KR20090104783A - 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법 및 컴퓨터 판독이 가능한 기억 매체 - Google Patents

Abstract

플라즈마 처리에 이용하는 고주파의 파워를 주기적으로 변조하는 방식에 있어서, 플라즈마 임피던스의 변동이나 고주파 전원으로의 반사를 가급적으로 적게 하고, 프로세스의 안정성·재현성 및 고주파 전원의 안전 보호를 보증한다.

이 플라즈마 처리 장치는 바이어스 제어용 고주파(LF)의 파워를 프로세스에 따른 특성으로 펄스 변조할 뿐만 아니라, LF파워의 펄스 변조와 같은 시기에 그 주파수(LF 주파수)도 펄스 변조한다. 즉 LF파워와 LF 주파수 사이에, 한 사이클 내에서 LF 파워가 H 레벨의 설정치 PA를 유지하는 기간 T_A 동안은 LF 주파수도 H 레벨의 설정치 F_A를 유지하고, LF 파워가 레벨 설정치 P_B를 유지하는 기간 T_B 동안은 LF 주파수도 L 레벨의 설정치 F_B를 유지하는 것과 같은 동기(同期)관계를 갖게 한다.

Description

플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법 및 컴퓨터 판독이 가능한 기억 매체{PLASMA PROCESSING APPARATUS, PLASMA PROCESSING METHOD AND COMPUTER READABLE MEDIUM}

본 발명은 피처리기판에 플라즈마를 처리하는 기술과 관계되며, 특히 플라즈마 처리에 이용하는 고주파 파워를 주기적으로 변조하는 방식인 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법에 관한 것이다．

반도체 디바이스나 FPD(Flat Panel Display)의 제조 과정에 있어서 에칭, 증착, 산화, 스퍼터링 등의 처리에는 처리 가스로 비교적 저온으로도 양호한 반응을 얻기 위해 플라즈마가 많이 이용되고 있다.

최근 제조 과정의 디자인 룰이 점점 미세화하고, 특히 플라즈마 에칭에서는 보다 높은 치수 정밀도가 요구되고 있으며, 에칭에 있어서 마스크나 베이스에 대한 선택비 및 면내 균일성 향상이 요구되고 있다. 따라서 챔버 내의 프로세스 영역의 저압력화, 저이온에너지화를 지향하여, 플라즈마 생성(고주파 방전)에 40㎒ 이상이라는 종전보다도 매우 높은 주파수인 고주파가 이용되고 있다. 또한 플라즈마에서 기판으로 밀어 넣는 이온의 에너지(바이어스)를 보다 세밀히 제어하기 위해서, 기판을 탑재하는 전극에 비교적 낮은 주파수(보통 13.56㎒ 이하)의 고주파를 공급하는 일도 자주 일어나고 있다.

그러나 상기처럼 저압력화 및 저이온에너지화가 진행됨에 따라, 종전에는 문제가 되지 않던 차징 데미지(charging damage)의 영향을 무시할 수 없게 되었다. 즉 이온에너지가 높은 종래의 장치에서는 플라즈마 전위가 면내에서 고르지 않았다고 한들 큰 문제는 발생하지 않지만, 더 낮은 저압에서 이온에너지가 낮아지면, 플라즈마 전위의 면내 불균일이 게이트 산화막의 전하 축적에 의한 파괴 즉 차징 데미지를 야기하기 쉬워지는 문제가 발생한다.

이 문제에 관하여 특허문헌 1에서는 웨이퍼에 공급되는 고주파 바이어스에 의한 고주파 전류 경로 중에서, 웨이퍼의 외주(外周) 부근에서의 전류 경로 부분을 마주하는 전극면에서 웨이퍼의 외주면 부근이 투영된 부분을 향하도록 교정하는 전류 경로교정 방법을 마련하는 것, 또는 고주파 바이어스에서 본 어스까지의 임피던스가 웨이퍼면 내에서 거의 균일하게 되도록 하는 임피던스 조정 방법을 마련하는 것을 명시하고 있다. 이에 의해 고주파 바이어스를 공급했을 때 발생하는 자기 바이어스의 웨이퍼면 내에서의 균일성이 높아지고, 마이크로 데미지를 억제할 수 있다고 한다.

그러나 특허문헌 1에 기재된 기술은 전류 경로 교정 수단이나 임피던스 조정 수단을 마련할 필요가 있으며, 장치구성이 복잡하고 플라즈마 처리의 면내 균일성이 반드시 충분하다고는 할 수 없는 등의 문제가 있다.

또한 플라즈마 프로세스에 있어서는 웨이퍼면 내에서 이온과 전자의 밸런스가 깨지는데 기인하는 국소적인 전계에 의해 게이트 산화막의 차징 업(charging up)을 유발하여 절연 파괴에 이르게 되는 형태의 차징 데미지도 골치 아픈 문제다. 예를 들면 플라즈마 에칭에 있어서는 웨이퍼의 주면(主面)에 대하여 이온은 수직으로 입사(入射)하지만 전자는 비스듬한 방향으로도 입사하므로, 국소적으로 전하 밸런스가 깨져서 차지 업을 유발하는 개소(個所)가 무작위로 발생하기 쉽다. 이러한 차징 데미지는 자기 바이어스의 면내 불균일성뿐만 아니라 에칭 패턴의 프로파일 등에도 의존하여, 발생하는 개소가 일정하지 않으며, 특허문헌 1에 기재된 기술로는 효과적으로 해소되지 않는다.

[특허문헌 1]특허공개2001-185542호 공보

상기와 같은 차징 데미지를 방지함과 동시에서, 플라즈마 생성에 이용하는 고주파의 파워를 듀티(duty) 가변한 H(high) 레벨/L(low) 레벨 또는 ON/OFF의 펄스로 변조하는 방식이 유효해진다.

그러나 상기처럼 플라즈마 처리에 이용하는 고주파의 파워를 펄스 변조하는 방식은, 고주파 파워가 펄스 주파수에서 주기적으로 변화함으로써，플라즈마 내지 이온 시스(ion-sheath)의 임피던스가 주기적으로 변동하고, 이것으로 정합기의 오토 매칭은 그 기능을 다하지 못해, 처리용기 내의 플라즈마 생성·분포특성 혹은 이온에너지의 변동을 초래하여 프로세스를 재현하지 못하게 되거나, 반사파에 의해 고주파 전원이 오버히트나 고장을 일으키는 등의 문제가 있어서 양산 장치에 적용하기가 곤란했다.

본 발명은 종전의 기술상의 문제점에 비추어서 이루어진 것이며, 플라즈마 처리에 이용하는 고주파의 파워를 주기적으로 변조하는 방식에 있어서, 플라즈마 또는 이온 시스의 임피던스 변동이나 고주파 전원으로 반사하는 것을 가급적으로 적게 하고, 프로세스의 안정성·재현성 및 고주파 전원의 안전한 보호를 보증하는 실용성 높은 플라즈마 처리 장치, 플라즈마 처리 방법 및 컴퓨터 판독이 가능한 기억 매체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제 １양상에 있어서 플라즈마 처리장치는, 진공배기 가능한 처리용기와, 상기 처리용기 내에서 피처리기판을 지지하는 제 1전극과, 상기 처리용기 내에서 상기 제 1전극 위에 설정된 처리 공간에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와, 상기 처리용기 내에서 상기 처리 가스를 여기하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 여기부와, 상기 플라즈마 속의 이온을 상기 피처리기판에 밀어 넣기 위해서 상기 제 1전극에 제 1고주파를 공급하는 제 1고주파 급전부와, 상기 제 1고주파의 파워를 소정의 주기로 변조하는 제 1고주파 파워 변조부와, 상기 제 1고주파의 파워 변조와 실질적으로 같은 시기에 상기 제 1고주파의 주파수를 변조하는 제 1주파수 변조부가 있다.

상기 장치구성에 있어서는 제 1고주파 파워 변조부가 플라즈마 속의 이온을 기판에 밀어 넣기 위한 제 1고주파의 파워를 소정의 주기로 변조하고, 피처리기판에 입사하는 이온의 에너지를 시간적으로 제어하는 한편, 제 1주파수 변조부가 제 1고주파의 파워 변조와 실질적으로 같은 시기에 제 1고주파의 주파수를 변조함으로써, 파워 변조에 따르는 시스 용량의 변동을 없애고, 플라즈마 임피던스의 변동 나아가서는 플라즈마로부터의 반사를 억제하고, 프로세스의 안정성·재현성을 도모할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태로 제 1고주파 파워 변조부는, 한 사이클을 제 1, 제 2, 제 3 및 제 ４ 스테이트로 분할하고, 제 1고주파의 파워가 상기 제 1스테이트에서는 제 1파워 설정치를 유지하고, 제 2스테이트에서는 제 1파워 설정치에서 그것보다도 높은 제 2파워 설정치로 바뀌고, 제 3스테이트에서는 제 2파워 설정치를 유지하고, 제 4스테이트에서는 제 2파워 설정치에서 제 1파워 설정치로 바뀌도록, 제 1고주파의 파워를 제어한다. 한편제 1 주파수 변조부는 제 1고주파의 주파수가, 제 1스테이트에서는 제 1주파수 설정치를 유지하고, 제 2스테이트에서는 제 1주파수 설정치에서 그것보다도 높은 제 2주파수 설정치로 바뀌고, 제 3스테이트에서는 제 2주파수 설정치를 유지하고, 제 4스테이트에서는 제 2주파수 설정치에서 제 1주파수 설정치로 바뀌도록, 제 1고주파의 주파수를 제어한다. 제 1고주파 파워와 주파수 사이에 상기와 같은 동기(同期)관계를 갖게 함으로써, 원하는 프로세스 특성 또는 프로세스 성능을 얻기 위해 제 1고주파의 파워 변조를 임의로 설정해도, 주파수 변조에 의해 파워 변조에 동반되는 플라즈마 임피던스의 변동이나 반사를 효과적으로 보상(억제) 할 수 있다.

또한 바람직한 실시 양상으로는, 제 1고주파 급전부가 제 1고주파를 발생하는 제 1고주파 전원과, 이 제 1고주파 전원의 출력 단자와 제 1전극과의 사이에 전기적으로 접속된 가변 리액턴스 소자를 포함하는 정합 회로와, 이 정합 회로를 포함한 부하 임피던스를 측정하기 위한 센서와, 이 센서의 출력 신호에 응답해서 부하 임피던스를 기준 임피던스와 일치되도록 가변 리액턴스 소자를 가변하는 컨트롤러를 포함하는 정합기와, 제 1스테이트 또는 제 3스테이트의 어느 한 쪽에서 임피던스의 정합이 잘 되도록 정합기를 제어하는 매칭 제어부가 있다. 또한 제 1전극측에서 제 1고주파 전원으로 전송 선로 위를 전파되어 오는 반사파의 파워를 측정하는 반사파 측정부를 갖출 수 있다.

바람직하게는 제 3스테이트에서 임피던스의 정합을 취할 경우에, 매칭 제어부는 제 3스테이트 중에 설정된 소정 기간 동안에만 센서의 출력 신호를 컨트롤러에 피드백 시킨다. 이 경우 제 1주파수 변조부는, 제 1스테이트 중에 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록 제 1주파수 설정치를 선정한다.

바람직하게는 제 1스테이트에서 임피던스의 정합을 취할 경우에, 매칭 제어부는 제 1스테이트 중에 설정된 소정 기간 동안에만 센서의 출력 신호를 컨트롤러에 피드백 시킨다. 이 경우에 제 1주파수 변조부는, 제 3스테이트 중에 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록 제 3주파수 설정치를 선정한다.

제 2스테이트에 관해서 바람직하게는, 제 2스테이트 중에 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록, 제 1고주파 파워 변조부가 제 1고주파의 파워를 소정의 상승 특성으로 제 1파워 설정치에서 제 2파워 설정치로 바뀌게 함과 동시에, 제 1주파수 변조부가 제 1고주파의 주파수를 소정의 상승 특성으로 제 1주파수 설정치에서 제 2주파수 설정치로 바뀌게 한다.

제 4스테이트에 관해서 바람직하게는, 제 4스테이트 중에 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록, 제 1고주파 파워 변조부가 제 1고주파 파워를 소정의 하강 특성으로 제 2파워 설정치에서 제 1파워 설정치로 바뀌게 함과 동시에, 제 1주파수 변조부가 제 1고주파의 주파수 를 소정의 하강 특성으로 제 2주파수 설정치에서 제 1주파수 설정치로 바뀌게 한다.

다른 바람직한 한 형태로는, 제 1고주파 파워 변조부가 제 1스테이트 중에 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치(바람직하게는 이동 평균치)에 기초하여, 후속하는 제 1스테이트 중에 부하에 공급되는 로드 파워가 목표치와 일치하도록 제 1파워 설정치를 보정한다. 또한 제 1고주파 파워 변조부는, 제 3스테이트 중에 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치(바람직하게는 이동 평균치)에 기초하여, 후속하는 제 3스테이트 중에 부하에 공급되는 로드 파워가 목표치와 일치하도록 제 3파워 설정치를 보정한다.

바람직한 한 형태로, 플라즈마 여기부는 처리용기 내에 제 1전극과 평행하게 마주 향하여 배치되는 제 2전극과, 처리 가스인 플라즈마를 생성하는데 적합한 주파수인 제 2고주파를 제 2전극에 공급하는 제 2고주파 급전부가 있다. 별도의 바람직한 한 가지 형태로 플라즈마 여기부는 처리용기 내에 제 1전극과 평행하게 마주 향하여 배치되는 제 2전극과, 처리 가스인 플라즈마를 생성하는데 적합한 주파수인 제 2고주파를 제 1전극에 공급하는 제 2고주파 급전부가 있다. 이 경우에 제 2주파수 변조부를 구비하고, 제 1고주파의 파워 변조와 실질적으로 같은 시기에 제 2고주파의 주파수를 변조하는 것도 가능하다. 또는 제 2고주파 파워 변조부를 구비하고, 제 1고주파의 파워 변조와 실질적으로 같은 시기에 제 2고주파의 파워를 변조해도 된다.

본 발명의 제 ２양상에서 플라즈마 처리장치는 진공배기 가능한 처리용기와, 상기 처리용기 내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와, 상기 처리용기 내에서 상기 처리 가스를 여기하여 플라즈마를 생성하기 위해 상기 처리용기 속 또는 근방에 배치된 제 1전극 또는 안테나에 제 1고주파를 공급하는 제 1고주파 급전부와, 상기 제 1고주파의 파워를 소정의 주기로 변조하는 제 1고주파 파워 변조부와, 상기 제 1고주파의 파워 변조와 실질적으로 같은 시기에 상기 제 1고주파의 주파수를 변조하는 제 1주파수 변조부가 있다.

상기의 장치구성에 있어서는, 제 1고주파 파워 변조부가 플라즈마 생성에 기여하는 제 1고주파의 파워를 소정의 주기로 변조하고, 예를 들면 차징 데미지의 방지를 도모하기 위해서 플라즈마 밀도를 시간적으로 제어하는 한편, 제 1주파수 변조부가 제 1고주파의 파워 변조와 실질적으로 같은 시기에 제 1고주파의 주파수를 변조함으로써, 파워 변조에 따르는 플라즈마 용량의 변동을 없애고, 플라즈마 임피던스의 변동, 나아가서는 플라즈마로부터의 반사를 억제하여 프로세스의 안정성·재현성을 도모할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태로, 제 1고주파 파워 변조부는 한 사이클을 제 1, 제 2, 제 3 및 제 ４스테이트로 분할하고, 제 1고주파의 파워가 제 1스테이트에서는 제 1파워 설정치를 유지하고, 제 2스테이트에서는 제 1파워 설정치에서 그것보다도 높은 제 2파워 설정치로 바뀌고, 제 3스테이트에서는 제 2파워 설정치를 유지하고, 제 4스테이트에서는 제 2파워 설정치에서 제 1파워 설정치로 바뀌도록 제 1고주파의 파워를 제어한다. 한편 제 1주파수 변조부는 제 1고주파의 주파수가 제 1스테이트에서는 제 1주파수 설정치를 유지하고, 제 2스테이트에서는 제 1주파수 설정치에서 그것보다도 낮은 제 2주파수 설정치로 바뀌고, 제 3스테이트에서는 제 2주파수 설정치를 유지하고, 제 4스테이트에서는 제 2주파수 설정치에서 제 1주파수 설정 치로 바뀌도록, 제 1고주파의 주파수를 제어한다. 제 1고주파의 파워와 주파수 사이에 상기와 같은 동기(同期)관계를 갖게 함으로써, 원하는 프로세스 특성 또는 프로세스 성능을 얻기 위해서 제 1고주파의 파워 변조를 임의로 설정해도, 주파수 변조에 의해 파워 변조와 동반되는 플라즈마 임피던스의 변동이나 반사를 효과적으로 보상(억제) 할 수 있다.

또한 바람직한 실시 형태로는, 제 1고주파 급전부가 제 1고주파를 발생하는 제 1고주파 전원과, 이 제 1고주파 전원의 출력 단자와 제 1전극과의 사이에 전기적으로 접속된 가변 리액턴스 소자를 포함하는 정합 회로와, 이 정합 회로를 포함한 부하 임피던스를 측정하기 위한 센서와, 이 센서의 출력 신호에 응답하여 부하 임피던스를 기준 임피던스와 일치되도록 가변 리액턴스 소자를 가변하는 컨트롤러를 포함하는 정합기와, 제 1스테이트 또는 제 3스테이트 중 어느 한 쪽에서 임피던스의 정합이 잘 되도록 정합기를 제어하는 매칭 제어부가 있다. 제 1전극측에서 제 1고주파 전원으로 전송 선로 위를 전파되어 오는 반사파의 파워를 측정하는 반사파 측정부를 갖출 수 있다.

바람직하게는 제 3스테이트에서 임피던스의 정합을 할 경우에, 매칭 제어부는 제 3스테이트 중에 설정된 소정 기간 동안에만 센서의 출력 신호를 컨트롤러에 피드백 시킨다. 이 경우, 제 1주파수 변조부는 제 1스테이트 중에 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록 제 1 주파수 설정치를 선정한다.

바람직하게는 제 1스테이트에서 임피던스의 정합을 할 경우에 매칭 제어부는 제 1스테이트 중에 설정된 소정 기간 동안에만 센서의 출력 신호를 컨트롤러에 피드백 시킨다. 이 경우에 제 1주파수 변조부는 제 3스테이트 중에 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록 제 3 주파수 설정치를 선정한다.

제 2스테이트에 관해서 바람직하게는, 제 2스테이트 중에 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록, 제 1고주파 파워 변조부가 제 1고주파의 파워를 소정의 상승 특성으로 제 1파워 설정치에서 제 2파워 설정치로 바뀌게 함과 동시에, 제 1주파수 변조부가 제 1고주파의 주파수를 소정의 하강 특성으로 제 1주파수 설정치에서 제 2주파수 설정치로 바뀌게 한다.

제 4스테이트에 관해서 바람직하게는 제 4스테이트 중에 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록, 제 1고주파 파워 변조부가 제 1고주파의 파워를 소정의 하강 특성으로 제 2파워 설정치에서 제 1파워 설정치로 바뀌게 함과 동시에, 제 1 주파수 변조부가 제 1고주파의 주파수를 소정의 상승 특성으로 제 2주파수 설정치에서 제 1주파수 설정치로 바뀌게 한다.

다른 바람직한 한 형태로는 제 1고주파 파워 변조부가 제 1스테이트 중에 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치(바람직하게는 이동 평균치)에 기초하여, 후속하는 제 1스테이트 중에 부하에 공급되는 로드 파워가 목표치와 일치하도록 제 1파워 설정치를 보정한다. 또한 제 1고주파 파워 변조부는 제 3스테이트 중에 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치(바람직하게는 이동 평균치)에 기초하여, 후속하는 제 3스테이트 중에 부하에 공급되는 로드 파워가 목표치와 일치하도록 제 3파워 설정치를 보정한다.

바람직한 한 형태로는 플라즈마 생성용 제 1고주파를 공급되는 제 1 전극이 처리용기 내에서 피처리기판을 지지한다. 별도의 바람직한 형태에서는 플라즈마 생성용인 제 1고주파를 공급되는 제 1전극이 처리용기 내에서 피처리기판을 지지하는 제 2전극과 평행하게 마주 향한다. 이 경우에 플라즈마로부터 이온을 기판에 밀어 넣기 위해서, 제 2고주파 급전부에서 제 2고주파를 제 1전극에 공급해도 된다.

본 발명의 제 １양상에 있어서 플라즈마 처리 방법은 진공배기 가능한 처리용기 속 또는 그 근방에 설치된 전극 또는 안테나에 공급하는 고주파의 파워를 일정 주기로 변조하는 플라즈마 처리 방법이며, 상기 고주파의 파워 변조와 실질적으로 같은 시기에 상기 고주파의 주파수를 변조한다.

상기 플라즈마 처리 방법으로는 제 1고주파의 파워를 소정의 주기로 변조하고, 플라즈마 밀도 혹은 이온에너지를 시간적으로 제어하는 한편, 제 1고주파의 파워 변조와 실질적으로 같은 시기에 제 1고주파의 주파수를 변조함으로써, 파워 변조에 따르는 플라즈마 용량의 변동을 없애고, 플라즈마 임피던스의 변동, 나아가서는 플라즈마로부터의 반사를 억제하여, 프로세스의 안정성·재현성을 도모할 수 있다.

본 발명의 바람직한 형태로는 한 사이클 내에서 제 1고주파의 파워 및 주파수를 적어도 2단계로 동시에 가변한다.

또한 본 발명에 있어서 컴퓨터 판독이 가능한 기억 매체는 컴퓨터상에서 작동하는 제어 프로그램이 기억된 컴퓨터 기억 매체이며, 상기 제어 프로그램은 실행 시에 본 발명의 플라즈마 처리 방법이 행하여지도록 플라즈마 처리 장치를 제어한다.

본 발명의 플라즈마 처리 장치 또는 플라즈마 처리 방법 혹은 컴퓨터 판독이 가능한 기억 매체에 의하면 상기와 같은 구성 및 작용에 의해 플라즈마 처리에 이용하는 고주파의 파워를 원하는 프로세스 특성을 얻기 위해서 주기적으로 변조해도, 플라즈마 또는 이온 시스의 임피던스 변동이나 고주파 전원으로의 반사를 가급적으로 적게 하고, 프로세스의 안정성·재현성 및 고주파 전원의 안전 보호를 보증할 수 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하겠다.

도１은 본 발명의 한 실시 형태에서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 나타낸다. 이 플라즈마 처리 장치는 용량 결합형 평행 평판 플라즈마 에칭 장치로 구성되 어 있고, 예를 들면 알루미늄 또는 스테인리스강 등의 금속제의 원통형 챔버(처리용기)(10)가 있다. 챔버(10)는 보안 접지되어 있다.

챔버(10) 안에는 피처리기판으로 예를 들면 반도체 웨이퍼(W)가 탑재된 원판 형상의 서셉터(12)가 하부 전극으로서 수평하게 배치되어 있다. 이 서셉터(12)는 예를 들면 알루미늄으로 되어 있고, 챔버(10)의 밑바닥으로부터 수직 위쪽에 연장되는 예를 들면 세라믹제의 절연성 통 모양 지지부(14)에 의해 접지되지 않은 상태로 지지되어 있다. 이 통 모양 지지부(14)의 외주를 따라 챔버(10)의 밑바닥으로부터 수직 위쪽으로 연장하는 전도성(電導性) 통 모양 내벽부(16)와 챔버(10)의 측벽과의 사이에 고리 모양의 배기로(18)가 형성되고, 이 배기로(18)의 밑바닥에 배기구(20)가 설치된다.

이 배기구(20)에는 배기관(22)을 거쳐서 배기 장치(24)가 접속되어 있다. 배기 장치(24)는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 가지고 있어서 챔버(10) 내의 처리공간을 원하는 진공도의 압력으로 내릴 수 있다. 챔버(10)의 측벽에는 반도체 웨이퍼(W)의 반입 출구를 개폐하는 게이트밸브(26)가 부착되어 있다.

서셉터(12)에는 고주파 전원(28)이 RF케이블(30), 하부정합기(32) 및 하부 급전 막대(34)를 거쳐서 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원(28)은 서셉터(12) 상의 반도체 웨이퍼(W)에 밀어 넣어지는 이온 에너지를 제어하는데 적합한 주파수(보통 13.56㎒ 이하)를 갖는 바이어스 제어용 고주파(LF)를 출력한다. 이 실시 형태의 고주파 전원(28)은 제어부(80)의 제어 하에서 바이어스 제어용 고주파(LF)의 진폭을 펄스 변조(AM변조) 할 수 있을 뿐 아니라, 그 주파수도 펄스 변조(FM변조) 할 수 있게 구성되어 있다. RF케이블(30)은 예를 들면 동축 케이블이 된다.

하부정합기(32)에는 후술하는 바와 같이, 고주파 전원(28)측의 임피던스와 부하(전극, 플라즈마, 챔버)측의 임피던스와의 사이에서 정합을 취하기 위한 정합 회로가 수용되는 동시에, 오토 매칭용의 RF센서, 스텝 모터, 컨트롤러 등도 갖춰져 있다.

일반적으로 플라즈마 처리 장치에 있어서, 처리용기 안 또는 근방에 배치된 전극 또는 안테나에 고주파를 공급하는 고주파 급전부는 고주파를 출력하는 고주파 전원뿐만 아니라 부하측 (전극, 플라즈마, 챔버)의 임피던스와 고주파 전원측의 임피던스 사이에서 정합(매칭)을 하기 위한 정합기를 갖추고 있다. 고주파 전원은 보통 50Ω의 순 저항 출력이 되도록 설계되기 때문에, 정합기도 포함한 부하측의 임피던스가 50Ω가 되도록, 정합기내의 임피던스가 설정 또는 조절된다. 이러한 종류의 정합기는 정합 회로 내에 1개 또는 여러 개의 가변 리액턴스 소자(가변 콘덴서, 가변 인덕턴스 코일 등)를 포함하고, 스텝 모터 등에 의해 가변범위 내의 각 스텝 위치 또는 포지션을 선택함으로써 정합기 내의 임피던스, 나아가서는 부하 임피던스를 가변 조정할 수 있도록 구성되어 있다. 플라즈마 처리 중에는 압력 변동 등에 의해 플라즈마 임피던스가 변하면, 정합기의 오토 매칭 기능이 작동하여, 이러한 가변 리액턴스 소자의 임피던스 포지션을 가변 조정해서 자동적으로 부하 임피던스를 보정해서 정합 포인트 50Ω에 맞추도록 되어 있다.

서셉터(12)는 반도체 웨이퍼(W)보다도 한 바퀴 더 큰 직경 또는 구경을 가지고 있다. 서셉터(12)의 윗면에는 처리 대상 반도체 웨이퍼(W)가 탑재되어, 그 반도 체 웨이퍼(W) 주위에 포커스 링(36)이 장착된다. 이 포커스 링(36)은, 반도체 웨이퍼(W)의 피에칭재에 따라，예를 들면 Si, SiC, C, SiO2 중 어느 하나의 재질로 구성되어 있다.

서셉터(12)의 윗면에는 웨이퍼 흡착용 정전 척(chuck)(38)이 설치되어 있다. 이 정전 척(38)은, 막 모양 또는 판 모양의 유전체 속에 시트 형상 또는 그물 형상의 전도체를 사이에 낀 것으로, 서셉터(12)의 윗면에 일체(一體) 형성 또는 일체 고착되고 있으며, 해당 전도체에는 챔버(10) 밖에 배치되는 직류 전원(40)이 스위치(42) 및 고압선(44)을 거쳐서 전기적으로 접속되어 있다. 직류 전원(40)에서 공급되는 직류 전압에 의해, 쿨롱 힘으로 반도체 웨이퍼(W)를 정전 척(38) 위로 흡착 보호, 유지할 수 있도록 되어 있다.

서셉터(12)의 내부에는 예를 들면 원주 방향으로 이어지는 고리형상의 냉매실(46)이 설치되어 있다. 이 냉매실(46)에는 칠러 유닛(도시하지 않음)에서 배관(48),(50)을 거쳐서 소정 온도의 냉매, 예를 들면 냉각수가 순환 공급된다. 냉매의 온도에 따라 정전 척(38) 위의 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 제어할 수 있다. 또한 웨이퍼 온도의 정밀도를 더욱 높이기 위해서 전열 가스 공급부(도시하지 않음)로부터의 전열 가스, 예를 들면 He 가스가, 가스 공급관(52) 및 서셉터(12) 내부의 가스 통로(54)를 거쳐서 정전 척(38)과 반도체 웨이퍼(W) 사이에 공급된다.

챔버(10)의 천장에는 서셉터(12)와 평행하게 마주하여 상부 전극을 겸하는 샤워헤드(56)가 설치되어 있다. 이 샤워헤드(56)는 서셉터(12)와 마주 보는 전극판(58)과, 이 전극판(58)을 그 뒤(위)에서 장착 및 분리할 수 있도록 지지하는 전 극지지체(60)를 갖추고, 전극지지체(60)의 내부에 가스실(62)을 설치하어, 이 가스실(62)에서 서셉터(12)측을 관통하는 다수의 가스 토출 구멍(64)을 전극지지체(60) 및 전극판(58)에 형성한다. 전극판(58)과 서셉터(12) 사이의 공간(S)이 플라즈마 생성 공간 내지 처리 공간이 된다. 가스실(62)의 상부에 마련된 가스 도입구(62a)에는 처리 가스 공급부(65)로부터 가스 공급관(66)이 접속되어 있다. 전극판(58)은 예를 들면 Si, SiC 또는 C로 되어 있고, 전극지지체(60)는 예를 들면 알루밀라이트(알루마이트) 처리된 알루미늄으로 되어 있다.

샤워헤드(56)와 챔버(10)의 윗면 개구 돌기부 사이에는 예를 들면 알루미나로 된 링 모양의 절연체(68)가 세밀하게 막고 있다. 샤워헤드(56)는 전기적으로 비 접지 상태로 챔버(10)에 장착되어 있으며, 별도의 고주파 전원(70)이 RF케이블(72), 상부 정합기(74) 및 상부 급전봉(76)을 거쳐서 샤워헤드(56)에 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원(70)은 고주파 방전 즉 플라즈마 생성에 적합한 주파수(바람직하게는 40㎒ 이상)를 갖는 고주파(HF)를 무변조 즉 일정 파워 및 일정 주파수로 출력한다. RF케이블(72)은 예를 들면 동축(同軸) 케이블로 되어 있다. 정합기(74)에는 고주파 전원(70)측의 임피던스와 부하(전극, 플라즈마, 챔버)측의 임피던스 사이에서 정합을 이루기 위한 정합 회로가 수용되며 이와 함께 오토 매칭용 RF센서, 스텝모터, 컨트롤러 등도 갖춰져 있다.

제어부(80)는 후술하는 바와 같이 마이크로컴퓨터 및 각종 인터페이스를 포함하고, 외부 메모리 또는 내부 메모리에 저장되는 소프트웨어(프로그램) 및 레시피 정보에 따라 이 플라즈마 에칭 장치 내의 각부, 예를 들면 배기 장치(24), 고주 파 전원(28, 70), 정합기(32, 74), 직류 전원 스위치(42), 칠러 유닛(도시하지 않음), 전열 가스 공급부(도시하지 않음) 및 처리 가스 공급부(65) 등의 각각의 동작 및 장치 전체의 동작(시퀀스)을 제어한다.

이 플라즈마 에칭 장치로 에칭을 하려면 우선 게이트밸브(26)를 연 상태로 하고 가공 대상인 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(10) 내에 반입하여 정전 척(38) 위에 탑재한다. 그리고 처리 가스 공급부(65)에서 에칭 가스(일반적으로 혼합 가스)를 소정의 유량으로 챔버(10) 내에 도입하고, 배기 장치(24)에 의해 챔버(10) 내의 압력을 설정치로 만든다. 또한 고주파 전원(70)에서 상부 정합기(74)를 거쳐서 플라즈마 생성용 고주파(HF)를 상부 전극(56)에 공급함과 동시에, 고주파 전원(28)에서 하부정합기(32)를 거쳐서 바이어스 제어용 고주파(LF)를 서셉터(12)에 공급한다. 또한 직류 전원(40)에서 직류 전압을 정전 척(38)에 공급하고, 반도체 웨이퍼(W)를 정전 척(38)위에 고정한다. 샤워헤드(56)에서 나온 에칭 가스는 양쪽 전극(12, 56) 사이에서 고주파 방전에 의해 플라즈마화하고, 이 플라즈마에서 생성되는 래디컬이나 이온에 의해 반도체 웨이퍼(W) 표면의 피가공 막이 원하는 패턴으로 에칭된다.

이 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치는 상부 전극(샤워헤드)(56)에 플라즈마 생성에 적합한 비교적 높은 주파수(40㎒ 이상)인 고주파(HF)를 공급함으로써, 플라즈마를 바람직한 해리 상태로 고 밀도화하고, 보다 저압의 조건 하에서도 고밀도 플라즈마를 형성할 수 있다. 그와 동시에, 서셉터(12)에 이온을 넣는데 적합한 비교적 낮은 주파수(13.56㎒ 이하)인 고주파(LF)를 공급함으로써, 이온에너지를 보다 세밀히 제어하고, 이방성(異方性) 에칭의 가공 정밀도를 높일 수 있다.

그리고 바이어스 제어용 고주파(LF)의 파워를 제어부(80)의 제어로 고주파 전원(28)에서 듀티(duty) 가변인 H 레벨/L 레벨 또는 ON/OFF의 펄스로 변조함으로써, 반도체 웨이퍼(W)에 입사하는 이온 에너지를 시간적으로 제어하여 선택성 등의 가공 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이 실시 형태에서의 펄스 변조 방식의 기본적인 수법을 도２에 나타낸다. 이 실시 형태에서는 바이어스 제어용 고주파(LF)의 파워를 프로세스에 따른 일정한 주파수(예를 들면 10㎑) 및 듀티(예를 들면 50%)로 펄스 변조할 뿐만 아니라, LF파워의 펄스 변조와 같은 시기에 그 주파수(LF주파수)도 펄스 변조한다. 즉 LF파워와 LF주파수 사이에 한 사이클 내에서 LF파워가 H 레벨의 설정치 P_A(예를 들면 500W)를 유지하는 기간 T_A 동안은 LF주파수도 H 레벨의 설정치 F_A(예를 들면 13.56㎒)를 유지하고, LF파워가 L레벨의 설정치 P_B(예를 들면 100W)를 유지하는 기간 T_B 동안은 LF주파수도 L 레벨의 설정치 F_B(예를 들면 12.05㎒)를 유지하도록 하는 동기관계를 갖게 한다. 여기에서 LF주파수의 Ｈ 레벨/L 레벨은 2개의 다른 주파수 설정치 사이의 상대적인 고저관계를 의미하고, H 레벨이 상대적으로 높은 쪽의 주파수 설정치고, L 레벨이 상대적으로 낮은 쪽 주파수 설정치다.

또한 도２에서는 LF파워의 펄스 변조와 LF 주파수의 펄스 변조를 완전히 같은 타이밍(동일 위상, 동일 듀티)으로 실행하고 있지만, 현실적으로는 시간 축 상에서 그 타이밍(위상, duty) 달라도 된다. 단, LF파워와 LF주파수의 펄스 변조의 주파수는 동기시키거나 일치시킬 필요가 있다.

서셉터(12)에 바이어스 제어용의 고주파(LF)를 공급할 경우는 LF파워와 서셉터(12) 위에 형성되는 이온 시스의 두께(하부 시스 두께) 사이에 일정한 비례 관계가 있고, LF파워가 H 레벨의 일정한 값P_A을 취할 때는 하부 시스 두께도 H 레벨의 일정치 D_A가 되고, LF파워가 L 레벨의 일정치 P_B를 취할 때는 하부 시스 두께도 L 레벨의 일정치 D_B가 된다. 여기에서 하부 시스의 두께가 클수록 그 시스 커패시턴스는 작아지고, 하부 시스의 두께가 작을수록 시스 커패시턴스는 커진다.

이 실시 형태에서는 제어부(80)의 제어 하에서, 하부정합기(32)가 H 레벨 기간 T_A에 부하측의 임피던스를 고주파 전원(28)측의 임피던스에 매칭하도록 작동하고, L 레벨 기간 T_B 중의 부하 임피던스를 무시(비검지)하도록 되어 있다. 원래 그렇게 하면, H 레벨 기간 T_A에 하부 시스 두께가 H 레벨의 값 D_A에서 임피던스 매칭이 이루어진 상태에서, L 레벨 기간 T_B으로 바뀌면 하부 시스 두께가 H 레벨의 값 D_A에서 L 레벨의 값 D_B로 바뀐 만큼(즉 하부 시스 캐퍼시턴스가 증대한 만큼) 공진점(共振点)에서 어긋나 임피던스 매칭이 되지 않게 된다. 따라서 L 레벨 기간 T_B에 그러한 임피던스 매칭이 어긋나는 것을 최소한으로 하기 위해서, 하부 시스 두께의 감소 즉 시스 커패시턴스의 증대를 없애도록, LF주파수를 H 레벨일 때의 기준 주파수 F_A보다도 적당히 낮은 Ｌ 레벨의 값 F_B까지 낮춘다.

이처럼 이 실시 형태의 펄스 변조 방식에 있어서는, H 레벨 기간 T_A 중에는 하부정합기(32)의 오토 매칭 기능에 의해 고주파 전원(28)과 부하 사이에서 임피던스 매칭을 이루고, L 레벨 기간 T_B 중에는 하부정합기(32)가 부하 임피던스에 응답하지 않고 대신에 고주파 전원(28)이 LF주파수를 적절히 낮추는 방법으로 임피던스 매칭이 어긋난 것을 보정하도록 하고 있다. 따라서 LF파워가 H 레벨과 L 레벨 사이에서 주기적으로 변화함으로써，하부 시스의 캐퍼시턴스가 주기적으로 변동해도, 플라즈마 임피던스 또는 부하 임피던스의 급격한 변동은 없으므로, 하부정합기(32)의 오토 매칭이 헌팅을 일으킬 우려가 없으며, 플라즈마 부하에서 고주파 전원(28)으로의 반사를 효과적으로 억제할 수 있다.

이 실시 형태의 펄스 변조 방식의 LF파워와 LF주파수 사이의 동기관계를 도３에 보다 상세하게 나타낸다. 도시한 바와 같이, 펄스 변조의 한 사이클이 4개의 스테이트, 즉 제 1스테이트 T_B, 제 2스테이트 T_C, 제 3스테이트 T_A 및 제 4스테이트 T_D로 분할된다. 여기에서 제 1스테이트 T_B는 상기 L 레벨 기간에 대응하고, 제 3스테이트 T_A는 상기 H 레벨 기간에 대응한다. 제 2스테이트 T_C는, LF파워 및 LF주파수를 각각 L 레벨의 설정치 P_B, F_B에서 H 레벨의 설정치 P_A, F_A로 바뀌게 하는 기간이다. 제 4스테이트 T_D는 LF파워 및 LF주파수를 각각 H 레벨의 설정치 P_A, F_A에서 L 레벨의 설정치 P_B, F_B로 바뀌게 하는 기간이다.

제 3스테이트 T_A의 기간 중에는 상기와 같이 하부정합기(32)의 오토 매칭에 의해 임피던스 매칭이 이루어지므로, 부하의 플라즈마에서 고주파 전원(28)으로 튀 어나오는 LF 반사파의 파워는 매우 낮다(JA). 제 1스테이트 T_B 기간 중에도, 상기와 같이 LF 주파수의 펄스 변조에 의해 임피던스 매칭이 어긋난 것이 보정되므로, LF 반사 파워가 매우 낮은 레벨 JB로 유지된다. 그러나 제 2스테이트 T_C 및 제 4스테이트 T_D의 기간 중에는 오토 매칭의 기능 혹은 그 보상 기능이 실질적으로 작용하지 않기 때문에, 임펄스 형상의 LF 반사 파워가 발생한다.

그러한 제 2스테이트 T_C 및 제 4스테이트 T_D에서의 LF 반사 파워의 변동에 하부정합기(32)가 감응한다면, 오토 매칭의 안정성·정밀도가 저하되어 제 3스테이트 T_A에서의 LF 반사 파워가 증대하고, 나아가서는 제 1스테이트 T_B에서의 LF 반사 파워도 증대하게 된다.

이러한 실시 형태에서는 제어부(80)가 고주파 전원(28)을 통해서 펄스 변조의 시간적인 특성(주파수, 듀티, 위상 등) 모두를 제어하고 있으며, 제 1∼제 4스테이트를 순차적으로 또는 반복적으로 전환하는 타이밍도 모두 관리하고 있다. 또한 제어부(80)는 하부정합기(32)가 부하 임피던스에 감응하는 사이클 또는 기간도 제어하고 있으며, 도３에 도시한 바와 같이 제 3스테이트 T_A 중에 제 2스테이트 T_C의 끝 또는 제 4스테이트 T_D의 시작에 걸리지 않는 타이밍으로 정합기 감응 기간 T_M을 설정하고 있다.

도４에 이 실시 형태에서의 고주파 전원(28) 및 하부정합기(32)의 구성을 나타낸다. 고주파 전원(28)은 주파수 가변의 사인파(정현파, 正弦波)를 발진 출력하 는 발진기(82)와 이 발진기(82)에서 출력된 사인파의 파워를 가변의 증폭율로 증폭하는 파워 앰프(84)를 구비하고 있다.

제어부(80)는 발진기(82)를 통해서 LF 주파수의 펄스 변조 또는 가변 제어를 하고, 파워 앰프(84)를 통해서 LF파워의 펄스 변조 또는 가변 제어를 한다.

하부정합기(32)에는 적어도 1개의 가변 리액턴스 소자를 포함하는 정합 회로(90)와, 이 정합 회로(90)의 각 가변 리액턴스 소자의 임피던스를 개별적으로 가변 제어하기 위한 컨트롤러(92)와, 정합 회로(90)를 포함시킨 부하 임피던스를 측정하는 기능을 가지는 RF센서(94)가 있다.

도시한 예에서는 정합 회로(90)가 2개의 가변 콘덴서 C1, C2와 1개의 인덕턴스 코일 L1로 이루어지는 Ｔ형 회로로 구성되어, 컨트롤러(92)가 스텝모터(96, 98)를 통해서 가변 콘덴서 C1, C2의 임피던스 포지션을 가변 제어하게 되어 있다. RF센서(94)는 예를 들면 그 설치 위치에서 전송 선로 상의 RF 전압 및 RF 전류를 각각 검출하는 전압 센서 및 전류 센서가 있고, 전압측정치 및 전류측정치로부터 부하 임피던스의 측정치를 복소수(複素數)로 표시하는 것이 요구된다. 컨트롤러(92)는 예를 들어 마이크로컴퓨터로 되어 있고, RF센서(94)로부터의 부하 임피던스의 측정치를 게이트 회로(100)를 거쳐서 받으며, 제어부(80)로부터는 각종 설정치나 커맨드를 받는다.

게이트 회로(100)는 제어부(80)의 제어 하에서, 펄스 변조의 각 사이클에서 제 3스테이트 T_A 동안에 설정된 정합기 감응 기간 T_M(도３) 동안에만 RF센서(94)의 출력 신호(부하 임피던스 측정치)를 컨트롤러(92)에 부여한다. 이에 따라 컨트롤러(92)는 제 3스테이트 T_A 동안의 정합기 감응 기간 T_M 중에만 RF센서(94)의 출력 신호를 입력받아, 부하 임피던스 측정치가 기준 임피던스 또는 정합 포인트(보통 50Ω)와 일치하도록, 스텝모터(96, 98)를 통해서 가변 콘덴서 C1, C22의 임피던스 포지션을 가변 제어한다.

이 실시 형태에서는 고주파 전원(28)의 출력 단자에 부하측에서 전송 선로 위를 전파해 오는 반사파를 수신해서 반사파의 파워를 측정하는 반사파 측정 회로(102)도 갖춰져 있다. 후술하는 바와 같이 제어부(80)는 반사파 측정 회로(102)로부터 받은 반사 파워 측정치에 기초하여, 펄스 변조의 각 스테이트에서 각종 파라미터의 선정이나 제어를 하도록 하고 있다.

상기와 같이 이 실시 형태의 LF 주파수의 펄스 변조에서는, 제 1스테이트 T_B 중에 LF 주파수를 제 3스테이트 T_A 중의 Ｈ 레벨의 기준 주파수F_A보다도 적당히 낮은 Ｌ 레벨의 값 F_B까지 낮추도록 하고 있다.

L 레벨의 주파수 설정치 F_B를 결정하기 위해 제어부(80)에서 실행되는 프로그램의 순서를 도５에 나타낸다. 이 플로 차트는 시스템의 기동을 시작한 직후에 상기와 같은 제어부(80) 및 하부정합기(32)에 의한 오토 매칭이 안정되고 나서 실행되어야 한다.

우선 초기화에서 소요되는 파라미터 및 설정치를 입력한다(스텝 S1). 그리고 전 사이클인 제 4스테이트 T_D에서 현 사이클인 제 1스테이트 T_B로 전환되었다면(스텝 S2), 파워 앰프(84)를 통해서 LF파워를 L 레벨의 설정치 P_B로 제어하는 동시에, 발진기(82)를 통해서 LF 주파수를 L 레벨의 가주파수 설정치 F_B(1)로 제어한다(스텝 S3). 그리고 해당 제 1스테이트 T_B 중에 설정된 LF파워 측정 기간에 반사파 측정 회로(102)가 LF 반사 파워를 검지해서 측정치(실효치 또는 평균치) JB(1)을 구하고, 제어부(80)는 메모리상에서 LF 반사 파워 측정치 JB(1)을 가설정치 F_B(1)에 대응시킨다(스텝 S4).

각 사이클마다 제 1스테이트 T_B의 가주파수 설정치 F_B(n)을 도６에 도시한 바와 같이 일정한 스텝 폭으로 감소시키고, 또는 도７에 도시한 바와 같이 일정한 스텝 폭으로 증가시키고, LF 반사 파워 측정치 JB(n)을 가주파수 설정치 F_B(n)에 대응시켜 기록하고, 이 일련의 처리를 소정 회수 반복한다(스텝 S2∼S6). 그리고 도６ 및 도７에서는 제 2스테이트 T_C 및 제 4스테이트 T_D를 생략하였다.

그리고 측정치 데이터를 예를 들면 도８에 도시한 바와 같이 그래프화하고, 최소제곱법 등에 의해 구해지는 LF 반사 파워의 최소치 JBm 와 그 부근의 값에 대응하는 LF 주파수를 산출하고, 이것을 제 1스테이트 T_B에서의 Ｌ 레벨의 주파수 설정치 F_B라고 한다(스텝 S7).

또한 각 사이클마다 제 1스테이트 T_B의 가주파수 설정치를 일정한 스텝 폭으 로 감소 또는 증가시키는 대신, 도９에 도시한 바와 같이 여러 사이클에 걸쳐서 제 1스테이트 T_B 중에 LF 주파수를 일정한 상승율 또는 감소율로 연속적으로 스위프하는(sweeping) 수법도 가능하다.

또 상기와 같은 플로 차트(도５)를 사용하는 대신에, 과거의 데이터 및 프로세스 조건(예를 들면 HF/LF파워, 압력, 가스 종류 등)을 기초로 하부 시스 두께를 추정하고, 하부 시스 두께를 변수로 하는 소정의 연산식으로 제 1스테이트 T_B에서의 Ｌ 레벨의 주파수설정 값 F_B를 선정 또는 결정하는 것도 가능하다. 이 경우에 반사파 측정 회로(102)에서 얻을 수 있는 LF 반사 파워 측정치를 기초로 주파수 설정치 F_B의 검증이나 재선정을 해야 한다.

제 2스테이트 T_C에서 LF파워 및 LF 주파수를 각각 L 레벨에서 H 레벨로 바뀌게 하는 특성(상승 특성)을 결정하기 위해 도10에 제어부(80)에서 실행되는 프로그램의 순서를 나타낸다. 도11에 이 플로 차트의 작용을 나타낸다. 이 플로 차트는 상기와 같은 방법으로 제 3스테이트 T_A 및 제 1스테이트 T_B에 관련된 각종 파라미터의 설정치를 확정하고, 양쪽 스테이트 T_B, T_A에서 LF 반사 파워가 낮은 레벨 JB, JA로 유지되어 안정되고 나서 실행해야 한다.

우선 초기화에서 소요되는 파라미터 및 설정치를 입력한다(스텝 S10). 그리고 제 1스테이트 T_B에서 제 2스테이트 T_C로 전환되었다면(스텝 S11), 파워 앰프(84) 및 발진기(82)를 통하여 LF파워 및 LF 주파수를 각각 가상의 변화 특성 P(n), F(n) 으로 시작한다(스텝 S12). 여기에서 가상의 변화 특성P(n), F(n)은 각각 독립적으로 설정되고, 도11에 도시하는 바와 같이 변화(시작)의 개시 시간 tps, tfs 및 종료 시간 tpe, tfe, 변화 함수 등을 파라미터로 한다. 변화 함수는 경사진 일정한 직선 PL, FL에 한정되지 않고, 로그 함수적인 곡선 PE, FE나 N차 함수(N≥2) 또는 지수함수적인 곡선 PN, FN등이어도 된다.

그리고 제 2스테이트 T_C 기간 중에 반사파 측정 회로(102)가 LF 반사 파워를 측정하고, 제어부(80)는 그 측정치를 현시점에서의 LF 반사 파워 측정치의 최소치와 비교하여(스텝 S13), 그 비교에서 작았던 쪽을 LF 반사 파워 측정치의 새로운 최소치로 정한다(스텝 S14). 또 첫 번째 시기에는 그 시점에서의 최소 측정치는 존재하지 않으므로, 무조건 첫 번째의 측정치를 최소치로 한다. LF 반사 파워의 측정치는, 임펄스 파형의 피크 값, 평균치 또는 적분 값으로 구해야 한다.

각 사이클마다 LF파워 및 LF 주파수의 가상의 변화 특성 P(n), F(n)을 적절히 또는 순차적으로 변경하고, 상기와 같은 제 2스테이트 T_C에서의 LF 반사 파워의 측정, 비교, 최소치 갱신 등의 일련의 처리를 소정 회수 반복한다(스텝 S11∼S16). 그 결과 차차 갱신되어 최후에 남은 LF 반사 파워 측정 치의 최소값을 데이터베이스에 조회해서 적정한 값 또는 허용 범위 내의 값인지를 확인하여(스텝 S17∼S18), 적정하면 그 LF 반사 파워 측정치를 얻을 수 있었을 때의 가상의 변화 특성 P(n), F(n)을 정규 변화 특성으로 설정한다(스텝 S19). 데이터베이스에 조회(스텝 S17)하여 이번에 얻을 수 있은 LF 반사 파워 측정치의 최소값이 적정하지 않을 경우에는, 초기화에서 각종 파라미터 또는 설정 값을 적절히 변경하여 상기 플로 차트를 처음부터 다시 한다(스텝 S10∼S17).

상세한 설명을 생략하겠지만, 제 4스테이트 T_D에서 LF파워 및 LF 주파수를 각각 H 레벨에서 L 레벨로 바뀌게 하는 특성(하강 특성)도, 상술한 플로 차트(도10)와 같은 순서로 결정 할 수 있다.

다음으로 이 실시 형태의 펄스 변조에서 에칭 프로세스의 안정성·재현성을 더욱 향상시키기 위해서 LF파워를 제어하는 방법을 설명한다.

상기와 같이 이 실시 형태에서는, L 레벨의 제 1스테이트 T_B에서는 LF 주파수의 펄스 변조에 의해, H 레벨의 제 3스테이트 T_A에서는 하부정합기(32)의 오토 매칭에 의해, 플라즈마 부하에서 고주파 전원(28)으로의 LF 반사 파워를 가급적으로 적게 하고 있다. 그러나 그러한 LF 반사 파워가 적더라도 실제로 존재하기 때문에 부하에 공급되는 파워 즉 로드 파워가 설정치 또는 목표치보다도 적으면, 이온에너지는 원치 않게 저하된다. 또한 LF 반사 파워가 변동되었을 때, 그 영향으로 로드 파워도 변동하면, 이온에너지도 변동된다. 이러한 것은 프로세스의 안정성·재현성을 낮추는 요인이 된다.

이 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치는 그러한 LF 반사 파워의 존재 또는 변동을 보상하는 기능도 구비하고 있다. 이 실시 형태의 LF파워를 제어하기 위해 도12에 제어부(80)에서 실행되는 프로그램의 순서를 나타낸다. 도13에 이 LF파워 제어법의 작용 일례를 나타낸다.

우선 초기화에서 소요되는 파라미터 및 설정치를 입력한다(스텝 S20). 그리고 전 사이클인 제 4스테이트 T_D에서 현 사이클인 제 1스테이트 T_B로 전환되었다면(스텝 S21), 파워 앰프(84)를 통해서 LF파워를 현 사이클용의 설정치 P_B로 제어한다(스텝 S22). 그리고 해당 제 1스테이트 T_B 중에 설정된 LF파워 측정 기간에 반사파 측정 회로(102)가 LF 반사 파워를 검지해서 측정치(실효치 또는 평균치) Jn을 구하고, 제어부(80)가 그 LF 반사 파워 측정치 Jn을 입력한다(스텝 S23).

이어서 제어부(80)는 제 1스테이트 T_B에서의 다음 사이클용의 LF파워 설정치 P_B를 다음 식(1)으로 구한다(스텝 S24).

P_B=P_MB+J_~n ····（1)

여기에서 PMB는 제 1스테이트 T_B 중에 부하에 공급해야 하는 로드 파워의 목표치이며, J~n은 현 사이클 시점에서의 LF 반사 파워 측정치 Jn의 이동 평균치다.

다음으로 현 사이클에 있어서 제 2스테이트 T_C에서 제 3스테이트T_A로 전환되었다면(스텝 S25), 파워 앰프(84)를 통해서 LF파워를 현 사이클용의 설정치 P_A로 제어한다(스텝 S2626). 그리고 해당 제 3스테이트 T_A 중에 설정된 LF파워 측정 기간에 반사파 측정 회로(102)가 LF 반사 파워를 검지해서 측정치(실효치 또는 평균치) Jm를 구하고, 제어부(80)가 그 LF 반사 파워 측정치 Jm를 입력한다(스텝 S27).

이어서 제어부(80)는 제 3스테이트 T_A에서의 다음 사이클용 LF파워 설정치 P_A를 다음 식(2)으로 구한다(스텝 S28).

P_A=P_MA+J_~m ····（2)

여기에서 PMA는 제 3스테이트 T_A 중에 부하에 공급해야 하는 로드 파워의 목표치이며, J_~m은 현 사이클 시점에서의 LF 반사 파워 측정치 Jm의 이동 평균치다.

펄스 변조의 각 사이클마다 상기 일련의 처리(스텝 S21∼S28)를 반복함으로써, 도13에 도시하는 바와 같이 제 1스테이트 T_B 및 제 3스테이트 T_A에서 플라즈마 부하에 공급해야 하는 로드 파워에 LF 반사 파워 및 그 변동분(이동 평균치)을 추가한 LF파워가 고주파 전원(28)에서 출력된다. 이에 따라 LF 반사 파워 및 그 변동분이 없어져 플라즈마 부하에는 설정대로 (목표치)의 로드 파워가 안정되게 공급된다. 이렇게 하여 프로세스의 안정성·재현성을 더욱 향상시킬 수가 있다. 또 상기와 같은 LF 반사 파워 및 그 변동분을 보상하는 기능은 제 1스테이트 T_B 혹은 제 3스테이트 T_A중 어느 쪽에만 행해도 된다.

본 발명의 제 ２실시 형태에 있어서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 도14에 나타낸다. 도면 중에 상기 제 1실시 형태의 장치(도1)와 구성 또는 기능적으로 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙였다.

이 플라즈마 처리 장치는 서셉터(하부 전극)(12)에 플라즈마 생성용 고주파와 바이어스 제어용 고주파를 동시에 공급하는 캐소드 커플 방식(하부2 주파 공급 방식)의 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치로 구성되어 있다. 보다 상세하게는 바이 어스 제어용 고주파(LF)를 발생하는 고주파 전원(28)이 정합기(32)를 거쳐서 서셉터(12)에 전기적으로 접속됨과 동시에, 플라즈마 생성용 고주파(HF)를 발생하는 고주파 전원(128)도 정합기(104)를 거쳐서 서셉터(12)에 전기적으로 접속되어 있다. 상부 전극(샤워헤드)(56)은 챔버(10)에 직접 부착되어 이 챔버(10)를 통해서 전기적으로 접지되어 있다.

이 플라즈마 에칭 장치에서도, 제어부(80)는 바이어스 제어용 고주파(LF)에 대해서 고주파 전원(28) 및 정합기(32)를 통해서 상기와 같은 ２중 펄스 변조, 즉 LF파워의 펄스 변조 및 이와 같은 시기에 LF 주파수의 펄스를 변조할 수 있다.

한편 그러한 LF 펄스를 변조하면 하부 시스 두께가 주기적으로 변화하고, 그 영향으로 서셉터(12)에서 본 HF의 플라즈마 임피던스가 주기적으로 변화하여, 이로 인해 플라즈마에서 고주파 전원(128)으로 되돌아오는 HF 반사 파워가 증대한다. HF 반사 파워의 증대는 플라즈마의 밀도와 그 분포 특성의 저하를 초래하고 고주파 전원(128) 고장의 원인이 되기도 한다.

그런데 이 실시 형태에서는 LF의 펄스 변조와 같은 시기에 HF의 파워 및/또는 주파수도 펄스 변조할 수 있는 구성으로 되어 있다. 즉 도시화는 생략하겠지만, 고주파 전원(128)을 고주파 전원(28)과 마찬가지로 주파수 가변의 발진기 및 증폭율 가변의 파워 앰프로 구성되고, 제어부(80)가 해당 발진기를 통해서 HF 주파수의 펄스 변조 및 가변 제어를 실행하고, 해당 파워 앰프를 통해서 HF 파워의 펄스 변조 및 가변 제어를 하도록 하고 있다. 또한 정합기(104) 안에서 RF센서와 컨트롤러 사이에 게이트 회로가 설치되어, 제어부(80)의 제어 하에서 해당 게이트 회로가 소 정의 정합기 감응 기간 중에만 RF센서의 출력 신호를 컨트롤러에 보내게 되어 있다. 또한 부하측에서 고주파 전원(128)의 출력 단자로 전송 선로 위를 전파해 오는 HF 반사파의 파워를 측정하기 위한 반사파 측정 회로(도시하지 않음)도 설치되어, 제어부(80)는 해당 반사파 측정 회로로부터 받는 반사 파워 측정치에 기초하여, HF의 펄스 변조와 연관된 각종 파라미터를 선정하거나 제어하도록 하고 있다.

또 도1의 장치와 같이 플라즈마 생성용 고주파(HF)를 상부 전극(56)에 공급하는 상하부2 주파 공급 방식에 있어서도, 제어부(80)가 고주파 전원(70) 및 정합기(74)를 통하며, 이 실시 형태와 같이 LF의 펄스 변조와 같은 시기에 HF의 파워 및/또는 주파수를 펄스 변조하도록 구성하는 것도 가능하다.

본 발명의 제 3실시 형태에서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 도15에 나타낸다. 도면 중에 상기 제 1실시 형태 또는 상기 제 2실시 형태의 장치(도1, 도14)로 구성 또는 기능적으로 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙였다.

이 플라즈마 처리 장치는 서셉터(하부 전극)(12)에 플라즈마 생성용 고주파를 공급하는 캐소드 커플 방식의 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치로 구성되어 있다.

이 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 고주파 전원(128)에서 40㎒ 이상의 고주파를 출력시켜 플라즈마 밀도를 높게 하면, 저이온에너지화 즉 반도체 웨이퍼(W) 상의 시스 전위가 작아지는데(저바이어스화), 이처럼 저바이어스화가 종전과 비교해 진행됨에 따라, 차징 데미지(절연 파괴)의 영향을 무시 할 수 없게 되었다. 차징 데미지는 플라즈마로부터 반도체 웨이퍼(W)(게이트 전극)로 유입되는 전하량이 어 떤 임계값을 넘었을 때 생긴다. 이 유입 전하량은 웨이퍼(W)면 내에서의 시스 전위의 상대적인 차이와 상관이 있다.

종래의 낮은 주파수를 이용한 플라즈마 에칭 장치에서는 시스 전위가 몇 백 볼트로 크기 때문에, 플라즈마 속의 전위(플라즈마 전위)에 면내 불균일이 발생했다고 하여도 시스 전위의 변화는 웨이퍼면 내에서 상대적으로 작고, 반도체 웨이퍼(W)의 게이트 전극에 유입되는 전하량은 임계값을 넘는 경우는 없다.

그러나 이 실시 형태와 같은 고밀도 플라즈마에서는 시스 전위가 몇 십 볼트 정도로 작기 때문에, 플라즈마 전위에 면내 불균일이 발생했을 경우의 시스 전위의 변화는 상대적으로 크고, 게이트 전극으로 다량의 전자가 유입되기 쉬워서, 기판 표면이 플라즈마에 연속적으로 노출되는 시간의 길이에 따른 차징 데미지가 발생하기 쉽다.

또한 플라즈마 프로세스에서는 플라즈마 전위의 면내 불균일성 혹은 회로 패턴의 프로파일 등이 관계되어 국소적으로 이온과 전자의 균형이 깨지는 것에 기인하여 기판상의 절연막(예를 들어 게이트 산화막)에 차지 업이 발생하기도 한다. 차지 업이 발생한 절연막에는, 축적전하량에 비례한 전위기울기 또는 전계가 생긴다. 이러한 차지 업 상태가 누적되어 증대된 임계값을 넘으면, 해당 개소에서 절연막이 손상되거나 파괴되고 만다.

이 실시 형태에서는 게이트 전극으로 유입되는 전하량이 임계값을 넘지 않도록, 혹은 차지 업에 의해 절연막에 축적되는 전하의 양이 임계값을 넘지 않도록, 플라즈마 생성 상태와 플라즈마 비 생성 상태(플라즈마를 생성 하지 않는 상태)가 소정 주기로 교대로 반복되도록 한다. 즉 연속한 플라즈마 생성 시간을 유입 전하량 혹은 차지 업 전하량이 임계값을 넘지 않을 정도의 짧은 시간으로 하고, 그 후 플라즈마가 생성되지 않는 상태를 만들어내어, 그것을 단속적으로 되풀이 하는 것이다. 플라즈마 생성 상태의 기간 동안에 웨이퍼(Ｗ) 상의 임의의 개소에서 과다한 유입 전하 혹은 차지 업이 발생해도 플라즈마 비 생성 상태의 기간 동안에 여분의 전하 또는 축적 전하를 주위로 분산되게 하여 중화성을 회복하게 하기 때문에, 유입 전하 혹은 축적 전하의 누적 증대를 저지하고, 절연막의 데미지를 효과적으로 방지할 수 있다. 이로 인해 플라즈마 프로세스의 신뢰성을 크게 개선시킬 수 있다.

플라즈마 에칭 중에 플라즈마 생성 상태와 플라즈마 비 생성 상태를 교대로 반복하게 하기 위해서, 이 실시 형태에서는 플라즈마 생성용 고주파(HF)가 플라즈마를 생성시키게 되는 Ｈ 레벨의 진폭 또는 파고치(波高値)(즉 실효적인 파워)를 가지는 Ｈ 레벨의 기간과, 플라즈마 생성용 고주파(HF)가 플라즈마를 생성시키지 않게 되는 Ｌ 레벨의 진폭 또는 파고치(즉 실효적인 파워를 가지고 있지 않음)를 가지는 Ｌ 레벨의 기간이 소정의 사이클로 교대로 반복되도록, 제어부(80)가 고주파 전원(128) 및 정합기(104)를 제어하도록 되어 있다.

도16에 이 실시 형태에서의 펄스 변조 방식의 기본적인 방법을 나타낸다. 이 실시 형태에서는 HF파워의 펄스 변조와 같은 시기에 그 주파수(HF 주파수)도 펄스 변조한다.

보다 상세하게는 HF파워와 HF 주파수 사이에, 한 사이클 내에서 HF파워가 H 레벨의설정치 P_A(예를 들면 500W)를 유지하는 기간 T_A 동안은 HF 주파수가 L 레벨의 설정치 F_B(예를 들면 기준인 60㎒)를 유지하고, HF파워가 L 레벨의 설정치 P_B(예를 들면 100W)를 유지하는 기간 T_B 동안은 HF 주파수가 H 레벨의 설정치 F_A(예를 들면 62.45㎒)를 유지하는 것과 같은 동기관계를 갖게 한다. 이 경우에도 HF 주파수의 Ｈ 레벨/L 레벨은 2개의 다른 주파수 설정치간의 상대적인 고저관계를 의미하고, H 레벨이 상대적으로 높은 쪽의 주파수 설정치고, L 레벨이 상대적으로 낮은 쪽의 주파수 설정치다.

용량 결합형에서는 상부 전극과 하부 전극 사이에 플라즈마가 없을 때보다도 있을 때가 플라즈마 용량은 크고, 플라즈마 밀도를 높게 할수록 플라즈마 용량은 커진다. 즉 HF의 공급이 없을 때보다도 있을 때가 플라즈마 용량은 크고, HF의 파워가 높을수록 플라즈마 용량은 커진다.

따라서 HF파워의 펄스 변조와 같은 시기에 HF 주파수에 반대 위상의 펄스를 변조함으로써, HF파워의 펄스 변조에 동반하여 플라즈마 용량이 주기적으로 변화되는 것을 주파수 가변 제어에서 없애고, 플라즈마 임피던스의 급격한 변동을 억제할 수 있다.

따라서 이 실시 형태의 펄스 변조 방식에서도 HF파워의 Ｈ 레벨 기간 T_A 중에는 정합기(104)의 오토 매칭 기능에 의해 고주파 전원(128)과 부하 사이에서 임피던스 매칭을 이루고, HF파워의 Ｌ 레벨 기간 T_B 중에는 정합기(104)가 부하 임피 던스에 응답하지 않고 대신에 고주파 전원(128)이 HF 주파수를 적절히 올리는 방법으로 임피던스 매칭이 어긋나는 것을 보정할 수 있다. 따라서 HF파워가 H 레벨과 L 레벨 사이에서 주기적으로 바뀌는 것에 의해 플라즈마 용량이 주기적으로 변동해도, 플라즈마 임피던스 또는 부하 임피던스의 급격한 변동은 없으므로, 정합기(104)의 오토 매칭이 헌팅을 일으킬 우려가 없으며, 부하(특히 플라즈마)측에서 고주파 전원(128)으로의 반사를 효과적으로 억제할 수 있다.

또 상기 제 2실시 형태와 같은 하부2 주파 공급 방식의 플라즈마 에칭 장치(도14)에서, 플라즈마 생성용 고주파(HF)에 대하여 상기 제 3실시 형태와 같은 펄스 변조를 가하는 것도 가능하다.

또한 도시화는 생략하지만, 플라즈마 생성용 고주파(HF)를 상부 전극에 공급하는 애노드 커플 방식의 플라즈마 처리 장치에서도, 상기 제 ３실시 형태와 같은 펄스 변조를 HF에 가해도 된다.

이상으로 본 발명의 바람직한 한 가지 실시 형태에 대해서 설명하였고, 본 발명은 상기 실시 형태에만 한정되는 것이 결코 아니며 다양한 변형이 가능하다.

예를 들면 상기 실시 형태에서는 펄스 변조를 가하는 고주파의 파워가 H 레벨의 설정치를 유지하는 기간(파워 H 레벨 기간) T_A 내에 정합기 감응 기간을 설정하고, 파워 H 레벨 기간 T_A 중에 임피던스 매칭을 하도록 했다. 그러나 듀티가 작을 경우에 즉 한 사이클 내에서 파워 H 레벨 기간 T_A가 차지하는 비율이 작고 파워 L 레벨 기간 T_B이 차지하는 비율이 클 경우에는, 파워 L 레벨의 기간 T_B 내에 정합기 감응 기간을 설정하고, 파워 L 레벨 기간 T_B 중에 임피던스 매칭을 하도록 해도 된다.

도17에 상기 실시 형태에서의 플라즈마 에칭 방법을 실행하기 위해 상기 플라즈마 처리 장치(도1, 도14, 도15)의 각부의 제어 및 전체의 시퀀스를 제어하는 제어부(80)의 구성 예를 나타낸다.

이 구성 예인 제어부(80)에는 버스(150)를 거쳐서 접속된 프로세서(CPU)(152), 메모리(RAM)(154), 프로그램 저장 장치(HDD)(156), 플로피 드라이브 혹은 광디스크 등의 디스크 드라이브(DRV)(158), 키보드나 마우스 등의 입력 디바이스(KEY)(160), 표시 장치(DIS)(162), 네트워크· 인터페이스(COM)(164) 및 주변 인터페이스(I/F)(166)가 있다.

프로세서(CPU)(152)는 디스크 드라이브(DRV)(158)에 장전된 FD 혹은 광디스크 등의 기억 매체(168)로부터 소요되는 프로그램의 코드를 판독하고, HDD(156)에 저장한다. 혹은 소요되는 프로그램을 네트워크로 네트워크·인터페이스(164)를 거쳐서 다운로드하는 것도 가능하다. 그리고 프로세서(CPU)(152)는, 각 단계 또는 각 장면에서 필요한 프로그램의 코드를 HDD(156)로부터 워킹 메모리(ＲAM)(154) 위로 전개하여 각 단계를 실행하고, 소요되는 연산 처리를 실행하여 주변 인터페이스(166)를 거쳐서 장치 내의 각부(특히 배기 장치(24), 고주파 전원(28, 70, 128), 정합기(32, 74, 104), 처리 가스 공급부(65) 등)를 제어한다. 상기 실시 형태에서 설명한 플라즈마 에칭 방법을 실시하기 위한 프로그램은 모두 이 컴퓨터 시스템에 서 실행된다.

상기 실시 형태는 챔버 내에서 평행 평판 전극간의 고주파 방전에 의해 플라즈마를 생성하는 용량 결합형 플라즈마 처리 장치와 관련된 것이었다. 그러나 본 발명은 챔버의 윗면 또는 주위에 안테나를 배치하여 유전(誘電)자기장 하에서 플라즈마를 생성하는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치나 마이크로파의 파워를 이용해서 플라즈마를 생성하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치 등에도 적용이 가능하다.

본 발명은 플라즈마 에칭 장치에만 한정되지 않고, 플라즈마CVD, 플라즈마 산화, 플라즈마 질화, 스퍼터링(sputtering) 등의 다른 플라즈마 처리 장치에도 적용할 수 있다. 또한 본 발명에서의 피처리기판은 반도체 웨이퍼에만 한정된 것이 아니라, 플랫 패널 디스플레이용 각종 기판이나 포토 마스크, CD 기판, 프린트 기판 등도 가능하다.

도１은 본 발명의 제 １실시 형태의 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치의 구성을 나타내는 종단면도다.

도２는 제 １실시 형태의 펄스 변조 방식의 기본적인 수법을 설명하기 위한 파형도다.

도３은 제 １실시 형태의 펄스 변조 방식에 있어서 LF파워와 LF 주파수와의 사이의 동기관계를 나타내는 파형도다.

도４는 제 1실시 형태에 있어서 바이어스 제어용의 고주파 전원 및 정합기의 구성을 도시한 도면이다.

도５는 제 １실시 형태에 있어서 L 레벨의 주파수 설정치를 결정하기 위한 프로그램의 순서를 나타내는 플로 차트다.

도６은 도５의 플로 차트에서 이용하는 한 수법을 설명하기 위한 파형도다.

도７은 도５의 플로 차트에서 이용하는 한 수법을 설명하기 위한 파형도다.

도８은 도５의 플로 차트에서 측정치 데이터를 그래프화하는 수법을 설명하기 위한 도이다.

도９는 도５의 플로 차트에서 이용하는 변형 예의 수법을 설명하기 위한 파형도다.

도 10은 LF파워/ 주파수의 상승 특성을 결정하기 위한 프로그램의 순서를 나타내는 플로 차트다.

도 11은 도 10의 플로 차트의 작용을 나타내는 파형도다.

도 12는 LF파워를 제어하기 위한 프로그램의 순서를 나타내는 플 로 차트다.

도 13은 도 12의 플로 차트의 작용을 나타내는 파형도다.

도 14는 제 ２실시 형태에서 플라즈마 에칭 장치의 구성을 나타내는 종단면도다.

도 15는 제 ３실시 형태에서 플라즈마 에칭 장치의 구성을 나타내는 종단면도다.

도 16은제 ３실시 형태에서 펄스 변조 방식의 기본적인 수법을 설명하기 위한 파형도다.

도 17은 실시 형태에서 제어부의 구성 예를 나타내는 블록 도이다.

Claims (45)

1. 플라즈마 처리 장치에 있어서,

   진공배기 가능한 처리용기와,

   상기 처리용기 내에서 피처리기판을 지지하는 제 1전극과,

   상기 처리용기 내에서 상기 제 1전극 위에 설정된 처리공간에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와,

   상기 처리용기 내에서 상기 처리 가스를 여기(勵起)하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 여기부와,

   상기 플라즈마로부터 이온을 상기 피처리기판에 밀어 넣기 위해 상기 제 1전극에 제 1고주파를 인가 하는 제 1고주파 급전부와,

   상기 제 1고주파의 파워를 소정의 주기로 변조(變調)하는 제 1고주파 파워 변조부와,

   상기 제 1고주파의 파워 변조와 동기(同期)로 상기 제 1고주파의 주파수를 변조하는 제 1주파수 변조부를 갖춘 플라즈마 처리 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1고주파 파워 변조부는, 한 사이클을 제 1, 제 2, 제 3 및 제 ４ 스테이트(state)로 분할하여, 상기 제 1고주파의 파워가 상기 제 1스테이트에서는 제 1파워 설정치를 유지하고, 상기 제 2스테이트에서는 상기 제 1 파워 설정치에서 그보다도 높은 제 2파워 설정치로 바뀌고, 상기 제 3스테이트에서는 상기 제 2파워 설정치를 유지하고, 상기 제 4스테이트에서는 상기 제 2파워 설정치에서 상기 제 1파워 설정치로 바뀌도록 상기 제 1고주파의 파워를 제어하고,

   상기 제 1주파수 변조부는 상기 제 1고주파의 주파수가 상기 제 1스테이트에서는 제 1주파수 설정치를 유지하고, 상기 제 2스테이트에서는 상기 제 1주파수 설정치에서 그것보다도 높은 제 2주파수 설정치로 바뀌고, 상기 제 3스테이트에서는 제 2주파수 설정치를 유지하고, 상기 제 4스테이트에서는 상기 제 2주파수 설정치에서 상기 제 1주파수 설정치로 바뀌도록, 상기 제 1고주파의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 제 1고주파 급전부가,

   상기 제 1고주파를 발생하는 제 1고주파 전원과,

   상기 제 1고주파 전원의 출력 단자와 상기 제 1전극과의 사이에 전기적으로 접속된 가변 리액턴스 소자를 포함하는 정합 회로와, 상기 정합 회로를 포함한 부하 임피던스를 측정하기 위한 센서와, 상기 센서의 출력 신호에 응답하여 상기 부하 임피던스를 기준 임피던스와 일치되도록 상기 가변 리액턴스 소자를 가변(可變)하는 컨트롤러가 포함된 정합기와,

   상기 제 1스테이트 또는 상기 제 3스테이트 중 어느 한 쪽에서 임피던스의 정합이 잘 되도록 상기 정합기를 제어하는 매칭 제어부를 갖춘 것을 특징으로 하 는, 플라즈마 처리 장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 제 1 전극측에서 상기 제 1고주파 전원으로 전송 선로 위를 전파되어 오는 반사파 파워를 측정하는 반사파 측정부를 갖춘 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 매칭 제어부가 상기 제 3스테이트 중에 설정된 소정 기간 동안에만 상기 센서의 출력 신호를 상기 컨트롤러에 피드백 시키는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 제 1주파수 변조부는 상기 제 1스테이트 중에 상기 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록 상기 제 1주파수 설정치를 선정하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
7. 제 4항에 있어서, 상기 매칭 제어부가 상기 제 1스테이트 중에 설정된 소정 기간 동안에만 상기 센서의 출력 신호를 상기 컨트롤러에 피드백 시키는것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
8. 제 7항에 있어서, 상기 제 1주파수 변조부는 상기 제 3스테이트 중에 상기 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록 상기 제 3주파수 설정치를 선정하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
9. 제 4항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2스테이트 중에 상기 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사 파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록 상기 제 1고주파 파워 변조부가 상기 제 1고주파의 파워를 소정의 상승 특성으로 상기 제 1파워 설정치에서 상기 제 2파워 설정치로 바뀌게 함과 동시에, 상기 제 1 주파수 변조부가 상기 제 1고주파의 주파수를 소정의 상승 특성으로 상기 제 1 주파수 설정치에서 상기 제 2주파수 설정치로 바뀌게 하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
10. 제 4항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 4스테이트 중에 상기 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사 파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록 상기 제 1고주파 파워 변조부가 상기 제 1고주파의 파워를 소정의 하강 특성으로 상기 제 2파워 설정치에서 상기 제 1파워 설정치로 바뀌게 함과 동시에, 상기 제 1 주파수 변조부가 상기 제 1고주파의 주파수를 소정의 하강 특성으로 상기 제 2주파수 설정치에서 상기 제 1주파수 설정치로 바뀌게 하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
11. 제 4항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1고주파 파워 변조부가 상기 제 1스테이트 중에 상기 반사 파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치에 기초하여, 후속하는 상기 제 1스테이트 중에 부하에 공급되는 로드 파워가 목표치와 일치하도록 상기 제 1파워 설정치를 보정하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
12. 제 4항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1고주파 파워 변조부가 상기 제 3스테이트 중에 상기 반사 파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치에 기초하여, 후속하는 상기 제 3스테이트 중에 부하에 공급되는 로드 파워가 목표치와 일치하도록 상기 제 2파워 설정치를 보정하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
13. 제 11항에 있어서, 상기 반사파 측정부에서 상기 반사파 파워의 측정치가 이동 평균치로 주어지는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
14. 제 1항에 있어서, 상기 플라즈마 여기부가,

    상기 처리용기 내에서 상기 제 1전극과 평행하게 마주 향해 배치되는 제 2전극과,

    상기 처리 가스인 플라즈마를 생성하는데 적합한 주파수인 제 2고주파를 상기 제 2전극에 공급하는 제 2고주파 급전부가 있는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
15. 제 1항에 있어서, 상기 플라즈마 여기부가,

    상기 처리용기 내에서 상기 제 1전극과 평행하게 마주 향해 배치되는 제 2전극과,

    상기 처리 가스인 플라즈마를 생성하는데 적합한 주파수인 제 2고주파를 상기 제 1전극에 공급하는 제 2고주파 급전부가 있는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
16. 제 14항 또는 제 15항에 있어서, 상기 제 1고주파의 파워 변조와 실질적으로 같은 시기에 상기 제 2고주파의 주파수를 변조하는 제 2주파수 변조부가 있는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
17. 제 14항 또는 제 15항에 있어서, 상기 제 1고주파의 파워 변조와 실질적으로 같은 시기에 상기 제 2고주파의 파워를 변조하는 제 2고주파 파워 변조부가 있는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
18. 진공배기 가능한 처리용기와,

    상기 처리용기 내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와, 상기 처리용기 내에서 상기 처리 가스를 여기하여 플라즈마를 생성하기 위해 상기 처리용기 안 또는 근방에 배치된 제 1전극 또는 안테나에 제 1고주파를 공급하는 제 1고주파 급전부와,

    상기 제 1고주파의 파워를 소정의 주기로 변조하는 제 1고주파 파워 변조부와,

    상기 제 1고주파의 파워 변조와 실질적으로 같은 시기에 상기 제 1고주파의 주파수를 변조하는 제 1주파수 변조부가 있는 플라즈마 처리 장치.
19. 제 18항에 있어서, 상기 제 1고주파 파워 변조부는, 한 사이클을 제 1, 제 2, 제 3 및 제 ４ 스테이트로 분할하여, 상기 제 1고주파의 파워가 상기 제 1스테이트에서는 제 1파워 설정치를 유지하고, 상기 제 2스테이트에서는 상기 제 1파워 설정치에서 그것보다도 높은 제 2파워 설정치로 바뀌고, 상기 제 3스테이트에서는 상기 제 2파워 설정치를 유지하고, 상기 제 4스테이트에서는 상기 제 2파워 설정치에서 상기 제 1파워 설정치로 바뀌도록, 상기 제 1고주파의 파워를 제어하고,

    상기 제 1주파수 변조부는 상기 제 1고주파의 주파수가 상기 제 1스테이트에서는 제 1주파수 설정치를 유지하고, 상기 제 2스테이트에서는 상기 제 1주파수 설정치에서 그것보다도 낮은 제 2주파수 설정치로 바뀌고, 상기 제 3스테이트에서는 제 2주파수 설정치를 유지하고, 상기 제 4스테이트에서는 상기 제 2주파수 설정치에서 상기 제 1주파수 설정치로 바뀌도록, 상기 제 1고주파의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
20. 제 19항에 있어서, 상기 제 1고주파 급전부가,

    상기 제 1고주파를 발생하는 제 1고주파 전원과,

    상기 제 1고주파 전원의 출력 단자와 상기 제 1전극 사이에 전기적으로 접속된 가변 리액턴스 소자를 포함하는 정합 회로와, 상기 정합 회로를 포함하는 부하 임피던스를 측정하기 위한 센서와, 상기 센서의 출력 신호에 응답해서 상기 부하 임피던스를 기준 임피던스와 일치되도록 상기 가변 리액턴스 소자를 가변(可變)하는 컨트롤러를 포함하는 정합기와,

    상기 제 1스테이트 또는 상기 제 3스테이트 중 어느 한 쪽에서 임피던스의 정합이 잘 되도록 상기 정합기를 제어하는 매칭 제어부가 있는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
21. 제 20항에 있어서, 상기 제 1전극측에서 상기 제 1고주파 전원으로 전송 선로 위를 전파되어 오는 반사파의 파워를 측정하는 반사파 측정부가 있는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
22. 제 21항에 있어서, 상기 매칭 제어부가 상기 제 3스테이트의 중에 설정된 소정 기간 동안에만 상기 센서의 출력 신호를 상기 컨트롤러에 피드백 시키는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
23. 제 22항에 있어서, 상기 제 1주파수 변조부는 상기 제 1스테이트 중에 상기 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록 상기 제 1주파수 설정치를 선정하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
24. 제 21항에 있어서, 상기 매칭 제어부가 상기 제 1스테이트 중에 설정된 소정 기간 동안에만 상기 센서의 출력 신호를 상기 컨트롤러에 피드백 시키는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
25. 제 24항에 있어서, 상기 제 1주파수 변조부는 상기 제 3스테이트 중에 상기 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록 상기 제 3주파수 설정치를 선정하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
26. 제 21항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2스테이트 중에 상기 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사 파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록, 상기 제 1고주파 파워 변조부가 상기 제 1고주파의 파워를 소정의 상승 특성으로 상기 제 1파워 설정치에서 상기 제 2파워 설정치로 바뀌게 함과 동시에, 상기 제 1 주파수 변조부가 상기 제 1고주파의 주파수를 소정의 하강 특성으 로 상기 제 1주파수 설정치에서 상기 제 2주파수 설정치로 바뀌게 하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
27. 제 21항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 4스테이트 중에 상기 반사파 측정부에서 얻을 수 있는 반사 파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록, 상기 제 1고주파 파워 변조부가 상기 제 1고주파의 파워를 소정의 하강 특성으로 상기 제 2파워 설정치에서 상기 제 1파워 설정치로 바뀌게 함과 동시에, 상기 제 1 주파수 변조부가 상기 제 1고주파의 주파수를 소정의 상승 특성으로 상기 제 2주파수 설정치에서 상기 제 1주파수 설정치로 바뀌게 하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
28. 제 21항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1고주파 파워 변조부가, 상기 제 1스테이트 중에 상기 반사 파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치에 기초하여, 후속하는 상기 제 1스테이트 중에 부하에 공급되는 로드 파워가 목표치와 일치되도록 상기 제 1파워 설정치를 보정하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
29. 제 21항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1고주파 파워 변조부가 상기 제 3스테이트 중에 상기 반사 파 측정부에서 얻을 수 있는 반사파 파워의 측정치에 기초하여, 후속하는 상기 제 3스테이트 중에 부하에 공급되는 로드 파워가 목표치와 일치되도록 상기 제 2파워 설정치를 보정하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
30. 제 28항에 있어서, 상기 반사파 측정부에서 상기 반사파 파워의 측정치가 이동 평균치로서 주어지는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
31. 제 18항에 있어서, 상기 처리용기 내에서 상기 제 1전극이 피처리기판을 지지하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
32. 제 18항에 있어서, 상기 처리용기 내에서 상기 제 1전극이 피처리기판을 지지하는 제 2 전극과 평행하게 마주 향하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
33. 제 31항에 있어서, 상기 플라즈마로부터 이온을 상기 기판에 밀어 넣기 위해서 상기 제 1전극에 제 2고주파를 공급하는 제 2고주파 급전부가 있는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치.
34. 진공배기 가능한 처리용기 안 또는 그 근방에 설치된 전극 또는 안테나에 공급하는 고주파의 파워를 일정한 주기로 변조하는 플라즈마 처리 방법이며, 상기 고주파의 파워 변조와 실질적으로 같은 시기에 상기 고주파의 주파수를 변조하는 플라즈마 처리 방법.
35. 제 34항에 있어서, 한 사이클 내에 상기 고주파의 파워 및 주파수를 적어도 2단계로 동시에 가변하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 방법.
36. 제 34항에 있어서, 한 사이클을 제 1, 제 2, 제 3 및 제 ４ 스테이트로 분할하고, 상기 고주파의 파워를 상기 제 1스테이트에서는 제 1파워 설정치를 유지하고, 상기 제 2스테이트에서는 상기 제 １파워 설정치에서 제 2파워 설정치로 바뀌고, 상기 제 3스테이트에서는 상기 제 2파워 설정치를 유지하고, 상기 제 4스테이 트에서는 상기 제 2파워 설정치에서 상기 제 1파워 설정치로 바뀌도록 제어하고,

    상기 고주파의 주파수를, 상기 제 1스테이트에서는 제 1주파수 설정치를 유지하고, 상기 제 2스테이트에서는 상기 제 1주파수 설정치에서 제 2 주파수 설정치로 바뀌고, 상기 제 3스테이트에서는 제 2주파수 설정치를 유지하고, 상기 제 4스테이트에서는 상기 제 2주파수 설정치에서 상기 제 1주파수 설정치로 바뀌도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 방법.
37. 제 36항에 있어서, 상기 제 1스테이트 및 상기 제 3스테이트 중 한 쪽에서, 상기 고주파를 발생하는 고주파 전원측의 임피던스에 상기 플라즈마를 포함하는 부하측 임피던스를 정합하게 하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 방법.
38. 제 37항에 있어서, 상기 제 1스테이트 및 상기 제 3스테이트 중 한 쪽 동안에 설정된 소정 기간 동안에만 부하 임피던스를 측정하고, 상기 부하 임피던스의 측정치를 기준 임피던스와 일치되도록, 상기 고주파 전원의 출력 단자와 상기 전극과의 사이에 전기적으로 접속된 정합 회로 내의 가변 리액턴스 소자를 가변하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 방법.
39. 제 36항에 있어서, 상기 제 1스테이트 및 상기 제 3스테이트 중 다른 한 쪽에서, 상기 전극측에서 상기 고주파 전원으로 전송 선로 위를 전파되어 오는 반사파의 파워를 측정하고, 후속하는 해당 스테이트 중에 상기 반사파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록 상기 제 １주파수 설정치를 선정하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 방법.
40. 제 36항에 있어서, 상기 제 2스테이트 중에 상기 전극측에서 상기 고주파 전원으로 전송 선로 위를 전파되어 오는 반사파의 파워를 측정하고, 후속하는 상기 제 2스테이트 중에 상기 반사파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도록, 상기 고주파의 파워를 상기 제 1파워 설정치에서 상기 제 2파워 설정치로 소정의 상승 특성으로 바뀌게 함과 동시에, 상기 고주파의 주파수를 상기 제 1주파수 설정치에서 상기 제 2주파수 설정치로 소정의 상승 특성 또는 하강 특성으로 바뀌게 하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 방법.
41. 제 36항에 있어서, 상기 제 4스테이트 중에 상기 전극측에서 상기 고주파 전원으로 전송 선로 위를 전파되어 오는 반사파의 파워를 측정하고, 후속하는 상기 제 4스테이트 중에 상기 반사파 파워의 측정치가 최소값 또는 그 부근의 값이 되도 록, 상기 고주파의 파워를 상기 제 2파워 설정치에서 상기 제 1파워 설정치로 소정의 하강 특성으로 바뀌게 함과 동시에, 상기 고주파의 주파수를 상기 제 2 주파수 설정치에서 상기 제 1주파수 설정치로 소정의 하강 특성 또는 상승 특성으로 바뀌게 하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 방법.
42. 제 36항에 있어서, 상기 제 1스테이트 중에 상기 전극측에서 상기 고주파 전원으로 전송 선로 위를 전파되어 오는 반사파의 파워를 측정하고, 상기 반사 파 파워의 측정치에 기초하여 후속하는 상기 제 1스테이트 중에 부하에 공급되는 로드 파워가 목표치와 일치되도록 상기 제 1파워 설정치를 보정하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 방법.
43. 제 36항에 있어서, 상기 제 3스테이트 중에 상기 전극측에서 상기 고주파 전원으로 전송 선로 위를 전파되어 오는 반사파의 파워를 측정하고, 상기 반사 파 파워의 측정치에 기초하여 후속하는 상기 제 3스테이트 중에 부하에 공급되는 로드 파워가 목표치와 일치되도록 상기 제 2파워 설정치를 보정하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 방법.
44. 제 42항에 있어서, 상기 반사파 파워의 측정치를 이동 평균치로 주어지는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 방법.
45. 컴퓨터상에서 작동하는 제어 프로그램이 기억된 컴퓨터 기억 매체이며, 상기 제어 프로그램은 실행 시에 청구항 34∼44 중 어느 한 항에 기재된 플라즈마 처리 방법이 행해지도록 플라즈마 처리 장치 제어를 특징으로 하는 컴퓨터 판독이 가능한 기억 매체.

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