KR20190031164A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 Download PDF

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Abstract

(과제) 바이어스 전력의 크기의 전환을 수반하는 플라즈마 처리에 있어서, 피처리 기판에 형성되는 틸팅을 억제한다.
(해결 수단) 플라즈마 처리 장치는, 피처리 기판에 대한 플라즈마 처리의 기간 중에 크기가 전환되는 바이어스 전력이 인가되는 기대와, 기대 상에 마련되고, 중앙부에 피처리 기판이 탑재되고, 외주부에 피처리 기판을 둘러싸도록 포커스링이 탑재되는 정전 척과, 정전 척의 외주부와 기대 또는 포커스링의 사이에 배치되어, 정전 척의 외주부의 정전 용량과 정전 척의 중앙부의 정전 용량의 차이를 감소시키는 정전 용량을 갖는 유전체층을 갖는다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명의 다양한 측면 및 실시 형태는, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에서는, 처리 가스의 플라즈마를 피처리 기판, 예컨대 반도체 웨이퍼에 작용시켜, 피처리 기판에 에칭 등의 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치가 이용되고 있다. 이와 같은 플라즈마 처리 장치에서는, 기대(基臺)(서셉터) 상에 마련된 정전 척의 중앙부에 피처리 기판이 탑재되고, 정전 척의 외주부에 피처리 기판을 둘러싸도록 포커스링이 탑재된다. 포커스링에 의해, 피처리 기판에 대하여 행해지는 에칭 등의 플라즈마 처리의 균일성이 향상된다. 기대에는, 피처리 기판으로 플라즈마 중의 이온을 끌어들이기 위한 고주파 전력인 바이어스 전력이 인가되는 경우가 있다.
그런데, 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서는, 반도체 웨이퍼 상에 높은 종횡비(aspect ratio)로 에칭 가공을 실시하는 경우에, 웨이퍼면 내의 일부의 영역(예컨대 웨이퍼 주변부 영역)에서 콘택트 홀이 기우는 현상(틸팅)이 발생하는 일이 있고, 이것이 수율 저하의 원인이 되고 있다.
이것에 대하여, 포커스링의 형상을 높이가 상이한 복수의 평탄부를 포함하는 형상으로 한 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다. 높이가 상이한 복수의 평탄부를 포함하는 형상으로 형성된 포커스링을 이용하는 것에 의해, 피처리 기판에 형성되는 틸팅이 억제된다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 2016-225588호 공보
그렇지만, 상술한 기술에서는, 바이어스 전력의 크기의 전환을 수반하는 플라즈마 처리에 있어서, 피처리 기판에 형성되는 틸팅을 억제하는 것까지는 고려되고 있지 않다.
예컨대, 바이어스 전력의 크기가 상대적으로 낮은 값으로부터 상대적으로 높은 값으로 전환되는 경우를 상정한다. 이 경우, 피처리 기판의 위쪽의 플라즈마 시스와 포커스링의 위쪽의 플라즈마 시스의 사이의 높이의 대소 관계는, 피처리 기판과 기대의 사이의 임피던스와, 포커스링과 기대의 사이의 임피던스의 차이에 의존하는 것이 일반적으로 알려져 있다. 정전 척의 중앙부의 정전 용량과 정전 척의 외주부의 정전 용량의 차이가 존재하면, 피처리 기판과 기대의 사이의 임피던스와, 포커스링과 기대의 사이의 임피던스가 일치하지 않는다. 피처리 기판과 기대의 사이의 임피던스와, 포커스링과 기대의 사이의 임피던스가 일치하지 않으면, 피처리 기판의 위쪽의 플라즈마 시스와 포커스링의 위쪽의 플라즈마 시스의 사이의 높이의 대소 관계가 변동하기 쉬워진다. 그 결과, 플라즈마 중의 이온 등의 입자가 피처리 기판에 입사하는 기울기의 변동이 커지고, 피처리 기판에 형성되는 홀의 기울기의 격차를 미리 정해진 스펙 내로 억제하는 것이 곤란해진다. 또, 본문에서는 정전 용량은 단위 면적당 정전 용량을 의미한다.
높이가 상이한 복수의 평탄부를 포함하는 형상으로 형성된 포커스링을 이용하는 플라즈마 처리 장치에서는, 바이어스 전력의 크기가 전환되면, 피처리 기판의 위쪽의 플라즈마 시스와 포커스링의 위쪽의 플라즈마 시스의 사이의 높이의 대소 관계가 변동되고, 피처리 기판에 형성되는 홀의 기울기가 크게 변동되어 버릴 우려가 있다. 따라서, 바이어스 전력의 크기의 전환을 수반하는 플라즈마 처리에 있어서, 피처리 기판에 형성되는 틸팅을 억제하는 것이 기대되고 있다.
개시하는 플라즈마 처리 장치는, 하나의 실시 태양에 있어서, 피처리 기판에 대한 플라즈마 처리의 기간 중에 크기가 전환되는 바이어스 전력이 인가되는 기대와, 상기 기대 상에 마련되고, 중앙부에 상기 피처리 기판이 탑재되고, 외주부에 상기 피처리 기판을 둘러싸도록 포커스링이 탑재되는 정전 척과, 상기 정전 척의 외주부와 상기 기대 또는 상기 포커스링의 사이에 배치되어, 상기 정전 척의 외주부의 정전 용량과 상기 정전 척의 중앙부의 정전 용량의 차이를 감소시키는 정전 용량을 갖는 유전체층을 갖는다.
개시하는 플라즈마 처리 장치의 하나의 태양에 의하면, 바이어스 전력의 크기의 전환을 수반하는 플라즈마 처리에 있어서, 피처리 기판에 형성되는 틸팅을 억제할 수 있다고 하는 효과를 발휘한다.
도 1은 일 실시 형태와 관련되는 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 기대, 정전 척, 웨이퍼 및 포커스링을 확대하여 나타내는 확대 단면도이다.
도 3은 정전 척의 외주부와 기대의 사이에 유전체층이 배치되지 않는 경우의 정전 척 부근의 등가 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 정전 척의 외주부와 기대의 사이에 유전체층이 배치된 경우의 정전 척 부근의 등가 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 정전 척의 외주부와 기대의 사이에 유전체층이 배치된 경우의 정전 척 부근의 등가 회로의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 유전체층의 배치 태양의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 7은 바이어스 전력의 크기와 홀의 경사 각도의 관계의 측정 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 정전 척의 외주부와 기대의 사이에 유전체층이 배치되지 않는 플라즈마 처리 장치(비교예)에 있어서의 포커스링의 온도 분포의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 정전 척의 외주부와 기대의 사이에 유전체층이 배치된 플라즈마 처리 장치(실시예)에 있어서의 포커스링의 온도 분포의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또, 각 도면에 있어서 동일 또는 상당하는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이기로 한다.
[플라즈마 처리 장치의 구성]
도 1은 일 실시 형태와 관련되는 플라즈마 처리 장치(1)의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(1)는, 예컨대, 용량 결합 플라즈마(CCP : Capacitively Coupled Plasma)를 이용한 플라즈마 에칭 장치로서 구성된다.
도 1에 있어서, 플라즈마 처리 장치(1)는, 금속제, 예컨대, 알루미늄 또는 스테인리스강제의 보안 접지된 원통형의 처리 용기(10)를 갖는다. 처리 용기(10) 내에는, 원판 형상의 기대(서셉터)(11)가 배치되어 있다. 기대(11)는, 예컨대, 알루미늄으로 이루어지고, 절연성의 통 형상 유지 부재(12)를 통해서 처리 용기(10)의 바닥으로부터 수직 위쪽으로 연장되는 통 형상 지지부(13)에 지지되어 있다. 기대(11)는 하부 전극으로서 기능한다.
처리 용기(10)의 측벽과 통 형상 지지부(13)의 사이에는 배기로(14)가 형성되고, 이 배기로(14)의 입구 또는 도중에 환상(環狀)의 배플판(15)이 배치됨과 아울러, 저부에 배기구(16)가 마련되고, 그 배기구(16)에 배기관(17)을 통해서 배기 장치(18)가 접속되어 있다. 여기서, 배기 장치(18)는, 진공 펌프를 갖고, 처리 용기(10) 내의 처리 공간을 소정의 진공도까지 감압한다. 또한, 배기관(17)은 가변식 버터플라이 밸브인 자동 압력 제어 밸브(automatic pressure control valve)(이하 "APC"라고 한다)(도시하지 않음)를 갖고, 그 APC는 자동적으로 처리 용기(10) 내의 압력 제어를 행한다. 또한, 처리 용기(10)의 측벽에는, 웨이퍼 W의 반입출구(19)를 개폐하는 게이트 밸브(20)가 설치되어 있다.
하부 전극으로서 기능하는 기대(11)에는, 고주파 전원(22a)이 정합기(21a)를 거쳐서 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 기대(11)에는, 고주파 전원(22b)이 정합기(21b)를 거쳐서 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원(22a)은, 플라즈마 생성용의 전원이고, 소정의 고주파의 고주파 전력을 기대(11)에 인가한다. 또한, 고주파 전원(22b)은, 이온 인입용의 전원이고, 고주파 전원(22a)보다 낮은 주파수의 고주파 전력을 기대(11)에 인가한다. 고주파 전원(22b)으로부터 기대(11)에 인가되는 고주파 전력은, 피처리 기판의 일례인 웨이퍼 W에 플라즈마 중의 이온을 끌어들이기 위한 고주파 전력이고, "바이어스 전력"이라고도 불린다. 고주파 전원(22b)은, 웨이퍼 W에 대한 플라즈마 처리의 기간 중에, 제어부(43)로부터의 지시에 따라, 바이어스 전력의 크기를 상대적으로 낮은 값과 상대적으로 높은 값으로 전환한다.
또한, 처리 용기(10)의 천정부에는, 후술하는 접지 전위의 상부 전극으로서의 샤워 헤드(24)가 배치되어 있다. 이것에 의해, 고주파 전원(22a)으로부터의 고주파 전압이 기대(11)와 샤워 헤드(24)의 사이에 인가된다.
기대(11)의 상면에는, 웨이퍼 W를 정전 흡착력으로 흡착하는 정전 척(25)이 배치되어 있다. 정전 척(25)은, 원판 형상의 중앙부(25a)와, 환상의 외주부(25b)를 갖는다. 중앙부(25a)에는, 웨이퍼 W가 탑재되고, 외주부(25b)에는, 웨이퍼 W를 둘러싸도록 포커스링(30)이 탑재된다. 중앙부(25a)는, 외주부(25b)에 대하여 도면 중 위쪽으로 돌출하고 있고, 외주부(25b)보다 두께가 크다. 중앙부(25a)는, 도전막으로 이루어지는 전극판(25c)을 한 쌍의 유전막의 사이에 끼우는 것에 의해 구성된다. 외주부(25b)는, 도전막으로 이루어지는 전극판(25d)을 한 쌍의 유전막의 사이에 끼우는 것에 의해 구성된다. 전극판(25c)에는 직류 전원(26)이 스위치(27)를 거쳐서 전기적으로 접속되어 있다. 전극판(25d)에는 직류 전원(28-1, 28-2)이 스위치(29-1, 29-2)를 거쳐서 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 정전 척(25)은, 직류 전원(26)으로부터 전극판(25c)에 인가된 전압에 의해 쿨롱력 등의 정전력을 발생시키고, 정전력에 의해 정전 척(25)에 웨이퍼 W를 흡착 유지한다. 또한, 정전 척(25)은, 직류 전원(28-1, 28-2)으로부터 전극판(25d)에 인가된 전압에 의해 쿨롱력 등의 정전력을 발생시키고, 정전력에 의해 정전 척(25)에 포커스링(30)을 흡착 유지한다. 또, 정전 척(25) 부근의 구조에 대해서는 후술된다.
또한, 기대(11)의 내부에는, 예컨대, 원주 방향으로 연장되는 환상의 냉매실(31)이 마련되어 있다. 이 냉매실(31)에는, 칠러 유닛(32)으로부터 배관(33, 34)을 통해서 소정 온도의 냉매, 예컨대, 냉각수가 순환 공급되고, 해당 냉매의 온도에 의해 정전 척(25)의 중앙부(25a) 상의 웨이퍼 W의 온도 및 외주부(25b) 상의 포커스링(30)의 온도를 제어한다.
또한, 정전 척(25)에는, 가스 공급 라인(36)을 거쳐서 전열 가스 공급부(35)가 접속되어 있다. 가스 공급 라인(36)은, 정전 척(25)의 중앙부(25a)에 도달하는 웨이퍼측 라인(36a)과, 정전 척(25)의 외주부(25b)에 도달하는 포커스링측 라인(36b)으로 분기되어 있다. 전열 가스 공급부(35)는, 웨이퍼측 라인(36a)을 이용하여, 정전 척(25)의 중앙부(25a)와, 웨이퍼 W의 사이에 있는 공간에 전열 가스를 공급한다. 예컨대, 또한, 전열 가스 공급부(35)는, 포커스링측 라인(36b)을 이용하여, 정전 척(25)의 외주부(25b)와 포커스링(30)의 사이에 있는 공간에 전열 가스를 공급한다. 전열 가스로서는, 열전도성을 갖는 가스, 예컨대, He 가스 등이 적합하게 이용된다.
천정부의 샤워 헤드(24)는, 다수의 가스 통기 구멍(37a)을 갖는 하면의 전극판(37)과, 그 전극판(37)을 탈착 가능하게 지지하는 전극 지지체(38)를 갖는다. 또한, 그 전극 지지체(38)의 내부에 버퍼실(39)이 마련되고, 이 버퍼실(39)의 가스 도입구(38a)에는 처리 가스 공급부(40)로부터의 가스 공급 배관(41)이 접속되어 있다. 또한, 처리 용기(10)의 주위에는, 환상 또는 동심 형상으로 연장되는 자석(42)이 배치되어 있다.
상기 구성의 플라즈마 처리 장치(1)는, 제어부(43)에 의해, 그 동작이 통괄적으로 제어된다. 이 제어부(43)는, 예컨대, 컴퓨터이고, 플라즈마 처리 장치(1)의 각 부를 제어한다.
제어부(43)는, 도시하지 않는 중앙 처리 장치(CPU), 및 메모리라고 하는 기억 장치를 구비하고, 기억 장치에 기억된 프로그램 및 처리 레시피를 판독하여 실행하는 것에 의해, 플라즈마 처리 장치(1)의 각 부를 제어하고, 웨이퍼 W에 대하여 소정의 플라즈마 처리를 실시한다.
이와 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서, 웨이퍼 W에 대하여 에칭 처리가 행해지는 경우, 우선, 게이트 밸브(20)가 열린 상태로 제어되고, 반입출구(19)를 통해서 에칭 대상의 웨이퍼 W가 처리 용기(10) 내에 반입되고, 정전 척(25) 상에 탑재된다. 그리고, 직류 전원(26)으로부터 소정의 직류 전압이 전극판(25c)에 인가되고, 웨이퍼 W가 정전 척(25)의 중앙부(25a)에 흡착 유지된다. 또한, 직류 전원(28-1, 28-2)으로부터 소정의 직류 전압이 전극판(25d)에 인가되고, 포커스링(30)이 정전 척(25)의 외주부(25b)에 흡착 유지된다.
그리고, 처리 가스 공급부(40)로부터 에칭을 위한 처리 가스가 소정의 유량으로 버퍼실(39)에 공급되고, 가스 통기 구멍(37a)을 통해서 처리 가스가 처리 용기(10) 내에 공급된다. 또한, 배기 장치(18)에 의해 처리 용기(10) 내가 배기되고, 처리 용기(10) 내의 압력이 소정의 압력으로 제어된다. 처리 용기(10) 내에 처리 가스가 공급된 상태에서, 고주파 전원(22a)으로부터 플라즈마 생성용의 고주파 전력이 기대(11)에 인가됨과 아울러, 고주파 전원(22b)으로부터 이온 인입용의 고주파 전력(다시 말해, 바이어스 전력)이 기대(11)에 인가된다.
샤워 헤드(24)의 가스 통기 구멍(37a)으로부터 토출된 처리 가스는, 기대(11)에 인가된 고주파 전력에 의해, 샤워 헤드(24)와 기대(11)의 사이에 생긴 글로 방전(glow discharge) 중에 플라즈마화한다. 그리고, 처리 가스의 플라즈마에 포함되는 라디칼이나 이온에 의해 웨이퍼 W의 피처리면이 에칭되고, 웨이퍼 W의 피처리면에 홀이 형성된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 제어부(43)는, 웨이퍼 W에 대한 플라즈마 처리의 기간에 있어서, 고주파 전원(22b)을 제어하여, 기대(11)에 인가되는 바이어스 전력의 크기를 상대적으로 낮은 값과 상대적으로 높은 값으로 전환한다.
[정전 척 부근의 구조]
다음으로, 도 2를 참조하여, 정전 척(25) 부근의 구조에 대하여 설명한다. 도 2는 기대(11), 정전 척(25), 웨이퍼 W 및 포커스링(30)을 확대하여 나타내는 확대 단면도이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 정전 척(25)의 중앙부(25a)에는, 웨이퍼 W가 탑재되고, 외주부(25b)에는, 웨이퍼 W를 둘러싸도록 포커스링(30)이 탑재된다. 포커스링(30)은, 예컨대 실리콘 등의 도전성 부재에 의해 형성된다. 포커스링(30)은, 포커스링(30)의 하면(30b) 중 전부의 영역이 정전 척(25)의 외주부(25b)에 접촉한 상태에서, 정전 척(25)의 외주부(25b)에 탑재된다. 또한, 웨이퍼 W가 정전 척(25)의 중앙부(25a)에 탑재되고 또한 포커스링(30)이 정전 척(25)의 외주부(25b)에 탑재된 상태에서, 포커스링(30)의 상면(30a)의 높이는, 웨이퍼 W의 상면의 높이에 일치하고 있다.
또한, 정전 척(25)의 외주부(25b)와 기대(11)의 사이에는, 유전체층(50)이 배치되어 있다. 정전 척(25)의 중앙부(25a)는, 상술한 바와 같이, 정전 척(25)의 외주부(25b)에 대하여 위쪽으로 돌출하고 있고, 외주부(25b)보다 두께가 크다. 중앙부(25a)와 외주부(25b)의 사이의 두께의 차이에 의해, 중앙부(25a)의 정전 용량은, 외주부(25b)의 정전 용량보다 작다. 이것에 대하여, 유전체층(50)은, 정전 척(25)의 중앙부(25a)의 정전 용량과 정전 척(25)의 외주부(25b)의 정전 용량의 차이를 감소시키는 정전 용량을 갖는다. 구체적으로는, 유전체층(50)의 두께 및 비유전율은, 유전체층(50)의 정전 용량과 정전 척(25)의 외주부(25b)의 정전 용량의 합성 정전 용량이 정전 척(25)의 중앙부(25a)의 정전 용량에 일치하도록 선정된다. 이것에 의해, 유전체층(50) 및 정전 척(25)의 외주부(25b)를 사이에 두는 기대(11)와 포커스링(30)의 사이의 임피던스가, 정전 척(25)의 중앙부(25a)를 사이에 두는 기대(11)와 웨이퍼 W의 사이의 임피던스에 일치한다.
여기서, 정전 척(25) 부근의 등가 회로를 이용하여, 유전체층(50)의 작용을 설명한다. 도 3은 정전 척(25)의 외주부(25b)와 기대(11)의 사이에 유전체층(50)이 배치되지 않는 경우의 정전 척(25) 부근의 등가 회로의 일례를 나타내는 도면이다. 도 4는 정전 척(25)의 외주부(25b)와 기대(11)의 사이에 유전체층(50)이 배치된 경우의 정전 척(25) 부근의 등가 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4에 있어서, 정전 척(25)의 중앙부(25a)의 정전 용량을 Cw, 정전 척(25)의 외주부(25b)의 정전 용량을 Cf라고 정의한다. 또한, 도 4에 있어서, 유전체층(50)의 정전 용량을 Cd라고 정의한다. 정전 척(25)의 중앙부(25a)는, 외주부(25b)보다 두께가 크기 때문에, 정전 용량 Cw는, 정전 용량 Cf보다 작다.
우선, 도 3에 나타내는 바와 같이, 정전 척(25)의 외주부(25b)와 기대(11)의 사이에 유전체층(50)이 배치되지 않는 경우를 상정한다. 플라즈마 처리의 기간에 있어서 기대(11)에 인가되는 바이어스 전력이 상대적으로 낮은 값(이하 "저 바이어스 전력치"라고 부른다)으로 전환되면, 포커스링(30)의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이와 웨이퍼 W의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이가 함께 저하된다. 여기서, 포커스링(30)의 상면(30a)의 높이는, 웨이퍼 W의 상면의 높이에 일치하므로, 포커스링(30)의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이는, 도 3의 파선에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼 W의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이에 대략 일치한다. 그러면, 웨이퍼 W의 에지부 부근에서는, 플라즈마 중의 이온이 웨이퍼 W의 피처리면에 대하여 연직 방향으로 입사한다. 에칭 처리에서는, 이온의 입사 방향을 따라 홀이 형성된다. 그 때문에, 웨이퍼 W의 에지부 부근에서는, 웨이퍼 W의 피처리면에 형성되는 홀의 깊이 방향의 형상은, 연직 방향을 따른 형상이 된다.
그 후, 기대(11)에 인가되는 바이어스 전력이 상대적으로 높은 값(이하 "고 바이어스 전력치"라고 부른다)으로 전환되면, 포커스링(30)의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이와 웨이퍼 W의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이가 함께 상승한다. 여기서, 바이어스 전력이 고 바이어스 전력치로 전환되면, 웨이퍼 W의 위쪽의 플라즈마 시스와 포커스링(30)의 위쪽의 플라즈마 시스의 사이의 높이의 대소 관계는, 웨이퍼 W와 기대(11)의 사이의 임피던스와, 포커스링(30)과 기대(11)의 사이의 임피던스의 차이에 의존하는 것이 알려져 있다. 유전체층(50)이 배치되지 않는 경우, 웨이퍼 W와 기대(11)의 사이의 임피던스는, 정전 용량 Cw의 역수에 비례하고, 포커스링(30)과 기대(11)의 사이의 임피던스는, 정전 용량 Cf의 역수에 비례한다. 정전 용량 Cw는, 정전 용량 Cf보다 작다. 그 때문에, 웨이퍼 W와 기대(11)의 사이의 임피던스는, 포커스링(30)과 기대(11)의 사이의 임피던스보다 크다. 그 때문에, 포커스링(30)의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이는, 도 3의 실선에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼 W의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이보다 커진다. 그러면, 웨이퍼 W의 에지부 부근에서는, 플라즈마 중의 이온이 웨이퍼 W의 피처리면에 대하여 웨이퍼 W의 에지부의 방향으로 비스듬하게 기울어 입사한다. 그 때문에, 웨이퍼 W의 에지부 부근에서는, 웨이퍼 W의 피처리면에 형성되는 홀의 깊이 방향의 형상은, 연직 방향에 대하여 웨이퍼 W의 에지부 쪽으로 비스듬하게 기운 형상이 된다. 그 결과, 웨이퍼 W에 형성되는 틸팅이 증대되어 버린다.
이것에 비하여, 도 4에 나타내는 바와 같이, 정전 척(25)의 외주부(25b)와 기대(11)의 사이에 유전체층(50)이 배치된 경우를 상정한다. 플라즈마 처리의 기간에 있어서 기대(11)에 인가되는 바이어스 전력이 저 바이어스 전력치로 전환되면, 포커스링(30)의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이와 웨이퍼 W의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이가 모두 저하한다. 여기서, 포커스링(30)의 상면(30a)의 높이는, 웨이퍼 W의 상면의 높이에 일치하므로, 포커스링(30)의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이는, 도 4의 파선에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼 W의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이에 일치한다. 그러면, 웨이퍼 W의 에지부 부근에서는, 플라즈마 중의 이온이 웨이퍼 W의 피처리면에 대하여 연직 방향으로 입사한다. 에칭 처리에서는, 이온의 입사 방향을 따라 홀이 형성된다. 그 때문에, 웨이퍼 W의 에지부 부근에서는, 웨이퍼 W의 피처리면에 형성되는 홀의 깊이 방향의 형상은, 연직 방향을 따른 형상이 된다.
그 후, 기대(11)에 인가되는 바이어스 전력이 고 바이어스 전력치로 전환되면, 포커스링(30)의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이와 웨이퍼 W의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이가 모두 상승한다. 여기서, 바이어스 전력이 고 바이어스 전력치로 전환되면, 웨이퍼 W의 위쪽의 플라즈마 시스와 포커스링(30)의 위쪽의 플라즈마 시스의 사이의 높이의 대소 관계는, 웨이퍼 W와 기대(11)의 사이의 임피던스와, 포커스링(30)과 기대(11)의 사이의 임피던스의 차이에 의존하는 것이 알려져 있다. 유전체층(50)이 배치된 경우, 웨이퍼 W와 기대(11)의 사이의 임피던스는, 정전 용량 Cw의 역수에 비례하고, 포커스링(30)과 기대(11)의 사이의 임피던스는, 정전 용량 Cf와 정전 용량 Cd의 합성 정전 용량 (CfㆍCd)/(Cf+Cd)의 역수에 비례한다. 본 실시 형태에서는, 유전체층(50)의 두께 및 비유전율은, 합성 정전 용량 (CfㆍCd)/(Cf+Cd)가 정전 용량 Cw에 일치하도록 선정된다. 이것에 의해, 유전체층(50) 및 정전 척(25)의 외주부(25b)를 사이에 두는 기대(11)와 포커스링(30)의 사이의 임피던스가, 정전 척(25)의 중앙부(25a)를 사이에 두는 기대(11)와 웨이퍼 W의 사이의 임피던스에 일치한다. 그 때문에, 포커스링(30)의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이는, 도 4의 실선에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼 W의 위쪽의 플라즈마 시스의 높이에 일치한다. 그러면, 웨이퍼 W의 에지부 부근에서는, 플라즈마 중의 이온이 웨이퍼 W의 피처리면에 대하여 연직 방향으로 입사한다. 그 때문에, 웨이퍼 W의 에지부 부근에서는, 웨이퍼 W의 피처리면에 형성되는 홀의 깊이 방향의 형상은, 연직 방향을 따른 형상이 된다. 즉, 본 실시 형태와 같이 유전체층(50)을 배치하는 것에 의해, 바이어스 전력이 저 바이어스 전력치와 고 바이어스 전력치로 전환되는 플라즈마 처리에 있어서, 바이어스 전력의 크기의 변경에 따르는 틸팅을 억제하는 것이 가능하게 된다.
또, 상술한 설명에서는, 유전체층(50)의 두께 및 비유전율은, 합성 정전 용량 (CfㆍCd)/(Cf+Cd)가 정전 용량 Cw에 일치하도록 선정되는 예를 나타냈지만, 개시 기술은 이것으로 한정되지 않는다. 포커스링(30)의 하면(30b) 중 일부의 영역이 정전 척(25)의 외주부(25b)에 접촉하고 있는 점을 고려하여, 유전체층(50)의 두께 및 비유전율을 선정하도록 하더라도 좋다. 도 5는 정전 척의 외주부와 기대의 사이에 유전체층이 배치된 경우의 정전 척 부근의 등가 회로의 다른 일례를 나타내는 도면이다. 도 5에 나타내는 예에서는, 포커스링(30)은, 포커스링(30)의 하면(30b) 중 일부의 영역이 정전 척(25)의 외주부(25b)에 접촉한 상태에서, 정전 척(25)의 외주부(25b)에 탑재된다. 도 5에 있어서, 플라즈마에 노출되는 포커스링(30)의 상면(30a)의 면적을 S1, 포커스링(30)의 하면(30b) 중, 정전 척(25)의 외주부(25b)에 접촉하는 일부의 영역의 면적을 S2라고 정의한다. 이 경우, 유전체층(50)의 두께 및 비유전율은, 면적 S1에 대한 면적 S2의 비를 합성 정전 용량 (CfㆍCd)/(Cf+Cd)에 곱하여 얻어지는 값이 정전 용량 Cw에 일치하도록 선정된다. 이것에 의해, 유전체층(50) 및 정전 척(25)의 외주부(25b)를 사이에 두는 기대(11)와 포커스링(30)의 사이의 임피던스가, 정전 척(25)의 중앙부(25a)를 사이에 두는 기대(11)와 웨이퍼 W의 사이의 임피던스에 보다 정밀하게 일치한다.
도 2의 설명으로 돌아온다. 유전체층(50)은, 접착제를 사이에 두지 않고서 기대(11) 상에 형성된다. 구체적으로는, 유전체층(50)은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 기대(11)의 상면의 영역 중, 정전 척(25)의 외주부(25b)에 대응하는 영역에 형성된 오목부에 용사 또는 도포에 의해 형성된다.
이와 같이, 유전체층(50)이 접착제를 사이에 두지 않고서 기대(11) 상에 형성됨으로써, 포커스링(30)으로부터 기대(11)로의 전열성이 손상되지 않으므로, 포커스링(30)의 온도 상승을 억제할 수 있다.
다음으로, 유전체층(50)의 배치 태양의 변형예에 대하여 설명한다. 도 6은 유전체층(50)의 설치 태양의 변형예를 나타내는 도면이다. 일 실시 형태에 있어서는, 유전체층(50)이 정전 척(25)의 외주부(25b)와 기대(11)의 사이에 배치되는 예를 나타냈다. 그렇지만, 유전체층(50)은, 예컨대 도 6에 나타내는 바와 같이, 정전 척(25)의 외주부(25b)와 포커스링(30)의 사이에 배치되더라도 좋다. 도 6에 나타내는 유전체층(50)은, 도 2에 나타낸 유전체층(50)과 마찬가지로, 정전 척(25)의 중앙부(25a)의 정전 용량과 정전 척(25)의 외주부(25b)의 정전 용량의 차이를 감소시키는 정전 용량을 갖는다. 구체적으로는, 유전체층(50)의 두께 및 비유전율은, 유전체층(50)의 정전 용량과 정전 척(25)의 외주부(25b)의 정전 용량의 합성 정전 용량이 정전 척(25)의 중앙부(25a)의 정전 용량에 일치하도록 선정된다. 이것에 의해, 유전체층(50) 및 정전 척(25)의 외주부(25b)를 사이에 두는 기대(11)와 포커스링(30)의 사이의 임피던스가, 정전 척(25)의 중앙부(25a)를 사이에 두는 기대(11)와 웨이퍼 W의 사이의 임피던스에 일치한다.
또, 상술한 설명에서는, 유전체층(50)의 두께 및 비유전율에 의해 임피던스를 일치시키는 예를 나타냈지만, 개시 기술은 이것으로 한정되지 않는다. 예컨대, 웨이퍼부의 기대의 두께나 FR부의 기대의 두께를 조정하여 임피던스를 일치시키는 방법이더라도 좋다.
[바이어스 전력의 크기와 홀의 경사 각도의 관계]
다음으로, 일 실시 형태와 관련되는 플라즈마 처리 장치(1)에 의한 효과(바이어스 전력의 크기와 홀의 경사 각도의 관계의 측정 결과)에 대하여 설명한다. 도 7은 바이어스 전력의 크기와 홀의 경사 각도의 관계의 측정 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7에 있어서, "비교예"는, 정전 척(25)의 외주부(25b)와 기대(11)의 사이에 유전체층(50)이 배치되지 않는 플라즈마 처리 장치를 이용하여 바이어스 전력의 크기의 전환을 수반하는 에칭 처리가 행해진 경우의 홀의 경사 각도 θ의 측정 결과를 나타낸다. 또한, "실시예 1"은, 정전 척(25)의 외주부(25b)와 기대(11)의 사이에 유전체층(50)이 배치된 플라즈마 처리 장치(1)를 이용하여 바이어스 전력의 크기의 전환을 수반하는 에칭 처리가 행해진 경우의 홀의 경사 각도 θ의 측정 결과를 나타낸다. 또한, "실시예 2"는, 정전 척(25)의 외주부(25b)와 포커스링(30)의 사이에 유전체층(50)이 배치된 플라즈마 처리 장치(1)를 이용하여 바이어스 전력의 크기의 전환을 수반하는 에칭 처리가 행해진 경우의 홀의 경사 각도 θ의 측정 결과를 나타낸다. 또한, "비교예"에서는, 기대(11)에 인가되는 바이어스 전력이 고 바이어스 전력치인 14000W로 전환된 경우의 홀의 경사 각도 θ가 대략 동일하게 되도록, 포커스링(30)의 높이가 조정된 것으로 한다.
또한, 도 7에 있어서, 기대(11)에 인가되는 바이어스 전력은, 저 바이어스 전력치인 2000W와 고 바이어스 전력치인 14000W로 전환된 것으로 한다. 또한, 도 7에 있어서, 홀의 경사 각도 θ는, 연직 방향에 대한 홀의 깊이 방향의 각도로서 정의된다. 즉, 웨이퍼 W에 형성된 홀이 웨이퍼 W의 피처리면의 주연부의 방향으로 비스듬하게 기우는 경우에, 홀의 경사 각도 θ는 양의 값이 된다. 한편, 웨이퍼 W에 형성된 홀이 웨이퍼 W의 피처리면의 중심부의 방향으로 비스듬하게 기우는 경우에, 홀의 경사 각도 θ는 음의 값이 된다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 비교예에서는, 바이어스 전력의 크기가 전환된 경우, 홀의 경사 각도 θ의 변동량 Δθ는, 0.48deg였다.
이것에 비하여, 실시예 1에서는, 바이어스 전력의 크기가 전환된 경우, 홀의 경사 각도 θ의 변동량 Δθ는, 0.06deg였다. 또한, 실시예 2에서는, 바이어스 전력의 크기가 전환된 경우, 홀의 경사 각도 θ의 변동량 Δθ는, 0.35deg였다. 즉, 실시예 1, 2에서는, 비교예와 비교하여, 바이어스 전력의 크기의 전환을 수반하는 에칭 처리에 있어서, 웨이퍼 W에 형성되는 틸팅을 억제할 수 있었다.
실시예 2에서는, 홀의 경사 각도 θ의 변동량 Δθ는 실시예 1보다 크게 되어 있다. 이것은, 실시예 2에서는 기대(11)와 포커스링(30)의 사이의 임피던스가, 정전 척(25)의 중앙부(25a)를 사이에 두는 기대(11)와 웨이퍼 W의 사이의 임피던스보다 높게 되어 있기 때문이다. 따라서, 기대(11)와 포커스링(30)의 사이의 임피던스를 너무 높게 하는 것은, 홀의 경사 각도 θ의 변동량 Δθ가 커지므로 바람직하지 않다.
[포커스링(30)의 온도 분포의 시뮬레이션 결과]
다음으로, 일 실시 형태와 관련되는 플라즈마 처리 장치(1)에 의한 효과(포커스링(30)의 온도 분포의 시뮬레이션 결과)에 대하여 설명한다. 도 8은 정전 척(25)의 외주부(25b)와 기대(11)의 사이에 유전체층(50)이 배치되지 않는 플라즈마 처리 장치(비교예)에 있어서의 포커스링(30)의 온도 분포의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 9는 정전 척(25)의 외주부(25b)와 기대(11)의 사이에 유전체층(50)이 배치된 플라즈마 처리 장치(1)(실시예)에 있어서의 포커스링(30)의 온도 분포의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 실시예에서는, 비교예와 거의 동등한 포커스링(30)의 온도 분포가 얻어졌다. 즉, 실시예에서는, 유전체층(50)은, 접착제를 사이에 두지 않고서 기대(11) 상에 형성된다. 그 때문에, 포커스링(30)으로부터 기대(11)로의 전열성이 손상되지 않으므로, 포커스링(30)의 온도 상승을 억제할 수 있었다.
이상, 일 실시 형태에 의하면, 웨이퍼 W에 대한 플라즈마 처리의 기간 중에 크기가 전환되는 바이어스 전력이 인가되는 기대(11) 상에 마련된 정전 척(25)의 외주부(25b)와 기대(11) 또는 포커스링(30)의 사이에 유전체층(50)을 배치했다. 이것에 의해, 바이어스 전력의 크기의 전환을 수반하는 플라즈마 처리에 있어서, 웨이퍼 W에 형성되는 틸팅을 억제할 수 있다.
또한, 일 실시 형태에 의하면, 유전체층(50)은, 접착제를 사이에 두지 않고서 기대(11) 상에 형성된다. 그 때문에, 포커스링(30)으로부터 기대(11)로의 전열성이 손상되지 않으므로, 포커스링(30)의 온도 상승을 억제할 수 있다.
또, 본 발명은, 상기한 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 그 요지의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.
예컨대, 상기한 실시 형태에서는, 정전 척(25)이 정전력에 의해 포커스링(30)을 흡착 유지하는 예를 나타냈지만, 정전 척(25)이 포커스링(30)을 흡착 유지하지 않더라도 좋다. 이 경우, 정전 척(25)으로부터 전극판(25d)이 생략된다.
또한, 상기한 실시 형태에서는, 플라즈마 처리 장치(1)는, CCP 타입의 플라즈마 에칭 장치였지만, 임의의 플라즈마원이 플라즈마 처리 장치(1)에 채용될 수 있다. 예컨대, 플라즈마 처리 장치(1)에 채용되는 플라즈마원으로서, Inductively Coupled Plasma(ICP), Radial Line Slot Antenna, Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR), Helicon Wave Plasma(HWP) 등을 들 수 있다.
W : 웨이퍼
10 : 처리 용기
11 : 기대
25 : 정전 척
25a : 중앙부
25b : 외주부
30 : 포커스링
50 : 유전체층

Claims (9)

  1. 피처리 기판에 대한 플라즈마 처리의 기간 중에 크기가 전환되는 바이어스 전력이 인가되는 기대(基臺)와,
    상기 기대 상에 마련되고, 중앙부에 상기 피처리 기판이 탑재되고, 외주부에 상기 피처리 기판을 둘러싸도록 포커스링이 탑재되는 정전 척과,
    상기 정전 척의 외주부와 상기 기대 또는 상기 포커스링의 사이에 배치되어, 상기 정전 척의 중앙부의 정전 용량과 상기 정전 척의 외주부의 정전 용량의 차이를 감소시키는 정전 용량을 갖는 유전체층
    을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체층의 두께 및 비유전율은, 상기 유전체층의 정전 용량과 상기 정전 척의 외주부의 정전 용량의 합성 정전 용량이 상기 정전 척의 중앙부의 정전 용량에 일치하도록 선정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 포커스링은, 상기 포커스링의 하면 중 일부의 영역이 상기 정전 척의 외주부에 접촉한 상태에서, 상기 정전 척의 외주부에 탑재되고,
    상기 유전체층의 두께 및 비유전율은, 상기 포커스링의 상면의 면적에 대한, 상기 포커스링의 하면 중 상기 일부의 영역의 면적의 비를, 상기 유전체층의 정전 용량과 상기 정전 척의 외주부의 정전 용량의 합성 정전 용량에 곱하여 얻어지는 값이 상기 정전 척의 중앙부의 정전 용량에 일치하도록 선정되는
    것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 피처리 기판에 대한 플라즈마 처리의 기간 중에 크기가 전환되는 바이어스 전력이 인가되는 기대와,
    상기 기대 상에 마련되고, 중앙부에 상기 피처리 기판이 탑재되고, 외주부에 상기 피처리 기판을 둘러싸도록 포커스링이 탑재되는 정전 척과,
    상기 정전 척의 외주부와 상기 기대 또는 상기 포커스링의 사이에 배치되어, 상기 정전 척의 중앙부의 단위 면적당 정전 용량과 상기 정전 척의 외주부의 단위 면적당 정전 용량의 차이를 감소시키는 단위 면적당 정전 용량을 갖는 유전체층
    을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 유전체층의 두께 및 비유전율은, 상기 유전체층의 단위 면적당 정전 용량과 상기 정전 척의 외주부의 단위 면적당 정전 용량의 합성 정전 용량이 상기 정전 척의 중앙부의 단위 면적당 정전 용량에 일치하도록 선정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 포커스링은, 상기 포커스링의 하면 중 일부의 영역이 상기 정전 척의 외주부에 접촉한 상태에서, 상기 정전 척의 외주부에 탑재되고,
    상기 유전체층의 두께 및 비유전율은, 상기 포커스링의 상면의 면적에 대한, 상기 포커스링의 하면 중 상기 일부의 영역의 면적의 비를, 상기 유전체층의 단위 면적당 정전 용량과 상기 정전 척의 외주부의 단위 면적당 정전 용량의 합성 정전 용량에 곱하여 얻어지는 값이 상기 정전 척의 중앙부의 단위 면적당 정전 용량에 일치하도록 선정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피처리 기판이 상기 정전 척의 중앙부에 탑재되고 또한 상기 포커스링이 상기 정전 척의 외주부에 탑재된 상태에서, 상기 포커스링의 상면의 높이는, 상기 피처리 기판의 상면의 높이에 일치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체층은, 접착제를 사이에 두지 않고서 상기 기대 상 또는 상기 정전 척의 외주부 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  9. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 4, 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 플라즈마 처리 장치를 이용하여, 피처리 기판에 대하여 플라즈마 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
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