KR20100118545A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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    • H01L21/32137—Physical or chemical etching of the layers, e.g. to produce a patterned layer from a pre-deposited extensive layer by chemical means only by vapour etching only using plasmas of silicon-containing layers

Abstract

본 발명은 플라즈마 전위가 낮고, 더욱 안정된 고밀도의 플라즈마를 용이하게 형성하며, 플라즈마 처리의 균일성을 더욱 간단하고 또한 정확하게 제어하는 플라즈마 처리 장치를 제공한다. 상기 플라즈마 처리 장치는 처리실(102)내에서 웨이퍼를 탑재하는 탑재대(110)와, 탑재대에 대향하도록 판형상 유전체(104)를 거쳐서 배치된 내측 안테나 소자(142A)와 외측 안테나 소자(142B)로 이루어지는 평면형상의 고주파 안테나(140)와, 고주파 안테나를 덮도록 마련된 실드 부재(160)를 구비하고, 각 안테나 소자는 각각 양단을 개방하는 동시에 중점 또는 그 근방을 접지하고, 각각 개별의 고주파 전원으로부터의 고주파의 1/2파장으로 공진하도록 구성하였다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 처리 가스의 플라즈마를 발생시켜 피처리 기판에 대해 소정의 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다．
이러한 종류의 플라즈마 처리 장치는, 예를 들면, 반도체 웨이퍼, FPD(플랫 패널 디스플레이) 기판 등의 피처리 기판에 관한 에칭, 애싱, 플라즈마 증착 등의 각종 프로세스 처리에 사용된다. 이러한 플라즈마 처리 장치로서는, 예를 들면, 유전체의 상부에 평면형상의 나선형상 코일을 마련하고, 이 나선형상 코일의 양단을 접지하고, 양단 이외의 어느 한 부분에 고주파 전원을 접속해서 구성되는 것이 있다 (예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이것에 의하면, 나선형상 코일에 고주파 전원으로부터 고주파를 공급하고, 그 고주파의, 예를 들면, 1/2파장(또는 1/4파장)으로 공진시킴으로써 정재파를 유도하고, 유전체의 하부에 유도 전계를 발생시켜 처리 가스의 플라즈마를 생성한다.
일본국 특허공개공보 평성7-296992호 일본국 특허공개공보 제2007-142444호
그런데, 최근에는 반도체 소자에 대한 가일층의 미세화, 다층화의 요구에 수반하여, 이와 같은 프로세스 처리에 있어서도, 더욱 손상이 적은 처리를 실행하는 것이 요청되고 있다. 예를 들면, 래디컬(radical)에 의해서 프로세스 처리를 실행하는 경우에는 그 래디컬에 의한 반응을 촉진하고, 이온 손상을 최대한 감소시키는 것이 요구된다. 즉, 과잉의 이온은 웨이퍼에 있어서의 층간에서의 재료의 혼합, 산화물의 파괴, 오염물질의 침입, 형질변화 등의 손상을 야기하므로 이것을 회피하기 위해 각종 연구가 이루어지고 있다. 또한, 고정밀도로 선택비를 규정하는 에칭 처리 등에 있어서는 저선택성을 초래하는 이온 충격을 회피하는 것이 바람직하다. 이와 같은 이온 손상은, 예를 들면, 가능한 한 전위가 낮은 플라즈마를 발생시키는 것에 의해 효과적으로 억제할 수 있는 것이 알려져 있다.
그러나, 상술한 플라즈마 처리 장치와 같이, 나선형상 코일의 양단을 접지한 경우에는 고주파의 1/2파장(또는 1/4파장)으로 공진시킴으로써 정재파를 유도시켜도, 나선형상 코일상의 전압 성분은 반드시 정(+)과 부(-)중의 어느 하나가 되고, 정과 부의 전압 성분이 양쪽 동시에 존재하는 일은 없으므로, 나선형상 코일상에는 항상 전압 성분이 남는다. 이 때문에, 플라즈마 중의 용량 결합 성분이 많이 발생하므로, 이온 손상의 발생은 피할 수 없다.
또, 이와 같은 플라즈마 중의 용량 결합 성분을 저감하기 위해서는 나선형상 코일에 잔존하는 전압 성분을 적게 하면 좋으므로, 특허문헌 1에 기재된 바와 같이 저인덕턴스의 나선형상 코일을 이용함으로써, 플라즈마 중의 용량 결합 성분을 저감하는 것도 가능하다. 그런데, 저인덕턴스의 나선형상 코일을 이용하면, 여기되는 자장이 약해지고, 결과적으로 강한 유도 결합 플라즈마가 발생하기 어려워지며, 플라즈마 밀도도 저하해 버린다.
또, 특허문헌 2에서는 감압 가능한 세로로 긴 반응 용기의 외측에 권회(卷回)한 나선형상 코일을 마련하고, 이 나선형상 코일에 소정 파장의 고주파를 공급해서, 예를 들면, 전파장 모드, 1/2파장 모드 등으로 공진시킴으로써 정재파를 유도하고, 반응 용기 내에 유도 전계를 발생시켜 처리 가스의 플라즈마를 발생시키고 있다. 이것에 의하면, 파장 조정 회로에 의해서 위상 전압과 역위상 전압이, 위상 전압이 전환되는 점을 경계로 대칭으로 되도록 전압 파형을 조정함으로써, 그 위상 전압이 전환되는 전위가 제로인 노드에 있어서, 유도성 결합 플라즈마를 발생시킬 수 있는 것으로 되어 있다.
그런데, 이것은 종방향으로 권회된 나선형상 코일의 안테나 소자이기 때문에, 파장 조정 회로에 의해서 위상 전압과 역위상 전압이 위상 전압이 전환되는 점을 경계로 대칭으로 되도록 파형을 조정할 수 있는 것이다. 이에 반해, 평면형상 코일의 안테나 소자에서는 종방향으로 권회된 나선형상 코일의 경우와 달리, 동일 평면상에서 내측 단부에서 외측 단부를 향함에 따라 그 직경이 서서히 커진다. 이 때문에, 위상 전압과 역위상 전압이, 위상 전압이 전환되는 점의 내측의 노선과 외측의 노선에서는 리액턴스(reactance)가 다르므로, 그 점을 경계로 대칭으로 되도록 파형을 조정할 수 없다. 따라서, 특허문헌 2에 개시된 나선형상 코일의 경우의 기술을 그대로 평면형상 코일에 적용하는 것은 불가능하다.
또한, 반도체 소자에 대한 가일층의 미세화 및 다층화의 요구에 수반하여, 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시할 때에, 그 중앙부(센터부)와 둘레가장자리부(에지부)의 처리의 균일성을 더욱 간단하고 또한 정확하게 제어할 수 있는 것이 요망되고 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제를 감안해서 이루어진 것으로, 그 목적은 플라즈마 전위가 낮고, 더욱 안정된 고밀도의 플라즈마를 용이하게 형성할 수 있는 동시에, 피처리 기판에 대한 플라즈마 처리의 균일성을 더욱 간단하고 또한, 정확하게 제어할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 관점에 의하면, 감압된 처리실내에 처리 가스의 유도 결합 플라즈마를 생성하는 것에 의해 피처리 기판에 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 처리실내에 마련되고, 상기 피처리 기판을 탑재하는 탑재대와, 상기 처리실내에 상기 처리 가스를 도입하는 가스 공급부와, 상기 처리실내를 배기해서 감압하는 배기부와, 상기 탑재대에 대향하도록 판형상 유전체를 거쳐서 배치된 평면형상의 고주파 안테나와, 상기 고주파 안테나를 덮도록 마련된 실드 부재를 구비하고, 상기 고주파 안테나는 상기 판형상 유전체상의 중앙부에 배치한 내측 안테나 소자와, 그 외주를 둘러싸도록 상기 판형상 유전체상의 둘레가장자리부에 배치한 외측 안테나 소자로 이루어지고, 상기 내측 및 외측 안테나 소자는 각각 양단을 개방하는 동시에 중점 또는 그 근방을 접지하고, 각각 개별의 고주파 전원으로부터의 고주파의 1/2파장으로 공진하도록 구성한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 각 안테나 소자의 양단을 개방하는 동시에 중점 또는 그 근방을 접지하고, 고주파 전원으로부터의 고주파의 1/2파장으로 공진시키도록 구성하는 것에 의해, 각 안테나 소자상의 전압 성분에는 크기는 약간 다르지만, 반드시 정과 부가 동시에 존재하므로, 이들이 서로 상쇄해서 각각의 안테나 소자 전체로서의 전압 성분은 작아진다. 이것에 의해서, 각 안테나 소자에 의해서 생성되는 플라즈마 중의 용량 결합 성분도 작게 할 수 있으므로, 플라즈마에 의한 이온 손상을 저감할 수 있다.
또한, 고주파 안테나는 내측 안테나 소자와 외측 안테나 소자로 나누어서 구성되기 때문에, 내측 안테나 소자에 의해서 생성되는 플라즈마의 외측에, 외측 안테나 소자에 의해서 생성되는 플라즈마가 대략 동일 평면에 생성된다. 이와 같이 피처리 기판상의 중앙부와 둘레가장자리부에 극히 전위가 낮은 2개의 플라즈마가 생성하므로, 피처리 기판을 플라즈마 처리할 때의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한, 각 안테나 소자에는 개별의 고주파 전원으로부터의 고주파를 인가할 수 있으므로, 각 고주파의 주파수나 파워를 바꾸는 것에 의해서, 피처리 기판을 플라즈마 처리할 때의 면내 균일성을 더욱 간단하고 정확하게 제어할 수 있다.
또, 상기 실드 부재는 상기 내측 안테나 소자를 둘러싸도록 상기 각 안테나 소자간에 마련된 통형상의 내측 실드벽과, 상기 외측 안테나 소자를 둘러싸도록 마련된 통형상의 외측 실드벽과, 상기 내측 안테나 소자상에 상기 내측 실드벽의 개구를 막도록 마련된 내측 실드판과, 상기 외측 안테나 소자상에 상기 각 실드벽간의 개구를 막도록 마련된 외측 실드판을 구비하고, 상기 각 실드판에는 상기 각 안테나 소자와의 거리를 개별적으로 조정하는 실드 높이 조정 기구를 마련하는 것이 바람직하다.
이것에 의하면, 각 안테나 소자와 각 실드판간의 거리를 조정함으로써, 이들 사이에 발생하는 부유 용량을 변화시킬 수 있으므로, 각 안테나 소자의 물리적 길이를 바꾸지 않고, 각 안테나 소자의 공진 주파수를 조정할 수 있다. 또한, 각 안테나 소자와 각 실드판 사이의 부유 용량을 조정함으로써 각 안테나 소자의 전기적 길이를 조정할 수 있으므로, 각 안테나 소자의 사이즈, 형상 등의 자유도를 대폭 확대시킬 수 있다. 또한, 실드 높이 조정 기구에 의해서 각 실드판의 높이를 조정한다고 하는 간단한 조작으로 각 안테나 소자의 공진 주파수를 조정할 수 있다.
또, 상기 고주파 안테나에는 상기 각 안테나 소자와 상기 판형상 유전체의 거리를 조정하는 안테나 높이 조정 기구를 마련하도록 해도 좋다. 이 경우, 상기 고주파 안테나의 높이 조정 기구는 각 안테나 소자를 일체로 구동시켜 상기 판형상 유전체와의 거리를 조정하는 기구로 구성해도 좋고, 또 상기 내측 안테나 소자를 구동시켜 상기 판형상 유전체와의 거리를 조정하는 기구와, 상기 외측 안테나 소자를 구동시켜 상기 판형상 유전체와의 거리를 조정하는 기구로 구성하도록 해도 좋다.
이것에 의하면, 각 안테나 소자와 이들에 의해서 생성되는 각 플라즈마간의 거리를 바꿀 수 있으므로, 각 안테나 소자와 각 플라즈마 사이의 용량 결합도를 변화시키는 것이 가능하게 되고, 플라즈마 전위를 조정할 수 있다. 또한, 안테나 높이 조정 기구에 의해서 각 안테나 소자의 높이를 조정한다고 하는 간단한 조작으로 플라즈마 전위를 조정할 수 있다.
또, 상기 각 고주파 전원을 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는 상기 각 고주파 전원으로부터 다른 주파수의 고주파를 상기 각 안테나 소자에 인가하도록 제어해도 좋다. 이것에 의하면, 상기 각 안테나 소자에 의해서 생성되는 플라즈마에 의한 처리 가스의 해리도를 바꿀 수 있으므로, 피처리 기판상의 중앙부와 둘레가장자리부에서 다른 밀도나 조성의 플라즈마를 생성할 수 있다.
또, 상기 제어부는 상기 각 고주파 전원으로부터의 고주파를 펄스 변조 방식에 의해서 일정한 주기로 상기 각 안테나 소자에 교대로 인가하도록 제어해도 좋다. 이것에 의해, 플라즈마를 생성할 때에, 낮은 파워의 고주파에서도 플라즈마를 생성할 수 있다. 또한, 이 경우, 상기 제어부는 상기 각 고주파 전원의 한쪽의 고주파 출력을 오프(off)하기 직전에 다른쪽의 고주파 출력을 온(on)하는 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 한쪽의 플라즈마가 소실되기 전에, 다른쪽의 플라즈마를 생성할 수 있다. 따라서, 플라즈마를 생성하기 쉬워지고, 더욱 낮은 파워의 고주파로 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
또, 상기 각 고주파 전원의 출력측에 각각 고주파 파워 미터를 마련하고, 상기 고주파 파워 미터에 의해서 검출되는 반사파 전력에 따라 상기 높이 조정 기구를 제어해서 상기 각 실드판의 높이를 조정하는 것에 의해, 상기 각 안테나 소자의 공진 주파수가 최적이 되도록 자동적으로 조정되도록 구성해도 좋다. 이것에 의하면, 더욱 간단하게 각 안테나 소자의 공진 주파수를 최적으로 조정할 수 있다.
또, 상기 각 안테나 소자는 나선형 코일 형상인 것이 바람직하다. 평면형상이고 나선형 코일 형상의 안테나 소자의 경우에는 종방향으로 권회된 나선형상 코일의 경우와 달리, 동일 평면상에서 내측 단부에서 외측 단부를 향함에 따라 그 직경이 서서히 커진다. 이 때문에, 안테나 소자의 중점 또는 그 근방을 접지점으로 하면, 내측 단부에서 접지점까지의 선로와 접지점에서 외측 단부까지의 선로에서는 리액턴스가 다르므로, 안테나 소자상의 전압 파형은 안테나 소자의 접지점으로부터 그 내측의 선로와 그 외측의 선로에서는 엄밀하게는 대칭이 되어 있지 않고, 약간이기는 하지만 양자의 파형은 다르다. 이 때문에, 약간이기는 하지만 안테나 소자에는 전압 성분이 남게 된다. 이와 같은 경우에도, 본 발명에 의하면, 예를 들면, 안테나 소자와 플라즈마의 거리가 길어지도록 고주파 안테나의 높이를 조정함으로써, 플라즈마 전위를 작게 할 수 있다. 이것에 의하면, 안테나 소자에 잔류하는 약간의 전압 성분의 영향을 받지 않도록, 플라즈마를 생성할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 관점에 의하면, 감압된 처리실내에 처리 가스의 유도 결합 플라즈마를 생성하는 것에 의해 피처리 기판에 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 처리실내에 마련되고, 상기 피처리 기판을 탑재하는 서셉터와, 상기 서셉터에 고주파 전력을 인가하는 서셉터용 고주파 전원과, 상기 처리실내에 상기 처리 가스를 도입하는 가스 공급부와, 상기 처리실내를 배기해서 감압하는 배기부와, 상기 탑재대에 대향하도록 판형상 유전체를 거쳐서 배치된 평면형상의 고주파 안테나와, 상기 고주파 안테나를 덮도록 마련된 실드 부재를 구비하고, 상기 고주파 안테나는 상기 판형상 유전체상의 중앙부에 배치한 내측 안테나 소자와, 그 외주를 둘러싸도록 배치한 외측 안테나 소자로 이루어지고, 이들 안테나 소자는 각각 양단을 개방하는 동시에 중점 또는 그 근방을 접지하고, 각각 개별의 안테나용 고주파 전원으로부터의 고주파의 1/2파장으로 공진하도록 구성한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 처리실내에 처리 가스를 도입하고, 각 안테나 소자에 소정의 고주파 전력을 인가하는 동시에, 서셉터에 바이어스용의 고주파 전력을 인가할 수 있다. 이 때, 각 안테나 소자는 각각 감기방향으로 길이의 중점을 접지점(그라운드)으로 하고, 1/2파장 모드로 공진하므로, 이들에 의해서 생성하는 플라즈마는 그 전위가 극히 낮다. 이 때문에, 서셉터에 바이어스용의 고주파 전력을 인가해도, 플라즈마에 의한 전압 변동을 거의 발생시키지 않는다. 이것에 의해, 극히 독립성이 높은 서셉터의 바이어스 제어를 실행할 수 있다.
상기 외측 안테나 소자는 상기 내측 안테나 소자의 외주를 둘러싸도록 동심형상으로 배치해도 좋다. 또한, 상기 외측 안테나 소자를 복수 마련하고, 상기 각 외측 안테나 소자는 상기 내측 안테나 소자의 외주를 둘러싸도록 인접 배치해도 좋다. 또한, 상기 내측 안테나 소자와 상기 외측 안테나 소자는 그 양쪽 또는 한쪽을 적어도 2개 이상으로 분할해서 동심형상으로 배치해도 좋다.
본 발명에 따르면, 고주파 안테나를 내측 안테나 소자와 외측 안테나 소자로 구성하고, 각 안테나 소자를, 그 양단을 개방하는 동시에 중점 또는 그 근방을 접지하고 고주파 전원으로부터의 고주파의 1/2파장으로 공진시키도록 구성하는 것에 의해, 플라즈마 전위가 낮고, 안정된 고밀도의 플라즈마를 용이하게 형성할 수 있는 동시에, 피처리 기판에 관한 플라즈마 처리의 균일성을 더욱 간단하고 또한 정확하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 종단면도,
도 2는 도 1에 나타내는 고주파 안테나의 평면도,
도 3은 중점을 접지점으로 한 내측 안테나 소자를 공진시킨 경우에 임의의 순간에 인가되는 전류와 전압을 모식적으로 나타낸 도면,
도 4는 중점을 접지점으로 한 외측 안테나 소자를 공진시킨 경우에 임의의 순간에 인가되는 전류와 전압을 모식적으로 나타낸 도면,
도 5는 내측 안테나 소자 또는 외측 안테나 소자에 실제로 인가되는 전류와 전압을 나타낸 도면,
도 6은 본 실시형태에 관한 각 안테나 소자의 작용을 설명하기 위한 사시도,
도 7은 비교예를 나타내는 도면으로서, 단부를 접지점으로 한 내측 안테나 소자를 공진시킨 경우에 임의의 순간에 인가되는 전류와 전압을 모식적으로 나타낸 도면,
도 8은 실드판과 각 안테나의 높이 조정 기구를 설명하기 위한 부분단면도,
도 9a는 내측 실드판의 높이 조정 기구의 작용 설명도,
도 9b는 내측 실드판의 높이 조정 기구의 작용 설명도,
도 10a는 외측 실드판의 높이 조정 기구의 작용 설명도,
도 10b는 외측 실드판의 높이 조정 기구의 작용 설명도,
도 11a는 고주파 안테나의 높이 조정 기구의 작용 설명도,
도 11b는 고주파 안테나의 높이 조정 기구의 작용 설명도,
도 12는 고주파 안테나의 변형예를 나타내는 부분 단면도,
도 13은 도 12에 나타내는 고주파 안테나의 평면도,
도 14a는 도 12에 나타내는 고주파 안테나의 높이 조정 기구의 작용 설명도,
도 14b는 도 12에 나타내는 고주파 안테나의 높이 조정 기구의 작용 설명도,
도 15는 27㎒와 60㎒의 고주파를 인가한 경우의 처리 가스의 해리도를 나타내는 도면으로서, 소정의 래디컬의 래디컬 밀도비의 그래프를 나타내는 도면,
도 16은 27㎒와 60㎒의 고주파를 인가한 경우의 처리 가스의 해리도를 나타내는 도면으로서, 소정의 래디컬의 발광 강도비의 압력 의존을 나타내는 그래프,
도 17은 27㎒와 60㎒의 고주파를 인가한 경우의 처리 가스의 해리도를 나타내는 도면으로서, 소정의 래디컬의 발광 강도비의 고주파 전력 의존을 나타내는 그래프,
도 18은 40㎒와 60㎒의 고주파를 펄스 변조 방식에 의해서 인가한 경우의 펄스 파형과 합성 파형을 나타내는 도면,
도 19는 본 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치의 변형예를 나타내는 단면도,
도 20은 플라즈마와 셀프 바이어스 전압의 관계를 그래프로 나타내는 도면이다.
이하에, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 또, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 붙이는 것에 의해 중복 설명을 생략한다.
(플라즈마 처리 장치의 구성예)
우선, 본 발명의 일실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(100)의 구성예에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 여기서는 평면형상의 고주파 안테나에 고주파 전력을 인가해서 처리실내에 여기한 처리 가스의 플라즈마에 의해서, 피처리 기판, 예를 들면, 반도체 웨이퍼(이하, 단지「웨이퍼」라고도 함) Ｗ에 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 유도 결합형의 플라즈마 처리 장치를 예로 든다.
도 1은 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(100)의 개략 구성을 나타내는 단면도이며, 도 2는 도 1에 나타내는 고주파 안테나(140)를 위쪽에서 본 평면도이다. 플라즈마 처리 장치(100)는 금속제(예를 들면, 알루미늄제)의 통형상(예를 들면, 원통형상)으로 형성된 처리실(챔버)(102)을 구비한다. 또, 처리실(102)의 형상은 원통형상에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 각통형상(예를 들면, 상자형상)이어도 좋다.
처리실(102)의 바닥부에는 웨이퍼 W를 탑재하기 위한 탑재대(110)가 마련되어 있다. 탑재대(110)는 알루미늄 등으로 대략 기둥형상(예를 들면, 원기둥형상)으로 성형되어 있다. 또, 탑재대(110)의 형상에 대해서도 원기둥형상에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 각기둥형상(예를 들면, 다각기둥형상)이어도 좋다. 또, 도시되지는 않았지만, 탑재대(110)에는 웨이퍼 W를 쿨롱력에 의해 흡착 유지하는 정전 척, 히터나 냉매유로 등의 온도 조정 기구 등, 필요에 따라 각종 기능부가 마련될 수 있다. 이와 같은 탑재대(110)의 변형예에 대한 상세한 것은 후술한다.
처리실(102)의 천장부에는, 예를 들면, 석영 유리나 세라믹 등으로 구성된 판형상 유전체(104)가 탑재대(110)에 대향하도록 마련되어 있다. 구체적으로는 판형상 유전체(104)는, 예를 들면, 원판형상으로 형성되고, 처리실(102)의 천장부에 형성된 개구를 막도록 기밀하게 부착되어 있다.
처리실(102)에는 웨이퍼 W를 처리하기 위한 처리 가스 등을 공급하는 가스 공급부(120)가 마련되어 있다. 가스 공급부(120)는, 예를 들면, 도 1에 나타내는 바와 같이 구성된다. 즉, 처리실(102)의 측벽부에는 가스 도입구(121)가 형성되어 있고, 가스 도입구(121)에는 가스 공급 배관(123)을 거쳐서 가스 공급원(122)이 접속되어 있다. 가스 공급 배관(123)의 도중에는 처리 가스의 유량을 제어하는 유량 제어기, 예를 들면, 매스플로 컨트롤러(124), 개폐 밸브(126)가 개재되어 있다. 이와 같은 가스 공급부(120)에 의하면, 가스 공급원(122)으로부터의 처리 가스는 매스플로 컨트롤러(MFC)(124)에 의해 소정의 유량으로 제어되어, 가스 도입구(121)로부터 처리실(102)내에 공급된다.
도 1에서는 설명을 간단하게 하기 위해, 가스 공급부(120)를 1계통의 가스 라인으로 표현하고 있지만, 가스 공급부(120)는 단일의 가스종의 처리 가스를 공급하는 경우에 한정되는 것은 아니고, 복수의 가스종을 처리 가스로서 공급하는 것이어도 좋다. 이 경우에는 복수의 가스 공급원을 마련해서 복수 계통의 가스 라인으로 구성하고, 각 가스 라인에 매스플로 컨트롤러를 마련해도 좋다. 또한, 도 1에서는 가스 공급부(120)를 처리실(102)의 측벽부로부터 가스를 공급하도록 구성한 경우를 예로 들고 있지만, 반드시 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 처리실(102)의 천장부로부터 가스를 공급하도록 구성해도 좋다. 이 경우에는, 예를 들면, 판형상 유전체(104)의 중앙부에 가스 도입구를 형성하고, 그곳으로부터 가스를 공급하도록 해도 좋다.
이와 같은 가스 공급부(120)에 의해 처리실(102)내에 공급하는 처리 가스로서는, 예를 들면, 산화막을 에칭하는 경우, Cl 등을 포함하는 할로겐계 가스가 이용된다. 구체적으로는 SiO2막 등의 실리콘 산화막을 에칭하는 경우에는 CHF3 가스 등이 처리 가스로서 이용된다. 또한, HfO2, HfSiO2, ZrO2, ZrSiO4 등의 고유전체 박막을 에칭하는 경우에는 BCl3 가스를 처리 가스로 하거나, BCl3 가스와 O2 가스의 혼합 가스가 처리 가스로서 이용된다. 또한, 폴리 실리콘막을 에칭하는 경우에는 HBr 가스와 O2 가스의 혼합 가스 등이 처리 가스로서 이용된다.
처리실(102)의 바닥부에는 처리실(102) 내의 분위기를 배출하는 배기부(130)가 배기관(132)을 거쳐서 접속되어 있다. 배기부(130)는, 예를 들면, 진공 펌프에 의해 구성되어, 처리실(102)내를 소정의 압력까지 감압할 수 있도록 되어 있다. 처리실(102)의 측벽부에는 웨이퍼 반출입구(134)가 형성되고, 웨이퍼 반출입구(134)에는 게이트밸브(136)가 마련되어 있다. 예를 들면, 웨이퍼 W의 반입시에는 게이트밸브(136)를 열어 도시하지 않은 반송 아암 등의 반송 기구에 의해서 웨이퍼 W를 처리실(102)내의 탑재대(110)상에 탑재하고, 게이트밸브(136)를 닫아 웨이퍼 W의 처리를 실행한다.
처리실(102)의 천장부에는 판형상 유전체(104)의 상측면(외측면)에 평면형상의 고주파 안테나(140)와, 고주파 안테나(140)를 덮는 실드 부재(160)가 배치되어 있다. 본 실시형태에 있어서의 고주파 안테나(140)는 크게 나누면 판형상 유전체(104)의 중앙부에 배치된 내측 안테나 소자(142A)와, 그 외주를 둘러싸도록 배치된 외측 안테나 소자(142B)로 구성된다. 각 안테나 소자(142A, 142B)는 각각, 예를 들면, 동, 알루미늄, 스테인리스 강(Stainless Steel)등의 도체로 구성된 나선형 코일 형상으로 형성된다.
각 안테나 소자(142A, 142B)는 모두, 복수의 협지체(挾持體)(144)로 협지되어 일체로 되어 있다. 각 협지체(144)는 예를 들면, 도 2에 나타내는 바와 같이 봉형상으로 형성하고, 이들 협지체(144)를 내측 안테나 소자(142A)의 중앙 부근으로부터 외측 안테나 소자(142B)의 외측으로 돌출 되도록 방사형상으로 배치한다. 도 2는 각 안테나 소자(142A, 142B)를 3개의 협지체(144)로 협지한 경우의 구체적인 예이다.
본 실시형태에 있어서의 실드 부재(160)는 내측 안테나 소자(142A)를 둘러싸도록 각 안테나 소자(142A, 142B)의 사이에 마련된 통형상의 내측 실드벽(162A)과, 외측 안테나 소자(142B)를 둘러싸도록 마련된 통형상의 외측 실드벽(162B)을 구비한다. 이것에 의해, 판형상 유전체(104)의 상측면은 내측 실드벽(162A)의 내측의 중앙부(중앙 존)와, 각 실드벽(162A, 162B)간의 둘레가장자리부(둘레가장자리 존)로 나누어진다.
내측 안테나 소자(142A)상에는 내측 실드벽(162A)의 개구를 막도록 원판형상의 내측 실드판(164A)이 마련되어 있다. 외측 안테나 소자(142B)상에는 각 실드벽(162A, 162B)간의 개구를 막도록 도넛 판형상의 외측 실드판(164B)이 마련되어 있다.
또, 실드 부재(160)의 형상은 원통형상에 한정되는 것은 아니다. 실드 부재(160)의 형상을, 예를 들면, 각통형상 등 다른 형상으로 해도 좋지만, 처리실(102)의 형상에 맞추는 것이 바람직하다. 여기서는, 예를 들면, 처리실(102)을 대략 원통형상으로 하고 있으므로, 그것에 맞추어 실드 부재(160)도 대략 원통형상으로 형성하고 있다. 또한, 처리실(102)이 대략 각통형상이면, 실드 부재(160)도 대략 각통형상으로 하는 것이 바람직하다.
각 안테나 소자(142A, 142B)에는 각각, 고주파 전원(150A, 150B)이 개별적으로 접속되어 있다. 이것에 의해, 각 안테나 소자(142A, 142B)에는 동일 주파수 또는 다른 주파수의 고주파를 인가할 수 있다. 예를 들면, 내측 안테나 소자(142A)에 고주파 전원(150A)으로부터 소정의 주파수(예를 들면, 40㎒)의 고주파를 소정의 파워로 공급하면, 처리실(102)내에 형성된 유도 자계에 의해서, 처리실(102)내에 도입된 처리 가스가 여기되고, 웨이퍼 Ｗ상의 중앙부에 도넛형의 플라즈마가 생성된다.
또, 외측 안테나 소자(142B)에 고주파 전원(150B)으로부터 소정의 주파수(예를 들면, 60㎒)의 고주파를 소정의 파워로 공급하면, 처리실(102)내에 형성된 유도 자계에 의해서, 처리실(102)내에 도입된 처리 가스가 여기되어, 웨이퍼 Ｗ상의 둘레가장자리부에 별도의 도넛형의 플라즈마가 생성된다.
이들 플라즈마에 의해서, 애싱 처리, 에칭 처리, 성막 처리 등 웨이퍼에 대한 소정의 플라즈마 처리가 실행된다. 각 고주파 전원(150A, 150B)으로부터 출력되는 고주파는 상술한 주파수에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 13.56㎒, 27㎒, 40㎒, 60㎒ 등 각종 주파수의 고주파를 공급할 수 있다. 단, 고주파 전원(150A, 150B)으로부터 출력되는 고주파에 따라 각 안테나 소자(142A, 142B)의 전기적 길이를 조정할 필요가 있다.
또, 각 안테나 소자(142A, 142B)의 구체적인 구성에 대한 자세한 것은 후술한다. 또한, 내측 실드판(164A), 외측 실드판(164B)은 각각, 액추에이터(168A, 168B)에 의해 개별적으로 높이를 조정할 수 있도록 되어 있다. 이들의 상세에 대해서도 후술한다.
플라즈마 처리 장치(100)에는 제어부(전체 제어 장치)(200)가 접속되어 있고, 이 제어부(200)에 의해서 플라즈마 처리 장치(100)의 각 부가 제어되도록 되어 있다. 또한, 제어부(200)에는 오퍼레이터가 플라즈마 처리 장치(100)를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작 등을 실행하는 키보드나, 플라즈마 처리 장치(100)의 가동 상황을 가시화해서 표시하는 디스플레이 등으로 이루어지는 조작부(210)가 접속되어 있다.
또한, 제어부(200)에는 플라즈마 처리 장치(100)에서 실행되는 각종 처리를 제어부(200)의 제어로 실현하기 위한 프로그램이나 프로그램을 실행하기 위해 필요한 레시피 데이터 등이 기억된 기억부(220)가 접속되어 있다.
기억부(220)에는, 예를 들면, 웨이퍼 W의 프로세스 처리를 실행시키기 위한 복수의 프로세스 처리 레시피 이외에, 처리실(102)내의 클리닝 처리 등 필요한 처리를 실행하기 위한 레시피 등이 기억되어 있다. 이들 레시피는 플라즈마 처리 장치(100)의 각 부를 제어하는 제어 파라미터, 설정 파라미터 등의 복수의 파라미터값을 정리한 것이다. 예를 들면, 프로세스 처리 레시피는, 예를 들면, 처리 가스의 유량비, 처리실(102)내의 압력, 각 안테나 소자(142A, 142B)에 인가하는 고주파의 주파수나 파워 등의 파라미터값을 포함한다.
또, 이들 레시피는 하드 디스크나 반도체 메모리에 기억되어 있어도 좋고, 또, CD-ROM, DVD 등의 휴대가능성의 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기억 매체에 수용된 상태에서 기억부(220)의 소정 위치에 세트하도록 되어 있어도 좋다.
제어부(200)는 조작부(210)로부터의 지시 등에 따라 원하는 프로세스 처리 레시피를 기억부(220)로부터 읽어내어 각 부를 제어함으로써, 플라즈마 처리 장치(100)에서의 원하는 처리를 실행한다. 또한, 조작부(210)로부터의 조작에 의해 레시피를 편집할 수 있도록 되어 있다.
(고주파 안테나의 구성예)
여기서, 본 실시형태에 따른 고주파 안테나(140)의 구체적 구성예에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 고주파 안테나(140)는, 예를 들면, 도 2에 나타내는 바와 같이 각 안테나 소자(142A, 142B)에 대해, 양단을 자유단(a, b)으로 하는 (즉, 양단(a, b)이 접지(접지 전위)되지 않게 하는) 동시에 감기방향의 길이의 중점 또는 그 근방(이하, 단지「중점」이라 함)을 접지점(그라운드, 즉 접지 전위)으로 하는 1/2파장의 정재파를 형성할 수 있도록 구성되어 있다.
즉, 내측 안테나 소자(142A)는 고주파 전원(150A)으로부터 공급되는 소정의 주파수(예를 들면, 40㎒)를 기준으로 해서, 그 기준 주파수의 1/2파장에서 공진(반파장 모드로 공진)하도록, 길이, 감는 직경, 권회 피치, 감기 수가 설정된다. 예를 들면, 내측 안테나 소자(142A)의 전기적 길이는 기준 주파수의 파장의 1/2배에 의해서 공진하는 길이, 즉, 기준 주파수의 1파장의 1/2배의 길이이다.
또, 외측 안테나 소자(142B)는 고주파 전원(150B)으로부터 공급되는 소정의 주파수(예를 들면, 60㎒)를 기준으로 해서, 그 기준 주파수의 1/2파장에서 공진(반파장 모드로 공진)하도록, 길이, 감는 직경, 권회 피치, 감기 수가 설정된다. 예를 들면, 외측 안테나 소자(142B)의 전기적 길이는 기준 주파수의 파장의 1/2배에 의해서 공진하는 길이, 즉, 기준 주파수에 있어서의 1파장의 1/2배의 길이이다.
또, 각 안테나 소자(142A, 142B)는 각각, 파이프형상, 선형상, 판형상 등 어느 형상으로 구성해도 좋다. 각 안테나 소자(142A, 142B)는 각각, 권회 피치(pitch)가 동일한 경우에는 도체간 거리가 큰 쪽이 내전압을 크게 취할 수 있는 점에서 유리하다. 따라서, 각 안테나 소자(142A, 142B)의 형상은 내전압의 관점으로부터는 두께가 큰 파이프 형상으로 하는 것보다도, 두께가 작은 판형상으로 한 쪽이 도체간 거리를 크게 확보할 수 있는 점에서 유리하다. 각 안테나 소자(142A, 142B)의 권회 피치를 더욱 좁게 하고자 하는 경우에도 내전압의 관점으로부터는 판형상으로 한 쪽이 유리하다.
이 경우, 각 고주파 전원(150A, 150B)으로부터의 고주파를 공급하는 급전 포인트는 접지점보다도 내측이어도 외측이어도 좋고, 임피던스가 50Ω으로 되는 점인 것이 바람직하다. 급전 포인트는 가변으로 해도 좋다. 이 경우, 모터 등에 의해 급전 포인트를 자동으로 변경할 수 있도록 해도 좋다.
이와 같은 본 실시형태의 고주파 안테나(140)에 의한 작용을 이하에 설명한다. 각 안테나 소자(142A, 142B)에 고주파 전원(150A, 150B)으로부터 각각의 기준 주파수의 고주파를 인가해서 반파장 모드로 공진시킨다. 그러면, 도 3, 도 4에 나타내는 바와 같이 임의의 순간에서는 각 안테나 소자(142A, 142B)에 인가되는 전압 V는 각각, 중점(접지점)이 제로이고, 한쪽의 단부가 정의 피크로 되고, 다른쪽의 단부가 부의 피크로 되는 바와 같은 파형이 된다. 이에 대해, 각 안테나 소자(142A, 142B)에 인가되는 전류 I는 각각, 전압 파형과 90도 위상이 어긋나기 때문에, 중점(접지점)이 최대이고, 양단부(a, b)가 제로로 되는 바와 같은 파형이 된다.
이 때, 고주파의 정부의 사이클마다 서로 순간 용량이 역방향으로 증감하므로, 각 안테나 소자(142A, 142B)에 인가되는 전압 V와 전류 I의 파형은, 예를 들면, 도 5에 나타내게 된다. 즉, 전압 V에 대해서는 각 안테나 소자(142A, 142B)상에 발생하는 정부의 전압 성분에 의해서 상쇄되어 평균 전압이 매우 작아지는 반파장 모드의 정재파가 형성된다. 이에 대해, 전류 I에 대해서는 각 안테나 소자(142A, 142B)상에서 중점(접지점)이 가장 강하고, 정일 때에만, 또는, 부일 때에만의 전류 성분에 의한 정재파가 형성된다.
이와 같은 정재파에 의해서, 도 6에 나타내는 바와 같이, 각 안테나 소자(142A, 142B)를 구성하는 나선형 코일의 대략 중앙에 각각의 최대강도를 갖는 수직 자장 HA, HB이 발생하므로, 처리실(102)내에는 그 수직 자장 HA, HB를 중심으로 하는 원형 전장(電場) EA, EB가 대략 동일한 평면내에 여기된다. 이것에 의해, 각 안테나 소자(142A, 142B)의 각각의 접지점의 아래쪽 부근에 각각 도넛형의 플라즈마 PA, PB가 생성된다. 또한, 각 안테나 소자(142A, 142B)에 인가되는 평균 전압은 매우 작아서, 용량 결합도가 극히 약하기 때문에, 각각 전위가 낮은 플라즈마를 생성할 수 있다.
다음으로, 내측 안테나 소자(142A)만을 고려하여, 그 접지점을 바꾼 비교예에 대해 본 실시형태의 경우와 비교하면서 설명한다. 도 7은 내측 안테나 소자(142A)의 내측 단부 a와 외측 단부 b의 양쪽을 접지한 경우의 비교예이다. 이것을 내측 안테나 소자(142A)의 중앙을 접지한 경우(도 3)와 비교한다.
만약, 도 7에 나타내는 바와 같이, 내측 안테나 소자(142A)의 내측 단부 a와 외측 단부 b의 양쪽을 접지하고, 내측 단부 a 와 외측 단부 b 이외의 어느 한 부분에 고주파 전원(150A)을 접속한 경우에는 도 3에 나타내는 전압 V와 전류 I의 파형이 반대가 된다. 즉, 고주파 전원(150A)으로부터 기준 주파수의 고주파를 내측 안테나 소자(142A)에 인가해서 반파장 모드로 공진시키면, 임의의 순간에서는 도 7에 나타내는 바와 같이, 내측 안테나 소자(142A)에 인가되는 전압 V는 중점이 최대이고, 양단부(a, b)가 제로로 되는 파형이 된다. 이에 대해, 내측 안테나 소자(142A)에 인가되는 전류 I는 전압 파형과 90도 위상이 어긋나기 때문에, 중점이 제로이고, 한쪽의 단부가 정의 피크로 되고, 다른쪽의 단부가 부의 피크로 되는 파형이 된다.
이와 같이, 내측 안테나 소자(142A)의 양단(a, b)을 접지(도 7)한 상태에서, 안테나 소자(142A)의 중점을 접지한 경우(도 3)와 동일한 반파장 모드로 공진시키면, 내측 안테나 소자(142A)의 감기방향의 길이의 중점을 경계로 해서 내측부와 외측부에서는 항상 상반된 방향의 자장이 형성된다(도 7에 나타내는 전류 I의 파형을 참조). 즉, 내측 안테나 소자(142A)에 의해서 처리실(102)내에 여기되는 원형 전장은 2개이다. 또한, 이들 2개의 원형 전장은 각각, 내측 안테나 소자(142A)에 인가되는 고주파의 반주기에서 우회전, 좌회전으로 교대로 전환되지만, 이들 회전방향은 항상 상반된다. 이 때문에, 이들 2개의 원형 전장은 서로 간섭하며, 생성된 플라즈마가 불안정하게 될 우려가 있다.
이에 대해, 내측 안테나 소자(142A)의 중점을 접지점으로 하는 경우(도 3)에는 이 내측 안테나 소자(142A)에 의해서 처리실(102)내에 여기되는 원형 전장은 1개이다. 이 때문에, 내측 안테나 소자(142A)의 중점을 접지점으로 하는 경우에는 양단부(a, b)를 접지점으로 하는 경우보다도 안정된 플라즈마를 형성할 수 있다.
또, 내측 안테나 소자(142A)의 양단(a, b)를 접지한 경우(도 7)에는 공진 상태에서의 내측 안테나 소자(142A)상에 전압 성분이 남으므로, 플라즈마 중에 용량 결합 성분이 많이 발생한다. 이 점에서, 내측 안테나 소자(142A)의 중점을 접지점으로 하는 도 3의 경우에는 상술한 바와 같이 공진 상태에서의 내측 안테나 소자(142A)상의 전압 성분이 매우 작으므로, 플라즈마 중에 용량 결합 성분이 발생하기 어렵다. 따라서, 손상이 적은 플라즈마 처리를 실행하기 위해서는 내측 안테나 소자(142A)의 중점을 접지점으로 하는 경우(도 3)쪽이 유리하다.
이와 같은 플라즈마 중의 용량 결합 성분을 저감하기 위해서는 내측 안테나 소자(142A)에 잔존하는 전압 성분을 적게 하면 좋다. 이를 위해, 내측 안테나 소자(142A)의 양단(a, b)를 접지한 경우(도 7)에는 안테나 소자 자체를 저인덕턴스로 함으로써, 플라즈마 중의 용량 결합 성분을 저감하는 것도 가능하다. 그런데, 저인덕턴스로 하면, 여기되는 자장이 약해지고, 결과적으로 강한 유도 결합 플라즈마가 발생하기 어려워진다.
이에 반해, 내측 안테나 소자(142A)의 중점을 접지점으로 하는 경우(도 3)에는 플라즈마 중의 용량 결합 성분을 저감하는 것을 고려할 필요가 없기 때문에, 안테나 소자 자체를 고인덕턴스로 하는 것도 가능하다. 고인덕턴스로 할수록, 고자장을 형성할 수 있으므로, 더욱 강한 유도 결합 플라즈마를 형성할 수 있다. 따라서, 더욱 고밀도의 플라즈마를 형성하기 위해서는 내측 안테나 소자(142A)의 중점을 접지점으로 하는 경우(도 3) 쪽이 유리하다.
이상, 내측 안테나 소자(142A)에 대해 설명했지만, 도 4에 나타내는 외측 안테나 소자(142B)도 그 중점을 접지점으로 하고 있는 점에서, 내측 안테나 소자(142A)의 경우와 마찬가지이다. 즉, 외측 안테나 소자(142B)에 의해서 처리실(102)내에 여기되는 원형 전장도 1개이다. 이 때문에, 외측 안테나 소자(142B)의 중점을 접지점으로 하는 경우에는 양단부를 접지점으로 하는 경우보다도 안정된 플라즈마를 형성할 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태에 따른 고주파 안테나(140)에서는 각 안테나 소자(142A, 142B)의 양단(a, b)을 자유단으로 하는 동시에, 감기방향의 길이의 중점을 접지점(그라운드)으로 해서, 1/2파장 모드로 공진시킨다고 하는 극히 간단한 구성으로, 플라즈마 전위가 낮고, 더욱 안정된 고밀도의 플라즈마를 용이하게 형성할 수 있다.
그런데, 본 실시형태에 있어서 각 안테나 소자(142A, 142B)를 1/2파장 모드로 공진시키기 위해서는 상술한 바와 같이 각 안테나 소자(142A, 142B)의 전기적 길이를 정확하게 각각의 기준 주파수의 1/2배의 길이에 맞출 필요가 있다. 즉, 각 안테나 소자(142A, 142B)의 각각의 공진 주파수를 정확하게 맞출 필요가 있다.
그러나, 각 안테나 소자(142A, 142B)의 물리적 길이를 정확하게 제작하는 것은 용이하지는 않다. 또한, 각 안테나 소자(142A, 142B)의 공진 주파수는 이들이 갖는 고유의 리액턴스 뿐만 아니라, 예를 들면, 도 8에 나타내는 바와 같은 각 안테나 소자(142A, 142B)와 각 실드판(164A, 164B) 사이의 부유 용량(stray capacitance) CA, CB으로부터 영향을 받는다. 이 때문에, 가령 각 안테나 소자(142A, 142B)의 물리적 길이를 정확하게 제작할 수 있었다고 해도, 부착 오차 등에 의해 각 안테나 소자(142A, 142B)와 각 실드판(164A, 164B)의 거리에 오차가 생겨 설계대로의 공진 주파수가 얻어지는 않는 경우도 있다.
이러한 점에서, 상술한 바와 같이, 예를 들면, 내측 안테나 소자(142A)의 단부를 접지점으로 하는 경우(도 7), 그 접지점에 가변 콘덴서를 부착하고, 이것에 의해서 내측 안테나 소자(142A)의 전기적 길이를 조정하는 것도 가능하다. 그런데, 내측 안테나 소자(142A)의 중점을 접지점으로 하는 경우(도 3)에는 내측 안테나 소자(142A)의 중점과 접지간에 가변 콘덴서를 접속해도 콘덴서에 의한 손실이 커져 이점이 없을 뿐만 아니라, 만약 가변 콘덴서를 삽입하는 경우, 그 정전 용량(C값)을 작게 하면 고주파 전원(150A)과의 정합 조건을 만족시키지 않게 될 가능성이 높아지고, 반대로 정전 용량(C값)을 크게 하면 가변 콘덴서에 큰 전류가 흐르고 그 자체가 내력 부족으로 파손될 가능성이 높아진다.
그래서, 본 실시형태에서는 각 실드판(164A, 164B)의 높이를 조정 가능하게 하고, 이것에 의해서 각 안테나 소자(142A, 142B)와 각 실드판 부재(164A, 164B) 사이의 거리를 조정해서 각각의 부유 용량 CA, CB를 변화시킴으로써, 각 안테나 소자(142A, 142B)의 공진 주파수를 독립적으로 조정할 수 있도록 하고 있다. 또한 본 실시형태에서는 고주파 안테나(140)의 높이도 조정 가능하게 하고, 이것에 의해서 플라즈마와 각 안테나 소자(142A, 142B)간의 거리를 조정함으로써 플라즈마 전위(potential)를 조정할 수 있도록 하고 있다.
이하, 이와 같은 각 실드판(164A, 164B)과 고주파 안테나(140)의 높이 조정 기구에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 8은 도 1에 나타내는 고주파 안테나(140)의 근방의 구성을 확대한 도면이다. 도 9a, 도 9b는 내측 실드판(164A)의 높이를 조정할 때의 작용을 설명하는 도면이다. 도 9a는 내측 실드판(164A)의 높이를 낮게 한 경우이며, 도 9b는 내측 실드판(164A)의 높이를 높게 한 경우이다.
도 10a, 도 10b는 외측 실드판(164B)의 높이를 조정할 때의 작용을 설명하기 위한 도면이다. 도 10a는 외측 실드판(164B)의 높이를 낮게 한 경우이며, 도 10b는 외측 실드판(164B)의 높이를 높게 한 경우이다. 도 11a, 도 11b는 고주파 안테나(140)의 높이를 조정할 때의 작용을 설명하기 위한 도면이다. 도 11a는 고주파 안테나(140)의 높이를 낮게 한 경우이며, 도 11b는 고주파 안테나(140)의 높이를 높게 한 경우이다.
우선, 실드 높이 조정 기구의 구체적인 구성예에 대해 설명한다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 내측 실드판(164A)은 처리실(102)에 마련된 액추에이터(168A)에 의해서 내측 실드벽(162A)을 따라 상하로 슬라이드 구동하도록 되어 있다. 예를 들면, 내측 실드판(164A)을 상하방향으로 슬라이드 자유롭게 마련된 지지체(166A)에 매달아 지지한다. 그리고, 예를 들면, 액추에이터(168A)를 구동봉(169A)을 상하로 구동 가능한 모터로 구성하고, 구동봉(169A)으로 지지체(166A)마다 내측 실드판(164A)을 상하로 구동시키도록 한다. 이 경우, 내측 실드판(164A)은 내측 실드벽(162A)의 내주에 항상 접촉하면서 슬라이드하도록 구성하는 것이 바람직하다.
또, 외측 실드판(164B)은 처리실(102)에 마련된 액추에이터(168B)에 의해서 내측 실드벽(162A)과 외측 실드벽(162B)의 사이를 따라 상하로 슬라이드 구동하도록 되어 있다. 예를 들면, 외측 실드판(164B)을 상하방향으로 슬라이드 자유롭게 마련된 지지체(166B)에 매달아 지지한다. 그리고, 예를 들면, 액추에이터(168B)를 구동봉(169B)을 상하로 구동 가능한 모터로 구성하고, 구동봉(169B)으로 지지체(166B)마다 외측 실드판(164B)을 상하로 구동시키도록 한다. 이 경우, 외측 실드판(164B)은 내측 실드벽(162A)의 외주와 외측 실드벽(162B)의 내주에 항상 접촉하면서 슬라이드하도록 구성하는 것이 바람직하다.
또, 각 지지체(166A, 166B)는, 예를 들면, 수평의 지지판과 이 지지판의 하측에 돌출해서 마련한 서스펜션 부재(suspension member)로 구성하고, 서스펜션 부재의 하단에 각 실드판(164A, 164B)의 상면을 고정시킨다.
이것에 의하면, 각 액추에이터(168A, 168B)에 의해서 각 실드판(164A, 164B)을 상하로 구동시킴으로써, 각 실드판(164A, 164B)과 각 안테나 소자(142A, 142B)의 거리 DA, DB를 개별적으로 조정할 수 있다.
구체적으로는, 내측 실드판(164A)의 높이를 조정하는 경우에는, 예를 들면, 액추에이터(168A)를 구동시켜 내측 실드판(164A)을 도 9a에 나타내는 위치에서 도 9b에 나타내는 위치까지 높게 함으로써, 내측 실드판(164A)과 내측 안테나 소자(142A)의 거리 DA가 길어진다. 이것에 의해, 부유 용량CA가 작아지므로, 내측 안테나 소자(142A)의 전기적 길이가 길어져서, 공진 주파수와 일치하도록 조정할 수 있다.
반대로, 내측 실드판(164A)을 낮게 하면, 내측 실드판(164A)과 내측 안테나 소자(142A)의 거리 DA를 짧게 할 수 있다. 이것에 의해, 부유 용량 CA가 커지므로, 내측 안테나 소자(142A)의 전기적 길이가 짧아져서, 공진 주파수와 일치하도록 조정할 수 있다.
또, 외측 실드판(164B)의 높이를 조정하는 경우에는 액추에이터(168B)를 구동시켜 외측 실드판(164B)을 도 10A에 나타내는 위치에서 도 10B에 나타내는 위치까지 높게 함으로써, 외측 실드판(164B)과 외측 안테나 소자(142B)의 거리 DB가 길어진다. 이것에 의해, 부유 용량 CB가 작아지므로, 외측 안테나 소자(142B)의 전기적 길이가 길어져서, 공진 주파수와 일치하도록 조정할 수 있다.
반대로, 외측 실드판(164B)을 낮게 하면, 외측 실드판(164B)과 외측 안테나 소자(142B)의 거리 DB를 짧게 할 수 있다. 이것에 의해, 부유 용량 CB가 커지므로, 외측 안테나 소자(142B)의 전기적 길이가 짧아져서, 공진 주파수와 일치하도록 조정할 수 있다.
또, 각 실드판(164A, 164B)의 높이 조정 기구로서는 상기의 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 액추에이터(168A, 168B)는 각각 복수라도 좋다. 또한, 액추에이터(168A, 168B)를 반드시 마련할 필요는 없으며, 각 실드판(164A, 164B)을 수동으로 상하 구동할 수 있도록 해도 좋다.
이와 같이, 본 실시형태에 의하면 각 실드판(164A, 164B)의 높이를 조정하는 것에 의해, 각 안테나 소자(142A, 142B)와 각 실드판(164A, 164B)의 사이의 부유 용량 CA, CB를 바꿀 수 있으므로, 각 안테나 소자(142A, 142B)의 물리적 길이를 바꾸는 일 없이, 각 안테나 소자(142A, 142B)의 공진 주파수를 조정할 수 있다.
또한, 각 실드판(164A, 164B)의 높이를 조정하는 것만이라는 간단한 조작으로, 각각의 공진 주파수를 용이하게 조정할 수 있고, 원하는 주파수로 공진시킬 수 있다. 예를 들면, 최대외경 320㎜, 권회 피치를 20㎜의 나선형 코일 형상의 동 파이프로 구성한 안테나 소자를 27.12㎒의 1/2파장으로 공진시키는 실험을 실행한 결과, 10㎜∼100㎜정도의 실드 부재(160)의 높이 조정을 실행하는 것만으로, 공진 주파수를 ±5％∼±10%의 범위내에서 조정할 수 있었다.
또, 각 안테나 소자(142A, 142B)와 각 실드판(164A, 164B)의 사이의 부유 용량 CA, CB를 조정함으로써, 각 안테나 소자(142A, 142B)의 전기적 길이를 조정할 수 있으므로, 각 안테나 소자(142A, 142B)의 사이즈, 형상 등의 자유도를 대폭 확대시킬 수 있다. 즉, 본 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치(100)에서는 각종 사이즈·형상의 안테나 소자를 이용할 수 있다. 예를 들면, 각형의 안테나 소자 이외에, 타원, 그 밖의 형상의 안테나 소자를 이용할 수 있다.
또한, 각 안테나 소자(142A, 142B)의 사이즈, 형상 등의 자유도가 확대된 것에 의해, 필요한 플라즈마 규모에 대응한 안테나 소자의 설계가 가능하게 되었다. 예를 들면, 웨이퍼 W의 직경에 따라 자유롭게 각 안테나 소자(142A, 142B)의 사이즈, 형상을 설계할 수 있다. 또한, 감기 피치와 공진 주파수를 최적화함으로써 각각의 플라즈마 사이즈에 대한 자유도를 대폭 증가시킬 수 있다.
또, 각 실드판(164A, 164B)의 높이를 조정할 수 있도록 한 것에 의해, 각 실드판(164A, 164B)의 높이가 너무 낮고, 각 실드판(164A, 164B)과 각 안테나 소자(142A, 142B) 사이의 거리가 너무 가까운 경우에는 각 실드판(164A, 164B)과 각 안테나 소자(142A, 142B) 사이에 유전체를 넣음으로써, 이상 방전을 방지할 수 있다.
또한, 안테나 높이 조정 기구의 구체적인 구성예에 대해 설명한다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 고주파 안테나(140)는 처리실(102)에 마련된 액추에이터(148)에 의해서 각 안테나 소자(142A, 142B)마다 상하로 슬라이드 구동하도록 되어 있다. 예를 들면, 각 협지체(144)에 그 외측으로 돌출되도록 상하방향으로 슬라이드 자유로운 돌출부(146)를 마련한다. 이 경우, 돌출부(146)는 외측 실드벽(162B)에 형성한 상하로 연장하는 슬릿형상의 구멍(163B)으로부터 그 외측으로 돌출하도록 형성한다. 그리고, 예를 들면, 액추에이터(148)를 구동봉(149)을 상하로 구동 가능한 모터로 구성하고, 구동봉(149)으로 돌출부(146)를 상하로 구동시킴으로써, 협지체(144)에 협지되어 있는 각 안테나 소자(142A, 142B)를 상하로 구동시킨다.
또, 고주파 안테나(140)의 높이 조정 기구로서는 상기의 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 액추에이터(148)는 복수라도 좋다. 또한, 액추에이터(148)는 반드시 마련될 필요는 없으며, 고주파 안테나(140)를 수동으로 상하 구동할 수 있도록 해도 좋다.
이와 같은 고주파 안테나(140)의 높이 조정 기구에 의하면, 액추에이터(148)의 구동봉(149)에 의해서 고주파 안테나(140)를 상하로 구동시킴으로써, 고주파 안테나(140)와 판형상 유전체(104)간의 거리 d1, 더 나아가서는 각 안테나 소자(142A, 142B)와 각 플라즈마 PA, PB간의 거리 d2를 조정할 수 있다.
구체적으로는, 액추에이터(148)를 구동시켜 고주파 안테나(140)를 도 11a에 나타내는 위치에서 도 11b에 나타내는 위치까지 높임으로써, 각 안테나 소자(142A, 142B)와 각 플라즈마 PA, PB간의 거리 d2가 길어진다. 이것에 의해, 처리실(102)내에 생성된 각 플라즈마 PA, PB와 각 안테나 소자(142A, 142B)상의 전압 성분과의 사이의 용량 결합도를 약하게 할 수 있으므로, 각 플라즈마 PA, PB의 전위를 감소시킬 수 있다.
반대로, 고주파 안테나(140)를 낮게 하면, 각 안테나 소자(142A, 142B)와 각 플라즈마 PA, PB간의 거리 d2를 짧게 할 수 있다. 이것에 의해, 처리실(102)내에 생성된 각 플라즈마 PA, PB와 각 안테나 소자(142A, 142B)상의 전압 성분 사이의 용량 결합도를 강하게 할 수 있으므로, 각 플라즈마 PA, PB의 전위를 증가시킬 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 고주파 안테나(140)의 높이를 조정하는 것에 의해, 안테나 소자(142A, 142B)와 각 플라즈마 PA, PB의 거리d2를 바꿀 수 있으므로, 플라즈마 전위를 조정할 수 있다. 또한, 고주파 안테나(140)의 높이를 조정하는 것만이라는 간단한 조작으로 플라즈마 전위를 용이하게 조정할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 높은 전위의 플라즈마가 필요한 플라즈마 처리의 경우에는 고주파 안테나(140)의 높이를 낮게 해서, 각 안테나 소자(142A, 142B)와 각 플라즈마 PA, PB간의 거리 d2를 짧게 하도록 하면 좋다.
또, 고주파 안테나(140)와 판형상 유전체(104)간의 거리 d1은 3㎝ 이하는 물론, 예를 들면, 3㎝∼5㎝에서 조정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에 있어서의 고주파 안테나(140)에 의하면, 극히 효율적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있으므로, 고주파 안테나(140)와 판형상 유전체(104)간의 거리 d1을, 예를 들면, 4㎝ 이상으로 크게 이간시켜도 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
그런데, 본 실시형태에 있어서의 각 안테나 소자(142A, 142B)는 평면적인 나선형 코일 형상이므로 동일 평면상에서 내측 단부 a에서 외측 단부 b를 향함에 따라 그 직경이 서서히 커진다. 이 때문에, 각 안테나 소자(142A, 142B)의 중점을 접지점으로 하면, 내측 단부 a에서 접지점까지의 선로와 접지점에서 외측 단부 b까지의 선로에서는 리액턴스가 다르므로, 상술한 도 5(도 3, 도 4)에 나타내는 전압 V의 파형은 각 안테나 소자(142A, 142B)의 중점으로부터 그 내측의 선로와 그 외측의 선로에서는 엄밀하게는 대칭이 되어 있지 않고, 약간이기는 하지만 양자의 파형은 상이하다. 이 때문에, 약간이기는 하지만 각 안테나 소자(142A, 142B)에는 전압 성분이 남게 된다.
이와 같은 경우에도, 본 실시형태에 의하면, 각 안테나 소자(142A, 142B)와 각 플라즈마 PA, PB간의 거리가 길어지도록 고주파 안테나(140)의 높이를 조정함으로써, 플라즈마 전위를 사실상 무시할 수 있을 정도로 작게 할 수 있다. 이 때문에, 각 안테나 소자(142A, 142B)에 잔류하는 약간의 전압 성분의 영향을 받지 않도록, 플라즈마를 생성할 수 있다.
상술한 고주파 안테나(140)와 각 실드판(164A, 164B)의 높이 조정은 각각, 제어부(200)에 의해서 액추에이터(148, 168A, 168B)를 제어하는 것에 의해서 실행된다. 이 경우, 고주파 안테나(140)와 각 실드판(164A, 164B)의 높이 조정은 조작부(210)에 의한 오퍼레이터의 조작에 의해서 실행하도록 해도 좋고, 또 제어부(200)의 자동 제어에 의해서 실행하도록 해도 좋다.
구체적으로는, 각 실드판(164A, 164B)의 높이 조정을 자동적으로 실행하는 경우에는, 예를 들면, 고주파 전원(150A, 150B)의 출력측에 각각 도시하지 않은 고주파 파워 미터(예를 들면, 반사파 파워 미터)를 마련하고, 각 고주파 파워 미터에 의해서 검출되는 고주파 전력에 따라(예를 들면, 반사파 전력이 최소로 되도록), 액추에이터(168A, 168B)를 제어해서 각 실드판(164A, 164B)의 높이를 조정함으로써, 각 안테나 소자(142A, 142B)의 공진 주파수를 자동적으로 조정하도록 해도 좋다. 이것에 의하면, 고주파 전원(150A, 150B)으로부터의 원하는 출력 주파수에 맞추어, 각 안테나 소자(142A, 142B)의 공진 주파수가 최적의 공진 조건이 되도록 자동적으로 조정할 수 있다.
또, 도 8에 나타내는 안테나 높이 조정 기구는 각 안테나 소자(142A, 142B)를 일체로 상하로 구동하도록 구성한 경우를 예로 들었지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 각 안테나 소자(142A, 142B)를 개별적으로 상하로 구동하도록 구성해도 좋다.
(고주파 안테나의 변형예)
여기서, 고주파 안테나(140)의 변형예를 도면을 참조하면서 설명한다. 도 12는 고주파 안테나(140)의 변형예를 나타내는 부분 단면도이고, 도 13은 도 12에 나타내는 고주파 안테나(140)를 위쪽에서 본 평면도이다. 여기서는 각 안테나 소자(142A, 142B)를 개별적으로 지지해서, 개별적으로 상하로 구동하는 안테나 높이 조정 기구를 예로 든다.
도 12, 도 13에 나타내는 바와 같이, 각 안테나 소자(142A, 142B)는 협지체(144A, 144B)에 의해서 개별적으로 지지된다. 또, 협지체(144A, 144B)는 공간 절약화, 장치의 소형화를 도모하기 위해, 도 13에 나타내는 바와 같이 각각 방사선형상으로 어긋나게 해서 배치하는 것이 바람직하다.
각 안테나 소자(142A, 142B)는 각각, 처리실(102)에 마련된 액추에이터(148A, 148B)에 의해서 개별적으로 상하로 슬라이드 구동하도록 되어 있다. 예를 들면, 각 협지체(144A, 144B)에 그 외측으로 돌출되고 상하방향으로 슬라이드 자유로운 돌출부(146A, 146B)를 마련한다. 이 경우, 돌출부(146A)는 각 실드벽(162A, 162B)에 형성한 상하로 연장하는 슬릿형상의 구멍(163A, 163B)으로부터 그 외측으로 돌출하도록 한다. 또한, 돌출부(146B)는 외측 실드벽(162B)의 슬릿형상의 구멍(163B)으로부터 그 외측으로 돌출하도록 형성된다.
그리고, 예를 들면, 액추에이터(148A, 148B)를 구동봉(149A, 149B)을 상하로 구동 가능한 모터로 구성하고, 구동봉(149A, 149B)으로 돌출부(146A, 146B)를 상하로 구동시킴으로써, 각 협지체(144A, 144B)마다 협지되어 있는 각 안테나 소자(142A, 142B)를 개별적으로 상하로 구동시킨다.
또, 액추에이터(148A, 148B)는 각각 복수이어도 좋다. 또한, 액추에이터(148A, 148B)는 반드시 마련할 필요는 없으며, 각 안테나 소자(142A, 142B)를 각각 수동으로 상하 구동할 수 있도록 해도 좋다.
이와 같은 고주파 안테나(140)의 높이 조정 기구에 의하면, 예를 들면, 도 14a, 도 14b에 나타내는 바와 같이, 액추에이터(148A, 148B)의 구동봉(149A, 149B)에 의해서 각 안테나 소자(142A, 142B)를 개별적으로 상하로 구동시킴으로써, 각 안테나 소자(142A, 142B)와 판형상 유전체(104)간의 거리 dA1, dB1, 더 나아가서는 각 안테나 소자(142A, 142B)와 각 플라즈마 PA, PB간의 거리 dA2, dB2를 개별적으로 조정할 수 있다. 이것에 의해, 처리실(102)내에 생성된 각 플라즈마 PA, PB와 각 안테나 소자(142A, 142B)상의 전압 성분의 사이의 용량 결합도를 개별적으로 약하게 하거나, 높게 할 수 있으므로, 각 플라즈마 PA, PB의 전위를 개별적으로 조정할 수 있다.
이와 같은 본 실시형태에 관한 고주파 안테나(140)는 내측 안테나 소자(142A)와 외측 안테나 소자(142B)를 독립적으로 마련함으로써, 웨이퍼 Ｗ상의 중앙부(센터부)에는 내측 안테나 소자(142A)에 의한 플라즈마 PA를 형성하고, 웨이퍼 Ｗ상의 둘레가장자리부(에지부)에는 외측 안테나 소자(142B)에 의한 플라즈마 PB를 형성할 수 있다. 이것에 의해, 웨이퍼 W를 플라즈마 처리할 때의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 각 안테나 소자(142A, 142B)에는 개별의 고주파 전원(150A, 150B)으로부터 고주파를 인가할 수 있다. 이 때문에, 각 고주파의 주파수나 파워를 바꾸는 것에 의해서, 각 플라즈마 PA, PB의 밀도나 조성을 독립적으로 제어할 수 있으므로, 웨이퍼 W를 플라즈마 처리할 때의 면내 균일성을 제어할 수 있다.
또한, 다른 주파수의 고주파를 인가함으로써, 이들에 의해서 생성되는 플라즈마 PA, PB의 상호 간섭을 막을 수 있는 동시에, 처리 가스의 해리도를 바꿀 수 있다. 이 때문에, 각 안테나 소자(142A, 142B)에 인가하는 고주파의 주파수를 바꿈으로써, 중앙부와 둘레가장자리부에 다른 래디컬 조성의 안정된 플라즈마를 생성할 수 있다.
여기서, 처리 가스로서 C4F8 가스와 Ar 가스를 이용해서 고주파 전원(150A, 150B)으로부터 각각 27㎒, 60㎒의 고주파를 인가해서 플라즈마를 생성했을 때의 F*, CF*, CF2 *, CF3 *의 래디컬량을 측정한 실험 결과를 도 15∼도 17에 나타낸다. 도 15는 처리실(102)내의 압력을 바꾸어서 래디컬 밀도를 IRLAS(Infrared Laser Absorption Sepctroscopy)법을 이용해서 측정하고, CF*/CF2 *과 CF3 */CF2 *을 그래프로 한 것이다. 도 16은 처리실(102)내의 압력을 바꾸어서 래디컬의 발광 강도비를 측정하고, CF2 */F2 *을 그래프로 한 것이다. 도 17은 고주파 전원(150A, 150B)의 고주파의 파워를 바꾸어서 래디컬의 발광 강도비를 측정하고, CF2 */F*을 그래프로 한 것이다.
도 15에 의하면, 주파수가 높은 고주파를 인가한 쪽이 CF*/CF2 *은 커지고, CF3 */CF2 *은 작아진다. 또한, 도 16, 도 17에 의하면, 주파수가 달라도 CF2 */F*에 대해 그다지 변하지 않는다. 따라서, 둘레가장자리부에는 CF2 */F*에 대해서는 중앙부와 동일 정도이지만, 중앙부보다도 CF2 *에 대해 CF*이 많고, CF3 *이 적은 플라즈마가 형성된다.
또, 각 고주파 전원(150A, 150B)으로부터의 고주파는 펄스 변조 방식에 의해서 일정한 주기로 각 안테나 소자(142A, 142B)에 교대로 인가시키도록 해도 좋다. 이것에 의해, 낮은 파워로 플라즈마를 생성할 수 있다. 이 경우, 각 고주파 전원(150A, 150B)의 한쪽의 고주파 출력을 오프(off)하기 직전에 다른쪽의 고주파 출력을 온(on)하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 예를 들면, 각 고주파 전원(150A, 150B)으로부터 각각 40㎒, 60㎒의 고주파를 출력하는 경우의 각 고주파의 펄스 파형과 합성 파형은 도 18에 나타내는 바와 같이 된다.
즉, 최초에는 40㎒의 고주파 출력을 온하고, 일정 시간 경과 후에 오프하기 직전에 60㎒의 고주파 출력을 온한다. 이것에 의해, 최초의 플라즈마를 생성할 때에는 40㎒의 고주파에 의해서 중앙부의 플라즈마 PA만이 생성되고, 그 후에 60㎒의 고주파에 의해서 주변 존의 플라즈마 PB가 생성된다. 이 때문에, 양쪽의 플라즈마를 동시에 생성하는 경우에 가해지는 파워보다도 낮은 파워로 플라즈마를 생성할 수 있다.
그 후에는 60㎒의 고주파 출력을 오프하기 직전에 40㎒의 고주파 출력을 온하고, 40㎒의 고주파 출력을 오프하기 직전에 60㎒의 고주파 출력을 온한다. 이와 같은 타이밍에서 온 오프하는 펄스 변조를 계속하는 것에 의해서, 한쪽의 플라즈마가 소실되기 전에, 다른쪽의 플라즈마를 생성할 수 있다. 따라서, 플라즈마를 생성하기 쉬워지고, 더욱 낮은 파워로 플라즈마를 생성시킬 수 있다. 또한, 플라즈마를 생성하기 쉬워지기 때문에, 처리실(102)내의 압력이 10-4Torr 이하의 저압에서도 플라즈마를 생성시킬 수 있다.
또, 본 실시형태에 관한 고주파 안테나(140)에서는 정합기를 이용하지 않아도 각 안테나 소자(142A, 142B)의 공진 주파수가 최적으로 되도록 조정할 수 있다. 이 때문에, 각 고주파 전원(150A, 150B)으로부터의 고주파 출력을 펄스 변조 방식에 의해서 제어하는 경우에는 더욱 짧은 펄스를 이용하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 본 실시형태에 관한 고주파 안테나(140)에 의하면, 정합기를 이용하는 종래의 펄스 변조 방식에서는 사용할 수 없었던 바와 같은 짧은 펄스 영역(예를 들면, 수 백 ㎐ 이상)에서도 사용 가능하다.
(플라즈마 처리 장치의 변형예)
다음에, 본 실시형태에 있어서의 플라즈마 처리 장치의 변형예에 대해 설명한다. 도 19는 플라즈마 처리 장치의 변형예를 나타내는 개략 구성 도이다. 도 19에 나타내는 플라즈마 처리 장치(101)는 도 1에 나타내는 탑재대(110) 대신에, 바이어스용의 고주파 전력을 인가 가능한 서셉터를 구비한 탑재대(300)를 마련한 것이다. 도 19에 나타내는 플라즈마 처리 장치(101)에 있어서, 탑재대(300) 이외의 구성은 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(100)와 마찬가지이기 때문에, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 19에 나타내는 탑재대(300)는 처리실(102)의 바닥부에 세라믹스 등으로 이루어지는 절연판(312)을 거쳐서 배치된 원주형상의 서셉터 지지대(314)와, 이 서셉터 지지대(314)의 위에 마련된 서셉터(316)를 구비한다.
서셉터(316)의 상면에는 웨이퍼 W를 정전력으로 흡착 유지하는 정전 척(320)이 마련되어 있다. 정전 척(320)은 도전막으로 이루어지는 전극(322)을 한쌍의 절연층 또는 절연 시트를 사이에 두고 구성되고, 전극(322)에는 직류 전원(324)이 전기적으로 접속되어 있다. 직류 전원(324)으로부터 전극(322)에 직류 전압을 인가하면, 정전 척(320)의 상면에 쿨롱력 등의 정전력이 발생하고, 이것에 의해 웨이퍼 W가 흡착 유지된다.
서셉터 지지대(314)내에는, 예를 들면, 고리형상의 냉매실(326)이 형성되어 있다. 냉매실(326)에는 외부에 마련된 도시하지 않은 칠러 유닛으로부터의 냉매(예를 들면, 냉각수)가 순환 공급되도록 되어 있다. 이 냉매의 온도에 의해서 서셉터(316)상의 웨이퍼 W의 처리온도를 제어할 수 있다.
서셉터 지지대(314)내에는 도시하지 않은 전열 가스 공급 기구로부터의 전열 가스(예를 들면, He 가스)가 전열 가스 공급 라인(328)을 거쳐서 정전 척(320)의 상면과 웨이퍼 W의 이면의 사이에 공급된다.
서셉터(316)에는 정합기(332)를 거쳐서 고주파 전원(330)이 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원(330)으로부터 서셉터(316)에 바이어스용의 고주파 전력이 공급되는 것에 의해, 웨이퍼 Ｗ측에 플라즈마 중의 이온이 인입된다. 고주파 전원(330)은 100㎑∼13.56㎒의 범위내의 주파수, 예를 들면, 13.56㎒의 고주파 전력(하부 고주파 전력)을 출력한다. 고주파 전원(330)의 고주파 전력의 파워는 예를 들면, 50W∼10000W의 범위에서 가변할 수 있도록 되어 있다.
정합기(332)는 고주파 전원(330)의 내부(또는 출력) 임피던스에 부하 임피던스를 정합시키기 위한 것으로, 처리실(102)내에 플라즈마가 생성되어 있을 때에 고주파 전원(330)의 내부 임피던스와 부하 임피던스가 외견상 일치하도록 기능한다.
이와 같은 플라즈마 처리 장치(101)를 이용해서 웨이퍼 Ｗ상의 폴리 실리콘의 에칭을 실행하는 경우, 예를 들면, 처리실(102)내의 압력을 소정의 진공 압력(예를 들면, 3ｍTorr (1ｍTorr는 (10-3×101325/760)Pa로 한다.))으로 조정하고, HBr 가스와 O2 가스의 혼합 가스를 처리 가스로서 처리실(102)내에 공급한다. 그리고, 내측 안테나 소자(142A)에 고주파 전원(150A)으로부터 소정의 고주파(예를 들면, 40㎒, 300W)를 인가하는 동시에 외측 안테나 소자(142B)에 고주파 전원(150B)으로부터 소정의 고주파(예를 들면, 60㎒, 700W)를 인가하고, 서셉터(316)에는 고주파 전원(330)으로부터 소정의 고주파(예를 들면, 13.56㎒, 100W)를 인가한다.
이 때, 각 안테나 소자(142A, 142B)는 각각 감기방향의 길이의 중점을 접지점(그라운드)으로 해서, 1/2파장 모드로 공진하므로, 이들에 의해서 생성하는 플라즈마 PA, PB는 플라즈마 전위가 극히 낮다. 이 때문에, 서셉터(316)에 발생하는 셀프 바이어스 전압은 플라즈마 PA, PB를 생성해도 거의 변동하지 않는다. 이것에 의해, 극히 독립성이 높은 서셉터(316)의 바이어스 제어를 실행할 수 있다.
여기서, 안테나 소자(142A, 142B)에 의한 플라즈마 PA, PB를 생성하지 않는 경우(플라즈마 PA, PB 오프)와 생성한 경우(플라즈마 PA, PB 온)에 셀프 바이어스 전압을 비교하는 실험을 실행한 결과를 도 20에 나타낸다. 이 실험에서는 서셉터(316)에 인가하는 주파수 13.56㎒의 고주파의 파워를 200W로 고정시키고, 처리실내 압력 100ｍTorr∼1000ｍTorr의 범위에서 가변하여, 서셉터(316)에 발생하는 셀프 바이어스 전압을 검출하였다.
도 20의 ‘■’의 그래프는 처리실내 압력을 100ｍTorr, 200ｍTorr, 500ｍTorr, 1000ｍTorr로 한 경우에, 각 안테나 소자(142A, 142B)에 고주파를 인가하지 않고 플라즈마 PA, PB 오프인 경우의 셀프 바이어스 전압을 검출해서 도시한 것이다. 또한, ‘●’의 그래프는 상기 각 압력시에 각 안테나 소자(142A, 142B)에 각각 주파수 27.12㎒의 고주파를 1000W의 파워, 즉, 합계 2000W의 파워로 인가해서 플라즈마 PA, PB 온일 때의 셀프 바이어스 전압을 검출해서 도시한 것이다.
도 20에 나타내는 실험 결과에 의하면, 플라즈마 PA, PB 오프의 경우의 그래프(■)와 플라즈마 PA, PB 온의 경우의 그래프(●)의 어긋남이 거의 없다. 즉, 서셉터(316)에 인가하는 고주파의 파워(200W)에 대해 10배나 되는 파워(합계 2000W)의 고주파로 플라즈마 PA, PB를 생성했음에도 불구하고, 셀프 바이어스 전압은 거의 변화하지 않은 것을 알 수 있다.
이에 대해, 종래는 플라즈마의 생성에 의한 셀프 바이어스 전압의 변동이 컸으므로 그것을 미리 고려해서 바이어스용의 고주파를 설정하고 있었다. 이 점에서, 본 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치(101)에서는 셀프 바이어스 전압의 변동을 고려하지 않고 바이어스용의 고주파를 설정할 수 있고, 그 설정에 의한 바이어스 제어의 효과를 플라즈마 처리에 정확하게 반영시킬 수 있다.
또, 탑재대(300)는 도 1에 나타내는 구성에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 절연판(312)과 처리실(102)의 저면 사이에 알루미늄제의 벨로우즈(bellows)를 개재시켜, 승강 기구(도시하지 않음)를 이용해서 탑재대(300)가 승강 가능하게 구성해도 좋다. 이것에 의하면, 처리실(102)내에 발생하는 플라즈마 PA, PB와 웨이퍼 W의 간격을 조정할 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 물론이다. 당업자라면, 특허청구의 범위에 기재된 범주내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하며, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 양해된다.
예를 들면, 본 실시형태에 있어서의 고주파 안테나는 1개의 내측 안테나 소자와 1개의 외측 안테나 소자를 동심형상으로 배치해서 구성한 예를 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 내측 안테나 소자와 외측 안테나 소자의 양쪽 또는 한쪽을 또한 2개 이상으로 분할해서 동심형상으로 배치해도 좋다. 이 경우, 분할한 안테나 소자의 각각에 대해, 양단을 개방하는 동시에 감기방향의 길이의 중점 또는 그 근방을 접지하고, 각각 개별의 고주파 전원으로부터의 고주파의 1/2파장으로 공진하도록 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 분할한 안테나 소자의 사이도 통형상의 실드벽으로 간막이하고, 분할한 각 안테나 소자의 위쪽의 개구를 막도록 실드판을 마련한다. 그리고, 분할한 각 안테나 소자의 실드판도 개별적으로 높이 조정할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
또, 안테나 소자의 배치는 반드시 동심형상에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 인접 배치해도 좋다. 예를 들면, 내측 안테나 소자와 마찬가지의 형상(나선형, 각형 등)으로 형성한 복수의 외측 안테나 소자를, 내측 안테나 소자의 외주를 둘러싸도록 인접 배치해도 좋다. 이 경우, 내측 안테나 소자 뿐만 아니라, 복수의 외측 안테나 소자의 각각에 대해서도, 양단을 개방하는 동시에 감기방향의 길이의 중점 또는 그 근방을 접지하고, 각각 개별의 고주파 전원으로부터의 고주파의 1/2파장으로 공진하도록 구성하는 것이 바람직하다.
본 발명은 처리 가스의 플라즈마를 발생시켜 피처리 기판에 대해 소정의 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치에 적용 가능하다.
100, 101 플라즈마 처리 장치 102 처리실
104 판형상 유전체 110 탑재대
120 가스 공급부 121 가스 도입구
122 가스 공급원 123 가스 공급 배관
124 매스플로 콘트롤러 126 개폐 밸브
130 배기부 132 배기관
134 웨이퍼 반출입구 136 게이트 밸브
140 고주파 안테나 142A 내측 안테나 소자
142B 외측 안테나 소자 144, 144Ａ, 144B 협지체
146, 146Ａ, 146B 돌출부 148, 148Ａ, 148B 액츄에이터
149, 149Ａ, 149B 구동봉 150A, 150B 고주파 전원
160 실드 부재 162A 내측 실드벽
162B 외측 실드벽 163A, 163B 구멍
164A 내측 실드판 164B 외측 실드판
166A, 166B 지지체 168A, 168B 액츄에이터
169A, 169B 구동봉 200 제어부
210 조작부 220 기억부
300 탑재대 312 절연판
314 서셉터 지지대 316 서셉터
320 정전 척 322 전극
324 직류 전원 326 냉매실
328 전열 가스 공급 라인 330 고주파 전원
332 정합기 CA, CB 부유용량
PA, PB 플라즈마 Ｗ 웨이퍼

Claims (13)

  1. 감압된 처리실내에 처리 가스의 유도 결합 플라즈마를 생성하는 것에 의해 피처리 기판에 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 처리실내에 마련되고, 상기 피처리 기판을 탑재하는 탑재대와,
    상기 처리실내에 상기 처리 가스를 도입하는 가스 공급부와,
    상기 처리실내를 배기해서 감압하는 배기부와,
    상기 탑재대에 대향하도록 판형상 유전체를 거쳐서 배치된 평면형상의 고주파 안테나와,
    상기 고주파 안테나를 덮도록 마련된 실드 부재
    를 구비하고,
    상기 고주파 안테나는 상기 판형상 유전체상의 중앙부에 배치한 내측 안테나 소자와, 그 외주를 둘러싸도록 상기 판형상 유전체상의 둘레가장자리부에 배치한 외측 안테나 소자로 이루어지고, 상기 내측 및 외측 안테나 소자는 각각 양단을 개방하는 동시에 중점 또는 그 근방을 접지하고, 각각 개별의 고주파 전원으로부터의 고주파의 1/2파장으로 공진하도록 구성한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실드 부재는
    상기 내측 안테나 소자를 둘러싸도록 상기 각 안테나 소자간에 마련된 통형상의 내측 실드벽과,
    상기 외측 안테나 소자를 둘러싸도록 마련된 통형상의 외측 실드벽과,
    상기 내측 안테나 소자상에 상기 내측 실드벽의 개구를 막도록 마련된 내측 실드판과,
    상기 외측 안테나 소자상에 상기 각 실드벽간의 개구를 막도록 마련된 외측 실드판을 구비하고,
    상기 각 실드판에는 각각, 상기 각 안테나 소자와의 거리를 개별적으로 조정하는 실드 높이 조정 기구를 마련한 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고주파 안테나에는 상기 각 안테나 소자와 상기 판형상 유전체의 거리를 조정하는 안테나 높이 조정 기구를 마련한 것을 특징으로 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 안테나 높이 조정 기구는 상기 내측 안테나 소자를 구동시켜 상기 판형상 유전체와의 거리를 조정하는 기구와, 상기 외측 안테나 소자를 구동시켜 상기 판형상 유전체와의 거리를 조정하는 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 고주파 전원을 제어하는 제어부를 더 구비하고,
    상기 제어부는 상기 각 고주파 전원으로부터 다른 주파수의 고주파를 상기 각 안테나 소자에 인가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 각 고주파 전원으로부터의 고주파를 펄스 변조 방식에 의해서 일정한 주기로 상기 각 안테나 소자에 교대로 인가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 각 고주파 전원의 한쪽에 고주파 출력을 오프하기 직전에 다른쪽의 고주파 출력을 온하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 2 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 고주파 전원의 출력측에 각각 고주파 파워 미터를 마련하고, 상기 고주파 파워 미터에 의해서 검출되는 반사파 전력에 따라 상기 높이 조정 기구를 제어해서 상기 각 실드판의 높이를 조정하는 것에 의해, 상기 각 안테나 소자의 공진 주파수가 최적이 되도록 자동적으로 조정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 안테나 소자는 나선 코일 형상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  10. 감압된 처리실내에 처리 가스의 유도 결합 플라즈마를 생성하는 것에 의해 피처리 기판에 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 처리실내에 마련되고, 상기 피처리 기판을 탑재하는 서셉터와,
    상기 서셉터에 고주파 전력을 인가하는 서셉터용 고주파 전원과,
    상기 처리실내에 처리가스를 도입하는 가스 공급부와,
    상기 처리실내를 배기해서 감압하는 배기부와,
    상기 탑재대에 대향하도록 판형상 유전체를 거쳐서 배치된 평면형상의 고주파 안테나와,
    상기 고주파 안테나를 덮도록 마련된 실드 부재
    를 구비하고,
    상기 고주파 안테나는 상기 판형상 유전체상의 중앙부에 배치한 내측 안테나 소자와, 그 외주를 둘러싸도록 배치한 외측 안테나 소자로 이루어지고, 이들 안테나 소자는 각각 양단을 개방하는 동시에 중점 또는 그 근방을 접지하고, 각각 개별의 안테나용 고주파 전원으로부터의 고주파의 1/2파장으로 공진하도록 구성한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 외측 안테나 소자는 상기 내측 안테나 소자의 외주를 둘러싸도록 동심형상으로 배치한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 외측 안테나 소자를 복수 마련하고, 상기 각 외측 안테나 소자는 상기 내측 안테나 소자의 외주를 둘러싸도록 인접 배치한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  13. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 내측 안테나 소자와 상기 외측 안테나 소자는 그 양쪽 또는 한쪽을 적어도 2개 이상으로 분할해서 동심형상으로 배치한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
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