KR101412543B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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토시히로 하야미
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에스피피 테크놀로지스 컴퍼니 리미티드
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Abstract

본 발명은 저렴한 구성으로 효율적이면서 응답성 좋게 처리 챔버 내면의 온도를 제어할 수 있는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다. 플라즈마 처리 장치(1)는, 처리 챔버(11), 처리 가스 공급 장치(20), 배기 장치(40), 코일(23), 고주파 전원(24), 히터(26), 냉각 장치(30), 제어장치(50)를 구비한다. 냉각 장치(30)는, 처리 챔버(11)와 간격을 두고 대향하는 냉각 부재(32)와, 냉각 부재(32)의 냉각 유로(32a) 내에 냉각 유체를 공급, 순환시키는 냉각 유체 공급부(31)와, 냉각 부재(32)와 처리 챔버(11) 사이에 설치된 고리형의 씰 부재(35, 36)로 구성되며, 배기 장치(40)는, 씰 부재(35, 36), 냉각 부재(32), 처리 챔버(11)에 둘러싸인 공간(S) 내를 감압한다. 제어장치(50)는 배기 장치(40)를 제어해, 코일(23)에 고주파 전력을 인가하고 있지 않을 때에는 공간(S) 내를 감압하고, 코일(23)에 고주파 전력을 인가하고 있을 때는 공간(S) 내를 대기압으로 한다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSOR}
본 발명은 처리 챔버 내에 소정의 처리 가스를 공급해 플라즈마화하고, 플라즈마화한 처리 가스에 의해 처리 챔버 내에 배치된 기판을 처리하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
상기 플라즈마 처리 장치는 폐색 공간을 가지고, 내부에 기판이 수용되는 처리 챔버와, 처리 챔버 내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급 기구와, 처리 챔버 내를 감압하는 배기기구와, 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원과, 고주파 전원에 의해 고주파 전력이 인가됨으로써, 처리 챔버 내에 공급된 처리 가스를 플라즈마화하는 플라즈마 생성 기구 등을 적어도 구비하여 구성된다.
이러한 플라즈마 처리 장치를 이용한 기판 처리의 일례로서 에칭 처리를 들 수 있다. 이때, 처리 가스로서, 예를 들어 플로로카본 가스(CxFy 가스)를 사용하면 처리 챔버 내면에 플로로카본 가스의 플라즈마화에 의해 생성된 중합물이 부착한다. 이 중합물의 부착량은 처리 챔버 내면의 온도에 의해 변동하며, 온도가 높으면 그다지 부착하지 않고, 온도가 낮으면 많이 부착한다.
처리 챔버 내에 공급되는 플로로카본 가스의 유량은 일정하게 제어되어 있기 때문에, 처리 챔버 내면에 부착하는 중합물이 많으면 기판상에 보호막으로서 퇴적 하는 중합물이 적어지고, 처리 챔버 내면에 부착하는 중합물이 적으면 기판상에 보호막으로서 퇴적하는 중합물이 많아진다. 그리고, 어느 경우도, 기판 상으로의 중합물의 퇴적량이 다르기 때문에 효율적으로 에칭을 행할 수 없고, 또한, 고정밀도의 에칭 형상을 얻을 수 없다. 때문에, 에칭 처리 중에, 생성된 플라즈마의 열에 의해 가열되는 처리 챔버 내면의 온도 상승을 억제해 그 온도를 일정 범위 내에 억제할 필요가 있다.
그리고, 종래, 처리 챔버 내면의 온도 상승을 억제 가능한 플라즈마 처리 장치로서, 예를 들어 특개평 9－275092호 공보에 개시된 것이 제안되어 있다. 이 플라즈마 처리 장치는, 상기 구성에 더해, 처리 챔버의 내주면으로부터 간격을 두고 배설되는 내부 부재와, 내부 부재의 외주면과 처리 챔버의 내주면 사이에 상하 방향으로 간격을 두고 설치되며, 이들 사이에 폐색된 공간을 형성하는 2개의 씰 부재와, 내부 부재, 처리 챔버 및 씰 부재에 둘러싸인 공간 내에 냉각 가스를 공급하는 냉각 가스 공급 기구를 더 갖추어 구성되는 것이다.
이 플라즈마 처리 장치에서는 냉각 가스 공급 기구에 의해, 내부 부재, 처리 챔버 및 씰 부재에 둘러싸인 공간 내에 냉각 가스가 공급되며, 공급된 냉각 가스에 의해 내부 부재가 냉각되므로, 생성된 플라즈마의 열에 의해 내부 부재의 온도가 상승하는 것이 방지되어 내부 부재의 온도가 일정 범위 내에 유지된다. 이것에 의해, 기판상에 퇴적하는 중합물의 양이 안정하고, 상술한 바와 같은 문제가 생기기 어렵다.
그러나, 이러한 플라즈마 처리 장치에도 다음과 같은 문제가 있다. 즉, 처리 챔버(내부 부재)의 내면이 생성된 플라즈마의 열에 의해 가열되어 소정의 온도가 되기까지는 일정한 시간을 필요로 하기 때문에, 에칭 처리 개시 후, 기판상에 퇴적하는 중합물의 양이 안정되기까지는 일정한 시간이 걸린다. 따라서, 에칭 처리 개시 후 일정시간이 경과할 때까지는 에칭 처리가 안정하지 않다.
그리하여, 상기 플라즈마 처리 장치에 처리 챔버(내부 부재)를 가열하는 히터를 마련하고, 이 히터에 의해 에칭 처리 개시 전에 미리 처리 챔버(내부 부재)를 가열하여, 그 내면 온도를 미리 소정 온도로 상승시켜 놓는 작업이 실시되고 있다.
특허 문헌 1 특개평 9－275092호 공보
발명이 해결하려고 하는 과제
그러나, 히터를 마련하면, 한편으로는 히터에 의해 가열하고, 다른 한편으로는 냉각 가스에 의해 냉각한다고 하는, 상반되는 작업을 행하게 되기 때문에, 내부 부재의 내면을 효율적으로 소정 온도까지 상승시킬 수 없다.
또, 상기 종래의 플라즈마 처리 장치와 같이, 내부 부재, 처리 챔버 및 씰 부재에 둘러싸인 공간 내에 냉각 가스(냉각 유체)를 공급하도록 한 것은, 내부 부재의 내면 온도를 100℃이상의 온도로 제어하는 경우에 냉각 유체로서 물을 사용하면, 상기 공간 내에 공급한 물이 비등해 팽창하는 위험성이 있으므로, 냉각 유체로서 상기 종래와 같이 가스나 비점이 높은 기름 등을 사용하지 않으면 안되어, 냉각 유체의 비용이 비싸다고 하는 문제도 있다.
본 발명은, 이상의 실정에 감안한 것으로서, 저렴한 구성으로 효율적이면서 응답성이 좋게 처리 챔버 내면의 온도를 제어할 수 있는 플라즈마 처리 장치의 제공을 그 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
폐색 공간을 가지며, 내부에 기판이 수용되는 처리 챔버와,
상기 처리 챔버 내에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 수단과,
상기 처리 챔버 내를 감압하는 제 1 배기 수단과,
고주파 전력을 인가하는 전력 인가 수단과,
상기 전력 인가 수단에 의해 고주파 전력이 인가됨으로써, 상기 처리 챔버 내에 공급된 처리 가스를 플라즈마화하는 플라즈마 생성 수단과,
상기 처리 챔버를 가열하는 가열 수단과,
상기 처리 챔버를 냉각하는 냉각 수단으로서, 냉각 유체가 유통하는 냉각 유로를 구비하고, 상기 처리 챔버의 외면과 맞닿도록 또는 상기 처리 챔버의 외면과 간격을 두고 대향하도록 마련된 금속제의 냉각 부재와, 상기 냉각 부재의 냉각 유로 내에 상기 냉각 유체를 공급하는 냉각 유체 공급 수단과, 상기 냉각 부재와 처리 챔버 사이에 이것들에 맞닿도록 마련된 고리형의 씰 부재로 구성되는 냉각 수단과,
상기 씰 부재의 환내를 감압하는 제 2 배기 수단과,
상기 가스 공급 수단, 제 1 배기 수단, 제 2 배기 수단, 전력 인가 수단, 가열 수단 및 냉각 수단의 작동을 제어하는 제어 수단을 적어도 구비하고,
상기 제어 수단은, 상기 전력 인가 수단에 의해 상기 플라즈마 생성 수단에 고주파 전력을 인가하지 않을 때에는 상기 씰 부재의 환내가 미리 설정된 압력으로 감압되도록 상기 제 2 배기 수단을 제어하고, 상기 전력 인가 수단에 의해 상기 플라즈마 생성 수단에 고주파 전력을 인가하고 있을 때에는 상기 씰 부재의 환내가 상기 미리 설정된 압력보다 높은 압력이 되도록 상기 제 2 배기 수단을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치와 관련된다.
본 발명에 의하면, 우선, 제어 수단에 의한 제어하에, 제 2 배기 수단에 의해 씰 부재의 환내(씰 부재, 냉각 부재 및 처리 챔버에 둘러싸인 부분)가 미리 설정된 압력까지 감압되는 동시에, 가열 수단에 의해 처리 챔버가 가열되어 처리 챔버 내면의 온도가 소정 온도까지 상승한다. 냉각 부재와 처리 챔버가 맞닿은 상태로 설치되어 있는 경우여도, 냉각 부재 측의 맞닿은 면과 처리 챔버 측의 맞닿은 면은 엄밀히 말하면 평평하지 않고 미소한 요철이 존재하고 있기 때문에, 이것들이 완전하게 밀착하는 일이 없고, 상기 요철에 의해 미소한 공극이 존재하고 있어, 냉각 부재와 처리 챔버가 간격을 두고 있는 경우와 같게 감압된다.
또, 이때, 제어 수단에 의한 제어 하에, 냉각 유체 공급 수단에 의해 냉각 유체가 냉각 부재의 냉각 유로 내에 공급되고 있지만, 씰 부재의 환내가 감압되어 있으므로, 처리 챔버 측으로부터 냉각 부재 측에 열이 전달되기 어렵고(처리 챔버가 냉각 부재에 의해 냉각되기 어렵고), 처리 챔버가 효율적으로 온도 상승한다.
그 후, 제어 수단에 의한 제어 하에, 제 2 배기 수단에 의해 씰 부재의 환내가 상기 미리 설정된 압력보다 높은 압력으로 되며, 전력 인가 수단에 의해 플라즈마 생성 수단에 고주파 전력이 인가되는 동시에, 가스 공급 수단에 의해 처리 챔버 내에 처리 가스가 공급되어 공급된 처리 가스가 플라즈마화 된다. 이것에 의해, 처리 챔버 내에 적당하게 반입된 기판(예를 들어, 실리콘 기판이나 유리 기판 등)이 플라즈마화 된 처리 가스에 의해 처리(예를 들어 에칭 처리, 애싱 처리 및 성막 처리 등)된다. 또, 이때, 제 1 배기 수단에 의해 처리 챔버 내는 감압되어 있다. 또, 냉각 유체 공급 수단에 의해 냉각 유체가 냉각 부재의 냉각 유로 내에 계속해 공급되고 있다.
플라즈마가 생성되면, 생성된 플라즈마의 열에 의해 처리 챔버가 가열되지만, 씰 부재의 환내가 상기 미리 설정된 압력보다 높은 압력으로 되어 있기 때문에, 플라즈마가 생성되어 있지 않을 때에 비해 처리 챔버 측으로부터 냉각 부재 측에 열이 전달되기 쉽고(처리 챔버가 냉각 부재에 의해 냉각되기 쉽고), 처리 챔버 내면의 온도 상승이 방지된다. 이것에 의해, 기판 처리의 개시 전에 있어서도 개시 후에 있어서도, 처리 챔버 내면의 온도가 일정 범위 내에 유지된다.
이와 같이, 본 발명과 관련되는 플라즈마 처리 장치에 의하면, 씰 부재 환내의 압력을 제어해, 열이 냉각 부재 측에 전달되기 쉽거나 열이 냉각 부재 측에 전달되기 어렵게 함으로써, 처리 챔버를 냉각할 때와 냉각하지 않을 때를 순간에 바꿀 수 있어 응답성이 뛰어난 온도 제어를 할 수 있다. 또, 예를 들어 기판 처리 개시 전에 처리 챔버 내면을 소정 온도로 상승시키기 위해 처리 챔버를 미리 가열할 때 등 처리 챔버를 가열할 때에는, 씰 부재의 환내를 상기 미리 설정된 압력으로 함으로써 처리 챔버의 가열을 효율적으로 실시할 수 있다.
또, 처리 챔버의 외면과 맞닿도록 또는 처리 챔버의 외면과 간격을 두고 설치된 냉각 부재를 통해 처리 챔버를 냉각하도록 했기 때문에, 처리 챔버 내면의 온도를 100℃이상의 온도로 제어하는 경우여도, 냉각 부재 내를 유통하는 냉각 유체의 온도가 100℃를 넘는 일이 없어 냉각 유체로서 물을 사용할 수 있으며, 냉각 유체로서 물을 사용하면, 저비용으로 냉각 수단을 구성할 수 있다. 이 의미에서 냉각 유체는 물로 하는 것이 바람직하다.
또, 상기 미리 설정된 압력 P(Pa)는,
P≤3.11×10-6×T/(g×δ2)
(여기서, T(K)는 공기의 절대온도, δ(㎛)는 공기의 분자 직경(=3.72×10-4), g(㎛)는 냉각 부재와 처리 챔버 사이의 간격이다.)의 관계를 만족하도록 설정되어 있는 것이 바람직하다.
감압에 의한 단열 효과는, 냉각 부재와 처리 챔버 사이의 간격을 공기의 평균 자유 공정 이하로 함으로써 보다 현저하게 나타나지만, 상기 수학식을 만족하는 압력으로 설정하면, 냉각 부재와 처리 챔버 사이의 간격을 공기의 평균 자유 공정 이하로 할 수 있기 때문에, 처리 챔버 측으로부터 냉각 부재 측에 열이 전달되는 것을 보다 효과적으로 방지해, 가열 수단에 의해 보다 효율적으로 처리 챔버를 가열할 수 있다.
또, 상기 냉각 부재와 처리 챔버 사이의 간격은 0㎛보다 크고 100㎛이하로 설정되어 있는 것이 바람직하다. 간격이 100㎛보다 크면 냉각 부재와 처리 챔버 사이에 존재하는 공기의 단열 작용이 커지고, 처리 챔버 측으로부터 냉각 부재 측에 효율적으로 열을 전달할 수 없어, 냉각 효율이 저하하거나 응답성이 저하하는 원인이 된다. 따라서, 간격을 상기 범위로 설정하면, 처리 챔버 온도를 보다 효율적으로 제어할 수 있다.
또, 상기 제어 수단은, 상기 전력 인가 수단에 의해 상기 플라즈마 생성 수단에 인가하는 고주파 전력이 클 때에는 상기 씰 부재의 환내의 압력이 높아지도록 상기 제 2 배기 수단을 제어하고, 상기 전력 인가 수단에 의해 상기 플라즈마 생성 수단에 인가하는 고주파 전력이 작을 때에는 상기 씰 부재의 환내의 압력이 낮아지도록 상기 제 2 배기 수단을 제어하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다. 생성된 플라즈마의 열은, 플라즈마 생성 수단에 인가되는 고주파 전력에 대응해 커지므로, 인가되는 고주파 전력(플라즈마의 열)이 작을 때에는, 처리 챔버 측으로부터 냉각 부재 측에 전달되는 열량은 적어 좋으며, 인가되는 고주파 전력(플라즈마의 열)이 클 때에는, 처리 챔버 측으로부터 냉각 부재 측에 전달되는 열량은 많이 할 필요가 있다. 따라서, 상기와 같이, 플라즈마 생성 수단에 인가하는 고주파 전력에 따라 씰 부재 환내의 압력을 조정하도록 하면, 처리 챔버 측으로부터 냉각 부재 측에 전달되는 열량을 조정할 수가 있어 보다 최적으로 처리 챔버의 온도를 제어할 수 있다.
또, 상기 플라즈마 처리 장치는, 상기 처리 챔버의 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 더 구비하고, 상기 제어 수단은, 상기 온도 검출 수단에 의해 검출되는 온도에 근거하여 상기 가열 수단의 작동을 제어하며, 상기 처리 챔버의 온도를 미리 설정된 온도로 하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 처리 챔버의 온도 제어를 효율적이면서 고정밀도로 실시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태와 관련되는 에칭 장치의 개략 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 있어서의 화살표 A방향의 평면도이다.
도 3은 에칭 가스의 공급 유량, 내에칭층 형성 가스의 공급 유량, 코일에 인가되는 고주파 전력, 기대에 인가되는 고주파 전력의 제어 상태를 나타낸 타이밍 차트이다.
도 4는 폐색 공간 내의 압력, 히터의 출력, 냉각수의 순환 유량의 제어 상태를 나타내는 타이밍 차트이다.
부호의 설명
1: 에칭 장치(플라즈마 처리 장치) 11: 처리 챔버 12: 하부 용기
13: 상부 용기 15: 기대 18: 승강 실린더 20: 가스 공급 장치
21: 처리 가스 공급부 23: 코일 24: 코일용 고주파 전원
25: 기대용 고주파 전원 26: 히터 27: 온도 검출 센서
30: 냉각 장치 31: 냉각수 공급부 32: 냉각 부재 33: 공급관
34: 환류관 35, 36: 씰 부재 40: 배기 장치 41: 배기 펌프
44: 제 2 배기관 45: 제 2 압력 조정 기구 50: 제어장치
K: 실리콘 기판 S: 폐색 공간
이하, 본 발명의 구체적인 실시 형태에 대해 첨부 도면에 근거하여 설명한다. 또, 도 1은, 본 발명의 실시 형태와 관련되는 에칭 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이고, 도 2는, 도 1에 있어서의 화살표 A방향의 평면도이다.
도 1 및 도 2에 나타내듯이, 본 예의 플라즈마 처리 장치인 에칭 장치(1)는, 폐색 공간을 가지며, 에칭 대상인 실리콘 기판(K)이 내부에 배치되는 처리 챔버(11)와, 처리 챔버(11) 내에 승강 자재로 배설되며, 실리콘 기판(K)이 재치되는 기대(15)와, 기대(15)를 승강시키는 승강 실린더(18)와, 처리 챔버(11) 내에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 장치(20)와, 처리 챔버(11)의 외부에 배설된 복수의 코일(플라즈마 생성 기구)(23)과, 각 코일(23)에 고주파 전력을 인가하는 코일용 고주파 전원(24)과, 기대(15)에 고주파 전력을 인가하는 기대용 고주파 전원(25)과, 처리 챔버(11)를 가열하는 히터(26)와, 처리 챔버(11)의 온도를 검출하는 온도 검출 센서(27)와, 처리 챔버(11)를 냉각하는 냉각 장치(30)와, 처리 챔버(11) 내의 압력을 감압하는 배기 장치(40)와, 승강 실린더(18), 가스 공급 장치(20), 코일용 고주파 전원(24), 기대용 고주파 전원(25), 히터(26), 냉각 장치(30) 및 배기 장치(40)의 작동을 제어하는 제어장치(50)를 구비한다.
상기 처리 챔버(11)는, 서로 연통한 내부 공간을 가지는 하부 용기(12) 및 상부 용기(13)로 구성되며, 상부 용기(13)는 하부 용기(12)보다 작게 형성된다. 하부 용기(12)의 측벽에는, 실리콘 기판(K)을 반입하거나 반출하기 위한 개구부(12a)가 형성되어 있고, 이 개구부(12a)는 셔터(14)에 의해 개폐되게 되어 있다. 또, 적 어도 상부 용기(13)의 천판은, 예를 들어 알루미늄 등의 금속으로 구성된다.
상기 기대(15)는, 상하로 배설된 상부재(16) 및 하부재(17)로 이루어지며, 상부재(16) 위에 실리콘 기판(K)이 재치되고, 하부재(17)에는 상기 승강 실린더(18)가 접속된다.
상기 가스 공급 장치(20)는, 처리 가스로서 에칭 가스(예를 들어 SF6 가스) 및 내에칭층 형성 가스(예를 들어 C4F8 가스)를 공급하는 처리 가스 공급부(21)와, 이 처리 가스 공급부(21)와 상부 용기(13)의 윗면을 접속하는 공급관(22)으로 구성되며, 처리 가스 공급부(21)로부터 공급관(22)을 통해 상부 용기(13) 내에 에칭 가스 및 내에칭층 형성 가스를 공급한다.
상기 각 코일(23)은 고리형으로 형성되며, 상부 용기(13)의 외주부에 상하로 나란히 설치된다. 상기 코일용 고주파 전원(24)은, 코일(23)에 고주파 전력을 인가함으로써, 상부 용기(13) 내에 자계를 형성하며, 이 자계에 의해 야기되는 전계에 의해, 상부 용기(13) 내에 공급된 에칭 가스 및 내에칭층 형성 가스를 플라즈마화한다. 상기 기대용 고주파 전원(25)은 기대(15)에 고주파 전력을 인가함으로써, 기대(15)와 플라즈마 사이에 전위차(바이어스 전위)를 일으키게 한다.
상기 히터(26) 및 온도 검출 센서(27)는 상부 용기(13)의 천판에 각각 묻혀 있다. 온도 검출 센서(27)는, 예를 들어 열전대로 구성되며, 처리 챔버(11)(상부 용기(13))의 온도를 제어장치(50)에 송신한다.
상기 냉각 장치(30)는 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부(31)와, 냉각수가 유 통하는 냉각 유로(32a)를 구비하며, 상부 용기(13)의 윗면(천판)과 일정 간격을 두고 대향하도록 설치된 고리형의 냉각 부재(32)와, 냉각수 공급부(31)와 냉각 유로(32a)의 일단측을 접속하는 공급관(33)과, 냉각수 공급부(31)와 냉각 유로(32a)의 타단측을 접속하는 환류관(34)과, 냉각 부재(32)의 아래면과 상부 용기(13)의 윗면 사이에 이것들에 맞닿도록 설치되며, 고리형으로 형성된 제 1 및 제 2의 2개의 씰 부재(35, 36)로 구성되어 있으며, 냉각수 공급부(31)로부터 공급관(33)을 통해 냉각 유로(32a) 내에 냉각수를 공급하고, 냉각 유로(32a) 내를 유통한 냉각수를 환류관(34)을 통해 냉각수 공급부(31)에 환류시킨다.
상기 냉각 부재(32)는, 그 환내에 가스 공급 장치(20)의 공급관(22)이 배치되도록 설치되며, 예를 들어 알루미늄 등 금속으로 구성된다. 또, 냉각 부재(32)는 그 외주면에 개구하는 2개의 구멍(32b)과, 평면상에서 볼때 C자 모양으로 형성되어 일단측이 구멍(32b)의 한편에, 타단측이 구멍(32b)의 다른 편에 연통한 2개의 공간(32c)과, 아래쪽으로 개구하고, 상기 씰 부재(35, 36)가 각각 삽입되는 2개의 고리형 홈(32d)과, 상하로 관통하며, 하단이 2개의 고리형 홈(32d) 사이에 개구한 관통공(32e)을 구비하고 있으며, 각 구멍(32b) 및 각 공간(32c)이 상기 냉각 유로(32a)로 되어 있다. 또, 상기 고리형 홈(32d)은, 냉각 부재(32) 아래면의 외주측과 내주측에 각각 형성되어 있다. 또, 냉각 부재(32)의 아래면과 상부 용기(13)의 윗면 사이의 간격은 0㎛보다 크고 100㎛이하로 설정되어 있는 것이 바람직하다.
상기 공급관(33)은 상기 구멍(32b)의 한편에 접속되고, 상기 환류관(34)은 상기 구멍(32b)의 다른 편에 접속되어 있다. 상기 제 1 씰 부재(35)는 외측의 상기 고리형 홈(32d)에 삽입되며, 상기 제 2 씰 부재(36)는 안쪽의 상기 고리형 홈(32d)에 삽입되어 있으며, 제 1 씰 부재(35)의 환내(냉각 부재(32), 상부 용기(13) 및 각 씰 부재(35, 36)에 의해 둘러싸인 부분)에 폐색 공간(S)이 형성되어 있다.
상기 배기 장치(40)는 배기 펌프(41)와, 이 배기 펌프(41)와 하부 용기(12)를 접속하는 제 1 배기관(42)과, 제 1 배기관(42)에 설치되어 처리 챔버(11) 내의 압력을 조정하는 제 1 압력 조정 기구(43)로 구성되며, 배기 펌프(41)에 의해 제 1 배기관(42)을 통해 하부 용기(12) 내의 기체를 배기해, 처리 챔버(11)의 내부를 제 1 압력 조정 기구(43)에 의해 조정된 소정 압력으로 감압한다.
또, 배기 장치(40)는, 배기 펌프(41)와 냉각 부재(32)의 관통공(32e)의 상단을 접속하는 제 2 배기관(44)과, 제 2 배기관(44)에 설치되어 폐색 공간(S) 내의 압력을 조정하는 제 2 압력 조정 기구(45)를 더 구비하고 있으며, 제 2 배기관(44) 및 관통공(32e)을 통해 상기 폐색 공간(S) 내의 기체를 배기해, 폐색 공간(S)의 내부를 제 2 압력 조정 기구(45)에 의해 조정된 소정 압력으로 한다.
상기 제어장치(50)는 승강 실린더(18), 처리 가스 공급부(21), 코일용 고주파 전원(24), 기대용 고주파 전원(25), 히터(26), 냉각수 공급부(31), 배기 펌프(41), 제 1 압력 조정 기구(43) 및 제 2 압력 조정 기구(45)의 작동을 제어한다.
또, 제어장치(50)는, 도 3에 나타내듯이, 실리콘 기판(K)을 에칭하는 에칭 공정(e)과, 실리콘 기판(K)에 내에칭층을 형성하는 내에칭층 형성 공정(d)을 교대로 반복해 실행한다. 에칭 공정(e)에서는 코일용 고주파 전원(24) 및 기대용 고주파 전원(25)에 의해 코일(23) 및 기대(15)에 고주파 전력을 각각 인가하고, 처리 가스 공급부(21)로부터 처리 챔버(11) 내에 에칭 가스를 공급하여, 배기 펌프(41) 및 제 1 압력 조정 기구(43)에 의해 처리 챔버(11) 내를 소정 압력으로 한다. 한편, 내에칭층 형성 공정(d)에서는, 코일용 고주파 전원(24)에 의해 코일(23)에 고주파 전력을 인가하고, 처리 가스 공급부(21)로부터 처리 챔버(11) 내에 내에칭층 형성 가스를 공급하여, 배기 펌프(41) 및 제 1 압력 조정 기구(43)에 의해 처리 챔버(11) 내를 소정 압력으로 한다.
또, 제어장치(50)는, 도 4(a)에 나타내듯이, 코일용 고주파 전원(24)에 의해 코일(23)에 고주파 전력을 인가하지 않을 때(에칭 공정(e) 및 내에칭층 형성 공정(d)의 개시 전)에는 상기 폐색 공간(S) 내를 미리 설정된 압력으로 감압하고, 코일용 고주파 전원(24)에 의해 코일(23)에 고주파 전력을 인가하고 있을 때(에칭 공정(e) 및 내에칭층 형성 공정(d)의 개시 후)에는 상기 폐색 공간(S) 내를 대기압으로 하도록 배기 펌프(41) 및 제 2 압력 조정 기구(45)를 제어한다.
여기서, 상기 미리 설정된 압력 P(Pa)는 이하의 수학식 1의 관계를 만족하도록 설정되어 있는 것이 바람직하다.
(수학식 1)
P≤3.11×10-6×T/(g×δ2)
여기서 T(K)는 공기의 절대온도, δ(㎛)는 공기의 분자 직경(=3.72×10-4), g(㎛)는 냉각 부재(32)와 상부 용기(13) 사이의 간격이다.
예를 들어 냉각 부재(32)와 상부 용기(13) 사이의 간격(g)을 100㎛로 했을 경우에는 공기의 온도(T)를 293K로 설정하고, 공기의 분자 직경(δ)을 3.72×10-4㎛로 설정하면, 상기 수학식(1)으로부터 압력(P)이 약 65.85(Pa)로 구해지므로, 이 65.85(Pa) 이하의 압력으로 한다. 또, 냉각 부재(32)와 상부 용기(13) 사이의 간격(g)을 1㎛으로 설정했을 경우에는 공기의 온도(T)를 293K로 설정하고, 공기의 분자 직경(δ)을 3.72×10-4㎛로 설정하면, 상기 수학식(1)으로부터 압력(P)이 약 6585(Pa)로 구해지므로, 이 6585(Pa) 이하의 압력으로 한다.
또, 제어장치(50)는 도 4(b)에 나타내듯이, 온도 검출 센서(27)에서 얻어지는 상부 용기(13)의 온도를 수신해, 수신한 온도에 근거해, 히터(26)의 출력을 제어해 상부 용기(13)의 내면, 나아가서는 처리 챔버(11) 내면의 온도를 소정 범위내(예를 들어 120℃~150℃의 범위 내)로 한다.
또, 제어장치(50)는 온도 검출 센서(27)에서 얻어지는 검출 온도가 상기 소정 범위 내가 된 후, 상기 에칭 공정(e)과 내에칭층 형성 공정(d)을 교대로 반복해 실행한다. 또, 제어장치(50)는 도 4(c)에 나타내듯이 냉각수가 끊임없이 순환하도록 냉각수 공급부(31)를 제어한다.
이상과 같이 구성된 본 예의 에칭 장치(1)에 의하면, 우선, 제어장치(50)에 의한 제어 하에, 배기 펌프(41) 및 제 2 압력 조정 기구(45)에 의해 폐색 공간(S) 내가 상기 미리 설정된 압력으로 감압됨과 동시에, 온도 검출 센서(27)에 의해 검출되는 처리 챔버(11)의 온도가 소정 범위 내에 이를 때까지 히터(26)에 의해 처리 챔버(11)가 가열된다.
이때, 제어장치(50)에 의한 제어 하에, 냉각수 공급부(31)로부터 공급관(33)을 통해 냉각 부재(32)의 냉각 유로(32a) 내에 냉각수가 공급됨과 동시에, 이 냉각 유로(32a) 내를 유통한 냉각수가 환류관(34)을 통해 냉각수 공급부(31)에 환류되어 냉각수가 냉각수 공급부(31)와 냉각 부재(32) 사이에서 순환하고 있지만, 폐색 공간(S) 내가 감압되어 있기 때문에 처리 챔버(11) 측으로부터 냉각 부재(32) 측에 열이 전달되기 어렵고(처리 챔버(11)가 냉각 부재(32)에 의해 냉각되기 어렵고), 처리 챔버(11)가 효율적으로 온도 상승한다.
그 후, 온도 검출 센서(27)에 의해 검출되는 처리 챔버(11)의 온도가 소정 범위내가 되면, 제어장치(50)에 의한 제어 하에, 에칭 공정(e)과 내에칭층 형성 공정(d)이 교대로 반복해져 처리 챔버(11) 내에 적당히 반입되어 기대(15) 위에 재치된 실리콘 기판(K)이 에칭된다. 이때, 제어장치(50)에 의해 배기 펌프(41) 및 제 2 압력 조정 기구(45)가 제어되어 폐색 공간(S) 내의 압력이 대기압으로 회복된다. 또, 냉각수 공급부(31)로부터 냉각수가 계속해 냉각 부재(32)에 공급, 순환되고 있다.
또, 상기 에칭 공정(e)에서는 에칭 가스가 처리 챔버(11) 내에 공급되어 플라즈마화 되어 플라즈마 중의 래디칼이 실리콘 원자와 화학반응하거나 플라즈마 중의 이온이 바이어스 전위에 의해 기대(15) 측으로 향해 이동해 실리콘 기판(K)과 충돌한다. 이것에 의해, 실리콘 기판(K)에는, 소정의 폭 및 깊이를 구비한 홈이나 구멍이 형성된다.
한편, 상기 내에칭층 형성 공정(d)에서는, 내에칭층 형성 가스가 처리 챔 버(11) 내에 공급되어 플라즈마화 되고, 플라즈마 중의 래디칼로부터 생성된 중합물이 실리콘 기판(K)의 표면(에칭에 의해 형성되는 홈이나 구멍의 측벽 및 저면등)에 퇴적한다. 이것에 의해, 실리콘 기판(K)에는, 내에칭층(플로로카본막)이 형성된다.
또, 이러한 에칭 공정(e)과 내에칭층 형성 공정(d)이 교대로 반복됨으로써, 실리콘 기판(K)은 홈이나 구멍의 측벽이 내에칭층에 의해 보호되면서 그 깊이 방향으로 에칭이 진행한다.
상기 에칭 공정(e) 및 내에칭층 형성 공정(d)에서 플라즈마가 생성되면, 생성된 플라즈마의 열에 의해 처리 챔버(11)가 가열되지만, 폐색 공간(S) 내가 대기압으로 돌아가기 때문에, 에칭 공정(e) 및 내에칭층 형성 공정(d)을 실시하기 전, 즉, 플라즈마가 생성되어 있지 않을 때에 비해 처리 챔버(11) 측으로부터 냉각 부재(32) 측에 열이 전달되기 쉽고(처리 챔버(11)가 냉각 부재(32)에 의해 냉각되기 쉽고, 처리 챔버(11) 내면의 온도 상승이 방지된다. 또, 이때도, 온도 검출 센서(27)에 의해 검출되는 온도에 근거해 히터(26)의 출력이 조정되어 있다. 이것에 의해, 에칭 공정(e) 및 내에칭층 형성 공정(d)을 개시하기 전에 있어서도, 개시한 후에 있어서도, 처리 챔버(11) 내면의 온도가 일정 범위 내에 유지된다.
본 예의 에칭 장치(1)에 의하면, 상기 폐색 공간(S) 내의 압력을 제어해, 열이 냉각 부재(32) 측에 전달되기 쉬울 때와 열이 냉각 부재(32) 측에 전달되기 어려울 때를 전환할 수 있도록 함으로써, 처리 챔버(11)를 냉각할 때와 냉각하지 않을 때를 순간에 전환할 수 있어, 응답성이 뛰어난 온도 제어를 행할 수 있다. 또, 예를 들어 에칭 공정(e) 및 내에칭층 형성 공정(d)을 개시하기 전에 처리 챔버(11) 내면을 소정 온도로 상승시키기 위해 처리 챔버(11)를 미리 가열할 때 등 처리 챔버(11)를 가열할 때에는 폐색 공간(S) 내를 감압함으로써 처리 챔버(11)의 가열을 효율적으로 실시할 수 있다.
또, 처리 챔버(11)의 외면과 간격을 두고 마련된 냉각 부재(32)를 통해 처리 챔버(11)를 냉각하도록 했기 때문에, 처리 챔버(11) 내면의 온도를 100℃이상의 온도로 제어하는 경우여도, 냉각 부재(32) 내를 유통하는 냉각수가 100℃을 넘는 일이 없어 냉각수가 비등해 팽창할 우려는 없다. 냉각 유체로서 물을 사용함으로써, 보다 저비용으로 냉각 장치(30)를 구성할 수 있다.
또, 감압에 의한 단열 효과는, 냉각 부재(32)와 상부 용기(13) 사이의 간격을 공기의 평균 자유 공정 이하로 하는 것에 의해 보다 현저하게 나타나지만, 감압시에 있어서의 폐색 공간(S) 내의 압력을 상기 수학식 1의 관계를 만족하도록 설정하면, 냉각 부재(32)와 상부 용기(13) 사이의 간격을 공기의 평균 자유 공정 이하로 할 수 있기 때문에, 처리 챔버(11) 측으로부터 냉각 부재(32) 측에 열이 전달되는 것을 보다 효과적으로 방지해, 히터(26)에 의해 보다 효율적으로 처리 챔버(11)를 가열할 수 있다.
또, 냉각 부재(32)의 아래면과 상부 용기(13) 사이의 간격을 0㎛보다 크고 100㎛이하로 설정하면 처리 챔버(11)의 온도를 보다 효율적으로 제어할 수 있다. 또, 간격이 100㎛보다 크면 폐색 공간(S) 내에 존재하는 공기의 단열 작용이 커져, 처리 챔버(11) 측으로부터 냉각 부재(32) 측에 효율적으로 열을 전달할 수 없어 냉 각 효율이 저하하거나 응답성이 저하하는 원인이 된다.
또, 제어장치(30)가 온도 검출 센서(27)로부터 얻어지는 검출 온도에 근거해 히터(26)의 출력을 제어하여 처리 챔버(11) 내면의 온도를 소정 범위 내로 하도록 하였기 때문에, 처리 챔버(11)의 온도 제어를 효율적이면서 고정밀도로 실시할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명에서 채용할 수 있는 구체적인 형태는 이것들에 의해 한정되는 것은 아니다.
상기 예에서는 코일용 고주파 전원(24)에 의해 코일(23)에 고주파 전력을 인가하고 있을 때의 폐색 공간(S) 내의 압력을 대기압으로 했지만, 이것에 한정되는 것이 아니며, 코일용 고주파 전원(24)에 의해 코일(23)에 고주파 전력을 인가하고 있지 않을 때의 폐색 공간(S) 내의 압력보다 높으면 된다. 단, 압력이 높은 것이 열이 전달되기 쉽기 때문에, 압력이 높을수록 처리 챔버(11)를 보다 효율적으로 냉각할 수 있다.
또, 냉각 부재(32)의 배치 위치나 형상은 상기 예에 의해 한정되는 것은 아니다. 또, 냉각 부재(32)는 상부 용기(13)와의 사이에 간격을 형성해 배치하는 것이 아니라 상부 용기(13)에 맞닿은 상태로 마련할 수도 있다. 냉각 부재(32)와 상부 용기(13)가 맞닿은 상태일 수도 있는 것은 냉각 부재(32) 측의 맞닿은 면과 상부 부재(13) 측의 맞닿은 면은 엄밀히 말해서 평평하지 않고 미소한 요철이 존재하고 있기 때문에, 이것들이 완전하게 밀착하는 일이 없이 상기 요철에 의해 미소한 공극이 존재하기 때문이다.
생성된 플라즈마의 열은 코일(23)에 인가되는 고주파 전력에 대응해 커지므로, 인가되는 고주파 전력(플라즈마의 열)이 작을 때에는, 처리 챔버(11) 측으로부터 냉각 부재(32) 측에 전달되는 열량은 적어 좋으며, 인가되는 고주파 전력(플라즈마의 열)이 클 때에는, 처리 챔버(11) 측으로부터 냉각 부재(32) 측에 전달되는 열량은 많이 할 필요가 있다. 그리하여, 제어장치(50)를, 이것이, 배기 펌프(41) 및 제 2 압력 조정 기구(45)를 제어해, 코일용 고주파 전원(24)에 의해 코일(23)에 인가하는 고주파 전력이 클 때에는 폐색 공간(S) 내의 압력을 높게 하고, 코일용 고주파 전원(24)에 의해 코일(23)에 인가하는 고주파 전력이 작을 때에는 폐색 공간(S) 내의 압력을 낮게 하도록 구성하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 코일(23)에 인가하는 고주파 전력에 따라 폐색 공간(S) 내의 압력을 조정하도록 하면, 처리 챔버(11) 측으로부터 냉각 부재(32) 측에 전달되는 열량을 조정할 수 있어 보다 최적으로 처리 챔버(11) 온도를 제어할 수 있다.
또, 상기 예에서는, 플라즈마 처리 장치로서 에칭 장치(1)를 일례로 설명했지만, 이 에칭 장치(1)에 한정되는 것이 아니며, 애싱 처리나 성막 처리 등을 실시할 수도 있다. 또, 플라즈마 처리의 대상으로 되는 기판은, 실리콘 기판(K)에 한정되지 않고, 유리 기판 등, 어떠한 기판이어도 좋다.
또, 상기 예에서는, 코일(23)에 고주파 전력을 인가함으로써 처리 챔버(11) 내의 처리 가스를 플라즈마화하도록 구성했지만, 이것에 한정되는 것이 아니며, 예를 들어, 평행 평판 전극형의 플라즈마 생성 기구를 사용할 수도 있다. 이 플라즈마 생성 기구는 처리 챔버(11) 내에 소정간격을 두고 대향 배치된 평판 모양의 전 극으로 구성되는 것으로, 이 전극 사이에 고주파 전력이 인가되게 되어 있다.
또, 1개의 배기 장치(40)에, 처리 챔버(11) 내를 감압하는 기능과, 폐색 공간(S) 내를 감압하는 기능을 갖게 했지만, 이 배기 장치(40) 대신 처리 챔버(11) 내를 감압하기 위한 제 1 배기 장치와, 폐색 공간(S) 내를 감압하기 위한 제 2 배기 장치의 2개의 배기 장치를 마련할 수도 있다. 또, 폐색 공간(S) 내를 감압 상태로부터 대기압으로 회복하는 경우 등 폐색 공간(S) 내의 압력을 높일 때에는 배기 장치(40)에 적당한 밸브를 마련해 이 밸브에 의해 대기를 도입하거나 배기 장치(40)에 적당한 밸브 및 압축 공기 공급원을 마련해 이 밸브 및 압축 공기 공급원에 의해 압축 공기를 공급함으로써, 폐색 공간(S) 내의 압력을 높이도록 할 수도 있다.
또, 상기 예에서는 냉각 장치(30)를 냉각수가 냉각수 공급부(31)와, 냉각 부재(32)의 냉각 유로(32a) 사이에서 순환하도록 구성했지만, 반드시 순환시킬 필요는 없다. 또, 냉각수에 공업용 물을 사용할 수도 있다.
이상 서술한 바와 같이, 본 발명은 저렴한 구성으로 효율적이면서 응답성 좋게 처리 챔버 내면 온도 제어할 수 있는 플라즈마 처리 장치로서 바람직하다.

Claims (8)

  1. 폐색 공간을 가지고, 내부에 기판이 수용되는 처리 챔버와,
    상기 처리 챔버 내에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 수단과,
    상기 처리 챔버 내를 감압하는 제 1 배기 수단과,
    고주파 전력을 인가하는 전력 인가 수단과,
    상기 전력 인가 수단에 의해 고주파 전력이 인가됨으로써, 상기 처리 챔버 내에 공급된 처리 가스를 플라즈마화하는 플라즈마 생성 수단과,
    상기 처리 챔버를 가열하는 가열 수단과,
    상기 처리 챔버를 냉각하는 냉각 수단으로서, 냉각 유체가 유통하는 냉각 유로를 구비하고, 상기 처리 챔버의 외면과 맞닿도록 또는 상기 처리 챔버의 외면과 간격을 두고 대향하도록 설치된 금속제의 냉각 부재와, 상기 냉각 부재의 냉각 유로 내에 상기 냉각 유체를 공급하는 냉각 유체 공급 수단과, 상기 냉각 부재와 처리 챔버 사이에 이것들에 맞닿도록 설치된 고리형의 씰 부재로 구성되는 냉각 수단과,
    상기 씰 부재의 환내를 감압하는 제 2 배기 수단과,
    상기 가스 공급 수단, 제 1 배기 수단, 제 2 배기 수단, 전력 인가 수단, 가열 수단 및 냉각 수단의 작동을 제어하는 제어 수단을 적어도 구비하고,
    상기 제어 수단은, 상기 전력 인가 수단에 의해 상기 플라즈마 생성 수단에 고주파 전력을 인가하고 있지 않을 때에는 상기 씰 부재의 환내가 미리 설정된 압 력으로 감압되도록 상기 제 2 배기 수단을 제어하고, 상기 전력 인가 수단에 의해 상기 플라즈마 생성 수단에 고주파 전력을 인가하고 있을 때는 상기 씰 부재의 환내가 상기 미리 설정된 압력보다 높은 압력이 되도록 상기 제 2 배기 수단을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 유체는 물인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 압력 P(Pa)는,
    P≤3.11×10-6×T/(g×δ2)
    (여기서, T(K)는 공기의 절대온도, δ(㎛)는 공기의 분자 직경(=3.72×10-4), g(㎛)는 냉각 부재와 처리 챔버 사이의 간격이다.)의 관계를 만족하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 부재와 처리 챔버 사이의 간격은 0㎛보다 크고 100㎛이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 전력 인가 수단에 의해 상기 플라즈마 생성 수단에 인가하는 고주파 전력이 클 때에는 상기 씰 부재의 환내의 압력이 높아지도록 상기 제 2 배기 수단을 제어하고, 상기 전력 인가 수단에 의해 상기 플라즈마 생성 수단에 인가하는 고주파 전력이 작을 때에는 상기 씰 부재의 환내의 압력이 낮아지도록 상기 제 2 배기 수단을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 가스를 사용한 처리에 의해 상기 처리 챔버 내에 퇴적물이 생기는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 공급 수단은, 적어도 식각 가스 및 중합물을 형성하기 위한 내에칭층 형성 가스를 상기 처리 챔버 내로 공급하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 챔버의 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 더 구비하고,
    상기 제어 수단은, 상기 온도 검출 수단에 의해 검출되는 온도에 근거해 상기 가열 수단의 작동을 제어하여 상기 처리 챔버의 온도를 미리 설정된 온도로 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
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