KR102168064B1

KR102168064B1 - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법

Info

Publication number: KR102168064B1
Application number: KR1020140019300A
Authority: KR
Inventors: 코이치 나가미; 노리카즈 야마다; 타다시 곤다이; 코우이치 요시다
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2020-10-20
Also published as: US9875881B2; US20140231389A1; KR20140104380A

Abstract

정전 척을 개재하여 피처리 기판을 재치하는 고주파 전극(서셉터)과 이 기판의 사이의 이상 방전을 효율 좋게 안정 확실히 방지하는 것이다. 이 플라즈마 처리 장치에서는, 반도체 웨이퍼(W)가 정전 척(38) 상에 재치된 후의 제 1 시점에서, 서셉터(12)를 전기적으로 접지 상태로부터 플로팅 상태로 전환한다. 그리고 직후의 제 2 시점부터, 플라즈마 생성용의 제 2 고주파(HF)를 서셉터(12)에 인가하고, 챔버(10)에서 처리 가스를 여기하여 플라즈마를 생성한다. 그리고, 직후의 제 3 시점부터, 이온 인입용의 제 1 고주파(LF)를 서셉터(12)에 인가하여, 자기 바이어스(-V_dc)를 발생시킨다. 그리고, 상기 제 3 시점과 근접하는 제 4 시점부터, 서셉터(12)에 자기 바이어스(-V_dc)에 따른 음극성의 제 2 직류 전압(-B_DC)을 인가한다. 그리고, 상기 제 4 시점보다 이후의 제 5 시점부터, 정전 척(38)의 내부 전극(42)에 양극성의 제 1 직류 전압(A_DC)을 인가한다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}

본 발명은 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 기술에 관한 것으로, 특히 처리 용기 내에서 고주파 전극 상에 기판을 보지(保持)하기 위하여 정전 척을 이용하는 매엽식의 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.

매엽식의 플라즈마 처리 장치는, 전형적으로는, 진공 배기 가능한 처리 용기 내에서 서셉터 등이라 불리는 시료대 상에 단체(單體)의 피처리 기판(예를 들면 반도체 웨이퍼)을 재치하여 이 기판에 드라이 에칭, 산화, 퇴적 등의 플라즈마 처리를 실시하도록 하고 있다.

일반적으로, 고주파 전극을 겸하는 서셉터는, 전도성 및 가공성이 뛰어난 도체 예를 들면 알루미늄으로 이루어지고, 처리 용기 내에 비접지로, 즉 전기적으로 플로팅 상태로 장착되고, 플라즈마 처리 중에는 처리 용기 밖의 고주파 전원으로부터 정합기를 개재하여 일정 주파수의 고주파가 인가되도록 되어 있다.

또한 기구적으로는, 처리 전의 기판을 서셉터에 로딩하고, 처리 후의 기판을 서셉터로부터 언로딩하기 위한 리프트 핀이 서셉터를 관통하여 승강 이동할 수 있도록 되어 있다.

또한 플라즈마 처리 중의 기판의 온도를 제어하기 위하여, 서셉터의 내부 또는 주위에 냉각용의 냉각 매체 유로 혹은 가열용의 히터 소자 등이 설치된다. 이 경우, 서셉터의 온도를 기판에 효율적으로 전하기 위하여, 서셉터에 형성되는 가스 유로를 거쳐 기판의 이면으로 소정의 압력으로 전열용의 백 사이드 가스(일반적으로 He 가스)를 공급하도록 하고 있다.

상기와 같은 서셉터를 이용하는 플라즈마 처리 장치는, 서셉터 상에 기판을 고정하여 보지하기 위하여, 서셉터의 주면 즉 기판 재치면에 정전 척을 일체로 설치하고 있다. 이 종류의 정전 척은, 유전체막 내에 얇은 도체층 또는 내부 전극을 봉입하고 있고, 이 내부 전극에 고압(통상 2000 ~ 3000 V)의 직류 전압을 인가하여, 서셉터 상의 기판에 정전기를 발생시켜, 정전력으로 기판을 흡착 또는 보지하는 구조로 되어 있다.

그런데, 상기와 같이 서셉터가 고주파 전극을 겸하고 있는 플라즈마 처리 장치에서는, 정전 척 내의 내부 전극에 양극성으로 고압의 직류 전압을 인가하면, 기판과 서셉터의 사이에서 가스가 방전되어 기판이 데미지를 받기 쉬운 것이 문제가 되고 있다. 즉, 정전 척에는 리프트 핀 또는 백 사이드 가스를 통과시키기 위한 관통홀이 형성되고 있고, 이들 관통홀이 기판과 서셉터의 사이에 가스 공간을 형성한다. 정전 척의 내부 전극에 양극성의 고압 직류 전압을 인가하면, 정전 유도에 의해 서셉터의 전위가 예를 들면 1000 V 이상으로 인상된다. 한편, 기판에 고주파가 인가되고 또한 플라즈마에 노출됨으로써, 기판 표면의 전위는 자기 바이어스와 동일한 음의 전위(예를 들면 -500 V 이하)로 낮아진다. 그 결과, 기판과 서셉터의 사이에 큰 전위차가 발생하여, 양자 간의 상기 가스 공간 내에서 기판에 손상을 줄 정도의 이상 방전이 발생하기 쉬워진다.

종래부터, 그러한 기판과 서셉터 간의 이상 방전을 방지하기 위하여, 서셉터 상에서 웨이퍼 재치(載置) 영역을 둘러싸는 주변 영역에 유전체층을 개재하여 설치되는 포커스 링을, 저항 핀 등의 전류 제한 소자에 의해 서셉터에 전기적으로 접속하는 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다(특허 문헌 1). 이 플라즈마 처리 장치는, 서셉터에 고주파를 인가하여 플라즈마에 노출하고, 또한 정전 척의 내부 전극에 양극성의 고압 직류 전압을 인가해도, 전류 제한 소자를 개재하여 서셉터와 포커스 링의 사이에서 전하가 이동하여, 서셉터의 전위가 포커스 링의 전위 나아가서는 기판의 전위에 가까워지므로, 기판과 서셉터 간의 가스 공간 내에서 방전을 일으키기 어렵게 하고 있다.

일본특허공개공보 2011-210958호

상기와 같이 서셉터와 포커스 링을 전류 제한 소자에 의해 전기적으로 접속하는 플라즈마 처리 장치에서는, 포커스 링이 소모성의 교환 부품이기 때문에, 현실적으로는, 전류 제한 소자를 포커스 링에 용접 또는 납땜 등으로 접합할 수 없고, 스프링 가압 등의 접촉식에 의해 전기적 접속을 얻는 구성을 취할 수 밖에 없다. 그러나 접촉식은, 포커스 링과 전류 제한 소자의 사이에서 양호한 전기 전도를 얻는 것이 어렵고, 그 접촉 계면에서 큰 전위차가 발생하기 쉽다. 이 때문에, 전류 제한 소자에 본래의 기능을 발휘시키는 것이 어렵다.

본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 서셉터와 포커스 링의 사이에 전류 제한 소자를 설치하지 않아도, 피처리 기판과 정전 척을 개재하여 이를 재치하는 고주파 전극(서셉터)과의 사이의 이상 방전을 안정적으로 확실히 방지할 수 있도록 한 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공한다.

본 발명의 플라즈마 처리 장치는, 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에서 피처리 기판을 재치하는 도체로 이루어지는 서셉터와, 상기 서셉터에 제 1 고주파를 인가하는 제 1 고주파 급전부와, 상기 기판을 정전력으로 상기 서셉터에 보지하기 위하여, 상기 서셉터의 주면에 설치되는 정전 척과, 상기 서셉터에 자기 바이어스에 따른 음극성의 직류 전압을 인가하는 직류 전압 인가부를 가진다.

상기 구성의 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 플라즈마 처리 중에 플라즈마에 노출되는 기판의 표면의 전위는 자기 바이어스와 동일한 음극성의 전위가 되는 한편, 직류 전압 인가부에 의해 서셉터에 자기 바이어스에 따른 음극성의 직류 전압이 인가되므로, 기판과 서셉터 간의 전위차가 작은 값으로 유지되고, 기판 주변(특히 기판과 서셉터 사이의 가스 공간)에서 이상 방전이 발생하지 않게 된다.

본 발명의 플라즈마 처리 방법은, 처리 용기 내에서 도체의 서셉터의 주면에 설치되어 있는 정전 척 상에 피처리 기판을 재치하는 공정과, 상기 기판이 상기 정전 척 상에 재치된 후의 제 1 시점에서, 상기 서셉터를 전기적으로 접지 상태로부터 플로팅 상태로 전환하는 공정과, 상기 제 1 시점보다 이후의 제 2 시점으로부터, 상기 처리 용기 내에서 처리 가스를 여기하여 플라즈마를 생성하는 공정과, 상기 제 2 시점보다 이후의 제 3 시점으로부터, 상기 플라즈마의 이온을 상기 기판으로 인입하는데 적합한 주파수를 가지는 제 1 고주파를 상기 서셉터에 인가하는 공정과, 상기 제 2 시점보다 이후에 상기 제 3 시점과 근접하는 제 4 시점으로부터, 상기 서셉터에 자기 바이어스에 따른 음극성의 직류 전압을 인가하는 공정과, 상기 서셉터 상에서 상기 기판을 보지하기 위하여, 상기 제 4 시점보다 이후의 제 5 시점으로부터, 상기 정전 척 내의 전극에 양극성의 직류 전압을 인가하는 공정을 가진다.

상기 구성의 플라즈마 처리 방법에 있어서는, 서셉터에 자기 바이어스에 따른 음극성의 직류 전압이 인가되므로, 정상(定常) 상태에서 기판 주변(특히 기판과 서셉터 사이의 가스 공간)에서 이상 방전이 발생하지 않는다. 또한, 플라즈마 처리의 개시 직후에, 서셉터의 전위가 자기 바이어스에 연동하여 기판의 전위와 함께 낮아지므로, 양극성의 직류 전압이 정전 척의 내부 전극에 인가될 때도, 또한 프로세스의 개시 시에 플라즈마 부하가 변동해도, 기판 주변(특히 기판과 서셉터 사이의 가스 공간)에서 이상 방전이 발생하지 않게 된다.

본 발명의 플라즈마 처리 장치 또는 플라즈마 처리 방법에 의하면, 상기와 같은 구성 및 작용에 의해, 서셉터와 포커스 링의 사이에 전류 제한 소자를 설치하지 않아도, 정전 척을 개재하여 피처리 기판을 재치하는 고주파 전극(서셉터)과 이 기판의 사이의 이상 방전을 안정 확실히 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2는 상기 플라즈마 처리 장치에서의 매칭 유닛 내의 회로 구성을 도시한 회로도이다.
도 3a는 상기 플라즈마 처리 장치에서 단일 스텝의 매엽 처리(또는 멀티 스텝의 매엽 처리에서의 1 회째의 스텝)가 행해질 때의 기본 시퀀스를 나타낸 도이다.
도 3b는 상기 플라즈마 처리 장치에서 멀티 스텝 방식의 2 회째 이후의 스텝이 행해질 때의 기본 시퀀스를 나타낸 도이다.
도 4a는 도 3a의 기본 시퀀스의 구체적인 실례를 나타낸 도이다.
도 4b는 도 3b의 기본 시퀀스의 구체적인 실례를 나타낸 도이다.
도 5는 실시예에 따른 제 2 직류 전원을 구비하지 않은 경우(비교예)의 시퀀스의 구체적인 실례를 나타낸 도이다.
도 6은 상기 플라즈마 처리 장치에서의 제 1 정합기의 정합 회로 및 제 2 직류 전원의 결선의 일변형예를 나타낸 회로도이다.
도 7은 상기 플라즈마 처리 장치에서 서셉터에 제 2 직류 전압을 인가하는 방법인 제 2 실험예를 설명하기 위한 도이다.
도 8은 상기 제 2 실험예에서의 제 1 모의 실험으로 얻어지는 데이터 베이스의 테이블의 일례를 나타낸 도이다.
도 9a는 상기 제 2 실험예에서의 제 2 모의 실험으로 얻어지는 데이터 베이스의 테이블의 일례를 나타낸 도이다.
도 9b는 상기 제 2 실험예에서의 제 2 모의 실험으로 얻어지는 데이터 베이스의 테이블의 일례를 나타낸 도이다.
도 9c는 상기 제 2 실험예에서의 제 2 모의 실험으로 얻어지는 데이터 베이스의 테이블의 일례를 나타낸 도이다.
도 10은 다른 실시예에서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한 단면도이다.
도 11은 도 10의 플라즈마 처리 장치에서의 주요한 특징 부분을 도시한 도이다.
도 12는 서셉터에 제 2 직류 전압을 인가하는 방법인 제 5(및 제 6) 실험예의 주요부의 회로 구성을 도시한 회로도이다.
도 13은 정합기에 구비되는 매칭 테이블의 일례를 나타낸 도이다.
도 14는 스미스 차트 상에서 실험예에서의 정합기의 작용을 나타낸 도이다.
도 15는 서셉터에 제 2 직류 전압을 인가하는 방법인 제 7 실험예의 주요부의 회로 구성을 도시한 회로도이다.

이하에, 첨부도를 참조하여 본 발명의 적합한 실시예를 설명한다.

(플라즈마 처리 장치 전체의 구성)

도 1에, 본 발명의 일실시예에서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한다. 이 플라즈마 처리 장치는, 하부 2 주파 인가 방식의 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치로서 구성되어 있고, 예를 들면 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 등의 금속제의 원통 형상 챔버(처리 용기)(10)를 가지고 있다. 챔버(10)는 접지되어 있다.

챔버(10) 내에는, 피처리 기판으로서 예를 들면 반도체 웨이퍼(W)를 재치하는 원판 형상의 서셉터(12)가 하부 전극으로서 수평으로 배치되어 있다. 이 서셉터(12)는, 전도성과 가공성이 뛰어난 도체 예를 들면 알루미늄으로 이루어지고, 챔버(10)의 바닥으로부터 수직 상방으로 연장되는 예를 들면 세라믹제의 절연성 통 형상 지지부(14)에 의해 비접지로 지지되어 있다. 이 절연성 통 형상 지지부(14)의 외주를 따라 챔버(10)의 바닥으로부터 수직 상방으로 연장되는 도전성의 통 형상 지지부(16)와 챔버(10)의 내벽과의 사이에 환상(環狀)의 배기로(18)가 형성되고, 이 배기로(18)의 바닥에 배기구(20)가 형성되어 있다. 배기구(20)에는 배기관(22)을 개재하여 배기 장치(24)가 접속되어 있다. 배기 장치(24)는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 가지고 있고, 챔버(10) 내의 처리 공간을 원하는 진공도까지 감압할 수 있다. 챔버(10)의 측벽에는, 반도체 웨이퍼(W)의 반입출구를 개폐하는 게이트 밸브(26)가 장착되어 있다.

서셉터(12)에는, 제 1 및 제 2 고주파 전원(28, 30)이 매칭 유닛(32) 및 급전봉(34)을 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 여기서 제 1 고주파 전원(28)은, 주로 서셉터(12) 상의 반도체 웨이퍼(W)에 대한 이온의 인입에 기여하는 일정 주파수(예를 들면 13.56 MHz)의 제 1 고주파(LF)를 출력한다. 한편, 제 2 고주파 전원(30)은, 주로 플라즈마의 생성에 기여하는 일정 주파수(예를 들면 100 MHz)의 제 2 고주파(HF)를 출력한다. 매칭 유닛(32)에는, 제 1 및 제 2 고주파 전원(28, 30)과 부하(주로 플라즈마)의 사이에서 임피던스의 정합을 취하기 위한 제 1 및 제 2 정합기(100, 102)(도 2)가 수용되어 있다.

급전봉(34)은, 소정의 외경을 가지는 원통 형상 또는 원기둥 형상의 도체로 이루어지고, 그 상단이 서셉터(12)의 하면 중심부에 접속되고, 그 하단이 매칭 유닛(32) 내의 상기 제 1 및 제 2 정합기(100, 102)의 고주파 출력 단자에 접속되어 있다. 또한, 챔버(10)의 저면과 매칭 유닛(32)의 사이에는, 급전봉(34)의 주위를 둘러싸는 원통 형상의 도체 커버(37)가 설치되어 있다.

서셉터(12)는 반도체 웨이퍼(W)보다 더 로큰 직경 또는 구경을 가지고 있다. 서셉터(12)의 상면 즉 주면은, 반도체 웨이퍼(W)와 대략 동일 형상(원형) 또한 대략 동일 사이즈의 중심 영역 즉 웨이퍼 재치 영역과, 이 웨이퍼 재치 영역의 주위에 연장되는 환상의 주변 영역으로 구획되어 있다. 웨이퍼 재치 영역 상에, 후술하는 정전 척(38)을 개재하여 처리 대상의 반도체 웨이퍼(W)가 재치된다. 환상 주변 영역 상에는, 링 형상의 유전체층(35)을 개재하여 반도체 웨이퍼(W)의 구경보다 큰 내경을 가지는 링 형상의 판재(板材) 이른바 포커스 링(36)이 설치된다. 이 포커스 링(36)은, 반도체 웨이퍼(W) 표면의 피에칭재에 따라, 예를 들면 Si, SiC, C, SiO₂ 중 어느 하나의 재질로 구성되어 있다.

서셉터(12)의 웨이퍼 재치 영역에는 웨이퍼 흡착용의 정전 척(38)이 설치되어 있다. 이 정전 척(38)은, 서셉터(12)의 상면에 일체 형성 또는 일체 고착된 유전체층(40) 내에 내부 전극(42)을 봉입하고 있다. 이 내부 전극(42)에는, 챔버(10)의 밖에 배치되는 외부 장착의 제 1 직류 전원(44)이 스위치(46), 고저항값의 저항기(48) 및 DC 고압선(50)을 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 제 1 직류 전원(44)으로부터 양극성으로 고압(예를 들면 2000 ~ 3000 V)의 제 1 직류 전압(A_DC)이 정전 척(38)의 내부 전극(42)에 인가됨으로써, 반도체 웨이퍼(W)가 정전력으로 정전 척(38)에 흡착되도록 되어 있다. 또한 DC 고압선(50)은 피복선이며, 서셉터(12)를 아래로부터 관통하여 정전 척(38)의 내부 전극(42)에 접속되어 있다.

서셉터(12)의 내부에는, 예를 들면 원주 방향으로 연장되는 환상의 냉매실 또는 냉매 통로(52)가 설치되어 있다. 이 냉매실(52)에는 칠러 유닛(도시하지 않음)으로부터 냉매 공급관(54)을 거쳐 소정 온도의 냉매 예를 들면 냉각수(CW)가 순환 공급된다. 냉매의 온도에 따라 서셉터(12)의 온도를 낮추는 방향으로 제어할 수 있다. 그리고, 서셉터(12)에 반도체 웨이퍼(W)를 열적으로 결합시키기 위하여, 백 사이드 가스 공급부(도시하지 않음)로부터의 전열용의 백 사이드 가스 예를 들면 He 가스가, 가스 공급관 및 서셉터(12) 내부의 가스 통로(56)를 거쳐 정전 척(38)과 반도체 웨이퍼(W)의 접촉 계면으로 공급되도록 되어 있다.

서셉터(12) 및 정전 척(38)에는, 서셉터(12) 상에서의 반도체 웨이퍼(W)의 로딩 / 언로딩에 이용되는 복수 개(예를 들면 3 개)의 리프트 핀(58)을 승강 이동 가능하게 통과시키는 관통홀(60, 62)이 각각 형성되어 있다. 리프트 핀(58)은 예를 들면 수지 또는 세라믹 등의 절연체로 이루어지고, 링 형상의 수평 승강판(64)에 지지되어 있다. 이 수평 승강판(64)은, 에어 실린더 또는 볼 나사 기구 등으로 이루어지는 액추에이터(66)의 승강 구동축(68)에 결합되어 있다.

챔버(10)의 천장에는, 서셉터(12)와 평행으로 마주하여 상부 전극을 겸하는 샤워 헤드(70)가 설치되어 있다. 이 샤워 헤드(70)는, 서셉터(12)와 마주보는 전극판(72)과, 이 전극판(72)을 그 배후(위)로부터 착탈 가능하게 지지하는 전극 지지체(74)를 가지고, 전극 지지체(74)의 내부에 가스실(76)을 설치하고, 이 가스실(76)로부터 서셉터(12)측으로 관통하는 다수의 가스 토출홀(78)을 전극 지지체(74) 및 전극판(72)에 형성하고 있다. 전극판(72)과 서셉터(12)의 사이의 공간(PS)이 플라즈마 생성 공간 내지 처리 공간이 된다. 가스실(76)의 상부에 형성되는 가스 도입구(76a)에는, 처리 가스 공급부(80)로부터의 가스 공급관(82)이 접속되어 있다. 전극판(72)은 예를 들면 Si, SiC 혹은 C로 이루어지고, 전극 지지체(74)는 예를 들면 알루마이트 처리된 알루미늄으로 이루어진다.

이 플라즈마 에칭 장치는, 서셉터(12)에 음극성 또한 가변의 제 2 직류 전압(-B_DC)을 인가하기 위한 제 2 직류 전원(104)을 구비하고 있다. 이 제 2 직류 전원(104)의 출력 단자는, 스위치(106)를 개재하여 매칭 유닛(32) 내에서 제 1 고주파 급전부(108)(도 2)에 전기적으로 접속되어 있다.

주 제어부(84)는 마이크로 컴퓨터 및 각종 인터페이스를 포함하고, 외부 메모리 또는 내부 메모리에 저장되는 소프트웨어(프로그램) 및 레시피 정보에 따라, 이 플라즈마 에칭 장치 내의 각 부 예를 들면 배기 장치(24), 고주파 전원(28, 30), 매칭 유닛(32)(정합기(102, 104)), 스위치(46, 106), 제 2 직류 전원(가변 직류 전원)(104), 리프트 기구의 액추에이터(66), 칠러 유닛(도시하지 않음), 백 사이드 가스 공급부(도시하지 않음) 및 처리 가스 공급부(80) 등의 개개의 동작 및 장치 전체의 동작(시퀀스)을 제어한다.

또한 이 실시예에서는, 주 제어부(84)가 1 개의 제어 유닛으로서 도시되어 있지만, 복수의 제어 유닛이 주 제어부(84)의 기능을 병렬적 또는 계층적으로 분담하는 형태를 취해도 된다.

이 플라즈마 에칭 장치에서의 매엽식 드라이 에칭의 기본적인 동작은 다음과 같이 하여 행해진다. 먼저, 게이트 밸브(26)를 열어, 이웃 챔버인 로드록 챔버 또는 트랜스퍼 챔버(도시하지 않음)로부터 반송 암(도시하지 않음)을 도입하여 처리 대상의 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(10) 내로 반입시킨다. 로딩 동작은, 액추에이터(66)가 작동하고, 리프트 핀(58)을 상승시켜 반송 암으로부터 반도체 웨이퍼(W)를 수취하고, 이어서 리프트 핀(58)을 강하시켜 반도체 웨이퍼(W)를 서셉터(12)의 주면 즉 정전 척(38) 상에 재치한다. 그리고, 처리 가스 공급부(80)로부터 에칭 가스(일반적으로 혼합 가스)를 소정의 유량으로 챔버(10) 내에 도입하고, 배기 장치(24)에 의해 챔버(10) 내의 압력을 설정값으로 한다. 또한 제 1 및 제 2 고주파 전원(28, 30)을 온으로 하여 제 1 고주파(LF) 및 제 2 고주파(HF)를 각각 소정의 파워로 출력시키고, 이들 고주파(LF, HF)를 매칭 유닛(32) 및 급전봉(34)를 개재하여 서셉터(하부 전극)(12)에 인가한다. 또한, 스위치(46)를 온으로 하여 반도체 웨이퍼(W)를 정전력으로 정전 척(38)에 보지하고, 백 사이드 가스 공급부로부터 반도체 웨이퍼(W)와의 사이의 접촉 계면으로 전열용의 백 사이드 가스(He 가스)를 공급한다. 샤워 헤드(70)로부터 양 전극(70, 12) 사이의 처리 공간(PS)에 토출된 에칭 가스의 고주파 방전에 의해 플라즈마가 생성되고, 이 플라즈마로부터 공급되는 라디칼 또는 이온에 의해 반도체 웨이퍼(W) 표면의 피가공막이 원하는 패턴으로 에칭된다.

이 플라즈마 에칭 장치는 음극 결합형이며, 플라즈마의 생성에 적합한 비교적 높은 주파수(예를 들면 100 MHz)를 가지는 제 2 고주파(HF)를 서셉터(12)에 인가함으로써, 플라즈마를 바람직한 해리 상태로 고밀도화하고, 보다 저압의 조건하에서도 고밀도의 플라즈마를 형성할 수 있다. 그와 동시에, 이온의 인입에 적합한 비교적 낮은 주파수(예를 들면 13.56 MHz)를 가지는 제 1 고주파(LF)를 서셉터(12)에 인가함으로써, 서셉터(12) 상의 반도체 웨이퍼(W)에 대하여 수직 형상의 에칭 가공에 유리한 이방성의 에칭을 실시할 수 있다.

또한 이 플라즈마 에칭 장치에서는, 플라즈마에 노출되는 서셉터(하부 전극)(12)에 이온 인입용의 제 1 고주파(LF)를 인가하고, 또한 반도체 웨이퍼(W)를 서셉터(12) 상에서 보지하기 위하여 제 1 직류 전원(44)으로부터 정전 척(38)의 내부 전극(42)에 양극성의 제 1 직류 전압(A_DC)을 인가하는 한편, 제 2 직류 전원(104)으로부터 자기 바이어스(-V_dc)에 따른 음극성의 제 2 직류 전압(-B_DC)을 서셉터(12)에 인가함으로써, 반도체 웨이퍼(W)와 서셉터(12)의 사이의 전위차를 최대한 작게 억제할 수 있다. 이 때문에, 반도체 웨이퍼(W)와 서셉터(12) 사이의 가스 공간(56, 60, 62)에서 이상 방전이 발생할 우려는 없다. 따라서, 반도체 웨이퍼(W)에 이상 방전에 의한 데미지를 주지 않아, 플라즈마 에칭 프로세스의 수율을 향상시킬 수 있다.

(매칭 유닛 내의 구성)

도 2에, 이 플라즈마 에칭 장치의 매칭 유닛(32) 내의 회로 구성을 도시한다.

매칭 유닛(32) 내에는 제 1 및 제 2 정합기(100, 102)가 설치되어 있다. 제 1 정합기(100)는, 제 1 고주파 전원(28)으로부터 출력되는 이온 인입용의 제 1 고주파(LF)를 무반사 또는 적은 반사로 효율 좋게 챔버(10) 내의 플라즈마 부하로 전송하도록 동작하고, 제 1 고주파 전원(28)과 조합하여 제 1 고주파 급전부(108)를 형성한다. 한편 제 2 정합기(102)는, 제 2 고주파 전원(30)으로부터 출력되는 플라즈마 생성용의 제 2 고주파(HF)를 무반사 또는 적은 반사로 효율 좋게 챔버(10) 내의 플라즈마 부하로 전송하도록 동작하고, 제 2 고주파 전원(30)과 조합하여 제 2 고주파 급전부(110)를 형성한다.

제 1 정합기(100)는, 제 1 고주파 전원(28)의 출력 단자와 부하의 사이에서 직렬로 접속되는 콘덴서(114) 및 코일(116)과, 콘덴서(114)의 입력측 단자와 접지 전위 부재(도시하지 않음)와의 사이에 접속되는 콘덴서(112)로 이루어지는 L 형의 정합 회로를 가지고 있다. 양 콘덴서(112, 114)는 가변 콘덴서이다. 제 1 고주파 전원(28)이 제 1 고주파(LF)를 출력하고 있을 때는, 매칭 컨트롤러 및 스텝 모터 등으로 구성되는 제 1 오토 매칭 기구(도시하지 않음)가, 상기 정합 회로(112, 114, 116)도 포함되는 부하측의 임피던스를 제 1 고주파 전원(28)측의 임피던스(통상 50 Ω)에 일치시키도록, 각각의 가변 콘덴서(112, 114)의 정전 용량을 가변으로 제어하도록 되어 있다.

제 2 정합기(102)는, 제 2 고주파 전원(30)의 출력 단자와 접지 전위 부재(도시하지 않음)의 사이에서 직렬로 접속되는 1 차 코일(118) 및 1 차 콘덴서(120)와, 1 차 코일(118)에 트랜스 결합되는 2 차 코일(122)과, 이 2 차 코일(122)과 부하의 사이에 직렬로 접속되는 2 차 콘덴서(124)로 이루어지는 유도 결합형의 정합 회로를 가지고 있다. 양 콘덴서(120, 124)는 가변 콘덴서이다. 제 2 고주파 전원(30)이 제 2 고주파(HF)를 출력하고 있을 때는, 매칭 컨트롤러 및 스텝 모터 등으로 구성되는 제 2 오토 매칭 기구(도시하지 않음)가, 상기 정합 회로(118 ~ 124)도 포함되는 부하측의 임피던스를 제 2 고주파 전원(30)측의 임피던스(통상 50 Ω)에 일치시키도록, 각각의 가변 콘덴서(120, 124)의 정전 용량을 가변으로 제어하도록 되어 있다.

제 1 고주파 급전부(108)에는, 제 1 정합기(100)의 출력 단자와 급전봉(34)의 사이에, 코일(126) 및 콘덴서(128)로 이루어지는 L 형의 로우 패스·필터(130)가 설치되어 있다. 이 로우 패스·필터(130)는, 제 1 정합기(100)로부터의 제 1 고주파(LF) 및 제 2 직류 전원(104)으로부터의 제 2 직류 전압(-B_DC)을 서셉터(12)측에 통하게 하고, 제 2 고주파 급전부(110)로부터의 제 2 고주파(HF)를 차단한다.

또한 제 2 고주파 급전부(110) 내에서는, 제 2 정합기(102) 내에서 트랜스 결합되어 있는 코일(118, 122)이, 제 1 고주파 급전부(108)로부터의 제 1 고주파(LF)를 차단하도록 되어 있다.

매칭 유닛(32)의 하우징 내에는, 상술한 제 1 및 제 2 정합기(100, 102) 외에도, 1 차적으로는 보안 접지용의 릴레이 스위치(132)가 설치되어 있다. 이 릴레이 스위치(132)는, 그 일방의 단자가 저항기(134)를 개재하여 접지 전위 부재(도시하지 않음)에 접속되고, 타방의 단자가 코일(136) 및 콘덴서(138)로 이루어지는 L 형의 고주파 차단 필터(140)를 개재하여 제 1 정합기(100) 내의 고주파 전송로(도시의 예에서는 콘덴서(114)와 코일(116)의 사이의 접속점(NA))에 접속되어 있다. 고주파 차단 필터(140)는, 직류를 통하게 하고, 제 1 고주파(LF) 외의 고주파를 차단하는 필터 특성을 가지고 있다.

릴레이 스위치(132)가 오프되어 있을 때는, 제 1 정합기(100) 내의 접속점(NA)이 전기적(특히 직류적)으로 플로팅 상태에 있으며, 따라서 서셉터(12)도 플로팅 상태에 놓여진다. 릴레이 스위치(132)가 온되면, 과도적으로는 그 때까지 서셉터(12)에 축적되어 있던 전하가 접속점(NA), 로우 패스·필터(140), 릴레이 스위치(132) 및 저항기(134)를 거쳐 접지 전위 부재(그라운드)에 흐르고, 정상적으로는 서셉터(12)의 전위가 그라운드 전위로 유지된다.

이 실시예에서, 제 2 직류 전원(104)은 릴레이 스위치(132)와 병렬로 접속되어 있다. 보다 상세하게는, 제 2 직류 전원(104)의 출력 단자는, 저항기(142) 및 고주파 차단 필터(140)를 개재하여 제 1 정합기(100) 내의 접속점(NA)에 접속되어 있다. 여기서 저항기(142)는, 앞 단의 고주파 차단 필터(140)에서 누출되어 오는 제 1 고주파(LF) 이 외의 고주파를 확실히 차단하는 다음 단의 고주파 차단 필터를 구성하고 있다.

제 2 직류 전원(104)의 출력 전압(제 2 직류 전압)(-B_DC)은, 저항기(고주파 차단 필터)(142), 고주파 차단 필터(140)의 코일(136), 제 1 정합기(100)의 코일(116) 및 로우 패스·필터(130)의 코일(126)을 개재하여 서셉터(12)에 인가되도록 되어 있다. 한편 제 2 직류 전원(104)은, 제 1 고주파 급전부(108)로부터는 2 단의 고주파 차단 필터(140, 142)에 의해 마스크되고, 제 2 고주파 급전부(110)로부터는 또한 로우 패스·필터(130)에 의해서도 마스크되어 있으므로, 제 1 및 제 2 정합기(100, 102)의 정합 동작에 영향을 주지 않도록 되어 있다.

제 2 직류 전원(104)은, 주 제어부(84)의 일부를 구성하는 직류 전압 제어부(144)의 제어하에서, 그 출력 전압(제 2 직류 전압)(-B_DC)을 일정한 범위(예를 들면 -3000 V ~ 0 V)에서 가변으로 제어할 수 있도록 되어 있다. 직류 전압 제어부(144)는, 제 2 직류 전원(104)의 출력 전압(-B_DC)을 레시피 정보에 기초하여 적당한 설정값(고정값)으로 조정하는 것도 가능하다. 그러나 이 실시예에서는, 플라즈마 처리 중에 플라즈마에 노출되는 서셉터(12) 상의 반도체 웨이퍼(W)의 표면 전위(자기 바이어스(-V_dc)와 동일한 음극성의 전위)의 부정 또는 동적인 변화에도 대응 가능한 제 2 직류 전압(-B_DC)이, 직류 전압 제어부(144)의 제어하에서 제 2 직류 전원(104)으로부터 출력되도록 되어 있다.

제 1 고주파 급전부(108)의 고주파 전송로 상에는, 제 1 고주파(LF)의 전압 진폭(예를 들면 피크·투·피크)(V_pp)을 측정하기 위한 V_pp 측정부(146)와, 제 1 고주파(LF)의 진행파 파워(P_f) 및 반사파 파워(P_r)를 측정하는 RF 파워 모니터(예를 들면 방향성 결합기)(148)가 설치되어 있다. 그리고, V_pp 측정부(146)로부터 V_pp 측정값(MV_pp), RF 파워 모니터(148)로부터 진행파 파워 측정값(MP_f) 및 반사파 파워 측정값(MP_r)이 직류 전압 제어부(144)에 전달되도록 되어 있다.

일반적으로, 이 실시예와 같이 서셉터(하부 전극)(12)에 주파수가 상이한 복수의 고주파(LF, HF)를 인가할 경우에는, 주파수가 가장 낮은 고주파(LF)의 전압의 진폭(V_pp)이 서셉터(12) 상의 고주파 전압의 진폭을 지배적으로 좌우한다. 특히, 제 2 고주파(HF)가 100 MHz 혹은 그 이상의 높은 주파수를 가질 경우에는, 서셉터(12) 상의 제 2 고주파(HF)의 전압 진폭(V_pp)은 무시할 수 있을 만큼 작다. 한편, 자기 바이어스(-V_dc)의 절대값(V_dc)과 서셉터(12) 상의 고주파 전압의 진폭(V_pp)의 사이에는 정상적으로는 일정한 비례 관계 즉 V_dc ≒ KV_pp(K는 계수 : 0 ＜ K ＜ 1)의 관계가 있다. 따라서 직류 전압 제어부(144)는, 기본적 또는 정상적으로는, V_pp 측정부(146)로부터의 RF전압 진폭 측정값(MV_pp)에 따라 제 2 직류 전원(104)의 출력 전압(제 2 직류 전압)(-B_DC)을 제어하고, 예를 들면 -B_DC = -K * MV_pp가 되도록 제어한다.

그러나, 플라즈마 처리의 개시 시 또는 플라즈마 처리의 도중에 플라즈마의 부하가 변동하면, 자기 바이어스(-V_dc)와 서셉터(12) 상의 고주파 전압의 진폭(V_pp)의 사이에서 상기의 비례 관계(V_dc ≒ KV_pp)가 깨지고, 자기 바이어스(-V_dc)의 절대값(V_dc)이 KV_pp보다 작아진다. 이 때, 플라즈마 부하에 RF 파워가 충분히 흡수되지 않고, 그 만큼 RF 반사파 파워(P_r)가 증대한다.

직류 전압 제어부(144)는, 그러한 플라즈마 부하의 변동에 대처하기 위하여, V_pp 측정부(146)로부터의 RF 전압 진폭 측정값(MV_pp)과 RF 파워 모니터(148)로부터의 RF 반사파 파워 측정값(MP_r)에 따라 제 2 직류 전원(104)의 출력 전압(제 2 직류 전압)(-B_DC)을 제어하고, 예를 들면 -B_DC = -(K * MV_pp - J * MP_r) 혹은 -B_DC = -(K -D * MP_r) * MV_pp가 되도록 제어한다. 단, J, D는 계수이다.

또한 직류 전압 제어부(144)는, 플라즈마 부하 변동에 대한 제 2 직류 전압(-B_DC)의 가변 제어의 안정성 내지 정밀도를 한층 높이기 위하여, V_pp 측정부(146)로부터의 RF 전압 진폭 측정값(MV_pp)과 RF 파워 모니터(148)로부터의 RF 진행파 파워 측정값(MP_f) 및 RF 반사파 파워 측정값(MP_r)에 따라 제 2 직류 전원(104)의 출력 전압(제 2 직류 전압)(-B_DC)을 제어하고, 예를 들면 -B_DC = -K * MV_pp * E * (MP_f - MP_r) / MP_f가 되도록 제어한다. 단, E는 계수이다.

(실시예에서의 시퀀스)

도 3a에, 이 실시예의 플라즈마 처리 장치에서 단일 스텝의 매엽 처리가 행해질 때, 혹은 멀티 스텝 방식에서 1 회째의 스텝의 매엽 처리가 행해질 때의 주요한 각 부 간의 타이밍 관계, 특히 동작 개시 시의 기본 시퀀스를 나타낸다.

상기와 같이 처리 대상의 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(10) 내에서 정전 척(38) 상에 재치될 때, 릴레이 스위치(132)는 온 상태를 유지하고 있고, 서셉터(12)는 전기적으로 접지되어 있다. 그리고, 챔버(10) 내가 감압 상태가 되고, 에칭 가스의 도입이 개시되고 나서, 소정의 시점(t0)에서 릴레이 스위치(132)가 오프가 된다. 이에 의해, 서셉터(12)는 전기적(특히 직류적)으로 플로팅 상태가 된다.

직후에, 시점(t₁)에서, 제 2 고주파 전원(30)이 온되고, 제 2 정합기(102)도 정합 동작을 개시한다. 이에 의해, 서셉터(12)에 대하여 제 2 고주파 급전부(110)로부터 플라즈마 생성용의 제 2 고주파(HF)의 인가가 개시되고, 에칭 가스가 방전되기 시작한다(플라즈마가 착화한다).

이 직후에(통상, 시점(t₁)으로부터 2 초 이내에), 시점(t₂)에서 제 1 고주파 전원(28)이 온되고, 제 1 정합기(100)도 정합 동작을 개시한다. 이에 의해, 서셉터(12)에 대하여 제 1 고주파 급전부(108)로부터 이온 인입용의 제 1 고주파(LF)의 인가가 개시된다. 그러면, 서셉터(12) 상의 반도체 웨이퍼(W)와 벌크 플라즈마의 사이(즉 시스)에 자기 바이어스(-V_dc)가 발생하여, 플라즈마로부터 반도체 웨이퍼(W)에 이온이 인입된다.

여기서 자기 바이어스(-V_dc)는, 제 1 고주파 급전부(108)를 개재하여 반도체 웨이퍼(W)의 표면과 그라운드(접지 전위 부재)의 사이에 걸리는 전압이기도 하며, 제 1 고주파 급전부(108)의 고주파 전송로 상에 직렬로 접속되는 모든 콘덴서 또는 커패시터, 즉 제 1 정합기(100)의 콘덴서(114), 또는 정전 척(38)의 유전체층을 개재하여 반도체 웨이퍼(W)와 서셉터(12)의 사이에 형성되는 커패시터 등이 이른바 블로킹 콘덴서를 형성한다.

또한, 서셉터(12) 상에서 반도체 웨이퍼(W)의 주위에 배치되는 포커스 링(36)에도, 동일한 자기 바이어스(-V_dc)가 발생하여, 플라즈마로부터 이온이 인입된다. 즉, 포커스 링(36)은 전기적으로도 서셉터(12) 상에서 반도체 웨이퍼(W)와 병렬로 배치되어 있고, 플라즈마에 대하여 반도체 웨이퍼(W)의 엣지를 반경 방향 외측으로 외관상 확장하는 기능을 가지고 있다.

한편, 플라즈마의 착화 후에, 상기 시점(t₂)에 바람직하게는 1 초 이내의 시간차로 근접(전후)하는 시점(t₃)에서, 제 2 직류 전원(104)이 온되어, 서셉터(12)에 대하여 음극성의 제 2 직류 전압(-B_DC)의 인가를 개시한다. 이에 의해, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 전위가 자기 바이어스(-V_dc)의 전위로 낮아지는 것과 연동하여 대략 동시에 서셉터(12)의 전위가 자기 바이어스(-V_dc)에 대응하는 제 2 직류 전압(-B_DC)의 전위로 낮아진다.

이 후(통상, 시점(t₃)으로부터 0.3 초 이상 경과 후에), 시점(t₄)에서, 제 1 직류 전원(44)이 온이 되고, 정전 척(38)의 내부 전극(42)에 대하여 양극성의 제 1 직류 전압(A_DC)의 인가를 개시한다. 이에 의해, 반도체 웨이퍼(W)의 이면과 정전 척(38)의 표면에 양·음의 전하 즉 정전기가 발생하고, 반도체 웨이퍼(W)가 정전력으로 정전 척(38)에 흡착된다. 이 때, 서셉터(12)에는 제 2 직류 전압(-B_DC)이 이미 인가되어 있으므로, 서셉터(12)의 전위가 제 1 직류 전압(A_DC)의 영향(정전 유도)을 받지는 않는다. 그리고 직후의 시점(t₅)에서, 백 사이드 가스 공급부가 온되어, 서셉터(12) 내의 가스 통로를 거쳐 반도체 웨이퍼(W)의 이면으로 백 사이드 가스를 공급한다.

이와 같이, 단일 스텝 또는 1 회째의 스텝의 경우는, 반도체 웨이퍼(W)가 정전 척(38) 상에 재치된 후의 시점(t0)에서, 릴레이 스위치(132)를 지금까지의 온 상태로부터 오프 상태로 전환하여, 서셉터(12)를 전기적으로 접지 상태로부터 플로팅 상태로 전환한다. 그리고, 직후의 시점(t₁)부터, 제 2 고주파 급전부(110)에서 플라즈마 생성용의 제 2 고주파(HF)를 서셉터(12)에 인가하고, 챔버(10)에서 처리 가스를 제 2 고주파(HF)의 에너지로 여기하여 플라즈마를 생성한다. 그리고, 직후의 시점(t₂)부터, 제 1 고주파 급전부(108)에서 이온 인입용의 제 1 고주파(LF)를 서셉터(12)에 인가하여, 자기 바이어스(-V_dc)를 발생시킨다. 그리고, 상기 시점(t₂)과 (바람직하게는 1 초 이내의 시간차로) 근접하는 시점(t₃)부터, 서셉터(12)에 자기 바이어스(-V_dc)에 대응하는 음극성의 제 2 직류 전압(-B_DC)을 인가한다. 그리고, 상기 시점(t₃)보다 이후의 시점(t₄)부터, 정전 척(38)의 내부 전극(42)에 양극성의 제 1 직류 전압(A_DC)을 인가한다.

이러한 시퀀스에 따르면, 서셉터(12)에 자기 바이어스(-V_dc)에 따른 음극성의 제 2 직류 전압(-B_DC)이 인가되므로, 정상 상태에서 반도체 웨이퍼(W)와 서셉터(12) 사이의 가스 공간(56, 60, 62)에서 이상 방전이 발생하지 않는다. 또한 플라즈마 처리의 개시 직후에, 서셉터(12)의 전위가 자기 바이어스(-V_dc)에 연동하여 반도체 웨이퍼(W)의 전위와 함께 낮아지므로, 양극성의 제 1 직류 전압(A_DC)이 정전 척(38)의 내부 전극(42)에 인가될 때도, 또한 프로세스의 개시 시에 플라즈마 부하가 변동해도, 상기 가스 공간(56, 60, 62)에서 이상 방전이 발생할 우려는 없다.

도 3b에, 멀티 스텝 방식에서 2 회째 이후의 각 스텝의 매엽 처리가 행해질 때의 주요한 각 부 간의 타이밍 관계, 특히 동작 개시 시의 기본 시퀀스를 나타낸다.

이 경우, 1 회째의 스텝이 종료된 후에도, 릴레이 스위치(132)는 오프 상태를 유지하고, 제 1 직류 전원(44)은 온 상태(제 1 직류 전압(A_DC)의 인가)를 유지하고, 백 사이드 가스 공급부는 백 사이드의 가스의 공급을 유지한다. 이 상태하에서, 2 회째의 스텝을 개시하기 위하여, 시점(t₁₁)에서, 제 2 고주파 전원(30)이 온되고, 제 2 정합기(102)도 정합 동작을 개시한다. 이에 의해, 서셉터(12)에 대하여 제 2 고주파 급전부(110)로부터 플라즈마 생성용의 제 2 고주파(HF)의 인가가 개시되고, 에칭 가스가 방전되기 시작한다(플라즈마가 재착화한다).

이 직후에, 시점(t₁₂)에서 제 1 고주파 전원(28)이 온되고, 제 1 정합기(100)도 정합 동작을 개시한다. 이에 의해, 서셉터(12)에 대하여 제 1 고주파 급전부(108)로부터 이온 인입용의 제 1 고주파(LF)의 인가가 개시된다. 그러면, 서셉터(12) 상의 반도체 웨이퍼(W)와 벌크 플라즈마의 사이(즉 시스)에 자기 바이어스(-V_dc)가 발생하여, 플라즈마로부터 반도체 웨이퍼(W)에 이온이 인입된다.

한편, 플라즈마의 재착화 후에, 상기 시점(t₁₂)에 바람직하게는 1 초 이내의 시간차로 근접(전후)하는 시점(t₁₃)에서, 제 2 직류 전원(104)이 온되어, 서셉터(12)에 대하여 음극성의 제 2 직류 전압(-B_DC)의 인가를 개시한다. 이에 의해, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 전위가 자기 바이어스(-V_dc)의 전위로 낮아지는 것과 연동하여 대략 동시에 서셉터(12)의 전위가 자기 바이어스(-V_dc)에 따른 제 2 직류 전압(-B_DC)의 전위로 낮아진다.

이와 같이, 멀티 스텝 방식에서 2 회째 이후의 각 스텝이 행해질 때는, 서셉터(12)에 제 1 직류 전압(A_DC)이 인가되고 있는 상태하에서, 최초로(시점(t₁₁)부터) 제 2 고주파 급전부(110)에서 플라즈마 생성용의 제 2 고주파(HF)를 서셉터(12)에 인가하고, 챔버(10)에서 처리 가스를 제 2 고주파(HF)의 에너지로 여기하여 플라즈마를 재생성한다. 그리고, 직후의 시점(t₁₂)부터, 제 1 고주파 급전부(108)에서 이온 인입용의 제 1 고주파(LF)를 서셉터(12)에 인가하여, 자기 바이어스(-V_dc)를 재차 발생시킨다. 그리고, 상기 시점(t₁₂)과 (바람직하게는 1 초 이내의 시간차로) 근접하는 시점(t₁₃)부터, 서셉터(12)에 자기 바이어스(-V_dc)에 따른 음극성의 제 2 직류 전압(-B_DC)을 다시 인가한다.

이러한 시퀀스에 따르면, 플라즈마 처리가 재개된 직후에, 서셉터(12)의 전위가 자기 바이어스(-V_dc)에 연동하여 반도체 웨이퍼(W)의 전위와 함께 낮아지므로, 프로세스의 개시 시에 플라즈마 부하가 변동해도, 상기 가스 공간(56, 60, 62)에서 이상 방전이 발생할 우려는 없다.

도 4a 및 도 4b에, 이 실시예에서의 상기 시퀀스의 구체적인 실례를 나타낸다. 이들 도에서 "HF Pf" 및 "HF Pr"은, 제 2 고주파(HF)의 진행파 파워 및 반사파 파워이다. "LF Pf" 및 "LF Pr"은, 제 1 고주파(LF)의 진행파 파워 및 반사파 파워이다. "HF C1" 및 "HF C2"는, 제 2 정합기(102)에서의 가변 콘덴서(120, 124)의 바리콘 스텝(커패시턴스값에 대응하는 조정 위치)이다. "LF C1" 및 "LF C2"는, 제 1 정합기(100)에서의 가변 콘덴서(112, 114)의 바리콘 스텝이다. "RFD"는, 플라즈마 발광 모니터(도시하지 않음)에 의해 측정되는 플라즈마 발광 강도이다. "ESC I"는, 제 1 직류 전원(44)으로부터 정전 척(38)의 내부 전극(42)에 이르는 제 1 직류 전압 급전부 내에서 흐르는 전류이다. "LF V_pp"는, 제 1 정합기(100) 내에서 V_pp 측정부(146)에 의해 측정되는 제 1 고주파(LF)의 전압 진폭(피크·투·피크)이다. "-V_dc"는, 자기 바이어스이다. "-HV2 V"는, 서셉터(12)의 전위이다. "HV2 I"는, 제 2 직류 전원(104)으로부터 서셉터(12)에 이르는 제 2 직류 전압 급전부 내에서 흐르는 전류이다.

단일 스텝 또는 멀티 스텝 방식에서의 1 회째의 스텝의 경우(도 4a), 제 1 직류 전압(A_DC)의 인가를 개시한 직후에 제 1 직류 전압 급전부 내에서 전류"ESC I"가 급격하게 흐르는 것은 과도 현상이며, 신속하게 감쇠한다. 즉, 반도체 웨이퍼(W)와 서셉터(12) 사이의 가스 공간(56, 60, 62)에서 이상 방전이 발생하고 있지 않는 것을 알 수 있다. 또한 시점(t_3S, t_3E)은, 제 2 직류 전압(-B_DC)의 인가(동작 시작)의 개시 및 완료의 타이밍이며, t_3S ~ t_3E는 0.35 초이다.

멀티 스텝 방식에서의 2 회째 이후의 각 스텝의 경우(도 4b)는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 전위 즉 자기 바이어스(-V_dc)가 낮아지는 것과 연동하여 대략 동시에 서셉터(12)의 전위가 자기 바이어스(-V_dc)에 따른 제 2 직류 전압(-B_DC)의 전위로 낮아지는 것을 알 수 있다. 그리고, 제 1 직류 전압 급전부 내에서 전류"ESC I"가, 플라즈마로부터의 반사의 영향을 받아 시점(t₁₃ ~ t_a)의 구간에서 증가해도 신속하게 감소로 전환하여 시점(t_b ₎에는 원래의 상태(대략 0 A)로 돌아온다. 이와 같이, 제 1 직류 전압 급전부 내에서 전류"ESC I"에 이상이 보여지지 않는 점에서, 반도체 웨이퍼(W)의 주변에서, 특히 반도체 웨이퍼(W)와 서셉터(12) 사이의 가스 공간(56, 60, 62)에서, 이상 방전이 발생하고 있지 않는 것이 확인된다.

이 실례에서는, 상기와 같이 제 2 직류 전원(104)이 제 2 직류 전압(-B_DC)의 출력을 개시하는 타이밍(시점(t₃, t₁₃))을 제 1 정합기(100)가 정합 동작을 개시하는 타이밍에 일치시키고 있고, 이 동시성의 관계가 가장 바람직하다. 단, 실질적으로는 1 초 이내의 시간차이면, 양자의 타이밍에 다소의 차이가 있어도 된다.

또한, 이온 인입용의 제 1 고주파(LF)와 플라즈마 생성용의 제 2 고주파(HF)의 사이에서는, 상기와 같이, 서셉터(12)에 대하여, 제 2 고주파(HF)의 인가를 먼저 개시하고, 제 1 고주파(LF)의 인가를 후에 개시하는 형태가 표준 사양이 된다. 그러나 필요에 따라, 또는 특정의 조건하에서, 제 1 고주파(LF)의 인가를 먼저 개시하고 제 2 고주파(HF)의 인가를 후에 개시하는 형태, 혹은 제 1 고주파(LF) 및 제 2 고주파(HF)의 인가를 동시에 개시하는 것도 가능하다.

제 1 고주파(LF)의 인가를 먼저 개시할 경우에도, 제 2 고주파(HF) 정도의 방전 효율은 좋지 않지만, 플라즈마가 생성되는 경우가 있고, 그 경우에는 자기 바이어스도 발생한다. 따라서, 제 2 직류 전압(-B_DC)의 출력을 개시하는 타이밍은, 역시 제 1 고주파(LF)의 인가 개시의 타이밍에 맞추는 것이 바람직하고, 예를 들면 제 1 고주파(LF)의 인가 개시와 동시 또는 일정 시간 경과 후에 제 2 직류 전압(-B_DC)의 출력을 개시해도 된다.

도 5에, 본 실시예에서의 제 2 직류 전원(104)을 구비하지 않은 경우(비교예)의 단일(또는 1 회째) 스텝의 시퀀스의 구체적인 실례를 나타낸다. 이 도면에서, "HF Ф" 및 "HF Z"는, 제 2 정합기(102)에서의 가변 콘덴서(120, 124)의 바리콘 스텝에 대한 제어 신호이다. "LF Ф" 및 "LF Z"는, 제 1 정합기(100)에서의 가변 콘덴서(112, 114)의 바리콘 스텝에 대한 제어 신호이다. 그 외는 도 4a와 동일하다.

도시한 바와 같이, 제 1 직류 전압 급전부 내에서 전류"ESC I"가, 다른 각 부가 안정된 후에도 상당히 큰 전류값(72 μA)을 나타내고 있다. 이는, 반도체 웨이퍼(W)와 서셉터(12) 사이의 가스 공간(56, 60, 62)에서 이상 방전이 발생하고 있을 경우에 보여지는 현상이다.

(정합 회로에 관한 변형예)

상기의 실시예에서, 제 1 정합기(100)는, 가변 리액턴스 소자에 가변 콘덴서(112, 114)를 이용하는 L 형의 정합 회로를 가지고 있다. 이 타입의 정합 회로는, 제 1 고주파(LF)의 주파수가 비교적 높을 경우, 예를 들면 3.2 MHz ~ 13.56 MHz의 경우는, 가변 콘덴서(112, 114)를 유리하게 활용할 수 있다. 그러나, 제 1 고주파(LF)의 주파수가 매우 낮을 경우, 예를 들면 400 kHz의 경우는, 가변 콘덴서(112, 114)에서 필요한 임피던스를 얻기 위하여 그 정전 용량 나아가서는 전극 면적(사이즈)을 수 10 배 이상으로 크게 해야 하여, 실용성을 잃는다.

따라서, 제 1 고주파(LF)의 주파수가 400 kHz와 같이 낮을 경우는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 2 개의 가변 인덕터(150, 152)와 고정 콘덴서(154)로 이루어지는 T 형의 정합 회로를 제 1 정합기(100)에 적합하게 사용할 수 있다. 그리고, 제 2 직류 전원(104)의 출력 단자를 제 1 정합기(100)의 입력 단자에 결선하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제 2 직류 전원(104)을 외관상 50 Ω계의 회로에 접속할 수 있다. 그리고, 제 2 직류 전원(104)으로부터 제 2 직류 전압(-B_DC)을 가변 인덕터(150, 152)를 개재하여 서셉터(12)에 안정적으로 인가할 수 있고, 또한 부하 임피던스의 변동에 의해 제 1 정합기(100)의 출력 단자측에서 고주파 전압이 흔들려도, 제 2 직류 전원(104)은 그 영향을 받지 않고 출력을 안정적으로 유지할 수 있다.

(서셉터에 대한 직류 전압 인가에 관한 제 2 실험예)

상기의 실시예에서는, 주 제어부(84)의 일부를 구성하는 직류 전압 제어부(144)가, 제 1 고주파 급전부(108)에서 얻어지는 V_pp 측정값(MV_pp) 또는 반사파 파워 측정값(MP_r) 또한 진행파 파워 측정값(MP_f)에 따라 제 2 직류 전원(가변 직류 전원)(104)의 출력 전압(제 2 직류 전압)(-B_DC)을 가변으로 제어하도록 되어 있었다.

다른(제 2) 실험예로서, 제 1 고주파(LF)의 파워(P_LF), 제 2 고주파(HF)의 파워(P_HF) 및 제 2 직류 전압(-B_DC)을 파라미터로서, 이들 3 개의 파라미터의 선택된 각 조합[P_LF, P_HF, -B_DC]마다 반도체 웨이퍼(W) 주변에서 이상 방전이 발생하는지 여부를 플라즈마 프로세스의 모의 실험에 의해 검사하여, 그 검사 결과의 데이터를 예를 들면 테이블 형식으로 데이터 베이스화한다. 그리고 실제의 프로세스에서는, 제 1 고주파(LF)의 파워(P_LF) 및 제 2 고주파(HF)의 파워(P_HF)의 부여된 설정값에 대하여, 모의 실험으로 이상 방전을 일으키지 않았을 때의 제 2 직류 전압(-B_DC)의 값 또는 그 근사값을 제 2 직류 전원(104)에 대한 설정값 또는 지령값으로 하는 방법도 가능하다.

이 경우는, 도 7에 도시한 바와 같이, 키보드 및 디스플레이 등이 구비되어 있는 조작 패널(160)과 주 제어부(84)의 맨 머신 인터페이스를 통하여 오퍼레이터가 데이터 베이스 구축을 위한 실험을 행한다.

먼저, 서셉터(12)에 대하여 제 2 직류 전압(-B_DC)의 인가를 행하지 않고(스위치(106)를 오프 상태로 유지하고), 제 1 고주파(LF)의 파워(P_LF) 및 제 2 고주파(HF)의 파워(P_HF)를 파라미터로서, 이들 2 개의 파라미터의 선택적인 각 조합[P_LF, P_HF]마다 플라즈마 프로세스의 제 1 모의 실험을 행하고, 전압 측정기(164)를 이용하여 자기 바이어스(-V_dc)를 측정한다. 이 경우, 전압 측정기(164)가 포커스 링(36)의 전위를 자기 바이어스(-V_dc)의 값으로서 일점 쇄선(165)으로 나타낸 바와 같이 직접 측정해도 되지만, 착탈 가능한 지그의 접속 도체(166)를 개재하여 포커스 링(36)과 서셉터(12)를 접속(단락)하고, 전압 측정기(164)가 서셉터(12)의 전위를 자기 바이어스(-V_dc)의 값으로서 측정할 수도 있다.

예를 들면, 제 1 고주파(LF)의 파워(P_LF)를 100 V, 200 V, 500 V, 1000 V, 2500 V, 4800 V, 5800 V의 7 가지로 선택하고, 제 2 고주파(HF)의 파워(P_HF)를 100 V, 300 V, 500 V, 1700 V, 2400 V의 6 가지로 선택하고, 각 조합[P_LF, P_HF]의 제 1 모의 실험으로 얻어진 자기 바이어스(-V_dc)의 측정값을 예를 들면 도 8에 나타낸 바와 같은 테이블 형식으로 데이터 베이스화한다.

도 8에서, i 행 j 열의 셀에 기입되어 있는 "-a_i _, _j"는, 제 2 고주파(HF)의 파워(P_HF)가 위로부터 i 번째의 값(예를 들면 3 번째의 값은 500 V)으로 선택되고, 또한 제 1 고주파(LF)의 파워(P_LF)가 좌측으로부터 j 번째의 값(예를 들면 4 번째의 값은 1000 V)으로 선택되었을 경우에 취득된 자기 바이어스(-V_dc)의 측정값을 나타낸다.

이어서, 제 1 고주파(LF)의 파워(P_LF) 및 제 2 고주파(HF)의 파워(P_HF)에 제 3 파라미터로서 제 2 직류 전압(-B_DC(-B_DC = -b₁, -b₂, -b₃, ···)을 더하여, 그들 3 개의 파라미터의 선택적인 각 조합[P_LF, P_HF, -B_DC]마다 플라즈마 프로세스의 제 2 모의 실험을 행하고, 반도체 웨이퍼(W) 주변에서 이상 방전(또는 그에 상당하는 현상)이 발생했는지 여부를 검사하여, 그 검사 결과를 예를 들면 도 9a, 도 9b, 도 9c에 나타낸 바와 같은 테이블 형식으로 데이터 베이스화한다.

도 9a, 도 9b, 도 9c에서, i 행 j 열의 셀에 기입되어 있는 "a_i _, _j - b_k"는, 제 2 고주파(HF)의 파워(P_HF)가 위로부터 i 번째의 값(예를 들면 3 번째의 값은 500 V)으로 선택되고, 제 1 고주파(LF)의 파워(P_LF)가 좌측으로부터 j 번째의 값(예를 들면 4 번째의 값은 1000 V)로 선택되었을 경우에 취득되고, 또한 제 2 직류 전압(-B_DC)이 -b_k의 값으로 선택되었을 경우의 벌크 플라즈마와 서셉터(12) 간의 전위차(추정값)(δV)이다. 그리고, 테이블의 셀 내에 "＃"의 기호가 부여되어 있는 경우는, 당해 셀의 조건하에서 이상 방전(또는 그에 상당하는 현상)이 검출된 것을 나타내고 있다. 일반적으로, "＃"의 기호가 부여되는 경우(이상 방전 또는 그에 상당하는 현상이 발생하는 경우)의 전위차(δV)는, 열거되어 있는 값(임계치)(V_th)을 초과하고 있다.

또한 제 2 모의 실험에서는, 전압 측정기(164)에 의한 자기 바이어스(-V_dc)의 측정은 행해지지 않는다. 대신에, 제 1 직류 전원(44)으로부터 정전 척(38)의 내부 전극(42)에 이르는 제 1 직류 전압 급전부 내에 설치되는 전류계(168)를 통하여 전류"ESC I"의 파형(순시값)을 모니터링한다. 그리고, 전류"ESC I"의 파형에 상기 비교예(도 5)와 같은 이상이 있는지 여부에 의해, 이상 방전의 유무를 간접적으로 판정한다.

상기 데이터 베이스 또는 데이터 테이블(도 8, 도 9a ~ 도 9c)은, 주 제어부(84) 내의 메모리 또는 외부의 기억부(162)에 축적 또는 보존된다. 그리고 실제의 플라즈마 프로세스에서는, 주 제어부(84)가, 제 1 고주파(LF) 및 제 2 고주파(HF)의 파워(P_LF, P_HF)에 관한 프로세스 조건(레시피 정보)에 따라, 상기 데이터 베이스(테이블)를 참조하여, 이상 방전의 가능성이 없는 제 2 직류 전압(-B_DC)의 값을 선택하고, 제 2 직류 전원(104)의 출력 전압(제 2 직류 전압(-B_DC))을 그 선택한 값이 되도록 제어한다.

(서셉터에 대한 직류 전압 인가에 관한 제 3 실험예)

도 10 및 도 11에, 본 발명의 플라즈마 처리 장치에서 서셉터(12)에 제 2 직류 전압(-B_DC)을 인가하는 방법의 또 다른(제 3) 실험예를 도시한다.

이 실험예는, 서셉터(12) 상의 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 발생하는 자기 바이어스(-V_dc)를 in-situ로 모니터링하여, 제 2 직류 전원(104)의 출력 전압(제 2 직류 전압)(-B_DC)을 자기 바이어스(-V_dc)에 추종하도록 피드백 방식으로 실시간으로 제어하는 것을 특징으로 하고 있다.

구체적으로, 챔버(10) 내에서 플라즈마가 생성되어 있을 때 벌크 플라즈마와 서셉터(12) 상의 반도체 웨이퍼(W)(및 포커스 링(36))의 사이에 발생하는 자기 바이어스(-V_dc)를 in-situ로 모니터링하기 위하여, 포커스 링(36)과 유전체층(35)을 개재하여 대향하는 링 형상의 전극판(170)을 서셉터(12)의 상면에 배치한다. 이 전극판(170)은, 예를 들면 세라믹으로 이루어지는 절연체(172)에 의해 서셉터(12)로부터 전기적으로 절연되어 있고, 서셉터(12)를 관통하는 예를 들면 봉 형상의 도체(174)와 외부 장착의 콘덴서(176)를 개재하여 접지 전위 부재(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 또한, 봉 형상의 도체(174)도 절연체(172)에 의해 서셉터(12)로부터 전기적으로 절연되어 있다.

반도체 웨이퍼(W) 및 포커스 링(36)의 표면에 자기 바이어스(-V_dc)가 발생하고 있을 때, 즉 챔버(10) 내에서 플라즈마가 생성되고 있을 때는, 반도체 웨이퍼(W) 및 포커스 링(36)의 표면이 자기 바이어스(-V_dc)와 동일한 음의 전위가 된다. 일반적으로 포커스 링(36)은 Si와 같이 단일 물질로 이루어지는 물체이기 때문에, 포커스 링(36) 전체가 전극판을 구성한다. 즉, 포커스 링(36)과 전극판(170)의 사이에 유전체층(35)을 두고, 이들이 콘덴서(180)를 형성한다. 이에 의해, 자기 바이어스(-V_dc)와 동일한 포커스 링(36)의 표면의 전위가 직렬 접속되어 있는 2 개의 콘덴서(180, 176)에 의해 분압되고, 양 콘덴서(180, 176) 간의 접속점(노드)(NB)에서 자기 바이어스(-V_dc)에 비례한 분압 전압(-V_NB)이 얻어진다. 즉, 콘덴서(180, 176)의 정전 용량을 C₁₈₀, C₁₇₆로 하면, 노드(NB)에 얻어지는 분압 전압(-V_NB)은 다음의 식 (1)로 나타난다.

-V_NB = -V_dc * C₁₈₀ / (C₁₈₀ + C₁₇₆) ··· (1)

자기 바이어스 측정 회로(182)는, 노드(NB)에서 얻어지는 분압 전압(-V_NB)을 판독하고, 상기의 식 (1)로부터 자기 바이어스(-V_dc)의 측정값(-MV_dc)을 역산하여 구한다. 직류 전압 제어부(144)는, 자기 바이어스 측정 회로(182)로부터의 자기 바이어스 측정값(-MV_dc)에 기초하여 제 2 직류 전원(104)의 출력 전압(제 2 직류 전압(-B_DC))을 제어하고, 예를 들면 -B_DC = -H * MV_dc가 되도록 제어한다. 여기서, H는 계수이며, 예를 들면 H = 1이다.

혹은, 상기 제 2 실험예에 따른 데이터 테이블(도 8, 도 9a ~ 도 9c)이 구비되어 있을 경우는, 직류 전압 제어부(144)(주 제어부(84))에서 제 2 직류 전압(-B_DC)과 자기 바이어스(-V_dc)의 전위차(δV)가 상기 임계치(V_th)를 초과하지 않도록 제 2 직류 전압(-B_DC)의 값을 제어 또는 선정해도 된다.

이와 같이, 이 실험예에서는, 서셉터(12) 상의 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 발생하는 자기 바이어스(-V_dc)를 in-situ로 모니터링하여, 제 2 직류 전원(104)의 출력 전압(제 2 직류 전압)(-B_DC)을 자기 바이어스(-V_dc)의 현시값과 일치 또는 추종하도록 피드백 방식으로 실시간으로 제어하므로, 자기 바이어스(-V_dc)가 어떻게 변동해도, 혹은 정전 척(38)의 내부 전극에 제 1 직류 전압(A_DC)이 어떻게(임의의 타이밍 및 임의의 전압값으로) 인가되어도, 반도체 웨이퍼(W)와 서셉터(12) 간의 전위차가 항상 작은 값으로 유지되므로, 반도체 웨이퍼(W) 주변에서의 이상 방전을 확실히 방지할 수 있다.

(서셉터에 대한 직류 전압 인가에 관한 제 4 실험예)

도 10 및 도 11에 대하여, 본 발명의 플라즈마 처리 장치에서 서셉터(12)에 제 2 직류 전압(-B_DC)을 인가하는 방법의 또 다른(제 4) 실험예를 설명한다.

도 10에 도시한 바와 같이, 이 플라즈마 처리 장치에서는, 서셉터(12)와 평행하게 마주하여 상부 전극(대향 전극)을 겸하는 샤워 헤드(70)가 링 형상의 절연체(184)를 개재하여 챔버(10)의 천장에 장착되어 있다. 그리고, 상부 전극(70)에 음극성의 바람직하게는 가변의 직류 전압(-E_DC)을 인가하기 위한 직류 전원(186)이 구비된다. 이 직류 전원(186)의 출력 단자는 스위치(188), 필터 회로(190) 및 직류 급전 라인(192)을 개재하여 상부 전극(70)에 전기적으로 접속된다. 필터 회로(190)는, 직류 전원(186)으로부터의 직류 전압(-E_DC)을 직접 상부 전극(70)에 인가하는 한편, 서셉터(12)로부터 처리 공간(PS) 및 상부 전극(70)을 통하여 직류 급전 라인(192)으로 도입된 고주파를 접지 라인에 흘리고 직류 전원(186)측으로는 흘리지 않도록 구성되어 있다. 또한, 챔버(10) 내에서 처리 공간(PS)에 면하는 적당한 개소에, 예를 들면 Si, SiC 등의 도전성 재료로 이루어지는 DC 그라운드 파트(도시하지 않음)가 장착되어 있다. 이 DC 그라운드 파트는 접지 라인(도시하지 않음)을 개재하여 상시 접지되어 있다.

이 플라즈마 처리 장치에서, 이온 인입용의 제 1 고주파(LF)의 주파수는 예를 들면 3.2 MHz로 선택되고, 플라즈마 생성용의 제 2 고주파(HF)의 주파수는 예를 들면 40.68 MHz로 선택된다. 이 경우는, 도 11에 도시한 바와 같이, 제 1 정합기(100)는 2 개의 가변 콘덴서(194, 196)로 이루어지는 L 형의 정합 회로를 적절히 가지고, 제 2 정합기(102)도 2 개의 가변 콘덴서(198, 200)로 이루어지는 L 형의 정합 회로를 적절히 가진다.

이와 같이, 제 2 고주파(HF)의 주파수가 40.68 MHz 정도 혹은 그 이하의 경우는, 서셉터(12) 상의 고주파 전압의 전압 진폭에서 제 2 고주파(HF)의 전압 진폭(V_pp)도 무시할 수 없게 된다. 따라서 이 실험예에서는, 서셉터(12) 상의 고주파 전압의 전압 진폭(V_pp)을 모니터링하는 상기 제 1 실험예(도 2)의 일변형예로서, 제 1 고주파 급전부(108) 내에서 얻어지는 제 1 고주파(LF)의 전압 진폭(V_pp(LF))뿐 아니라, 제 2 고주파 급전부(110) 내에서 얻어지는 제 2 고주파(HF)의 전압 진폭(V_pp(HF))도 모니터링하고, 직류 전압 제어부(144)가 양 고주파(LF, HF) 쌍방의 전압 진폭(V_pp(LF), V_pp(HF))에 기초하여 제 2 직류 전원(104)을 제어하도록 하고 있다.

하드웨어적으로는, 도 11에 도시한 바와 같이, 로우 패스·필터(130)와 급전봉(34) 사이의 고주파 전송로 상에 2 주파 대응형의 V_pp 측정부(202)가 설치된다. 이 V_pp 측정부(202)는, 예를 들면 슈퍼 헤테로다인 방식의 필터 회로를 이용하여 제 1 고주파(LF) 및 제 2 고주파(HF)의 전압 진폭(V_pp(LF), V_pp(HF))을 판별하여 측정하고, 이들 측정값(MV_pp(LF), MV_pp(HF))을 직류 전압 제어부(144)에 부여한다.

또한 상기 제 1 실험예와 마찬가지로, 제 1 및 제 2 고주파 급전부(108, 110) 내에 RF 파워 모니터(도시하지 않음)를 각각 설치하고, 제 1 고주파(LF)에 따른 진행파 파워 측정값(MP_f)(LF) 및 반사파 파워 측정값(MP_r)(LF)과 제 2 고주파(HF)에 따른 진행파 파워 측정값(MP_f)(HF) 및 반사파 파워 측정값(MP_r)(HF)을 직류 전압 제어부(144)에 부여하는 것도 가능하다. 이 경우, 직류 전압 제어부(144)는, V_pp 측정부(202)로부터의 RF 전압 진폭 측정값(MV_pp(LF), MV_pp(HF))과, 양 RF 파워 모니터로부터의 반사파 파워 측정값(MP_r(LF), MP_r(HF))에 따라 제 2 직류 전원(104)의 출력 전압(제 2 직류 전압)(-B_DC)을 제어할 수 있다. 혹은, 직류 전압 제어부(144)는, V_pp 측정부(202)로부터의 RF 전압 진폭 측정값(MV_pp(LF), MV_pp(HF))과, 양 RF 파워 모니터로부터의 반사파 파워 측정값(MP_r(LF), MP_r(HF)) 및 진행파 파워 측정값(MP_f(HF), MP_f(HF))에 따라 제 2 직류 전원(104)의 출력 전압(제 2 직류 전압)(-B_DC)을 제어할 수도 있다.

(서셉터에 대한 직류 전압 인가에 관한 제 5 실험예)

도 12 ~ 도 14에 대하여, 본 발명의 플라즈마 처리 장치에서 서셉터(12)에 제 2 직류 전압(-B_DC)을 인가하는 방법의 또 다른(제 5) 실험예를 설명한다.

이 실험예는, 가변 리액턴스 소자의 선택 가능한 포지션의 값과 플라즈마 임피던스의 값을 데이터 베이스 상에서 대응시켜 관리하는 매핑 테이블을 구비하고, 이 매핑 테이블로부터 현시의 정합 포지션에 대응하는 플라즈마 임피던스의 값을 취득하고, 그 취득한 플라즈마 임피던스의 값과 플라즈마에 공급하고 있는 RF 파워의 값으로부터 서셉터(12) 상의 고주파 전압의 진폭(V_pp)을 계산에 의해 구하고, V_pp 계산값에 따라 제 2 직류 전압(-B_DC)을 제어하는 것을 특징으로 한다.

도 12에 도시한 바와 같이, 이 실험예에서, 이온 인입계의 제 1 고주파 급전부(108)에 설치되는 제 1 정합기(100)는, 가변 콘덴서(112, 114) 및 코일(116)로 이루어지는 L 형의 정합 회로와, 임피던스 센서(210)와, 가변 콘덴서(112, 114)의 포지션(바리콘 스텝)(PC₁, PC₂)을 각각 스텝 모터((M)212, 214)를 통하여 가변으로 제어하는 매칭 컨트롤러(216)를 가지고 있다. 여기서, 매칭 컨트롤러(216)와 스텝 모터((M)212, 214)는 오토 매칭 기구를 구성하고 있다.

임피던스 센서(210)는, 제 1 고주파 전원(28)측으로부터 보이는 부하측의 임피던스, 즉 챔버(10) 내의 부하(주로 플라즈마)의 임피던스와 정합 회로[112, 114, 116]의 임피던스가 합성된 부하 임피던스(Z_L)를 측정한다. 매칭 컨트롤러(216)는 마이크로 컴퓨터(CPU)를 가지고 있고, 임피던스 센서(210)로부터 출력되는 부하 임피던스(Z_L)의 측정값(MZ_L)이 제 1 고주파 전원(28)의 출력 임피던스에 상당하는 정합 포인트(Z_S)(통상 50 Ω)와 일치 또는 근사하도록, 스텝 모터((M)212, 214)의 회전 제어를 통하여 가변 콘덴서(112, 114)의 포지션(바리콘 스텝)(PC₁, PC₂)을 가변으로 제어한다.

여기서, 가변 콘덴서(112, 114)에서 정전 용량(C₁, C₂)과 포지션(바리콘 스텝)(PC₁, PC₂) 간에는 각각 선형적인 대응 관계가 있다. 매칭 컨트롤러(216)는, 스텝 모터((M)212, 214)의 회전 제어를 통하여 가변 콘덴서(112, 114)의 현시의 포지션(PC₁, PC₂)을 상시 파악하고 있다.

또한 제 1 정합기(100)에는, 도 13에 나타낸 바와 같이, 가변 콘덴서(112, 114)의 선택 가능한 모든 포지션(PC₁(P₁C₁, P₂C₁, ···, P_mC₁), PC₂(P₁C₂, P₂C₂, ···, P_nC₂))의 조합과, 각 조합[P_iC₁, P_jC₂]에 대응하는 정합 시의 플라즈마 임피던스(Z_P(R_ij + jX_ij)의 값을 데이터 베이스 상에서 대응시켜 관리하는 매핑 테이블이, 매칭 컨트롤러(216) 내의 CPU에 의해 액세스 가능한 메모리(218)에 저장되어 있다.

그리고, 정합 상태에서의 가변 콘덴서(112, 114)의 현시의 포지션 즉 정합 포지션이 각각 P_iC₁, P_jC₂일 때는, 이 매핑 테이블로부터, 그 조합[P_iC₁, P_jC₂]에 대응하는 플라즈마 임피던스(Z_P(R_ij + jX_ij))의 실수부의 값[R_ij] 및 허수부의 값[X_ij]이 독출된다.

도 14의 스미스 차트에 대하여, 정합기(100)의 정합 작용을 설명한다. 현재, 가변 콘덴서(112, 114)의 포지션이 각각 P_iC₁, P_jC₂로 조정되어 있을 때, 정합 상태가 확립되어 있는, 즉 임피던스 센서(210)로부터 얻어지는 부하 임피던스(Z_L)의 측정값(MZ_L)이 정합 포인트(Z_S)(50 Ω)와 일치 또는 근사하다고 가정한다.

이 경우, 챔버(10) 내의 플라즈마로부터 임피던스 센서(210)의 출력 단자에 이를 때까지의 임피던스의 궤적을 스미스 차트 상에서 해석하면, 스타트 포인트의 플라즈마 임피던스(Z_P(R_ij + jX_ij))로부터 제 1 정합기(100) 내에서 3 개의 원호의 궤적(QL, QC₂, QC₁)을 거쳐 정합 포인트(Z_S)(50 Ω)에 도달한다.

여기서, 1 번째의 궤적(QL(Z_P → Z₁))은, 정합기(100)의 최후단에 플라즈마 부하와 직렬로 접속되어 있는 코일(116)의 유도성 리액턴스에 의한 것이며, 도시한 임피던스 차트 상에서 우회전(시계 방향)으로 이동한다. 코일(116)이 고정 인덕터이기 때문에, 이 궤적(QL(Z_P → Z₁))의 이동량은 항상 일정한다.

2 번째의 궤적(QC₂(Z₁ → Z₂))은, 코일(116)보다 앞 단에 플라즈마 부하와 직렬로 접속되어 있는 가변 콘덴서(114)의 용량성 리액턴스에 의한 것이며, 임피던스 차트상에서 좌회전(반시계 방향)으로 이동한다. 가변 콘덴서(114)의 정전 용량(C₂) 또는 포지션(PC₂)에 따라, 이 궤적(QC₂(Z₁ → Z₂))의 이동량은 변화한다.

그리고, 3 번째의 궤적(QC₁(Z₂ → Z_S)은, 가변 콘덴서(114)로부터 앞 단에 플라즈마 부하와 병렬로 접속되어 있는 가변 콘덴서(112)의 용량성 리액턴스에 의한 것이며, 어드미턴스 차트(도시하지 않음) 상에서 우회전(시계 방향)으로 이동한다. 가변 콘덴서(112)의 정전 용량(C₁) 또는 포지션(PC₁)에 따라, 이 궤적(QC₁(Z₂ → Z_S))의 이동량은 변화한다.

따라서, 정합기(100)에서 오토 매칭 동작이 정상으로 기능하고 있을 때는, 스미스 차트 상에서, 정합 포인트(Z_S)(50 Ω)를 스타트 포인트로서, 그 때의 가변 콘덴서(112, 114)의 정합 포지션(PC₁, PC₂)의 값에 각각 따른 가변량의 궤적(QC₁, QC₂) 및 코일(116)의 고정 인덕턴스에 따른 고정량의 궤적(QL)을 반대 방향으로 순차적으로 따라감으로써, 그 때의 플라즈마 임피던스(Z_P(R_ij + jX_ij))를 산출할 수 있다.

단, 플라즈마 처리 장치에 이용되고 있는 정합기의 대부분은, 출하 전에, 플라즈마 부하와 유사한 임피던스 가변의 로드 시뮬레이터를 이용하여, 오토 매칭의 시험(시뮬레이션)을 받는다. 이 시험 중에서, 가변 콘덴서의 선택 가능한 모든 포지션(PC₁, PC₂)의 조합[PC₁, PC₂]에 대하여 정합 상태가 얻어졌을 때의 로드 시뮬레이터의 임피던스(Z)의 값(R + jX)을 판독함으로써, 상기와 같은 매핑 테이블(도 13)을 구축하고 있다. 따라서, 이 종류의 매핑 테이블은, 각각의 정합기마다 고유의 데이터 베이스이다.

통상의 오토 매칭 동작에서, 매칭 컨트롤러(216)는, 매핑 테이블을 참조함으로써, 현시의 부하 임피던스(Z_L)의 스미스 차트 상의 위치를 확인하고, 가변 콘덴서(112, 114)의 포지션(PC₁, PC₂)에 대한 다음의 최적인 제어값을 결정하도록 하고 있다. 이에 의해, 오토 매칭 기능의 오차를 줄이고 있다.

이 실험예에서는, 주 제어부(84)의 기능의 일부로서, 정합기(100)의 밖(또는 안)에 V_pp 연산부(220)가 설치되어 있다. 이 V_pp 연산부(220)는, 정합기(100)의 매칭 컨트롤러(216)를 통하여, 혹은 메모리(218)에 직접 액세스하여, 매핑 테이블로부터 가변 콘덴서(112, 114)의 현시의 정합 포지션(PC₁, PC₂)에 대응하는 플라즈마 임피던스(Z_P)의 값(R, X)을 취득하고, 그 플라즈마 임피던스(Z_P)의 값(R, X)과 RF 파워 모니터(148)로부터 얻어지는 제 1 고주파(LF)의 파워(P)의 측정값(통상은 정미(正味)의 플라즈마 투입 파워로서 진행파 파워의 측정값(MP_f))으로부터 다음의 식 (2)을 연산하여, 제 1 고주파(LF)의 전압 진폭(V_pp)(피크 대 피크 값)을 구한다.

V_pp = {8P(R + X² / R)}^1/2 ···· (2)

직류 전압 제어부(144)는, V_pp 연산부(220)로부터 얻어지는 제 1 고주파(LF)의 전압 진폭(V_pp)의 계산값(CV_pp)에 따라, 제 2 직류 전원(104)의 출력 전압(제 2 직류 전압)(-B_DC)을 제어한다. 이 경우, 상술한 제 1 실험예와 마찬가지로, -B_DC = -K * CV_pp가 되도록 제어해도 된다(K는 계수 : 0 ＜ K ＜ 1). 혹은, RF 반사파 파워(P_r)를 고려하여, -B_DC = -(K * MV_pp - J * MP_r) 또는 -B_DC = -(K - D * MP_r) * MV_pp가 되도록 제어해도 된다(J, D는 계수). 또한, RF 진행파 파워(P_f)도 고려하여, -B_DC = -K * MV_pp * E * (MP_f - MP_r) / MP_f가 되도록 제어해도 된다(E는 계수).

상기의 연산식 (2)은, 다음과 같이 하여 도출된다. 플라즈마에 공급되는 RF 파워를 P, 플라즈마의 임피던스를 Z(R + jX), 정합기의 출력측의 RF 전압(실효값)을 V, RF 전류(실효값)를 I로 하면, 고주파 급전부(108)의 고주파 전송로 상에서는, 다음의 식 (3)가 성립한다.

P = IVcosθ = I²Zcosθ = I²R ···· (3)

여기서, cosθ = R / (R² + X²)^1/2 ···· (4)

식 (3)는, 다음의 식 (5)로 변형할 수 있다.

V = I * R / cosθ = (P / R)^1/2 · R / cosθ ···· (5)

식 (4), (5)로부터, 다음의 식 (6)가 얻어진다.

V = {P(R² + X²) / R}^1/2 = P(R + X² / R)}^1/2 ···· (6)

V_pp(피크 대 피크 값)는 V(실효값)의 2 · 2^1/2 배이기 때문에, 다음과 같이 식 (6)로부터 연산식 (1)이 얻어진다.

V_pp = 2 · 2^1/2 V = {8P(R + X² / R)}^1/2 ···· (1)

이 실험예에서는, 제 1 정합기(100)에 구비되는 고유의 매핑 테이블로부터 취득되는 플라즈마 임피던스의 값을 이용하여, 제 1 고주파(LF)의 전압 진폭(V_pp)의 값을 계산에 의해 구하고, 전압 진폭(V_pp)의 계산값(CV_pp)에 따라, 제 2 직류 전원(104)으로부터 자기 바이어스(-V_dc)에 따른 음극성의 제 2 직류 전압(-B_DC)을 서셉터(12)에 인가하도록 하고 있다. 따라서, 제 1 고주파 급전부(108)의 고주파 전송로 상에서 제 1 고주파(LF)의 전압 진폭(V_pp)을 직접 측정하는 V_pp 측정부(146)는 불필요하다.

또한, 오토 매칭 기능의 오차를 줄이기 위하여 정합기(100)에 구비되어 있는 고유의 매핑 테이블을 이용하여, 정합기(100)의 정합 포지션으로부터 제 1 고주파(LF)의 전압 진폭(V_pp)의 값을 계산에 의해 구하므로, 측정 불균일이 적은 고정밀의 전압 진폭(V_pp)의 모니터링을 행하는 것이 가능하며, 나아가서는 서셉터(12)에 인가하는 제 2 직류 전압(-B_DC)에 대해서도 불균일 또는 오차가 적은 제어를 행할 수 있다.

(서셉터에 대한 직류 전압 인가에 관한 제 6 실험예)

상술한 제 5 실험예의 일변형예(제 6 실험예)로서, 정합기(100)가 매핑 테이블을 구비하지 않은 경우에도, 제 1 고주파(LF)의 전압 진폭(V_pp)의 값을 계산에 의해 구하는 기능을 V_pp 연산부(220) 또는 정합기(100)의 내부에 구비할 수 있다.

상술한 바와 같이, 정합기(100) 내에서 매칭 컨트롤러(216)는, 스텝 모터((M)212, 214)의 회전 제어를 통하여 가변 콘덴서(112, 114)의 현시의 포지션(PC₁, PC₂)을 상시 파악하고 있고, 가변 콘덴서(112, 114)의 포지션(PC₁, PC₂)으로부터 정전 용량(C₁, C₂)을 산출할 수도 있다. 따라서, 정합 회로[112, 114, 116]의 임피던스(Z₁₀₀)는, 가변 콘덴서(112, 114)의 포지션(PC₁, PC₂) 내지 정전 용량(C₁, C₂)으로부터 예를 들면 매칭 컨트롤러(216) 내에서 수시 산출할 수 있다.

한편, 임피던스 센서(210)에 의해 측정되는 부하 임피던스(Z_L)는, 플라즈마 임피던스(Z_P)와 정합 회로[112, 114, 116]의 임피던스(Z₁₀₀)가 합성된 것이다. 즉, 다음의 식 (7)이 성립한다.

Z_L = Z_P + Z₁₀₀

∴ Z_P = Z_L - Z₁₀₀ ···· (7)

따라서, 매칭 컨트롤러(216) 내에서 산출되는 정합 회로[112, 114, 116]의 임피던스(Z₁₀₀)와, 임피던스 센서(210)로부터 출력되는 부하 임피던스(Z_L)의 측정값(MZ_L)으로부터, 상기의 식 (7)을 연산함으로써, 플라즈마 임피던스(Z_P(R + jX))를 구할 수 있다.

V_pp 연산부(220)는, 상기와 같이 계산에 의해 얻어진 플라즈마 임피던스(Z_P)의 값(R, X)과 RF 파워 모니터(148)로부터 얻어지는 제 1 고주파(LF)의 파워(P)의 측정값(통상은 정미의 플라즈마 투입 파워로서 진행파 파워의 측정값(MP_f))으로부터, 상기의 식 (2)을 연산하여, 제 1 고주파(LF)의 전압 진폭(V_pp)(피크 대 피크 값)을 구한다. 상기 제 5 실험예와 마찬가지로, 직류 전압 제어부(144)는, V_pp 연산부(220)로부터 얻어지는 제 1 고주파(LF)의 전압 진폭(V_pp)의 계산값(CV_pp)에 따라, 제 2 직류 전원(104)의 출력 전압(제 2 직류 전압)(-B_DC)을 제어한다.

(서셉터에 대한 직류 전압 인가에 관한 제 7 실험예)

도 15에 대하여, 본 발명의 플라즈마 처리 장치에서 서셉터(12)에 제 2 직류 전압(-B_DC)을 인가하는 방법의 또 다른(제 7) 실험예를 설명한다.

도 15에 도시한 바와 같이, 이 실험예는, 제 1 고주파 급전부(108)의 고주파 전송로 상에서 정합기(100)의 후단에 임피던스 센서(222)를 설치하고, 이 임피던스 센서(222)에 의해 부하측의 임피던스 즉 플라즈마 임피던스(Z_P(R, X))를 측정한다. V_pp 연산부(220)는, 임피던스 센서(222)로부터 얻어지는 플라즈마 임피던스(Z_P)의 측정값(MZ_P(MR, MX))과 RF 파워 모니터(148)로부터 얻어지는 제 1 고주파(LF)의 파워(P)의 측정값(MP_f)으로부터, 상기의 식 (2)을 연산하여, 제 1 고주파(LF)의 전압 진폭(V_pp)(피크 대 피크 값)을 구한다. 직류 전압 제어부(144)는, 상기 제 5 또는 제 6 실험예와 마찬가지로, V_pp 연산부(220)로부터 얻어지는 제 1 고주파(LF)의 전압 진폭(V_pp)의 계산값(CV_pp)에 따라, 제 2 직류 전원(104)의 출력 전압(제 2 직류 전압)(-B_DC)을 제어한다.

이 실험예에 따르면, 정합기(100) 내의 임피던스 센서(210) 또는 매칭 컨트롤러(216)를 이용하지 않아도, 서셉터(12)에 자기 바이어스(-V_dc)에 따른 제 2 직류 전압(-B_DC)을 인가할 수 있다.

(다른 실시예 또는 변형예)

상기 실시예에서의 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치는, 하부 전극(서셉터)(12)에 플라즈마 생성용의 고주파(HF) 및 이온 인입용의 고주파(LF)를 중첩하여 인가하는 하부 2 주파 인가 방식이었다. 그러나, 플라즈마 생성용의 고주파(HF)를 샤워 헤드(상부 전극)(70)에 인가하고, 이온 인입용의 고주파(LF)를 서셉터(하부 전극)(12)에 인가하는 방식, 또는 혹은 서셉터(하부 전극)(12)에 1 종류의 고주파를 인가하는 플라즈마 처리 장치에도 본 발명은 적용 가능하다.

또한 본 발명은, 용량 결합형의 플라즈마 에칭 장치에 한정되지 않고, 마이크로파 플라즈마 에칭 장치, 또는 유도 결합 플라즈마 에칭 장치, 헬리콘파 플라즈마 에칭 장치 등에도 적용 가능하고, 또한 플라즈마 CVD, 플라즈마 산화, 플라즈마 질화, 스퍼터링 등의 다른 플라즈마 처리 장치에도 적용 가능하다.

본 발명에서의 피처리 기판은 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, 플랫 패널 디스플레이, 유기 EL, 태양 전지용의 각종 기판, 또는 포토마스크, CD 기판, 프린트 기판 등도 가능하다.

10 : 챔버
12 : 서셉터
28 : 제 1 고주파 전원
30 : 제 2 고주파 전원
32 : 매칭 유닛
36 : 포커스 링
38 : 정전 척
42 : (정전 척의) 내부 전극
44 : 제 1 직류 전원
46 : 스위치
80 : 처리 가스 공급부
84 : 주 제어부
100 : 제 1 정합기
102 : 제 2 정합기
104 : 제 2 직류 전원
106 : 스위치
108 : 제 1 고주파 급전부
110 : 제 2 고주파 급전부
132 : 릴레이 스위치
140 : 고주파 차단 필터
144 : 직류 전압 제어부
146, 202 : V_pp 측정부
148 : RF 파워 모니터
164 : 전압 측정기
168 : 전류계
170 : 전극판
176, 180 : 콘덴서
182 : 자기 바이어스 측정 회로

Claims

플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기와,
상기 처리 용기 내에서 피처리 기판을 재치하는 도체의 서셉터와,
상기 서셉터에 제 1 고주파를 인가하는 제 1 고주파 급전부와,
상기 기판을 정전력으로 상기 서셉터에 보지하기 위하여, 상기 서셉터의 주면에 설치되는 정전 척과,
상기 서셉터에 플라즈마와 상기 기판 사이에 발생하는 자기 바이어스에 따른 음극성의 직류 전압을 인가하는 직류 전압 인가부를 가지며,
상기 직류 전압 인가부가,
음극성 또한 가변의 직류 전압을 출력하는 직류 전원과,
상기 제 1 고주파 급전부의 고주파 전송로 상에서 상기 제 1 고주파의 전압 진폭을 측정하는 RF 전압 진폭 측정부와,
상기 제 1 고주파 급전부의 고주파 전송로 상에서 상기 제 1 고주파의 진행파 및 반사파의 파워를 측정하는 RF 파워 측정부와,
상기 RF 전압 진폭 측정부로부터 얻어지는 상기 제 1 고주파의 전압 진폭의 측정값과 상기 RF 파워 측정부로부터 얻어지는 상기 제 1 고주파의 진행파 파워의 측정값 및 반사파 파워의 측정값에 따라, 플라즈마와 상기 기판 사이에서 발생하는 자기 바이어스에 대응하는 음극성의 직류 전압을 공급하도록 상기 직류 전원의 출력 전압을 제어하는 직류 전압 제어부를 가지는 플라즈마 처리 장치.
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제 1 항에 있어서,
상기 직류 전압 인가부가,
상기 서셉터의 주면 상에서 상기 기판을 재치하는 영역의 주위에 설치되는 포커스 링을 개재하여 상기 자기 바이어스를 측정하는 자기 바이어스 측정부를 더 포함하며,
상기 직류 전압 제어부는 상기 자기 바이어스 측정부로부터 얻어지는 자기 바이어스 측정값에 따라 상기 직류 전원의 출력 전압을 제어하는 플라즈마 처리 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 자기 바이어스 측정부가,
상기 서셉터로부터 전기적으로 절연되고, 상기 포커스 링과 유전체층을 개재하여 제 1 콘덴서를 형성하는 전극판과,
상기 서셉터로부터 전기적으로 절연되고, 상기 전극판과 접지 전위 부재의 사이에 접속되는 분압용의 제 2 콘덴서를 가지고,
상기 제 2 콘덴서로부터 얻어지는 분압된 직류 전압으로부터 자기 바이어스 전압의 측정값을 구하는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 고주파 급전부가,
상기 제 1 고주파를 원하는 파워로 출력하는 제 1 고주파 전원과,
상기 제 1 고주파 전원의 출력 임피던스와 부하 임피던스를 정합시키기 위한 제 1 정합부를 가지고,
상기 제 1 정합부가,
상기 제 1 고주파 급전부의 고주파 전송로 상에 설치되는 가변 리액턴스 소자를 포함하는 정합 회로와,
상기 제 1 고주파 급전부의 고주파 전송로 상에서 상기 부하 임피던스를 측정하는 부하 임피던스 측정부와,
상기 부하 임피던스 측정부로부터 얻어지는 상기 부하 임피던스의 측정값이 상기 제 1 고주파 전원의 출력 임피던스에 대응하는 소정의 정합 포인트와 일치 또는 근사하도록, 상기 가변 리액턴스 소자의 포지션을 가변으로 제어하는 오토 매칭 기구와,
상기 가변 리액턴스 소자의 선택 가능한 포지션의 값과 플라즈마 임피던스의 값을 데이터 베이스 상에서 대응시켜 관리하는 매핑 테이블을 가지고,
상기 직류 전압 인가부가,
상기 가변 리액턴스 소자의 현시의 정합 포지션의 값에 대하여 상기 매핑 테이블로부터 얻어지는 플라즈마 임피던스의 값과, 상기 제 1 고주파 급전부로부터 플라즈마에 공급되고 있는 상기 제 1 고주파의 파워의 값으로부터, 상기 제 1 고주파의 전압 진폭을 계산에 의해 구하는 RF 전압 진폭 연산부를 더 포함하고,
상기 직류 전압 제어부는 상기 RF 전압 진폭 연산부로부터 얻어지는 상기 제 1 고주파의 전압 진폭의 계산값에 따라 상기 직류 전원의 출력 전압을 제어하는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 고주파 급전부가,
상기 제 1 고주파를 원하는 파워로 출력하는 제 1 고주파 전원과,
상기 제 1 고주파 전원의 출력 임피던스와 부하 임피던스를 정합시키기 위한 제 1 정합부를 가지고,
상기 제 1 정합부가,
상기 제 1 고주파 급전부의 고주파 전송로 상에 설치되는 임피던스 가변의 정합 회로와,
상기 제 1 고주파 급전부의 고주파 전송로 상에서 상기 부하 임피던스를 측정하는 부하 임피던스 측정부와,
상기 부하 임피던스 측정부로부터 얻어지는 상기 부하 임피던스의 측정값이 상기 제 1 고주파 전원의 출력 임피던스에 대응하는 소정의 정합 포인트와 일치 또는 근사하도록, 상기 정합 회로의 임피던스를 가변으로 제어하는 오토 매칭 기구를 가지고,
상기 직류 전압 인가부가,
상기 부하 임피던스 측정부로부터 얻어지는 상기 부하 임피던스의 측정값과 상기 오토 매칭 기구로부터 얻어지는 상기 정합 회로의 임피던스의 값으로부터, 플라즈마 임피던스의 값을 계산에 의해 구하는 임피던스 연산부와,
상기 임피던스 연산부로부터 얻어지는 플라즈마 임피던스의 계산값과, 상기 제 1 고주파 급전부로부터 플라즈마에 공급되고 있는 상기 제 1 고주파의 파워의 값으로부터, 상기 제 1 고주파의 전압 진폭을 계산에 의해 구하는 RF 전압 진폭 연산부를 더 포함하고,
상기 직류 전압 제어부는 상기 RF 전압 진폭 연산부로부터 얻어지는 상기 제 1 고주파의 전압 진폭의 계산값에 따라 상기 직류 전원의 출력 전압을 제어하는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 직류 전압 인가부가,
상기 제 1 고주파 급전부의 고주파 전송로 상에서 플라즈마 임피던스를 측정하는 플라즈마 임피던스 측정부와,
상기 플라즈마 임피던스 측정부로부터 얻어지는 플라즈마 임피던스의 측정값과, 상기 제 1 고주파 급전부로부터 플라즈마에 공급되고 있는 상기 제 1 고주파의 파워의 값으로부터, 상기 제 1 고주파의 전압 진폭을 계산에 의해 구하는 RF 전압 진폭 연산부를 더 포함하고,
상기 직류 전압 제어부는 상기 RF 전압 진폭 연산부로부터 얻어지는 상기 제 1 고주파의 전압 진폭의 계산값에 따라 상기 직류 전원의 출력 전압을 제어하는 플라즈마 처리 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 RF 전압 진폭 연산부는, 다음의 식을 연산하는 플라즈마 처리 장치.
V_PP = {8P(R + X² / R)}^1/2
단, V_PP는 피크 대 피크 값으로서의 제 1 고주파의 전압 진폭, P는 제 1 고주파의 파워, R 및 X는 플라즈마 임피던스의 실수부 및 허수부이다.
제 1 항, 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 고주파 급전부가, 상기 제 1 고주파를 원하는 파워로 출력하는 제 1 고주파 전원과, 상기 제 1 고주파 전원측의 임피던스와 부하 임피던스를 정합시키기 위한 제 1 정합부를 가지고,
상기 직류 전압 인가부의 출력 단자가, 상기 제 1 정합부의 정합 회로 중 적어도 일부를 개재하여 상기 서셉터에 접속되는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항, 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 직류 전압 인가부의 출력 단자가, 직류를 통하게 하여 고주파를 차단하는 제 1 필터 회로와 상기 제 1 고주파 급전부의 일부의 구간을 개재하여 상기 서셉터에 접속되는 플라즈마 처리 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 서셉터를 전기적으로 접지 상태 또는 플로팅 상태 중 어느 일방으로 전환하기 위하여, 일단이 접지 전위 부재에 접속되고, 타단이 상기 제 1 필터 회로 및 상기 제 1 고주파 급전부의 일부의 구간을 개재하여 상기 서셉터에 접속되는 스위치를 가지는 플라즈마 처리 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 스위치는, 상기 서셉터에 대하여 상기 제 1 고주파 급전부에 의한 상기 제 1 고주파의 인가와 상기 직류 전압 인가부에 의한 상기 직류 전압의 인가가 개시되기 전에, 상기 서셉터를 지금까지의 접지 상태로부터 플로팅 상태로 전환하도록 동작하는 플라즈마 처리 장치.
처리 용기 내에서 도체의 서셉터의 주면에 설치되어 있는 정전 척 상에 피처리 기판을 재치하는 공정과,
상기 기판이 상기 정전 척 상에 재치된 후의 제 1 시점에서, 상기 서셉터를 전기적으로 접지 상태로부터 플로팅 상태로 전환하는 공정과,
상기 제 1 시점보다 이후의 제 2 시점부터, 상기 처리 용기 내에서 처리 가스를 여기하여 플라즈마를 생성하는 공정과,
상기 제 2 시점보다 이후의 제 3 시점부터, 상기 플라즈마의 이온을 상기 기판으로 인입하는데 적합한 주파수를 가지는 제 1 고주파를 상기 서셉터에 인가하는 공정과,
상기 제 2 시점보다 이후에 상기 제 3 시점과 근접하는 제 4 시점부터, 상기 서셉터에 플라즈마와 상기 기판 사이에 발생하는 자기 바이어스에 따른 음극성의 직류 전압을 인가하는 공정과,
상기 서셉터 상에서 상기 기판을 보지하기 위하여, 상기 제 4 시점보다 이후의 제 5 시점부터, 상기 정전 척의 내부 전극에 양극성의 직류 전압을 인가하는 공정을 가지며,
상기 음극성의 직류 전압을 인가하는 공정은,
상기 제 1 고주파의 전압 진폭을 측정하는 공정과,
상기 제 1 고주파의 진행파 및 반사파의 파워를 측정하는 공정과,
상기 제 1 고주파의 전압 진폭의 측정값과, 상기 제 1 고주파의 진행파 및 반사파의 파워의 측정값에 따라 플라즈마와 상기 기판 사이에서 발생하는 상기 자기 바이어스에 대응하는 음극성의 직류 전압을 공급하도록 상기 음극성의 직류 전압을 제어하는 공정을 포함하는 플라즈마 처리 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 제 5 시점보다 이후의 제 6 시점부터, 상기 서셉터 및 상기 정전 척에 형성되어 있는 가스 통로를 거쳐 상기 기판의 이면으로 전열용의 가스를 공급하는 공정을 가지는 플라즈마 처리 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 플라즈마 생성 공정은, 상기 처리 가스의 방전에 적절한 주파수를 가지는 제 2 고주파를 상기 서셉터에 인가하는 공정을 포함하는 플라즈마 처리 방법.
제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 3 시점과 상기 제 4 시점의 시간차는 1 초 이내인 플라즈마 처리 방법.