 실시예에 있어서는, 급전통(50)에 의해 구성되는 외측 도파로(Jo)의 리액턴스를 현저하게 작게 할 수 있기 위해서, 정합기(44)의 출력 단자로부터 본 부하 회로의 임피던스의 리액턴스를 용량성의 음의 값으로 할 수 있다. 이것은 정합기(44)의 출력 단자로부터 용량성의 이온 시스에 이르기까지의 도파로에 있어서, 리액턴스가 유전성의 리액턴스가 유전성의 양의 값으로부터 음의 값으로 극성 반전하도록 공진 포인트가 존재하지 않는 것을 의미한다. 공진 포인트의 발생을 회피하고, 공진 전류의 발생을 회피하고, 고주파 에너지의 손실을 저감할 수 있는 동시에 플라즈마 밀도 분포 제어의 안정성을 확보할 수 있다.
도 6a(바이어스 온), 도 6b(바이어스 오프) 및 도 7a(X방향), 도 7b(Y방향)에, 이 실시예의 플라즈마 에칭 장치에 있어서 얻어지는 전자 밀도 분포 특성 및 에칭 속도 분포 특성의 일 예(실험 데이터)를 도시한다. 이 실험에서는, 도 4 및 도 5의 전계 강도 분포 특성과 마찬가지로, 가변 콘덴서(78)의 커패시턴스(C78)를 파라미터로 했다. 그리고, 플라즈마 흡수 프로브(PAP)를 이용하여 반경방향의 각 위치에 있어서의 전자 밀도를 측정했다. 또한, 반도체 웨이퍼상의 실리콘 산화막을 에칭하여 반경방향의 각 웨이퍼 위치에 있어서의 에칭 속도를 측정했다. 이 실험에서도, 내측 상부 전극(38)의 반경을 100mm, 외측 상부 전극(36)의 내측 반경 및 외측 반경을 각각 10lmm, 141mm으로 선택했다. 주된 에칭 조건은 아래와 같다.
웨이퍼 직경 = 200mm
챔버내의 압력 = 15mTorr
온도(상부 전극/챔버 측벽/하부 전극) = 60/50/20℃
열전 가스(He 가스) 공급 압력(센터부/에지부) = 15/25Torr
상부 및 하부 전극간 거리 = 50mm
프로세스 가스(C5F8/Ar/O2) ≒ 유량 20/380/20sccm
고주파 전력(60MHz/2MHz) ≒ 2200W/150OW(C78=50OpF, 100OPF), 18OOW(C78=12OpF)
도 6a 및 도 6b에 있어서, 가변 콘덴서(78)의 커패시턴스(C78)를 120pF로 선택하였을 때에는, 외측 전계 강도(Eo)와 내측 전계 강도(Ei)의 비율 Ei/Eo을 높은 쪽으로 선택한 경우이다. 이 경우, 전극 중심 부근이 최대로, 반경방향 외측으로 갈수록 단조롭게 감소하도록 전자 밀도 즉 플라즈마 밀도의 분포 특성을 얻을 수 있다. 이 경우, 주 플라즈마 생성부인 외측 상부 전극(36)의 바로 아래에 있어서의 플라즈마 생성율과, 부 플라즈마 생성부인 내측 상부 전극(38)의 바로 아래에 있어서의 플라즈마 생성율의 차를 플라즈마의 확산율이 상회하고, 전 방향으로부터 모이는 중심부의 플라즈마 밀도가 주위보다도 상대적으로 높아지는 것도 고려된다.
한편, 커패시턴스(C78)를 1OOOpF로 선택했을 때에는, 외측 전계 강도(Eo)와 내측 전계 강도(Ei)의 비율 Ei/Eo을 낮음에 선택한 경우이다. 이 경우, 반경방향에서 웨이퍼의 내측보다도 외측의 위치(중심으로부터 140mm의 위치 부근)에서 전자 밀도를 극대화시켜서, 웨이퍼의 내측(O 내지 1OOmm)에서는 거의 균일한 전자 밀도 분포를 얻을 수 있다. 이것은 내측 상부 전극(38)의 바로 아래에 있어서의 플라즈마 생성율의 증대에 의해 반경방향 외측으로의 확산이 강해지기 위해서도 고려된다. 어떠한 경우에도, 가변 콘덴서(78)의 커패시턴스(C78)를 적당한 범위내에서 세밀하게 가변 조정함으로써, 전자 밀도 즉 플라즈마 밀도의 공간 분포 특성을 자유롭게 또한 세밀하게 제어할 수 있다.
또한, 하부 전극(16)에 고주파 바이어스(2MHz)를 공급했을 경우(도 6a)는 공급하지 않을 경우(도 6b)와 비교하고, 각 위치의 전자 밀도가 어느 정도 증대하는 것과, 분포 패턴은 거의 변하지 않는다.
도 7a 및 도 7b의 실험 데이터에 따르면, 가변 콘덴서(78)의 커패시턴스(C78)를 가변 조정함으로써, 도 6a 및 도 6b의 전자 밀도 공간 분포 특성에 대응하는 패턴의 에칭 속도 공간 분포 특성을 얻을 수 있다. 즉, 가변 콘덴서(78)의 커패시턴스(C78)를 적당한 범위내에서 세밀하게 가변 조정함으로써, 웨이퍼면내의 에칭 속도 공간 분포 특성도 자유롭고 또한 세밀하게 제어가능할 수 있다.
또한, 이 실시예의 플라즈마 에칭 장치에서는, 상기한 바와 같이 내측 상부 전극(36)의 샤워 헤드 기구에 있어서, 중심부와 외주부에서 가스 토출 유량의 비율을 가변 조정할 수 있다. 이 기능에 의해, 래디컬 베이스에서 에칭 속도 공간 분포 특성의 제어를 더불어서 실행하는 것도 가능하다.
(제 2 실시예)
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치를 도시하는 단면도이다. 도 8중, 상기한 제 1 실시예의 장치(도 1)에 있어서의 것과 마찬가지의 구성 또는 기능을 갖는 부분에는 동일한 부호를 부여하고 있다.
제 2 실시예에 있어서의 특징의 하나는, 고주파 전원(52)으로부터의 고주파를 외측 상부 전극(36)에 전송하기 위한 전송로 즉 급전통(50)에 주물을 사용하는 구성이다. 이 주물의 재질은 도전성과 가공성에 뛰어난 금속이 바람직하고, 예컨대 알루미늄이 좋다. 주물의 이점중 하나는 비용이 낮은 것이며, 판재제(板材製)의 것과 비교하여 1/7 이하의 비용으로 줄일 수 있다. 별도의 이점으로서, 주물은 일체화가 용이하므로, RF 접면을 저감할 수 있기 때문에, RF 손실을 적게 할 수 있다.
더욱이, 급전통(50)을 주물로 구성하여도, 고주파 전송 효율이 저하하지는 않는다. 즉, 도 9a(주물), 도 9b(판) 및 도 10a(주물), 도 10b(판)의 실험 데이터에 도시한 바와 같이, 급전통(50)을 판재로 구성하여도 주물로 구성하여도, 에칭 속도는 거의 다르지 않는 것이 확인된다. 또한, 도 9a 및 도 9b는 실리콘 산화막(SiO2)에 따른 에칭 속도의 공간 분포 특성을 도시하고, 도 10a 및 도 10b는 포토레지스트(PR)에 따른 에칭 속도의 공간 분포 특성을 도시한다. 이 검증예에 있어서의 중심인 에칭 조건은 아래와 같다.
웨이퍼 직경 = 300mm
챔버내의 압력 = 25mTorr
온도(상부 전극/챔버 측벽/하부 전극) = 60/60/20℃
열전 가스(He 가스) 공급 압력(센터부/에지부) = 15/40Torr
상부 및 하부 전극간 거리 = 45mm
프로세스 가스(C5F8/Ar/O2) ≒ 유량 30/750/50sccm
고주파 전력(60MHz/2MHz) ≒ 3300W/380OW
측정 시간 = 120초
제 2 실시예에 있어서의 제 2 특징은 급전통(50)내에서 급전봉(76)의 주위에 링 형상의 도체 부재(100)를 설치하는 구성이다. 도체 부재(100)의 주된 역할은, 이하에 설명하는 바와 같이, 급전봉(76) 주위의 인덕턴스를 작게 하여, 가변 콘덴서(78)에 의한 외측/내측 투입 전력 밸런스 조정 기능의 범위를 개선하는 것이다.
이 플라즈마 처리 장치에서는, 상기한 바와 같이, 가변 콘덴서(78)의 커패시턴스(C78)를 바꿈으로써, 외측 상부 전극(36)에 대한 투입 전력(Po)과 내측 상부 전극(38)에 대한 투입 전력(Pi)의 비율을 임의로 조절할 수 있다. 일반적으로, 가변 콘덴서(78)에 있어서의 커패시턴스(C78)의 가변 조정은 스텝 모터 등을 이용하여 단계적으로 수행된다. 이 커패시턴스 가변 조정에서는, 상기한 바와 같이 제어 불능한 공진 영역(도 5에서는 125pF < C78 < 18OPF의 영역)을 피할 필요가 있다. 이 때문에, 상기 제 1 실시예에 있어서의 실험 검증예(도 6a, 도 6b, 도 7a, 도 7b)에서는 주로 공진 영역에서 우측의 안정 영역(C78 ≥ 180pF)을 사용했다. 그러나, 우측 안정 영역은 내측 투입 전력(Pi)의 비율을 올리는데도 한계가 있는 동시에, 전력의 손실도 큰 측면이 있다. 이 점, 도 4 및 도 5로부터도 명확한 바와 같이 공진 영역에서 좌측의 영역(C78 ≤ 125pF)은 내측 투입 전력(Pi)의 비율을 올리는데도 유리한 동시에, 전력 손실도 적은 이점이 있다. 단지, 공진 영역에서 좌측의 영역에서는 내측 투입 전력(Pi)의 비율을 올릴수록 공진 영역에 가까이 가기 때문에, 도 11의 특성 곡선(A)과 같은 변화율(경사)이 큰 특성 곡선 하에서는 공진 영역 앞에서의 미세 조정이 매우 어렵게 되는 측면이 있다.
이것을 해결하기 위해서는, 도 11의 특성 곡선(B)에서 도시하는 바와 같이 커패시턴스―내측 투입 전력 비율 특성 곡선에 있어서, 공진 영역에서 좌측의 영역의 변화율(경사)을 작게 하여 조정 범위를 확대하는 것이 유효하다. 그리고, 도 11의 특성 곡선(B)과 같은 경사가 완만한 브로드(broad)의 특성 곡선을 얻기 위해서는, 이하에 설명하는 바와 같이 급전봉(76) 주위의 인덕턴스(Li)를 작게 하는 것이 유효하다.
도 12는 제 2 실시예에 있어서의 플라즈마 생성용 고주파 급전 회로의 등가 회로를 도시하는 회로도이다. 급전봉(76)주위의 리액턴스(ωLi)는 콘덴서(78)의 리액턴스(1/ωC78)보다도 항상 큰 절대값으로 되므로, 내측 도파로(Ji)의 합성 리액턴스(X)는 항상 유도성이며, X = ωLa로 나타낼 수 있다. 이 외견상의 인덕턴스(La)와 커패시턴스(C40)로 형성되는 병렬 회로가 공진 상태가 될 때에는, 인덕턴스(La)의 서셉턴스(1/ωLa)와 커패시턴스(C40)의 서셉턴스(ωC40)가 상쇄하여 0이 될 때, 즉 l/ωLa = 1/(ωLi-1/ωC78) = ωC40이 성립할 때이다. 여기서, Li를 작게 할수록, 상기 공진 조건을 성립시키는 C78의 값이 커지고, 도 11의 특성 곡선(B)에 도시하는 바와 같은 공진 영역의 앞에서 경사가 완만한 브로드의 특성 곡선을 얻을 수 있다. 또한, 도 12의 등가 회로에서는, 설명을 간단히 하기 위해서, 외측 도파로(Jo)의 인덕턴스(Lo)를 생략하고 있다. 이 등가 회로에 인덕턴스(Lo)가 들어가 있어도 원리는 동일하다.
도 13은 이 실시예에 있어서의 도체 부재(100)의 작용을 도시한다. 급전봉(76)에 시간적으로 변화되는 전류(I)가 흐를 때, 급전봉(76)의 주위에는 루프 형상의 자속(B)이 생성되는 동시에, 전자 유도에 의해 도체 부재(100)의 내부에서는 자속(B)과 쇄교(鎖交)하는 유도 전류(i)가 흐른다. 그렇다면, 유도 전류(i)에 의해 도체 부재(100)의 내외에 루프 형상의 자속(b)이 생성되고, 도체 부재(100)의 내부에서는 자속(b) 만큼 자속(B)이 상쇄된다. 이와 같이 하여, 급전봉(76)의 주위에 도체 부재(100)를 설치함으로써, 급전봉(76) 주위의 정미의 자속 발생량을 저감하여 인덕턴스(Li)를 작게 할 수 있다.
도체 부재(100)의 외관 구조는 원주방향으로 연속한 단일의 링 형체가 바람직하지만, 복수의 도체 부재를 원주방향으로 열거하여 배치하는 구조이어도 좋다. 또한, 도체 부재(100)의 내부 구조는 도 13에 도시하는 바와 같은 링 형상의 공동을 갖는 공중체에서도 좋지만, 도 8에 도시하는 바와 같은 내부가 메워진 블록체 구조쪽이 보다 큰 인덕턴스 저감 효과를 얻을 수 있다. 도체 부재(100)의 용적은 클수록 바람직하고, 이상적으로는 급전통(50) 내측의 공간을 묻는 것이 가장 바람직하다. 실용적으로는, 급전통(50)과 외측 상부 전극(36)으로 둘러싸여지는 공간의 1/10 내지 1/3을 도체 부재(100)로 묻는 것이 바람직하다. 도체 부재(100)의 재질은 임의의 도전 재료로 좋고, 예컨대 알루미늄의 주물로도 좋다. 또한, 도체 부재(100)는 부근의 도체 즉 급전봉(76)이나 내측 상부 전극(38) 등과 전기적으로 절연된 상태로 배치된다.
도 14는 이 실시예에 있어서의 도체 부재(100)에 의한 상기 브로드 효과의 실증예를 실험 데이터로 도시한다. 도 14에 있어서, 특성 곡선(B')은 이 실시예의 장치 구조에서 얻을 수 있는 것이고, 특성 곡선(A')은 도체 부재(100)를 설치하지 않는 장치 구조에서 얻을 수 있는 것이다. 이들 특성 곡선(A', B')은 각각 도 11의 특성 곡선(A, B)을 상하로 뒤집어 놓은 것에 대응한다. 즉, 이 종류의 평행 평판형 플라즈마 장치에서는, 상부 전극(34)의 중심부로의 투입 전력[내측 투입 전력(Pi)의 비율을 올릴수록, 서셉터(16)측에서는 기판(W) 근방의 플라즈마 밀도가 높게 되고, 이로써 (플라즈마 밀도와 반비례하는) 서셉터(16)측의 바이어스 주파수의 Vpp가 낮아지는 관계가 있다. 이 관계로부터, 가변 콘덴서(78)의 바리콘(varicon) 단계값[커패시턴스(C78)의 값에 비례하는 제어량]을 가변하여 각 단계값으로 얻어지는 Vpp의 측정값을 플롯하여 얻어지는 특성 곡선(A', B')(도 14)은 도 11의 특성 곡선(A, B)을 상하로 뒤집어 놓은 것에 각각 대응한다. 도 14의 특성 곡선(B')으로부터 실증되는 바와 같이, 이 실시예에 따르면, 급전봉(76)의 주위에 도체 부재(100)를 설치함으로써, 가변 콘덴서(78)에 의한 외측/내측 투입 전력 밸런스 조정에 있어서, 내측 투입 전력(Pi)의 비율을 공진 영역의 앞에서 가급적으로 높은 값까지 안정 또한 세밀하게 제어할 수 있다.
제 2 실시예에 있어서의 제 3 특징은, 내측 상부 전극(38)과 그라운드 전위 사이에 접속되는 로우패스 필터(92)에 관한 것이다. 도 15a에 도시하는 바와 같이, 이 실시예에 있어서의 로우패스 필터(92)는 가변 저항기(93)와 코일(95)을 직렬 접속하여 이루어지고, 플라즈마 생성용 고주파(60MHz)를 통과시키지 않고, 바이어스용 고주파(2MHz) 이하의 교류 주파수와 직류를 통과시키도록 구성된다. 로우패스 필터(92)에 따르면, 가변 저항기(93)의 저항값(R93)을 가변 조정함으로써, 내측 상부 전극(38)의 직류 전위 또는 자기 바이어스 전압(Vdc)을 조정할 수 있다.
보다 상세하게는, 도 16에 도시하는 바와 같이, 저항기(93)의 저항값(R93)을 작게 할수록, 저항기(93)의 전압 강하가 작아지고, 음의 직류 전위(Vdc)는 상승한다(그라운드 전위에 가까이 감). 반대로, 저항기(93)의 저항값(R93)을 크게 할수록, 저항기(93)의 전압 강하가 커지고, 직류 전위(Vdc)는 내려간다. 가장 직류 전위(Vdc)가 높게 되면(통상은 ―150V보다도 높게 되면), 플라즈마 퍼텐셜(potential)이 상승하여, 이상 방전 또는 아킹(arcing)이 발생한다. 한편, 직류 전위(Vdc)가 낮아지면(통상은 ―450V보다도 낮아지면), 내측 상부 전극(38)으로의 이온의 공격이 강하게 되어서 전극의 소모가 빨라진다.
별도의 견해를 하면, 도 17에 도시하는 바와 같이, 직류 전위(Vdc)에는 상기와 같은 이상 방전 및 전극 소모 중 어느 것도 방지 또는 억제할 수 있는 적성 범위(-450V 내지 -150V)가 있고, 이 적성 범위에 대응하는 저항값(R93)의 범위(Ra∼Rb)가 존재한다. 따라서, 저항기(93)측으로부터 저항값(R93)을 상기 범위(Ra∼Rb)내에 선정 또는 조정함으로써, 직류 전위(Vdc)를 상기 적성 범위(-450V 내지 -150V)내에 조정할 수 있다. 또한, 상부 전극(34)[외측 상부 전극(36) 및 내측 상부 전극(38)] 전체에 공급하는 고주파 전력값에 의해도 저항값(R93)의 적성 범위(Ra∼Rb)가 변한다. 일례로서, 3000W의 고주파 파워에 대하여, 하한 저항값 Ra = 약 1MΩ의 실험 결과를 얻을 수 있다.
또한, 도 15b에 도시하는 바와 같이, 내측 상부 전극(38)을 가변 직류 전원(97)을 거쳐서 그라운드에 접지하고, 직류 전위(Vdc)를 전원 전압에 의해 직접적으로 제어하는 것도 가능하다. 가변 직류 전원(97)은 양극 전원으로 구성하는 것이 바람직하다.
제 2 실시예에 있어서의 제 4 특징은, 상부 전극(34)에 있어서, 외측 상부 전극(36)의 하면을 내측 상부 전극(38)의 하면보다도 하방 즉 서셉터(16)측에 돌출시키는 구성이다. 도 18은 제 2 실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치의 주요부를 도시하는 종단면도이다. 이 예에서는, 외측 상부 전극(36)을 상측의 제 1 전극 부재(36A)와 하측의 제 2 전극 부재(36B)로 이루어지는 상하 2분할 구조로 하고 있다. 본체의 제 1 전극 부재(36A)는 예를 들면 알루마이트 처리된 알루미늄으로 구성되어, 급전통(50)에 접속된다. 교환 부품의 제 2 전극 부재(36B)는 예를 들면 실리콘으로 구성되고, 내측 상부 전극(38)의 하면보다도 소정값(H) 만큼 돌출한 상태로 볼트(도시하지 않음) 등에 의해 제 1 전극 부재(36A)에 탈착가능하게 밀착하여 고정된다. 양쪽 전극 부재(36A, 36B) 사이에는, 열 컨덕턴스를 높이기 위한 부재(102)로서, 실리콘 고무 시트 등이 설치된다. 또한, 양쪽 전극 부재(36A, 36B)의 접촉면을 테프론(상품명)으로 코팅함으로써, 열저항을 낮게 하는 것도 가능하다.
외측 상부 전극(36)에 있어서의 돌출부(36B)의 돌출량(H) 및 내경(직경)(Φ)은 외측 상부 전극(36) 없이 상부 전극(34)에 의해 플라즈마 생성 공간에 주는 전계의 강도나 방향 등을 규정하고, 나아가서는 플라즈마 밀도의 공간 분포 특성을 좌우하는 중요한 요인이다.
도 19a 내지 도 19e는 돌출부(36B)의 돌출량(H) 및 내경(직경)(Φ)을 파라미터로 하는 전자 밀도 공간 분포 특성의 일 예(실험 데이터)를 도시한다. 이 실험에서도 플라즈마 흡수 프로브(PAP)를 이용하여 반경방향의 각 위치에 있어서의 전자 밀도를 측정했다. 단지, 반도체 웨이퍼의 구경을 300mm으로 했다. 주된 파라미터(Φ, H)는 도 l9a의 실험예에서는 Φ = 329mm, H = 15mm, 도 19b의 실험예에서는 Φ = 329mm, H = 20mm, 도 19c의 실험예에서는 Φ = 339mm, H = 20mm, 도 19d의 실험예에서는 Φ = 349mm, H = 20mm, 도 19e의 실험예에서는 Φ = 359mm, H = 25mm으로 했다. 또한, 부차적인 파라미터로서, 내측 투입 전력(Pi)과 외측 투입 전력(Po)의 비율 Pi/Po(RF 파워비)를 (30/70), (27/73), (20/80), (14/86)의 4종류로 선택했다.
도 19a 내지 도 19e의 실험 데이터에 있어서, 전자 밀도의 급격하게 강하하는 변곡점(F)이 외측 상부 전극(36)에 있어서의 돌출부(36B)의 내경(직경)(Φ)을 크게 할수록 반경방향 외측으로 이동하고, 돌출부(36B)의 돌출량(H)을 크게 할수록 올라간다. 이상적인 특성은 변곡점(F)이 웨이퍼 에지 위치(150mm 위치)의 바로 위에 위치하고, 또한 중심부측과의 평면인 관계를 높은 위치에서 유지하고 있는 분포 특성이다. 그 점에서는, 도 19d의 특성(Φ = 349mm, H = 20mm), 특히 RF 파워비 Pi/Po를 30/70으로 선택한 경우의 특성이 가장 이상값에 가깝다.
도 20a에, Φ, H를 이차원 파라미터로 하는 전자 밀도 공간 분포의 토털(total) 균일성(UT) 및 에지 균일성(UE)의 특성을 도시한다. 여기서, 토털 균일성(UT)이란, 도 20b에 도시하는 바와 같이, 웨이퍼 중심 위치(Ro)로부터 웨이퍼 에지 위치(R150)까지의 반경방향 전구간의 면내 균일성이다. 또한, 에지 균일성(UE)은 웨이퍼 에지 부근의 영역 예를 들면 반경 130mm의 위치(R130)로부터 웨이퍼 에지 위치(R150)까지의 구간에 있어서의 면내 균일성이다.
도 20a의 특성에 도시하는 바와 같이, 돌출부(36B)의 돌출량(H)은 토털 균일성(UT)을 크게 좌우하고, 에지 균일성(UE)에 대하여도 큰 영향력을 갖는다. 한편, 돌출부(36B)의 내경(직경)(Φ)은 에지 균일성(E)에 대하여 작용하지만, 토털 균일성(T)에는 거의 영향을 주지 않는다. 대개, 돌출부(36B)의 돌출량(H)은 25mm 이하로 하는 것이 바람직하고, 특히 20mm 부근에 설정하는 것이 가장 바람직하다. 또한, 돌출부(36B)의 내경(직경)(Φ)은 348mm 내지 360mm의 범위내에 설정하는 것이 바람직하고, 특히 349mm 부근에 설정하는 것이 가장 바람직하다. 또한, Φ = 348mm 내지 360mm은 돌출부(36B)가 웨이퍼의 에지보다도 반경방향 외측에 24mm 내지 3Omm 떨어진 위치에 배치되는 것을 의미한다.
중요한 것은, 외측 상부 전극(36)의 돌출부(36B)는 플라즈마 생성 공간에 대하여 주변측에서 반경방향 내측으로의 전계를 부여함으로써 플라즈마를 가두는 작용을 하는 점이다. 이것으로부터, 돌출부(36B)는 플라즈마 밀도 공간 분포 특성의 균일성을 도모하기 위해서는 웨이퍼의 에지보다도 반경방향 외측에 위치하는 것이 필수라고 할 수 있을 만큼 바람직하다. 한편으로, 돌출부(36B)의 반경방향의 폭은 중요한 것이 아니라, 임의의 폭으로 선택되어서 좋다.
(제 3 실시예)
도 21은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치의 주요부를 도시하는 종단면도이다. 특징 이외의 부분은 상기 제 2 실시예의 것과 동일하여서 좋다. 제 3 실시예의 특징은 상기 제 2 실시예에 있어서의 외측 상부 전극(36)의 돌출부(36B) 주위에 쉴드 부재(104)를 설치하는 구성이다.
쉴드 부재(104)는 예를 들면 표면을 알루마이트 처리된 알루미늄판으로 이루어지고, 처리 용기(10)의 측벽에 물리적 또는 전기적으로 결합된다. 쉴드 부재(104)는 용기 측벽으로부터 외측 상부 전극(36)의 돌출부(36B) 아래까지는 거의 수평으로 연장되어 있고, 돌출부(36B) 및 링 형상 차폐 부재(42)의 하면을 비접촉 또는 절연 상태로 덮는다. 외측 상부 전극(36)의 제 2 전극 부재(36B)는 단면 L형태로 구성되고, 외주측의 부분이 수직 아래쪽으로 연장되어 돌출부를 형성한다. 이 돌출부의 돌출량(H) 및 내경(Φ)은 상기 제 2 실시예와 마찬가지의 수치 조건으로 설정할 수 있다.
쉴드 부재(104)의 기능은 외측 상부 전극(36)의 돌출부(36B)의 하면 및 링 형상 차폐 부재(42)의 하면으로부터의 고주파 방전을 차단 또는 봉인하고, 그 바로 아래에 있어서의 플라즈마 생성을 억제하는 것이다. 이로써, 일차적으로는 플라즈마를 웨이퍼 바로 위에 가두는 효과를 한층 높일 수 있다.
도 22a(쉴드 부재 있음) 및 도 22b(쉴드 부재 없음)는 쉴드 부재(104)에 의한 플라즈마 가둠 효과의 실험 데이터를 도시한다. 쉴드 부재(104)를 설치하지 않는 경우는, 도 22b에 도시하는 바와 같이, 반경방향에 있어서 플라즈마 전자 밀도가 웨이퍼 에지 위치(150mm)의 외측에서 일단 강하하고 나서 다시 상승하여 산 형상을 형성한다. 이것은, 외측 상부 전극(36)의 돌출부(36B)의 하면 및 링 형상 차폐 부재(42)의 하면으로부터 수직 아래쪽으로 고주파 전력이 방출됨으로써, 그 바로 아래에서도 플라즈마가 생성되고, 전자나 이온이 존재하고 있기 때문이다. 이와 같이, 웨이퍼 에지 위치보다 반경방향 외측으로 상당히 떨어진 공간내에 상당량의 플라즈마가 존재함으로써, 그 만큼 웨이퍼 바로 위의 플라즈마 밀도를 희박하게 할 수 있다.
이에 대하여, 이 실시예와 같이 쉴드 부재(104)를 설치했을 경우에는, 도 22a에 도시하는 바와 같이, 전자 밀도(플라즈마 밀도)는 웨이퍼 에지 위치(150mm)의 외측에서는 반경방향 외측을 향하여 실질적으로 단조롭게 감소하고, 반대로 웨이퍼 바로 위에서는 전체적으로 증대하고 있다. 이것은, 쉴드 부재(104)의 존재에 의해, 외측 상부 전극(36)의 돌출부(36B)의 하면 및 링 형상 차폐 부재(42)의 하면이 고주파의 통로가 아니라. 그 바로 아래에서의 플라즈마 생성이 대폭 감소하기 때문이다. 또한, 고주파 전원(52)의 RF 파워를 크게 할수록, 쉴드 부재(104)에 의한 플라즈마 가둠 효과 또는 플라즈마 확산 방지 효과도 커진다.
더욱이, 2차적 효과로서, 상기한 바와 같이 쉴드 부재(104)에 의해 웨이퍼 에지 위치의 외측에서 플라즈마 생성을 대폭 약하게 함으로써, 그 부근에서의 래디컬이나 이온 등의 에칭종도 적어진다. 이 때문에, 소망하지 않는 중합막이 용기내의 각부[특히 쉴드 부재(104) 부근]에 부착되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
예를 들면, 종래부터, Low-k막(저유전율 층간 절연막)의 에칭 가공에서는, 플라즈마 에칭 후에 동일 챔버내에서 O2 가스를 이용하여 애싱(ashing)(레지스트 제거)을 실행한다. 이 때, 먼저의 플라즈마 에칭에서 용기내에 폴리머의 형태로 부착되어 있던 반응종(예를 들면, CF, F 등)이 플라즈마중의 활성한 산소 원자에 의해 유기되고, Low-k막의 비어홀(via hole)을 보잉(boing) 형상으로 깎거나 막내에 침입해서 k값을 바꾸는 등의 손상(Low-k 손상)을 생기게 한다. 그러나, 이 실시예 에 따르면, 플라즈마 에칭에 있어서의 반응종의 소망하지 않는 퇴적을 쉴드 부재(104)로 효과적으로 억지할 수 있기 때문에, 상기와 같은 Low-k 손상의 문제도 해결할 수 있다. 또한, 쉴드 부재(104)는 임의의 도전 부재 또는 반도체(예를 들면 실리콘)를 재질로 하는 것이 가능해지고, 다른 재질을 조합하여 구성해도 좋다.
도 21에서는, 상부 전극(34)(36, 38)에 냉매 통로(106, 108)를 설치하는 구성도 도시한다. 냉매 통로(106, 108)에는, 각기 배관(110, 112)을 거쳐서 냉각 장치(도시하지 않음)에 의해 온도 조정된 냉각 매체가 순환 공급된다. 외측 상부 전극(36)에 있어서는, 제 1 전극 부재(36A)에 냉매 통로(106)가 설치된다. 제 2 전극 부재(36B)는 열 컨덕턴스를 높이는 코팅 또는 시트(102)에 의해 제 1 전극 부재(36A)에 결합되기 때문에, 냉각 기구에 의한 냉각을 효과적으로 받을 수 있다.
또한, 고주파 전원(52, 90)을 오프(off)로 하고 있는 사이에도, 각 전극에는 냉매가 공급된다. 종래부터, 이 종류의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 예를 들면 갈 덴 등의 절연성의 냉매가 사용된다. 이 경우, 냉매가 냉매 통로를 흐를 때에 마찰로 발생하는 정전기에 의해 전극이 이상한 고전압 상태가 되고, 고주파 전원 오프중의 유지 보수 등으로 사람의 손이 접촉하면 감전할 우려가 있다. 그러나, 이 실시예의 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 로우패스 필터(92)(도 8 참조)내의 저항기(93)를 통과시켜서 내측 상부 전극(38)에 발생한 정전기를 그라운드에 놓치는 것이 가능하고, 감전의 위험성을 방지할 수 있다.
(제 4 실시예)
상기 제 3 실시예에 있어서의 플라즈마 에칭 장치(도 8, 도 21)를 사용하고, 실리콘 산화막(SiO2)에 개구 직경(Φ) 0.22㎛의 구멍을 형성하는 에칭의 실험을 수행했다. 이 실험에 있어서, 외측 상부 전극(36) 및 내측 상부 전극(38)에 대한 RF전력의 투입 비율(Pi/Po)을 파라미터로 하여 에칭 특성(특히 에칭 속도)을 평가했다. 다른 에칭조 건은 아래와 같으며, 도 23 내지 도 25에 실험 결과의 데이터를 도시한다.
웨이퍼 직경 = 300mm
챔버내의 압력 = 20mTorr
온도(상부 전극/챔버 측벽/하부 전극) = 20/60/60℃
열전 가스(He 가스) 공급 압력(센터부/에지부) = 20/35Torr
상부 및 하부 전극간 거리 = 45mm
외측 상부 전극의 돌출량(H) = 15mm
프로세스 가스(C5F8/CH2F2/N2/Ar/O2) ≒ 10/20/110/560/10sccm
고주파전력(60MHz/2MHz) ≒ 2300W/3500W
에칭시간 = 120초
도 23에 도시하는 바와 같이, 내측 투입 전력(Pi)의 비율을 14%, 18%, 30%로 올려 가면, 전자 밀도 즉 플라즈마 밀도는 웨이퍼 중심부 부근에서는 Pi의 비율에 비례하여 높아지는 한편, 웨이퍼 에지부 부근에서는 거의 변하지 않는다. 이에 기초하여, RF 전력의 투입 비율(Pi/Po)을 가변함으로써, 반경방향에 있어서의 플라즈마 밀도의 공간 분포 특성을 제어할 수 있다.
도 24는 래디컬 밀도와 비례 관계에 있는 반응 생성물이나 반응종으로 형성되는 중합막의 퇴적 속도를 반경방향의 각 위치에서 측정한 결과를 도시한다. 이 실험은 RF 전력의 투입 비율(Pi/Po)을 가변했을 때, 래디컬 밀도가 받는 영향을 보기 위해서이다. 또한, 중합막을 퇴적시키는 샘플 기판에 베어 실리콘 웨이퍼(bare silicon wafer)를 사용했다. 도 24의 실험 데이터로부터, RF 전력의 투입 비율(Pi/Po)을 가변하여도, 중합막의 퇴적 속도 즉 래디컬 밀도의 공간 분포 특성에 주는 영향은 매우 적은 것이 확인되었다.
도 25는 상기 SiO2의 에칭에 있어서, 웨이퍼상의 반경방향의 각 위치에서 측정한 에칭 깊이를 도시한다. 도 25에 도시한 바와 같이, 내측 투입 전력(Pi)의 비율을 14%, 18%, 30%로 올려가면, 에칭 깊이는 웨이퍼 중심부 부근에서는 Pi의 비율에 비례하여 커지는 한편, 웨이퍼 에지부 부근에서는 거의 변하지 않는다. 즉, 전자 밀도(도 24)와 마찬가지의 경향을 도시한다.
이와 같이, 도 23 내지 도 25의 실험 데이터로부터 다음의 것이 확인되었다. 즉, 외측 상부 전극(36) 및 내측 상부 전극(38)에 대한 RF 전력의 투입 비율(Pi/Po)을 가변함으로써, 래디컬 밀도의 공간 분포 특성에 실질적인 영향을 미치게 하지 않고, 즉 래디컬 밀도의 공간 분포 제어로부터 독립하여, 반경방향에 있어서의 플라즈마 밀도의 공간 분포를 제어할 수 있다. 따라서, RF 전력의 투입 비율(Pi/Po)을 가변함으로써, 에칭 깊이 즉 에칭 속도의 균일성을 개선할 수 있다. 또한, 상기 제 1 또는 제 2 실시예에 있어서의 플라즈마 에칭 장치(도 1, 도 8, 도 18)를 사용하여도 상기로 같은 실험 결과를 얻을 수 있다.
(제 5 실시예)
상기 제 3 실시예의 플라즈마 에칭 장치(도 8, 도 21)를 사용하고, CF계의 처리 가스로 실리콘 산화막(SiO2)을 에칭하는 시뮬레이션을 수행했다. 이 시뮬레이션에 있어서, 중심 샤워 헤드(62, 56a)에 의해 분사되는 처리 가스의 유량(Fc)과 주변 샤워 헤드(64, 56a)에 의해 분사되는 처리 가스의 유량(FE)의 비율(Fc/FE)을 파라미터로 하여, 각 래디컬 또는 각 반응 생성물의 분포를 평가했다. 이 시뮬레이션에서는, 웨이퍼 표면에서는 반응이 일어나지 않고 반응 생성물이나 반응종의 흡착도 생기지 않는 것으로 하고, 블랭킷(blanket) SiO2막상에서 단순하게 하기의 반응이 일어나고 있는 것으로 가정했다.
2CF2 + SiO2 → SiF4 + 2CO
다른 주된 에칭 조건은 아래와 같으며, 도 26 내지 도 30에 각 래디컬 또는 각 반응 생성물에 관한 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 31에는, 주 에칭 가스(C4F8)의 분자로부터 단계적인 해리에 의해 생성되는 래디컬의 종류와 발생율(괄호내 %숫자)을 도시한다.
웨이퍼 직경 = 200mm
챔버내의 압력 = 50mTorr
온도(상부 전극/챔버 측벽/하부 전극) = 20/60/60℃
열전 가스(He 가스) 공급 압력(센터부부/에지부) = 10/35Torr
상부 및 하부 전극간 거리 = 30mm
외측 상부 전극의 돌출량(H) = 15mm
프로세스 가스(C4F8/N2/Ar) ≒ 5/120/1OOOsccm
고주파 전력(60MHz/2MHz) ≒ 1200W/1700W
도 26에 도시하는 바와 같이, 주된 반응종인 CF2의 밀도 분포 특성은 중심/주변 가스 유량 비율(Fc/FE)에 크게 좌우된다. 즉, 중심 가스 유량(Fc)의 비율을 올릴수록 웨이퍼 중심부 부근의 CF2 밀도는 높아지는 한편, 웨이퍼 에지부 부근의 CF2 밀도는 거의 변하지 않는다. 도 28에 도시하는 바와 같이, CO 래디컬의 밀도 분포 특성도 중심/주변 가스 유량 비율(Fc/FE)에 대하여 마찬가지의 변화를 도시한다. 다만, 도 27에 도시하는 바와 같이, Ar 래디컬의 밀도 분포 특성은 중심/주변 가스 유량 비율(Fc/FE)에 대하여 거의 변화되지 않는다.
반응 생성물에 대하여 보면, 도 29 및 도 30에 도시하는 바와 같이, SiF4 밀도 및 CO 밀도중 어느 것이나 중심/주변 가스 유량 비율(Fc/FE)에 크게 좌우된다. 보다 상세하게는, 중심 가스 유량(Fc)의 비율을 내릴수록 웨이퍼 중심부 부근의 SiF4, CO의 밀도는 높아지는 한편, 웨이퍼 에지부 부근에서는 거의 변하지 않는다. 중심 가스 유량(Fc)과 주변 가스 유량(FE)을 동일(Fc/FE = 50/50)하게 하여도, 웨이퍼 중심부 부근쪽이 웨이퍼 에지부 부근보다도 높게 된다. 이와 같이 중심부측에 반응 생성물이 쌓이기 쉬운 것은 윗쪽으로부터의 신선한 가스류에서 반응 생성물이 측쪽으로 밀어지는 작용이 주변부보다도 약하기 때문이다.
웨이퍼상에서 반응 생성물이 불균일하게 분포하면, 각 위치의 처리 가스 공급율이나 화학 반응의 균일성에 영향을 줄뿐만 아니라, 에칭 형상이나 선택성 등이 직접 영향을 받을 수도 있다. 이 실시예에서는, 도 29 및 도 30에 도시하는 바와 같이, 중심 가스 유량(Fc)을 주변 가스 유량(FE)보다도 많게(도시한 예에서는 Fc/FE = 70/30 부근에) 설정함으로써, 반응 생성물의 공간 밀도 분포를 균일화할 수 있다. 또한, 상기 제 1 또는 제 2 실시예에 있어서의 플라즈마 에칭 장치(도 1, 도 8, 도 18)를 사용하여도 상기와 같은 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있다.
(제 6 실시예)
상기 제 3 실시예의 플라즈마 에칭 장치(도 8, 도 21)를 사용하고, BARC(반사 방지막)을 에칭하는 실험을 수행했다. 이 실험에 있어서, 중심/주변 가스 유량비율(Fc/FE)을 파라미터로 하여 에칭 형상과 선택성을 평가했다. 도 32a에 평가 샘플을 도시한다. 마스크 개구 직경(Φ) 0.12㎛, 포토레지스트의 막두께 350nm, BARC의 막두께 80nm, SiO2의 막두께 700nm이라고 했다. 선택성의 평가 항목으로서 「옥사이드 손실」과 「레지스트 잔량」을 측정하고, 에칭 형상 또는 치수 정밀도의 평가 항목으로서 「보톰 CD」를 측정했다. 도 32b에 Fc/FE = 50/50로 설정했을 때의 각 평가 항목의 측정값을 도시하고, 도 32c에 Fc/FE = 70/30로 설정했을 때의 각 평가 항목의 측정값을 도시한다. 측정 포인트의 「센터(center)」는 웨이퍼의 중심점의 위치이며, 「에지」는 웨이퍼의 노치 단부으로부터 중심점을 향하여 5mm의 위치이다. 주된 에칭 조건은 아래와 같다.
웨이퍼 직경 = 300mm
챔버내의 압력 = 150mTorr
열전 가스(He 가스) 공급 압력(센터부/에지부) = 10/25Torr
상부 및 하부 전극간 거리 = 30mm
외측 상부 전극의 돌출량(H) = 15mm
프로세스 가스(CF4) ≒ 20Osccm
고주파 전력(60MHz/2MHz) ≒ 500W/600W
에칭 시간 = 30초
이 BARC 에칭의 평가 항목에 있어서, 「옥사이드 손실」은 BARC 에칭의 연장으로서 하지막의 SiO2를 깎은 깊이이다. 이 값은 작을수록 바람직하지만, 그 이상으로 웨이퍼상의 격차(특히 센터와 에지 간의 격차)가 작아질수록 바람직하다. 「레지스트 잔량」은 에칭의 종료 후에 남아 있는 포토레지스트의 두께이다. 이 값은 클수록 바람직하고, 역시 격차가 작을수록 바람직하다.「보톰 CD」는 BARC에 형성된 구멍의 바닥의 직경이다. 이 값은 마스크 직경(Φ)에 가까울수록 바람직하지만, 역시 격차가 작을수록 바람직하다.
도 32b에 도시하는 바와 같이, 중심 가스 유량(Fc)과 주변 가스 유량(FE)을 동량(5 : 5)으로 설정했을 때에는, 모든 평가 항목에 있어서, 센터와 에지간의 격차가 크고, 특히 「레지스트 잔량」의 격차가 크다. 이에 대하여, 중심 가스 유량(Fc)을 주변 가스 유량(FE)보다도 많게(7 : 3) 설정했을 경우에는, 도 32c에 도시하는 바와 같이, 모든 평가 항목이 양호한 값으로 균일하게 안정하고, 선택성 및 에칭 형상이 현저하게 개선된다.
이와 같이, 이 실시예에 따르면, 처리 용기(10)내로, 특히 상부 전극(34)과 하부 전극(16) 사이에 설정된 플라즈마 생성 공간에 있어서, 상부 전극(34)의 내측 상부 전극(38)에 설치된 중심 샤워 헤드(62, 56a)에 의해 분사되는 처리 가스의 유량(Fc)과, 주변 샤워 헤드(64, 56a)에 의해 분사되는 처리 가스의 유량(FE)의 비율(FC/FE)을 조정한다. 이로써, 래디컬 밀도의 공간 분포를 제어하고, 래디컬 베이스에 의한 에칭 특성(선택성, 에칭 형상 등)의 균일화를 달성할 수 있다. 또한, 상기 제 1 또는 제 2 실시예에 있어서의 플라즈마 에칭 장치(도 1, 도 8, 도 18)를 사용하여도 상기와 같은 측정 결과를 얻을 수 있다.
(제 7 실시예)
상기 제 3 실시예의 플라즈마 에칭 장치(도 8, 도 21)를 사용하고, SiO2막을 에칭하는 실험을 수행했다. 이 실험에 있어서, 중심/주변 가스 유량 비율(Fc/FE)을 파라미터로 하여 에칭 형상을 평가했다. 도 33a에 평가 샘플을 도시한다. 마스크 개구 직경(Φ) 0.22㎛, 포토레지스트의 막두께 500nm, BARC의 막두께 100nm, SiO2의 막두께 1㎛으로 했다. 에칭 형상의 평가 항목으로서 「에칭 깊이」, 「톱(top) CD」, 「보톰(bottom) CD」를 측정했다. 도 33b에 Fc/FE = 50/50으로 설정했을 때의 각 평가 항목의 측정값을 도시하고, 도 33c에 Fc/FE = 10/90으로 설정했을 때의 각 평가 항목의 측정값을 도시한다. 주된 에칭 조건은 아래와 같다.
웨이퍼 직경 = 300mm
챔버내의 압력 = 20mTorr
온도(상부 전극/챔버 측벽/하부 전극) = 20/60/60℃
열전 가스(He 가스) 공급 압력(센터부/에지부) = 20/35Torr
상부 및 하부 전극간 거리 = 45mm
외측 상부 전극의 돌출량(H) = 15mm
프로세스 가스(C5F8/CH2F2/N2/Ar/O2) ≒10/20/110/560/10sccm
고주파 전력(60MHz/2MHz) ≒ 2300W/3500W
RF 파워비[내측 투입 전력(Pi)/외측 투입 전력(Po)] = 30 : 70
에칭 시간 = 120초
이 SiO2 에칭의 평가 항목에 있어서, 「에칭 깊이」는 에칭 시간(l20초) 사이에 SiO막에 형성된 구멍의 깊이이며, 에칭 속도에 해당한다. 「톱 CD」 및 「보톰 CD」는 SiO2막에 형성된 구멍의 상단 및 하단(바닥)의 직경이며, 양자의 값이 가까울수록 수직 형상성(이방성)에 우수하다. 물론, 어느 쪽의 평가 항목도, 「센터」와 「에지」 사이에서 격차가 작을수록 바람직하다.
도 33b에 도시하는 바와 같이, 중심 가스 유량(Fc)과 주변 가스 유량(FE)을 동량(5 : 5)으로 설정했을 때는, 「에칭 깊이」의 격차가 있을 뿐만 아니라 각 위치에서 보톰 CD/톱 CD비가 작게 테이퍼(taper)화되는 경향이 크다. 이에 대하여, 중심 가스 유량(Fc)을 주변 가스 유량(FE)보다도 적게(1 : 9) 설정했을 경우에는, 도 33c에 도시하는 바와 같이, 「에칭 깊이」 즉 에칭 속도가 균일화되는 동시에, 수직 형상성의 향상과 균일화도 도모할 수 있다.
이와 같이, 이 실시예에서도, 내측 가스 유량(Fc)과 외측 가스 유량(FE)의 비율(Fc/FE)을 조정함으로써, 래디컬 밀도의 공간 분포를 제어하고, 래디컬 베이스에 의한 에칭 특성(특히 에칭 형상)의 균일화를 달성할 수 있다. 또한, 상기 제 1 또는 제 2 실시예에 있어서의 플라즈마 에칭 장치(도 1, 도 8, 도 18)를 사용하여도 상기와 같은 측정 결과를 얻을 수 있다.
이상으로 기술한 실시예에 따르면, 처리 용기(10)내에 설정된 플라즈마 생성 공간에 있어서 플라즈마 밀도 분포의 제어와 래디컬 밀도 분포의 제어를 독립으로 수행할 수 있다. 이에 의해, 예를 들면 도 34의 맵에 도시하는 바와 같이 다종 다용한 플라즈마 처리의 적용에 2계통의 독립 제어에서 적합하게 대응할 수 있다.
이상으로 기술한 실시예는, 본 발명의 기술 사상에 근거하여 여러 가지의 변형이 가능하다. 예를 들면, 제 1 고주파 전원(52)으로부터의 고주파를 정합기(44)나 급전통(50) 등을 거쳐서 외측 상부 전극(36)에만 공급하고, 내측 상부 전극(38)에는 공급하지 않는 구성도 가능하다. 그 경우에서도, 내측 상부 전극(38)은 샤워 헤드로서 기능하거나, 제 2 고주파 전원(90)으로부터의 고주파를 그라운드로 흘리기 위한 전극으로서 기능할 수 있다. 혹은, 내측 상부 전극(38)을, 전극 기능을 갖지 않는 전용의 샤워 헤드로 바꿔 놓는 것도 가능하다. 또한, 상기한 실시예에서는 외측 상부 전극(36)을 1개 또는 단체의 링 형상 전극으로 구성했지만, 전체에서 링 형상으로 배치되는 복수의 전극으로 구성하는 것도 가능하다. 또한, 외측 상부 전극(36)의 내경을 매우 작게 하는 구성이나, 외측 상부 전극(36)을 원반 형상으로 하는 구성도 채용가능하다. 또한, 적용에 따라서는, 제 2 고주파 전원(90)을 생략할 수 있다. 본 발명은 플라즈마 에칭에 제한하지 않고, 플라즈마 CVD, 플라즈마 산화, 플라즈마 질화, 스퍼터링 등의 여러 가지 플라즈마 처리에 적용가능하다. 또한, 본 발명에 있어서의 피처리 기판은 반도체 웨이퍼에 제한하는 것은 아니고, 플랫 패널 디스플레이(flat-panel display)용 각종 기판이나, 포토마스크, CD 기판, 프린트 기판 등이어도 좋다.

Claims (50)

  1. 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    진공 분위기를 갖도록 설정가능한 처리 용기와,
    상기 처리 용기내에서 소정 위치에 배치되는 피처리 기판과 대향하도록 링 형상으로 배치된 제 1 상부 전극과,
    상기 제 1 상부 전극의 반경방향 내측에 이와 전기적으로 절연된 상태로 배치된 제 2 상부 전극과,
    상기 처리 용기내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와,
    제 1 고주파를 출력하는 제 1 고주파 전원과,
    상기 제 l 고주파 전원으로부터의 상기 제 1 고주파를, 제 1 전력값으로 상기 제 1 상부 전극에 공급하는 제 1 급전부와,
    상기 제 1 고주파 전원으로부터의 상기 제 1 고주파를, 상기 제 1 급전부에서 분기하여, 상기 제 1 전력값보다도 작은 제 2 전력값으로 상기 제 2 상부 전극에 공급하는 제 2 급전부와,
    상기 제 2 상부 전극 및 그라운드 전위에 전기적으로 접속된 가변 직류 전원을 구비하는
    플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상부 전극은 저 저항의 도전체 또는 반도체로 구성되는
    플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판과 대향하는 면에 있어서, 상기 제 1 상부 전극은 상기 제 2 상부 전극의 약 1/4배 내지 약 1배의 평면적을 갖는
    플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상부 전극은, 상기 제 1 급전부에 접속된 제 1 전극 부재와, 상기 기판과 대향하도록 상기 제 1 전극 부재의 하면에 탈착가능하게 부착된 제 2 전극 부재를 구비하는
    플라즈마 처리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 부재는 냉매를 통과시키기 위한 냉매 통로를 갖는
    플라즈마 처리 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 부재와 상기 제 2 전극 부재 사이에 배치된, 열저항을 낮게 하기 위한 막 또는 시트를 더 구비하는
    플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 급전부가 분기하는 개소로부터 상기 제 1 상부 전극까지의 구간에 있어서의 상기 제 1 급전부의 인덕턴스는, 상기 제 2 급전부의 인덕턴스보다도 작아지도록 설정되는
    플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 급전부는 상기 제 1 상부 전극에 원주방향으로 연속적으로 접속된 제 1 원통형 도전 부재를 구비하는
    플라즈마 처리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 원통형 도전 부재의 반경방향 외측에 배치되고 또한 그라운드 전위에 접속된 제 2 원통형 도전 부재를 더 구비하는
    플라즈마 처리 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 원통형 도전 부재의 반경에 대한 상기 제 2 원통형 도전 부재의 반경의 비인 직경비는 1.2 내지 2.0의 범위내로 설정되는
    플라즈마 처리 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 직경비는 1.5 내지 1.7의 범위내로 설정되는
    플라즈마 처리 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상부 전극은 1개의 링 형상 전극으로 구성되는
    플라즈마 처리 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 급전부는 가변 콘덴서를 구비하는
    플라즈마 처리 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 고주파 전원의 출력 임피던스와 부하 임피던스를 조정시키기 위해서 상기 제 1 고주파 전원의 출력 단자에 접속된 제 1 정합기를 더 구비하며, 상기 제 1 정합기의 출력 단자로부터 본 상기 제 1 고주파 전원에 대한 부하 임피던스의 리액턴스는 용량성인
    플라즈마 처리 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상부 전극과 상기 제 2 상부 전극 사이의 간극에 배치된 유전체를 더 구비하는
    플라즈마 처리 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 급전부의 주위에 도체 부재가 배치되는
    플라즈마 처리 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 도체 부재는 상기 제 2 급전부의 인덕턴스를 작게 하기 위한 유도 전류가 거기에 흐르도록 배치되는
    플라즈마 처리 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 도체 부재는, 상기 제 2 급전부의 주위에서, 상기 제 2 급전부를 흐르는 전류에 의해 생성되는 자속과 쇄교하는 폐회로를 형성하는
    플라즈마 처리 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 도체 부재는 상기 제 2 급전부의 주위를 둘러싸도록 환형으로 배치되는
    플라즈마 처리 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 도체 부재는 1개의 링 형상 도체로 구성되는
    플라즈마 처리 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 원통형 도전 부재와 상기 제 1 상부 전극으로 둘러싸여지는 공간의 1/10 내지 1/3을 묻는 도체 부재를 더 구비하는
    플라즈마 처리 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상부 전극은 상기 제 2 상부 전극의 하면보다도 아래쪽으로 돌출하는 돌출부를 구비하는
    플라즈마 처리 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 2 상부 전극의 하면에 대한 상기 돌출부의 하방으로의 돌출량은 25mm 이하로 설정되는
    플라즈마 처리 장치.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 돌출부의 내경 부분은 상기 기판의 외주 단부보다도 반경방향 외측으로 24mm 내지 30mm 떨어진 위치에 배치되는
    플라즈마 처리 장치.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상부 전극 아래에 배치된 쉴드 부재를 더 구비하는
    플라즈마 처리 장치.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 돌출부의 하면을 덮는 쉴드 부재를 더 구비하는
    플라즈마 처리 장치.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 쉴드 부재는 도체 또는 반도체로 구성되는
    플라즈마 처리 장치.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 쉴드 부재는 상기 제 1 상부 전극 아래로부터 상기 처리 용기의 내벽까지 연장되는
    플라즈마 처리 장치.
  29. 제 25 항에 있어서,
    상기 쉴드 부재는 상기 제 1 상부 전극으로부터 전기적으로 분리되고 또한 접지된 상기 처리 용기에 전기적으로 접속되는
    플라즈마 처리 장치.
  30. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 상부 전극의 상방에 가스 도입실이 배치되고, 상기 제 2 상부 전극에 상기 가스 도입실로부터 상기 기판을 향하여 상기 처리 가스를 분출하기 위한 다수의 가스 분출 구멍이 형성되는
    플라즈마 처리 장치.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 가스 도입실은 환형의 격벽 부재에 의해 내측의 중심 가스실과 외측의 외주 가스실로 분할되고, 상기 중심 가스실과 상기 외주 가스실에 상기 처리 가스가 소정의 유량비로 도입되는
    플라즈마 처리 장치.
  32. 삭제
  33. 삭제
  34. 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    진공 분위기를 갖도록 설정가능한 처리 용기와,
    상기 처리 용기내에서 소정 위치에 배치되는 피처리 기판과 대향하도록 링 형상으로 배치된 제 1 상부 전극과,
    상기 제 1 상부 전극의 반경방향 내측에 이와 전기적으로 절연된 상태로 배치된 제 2 상부 전극과,
    상기 처리 용기내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와,
    제 1 고주파를 출력하는 제 1 고주파 전원과,
    상기 제 l 고주파 전원으로부터의 상기 제 1 고주파를, 제 1 전력값으로 상기 제 1 상부 전극에 공급하는 제 1 급전부와,
    상기 제 1 고주파 전원으로부터의 상기 제 1 고주파를, 상기 제 1 급전부에서 분기하여, 상기 제 1 전력값보다도 작은 제 2 전력값으로 상기 제 2 상부 전극에 공급하는 제 2 급전부와,
    상기 제 2 상부 전극 및 그라운드 전위에 전기적으로 접속된 직류를 통하는 제 1 로우패스 필터로서, 상기 제 1 로우패스 필터는 상기 제 2 상부 전극에 생성되는 직류 전위를 조절하기 위해 가변 저 저항을 포함하는 저항을 갖는, 상기 제 1 로우패스 필터를 구비하는
    플라즈마 처리 장치.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 가변 저항기의 저항값은 상기 제 1 및 제 2 전력값에 따라 가변되는
    플라즈마 처리 장치.
  36. 삭제
  37. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 용기내에서 상기 기판을 탑재하기 위해서 상기 제 l 및 제 2 상부 전극과 대향하여 배치된 하부 전극과,
    상기 하부 전극에 상기 제 1 고주파보다도 주파수의 낮은 제 2 고주파를 공급하는 제 2 고주파 전원을 더 구비하며, 상기 제 2 상부 전극은 상기 제 l 고주파를 통과시키지 않고 상기 제 2 고주파를 통과시키는 제 2 로우패스 필터를 거쳐서 그라운드 전위체 전기적으로 접속되는
    플라즈마 처리 장치.
  38. 플라즈마 처리 방법에 있어서,
    진공 분위기를 갖도록 설정가능한 처리 용기내에서 소정 위치에 피처리 기판을 배치하는 단계와,
    상기 처리 용기내에서 상기 기판과 대향하도록 링 형상으로 배치된 제 1 상부 전극에, 제 1 급전부를 거쳐서 제 1 고주파 전원으로부터의 제 1 고주파를 제 1 전력값으로서 공급하는 단계와,
    상기 제 1 상부 전극으로 상기 제 1 고주파를 공급하는 동시에, 상기 제 1 상부 전극의 반경방향 내측에 이와 전기적으로 절연된 상태로 배치된 제 2 상부 전극에, 상기 제 1 급전부에서 분기한 제 2 급전부를 거쳐서 상기 제 1 고주파 전원으로부터의 상기 제 1 고주파를 상기 제 1 전력값보다도 작은 제 2 전력값으로 상기 제 2 상부 전극에 공급하는 단계와,
    상기 제 1 및 제 2 상부 전극에 상기 제 1 고주파를 공급하는 동시에, 상기처리 용기내에 소정의 처리 가스를 공급하고, 상기 제 1 및 제 2 상부 전극의 바로 아래 부근에서 상기 처리 가스를 플라즈마화하는 단계와,
    상기 플라즈마에 의해 상기 기판에 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 단계와,
    상기 제 2 상부 전극 및 그라운드 전위에 전기적으로 접속된 저항의 저합값을 선정 또는 조정함으로써, 또는 상기 제 2 상부 전극 및 그라운드 전위에 전기적으로 접속된 가변 직류 전원에 의해 직접적으로 제어함으로써, 상기 제 2 상부 전극에 생성되는 직류 전위의 값을 적절한 범위내로 설정하는 단계를 구비하는
    플라즈마 처리 방법.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 제 1 급전부는 상기 제 1 상부 전극에 원주방향으로 연속적으로 접속된 제 1 원통형 도전 부재를 구비하는
    플라즈마 처리 방법.
  40. 제 38 항에 있어서,
    상기 제 2 급전부가 분기하는 개소로부터 상기 제 1 상부 전극까지의 구간에 있어서의 상기 제 1 급전부의 인덕턴스는 상기 제 2 급전부의 인덕턴스보다도 작아 지도록 설정되는
    플라즈마 처리 방법.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 제 1 원통형 도전 부재와 상기 제 1 원통형 도전 부재의 반경방향 외측에 설치된 그라운드 전위의 제 2 원통형 도전 부재로 상기 제 1 원통형 도전 부재를 도파로로 하는 동축 선로가 구성되는
    플라즈마 처리 방법.
  42. 제 38 항에 있어서,
    상기 제 2 급전부에 설치한 가변 콘덴서에 의해 상기 제 1 및 제 2 전력값의 비율을 조정하는
    플라즈마 처리 방법.
  43. 제 38 항에 있어서,
    상기 제 2 급전부의 주위에 설치한 도체 부재에, 상기 제 2 급전부의 인덕턴스를 작게 하는 유도 전류를 흘려보내는
    플라즈마 처리 방법.
  44. 제 38 항에 있어서,
    상기 제 1 상부 전극은 상기 제 2 상부 전극의 하면보다도 아래쪽으로 돌출하는 돌출부를 구비하는
    플라즈마 처리 방법.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 돌출부의 하면을 쉴드 부재로 덮는
    플라즈마 처리 방법.
  46. 제 38 항에 있어서,
    상기 제 2 상부 전극의 상방에 가스 도입실이 배치되고, 상기 제 2 상부 전극에 상기 가스 도입실로부터 상기 기판을 향하여 상기 처리 가스를 분출하기 위한 다수의 가스 분출 구멍이 형성되는
    플라즈마 처리 방법.
  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 가스 도입실은 환형의 격벽 부재에 의해 내측의 중심 가스실과 외측의 외주 가스실로 분할되고, 상기 중심 가스실과 상기 외주 가스실에 상기 처리 가스가 소정의 유량비로 도입되는
    플라즈마 처리 방법.
  48. 삭제
  49. 삭제
  50. 삭제
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