KR20100004065A - 플라즈마처리장치 및 플라즈마처리방법 - Google Patents

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KR20100004065A
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마사히토 모리
츠토무 데츠카
나오시 이타바시
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가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈
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Abstract

본 발명은 양산 안정성과 기구차 저감에 관한 플라즈마의 이온 플럭스의 양(플라즈마 밀도)과, 그 분포에 관한 장치상태를 검지하는 수단을 구비한 플라즈마처리장치를 제공하는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 진공용기(108), 가스도입수단(111), 압력제어수단, 플라즈마 소스전원(101), 피처리물(112)을 진공용기 내에 탑재하는 하부 전극(113), 고주파 바이어스 전원(117)을 구비하는 플라즈마처리장치에 있어서, 플라즈마 소스전원(101)과 고주파 바이어스 전원(117)은 다른 발진 주파수를 플라즈마처리실 내로 발진하는 프로브 고주파 발진수단(103)과, 프로브 고주파 발진수단(603)으로부터 발진되는 고주파를 플라즈마에 접하는 면에서 수신하는 고주파 수신부(114∼116)와, 프로브 고주파 발진수단(603)과 수신부(114∼116)로 형성되는 전기회로 내의 발진 주파수마다의 임피던스, 반사율 및 투과율, 고조파성분의 변동을 측정하는 고주파 해석수단(110)을 구비한다.

Description

플라즈마처리장치 및 플라즈마처리방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명은, 반도체장치나 플랫 패널 디스플레이(FPD)를 제조하는 드라이에칭, CVD에 사용되는 플라즈마처리장치 및 플라즈마처리방법에 관한 것이다.
반도체나 FPD를 제조하는 공정의 하나인 드라이 에칭공정에서는, 에칭장치의 높은 가동율과 높은 수율이 요구된다. 이 가동율 향상을 위하여, 1대의 장치에 복수의 챔버를 구비하는 클러스터화가 진행되고 있고, 이 경우, 챔버 사이에서의 성능차(챔버간 기구차)나 장치 사이에서의 성능차(장치간 기구차)의 저감이 필요하게 되어 있다.
한편, 높은 수율을 실현하기 위해서는, 피처리물의 면내 균일성 향상과 양산안정성이 필요하다. 면내 균일성이나 양산 안정성을 실현하기 위하여, 에칭원리에 따라, 중성입자와 이온의 입사 플럭스와 입사 에너지를 피처리물의 면내에서 일정하게 하는 것, 그것들의 처리시간의 경과에 따르는 변동을 억제할 필요가 있다.
양산 안정성을 실현하는 하나의 관점에서 이물의 발생방지나 오염방지가 있으나, 그 방법으로서, 정전 흡착수단으로 인가하는 직류전원이나, 바이어스 인가수 단이나 플라즈마생성수단으로 플라즈마 임피던스를 모니터하여, 이물 등의 장치 이상을 예지하여, 부품교환이나 메인터넌스를 행하는 기술이 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
또, 중성입자나 이온의 플럭스비의 균일화, 안정화의 관점에서는, 이들 양을 무엇인가의 형으로 검지하여, 장치파라미터로 피드백 제어하는, Advanced Process Control(APC)기술이 존재한다. 예를 들면, 중성입자의 상대량적인 변동을 검지하는 방법으로서, 플라즈마의 발광을 분광하는 방법이 일반적이다. 이 때, 플라즈마발광을 수광하는 수광부를 면내 방향으로 복수 구비함으로써, 발광하는 중성입자의 면내 분포의 변화를 검지하고, 플라즈마의 분포가 보정된다.
한편, 이온의 플럭스를 검지하는 방법으로서 금속 프로브 측정이 일반적이나, 프로브를 도입하는 것 자체가 이물이나 오염, 처리플라즈마에 대한 요란(擾亂)의 원인으로 되어 있기 때문에, 양산장치에의 적용이 곤란하였다. 최근, 고주파 안테나에 그것을 둘러싸는 절연관을 가지는 구조에 의하여, 비오염으로 간편한 플라즈마 밀도 측정방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조). 또, 기존의 전원의 전압전류를 벽면에서 모니터함으로써, 플라즈마 밀도를 포함하는 정보를 얻는 수단이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 3).
[특허문헌 1]
일본국 특개2007-250755호 공보
[특허문헌 2]
일본국 특개2005-203124
[특허문헌 3]
일본국 특개평8-222396공보
에칭 프로세스에서, 성능 안정성을 저해하는 주요인은, 장치 챔버 내 벽면상태의 경시 변화이다. 벽면상태가 퇴적물이나 표면 변질에 의해 변화되면, 벽면으로부터의 탈리하는 입자의 조성비나 그것들의 양도 변화되기 때문에, 플라즈마 중의 중성입자의 조성도 변화된다. 또, 그 때 벽면으로부터의 2차 전자 방출량도 변화되기 때문에, 벽면에 가까운 곳에서 플라즈마 밀도의 면내 분포가 변화되고, 플라즈마 전체의 밀도도 변화되어 간다. 그러나, 현상의 모니터[예를 들면, 플라즈마발광, 장치 제어 파라미터의 RF 바이어스(Vpp)나 소스 파워의 정합 포인트]만으로는, 플라즈마 밀도가 변화된 것인지 중성 라디칼종이 변화된 것인지, 모니터에 나타나는 변동의 원인을 구분하기가 어려웠다. 또, 장치부품의 소모나 절연피막의 열화도 플라즈마 밀도나 중성 라디칼 조성의 변화를 야기하나, 이 부품의 소모도, 교환시기에 대해서는, 종래는, 규정된 방전시간을 기준으로 하고 있었기 때문에, 부품의 소모도가 예상을 넘어 있던 경우, 이물이나 고장이 발생하여 수율 저하를 초래하고 있었다.
특허문헌 2에 기재된 고주파 프로브방법에 의한 플라즈마 밀도의 측정에서는, 금속오염이나 안정성에 대하여 우위이나, 고주파 안테나와 그것을 둘러싸는 유전체에 존재하는 표면파가 그 프로브 주변의 플라즈마와 공진점을 검지한다는 원리를 생각하면, 프로브 주변의 플라즈마 밀도만으로 플라즈마 내의 밀도의 정보를 얻 을 수 없다. 특허문헌 1, 특허문헌 3에 기재된 방법은, 장치부품 소모도와 플라즈마 밀도의 변화가 혼재하여 검지되기 때문에, 그것만으로는 각각의 변화를 구분하는 것이 곤란하였다.
본 발명은, 플라즈마처리성능의 물리적인 제어 파라미터의 하나인, 플라즈마 밀도나 그 분포와 부품의 소모 등 장치상태를 검지하는 플라즈마처리장치를 제공하는 것이다. 아울러, 물리 파라미터를 직접 제어하는 APC나 플라즈마처리성능의 안정성 향상, 부품이나 장치의 예방보전과 고장진단을 실현하는 플라즈마처리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은, 진공용기와, 상기 진공용기 내로 플라즈마용 가스를 도입하는 가스 도입수단과, 상기 진공용기 내로 도입된 상기 가스의 압력을 제어하는 압력 제어수단과, 상기 진공용기 내로 도입된 상기 가스에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마발생수단과, 플라즈마처리되는 피처리물을 상기 진공용기 내에 탑재하는 탑재수단과, 상기 탑재수단에 고주파 바이어스를 인가하는 고주파 바이어스 인가수단을 구비하는 플라즈마처리장치에 있어서, 상기 플라즈마발생수단의 플라즈마 소스전원과 상기 고주파 바이어스 인가수단의 고주파 바이어스 전원과는 다른, 미소 출력 발진 주파수를 상기 진공용기(플라즈마처리실) 내로 발진하는 프로브 고주파 발진수단과, 상기 프로브 고주파 발진수단으로부터 발진되는 고주파를 플라즈마와는 절연층을 거쳐 접하는 면에서 수신하고, 상기 피처리체의 표면에 대하여 평행방향 및 수직방향으로 배치된 복수의 고주파 수신수단과, 상기 프로브 고주파 발진수단과 상기 고주파 수신수단으로 형성되는 전기회로 내의 발진 주파수마다의 임피던스, 또는 발진 주파수마다의 반사율 및 투과율을 측정하여, 측정한 상기임피던스 또는 상기 반사율 및 상기 투과율을 사용하여, 플라즈마 밀도나 분포의 변화량을 연산하는 고주파 해석수단을 가지는 플라즈마처리장치에 의해 실현할 수 있다.
또한, 상기 목적은, 상기 플라즈마처리장치에서, 상기 복수의 고주파 수신수단을, 각각 피처리체의 표면에 대하여 동경(動徑)방향 및 수직방향으로 배치함으로써 실현할 수 있다. 또, 상기 목적은, 상기 플라즈마처리장치에서, 상기 프로브 고주파 발진수단이 주파수 소인(掃引)수단을 구비하고, 주파수 소인수단이 발진하는 소인 주파수가 플라즈마의 밀도에 대응하는 플라즈마 진동수를 포함하며, 또한, 상기 고주파 수신수단이 소인 주파수와 동기함으로써 실현할 수 있다. 또한 그 때의 프로브 고주파 발진수단이 주파수 소인수단을 구비하고, 그 발진된 소인 주파수가 플라즈마의 밀도에 대응하는 플라즈마 진동수를 포함하며(100 kHz 이상 3 GHz 이하), 또한, 상기 고주파 수신수단이 소인 주파수와 동기하고 있고, 해당 고주파 수신수단이 플라즈마처리실 측벽과 피처리물을 탑재하는 수단측에 설치됨으로써 실현할 수 있다.
상기 목적은, 상기 플라즈마처리장치에서, 상기 고주파 수신수단을 진공용기 내에 설치된 플라즈마처리실 측벽과 피처리물을 탑재하는 수단측에 구비하는 것, 상기 플라즈마의 표면에 대하여 수직방향으로 배치되는 고주파 수신수단이 상기 탑재수단에 설치되어 있는 정전 흡착용 전극인 것, 정전 흡착용 전극이 동심원 형상으로 2개로 분할된 다이폴형의 정전 흡착 전극인 것에 의하여 실현할 수 있다. 또, 상기 목적은, 상기의 플라즈마처리장치에 있어서, 상기 프로브 고주파 발진수단으로부터의 고주파를 상기 진공용기 내에 배치된 안테나로부터 공급하는 것, 또는 상기 프로브 고주파 발진수단으로부터의 고주파를 상기 진공용기 내에 배치된 상기 탑재수단으로부터 공급함으로써 실현할 수 있다.
또, 상기 목적은, 상기 플라즈마처리장치에서, 피처리물을 반송하여 진공용기 내의 탑재수단 상에 탑재하는 공정과, 상기 진공용기 내로 플라즈마용 가스를 도입하는 공정과, 상기 진공용기 내의 상기 가스의 압력을 조정하는 공정과, 플라즈마를 생성하는 공정과, 상기 탑재수단에 바이어스를 인가하여 상기 피처리물에 플라즈마처리를 하는 플라즈마처리공정과, 상기 피처리물의 플라즈마처리 후에 장치를 플라즈마 클리닝하는 공정을 가지는 플라즈마처리방법에 있어서, 상기 플라즈마처리공정의 전후에, 고주파 수신부, 소스전원계통 또는 RF바이어스계통으로부터 고주파를 발진하여, 각각의 반사특성을 취득하는 경로 진단공정, 또는, 플라즈마의 임피던스나 반사파, 투과파를 검지하는 플라즈마처리 전 진단공정의 적어도 하나를 가지고, 상기 플라즈마처리공정 전후의 반사계수, 투과계수의 공진 주파수 특성으로부터의 변화량에 따라 고주파 해석에 의하여 장치상태를 판정하는 장치상태 판정공정을 구비하는 플라즈마처리방법에 의하여 실현할 수 있다.
또한 플라즈마처리 중의 플라즈마의 임피던스나 반사율과 투과율을 검지하여, 그 검지결과를 기초로, 플라즈마의 밀도와 분포를 일정하게 하도록, 플라즈마처리 중의 장치 제어 파라미터로 피드백 제어하는 공정, 또는 플라즈마처리 후의 플라즈마 클리닝 공정의 조건을 변화시키는 공정을 구비하는 플라즈마처리방법에 의해 실현할 수 있다. 본 발명에서는, 반사파뿐만 아니라, 투과파도 측정함으로써, 반사 수신부 부근의 밀도뿐만 아니라, 발진부 - 수신부 사이의 플라즈마 내의 분포의 변화를 검지하는 것이 가능해진다.
[실시예 1]
먼저, 본 발명을 구현화하는 장치의 실시예를 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시예에 관한 플라즈마처리장치의 구성의 개략을 나타내는 종단면도이다. 도 1에 나타내는 플라즈마처리장치는, 진공용기의 내부에 배치된 플라즈마처리실의 안쪽에서 플라즈마를 형성하고, 이 플라즈마를 사용하여 플라즈마처리실 내에 배치된 반도체 웨이퍼 등의 피에칭 재료인 기판형상의 시료를 처리하는 플라즈마처리장치이다.
이 플라즈마처리장치에서의 진공용기는, 플라즈마처리실로서의 에칭 챔버(108)와, 석영판(105)과, 샤워 플레이트(106)와, 가스 도입수단(111)과, 베이스 프레임(122), 진공펌프 및 압력 제어 밸브(모두 도 1에는 미기재)를 구비하고 있다.
플라즈마의 발생수단은, 2.450 GHz 마이크로파의 소스용 전원(101)과, 소스 전자파용 정합기(102)와, 공동 공진부(104)와, 전자석(107)을 가지고 있다. 에칭가스는, 매스플로우 컨트롤러와 스톱밸브로 구성되는 가스 도입수단(111)을 통하여, 에칭가스를 혼합한 후, 샤워 플레이트(106)로부터, 에칭 챔버(108) 내로 도입된다.
피에칭 재료인 Si(실리콘) 웨이퍼(112)를 설치하는 하부 전극(113)은, 그 상면으로서 Si 웨이퍼(112)가 탑재되는 탑재면의 바깥 둘레측 및 측벽을 덮어 배치된 링형상의 서셉터(120)를 구비하고, 온도 제어수단 등(도 1에서는 미기재)을 사용하여 하부 전극의 온도를 소정으로 제어하는 것이 가능하다. 에칭처리 중은, 2대의 직류전원(118, 118')에서 발생되는 -2000 ∼ +2000 V의 서로 반대의 직류전압을 인가하여 웨이퍼(112)를 정전 흡착시키고, Si 웨이퍼(112)와 하부 전극(113)과의 사이의 간극에 열전달 효율이 좋은 He를 충전하고, 압력제어를 행하고 있다. 이와 같은 정전 흡착기술을 사용함으로써, 에칭 중의 Si 웨이퍼(112)의 온도를 조절하고 있다.
그리고, 하부 전극(113)에는, 플라즈마 중에서 웨이퍼(112)에 이온을 인입하고, 그 이온 에너지분포를 제어하기 위한 RF 바이어스 전원기구(117)와, RF 바이어스 정합기(116)가 접속되어 있다. RF 바이어스 전원기구(117)에는, 1개의 전원뿐만 아니라 2개의 다른 주파수의 전원을 사용하고 있다. RF 바이어스 전원기구(117)의 바이어스 파워로 입사 이온의 에너지와 그 분포를 제어한다. RF 바이어스 전원기구(117)에 의하면, 피처리물이 실리콘, 질화실리콘, TiN, 레지스트, 반사방지막 등의 경우, 12 인치 지름의 피처리물에 대하여 최저 1 W 정도부터 최대 전력 500 W 정도(연속 정현파), 절연막 에칭에서는 최대 7 kW 정도의 출력으로 좋다.
또, 차지업 대미지(전자 셰딩) 저감효과를 얻기 위하여, 100 Hz∼3 kHz의 범위에서 on-off 변조를 행하는, 시간 변조(Time Modulate : 이하, TM이라 표기하는 것이 있다) 기능을 구비하고 있는 것을 사용하였다. 이와 같은 2주파 전원을 구비 한 RF 바이어스 전원기구(117)를 사용함으로써, 이온 에너지와 이온 에너지 분포를 프로세스 조건에 적합하게 변화시킬 수 있고, 밑바탕막과의 선택성, 에칭형상의 제어 마진의 확대, 및 에칭 레이트의 웨이퍼면 내 분포의 제어성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은, 이와 같은 종래의 플라즈마처리장치에 플라즈마분포와 플라즈마면내의 밀도, 부품 소모를 검지하는 수단을 구비하는 것이다. 본 발명은, 그것을 실현하는 수단으로서, 고주파 해석수단(110) 및 진공용기 내에 수신부[챔버 매립형고주파 수신부(114) 또는 서셉터 탑재형 고주파 수신부(119) 등]를 가지고 있다. 즉, 도 1에서, 프로브 고주파 발진수단은, 실장되어 있는 RF 바이어스 전원기구(117) 또는 소스용 전원(101)의 각 전원이다.
먼저, 플라즈마처리 중, RF 바이어스 전원기구(117)나 소스용 전원(101)은, 원하는 설정 전력을, 연속적 또는 간헐적으로 에칭 챔버(108) 내로 발진한다. 에칭 챔버 내에 설치된 복수의 고주파 수신부[챔버 매립형 고주파 수신부(114)(점 A1∼A3, A5), 챔버(108) 내에 설치한 프로브 고주파 수신부(115)(A4), 서셉터 탑재형 고주파 수신부(119)(A7)]에서 수신된, 각각의 위치에서의 투과파의 신호강도, 위상, 고조파의 정보에 의거하여, 고주파 해석수단(110)으로, 플라즈마 밀도나 분포변화, 부품상태를 해석한다.
이 때, 하부 전극∼수신부의 사이에 존재하는 유자장 환경 하에서의 z축에 대한 회전 대칭 플라즈마는, 하기 식(1)로 나타내는 텐서 유전율을 가지는 전기소 자라고 진단할 수 있다. 예를 들면, 플라즈마의 유전율(εp)의 주파수 특성은, 하기 식 (1)로 나타낼 수 있다.
Figure 112009040465619-PAT00001
여기서, κv, κh, κd는, 하기 식 (2)∼(4)로 나타내는 자장에 대하여 수직방향성분, 평행방향성분, 그것들의 대각성분의 유전율 성분을 의미한다. j는 허수단위이다.
Figure 112009040465619-PAT00002
Figure 112009040465619-PAT00003
Figure 112009040465619-PAT00004
여기서, ωpe는, 하기 식 (5)로 나타내는 플라즈마 진동수, ωce는 하기 식 (6)으로 나타내는 전자사이클로트론 주파수, νm은 압력이나 가스분자, 원자의 단면적으로 결정되는 전자의 충돌 주파수이다.
Figure 112009040465619-PAT00005
Figure 112009040465619-PAT00006
상기 식 (5), (6)에서의 q는 전하소량, me는 전자질량, εo는 진공의 유전율이고, B는 z축 방향의 자장강도이다.
이와 같은 텐서 유전율을 가지는 전자밀도(ne)의 플라즈마에 고주파(f = ω/2π)를 하부 전극(112)으로부터 발진한 경우, 그 플라즈마 중을 전파하는 고주파 (E·exp)(ik·r - jωt)는, 맥스웰 볼츠만의 전자방정식에 따라, 하기 식 (7)로 전파된다.
Figure 112009040465619-PAT00007
여기서, k는 파수 벡터, r은 위치 벡터, t는 시간이다. 이 때의 진공용기 내의 등가회로를 도 2에 나타낸다. CA1은 벽면 수신부의 표면 절연막의 정전용량, CESC는 하부 전극(113) 표면의 정전 흡착막의 정전용량이다. 또, Z1, Z4는, 각각 도중 경로의 플라즈마 내의 밀도나 분포정보를 포함하는 식 (1) ∼ (7)에서 위치, 시간의 함수로서 계산되는 전자파 전계강도와 전류로부터 산출되는 플라즈마의 복소 임피더스이다. Zs, ZA1은, 변위전류와 전자·이온에 의한 전도전류로 구성되는 시스의 비선형부분의 임피던스이다. 이 플라즈마 시스는, 이온과 전자의 이동도의 차이가 초래하는, 플라즈마와, 그것에 접하는 경계면과의 경계선에 생기는 하전입자가 존재하지 않는 공간이며, 시스의 두께는, 주로 플라즈마 밀도와 전자온도로 결정된다. 따라서, 등가회로적으로는 변위전류의 패스를 나타내는 콘덴서와 비선형 특성을 나타내는 전자·이온에 의한 전도 전류부분으로 기술할 수 있다(도 2에서의 ZA4, Zo에도 병렬로 있는 콘덴서는 간략화를 위해 생략).
이 때, 수신부(114)에서 검출되는 전류(Iv1)는, 전기회로의 경로 상의 임피던스 Zv1= (jωCESC)-1+ Zo + Z1(ω) + ZAl(ω) + (jωCAl)-1 로 하여, 하기 식 (8)로 나타내진다.
Figure 112009040465619-PAT00008
Sk는 전류가 흐르는 전 면적에 대한 수신부의 면적의 비율이다. 따라서, RF 바이어스, 소스 전원 출력이 일정 전압(V = 일정), 또는 일정 전력(P = VI = 일정) 시에 대하여, 수신부(114)에서의 전류 파형의 변화량을 조사함으로써, 그 경로를 구성하는 플라즈마, 시스, 부품의 피막 두께 등의 변화를 검지하는 것이 가능해진다. 수신부(115)에 대한 전류값(Ih4)에 대해서도 Z4를 이용하여 동일하게 정의할 수 있다.
도 1은, 하부 전극(113)의 RF 바이어스공급 라인으로부터 발진되고, 플라즈마 중을 통과하여 온 RF 바이어스 전류를, 피처리면에 대하여 수평방향, 수직방향의 복수의 수신부에서 전류 변화량을 검지하는 플라즈마처리장치의 실시예이다. 이 경우, 수신부(A4), 수신부(A7)로부터의 신호를 고주파 해석수단(110)에 접속함으로써, 웨이퍼면에 수평한 방향의 플라즈마 밀도 변화를 검지할 수 있다. 또, 수신부(114)가 접속되어 있는 점(Al, A2, A3, A5)으로부터의 신호를 고주파 해석수단(110)에 접속함으로써, 높이방향(수직방향)의 플라즈마 평균 밀도, 분포상태 변화를 검지하는 것이 가능하다. 또한 RF 바이어스 인가기구의 경로 상의 점(X)을 고주파 해석수단(110)에 접속함으로써, 피처리면 상의 플라즈마 밀도와 시스 하부 전극의 정전 흡착막의 변화를 검지할 수 있다.
이상의 측정 구성을 사용하여 플라즈마 밀도 분포의 변화를 검지하기 위해서는, 플라즈마의 동경방향 밀도 수신부(A4, A7)와 RF 바이어스 정합기(116), 또는 플라즈마 임피던스 모니터(도 1에서는 미표기)로부터의 신호(B)의 상대적인 변화를 고주파 해석수단(110)으로 추출하여 검지함으로써 실현할 수 있다.
도 3은, 수신부(114)에서 검지된, Cl2 가스 100 ccm, 2 Pa, 소스 파워 500 W, RF 바이어스 20 W의 처리조건 하의 전류파형의 모식도이다. 하부 전극(112)으로부터 플라즈마 중으로 투입된 400 kHz의 고주파전류는, 전류의 경로 도중에 존재하는 웨이퍼(112)나 수신부(114) 근방에 형성되는 플라즈마 시스의 전압 - 전류 특성의 비선형성에 의하여 검지파형은 변형되어 관측된다. 또, 마찬가지로 도중 경로에 존재하는 플라즈마의 벌크의 상태는, 식 (1)∼(7)로 나타내는 전파식으로 결정되는 전자장 강도로서 검지된다. 또, 도 4에 나타내는 바와 같이, 압력 1 Pa, 소스 파워 500 W, RF 바이어스 10 W의 처리조건으로 가스종을 변화시킨 경우에도, 이온 질량의 차가 시스 근방의 이동도의 차에 기인한 전류파형의 변형 정도의 차(즉, 고조파의 혼합비율)로서 검지되고 있다. 즉, 고조파성분의 패턴 변화를 검지함으로써 이온종의 변화도 검지 가능하다.
도 1에서 나타내는 바와 같이 근방에 복수의 수신부에 의한 관측된 전류값의 차를 취득함으로써, 발진부의 공통부분((jωCESC)-1 + Zo)을 소거할 수 있다. 이 때, 벌크부분의 전류강도의 차(Zn(ω)- Zn-1(ω))는 발진 주파수의 기본파 성분, 시스부분이나 표면 절연층 기인의 변화의 차(ZAn(ω) - ZAn-1(ω)) + ((jωCAn)-1 - (jωCAn-1)-1)는 시스 비선형성 기인의 고조파성분에 반영된다. 즉, 근방 지점의 전류 변화차를 고속 푸리에 변환하고, 주파수 해석함으로써, 벌크부분의 밀도변화와 시스 근 방의 밀도변화를 분리하는 것이 가능해진다.
이와 같은 플라즈마처리 중에 실시하는 계측을 위하여, 각 수신부는, 에칭성능(형상, 레이트, 오염, 경시변화)에 영향을 주지 않는 부분에 설치되고, 또, 플라즈마처리장치의 구조를 고려하여 설치하는 것이 바람직하다. 도 5에 챔버 매립형고주파 수신부(114)의 구조의 실시예를 나타낸다. 고주파 수신부를 구성하는 수신금속(303)은, 주위의 벽면 소재(301)로부터 절연체(304)로 둘러싸여 있고, 에칭 챔버(108)로부터 절연되어 있다. 에칭 챔버(108)의 안 둘레측, 즉, 플라즈마에 접하는 표면 자체에도, 금속오염과 이물발생을 방지하기 위한 절연층(302)이 부착되어 있다.
따라서, 수신부 표면의 절연층(302)은, 챔버(108)의 내벽과 동일한 재료를 부착하는 것이 바람직하다. 수신부의 주변과 동일한 재료를 사용함으로써, 수신부 근방의 챔버 내벽의 절연피막의 막 두께, 손상 정도를 검지하는 것이 가능해져, 소모품[어스부품(121), 서셉터(119), 그외 절연커버]의 교환시기를 예측하는, 이물이나 오염에 의한 수율 저하를 억제하는, 또는 손상부품의 특정에 의한 장치의 비가동 시간을 저감하는 것이 가능해진다. 또, 수신부분은 플라즈마생성용 전력이나 RF 바이어스의 전계집중 등이 일어나지 않도록 챔버 내벽에 대하여 평탄 또는 단차가 없는 구조인 것이 바람직하다.
도 6은, 점 A4의 탑재형 수신부의 모식도이다. 도 5에 나타낸 단면구조를 채용한 φ1 cm 정도의 복수 원주형의 검지부분(114)을 1 cm 정도의 간격으로 나열 한 것이다. 형상은, 원주이어도 직육면체이어도 좋으나, 대면적일수록 수신감도가 향상한다. 따라서, 위치 분해능과의 트레이드 오프를 고려하여, 형상과 면적은 장치에 적합하게 결정하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 웨이퍼처리부가 아닌, 영역에서 복수의 동경방향의 플라즈마 밀도분포의 변화를 계측함으로써, 챔버 측벽 부근이나 서셉터 근방의 플라즈마 밀도의 변화를 더욱 높은 공간 분해능으로 검지하는 것이 가능해진다. 이와 같은 멀티구조의 신호부는, 탑재형에 한정하지 않고, 챔버 매립형이어도 마찬가지이다. 탑재형은, 그것만으로 독립되어 있고, 임의의 위치에 설치할 수 있으며, 장치 개발시나 프로세스 개발시에 유효하기 때문에, 양산 적용기는, 신호선이 되는 동축 케이블로부터의 오염이나 플라즈마 요란이 없는 매립형이 바람직하다.
본 발명을 사용함으로써 종래방법에서의 프로세스 개발시에서는, 패턴이 있는 웨이퍼의 게이트 가공치수(Critical Dimension ; CD) 면내 분포나 에칭 레이트의 면내 분포라는 결과로 밖에 알 수 없었던 것이, 결과의 원인으로 되어 있는 플라즈마 밀도 분포의 변화성분을 추출할 수 있기 때문에, 라디칼 분포 기여분으로 구분할 수 있다.
본 발명에 의하면, 원인에 의거한 적확한 형상 제어, 분포 조정이 가능해진다. 예를 들면, 정합기(116)에서의 피크간 전압이나, A7, A4의 검지하여 환산된 플라즈마 밀도가 동경방향 중심으로부터 바깥 둘레를 향하여 저하한 경우는, 플라즈마 밀도 분포 제어기구(103) 또는 소스용 전원(101)의 출력 파워 등, 장치의 끝부 의 플라즈마 밀도를 크게 하도록 기구를 제어한다. 반대로, 정합기(116)에서의 Vpp나 점 A7, A4에서 검지되는 밀도가 변화하지 않는 데도 CD 등이 크게 변화한 경우는, 라디칼종의 분포가 변화하였다고 판단하여, 가스도입의 면내 분포 비율이나 하부 전극의 온도제어수단(도 1에는 미기재)에 의해, 웨이퍼 상의 온도 분포를 변화시켜 라디칼의 흡착 확률의 면내 분포제어를 한다.
마찬가지로, 상기 피처리물면과 수평방향의 검지부와 아울러, 수직방향의 밀도 수신부(점 A1∼A3)의 신호도 이용하여, 마찬가지로 APC 제어함으로써, 챔버 벽면상태에 기인하는 에칭성능(가공형상 변동) 변화를 억제할 수 있다. 이와 같은 APC 기능은, 고주파 해석수단(110)으로부터, 분포나 변동을 억제하는 기구[예를 들면, 플라즈마 밀도 분포 제어기구(103)나 가스 도입면내 분포비 제어기구 등]를 직접 제어하여도 되나, 장치 제어용 PC를 거쳐 제어하여도 된다.
또, 종래의 모니터신호[플라즈마 발광 분광, RF 바이어스의 피크간 전압(Vpp)이나 가스압력, 정합기의 파라미터, RF 바이어스 정합기 부근에 따로 접속된 시판의 플라즈마 임피던스 모니터 등으로부터 계측된 임피던스 등]에, 본 발명에 의한 플라즈마 밀도, 분포의 변동을 검지하여 제어하는 고주파 해석수단을 부가함으로써, 이온 플럭스, 라디칼 조성, 이온 에너지와 그 분포의 변화를 구분하는 것이 가능해져, 에칭형상 제어를 위한 물리량을 일정하게 하는 APC 제어가 가능하게 된다. 예를 들면, 일정 압력, 일정 가스유량이나 조성 하에, 본 발명에 의한 밀도 변화량이 허용값 내가 되도록, 플라즈마 소스 파워나 분포 제어기구(103)를 조정하 여, 플라즈마 밀도와 분포를 일정화한 다음에, Vpp 또는 RF 바이어스 파워를 일정하게 한다는 제어이다. 이와 같은 APC 제어에 의하여, 이온의 플럭스와 에너지를 직접 제어할 수 있고, 하전입자 기인의 에칭 레이트 변동, CD 변동을 억제할 수 있다.
도 1의 실시예에서는, RF 바이어스 전원기구로서 2개의 다른 주파수를 발진하는 전원을 구비하고 있다. 이 때의 주파수는, 시스의 비선형성이나 플라즈마 포텐셜의 변동에 민감한 비교적 낮은 주파수 대역(100 k∼2 MHz)과, 얇은 시스는 투과하고, 플라즈마 중을 전파하기 쉽게 챔버의 어스구조에 민감하면서, 플라즈마생성에 대한 기여가 작은 비교적 높은 주파수 대역(2M∼13.56 MHz)으로 구성되는 복수의 바이어스 주파수를 조합시키는 것이 바람직하다(예를 들면, 400 kHz와 13.56 MHz, 또는 4 MHz). 그것들의 다른 복수의 주파수를 플라즈마처리에 사용하고, 그 기본파와 고조파의 변화를 검지함으로써, 전극 상을 포함하는, 챔버 내의 입체적인 플라즈마 공간분포, 밀도변화와 송수신부의 부품 소모의 검지 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다.
[실시예 2]
상기, 하부 전극에 접속된 RF 바이어스 전원의 주파수를 고주파 발진수단으로서 이용하는 이외에, 제 3 프로브용 전원을 접속하여 플라즈마와 장치상태를 검지하는 방법을 이하에 기재한다. 도 7은, 플라즈마생성용의 전원계통인 UHF 정합기(602)측에서 안테나(604)를 통하여 플라즈마 챔버 내로 방사시키고, 복수의 접속 점 A1 내지 A9의 적어도 하나를 A점에 접속하여, 반사계수, 투과계수, 임피던스를 계측하는 수단을 나타내는 실시예이다.
실시예 2는, 도 1에 나타낸 실시예 1과는, 플라즈마 발생수단을 구성하는 플라즈마 소스전원인 450 MHz의 UHF 전원(601)과, UHF 정합기(602)와 안테나(604)를 구비하는 점에서 다르다. 진공용기를 구성하는 에칭 챔버(108) 내로 UHF파를 방출하는 안테나(604)는, 진공을 유지하는 석영판(105)보다 대기측에 설치되어 있다.
실시예 2는, 종래의 플라즈마처리장치에 플라즈마 면내의 밀도와 분포, 및 부품의 소모도를 검지하는 수단을 구비하는 것이다. 또한 실시예 1에 대하여, 제 3 프로브용 전원인 프로브 고주파 발진수단(603)을 접속하고 있는 것이 다르다.
먼저, 프로브 고주파 발진수단(603)은, 플라즈마생성이나 플라즈마처리에 영향이 없는 1 W 정도 이하의 정현파를 출력하고, 시간적으로 프로브의 주파수를 소인(100 kHz∼3 GHz 정도)시키는 기능을 가진다. 이것 대신, 기능을 조절하여, 특징적인 복수의 주파수를 연속 또는 간헐적으로 발진하여도 된다. 또, 이 프로브 고주파는, 안테나(604)로부터 에칭 챔버(108) 내로 발진되어도 되고, 챔버(108) 내에 설치한 프로브 고주파 수신부(115) 등을 발진부로 하여 발진하여도 된다.
실시예 2의 장치와 같이, 전자밀도(ne)의 플라즈마에 대하여 고주파(f = ω/2π)를 진공용기에 안테나(604)로부터 발진한 경우의 진공용기 내의 등가회로를 도 8에 나타낸다. 도 8에서의 Zo은 발진부분의 특성 임피던스이다. 챔버 매립형 고주파 수신부(114)(예를 들면, 도 7에서의 점 Al)에 접속하여 검출되는 반사계수 Γ = (반사파 강도/입사파 강도)는, 전기회로의 경로 상의 임피던스 Zv1 = Z1(ω) + ZAl(ω) + ZAo(ω) + (jωCAl)-l로서, 하기 식 (9)로 기술할 수 있다. Zo는 회로의 특성 임피던스이다.
Figure 112009040465619-PAT00009
피처리면에 대하여 수평한 방향의 플라즈마에 대응하는 임피던스(Zh)에 대해서도 ZA6을 이용하여 마찬가지로 정의할 수 있다. 이 때 Zh의 허수부분의 인덕터성분(L)과 커패시터성분(C)으로부터, 하기 식 (10)으로 나타내는 공진 주파수에서 발진고주파가 흡수되기 때문에, 플라즈마 밀도에 대응하는 식 (5)의 주파수나 장치부품의 공진 주파수, 또는 그것들 고조파의 주파수에서 반사계수는 작아진다.
Figure 112009040465619-PAT00010
한편, 투과율(투과파 강도/입사파 강도)에 대해서도, 경로 상에 존재하는 플라즈마 밀도에 대응하는 플라즈마 진동 주파수 부근에서 흡수가 일어나기 때문에, 투과율은 감소하여 관측된다. 이상의 원리에 의하여 반사흡수 피크나 투과 피크의 주파수의 시간변화를 조사함으로써, 발진장치와 수신부에서 끼워지는 경로에 존재 하는 플라즈마의 평균 밀도의 변동, 장치부품의 소모를 검지할 수 있다. 공진 주파수로부터 플라즈마 밀도나 부품 소모의 산출은, 고주파 해석수단(110) 또는 제어 PC로 실시한다.
도 7에서의 점 A1, 점 A2, 점 A3, 점 A5는 플라즈마의 동경방향을 가로지르는 평균 밀도를 포함하는 경로의 임피던스(도 8의 Z1을 포함하는 경로에 상당), 점 A4, 점 A6, 점 A7, 점 A8은 플라즈마의 두께방향의 밀도를 포함하는 경로의 임피던스를 각각 계측하는 점이다. 두께방향 밀도를 계측하는 점 중에서, 점 A6은, 플라즈마의 밀도정보 이외에, 하부 전극(113)의 임피던스(정전 흡착막이나 웨이퍼의 임피던스)의 정보도 포함하고, 점 A8은, 또한 RF 바이어스 정합기(116)의 임피던스의 정보를 포함한다.
점 A1 내지 점 A9의 수신부(114, 115, 119)의 설치장소 이외에, A점을 장치 그라운드(Al0)로 떨어트리는 것도 가능하나, 그 경우는, 발진 주파수의 전기회로의 경로의 합침이 되기 때문에, 부품 특정이나 플라즈마 분포의 특정이 어렵게 되나, 일괄하여 모든 경로의 상태를 모니터할 수 있기 때문에 간편한 제 0차적인(대략적인) 변동 검지로서 유효하다. 또, 고주파 해석수단(110)에서, 프로브 고주파 발진면에 대하여 수직한 동경방향 수신부가 되는 점(A1 내지 A3)과 프로브 고주파 발진면에 대하여 평행한 면에 있는 두께방향 수신부(점 A4 또는 점 A5)와의 주파수비의 변화를 측정함으로써, 플라즈마 밀도 분포의 변화를 대략 검지할 수 있다. 이와 같이, 고주파 해석수단(110)은, 2 포트 이상을 동시에 계측할 수 있는 수단을 구비할 필요가 있다.
도 9는, 수신부(A1)에서 수신한 동경방향 밀도(A1)와, 수신부(A8)에서 수신한 두께방향 밀도로 투과계수를 측정한 결과의 모식도이다. 이 도면을 이용하여, 플라즈마 밀도분포와 장치상태를 관리하는 플라즈마처리방법을 설명한다. 플라즈마처리 당초는, A1점의 반사계수는 f1에, A8점에서는 f2에 피크가 존재하고 있었으나, 플라즈마처리 매수가 증가함에 따라, 점 A1에서의 검출 피크가 f'1위치로 변화되어 있었다. 이와 같은 변화를 한 경우는, 동경방향의 플라즈마 밀도가 벽면상태의 변화 등으로 부분적으로 증가(끝부분의 밀도가 상승)한 것을 나타내고 있다.
따라서, 플라즈마의 밀도를 감소시키는 장치 제어 파라미터(예를 들면, UHF 전력)를 변화시키는 것은 아니고, 분포를 제어하는 장치 제어 파라미터(예를 들면, 코일전류)를 조정함으로써, 가공형상의 참된 변동 원인에 의거한 APC 제어가 가능하게 된다. 이 때, 주파수 소인에 의하여 동시에 얻어지는 공진 피크가 어느 부품에서 공진하고 있는지를 파악하여 두고, 그 공진 피크(401)의 변화를 조사함으로써 부품상태의 변동을 검지할 수 있다.
도 10은, 챔버 아이들링시에 도 7과 같이 프로브 고주파 발진수단, 고주파 해석수단을 Al0에 접속하여, ESC 신품(실선)과 ESC막이 100 ㎛ 감소한 경우(점선)의 반사파 강도를 측정한 결과이다. 주파수 소인된 프로브 고주파에 대하여, fa, fb, fc의 위치에 흡수 피크가 관측되고 있다. 이 중, ESC 막 두께의 변화에 대해서는 fb가 변화하고 있고, 이 변화량은, 깎임량 100 ㎛에 대하여, 76 kHz인 것을 알 수 있다. 즉, fb의 피크의 주파수의 변화량을, 안테나(604)측에서 하부 전극(113)과의 거리 약 200 mm에 대하여 0.05%의 변화를, 대기 개방하지 않고 감도좋게 진단할 수있는 것을 나타내고 있다. 이와 같이, 측정 경로 상에 있는 부품에 대응하는 공진피크의 시간 변화량을 모니터함으로써, 그 부품의 소모도, 교환시기를 예측하는 것이 가능해진다. 프로브 고주파수단, 고주파 해석수단의 접속장소를 적절하게 선택 함으로써, 동일한 방법으로 석영파츠, 서셉터의 부품마다 소모도를 검지하는 것이 가능하다.
또, 장치의 출하 검사시에, 동일한 프로브 고주파 발진수단(603), 고주파 해석수단(110)으로, 플라즈마 밀도와 분포의 정도를 검사하고, 그 결과를 기초로, 출하 기준의 플라즈마 밀도와 분포에 합치하도록 장치 제어 파라미터의 변환 테이블을 구성하고, 그 테이블을 장치마다로 함으로써, 플라즈마 밀도와 분포에 관한 장치간이나 챔버간 차를 보정하는 것이 가능해진다. 또한, 장치 메인터넌스로 부품 교환한 후, 본 발명의 계측을 실시함으로써 플라즈마 밀도와 분포에 관한 소스 파워공급계나 RF 바이어스공급계를 구성하는 부품의 전기적, 기계적인 조립이나, 챔버 측벽 어스 등의 조립 정도를 정밀도 좋게 관리할 수 있어, 조립 후의 재현성을 향상할 수 있다.
플라즈마 분포를 검지하여 장치상태를 관리하는 플라즈마처리방법을 실현하기 위해서는, 프로브 고주파 발진수단(603)을 플라즈마 발생수단의 전력공급계통에 중첩시킬 필요가 있다. 그 때문에, 프로브 고주파 발진수단(603)은, 플라즈마 생성용 전원[예를 들면 UHF 전원(601)]의 주파수와 출력에 대하여 높은 내압과 비간섭성(방향성)이 필요하다. 예를 들면, UHF 정합기(602) 내(예를 들면 도 6의 A7에 접속하는 경우)나 UHF 정합기(602)의 밖(예를 들면 A5에 접속하는 경우)에 대전력용의 방향성 결합기와 필터와 감쇠기를 전력공급계에 삽입하거나 함으로써 실현할 수 있다. 그 때의 발진 주파수는, 식 (5)로 나타낸 플라즈마 밀도에 대응하는 주파수 영역을 포함하는 주파수역(예를 들면, Ar 플라즈마 밀도 ne = 1015∼1016 cm-3에서는, 284∼875 MHz)을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 고주파 해석수단(110)에 대해서도, RF 바이어스공급측에 설치한 수신부(A6), 수신부(A8)를 고주파 해석수단(110)의 A에 접속하는 경우도 있기 때문에, RF 바이어스 전력이나, 누설되어 오는 플라즈마 주파수 전력에 대한 내압 성능을 가질 필요가 있다. 수신부(A8), 수신부(A9)는, RF 바이어스 정합기(116) 내에 설치되어 있으면, 배선이 정리되어 여분의 노이즈 등의 혼입을 막을 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 도 9와 같은 반사계수의 주파수 의존성을 취득하기 위해서는, 고주파 해석수단(110)은, 프로브 고주파 발진수단(603)으로부터 발진되는 주파수의 소인 타이밍에 맞추어, 수신대역도 동기하여 변화하는 기능을 가지고 있다.
이와 같이, RF 바이어스 전원기구와 플라즈마발생수단의 전원 주파수와 다른 발진기를 구비함으로써, RF 바이어스를 출력하지 않는 플라즈마조건(예를 들면, 레지스트의 마스크 치수를 작게 하는 트리밍 공정이나 피처리물을 하부 전극에 탑재하지 않고 행하는 In-situ 클리닝공정 등)에서도 플라즈마 밀도와 분포, 플라즈마 임피던스를 검지하는 것이 가능하다. 또, 본 발명과, 종래의 모니터값(플라즈마 발광 분광, RF 바이어스의 피크간 전압이나 가스압력, 정합기의 파라미터 등)을 조합시킴으로써 실시예 1의 플라즈마 밀도와 그 분포와 중성입자의 변동을 구분하여 각각 제어할 수 있다. 그리고, 장치부품 고유의 공진 피크를 이용한 장치부품에 대한 관리가 가능해지기 때문에, 장치부품의 관리, 예방보전과 요인 해석이 용이해져, 원인에 의거한 최적의 보정, 수리를 실시하는 것이 가능해진다.
(실시예 3)
도 7과는 다른 프로브 고주파 발진수단과 고주파 해석수단의 접속형태가 다른 실시예를, 도 11을 이용하여 설명한다. 이 실시예에 관한 플라즈마처리장치는, 도 7에 나타낸 플라즈마처리장치에 대하여, 방향성 결합기(605)를 거쳐 프로브 고주파 발진수단(603)을 RF 바이어스 정합기(116) 및 하부 전극(113)의 접속점(Bl)(도 7에서는 A6)에 접속한 점이 상위하고 있다.
즉, 이 실시예는, 프로브 고주파 발진수단(603)을 하부 전극(113)의 RF 전원공급 라인에 접속하는 실시예이다. 이 경우, 수신부(Al0), 수신부(A11)로부터의 신호를 고주파 해석장치(110)에 접속함으로써 두께방향 밀도를 검지할 수 있다. 또, 점 A1의 회전대칭 위치에 프로브 고주파 발진부(114′)를 설치하여 점 B2와 B 끝을 접속하고, 수신부(114)에 접속되는 점 A1을 A 끝과 접속함으로써 챔버 동경방향을 가로지르는 플라즈마의 평균 밀도나 분포상태 변화를 검지하는 것이 가능하다.
(실시예 4)
하부 전극(113)이, 웨이퍼를 다이폴방식으로 정전 흡착시키는 방식의 경우의 실시예를 하부 전극(113)의 구조를 나타내는 도 12를 이용하여 설명한다. 이 실시예에서는, 하부 전극(113) 내에 설치한 정전 흡착용 전극을, 동심원 형상으로 중심부측 정전 흡착용 전극(701)과 끝부측 정전 흡착용 전극(702)으로 2분할하고 있고, 예를 들면, 도 7에 나타내는 바와 같이, 프로브 고주파를 프로브 고주파 발진수단(603)으로부터 방향성 결합기(605)를 거쳐 안테나(604)(플라즈마 소스측)로부터 발진시키고, 도 12 중에 나타낸 각각의 정전 흡착용 전극(701, 702)과 다른 전압을 인가하기 위한 2개의 직류전원(118, 118')과의 사이의 수신점 A12, 수신점 A12'을, 고주파 해석수단(110)의 A 끝에, 각각 접속한다. 이와 같이, 다이폴방식의 정전 흡착의 경우는, 하부 전극(113) 내의 기존의 정전 흡착용 전극(701, 702)을 고주파 수신부분으로 할 수 있어, 피처리물 상의 면내 분포를 다이폴 전극의 분할수에 따라 검지하는 것이 가능해진다.
또, 도 12에서, 프로브 고주파 발진수단(603)을, 방향성 결합기(605)를 거쳐 점 A12 또는 점 A12'점의 정전 흡착용 전극(118, 118')측에 접속하여, 프로브 고주파를 챔버(108) 내에 공급하는 경우, 즉, 정전 흡착용 전극(701, 702)을 프로브 고주 파 발진용의 전극으로서 겸용하는 것도 가능하고, 마이크로파의 도파관과 같이 컷오프 주파수를 가지는 전송경로가 혼재하는 플라즈마원의 경우는, 점 Al0, 점 Al1을 사용할 수 없기 때문에 본 실시예는 유효하다.
이와 같이, 도 11 또는 도 12와 같이 하부 전극측에서 프로브 고주파를 발진시키고, 수신부(A1∼A5)에서 수신한 신호를 고주파 해석수단(110)에 접속함으로써, 실시예 2에서 나타낸 바와 같은 방법으로 동경방향 밀도분포의 변화를 검지할 수 있다. 또한, 동경방향의 플라즈마 밀도분포의 변화를 검지하기 위해서는, 도면에서 A1과 A5(B2)에 상당하는 플라즈마를 가로지르도록 설치된 송수신부의 쌍을 복수 구비하여 그것들의 정보를 평균화함으로써 오차를 저감할 수 있다.
이와 같이, 실시예 1∼4에서 설명한, 플라즈마 중에 프로브 고주파를 발진하고(실시예 1의 경우는, RF 바이어스 전원 등 이미 설치한 전원이 프로브 고주파를 겸한다), 플라즈마 중에서 프로브 고주파를 수신하는 기구[예를 들면, 도 1, 도 7, 도 11, 도 12에서의 챔버 매립형 고주파 수신부(114, 115), 정전 흡착용 전극(701, 702), 안테나(604) 등]는, 도중 플라즈마를 개재하도록 접속하면 되고, 구조도 도 5에 나타낸 바와 같이, 수신수단 및 송신수단 모두 동일한 구성으로 할 수 있기 때문에, 각각을 구별할 필요는 없다. 따라서, 고주파 해석수단(110)에 접속하는 송수신부의 위치는, 검사하고 싶은 부품에 대한 반사계수의 감도가 가장 큰 지점을 적절하게 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 플라즈마처리실 벽면에 대한 부착, 데포짓, 깎임상태 등도 검지하고 싶은 경우는, 챔버 매립형 고주파 수신 부(114)에 접속되는 점 A1, 챔버 매립형 고주파 수신부(114')에 접속되는 점 B2를, B 끝에 접속한다는 상태이다.
도 13에 나타내는 바와 같은 경로 스위칭회로를 구비하면, 1쌍의 고주파 발진수단과 고주파 해석수단에 대하여, 복수개 있는 송수신부의 임의의 경로를, 송수신부에 상관없이 적절하게 선택하는 것이 가능해진다.
또한, 도 14에 나타내는 바와 같이, 챔버 매립/탑재형 고주파 수신부(114, 115)를 프로브 고주파 발진수단에 접속하고, 발진 주파수 영역(100 kHz 내지 3 GHz)에서 절연층(302)이 형성하는 콘덴서 용량과 공진하도록, 콘덴서나 코일을 조합하여 공진회로(305)를 형성시켜 둠으로써, 원래이면 공진하고 있지 않으나, 측정하고 싶은 장치 변화를 검지하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 챔버의 어느 시점을 기준으로 하여, In-situ 클리닝 중, 그 만들어낸 반사 흡수 주파수의 시프트량 변화를 검지함으로써, 표면에 부착되는 반응 생성물량에 따른 정전용량 변화에 대응한 주파수 피크가 변화하기 때문에, 벽면 클리닝의 종점을 판정하는 것이 가능해진다. 동시에, 본 방법에서는 플라즈마가 존재하지 않는 장소에서도, 공진 주파수를 합침으로써 퇴적막을 검지하는 것이 가능하기 때문에, 챔버 내 퇴적물에 기인하는 이물의 정도를 예측하여, 이물에 의한 수율 저하를 억제하는 예방 보전이 가능해진다.
또, 하부 전극(113)측에 프로브 고주파를 도입시키는 방식에서는, 웨이퍼 바로 위의 밀도 변화에 민감하기 때문에, 에칭처리 중의 반사계수의 시간변화를 검지 함으로써, 플라즈마 밀도나 분포의 변화와 함께, 에칭 종점 판정에도 사용하는 것이 가능하다.
유도결합형 플라즈마처리장치(ICP), 용량 결합형 플라즈마처리장치(CCP)와 같은 다른 플라즈마원은, 플라즈마 여기 주파수의 차이에 따라, 도 7의 안테나(604)에 관한 부분이 다르나, 기본적으로는, 도 7과 동일하게 플라즈마 소스 전원측에서 프로브 고주파 발진수단을 접속하여, 수신부를 도 7과 마찬가지로 복수 설치 함으로써, 본 발명의 플라즈마 밀도와 분포와 장치상태를 검지하는 플라즈마처리방법을 실현하는 것이 가능하다. 이것 대신, 도 9와 같이 프로브 고주파를, 피처리물을 설치하는 하부 전극측에서 발진하도록 하여도 된다.
(실시예 5)
본 발명에 관한 상기 플라즈마처리장치를 사용한 도 15에 기재된 플라즈마처리방법에 대하여, 이하에 설명한다. 이 실시예에 관한 플라즈마처리방법은, 상기 플라즈마처리장치의 진공용기 내에 피처리물을 반송하여 상기 탑재수단에 탑재하는 공정과, 진공용기 내로 가스를 도입하는 공정과, 진공용기 내의 압력을 조정하는 공정과, 플라즈마생성용 고주파 전압을 인가하여 진공용기 내에 플라즈마를 생성하는 공정과, 탑재수단에 바이어스전압을 인가하는 공정과, 피처리물의 플라즈마처리 후에 장치를 플라즈마 클리닝하는 공정을 가지는 플라즈마처리방법에 있어서, 먼저, 플라즈마처리공정 전에, 경로 진단 공정과 플라즈마처리 전 진단 공정을 가지고, 플라즈마처리공정 내에 밀도 검지 공정(플라즈마 밀도 APC 제어공정)과 플라즈마 밀도 검지된 In-situ 클리닝 공정을 가지고, 플라즈마처리 후에, 상기한 경로 진단 공정과 플라즈마처리 전 진단 공정으로 이루어지는 장치상태 판정 공정을 가진다.
이 경로 진단 공정에서는, 장치를 스타트하였을 때, 또는 부품 세정 등을 완료하였을 때에, 고주파 발진수단을, 고주파 수신부, 소스전원계통 또는 RF 바이어스계통에 접속하여, 각각의 반사 특성을 취득한다. 이 공정에 의하여 플라즈마처리 전의 복수의 수신부를 교정하고, 소스전원계통이나 RF전원계통의 초기상태를 파악한다. 도 1의 경우는, 고주파 발진부(603)가 존재하지 않기 때문에, 고주파 발진부(603)와 고주파 해석장치(110) 대신, 별도의 네트워크 애널라이저를 사용하여 측정하여도 된다.
플라즈마처리 전 진단공정에서는, 도 1, 도 7 또는 도 11과 같이 고주파 발진수단이나 고주파 수신부를 접속하고, 웨이퍼리스의 불활성 가스 또는 클리닝 가스 방전 중에 플라즈마 임피던스나 반사파, 투과파를 검지하여 기준 플라즈마에서의 전기적 초기상태를 파악하여 둔다.
플라즈마처리 중에 플라즈마 밀도나 분포를 검지하고, 그것들을 일정하게 제어하는 공정[플라즈마 밀도제어 APC공정]의 방법을 도 16에 나타낸다. 미리 플라즈마 밀도나 분포를 설정하는 공정과 도 1, 도 7, 도 11과 같이 고주파 발진수단이나 고주파 수신부를 접속한 장치에 있어서, 피처리물을 플라즈마처리 중에 프로브 고주파 발진수단으로부터 프로브 고주파를 진공장치 내로 투입하여 반사파 및 투과파를 검출하여 고주파 해석수단으로 경로의 임피던스의 변화나 벌크의 플라즈마 밀도와 분포를 계측하는 공정과, 설정한 목표값으로부터의 차나 상기 장치상태와 비 교한 결과에 의거하여 플라즈마처리 중의 장치제어 파라미터로 피드백 제어하는 공정 또는 이상 알람을 발하여 경고하는 공정으로 구성된다. 이것에 의하여, 플라즈마의 밀도와 분포라는 에칭형상에 직접 기여하는 물리량을 일정하게 할 수 있어, 가공 성능 안정화를 실현할 수 있다.
In-situ 클리닝처리 & 검지공정에서는, 매번 나중에 실시하는 In-situ 클리닝시에, 도 7, 도 11과 같이 고주파 발진수단이나 고주파 수신부의 신호를 기초로, 임피던스의 변화나 반사파 및 투과파를 검출하는 공정에 의하여 플라즈마 발광으로 검지할 수 없는 수신부 근방의 부착량 제거의 종점 판정을 수신부 위치에 대응하여 검지할 수 있다. 그 때, 장치상태의 변화가 허용값의 경우는, 연속처리를 계속하여 도 16에서 (1), 허용값을 넘어 있는 경우는, 상기한 플라즈마처리 전 진단공정, 경로 진단공정을 다시 삽입함으로써, 수신부의 감도 보정과 장치부품의 소모도의 판정을 행할 수 있고, 그 정도에 따라 다음 플라즈마공정을 실시하거나, 부품교환이나 세정을 실시할 수 있다.
이상의 방법에 의하여 수신부의 상태 변화, 플라즈마 밀도나 분포의 변화, 부품의 소모도, 클리닝 정도를 판정하는 것이 가능해져, 장치상태 진단, 플라즈마 밀도에 의한 APC 제어에 의한 가공형상 안정화를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 관한 플라즈마처리장치의 단면도,
도 2는 본 발명의 도 1을 전기회로로서 기재한 경우의 등가회로도,
도 3은 400 kHz RF 바이어스 인가시의 수신부 전류의 시간변화의 모식도,
도 4는 플라즈마 가스를 변화시킨 경우의 수신부 전류의 시간 변화의 모식도,
도 5는 진공용기 내에 설치하는 챔버 매립형 고주파 수신부의 단면도,
도 6은 챔버 - 탑재형 수신부의 상면에서 본 모식도와 단면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 관한 고주파 발신수단을 탑재한 플라즈마처리장치의 단면도,
도 8은 본 발명의 도 7을 전기회로로서 기재한 경우의 등가회로도,
도 9는 동경방향 밀도(A1)와 두께방향 밀도(A2)로 반사 계수를 측정한 결과의 모식도,
도 10은 ESC막 두께를 변화시킨 경우의 프로브 공진 주파수의 변화를 나타내는 도,
도 11은 고주파 발진수단을 하부 전극측에 접속하는 경우의 실시예를 나타내는 도,
도 12는 정전 흡착 전극을 다이폴 정전 흡착부분으로 한 경우의 구조를 나타내는 도,
도 13은 경로 스위칭 회로를 삽입한 경우의 구성도,
도 14는 공진회로(305)를 접속한 수신부의 모식도,
도 15는 본 발명의 플라즈마처리방법을 나타내는 전체 플로우도,
도 16은 본 발명의 플라즈마 밀도(APC)를 나타내는 플로우도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101 : 소스용 전원 102 : 소스 전자파용 정합기
103 : 플라즈마분포 제어기구 104 : 공동 공진부
105 : 석영판 106 : 샤워 플레이트
107 : 전자석 108 : 에칭 챔버
109 : 히터 110 : 고주파 해석수단
111 : 가스 도입수단 112 : Si 웨이퍼
113 : 하부 전극
114 : 챔버 매립형 고주파 수신부
114' : 챔버 매립형 고주파 발진부
115 : 챔버 설치형 고주파 수신부
116 : RF 바이어스 정합기
117 : RF 바이어스 전원기구 118 : 직류전원
119 : 서셉터 탑재형 고주파 수신부
120 : 서셉터 121 : 어스부품
122 : 베이스 프레임 123 : 플라즈마 발광 수광부
201 : 절연체 202 : 동축 케이블
301 : 벽면 소재 302 : 절연층
303 : 수신금속 304 : 절연체
305 : 공진회로
401 : 절연피막과 챔버 사이의 공진 피크
402 : ESC의 용사막과 하부 전극의 기생 인덕터로부터의 공진 피크
601 : 소스용 전원(UHF 전원)
602 : 소스 전자파용 정합기(UHF 정합기)
603 : 고주파 발진수단 604 : 안테나
605 : 방향성 결합기 701 : 정전 흡착용 전극 중심부
702 : 정전 흡착용 전극 끝부 703 : 중심부용 직류전원
704 : 끝부용 직류전원 801 : 경로 스위칭회로

Claims (12)

  1. 진공용기와, 상기 진공용기 내에 플라즈마용 가스를 도입하는 가스 도입수단과, 상기 진공용기 내로 도입된 상기 가스의 압력을 제어하는 압력 제어수단과, 상기 진공용기 내로 도입된 상기 가스에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마발생수단과, 플라즈마처리되는 피처리물을 상기 진공용기 내에 탑재하는 탑재수단과, 상기 탑재수단에 고주파 바이어스를 인가하는 고주파 바이어스 인가수단을 구비하는 플라즈마처리장치에 있어서,
    상기 플라즈마발생수단의 플라즈마 소스전원과 상기 고주파 바이어스 인가수단의 고주파 바이어스전원과는 다른, 미소 출력 발진 주파수를 상기 진공용기 내로 발진하는 프로브 고주파 발진수단과,
    상기 프로브 고주파 발진수단으로부터 발진되는 고주파를 플라즈마와는 절연층을 거쳐 접하는 면에서 수신하고, 상기 피처리물의 표면에 대하여 평행방향 및 수직방향으로 배치된 복수의 고주파 수신수단과,
    상기 프로브 고주파 발진수단과 상기 고주파 수신수단으로 형성되는 전기회로 내의 발진 주파수마다의 임피던스, 또는 발진 주파수마다의 반사율 및 투과율을 측정하고, 측정한 상기임피던스 또는 상기 반사율 및 상기 투과율을 사용하여, 플라즈마 밀도나 분포의 변화량을 연산하는 고주파 해석수단을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 프로브 고주파 발진수단은, 다른 복수의 주파수를 가지는 상기 고주파 바이어스 전원 또는 상기 플라즈마 소스전원인 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 프로브 고주파 발진수단이 주파수 소인수단을 구비하고, 상기 주파수 소인수단이 발진하는 소인 발진 주파수가 플라즈마의 밀도에 대응하는 플라즈마 진동수를 포함하며, 또한, 상기 고주파 수신수단이 상기 소인 발진 주파수와 동기하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 프로브 고주파 발진수단이 발진하는 상기 소인 발진 주파수의 범위가, 100 kHz 이상 3 GHz 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피처리물의 표면에 대하여 수평방향으로 배치되는 상기 고주파 송수신 수단은, 상기 탑재수단에 설치되어 있는 정전 흡착용 전극인 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 정전 흡착용 전극은, 동심원 형상으로 2개로 분할된 다이폴형의 정전 흡착 전극인 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 프로브 고주파 발진수단으로부터의 고주파는, 상기 진공용기 내에 배치된 안테나로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 프로브 고주파 발진수단으로부터의 고주파는, 상기 진공용기 내에 배치된 상기 탑재수단으로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  9. 피처리물을 반송하여 진공용기 내의 탑재수단 상에 탑재하는 공정과, 상기 진공용기 내에 플라즈마용의 가스를 도입하는 공정과, 상기 진공용기 내의 상기 가스의 압력을 조정하는 공정과, 플라즈마를 생성하는 공정과, 상기 탑재수단에 바이어스를 인가하여 상기 피처리물에 플라즈마처리를 하는 플라즈마처리공정과, 상기피처리물의 플라즈마처리 후에 장치를 플라즈마 클리닝하는 공정을 가지는 플라즈마처리방법에 있어서,
    상기 플라즈마처리공정의 전후에, 고주파 수신부, 소스 전원계통 또는 RF 바이어스계통으로부터 고주파를 발진하여, 각각의 반사 특성을 취득하는 경로 진단공 정, 또는 플라즈마 임피던스나 반사파, 투과파를 검지하는 플라즈마처리 전 진단공정의 적어도 하나를 가지고,
    상기 플라즈마처리 공정 전후의 반사계수, 투과계수의 공진 주파수특성으로부터의 변화량에 따라 고주파 해석에 의해 장치상태를 판정하는 장치상태 판정공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 플라즈마처리공정에서 플라즈마 밀도나 분포를 검지하고, 그것들을 일정하게 제어하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 플라즈마처리공정에서 검지한 플라즈마 밀도나 분포의 변화량에 따라, 상기 클리닝 공정의 조건을 변화시키는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 클리닝 공정에서, 수신부분의 임피던스, 반사율의 변화에 의거하여 클리닝의 종점을 검지하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리방법.
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