KR20150102921A

KR20150102921A - Plasma processing apparatus and plasma processing method

Info

Publication number: KR20150102921A
Application number: KR1020150120305A
Authority: KR
Inventors: 겐지 마에다; 겐 요시오카; 히로미치 가와사키; 다카히로 시모무라
Original assignee: 가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2015-09-09

Abstract

The present invention provides a plasma processing device and a plasma processing method using a spiral resonator suppressing a reflected wave. The plasma processing device of the present invention comprises: a processing chamber which is disposed inside a decompressable vacuum container, and wherein a plasma for processing a sample of an object to be processed disposed therein; a means for supplying gas for generating the plasma inside the processing chamber; a vacuum exhaust unit for exhausting the air inside the process chamber; a spiral resonant apparatus having a spiral resonant coil installed on the external side of the vacuum container, and an electrically grounded shield disposed on the external side of the spiral resonant coil; a high power supply of the variable frequency, which supplies high-frequency power in a predetermined range to the resonant coil. In the plasma processing device, an electrical length of the resonant coil is set to be an integer multiple of a first wavelength in the predetermined frequency. Furthermore, the plasma processing device includes a frequency matching unit capable of adjusting the frequency of the high frequency power to minimize the reflection power. A power feeding point of the spiral resonant coil is connected to a ground level by using a tunable capacitive device.

Description

TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a plasma processing apparatus and a 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.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma processing apparatus and a plasma processing method for processing a sample in the form of a substrate such as a semiconductor wafer placed in the processing chamber by using a plasma formed in a processing chamber in a vacuum chamber, A coil of a helical shape resonating in the plasma is used and a plasma of an inductively coupled type capable of exciting a plasma with a very low potential, which is preferable for processes such as etching, ashing, CVD (Chemical Vapor Deposition) A processing apparatus and a processing method.

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.2. Description of the Related Art Plasma processing such as plasma etching, plasma CVD, and plasma ashing is widely used in the mass production process of semiconductor devices. The plasma treatment is carried out by applying a high-frequency power or a microwave power to a decompressed processing gas to generate plasma, and irradiating the wafer with ions or radicals. According to the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), it is expected that mass production of devices with a half-pitch of 20 nm or less will commence between 2014 and 2016. The transistor structure at this time is expected to be a FinFET type having a 3D structure such as a double gate type or a tri-gate type from the planar type (planar type), which is the current mainstream. In the future plasma processing apparatuses used for manufacturing semiconductor devices, further excellent fine processing performance, low damage, selectivity, controllability, and stability are required. Particularly, as the miniaturization of the device progresses, the damage caused by the plasma during processing becomes more serious.

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.It is known that there are several types of damage resulting from the plasma, but it is known that raising the plasma potential causes various troubles. For example, in an ashing process in which an O ₂ gas such as O ₂ is introduced from the top of a plasma reactor and an O radical generated by the plasma is reacted with a resist on the wafer provided in the downstream region, the wafer is usually ground potential And is placed on the wafer stage. For this reason, when the plasma potential is high, a potential difference is generated between the wafer and the positive ions in the plasma are accelerated to enter the wafer, which may cause damage to the underlying film (underlying film), abrasion of the underlying film, and the like. In addition, a plasma may be generated at a portion of the stage, which is not originally desired, such as the width of the stage or the lower portion of the stage by a high plasma potential. Therefore, it is necessary to control the plasma potential to be substantially low near the earth potential.

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.As an example of a conventional technique capable of suppressing a plasma potential and realizing a low damage process, Patent Document 1 discloses a technique of applying a spiral resonator to plasma generation. In this technique, current and voltage standing wave are excited by a helical coil resonating in an all-wavelength mode, the phase voltage and the anti-phase voltage of the voltage standing wave are canceled each other, In a node where the potential is almost zero, a plasma with a very low potential can be excited by inductive coupling by a current standing wave. This makes it possible to suppress the rise of the plasma potential due to the capacitive coupling between the voltage generated in the coil and the plasma, which is difficult to avoid in the conventional inductively coupled plasma source.

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.Patent Document 2 discloses a technique of applying a frequency matcher to a plasma processing apparatus using the spiral resonator. The reflection power from the plasma load and the phase difference between the voltage and the current are monitored to feedback control the oscillation frequency of the power supply so that the reflected power becomes small or the phase difference between the voltage and the current becomes zero, . In Patent Document 3, in the plasma processing apparatus using the above-described helical resonator and frequency matcher, by switching the grounding point of the resonant coil using a vacuum relay, a technique corresponding to several kinds of processing conditions with different load impedances .

일본 공표특허2000-501568호 공보Japanese Patent Publication No. 2000-501568 일본 공개특허2000-49000호 공보Japanese Patent Laid-Open No. 2000-49000 일본 공개특허2003-37101호 공보Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-37101

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.In the plasma processing apparatus using the spiral resonator and the frequency matcher described above (patent document 2), when the resonator is applied to only one specific kind of process, the resonance characteristics must be adjusted in advance. This adjustment was made by changing the position of the grounding point and the position of the feeding point of the helical resonator in the manual of the operator. Here, FIG. 7 (a) shows the traveling wave power Pf and the reflected wave power Pr when the frequency of the high frequency power supply is changed in the spiral resonator in which the positions of the feed point and the ground point are appropriately adjusted . When sampling this data experimentally, the oscillation frequency of the high frequency power supply was set in the manual, and the frequency was sequentially changed from the higher side (27.7 MHz) to the lower side (26.6 MHz). In the figure, it can be seen that Pr is almost 0 W near the frequency of 27.1 MHz. On the other hand, Fig. 7 (b) shows Pf and Pr when the positions of the feed point and the ground point are inadequate. In this case, it can be seen that a reflected wave of about 200 W remains even at the frequency of 27.15 MHz. 7 (b), that is, in the case where the position of the feed point or the grounding point is not appropriate, the frequency matcher only has a function of changing the frequency to 0 W . Therefore, even if the feed point or the ground point is optimally adjusted for any one condition, the reflected power remains when the load impedance is changed by changing the conditions of the plasma processing.

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.8 is a graph showing the relationship between the discharge power Pr and the discharge power Pr in the hard system in which the feed point is adjusted so that the reflected power Pr is 0 W under the reference condition (high pressure / high power (large power)) of the O ₂ gas flow rate 10 L / min, the pressure 533 Pa, And a map (matrix) of the reflected waves when the pressure is changed. In this figure, it can be seen that the reflected power increases in the region of 50% or more of the map, and the value of the reflected wave is further increased under the condition that the plasma impedance varies greatly from the reference condition such as 533Pa, 1000W condition or 100Pa, 4500W condition . If the user desires to use the conditions of 533 Pa and 1000 W, it is necessary for the operator to change and adjust the grounding point and the feeding point, but after the adjustment of the grounding point and the feeding point, the reflected waves are increased under the reference conditions of 533 Pa and 4500 W There was a problem.

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.In the technique described in the above-described Patent Document 3, since the grounding point of the resonance coil can be switched by using the vacuum relay, it is possible to cope with not only a single condition but also 2-3 kinds of conditions. For example, in FIG. 8 described above, it is possible to correspond to the conditions of 533 Pa, 4500 W, and 533 Pa and 1000 W conditions. However, as can be seen from the principle, this technique is limited only by step adjustment. Therefore, in these conventional techniques, it is difficult to cope with the processing of a FinFET type device having a 3D structure which becomes mainstream in the future. This is because, in order to process a complicated structure, it is necessary to cope with more processes. This is because it is necessary to sequentially perform a plurality of processing steps having different conditions in order to collectively process the laminated film structures of a plurality of kinds. In the technique described in Patent Document 3, even if the reflected power is suppressed by two or three steps or steps, it will be difficult to cope with various steps and various steps. In addition, the drawback that the reflected power becomes a limitation of the process development will also be inevitable.

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.An object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus or a plasma processing apparatus capable of suppressing reflected waves under various conditions without using a spiral resonator capable of exciting a plasma with a very low electric potential advantageous for low- And a plasma processing method.

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.The complex impedance Z = R + Xj (Ω) of the load (spiral resonator + plasma) and the characteristic impedance of the power supply and the transmission system (50 + 0j (Ω)) are required in order to suppress the reflected power, ). &Lt; / RTI > That is, it is necessary to adjust the two variables of the real part (R) and the imaginary part (X) of the load impedance. Therefore, only one degree of freedom of frequency matching, which is described in Patent Documents 2 and 3, can be matched only under a very limited condition, and it is necessary to provide some degree of one degree of freedom further adjusting means. The inventors of the present invention have found that it is simplest and most effective to insert the variable capacitance element in parallel with the spiral antenna and the ground in the vicinity of the feeding point.

상기의 목적은, 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 측벽의 외주를 둘러싸고 감겨 배치된 나선 형상의 공진 코일과 이 공진 코일의 외측에 배치되어 상기 공진 코일의 두 개의 단부 중 적어도 한쪽과 접속되어 전기적으로 접지된 실드를 가진 나선 형상 공진 장치와, 상기 공진 코일의 상기 두 개의 단부 사이에 배치된 급전점에서 전기적으로 접속되어 특정 주파수를 포함하는 소정 범위 내의 다른 주파수의 고주파 전력을 공급 가능한 고주파 전원과, 상기 플라즈마가 생성되어 있는 상태에서 상기 공진 코일에 공급된 상기 고주파 전력의 반사파의 전력이 최소가 되도록 상기 급전점과 접지 위치 사이의 정전 용량 및 상기 고주파 전력의 주파수를 조절하는 정합기를 구비한 플라즈마 처리 장치로서, 상기 공진 코일의 전기적 길이가, 상기 특정 주파수의 고주파 전력이 공급되어 당해 공진 코일에 형성되는 정재파의 1파장의 정수배가 되도록 된 것이고, 상기 정합기는 착화된 상기 플라즈마가 정합될 때까지의 소정 기간에 상기 정전 용량을 소정의 값으로 유지한 상태에서 상기 주파수를 가변으로 조절하며, 상기 플라즈마가 정합된 후에는 상기 정전 용량의 조절, 또는 상기 고주파 전력의 주파수의 조절과 상기 정전 용량의 조절의 병용을 행함으로써 달성된다.The object of the present invention is achieved by a plasma processing apparatus comprising a vacuum chamber capable of reducing pressure, a processing chamber disposed in the vacuum chamber, in which a plasma for processing a sample to be treated is formed, A vacuum exhaust means for exhausting the inside of the process chamber, a spiral resonance coil wound around the outer periphery of the side wall of the vacuum container, and a plurality of resonance coils disposed outside the resonance coil, A spiral resonator having a shield electrically connected to at least one of the end portions of the resonance coil and a resonance coil electrically connected to the resonance coil at a feed point disposed between the two ends of the resonance coil, A high frequency power supply capable of supplying high frequency power, And a matching unit for adjusting the capacitance between the feeding point and the grounding position and the frequency of the high frequency power so that the power of the reflected wave of the high frequency power supplied to the resonance coil is minimized. The plasma processing apparatus according to claim 1, Frequency power of the specific frequency is supplied so as to be an integral multiple of one wavelength of a standing wave formed in the resonance coil, and the matching unit sets the capacitance to a predetermined value in a predetermined period until the ignited plasma is matched And adjusting the capacitance after the plasma is matched or adjusting the frequency of the high frequency power and the adjustment of the capacitance in combination with each other.

또는, 진공 용기 내부에 배치되어 감압된 처리실 내에 처리 대상의 시료를 배치하고, 상기 처리실 내에 플라즈마 형성용의 가스를 공급하고, 상기 진공 용기 측벽의 외주를 둘러싸고 감겨 배치된 나선 형상의 코일에 특정 주파수를 포함하는 소정 범위 내의 주파수의 고주파 전력을 공급하여 형성한 전계를 상기 처리실 내에 공급하여 상기 가스를 이용하여 상기 처리실 내에 플라즈마를 형성하여 상기 시료를 처리하는 플라즈마 처리 방법으로서, 상기 코일은 두 개의 단부 중 적어도 한쪽이 접지됨과 함께 이들 두 개의 단부 사이에 배치된 급전점으로부터 상기 고주파 전력이 공급되는 것으로서, 상기 코일의 전기적 길이가, 상기 특정 주파수의 고주파 전력이 공급되어 당해 코일에 형성되는 정재파의 1파장의 정수배가 되도록 되고, 착화된 상기 플라즈마가 정합될 때까지의 소정 기간에 상기 급전점과 접지 위치 사이의 정전 용량을 소정의 값으로 유지한 상태에서 상기 고주파 전력의 주파수를 당해 주파수의 고주파 전력의 반사파의 전력이 최소가 되도록 가변으로 조절하며, 상기 플라즈마가 정합된 후에는 상기 고주파 전력의 반사파의 전력이 최소가 되도록 상기 정전 용량의 조절, 또는 상기 고주파 전력의 주파수의 조절과 상기 정전 용량의 조절을 병용하여 행함으로써 해결된다.Alternatively, a sample to be treated is disposed in a vacuum chamber disposed inside the vacuum chamber, a plasma-forming gas is supplied into the chamber, and a spiral coil wound around the outer periphery of the vacuum chamber side wall is irradiated with a specific frequency Frequency electric power having a frequency within a predetermined range, and supplying the electric field to the processing chamber to form a plasma in the processing chamber using the gas to process the sample, wherein the coil has two ends And the high frequency electric power is supplied from a feeding point disposed between the two end portions of the coil. The electric length of the coil is set so that the high frequency electric power of the specific frequency is supplied to the coil The wavelength of the light is adjusted to be an integral multiple of the wavelength, The power of the high frequency power is adjusted so as to minimize the power of the reflected wave of the high frequency power of the frequency in a state where the capacitance between the feeding point and the grounding position is maintained at a predetermined value in a predetermined period until the mark is matched And adjusting the capacitance so that the power of the reflected wave of the high frequency power is minimized after the plasma is matched or adjusting the frequency of the high frequency power and the capacitance.

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.1 is a longitudinal sectional view schematically showing a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a map showing (a) a reflected wave map and (b) a small value of the variable capacity element when the discharge pressure and the discharge power are changed.
3 is a block diagram showing an example of an algorithm for automatically adjusting the frequency.
4 is a block diagram showing an example of an algorithm for automatically adjusting the capacity of the variable vacuum condenser.
5 is a schematic diagram showing a plasma ignition sequence according to the present invention.
6 is a schematic diagram showing an ignition sequence in the case where the preset value of the variable capacitance element is appropriately adjusted.
7 is the discharge frequency dependence of the traveling wave Pf and the reflected wave Pr when the feed point and the ground point are appropriate, and when the feed point and the ground point are inadequate.
Fig. 8 is a reflection map in the conventional art.
9 is the discharge frequency dependence of the traveling wave Pf and the reflected wave Pr when the frequency is raised from the lower side to the higher side when the feeding point and the grounding point are appropriate.

본 발명의 실시형태를 이하에 설명한다.Embodiments of the present invention will be described below.

〔실시예〕[Examples]

본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 이하에 설명한다.Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

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.Fig. 1 schematically shows a configuration of a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention. A metal upper cover 2 is provided on the upper part of the substantially cylindrical dielectric container 1 and a metal treatment chamber 3 is provided on the lower part.

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.The dielectric vessel 1, the upper lid 2 and the treatment chamber 3 are configured to have an airtight structure by a vacuum seal means such as an O-ring. The vacuum pump 23, which is connected via the variable conductance valve 22, As shown in Fig. The upper lid 2 is provided with a gas supply system 21. The processing gas is rectified to a desired flow pattern by the gas rectifying means 6 provided below the upper lid 2 And introduced into the treatment chamber. A wafer stage 4 for placing a wafer 5 to be processed is provided inside the processing chamber.

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.A spiral antenna 7 and a grounded metal shield 8 are provided on the outer side of the dielectric container 1 and the output of the high frequency power supply 13 is connected to the feeding point 12. The electric field of the antenna 7 has a length corresponding to one wavelength at the frequency of the high frequency power source 13 and both ends thereof are grounded by the upper ground point 10 and the lower ground point 11.

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.That is, the helical antenna 7 and the shield 8 form a helical resonator. The feed line in the vicinity of the feeding point is connected to the ground potential by the variable capacitance element 22. The fixed inductance element 23 may be connected to the variable capacitance element 22 in parallel. A desired gas is introduced from the gas supply system 21 and plasma and radicals are generated by applying high frequency power to the helical antenna 7 and the plasma 5 is irradiated onto the wafer 5 to perform the plasma treatment.

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.The material of the substantially cylindrical dielectric container 1 is preferably a material which is high in plasma resistance, small in dielectric loss, and hardly causes foreign matter or contamination, that is, fused quartz, high purity alumina sintered body, yttria sintered body and the like . It is preferable that the inner diameter Dq of the dielectric container 1 is 0.6 Dw < Dq < 1.4 Dw with respect to the diameter Dw of the wafer in order to perform uniform treatment on the wafer 5. [

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.When the inner diameter of the dielectric container is too small, the processing speed at the central portion of the wafer rises. Conversely, if the inner diameter of the dielectric container is too large, the processing speed at the wafer peripheral portion increases. In order to perform uniform treatment on the wafer 5, the height H of the dielectric container 1 is preferably 0.8 Dw <H <4.0 Dw, based on the diameter Dw of the wafer.

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.In the lower part of the dielectric container 1, a metallic treatment chamber 3 is provided. The material of the treatment chamber 3 is preferably a material which is excellent in plasma resistance and hardly causes contamination of the wafer by heavy metal contamination or foreign matter, that is, aluminum whose surface is anodized.

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.Alternatively, the base material of aluminum may be sprayed with a material such as yttria, alumina or silicon oxide. The process chamber 3 is provided with a variable conductance valve 22 and a vacuum pump 23. The variable conductance valve 22 is controlled by controlling the variable conductance valve in a state in which a process gas of a desired flow rate flows from the gas supply system 21, Is maintained at a constant pressure.

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.A wafer stage 4 for placing the wafer 5 is provided below the dielectric container 1 in the treatment chamber 3. The wafer stage 4 is provided on the lower side of the dielectric container 1, The material of the wafer stage is preferably aluminum or an aluminum alloy whose surface has been anodized. In addition, a heater or a chiller (not shown) is provided in this stage, and the temperature can be adjusted from about 20 ° C to about 400 ° C. Further, a lift pin for lifting and lowering the wafer (not shown) is provided.

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.The upper portion of the substantially cylindrical dielectric container 1 is provided with an upper cover 2 made of aluminum which has an alumite treatment on its surface. The upper surface of the dielectric container 1 is sealed by a vacuum sealing means such as an O- Respectively. The temperature of the top cover 2 and the dielectric container 1 rise during the discharge, but the top cover 2 is cooled by the refrigerant for the purpose of preventing the O-ring from being deteriorated by heat. A gas supply system 21 is connected to the upper lid 2 to supply a desired type of mixed gas.

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.A substantially circular rectifying means (6) is provided at the bottom of the upper cover (2). The material of the rectifying means 6 is preferably a material which is high in plasma resistance, small in dielectric loss, and difficult to cause foreign matter or contamination, that is, fused quartz, high purity alumina sintered body, yttria sintered body and the like. The shape of the rectifying means is appropriately selected for the purpose of changing the supply form of the gas to the dielectric container 1. When the rectifying means is a substantially disc-shaped shower plate, gas can be supplied almost uniformly.

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.On the other hand, when the rectifying means 6 is made of a disk whose outer shape is smaller than the inner diameter of the dielectric container 1 by about 1 mm to 10 mm, gas can be supplied only from the outer peripheral portion of the dielectric container 1. The kind of gas is appropriately selected depending on the kind of the film to be treated. For example, O ₂ , N ₂ , H ₂ , He, CF ₄ , CO _2, and a mixed gas thereof are often used as an example of an ashing treatment for peeling off various organic films.

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.On the outer side of the above-mentioned dielectric container 1, there is provided an antenna 7 having a spiral pipe made of a metal pipe having a diameter of 5 mm to 20 mm. The length of the antenna is approximately one wavelength of the frequency used. For example, when using a frequency of 27.12 MHz, the antenna length is about 11 m.

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.Further, in order to suppress the temperature rise of the antenna itself when high-frequency electric power is supplied, a temperature-controlled refrigerant flows through the inside of the antenna. Both ends of the antenna are connected to the shield 8 at the ground potential by the upper ground point 10 and the lower ground point 11. The material of the antenna and the shield is copper, which is a general material having a small electric resistance value. In order to improve the high-frequency characteristics, the surface of the copper may be plated with silver or gold.

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.In addition, the helical antenna 7 and shield 8 constitute a helical resonator for one wavelength as described above. The current and voltage standing wave are excited by the helical coil resonating in the full wave mode, the phase voltage and the reverse phase voltage of the voltage standing wave are canceled each other, and at the node where the phase voltage is switched, A very low potential plasma can be excited.

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.The feed point 12 is provided at a position away from the lower earth of the antenna 7 along the antenna by a frequency of about 1/200 to 1/50 wavelength and the output of the high frequency power supply 13 is connected have. The electric power line in the very vicinity of the feeding point is electrically connected to the ground potential via the variable capacitance element 31 whose capacitance is about 5 pF to 500 pF.

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.The variable capacitance element 31 is controlled by a mechanical driving means (not shown) such as a DC servo motor or a stepping motor and a variable capacitance element control section 33 for controlling the variable capacitance element 31 so that its capacitance Can be adjusted. The fixed inductance element 32 may be provided in parallel with the variable capacitance element.

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.The frequency of the high frequency power supply 13 is appropriately selected from 400 kHz to 40 MHz, but this time, 27.12 MHz was used. The high frequency power supply 13 has a function of frequency matching. That is, the present high frequency power source can change the output frequency within a range of ± 5% to ± 10% with respect to the center frequency of 27.12 MHz, and furthermore, the progressive wave power Pf and the reflected wave power Pr) ratio (Pr / Pf) of the frequency is reduced.

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.The progressive wave power and the reflected wave power are detected by the Pf Pr monitor 41 and sent to an operation unit 42 composed of a microcomputer or a CPU. The calculation unit determines the frequency f_new and the capacitance C_new by a predetermined algorithm.

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.The signal of the frequency f_new is oscillated in the high frequency oscillating section 43 and amplified to a predetermined output in the high frequency amplifying section 44 and fed to the feed point 12 through the coaxial cable 45. The capacitance C_new is transmitted to the variable capacitance element control section 33 via the signal line 46, and the value of the variable capacitance element 31 is appropriately adjusted.

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.As described above, in the techniques described in Patent Documents 2 and 3, it is difficult to cope with various conditions in which the discharge pressure and the discharge electric power are changed as shown in Fig. In contrast, in the plasma processing apparatus according to the present invention, by suitably adjusting the capacitance of the variable capacitance element 15, it is possible to cope with a wide range of conditions.

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.2 (a) shows the result of obtaining the reflected wave map using the present invention under the discharge condition shown in Fig. 8, and Fig. 2 (b) shows the map of the capacitance value of the variable capacitance element 15 at that time . As can be seen from Fig. 2 (a), the reflected wave Pr is 0 W under all conditions. In Fig. 2 (b), it can be seen that it is appropriate to use a larger capacitance in the conditions of 533 Pa, 1000 W, 100 Pa, and 4500 W where the reflected waves are large in Fig. 2 (b) shows only the result of the O ₂ gas. In the case of other gas systems, that is, a mixed gas system of H ₂ / N ₂ system, H ₂ / He system and N ₂ / CF ₄ system, A reflected wave map obtained by changing the discharge power into a matrix shape was acquired and it was confirmed that the reflected wave Pr = 0 W in all of the conditions.

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.Next, FIG. 3 shows an example of a simple algorithm for automatically adjusting the frequency. Incidentally, the change of the incident wave and the reflected wave with respect to frequency is typically as shown in Fig. 7 (a).

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.First, in step 301, a frequency unit frequency ff (0) at the start of application of high-frequency power, a frequency unit width? F at which the frequency is varied, a time unit width? T1, and a flag A do. Typically, f (0) = 28.0 MHz,? F = 0.01 MHz,? T1 = about 5 ms, and A = -1 (frequency lowering direction) when the center frequency of the high frequency power source is 27.12 MHz.

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).Next, when the frequencies are sequentially lowered by executing the steps of Step 302 to Step 305, as shown in Fig. 7 (a), the reflected wave Pr gradually decreases and the traveling wave Pf gradually increases Goes. This is because the resonance frequency of the helical resonator is set around 27.12 MHz and the frequency f (0) at the time of starting the application of the high-frequency power is set to 28.6 MHz and higher than 27.12 MHz. In accordance with the increase of Pf and the decrease of Pr, plasma starts to be generated at either timing (presumably from about 27.7 MHz to 27.6 MHz, as seen from Fig. 7 (a)).

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.When the value of the reflected wave becomes smaller to some extent, a process of decreasing the frequency unit DELTA f is performed (Step 305). When the frequency is too low to increase the reflected wave, the process proceeds from Step 303 to Step 306 to change the direction of the frequency change. When the value of the reflected wave becomes smaller than the predetermined value, the loop is shifted to the loop of Step 4 and Step 7. As long as the reflected wave does not increase beyond the predetermined value due to some influence, the frequency is not changed.

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.3 shows an example of an automatic frequency adjustment algorithm, and other algorithms may be used. The start frequency f (0), frequency unit DELTA f, and time unit DELTA t1 are all examples, and other values may be used. However, in the automatic control of the frequency, the frequency f (0) at the start of applying the high-frequency power (for example, 28.0 MHz) is set higher than the frequency at which the reflected wave is minimized First, it is preferable to start the control in the direction of decreasing the frequency.

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.Fig. 9 shows the traveling wave power Pf and the reflected wave power Pf when the frequency of the high frequency power source is changed in the spiral resonator in which the positions of the feed point and the ground point are appropriately adjusted. When sampling this data experimentally, the oscillation frequency of the high-frequency power supply was set in the manual and the frequency was sequentially changed from the lower side (26.7 MHz) to the higher side (27.7 MHz). That is, the case of changing the frequency is reversed from Fig. 7 (a).

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.In this figure, it can be seen that the total reflection state (Pf = Pr = 1500W) from 26.7 MHz to 27.3 MHz and that no plasma is generated at all. Next, since Pf increases and Pr decreases at 27.4 MHz, it can be seen that plasma is generated at this frequency. However, when the frequency is further increased, Pf is decreased and Pr is increased, so that it can be seen that the control is completely reversed. In the automatic control algorithm shown in Fig. 3, although there is no great problem because the direction of changing the frequency is reversed in the decreasing direction here, from the viewpoint of the matching speed or from the viewpoint of reducing the unnecessary frequency sweep (sweep) It is preferable to start the control in the direction of decreasing the frequency.

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.Next, an example of a simple algorithm for automatically adjusting the electrostatic capacitance C of the variable capacitance element is shown in Fig. In this figure, first, in Step 401, the initial capacity C (0) at the start of application of the high-frequency power, the capacity change unit width? C when the capacity is varied, the time unit width? T2, Is set.

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.Typically, C = 20 pF,? C = 8 pF,? T1 = about 50 ms, and B = 1 (direction in which the capacity is increased). In addition, the initial capacity C (0) is able to input an appropriate value from the processing recipe as a preset value.

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.Next, the steps from Step 402 to Step 405 are executed to sequentially increase the capacities. When the value of the reflected wave becomes smaller to some extent, a process of decreasing the unit DELTA C of capacity is performed (Step 405). When the capacitance is increased excessively and the reflected wave is increased, the process proceeds from Step 403 to Step 406 to change the direction of the capacitance change.

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.If the value of the reflected wave becomes smaller than the predetermined value, the process proceeds to the loop of Step 404 and Step 407. The capacity is not changed unless the reflected wave increases again beyond a predetermined value due to some effect. 4 shows an example of an automatic adjustment algorithm of the capacitance of the variable capacitance element, and other algorithms may be used. The initial capacity C (0), the capacity unit ΔC and the time unit Δt2 are all examples, and other values may be used. In addition, by using the automatic control method of the frequency shown in Fig. 3 and the automatic control method of the capacitance of the variable capacitance element shown in Fig. 4 in combination, it is possible to always automatically suppress the reflected wave Pr to a predetermined value or less.

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.Next, FIGS. 5 and 6 show the relationship between the incident wave Pf (t), the reflected wave Pr (t), the frequency f (t), the variable capacitive element VC1 (Discharge sequence) of the capacitance change C (t) of time. FIG. 5 shows a case where the preset value C (0) of the capacity VC1 is lower than the optimum value, and FIG. 6 shows a case where the preset value of VC1 is appropriate.

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.In either drawing, the incident wave is increased and the reflected wave is decreased in accordance with the change of the frequency and the value of VC1. Until the plasma is generated (ignited), and the values of the incident wave Pf and the reflected wave Pr are substantially equal to each other, Pr_limit. In a general plasma high frequency power supply, feedback control of output is performed so that Pf becomes a set value in a state in which plasma is generated. However, when plasma is not generated and the total reflection state is established, So as to prevent breakage of the power supply.

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.Immediately after the plasma is generated (ignited), the reflected wave Pr is first changed to Pr_limit, and Pf is increased. Next, after Pf reaches the recipe set value, the value of Pr is decreased, and the registration is completed when Pr = 0W. Here, as shown in Fig. 6, by appropriately setting the preset value of VC1, it is possible to greatly shorten the time from output On to registration completion. That is, it is possible to perform the control from the ignition to the registration only by controlling the frequency without moving the VC1 at all.

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.In a matching device that does not have a general frequency matching function, two variable capacitance elements (VC1 and VC2) are used, but the positions of VC1 and VC2 at the time of generation of plasma and the positions of VC1 and VC2 at which Pr = . Therefore, during the period from ignition to registration, it is necessary to mechanically drive VC1 and VC2. In the case of setting a value of Pr = 0W from the beginning as a preset of VC1 and VC2, there may occur a case where plasma is not generated.

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.In any case, since it is necessary to drive the variable capacitance element by mechanical means, it takes some time to take place from ignition to registration. On the other hand, in the present invention, by setting the preset value of the VC1 appropriately, it is possible to control the frequency from the ignition to the registration without controlling the VC1 at all.

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.In other words, it is possible to expect a considerable increase in speed as compared with the matching unit without the conventional frequency matching function. In the case of only the frequency matching device described in Patent Document 2 or 3, although the speed of matching operation is expected, there is a drawback that the matching range is narrow as shown in Fig. 8, and a considerable reflected wave remains depending on the condition . In contrast to this, by using the present invention, the matching range can be greatly enlarged as shown in Fig. 2, and it is possible to achieve a significantly high speed matching operation from the ignition.

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.In the matching means by the provision of the variable capacitance element in the vicinity of the feeding point of the helical antenna of the plasma processing apparatus provided with the frequency matching means in the spiral resonator shown in the present invention, since the variable capacitance element is one element, It is possible to manufacture the comparator in a very small size and at a low cost as compared with the case where the matching device is compared with a matching device of two or more elements in common. Needless to say, since the number of elements is small, the loss of high-frequency power in the matching means is also reduced.

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: 신호선1: Oil system container 2: Upper cover
3: processing chamber 4: wafer stage
5: wafer 6: rectifying means
7: Spiral antenna 8: Shield
10: upper ground point 11: lower ground point
12: feed point 13: variable frequency power source
14: Matching machine of 1 degree of freedom 21: Gas supply system
22: variable conductance valve 23: vacuum pump
31: variable capacitance element 32: fixed inductance element
33: variable capacitance element control unit 41: Pf 占 모니터 r monitor
42: operation unit 43: high frequency oscillation unit
44: high frequency amplifying unit 45: coaxial cable
46: Signal line

Claims

A plasma processing apparatus comprising: a vacuum chamber capable of being depressurized; a processing chamber disposed in the vacuum chamber, in which a plasma for processing a sample to be processed placed in the chamber is formed in the chamber; means for supplying a gas for generating plasma in the chamber; , A vacuum exhaust means for evacuating the inside of the treatment chamber, a spiral resonance coil wound around the outer periphery of the side wall of the vacuum vessel, and at least one of two ends of the resonance coil A spiral resonator device connected to the resonance coil and having a shield, and a resonance coil connected to the resonance coil at a feeding point disposed between the two ends of the resonance coil to supply high-frequency electric power of another frequency within a predetermined range, A high-frequency power source, and a high-frequency power source connected to the resonance coil Geupdoen A plasma processing apparatus comprising a matching adjusting the capacitance and the frequency of the high frequency electric power between the power feeding point and a ground position of the radio frequency power so as to minimize the reflected wave power,
Wherein an electric length of the resonance coil is set to be an integral multiple of one wavelength of a standing wave supplied to the resonance coil by supplying the high frequency power of the specific frequency, The frequency is adjusted to be variable while the capacitance is kept at a predetermined value, and after the plasma is matched, a combination of the adjustment of the capacitance or the adjustment of the frequency of the high frequency power and the adjustment of the capacitance To the plasma processing apparatus.

The method according to claim 1,
Wherein the matching unit is electrically connected between the feeding point and the grounding position, the capacitance of the variable capacitance element being variably adjusted so that the power of the reflected wave is minimized, and a fixed inductance element connected in parallel to the variable capacitance element. Processing device.

A sample to be treated is disposed in a vacuum chamber disposed inside the vacuum chamber, a gas for plasma formation is supplied into the treatment chamber, and a spiral coil wound around the outer wall of the vacuum chamber includes a specific frequency Frequency electric power of a frequency within a predetermined range to the processing chamber to form a plasma in the processing chamber using the gas to process the sample,
Wherein at least one of the two ends of the coil is grounded and the high frequency electric power is supplied from a feeding point disposed between the two ends, the electric length of the coil is set such that the high frequency electric power of the specific frequency is supplied, In a state in which the capacitance between the feeding point and the grounding position is maintained at a predetermined value in a predetermined period until the plasma is matched with the frequency of the high frequency power Frequency power of the high-frequency power is minimized, and after the plasma is matched, adjusting the capacitance so that the power of the reflected wave of the high-frequency power is minimized, or adjusting the capacitance of the high- And the adjustment of the capacitance is performed in combination.