KR100710923B1 - 플라즈마 처리장치 및 임피던스 조정방법 - Google Patents

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다이치 히라노
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동경 엘렉트론 주식회사
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32174—Circuits specially adapted for controlling the RF discharge
    • H01J37/32183—Matching circuits

Abstract

플라즈마 소스측의 임피던스를 조정할 수 있어, 장치간 또는 클리닝 사이클 간의 임피던스 오차를 해소할 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공한다.
내측전극(38) 및 외측전극(36)으로 분할된 상부 전극(34) 및 하부전극(16)과의 사이에 처리가스의 플라즈마를 생성하여 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리를 실시하는 처리장치에 있어서, 내측전극(38)에 고주파전류가 흘러들어가도록 형성된 공진회로(101)와, 내측전극(38)으로의 급전 라인에 설치된 가변 콘덴서(78)와, 하부전극(16)의 바이어스(Vpp)를 검출하는 검출기(89)와, 플라즈마를 형성한 상태에서, 가변 콘덴서(78)의 캐패시턴스를 변경시키면서 검출기(89)로부터의 신호를 검출하여 공진회로(101)의 공진점을 찾아내어 공진점에 있어서의 가변 콘덴서(78)의 캐패시턴스를 기준으로 되는 값으로 조정하는 제어부(102)를 갖는 플라즈마 처리장치.

Description

플라즈마 처리장치 및 임피던스 조정방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND IMPEDANCE ADJUSTMENT METHOD}
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 에칭 장치를 나타내는 개략 단면도.
도 2는 도 1의 플라즈마 에칭 장치의 요부의 구성을 나타내는 확대 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 에칭장치의 임피던스 조정기구를 설명하기 위한 개략 구성도.
도 4는 도 1의 플라즈마 에칭장치에 있어서의 플라즈마 생성수단의 요부의 등가회로를 나타내는 회로도.
도 5는 도 1의 플라즈마 에칭장치에 있어서의 가변 콘덴서의 캐패시턴스와 전계강도비율과의 관계를 나타내는 도면.
도 6은 도 1의 플라즈마 에칭장치에 있어서의 임피던스 조정기구의 공진회로를 상세하게 설명하기 위한 도면.
도 7은 도 1의 플라즈마 에칭장치에 있어서의 임피던스 조정기구의 가변 콘덴서의 CPI값과 하부전극의 바이어스 Vpp와의 관계를 나타내는 도면.
도 8은 도 1의 플라즈마 에칭장치에 있어서의 임피던스 조정기구의 임피던스 조정수순을 설명하기 이한 플로우챠트.
도 9는 도 1의 플라즈마 에칭장치에 있어서의 임피던스 조정기구의 가변 콘덴서의 CPI값과 하부전극의 바이어스 Vpp와의 관계의 기준파형과 측정파형을 나타내는 도면.
도 10은 실제로 임피던스 조정을 행한 경우의 가변 콘덴서의 CPI값과 하부전극의 바이어스 Vpp와의 관계를 나타내는 도면.
도 11은 도 1의 플라즈마 에칭장치에 있어서의 제 1 고주파전원에 접속된 정합기의 개략구성을 나타내는 도면.
도 12는 장치상태로서 제 1 고주파전원에 접속된 정합기의 콘덴서를 이용한 경우에 있어서의 가변 콘덴서의 CPI값과 정합기의 콘덴서의 값과의 관계를 나타내는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 챔버(처리용기) 16: 서셉터(하부전극)
34: 상부전극 36: 외측 상부전극
38: 내측 상부전극 44, 88: 정합기
46: 급전봉 50: 급전통
52: 제 1 고주파전원 66: 처리가스 공급원(가변 콘덴서부)
84: 배기장치 89: 바이어스 Vpp 모니터
90: 제 2 고주파전원 100: 임피던스 조정기구
101: 공진회로 102: 콘트롤러
W: 반도체 웨이퍼(피처리기판)
본 발명은, 반도체 기판 등의 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리장치에 있어서 임피던스 조정방법에 관한 것이다.
예컨대 반도체 디바이스의 제조 프로세스에 있어서는, 피처리기판인 반도체 웨이퍼에 대하여, 에칭이나 스퍼터링, CVD(화학기상성장) 등의 플라즈마 처리가 이용되고 있다.
이러한 플라즈마 처리를 행하기 위한 플라즈마 처리장치로서는, 여러 가지 종류의 것이 이용되고 있지만, 그 중에서도 용량결합형 평행판 플라즈마 처리장치가 주류이다.
용량 결합형 평행평판형 플라즈마 처리장치는, 챔버내에 한 쌍의 평행평판 전극(상부 및 하부 전극)을 배치하고, 처리가스를 챔버내로 도입함과 함께, 전극의 한쪽에 고주파를 인가하여 전극간에 고주파전계를 형성하고, 이 고주파전계에 의해 처리가스의 플라즈마를 형성하여 반도체 웨이퍼에 대하여 플라즈마 처리를 실시한다.
구체적으로는, 상부 전극에 플라즈마 형성용의 고주파를 인가하여 플라즈마 를 형성하고, 하부전극에 이온을 끌어당기는 용의 고주파를 인가하는 것에 의해, 적절한 플라즈마 상태를 형성하는 플라즈마 처리장치가 알려져 있고, 이러한 플라즈마 처리장치를 에칭에 적용한 경우에는, 고선택비로 재현성이 높은 에칭처리가 가능하다(예컨대 특허문헌 1).
그런데, 이러한 종류의 플라즈마 처리장치는, 부품(parts)의 치수공차나 장착오차등에 의해, 장치간 또는 클리닝사이클마다에 플라즈마 소스측의 임피던스에 미소한 차가 존재한다. 그러나, 종래의 플라즈마 장치는, 이러한 임피던스의 기계적 차이를 해소하는 수단을 갖고 있지 않아, 장치간 내지는 클리닝 사이클마다의 프로세스 특성이 어긋나는 원인으로 되고 있다.
[특허문헌 1] 일본국 특개평 2000-173993 호 공보
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 플라즈마 소스측의 임피던스를 조정할 수 있으며, 장치간 또는 클리닝사이클간의 임피던스 오차를 해소할 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. 또한, 이러한 임피던스의 조정을 간단히 실현할 수 있는 플라즈마 처리장치에 있어서의 임피던스 조정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제 1 관점에 따르면, 피처리기판이 수용되고, 진공배기가능한 처리용기와; 처리용기내에 대향하여 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극과; 상기 제 1 전극에 플라즈마 형성용의 고주파전력을 공급하는 고주파전력 공급수단과; 상기 처리용기내에 처리가스를 공급하는 처리가스 공급수단을 구비하고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과의 사이에 처리가스의 플라즈마를 생성하여 피처리기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 있어서, 플라즈마 소스측의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정수단을 더욱 구비하고, 상기 임피던스 조정수단은, 상기 제 1 전극에 고주파전류가 흘러들어가도록 형성된 공진회로와; 상기 제 1 전극의 급전라인에 설치된 가변 임피던스부와; 상기 공진회로의 공진점을 파악하기 위한 장치상태를 검출하는 검출기와; 상기 플라즈마를 형성한 상태에서, 상기 가변 임피던스부의 값을 변경시키면서, 상기 검출기의 장치상태의 신호를 검출하여, 상기 공진회로의 공진점을 찾아내고, 상기 공진점에 있어서의 가변 임피던스부의 값을 기준으로 되는 값으로 조정하는 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치가 제공된다.
본 발명의 제 2 관점에 따르면, 피처리기판이 수용되고, 진공배기가능한 처리용기와; 처리용기내에 대향하여 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극과; 상기 제 1 전극에 플라즈마 형성용의 고주파전력을 공급하는 고주파전력 공급수단과; 상기 처리용기내에 처리가스를 공급하는 처리가스 공급수단을 구비하고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과의 사이에 처리가스의 플라즈마를 생성하여 피처리기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 제 1 전극은, 내측 전극 및 외측 전극으로 분할되고, 상기 플라즈마 처리장치는, 플라즈마 소스측의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정수단을 더욱 구비하고, 상기 임피던스 조정수단은, 상 기 제 1 전극의 상기 내측전극에 고주파전류가 흘러들어가도록 형성된 공진회로와; 상기 제 1 전극의 내측전극에의 급전라인 또는 외측전극에의 급전라인에 설치된 가변 임피던스부와; 상기 공진회로의 공진점을 파악하기 위한 장치상태를 검출하는 검출기와; 상기 플라즈마를 형성한 상태에서, 상기 가변 임피던스부의 값을 변경시키면서, 상기 검출기로부터의 장치상태의 신호를 검출하여, 상기 공진회로의 공진점을 찾아내고, 상기 공진점에 있어서의 가변 임피던스부의 값을 기준으로 되는 값으로 조정하는 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치가 제공된다.
본 발명의 제 3 관점에 따르면, 피처리기판이 수용되고, 진공배기가능한 처리용기와; 처리용기내에 대향하여 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극과; 상기 제 1 전극에 플라즈마 형성용의 고주파전력을 공급하는 고주파전력 공급수단과; 상기 처리용기내에 처리가스를 공급하는 처리가스 공급수단을 구비하고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과의 사이에 처리가스의 플라즈마를 생성하여 피처리기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 제 1 전극은, 내측 전극 및 외측 전극으로 분할되고, 상기 플라즈마 처리장치는, 플라즈마 소스측의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정수단을 더욱 구비하고, 상기 임피던스 조정수단은, 상기 제 1 전극의 상기 내측전극에 고주파전류가 흘러들어가도록 형성된 공진회로와; 상기 제 1 전극의 내측전극에의 급전라인에 설치된 가변 콘덴서와; 상기 공진회로의 공진점을 파악하기 위한 장치상태를 검출하는 검출기와; 상기 플라즈마를 형성한 상태에서, 상기 콘덴서의 캐패시턴스를 변경시키면서, 상기 검출기로부터의 장치상태의 신호를 검출하여, 상기 공진회로의 공진점을 찾아내고, 상기 공진점에 있 어서의 가변 임피던스부의 값을 기준으로 되는 값으로 조정하는 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치가 제공된다.
본 발명의 제 4 관점에 따르면, 피처리기판이 수용되고, 진공배기가능한 처리용기와; 처리용기내에 대향하여 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극과; 상기 제 1 전극에 플라즈마 형성용의 고주파전력을 공급하는 고주파전력 공급수단과; 상기 처리용기내에 처리가스를 공급하는 처리가스 공급수단을 구비하고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과의 사이에 처리가스의 플라즈마를 생성하여 피처리기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에서의 임피던스 조정방법에 있어서, 상기 제 1 전극의 급전라인에 가변 임피던스부를 설치하고, 상기 제 1 전극에 고주파전류가 흘러들어가도록 형성된 공진회로의 공진점을 파악하기 위한 장치상태를 검출하는 검출기를 설치하고, 상기 플라즈마를 형성한 상태에서, 상기 가변 임피던스부의 값을 변경시키면서, 상기 검출기에 의해 장치상태의 신호를 검출하여, 상기 공진회로의 공진점을 찾아내고, 상기 공진점에 있어서의 가변 임피던스부의 값을 기준으로 되는 값으로 조정하여 플라즈마 소스측의 임피던스를 조정하는 것을 특징으로 하는 임피던스 조정방법이 제공된다.
본 발명의 제 5 관점에 따르면, 피처리기판이 수용되고, 진공배기가능한 처리용기와; 처리용기내에 대향하여 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극과; 상기 제 1 전극에 플라즈마 형성용의 고주파전력을 공급하는 고주파전력 공급수단과; 상기 처리용기내에 처리가스를 공급하는 처리가스 공급수단을 구비하고, 상기 제 1 전극은, 내측 전극 및 외측 전극으로 분할되고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과의 사이에 처리가스의 플라즈마를 생성하여 피처리기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 있어서의 임피던스 조정방법에 있어서, 상기 제 1 전극의 내측전극에의 급전라인 또는 외측전극에의 급전라인에 설치된 가변 임피던스부를 설치하고, 상기 제 1 전극의 내측전극에 고주파전류가 흘러들어가도록 형성된 공진회로의 공진점을 파악하기 위한 장치상태를 검출하는 검출기를 설치하고, 상기 플라즈마를 형성한 상태에서, 상기 가변 임피던스부의 값을 변경시키면서, 상기 검출기에 의해 장치상태의 신호를 검출하여, 상기 공진회로의 공진점을 찾아내고, 상기 공진점에 있어서의 가변 임피던스부의 값을 기준으로 되는 값으로 조정하여 플라즈마 소스측의 임피던스를 조정하는 것을 특징으로 하는 임피던스 조정방법이 제공된다.
본 발명의 제 6 관점에 따르면, 피처리기판이 수용되고, 진공배기가능한 처리용기와; 처리용기내에 대향하여 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극과; 상기 제 1 전극에 플라즈마 형성용의 고주파전력을 공급하는 고주파전력 공급수단과; 상기 처리용기내에 처리가스를 공급하는 처리가스 공급수단을 구비하고, 상기 제 1 전극은, 내측 전극 및 외측 전극으로 분할되고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과의 사이에 처리가스의 플라즈마를 생성하여 피처리기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 있어서의 임피던스 조정방법에 있어서, 상기 제 1 전극의 내측전극에의 급전라인에 가변 콘덴서를 설치하고, 상기 제 1 전극의 내측전극에 고주파전류가 흘러들어가도록 형성된 공진회로의 공진점을 파악하기 위한 장치상태를 검출하는 검출기를 설치하고, 상기 플라즈마를 형성한 상태에서, 상기 콘덴서의 캐 패시턴스를 변경시키면서, 상기 검출기에 의해 장치상태의 신호를 검출하여, 상기 공진회로의 공진점을 찾아내고, 상기 공진점에 있어서의 가변 콘덴서의 캐패시턴스의 값을 기준으로 되는 값으로 조정하여 플라즈마 소스측의 임피던스를 조정하는 것을 특징으로 하는 임피던스 조정방법이 제공된다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 에칭장치를 나타내는 개략 단면도이다.
이 플라즈마 에칭장치는, 용량결합형 평행평판형 플라즈마 에칭장치로서 구성되어 있으며, 예컨대 표면이 양극산화처리된 알루미늄으로 이루어진 대략 원통상의 챔버(처리용기)(10)를 갖고 있다. 이 챔버(10)는 보안접지되어 있다.
챔버(10)의 저부에는, 세라믹 등으로 이루어진 절연판(12)을 통하여 원주상의 서셉터지지대(14)가 배치되고, 이 서셉터지지대(14)의 위에 예컨대 알루미늄으로 이루어진 서셉터(16)가 설치되어 있다. 서셉터(16)는 하부전극을 구성하고, 그 위에 피처리기판인 반도체 웨이퍼(W)가 탑재된다.
서셉터(16)의 상면에는, 반도체 웨이퍼(W)를 정전력으로 흡착유지하는 정천척(18)이 마련되어 있다. 이 정전척(18)은, 도전막으로 이루어진 전극(20)을 한쌍의 절연층 또는 절연시트로 협지한 구조를 갖는 것으로, 전극(20)에는 직류전원 (22)이 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 직류전원(22)으로부터의 직류전압에 의해 생기는 쿨롱력 등의 정전력에 의해 반도체 웨이퍼(W)가 정척척(18)에 흡착유지된다.
정전척(18)의 주위로 서셉터(16)의 상면에는, 에칭의 균일성을 향상시키기 위한, 예컨대 실리콘으로 이루어진 포커스링(24)이 배치되어 있다. 서셉터(16) 및 서셉터지지대(14)의 측면에는, 예컨대 석영으로 이루어진 원통상의 내벽부재(26)가 마련되어 있다.
서셉터지지대(14)의 내부에는, 예컨대 원주상으로 냉매실(28)이 마련되어 있다. 이 냉매실에는, 외부에 마련된 도시되지 않은 칠러유닛에 의해 배관(30a, 30b)을 통해 소정온도의 냉매, 예컨대 냉각수가 순환 공급되어, 냉매의 온도에 의해 서셉터상의 반도체 웨이퍼(W)의 처리온도를 제어할 수 있다.
또한, 도시되지 않은 열전도가스 공급 기구로부터의 열전도가스, 예컨대 He가스가 가스 공급라인(32)을 통해 정전척(18)의 상면과 반도체 웨이퍼(W)의 뒷면과의 사이에 공급된다.
하부전극인 서셉터(16)의 상방에는, 서셉터(16)와 대향하도록 평행하게 상부전극(34)이 설치되어 있다. 그리고, 상부 및 하부 전극 사이의 공간이 플라즈마 생성공간으로 된다. 상부전극(34)은, 하부전극인 서셉터(16)상의 반도체 웨이퍼(W)와 대향하여 플라즈마 생성공간과 접하는 면, 즉, 대향면을 형성한다.
상부전극(34)은, 서셉터(16)와 소정의 간격을 두고 대향 배치되어 있는 링상 또는 도넛상의 외측 상부전극(36)과, 그 외측 상부전극(36)의 반경방향 내측에 절 연된 상태로 배치되어 있는 원판상의 내측 상부전극(38)으로 구성된다. 이들은, 플라즈마 생성에 관하여 외측 상부 전극(36)이 주이고, 내측 상부전극(38)이 보조의 관계를 갖고 있다.
도 2에 당해 플라즈마 에칭 장치의 요부를 확대하여 도시한 바와 같이, 외측 상부전극(36)과 내측 상부전극(38)과의 사이에는, 예컨대 0.25∼2.0 mm의 환상 갭(간극)이 형성되고, 이 갭에 예컨대 석영으로 이루어진 유전체(40)가 마련된다. 이 갭에는 또한 세라믹 부재(96)가 마련되어 있다. 세라믹 부재(96)는 생략할 수 있다. 이 유전체(40)를 사이에 끼는 양 전극(36, 38)의 사이에 콘덴서가 형성된다. 이 콘덴서의 캐패시턴스 C40은, 갭의 사이즈와 유전체(40)의 유전률에 따라 소망의 값으로 선정 또는 조정된다. 외측 상부전극(36)과 챔버(10)의 측벽과의 사이에는, 예컨대 알루미나(Al2O3)로 이루어진 링형상의 절연성 차폐부재(42)가 기밀하게 장착되어 있다.
외측 상부전극(36)은, 주울열이 작은 저저항의 도전체 또는 반도체, 예컨대 실리콘으로 구성되는 것이 바람직하다. 외측 상부전극(36)에는, 정합기(44), 상부 급전봉(46), 커넥터(48) 및 급전통(50)을 통하여, 제 1 고주파전원(52)이 전기적으로 접속되어 있다. 제 1 고주파전원(52)은, 13.56MHz 이상의 주파수, 예컨대 60MHz의 고주파전력을 출력한다. 정합기(44)는, 제 1 고주파전원(52)의 내부(또는 출력) 임피던스에 부하 임피던스를 정합시키는 것으로, 챔버(10)내에 플라즈마가 생성되고 있는 때에 제 1 고주파전원(52)의 출력 임피던스와 부하 임피던스가 외관 상 일치하도록 기능한다. 정합기(44)의 출력단자는 상부 급전봉(46)의 상단에 접속되어 있다.
급전통(50)은, 원통상 또는 원추상 혹은 이들에 근사한 형상의 도전판 예컨대 알루미늄판 또는 동판으로 이루어지고, 하단이 주위방향으로 연속적으로 외측 상부전극(36)에 접속되고, 상단이 커넥터(48)에 의해 상부 급전봉(46)의 하단부에 전기적으로 접속되어 있다. 급전통(50)의 외측에서는, 챔버(10)의 측벽이 상부전극(34)의 높이 위치보다도 상방으로 연장하여 원통상의 접지도체(10a)를 구성하고 있다. 이 원통상 접지도체(10a)의 상단부는 통상의 절연부재(54)에 의해 상부 급전봉(46)으로부터 전기적으로 절연되어 있다. 이러한 구성에 있어서는, 커넥터(48)로부터 본 부하회로에 있어서, 급전통(50) 및 외측 상부전극(36)과 원통상 접지도체(10a)에 의해, 급전통(50) 및 외측 상부전극(36)을 도파로로 하는 동축선로가 형성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 내측 상부전극(38)은, 다수의 가스의 가스 토출구멍(56a)을 갖는, 예컨대 실리콘, 탄화규소 등의 반도체 재료로 이루어지는 전극판(56)과, 이 전극판(56)을 탈착가능하게 지지하는 도전재료, 예컨대 표면이 양극산화처리된 알루미늄으로 이루어진 전극지지체(58)를 갖는다. 전극지지체(58)의 내부에는, 예컨대 O링으로 이루어진 환상 격벽부재(60)로 분할된 중심 가스도입실(62)과 주변 가스도입실(64)이 마련되어 있다. 중심 가스도입실(62)과 그 하면에 마련되어 있는 다수의 가스토출구멍(56a)으로 중심 샤워헤드가 구성되고, 주변 가스도입실(64)과 그 하면에 마련되어 있는 다수의 가스 토출구멍(56a)으로 주변 샤 워헤드가 구성되어 있다.
2개의 가스 도입실(62, 64)에는, 공통의 처리가스 공급원(66)으로부터 처리가스가 소망의 유량비로 공급되도록 되어 있다. 즉, 처리가스 공급원(66)으로부터의 가스 공급관(68)이 도중에서 2개로 분기되어 가스 도입실(62, 64)에 접속되고, 각각의 분기관(68a, 68b)에 유량제어밸브(70a, 70b)가 마련되어 있고, 처리가스 공급원(66)으로부터 가스 도입실(62, 64)까지의 유로의 컨덕턴스는 동일하므로, 유량제어밸브(70a, 70b)에 의해 중심 가스도입실(62)과 주변 가스도입실(64)에 공급하는 처리가스의 유량비를 임의로 조정할 수 있다. 가스 공급관(68)에는 매스 플로우 콘트롤러(MFC)(72) 및 개폐밸브(74)가 설치되어 있다. 이와 같이, 중심 가스도입실(62)과 주변 가스도입실(64)에 도입하는 처리가스의 유량비를 조정하는 것에 의해 중심 샤워헤드로부터 토출되는 가스의 유량 Fc와 주변 샤워헤드로부터 토출되는 가스의 유량 Fe의 비율(Fc/Fe)를 임의로 조정할 수 있도록 되어 있다. 또한, 중심 샤워헤드 및 주변 샤워헤드에 의해 각각 토출되는 처리가스의 단위면적당의 유량을 다르게 하는 것도 가능하다. 또한, 중심 샤워헤드 및 주변 샤워헤드에 의해 각각 토출되는 처리가스의 가스종 또는 가스 혼합비를 독립 또는 개별적으로 선택하는 것도 가능하다.
내측 상부전극(38)의 전극지지체(58)에는, 정합기(44), 상부 급전봉(46, 커넥터(48) 및 하부 급전봉(76)을 통하여 상기 제 1 고주파전원이 전기적으로 접속되어 있다. 하부 급전봉(76)의 도중에는, 캐패시턴스를 가변 조정하는 것이 가능한 가변 콘덴서(78)가 마련되어 있다. 이 가변 콘덴서(78)는, 후술하는 바와 같이, 외측 전계강도와 내측전계강도의 밸런스를 조정하는 기능을 갖는 것과 함께, 장치의 플라즈마 소스측의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정기구의 일부로서 기능한다.
도시는 생략하지만, 외측 상부전극 및 내측 상부전극(38)에도 적당한 냉매실 또는 냉각 재킷을 설치하고, 외부의 칠러유닛으로부터의 냉매를 통하여 이들 전극의 온도제어를 행하도록 하여도 좋다.
챔버(10)의 저부에는 배기구(80)가 마련되고, 이 배기구(80)에 배기관(82)을 통하여 배기장치(84)가 접속되어 있다. 배기장치(84)는, 터보분자펌프 등의 진공 펌프를 갖고 있으며, 챔버(10)내를 소망의 진공도까지 감압가능하게 되어 있다. 또한, 챔버(10)의 측벽에는 반도체 웨이퍼(W)의 반출입구(85)가 마련되어 있으며, 이 반출입구(85)는 게이트밸브(86)에 의해 개폐가능하게 되어 있다.
하부전극인 서셉터(16)에는, 정합기(88)를 통하여 제 2 고주파전원(90)이 전기적으로 접속되어 있다. 이 제 2 고주파전원(90)으로부터 하부전극 서셉터(16)에 고주파전력이 공급되는 것에 의해, 반도체 웨이퍼(W)측에 이온이 끌어당겨진다. 제 2 고주파전원(90)은, 2∼27MHz의 범위내의 주파수, 예컨대 2MHz의 고주파전력을 출력한다. 정합기(88)는 고주파전원(90)의 내부(또는 출력) 임피던스에 부하 임피던스를 정합시키기 위한 것으로, 챔버(10)내에 플라즈마가 생성되어 있는 때에 고주파전원(90)의 내부 임피던스와 부하 임피던스가 외관상 일치하도록 기능한다. 또한, 정합기(88)에는, 후술하는 임피던스 조정기구의 일부를 이루는 Vpp 모니터(89)(전압검출기)가 내장되어 있다. 이하, Vpp란 고주파전압파형의 피크간의 전위 차를 지시하는 것으로 한다.
내측 상부전극(38)에는, 제 1 고주파전원(52)으로부터의 고주파(60MHz)는 통과시키지 않고 제 2 고주파전원(90)으로부터의 고주파(2MHz)를 그라운드에 통과시키기 위한 로우 패스 필터(LPF)(92)가 전기적으로 접속되어 있다. 이 로우 패스 필터(LPF)(92)는, 바람직하게는 LR 필터 또는 LC 필터로 구성되지만, 1개의 도선만으로도 제 1 고주파전원(52)으로부터의 고주파(60MHz)에 대하여는 충분한 크기인 리액턴스를 부여할 수 있기 때문에, 그것으로 해결하는 것도 가능하다. 한편, 하부전극인 서셉터(16)에는, 제 1 고주파전원(52)으로부터의 고주파(60MHZ)를 그라운드에 통과시키기 위한 하이 패스 필터(HPF)(94)가 전기적으로 접속되어 있다.
본 실시형태에 따른 플라즈마 에칭장치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 임피던스 조정기구(100)를 갖고 있다. 임피던스 조정기구(100)는, 가변 임피던스부를 구성하는 상기 가변 콘덴서(78)와, 상기 내측 상부전극(38)에 흘러들어가는 전류에 의해 형성되는 공진회로(101)와, 상기 Vpp 모니터(89)와, 장치내에 플라즈마를 생성시킨 때에, 상기 가변 콘덴서(78)의 캐패시턴스를 변화시키면서, Vpp 모니터(89)에 의해 검출된 하부전극(서셉터(16))의 바이어스 Vpp의 값에 근거하여, 상기 공진회로(101)의 공진점을 찾아내고, 공진점에 있어서의 가변 콘덴서의 캐패시턴스의 값을 기준으로 되는 값에 맞추는 콘트롤러(102)를 갖고 있다. 이것에 의해 플라즈마 소스측에서의 임피던스의 조정이 가능하게 된다.
또한, Vpp 모니터(89)에 의해 검출된 하부전극의 바이어스 Vpp는, Vpp 모니터(89)에 의해 검출되는 제 2 고주파전원(90)으로부터의 고주파전력에 대한 Vpp로 바꿔 말할 수 있다.
이와 같이 구성되는 플라즈마 에칭장치에 있어서, 에칭처리를 행하는 때에는, 우선, 게이트밸브(86)를 폐쇄상태로하고, 반출입구(85)를 통하여 에칭대상인 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(10)내에 반입하고, 서셉터(16)상에 탑재한다. 그리고, 처리가스 공급원(66)으로부터 에칭을 위한 처리가스를 소정의 유량 및 유량비로 중심 가스도입실(62) 및 주변 가스도입실(64)에 도입하고, 배기장치(84)에 의해 챔버(10)내를 배기하여, 그 내의 압력을 예컨대 0.1∼150Pa의 범위내의 설정값으로 한다. 여기서, 처리가스로서는, 종래 사용되고 있는 각종의 것을 채용할 수 있으며, 예컨대 플루오르카본 가스(CxFy)와 같은 할로겐원소를 함유하는 가스를 적절히 사용할 수 있다. 또한, Ar 가스나 O2 가스 등의 다른 가스가 포함되어도 좋다.
이와 같이 챔버(10)내에 에칭가스를 도입한 상태에서, 제 1 고주파전원(52)으로부터 플라즈마생성용의 고주파전력(60MHz)를 소정의 파워로 상부전극(34)에 인가함과 동시에, 제 2 고주파전원(90)에 의해 이온 끌어당김용 고주파(2MHz)를 소정의 파워로 하부전극인 서셉터(16)에 인가한다. 또한, 직류전원(22)으로부터 직류전압을 정전척(18)의 전극(20)에 인가하여, 반도체 웨이퍼(W)를 서셉터(16)에 고정한다.
내측 상부전극(38)의 가스 토출구멍(56a)으로부터 토출된 에칭가스는, 고주파전력에 의해 생성된 상부전극(34)과 하부전극인 서셉터(16) 사이의 글로우 방전중에서 플라즈마화하고, 이 플라즈마로 생성되는 라디칼이나 이온에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 피처리면이 에칭된다.
이 플라즈마 에칭장치에서는, 상부전극(34)에 높은 주파수영역(이온이 움질일 수 없는 5∼10MHz 이상)의 고주파전력을 공급하고 있으므로, 플라즈마를 바람직한 해리상태로 고밀도화할 수 있어, 보다 저압의 조건하에서도 고밀도 플라즈마를 형성할 수 있다.
또한, 상부전극(34)에 있어서, 반도체 웨이퍼(W)와 직접 대향하는 내측 상부전극(38)을 샤워헤드겸용형으로 하고, 중심 샤워헤드와 주변 샤워헤드로 가스 토출유량의 비율을 임의로 조정할 수 있으므로, 가스 분자 또는 라디칼의 밀도의 공간분포를 직경방향으로 제어하고, 주로 라디칼에 기인하는 에칭특성의 공간적인 분포 특성을 임의로 제어하는 것도 가능하다.
한편, 상부전극(34)에 있어서는, 후술하는 바와 같이, 플라즈마 생성을 위한 고주파전극으로서, 외측 상부전극(36)을 주로하고, 내측 상부전극(38)을 부로하여, 이들 전극(36, 38)에 의해 이들의 바로 아래의 전자에 가해지는 전계강도의 비율을 조정가능하게 하고 있으므로, 플라즈마 밀도의 공간분포를 직경방향으로 제어할 수 있어, 반응성 이온 에칭의 공간적인 특성을 임의로 또한 정밀하게 제어할 수 있다.
여기서, 외측 상부전극(36)과 내측 상부전극(38)의 사이에서 전계강도 또는 투입전력의 비율을 가변적으로 하는 것에 의해 행해지는 플라즈마 밀도 공간분포의 제어는, 중심 샤워헤드와 주변 샤워헤드와의 사이에서 처리가스의 유량이나 가스밀도 또는 가스 혼합비의 비율을 가변하는 것에 의해 행해지는 라디칼 밀도 공간분포의 제어에 실질적으로 영향을 미치지 않는다. 즉, 중심 샤워헤드와 주변 샤워헤드 로부터 분출되는 처리가스의 해리는 내측 상부전극(38) 바로 아래의 에리어내에서 행해지기 때문에, 내측 상부전극(38)과 외측 상부전극(36)과의 사이에서 전계강도의 밸런스가 변하여도, 중심 샤워헤드와 주변 샤워헤드는 내측 상부전극(38)내에 있고 동일 에리어내에 있기 때문에, 이들 사이의 라디칼 생성량 내지 밀도의 밸런스에는 그다지 영향이 없다. 따라서, 플라즈마 밀도의 공간분포와 라디칼 밀도의 공간분포를 실질적으로 독립적으로 제어할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 플라즈마 에칭장치는, 외측 상부전극(36)이 주이며, 그 바로 아래에 플라즈마의 대부분 내지 과반을 생성하여 내측 상부전극(38)의 바로 아래로 확산시킨다. 이 때문에, 샤워헤드를 겸하는 상부전극(38)에 있어서는, 플라즈마의 이온으로부터 받는 어택이 작기 때문에, 교환부품인 전극판(56)의 가스 토출구멍(56a)의 스퍼터 진행을 효과적으로 억제하여, 전극판(56)의 수명을 대폭으로 연장할 수 있다. 한편, 플라즈마의 대부분 내지 과반을 생성하는 외측 상부전극(36)은, 전계의 집중하는 가스 토출구를 갖는 것은 아니기 때문에, 이온의 어택은 작아, 수명이 단축되는 것은 아니다.
다음에 도 2 및 도 4를 참조하여, 외측 상부전극(36)과 내측 상부전극(38) 간의 전계강도 또는 투입전력을 가변으로 하는 것에 의해 행해지는 플라즈마 밀도 공간분포의 제어에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 도 2는, 상술한 바와 같이, 본 실시형태의 플라즈마 에칭장치의 요부, 특히 플라즈 생성수단을 구성하는 요부의 구성을 나타내고 있고, 도 4는 플라즈마 생성수단의 요부의 등가회로를 나타내고 있다. 또한, 도 2에서는, 샤워헤드부의 구조를 생략하고, 도 4에서는 각부의 저항 을 생략하고 있다.
상술한 바와 같이, 커넥터(48)로부터 본 부하회로에 있어서, 외측 상부전극(36) 및 급전봉(50)과 원통상 접지도체(10a)로, 외측 상부전극(36) 및 급전통(50)을 도파로(Jo)로 하는 동축선로가 형성된다. 여기서, 급전통(50)의 반경(외경)을 ao, 원통상 접지도체(10a)의 반경을 b로 하면, 이 동축선로의 특성임피던스 또는 인덕턴스 Lo는 이하의 (1)식으로 근사할 수 있다.
Lo = K·ln(b/ao) ……(1)
단, K는 도파로의 캐리어의 이동도(移動度) 및 유전율로 결정되는 정수이다.
한편, 커넥터(48)로부터 본 부하회로에 있어서, 하부 급전봉(76)과 원통상 접지도체(10a)와의 사이에서도 하부 급전봉(76)을 도파로(Ji)로 하는 동축선로가 형성된다. 내측 상부전극(38)도 하부 급전봉(76)의 연장상에 있지만, 직경이 극단적으로 다르기 때문에, 하부 급전봉(76)의 임피던스가 지배적으로 된다. 여기서, 하부 급전봉(76)의 반경(외경)을 ai로 하면, 이 동축선로의 특성임피던스 또는 인덕턴스 Li는 이하의 식 (2)로 근사할 수 있다.
Li = K·ln(b/ai) ……(2)
상기 (1), (2) 식으로부터 이해되는 바와 같이, 내측 상부 전극(38)에 고주파를 전하는 내측 도파로(Ji)는 종래의 일반적인 고주파 시스템과 동일한 인덕턴스 Li를 부여하는 것에 대하여, 외측 상부전극(36)에 고주파를 전하는 외측 도파로(Jo)는 직경이 매우 크기 때문에 현저히 작은 인덕턴스 Lo를 부여할 수 있다. 이것에 의해, 커넥터(48)로부터 본 부하회로에서는, 낮은 임피던스의 외측 도파로 (Jo)에서 고주파가 전파되기 쉽고(전압강하가 작고), 외측 상부 전극(36)에 상대적으로 큰 고주파전력 Po를 공급하여, 외측 상부전극(36)의 하면(플라즈마 접촉면)에서 강한 전계강도 Eo를 얻을 수 있다. 한편, 높은 임피던스의 내측 도파로(Ji)에서는 고주파가 전파하기 어렵고(전압강하가 크고), 내측 상부전극(38)에 외측 상부전극(36)에 공급되는 고주파전력 Po보다도 작은 고주파전력 Pi가 공급되어, 내측 상부전극(38)의 하면(플라즈마 접촉면)에서 얻어지는 전계강도 Ei를 외측 상부전극(36)측의 전계강도 Eo보다도 작게 할 수 있다.
이와 같이, 상부전극(34)에서는, 외측 상부전극(36)의 바로 아래에서 상대적으로 강한 전계 Eo로 전자를 가속시킴과 동시에, 내측 상부전극(38)의 바로 아래에서는 상대적으로 약한 전계 Ei로 전자를 가속시키는 것으로 되어, 이것에 의해 외측 상부전극(36)의 바로 아래에서 플라즈마 P의 대부분 내지 과반이 생성되고, 내측 상부전극(38)의 바로 아래에서는 보조적으로 플라즈마 P의 일부가 생성된다. 그리고, 외측 상부전극(36)의 바로 아래에서 생성된 고밀도의 플라즈마가 직경방향의 내측과 외측으로 확산하는 것에 의해, 상부전극(34)과 서셉터(16)와의 사이의 플라즈마 처리공간에 있어서 플라즈마 밀도가 직경방향으로 균일하게 된다.
외측 상부전극(36) 및 급전통(50)과 원통상 접지도체(10a)로 형성되는 동축선로에 있어서 최대 전송전력 Pmax는, 급전통(50)의 반경 ao와 원통상 접지도체(10a)의 반경 b에 의존하고, 이하의 (3)식으로 나타내어진다.
Pmax/Eomax 2 = ao2 [ln(b/ao)]2/2Zo … (3)
단, Zo는 정합기(44)측으로부터 본 당해 동축선로의 입력 임피던스이고, Eomax 2는 RF 전송계의 최대 전계강도이다.
상기 (3)식에 있어서, 최대 전송전력 Pmax는 b/ao≒1.65에서 극대값으로 된다. 이것으로부터, 외측 도파로(Jo)의 전력 전송효율을 향상시키기에는, 급전통(50)의 직경 사이즈에 대한 원통상 접지도체(10a)의 직경 사이즈의 비 (b/ao)가 약 1.65로 되도록 구성하는 것이 가장 바람직하고, 적어도 1.2∼2.0의 범위내에 들도록 구성되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.5∼1.7의 범위이다.
플라즈마 밀도의 공간분포를 임의 또는 정밀하게 제어하기 위해서는, 외측 상부전극(36) 바로 아래의 외측 전계강도 Eo(또는 외측 상부전극(36)측에의 투입전력 Po)과 내측 상부전극(38) 바로 아래의 내측 전계강도 Ei(또는 내측 상부전극(38)측에의 투입전력 Pi)와의 비율 즉 밸런스를 조정하는 것이 바람직하고, 그 수단으로서 하부 급전봉(76)의 도중에 가변 콘덴서(78)가 삽입되어 있다. 이 가변 콘덴서(78)의 캐패시턴스 C78과 전체의 투입전력에 대한 내측 상부전극(38)측에의 투입전력 Pi의 비율과의 관계는 도 5에 도시한 바와 같이 되어 있다. 이 도면으로부터 명백한 바와 같이, 가변 콘덴서(78)의 캐패시턴스 C78을 변경하는 것에 의해, 내측 도파로(Ji)의 임피던스 또는 리액턴스를 증감시켜, 외측 도파로(Jo)의 전압강하와 내측 도파로(Ji) 전압강하와의 상대비율을 변경할 수 있고, 나아가서는 외측 전계강도 Eo(외측 투입전력 Po)와 내측 전계강도 Ei(내측 투입전력 Pi)의 비율을 조정할 수 있다.
또한, 플라즈마 전위강하를 일으키는 이온시스의 임피던스는 일반적으로 용량성이다. 도 4의 등가회로에서는, 외측 상부전극(36) 바로 아래에 있어서 시스 임피던스의 캐패시턴스를 Cpo, 내측 상부전극(38) 바로 아래에 있어서의 시스 임피던스의 캐패시턴스를 Cpi로 의제(擬制)하고 있다. 또한, 외측 상부전극(36)과 내측 상부전극(38)의 사이에 형성되는 콘덴서의 캐패시턴스 C40은, 가변 콘덴서(78)의 캐패시턴스 C78과 조합되어 상기와 같은 외측 전계강도 Eo(외측 투입전력 Po)와 내측 전계강도 Ei(내측 투입전력 Pi)의 밸런스를 좌우하는 것으로, 가변 콘덴서(78)에 의한 전계강도(투입전력) 밸런스 조정기능을 최적화할 수 있도록 한 값으로 선정 또는 조정되는 것이 바람직하다.
그런데, 이러한 종류의 플라즈마 처리장치는, 부품의 치수공차나 장착오차 등에 의해, 장치간이나 클리닝사이클마다에 플라즈마 소스측의 임피던스에 미묘한 차가 존재하고, 이것에 의해 프로세스 특성이 어긋나 버린다.
이 때문에, 본 실시형태에서는, 상술한 바와 같은, 외측 전계강도 Eo(외측 투입전력 Po)와 내측 전계강도 Ei(내측 투입전력 Pi)와의 비율을 조정하기 위한 가변 콘덴서(78)를 가변 임피던스부로서 포함하는 임피던스 조정기구(100)에 의해 플라즈마를 생성한 상태에서 예비 임피던스 조정을 행한다. 임피던스 조정기구(100)는, 상기 가변 콘덴서(78)에 의한 임피던스 가변 기능과, 상기 상부전극(34)의 내측 상부 전극(38)에 흘러들어가는 전류에 의해 형성되는 공진회로(101)를 이용하 고, Vpp 모니터(89)에 의해 그 공진회로의 공진점을 찾아내고, 공진점에 있어서의 가변 임피던스부의 값 즉 가변 콘덴서(78)의 캐패시턴스의 값을 기준으로 되는 값에 맞춘다.
구체적으로는, 장치내에 플라즈마를 생성시킨 때에, 상기 가변 콘덴서(78)의 캐패시턴스를 변화시키면서, Vpp 모니터(89)에 의해 하부전극의 바이어스 Vpp의 값을 검출하고, 콘트롤러(102)에 의해, 이 하부전극의 바이어스 Vpp의 값에 기초하여, 상기 내측 상부전극(38)에 흘러들어가는 전류에 의해 형성되는 공진회로(101)의 공진점을 찾아내고, 공진점에 있어서의 가변 콘덴서(78)의 캐패시턴스의 값을 기준으로 되는 값에 맞춘다. 이것에 의해 플라즈마 소스측에서의 임피던스의 조정이 가능하게 된다. 여기서, 본 실시형태에 있어서의, 플라즈마 소스측의 임피던스는, 도 4의 PI로 표시한 범위내에 있어서의 회로의 임피던스이다.
공진회로(101)를 보다 상세히 설명하면, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 된다. 즉, 공진회로(101)는, 급전봉(46)으로부터 커넥터(48), 외측 상부전극(36)에 급전하는 급전통(50), 및 외측 상부전극(36)을 통하여 내측 상부전극(38)에 흐르는 도 6a의 실선으로 표시하는 라인과, 급전봉(46)으로부터 커넥터(48), 외측 상부전극에 급전하는 급전통(50), 외측 상부전극(36), 급전통(50), 가변 콘덴서(78)를 통하여 내측 상부전극(38)에 흐르는 도 6b의 파선으로 표시하는 라인으로 형성된다. 이와 같이 구성되는 공진회로에서는, 공진점에 있어서 내측 상부전극(38)에 흐르는 고주파전류가 가장 크게 된다. 또한, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 고주파전류는, 도전체에 있어서는 그 표면을 흐른다.
상술한 도 5에 도시하는 바와 같이, 가변 콘덴서(78)의 캐패시턴스를 변화시키는 것에 의해, 내측 상부 전극(38)으로부터의 내측 전계강도 Ei의 비율을 변화시킬 수가 있기 때문에, 가변 콘덴서(78)의 캐패시턴스를 변화시키는 것에 의해 공진회로(101)의 공진점을 찾을 수 있다.
이 때의 내측 상부전극(38)에 흐르는 고주파 전류는, 장치상태, 예컨대 하부전극인 서셉터(16)의 바이어스 Vpp에 반영되고, 내측 상부전극에 가장 큰 고주파전류가 흐르는 공진점에 있어서, Vpp의 값은 극소값을 나타낸다. 즉, 도 7에 도시하는 바와 같이, 플라즈마를 생성시킨 상태에서 가변 콘덴서(78)의 스텝(CPI 값)을 증감하고, 캐패시턴스를 변화시키면, Vpp 모니터(89)가 검출하는 하부전극의 바이어스 Vpp의 값이 변화하고, 어느 CPI 값에 있어서 Vpp의 값은 극소치를 나타낸다. 이와 같이 Vpp의 값이 극소치를 나타내는 경우에, 상기 공진회로가 공진점을 나타내는 것으로 된다. 또한, CPI 값은, 가변 콘덴서(78)의 캐패시턴스의 변화폭을 소정수의 스텝으로 분할한 값을 말하고, 실제의 캐패시턴스의 값에 대응한다.
본 실시형태에서는 이것을 이용하여, 임피던스 조정기구(100)의 콘트롤러(102)에 의해, 이하의 수순으로 임피던스 조정을 행한다. 이 때의 수순을 도 8의 플로우챠트를 참조하여 상세히 설명한다.
우선, 플라즈마 에칭장치내에 더미 웨이퍼를 반입하고, 제 1 고주파전원(52)에 급전하여 플라즈마를 생성시키고, 가변 콘덴서(78)의 초기 스텝(CPI값)에서의 하부전극(서셉터(16))의 바이어스 Vpp의 값을 취득한다(STEP1). 이 경우의 Vpp는, 복수개, 예를 들면 20개의 데이터의 평균값을 구한다. 이 때에, 플라즈마 불안정 이나 이상방전 등에 의해 Vpp가 이상값을 나타내고 있는가 어떤가를 판단한다(STEP2). 구체적으로는, 복수개의 Vpp 데이터의 진폭이 예컨대 50V 이상인 경우, 플라즈마 불안정이나 이상방전 등의 가능성이 있어 재시행을 구한다.
이 STEP2는, Vpp의 변화량을 모니터하는 것에 의해, 예컨대 이하와 같이하여 행한다.
복수개의 Vpp 데이터 중 최초의 3포인트는 하기와 같이 비교한다.
-50 < Vpp(i+1)-Vpp(i) < 50 (i=0, 1, 2)
4포인트째로부터 나머지는, 하기와 같이 이동 평균으로 비교한다.
-50 < Vpp(i)-(Vpp(i-1)+Vpp(i-2)+Vpp(i-3))/3 < 50 (3<i<19)
각각의 Vpp의 값이 정상인 경우, 평균 Vpp값이 극소치인가 여부를 판정한다(STEP3). 이 판정은 콘트롤러(102)에 의해, 이하와 같이 행해진다. 즉, 도 7과 같이 나타냄으로써, Vpp(j+1)-Vpp(j)를 계산하고(단, j : CPI값, Vpp(j) : CPI값 j에 있어서의 평균 Vpp값이다.),
Vpp(j+1)-Vpp(j) < 0
인 경우, Vpp(j)는 극소값은 아니라고 판정하고,
Vpp(j+1)-Vpp(j) > 0
인 경우, Vpp(j)는 극소값이라고 판정한다.
또한, 상기 평균 Vpp값이 극소값인가 여부를 판정하는 방법을 채용하는 경우는, 가장 최초에 상기 STEP1∼3을 실행하는 때의 CPI값(초기CPI값)이, 공진점 근방의 CPI값보다 작은 CPI값으로 설정할 필요가 있다.
그리고, 구한 평균 Vpp값이 극소값이 아닌 경우, CPI값을 1 늘리고(STEP4), 다시 상기 STEP1∼3을 행한다. 또한, 이것을 반복하여 CPI값을 10이상 늘려도 공진점이 없는 경우, CPI값이 공진점을 초과하여 버린 가능성이 있기 때문에, 이 경우에는 CPI값을 1씩 감소시켜 Vpp값이 극소치로 되는 점을 찾는다.
한편, 구한 Vpp값이 극소값인 경우, 이 CPI값을 공진점으로 하고, 이 공진점의 CPI값과 기준으로 되는 CPI값과의 차를 오프셋량으로서 계산한다(STEP5). 즉, 오프셋량 = (기준 CPI값) - (현재의 공진점의 CPI 값)을 산출한다. 여기서, 기준으로 되는 CPI값은, 클리닝전의 공진회로(101)의 공진점에 있어서의 CPI값, 또는 임피던스가 조정된 동일한 구조의 다른 장치의 공진회로(101)의 공진점에 있어서의 값이다. 또한, 공진점은, 콘트롤러(102)에 파라미터로서 설정되어 있다. 이 오프셋량은, 도 9에 도시된 바와 같이, Vpp의 기준파형(공진점에 있어서의 CPI가 기준값인 경우)에 대한 어긋남에 대응하는 것으로, 이와 같이, 공진점에 있어서의 CPI값의 어긋남을 파악하는 것에 의해, 임피던스값의 기준값으로부터의 어긋남을 파악할 수 있다.
이 오프셋량을 예컨대 장치화면에 나타내도록 하고, 이 화면에 의해 사용자가 산출된 오프셋값을 확인할 수 있도록 한다(STEP6). 그리고, 사용자의 조작에 의해 오프셋 명령이 실시되고(STEP7), 이것에 의해 콘트롤러(102)로부터 가변 콘덴서(78)의 콘트롤러박스(도시안됨)에 지령이 송신되어 가변 콘덴서(78)의 콘트롤러박스가 초기화되는 것과 함께, 가변 콘덴서(78)의 공진점의 CPI값이 상술한 바와 같이 산출된 오프셋값에 대응하는 값만큼 오프셋된다(STEP8). 그 후, 이 초기화 명령이 정상으로 실시되었는지 여부를 판정하고(STEP9), 정상으로 행해졌다고 판단된 경우에, 상기 STEP1∼3을 실시하고, 공진점이 수정되었는지 여부를 사용자가 확인하고(STEP10), 수정되어 있으면, 임피던스 조정을 종료하고, 수정되어 있지 않으면, 임피던스 조정을 다시 행한다.
이와 같이, 공진회로(101)의 공진점을 이용하여 가변 콘덴서(78)의 캐패시턴스의 값을 기준으로 되는 값으로 조정할 수 있으므로, 부품의 치수공차나 장착오차 등에 의해 생기는 장치간이나 클리닝사이클마다의 플라즈마 소스측의 임피던스의 차를 최소한으로 억제할 수 있다. 또한, 플라즈마를 생성한 상태에서 조정을 행할 수 있으므로, 임피던스의 조정정밀도가 높다. 또한, 특별한 측정기구나 측정치구를 사용하지 않으므로, 코스트적으로 유리하다. 더구나, 대부분 자동적으로 조정을 행할 수 있으므로, 인위적 미스도 거의 없다. 또한, 상기에서는 플라즈마 에칭장치내에 더미 웨이퍼를 반입하여 임피던스 조정을 행하는 수순을 설명하였지만, 더미 웨이퍼를 반입하지 않아도, 동일한 수법으로 임피던스 조정을 행할 수 있다.
도 10에 이상과 같이 하여 실제로 임피던스 조정을 행한 예를 나타낸다. 이 예에서는, 기준으로 되는 공진점에서의 CPI값이 63이고, 조정전의 공진점에서의 CPI값은 64였다. 이 때문에, 상술의 수순에 따라 공진점에서의 CPI값이 63으로 되도록 조정하였다.
상기 예에서는, 공진회로(101)의 공진점을 하부전극에 있어서의 바이어스 Vpp를 사용하여 파악하였지만, 도 11에 도시하는 상부전극의 정합기(44)의 두개의 콘덴서 C1 및 C2의 캐패시턴스를 사용하여도 파악할 수 있다. 이것에 의해 공진점 을 파악하고, 실제로 임피던스 조정을 행한 결과를 도 12에 도시한다. C1은 공진점에 있어서의 극소값을 나타내고, C2는 공진점에 있어서의 극대값을 나타낸다. 이 예에서는, 기준으로 되는 CPI값은 65이고, 조정전의 CPI값은 66이다. 이 경우에서도, 상술의 수순에 따라서, C1의 극소값 및 C2의 극대값에서의 CPI값이 65로 되도록 조정하여 임피던스 조정을 행할 수 있다.
그 외, 상부전극측에 VI 프로브(전류·전압·위상·어느 주파수에 대한 고주파 등을 검출가능한 검출기)를 설치한 경우, 하부전극측에 VI 프로브를 설치한 경우에 있어서, 그 전압값 또는 전류값을 사용하여도 공진회로(101)의 공진점을 파악할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 상기 실시형태에서는, 가변 임피던스부로서 가변 콘덴서를 사용하였지만, 이것에 한정되지 않고, 가변 코일이나 가변 저항 등, 다른 회로를 사용하는 것도 가능하다. 또한, 상기 실시형태에서는, 내측 상부전극으로의 급전 라인에 가변 임피던스부를 설치하였지만, 외측 상부전극의 급전 라인에 설치하여도 좋다. 또한, 플라즈마 생성용의 고주파전력을 상부전극에 인가하는 플라즈마 처리장치에 대해서 표시하였지만, 하부전극에 인가하는 플라즈마 처리장치라도 좋다. 또한, 플라즈마 생성용의 고주파전력이 인가되는 전극을 분할전극으로 한 예에 대하여 하부전극의 바이어스 Vpp, 상부전극의 정합기에 포함되어 있는 콘덴서의 캐패시턴스, VI 프로브가 검출하는 전압값이나 전류값을 예시하였지만, 이것에 한정되지 않고, 공진회로의 공진점을 파악할 수 있는 것이라면 특히 한정되지 않는다. 또 한, 상기 실시형태에서는 플라즈마 에칭장치를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 CVD 성막장치나 스퍼터링 장치 등의 다른 플라즈마 처리장치에 적용가능하다는 것은 말할 필요도 없다.
본 발명에 의하면, 공진회로와, 상기 제 1 전극의 급전 라인에 설치된 가변 임피던스부와, 상기 공진회로의 공진점을 파악하기 위한 장치상태를 검출하는 검출기를 마련하고, 상기 플라즈마를 형성한 상태에서, 상기 가변 임피던스부의 값을 변경시키면서, 상기 검출기의 장치상태의 신호를 검출하여, 상기 공진회로의 공진점을 찾아내고, 상기 공진점에서의 가변 임피던스부의 값을 기준으로 되는 값으로 조정하여 플라즈마 소스측의 임피던스를 조정함으로써, 부품의 치수공차나 장착오차 등에 의해 생기는 장치간이나 클리닝사이클마다의 플라즈마 소스측의 임피던스의 차를 최소한으로 억제할 수 있다. 또한, 플라즈마를 생성한 상태에서 조정을 행할 수 있으므로, 임피던스의 조정 정밀도가 높다. 또한, 특별한 측정기기나 측정치구를 사용하는 것이 아니므로, 코스트적으로 유리하다. 또한, 대부분 자동적으로 조정을 행할 수 있으므로, 인위적 미스도 거의 없다.
또한, 제 1 전극을 내측 전극 및 외측 전극으로 분할하고, 내측전극의 급전 라인 또는 외측 전극의 급전 라인에 가변 임피던스부를 설치하고, 제 1 전극의 플라즈마 접촉면에 있어서 내측 부분과 외측부분에서의 전계를 제어하여 플라즈마 공간 분포의 균일성을 높이는 효과를 얻을 수 있는 플라즈마 처리장치에서는, 이 장 치가 구비하는 가변 임피던스부, 및 내측 전극에 고주파전류가 흐르도록 형성된 공진회로를 이용하여, 임피던스 조정을 행할 수 있다. 특히, 내측전극의 급전 라인에 가변 콘덴서를 설치하는 것에 의해, 보다 유효하게 임피던스 조정을 행할 수 있다.

Claims (23)

  1. 피처리기판이 수용되고, 진공배기가능한 처리용기와;
    처리용기내에 대향하여 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극과;
    상기 제 1 전극에 플라즈마 형성용의 고주파전력을 공급하는 고주파전력 공급수단과;
    상기 처리용기내에 처리가스를 공급하는 처리가스 공급수단을 구비하고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과의 사이에 처리가스의 플라즈마를 생성하여 피처리기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 있어서,
    플라즈마 소스측의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정수단을 더욱 구비하고,
    상기 임피던스 조정수단은,
    상기 제 1 전극에 고주파전류가 흘러들어가도록 형성된 공진회로와;
    상기 제 1 전극의 급전라인에 설치된 가변 임피던스부와;
    상기 공진회로의 공진점을 파악하기 위한 장치상태를 검출하는 검출기와;
    상기 플라즈마를 형성한 상태에서, 상기 가변 임피던스부의 값을 변경시키면서, 상기 검출기의 장치상태의 신호를 검출하여, 상기 공진회로의 공진점을 찾아내고, 상기 공진점에 있어서의 가변 임피던스부의 값을 기준으로 되는 값으로 조정하는 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 임피던스부는, 가변 콘덴서인 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리장치.
  3. 피처리기판이 수용되고, 진공배기가능한 처리용기와;
    처리용기내에 대향하여 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극과;
    상기 제 1 전극에 플라즈마 형성용의 고주파전력을 공급하는 고주파전력 공급수단과;
    상기 처리용기내에 처리가스를 공급하는 처리가스 공급수단을 구비하고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과의 사이에 처리가스의 플라즈마를 생성하여 피처리기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 있어서,
    상기 제 1 전극은, 내측 전극 및 외측 전극으로 분할되고,
    상기 플라즈마 처리장치는, 플라즈마 소스측의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정수단을 더욱 구비하고,
    상기 임피던스 조정수단은,
    상기 제 1 전극의 상기 내측전극에 고주파전류가 흘러들어가도록 형성된 공진회로와;
    상기 제 1 전극의 내측전극에의 급전라인 또는 외측전극에의 급전라인에 설 치된 가변 임피던스부와;
    상기 공진회로의 공진점을 파악하기 위한 장치상태를 검출하는 검출기와;
    상기 플라즈마를 형성한 상태에서, 상기 가변 임피던스부의 값을 변경시키면서, 상기 검출기로부터의 장치상태의 신호를 검출하여, 상기 공진회로의 공진점을 찾아내고, 상기 공진점에 있어서의 가변 임피던스부의 값을 기준으로 되는 값으로 조정하는 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기준으로 되는 가변 임피던스부의 값은, 클리닝전의 상기 공진회로의 공진점에 있어서의 가변 임피던스부의 값, 또는 임피던스가 조정된 동일한 구조의 다른 장치의 상기 공진회로의 공진점에 있어서의 가변 임피던스부의 값인 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리장치.
  5. 피처리기판이 수용되고, 진공배기가능한 처리용기와;
    처리용기내에 대향하여 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극과;
    상기 제 1 전극에 플라즈마 형성용의 고주파전력을 공급하는 고주파전력 공 급수단과;
    상기 처리용기내에 처리가스를 공급하는 처리가스 공급수단을 구비하고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과의 사이에 처리가스의 플라즈마를 생성하여 피처리기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 있어서,
    상기 제 1 전극은, 내측 전극 및 외측 전극으로 분할되고,
    상기 플라즈마 처리장치는, 플라즈마 소스측의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정수단을 더욱 구비하고,
    상기 임피던스 조정수단은,
    상기 제 1 전극의 상기 내측전극에 고주파전류가 흘러들어가도록 형성된 공진회로와;
    상기 제 1 전극의 내측전극에의 급전라인에 설치된 가변 콘덴서와;
    상기 공진회로의 공진점을 파악하기 위한 장치상태를 검출하는 검출기와;
    상기 플라즈마를 형성한 상태에서, 상기 콘덴서의 캐패시턴스를 변경시키면서, 상기 검출기로부터의 장치상태의 신호를 검출하여, 상기 공진회로의 공진점을 찾아내고, 상기 공진점에 있어서의 가변 임피던스부의 값을 기준으로 되는 값으로 조정하는 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기준으로 되는 가변 콘덴서의 캐패시턴스는, 클리닝전의 상기 공진회로의 공진점에 있어서의 가변 콘덴서의 캐패시턴스, 또는 임피던스가 조정된 동일한 구조의 다른 장치의 상기 공진회로의 공진점에 있어서의 가변 콘덴서의 캐패시턴스인 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 공진회로는, 상기 외측 전극에의 급전 라인으로부터 상기 내측 전극에 고주파전류가 흐르는 라인과, 상기 외측 전극에의 급전라인, 상기 외측 전극, 상기 외측 전극에의 급전라인, 상기 가변 임피던스부를 순차로 통하여 상기 내측 전극에 고주파 전류가 흐르는 라인으로 형성되는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 장치상태를 검출하는 검출기는, 상기 제 2 전극측에 설치된 전압검출기인 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리장치.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 고주파전력 공급수단은, 고주파전원과, 상기 고주파전원의 내부 임피던스 또는 출력 임피던스에 부하 임피던스를 정합시키는 정합기와, 상기 장치상태를 검출하는 검출기와, 상기 정합기의 콘덴서의 캐패시턴스를 검출하는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리장치.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 장치상태를 검출하는 검출기는, 상기 제 1 전극측 또는 상기 제 2 전극측에 설치되어, 플라즈마의 전류 또는 전압을 검출하는 VI 프로브인 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 피처리기판을 지지하는 지지전극이고, 상기 제 2 전극에 이온을 끌어당기기 위한 고주파전력 공급수단을 더욱 갖는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 이온을 끌어당기기 위한 고주파전력 공급수단은, 고주파전원과, 상기 고주파전원의 내부 임피던스 또는 출력 임피던스에 부하 임피던스를 정합시키는 정합기를 갖는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 장치상태를 검출하는 검출기는, 상기 제 2 전극측의 상기 정합기에 설치된 전압검출기인 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리장치.
  14. 피처리기판이 수용되고, 진공배기가능한 처리용기와;
    처리용기내에 대향하여 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극과;
    상기 제 1 전극에 플라즈마 형성용의 고주파전력을 공급하는 고주파전력 공급수단과;
    상기 처리용기내에 처리가스를 공급하는 처리가스 공급수단을 구비하고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과의 사이에 처리가스의 플라즈마를 생성하여 피처 리기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에서의 임피던스 조정방법에 있어서,
    상기 제 1 전극의 급전라인에 가변 임피던스부를 설치하고, 상기 제 1 전극에 고주파전류가 흘러들어가도록 형성된 공진회로의 공진점을 파악하기 위한 장치상태를 검출하는 검출기를 설치하고, 상기 플라즈마를 형성한 상태에서, 상기 가변 임피던스부의 값을 변경시키면서, 상기 검출기에 의해 장치상태의 신호를 검출하여, 상기 공진회로의 공진점을 찾아내고, 상기 공진점에 있어서의 가변 임피던스부의 값을 기준으로 되는 값으로 조정하여 플라즈마 소스측의 임피던스를 조정하는 것을 특징으로 하는
    임피던스 조정방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 가변 임피던스부는, 가변 콘덴서인 것을 특징으로 하는
    임피던스 조정방법.
  16. 피처리기판이 수용되고, 진공배기가능한 처리용기와;
    처리용기내에 대향하여 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극과;
    상기 제 1 전극에 플라즈마 형성용의 고주파전력을 공급하는 고주파전력 공 급수단과;
    상기 처리용기내에 처리가스를 공급하는 처리가스 공급수단을 구비하고, 상기 제 1 전극은, 내측 전극 및 외측 전극으로 분할되고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과의 사이에 처리가스의 플라즈마를 생성하여 피처리기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 있어서의 임피던스 조정방법에 있어서,
    상기 제 1 전극의 내측전극에의 급전라인 또는 외측전극에의 급전라인에 설치된 가변 임피던스부를 설치하고, 상기 제 1 전극의 내측전극에 고주파전류가 흘러들어가도록 형성된 공진회로의 공진점을 파악하기 위한 장치상태를 검출하는 검출기를 설치하고, 상기 플라즈마를 형성한 상태에서, 상기 가변 임피던스부의 값을 변경시키면서, 상기 검출기에 의해 장치상태의 신호를 검출하여, 상기 공진회로의 공진점을 찾아내고, 상기 공진점에 있어서의 가변 임피던스부의 값을 기준으로 되는 값으로 조정하여 플라즈마 소스측의 임피던스를 조정하는 것을 특징으로 하는
    임피던스 조정방법.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준으로 되는 가변 임피던스부의 값은, 클리닝전의 상기 공진회로의 공진점에 있어서의 가변 임피던스부의 값, 또는 임피던스가 조정된 동일한 구조의 다른 장치의 상기 공진회로의 공진점에 있어서의 가변 임피던스부의 값인 것을 특징으로 하는
    임피던스 조정방법.
  18. 피처리기판이 수용되고, 진공배기가능한 처리용기와;
    처리용기내에 대향하여 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극과;
    상기 제 1 전극에 플라즈마 형성용의 고주파전력을 공급하는 고주파전력 공급수단과;
    상기 처리용기내에 처리가스를 공급하는 처리가스 공급수단을 구비하고, 상기 제 1 전극은, 내측 전극 및 외측 전극으로 분할되고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과의 사이에 처리가스의 플라즈마를 생성하여 피처리기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 있어서의 임피던스 조정방법에 있어서,
    상기 제 1 전극의 내측전극에의 급전라인에 가변 콘덴서를 설치하고, 상기 제 1 전극의 내측전극에 고주파전류가 흘러들어가도록 형성된 공진회로의 공진점을 파악하기 위한 장치상태를 검출하는 검출기를 설치하고, 상기 플라즈마를 형성한 상태에서, 상기 콘덴서의 캐패시턴스를 변경시키면서, 상기 검출기에 의해 장치상태의 신호를 검출하여, 상기 공진회로의 공진점을 찾아내고, 상기 공진점에 있어서의 가변 콘덴서의 캐패시턴스의 값을 기준으로 되는 값으로 조정하여 플라즈마 소스측의 임피던스를 조정하는 것을 특징으로 하는
    임피던스 조정방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 기준으로 되는 가변 콘덴서의 캐패시턴스는, 클리닝전의 상기 공진회로의 공진점에 있어서의 가변 콘덴서의 캐패시턴스, 또는 임피던스가 조정된 동일한 구조의 다른 장치의 상기 공진회로의 공진점에 있어서의 가변 콘덴서의 캐패시턴스인 것을 특징으로 하는
    임피던스 조정방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 공진회로는, 상기 외측 전극에의 급전 라인으로부터 상기 내측 전극에 고주파전류가 흐르는 라인과, 상기 외측 전극에의 급전라인, 상기 외측 전극, 상기 외측 전극에의 급전라인, 상기 가변 임피던스부를 순차로 통하여 상기 내측 전극에 고주파 전류가 흐르는 라인으로 형성되는 것을 특징으로 하는
    임피던스 조정방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 장치상태를 검출하는 검출기는, 상기 제 2 전극측에 설치된 전압검출기인 것을 특징으로 하는
    임피던스 조정방법.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 고주파전력 공급수단은, 고주파전원과, 상기 고주파전원의 내부 임피던스 또는 출력 임피던스에 부하 임피던스를 정합시키는 정합기를 가지며, 상기 장치상태를 검출하는 검출기는, 상기 정합기의 콘덴서의 캐패시턴스를 검출하는 것을 특징으로 하는
    임피던스 조정방법.
  23. 제 16 항에 있어서,
    상기 장치상태를 검출하는 검출기는, 상기 제 1 전극측 또는 상기 제 2 전극측에 설치되어, 플라즈마의 전류 또는 전압을 검출하는 VI 프로브인 것을 특징으로 하는
    임피던스 조정방법.
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