KR19980024249A - 표면파 플라즈마 처리장치 - Google Patents

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마사히로 스미야
무네오 후루세
히토시 다무라
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가나이 쯔도무
가부시키 가이샤 히다치 세사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 처리실(1)의 일부인 유전체 창(2)상에 마이크로파를 공급하기 위한 동축 선로(8)를 수직으로 설치하고, 상기 동축 선로(8)의 바깥 둘레에 위치하는상기 유전체 창(2)상에 마이크로파를 전파시키기 위한 도체판(10)을 설치하도록 구성하였다. 생성되는 임계 전자밀도(ne)이상의 플라즈마의 표면과 상기 도체판(10)사이에서 마이크로파의 전송로를 형성할 수 있기 때문에 마이크로파를 반사하지 않고, 유전체 창(2)을 따라 중심으로부터 바깥 둘레방향으로 균일하게 전송할 수 있다.
따라서 안정하고 균일하게 플라즈마를 생성하고, 재현성 좋고 균일하게 플라즈마처리를 행할 수 있다는 효과가 있다.

Description

표면파 플라즈마 처리장치
본 발명은 플라즈마 처리장치에 관한 것으로 특히 레지스트를 마스크로 한 반도체 소자 기판 등의 시료를 플라즈마를 이용하여 에칭처리한 후, 상기 레지스트를 제거하기 위한 애싱처리를 실시하는 데 적합한 표면파 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
종래의 마이크로파를 이용하고, 또한 주된 플라즈마 생성을 위한 외부 자장을 설치하지 않은 무자장 마이크로파 플라즈마 처리장치는 일본국 특개평 3-83337호 공보에 기재된 바와 같이 단면이 직사각형 또는 원형인 도파관을 마이크로파가 도입되는 석영 등의 유전체 창에 대하여 수직으로 배치하고 있었다. 일반적으로 무자장 플라즈마에 마이크로파를 도입한 경우, 「플라즈마 물리입문」F.F.Chen저, 우찌다 다이찌로 번역, 마루젠 1977에 기재되어 있는 바와 같이 하기에 나타낸 임계 전자 밀도(nc)이상의 플라즈마속을 각주파수(ω)인 마이크로파는 전파할 수 없다는 것이 알려져 있다.
nc= mω2／4πe2
여기서 m은 전자의 질량, e는 전하의 소량(素量)이다. 주파수 2.45GHz의 마이크로파인 경우에는 7×107 1g／cm3이상의 임계 전자 밀도를 가지는 플라즈마 속을 전파할 수 없다. 이와 같은 상황에서는 플라즈마는 유전체 창 근방(수mm 정도)에 달라 붙는 것처럼 생성된다. 따라서 상기와 같이 도파관을 유전체 창에 수직으로 배치한 종래의 경우에는 마이크로파의 전계 파면이 유전체 창에 붙은 플라즈마에 대하여 대략 평행하게 되도록 마이크로파를 도입하도록 구성되어 있었다.
상기한 종래의 기술은 마이크로파의 플라즈마로부터의 반사점에 관하여 배려가 되어 있지 않았었다. 마이크로파의 전계의 파면이 유전체 창에 붙은 임계 전자 밀도(nc)이상의 플라즈마에 대하여 대략 평행하게 되도록 마이크로파를 도입한 경우, 마이크로파는 플라즈마에 의하여 반사된다. 따라서 도파관내에서는 「마이크로파 공학」나까지마 마사미쯔 저, 모리기따 출판1975에 기재된 바와 같이 도파관의 사이즈, 형상에 따라 예를 들면, 원형 TE11모드 등의 고유의 모드를 가지는 정재파(定在波)를 형성한다. 생성되는 플라즈마 분포는 마이크로파의 고유 모드에 따른 분포로 되기 때문에 유전체 창에 붙은 면내에서 플라즈마가 불균일하게 된다는 문제점이 있었다. 또 상기한 마이크로파의 고유 모드는 복수 존재할 수 있기 때문에 예를 들어 마이크로파의 출력 변동 등의 미소의 외란에 의하여 고유 모드간의 천이가 생기고, 그 결과, 플라즈마가 불안정하게 되는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 플라즈마를 안정되고 균일하게 생성함으로써 균일한 플라즈마 처리가 가능한 표면파 플라즈마 처리장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예의 애싱장치를 나타낸 종단면도,
도 2는 본 발명의 제 1실시예의 동축 선로(8), 정합실(9), 석영창(2)내를 전송하는 마이크로파의 전계의 모식도,
도 3은 도 2에서의 A-A단면에서의 마이크로파의 전계의 파면을 나타낸 모식도,
도 4는 본 발명의 제 1실시예에서 사용한 정합실의 높이와 마이크로파의 반사율과의 관계를 나타낸 도,
도 5는 본 발명의 제 2실시예의 에칭장치를 나타낸 종단면도,
도 6은 본 발명의 제 3실시예의 에칭장치를 나타낸 종단면도이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 처리실 1a : 용기
2 : 석영창 3 : 진공 배기구
4 : 가스 도입구 5 : 마그네트론
6 : 직사각형 도파관 7 : 동축-도파관 변환기
8 : 동축 선로 9 : 정합실
10 : 도체판 11 : 피처리재
12 : 온도 제어장치 13 : 시료대
14 : 분산판 15 : 플라즈마
16 : 전계 17 : 표면 전류
18 : 중심 도체 19 : 정합기
20 : 고주파 전원 21 : 영구 자석
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 처리실의 일부인 유전체 창상에 마이크로파를 공급하기 위한 동축 선로를 수직으로 설치하고, 상기 동축 선로의 바깥 둘레에 위치하는 상기 유전체 창상에 마이크로파를 전파시키기 위한 도체판을 설치한 것을 제공한다.
처리실의 일부인 유전체 창상에 마이크로파를 공급하기 위한 동축 선로를 수직으로 설치하고, 상기 동축 선로의 바깥 둘레에 위치하는 상기 유전체 창상에 마이크로파를 전파시키기 위한 도체판을 설치함으로써 생성되는 임계 전자 밀도(nc)이상의 플라즈마의 표면을 마이크로파의 전송로의 일부로 하고, 상기 플라즈마 표면과 상기 도체판으로 형성되는 전송로 내를 마이크로파가 유전체 창을 따라 동축 선로의 바깥 둘레방향으로 균일하게 전송할 수 있다. 이때 마이크로파의 전계의 파면은 상기 플라즈마 표면에 대하여 수직으로 되어 있기 때문에 마이크로파의 상기 플라즈마 표면으로부터의 반사는 거의 없다. 따라서 마이크로파의 고유 모드에 의하지 않고, 안정되고 균일하게 플라즈마를 생성할 수 있기 때문에 재현성 좋고 균일한 플라즈마 처리를 행할 수 있다.
(실시예)
이하 본 발명의 실시예를 도 1 내지 도 4에 의하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 무자장 플라즈마 처리장치의 일실시예인 마이크로파 애싱장치를 나타낸다. 용기(1a)및 석영창(2)으로 구획된 처리실(1)의 내부를 진공 배기구(3)로부터 진공 배기장치(도시 생략)에 의하여 감압한 후, 가스 공급구(4)로부터 가스 공급장치(도시 생략)에 의하여 애싱가스를 처리실(1)내로 도입하여, 소망하는 압력으로 조정한다. 마그네트론(5)으로부터 발진된, 이 경우에는, 2.45GHz의 마이크로파는 직사각형 도파관(6)을 전파한 후, 동축 - 도파관 변환기(7)에 접속된 동축 선로(8)내를 전파한다. 동축 선로(8)는 스텝 형상의 하나인 원통형상의 공간을 가지는 정합실(9)을 개재하여 원판상의 석영창(2)의 중심에 수직으로 접속되어 있다. 또 동축 선로(8) 및 정합실(9)의 바깥 둘레부의 석영창(2)상에는 도체판(10)이 배치되어 있다. 마이크로파는 석영창(2)의 중심으로부터 바깥 둘레를 향하여 전파하여, 석영창(2) 바로 밑에 플라즈마가 형성된다. 이 플라즈마속의 전자에 의하여 가스가 해리, 여기되어 활성인 래디컬이 다량으로 생성된다. 한편, 피처리재(11)는 온도 제어장치(12)에 의해 가열, 냉각이 가능한 시료대(13)에 얹어져 있고, 분산판(14)을 통과함으로써 면내 분포를 조정된 래디컬과의 반응에 의하여 애싱처리된다.
본 실시예의 경우, 마이크로파는 직사각형 도파관(6)내를 직사각형 TE10모드로 전송하고, 동축 선로(8)내는 축 대칭인 방사상의 전계 분포를 가지는 동축TEM 모드로 전송한다. 도 2에 동축 선로(8), 정합실(9), 석영창(2)내를 전송하는 마이크로파의 전계(16)의 분포를 모식적으로 나타낸다. 먼저 마이크로파가 동축 선로(8), 정합실(9)내를 전송하고, 석영창(2)을 개재하여 처리실(1)내로 도입되면, 석영창(2)바로밑 수 mm의 영역에 임계 전자 밀도(nc)이상의 밀도를 가지는 플라즈마(15)가 원판상으로 생성된다. 동축 선로(8)내를 전송하는 마이크로파의 전계(16)의 파면은 정합실(9)내에서 한 번 확대된 후, 정합실(9)의 가장 자리를 중심으로 하여 90도 교차되고, 도체판(10)과 플라즈마(15)에 의해 끼워진 영역을 전송로로 하여 석영창(2)의 중심으로부터 바깥 둘레를 향하여 전파한다. 플라즈마(15)의 표면에는 동축 선로(8), 정합실(9), 도체판(10)의 표면과 동일하게 표면 전류(17)가 흐르고 있다. 이 때문에 생성된 플라즈마는 표면파 플라즈마라 부를 수 있다. 도입하는 마이크로파의 출력을 증가시키면, 생성되어 있는 플라즈마(15)의 선단보다 약간 앞쪽으로 마이크로파가 방사되고, 그 결과, 플라즈마(15)는 약간 앞쪽으로 확대된다. 확대된 플라즈마(15)의 표면에도 표면 전류(17)가 흐르고, 마이크로파의 전송 선로를 형성하기 때문에 다시 마이크로파는 앞쪽으로 방사되고, 점차 플라즈마(15)는 석영창(2)의 형상을 따라 축 대칭으로 확대된다.
도 3은 도 2에서의 A-A단면에서의 마이크로파의 전계(16)의 파면을 모식적으로 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이 석영창(2)내에서는 마이크로파의 전계(16)의 파면은 축 대칭으로 넓어지고, 이에 따라 플라즈마(15)도 축 대칭으로, 즉 원판상으로 균일하게 생성된다. 또 마이크로파의 전계(16) 파면은 항상 플라즈마(15)에 대하여 수직이고, 플라즈마(15)로부터의 마이크로파의 반사는 거의 없다. 따라서 본 실시예에서는 안정되고 또한 균일하게 플라즈마를 생성할 수 있기 때문에 균일한 플라즈마처리가 가능하다는 효과가 있다.
본 실시예에서는 O2+5%CF4가스, 1 Torr, 1ℓ／min, 마이크로파 출력 1kW, 시료대(13)온도 20℃의 조건으로 에칭처리후의 레지스트를 애싱 처리하고 있다. 이 조건에서는 8인치 웨이퍼상의 레지스트를 애싱 그레이드 1㎛／min, 균일성 ±5%이내에서 재현성 좋게 제거할 수 있다. 애싱 가스로서는 상기 이외에 O2+ H2O의 혼합가스, O2+ CH3OH 의 혼합가스 등을 이용하여도 된다. 시료대(13)의 온도는 애싱 조건에 따라 20 ~ 300℃의 범위로 제어되고 있다.
본 실시예의 경우, 동축 선로(8), 정합실(9)의 내경은 각각 39mm, 80mm이며, 중심 도체(18)의 직경은 16mm이고 석영창(2)의 두께는 15mm이다. 도 2에 나타낸 바와 같이 마이크로파는 동축 선로(8)로부터 입사되고, 석영창(2)의 바깥 둘레를 향하여 확대되고 있으며, 도 2의 구조는 예를 들어 3개의 도파관을 접속한 T분기와 마찬가지로 1종의 마이크로파의 분기로라 생각할 수 있다. 스텝상의 정합실(9)은 동축 선로(8)로부터 입사된 마이크로파가 반사되지 않고, 석영창(2)의 바깥 둘레 방향으로 전송되도록 작용하고 있다. 도 4에 정합실의 높이와 마이크로파의 반사율의 관계를 나타낸다. 정합실 높이 0mm를 제외하면, 반사율은 정합실의 높이에 따라 주기적으로 변화하고 있다. 동축 선로(8) 내에서의 관내 파장(λg)은 122mm이고, 관내 파장(λg)의 1／2의 정수배의 높이, 예를 들어 61mm로 가장 반사율이 작고, nλg/4(여기서 n은 홀수의 +정수)의 높이, 예를 들어 31mm로 가장 반사율이 크다.
본 실시예의 경우에는 정합실(9)의 높이를 61mm로 하고 있기 때문에 마이크로파가 효율적으로 전송되기 때문에 큰 사이즈의 플라즈마(15)를 생성할 수 있어, 대면적의 웨이퍼를 균일하게 애싱 처리할 수 있다는 효과가 있다. 정합실(9)은 다단의 스텝상 또는 테이퍼상의 구조로 하여도 된다. 그러나 본 실시예에 나타낸 원통상의 경우가 가장 구조가 간단하며, 반사율을 작게 하기 위한 설계도 용이하다.
다음에 도 5에 본 발명의 제 2실시예를 나타낸다. 본 실시예는 SiO2, Si3N4, Al, poly-Si, Cu, TiN, W 등의 재료를 C4F8, CHF3, Cl2, BCl3, HBr 등의 할로겐계 가스나 프론계 가스를 이용한 에칭에 적용한 예이다. 본 실시예의 경우, 반구상의 석영창(2)을 이용하고, 도체판(10)도 석영창(2)의 내면을 따라 반구상으로 배치되어 있다. 따라서 플라즈마(15)도 석영창(2)의 내면을 따라 반구상으로 생성된다. 피처리재(11)는 정합기(19)를 개재하여 고주파 전원(20)에 접속된 시료대(13)에 얹혀져 있다. 석영창(2)의 형상에 따른 플라즈마(15)가 생성되기 때문에 피처리재(11)면상에서의 플라즈마분포(즉 이온분포, 래디컬분포)를 석영창(2)의 형상에 의하여 제어할 수 있다. 이 때문에 균일한 에칭처리를 주된 플라즈마의 생성에 자장을 사용하지 않고 무자장 마이크로파 플라즈마로 용이하게 행할 수 있다는 효과가 있다. 에칭의 경우는 피처리재(11) 및 프로세스에 의해서도 다르나, 수 mTorr ~ 수 100 mTorr의 저압력 영역에서 에칭처리한다. 석영창(2)의 형상은 원통상, 원추대형상등이어도 좋으나, 석영창(2)은 압력 용기의 일부이기 때문에 본 실시예와 같이 반구상인 경우가 석영창(2)을 가장 얇게, 또한 대구경으로 사용할 수 있다는 효과가 있다.
또한 석영창(2)은 처리실의 일부를 구성하는 유전체 창이고, 마이크로파가 전파되는 부재이면, 알루미나 세라믹 창이어도 되고, 석영창(2)에 한정되지 않는다.
다음에 도 6에 본 발명의 제 3실시예를 나타낸다. 본 실시예도 에칭처리에 적용한 예이다. 고주파 전원(20)에 의해 시료대(11)로 고주파 전압이 인가되어 있기 때문에, 피처리재(11)상에는 이온 시스가 형성되고, 이 이온 시스중의 전계에 의하여 이온이 가속되어, 피처리재(11)와 충돌하여 에너지를 부여함으로써 에칭반응이 촉진된다. 따라서 에칭처리에서는 다량의 이온이 필요하고, 상기한 바와 같이 저압력 조건하에서 처리된다. 본 실시예에서는 처리실(1)의 바깥 둘레부에 영구 자석을 복수개 배치하고, 이에 의하여 형성되는 자장(예를 들어 다극 자장)에 의하여 플라즈마를 가두고, 처리실(1)내벽면에서의 플라즈마의 손실을 억제하고 있다. 이 때문에 피처리재(11)에 다량의 이온을 공급할 수 있기 때문에 고속으로 에칭처리할 수 있다는 효과가 있다. 본 실시예에서는 영구 자석에 의하여 형성되는 자장을 플라즈마 가두기 위하여 사용하였으나, 주된 플라즈마 생성 영역[예를 들어 도체판(10)의 상부 등]에서 자장을 사용하는 것은 아니다.
또 상기 각 실시예에서는 애싱 장치, 에칭 장치에 관하여 설명하였으나, 그외, 무자장 마이크로파 플라즈마를 이용한 플라즈마 CVD장치 등의 플라즈마 처리장치, 광원, 이온원, 래디컬원 등에 관해서도 동일한 작용 효과가 얻어진다.
본 발명에 의하면, 처리실의 일부인 유전체 창상에 마이크로파를 공급하기 위한 동축 선로를 수직으로 설치하고, 상기 동축 선로의 바깥 둘레에 위치하는 상기 유전체 창상에 마이크로파를 전파시키기 위한 도체판을 설치함으로써 생성되는 임계 전자 밀도(nc)이상의 플라즈마의 표면을 마이크로파의 전송로의 일부로하고, 마이크로파를 반사없이 유전체 창을 따라 중심으로부터 바깥 둘레 방향으로 균일하게 전송할 수 있기 때문에 안정되고 균일하게 플라즈마를 생성하고, 재현성 좋고 균일하게 처리를 행할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 진공 배기 장치가 접속되어 내부가 감압 가능한 처리실과, 마이크로파를 이용하여 상기 처리실내부에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생수단과, 상기 처리실내로의 가스 공급장치로 이루어지는 플라즈마 처리장치에 있어서,
    상기 처리실의 일부인 유전체 창상에 마이크로파를 공급하기 위한 동축 선로를 수직으로 설치하고, 상기 동축 선로의 바깥 둘레에 위치하는 상기 유전체 창상에 마이크로파를 전파시키기 위한 도체판을 설치한 것을 특징으로 하는 표면파 플라즈마 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 동축 선로와 상기 유전체 창과의 접합부에 스텝상의 공간을 가지는 정합실을 설치한 것을 특징으로 하는 표면파 플라즈마 처리장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 정합실의 형상이 원통형상이고, 상기 원통의 높이가 동축 선로내를 전송하는 전자파의 파장(λg)의 1／2의 정수배인 것을 특징으로 하는 표면파 플라즈마 처리장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항중의 어느 한항에 있어서,
    생성되는 플라즈마 표면부가 상기 마이크로파의 전송로의 일부가 되는 것을 특징으로 하는 표면파 플라즈마 처리장치.
  5. 진공 배기장치가 접속되어 내부가 감압 가능한 처리실과, 마이크로파를 이용하여 상기 처리실 내부에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생수단과, 상기 처리실내로의 가스 공급장치로 이루어지는 플라즈마 처리장치에 있어서,
    상기 처리실의 일부인 유전체 창의 표면 근방에 상기 유전체 창 표면의 형상에 따라 원판상, 반구상 또는 원추대형상의 플라즈마를 생성하고, 상기 마이크로파의 출력의 증가에 따라 상기 원판상, 반구상 또는 원추대형상의 플라즈마의 사이즈가 축 대칭으로 증가하도록 구성한 것을 특징으로 하는 표면파 플라즈마 처리장치.
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