KR20090013093A - 배치식 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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KR20090013093A
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Abstract

배치식 플라즈마 처리 장치는 폐쇄 단부와 이것에 대향하는 개방 단부를 갖는 동시에, 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 통체 형상의 처리 용기를 포함하고, 처리 용기는 통체 형상의 절연성 본체를 갖는다. 장치는 또한, 간격을 두고 피처리 기판을 유지하는 유지구와, 유지구를 처리 용기 내에 대해 반입 및 반출하는 로딩 기구와, 로딩 기구에 배치되어 개방 단부를 기밀하게 폐쇄하는 덮개부를 포함한다. 처리 용기의 폐쇄 단부에 제1 전극이 배치되고, 덮개부에 제2 전극이 배치되어, 제1 및 제2 전극은 평행 평판 전극쌍을 구성한다. 제1 및 제2 전극의 한쪽에 플라즈마 발생용 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원이 접속된다.
배치식 플라즈마 처리 장치, 유지구, 처리 용기, 피처리 기판, 고주파 전원

Description

배치식 플라즈마 처리 장치 {PLASMA PROCESSING APPARATUS OF BATCH TYPE}
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 피처리 기판에 플라즈마를 이용한 성막 처리나 에칭 처리 등의 플라즈마 처리를 실시하기 위한 배치식 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 특히 반도체 처리 분야에서 이용되는 기술에 관한 것이다. 여기서, 반도체 처리라 함은, 반도체 웨이퍼나 LCD(Liquid Crystal Display)와 같은 FPD(Flat Panel Display)용 글래스 기판 등의 피처리 기판 상에 반도체층, 절연층, 도전층 등을 소정의 패턴으로 형성함으로써, 상기 피처리 기판 상에 반도체 디바이스나, 반도체 디바이스에 접속되는 배선, 전극 등을 포함하는 구조물을 제조하기 위해 실시되는 다양한 처리를 의미한다.
반도체 집적 회로를 제조하기 위해서는 실리콘 기판 등으로 이루어지는 반도체 웨이퍼에 대해, 성막, 에칭, 산화, 확산, 개질, 자연 산화막의 제거 등의 각종 처리가 행해진다. 이와 같은 반도체 웨이퍼에 대해 상술한 바와 같은 처리를 실시하기 위해서는, 반도체 웨이퍼에 대해 1매씩 처리를 행하는 매엽식 처리 장치나, 복수매의 반도체 웨이퍼에 대해 한번에 동시에 처리를 실시하는 배치식 처리 장치가 알려져 있다.
최근, 반도체 집적 회로의 가일층의 고집적화 및 고미세화의 요구에 수반하여, 웨이퍼 온도를 보다 저온에서 처리하는 것이 요구되고 있다. 이는, 도핑된 불순물의 프로파일의 변화를 방지하거나, 저유전율 절연막으로 대표되는 층간 절연막 등의 막질 열화를 방지하거나, 하층의 적층막의 내열 온도의 제한 등에 대응하기 위해서이다. 그 대응책의 하나로서, 플라즈마의 어시스트에 의해 웨이퍼 온도를 낮게 하여 상기 각종 처리를 행하도록 한 플라즈마 처리 장치가 많이 이용되고 있다.
매엽식 플라즈마 처리 장치로서는, 예를 들어 일본 특허 공개 제2004-285469호 공보(특허문헌 1), 일본 특허 공개 제2005-64017호 공보(특허문헌 2) 등에 개시된 처리 장치가 알려져 있다. 이들에 개시된 처리 장치에서는, 예를 들어 평행 평판식 전극 사이에 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 발생하고, 이 플라즈마에 의해 처리 가스를 활성화시켜 비교적 저온에서 소정의 성막 처리나 에칭 처리 등을 실시한다.
또한, 배치식 플라즈마 처리 장치로서는, 예를 들어 일본 특허 공개 평2-159027호 공보(특허문헌 3), 일본 특허 공개 평3-224222호 공보(특허문헌 4)에 개시된 처리 장치가 알려져 있다. 이들에 개시된 플라즈마 처리 장치는 웨이퍼를 등간격으로 배열한 종형의 처리 용기의 측면에, 그 주위 방향을 따라서 복수의 전극을 배치하고, 이들 사이에 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 발생한다.
또한, US 2006/0205231 A1(특허문헌 5)의 플라즈마 처리 장치에서는 세로로 긴 석영제의 처리 용기의 일측에, 그 높이 방향을 따라서 플라즈마 발생부를 설치 하고 있다. 처리 가스는 플라즈마 발생부에서 발생한 플라즈마에 의해 활성화되어 처리 용기 내로 횡방향으로부터 공급되고, 이에 의해 반도체 웨이퍼의 표면에 성막 등의 소정의 플라즈마 처리가 실시된다.
본 발명은 스루풋이 높고 또한 제품의 수율도 높게 하는 것이 가능한 배치식 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 복수매의 피처리 기판에 대해 함께 플라즈마 처리를 실시하는 배치식 플라즈마 처리 장치이며, 폐쇄 단부와 이것에 대향하는 개방 단부를 갖는 동시에, 상기 폐쇄 단부와 상기 개방 단부 사이에 상기 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 통체 형상의 처리 용기와, 상기 처리 용기는 통체 형상의 절연성 본체를 갖는 것과, 상기 피처리 기판을 평행하고 또한 간격을 두고 유지하는 동시에 상기 개방 단부로부터 상기 처리 용기 내로 수용되는 유지구와, 상기 유지구를 상기 처리 용기 내에 대해 반입 및 반출하는 로딩 기구와, 상기 로딩 기구에 배치되어 상기 개방 단부를 기밀하게 폐쇄하는 덮개부와, 상기 처리 용기 내로 처리 가스를 공급하는 가스 공급계와, 상기 처리 용기 내를 배기하는 배기계와, 상기 처리 용기의 상기 폐쇄 단부에 배치된 제1 전극과, 상기 덮개부에 배치된 제2 전극과, 상기 제1 및 제2 전극은 상기 처리 용기의 상기 절연성 본체에 의해 절연된 평행 평판 전극쌍을 구성하는 것과, 상기 제1 및 제2 전극의 한쪽에 접속되어 플라즈마 발생 용 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원을 구비한다.
여기서, 상기 절연성 본체는 상기 처리 영역보다 큰 길이를 갖고, 상기 처리 용기의 상기 절연성 본체의 주위에 상기 피처리 기판을 가열하는 히터가 배치될 수 있다. 상기 처리 용기는 상기 절연성 본체에 연속 설치되고 또한 상기 개방 단부를 형성하는 통체 형상의 금속제 매니폴드를 구비할 수 있다. 전형적으로는, 상기 폐쇄 단부와 상기 개방 단부는 상기 처리 용기의 상단부 및 하단부이고, 상기 유지구는 상기 피처리 기판을 상하 방향으로 간격을 두고 유지한다. 상기 처리 용기의 상기 절연성 본체는 간극을 사이에 두고 배치된 내통과 외통을 구비하는 2중관 구조를 이룰 수 있다. 이것 대신에, 상기 처리 용기의 상기 절연성 본체는 단관 구조를 이룰 수 있다.
본 발명에 따르면, 스루풋이 높고 또한 제품의 수율도 높게 하는 것이 가능한 배치식 플라즈마 처리 장치를 제공할 수 있다.
본 발명자들은 본 발명의 개발의 과정에서 플라즈마 처리 장치에 관한 종래 기술의 문제점에 대해 연구하였다. 그 결과, 본 발명자들은 이하에 서술하는 지견을 얻었다.
특허문헌 1 및 2에 개시한 바와 같은 매엽식 플라즈마 처리 장치에서는, 반도체 웨이퍼를 1매씩 처리하므로 1매마다의 처리 속도는 상당히 고속화할 수 있다. 그러나, 매엽식 플라즈마 처리 장치에서는 처리 용기의 크기에도 의하지만, 배치식 플라즈마 처리 장치에 비해, 소정 매수의 웨이퍼에 대한 처리 속도에서는 비교적 낮아져, 처리의 스루풋이 저하된다.
특허문헌 3 및 4에 개시한 바와 같은 배치식 플라즈마 처리 장치에서는 처리 용기의 측면에 복수의 전극을 배치하므로, 구조 자체가 매우 복잡화된다. 또한, 플라즈마의 분포에 관해서는 전극의 중심과 단부 사이에서 전계의 밀도의 차이가 발생하므로 처리 용기 내에서 균일한 플라즈마 밀도를 얻는 것이 어렵다.
특허문헌 5에 개시한 바와 같은 배치식 플라즈마 처리 장치의 경우에는 전술한 바와 같이 처리 용기의 일측으로부터 웨이퍼 표면을 따라서 평행하게 플라즈마에 의해 활성화된 처리 가스를 흐르게 한다. 이로 인해, 웨이퍼 표면 내에 있어서 플라즈마 밀도의 불균일 분포가 발생하기 쉬워져, 이 결과, 차지 업 데미지가 발생하여 제품 수율을 저하시키는 원인이 된다.
이하에, 이와 같은 지견을 기초로 하여 구성된 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 대략 동일한 기능 및 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 붙여, 중복 설명은 필요할 경우에만 행한다.
도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 배치식 플라즈마 처리 장치(종형 플라즈마 처리 장치)를 도시하는 단면도이다. 도2는 도1의 플라즈마 처리 장치를, 처리 용기 내로부터 웨이퍼 보트를 취출한 상태로 도시하는 도면이다.
도시한 바와 같이, 이 플라즈마 처리 장치(2)는 석영 등의 유전체에 의해 성형된 원통체 형상의 용기 본체(4)(절연성 본체)를 갖는 처리 용기(3)를 구비한다. 용기 본체(4)는 2중관 구조를 갖고, 이는 상하 방향으로 기립된 원통체 형상의 내통(4A)과, 이 외주에 동심원 형상으로 배치된 원통체 형상의 외통(4B)에 의해 구성된다. 내통(4A)은 상하 단부가 모두 개방되고, 외통(4B)은 하단부가 개방되는 동시에, 상단부는 폐쇄되어 천장부(6)로서 구성된다. 내통(4A) 내에 반도체 웨이퍼(W)를 처리하기 위한 처리 영역(5)이 형성되고, 이는 용기 본체(4)의 하단부에 형성된 개구부(8)(도2 참조)에 연결된다. 또한, 천장부(6)는 평탄하고, 그 상면은 평면 형상으로 되어 있다. 천장부(6)의 두께는 내압성을 갖게 하기 위해, 예를 들어 20 ㎜ 정도로 설정된다.
용기 본체(4)의 전체는 처리 용기(3)의 하부를 구성하는 원통체 형상의 금속제의 매니폴드(10)에 의해 지지된다. 구체적으로는, 매니폴드(10)는, 예를 들어 스테인리스 스틸 등의 금속으로 이루어지고, 이 주변부는 베이스 플레이트(12)에 의해 지지된다. 베이스 플레이트(12)의 상측 부분에 O링 등의 시일 부재(14)를 통해 외통(4B)의 하단부가 기밀하게 지지된다.
매니폴드(10)의 높이 방향 중앙에는 측벽으로부터 내측을 향해 돌출된 환 형상의 지지부(16)가 형성된다. 지지부(16) 상에 내통(4A)의 하단부를 설치하여 내통(4A)을 지지한다. 매니폴드(10)에는 내통(4A)과 외통(4B) 사이의 간극(18)에 연통시키도록 이 주위 방향을 따라서 환 형상의 배기 공간(20)이 형성된다. 환 형상의 배기 공간(20)에 의해, 후술하는 바와 같이 용기 본체(4) 내의 분위기가 치우침 없이 균등하게 배기된다.
매니폴드(10)의 하단부에는 처리 용기(3)의 반송구가 되는 개구부가 형성되 고, 그 주변부에는 환 형상으로 플랜지부(22)가 형성된다. 처리 용기(3)의 하단부의 반송구, 즉 매니폴드(10)의 하단부의 개구부에는 O링 등의 시일 부재(24)를 통해 덮개부(26)가 기밀하게 착탈 가능하게 설치된다. 여기서는, 덮개부(26)의 전체는, 예를 들어 스테인리스 스틸 등의 금속의 도전성판에 의해 형성되어, 하부 전극(28)으로서 겸용되는 동시에 접지된다.
덮개부(26)는 로딩 기구(30)의 아암(30A)의 선단부에 지지된다. 로딩 기구(30)는, 여기서는, 예를 들어 보트 엘리베이터와 같은 승강 기구로 이루어진다. 로딩 기구(30)를 구동함으로써, 도2에도 도시한 바와 같이 덮개부(26)를 승강시킬 수 있다.
덮개부(26)의 중앙부는 용기 본체(4) 내를, 중심을 향하여, 여기서는 상방을 향하여 돌출시켜, 상면이 평탄한 마운트부(32)가 형성된다. 덮개부(26)의 마운트부(32)의 중심부를 관통하도록 회전축(34)이 배치되는 동시에, 회전축(34)의 관통부에는 회전축(34)의 회전을 허용하면서 처리 용기(3) 내의 기밀성을 유지하기 위한 시일 부재로서, 예를 들어 자성 유체 시일(36)이 배치된다. 회전축(34)의 하단부는 회전 모터(38)에 연결되어 이것을 회전시키는 동시에, 회전축(34)의 상단부에는 보트대(40)가 연결된다.
보트대(40) 상에 복수매의 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(W)를 유지하기 위한 유지구(42)가 설치된다. 유지구(42)는 웨이퍼 보트(44)로 이루어지고, 상하에 배치한 천장판(44A) 및 바닥판(44B)과, 그 사이에 걸쳐진 복수의, 예를 들어 3개의 지주(46)를 구비하고, 이들은 모두 예를 들어 석영제로 형성된다. 지주(46)에 소 정의 간격, 예를 들어 1 ㎝의 간격으로 웨이퍼 지지 홈(도시하지 않음)이 형성되어, 웨이퍼 지지 홈에 웨이퍼(W)의 주변부를 지지시킴으로써, 상술한 바와 같이 웨이퍼(W)를 서로 평행하고 또한 소정의 간격으로 다단으로 지지할 수 있다.
웨이퍼(W)의 매수는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 25 내지 30매 정도이다. 반도체 웨이퍼(W)를 지지하는 웨이퍼 보트(44)는 로딩 기구(30)에 의해 승강되고, 이에 의해 웨이퍼 보트(44)가 처리 용기(3) 내에 대해 하방의 로딩 영역(도시하지 않음)으로부터 로딩되거나, 혹은 그 반대로 언로딩된다. 또한, 덮개부(26)가 매니폴드(10)의 하단부의 개구부를 폐쇄한 상태에서는, 덮개부(26)와 매니폴드(10)의 내벽 및 지지부(16)로 구획되는 영역에 환 형상의 가스 확산 공간(48)이 형성된다.
매니폴드(10)에는 처리 용기(3) 내로 가스를 공급하는 가스 공급계(50)가 접속된다. 구체적으로는, 가스 공급계(50)는 매니폴드(10)의 측벽을 관통하도록 하여 설치한, 예를 들어 석영제의 가스 공급 노즐(52)에 접속된다. 가스 공급 노즐(52)의 가스 분출구(52A)는 환 형상의 가스 확산 공간(48)에 면하여 개방된다. 소정의 처리 가스는 가스 공급계(50)로부터 유량 제어되면서 공급되어, 가스 공급 노즐(52)을 통해 가스 확산 공간(48)을 따라서 확산된다. 도시예에서는 대표로서 1개의 가스 공급 노즐(52)밖에 도시되어 있지 않으나, 이용하는 가스의 종류 등에 따라서 노즐은 필요한 개수만 배치된다.
플라즈마로부터의 보호를 위해, 매니폴드(10)의 내면 및 덮개부(26)의 내면이며 처리 용기(3) 내에 위치하는 표면은 절연층(54, 56)에 의해 피복된다. 절연 층(54, 56)으로서는, 예를 들어 얇은 석영판을 사용해도 좋고, 절연성 박막을 부착하도록 해도 좋다. 배기 공간(20)을 구획하는 매니폴드(10)의 벽에는 배기구(58)가 형성된다. 배기구(58)에는 배기계(60)가 접속되고, 배기계(60)는 배기구(58)에 접속된 배기로(62)에 압력 조정 밸브(64)나 진공 펌프(66) 등을 차례로 개재 설치하여 구성된다. 배기계(60)에 의해 처리 용기(3) 내의 분위기를 진공화하여 소정의 압력으로 유지할 수 있다.
용기 본체(4)의 외통(4B)의 주위에는 반도체 웨이퍼(W)를 가열하기 위한 가열 기구(68)가 배치된다. 가열 기구(68)는 원통체 형상으로 성형된 단열재(70)와, 단열재(70)의 내측에 배치된 히터(72)로 이루어져, 웨이퍼(W)가 배치된 처리 영역(5)의 전체를 둘러싼다. 또한, 플라즈마에 의한 열로 웨이퍼(W)를 소정의 온도까지 가열할 수 있는 경우에는, 가열 기구(68)를 설치할 필요는 없다.
또한, 용기 본체(4)의 평탄한 천장부(6)의 상면측에는 상부 전극(74)이 배치된다. 상부 전극(74)은, 예를 들어 알루미늄 합금이나 스테인리스 스틸 등의 금속에 의해 얇은 원판 형상으로 성형된다. 전극(74)의 직경은 웨이퍼(W)의 직경보다도 조금 큰 사이즈로 설정된다. 상부 전극(74)은 도중에 임피던스 정합용 매칭 회로(76)가 개재 설치된 배선(78)을 통해 플라즈마 발생용 고주파 전원(80)에 접속된다. 고주파 전원(80)으로부터 상부 전극(74)으로 고주파 전력이 인가된다.
이 고주파 전력의 주파수로서는, 예를 들어 13.56 ㎒를 이용할 수 있다. 그러나, 이것 외에 40 ㎑, 400 ㎑ 등도 이용할 수 있다. 덮개부(26)를 겸용하는 하부 전극(28)의 마운트부(32)의 상면과 상부 전극(74) 사이의 거리는 처리 영역(5) 내에 플라즈마를 발생시킬 수 있는 거리이면, 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 이 거리는, 일례로서 40 내지 50 ㎝ 정도의 범위 내로 설정하는 것이 좋다. 또한, 이용하는 반도체 웨이퍼(W)의 사이즈는 직경이 300 ㎜(12 인치)인 것이나 200 ㎜(8 인치)인 것 등을 이용할 수 있고, 그 사이즈에 대응하여 용기 본체(4)의 직경의 크기도 설정된다. 안전성을 확보하기 위해, 처리 용기(3)의 전체를 덮도록 고주파를 차단하는 고주파(전자기) 실드(도시하지 않음)가 배치된다.
다음에, 이상과 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(2)의 동작에 대해 설명한다.
우선, 도2에 도시한 바와 같이 로딩 기구(30)가 하방의 로딩 영역으로 강하된 상태가 된다. 또한, 유지구(42)인 웨이퍼 보트(44)와 덮개부(26)는 로딩 및 언로딩에 있어서 일체적으로 처리 용기(3)에 대해 이동된다.
로딩 영역에 있어서, 웨이퍼 보트(44)에 미처리의 반도체 웨이퍼(W)를 다단으로 이재하여 유지시킨다. 다음에, 로딩 기구(30)를 구동하여 아암(30A)을 상승시키고, 덮개부(26)와 웨이퍼(W)를 유지하는 웨이퍼 보트(44)를 일체적으로 상승시킨다. 이에 의해, 웨이퍼 보트(44)를 매니폴드(10)의 하단부의 반송구로부터 미리 소정의 온도로 가열되는 처리 영역(5) 내로 로드한다. 웨이퍼 보트(44)의 로딩이 완료되면, 매니폴드(10)의 반송구는 덮개부(26)에 의해 기밀하게 밀폐된다.
처리 용기(3) 내는 배기계(60)의 진공 펌프(66)에 의해 항상 진공화된다. 로딩이 완료되면, 가열 기구(68)의 히터(72)에 의해 웨이퍼(W)를 소정의 프로세스 온도로 유지한다. 또한, 가스 공급계(50)로부터 가스 공급 노즐(52)을 통해 필요 한 처리 가스를 유량 제어하면서 처리 영역(5) 내로 공급하고, 회전 모터(38)에 의해 웨이퍼 보트(44)를 회전시킨다.
이것과 동시에, 고주파 전원(80)으로부터 고주파 전력이 공급되고, 이 고주파 전력은 천장부(6)의 상면에 설치한 상부 전극(74)과 덮개부(26)로서 겸용되는 하부 전극(28) 사이에 인가된다. 이에 의해, 처리 영역(5) 내에 처리 가스의 플라즈마가 발생된다.
상부 전극(74)과 하부 전극(28)은 용기 본체(4)(절연성 본체)에 의해 절연되어 용량 결합된 평행 평판 전극쌍으로서 기능한다. 이 구성에 의해, 처리 영역(5) 내의 전체에 걸쳐서 플라즈마가 발생하여, 웨이퍼(W)에 대해 소정의 플라즈마 처리, 예를 들어 플라즈마 성막 처리나 플라스마 에칭 처리나 플라즈마 애싱 처리 등이 실시된다. 이 경우, 처리 영역(5) 내에는 플라즈마가 대략 균일하게 형성되므로, 웨이퍼(W)에 대한 차지 업 데미지의 발생을 억제하여 제품의 수율을 높게 할 수 있고, 게다가 스루풋을 향상시킬 수 있다. 특히, 여기서는 덮개부(26)에 마운트부(32)를 형성함으로써, 하부 전극(28)과 상부 전극(74) 사이의 거리를 가능한 한 짧게 하여 플라즈마를 발생하기 쉽게 하므로, 처리 영역(5) 내에 있어서의 플라즈마를 효율적으로 발생시킬 수 있다.
가스 공급 노즐(52)로부터 공급된 처리 가스는 매니폴드(10)와 덮개부(26)의 주변부와의 사이에서 구획 형성된 환 형상의 가스 확산 공간(48) 내를 그 주위 방향으로 확산한다. 다음에, 처리 가스는 용기 본체(4)의 내통(4A) 내의 처리 영역(5)을 균등하게 상승하여 회전하는 웨이퍼(W)와 접촉하고, 용기 본체(4) 내의 천 장부(6)에서 하방으로 되돌아 내려온다. 다음에, 처리 가스는 내통(4A)과 외통(4B) 사이의 간극(18) 내를 유하하여, 매니폴드(10)에 형성한 배기구(58)를 통해 배기계(60)에 의해 배출된다. 또한, 내통(4A)과 외통(4B) 사이의 간극(18)의 하단부에는, 외통(4B)보다도 반경 방향 외측으로 돌출되는 비교적 큰 환 형상의 배기 공간(20)이 형성된다. 이로 인해, 가스 확산 공간(48)의 기능과 더불어 웨이퍼(W)가 배치된 처리 영역(5) 내의 분위기를 균등하게 흐르게 하여 배출할 수 있다.
매니폴드(10)의 내면이나 덮개부(26)의 내면에는 보호용 절연층(54, 56)이 배치된다. 이로 인해, 금속제의 매니폴드(10)나 덮개부(26)가 플라즈마에 의해 손상을 받거나, 이상 방전이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이 플라즈마 처리 시의 웨이퍼(W)의 프로세스 온도는 플라즈마에 의한 어시스트 효과에 의해 저온화시킬 수 있다. 프로세스의 종류에도 의하지만, 예를 들어 플라즈마 성막 처리에 관해서는 실온, 예를 들어 25 ℃ 정도까지 저온화시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따르면, 통체 형상의 처리 용기(3)의 양단부에 전극, 예를 들어 하부 전극(28)과 상부 전극(74)이 배치된다. 한쪽 전극, 예를 들어 상부 전극(74)에 고주파 전력이 인가됨으로써 플라즈마가 발생되고, 이 플라즈마에 의해 복수의 피처리 기판이 처리된다. 이로 인해, 매엽식 장치와 배치식 장치의 양자의 이점을 더불어 갖기 때문에, 스루풋이 높을 뿐만 아니라, 제품의 수율도 높은 장치를 제공할 수 있다.
<플라즈마 생성의 평가>
상기한 바와 같이 구성한 플라즈마 처리 장치(2)에 있어서, 플라즈마 형성의 가부에 대해 실험을 행하였다. 그 결과, 처리 영역(5) 내의 전체에 걸쳐서 플라즈마가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이때의 각 부의 치수나 프로세스 조건은 이하와 같았다.
내통(4A)의 직경 : 330 내지 350 ㎜,
외통(4B)의 직경 : 400 내지 450 ㎜,
전극(28, 74) 사이의 거리 : 800 내지 1000 ㎜,
가스 종류 : N2,
압력 : 0.5 Torr(66.7 ㎩),
고주파 전력 : 100 와트.
<성막의 평가>
상기 플라즈마 처리 장치를 이용하여 실제로 플라즈마 성막 처리를 행하여 성막의 평가를 행하였다. 여기서 처리 가스로서 NH3와 SiH4와 N2를 이용하여 실리콘 질화막을 성막하였다. 도3은 성막의 평가를 행할 때의 지지판에 대한 평가용 웨이퍼의 적재 위치를 설명하기 위한 도면이다.
상기 성막의 평가 시에는, 직경이 300 ㎜인 웨이퍼 대응의 크기로 웨이퍼 보트(44)의 지주(46)에 직경 300 ㎜인 지지판(82)을 지지시켰다. 또한, 도3에 도시한 바와 같이, 지지판(82) 상에 한쪽으로 편심시켜 직경이 200 ㎜인 평가용 웨이퍼(W)를 적재하였다. 그리고, 성막 처리를 행하여 그 막 두께를 평가용 웨이퍼(W) 상의 X 방향과 이것에 직교하는 Y 방향의 위치에 대해 측정하였다.
프로세스 조건은 이하와 같다.
프로세스 온도 : 25 ℃,
프로세스 압력 : 0.01 Torr(진공 펌프로 진공화),
가스 유량 : NH3/SiH4/N2 ＝ 20/25/50 sccm,
고주파 전력 : 200 와트,
성막 시간 : 15분.
도4는 본 실험에 의해 얻어진, 웨이퍼 표면에 있어서의 막 두께의 분포를 도시하는 그래프이다. 도4로부터 명백한 바와 같이, X 방향의 ―100 ㎜의 근방, 즉 지지판(82)의 주변부에서는 막 두께가 260 ㎚ 정도의 두꺼운 박막이 형성되었다. 그러나, 그 이외에는 X 방향 및 Y 방향 모두 안정된 막 두께의 박막이 형성되었다.
상기 막 두께의 측정 결과, X 방향의 성막 레이트는 1.68 ㎚/분(면내 균일성 : ±252.3 ％)이고, Y 방향의 성막 레이트는 0.56 ㎚/분(면내 균일성 : ±66.8 ％)이었다. 상기의 결과, 막 두께의 면내 균일성은 불충분하지만, 박막(실리콘 질화막)을 충분히 퇴적할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
<성막의 압력 의존성의 평가>
상기 플라즈마 처리 장치를 이용하여 성막(실리콘 질화막)의 압력 의존성에 대해 실험을 행했다. 여기서 웨이퍼의 설정 위치 및 웨이퍼 상의 측정 위치에 대해서는 도3에서 설명한 경우와 동일하게 하였다.
프로세스 조건은 이하와 같다.
프로세스 온도 : 25 ℃,
프로세스 압력 : 0.01 Torr(진공화), 0.05 Torr, 0.1 Torr, 0.50 Torr,
가스 유량 : NH3/SiH4/N2 ＝ 20/25/50 sccm,
고주파 전력 : 200 와트,
성막 시간 : 15분.
도5a는 웨이퍼 표면 상의 Y 방향에 있어서의 막 두께 분포를 나타내고, 도5b은 웨이퍼 표면 상의 X 방향에 있어서의 막 두께 분포를 나타낸다. 도5a에 도시한 바와 같이, 압력이 0.5 Torr인 경우에는 웨이퍼 표면에 성막되지 않는 부분이 산재하여, 성막 상태가 바람직하지 않았다. 이에 대해, 압력이 0.01 내지 0.10 Torr인 경우에는 막 두께의 면내 균일성은 양호하지 않으나, 충분한 두께로 박막을 형성할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도5b에 도시하는 경우에도 압력이 0.5 Torr인 경우에는 웨이퍼 표면에 대부분 성막이 이루어지지 않았다. 이에 대해, 압력이 0.01 내지 0.10 Torr인 경우에는 웨이퍼의 일측의 엣지부를 제외하고, 충분한 두께로 박막을 형성할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 실시 형태에서는 가스 공급계(50)로부터 환 형상의 가스 확산 공간(48) 내로 가스를 공급하는 가스 공급 노즐(52)로서 짧은 스트레이트관이 이용된다. 이것 대신에, 가스 공급 노즐로서 분산형의 가스 공급 노즐(가스 분산 노즐) 을 이용해도 된다. 도6은 가스 분산 노즐을 설치했을 때의 상태를 도시하는 부분 구성도이다. 도6에 도시한 바와 같이, 가스 분산 노즐(52X)은 L자 형상으로 굴곡되어 용기 본체(4)의 내면을 따라서[웨이퍼 보트(44)의 높이 방향을 따라서] 상방으로 연장된다. 가스 분산 노즐(52X)에는 그 높이 방향을 따라서 다수의 가스 분출구(52A)가 웨이퍼 보트(44) 상의 웨이퍼(W)의 전체에 걸쳐서 존재하도록 소정의 간격으로 형성된다. 가스 분출구(52A)는 각 웨이퍼(W)를 향해 수평 방향으로부터 가스를 분출하여 공급하도록 배향된다. 이 경우, 각 웨이퍼(W)에 대해 균등하게 가스를 공급할 수 있으므로, 플라즈마 처리의 면간 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 용기 본체(4)는 내통(4A)이 외통(4B)으로 이루어지는 2중관 구조를 갖는다. 이것 대신에, 용기 본체(4)는 단관 구조로 할 수 있다. 도7은 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 단관 구조의 처리 용기를 이용한 배치식 플라즈마 처리 장치(종형 플라즈마 처리 장치)를 도시하는 단면도이다.
도7에 도시한 바와 같이, 처리 용기(3)의 용기 본체(4)는 내통(4A)을 구비하고 있지 않고, 외통(4B)만으로 이루어지는 단관 구조로서 구성된다. 내통(4A)을 설치하고 있지 않으므로, 내통(4A)의 하단부를 지지하고 있던 지지부(16)(도1 참조)는 불필요해진다.
이 경우, 처리 용기(3) 내의 가스 흐름의 상류측으로 가스를 공급할 필요가 있으므로, 가스 공급계(50)에 접속된 가스 공급 노즐(52Y)은 L자 형상으로 굴곡되어 용기 본체(4)의 꼭대기부 근방까지 상방으로 연장된다. 가스 공급 노즐(52Y)의 상단부 선단부에 가스 분출구(52A)가 형성되어, 용기 본체(4) 내의 대략 천장부를 향해 가스를 공급한다. 여기서부터 공급된 가스는 처리 영역(5) 내를 웨이퍼(W)에 접촉하면서 유하되어 매니폴드(10)에 형성한 배기구(58)로부터 배출된다.
상기 단관 구조의 경우에는, 매니폴드(10)도 석영에 의해 형성하고, 이것을 상방의 용기 본체(4)측과 일체 구조로 하도록 해도 좋다. 또한, 상기 각 실시 형태에 있어서는, 용기 본체(4)의 천장부(6)를 평면 형상으로 형성하였으나, 이것 대신에 곡면 형상으로 형성하도록 해도 좋다.
도8은 상단부가 곡면 형상으로 성형된 처리 용기의 일례를 도시하는 부분 구성도이다. 도8에 도시한 바와 같이, 이 경우에는, 용기 본체(4)의 천장부(6)는 곡면 형상으로 형성된다. 이 곡면 형상으로서는 돔 형상, 혹은 반구 형상으로 형성할 수 있다. 이 경우에는 상부 전극(74)도 상기 곡면을 따르도록 동일한 곡률의 곡면 형상으로 성형한다. 천장부(6)를 곡면 형상으로 함으로써, 용기 본체(4) 자체의 내압성이 향상되므로, 평탄 형상의 천장부와 비교하여 천장부(6)의 두께를 얇게 할 수 있다.
상기 각 실시 형태에 있어서는, 웨이퍼 보트(44)를 보트대(40) 상에 직접 적재하는 구조를 이룬다. 이것 대신에, 보트대(40) 상에, 예를 들어 석영제의 보온통을 개재하여 상기 웨이퍼 보트(44)를 적재하도록 해도 된다.
상기 각 실시 형태에 있어서는, 처리 용기(3)를 상하 방향으로 기립시킨 종형의 플라즈마 처리 장치를 예로 들어 설명하였다. 이것 대신에, 처리 용기(3)를 가로로 놓은 횡형의 플라즈마 처리 장치에도 본 발명을 적용할 수 있다.
또한, 피처리 기판은 반도체 웨이퍼 대신에, 글래스 기판, LCD 기판, 세라믹 기판 등의 다른 기판으로 할 수 있다.
도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 배치식 플라즈마 처리 장치(종형 플라즈마 처리 장치)를 도시하는 단면도.
도2는 도1의 플라즈마 처리 장치를, 처리 용기 내로부터 웨이퍼 보트를 취출한 상태에서 도시하는 도면.
도3은 성막의 평가를 행할 때의 지지판에 대한 평가용 웨이퍼의 적재 위치를 설명하기 위한 도면.
도4는 웨이퍼 표면에 있어서의 막 두께의 분포를 도시하는 그래프.
도5a, 도5b는 웨이퍼 표면의 Y 방향 및 X 방향에 있어서의 막 두께의 분포를 도시하는 그래프.
도6은 분산형의 가스 공급 노즐(가스 분산 노즐)을 설치하였을 때의 상태를 도시하는 부분 구성도.
도7은 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 단관 구조의 처리 용기를 이용한 배치식 플라즈마 처리 장치(종형 플라즈마 처리 장치)를 도시하는 단면도.
도8은 상단부가 곡면 형상으로 성형된 처리 용기의 일례를 도시하는 부분 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
3 : 처리 용기
4 : 용기 본체
6 : 천장부
10 : 매니폴드
12 : 베이스 플레이트
14 : 시일 부재
22 : 플랜지부
26 : 덮개부
30 : 로딩 기구

Claims (20)

  1. 복수매의 피처리 기판에 대해 함께 플라즈마 처리를 실시하는 배치식 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    폐쇄 단부와 이것에 대향하는 개방 단부를 갖는 동시에, 상기 폐쇄 단부와 상기 개방 단부 사이에 상기 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 통체 형상의 처리 용기와, 상기 처리 용기는 통체 형상의 절연성 본체를 갖는 것과,
    상기 피처리 기판을 평행하고 또한 간격을 두고 유지하는 동시에 상기 개방 단부로부터 상기 처리 용기 내로 수용되는 유지구와,
    상기 유지구를 상기 처리 용기 내에 대해 반입 및 반출하는 로딩 기구와,
    상기 로딩 기구에 배치되어 상기 개방 단부를 기밀하게 폐쇄하는 덮개부와,
    상기 처리 용기 내로 처리 가스를 공급하는 가스 공급계와,
    상기 처리 용기 내를 배기하는 배기계와,
    상기 처리 용기의 상기 폐쇄 단부에 배치된 제1 전극과,
    상기 덮개부에 배치된 제2 전극과, 상기 제1 및 제2 전극은 상기 처리 용기의 상기 절연성 본체에 의해 절연된 평행 평판 전극쌍을 구성하는 것과,
    상기 제1 및 제2 전극의 한쪽에 접속되어 플라즈마 발생용 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원을 구비하는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극의 다른 쪽은 접지되는 배치식 플라즈 마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 절연성 본체는 상기 처리 영역보다 큰 길이를 갖고, 상기 처리 용기의 상기 절연성 본체의 주위에 상기 피처리 기판을 가열하는 히터가 배치되는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 덮개부는 상기 제2 전극으로서 기능하는 도전성판에 의해 형성되는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 도전성판의 상기 처리 용기 내에 면하는 표면은 절연층으로 피복되는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 처리 용기는 상기 절연성 본체에 연속 설치되고 또한 상기 개방 단부를 형성하는 통체 형상의 금속제 매니폴드를 구비하는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 매니폴드는 상기 처리 영역에 연통하는 환 형상의 배기 공간과, 상기 배기 공간과 상기 배기계를 접속하는 배기구를 갖는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 가스 공급계는 상기 매니폴드를 관통하고 또한 상기 처리 가스를 공급하는 가스 공급 노즐을 갖는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 가스 공급 노즐은 상기 처리 영역의 상류의 소정 위치에서 개방되고, 상기 매니폴드는 상기 덮개부와 공동으로 상기 가스 공급 노즐로부터의 상기 처리 가스를 상기 소정 위치로부터 환 형상 방향으로 확산시키는 환 형상의 가스 확산 공간을 형성하는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  10. 제6항에 있어서, 상기 덮개부는 상기 개방 단부로부터 상기 폐쇄 단부를 향해 상기 처리 용기 내로 돌출되는 마운트부를 갖는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 덮개부에 설치된, 상기 유지구를 회전시키는 기구를 더 구비하는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 폐쇄 단부와 상기 개방 단부는 상기 처리 용기의 상단부 및 하단부이고, 상기 유지구는 상기 피처리 기판을 상하 방향으로 간격을 두고 유지하는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 처리 용기의 상기 폐쇄 단부는 평면 형상으로 형성되는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 처리 용기의 상기 폐쇄 단부는 곡면 형상으로 형성되는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  15. 제7항에 있어서, 상기 처리 용기의 상기 절연성 본체는 간극을 사이에 두고 배치된 내통과 외통을 구비하는 2중관 구조를 이루고, 상기 간극은 일단부에 있어서 상기 환 형상의 배기 공간에 접속되고, 타단부에 있어서 상기 처리 영역에 연통하는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 환 형상의 배기 공간은 상기 처리 용기의 상기 절연성 본체로부터 반경 방향 외측으로 돌출되는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 처리 용기의 상기 절연성 본체는 단관 구조를 이루는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 처리 용기는 상기 절연성 본체에 연속 설치되고 또한 상기 개방 단부를 형성하는 통체 형상의 금속제 매니폴드를 구비하고, 상기 매니폴드에 상기 배기계가 접속되는 한편, 상기 가스 공급계는 상기 처리 용기의 상기 폐쇄 단부의 근방으로부터 상기 처리 가스를 공급하도록 구성되는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 가스 공급계는 상기 처리 용기의 내면을 따라서 연장되는, 상기 처리 가스를 공급하는 가스 분산 노즐을 갖고, 상기 가스 분산 노즐에는 상기 유지구 상의 상기 피처리 기판의 전체에 걸치도록 복수의 가스 분사 구멍이 소정의 간격을 이격하여 형성되는 배치식 플라즈마 처리 장치.
  20. 제1항에 있어서, 상기 고주파 전원은 상기 제1 전극에 접속되는 배치식 플라즈마 처리 장치.
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