KR20120109389A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

기판에 대하여 플라즈마 처리를 행하는 장치에 대하여 더미 기판을 이용하지 않고 플라즈마에 의해 클리닝함에 있어서, 재치대 표면의 손상을 억제할 수 있는 기술을 제공하는 것이다. 플라즈마 에칭 처리 후에, 서셉터(3)의 표면을 노출한 상태에서 플라즈마 에칭 장치의 진공 용기(1)의 내부를 플라즈마(P)에 의해 클리닝하고 진공 용기(1)의 내부에 부착된 반응 생성물(A)을 제거한다. 이 때, 플라즈마(P)에 직류 전압을 인가한다. 이에 의해, 고밀도인 플라즈마(P)를 얻으면서 그 플라즈마(P)의 이온 에너지를 저감시킬 수 있기 때문에, 양호한 클리닝을 행하면서 서셉터(3)의 표면의 손상을 억제할 수 있다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명은, 플라즈마 처리 장치의 진공 용기 내를 플라즈마에 의해 클리닝 하는 기술에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 공정에서의 반도체 웨이퍼 표면에 대하여 행해지는 플라즈마 처리에서는, 처리의 횟수가 증가함에 따라 진공 용기의 내벽 또는 재치대(載置臺) 등에 부착되는 반응 생성물의 부착량이 증가한다. 부착량이 많아지면 처리 환경이 변하기 때문에, 웨이퍼 간에서의 처리의 균일성이 나빠지는 경우가 있고, 또한 파티클의 발생 요인이 된다. 이 때문에, 예를 들면 정기적으로 클리닝 가스를 플라즈마화시킨 플라즈마에 의해 진공 용기 내를 클리닝하는 것이 행해지고, 예를 들면 불화 탄소(CF)계의 가스를 플라즈마화시켜 플라즈마 에칭을 행하는 장치에 있어서는, 클리닝 가스로서 산소(O2) 가스를 이용하여 CF계의 반응 생성물을 애싱하도록 하고 있다. 이 경우, 재치대의 표면의 손상을 방지하기 위하여, 통상 재치대에 더미 웨이퍼를 재치한 다음 플라즈마에 의한 클리닝이 행해진다. 그러나, 이 방법에서는 진공 용기로의 더미 웨이퍼의 반입, 반출 단계가 필요하게 되므로 스루풋의 저하의 요인이 되고, 또한 더미 웨이퍼의 코스트가 높기 때문에 제조 코스트가 높아지는 불이익이 있다. 따라서, 더미 웨이퍼를 이용하지 않고 클리닝을 행하는 경우도 있지만, 재치대의 표면이 플라즈마에 노출되기 때문에 당해 표면이 거칠어지고, 이 거칠기의 정도가 커지면 재치대와 웨이퍼와의 열 전달 상태가 변하여, 웨이퍼의 프로세스 온도가 설정 온도로부터 벗어난다는 점에서, 결과적으로 정전 척의 교환 빈도가 많아진다.
특허 문헌 1에는, 플라즈마 에칭 시에 직류 전력을 중첩하는 것이 기재되어 있지만, 본 발명과 같이 플라즈마 에칭 장치 내부의 세정 공정에 적용하고 있는 것은 아니다. 특허 문헌 2에는, 기판 처리실의 세정 방법이 기재되어 있지만, 직류 전력의 중첩의 기재는 볼 수 없다.
특허 문헌 1 : 일본특허공개공보 2007 - 180358 호 특허 문헌 2 : 일본특허공개공보 2007 - 214512 호
본 발명은 이러한 배경 하에 이루어진 것이며, 그 목적은 기판에 대하여 플라즈마 처리를 행하는 장치에 대하여 더미 기판을 이용하지 않고 플라즈마에 의해 클리닝함에 있어서, 재치대 표면의 손상을 억제할 수 있는 기술을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치는,
진공 용기 내에 설치된 제 1 전극을 겸용하는 재치대(載置臺)에 기판을 재치하고, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 간에 고주파 전력을 인가하여 처리 가스를 플라즈마화하고, 얻어진 플라즈마에 의해 기판에 대하여 플라즈마 처리를 행하는 평행 평판형의 플라즈마 처리 장치에 있어서,
상기 플라즈마에 노출되는 영역에 설치된 직류 전압 인가용의 전극과,
상기 전극에 직류 전압을 인가하는 직류 전압 전원부와,
상기 진공 용기 내를 클리닝하기 위한 클리닝 가스를 공급하기 위한 클리닝 가스 공급부와,
상기 재치대에 기판이 존재하지 않은 상태에서 진공 용기 내로 클리닝 가스를 공급하는 단계와, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 간에 고주파 전력을 인가하여 클리닝 가스를 플라즈마화하는 단계와, 클리닝 가스를 플라즈마화하는 동안 상기 직류 전압 인가용의 전극에 직류 전압을 인가하는 단계를 실행하도록 제어 신호를 출력하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 플라즈마 처리 방법은,
진공 용기 내에 설치된 제 1 전극을 겸용하는 재치대에 기판을 재치하고, 상기 제 1 전극과 상기 제 1 전극에 대향하는 제 2 전극 간에 고주파 전력을 인가하여 처리 가스를 플라즈마화하고, 얻어진 플라즈마에 의해 기판에 대하여 플라즈마 처리를 행하는 공정과,
상기 재치대에 기판이 존재하지 않은 상태에서 진공 용기 내로 클리닝 가스를 공급하고, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 간에 고주파 전력을 인가하여 클리닝 가스를 플라즈마화하는 공정과,
상기 공정을 행하고 있을 시, 상기 플라즈마에 노출되는 영역에 설치된 직류 전압 인가용의 전극에 직류 전압을 인가하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 플라즈마 처리 장치의 진공 용기 내부에 부착된 반응 생성물을, 재치대에 기판이 존재하지 않은 상태에서 플라즈마에 의해 클리닝함에 있어서, 플라즈마에 직류 전압을 인가함으로써 플라즈마의 높은 전자 밀도를 유지하면서, 플라즈마의 이온 에너지를 저하시킬 수 있다. 이에 의해, 양호한 클리닝을 행할 수 있고, 또한 플라즈마에 의한 스퍼터 작용이 저하되므로 재치대 표면의 손상을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에서의 플라즈마 에칭 장치를 도시한 종단 측면도이다.
도 2는 상기 플라즈마 에칭 장치에서의 제어부를 도시한 블록도이다.
도 3은 상기 실시예에서의 에칭 처리 및 클리닝 처리의 공정을 설명하는 순서도이다.
도 4는 상기 실시예에서의 부착물의 클리닝 처리를 설명하는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 작용을 설명하는 모식도이다.
도 6은 본 발명에서의 다른 실시예를 도시한 모식도이다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 정전 척의 표면의 형상을 설명하는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 실험예에서의 시험 결과이다.
도 9는 본 발명의 실험예에서의 시험 결과이다.
도 10은 본 발명의 실험예에서의 시험 결과이다.
도 11은 본 발명의 실험예에서의 시험 결과이다.
도 12는 본 발명의 실험예에서의 시험 결과이다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 일실시예인 플라즈마 에칭 장치에 대하여, 도 1을 참조하여 설명한다. 에칭 장치는, 용량 결합형 평행 평판 플라즈마 에칭 장치로서 구성되어 있다.
진공 용기(1)의 저부(底部)에는 세라믹 등으로 이루어지는 절연층(21)을 개재하여 지지대(2)가 배치되고, 이 지지대(2) 상에는 예를 들면 알루미늄으로 이루어지고 하부 전극을 구성하는 서셉터(3)가 설치되어 있다. 서셉터(3)의 상부에는 주연부를 따라 단부(段部)(31)가 형성되어 있고, 서셉터(3)의 상부 중앙의 볼록부(32)에는 웨이퍼(W)를 정전력으로 흡착 보지(保持)하는 정전 척(33)이 설치되어 있고, 척 전극에는 직류 전원(34)이 스위치(35)를 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 하부 전극인 서셉터(3)에는 정합기(36)를 개재하여 플라즈마 생성용의 제 1 고주파 전원(37)이 전기적으로 접속되어 있고, 또한 정합기(38)를 개재하여 이온 인입용의 바이어스 전력을 공급하기 위한 제 2 고주파 전원(39)이 접속되어 있다.
정전 척(33)을 둘러싸도록 서셉터(3) 상부에 형성된 상기 단부(31) 상에는, 에칭의 균일성을 향상시키기 위한 포커스 링 등으로 불리고 있는 링 부재(22)가 배치되어 있다.
지지대(2)의 내부에는, 예를 들면 지지대(2)의 둘레 방향을 따라 냉매실(23)이 형성되어 있다. 이 냉매실(23)에는, 외부에 설치된 도시하지 않은 칠러 유닛으로부터 배관(24, 25)을 거쳐 소정 온도의 냉매 예를 들면 냉각수가 순환 공급되고, 냉매의 온도에 의해 서셉터(3) 상의 웨이퍼(W)의 처리 온도를 제어할 수 있다. 또한, 도시하지 않은 전열 가스 공급 기구로부터의 전열 가스 예를 들면 헬륨(He) 가스가 가스 공급 라인을 거쳐 정전 척(33)의 상면과 웨이퍼(W)의 이면 사이로 공급된다.
하부 전극인 서셉터(3)의 상방에는, 서셉터(3)와 대향하도록 가스 샤워 헤드를 겸용하는 상부 전극(4)이 설치되어 있고, 상부 전극(4) 및 하부 전극(서셉터)(3) 간의 공간이 플라즈마 생성 공간이 된다. 이 상부 전극(4)은, 본체부(41)와 전극판을 이루는 상부 천판(天板)(42)을 구비하고 있고, 절연성 차폐 부재(11)를 개재하여 진공 용기(1)의 상부에 지지되어 있다. 본체부(41)는 도전성 재료 예를 들면 표면이 양극 산화 처리된 알루미늄으로 이루어지고, 그 하부에 상기 상부 천판(42)을 착탈 가능하게 지지할 수 있도록 구성되어 있다.
본체부(41)의 내부에는 본체부(41)의 상부의 가스 도입구(43)에 연통하는 가스 확산실(44)이 형성되고, 이 가스 확산실(44)로부터는 예를 들면 다수의 가스 토출홀(45)이 균등하게 분산되도록 형성되어 있다. 가스 확산실(44)로 공급된 처리 가스는, 가스 토출홀(45)을 거쳐 처리 분위기로 샤워 형상으로 분산되어 공급된다.
본체부(41)의 상부의 가스 도입구(43)에는 가스 공급관(5)이 접속되고, 그 기단측(基端側)은 분기관(51, 61, 81)으로 분기되어 있다. 제 1 분기관(51)에는 처리 가스 공급원(52)이 제 1 가스 공급계(53)를 개재하여 접속되어 있다. 이 처리 가스로서는 탄소 원소(C) 및 불소 원소(F)가 유효 성분으로서 포함되는 가스, 예를 들면 CF계 가스 또는 CHF계의 가스 혹은 이들의 혼합 가스 등을 들 수 있다. CF계 가스에는 예를 들면 C4F8 가스, C4F6 가스 및 C5F8 가스 등이 있고, CHF계 가스로서는 예를 들면 CHF3 가스 및 CH2F2 가스 등을 들 수 있다. 제 2 분기관(61)에는 클리닝 가스 공급원(6)이 제 2 가스 공급계(62)를 개재하여 접속되어 있다. 클리닝 가스에는 예를 들면 산소(O2) 가스를 이용하여, 진공 용기(1) 내의 폴리머로 이루어지는 부착물을 O2 가스의 플라즈마에 의해 애싱하여 제거한다. 제 3 분기관(81)에는 아르곤(Ar) 가스 공급원(8)이 제 3 가스 공급계(82)를 개재하여 접속되어 있다. 이 Ar 가스는 플라즈마의 안정화를 위하여 클리닝 가스와 혼합하여 이용한다. 이들 가스 공급계(53, 62, 82)에는, 밸브(54, 55, 63, 64, 83, 84) 및 유량 조절부(56, 65, 85) 등이 포함되고, 후술하는 제어부(7)로부터의 제어 신호에 의해 가스의 급단(給斷), 유량 조정 등이 행해진다.
상기 상부 전극(4)에는 스위치(46)를 개재하여 가변 직류 전원(47)이 전기적으로 접속되어 있고, 이 가변 직류 전원(47)은 온, 오프 스위치(46)에 의해 급전의 온, 오프가 가능하게 되어 있다. 후술에서 증명되고 있는 바와 같이, 상부 전극(4)에 적절한 크기의 직류 전압을 인가함으로써, 플라즈마의 전자 밀도를 저하시키지 않고 플라즈마의 이온 에너지를 저감시킬 수 있다. 이 때문에, 더미 웨이퍼를 이용하지 않고 플라즈마 클리닝을 행할 경우에도, 플라즈마 이온에 의한 정전 척(33)의 표면의 손상을 억제하면서 진공 용기(1) 내의 부착물을 애싱하여 제거할 수 있다. 이 인가하는 직류 전압의 적절한 크기는 예를 들면 -200 V ~ -320 V, 보다 바람직하게는 -200 V ~ -300 V이다.
진공 용기(1)의 저부에는 배기 포트(12)가 설치되어 있고, 이 배기 포트(12)에는 배기관(13)에 의해 압력 조정부(14)를 개재하여 진공 배기 기구(15)가 접속되어 있다. 이에 의해, 진공 용기(1) 내를 원하는 진공압까지 감압 가능하게 되어 있다. 또한, 진공 용기(1)의 측벽에는 게이트 밸브(17)에 의해 개폐 가능한 웨이퍼(W)의 반입출구(16)가 형성되어 있다. 또한, 진공 용기(1)의 저부에서의 진공 용기(1)의 측벽과 지지대(2)의 사이에는 배플판(18)이 설치되어 있다.
본 플라즈마 에칭 장치에는 제어부(7)가 설치되어 있다. 이 제어부(7)는 도 2에 도시한 바와 같이, CPU(71)와 레시피 기억부(72)를 구비하고 있고, 이 레시피 기억부(72)에는 에칭 처리에서의 예를 들면 처리 조건의 운전 파라미터의 데이터 등으로 이루어지는 처리 레시피(73), 또는 진공 용기(1) 내의 클리닝 처리에서의 예를 들면 처리 조건의 운전 파라미터의 데이터 등으로 이루어지는 클리닝 레시피(74)가, 예를 들면 CD-ROM 또는 DVD-R 등의 기억 매체를 통하여 저장되어 있다. 제 1 고주파 전원(37), 제 2 고주파 전원(39), 가변 직류 전원(47), 온, 오프 스위치(46), 제 1 가스 공급계(53) 및 제 2 가스 공급계(62) 등은, 처리 레시피(73) 및 클리닝 레시피(74)에 기초하여 제어부(7)에 의해 제어된다. 75는 버스이다.
이어서, 본 실시예의 작용에 대하여 설명한다. 지금, 진공 용기(1) 내를 클리닝하고, 본 장치의 운용을 재개했다고 하면, 제어부(7)에서는 도 3의 단계 S1에서 처리 횟수를 ‘1’로 세트하고(n = 1로 하고), 에칭 처리를 개시한다(단계 S2). 우선 게이트 밸브(17)를 개방 상태로 하고, 진공 용기(1)의 외부에 설치된 도시하지 않은 반송 암에 의해 반입출구(16)를 거쳐 에칭 대상의 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 진공 용기(1) 내로 반입하고, 도시하지 않은 승강 핀을 개재하여 서셉터(3) 상에 재치하고, 정전 척(33)에 정전 흡착한다. 게이트 밸브(17)를 닫은 다음, 처리 가스 공급원(52)으로부터 탄소 및 불소를 포함하는 화합물의 가스를 포함하는 처리 가스를 소정의 유량으로 가스 샤워 헤드(상부 전극)(4)를 거쳐 진공 용기(1) 내로 공급하면서, 진공 용기(1) 내의 압력을 예를 들면 0.1 Pa ~ 150 Pa의 진공 분위기로 한다. 또한, 하부 전극인 서셉터(3)에 제 1 고주파 전원(37)으로부터 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 소정의 파워로 인가하고, 또한 제 2 고주파 전원(39)으로부터 이온 인입용의 고주파 전력을 소정의 파워로 인가한다. 이에 의해 처리 가스가 플라즈마화하고, 생성된 플라즈마 중의 라디칼 또는 이온에 의해 웨이퍼(W)의 피처리면이 에칭된다. 에칭 처리를 완료한 웨이퍼(W)는, 반입 동작과 반대의 동작으로 진공 용기(1)의 외부로 반출된다. 이어서, 후속의 웨이퍼(W)에 대하여 에칭 처리가 행해지고(단계 S3, S4, S2), 웨이퍼(W)의 처리 매수가 미리 설정된 설정 매수에 달하면, 진공 용기(1) 내부의 클리닝 처리를 행하는 공정(단계 S5)으로 이동한다.
클리닝 공정 개시 시점에서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 서셉터(3)의 표면이 플라즈마 처리 영역에 대하여 노출된 상태이며, 진공 용기(1)의 내벽, 링 부재(22) 등의 서셉터(3)에서의 웨이퍼(W)의 재치 영역 주변에는 에칭 처리에 의해 생성된 반응 생성물(A)이 부착되어 있다. 본 예에서는, 처리 가스로서는 CF계 또는 CHF계의 가스가 이용되고 있다는 점에서, 에칭에 의해 폴리머를 주성분으로 하는 반응 생성물(A)이 진공 용기(1) 내에 부착되어 있다. 이 상태에서, 즉 더미 웨이퍼를 서셉터(3) 상에 재치하지 않고 웨이퍼(W)의 재치 영역이 노출된 채로, 클리닝 가스 공급원(6)으로부터 클리닝 가스 예를 들면 O2 가스를 소정의 유량 예를 들면 700 sccm(standard cc/min.)으로 진공 용기(1) 내로 공급하고, 또한 Ar 가스 공급원(8)으로부터 Ar 가스를 소정의 유량 예를 들면 700 sccm으로 진공 용기(1) 내로 공급한다. 그리고, 진공 용기(1) 내의 압력을 예를 들면 400 mTorr으로 설정한 다음, 플라즈마 생성용의 40 MHz의 고주파 전력을 예를 들면 800 W로 인가한다. 그리고, 가변 직류 전원(47)으로부터 상부 전극(4)에 예를 들면 -200 V ~ -320 V의 직류 전압을 인가한다. 클리닝 가스(O2 가스)는 고주파 전력에 의해 플라즈마화하고, 진공 용기(1) 내에 부착된 부착물인 폴리머(A)는, 산소 라디칼 또는 이온에 의해 애싱(회화) 되어 진공 용기(1)의 밖으로 배출된다. 클리닝 처리는 예를 들면 1 분간 행해진다.
여기서, 플라즈마 클리닝의 처리 중에 발생하는 작용의 상세에 대하여, 직류 전압의 인가에 의한 효과를 포함하여 도 5를 이용하여 설명한다. 직류 전압을 상부 전극에 인가하지 않을 경우에는, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 고주파 전압(Vap)이 하부 전극에 인가됨으로써 플라즈마 포텐셜(Vp)의 플라즈마가 발생한다. 이 때의 플라즈마 포텐셜(Vp)과 고주파 전압(Vap)과의 차분 전압이 플라즈마 중의 이온 에너지가 된다.
상부 전극(4)에 직류 전압을 인가하여 플라즈마에 직류 전압을 가하면, 고주파 전압(Vap)의 진폭이 작아진다. 이는, 후술하는 실험예에서 고주파 전압(Vap)의 Vpp(상측 피크값과 하측 피크값과의 차분)의 측정 결과로부터 증명되어 있다. 또한, 직류 전압의 인가에 의해 서셉터(3) 및 링 부재(22) 등의 직류 전위(Vdc)가 낮아진다(부전압의 절대값이 커진다). 고주파 전압(Vap)의 진폭이 작아지면 플라즈마 포텐셜(Vp)도 저하되기 때문에, 결과적으로 이온 에너지의 최대값(Vm)이 작아진다.
한편, 이온 에너지는 플라즈마 중의 아르곤 이온 또는 산소 이온에 의한 물리적인 스퍼터 작용의 강도와 깊게 관계하고 있고, 특히 이 이온 에너지의 최대값(Vm), 즉 플라즈마 포텐셜(Vp) 및 고주파 전압(Vap)이 최소의 시점에서의 이온 에너지가 크면, 서셉터(3) 표면에 대한 스퍼터 작용이 커져 표면의 거칠기가 커진다. 이 표면 거칠기의 정도에 따라 웨이퍼(W)의 처리 상태는 좌우된다. 따라서, 플라즈마에 직류 전압을 가함으로써 이온 에너지의 최대값(Vm)이 저하된다는 점에서, 서셉터(3)에서의 웨이퍼(W)의 재치 영역의 표면 거칠기가 억제된 상태에서 진공 용기(1) 내의 클리닝이 달성된다. 또한, 플라즈마 생성용의 이온 에너지를 작게 하기 위한 것뿐이라면, 제 1 고주파 전원(37)의 파워를 작게 하면 되지만, 그러면 가스의 해리의 정도가 작아져 플라즈마 밀도(상세하게는 플라즈마의 활성종의 밀도)가 저하되어, 효과적인 클리닝을 행할 수 없다. 따라서 본 실시예의 클리닝 방법은, 충분한 플라즈마 밀도를 확보하면서 이온 에너지를 저하시켜, 과도한 스퍼터 작용을 억제하고 있다고 할 수 있다.
상술한 실시예에 의하면, 플라즈마 에칭 처리 후에 서셉터(3)의 표면을 노출한 상태에서 플라즈마(P)에 의해 진공 용기(1) 내부를 클리닝하고, 클리닝 시의 플라즈마(P)에 직류 전압을 인가하고 있다. 따라서, 고밀도인 플라즈마를 얻으면서 이온 에너지를 저감시킬 수 있고, 양호한 클리닝을 행하면서 서셉터(3)의 표면의 손상을 억제할 수 있다. 기술한 바와 같이, 서셉터(3)의 표면 거칠기의 정도에 따라 서셉터(3)와 웨이퍼(W) 간의 열 전달성이 변하는 점에서, 통상 웨이퍼리스 클리닝에서는 클리닝 횟수가 증가함에 따라 웨이퍼(W) 간의 처리의 균일성이 저하된다. 이를 회피하기 위하여, 정전 척(33)의 교환 등의 정기적인 메인터넌스가 필요하게 되지만, 서셉터(3)의 표면의 손상이 억제됨으로써, 메인터넌스 사이클을 길게 할 수 있는(메인터넌스의 빈도를 낮게 할 수 있는) 효과가 있다. 웨이퍼리스 클리닝은 더미 웨이퍼를 이용하지 않는다는 점에서 유리하지만, 서셉터(3)의 표면의 손상의 과제가 있다는 점에서 상술한 실시예는 유효한 기술이다.
상술한 실시예에서는, 직류 전압을 가스 샤워 헤드를 겸하는 상부 전극(4)에 인가하고 있었지만, 도 6에 도시한 바와 같이, 플라즈마 처리 영역의 측면을 향하도록 전극(9a)을 배치하고, 이 전극(9a)에 직류 전압을 인가해도 된다. 또한 도 6 중, 상술한 실시예와 동일한 기능을 하는 기구에 대해서는, 상술한 실시예에서의 부호에 ‘a’를 부여하여 그 설명을 생략했다. 또한 본 발명은, 상하 2 주파의 플라즈마 처리 장치(상부 전극에 플라즈마 발생용의 고주파 전력을 공급하고, 하부 전극에 바이어스용의 고주파 전력을 공급하는 장치)에서 상부 전극에 직류 전압을 인가해도 되고, 앞의 실시예와 동일한 하부 2 주파의 플라즈마 처리 장치에서 포커스 링으로 불리는 플라즈마 상태 조정용의 링 부재(22)에 직류 전압을 인가해도 된다.
상술한 실시예에서는, 클리닝 가스로서 O2 가스를 이용하고 있지만, 클리닝 가스는 제거 대상의 부착물의 조성에 따른 가스를 선택하면 된다. 예를 들면, 폴리 실리콘 박막을 에칭할 시의 가스로서 O2 가스가 포함될 경우, 에칭에 의해 생성되는 생성물인 산화 규소계 부착물에 대해서는 예를 들면 불소 가스를 이용해도 된다. 또한 클리닝 가스는, 예를 들면 다른 종류의 클리닝 가스와 혼합하여 이용해도 된다.
상술한 실시예에서는, 플라즈마 에칭 처리 후의 클리닝을 대상으로 하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들면 CVD(Chemical Vapor Deposition) 처리 후에, 진공 용기 내에 부착된 박막에 대하여 예를 들면 CF계의 클리닝 가스 혹은 불소 가스를 플라즈마화하여 클리닝을 행하는 경우에 적용해도 된다.
[실험예]
여기부터는, 본 발명에 관하여 행한 실험에 대하여 기술한다.
(실험 1 : 정전 척 표면의 손상 시험)
정전 척(33b)의 표면에는, 도 7에 도시한 바와 같이, 무수한 미소한 원기둥 형상의 섬 형상(島像) 부분(91b)이 표면 전체에 걸쳐 형성되어 있고, 웨이퍼(W) 재치 시에는 이 섬 형상 부분(91b)의 평평한 상면에서 웨이퍼(W)와 접촉한다. 이 때문에, 플라즈마 클리닝의 전후에 섬 형상 부분(91b)의 형상이 변하지 않는 것이 중요하다. 더미 웨이퍼를 이용하지 않고 플라즈마 클리닝을 행하면, 이 섬 형상 부분(91b)의 형상이 변화하고, 웨이퍼(W)와의 접촉 면적도 감소하는 것이 염려된다. 웨이퍼(W)와 섬 형상 부분(91b)의 접촉 면적이 감소하면, 웨이퍼(W)와 서셉터 간의 열 전달의 거동이 변하여, 반도체 디바이스의 품질을 일정하게 유지하는 것이 어려워진다. 따라서, 소정의 일정한 처리 조건 하에, 더미 웨이퍼를 이용하지 않고 정전 척(33b)의 표면을 처리 영역에 노출한 상태에서 플라즈마 클리닝 처리를 행하고, 직류 전압의 인가의 유무에 따른 섬 형상 부분(91b)의 형상 변화에 대하여 조사했다. 플라즈마 처리 전의 검체(檢體)를 참고예 1로 하고, 직류 전압을 인가하여 플라즈마 처리를 행할 경우 및 직류 전압을 인가하지 않을 경우의 검체를 각각 실험예 1 및 비교예 1로 했다. 처리 조건은 이하와 같다.
? 진공 용기 내의 압력 : 53.3 Pa(400 mTorr)
? 제 1 고주파 전력 : 800 W
? 클리닝 가스의 종류 및 유량 : O2 가스, 700 sccm
? 플라즈마 처리 시간 : 50 시간
? 인가 직류 전압 : 0 V(비교예 1), -300 V(실험예 1)
플라즈마 처리 후에, 웨이퍼(W)의 중앙부 및 주연부 각각에서의 섬 형상 부분(91b)의 상면의 손상 상태를 주사형 전자 현미경(SEM；Scanning Electron Microscope)에 의해 관찰하고, 또한 웨이퍼(W)의 중앙부 및 주연부 각각에서의 섬 형상 부분(91b)의 상면의 표면 거칠기(산술 평균 거칠기(Ra)) 및 섬 형상 부분(91b)의 상면의 직경을 측정하여 플라즈마 처리 전의 값과 비교했다. 이 시험 결과 중 섬 형상 부분(91b)의 상면의 표면 거칠기 및 직경에 대하여 표 1에 나타낸다. 또한 표 1에는, 플라즈마 처리 전과의 차분의 값을 기재하고 있다.
실험예 1은, 섬 형상 부분(91b)의 표면 거칠기 및 직경 모두 참고예 1과 대략 동등하지만, 비교예 1은, 실험예 1보다 표면 거칠기가 증가하고 직경은 감소되어 있었다. 이 점으로부터, 더미 웨이퍼를 이용하지 않는 플라즈마 클리닝 처리에서, 직류 전압을 인가함으로써 정전 척(33b)의 표면의 손상을 경감할 수 있는 것이 확인되었다.
(실험 2 : 플라즈마의 스퍼터 작용에 의한 침식 시험)
인가 직류 전압의 크기에 따라 플라즈마에 의한 스퍼터 작용의 강도가 어떻게 변화하는지를 정량하기 위하여, 내부가 청정한 진공 용기에 폴리 실리콘의 칩을 재치하여 플라즈마 처리를 행하고, 이 폴리 실리콘 칩의 두께, 표면 거칠기(Ra) 및 SEM에 따른 표면의 관찰을 행했다. 처리 조건은 이하와 같다.
? 진공 용기 내의 압력 : 53.3 Pa(400 mTorr)
? 제 1 고주파 전력 : 800 W
? 클리닝 가스의 종류 및 유량 : O2 가스, 700 sccm
? 플라즈마 처리 시간 : 5 시간
? 인가 직류 전압 : 0 V(비교예 2), -300 V(실험예 2)
본 실험의 파라미터인 인가 직류 전압의 크기는 0 V 및 -300 V로 하여, 그 검체를 각각 비교예 2, 실험예 2로 하고, 처리 전의 검체를 참고예 2로 했다. 그 결과를 도 8에 나타낸다.
우선 비교예 2에 대해서는, 참고예 2와 비교하여 표면 거칠기가 감소하고 SEM 관찰에서도 표면이 매끄럽게 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 칩의 두께도 감소되어 있다. 이는, 플라즈마의 스퍼터 작용에 의한 것이라고 상정된다. 실험예 2에서는, 칩의 두께, 표면 거칠기 및 SEM 관찰 모두에서 참고예 2와 대략 동등한 결과였다. 따라서, 플라즈마에 직류 전압을 가함으로써 플라즈마에 의한 스퍼터 작용을 경감할 수 있는 것이 확인되었다.
(실험 3 : 플라즈마의 스퍼터 작용에 의한 침식 시험)
인가 직류 전압의 유무에 따라 플라즈마에 의한 스퍼터 작용의 힘의 강도(이하, 스퍼터력이라고 함)가 어떻게 변화하는지를 정량하기 위하여, 열산화(Th-SiO2)막이 형성된 웨이퍼에 대하여 플라즈마 처리를 행하고, 웨이퍼의 직경 방향 위치에서의 스퍼터 레이트를 측정했다. 처리 조건은 이하와 같다.
? 진공 용기 내의 압력 : 53.3 Pa(400 mTorr)
? 제 1 고주파 전력 : 800 W
? 클리닝 가스의 종류 및 유량 : 아르곤(Ar) 가스, 700 sccm
? 플라즈마 처리 시간 : 1 분간
? 인가 직류 전압 : 0 V(비교예 3), -300 V(실험예 3)
-300 V의 직류 전압을 인가한 검체를 실험예 3으로 하고, 인가하지 않은 것을 비교예 3으로 했다. 그 결과를 도 9에 나타낸다.
비교예 3에서는, 웨이퍼의 중앙부로부터 주연부까지 대략 균일하게 0.2 nm/min ~ 0.3 nm/min의 스퍼터 레이트였다. 한편 실험예 3에서는, 웨이퍼의 어느 위치에서도 전혀 스퍼터되지 않았다. 이 점으로부터, 직류 전압을 인가함으로써 플라즈마에 의한 스퍼터 작용을 억제할 수 있는 것이 확인되었다.
(실험 4 : 인가 직류 전압과 Vpp와의 관계)
기술한 바와 같이, 플라즈마의 스퍼터력은 플라즈마의 이온 에너지의 최대값(Vm)의 크기와 큰 관계가 있는데, 이 이온 에너지의 최대값(Vm)은 고주파 전압(Vap)의 Vpp(상측 피크값과 하측 피크값과의 차분)와 깊게 관계하고 있다. 따라서, 이 Vpp를 측정함으로써 플라즈마의 스퍼터력을 추측할 수 있다. 이 실험 4에서는, 인가하는 직류 전압의 크기를 바꾸어 그 때의 Vpp를 측정하여, 스퍼터력을 낮게 억제하는 것이 가능한 적절한 인가 직류 전압의 크기를 조사했다. 운전 조건은 이하와 같다.
? 진공 용기 내의 압력 : 53.3 Pa(400 mTorr)
? 제 1 고주파 전력 : 800 W
? 클리닝 가스의 종류 및 유량 : O2 가스, 700 sccm
? 인가 직류 전압 : 0 V, -300 V
이 결과를 도 10에 나타낸다.
-300 V의 인가 직류 전압을 인가함으로써 Vpp가 저하되었다. 이 점으로부터, 직류 전압을 인가함으로써 플라즈마에 의한 스퍼터력을 경감할 수 있는 것이 시사되었다.
(실험 5 : 인가 직류 전압과 이온 에너지와의 관계)
이온 에너지의 최대값(Vm)은 플라즈마 포텐셜(Vp)과 깊게 관계하고 있다. 따라서, 이 플라즈마 포텐셜(Vp)을 측정함으로써 플라즈마의 스퍼터력을 추측할 수 있다. 이 실험 5에서는, 인가하는 직류 전압의 크기를 바꾸어 그 때의 플라즈마 포텐셜(Vp)을 측정하여, 스퍼터력을 낮게 억제하는 것이 가능한 적절한 인가 직류 전압의 크기를 조사했다. 운전 조건은 이하와 같다.
? 진공 용기 내의 압력 : 53.3 Pa(400 mTorr)
? 제 1 고주파 전력 : 800 W
? 클리닝 가스 중의 이온의 종류 : Ar＋ 이온, CF＋ 이온, CF3 ＋ 이온
? 인가 직류 전압 : 0 V, -300 V
이 결과를 도 11에 나타낸다.
모든 가스 종류에서 -300 V의 직류 전압을 인가함으로써 플라즈마 포텐셜(Vp)이 저하되었다. 이 점으로부터, 다양한 종류의 플라즈마 가스에서, 직류 전압의 인가에 의해 이온 에너지가 저하되는 것이 시사되었다.
(실험 6 : 인가 직류 전압과 애시 레이트 및 메모리 효과와의 관계)
인가 직류 전압의 크기를 변경하여 플라즈마 처리에서의 애시 레이트 및 메모리 효과를 측정했다. 메모리 효과에 대해서는, 진공 용기 내에 통상의 에칭 처리에서는 발생할 수 없을 정도로 대량의 CF계 부착물을 사전에 생성, 부착시킨 다음, 플라즈마 처리를 행하여 조사했다. 애시 레이트 및 메모리 효과 모두 웨이퍼의 주연부에서 측정했다. 처리 조건은 이하와 같다.
? 진공 용기 내의 압력 : 53.3 Pa(400 mTorr)
? 제 1 고주파 전력 : 800 W
? 클리닝 가스의 종류 및 유량 : O2 가스, 700 sccm
? 플라즈마 처리 시간 : 1 분간
? 인가 직류 전압 : 0 V, -150 V, -300 V
그 결과를 도 12에 나타낸다.
애시 레이트에 대해서는, 인가 직류 전압이 0 V부터 -150 V에 걸쳐서는 변동이 적었지만, -300 V에서는 애시 레이트는 증가했다. 한편 메모리 효과에 대해서는, 0 V에서 -300 V에 걸쳐서는 계속 감소했다. 이 점으로부터, 직류 전압을 있는 것이 확인되었다.
중앙부 주연부
△Ra
(μm)		 △(직경)
(μm)		 △Ra
(μm)		 △(직경)
(μm)
실험예 1(DC 인가) 0.02 ±0 0.07 ±0
비교예 1(DC 없음) 0.06 -0.41 0.12 -0.41
W : 웨이퍼
1 : 진공 용기
3 : 서셉터(하부 전극)
37 : 제 1 고주파 전원
39 : 제 2 고주파 전원
4 : 가스 샤워 헤드(상부 전극)
46 : 온, 오프 스위치
47 : 가변 직류 전원
53 : 제 1 가스 공급계
62 : 제 2 가스 공급계
7 : 제어부
82 : 제 3 가스 공급계

Claims (4)

  1. 진공 용기 내에 설치된 제 1 전극을 겸용하는 재치대에 기판을 재치하고, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 간에 고주파 전력을 인가하여 처리 가스를 플라즈마화하고, 얻어진 플라즈마에 의해 기판에 대하여 플라즈마 처리를 행하는 평행 평판형의 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 플라즈마에 노출되는 영역에 설치된 직류 전압 인가용의 전극과,
    상기 전극에 직류 전압을 인가하는 직류 전압 전원부와,
    상기 진공 용기 내를 클리닝하기 위한 클리닝 가스를 공급하기 위한 클리닝 가스 공급부와,
    상기 재치대에 기판이 존재하지 않은 상태에서 진공 용기 내로 클리닝 가스를 공급하는 단계와, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 간에 고주파 전력을 인가하여 클리닝 가스를 플라즈마화하는 단계와, 클리닝 가스를 플라즈마화하는 동안 상기 직류 전압 인가용의 전극에 직류 전압을 인가하는 단계를 실행하도록 제어 신호를 출력하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리는 CF계의 가스를 이용하여 기판을 에칭하는 처리이며, 상기 클리닝 가스는 산소 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 직류 전압 인가용의 전극에 인가하는 직류 전압은 -200 V ~ -320 V인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 진공 용기 내에 설치된 제 1 전극을 겸용하는 재치대에 기판을 재치하고, 상기 제 1 전극과 상기 제 1 전극에 대향하는 제 2 전극 간에 고주파 전력을 인가하여 처리 가스를 플라즈마화하고, 얻어진 플라즈마에 의해 기판에 대하여 플라즈마 처리를 행하는 공정과,
    상기 재치대에 기판이 존재하지 않은 상태에서 진공 용기 내로 클리닝 가스를 공급하고, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 간에 고주파 전력을 인가하여 클리닝 가스를 플라즈마화하는 공정과,
    상기 공정을 행하고 있을 시, 상기 플라즈마에 노출되는 영역에 설치된 직류 전압 인가용의 전극에 직류 전압을 인가하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
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