KR20070061799A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 발생 수단과, 피처리 기판에 대하여 플라즈마 처리를 행하기 위한 처리실을 구획하는 처리 용기와, 처리 용기 내에서 피처리 기판을 얹어 놓는 기판 유지대와, 처리 용기 내를 감압하기 위한 배기 수단을 포함한 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서, 마이크로파 투과판(28)을 지지하는 지지부(27)의 벽(27a)은 플라즈마 발생시에 적어도 1.5eV를 넘는 고전자 온도가 된다. 이 벽(27a)을 덮도록 석영 등의 내열성 절연체로 이루어진 피복부(60)를 형성한다.

Description

플라즈마 처리 장치 {PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마를 이용하여 반도체 기판 등의 피처리 기판을 처리하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
최근, LSI의 고집적화, 고속화의 요청으로부터 LSI를 구성하는 반도체 소자의 디자인 룰이 점점 미세화되고 있다. 그에 따라, 반도체 장치의 제조에 있어서 금속 오염 방지 대책에 대한 요구도 각별히 엄격해지고 있다. 특히, 플라즈마를 이용하여 피처리 기판을 처리하는 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 진공 챔버의 재질에 금속을 이용하기 때문에, 금속 오염에 대하여 충분한 대책을 강구할 필요가 있다.
그런데, 최근 플라즈마 밀도가 높은 저전자 온도 플라즈마에 의한 저온 처리가 가능한 RLSA(Radial Line Slot Antenna) 마이크로파 플라즈마 방식의 플라즈마 처리 장치가 제안되고 있다(예컨대, 특허 문헌 1 참조). 이 RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 밀도가 높음에도 불구하고 전자 온도가 낮으면서 플라즈마 균일성이 우수하기 때문에, 피처리 기판에 대한 손상이 없는 처리를 행할 수 있는 것이다.
(특허 문헌 1: 일본 특허 공개 제2000-294550호 공보)
상기 RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치에서는, 평면 안테나에 근접한 위치에 마이크로파를 투과하는 기능을 갖는 마이크로파 투과판이 이 평면 안테나와 평행하게 마련되어 있다. 통상, 이 마이크로파 투과판을 지지하는 지지부에는 Al 합금 등의 금속 부재가 사용되고 있고, 이 금속 부재가 플라즈마 발생 공간에 노출된 상태로 되어 있다. 이 노출된 금속 부재로부터의 금속 오염에 대해서는, 종래 거의 주의를 기울이지 않았다.
그러나, RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치에 있어서조차도 고전자 온도가 되는 저압 조건으로 처리를 실시한 경우, 상기 마이크로파 투과판 근방의 전자 온도가 높아지기 때문에, 노출된 Al 합금이 플라즈마의 스퍼터 작용에 의해 절삭된다. 그 결과, Al을 비산시켜 피처리 기판에 Al 오염을 일으키는 원인이 된다. 상기한 바와 같이, 반도체 제품의 성능 향상에 따라 고레벨에서의 금속 오염 대책이 요구되는 현재 상황에서는, 약간의 금속 오염도 극력 저감시켜야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 플라즈마 처리를 행할 때에, 처리 용기 내의 금속제 부재에 기인하는 반도체 장치의 금속 오염을 극력 저감할 수 있는 플라즈마 처치 장치를 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제1 관점에 따르면,
플라즈마 발생 수단과,
피처리 기판에 대하여 플라즈마 처리를 행하기 위한 처리실을 구획하는 처리 용기와,
상기 처리 용기 내에서 상기 피처리 기판을 얹어 놓는 기판 유지대와,
상기 처리 용기 내를 감압하기 위한 배기 수단을 포함한 플라즈마 처리 장치로서,
상기 처리실 내에서 플라즈마 발생시의 전자 온도가 적어도 1.5 eV 이상이 되는 영역에 있는 부재를 내열성 절연체로 피복한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
상기 제1 관점의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 내열성 절연체는 석영 또는 Y2O3에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 내열성 절연체는 상기 금속제 부재 상에 피막으로서 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 내열성 절연체의 피막은 Y2O3에 의해 구성되어 있어도 좋다. 또한, 상기 플라즈마 발생 수단은 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나로써 상기 처리실 내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시키는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 제2 관점에 따르면,
피처리 기판에 대하여 플라즈마 처리를 행하기 위한 처리실을 구획하는 처리 용기와,
상기 처리 용기 내에서 상기 피처리 기판을 얹어 놓는 기판 유지대와,
상기 처리 용기 내를 감압하기 위한 배기 수단과,
외부의 마이크로파 발생 장치와 접속되고, 상기 처리실 내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시키기 위한 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와,
상기 평면 안테나와 평행하게 배치되고, 마이크로파를 투과하는 기능을 갖는 마이크로파 투과판과,
상기 처리실 내에서 플라즈마 발생시의 전자 온도가 적어도 1.5 eV 이상이 되는 영역에 있는 부재를 내플라즈마성 재료로 피복한 피복부
를 포함한 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
상기 제2 관점의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 피복부는 상기 마이크로파 투과판과 일체로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 피복부 및 상기 마이크로파 투과판의 재질이 석영인 것이 바람직하다. 또한, 상기 피복부는 상기 금속제 부재 상에 피막으로서 형성되어 있어도 좋다. 이 경우, 상기 피막은 Y2O3에 의해 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치에서는, 플라즈마 발생시에 전자 온도가 1.5 eV 이상이 되는 영역에 있는 금속 등의 부재를 내열성 절연 재료로 피복함으로써, 플라즈마 내의 이온 등에 의한 스퍼터 작용으로부터 금속 등의 부재를 효과적으로 보호할 수 있다. 따라서, Al 등의 금속 등에 의한 피처리 기판의 오염을 확실하게 방지할 수 있다.
게다가, 전자 온도가 1.5 eV 이상이 되는 영역을 피복함으로써, 플라즈마 처리의 압력 조건에 의해 전자 온도가 변동하여도 확실하게 오염을 막을 수 있다.
또한, RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치에서는, 마이크로파 투과판을 통과한 마이크로파는 직후에 처리 가스와 접촉하여 플라즈마를 생성하고, 아래쪽을 향해 균등하게 확산되어 나가기 때문에, 마이크로파 투과판의 가장 근방의 전자 온도가 가장 높다. 따라서, RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치의 경우, 전자 온도가 1.5 eV 이상이 되는 영역은 마이크로파 투과판 근방에 집중해 있고, 마이크로파 투과판 근방의 금속제 부재 등을 피복함으로써, 효율적으로 전자 온도가 1.5 eV 이상이 되는 영역을 커버할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 일례를 도시한 개략 단면도.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치에 이용되는 평면 안테나 부재의 구조를 도시한 도면.
도 3은 챔버 내에 있어서의 전자 온도 분포의 측정 결과를 도시한 그래프도.
도 4는 플라즈마 처리 후의 웨이퍼 상의 알루미늄 오염의 정도를 나타낸 그래프도.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 주요부 단면도.
도 6은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 주요부 단면도.
도 7은 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 주요부 단면도.
도 8은 본 발명의 제5 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 일례를 도시 한 개략 단면도.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 형태에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 일례를 모식적으로 도시한 단면도이다. 이 플라즈마 처리 장치(100)는 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나, 특히 RLSA(Radial Line Slot Antenna; 래디얼 라인 슬롯 안테나)로써 처리실 내에 마이크로파를 도입하여 고밀도이면서 저전자 온도인 마이크로파 플라즈마를 발생시킬 수 있는 RLSA 마이크로파 플라즈마 처리 장치로서 구성되어 있다.
이 플라즈마 처리 장치(100)는 500℃ 이하의 저온에서 하지막 등에 대한 손상이 없는 플라즈마 처리를 할 수 있는 동시에 플라즈마 균일성이 우수하여 기판에 대하여 균일한 프로세스 처리를 실현할 수 있다. 이 때문에, 플라즈마 처리 장치(100)는 플라즈마 CVD 등의 처리에 적합하게 이용할 수 있는 것이다.
이 플라즈마 처리 장치(100)는 기밀하게 구성되고 접지된 대략 원통형의 챔버(1)를 갖고 있다. 챔버(1)의 저벽(1a)의 대략 중앙부에는 원형의 개구부(10)가 형성되어 있고, 저벽(1a)에는 이 개구부(10)와 연통하며 아래쪽을 향해 돌출하는 배기실(11)이 마련되어 있다. 또한, 챔버의 형상은 원통형에 한정되지 않고 각진 통형(사각형)이어도 좋다.
챔버(1) 내에는 피처리 기판인 웨이퍼(W)나 더미 웨이퍼(Wd)를 수평으로 지지하기 위한 AlN 등의 세라믹스로 이루어진 서셉터(2)가 마련되어 있다. 이 서셉터(2)는 배기실(11)의 바닥부 중앙으로부터 위쪽으로 연장되는 원통형의 AlN 등의 세라믹스로 이루어진 지지 부재(3)에 의해 지지되어 있다. 서셉터(2)의 외연부에는 웨이퍼(W)를 가이드하기 위한 가이드 링(4)이 마련되어 있다. 또한, 서셉터(2)에는 저항 가열형 히터(5)가 매립되어 있고, 이 히터(5)는 히터 전원(6)으로부터 급전됨으로써 서셉터(2)를 가열하며, 그 열로 피처리체인 웨이퍼(W)를 가열한다. 이 때, 예컨대 실온에서 800℃까지의 범위로 온도 제어가 가능하게 되어 있다. 또한, 챔버(1)의 내주에는 예컨대 석영, Al2O3 등의 세라믹스나 금속 등의 재질로 이루어진 원통형의 라이너(7)가 마련되어 있고, 챔버(1) 내의 청정 상태를 유지할 수 있도록 구성되어 있다. 라이너(7)의 표면은 예컨대 Y2O3 등의 희토류 산화물층 등, 내플라즈마성을 갖는 코팅층을 갖고 있어도 좋다. 또한, 서셉터(2)의 외주측에는 챔버(1) 내를 균일하게 배기하기 위해서 다수의 배기 구멍(8a)을 갖는 배플 플레이트(8)가 환형 형상으로 마련되고, 이 배플 플레이트(8)는 복수의 지주(支柱; 9)에 의해 지지되어 있다.
서셉터(2)에는 웨이퍼(W)를 지지하여 승강시키기 위한 웨이퍼 지지핀(도시하지 않음)이 서셉터(2)의 표면에 대하여 쑥 나오거나 들어갈 수 있게 마련되어 있다.
챔버(1)의 측벽에는 환형 형상을 이루는 가스 도입 부재(15)가 마련되어 있고, 이 가스 도입 부재(15)에는 가스 공급계(16)가 접속되어 있다. 또한, 가스 도입 부재는 샤워기 형상으로 배치하여도 좋다. 이 가스 공급계(16)는 처리 내용에 따른 임의의 가스를 공급하기 위한 가스 공급원을 갖고 있다. 가스의 종류는 특별 히 한정되지 않지만, 도 1의 경우는 Ar 가스 공급원(17), H2 가스 공급원(18), O2 가스 공급원(19)을 갖고 있고, 이들 가스가 각각 가스 라인(20)을 통해 가스 도입 부재(15)에 도달하며, 가스 도입 부재(15)로부터 챔버(1) 내에 도입된다. 또한, 가스 라인(20)의 각각에는 매스 플로우 컨트롤러(21) 및 그 전후의 개폐 밸브(22)가 마련되어 있다. 또한, 처리 가스로서는 상기 Ar 등의 희가스와 함께, 예컨대 산화 처리의 경우는 산소 등의 산화 가스를 이용하면 좋고, 질화 처리의 경우는 N2 등의 질화 가스를 이용하면 좋다.
상기 배기실(11)의 측면에는 배기관(23)이 접속되어 있고, 이 배기관(23)에는 고속 진공 펌프를 포함한 배기 장치(24)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기 장치(24)를 작동시킴으로써 챔버(1) 내의 가스가 배기실(11)의 공간(11a) 내로 균일하게 배출되고, 배기관(23)을 통해 배기된다. 이에 따라 챔버(1) 내는 소정의 진공도, 예컨대 0.133 Pa까지 고속으로 감압하는 것이 가능하게 되어 있다.
챔버(1)의 측벽에는 플라즈마 처리 장치(100)에 인접한 반송실(도시하지 않음) 사이에서 웨이퍼(W)나 더미 웨이퍼(Wd)의 반입출을 행하기 위한 반입출구(25)와, 이 반입출구(25)를 개폐하는 게이트 밸브(26)가 마련되어 있다.
챔버(1)의 상부는 개구부로 되어 있고, 이 개구부의 주연부를 따라 링형의 지지부(27)가 마련되어 있다. 이 지지부(27)에 유전체, 예컨대 석영, Al2O3, AlN 등으로 이루어지며, 마이크로파를 투과하는 마이크로파 투과판(28)이 시일 부재(29)를 통해 기밀하게 배치되어 있다. 따라서, 챔버(1) 내는 기밀하게 유지된다.
마이크로파 투과판(28)을 지지하는 지지부(27)는 예컨대 Al 합금이나 SUS에 의해 형성되어 있고, 수평한 지지면과, 이 지지면에 대하여 대략 수직으로 형성된 벽(27a)[즉, 챔버(1)의 내벽]을 갖고 있다. 본 실시 형태의 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 이 수직한 벽(27a)을 덮도록 마이크로파 투과판(28)과 동일한 재질(바람직하게는 석영)로 일체로 형성된 피복부(60)가 형성되어 있다. 이와 같이, 피복부(60)를 마이크로파 투과판(28)과 일체로 형성함으로써, 내구성을 높이는 동시에 부품 갯수를 삭감할 수 있다. 또한, 피복부(60)는 마이크로파 투과판(28)에 벽(27a)에 대응하는 볼록부를 형성한 후, 이 볼록부의 표면을 Y2O3 등으로 코팅함으로써 형성할 수도 있다. 또한, 마이크로파 투과판(28)의 표면 전체 또는 그 하면을 Y2O3 등에 의해 코팅하여도 좋고, 적어도 챔버(1) 내의 부재 표면 전체를 Y2O3 등에 의해 더 코팅하여도 좋다. 이 피복부(60)의 작용에 대해서는 후술한다.
마이크로파 투과판(28)의 상측에는 서셉터(2)와 대향하도록 원판형의 평면 안테나 부재(31)가 마련되어 있다. 또한, 평면 안테나 부재는 각판형(사각형)이어도 좋다. 이 평면 안테나 부재(31)는 챔버(1)의 측벽 상단에 부착되어 있다. 평면 안테나 부재(31)는 예컨대 표면이 은 또는 금도금된 동판, Ni판 또는 알루미늄판으로 이루어지며, 다수의 마이크로파 방사 구멍(32)이 소정의 패턴으로 관통하여 형성된 구성으로 되어 있다. 이 마이크로파 방사 구멍(32)은 예컨대 도 2에 도시된 바와 같이 긴 홈 형상(슬롯)을 이루고, 전형적으로는 인접한 마이크로파 방사 구멍(32)들이 「T」자형으로 배치되며, 이들 복수의 마이크로파 방사 구멍(32)이 동 심원형으로 배치되어 있다. 마이크로파 방사 구멍(32)의 길이나 배열 간격은 마이크로파의 파장(λ)에 따라 결정되며, 예컨대 마이크로파 방사 구멍(32)의 간격은 1/2λ 또는 λ가 되도록 배치된다. 또한, 도 2에 있어서는, 동심원형으로 형성된 인접한 마이크로파 방사 구멍(32)들의 간격을 Δr로 나타내고 있다. 또한, 마이크로파 방사 구멍(32)은 원형 형상, 원호 형상 등의 다른 형상이어도 좋다. 또한, 마이크로파 방사 구멍(32)의 배치 형태는 특별히 한정되지 않고, 동심원형 이외에 예컨대 나선형, 방사형으로 배치할 수도 있다.
평면 안테나 부재(31)의 상면에는 진공보다도 큰 유전률을 갖는 지파재(遲波材; 33)가 마련되어 있다. 이 지파재(33)는 진공 속에서는 마이크로파의 파장이 길어지기 때문에, 마이크로파의 파장을 짧게 하여 플라즈마를 조정하는 기능을 갖고 있다. 또한, 평면 안테나 부재(31)와 마이크로파 투과판(28)을 밀착시켜도 좋고, 또한, 지파재(33)와 평면 안테나 부재(31)도 밀착시킬 수 있다. 챔버(1)의 상면에는 이들 평면 안테나 부재(31) 및 지파재(33)를 덮도록, 예컨대 알루미늄이나 스테인리스강 등의 금속재로 이루어진 실드 덮개(34)가 마련되어 있다. 챔버(1)의 상면과 실드 덮개(34)는 시일 부재(35)에 의해 시일되어 있다. 실드 덮개(34)에는 복수의 냉각수 유로(34a)가 형성되어 있고, 거기에 냉각수를 유통시킴으로써, 평면 안테나(31), 마이크로파 투과판(28), 지파재(33), 실드 덮개(34)를 냉각하도록 되어 있다. 또한, 실드 덮개(34)는 접지되어 있다.
실드 덮개(34) 상벽의 중앙에는 개구부(36)가 형성되어 있고, 이 개구부(36)에는 도파관(37)이 접속되어 있다. 이 도파관(37)의 단부에는 매칭 회로(38)를 통 해 마이크로파 발생 장치(39)가 접속되어 있다. 이에 따라, 마이크로파 발생 장치(39)에서 발생한, 예컨대 주파수 2.45 GHz의 마이크로파가 도파관(37)을 통해 상기 평면 안테나 부재(31)로 전파되도록 되어 있다. 또한, 마이크로파의 주파수로서는 8.35 GHz, 1.98 GHz 등을 이용할 수도 있다.
도파관(37)은 상기 실드 덮개(34)의 개구부(36)로부터 위쪽으로 연장되어 나오는 단면이 원형인 동축 도파관(37a)과, 이 동축 도파관(37a)의 상단부에 접속된 사각형 도파관(37b)을 갖고 있다. 사각형 도파관(37b)과 동축 도파관(37a) 사이의 모드 변환기(40)는, 사각형 도파관(37b) 내에서 TE 모드로 전파되는 마이크로파를 TEM 모드로 변환하는 기능을 갖고 있다. 동축 도파관(37a)의 중심에는 내도체(內導體)(41)가 연장되어 있고, 내도체(41)는 그 하단부에 있어서 평면 안테나 부재(31)의 중심에 접속 고정되어 있다. 이에 따라, 마이크로파는 동축 도파관(37a)의 내도체(41)를 통해 평면 안테나 부재(31)로 효율적으로 균일하게 전파된다.
플라즈마 처리 장치(100)의 각 구성부는 프로세스 컨트롤러(50)에 접속되어 제어되는 구성으로 되어 있다. 프로세스 컨트롤러(50)에는 공정 관리자가 플라즈마 처리 장치(100)를 관리하기 위해서 커맨드의 입력 조작 등을 행하는 키보드나, 플라즈마 처리 장치(100)의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등으로 이루어진 사용자 인터페이스(51)가 접속되어 있다.
또한, 프로세스 컨트롤러(50)에는 플라즈마 처리 장치(100)에서 실행되는 각종 처리를 프로세스 컨트롤러(50)의 제어로써 실현하기 위한 제어 프로그램(소프트웨어)이나 처리 조건 데이터 등이 기록된 레시피가 저장된 기억부(52)가 접속되어 있다.
그리고, 필요에 따라, 사용자 인터페이스(51)로부터의 지시 등으로써 임의의 레시피를 기억부(52)로부터 호출하여 프로세스 컨트롤러(50)에 실행시킴으로써, 프로세스 컨트롤러(50)의 제어 하에서 플라즈마 처리 장치(100)에서의 원하는 처리가 행해진다. 또한, 상기 제어 프로그램이나 처리 조건 데이터 등의 레시피는 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체, 예컨대 CD-ROM, 하드디스크, 플렉시블 디스크, 플래시 메모리 등에 저장된 상태의 것을 이용하거나, 또는 다른 장치로부터 예컨대 전용회선을 통해 수시로 전송시켜 온라인으로 이용하거나 하는 것도 가능하다.
이와 같이 구성된 RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서는, 이하와 같은 순서로 웨이퍼(W)에 대한 개질, 성막 등의 플라즈마 처리가 행해진다.
우선, 게이트 밸브(26)를 개방으로 하여 반입출구(25)로부터 웨이퍼(W)를 챔버(1) 내에 반입하여 서셉터(2) 상에 얹어 놓는다.
그리고, 예컨대 가스 공급계(16)의 Ar 가스 공급원(17), H2 가스 공급원(18) 및 O2 가스 공급원(19)으로부터 각각 Ar 가스, H2 가스 및 O2 가스를 소정의 유량으로 가스 도입 부재(15)를 통해 챔버(1) 내에 도입하여 소정의 압력으로 유지한다.
다음으로, 마이크로파 발생 장치(39)로부터의 마이크로파를 매칭 회로(38)를 경유하여 도파관(37)으로 유도한다. 마이크로파는 사각형 도파관(37b), 모드 변환기(40) 및 동축 도파관(37a)을 순차적으로 전파하여 평면 안테나 부재(31)에 공급되며, 평면 안테나 부재(31)의 직경 외부 방향으로 균일하게 전파된다. 그리고, 평 면 안테나 부재(31)의 마이크로파 방사 구멍(32)으로부터 마이크로파 투과판(28)을 통해 챔버(1) 내에 있어서의 웨이퍼(W)의 상측 공간으로 전자파가 방사된다. 그 경우, 마이크로파는 사각형 도파관(37b) 내에서는 TE 모드로 전파되고, 이 TE 모드의 마이크로파는 모드 변환기(40)에 의해 TEM 모드로 변환되어 동축 도파관(37a) 내에서 평면 안테나 부재(31)를 향해 전파되어 간다.
평면 안테나 부재(31)로부터 마이크로파 투과판(28)을 경유하여 챔버(1)로 방사된 마이크로파에 의해 챔버(1) 내에서는 임의의 가스(도 1의 경우는 예컨대 Ar가스, H2 가스 및 O2 가스)가 플라즈마화하고, 이 플라즈마에 의해 웨이퍼(W)의 처리(예컨대, 개질, 성막 등)가 행해진다. 이 마이크로파 플라즈마는 대략 1011～1013/㎤의 플라즈마 밀도이면서 웨이퍼(W) 부근에서는 대략 1.5 eV 이하의 저전자 온도 플라즈마로서, 저온에서 단시간에 처리를 행할 수 있고, 게다가 하지막으로의 이온 등의 플라즈마 손상이 작은 등의 장점이 있다.
여기서, 본 발명의 기초가 되는 실험 데이터에 대하여, 도 3을 참조하면서 설명을 행한다. 도 3은 도 1과 동일한 구성의 플라즈마 처리 장치(100)를 이용하여 더미 웨이퍼(Wd)에 대하여 모의적으로 플라즈마 처리를 행하고, 챔버(1) 내의 전자 온도를 측정한 결과를 도시한 그래프이다. 도 3의 그래프의 세로축은 전자 온도(eV)를 나타내고, 가로축은 플라즈마 생성부[마이크로파 투과판(28)의 하단]를 0으로 하여 더미 웨이퍼(Wd)까지의 거리(㎜)를 나타내고 있다. 또한, 플라즈마 처리 조건은 처리 가스로서 Ar을 유량 500㎖/min(sccm)으로 이용하고, 압력은 6.7Pa(50mTorr) 또는 66.7Pa(500mTorr), 플라즈마에 대한 공급 파워는 1.6 kW로 행하였다.
도 3으로부터, 챔버 내의 전자 온도는 플라즈마 처리시의 압력에 따라 차이를 보이지만, 6.7Pa(50mTorr) 또는 66.7Pa(500mTorr) 중 어느 것의 압력에 있어서도, 플라즈마의 발생 부위인 마이크로파 투과판(28)의 하단을 기점으로 하여 약22 ㎜ 정도까지의 구간에서 급격히 저하하고 있고, 이 구간을 넘으면 1.5eV 미만이 되는 것이 도시되었다. 이것은 평면 안테나 부재(31)에 의해 마이크로파를 발생시켜 처리실인 챔버 내의 공간에 균등하게 플라즈마가 생성되는 RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치(100)에서 특유의 전자 온도 분포라고 생각된다.
이상의 결과로부터, 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서, 플라즈마 발생시에 1.5eV 이상의 고전자 온도가 되는 영역은 마이크로파 투과판(28)을 기점으로 하여 약 22㎜의 구간으로서, 이 영역에 금속이 노출되어 있으면, 플라즈마 중의 이온에 의해 스퍼터링되고, 비산한 금속에 의해 웨이퍼(W)의 금속 오염을 일으킬 가능성이 높다. 따라서, 적어도, 이 마이크로파 투과판(28) 근방의 전자 온도가 1.5eV 이상인 영역에서 금속제 부재를 내플라즈마성 재료, 예컨대 석영, Y2O3 등의 내열성 절연체로 피복하여 노출을 피함으로써, 웨이퍼(W)의 금속 오염을 대폭 저감할 수 있는 것을 이해할 수 있다. 또한, 이 마이크로파 투과판(28)의 하단으로부터 약 22㎜의 구간은, 도 1에 있어서는 대략 지지부(27)의 벽(27a)에 해당하는 부분이다.
또한, 여기서는 나타내고 있지 않지만, 처리 압력이 0.67Pa(5mTorr)인 경우 에는, 마이크로파 투과판(28)의 하단을 기점으로 하여 80㎜ 정도까지의 구간이 전자 온도 1.5eV 이상이 된다고 생각할 수 있다. 따라서, 0.67Pa(5mTorr)～133Pa(1Torr) 정도의 통상의 플라즈마 처리 압력에서는, 마이크로파 투과판(28)의 하단으로부터 적어도 80㎜ 거리 내에 있는 금속제 부재를 피복하면 좋은 것으로 생각된다.
도 4는 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)를 이용하여 웨이퍼(W)에 대하여 처리 가스로서 Ar/O2/H2를 유량비 1000/100/200㎖/min(sccm)로 이용하고, 압력 6.7Pa(50mTorr), 웨이퍼 온도 400℃, 플라즈마에 대한 공급 파워 3.4kW로 플라즈마 처리를 행한 경우의 웨이퍼(W)의 Al 오염의 정도를 ICP-Mass법으로 측정한 결과를 도시한 그래프이다. 비교를 위해, 피복부(60)를 갖지 않는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 동일한 처리를 행한 경우의 결과도 병기한다.
도 4로부터, 피복부(60)를 갖는 플라즈마 처리 장치(100)를 이용하여 플라즈마 처리를 실시한 경우, 피복부(60)를 갖지 않는 플라즈마 처리 장치에 비하여 웨이퍼(W) 상의 Al 오염을 현저히 저감할 수 있는 것이 도시되었다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 있어서의 제2 내지 제4 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 주요부 단면을 모식적으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 제1 실시 형태의 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서는 피복부(60)를 마이크로파 투과판(28)과 일체로 마련하고 있지만, 제2 실시 형태에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 피복부(60)는 마이크로파 투과판(28)과 별도의 부재로서 형성하여도 좋다. 이 경우, 피복부(60)는 내플라즈마성 재료, 예컨대 석영, Y2O3 등의 절연체에 의해 챔버(1) 내벽에 접하도록 링형으로 형성되어 있다.
또한, 제1 실시 형태(도 1)에서는, 마이크로파 투과판(28)의 근방만을 피복하도록 하였지만, 제2 실시 형태에서는, 피복부(60)가 보다 아래쪽 위치까지 연장하여 설치되고, 가스 도입 부재(15)에 이르는 벽면까지 피복되어 있다. 또한, 챔버(1) 내의 금속제 부재의 노출 영역을 전부 피복하도록 하여도 좋다. 또한, 도 5에서는, 피복부(60)의 단면을 두껍게 그리고 있지만, 피복부(60)는 예컨대 용사법(대기압 플라즈마 용사, 감압 플라즈마 용사 등)이나 스퍼터법, 이온 플레이팅법 등에 의해 코팅된 Y2O3 등의 피막이어도 좋다.
제3 실시 형태에서는, 도 6에 도시된 바와 같이, 마이크로파 투과판(28)의 하단으로부터 가스 도입 부재(15)에 이르는 벽면에 링형의 피복부(60)를 형성하였다. 본 실시 형태에서는, 마이크로파 투과판(28)이 챔버(1)의 측벽 상단에 형성된 단부에 있어서 지지되어 있다.
또한, 제4 실시 형태에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 마이크로파 투과판(28)이 챔버(1)의 측벽 상단에 마련된 금속제의 지지 부재(70)에 의해 지지되어 있고, 이 지지 부재(70)를 덮도록 단면에서 볼 때 L자형인 링형의 피복부(60)가 형성되어 있다. 지지 부재(70)는 착탈 가능하게 구성되어 있기 때문에, 플라즈마의 작용에 의해 피복부(60)가 열화하여 보호 기능이 저하한 경우에는, 지지 부재(70)마다 떼어내어 교환할 수 있다. 더욱이, 떼어낸 지지 부재(70)의 표면에 다시 피복 부(60)를 형성하여 재이용을 도모하는 것도 가능하다. 또한, 상기 도 6 및 도 7에 도시된 실시 형태에 있어서, 피복부(60)를 용사법(대기압 플라즈마 용사, 감압 플라즈마 용사 등)이나 스퍼터법, 이온 플레이팅법 등에 의해 코팅된 Y2O3 등의 피막으로서 형성하여도 좋다.
또한, 도 5 내지 도 7에 있어서의 다른 구성은 도 1에 도시된 실시 형태와 동일하기 때문에, 여기서는 주요부만을 도시하는 동시에 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
도 8은 제5 실시 형태를 도시하고 있고, 웨이퍼(W) 등의 드라이 에칭 처리에 적합하게 사용할 수 있는 에칭 처리 장치로서의 플라즈마 처리 장치(200)를 모식적으로 도시한 단면도이다. 이 플라즈마 처리 장치(200)도 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)와 마찬가지로 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나, 특히 RLSA로써 처리실 내에 마이크로파를 도입하여 고밀도이면서 저전자 온도인 마이크로파 플라즈마를 발생시킬 수 있는 RLSA 마이크로파 플라즈마 처리 장치로서 구성되어 있다.
플라즈마 처리 장치(200)는 에칭 장치로서 구성되어 있기 때문에, 가스 공급계(116)의 가스 공급원으로서, 예컨대, Ar 가스 공급원(117) 및 CF4 가스 공급원(118)을 갖고 있다. 또한, 처리 가스로서는 CF계 가스에 한정되지 않고, 에칭 처리의 목적에 따라 예컨대 염소, 브롬 등의 할로겐 가스나 CHF계 가스 등의 할로겐 화합물 가스를 이용하는 것이 가능하다. 플라즈마 처리 장치(200)에서는, 챔버(101) 내에 소정의 막이 형성된 웨이퍼(W)를 수평으로 얹어 놓는 서셉터(105)가 마련되어 있다. 이 서셉터(105)는 그 위쪽 중앙부가 볼록형의 원판형으로 성형되고, 그 위에 웨이퍼(W)와 거의 같은 형상의 정전 척(111)이 마련되어 있다. 정전 척(111)은 절연재 사이에 전극(112)이 개재된 구성으로 되어 있고, 전극(112)에 접속된 직류 전원(113)으로부터 예컨대 1.5kV의 직류 전압이 인가됨으로써, 쿨롱력에 의해 웨이퍼(W)를 정전 흡착할 수 있도록 되어 있다.
또한, 서셉터(105) 주위에는 챔버(101) 내를 균일하게 배기하기 위해서 다수의 배기 구멍(8a)을 갖는 배플 플레이트(8)가 마련되어 있다. 배플 플레이트(8)의 아래쪽에는 서셉터(105)를 둘러싸도록 배기 공간이 형성되어 있고, 챔버(101) 내는 이 배기 공간으로부터 배기관(23)을 통해 배기 장치(24)와 접속되어 있으며, 균일한 배기를 행할 수 있도록 구성되어 있다.
또한, 서셉터(105)의 내부에는 도시하지 않은 온도 조절 매체실이 마련되어 있고 이 온도 조절 매체실에 온도 조절 매체를 도입, 순환시킴으로써, 서셉터(105)를 원하는 온도로 제어할 수 있도록 되어 있다. 그리고, 절연판(103), 서셉터(105), 나아가서는 정전 척(111)에는 피처리체인 웨이퍼(W)의 이면에 열전도 매체, 예컨대 He 가스 등을 소정 압력(back-pressure)으로써 공급하기 위한 가스 통로(114)가 형성되어 있고, 이 열전도 매체를 통해 서셉터(105)와 웨이퍼(W) 사이의 열전달이 이루어질 수 있으며, 웨이퍼(W)가 소정의 온도로 유지되도록 되어 있다.
서셉터(105)의 상단 주연부에는 정전 척(111) 상에 얹어 놓여진 웨이퍼(W)를 둘러싸도록 환형 형상의 포커스 링(115)이 배치되어 있다. 이 포커스 링(115)은 세라믹스 또는 석영 등의 절연성 재료로 이루어지며, 에칭의 균일성을 향상시키도록 작용한다.
플라즈마 처리 장치(200)에 있어서, 마이크로파 발생 장치(39)로부터의 마이크로파는 매칭 회로(38), 사각형 도파관(37b), 모드 변환기(40) 및 동축 도파관(37a)을 순차적으로 전파하여 평면 안테나 부재(31)에 공급되며, 평면 안테나 부재(31)의 마이크로파 방사 구멍(32)으로부터 마이크로파 투과판(28)을 통해 챔버(1) 내에 있어서의 웨이퍼(W)의 상측 공간으로 방사된다. 이 마이크로파에 의해 챔버(1) 내에서는 에칭용 가스(도 8의 경우는 예컨대 Ar 가스 및 CF4 가스)가 플라즈마화하고, 이 플라즈마에 의해 웨이퍼(W)의 에칭 처리가 행해진다. 이 때, 플라즈마 처리 장치(200)에 있어서도, 벽(27a)을 덮도록 피복부(60)가 형성되어 있기 때문에, 벽(27a)을 보호하여 Al 등의 금속 오염을 방지할 수 있다.
도 8의 플라즈마 처리 장치(200)에 있어서의 다른 구성은 도 1에 도시된 플라즈마 처리 장치(100)와 동일하기 때문에, 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙여서 설명을 생략한다. 또한, 도 8에 도시된 제5 실시 형태의 플라즈마 처리 장치(200)에 있어서도, 도 5 내지 도 7에 도시된 제2 내지 제4 실시 형태의 구성을 적용하는 것이 가능하다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 제약을 받지 않고, 여러 가지 변형이 가능하다.
예컨대, 도 1 및 도 8에서는, RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치(100, 200)를 예로 들었지만, 플라즈마를 이용하여 피처리 기판을 처리하는 장치라면 특별히 한 정되지 않고, 용량 결합형이나 유도 결합형의 플라즈마 처리 장치 등, 다른 방식의 플라즈마 처리 장치라도 좋다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 실리콘 웨이퍼를 처리하는 플라즈마 처리 장치를 예로 들었지만, 피처리 기판으로서 예컨대 액정 모니터 등의 FPD(플랫 패널 디스플레이)용 기판을 처리하는 플라즈마 처리 장치에도 적용할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치는 각종 반도체 장치의 제조 과정 등에 있어서, 기판 상에 예컨대 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막 등을 형성하는 성막 처리나, 이들 막의 개질, 또한 에칭 등의 처리에 적합하게 이용할 수 있다.

Claims (10)

  1. 플라즈마 발생 수단과;
    피처리 기판에 대하여 플라즈마 처리를 행하기 위한 처리실을 구획하는 처리 용기와;
    상기 처리 용기 내에서 상기 피처리 기판을 얹어 놓는 기판 유지대와;
    상기 처리 용기 내를 감압하기 위한 배기 수단
    을 포함하는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 처리실 내에서 플라즈마 발생시의 전자 온도가 적어도 1.5eV 이상이 되는 영역에 있는 부재를 내열성 절연체로 피복한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내열성 절연체가 석영 또는 Y2O3에 의해 구성되어 있는 것인 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 내열성 절연체는 상기 금속제 부재 상에 피막으로서 형성되어 있는 것인 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 내열성 절연체의 피막은 Y2O3에 의해 구성되어 있는 것인 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 수단은 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나로써 상기 처리실 내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시키는 것인 플라즈마 처리 장치.
  6. 피처리 기판에 대하여 플라즈마 처리를 행하기 위한 처리실을 구획하는 처리 용기와;
    상기 처리 용기 내에서 상기 피처리 기판을 얹어 놓는 기판 유지대와;
    상기 처리 용기 내를 감압하기 위한 배기 수단과;
    외부의 마이크로파 발생 장치와 접속되고, 상기 처리실 내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시키기 위한 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와;
    상기 평면 안테나와 평행하게 배치되고, 마이크로파를 투과하는 기능을 갖는 마이크로파 투과판과;
    상기 처리실 내에서 플라즈마 발생시의 전자 온도가 적어도 1.5eV 이상이 되는 영역에 있는 부재를 내플라즈마성 재료로 피복한 피복부
    를 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 피복부는 상기 마이크로파 투과판과 일체로 형성되어 있는 것인 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 피복부 및 상기 마이크로파 투과판의 재질이 석영인 것인 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 피복부는 상기 금속제 부재 상에 피막으로서 형성되어 있는 것인 플라즈마 처리 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 피막은 Y2O3에 의해 구성되는 것인 플라즈마 처리 장치.
KR1020077004320A 2004-12-17 2005-12-16 플라즈마 처리 장치 KR100887271B1 (ko)

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