KR101737635B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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치시오 고시미즈
준 야마와쿠
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 따르면, 유도 결합형의 플라즈마 처리 장치에 있어서 방위각 방향 더 나아가서는 직경 방향의 플라즈마 밀도 분포의 균일성 또는 제어성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 챔버(10)의 천장의 유전체 벽(52)상에 마련되는 RF 안테나(54)는 안테나실(56)내에서 유전체 창(52)으로부터 이격되어 그 위쪽에 배치되고, 고주파 급전부(58)로부터의 RF 급전 라인(60, 68)에 접속되는 1차 코일(62)과, 이 1차 코일(62)과 전자기 유도에 의해 결합 가능한 위치이고 또한 이 1차 코일(62)보다도 유전체 창(52)의 하면(처리공간과 대향하는 면)의 가까이에 배치되는 2차 코일(64)을 갖고 있다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 기술에 관한 것으로서, 특히 유도 결합형의 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다．
반도체 디바이스나 FPD(Flat Panel Display)의 제조 프로세스에 있어서의 에칭, 퇴적, 산화, 스퍼터링 등의 처리에서는 처리 가스에 비교적 저온에서 양호한 반응을 실행시키기 위해 플라즈마가 흔히 이용되고 있다. 종래부터, 이러한 종류의 플라즈마 처리에는 메가헤르츠 (㎒) 영역의 고주파 방전에 의한 플라즈마가 많이 이용되고 있다. 고주파 방전에 의한 플라즈마는, 보다 구체적(장치적)으로 플라즈마 생성법으로서, 용량 결합형 플라즈마와 유도 결합형 플라즈마로 크게 나뉜다.
일반적으로, 유도 결합형의 플라즈마 처리 장치는 처리용기의 벽부의 적어도 일부(예를 들면, 천장)를 유전체 창으로 구성하고, 그 유전체 창 밖에 마련한 코일형상의 RF 안테나에 고주파(RF) 전력을 공급한다. 처리용기는 감압 가능한 진공 챔버로서 구성되어 있고, 챔버 내의 중앙부에 피처리 기판(예를 들면, 반도체 웨이퍼, 유리 기판 등)이 배치되고, 유전체 창과 기판 사이에 설정되는 처리공간에 처리 가스가 도입된다. RF 안테나에 흐르는 RF 전류에 의해서, 자력선이 유전체 창을 관통하여 챔버 내의 처리공간을 통과하는 RF 자기장이 RF 안테나의 주위에 발생하고, 이 RF 자기장의 시간적인 변화에 의해서 처리공간 내에서 방위각 방향으로 유도 전기장이 발생한다. 그리고, 이 유도 전기장에 의해서 방위각 방향으로 가속된 전자가 처리 가스의 분자나 원자와 전리 충돌을 일으켜서, 도넛형상의 플라즈마가 생성된다.
챔버 내에 큰 처리공간이 마련되는 것에 의해서, 상기 도넛형상의 플라즈마는 효율적으로 사방(특히, 직경 방향)으로 확산하고, 기판 상에서는 플라즈마의 밀도가 상당히 고르게 된다. 그러나, 통상의 RF 안테나를 이용하는 것만으로는 기판 상에서 얻어지는 플라즈마 밀도의 균일성은 대부분의 경우 플라즈마 프로세스에 있어서 불충분하다. 유도 결합형의 플라즈마 처리 장치에 있어서도, 기판 상의 플라즈마 밀도의 균일성을 향상시키는 것은 플라즈마 프로세스의 균일성·재현성, 더 나아가서는 제조 양품률을 좌우하기 때문에, 가장 중요한 과제의 하나로 여겨진다.
일반적으로, 플라즈마 처리 장치에 있어서의 플라즈마 밀도의 균일성으로는 방위각 방향의 균일성과 직경 방향의 균일성으로 나뉜다.
방위각 방향에 있어서는 RF 안테나가 그 루프 내에 RF 전원으로부터의 RF 급전 라인과 접속하는 RF 입출력단을 포함하기 때문에, 필연적으로 축 비대칭의 안테나 구조를 취하지 않을 수 없고, 이것이 방위각 방향으로 플라즈마 밀도의 불균일성을 발생시키는 주된 요인으로 되고 있다. 이 문제점에 대해, 종래에는 RF 안테나의 비축대칭 또는 특이의 개소를 방위각 방향으로 등간격으로 늘림으로써 동일 방향의 균일성을 높이는 기법(예를 들면, 특허문헌 1 참조)이나, RF 안테나를 직렬 접속의 상하 2단의 코일로 구성하고, 상단 코일에 마련하는 RF 급전 결선 개소(입출력단)를 하단 코일의 배후에 숨겨 플라즈마측으로부터 전자기적으로 보이지 않도록 하는 기법(예를 들면, 특허문헌 2 참조)이 제안되어 있다.
또한, 직경 방향에 있어서는 챔버 내의 유전체 창 부근에서 생성되는 도넛형상 플라즈마 내의 플라즈마 밀도 분포 특성(프로파일)이 중요하고, 그 코어(Core) 플라즈마 밀도 분포의 프로파일이 확산 후의 기판 상에 얻어지는 플라즈마 밀도 분포의 균일성을 좌우한다. 이 점에 관해, 종래 기술로써, RF 안테나를 직경 방향으로 복수의 세그먼트로 분할하는 방식이 주류를 이루고 있다. 이 RF 안테나 분할 방식에는 각각의 안테나·세그먼트에 개별의 고주파 전력을 공급하는 제 1 방식(예를 들면, 특허문헌 3 참조)과, 각각의 안테나·세그먼트의 임피던스를 콘덴서 등의 부가 회로에 의해 가변하여 1개의 고주파 전원으로부터 안테나·세그먼트로 각각 분배되는 RF 전력의 분할비를 제어하는 제 2 방식(예를 들면, 특허문헌 4 참조)이 있다.
[특허문헌 1] 미국특허 제5800619호 공보
[특허문헌 2] 일본 특허공개 제2003-517197호 공보
[특허문헌 3] 미국특허 제5401350호 공보
[특허문헌 4] 미국특허 제5907221호 공보
그러나, 플라즈마 밀도 분포의 균일성을 향상시키기 위한 상기와 같은 종래 기술은 방위각 방향의 균일성 또는 직경 방향의 균일성의 어느 것을 지향하는 타입이라도, 한결같이 RF 안테나가 복잡한 구조로 되어 있어 제작이 어렵거나, RF 급전 계통(RF 전원, 정합기)의 부담이 커지는 것이 문제로 되고 있다.
또한, 플라즈마 밀도 분포에 대해 방위각 방향의 균일성을 지향하는 상기 종래 기술에 있어서는 유도 결합 플라즈마의 생성에 주로 기여하는 안테나 부분(예를 들면, 상기 하단 안테나)이 엄밀하게 축대칭의 형체를 갖지 않기 때문에, 균일성의 정밀도나 개선도에 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 감안해서 이루어진 것으로서, 고주파 급전 계통의 부담이 가볍고 RF 안테나의 구조가 간단하고 또한 제작이 용이하면서, 플라즈마 밀도 분포의 균일성 또는 제어성을 개선할 수 있는 유도 결합형의 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치는 유전체 창을 갖는 처리용기와, 상기 처리용기 내에서 피처리 기판을 유지하는 기판유지부와, 상기 기판에 원하는 플라즈마 처리를 실시하기 위해, 상기 처리용기 내에 원하는 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와, 상기 처리용기 내에서 유도 결합에 의해 처리 가스의 플라즈마를 생성하기 위해, 상기 유전체 창의 위에 마련되는 제 1 RF 안테나와, 상기 처리 가스의 고주파 방전에 적합한 주파수의 고주파 전력을 상기 RF 안테나에 공급하는 제 1 고주파 급전부를 구비하고, 상기 제 1 RF 안테나가, 상기 유전체 창의 위 또는 그 위쪽에 배치되고 또한 상기 제 1 고주파 급전부에 고주파 급전 라인을 거쳐서 전기적으로 접속되는 1차 코일과, 상기 1차 코일과 전자기 유도에 의해 결합 가능한 위치이고 또한 상기 1차 코일보다도 상기 유전체 창의 하면에 가까이 배치되는 2차 코일을 갖는다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 방법은 유전체의 창을 갖는 처리용기 내에서 상기 유전체 창의 아래쪽에 설정된 소정위치에 피처리 기판을 배치하는 공정과, 처리 가스 공급부로부터 상기 처리용기 내에 원하는 처리 가스를 공급하는 공정과, 상기 처리용기 내를 소정의 압력으로 감압 상태로 유지하는 공정과, 상기 유전체 창의 위쪽에 배치되어 있는 1차 코일에 고주파 전원으로부터 소정 주파수의 고주파를 인가하여, 상기 1차 코일에 고주파 전류를 흘리는 공정과, 상기 1차 코일보다도 상기 유전체 창의 하면에 가까이 배치되어 있는 2차 코일로, 전자기 유도에 의해 상기 고주파 전류에 따른 유도 전류를 흘리는 공정과, 상기 2차 코일에서 흐르는 상기 유도 전류에 따른 고주파의 자기장 및 유도 전기장에 의해서 상기 처리용기 내의 상기 유전체 창의 가까이에서 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 공정과, 생성된 상기 플라즈마를 상기 처리용기 내에서 확산시키는 공정과, 상기 플라즈마의 아래에서 상기 기판에 원하는 플라즈마 처리를 실시하는 공정을 갖는다.
본 발명에 있어서는 고주파 급전부로부터의 고주파 방전용의 고주파가 1차 코일에 급전되고, 1차 코일에 고주파 전류가 흐르면, 1차 코일로부터 2차 코일에 유도 결합을 통해 고주파의 에너지가 전달되고, 2차 코일로부터 유전체 창을 거쳐서 처리용기 내의 처리 가스에 방사되는 전자 에너지에 의해서 유도 결합 플라즈마가 생성된다. 즉, 1차 코일과 2차 코일이 전자기 유도로 결합되고, 또한 2차 코일과 처리용기 내의 플라즈마가 전자기 유도로 결합되는 것에 의해, 고주파 급전부로부터 급전되는 고주파의 파워가 1차 코일 및 2차 코일을 거쳐서 처리용기 내의 플라즈마 부하에 공급된다. 유전체 창을 거쳐서 처리용기 내의 처리 가스에 주로 전자 에너지를 방사하는 2차 코일은 공간적 특이점(급전 포인트)이 없는 완전히 축대칭인 무단(無端) 코일로 구성할 수 있다. 이것에 의해서, 처리용기 내의 처리공간에 생성되는 도넛형상 플라즈마 내의 플라즈마 밀도를 방위각 방향으로 균일화하고, 더 나아가서는 기판 유지부 근방(즉, 기판 상)의 플라즈마 밀도 분포를 방위각 방향으로 균일화할 수 있다.
본 발명의 유도 결합형 플라즈마 처리 장치 또는 플라즈마 처리 방법에 따르면, 상기와 같은 구성 및 작용에 의해, RF 급전 계통의 부담이 가볍고 RF 안테나의 구조가 간단하고 또한 제작이 용이하면서, 플라즈마 밀도 분포의 균일성 또는 제어성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 1실시형태에 있어서의 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 2는 도 1의 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치에 있어서의 플라즈마 생성부의 주요한 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3a는 동심원형 코일의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3b는 나선형 코일의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 4a는 실시형태에 있어서의 RF 안테나의 배치 구조의 변형예를 모식적으로 나타내는 개략 단면도이다.
도 4b는 실시형태에 있어서의 RF 안테나의 배치 구조의 다른 변형예를 모식적으로 나타내는 개략 단면도이다.
도 4c는 실시형태에 있어서의 RF 안테나의 배치 구조의 다른 변형예를 모식적으로 나타내는 개략 단면도이다.
도 4d는 실시형태에 있어서의 RF 안테나의 배치 구조의 다른 변형예를 모식적으로 나타내는 개략 단면도이다.
도 4e는 실시형태에 있어서의 RF 안테나의 배치 구조의 다른 변형예를 모식적으로 나타내는 개략 단면도이다.
도 5는 실시형태에 있어서의 RF 안테나에 대한 고주파 급전 형태의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 6은 실시형태에 있어서의 RF 안테나에 대한 고주파 급전 형태의 다른 변형예를 나타내는 도면이다.
도 7a는 실시형태에 있어서 복수의 RF 안테나를 구비하는 경우의 안테나 배치 구조의 예를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 7b는 상기 안테나 배치 구조를 나타내는 개략 단면도이다.
도 8a는 실시형태에 있어서의 RF 안테나의 루프 내에 콘덴서를 마련하는 형태를 나타내는 사시도이다.
도 8b는 실시형태에 있어서 2차 코일의 루프 내에 콘덴서를 마련하는 형태를 나타내는 평면도이다.
도 9a는 실시예 및 비교예에 있어서 플라즈마 중에 여기되는 유도 전류의 분포를 나타내는 등고선 플롯도이다.
도 9b는 실시예 및 비교예에 있어서 플라즈마 중에 여기되는 유도 전류의 분포를 나타내는 주회 플롯도이다.
도 10은 실시예에 있어서 2차 코일의 각 반경위치의 무단 코일에 흐르는 유도(2차) 전류와 1차 코일에 흘린 RF(1차) 전류의 비를 나타내는 막대 그래프도이다.
도 11은 실시예 및 비교예에 있어서, 1차 코일에 1A의 RF 전류를 흘렸을 때에 플라즈마 내에 여기되는 전류 밀도의 반경방향 분포 특성을 나타내는 도면이다.
도 12a는 실시예의 제 1 캐패시턴스 조정예에 있어서 2차 코일의 각 반경위치의 무단 코일에 흐르는 유도(2차) 전류와 1차 코일에 흘린 RF(1차) 전류의 비를 나타내는 막대 그래프도이다.
도 12b는 실시예의 제 1 캐패시턴스 조정예에 있어서 1차 코일에 1A의 RF 전류를 흘렸을 때에 플라즈마 내에 여기되는 전류 밀도의 반경방향 분포 특성을 나타내는 도면이다.
도 13a는 실시예의 제 2 캐패시턴스 조정예에 있어서 2차 코일의 각 반경위치의 무단 코일에 흐르는 유도(2차) 전류와 1차 코일에 흘린 RF(1차) 전류의 비를 나타내는 막대 그래프도이다.
도 13b는 실시예의 제 2 캐패시턴스 조정예에 있어서 1차 코일에 1 A의 RF 전류를 흘렸을 때에 플라즈마 내에 여기되는 전류 밀도의 반경방향 분포 특성을 나타내는 도면이다.
도 14a는 실시예의 제 3 캐패시턴스 조정예에 있어서 2차 코일의 각 반경위치의 무단 코일에 흐르는 유도(2차) 전류와 1차 코일에 흘린 RF(1차) 전류의 비를 나타내는 막대 그래프도이다.
도 14b는 실시예의 제 3 캐패시턴스 조정예에 있어서 1차 코일에 1A의 RF 전류를 흘렸을 때에 플라즈마 내에 여기되는 전류 밀도의 반경방향 분포 특성을 나타내는 도면이다.
도 15a는 실시예의 제 4 캐패시턴스 조정예에 있어서 2차 코일의 각 반경위치의 무단 코일에 흐르는 유도(2차) 전류와 1차 코일에 흘린 RF(1차) 전류의 비를 나타내는 막대 그래프도이다.
도 15b는 실시예의 제 4 캐패시턴스 조정예에 있어서 1차 코일에 1A의 RF 전류를 흘렸을 때에 플라즈마 내에 여기되는 전류 밀도의 반경방향 분포 특성을 나타내는 도면이다.
도 16a는 실시예의 제 5 캐패시턴스 조정예에 있어서 2차 코일의 각 반경위치의 무단 코일에 흐르는 유도(2차) 전류와 1차 코일에 흘린 RF(1차) 전류의 비를 나타내는 막대 그래프이다.
도 16b는 실시예의 제 5 캐패시턴스 조정예에 있어서 1차 코일에 1A의 RF 전류를 흘렸을 때에 플라즈마 내에 여기되는 전류 밀도의 반경방향 분포 특성을 나타내는 도면이다.
도 17a 내지 17b는 다층 레지스트법의 공정을 단계적으로 나타내는 도면이다.
도 18은 실시형태의 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치에 있어서 2차 코일을 회전운동시키는 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 19는 실시형태에 있어서의 2차 코일의 권선 구조의 변형예를 나타내는 평면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조해서 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다.
도 1에, 본 발명의 일실시형태에 있어서의 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치의 구성을 나타낸다. 이 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치는 평면 코일형의 RF 안테나를 이용하는 타입으로서, 예를 들면, 알루미늄 또는 스테인리스강 등의 금속제의 원통형 진공 챔버(처리용기)(10)를 갖고 있다. 챔버(10)는 보안 접지되어 있다.
우선, 이 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치에 있어서 플라즈마 생성에 관계하지 않는 각 부의 구성을 설명한다.
챔버(10)내의 하부 중앙에는 피처리 기판으로서, 예를 들면, 반도체 웨이퍼 W를 탑재하는 원판형상의 서셉터(12)가 고주파 전극을 겸하는 기판 유지대로서 수평으로 배치되어 있다. 이 서셉터(12)는, 예를 들면, 알루미늄으로 이루어지고, 챔버(10)의 바닥에서 수직 위쪽으로 연장하는 절연성의 통형상 지지부(14)에 지지되어 있다.
절연성 통형상 지지부(14)의 외주를 따라 챔버(10)의 바닥에서 수직 위쪽으로 연장하는 도전성의 통형상 지지부(16)와 챔버(10)의 내벽 사이에 환상(環狀)의 배기로(18)가 형성되고, 이 배기로(18)의 상부 또는 입구에 환상의 배플판(20)이 부착되고, 바닥부에 배기 포트(22)가 마련되어 있다. 챔버(10)내의 가스의 흐름을 서셉터(12)상의 반도체 웨이퍼 W에 대해 축 대칭으로 균일하게 하기 위해서는 배기 포트(22)를 원주방향으로 등 간격으로 복수 마련하는 구성이 바람직하다. 각 배기 포트(22)에는 배기관(24)을 통하여 배기 장치(26)가 접속되어 있다. 배기 장치(26)는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 갖고 있으며, 챔버(10)내의 플라즈마 처리 공간을 원하는 진공도까지 감압할 수 있다. 챔버(10)의 측벽의 밖에는 반도체 웨이퍼 W의 반입출구(27)를 개폐하는 게이트밸브(28)가 부착되어 있다.
서셉터(12)에는 RF 바이어스용의 고주파 전원(30)이 정합기(32) 및 급전봉(34)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 이 고주파 전원(30)은 반도체 웨이퍼 W에 인입하는 이온의 에너지를 제어하는데 적합한 일정 주파수(13.56㎒ 이하)의 고주파 RFL을 알맞은 크기로 출력할 수 있도록 되어 있다. 정합기(32)는 고주파 전원(30)측의 임피던스와 부하(주로, 서셉터, 플라즈마, 챔버)측의 임피던스의 사이에서 정합을 취하기 위한 가변 리액턴스 정합 회로(Variable-reactance matching circuit)를 수용하고 있다. 그 정합 회로 중에 자기 바이어스 생성용의 블로킹 콘덴서가 포함되어 있다.
서셉터(12)의 상면에는 반도체 웨이퍼 W를 정전 흡착력으로 유지하기 위한 정전 척(36)이 마련되고, 정전 척(36)의 반경방향 외측에 반도체 웨이퍼 W의 주위를 환상으로 둘러싸는 포커스 링(38)이 마련된다. 정전 척(36)은 도전막으로 이루어지는 전극(36a)을 한 쌍의 절연막(36b, 36c)의 사이에 끼워 넣은 것이며, 전극(36a)에는 고압의 직류 전원(40)이 스위치(42)를 거쳐서 피복선(43)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 직류 전원(40)으로부터 인가되는 고압의 직류 전압에 의해, 정전력으로 반도체 웨이퍼 W를 정전 척(36)상에 흡착 유지할 수 있다.
서셉터(12)의 내부에는, 예를 들면, 원주방향으로 연장하는 환상의 냉매실(44)이 마련되어 있다. 이 냉매실(44)에는 칠러(chiller) 유닛(도시하지 않음)으로부터 배관(46, 48)을 통하여 소정 온도의 냉매, 예를 들면, 냉각수가 순환 공급된다. 냉매의 온도에 의해서 정전 척(36)상의 반도체 웨이퍼 W의 처리 중의 온도를 제어할 수 있다. 이것과 관련해서, 전열 가스 공급부(도시하지 않음)로부터의 전열 가스, 예를 들면, He 가스가, 가스 공급관(50)을 통하여 정전 척(36)의 상면과 반도체 웨이퍼 W의 이면 사이에 공급된다. 또한, 반도체 웨이퍼 W의 로딩/언로딩을 위해 서셉터(12)를 수직방향으로 관통해서 상하 이동 가능한 리프트 핀 및 그 승강 기구(도시하지 않음) 등도 마련되어 있다.
다음에, 이 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치에 있어서 플라즈마 생성에 관계하는 각 부의 구성을 설명한다. 도 2에, 이 플라즈마 에칭 장치에 있어서의 플라즈마 생성부의 주요부의 구성을 나타낸다.
챔버(10)의 천장은 서셉터(12)로부터 비교적 큰 거리 간격을 두고 마련되어 있고, 이 천장에, 예를 들면, 석영판으로 이루어지는 원형의 유전체 창(52)이 기밀하게 부착되어 있다. 이 유전체 창(52)의 위에는 챔버(10)내에 유도 결합의 플라즈마를 생성하기 위한 RF 안테나(54)를 외부로부터 전자적으로 차폐해서 수용하는 안테나실(56)이 챔버(10)와 일체로 마련되어 있다.
본 실시형태에 있어서의 RF 안테나(54)는 안테나실(56)내에서 유전체 창(52)으로부터 이격되어 그 위쪽에 배치되고, 고주파 급전부(58)로부터의 RF 급전 라인(60)에 접속되는 1차 코일(62)과, 이 1차 코일(62)과 전자기 유도에 의해 결합 가능한 위치이고 또한 이 1차 코일(62)보다도 유전체 창(52)의 하면(처리공간과 대향하는 면)의 가까이에 전기적으로 플로팅(Float) 상태로 배치되는 2차 코일(64)을 갖고 있다.
도시한 구성예에서는 2차 코일(64)이 유전체 창(52)의 상면에 수평으로 부착되고, 1차 코일(62)이 2차 코일(64)과 적절한 거리 간격을 둔 위쪽의 위치에서 절연체로 이루어지는 지지판(66)에 수평으로 부착되어 있다. 통상, 양 코일(62, 64)은 서로 수평이고 또한 동축으로 배치되며, 챔버(10) 또는 서셉터(12)에 대해서도 수평이고 또한 동축으로 배치된다.
1차 코일(62)은 바람직하게는 복권(複卷) 코일로 이루어지고, 예를 들면, 도 2 및 도 3a에 나타내는 바와 같이, 각 주내에서 코일 반경이 일정한 동심원형 코일의 형체를 갖고 있다. 무엇보다도, 1차 코일(62)은 다른 형체, 예를 들면, 도 3b에 나타내는 나선형 코일의 형체를 가져도 좋다. 통상, 1차 코일(62)의 중심측의 단부가 고주파 급전부(58)로부터의 RF 급전 라인(60)에 접속되고, 1차 코일(62)의 주변측의 단부가 어스선(Ground line)(68)을 통하여 전기적으로 그라운드 전위에 접속된다. 1차 코일(62)의 재질은 도전율이 높은, 예를 들면, 구리계의 금속이 바람직하다.
2차 코일(64)은, 바람직하게는 도 2에 나타내는 바와 같이, 코일 직경이 다른 복수(예를 들면, 3개)의 무단 코일(64(1), 64(2), 64(3))을 동심원형상으로 배치해서 이루어지는 결합코일(Combination Coil)로서 구성되어 있다. 각 무단 코일(64(1), 64(2), 64(3))의 재질은 도전율이 높은, 예를 들면, 구리계의 금속이 바람직하지만, Si나 SiC 등의 반도체라도 좋다.
도시한 구성예에서는, 1차 코일(62)이 3턴(3회 감기)의 동심원형 코일로 이루어진다. 그리고, 1차 코일(62)의 최내주의 제 1 턴부(62(1))와 2차 코일(64)의 최내주의 무단 코일(64(1))이 상하로 대향하고, 1차 코일(62)의 중간의 제 2 턴부(62(2))와 2차 코일(64)의 중간의 무단 코일(64(2))이 상하로 대향하며, 1차 코일(62)의 최외주의 제 3 턴부(62(3))와 2차 코일(64)의 최외주의 무단 코일(64(3))이 상하로 대향하고 있다.
고주파 급전부(58)는 고주파 전원(70) 및 정합기(72)를 갖고 있다. 고주파 전원(70)은 고주파 방전에 의한 플라즈마의 생성에 적합한 일정 주파수(13.56㎒ 이상)의 고주파 RFH를 알맞은 크기의 파워로 출력할 수 있도록 되어 있다. 정합기(72)는 고주파 전원(70)측의 임피던스와 부하(주로, RF 안테나, 플라즈마, 보정 코일)측의 임피던스의 사이에서 정합을 취하기 위한 가변 리액턴스 정합 회로(Variable-Reactance Matching Circuit)를 수용하고 있다.
챔버(10)내의 처리공간에 처리 가스를 공급하기 위한 처리 가스 공급부는 유전체 창(52)으로부터 다소 낮은 위치에서 챔버(10)의 측벽의 내(또는 외)에 마련되는 환상의 매니폴드 또는 버퍼부(74)와, 원주방향으로 등간격으로 버퍼부(74)로부터 플라즈마 생성 공간을 향하는 복수의 측벽 가스 토출 구멍(76)과, 처리 가스 공급원(78)에서 버퍼부(74)까지 연장하는 가스 공급관(80)을 갖고 있다. 처리 가스 공급원(78)은 유량 제어기 및 개폐 밸브(도시하지 않음)를 포함하고 있다.
주 제어부(82)는, 예를 들면, 마이크로 컴퓨터를 포함하고, 이 플라즈마 에칭 장치 내의 각 부, 예를 들면, 배기 장치(26), 고주파 전원(30, 70), 정합기(32, 72), 정전 척용의 스위치(42), 처리 가스 공급원(78), 칠러 유닛(도시하지 않음), 전열 가스 공급부(도시하지 않음) 등의 개개의 동작 및 장치 전체의 동작(시퀀스)을 제어한다.
이 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭을 실행하기 위해서는 우선, 게이트밸브(28)를 열림 상태로 하고 가공 대상의 반도체 웨이퍼 W를 챔버(10)내에 반입하여, 정전 척(36)의 위에 탑재한다. 그리고, 게이트밸브(28)를 닫고 나서, 처리 가스 공급원(78)으로부터 가스 공급관(80), 버퍼부(74) 및 측벽 가스 토출 구멍(76)을 거쳐서 에칭 가스(일반적으로 혼합 가스)를 소정의 유량 및 유량비로 챔버(10)내에 도입하고, 배기 장치(26)에 의해 챔버(10)내의 압력을 설정값으로 한다. 또한, 고주파 급전부(58)의 고주파 전원(70)을 온으로 해서 플라즈마 생성용의 고주파 RFH를 소정의 RF 파워로 출력시키고, 정합기(72)를 거쳐, RF 급전 라인(60)을 통하여 RF 안테나(54)의 1차 코일(62)에 고주파 RFH의 전류를 공급한다. 한편, 고주파 전원(30)을 온으로 해서 이온 인입 제어용의 고주파 RFL을 소정의 RF 파워로 출력시키고, 이 고주파 RFL을 정합기(32)를 거쳐, 급전봉(34)을 통하여 서셉터(12)에 인가한다. 또한, 전열 가스 공급부로부터 정전 척(36)과 반도체 웨이퍼 W의 사이의 접촉 계면에 전열 가스(He 가스)를 공급하고, 스위치(42)를 온으로 해서 정전 척(36)의 정전 흡착력에 의해 전열 가스를 상기 접촉 계면에 감금한다.
측벽 가스 토출 구멍(76)으로부터 토출된 에칭 가스는 유전체 창(52)의 아래의 처리공간에 균일하게 확산한다. RF 안테나(54)의 1차 코일(62)을 흐르는 고주파 RFH의 전류에 의해서 1차 코일(62)의 주위에 발생하는 자력선(자속)이 2차 코일(64)과 쇄교(鎖交; chain-crossing)하고, 그 자속의 시간적 변화에 따라 2차 코일(64)에 유도 기전력이 발생하여 그 루프 내에 전류(유도 전류)가 흐른다.
이 2차 코일(64)에 흐르는 유도 전류에 의해서 발생하는 자력선이 유전체 창(52)을 관통하여 챔버(10)내의 처리공간(플라즈마 생성 공간)을 횡단하고, 처리공간 내에서 방위각 방향의 유도 전기장이 발생한다. 이 유도 전기장에 의해서 방위각 방향으로 가속된 전자가 에칭 가스의 분자나 원자와 전리 충돌을 일으켜서, 도넛형상의 플라즈마가 생성된다. 이와 같이 플라즈마 중에서는 2차 코일(64)이 만드는 자기장이 지배적이며, 플라즈마는 2차 코일(64)이 만드는 자기장에서 주로 생성되며, 1차 코일(62)의 영향은 거의 받지 않는다.
여기서 「도넛형상의 플라즈마」는 챔버(10)의 직경 방향 내측(중심부)에 플라즈마가 존재하지 않고 직경 방향 외측에만 플라즈마가 존재하는 엄밀하게 링형상의 플라즈마에 한정되지 않고, 오히려 챔버(10)의 직경 방향 내측보다 직경 방향 외측의 플라즈마의 부피 또는 밀도가 큰 것을 의미한다. 또한, 처리 가스에 이용하는 가스의 종류나 챔버(10)내의 압력의 값 등의 조건에 따라서는 여기서 말하는「도넛형상의 플라즈마」가 되지 않는 경우도 있다.
이 도넛형상 플라즈마의 래디컬이나 이온이 넓은 처리공간에서 사방으로 확산하여, 즉 래디컬은 등방적으로 쏟아지게 하고, 이온은 직류 바이어스로 끌어당겨지도록 해서, 반도체 웨이퍼 W의 상면(피처리면)에 공급된다. 이와 같이 해서, 반도체 웨이퍼 W의 피처리면에 플라즈마의 활성종이 화학반응과 물리 반응을 초래하여, 피가공막이 원하는 패턴으로 에칭된다. 이 실시형태에서는 후술하는 바와 같이, 반도체 웨이퍼 Ｗ 상의 플라즈마 프로세스 특성 즉, 에칭 특성(에칭 레이트, 선택비, 에칭 형상 등)의 방위각 방향 더 나아가서는 직경 방향의 균일성을 크게 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 이 실시형태의 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치에 있어서는 챔버(10)의 천장 창의 위(안테나실(56)내)에 마련되는 RF 안테나(54)가 상하로 완전 분리된 1차 코일(62)과 2차 코일(64)로 구성되어 있고, 고주파 급전부(58)로부터의 고주파 방전용의 고주파 RFH가 1차 코일(62)에 급전되면, 1차 코일(62)로부터 2차 코일(64)에 유도 결합을 통해 고주파 RFH의 에너지가 전달되고, 2차 코일(64)로부터 유전체 창(52)을 거쳐서 챔버(10)내의 처리 가스에 방사되는 전자기 에너지에 의해서 유도 결합의 플라즈마가 생성되도록 되어 있다.
즉, 1차 코일(62)과 2차 코일(64)이 전자기 유도로 결합되고, 또한 2차 코일(64)과 챔버(10)내의 플라즈마가 전자기 유도로 결합되는 것에 의해, 고주파 급전부(58)로부터 급전되는 고주파 RFH의 파워가 1차 코일(62) 및 2차 코일(64)을 거쳐서 챔버(10)내의 플라즈마 부하에 공급되도록 되어 있다.
이와 같은 복수의 코일간의 유도 결합을 통해 플라즈마에 RF 파워를 공급하는 방식의 최대의 이점은 최종 단의 코일, 즉 유전체 창(52)을 거쳐서 챔버(10)내의 처리 가스에 주로 전자 에너지를 방사하는 2차 코일(64)을 공간적 특이점(급전 포인트)이 없는 완전히 축대칭의 무단 코일에 구성할 수 있는 것이며, 이것에 의해서 챔버(10)내의 처리공간에 생성되는 도넛형상 플라즈마 내의 플라즈마 밀도를 방위각 방향으로 균일화하고, 더 나아가서는 서셉터(12) 근방(즉, 반도체 웨이퍼 Ｗ상)의 플라즈마 밀도 분포를 방위각 방향으로 균일화할 수 있는 것이다.
또한, 1차 코일(62) 및 2차 코일(64) 모두 간단한 구성으로 제작이 용이한 것이다. 또한, 고주파 급전부(58)에 특히, 큰 부담을 끼치는 일도 없다.
또, 1차 코일(62)은 RF 급전의 입출력 단을 포함하고, 축대칭의 코일은 아니므로, 1차 코일(62)에 흐르는 고주파 RFH에 의해서 1차 코일(62)의 주위에 형성되는 자기장, 즉 2차 코일(64)과 쇄교하는 자속은 방위각 방향으로 균일하지는 않다. 그러나, 2차 코일(64)에 흐르는 유도 전류는 루프 내의 어느 위치에서도 동일하고, 또한 2차 코일(64)이 축대칭인 원형의 무단 코일이기 때문에, 2차 코일(64)에 흐르는 유도 전류에 의해서 그 주위(특히, 챔버(10)내)에 형성되는 자기장은 방위각 방향의 1주에 걸쳐 균일한 것으로 된다.
본 실시형태에 있어서의 RF 안테나(54)는 유전체 창(52)의 위쪽에 평면형의 1차 코일(62)을 수평으로 배치하고, 유전체 창(52)의 상면에 평면형의 2차 코일(64)을 수평으로 부착하고 있다. 그러나, 본 발명에 있어서. 이와 같은 RF 안테나(54)의 배치 구조는 일예이며, 각종 변형이 가능하다.
상기와 같이, 2차 코일(64)은 1개 또는 복수개의 무단 코일(64(1)∼64(3))로 구성되고, 외부와의 결선(結線)은 일절 불필요하다. 그래서, 도 4a에 나타내는 바와 같이, 2차 코일(64)(무단 코일(64(1)∼64(3))을 유전체 창(52)의 내부에 매립해서 마련하는 것도 가능하다. 이와 같이, 유전체 창(52)의 내부에 2차 코일(64)을 매설하는 배치 구성에 있어서는 도 4b에 나타내는 바와 같이, 각 무단 코일(64(1), 64(2), 64(3))의 높이 위치를 각각 독립적으로 선택하는 구성을 바람직하게 취할 수 있다. 또, 도시 생략하지만, 2차 코일(64)(무단 코일(64(1)∼64(3))의 일부만을 유전체 창(52)의 내부에 마련하고, 다른 부분을 유전체 창(52)의 위에 마련하는 배치 구성도 가능하다.
또한, 1차 코일(62)도 평면형에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 도 4b에 나타내는 바와 같이, 각 턴부(64(1), 64(2), 64(3))의 높이 위치를, 각 대응하는 무단 코일(64(1), 64(2), 64(3))의 높이 위치에 따라, 각 쌍간의 유도 결합의 효율성이나 전체의 밸런스 중에서, 가장 적절한 높이 위치에 배치하는 구성을 바람직하게 취할 수 있다.
또한, 도 4c에 나타내는 바와 같이, 2차 코일(64)을 구성하는 무단 코일(64(1), 64(2), 64(3))의 일부, 예를 들면, 최외주의 무단 코일(64(3))을 유전체 창(52)의 바로 아래에, 즉 챔버(10)내의 플라즈마 생성 영역에 배치하는 것도 가능하다. 단, 해당 무단 코일(64(3))의 재질이 구리 등의 금속인 경우에는, 예를 들면, 석영으로 이루어지는 금속 오염 방지용의 중공 링 커버(84)로 덮는 것이 바람직하다.
또, 2차 코일(64)을 유전체 창(52)의 내부 또는 챔버(10)내에 마련하는 경우에는 1차 코일(62)을 유전체 창(52)에 가급적 근접시켜 배치하는 것이 가능하며, 예를 들면, 도 4c에 나타내는 바와 같이, 유전체 창(52)의 상면에 싣는 것도 가능하다.
RF 안테나(54)의 다른 배치 구성으로서, 2차 코일(64)의 무단 코일(64(1), 64(2), 64(3))이 Si 또는 SiC 등의 반도체로 이루어지는 경우에는 도 4d 및 도 4e에 나타내는 바와 같이, 그들 무단 코일(64(1), 64(2), 64(3))을 금속 오염 방지 커버로 덮지 않고 그대로 노출시켜, 석영판 창(52)의 하면에 점착하는 구성이나, 플라즈마 생성 영역 중에 배치하는 구성도 가능하다.
본 실시형태에 있어서, RF 안테나(54)의 1차 코일(62)에 고주파 RFH의 전류를 공급하는 급전 방식도 각종 형태가 가능하다.
도 2의 안테나 구성에서는 1차 코일(62)의 제 1 턴부(62(1)), 제 2 턴부(62(2)) 및 제 3 턴부(62(3))를 단일의 고주파 급전부(58)에 대해 직렬로 접속하고 있다.
그러나, 도 5에 나타내는 바와 같이, 복수의 턴부(62(1), 62(2), 62(3))를 단일의 고주파 급전부(58)에 대해 병렬로 접속하는 급전 방식도 가능하다. 이 병렬 급전 방식에서는 고주파 급전부(58)로부터의 고주파 RFH의 전류가 복수의 턴부(62(1), 62(2), 62(3))로 분기해서 흐른다. 상대적으로 임피던스가 가장 낮은 턴부(통상은 최내주의 턴부(62(1))에 RF 전류가 가장 많이 공급되고, 상대적으로 임피던스가 가장 높은 턴부(통상은 최외주의 턴부(62(3))에 RF 전류가 가장 적게 공급된다.
또는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 1차 코일(62)의 복수의 턴부(62(1), 62(2), 62(3))를 복수의 고주파 급전부(58(1), 58(2), 58(3))에 각각 개별적으로 접속하는 구성도 가능하다. 이 경우에는 각 턴부(62(1), 62(2), 62(3))에, 그 상대적인 임피던스에 관계없이, 각 고주파 급전부(58(1), 58(2), 58(3))로부터 독립된 임의의 고주파 전류 또는 고주파 전류 전력을 공급할 수 있다.
또한, 도 7a 및 도 7b에 나타내는 바와 같이, 상기 RF 안테나(54)로부터 독립된 다른 RF 안테나(86)를 유전체 창(52)의 근방에 배치하는 구성도 가능하다. 도시한 구성예에서는 제 1 RF 안테나(54)를 직경 방향 내측(중심부)에 배치하고, 제 2 RF 안테나(86)를 직경 방향 외측(주변부)에 배치하고 있다. 제 2 RF 안테나(86)는 도시한 바와 같은 단권 또는 복권의 동심 원형 코일이어도 좋고, 혹은 나선형 코일이어도 좋다. 양 RF 안테나(54, 86)에는 각 전용의 고주파 급전부(58(1), 58(2))로부터 고주파 전류가 개별의 파워로 공급하는 것이 바람직하다. 무엇보다도, 단일의 고주파 급전부(58)로부터의 고주파 전류를 양 RF 안테나(54, 86)로 분배하는 방식도 가능하다.
다른 바람직한 실시예로서, 본 발명에 의한 RF 안테나(54)의 2차 코일(64)에 있어서는 그 루프 내에 콘덴서를 마련할 수 있다. 2차 코일(64)이 상기와 같이 복수의 무단 코일(64(1), 64(2), 64(3))로 이루어지는 경우에는 그들 무단 코일(64(1), 64(2), 64(3))의 전부의 루프 내에, 또는 그 일부(예를 들면, 64(3)만)의 루프 내에 콘덴서를 마련할 수 있다. 구체적으로는 무단 코일(64(1), 64(2), 64(3))의 코일 도체에 주회방향의 일개소에서, 예를 들면, 갭 폭 5㎜ 정도의 잘림부를 형성하고, 그 잘림부에 콘덴서를 마련할 수 있다. 도 8a 및 도 8b에, 무단 코일(64(1), 64(2), 64(3))의 전부의 루프 내에 콘덴서(90(1), 90(2), 90(3))를 각각 마련하는 구성예를 나타낸다.
본 발명자는 이 실시형태의 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치에 대해 다음과 같은 전자기장 시뮬레이션을 실시하였다.
즉, 2차 코일(64)에 콘덴서를 삽입하는 도 1의 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치에 있어서 플라즈마 중에 여기되는 유도 전류의 분포를 구한 결과, 도 9a(등고선 플롯도) 및 도 9b(주회 플롯도)에 나타내는 특성이 얻어졌다. 도 9a 및 도 9b에는 비교예로서, 도 1의 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치에 있어서 2차 코일(64)을 생략해서 1차 코일(62)을 유전체 창(52)의 상면에 실어 배치한 경우에 플라즈마 중에 여기되는 유도 전류의 분포 특성도 나타내고 있다.
이 전자기장 시뮬레이션에서는 1차 코일(62)이 4회 감긴 동심 원형 코일로 이루어지는 것으로 하고, 그 최내주의 제 1 턴부의 반경을 70㎜, 제 2 턴부의 반경을 120㎜, 제 3 턴부의 반경을 170㎜, 최외주의 제 4 턴부의 반경을 220㎜로 하였다. 2차 코일(64)은 1차 코일(62)의 코일 구조에 대응하여 동심원형상으로 배치되는 4개의 무단 코일(64(1), 64(2), 64(3), 64(4))로 구성하고, 최내주의 제 1 무단 코일(64(1))의 반경을 70㎜, 제 2 무단 코일(64(2))의 반경을 120㎜, 제 3 무단 코일(64(3))의 반경을 170㎜, 최외주의 제 4 무단 코일(64(4))의 반경을 220㎜로 하였다.
또한, 이 전자기장 시뮬레이션에서는 2차 코일(64)을 유전체 창(52)의 상면에 싣는 높이로 배치하고, 1차 코일(62)을 2차 코일(64)로부터 위쪽에 5㎜ 떨어뜨려 배치하였다. 무단 코일(64(1), 64(2), 64(3), 64(4))의 루프 내에 마련하는 콘덴서(90(1), 90(2), 90(3), 90(4))의 캐패시턴스는 각각 1547㎊, 650㎊, 400㎊, 250㎊로 하였다. 챔버(10)내의 처리공간에서 유도 결합에 의해 생성되는 도넛형상의 플라즈마는 원반형상의 저항체로 모의(Simulate)하고, 이 저항체의 반경을 250㎜, 저항율을 100Ω㎝, 표피 두께를 10㎜로 설정하였다. 플라즈마 생성용의 고주파 RFH의 주파수는 13.56㎒로 하였다.
도 9a 및 도 9b에 나타내는 바와 같이, 비교예에서는 1차 코일(62)의 RF 급전 입출력 단의 위치에 대응하는 시계방향으로 9시의 방위(주회방향에서는 X축의 정방향을 기준으로 해서 180도)의 부근에서 플라즈마 내의 유도 전류에 편차가 보인다. 이에 대해, 실시예에서는 주회방향의 편차가 거의 없는 것을 알 수 있다. 또, 플라즈마 내의 유도 전류는 반경방향에서는 불균일한 쪽이 오히려 확산 후에는 직경 방향에서는 균일한 플라즈마 밀도가 얻어지는 것이 알려져 있다.
또한, 상기 전자기장 시뮬레이션의 일환으로서, 실시예의 RF 안테나(54)에 있어서, 1차 코일(62)에 1A(암페어)의 RF 전류(1차 전류)를 흘렸을 때에 2차 코일(64)의 무단 코일(64(1)∼64(4))에 각각 흐른 유도 전류(2차 전류)를 구한 결과, RF 전류(1차 전류)에 대한 각 반경위치의 유도 전류(2차 전류)의 비에 관해, 도 10에 도시된 결과가 얻어졌다. 도시한 바와 같이, RF 전류(1차 전류)에 대해 약 1∼5배 정도의 유도 전류(2차 전류)가 각 반경위치에서 흐르는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 실시예 및 상기 비교예에 대해, 1차 코일(62)에 1A의 RF 전류를 흘렸을 때에 플라즈마 내에 여기되는 전류 밀도(플라즈마 밀도에 상당)의 직경 방향 분포를 구한 결과, 도 11에 도시된 특성이 얻어졌다. 도시한 바와 같이, 2차 코일(64)의 유무로 플라즈마 내의 전류 밀도에 최대 5배 정도의 차가 생기고 있고, 2차 코일(64)의 전류 증배 효과에 의해서 플라즈마 중에 큰 전류를 여기할 수 있는 것을 알 수 있다.
통상, 유도 결합 방식에 있어서 플라즈마 중에 여기되는 전류를 늘리기 위해서는 안테나 또는 코일의 권선 밀도를 올리는 방법이 취해지지만, 그렇게 하면 필연적으로 코일길이가 늘어나기 때문에, 파장 효과의 문제를 일으키기 쉽다. 본 발명에 의하면, 코일길이를 늘리지 않고, 플라즈마 중에 여기되는 전류를 크게 하는 것이 가능하다. 또한, 고주파 급전부(58)의 정합기(72)로부터 1차 코일(62)에 공급하는 RF 전류가 적어도 좋기 때문에, 정합을 취하는 것이 용이하고, 정합기(72)의 파워 손실을 억제할 수도 있다.
본 발명에 있어서는 2차 코일(64)의 루프 내에 마련하는 콘덴서를 가변 콘덴서로 하는 형태를 바람직하게 취할 수 있다. 상기 전자기장 시뮬레이션의 일환으로서, 상기 무단 코일(64(1), 64(2), 64(3), 64(4))의 루프 내에 각각 마련하는 콘덴서(90(1), 90(2), 90(3), 90(4))를 전부 가변 콘덴서로 하고, 각각의 캐패시턴스를 복수의 조합으로 각종 변화시켜, 각 반경위치의 무단 코일(64(1)∼64(4))에 각각 흐르는 유도 전류(2차 전류)를 구하였다. 그 결과, 각 반경위치의 유도 전류(2차 전류)와 코일(62)에 흘린 RF 전류(1차 전류)의 비, 및 플라즈마 내의 전류 밀도의 직경 방향 분포에 대해, 도 12∼도 16에 나타내는 특성이 얻어졌다.
(제 1 캐패시턴스 조정예)
콘덴서(90(1), 90(2), 90(3), 90(4))의 캐패시턴스를 각각 1547㎊, 650㎊, 400㎊, 250㎊로 설정한 경우에는 각 반경위치의 유도 전류(2차 전류)와 RF 전류(1차 전류)의 비가, 도 12a에 나타내는 바와 같이 도시되고, 플라즈마 내의 전류 밀도의 직경 방향 분포는, 도 12b에 나타내는 바와 같이 도시된다.
더욱 상세하게는 도 12a에 나타내는 바와 같이, 제 3 무단 코일(64(3))(r=170㎜)에 흐르는 유도 전류가 가장 크고, 제 1 무단 코일(64(1))(r=70㎜)에 흐르는 유도 전류가 가장 작으며, 제 2 무단 코일(64(2))(r=120㎜) 및 제 4 무단 코일(64(4))(r=220㎜)에 흐르는 유도 전류는 중간의 값을 나타낸다. 도 12b에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 내의 전류 밀도의 직경 방향 분포는 상기 4개의 반경위치에서 각각 흐르는 유도 전류의 상대적인 대소 관계에 따른 프로파일을 띠고 있다. 즉, 플라즈마 내의 전류 밀도는 직경 방향에 있어서 r=170㎜ 부근에서 극히 커지는 산형의 프로파일을 나타낸다.
(제 2 캐패시턴스 조정예)
콘덴서(90(1), 90(2), 90(3), 90(4))의 캐패시턴스를 각각 3000㎊, 300㎊, 300㎊, 380㎊로 설정한 경우에는 각 반경위치의 유도 전류(2차 전류)와 RF 전류(1차 전류)의 비가, 도 13a에 나타내는 바와 같이, 도시되고 플라즈마 내의 전류 밀도의 직경 방향 분포는, 도 13b에 나타내는 바와 같이, 도시된다.
더욱 상세하게는 도 13a에 나타내는 바와 같이, 제 4 무단 코일(64(4))(r=220㎜)에 흐르는 유도 전류가 돌출해서 가장 크고, 다른 무단 코일(64(1), 64(2), 64(3))(r=70㎜, r=120㎜, r=170㎜)에 각각 흐르는 유도 전류는 모두 최대 전류의 약 1/3이 된다. 플라즈마 내의 전류 밀도의 직경 방향 분포는 도 13B에 나타내는 바와 같이, 상기 4개의 반경위치에서 각각 흐르는 유도 전류의 상대적인 대소관계에 따른 프로파일로 되어 있다. 무엇보다도, 반경방향 중심부 부근(r=70㎜)의 전류 밀도가 반경방향 중간부(r=120㎜∼170㎜)의 전류 밀도보다도 상대적으로 낮아지는 경향이 있다.
(제 3 캐패시턴스 조정예)
콘덴서(90(1), 90(2), 90(3), 90(4))의 캐패시턴스를 각각 1547㎊, 650㎊, 300㎊, 380㎊로 설정한 경우에는 각 반경위치의 유도 전류(2차 전류)와 RF 전류(1차 전류)의 비가 도 14a에 나타내는 바와 같이, 도시되고, 플라즈마 내의 전류 밀도의 직경 방향 분포는, 도 14b에 나타내는 바와 같이, 도시된다.
더욱 상세하게는, 도 14a에 나타내는 바와 같이, 양극화되고, 짝수 번째의 제 2 및 제 4 무단 코일(64(2), 64(4))(r=120㎜, r=220㎜)에 각각 흐르는 유도 전류는 크고, 홀수 번째의 제 1 및 제 3 무단 코일(64(1), 64(3))(r=70㎜, r=170㎜)에 각각 흐르는 유도 전류는 작다. 도 14b에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 내의 전류 밀도의 직경 방향 분포도 상기 4개의 반경위치에서 각각 흐르는 유도 전류의 상대적인 대소관계에 따른 프로파일을 띠고 있다. 즉, 플라즈마 내의 전류 밀도는 반경방향에 있어서 중간부의 2개소(r=120㎜ 부근 및 r=170㎜ 부근)에서 극히 커지는 프로파일을 나타낸다.
(제 4 캐패시턴스 조정예)
콘덴서(90(1), 90(2), 90(3), 90(4))의 캐패시턴스를 각각 1400㎊, 500㎊, 586㎊, 380㎊로 설정한 경우에는 각 반경위치의 유도 전류(2차 전류)와 RF 전류(1차 전류)의 비가, 도 15a에 나타내는 바와 같이 도시되고, 플라즈마 내의 전류 밀도의 직경 방향 분포는, 도 15b에 나타내는 바와 같이, 도시된다.
더욱 상세하게는, 도 15a에 나타내는 바와 같이, 제 1 무단 코일(64(1))(r=70㎜)에 흐르는 유도 전류가 돌출해서 가장 크고, 다른 무단 코일(64(2), 64(3), 64(4))(r=120㎜, r=170㎜, r=220㎜)에 각각 흐르는 유도 전류는 모두 최대 전류의 약 3/5이 된다. 플라즈마 내의 전류 밀도의 직경 방향 분포는 도 15b에 나타내는 바와 같이, 상기 4개의 반경위치에서 각각 흐르는 유도 전류의 상대적인 대소관계에 따른 프로파일을 띠고 있다. 무엇보다도, 반경방향 중간부(r=120㎜∼170㎜) 중에서 전류 밀도가 크게 떨어지는 부분도 있다.
(제 5 캐패시턴스 조정예)
콘덴서(90(1), 90(2), 90(3), 90(4))의 캐패시턴스를 각각 1547㎊, 300㎊, 300㎊, 380㎊로 설정한 경우에는 각 반경위치의 유도 전류(2차 전류)와 RF 전류(1차 전류)의 비가, 도 16a에 나타내는 바와 같이, 도시되고, 플라즈마 내의 전류 밀도의 직경 방향 분포는, 도 16b에 나타내는 바와 같이, 도시된다.
더욱 상세하게는, 도 16a에 나타내는 바와 같이, 제 4 무단 코일(64(4))(r=220㎜)에 흐르는 유도 전류가 돌출해서 가장 크고, 제 1 무단 코일(64(1))(r=70㎜)에 흐르는 유도 전류가 최대 전류의 약 2/3이며, 제 2 및 제 3 무단 코일(64(2), 64(3))(r=120㎜, r=170㎜)에 흐르는 유도 전류는 최대 전류의 약 1/3이 된다. 플라즈마 내의 전류 밀도의 직경 방향 분포는, 도 16b에 나타내는 바와 같이, 상기 4개의 반경위치에서 각각 흐르는 유도 전류의 상대적인 대소관계에 따른 프로파일을 띠고 있다.
상기와 같이, 이 실시형태의 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치에 있어서는 RF 안테나(54)의 2차 코일(64)의 루프 내에 가변 콘덴서를 마련하고, 그 캐패시턴스를 가변 조정하는 것에 의해, 플라즈마 중에 여기되는 전류 밀도(즉, 도넛형상 플라즈마 내의 플라즈마 밀도)의 직경 방향 분포를 제어하고, 더 나아가서는 서셉터(12) 근방(반도체 웨이퍼 Ｗ상)의 플라즈마 밀도의 직경 방향 분포를 임의 또는 다종다양하게 가변하는 것이 가능하다. 따라서, 직경 방향에 있어서도, 플라즈마 밀도의 균일성 더 나아가서는 플라즈마 프로세스의 균일성을 향상시킬 수 있다.
본 실시형태에 있어서의 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치는, 예를 들면, 기판 표면의 다층막을 복수의 스텝에서 연속적으로 에칭 가공하는 어플리케이션에 바람직하게 적용할 수 있다. 이하, 도 17a 내지 17b에 나타내는 바와 같이, 다층 레지스트법에 관한 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
도 17a 내지 17b에 있어서, 가공 대상의 반도체 웨이퍼 W의 주면에는 본래의 피가공막(예를 들면, 게이트용의 Si막)(100)의 위에 최하층(최종 마스크)으로서 SiN층(102)이 형성되고, 그 위에 중간층으로서 유기막(예를 들면, 카본)(104)이 형성되고, 그 위에 Si함유의 반사 방지막(BARC)(106)을 거쳐서 최상층의 포토 레지스트(108)가 형성된다. SiN층(102), 유기막(104) 및 반사 방지막(106)의 성막에는 CVD(화학적 진공 증착법) 혹은 스핀 온에 의한 도포막이 이용되고, 포토 레지스트(108)의 패터닝에는 포토리도그래피가 이용된다.
처음에, 제 1 스텝의 에칭 프로세스로서, 도 17a에 나타내는 바와 같이, 패터닝된 포토 레지스트(108)를 마스크로 해서 Si함유 반사 방지막(106)을 에칭한다. 이 경우, 에칭 가스에는 CF4/O2의 혼합 가스가 이용되고, 챔버(10)내의 압력은 비교적 낮게, 예를 들면, 10mTorr로 설정된다.
다음에, 제 2 스텝의 에칭 프로세스로서, 도 17b에 나타내는 바와 같이, 포토 레지스트(108) 및 반사 방지막(106)을 마스크로 해서 유기막(104)을 에칭 가공한다. 이 경우, 에칭 가스에는 O2의 단(單)가스가 이용되고, 챔버(10)내의 압력은 더욱 낮게, 예를 들면, 5mTorr로 설정된다.
마지막으로, 제 3 스텝의 에칭 프로세스로서, 도 17c와 17d에 나타내는 바와 같이, 패터닝된 반사 방지막(106) 및 유기막(104)을 마스크로 해서 SiN막(102)을 에칭 가공한다. 이 경우, 에칭 가스에는 CHF3/CF4/Ar/O2의 혼합 가스가 이용되고, 챔버(10)내의 압력은 비교적 높게, 예를 들면, 50mTorr로 설정된다.
상기와 같은 멀티 스텝의 에칭 프로세스에 있어서는 스텝마다 프로세스 조건의 전부 또는 일부(특히, 챔버(10)내의 압력)가 전환되고, 그것에 의해서 처리공간 내에서 도넛형상 플라즈마가 확산하는 형태가 변화한다. 여기서, 2차 코일(64)을 마련하지 않은 경우에는 제 1 및 제 2 스텝의 프로세스(압력 10 mTorr 이하)에서는 서셉터(12) 근방의 전자 밀도(플라즈마 밀도)가 상대적으로 중심부에서 현저하게 부풀어 오르는 급준한 산형의 프로파일이 나타나고, 제 3 스텝의 프로세스(압력 50mTorr)에서는 중심부가 약간 부풀어 오르는 완만한 산형의 프로파일이 나타나는 것으로 한다.
이 실시형태에 의하면, 예를 들면, 프로세스 레시피에 있어서, 통상의 프로세스 조건(고주파의 파워, 압력, 가스종, 가스 유량 등)에 추가하는 방법으로, 또는 그들과 관련시키는 방법으로, 콘덴서(90(1), 90(2)‥90(n))(예를 들면, n=4)의 캐패시턴스를 레시피 정보 또는 프로세스 파라미터의 1개로서 설정한다. 그리고, 상기와 같은 멀티 스텝의 에칭 프로세스를 실행할 때에, 주 제어부(74)가 콘덴서(90(1)∼90(n))의 캐패시턴스를 나타내는 데이터를 메모리로부터 읽어내고, 각 스텝마다 콘덴서(90(1)∼90(n))의 캐패시턴스를 설정값(목표값)에 맞춘다.
따라서, 상기와 같은 다층 레지스트법의 에칭 프로세스(도 17a 내지 17d)에 있어서는, 예를 들면, 상기 제 1 스텝(10mTorr)에서는 상기 제 1 캐패시턴스 조정예로 전환하고, 상기 제 2 스텝(5mTorr)에서는 상기 제 2 캐패시턴스 조정예로 전환하며, 상기 제 3 스텝(50mTorr)에서는 상기 제 4 캐패시턴스 조정예로 전환한다.
이와 같이, 1개의 반도체 웨이퍼 W에 대한 단일 또는 일련의 플라즈마 처리를 실행하는 중에, 프로세스 조건의 변경, 전환 또는 변화에 따라 콘덴서(90(1)∼90(n))의 캐패시턴스를 가변 조정하는 것이 가능하다. 이것에 의해, 낱장 플라즈마 프로세스의 전체 처리 시간 또는 전체 스텝을 통해, 서셉터(12) 근방(반도체 웨이퍼 Ｗ상)의 플라즈마 밀도의 직경 방향 분포를 다종다양하게 가변 또는 최적으로 제어하고, 플라즈마 프로세스의 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 18에, 이 실시형태의 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치에 있어서, RF 안테나(54)의 2차 코일(64)을 회전 운동시키는 실시예를 모식적으로 나타낸다. 상기와 같이 2차 코일(64)의 루프 내에 콘덴서를 마련하는 경우에는 콘덴서의 설치 개소에서 2차 코일(64)의 비대칭성이 없어지고, 주회방향으로 플라즈마 밀도 분포에 편차를 일으킬 가능성이 있다. 그와 같은 경우에는 2차 코일(64)을 그 중심 축선의 주위에 회전운동시킴으로써, 2차 코일(64)의 루프 내에 발생하는 전자기적인 편차를 시간적으로 고르게 해서 주회방향(방위각 방향)에 있어서의 플라즈마 밀도 분포의 균일성을 높일 수 있다. 상기와 같이, 2차 코일(64)은 완전히 닫힌 루프로서 외부와의 결선을 필요로 하지 않기 때문에, 2차 코일(64)만을, 혹은 2차 코일(64)과 유지부(110)만을 회전운동시킬 수 있다.
도시한 회전 기구(112)는 2차 코일 유지부(110)를 유전체로 이루어지는 원판체로 구성하고, 이 유지부(110)에 결합된 회전 링(114)을 풀리(Pulley) 또는 피니언(pinion)(116)을 거쳐서 모터를 포함하는 회전 구동부(118)에 의해 회전 구동하도록 하고 있다.
2차 코일(64)의 구조는 상기와 같은 1개 또는 복수의 무단 코일(64(1), 64(2)‥)을 동심원형상으로 배치하는 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 19에 나타내는 바와 같이, 직렬 접속의 복권 동심원형 코일이라도 좋고, 코일 전체의 루프 내에 콘덴서(120)를 삽입하는 구성도 가능하다. 혹은, 도시를 생략하지만, 2차 코일(64)을 나선형 코일로 하는 것도 가능하다.
또, 2차 코일(64)의 루프 내에 콘덴서를 삽입하는 경우에는 직렬 공진에 가까운 상태가 이용되므로, Q값이 낮으면 변화가 너무 급준하게 되어 제어가 곤란하게 되거나, 혹은 약간의 차를 발생시킬 가능성도 있다. 이와 같은 문제점을 방지하기 위해, 2차 코일(64)의 재질에 약간 저항율이 높은 금속 또는 반도체(예를 들면, 질소N이나 인P를 도프(Dope)해서 도전성을 갖게 한 실리콘 결정 등)를 이용하는 것도 바람직하고, 혹은 콘덴서와 함께 저항을 삽입해도 좋다.
또한, 2차 코일(64)의 루프 내에 외부로부터 삽입하는 저항의 저항값, 혹은 코일 부재의 저항값은 온도의 상승에 수반해서 커지는 것이 알려져 있다. RF 파워를 일정하게 유지하여 고주파 RFH를 RF 안테나(54)에 인가한 경우에는 2차 코일(64)의 저항값 상승에 수반하고, 거기서 소비되는 파워가 증대하기 때문에, 결과적으로 1차 코일에 유입되는 전류량이 감소하는 효과가 예상된다. 이것에 의해서, 1개의 코일에 극단적으로 큰 전류가 흘러 버리는 것을 방지하고, RF 안테나 내의 전류를 자동적으로 고르게 하는 바와 같이 조정하는 효과도 예상할 수 있다.
또한, RF 안테나(54)를, 특히 2차 코일(64)을 공랭방식 혹은 수랭방식으로 냉각하는 것도 바람직하다. 이와 같이 코일(64(62))을 냉각하는 경우에는 그 냉각 온도를 변경함으로써 코일(64(62))의 저항율을 가변할 수 있고, 그것에 의해서 코일(64(62))에 흘리는 전류의 조정을 실행하는 것도 가능하다.
RF 안테나(54)를 구성하는 1차 코일(62) 및 2차 코일(64)의 루프 형상은 원형에 한정되는 것은 아니고, 사각형이나 육각형 등이라도 좋다. 코일(62, 64)의 단면형상도 직사각형에 한정되지 않고, 원형, 타원형 등이라도 좋으며, 단선에 한정되지 않고 꼬임선(twisted wire)이라도 좋다.
상술한 실시형태에 있어서의 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치의 구성은 일예이며, 플라즈마 생성 기구의 각 부는 물론, 플라즈마 생성에 직접 관계하지 않는 각 부의 구성도 각종 변형이 가능하다.
예를 들면, RF 안테나의 기본 형태로서, 평면형 이외의 타입 예를 들면 돔형 등도 가능하다. 처리 가스 공급부에 있어서 챔버(10)내에 천장으로부터 처리 가스를 도입하는 구성도 가능하며, 서셉터(12)에 직류 바이어스 제어용의 고주파 RFL을 인가하지 않는 형태도 가능하다.
또한, 본 발명에 의한 유도 결합형의 플라즈마 처리 장치 또는 플라즈마 처리 방법은 플라즈마 에칭의 기술 분야에 한정되지 않고, 플라즈마 CVD, 플라즈마 산화, 플라즈마 질화, 스퍼터링 등의 다른 플라즈마 프로세스에도 적용 가능하다. 또한, 본 발명에 있어서의 피처리 기판은 반도체 웨이퍼에 한정되는 것은 아니고, 플랫 패널 디스플레이용의 각종 기판이나, 포토 마스크, CD 기판, 프린트 기판 등도 가능하다.

Claims (14)

  1. 천장에 유전체 창을 갖는 진공 배기 가능한 처리용기와,
    상기 처리용기 내에서 피처리 기판을 유지하는 기판 유지부와,
    상기 기판에 원하는 플라즈마 처리를 실시하기 위해, 상기 처리용기 내에 원하는 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와,
    상기 처리용기 내에서 유도 결합에 의해 처리 가스의 플라즈마를 생성하기 위해, 적어도 일부가 상기 유전체 창의 상면 또는 상기 유전체 창으로부터 이격된 상기 유전체 창의 위쪽에 마련되는 제 1 RF 안테나와,
    상기 처리 가스의 고주파 방전에 적합한 주파수의 고주파 전력을 상기 제 1 RF 안테나에 공급하는 제 1 고주파 급전부
    를 구비하고,
    상기 제 1 RF 안테나가, 상기 유전체 창의 상면 또는 상기 유전체 창으로부터 이격된 상기 유전체 창의 위쪽에 배치되고 또한 상기 제 1 고주파 급전부에 고주파 급전 라인을 거쳐서 전기적으로 접속되는 1차 코일과, 상기 제 1 고주파 급전부에 접속되지 않고서 상기 1차 코일과 전자기 유도에 의해 결합되고 또한 상기 1차 코일보다도 상기 유전체 창의 하면에 가까이 배치되는 2차 코일을 갖고,
    상기 2차 코일은 복수의 분리된 무단(無端; endless) 코일로 구성되어 있고,
    상기 복수의 무단 코일은 서로 상이한 직경을 갖는
    플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 코일에 흐르는 유도 전류에 의해 상기 처리용기 내에 유도 전기장이 발생하고, 상기 유도 전기장에 의해 상기 처리 가스의 플라즈마가 생성되는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서
    상기 2차 코일은 전기적으로 플로팅 상태에 놓여지는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 1차 코일 및 상기 2차 코일은 상기 유전체 창에 대해 평행하게 배치되는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 무단 코일 각각은 콘덴서를 갖지 않는 루프를 형성하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 1차 코일이 복수 감기의 동심형 코일로 이루어지고,
    상기 1차 코일의 복수의 턴부에, 상기 2차 코일을 구성하는 상기 복수의 무단 코일에 각각 대향하는
    플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 1차 코일은 상기 유전체 창으로부터 이격된 상기 유전체 창의 위쪽에 배치되는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 2차 코일은 직경이 서로 상이한 적어도 3개의 분리된 무단 코일을 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 무단 코일은 동축형상으로 배치되는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 1차 코일이 복수 감기의 동심형 코일로 이루어지고,
    상기 1차 코일의 복수의 턴부에, 상기 2차 코일을 구성하는 상기 복수의 무단 코일이 각각 대향하는
    플라즈마 처리 장치.
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