KR100801769B1 - 플라즈마 처리 장치, 플라즈마 처리 방법 및 컴퓨터 기억매체 - Google Patents

플라즈마 처리 장치, 플라즈마 처리 방법 및 컴퓨터 기억매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상부 전극에 제 1 주파수 전력보다 낮은 제 2의 고주파 전력 300W 이상 1000W 이하를 가한 후, 1∼3초의 시간차를 갖고 제 1 주파수 전력을 더하여, 최초에 제 2 고주파 전력에 의해 시스(sheath)를 생성함으로써, 제 1 고주파 전력을 인가하더라도, 샤워헤드의 가스 구멍 중에 플라즈마가 들어가는 것을 저지하여 아크 방전을 억제하기 위한 것으로, 플라즈마 처리 장치(10)에 있어서, 상부 전극(13)과 하부 전극(14)을 처리실(12) 내에 대향하여 배치하고, 상부 전극(13)에 제 1 주파수보다 낮은 제 2 고주파 전원으로부터 제 2 고주파 전력을 최초에 인가하며, 그 후 1∼3초의 시간차를 갖고 제 1 고주파 전력을 중첩하여 인가하는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 처리 장치, 플라즈마 처리 방법 및 컴퓨터 기억 매체{PLASMA PROCESSING DEVICE}
도 1은 본 발명의 플라즈마 처리 장치의 개념도.
도 2는 본 발명의 플라즈마 처리 장치와 종래의 플라즈마 처리 장치에서의 상부 전극 이상 방전 평가를 나타내는 그래프.
도 3(a)는 본 발명의 플라즈마 처리 장치에 의한 저주파 중첩 효과를 상부 전극의 샘플 마모량으로부터 검증한 그래프, 도 3(b)는 상부 전극의 샘플 마모량의 평가 위치를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 플라즈마 처리 장치의 실시예를 나타내는 개념도로서, 도 4(a)는 상하부 3주파의 실시예를, 도 4(b)는 상하부 4주파의 실시예를, 도 4(c)는 상하부 2주파의 실시예를, 또한 도 4(d)는 상하부 3주파의 실시예를, 각각 나타내는 도면,
도 5는 종래의 플라즈마 처리 장치의 개념도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 플라즈마 처리 장치 11 : 처리용기
12 : 처리실 13 : 상부 전극
14 : 하부 전극 15 : 제 1 고주파 전원
16 : 제 1 고주파용 정합기(제 1 정합기)
17 : 제 2 고주파 전원
18 : 제 2 고주파용 정합기(제 2 정합기)
20 : 제 3 고주파 전원 21 : 제 4 고주파 전원
G : 피처리 기판
본 발명은 피처리 기판에 대하여 에칭 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치, 특히 평행 평판형 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 장치나 플랫패널 디스플레이(FPD) 등의 제조 공정에서는, 반도체 웨이퍼나 유리 기판(LCD 기판) 등의 피처리 기판에 에칭 처리를 실시하기 위해서, 평행 평판형 플라즈마 처리 장치가 이용되고 있다.
이러한 종류의 평행 평판형 플라즈마 처리 장치는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 에칭 장치(100)의 처리실(102)은 도전성의 기밀인 처리용기(104)(처리용기의 내측 치수로, 폭 방향 : 2,890㎜, 긴쪽 방향 : 3,100㎜, 높이 : 600㎜) 내에 형성되고, 또한, 처리실(102) 내에는, 가스 샤워헤드를 갖는 상부 전극(제 1 전극 )(106)과 하부 전극(제 2 전극)(108)이 대향하여 배치되어 있다. 또한, 하부 전극(108)은, 유리 기판 등의 평면에서 보아 직사각형 형상의 피처리 기판 G(예컨대, 외형 : 1,870㎜×2,200㎜의 유리 기판)의 탑재대를 겸하고, 또한, 상부 전극(106)과 하부 전극(108)에는, 각각 전력 공급계가 접속되어 있다. 또한, 처리실(102) 내에는, 처리 가스가 가스 공급 경로(110)를 통해 도입되고, 또한, 처리실(102) 내의 가스는 배기 경로(112)를 통해 배기된다.
여기서, 상부 전극(106)에는, 제 1 고주파 전원(114)이 로우패스(저역 통과) 필터(116), 제 1 정합기(118), 캐패시턴스(120)를 거쳐서 접속되어 있다. 이러한 구성에 의해, 상부 전극(106)에는 소정 주파수, 예컨대 13.56㎒에서 20㎾의 제 1 고주파 전력을 인가한다.
또한, 하부 전극(108)에는, 제 2 고주파 전원(122)이 제 2 정합기(124)를 거쳐서 접속되어 있다. 이러한 구성에 의해, 하부 전극(108)에는, 제 1 고주파 전력의 주파수보다 낮은 주파수, 예컨대 3.2㎒에서 10㎾의 제 2 고주파 전력을 인가한다.
이러한 구성에 의해, 플라즈마의 상태나 프로세스에 따라 플라즈마를 제어할 수 있어, 피처리 기판 G에 균일한 처리를 실시할 수 있게 되어 있다(특허문헌 1 및 2 참조).
그러나, 종래의 이와 같은 평행 평판형 플라즈마 처리 장치에서는, 방전 조건에 따라서는, 상부 전극의 가스 샤워헤드의 구멍 내에 아크 방전이 발생하고, 상부 전극의 손상에 의한 단수명(短壽命)이 발생하고 있었다.
[특허문헌 1] 일본 특허공개 2001-127045호 공보
[특허문헌 2] 일본 특허공개 2002-313898호 공보
본 발명이 해결하고자 하는 문제점은 플라즈마 처리 장치에 있어서의 가스 샤워헤드의 구멍 내의 이상 방전(아크 방전)의 발생 방지이다.
본 발명은, 제 1 전극과 제 2 전극을 처리실에 대향하여 배치하고, 고주파 전원으로부터의 고주파 전력과 저주파 전원으로부터의 저주파 전력을 제 1 정합 회로와 제 2 정합 회로를 거쳐서 상기 제 1 전극에 인가하고, 또한, 제 2 전극을 접지시키도록 구성한 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 고주파 전력에 상기 저주파 전력을 중첩하여 인가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치에 관한다.
(플라즈마 처리 장치의 구성)
첨부한 도 1에 도시하는 바와 같이 본 발명의 플라즈마 처리 장치(10)는, 기밀하게 유지된 도전성의 처리용기(11)(처리용기의 내측 치수로, 폭 방향 : 2,890㎜, 긴쪽 방향 : 3,100㎜, 높이 : 600㎜)로 이루어지고, 이 처리용기(11) 내에 처리실(12)이 형성되어 있다. 그리고, 이 처리실(12) 내에는, 반입·반출되는 유리 기판 등의 평면에서 보아 직사각형 형상의 피처리 기판 G(예컨대, 외형 : 1,870㎜ ×2,200㎜의 유리 기판)을 얹어 놓은 탑재대를 겸한 도전성의 하부 전극(14)이 배치되고, 또한 접지되어 있다. 또한, 하부 전극(14)의 기판 탑재면에 대향하는 위치에는, 상부 전극(13)이 하부 전극(14)과 평행히 배치되고, 13.56㎒용 정합기(제 1 정합기)(16)와, 3.2㎒용 정합기(제 2 정합기)(18)를 거쳐서 13.56㎒의 고주파 전원부(이하 「제 1 고주파 전원」이라고 함)(15)와 3.2㎒의 제 1 고주파 전원보다 낮은 고주파 전원(이하 「제 2 고주파 전원」이라고 함)에 각각 접속되어 있다. 또, 그 밖의 구성은 종래의 평행 평판형 플라즈마 에칭 장치와 거의 동일한 구성이다.
이와 같이, 본 발명의 플라즈마 처리 장치(10)(평행 평판형 플라즈마 처리 장치)를 구성하여, 상부 전극(13)에 제 1 고주파 전력과 제 2 고주파 전력을 중첩적으로 인가하여 플라즈마를 발생시켜 피처리 기판 G을 플라즈마 에칭 처리한다.
(상부 전극으로의 고주파 전력과 저주파 전력의 중첩 인가의 형태)
도 1에 나타내는 본 발명의 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 상부 전극(13)에 제 1 고주파 전력을 중첩하는 최초에 제 1 고주파 전력보다 낮은 주파수의 제 2 고주파 전력을 가한 후, 중첩함으로써, 최초에 상부 전극 계면에 시스를 생성하고, 다음에 제 1 고주파 전력을 가한 경우, 이에 따라 생성되는 플라즈마를 상부 전극 계면으로부터 될 수 있는 한 멀리 하여, 처리실(12) 내의 플라즈마가 이 시스에 의해 가스 샤워헤드의 구멍 중에 들어가는 것이 방해되어, 이상 방전의 발생을 방지한다.
여기서, 고주파 전력에 중첩하는 전력의 주파수는 아래와 같이 설정한다. 즉, 플라즈마 중의 이온이 중첩 주파수의 전계의 변화에 추종할 수 있는 낮은 주파수에서는, 이온이 높은 에너지를 얻어 가속되어, 상부 전극(13)에 충돌해서 상부 전극(13)을 손상시킨다. 한편, 중첩하는 전력의 주파수가 지나치게 높은 경우에는, 자기 바이어스 전압이 작아지고, 시스 영역이 얇기 때문에 플라즈마가 가스 샤워헤드의 구멍 중에 들어가고, 이상 방전을 억제하는 효과가 얻어지지 않게 된다. 본 발명자의 실험 결과에 의하면, 2㎒ 내지 10㎒ 정도의 주파수 전력의 중첩이 바람직하고, 또한, 이 경우, 중첩하는 전력의 시간차는, 최초 제 2 고주파 전력을 가하고, 다음에 제 1 고주파 전력을 가하는 경우에 있어서, 1초 내지 3초 정도로 한다.
도 2는 플라즈마 에칭 챔버 내에서의 상부 전극의 이상 방전 평가를 검증한 결과를 나타내는 것으로, 이상 방전을 발생하기 쉬운 O2 조건(진공도 : 300mTorr, 전극간 갭 : 235㎜, 인가 전력 : 5㎾∼35㎾)으로 23.2㎒의 전력을 중첩했다.
도 2에서는, 가로축에 RFpower(고주파 전력)(W)을, 또한, 세로축에 3.2㎒ 중첩했을 때의 상부 전극에 있어서의 이상 방전 발생의 재현성을 확인한 실험 결과를 도표로 그린 것을 나타낸다. 각 당해 이상 방전 발생의 재현성의 확인에서는, 5㎾에서 35㎾까지 5㎾마다 RF 전력을 인가하고, 중첩하는 주파수 전력의 값을 바꿔 이상 방전의 유무를 확인했다.
우선, 제 1 실험의 확인에서는, 1000W 중첩했지만, 이상 방전은 확인되지 않 았다. 제 2 실험의 확인에서는, 500W 중첩했지만 마찬가지로 이상 방전은 확인되지 않았다. 제 3 실험의 확인에서는, 300W 중첩했지만 이상 방전은 없었다. 또한, 제 4 실험의 확인에서는, 100W 중첩했지만 마찬가지로 이상 방전은 확인되지 않았다.
여기서, 제 1 내지 제 4 실험의 확인시에는, 최초에 3.2㎒의 제 2 고주파 전력을 인가한 상태에서, 소스 전원의 RF 출력(제 1 주파수 전력)을 5㎾씩 단속적(斷續的)으로 인가했다. 또, 소스 전원이 오프(OFF)시에는, 3.2㎒만의 제 2 고주파 전력이 인가된 상태로 했다. 제 5 실험의 확인에서는, 제 1 고주파 전력에 제 2 고주파 전력을 중첩하지 않은 바, 10㎾에서 이상 방전이 확인되었다. 제 6 실험의 확인에서는 500W 중첩하고, 또한, 제 7 실험의 확인에서는 300W 중첩했지만, 이상 방전은 확인되지 않았다. 또한, 제 8 실험의 확인에서는, 100W 중첩한 바, RF 출력이 20㎾와 30㎾에서 소규모 이상 방전이 확인되었다. 이것은, 제 1 주파수보다 낮은 주파수의 제 2 고주파의 전력이 작기 때문에, 시스가 얇아져, 플라즈마가 가스 샤워헤드의 구멍 중에 들어간 것에 기인한다고 생각된다.
여기서, 제 6 내지 제 8 실험의 확인시에는, 제 5 실험의 확인시의 이상 방전 발생 상태로부터, 이상 방전에 의한 방전흔(放電痕)은, 그대로의 상태에서 단속하여 이상 방전 평가를 했다(RF 전력의 인가 방법은, 앞의 제 1 내지 제 4 실험의 확인시와 동일함).
이 상부 전극 이상 방전 평가로부터, (i) 3.2㎒를 300W∼1000W 중첩한 경우에는, 이상 방전은 발생하지 않았지만 100W 중첩으로 소규모 이상 방전의 발생이 인정되었다. (ii) 3.2㎒ 중첩없음에서는 이상 방전이 발생했다.
이 이상 방전 평가로부터, 확실히 상부 전극의 이상 방전을 억제하기 위해서는, 300W 이상 1000W까지의 제 1 주파수보다 낮은 제 2 주파수 전력의 중첩이 바람직한 것이 확인되었다. 여기서, 제 1 고주파 전력과 제 2 고주파 전력의 중첩의 순서는, 최초에 제 2 고주파 전력을 인가하고 나서, 제 1 고주파 전력을 인가해야 하며, 상술한 어느 실험에 있어서도, 제 2 고주파 전력을 인가하고 나서, 제 1 고주파 전력을 인가하는 시간차는 1∼3초이다.
또한, 3.2㎒의 제 2 고주파 전력을 중첩함으로써 시스가 두껍게 되기 때문에, 시스 전압(Vdc)이 증가하여, 상부 전극이 보다 스퍼터링되는 것이 걱정된다. 그래서, 도 3에 도시하는 바와 같이 제 2 고주파의 중첩 효과를 확인하기 위해서, 상부 전극 샘플 마모 평가를 했다.
이 상부 전극 샘플 마모 평가에서는, 25㎜×25㎜의 크기의 열 산화막 웨이퍼 소편을 상부 전극에 붙여 마모량(스퍼터량)을 측정했다. 도 3(a)에서 CENTER는 상부 전극의 중심에, Edge1는 게이트의 반대측의 단부에, 또한 Edge2은 CENTER 바로 아래의 게이트측 단부에, 각각 웨이퍼 소편을 붙인 위치를 나타낸다(도 3(b) 참조).
또한, 상부 전극의 마모량(스퍼터량)의 증가를 확인한 바, 도 3(a)에 도시하는 바와 같이 3.2㎒의 저주파 전력 500W 중첩에서 10%, 또한, 1000W 중첩에서 15% 정도의 증가가 확인되었다(여기서, 도 3(a)의 세로축은, E/R: 에칭 레이트, 가로축은, Bias Power: 바이어스 출력을 나타냄).
이상의 실험결과로부터, 본 발명의 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 상부 전극(13)에 3.2㎒의 제 1 고주파 전력보다 낮은 주파수의 제 2 고주파 전력(300W 이상)을 중첩함으로써, 상부 전극(13)에 손상을 주는 일없이, 이상 방전의 발생을 막는 것이 가능해지는 것이 확인되었다.
한편, 시스 전압(Vdc)을 적극적으로 출력하는 것에 따라, 상부 전극 표면에 생성되는 부착물을 이온의 스퍼터링에 의해 감소시키는 효과도 있지만, 너무 크면 처리실의 소모로 이어진다. 여기서 제 2 고주파의 중첩 전력이 작을수록 스퍼터 레이트는 작아지는 것이 확인되었다.
또한, 도 4(a) 내지 (d)에 각각 도시하는 바와 같이, 상부 전극(13) 및 하부 전극(14)으로의 고주파 전력의 인가 방법을 바꾼 별도의 실시예를 구성할 수도 있다.
우선, 도 4(a)에 나타내는 실시예에서는, 상부 전극(13a)에 제 1 고주파 전원(15a)과, 제 2 고주파 전원(17a)을 접속하여 고주파 전력을 인가하고, 또한 하부 전극(14a)에 제 3 고주파 전원(20a)을 접속하여 고주파 전력을 인가해서, 상하부 3주파로 한다. 또한, 도 4(b)에 나타내는 실시예에서는, 상부 전극(13b)에 제 1 고주파 전원(15b)과 제 2 고주파 전원(17b)을 접속하여 고주파 전력을 인가하고, 또한, 하부 전극(14b)에, 제 3 고주파 전원(20b)과 제 4 고주파 전원(21b)을 접속하여 고주파 전력을 인가해서 상하부 4주파로 한다.
또한, 도 4(c) 및 도 4(d)에 도시하는 바와 같이 상부 샤워헤드(13c, 13d)를 그라운드 접지하여 제 2 고주파 전원(17c, 17d)으로부터 제 2 고주파 전력을 인가 하고, 하부 전극(14c, 14d)에 제 3 고주파 전원(20c) 또는 제 3, 제 4 고주파 전원(20d, 21d)을 접속하여 고주파 전력을 인가하여, 각각 본 발명의 플라즈마 처리 장치를 구성하더라도 좋다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치는, 상하부 2주파의 플라즈마 에칭 장치뿐만 아니라, 상부 전극에 손상을 주는 이상 방전을 미연에 막는 것이 불가결한 CVD 장치 등 각종 처리 장치에 적용할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치에 의하면, 그 상부 전극에 제 1 고주파 전력에 덧붙여, 300W 이상 1000W 이하의 제 1 고주파 전력보다 낮은 주파수의 고주파 전력을 중첩함으로써, 지금까지 아크 방전이 발생하고 있었던 방전 조건에 있어서, 상부 전극 계면의 시스가 두껍게 되어, 처리실 내의 플라즈마가 이 시스에 의해 가스 샤워헤드의 구멍 내에 들어가는 것이 방해되어 이상 방전의 발생을 방지할 수 있다.

Claims (13)

  1. 제 1 전극과 제 2 전극을 처리실에 대향하여 배치하고, 고주파 전원으로부터의 제 1 고주파 전력과 해당 제 1 고주파 전력보다 낮은 주파수의 고주파 전원으로부터의 제 2 고주파 전력을 제 1 정합 회로와 제 2 정합 회로를 거쳐서 상기 제 1 전극에 인가하고, 또한, 제 2 전극을 접지시키도록 구성한 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 제 2 고주파 전력을 최초에 인가한 상태에서, 상기 제 1 고주파 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    중첩하는 상기 제 2 고주파 전력의 주파수가 2㎒에서 10㎒의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    인가하는 상기 제 1 고주파 전력의 주파수가 13.56㎒인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    중첩하는 상기 제 2 고주파의 전력이 300W 이상 1000W 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극이 상부 전극이고, 또한 상기 제 2 전극이 하부 전극인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리 장치가 평행 평판형 플라즈마 처리 장치인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1 전극과 제 2 전극을 처리실에 대향하여 배치하고, 고주파 전원으로부터의 제 1 고주파 전력과 해당 제 1 고주파 전력보다 낮은 주파수의 고주파 전원으로부터의 제 2 고주파 전력을 제 1 정합 회로와 제 2 정합 회로를 거쳐서 상기 제 1 전극에 인가하고, 또한, 제 2 전극을 접지하여 상기 제 2 전극에 탑재한 피처리 기판에 플라즈마 처리하는 방법에 있어서,
    상기 제 2 고주파 전력을 최초에 상기 제 1 전극에 인가하고,
    이어서 상기 제 2 고주파 전력을 상기 제 1 전극에 인가한 상태에서,
    상기 제 1 고주파 전력을 상기 제 1 전극에 인가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    중첩하는 상기 제 2 고주파 전력의 주파수가 2㎒에서 10㎒의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    인가하는 상기 제 1 고주파 전력의 주파수가 13.56㎒인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    중첩하는 상기 제 2 고주파 전력이 300W 이상 1000W 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    중첩하는 시간차가 1초 내지 3초인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  13. 제 1 전극과 제 2 전극을 처리실에 대향하여 배치하고, 고주파 전원으로부터의 제 1 고주파 전력과 해당 제 1 고주파 전력보다 낮은 주파수의 고주파 전원으로부터의 제 2 고주파 전력을 제 1 정합 회로와 제 2 정합 회로를 거쳐서 상기 제 1 전극에 인가하고, 또한, 제 2 전극을 접지하여 상기 제 2 전극에 탑재한 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실행하는 컴퓨터 기억 매체에 있어서,
    상기 제 2 고주파 전력을 최초에 상기 제 1 전극에 인가하고,
    이어서 상기 제 2 고주파 전력을 상기 제 1 전극에 인가한 상태에서,
    상기 제 1 고주파 전력을 상기 제 1 전극에 시간차를 갖고 인가하도록 제어하는 소프트웨어를 포함하는 컴퓨터 기억 매체.
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