KR20190137062A - 플라스마 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
시료의 면 내 방향에 대한 처리의 불균일을 저감하고, 처리의 수율을 향상시킬 수 있는 기술을 제공한다. 본 플라스마 처리 장치(1)는, 시료대(110) 내에 배치된 제1 전극(기재(110B))과, 시료대(110)의 상면부(310)(유전체막부(110A))의 외주(外周)측을 둘러싸서 배치된 링 형상의 제2 전극(도체 링(114))과, 제2 전극을 덮어, 상면부(310)의 외주를 둘러싸도록 배치된 유전체제의 링 형상 부재(서셉터 링(113))와, 제1 전극 및 제2 전극의 각각에 고주파 전원으로부터 고주파 전력을 공급하기 위한 복수의 급전 경로와, 제2 전극에의 급전 경로 위에 배치된 정합기(117)를 구비한다. 그리고, 제2 전극에의 급전 경로 상의 정합기(117)와 제2 전극 사이에 있어서의 제1 개소(A1)와 접지 개소 사이가, 소정의 값이 된 저항(118)을 통해 전기적으로 접속되어 있다.
Description
본 발명은 플라스마 처리 장치의 기술에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 진공 용기 내의 처리실 내에 설치된 시료대에 재치(載置)된, 처리 대상의 반도체 웨이퍼 등의 기판 형상의 시료를, 플라스마를 이용하여 처리할 때에, 시료대에 고주파 전력을 공급하여 처리하는 기술에 관한 것이다.
반도체 디바이스를 제작하는 공정에 있어서, 반도체 웨이퍼 등의 시료의 상면에 미리 형성된 마스크층과 처리 대상의 막층을 포함하는 복수의 막이 적층되어 구성된 막 구조를, 그 마스크층에 의거하여 에칭 처리하여, 회로 구조를 형성하는 처리가, 널리 행해지고 있다. 이러한 에칭 처리에는, 일반적으로, 진공 용기 내의 처리실 내에 배치된 시료를 그 처리실 내에 형성된 플라스마를 이용하여 처리하는 플라스마 처리 장치가 이용되고 있다.
특히, 현재 많이 이용되고 있는 플라스마 처리 장치에서는, 고주파 바이어스 기술이 이용되고 있다. 이 기술에서는, 처리실 내에 도입된 처리용 가스가 여기(勵起)되고, 전리, 괴리시켜 형성된 플라스마 내의 이온 등의 하전 입자를, 시료의 상면에 형성된 고주파 전력에 의한 바이어스 전위에 의해 시료 표면으로 유인한다. 이에 따라, 이방성이 높은 에칭이 행해지고 있다.
종래부터, 이러한 플라스마 처리 장치는, 반도체 디바이스의 생산성이나 수율을 향상시키기 위해, 시료의 표면을 그 면 내의 방향에 대해서 보다 균일하게 처리하는 것이 요구되고 있다. 예를 들면, 원형 또는 원형이라고 간주할 수 있을 정도로 근사(近似)한 대략 원형을 갖는 웨이퍼의 상면에 있어서, 중앙측의 영역과 외주(外周)측의 영역에서, 처리 대상의 막층을 에칭하는 처리의 진행의 속도가 다를 경우가 있다. 그 경우에, 처리 후에 얻어지는 중앙측 영역의 막층의 형상과 외주측 영역에서의 막층의 형상과의 차가 커져 버릴 경우가 있다. 그리고, 에칭 처리의 공정으로부터 얻어지는 회로의 성능의 차가 커져, 그 성능의 한쪽이 허용 범위 외가 되어 버릴 경우가 있다. 이에 따라, 반도체 디바이스를 제조하는 수율이 손상되어 버린다는 과제가 생기고 있었다.
이러한 일반적인 과제에 대하여, 예를 들면 이하와 같은 것이 생각되어 왔다. 즉, 웨이퍼 상면에서의 면 내 방향에 대한 처리의 속도의 차는, 웨이퍼의 외주측 부분에 있어서의 플라스마의 전위나 하전 입자의 분포의 편향이 하나의 원인이라고 생각된다. 그리고, 웨이퍼 상면의 전체에 대해서 전계(電界)의 강도의 값이나 분포를 보다 균일에 가깝게 하는 것이 생각되어 왔다.
상기와 같은 플라스마 처리 장치에 관한 선행 기술예로서는, 일본국 특개2016-31955호 공보(특허문헌 1)를 들 수 있다. 특허문헌 1에서는, 플라스마 처리 장치 등으로서, 이하와 같은 취지가 기재되어 있다. 이 플라스마 처리 장치에서는, 처리실 내에 배치된 시료대의 상부 상면을 구성하는 웨이퍼의 재치면의 외주를 둘러싸서 배치된 링 형상의 오목부에 도전성을 갖는 링 형상의 부재와 그 부재의 상부를 덮는 유전체제의 링 커버를 구비한다. 이 플라스마 처리 장치는, 웨이퍼의 처리 중에, 그 도전성을 갖는 링 형상의 부재에 고주파 전력을 공급한다. 특히, 시료대 내부에 배치된 전극인 금속제의 기재(基材)에 공급되는 바이어스 전위 형성용 고주파 전력과는 다른 주파수 또는 다른 전력값으로 독립적으로 조절되는 다른 고주파 전력이, 도전성을 갖는 링 형상의 부재에 공급된다. 이에 따라, 처리 중의 웨이퍼의 상면 상방(上方)에 형성되는 바이어스 전위의 값이나 고주파 전력에 의한 전계의 강도의 분포를, 웨이퍼 면 내 방향에 대해서 원하는 것으로 제어한다. 이에 따라, 면 내 방향에 대해서 처리의 결과 얻어지는 처리 후의 막 구조의 형상의 불균일을 저감하여, 처리의 수율을 향상시킨다.
그러나, 종래 기술예의 플라스마 처리 장치에서는, 이하의 점에 대해서는 충분한 고려가 되어 있지 않았기 때문에, 과제가 생기고 있었다.
즉, 플라스마 처리 장치가, 웨이퍼를 재치하는 기재에 고주파 전력을 공급하는 제1 회로와, 링 형상 부재에 고주파 전력을 공급하는 제2 회로(예를 들면 정합기를 포함함)를 가질 경우를 생각한다. 그 경우, 제1 회로와 제2 회로가, 플라스마 중에서 전기적으로 결합하고, 전력의 일부가 제1 회로로부터 제2 회로로 누설될 경우가 있다. 그 때문에, 플라스마나 2개의 고주파 전력의 조건에 따라서는, 제2 회로 중의 정합기가 불안정해지기 때문에, 그 링 형상 부재에 의한 웨이퍼 외주연(外周緣) 근방의 전계의 제어가 곤란해져 버린다.
또한, 이 플라스마 처리 장치의 구성에서는, 도전성의 부재를 덮는 유전체제의 링 커버의 임피던스가 매우 크기 때문에, 그 상태에서는 효율적으로 고주파 전력을 공급할 수 없음을 알았다. 그리고 또한, 제1 회로로부터 누출된 전력에 의해, 유전체의 링 커버에 전압이 발생하여, 웨이퍼 외주연 근방에서의 에칭 성능이 변화될 우려가 있었다.
본 발명의 목적은, 플라스마 처리 장치에 관해서, 다양한 플라스마 조건에 대응하여, 시료의 외주연 근방의 전계의 불균일을 억제하여, 시료의 면 내 방향에 대한 처리의 불균일을 저감하고, 처리의 수율을 향상시킬 수 있는 기술을 제공하는 것이다.
본 발명 중 대표적인 실시형태는, 플라스마 처리 장치로서, 이하에 나타내는 구성을 갖는 것을 특징으로 한다. 일 실시형태의 플라스마 처리 장치는, 진공 용기 내의 처리실 내에 배치된 시료대의 상면의 상방에 놓인 시료를, 상기 시료실 내에 형성된 플라스마를 이용하여 처리하는 플라스마 처리 장치로서, 상기 시료대 내에 배치된 제1 전극과, 상기 시료대의 상기 제1 전극의 상기 상면을 포함하는 상면부의 외주측에서 상기 상면부를 둘러싸도록 배치된 링 형상의 제2 전극과, 상기 제2 전극을 덮어, 상기 제1 전극의 상기 상면부를 포함하는 외주를 둘러싸도록 배치된 유전체제의 링 형상 부재와, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 각각에 고주파 전원으로부터의 고주파 전력을 공급하는 복수의 급전 경로와, 상기 복수의 급전 경로 중 상기 고주파 전원으로부터 상기 제2 전극에의 급전 경로 위에 배치된 정합기를 구비하고, 상기 정합기와 상기 제2 전극 사이에 있어서의 상기 급전 경로 상의 제1 개소와 접지 개소 사이가, 소정의 값이 된 저항 소자를 개재하여 전기적으로 접속되어 있다.
본 발명 중 대표적인 실시형태에 따르면, 플라스마 처리 장치에 관해서, 다양한 플라스마 조건에 대응하여, 시료의 외주연 근방의 전계의 불균일을 억제하여, 시료의 면 내 방향에 대한 처리의 불균일을 저감하고, 처리의 수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태의 플라스마 처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 종단면도.
도 2는 도 1의 실시형태의 플라스마 처리 장치에 있어서의, 고주파 바이어스 전력의 경로를 등가적으로 나타내는 회로도.
도 3은 도 1의 플라스마 처리 장치에서, 시료대의 일부를 확대하여 모식적으로 나타내는 도면.
도 2는 도 1의 실시형태의 플라스마 처리 장치에 있어서의, 고주파 바이어스 전력의 경로를 등가적으로 나타내는 회로도.
도 3은 도 1의 플라스마 처리 장치에서, 시료대의 일부를 확대하여 모식적으로 나타내는 도면.
이하, 도 1∼도 3을 이용하여, 본 발명의 일 실시형태의 플라스마 처리 장치에 대해서 설명한다.
[플라스마 처리 장치(1)]
도 1은, 본 발명의 일 실시형태의 플라스마 처리 장치(1)의 구성 개략을 모식적으로 나타내는 종단면도이다. 또한, 설명상, X 방향, Y 방향, Z 방향을 사용한다. Z 방향은, 연직 방향이며, 원통 등의 형상의 중심축 방향이다. X 방향, Y 방향은, Z 방향에 대하여 수직인 수평면, 웨이퍼 등의 면을 구성하는 2개의 방향이며, 직경 방향에 대응한다. 도 1에서는, Z 방향의 일점쇄선의 중심축을 중심으로 한 단면(斷面)을 나타낸다.
본 실시형태의 플라스마 처리 장치(1)에서는, ECR(Electron Cyclotron Resonance: 전자 사이클로트론 공명)을 이용하여 플라스마 에칭 처리를 행하는 마이크로파 ECR 플라스마 에칭 장치에 관한 구성예를 나타낸다. ECR 방식에서는, 처리실(104) 내에 플라스마를 형성하기 위한 전계로서, 특정한 주파수의 마이크로파를 이용하고, 또한, 처리실(104) 내에 그 전계의 주파수에 대응한 강도를 갖는 자계(磁界)를 공급한다. 이들 전계와 자계와의 상호작용에 의해 ECR이 생기(生起)한다. 그리고, 본 방식에서는, ECR에 의해, 처리실(104) 내에 공급된 가스의 원자 또는 분자를 여기하여, 플라스마를 형성하고, 웨이퍼(140) 상면의 처리 대상의 막 구조를 에칭한다.
도 1에 나타내는 실시형태의 플라스마 처리 장치(1)는, 내부에 처리실(104)을 구비하는 진공 용기(101)와, 플라스마 형성 수단과, 배기 수단을 구비한다.
처리실(104)은, 원통 형상을 갖고, 내부가 진공이 된다. 처리실(104) 등은, 원통 등의 축대칭 형상을 갖는다.
플라스마 형성 수단은, 진공 용기(101)의 Z 방향의 상방, 및 처리실(104)을 둘러싸서 배치되고, 플라스마를 형성하기 위한 전계 및 자계를 공급한다. 플라스마 형성 수단은, 특히, ECR을 형성하는 수단으로 하고 있으며, 구체적으로는, 복수의 솔레노이드 코일(108) 등을 갖는다.
진공 용기(101)의 상부의 원통형의 측벽의 외주, 및 유전체창(103) 및 공간부(1020)의 상방에는, 그들을 둘러싸도록 하여, 자계를 생성하기 위한 원통형의 복수의 솔레노이드 코일(108)이 배치되어 있다. 처리실(104)에 공급된 전계는, 솔레노이드 코일(108)에 의해 생성된 자계와의 상호작용(즉 ECR)을 생기하여, 처리실(104)에 공급된 처리용 가스의 입자를 여기하고, 처리실(104) 내에 플라스마(109)가 발생한다. 또한, 2.45㎓의 마이크로파에 대하여, ECR의 생기에 필요한 자속 밀도는, 0.0875T이다.
배기 수단은, 진공 용기(101)의 Z 방향의 아래쪽에 배치되고, 처리실(104) 내의 가스나 플라스마 입자 등을 외부에 배기하는 진공 펌프를 포함한다.
처리실(104)의 상부에는, 유전체창(103)이 배치되어 있다. 유전체창(103)은, 원판 형상을 갖고, Z 방향의 상방으로부터 공급된 마이크로파가 내부를 투과하여, 처리실(104) 내에 공급된다. 처리실(104)과 유전체창(103) 사이에는, 도시하지 않은 O링 등의 시일 부재가 있다. 이에 따라, 처리실(104)과 외부의 분위기가 기밀하게 봉지(封止)되어 있다.
유전체창(103)의 아래쪽에는, 샤워 플레이트(102)가 배치되어 있다. 샤워 플레이트(102)는, 처리용 가스가 흘러 처리실(104) 내에 도입하기 위한 복수의 관통 구멍을 갖는다. 샤워 플레이트(102)는, 처리실(104)의 주요한 공간의 천장면을 구성하고 있다. 유전체창(103)과 샤워 플레이트(102) 사이에는, 도시하지 않은 가스 도입관로와 접속되어 가스가 충전되는, 높이가 작은 소정의 두께의 공간이 구성되어 있다.
또한, 처리실(104)의 저부(底部)에는, 저부와 대략 동심(同心)의 위치에, 진공 배기구(105)가 배치되어 있다. 진공 배기구(105)를 통해서, 터보 분자 펌프 등의 진공 배기 수단에 의해 공급된 가스나, 처리실(104) 내에서 생성된 플라스마의 입자가, 외부로 배출된다.
유전체창(103)의 상방에는, 공간부(120)를 통해, 플라스마를 생성하기 위한 마이크로파의 전계를 처리실(104) 내에 공급하기 위해, 전계가 내부를 전파하는 도파관(107)이 배치되어 있다. 도파관(107)은, 보다 자세하게는, 원형 도파관과 방형(方形) 도파관이 코너부를 통해서 접속됨으로써 구성되어 있다.
도파관(107)의 단부(端部)(도시한 X 방향의 한쪽 단부)에는, 마그네트론 등의 전계 발생용 전원(106)이 접속되어 있다. 전계 발생용 전원(106)에 의해 형성된 전계는, 도파관(107)을 전파하여, 유전체창(103)의 상방의 공간부(120)에 도입된다. 유전체창(103)과 도파관(107) 사이에는, 공진용 원통 형상의 공간부(120)가 배치되어 있다. 공간부(120)의 저면(底面)은 유전체창(103)에 대응한다.
유전체창(103)은, 전계가 투과하도록, 석영 등의 재질의 부재로 이루어진다. 마이크로파 전계는, 유전체창(103)을 투과하여, 처리실(104) 내에 공급된다. 이 전계의 주파수는, 특별히 한정되지 않지만, 본 실시형태에서는, 2.45㎓의 마이크로파가 사용된다.
처리실(104)의 하부(예를 들면 도 1의 Z 방향에서 하반분(下半分) 정도의 공간)에는, 처리실(104)과 대략 동심의 위치에, 시료대(110)가 배치되어 있다. 시료대(110)는, 원기둥 형상 또는 원판 형상을 갖고, 상면에는, 시료인 웨이퍼(140)가 재치된다.
시료대(110)는, 보다 자세하게는, 기재(110B)(제1 전극)와, 기재(110B)의 상부의 유전체막부(110A)와, 기재(110B) 및 유전체막부(110A)의 외주에 배치된 링 형상 부재(113)를 포함한다. 기재(110B)는, 시료대(110)의 주된 부분을 구성하는 원기둥 또는 원판 형상을 가지는 금속제(도체제)의 부재(제1 전극)이다.
도 3에는, 도 1의 시료대(110) 등의 일부를 확대한 모식도를 나타낸다. 도 3에서는, 유전체막부(110A)의 내부에 배치되어 있는 막 형상의 전극(303)(정전 흡착 전극)의 예에 대해서도 도시하고 있다.
웨이퍼(140)가 실리는 시료대(110)의 상면(재치면(300))은, 웨이퍼(140)와 마찬가지로 원형 또는 원형이라고 간주할 수 있을 정도로 근사한 형상을 갖는다. 이 상면을 포함하는 상면부(310)는, 기재(110B)의 상면에 용사(溶射)에 의해 알루미나나 이트리아 등의 세라믹스로 구성되는 유전체막이 피복됨으로써, 유전체막부(110A)로서 구성되어 있다.
상면부(310)의 유전체막부(110A) 내에는, 막 형상의 전극(303)이 내장되어 있다. 이 막 형상의 전극(303)은, 웨이퍼(140)를 정전 흡착하기 위한 정전 흡착 전극이다.
시료대(110) 내의 기재(110B), 또는 유전체막부(110A) 내의 막 형상의 전극은, 처리실(104) 외에 배치된 고주파 전원(제1 고주파 전원)(111)과, 급전용 케이블 등을 통해, 정합기(제1 정합기)(112)를 개재하여, 전기적으로 접속되어 있다.
본 플라스마 처리 장치(1)에서는, 웨이퍼(140)의 처리 중에, 시료대(110)의 기재(110B) 또는 막 형상의 전극(303)에는, 고주파 전원(111)으로부터, 정합기(112)를 개재하여, 고주파 전력이 공급된다. 웨이퍼(140)의 처리 중에, 시료대(110)의 상면 상방의 처리실(104) 내의 플라스마 형성용 공간에는, 플라스마(109)(개략적으로 파선 테두리 영역으로 나타냄)가 형성된다. 이에 따라, 그 고주파 전력(제1 고주파 전력)과, 그 공간에 형성된 플라스마(109)의 전위와의 전위차에 따라, 웨이퍼(140) 위에, 바이어스 전위가 형성된다. 이 바이어스 전위와 플라스마(109)의 전위 사이의 전위차에 따라, 플라스마(109) 내의 이온 등의 하전 입자가, 웨이퍼(140) 상면을 향하여 유인된다. 그리고, 그 유인된 하전 입자가, 웨이퍼(140) 상면에 미리 형성된 막 구조에 충돌하여, 막 구조 내의 처리 대상의 막층이 에칭 처리된다.
또한, 시료대(110)(기재(110B) 및 유전체막부(110A))의 상부에는, 도 3과 같이, X 방향, Y 방향에서 중앙 부분이 외주 부분보다 높아진 볼록부(320)를 갖는다. 이 볼록부(320)의 상면은, 웨이퍼(140)의 재치면(300)을 구성한다. 이 볼록부(320)의 상면은, 웨이퍼(140)의 형상에 맞춰 대략 원형을 갖는다.
또한, 시료대(110)의 상부에서, 이 볼록부(320)의 외주측에 있는 부분에서는, 이 볼록부(320)의 외주를 둘러싸서 Z 방향의 높이를 낮게 한 오목부(330)가 형성되어 있다. 이 오목부(330)는, 바꿔 말하면 링 형상의 공간이다. 이 오목부(330)에 있어서의 상면(301)(볼록부(320)로부터 외주로 나와 있는 측벽 부분의 상면)과 볼록부(320)의 외주의 측면(302)의 상부는, 피막으로 덮여 있다. 이 피막은, 유전체막부(110A)와 같은 세라믹스 재료제이다.
또한, 이 오목부(330)의 상면(301)의 피막 위에는, 서셉터 링(113)(그 중 상부, 내주(內周)측으로 나온 부분)이 실려 있다. 서셉터 링(113)은, 석영 등의 재료에 의해 구성된 유전체제의 링 형상 부재이다. 이 서셉터 링(113)에 의해, 시료대(110)의 상면부(310)의 볼록부(320)는, 외주측이 둘러싸여 있고, 또한, 기재(110B)의 외주측도 둘러싸여 있다. 시료대(110)는, 서셉터 링(113)을 포함한 형상으로서, 원기둥 또는 원판 형상을 갖는다.
서셉터 링(113)이 볼록부(320)의 외주측의 오목부(330)에 놓인 상태에서, 서셉터 링(113)의 석영제의 상면은, Z 방향에서 처리실(104)의 천장면을 구성하는 샤워 플레이트(102)에 대향하여 플라스마(109)에 면한다. 서셉터 링(113)의 석영제의 링 내주 벽면은, 볼록부(320)의 외주측 벽면(측면(302))과 소정의 극간(隙間)을 개재하여 대향하여, 볼록부(320)의 외주측 벽면을 둘러싸고 있다. 또한, 서셉터 링(113)의 상면은, 시료대(110)의 볼록부(320)의 상면인 재치면(300)의 외주를 둘러싸고 있다.
이러한 구성에 의해, 시료대(110)의 볼록부(320)의 측벽면 및 오목부(330)의 상면(301)은, 플라스마(109)에 대하여 서셉터 링(113)에 의해 덮여 보호되고 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 석영제의 서셉터 링(113)(특히 상면부(310)의 외주에 배치되어 있는 링 형상 부분)의 내부에는, 도체 링(114)(제2 전극)이 배치되어 있다. 도체 링(114)은, 시료대(110)의 웨이퍼(140)의 재치면(300)을 포함하는 유전체막부(110A)(상면부(310)의 볼록부(320))의 외주측에서, 이 볼록부(320)(막 형상의 전극(303)을 포함함)를 둘러싸는 위치에 배치되어 있다. 도체 링(114)은, 금속 등의 도전성을 갖는 재료로 구성되어 있다.
도체 링(114)은, 고주파 전원(제2 고주파 전원)(115)과, 정합기(제2 정합기)(116) 및 부하 임피던스 가변 박스(부하 임피던스 조절 회로)(117)를 개재하여, 급전용 케이블 등을 통해, 전기적으로 접속되어 있다.
본 플라스마 처리 장치(1)에서는, 웨이퍼(140)의 처리 중에, 고주파 전원(115)으로부터의 고주파 전력(제2 고주파 전력)은, 급전용 케이블을 포함하는 급전용 경로를 지나, 도체 링(114)에 공급된다. 이에 따라, 도체 링(114)의 상방에, 도체 링(114)의 전위와 플라스마(109)의 전위 사이의 전위차에 의거한 전계가 형성된다.
플라스마 처리 장치(1)는, 도체 링(114)에의 제2 고주파 전력의 공급을 조절한다. 이에 따라, 웨이퍼(140) 상면의 중심부로부터 외주측 부분, 더욱이는 서셉터 링(113)의 상면에 걸치는 영역의 상방에 있어서의, 전계의 강도나 전위의 분포가, 처리에 적합한 원하는 것에 가까워진다. 그리고, 웨이퍼(140) 상면의 에칭 처리의 속도나 하전 입자의 입사 각도에 영향을 받는, 가공 후의 형상의 웨이퍼(140)에 있어서의 직경 방향(X 방향, Y 방향)에 대한 분포가 조절된다.
또한, 본 실시형태에서는, 도체 링(114)과 임피던스 가변 박스(117) 사이의 급전 경로 위의 소정의 개소(A1)는, 접지 전위가 된 전극인 어스(어스 전극)(119)와 접속되어 있다. 이 어스(119)와 소정의 개소(A1) 사이는, 소정의 값이 된 저항(저항 소자)(118)을 개재하여, 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 고주파 전원(115)은, 어스(119)와 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원(111)은, 어스(119)와 전기적으로 접속되어 있다. 기재(110B)(제1 전극)는, 어스(119)와 전기적으로 접속되어 있다.
[플라스마 처리 장치(2)]
도 2는, 도 1의 실시형태의 플라스마 처리 장치에 있어서의, 고주파 전력에 관한 등가 회로를 나타내는 설명도이다. 특히, 도 2의 예에서는, 도 1의 고주파 전원(111)으로부터 공급되는 바이어스 형성용 제1 고주파 전력, 및 고주파 전원(115)으로부터 도체 링(114)에 공급되는 바이어스 형성용 제2 고주파 전력에 대해서, 각각의 급전의 경로를 따라 등가의 회로를 모식적으로 나타내고 있다.
본 예에 있어서, 고주파 전원(제1 고주파 전원)(111)은, 일단측의 급전 경로가 접지 전위인 개소와 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원(111)은, 타단측으로부터 출력된 소정의 제1 주파수의 전력(제1 고주파 전력)이, 타단에 접속된 급전 경로 위에 배치된 정합기(제1 정합기)(112)를 거쳐, 시료대(110)의 제1 전극인 기재(110B)에 공급된다. 그리고, 그 전력은, 기재(110B)를 지나, 기재(110B)의 상면부(310)를 구성하는 유전체막부(110A)에 공급된다. 그 전력은, 유전체막부(110A)의 정전 용량을 나타내는 유전체막 용량(124)(용량(C1))과, 웨이퍼(140) 상면 상방에 형성되는 시스의 정전 용량을 나타내는 시스 용량(125)(용량(C2))을 통해, 플라스마(109)의 저항 성분(126)으로 전송되어, 접지 전위의 개소에 흐른다.
또한, 마찬가지로, 고주파 전원(제2 고주파 전원)(115)은, 일단측의 급전 경로가 접지 전위의 개소와 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원(115)은, 타단측으로부터, 고주파 전원(111)의 출력 전력과는 다른 제2 주파수의 전력(제2 고주파 전력)이 출력된다. 고주파 전원(115)의 타단측으로부터 출력된 그 전력은, 타단부와 도체 링(114) 사이를 접속하는 급전 경로 위에 배치된 정합기(제2 정합기)(116), 및 부하 임피던스 조절 회로(117)를 통해 공급된다. 그 전력은, 그 전력의 일부가, 도체 링(114)을 통해 서셉터 링(113)의 정전 용량을 나타내는 서셉터 링 용량(127)(C3), 및 서셉터 링(113) 상면 상방에 형성되는 시스의 정전 용량을 나타내는 시스 용량(128)(C4)을 통해, 플라스마(109)의 저항 성분(129)으로 전송된다. 그 전력의 다른 부분은, 상술한 개소(A1)에 접속된 저항(118)에서 소비되어, 어스(119) 등의 접지 전위의 개소에 흐른다.
한편으로, 고주파 전원(111)과 고주파 전원(115)은, 유전체인 플라스마(109), 혹은 급전 케이블 등의 고주파 전력용 급전 경로에 접속된 시료대(110)의 내부를 통해 전기적으로 결합되어 있다. 그 때문에, 고주파 전원(111)과 고주파 전원(115)은, 적어도 어느 한쪽으로부터 출력된 고주파 전력의 일부가, 다른쪽의 급전 경로로 흘러들어오는, 소위 누설하는 현상이 발생한다. 도 2의 회로상에서는, 이 급전 경로끼리의 결합을, 플라스마(109)에 있어서의 저항 성분(130), 및 용량 성분(131)으로 나타냈다. 용량 성분(131)은, 정합기(112)와 기재(110B) 사이의 급전 경로(제1 급전 경로), 및 부하 임피던스 조절 회로(117)와 도체 링(114) 사이의 급전 경로(제2 급전 경로)의 급전 경로끼리의 사이의 용량 성분이다.
본 실시형태의 플라스마 처리 장치(1)에서는, 고주파 전원(111)의 출력(제1 고주파 전력)이, 도체 링(114)측의 고주파 전원(115)의 출력(제2 고주파 전력)에 대하여 상대적으로 높아져 있다. 즉, 제2 고주파 전력은, 제1 고주파 전력보다 낮다. 고주파 전원(111)측의 제1 급전 경로로부터 고주파 전원(115)측의 제2 급전 경로로 누출되는 전력량은, 고주파 전원(115)측의 제2 급전 경로로부터 고주파 전원(111)측의 제1 급전 경로로 누출되는 전력량과 비교하여 커진다.
본 실시형태에 대한 비교예의 플라스마 처리 장치에서는, 정합기(제2 정합기)(116)로부터 누설된 전력이 반사 전력으로서 검지되고, 그 반사 전력에 맞춰 고주파 전원(제2 고주파 전원)(115)의 급전 경로 위의 임피던스를 정합하고자 하여 동작한다. 그 때문에, 오히려, 그 급전 경로에서의 정합이 불안정해져 버린다. 또한, 그때의 부하 임피던스가 크기 때문에, 에칭 조건에 따라서는, 임피던스 정합이 곤란해진다. 그리고 또한, 그 누설된 전력이, 서셉터 링 용량(127)이나 시스 용량(128)에 전압을 발생시키게 된다. 이러한 전압의 크기를 조절할 수 없을 경우에는, 웨이퍼(140)의 외주측 부분에서의 에칭 성능이 소기(所期)의 것으로부터 어긋나 버린다.
본 실시형태의 플라스마 처리 장치(1)에서는, 서셉터 링(113)과 정합기(제2 정합기)(116) 사이, 특히 서셉터 링(113)과 부하 임피던스 조절 회로(117) 사이의 제2 급전 경로 위의 소정의 개소(A1)와 어스(119) 사이가 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 그 분기(分岐)를 포함하는 제2 급전 경로에서는, 시스 용량(127)으로 누설되는 고주파 전원(제1 고주파 전원)(111)으로부터의 고주파 전력을 분기하여, 저항(118)을 경유해서 어스(119)로부터 접지 전극으로 흘린다. 이에 따라, 고주파 전원(111)에서 본 부하 임피던스를, 정합기(116)의 측에 비해, 저항(118)의 측에서 작게 하여, 고주파 전원(111)으로부터 정합기(116)로 흘러들어오는 전력량을 감소시키고 있다. 이에 따라, 정합기(제2 정합기)(116)는, 안정적으로 임피던스 정합 하는 것이 가능해진다. 이에 따라, 고주파 전원(111)으로부터 정합기(116)에의 전력의 침입을 감안하지 않고, 독립적으로, 도체 링(114)에 공급하는 전력을 설정할 수 있다.
또한, 도 2에 나타내는 등가 회로상, 고주파 전원(제2 고주파 전원)(115)으로부터의 서셉터 링(113)을 통하는 제2 급전 경로 위의 정합기(제2 정합기)(116)에서 본 부하인 서셉터 링 용량(127)과 시스 용량(128)이 직렬로 접속된 구성에 대하여, 저항(118)이 병렬로 접속되어 있다. 이에 따라, 이 직렬로 접속된 구성의 용량에 의한 임피던스의 크기가 저감된다. 이에 따라, 정합기(제2 정합기)(116)는, 다양한 에칭 조건에 대응하여 효율적으로 임피던스를 정합시킬 수 있다.
그리고 또한, 용량 성분(131)에서 본 서셉터 링 용량(127) 및 시스 용량(128)의 임피던스가 저감된다. 이에 따라, 상기 2개의 급전 경로 사이에서 누설되는 고주파 전력의 결합을 나타내는 용량 성분(131)을 통해 누설 전력에 의해 발생하는 서셉터 용량(127) 및 시스 용량(128)에서의 전압의 강하를 저감할 수 있다. 이에 따라, 누설 전력에 의해 발생되는 웨이퍼(140)의 외주측부에서의 에칭 성능의 변동을 억제할 수 있다.
이상과 같이, 실시형태의 플라스마 처리 장치(1)에 의하면, 다양한 플라스마 조건에 대응하여, 시료(웨이퍼(140))의 외주연 근방의 전계의 불균일을 억제하여, 시료의 면 내 방향에 대한 처리의 불균일을 저감하고, 처리의 수율을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 실시형태에 의거하여 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되지 않고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 각종 변경 가능하다. 상기 실시형태에서는, 마이크로파 ECR 플라스마를 이용한 에칭 장치를 예로 설명했지만, 다른 방식의 플라스마(예를 들면 유자장 UHF 플라스마, 용량 결합형 플라스마, 유도 결합형 플라스마, 표면파 여기 플라스마)를 이용한 드라이 에칭 장치 등에 있어서도, 상기와 마찬가지로 적용 가능하며, 상기와 마찬가지의 작용 효과를 얻을 수 있다.
1: 플라스마 처리 장치
101: 진공 용기
102: 샤워 플레이트 103: 유전체창
104: 처리실 105: 진공 배기구
106: 전계 발생용 전원 107: 도파관
108: 솔레노이드 코일 109: 플라스마
110: 시료대 110A: 유전체막부
110B: 기재 111: 고주파 전원
112: 정합기 113: 서셉터 링
114: 도체 링 115: 고주파 전원
116: 정합기 117: 부하 임피던스 조절 회로
118: 저항 119: 어스
120: 공간부 124: 유전체막 용량
125: 시스 용량 126: 저항 성분
127: 서셉터 링 용량 128: 시스 용량
129: 저항 성분 130: 저항 성분
131: 용량 성분 140: 웨이퍼
300: 재치면 301: 상면
302: 측면 303: 전극
310: 상면부 320: 볼록부
330: 오목부
102: 샤워 플레이트 103: 유전체창
104: 처리실 105: 진공 배기구
106: 전계 발생용 전원 107: 도파관
108: 솔레노이드 코일 109: 플라스마
110: 시료대 110A: 유전체막부
110B: 기재 111: 고주파 전원
112: 정합기 113: 서셉터 링
114: 도체 링 115: 고주파 전원
116: 정합기 117: 부하 임피던스 조절 회로
118: 저항 119: 어스
120: 공간부 124: 유전체막 용량
125: 시스 용량 126: 저항 성분
127: 서셉터 링 용량 128: 시스 용량
129: 저항 성분 130: 저항 성분
131: 용량 성분 140: 웨이퍼
300: 재치면 301: 상면
302: 측면 303: 전극
310: 상면부 320: 볼록부
330: 오목부
Claims (4)
- 진공 용기 내의 처리실 내에 배치된 시료대의 상면의 상방(上方)에 놓인 시료를, 상기 시료실 내에 형성된 플라스마를 이용하여 처리하는 플라스마 처리 장치로서,
상기 시료대 내에 배치된 제1 전극과,
상기 시료대의 상기 제1 전극의 상기 상면을 포함하는 상면부의 외주(外周)측에서 상기 상면부를 둘러싸도록 배치된 링 형상의 제2 전극과,
상기 제2 전극을 덮어, 상기 제1 전극의 상기 상면부를 포함하는 외주를 둘러싸도록 배치된 유전체제의 링 형상 부재와,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 각각에 고주파 전원으로부터의 고주파 전력을 공급하는 복수의 급전 경로와,
상기 복수의 급전 경로 중 상기 고주파 전원으로부터 상기 제2 전극에의 급전 경로 위에 배치된 정합기를 구비하고,
상기 정합기와 상기 제2 전극 사이에 있어서의 상기 급전 경로 상의 제1 개소와 접지 개소 사이가, 소정의 값이 된 저항 소자를 개재하여 전기적으로 접속되어 있는 플라스마 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 고주파 전원은, 상기 제1 전극에 대하여 전기적으로 접속되고 제1 주파수의 제1 고주파 전력을 공급하기 위한 제1 고주파 전원과, 상기 제2 전극에 대하여 전기적으로 접속되고 제2 주파수의 제2 고주파 전력을 공급하기 위한 제2 고주파 전원을 포함하고,
상기 복수의 급전 경로는, 상기 제1 전극에 상기 제1 고주파 전원으로부터 상기 제1 고주파 전력을 공급하는 제1 급전 경로와, 상기 제2 전극에 상기 제2 고주파 전원으로부터 상기 제2 고주파 전력을 공급하는 제2 급전 경로를 포함하고,
상기 제2 급전 경로 위의 상기 제1 개소와 상기 접지 개소 사이에 상기 저항 소자를 구비하는 플라스마 처리 장치. - 제2항에 있어서,
상기 제2 고주파 전력은, 상기 제1 고주파 전력보다 낮은 플라스마 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극은, 제1 직경을 가지는 상기 상면부와, 상기 상면부의 하측에 있고 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경을 가지는 하측부를 포함하는 볼록형 형상을 갖고,
상기 링 형상 부재는, 상기 제2 전극을 덮어 상기 상면부의 외주측에 배치된 제1 부분과, 상기 하측부의 외주측에 배치된 제2 부분을 갖는 플라스마 처리 장치.
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