KR20210015658A - 플라즈마 처리 장치 및 제어 방법 - Google Patents

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KR20210015658A
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Abstract

[과제] 플라즈마의 상태를 감시할 수 있는 기술을 제공한다.
[해결 수단] 본 개시의 일 태양에 의한 플라즈마 처리 장치는, 개구부가 형성된 천장판을 갖는 처리 용기와, 상기 개구부에 상기 천장판과 절연된 상태로 마련된 도전성을 갖는 원환 형상 부재와, 상기 천장판 위에 상기 원환 형상 부재의 중심을 포함해서 배치되고, 상기 처리 용기의 내부에 마이크로파를 방사하는 마이크로파 방사 기구와, 상기 원환 형상 부재에 접속되고, 생성된 플라즈마의 상태를 검출하는 플라즈마 검출부를 구비한다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 제어 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND CONTROL METHOD}
본 개시는, 플라즈마 처리 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
처리 용기의 벽면에 처리 용기의 벽면으로부터 처리 용기의 지름 방향의 내측으로 돌출되는 프로브를 마련함으로써, 처리 용기의 내부에서 생성된 플라즈마의 전자 밀도 및 전자 온도 중 적어도 어느 하나를 모니터하는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
일본 특허공개 2018-181633호 공보
본 개시는, 플라즈마의 상태를 감시할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 태양에 의한 플라즈마 처리 장치는, 개구부가 형성된 천장판을 갖는 처리 용기와, 상기 개구부에 상기 천장판과 절연된 상태로 마련된 도전성을 갖는 원환 형상 부재와, 상기 천장판 위에 상기 원환 형상 부재의 중심을 포함해서 배치되고, 상기 처리 용기의 내부에 마이크로파를 방사하는 마이크로파 방사 기구와, 상기 원환 형상 부재에 접속되고, 생성된 플라즈마의 상태를 검출하는 플라즈마 검출부를 구비한다.
본 개시에 의하면, 플라즈마의 상태를 감시할 수 있다.
도 1은 일 실시형태의 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 종단면의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시형태의 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천장판의 내벽의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시형태의 마이크로파 플라즈마원의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 프로브의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 프로브의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1의 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 프로브의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하면서, 본 개시의 한정적이 아닌 예시의 실시형태에 대해서 설명한다. 첨부의 전체 도면 중, 동일 또는 대응하는 부재 또는 부품에 대해서는, 동일 또는 대응하는 참조 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다.
〔마이크로파 플라즈마 처리 장치〕
도 1은, 일 실시형태의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 종단면의 일례를 나타내는 도면이다. 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는, 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼 W」라고 한다)를 수용하는 챔버(1)를 갖는다. 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는, 마이크로파에 의해서 챔버(1)측의 표면에 형성되는 표면파 플라즈마에 의해, 웨이퍼 W에 대해서 소정의 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치의 일례이다. 소정의 플라즈마 처리의 일례로서는, 성막 처리 또는 에칭 처리가 예시된다.
챔버(1)는, 기밀하게 구성된 알루미늄 또는 스테인리스강 등의 금속 재료로 이루어지는 대략 원통 형상의 처리 용기이며, 접지되어 있다. 마이크로파 플라즈마원(2)은, 챔버(1)의 천장판의 내벽에 형성된 개구부(1a)로부터 챔버(1)의 내부에 면하도록 마련되어 있다. 마이크로파 플라즈마원(2)으로부터 개구부(1a)를 통하여 챔버(1) 내에 마이크로파가 도입되면, 챔버(1) 내에 표면파 플라즈마가 형성된다.
챔버(1) 내에는 웨이퍼 W를 탑재하는 탑재대(11)가 마련되어 있다. 탑재대(11)는, 챔버(1)의 바닥부 중앙에 절연 부재(12a)를 통해서 세워 설치된 통 형상의 지지 부재(12)에 의해 지지되어 있다. 탑재대(11) 및 지지 부재(12)를 구성하는 재료로서는, 표면을 알루마이트 처리(양극 산화 처리)한 알루미늄 등의 금속이나 내부에 고주파용의 전극을 가진 절연 부재(세라믹 등)가 예시된다. 탑재대(11)에는, 웨이퍼 W를 정전 흡착하기 위한 정전 척, 온도 제어 기구, 웨이퍼 W의 이면에 열 전달용의 가스를 공급하는 가스 유로 등이 마련되어도 된다.
탑재대(11)에는, 정합기(13)를 통해서 고주파 바이어스 전원(14)이 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 바이어스 전원(14)으로부터 탑재대(11)에 고주파 전력이 공급되는 것에 의해, 웨이퍼 W측에 플라즈마 중의 이온이 인입된다. 한편, 고주파 바이어스 전원(14)은 플라즈마 처리의 특성에 따라서는 마련하지 않아도 된다.
챔버(1)의 바닥부에는 배기관(15)이 접속되어 있고, 이 배기관(15)에는 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(16)가 접속되어 있다. 배기 장치(16)를 작동시키면 챔버(1) 내가 배기되고, 이에 의해, 챔버(1) 내가 소정의 진공도까지 고속으로 감압된다. 챔버(1)의 측벽에는, 웨이퍼 W의 반입출을 행하기 위한 반입출구(17)와, 반입출구(17)를 개폐하는 게이트 밸브(18)가 마련되어 있다.
마이크로파 플라즈마원(2)은, 마이크로파 출력부(30)와, 마이크로파 전송부(40)와, 마이크로파 방사 기구(50)를 갖는다. 마이크로파 출력부(30)는, 복수 경로에 분배해서 마이크로파를 출력한다.
마이크로파 전송부(40)는, 마이크로파 출력부(30)로부터 출력된 마이크로파를 전송한다. 마이크로파 전송부(40)에 마련된 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)는, 앰프부(42)로부터 출력된 마이크로파를 마이크로파 방사 기구(50)에 도입하는 기능 및 임피던스를 정합하는 기능을 갖는다.
주연 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)는, 통 형상의 외측 도체(52) 및 그 중심에 마련된 봉 형상의 내측 도체(53)를 동축 형상으로 배치한다. 외측 도체(52)와 내측 도체(53) 사이는, 마이크로파 전력이 급전되고, 마이크로파 방사 기구(50)를 향해 마이크로파가 전송되는 마이크로파 전송로(44)로 되어 있다.
주연 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)에는, 슬래그(61)와, 그 선단부에 위치하는 임피던스 조정 부재(140)가 마련되어 있다. 슬래그(61)를 이동시키는 것에 의해, 챔버(1) 내의 부하(플라즈마)의 임피던스를 마이크로파 출력부(30)에 있어서의 마이크로파 전원의 특성 임피던스에 정합시키는 기능을 갖는다. 임피던스 조정 부재(140)는, 유전체로 형성되고, 그 비유전율에 의해 마이크로파 전송로(44)의 임피던스를 조정하도록 되어 있다.
마이크로파 방사 기구(50)는, 챔버(1)의 상부에 마련된 지지 링(129)에 기밀하게 시일(seal)된 상태로 마련되고, 마이크로파 출력부(30)로부터 출력되고, 마이크로파 전송부(40)에 의해 전송된 마이크로파를 챔버(1) 내에 방사한다. 마이크로파 방사 기구(50)는, 챔버(1)의 천장판에 마련되고, 천장부의 일부를 구성하고 있다.
마이크로파 방사 기구(50)는, 본체부(120), 지파재(遲波材)(121, 131), 마이크로파 투과 부재(122, 132) 및 슬롯(123, 133)을 갖는다. 본체부(120)는, 금속으로 구성되어 있다.
본체부(120)는, 6개의 주연 마이크로파 도입 기구(43a)와 1개의 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)에 접속되어 있다. 도 2는, 일 실시형태의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 천장판의 내벽의 일례를 나타내는 도면이다. 도 2에서는, 가스의 공급 구멍은 생략하고 있다. 도 2에 나타나는 바와 같이, 6개의 주연 마이크로파 도입 기구(43a)는, 챔버(1)의 천장판(본체부(120))의 외측에서 둘레 방향으로 등간격으로 배치된다. 1개의 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)는, 챔버(1)의 천장판의 중앙에 배치된다.
도 1로 되돌아가서, 지파재(121)는, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에 접속된 상태로 본체부(120)에 끼워 넣어져 있다. 지파재(131)는, 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)에 접속된 상태로 본체부(120)에 끼워 넣어져 있다. 지파재(121, 131)는, 마이크로파를 투과시키는 원반 형상의 유전체로 형성되어 있다. 지파재(121, 131)는, 진공보다도 큰 비유전율을 갖고 있고, 예를 들면, 석영, 알루미나(Al2O3) 등의 세라믹, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 형성될 수 있다. 진공 중에서는 마이크로파의 파장이 길어지기 때문에, 지파재(121, 131)는, 비유전율이 진공보다도 큰 재료로 구성되는 것에 의해, 마이크로파의 파장을 짧게 해서 슬롯(123, 133)을 포함하는 안테나를 작게 하는 기능을 갖는다.
지파재(121, 131)의 하방에서는, 원반 형상의 마이크로파 투과 부재(122, 132)가 본체부(120)에 끼워 넣어져 있다. 지파재(121)와 마이크로파 투과 부재(122) 사이의 부분에는 슬롯(123)이 형성되어 있다. 지파재(131)와 마이크로파 투과 부재(132) 사이의 부분에는 슬롯(133)이 형성되어 있다.
마이크로파 투과 부재(122, 132)는, 마이크로파를 투과하는 재료인 유전체 재료로 구성되어 있다.
도 2에 나타나는 바와 같이, 일 실시형태에서는, 6개의 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에 대응하는 6개의 마이크로파 투과 부재(122)가, 본체부(120)에 있어서 둘레 방향으로 등간격으로 배치되고, 챔버(1)의 내부에 원형으로 노출된다. 또한, 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)에 대응하는 1개의 마이크로파 투과 부재(132)가, 챔버(1)의 천장판의 중앙에서 내부를 향해 원형으로 노출된다.
마이크로파 투과 부재(122, 132)는, 둘레 방향으로 균일한 표면파 플라즈마를 형성하기 위한 유전체창으로서의 기능을 갖는다. 마이크로파 투과 부재(122, 132)는, 지파재(121, 131)와 마찬가지로, 예를 들면, 석영, 알루미나(Al2O3) 등의 세라믹, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 형성되어도 된다.
또한, 마이크로파 투과 부재(122, 132)에는, 각각 프로브(70)가 마련되어 있다. 프로브(70)는, 원환 형상을 갖는 링 프로브이고, 마이크로파 투과 부재(122, 132)의 외주부에 마련되어 있다. 프로브(70)에 대해서는, 후술한다.
한편, 일 실시형태에서는, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)의 수는 6개이지만, 이에 한하지 않고, N개 배치된다. N은, 2 이상이면 되지만, 3 이상이 바람직하고, 예를 들면 3∼6이어도 된다.
도 1로 되돌아가서, 마이크로파 방사 기구(50)에는 샤워 구조의 제 1 가스 도입부(21)가 마련되어 있고, 제 1 가스 도입부(21)에는, 가스 공급 배관(111)을 통해서 제 1 가스 공급원(22)이 접속되어 있다. 제 1 가스 공급원(22)으로부터 공급되는 제 1 가스는, 제 1 가스 도입부(21)를 통하여 챔버(1) 내에 샤워 형상으로 공급된다. 제 1 가스 도입부(21)는, 챔버(1)의 천장부에 형성된 복수의 가스 구멍으로부터 제 1 의 높이에서 제 1 가스를 공급하는 제 1 가스 샤워 헤드이다. 제 1 가스의 일례로서는, 예를 들면 Ar 가스 등의 플라즈마 생성용의 가스나, 예를 들면 O2 가스나 N2 가스 등의 고에너지로 분해시키고자 하는 가스를 들 수 있다.
챔버(1) 내의 탑재대(11)와 마이크로파 방사 기구(50) 사이의 위치에는, 제 2 가스 도입부의 일례인 가스 공급 노즐(27)이 챔버(1)에 마련되어 있다. 가스 공급 노즐(27)은, 챔버(1)의 측벽으로부터 챔버(1)의 내측을 향해 수평 방향으로 돌출되어 있다. 가스 공급 노즐(27)에는, 가스 공급 배관(28)을 통해서 제 2 가스 공급원(29)이 접속되어 있다.
제 2 가스 공급원(29)으로부터, 성막 처리나 에칭 처리 등의 플라즈마 처리 시에, 최대한 분해시키지 않고서 공급하고자 하는 처리 가스, 예를 들면 SiH4 가스나 C5F8 가스 등의 제 2 가스가 공급되도록 되어 있다. 가스 공급 노즐(27)은, 제 1 가스 공급원(22)으로부터 공급되는 제 1 가스를 공급하는 복수의 가스 구멍의 높이보다도 낮은 높이에서 복수의 가스 구멍으로부터 제 2 가스를 공급한다. 한편, 제 1 가스 공급원(22) 및 제 2 가스 공급원(29)으로부터 공급되는 가스로서는, 플라즈마 처리의 내용에 따른 여러 가지의 가스를 이용할 수 있다.
마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 각 부는, 제어 장치(3)에 의해 제어된다. 제어 장치(3)는, 마이크로프로세서(4), ROM(Read Only Memory)(5), RAM(Random Access Memory)(6)을 갖는다. ROM(5)이나 RAM(6)에는, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 프로세스 시퀀스 및 제어 파라미터인 프로세스 레시피가 기억되어 있다. 마이크로프로세서(4)는, 프로세스 시퀀스 및 프로세스 레시피에 기초하여, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 각 부를 제어하는 제어부의 일례이다. 또한, 제어 장치(3)는, 터치 패널(7) 및 디스플레이(8)를 갖고, 프로세스 시퀀스 및 프로세스 레시피에 따라서 소정의 제어를 행할 때의 입력이나 결과의 표시 등이 가능하게 되어 있다.
이러한 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서 플라즈마 처리를 행할 때에는, 우선, 웨이퍼 W가, 반송 암(도시하지 않음) 상에 유지된 상태로, 개구한 게이트 밸브(18)로부터 반입출구(17)를 통하여 챔버(1) 내에 반입된다. 게이트 밸브(18)는 웨이퍼 W를 반입 후에 닫혀진다. 웨이퍼 W는, 탑재대(11)의 상방까지 반송되면, 반송 암으로부터 푸셔 핀(pusher pin)(도시하지 않음)으로 옮겨지고, 푸셔 핀이 강하하는 것에 의해 탑재대(11)에 탑재된다. 챔버(1)의 내부의 압력은, 배기 장치(16)에 의해 소정의 진공도로 유지된다. 제 1 가스가 제 1 가스 도입부(21)로부터 샤워 형상으로 챔버(1) 내에 도입되고, 제 2 가스가 가스 공급 노즐(27)로부터 샤워 형상으로 챔버(1) 내에 도입된다. 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)를 통해서 6개의 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)의 하면에 마련된 각 마이크로파 방사 기구(50)로부터 마이크로파가 방사된다. 이에 의해, 제 1 및 제 2 가스가 분해되고, 챔버(1)측의 표면에 생성되는 표면파 플라즈마에 의해서 웨이퍼 W에 플라즈마 처리가 실시된다.
〔마이크로파 플라즈마원〕
도 3은, 일 실시형태의 마이크로파 플라즈마원의 일례를 나타내는 도면이다. 도 3에 나타나는 바와 같이, 마이크로파 플라즈마원(2)의 마이크로파 출력부(30)는, 마이크로파 전원(31)과, 마이크로파 발진기(32)와, 발진된 마이크로파를 증폭하는 앰프(33)와, 증폭된 마이크로파를 복수로 분배하는 분배기(34)를 갖는다.
마이크로파 발진기(32)는, 소정 주파수의 마이크로파를 예를 들면 PLL(Phase Locked Loop) 발진시킨다. 분배기(34)에서는, 마이크로파의 손실을 최대한 억제하도록, 입력측과 출력측의 임피던스 정합을 취하면서 앰프(33)에서 증폭된 마이크로파를 분배한다. 한편, 마이크로파의 주파수로서는, 700MHz부터 3GHz까지의 범위의 여러 가지의 주파수를 이용할 수 있다.
마이크로파 전송부(40)는, 복수의 앰프부(42)와, 앰프부(42)에 대응해서 마련된 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)를 갖는다. 앰프부(42)는, 분배기(34)에서 분배된 마이크로파를 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)로 유도한다. 앰프부(42)는, 위상기(46)와, 가변 게인 앰프(47)와, 솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(48)와, 아이솔레이터(49)를 갖는다.
위상기(46)는, 마이크로파의 위상을 변화시키는 것에 의해 방사 특성을 변조시킬 수 있다. 예를 들면, 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)의 각각에 도입되는 마이크로파의 위상을 조정하는 것에 의해 지향성을 제어해서 플라즈마 분포를 변화시킬 수 있다. 또한, 이웃하는 마이크로파 도입 기구에 있어서 90°씩 위상을 어긋나도록 해서 원편파(圓偏波)를 얻을 수 있다. 또한, 위상기(46)는, 앰프 내의 부품간의 지연 특성을 조정하고, 튜너 내에서의 공간 합성을 목적으로 해서 사용할 수 있다. 단, 이와 같은 방사 특성의 변조나 앰프 내의 부품간의 지연 특성의 조정이 불필요한 경우에는 위상기(46)는 마련하지 않아도 된다.
가변 게인 앰프(47)는, 메인 앰프(48)에 입력하는 마이크로파의 전력 레벨을 조정하고, 플라즈마 강도를 조정한다. 가변 게인 앰프(47)를 안테나 모듈마다 변화시키는 것에 의해서, 발생하는 플라즈마에 분포를 발생시킬 수 있다.
솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(48)는, 예를 들면, 입력 정합 회로와, 반도체 증폭 소자와, 출력 정합 회로와, 고Q 공진 회로를 갖는다. 아이솔레이터(49)는, 슬롯 안테나부에서 반사되어서 메인 앰프(48)를 향하는 반사 마이크로파를 분리하는 것이고, 서큘레이터와 더미 로드(동축 종단기)를 갖는다. 서큘레이터는, 반사된 마이크로파를 더미 로드로 유도하고, 더미 로드는 서큘레이터에 의해서 유도된 반사 마이크로파를 열로 변환한다. 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)는, 앰프부(42)로부터 출력된 마이크로파를 마이크로파 방사 기구(50)에 도입한다.
〔프로브〕
도 4는, 도 1의 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 프로브의 일례를 나타내는 도면이다. 도 4에서는, 6개의 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 중의 하나에 접속된 마이크로파 방사 기구(50)에 대응해서 마련되는 프로브(70)를 확대해서 나타낸다. 단, 나머지의 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)에 접속된 마이크로파 방사 기구(50)에 대응해서 마련되는 프로브(70)에 대해서도 마찬가지의 구성이다.
프로브(70)는, 절연체 링(71)과, 도전성 시트(72)와, 유지부(73)와, 시일 부재(74)와, 시일 부재(75)를 포함한다.
절연체 링(71)은, 마이크로파 투과 부재(122)의 외주부에 마련되어 있다. 절연체 링(71)은, 마이크로파 투과 부재(122)의 외경보다도 작은 내경을 갖고, 마이크로파 투과 부재(122)의 외경보다도 큰 외경을 갖는 원환 형상의 절연 부재이며, 마이크로파 투과 부재(122)의 하면의 일부를 덮도록 배치되어 있다. 절연체 링(71)과 마이크로파 투과 부재(122)의 하면 사이에는, O링 등의 시일 부재(74)가 마련되고, 기밀하게 시일되어 있다. 절연체 링(71)은, 예를 들면 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN) 등의 세라믹 재료에 의해 형성되어 있다.
도전성 시트(72)는, 절연체 링(71)의 내부에 매립되어 있다. 도전성 시트(72)는, 예를 들면 원환 형상을 갖고, 절연체 링(71)의 둘레 방향을 따라 마련되어 있다. 도전성 시트(72)는, 절연체 링(71)의 내부에 완전히 매립되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 플라즈마 처리 중에 도전성 시트(72)에 의한 챔버(1) 내의 금속 오염의 발생을 회피하여, 파티클의 발생을 억제할 수 있다. 단, 도전성 시트(72)는, 일부가 절연체 링(71)으로부터 노출되어 있어도 된다. 도전성 시트(72)에는, 후술하는 플라즈마 검출부(80)의 급전선(84)이 접속되어 있다. 도전성 시트(72)는, 예를 들면 필름 형상이어도 되고, 메시 형상이어도 된다. 도전성 시트(72)는, 예를 들면 알루미늄(Al) 등의 금속 재료에 의해 형성되어 있다.
유지부(73)는, 절연체 링(71)의 외주부에 마련되어 있다. 유지부(73)는, 절연체 링(71)의 외경보다도 작은 내경을 갖고, 절연체 링(71)의 외경보다도 큰 외경을 갖는 원환 형상의 부재이며, 절연체 링(71)의 하면의 일부를 덮도록 배치되어 있다. 유지부(73)와 절연체 링(71)의 하면 사이에는, O링 등의 시일 부재(75)가 마련되고, 기밀하게 시일되어 있다. 유지부(73)는, 본체부(120)의 하면에 고정됨으로써, 마이크로파 투과 부재(122)의 외주부에 절연체 링(71)을 유지한다. 유지부(73)는, 예를 들면 Al 등의 금속 재료에 의해 형성되어 있다.
플라즈마 검출부(80)는, 교류 전원(81)과, 측정기(82)와, 로우 패스 필터(83)를 포함한다.
교류 전원(81)은, 급전선(84)을 통해서 프로브(70)의 도전성 시트(72)와 접속되어 있다. 교류 전원(81)은, 제어 장치(3)의 제어에 의해, 급전선(84)을 통해서 도전성 시트(72)에 교류 전압을 인가한다. 교류 전압의 전압값은 예를 들면 수V이고, 주파수는 예를 들면 수십 kHz이다. 한편, 교류 전원(81)은, 7개의 프로브(70)의 각각에 마련되어 있어도 되고, 7개의 프로브(70)에 대해서 공통으로 1개 마련되어 있어도 된다.
측정기(82)는, 교류 전원(81)으로부터 급전선(84)을 통해서 도전성 시트(72)에 교류 전압이 인가되면, 플라즈마 처리 중에 도전성 시트(72)에 흐르는 전류를, 급전선(84)을 통해서 측정한다. 이때, 도전성 시트(72)가 절연체 링(71)의 내부에 매립되어 있기 때문에, 도전성 시트(72)와 본체부(120) 및 유지부(73)는 절연체 링(71)에 의해 전기적으로 절연된다. 이에 의해, 도전성 시트(72)로부터 본체부(120) 및 유지부(73)에 흐르는 전류(부유 전류)가 작아지기 때문에, 측정기(82)에 의한 측정 감도(S/N비)가 향상된다.
로우 패스 필터(83)는, 급전선(84)에 개설되어 있다. 로우 패스 필터(83)는, 급전선(84)을 흐르는 교류 전류 중 불필요한 고주파 성분을 제거하는 것에 의해, 교류 전원(81)이 도전성 시트(72)에 교류 전압을 인가했을 때에 생기는 불필요한 고주파 성분이 급전선(84)을 통하여 측정기(82)에 흘러 들어오는 것을 방지한다. 또한, 급전선(84)에는, 콘덴서가 개설되어 있어도 된다.
이러한 플라즈마 검출부(80)에서는, 제어 장치(3)의 제어에 의해 교류 전원(81)으로부터 프로브(70)의 도전성 시트(72)에 교류 전압이 인가되면, 측정기(82)는 플라즈마 처리 중에 도전성 시트(72)에 흐르는 전류를, 급전선(84)을 통해서 측정한다. 도전성 시트(72)에 흐르는 전류는, 챔버(1)의 내부에 있어서 생성되는 플라즈마에 흐르는 전류와 등가이다. 그 때문에, 플라즈마 처리 중에 도전성 시트(72)에 흐르는 전류를 측정함으로써, 챔버(1)의 내부에 있어서 생성되는 플라즈마의 상태를 검출할 수 있다.
측정기(82)는, 측정한 전류의 파형을 나타내는 신호를 제어 장치(3)에 송신한다. 신호를 수신한 제어 장치(3)의 마이크로프로세서(4)는, 신호에 포함되는 전류의 파형을 푸리에 변환해서 해석하고, 플라즈마의 상태를 산출한다. 플라즈마의 상태는, 예를 들면 전자 밀도 Ne, 전자 온도 Te이다. 이에 의해, 6개의 마이크로파 투과 부재(122) 및 1개의 마이크로파 투과 부재(132)의 각각의 하방에 있어서의 플라즈마의 상태를 실시간으로 감시할 수 있다. 그 결과, 플라즈마 처리 중의 플라즈마의 상태의 경시 변화나 면내 분포의 변동을 검지할 수 있다.
마이크로프로세서(4)는, 프로브(70)를 이용한 측정 결과에 기초하여 산출한 플라즈마의 전자 밀도 Ne 및 전자 온도 Te에 따라서, 산출에 사용한 프로브(70)에 대응하는 주연 마이크로파 도입 기구(43a)로부터 챔버(1)에 도입되는 마이크로파의 출력(파워)을 플라즈마 처리 중에 실시간으로 제어한다. 구체적으로는, 마이크로프로세서(4)는, 산출한 플라즈마의 전자 밀도 Ne 및 전자 온도 Te에 따라서, 대응하는 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에 마이크로파를 출력하는 앰프부(42)의 가변 게인 앰프(47)를 제어하고, 메인 앰프(48)에 입력하는 마이크로파의 전력 레벨을 조정한다. 이에 의해, 대응하는 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에 도입되는 마이크로파의 플라즈마 강도를 조정하는 것에 의해 플라즈마 분포를 변화시킨다.
또한, 마이크로프로세서(4)는, 산출한 플라즈마의 전자 밀도 Ne 및 전자 온도 Te에 따라서, 산출에 사용한 프로브(70)에 대응하는 주연 마이크로파 도입 기구(43a)를 전파하는 마이크로파의 위상을 실시간으로 제어한다. 구체적으로는, 마이크로프로세서(4)는, 산출한 플라즈마의 전자 밀도 Ne 및 전자 온도 Te에 따라서, 대응하는 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에 마이크로파를 출력하는 앰프부(42)의 위상기(46)를 제어하고, 마이크로파의 위상을 변화시킴으로써 방사 특성을 변조시킨다. 이에 의해, 대응하는 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에 도입되는 마이크로파의 위상을 조정하는 것에 의해 지향성을 제어해서 플라즈마 분포를 변화시킨다.
이와 같이, 일 실시형태에서는, 마이크로파의 파워 및 마이크로파의 위상을 제어하지만, 마이크로파의 파워 및 마이크로파의 위상 중 적어도 어느 하나를 제어하면 된다. 단, 마이크로파의 파워 및 마이크로파의 위상의 양쪽을 제어하는 것이 바람직하다.
도 5는, 도 1의 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 프로브의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 5에서는, 6개의 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 중의 하나에 접속된 마이크로파 방사 기구(50)에 대응해서 마련되는 프로브(70A)를 확대해서 나타낸다. 단, 나머지의 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)에 접속된 마이크로파 방사 기구(50)에 대응해서 마련되는 프로브(70A)에 대해서도 마찬가지의 구성이다.
프로브(70A)는, 도체 링(72A)과, 유지부(73A)와, 시일 부재(74A)와, 시일 부재(75A)를 포함한다.
도체 링(72A)은, 마이크로파 투과 부재(122)의 외주부에 마련되어 있다. 도체 링(72A)은, 마이크로파 투과 부재(122)의 외경보다도 작은 내경을 갖고, 마이크로파 투과 부재(122)의 외경보다도 큰 외경을 갖는 원환 형상의 도전 부재이며, 마이크로파 투과 부재(122)의 하면의 일부를 덮도록 배치되어 있다. 도체 링(72A)과 마이크로파 투과 부재(122)의 하면 사이에는, O링 등의 시일 부재(74A)가 마련되고, 기밀하게 시일되어 있다. 도체 링(72A)의 하면은, 본체부(120)의 하면과 동일한 높이 또는 대략 동일한 높이이다. 도체 링(72A)은, 예를 들면 Al 등의 금속 재료에 의해 형성되어 있고, 금속 재료의 표면에는 절연막(76A)이 형성되어 있다. 이에 의해, 도체 링(72A)은, 본체부(120) 및 유지부(73A)에 대해서 절연되어 있다. 절연막(76A)은, 예를 들면 알루마이트 처리, 절연 재료의 용사 등의 절연 처리에 의해 형성된다. 도체 링(72A)에는, 플라즈마 검출부(80)의 급전선(84)이 접속되어 있다.
유지부(73A)는, 도체 링(72A)의 외주부에 마련되어 있다. 유지부(73A)는, 도체 링(72A)의 외경보다도 작은 내경을 갖고, 도체 링(72A)의 외경보다도 큰 외경을 갖는 원환 형상의 부재이며, 도체 링(72A)의 하면의 일부를 덮도록 배치되어 있다. 유지부(73A)와 도체 링(72A)의 하면 사이에는, O링 등의 시일 부재(75A)가 마련되고, 기밀하게 시일되어 있다. 유지부(73A)는, 본체부(120)의 하면에 고정됨으로써, 마이크로파 투과 부재(122)의 외주부에 도체 링(72A)을 유지한다. 유지부(73A)는, 예를 들면 Al 등의 금속 재료에 의해 형성되어 있다.
플라즈마 검출부(80)는, 도 4에 나타나는 예와 마찬가지이며, 교류 전원(81)과, 측정기(82)와, 로우 패스 필터(83)를 포함한다.
도 5의 예에서는, 제어 장치(3)의 제어에 의해 교류 전원(81)으로부터 프로브(70A)의 도체 링(72A)에 교류 전압이 인가되면, 측정기(82)는 플라즈마 처리 중에 도체 링(72A)에 흐르는 전류를, 급전선(84)을 통해서 측정한다. 도체 링(72A)에 흐르는 전류는, 챔버(1)의 내부에 있어서 생성되는 플라즈마에 흐르는 전류와 등가이다. 그 때문에, 플라즈마 처리 중에 도체 링(72A)에 흐르는 전류를 측정함으로써, 챔버(1)의 내부에 있어서 생성되는 플라즈마의 상태를 검출할 수 있다.
도 6은, 도 1의 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 프로브의 또 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 6에서는, 6개의 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 중의 하나에 접속된 마이크로파 방사 기구(50)에 대응해서 마련되는 프로브(70B)를 확대해서 나타낸다. 단, 나머지의 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)에 접속된 마이크로파 방사 기구(50)에 대응해서 마련되는 프로브(70B)에 대해서도 마찬가지의 구성이다.
프로브(70B)는, 도체 링(72B)과, 유지부(73B)와, 시일 부재(74B)와, 시일 부재(75B)를 포함한다.
도체 링(72B)은, 마이크로파 투과 부재(122)의 외주부에 마련되어 있다. 도체 링(72B)은, 마이크로파 투과 부재(122)의 외경보다도 작은 내경을 갖고, 마이크로파 투과 부재(122)의 외경보다도 큰 외경을 갖는 원환 형상의 도전 부재이며, 마이크로파 투과 부재(122)의 하면의 일부를 덮도록 배치되어 있다. 도체 링(72B)과 마이크로파 투과 부재(122)의 하면 사이에는, O링 등의 시일 부재(74B)가 마련되고, 기밀하게 시일되어 있다. 도체 링(72B)의 하면은, 본체부(120)의 하면보다도 상방에 위치하고, 도체 링(72B)의 하면이 유지부(73B)에 의해 유지된다. 도체 링(72B)은, 예를 들면 Al 등의 금속 재료에 의해 형성되어 있고, 금속 재료의 표면에는 절연막(76B)이 형성되어 있다. 이에 의해, 도체 링(72B)은, 본체부(120) 및 유지부(73B)에 대해서 절연되어 있다. 절연막(76B)은, 예를 들면 알루마이트 처리, 절연 재료의 용사 등의 절연 처리에 의해 형성된다. 도체 링(72B)에는, 플라즈마 검출부(80)의 급전선(84)이 접속되어 있다.
유지부(73B)는, 도체 링(72B)의 외주부에 마련되어 있다. 유지부(73B)는, 도체 링(72B)의 외경보다도 작은 내경을 갖고, 도체 링(72B)의 외경보다도 큰 외경을 갖는 원환 형상의 부재이며, 도체 링(72B)의 하면의 일부를 덮도록 배치되어 있다. 유지부(73B)와 도체 링(72B)의 하면 사이에는, O링 등의 시일 부재(75B)가 마련되고, 기밀하게 시일되어 있다. 유지부(73B)는, 본체부(120)의 하면에 고정됨으로써, 도체 링(72B)의 하면을 유지해서 마이크로파 투과 부재(122)의 외주부에 도체 링(72B)을 고정한다. 유지부(73B)는, 예를 들면 Al 등의 금속 재료에 의해 형성되어 있다.
플라즈마 검출부(80)는, 도 4에 나타나는 예와 마찬가지이며, 교류 전원(81)과, 측정기(82)와, 로우 패스 필터(83)를 포함한다.
도 6의 예에서는, 제어 장치(3)의 제어에 의해 교류 전원(81)으로부터 프로브(70B)의 도체 링(72B)에 교류 전압이 인가되면, 측정기(82)는 플라즈마 처리 중에 도체 링(72B)에 흐르는 전류를, 급전선(84)을 통해서 측정한다. 도체 링(72B)에 흐르는 전류는, 챔버(1)의 내부에 있어서 생성되는 플라즈마에 흐르는 전류와 등가이다. 그 때문에, 플라즈마 처리 중에 도체 링(72B)에 흐르는 전류를 측정함으로써, 챔버(1)의 내부에 있어서 생성되는 플라즈마의 상태를 검출할 수 있다.
이상으로 설명한 바와 같이, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에 의하면, 챔버(1) 내에 도전성의 원환 형상 부재(도전성 시트(72), 도체 링(72A, 72B))가 마련되어 있으므로, 챔버(1) 내에 생성되는 플라즈마의 상태를 감시할 수 있다. 또한, 마이크로파 방사 기구(50)가 도전성의 원환 형상 부재의 중심을 포함해서 배치되어 있으므로, 마이크로파 방사 기구(50)의 근방에 있어서의 플라즈마의 상태를 감시할 수 있다.
그런데, 챔버(1) 내에, 챔버(1)의 천장판이나 측벽을 관통해서 봉 형상의 프로브를 삽입함으로써, 챔버(1) 내의 플라즈마의 상태를 감시하는 방법이 있다. 그러나, 봉 형상의 프로브를 플라즈마 공간에 삽입하면, 플라즈마의 요란(擾亂)이 발생해서 프로세스에 영향이 생길 수 있다. 이에 비해, 일 실시형태의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 도전성의 원환 형상 부재를 이용하므로, 플라즈마를 차폐하지 않는 구조이기 때문에, 플라즈마의 요란의 발생을 억제할 수 있다.
한편, 상기의 실시형태에 있어서, 챔버(1)는 처리 용기의 일례이며, 도전성 시트(72), 도체 링(72A, 72B)은 도전성을 갖는 원환 형상 부재의 일례이다.
이번 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 상기의 실시형태는, 첨부의 청구의 범위 및 그 취지를 일탈하지 않고, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되어도 된다.
예를 들면, 본 개시의 마이크로파 플라즈마 처리 장치는, 막 두께의 모니터링을 행할 수 있다. 구체적으로는, 플라즈마 처리 중에 프로브에 막이 생김으로써, 측정기가 측정하는, 각 프로브에 흐르는 전류의 파형이 달라진다. 따라서, 본 개시의 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 제어 장치는, 각 프로브로부터 취득하는 신호의 강도의 변화를 해석함으로써, 프로브에 부착된 막 두께를 추정할 수 있다. 이에 의해, 챔버의 내부의 상태를 파악할 수 있다.
또한, 본 개시의 마이크로파 플라즈마 처리 장치는, 프로브에 부착된 추정 막 두께를 감시함으로써, 챔버(1)의 내부에 부착된 퇴적물을 제거하는 챔버 클리닝의 실행 타이밍을 파악할 수 있다. 또한, 챔버 클리닝의 실행 중에 프로브에 부착된 추정 막 두께를 감시함으로써, 챔버 클리닝의 종점 검지를 행할 수 있다.
1: 챔버
1a: 개구부
2: 마이크로파 플라즈마원
3: 제어 장치
70: 프로브
71: 절연체 링
72: 도전성 시트
72A: 도체 링
72B: 도체 링
80: 플라즈마 검출부
100: 마이크로파 플라즈마 처리 장치
120: 본체부

Claims (14)

  1. 개구부가 형성된 천장판을 갖는 처리 용기와,
    상기 개구부에 상기 천장판과 절연된 상태로 마련된 도전성을 갖는 원환 형상 부재와,
    상기 천장판 위에 상기 원환 형상 부재의 중심을 포함해서 배치되고, 상기 처리 용기의 내부에 마이크로파를 방사하는 마이크로파 방사 기구와,
    상기 원환 형상 부재에 접속되고, 생성된 플라즈마의 상태를 검출하는 플라즈마 검출부
    를 구비하는, 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 검출부는, 상기 원환 형상 부재에 교류 전압을 인가해서 해당 원환 형상 부재에 흐르는 전류를 측정하는 것에 의해, 상기 플라즈마의 상태를 검출하는,
    플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 원환 형상 부재는, 상기 천장판에 지지된 절연 부재에 매립되어 있는,
    플라즈마 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 원환 형상 부재는, 필름 형상 또는 메시 형상인,
    플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 원환 형상 부재는, 상기 천장판에 지지되어 있는,
    플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 원환 형상 부재는, 금속 재료에 의해 형성되어 있고, 해당 금속 재료의 표면에는 절연막이 형성되어 있는,
    플라즈마 처리 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 원환 형상 부재의 하면은, 상기 천장판의 하면보다도 상방에 위치하는,
    플라즈마 처리 장치.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 원환 형상 부재의 하면은, 상기 천장판의 하면과 동일한 높이 또는 대략 동일한 높이인,
    플라즈마 처리 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마의 상태는, 플라즈마의 전자 밀도, 전자 온도 중 적어도 어느 하나를 포함하는,
    플라즈마 처리 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    플라즈마 처리 시에 상기 플라즈마 검출부가 검출한 상기 플라즈마의 상태에 기초해서, 상기 플라즈마 처리의 조건을 제어하는 제어부를 구비하는,
    플라즈마 처리 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리의 조건은, 상기 마이크로파의 출력을 포함하는,
    플라즈마 처리 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구부는, 상기 천장판에 복수 형성되어 있고,
    상기 원환 형상 부재는, 복수의 상기 개구부의 각각에 상기 천장판과 절연된 상태로 마련되어 있고,
    상기 플라즈마 검출부는, 복수의 상기 원환 형상 부재의 각각에 흐르는 전류를 측정하는 것에 의해, 복수의 상기 원환 형상 부재의 각각에 대응하는 상기 플라즈마의 상태를 검출하고, 상기 플라즈마의 상태의 면내 분포의 변동을 검지하는,
    플라즈마 처리 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    복수의 상기 개구부는, 상기 천장판의 둘레 방향을 따라 배치되어 있는,
    플라즈마 처리 장치.
  14. 개구부가 형성된 천장판을 갖는 처리 용기와,
    상기 개구부에 상기 천장판과 절연된 상태로 마련된 도전성을 갖는 원환 형상 부재와,
    상기 천장판 위에 상기 원환 형상 부재의 중심을 포함해서 배치되고, 상기 처리 용기의 내부에 마이크로파를 방사하는 마이크로파 방사 기구와,
    상기 원환 형상 부재에 접속되고, 생성된 플라즈마의 상태를 검출하는 플라즈마 검출부
    를 구비하는 플라즈마 처리 장치를 사용해서, 플라즈마를 제어하는 제어 방법으로서,
    플라즈마 처리 시에 상기 플라즈마 검출부가 검출한 상기 플라즈마의 상태에 기초해서, 상기 플라즈마 처리의 조건을 제어하는,
    제어 방법.
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