KR102346036B1 - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

처리 용기 내에 플라즈마를 발생시켜 피처리체를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 장치는, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생부와, 마이크로파를 도입 가능한 처리 용기와, 처리 용기 내에 가스를 공급하는 가스 공급 기구를 구비하고 있고, 마이크로파 발생부는, 마이크로파를 발진하는 발진 회로와, 일정한 주기로 미리 정해진 주파수 대역폭의 제어파를 발진하는 펄스 발생 회로와, 마이크로파의 주파수를 제어파에 의해 미리 정해진 주파수 대역폭의 변조파로 변조하여 출력하는 주파수 변조 회로를 가지며, 이 주파수 변조 회로는, 일정한 주기로, 변조파와 변조되지 않은 마이크로파를 교대로 반복 출력한다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING DEVICE AND PLASMA PROCESSING METHOD}
(관련 출원의 상호 참조)
본원은, 2014년 12월 25일에 일본국에 출원된 일본 특허 출원 제2014-263547호에 기초하여, 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
본 발명은, 마이크로파를 이용하여 플라즈마를 여기하는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
반도체 소자나 유기 EL 소자 등은, 처리 대상이 되는 피처리 기판에 대하여, 에칭이나 CVD, 스퍼터링 등의 처리를 행하여 제조된다. 종래, 예컨대 반도체 웨이퍼 등의 피처리체에 대하여 미리 정해진 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치로서, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(radial line slot antenna)를 이용한 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다. 레이디얼 라인 슬롯 안테나는, 처리 용기의 천장면 개구부에 배치된 유전체창의 상부에 있어서, 복수의 슬롯을 갖는 슬롯판의 상부에 지파판(遲波板)을 배치한 상태에서 배치되고, 그 중앙부에서 동축 도파관에 접속되어 있다. 이러한 구성에 의해, 마이크로파 발생부에 의해 발생된 마이크로파는, 동축 도파관을 경유하여, 지파판에 의해 직경 방향으로 방사상으로 전달되어, 슬롯판에 의해 원편파를 발생시킨 후, 슬롯판으로부터 유전체창을 통해 처리 용기 내로 방사된다. 그리고, 이 마이크로파에 의해 처리 용기 내에서 저압 하에서 전자 온도가 낮은 고밀도의 플라즈마를 생성시킬 수 있고, 생성된 플라즈마에 의해, 예컨대 성막 처리나 에칭 처리 등의 플라즈마 처리가 행해진다. 이와 같이, 마이크로파를 플라즈마원으로서 이용하는 방법은, 플라즈마의 전자 온도를 낮게 유지하여, 피처리체에 미치는 손상을 작게 한다고 하는 점에서 유리하다.
마이크로파를 도입하는 방법으로는, 종래, 환상의 도파관을 배치하거나, 공동 공명 부분으로부터 슬릿을 통하여 마이크로파를 도입하는 방법 등이 있다. 또한, 전술한 레이디얼 라인 슬롯 안테나로부터 마이크로파를 도입하는 방법은, 안테나 패턴을 바꿈으로써 플라즈마의 분포를 제어할 수 있고, 슬롯 안테나의 형상을 최적화함으로써 플라즈마 밀도의 균일성이 좋은 플라즈마를 형성할 수 있다. 또한, 마이크로파 투과 유전체와 안테나의 간극을 밀착시킴으로써, 균일성을 더 개선할 수 있다. 또한, 마이크로파를 도입하는 유전체에 오목부를 형성하여, 슬롯 패턴을 최적화함으로써, 고밀도이고 안정된 플라즈마를 더 형성할 수 있다.
플라즈마 처리 장치에 있어서는, 피처리체 전체면에 걸쳐 균일한 처리가 행해지는 것이 요구된다. 플라즈마 처리의 면내균일성을 향상시키기 위해서는 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기 내에, 보다 균일한 플라즈마를 안정되게 형성하는 것이 필요하게 된다.
플라즈마를 생성하기 위한 마이크로파는, 1 KW∼5 KW 정도의 매우 높은 전력이 요구되기 때문에, 종래, 마그네트론 발진관이 이용되어 왔다. 그런데, 마그네트론 발진관은, 고체마다 발진 주파수가 상이하고, 예컨대 2.45 GHz의 경우에는, ±10 MHz 이상의 주파수의 편차가 있다. 또한, 플라즈마 부하의 상태나 파워 등에 따라서도 주파수가 상이하다.
마이크로파를 플라즈마원으로 하는 플라즈마 장치에 있어서는, 마이크로파 주파수의 영향이 커서, 주파수가 변화되면 플라즈마의 분포 및 밀도가 변화되어, 균일한 플라즈마 처리가 행해지지 않는다고 하는 문제가 있다. 종래, 마그네트론의 주파수의 안정성을 향상시키기 위해서, 주입 동기 신호를 제어하는 등의 방법도 검토되고, 개선되어 있지만, 완전히 주파수를 고정하는 것은 곤란하였다.
또한, 플라즈마와 마이크로파의 흡수의 관계에 있어서, 어떤 특정한 주파수에 있어서, 플라즈마에 마이크로파가 흡수되는 흡수 피크가 존재하는 현상을 알고 있지만, 흡수 피크가 되는 주파수는 시시각각 변화되기 때문에, 항상 마이크로파가 흡수되는 상태를 유지하는 것은 매우 곤란하다. 게다가, 마이크로파의 주파수는, 플라즈마 처리 용기 및 안테나 도파관 등의 여러 가지 형상에 따른 주파수 특성의 영향을 받는다. 그리고, 종래, 플라즈마 밀도의 상태를 직접 모니터하는 것은 곤란하였다.
예컨대 특허문헌 1에는, 플라즈마 처리 장치에 있어서, 반송파 신호를 주파수 변조함으로써, 광대역에 있어서 마이크로파의 주파수를 균일하게 할 수 있는 것이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 고체 발진기를 이용하여 마이크로파를 효율적으로 안정되게 발생시키는 방법이 개시되어 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특허 공개 제2012-109080호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특허 공개 제2006-128075호 공보
그러나, 상기 특허문헌 1에서는, 주파수가 광대역화함으로써, 전체 대역에서 정합을 취하기 어려워져, 반사파를 억제할 수 없다고 하는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 2는, 플라즈마 가열 장치에 관한 것으로서, 마이크로파의 부하 상태는 용기의 형상에 의해 결정되며, 거의 변화하지 않는다. 또한, 플라즈마에 흡수되기 위한 마이크로파 주파수의 구체적인 제어에 관해서는 기재되어 있지 않다.
본 발명의 목적은, 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 있어서, 균일하고 플라즈마 밀도가 높은 상태를 유지하여, 플라즈마 에칭 및 플라즈마 성막 등의 성능을 높이는 것을 목적으로 한다.
상기 문제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생부와, 마이크로파를 도입 가능한 처리 용기와, 상기 처리 용기 내로 가스를 공급하는 가스 공급 기구를 구비하고, 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시켜, 피처리체를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 마이크로파 발생부는, 마이크로파를 발진하는 발진 회로와, 일정한 주기로 미리 정해진 주파수 대역폭의 제어파를 발진하는 펄스 발생 회로와, 상기 마이크로파의 주파수를 상기 제어파에 의해 상기 미리 정해진 주파수 대역폭의 변조파로 변조하여 출력하는 주파수 변조 회로를 가지며, 상기 주파수 변조 회로는, 상기 일정한 주기로, 상기 변조파와, 변조되지 않은 마이크로파를 교대로 반복 출력한다.
별도의 관점에 따른 본 발명은, 마이크로파를 도입 가능한 처리 용기에 가스를 공급하고, 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시켜, 피처리체를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 방법에 있어서, 마이크로파의 발진시에, 일정한 주기로, 미리 정해진 주파수 대역폭의 제어파를 발진하고, 상기 제어파에 의해 상기 마이크로파를 상기 미리 정해진 주파수 대역폭의 변조파로 변조하여, 상기 변조파와, 변조되지 않은 마이크로파를 교대로 반복 출력한다.
본 발명에 따르면, 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 있어서, 플라즈마에 흡수되기 쉬운 마이크로파의 주파수를 유지하고, 처리 용기 내에 균일하고 플라즈마 밀도가 높은 플라즈마를 안정되게 생성할 수 있어, 플라즈마 처리의 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 구성의 개략을 나타낸 종단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 마이크로파 발생부의 상세한 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 마이크로파 제어 회로의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 주파수 변조를 설명한 파형도로서, (a)는 제어파의 타이밍을 나타낸 도면, (b)는 동기파를 나타낸 도면, (c)는 주파수 변조된 변조파를 나타낸 도면, (d)는 모니터파를 나타낸 도면이다.
도 5는 모니터파의 예를 나타낸 파형도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 구성예의 개략을 나타낸 종단면도이다. 플라즈마 처리 장치(1)는, 피처리체로서의 웨이퍼(W)의 표면(상면)에 대하여 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposiotion) 처리를 행하는 플라즈마 발생 기구를 구비한 성막 장치이다. 또한, 이하에 나타내는 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
플라즈마 처리 장치(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이 처리 용기(10)를 갖고 있다. 처리 용기(10)는, 천장면이 개구된 대략 원통 형상을 가지며, 상기 천장면 개구부에는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40)가 배치되어 있다. 또한, 처리 용기(10)의 측면에는 웨이퍼(W)의 반입출구(도시하지 않음)가 형성되고, 상기 반입출구에는 게이트 밸브(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 그리고, 처리 용기(10)는 그 내부를 밀폐 가능하게 구성되어 있다. 또한, 처리 용기(10)에는 알루미늄 또는 스테인리스강 등의 금속이 이용되며, 처리 용기(10)는 전기적으로 접지되어 있다.
처리 용기(10) 내의 바닥부에는, 웨이퍼(W)를 상면에 배치시키는 원통 형상의 배치대(20)가 마련되어 있다. 배치대(20)에는, 예컨대 AlN 등이 이용된다.
배치대(20)의 내부에는, 정전 척용의 전극(21)이 설치되어 있다. 전극(21)은, 처리 용기(10)의 외부에 설치된 직류 전원(22)에 접속되어 있다. 이 직류 전원(22)에 의해 배치대(20)의 상면에 존슨-라벡력(Johnson-Rahbeck force)을 발생시켜, 웨이퍼(W)를 배치대(20) 상에 정전 흡착시킬 수 있다.
배치대(20)의 내부에는, 예컨대 냉각 매체를 유통시키는 온도 조절 기구(23)가 설치되어 있다. 온도 조절 기구(23)는, 처리 용기(10)의 외부에 설치되고, 냉각 매체의 온도를 조정하는 액온 조절부(24)에 접속되어 있다. 그리고, 액온 조절부(24)에 의해 냉매 매체의 온도가 조절되며, 배치대(20)의 온도를 제어할 수 있고, 이 결과, 배치대(20) 상에 배치된 웨이퍼(W)를 미리 정해진 온도로 유지할 수 있다.
배치대(20)에는, RF 바이어스용의 고주파 전원(도시하지 않음)이 접속되어 있어도 좋다. 고주파 전원은, 웨이퍼(W)에 인입되는 이온의 에너지를 제어하는 데 알맞은 일정한 주파수, 예컨대 13.56 MHz의 고주파를 미리 정해진 파워로 출력한다.
배치대(20)에는, 상기 배치대(20)를 두께 방향으로 관통하는 관통 구멍(도시하지 않음)이 예컨대 3 지점에 형성되어 있다. 관통 구멍에는, 후술하는 승강핀(31)이 삽입 관통하여 설치되어 있다.
배치대(20)의 하면에는, 상기 배치대(20)를 지지하는 지지 부재(25)가 설치되어 있다.
배치대(20)의 아래쪽에는, 배치대(20) 상에 놓여진 웨이퍼(W)를 적절하게 승강시키는 승강 기구(30)가 설치되어 있다. 승강 기구(30)는, 승강핀(31), 플레이트(32), 지주(33) 및 승강 구동부(34)를 갖고 있다. 승강핀(31)은, 플레이트(32)의 상면에 예컨대 3개 설치되고, 배치대(20)의 상면으로 돌출 가능하게 구성되어 있다. 플레이트(32)는, 처리 용기(10)의 바닥면을 관통하는 지주(33)의 상단에 지지되어 있다. 지주(33)의 하단에는, 처리 용기(10)의 외부에 배치된 승강 구동부(34)가 설치되어 있다. 이 승강 구동부(34)의 가동에 의해, 배치대(20)를 관통하고 있는 3개의 승강핀(31)이 승강하여, 승강핀(31)의 상단이 배치대(20)의 상면으로부터 위쪽으로 돌출된 상태와, 승강핀(31)의 상단이 배치대(20)의 내부에 인입된 상태로 전환된다.
처리 용기(10)의 천장면 개구부에는, 플라즈마 생성용의 마이크로파를 공급하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40)(radial line slot antenna)가 설치되어 있다. 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40)는, 유전체창(41), 슬롯판(42), 지파판(43) 및 실드 덮개(44)를 갖고 있다.
유전체창(41)은, 예컨대 O링 등의 시일재(도시하지 않음)를 통해, 처리 용기(10)의 천장면 개구부를 밀봉하도록 설치되어 있다. 따라서, 처리 용기(10)의 내부는 기밀하게 유지된다. 유전체창(41)에는 유전체, 예컨대 석영, Al2O3, AlN 등이 이용되고, 유전체창(41)은 마이크로파를 투과시킨다.
슬롯판(42)은, 유전체창(41)의 상면으로서, 배치대(20)와 대향하도록 설치되어 있다. 슬롯판(42)에는, 도전성을 갖는 재료, 예컨대 구리, 알루미늄, 니켈 등이 이용된다.
지파판(43)은, 슬롯판(42)의 상면에 설치되어 있다. 지파판(43)에는 저손실 유전체 재료, 예컨대 석영, Al2O3, AlN 등이 이용되며, 지파판(43)은 마이크로파의 파장을 단축한다.
실드 덮개(44)는, 지파판(43)의 상면에 있어서, 지파판(43)과 슬롯판(42)을 덮도록 설치되어 있다. 실드 덮개(44)의 내부에는, 예컨대 냉각 매체를 유통시키는 원환형의 유로(45)가 복수 형성되어 있다. 유로(45)를 흐르는 냉각 매체에 의해, 유전체창(41), 슬롯판(42), 지파판(43), 실드 덮개(44)가 미리 정해진 온도로 조절된다.
실드 덮개(44)의 중앙부에는 동축 도파관(50)이 접속되어 있다. 동축 도파관(50)은, 내부 도체(51)와 외부 도체(52)를 갖고 있다. 내부 도체(51)는, 슬롯판(42)에 접속되어 있다. 내부 도체(51)의 하단부는 원추형으로 형성되고, 그 직경이 슬롯판(42)측을 향해 확대되는 테이퍼 형상을 갖고 있다. 이 하단부에 의해, 슬롯판(42)에 대하여 마이크로파를 효율적으로 전파하도록 되어 있다.
동축 도파관(50)에는, 마이크로파를 미리 정해진 진동 모드로 변환하는 모드 변환기(53), 도파관(54), 고주파로서의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생부(55)가, 동축 도파관(50)측에서부터 이 순서로 접속되어 있다. 마이크로파 발생부(55)는, 미리 정해진 주파수, 예컨대 2.45 GHz의 마이크로파를 발생시킨다.
도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로파 발생부(55)는, 도파관(54)을 따라, 모드 변환기(53)측에서부터 차례로, 정합기(101)와, 처리 용기(10)로부터의 마이크로파의 반사파 및 도파관(54) 내부를 통해 진행하는 진행파의 일부를 각각 분기하는 방향 결합기(102a, 102b)와, 반사파를 분기하는 방향 결합기(102c)와, 동축 도파관 변환기(110)를 구비하고 있다. 방향 결합기(102a, 102b)에는, 각각 반사파 및 진행파를 검출하는 파워 검출기(103a, 103b)가 접속되고, 방향 결합기(102c)에는, 반사파를 차단하기 위한 아이솔레이터(104)가 설치되어 있다. 또한, 동축 도파관 변환기(110)로부터 마이크로파 증폭기(111)를 통해 예컨대 마그네트론을 구비한 마이크로파 발진기(112)가 접속되어 있다.
이상의 구성을 갖춘 마이크로파 발생부(55)는, 제어부(120)에 의해 제어되어 있다. 제어부(120)는, 정합기(101), 파워 검출기(103a, 103b), 마이크로파 증폭기(111), 마이크로파 발진기(112)에 접속되고, 또한, 제어 내용을 표시하는 표시 장치(121)에 접속되어 있다. 제어부(120)는, 예컨대 컴퓨터로서, 프로그램 저장부(도시하지 않음)를 갖고 있다. 프로그램 저장부에는, 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서의 마이크로파의 발진을 제어하는 프로그램이 저장되어 있다. 또한, 상기 프로그램은, 예컨대 컴퓨터 판독 가능한 하드 디스크(HD), 플렉시블 디스크(FD), 컴팩트 디스크(CD), 마그넷 광디스크(MO), 메모리 카드 등의 컴퓨터에 판독 가능한 기억 매체(H)에 기록되어 있던 것으로서, 그 기억 매체(H)로부터 제어부(120)에 인스톨된 것이어도 좋다. 또한, 제어부(120)는, 플라즈마 처리 장치(1)의 직류 전원(22)이나 감압 기구(70) 및 도시하지 않은 각종 센서 등의 제어도 행한다.
이러한 구성에 의해, 마이크로파 발생부(55)에서 발생한 마이크로파는, 도파관(54), 모드 변환기(53), 동축 도파관(50)을 순차 전파하여, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40) 내에 공급되고, 지파판(43)에 의해 압축되어 단파장화되고, 슬롯판(42)에 의해 원편파를 발생시킨 후, 슬롯판(42)으로부터 유전체창(41)을 투과하여 처리 용기(10) 내로 방사된다. 이 마이크로파에 의해 처리 용기(10) 내에서는 처리 가스가 플라즈마화하고, 이 플라즈마에 의해 웨이퍼(W)의 플라즈마 처리가 행해진다.
처리 용기(10) 내에는, 위 샤워 플레이트(60)와 아래 샤워 플레이트(61)가, 배치대(20)의 상부에 설치되어 있다. 이들 위 샤워 플레이트(60)와 아래 샤워 플레이트(61)는, 예컨대 석영관 등으로 이루어진 중공의 관재로 구성되어 있다. 위 샤워 플레이트(60)와 아래 샤워 플레이트(61)에는, 배치대(20) 상의 웨이퍼(W)에 대하여 가스를 공급하는 복수의 개구부(도시하지 않음)가 분포하여 설치되어 있다.
위 샤워 플레이트(60)에는, 처리 용기(10)의 외부에 배치된 플라즈마 생성 가스 공급원(62)이, 배관(63)을 통해 접속되어 있다. 플라즈마 생성 가스 공급원(62)에는, 플라즈마 생성용의 가스로서 예컨대 Ar 가스 등이 저류되어 있다. 이 플라즈마 생성 가스 공급원(62)으로부터, 배관(63)을 통해, 위 샤워 플레이트(60) 내에 플라즈마 생성 가스가 도입되고, 처리 용기(10) 내에 균일하게 분산된 상태에서, 플라즈마 생성 가스가 공급된다.
아래 샤워 플레이트(61)에는, 처리 용기(10)의 외부에 배치된 처리 가스 공급원(64)이, 배관(65)을 통해 접속되어 있다. 처리 가스 공급원(64)에는, 성막되는 막에 따른 처리 가스가 저류되어 있다. 예컨대 웨이퍼(W)의 표면에 SiN막을 성막하는 경우에는, 처리 가스로서 TSA(트리실릴아민), N2 가스, H2 가스 등이 저류되고, SiO2막을 성막하는 경우에는, TEOS 등이 저류된다. 이 처리 가스 공급원(64)으로부터, 배관(65)을 통해, 아래 샤워 플레이트(61) 내에 처리 가스가 도입되며, 처리 용기(10) 내에 균일하게 분산된 상태에서, 처리 가스가 공급된다.
처리 용기(10)의 바닥면에는, 처리 용기(10)의 내부의 분위기를 감압하는 감압 기구(70)가 설치되어 있다. 감압 기구(70)는, 예컨대 진공 펌프를 구비한 배기부(71)가, 배기관(72)을 통해 처리 용기(10)의 바닥면에 접속된 구성을 갖고 있다. 배기부(71)는, 처리 용기(10) 내의 분위기를 배기하여, 미리 정해진 진공도까지 감압할 수 있다.
다음에, 이상과 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(1)에서 행해지는 웨이퍼(W)의 플라즈마 처리에 대해서 설명한다.
우선, 처리 용기(10) 내에 반입된 웨이퍼(W)는, 승강핀(31)에 의해 배치대(20) 상에 배치된다. 이 때, 직류 전원(22)을 온으로 하여 배치대(20)의 전극(21)에 직류 전압을 인가하고, 배치대(20)에 의해 웨이퍼(W)를 흡착 유지한다.
그 후, 처리 용기(10) 내부를 밀폐한 후, 감압 기구(70)에 의해, 처리 용기(10) 내의 분위기를 미리 정해진 압력, 예컨대 400 mTorr(=53 Pa)로 감압한다. 또한, 위 샤워 플레이트(60)로부터 처리 용기(10) 내에 플라즈마 생성 가스를 공급함과 더불어, 아래 샤워 플레이트(61)로부터 처리 용기(10) 내에 플라즈마 성막용의 처리 가스를 공급한다.
이와 같이 처리 용기(10) 내에 플라즈마 생성 가스와 처리 가스가 공급될 때, 마이크로파 발생부(55)를 작동시키고, 상기 마이크로파 발생부(55)에 있어서, 예컨대 2.45 GHz의 주파수로 미리 정해진 파워의 마이크로파를 발생시킨다. 그렇게 하면, 유전체창(41)의 하면에 전계가 발생하고, 플라즈마 생성 가스가 플라즈마화되며, 처리 가스가 더 플라즈마화되어, 그 때에 발생한 활성종에 의해, 웨이퍼(W) 상에 성막 처리가 이루어진다. 이렇게 해서, 웨이퍼(W)의 표면에 미리 정해진 막이 형성된다.
그 후, 미리 정해진 막이 성장하고, 웨이퍼(W)에 미리 정해진 막 두께의 막이 형성되면, 플라즈마 생성 가스 및 처리 가스의 공급과, 마이크로파의 조사가 정지된다. 그 후, 웨이퍼(W)는 처리 용기(10)로부터 반출되어, 일련의 플라즈마 성막 처리가 종료된다.
다음에, 상기한 플라즈마 처리에 있어서의, 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로파의 제어 기구에 대해서, 도면을 이용하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로파 제어를 행하는 회로 구성도이다. 마이크로파 제어 회로(200)는, 마이크로파 발생부(55)의 마이크로파 발진기(112) 내에 설치되고, 미리 정해진 주파수의 반송파로서의 마이크로파를 발진하는 발진 회로(201)와, 미리 정해진 주파수 대역폭을 갖는 제어파와 그 동기파를 생성하는 펄스 발생 회로(202)와, 반송파를 제어파에 의해 주파수 변조함으로써 미리 정해진 주파수 대역폭을 갖는 변조파를 생성하고, 그 변조파 또는 반송파만을 출력하는 주파수 변조 회로(203)를 갖는다. 또한, 펄스 발생 회로(202)로부터의 동기 신호를 받아, 파워 검출기(103a)로부터의 반사파 신호 및 파워 검출기(103b)로부터의 진행파 신호를 동기 샘플링하는 동기 샘플링 회로(204)와, 샘플링한 데이터를 연산하는 연산 회로(205)를 갖는다.
본 실시형태에 따른 마이크로파 제어 회로(200)에 있어서는, 우선, 발진 회로(201)에 의해, 기준이 되는 반송파가 생성된다. 또한, 펄스 발생 회로(20)에 의해, 미리 설정한 미리 정해진 주파수 대역폭을 갖는 제어파가 생성된다. 반송파의 주파수 및 제어파의 주파수 대역폭은, 처리 용기(10) 내에서 행해지는 플라즈마 처리에 따라 적절히 설정된다. 도 4는 본 실시형태에 따른 주파수 변조를 설명하는 파형도이다. 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 반송파가 일정한 주파수로 발진되고, 미리 정해진 주파수 대역폭을 갖는 제어파가, 일정한 주기로 미리 정해진 시간씩 반복하여 발진된다. 제어파는, 광대역의 주파수의 경우, 너무 장시간 발진하면 정합이 곤란해져 반사파를 억제할 수 없게 되기 때문에, 샘플링 데이터를 취득할 수 있는 감도의 범위에서 되도록 단시간인 것이 바람직하고, 마이크로파 발진 시간 전체에 대하여 예컨대 10% 이하, 바람직하게는 1∼2% 정도의 시간으로 한다. 또한, 동기를 취하기 위해서, 제어파는, 일정한 주기로 반복하는 것이 바람직하다. 정확한 리얼 타임 제어를 행하는 데에 있어서, 제어파를 발진하는 간격은, 연산 가능한 범위에서 되도록 짧은 것이 바람직하며, 예컨대 200 kHz 정도로 한다.
또한, 제어파와 동기하여, 펄스 발생 회로(202)에 의해, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 동기파가 발진된다. 펄스 발생 회로(202)는, 주파수 변조 회로(203)로의 제어파의 송신과, 동기 샘플링 회로(204)로의 동기 신호의 송신을 동시에 행하고, 이에 따라, 반송파의 변조시에만, 반사파의 모니터가 행해지도록 되어 있다.
도 4의 (c)는, 주파수 변조 회로(203)에 있어서, 반송파가 제어파에 의해 주파수 변조된 변조파를 나타낸다. 이 변조파의 진행파 신호 및 반사파 신호는, 동기 샘플링 회로(204)를 통해 동기하여 연산 회로(205)로 보내지고, 도 4의 (b)에 도시된 동기파가 발진되고 있는 시간만이, 동기 샘플링 회로(204)에 의해 샘플링되며, 도 4의 (d)에 도시된 바와 같이 반사파가 모니터된다. 연산 회로(205)에서는, 이 모니터파로부터, 반사파가 낮게 되어 있는 흡수 피크시의 주파수를 연산한다.
도 5는 모니터된 반사파의 예를 나타낸다. Pf는 진행파이고, Pr1, Pr2, Pr3은 각각 1번째, 2번째, 3번째 모니터에 의한 반사파의 예를 나타낸다. 도 5 중에 있어서 동그라미표를 붙인 부분이, 반사가 적은 흡수 피크이며, 가장 효율적으로 마이크로파가 플라즈마에 흡수되어, 안정된 플라즈마를 얻을 수 있는 최적의 주파수인 것을 나타내고 있다. 이와 같이, 모니터된 반사파로부터, 연산 회로(205)에 의해 최적의 주파수가 결정되면, 주파수 정보가 발진 회로(201)로 보내진다.
이에 따라, 발진 회로(201)에 있어서, 연산 회로(205)로부터 보내진 미리 정해진 주파수의 마이크로파를 생성하고, 그 마이크로파가, 주파수 변조 회로(203)를 통해 도파관(54)에 향해 출력된다. 도파관(54)에 송신된 마이크로파는, 모드 변환기(53), 동축 도파관(50), 슬롯판(42) 및 유전체창(41)을 거쳐 처리 용기(10) 내로 전파된다. 그리고, 처리 용기(10) 내에 플라즈마가 여기된다. 계속해서, 처리 용기(10) 내에 여기된 플라즈마를 이용하여, 배치대(20) 상의 웨이퍼(W)에 대하여, 플라즈마 에칭이나, 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 스퍼터링 등의 플라즈마 처리가 행해진다.
또한, 이 플라즈마 처리가 한창일 때에, 주파수 변조 회로(203)로부터, 일정한 주기로 변조파가 출력되고, 그 때의 진행파 및 처리 용기(10)로부터의 반사파가, 동기 샘플링 회로(204)를 통해 연산 회로(205)로 보내져, 상기와 동일한 모니터링을 행하여, 그 타이밍에 있어서의 최적의 주파수가 결정된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 처리 조건 등이 상이하면, 반사파가 낮아지는 흡수 피크시의 주파수가 상이하다. 이 주파수가, 마이크로파 발진기(112)의 성능에 있어서의 미리 정해진 범위를 벗어나면, 모드 점프가 발생하여, 안정된 플라즈마 처리가 행해지지 않게 된다. 본 발명에서는, 플라즈마 처리 중에 리얼 타임으로 마이크로파의 흡수 피크를 계속해서 검출함으로써, 흡수 피크가 미리 정해진 주파수의 상한 또는 하한에 근접했을 때에는, 각종 설정을 고치거나, 예컨대 표시 장치(121)에 에러 표시되도록 함으로써, 모드 점프를 막을 수 있다.
이상의 실시형태에 따르면, 주파수 변조한 변조파의 반사파를 모니터함으로써, 플라즈마 밀도의 상태를 리얼 타임으로 모니터할 수 있다. 그리고, 모니터된 반사파에 의해 반송파의 주파수를 리얼 타임으로 제어함으로써, 프로세스 조건의 변화 등에 따른 플라즈마의 상태 변화에 즉시 대응하고, 플라즈마의 반사가 가장 낮은 주파수에 반송파를 맞추어, 고밀도이고 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다. 또한, 플라즈마 처리 장치의 도파관, 정합 회로, 안테나, 유전체 등의 형상이 상이하여도, 그것에 대응하여 최적의 프로세스 성능을 발휘할 수 있다. 또한, 장치의 전극 재료 등의 소모를 억제하기 때문에, 운전 비용이 개선된다.
이상, 본 발명의 적합한 실시형태에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 당업자라면, 청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 분명하며, 이들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
1 : 플라즈마 처리 장치 10 : 처리 용기
55 : 마이크로파 발생부 62 : 플라즈마 생성 가스 공급원
64 : 처리 가스 공급원 200 : 마이크로파 제어 회로
201 : 발진 회로 202 : 펄스 발생 회로
203 : 주파수 변조 회로 205 : 연산 회로
W : 웨이퍼

Claims (8)

  1. 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생부;
    레이디얼 라인 슬롯 안테나(radial line slot antenna)를 통해 상기 마이크로파를 내부로 도입하는 처리 용기; 및
    상기 처리 용기 내에 가스를 공급하는 가스 공급원을 포함하고,
    상기 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시켜 피처리체를 플라즈마 처리하며,
    상기 마이크로파 발생부는, 상기 마이크로파를 발진하는 발진 회로와, 일정한 주기로 미리 정해진 주파수 대역폭의 제어파를 발진하는 펄스 발생 회로와, 상기 마이크로파의 주파수를 상기 제어파에 의해 상기 미리 정해진 주파수 대역폭의 변조파로 변조하여 상기 변조파를 출력하는 주파수 변조 회로를 포함하며,
    상기 주파수 변조 회로는, 상기 일정한 주기로, 상기 변조파와, 변조되지 않은 마이크로파를 교대로 반복 출력하고,
    상기 마이크로파의 주파수는, 상기 제어파가 상기 일정한 주기 내에서 발진되는 기간 동안 상기 변조파의 반사파를 모니터함으로써 모니터되는 플라즈마 밀도의 상태에 기초하여 리얼 타임(real time)으로 제어되고,
    상기 마이크로파 발생부는, 연산 회로를 포함하며,
    상기 펄스 발생 회로는, 상기 제어파와 동일한 타이밍의 동기파를 발진하고,
    상기 마이크로파 발생부는, 상기 펄스 발생 회로로부터 동기파 신호를 수신하고, 파워 검출기로부터의 반사파 신호를 동기 샘플링하여 상기 연산 회로에 공급하는 동기 샘플링 회로를 구비하고,
    상기 연산 회로는, 상기 동기파의 타이밍에 맞추어 상기 변조파의 반사파를 모니터하며, 상기 모니터된 반사파에 기초하여 상기 마이크로파의 주파수를 제어하는 것인 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로파의 주파수는, 상기 반사파의 반사가 적은 마이크로파의 흡수 피크시의 주파수로 제어되는 것인 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어파가 발진되는 시간은, 상기 마이크로파의 발진 시간 전체의 10% 이하인 것인 플라즈마 처리 장치.
  4. 플라즈마 처리 방법에 있어서,
    레이디얼 라인 슬롯 안테나에 의해 마이크로파를 내부로 도입하는 처리 용기에 가스를 공급하는 단계;
    상기 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시켜 피처리체를 플라즈마 처리하는 단계;
    발진 회로에 의해 상기 마이크로파를 발진하는 단계; 및
    펄스 발생 회로에 의해 일정한 주기로 미리 정해진 주파수 대역폭의 제어파를 발진하는 단계
    를 포함하고,
    상기 마이크로파의 주파수는 주파수 변조 회로로 상기 제어파에 의해 상기 미리 정해진 주파수 대역폭의 변조파로 변조되고, 상기 변조파와, 변조되지 않은 마이크로파가 상기 일정한 주기로 교대로 반복 출력되고,
    상기 마이크로파의 주파수는, 상기 제어파가 상기 일정한 주기 내에서 발진되는 기간 동안 상기 변조파의 반사파를 모니터함으로써 모니터되는 플라즈마 밀도의 상태에 기초하여 연산 회로에 의해 리얼 타임으로 제어되고,
    상기 제어파와 동일한 타이밍에 상기 펄스 발생 회로에 의해 동기파가 발진되어 동기 샘플링 회로에 공급되고,
    상기 변조파의 반사파는, 상기 동기 샘플링 회로로부터 수신되고, 상기 동기파의 타이밍에 맞추어 상기 연산 회로에 의해 모니터되고, 상기 마이크로파의 주파수는 상기 모니터된 반사파에 기초하여 제어되는 것인 플라즈마 처리 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 마이크로파의 주파수는, 상기 반사파의 반사가 적은 마이크로파의 흡수 피크시의 주파수로 제어되는 것인 플라즈마 처리 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어파가 발진되는 시간은, 상기 마이크로파의 발진 시간 전체의 10% 이하인 것인 플라즈마 처리 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제어파가 발진되는 시간은, 상기 마이크로파의 발진 시간 전체의 10% 이하인 것인 플라즈마 처리 방법.
  8. 삭제
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