KR20070079896A - 공진대책 기능을 가지는 플라즈마처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 플라즈마처리장치는, 배기장치가 접속된 내부가 감압 가능한 처리실, 처리실 내에 가스를 공급하는 가스공급장치, 웨이퍼, 웨이퍼를 설치 가능한 기판 전극, 기판 전극에 대향하는 플라즈마를 생성하기 위한 안테나 전극, 안테나 전극에 접속된 플라즈마생성용 고주파 전원, 기판 전극에 접속된 웨이퍼 바이어스전원으로 이루어진다. 동축 선로, 동축 도파관을 동축 모델을 사용하여 최적화하고, 또한 전압 측정회로를 동축 선로의 바로 밑에 설치한다.

Description

공진대책 기능을 가지는 플라즈마처리장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS WITH RESONANCE COUNTERMEASURE FUNCTION}

도 1은 웨이퍼 바이어스 RF 전원으로부터 전극까지로 구성되는 부품의 블럭도,

도 2는 도 1의 블럭도의 등가회로도,

도 3a는 도 1의 구성에서의 주파수 특성도,

도 3b는 도 1의 구성에서의 주파수/공진 주파수 특성도,

도 4는 도 2의 등가회로에서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도,

도 5는 웨이퍼 바이어스 RF 전원으로부터 플라즈마까지의 등가회로도,

도 6은 도 5의 등가회로에서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도,

도 7은 전극상에서의 Vpp를 20V 일정하게 하였을 때의 주파수 특성도,

도 8은 Ctot에 대한 Cel의 영향을 계산한 도,

도 9는 도 5의 등가회로에서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도,

도 10은 고주파 전송선로의 인덕턴스를 1/4로 한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도,

도 11은 동축의 구조를 나타낸 도,

도 12는 공진 주파수에 대한 외도체의 외경(c)의 의존성을 나타낸 도,

도 13은 공진 주파수에 대한 내도체의 반경(a)의 의존성을 나타낸 도,

도 14는 검출기를 적절한 위치로 한 블럭도,

도 15는 검출기를 내장한 정합기를 전극에 직접 접속한 블럭도,

도 16은 검출기를 전극 내부에 내장한 블럭도,

도 17은 공진 주파수에 대한 동축관의 길이(L)의 의존성을 나타낸 도,

도 18은 공진 주파수에 대한 내도체의 반경(a)의 의존성을 나타낸 도,

도 19는 Reso_Line과 Reso_sh의 최적해를 나타낸 도,

도 20은 공진 주파수에 대한 쉬스의 정전용량(Csh)의 의존성을 나타낸 도,

도 21은 쉬스의 정전용량(Csh)을 2000 pF로 한 시뮬레이션 결과의 도,

도 22는 쉬스의 정전용량(Csh)을 10000 pF로 한 시뮬레이션 결과의 도,

도 23은 제 1 실시예인 플라즈마 에칭장치를 나타내는 개략도,

도 24는 제 1 실시예를 최적화한 플라즈마 에칭장치를 나타내는 개략도,

도 25는 웨이퍼전압을 직접 측정한 값과 전압검출기의 출력을 비교한 도,

도 26은 제 2 실시예인 플라즈마 에칭장치를 나타내는 개략도,

도 27은 제 2 실시예를 최적화한 플라즈마 에칭장치를 나타내는 개략도,

도 28은 웨이퍼에 발생하는 고주파와 위상 측정회로와의 위상차를 측정한 도면이다.

본 발명은 반도체의 제조기술에 관한 것으로, 특히 플라즈마를 사용하여 반도체 웨이퍼를 플라즈마처리할 때에 적합한 공진대책 기능을 가지는 플라즈마처리장치에 관한 것이다.

최근의 반도체소자의 고집적화에 따라 회로패턴은 미세화의 일도(一途)를 걷고 있고, 요구되는 가공치수 정밀도는 점점 더 엄격해지고 있다. 또 반도체소자의 제조비용의 저감의 목적으로 웨이퍼의 구경이 300 mm로 대구경화하고 있으나, 수율을 높일 것을 목적으로 웨이퍼의 중심으로부터 바깥 둘레 부근까지 넓은 범위에서 플라즈마를 균일하게 하여 고품질로 균일한 가공을 할 수 있는 것이 요구되고 있다. 제품처리에 있어서는 미세한 회로패턴을 이방성의 가공으로 형성하기 위하여 고주파 바이어스가 인가되는 것이 일반적이다. 이때 웨이퍼에 발생하는 고주파 전압 및 자기 바이어스 전압이 어떠한 값이 될지는 가공상의 중요한 파라미터로서, 이것을 정확하게 모니터하는 것이 중요하게 된다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 종래부터 웨이퍼와 고주파 전원의 정합기사이에서 고주파 전압을 검출하는 것이 행하여지고 있다(예를 들면, 일본국 특개2003-174015호 공보, 특개2002-203835호 공보 참조).

이것과는 별도로, 고주파 전송로가 고주파의 전압·전류 및 위상차에 영향을 미치는 것에 대하여 고주파 정합기의 출력부와 웨이퍼에서는 고주파 파형이 다른 것, 따라서 웨이퍼 전위의 정보를 얻기 위하여 웨이퍼 전위를 직접 측정하는 웨이퍼 전위 프로브의 방법이 유효한 것이 알려져 있다(예를 들면, 일본국 특개2001-338917호 공보 참조).

또, 종래에서는 상부의 금속재료의 평판 전극과 웨이퍼(하부 전극으로서 동작한다)로 이루어지는 평행 평판형의 플라즈마발생장치에 있어서, 상부 전극과 하부 전극(웨이퍼)의 각각에 동일 주파수의 고주파 바이어스를 인가한다. 그들 바이어스 사이의 고주파 전압 위상을 제어하기 위하여 상부 전극과 하부 전극의 전압과 위상을 모니터하는 방법이 알려져 있다(예를 들면, 일본국 특개평8-162292호 공보 참조).

플라즈마처리장치에 있어서, 문제가 되는 현상은 고주파의 급전계의 인덕턴스와 부유용량 또는 웨이퍼 등 플라즈마와 용량 결합하는 전극 앞면에 생기는 이온 쉬스(ion sheath)의 정전용량에 의하여 발생하는 공진이다. 부유용량과 급전계의 인덕턴스에 의한 공진과, 이온 쉬스의 정전용량과 급전계의 인덕턴스에 의해 발생하는 공진은, 각각 독립되어 있다. 즉, 2개의 공진현상이 동시에 발생하고 있다. 이에 의하여 측정점으로부터 얻어진 전압 등의 정보가, 실제로 웨이퍼나 전극에 발생하고 있는 전압 등의 상태와 동떨어진 값을 나타낸다는 문제가 발생한다. 종래기술의 문제점은, 본질적으로 이들 공진현상이 고려되어 있지 않은 것이다.

일본국 특개2003-174015호 공보의 기술에는 분명하게 전압 등 측정점으로부터 얻어지는 정보가, 웨이퍼의 정보와 동일, 또는 동질이라는 전제조건이 있다. 이 전제조건이 무너진 경우, 본 기술은 정밀도가 현저하게 저하한다.

상기 전제조건이 일반적인 플라즈마처리장치에 있어서 무너져 있는 것에 착안한 발명이 일본국 특개2002-203835호 공보이다. 본 발명에서는 전압 등의 측정점과 웨이퍼 사이의 등가회로를 정밀하게 지정함으로써 측정점의 정보로부터 웨이 퍼의 전압·전류·위상 외에, 웨이퍼에서 본 부하의 임피던스 등의 정보를 얻을 수 있다. 그러나 본 기술을 가지더라도 문제의 공진현상의 영향은 회피할 수 없다. 왜냐하면, 공진을 일으키는 인덕턴스성분과 부유용량은, 본 기술 중의 등가회로에 조립되어 있으나, 쌍을 이루는 이온 쉬스의 정전용량이 등가회로에 조립되어 있지 않기 때문이다. 플라즈마에 의한 이 공진현상은 본 기술로부터 하면 예측 불가능한 현상이다.

다시 말하면, 이온 쉬스의 정전용량을 등가회로에 조립하여 정확하게 평가하는 것은 매우 어려워, 사실상 불가능하다. 왜냐하면 이 정전용량은 가스압력·성분이나 플라즈마발생용 고주파 전력 등의 많은 파라미터에 의존하여 결정되는 플라즈마의 특성(전자밀도, 전자온도, 가스밀도 등과 이들의 웨이퍼상의 분포)과, 웨이퍼에 인가하는 바이어스용 고주파 전력에 의해 결정되기 때문에, 그 값을 정확하게 산출할 수 없기 때문이다. 물론 정전용량을 산출하는 이론은 있으나, 이론에 대입해야 할 수치의 정확한 값을 알 수는 없다. 즉, 정밀도 보증을 할 수 없다.

또, 이온 쉬스의 정전용량은, 웨이퍼에서 본 부하 임피던스의 값을 정하는 큰 요소이다. 웨이퍼에 발생하는 고주파 전압은, 매칭회로로부터 웨이퍼까지의 회로와, 이 부하 임피던스의 조합에 의하여 결정된다. 그런데 이온 쉬스의 정전용량은 웨이퍼에 발생한 고주파 전압에 의해 결정된다는 성질을 가지고 있다. 즉, 이 정전용량과 웨이퍼 전압은 상호 의존성이 있다라는 비선형의 관계에 있다. 따라서 이 정전용량과 웨이퍼 전압의 결정은, 통상의 등가회로 시뮬레이션으로는 풀 수 없고, 수치 계산법에 의한 수속계산을 실시하지 않으면 결정할 수 없다. 본 계산은 계산 개시를 위한 기초 데이터의 수치를 구비하는 것과, 계산시간의 양쪽의 관점으로부터 실시간으로 행하는 것은 매우 곤란하다.

이상으로부터 얻어지는 결론은, 등가회로를 사용한다는 기술을 사용하여, 문제가 되는 공진현상을 해결할 수 없는 것이다. 등가회로를 사용하여도 계산할 수 없거나 또는 정밀도 보증을 할 수 없다는 결과에 이른다.

이상의 일본국 특개2003-174015호 공보 또는 특개2002-203835호 공보의 기술에 대하여, 일본국 특개2001-338917호 공보의 기술은 웨이퍼의 전위를 직접 측정하는 기술로서, 원리적으로는 문제의 공진현상을 회피할 수 있다. 그러나 본 기술은 신뢰성의 문제가 있어, 실용화는 곤란하다. 본 기술은 WC(텅스텐 카바이드)의 단단한 바늘에 의하여 웨이퍼의 이면에 있는 산화막이나 질화막을 돌파하여 웨이퍼 전압의 직접 측정을 실현한다. 문제는 50만매 내지 100만매의 웨이퍼를 차례차례로 처리하는 반도체제조장치에서 웨이퍼의 이면의 막을 확실하게 뚫어 안정된 측정을 실현하는 것을 보증할 수 없는 것이다. 그와 같은 구조를 설계하는 것은 아주 곤란한 것이다.

위상에 관해서도 공진점의 전후에서 위상이 크게 변화되고, 극단적인 경우 위상이 역전하는 것은 잘 알려져 있다. 일본국 특개평8-162292호 공보와 같이 위상제어하는 기술에 있어서도, 문제의 공진은 제어성능에 중대한 지장을 준다. 문제의 공진은 고주파의 전송로의 인덕턴스와 이온 쉬스의 정전용량이 공진을 일으킨다는 현상 이며, 웨이퍼에 대한 고주파 바이어스인가 뿐만 아니라, 일본국 특개평8-162292호 공보 특허문헌 4와 같이 웨이퍼에 대향하는 전극의 고주파 바이어스 인 가에 있어서도 발생하는 현상이다. 일본국 특개평8-162292호 공보에 있어서도 위상의 측정점에 관하여 문제의 공진은 고려되어 있지 않고, 일본국 특개2003-174015호 공보나, 특개2002-203835호 공보나 특개2001-338917호 공보와 마찬가지로 문제의 공진현상은 중대한 지장을 주는 것을 알 수 있다.

이하에 본 출원의 발명자들이 발견한 공진현상에 대하여 상세하게 설명한다. 여기서는 예로서 웨이퍼를 탑재하는 전극을 든다. 단, 이들 2개의 공진의 문제는 플라즈마와 용량 결합하는 어떠한 전극에 관해서도 완전히 동일하게 발생한다. 제일 먼저 전극의 구조를 등가회로화하여 전압 측정(여기서는 피크 투 피크전압 : Vpp)을 예로 하여 플라즈마가 없어도 공진현상이 보이는 것을 설명한다. 이것이 첫번째의 공진, 부유용량과 고주파 전송계의 인덕턴스에 의한 공진이다. 다음에 플라즈마가 있는 경우의 공진현상에 대하여 설명한다. 이것이 2번째의 공진, 즉 이온 쉬스의 정전용량과 고주파 전송계의 인덕턴스에 의한 공진이다. 위상 측정에 관해서도 완전히 동일한 결론이 얻어진다.

1번째의 공진, 부유용량과 고주파 전송계의 인덕턴스에 의한 공진에 대하여 나타낸다. 도 1에 웨이퍼 바이어스 RF 전원으로부터 전극까지에 구성되는 부품의 블럭도를 모식적으로 나타낸다. 웨이퍼 바이어스 RF 전원의 출력으로부터 정합회로, Vpp검출기, 전력공급 케이블, 전극의 순으로 구성된다. RF 전원으로부터 전력공급 케이블까지는 대기중에 있고, 웨이퍼를 탑재하는 전극은 진공 중에 있다. 도 1의 블럭도를 등가회로에 다시 놓으면 도 2와 같은 회로가 된다. 전력공급 케이블은 일반적인 동축선이고, 중심 도체의 인덕턴스(L1 + L2)와 부유용량(C1)이 있다. 전극은 고주파전송부(등가회로로서는 동축구조와 동일)와 웨이퍼를 정전 흡착하는 용사막(C3 + R1)으로 나뉘어진다. 웨이퍼에는 전압 계측용 고전압 프로브(8pF, 10MΩ)가 접속되나, 임피던스가 매우 높아 무시할 수 있기 때문에, 등가회로에는 기록되어 있지 않다. 도 2의 등가회로는 일반적인 것으로, 실제의 전극은 부유용량이 있고(Cs1, Cs2로 나타냄), 포커스링 등 수많은 연구가 집중되고 있기 때문에, 도 2의 것보다 복잡하게 된다.

실제의 전극을 사용하여 도 1의 구성으로 주파수 특성을 측정한 결과를 도 3a에 나타낸다. 가로축은 바이어스로서 인가한 주파수이고, 세로축은 도 2의 V1과 V2의 전압비이다. 4 MHz 이상에서 공진점이 몇갠가 나타나 있는 것을 알 수 있다. 그곳에서 전극의 인덕턴스와 정전용량을 측정하고, 등가회로를 만들어 시뮬레이션을 행하였다. 이 결과를 도 4에 나타내고, 측정한 공진현상을 재현할 수 있는 것을 알 수 있었다. 이것은 일반적으로 알려져 있는 공진 주파수

에 의하여 이해할 수 있다. 도 2의 등가회로에 있어서 전송선로의 토탈 인덕턴스(Lt)는 약 1.7μH, 전송선로와 전극의 토탈 부유용량(Ct)은, 약 908 pF 이었다. 이것을 상기 수학식 1에 대입하면 4.1 MHz가 되어, 측정결과를 잘 설명한다. 그러나 공진현상 그 자체는 시뮬레이션에 의하여 재현할 수 있으나, 전압비는 재현할 수 없다. 이것은 실제의 구조물의 전기특성을 측정 정밀도를 보증할 수 있을 만큼의 정확한 등가회로로 치환하는 것이 거의 불가능하기 때문이다.

이상 설명한 바와 같이 4 MHz에서 공진이 발생하였다고 하면, 공진의 대역폭(Q값)에도 의하나, 공진 주파수보다 낮은 주파수(이 경우 2 MHz 이상)의 주파수를 사용하였을 때의 전압 측정의 신뢰성이 저하한다. 상기 측정한 1.7μH와 908 pF는 그만큼 극단적으로 큰 값이 아닌 것은 중요하다. 전극에 수 m의 고주파 전송로를 접속하면 간단하게 발생하는 인덕턴스와 부유 용량이다. 발명자들의 경험에서는 설계방법이나 장치구성에도 의하나, 1 MHz 이상의 주파수의 바이어스를 사용할 때에는 이 공진현상을 고려할 필요가 있다.

다음에 2번째의 공진, 즉 이온 쉬스의 정전용량과 고주파 전송계의 인덕턴스에 의한 공진에 대하여 나타낸다. 플라즈마가 있는 경우, 웨이퍼는 플라즈마와 용량결합한다. 따라서 플라즈마에 의해 새로운 정전용량을 고려할 필요가 생긴다. 또한 플라즈마가 있을 때는, 도 3a나 도 4의 경우보다도, 더욱 공진 주파수가 저하하는 경우가 있는 것을 생각할 수 있다. 이 새로운 정전용량은 웨이퍼 앞면에 형성되는 이온 쉬스의 정전용량이 지배적이 된다. 이 이온 쉬스의 두께(d_sh)는 이론적으로 다음식으로 주어진다.

여기서, λ_bd : 디바이 길이(Debye length), e : 기본 전하(elementary charge), k_B : 볼츠만 정수(Boltzman's constant), T_e : 전자온도(electron temperature)이다.

V_sh : 쉬스의 평균 전압은 다음식으로 정의할 수 있다.

여기서, τ: 바이어스의 각주파수, V_s(τ) : 플라즈마 공간전위, V_B(τ) : 바이어스전위이다.

최종적인 이온 쉬스의 정전용량은, 이온 쉬스의 두께(d_sh)를 사용하여

이다. 여기서 ε₀ : 진공의 유전율, S_w : 웨이퍼 면적이다.

수학식 4에서는 웨이퍼 면적이 일정하기 때문에, 이온 쉬스의 정전용량은 이온 쉬스 두께에 반비례하는 것을 알 수 있다. 즉, 이온 쉬스 두께가 얇아지는 조건이 공진 주파수가 낮아지는 조건과 같다. 디바이 길이는 플라즈마의 전계 차폐능력의 기본길이이나, 플라즈마의 밀도에 반비례하여 짧아진다. 플라즈마 중에서는 전자온도는 크더라도 수십 % 밖에 변화하지 않기 때문에 이것을 무시하면 수학 식 2에 의하여 이온 쉬스 두께가 얇아지는 조건이란, 플라즈마 밀도가 높을 때와, 바이어스전압이 낮을 때인 것을 알 수 있다. 이것부터 얻어지는 결론은, 문제로 되어 있는 공진 주파수는 일정하지 않고 가령 동일장치에 있어서도, 하물며 장치가 다르면, 플라즈마의 생성조건이나 웨이퍼의 가공조건에 의해 변화된다는 것이다.

통상, 반도체제품의 가공에 사용되는 플라즈마는, 전자온도가 3 eV 정도, 플라즈마 밀도가 10¹⁰∼10¹² cm^-3이다. 또 바이어스의 전압은 100 ∼ 4000 Vpp 이다. 이것으로부터 얻어지는 이온 쉬스의 정전용량은, 200∼8000 pF 정도가 된다. 이것을 사용하여 공진을 시뮬레이션하였다. 모식적인 등가회로를 도 5에 나타낸다. 이것은 도 2의 등가회로에 플라즈마의 부하를 가한 것이다. 여기서 전형적인 플라즈마의 회로로서 C5 = 2000 pF, R3 = 160Ω을(300 mm 웨이퍼에 대응한 값)준 바, 도 6의 결과를 얻었다. 이것에 의하여 공진 주파수가 3 MHz까지 저하하는 것을 알았다. 도 5를 보면 알수 있는 바와 같이 C5과 직렬로 C3, 즉 전극 용사막의 정전용량이 있다. 전송선로의 인덕턴스(L1∼L4)와 공진을 일으키는 것은, C3와 C5의 합성 정전용량이다. 여기서 C3 = 7500 pF(30 mm 웨이퍼 대응)라 하면, 합성용량은 1579 pF가 된다. 이 값과 1.7μH를 수학식 1에 대입하면 3.1 MHz라는 값이 얻어지고, 시뮬레이션 결과를 잘 설명한다. 이것은 플라즈마가 있을 때의 공진 주파수는, 이온 쉬스의 정전용량과 전극용사막의 정전용량의 합성 정전용량 및 전송선로의 인덕턴스로 결정되어 있는 것을 나타내고 있다. 전극 용사막의 정전용량은 장치 고유의 값을 취하기 때문에 공진현상 그 자체는 전송선로의 인덕턴스와 이온 쉬 스의 정전용량에 의하여 발생한다고 결론할 수 있다.

이것을 실제로 장치를 사용하여 검증하였다. 도 7에 전극상에서의 Vpp가 20 V 일정해지도록 웨이퍼 바이어스 전원을 출력하였을 때의 주파수 특성을 나타낸다. 이론으로부터 예측되는 바와 같이 공진 주파수가 아주 낮아져 있고, 이 경우 2 MHz 이하가 되었다. 1.7μH로 계산하면 합성 정전용량은 4300 pF 정도라고 예상된다. 이 경우, Vpp가 아주 낮기 때문에, 쉬스의 정전용량은 10000 pF 정도에 도달한다. 이상 이론 예측 그대로, 바이어스전압이 낮을 때에는 공진 주파수가 크게 저하하는 것을 알 수 있다.

도 5에서는 전극이 가지는 정전용량(하부 전극에서는 용사막이 지배적이고, 이 부분의 정전용량이 된다)이 이온 쉬스의 정전용량과 직렬로 들어가 있다. 이 직렬에 넣은 정전용량의 효과를 검토한다. 이온 쉬스의 정전용량을 Csh, 용사막의 정전용량을 Cel, 합성한 정전용량을 Ctot로 두면, Ctot는 직렬 합성이기 때문에 다음식으로 구해진다.

이 Ctot에 대한 Cel의 영향을 계산한 결과를 도 8에 나타낸다. Csh는 프로세스조건에 따라 다른 값이 되나, Cel은 설계에 따라 결정되는 값으로, 이 Cel을 조작함으로써 공진 주파수를 정하는 Ctot를 제어할 수 있는 가능성이 있다. 수학 식 5로 부터도 알 수 있는 바와 같이 Ctot의 최대값은 Cel이 무한대일 때에 Csh가 되고, Cel이 유한의 값을 취하는 경우는, Ctot < Csh가 된다. 즉, Cel의 작용은 Ctot을 저하시켜 공진 주파수를 높게 하는 효과가 있는 것을 알 수 있다. 이것은 바꾸어 말하면 Csh나 Cel에 직렬로 정전용량이 낮은 콘덴서를 삽입함으로써 공진 주파수를 높게 하는 것이 가능한 것을 의미한다.

이 효과를 검토하기 위하여 도 5의 등가회로에서 C3 = 100 pF라 하였을 때의 시뮬레이션을 행하였다. 결과를 도 9에 나타낸다. 이온 쉬스의 정전용량에 의한 공진 주파수는 22 MHz까지 높아졌다. 그러나 6 MHz 부근에서도 공진이 보인다. 이것은 도 5의 L1 ∼ L4(1.7μH)와 부유용량 C1, C2(350 pF) 등에 의한 공진이다. 즉, 상기한 바와 같이 부유용량과 고주파 전송계의 인덕턴스에 의한 공진과, 이온 쉬스의 정전용량과 고주파 전송계의 인덕턴스에 의한 공진은 독립된 공진이며, 이들 2개의 공진 주파수를 각각 높게 하는 것이 필요하게 된다. 또 이들 인덕턴스나 부유용량은 도 5의 전력공급 케이블이나 전극 내부의 고주파 전송부에 유래하고 있고, 구조상 반드시 존재한다. 따라서 이온 쉬스의 정전용량을 외견상 작게 하는 것은 이들 고주파 전송로의 공진 주파수가, 사용하는 고주파보다 충분히 높을 때에만 효과가 있다고 할 수 있다.

그러나 도 9의 결과에는 중대한 단점이 있다. V1/V2비가 0.1 전후로 아주 낮은 것이다. 이것은 C3 = 100 pF로 함으로써 C3의 임피던스가 높아졌기 때문에, C3에 있어서의 전압강하를 무시할 수 없을 만큼 커지고 있기 때문이다. 또 이 전압 강하량은 플라즈마의 임피던스(쉬스의 정전용량을 포함한다)에 의해 변화되기 때문에, 측정 정밀도를 보증하는 것은 어렵다. 결과적으로 이 전압 효과량을 무시할 수 있게 하려고 하면 10000 pF라든가, 그 이상의 콘덴서를 접속하게 된다. 이 경우, 반대로 공진 주파수를 높이는 효과는 거의 없어진다.

이상 설명한 바와 같이 콘덴서를 직렬로 삽입하는 방법은, 다소의 효과는 기대할 수 있으나, 단점도 있어 효과적인 방법이라고는 할 수 없다. 여기까지 설명한 이온 쉬스에 의한 공진과 고주파 전송로의 공진으로, 공통되는 회로소자는 고주파 전송로의 인덕턴스이다. 이것을 작게 함으로써 모든 공진 주파수를 높게 할 수 있는 것을 기대할 수 있다.

이것을 검증하기 위하여 도 5에 있어서 모든 고주파 전송로의 인덕턴스를 1/4로 줄인 경우의 시뮬레이션을 행하였다. 이론상에서는 수학식 1로부터 공진 주파수가 2배가 되게 된다. 시뮬레이션의 결과를 도 10에 나타내나, 예상대로 공진 주파수는 도 6의 2배의 6.3 MHz가 되었다. 또 이 6.3 MHz 이하에는 공진은 전혀 보이지 않는다. 즉, 각 공진에 공통된 회로소자인 고주파 전송계의 인덕턴스를 저하시킴으로써, 문제가 되는 2개의 공진 주파수를 동시에 높게 할 수 있다.

이상에 의하여 얻어지는 결론·문제를 정리한다. 먼저 문제의 공진현상은 2개 있다. 1번째는 고주파 전송선로의 인덕턴스와 부유용량에 의하여 발생한다. 2번째는 고주파 전송선로의 인덕턴스와 이온 쉬스의 정전용량에서 발생한다. 이 원리에 의하여 공진현상 그 자체가 소멸하는 것은 있을 수 없다. 또 웨이퍼를 탑재하는 전극과 같이 전송선로의 인덕턴스와 직렬로 정전용량이 있는 경우, 이 정전용량도 공진 주파수의 결정에 강하게 관여한다. 이온 쉬스의 정전용량에 유래하는 공진 주파수에는 바이어스의 전압과 플라즈마 밀도에 강한 의존성이 있어 웨이퍼의 처리조건에 의하여 크게 변화된다. 또 전극 용사막의 정전용량도 관여하기 때문에 공진 주파수의 범위는 장치 고유의 범위를 취한다.

수학식 1로부터 이들 인덕턴스나 정전용량은, 당연 낮으면 낮을 수록 공진 주파수를 높게 하기 때문에 적합하게 된다. 바이어스로서 사용하는 고주파의 주파수가 이 공진 주파수의 근방에 있을 때는 측정점에 있어서의 전압 측정값은 실제로 웨이퍼에 발생하는 전압보다 동떨어진 값이 된다. 또 측정점의 전압과 웨이퍼 전압의 비율은 웨이퍼처리조건에 의해 바뀌어 일정한 값으로는 되지 않는다. 웨이퍼에 발생하는 전압을 등가회로에 의해 정량적으로 계산하는 것은 사실상 불가능하다. 위상과 전류측정에 관해서도 결론은 동일하다.

과거부터 현재에 이르기까지 반도체처리장치의 웨이퍼나 액정기판 등의 치수는 확대되어 왔다. 이것은 제조비용 저감을 위함이다. 이 경향은 기술의 발달에도 의존하나, 앞으로도 계속된다고 예상할 수 있다. 이와 같이 웨이퍼 등 기판의 치수, 즉 면적의 증대는 수학식 4에서 나타내는 바와 같이 쉬스의 정전용량을 증가시키기 때문에, 공진 주파수는 저하하게 된다. 따라서 본 발명에 의하여 제공되는 기술은 앞으로의 반도체제조에 있어서의 고주파 인가에 있어서 필수적인 기술이 된다.

본 발명의 목적은 상기 공진현상의 존재하이더라도 전압이나 위상의 측정을 임의의 목표로 하는 정밀도로 용이하게 설정 가능한 기술을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주된 특징은, 상부 또는 하부 전극과 전압 또는 위상을 검출하는 검출기와의 사이의 전송로(동축 선로)가, 실제의 분석·측정에 영향을 미치지 않는 공진 주파수를 발생시키는 인덕턴스(L), 정전용량(C)을 가지도록 구성하는 것이다.

또한 전압 또는 위상을 검출하는 검출기를 정합기로부터 분리하여 구비하고, 또한 상부 또는 하부 전극에 접속되어 있는 동축 선로에 직접 접속하도록 구성한 것이다.

상기한 바와 같이 공진은 없어지지 않는 것, 계산이나 교정에 의한 보정을 할 수 없는 것으로부터 과제의 해결방법은 측정대상의 전극(웨이퍼 등 플라즈마와 용량결합하는 전극)에 있어서의 전압이나 위상정보에 대하여 측정점에서의 전압이나 위상정보가 등가 또는 동질이도록 장치를 구성하는 것에 한정된다. 이와 같은 장치구성은 공진 주파수를 높게 하여 전압 등의 검출이 공진의 영향을 받지 않는 장치구성이다.

먼저, 공진 주파수를 가능한 한 높게 하는 것을 생각한다. 여기서 "최저 공진 주파수"라는 말을 기호 fL로 정의한다. 최저 공진 주파수는 어느 플라즈마처리장치와 그 장치의 사용조건의 범위에서 나타내는 가장 낮은 공진 주파수로 한다. 여기서 도 3a의 공진 주파수를 4 MHz로 하고, 가로축을 4 MHz에 대한 비율로 나타내면, 도 3b와 같이 된다. 여기서 예를 들면 전압 측정 정밀도 ± 5% 이내의 장치구성을 목적으로 한 경우를 생각한다. 도 3b로부터 전압 측정 정밀도 ± 5%를 만 족하는 조건(V1/V2이 0.95∼1.05)은, 주파수비가 0.5 이하인 것을 알 수 있다. 이것에 의하여 이 최저 공진 주파수는 사용하는 바이어스용 고주파(기호 fB라 한다)의 적어도 2배 이상이 되도록 장치를 구성할 필요가 있는 것을 알 수 있다. 이것에 의하여 전압이나 위상측정에 대한 공진현상의 영향을 무시할 수 있는 레벨 이하로 하는 것이 가능하게 된다. 이것을 수학식으로 표현하면,

이다. 수학식 1을 수학식 6에 대입하여 변형하면 공진을 발생시키는 인덕턴스와 정전용량에 대한 조건을 유도할 수 있어, 다음식과 같이 된다.

여기서 L은 전송로의 인덕턴스 등 공진을 일으키는 인덕턴스의 대표값, C는 공진에 관여하는 정전용량의 대표값으로, 고주파 전송경로의 부유용량, 또는 이온 쉬스의 정전용량(이온 쉬스의 정전용량에 직렬로 들어 가는 정전용량을 포함한다)이다.

상기한 바와 같이 공진 주파수를 결정하는 것은, 이온 쉬스의 정전용량, 고주파 전송선로의 인덕턴스 및 이 인덕턴스에 직렬에 들어 간 정전용량 및 부유용량이다. 이온 쉬스의 정전용량은 장치와 그 장치의 운전조건에 의존하여 결정하기 때문에 일반적으로는 제어 불가능한 파라미터가 된다. 또 전극 용사막의 정전용량 은 용사막 재료의 유전율과 막두께로 결정되나, 300 mm 웨이퍼를 대상으로 한 경우, 2000 ~ 50000 pF 정도가 된다. 단, 용사막의 정전용량은 웨이퍼의 흡착이나 제전방식이나 그것들의 성능, 나아가서는 내전압의 관점에서 자유롭게 제어할 수 있는 파라미터로는 되지 않는다. 부유용량에 대해서도 마찬가지이다.

용사막의 정전용량은, 그 임피던스에 의한 전압강하를 무시할 수 있도록, 가능한 한 큰 쪽이 바람직하다. 용사막의 정전용량은 고주파 전송로에 직렬에 삽입되기 때문에, 공진 주파수를 내리는 효과는 없다. 따라서 이것을 작게 하여 공진 주파수를 올려, 다른 단점이 생기는 것보다 단점이 없는 상태로 하여 두는 쪽이 바람직하기 때문이다. 또 전극과 어스 사이의 부유용량은, 전송선로에 기인한 공진 주파수가 높아지도록 가능한 한 작은 쪽이 바람직하다.

상기한 바와 같이 공진의 영향을 회피하기 위해서는 측정대상의 전극(웨이퍼 등 플라즈마와 용량 결합하는 전극)에 있어서의 전압이나 위상정보에 대하여, 측정점에서의 전압이나 위상정보가 등가 또는 동질이 될 필요가 있다. 즉, 공진 주파수를 높게 할 필요가 있는 것은, 어디까지나 측정점과 대상이 되는 전극의 사이뿐인 것이 중요하다. 고주파 전원으로부터 정합기를 통하여 전극에 이르는 모든 고주파 전송로에 있어서의 공진의 유무는, 다른 문제가 있으나 본 기술에 관한 한 중요하지 않다.

이상에 의하여 과제를 해결하는 1번째 수단은, 측정점(Vpp 검출기 또는 위상검출기)과 측정대상의 전극과의 사이의 인덕턴스를, 수학식 6을 만족하도록 저하시키는 것이다. 도 6의 결과에 대하여 인덕턴스를 1/4로 줄임으로써 도 10의 결과를 얻을 수 있기 때문에, 이 방법으로 효과가 얻어지는 것을 알 수 있다. 이것을 실현하는 수단은 2개 있다. 하나는 실제의 고주파 전송로의 인덕턴스를 저하시키는 것. 이것에는 고주파 전송로를 단지 짧게 하는 것과, 고주파 전송로의 구조 자체를 낮은 인덕턴스의 구조로 변경하는 것을 포함하고 있다. 또 하나는 측정점을 측정대상의 전극에 근접시키는 것이다. 이것은 고주파 전송로를 짧게 하는 것과 등가이다. 이 2개의 기술을 단독으로 사용할 수도 있으나, 조합시킴으로써 보다 크게 공진 주파수를 높게 할 수 있다.

고주파 전송로를 짧게 하는 것을 생각한다. 예를 들면 도 5에 있어서 전력공급 케이블과 전극내의 고주파 전송부의 길이를 1/2로 함으로써 공진 주파수를 1.4배 근처까지 높게 할 수 있다. 그러나 전력공급 케이블을 짧게 하는 것은, 반도체제조장치를 사용할 때의 정합기의 배치(레이아웃)에 크게 영향을 준다. 또 전극내의 고주파 전송부를 짧게 하면 전극의 기능(예를 들면, 전극을 상하로 가동할 수 있는 기능을 가지고 있었다고 하면, 상하의 가동범위가 작아진다)에 영향을 미친다. 따라서 고주파 전송로를 짧게 하는 것에는 한계가 있다. 이 방법으로 충분히 공진 주파수가 높아지지 않는 경우는, 상기한 바와 같이 다른 공진 주파수를 높게 하는 기술을 병용할 필요가 있다.

이상 설명한 내용을 기초로 하여 공진 주파수를 높게 하는 구체적인 방법을 설명한다. 여기서는 도 4, 도 6의 결과를 재현하는 간단한 공진모델을 작성하여 이론적으로 최적해를 구한다. 이 때문에 도 2와 도 5에 나타낸 전력공급 케이블과 전극내의 고주파 전송부를 하나의 고주파 전송경로로 대표시킨다.

고주파 전송로는 대전력을 전송하기 때문에 중심 도체의 주위를 시일드하는 구조가 필요하게 된다. 가장 일반적인 구조가 도 11에 나타내는 동축 구조이다. 내도체[반경(a), 비투자율(μ1)]에 고주파 전력이 흘러 접지한 외도체[내경(b), 외경(c), 비투자율(μ2)]로 둘러 싸여 있다. 단, a < b < c 이다. 이 외도체에는 고주파의 리턴전류가 흐른다. 따라서 내도체와 외도체의 전류값은 동일하고, 흐르는 방향이 반대이다. 내도체와 외도체의 사이는 비투자율(μ0), 비유전률(ε)의 유전물질(기체·액체·고체 또는 진공이어도 상관없다)로 충전되어 있다.

도 11의 동축 구조의 길이를 l이라 하면 동축 구조의 인덕턴스(lnduct)는 다음식으로 주어진다.

이 수학식 7로부터 중요한 결론이 얻어진다. 즉, 인덕턴스를 최소로 하기 위해서는 도 11에서 나타낸 비투자율(μ0, μ1,μ2)은 모두 1이 아니면 안되는 것이다. 즉, 내도체, 외도체는 비자성체의 전기전도성 물질이 아니면 안된다. 유전물질도 비자성체가 아니면 안된다.

다음에 내도체와 외도체 사이의 정전용량(Cap)을 구한다. 이것은 다음식으로 주어진다.

이 수학식 8로부터도 중요한 결론이 얻어진다. 즉, 동축 구조의 중간부에 있는 유전체의 비유전률은 가능한 한 작게 할 필요가 있다. 가능하면 비유전률이 1인 상태(즉 진공층 또는 가스층)가 바람직하다. 예를 들면 내전압을 올린다는 관점에서 어떠한 액체 또는 고체를 충전하는 것이면 비유전률이 9인 알루미나보다 비유전율이 3인 석영의 쪽이 바람직하고, 또한 비유전률이 2.5 전후의 플루오로카본(fluorocarbon)재의 액체나 고체를 충전하는 쪽이 바람직하다는 것이 된다. 당연 사이에 진공이나 가스층을 포함한 하이브리드구조로 하여 유전율을 더욱 내리는 것은 유효한 수단이 된다. 이와 같은 하이브리드구조의 일례로서는 내도체의 외면과, 외도체의 내면을 내전압을 확보하는 데 충분한 두께의 테프론 코팅(Teflon coating)을 실시하여 외도체와 내도체의 사이에 진공(또는 가스)층을 설치하는 것이다.

도 11에서 생각한 동축구조의 한쪽 끝에 고주파 전원의 정합기가 설치되고, 정합기 출구에 전압이나 위상의 검출기가 있다고 한다. 그리고 동축 구조의 반대측의 한쪽 끝에 플라즈마와 용량 결합하는 전극이 설치되는 것으로 한다. 통상 이와 같은 전극은 면적이 큰 평판인 것이 많고, 이 전극 내에는 인덕턴스성분은 없는 것으로 한다. 그러나 구조상, 이와 같은 전극은 주위가 접지된 도체로 둘러 싸이 는 것이 많고, 이 전극과 접지도체와의 사이의 부유용량(Cs)을 구할 필요가 있다. 간단한 구조이면 수계산으로 부유용량을 산출할 수 있다. 복잡한 구조의 것은 측정하거나, 시판되는 전자장 시뮬레이션 소프트를 사용하면 산출할 수 있다. 여기서는 이 부유용량(Cs)의 산출방법은 생략한다.

이상에 의하여 고주파 전송로의 인덕턴스와 부유용량에 의한 공진 주파수(Reso_Line)는 수학식 1을 재기록함으로써 다음식으로 주어진다.

여기서 l = 3.3 m, a = 2 mm, b = 18.5 mm, c = 22 mm, Cs = 700 pF, ε= 2.5라 하면, Induct = 1.7μH, Cap = 206 pF가 되고, Reso_Line = 4.1 MHz가 얻어져, 도 3a 및 도 4의 결과를 재현할 수 있다.

또한 이온 쉬스의 정전용량 Csh = 2000 pF, 전극헤드의 정전용량 Cel = 7500 pF라 하면, 이온 쉬스의 정전용량에 의한 공진 주파수(Reso_sh)는 수학식 5를 사용하고, 다음식에 의하여 Reso_sh = 3.1 MHz가 되어, 도 6의 결과를 재현할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 도 3a나 도 7의 실험결과는, 등가회로 시뮬레이션 뿐만 아니라, 수학식 9, 수학식 10의 이론식으로도 해석할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서 동축관의 형상 파라미터인 a, c, l을 사용하여, 최적형상을 구하는 방법을 설명한다.

먼저, a = 15 mm, b = 18.5 mm, l = 3.3 m 이라 하고, c 의존성을 조사한다. 결과를 도 12에 나타내나, c의 증가에 따라 공진 주파수는 단순 감소하는 결과가 되었다. 이것은 중심 도체를 지나는 전류에 대하여 리턴전류가 외도체를 지나기 때문에 생기는 현상이다. 즉, 각각의 전류에 의한 누설자속이 서로 상쇄되어 동축 구조 전체의 누설자속, 즉 인덕턴스가 결정되나, c가 a보다 멀어지면 누설자속의 상쇄가 적어지고, 결과로서 인덕턴스가 증가한다는 현상이다. 따라서 외도체는 설계상 허락되는 범위내에서 가능한 한 얇은 쪽이 좋다는 결론이 얻어진다.

다음에, b = 18.5 mm, c = 22 mm, l = 3.3 m 라 하고, a 의존성을 조사한다. 결과를 도 13에 나타낸다. 내도체의 반경(a)이 커지면, 수학식 7에 의하여 동축 구조의 인덕턴스는 단순 감소한다. 이 때문에, 수학식 10에서 주어지는 이온 쉬스의 정전용량에 의한 공진 주파수(Reso-sh)는, 단조롭게 증가한다. 그러나 수학식 8의 동축 구조의 정전용량은, a가 커지면 증가한다. 수학식 9에서 주어지는 고주파 전송로의 인덕턴스와 부유용량에 의한 공진 주파수(Reso_Line)는 감소하는 Induct와 증가하는 Cap의 곱으로 결정되나, a가 커지면 Cap의 증가비율이 Induct의 감소비율을 상회하게 되기 때문에, 결과로서 Reso_Line는 최대값을 가지게 된다. 여기서 수학식 6에서 사용한 최저 공진 주파수(fL)는 다음식으로 정의할 수 있다.

또한, min(x, y)이라는 표현은, 「x와 y 중의 작은 쪽」이라는 수학표현이다. 이 정의를 사용하면 도 13의 최적해는 fL을 최대로 하는 a라는 것이 된다. 도 13은 a의 의존성을 조사한 예이나, b, c, l 등에의 의존성도 생각하면, 도 11의 최적구조는 어느 유한의 l에 대하여 수학식 11을 최대로 하는 a, b, c의 조합이라는 것이 된다.

여기서, 도 13의 최적해를 유도한다. 도 13에 기입한 A, B, C, D의 4점을 검토한다. B점은(a = 10.975 mm)이고, Reso_Line과 Reso_sh의 교점이다. A점은 B점보다 a가 작은 장소이고, 여기서는 a = 10.0 mm로 한다. C점은 Reso_Line의 최대값을 주는 장소에서, 오차의 범위에서 a가 가장 큰 곳(a = 11.9 mm)이다. D점은 C점보다 a가 큰 장소이고, 여기서는 a = 13.0 mm로 한다. 이 4점에서 각각 fL을 계산하면 다음과 같이 된다.

A 점에서는 : fL = min(5.348 MHz, 5.118 MHz) = 5.118 MHz

B 점에서는 : fL = min(5.395 MHz, 5.395 MHz) = 5.395 MHz

C 점에서는 : fL = min(5.408 MHz, 5.677 MHz) = 5.408 MHz

D 점에서는 : fL = min(5.368 MHz, 6.043 MHz) = 5.368 MHz

이상에 의하여 도면에 있어서의 C점이 최적해이고, a = 11.9 mm, fL = 5.408 MHz가 된다.

고주파 전송계를 짧게 하는 것은, 장치의 레이아웃이나 기능의 관계로, 큰 효과가 얻어지기 어려운 것은 이미 설명하였다. 일반적으로 전압이나 위상의 검출회로는 고주파 전원의 제어계와도 관여하기 때문에, 정합기에 내장된다. 그러나 이 검출 회로를 정합기와 분리하여 적절한 위치에 설치함으로써 고주파 전송계를 짧게 하는 것과 동일한 효과가 얻어진다. 이 블럭도를 도 14에 나타낸다. 도 5와 비교하면 알 수 있는 바와 같이 검출기를 전극과 전력공급 케이블 사이에 설치한다. 이 방법의 장점은 공진을 고려하는 데에 있어서, 전력공급 케이블의 L1, L2, C1을 고려할 필요가 없어진다는 것이다. 또 이 방법은 도 15에 나타내는 바와 같이 검출기를 내장한 정합기를 직접 전극에 접속하는 것과, 기능적으로 같다. 단, 정합기를 전극에 직결하는 것은, 정합기가 비교적 작고, 전극 하부에 정합기를 설치할 만큼의 공간이 있는 경우에 한정된다. 따라서 도 15의 방법은 일반적인 방법이라고는 할 수 없다.

극단적인 경우, 도 16에 나타내는 바와 같이 검출기를 전극 내부에 내장한다는 것도 생각할 수 있다. 도 16의 방법에서는 검출부와 전극의 사이에 인덕턴스가 없기 때문에, 본질적으로 공진현상 그 자체의 영향을 벗어날 수 있다. 그러나 이 방법은 몇가지 문제가 있어, 결과적으로 신뢰성 등에 문제가 남는다. 이들 문제란, ① 사용하는 전기부품(저항, 콘덴서, 코일, 다이오드 등)은 대기중에서 사용되는 것이 전제이고, 진공중인 사용에서는 성능 보증되지 않는 것, ② 전기부품으로부터의 발열은 피할 수 없으나, 진공 중에서는 대부분 열이 달아나지 않기 때문에 연속 사용할 수 없다. 또는 방열을 위한 특수한 구조가 필요하게 되어, 결과적으로 장치 원가가 올라간다. ③ 부식성 가스에 의한 부품의 열화가 생길 가능성이 높다. ④ 막 퇴적이 생기는 경우, 회로동작에 영향을 미칠 가능성이 높다. ⑤ 플라즈마생성용 고주파의 흘러 듦에 의하여 회로에 손상이 생길 가능성이 높다. ⑥ 마찬가지로 플라즈마생성용 고주파의 흘러 듦에 의하여 회로 주변에서 플라즈마가 발생하여 회로가 손상되거나 회로동작에 영향을 미칠 가능성이 높은 등이다. 이들 모든 문제는 해결 불가능한 문제는 아니나, 매우 고가의 장치가 되거나, 또 신뢰성에 문제가 남게 될 지도 모른다. 도 14와 같이 작은 검출기를 전극의 대기측에 장착함으로써 문제가 해결되면 일부러 큰 단점을 안고 진공 중에 검출부를 설치해야만 하는 것은 아니다. 이 의미에서 도 14의 방법은 아주 현실적인 해결방법이라고 할 수 있다.

도 14의 구성을 염두로, 먼저 a = 11.9 mm, b = 18.5 mm, c = 22 mm라 하고, l 의존성을 조사한다. 결과를 도 17에 나타낸다. l를 작게 함으로써 공진 주파수를 아주 높게 할 수 있는 것을 알 수 있다. 이온 쉬스에 의한 공진 주파수(Reso_sh)는, 수학식 7에 의한 인덕턴스의 저하로 공진 주파수가 높아진다. 그러나 고주파 전송계의 공진 주파수(Reso_Line)는, 수학식 8의 정전용량과 수학식 7의 인덕턴스가 동시에 감소하기 때문에, 공진 주파수가 급격하게 높아진다. 당연, 수학식 7 ∼ 10에 의하여 l → 0일 때, Reso_Line → ∞, Reso_sh → ∞ 이다.

이상에 의하여 l를 작게 함으로써 공진 주파수를 급격하게 높게 할 수 있는 것을 알 수 있다. 그래서 현실적인 전극 하부의 고주파 전송계의 길이(l)를 0.5 m라 하였을 때, 공진 주파수의 a 의존성을 도 18에 나타낸다. 도 13의 결과와 비교하면 공진 주파수가 2 ∼ 4배로 되어 있는 것, a의 최적값이 다른 것을 알 수 있 다. 여기서 도 13의 경우와 마찬가지로 도 18의 최적해를 유도한다. 도 18에 기입한 A, B, C, D의 4점을 검토한다. B 점은 (a = 15.51 mm)에서 Reso_Line의 최대값을 주는 장소이다. A 점은 B 점보다 a가 작은 장소에서, 여기서는 a = 15.0 mm로 한다. C 점은, Reso_Line과 Reso_sh의 교점(a = 17.093 mm)이다. D 점은 C 점보다 a가 큰 장소에서, 여기서는 a = 18.α mm로 한다. 이 4점에서 각각 fL을 계산하면 다음과 같이 된다.

A 점에서는 : fL = min(20.676 MHz, 17.521 MHz) = 17.521 MHz

B 점에서는 : fL = min(21.752 MHz, 18.11 MHz) = 18.11 MHz

C 점에서는 : fL = min(20.23 MHz, 20.23 MHz) = 20.23 MHz

D 점에서는 : fL = min(15.162 MHz, 21.713 MHz) = 15.162 MHz

이상에 의하여 도면에 있어서의 C 점이 최적해이고, a = 17.093 mm, fL = 20.23 MHz가 된다. 또 Cap = 879 pF, Induct = 0.039μH 이다. 여기서 주의가 필요한 것은 도 18의 경우 최적해는 Reso_Line과 Reso_sh의 교점이었으나, 도 13의 경우는 교점 이외의 장소이었던 것이다. 여기서는 예로서 b, c, l에 어떠한 제약이 있다는 가정하에서 a만의 최적화를 행하였다.

원래 최적해는 어느 유한의 l에 대하여 수학식 11을 최대로 하는 a, b, c의 조합으로 구하지 않으면 안된다. 당연하나 a, b, c에는 공진 주파수 이외에 재료 강도적으로 충분한 등의 구조면이나 내전압 등의 전기적인 면 등, 다른 조건으로부터 결정되는 제약이 붙는 것이 일반적이다. 예를 들면 구조체로서 충분한 강도를 갖게 하는 경우는, c-b는 재질이 스테인리스강의 경우 5 mm 이상이 아니면 안된다 든가, 내전압을 위해서는 b-a는 5 mm 이상이 아니면 안된다는 조건이다. 여기서 말하는 a, b, c의 조합은, 이와 같은 다른 조건으로부터의 제약도 포함한 최적의 a, b, c가 아니면 안된다. 예를 들면, l = 0.5 m, 2 mm < a < b < c < 100 mm, b-a ≥ 5 mm, c-b ≥ 5 mm에서 최적화를 행하면, 수학식 9의 Reso_Line를 최대로 하는 a, b, c의 조합으로서 a = 80.709 mm, b = 95 mm, c = 100 mm를 얻는다. 또 수학식 10의 Reso_sh를 최대로 하는 조합으로서 a = 90 mm, b = 95 mm, c = 100 mm를 얻는다. b, c가 이와 같은 값이 되는 것은, ① 도 12의 결과가 나타내는 바와 같이 외도체가 얇은 쪽이, 공진 주파수가 높아지는 것, ② 수학식 7이 나타내는 바와 같이 a, b, c의 절대값이 클 수록 인덕턴스가 작아지기 때문이다. 어떠한 경우에도 b, c는 반드시 이와 같은 성질을 가진다. 이 결과, 이 최적화는 a의 최적화와 같아진다. 도 19에 나타내는 바와 같이 최적해는 Reso_Line과 Reso_sh의 교점으로부터 얻어지고, a = 87.773 mm, fL = 21.512 MHz가 된다. 이상으로 최적화가 완료되게 된다.

따라서 실제로 플라즈마발생조건을 바꾸었을 때의 공진 주파수를 확인한다. 이 때문에 a = 17.1 mm, b = 18.5 mm, c = 22 mm, l = 0.5 m라 하고, Cap = 879 pF, Induct = 0.039 μH, 전극의 부유용량을 700 pF, 용사막의 정전용량을 7500 pF라 하였을 때의, 공진 주파수의 쉬스의 정전용량(Csh) 의존성을 조사한다. 결과를 도 20에 나타낸다. 변화되는 것은 Csh뿐이기 때문에, Reso_sh만이, Csh의 증가와 함께 감소한다. Csh = 10000 pF의 조건에서도 Reso_sh는 12 MHz 정도로 수습되어 있다. 이 모양을 회로 시뮬레이션한 결과를 도 21(Csh = 2000 pF)과 도 22(Csh = 10000 pF)에 나타낸다. 해석결과인 도 20과 대략 동일한 공진 주파수를 재현하고 있는 것을 알 수 있다. 이 결과의 경우, 전극에 인가하는 고주파의 주파수로서는 최대 5∼6 MHz까지가 사용 가능하다.

이상에 의하여 동축 모델을 사용하여 고주파 전송계의 최적화가 가능한 것을 알 수 있다. 실제의 전극의 고주파 전송계가 완전한 원통형의 동축 구조가 아니더라도 본 모델이 사용 가능하다. 문제가 되는 것은, 지금까지 취급한 파라미터, 즉 고주파 전송계의 인덕턴스와 부유용량, 전극의 부유용량과 전극 용사막의 정전용량(필요한 경우)이다. 예를 들면, 본 모델을 사용하여 필요한 고주파 전송계의 인덕턴스와 부유용량을 산출하여, 실제의 전극의 고주파 전송계의 인덕턴스와 부유용량을 시판의 전자장 해석 소프트로 해석하여 주면 된다. 이와 같은 방법을 채용함으로써 예를 들면 직사각형의 동축 구조이어도 최적화 설계가 가능하다.

이상 설명한 최적화 설계법을 실시한 제 1 예를 이하에 나타낸다. 도 23은 본 발명에서 사용한 에칭챔버의 종단도면이다. 본 실시예는 VHF(Very High Frequency)와 자계를 이용하여 플라즈마를 형성하는 VHF 플라즈마 에칭장치의 일례이다. 진공용기(101)에는 원통형상의 처리용기(104)와, 알루미늄, 니켈 등의 도전체로 이루어지는 평판형상의 안테나 전극(103)과, 전자파를 투과 가능한 석영, 사파이어 로 이루어지는 유전체 창(102)으로 구성되는 상부 개구부가, O - 링 등의 진공 시일재(127)를 거쳐 기밀하게 탑재되고, 내부에 처리실(105)을 형성하고 있다. 처리용기(104)의 바깥 둘레부에는 처리실을 둘러 싸고 자장발생용 코일(114)이 설치되어 있다. 안테나 전극(103)은 에칭가스를 흘리기 위한 다공구조로 되어 있다. CF4, C4 F6, C4F8, C5F8, CHF3, CH2F2 등의 프론가스, Ar, N2 등의 불활성가스, O2, CO 등의 산화함유가스는 가스공급장치(107)에 내설한 MFC(mass-flow controller)로 이루어지는 유량 조정수단(도시 생략)으로 제어하고, 상기 가스공급장치(107)를 거쳐 처리실(105) 내로 도입한다. 또 진공용기(101)에는 진공배기장치(106)가 접속되고, 상기 진공배기장치(106)에 내설한 TMP(turbo-molecular pump)로 이루어지는 진공배기수단(도시 생략)과 APC(auto process control)로 이루어지는 압력 조절수단(도시 생략)에 의하여 처리실(105) 내를 소정 압력으로 유지한다. 안테나 전극(103) 상부에는 동축 선로(111)가 설치되고, 동축 선로(111), 동축 도파관(125), 정합기(109)를 거쳐 플라즈마생성용 고주파 전원(제 1 고주파 전원)(108)(예를 들면, 주파수 200 MHz)이 접속되어 있다. 진공용기(101) 내의 하부에는 웨이퍼(116)를 배치 가능한 기판 전극(115)이 설치되어 있다. 이 기판 전극(115)에는 안테나 전극(103)과 마찬가지로 동축 선로(151)가 설치되고, 동축 선로(151), 동축 도파관(152), 전력공급 케이블(153), 정합기(118)를 거쳐 웨이퍼 바이어스전원(제 2 고주파 전원)(119)(예를 들면, 주파수 4 MHz)가 접속되어 있다. 정합기(118)에는 웨이퍼의 전압 측정회로(154)가 내장되어 있다. 동축 선로(151), 동축 도파관(152)은 예를 들면 도 2의 전극의 고주파 전송부 이고, 진공 중에 있다. 또 전력공급 케이블(153)은 대기측에 있다. 기판 전극(115)에는 웨이퍼(116)를 정전흡착시키기 위한 정전척 기능을 겸비하고, 매설한 정전척 전극(124)에 정전척 전원(123)이 필터(122)를 거쳐 접속되어 있다. 여기서 필터(122)는 정전척 전원(123)으로부터의 DC전력을 통과시켜 고주파 전원(108), 웨이퍼 바이어스전원 (119)으로부터의 전력을 효과적으로 차단한다.

도 23의 장치구성으로, 웨이퍼(116)에 발생한 전압과 전압 측정회로(154)에서 측정한 전압의 사이에, 공진의 영향을 볼 수 있었다. 그곳에서 상기 최적화 설계법을 사용하여 동축 선로(151), 동축 도파관(152)을 최적화함과 동시에, 도 24에 나타내는 바와 같이 전압 측정회로(154)를 정합기(118)로부터 분리 독립시켜, 동축 선로(151)의 바로 밑의 대기측에 설치하였다. 도 23의 최적화 전의 구성과, 도 24의 최적화 후의 구성에서 각각 웨이퍼 전압을 직접 측정한 값과 전압 검출기의 출력을 비교한 결과를 도 25에 나타낸다. 웨이퍼 바이어스의 주파수는 4 MHz를 사용하였다. 최적화 전은, 최저 공진 주파수가 웨이퍼 바이어스의 주파수보다 낮았기 때문에, 웨이퍼 바이어스전력의존성이 크게 변화되어 있었다. 최적화 후는, 목표의 전압 측정 정밀도 ± 5%, 즉 전압비가 1±0.05의 범위에 수습되었다. 이에 의하여 최적화의 효과를 확인할 수 있었다.

다음에 이상 설명한 최적화 설계법을 실시한 제 2 예를 이하에 나타낸다. 도 26은 본 발명에서 사용한 에칭챔버의 종단도면이다. 도 23과의 차이는 안테나 전극(103)에 정합기(109)를 통하여 플라즈마생성용 고주파 전원(제 1 고주파 전원)(108)(예를 들면 주파수 200 MHz)이 접속되어 있음과 동시에, 정합기(112)를 통하여 안테나 바이어스용 제 3 고주파 전원(113)이 접속되어 있는 것이다. 안테나 바이어스전원(113)과 웨이퍼 바이어스전원(1190은 위상 컨트롤부(120)에 접속되어 있고, 안테나 바이어스전원(113) 및 웨이퍼 바이어스전원(119)으로부터 출력되는 고주파의 위상을 제어 가능하게 되어 있다. 이 경우 안테나 바이어스전원(113)과 웨 이퍼 바이어스전원(119)의 주파수는 동일 주파수(예를 들면 4 MHz)로 하였다. 이 시스템은 안테나 전극(103)에 나타나는 안테나 바이어스용 고주파의 위상과 웨이퍼(116)에 나타나는 웨이퍼 바이어스용 고주파의 위상차(예를 들면 180°)를 제어하여 안테나 전극(103) 및 웨이퍼(116)에 효과적으로 바이어스를 인가할 수 있는 시스템으로 되어 있다. 이 때문에 안테나 전극(103)의 위상을 검출하는 검출기(156)는, 안테나 바이어스용 정합기(112)에 내장되어 있다. 또 웨이퍼(116)의 위상을 검출하는 검출기(155)는 웨이퍼 바이어스용 정합기(118)에 내장되어 있다. 이들 2개의 위상 검출기(155 및 156)로 부터 얻어진 위상을 비교하여 미리 결정된 위상차가 발생하도록 위상 컨트롤부(120)는 2개의 고주파 전원(113 및 119)에 보내는 고주파의 위상차를 결정한다. 또 제어의 신뢰성을 올리기 위하여 정합기(109)는 고주파 전원(113)의 주파수를 커트하는 필터(110)를 내장하고 있다. 마찬가지로 정합기(112)는 고주파 전원(108)의 주파수를 커트하는 필터(121)를 내장하고 있다. 2개의 정합기(109 및 112)의 출력은, 동축 케이블(157)을 사용하여 합성되고, 안테나 전극의 고주파 전송계인 동축 구조(111)에 접속되어 있다.

도 26의 구성에 있어서, 공진의 영향이 나타나고, 웨이퍼(116)에 발생하는 고주파의 위상과 웨이퍼 바이어스의 위상 검출기(155)의 위상과의 위상차가, 웨이퍼 바이어스 전원(119)의 출력에 의하여 크게 변화되는 일이 발생하였다. 또 안테나 전극(103)에 발생하는 고주파의 위상과 안테나 바이어스의 위상 검출기(156)의 위상과의 위상차가, 안테나 바이어스 전원(113)의 출력에 의하여 크게 변화되는 것이 발생하였다. 웨이퍼 바이어스의 위상 검출부(155)에서의 공진의 영향은 상기한 바와 같이 웨이퍼(116)에 발생한 이온 쉬스 및 고주파 전송로(151, 152, 153)에 의해 발생하고 있다. 그러나 안테나 바이어스의 위상 검출부(156)에서의 공진의 영향은, 안테나 전극(103)에 발생한 이온 쉬스 및 고주파 전송로(111, 125, 157)에 의해 발생하고 있다. 따라서 이들 2개의 공진은 다른 것으로, 따로 따로 대책할 필요가 있다.

따라서 웨이퍼 바이어스에 관해서는 도 23 부터 도 24에의 최적화와 동일하게 상기 최적화 설계법을 사용하여 동축 선로(151), 동축 도파관(152)을 최적화함과 동시에, 도 27에 나타내는 바와 같이 위상 측정회로(155)를 정합기(118)로부터 분리 독립시켜 동축 선로(151)의 바로 밑의 대기측에 설치하였다. 또 안테나 전극에 관해서도 상기 최적화 설계법을 사용하여 동축 선로(111), 동축 도파관(125)을 최적화함과 동시에, 도 27에 나타내는 바와 같이 위상 측정회로(156)를 정합기(112)로부터 분리독립시켜 동축 선로(111)의 바로 위의 대기측에 설치하였다. 최적화의 효과를 확인하기 위하여 도 26의 최적화 전의 구성과, 도 27의 최적화 후의 구성에서 웨이퍼(116)에 발생하는 고주파의 위상과, 위상 측정회로(155)에서의 위상과의 위상차를 측정하였다. 결과를 도 28에 나타낸다. 최적화 전은, 웨이퍼 바이어스의 전력이 저하하면 위상차가 커져 있었다. 최적화 후는, 위상차가 0± 5°의 범위에 수습되었다. 이에 의하여 최적화의 효과를 확인할 수 있었다.

이상 상세하게 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 이온 쉬스와 고주파 전송선로에 기인하는 공진 주파수를 높게 하도록 고주파 전송로와 전압이나 위상의 검 출 회로를 최적화할 수 있다. 이에 의하여 고주파 전압과 위상을 정확하게 검출할 수 있다. 또 플라즈마처리장치의 동작을 최적의 상태에서 안정되게 운전하는 것이 가능하게 된다.

Claims (11)

1. 플라즈마처리장치에 있어서,

   진공용기와,

   상기 진공용기내에 설치되어 시료를 탑재하는 하부 전극과,

   상기 하부 전극에 대향하는 위치에 설치되는 상부 전극과,

   상기 하부 전극에 접속되는 제 1 정합기와,

   상기 제 1 정합기를 거쳐 상기 하부 전극에 전력을 공급하는 제 1 전원과,

   상기 상부 전극에 접속되는 제 2 정합기와,

   상기 제 2 정합기를 거쳐 상기 상부 전극에 전력을 공급하는 제 2 전원과,

   상기 제 1 정합기 내부 또는 근방에 설치된 전압 또는 위상을 검출하는 제 1 검출기와,

   상기 제 2 정합기 내부 또는 근방에 설치된 전압 또는 위상을 검출하는 제 2 검출기를 구비하고,

   상기 제 1 검출기와 상기 하부 전극 사이의 전송로, 또는 상기 제 2 검출기와 상기 상부 전극 사이의 전송로는, 하기식을 만족하도록 구성되고,

   

   여기서, L은 전송로의 인덕턴스 등, 공진을 일으키는 인덕턴스의 대표값, C는 전송로의 부유용량이나 플라즈마 이온 쉬스의 부유용량 등, 공진을 일으키는 정 전용량의 대표값, fB는 상기 상부 전극 또는 하부 전극에 인가되는 고주파 바이어스 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전송로는, 내도체 선로의 주위에 외도체 선로가 형성되는 동축 선로이고, 상기 내도체 선로 및 상기 외도체 선로는, 비자성체의 전기전도성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 내도체 선로와 상기 외도체 선로 사이는, 비유전률이 낮은 상태로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 내도체 선로와 상기 외도체 선로 사이는, 진공 또는 가스가 충전되는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 내도체 선로의 바깥쪽과, 상기 외도체 선로의 안쪽 면에, 테프론코팅을 실시하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
6. 플라즈마처리장치에 있어서,

   진공용기와,

   상기 진공용기내에 설치되어 시료를 탑재하는 하부 전극과,

   상기 하부 전극에 대향하는 위치에 설치되는 상부 전극과,

   상기 하부 전극에 접속되는 제 1 정합기와,

   상기 제 1 정합기를 거쳐 상기 하부 전극에 전력을 공급하는 제 1 전원과,

   상기 상부 전극에 접속되는 제 2 정합기와,

   상기 제 2 정합기를 거쳐 상기 상부 전극에 전력을 공급하는 제 2 전원과,

   상기 제 1 정합기 내부 또는 근방에 설치된 전압 또는 위상을 검출하는 제 1 검출기와,

   상기 제 2 정합기 내부 또는 근방에 설치된 전압 또는 위상을 검출하는 제 2 검출기를 구비하고,

   상기 제 1 검출기와 상기 하부 전극 사이의 전송로, 또는 상기 제 2 검출기와 상기 상부 전극 사이의 전송로는, 내도체 선로의 주위에 외도체 선로가 형성되는 동축 선로이고,

   또한 상기 전송로의 상기 내도체 선로의 내경, 상기 외도체 선로의 내경, 상기 외도체 선로의 외경은, 하기식으로 나타내는 최저 공진 주파수(fL)가 최대가 되도록 구성되고,

   

   여기서

   

   

   Cs는 상기 상부 전극 또는 하부 전극의 부유용량,

   Cap는 상기 내도체 선로와 외도체 선로 사이의 정전용량으로서 하기식으로 나타내고,

   

   l은, 상기 전송로의 길이,

   Induct는 상기 전송로의 인덕턴스로서, 하기식으로 나타내고,

   

   μ1은 상기 내도체 선로의 비투자율,

   μ2는 상기 외도체 선로의 비투자율,

   Ctot는 상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극의 정전용량(Cel)과 이온 쉬스의 정전용량(Csh)의 합성값으로서, 하기식으로 나타내는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.

   
7. 제 6항에 있어서,

   상기 내도체 선로 및 상기 외도체 선로는, 비자성체의 전기전도성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
8. 플라즈마처리장치에 있어서,

   진공용기와,

   상기 진공용기내에 설치되어 시료를 탑재하는 하부 전극과,

   상기 하부 전극에 대향하는 위치에 설치되는 상부 전극과,

   상기 하부 전극에 접속되는 제 1 정합기와,

   상기 제 1 정합기를 거쳐 상기 하부 전극에 전력을 공급하는 제 1 전원과,

   상기 상부 전극에 접속되는 제 2 정합기와,

   상기 제 2 정합기를 거쳐 상기 상부 전극에 전력을 공급하는 제 2 전원과,

   상기 제 1 정합기 내부 또는 근방에 설치된 전압 또는 위상을 검출하는 제 1 검출기와,

   상기 제 2 정합기 내부 또는 근방에 설치된 전압 또는 위상을 검출하는 제 2 검출기와,

   상기 하부 전극에 상기 제 1 정합기로부터의 전력을 전달하고, 또한 상기 진 공용기 내로부터 진공용기 밖의 대기압하까지 연장하여 설치된 동축 선로와,

   상기 제 1 정합기와는 분리하여 설치되고, 또한 상기 동축 선로의 대기압측에 접속된 전압 또는 위상을 검출하는 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 동축 선로는, 내도체 선로의 주위에 외도체 선로가 형성되는 동축 선로 이고, 상기 내도체 선로 및 상기 외도체 선로는, 비자성체의 전기전송성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
10. 플라즈마처리장치에 있어서,

    진공용기와,

    상기 진공용기 내에 설치되어 시료를 탑재하는 하부 전극과,

    상기 하부 전극에 대향하는 위치에 설치되는 상부 전극과,

    상기 하부 전극에 접속되는 제 1 정합기와,

    상기 제 1 정합기를 거쳐 상기 하부 전극에 전력을 공급하는 제 1 전원과,

    상기 상부 전극에 접속되는 제 2 정합기와,

    상기 제 2 정합기를 거쳐 상기 상부 전극에 전력을 공급하는 제 2 전원과,

    상기 제 1 정합기 내부 또는 근방에 설치된 전압 또는 위상을 검출하는 제 1 검출기와,

    상기 제 2 정합기 내부 또는 근방에 설치된 전압 또는 위상을 검출하는 제 2 검출기와,

    상기 상부 전극에 상기 제 2 정합기로부터의 전력을 전달하고, 또한 상기 진공용기 내로부터 진공용기 밖의 대기압하까지 연장하여 설치된 동축 선로와,

    상기 제 2 정합기와는 분리하여 설치되고, 또한 상기 동축 선로의 대기압측에 접속된 전압 또는 위상을 검출하는 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 동축 선로는, 내도체 선로의 주위에 외도체 선로가 형성되는 동축 선로 이고, 상기 내도체 선로 및 상기 외도체 선로는, 비자성체의 전기전송성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.

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