KR20130085387A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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아키히로 요시무라
히로시 즈지모토
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

상하 방향으로 이동 가능하게 구성된 상부 전극 근방의 고주파 전송로 상에서 파티클의 발생을 유발하지 않고 원하지 않는 공진 현상의 발생을 효과적으로 방지한다. 이 캐소드 커플링 방식의 용량 결합형 플라즈마 처리 장치에서, 챔버(10)의 상부에는, 상하 방향으로 가동하게 구성된 상부 전극(44)이 서셉터(하부 전극)(14)와 평행하게 마주하여 동축에 설치된다. 이 상부 전극(44)은, 서셉터(14)와 대향하는 전극 본체(46)와, 챔버(10)의 천장벽(윗덮개)(10b)과 대향하는 도전성의 배판(48)과, 전극 본체(46)와 배판(48) 사이에 공극(50)이 형성되도록 전극 본체(46)의 주변부와 배판(48)의 주변부를 결합하는 링 형상의 유전체(52)를 가지고 있다. 상부 전극(44)의 배판(48)은, 물리적으로도 전기적으로 벨로우즈(72)를 개재하여 접지 전위 부재인 챔버(10)에 접속되어 있다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 캐소드 커플링 방식의 용량 결합형 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 특히 상하 이동 가능한 상부 전극에 관한 것이다.
일반적으로 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치는, 진공 챔버로서 구성되는 처리 용기 내에 상부 전극과 하부 전극을 평행하게 배치하고, 하부 전극 상에 피처리 기판(반도체 웨이퍼, 글라스 기판 등)을 재치(載置)하고, 양 전극 중 어느 일방에 고주파 전력을 인가한다. 이 고주파 전력에 의해 양 전극 간에 형성되는 전계에 의해 전자가 가속되고, 전자와 처리 가스의 충돌 전리에 의해 플라즈마가 발생하고, 플라즈마 중의 라디칼 또는 이온에 의해 기판 표면에 원하는 처리 또는 가공이 실시된다. 여기서, 상부 전극과 하부 전극 간의 거리(이하, ‘전극 간 갭’이라고 함)는, 압력 등의 다른 프로세스 조건과도 관련하여, 고주파 전력의 인가 효율 또는 안정성, 플라즈마 밀도 분포 등을 좌우한다. 따라서, 플라즈마 프로세스의 특성 또는 결과를 좌우하는 하드웨어 상의 중요한 프로세스 조건이 되고 있다.
최근, 이러한 캐소드 커플링 방식의 용량 결합형 플라즈마 처리 장치에서는, 전극 간 갭을 조정 가능하게 하기 위하여, 기판을 재치하는 캐소드측의 하부 전극을 고정 설치하여, 대향 전극인 상부 전극을 상하 방향으로 이동할 수 있도록 한 장치 구성이 주목되고 있다(특허 문헌 1). 이러한 상부 전극 가동형의 플라즈마 처리 장치는, 챔버(처리 용기)의 감압 공간 내에서 상부 전극을 챔버의 측벽으로부터 약간 간격을 두고 상하 방향으로 이동 가능하게 지지하는 상부 전극 지지 기구를 가지고, 또한 하부 전극측에서 봤을 때 상부 전극의 이면측 영역과 챔버 천장벽을 기밀하게 접속하는 신축 가능한 벨로우즈를 구비한다. 벨로우즈는 강도 및 내구성이 높은 금속, 예를 들면 스테인리스 스틸로 이루어지므로, 상부 전극은 전기적으로도 벨로우즈를 개재하여 챔버에 접속되고, 접지된다. 상부 전극 가동형에서도, 상부 전극은, 양 전극 간의 플라즈마 생성 공간 또는 처리 공간으로 처리 가스를 공급하기 위한 다수의 가스 분사홀을 가지는 샤워 헤드로서 구성되는 것이 일반적이다.
소정의 압력으로 감압된 챔버 내에서 샤워 헤드(상부 전극)로부터 처리 가스가 공급되고, 고주파 전원으로부터 플라즈마 생성에 적합한 주파수의 고주파 전력이 하부 전극에 인가되면, 하부 전극과 상부 전극 사이의 고주파 방전에 의해 처리 가스의 플라즈마가 생성된다. 생성된 플라즈마는 처리 공간으로 확산되고, 고주파 전력은 상부 전극을 통하여 접지 전위의 챔버에 흐른다. 이 때, 처리 공간으로부터 상부 전극을 개재하여 접지 전위의 챔버에 이르기까지의 고주파 전송로(이하, ‘상부 전극 근방 고주파 전송로’라고 함) 상에서 전기적인 공진 현상이 일어나는 경우가 있다. 이러한 공진 현상의 발생은 플라즈마의 안정적인 발생을 방해하게 되므로, 바람직하지 않다.
상부 전극 근방의 고주파 전송로에는 복수의 경로가 있다. 특히, 처리 공간으로부터 상부 전극 및 벨로우즈를 개재하여 접지 전위의 챔버에 이르기까지의 고주파 전송로(이하, ‘상부 전극 이면측 고주파 전송로’라고 함) 상에서의 공진 현상은, 플라즈마 공간에 가해진 고주파 전력의 손실 및 벨로우즈의 소실뿐 아니라, 하부 전극측에서 봤을 때 상부 전극의 이면측 영역과 챔버 천장벽 사이의 감압 공간(천장 공간)에서의 이상 방전도 유발되므로, 적극적인 공진 현상의 억제가 필요해진다.
이를 위해서는, 상부 전극 근방 고주파 전송로에서의 고유의 공진 주파수가 플라즈마 생성 시에 인가하는 고주파 전력의 주파수와 중첩되지 않도록 할 필요가 있다. 그런데, 상부 전극 가동형에서는, 전극 간 갭이 최적인 프로세스 조건이 되도록 조정되기 때문에, 벨로우즈의 신축에 수반하는 상부 전극 이면측 고주파 전송로의 인덕턴스 성분의 변동이 발생한다. 따라서, 프로세스 조건에 의해, 상부 전극 근방 고주파 전송로의 주파수 - 임피던스 특성도 변화한다. 즉, 고주파 전송로 고유의 공진 주파수가 변화하게 된다.
보다 구체적으로, 전극 간 갭을 작게 할수록 벨로우즈가 길게 연장되어, 그 인덕턴스는 커지므로, 고유 공진 주파수는 낮아진다. 반대로, 전극 간 갭을 크게 할수록, 벨로우즈는 짧게 수축하여, 그 인덕턴스가 작아지므로, 고유 공진 주파수는 높아진다. 예를 들면, 상부 전극의 이동 범위(즉, 벨로우즈의 신축 범위)가 70 mm일 경우, 전극 간 갭을 최소값으로부터 최대값까지 연속적으로 변화시키면, 고유 직렬 공진 주파수는 40 MHz약으로부터 60 MHz강까지 연속적으로 변화한다(특허 문헌 1의 도 4). 따라서, 플라즈마 생성용의 고주파에 40 MHz ~ 60 MHz의 주파수를 이용할 경우는, 전극 간 갭의 조정에 의해, 상부 전극 근방 고주파 전송로의 고유 직렬 공진 주파수가 상기 플라즈마 생성용 고주파의 주파수와 중첩될 때, 직렬 공진이 발생한다.
상기 특허 문헌 1의 방법은, 이 문제에 대처하기 위하여, 상부 전극과 챔버 천장벽 사이의 감압 공간(천장 공간) 내에 도전성의 바이패스 부재를 구비한다. 이 바이패스 부재는, 전형적으로는 사각형 형상의 알루미늄 박판을 절곡(折曲)하여 신축 가능하게 구성되고, 벨로우즈와 병렬로 상부 전극과 챔버 천장벽을 접속한다. 이 바이패스 부재를 구비함으로써, 상부 전극 근방 고주파 전송로 상의 주파수 - 임피던스 특성의 공진점을 보다 높은 주파수 영역측, 예를 들면 70 MHz 이상으로 할 수 있다(특허 문헌 1의 도 6). 따라서, 전극 간 갭을 최소값으로부터 최대값까지 변화시킬 때, 40 MHz ~ 60 MHz의 플라즈마 생성용 고주파를 이용하여 전극 간 갭을 임의로 조정한다 하더라도, 상부 전극 근방 고주파 전송로 상의 고유 직렬 공진 주파수와 중첩되지 않으므로, 플라즈마의 안정성을 저해하는 공진 현상은 발생하지 않는다.
일본특허공개공보 2011-204764호
그러나, 상기한 바와 같은 바이패스 부재는, 그 물리적 구조와 신축 기능으로부터 파티클 발생원이 될 우려가 있다. 천장 공간에서 바이패스 부재로부터 발생한 파티클은, 상부 전극과 챔버 측벽 간의 간극을 통하여 처리 공간으로 유입되고, 이상 방전을 발생시키는 등 플라즈마 프로세스에 바람직하지 않은 영향을 미친다. 또한, 바이패스 부재를 이용해도, 상부 전극 근방 고주파 전송로 상의 주파수 - 임피던스 특성의 공진점을 보다 높은 주파수 영역측으로 이동시키는 것에는 한계가 있어, 공진 방지 대책으로서도 완전한 것은 아니다.
왜냐하면, 플라즈마는 대개 비선형인 부하이기 때문에, 용량 결합형 플라즈마 처리 장치의 챔버 내에서는, 기본파의 정수배의 주파수를 가지는 고조파, 또는 기본파끼리 혹은 기본파와 고조파의 합 또는 차의 주파수를 가지는 IMD(혼변조 왜곡)가 불가피하게 발생한다. 이들 고조파 또는 IMD 중에서 가장 영향력이 있는, 즉 큰 고주파 전력을 가지는 것은 2 차 고조파이다. 이 때문에, 예를 들면 40 MHz의 플라즈마 생성용 고주파를 이용할 경우에는, 40 MHz의 기본파에서의 공진뿐 아니라 80 MHz의 2 차 고조파에서의 공진 현상의 발생도 방지할 필요가 있다. 따라서, 상기한 바와 같이 바이패스 부재를 구비함으로써 직렬 공진 주파수의 변동 범위를 70 MHz보다 높은 주파수가 되도록 한 경우에도, 전극 간 갭의 조정에 의해 상부 전극 근방 고주파 전송로의 직렬 공진 주파수가 2 차 고조파의 주파수(80 MHz)와 중첩될 때에는, 직렬 공진이 발생하게 된다. 2 차 고조파에 의해 직렬 공진이 일어나면, 기본파에서 직렬 공진이 발생할 경우와 마찬가지로 전력 손실 또는 부품 소실의 문제가 발생할 뿐 아니라, 플라즈마 프로세스에도 영향이 있다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제를 해결하는 것이며, 대향 전극인 상부 전극을 상하 방향으로 이동 가능하게 구성하는 캐소드 커플링 방식에서 상부 전극 근방 고주파 전송로 상에서 파티클의 발생을 유발하지 않고 원하지 않는 공진 현상의 발생을 효과적으로 방지할 수 있는 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 상부 전극 근방 고주파 전송로 상의 주파수 - 임피던스 특성의 공진점을 보다 높은 주파수 영역측으로 이동시키는 기능을 향상시키는 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
본 발명의 제 1 관점에서의 플라즈마 처리 장치는, 피처리 기판을 출입 가능하게 수용하는 진공 배기 가능한 통 형상의 처리 용기 내에 서로 대향하여 설치된 상부 전극 및 하부 전극 사이의 처리 공간에서 처리 가스의 고주파 방전에 의한 플라즈마를 생성하고, 상기 플라즈마 하에서 상기 하부 전극 상에 보지(保持)되는 상기 기판에 원하는 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 상부 전극을 상기 처리 용기의 측벽으로부터 간격을 두고 상하 방향으로 이동 가능하게 지지하는 상부 전극 지지 기구와, 상기 하부 전극측에서 봤을 때 상기 상부 전극의 이면측에서 상기 상부 전극과 상기 처리 용기의 천장벽을 접속하는 신축 가능한 도전성의 격벽을 구비하고, 상기 상부 전극이, 상기 하부 전극과 대향하는 전극 본체와, 상기 처리 용기의 천장벽과 대향하는 도전성의 배판(背板)과, 상기 전극 본체와 상기 배판 사이에 공극이 형성되도록 상기 전극 본체의 주변부와 상기 배판의 주변부를 결합하는 링 형상의 유전체를 가진다.
상기한 장치 구성에 있어서는, 전극 간 갭을 조정하기 위하여 상부 전극의 높이 위치를 변경하면, 도전성 격벽이 신축하여 그 인덕턴스가 변화하고, 나아가서는 상부 전극 근방 고주파 전송로 상의 고유 공진 주파수가 변화한다. 특히, 처리 공간으로부터 상부 전극 및 도전성 격벽을 개재하여 접지 전위의 처리 용기에 이르기까지의 고주파 전송로(상부 전극 이면측 고주파 전송로) 상의 직렬 공진 주파수가 변화한다.
한편 상기한 장치 구성에 있어서는, 상부 전극의 전극 본체와 배판 사이에 콘덴서가 형성되고, 그 커패시턴스는 공극의 유전율, 면적 및 두께에 의해 정해진다. 따라서, 상부 전극 이면측 고주파 전송로 상에 커패시턴스가 매우 낮은 콘덴서를 삽입함으로써, 이에 의해 전극 간 갭 조정에 수반하여 상부 전극 이면측 고주파 전송로 상의 직렬 공진 주파수의 변동하는 범위를 높은 주파수 영역측으로 크게 이동시키는 것이 가능해지고, 사용하는 고주파의 주파수보다, 또한 그 2 차 고조파의 주파수보다 높은 주파수 영역으로 용이하게 이동시킬 수 있다.
본 발명의 제 2 관점에서의 플라즈마 처리 장치는, 피처리 기판을 출입 가능하게 수용하는 진공 배기 가능한 통 형상의 처리 용기 내에 서로 대향하여 설치된 상부 전극 및 하부 전극 사이의 처리 공간에서 처리 가스의 고주파 방전에 의한 플라즈마를 생성하고, 상기 플라즈마 하에서 상기 하부 전극 상에 보지되는 상기 기판에 원하는 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 상부 전극을 상기 처리 용기의 측벽으로부터 간격을 두고 상하 방향으로 이동 가능하게 지지하는 상부 전극 지지 기구와, 상기 하부 전극측에서 봤을 때 상기 상부 전극의 이면측에서 상기 상부 전극과 상기 처리 용기의 천장벽을 접속하는 신축 가능한 도전성의 격벽을 구비하고, 상기 상부 전극이, 상기 하부 전극과 대향하는 전극 본체와, 상기 처리 용기의 천장벽과 대향하는 도전성의 배판과, 상기 전극 본체와 상기 배판 사이에 샌드위치하여 개재하는 유전체를 가진다.
상기한 장치 구성에 있어서는, 전극 간 갭을 조정하기 위하여 상부 전극의 높이 위치를 변경하면, 도전성 격벽이 신축하여 그 인덕턴스가 변화하고, 나아가서는 상부 전극 근방 고주파 전송로 상의 고유 공진 주파수가 변화한다. 특히, 처리 공간으로부터 상부 전극 및 도전성 격벽을 개재하여 접지 전위의 처리 용기에 이르기까지의 고주파 전송로(상부 전극 이면측 고주파 전송로) 상의 직렬 공진 주파수가 변화한다.
한편 상기한 장치 구성에 있어서는, 상부 전극의 전극 본체와 배판 사이에 콘덴서가 형성되고, 그 커패시턴스는 유전체의 유전율, 면적 및 두께에 의해 정해진다. 따라서, 상부 전극 이면측 고주파 전송로 상에 커패시턴스가 낮은 콘덴서를 삽입하게 되어, 이에 의해 전극 간 갭 조정에 수반하여 상부 전극 이면측 고주파 전송로 상의 직렬 공진 주파수의 변동하는 범위를 높은 주파수 영역측으로 이동시키는 것이 가능해지고, 적어도 사용하는 고주파의 주파수보다 높은 주파수 영역으로 이동시킬 수 있다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치에 의하면, 상기한 바와 같은 구성을 가짐으로써, 대향 전극인 상부 전극을 상하 방향으로 이동 가능하게 구성하는 캐소드 커플링 방식에서 상부 전극 근방 고주파 전송로 상에서 파티클의 발생을 유발하지 않고 원하지 않는 공진 현상의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 상부 전극 근방 고주파 전송로 상의 주파수 - 임피던스 특성의 공진점을 보다 높은 주파수 영역측으로 이동시키는 기능을 향상시킬 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2는 상기 플라즈마 처리 장치에서의 상부 전극 근방의 주요한 구성을 도시한 부분 확대 단면도이다.
도 3은 상기 플라즈마 처리 장치에서의 상부 전극 근방 고주파 전송로의 등가 회로를 도시한 회로도이다.
도 4는 비교예에서의 상부 전극 근방의 구성을 도시한 부분 확대 단면도이다.
도 5는 비교예에서의 상부 전극 근방 고주파 전송로의 등가 회로를 도시한 회로도이다.
도 6은 비교예에서의 상부 전극 근방 고주파 전송로의 주파수 - 임피던스 특성을 나타낸 도이다.
도 7은 실험예에서의 상부 전극 근방 고주파 전송로의 주파수 - 임피던스 특성(일부 추정값)을 나타낸 도이다.
도 8은 제 2 실시예에서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한 단면도이다.
도 9는 상부 전극 근방의 구성에 관한 일변형예를 도시한 부분 확대 단면도이다.
도 10은 상부 전극 근방의 구성에 관한 다른 변형예를 도시한 부분 확대 단면도이다.
도 11은 상부 전극 근방의 구성에 관한 다른 변형예를 도시한 부분 확대 단면도이다.
이하에, 첨부도를 참조하여 본 발명의 적합한 실시예를 설명한다.
<실시예 1>
도 1에, 본 발명의 일실시예에서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한다. 이 플라즈마 처리 장치는, 캐소드 커플링 방식의 용량 결합형(평행 평판형) 플라즈마 에칭 장치로서 구성되어 있고, 예를 들면 표면이 알루마이트 처리(양극 산화 처리)된 알루미늄으로 이루어지는 통 형상의 진공 챔버(처리 용기)(10)를 가지고 있다. 챔버(10)는 원통 형상의 측벽(10a)과, 이 측벽(10a)의 상단을 기밀하게 덮는 원판 형상의 윗덮개(10b)와, 이 측벽(10a)의 하단에 접속된 저벽(底壁)(도시하지 않음)을 가지고 있고, 접지되어 있다.
챔버(10)의 저부(底部) 중앙에는 챔버(10)로부터 전기적으로 절연된 서셉터 지지대(12)가 설치되고, 이 서셉터 지지대(12) 상에 예를 들면 알루미늄으로 이루어지는 두꺼운 원판 형상의 서셉터(14)가 챔버(10)와 동축으로 고정 배치되어 있다. 서셉터(14)는 하부 전극을 구성하고, 이 위에 피처리 기판으로서 예를 들면 반도체 웨이퍼(W)가 재치된다.
서셉터(14)의 상면에는 반도체 웨이퍼(W)를 보지하기 위한 정전 척(16)이 장착되어 있다. 이 정전 척(16)은 도전막으로 이루어지는 전극(18)을 한 쌍의 절연층 또는 절연 시트의 사이에 개재한 것이며, 전극(18)에는 스위치(20)를 개재하여 직류 전원(22)이 전기적으로 접속되어 있다. 직류 전원(22)으로부터의 직류 전압에 의해, 반도체 웨이퍼(W)를 정전 흡착력으로 정전 척(16)에 보지할 수 있도록 되어 있다. 도시는 생략하지만, 서셉터 지지대(12)를 냉매 예를 들면 냉각수에 의해 일정 온도로 냉각하고, 가스 공급 라인을 거쳐 전열 가스 예를 들면 He 가스를 정전 척(16)의 상면과 반도체 웨이퍼(W)의 이면 사이로 공급하는 웨이퍼 온도 제어 기구도 구비되어 있다.
서셉터(14)의 주위에는 링 형상의 절연체(24)를 개재하여 예를 들면 표면이 알루마이트 처리된 알루미늄으로 이루어지는 원통 형상의 내벽 부재(26)가 설치되고, 이 내벽 부재(26)와 챔버(10)의 측벽(10a) 사이에 챔버(10)의 바닥까지 연장되는 환상(環狀)의 배기 공간(27)이 형성되어 있다. 링 형상의 절연체(24) 및 내벽 부재(26) 상에는 예를 들면 석영으로 이루어지는 환상의 유전체(28)를 개재하여 포커스 링(30)이 장착된다. 포커스 링(30)은, 에칭의 균일성을 향상시키기 위한 것으로, 예를 들면 실리콘으로 이루어지며, 정전 척(16) 상에서 반도체 웨이퍼(W)의 주위를 덮도록 배치되어 있다.
배기 공간(27)의 바닥에는 챔버(10)의 배기구(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 이 배기구에 배기관(32)을 개재하여 배기 장치(34)가 접속되어 있다. 배기 장치(34)는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 가지고 있어, 챔버(10)의 실내를 원하는 진공도까지 감압할 수 있도록 되어 있다. 배기관(32)의 도중에는 챔버(10) 내의 압력을 제어하기 위한 APC 밸브(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 챔버(10)의 측벽(10a)에는 반도체 웨이퍼(W)의 반입출구(도시하지 않음)를 개폐하는 게이트 밸브(도시하지 않음)가 장착되어 있다.
서셉터(14)에는 2 계통의 고주파 급전부가 전기적으로 접속되어 있다. 제 1 계통의 고주파 급전부는, 플라즈마의 생성에 적합한 일정한 주파수(예를 들면, 40.68 MHz)의 고주파(RF1)를 출력하는 고주파 전원(36)과, 이 고주파 전원(36)의 임피던스에 부하측의 임피던스를 정합시키기 위한 정합기(38)를 가지고 있다. 제 2 계통의 고주파 급전부는, 플라즈마로부터 서셉터(14) 상의 반도체 웨이퍼(W)로의 이온의 인입에 적합한 일정한 주파수(예를 들면, 3.2 MHz)의 고주파(RF2)를 출력하는 고주파 전원(40)과, 이 고주파 전원(40)의 임피던스에 부하측의 임피던스를 정합시키기 위한 정합기(42)를 가지고 있다.
대향 전극인 상부 전극 근방의 구성은 다음과 같이 이루어져 있다. 챔버(10)의 상부에는, 서셉터(14)와 평행하게 마주하여 상하 방향으로 가동하게 구성된 상부 전극(44)이 서셉터(14)와 동축에 설치되어 있다. 이 상부 전극(44)은, 서셉터(14)와 대향하는 전극 본체(46)와, 챔버(10)의 천장벽(윗덮개)(10b)과 대향하는 도전성의 배판(48)과, 전극 본체(46)와 배판(48) 사이에 공극(50)이 형성되도록 전극 본체(46)의 주변부와 배판(48)의 주변부를 결합하는 링 형상의 유전체(52)를 가지고 있다.
상부 전극(44)의 전극 본체(46)는, 예를 들면 표면이 알루마이트 처리된 알루미늄으로 이루어지는 두꺼운 원반 형상의 도전체이며, 그 내부에 가스 버퍼실(54)을 가지고, 그 하면에 다수의 가스 환기홀(46a)을 가지고, 그 상면에 가스 도입구(46b)를 가지고 있다. 이 실험예에서는, 반도체 웨이퍼(W)의 주면(主面) 상에서 실리콘의 에칭을 행하기 위하여, 전극 본체(46)의 표면(하면)에 에칭 내성이 높은 석영으로 이루어지는 원판 형상의 천판(56)을 부착하고 있다. 이 석영 천판(56)에는, 전극 본체(46)의 가스 환기홀(46a)과 연통하는 다수의 가스 환기홀(관통홀)(56a)이 형성되어 있다. 전극 본체(46)와 석영 천판(56)이 일체가 되어 샤워 헤드를 구성하고 있다.
상부 전극(44)의 배판(48)은, 예를 들면 표면이 알루마이트 처리된 알루미늄으로 이루어지는 원형의 판체이며, 그 중심부에 수직 방향으로 연장되는 원통 형상의 샤프트(상부 전극 지지 부재)(58)를 통과시키기 위한 개구(48a)가 형성되어 있다. 샤프트(58)의 하단부 외주면에 배판(48)이 고착된다. 전극 본체(46)는, 후술하는 바와 같이 링 형상의 유전체(52)를 개재하여 배판(48)에 고정되므로, 샤프트(58)의 하단에 직접 고착되어 있어도 되고, 다른 부재가 개재되어 있어도 된다.
링 형상의 유전체(52)는 예를 들면 알루미나로 이루어지고, 전극 본체(46)와 배판(48) 사이에 공극(50)이 형성되도록, 그 주변부의 상면이 전극 본체(46)의 상면보다 공극(50)의 갭 사이즈만큼 높은 위치에서 배판(48)의 주변부 하면에 밀착하고, 그 내주면으로부터 반경 방향 내측으로 돌출하는 플랜지부(52a)에 전극 본체(46)를 재치하여 지지하고 있다. 이 실험예에서는, 실리콘 에칭용으로 링 형상의 유전체(52)의 하면에도 석영으로 이루어지는 링 형상의 천판(60)을 부착하고 있다. 배판(48), 링 형상의 유전체(52) 및 링 형상의 천판(60)의 각 외주면과 챔버(10)의 측벽(10a) 사이에는, 수 mm 이하의 작은 간극(61)이 형성되어 있다.
샤프트(58)는 예를 들면 스테인리스 스틸로 이루어지고, 챔버(10)의 천장벽(윗덮개)(10b)의 중심 개구부에 장착되어 있는 절연성의 안내 부재, 예를 들면 칼라(collar)(62)를 따라 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되어 있다. 그리고, 챔버(10)의 상방에서 샤프트(58)의 상단부가 리프트 기구(도시하지 않음)에 결합되어 있고, 리프트 기구의 승강 구동력에 의해 상부 전극(44)이 피스톤과 같이 상하 방향으로 이동할 수 있고, 또한 가동 범위(예를 들면 70 mm) 내의 임의의 높이 위치에서 정지 및 고정할 수 있도록 되어 있다.
샤프트(58)의 내측은 중공으로 되어 있고, 챔버(10)의 밖에 배치되어 있는 처리 가스 공급부(64)로부터의 처리 가스 공급관(66)이 샤프트(58) 내측의 공간을 통하여 전극 본체(46)의 가스 도입구(46b)에 접속되어 있다. 도시한 구성예에서의 처리 가스 공급관(66)은, 리프트 기구의 구동력에 의해 상부 전극(44)과 함께 승강 이동하는 단단한 하류측 가스관(68)과, 처리 가스 공급부(64)와 하류측 가스관(68)의 입구 포트(68a)를 연결하는 가요성의 상류측 가스관(70)으로 구성되어 있다.
샤프트(58)의 외측에 인접하여, 상부 전극(44)과 챔버(10)의 천장벽(윗덮개)(10b)을 기밀하게 접속하는 벨로우즈(72)가 장착되어 있다. 이 벨로우즈(72)는 예를 들면 스테인리스 스틸로 이루어지고, 압력을 차단하는 신축 가능한 격벽으로서 기능한다. 이 벨로우즈(72)에 의해 상부 전극(44)과 챔버(10)의 천장벽(10b) 사이에 천장 공간(CS)이 형성된다. 이 천장 공간(CS)은 챔버(10)의 측벽(10a) 가장자리의 간극(61)을 개재하여 양 전극(14, 44) 간의 플라즈마 생성 공간 또는 처리 공간(PS)과 연통하고 있고, 감압 공간이다.
벨로우즈(72)는 그 상단이 챔버(10)의 천장벽(10b)에 결합되고, 그 하단이 상부 전극(44)의 배판(48)에 결합되어 있다. 이에 의해, 상부 전극(44)의 배판(48)은 전기적으로도 벨로우즈(72)를 개재하여 접지 전위 부재인 챔버(10)에 접속되어 있다.
제어부(74)는 1 개 또는 복수의 마이크로 컴퓨터를 포함하고, 외부 메모리 또는 내부 메모리에 저장되는 소프트웨어(프로그램) 및 레시피 정보에 따라, 장치 내의 각 부, 특히 고주파 전원(36, 40), 정합기(38, 42), 배기 장치(34), 리프트 기구 등의 개개의 동작 및 장치 전체의 동작(시퀀스)을 제어한다.
또한 제어부(74)는, 키보드 등의 입력 장치 또는 액정 디스플레이 등의 표시 장치를 포함하는 맨·머신·인터페이스용의 조작 패널(도시하지 않음) 및 각종 프로그램 또는 레시피, 설정값 등의 각종 데이터를 저장 또는 축적하는 외부 기억 장치(도시하지 않음) 등과도 접속되어 있다. 이 실시예에서는, 제어부(74)가 1 개의 제어 유닛으로서 나타나 있지만, 복수의 제어 유닛이 제어부(74)의 기능을 병렬적 또는 계층적으로 분담하는 형태를 취해도 된다.
이 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치에서의 매엽식(枚葉) 드라이 에칭의 기본적인 동작은 다음과 같이 하여 행해진다. 우선, 게이트 밸브를 개방 상태로 하여 가공 대상인 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(10) 내로 반입하여, 정전 척(16) 상에 재치한다. 그리고, 처리 가스 공급부(64)로부터 처리 가스, 예를 들면 Cl계의 에칭 가스를 소정의 유량 및 유량비로 챔버(10) 내로 도입하고, 배기 장치(34)에 의한 진공 배기로 챔버(10) 내의 압력을 설정값으로 한다. 또한 고주파 전원(36)으로부터의 고주파(RF1)(40.68 MHz)와 고주파 전원(40)으로부터의 고주파(RF2)(3.2 MHz)를 중첩하여(혹은 단독으로) 서셉터(14)에 인가한다. 또한, 직류 전원(22)으로부터 직류 전압을 정전 척(16)의 전극(18)에 인가하여, 반도체 웨이퍼(W)를 정전 척(16) 상에 고정한다. 샤워 헤드(상부 전극)(44)로부터 토출된 에칭 가스는 양 전극(44, 14) 간의 고주파 전계 하에서 방전하고, 처리 공간(PS) 내에 플라즈마가 생성된다. 이 플라즈마에 포함되는 라디칼 또는 이온에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 주면의 피가공재(이 실험예에서는 실리콘)가 에칭된다.
이 플라즈마 에칭 장치에서는, 상부 전극(44)을 상하로 이동시켜 그 높이 위치를 변경함으로써, 프로세스 조건 중 하나인 전극 간 갭을 임의로 조정할 수 있도록 되어 있고, 또한 이에 의해 압력, 가스 유량, RF 파워 등의 다른 프로세스 조건의 사용 가능 범위(마진)도 확대되도록 되어 있다.
한편, 챔버(10) 내에서 생성되는 플라즈마로부터 각 기본파의 정수배의 주파수를 가지는 고조파, 또는 기본파끼리 혹은 기본파와 고조파의 합 또는 차의 주파수를 가지는 IMD(혼변조 왜곡)가 발생한다. 이들 고조파 또는 IMD는, 전력 손실 또는 부품 소실을 발생시킬 뿐 아니라, 플라즈마 프로세스에 영향을 주는 경우도 있다. 이 캐소드 커플링 방식의 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치에서 이들의 바람직하지 않은 현상은, 처리 공간으로부터 상부 전극(44)을 개재하여 접지 전위의 챔버(10)에 이르기까지의 고주파 전송로, 즉 상부 전극 근방 고주파 전송로(75) 상에서, 특히 처리 공간으로부터 상부 전극(44) 및 벨로우즈(72)를 개재하여 접지 전위의 챔버(10)에 이르기까지의 고주파 전송로, 즉 상부 전극 이면측 고주파 전송로(76) 상에서, 어느 한 고조파 또는 IMD에 대하여 직렬 공진이 일어날 때, 현저하게 나타난다. 물론, 상부 전극 근방 고주파 전송로(75) 상에서 어느 한 기본파에 대하여 직렬 공진이 일어날 때도, 이 고주파 전송로(75) 상의 부품을 손상시킬 우려가 있어, 바람직하지 않다.
따라서 기본파, 고조파 및 IMD 중 어느 하나에 대해서도 상부 전극 근방 고주파 전송로(75) 상에서 직렬 공진이 일어나지 않도록 고안할 필요가 있다. 또한, 고조파 또는 IMD 중에서 가장 영향력이 있는, 즉 큰 고주파 전력을 가지는 것은 2 차 고조파이며, 기본파와 2 차 고조파에서 직렬 공진을 방지하면 실용상 충분하다. 이 실험예와 같이, 플라즈마 생성용에 40.68 MHz의 고주파(RF1)를 사용할 경우에는, 그 기본파 주파수의 40.68 MHz 및 2 차 고조파 주파수의 81.36 MHz에서 직렬 공진을 방지하면 된다.
또한, 이온 인입용의 고주파(RF2)(3.2 MHz)와 그 2 차 고조파(6.4 MHz)에 대해서도 직렬 공진을 방지할 필요가 있는 것은 물론이다. 그러나 통상, 이런 종류의 상부 전극 가동형 플라즈마 처리 장치에서는, 전극 간 갭을 최소로 해도 상부 전극 근방 고주파 전송로(75)의 고유 직렬 공진 주파수가 수 10 MHz 이하가 되지 않는다. 따라서, 고주파(RF2)(3.2 MHz) 및 그 2 차 고조파(6.4 MHz)에 대하여 직렬 공진이 문제가 되지 않는다.
이 실시예에서는, 상기 특허 문헌 1에 개시되는 것과 같은 바이패스 부재를 구비하는 대신에, 상부 전극(44) 자체의 구성에 특별한 고안을 실시함으로써, 상부 전극 근방 고주파 전송로 상에서 파티클의 발생을 유발하지 않고 플라즈마 생성용 고주파(RF1)에서의 직렬 공진의 발생을 확실히 방지하고, 또한 그 2 차 고조파에서의 직렬 공진도 확실히 방지하도록 하고 있다.
이 실시예에서의 상부 전극(44)은, 도 2에 주요부를 확대하여 도시한 바와 같이, 처리 공간(PS)을 개재하여 서셉터(14)와 대향하는 전극 본체(46)와, 천장 공간(CS) 내에서 챔버(10)의 천장벽(10b)과 대향하는 도전성의 배판(48)과, 전극 본체(46)와 배판(48) 사이에 공극(50)이 형성되도록 전극 본체(46)의 주변부와 배판(48)의 주변부를 결합하는 링 형상의 유전체(52)로 구성되어 있다. 또한 도 2(및 도 4, 도 9 ~ 도 11)에서는, 도해와 이해를 용이하게 하기 위하여, 링 형상의 유전체(52) 및 링 형상의 천판(60) 중 적어도 하나의 내주면을 평탄면으로 간략화하고 있다.
도 3에, 상부 전극 근방 고주파 전송로(75)의 등가 회로를 도시한다. 이 등가 회로에서 콘덴서(C56, C50), 코일(L72) 및 저항(R72)은 경계면(44S)과 접지 전위 사이에서 직렬 회로를 형성하고, 상부 전극 이면측 고주파 전송로(76)에 대응하고 있다.
여기서 콘덴서(C56)는, 전극 본체(46)의 하면에 부착되는 석영 천판(56)에 의해 할당되고, 그 커패시턴스는 석영 천판(56)의 유전율, 면적 및 두께로 정해진다. 콘덴서(C50)는 상부 전극(44)의 전극 본체(46)와 배판(48) 사이에 형성되고, 그 커패시턴스는 주로 공극(50)의 유전율, 면적 및 두께로 정해진다. 코일(L72)은 벨로우즈(72)의 인덕터분(分)으로 할당되고, 그 인덕턴스는 벨로우즈(72)의 재질, 형상 및 크기에도 의존하지만, 벨로우즈(72)의 길이에 의해 변화한다. 즉, 벨로우즈(72)가 짧게 수축할수록 그 인덕턴스는 작아지고, 벨로우즈(72)가 길게 연장될수록 그 인덕턴스는 커진다. 저항(R72)은 벨로우즈(72)의 저항분으로 할당되고, 그 저항값은 벨로우즈(72)의 재질, 형상 및 크기로 정해지고, 벨로우즈(72)의 길이에 의존하지 않는다. 콘덴서(C61)는 상부 전극 이면측 고주파 전송로(76)와 병렬로 상기한 경계면(44S)으로부터 간극(61)을 통하여 챔버(10)의 측벽(10a)에 이르기까지의 고주파 전송로에 존재하는 커패시터이며, 주로 간극(61)의 유전율 및 치수에 따라 정해지고, 상부 전극(44)의 높이 위치에 의존하지 않는다.
여기서, 비교예로서 도 4에 도시한 바와 같이, 상부 전극(44)에서 배판(48), 공극(50) 및 링 형상의 유전체(52)의 각 요소를 생략한 구성에 대하여 고려한다. 이 비교예에서는, 벨로우즈(72)의 하단이 전극 본체(46)의 상면(이면)에 결합된다.
도 5에, 이 비교예에서의 상부 전극 근방 고주파 전송로(75’)의 등가 회로를 도시한다. 이 등가 회로에서의 콘덴서(C56, C50), 코일(L72) 및 저항(R72)은, 실험예의 등가 회로(도 3)에서의 콘덴서(C56, C50), 코일(L72) 및 저항(R72)과 각각 동일하다. 즉, 실험예의 등가 회로(도 3)에서 콘덴서(C50)를 생략하면, 비교예의 등가 회로(도 5)가 된다. 반대의 관점에서 보면, 비교예의 등가 회로(도 5)에 콘덴서(C50)를 더하면, 실험예의 등가 회로(도 3)가 된다.
그런데, 비교예에서의 상부 전극 근방의 구성은, 상기 특허 문헌 1에서 바이패스 부재를 제외한 상부 전극 근방의 구성과 실질적으로 동일하다. 따라서 챔버, 상부 전극, 벨로우즈, 서셉터 등의 재질, 형상 및 사이즈를 상기 특허 문헌 1에서의 상부 전극 근방과 동일하게 할 경우, 상부 전극 근방 고주파 전송로(75’)의 주파수 - 임피던스 특성은 도 6에 나타낸 바와 같이 된다(이 도 6은, 특허 문헌 1의 도 4에 상당함).
도 6에서 ‘갭 최소 시’란, 전극 간 갭을 최소로 했을 때, 즉 벨로우즈(72)가 가장 길어져, 그 인덕턴스가 최대값(L72max)이 될 때이다. 이 때의 상부 전극 근방 고주파 전송로(75’)에서의 고유의 직렬 공진 주파수(fS1) 및 병렬 공진 주파수(fP1)는, 도 5의 등가 회로로부터 이론적으로는 다음 식(1), (2)으로 나타난다.
fS1 = 1 / 2π√(L72max · C56) ···· (1)
fP1 = 1 / 2π√{(L72max · C56 · C61 / (C56 ＋ C61)} ···· (2)
단, C56, C61은 콘덴서(C56, C61)의 커패시턴스이다.
도 6에서, 직렬 공진 주파수(fS1)는 약 38 MHz, 병렬 공진 주파수(fP1)는 약 45 MHz이다.
또한 ‘갭 최대 시’란, 전극 간 갭을 최대로 했을 때, 즉 벨로우즈(72)가 가장 짧아져, 그 인덕턴스가 최소값(L72min)이 될 때이다. 이 때의 상부 전극 근방 고주파 전송로(75’)에서의 고유의 직렬 공진 주파수(fS2) 및 병렬 공진 주파수(fP2)는, 도 5의 등가 회로로부터 이론적으로는 다음 식(3), (4)으로 나타난다.
fS2 = 1 / 2π√(L72min · C56) ···· (3)
fP2 = 1 / 2π√{(L72min · C56 · C61 / (C56 ＋ C61)} ···· (4)
도 6에서, 직렬 공진 주파수(fS2)는 약 64 MHz, 병렬 공진 주파수(fP2)는 약 75 MHz이다.
상기한 바와 같이, 실험예의 상부 전극(44)은, 전극 본체(46) 및 석영 천판(56) 외에 배판(48), 공극(50) 및 링 형상의 유전체(52)를 구비하는 구성을 가지고, 등가 회로에 대하여 보면, 상부 전극 이면측 고주파 전송로(76) 상에 콘덴서(C50)를 포함하고 있다. 이 경우, 콘덴서(C50)는 콘덴서(C56)와 직렬 접속되고, 그 합성 커패시턴스(CS)는 다음의 식(5)으로 나타난다.
CS = C50 · C56 / (C50 ＋ C56) ···· (5)
단, C50, C56은 콘덴서(C50, C56)의 커패시턴스이다.
여기서, 콘덴서(C50)의 커패시턴스는, 공극(50)의 유전율을 ε50, 면적을 S50, 두께를 d50로 하면, 다음의 식(6)으로 나타난다.
C50 = ε50 · S50 / d50 ···· (6)
한편, 콘덴서(C56)의 커패시턴스는, 석영 천판(56)의 유전율을 ε56, 면적을 S56, 두께를 d56로 하면, 다음의 식(7)으로 나타난다.
C56 = ε56 · S56 / d56 ···· (7)
공극(50)의 유전율(ε50)은 1이며, 석영 천판(56)의 유전율(ε56)의 약 1 / 4이다. 또한, 공극(50)의 면적(S50)은 석영 천판(56)의 면적(S56)보다 작고(대략 배판(48)의 중심 개구(48a)의 면적분만큼 작고), 예를 들면 그 0.8 배이다. 따라서 예를 들면, 공극(50)의 두께(d50)를 석영 천판(56)의 두께(d56)와 동일하게 하면, 식(6), (7)으로부터 C50 = 0.2 C56이며, 식(5)으로부터 CS ≒ 0.17 C56이다.
이와 같이, 실험예에 의하면, 상부 전극(44)의 배판(48), 공극(50) 및 링 형상의 유전체(52)에 의해 형성되는 콘덴서(C50)를 상부 전극 이면측 고주파 전송로(76) 상에 설치하는 구성에 의해, 상부 전극 이면측 고주파 전송로(76) 상의 합성 커패시턴스(CS)를 현저히 감소시킬 수 있다. 이에 의해, 비교예에서의 상부 전극 근방 고주파 전송로(75’)의 주파수 - 임피던스 특성의 공진점에 비해 실험예에서의 상부 전극 근방 고주파 전송로(75)의 주파수 - 임피던스 특성의 공진점을 보다 높은 주파수 영역측으로 크게 이동시킬 수 있다. 즉, CS ≒ KC56(K는 1보다 작은 계수)으로 하면, 약 1 / √K 배만큼 주파수 - 임피던스 특성(특히 각 공진점)을 전체적으로 높은 주파수가 되도록 할 수 있다.
또한 ‘갭 최소 시’에서의 상부 전극 근방 고주파 전송로(75)의 고유 직렬 공진 주파수(fS1) 및 병렬 공진 주파수(fP1)는, 도 3의 등가 회로로부터 이론적으로는 다음 식(8), (9)으로 표현된다.
fS1 = 1 / 2π√(L72max · CS) ···· (8)
fP1 = 1 / 2π√{(L72max · CS · C61 / (CS ＋ C61)} ···· (9)
단, CS, C61은 콘덴서(CS, C61)의 커패시턴스이다.
또한, ‘갭 최대 시’에서의 상부 전극 근방 고주파 전송로(75)의 고유 직렬 공진 주파수(fS2) 및 병렬 공진 주파수(fP2)는, 도 3의 등가 회로로부터 이론적으로는 다음 식(10), (11)으로 나타난다.
fS2 = 1 / 2π√(L72min · CS) ···· (10)
fP2 = 1 / 2π√{(L72min · CS · C61 / (CS ＋ C61)} ···· (11)
상기한 예와 같이 공극(50)의 두께(d50)를 석영 천판(56)의 두께(d56)와 동일하게 하여 CS ≒ 0.17 C56로 할 경우, 상부 전극 근방 고주파 전송로(75)의 주파수 - 임피던스 특성은 도 7에 나타낸 것과 같이 된다. 여기서, ‘갭 최소 시’의 고유 직렬 공진 주파수(fS1)는 약 93 MHz(38 × 1 / √0.17)이며, ‘갭 최대 시’의 고유 직렬 공진 주파수(fS2)는 약 156 MHz(64 × 1 / √0.17)이다. 전극 간 갭이 최소값과 최대값의 중간에 있을 때의 고유 직렬 공진 주파수(fS)는 약 93 MHz와 약 156 MHz의 중간의 값이 된다.
또한 실험예에 따른 ‘갭 최소 시’ 및 ‘갭 최대 시’에서의 고유 병렬 공진 주파수(fP1, fP2)의 값은, 콘덴서(C61)의 커패시턴스에도 의존하므로, 비교예에서의 고유 병렬 공진 주파수(fP1, fP2)의 값(기존)과 CS ≒ KC56의 관계식에서의 K의 값(기존)으로부터 산출할 수는 없다. 단, K가 1보다 작은 계수이므로, 실험예에서의 고유 병렬 공진 주파수(fP1, fP2)는, 비교예에서의 고유 병렬 공진 주파수(fP1, fP2)보다 높은 주파수 영역측으로 이동하고, 또한 식(8), (10)과 식(9), (11)의 관계로부터 실험예에서의 고유 직렬 공진 주파수(fS1, fS2)보다 높은 주파수 영역에 존재한다. 따라서, 도 7에 나타낸 병렬 공진점은 추정이며, 계산으로 구한 것은 아니다.
이와 같이, 이 실시예의 플라즈마 에칭 장치에서는, 리프트 기구에 의해 상부 전극(44)의 높이 위치를 변경하여 전극 간 갭을 어떻게 조정해도, 상부 전극 근방 고주파 전송로(75) 상에서의 플라즈마 생성용 고주파(RF1)(40.68 MHz)에서의 직렬 공진을 완전히 회피할 수 있는 것은 물론, 그 2 차 고조파(81.36 MHz)에서의 직렬 공진도 완전히 회피할 수 있다.
<다른 실시예 또는 변형예>
도 8에, 본 발명의 제 2 실시예에서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한다. 이 제 2 실시예에서 상술한 제 1 실시예와 상이한 것은, 상부 전극(44)의 전극 본체(46)에 직류 전압을 인가하기 위하여 직류 전원 유닛(80), 스위치(82) 및 필터 회로(84)를 구비하는 구성이며, 그 이외는 모두 제 1 실시예와 동일하다.
직류 전원 유닛(80)은 예를 들면 가변 직류 전원으로 이루어지고, - 2000 ~ ＋ 1000 V의 직류 전압(VDC)을 출력할 수 있도록 구성되어 있다. 혹은 직류 전원 유닛(80)은, 다른 형태로서, 상이한 직류 전압을 출력하는 복수의 직류 전원을 가지고, 이들 복수의 직류 전압 중의 하나를 선택적으로 출력하는 것도 가능하다. 직류 전원 유닛(80)의 출력(전압, 전류)의 극성 및 절대값 및 스위치(82)의 온·오프 전환은, 제어부(74)에 의해 제어되도록 되어 있다.
챔버(10) 내에서 처리 공간(PS)에 접하는 적당한 개소에, 예를 들면 Si, SiC등의 도전성 재료로 이루어지는 DC 접지 부품(도시하지 않음)이 장착되어 있다. 이 DC 접지 부품은, 접지 라인(도시하지 않음)을 개재하여 상시 접지되어 있다.
필터 회로(84)는, 직류 전원 유닛(80)으로부터의 직류 전압(VDC)을 상부 전극(44)의 전극 본체(46)에 인가하는 한편, 서셉터(14)로부터 처리 공간(PS) 및 상부 전극(44)을 통하여 들어온 고주파 전류를 접지 라인에 흘리고 직류 전원 유닛(80)측으로는 흘리지 않도록 구성되어 있다. 도시는 생략하지만, 필터 회로(84)는 예를 들면 LC 사다리형 회로로 이루어지고, 처리 공간(PS)으로부터 상부 전극(44)의 전극 본체(46) 및 필터 회로(84)를 개재하여 접지 전위에 이르기까지의 고주파 전송로(이하, ‘상부 전극 DC 인가계 고주파 전송로’라고 함)(86) 상에서 공진이 일어나지 않도록, LC 사다리형 회로 내의 코일의 인덕턴스 및 콘덴서의 커패시턴스가 선정된다. 이들 코일 및 콘덴서는 시판의 전자 부품이며, 하드웨어 상의 제약을 받지 않고 이들 인덕턴스 및 커패시턴스의 선정을 행할 수 있다. 또한 상부 전극 DC 인가계 고주파 전송로(86)는, 플라즈마측에서 봤을 때 상부 전극 근방 고주파 전송로(75) 내지 상부 전극 이면측 고주파 전송로(76)와 전기적으로 병렬의 관계에 있으며, 직렬 공진에 관해서는 서로 독립적인 관계에 있다.
이러한 상부 DC 바이어스 기구를 구비하는 구성에서는, 예를 들면 상부 전극(44)의 전극 본체(46)에 음극성의 직류 전압(VDC)을 인가함으로써, 플라즈마 에칭의 마스크에 사용되는 포토레지스트막(특히, ArF 레지스터막)의 에칭 내성을 강화할 수 있다.
또한 챔버(10) 내에서 플라즈마가 생성될 때에는, 플라즈마와 상부 전극(44) 사이에 이온 시스(이하, ‘상부 전극 시스’라고 함)가 형성된다. 이 상부 전극 시스는 고주파 전력에 대하여 콘덴서로서 작용한다. 따라서, 플라즈마로부터 상부 전극 시스 및 상부 전극(44)의 전극 본체(46)를 개재하여 접지 전위에 이르기까지의 고주파 전송로는, 상부 전극 근방 고주파 전송로(75) 또는 상부 전극 DC 인가계 고주파 전송로(86)의 입구에 상부 전극 시스의 콘덴서가 직렬로 추가된 것에 상당한다. 여기서, 상부 전극 시스의 콘덴서는 프로세스 조건(압력, RF 파워, 가스 종류 등) 또는 직류 전압(VDC)에 따라 그 두께(나아가서는 그 정전 용량)가 변화하고, 시스 두께가 클수록 그 커패시턴스는 작아지고, 시스 두께가 작을수록 그 커패시턴스는 커진다. 따라서, 상부 전극 시스가 존재함으로써 직렬 공진 주파수가 보다 높은 주파수 영역측으로 약간 이동하여, 시스 두께가 커질수록 그 이동량이 증대한다.
도 9 ~ 도 11에, 본 발명에서의 상부 전극의 변형예를 도시한다. 도 9의 변형예는, 상부 전극(44)에서 공극(50)의 스페이스를 유전체(88)로 매립하여, 공극(50)이 없는 전극 구조로 하는 것이다. 이 경우, 상부 전극(44)의 전극 본체(46)와 배판(48) 사이에 형성되는 콘덴서(C88)의 커패시턴스는 주로 유전체(88)의 유전율, 면적 및 두께로 정해진다. 따라서, 유전체(88)의 재질은 유전율이 낮은 것이 바람직하다. 예를 들면, 유전체(88)에 석영을 이용할 경우에는, 콘덴서(C88)의 커패시턴스는 공극(50)을 형성한 경우의 콘덴서(C50)의 커패시턴스의 약 4 배가 된다. 그러나, 석영 천판(56)의 콘덴서(C56)와의 합성 커패시턴스(CS)는, 상기 식(5)으로부터 CS ≒ 0.5 C56이며, 상부 전극 근방 고주파 전송로(75)의 주파수 - 임피던스 특성에서의 직렬 공진 주파수를 주파수축 상에서 약 1 / √0.5 배만큼 오른쪽으로 이동시킬 수 있다. 즉, ‘갭 최소 시’의 직렬 공진 주파수를 약 54 MHz까지 이동시킬 수 있다. 따라서 이 경우, 적어도 플라즈마 생성용의 고주파(RF1)의 기본파 주파수 40.68 MHz에 대해서는 직렬 공진을 방지할 수 있다.
도 10의 변형예는, 배판(48)의 주변부를 하측으로 연장하여 유전체(88)의 외주면으로 둘러싸고 있다. 기본적으로는 도 9의 변형예에 준하는 것이다.
도 11의 변형예는, 전극 본체(46)의 하면에 도체 예를 들면 실리콘의 전극판(90)을 부착한 것이다. 예를 들면, 반도체 웨이퍼(W)의 주면(主面) 상에서 실리콘 산화막의 에칭을 행할 경우, 이러한 실리콘 전극판(90)이 천판으로 이용된다. 이 경우, 상부 전극 근방 고주파 전송로(75)에서는 콘덴서(C56)가 없어지고, 상부 전극 이면측 고주파 전송로(76) 상의 콘덴서는 콘덴서(C50)만이 된다. 그러나, 콘덴서(C50)의 커패시턴스는 상기한 바와 같이 매우 작고, 예를 들면 공극(50)의 두께를 석영 천판(56)의 두께와 동일하게 할 경우는 C50 ≒ 0.2 C56이다. 따라서 이 경우, 상부 전극 근방 고주파 전송로(75)의 주파수 - 임피던스 특성에서의 직렬 공진 주파수를 약 1 / √0.2 배만큼 오른쪽으로 이동시킬 수 있다. 즉, ‘갭 최소 시’의 직렬 공진 주파수를 약 84 MHz까지 이동시킬 수 있다. 따라서 이 경우, 플라즈마 생성용의 고주파(RF1)의 기본파 주파수 40.68 MHz에서의 직렬 공진을 방지할 수 있고, 또한 2 차 고조파의 81.36 MHz에서의 직렬 공진도 방지할 수 있다.
물론, 공극(50)의 두께(d50)를 늘림으로써 상기한 이동 효과를 한층 높일 수 있다. 예를 들면, d50을 2 배로 하면, C50 ≒ 0.1 C56이다. 따라서 이 경우, 상부 전극 근방 고주파 전송로(75)의 주파수 - 임피던스 특성에서의 직렬 공진 주파수를 주파수축 상에서 약 1 / √0.1 배만큼 오른쪽으로 이동시킬 수 있다. 즉, ‘갭 최소 시’의 직렬 공진 주파수를 약 118 MHz까지 이동시킬 수 있다.
이와 같이, 상부 전극(44)의 내부에 작은 콘덴서(C50)를 부여하는 공극(50)을 형성함으로써, 상부 전극 근방 고주파 전송로(75)의 주파수 - 임피던스 특성에서 직렬 공진 주파수를 큰 폭으로 오른쪽(보다 높은 주파수 영역측)으로 이동시킬 수 있고, 이에 의해 플라즈마 생성용 고주파(RF1)에서의 직렬 공진 및 그 2 차 고조파에서의 직렬 공진을 확실히 방지할 수 있다.
또한, 상부 전극(44)의 내부에 공극(50)을 형성하는 구성은, 공극(50)을 유전체(88)로 매립하는 구성(도 9, 도 10)과 비교하여, 상부 전극(44) 전체의 체적, 중량 및 코스트가 현격히 낮다고 하는 이점도 있다.
또한, 본 발명에 따른 상부 전극 구조와 특허 문헌 1에 기재된 바이패스 부재를 병용하는 것도 물론 가능하다. 특히, 본 발명에서 상부 전극(44)을 공극(50)이 없는 전극 구조로 할 경우에는, 바이패스 부재와의 병용이 실용적으로 되는 경우가 있을 수 있다. 그 경우, 바이패스 부재에서는 주파수 - 임피던스 특성의 공진점을 보다 높은 주파수 영역측으로 이동시키는 효과에 관해서는 부담이 가벼우므로, 파티클 발생의 방지, 코스트 저감 혹은 장착 용이성 등의 다른 관점에서 최적인 구성을 취할 수 있다.
본 발명은, 상기 실시예와 같은 플라즈마 에칭 장치에 한정되지 않고, 플라즈마 CVD, 플라즈마 ALD, 플라즈마 산화, 플라즈마 질화, 스퍼터링 등 임의의 플라즈마 프로세스를 행하는 캐소드 커플링 방식의 용량 결합형 플라즈마 처리 장치에 적용 가능하다. 본 발명에서의 피처리 기판은 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, 플랫 패널 디스플레이, 유기 EL, 태양 전지용의 각종 기판 또는 포토마스크, CD 기판, 프린트 기판 등도 가능하다.
10 : 챔버
10a : 챔버의 측벽
10b : 천장벽(윗덮개)
14 : 서셉터(하부 전극)
34 : 배기 장치
36, 40 : 고주파 전원
38, 42 : 정합기
44 : 상부 전극(샤워 헤드)
46 : 전극 본체
50 : 공극
52 : 링 형상의 유전체
64 : 처리 가스 공급부
74 : 제어부
75 : 상부 전극 근방 고주파 전송로
76 : 상부 전극 이면측 고주파 전송로
80 : 직류 전원 유닛
84 : 필터 회로

Claims (10)

  1. 피처리 기판을 출입 가능하게 수용하는 진공 배기 가능한 통 형상의 처리 용기 내에 서로 대향하여 설치된 상부 전극 및 하부 전극 사이의 처리 공간에서 처리 가스의 고주파 방전에 의한 플라즈마를 생성하고, 상기 플라즈마 하에서 상기 하부 전극 상에 보지되는 상기 기판에 원하는 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 상부 전극을 상기 처리 용기의 측벽으로부터 간격을 두고 상하 방향으로 이동 가능하게 지지하는 상부 전극 지지 기구와,
    상기 하부 전극측에서 봤을 때 상기 상부 전극의 이면측에서 상기 상부 전극과 상기 처리 용기의 천장벽을 접속하는 신축 가능한 도전성의 격벽을 구비하고,
    상기 상부 전극이, 상기 하부 전극과 대향하는 전극 본체와, 상기 처리 용기의 천장벽과 대향하는 도전성의 배판과, 상기 전극 본체와 상기 배판 사이에 공극이 형성되도록 상기 전극 본체의 주변부와 상기 배판의 주변부를 결합하는 링 형상의 유전체를 가지는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 전극에 주로 플라즈마를 생성하기 위한 제 1 고주파를 인가하는 제 1 고주파 전원을 가지는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 하부 전극에 주로 플라즈마로부터 상기 하부 전극 상의 기판에 이온을 인입하기 위한 제 2 고주파를 인가하는 제 2 고주파 전원을 가지는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 2 항 또는 3 항에 있어서,
    상기 상부 전극 지지 기구에 의해 상기 전극 간 갭을 최소로 하는 상기 상부 전극의 높이 위치에 있어서, 상기 처리 공간과 상기 상부 전극의 경계면으로부터 상기 상부 전극을 개재하여 접지 전위에 이르기까지의 고주파 전송로 상에서의 주파수 - 임피던스 특성에 존재하는 직렬 공진 주파수가 상기 제 1 고주파의 주파수보다 높은 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 상부 전극 지지 기구에 의해 상기 전극 간 갭을 최소로 하는 상기 상부 전극의 높이 위치에 있어서, 상기 처리 공간과 상기 상부 전극의 경계면으로부터 상기 상부 전극을 개재하여 접지 전위에 이르기까지의 고주파 전송로 상에서의 주파수 - 임피던스 특성에 존재하는 직렬 공진 주파수가 상기 제 1 고주파의 제 2 고조파의 주파수보다 높은 플라즈마 처리 장치.
  6. 피처리 기판을 출입 가능하게 수용하는 진공 배기 가능한 통 형상의 처리 용기 내에 서로 대향하여 설치된 상부 전극 및 하부 전극 사이의 처리 공간에서 처리 가스의 고주파 방전에 의한 플라즈마를 생성하고, 상기 플라즈마 하에서 상기 하부 전극 상에 보지되는 상기 기판에 원하는 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 상부 전극을 상기 처리 용기의 측벽으로부터 간격을 두고 상하 방향으로 이동 가능하게 지지하는 상부 전극 지지 기구와,
    상기 하부 전극측에서 봤을 때 상기 상부 전극의 이면측에서 상기 상부 전극과 상기 처리 용기의 천장벽을 접속하는 신축 가능한 도전성의 격벽을 구비하고,
    상기 상부 전극이, 상기 하부 전극과 대향하는 전극 본체와, 상기 처리 용기의 천장벽과 대향하는 도전성의 배판과, 상기 전극 본체와 상기 배판 사이에 샌드위치 하여 개재하는 유전체를 가지는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 하부 전극에 주로 플라즈마를 생성하기 위한 제 1 고주파를 인가하는 제 1 고주파 전원을 가지는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 하부 전극에 주로 플라즈마로부터 상기 하부 전극 상의 기판에 이온을 인입하기 위한 제 2 고주파를 인가하는 제 2 고주파 전원을 가지는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 전극 간 갭이 최소가 되는 상기 상부 전극의 높이 위치에 있어서, 상기 처리 공간과 상기 상부 전극의 경계면으로부터 상기 상부 전극을 개재하여 접지 전위에 이르기까지의 고주파 전송로 상에서의 주파수 - 임피던스 특성에 존재하는 직렬 공진 주파수가 상기 제 1 고주파의 주파수보다 높은 플라즈마 처리 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 상부 전극의 상기 전극 본체에 필터 회로를 개재하여 직류 전압을 인가하는 직류 전원을 가지는 플라즈마 처리 장치.
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