KR20070096850A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 Download PDF

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KR20070096850A
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노리아키 고다마
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동경 엘렉트론 주식회사
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Abstract

플라즈마 처리 장치는 접지 전극의 표면 상에 퇴적막이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 처리 공간을 내부에 기판 처리실, 처리 공간에 무선 주파수 전력을 공급하는 RF 전극, 처리 공간에 DC 전압을 공급하는 DC 전극, 기판 처리실에 적어도 일부가 노출되는 접지 전극을 구비한다. 기판 처리실의 복수의 내면이 교차하여 형성되는 교차 부분에는 접지 전극이 배치된다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도,
도 2는 종래의 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도,
도 3(a)~도 3(c)는 종래의 플라즈마 처리 장치의 각 구성 부품에 있어서의 퇴적 레이트(deposit rate)를 나타내는 그래프로서, 도 3(a)는 측벽 부재에 있어서의 퇴적 레이트를 나타내고, 도 3(b)는 배기 플레이트에 있어서의 퇴적 레이트를 나타내며, 도 3(c)는 서셉터 측면 피복 부재 및 엔클로저 부재(enclosure member)에 있어서의 퇴적 레이트를 나타내는 도면,
도 4는 애싱 처리시의 배기 플레이트에 있어서의 에칭 레이트를 나타내는 그래프,
도 5는 디바이(Debye) 길이 및 전자 밀도의 관계를 나타내는 그래프,
도 6(a)~도 6(d)는 접지 링의 배치 장소의 변형예를 나타내는 도면,
도 7(a)~도 7(c)는 접지 링의 단면 형상의 변형예를 나타내는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 플라즈마 처리 장치 11 : 기판 처리실
12 : 서셉터 13 : 측벽 부재
14 : 상부 벽 부재 15 : 도전체부
16 : 서셉터 측면 피복 부재 17 : 엔클로저 부재
18 : 배기 유로 19 : 배기 플레이트
본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 특히, DC 전원에 접속된 전극을 갖는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
기판으로서의 웨이퍼가 반입되는 처리 공간을 갖는 기판 처리실과, 해당 기판 처리실 내에 배치되고 무선 주파수 전원에 접속된 하부 전극과, 해당 하부 전극과 대향하도록 배치된 상부 전극을 구비하는 평행 평판형의 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다. 이 플라즈마 처리 장치에서는, 처리 공간에 처리 가스가 도입되고, 상부 전극과 하부 전극 사이의 처리 공간에 무선 주파수 전력이 인가된다. 웨이퍼가 처리 공간에 반입되어 하부 전극상에 탑재되었을 때에, 도입된 처리 가스를 무선 주파수 전력에 의해서 플라즈마로 변화하여 이온 등을 발생시키고, 해당 이온 등에 의해서 웨이퍼에 플라즈마 처리, 예컨대, 에칭 처리를 실시한다.
최근, 플라즈마 처리 성능의 향상을 목적으로, 상부 전극을 DC 전원에 접속하여 처리 공간에 DC 전압을 인가하는 플라즈마 처리 장치가 개발되어 있다. 처리 공간에 DC 전압을 인가하기 위해서는, 처리 공간에 표면이 노출되는 접지 전위의 전극(이하, 「접지 전극」이라 함)을 마련할 필요가 있다. 그러나, 반응성 처리 가스를 이용하여 플라즈마 처리를 행하는 경우, 접지 전극의 표면에 반응 생성물(deposit)이 부착되어 퇴적막(deposit film)이 그 표면상에 형성되는 일이 있다. 퇴적막은 절연성이어서, 상부 전극으로부터 접지 전극으로의 DC 전류가 저해되어 처리 공간에 DC 전압을 인가하는 것이 불가능하게 되어, 그 결과, 처리 공간에서의 플라즈마가 불안정한 상태에 빠지거나, 또는 플라즈마의 특성이 변화될 수도 있다. 따라서, 접지 전극으로부터 퇴적막을 제거해야 한다.
종래, 전극 표면의 퇴적막의 제거 방법으로서, 처리 공간에 산소(O2) 가스를 도입하여, 산소 가스로부터 산소 이온 및 산소 래디컬(oxygen radicals)을 발생시켜, 퇴적막을 산소 이온 및 산소 래디컬과 반응시켜 제거하는 방법이 알려져 있다(예컨대, 일본 특허 공개 공보 소화62-040728호 참조).
그러나, 상술한 퇴적막의 제거 방법은 웨이퍼의 플라즈마 처리와는 별도의 처리를 실행해야 하여, 웨이퍼로부터의 반도체 디바이스의 생산성이 저하된다고 하는 문제가 있다. 즉, 전극 표면의 퇴적막을 제거하는 것은 생산성의 관점에서 현실적이지 않다고 하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 접지 전극의 표면 상에 퇴적막이 형성되는 것을 방지할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제 1 관점에서는, 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 처리 공간을 갖는 기판 처리실과, 상기 처리 공간에 무선 주파수 전력을 인가하는 RF 전극과, 상기 처리 공간에 DC 전압을 인가하는 DC 전극과, 상기 기판 처리실 내에 적어도 일부가 노출되는 접지 전극을 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 접지 전극이, 상기 기판 처리실에서의 복수의 내면이 교차하여 형성된 코너 부분에 배치되는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
상기 구성에 의하면, 퇴적막이 이온에 의해서 형성되더라도, 처리 공간에서 생성된 플라즈마의 전자가 기판 처리실의 코너 부분에 진입하기 어렵기 때문에, 해당 코너 부분에서 이온이 감소된다. 따라서, 이온이 접지 전극에 도달하지 못해, 접지 전극의 표면에 퇴적막이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
상기 기판 처리실의 단면에서, 상기 접지 전극의 상기 기판 처리실 내에 노출되는 부분의 단면 형상은 상기 내면이 교차하는 위치를 중심으로 한 반경 5㎜의 원내에 포함된다.
상기 구성에 의하면, 처리 공간에서 생성된 플라즈마의 이온은 상기 원내에 진입하지 못한다. 그 결과, 접지 전극의 표면에 퇴적막이 형성되는 것을 확실히 방지할 수 있다.
본 발명의 제 2 관점에서는, 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 처리 공간을 갖는 기판 처리실과, 상기 처리 공간에 무선 주파수 전력을 인가하는 RF 전극과, 상기 처리 공간에 DC 전압을 인가하는 DC 전극과, 상기 기판 처리실 내에 적어도 일부가 노출되는 접지 전극을 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 기판 처리실이 상기 처리 공간에 대하여 움푹 팬 오목부를 갖고, 상기 접지 전극이 상기 오목부에 수용되는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
상기 구성에 의하면, 퇴적막이 이온에 의해서 형성되더라도, 처리 공간에서 생성된 플라즈마의 전자가 기판 처리실의 코너 부분(오목부)에 진입하기 어렵기 때문에, 해당 코너 부분(오목부)에서 이온이 감소된다. 따라서, 이온이 접지 전극에 도달하지 못하여, 접지 전극의 표면에 퇴적막이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 제 3 관점에서는, 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 처리 공간을 갖는 기판 처리실과, 상기 처리 공간에 무선 주파수 전력을 인가하는 RF 전극과, 상기 처리 공간에 DC 전압을 인가하는 DC 전극과, 상기 기판 처리실 내에 적어도 일부가 노출되는 접지 전극을 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 접지 전극이, 전자 밀도가 작은 부분에 배치되는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
상기 구성에 의하면, 전자 밀도가 작은 부분에서는 전자에 대하여 작용하는 이온의 쿨롱 필드가 차폐된다. 따라서, 전자 및 이온이 서로 끌어당기지 않아, 전자 및 이온이 혼재되지 않으므로, 플라즈마가 존재하기 어렵다. 따라서, 퇴적막을 형성하는 이온이 접지 전극에 도달하지 못하여, 접지 전극의 표면에 퇴적막이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
상기 기판 처리실의 단면에서, 상기 접지 전극의 상기 기판 처리실 내에 노 출되는 부분의 단면 형상은, 상기 전자 밀도가 107㎝-3 이하인 위치를 중심으로 한 반경 5㎜의 원내에 포함된다.
상기 구성에 의하면, 전자 밀도가 107㎝-3 이하인 위치에서는, 이온의 쿨롱 필드가 5㎜ 이상 떨어진 전자에 작용하지 않아, 이 위치에서는 이온 및 전자가 혼재되지 않으므로, 플라즈마가 존재하지 않는다. 따라서, 접지 전극의 표면에 퇴적막이 형성되는 것을 확실히 방지할 수 있다.
본 발명의 상기 목적 및 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부 도면과 관련지은 이하의 상세한 설명에 의해서 명백해질 것이다.
지금, 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 이 플라즈마 처리 장치는 기판으로서의 반도체 웨이퍼 W에 RIE(Reactive Ion Etching) 처리를 실시하도록 구성되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(10)는 대략 원통 형상의 기판 처리실(11)을 갖고, 해당 기판 처리실(11)의 상부에는 처리 공간 PS를 갖는다. 처리 공간 PS에는 후술하는 플라즈마가 발생한다. 또한, 기판 처리실(11) 내에는, 예컨대, 직경이 300㎜인 반도체 웨이퍼 W(이하, 간단히 「웨이퍼 W」라고 함)를 얹어 놓는 탑재대(stage)로서의 원기둥 형상의 서셉터(12)가 배치되어 있다. 기판 처리실(11)의 내벽 측면은 측벽 부재(13)로 덮어지고, 기판 처리실(11)의 내벽 상면은 상부 벽 부재(14)로 덮어진다. 측벽 부재(13) 및 상부 벽 부재(14) 각각은 알루미늄으로 이루어지고, 그 처리 공간 PS에 면하는 면은 산화이트륨(yttria)이나 소정의 두께를 갖는 알루마이트로 코팅되어 있다. 기판 처리실(11)은 전기적으로 접지되어 있어, 측벽 부재(13) 및 상부 벽 부재(14)의 전위는 접지 전위이다. 서셉터(12)는 도전성 재료, 예컨대, 알루미늄으로 이루어지는 도전체부(15)와, 해당 도전체부(15)의 측면을 덮는, 절연성 재료로 이루어지는 서셉터 측면 피복 부재(16)와, 해당 서셉터 측면 피복 부재(16) 상에 탑재되는, 석영(Qz)으로 이루어지는 엔클로저 부재(enclosure member)(17)를 갖는다.
플라즈마 처리 장치(10)에서는, 기판 처리실(11)의 내벽과 서셉터(12)의 측면 사이에, 서셉터(12) 위쪽의 가스를 기판 처리실(11) 밖으로 배출하는 유로로서 기능하는 배기 유로(18)가 형성된다. 이 배기 유로(18)에는, 다수의 통기 구멍을 갖는 판 형상 부재인 배기 플레이트(19)가 배치된다. 해당 배기 플레이트(19)는 배기 유로(18)와, 기판 처리실(11)의 하부 공간인 배기 공간 ES를 구획한다. 여기서, 배기 유로(18)는 배기 공간 ES와 처리 공간 PS를 연결시킨다. 또한, 배기 공간 ES에는 러핑 배기관(roughing exhaust pipe)(20) 및 주 배기관(21)이 개구되어 마련된다. 러핑 배기관(20)에는 DP(Dry Pump)(도시하지 않음)가 접속되고, 주 배기관(21)에는 TMP(Turbo-Molecular Pump)(도시하지 않음)가 접속된다.
러핑 배기관(20), 주 배기관(21), DP 및 TMP는 모두 배기 장치를 구성한다. 러핑 배기관(20) 및 주 배기관(21)은 처리 공간 PS의 가스를, 배기 유로(18) 및 배기 공간 ES를 거쳐서 기판 처리실(11)의 외부로 배출한다. 구체적으로는, 러핑 배기관(20)은 기판 처리실(11) 내를 대기압으로부터 저진공 상태까지 감압하고, 주 배기관(21)은 러핑 배기관(20)과 협동하여 기판 처리실(11) 내를 대기압으로부터 저진공 상태보다 낮은 압력인 고진공 상태(예컨대, 133Pa(1Torr) 이하)까지 감압한다.
서셉터(12)의 도전체부(15)에는 무선 주파수 전원(22)이 정합기(matcher)(23)를 거쳐서 접속되어 있다. 해당 무선 주파수 전원(22)은 비교적 높은 주파수, 예컨대, 40㎒의 무선 주파수 전력을 도전체부(15)에 공급한다. 이에 따라, 서셉터(12)의 도전체부(15)는 RF 전극으로서 기능한다. 또한, 정합기(23)는 도전체부(15)로부터의 무선 주파수 전력의 반사를 저감시켜, 무선 주파수 전력의 도전체부(15)로의 공급 효율을 최대로 한다. 또한, 도전체부(15)에는 또 다른 무선 주파수 전원(24)이 정합기(25)를 거쳐서 접속되어 있다. 다른 무선 주파수 전원(24)은 무선 주파수 전원(22)이 공급하는 무선 주파수 전력보다 낮은 주파수, 예컨대, 2㎒의 무선 주파수 전력을 도전체부(15)에 공급한다. 정합기(25)는 정합기(23)와 동일한 기능을 갖는다. 이상으로부터, 서셉터(12)는 40㎒의 무선 주파수 전력 및 2㎒의 무선 주파수 전력을 처리 공간 PS에 인가한다.
서셉터(12)의 상부에는, 전극판(26)을 내부에 갖는 디스크 형상의 정전척(27)이 배치되어 있다. 서셉터(12)가 웨이퍼 W를 탑재할 때, 해당 웨이퍼 W는 정전척(27) 상에 배치된다. 전극판(26)에는 DC 전원(28)이 전기적으로 접속되어 있다. 전극판(26)에 음(negative)의 DC 전압이 인가되면, 웨이퍼 W의 뒷면에는 정전위가 발생한다. 이에 따라, 전극판(26)과 웨이퍼 W의 뒷면 사이에 전위차가 발생하여, 해당 전위차에 기인하는 쿨롱력 또는 죤슨-라벡(Johnsen-Rahbek)력에 의해 서 웨이퍼 W가 정전척(27)의 상면에 흡착 유지된다.
서셉터(12)의 상부에는, 서셉터(12)의 상면에 흡착 유지된 웨이퍼 W의 주위를 둘러싸도록 고리 형상의 포커스 링(focus ring)(29)이 배치된다. 포커스 링(29)은 실리콘(Si) 또는 실리카(SiO2)로 이루어진다. 포커스 링(29)은 처리 공간 PS에 노출되고, 처리 공간 PS의 플라즈마를 웨이퍼 W의 정면을 향해 포커싱하여, RIE 처리의 효율을 향상시킨다. 또한, 포커스 링(29)의 주위에는, 해당 포커스 링(29)의 측면을 보호하는, 석영으로 이루어지는 고리 형상의 커버 링(cover ring)(30)이 배치되어 있다.
서셉터(12)의 내부에는, 예컨대, 원주 방향으로 연장되는 고리 형상의 냉매실(31)이 마련된다. 냉매실(31)에는, 냉각 유닛(도시하지 않음)으로부터 냉매용 배관(32)을 거쳐서 소정 온도의 냉매, 예컨대, 냉각수나 GalDen(등록 상표)액이 순환된다. 냉매의 온도에 의해서 서셉터(12)의 상면에 흡착 유지된 웨이퍼 W의 처리 온도가 제어된다.
서셉터(12)의 상면의 웨이퍼 W가 흡착 유지되는 부분(이하, 「흡착면」이라 함)에는, 복수의 열 전도 가스 공급 구멍(33)이 마련되어 있다. 이들 복수의 열 전도 가스 공급 구멍(33)은 서셉터(12) 내부에 배치된 열 전도 가스 공급 라인(34)을 거쳐서 열 전도 가스 공급부(도시하지 않음)에 접속된다. 열 전도 가스 공급부는 열 전도 가스로서의 헬륨(He) 가스를, 열 전도 가스 공급 구멍(33)을 거쳐서 서셉터(12)의 흡착면과 웨이퍼 W의 뒷면간의 간격(gap)에 공급한다.
서셉터(12)의 흡착면에는, 서셉터(12)의 상면으로부터 돌출될 수 있는 리프팅 핀(lifting pins)으로서의 복수의 푸셔 핀(pusher pins)(35)이 배치되어 있다. 이들 푸셔 핀(35)은 볼 나사(도시하지 않음)에 의해서 모터(도시하지 않음)와 접속되고, 볼 나사에 의해 직선 운동으로 변환된 모터의 회전 운동에 기인하여 서셉터(12)의 흡착면으로부터 돌출될 수 있다. 웨이퍼 W에 RIE 처리를 실시하기 위해서 웨이퍼 W를 서셉터(12)의 흡착면에 흡착 유지할 때에는, 푸셔 핀(35)은 서셉터(12)에 수용되고, RIE 처리가 실시된 후에 웨이퍼 W를 기판 처리실(11)로부터 반출할 때에는, 푸셔 핀(35)은 서셉터(12)의 상면으로부터 돌출하여 웨이퍼 W를 서셉터(12)로부터 이격시켜 위쪽으로 리프팅한다.
기판 처리실(11)의 천장부에는, 서셉터(12)와 대향하도록 가스 도입 샤워 헤드(36)가 배치되어 있다. 가스 도입 샤워 헤드(36)는 버퍼실(37)이 내부에 형성된, 절연성 재료로 이루어지는 전극판 지지체(38)와, 해당 전극판 지지체(38)로부터 지지되는 상부 전극판(39)을 구비한다. 상부 전극판(39)은 처리 공간 PS에 그 하면이 노출된다. 상부 전극판(39)은 도전성 재료, 예컨대, 실리콘으로 이루어지는 디스크 형상의 부재이다. 상부 전극판(39)의 주연부는 절연성 재료로 이루어지는 고리 형상의 쉴드 링(shield ring)(40)에 의해서 덮어진다. 따라서, 상부 전극판(39)은 접지 전위인 기판 처리실(11)의 벽으로부터 전극판 지지체(38) 및 쉴드 링(40)에 의해서 전기적으로 절연되어 있다.
상부 전극판(39)은 DC 전원(41)과 전기적으로 접속되어 있고, 상부 전극판(39)에는 음(negative)의 DC 전압이 인가되어 있다. 따라서, 상부 전극판(39)은 처리 공간 PS에 DC 전압을 인가한다. 상부 전극판(39)에는 DC 전압이 인가되기 때문에, 상부 전극판(39)과 DC 전원(41) 사이에 정합기를 배치할 필요가 없어, 종래의 플라즈마 처리 장치에서와 같이 상부 전극판에 정합기를 거쳐서 무선 주파수 전원을 접속하는 경우에 비해서, 플라즈마 처리 장치(10)의 구조를 간소화할 수 있다.
전극판 지지체(38)의 버퍼실(37)에는 처리 가스 공급부(도시하지 않음)로부터의 처리 가스 도입관(42)이 접속되어 있다. 또한, 가스 도입 샤워 헤드(36)는 버퍼실(37)을 처리 공간 PS에 도통시키는 복수의 가스 구멍(43)을 갖는다. 가스 도입 샤워 헤드(36)는, 처리 가스 도입관(42)으로부터 버퍼실(37)로 공급된 처리 가스를, 가스 구멍(43)을 경유하여 처리 공간 PS에 공급한다.
기판 처리실(11)의 측벽에는, 푸셔 핀(35)에 의해서 서셉터(12)로부터 위쪽으로 리프팅된 웨이퍼 W의 높이에 대응하는 위치에 웨이퍼 W의 반출입구(44)가 마련되어 있다. 반출입구(44)에는, 해당 반출입구(44)를 개폐하는 게이트 밸브(45)가 마련되어 있다.
플라즈마 처리 장치(10)는 배기 유로(18)에 노출되도록 배치되어 있는 고리 형상의 접지 링(47)(접지 전극)을 더 갖는다. 해당 접지 링(47)은 전기적으로 접지되어 있고, 도전성 재료, 예컨대, 실리콘으로 이루어진다. 접지 링(47)은 서셉터(12)의 측면을 둘러싸도록 배치되어 있다. 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 상부 전극판(39)이 처리 공간 PS에 인가한 DC 전압에 기인하여 발생한 전자가 접지 링(47)으로 도입된다.
플라즈마 처리 장치(10)의 기판 처리실(11) 내에서는, 상술한 바와 같이, 서셉터(12)의 도전체부(15)가 서셉터(12)와 상부 전극판(39) 사이의 공간, 즉 처리 공간 PS에 무선 주파수 전력을 인가함으로써, 해당 처리 공간 PS에서 가스 도입 샤워 헤드(36)로부터 공급된 처리 가스를 고밀도의 플라즈마로 변환시켜, 양이온이나 래디컬을 발생시킨다. 또한, 상부 전극판(39)이 처리 공간 PS에 DC 전압을 인가함으로써 플라즈마를 소망하는 상태로 유지한다. 양이온이나 래디컬에 의해서 웨이퍼 W에 RIE 처리를 실시한다.
본 발명자는, 본 발명에 앞서, 하기에 나타내는 종래의 플라즈마 처리 장치(46)에서 기판 처리실(11) 내의 퇴적물 부착 상황(the state of attachment of deposit)을 관찰하였다.
도 2는 종래의 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 종래의 플라즈마 처리 장치는, 그 구성이나 작용이 상술한 플라즈마 처리 장치(10)와 기본적으로 동일하고,접지 링의 배치 위치만이 플라즈마 처리 장치(10)와 상이하다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(10)와 동일한 구성, 작용의 특징에 대해서는 설명을 생략하며, 이하에 플라즈마 처리 장치(10)와를 상이한 구성, 작용의 특징에 대해서만 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(46)는 배기 유로(18)에서의 엔클로저 부재(17)의 근방에 배치된 접지 링(48)을 갖는다. 접지 링(48)의 구성 및 기능은 플라즈마 처리 장치(10)에서의 접지 링(47)과 동일하다.
본 발명자는, 플라즈마 처리 장치(46)를 이용하여, 처리 공간 PS의 압력을 6.67Pa(50mTorr)로 설정하고, 무선 주파수 전원(22)으로부터 40㎒의 무선 주파수 전력을 2100W로 공급하고, 다른 무선 주파수 전원(24)으로부터 2㎒의 무선 주파수 전력을 500W로 공급하며, DC 전원(41)으로부터는 DC 전압을 상부 전극판(39)에 인가하지 않고, C4F8 가스 및 Ar 가스를 각각의 유량을 10sccm 및 1000sccm으로 설정하여 처리 공간 PS에 공급해서, 처리 공간 PS에 플라즈마를 생성하였다. 본 발명자는, RIE 처리를 5분간 계속한 경우에 있어서의 측벽 부재(13), 서셉터 측면 피복 부재(16), 엔클로저 부재(17) 및 배기 플레이트(19)의 각 표면에서의 퇴적물 부착 속도(deposit attachment rate)를 계측하였다.
도 3(a)~도 3(c)는 종래의 플라즈마 처리 장치의 각 구성 부품에 있어서의 퇴적 레이트를 나타내는 그래프로서, 도 3(a)는 측벽 부재에 있어서의 퇴적 레이트를 나타내고, 도 3(b)는 배기 플레이트에 있어서의 퇴적 레이트를 나타내며, 도 3(c)는 서셉터 측면 피복 부재 및 엔클로저 부재에 있어서의 퇴적 레이트를 나타낸다. 도 3(a) 및 도 3(c)에 있어서, 세로축은 배기 플레이트(19)로부터의 위치를 나타내고, 도 3(b)에 있어서, 가로축은 측벽 부재(13)와 배기 플레이트(19)간의 교차점으로부터의 위치를 나타낸다. 또한, 도 3(b)의 그래프의 가로축에 있어서의 60㎜의 점은 배기 플레이트(19)와 서셉터 측면 피복 부재(16)간의 교차점에 대응한다. 또, 도 3(a)~도 3(c)에서의 화살표 A 및 화살표 B는 도 2에 있어서의 A부분 및 B부분에 각각 대응한다.
도 3(a)~도 3(c)의 그래프에 도시하는 바와 같이, 화살표 A 및 화살표 B 각 각에서는 퇴적 레이트가 낮고, 도 2에서의 A부분 및 B부분(코너 부분)의 각 표면에서는, 구체적으로는, 기판 처리실(11)의 단면에서, 측벽 부재(13)의 표면 및 배기 플레이트(19)의 표면이 교차하는 위치를 중심으로 한 반경 5㎜의 원 내, 및, 서셉터 측면 피복 부재(16)의 표면 및 배기 플레이트(19)의 표면이 교차하는 위치를 중심으로 한 반경 5㎜의 원 내에서는, 퇴적막이 거의 형성되지 않는 것을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명자는, 각 코너 부분에 퇴적막이 거의 형성되지 않는 원인을 탐색하기 위해서, 우선, 측벽 부재(13) 등의 표면에 퇴적물이 부착되는 원인을 검토하였다. 통상, 퇴적물이 부착되는 원인으로서는, CF계의 래디컬이 표면에 충돌하여 부착되는 경우와, CF계의 저에너지 이온이 표면에 도달하여 부착되는 경우를 생각하였다.
우선, 본 발명자는, 래디컬과 표면간의 충돌의 정도를 조사하기 위해서, 플라즈마 처리 장치(46)에 있어서 무선 주파수 전원(22)으로부터 40㎒의 무선 주파수 전력을 500W로 공급하고, 다른 무선 주파수 전원(24)으로부터는 2㎒의 무선 주파수 전력을 공급하지 않고, O2를 포함하는 처리 가스를 처리 공간 PS에 공급하여, 처리 공간 PS에 산소 래디컬을 발생시켰다. 그리고, 본 발명자는, 해당 산소 래디컬을 이용하여 애싱 처리를 행한 경우에 있어서의 배기 플레이트(19)의 표면에서의 에칭 레이트를 계측하였다. 애싱 처리에 있어서의 에칭 레이트는 충돌하는 래디컬의 입사량에 의존한다.
도 4는 애싱 처리시의 배기 플레이트에 있어서의 에칭 레이트를 나타내는 그래프이다. 도 4에 있어서, 세로축은 에칭 레이트(E/R)를 나타내고, 가로축은 측벽 부재(13)와 배기 플레이트(19)간의 교차점으로부터의 위치를 나타낸다. 또한, 도 4의 그래프의 가로축에 있어서의 60㎜의 점은 배기 플레이트(19)와 서셉터 측면 피복 부재(16)간의 교차점에 대응한다. 또, 도 4에 있어서의 화살표 A 및 화살표 B는 도 2에 있어서의 A부분 및 B부분에 각각 대응한다.
도 4의 그래프에 도시하는 바와 같이, 에칭 레이트는 화살표 A의 근방, 화살표 B의 근방, 및 화살표 A와 화살표 B 사이에서 거의 변화되지 않는다. 즉, 래디컬의 입사량은 배기 플레이트(19)의 표면 전체에 걸쳐 거의 변화되지 않는 것을 알 수 있었다. 한편, 상술한 바와 같이, 배기 플레이트(19)의 표면에서의 A부분 및 B부분에 대응하는 부분에는 퇴적막이 거의 형성되지 않는다. 이로부터, 배기 플레이트(19)의 표면에서, 래디컬의 입사량 분포와 퇴적물의 부착량의 분포가 일치하지 않음이 확인되었다. 따라서, 측벽 부재(13) 등의 표면에 퇴적물이 부착되는 원인은 CF계의 저에너지 이온이 표면에 도달하여 부착되기 때문임을 알았다.
코너 부분에 퇴적막이 거의 형성되지 않는 메카니즘은 명료하게 설명하는 것이 어렵지만, 상술한 퇴적물 부착 원인의 검토 결과, 본 발명자는 이하의 가설에 도달하였다.
즉, 처리 공간 PS에서 플라즈마가 생성되었을 때에 발생하는 전자는 자유 운동에 의해서 기판 처리실(11) 내에서 확산되지만, 기판 처리실(11)의 각 구성 부품(예컨대, 측벽 부재(13) 및 배기 플레이트(19))의 표면이 교차하여 형성된 코너 부분은, 처리 공간 PS에 대한 폭이 좁고, 전자가 진입하기 어려워, 코너 부분에서의 전자 밀도는 감소된다. 전자 밀도가 작은 부분에서는, 전자에 대하여 작용하는 CF계의 이온의 쿨롱 필드(Coulomb)가 차폐되어(디바이(Debye) 차폐), 전자 및 CF계의 이온이 서로 끌어당기는 일이 없어, 전자 및 CF계의 이온이 혼재되는 경우는 없다. 따라서, 코너 부분에서는 플라즈마가 존재하기 어렵게 되어, CF계의 이온의 수가 감소된다. 그 결과, 측벽 부재(13) 등의 표면에 도달하는 CF계의 저에너지의 이온은 거의 존재하지 않아, 코너 부분에 퇴적막이 거의 형성되지 않는다.
이온의 쿨롱 필드가 차폐된 경우에, 이온과 해당 이온의 쿨롱 필드가 작용하지 않는 전자와의 최단 거리를 디바이(Debye) 길이라고 부른다. 해당 디바이 길이는, 도 5의 그래프에 도시하는 바와 같이, 전자 밀도가 작아질수록 길어진다. 여기서, 플라즈마 처리 장치(46)에서는, 측벽 부재(13)의 표면 및 배기 플레이트(19)의 표면이 교차하는 위치를 중심으로 한 반경 5㎜의 원내, 및, 서셉터 측면 피복 부재(16)의 표면 및 배기 플레이트(19)의 표면이 교차하는 위치를 중심으로 한 반경 5㎜의 원내에서, CF계의 이온의 쿨롱 필드가 차폐되어 있다고 생각된다. 따라서, A부분 및 B부분에서의 디바이 길이는 5㎜이고, 또한, 도 5의 그래프에 근거하여, A부분 및 B부분의 각각의 전자 밀도, 적어도 서셉터 측면 피복 부재(16)의 표면 및 배기 플레이트(19)의 표면이 교차하는 위치의 전자 밀도는 107㎝-3 이하인 것을 알 수 있었다.
또한, 기판 처리실(11) 내를 확산하는 전자는 기판 처리실(11)의 각 구성 부 품의 표면이 교차하여 형성되는 코너 부분에도 진입하기 어려워, 어느 코너 부분에서도 퇴적막이 거의 형성되지 않는 것이 추찰되었다.
본 실시예에서는, 상기 지견에 근거하여, 접지 링(47)이, 서셉터 측면 피복 부재(16)의 표면 및 배기 플레이트(19)의 표면이 교차하여 형성된 코너 부분, 구체적으로는, 기판 처리실(11)의 단면에서, 접지 링(47)의 배기 유로(18)에 노출되는 부분의 단면 형상이 서셉터 측면 피복 부재(16)의 표면 및 배기 플레이트(19)의 표면이 교차하는 위치를 중심으로 한 반경 5㎜의 원내에 포함되도록 배치된다.
플라즈마 처리 장치(10)에 의하면, 접지 링(47)은, 서셉터 측면 피복 부재(16)의 표면 및 배기 플레이트(19)의 표면이 교차하여 형성된 코너 부분, 구체적으로는, 기판 처리실(11)의 단면에서, 해당 접지 링(47)의 배기 유로(18)에 노출되는 부분의 단면 형상이 서셉터 측면 피복 부재(16)의 표면 및 배기 플레이트(19)의 표면이 교차하는 위치를 중심으로 한 반경 5㎜의 원내에 포함되도록 배치된다. 퇴적막은 CF계의 이온에 의해서 형성되지만, 처리 공간 PS에서 생성된 플라즈마의 전자가 상기 코너 부분에는 진입하기 용이하지 않아, 해당 코너 부분에서 CF계의 이온 수가 감소된다. 따라서, CF계의 이온이 접지 링(47)에 도달하지 않아, 접지 링(47)의 표면상에 퇴적막이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 접지 링(47)은 전자 밀도가 107㎝-3 이하인 부분, 구체적으로는, 기판 처리실(11)의 단면에서, 해당 접지 링(47)의 배기 유로(18)에 노출되는 부분의 단면 형상이, 전자 밀도가 107㎝-3 이하인 위치를 중심 으로 한 반경 5㎜의 원내에 포함되도록 배치된다. 전자 밀도가 작은 부분에서는, 전자에 대하여 작용하는 CF계의 이온의 쿨롱 필드가 차폐된다. 즉, 전자 및 CF계의 이온이 서로 끌어당기지 않아, 전자 및 CF계의 이온이 혼재하지 않으므로, 플라즈마가 존재하기 어렵다. 따라서, 퇴적막을 형성하는 CF계의 이온이 접지 링(47)에 도달하지 않아, 접지 링(47)의 표면에 퇴적막이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 접지 링(47)이 서셉터 측면 피복 부재(16)의 표면과 배기 플레이트(19)의 표면이 교차하여 형성된 코너 부분에 배치된다. 그러나, 접지 링(47)이 배치되는 코너 부분은 이것에 한정되지 않지만, 기판 처리실(11)의 각 구성 부품의 표면이 교차하여 형성된 코너 부분(예컨대, 도 6(a)~도 6(d) 참조)이어도 좋다. 기판 처리실(11) 내를 확산하는 전자는 어느 코너 부분에도 진입하기 어려워, 어느 코너 부분에 있어서도 접지 링(47)의 표면에 퇴적막이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 접지 링(47)은, 상술한 코너 부분에 배치되는 대신에, 처리 공간 PS에 대하여 움푹 패인 기판 처리실(11)의 오목부에 수용되어도 좋다. 해당 오목부도 처리 공간 PS에 대한 폭이 좁아, 전자가 진입하기 어려워, 수용된 접지 링(47)의 표면에 퇴적막이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 접지 링(47)의 단면 형상도, 도 2에 나타내는 바와 같은 U 형상에 한정되지 않고, L자 형상, 가로 길이가 긴 직사각형 형상, 또는 세로 길이가 긴 직사각형 형상(도 7(a)~도 7(c) 참조)이더라도 좋다.
플라즈마 처리 장치(10)에서는, 접지 전극으로서 고리 형상의 접지 링(47)을 이용하였다. 그러나, 접지 전극이 고리 형상일 필요는 없으며, 예컨대, 접지 전극을 분할된 복수의 도전체로 구성하여, 각 도전체를 서셉터(12)의 측면 등에 분산하여 배치하더라도 좋다.
또한, 본 발명을 적용할 수 있는 플라즈마 처리 장치는 처리 공간에서 플라즈마를 발생하는 것이면 된다. 구체적으로는, 상술한 플라즈마 처리 장치(10)에서와 같이 무선 주파수 전극으로서의 서셉터(12)에 서로 다른 2개의 주파수의 무선 주파수 전력이 공급되는 것뿐만 아니라, 상부 전극판 및 서셉터 각각이 무선 주파수 전력이 공급되는 것이나, 또는 서셉터에 하나의 무선 주파수 전력이 공급되는 것이어도 좋다.
또, 플라즈마 처리 장치(10)에서 RIE 처리가 실시되는 기판은 반도체 디바이스용의 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, LCD(Liquid Crystal Display), FPD(Flat Panel Display) 등에 이용하는 각종 기판이나, 포토마스크, CD 기판, 프린트 기판 등이어도 좋다.
(실시예)
다음에, 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.
(실시예 1)
상술한 플라즈마 처리 장치(10)를 이용하여, 처리 공간 PS의 압력을 6.67Pa(50mTorr)로 설정하고, 무선 주파수 전원(22)으로부터 40㎒의 무선 주파수 전력을 1000W로 공급하고, 다른 무선 주파수 전원(24)으로부터는 2㎒의 무선 주파수 전력을 공급하지 않으며, DC 전원(41)으로부터 -600V의 DC 전압을 상부 전극판(39)에 인가하고, C4F8 가스, Ar 가스 및 N2 가스를 각각의 유량을 6sccm, 1000sccm 및 120sccm로 설정하여 처리 공간 PS에 공급해서, 처리 공간 PS에 플라즈마를 생성하였다. 그리고, RIE 처리를 5분간 계속한 경우의 접지 링(47)의 표면에서의 퇴적막의 형성을 관찰하였다.
(비교예 1)
상술한 플라즈마 처리 장치(46)에 있어서, RIE 처리의 조건을 실시예 1과 같이 설정하고, 해당 RIE 처리를 5분간 계속한 경우의 접지 링(48)의 표면에서의 퇴적막의 형성을 관찰하였다.
실시예 1에서는 접지 링(47)의 표면에 퇴적막은 거의 형성되지 않았지만, 비교예 1에서는 접지 링(48)의 전체 표면에 퇴적막이 형성되었다. 이에 따라, 접지 링(47)을 기판 처리실(11)의 각 구성 부품의 표면이 교차하여 형성된 코너 부분에 배치하면, 접지 링(47)의 표면에 퇴적막이 형성되는 것을 방지할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
다음에, 서셉터(12)에 공급되는 무선 주파수 전력의 값, 상부 전극판(39)에 인가되는 DC 전압의 값 및, 접지 링(47)의 표면상의 퇴적막 형성의 관계에 대하여 고찰하였다.
(실시예 2)
먼저, 플라즈마 처리 장치(10)에 있어서, 다른 무선 주파수 전원(24)으로부터 2㎒의 무선 주파수 전력을 1000W로 공급하는 점 이외에는, RIE 처리 조건을 실시예 1에서와 같이 설정하고, 해당 RIE 처리를 5분간 계속한 경우의 접지 링(47)의 표면에서의 퇴적막의 형성을 관찰하였다.
(실시예 3)
먼저, 플라즈마 처리 장치(10)에 있어서, 무선 주파수 전원(22)으로부터 40㎒의 무선 주파수 전력을 2000W로 공급하는 점 이외에는, RIE 처리의 조건을 실시예 1에서와 같이 설정하고, 해당 RIE 처리를 5분간 계속한 경우의 접지 링(47)의 표면에서의 퇴적막의 형성을 관찰하였다.
(실시예 4)
먼저, 플라즈마 처리 장치(10)에 있어서, DC 전원(41)으로부터 -1200V의 DC 전압을 상부 전극판(39)에 인가하는 점 이외에는, RIE 처리의 조건을 실시예 1에서와 같이 설정하고, 해당 RIE 처리를 5분간 계속한 경우의 접지 링(47)의 표면에서의 퇴적막의 형성을 관찰하였다.
상기 실시예 1~실시예 4에서는, 접지 링(47)의 표면에 퇴적막은 거의 형성되지 않았다. 이에 따라, 접지 링(47)을 기판 처리실(11)의 각 구성 부품의 표면이 교차하여 형성된 코너 부분에 배치하면, DC 전압의 값 및 무선 주파수 전력의 값에 관계없이, 접지 링(47)의 표면에 퇴적막이 형성되는 것을 방지할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
또한, 상기 실시예 1~실시예 4에서는, 접지 링(47)에 소정 값의 DC 전류가 흐르는 것이 확인되었다. 따라서, 퇴적막 형성 방지를 위해서, 전자 밀도가 107㎝-3 이하인 위치에 접지 링(47)을 배치하더라도, 해당 접지 링(47)은 여전히 상부 전극판(39)의 카운터 전극으로서 기능해서, 처리 공간 PS에 DC 전압을 인가할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
전술한 실시예는 본 발명의 일례로서, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되지 않는다.
본 발명의 범위는 첨부한 특허청구범위에 의해서 규정되고, 본 명세서의 상세한 설명에만 한정되지 않는다. 또한, 특허청구범위와 동등한 것에 속하는 모든 변경 및 변형은 본 발명의 범위 내에 포함된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 접지 전극의 표면 상에 퇴적막이 형성되는 것을 방지할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 얻을 수 있다.

Claims (5)

  1. 기판상에 플라즈마 처리를 실시하는 처리 공간을 내부에 갖는 기판 처리실과,
    상기 처리 공간에 무선 주파수 전력을 인가하는 RF 전극과,
    상기 처리 공간에 DC 전압을 인가하는 DC 전극과,
    상기 기판 처리실 내에 적어도 일부가 노출되는 접지 전극
    을 구비하되,
    상기 접지 전극은 상기 기판 처리실내의 복수의 내면이 교차하여 형성된 코너 부분에 배치되는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 처리실의 단면에서, 상기 접지 전극의 상기 기판 처리실 내에 노출되는 부분의 단면 형상은 상기 내면이 교차하는 위치를 중심으로 한 반경 5㎜의 원내에 포함되는 플라즈마 처리 장치.
  3. 기판상에 플라즈마 처리를 실시하는 처리 공간을 내부에 갖는 기판 처리실과,
    상기 처리 공간에 무선 주파수 전력을 인가하는 RF 전극과,
    상기 처리 공간에 DC 전압을 인가하는 DC 전극과,
    상기 기판 처리실 내에 적어도 일부가 노출되는 접지 전극
    을 구비하되,
    상기 기판 처리실은 상기 처리 공간에 대하여 움푹 팬 오목부를 내부에 갖고,
    상기 접지 전극은 상기 오목부에 수용되는
    플라즈마 처리 장치.
  4. 기판상에 플라즈마 처리를 실시하는 처리 공간을 내부에 갖는 기판 처리실과,
    상기 처리 공간에 무선 주파수 전력을 인가하는 RF 전극과,
    상기 처리 공간에 DC 전압을 인가하는 DC 전극과, 상기 기판 처리실 내에 적어도 일부가 노출되는 접지 전극
    을 구비하되,
    상기 접지 전극은 전자 밀도가 낮은 부분에 배치되는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기판 처리실의 단면에서, 상기 접지 전극의 상기 기판 처리실 내에 노출되는 부분의 단면 형상은, 상기 전자 밀도가 107/㎝3 이하인 위치를 중심으로 한 반경 5㎜의 원내에 포함되는 플라즈마 처리 장치.
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