KR20140140804A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 Download PDF

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히로미치 가와사키
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Abstract

반사파를 억제하는 나선형 공진기를 이용한 플라즈마 처리 장치 또는 처리 방법을 제공한다.
감압 가능한 진공 용기 내부에 배치되어 내부의 공간에 배치된 처리 대상의 시료를 처리하기 위한 플라즈마가 당해 공간 내에 형성되는 처리실과, 이 처리실 내에 플라즈마 생성용의 가스를 공급하는 수단과, 상기 처리실 내를 배기하기 위한 진공 배기 수단과, 당해 진공 용기의 외부에 설치된 나선 형상의 공진 코일과 그 외측에 배치되어 전기적으로 접지된 실드로 이루어지는 나선 형상 공진 장치와, 상기 공진 코일에 소정 범위의 고주파 전력을 공급하는 가변 주파수의 고주파 전원을 구비한 플라즈마 처리 장치로서, 상기 공진 코일의 전기적 길이가 상기 소정 주파수에 있어서의 1파장의 정수배로 설정되어 있고, 상기한 고주파 전원의 주파수를, 고주파의 반사 전력이 최소가 되도록 조절할 수 있는 주파수 정합기를 가지고, 상기한 나선 형상의 공진 코일의 급전(給電)점을 가변 용량 소자를 이용하여 접지 전위에 접속하였다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명은, 진공 용기 내의 처리실 내에 형성한 플라즈마를 이용하여 당해 처리실 내에 배치된 반도체 웨이퍼 등의 기판 형상의 시료를 처리하는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이며, 특히, 전(全) 파장 모드에서 공진하는 나선 형상의 코일을 이용하고, 에칭(etching), 애싱(ashing), CVD(Chemical Vapor Deposition) 등의 처리에 바람직한, 전위가 매우 낮은 플라즈마를 여기(勵起) 가능한 유도 결합형의 플라즈마 처리 장치 및 처리 방법에 관련된 것이다.
반도체 디바이스의 양산 공정에 있어서, 플라즈마 에칭, 플라즈마 CVD, 플라즈마 애싱 등의 플라즈마 처리가 널리 이용되고 있다. 플라즈마 처리는, 감압한 상태의 처리용 가스에 고주파 전력이나 마이크로파 전력을 투입함으로써 플라즈마를 발생시켜, 이온이나 라디칼을 웨이퍼에 조사함으로써 행해진다. 반도체 디바이스의 미세화는 앞으로도 발전하고, 국제 반도체 기술 로드맵(International Technology Roadmap for Semiconductors;ITRS)에 의하면, 2014년부터 2016년 사이에는 하프 피치 20nm 이하의 디바이스의 양산이 개시된다고 예상되고 있다. 이 때의 트랜지스터 구조는, 현재의 주류인 플래너형(평면형)으로부터, 더블 게이트형, 트라이 게이트형 등의 3D 구조를 가진 FinFET형이 주류가 될 것으로 예상된다. 이들 장래의 반도체 디바이스의 제조에 이용되는 플라즈마 처리 장치에는, 한층 더 우수한 미세 가공 성능이나 저데미지성, 선택성, 제어성, 안정성이 요구되고 있다. 특히, 디바이스의 미세화가 진전됨에 따라, 플라즈마가 처리 중에 주는 데미지가 보다 심각해져 간다.
플라즈마로부터 기인하는 데미지는 몇 종류인가 존재하나, 플라즈마 전위가 상승함으로써 다양한 폐해가 야기된다는 것이 알려져 있다. 예를 들면, 플라즈마 리액터의 상부로부터 O2 등의 가스를 도입하고, 플라즈마에 의해 생성한 O 라디칼을 하류 영역에 설치한 웨이퍼 상의 레지스트와 반응시킴으로써 행하는 애싱 처리에 있어서는, 웨이퍼는 통상, 어스 전위인 웨이퍼 스테이지에 재치(載置)된다. 이 때문에, 플라즈마 전위가 높은 경우에는 웨이퍼와의 사이에 전위차가 발생하고, 플라즈마 중의 양이온이 가속되어 웨이퍼에 입사하고, 하지막(下地膜) 데미지나 하지막 마모 등의 원인이 되는 경우가 있다. 또, 높은 플라즈마 전위에 의해 스테이지의 가로나, 스테이지 하부 등의, 원래 바라지 않은 부분에 플라즈마가 생성되는 경우도 있다. 따라서, 플라즈마 전위는 실질적으로 어스 전위 부근이 되도록 낮게 제어할 필요가 있다.
플라즈마 전위를 억제하여 낮은 데미지 처리를 실현할 수 있는 종래의 기술의 예로서, 특허문헌 1에는 나선 형상 공진 장치를 플라즈마 생성에 적용하는 기술이 개시되어 있다. 본 기술에서는, 전 파장 모드에서 공진하는 나선 형상의 코일에 의해 전류 및 전압 정재파(定在波)를 여기하고, 전압 정재파의 위상 전압과 역 위상 전압을 서로 상쇄하여, 위상 전압의 변환점, 즉, 전위가 거의 제로인 노드에 있어서, 전류 정재파에 의한 유도 결합에 의해 전위가 매우 낮은 플라즈마를 여기할 수 있다. 이것에 의해 종래의 유도 결합형의 플라즈마원에서는 피하기가 곤란한, 코일에 발생하는 전압과 플라즈마가 용량 결합하는 것에 따른 플라즈마 전위의 상승을 억제할 수 있다.
또 특허문헌 2에는, 상기한 나선 형상 공진 장치를 이용한 플라즈마 처리 장치에 주파수 정합기를 적용하는 기술이 개시되어 있다. 플라즈마 부하로부터의 반사 전력이나, 전압과 전류의 위상차를 모니터하여, 반사 전력이 작아지도록, 혹은, 전압과 전류의 위상차가 제로가 되도록 전원의 발진 주파수를 피드백 제어함으로써, 부하로부터의 반사를 자동적으로 억제하는 기술이다. 또한 특허문헌 3에는, 상기한 나선 형상 공진 장치와 주파수 정합기를 이용한 플라즈마 처리 장치에 있어서, 공진 코일의 접지점을 진공 릴레이를 이용하여 전환함으로써, 부하 임피던스가 다른 몇 종류인가의 처리 조건에 대응하는 기술이 개시되어 있다.
일본 공표특허2000-501568호 공보 일본 공개특허2000-49000호 공보 일본 공개특허2003-37101호 공보
상기한 나선 형상 공진 장치와 주파수 정합기를 이용한 플라즈마 처리 장치에서는(특허문헌 2), 어떤 특정한 1종류의 처리에만 적용할 경우에는, 미리 그 조건에 공진 특성을 조절해 두면 됐었다. 이 조절은 나선 형상 공진기의 접지점의 위치와 급전점의 위치를, 작업원이 메뉴얼에서 변경함으로써 행하고 있었다. 여기에서 도 7(a)에, 급전점, 접지점의 위치가 적절하게 조절되어 있는 나선 형상 공진 장치에 있어서, 고주파 전원의 주파수를 변화시킨 경우의 진행파 전력(Pf)과 반사파 전력(Pr)을 나타냈다. 본 데이터를 실험적으로 채취할 때는, 고주파 전원의 발진 주파수를 메뉴얼에서 설정하고, 주파수를 높은 쪽(27.7MHz)으로부터 낮은 방향(26.6MHz)으로 순차적으로 변화시켰다. 본 도면에서, Pr은 주파수 27.1MHz 부근에서 거의 0W가 되는 것을 알 수 있다. 한편으로, 도 7(b)에는 급전점, 접지점의 위치가 부적절한 경우의 Pf, Pr을 나타냈다. 이 경우, 주파수 27.15MHz에서도 200W 정도의 반사파가 남아 있는 것을 알 수 있다. 주파수 정합기는 Pr이 최소가 되도록 자동적으로 주파수를 변경하는 기능을 가지고 있으나, 도 7(b)에 나타낸 상황, 즉 급전점이나 접지점의 위치가 적절하지 않은 경우에서는, 주파수 정합기만으로는 반사파를 0W로 조절하기는 불가능하였다. 따라서, 어떤 하나의 조건에 대하여 급전점이나 접지점을 최적으로 조절했다고 하더라도, 플라즈마 처리의 조건을 변경하여 부하 임피던스가 변화한 경우에는, 반사 전력이 남아버리게 된다.
도 8은 O2 가스 유량 10L/min, 압력 533Pa, 방전 전력 4500W의 기준 조건(고압/대전력(大電力))에서 반사 전력 Pr이 0W가 되도록 급전점을 조절한 하드 체계에 있어서, 방전 전력과 압력을 변화시킨 경우의 반사파의 맵(매트릭스)을 나타내고 있다. 본 도면에서는, 맵의 50% 이상의 영역에서 반사 전력이 나오고 있는 것이나, 533Pa, 1000W 조건이나 100Pa, 4500W 조건과 같이 기준 조건으로부터 플라즈마 임피던스가 크게 변화하는 조건에서는, 반사파의 값이 더 증대하는 것을 알 수 있다. 여기에서 가령 533Pa, 1000W 조건을 사용하고 싶다고 하면, 작업원이 접지점 및 급전점을 변경, 조절할 필요가 있으나, 접지점 및 급전점의 조절 후에는, 반대로 533Pa, 4500W의 기준 조건에서 반사파가 증대되어 버린다는 과제가 있었다.
또 상술한 특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 공진 코일의 접지점을 진공 릴레이를 이용하여 전환할 수 있기 때문에, 단일한 조건뿐만 아니라 2-3종류의 조건에 대응할 수 있었다. 예를 들면, 상술한 도 8에 있어서, 533Pa, 4500W 조건과, 533Pa, 1000W 조건의 2개의 조건에 대응하는 것은 가능하다. 그러나, 그 원리로부터 알 수 있는 바와 같이 본 기술에서는 스텝적인 조절만으로 한정되어 버린다. 따라서 이들 종래의 기술에서는, 앞으로 주류가 되는 3D 구조를 가진 FinFET형의 디바이스의 처리에 대응하기는 곤란하다. 복잡한 구조를 가공하기 위해, 보다 많은 공정에 대응할 필요가 생기기 때문이다. 또한, 복수의 종류로 이루어지는 적층막 구조를 일괄적으로 처리하기 위해, 조건이 다른 복수의 처리 스텝을 순차적으로 행할 필요가 생기기 때문이다. 특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 가령 2개, 혹은 3개의 공정, 스텝에 의해 반사 전력이 억제되었다고 하더라도, 그 이상의 여러 공정, 여러 스텝에 대응하기는 곤란할 것이다. 또한, 반사 전력이 프로세스 개발의 제약이 되어 버린다는 결점도 피할 수 없을 것이다.
본 발명의 목적은, 저데미지 가공에 유리한 전위가 매우 낮은 플라즈마를 여기 가능한 나선형 공진기를 이용하고, 급전점이나 접지점의 변경을 행하지 않고, 여러 가지 조건에 있어서 반사파를 억제할 수 있는 플라즈마 처리 장치 또는 플라즈마 처리 방법을 제공함에 있다.
반사 전력을 억제하기 위해서, 즉, 고주파 전력을 효율적으로 부하에 투입하기 위해서는, 전원과 전송계의 특성 임피던스(50＋0j(Ω))와, 부하(나선형 공진기＋플라즈마)의 복소 임피던스 Z＝R＋Xj(Ω)를 정합시킬 필요가 있다. 즉, 부하 임피던스의 실부(實部)(R)와 허부(虛部)(X)의 2변수를 조절할 필요가 있다. 따라서, 특허문헌 2나 3에 기재된 주파수 정합이라는 1자유도의 조절만으로는, 매우 한정된 조건으로밖에 매칭이 되지 않아, 약간의, 1자유도 더 조정 수단을 구비할 필요가 있다. 이 조절 수단은, 급전점의 매우 근방에, 나선 형상 안테나와 어스에 대하여 병렬로 가변 용량 소자를 삽입하는 것이, 가장 단순하고, 또한 가장 효과적이라는 것을, 필자들은 여러 가지 검토의 결과 찾아낸 것이다.
상기의 목적은, 감압 가능한 진공 용기와, 플라즈마 생성용의 가스를 공급하는 수단과, 진공 배기 수단과, 당해 진공 용기의 외부에 설치된 나선 형상의 공진 코일과 그 외측에 배치되어 전기적으로 접지된 실드로 이루어지는 나선 형상 공진 장치와, 상기 공진 코일에 소정 범위의 고주파 전력을 공급하는 가변 주파수의 고주파 전원을 구비한 플라즈마 처리 장치로서, 상기 공진 코일의 전기적 길이가 상기 소정 주파수에 있어서의 1파장의 정수배로 설정되어 있고, 상기한 고주파 전원의 주파수를, 고주파의 반사 전력이 최소가 되도록 조절할 수 있는 주파수 정합기를 구비하고, 상기한 나선 형상의 공진 코일의 급전점을, 가변 용량 소자를 이용하여 접지 전위에 접속함으로써 달성된다.
또는, 감압 가능한 진공 용기 내부에 배치된 처리실 내에 처리 대상의 시료를 배치하고, 상기 처리실 내에 플라즈마 형성용의 가스를 공급하고, 상기 진공 용기의 외측에 배치된 나선 형상의 코일에 소정 주파수의 고주파 전력을 공급하여 형성한 전계를 상기 처리실 내에 전계를 공급하고 상기 가스를 이용하여 상기 처리실 내에 플라즈마를 형성하여 상기 시료를 처리하는 플라즈마 처리 방법으로서, 상기 나선 형상의 코일의 전기적 길이를 상기 소정 주파수의 1파장의 정수배로 설정하고, 상기 나선 형상의 코일에 상기 소정 주파수의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원의 가변 용량 소자의 용량을 당해 고주파의 반사 전력이 최소가 되도록 미리 설정된 값으로 조절함으로써 해결된다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 관련된 플라즈마 처리 장치의 개략을 나타낸 종단면도이다.
도 2는, 방전 압력과 방전 전력을 바꾸었을 때의 (a)반사파 맵, 및 (b)가변 용량 소자의 소자치를 나타낸 맵이다.
도 3은, 주파수를 자동적으로 조절하기 위한 알고리즘의 일례를 나타낸 블록 다이어그램이다.
도 4는, 가변 진공 콘덴서의 용량을 자동적으로 조절하기 위한 알고리즘의 일례를 나타낸 블록 다이어그램이다.
도 5는, 본 발명에 의한 플라즈마 착화 시퀀스를 나타낸 모식도이다.
도 6은, 가변 용량 소자의 프리셋치를 적절하게 조절한 경우의 착화 시퀀스를 나타낸 모식도이다.
도 7은, 급전점, 접지점이 적절한 경우와 급전점, 접지점이 부적절한 경우에 있어서의 진행파(Pf)와 반사파(Pr)의 방전 주파수 의존성이다.
도 8은, 종래의 기술에 있어서의 반사파 맵이다.
도 9는, 급전점, 접지점이 적절한 경우에, 주파수를 낮은 쪽으로부터 높은 쪽으로 올린 경우에 있어서의 진행파(Pf)와 반사파(Pr)의 방전 주파수 의존성이다.
본 발명의 실시형태를 이하에 설명한다.
〔실시예〕
본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 이하에 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 관련된 플라즈마 처리 장치의 구성의 개략을 나타내고 있다. 대략 원통 형상의 유전체 용기(1)의 상부에는 금속제의 위 덮개(2)가 구비되어 있고, 하부에는 금속제의 처리실(3)이 구비되어 있다.
유전체 용기(1), 위 덮개(2), 처리실(3)은 O링 등의 진공 시일 수단에 의해 기밀 구조가 되도록 구성되어 있고, 가변 컨덕턴스 밸브(22)를 개재하여 접속된 진공펌프(23)에 의해 배기되어 있다. 또, 위 덮개(2)에는 가스 공급계(21)가 구비되어 있고, 처리용 가스는, 위 덮개(2)의 하부에 구비된 가스 정류 수단(6)에 의해 원하는 흐름의 패턴으로 정류된 뒤 처리실에 도입된다. 처리실의 내부에는 피처리 매체인 웨이퍼(5)를 재치하기 위한 웨이퍼 스테이지(4)가 구비되어 있다.
유전체 용기(1)의 외측에는 나선 형상 안테나(7)와, 접지된 금속제의 실드(8)가 구비되어 있고, 고주파 전원(13)의 출력이 급전점(12)에 접속되어 있다. 상기 안테나(7)의 전기장은, 고주파 전원(13)의 주파수에 있어서의 1파장분의 길이이며, 그 양단(兩端)은 상부 접지점(10)과 하부 접지점(11)에 의해 접지되어 있다.
즉, 나선 형상 안테나(7)와 실드(8)로 나선 형상 공진기를 구성하고 있다. 또, 상기한 급전점의 매우 근방의 급전선은, 가변 용량 소자(22)에 의해 접지 전위에 접속되어 있다. 또, 가변 용량 소자(22)에 대하여 고정 인덕턴스 소자(23)를 병렬로 접속하더라도 상관없다. 상기한 가스 공급계(21)로부터 원하는 가스를 도입하고, 상기한 나선 형상 안테나(7)에 고주파 전력을 투입함으로써 플라즈마와 라디칼을 발생시켜, 이들을 웨이퍼(5)에 조사함으로써 플라즈마 처리가 행해진다.
대략 원통 형상의 유전체 용기(1)의 재질은, 플라즈마 내성이 높고, 유전체손실이 작아, 이물질이나 오염의 원인이 되기 어려운 재질, 즉, 용융 석영, 고순도인 알루미나 소결체, 이트리아 소결체 등이 바람직하다. 또, 웨이퍼(5)에 균일한 처리를 실시하기 위해, 유전체 용기(1)의 내경(Dq)은 웨이퍼의 직경(Dw)을 기준으로, 0.6Dw＜Dq＜1.4Dw로 하는 것이 바람직하다.
유전체 용기의 내경이 너무 작은 경우에는 웨이퍼 중앙부의 처리 속도가 상승하고, 반대로 너무 큰 경우에는 웨이퍼 외주부의 처리 속도가 상승하기 때문이다. 또 웨이퍼(5)에 균일한 처리를 실시하기 위해서는, 유전체 용기(1)의 높이(H)는, 웨이퍼의 직경(Dw)을 기준으로, 0.8Dw＜H＜4.0Dw로 하는 것이 바람직하다.
상기한 유전체 용기(1)의 하부에는 금속성의 처리실(3)이 구비되어 있다. 처리실(3)의 재질은, 플라즈마 내성이 뛰어나며, 웨이퍼에 중금속 오염이나 이물질에 의한 오염을 발생시키기 어려운 재질, 즉, 표면을 알루마이트 처리한 알루미늄 등이 바람직하다.
혹은, 알루미늄의 기재에 이트리아, 알루미나, 산화 규소 등의 재질을 용사(溶射)한 것이어도 상관없다. 또, 처리실(3)에는, 가변 컨덕턴스 밸브(22)와 진공 펌프(23)가 구비되어 있고, 가스 공급계(21)로부터 원하는 유량의 처리 가스를 흐르게 한 상태에서, 가변 컨덕턴스 밸브를 제어함으로써 처리실을 일정한 압력으로 유지하는 기능이 구비되어 있다.
처리실(3)의 내부에서, 상기한 유전체 용기(1)의 하방(下方)에는, 웨이퍼(5)를 재치하기 위한 웨이퍼 스테이지(4)가 구비되어 있다. 웨이퍼 스테이지의 재질은, 표면을 알루마이트 처리한 알루미늄이나, 티탄 합금이 바람직하다. 또, 본 스테이지에는 도시하지 않은 히터, 혹은 칠러(chiller)가 구비되어 있고, 20℃ 정도부터 400℃ 정도까지의 온도 조절이 가능한 구성으로 되어 있다. 또한, 도시하지 않은 웨이퍼 승강용의 리프트 핀이 구비되어 있다.
상기한 대략 원통 형상의 유전체 용기(1)의 상부에는, 표면을 알루마이트 처리한 알루미늄제의 위 덮개(2)가 구비되어 있고, O링 등의 진공 시일 수단에 의해 유전체 용기(1)와 기밀 상태를 유지하도록 접속되어 있다. 또, 위 덮개(2)나 유전체 용기(1)의 온도는 방전 중에 상승하나, 상기한 O링이 열에 의해 변질되는 것을 방지할 목적으로, 위 덮개(2)는 냉매에 의해 냉각되어 있다. 또, 위 덮개(2)에는 가스 공급계(21)가 접속되어 있고, 원하는 종류의 혼합 가스를 공급할 수 있도록 되어 있다.
위 덮개(2)의 하부에는 대략 원형을 한 정류 수단(6)이 설치되어 있다. 정류 수단(6)의 재질은 플라즈마 내성이 높고, 유전체 손실이 작아, 이물질이나 오염의 원인이 되기 어려운 재질, 즉 용융 석영, 고순도인 알루미나 소결체, 이트리아 소결체 등이 바람직하다. 또 정류 수단의 형상은, 유전체 용기(1)로의 가스의 공급 형태를 바꿀 목적으로 적절히 선택된다. 정류 수단이, 대략 원반 형상의 샤워 플레이트라면, 거의 균일하게 가스를 공급할 수 있다.
한편으로, 정류 수단(6)을, 그 외형이 유전체 용기(1)의 내경보다 1mm 내지 10mm 정도 작은 원반으로 했을 경우, 유전체 용기(1)의 외주부로부터만 가스를 공급할 수 있다. 가스의 종류는, 처리를 행하고 싶은 막 종류에 따라 적절히 선택된다. 예를 들면 각종 유기막을 박리하는 애싱 처리를 예로 들면, O2, N2, H2, He, CF4, CO2 및 이들의 혼합 가스가 이용되는 경우가 많다.
상기한 유전체 용기(1)의 외측에는, 직경 5mm부터 20mm의 금속제의 파이프를 나선 형상으로 형성한 안테나(7)가 설치되어 있다. 안테나의 길이는, 이용하는 주파수의 개략 1파장분의 길이이다. 예를 들면, 27.12MHz의 주파수를 이용할 경우 안테나 길이는 약 11m가 된다.
또, 고주파 전력을 투입했을 때의 안테나 자체의 온도 상승을 억제할 목적으로, 안테나 내부에는 온도 조절된 냉매를 흐르게 하고 있다. 안테나의 양단은, 상부 접지점(10)과 하부 접지점(11)에 의해, 접지 전위의 실드(8)와 접속되어 있다. 안테나 및 실드의 재질은, 전기 저항값이 작고 일반적인 재질인 구리가 이용된다. 또, 고주파적인 특성을 향상시킬 목적으로, 구리의 표면에 은이나 금의 도금을 실시해도 상관없다.
또, 상기한 개략 1파장분의 나선 형상의 안테나(7)와 실드(8)로 나선 공진기를 구성하고 있다. 전 파장 모드에서 공진하는 나선 형상의 코일에 의해 전류 및 전압 정재파를 여기하고, 전압 정재파의 위상 전압과 역 위상 전압을 서로 상쇄하고, 위상 전압의 전환점, 즉 전위가 거의 제로인 노드에 있어서, 전류 정재파에 의한 유도 결합에 의해 전위가 매우 낮은 플라즈마를 여기할 수 있다.
급전점(12)은, 상기한 안테나(7)의 하부 어스로부터, 개략 1/200 파장 내지 1/50 파장분, 안테나를 따라서 멀어진 위치에 설치되어 있고, 고주파 전원(13)의 출력이 접속되어 있다. 급전점의 매우 근방의 전력 라인은, 용량이 5pF 내지 500pF 정도의 가변 용량 소자(31)를 개재하여 접지 전위가 되도록 전기적인 접속이 이루어져 있다.
본 가변 용량 소자(31)는, DC 서보 모터(servo motor)나 스테핑 모터(stepping motor) 등의 기계적 구동 수단(도시 생략)과, 이들을 제어하는 가변 용량 소자 제어부(33)에 의해, 그 용량을 조절할 수 있다. 또, 가변 용량 소자에 대하여 병렬로, 고정 인덕턴스 소자(32)를 설치해도 상관없다.
상기한 고주파수 전원(13)의 주파수는, 400kHz부터 40MHz의 사이에서 적절히 선택되나, 이번에는 27.12MHz를 이용하였다. 또, 본 고주파 전원(13)은 주파수 매칭의 기능을 구비하고 있다. 즉, 본 고주파 전원은, 중심 주파수 27.12MHz에 대해 ±5%부터 ±10%의 범위에서 출력 주파수를 변화시킬 수 있으며, 또한, 고주파 전원의 출력부에서 모니터되는 진행파 전력(Pf)과 반사파 전력(Pr)의 비율(Pr/Pf)이 작아지도록 주파수를 피드백 제어할 수 있는 기능을 가지고 있다.
진행파 전력과 반사파 전력은 Pf·Pr 모니터(41)에 의해 검출되며, 마이컴이나 CPU로 구성되는 연산부(42)에 보내진다. 연산부에서는 소정의 알고리즘에 의해 주파수 f_new와 정전 용량 C_new가 결정된다.
고주파 발진부(43)에서는 주파수 f_new의 신호가 발진되며, 고주파 증폭부(44)에서 소정의 출력까지 증폭되며, 동축 케이블(45)을 개재하여 급전점(12)에 급전된다. 또, 정전 용량 C_new는 가변 용량 소자 제어부(33)에 신호선(46)을 개재하여 송신되며, 가변 용량 소자(31)의 값이 적절하게 조절된다.
상기한 바와 같이, 특허문헌 2나 3에 기재된 기술에서는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 방전 압력이나 방전 전력 등을 변화시킨 여러 가지 조건에 대응하기는 곤란하였다. 이것에 비해, 본 발명에 의한 플라즈마 처리 장치에서는, 가변 용량 소자(15)의 정전 용량을 적절히 조절함으로써, 폭넓은 조건에 대응할 수 있게 된다.
도 2(a)는, 도 8과 같은 방전 조건에서, 본 발명을 이용하여 반사파 맵을 취득한 결과를, 도 2(b)는, 그 때의 가변 용량 소자(15)의 용량치의 맵을 나타내고 있다. 도 2(a)로부터 알 수 있는 바와 같이, 모든 조건에 있어서 반사파(Pr)＝0W로 되어 있다. 또, 도 2(b)에서는, 도 8에 있어서 반사파가 컸었던 533Pa, 1000W 조건이나, 100Pa, 4500W 조건에 있어서, 보다 큰 정전 용량을 이용하는 것이 적절하다는 것을 알 수 있다. 또, 도 2(b)는 O2 가스만의 결과이나, 그 외의 가스계, 즉 H2/N2계나 H2/He계, N2/CF4계의 혼합 가스계에 있어서도, 방전 압력과 방전 전력을 매트릭스 형상으로 변화시킨 반사파 맵을 취득하고, 실시한 모든 조건에 있어서 반사파(Pr)＝0W를 확인할 수 있었다.
다음으로 도 3에, 주파수를 자동적으로 조절하기 위한 단순한 알고리즘의 일례를 나타낸다. 덧붙여서 말하면, 주파수에 대한 입사파, 반사파의 변화는, 전형적으로는 도 7(a)와 같이 된다.
먼저, Step 301에서, 고주파 전력을 인가하기 시작할 때의 주파수 f(0), 주파수를 가변할 때의 주파수 단위폭 △f와, 시간 단위폭 △t1, 주파수를 변화시키는 방향을 정하는 플래그 A를 설정한다. 고주파 전원의 중심 주파수가 27.12MHz의 경우에는, 전형적으로는 f(0)＝28.0MHz, △f＝0.01MHz, △t1＝5ms 정도, 또 A＝-1(주파수를 내리는 방향)로 설정한다.
다음으로, Step 302부터 Step 305의 각 스텝을 실행함으로써 주파수를 순차적으로 낮춰가면, 도 7(a)로부터 알 수 있는 바와 같이, 반사파(Pr)는 서서히 감소하고, 진행파(Pf)는 서서히 증가해 간다. 이것은 나선 공진기의 공진 주파수를 27.12MHz 부근에 설정하고, 고주파 전력을 인가하기 시작할 때의 주파수 f(0)을 28.6MHz로, 27.12MHz 보다 높은 값으로 설정하고 있기 때문이다. 또, Pf의 증가, Pr의 감소에 따라, 어느 쪽인가의 타이밍에 플라즈마가 발생하기 시작한다(도 7(a)로부터 추측하면, 아마도 27.7MHz∼27.6MHz 정도).
또, 반사파의 값이 어느 정도 작아진 경우에는, 주파수의 단위 △f를 작게 하는 처리를 행한다(Step 305). 또, 주파수를 너무 내려서 반사파가 증가한 경우에는, Step 303으로부터 Step 306으로 처리를 이행하고, 주파수 변화의 방향을 변경한다. 반사파의 값이 소정치보다 작아진 경우에는 Step 4와 Step 7의 루프로 이행하고, 무엇인가의 영향으로 다시 반사파가 소정치보다 증가하지 않는 한, 주파수는 변경되지 않는다.
또한, 도 3은 주파수의 자동 조절 알고리즘의 일례를 나타내고 있음에 지나지 않고, 다른 알고리즘을 이용하더라도 상관없다. 또, 개시 주파수 f(0)이나 주파수 단위 △f, 시간 단위 △t1은 모두 일례에 지나지 않으며, 다른 값을 이용하더라도 상관없다. 다만, 주파수를 자동 제어함에 있어서, 최종적으로 반사파가 최소가 되는 주파수(대체로 27.12MHz)에 대하여, 고주파 전력을 인가하기 시작할 때의 주파수 f(0)을 높게 해 두고(예를 들면 28.0MHz), 우선은 주파수를 내리는 방향에서 제어를 개시하는 것이 바람직하다.
도 9에, 급전점, 접지점의 위치가 적절하게 조절되어 있는 나선 형상 공진 장치에 있어서, 고주파 전원의 주파수를 변화시켰을 경우의 진행파 전력(Pf)과 반사파 전력(Pf)을 나타냈다. 본 데이터를 실험적으로 채취할 때는, 고주파 전원의 발진 주파수를 메뉴얼에서 설정하고, 주파수를 낮은 쪽(26.7MHz)으로부터 높은 방향(27.7MHz)으로 순차적으로 변화시켰다. 즉, 도 7(a)와는 주파수를 변화시키는 방향을 반대로 한 경우이다.
본 도면에서는, 26.7MHz부터 27.3MHz까지는 전반사 상태(Pf＝Pr＝1500W)이며, 플라즈마가 전혀 발생하고 있지 않은 것을 알 수 있다. 다음으로 27.4MHz에서 Pf가 증가하고, Pr이 감소했기 때문에, 본 주파수에서 플라즈마가 발생하였음을 알 수 있다. 다만, 그 후 주파수를 더 올리면 Pf는 감소, Pr은 증대하기 때문에, 완전히 역방향의 제어가 되는 것을 알 수 있다. 도 3에 나타낸 자동 제어 알고리즘에서는, 여기에서 주파수를 변화시키는 방향을 감소 방향으로 역전시키기 때문에 큰 문제는 되지 않기는 하나, 정합 속도의 관점이나, 불필요한 주파수 소인(掃引)을 줄인다는 관점에서는, 우선은 주파수를 내리는 방향에서 제어를 개시하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
다음으로, 가변 용량 소자의 정전 용량 C를 자동적으로 조절하기 위한 단순한 알고리즘의 일례를 도 4에 나타낸다. 본 도면에서는, 우선 Step 401에서, 고주파 전력을 인가하기 시작할 때의 초기의 용량 C(0), 용량을 가변할 때의 용량 변화 단위폭 △C와, 시간 단위폭 △t2, 용량을 변화시키는 방향을 정하는 플래그 B를 설정한다.
전형적으로는 C＝20pF, △C＝8pF, △t1＝50ms 정도, 또 B＝1(용량을 올리는 방향)로 설정한다. 또, 초기 용량 C(0)은, 프리셋치로서 적절한 값을 처리 레시피로부터 입력할 수 있게 되어 있다.
다음으로, Step 402부터 Step 405의 각 스텝을 실행하여 용량을 순차적으로 올려 간다. 반사파의 값이 어느 정도 작아진 경우에는, 용량의 단위 △C를 작게 하는 처리를 행한다(Step 405). 또, 용량을 너무 올려서 반사파가 증가한 경우에는, Step 403으로부터 Step 406으로 처리를 이행하고, 용량 변화의 방향을 변경한다.
반사파의 값이 소정치보다 작아진 경우에는 Step 404와 Step 407의 루프로 이행하고, 무엇인가의 영향으로 다시 반사파가 소정치보다 증가하지 않는 한, 용량은 변경되지 않는다. 또한, 도 4는 가변 용량 소자의 정전 용량의 자동 조절 알고리즘의 일례를 나타내고 있음에 지나지 않으며, 다른 알고리즘을 이용하더라도 상관없다. 또, 초기 용량 C(0)이나 용량 단위 △C, 시간 단위 △t2는 모두 일례에 지나지 않으며, 다른 값을 이용하더라도 상관없다. 또, 도 3에서 나타낸 주파수의 자동 제어 방법과, 도 4에서 나타낸 가변 용량 소자의 정전 용량의 자동 제어 방법을 병용함으로써, 항상 자동적으로 반사파(Pr)를 소정의 값 이하로 억누르는 것이 가능해진다.
다음으로 도 5와 도 6에, 고주파 전력의 출력을 On으로 했을 때부터 Pr＝0W가 될 때까지의 입사파 Pf(t), 반사파 Pr(t), 주파수 f(t), 가변 용량 소자 VC1의 정전 용량 C(t)의 시간 변화의 모식도(방전 시퀀스)를 나타낸다. 도 5는, 용량 VC1의 프리셋치 C(0)가 최적치보다 낮았던 경우를, 도 6은 VC1의 프리셋치가 적절했던 경우를 나타내고 있다.
어느 쪽의 도면이나, 주파수와 VC1의 값의 변화에 따라, 입사파가 증가하고, 반사파가 감소해 간다. 플라즈마가 발생(착화)하기까지는 전반사 상태이며, 입사파(Pf)와 반사파(Pr)의 값은 거의 같은 값, Pr_limit가 된다. 일반적인 플라즈마용 고주파 전원에서는, 플라즈마가 발생하고 있는 상태에서는, Pf가 설정치가 되도록 출력의 피드백 제어를 행하고 있으나, 플라즈마가 발생하고 있지 않아 전반사 상태일 때에는, 출력 Pf의 값을 어느 일정치(Pr_limit)까지 억제함으로써, 전원의 파손을 방지하는 기능을 구비하고 있다.
플라즈마가 발생(착화)한 직후에는, 먼저 반사파(Pr)는 Pr_limit인 채 변화시키지 않고, Pf가 증가해 간다. 다음으로 Pf가 레시피 설정치에 도달한 후에는, Pr의 값이 감소해 가서, Pr＝0W가 된 곳에서 정합 완료가 된다. 여기에서, 도 6에 나타낸 바와 같이, VC1의 프리셋치를 적절하게 설정함으로써, 출력 On으로부터 정합 완료까지의 시간을 대폭 단축하는 것이 가능해진다. 즉, VC1을 전혀 움직이지 않고, 착화부터 정합까지를 주파수만의 제어로 행할 수 있는 것이다.
일반적인 주파수 정합 기능이 없는 정합기에서는 가변 용량 소자를 2개(VC1, VC2) 사용하나, 플라즈마가 발생할 때의 VC1, VC2의 포지션과, 플라즈마 발생 후에 Pr＝0이 되는 VC1, VC2의 포지션은 일반적으로 다르다. 따라서, 착화부터 정합까지 동안에, VC1, VC2를 기계적으로 구동할 필요가 있다. 또, VC1과 VC2의 프리셋으로서 처음부터 Pr＝0W가 되는 값을 설정한 경우에는, 플라즈마가 발생하지 않는 경우도 일어날 수 있다.
어차피, 기계적인 수단에 의해 가변 용량 소자를 구동할 필요가 생기기 때문에, 착화부터 정합까지의 동안에 다소의 시간이 걸려 버리는 것은 피할 수 없었다. 이것에 비하여, 본 발명에서는, VC1의 프리셋치를 적절하게 설정함으로써, VC1을 전혀 움직이지 않고, 착화부터 정합까지를 주파수만의 제어로 행할 수 있는 것이다.
즉, 종래형의 주파수 정합 기능이 없는 정합기에 비교하여, 대폭적인 고속화를 예상할 수 있는 것이다. 또, 특허문헌 2나 3에 기재된, 주파수 정합기만의 경우에서는, 정합 동작의 고속화는 예상되기는 하나, 도 8에 나타낸 바와 같이 정합 범위가 좁아, 조건에 따라서는 상당한 반사파가 남아 버린다는 결점이 있었다. 이것에 비해 본 발명을 이용함으로써, 도 2에 나타낸 바와 같이 정합 범위를 대폭 확대할 수 있으며, 또, 착화부터 정합 동작의 대폭적인 고속화가 양립할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명에서 나타낸 나선형 공진기에 주파수 정합 수단을 구비한 플라즈마 처리 장치의 나선 형상 안테나의 급전점의 매우 근방에 가변 용량 소자를 설치한 것에 의한 정합 수단은, 가변 용량 소자가 1소자이기 때문에, 통상의 2소자 이상의 정합기와 비교했을 경우와 비교하여, 매우 작게, 저비용으로 제작하는 것이 가능해진다. 또한, 소자 수가 적기 때문에, 정합 수단에서의 고주파 전력의 손실도 줄어드는 것은 말할 필요도 없다.
1: 유전체제 용기 2: 위 덮개
3: 처리실 4: 웨이퍼 스테이지
5: 웨이퍼 6: 정류 수단
7: 나선형 안테나 8: 실드
10: 상부 접지점 11: 하부 접지점
12: 급전점 13: 가변 주파수 전원
14: 1자유도의 정합기 21: 가스 공급계
22: 가변 컨덕턴스 밸브 23: 진공 펌프
31: 가변 용량 소자 32: 고정 인덕턴스 소자
33: 가변 용량 소자 제어부 41: Pf·Pr 모니터
42: 연산부 43: 고주파 발진부
44: 고주파 증폭부 45: 동축 케이블
46: 신호선

Claims (4)

  1. 감압 가능한 진공 용기와, 이 진공 용기 내부에 배치되어 내부의 공간에 배치된 처리 대상의 시료를 처리하기 위한 플라즈마가 당해 공간 내에 형성되는 처리실과, 이 처리실 내에 플라즈마 생성용의 가스를 공급하는 수단과, 상기 처리실 내를 배기하기 위한 진공 배기 수단과, 당해 진공 용기의 외부에 설치된 나선 형상의 공진 코일과 그 외측에 배치되어 전기적으로 접지된 실드로 이루어지는 나선 형상 공진 장치와, 상기 공진 코일에 소정 범위의 고주파 전력을 공급하는 가변 주파수의 고주파 전원을 구비한 플라즈마 처리 장치로서, 상기 공진 코일의 전기적 길이가 상기 소정 주파수에 있어서의 1파장의 정수배로 설정되어 있고, 상기한 고주파 전원의 주파수를, 고주파의 반사 전력이 최소가 되도록 조절할 수 있는 주파수 정합기(整合器)를 가지고, 상기한 나선 형상의 공진 코일의 급전점을 가변 용량 소자를 이용하여 접지 전위에 접속한 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    가변 용량 소자와 병렬로 고정 인덕턴스 소자를 접속한 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    가변 용량 소자의 용량을 고주파의 반사 전력이 최소가 되도록 자동 조절하는 기능을 구비한 플라즈마 처리 장치.
  4. 감압 가능한 진공 용기 내부에 배치된 처리실 내에 처리 대상의 시료를 배치하고, 상기 처리실 내에 플라즈마 형성용의 가스를 공급하고, 상기 진공 용기의 외측에 배치된 나선 형상의 코일에 소정 주파수의 고주파 전력을 공급하여 형성한 전계를 상기 처리실 내에 전계를 공급하여 상기 가스를 이용하여 상기 처리실 내에 플라즈마를 형성하여 상기 시료를 처리하는 플라즈마 처리 방법으로서, 상기 나선 형상의 코일의 전기적 길이를 상기 소정 주파수의 1파장의 정수배로 설정하고, 상기 나선 형상의 코일에 상기 소정 주파수의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원의 가변 용량 소자의 용량을 당해 고주파의 반사 전력이 최소가 되도록 미리 설정된 값으로 조절하는 것을 특징으로 한 플라즈마 처리 방법.
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