KR19990088600A - 플라즈마처리장치및플라즈마처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반응기 내부의 온도와 벽면에 대한 반응성 생물의 퇴적상태를 제어하여, 에칭특성에 경시적인 변화를 생기게 하는 일 없이 공정의 재현성·신뢰성을 장기간에 걸쳐 저비용으로 유지할 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공한다.
이를 위하여 처리실(l00)내에 설치된 UHF대 안테나(110)로부터 방사되는 전자파와, 처리실(100)의 주위에 설치된 자장 형성수단(101)으로 형성되는 자장과의 상호작용에 의해 처리실내부에 플라즈마를 발생하여 웨이퍼(W)를 처리하는 플라즈마 처리장치에 있어서, 처리실(100)의 측벽(102)에 재킷(103)이 교환가능하게 유지되고, 측벽내면의 온도를 웨이퍼보다도 충분히 낮은 온도로 일정하게 제어한다. 또 반응기내부에서 바이어스 인가가 가능한 구성부품인 링(116), 시료대 링(132)에 관해서는 그 적어도 일부분에 바이어스가 인가되는 구조를 설치하고, 또한 부품전체의 열용량을 충분히 작게 한다.
Description
본 발명은 플라즈마 처리장치 및 처리방법에 관한 것으로, 특히 반도체 제조공정에 있어서의 미세한 패턴을 형성하는 데 적합한 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법에 관한 것이다.
반도체 제조공정에서는 예를 들어 성막, 에칭, 애싱 등의 미세가공 공정에서 플라즈마 처리장치가 널리 사용되고 있다. 플라즈마처리에 의한 공정은 진공챔버(반응기) 내부에 도입된 처리가스를 플라즈마 발생수단에 의해 플라즈마화하고, 반도체 웨이퍼표면에서 반응시켜 미세가공을 행함과 동시에 휘발성의 반응생성물을 배기함으로써 소정의 처리를 행하는 것이다.
이 플라즈마 처리공정에서는 반응기 내벽이나 웨이퍼의 온도, 혹은 내벽에 대한 반응 생성물의 퇴적상태가 공정에 큰 영향을 미친다. 또 반응기내부에 퇴적한 반응생성물이 박리하면 먼지발생의 원인이 되어, 소자특성의 열화나 수율의 저하로 이어진다.
이 때문에 플라즈마 처리장치에 있어서는 공정을 안정하게 유지하고 또한 이물의 발생을 억제하기 위해서 반응기내부의 온도나 표면에 대한 반응생성물의 퇴적을 제어하는 것이 중요하다.
예를 들어 일본국 특개 평 8-144072호 공보에는 실리콘 산화막의 건식에칭 공정에 있어서의 선택비를 향상시킬 목적으로 반응기내부의 각부의 온도를 에칭스테이지의 온도보다도 150℃ 이상 높은 150℃ 이상 300℃ 이하(바람직하게는 200℃ 이상 250℃ 이하)의 높은 온도값에 ±5℃ 이내의 정밀도로 제어유지하는 드라이 에칭장치가 기재되어 있다. 이와 같이 반응기 내면 각부의 온도를 고온으로 가열제어 함으로써 반응기 내면에 대한 플라즈마 중합물의 부착량이 감소하고, 반도체 웨이퍼상에 대한 플라즈마 중합물의 부착량이 증가하여 선택비가 향상한다.
또 일본국 특개 평 5-275385호 공보에는 평행평판형의 플라즈마 처리장치에 있어서 클램프 링(피처리체 유지수단), 포커스 링(플라즈마 집중수단)의 적어도 한쪽에 플라즈마처리에 의해 생기는 반응생성물이 부착하지 않는 온도로 승온·유지시키는 가열수단을 설치한 장치가 기재되어 있다. 가열수단으로서는 저항발열체를 이용하고 있다. 가열에 의해 반응생성물의 부착을 방지할 수 있기 때문에 반응생성물의 박리나, 피처리체 표면에 대한 파티클의 부착이 줄어든다.
상기와 같이 플라즈마 처리장치에서는 챔버 내벽면의 온도나 내벽표면에 대한 반응생성물의 퇴적의 제어가 중요하다.
그러나 챔버 내벽면, 특히 넓은 면적을 가지는 측벽면의 온도를 200℃ 내지 250℃ 정도이상의 고온에 설정하면, 에칭특성이 내벽표면의 온도에 매우 민감해져공정의 재현성·신뢰성이 저하하기 쉽다는 문제가 있다.
예를 들어 S.C. McNevin, et al., J. Vac. Sci. Technol. B15(2) Mar/Apr 1997. p.21. 'Chemical cha1lenge of submicron oxide etching' 에는 유도결합형의 플라즈마에 있어서 측벽온도가 200℃ 내지 170℃ 로 변화되면 산화막 에칭률이 5% 이상 증가하는 것이 나타나 있다. 이 이유로서는 측벽온도의 저하에 의해 보다 많은 탄소가 벽에 흡착하게 되고, 웨이퍼상에 대한 탄소의 퇴적이 감소하여 산화막 에칭률이 증가한 것으로 추측되고 있다. 이와 같이 특히 고밀도 플라즈마에서는 고온영역에서 플라즈마가 반응기 내벽과 강하게 상호작용하기 때문에 반응기내부의 온도균형의 변화에 의해 내벽 표면에 대한 반응생성물의 퇴적이나 표면의 조성변화가 급속하게 진행되여 에칭특성의 변화로서 나타나게 된다.
또한 고온영역에서는 상기의 플라즈마와 내벽과의 상호작용이 온도변화에 대하여 매우 민감해 진다. 예를 들어 내벽면 재료로서 SiO2를 사용한 경우, SiO2의 F 원자에 의한 에칭률과 벽온도 사이의 열역학적 관계식이 보고되어 있고, (D.L.Flamm, et al., J. Appl. Phys., 50, p.6211(1979)), 이 관계식을 150℃ 이상의 온도영역에 적용하면 벽온도가 200℃ 내지 250℃ 이상에서는 에칭률이 지수 함수적으로 급격하게 증가하여 간다.
따라서 이와 같은 고온영역에서는 온도제어는 예를 들어 ±5℃ 이내로 높은 정밀도가 요구된다. 그러나 내벽면은 고밀도인 플라즈마에 노출되는 것이기 때문에 벽면의 온도를 이와 같은 고온영역에서 높은 정밀도로 제어하는 것은 용이하지 않다. 또 이것을 실현하기 위해서는 온도제어에 온도검출수단과 히터나 램프 등의 가열수단을 사용하게 되어 온도제어의 기구·수단이 대규모가 되어 버린다. 또한 이와 같은 고온영역에서는 내벽면에는 반응생성물은 퇴적하지 않기때문에 벽면은 플라즈마에 의해 에칭되어 소모한다. 따라서 내벽면의 부품을 정기적으로 교환할 필요가 있어 소모품의 비용상승으로 이어진다. 또 가열에 큰 에너지를 필요로 하기때문에 에너지소비의 관점에서도 바람직하지 않다.
같은 문제는 웨이퍼나 전극주위의 링의 가열에 관해서도 적용한다. 링을 가열하여 승온함으로써 반응생성물의 부착은 방지할 수 있으나, 저항발열체 등의 가열기구는 장치구성을 복잡하게 한다. 또 반응생성물의 부착은 방지할 수 있다하더라도 링이나 내벽 표면이 플라즈마로 에칭되어 소모되면 구성재료 그 자체가 새로운 먼지발생의 원인이 될 염려가 있다. 또한 링이나 내벽면의 부품이 소모되면 이들을 정기적으로 교환할 필요가 있어 장치의 유지비 상승으로 이어진다.
이러한 과제를 해결하는 하나의 방법이 챔버 내벽면을 폴리머에 의한 표면 코팅층으로 보호하는 것이다. 예를 들어 일본국 특개 평 7-3l2363 에는 워크피스(피가공물)의 지지대의 온도를 챔버의 벽면보다도 높은 상태로 유지하여 챔버 내벽면에 표면 코팅층을 형성시키는 플라즈마 에칭장치가 기재되어 있다. 그리고 오염된 입자를 폴리머 필름내에 포획하여 퇴적함으로써 반응생성물에 의한 오염물의 챔버내에 대한 잔류퇴적을 감소시킨다고 되어 있다.
그러나 이 경우에는 벽면의 보호를 목적으로 하는 것이 아니라, 오염된 입자의 포획이 목적이다. 또 챔버 내벽면에 표면 코팅층을 형성시킬 때의 온도는 워크피스(피가공물)보다도 5℃ 이상 낮은 값으로 기술되어 있을 뿐 이며, 온도의 범위와 제어의 정밀도에 관해서는 고려되어 있지 않다. 또 압력범위도 수백 mtorr (수 lO Pa)의 고압력의 범위이다. 그러나 막의 퇴적온도는 막의 조성이나 질을 변화시켜 막의 박리강도나 이물발생에 영향을 미친다고 추측된다. 또 퇴적막의 온도변동은 열팽창과 수축의 반복에 의해 크랙의 발생이나 박리에 연결되어 이물의 원인이 된다고 예측되며 온도제어의 정밀도는 중요한 인자이다. 또 수십 mtorr 이하(수 Pa 이하)의 압력범위에서는 고이온 에너지화나 분자의 평균 자유행정이 길어짐으로써 막퇴적상황이 다르다고 생각된다. 또한 상기의 공지예에서는 오염물을 받아들인 코팅층을 플라즈마처리 챔버 벽면으로부터 제거할 필요가 있어 이것이 장치의 스루풋이나 소모품 비용에 직접 영향을 미치나, 이점에 관해서는 고려가 되어 있지 않다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 반응기내부의 온도와 반응생성물의 퇴적을 제어함으로써 에칭특성에 경시적인 변화를 생기게 하는 일 없이 공정의 재현성·신뢰성을 장기간에 걸쳐 또한 저비용으로 유지할 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 되는 플라즈마 에칭장치의 단면모식도,
도 2는 본 발명의 일 실시예인 시료대 링의 온도 제어방법을 나타내는 도,
도 3은 본 발명의 일 실시예인 링의 온도 제어방법을 나타내는 도,
도 4는 본 발명의 일 실시예인 적외램프에 의한 링의 온도 제어방법을 나타내는 도,
도 5는 본 발명의 일 실시예인 냉매에 의한 링의 온도 제어방법을 나타내는 도,
도 6은 본 발명의 일 실시예가 되는 유자장(RIE) 플라즈마 에칭장치의 단면모식도,
도 7은 본 발명의 일 실시예가 되는 평행평판형 플라즈마 에칭장치의 단면모식도,
도 8은 본 발명의 일 실시예가 되는 유도결합형 플라즈마 에칭장치의 단면모식도이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 처리실 101 : 자장형성수단
102 : 처리실 측벽 103 : 재킷
104 : 가스 공급수단 105 : 진공실
106 : 진공 배기시스템 110 : 안테나
111 : 원판형상 도전체 112 : 유전체
113 : 유전체 링 115 : 플레이트
116 : 온도 제어수단 117 : 가스 공급수단
121 : 안테나 전원 122 : 안테나 고주파 전원
130 : 하부 전극 131, 142 : 정전 흡착장치
132 : 시료대 링 133, 143 : 절연체
141 : 바이어스 전원 147 : 냉매유로
151 : 적외선 흡수체 152 : 적외선 방사수단
153 : 적외선 투과창 155 : 가스 공급수단
본 발명자들은 상기한 과제에 관해서 연구를 거듭한 결과, 반응기내의 압력이 수 Pa 이하의 영역에서 반응기 내벽면의 온도를 웨이퍼보다도 충분히 낮은 온도로 또한 일정온도로 제어하였을 때, 내벽면에 강고한 코팅막이 형성되는 것을 발견하였다. 또한 상세한 분석의 결과, 이 코팅막은 막형성 시의 온도가 낮을수록 폴리머중합이 진행되고 있다는 것 및 막형성 시의 온도를 일정하게 제어함으로써 단단한 층형상의 구조가 형성된다는 것, 따라서 막표면의 박리나 손상이 보이지 않아 먼지발생의 원인으로는 되지 않음을 알았다.
또한 상기에 있어서 반응기 내벽면의 온도가 「웨이퍼보다도 충분히 낮고 일정」이란, 웨이퍼보다도 5℃ 이상 낮은 범위에서, 바람직하게는 20℃ 이상 낮은 범위에서 ±10℃ 이내의 정밀도로 제어하는 것을 의미하고 있다. 또 웨이퍼 처리중의 온도가 약 10O℃ 내지 110℃ 정도인 경우에는 온도범위는 10O℃ 이하, 바람직하게는 80℃ 이하를 의미하고 있다.
그런데 한편, 반응기 내부에 있어서는 상기와 같은 저온영역에서의 제어가 곤란한 부분 또는 구성부품도 존재한다. 본 발명자들은 이와 같은 점에 관해서도 검토를 거듭한 결과, 발열저항체와 같은 복잡한 가열기구를 가지는 일 없이 그 온도나 표면에 대한 반응생성물의 퇴적을 제어하는 방법을 발견하기에 이르렀다.
본 발명은 상기 발견에 의거하여 이루어진 것으로 진공처리실과 플라즈마 발생장치와, 처리실에 가스를 공급하는 처리가스 공급수단과, 상기 진공처리실내에서 처리되는 시료를 유지하는 전극과, 상기 진공처리실을 감압하는 진공배기 시스템을 가지는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 처리가스에 플라즈마 방전에 의해 중합막이 형성되는 것 같은 조성의 가스를 적어도 1종류 이상 함유하고, 상기 처리실내에서 플라즈마 방전에 의해 상기 처리가스를 플라즈마화하고, 상기 처리실의 내부에서 플라즈마에 접하는 내벽면(또는 내부 구성부품의 표면)의 적어도 일부분을 시료보다도 충분히 낮은 온도로 일정하게 제어하여 처리실 내벽면에 강고한 중합막을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징은, 상기한 중합막을 형성시키는 내벽면의 온도를 시료보다도 5℃ 이상, 바람직하게는 20 ℃ 이상 낮은 범위에서 ±10℃ 이내의 정밀도로 제어하는 것에 있다.
본 발명의 다른 특징은 상기한 중합막을 형성시키는 처리실 내벽면의 온도를 0℃ 이상 100℃ 이하, 바람직하게는 20℃ 이상 80℃ 이하의 범위에서 ±10℃ 이내의 정밀도로 제어하는 것에 있다.
본 발명의 다른 특징은 상기한 처리실내의 처리압력을 O.l Pa 이상 1O Pa 이하, 바람직하게는 0.5 Pa 이상 4 Pa 이하로 하는 것에 있다.
본 발명의 다른 특징은 상기한 중합막을 형성시키는 처리실 내벽면을 구성하는 부재를 용이하게 교환가능한 구조로 하는 것에 있다.
본 발명의 다른 특징은 상기한 처리실 내벽면에 형성된 중합막의 성장을 억제하는 처리공정을 포함하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 진공처리실과, 플라즈마 발생장치와, 처리실에 가스를 공급하는 처리가스 공급수단과, 상기 진공처리실내에서 처리되는 시료를 유지하는 전극과, 상기 진공처리실을 감압하는 진공배기 시스템을 가지는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 처리실의 내부에서 플라즈마에 접하는 구성부품(또는 내벽면)을 그 적어도 일부분에 바이어스가 인가되고, 또한 그 열용량을 충분히 작게 함과 더불어 그 표면적을 작게 하도록 구성하는 것에 있다.
본 발명의 다른 특징은 상기한 처리실의 내부에서 플라즈마에 접하는 구성부품의 온도를 100℃ 이상 250℃ 이하, 바람직하게는 l50℃ 이상 200℃ 이하의 범위에서 조정하는 것에 있고, 또한 처리실의 처리압력을 O.1 Pa 이상 1O Pa 이하, 바람직하게는 0.5 Pa 이상 4 Pa 이하로 하는 것에 있다.
본 발명의 다른 특징은 상기 내벽 구성부품의 형상이 링형상이고, 해당 부품의 플라즈마에 접하는 표면적이 처리실 내벽의 전체면적의 20% 이하인 것에 있다.
본 발명의 다른 특징은 상기한 처리실의 내부에서 플라즈마에 접하여 그 적어도 일부분에 바이어스가 인가되는 구성부품의 형상이 링형상이고, 그 두께가 6mm이하, 내경(內徑)이 시료지름 이상인 것에 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 상기한 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 내벽 구성부품의 플라즈마에 접하는 쪽의 근방에 적외선 흡수체를 형성하도록 구성하여, 상기 부품의 온도를 적외선 조사수단에 의해 원격적으로 제어하는 것에 있다.
본 발명의 다른 특징은 상기한 적외선 조사로 온도제어되는 부품의 온도를 100℃ 이상 250℃ 이하, 바람직하게는 150℃ 이상 200℃ 이하의 범위에서 ±10℃ 이내의 정밀도로 제어하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 상기한 플라즈마 처리장치에 있어서, 플라즈마 발생장치가 유자장UHF대 전자파 방사방식인 것에 있다.
본 발명에 의하면 플라즈마 방전에 의해 처리가스의 일부가 중합하여 처리실내벽면의 플라즈마에 접하는 부분 또는 부품의 표면에 폴리머에 의한 표면 코팅층이 형성된다. 그리고 반응기 내벽면의 온도를 웨이퍼보다도 충분히 낮은 온도에서일정온도로 제어함으로써 이 코팅층의 폴리머중합이 진행되어 단단한 층형상의 구조를 형성하는 것이 가능해진다. 따라서 내벽면이 플라즈마에 의해 에칭되어 소모되는 일이 없기 때문에 내벽면의 부품교환의 빈도를 저감할 수 있어 유지비 저하가 가능해진다. 또 이 코팅층은 막의 조성이 긴밀하여 플라즈마에 노출되더라도 표면에 박리나 손상이 생기지 않기 때문에 먼지의 발생원인은 되지 않는다.
또 챔버 내벽면의 온도를 웨이퍼보다도 낮은 온도영역에 설정하고 있기 때문에 내벽면을 200℃ 이상의 고온영역에 설정한 경우와 비교하여 플라즈마와 내벽면과의 상호작용이 약하고, 더욱이 온도변화에 대하여 민감해지지 않는다. 이 때문에 공정의 재현성·신뢰성이 장기간에 걸쳐 저하하기 어렵고, 또한 온도제어의 정밀도도 예를 들어 ±l0℃ 이내이면 되므로, 온도제어에 복잡한 기구를 사용하는 일 없이 비교적 용이하게 실현하는 것이 가능해진다.
또 내벽면에 소정의 값을 초과하는 중합막이 형성된 경우에는 이 막을 제거할 필요가 있다. 이 막제거 공정을 클리닝이 아닌 장치를 대기개방하여 중합막이 형성된 처리실 내벽면의 구성부품을 교환하여 장치를 다시 가동시키고, 막의 제거는 챔버로부터 인출한 후에 습식 클리닝 등으로 ex-situ 로 행하여 내벽면을 재생 함으로써 장치의 불가동 시간을 줄여 스루풋을 저하시키지 않음과 동시에 부품의 재생과 반복사용에 의해 소모품 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다. 또 처리중에 중합막의 성장을 억제하는 공정을 가함으로써 장치의 개방과 청소까지의 시간을 연장시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 반응기내부에 있어서, 웨이퍼보다도 충분히 낮은 영역에서의 온도제어가 곤란한 부분 또는 구성부품에 관해서는 그 적어도 일부분에 바이어스가 인가되는 구조를 설치하고, 또한 부품전체의 열용량을 충분히 작게 함으로써 히터나 램프 등의 복잡한 기구를 사용하는 일 없이 부품전체를 고온영역으로 제어할 수 있기 때문에 반응생성물의 지나친 퇴적을 억제하여 반응생성물의 박리에 수반하는 이물의 발생을 줄일 수 있다. 또 부품의 표면적을 작게 함으로써 온도나 표면상태가 변동하여도 공정에 대한 영향을 억제할 수 있다. 또한 상기한 구성부품으로 인가되는 바이어스의 정도를 조정하여 온도를 10O℃ 이상 250℃ 이하, 바람직하게는 150℃ 이상 200℃ 이하의 범위로 설정함으로써, 약 250 ℃ 이상의 고온영역으로 설정한 경우와 비교하여 온도변화에 대하여 민감하지는 않기 때문에 구성부품의 온도변동이 공정에 대하여 실질적으로 영향을 미치지 않는 레벨로 작게 할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 처리실 내부에서 플라즈마에 접하는 구성부품의 온도를 적외선조사와 가스열 전달을 사용하여 보다 능동적으로 고온영역으로 높은 정밀도로 제어할 수 있기 때문에, 반응생성물의 과잉퇴적을 억제하여 반응생성물의 박리에 수반하는 이물의 발생을 줄일 수 있음과 동시에 온도나 표면상태의 변동을 억제하여 공정에 대한 영향을 억제할 수 있다. 또한 온도를 l00℃ 이상250℃ 이하, 바람직하게는 150℃ 이상 200℃ 이하의 범위에서 ±10℃ 이내의 정밀도로 제어함으로써, 약 250℃ 이상의 고온영역으로 설정한 경우와 비교하여 온도변화에 대하여 민감하지 않기 때문에 구성부품의 온도변동이 더욱 미세한 공정에 대해서도 실질적으로 영향을 미치지 않는 레벨로 작게 할 수 있는 이점이 있다.
(발명의 실시 형태)
이하, 본발명의 실시예에 관하여 도면에 의거하여 설명한다.
도 1은 본 발명을 유자장 UHF대 전자파방사 방전방식의 플라즈마 에칭장치에 적용한 실시예를 나타내는 것으로 상기 플라즈마 에칭장치의 단면 모식도이다.
도 1에 있어서, 처리실(100)은 10-6Torr 정도의 진공도를 달성가능한 진공용기이고, 그 상부에 플라즈마 발생수단으로서의 전자파를 방사하는 안테나(110)를, 하부에는 웨이퍼 등의 시료(W)를 올려놓은 하부전극(130)을 각각 구비하고 있다. 안테나(110)와 하부전극(130)은 평행하게 대향하는 형으로 설치된다. 또 처리실(100)주위에는 전자코일(10lA, 10lB), 요크(101C)로 이루어지는 자장형성수단(101)이 설치되어 있고, 소정의 분포와 강도를 가지는 자장이 형성된다. 그리고 안테나(110)로부터 방사되는 전자파와 자장형성수단(101)으로 형성되는 자장과의 상호작용에 의해 처리실 내부에 도입된 처리가스를 플라즈마화하여 플라즈마(P)를 발생시켜 시료(W)를 처리한다.
처리실(l00)의 측벽(102)에는 측벽 내면의 온도를 제어하는 재킷(103)이 교환가능하게 유지된다. 그리고 재킷(103)의 내부에는 열매체 공급수단(104)으로부터 열매체가 순환 공급되어 온도가 제어된다. 재킷의 온도는 0℃ 내지 l00℃, 바람직하게는 20℃ 내지 80℃ 의 범위에서 ±l0℃ 이내의 정밀도로 제어된다. 한편, 처리실(l00)은 진공실(l05)에 접속된 진공배기 시스템(106)에 의해 진공배기되어, 처리실(1OO)의 내부가 O.1 Pa 이상 1OPa 이하, 바람직하게는 0.5 Pa 이상 4 Pa 이하의 소정의 처리압력으로 조정된다. 처리실(100) 및 진공실(105)은 어스전위로 되어 있다. 처리실(l00)의 측벽(102), 재킷(103)은 중금속을 함유하지 않고 열전도성이 좋은 예를 들어 알루미늄 등의 비자성 금속재료로서 표면에 내플라즈마성의 알루마이트 등의 표면처리를 실시하여도 좋다.
전자파를 방사하는 안테나(110)는 원판형상 도전체(111), 유전체(112), 유전체 링(113)으로 이루어지고, 진공용기의 일부로서의 하우징(114)에 유지된다. 또 원판형상 도전체(11)의 플라즈마에 접하는 쪽의 면에는 플레이트(115)가 설치되고, 또한 그 바깥 둘레에 링(116)이 설치된다. 시료의 에칭, 성막 등의 처리를 행하는 처리가스는 가스공급수단(117)으로부터 소정의 유량과 혼합비를 가지고 공급되고, 원판형상 도전체(111)와 플레이트(1l5)에 설치된 다수의 구멍을 통하여 소정의 분포로 제어되어 처리실(100)에 공급된다.
원판형상 도전체(111)에는 안테나 전원(l2l), 안테나 고주파전원(122)이 각각 매칭회로·필터 시스템(123, 124)을 거쳐 접속되고, 또 필터(125)를 통하여 어스에 접속된다. 안테나 전원(121)은 바람직하게는 30O MHz 내지 90O MHz 의 UHF대 주파수의 전력을 공급하고, 안테나(110)로부터 UHF대의 전자파가 방사된다. 한편, 안테나 고주파전원(122)은 원판형상 도전체(111)에 예를 들어 1O0kHz 정도의 저주파 또는 수 MHz 내지 1OMHz 정도의 고주파의 바이어스를 인가함으로써 원판형상 도전체(111)에 접하는 플레이트(115)의 표면에서의 반응을 제어한다. 플레이트(115)는 웨이퍼와 대향하고 있기 때문에 처리공정에 가장 크게 영향을 미치나, 이 면에 바이어스를 인가하여 반응생성물을 퇴적시키지 않음으로써 장치프로세스가 안정화한다. 또 예를 들어 CF계의 가스를 사용한 산화막 에칭에 있어서 플레이트(115)의 재질을 높은 순도의 실리콘이나 카본 등으로 함으로써 플레이트(115)의 표면에서의 F 라디칼이나 CFx 라디칼의 반응을 제어하여 라디칼의 조성비를 조정한다. 플레이트(l15)의 하면과 웨이퍼(W)의 거리(이하, 갭이라 함)는 30 mm 이상 l50 mm이하, 바람직하게는 50 mm 이상 l20 mm 이하로 한다.
원판형상 도전체(111)는 도시생략한 온도제어수단, 즉 그 내부를 순환하는 열매체에 의해 온도가 소정치로 유지되고, 원판형상 도전체(111)에 접하는 플레이트(l15)의 표면온도가 제어된다. 링(116)은 안테나 고주파전원(122)에 의한 바이어스로 가열되어 온도제어되나, 이것에 관해서는 뒤에 상세하게 기술한다.
처리실(100)의 하부에는 안테나(110)에 대향하여 하부전극(130)이 설치되어 있다. 하부전극(130)에는 400kHz 내지 13.56MHz 범위의 바이어스 전력을 공급하는 바이어스 전원(141)이 매칭회로·필터 시스템(142)을 거쳐 접속되어 시료(W)에 인가하는 바이어스를 제어함과 동시에 필터(143)를 거쳐 어스에 접속된다.
하부전극(l30)은 정전흡착장치(131)에 의해 그 상면 즉 시료를 올려놓는 면에 웨이퍼 등의 시료(W)를 올려놓고 유지한다. 정전흡착장치(131)는 그 상면에 정전흡착용 유전체층(이하, 정전흡착막이라 약칭함)이 형성되어 있다. 그리고 정전흡착용의 직류전원(144)과 필터(145)에 의해 수 100V 내지 수 kV의 직류전압을 인가하여 정전흡착막을 거쳐 시료(W)와 정전흡착장치(131)와의 사이에 작용하는 쿨롱력을 발생시켜 시료(W)를 하부전극(130)상에 흡착·유지한다. 정전흡착막으로서는 예를 들어 산화알루미늄이나 산화알루미늄에 티타늄산화물을 혼합한 유전체를 사용한다.
또한 시료(W)는 그 표면반응을 제어하기 위해서 도시생략한 온도제어수단에 의해 그 표면온도가 소정의 온도로 제어된다. 이 때문에 하부전극(130)에는 정전흡착장치(13l)와 시료(W)사이의 열전달성을 높이기 위해서 불활성 가스, 예를 들어 He 가스가 소정의 유량과 압력으로 설정되어 공급되고 있다. 이에 따라 웨이퍼의 온도는 최고로 약 10O℃ 내지 110℃ 이하의 범위로 제어된다.
또 정전흡착장치(131)의 상면의 시료(W)의 바깥쪽부에는 시료대 링(132)이 설치되어 있다. 시료대 링(132)에는 SiC 등의 세라믹스나 카본, 실리콘, 석영재료를 사용한다. 시료대 링(132)은 알루미나 등의 절연체(133)로 정전흡착장치(131)와 절연된다. 또한 시료대 링(132)에 절연체(133)를 거쳐 바이어스전원(141)으로부터의 바이어스전력을 일부 누설시켜 가함으로써, 시료대 링(132)에 대한 바이어스인가를 조정하여 그 표면에서의 반응을 제어하는 것도 가능하다. 예를 들어 CF계의 가스를 사용한 산화막 에칭에 있어서, 시료대 링(132)의 재질을 높은 순도의 실리콘으로 하면 실리콘의 스카벤지작용에 의해 시료대 링(l32)의 표면에서의 F 라디칼이나 CFx 라디칼의 반응을 조정하여 특히 웨이퍼 바깥 둘레부에서의 에칭균일성을 향상할 수가 있다. 시료대 링(132)은 바이어스에 의해 가열됨과 함께 전열가스에 의해 냉각되어 온도제어되나, 이것에 관해서는 뒤에 상세하게 서술한다.
본 실시예에 의한 플라즈마 에칭장치는 이상과 같이 구성되어 있고, 이 플라즈마 에칭장치를 사용하여 예를 들어 실리콘 산화막의 에칭을 행하는 경우의 구체적인 공정을 도 1을 이용하여 설명한다.
먼저, 처리의 대상물인 웨이퍼(W)는 도시생략한 시료 반입기구로부터 처리실(1OO)에 반입된 후, 하부전극(130)상에 올려놓아져 흡착된다. 그리고 필요에 따라 하부전극의 높이가 조정되어 소정의 갭으로 설정된다. 이어서 처리실(100)내는 진공배기 시스템(106)에 의해 진공배기되어 진다. 한편, 시료(W)의 에칭처리에 필요한 가스, 예를 들어 C4F8과 Ar 이 가스공급수단(117)으로부터 소정의 유량과 혼합비, 예를 들어 Ar 유량 300 sccm, C4F8 유량 9 sccm 을 가지고 안테나(1l0)의 플레이트(115)로부터 처리실(100)에 공급된다. 동시에 처리실(100)은 진공배기 시스템(106)에 의해 배기되고, 처리실(100)의 내부가 소정의 처리압력 예를 들어 1 Pa 가 되도록 조정된다. 한편, 자장형성수단(101)에 의해 소정의 분포와 강도의 자장이 형성된다. 그리고 안테나 전원(121)에 의해 안테나(ll0)로부터 UHF대의 전자파가 방사되고, 자장과의 상호작용에 의해 처리실(l00)내에 플라즈마(P)가 생성된다. 이 플라즈마(P)에 의해 처리가스를 해리시켜 이온·라디칼을 발생시키고, 또한 안테나 고주파전원(122), 바이어스전원(141)을 제어하여 웨이퍼(W)에 에칭 등의 처리를 행한다. 그리고 에칭처리의 종료에 따라 전력 및 처리가스의 공급을 정지하여 에칭을 종료한다.
그런데 본 실시예에 있어서의 플라즈마 처리장치는 상기한 바와 같이 구성되어 있으나, 반응기내 각부 특히 측벽(103)의 내면 및 링(116), 시료대 링(132)의 온도제어 및 반응생성물의 퇴적제어에 관하여 구체적으로 설명하고자 한다.
먼저, 측벽(103)에 관하여 도 1에 의해 설명한다. 이미 설명한 바와 같이 처리실(100)의 측벽(102)의 안쪽에는 재킷(103)이 유지되고, 전열매체에 의해 온도제어가 가능하게 되어 있다.
본 발명자들은 산화막 에칭을 대상으로 처리가스로서 C4F8 과 Ar 의 혼합가스계를 사용하여 압력 2 Pa 로 실험한 결과, 반응기 내벽면의 온도를 웨이퍼온도(약 100℃ 정도)보다도 충분히 낮은 온도인 25℃ 내지 80℃ 의 범위에서 ± 10℃ 이내의 정밀도로 일정온도로 제어하였을 때, 내벽면에 강고한 코팅막이 형성되는 것을 발견하였다. 이와 같은 수십 mtorr 이하(수 Pa 이하)의 압력범위에서는 에너지가 높은 이온이 증가하기 때문에 막퇴적에 있어서의 이온 어시스트의 효과가 높아져 긴밀한 막이 형성된다고 생각된다. 퇴적막의 상황은 측벽온도가 낮으면 치밀하고 강고한 막이 형성되며, 측벽온도가 높으면 약간 거친 구조로 되었다. 이 막질변화를 정량적으로 분명하게 하기 위해서 측벽온도 25℃, 50℃, 80℃에서 퇴적한 막의 조성(원소농도비)을 XPS (X선 광전자 분광법)으로 분석한 바, 다음과 같은 결과이었다.
측벽온도 C(%) F(%) C/F 비
25℃ 45.6 51.1 0.89
50℃ 43.9 53.8 0.82
80℃ 40.6 58.2 0.70
이 결과로부터도 분명한 바와 같이 측벽온도가 낮을수록 탄소가 풍부한 막질로 되어 있다. 또 여기서는 나타내고 있지 않으나, C1s 피크의 분석으로부터 측벽온도가 낮을수록 탄소끼리의 결합이 진행되어 폴리머 중합이 진행되고 있는 것도 알 고 있었다. 이것이 마크로에는 치밀하고 강고한 막으로서 관찰되었다고 추측할 수 있다.
또 이 실험시에는 측벽면의 온도는 ± 10℃ 이내의 정밀도로 제어되고 있기 때문에 막의 퇴적중에 온도변동에 따르는 내부응력이 발생하지 않고, 막구조가 치밀해진다고 예측된다. 전자현미경에 의한 관찰의 결과, 단단한 층형상의 구조가 형성되어 있는 것을 확인하였다. 이 막은 매우 치밀하고 강고하여 데포퇴적 가속시험에서 시험적으로 대략 200 미크론의 막두께로 까지 퇴적시키더라도 테이프 박리나 마찰시험에 의한 막의 박리는 관찰되지 않았다. 또한 이 막은 플라즈마에 대해서도 높은 내성을 나타내고 있고, 플라즈마처리에 의해서도 막표면의 박리나 손상이 보이지 않아 먼지발생의 원인으로는 되지 않음을 알았다.
이와 같이 반응기 내벽면의 온도를 웨이퍼온도 보다도 충분히 낮은 온도로 일정하게 제어함으로써 내부에 열응력이 발생하지 않는 강고한 퇴적막을 반응기 측벽내면에 형성할 수 있다. 이 막은 충분한 내플라즈마성을 가지고 있고, 반응생성물의 박리나 시험표면에 대한 파티클의 부착이 줄어들기 때문에 반응기 내벽의 보호막으로서 작용한다. 따라서 측벽은 소모되거나 손상되지 않기 때문에 측벽의 부품교환의 빈도를 줄일 수 있어 유지비용의 저하로 이어진다. 또 측벽이 퇴적막으로 보호되기 때문에 내플라즈마성이 높은 SiC 등의 세라믹스를 사용할 필요가 없어부품비용의 저감이 가능하게 된다. 또 특히 측벽온도를 상온 내지 약 50℃ 정도의 범위에서 제어하면 측벽의 가열을 위한 에너지가 적어도 되기 때문에 에너지 절약에도 이어지는 효과가 있다. 측벽재료로서는 중금속을 함유하지 않고 또한 열전도성이 좋은 금속, 예를 들어 알루미늄을 사용하면 좋다.
또한 퇴적막이 존재하지 않는 초기상태에서는 알루미늄이 노출되어 있기 때문에 플라즈마로부터 손상을 받아 표면이 변질할 가능성이 있다. 그래서 이것을 방지하기 위해서 표면에 고분자 재료를 코팅하여도 된다. 또는 알루미늄 표면을 예를 들어 알루마이트처리하고 다시 알루마이트처리로 생긴 미세한 구멍을 고분자 재료로 구멍을 막는 처리를 하여도 좋다. 물론, 이 구멍을 막는 처리는 알루미늄의 알루마이트처리에 한정하지 않고 적용할 수 있다. 이와 같이 고분자에 의한 막을 알루미늄표면과 퇴적막과의 경계면에 개재시킴으로써 알루미늄 표면과 퇴적막과의 밀착성을 더하게 하여 퇴적막을 박리시키기 어렵게 하는 효과도 있다. 또 공정에 따라서는 막이 과잉으로 퇴적하는 경우도 있을 수 있으나, 이 경우는 웨이퍼 처리후에 단시간의 플라즈마 클리닝을 병용하여 막의 퇴적을 제어함으로써 막의 두께를 일정하게 유지하여도 좋다.
다음에 시료대 링에 대하여 설명한다. 이미 도 1의 실시예에서 설명한 바와 같이 시료대 링(132)은 바이어스 인가에 의해 그 표면에서의 반응을 제어함으로써 특히 웨이퍼 바깥 둘레부에서의 에칭특성을 균일하게 할 수 있다. 이 때, 시료대링(l32)은 바이어스에 의해 가열되지만, 그 표면에 있어서의 반응과 막의 퇴적을 제어하기 위해서 인가 바이어스 온도를 제어할 필요가 있다. 더욱이 정전흡착장치(131)를 편성한 하부전극에 복잡한 기구로 편성하는 일 없이, 인가 바이어스 및 온도의 제어가 가능한 것이 바람직하다. 이것은 누설 바이어스의 제어와 바이어스에 의한 가열 및 가스전열에 의한 냉각의 균형에 의해 구현화할 수 있다. 이 실시예를 도 2에 나타내는 하부전극(130)의 단면도(우측 절반)에 의해 설명한다.
하부전극(130)은 시료(W)를 정전흡착장치(131)에 의해 유지한다. 정전흡착장치(13l)는 절연체(134)에 의해 어스(135)와 절연된다. 본 실시예에서는 시료대링(132)을 정전흡착장치(l31)에 대하여 절연체(133)를 거쳐 설치함으로써 바이어스전원(141)으로부터 공급되는 바이어스전력의 일부를 누설하여 가하는 구조로 되어 있다. 인가되는 바이어스는 절연체(133)의 두께나 재질에 의해 조정할 수 있다. 이와 같은 바이어스 인가구조로 함으로써 하부전극(130)의 내부에서 시료대 링(132)에 대한 배선구조를 설치하거나 시료대 링(132)에 다른 바이어스 전원을 접속할 필요가 없다.
또 정전흡착장치(131)는 온도조절용 열매체의 순환(도시생략)에 의해 소정의 온도로 유지되어 있다. 그리고 시료(W)와 정전흡착장치(l31)의 표면 사이에는 전열용가스 (예를 들어 He 가스 등)의 유로(136)가 형성되고, 전열용 가스가 도입됨으로써 열전도가 양호하게 유지된다. 여기서 본 실시예에서는 시료대 링(l32), 절연체(133), 정전흡착장치(131)의 사이에도 전열용 가스의 유로(l36A, 136B)가 형성된다. 그리고 웨이퍼 냉각용 전열가스의 일부가 도입되어 접촉부에서의 열전도가 양호하게 유지된다. 이 때문에 시료대 링(132)은 소정의 온도로 유지된 정전흡착장치(131)와의 사이의 열전달이 양호하게 유지되어 온도가 안정되게 유지된다. 이 결과, 시료대 링(132)에 대한 바이어스 인가에 의한 온도변동이 억제되고, 시료대링(132)에 있어서의 표면반응이나 시료의 처리특성을 안정화할 수 있다. 또 동시에 바이어스에 의한 가열과 이온 어시스트에 의해 반응생성물의 퇴적을 방지할 수 있기 때문에 반응생성물의 박리나, 시료표면에 대한 파티클의 부착이 감소한다.
이와 같이 시료대 링은 누설 바이어스의 인가와 바이어스에 의한 가열과 가스전열에 의한 냉각의 균형에 의해 간단한 구조로 표면반응이나 온도와 막퇴적의 제어가 가능하게 되어 처리의 장기 안정화와 이물의 감소를 도모할 수 있다.
또한 본 실시예에서는 전열용 가스에 의해 열전달을 확보하였으나, 예를 들어 열도전성 시트 등, 다른 열전달 수단을 이용하여도 좋다.
다음에 안테나(110) 관하여 설명한다. 이미 도 1의 실시예에서 기술한 바와 같이 원판형상 도전체(111)에는 안테나 고주파전원(122)이 접속되어 1OO kHz 정도 또는 수 MHz 내지 1OMHz 정도의 바이어스가 인가된다. 또 원판형상 도전체(111)의 온도는 열매체에 의해 소정의 값으로 유지된다. 따라서 원판형상 도전체(111)에 접하는 플레이트(115)는 바이어스가 인가됨과 동시에 그 표면온도도 제어된다. 플레이트(115)는 웨이퍼와 대향하고 있기 때문에 처리공정에 가장 크게 영향을 미치나, 이 면에 바이어스를 인가하여 반응생성물을 퇴적시키지 않고, 또한 플레이트의 재질에 높은 순도의 실리콘을 사용하여 스카벤지작용에 의한 표면반응을 사용함으로써 공정을 안정화할 수 있다.
한편, 플레이트(115)의 바깥 둘레부의 링(116)은 플레이트(115)와 마찬가지로 안테나 고주파전원(122)에 의한 바이어스로 가열하고, 또한 링(116)의 열용량을 작게 함으로써 온도변화의 응답성을 높히고 있다. 이것을 도 3을 이용하여 설명한다.
도 3은 링(116)의 온도제어방법을 나타낸 실시예이다. 본 실시예에서는 링(116)의 형상을 얇게 하고 또한 플레이트(115)에 그 일부분이 걸리고, 또 유전링(113)이나 플레이트(115)와의 열적인 접촉이 적어지도록 구성되어 있다. 이 경우, 플레이트(115)에 안테나 고주파전력을 인가하면 플레이트(115)에 대한 바이어스에 의해 이온이 도면중 화살표와 같이 링(116)의 표면에 끌어 넣어진다. 본 실시예에서는 히터나 램프 등의 가열기구를 사용하고 있지 않기 때문에 기구가 복잡해 지지 않는 이점이 있다.
링(116)의 바이어스 인가부분의 폭(w)은 바이어스에 의한 가열이 효율좋게 행할 수 있도록 예를 들어 10 mm 이상으로 한다. 링(116)의 두께는 바이어스로 유효하게 가열되기 위해서는 예를 들어 6 mm 이하, 바람직하게는 4 mm 이하로 한다. 이와 같이 얇은 형상으로 함으로써 링(116)의 열용량이 작아진다. 이 결과, 링 전체를 대략 100℃ 이상 250℃ 이하, 바람직하게는 150℃ 이상 200℃ 이하로 가열하는 것이 가능하게 된다. 이 결과, 반응생성물의 퇴적이 억제되어 반응생성물의 박리에 따르는 이물의 발생을 줄일 수 있다. 또 이 온도범위에서는 대략 250℃ 이상의 고온영역과 비교하여 표면반응의 변화가 온도변화에 대하여 민감하지 않기 때문에 구성부품의 온도변동이 공정에 대하여 실질적으로 영향을 미치지 않는 레벨로 작게 할 수 있는 이점이 있다.
링(116)의 두께는 데포막의 퇴적을 억제할 수 있고, 또한 링 표면이 이온으로 스패터되어 소모되지 않도록 안테나 바이어스의 파워·주파수, 링(116)의 재질, 링(116)에 대한 반응생성물의 퇴적속도 등과의 균형으로 결정된다. 또 도면중 에 나타낸 바와 같이 바이어스가 인가되는 부분이외는 두께를 얇게 하여 링 전체의 열용량을 더욱 작게 하여도 된다. 이와 같이 링(116)의 열용량을 작게 함으로써 처리의 초기단계의 짧은 시간으로 응답성 좋게 온도가 상승하기 때문에 처리특성에 대한 영향이 작다. 또 링(116)의 내경(d)은 시료의 직경보다도 큰 것이 바람직하다. 반응기의 내경은 시료의 1.5배 정도가 되기 때문에 시료지름 300 mm의 경우는 링의 폭(s)이 대략 50 mm 내지 70 mm 가 되고, 그 표면적은 반응기 내벽면 전체에 대하여 예를 들어 20% 이하로 충분히 작아진다. 이와 같이 부품의 표면적을 작게 함으로써 온도나 표면상태가 변동하여도 공정에 대한 영향을 억제할 수 있다. 더욱이 링(116)은 웨이퍼보다도 바깥 둘레부에 위치하고 있기 때문에 그 공정에 대한 영향은 더욱 작아진다.
그런데 상기의 실시예는 플라즈마에 의한 수동적인 가열이기 때문에 어느정도의 온도변동은 피할 수 없다. 이 변동은 현상태의 공정에서는 영향이 현재화하지 않더라도 처리공정의 미세화에 의해 에칭특성에 영향을 미칠 가능성이 있고, 이 경우에는 램프나 히터 등에 의한 적극적인 온도제어기구가 필요하게 된다. 도 4에는 램프가열에 의한 온도제어기구의 실시예를 나타낸다.
본 실시예에서는 유전체 링(113A)의 일부가 상기 링(116)과 같은 구조(116A)로 바이어스를 인가할 수 있도록 구성되어 있고, 또한 유전체 링(113A)의 플라즈마에 가까운 쪽에 적외선광·원적외선광을 흡수하는 예를 들어 알루미나 박막 등의 적외선 흡수체(l51)가 형성되어 있다. 그리고 적외선 방사수단(152)으로부터 적외선광·원적외선광이 방사되고, 적외선 투과창(153), 유전체 링(113A)을 통과하여 적외선 흡수체(151)로 흡수되고, 링(l16)을 가열한다. 적외선 흡수체(151)는 적외선에 의해 원격적으로 가열할 수 있기 때문에 적외선 흡수체(151)를 유전체 링(113A)의 플라즈마에 가까운 쪽에 설치함으로써 유전체 링(123)의 플라즈마에 노출되는 표면의 온도를 보다 높은 정밀도로 제어하는 것이 가능해진다. 또 가열기구에 적외선의 흡수를 사용하고 있기 때문에 발열 저항체에 의한 가열과 비교하여 응답성이 좋은 이점이 있다. 또한 바이어스 인가부(116A)에 의해 유전체 링(113A)은 바이어스에 의해서도 가열되기 때문에 온도의 응답성이 향상한다.
한편, 적외선 방사수단(152)은 홀더(l54)에 설치되나, 홀더(154)와 유전체 링(113A)의 사이에는 간극이 설치되고, 그 간극에 가스공급수단(155)을 통하여 온도제어용 전열가스가 공급된다. 전열가스는 진공밀봉수단(156A, l56B)으로 밀봉된다. 이 가스전열에 의해 유전체 링(l13A)은 홀더(154)를 통하여 방열된다. 따라서 예를 들어 처리개시시에는 바이어스와 램프에 의해 가열하고, 처리중에는 가스전열에 의해 방열시킴으로써 온도제어의 정밀도가 향상한다. 이 결과, 유전체 링(123)의 온도를 대략 l00℃ 내지 250℃, 바람직하게는 l50℃ 내지 200℃의 범위에서 ±5℃ 내지 10℃ 정도의 정밀도로 제어할 수 있다. 이 온도에서는 막의 퇴적이 감소하기 때문에 막의 박리에 의한 이물의 발생이 억제된다. 또 유전체 링(113A)의 표면상태가 온도에 대하여 의존성이 크지 않은 영역이기 때문에 표면상태가 변화하지 않고, 장기적으로 안정된 플라즈마처리가 가능하게 된다.
상기의 도 3, 도 4의 실시예는 모두 플라즈마에 접하는 링(116), 유전체 링(113A)을 가열하여 막의 퇴적을 감소시키는 것이었으나, 플라즈마에 접하는 링을 도 1에서 설명한 측벽 내면과 마찬가지로 웨이퍼 온도보다도 낮은 온도로 일정하게 제어하여 안정된 퇴적막을 형성하는 것도 가능하다. 도 5는 이 실시예를 나타내며, 유전체 링(113B)을 냉매에 의한 온도제어로 20℃ 내지 100℃ 정도의 범위에서제어하는 것이다
이 실시예에서는 유전체 링(1l3B)에 설치된 냉매유로(161)에 열매체 공급수단(l62)으로부터 온도제어용의 냉매가 공급된다. 냉매는 밀봉수단(163)으로 밀봉된다. 유전체 링(113B)의 온도는 도시 생략한 온도 컨트롤러나 온도검출기에 의해 소정의 값으로 유지한다. 이와 같은 구성에 의해 플라즈마 처리시에, 유전체 링(113B)의 온도를 20℃ 내지 100℃ 정도의 범위로 유지할 수가 있다. 이때문에 유전체 링(123)의 표면에 안정된 강고한 반응생성물의 막이 퇴적하기 때문에 유전체링(l23)의 표면이 깎이여 소모되는 일은 없다. 또 공정에 의해서 막이 과잉으로 퇴적하는 경우는 플라즈마 클리닝을 병용하여 막을 일정한 두께로 유지하여도 좋다.
또한 상기한 각 실시예는 모두 유자장 UHF대 전자파방사 방전방식의 플라즈마 처리장치의 경우이었으나, 방사되는 전자파는 UHF대 이외에도 예를 들어 2.45 GHz의 마이크로파나 또는 수 1O MHZ 내지 30O MHz 정도까지의 VHF 대이더라도 좋다. 또 자장은 반드시 필수가 아니며, 예를 들어 무자장 마이크로파 방전이더라도 좋다. 또한 상기 이외에도 예를 들어 자장을 사용한 마그네트론형의 플라즈마 처리장치나 평행평판형의 용량결합방식 플라즈마 처리장치, 또는 유도결합형의 플라즈마 처리장치 등에 상기의 각 실시예를 적용할 수 있다.
도 6은 본 발명을 자장을 사용한 RIE 장치(마그네트론 RIE장치 Magnetica1ly Enhanced RIE 장치)에 적용한 예이다. 진공용기로서의 처리실(100)은 측벽(l02)과 웨이퍼 등의 시료(W)를 올려놓는 하부전극(130)과, 이것에 대향하여 접지되는 상부전극(201)을 구비하고, 또 진공용기내에 소정의 가스를 도입하는 가스공급수단(117)과 진공용기내를 감압배기하는 진공배기 시스템(106)과, 상기 하부전극과 상부전극 사이에 전계를 발생시키는 전계발생수단(203)과, 진공용기내에 자계를 발생시키는 자계발생수단(202)을 구비하고 있다. 자계발생수단(202)은 복수의 영구자석 또는 코일이 처리실(100)의 바깥 둘레에 링형상으로 배치되고, 처리실내부에 전극에 대하여 거의 평행한 자장을 형성한다. 그리고 전극 사이에 발생하는 전계에 의해 처리가스를 플라즈마화하여 플라즈마(P)를 발생시키고, 시료(W)를 처리한다. 또한 마그네트론 RIE 에서는 자계발생수단(202)에 의해 전계와 대략 직교하는 방향으로 자장이 형성되기 때문에 전자와 플라즈마중의 분자·원자와의 충돌빈도가 높아져 플라즈마밀도가 증가하고, 높은 에칭특성이 얻어진다.
본 실시예에서는 도 1에서 설명한 실시예와 마찬가지로, 측벽(102)에 측벽내면의 온도를 제어하는 재킷(103)이 교환가능하게 유지되고, 재킷(103)의 내부에 열매체 공급수단(104)으로부터 열매체가 순환공급되어 재킷의 온도가 0℃ 내지 약 100℃, 바람직하게는 20℃ 내지 약 80℃의 범위에서 ±10℃ 이내의 정밀도로 제어된다. 재킷(103)은 예를 들어 알루마이트 처리를 실시한 알루미늄으로 구성한다.
이와 같은 구성에 의해 반응기 내벽면을 웨이퍼 온도보다도 충분히 낮은 온도로 일정하게 제어할 수 있기 때문에 반응기 측벽내면에 강고한 퇴적막을 형성할 수 있다. 이 막은 충분한 내플라즈마성을 가지고 있고, 반응기 내벽의 보호막으로서 작용하여 반응생성물의 박리나 시료표면에 대한 파티클의 부착이 줄어든다. 따라서 측벽은 소모되거나 손상되지 않기 때문에, 측벽의 부품교환의 빈도를 줄일 수 있어 유지비용의 저하에 이어짐과 동시에, 내플라즈마성이 높은 SiC 등의 세라믹스를 사용할 필요가 없어 부품비용의·감소가 가능해진다.
또 본 실시예에서는 도 1, 도 2에서 설명한 실시예와 마찬가지로 시료대 링(132)에 전계발생수단(203)으로부터 공급되는 바이어스전력의 일부를 누설시키는 구조로 하고, 또한 가스전열에 의해 냉각함으로써 시료대 링(132)에 있어서의 표면방응이나 시료의 처리특성을 안정화할 수 있다. 또 동시에 바이어스에 의한 가열과 이온 어시스트에 의해 반응생성물의 퇴적을 방지할 수 있기 때문에 반응생성물의 박리나 시료표면에 대한 파티클의 부착이 감소된다.
도 7은 본 발명을 평행평판형 플라즈마 처리장치에 적용한 예이다. 진공용기로서의 처리실(100)은 측벽(l02)과 웨이퍼 등의 시료(W)를 올려 놓는 하부전극(130)과 이것에 대향하는 상부전극(210) 및 상부전극(210)에 전력을 공급하여 전극 사이에 전계를 발생시키는 전계발생수단(221)을 구비하고 있다. 소정의 처리가가 처리실(100)내에 가스공급수단(1l7)에 의해 공급되고, 진공배기 시스템(106)에 의해 진공용기내가 감압 배기된다. 그리고 전극사이에 발생하는 전계에 의해 처리가스를 플라즈마화하여 플라즈마(P)를 발생시키고, 시료(W)를 처리한다. 상부전극(210)은 전극판(211)이 절연체(212, 213)로 절연되어 하우징(214)으로 유지된다. 또 전극판(211)의 플라즈마에 접하는 측의 면에는 플레이트(215)가, 그 바깥 둘레에는 밀봉링(216)이 설치된다. 밀봉링(216)은 절연체(212, 2l3)를 플라즈마로부터 보호함과 동시에 시료대 링(132)과 쌍을 이루어 플라즈마(P)를 처리실(100)에 가둠으로써 플라즈마 밀도를 향상시켜 높은 에칭특성을 얻는다.
본 실시예에서는 도 1에서 설명한 실시예와 마찬가지로 측벽(102)의 내면의 온도가 재킷(103)에 의해 0℃ 내지 약 l00℃, 바람직하게는 20℃ 내지 약 80℃의 범위에서 ±1O℃ 이내의 정밀도로 제어되기 때문에 내플라즈마성을 가지는 퇴적막이 형성되어 반응기 내벽의 보호막으로서 작용하고, 파티클의 감소나 측벽의 부품교환의 빈도의 감소가 가능하게 된다. 또 시료대 링(132)에 관해서도 누설 바이어스 인가구조와 가스냉각에 의해 표면반응이나 시료의 처리특성을 안정화할 수 있고, 반응생성물의 퇴적을 방지하여 파티클의 발생이 감소된다. 또한 밀봉링(216)은 도 3의 실시예와 마찬가지로, 그 형상이 얇고, 또한 플레이트(115)에 대하여 밀봉링(216)의 일부분이 걸리고, 또한 다른 부품과의 열적인 접촉이 적어지도록 구성되어 있다. 이때문에 플레이트(115)에 전력을 인가하면 밀봉링(216)이 셀프 바이어스에 의한 이온에 의해 가열되어 반응생성물의 퇴적이 억제되어 이물의 발생을 줄일 수 있다.
도 8은 본 발명을 유도결합형의 플라즈마 처리장치에 적용한 예이다. 진공용기로서의 처리실(100)은 측벽(102)과 웨이퍼 등의 시료(W)를 올려놓는 하부전극(130)과 천정판(230)을 구비하고 있고, 진공배기 시스템(106)에 의해 감압배기된다. 천정판(230)의 상부에는 유도방전용 코일(231)이 배치되고, 고주파 전원(232)으로부터 고주파 전력을 공급한다. 처리가스는 가스공급수단(117)에 의해 공급되고, 유도방전용 코일(231)에 의한 유도방전에 의해 플라즈마화되어 플라즈마(P)가 발생하여, 시료(W)를 처리한다. 유도결합형의 플라즈마 처리장치에서는 천정판에 실리콘을 사용하여 공정을 안정화시키거나 예를 들어 패러드 밀봉이나 자장 등의 수단에 의해 플라즈마와 벽과의 상호작용을 억제함으로써 측벽을 웨이퍼보다도 저온으로 하여도 높은 특성이 안정되게 얻어진다.
본 실시예에서는 도 1에서 설명한 실시예와 마찬가지로 측벽(102)의 내면의 온도가 재킷(103)에 의해 0℃ 내지 약 100℃, 바람직하게는 20℃ 내지 약 80℃의 범위에서 ±1O℃ 이내의 정밀도로 제어된다. 이 때문에 내플라즈마성을 가지는 퇴적막이 형성되어 반응기 내벽의 보호막으로서 작용하고, 파티클의 감소나 측벽의 부품교환의 빈도의 감소가 가능해진다. 또 시료대 링(132)에 관해서도 누설 바이어스 인가구조와 가스냉각에 의해 표면반응이나 시료의 처리특성을 안정화할 수 있고 반응생성물의 퇴적을 방지하여 파티클 발생이 감소된다.
또 상기한 각 실시예는 모두 처리대상이 반도체 웨이퍼이고, 이것에 대한 에칭처리의 경우이었으나, 본 발명은 이것에 한정하지 않고, 예를 들어 처리대상이 액정기판인 경우에도 적용할 수 있고, 또 처리자체도 에칭에 한정하지 않고, 예를 들어 스패터링이나 CVD 처리에 대해서도 적용가능하다.
본 발명에 의하면 반응기 내부의 온도와 벽면의 상태를 제어함으로써 에칭특성에 경시적인 변화를 일으키는 일 없이 공정의 재현성·신뢰성을 장기간에 걸쳐 저비용으로 유지할 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공할 수가 있다.
Claims (20)
- 진공처리실과, 플라즈마 발생장치와, 처리실에 가스를 공급하는 처리가스 공급수단과, 상기 진공처리실내에서 처리되는 시료를 유지하는 전극과, 상기 진공처리실을 감압하는 진공배기 시스템을 가지는 플라즈마 처리장치에 있어서,상기 처리가스에 플라즈마방전에 의해 중합막이 형성되는 것 같은 조성의 가스를 적어도 1종류 이상 함유하고,상기 처리실내에서 플라즈마방전에 의해 상기 처리가스를 플라즈마화하고,상기 처리실의 내부에서 플라즈마에 접하는 내벽면 또는 내부 구성부품의 표면의 적어도 l면이상을 상기 처리되는 시료의 온도보다도 낮은 소정온도로 제어하여 상기 처리실 내벽면에 강고한 중합막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
- 제 1항에 있어서,상기 처리실 내벽면의 온도를 상기 시료의 온도보다도 5℃ 이상 낮은 소정온도로 하고, ±lO℃ 이내의 정밀도로 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 1항에 있어서,상기 처리실 내벽면의 온도를 시료의 온도보다도 20 ℃ 이상 낮은 소정온도로 하고, ±1O℃ 이내의 정밀도로 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 1항에 있어서,상기 처리실 내벽면의 온도를 0℃ 이상 100℃ 이하 영역의 소정온도로 하고, ±lO℃ 이내의 정밀도로 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 1항에 있어서,상기 처리실 내벽면의 온도를 20℃ 이상 80℃ 이하 영역의 소정온도로 하고, ±lO℃ 이내의 정밀도로 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 1항 내지 제 5항중의 어느 한항에 있어서,상기 처리실의 처리압력을 O.1 Pa 이상 1O Pa 이하로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 1항 내지 제 5항중의 어느 한항에 있어서,상기 처리실의 처리압력을 0.5 Pa 이상 4 Pa 이하로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 1항 내지 제 7항중의 어느 한항에 있어서,상기 처리실 내벽면을 구성하는 부재를 교환가능한 구조로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 1항 내지 제 8항중의 어느 한항에 있어서,상기 처리실 내벽면에 형성된 중합막의 성장을 억제하는 처리공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 진공처리실과, 플라즈마 발생장치와, 처리실에 가스를 공급하는 처리가스 공급수단과, 상기 진공처리실내에서 처리되는 시료를 유지하는 전극과, 상기 진공처리실을 감압하는 진공배기 시스템을 가지는 플라즈마처리장치에 있어서,상기 처리실의 내부에서 플라즈마에 접하는 내벽 구성부품의 적어도 하나 이상을, 해당 부품면의 적어도 일부분에 바이어스가 인가되고, 또한 해당 부품의 열용량을 충분히 작게 하고, 또한 해당 부품의 플라즈마에 접하는 표면적을 작게 하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 10항에 있어서,상기 내벽 구성부품의 온도를 100℃ 이상 250℃ 이하의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 10항에 있어서,상기 내벽 구성부품의 온도를 150℃ 이상 200℃ 이하의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 11항 내지 제 12항에 있어서,상기 처리실의 처리압력을 O.1 Pa 이상 lO Pa 이하로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 11항 내지 제 12항에 있어서,상기 처리실의 처리압력을 0.5 Pa 이상 4 Pa 이하로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 11항 내지 제 14항중의 어느 한항에 있어서,상기 내벽 구성부품의 형상이 링형상이고, 해당 부품의 플라즈마에 접하는 표면적이 상기 처리실 내벽의 전체면적의 20% 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
- 제 11항 내지 제 15항중의 어느 한항에 있어서,상기 내벽 구성부품의 형상이 링형상이고, 그 두께가 6 mm 이하, 내경이 시료지름 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 10항에 있어서,상기 내벽 구성부품의 플라즈마에 접하는 쪽의 근방에 적외선광 흡수체를 형성하도록 구성하여, 해당 부품의 온도를 적외선 조사수단에 의해 원격적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 17항에 있어서,상기 내벽 구성부품의 온도를 l00℃ 이상 250℃ 이하 범위의 소정온도로 하고, ±1O℃ 이내의 정밀도로 조정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 17항에 있어서,상기 내벽 구성부품의 온도를 150℃ 이상 200℃ 이하 범위의 소정온도로 하고, ±lO℃ 이내의 정밀도로 조정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
- 제 1항 내지 제 19항중의 어느 한항에 있어서,플라즈마 발생장치가 유자장 UHF대 전자파 방사방식, 마그네트론방식, 평행평판방식 또는 유도결합방식중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
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