KR102004587B1 - 기판의 에칭장치 및 기판의 분석방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 상의 폴리실리콘이나 기판을 구성하는 벌크 실리콘의 에칭에 적합한 에칭장치를 제공한다. 본 발명은 에칭 가스를 기판의 둘레 가장자리로부터 대략 중심으로 유동시키는 가스 유동 조정 수단을 구비하는 에칭장치에 관한 것으로, 폴리실리콘이나 벌크 실리콘을 기판 전면에 대해서 균일한 두께로 에칭 가능하게 하는 기술에 관한 것이다. 또한 가스 유동 조정 수단은 상하 이동 가능하게 설치되어 있어, 그의 조정에 의해 에칭 속도를 제어할 수 있다.

Description

기판의 에칭장치 및 기판의 분석방법{Substrate etching apparatus and substrate analysis method}
본 발명은 기판 분석에 있어서의 에칭에 사용하는 장치에 관한 것으로, 특히 기판 상에 형성된 폴리실리콘이나 기판의 구성 재료인 벌크 실리콘의 에칭에 적합한 장치에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 등의 기판에는 그 구성으로서 실리콘 등으로 이루어지는 기재에 실리콘 산화막이나 질화막 등이 형성된 것 등이 알려져 있다. 이들의 반도체 기판을 구성하는 재료에 대해서 제조 공정에서 금속이나 유기 물질 등의 오염물이 혼입되는 경우가 있어, 이들 오염물의 양은 극히 미량이라도 반도체 특성을 크게 저하시키게 된다. 이 때문에 이들 기판에 포함되는 미량의 오염원을 분석 대상물로서 분석하는 기술이 요구되고 있다.
이러한 기판에 포함되는 미량의 오염원의 분석에 있어서는 에칭에 의해 기판의 구성막을 분해하여 에칭 후에 분석용 회수액을 기판 상에 토출시키고, 기판 상에 있어서 회수액을 이동시켜서 분석 대상물을 액 중으로 이행시킴으로써 분석 대상물을 회수하여, 그 회수액을 유도 결합 플라스마 분석(ICP) 등에 의해 정성·정량하는 방법 등이 알려져 있다.
기판의 구성막의 에칭으로서는 불산 등에 질산이나 과산화수소를 혼합한 혼산 용액을 버블링해서 발생시킨 에칭 가스를 사용한 기상 분해법이 알려져 있으며, 이를 위한 에칭장치로서 기판을 배치하는 체임버를 구비하고, 체임버 내에 에칭 가스가 도입 가능하게 되어 있는 장치가 사용되고 있다. 예를 들면 특허문헌 1과 같이, 체임버 내에 설치된 에칭 가스 도입구로부터 에칭 가스가 공급 가능하게 되어 있다(특허문헌 1의 도 1). 에칭 가스는 체임버 내의 공간을 임의로 유동하고, 유동한 에칭 가스 중 기판 표면에 접촉한 가스만이 기판의 에칭에 기여하는 것이었다. 이와 같이 체임버 내에 있어서 에칭 가스의 유동 방향은 특별히 제어되고 있지 않으나, 에칭 가스로서 불산의 혼산 용액 등의 비교적 에칭 성능이 약한 에칭 가스를 사용하기 때문에 목적으로 하는 산화막이나 질화막 등의 형성막만을 에칭하는 것이 가능하다.
여기서 기판 분석에 있어서 오염원의 분석이 요구되는 형성막으로서는, 상기 한 산화막이나 질화막 등의 비교적 분해하기 쉬운 형성막 이외에도 폴리실리콘 등의 비교적 분해하기 어려운 형성막이나 기판 자체(벌크 실리콘)의 분석도 필요해진다. 이러한 폴리실리콘이나 기판 자체의 분석 시에는 에칭 성능이 강한 에칭 가스가 필요해져, 예를 들면 혼산 용액에 오존수를 첨가한 용액을 사용하는 기술(특허문헌 2)과 불화수소의 증기와 오존 함유 가스를 사용하는 기술이 제안되어 있다(특허문헌 1).
일본국 특허공개 제2011-95016호 공보 일본국 특허공개 제2005-265718호 공보
폴리실리콘이나 기판 자체를 분석하는 경우, 예를 들면 상기한 오존을 포함하는 에칭 가스와 같이 에칭 성능이 강한 가스를 사용하기 때문에 종래의 에칭장치로는 기판 전면에 대해 깊이 방향의 에칭이 균일하게 진행되기 어려웠다. 예를 들면 종래의 에칭장치에 의해 오존을 포함하는 에칭 가스로 폴리실리콘이나 기판인 벌크 실리콘 자체를 에칭한 경우, 에칭 후의 에칭 깊이를 계측하면 목표로 한 에칭 깊이에 대해 기판 두께 방향에서 약 -40%~+100%의 편차가 생겨 에칭이 불균일해진다.
반도체 기판 등의 기판 분석에 있어서는 기판 두께 방향에 있어서도 오염물의 존재 위치 특정이 필요시 되는 경우가 있기 때문에, 기판 두께 방향으로 균일한 에칭을 가능하게 하는 기술이 필요해진다. 또한 기판인 벌크 실리콘에 대해서 두께 방향의 에칭이 불균일해지는 것은 반도체 기판 특성 등을 평가할 때 등에 있어서도 악영향을 발생시킬 우려가 있다. 또한 기판의 대구경화에 대응하기 위해 대면적의 기판에 있어서도 기판의 표면 방향에 대해서 기판 전면을 균일하게 에칭 가능하게 하는 기술이 요구된다.
이에 본 발명은 반도체 기판 등의 기판에 대해서 기판 표면의 전면을 균일하게 에칭 가능하게 하면서 기판 두께 방향으로도 균일하게 에칭 가능하게 하는 에칭장치를 제공한다. 특히, 기판의 형성막인 폴리실리콘이나 기판 자체의 벌크 실리콘에 대해서도 균일하게 에칭 가능한 에칭장치를 제공한다.
상기 과제를 해결하는 본 발명은 바닥부에 기판을 배치하는 체임버를 구비한 에칭장치에 있어서, 기판 표면에 에칭 가스를 공급하는 가스 공급 수단, 에칭 후의 가스를 기판의 대략 중심의 상방으로부터 배기하는 가스 배기 수단 및 기판 상방 측의 대략 동심원 상에 배치되어 에칭 가스를 기판의 둘레 가장자리로부터 대략 중심 방향으로 유동시키는 가스 유동 조정 수단을 구비하고, 가스 유동 조정 수단은 상하 이동 가능하게 설치되어 있으며, 가스 유동 조정 수단의 대략 중앙이 가스 배기 수단과 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 에칭장치에 관한 것이다.
본 발명의 에칭장치에 의하면, 가스 유동 조정 수단에 의해 체임버 내에 있어서의 에칭 가스의 유동 방향이 제어되어 에칭을 균일하게 진행시킬 수 있고, 특히 기판의 두께 방향에서의 편차를 저감시킬 수 있다. 구체적으로는 가스 유동 조정 수단에 의해 체임버 내에 있어서의 에칭 가스의 유동이 기판의 둘레 가장자리로부터 중심 방향이라는 일정 방향으로의 유동으로만 제어되기 때문에, 기판과 에칭 가스의 접촉이 기판 둘레 가장자리로부터 기판 중심으로 순차적으로 진행되어 균일한 에칭에 기여한다.
여기서 에칭 가스에 의한 기판의 에칭 성능은 일반적으로 에칭 공정의 진행에 수반하여 저하되는 것이 알려져 있다. 에칭 가스 중의 에칭에 기여하는 성분이 에칭의 진행에 수반하여 소비되어 감소하기 때문이다. 이 사실로부터 기판에 대해 에칭 가스가 접촉하는 타이밍이 에칭 공정의 전반이면 기판의 에칭이 진행되기 쉽고, 에칭 공정 후반의 경우에는 에칭이 진행되기 어려운 경향이 있어, 기판의 표면 방향에 있어서 에칭 개소에 따라 편차를 발생시키는 요인이 되고 있었다.
상기에 대해 본 발명은 에칭 가스의 유동 방향을 기판의 둘레 가장자리로부터 중심 방향으로 제어하고 있음으로써 기판의 표면 방향에 있어서도 기판 전면에 대해서 균일한 에칭을 가능한 것으로 하고 있다. 구체적으로는 본 발명에서는 가스 공급 수단으로부터 기판의 둘레 가장자리에 공급한 에칭 가스를, 가스 배기 수단에 의해 기판의 대략 중심의 상방으로부터 배기시켜서 상기 가스의 유동 방향을 기판의 둘레 가장자리로부터 중심 방향으로 제어하고 있다. 이와 같이 기판 둘레 가장자리로부터 중심 방향으로 가스를 유동시킴으로써 기판의 에칭 대상이 되는 면적을 직경이 큰 둘레 가장자리부로부터 직경이 작은 중심부로 서서히 소면적으로 할 수 있다. 따라서, 에칭 공정의 진행에 수반하여 에칭 면적이 서서히 소면적이 되기 때문에 에칭 성분의 소비 감소의 영향을 받기 어려워져, 기판 표면 방향에 있어서의 에칭의 편차를 억제할 수 있다.
아래에 본 발명의 에칭장치의 각 구성에 대해서 상세하게 설명한다.
가스 공급 수단은 체임버 내에 에칭 가스를 도입하는 것이다. 체임버의 임의의 개소에 설치할 수 있으나, 본 장치에 의한 가스 유동의 제어를 고려하면 체임버의 상면부 또는 측면의 상측에 설치하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 체임버 상면에 설치한다. 체임버 바닥부에 배치한 기판에 대해 가스 유동 조정 수단을 매개로 에칭 가스를 균일하게 확산시키기 쉽기 때문이다.
그리고 가스 유동 조정 수단은 기판과의 사이에 에칭 가스를 도입할 수 있도록 기판 상방 측의 대략 동심원 상에 배치된다. 이것에 의해 가스 공급 수단으로부터 체임버 내에 도입된 에칭 가스를 가스 유동 조정 수단과 기판 표면 사이에 도입하여 기판의 둘레 가장자리로부터 대략 중심 방향으로 에칭 가스의 유동을 제어할 수 있다. 또한 가스 유동 조정 수단은 에칭 가스가 기판 둘레 가장자리 이외의 내주 측으로부터 기판 표면에 도입되는 것을 차단하는 역할도 한다. 즉, 체임버 상층 측으로부터 도입된 에칭 가스는 가스 유동 조정 수단에 의해 기판 둘레 가장자리 측으로 유도되어, 기판의 내주 등에는 직접 유동하지 않고 가스 유동 조정 수단의 외주 측으로부터 기판 표면으로 도입된다.
가스 유동 조정 수단의 형상은 임의의 형상의 것을 채용할 수 있고, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면 원반 형상 또는 기판 측을 정점으로 하는 대략 원추 형상이 바람직하다. 가스 유동 조정 수단의 크기(최대 직경)로서는 기판의 직경과 거의 같은 정도의 것을 적용할 수 있다. 가스 유동 조정 수단에 대해 웨이퍼의 사이즈가 지나치게 크면 웨이퍼의 외주와 중심에서 에칭 정도의 편차가 생기기 쉬워진다. 가스 유동 조정 수단의 최대 직경의 적합 범위는 에칭 대상인 기판의 사이즈에 따라 달라지는데, 예를 들면 150~450 ㎜의 웨이퍼를 에칭하는 경우에는, 가스 유동 조정 수단의 직경(Dgas)을 기판의 직경(Dwafer)에 대한 값(Dgas/Dwafer)으로 0.3~1.5의 범위로 하는 것이 적합하고, 0.5~1.1의 범위로 하는 것이 더욱 적합하다.
가스 유동 조정 수단이 원반 형상인 경우, 원반의 수는 하나 또는 복수 중 어느 쪽이어도 된다. 또한 원추 형상과 원반 형상의 가스 유동 조정 수단을 조합하여 설치해도 된다. 복수의 원반을 구비하는 경우는 직경이 상이한 원반으로 할 수 있다. 특히, 체임버 상부로부터 바닥부를 향해 직경이 순차적으로 커지는 원반을 다단으로 배치하는 것이 바람직하다. 체임버 상부로부터 가스 유동 조정 수단의 외주 측으로부터 기판 표면으로 에칭 가스가 유동하기 쉬워지기 때문이다.
또한 가스 유동 조정 수단이 원반 형상인 경우, 외주 부근의 두께가 외주단(外周端) 측을 향해 얇게 가공되어 있고, 노치 형상의 부분을 갖는 것이 바람직하다. 노치 부분은 가스 유동 조정 수단에 있어서 기판에 대면하는 하측과, 기판 측과 반대의 상측 중 어느 쪽에 설치해도 되나, 기판에 대면하는 하측에 설치하는 것이 바람직하다. 노치 부분을 설치하면 가스 유동 조정 수단의 외주로부터 기판 표면에 대해 에칭 가스가 부드럽게 유동하여, 예를 들면 체임버 상부로의 역류 등, 기판 표면 이외에 에칭 가스가 유동하는 난류를 억제할 수 있다.
이상의 가스 유동 조정 수단은 상하 이동 가능하게 설치된다. 가스 유동 조정 수단의 상하 위치를 변경함으로써 가스 유동 조정 수단과 기판 사이에 도입된 에칭 가스의 유동 속도를 조정하여 에칭 정도의 제어가 가능해진다. 이 때문에 에칭 가스의 공급량이나 배기량, 기판의 구경 등을 고려해서 가스 유동 조정 수단의 상하 위치를 변경하는 것이 바람직하다. 보다 균일한 에칭이 가능해지기 때문이다.
또한 본 발명의 에칭장치는 에칭 후의 가스를 기판의 대략 중심의 상방으로부터 배기하는 가스 배기 수단을 갖는다. 가스 배기 수단은 가스 유동 조정 수단의 대략 중앙에 접속되어 있어, 이 배기류에 의해 기판의 둘레 가장자리로부터 대략 중심 방향으로의 에칭 가스 유동이 유인된다.
이상 설명한 본 발명의 에칭장치에 대해서 적합예로서 아래의 장치를 들 수 있다. 즉, 본 발명의 장치로서는 체임버 상부가 뚜껑체에 의해 닫혀져 있고, 가스 배기 수단인 배기 파이프가 뚜껑체의 중앙에 형성된 관통 구멍에 삽입되어 있으며, 배기 파이프의 선단은 기판의 대략 중심의 상방 측에 배치되어 있고, 뚜껑체의 관통 구멍 내주와 배기 파이프의 외주 사이에 에칭 가스를 체임버 내에 도입하는 가스 도입부를 가지며, 에칭 가스는 가스 도입부로부터 도입되어 가스 유동 조정 수단의 외주로부터 기판 표면으로 유동하여, 배기 파이프 선단으로부터 배기 가능하게 되어 있는 장치가 바람직하다.
이러한 장치의 경우는, 가스 공급 수단으로서 뚜껑체의 관통 구멍 내주와 배기 파이프의 외주 사이에 에칭 가스를 체임버 내에 도입하는 가스 도입부가 설치된다. 또한 가스 배기 수단으로서 배기 파이프가 설치된 것이다. 이 장치를 사용한 경우에 있어서의 에칭 가스의 유동에 대해서 설명한다. 에칭 가스는 가스 도입구로부터 도입되어 기판의 상방에 배치된 가스 유동 조정 수단을 향해 유동하고, 기판 표면으로는 직접 유동하지 않는다. 그리고 가스 유동 조정 수단에 의해 차단된 에칭 가스는 그 외주 방향으로 퍼져 유동하고, 외주까지 유동하면 기판의 둘레 가장자리 측으로부터 기판 표면으로 도입된다. 그리고 기판의 중심 부근의 상방에는 배기 파이프의 선단이 배치되어 있기 때문에 그 배기력에 의해 에칭 가스는 기판의 외주 부분(둘레 가장자리)으로부터 중심 방향으로 유동한다. 이러한 에칭 가스의 유동 제어에 의해 기판의 균일한 에칭이 가능해진다.
본 발명의 에칭장치의 경우는, 체임버 내에 도입하는 에칭 가스를 균일하게 혼합시키는 버퍼실을 설치하는 것이 바람직하다. 버퍼실은 뚜껑체 상부에 설치하는 것이 바람직하다. 체임버 내에 도입되는 에칭 가스의 농도 및 조성을 균일하게 함으로써 균일한 에칭처리를 실현하기 쉬워진다. 예를 들면 에칭 가스로서 불화수소의 증기와 오존 함유 가스를 혼합시킨 것을 사용하는 경우에는, 버퍼실에 있어서 에칭 가스 중의 불화수소와 오존의 혼합 상태를 균일하게 하여 조성 및 농도가 균일한 에칭 가스를 체임버 내에 도입한다. 이것에 의해 보다 균일한 에칭처리를 실현할 수 있다.
본 발명의 에칭장치는 별도 장치로서 유도 결합 플라스마 분석(ICP) 등의 분석장치를 준비하여 에칭만을 단독으로 행하는 장치로 해도 되나, 에칭 후의 샘플을 ICP 등의 분석장치에 직접 도입 가능하게 하여 동시 분석할 수 있는 장치로 해도 된다.
이상 설명한 본 발명의 에칭장치를 사용하여 기판을 분석하는 방법으로서는, 오존을 함유한 에칭 가스에 의해 기판 상의 폴리실리콘 또는 기판의 벌크 실리콘을 에칭하는 방법이 적합하다.
기판 상의 폴리실리콘 또는 기판의 벌크 실리콘을 강력한 에칭 성능을 갖는 오존을 함유하는 에칭 가스로 에칭하는 경우에도, 본 발명의 에칭장치에 의하면 기판의 두께 방향에 대해 균일한 에칭이 가능해진다.
오존을 함유하는 에칭 가스로서는 불화수소의 증기와 오존을 포함하는 가스를 적용할 수 있다. 에칭 가스 중의 오존은 산소 함유 가스를 방전함으로써 발생시킬 수 있다. 산소 함유 가스에는 산소와 질소 및/또는 아르곤을 혼합한 것을 사용할 수 있다(이하, 오존을 함유하는 에칭 가스를 간단히 오존 함유 가스라 하는 경우가 있다). 본 발명에서는 에칭 가스로서 방전에 의해 발생시킨 오존 함유 가스를 오존원으로 하고, 별도로 불산 용액 등을 원료로 하여 버블링 등에 의해 발생시킨 불화수소의 증기를 혼합한 것이 특히 적합하다.
상기 분석방법에 있어서는 기판의 직경(D)에 대해 기판 표면과 가스 유동 조정 수단의 최하단(最下端) 사이의 높이 방향에 있어서의 거리(H)의 비율(H/D)을 1/60~1/10으로 하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 가스 유동 조정 수단의 상하 위치는 에칭 가스의 유동 속도에 영향을 준다. H/D가 1/60 미만이면 가스 유동 조정 수단과 기판 사이가 좁아 에칭 가스가 유동하기 어렵기 때문에 균일한 에칭이 진행되기 어렵다. 한편, H/D가 1/10을 초과하면 가스 유동 조정 수단과 기판 사이가 넓어 기판 둘레 가장자리로부터 기판 중심 방향으로의 에칭 가스의 유동 제어가 곤란해져서 다른 방향으로의 난류를 발생시키기 쉽다.
또한 본 발명의 에칭방법에서는 기판의 온도를 적절히 조정하는 것이 바람직하다. 기판의 온도가 지나치게 낮으면 에칭 가스가 결로되어 불균일한 에칭이 진행되기 쉽다. 한편, 기판의 온도가 지나치게 높거나 에칭 반응에 의해 기판의 온도가 상승하면 기판의 표면에 에칭 가스가 접촉하기 어려워져 에칭 시간이 길어지는 경향이 있다. 이 때문에 에칭 가스의 조성, 에칭 가스의 공급량이나 배출량을 고려해서 기판의 온도를 조정하는 것이 바람직하다. 예를 들면 에칭 가스의 공급을 2 L/min, 배출을 2 L/min로 한 경우, 기판의 온도는 15~25℃가 바람직하고, 18~23℃가 특히 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 에칭방법에 의하면 반도체 기판 등의 기판에 대해서 두께 방향에 있어서도 균일한 에칭처리를 실현할 수 있다. 특히, 오존을 함유하는 가스 등, 강력한 에칭 성능을 갖는 에칭 가스로 기판을 에칭하는 경우에도 균일한 에칭처리가 가능해진다.
도 1은 본 실시형태의 에칭장치의 개략 단면도.
도 2는 가스 유동 조정 수단의 예를 나타내는 에칭장치의 개략 단면도.
도 3은 반도체 기판 표면의 에칭 상태를 나타내는 평면 개략도.
아래에 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다. 본 실시형태에서는 기상 분해법(Vapor Phase Deposition：VPD)에 사용되는 VPD 체임버를 구비하는 에칭장치를 예로 설명한다.
도 1의 에칭장치는 원통 형상의 체임버(10), 체임버(10)의 상부에 배치되는 뚜껑체(20), 가스 공급 수단(30) 및 뚜껑체(20) 상부에 설치된 버퍼실(40)을 구비한다. 체임버(10)의 바닥부에는 에칭 대상인 반도체 기판(W)을 배치하였다. 또한 도시는 생략하나, 반도체 기판(W)을 배치한 체임버 바닥부에는 반도체 기판의 온도 조정 수단으로서 PFA(폴리테트라플루오로에틸렌)가 코팅된 카본 플레이트가 배치되어 있다. 그 카본 플레이트의 이면 측(반도체 기판(W)이 배치되는 반대 측)으로는 온도 조정수를 순환시킬 수 있다.
뚜껑체(20)의 중심에는 관통 구멍(21)을 설치하였다. 가스 공급 수단(30)으로서 배기 파이프(31)를 구비하고, 이 배기 파이프(31)에는 가스 유동 조정 수단으로서 2개의 원반(32, 33)을 장착하였다. 원반(32, 33)은 배기 파이프를 따라 상하 이동 가능하게 설치하였다. 가스 유동 조정 수단으로서는 원반(33) 이외에도 기판 측을 정점으로 하는 대략 원추 형상(33')으로 해도 된다(도 2).
원반(33)은 그 외주 부분의 단면 형상은 외주단이 될수록 그 두께가 얇아지도록 가공되어 있다. 구체적으로는 본 실시형태에서는 원반(33) 외주의 하측(기판에 대면하는 쪽)에 노치 부분을 갖는 형상으로 하였다(도 1). 또한 원반(32)의 직경은 원반(33)의 직경보다도 작은 것으로 하였다. 또한 원반의 수는 임의로 변경할 수 있으며, 하나 또는 3개 이상이어도 된다.
배기 파이프(31)의 바깥둘레 직경은 뚜껑체(20)의 관통 구멍(21)의 안지름보다도 작은 것으로 하고 있다. 뚜껑체(20)의 관통 구멍(21) 내에 배기 파이프(31)를 설치하고, 양자의 중심이 대략 동일해지도록 배치하였다. 이것에 의해 관통 구멍(21)의 내주와 배기 파이프(31)의 외주 사이에 버퍼실(40)로부터 체임버(10) 내에 에칭 가스를 도입하는 가스 도입구(G)를 형성하였다.
뚜껑체(20)의 상부에 설치된 버퍼실(40)에는 4개소의 가스 주입구(41)를 설치하였다. 이 4개소의 가스 주입구(41)로부터 버퍼실(40) 내에 에칭 가스를 공급하여 충만하게 함으로써 가스 도입구(G)로부터 체임버(10) 내에 조성 및 농도가 균일한 에칭 가스를 도입 가능하게 하였다.
이상 설명한 에칭장치를 사용한 기판의 분석(에칭처리)에 대해서 설명한다. 먼저 체임버(10)의 바닥부에 에칭 대상인 반도체 기판(W)을 배치한다. 가스 공급 수단(30)과 버퍼실(40)을 구비한 뚜껑체(20)를 체임버(10) 상부에 장착하고, 체임버 내를 폐쇄한다.
다음으로 배기 파이프(31)의 선단을 반도체 기판(W)의 중심 근방의 상방에 위치시킨다. 배기 파이프(31)에 장착된 원반(32, 33)은 적절한 높이 위치로 조정한다. 그리고 버퍼실(40)의 4개소의 가스 주입구(41)로부터 에칭 가스를 공급한다. 버퍼실(40) 내에는 4개소의 가스 주입구(41)로부터 공급된 에칭 가스가 혼합되면서 충만하여 균일한 조성 및 농도가 된다. 버퍼실의 에칭 가스는 가스 도입구(G)를 통과하여 체임버(10) 내에 도입된다.
도 1에서는 체임버(10) 내에 도입된 에칭 가스의 유동 상태를 굵은 화살표로 나타내고 있다. 체임버(10) 내에 도입된 에칭 가스는 작은 지름의 원반(32)에 그 유동 방향이 차단되어 원반(32)의 외주 방향으로 유동한다. 그리고 작은 지름의 원반(32)의 외주 방향으로 유동한 에칭 가스는 그 아래에 배치된 큰 지름의 원반(33)에 의해 반도체 기판(W)의 외주 방향, 즉 반도체 기판(W)의 둘레 가장자리로 유동하게 된다. 반도체 기판(W)의 둘레 가장자리 부근으로 유동한 에칭 가스는 반도체 기판(W)의 표면에 접촉하여 에칭 반응이 발생한다. 반도체 기판(W)의 중심 상방에는 배기 파이프의 선단이 위치되어 배기 파이프(31)로부터 에칭 가스가 배기되기 때문에, 반도체 기판(W)의 둘레 가장자리에 있는 에칭 가스는 반도체 기판(W)의 중심 방향으로 유동한다. 그리고 에칭 가스가 반도체 기판(W)의 표면 전면에 접촉하여 반도체 기판(W) 전면의 에칭이 행해진다.
도 3에 반도체 기판(W) 표면에 있어서의 에칭 가스의 유동 방향과 에칭 상태를 나타내는 평면 개략도를 나타낸다. 도 3은 반도체 기판(W) 표면을 상방으로부터 본 것으로, 반도체 기판(W)의 둘레 가장자리로부터 중심을 향해 유동하는 에칭 가스의 유동을 점선 화살표로 개략 도시하고 있다. 이 에칭 가스의 유동은 반도체 기판(W)의 전체 둘레에 걸쳐 발생하고 있는 것으로, 도 3의 점선 화살표는 그 일부를 대표해서 나타낸 것이다.
도 3에 의해 반도체 기판의 에칭 상태에 대해서 설명한다. 반도체 기판(W)의 둘레 가장자리로부터 유동한 에칭 가스에 의해 기판 방향에 있어서 띠형상 원부(X), 띠형상 원부(Y), 띠형상 원부(Z)의 각 영역에 대해서 순차적으로 에칭이 진행된다. 반도체 기판(W)의 둘레 가장자리에 도입된 에칭 가스는 띠형상 원부(X)의 영역을 처음에 에칭한다. 띠형상 원부(X)를 통과해서 중심으로 향하는 에칭 가스는 다음으로 띠형상 원부(Y)로 유동하여 띠형상 원부(Y)의 영역을 에칭한다. 띠형상 원부(Y)를 에칭하는 에칭 가스는 둘레 가장자리 측의 에칭에 의해 구성성분이 어느 정도 소비된 것이다. 그러나 띠형상 원부(Y)는 띠형상 원부(X) 등의 둘레 가장자리부보다 면적이 작기 때문에 에칭 성능이 조금 저하되어도 띠형상 원부(X) 등의 영역과 동등한 에칭처리 결과가 된다. 또한 에칭 가스는 띠형상 원부(Y)를 통과해서 반도체 기판(W)의 중심 부근에 있는 띠형상 원부(Z)로 유동한다. 이 띠형상 원부(Z)에 있어서의 에칭 가스는 에칭 가스의 구성성분이 추가로 소비된 것으로 에칭 성능이 더욱 저하되어 있다. 그러나 띠형상 원부(Z)의 면적은 보다 둘레 가장자리부의 에칭 면적보다 더욱 작아져 있기 때문에 띠형상 원부(X)나 띠형상 원부(Y)의 영역과 동등한 에칭처리 결과가 된다.
이상 설명한 바와 같이, 도 1의 에칭장치에 의해 반도체 기판의 에칭을 행하면 에칭 가스의 구성성분의 감소와 함께 에칭 면적도 작아지기 때문에 모든 영역에 있어서 동등한 에칭처리 결과가 된다. 따라서, 반도체 기판 표면의 전면에 있어서 균일한 에칭처리를 실현할 수 있다. 또한 도 3에서는 에칭영역을 3개소로 나누어 설명하고 있으나, 실제 에칭은 반도체 기판의 둘레 가장자리로부터 중심까지 연속적으로 행해진다.
다음으로 도 1의 에칭장치에 의해 에칭처리를 행한 결과에 대해서 설명한다. 에칭 대상이 되는 반도체 기판(W)은 직경 300 ㎜의 실리콘 웨이퍼 기재를 사용하였다. 이 웨이퍼 기재는 표면의 산화막 등을 사전에 에칭하여 벌크 실리콘이 노출된 상태의 것이다. 이 기판에 대해서 도 1에서 나타낸 에칭장치에 의해 에칭처리를 행하였다.
에칭 가스로서는 불화수소 농도 49 wt%의 불화수소 용액을 사용하고, 이것을 무화(atomizing)하여 불화수소의 증기를 발생시킨 것을 사용하였다. 이 가스를 4개소의 가스 주입구(41)로부터 버퍼실(40)에 공급하였다. 또한 동시에 도시하지 않은 가스 방전기에 산소가스를 공급하고, 출력 200 W로 가스 방전을 행하여 오존 함유 가스를 발생시켜서 4개소의 가스 주입구(41)로부터 버퍼실(40)에 공급하였다. 버퍼실(40)에서는 불화수소의 증기와 오존 함유 가스를 혼합하여 조성 및 농도를 균일화한 에칭 가스가 생성된다. 이 가스를 가스 도입구(G)로부터 2 L/min의 유량으로 체임버(10) 내에 도입하였다.
에칭장치의 가스 공급 수단(30)을 구성하는 배기 파이프(31)와 2개의 원반(32, 33)은 재질 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)에 의해 형성하고, 배기 파이프(31)의 바깥지름은 12.7 ㎜, 안지름은 4 ㎜, 작은 지름의 원반(32)은 직경 100 ㎜, 큰 지름의 원반(33)은 직경 200 ㎜로 하였다. 또한 가스 공급 수단을 구성하는 재질로서는 PTFE 외에 폴리카보네이트나 폴리불화비닐리덴 등을 사용하는 것도 가능하다.
배기 파이프(31)는 상하 이동 가능하게 배치되어 있고, 선단이 웨이퍼 기재(W)의 표면으로부터 15 ㎜의 상방에 위치하도록 배치하였다. 이때 큰 지름의 원반(33)도 하면이 웨이퍼 기재(W)의 표면으로부터 15 ㎜ 상방이 되도록 배치하고, 작은 지름의 원반(32)은 하면이 웨이퍼 기재(W)의 표면으로부터 30 ㎜ 상방이 되도록 배치하였다. 그리고 배기 파이프(31)에 의해 체임버(10) 내의 사용이 끝난 에칭 가스를 2 L/min로 강제적으로 배기시켰다.
기판 온도를 20℃로 조정하여 1시간의 에칭처리를 행하고, 벌크 실리콘을 약 1.5 ㎛ 에칭해서 제거하였다. 평가방법은 시판의 반도체 기판 두께 측정장치에 의해 에칭 전후의 웨이퍼 두께를 측정하였다. 이 두께 측정은 웨이퍼 기재 상의 50,000 포인트에서 행하였다. 그 결과, 95% 이상의 포인트에 있어서 에칭 깊이가 1.5±0.1 ㎛인 것이 판명되었다.
비교로서 종래 방법의 에칭처리(특허문헌 2의 에칭처리장치를 사용한 경우)에 의해 동일한 에칭 조건(웨이퍼 기재, 에칭 가스는 같은 조건)으로 1.5 ㎛의 에칭 깊이를 목표로 행하였다. 그 결과, 종래 방법에 의한 에칭 깊이는 대략 1.5±0.5 ㎛였다. 또한 최대 에칭 깊이로서 3.0 ㎛, 최소 에칭 깊이로서 0.9 ㎛의 포인트가 존재하고 있었다. 이와 같이 종래 방법에 의한 에칭에서는 에칭 깊이에 편차가 보였다.
다음으로 기판의 온도와 에칭 속도의 관계를 조사한 결과에 대해서 설명한다. 상기한 에칭 조건에 있어서 기판 온도를 변경하여 1시간 에칭처리한 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure 112015087954216-pct00001
표 1로부터 기판 온도가 15℃이면 에칭 속도는 어느 정도 빠르다. 그러나 한편, 기판 온도 15℃의 경우는 에칭 가스의 증기가 결로되어 에칭 불균일이 많이 확인되었다. 한편, 30℃ 이상이 되면 20℃에 비해 에칭 속도가 명확히 느려졌다. 이 사실로부터, 본 실시형태와 같이 불화수소의 증기와 오존 함유 가스가 혼합된 에칭 가스를 사용하는 경우, 기판 온도로서는 20℃가 최적인 것이 판명되었다.
본 발명은 비교적 분해가 곤란한 폴리실리콘이나 벌크 실리콘을 기판 두께 방향에 대해서도 균일하게 에칭할 수 있고, 또한 대면적의 기판에 대해서도 표면 방향에 있어서 균일한 에칭이 가능해진다. 이 때문에 반도체 기판 특성 등을 효율적이고 고정밀도로 평가 가능해진다.
10　체임버
20　뚜껑체
21　관통 구멍
30　가스 공급 수단
31　배기 파이프
32, 33, 33'　가스 유동 조정 수단
40　버퍼실
W　반도체 기판
G　가스 도입구

Claims (7)

  1. 바닥부에 기판을 배치하는 체임버를 구비한 에칭장치에 있어서,
    기판 표면에 에칭 가스를 공급하는 가스 공급 수단,
    에칭 후의 가스를 기판의 중심의 상방으로부터 배기하는 가스 배기 수단, 및
    기판 상방 측의 동심원 상에 배치되어 에칭 가스를 기판의 둘레 가장자리로부터 중심 방향으로 유동시키는 가스 유동 조정 수단을 구비하고,
    가스 유동 조정 수단은 상하 이동 가능하게 설치되어 있으며, 가스 유동 조정 수단의 중앙이 가스 배기 수단과 접속되어 있고,
    가스 유동 조정 수단에 의해 체임버 내에 있어서의 에칭 가스의 유동을 기판의 둘레 가장자리로부터 중심 방향이라는 일정 방향으로의 유동으로만 제어하여, 기판과 에칭 가스의 접촉을 기판 둘레 가장자리로부터 기판 중심으로 순차적으로 진행시켜서 균일한 에칭을 행하는 것을 특징으로 하는 에칭장치.
  2. 제1항에 있어서,
    가스 유동 조정 수단의 형상은 원반 형상 또는 기판 측을 정점으로 하는 원추 형상인 에칭장치.
  3. 제2항에 있어서,
    가스 유동 조정 수단은 원반 형상으로, 외주 부근의 두께가 외주단 측을 향해 얇게 가공되어 있는 에칭장치.
  4. 제1항에 기재된 에칭장치에 있어서,
    체임버 상부가 뚜껑체에 의해 닫혀져 있고,
    가스 배기 수단인 배기 파이프가 뚜껑체의 중앙에 형성된 관통 구멍에 삽입되어 있으며,
    배기 파이프의 선단은 기판의 중심의 상방 측에 배치되어 있고,
    뚜껑체의 관통 구멍 내주와 배기 파이프의 외주 사이에 에칭 가스를 체임버 내에 도입하는 가스 도입부를 가지며,
    에칭 가스는 가스 도입부로부터 도입되어 가스 유동 조정 수단의 외주로부터 기판 표면으로 유동하여, 배기 파이프 선단으로부터 배기 가능하게 되어 있는 에칭장치.
  5. 제1항에 있어서,
    기판 표면에 공급하는 에칭 가스를 균일화하는 버퍼실을 갖는 에칭장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 에칭장치를 사용하여 기판을 분석하는 방법에 있어서,
    오존을 함유한 에칭 가스에 의해 기판 상의 폴리실리콘 또는 기판의 벌크 실리콘을 에칭하는 기판의 분석방법.
  7. 제6항에 있어서,
    기판의 직경(D)에 대해 기판 표면과 가스 유동 조정 수단의 최하단 사이의 거리(H)의 비율(H/D)을 1/60~1/10으로 하는 기판의 분석방법.
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