KR102070502B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 웨이퍼에의 손상의 발생을 방지하는 것을 목적으로 한다.
표면파 플라즈마원에 있어서의 출력부로부터 출력된 마이크로파를 처리 용기 내에 방사하는 복수의 마이크로파 방사 기구를 갖는 플라즈마 처리 장치로서, 기판에 플라즈마 처리를 행하지 않는 동안, 기판에 플라즈마 처리를 행할 때에 방사하는 단위 면적당의 마이크로파의 총파워의 1/50 이하의 총파워로 마이크로파를 방사시켜, 플라즈마를 생성하는 제어부를 갖는, 플라즈마 처리 장치가 제공된다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마를 생성한 상태로 웨이퍼를 반송하면, 플라즈마의 작용에 의해 웨이퍼 표면의 전위에 불균일이 생겨, 웨이퍼 표면에 전위차가 생기는 경우가 있다. 그렇게 되면, 웨이퍼 표면에 전류가 흘러, 웨이퍼 표면의 소자가 파괴되어 버리는 현상, 소위, 차지 업 손상이 생긴다. 웨이퍼에 차지 업 손상을 부여하지 않기 위해서는, 처리 용기 내에 플라즈마가 생성되지 않은 상태로 웨이퍼를 반송하는 편이 좋다.
한편, 플라즈마 착화(점등) 시에는, 전자 온도가 급격하게 오르고, 또한, 플라즈마 내의 이온 충격이 발생하여, 웨이퍼 표면에 손상을 부여하는 경우가 있다. 이 때문에, 처리 용기 내에 웨이퍼를 반송하고 있는 상태로 플라즈마를 착화하는 것은 될 수 있는 한 회피하는 것이 바람직하다.
그래서, 플라즈마 처리를 개시할 때에 플라즈마용 전극에 공급하는 전력을 서서히 증가시키는 것이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조). 또한, 성막 처리가 종료한 후, 플라즈마를 소멸시키는 일없이 웨이퍼를 반송하는 것이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 2 참조).
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2005-64017호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 평성6-291062호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 평성10-144668호 공보 특허문헌 4: 일본 특허 공개 제2001-335938호 공보 특허문헌 5: 일본 특허 공개 제2009-94311호 공보
그러나, 특허문헌 1, 2에서는, 용량 결합형 플라즈마(CCP: Capacitively Coupled Plasma) 처리 장치를 사용하여 전자 밀도 및 전자 온도가 중정도 또는 높은 플라즈마가 생성된다. 따라서, 플라즈마용 전극에 공급하는 전력을 서서히 증가시켰다고 해도, 전자 밀도 및 전자 온도가 중정도 또는 높은 플라즈마가 생성되어 있는 상태로 웨이퍼를 반송하면, 플라즈마의 전위가 웨이퍼 표면에서 크게 변화하여, 차지 업 손상이 야기된다. 또한, 전자 밀도 및 전자 온도가 중정도 또는 높은 플라즈마가 생성되어 있는 상태로, 플라즈마를 소멸시키는 일없이 웨이퍼를 반송하면, 웨이퍼에 손상을 부여하여 버린다.
상기 과제에 대하여, 일측면에서는, 본 발명은, 웨이퍼에의 손상의 발생을 방지하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 하나의 양태에 따르면, 표면파 플라즈마원에 있어서의 출력부로부터 출력된 마이크로파를 처리 용기 내에 방사하는 복수의 마이크로파 방사 기구를 갖는 플라즈마 처리 장치로서, 기판에 플라즈마 처리를 행하지 않는 동안, 기판에 플라즈마 처리를 행할 때에 방사하는 단위 면적당의 마이크로파의 총파워의 1/50 이하의 총파워로 마이크로파를 방사시켜, 플라즈마를 생성하는 제어부를 갖는, 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
하나의 측면에 따르면, 웨이퍼에의 손상의 발생을 방지할 수 있다.
도 1은 일실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 일실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천장판의 내벽의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 일실시형태에 따른 플라즈마 처리의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 4는 일실시형태에 따른 플라즈마의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일실시형태에 따른 플라즈마 착화 시의 파워의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 일실시형태에 따른 표면파 플라즈마의 전자 밀도 및 전자 온도의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 일실시형태에 따른 표면파 플라즈마 및 ICP의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 일실시형태에 따른 마이크로파 도입 시퀀스를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성에 대해서는, 동일한 부호를 붙임으로써 중복하는 설명을 생략한다.
[마이크로파 플라즈마 처리 장치]
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 단면도의 일례를 나타낸다. 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는, 웨이퍼(W)를 수용하는 처리 용기(챔버)(1)를 갖는다. 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는, 마이크로파에 의해 처리 용기(1)의 천장면에 형성되는 표면파 플라즈마에 의해, 반도체 웨이퍼(W)(이하, 「웨이퍼(W)」라고 함)에 대하여 미리 정해진 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치의 일례이다. 미리 정해진 플라즈마 처리로서는, 성막 처리, 에칭 처리 또는 애싱 처리 등이 예시된다.
마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는, 처리 용기(1)와 마이크로파 플라즈마원(2)과 제어 장치(3)를 갖는다. 처리 용기(1)는, 기밀하게 구성된 알루미늄 또는 스테인리스강 등의 금속 재료로 이루어지는 대략 원통형의 용기이고, 접지되어 있다. 본체부(10)는, 처리 용기(1)의 천장부를 구성하는 천장판이다. 처리 용기(1)의 상부와 본체부(10)의 접촉면에 마련된 지지 링(129)에 의해, 처리 용기(1) 내는 기밀하게 시일되어 있다. 본체부(10)는, 금속으로 구성되어 있다.
마이크로파 플라즈마원(2)은, 마이크로파 출력부(30)와 마이크로파 전송부(40)와 마이크로파 방사 기구(50)를 갖는다. 마이크로파 플라즈마원(2)은, 처리 용기(1)의 천장부(천장판)의 내벽에 형성된 유전체 창부(1a)로부터 처리 용기(1)의 내부에 면하도록 마련되어 있다. 마이크로파 출력부(30)는, 복수 경로로 분배하여 마이크로파를 출력한다. 마이크로파 플라즈마원(2)으로부터 유전체 창부(1a)를 통하여 처리 용기(1) 내에 마이크로파가 도입되면, 마이크로파의 전계에 의해 처리 용기(1) 내의 가스가 해리되어, 표면파 플라즈마가 형성된다. 마이크로파 출력부(30)는, 표면파 플라즈마원에 있어서의 출력부의 일례이다.
처리 용기(1) 내에는 웨이퍼(W)를 배치하는 배치대(11)가 마련되어 있다. 배치대(11)는, 처리 용기(1)의 바닥부 중앙에 절연 부재(12a)를 통해 세워서 설치된 통형의 지지 부재(12)에 의해 지지되어 있다. 배치대(11) 및 지지 부재(12)를 구성하는 재료로서는, 표면을 알루마이트 처리(양극 산화 처리)한 알루미늄 등의 금속이나 내부에 고주파용의 전극을 갖는 절연 부재(세라믹스 등)가 예시된다. 배치대(11)에는, 웨이퍼(W)를 정전 흡착하기 위한 정전 척, 온도 제어 기구, 웨이퍼(W)의 이면에 열 전달용의 가스를 공급하는 가스 유로 등이 마련되어 있어도 좋다.
배치대(11)에는, 정합기(13)를 통해 고주파 바이어스 전원(14)이 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 바이어스 전원(14)으로부터 배치대(11)에 고주파 전력이 공급됨으로써, 웨이퍼(W)측에 플라즈마 중의 이온이 인입된다. 또한, 고주파 바이어스 전원(14)은 플라즈마 처리의 특성에 따라서는 마련하지 않아도 좋다.
처리 용기(1)의 바닥부에는 배기관(15)이 접속되어 있고, 이 배기관(15)에는 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(16)가 접속되어 있다. 배기 장치(16)를 작동시키면 처리 용기(1) 내가 배기되고, 이에 의해, 처리 용기(1) 내가 미리 정해진 진공도까지 고속으로 감압된다. 처리 용기(1)의 측벽에는, 웨이퍼(W)의 반입출을 행하기 위한 반입출구(17)와, 반입출구(17)를 개폐하는 게이트 밸브(18)가 마련되어 있다.
마이크로파 전송부(40)는, 마이크로파 출력부(30)로부터 출력된 마이크로파를 전송한다. 마이크로파 전송부(40)에 마련된 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 중앙 마이크로파 도입부(43b)는, 각각에 대응하여 마련되는 앰프부(42)로부터 출력된 마이크로파를 마이크로파 방사 기구(50)에 도입하는 기능 및 임피던스를 정합하는 기능을 갖는다. 이하, 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 중앙 마이크로파 도입부(43b)를 총칭하여, 마이크로파 도입부(43)라고도 한다.
본 실시형태의 마이크로파 방사 기구(50)에서는, 도 1 및 도 1의 A-A 단면의 도 2에 나타내는 바와 같이, 6개의 주연 마이크로파 도입부(43a)에 대응하는 6개의 유전체층(123)이, 본체부(10)의 외주에 있어서 둘레 방향에 등간격으로 배치되고, 6개의 유전체 창부(1a)가 처리 용기(1)의 내부에 원형으로 노출된다.
또한, 중앙 마이크로파 도입부(43b)에 대응하는 1개의 유전체층(133)이, 본체부(10)의 중앙(O)에 배치되고, 1개의 유전체 창부(1a)가 처리 용기(1)의 내부에 원형으로 노출된다. 중앙 마이크로파 도입부(43b)는, 본체부(10)의 중앙(O)에서 6개의 주연 마이크로파 도입부(43a)로부터 등간격의 위치에 배치되어 있다.
본 실시형태에서는, 주연 마이크로파 도입부(43a)의 수는 6개이지만, 이것에 한정되지 않고, N개 배치된다. N은, 1이어도 좋고, 2 이상이어도 좋지만, 3 이상이 바람직하고, 예컨대 3∼6이어도 좋다.
도 1로 되돌아가서, 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 중앙 마이크로파 도입부(43b)는, 통형의 외측 도체(52) 및 그 중심에 마련된 막대 형상의 내측 도체(53)를 동축형으로 배치한다. 외측 도체(52)와 내측 도체(53) 사이에는, 마이크로파 전력이 급전되어, 마이크로파 방사 기구(50)를 향하여 마이크로파가 전파되는 마이크로파 전송로(44)로 되어 있다.
주연 마이크로파 도입부(43a) 및 중앙 마이크로파 도입부(43b)에는, 슬래그(54)와, 그 선단부에 위치하는 임피던스 조정 부재(140)가 마련되어 있다. 슬래그(54)를 이동시킴으로써, 처리 용기(1) 내의 부하(플라즈마)의 임피던스를 마이크로파 출력부(30)에 있어서의 마이크로파 전원의 특성 임피던스에 정합시키는 기능을 갖는다. 임피던스 조정 부재(140)는, 유전체로 형성되고, 그 비유전률에 의해 마이크로파 전송로(44)의 임피던스를 조정하도록 되어 있다.
마이크로파 방사 기구(50)는, 본체부(10)의 내부에 구성되어 있다. 마이크로파 출력부(30)로부터 출력되어, 마이크로파 전송부(40)로부터 전송된 마이크로파는, 마이크로파 방사 기구(50)로부터 처리 용기(1) 내에 방사된다.
마이크로파 방사 기구(50)는, 유전체 천장판(121, 131), 슬롯(122, 132) 및 유전체층(123, 133)을 갖는다. 유전체 천장판(121)은, 주연 마이크로파 도입부(43a)에 대응하여 본체부(10)의 상부에 배치되고, 유전체 천장판(131)은, 중앙 마이크로파 도입부(43b)에 대응하여 본체부(10)의 상부에 배치되어 있다. 유전체 천장판(121, 131)은, 마이크로파를 투과시키는 원반형의 유전체로 형성되어 있다. 유전체 천장판(121, 131)은, 진공보다 큰 비유전율을 가지고 있고, 예컨대, 석영, 알루미나(Al2O3) 등의 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 형성될 수 있다. 유전체 천장판(121, 131)은, 비유전률이 진공보다 큰 재료로 구성된다. 이에 의해, 유전체 천장판(121, 131) 내를 투과하는 마이크로파의 파장을, 진공 중을 전파하는 마이크로파의 파장보다 짧게 하여 슬롯(122, 132)을 포함하는 안테나를 작게 하는 기능을 갖는다.
유전체 천장판(121) 아래에는, 본체부(10)에 형성된 슬롯(122)을 통해 유전체층(123)이 본체부(10)의 개구에 끼워 넣어져 있다. 유전체 천장판(131)의 아래에는, 본체부(10)에 형성된 슬롯(132)을 통해 유전체층(133)이 본체부(10)의 개구에 끼워 넣어져 있다.
유전체층(123, 133)은, 천장부의 내부 표면에 있어서 균일하게 마이크로파의 표면파 플라즈마를 형성하기 위한 유전체창으로서 기능하고, 각각이 유전체 창부(1a)로 되어 있다. 유전체층(123, 133)은, 유전체 천장판(121, 131)과 마찬가지로, 예컨대, 석영, 알루미나(Al2O3) 등의 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 형성되어도 좋다.
본체부(10)의 금속에는, 샤워 구조의 가스 도입부(21)가 마련되어 있다. 가스 도입부(21)에는, 가스 공급원(22)이 접속되고, 가스 공급원(22)으로부터 공급되는 가스는, 가스 공급 배관(111)을 통해 가스 확산실(62)로부터 가스 도입부(21)를 통하여, 처리 용기(1) 내에 샤워형으로 공급된다. 가스 도입부(21)는, 처리 용기(1)의 천장부에 형성된 복수의 가스 공급 구멍(60)으로부터 가스를 공급하는 가스 샤워 헤드의 일례이다. 가스의 일례로서는, 예컨대 Ar 가스 등의 플라즈마 생성용의 가스나, 예컨대 O2 가스나 N2 가스 등의 고에너지로 분해시키고자 하는 가스, 실란 가스 등의 처리 가스를 들 수 있다.
마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 각 부는, 제어 장치(3)에 의해 제어된다. 제어 장치(3)는, 마이크로 프로세서(4), ROM(Read Only Memory)(5), RAM(Random Access Memory)(6)을 가지고 있다. ROM(5)이나 RAM(6)에는 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 프로세스 시퀀스 및 제어 파라미터인 프로세스 레시피가 기억되어 있다. 마이크로 프로세서(4)는, 프로세스 시퀀스 및 프로세스 레시피에 기초하여, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 각 부를 제어하는 제어부의 일례이다. 또한, 제어 장치(3)는, 터치 패널(7) 및 디스플레이(8)를 가지고, 프로세스 시퀀스 및 프로세스 레시피에 따라 미리 정해진 제어를 행할 때의 입력이나 결과의 표시 등이 가능하게 되어 있다.
이러한 구성의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서 플라즈마 처리를 행할 때에는, 먼저, 웨이퍼(W)가, 반송 아암 상에 유지된 상태로, 개구한 게이트 밸브(18)로부터 반입출구(17)를 통하여 처리 용기(1) 내에 반입된다. 게이트 밸브(18)는 웨이퍼(W)를 반입 후에 폐쇄된다. 웨이퍼(W)는, 배치대(11)의 상방까지 반송되면, 반송 아암으로부터 푸셔 핀으로 옮겨지고, 푸셔 핀이 강하함으로써 배치대(11)에 배치된다. 처리 용기(1)의 내부의 압력은, 배기 장치(16)에 의해 미리 정해진 진공도로 유지된다. 처리 가스가 가스 도입부(21)로부터 샤워형으로 처리 용기(1) 내에 도입된다. 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 중앙 마이크로파 도입부(43b)를 통해 마이크로파 방사 기구(50)로부터 방사된 마이크로파가 천장부의 내부 표면을 전파된다. 표면파가 되어 전파되는 마이크로파의 전계에 의해, 가스가 해리되어, 처리 용기(1)측의 천장부의 표면 근방에 생성된 표면파 플라즈마에 의해 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리가 실시된다. 이하에서는, 처리 용기(1)의 천장부와 배치대(11) 사이의 공간을, 플라즈마 처리 공간(U)이라고 한다. 본 실시형태에서는, 상기 웨이퍼(W)의 반송 시에도 극약의 플라즈마가 생성되어, 항상 플라즈마가 생성되고 있는 상태이다. 이하에, 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리의 일례에 대해서 설명한다.
[플라즈마 처리]
이러한 구성의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)를 이용하여 실행되는 플라즈마 처리의 일례에 대해서, 도 3을 참조하면서 설명한다. 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리는, 제어 장치(3)에 의해 제어된다.
본 처리가 개시되면, 제어 장치(3)는, 마이크로파 도입부(43)로부터 총파워가 0.3 W/㎠ 이하인 마이크로파를 방사한다(단계 S10). 다음에, 제어 장치(3)는, 가스 공급원(22)으로부터 출력된 Ar 가스를 가스 도입부(21)로부터 샤워형으로 공급하여, 플라즈마를 생성한다(단계 S12). 또한, 단계 S12에 있어서 공급하는 가스는, Ar 가스에 한정되지 않고, 예컨대, N2 가스 등이어도 좋다.
다음에, 제어 장치(3)는, 게이트 밸브(18)를 개방하여, 웨이퍼(W)를 처리 용기(1) 내에 반입한다(단계 S14). 다음에, 제어 장치(3)는, 게이트 밸브(18)를 폐쇄하고, 가스 공급원(22)으로부터 출력된 처리 가스를 가스 도입부(21)로부터 처리 용기(1) 내에 샤워형으로 공급한다(단계 S16). 또한, 단계 S16에 있어서 공급하는 처리 가스는, 실란 가스 및 H2 가스의 혼합 가스여도 좋다.
다음에, 제어 장치(3)는, 마이크로파 도입부(43)로부터 총파워가 15.6 W/㎠ 이상인 마이크로파를 방사한다(단계 S18). 이에 의해, 처리 가스로부터 생성된 표면파 플라즈마에 의해 웨이퍼(W)에 원하는 처리가 실시된다(단계 S20).
다음에, 제어 장치(3)는, 웨이퍼(W)에의 플라즈마 처리가 완료하였는지를 판정한다(단계 S22). 제어 장치(3)는 완료되지 않았다고 판정하면, 단계 S20으로 되돌아가서, 웨이퍼(W)에의 플라즈마 처리를 계속한다. 한편, 제어 장치(3)는, 웨이퍼(W)에의 플라즈마 처리가 완료되었다고 판정하면, 단계 S24로 진행하여, 마이크로파 도입부(43)로부터 총파워가 0.3 W/㎠ 이하인 마이크로파를 방사한다(단계 S24).
다음에, 제어 장치(3)는, 가스 공급원(22)으로부터 Ar 가스를 공급하여, 계속해서, 극약의 플라즈마를 생성한다(단계 S26). 다음에, 제어 장치(3)는, 게이트 밸브(18)를 개방하여, 웨이퍼(W)를 처리 용기(1) 내로부터 반출한다(단계 S28). 다음에, 제어 장치(3)는, 다음 미처리 웨이퍼가 있는지의 여부를 판정한다(단계 S30). 제어 장치(3)는, 다음 미처리 웨이퍼가 있다고 판정하면, 단계 S14로 되돌아가서, 게이트 밸브(18)를 개방하여, 다음 웨이퍼(W)를 처리 용기(1) 내에 반입하고, 단계 S14 이후의 처리를 반복한다. 한편, 제어 장치(3)는, 다음 미처리 웨이퍼가 없다고 판정하면, 본 처리를 종료한다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 방법에 의하면, 웨이퍼(W)의 반송 중 및 처리 중을 포함하여, 항상, 연속적으로 플라즈마가 생성된다. 구체적으로는, 직경 300 ㎜의 웨이퍼(W)를 처리하는 경우, 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼(W)의 반입 시에는, 미리 마이크로파 도입부(43)로부터 총파워가 0.3 W/㎠ 이하인 마이크로파를 방사하여, 극약의 플라즈마를 생성한다. 예컨대, 6개의 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 1개의 중앙 마이크로파 도입부(43b)의 합계 7개의 마이크로파 도입부(43)의 각각으로부터 10 W의 마이크로파를 처리 용기(1) 내에 도입한다. 이에 의해, 도입된 저파워의 마이크로파의 전계에 의해, 처리 용기(1) 내에 공급된 Ar 가스가 해리되어, 처리 용기(1)의 천장면에는 극약의 표면파 플라즈마가 생긴다. 이에 의하면, 생성된 표면파 플라즈마는 극약이기 때문에, 웨이퍼를 반입 및 반출할 때에, 웨이퍼(W)는 플라즈마의 영향을 받지 않아, 웨이퍼 표면에 전위차가 생기지 않기 때문에, 웨이퍼 표면에 전류는 흐르지 않는다. 이와 같이 하여, 본 실시형태에서는, 플라즈마를 생성하고 있는 상태로 웨이퍼(W)를 반입하여도, 플라즈마에 의해 웨이퍼(W)에 손상이 부여되는 것을 회피할 수 있다.
한편, 웨이퍼(W)에 미리 정해진 플라즈마 처리를 실시하는 프로세스 중에는, 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이, 마이크로파 도입부(43)로부터 총파워가 15.6 W/㎠ 이상인 마이크로파를 방사하여, 고밀도 플라즈마를 생성한다. 예컨대, 7개의 마이크로파 도입부(43)의 각각으로부터 500 W의 마이크로파를 처리 용기(1) 내에 도입한다. 이에 의해, 도 4의 (a)의 웨이퍼 반입 시의 50배의 파워의 마이크로파의 전계에 의해 실란 가스 및 H2 가스 등의 처리 가스가 해리되어, 처리 용기(1)의 천장면에는 고밀도의 표면파 플라즈마가 생긴다. 이에 의하면, 생성된 고밀도의 표면파 플라즈마에 의해, 웨이퍼(W)에 성막이나 에칭 등의 미리 정해진 플라즈마 처리가 실시된다.
이상, 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리에 의하면, 항상 플라즈마가 생성되고 있기 때문에, 웨이퍼(W)에 미리 정해진 플라즈마 처리를 실시하기 전에, 플라즈마를 착화(점등)시킬 필요가 없다. 이 때문에, 플라즈마 착화에 의한 웨이퍼(W)에의 영향을 없앨 수 있다. 또한, 웨이퍼(W)의 반송 시에는, 극약의 플라즈마를 생성하기 위해, 플라즈마의 작용에 의해 웨이퍼 표면에 전류가 흘러, 표면의 소자를 파괴하는 차지 업 손상은 생기지 않는다.
즉, 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 방법에 따르면, 웨이퍼(W) 반송 시의 차지 업 손상의 발생을 회피하며, 프로세스 실행 시의 플라즈마 착화에 의한 웨이퍼(W)에의 손상을 없앨 수 있다.
[극약의 플라즈마]
극약의 플라즈마는, 본 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에 의해 생성될 수 있다. 도 5는 본 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)(SWP: Surface Wave Plasma)의 천장면에서, 1개의 마이크로파 도입부(43)의 바로 아래의 처리 공간(1) 내에 생성된 극약의 플라즈마의 상태를 나타낸다. 도 5에서는, (a) 50 W, (b) 30 W, (c) 20 W, (d) 10 W, (e) 5 W, (f) 3 W 중 어느 것에 있어서도 유전체 창부(1a)의 바로 아래에 발광하고 있는 부분이 보인다. 이 부분이 플라즈마로부터의 발광이며, 플라즈마의 생성 영역이다. 즉, (a) 50 W∼(f) 3 W 중 어느 것에 있어서도 유전체 창부(1a)의 바로 아래에서 극약의 플라즈마가 착화(점화)하고 있다.
또한, 토탈의 파워가 0.3 W/㎠ 이하가 되도록, 7개의 마이크로파 도입부(43)의 각각으로부터 3 W∼50 W의 파워의 마이크로파를 출력하여도 좋다. 1개의 마이크로파 도입부(43) 또는 2개∼6개의 마이크로파 도입부(43)의 각각으로부터 토탈의 파워가 0.3 W/㎠ 이하가 되는 파워의 마이크로파를 출력하여도 좋다.
도입하는 마이크로파의 파워와 플라즈마의 전자 밀도(Ne)[1010 ㎝-3] 및 플라즈마의 전자 온도(Te)[V]의 관계를 도 6의 그래프에 나타낸다. 프레임(Mu) 내는, 5 W의 마이크로파를 도입하였을 때의 플라즈마의 전자 밀도(Ne) 및 플라즈마의 전자 온도(Te)이고, 1개의 마이크로파 도입부(43)로부터 5 W 정도의 저파워의 마이크로파를 도입한 경우라도 유전체 창부(1a)의 하방에 플라즈마를 착화시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 6의 그래프에서는, Ar 가스 및 N2 가스를 공급하여, 횡축에 나타내는 마이크로파의 파워에 의해 플라즈마를 생성하였다.
도 7은 본 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(SWP)(100)에 의해 생성되는 마이크로파의 표면파 플라즈마의 전자 밀도(Ne) 및 전자 온도(Te)를, 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(ICP: Inductively Coupled Plasma)의 경우와 비교하여 나타낸 그래프이다. 이에 의하면, 마이크로파의 표면파 플라즈마의 전자 밀도(Ne)는, 유도 결합형 플라즈마의 전자 밀도(Ne)보다 높다. 또한, 본 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 복수의 마이크로파 도입부(43)(멀티 플라즈마원)으로부터 마이크로파를 도입할 수 있다. 이 때문에, 복수의 마이크로파 도입부(43)의 각각으로부터 도입되는 토탈의 파워가 0.3 W/㎠ 이하가 되도록, 7개의 마이크로파 도입부(43)의 각각으로부터 출력하는 마이크로파를 저파워로 제어할 수 있다. 예컨대, 0.3 W/㎠의 마이크로파의 파워는, 300 ㎜의 웨이퍼(W)에서, 복수의 마이크로파 도입부(43)로부터 출력되는 마이크로파의 토탈의 파워가 135 W 이하이다.
이에 의해, 극약의 플라즈마를 복수의 마이크로파 도입부(43)의 하방에 국소적으로 생성할 수 있다. 예컨대, 도 7의 왼쪽의 그래프에서는, 복수의 마이크로파 도입부(43)의 각각으로부터 3 W의 저파워의 마이크로파를 도입한 경우에 있어서도 플라즈마의 점등이 가능하여, 극약의 플라즈마가 생성 가능한 것을 알 수 있다.
복수의 마이크로파 도입부(43) 중, 적어도 어느 하나를 이용하여 마이크로파를 도입하면 좋지만, 보다 많은 개수의 마이크로파 도입부(43)를 사용하는 것이 바람직하다. 보다 많은 개수의 마이크로파 도입부(43)를 사용하여 마이크로파를 도입함으로써, 1개당의 마이크로파 도입부(43)로부터 출력하는 마이크로파의 파워를 보다 낮게 할 수 있어, 보다 극약의 플라즈마를 생성할 수 있기 때문이다.
또한, 도 7의 왼쪽의 그래프의 전자 밀도(Ne)에 나타내는 바와 같이, 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(ICP)에서는, 도입하는 고주파의 최대 파워가 1000 W 이하인 경우, 플라즈마를 착화할 수 없어, 플라즈마를 생성할 수 없다. 이에 대하여, 본 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(SWP)(100)에서는, 도입하는 마이크로파의 최대 파워가 1000 W 이하여도 플라즈마를 생성할 수 있다. 즉, 본 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(SWP)(100)에서는, 도입하는 마이크로파의 최대 파워가 3 W∼1000 W여도, 플라즈마를 착화할 수 있어, 플라즈마를 생성할 수 있다. 예컨대, 최대 파워가 3 W 이상인 마이크로파를, 복수의 마이크로파 도입부(43)의 각각으로부터 도입한 경우라도, 도 5의 (f)에 나타내는 바와 같이, 플라즈마가 점등(착화)한다.
이에 대하여, 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(ICP)에서는, 300 ㎜의 웨이퍼를 처리 가능한 플라즈마가 안정적으로 점등하기 위해서는, 최대 파워가 800 W 이상인 고주파가 필요하다.
또한, 도 7의 오른쪽의 그래프에 의하면, 본 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(SWP)(100)에 의해 생성되는 플라즈마의 전자 온도(Te)는, 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(ICP)에 의해 생성되는 플라즈마의 전자 온도(Te)보다 1 [eV] 이상 낮다. 따라서, 본 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에 의하면, 도입하는 마이크로파의 토탈의 파워가 0.3 W/㎠ 이하가 되도록 마이크로파 도입부(43)를 사용하여 마이크로파를 도입함으로써, 플라즈마의 전자 온도(Te)가 보다 낮은 극약의 플라즈마를 생성할 수 있다. 이러한 극약의 플라즈마는, 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(ICP) 및 용량 결합형 플라즈마 처리 장치(CCP: Capacitively Coupled Plasma)에서는 생성할 수 없다. 즉, 본 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(SWP)(100)는, 복수의 마이크로파 도입부(43)로부터 도입되는 저파워의 마이크로파에 의해서도 플라즈마를 국소적으로 착화시킬 수 있다. 이에 의해, 생성되는 극약의 플라즈마에 의해 웨이퍼(W)의 반송 시의 차지 업 손상 및 프로세스 중에 있어서의 플라즈마 착화에 의한 웨이퍼(W)의 손상의 발생을 회피할 수 있다.
[마이크로파 도입 시퀀스]
마지막으로, 본 실시형태에 있어서, 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리를 행하지 않는 동안(웨이퍼 반송 시 등)에 방사하는 마이크로파의 도입 시퀀스에 대해서, 도 8을 참조하면서 설명한다. 본 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 6개의 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 1개의 중앙 마이크로파 도입부(43b)로 이루어지는 7개의 마이크로파 도입부(43) 중 적어도 하나로부터 마이크로파가 처리 용기(1) 내에 도입된다.
마이크로파 도입 시퀀스의 일례(시퀀스 1)를 도 8의 (a)에 나타낸다. 시퀀스 1에서는, 먼저, 중앙 마이크로파 도입부(43b)로부터 마이크로파를 방사시켜, 중앙 마이크로파 도입부(43b)의 유전체 창부(1a)의 하방에서 플라즈마를 착화한다. 다음에, 6개의 주연 마이크로파 도입부(43a)로부터 마이크로파를 방사시켜, 6개의 주연 마이크로파 도입부(43a)의 각각의 유전체 창부(1a)의 하방에서 플라즈마를 착화한다.
이와 같이 하여, 중앙 마이크로파 도입부(43b)를 이용하여 플라즈마 착화 후, 주연 마이크로파 도입부(43a)를 이용하여 플라즈마 착화하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 중앙 마이크로파 도입부(43b)의 하방에서 플라즈마가 착화하고 있으면, 주연 마이크로파 도입부(43a)의 하방에서 플라즈마 착화를 하기 쉬워, 보다 약한 전력으로 플라즈마를 점등할 수 있기 때문에, 웨이퍼(W)에의 플라즈마 착화 시의 영향을 보다 적게 할 수 있기 때문이다.
단, 시퀀스 1에 한정되지 않고, 다른 시퀀스에 의해 플라즈마를 점등시켜도 좋다. 도 8의 (b)의 마이크로파 도입 시퀀스 2의 예에서는, 먼저, 중앙 마이크로파 도입부(43b)와, 둘레 방향의 인접하지 않는 3개의 주연 마이크로파 도입부(43a)로부터 마이크로파를 방사시킨다. 그 후, 둘레 방향의 인접하지 않는 나머지의 3개의 주연 마이크로파 도입부(43a)로부터 마이크로파를 방사시킨다.
도 8의 (c)의 마이크로파 도입 시퀀스 3의 예에서는, 먼저, 둘레 방향의 인접하지 않는 3개의 주연 마이크로파 도입부(43a)로부터 마이크로파를 방사시킨다. 그 후, 중앙 마이크로파 도입부(43b)와, 둘레 방향의 인접하지 않는 나머지의 3개의 주연 마이크로파 도입부(43a)로부터 마이크로파를 방사시킨다.
도 8의 (d)의 마이크로파 도입 시퀀스 4의 예에서는, 먼저, 중앙 마이크로파 도입부(43b)로부터 마이크로파를 방사시킨다. 그 후, 둘레 방향의 인접하지 않는 3개의 주연 마이크로파 도입부(43a)로부터 마이크로파를 방사시킨다, 그 후, 둘레 방향의 인접하지 않는 나머지의 3개의 주연 마이크로파 도입부(43a)로부터 마이크로파를 방사시킨다.
도 8의 (e)의 마이크로파 도입 시퀀스 5의 예에서는, 중앙 마이크로파 도입부(43b) 및 6개의 주연 마이크로파 도입부(43a)의 전부로부터 동일한 타이밍에 마이크로파를 방사시킨다.
또한, 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리를 행하지 않는 동안(웨이퍼 반송 시 등)에 방사하는 마이크로파의 도입 시퀀스에서는, 도 8의 (a)∼도 8의 (e)에 나타내는 바와 같이, 모든 마이크로파 도입부(43)로부터 마이크로파를 방사시키는 경우에 한정되지 않고, 예컨대, 마이크로파 도입부(43)의 일부로부터 마이크로파를 방사시켜도 좋다. 도 8의 (a)∼도 8의 (e)에 나타내는 도입 시퀀스 또는 마이크로파 도입부(43)의 일부로부터 마이크로파를 방사하는 경우 중 어느 것에 있어서도, 웨이퍼 반입 후, 모든 마이크로파 도입부(43)로부터 마이크로파를 방사한다.
또한, 도 8의 (a)∼도 8의 (e)에 나타내는 도입 시퀀스 또는 마이크로파 도입부(43)의 일부로부터 마이크로파를 방사하는 경우 중 어느 것에 있어서도, 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리를 행하지 않는 동안, 토탈의 파워가 0.3 W/㎠ 이하가 되도록 마이크로파의 출력을 제어한다. 한편, 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리를 행하는 동안, 7개의 마이크로파 도입부(43)의 전부를 이용하여 마이크로파의 토탈의 파워가 15.6 W/㎠ 이상이 되도록 마이크로파의 출력을 제어한다. 즉, 본 실시형태에서는, 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리를 행하지 않는 동안에 방사하는 단위 면적당의 마이크로파의 총파워는, 프로세스 중[웨이퍼(W)에 플라즈마 처리를 행하는 동안]에 방사하는 단위 면적당의 마이크로파의 총파워의 1/50 이하로 제어된다. 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리를 행하지 않는 동안은, 웨이퍼(W) 반송 시를 포함한다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에 의하면, 극약의 플라즈마를 항상 점등함으로써, 플라즈마 착화에 의한 웨이퍼(W)에의 손상을 회피할 수 있으며, 극약의 플라즈마를 생성한 상태로 웨이퍼를 반입 및 반출함으로써, 차지 업 손상을 억제할 수 있다. 또한, 웨이퍼(W)에의 손상을 회피함으로써, 파티클의 발생을 회피할 수 있다. 또한, 플라즈마의 점등 및 소등 단계가 불필요해지기 때문에, 플라즈마 처리 공정을 단축화할 수 있다. 또한, 플라즈마에 의한 파티클의 포획에 의해, 파티클을 저감할 수 있다. 또한, 프로세스 시에는, 마이크로파의 총파워를 올림으로써, 고밀도의 플라즈마를 생성함으로써, 웨이퍼(W)에 원하는 처리를 실시할 수 있다.
이상, 플라즈마 처리 장치를 상기 실시형태에 의해 설명하였지만, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 범위 내에서 여러 가지의 변형 및 개량이 가능하다. 상기 복수의 실시형태에 기재된 사항은, 모순하지 않는 범위에서 조합할 수 있다.
본 명세서에서는, 기판의 일례로서 반도체 웨이퍼(W)를 들어 설명하였다. 그러나, 기판은, 이에 한정되지 않고, LCD(Liquid Crystal Display), FPD(Flat Panel Display)에 이용되는 각종 기판이나, 포토마스크, CD 기판, 프린트 기판 등이어도 좋다.
1 처리 용기 1a 유전체 창부
2 마이크로파 플라즈마원 3 제어 장치
10 본체부 11 배치대
21 가스 도입부 22 가스 공급원
330 마이크로파 출력부 40 마이크로파 전송부
43a 주연 마이크로파 도입부 43b 중앙 마이크로파 도입부
44 마이크로파 전송로 50 마이크로파 방사 기구
52 외측 도체 53 내측 도체
54 슬래그 60 가스 공급 구멍
60a 세공 61 공동부
61c 단차부 62 가스 확산실
63 금속제의 부재 64 공동부의 개구부
65 공동부의 바닥부 100 마이크로파 플라즈마 처리 장치
121, 131 유전체 천장판 122, 132 슬롯
123, 133 유전체층 140 임피던스 조정 부재
U 플라즈마 처리 공간

Claims (11)

  1. 표면파 플라즈마원에 있어서의 출력부로부터 출력된 마이크로파를 처리 용기 내에 방사하는 복수의 마이크로파 방사 기구를 갖는 플라즈마 처리 장치로서,
    기판에 플라즈마 처리를 행하지 않는 동안, 기판에 플라즈마 처리를 행할 때에 방사하는 단위 면적당의 마이크로파의 총파워의 1/50 이하의 총파워로 마이크로파를 연속적으로 방사시켜, 플라즈마를 생성하는 제어부를 갖는, 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 1/50 이하의 총파워로, 상기 복수의 마이크로파 방사 기구 중 적어도 어느 하나로부터 마이크로파를 방사시키는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로파 방사 기구는, 상기 처리 용기의 천장판의 중심과 외주에 복수개 배치되고,
    상기 제어부는, 중심의 상기 마이크로파 방사 기구로부터 마이크로파를 방사시킨 후, 외주의 상기 마이크로파 방사 기구 중 적어도 어느 하나로부터 마이크로파를 방사시키는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로파 방사 기구는, 상기 처리 용기의 천장판의 중심과 외주에 복수개 배치되고,
    상기 제어부는, 외주의 상기 마이크로파 방사 기구 중 적어도 어느 하나로부터 마이크로파를 방사시킨 후, 중심의 상기 마이크로파 방사 기구로부터 마이크로파를 방사시키는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로파 방사 기구는, 상기 처리 용기의 천장판의 중심과 외주에 복수개 배치되고,
    상기 제어부는, 중심의 상기 마이크로파 방사 기구와, 외주에서 둘레 방향으로 배치된, 인접하지 않는 복수의 상기 마이크로파 방사 기구로부터 마이크로파를 방사시킨 후, 외주의 나머지의 상기 마이크로파 방사 기구 중 적어도 어느 하나로부터 마이크로파를 방사시키는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로파 방사 기구는, 상기 처리 용기의 천장판의 중심과 외주에 복수개 배치되고,
    상기 제어부는, 외주에서 둘레 방향으로 배치된, 인접하지 않는 복수의 상기 마이크로파 방사 기구로부터 마이크로파를 방사시킨 후, 중심의 상기 마이크로파 방사 기구와 외주의 나머지의 상기 마이크로파 방사 기구 중 적어도 어느 하나로부터 마이크로파를 방사시키는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로파 방사 기구는, 상기 처리 용기의 천장판의 중심과 외주에 복수개 배치되고,
    상기 제어부는, 배치된 모든 상기 마이크로파 방사 기구로부터 동일한 타이밍에 마이크로파를 방사시키는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 기판에 플라즈마 처리를 행하지 않는 동안, 상기 단위 면적당의 마이크로파의 총파워를 0.3 W/㎠ 이하로 제어하는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 기판에 플라즈마 처리를 행하는 동안, 상기 단위 면적당의 마이크로파의 총파워를 15.6 W/㎠ 이상으로 제어하는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 단위 면적당의 마이크로파의 총파워를 0.3 W/㎠ 이하로 제어하여, 전자 온도가 1 [eV] 이하인 플라즈마를 생성한 상태로, 게이트 밸브를 개방하여 기판을 상기 처리 용기 내에 반입하고,
    상기 기판을 반입한 후, 상기 게이트 밸브를 폐쇄하여 상기 단위 면적당의 마이크로파의 총파워를 15.6 W/㎠ 이상으로 제어하고, 기판에 플라즈마 처리를 행하는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는, 기판에 플라즈마 처리를 행한 후, 상기 단위 면적당의 마이크로파의 총파워를 0.3 W/㎠ 이하로 제어하여, 전자 온도가 1 [eV] 이하인 플라즈마를 생성한 상태로, 상기 게이트 밸브를 개방하여 기판을 상기 처리 용기로부터 반출하는 것인, 플라즈마 처리 장치.
KR1020180067311A 2017-06-26 2018-06-12 플라즈마 처리 장치 KR102070502B1 (ko)

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