KR102327136B1 - 플라스마 처리 장치 - Google Patents

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마사하루 다나베
다다시 이노우에
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다츠노리 사토
노부아키 츠치야
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캐논 아네르바 가부시키가이샤
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Abstract

플라스마 처리 장치는, 제1 입력 단자, 제2 입력 단자, 제1 출력 단자 및 제2 출력 단자를 갖는 밸룬과, 진공 용기와, 상기 진공 용기로부터 절연되어, 상기 제1 출력 단자에 전기적으로 접속된 제1 전극과, 상기 진공 용기로부터 절연되어, 상기 제2 출력 단자에 전기적으로 접속된 제2 전극을 구비하고, 상기 제2 전극은, 상기 제1 전극을 전체 둘레에 걸쳐 둘러싸도록 배치되어 있다.

Description

플라스마 처리 장치
본 발명은 플라스마 처리 장치에 관한 것이다.
2개의 전극의 사이에 고주파를 인가함으로써 플라스마를 발생하고 해당 플라스마에 의해 기판을 처리하는 플라스마 처리 장치가 있다. 이러한 플라스마 처리 장치는, 2개의 전극의 면적비 및/또는 바이어스에 의해 스퍼터링 장치로서 동작하거나, 에칭 장치로서 동작하거나 할 수 있다. 스퍼터링 장치로서 구성된 플라스마 처리 장치는, 타깃을 보유 지지하는 제1 전극과, 기판을 보유 지지하는 제2 전극을 갖고, 제1 전극과 제2 전극의 사이에 고주파가 인가되어, 제1 전극과 제2 전극의 사이(타깃과 기판의 사이)에 플라스마가 생성된다. 플라스마의 생성에 의해 타깃의 표면에 셀프 바이어스 전압이 발생하고, 이에 의해 타깃에 이온이 충돌하여, 타깃으로부터 그것을 구성하는 재료의 입자가 방출된다.
특허문헌 1에는, 평형 불평형 변환기를 구비한 플라스마 표면 처리 장치가 기재되어 있다. 이 플라스마 표면 처리 장치는, 고주파 전원과, 전력 증폭기와, 임피던스 정합기와, 동축 케이블과, 진공 용기와, 방전 가스 혼합 상자와, 비접지 전극과, 접지 전극과, 트랜스형 평형 불평형 변환기를 구비하고 있다. 방전 가스 혼합 상자, 비접지 전극, 접지 전극 및 트랜스형 평형 불평형 변환기는, 진공 용기 중에 배치되어 있다. 비접지 전극은, 절연물 지지재 및 방전 가스 혼합 상자를 통하여 진공 용기에 설치되어 있다. 접지 전극은, 기판을 지지한다. 또한, 접지 전극은, 진공 용기에 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원의 출력은, 전력 증폭기, 임피던스 정합기, 동축 케이블 및 트랜스형 평형 불평형 변환기를 통하여 비접지 전극과 접지 전극 사이에 공급된다. 특허문헌 1에 따르면, 접지 전극에 접속된 진공 용기의 부재를 통하여 흐르는 동상 전류 Ix는, 트랜스형 평형 불평형 변환기에 의해 차단된다.
특허문헌 1에 기재된 플라스마 표면 처리 장치는, 접지 전극과 진공 용기가 전기적으로 접속되어 있으므로, 접지 전극 외에, 진공 용기가 애노드로서 기능할 수 있다. 셀프 바이어스 전압은, 캐소드로서 기능할 수 있는 부분의 상태 및 애노드로서 기능할 수 있는 부분의 상태에 의존할 수 있다. 따라서, 기판 보유 지지 전극 외에 진공 용기도 애노드로서 기능하는 경우, 셀 바이어스 전압은, 진공 용기 중 애노드로서 기능하는 부분의 상태에도 의존하여 변화할 수 있다. 셀프 바이어스 전압의 변화는, 플라스마 전위의 변화를 초래하고, 플라스마 전위의 변화는, 예를 들어 형성된 막의 특성에 영향을 주는 등, 기판의 처리에 영향을 줄 수 있다.
스퍼터링 장치에 의해 기판에 막을 형성하면, 진공 용기의 내면에도 막이 형성될 수 있다. 이에 의해 진공 용기 중 애노드로서 기능할 수 있는 부분의 상태가 변화할 수 있다. 그 때문에, 스퍼터링 장치를 계속해서 사용하면, 진공 용기의 내면에 형성되는 막에 의해 셀프 바이어스 전압이 변화하고, 플라스마 전위도 변화할 수 있다. 따라서, 종래는, 스퍼터링 장치를 장기에 걸쳐 사용한 경우에 있어서, 기판 상에 형성된 막의 특성을 일정하게 유지하기가 어려웠다.
마찬가지로, 에칭 장치가 장기에 걸쳐 사용된 경우에 있어서도, 진공 용기의 내면에 형성되는 막에 의해 셀프 바이어스 전압이 변화하고, 이에 의해 플라스마 전위도 변화할 수 있으므로, 기판의 에칭 특성을 일정하게 유지하기가 어려웠다.
일본 특허 공개 제2009-302566호 공보
본 발명은 상기한 과제 인식에 기초하여 이루어진 것이며, 장기간의 사용에 있어서 플라스마 전위를 안정시키기 위해 유리한 기술을 제공한다.
본 발명의 하나의 측면은, 플라스마 처리 장치에 관한 것으로, 상기 플라스마 처리 장치는, 제1 입력 단자, 제2 입력 단자, 제1 출력 단자 및 제2 출력 단자를 갖는 밸룬과, 진공 용기와, 상기 진공 용기로부터 절연되어, 상기 제1 출력 단자에 전기적으로 접속된 제1 전극과, 상기 진공 용기로부터 절연되어, 상기 제2 출력 단자에 전기적으로 접속된 제2 전극을 구비하고, 상기 제2 전극은, 상기 제1 전극을 전체 둘레에 걸쳐 둘러싸도록 배치되어 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태 플라스마 처리 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 도면.
도 2a는 밸룬의 구성예를 도시하는 도면.
도 2b는 밸룬의 다른 구성예를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태의 플라스마 처리 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 도면.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명을 그의 예시적인 실시 형태를 통해서 설명한다.
도 1에는, 본 발명의 제1 실시 형태 플라스마 처리 장치(1)의 구성이 모식적으로 도시되어 있다. 제1 실시 형태의 플라스마 처리 장치(1)는, 스퍼터링에 의해 기판(112)에 막을 형성하는 스퍼터링 장치로서 동작할 수 있다. 플라스마 처리 장치(1)는, 밸룬(평형 불평형 변환 회로)(103)과, 진공 용기(110)와, 제1 전극(106)과, 제2 전극(111)과, 기판 보유 지지부(132)를 구비하고 있다. 또는 플라스마 처리 장치(1)는, 밸룬(103)과, 본체(10)를 구비하고, 본체(10)가 진공 용기(110)와, 제1 전극(106)과, 제2 전극(111)과, 기판 보유 지지부(132)를 구비하는 것으로서 이해되어도 된다. 본체(10)는, 제1 단자(251) 및 제2 단자(252)를 갖는다. 제1 전극(106)은, 진공 용기(110)와 협동하여 진공 공간과 외부 공간을 분리하도록(즉, 진공 격벽의 일부를 구성하도록) 배치되어도 되고, 진공 용기(110) 내에 배치되어도 된다. 제2 전극(111)은, 진공 용기(110)와 협동하여 진공 공간과 외부 공간을 분리하도록(즉, 진공 격벽의 일부를 구성하도록) 배치되어도 되고, 진공 용기(110) 내에 배치되어도 된다.
밸룬(103)은, 제1 입력 단자(201), 제2 입력 단자(202), 제1 출력 단자(211) 및 제2 출력 단자(212)를 갖는다. 밸룬(103)의 제1 입력 단자(201) 및 제2 입력 단자(202)의 측에는, 불평형 회로가 접속되고, 밸룬(103)의 제1 출력 단자(211) 및 제2 출력 단자(212)의 측에는, 평형 회로가 접속된다. 진공 용기(110)의 적어도 일부분은, 도체로 구성될 수 있다. 진공 용기(110)는, 접지된 부분을 포함할 수 있다. 일례에 있어서, 진공 용기(110)의 적어도 일부분을 구성하는 도체는, 접지될 수 있지만, 다른 예에 있어서, 진공 용기(110)의 적어도 일부분을 구성하는 도체는, 인덕터를 통하여 접지에 대해 전기적으로 접속될 수 있다. 제1 전극(106) 및 제2 전극(111)은, 진공 용기(110)(의 적어도 일부분을 구성하는 도체)로부터 절연되어 있다. 도 1에 도시된 예에서는, 제1 전극(106) 및 제2 전극(111)은, 절연체(131)에 의해, 진공 용기(110)(의 적어도 일부분을 구성하는 도체)로부터 절연되어 있다.
제1 실시 형태에서는, 제1 전극(106)은, 캐소드이며, 타깃(109)을 보유 지지한다. 타깃(109)은, 예를 들어 절연체 재료 또는 도전체 재료일 수 있다. 또한, 제1 실시 형태에서는, 제2 전극(111)은, 애노드이다. 제1 전극(106)은, 제1 출력 단자(211)에 전기적으로 접속되고, 제2 전극(111)은, 제2 출력 단자(212)에 전기적으로 접속되어 있다. 제1 전극(106)과 제1 출력 단자(211)가 전기적으로 접속되어 있다는 것은, 제1 전극(106)과 제1 출력 단자(211) 사이에서 전류가 흐르도록 제1 전극(106)과 제1 출력 단자(211) 사이에 전류 경로가 구성되어 있음을 의미한다. 마찬가지로, 이 명세서에 있어서, a와 b가 전기적으로 접속되어 있다는 것은, a와 b 사이에서 전류가 흐르도록 a와 b 사이에 전류 경로가 구성됨을 의미한다.
상기한 구성은, 제1 전극(106)이 제1 단자(251)에 전기적으로 접속되고, 제2 전극(111)이 제2 단자(252)에 전기적으로 접속되며, 제1 단자(251)가 제1 출력 단자(211)에 전기적으로 접속되고, 제2 단자(252)가 제2 출력 단자(212)에 전기적으로 접속된 구성으로 해도 이해될 수 있다.
제1 전극(106) 및 제2 전극(111)은, 기판 보유 지지부(132)(기판 보유 지지부(132)에 의해 보유 지지되는 기판(112))의 측의 공간에 대향하도록 배치된다. 제2 전극(111)은, 제1 전극(106)을 전체 둘레에 걸쳐 둘러싸도록 배치될 수 있다. 제2 전극(111)은, 예를 들어 통 형상을 가질 수 있다. 제1 전극(106) 및 제2 전극(111)은, 동축 구조를 갖는 것이 바람직하다. 일례에 있어서, 제1 전극(106)은, 가상 축을 중심으로 하는 원주형을 갖고, 제2 전극(111)은, 해당 가상 축을 중심으로 하는 원통 형상을 갖는다.
상기와 같은 제1 전극(106) 및 제2 전극(111)의 구성은, 제1 전극(106)과 제2 전극(111) 사이의 임피던스를 저하시키기 위해 유리하고, 이것은, 밸룬(103)의 출력측으로부터 접지에 흐르는 전류, 즉 동상 전류를 저하시키기 위해 유리하다. 동상 전류를 저하시킨다는 것은, 진공 용기(110)를 애노드로서 기능시키기 어렵게 함을 의미한다. 진공 용기(110)의 내벽에는, 기판(112)에의 막의 형성에 따라 의도하지 않는 막이 형성될 수 있지만, 진공 용기(110)를 애노드로서 기능시키기 어렵게 함으로써, 진공 용기(110)의 내벽 상태에 대해 플라스마 전위를 둔감하게 할 수 있다. 이것은, 플라스마 처리 장치(1)의 장기간 사용에 있어서 플라스마 전위를 안정시키기 위해 유리하다. 다른 관점에 있어서, 제1 전극(106)과 제2 전극(111) 사이의 임피던스는, 제1 전극(106)과 진공 용기(110) 사이의 임피던스보다 작은 것이 바람직하다. 이것은, 상기한 동상 전류를 저하시키기 위해 유리하다.
제1 전극(106)과 제2 전극(111) 사이의 거리(간극의 크기)는, 데바이 길이 이하인 것이 바람직하다. 이것은, 제1 전극(106)과 제2 전극(111)의 간극에 플라스마가 들어가는 것을 억제하기 위해 효과적이다.
제2 전극(111)에 나타나는 전압은, 제2 출력 단자(212)와 제2 전극(111)의 사이의 임피던스에 의존할 수 있다. 그래서, 제2 출력 단자(212)와 제2 전극(111) 사이의 전기 경로 길이를 짧게 하는 것이 바람직하다. 혹은 제1 출력 단자(211)와 제1 전극(106)을 접속하는 전기 경로와 제2 출력 단자(212)와 제2 전극(111)을 접속하는 전기 경로를 동축 구조로 하는 것이 바람직하다.
제1 실시 형태에서는, 제1 전극(106)과 제1 출력 단자(211)(제1 단자(251))가 블로킹 커패시터(104)를 거쳐서 전기적으로 접속되어 있다. 블로킹 커패시터(104)는, 제1 출력 단자(211)과 제1 전극(106)의 사이(혹은, 제1 출력 단자(211)와 제2 출력 단자(212)의 사이)를 흐르는 직류 전류를 차단한다. 블로킹 커패시터(104)를 마련하는 대신에, 후술하는 임피던스 정합 회로(102)가 제1 입력 단자(201)와 제2 입력 단자(202)의 사이를 흐르는 직류 전류를 차단하도록 구성되어도 된다. 혹은 블로킹 커패시터(104)는, 제2 전극(111)과 제2 출력 단자(212)의 사이의 전기 경로에 배치되어도 된다.
플라스마 처리 장치(1)는, 고주파 전원(101)과, 고주파 전원(101)과 밸룬(103) 사이에 배치된 임피던스 정합 회로(102)를 더 구비할 수 있다. 고주파 전원(101)은, 임피던스 정합 회로(102)를 통하여 밸룬(103)의 제1 입력 단자(201)와 제2 입력 단자(202)의 사이에 고주파(고주파 전류, 고주파 전압, 고주파 전력)를 공급한다. 환언하면, 고주파 전원(101)은, 임피던스 정합 회로(102), 밸룬(103) 및 블로킹 커패시터(104)를 통하여, 제1 전극(106)과 제2 전극(111)의 사이에 고주파(고주파 전류, 고주파 전압, 고주파 전력)를 공급한다. 또는 고주파 전원(101)은, 임피던스 정합 회로(102) 및 밸룬(103)을 통하여, 본체(10)의 제1 단자(251)와 제2 단자(252)의 사이에 고주파를 공급하는 것으로서도 이해될 수 있다.
진공 용기(110)의 내부 공간에는, 진공 용기(110)에 마련된 도시되지 않은 가스 공급부를 통하여 가스(예를 들어, Ar, Kr 또는 Xe 가스)가 공급된다. 또한, 제1 전극(106)과 제2 전극(111)의 사이에는, 임피던스 정합 회로(102), 밸룬(103) 및 블로킹 커패시터(104)를 통하여 고주파 전원(101)에 의해 고주파가 공급된다. 이에 의해, 플라스마가 생성되어, 타깃(109)의 표면에 셀프 바이어스 전압이 발생하고, 플라스마 중의 이온이 타깃(109)의 표면에 충돌하여, 타깃(109)으로부터 그것을 구성하는 재료의 입자가 방출된다. 그리고, 이 입자에 의해 기판(112) 상에 막이 형성된다.
도 2a에는, 밸룬(103)의 일 구성예가 도시되어 있다. 도 2a에 도시된 밸룬(103)은, 제1 입력 단자(201)와 제1 출력 단자(211)를 접속하는 제1 코일(221)과 제2 입력 단자(202)와 제2 출력 단자(212)를 접속하는 제2 코일(222)을 갖는다. 제1 코일(221) 및 제2 코일(222)은, 동일한 권취수 코일이며, 철심을 공유한다.
도 2b에는, 밸룬(103)의 다른 구성예가 도시되어 있다. 도 2b에 도시된 밸룬(103)은, 제1 입력 단자(201)와 제1 출력 단자(211)를 접속하는 제1 코일(221)과 제2 입력 단자(202)와 제2 출력 단자(212)를 접속하는 제2 코일(222)을 갖는다. 또한, 도 2b에 도시된 밸룬(103)은, 제1 코일(221)과 철심을 공유하여 제1 코일(221)과 자기적으로 결합된 제3 코일(223)과, 제2 코일(222)과 철심을 공유하여 제2 코일(222)과 자기적으로 결합된 제4 코일(224)을 가질 수 있다. 제1 출력 단자(211)와 제2 출력 단자(212)는, 제3 코일(223) 및 제4 코일(224)을 포함하는 직렬 회로에 의해 접속되어 있다. 제1 코일(221), 제2 코일(222), 제3 코일(223) 및 제4 코일(224)은, 동일한 권취수를 갖는 코일이며, 철심을 공유한다.
도 3에는, 본 발명의 제2 실시 형태의 플라스마 처리 장치(1)의 구성이 모식적으로 도시되어 있다. 제2 실시 형태로서 설명하지 않는 사항은, 제1 실시 형태를 따를 수 있다. 제2 실시 형태의 플라스마 처리 장치(1)는, 기판(112)을 에칭하는 에칭 장치로서 동작할 수 있다. 제2 실시 형태에서는, 제1 전극(106)은, 캐소드이며, 기판(112)을 보유 지지한다. 또한, 제2 실시 형태에서는, 제2 전극(111)은 애노드이다. 진공 용기(110)의 적어도 일부분은, 도체로 구성될 수 있다. 진공 용기(110)는, 접지된 부분을 포함할 수 있다. 일례에 있어서, 진공 용기(110)의 적어도 일부분을 구성하는 도체는, 접지될 수 있다. 다른 예에 있어서, 진공 용기(110)의 적어도 일부분을 구성하는 도체는, 인덕터를 통하여 접지에 대해 전기적으로 접속될 수 있다. 제1 전극(106) 및 제2 전극(111)은, 진공 용기(110)(의 적어도 일부분을 구성하는 도체)로부터 절연되어 있다. 도 3에 도시된 예에서는, 제1 전극(106) 및 제2 전극(111)은, 절연체(131)에 의해, 진공 용기(110)(의 적어도 일부분을 구성하는 도체)로부터 절연되어 있다.
제2 실시 형태의 플라스마 처리 장치(1)에서는, 제1 전극(106)과 제1 출력 단자(211)가 블로킹 커패시터(104)를 거쳐서 전기적으로 접속될 수 있다. 환언하면, 제2 실시 형태의 플라스마 처리 장치(1)에서는, 블로킹 커패시터(104)가 제1 전극(106)과 제1 입력 단자(211)의 전기적인 접속 경로에 배치될 수 있다. 블로킹 커패시터(104)를 마련하는 대신에, 임피던스 정합 회로(102)가 제1 입력 단자(201)와 제2 입력 단자(202)의 사이를 흐르는 직류 전류를 차단하도록 구성되어도 된다. 혹은 블로킹 커패시터(104)는, 제2 전극(111)과 제2 출력 단자(212)의 사이에 배치되어도 된다.
본 발명은 상기 실시 형태에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 정신 및 범위로부터 이탈하지 않고, 다양한 변경 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위를 밝히기 위해, 이하의 청구항을 첨부한다.
1: 플라스마 처리 장치
10: 본체
101: 고주파 전원
102: 임피던스 정합 회로
103: 밸룬
104: 블로킹 커패시터
106: 제1 전극
107, 108: 절연체
109: 타깃
110: 진공 용기
111: 제2 전극
112: 기판
132: 기판 보유 지지부
201: 제1 입력 단자
202: 제2 입력 단자
211: 제1 출력 단자
212: 제2 출력 단자
251: 제1 단자
252: 제2 단자
221: 제1 코일
222: 제2 코일
223: 제3 코일
224: 제4 코일

Claims (11)

  1. 임피던스 정합회로를 거쳐서 고주파가 공급되는 제1 입력 단자, 접지된 제2 입력 단자, 제1 출력 단자, 제2 출력 단자, 상기 제1 입력 단자와 상기 제1 출력 단자를 접속하는 제1 코일, 및 상기 제2 입력 단자와 상기 제2 출력 단자를 접속하는 제2 코일을 갖는 밸룬과,
    진공 용기와,
    상기 진공 용기로부터 절연되어, 상기 제1 출력 단자에 전기적으로 접속된 제1 전극과,
    상기 진공 용기로부터 절연되어, 상기 제2 출력 단자에 전기적으로 접속된 제2 전극을 구비하고,
    상기 제2 전극은, 통 형상을 갖고, 상기 제1 전극을 전체 둘레에 걸쳐 둘러싸도록 배치되고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 동축 구조를 구성하도록 배치되고,
    상기 제1 출력 단자와 상기 제1 전극이 블로킹 커패시터를 거쳐서 전기적으로 접속되고,
    상기 제1 전극은, 접지되어 있지 않고,
    상기 제2 출력 단자와 상기 제2 전극은, 커패시터를 거치지 않고 전기적으로 접속되고, 상기 제2 입력 단자는 접지되어 있는 것을 특징으로 하는, 플라스마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은, 기판 또는 타깃인 부재를 보유 지지하도록 구성되고, 상기 통 형상을 갖는 상기 제2 전극은, 내경이 상기 부재보다 큰 것을 특징으로 하는, 플라스마 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극은, 상기 부재를 보유 지지하는 면을 갖는 원주 형상을 갖는 것을 특징으로 하는, 플라스마 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 거리가 데바이 길이 이하인 것을 특징으로 하는, 플라스마 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 진공 용기는 접지된 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라스마 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 캐소드이며, 상기 제2 전극은 애노드인 것을 특징으로 하는, 플라스마 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이의 임피던스가 상기 제1 전극과 상기 진공 용기 사이의 임피던스보다 작은 것을 특징으로 하는, 플라스마 처리 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 부재의 표면에 셀프 바이어스 전위가 발생하는 것을 특징으로 하는, 플라스마 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은, 기판을 보유 지지하고,
    상기 플라스마 처리 장치는, 상기 제1 전극에 의해 보유 지지되는 기판을 에칭하는 에칭 장치로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 플라스마 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    기판을 보유 지지하는 기판 보유 지지부를 더 구비하고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 상기 기판 보유 지지부에 의해 보유 지지되는 상기 기판의 측의 공간에 대향하도록 배치되고,
    상기 제1 전극은 타깃을 보유 지지하고,
    상기 플라스마 처리 장치는, 상기 타깃의 스퍼터링에 의해 상기 기판에 막을 형성하는 스퍼터링 장치로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 플라스마 처리 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    고주파 전원과,
    상기 고주파 전원과 상기 밸룬의 사이에 배치된 임피던스 정합 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 플라스마 처리 장치.
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