KR20200067104A

KR20200067104A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법

Info

Publication number: KR20200067104A
Application number: KR1020190158360A
Authority: KR
Inventors: 토시야 츠카하라; 슈헤이 야마베; 코타 야치; 테츠지 사토; 요헤이 우치다; 아유타 스즈키; 요스케 타무라; 히데토시 하나오카; 쥰이치 사사키
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2020-06-11
Also published as: CN111261511A; US20200176226A1; TW202109603A; JP7142551B2; CN111261511B; US10847348B2; JP2020091942A

Abstract

플라즈마 처리 시의 전자 밀도의 피크 위치를 제어함으로써 플라즈마 처리의 균일성을 높인다. 플라즈마 처리 장치는, 처리 용기와, 하부 전극과, 환상 부재와, 내측 상부 전극과, 외측 상부 전극과, 처리 가스 공급부와, 제 1 고주파 급전부와, 제 1 직류 급전부를 구비한다. 하부 전극은, 처리 용기 내에서 피처리 기판을 배치한다. 환상 부재는 하부 전극의 외주부 상에 배치된다. 내측 상부 전극은, 하부 전극의 정면에 배치된다. 외측 상부 전극은, 처리 용기 내에서 내측 상부 전극으로부터 전기적으로 절연하여 그 반경 방향 외측에 링 형상으로 배치된다. 제 1 고주파 급전부는, 처리 가스의 플라즈마를 생성하기 위한 제 1 고주파를 하부 전극 혹은 내측 및 외측 상부 전극에 인가한다. 제 1 직류 급전부는, 외측 상부 전극에 가변의 제 1 직류 전압을 인가한다. 외측 상부 전극은, 처리 공간에 노출되는 면 중 적어도 일부가 처리 공간에 노출되는 내측 상부 전극의 면보다 상방에 있다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 {PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}

이하의 개시는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.

반도체 제조에 있어서, 플라즈마를 이용한 처리(이하, 플라즈마 처리라고도 함)가 널리 이용되고 있다. 반도체 제조의 수율을 높여 품질을 향상시키기 위하여, 처리 대상인 반도체 웨이퍼의 면내에서 플라즈마의 균일성을 높여, 에칭 등의 플라즈마 처리의 균일성을 향상시키는 것이 검토되고 있다.

예를 들면 특허 문헌 1에서는, 에칭 레이트의 균일성을 향상시키기 위하여, 플라즈마 처리 장치 내의 상부 전극을 2 개의 부분으로 분할하고, 각각의 부분에 인가하는 직류 전압을 독립적으로 가변으로 한 구성이 제안되고 있다.

일본특허공개공보 2009-239012호

본 개시는, 플라즈마 처리 시의 전자 밀도의 피크 위치를 제어함으로써 플라즈마 처리의 균일성을 높일 수 있는 기술을 제공한다.

개시하는 실시 형태에 있어서, 플라즈마 처리 장치는, 처리 용기와, 하부 전극과, 환상 부재와, 내측 상부 전극과, 외측 상부 전극과, 처리 가스 공급부와, 제 1 고주파 급전부와, 제 1 직류 급전부를 구비한다. 처리 용기는 진공 배기 가능하다. 하부 전극은, 처리 용기 내에서 피처리 기판을 배치한다. 환상 부재는, 하부 전극의 외주부 상에 배치된다. 내측 상부 전극은, 처리 용기 내에서 하부 전극의 정면에 배치된다. 외측 상부 전극은, 처리 용기 내에서 내측 상부 전극으로부터 전기적으로 절연하여 그 반경 방향 외측에 링 형상으로 배치된다. 처리 가스 공급부는, 내측 및 외측 상부 전극과 하부 전극 사이의 처리 공간으로 처리 가스를 공급한다. 제 1 고주파 급전부는, 고주파 방전에 의해 처리 가스의 플라즈마를 생성하기 위한 제 1 고주파를 하부 전극 혹은 내측 및 외측 상부 전극에 인가한다. 제 1 직류 급전부는, 외측 상부 전극에 가변의 제 1 직류 전압을 인가한다. 외측 상부 전극은, 처리 공간에 노출되는 면 중 적어도 일부가 처리 공간에 노출되는 내측 상부 전극의 면보다 상방에 있다.

개시하는 실시 형태에 따르면, 플라즈마 처리 시의 전자 밀도의 피크 위치를 제어함으로써 플라즈마 처리의 균일성을 높일 수 있다고 하는 효과를 나타낸다.

도 1은 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 구성의 일례를 나타내는 도이다.
도 2는 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 상부 전극의 구조의 일례를 더 상세하게 나타내는 도이다.
도 3a는 플라즈마 처리에 있어서의 틸트각(아우터 틸트)에 대하여 설명하기 위한 도이다.
도 3b는 플라즈마 처리에 있어서의 틸트각(이너 틸트)에 대하여 설명하기 위한 도이다.
도 4는 비교예 1의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 외측 상부 전극의 인가 전압과 전자 밀도와의 관계의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 비교예 1의 플라즈마 처리 장치의 처리 공간 내의 전자 밀도 분포의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도이다.
도 6은 틸트각의 변동에 대하여 설명하기 위한 도이다.
도 7은 전자 밀도의 피크 위치를 웨이퍼 면외로 한 경우의 틸트각의 변동의 개선 효과에 대하여 설명하기 위한 도이다.
도 8은 비교예 1 내지 비교예 3 및 실험예 1의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 전자 밀도의 분포의 시뮬레이션 결과에 대하여 설명하기 위한 도이다.
도 9는 실험예 1 내지 4의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 전자 밀도의 분포의 시뮬레이션 결과에 대하여 설명하기 위한 도이다.
도 10은 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 의해 얻어지는 틸트각의 변동의 개선 효과를 나타내는 실험 결과의 도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본원이 개시하는 플라즈마 처리 장치의 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 각 실시 형태에 의해 본 개시가 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면은 모식적인 것으로, 각 요소의 치수의 관계, 각 요소의 비율 등은, 현실과 상이한 경우가 있는 것에 유의할 필요가 있다. 또한 도면의 상호 간에 있어서도, 서로의 치수의 관계 또는 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 경우가 있다. 또한, 각 실시 형태는 처리 내용을 모순시키지 않는 범위에서 적절히 조합하는 것이 가능하다.

＜실시 형태＞

실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 상부 전극을 내측 상부 전극 및 외측 상부 전극의 2 개의 부분으로 분할하여 인가 전압을 독립 제어한다. 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치는 또한, 외측 상부 전극의 처리 공간에 노출되는 면 중 적어도 일부가, 처리 공간에 노출되는 내측 상부 전극의 면보다 상방에 위치하도록 구성된다. 예를 들면, 외측 상부 전극에는, 처리 공간에 노출되는 내측 상부 전극의 면보다 상방향으로 오목한 오목부가 마련된다. 이러한 오목부를 마련함으로써, 플라즈마 처리가 실행되는 처리 공간을 수직 방향으로 넓힐 수 있다.

이러한 구조에 의해, 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치는, 플라즈마 처리 시에 처리 공간 내의 전자 밀도의 피크를 웨이퍼의 외주 상, 더 바람직하게는 웨이퍼의 외주보다 직경 방향 외측에 발생시킨다. 전자 밀도의 피크를 웨이퍼의 외주 상 또는 외주보다 외측으로 함으로써, 웨이퍼 면내에서의 틸트각의 변동이 변곡점을 가지기 어려워진다. 이 때문에, 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 의하면, 외측 상부 전극에 인가하는 전압 범위를 넓게 취하여 틸팅의 제어성을 개선할 수 있다. 또한 이러한 구조에 의하면, 웨이퍼의 엣지부보다 내측 부분의 틸팅의 영향도 억제할 수 있다.

또한 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치는, 종래보다 큰 직경의 포커스 링을 구비하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치는, 외측 상부 전극의 오목부 위치에 대응한 외경을 가지는 포커스 링을 구비한다. 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치는, 이러한 구조에 의해, 처리 공간 내의 전자 밀도의 피크를 더 웨이퍼의 직경 방향 외측에 발생시킬 수 있다. 이하, 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.

또한 본 실시 형태에서는 일례로서, 웨이퍼의 크기는 직경 300 mm, 반경 150 mm로 한다. 또한, 웨이퍼의 엣지부란, 웨이퍼의 반경 약 135 mm에서 150 mm의 링 형상의 부분을 가리킨다.

[실시 형태의 플라즈마 처리 장치의 구성예]

도 1은 제 1 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 구성의 일례를 나타내는 도이다. 이 플라즈마 처리 장치는 하부 2 주파 인가 방식을 취하는 캐소드 커플의 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치로서 구성되어 있고, 예를 들면 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 등으로 이루어지는 금속제의 원통 형상 챔버(처리 용기)(10)를 가지고 있다. 챔버(10)는 보안 접지되어 있다.

챔버(10) 내에는, 피처리 기판으로서 예를 들면 반도체 웨이퍼(W)(이하, 웨이퍼(W))를 배치하는 원반 형상의 서셉터(12)가 하부 전극으로서 수평으로 배치되어 있다. 이 서셉터(12)는 예를 들면 알루미늄으로 이루어지고, 절연성의 통 형상의 제 1 지지부(14)가 서셉터(12)를 둘러싸도록 마련되어 있다. 챔버(10)의 저부 상에는, 예를 들면 석영 등의 절연 재료로 구성된 대략 원통 형상의 제 2 지지부(15)가 마련되어 있다. 제 2 지지부(15)는, 챔버(10) 내에 있어서, 챔버(10)의 저부로부터 연직 방향으로 연장되어 있다. 제 2 지지부(15)는 서셉터(12)를 지지한다. 제 1 지지부(14) 및 제 2 지지부(15)의 외주를 따라 챔버(10)의 바닥으로부터 수직 상방으로 연장되는 도전성의 통 형상 지지부(내벽부)(16)와 챔버(10)의 측벽과의 사이에 환상의 배기로(18)가 형성되어 있고, 이 배기로(18)의 입구에 링 형상의 배플판(배기 링)(20)이 장착되고, 배기로(18)의 바닥에 배기구(22)가 마련되어 있다. 배기구(22)에는 배기관(24)을 개재하여 배기 장치(26)가 접속되어 있다. 배기 장치(26)는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 가지고 있어, 챔버(10) 내의 처리 공간을 원하는 진공도까지 감압할 수 있다. 챔버(10)의 측벽에는, 웨이퍼(W)의 반입반출구를 개폐하는 게이트 밸브(28)가 장착되어 있다.

서셉터(12)에는, 제 1 및 제 2 고주파 전원(30, 32)이 매칭 유닛(34) 및 급전봉(36)을 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 여기서, 제 1 고주파 전원(30)은, 주로 플라즈마의 생성에 기여하는 주파수(통상 40 MHz 이상)의 제 1 고주파를 출력한다. 제 2 고주파 전원(32)은 주로 서셉터(12) 상의 웨이퍼(W)에 대한 이온의 인입에 기여하는 주파수(통상 13.56 MHz 이하)의 제 2 고주파를 출력한다. 매칭 유닛(34)에는, 제 1 고주파 전원(30)측의 임피던스와 부하(주로 전극, 플라즈마, 챔버)측의 임피던스와의 사이에서 정합을 취하기 위한 제 1 정합기와, 제 2 고주파 전원(32)측의 임피던스와 부하측의 임피던스와의 사이에서 정합을 취하기 위한 제 2 정합기가 수용되어 있다.

서셉터(12) 상에는 처리 대상인 웨이퍼(W)가 배치되고, 이 웨이퍼(W)를 둘러싸도록 포커스 링(환상 부재라고도 함)(FR)이 마련되어 있다. 포커스 링(FR)은 프로세스에의 악영향이 적은 도전재 예를 들면 Si, SiC 등으로 이루어지며, 소모 부품으로서 서셉터(12)의 상면에 착탈 가능하게 장착된다. 또한, 포커스 링(FR)의 외주측에는, 포커스 링(FR)을 둘러싸도록 커버 링(CR)이 마련되어 있다. 커버 링(CR)은 예를 들면 석영 등의 절연체에 의해 구성된다. 커버 링(CR)은 제 1 지지부(14)의 상면을 플라즈마로부터 보호한다.

서셉터(12)의 상면에는 웨이퍼 흡착용의 정전 척(40)이 마련되어 있다. 이 정전 척(40)은 막 형상 또는 판 형상의 유전체 내에 시트 형상 또는 메시 형상의 도전체를 사이에 두고 있다. 이 도전체에는 챔버(10)의 밖에 배치되는 직류 전원(42)이 온·오프 전환 스위치(44) 및 급전선(46)을 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 직류 전원(42)으로부터 인가되는 직류 전압에 의해, 쿨롱력으로 웨이퍼(W)를 정전 척(40) 상에 흡착 유지할 수 있다.

서셉터(12)의 내부에는 예를 들면 원주 방향으로 연장되는 환상의 냉매실(48)이 마련되어 있다. 이 냉매실(48)에는 칠러 유닛(도시하지 않음)으로부터 배관(50, 52)을 거쳐 정해진 온도의 냉매 예를 들면 냉각수가 순환 공급된다. 냉매의 온도에 의해 정전 척(40) 상의 웨이퍼(W)의 온도를 제어할 수 있다. 또한, 웨이퍼 온도의 정밀도를 한층 높이기 위하여, 전열 가스 공급부(도시하지 않음)로부터의 전열 가스 예를 들면 He 가스가, 가스 공급관(54) 및 서셉터(12) 내부의 가스 통로(56)를 거쳐 정전 척(40)과 웨이퍼(W) 사이로 공급된다.

챔버(10)의 천장에는, 서셉터(12)와 평행하게 마주하여 원반 형상의 내측(또는 중심) 상부 전극(60) 및 링 형상의 외측(또는 주변) 상부 전극(62)이 동심 형상으로 마련되어 있다. 직경 방향의 적합한 사이즈로서, 내측 상부 전극(60)의 하면은 웨이퍼(W)와 동일 정도의 구경(직경)을 가지고, 외측 상부 전극(62)은 포커스 링(FR)과 동일한 정도의 구경(내경·외경)을 가지고 있다. 또한, 외측 상부 전극(62)은 포커스 링(FR)보다 구경이 큰 것이 바람직하다. 내측 상부 전극(60)과 외측 상부 전극(62)은 서로 전기적(보다 정확하게는 DC적)으로 절연되어 있다. 도시의 구성예에서는, 양 전극(60, 62)의 사이에 간극이 마련되어 있다. 다른 예에서는, 간극에 링 형상의 절연체가 삽입되어도 된다.

내측 상부 전극(60)은 서셉터(12)와 바로 정면으로 마주하는 전극판(64)과, 이 전극판(64)을 그 배후(위)로부터 착탈 가능하게 지지하는 전극 지지체(66)(쿨링 플레이트)를 가지고 있다. 전극판(64)의 재질은, 프로세스에의 악영향이 적고, 또한 양호한 DC 인가 특성을 유지할 수 있는 Si 혹은 SiC 등의 실리콘 함유 도전재가 바람직하다. 전극 지지체(66)는 알루마이트 처리된 알루미늄으로 구성되어도 된다. 전극판(64)은 클램프 부재(CL1)에 계지됨으로써 전극 지지체(66)에 고정되어 있다. 클램프 부재(CL1)는 예를 들면 세라믹으로 형성된다.

외측 상부 전극(62)은 서셉터(12)와 마주하도록 배치된다. 외측 상부 전극(62)은 내측 상부 전극(60)과 동일한 재질로 구성되어도 된다. 외측 상부 전극(62)은 외주측에 배치된 클램프 부재(CL2)에 의해 챔버(10)의 천장측에 고정된다. 클램프 부재(CL2)는 예를 들면 세라믹으로 형성된다. 또한 도 1에는 명시하고 있지 않지만, 클램프 부재(CL2)는, 이웃하는 접지용 부재(96)(후술)와의 사이에 정해진 클리어런스를 가진다. 또한, 클램프 부재(CL1)와 외측 상부 전극(62)과 전극판(64)과의 사이에도 정해진 클리어런스가 마련되어 있다. 또한, 외측 상부 전극(62)과 접지용 부재(96)와의 사이에 정해진 클리어런스를 가진다(도 2 참조).

이 실시 형태에서는, 상부 전극(60, 62)과 서셉터(12)와의 사이에 설정되는 처리 공간(PS)으로 처리 가스를 공급하기 위하여, 내측 상부 전극(60)에 샤워 헤드를 겸용시키고 있다. 보다 상세하게는, 전극 지지체(66)의 내부에 가스 확산실(72)을 마련하고, 이 가스 확산실(72)로부터 서셉터(12)측으로 관통하는 다수의 가스 토출홀(74)을 전극 지지체(66) 및 전극판(64)에 형성하고 있다. 가스 확산실(72)의 상부에 마련되는 가스 도입구(72a)에는, 처리 가스 공급부(76)로부터의 가스 공급관(78)이 접속되어 있다. 또한, 내측 상부 전극(60)뿐 아니라 외측 상부 전극(62)에도 샤워 헤드를 마련하는 구성으로 해도 된다.

챔버(10) 밖에는, 예를 들면 -2000 ~ +1000 V의 범위에서 가변의 직류 전압(VC, VE)을 각각 출력할 수 있는 2 개의 가변 직류 전원(80, 82)이 배치되어 있다.

일방의 가변 직류 전원(80)의 출력 단자는, 온·오프 전환 스위치(84) 및 필터 회로(86)를 개재하여 내측 상부 전극(60)에 전기적으로 접속되어 있다. 필터 회로(86)는 가변 직류 전원(80)으로부터 출력되는 제 1 직류 전압(VC)을 내측 상부 전극(60)에 인가하는 한편, 서셉터(12)로부터 처리 공간(PS) 및 내측 상부 전극(60)을 통하여 직류 급전 라인(88)으로 들어온 고주파를 접지 라인으로 흘려 가변 직류 전원(80)측으로는 흘리지 않도록 구성되어 있다.

타방의 가변 직류 전원(82)의 출력 단자는, 온·오프 전환 스위치(90) 및 필터 회로(92)를 개재하여 외측 상부 전극(62)에 전기적으로 접속되어 있다. 필터 회로(92)는, 가변 직류 전원(82)으로부터 출력되는 제 2 직류 전압(VE)을 외측 상부 전극(62)에 인가하는 한편, 서셉터(12)로부터 처리 공간(PS) 및 외측 상부 전극(62)을 통하여 직류 급전 라인(94)으로 들어온 고주파를 접지 라인으로 흘려 가변 직류 전원(82)측으로는 흘리지 않도록 구성되어 있다.

또한, 챔버(10) 내에서 처리 공간(PS)에 면하는 적당한 개소로서 예를 들면 외측 상부 전극(62)의 반경 방향 외측에 예를 들면 Si, SiC 등의 도전성 부재로 이루어지는 링 형상의 접지용 부재(직류 접지 전극)(96)가 장착되어 있다. 접지용 부재(96)는, 예를 들면 세라믹으로 이루어지는 링 형상의 절연체(98)에 장착되고 또한 챔버(10)벽에도 접속되어 있으며, 챔버(10)를 개재하여 상시 접지되어 있다. 플라즈마 처리 중에 가변 직류 전원(80, 82)으로부터 상부 전극(60, 62)에 직류 전압(VC, VE)을 인가하면, 플라즈마를 개재하여 상부 전극(60, 62)과 접지용 부재(96)와의 사이에서 직류의 전자 전류가 흐르도록 되어 있다.

이 플라즈마 에칭 장치 내의 각 부 예를 들면 배기 장치(26), 고주파 전원(30, 32), 정전 척용의 온/오프 전환 스위치(44), 처리 가스 공급부(76), DC 인가용의 온·오프 전환 스위치(84, 90), 칠러 유닛(도시하지 않음), 전열 가스 공급부(도시하지 않음) 등의 개개의 동작 및 장치 전체의 동작(시퀀스)은, 예를 들면 마이크로 컴퓨터로 이루어지는 제어부(도시하지 않음)에 의해 제어된다.

이 플라즈마 처리 장치에 있어서, 에칭을 행하기 위해서는, 먼저 게이트 밸브(28)를 개방 상태로 하여 가공 대상인 웨이퍼(W)를 챔버(10) 내에 반입하여, 정전 척(40) 상에 배치한다. 그리고, 처리 가스 공급부(76)로부터 에칭 가스(일반적으로 혼합 가스)를 정해진 유량으로 챔버(10) 내에 도입하고, 배기 장치(26)에 의해 챔버(10) 내의 압력을 설정값으로 조절한다. 또한, 제 1 및 제 2 고주파 전원(30, 32)을 온으로 하여 제 1 고주파(40 MHz 이상) 및 제 2 고주파(13.56 MHz 이하)를 각각 정해진 파워로 출력시키고, 이들 고주파를 매칭 유닛(34) 및 급전봉(36)을 개재하여 서셉터(12)에 인가한다. 또한, 스위치(44)를 온으로 하여, 정전 흡착력에 의해, 정전 척(40)과 웨이퍼(W) 사이의 접촉 계면에 전열 가스(He 가스)를 가둔다. 샤워 헤드(60)로부터 토출된 에칭 가스는 양 전극(12, (60, 62)) 사이에서 고주파의 방전에 의해 플라즈마화되고, 이 플라즈마로 생성되는 라디칼 또는 이온에 의해 웨이퍼(W) 표면의 피가공막이 원하는 패턴으로 에칭된다.

플라즈마 처리 장치(1)는 서셉터(12)에 40 MHz 이상으로 하는 플라즈마 생성에 적합한 비교적 높은 주파수인 제 1 고주파를 인가함으로써, 플라즈마를 바람직한 해리 상태로 고밀도화하여, 보다 저압의 조건 하에서도 고밀도 플라즈마를 형성할 수 있다. 그와 동시에, 서셉터(12)에 13.56 MHz 이하라고 하는 이온 인입에 적합한 비교적 낮은 주파수인 제 2 고주파를 인가함으로써, 웨이퍼(W)의 피가공막에 대하여 선택성이 높은 이방성(異方性)의 에칭을 실시할 수 있다. 단, 플라즈마 생성용의 제 1 고주파는 어떤 플라즈마 프로세스에서도 반드시 사용되지만, 이온 인입용의 제 2 고주파는 프로세스에 따라서는 사용되지 않는 경우가 있다.

이 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서는, 내측 상부 전극(60)과 외측 상부 전극(62)의 각각 두 개의 가변 직류 전원(80, 82)에 의해 제 1 및 제 2 직류 전압(VC, VE)을 동시에 인가한다. 두 개의 직류 전압(VC, VE)의 조합을 적절히 선택함으로써, 플라즈마 처리의 균일성을 향상시킬 수 있다.

[상부 전극의 구조의 일례]

도 2는 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 상부 전극(60, 62)의 구조의 일례를 더 상세하게 나타내는 도이다. 또한, 도 2에서는 특별히 도시하지 않지만, 각 부재 간에는 정해진 클리어런스가 마련되는 것으로 한다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 실시 형태에 있어서는, 처리 공간(PS)에 노출되는 외측 상부 전극(62)의 면 중 적어도 일부는, 처리 공간(PS)에 노출되는 내측 상부 전극(60)의 면보다 상방에 위치한다. 예를 들면 외측 상부 전극(62)은, 상방을 향해 오목한 오목부(68d)를 가진다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 내측 상부 전극(60)의 전극판(64)은, 클램프 부재(CL1)에 의해 전극 지지체(66)에 고정되어 있다. 클램프 부재(CL1)의 하방에 내측 상부 전극(60)의 외주를 둘러싸도록 외측 상부 전극(62)이 배치된다. 외측 상부 전극(62)은, 외주측에서 클램프 부재(CL2)에 의해 절연체(63)에 고정되어 있다. 클램프 부재(CL1 및 CL2)는 플라즈마 처리의 열에 의한 각 부재의 열 팽창 등을 고려하여, 내측 상부 전극(60) 및 외측 상부 전극(62)을 나사 등으로 고정하는 것이 아니라 계지하는 형상으로 구성되어 있다. 또한, 외측 상부 전극(62)의 외주측 또한 클램프 부재(CL2)의 하방으로부터 직경 방향 외측으로 연장되도록 접지용 부재(96)가 배치되어 있다. 접지용 부재(96)의 외주측은 챔버(10)의 측벽으로 연결된다.

상부 전극(60, 62)의 하방에는, 서셉터(12)가 배치되어 있다. 서셉터(12) 상의 정전 척(40)의 외주부에는 포커스 링(FR)이 배치된다. 포커스 링(FR)의 외주측에는 커버 링(CR)이 배치되어 있고, 커버 링(CR) 아래에는 제 1 지지부(14), 통 형상 지지부(16)가 연장되어 있다.

도 2의 외측 상부 전극(62)은, 직경 방향 내측이 직경 방향 외측보다 챔버(10)의 천장측으로 오목하여, 오목부(68d)를 형성하고 있다. 오목부(68d)는 예를 들면, 상부 전극(60, 62)의 직경 약 340 mm ~ 385 mm의 범위 내에 환상의 홈으로서 형성된다. 또한, 오목부(68d)는 예를 들면, 내측 상부 전극(60)의 전극판(64)의 면으로부터 3 mm 정도 오목한 형상으로서 형성된다. 또한, 외측 상부 전극(62)의 외주측은, 직경 방향 외측을 향해 서서히 처리 공간(PS)측으로 돌출되는 테이퍼 형상으로 되어 있다. 테이퍼 형상은 예를 들면, 직경 약 385 mm ~ 405 mm의 위치에 형성된다. 테이퍼 형상의 외주측은 내측 상부 전극(60)의 전극판(64)의 표면보다 처리 공간(PS)측으로 돌출된 형상으로 되어 있다. 외측 상부 전극(62)의 테이퍼 형상은 그대로 완만하게 접지용 부재(96)의 표면에 이어져 있다.

또한 도 2의 예에서는, 내측 상부 전극(60)의 전극판(64)은 외주부에 있어서, 내주측으로부터 외주측을 향해 처리 공간(PS)으로부터 멀어지는 테이퍼 형상을 가진다. 전극판(64)의 테이퍼 형상은 그대로 완만하게 외측 상부 전극(62)의 오목부(68d)의 표면에 이어져 있다.

이와 같이, 도 2의 구조에 있어서는, 내측 상부 전극(60)의 테이퍼 형상과, 외측 상부 전극(62)의 오목부(68d)에 의해, 포커스 링(FR)의 상방에 있어서, 처리 공간(PS)이 수직 방향으로 넓어져 있다. 이 때문에, 포커스 링(FR)의 상방에 플라즈마가 들어가기 쉬운 넓은 공간이 형성되어 있다.

이와 같이, 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서는, 외측 상부 전극(62)의 오목부(68d)에 의해, 플라즈마가 형성되는 처리 공간(PS)의 수직 방향 길이가 길어진다. 그리고, 외측 상부 전극(62)의 오목부(68d)의 직경 방향 외측에 형성된 테이퍼 형상에 의해, 포커스 링(FR)의 외주측에서 처리 공간(PS)의 수직 방향 길이가 좁아져 있다. 이와 같이, 실시 형태에 따르면, 포커스 링(FR) 상에 플라즈마가 모이기 쉬운 넓은 공간을 형성하고 있다. 또한 실시 형태에 따르면, 포커스 링(FR)의 직경 방향 외측에서 처리 공간(PS)을 수직 방향으로 좁게 함으로써, 플라즈마를 서셉터(12) 상에 가둔다.

외측 상부 전극(62)이 이러한 구조에 의해, 본 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)는, 플라즈마의 피크 위치를 제어하여, 플라즈마 처리의 균일성을 높일 수 있다. 이하, 본 실시 형태의 이러한 효과에 대하여 설명한다.

＜실시 형태의 효과＞

먼저, 실시 형태에 따른 외측 상부 전극(62)의 구조에 의해 얻어지는 효과의 설명의 전제로서, 플라즈마 처리에 있어서의 틸트각(아우터 틸트, 이너 틸트)에 대하여 설명한다.

[틸트각(아우터 틸트, 이너 틸트)의 설명]

동일한 플라즈마 처리 장치를 이용하여 상이한 웨이퍼에 플라즈마 처리 예를 들면 에칭 처리를 행했을 때에, 처리 대상인 웨이퍼의 엣지부에 형성되는 패턴의 각도가 변동하는 경우가 있는 것이 알려져 있다.

도 3a는 플라즈마 처리에 있어서의 틸트각(아우터 틸트)에 대하여 설명하기 위한 도이다. 도 3a는 웨이퍼(W)에 대하여 에칭을 실시하는 경우에 생기는 아우터 틸트를 나타내고 있다. 웨이퍼(W)의 외주에는 포커스 링(FR)이 배치되어 있다. 포커스 링(FR)의 상면은 웨이퍼(W)의 상면보다 높게 되어 있다. 이 경우에, 플라즈마 처리에 있어서 생성되는 이온 시스(S1)의 경계면(BR1)은, 웨이퍼(W)의 엣지부에 있어서 직경 방향 내측을 향해 낮아지는 경우가 있다. 이온 시스(S1)의 경계면(BR1)의 기울기에 따라, 웨이퍼(W)의 엣지부에 입사하는 이온(I)의 입사 방향은, 웨이퍼(W)의 상면으로부터 하면을 향해 웨이퍼(W)의 중심으로부터 엣지 방향으로 경사지는 각도를 이룬다. 이 때문에, 에칭에 의해 형성되는 패턴은, 웨이퍼(W)의 상면으로부터 하면을 향해 중심으로부터 직경 방향 외측을 향해 기운다. 이러한 기울기의 각도를 틸트각이라고 부른다. 또한, 웨이퍼(W)의 엣지부에 있어서 상면으로부터 하면을 향해 중심으로부터 직경 방향 외측을 향해 기운 각도로 패턴이 형성되는 것을 아우터 틸트라고 부른다.

도 3b는 플라즈마 처리에 있어서의 틸트각(이너 틸트)에 대하여 설명하기 위한 도이다. 도 3b의 예에서는, 포커스 링(FR)의 상면이 웨이퍼(W)의 상면보다 낮게 되어 있다. 이 경우, 플라즈마 처리에 있어서 형성되는 이온 시스(S2)의 경계면(BR2)은, 웨이퍼(W)의 엣지부에 있어서 웨이퍼(W)의 중심으로부터 직경 방향 외측을 향해 서서히 낮아지는 경우가 있다. 이온 시스(S2)의 경계면(BR2)에 따라, 플라즈마 중의 이온(I)의 입사 방향은, 웨이퍼(W)의 상면으로부터 하면을 향해 웨이퍼(W)의 직경 방향 외측으로부터 중심을 향해 기운다. 이 때문에, 에칭에 의해 형성되는 패턴은, 웨이퍼(W)의 상면으로부터 하면을 향해 직경 방향 외측으로부터 중심을 향해 기운 각도로 형성된다. 이와 같이, 웨이퍼(W)의 엣지부에 있어서 상면으로부터 하면을 향해 직경 방향 외측으로부터 중심을 향해 기운 각도로 패턴이 형성되는 것을 이너 틸트라고 부른다.

[전자 밀도의 피크 위치와 틸트각과의 관계]

그런데, 이온 시스의 두께는 전자 밀도(Ne), 전자 온도(Te), 직류 전압(Vdc)에 의해 결정된다. 예를 들면, 전자 밀도가 낮을수록, 또한 전자 온도가 높을수록, 이온 시스는 두꺼워진다. 그리고, Ne, Te가 일정한 경우에는, 직류 전압의 값이 높을수록, 이온 시스는 두꺼워진다.

도 4는 비교예 1의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 외측 상부 전극(OUTER)의 인가 전압과 전자 밀도와의 관계의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 5는 비교예 1의 플라즈마 처리 장치의 처리 공간 내의 전자 밀도 분포의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도이다. 비교예 1의 플라즈마 처리 장치의 외측 상부 전극은, 실시 형태와 같이 내측 상부 전극의 면보다 상방으로 오목한 표면을 가지지 않고, 외주를 향해 처리 공간측으로 돌출되는 구성으로 되어 있다(도 5 참조).

도 4에 나타내는 바와 같이, 비교예 1의 플라즈마 처리 장치에서는, 외측 상부 전극(OUTER)에 인가되는 직류 전압의 값에 관계없이, 웨이퍼(W)(직경 300 mm)의 반경 약 125 mm의 위치에서 전자 밀도가 피크가 된다. 그리고, 피크 위치로부터 직경 방향 내측 및 외측을 향해 전자 밀도는 낮아지고 있다. 이 때문에, 웨이퍼(W)의 엣지 부근에서 전자 밀도의 값에 변곡점이 생겨 있다.

도 5의 (A)는 외측 상부 전극(OUTER)에의 인가 전압이 0 V인 경우를 나타낸다. 도 5의 (B)는 외측 상부 전극(OUTER)에의 인가 전압이 -500 V인 경우를 나타낸다. 도 5의 (C)는 외측 상부 전극(OUTER)에의 인가 전압이 -1000 V인 경우를 나타낸다. 도 5의 (D)는 외측 상부 전극(OUTER)에의 인가 전압이 -1500 V인 경우를 나타낸다. 도 5는 처리 공간(PS) 중 특히 웨이퍼(W)의 엣지부 근방 즉, 외측 상부 전극(OUTER)과 포커스 링(FR)에 개재되는 위치를 중심으로 전자 밀도의 분포를 나타내고 있다. 또한, 도 5 중, 색이 진한 해칭 부분일수록 전자 밀도가 높은 것을 의미한다.

도 5로부터, 인가 전압의 값에 관계없이, 처리 공간(PS) 내에서 플라즈마는 웨이퍼(W)의 엣지부에 모여 있는 것을 알 수 있다. 또한, 외측 상부 전극(OUTER)의 직하(直下)에서는 플라즈마의 밀도가 낮아지고 있다. 여기서, 외측 상부 전극(OUTER)의 직하에서 플라즈마 밀도가 낮아지는 이유는, 이 부분에서는 처리 공간(PS)이 수직 방향으로 좁아져 있기 때문이라고 상정된다. 즉, 플라즈마는 넓은 공간에 모이는 경향을 가진다고 상정된다.

도 5의 비교예 1의 플라즈마 처리 장치에서는 외측 상부 전극(OUTER) 아래에서 배치대측 즉 웨이퍼(W)측의 구조물과의 사이에 형성되는 공간이 웨이퍼(W) 중심측과 비교하여 좁아져 있다. 이 때문에, 플라즈마가 보다 넓은 공간(웨이퍼(W) 중심측)으로 달아나도록 거동하고 있다고 상정된다. 도 5의 (A) ~ (D)로부터 알 수 있는 바와 같이, 인가 전압의 절대값에 관계없이, 외측 상부 전극(OUTER)의 하방에서 일단 전자 밀도가 낮아지고, 외측 상부 전극(OUTER)의 직경 방향 외측에서 다시 전자 밀도가 높아지고 있다. 또한, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 전자 밀도의 피크값은 인가되는 직류 전압의 절대값에 수반하여 변화하고 있다.

도 6은 틸트각의 변동에 대하여 설명하기 위한 도이다. 도 6의 상부에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼(W)의 직경 방향 외측을 둘러싸도록 포커스 링(FR)이 배치되어 있다고 하자. 그리고, 상부 전극에 전압을 인가하면, 전자 밀도(플라즈마)의 피크 위치가 대략 웨이퍼(W)의 엣지부 상으로 되었다고 하자. 이 경우, 웨이퍼(W)의 엣지부 상에 있어서 이온 시스는 얇아진다. 이 때문에, 전자 밀도의 피크 위치로부터 직경 방향 외측을 향해서는 아우터 틸트가 발생하고, 전자 밀도의 피크 위치로부터 직경 방향 내측을 향해 이너 틸트가 발생한다.

도 6의 하부는, 도 6의 상부의 예와 비교하여, 전자 밀도의 피크가 웨이퍼(W)의 직경 방향 내측으로 이동한 경우를 나타낸다. 전자 밀도의 피크 위치의 이동과 함께 이온 시스가 얇아지는 위치도 웨이퍼(W)의 직경 방향 내측으로 이동한다. 그러면, 도 6의 상부의 예와 비교했을 경우, 이너 틸트가 생기는 위치는 웨이퍼(W)의 직경 방향 내측으로 이동하고, 도 6의 상부의 예에서는 틸트가 생기지 않았던 웨이퍼(W)의 엣지부에 있어서 아우터 틸트가 발생한다. 또한 아우터 틸트가 생겨 있던 위치에서 틸트각이 커진다. 또한, 도 6의 상부의 예에서는 이너 틸트가 생겨 있던 위치에서는 이너 틸트의 각도가 변동한다. 또한 이너 틸트가 아우터 틸트로 변화하는 위치도 있을 수 있다. 이와 같이, 전자 밀도의 피크 위치가 변동하면 틸트각의 변동이 커진다.

또한 도 4에 나타낸 바와 같이, 인가하는 직류 전압의 절대값의 변동에 수반하여 전자 밀도의 피크값도 변동한다. 이 때문에, 인가 전압의 절대값을 변동시켜 제어를 행하는 경우, 웨이퍼(W)의 동일한 위치에서 틸트각의 방향(이너 틸트이거나 아우터 틸트)뿐 아니라 틸트각의 양도 변동한다. 이 때문에, 웨이퍼(W) 간의 처리 품질을 균일하게 하기 위해서는, 외측 상부 전극에 인가할 수 있는 직류 전압의 제어 범위가 제한된다.

도 7은 전자 밀도의 피크 위치를 웨이퍼 면외로 한 경우의 틸트각의 변동의 개선 효과에 대하여 설명하기 위한 도이다. 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)는, 외측 상부 전극(62)에 오목부(68d)를 형성함으로써, 전자 밀도의 피크 위치를 웨이퍼(W)의 엣지부의 외주측, 더 바람직하게는 웨이퍼(W)의 엣지부보다 직경 방향 외측에 발생시킨다. 도 7을 참조하여, 전자 밀도의 피크 위치가 웨이퍼(W)의 직경 방향 외측에 생겼을 경우의 효과에 대하여 설명한다.

도 7의 상방의 예는 도 6의 상방의 예와 동일하다. 단, 도 7의 상방의 예에서는, 플라즈마의 전자 밀도의 피크는 웨이퍼(W) 면내가 아니고, 웨이퍼(W)의 직경 방향 외측에 위치한다. 전자 밀도의 피크 위치가 웨이퍼(W)의 직경 방향 외측에 위치하기 때문에, 웨이퍼(W)의 엣지 근방에서는 이너 틸트가 생기지만, 엣지 근방 이외의 위치에는 큰 영향은 없다.

도 7의 하방의 예에서는, 생성되는 플라즈마의 전자 밀도의 피크 위치는 웨이퍼(W)의 직경 방향 내측으로 이동하고 있다. 그러나 도 7의 하방의 예에서는, 전자 밀도의 피크 위치는 웨이퍼(W) 면 상에는 위치하고 있지 않다. 이 때문에, 웨이퍼(W)의 엣지 근방에서는 이너 틸트는 생기지만, 아우터 틸트는 생기지 않는다. 이와 같이, 전자 밀도의 피크를 웨이퍼(W)의 외측보다 직경 방향 외측에 생기게 하는 제어를 행함으로써, 피크가 웨이퍼(W)의 중심 방향으로 어긋난 경우라도 틸트각의 이너로부터 아우터로의 변화를 억제할 수 있다.

[외측 상부 전극의 오목부의 효과]

도 8은 비교예 1 내지 비교예 3 및 실험예 1의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 전자 밀도의 분포의 시뮬레이션 결과에 대하여 설명하기 위한 도이다.

실험예 1의 플라즈마 처리 장치는, 상기 오목부(68d)를 가지는 외측 상부 전극(62)을 구비한다. 단, 실험예 1의 플라즈마 처리 장치는, 상기 큰 직경의 포커스 링(FR)은 구비하고 있지 않다. 실험예 1의 플라즈마 처리 장치의 포커스 링은, 비교예 1 내지 비교예 3의 플라즈마 처리 장치와 마찬가지로, 내경 약 300 mm, 외경 약 360 mm이다.

비교예 1 내지 비교예 3의 플라즈마 처리 장치는, 각각 외측 상부 전극의 내경 및 외경을 크게 함으로써, 전자 밀도의 피크를 외주측에 발생시키는 것을 의도한 것이다.

비교예 1 내지 비교예 3의 플라즈마 처리 장치의 구성의 차이는 이하와 같다.

· 비교예 1

외측 상부 전극의 크기 : 내경 약 340 mm, 외경 약 400 mm

외측 상부 전극의 하면 위치 : 내측 상부 전극의 하면보다 서셉터측으로 약 5 mm 돌출

외측 상부 전극과 포커스 링과의 위치 관계 : 외측 상부 전극의 내주측 단부는 포커스 링의 직경 방향 중앙보다 외측

· 비교예 2

외측 상부 전극의 크기 : 내경 약 370 mm, 외경 약 400 mm

외측 상부 전극의 하면 위치 : 내측 상부 전극의 하면보다 서셉터측으로 약 5 mm 돌출(비교예 1과 동일)

외측 상부 전극과 포커스 링과의 위치 관계 : 외측 상부 전극의 내경이 포커스 링의 외경보다 큼

· 비교예 3

외측 상부 전극의 크기 : 내경 약 400 mm, 외경 약 430 mm

외측 상부 전극의 하면 위치 : 내측 상부 전극의 하면보다 서셉터측으로 약 5 mm 돌출(비교예 1, 2와 동일)

또한, 비교예 1 내지 비교예 3의 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 외측 상부 전극의 크기의 변경에 수반하여, 내측 상부 전극의 크기(직경)를 조정하고 있다.

실험예 1의 플라즈마 처리 장치의 구성은 이하와 같다.

· 외측 상부 전극의 크기 : 내경 약 340 mm, 외경 약 400 mm

· 오목부의 위치 : 외측 상부 전극의 내경 약 340 mm의 위치로부터 약 380 mm의 위치

외주측의 테이퍼 위치는 직경 약 380 mm ~ 약 400 mm의 위치

상기와 같이 구성한 실험예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 3의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 전자 밀도의 분포를 시뮬레이션에 의해 조사한 결과가 도 8이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 비교예 1에 있어서는, 전자 밀도의 피크는 직경 방향 약 125 mm의 위치에 생겨 있다. 비교예 2에 있어서는, 비교예 1과 비교하여 피크 위치는 약간 직경 방향 외측으로 어긋나 있지만, 엣지(반경 150 mm의 위치)보다 직경 방향 내측에 있다. 비교예 3에 있어서도, 비교예 1, 2와 비교하여 피크 위치는 거의 변화하고 있지 않다.

한편 실험예 1에 대해서는, 전자 밀도의 피크가 거의 엣지(반경 150 mm의 위치)까지 이동하고 있다. 또한 실험예 1에 있어서는, 오목부(68d)는 내측 상부 전극의 면과 비교하여 챔버(10)의 천장 방향으로 3 mm 정도 오목한 형상으로 했다. 또한, 오목부(68d)는 직경 약 340 mm ~ 385 mm의 위치에 형성했다. 또한, 외측 상부 전극(62)의 테이퍼 형상은 직경 약 385 mm ~ 405 mm의 위치에 형성했다. 또한, 테이퍼 형상의 경사 각도는 약 30˚로 했다. 단, 오목부(68d)의 크기는 이에 한정되지 않는다.

[포커스 링의 대경화의 효과]

도 9는 실험예 1 내지 실험예 4의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 전자 밀도의 분포의 시뮬레이션 결과에 대하여 설명하기 위한 도이다. 실험예 1 내지 실험예 4의 플라즈마 처리 장치의 구성은 이하와 같다.

· 실험예 1(도 8의 실험예 1과 동일)

포커스 링의 크기 : 내경 약 300 mm, 외경 약 360 mm

외측 상부 전극의 구조 : 실시 형태의 오목부(68d)를 구비함

· 실험예 2(대경 FR)

포커스 링의 크기 : 내경 약 300 mm, 외경 약 380 mm

외측 상부 전극의 구조 : 실시 형태의 오목부(68d)를 구비함(실험예 1과 동일함)

· 실험예 3(소경 FR)

포커스 링의 크기 : 내경 약 300 mm, 외경 약 330 mm

외측 상부 전극의 구조 : 실시 형태의 오목부(68d)를 구비함(실험예 1, 2와 동일함)

· 실험예 4(대경 FR, 대경 · 상방 돌출 CR)

포커스 링의 크기 : 내경 약 300 mm, 외경 380 mm

외측 상부 전극의 구조 : 실시 형태의 오목부(68d)를 구비함(실험예 1 ~ 3과 동일함)

커버 링(CR)의 구조 : 외경을 실험예 1 ~ 3보다 확대(약 460 mm)

CR의 외주단이 상방향으로 돌출

(실험예 1 ~ 3보다 CR단의 처리 공간의 상하 방향 길이가 짧음)

실험예 2, 3의 플라즈마 처리 장치는 포커스 링의 크기, 특히 외경을 변화시킴으로써 전자 밀도의 분포에 영향이 나오는지 확인하는 것을 의도한 것이다. 실험예 3의 플라즈마 처리 장치는, 포커스 링의 외경을 작게 하고, 포커스 링과 커버 링의 사이에 홈을 마련하여 상방의 구조물과의 간격을 길게 했다. 또한, 실험예 4의 플라즈마 처리 장치는 커버 링(CR)의 구성이 전자 밀도에 영향을 주는지를 확인하는 것을 의도한 것이다. 실험예 2, 3의 플라즈마 처리 장치는 각각, 포커스 링의 외경이 실험예 1보다 큰 것과 작은 것이다. 또한 실험예 4의 플라즈마 처리 장치는, 포커스 링의 크기는 실험예 2와 동일하지만, 커버 링의 외경을 크게 하여 외주단을 상방향으로 돌출시킴으로써, 플라즈마를 웨이퍼 면내에 가두는 것을 의도하고 있다.

상기와 같이 구성한 실험예 1 내지 4의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 전자 밀도의 분포를 시뮬레이션에 의해 조사한 결과가 도 9이다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 실험예 3과 같이 포커스 링의 외경을 작게 한 경우, 피크 위치는 실험예 1과 거의 변함없다. 또한 실험예 4의 경우, 실험예 3과 비교하여 피크 위치가 약간 웨이퍼(W)의 엣지쪽이 되어 있지만, 웨이퍼(W)의 면내에 위치하고 있다. 이에 대하여, 실험예 2의 경우, 피크 위치는 웨이퍼(W)의 엣지보다 직경 방향 외측으로 이동하고 있다. 이것으로부터, 포커스 링의 외경을 크게 함으로써, 전자 밀도의 피크를 웨이퍼(W)의 직경 방향 외측으로 이동시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 실험예 1은 포커스 링의 외경이 360 mm, 실험예 2는 포커스 링의 외경이 380 mm이다. 이것으로부터, 전자 밀도의 피크를 이동시키기 위해서는 예를 들면, 포커스 링의 외경은 바람직하게는 360 mm ~ 380 mm, 더 바람직하게는 370 mm ~ 380 mm 정도라고 상정된다.

[틸트각의 변동의 억제]

도 10은 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 의해 얻어지는 틸트각의 변동의 개선 효과를 나타내는 실험 결과의 도이다. 도 10은 비교예 1의 플라즈마 처리 장치와, 실험예 2의 플라즈마 처리 장치 각각에 대하여 에칭을 행하고, 틸트각의 변동을 조사한 것이다.

먼저, 웨이퍼의 엣지(가장자리)로부터 내측으로 3 mm의 위치에 있어서, 인가 전압의 값을 변동시키면서 틸트각을 측정했다. 또한, 인가 전압은 모두 음의 전압이지만, 도 10에 있어서는 그 절대값을 기재하고 있다. 비교예 1의 경우, 아우터 틸트 및 이너 틸트가 발생하고, 틸트각의 값은 약 0.43도의 범위에서 변동했다. 실험예 2의 경우, 인가 전압의 절대값이 400 V에서 1150 V의 사이, 틸트각의 변동은 변곡점을 가지지 않았다. 웨이퍼의 엣지로부터 내측으로 5 mm, 15 mm, 35 mm의 어느 경우도 마찬가지이며, 비교예 1에서는 틸트각의 변동에 변곡점이 발생한 것에 대하여, 실험예 2는 인가 전압을 바꾸어도 틸트각의 변동은 특히 엣지로부터 15 mm, 35 mm의 위치에서 완만했다. 이와 같이, 실험예 2에 따르면, 인가 전압을 변동시킨 경우라도 틸트각의 변동 트렌드가 변곡점을 가지기 어려운 것을 확인할 수 있었다. 또한, 웨이퍼의 엣지부 이외의 부분에 대해서도 틸팅의 영향이 저감되는 것이 확인되었다.

상기와 같이, 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치는, 처리 용기와, 하부 전극과, 환상 부재와, 내측 상부 전극과, 외측 상부 전극과, 처리 가스 공급부와, 제 1 고주파 급전부와, 제 1 직류 급전부를 구비한다. 처리 용기는 진공 배기 가능하게 구성된다. 하부 전극은, 처리 용기 내에서 피처리 기판을 배치한다. 환상 부재는 하부 전극의 외주부 상에 배치된다. 내측 상부 전극은, 처리 용기 내에서 상기 하부 전극과 대향하여 배치된다. 외측 상부 전극은, 처리 용기 내에서 내측 상부 전극으로부터 전기적으로 절연하여 그 반경 방향 외측에 링 형상으로 배치된다. 처리 가스 공급부는, 내측 및 외측 상부 전극과 하부 전극 사이의 처리 공간으로 처리 가스를 공급한다. 제 1 고주파 급전부는, 고주파 방전에 의해 상기 처리 가스의 플라즈마를 생성하기 위한 제 1 고주파를 상기 하부 전극 혹은 상기 내측 및 외측 상부 전극에 인가한다. 제 1 직류 급전부는, 외측 상부 전극에 가변의 제 1 직류 전압을 인가한다. 외측 상부 전극은, 처리 공간에 노출되는 면 중 적어도 일부가 상기 처리 공간에 노출되는 상기 내측 상부 전극의 면보다 상방에 있다. 이 때문에, 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치는, 플라즈마 처리 시의 전자 밀도의 피크 위치를 제어하고, 전자 밀도의 피크를 피처리 기판의 외주 상 또는 외주보다 직경 방향 외측에 생기게 할 수 있다. 이 때문에, 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치는, 웨이퍼의 엣지부만 틸팅의 제어성을 개선하고, 또한 엣지부 이외의 틸팅의 영향을 저감할 수 있다. 이 때문에, 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 처리의 균일성을 높일 수 있고, 또한 챔버의 MTBWC(Mean Time between Wet Cleaning)를 개선할 수 있다.

또한 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 있어서, 외측 상부 전극의 외주부는, 직경 방향 외측을 향해 상기 처리 공간 측으로 돌출되는 테이퍼 형상을 가진다. 이 때문에, 플라즈마 처리 장치는 외측 상부 전극의 외주측에 있어서 처리 공간의 수직 방향 길이를 좁게 함으로써, 플라즈마를 웨이퍼면 상에 가둘 수 있다.

또한 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 있어서, 내측 상부 전극의 외주부는, 내주측으로부터 외주측을 향해 처리 공간으로부터 멀어지는 테이퍼 형상을 가진다. 이 때문에, 플라즈마 처리 장치는 외측 상부 전극의 구조와 아울러, 웨이퍼의 엣지부 근방의 처리 공간을 넓게 할 수 있고, 전자 밀도의 피크 위치를 제어할 수 있다.

또한 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치는, 클램프 부재와 접지용 부재를 더 구비한다. 클램프 부재는 외측 상부 전극을 유지한다. 접지용 부재는 클램프 부재보다 처리 공간측에 배치된다.

또한 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 있어서, 외측 상부 전극은 예를 들면, 내측 상부 전극의 표면으로부터 약 3 mm 오목한 저면을 가지는 오목부를 가진다.

또한 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 있어서, 환상 부재의 외경은 예를 들면 360 mm에서 380 mm의 범위 내이다.

또한 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치는, 내측 상부 전극에 가변의 제 2 직류 전압을 인가하는 제 2 직류 급전부를 더 구비한다.

또한 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치는, 피처리 기판에 플라즈마중의 이온을 인입하기 위한 제 2 고주파를 하부 전극에 인가하는 제 2 고주파 급전부를 더 구비한다.

상기 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 이용한 플라즈마 처리 방법에 의하면, 플라즈마 처리 시의 전자 밀도의 피크 위치를 피처리 기판의 외주 상 또는 외주보다 직경 방향 외측에 생기게 할 수 있다.

금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시로 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 실로, 상기한 실시 형태는 다양한 형태로 구현될 수 있다. 또한, 상기의 실시 형태는 첨부의 청구의 범위 및 그 취지를 일탈하지 않고, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되어도 된다.

Claims

진공 배기 가능한 처리 용기와,
상기 처리 용기 내에서 피처리 기판을 배치하는 하부 전극과,
상기 하부 전극의 외주부 상에 배치되는 환상 부재와,
상기 처리 용기 내에서 상기 하부 전극과 대향하여 배치되는 내측 상부 전극과,
상기 처리 용기 내에서 상기 내측 상부 전극으로부터 전기적으로 절연하여 그 반경 방향 외측에 링 형상으로 배치되는 외측 상부 전극과,
상기 내측 및 외측 상부 전극과 상기 하부 전극 사이의 처리 공간으로 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와,
고주파 방전에 의해 상기 처리 가스의 플라즈마를 생성하기 위한 제 1 고주파를 상기 하부 전극 혹은 상기 내측 및 외측 상부 전극에 인가하는 제 1 고주파 급전부와,
상기 외측 상부 전극에 가변의 제 1 직류 전압을 인가하는 제 1 직류 급전부
를 가지는 플라즈마 처리 장치로서,
상기 외측 상부 전극은, 상기 처리 공간에 노출되는 면 중 적어도 일부가 상기 처리 공간에 노출되는 상기 내측 상부 전극의 면보다 상방에 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 외측 상부 전극의 외주부는, 직경 방향 외측을 향해 상기 처리 공간측으로 돌출되는 테이퍼 형상을 가지는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 내측 상부 전극의 외주부는, 내주측으로부터 외주측을 향해 상기 처리 공간으로부터 멀어지는 테이퍼 형상을 가지는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외측 상부 전극을 유지하는 클램프 부재와,
상기 클램프 부재보다 상기 처리 공간 측에 배치되는 접지용 부재
를 더 구비하는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외측 상부 전극은, 상기 내측 상부 전극의 표면으로부터 약 3 mm 오목한 저면을 가지는 오목부를 가지는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 환상 부재의 외경은, 360 mm에서 380 mm의 범위 내인 플라즈마 처리 장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내측 상부 전극에 가변의 제 2 직류 전압을 인가하는 제 2 직류 급전부를 더 구비하는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피처리 기판에 플라즈마 중의 이온을 인입하기 위한 제 2 고주파를 상기 하부 전극에 인가하는 제 2 고주파 급전부를 더 구비하는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 플라즈마 처리 장치를 이용하여, 플라즈마 처리 시의 전자 밀도의 피크를 상기 피처리 기판의 외주 상 또는 외주보다 직경 방향 외측에 생기게 하는 플라즈마 처리 방법.