KR100889433B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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KR100889433B1
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마사노부 혼다
유타카 마츠이
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

플라즈마 처리 장치는 접지 전극상의 절연막을 제거 가능하다. 플라즈마 처리 장치는, 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 처리 공간을 내부에 갖는 기판 처리실과, 처리 공간에 무선 주파수 전력을 인가하는 RF 전극과, 처리 공간에 DC 전압을 공급하는 DC 전극과, 처리 공간에 노출되는 접지 전극을 갖는다. 접지 전극 및 RF 전극은 절연부를 그 사이에 두고 인접하고, 접지 전극과 RF 전극 사이의 거리는 0 내지 10㎜의 범위 내로 설정된다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도,
도 2는 종래의 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도,
도 3은 60㎒의 무선 주파수 전력만을 상부 전극판에 공급한 경우에 있어서의 퇴적 레이트(deposit attachment rate)와 각 부품의 배치 장소와의 관계를 나타내는 그래프,
도 4는 60㎒의 무선 주파수 전력만을 상부 전극판에 공급한 경우에 시뮬레이션에 의해서 산출된 전계 강도와 각 부품의 배치 장소와의 관계를 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 플라즈마 처리 장치 11 : 기판 처리실
12 : 서셉터 13 : 측벽 부재
14 : 서셉터 측벽 피복 부재 15 : 배기로
16 : 배플판 17 : 반응실
18 : 매니폴드 29 : 도전체부
본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 특히, DC 전원에 접속된 전극을 갖는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
기판으로서의 웨이퍼가 반입되는 처리 공간을 갖는 기판 처리실과, 상기 기판 처리실 내에 배치되고 또한 무선 주파수 전원에 접속된 하부 전극과, 상기 하부 전극과 대향하도록 배치된 상부 전극을 구비하는 평행 평판형 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다. 이 플라즈마 처리 장치에서는, 처리 공간에 처리 가스가 도입되고, 상부 전극 및 하부 전극 사이의 처리 공간에 무선 주파수 전력이 인가된다. 웨이퍼가 처리 공간에 반입되어 하부 전극에 탑재되었을 때에, 도입된 처리 가스를 무선 주파수 전력에 의해서 플라즈마로 변환하여 이온 등을 발생시키고, 상기 이온 등에 의해서 웨이퍼에 플라즈마 처리, 예컨대, 에칭 처리를 실시한다.
최근, 플라즈마 처리 성능의 향상을 목적으로, 상부 전극을 DC 전원에 접속하여 처리 공간에 DC 전압을 인가하는 플라즈마 처리 장치가 개발되어 있다. 처리 공간에 DC 전압을 인가하기 위해서는, 처리 공간에 도전성의 표면이 노출되는 접지 전위의 전극(이하, 「접지 전극」이라 함)을 마련할 필요가 있다. 그러나, 퇴적물 형성 처리 가스(deposit-forming processing gas)를 이용하여 플라즈마 처리를 행하는 경우, 접지 전극의 표면에 퇴적물(deposit)이 부착되어 퇴적막(deposit film)이 형성되는 일이 있다. 또한, 처리 가스의 종류에 따라서는, 접지 전극의 표면이 산화막이나 질화막으로 덮어질 수도 있다. 상기 퇴적막, 산화막 또는 질화막은 절연성이기 때문에, 상부 전극으로부터 접지 전극으로의 DC 전류가 저해되어 처리 공간에 DC 전압을 인가하는 것이 불가능해진다. 따라서, 퇴적막 등을 제거해야 한다.
종래, 전극 표면의 퇴적막 등의 제거 방법으로서, 처리 공간에 산소(O2) 가스를 도입하여, 산소 가스로부터 산소 이온 및 산소 래디컬을 발생시켜, 퇴적막 등을 산소 이온 및 산소 래디컬과 반응시켜 제거하는 방법이 알려져 있다(예컨대, 일본 공개 특허 공보 소화62-040728호 참조).
전술한 퇴적막 등의 제거 방법은, 웨이퍼의 플라즈마 처리와는 별도의 처리를 실행해야 하여, 웨이퍼로부터의 반도체 디바이스의 생산성이 저하된다. 따라서, 웨이퍼의 플라즈마 처리 중에 퇴적막 등을 제거하는 방법, 구체적으로는, 접지 전극을 포함하는 기판 처리실 내의 부품에 비교적 낮은 주파수, 예컨대, 2㎒의 무선 주파수 전력을 전달하는 퇴적막 제거 방법이 개발되어 있다. 이 퇴적막 제거 방법에서는, 2㎒의 무선 주파수 전력에 기인하여 접지 전극의 표면에 변동 전위가 발생한다. 이때, 양이온은 비교적 낮은 주파수의 변동 전위에 추종 가능하여, 상기 변동 전위에 의해서 양이온이 접지 전극에 인입되어 접지 전극의 표면을 스퍼터 링한다. 이에 따라, 퇴적막 등이 제거된다.
그러나, 예컨대 래디컬만을 웨이퍼에 접촉시키고자 하는 경우, 플라즈마 처리 중에 비교적 낮은 주파수의 무선 주파수 전력을 공급하는 것이 불가능한 경우가 있다. 이 경우, 비교적 높은 주파수의 무선 주파수 전력이 접지 전극 등에 전달되지만, 양이온은 비교적 높은 주파수의 변동 전위에는 추종 불가능하여, 비교적 높은 주파수의 무선 주파수 전력에 기인하여 생기는 변동 전위의 전위차가 작다. 양이온이 접지 전극에 낮은 에너지로 인입되어, 퇴적막 등이 제거되지 않을 수 있다.
본 발명의 목적은 접지 전극 상의 절연성막을 제거할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제 1 관점에서는, 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 처리 공간을 내부에 갖는 기판 처리실과, 상기 처리 공간에 무선 주파수 전력을 인가하는 RF 전극과, 상기 처리 공간에 DC 전압을 인가하는 DC 전극과, 상기 처리 공간에 노출되는 접지 전극을 구비하되, 상기 접지 전극 및 상기 RF 전극이 절연부를 그 사이에 두고 인접하고 있으며, 상기 접지 전극과 상기 무선 RF극 사이의 거리가 0 내지 10㎜의 범위로 설정되는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
상기 구성에 의하면, RF 전극이 인가하는 무선 주파수 전력은, RF 전극에 대 향하는 처리 공간의 부분에서 전계를 발생시킬 뿐만 아니라, RF 전극의 근방에서의 처리 공간의 부분에도 소정 강도를 갖는 전계를 발생시킨다. 또한, 해당 전계는 RF 전극으로부터 10㎜ 이상 떨어지면 거의 소멸된다. 그 결과, 접지 전극에 대향하는 처리 공간의 부분에는 소정 강도를 갖는 전계가 발생하여, 해당 전계의 전위차에 기인해 이온이 접지 전극에 충돌한다. 따라서, 접지 전극 상의 절연성막을 제거할 수 있다.
바람직하게는, 상기 거리는 0 내지 5㎜의 범위 내로 설정된다.
상기 구성에 의하면, 접지 전극에 대향하는 처리 공간의 부분에 소정 강도를 갖는 전계를 확실히 발생시킬 수 있어, 접지 전극 상의 절연성막을 확실히 제거할 수 있다.
바람직하게는, 상기 거리의 하한은 0.5㎜이다.
상기 구성에 의하면, 접지 전극과 RF 전극 사이의 거리의 하한은 0.5㎜이다. 그 결과, 접지 전극에 무선 주파수 전력이 인가되는 것을 여유를 갖고 방지할 수 있다. 따라서, 접지 전극을 접지 전위로 유지할 수 있어, 처리 공간에 DC 전압을 확실히 인가할 수 있다.
바람직하게는, 상기 절연부는 절연체 또는 진공 공간을 구비한다.
상기 구성에 의하면, 접지 전극에 무선 주파수 전력이 인가되는 것을 확실히 방지할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제 2 관점에서는, 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 처리 공간을 내부에 갖는 기판 처리실과, 처리 공간에 소정 주파 수 이상의 무선 주파수 전력만을 인가하는 RF 전극과, 처리 공간에 DC 전압을 공급하는 DC 전극과, 처리 공간에 노출되는 접지 전극을 구비하되, 접지 전극 및 RF 전극은 절연부를 그 사이에 두고 인접하는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
상기 구성에 의하면, 처리 공간에는 소정 주파수 이상의 무선 주파수 전력만이 인가된다. 그 결과, 해당 무선 주파수 전력에 기인하여 발생하는 변동 전위에 이온이 추종하기 어려워, 해당 변동 전위에 기인하는 이온의 인입에 의해서 접지 전극 상의 절연성막을 제거할 수 없다. 그러나, RF 전극이 인가하는 무선 주파수 전력은, RF 전극에 대향하는 처리 공간의 부분에서 전계를 발생시킬 뿐만 아니라, RF 전극의 근방에서의 처리 공간의 부분에도 소정 강도를 갖는 전계를 발생시킨다. 그 결과, 접지 전극에 대향하는 처리 공간의 부분에는 소정 강도를 갖는 전계가 발생하여, 해당 전계의 전위차에 기인하여 이온이 접지 전극에 충돌한다. 따라서, 접지 전극 상의 절연성막을 제거할 수 있다.
바람직하게는, 상기 소정 주파수는 13㎒이다.
상기 구성에 의하면, 일주파 전력에 기인하여 발생하는 변동 전위에 이온이 추종하는 것은 없지만, 접지 전극에 대향하는 처리 공간의 부분에는 소정의 강도를 갖는 전계가 발생하기 때문에, 해당 전계에 의해서 이온을 접지 전극에 확실히 밀어 넣을 수 있다.
바람직하게는, 상기 절연부는 절연체 또는 진공 공간을 구비한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부한 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 명확해질 것이며, 도면에서 동일하거나 유사한 부분은 동일한 참조부호로 표기 한다.
명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면 및 설명은 본 발명의 일 실시예를 나타내며, 또한, 본 발명의 원리를 설명하는데 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 이하에서 설명한다.
먼저, 본 발명의 실시예 1에 따른 플라즈마 처리 장치를 설명한다.
도 1은 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 이 플라즈마 처리 장치는 기판으로서의 반도체 웨이퍼 W에 RIE(Reactive Ion Etching) 처리를 실시하도록 구성되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(10)는 원통형의 기판 처리실(11)을 갖고, 해당 기판 처리실(11)은 내부에 처리 공간 S를 가진다. 또한, 기판 처리실(11) 내에는, 예컨대, 직경이 300㎜인 반도체 웨이퍼 W(이하, 간단히 「웨이퍼 W」라고 함)를 탑재하는 탑재대(stage)로서의 원기둥 형상의 서셉터(12)(RF 전극)가 배치되어 있다. 기판 처리실(11)의 내벽면은 측벽 부재(13)로 덮어져 있다. 해당 측벽 부재(13)는 알루미늄으로 이루어지고, 그 처리 공간 S에 면하는 면은 산화이트륨(Y2O3)으로 코팅되어 있다. 기판 처리실(11)은 전기적으로 접지되어 있어, 측벽 부재(13)의 전위는 접지 전위이다. 또한, 서셉터(12)는 도전성 재료, 예컨대, 알루미늄으로 이루어지는 도전체부(29)와, 해당 도전체부(29)의 측면을 덮는 절연성 재료로 이루어지는 서셉터 측면 피복 부재(14)를 갖는다.
플라즈마 처리 장치(10)에서는, 서셉터(12) 위쪽의 기체 분자를 기판 처리 실(11) 밖으로 배출하는 유로로서 기능하는 배기로(15)가 기판 처리실(11)의 내측벽과 서셉터(12)의 측면 사이에 형성된다. 이 배기로(15)의 도중(part way)에는 배플판(baffle plate)(16)이 배치된다.
배플판(16)은 다수의 구멍을 갖는 판 형상 부재로서, 기판 처리실(11)을 상부와 하부로 구획하는 구획판으로서 기능한다. 배플판(16)에 의해서 구획된 기판 처리실(11)의 상부(이하, 「반응실」이라고 함)(17)에는 후술하는 플라즈마가 발생한다. 또한, 기판 처리실(11)의 하부(이하, 「매니폴드(manifold)」라고 함)(18)에는 기판 처리실(11)로부터 가스를 배출하는 러핑 배기관(roughing exhaust pipe)(19) 및 주 배기관(20)이 마련되어 있다. 러핑 배기관(19)에는 DP(dry pump)(도시하지 않음)가 접속되고, 주 배기관(20)에는 TMP(turbo-molecular pump)(도시하지 않음)가 접속된다. 또한, 배플판(16)은 처리 공간 S에서 발생하는 이온 및 래디컬을 포획 또는 반사하여, 이온 및 래디컬이 매니폴드(18)로 누설되는 것을 방지한다.
러핑 배기관(19), 주 배기관(20), DP 및 TMP는 모두 배기 장치를 구성한다. 러핑 배기관(19) 및 주 배기관(20)은 반응실(17)의 가스를 매니폴드(18)를 거쳐서 기판 처리실(11)의 외부로 배출한다. 구체적으로는, 러핑 배기관(19)은 기판 처리실(11) 내를 대기압으로부터 저진공 상태까지 감압하고, 주 배기관(20)은 러핑 배기관(19)과 협력하여 기판 처리실(11) 내를 대기압으로부터 저진공 상태보다 낮은 압력인 고(高)진공 상태(예컨대, 133Pa(1Torr) 이하)까지 감압한다.
서셉터(12)의 도전체부(29)에는 무선 주파수 전원(21)이 정합 기(matcher)(22)를 거쳐서 접속되어 있다. 해당 무선 주파수 전원(21)은 비교적 높은 주파수, 예컨대, 40㎒의 무선 주파수 전력을 도전체부(29)에 공급한다. 이에 따라, 서셉터(12)의 도전체부(29)는 RF 전극으로서 기능한다. 또한, 정합기(22)는 도전체부(29)로부터의 무선 주파수 전력의 반사를 저감하여, 무선 주파수 전력의 도전체부(29)로의 공급 효율을 최대로 한다. 서셉터(12)는 무선 주파수 전원(21)으로부터 공급된 40㎒의 무선 주파수 전력을 처리 공간 S에 인가한다.
RIE 처리 중에 있어서, 서셉터 측면 피복 부재(14)의 표면 및 후술하는 실리콘 전극(27)의 노출부에는 퇴적막, 산화막 또는 질화막 등의 절연성막이 형성될 수도 있다. 여기서, 서셉터 측면 피복 부재(14)의 표면에는 도전체부(29)로 공급된 40㎒의 무선 주파수 전력에 기인하여 무선 주파수(40㎒)의 변동 전위가 발생한다. 그러나, 양이온은 40㎒에서 변동하는 전위차를 추종할 수 없어, 40㎒의 무선 주파수 전력에 기인하여 발생되는 전위차는 작아서, 서셉터 측면 피복 부재(14)에 충돌하는 양이온의 에너지는 낮다. 따라서, 40㎒의 변동 전위에 의해서 서셉터 측면 피복 부재(14)의 표면에 형성된 절연성막은 제거되지 않는다.
서셉터(12)의 상부에는, 전극판(23)을 내부에 갖는 디스크 형상의 정전척(24)이 배치되어 있다. 서셉터(12)가 웨이퍼 W를 탑재할 때, 해당 웨이퍼 W는 정전척(24) 상에 배치된다. 전극판(23)에는 DC 전원(25)이 전기적으로 접속되어 있다. 전극판(23)에 음(negative)의 DC 전압이 인가되면, 웨이퍼 W의 뒷면에는 정전위가 발생한다. 따라서, 전극판(23)과 웨이퍼 W의 뒷면 사이에 전위차가 발생하여, 해당 전위차에 기인하여 쿨롱력(Coulomb force) 또는 존슨-라벡(Johnsen- Rahbek)력에 의해서 웨이퍼 W는 정전척(24)의 상면에 흡착 유지된다.
서셉터(12)의 상부에는, 서셉터(12)의 상면에 흡착 유지된 웨이퍼 W의 주위를 둘러싸도록 고리 형상의 포커스 링(26)이 배치된다. 이 포커스 링(26)은 실리콘(Si) 또는 실리카(SiO2)로 이루어진다. 포커스 링(26)은 처리 공간 S에 노출되고, 해당 처리 공간 S의 플라즈마를 웨이퍼 W의 정면을 향해 포커싱하여, 이에 따라 RIE 처리의 효율을 향상시킨다. 또한, 포커스 링(26)에는 정전척(24)을 거쳐서 도전체부(29)로 공급된 40㎒의 무선 주파수 전력이 전달된다. 여기서, 포커스 링(26)은 40㎒의 무선 주파수 전력을 처리 공간 S에 인가한다. 따라서, 포커스 링(26)도 RF 전극으로서 기능한다.
포커스 링(26)의 주위에는, 해당 포커스 링(26)에 인접하도록 실리콘으로 이루어지는 고리 형상의 실리콘 전극(27)이 배치되어 있다. 해당 실리콘 전극(27)은 처리 공간 S에 노출되는 노출부를 갖고, 또한, 전기적으로 접지되어, 접지 전극으로서 기능한다. 또한, 실리콘 전극(27)은 후술하는 상부 전극판(39)이 처리 공간 S에 인가하는 DC 전압에 기인하는 DC 전류의 경로의 일부를 구성한다.
포커스 링(26)과 실리콘 전극(27) 사이에는 절연성 재료, 예컨대, 석영(quartz)(Qz)으로 이루어지는 고리 형상의 절연체 링(insulator ring)(28)(절연부)이 배치되어 있다. 또한, 실리콘 전극(27)과 서셉터(12)의 도전체부(29)의 사이에는 서셉터 측면 피복 부재(14)가 삽입되어 마련되어 있다. 따라서, 실리콘 전극(27)은 도전체부(29) 및 포커스 링(26)으로부터 전기적으로 절연되고, 절연체 링(28) 및 서셉터 측면 피복 부재(14)는 도전체부(29) 및 포커스 링(26)에 공급되는 무선 주파수 전력이 실리콘 전극(27)에 인가되는 것을 확실히 방지한다.
또한, 실리콘 전극(27)의 주위에는, 해당 실리콘 전극(27)의 측면을 보호하는, 석영으로 이루어지는 고리 형상의 커버 링(cover ring)(30)이 배치되어 있다.
서셉터(12)의 내부에는, 예컨대, 서셉터(12)의 원주 방향으로 연장되는 고리 형상의 냉매실(31)이 마련된다. 이 냉매실(31)에 의해서는, 냉각 유닛(chiller unit)(도시하지 않음)으로부터 냉매용 배관(32)을 거쳐서 소정 온도의 냉매, 예컨대, 냉각수나 Galden(등록 상표)액이 순환 공급된다. 해당 냉매의 온도에 의해서 서셉터(12)의 상면에 흡착 유지된 웨이퍼 W의 처리 온도가 제어된다.
서셉터(12)의 상면의 웨이퍼 W가 흡착 유지되는 부분(이하, 「흡착면」이라고 함)에는, 복수의 열 전도 가스 공급 구멍(33)이 마련되어 있다. 복수의 열 전도 가스 공급 구멍들(33)은 서셉터(12) 내부에 배치된 열 전도 가스 공급 라인(34)을 거쳐서 열 전도 가스 공급부(도시하지 않음)에 접속된다. 해당 열 전도 가스 공급부는 열 전도 가스로서의 헬륨(He) 가스를 열 전도 가스 공급 구멍(33)을 거쳐서 서셉터(12)의 흡착면과 웨이퍼 W의 뒷면간의 간격(gap)에 공급한다.
서셉터(12)의 흡착면에는, 서셉터(12)의 상면으로부터 돌출되도록 이루어져 있는 리프팅 핀(lifting pins)으로서의 복수의 푸셔 핀(pusher pins)(35)이 배치되어 있다. 이들 푸셔 핀(35)은 볼 나사(도시하지 않음)를 거쳐서 모터(도시하지 않음)와 접속되고, 볼 나사에 의해서 직선 운동으로 변환된 모터의 회전 운동에 기인하여 서셉터(12)의 흡착면으로부터 돌출되게 된다. 웨이퍼 W에 RIE 처리를 실시하 기 위해서 웨이퍼 W를 서셉터(12)의 흡착면에 흡착 유지할 때에는, 푸셔 핀(35)은 서셉터(12) 내부에 수용되고, RIE 처리가 실시된 후에 웨이퍼 W를 기판 처리실(11)로부터 반출할 때에는, 푸셔 핀(35)은 서셉터(12)의 상면으로부터 돌출되어 웨이퍼 W를 서셉터(12)로부터 이격시켜 위쪽으로 리프팅한다.
기판 처리실(11)의 천장부에는 서셉터(12)와 대향하도록 가스 도입 샤워 헤드(36)가 배치되어 있다. 가스 도입 샤워 헤드(36)는 버퍼실(37)이 내부에 형성된, 절연성 재료로 이루어지는 전극판 지지체(38)와, 해당 전극판 지지체(38)로부터 지지되는 상부 전극판(39)을 구비한다. 상부 전극판(39)은 처리 공간 S에 그 아래면이 노출된다. 상부 전극판(39)은 도전성 재료, 예컨대, 실리콘으로 이루어지는 디스크 형상의 부재이다. 상부 전극판(39)의 주연부는 절연성 재료로 이루어지는 고리 형상의 쉴드 링(shield ring)(40)에 의해서 덮어진다. 따라서, 상부 전극판(39)은 접지 전위인 기판 처리실(11)의 벽으로부터 전극판 지지체(38) 및 쉴드 링(40)에 의해서 전기적으로 절연되어 있다.
DC 전원(41)은 상부 전극판(39)과 전기적으로 접속되어 있고, 상부 전극판(39)에는 음의 DC 전압이 인가되어 있다. 따라서, 상부 전극판(39)은 처리 공간 S에 DC 전압을 인가한다. 상부 전극판(39)에는 DC 전압이 인가되기 때문에, 상부 전극판(39)과 DC 전원(41) 사이에 정합기를 배치할 필요가 없어, 종래의 플라즈마 처리 장치와 같이 상부 전극판에 정합기를 거쳐서 무선 주파수 전원을 접속하는 경우에 비해서, 플라즈마 처리 장치(10)의 구조를 간소화할 수 있다. 또한, 상부 전극판(39)은 음의 전위로 변동되지 않기 때문에, 양 이온만을 인입한 상태를 유지할 수 있어, 처리 공간 S에서 전자가 소실하는 일은 없다. 따라서, 처리 공간 S에서 전자의 수가 감소하지 않아, 그 결과, RIE 처리 등의 플라즈마 처리의 효율을 향상시킬 수 있다.
전극판 지지체(38)의 버퍼실(37)에는 처리 가스 공급부(도시하지 않음)로부터의 처리 가스 도입관(42)이 접속되어 있다. 또한, 가스 도입 샤워 헤드(36)는 버퍼실(37)을 처리 공간 S에 연결시키는 복수의 가스 구멍(43)을 갖는다. 가스 도입 샤워 헤드(36)는 처리 가스 도입관(42)으로부터 버퍼실(37)로 공급된 처리 가스를 가스 구멍(43)을 통해 처리 공간 S로 공급한다.
기판 처리실(11)의 측벽에는, 푸셔 핀(35)에 의해서 서셉터(12)로부터 위쪽으로 리프팅된 웨이퍼 W의 높이에 대응하는 위치에 웨이퍼 W의 반출입구(44)가 마련되어 있다. 반출입구(44)에는, 해당 반출입구(44)를 개폐하는 게이트 밸브(45)가 마련되어 있다.
이 플라즈마 처리 장치(10)의 기판 처리실(11) 내에서는, 상술한 바와 같이, 서셉터(12)의 도전체부(29)가 서셉터(12)와 상부 전극판(39) 사이의 공간 즉 처리 공간 S에 무선 주파수 전력을 인가함으로써, 가스 도입 샤워 헤드(36)로부터 처리 공간 S로 공급된 처리 가스를 고밀도의 플라즈마로 변환하여 양이온이나 래디컬을 발생시킨다. 또한, 상부 전극판(39)이 처리 공간 S에 DC 전압을 인가함으로써 플라즈마를 소망하는 상태로 유지한다. 양이온이나 래디컬에 의해서 웨이퍼 W에 RIE 처리를 실시한다.
본 발명자는, 본 발명에 앞서, 하기에 나타내는 종래의 플라즈마 처리 장 치(46)에 있어서 비교적 높은 주파수의 무선 주파수 전력만을 RF 전극에 공급한 경우에 있어서의 기판 처리실(11) 내의 퇴적물 부착 상태(the state of attachment of deposit)를 관찰하였다.
도 2는 종래의 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 종래의 플라즈마 처리 장치는, 그 구성이나 작용이 상술한 플라즈마 처리 장치(10)와 기본적으로 동일하며, 상부 전극판(39)에 무선 주파수 전력이 공급되고, 절연체 링(28) 및 실리콘 전극(27)을 갖지 않는 점에서, 플라즈마 처리 장치(10)와 다를 뿐이다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(10)와 동일한 구성 및 작용에 대해서는 설명을 생략하며, 이하에 플라즈마 처리 장치(10)와 다른 구성 및 작용에 대해서만 설명을 한다.
도 2에 있어서, 플라즈마 처리 장치(46)는 정합기(49)를 거쳐서 상부 전극판(39)에 접속된 무선 주파수 전원(47)을 갖는다. 따라서, 상부 전극판(39)은 처리 공간 S에 무선 주파수 전력을 인가한다. 또한, 서셉터(12) 상의 포커스 링(26)의 주위에는, 해당 포커스 링(26)에 인접하도록 석영으로 이루어지는 고리 형상의 커버 링(48)이 배치되어 있다. 또, 포커스 링(26) 및 커버 링(48)은 서로 직접 접촉한다.
본 발명자는, 플라즈마 처리 장치(46)에 있어서, 무선 주파수 전원(21)으로부터 서셉터(12)의 도전체부(29)로 무선 주파수 전력을 공급하는 일 없이, 무선 주파수 전원(47)으로부터 상부 전극판(39)으로 60㎒의 무선 주파수 전력을 2200W로 공급한 경우에 있어서의 상부 전극판(39)의 근방, 구체적으로는, 쉴드 링(40) 및 해당 쉴드 링(40)에 인접하는 측벽 부재(13)의 부분에서의 퇴적물 부착 속도(deposit attachment rate)를 계측하였다. 여기서, 플라즈마 처리 장치(46)에서는, 처리 공간 S의 압력이 2.67Pa(20mTorr)로 설정되고, C4F8 가스 및 Ar 가스가 각각 유량을 14sccm 및 700sccm으로 설정되어 처리 공간 S에 공급되어, 플라즈마가 생성되었다. 그리고, RIE 처리는 5분간 계속되었다.
도 3은 60㎒의 무선 주파수 전력만을 상부 전극판에 공급한 경우에 있어서의 퇴적 레이트와 부품의 배치 위치와의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에서는, 가로축은 상부 전극판(39)에 대한 각 부품의 상대 위치를 나타내고, 오른쪽으로 갈수록 상부 전극판(39)에 가까워짐을 나타낸다.
도 3의 그래프에 도시하는 바와 같이, 측벽 부재(13)에서는 퇴적 레이트가 정(正; positive)이며, 측벽 부재(13)에 퇴적물이 부착되어 가는 것을 알 수 있었지만, 쉴드 링(40)에서는 퇴적 레이트가 부(負; negative)이며, 쉴드 링(40)으로부터 퇴적막이 제거되어 가는 것을 알 수 있었다.
플라즈마 처리 장치(46)에서는, 이온이 추종 가능한 주파수, 예컨대, 2㎒의 무선 주파수 전력이 상부 전극판(39)이나 서셉터(12)의 도전체부(29)에는 공급되는 일은 없고, 또한, 쉴드 링(40)은 절연성 재료로 이루어진다. 그 결과, 쉴드 링(40)의 표면에 변동 전위가 발생하는 일이 없어, 해당 변동 전위에 기인하는 이온의 인입(스퍼터링)에 의해서 퇴적막이 제거되는 일은 없다.
다음에, 본 발명자는, 쉴드 링(40)으로부터 퇴적막 제거의 메카니즘을 탐색 하도록, 상부 전극판(39)에 60㎒의 무선 주파수 전력을 공급한 경우에 있어서의, 쉴드 링(40) 및 상기 측벽 부재(13)의 부분에 대향하는 처리 공간 S의 부분에서의 전계 강도를 시뮬레이션에 의해서 산출하였다. 이하에 있어서, 대향하는 처리 공간 S의 부분에 있어서의 전계를 간단히 「대향 전계」라고 칭한다.
도 4는 60㎒의 무선 주파수 전력만을 상부 전극판에 공급한 경우에 있어서 시뮬레이션에 의해서 산출된 전계 강도와 각 부품의 배치 위치와의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에서도, 가로축은 상부 전극판(39)에 대한 각 부품의 상대 위치를 나타내며, 오른쪽으로 갈수록 상부 전극판(39)에 가까워짐을 나타낸다. 또한, 세로축은 상부 전극판(39)의 주연부에서의 대향 전계의 강도를 「1」로 한 경우의 강도비(strength ratio)를 나타낸다.
도 4의 그래프에 도시하는 바와 같이, 쉴드 링(40)에 인접하는 측벽 부재(13)에서의 대향 전계의 강도는 거의 0인 데 반하여, 쉴드 링(40)에 있어서의 상부 전극판(39)으로부터 10㎜의 범위에서의 대향 전계의 강도는 상부 전극판(39)의 주연부에서의 대향 전계의 강도의 20% 이상이며, 특히, 쉴드 링(40)에 있어서의 상부 전극판(39)으로부터 5㎜의 범위에서의 대향 전계의 강도는 상부 전극판(39)의 주연부에서의 대향 전계의 강도의 40% 이상인 것이 확인되었다. 또한, 쉴드 링(40)에 있어서의 상부 전극판(39)으로부터 10㎜을 넘은 범위에서는 대향 전계가 거의 소멸된다.
이상의 시뮬레이션의 결과로부터, 본 발명자는, 쉴드 링(40)으로부터의 퇴적막 제거의 메카니즘에 관해서 이하의 지견을 얻었다.
즉, 상부 전극판(39)이 처리 공간 S에 60㎒의 무선 주파수 전력을 처리 공간 S에 인가하면, 상부 전극판(39)에 대향하는 대향 전계가 발생하는데, 해당 무선 주파수 전력은 상부 전극판(39)에 대향하는 처리 공간 S의 부분뿐만 아니라, 상부 전극판(39)의 근방, 즉, 쉴드 링(40)에 대향하는 처리 공간 S의 부분에도 상부 전극판(39)에 대향하는 대향 전계보다 약간 약한 대향 전계가 발생된다(전계 누설 효과; electric field leakage effect). 따라서, 쉴드 링(40)에 대향하는 대향 전계의 전위차에 따른 에너지를 갖는 이온이 쉴드 링(40)에 충돌하여, 이온의 충돌에 의해서 쉴드 링(40)으로부터 퇴적막이 제거된다.
본 실시예에서는, 접지 전위의 실리콘 전극(27)의 노출부에 형성된 절연성막을 제거하기 위해서, 상술한 전계 누설 효과를 이용한다. 구체적으로는, 실리콘 전극(27)과 40㎒의 무선 주파수 전력이 전달되는 포커스 링(26) 사이의 거리를 0.5 내지 10㎜의 범위, 바람직하게는 0.5 내지 5㎜의 범위 내로 설정한다. 이 경우에, 포커스 링(26)이 처리 공간 S에 인가하는 40㎒의 무선 주파수 전력의 전계 누설 효과에 의해, 실리콘 전극(27)에 대향하는 처리 공간 S의 부분에도, 포커스 링(26)에 대향하는 대향 전계보다 약간 약한 대향 전계, 구체적으로는, 포커스 링(26)의 주연부에 대향하는 대향 전계의 강도에 대하여 20% 이상의 강도를 갖는 전계가 발생된다. 따라서, 실리콘 전극(27)에 대향하는 대향 전계의 전위차에 따른 에너지를 갖는 이온이 실리콘 전극(27)에 충돌하여, 이온의 충돌에 의해서 실리콘 전극(27)으로부터 절연성막이 제거된다. 실리콘 전극(27)을 포커스 링(26)으로부터 0.5㎜ 내에 배치하는 경우는, 실리콘 전극(27)과 포커스 링(26) 사이에 절연체 링(28)을 배치하는 대신에, 실리콘 전극(27)과 포커스 링(26) 사이에 진공 공간(공간 캐패시터(spatial capacitor))을 형성함을 유념해야 한다. 또, 실리콘 전극(27)과 포커스 링(26) 사이의 거리는, 절연 가능한 길이이면, 이론상 0㎜이어도 좋다.
플라즈마 처리 장치(10)에 의하면, DC 전압이 인가되는 처리 공간 S에 노출되는 노출부를 갖는 접지 전극인 실리콘 전극(27)은 절연성의 절연체 링(28)을 사이에 두고, 40㎒의 무선 주파수 전력을 처리 공간 S에 인가하는 포커스 링(26)과 인접하고, 실리콘 전극(27)과 포커스 링(26) 사이의 거리는 0.5 내지 10㎜의 범위, 바람직하게는 0.5 내지 5㎜의 범위 내로 설정된다. 40㎒의 무선 주파수 전력에 기인하여 발생하는 변동 전위에는 이온이 추종되지 않아, 해당 변동 전위에 기인하는 이온의 인입에 의해서 실리콘 전극(27)상의 절연성막을 제거하는 것은 불가능하다. 그러나, 실리콘 전극(27)에 대향하는 처리 공간 S의 부분에서는, 포커스 링(26)의 주연부에 대향하는 대향 전계의 강도에 대하여 20% 이상의 강도를 갖는 전계가 발생하여, 해당 전계의 전위차로 인해 이온이 실리콘 전극(27)에 충돌한다. 그 결과, 플라즈마 처리 장치(10)에서는 실리콘 전극(27) 상의 절연성막을 제거할 수 있다. 즉, 도전체부(29)에 이온이 추종 가능한 주파수, 즉 3㎒ 이하의 무선 주파수 전력을 공급하는 일 없이, 실리콘 전극(27) 상의 절연성막을 제거할 수 있다.
플라즈마 처리 장치(10)에 있어서, 절연체 링(28)은 석영으로 이루어져, 실리콘 전극(27)에 무선 주파수 전력이 인가되는 것을 확실히 방지할 수 있다. 그 결과, 실리콘 전극(27)을 접지 전위로 유지할 수 있어, 갖고, 처리 공간 S에 DC 전압을 확실히 인가할 수 있다. 포커스 링(26)과 실리콘 전극(27) 사이에 절연체 링(28)을 배치하는 대신에, 포커스 링(26)과 실리콘 전극(27)을 마련하여도 좋다. 이 경우에도, 실리콘 전극(27)에 무선 주파수 전력이 인가되는 것을 확실히 방지할 수 있다.
플라즈마 처리 장치(10)에서는, 서셉터(12)의 도전체부(29)(및 포커스 링(26))에 공급되는 무선 주파수 전력의 주파수는 40㎒이다. 그러나, 이 주파수는 13㎒ 이상이어도 좋다. 이 경우, 13㎒ 이상의 무선 주파수 전력의 주파수로 인해 발생하는 변동 전위에 이온이 추종되지 않더라도, 실리콘 전극(27)에 대향하는 처리 공간 S의 부분에는 전계 누설 효과에 의해서 대향 전계가 발생하여, 해당 대향 전계에 의해서 이온을 실리콘 전극(27)에 확실히 인입할 수 있다.
또한, 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 서셉터(12)의 도전체부(29)에 무선 주파수 전원(21)만이 접속되어 있다. 그러나, 해당 도전체부(29)에는 복수의 무선 주파수 전원이 접속되어도 좋다. 하나의 무선 주파수 전원이 이온이 추종 가능한 주파수, 즉 3㎒ 이하의 무선 주파수 전력을 공급하면, 실리콘 전극(27)에는, 전계 누설 효과에 의해서 발생하는 대향 전계로 인해 이온이 충돌될 뿐만 아니라, 이온이 추종 가능한 주파수의 변동 전위로 인해 이온이 인입되어, 실리콘 전극(27) 상의 절연성막을 보다 확실히 제거할 수 있다.
다음에, 본 발명의 실시예 2에 따른 플라즈마 처리 장치에 대하여 설명한다.
본 실시예는, 그 구성이나 작용이 상술한 실시예 1과 기본적으로 동일하며, 상부 전극판에 무선 주파수 전력이 공급되고, 상부 전극판의 근방에 접지 전위의 실리콘 전극이 배치되며, 포커스 링의 주위에 절연체 링 및 실리콘 전극이 배치되지 않는 점에서 상술한 실시예 1과 다를 뿐이다. 따라서, 상술한 실시예 1에서와 동일한 구성 및 작용에 대해서는 설명을 생략하며, 이하에 실시예 1과 다른 구성 및 작용의 특징에 대해서만 설명을 한다.
도 5는 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(50)는 정합기(51)를 거쳐서 상부 전극판(39)에 접속된 무선 주파수 전원(52)을 갖는다. 해당 무선 주파수 전원(52)은 비교적 높은 주파수, 예컨대, 60㎒의 무선 주파수 전력을 상부 전극판(39)에 공급한다. 이에 따라, 상부 전극판(39)은 RF 전극으로서 기능하며, 60㎒의 무선 주파수 전력을 처리 공간 S에 인가한다. 또한, 상부 전극판(39)은 DC 전원(41)과도 전기적으로 접속되어, 처리 공간 S에 DC 전압을 인가한다.
상부 전극판(39)의 주위에는, 해당 상부 전극판(39)에 인접하도록 실리콘으로 이루어지는 고리 형상의 실리콘 전극(53)이 배치되어 있다. 해당 실리콘 전극(53)은 처리 공간 S에 노출되는 노출부를 갖고, 또한, 전기적으로 접지되어, 접지 전극으로서 기능한다. 또한, 실리콘 전극(53)은 상부 전극판(39)이 처리 공간 S에 인가하는 DC 전압에 기인하는 DC 전류의 경로 일부를 구성한다.
상부 전극판(39)과 실리콘 전극(53) 사이에는 절연성 재료, 예컨대, 석영으로 이루어지는 고리 형상의 쉴드 링(54)(절연부)이 배치되어 있다. 따라서, 실리콘 전극(53)은 상부 전극판(39)으로부터 전기적으로 절연되어, 쉴드 링(54)은 상부 전극판(39)에 공급되는 무선 주파수 전력이 실리콘 전극(53)에 인가되는 것을 확실히 방지한다.
플라즈마 처리 장치(50)에서는, 무선 주파수 전원(21)이 비교적 낮은 주파수, 예컨대, 2㎒의 무선 주파수 전력을 서셉터(12)의 도전체부(29)에 공급한다. 또한, 서셉터(12) 상의 포커스 링(26)의 주위에는, 해당 포커스 링(26)에 인접하도록 석영으로 이루어지는 고리 형상의 커버 링(48)이 배치되어 있다. 또, 포커스 링(26) 및 커버 링(48)은 서로 직접 접촉된다.
플라즈마 처리 장치(50)에서는, 실리콘 전극(53) 및 상부 전극판(39) 사이의 거리를 0.5 내지 10㎜의 범위, 바람직하게는 0.5 내지 5㎜의 범위로 설정한다. 이 경우, 상부 전극판(39)이 처리 공간 S에 인가하는 60㎒의 무선 주파수 전력의 전계 누설 효과에 의해, 실리콘 전극(53)에 대향하는 처리 공간 S의 부분에도, 상부 전극판(39)에 대향하는 대향 전계보다 약간 약한 대향 전계가 발생한다. 따라서, 실리콘 전극(53)에 대향하는 대향 전계의 전위차에 따른 에너지를 갖는 이온이 실리콘 전극(53)에 충돌하여, 해당 이온의 충돌에 의해서 실리콘 전극(53)으로부터 절연성막을 제거할 수 있다. 또한, 실리콘 전극(53)에는 서셉터(12)의 도전체부(29)로부터 2㎒의 무선 주파수 전력이 전달되어, 실리콘 전극(53)의 노출부에 2㎒에서 변동하는 변동 전위가 발생한다. 해당 변동 전위에 의해서 이온이 실리콘 전극(53)에 인입되어, 플라즈마 처리 장치(50)에서는, 실리콘 전극(53)으로부터 절연성막을 확실히 제거할 수 있다.
전술한 플라즈마 처리 장치(50)에서는, 무선 주파수 전원(21)이 2㎒의 무선 주파수 전력을 서셉터(12)의 도전체부(29)에 공급한다. 그러나, 도전체부(29)에는 무선 주파수 전력이 공급되지 않아도 된다. 이 경우에도, 상부 전극판(39)이 처리 공간 S에 인가하는 60㎒의 무선 주파수 전력의 전계 누설 효과에 의해, 실리콘 전극(53)에 대향하는 대향 전계가 발생하여, 실리콘 전극(53) 상의 절연성막을 제거할 수 있다.
또, 플라즈마 처리 장치(10 또한 50)에 있어서 RIE 처리 등이 실시되는 기판은 반도체 디바이스용의 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, LCD(Liquid Crystal Display)나 FPD(Flat Panel Display) 등에 이용하는 각종 기판, 포토마스크, CD 기판, 프린트 기판 등이어도 좋다.
상술한 실시예는 본 발명의 전형적인 일례로서, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되지 않는다.
본 발명의 범위는 첨부한 특허청구범위에 의해서 한정되며, 본 명세서의 상세한 설명에 의해서 한정되지 않는다. 또한, 특허청구범위와 동등한 모든 변형 및 변경은 본 발명의 범위 내에 포함될 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 접지 전극 상의 절연성막을 제거할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 얻을 수 있다.

Claims (7)

  1. 기판상에 플라즈마 처리를 실시하는 처리 공간을 내부에 갖는 기판 처리실과,
    상기 처리 공간에 무선 주파수 전력을 인가하는 RF 전극과,
    상기 처리 공간에 DC 전압을 인가하는 DC 전극과,
    상기 처리 공간에 노출되는 접지 전극
    을 구비하되,
    상기 접지 전극 및 상기 RF 전극은 그 사이에 절연부를 두고 인접하고 있으며,
    상기 접지 전극과 상기 RF 전극 사이의 거리는 0 내지 10㎜의 범위로 설정되는
    플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리는 0 내지 5㎜의 범위로 설정되는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리의 하한은 0.5㎜인 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연부는 절연체 또는 진공 공간을 구비하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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