KR20120067301A - 플라즈마 처리 장치, 플라즈마 처리 방법 및, 기억 매체 - Google Patents

플라즈마 처리 장치, 플라즈마 처리 방법 및, 기억 매체 Download PDF

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Abstract

(과제) 상부 전극의 전극판의 소모에 수반하는 에칭 레이트의 변동을 억제할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공하는 것이다.
(해결 수단) 피(被)처리 기판(W)이 수용되는 처리 용기(10)와, 처리 용기(10) 내에 배치된 하부 전극(16)과, 처리 가스를 샤워 형상으로 상기 처리 용기 내로 토출하는, 착탈 가능한 전극판(36)을 갖는 상부 전극(34)과, 상부 전극(34)에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 배관(54)을 포함하는 가스 공급 유닛(48)과, 하부 전극(16)에 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 인가하는 제1 고주파 전원(88)과, 가스 공급 배관(54) 내의 압력을 검출하는 압력계(58a, 58b)와, 압력계(58a, 58b)의 검출값에 기초하여 전극판(36)의 소모도를 구하고, 그때의 전극판(36)의 소모에 의한 처리 레이트의 변동을 산출하여, 이 처리 레이트의 변동을 해소하도록 처리 조건을 조정하는 제어부(100)를 구비하는 플라즈마 처리 장치.

Description

플라즈마 처리 장치, 플라즈마 처리 방법 및, 기억 매체{PLASMA PROCESSING APPARATUS, PLASMA PROCESSING METHOD, AND STORAGE MEDIUM}
본 발명은, 플라즈마 에칭 등의 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치, 플라즈마 처리 방법 및, 플라즈마 처리 방법을 실시하기 위한 프로그램이 기억된 기억 매체에 관한 것이다.
예를 들면 반도체 디바이스의 제조 프로세스에 있어서는, 피(被)처리 기판인 반도체 웨이퍼에 대하여, 에칭이나 CVD(화학 기상 성장) 등의 플라즈마 처리가 많이 이용되고 있다.
이러한 플라즈마 처리를 행하기 위한 플라즈마 처리 장치로서는, 여러 가지의 것이 이용되고 있지만, 그 중에서도 용량 결합형 평행 평판 플라즈마 처리 장치가 주류이다.
용량 결합형 평행 평판 플라즈마 처리 장치를 에칭 장치로서 사용하는 경우에는, 챔버 내에 한 쌍의 평행 평판 전극(상부 및 하부 전극)을 배치하여, 처리 가스를 챔버 내에 도입함과 함께, 전극의 한쪽에 고주파를 인가하여 전극 간에 고주파 전계(electric field)를 형성하여 플라즈마를 형성하고, 하부 전극에 이온 인입용의 고주파를 인가하는 장치 구성이 일반적으로 채용되고 있다(예를 들면 특허문헌 1).
그런데, 이러한 종류의 플라즈마 처리 장치로 에칭 처리를 행하는 경우에는, 플라즈마 처리를 반복함으로써 상부 전극의 전극판이 소모되고, 그에 수반하여 전극판의 온도가 상승한다. 이렇게 전극판의 온도가 상승하면, 에칭 레이트가 변동해 버린다.
그래서, 전극판의 소모가 에칭 레이트의 허용 범위 밖이 된 시점에서 전극판을 교환하고 있다. 전극의 교환 시기를 파악하는 방법으로서는, 플라즈마 전극의 예는 아니지만, 특허문헌 2에 트레이서(tracer)를 전극 내부에 매입하고, 트레이서가 검출되었을 때에 전극을 교환하는 방법이 개시되어 있다.
일본공개특허공보 2000－173993호 일본공개특허공보 평8－203865호
그러나, 앞으로, 반도체 디바이스의 미세화가 더욱 진행되는 경우에는, 매우 작은 에칭 레이트의 변동이 문제시되는 것이 예상되고, 상부 전극의 전극판의 소모가 심한 조건일 때에는 특히 큰 문제가 되는 것이 예상되지만, 상기와 같은 기술에서는, 이러한 문제에 충분히 대응하는 것은 곤란하다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 상부 전극의 전극판의 소모에 수반하는 에칭 레이트의 변동을 억제할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 그러한 플라즈마 처리 방법을 실시하기 위한 프로그램이 기억된 기억 매체를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 관점에서는, 피처리 기판에 대하여 처리 가스의 플라즈마에 의해 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치로서, 피처리 기판이 수용되고, 내부가 진공 배기 가능한 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 배치되어, 피처리 기판의 재치대로서 기능하는 하부 전극과, 상기 하부 전극에 대향하도록 상기 처리 용기 내에 배치되어, 처리 가스를 샤워 형상으로 상기 처리 용기 내로 토출하는, 착탈 가능한 전극판을 갖는 상부 전극과, 상기 상부 전극에 처리 가스를 공급하는 가스 배관을 포함하는 가스 공급 유닛과, 상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극 중 적어도 한쪽에 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 인가하는 플라즈마 생성용 고주파 전력 인가 유닛과, 상기 가스 배관 내의 압력을 검출하는 압력계와, 상기 압력계에 의한 상기 가스 배관 내의 압력의 검출값에 기초하여 상기 전극판의 소모도를 구하고, 그때의 전극판의 소모에 의한 처리 레이트의 변동을 산출하여, 이 처리 레이트의 변동을 해소하도록 처리 조건을 조정하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
본 발명의 제2 관점에서는, 피처리 기판이 수용되고, 내부가 진공 배기 가능한 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 배치되어, 피처리 기판의 재치대로서 기능하는 하부 전극과, 상기 하부 전극에 대향하도록 상기 처리 용기 내에 배치되어, 처리 가스를 샤워 형상으로 상기 처리 용기 내로 토출하는, 착탈 가능한 전극판을 갖는 상부 전극과, 상기 상부 전극에 처리 가스를 공급하는 가스 배관을 포함하는 가스 공급 유닛과, 상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극 중 적어도 한쪽에 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 인가하는 플라즈마 생성용 고주파 전력 인가 유닛을 갖는 플라즈마 처리 장치를 이용하여, 처리 가스의 플라즈마에 의해 피처리 기판에 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 방법으로서, 상기 가스 배관의 압력값에 기초하여 상기 전극판의 소모도를 구하고, 그때의 전극판의 소모에 의한 처리 레이트의 변동을 산출하여, 이 처리 레이트의 변동을 해소하도록 처리 조건을 조정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 제3 관점에서는, 컴퓨터상에서 동작하여, 플라즈마 처리 장치를 제어하기 위한 프로그램이 기억된 기억 매체로서, 상기 프로그램은, 실행시에 상기 플라즈마 처리 방법이 행해지도록, 컴퓨터에 상기 플라즈마 처리 장치를 제어시키는 것을 특징으로 하는 기억 매체를 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 가스 배관 내의 압력의 검출값에 기초하여 상기 전극판의 소모도를 구하고, 그때의 전극판의 소모에 의한 처리 레이트의 변동을 산출하여, 이 처리 레이트의 변동을 해소하도록 처리 조건을 조정하기 때문에, 항상 전극판이 소모되어 있지 않을 때와 동등한 처리 레이트로 플라즈마 처리할 수 있어, 전극판의 소모에 수반하는 처리 레이트의 변동을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는 가스 공급 배관의 압력계의 검출값으로부터 전극판의 소모도를 파악하여, 그에 기초하는 에칭 레이트의 변화를 해소하도록, 상부 전극 온도 등을 제어하는 제어계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 처리 가스의 유량(Q)과 배관의 압력(P)과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 전극판의 소모도와 압력계의 압력값과의 관계를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 처리 가스로서 O2 가스를 이용하여 레지스트를 애싱한 경우의, 전극의 사용 시간과 상부 전극의 온도를 변화시켜, 각 조건에서 구한 에칭 레이트를 나타내는 도면이다.
도 6은 처리 가스로서 O2 가스를 이용하여 레지스트를 애싱한 경우의, 전극의 사용 시간과 O2 가스 유량을 변화시켜, 각 조건에서 구한 에칭 레이트를 나타내는 도면이다.
도 7은 각 전극판 사용 시간에 있어서의 상부 전극 온도와 에칭 레이트와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 각 전극판 사용 시간에 있어서의 O2 가스 유량 변화와 에칭 레이트와의 관계를 나타내는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 개략 단면도다.
이 플라즈마 처리 장치(1)는, 용량 결합형 평행 평판 플라즈마 에칭 장치로서 구성되어 있으며, 예를 들면 표면이 양극 산화 처리된 알루미늄으로 이루어지는 대략 원통 형상의 챔버(처리 용기)(10)를 갖고 있다. 이 챔버(10)는 보안 접지되어 있다.
챔버(10)의 저부에는, 세라믹스 등으로 이루어지는 절연판(12)을 개재하여 원주 형상의 서셉터 지지대(14)가 배치되고, 이 서셉터 지지대(14)의 위에, 예를 들면 알루미늄으로 이루어지는 서셉터(16)가 설치되어 있다. 서셉터(16)는 하부 전극을 구성하고, 그 위에 에칭 대상막을 갖는 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(W)가 올려놓여진다.
서셉터(16)의 상면에는, 반도체 웨이퍼(W)를 정전력으로 흡착 보유 지지(保持)하는 정전 척(18)이 설치되어 있다. 이 정전 척(18)은, 도전막으로 이루어지는 전극(20)을 한 쌍의 절연층 또는 절연 시트를 사이에 끼운 구조를 갖는 것으로, 전극(20)에는 직류 전원(22)이 급전선(給電線; 21)을 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 직류 전원(22)으로부터의 직류 전압에 의해 발생한 쿨롱력 등의 정전력에 의해 반도체 웨이퍼(W)가 정전 척(18)에 흡착 보유 지지된다. 또한, 급전선(21)에는 전극(20)으로의 직류 전압을 온·오프 가능한 스위치(23)가 설치되어 있다.
정전 척(18)(반도체 웨이퍼(W))의 주위로 서셉터(16)의 상면에는, 에칭의 균일성을 향상시키기 위한, 예를 들면 실리콘으로 이루어지는 도전성의 포커스 링(보정 링)(24)이 배치되어 있다. 서셉터(16) 및 서셉터 지지대(14)의 측면에는, 예를 들면 석영으로 이루어지는 원통 형상의 내벽 부재(26)가 설치되어 있다.
서셉터 지지대(14)의 내부에는, 예를 들면 원주 형상으로 냉매실(28)이 설치되어 있다. 이 냉매실(28)에는, 외부에 설치된 하부 칠러 유닛(30)으로부터 배관(30a, 30b)을 통하여 소정 온도의 냉매, 예를 들면 냉각수가 순환 공급되어, 냉매의 온도에 의해 서셉터 상의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 온도를 제어할 수 있다.
또한, 도시하지 않은 전열 가스 공급 기구로부터의 전열 가스, 예를 들면 He 가스가 가스 공급 라인(32)을 통하여 정전 척(18)의 상면과 반도체 웨이퍼(W)의 이면(裏面)과의 사이에 공급된다.
하부 전극인 서셉터(16)의 상방에는, 서셉터(16)와 대향하도록 평행하게 상부 전극(34)이 설치되어 있다. 그리고, 상부 및 하부 전극(34, 16) 간의 공간이 플라즈마 생성 공간이 된다. 상부 전극(34)은, 하부 전극인 서셉터(16) 상의 반도체 웨이퍼(W)와 대향하여 플라즈마 생성 공간과 접하는 면, 즉 대향면을 형성한다.
이 상부 전극(34)은, 절연성 차폐 부재(42)를 개재하여, 챔버(10)의 상부에 지지되어 있고, 서셉터(16)와의 대향면을 구성하고, 또한 다수의 가스 토출공(37)을 갖는 전극판(36)과, 이 전극판(36)을 착탈 자유롭게 지지하고, 도전성 재료, 예를 들면 알루미늄으로 이루어지는 전극 지지체(38)에 의해 구성되어 있다. 전극판(36)은, 줄(Joule) 열이 적은 저(低)저항의 도전체 또는 반도체가 바람직하고, 또한, 후술하는 바와 같이 레지스트를 강화하는 관점에서는 실리콘 함유 물질이 바람직하다. 전극판(36)을 구성하는 적합한 재료로서는 실리콘이나 SiC가 예시된다. 전극 지지체(38)의 내부에는, 가스 확산실(40)이 설치되고, 이 가스 확산실(40)로부터는 가스 토출공(37)에 연통(communication)하는 다수의 가스 통류공(41)이 하방으로 연장되어 있다. 가스 확산실(40)은, 예를 들면 O링으로 이루어지는 환상(環狀) 격벽 부재(44)로 중앙실(40a)과 주변실(40b)로 분리되어 있다.
중앙실(40a) 및 주변실(40b)에는, 가스 공급 유닛(48)으로부터 복수의 처리 가스나 퍼지 가스가 원하는 유량비(比)로 공급되게 되어 있다. 가스 공급 유닛(48)은, 가스 박스(49)와, 가스 공급 배관을 갖고 있다. 가스 박스(49)는, 복수의 처리 가스 및 퍼지 가스가 각각 개별의 가스 공급 배관(50)을 거쳐 공통의 가스 공급 배관(54)에 공급되게 되어 있으며, 개별의 가스 공급 배관(50)에는, 각 가스의 유량을 제어하는 유량 제어기, 예를 들면 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(51)와 그의 전후의 개폐 밸브(52)가 설치되어 있다. 또한, 매스 플로우 컨트롤러(MFC) 대신에 FCS 등의 다른 유량 제어기를 사용할 수도 있다. 처리 가스는, 에칭 대상막에 따라서 적절히 선정된다.
공통의 가스 공급 배관(54)은, 중앙실(40a) 및 주변실(40b)에 각각 접속되는 중앙 배관(54a) 및 주변 배관(54b)으로 분기되어 있고, 이들 중앙 배관(54a) 및 주변 배관(54b)으로는 플로우 스플리터(splitter)(56)에 의해 소정의 유량비로 분배되어 소정의 처리 가스가 공급되게 되어 있다. 또한, 가스 공급 배관(54)의 분기 부분의 상류측에는 개폐 밸브(55)가 설치되어 있다.
플로우 스플리터(56)는, 중앙 배관(54a) 및 주변 배관(54b)에 각각 설치된 유량 제어 밸브(57a 및 57b)와, 이들 배관에 각각 설치되어 배관 내의 가스압을 계측하는 압력계(58a 및 58b)와, 압력계(58a 및 58b)의 압력값에 기초하여 중앙 배관(54a) 및 주변 배관(54b)에 흐르는 가스 유량이 소정값이 되도록 유량 제어 밸브(57a 및 57b)의 액츄에이터(59a 및 59b)를 제어하고, 유량 제어 밸브(57a 및 57b)의 개도를 소정값으로 제어하는 유량 컨트롤러(60)를 갖고 있다. 즉, 배관의 가스압은 그 안의 가스 유량에 비례하는 점에서, 유량 컨트롤러(60)는, 압력계(58a 및 58b)에 의해 중앙 배관(54a) 및 주변 배관(54b)의 압력값을 계측하여, 이들이 소정의 유량비에 대응하는 값이 되도록 유량 제어 밸브(57a 및 57b)의 개도를 제어한다.
중앙 배관(54a) 및 주변 배관(54b)에 소정 유량비로 분배된 처리 가스는, 가스 확산실(40)의 중앙실(40a) 및 주변실(40b)에 이르며, 이들 중앙실(40a) 및 주변실(40b)로부터 별개 독립적으로 가스 통류공(41) 및 가스 토출공(37)을 통하여 샤워 형상으로, 플라즈마 생성 공간에 토출된다. 즉, 상부 전극(34)은 중앙부와 주변부로, 유량비를 제어한 상태에서 처리 가스를 공급 가능한 샤워 헤드로서 기능한다.
상부 전극(34)의 전극 지지체(38)에는, 상부 전극(34)의 온도를 제어하는 온도 조절 유닛(62)이 설치되어 있다. 온도 조절 유닛(62)은, 예를 들면 전극 지지체(38)의 내부에 설치된 냉각수 등의 냉매가 보유 지지되는 냉매실(63)과, 냉매실(63)에 접속된 냉매 배관(64, 65)과, 냉매 배관(64, 65)을 통하여 냉매실(63)에 냉매를 순환 공급하기 위한 상부 칠러 유닛(66)과, 전극 지지체(38)의 상면에 설치된 히터(67)와, 히터(67)에 급전하는 히터 전원(68)과, 상부 칠러 유닛(66)의 냉매 유량 및 히터 전원(68)의 전류값 등을 제어하는 온도 컨트롤러(70)를 갖고 있다.
상기 상부 전극(34)에는, 로우 패스 필터(LPF)(72)를 통하여 가변 직류 전원(74)이 전기적으로 접속되어 있다. 가변 직류 전원(74)은 바이폴러(bipolar) 전원이라도 좋다. 이 가변 직류 전원(74)은, 온·오프 스위치(73)에 의해 급전의 온·오프가 가능하게 되어 있다.
로우 패스 필터(LPF)(72)는, 후술하는 제1 및 제2 고주파 전원으로부터의 고주파를 트랩하기 위한 것으로, 적합하게는 LR 필터 또는 LC 필터로 구성된다.
챔버(10)의 측벽으로부터 상부 전극(34)의 높이 위치보다도 상방으로 연장되도록 원통 형상의 접지 도체(10a)가 설치되어 있다.
하부 전극인 서셉터(16)에는, 제1 정합기(87)를 통하여, 제1 고주파 전원(88)이 전기적으로 접속되어 있다. 이 제1 고주파 전원(88)으로부터 하부 전극인 서셉터(16)에 고주파 전력이 공급됨으로써, 챔버(10) 내에 플라즈마가 생성된다. 제1 고주파 전원(88)은, 27∼100㎒의 주파수, 예를 들면 40㎒의 고주파 전력을 출력한다. 제1 정합기(87)는, 제1 고주파 전원(88)의 내부(또는 출력) 임피던스에 부하 임피던스를 정합시킴으로써, 챔버(10) 내에 플라즈마가 생성되어 있을 때에 제1 고주파 전원(88)의 출력 임피던스와 부하 임피던스가 외관상 일치하도록 기능한다.
또한, 하부 전극인 서셉터(16)에는, 제2 정합기(89)를 통하여 제2 고주파 전원(90)도 전기적으로 접속되어 있다. 이 제2 고주파 전원(90)으로부터 하부 전극인 서셉터(16)에 고주파 전력이 공급됨으로써, 반도체 웨이퍼(W)에 고주파 바이어스가 인가되어 반도체 웨이퍼(W)에 이온이 인입된다. 제2 고주파 전원(90)은, 400㎑∼20㎒의 범위 내의 주파수, 예를 들면 13㎒의 고주파 전력을 출력한다. 제2 정합기(89)는 제2 고주파 전원(90)의 내부(또는 출력) 임피던스에 부하 임피던스를 정합시키기 위한 것으로, 챔버(10) 내에 플라즈마가 생성되어 있을 때에 제2 고주파 전원(90)의 내부 임피던스와 챔버(10) 내의 플라즈마를 포함한 부하 임피던스가 외관상 일치하도록 기능한다.
챔버(10)의 저부에는 배기구(80)가 설치되고, 이 배기구(80)에 배기관(82)을 통하여 배기 장치(84)가 접속되어 있다. 배기 장치(84)는, 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 갖고 있어, 챔버(10) 내를 원하는 진공도까지 감압 가능하게 되어 있다. 배기관(82)에는, 배기량을 조절하여 챔버(10) 내의 압력을 제어하는 압력 제어 밸브(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 또한, 챔버(10)의 측벽에는 반도체 웨이퍼(W)의 반입출구(85)가 설치되어 있으며, 이 반입출구(85)는 게이트 밸브(86)에 의해 개폐 가능하게 되어 있다. 또한, 챔버(10)의 내벽을 따라서 챔버(10)에 에칭 부생물(데포지션)이 부착하는 것을 방지하기 위한 데포지션 실드(11)가 착탈 자유롭게 설치되어 있다. 즉, 데포지션 실드(11)가 챔버벽을 구성하고 있다. 또한, 데포지션 실드(11)는, 내벽 부재(26)의 외주에도 설치되어 있다. 챔버(10)의 저부의 챔버벽측의 데포지션 실드(11)와 내벽 부재(26)측의 데포지션 실드(11)와의 사이에는 배기 플레이트(83)가 설치되어 있다. 데포지션 실드(11) 및 배기 플레이트(83)로서는, 알루미늄재에 Y2O3 등의 세라믹스를 피복한 것을 적합하게 이용할 수 있다.
데포지션 실드(11)의 챔버 내벽을 구성하는 부분의 반도체 웨이퍼(W)와 거의 동일한 높이 부분에는, 그라운드에 DC적으로 접속된 도전성 부재(GND 블록)(91)가 설치되어 있으며, 이에 따라 이상(異常) 방전 방지 효과를 발휘한다.
플라즈마 에칭 장치의 각 구성부, 예를 들면 전원계나 가스 공급계, 구동계, 나아가서는, 제1 고주파 전원(88), 제2 고주파 전원(90), 제1 및 제2 정합기(87, 89), 직류 전원(22), 가변 직류 전원(74) 등은, 마이크로 프로세서(컴퓨터)를 포함하는 제어부(전체 제어 장치)(100)에 접속되어 제어되는 구성으로 되어 있다. 또한, 제어부(100)에는, 오퍼레이터가 플라즈마 에칭 장치를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작 등을 행하는 키보드나, 플라즈마 에칭 장치의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등으로 이루어지는 유저 인터페이스(101)가 접속되어 있다.
또한, 제어부(100)에는, 플라즈마 에칭 장치에서 실행되는 각종 처리를 제어부(100)의 제어로 실현하기 위한 제어 프로그램이나, 처리 조건에 따라서 플라즈마 에칭 장치의 각 구성부에 처리를 실행시키기 위한 프로그램 즉 처리 레시피가 격납된 기억부(102)가 접속되어 있다. 처리 레시피는 기억부(102) 안의 기억 매체에 기억되어 있다. 기억 매체는, 하드 디스크나 반도체 메모리라도 좋고, CD－ROM, DVD, 플래시 메모리 등의 가반성(portable type)의 것이라도 좋다. 또한, 다른 장치로부터, 예를 들면 전용 회선을 통하여 레시피를 적절히 전송시키도록 해도 좋다.
그리고, 필요에 따라서, 유저 인터페이스(101)로부터의 지시 등으로 임의의 처리 레시피를 기억부(102)로부터 불러내어 제어부(100)에 실행시킴으로써, 제어부(100)의 제어하에서, 플라즈마 에칭 장치에서의 원하는 처리가 행해진다.
본 실시 형태에 있어서는, 제어부(100)는, 플로우 스플리터(56)의 압력계(58a 및/또는 58b)의 값을 수취하고, 그 값의 변화로부터 전극판(36)의 소모도를 파악하여, 그에 기초하는 에칭 레이트의 변화를 해소하도록, 처리 조건을 조정하는 기능도 갖는다. 본 실시 형태에서는, 구체적으로, 도 2에 나타내는 바와 같이, 제어부(100)는, 플로우 스플리터(56)의 압력계(58a 및/또는 58b)의 값을 수취하고, 그에 따라서 온도 조절 유닛(62)에 있어서의 설정 온도 즉 상부 전극(34)의 온도, 또는 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(51) 등의 유량 제어기의 설정값 즉 처리 가스 유량을 조정한다. 다른 처리 조건, 예를 들면 챔버(10) 내의 압력에 의해서도 에칭 레이트가 변화하기 때문에, 에칭 레이트가 변화하는 다른 처리 조건을 조정해도 좋다.
다음으로, 이와 같이 구성되는 플라즈마 처리 장치의 동작에 대해서 설명한다.
최초로, 게이트 밸브(86)를 열린 상태로 하고, 반입출구(85)를 통하여 에칭 대상인 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(10) 내에 반입하여, 서셉터(16) 상에 올려놓는다. 이때의 에칭 대상막은 특별히 한정되지 않지만, 레지스트 에칭, 즉 애싱에 대하여 적합하게 적용할 수 있다.
그 후, 게이트 밸브(86)를 닫고, 배기 장치(84)에 의해 챔버(10) 내를 배기하면서, 가스 박스(49) 안의 소정의 처리 가스를, 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(51) 등의 유량 제어기에 의해 유량을 제어하면서 공통의 가스 공급 배관(54)에 보내지고, 플로우 스플리터(56)에 의해, 중앙 배관(54a) 및 주변 배관(54b)에 흐르는 처리 가스가 소정의 유량비로 분배되어, 각각 가스 확산실(40)의 중앙실(40a)과 주변실(40b)에 공급되고, 각각의 가스 통류공(41) 및 가스 토출공(37)을 통하여 챔버(10) 내의 반도체 웨이퍼(W)의 중앙 부분 및 주변 부분에 별개 독립적으로 공급된다. 이와 같이 플로우 스플리터(56)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 중앙 부분 및 주변 부분에 공급되는 처리 가스의 유량비를 적절히 설정함으로써, 반도체 웨이퍼(W)에 대하여 균일하게 처리 가스를 공급할 수 있다.
플로우 스플리터(56)에 의한 유량비의 제어는 이하와 같이 하여 행해진다. 우선, 유저 인터페이스(101)의 디스플레이의 화면상에서, 처리 가스 유량과, 중앙실(40a)로부터 토출하는 처리 가스 유량과 주변실(40b)로부터 토출하는 처리 가스 유량의 유량비 C:E를 설정한다. 제어부(100)에서는, 입력된 유량비에 중앙실(40a)과 주변실(40b)의 가스 구멍 수 비를 곱함으로써 중앙 배관(54a) 및 주변 배관(54b)에 흐르는 처리 가스의 유량(Qc' 및 Qe')을 산출한다. 처리 가스의 유량(Q)과 배관의 압력(P)과는, 도 3에 나타내는 바와 같은 관계를 갖고 있으며, 이들 관계가 소정의 환산식으로서 제어부(100)에 설정되어 있다. 산출된 처리 가스의 유량(Qc' 및 Qe')을 그 환산식에 대입하여, 중앙 배관(54a) 및 주변 배관(54b)의 압력(Pc 및 Pe)을 산출하고, 이들 값으로부터 압력비(Pc/Pe)를 구하고, 이를 플로우 스플리터(56)의 유량 컨트롤러(60)에 출력한다. 유량 컨트롤러(60)에는, 압력계(58a 및 58b)의 값이 입력되고, 이들 압력비가 상기 Pc/Pe가 되도록, 유량 제어 밸브(57a 및 57b)의 액츄에이터(59a 및 59b)를 제어한다. 이와 같이 압력계의 값에 기초하여 처리 가스의 유량을 제어함으로써, 신속한 유량 제어를 달성할 수 있다.
처리 가스는, 에칭 대상막에 따라서 적절히 선정된다. 본 실시 형태에 있어서, 에칭 대상막은 특별히 한정되지 않아, 산화막, 질화막, 저유전율막(Low－k막) 등 여러 가지의 에칭에 대응할 수 있지만, 레지스트막의 에칭(애싱)에 적합하다. 레지스트막의 애싱 처리시에 있어서는, O2 가스, CO2 등의 산소 함유 가스를 적합하게 이용할 수 있다. 이들은 Ar 가스 등의 희석 가스와 혼합하여 이용할 수 있다.
이상과 같이 하여 처리 가스를 공급하면서, 배기 장치(84)를 작동하여, 압력 제어 밸브(도시하지 않음)에 의해 챔버(10) 내의 압력을 소정의 압력으로 제어한다. 레지스트막의 애싱 처리를 행하는 경우에는, 예를 들면 0.015∼0.10Torr(2.00∼13.33Pa) 정도로 제어한다. 이 상태에서, 하부 전극인 서셉터(16)에 제1 고주파 전원(88)으로부터 27∼100㎒의 주파수, 예를 들면 40㎒의 비교적 높은 주파수의 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 인가하고, 또한 제2 고주파 전원(90)으로부터 400㎑∼20㎒의 주파수, 예를 들면 13㎒의 플라즈마 생성용의 고주파 전력보다도 낮은 주파수의, 이온 인입용의 고주파 전력을 고주파 바이어스로서 인가하고, 추가로 필요에 따라서 가변 직류 전원(74)으로부터 부(負)의 직류 전압을 인가하고, 처리 가스를 플라즈마화하여 반도체 웨이퍼(W)의 레지스트막을 플라즈마 에칭(애싱)한다. 플라즈마가 생성되었을 때에, 직류 전원(22)으로부터 정전 척(18)의 전극(20)에 직류 전압을 인가함으로써, 반도체 웨이퍼(W)가 정전 척(18)에 고정된다.
소정 시간 이러한 플라즈마 에칭 처리를 행한 후, 챔버(10) 내를 퍼지 가스로 퍼지하고, 게이트 밸브(86)를 열어 반입출구(85)로부터 반도체 웨이퍼(W)를 반출하여, 1회의 에칭 동작이 종료된다.
이러한 플라즈마 에칭(애싱)을 복수의 반도체 웨이퍼(W)에 대해서 반복하여 행해가면, 상부 전극(34)의 전극판(36)이 소모되어 간다. 이와 같이 전극판(36)이 소모되면, 전극판(36)의 열용량이 작아져 전극판(36)의 온도가 상승하고, 에칭 레이트가 상승한다. 종래는, 전극판(36)이 허용 범위를 초과하여 소모된 것을 파악하여 전극판(36)을 교환하고 있었지만, 이것으로는 신속한 대응은 곤란하다.
이에 대하여, 배관의 가스 압력의 변동이 전극판(36)의 소모를 매우 정밀도 좋게 반영하는 것이 판명되었다. 즉, 전극판(36)은 플라즈마 에칭을 반복함으로써, 거의 균일하게 소모되지만, 전극판(36)이 소모되는 것은 전극판(36)이 얇아져 처리 가스의 배관 길이가 짧아지는 것이기 때문에, 전극판(36)이 소모됨으로써 가스의 컨덕턴스(conductance)가 좋아지고, 배관의 압력은 저하된다. 전극판의 소모도와 압력계의 압력값과의 관계를 개략적으로 나타내면, 도 4에 나타내는 바와 같이 된다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 압력계(58a 및/또는 58b)의 값에 의해 전극판(36)의 소모도를 파악하고, 그때의 전극판(36)의 소모에 의한 에칭 레이트의 변동을 산출하여, 이 에칭 레이트의 변동을 해소하도록 처리 조건을 조정한다.
즉, 에칭 레이트는, 온도나 처리 가스 유량 등의 처리 조건에 의해 변화시킬 수 있기 때문에, 전극판(36)의 소모도와 에칭 레이트와의 관계 및, 처리 조건과 에칭 레이트와의 관계를 제어부(100)에 설정해 두고, 검출된 압력계(58a 및/또는 58b)의 값에 기초하는 전극판(36)의 소모도에 대응한 에칭 레이트의 변동분을 해소하도록 처리 조건을 조정함으로써, 초기 상태의 전극판(36)의 에칭 레이트와 동등한 에칭 레이트로 플라즈마 에칭할 수 있다.
또한, 전극판(36)의 소모도는 소모 두께로 파악할 수 있지만, 동일한 처리를 행하는 장치의 경우에는 사용 시간으로 파악할 수도 있다.
본 실시 형태에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 제어부(100)는, 플로우 스플리터(56)의 압력계(58a 및/또는 58b)의 값을 수취하고, 그의 압력값의 초기값으로부터의 변화에 기초하여 전극판(36)의 소모도를 산출한다. 그리고, 그 소모도 때의 에칭 레이트와 초기값(소모도 0일 때의 에칭 레이트)으로부터 그 변동을 산출하고, 이를 해소하기 위한 상부 전극(34)의 온도 또는 처리 가스의 유량을 산출하여, 이를 온도 컨트롤러(70) 또는 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(51)에 보내, 에칭 레이트가 초기의 값이 되도록 제어한다.
이에 따라, 항상 전극판(36)이 소모되어 있지 않을 때와 동등한 에칭 레이트로 에칭할 수 있기 때문에, 전극판(36)의 소모에 수반하는 에칭 레이트의 변동을 억제할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 검증 실험에 대해서 설명한다.
여기에서는, 처리 가스로서 O2 가스를 이용하여 레지스트를 애싱한 결과에 대해서 설명한다.
여기에서는, 전극판의 사용 시간이 0시간, 500시간, 960시간인 경우에 대해서, 처리 조건으로서 상부 전극의 온도 또는 O2 가스의 유량을 변동시켜, 에칭 레이트를 파악했다. 기준 조건으로서는, 상부 전극 온도 150℃, O2 가스 유량을 30sccm(ml/분)로 하고, 상부 전극을 110℃, 130℃, 150℃의 3수준, O2 가스 유량을 26sccm(－4), 28sccm(－2), 30sccm, 32sccm(＋2)의 4수준으로 했다. 그 결과를 도 5, 6에 나타낸다. 이들 도면으로부터, 기준 조건에 있어서, 전극판의 사용 시간이 0시간일 때의 에칭 레이트의 평균값이 21.0㎚/분이며, 960시간일 때의 에칭 레이트가 17.4㎚/분이며, 전극판이 960시간 소모됨으로써 에칭 레이트가 3.6㎚/분 늦어지는 것이 파악된다. 또한, 상부 전극의 온도가 높아질수록 에칭 레이트가 낮아지고, O2 가스 유량이 많아질수록 에칭 레이트가 높아지는 것을 알 수 있다. 또한, 상부 전극 온도가 10℃ 변화했을 때의 레지스트막의 에칭 레이트의 변화는, 거의 배관의 압력값 0.2Torr의 변화했을 때의 에칭 레이트의 변화에 대응하여, 약 2㎚/분이였다.
이들 결과로부터, 각 전극판 사용 시간에 있어서의 상부 전극 온도와 에칭 레이트와의 관계를 정리한 것을 도 7에 나타내고, O2 가스 유량 변화와 에칭 레이트와의 관계를 정리한 것을 도 8에 나타낸다.
도 7로부터, 사용 시간이 960시간인 전극판을 이용하여, 사용 시간이 0시간인 전극판과 동일한 에칭 레이트로 하려면 150℃를 128℃로 변화시킬 필요가 있는 것을 알 수 있다. 즉, 전극판의 소모에 수반하는 에칭 레이트의 변동을 상부 전극의 온도를 변화시킴으로써 거의 캔슬할 수 있는 것이 확인되었다. 또한, 도 8로부터, 사용 시간이 960시간인 전극판을 이용하여, 사용 시간이 0시간인 전극판과 동일한 에칭 레이트로 하려면, O2 가스 유량을 30sccm로부터 31sccm로 변화시킬 필요가 있는 것을 알 수 있다. 즉, 전극판의 소모에 수반하는 에칭 레이트의 변동을 처리 가스의 유량을 변화시킴으로써 거의 캔슬할 수 있는 것이 확인되었다.
이상의 결과로부터, 본 발명에 기초하는 에칭 레이트의 조정이 가능하다는 것이 검증되었다.
또한, 전술의 결과로부터, 상부 전극의 온도를 이용한 경우에는, 전극판 사용 시간 10시간당 온도의 변동이 0.23℃이며 비교적 고(高)정밀도의 제어가 가능하지만, O2 가스 유량을 이용한 경우는, 사용 시간이 960시간이며 1sccm의 변동 밖에 없기 때문에, 상부 전극의 온도를 변화시키는 경우보다도 정밀도가 낮은 것이 된다.
또한, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 일 없이 여러 가지 변형 가능하다. 예를 들면, 상기 실시 형태에서는, 하부 전극에 주파수가 상이한 2개의 고주파 전력을 인가하는 장치를 나타냈지만, 이에 한정되지 않고, 하부 전극에 플라즈마 생성용의 하나의 고주파 전력을 인가하도록 해도 좋고, 고주파 전력을 상부 전극에 인가하도록 해도 좋다. 상부 전극에 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 인가하고, 하부 전극에 바이어스용의 고주파 전력을 인가하도록 해도 좋다. 또한, 반드시 상부 전극에 직류 전압을 인가할 필요는 없다. 또한, 에칭 대상막 및 처리 가스의 종류도 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 또한, 제어해야 할 처리 조건도 상부 전극 온도나 유량으로 한정되는 것은 아니다. 추가로 또한, 상기 실시 형태에서는 본 발명을 플라즈마 에칭 장치에 적용한 경우에 대해서 나타냈지만, 다른 플라즈마 처리라도 좋다. 추가로 또한, 상기 실시 형태에서는, 플로우 스플리터에 이용하는 압력계에 의해 배관의 압력을 파악한 예를 나타냈지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 1라인으로 처리 가스를 공급하는 경우에도 적용 가능하다. 또한, 상기 실시 형태에서는 피처리 기판으로서 반도체 웨이퍼를 이용했지만, 본 발명의 원리상, 피처리 기판은 반도체 웨이퍼로 한정되지 않고, FPD(플랫 패널 디스플레이) 등의 다른 기판이라도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
10 : 챔버
16 : 서셉터(하부 전극)
34 : 상부 전극
36 : 전극판
38 : 전극 지지체
40 : 가스 확산실
40a : 중앙실
40b : 주변실
48 : 가스 공급 유닛
49 : 가스 박스
50 : 가스 공급 배관
51 : 매스 플로우 컨트롤러(MFC)
54a : 중앙 배관
54b : 주변 배관
56 : 플로우 스플리터
58a, 58b : 압력계
70 : 온도 컨트롤러
74 : 가변 직류 전원
84 : 배기 장치
88 : 제1 고주파 전원
90 : 제2 고주파 전원
100 : 제어부
102 : 기억부
W : 반도체 웨이퍼(피처리 기판)

Claims (12)

  1. 피(被)처리 기판에 대하여 처리 가스의 플라즈마에 의해 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치로서,
    피처리 기판이 수용되고, 내부가 진공 배기 가능한 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 배치되어, 피처리 기판의 재치대로서 기능하는 하부 전극과,
    상기 하부 전극에 대향하도록 상기 처리 용기 내에 배치되어, 처리 가스를 샤워 형상으로 상기 처리 용기 내로 토출하는, 착탈 가능한 전극판을 갖는 상부 전극과,
    상기 상부 전극에 처리 가스를 공급하는 가스 배관을 포함하는 가스 공급 유닛과,
    상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극 중 적어도 한쪽에 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 인가하는 플라즈마 생성용 고주파 전력 인가 유닛과,
    상기 가스 배관 내의 압력을 검출하는 압력계와,
    상기 압력계에 의한 상기 가스 배관 내의 압력의 검출값에 기초하여 상기 전극판의 소모도를 구하고, 그때의 전극판의 소모에 의한 처리 레이트의 변동을 산출하여, 이 처리 레이트의 변동을 해소하도록 처리 조건을 조정하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 처리 조건으로서, 상기 상부 전극의 온도를 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 처리 조건으로서, 상기 처리 가스의 유량을 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리는 플라즈마 에칭이며, 상기 처리 레이트는 에칭 레이트인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플라즈마 에칭의 대상이 피처리 기판의 레지스트막인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 공급 유닛은, 상기 전극판의 서로 상이한 영역으로부터 처리 가스를 토출시키도록 처리 가스를 공급하는 제1 배관 및 제2 배관과, 이들 제1 배관 및 제2 배관의 압력을 검출하고, 그 압력에 기초하여 상기 제1 배관 및 상기 제2 배관에 소정의 유량비(比)로 처리 가스를 분배하는 플로우 스플리터를 갖고, 상기 압력계로서, 상기 플로우 스플리터에 있어서 배관의 압력을 검출하기 위한 압력계를 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 피처리 기판이 수용되고, 내부가 진공 배기 가능한 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 배치되어, 피처리 기판의 재치대로서 기능하는 하부 전극과, 상기 하부 전극에 대향하도록 상기 처리 용기 내에 배치되어, 처리 가스를 샤워 형상으로 상기 처리 용기 내로 토출하는, 착탈 가능한 전극판을 갖는 상부 전극과, 상기 상부 전극에 처리 가스를 공급하는 가스 배관을 포함하는 가스 공급 유닛과, 상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극 중 적어도 한쪽에 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 인가하는 플라즈마 생성용 고주파 전력 인가 유닛을 갖는 플라즈마 처리 장치를 이용하여, 처리 가스의 플라즈마에 의해 피처리 기판에 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 방법으로서,
    상기 가스 배관의 압력값에 기초하여 상기 전극판의 소모도를 구하고, 그때의 전극판의 소모에 의한 처리 레이트의 변동을 산출하여, 이 처리 레이트의 변동을 해소하도록 처리 조건을 조정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 처리 조건으로서, 상기 상부 전극의 온도를 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 처리 조건으로서, 상기 처리 가스의 유량을 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리는 플라즈마 에칭이며, 상기 처리 레이트는 에칭 레이트인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 플라즈마 에칭의 대상이 피처리 기판의 레지스트막인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  12. 컴퓨터상에서 동작하여, 플라즈마 처리 장치를 제어하기 위한 프로그램이 기억된 기억 매체로서, 상기 프로그램은, 실행시에 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항의 플라즈마 처리 방법이 행해지도록, 컴퓨터에 상기 플라즈마 처리 장치를 제어시키는 것을 특징으로 하는 기억 매체.
KR1020110134592A 2010-12-15 2011-12-14 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 KR101892960B1 (ko)

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