KR20010050312A - 플라즈마 처리장치 - Google Patents

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KR20010050312A
KR20010050312A KR1020000051595A KR20000051595A KR20010050312A KR 20010050312 A KR20010050312 A KR 20010050312A KR 1020000051595 A KR1020000051595 A KR 1020000051595A KR 20000051595 A KR20000051595 A KR 20000051595A KR 20010050312 A KR20010050312 A KR 20010050312A
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가나이 쓰도무
가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명은 플라즈마 발광을 계측하는 계측창의 투과율을 저하시키는 일 없이 장시간에 걸쳐 안정하여 정밀도 좋게 처리실내의 플라즈마 발광을 계측할 수 있는 플라즈마처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 특징은 처리실(100)내에 설치된 UHF대 안테나(110)로부터 방사되는 전자파와 처리실(100)의 주위에 설치된 자장형성수단(101)으로 형성되는 자장과의 상호작용에 의해 처리실 내부에 플라즈마를 발생하여 웨이퍼(W)를 처리하는 플라즈마처리장치에 있어서, 처리실(100)의 측벽(102)에 설치된 개구부(141)에 중공관(142)을 설치하고, 그 선단에 플라즈마발광의 계측창(143)을 부착하는 데 있다. 그리고 자장형성수단(101)으로 형성되는 자장의 자력선이 중공관과 각도를 이루도록 설정함으로써 중공관(142)의 내부로의 플라즈마의 침입을 방지할 수 있고, 계측창(143)에 대한 퇴적물의 부착을 억제하여, 계측창의 투과율이 시간의 흐름에 따라 저하되는 일 없이 일정하게 유지할 수 있다.

Description

플라즈마처리장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마처리장치, 특히 반도체 제조공정에 있어서의 미세한 패턴을 형성하는 데 가장 적합한 플라즈마처리장치에 관한 것으로, 특히 처리실내의 플라즈마의 발광을 계측하는 창에 관한 것이다.
반도체의 제조공정에서는 에칭, 성막, 애싱 등의 미세가공 공정에서 플라즈마처리장치가 널리 사용되고 있다. 이 중 에칭장치는 진공챔버(리액터) 내부에 도입된 공정가스를 플라즈마발생수단에 의해 플라즈마화하고, 반도체 웨이퍼 표면에서 반응하여 미세가공을 행함과 더불어 휘발성의 반응생성물을 배기함으로써 소정의 에칭처리를 행하는 것이다.
이 플라즈마 에칭장치에 있어서는 배선층이나 절연막의 에칭에 의해 생기는 플라즈마발광에 대하여 특정한 래디컬과 이온의 발광강도를 계측하고, 예를 들어 에칭처리중인 발광강도의 시간변화로부터 에칭처리의 종점을 검출하거나, 래디컬종의 발광강도의 공정 파라미터에 대한 의존성으로부터 래디컬 조성을 정량화하여 공정구축을 행하거나, 플라즈마 케미스트리의 변화를 모니터하는 작업이 행하여지고 있다.
그런데, 실제로 수시간 내지 수십 시간 이상에 걸쳐 웨이퍼의 에칭처리를 반복하여 가면 플라즈마 발광 계측용 창의 내면에 반응 생성물이나 공정가스의 일부가 점점 부착되어 계측창의 투과율이 저하하게 된다. 이 때문에 종점 검출의 정밀도가 저하하거나, 래디컬 조성을 정확하게 모니터할 수 없다는 문제가 생긴다.
그 대책으로서, 일본국 특개평8-111403공보에는 통형상의 중공 지지부의 선단에 플라즈마 발광의 검출창을 설치함으로써 검출창 내면으로의 반응 생성물의 부착 등을 억제하여 장기간에 걸쳐 에칭의 종점을 안정되게 판정하는 에칭장치가 기재되어 있다. 또한 일본국 특개평9-199476공보에는 상기한 공보와 마찬가지로 원통형상의 도광관을 사용하여 그 끝부에 플라즈마 발광의 검출창을 설치하고, 특히 도광관의 길이를 내경의 10배 이상으로 하고, 또한 도광관에 불활성 가스를 도입하여 도광관 내부를 양압으로 함으로써 반응생성물의 부착을 억제하는 에칭장치가 기재되어 있다.
또 일본국 특개평9-330917공보에는 블록형 형상의 검출창에 몇 개의 비관통구멍을 설치하여 그 바닥부에 대향하는 위치에 종점 검출기를 설치하는 방법이 제안되어 있다. 또한 일본국 특개평1-232725공보에 기재되어 있는 바와 같이 검출창에 가열용 히터를 설치하여 창부를 가열함으로써 반응 생성물의 부착을 억제하는 방법, 또는 일본국 특개소63-128632공보에 기재되어 있는 바와 같이 측광용 창이 설치된 중간원통의 주위에 설치한 코일에 의해 자장을 인가함으로써 반응 생성물과 이온을 편향시켜 측광용 창에 대한 부착을 방지하는 방법 등도 고안되어 있다.
그러나 상기 방법에서는 발광 계측창의 투과율의 저하를 완전하게 억제할 수는 없어 발광의 검출강도가 차차로 내려간다는 문제가 남았다. 예를 들어 상기 일본국 특개평9-330917공보의 비관통 구멍을 사용한 방법에서는 투과율의 저하는 종래기술보다도 억제되어 있으나, 검출강도가 방전 10시간 정도에 약 50% 이하로 저하되었다는 데이터가 나타나 있다.
상기 일본국 특개평9-199476공보에 있어서도 도광관의 길이를 내경의 10배 이상으로 함으로써 길이가 내경의 5배 이하인 경우와 비교하여 발광 계측창에 대한 반응 생성물의 퇴적량이 10분의 1이하로 저하하는 것이 나타나 있으나, 이 경우에도 퇴적량이 제로가 되는 것은 아니고, 시간과 더불어 검출강도는 저하한다. 또 이 공보에 있어서는 도광관의 내부에 양압(예를들면 처리압력 100 mTorr 에 대하여 101 mTorr)의 불활성 가스를 도입함으로써 반응 생성물이 도광관 내부로 침입하기 어렵게 됨이 기재되어 있다. 처리압력이 100 mTorr 이상의 경우에는 가스흐름은 점성류 영역이며, 또한 분자의 평균자유행정이 1 mm 이하이기 때문에, 분자는 관내벽에 부착되기 전에 배출되어 도광관 내부에 침입하기 어렵게 되는 효과가 어느 정도는 기대된다. 그러나 공정의 미세화에 수반하여 처리압력이 수 Pa 이하(수십 10 mTorr 이하)의 저압력으로 되어 있고, 이 압력영역에서는 흐름은 분자류가 되기 때문에 가스흐름에 의한 배출효과는 기대할 수 없다. 또 분자의 평균자유공정이 수 mm 내지 수십 mm 정도로 길어지기 때문에, 반응 생성물이 검출창에 도달할 확률이 커져 계측창에 대한 퇴적량이 증가한다고 생각된다.
또한 종점검출용 창에 가열히터를 설치하여 창부를 가열하는 방법에서는 에칭장치에 별도의 가열장치나 안전기구 등을 부가할 필요가 생기고, 또 자장에 의해 반응생성물이나 이온을 편향시키는 방법에서는 자장을 발생시키는 코일 등이 별도로 필요하여, 모두 장치의 복잡화와 비용상승을 초래하는 결과가 되어 실용적이지 않다. 자장을 사용한 방법에서는 자장이 플라즈마에 대한 외란요인이 될 수 있다. 또한 이들 방법에서는 가열이나 자장에 의한 효과가 정량적으로 표시되어 있지 않아 효과가 명확하지 않다.
또 상기는 모두 종점검출에 관한 것으로, 처리중인 다이내믹한 강도변화를 검출할 수 있으면 되기 때문에 장시간에 걸친 투과율의 점진적인 감소는 신호검출의 방해로는 그다지 되지 않는다. 그러나 예를 들어 연속방전 시험중인 래디컬 조성의 변화를 모니터링하는 경우에는 계측창의 투과율이 저하하면 겉보기의 검출강도가 저하되어 정확한 모니터링을 할 수 없기 때문에 이와 같은 외란요인의 영향을 받지 않고 래디컬의 발광강도를 측정할 수 있을 필요가 있다.
특히, C4F8등의 CF계의 에칭가스를 사용하여 실리콘 산화막을 에칭하는 경우에는 부식제인 CF나 CF2의 래디컬의 발광이 공정특성에 있어서 중요하다. 그러나 이들 발광은 피크파장이 200 mm 내지 300 mm의 영역에 있고, 이 영역에서는 CF계의 퇴적막에 의해 계측창의 투과율이 크게 저하하기 때문에 발광의 검출강도의 저하가더욱 현저하게 나타난다. 이 때문에 계측창에 대한 퇴적막의 부착에 의한 투과율저하의 영향을 받지 않고 장기간에 걸쳐 안정되게 플라즈마 발광을 계측할 수 있을 필요가 있다.
본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 플라즈마 발광 계측창의 내면에 대한 반응생성물과 에칭가스의 부착·퇴적을 억제하여 장시간에 걸쳐 안정되게 플라즈마발광을 계측할 수 있는 플라즈마처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 1 실시예인 플라즈마 에칭장치의 단면 모식도,
도 2는 본 발명의 1 실시예인 플라즈마 에칭장치에 있어서, 발광 계측창에 대한 퇴적물의 부착을 억제하는 기구를 설명하는 도,
도 3은 본 발명의 요점인 자장에 의한 중공관 내부로의 플라즈마 확산 방지효과와 자장에 의한 계측창의 투과율 저하의 방지효과에 대하여 조사한 실험장치의 구성을 설명하는 도,
도 4는 본 발명의 요점인 자장에 의한 중공관 내부로의 플라즈마 확산 방지효과에 대하여 조사한 실험결과를 나타내는 도,
도 5는 본 발명의 요점인 자장에 의한 계측창의 투과율저하의 방지효과에 대하여 조사한 실험결과를 나타내는 도,
도 6은 본 발명의 1 실시예인 플라즈마 에칭장치에 있어서, 계측창의 투과율이 경시적으로 변화하지 않는 것을 연속시험에 의해 실험적으로 검증한 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명자들은 상기한 과제에 대하여 검토를 거듭한 결과, 처리실의 측벽 개구부에 설치한 내경 4 mm, 길이 200 mm 정도의 중공관의 선단에 플라즈마발광의 계측창을 부착하여 중공관의 입구 부근에 중공관에 대하여 자력선이 각도를 이루도록 자장을 형성함으로써(예를 들어 30도 내지 45도 정도 형성함으로써), 중공관 내부로의 플라즈마의 침입을 방지하여 계측창에 대한 퇴적물의 부착을 대략 완전하게 억지할 수 있음을 알게 되었고, 이 방법에 의해 계측창의 투과율이 시간과 더불어 저하하지 않으며 플라즈마발광을 방전 100시간 이상의 장시간에 걸쳐 안정되고 정밀도 좋게 계측할 수 있음을 실험적으로 확인하는 데 이르렀다.
본 발명은 상기한 인식에 의거하여 이루어진 것으로, 진공처리실내에 처리가스를 공급하여 유자장 방식의 플라즈마발생장치에 의해 플라즈마를 발생시키고 이 플라즈마에 의해 시료를 플라즈마 처리함과 더불어, 이 플라즈마로부터의 발광을 투명재료로 이루어지는 계측창을 통하여 계측하도록 구성된 플라즈마처리장치에 있어서, 처리실 측벽의 개구부에 바깥쪽을 향하여 설치된 중공관의 선단부에 플라즈마발광의 계측창을 설치하여 플라즈마발생장치의 자장형성수단에 의해 형성되는 자장이, 개구부 및 상기 중공관의 입구근방에 있어서, 중공관의 축으로 대하여 자력선이 각도를 가지도록 형성된 것을 특징으로 한다. 뒤에서 설명하는 바와 같이 퇴적막의 부착은 플라즈마에 의해 어시스트되어 촉진되기 때문에 이와 같은 구성에 의해 중공관 내부로의 플라즈마의 침입을 방지하고, 계측창에 대한 퇴적물의 부착을 대략 완전하게 억지할 수 있다. 또 자장은 플라즈마발생장치의 자장형성 수단에 의해 형성되는 자장을 그대로 사용하기 때문에 중공관 근방에 국소자장을 발생시키는 기구를 설치할 필요가 없고, 장치구성이 간략화됨과 더불어 국소자장발생기에 의한 자장이 플라즈마에 외란을 주는 일이 없다.
본 발명의 다른 특징은, 상기 플라즈마발생장치에 있어서, 전기의 중공관의 내경(D)를 2 mm 이상 10 mm이하, 길이(L)를 50 mm 이상 250 mm 이하로 하는 데 있다. 이 경우, 동작압력이 예를 들어 0.5 Pa 내지 4 Pa 정도의 범위이고, 중공관의 내경(D)는 분자의 평균 자유행정(λ)보다도 작거나 대략 같은 오더인데 대하여, 중공관의 길이(L)는 분자의 평균 자유행정(λ)보다도 충분히 크기때문에, 분자는 중공관의 입구근방에서 내벽과 상호작용하여 부착되고 발광계측창에 대한 도달확률이 작아진다. 또한 자장에 의한 중공관으로의 플라즈마 침입방지와의 상승효과에 의해 발광계측창에 대한 퇴적막의 부착을 거의 완전하게 억제할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 상기한 플라즈마발생장치에 있어서 처리실 개구부 또는 중공관의 입구근방에 형성되는 자장이 자속밀도 60 가우스 이상이라는 데 있다. 자장강도가 상기 값 이상임에 자장에 의한 중공관으로의 플라즈마 침입방지의 효과가 현저하게 나타나 발광계측창에 대한 퇴적막의 부착을 거의 완전하게 억지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 상기한 플라즈마발생장치에 있어서, 플라즈마발생장치를 유자장 UHF 대 전자파방사 방전방식으로 한 데 있다. 이 경우 플라즈마발생장치의 자장형성수단에 의해 형성되는 자장이 약 160 가우스 정도의 자속밀도이며, 자력선과 중공관이 30도 내지 45도의 각도를 가지고 있기 때문에 중공관으로의 플라즈마의 침입을 효율적으로 억제할 수 있다.
본 발명에 의하면 처리실의 측벽 개구부에 설치한 중공관의 선단에 플라즈마발광의 계측창을 부착하고 중공관의 입구부근에 자력선이 중공관에 대하여 각도를 이루도록 자장을 형성함으로써 중공관 내부로의 플라즈마의 침입을 방지할 수 있다. 퇴적물의 부착은 플라즈마에 의해 촉진되기 때문에 계측창 부근에 플라즈마를 확산시키지 않음으로써 계측창에 대한 퇴적물의 부착을 대략 완전하게 억제할 수 있다.
또 중공관의 내경(D)을 분자의 평균자유행정(λ)보다도 작거나 대략 동일한 오더에 대하여 중공관의 길이(L)는 분자의 평균자유행정(λ)보다도 충분히 크게 취함으로써, 분자의 계측창에 대한 도달확률이 작아지므로 자장과의 상승효과에 의해 계측창의 투과율이 시간과 더불어 저하하지 않고 플라즈마발광을 장시간에 걸쳐 안정하고 정밀도 좋게 계측할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 도면에 의거하여 설명한다.
도 1은 본 발명을 유자장 UHF대 전자파 방사방전방식의 플라즈마 에칭장치에 적용한 실시예를 나타내는 것으로 상기 플라즈마 에칭장치의 단면 모식도이다.
도 1에 있어서 처리실(100)은 10-6Torr 정도의 진공도를 달성가능한 진공용기이며, 그 상부에 플라즈마발생수단으로서의 전자파를 방사하는 안테나(110)를, 하부에는 웨이퍼 등의 시료(W)를 얹어 놓는 하부전극(130)을 각각 구비하고 있다. 안테나(110)와 하부전극(130)은 평행하게 대향하는 형태로 설치된다. 처리실(100)의 주위에는 예를 들어 전자코일과 요크로 이루어지는 자장형성수단(101)이 설치되어 있어, 소정의 분포와 강도를 가지는 자장이 형성된다. 그리고 안테나(110)로부터 방사되는 전자파와 자장형성수단(101)으로 형성되는 자장과의 상호작용에 의해, 처리실 내부로 도입된 처리가스를 플라즈마화하여 플라즈마(P)를 발생시켜 시료(W)를 처리한다.
처리실(100)은 진공실(103)에 접속된 진공 배기계(104)와 압력 제어수단 (105)에 의해 진공배기와 압력조정이 이루어져 내부의 압력을 바람직하게는 0.5 Pa 이상 4 Pa 이하의 소정의 값으로 제어된다. 처리실(100) 및 진공실(103)은 어스전위로 되어 있다. 처리실(100)의 측벽(102)은 도시 생략한 온도제어수단에 의해 예를 들어 50℃ 정도로 온도조절되어 있다.
전자파를 방사하는 안테나(110)는 원판형상 도전체(111), 유전체(112), 유전체링(113)으로 이루어지고, 진공용기의 일부로서의 하우징(114)에 유지된다. 또 원판형상 도전체(111)의 플라즈마에 접하는 쪽의 면에는 플레이트(115)가 설치된다. 시료의 에칭, 성막 등의 처리를 행하는 처리가스는, 가스공급수단(116)으로부터 소정의 유량과 혼합비를 가지고 공급되고, 원판형상 도전체(111)와 플레이트(115)에 설치된 다수의 구멍을 통하여 처리실(100)에 공급된다.
안테나(110)에는 안테나 전원(121), 안테나 바이어스전원(123) 및 매칭회로 ·필터계(122, 124, 125)로 이루어지는 안테나 전원계(120)가 도입단자(126)를 개재하여 접속된다. 안테나 전원(121)은 바람직하게는 300 MHz 내지 90O MHz의 UHF대 주파수의 전력을 공급하고, 안테나(110)로부터 UHF대의 전자파를 방사한다. 안테나 바이어스전원(123)은 원판형상 도전체(111)를 개재하여 플레이트(115)에, 예를들어 10O kHz 정도 또는 수 MHz 내지 1O MHz 정도의 주파수의 바이어스를 인가하여 플레이트(115)의 표면에서의 반응을 제어한다. 특히 CF계의 가스를 사용한 산화막에칭에 있어서는, 플레이트(115)의 재질을 고순도의 실리콘이나 카본 등으로 함으로써 플레이트(115)의 표면에서의 F 래디컬과 CFx 래디컬의 반응을 제어하여 래디컬의 조성비를 조정한다. 플레이트(115)의 하면과 와이퍼(W)의 거리(이하, 갭이라 함)는, 30 mm 이상 150 mm 이하, 바람직하게는 50 mm 이상 120 mm 이하로 한다. 본 실시예에서는 안테나 전원(121)은 450 MHz, 안테나 바이어스전원(122)은 13.56 MHz의 주파수로 하고 있다.
처리실(100)의 하부에는 안테나(110)에 대향하여 하부전극(130)이 설치되어 있다. 하부전극(130)은 정전흡착장치(131)에 의해 그 상면 즉 시료 테이블면에 웨이퍼 등의 시료(W)를 얹어 놓고 유지한다. 시료(W)의 바깥 둘레부에는 시료대 링(132)이 절연체(133)의 위에 설치되어 있다. 하부전극(130)에는 400 kHz 내지 13.56 MHz 범위의 바이어스전력을 공급하는 바이어스 전원(134)이 매칭회로·필터계(135)를 개재하여 접속되어 시료(W)에 인가하는 바이어스를 제어한다. 본 실시예에서는 바이어스 전원(134)은 주파수를 800 kHz 로 하고 있다.
다음으로, 본 실시예의 요부인 플라즈마 발광계측부(140)에 대하여 설명한다. 플라즈마발광의 계측은 처리실(100)의 측벽(102)에 설치된 개구부(141)를 통하여 행한다. 개구부(141)에는 중공관(142)이 바깥쪽을 향하여 부착되고, 그 선단에 석영 등의 투명재료로 이루어지는 플라즈마발광의 계측창(143)이 설치되어 있다. 그리고 플라즈마로부터의 발광은 파이버 홀더(144)에 설치된 광파이버 수광부(145)를 개재하여 광파이버(146)에 의해 발광계측기(147)로 유도된다. 발광계측기(147)는 발광계측기 제어·연산수단(148)에 의해 제어되고, 또한 상위의 시스템 제어수단(149)과 접속된다. 시스템 제어수단(149)은 제어 인터페이스(150)를 개재하여 장치시스템 전체의 상태를 모니터하면서 시스템 전체를 제어한다.
광파이버 수광부(145)는 중공관(142), 개구부(141)에 대하여 대략 동축이 되도록 부착되어 있다. 파이버 홀더(144)에는 축 조정용의 간단한 얼라이먼트기구를 부착하여도 된다. 개구부(141)의 위치는 시료(W)의 표면 근방에서의 래디컬 조성 등의 케미스트리의 변화를 검출할 수 있도록 시료(W) 위쪽의 예를 들어 5 mm 내지 30 mm 정도의 위치가 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 또 중공관(142)의 재질은 예를 들어 알루마이트처리를 실시한 알루미늄과 스테인레스 등의 금속이 바람직하다. 중공관(142)의 내경(D)은 2 mm 이상 10 mm이하, 길이(L)는 50 mm 이상 250 mm 이하로 한다. 이 내경 및 길이의 값은 분자의 평균자유행정과의 관계로부터 설정된다.
본 실시예에서는 처리실내의 동작압력은 0.5 Pa 내지 4 Pa 정도이며, 분자의 평균자유행정(λ)은 대략 5 mm 내지 30 mm 정도(Ar분자, 25℃의 경우)이기 때문에 D/λ, L/λ의 값은 대략 D/λ= 0.1 내지 2, L/λ= 2 내지 50 정도가 된다. 즉 중공관(142)의 내경(D)은 분자의 평균자유행정(λ)보다도 작거나 대략 동일한 오더인 데 대하여 중공관(142)의 길이(L)는 분자의 평균자유행정(λ)보다도 충분히 크게 설정되어 있다. 이와 같이 설정함으로써 분자는 계측창(143)이 도달하는 것 보다훨씬 높은 확률로 중공관(142)의 입구근방에서 내벽과 상호작용하여 부착되기 때문에 계측창(143)에 대한 도달확률은 작아진다. 이와 같은 메커니즘을 효과적으로 발현시키기 위해서는 L/D의 값은 어느 정도의 크기를 가지는 것이 바람직하며, L/D = 10 정도로는 불충분하고, L/D = 25 내지 50정도로 설정하는 것이 적합하다. 또한 본 실시예에서는 자장에 의한 플라즈마 침입방지와의 상승효과에 의해 계측창(143)에 대한 퇴적막의 부착을 거의 완전하게 억지할 수 있는 것이다. 또한 중공관을 너무 길게 하면 발광계측기(147)로 수광하는 플라즈마발광의 검출강도가 작아져 신호의 S/N 비가 저하할 것임을 생각할 수도 있으나, 길이(L)가 50 mm 내지 250 mm 정도이면 충분한 S/N 비를 가지고 계측이 가능하다. 또 본 실시예에서는 중공관이 1개뿐인 경우를 나타내고 있으나, 예를 들어 중공관을 복수개 묶거나 관의 내부에 중공부를 복수개 내포하도록 하여 검출의 S/N 비를 높인 구성도 포함되는 것은 물론이다.
본 실시예에 의한 플라즈마 에칭장치는 이상와 같이 구성되어 있으며, 이 플라즈마 에칭장치를 사용하여 예를 들어 실리콘 산화막의 에칭을 행하는 경우의 구체적인 공정은 다음과 같다.
먼저, 처리 대상물인 와이퍼(W)가 도시 생략한 시료 반입기구로부터 처리실 (100)로 반입된 후, 하부전극(130)의 위에 얹혀지고 흡착되며, 필요에 따라 하부전극의 높이가 조정되어 소정의 갭으로 설정된다. 이어서 처리실(100)내는 진공배기계(106)에 의해 진공배기되고, 한편 시료(W)의 에칭처리에 필요한 가스, 예를 들어 C4F8와 Ar와 02가 가스공급수단(117)으로부터 소정의 유량과 혼합비, 예를 들어 Ar 400 sccm, C4F815 sccm, 025 sccm을 가지고 안테나(110)의 플레이트(115)로부터 처리실(100)에 공급된다. 동시에 처리실(100)의 내부가 소정의 처리압력 예를 들어 2 Pa 가 되도록 조정된다.
한편 자장형성수단(101)에 의해 안테나 전원(121) 주파수의 450 MHz 에 대한 전자사이크로트론 공명자장 강도에 해당하는 개략 160가우스의 대략 수평인 자장이 안테나(111)의 아래쪽 부근에 형성된다. 그리고 안테나 전원(121)에 의해 안테나(110)로부터 UHF대의 전자파가 방사되어 자장과의 상호작용에 의해 처리실(100)내에 플라즈마(P)가 생성된다. 이 플라즈마(P)에 의해 처리가스를 해리시켜 이온·래디컬을 발생시키고, 또 안테나 고주파전원(122), 바이어스 전원(141)을 제어하여 와이퍼(W)에 에칭 등의 처리를 행한다. 그리고 에칭처리의 종료와 함께 전력 및 처리가스의 공급을 정지하여 에칭을 종료한다. 이 처리중의 플라즈마발광을 발광 계측부(147)에서 계측하고 발광기 제어·연산수단(148)으로 발광계측 결과에 의거하여 예를 들어 종점검출 등의 연산처리가 이루어지고, 상위의 시스템 제어수단(149)에 전달되어 장치시스템 전체가 제어된다.
다음으로, 본 실시예에 있어서의 플라즈마처리장치에 있어서 발광계측창 (143)에 대한 퇴적물의 부착을 억제하는 기구를 도 2를 사용하여 설명한다. 도 2는 발광계측부(140) 부근에 대하여 확대한 도면으로, 이 부근에서의 자력선의 모양과 퇴적물의 부착 상황을 동시에 나타내고 있다. 도 1에서 설명한 바와 같이 처리실(100)의 주위에는 전자코일(101A, 101A')과 요크(101B)로 이루어지는 자장형성수단(101)이 설치되어 있고, 대략 160 가우스(안테나 전원의 주파수 450 MHz 에 대하는 전자사이크로트론 공명자장 강도)의 대략 수평인 자장이 안테나(111)의 아래쪽 부근에 형성된다. 이 경우, 자력선은 도면에 있어서 파선 B로 나타내는 바와 같이 전자코일(101A)로부터 요크(101B)의 아래쪽 부근을 향하도록 분포되어 있고, 개구부(141) 부근에서는 측벽 내면에 대하여 대략 30도 내지 45도의 각도를 이루고 있다.
여기서 플라즈마중의 전자는 도면에 있어서 e-로 나타내는 바와 같이, 자력선을 따라 휘감기도록 나선형상의 사이클로트론 운동을 하면서 이동한다. 그리고 개구부(141) 부근으로 이동하여 온 전자는 개구부(141) 또는 중공관(142)의 하면에서 벽면에 도달하여 플라즈마중에서 소실된다. 이 때문에 플라즈마는 개구부(141)부근 또는 중공관(142)의 입구근방에서 급격하게 밀도가 저하하여 중공관(142)의 내부로는 침입하지 않는다. 이와 같이 개구부(141)와 자력선이 각도를 이루고 있기 때문에 자장에 의해 플라즈마가 개구부의 입구 부근에 속박되어 중공관 내부로의 확산이 억제되게 된다. 뒤에서 설명하는 바와 같이 퇴적막의 부착은 플라즈마로 어시스트되어 촉진되기 때문에 측벽(102)의 내표면이나 중공관(142)의 입구 부근에는 퇴적막(Dw, Dp)이 부착되나, 플라즈마가 침입하여 가지 않는 중공관의 내부에는 퇴적막은 부착되지 않고, 따라서 계측창(143)에는 퇴적막이 부착되지 않는다. 또한 계측창에는 200 mm 부근의 단파장까지 투과율이 높은 석영을 사용하는 것이 적합하나, 특히 산화막 에칭에 있어서는 석영이 에칭되어 소모되거나 표면이 거칠어질 가능성이 있다. 그러나 본 실시예에서는 플라즈마가 중공관(142)의 내부로 침입하지 않기 때문에 계측창(143)에는 접촉하지 않고, 따라서 계측창(143)이 소모되거나 하는 일은 없다.
여기서 자장에 의한 중공관 내부로의 플라즈마 확산방지의 효과와 계측창에 대한 퇴적물의 부착억제의 효과에 대하여 실험적으로 조사한 결과를 설명한다. 도 3에 실험에서 사용한 장치의 구성도를 나타낸다. 실험은 무자장의 평행평판형 플라즈마장치(200)를 사용하여 행하였다. 배기계(206)에서 진공배기된 처리실(201)은 상부전극(202)과 하부전극(203)을 구비하고, 각각 고주파 전원(204), 바이어스 전원(205)이 접속되어 플라즈마(P)를 발생한다. 이 처리실(201)의 측벽 부분에 설치한 개구부(207)에 도 1의 실시예에서 나타낸 것과 동일한 구성을 가지는 플라즈마 발광계측부(140A)를 설치하였다. 또한 중공관(142A)의 측벽 부분에 역시 도 1의 실시예에서 나타낸 것과 동일한 구성을 가지는 플라즈마 발광계측부(140B)를 설치하였다. 그리고 중공관(142)의 입구 부근에 국소자장 발생기(209)를 설치하여 중공관(142)과 직교하는 방향에 자장(Bc)을 발생시키고, 이 자장강도를 바꾸었을 때 중공관(142A)의 내부로 확산되어 오는 플라즈마의 발광강도를 발광계측기(147B)로 측정하였다. 또한 도 1의 실시예와는 다른 무자장의 평행평판형 플라즈마장치(200)를 사용한 것은 유자장형의 플라즈마장치에서는 자장의 플라즈마발생에 대한 관여와 중공관으로의 플라즈마 확산방지의 효과가 구별하기 어렵기 때문이다.
도 4에 실험결과를 나타낸다. 국소자장 발생기(209)에 의해 발생시킨 자장강도(자속밀도)를 가로축에, 발광계측기(147B)에서 계측한 플라즈마발광(Ar 419.8 mm)의 검출강도를 세로축에 취하고, 검출강도는 무자장일 때의 값으로 규격화하고 있다. 이 결과로부터 중공관의 깊이 방향으로 확산되어 침입하여 오는 플라즈마의 발광강도는 40 가우스의 비교적 약한 자장에서도 무자장일 때의 10% 정도로 억제할 수 있고, 60 가우스의 자장을 인가하면 대략 2% 이하가 되어 플라즈마의 확산을 거의 완전하게 억지할 수 있음을 알 수 있다.
따라서 중공관(142)내부로의 플라즈마의 확산방지에 의해 계측창의 투과율의 저하가 억지되는 효과를 도 3의 실험장치를 사용하여 평가하였다. 실험은 연속방전시험을 행하여 발광계측창(143)을 통과시킨 플라즈마 발광강도를 147로 계측하고자장의 인가의 유무에 의해 즉 자장(Bc)이 0 가우스(자장인가 없음)일 때와 60 가우스의 자장을 인가하였을 때에 대하여 비교하였다. 도 5에 방전시간에 대한 발광피크의 검출강도의 변화를 나타낸다. 여기서 자장을 인가하지 않은 경우, 60 가우스의 자장을 인가한 경우를 도면중에 나타내고 있으며, 그 경우에 각각 CF 230.5 nm 및 Ar 693.8 nm의 발광검출 강도이며, 연속시험 개시 시(방전 0시간)에서의 발광강도에 의해 규격화되어 있다. 자장을 인가하지 않은 경우에는 CF 230.5 nm, Ar 693.8 nm 모두 검출강도가 저하하고 있고, 특히 단파장측의 CF 230.5 nm의 저하가 현저하다. 이것은 CF계의 퇴적막의 투과율이 단파장측에서 낮은 것에 기인한다. 그러나 자장을 인가함으로써 단파장측의 CF 230.5 nm, Ar 693.8 nm 모두 방전 15시간 동안에 발광검출 강도를 일정하게 유지할 수 있었다. 이것으로부터 자장에 의한 플라즈마 확산방지의 효과에 의해 계측창(143A)에 대한 부착물의 퇴적을 대략 완전하게 억지할 수 있음을 알 수 있다.
그런데 일반적으로 벽면에 대한 반응 생성물이나 공정가스의 부착은 벽면 온도가 높아지면 분자의 부착율이 저하하여 퇴적율이 감소하는 것이 알려져 있다. 그러나 막의 퇴적은 일종의 분자중합반응이며, 예를 들어 CF 계의 공정가스의 경우에는 C-C 결합과 C-F 결합이 연쇄적으로 네트워크를 형성함으로써 퇴적막이 형성된다. 그리고 이 반응은 플라즈마중의 전자나 이온에 어시스트됨으로써 촉진되어 퇴적율이 증가한다. 즉, 퇴적물의 부착에는 온도 뿐만 아니라 플라즈마 밀도의 영향이 크다. 이것은 시험적으로 중공관의 입구에 φ1 mm 정도의 작은 구멍이 다수 개방된 메쉬를 붙임으로서도 용이하게 확인할 수 있다. 메쉬에 의해 플라즈마는 중공관의 내부에 침입할 수 없으나, 이 때 중공관 내부에 대한 퇴적막의 부착량은 크게 저감한다.
막의 퇴적율에 대한 플라즈마 밀도와 온도의 관계에 있어서는 도 2에 있어서의 처리실 내부에 대한 퇴적막의 부착상황으로부터 고찰할 수 있다. 유전체링 (113)의 표면온도는 120℃ 정도이나, 퇴적물은 대부분 부착하지 않는다. 한편 시료대 링(132)은 포화온도가 250℃ 정도로 까지 상승함에도 불구하고 퇴적물이 부착되기 때문에 적정한 바이어스를 가하여 퇴적물을 제거할 필요가 있다. 이것은 플라즈마(P)가 플레이트(115)의 바로 아래 부근에서 생성되어 있고, 시료대 링(132)의 근방에서는 플라즈마 밀도가 높으나, 유전체링(113)의 부근에서는 플라즈마 밀도가 비교적 낮은 데 기인한다고 생각된다. 또 안테나(111)의 바깥 가장자리부 부근에서는 자력선이 대략 수직에 가까워져 있고, 전자는 자력선을 따라 운동하여 자력선을 횡단하는 방향으로는 이동하기 어렵기 때문에 플라즈마가 자장에 의한 속박효과에 의해 측벽방향으로의 확산이 억제되어 안테나 아래 쪽 부근에 가두어지기 때문에 이 부분에서의 플라즈마 밀도가 높아지는 효과도 있다. 이들의 것으로부터 퇴적물의 부착은 단지 온도의 함수가 아니라, 플라즈마 밀도에도 크게 의존하는 것이 분명하다.
도 2에 있어서는 개구부(141) 또는 중공관(142)과 자력선(B)이 각도를 이루고 있고, 자장강도가 약 160 가우스 정도이기 때문에, 새로이 다른 자장발생수단을 설치하지 않아도 중공관(142) 내부로의 플라즈마침입은 입구 부근에만 한정된다. 그 결과, 퇴적막의 플라즈마 어시스트반응이 억제되기 때문에 중공관(142)의 내부나 계측창(143)에 퇴적막은 거의 부착되지 않는다. 중공관(142)과 자력선(B)이 이루는 각도는 도 1의 실시예의 장치에 있어서는 도 2에 나타내는 바와 같이 30도내지 45도 정도이나, 자력선이 중공관과 이루는 각도가 대략 10도 이상이면 플라즈마의 침입방지의 효과가 나타난다. 또 중공관(142)과 자력선(B)이 이루는 각도가 바람직하게는 30도 이상이면 이 효과가 더욱 현저하게 된다.
이상에서 설명한 자장에 의한 플라즈마의 중공관 내부로의 침입방지 효과는 매우 현저하다. 종래기술에서는 플라즈마 발광검출창의 흐림은 피할 수 없었으나, 본 실시예에 있어서는 도 5에 나타내는 바와 같이 방전 15시간까지 계측창(143)의 투과율이 저하하지 않는다. 이 상태는 다시 방전시간을 연장하여 수십 시간 내지 100시간 이상의 방전을 거듭 유지할 수 있다. 이것을 실험적으로 확인한 결과를 도 6에 나타낸다. 이것은 도 1의 실시예의 장치에 있어서, 방전 100시간의 연속시험을 행하였을 때의 CF 230.5 nm, CF2260 nm, 및 Ar 419.8 nm, Ar 706.7 nm의 발광피크의 검출강도의 경시적인 변화를 계측하여 방전시간과의 관계를 나타낸 결과이며, 계측창의 투과율의 변화를 평가한 것이다. 이 연속시험에 있어서는 시험을 통하여 에칭특성이 양호하게 재현되고 있어 래디컬의 조성 및 조성비 및 플라즈마상태는 안정되어 있었다. 또 플라즈마 클리닝 등의 장치내부의 퇴적막을 제거하는 공정을 행하고 있지 않음은 물론이다. 발광계측창에는 가열기구는 설치되어 있지 않고 측벽의 온도는 50℃ 정도이며, 검출창의 온도는 대략 상온이었다.
도 6에서 분명한 바와 같이, 발광피크 검출강도는 CF, CF2, Ar 모두 방전 1O0시간에 걸쳐 발광피크의 검출강도는 전혀 변화하지 않는다. 특히 계측창에 대한 퇴적물의 부착에 민감한 단파장측의 CF, CF2에도 검출강도 저하의 징후는 보이지 않는다. 또 도면중에는 연속 시험후에 에칭장치를 대기개방하여 웨트클리닝을 행하고, 다시 진공뽑기를 한 후의 발광피크 검출강도의 재현성을 확인한 결과를 나타내고 있다. 이 웨트클리닝에서는 에칭장치내의 퇴적물은 제거하였으나, 발광계측창에 있어서는 아무런 처리는 행하고 있지 않다. 이 경우 어느쪽의 발광피크도 검출강도는 웨트클리닝의 전후에서 변화되어 있지 않는다. 이것으로부터도 발광계측창에는 전혀 반응생성물이 퇴적하지 않음이 분명하다.
이미 종래기술의 항에서 설명한 바와 같이 종래기술에서는 발광계측창의 투과율의 저하를 완전하게 억제할 수는 없고, 발광의 검출강도가 차차 저하되었다. 그러나 본 발명에 있어서는 상기한 바와 같이 방전 100시간을 넘어도 계측창의 투과율의 저하가 확인되지 않는다. 이 점에서 본 발명은 분명히 종래기술과는 일선을 긋는 효과를 나타내고 있다고 할 수 있다.
상기한 바와 같이 하여 발광계측창의 투과율 저하의 요인을 대략 완전히 배제할 수 있는 것의 이점은 크다. 먼저 플라즈마발광의 검출강도가 저하하지 않기 때문에 종점검출의 정밀도가 경시적으로 저하하거나 하는 일이 없음을 들 수 있다. 다음으로 래디컬 조성을 항상 정확하게 정량화할 수 있는 것이 이점이다. 예를 들어 C4F8등의 CF계 가스를 사용한 산화막 에칭에 있어서는 CF, CF2또는 C2, F 라는 래디컬의 조성비가 공정특성에 큰 영향을 미치나, 이들 발광강도를 상시 모니터함으로써 플라즈마 케미스트리의 경시적인 변화를 검출할 수 있다. 도 1에 있어서는 발광계측기(148)로 플라즈마의 발광강도를 계측하여 이것에 의거하여 예를 들어 발광강도의 CF2/F 비, CF/F 비, C2/F 비라는 연산결과가 시스템 제어수단(149)에 전달된다. 동시에 시스템 제어수단(149)은 제어인터페이스(150)를 개재하여 전원의 Vpp나 Vdc 등의 값을 모니터하여 이들 결과를 종합하여 처리실 내부의 상태의 변화를 검지한다. 이 결과에 의거하여 예를 들어 웨트클리닝의 타이밍을 사용자에게 알리거나, 또는 더욱 적극적으로 예를 들어 발광강도의 CF2/F 비, CF/F 비, C2/F 비를 일정하게 하도록 공정조건, 예를 들어 안테나 전원계(120)나 바이어스 전원(134)의 출력, 또는 자장형성수단(101)으로 형성하는 자장의 강도·분포, 또는 가스공급수단(116)으로부터 공급하는 가스의 유량·조성비, 또는 압력제어수단 (105)등을 제어하도록 지령하여 에칭특성의 안정화를 도모하여도 된다. 이와 같이 본 발명에 의하면 래디컬 조성을 정량적으로 모니터링함으로써 보다 진전된 프로세서제어의 방법을 제공할 수 있고, 처리의 재현성과 안정성을 향상시켜 장치의 가동율과 생산성의 향상에 기여할 수 있는 플라즈마처리장치를 제공하는 것이 가능해진다.
또한 상기의 각 실시예는 모두 유자장 UHF대 전자파 방사방전방식의 플라즈마처리장치의 경우이나, 방사되는 전자파는 UHF대 이외에도 예를 들어 2.45 GHz의 마이크로파나 또는 수십 MHz 내지 30O MHz 정도까지의 VHF 대 여도 된다. 또 자장강도는 450 MHz 에 대한 전자사이크로트론 공명자장 강도인 160가우스의 경우에 대하여 설명하였으나, 반드시 공명자장을 사용할 필요는 없고, 이것보다도 강한 자장이나 또는 수십 가우스정도 이상이 약한 자장을 사용하여도 된다. 자장을 사용한 마그네트론형의 플라즈마처리장치에 있어서는 자장은 전극사이에서는 전극에 대략 평행한 경우도 있으나, 측벽 근방에 있어서는 자력선이 전극면과 각도를 가지게 되기 때문에 본 발명을 마찬가지로 적용할 수 있다.
또 상기한 각 실시예는 모두 처리대상이 반도체 웨이퍼이며, 이에 대한 에칭처리의 경우이나, 본 발명은 이것에 한하지 않고, 예를 들어 처리대상이 액정기판인 경우에도 적용할 수 있으며, 또한 처리자체도 에칭에 한하지 않고, 예를 들어 스패터링이나 CVD 처리에 대해서도 적용가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 처리실의 측벽에 설치된 개구부에 중공관을 설치하여 그 선단에 플라즈마발광의 계측창을 부착하여 중공관과 자력선이 각도를 이루도록 한 자장을 형성함으로써 중공관 내부로의 플라즈마의 침입을 방지하여 계측창에 대한 퇴적물의 부착을 억제할 수 있으므로, 계측창의 투과율이 시간과 더불어 저하하지 않고 일정하게 유지되어, 플라즈마발광을 장시간에 걸쳐 안정되고 정밀도 좋게 계측하는 것이 가능하게 된다. 그 결과 에칭처리의 종점검출의 정밀도를 경시적으로 저하하지 않고 안정되게 유지할 수 있다. 또한 래디컬조성을 정량적으로 모니터링하여 공정조건을 제어한다는 보다 진전된 프로세서제어가 가능해지기 때문에 처리의 재현성과 안정성이 향상하고, 생산성의 향상에 기여하는 플라즈마처리장치를 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. 진공처리실내에 처리가스를 공급하고, 플라즈마발생장치에 의해 플라즈마를 발생시켜 상기 플라즈마에 의해 시료를 플라즈마처리함과 더불어 상기 플라즈마로부터의 발광을 계측창을 통하여 계측하도록 구성된 유자장방식의 플라즈마처리장치에 있어서,
    상기 처리실에 중공관을 바깥쪽을 향하여 설치하여 상기 중공관의 선단부에 상기한 계측창을 설치하고,
    상기 자장이 상기 개구부 및 상기 중공관의 입구 근방에 중공관의 축에 대하여 자력선이 각도를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 중공관의 내경이 2 mm 이상 10 mm이하, 길이가 50 mm 이상 250 mm 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 처리실의 개구부 및 상기 중공관의 입구 근방에 형성되는 자장이 자속밀도 60가우스 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자력선이 중공관의 축에 대하여 이루는 각도가 10도 이상, 바람직하게는 30도 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서,
    플라즈마 발생장치가 유자장 UHF대 전자파 방사방전 방식인 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
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