KR20110016485A - 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법 - Google Patents

플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법 Download PDF

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KR20110016485A
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processing apparatus
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히로유키 마키노
마사루 다나카
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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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Abstract

플라스마 자체의 특성을 변화시키지 않고, 기판상의 플라즈마의 분포를 균일하게 하는 것이 가능한 플라즈마 처리장치를 제공한다.
플라즈마 처리장치(1)는, 진공용기(3)를 가지고 있다. 진공용기(3)의 상면에는 유전체(8)가 마련되어 있고, 유전체(8) 상에는, 플라즈마 발생용 코일(7)이 설치되어 있다. 진공용기(3)의 내부에는 기판(51)을 지지하는 지지수단(2)이 설치되어 있다. 지지수단(2)에는, 조정수단(4)이 설치되어 있다. 플라즈마 처리를 행할 경우는, 진공용기(3) 내를 가스 치환한 후에 플라즈마 발생용 코일(7)을 작동시키고, 지지수단(2)에 바이어스 전위를 부하하여, 플라즈마를 발생시킨다. 그리고, 조정수단(4)을 이용하여, 시스면이 균일 높이(42)에 오도록 지지수단(2)의 위치를 조정한다. 이와 같이 조정함으로써, 플라즈마(37)의 조건을 바꾸지 않고, 기판(51)의 표면을 균일 처리할 수 있다.

Description

플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법{Plasma processing device and plasma processing method}
본 발명은, 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리장치를 이용하여 행하여지는 플라즈마 처리방법에 관한 것이다.
플라즈마 처리장치는, 플라즈마를 이용하여 기판에의 박막의 퇴적이나 이온의 주입 등을 행하는 장치이며, 주로 반도체 기판의 제조에 이용되고 있다.
플라즈마 처리장치의 구조에는 다양한 것이 있지만, 코일을 이용하여 유도전류를 발생시켜, 가스를 전리시키는 방식이 일반적이다.
구체적으로는, 플라즈마 처리장치는 챔버, 코일, 기판을 지지하는 척을 구비하고 있으며, 챔버 내를 진공 배기한 후에, 가스를 도입하고, 코일을 이용하여 유도전류를 발생시켜, 가스를 플라즈마화한다.
그리고, 척에 바이어스용 전원에 의하여 바이어스 전위를 인가하여, 발생한 플라즈마를 이용하여 기판 표면을 플라즈마 처리한다.
예컨대, 특허문헌 1의 단락번호 [0004]에는, 챔버 내에 한 쌍의 평행평판전극을 배치하고, 처리가스를 챔버 내에 도입함과 함께, 전극 간에 고주파 전계를 형성하여, 플라즈마를 형성하는 처리장치가 기재되어 있다.
국제공개 제WO2005/124844호 팸플릿
이러한 장치에서는, 기판상에 퇴적, 주입되는 이온의 분포가 플라즈마의 분포에 의존하기 때문에, 기판상의 퇴적물이나 이온의 분포를 균일하게 하기 위해서는, 기판상의 플라즈마의 분포를 균일하게 하여야 한다.
그러나, 플라즈마의 분포는 챔버 내에서 균일하지 않고, 농담(濃淡)이 있기 때문에, 종래의 플라즈마 처리장치에서 기판상의 플라즈마의 분포를 균일하게 하기 위해서는, 가스압, 플라즈마 전원의 출력, 가스유량 등의 조정이 필요하였다.
이러한 조정은 플라즈마 자체의 전자밀도나 온도 등의 특성을 변화시키는 것이 되기 때문에, 조정이 매우 곤란하다는 문제가 있었다.
본 발명은, 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 플라즈마 자체의 특성을 변화시키지 않고, 기판상의 플라즈마의 분포를 균일하게 하는 것이 가능한 플라즈마 처리장치를 제공하는 것에 있다.
상기 서술한 목적을 달성하기 위하여, 제1 발명은, 기판에 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리장치로서, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생장치와, 상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 조정수단을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치이다.
상기 플라즈마 처리장치는, 상기 기판을 지지하는 지지수단과, 상기 지지수단에 바이어스 전위를 인가하는 인가수단을 더욱 가진다.
상기 조정수단은, 플라즈마 처리시에 상기 지지수단의 표면에 발생하는 시스(sheath)의 시스면이, 상기 플라즈마의 밀도분포가 균일하게 되는 위치에 오도록, 상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 수단이다.
상기 조정수단은, 상기 인가수단이 상기 지지수단에 인가한 바이어스 전위에 근거하여, 상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 수단이다.
상기 조정수단은, 상기 지지수단을 이동시킴으로써, 상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 수단이어도 좋다.
제2 발명은, 플라즈마 발생장치에 의하여 발생한 플라즈마를 이용하여 기판에 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리방법으로서, 상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법이다.
상기 공정은, 상기 기판을 지지하는 지지수단의 표면에 발생하는 시스의 시스면이, 상기 플라즈마의 밀도분포가 균일하게 되는 위치에 오도록, 상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 공정이다.
상기 공정은, 상기 지지수단에 인가된 바이어스 전위에 근거하여, 상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 공정이다.
상기 공정은, 상기 지지수단을 이동시킴으로써, 상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 공정이어도 좋다.
제1 발명 및 제2 발명에서는 플라즈마 처리장치가, 기판과 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 조정수단을 가지고 있다.
그로 인하여, 플라즈마 자체의 특성을 변화시키지 않더라도, 기판을 플라즈마의 분포가 균일한 위치로 이동시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 플라즈마 자체의 특성을 변화시키지 않고, 기판상의 플라즈마의 분포를 균일하게 하는 것이 가능한 플라즈마 처리장치를 제공할 수 있다.
[도 1] 플라즈마 처리장치(1)를 나타내는 도면이다.
[도 2] 플라즈마를 발생시켰을 때의 플라즈마 처리장치(1)를 나타내는 도면이다.
[도 3] 플라즈마를 발생시켰을 때의 플라즈마 처리장치(1)를 나타내는 도면이다.
[도 4] 플라즈마를 발생시켰을 때의 플라즈마 처리장치(1)를 나타내는 도면이다.
[도 5] 플라즈마를 발생시켰을 때의 플라즈마 처리장치(1)를 나타내는 도면이다.
[도 6] 플라즈마를 발생시켰을 때의 플라즈마 처리장치(1)를 나타내는 도면이다.
[도 7] 플라즈마 발생장치(10)-기판(51) 사이의 거리와 기판(51)의 면내 저항치의 편차의 상관관계를 나타내는 도면이다.
이하, 도면에 근거하여 본 발명에 적합한 실시형태를 상세히 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여, 본 실시형태에 관한 플라즈마 처리장치(1)의 개략 구성을 설명한다.
여기에서는, 플라즈마 처리장치(1)로서, 반도체의 플라즈마 처리에 이용되는 처리장치가 도시되어 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 처리장치(1)는, 챔버로서의 진공용기(3)를 가지고 있다.
진공용기(3)의 상면에는 유전체(8)가 마련되어 있고, 유전체(8) 상에는, 플라즈마(37)를 발생시키기 위한 플라즈마 발생용 코일(7)이 설치되어 있다.
플라즈마 발생용 코일(7)에는 플라즈마 발생전원(9)이 접속되어 있다.
그리고, 플라즈마 발생용 코일(7), 유전체(8), 플라즈마 발생전원(9)으로 플라즈마 발생장치(10)를 구성하고 있다.
한편, 진공용기(3)의 내부에는 기판홀더(11)가 설치되어 있다.
기판홀더(11)에는, 정전(靜電) 흡인력에 의하여 기판(51)을 지지하는 정전 척(15)이 설치되어 있다.
정전 척(15)에는, 정전 척(15)의 동작용의 정전 척용 전원(17)이 접속되어 있다.
또한, 정전 척(15)에는 플라즈마 처리될 기판(51)이 지지된다.
또한, 기판홀더(11)에는, 정전 척(15)(유전체)에 바이어스 전위를 인가하기 위한 교류전원 또는 펄스전원인 바이어스용 전원(13)이 인가수단으로서 설치되어 있다.
그리고, 기판홀더(11), 정전 척(15), 정전 척용 전원(17), 바이어스용 전원(13)으로 지지수단(2)을 구성하고 있다.
또한, 기판홀더(11)의 바닥면에는 지주(19)가 연결되어 있다.
지주(19)와 진공용기(3)는 진공 씰(14)로 밀봉되어 있다.
지주(19)의 일단은 도시하지 않은 나사형상으로 되어 있고, 지주(19)를 이동시키기 위한 볼 나사인 승강기구(21)가 연결되어 있다.
승강기구(21)에는 풀리(23)가 연결되어 있다.
풀리(23)에는 타이밍 벨트(25)를 개재하여 풀리(27)가 연결되어 있고, 풀리(27)에는 승강용 모터(29)가 연결되어 있다.
그리고, 지주(19), 승강기구(21), 풀리(23), 타이밍 벨트(25), 풀리(27), 승강용 모터(29)로 조정수단(4)을 구성하고 있다.
승강용 모터(29)를 회전시키면, 풀리(27), 타이밍 벨트(25), 풀리(23)를 통하여 승강기구(21)가 구동되어 지주(19)를 도 1의 A, B방향으로 이동시킨다.
지주(19)가 도 1의 A, B방향으로 이동하면, 기판홀더(11), 정전 척(15)은 지주(19)와 일체가 되어 도 1의 A, B방향으로 이동하고, 정전 척(15) 상의 기판(51)도 도 1의 A, B방향으로 이동한다.
즉, 승강용 모터(29)를 회전시킴으로써, 기판(51)과 플라즈마 발생장치(10)(유전체(8)) 사이의 거리를 조정할 수 있다.
여기서, 승강용 모터(29)는 기판(51)과 플라즈마 발생장치(10)(유전체(8)) 사이의 거리를 조정하기 위하여 이용되기 때문에, 서보모터와 같은, 위치제어가 가능한 것인 것이 바람직하다.
한편, 진공용기(3)에는, 진공용기(3) 내를 배기하기 위한 진공펌프(31)가 설치되어 있다. 진공펌프(31)와 진공용기(3) 사이에는 진공밸브(33)가 설치되어 있다.
진공용기(3)에는, 플라즈마화할 가스를 저장하는 캐리어 가스원(源)(35)이 더욱 설치되고, 캐리어 가스원(35)과 진공용기(3) 사이에는 가스밸브(34)가 설치되어 있다.
다음으로, 플라즈마 처리의 순서에 대하여 도 1 내지 도 6을 이용하여 설명한다.
먼저, 진공펌프(31)을 작동시키고, 이어서 진공밸브(33)를 개방하여 진공용기(3) 내를 배기한다.
다음으로, 가스밸브(34)를 개방하여, 캐리어 가스원(35) 내의 캐리어 가스를 진공용기(3) 내에 도입하고, 개폐제어 가능한 진공밸브(33) 및 가스밸브(34)에 의하여 진공용기(3) 내의 압력을 일정하게 유지한다.
그리고, 플라즈마 발생전원(9)을 이용하여 플라즈마 발생용 코일(7)을 작동시켜, 유도전류에 의하여 캐리어 가스를 플라즈마화한다.
또한, 바이어스용 전원(13)을 이용하여 정전 척(15)에 바이어스 전위를 인가한다.
여기서, 플라즈마 발생용 코일(7) 바로 근방의 영역은 가장 전류가 흐르기 쉽기 때문에, 코일 바로 근방의 영역에 플라즈마(37)가 발생한다(도 1 참조).
그러나, 플라즈마 발생용 코일(7)과 진공용기(3) 사이에 유전체(8)가 존재하는 점에서, 진공용기(3)의 내부측의 차지 업 전위로 인하여, 발생한 플라즈마(37)의 밀도분포는, 도 2의 플라즈마 밀도 등분포선(39)에 나타내는 것과 같은 형상이 된다.
구체적으로는, 플라즈마 발생용 코일(7) 바로 근방의 눈동자 형상의 영역이 가장 밀도가 높은 영역이 된다(도 2에서 「H」라고 기재된 부분 참조).
그리고, 플라즈마 발생용 코일(7)로부터 멀어짐에 따라, 점차 등방(等方) 확산의 형상이 되며, 밀도가 낮아진다(도 2에서 「L」이라고 기재된 부분 참조).
다만, 도 3에 나타내는 균일 높이(42)는, 높이방향의 플라즈마(37)의 밀도분포가 균일하게 되는 위치(높이)이다.
한편, 정전 척(15)에 바이어스 전위가 인가되어 있음으로써, 플라즈마 속에서 정전 척(15)은 바이어스 전위를 가지는 전극으로서 존재하게 된다.
그러면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 정전 척(15)의 표면에는, 바이어스 전위와 플라즈마 밀도, 온도 등에 의하여 결정되는 시스(41)가 발생한다.
시스(41)의 내부에서는, 전극으로부터의 전계가 존재하기 때문에, 플라즈마(37)가 존재하지 않아, 단순히 전계를 따라 하전입자의 가속이 행하여지고 있다.
시스(41)의 시스 두께(d)는, 정전 척(15)을 평판전극이라 하면, 이하의 식 1, 식 2로 나타난다.
Figure pct00001
Figure pct00002
λD: 데바이(Debye) 길이
ε0: 진공의 유전율
k : 볼츠만 상수
Te: 전자온도
Ne: 전자밀도
e : 전자전하
Vp: 인가된 바이어스 전위
여기서, 기판(51)의 플라즈마 처리에 관계되는 플라즈마(37)는, 정전 척(15)에 인가된 바이어스 전위에 의하여 발생한, 시스(41)의 직전의 플라즈마(37)이다.
그로 인하여, 높이방향의 플라즈마(37)의 밀도분포가 균일하게 되는 위치인, 균일 높이(42)에 시스(41)의 시스면(41a)이 배치되면, 기판(51) 상의 플라즈마(37)의 분포를 균일하게 할 수 있어, 기판(51)의 표면을 균일하게 플라즈마 처리할 수 있다.
그래서, 조정수단(4)을 이용하여, 도 4에 나타내는 바와 같이, 시스(41)의 시스면(41a)이 균일 높이(42)에 오도록 지지수단(2)의 위치를 조정한다.
구체적으로는, 인가 전위(바이어스 전위)에 근거하여, (식 1)에 의하여 시스 두께(d)를 결정하고, 승강용 모터(29)를 구동하여, 시스면(41a)이 균일 높이(42)에 오도록 지지수단(2)을 도 3의 A, B의 방향으로 이동시킨다.
예컨대, 도 3의 상태에서는, 시스면(41a)이 균일 높이(42)보다도 낮은 위치에 있기 때문에, 지지수단(2)을 도 3의 A방향으로 이동시켜, 도 4에 나타내는 바와 같이, 시스면(41a)이 균일 높이(42)와 동일한 높이가 되도록 한다.
다만, 도 5와 같이, 도 3의 상태보다 인가 전위(바이어스 전위)가 높은 상태에서는, 시스면(41a)의 위치가 균일 높이(42)보다 높아지는 경우가 있다.
이 경우는, 지지수단(2)을 도 5의 B의 방향으로 이동시켜, 도 6에 나타내는 바와 같이, 시스면(41a)이 균일 높이(42)와 동일한 높이가 되도록 한다.
그리고, 도 4, 도 6의 상태에서 플라즈마 처리를 행하면, 기판(51)의 표면을 균일 처리할 수 있다.
여기서, 어느 경우에도, 가스압, 플라즈마 전원의 출력, 가스유량 등의 플라즈마(37)의 조정은 행하여지지 않으므로, 플라즈마(37)의 특성은 변화되지 않아, 플라즈마 밀도 등분포선(39)은 일정하다.
즉, 플라즈마 처리장치(1)는, 플라즈마(37)의 조건을 바꾸지 않고, 기판(51)과 플라즈마 발생장치(10) 사이의 거리를 조정하는 것만으로도, 기판(51)의 표면을 균일 처리할 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 플라즈마 처리장치(1)가, 플라즈마 발생장치(10), 지지수단(2), 조정수단(4)을 가지고, 조정수단(4)은, 시스(41)의 시스면(41a)이 균일 높이(42)와 동일한 높이가 되도록 지지수단(2)의 위치를 조정한다.
따라서, 플라즈마(37)의 특성을 바꾸지 않고, 기판(51)의 표면을 균일 처리할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 플라즈마 처리장치(1)는, 바이어스용 전원(13)이 정전 척(15)에 인가한 바이어스 전위에 근거하여 지지수단(2)의 위치를 조정한다.
그로 인하여, 바이어스 전위를 변화시키더라도, 플라즈마의 특성을 바꾸지 않고, 기판(51)의 표면을 균일 처리할 수 있다.
실시예
다음으로, 구체적인 실시예에 근거하여, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1에 나타내는 플라즈마 처리장치(1)를 이용하여 플라즈마(37)를 발생시키고, 플라즈마 발생장치(10)와 기판(51)의 거리를 3단계로 변화시켜 기판(51)의 표면을 플라즈마 처리하고, 기판(51)의 면내 저항치의 편차를 측정함으로써, 기판 표면의 균일성을 평가하였다.
바이어스용 전원(13)의 출력은 135W, 800W의 두 가지로 하였다.
또한, 플라즈마 발생장치(10)와 기판(51)의 거리는, 135W에 있어서의 가장 균일성이 높은 경우의 거리를 0으로 하는 상대치로 하였다.
결과를 도 7에 나타낸다.
도 7에 의하여, 플라즈마 발생장치(10)-기판(51)의 거리와 기판(51)의 면내 저항치의 편차 사이에는 상관성이 보여서, 거리를 조정함으로써, 면내 저항치의 편차를 조정할 수 있음을 알 수 있었다.
특히 135W에 있어서는 가장 면내 저항치의 편차가 작은(균일성이 높은) 거리가 보여서, 플라즈마 발생장치(10)와 기판(51)의 거리의 최적화가 도모된 것을 알 수 있었다.
즉, 바이어스 전위를 변화시키더라도, 플라즈마의 특성을 바꾸지 않고, 기판(51)의 표면을 균일 처리할 수 있음을 알 수 있었다.
상기한 실시형태에서는, 본 발명을 반도체의 플라즈마 처리에 이용되는 장치에 적용하였을 경우에 대하여 설명하였지만, 본 발명은, 전혀, 이것으로 한정되지 않고, 플라즈마를 이용하여 시료표면을 처리할 필요가 있는 모든 장치에 이용할 수 있다.
1 플라즈마 처리장치
2 지지수단
3 진공용기
4 조정수단
7 플라즈마 발생용 코일
8 유전체
9 플라즈마 발생전원
10 플라즈마 발생장치
11 기판홀더
13 바이어스용 전원
14 진공 씰
15 정전 척
17 정전 척용 전원
19 지주
21 승강기구
23 풀리
25 타이밍 벨트
27 풀리
29 승강용 모터
31 진공펌프
33 진공밸브
34 가스밸브
35 캐리어 가스원
39 플라즈마 밀도 등분포선
41 시스
41a 시스면
42 균일 높이
51 기판

Claims (9)

  1. 기판에 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리장치로서,
    플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생장치와,
    상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 조정수단
    을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판을 지지하는 지지수단과,
    상기 지지수단에 바이어스 전위를 인가하는 인가수단
    을 더욱 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 조정수단은,
    플라즈마 처리시에 상기 지지수단의 표면에 발생하는 시스의 시스면이, 상기 플라즈마의 밀도분포가 균일하게 되는 위치에 오도록, 상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 수단인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 조정수단은,
    상기 인가수단이 상기 지지수단에 인가한 바이어스 전위에 근거하여, 상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 수단인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 조정수단은,
    상기 지지수단을 이동시킴으로써, 상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 수단인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  6. 플라즈마 발생장치에 의하여 발생한 플라즈마를 이용하여 기판에 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리방법으로서,
    상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 공정은,
    상기 기판을 지지하는 지지수단의 표면에 발생하는 시스의 시스면이, 상기 플라즈마의 밀도분포가 균일하게 되는 위치에 오도록, 상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 공정인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 공정은,
    상기 지지수단에 인가된 바이어스 전위에 근거하여, 상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 공정인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 공정은,
    상기 지지수단을 이동시킴으로써, 상기 기판과 상기 플라즈마 발생장치 사이의 거리를 조정하는 공정인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
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