KR20210098939A - 플라스마 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
피처리 기판 상에서의 플라스마 밀도 분포를 용이하게 제어할 수 있는 플라스마 처리 장치를 제공하기 위하여, 마이크로파 발생원과, 이 마이크로파 발생원에서 발생시킨 마이크로파를 처리실에 반송하는 도파관을 구비한 도파로와, 내부에 피처리 기판을 재치(載置)하는 재치대를 구비해서 도파로와 접속하는 처리실과, 이 처리실의 내부에 가스를 도입하는 가스 도입부와, 처리실의 내부에 도입된 가스를 처리실의 외부에 배출하는 배기부를 구비한 플라스마 처리 장치에 있어서, 도파로의 처리실과 접속하는 부분을, 동축 상에 형성된 복수의 도파관으로 구성했다.
Description
본 발명은, 전자파에 의해 플라스마를 발생시키는 플라스마 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 집적 회로 소자의 생산에 플라스마 처리 장치가 이용되고 있다. 전자파에 의해 플라스마를 발생하는 플라스마 처리 장치에 있어서, 정자계를 플라스마 처리실에 더한 장치가 널리 이용되고 있다. 정자계에 의해 플라스마의 손실을 억제할 수 있는 것 외에, 플라스마 분포의 제어도 가능하게 되는 이점이 있기 때문이다. 또한 전자파와 정자계의 상호 작용을 이용함으로써, 통상은 플라스마 발생이 곤란한 운전 조건에서도 발생 가능하게 할 수 있는 효과가 있다.
특히 플라스마 발생용 전자파로서 마이크로파를 이용하고, 전자의 사이클로트론 운동의 주기와 마이크로파의 주파수를 일치시키는 정자계를 이용하면, 전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance, 이하 ECR이라 한다) 현상이 일어나는 것이 알려져 있다. ECR이 일어나는 영역에서 주로 플라스마가 발생하므로, 정자계의 분포를 조절함으로써 플라스마 발생 영역의 제어가 가능하게 되는 것 외에, ECR 현상에 의해 플라스마 생성 가능한 조건을 넓게 확보할 수 있는 효과가 있다.
플라스마 처리 중의 피처리 기판에 고주파를 인가하고, 플라스마 중의 이온을 피처리 기판 표면에 인입함으로써 플라스마 처리의 고속화나 처리 품질의 향상을 도모하는 RF 바이어스 기술이 이용되고 있다. 예를 들면 플라스마 에칭 처리의 경우, 피처리 기판의 피처리면에 수직으로 이온이 입사하기 때문에, 에칭이 피처리 기판의 수직 방향으로만 진행하는 이방성의 가공이 달성된다.
특허문헌 1에는, 처리실의 중심축과 동심(同心)으로 설치된 플라스마 발생용 전자파 도입 경로와, 전자파를 복수의 출력 포트에 분배하는 분기 회로와, 분기 회로의 출력 포트에 접속되고, 상기 플라스마 발생용 전자파의 도입 경로와 동심으로 설치된 링 형상 공동 공진기를 구비한 플라스마 처리 장치에 있어서, 플라스마 발생용 전자파 도입 경로가 원형 도파관에 의해 구성됨에 의해, 링 형상 공동 공진기 내에 진행파를 여진(勵振)함으로써, 정재파에 기인하는 플라스마 밀도의 공간적인 변동을 방지할 수 있고, 균일한 플라스마 처리를 가능하게 하는 것이 기재되어 있다.
플라스마 발생용 전력으로서 마이크로파를 이용할 경우, 마이크로파 전력을 전달하는데 도파관이 이용되지만, 일반적으로 도파관의 치수가 마이크로파의 파장에 비해서 작을 경우에, 마이크로파를 전송할 수 없어지는 것이 알려져 있고, 컷오프라 불린다. 비특허문헌 1에는, 원형 도파관의 경우에 대하여 원형 도파관의 치수와 컷오프 주파수의 관계에 대하여 기재되어 있다.
나카지마 마사미쓰 저, 마이크로파 공학, 모리키타슛판가부시키가이샤
일반적으로 플라스마는 플라스마 처리실 벽면에서 손실되는 경우가 많으며, 벽면 부근에서는 밀도가 낮고, 벽면으로부터 떨어진 중심 부근에서 밀도가 높아지는 경향이 있다. 이와 같은 플라스마 밀도 분포의 불균일에 기인하는 처리의 불균일이 문제로 되는 경우가 있다. 정자계를 이용한 플라스마 처리 장치에서는, 플라스마 생성 조건에 따라서는 플라스마 처리실의 중심 부근에서 밀도가 높아지는 경우가 있다. 이에 대응하여 피처리 기판 상의 플라스마 밀도가 볼록한 분포로 되기 쉬운 경향이 있어, 플라스마 처리의 균일성이 문제로 되는 경우가 있다.
플라스마는 자력선을 따르는 방향으로는 확산하기 쉽지만, 자력선과 수직 방향으로는 확산이 억제되는 성질이 있다. 또한 정자계의 분포를 조정함으로써, ECR면 등의 위치를 조정해서 플라스마 발생 영역의 제어가 가능하다. 이와 같이 정자계의 분포를 조정함으로써 플라스마의 분포를 조정할 수 있다.
그러나 정자계에 의한 플라스마 밀도 분포의 조정 수단만으로는 원하는 조정폭이 얻어지지 않는 경우가 있어, 추가의 조정 수단이 더 요구되고 있다.
예를 들면 에칭 처리의 경우, 가공하는 막두께가 성막 장치의 특성에 따라서, 예를 들면 처리 기판의 중앙에서 두껍고 외주측에서 얇은 경우, 반대로 중앙에서 얇고 외주측에서 두꺼운 경우가 있을 수 있다. 이들 성막 장치 기인의 불균일을 에칭 처리로 보정해서, 전체적으로 균일한 가공을 실시하고 싶은 경우가 있다. 이와 같이 피처리 기판 상에서의 플라스마 밀도 분포를 원하는 분포로 조정하는 것이 요구되는 경우가 있다.
일반적으로 에칭 속도가 균일하면, 반응 생성물은 피처리 기판 각부로부터 균일하게 생성되어 방출된다. 그 결과, 피처리 기판의 중심부에서는 반응 생성물 밀도가 높고, 외주부에서는 밀도가 낮아진다. 반응 생성물이 피처리 기판에 재부착하면, 에칭이 저해되어 에칭 속도가 저하한다. 반응 생성물이 피처리 기판에 재부착할 확률은, 피처리 기판의 온도나 처리실의 압력, 피처리 기판의 표면 상태 등, 많은 파라미터에 영향을 받는다. 그 때문에 피처리 기판의 면내에서 균일한 에칭 처리를 얻기 위해서는, 피처리 기판 상의 플라스마 밀도 분포를 중고(中高), 혹은 외고(外高)로 조정해야만 하는 경우가 있다.
상기에 나타내는 바와 같이 피처리 기판 상에서의 플라스마 밀도 분포를 용이하게 제어할 수 있도록 하는 플라스마 처리 장치의 구성으로서, 특허문헌 1에 있어서, 링 형상 공동 공진기 내의 전자계는 정재파를 형성한다. 예를 들면, 전계의 정재파가 형성될 경우, 전계 강도가 강한 배 부분, 전계 강도가 약한 마디 부분이 존재한다. 이들 배와 마디의 위치는 고정되어 있고, 플라스마 처리실 내에도 공동 공진기 내의 전계 강도의 배와 마디에 대응한 전계 강도의 강약이 발생하는 경우가 있다.
이 전계 강도의 강약에 의해, 처리실 내에 발생하는 플라스마도 불균일하게 되는 경우가 있다. 이 불균일에 의해 진공 처리실을 기밀하게 유지하면서 마이크로파를 투과시키는 유전체 창부(窓部)의 플라스마에 의한 깎임이 국소적으로 커지는 것, 피처리 기판에 실시하는 플라스마 처리의 균일성에 악영향을 미치는 것 등의 문제가 발생하는 경우가 있다.
본 발명은, 상기한 종래 기술의 과제를 해결해서, 피처리 기판 상에서의 플라스마 밀도 분포를 용이하게 제어할 수 있는 플라스마 처리 장치를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는, 플라스마 처리 장치를, 시료가 플라스마 처리되는 처리실과, 플라스마를 생성하기 위한 마이크로파의 고주파 전력을 도파로를 통해서 공급하는 고주파 전원과, 처리실의 내부에 자장을 형성하는 자장 형성 기구와, 컷오프 주파수를 제어하는 컷오프 주파수 제어 기구를 구비해서 구성하고, 도파로는, 원형 도파관과, 이 원형 도파관의 외측에 배치되고 원형 도파관과 동축 상에 배치된 동축 도파관을 구비하고, 컷오프 주파수 제어 기구는, 원형 도파관의 컷오프 주파수를 제어하도록 했다.
본 발명에 따르면, 피처리 기판 상에서의 플라스마 밀도 분포를 용이하게 제어할 수 있는 플라스마 처리 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 원리를 설명하기 위한 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 측면 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 측면 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 도 2에 있어서의 A-A 단면을 화살표 방향으로부터 본 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 도 2에 있어서의 B-B 단면을 화살표 방향으로부터 본 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 원편파 발생기 부근의 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 유전체 부품의 측면 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 유전체 부품의 측면 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 측면 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 도 2에 있어서의 A-A 단면을 화살표 방향으로부터 본 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 도 2에 있어서의 B-B 단면을 화살표 방향으로부터 본 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 원편파 발생기 부근의 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 유전체 부품의 측면 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 유전체 부품의 측면 단면도.
본 발명에서는, 고품질의 플라스마 처리를 가능하게 하는 플라스마 처리 장치를 제공하는 것이다. 본 발명에서는, 플라스마 처리 장치에 있어서, 특히 마이크로파 전력의 분포를 조정함으로써 처리실 내에 생성되는 플라스마의 분포를 제어할 수 있도록 한 플라스마 처리 장치에 관한 것이다.
본 발명의 원리를 설명하기 위하여, ECR을 이용한 플라스마 처리 장치의 예로서, 도 1에 에칭 장치(100)를 나타낸다. 본 발명의 원리를 설명하기 위한 에칭 장치(100)는, 대략 원통 형상의 플라스마 처리실(104)을 구비하고 있다. 플라스마 처리실(104)의 내부에는, 피처리 기판(106)을 재치하는 기판 전극(120), 플라스마 처리실(104)과 기판 전극(120) 사이를 전기적으로 절연하는 유전체 블록(121)이 설치되어 있다. 또한, 플라스마 처리실(104)의 내부에는, RF 바이어스의 어스로서 동작하는 어스 전극(105)이 마련되어 있다.
한편, 플라스마 처리실(104)의 상부에는, 공동부(102)가 형성되어 있고, 플라스마 처리실(104)과 공동부(102) 사이에는, 마이크로파 도입창(103)과, 가스 분산판(111)이 접지되어 있다. 마이크로파 도입창(103)과 가스 분산판(111) 사이에는, 가스 공급부(140)로부터 처리 가스나 불활성 가스 등이 공급되고, 가스 분산판(111)의 도시하고 있지 않은 다수의 미세한 구멍으로부터 플라스마 처리실(104)의 내부에 가스를 공급한다.
가스 공급부(140)는, 가스 봄베(143), 가스의 공급과 정지를 전환하는 전환 밸브(142), 전환 밸브(142)와 플라스마 처리실(104) 사이를 접속하는 가스 공급관(141)을 구비하고 있다.
플라스마 처리실(104)의 내부는, 배기계(150)에 의해 진공으로 배기된다. 배기계(150)는, 플라스마 처리실(104)에 접속된 배기관(151), 개폐 가능한 버터플라이 밸브(152), 진공 펌프(153)를 구비하고 있다. 이에 의해, 가스 공급부(140)로부터 플라스마 처리실(104)의 내부에 공급된 가스도, 배기계(150)에 의해 플라스마 처리실(104)로부터 배기된다.
플라스마 처리실(104)의 주위에는, 전자석(101)이 설치되어 있다. 전자석(101)은, 상측 코일(1011), 하측 코일(1012, 1013)을 구비하고, 이들 상측 코일(1011), 하측 코일(1012, 1013)의 외주에는 외부에 누설하는 자장의 억제와 플라스마 처리실에 효율적으로 자장을 집중시키기 위한 요크(1014)가 마련되어 있다.
공동부(102)에는, 중심축을 따라 원형 도파관(110)이 접속되고, 원형 도파관(110)은 원구형(圓矩形) 변환기(135)를 통해서 구형(矩形) 도파관(134)과 접속되어 있다. 구형 도파관(134)에는 마이크로파 발생원(131), 아이솔레이터(132), 자동 정합기(133)가 접속되어 있다.
상기한 바와 같은 구성을 구비한 본 발명의 원리를 설명하기 위한 에칭 장치(100)에 있어서는, 대략 원통 형상의 플라스마 처리실(104)의 주위에 설치된 전자석(101)에 의해, 플라스마 처리실(104)의 내부에 ECR을 일으키기 위한 정자계를 가할 수 있다. 전자석(101)을 구성하는 다단의 코일(1011, 1012, 1013)에 의해 발생하는 자장의 강도를 조정함으로써, 플라스마 처리실(104) 내의 정자계 분포를 제어할 수 있다.
마이크로파 발생원(131)에서 발생해서 아이솔레이터(132), 자동 정합기(133)를 통과한 마이크로파는, 플라스마 처리실(104)의 중심축을 따라 설치된 원형 도파관(110)에 의해, 플라스마 처리실(104)의 기판 전극(120) 상에 재치된 피처리 기판(106)과 대향하는 면으로부터 플라스마 처리실(104)에 투입된다. 발진 주파수 2.45GHz의 마그네트론을 마이크로파 발생원(131)으로서 이용했다.
마이크로파 발생원(131)의 출력측에 접속한 자동 정합기(133)는, 발생원 보호용의 아이솔레이터(132)와 임피던스 부정합에 의한 반사파를 억제하기 위한 것이다. 마이크로파 발생원(131)으로부터 자동 정합기(133)까지는 구형 도파관(134)을 이용해서 접속했다. 원형 도파관(110)과의 접속에는 원구형 변환기(135)를 이용했다.
원형 도파관(110)은 최저차 모드인 TE11 모드에서 동작하고, 이 최저차 모드만을 전파할 수 있는 직경으로 함으로써, 고차 모드의 발생을 억제해서, 동작의 안정화를 도모하고 있다. 원형 도파관(110)에는 원편파 발생기(109)가 설치되고, TE11 모드의 마이크로파를 원편파화하고 있다.
TE11 모드는 원형 도파관의 중심축에 대해서 방위각 방향으로 전자계가 변화하지만, 원편파 발생기(109)에 의해 원편파화함으로써, 마이크로파의 1주기에서 방위각 방향의 불균일이 평활화되어, 축대칭성을 확보할 수 있는 효과가 있다. 그 밖에 정자계를 인가한 플라스마에 원편파화한 마이크로파를 투입하면 후술의 전자 사이클로트론 공명 현상이 효율적으로 일어나는 것이 알려져 있고, 플라스마에의 마이크로파 전력의 흡수 효율을 높이는 효과도 있다.
원형 도파관(110)으로부터 투입된 마이크로파는 공동부(102)에서 전자계 분포가 정형(整形)되고, 마이크로파 도입창(103)과 그 처리실측에 마련된 가스 분산판(111)을 통해서 플라스마 처리실(104)에 투입된다. 마이크로파 도입창(103), 가스 분산판(111)은 마이크로파를 투과하고, 플라스마 처리에 악영향을 미치기 어려운 재질로서 석영을 이용하는 경우가 많다. 또한 플라스마 처리실(104)의 내면은 석영 등의 내통(內筒)으로 보호함으로써, 플라스마에 의한 손상을 방지하는 경우가 많다.
직경 300㎜의 실리콘 기판을 피처리 기판(106)으로서 이용했다. 피처리 기판(106)을 재치하는 기판 전극(120)에는, 자동 정합기(매칭 박스)(107)를 통해서 RF(Radio Frequency) 전원(108)이 접속되고, 전술의 RF 바이어스가 인가된다. RF 전원(108)으로서 주파수 400kHz의 것을 이용했다.
플라스마 처리실(104)의 내부에 처리 가스나 불활성 가스 등을 공급하는 가스 공급부(140)로부터 나온 가스는, 밸브(142)를 통해서 가스 공급관(141)에 의해 플라스마 처리실(104) 내에서 마이크로파 도입창(103)과 가스 분산판(111) 사이에 공급되고, 가스 분산판(111)에 마련한 도시하고 있지 않은 미세한 구멍을 통해서 플라스마 처리실(104)의 내부에 샤워 형상으로 공급된다. 가스 분산판(111)의 구멍의 배치에 의해, 가스 공급의 분포를 조정할 수 있다.
전술의 RF 바이어스 기술을 적용하기 위해서는, 피처리 기판(106)으로부터 플라스마를 통해서 어스에 이르는 경로의 임피던스가 중요하게 된다. 즉 피처리 기판(106)과 플라스마 사이에 형성되는 시스는 비선형성의 임피던스를 갖는 것이 알려져 있고, 이 시스 영역을 RF 바이어스 전류가 흐름으로써, 피처리 기판(106)의 DC 전위가 낮아져서, 플라스마 중의 이온을 인입할 수 있다. RF 바이어스 전류를 효율적으로 흘려보내기 위해서, 플라스마 처리실(104)의 내부에 어스 전극(105)이 마련되어 있다.
전자석(101)에 의한 정자계는 마이크로파의 투입 방향과 대략 평행하게 설정되는 경우가 많다. 마이크로파에 의한 ECR은 마이크로파의 진행 방향과 평행한 정자계에 의해 효율적으로 일어나는 것이 알려져 있기 때문이다. 도 1의 예에서는 플라스마 처리실의 중심축을 따른 방향으로 정자계를 가하는 구성으로 하고 있다.
자화 플라스마 중 마이크로파의 전파 특성은 이론적으로 어느 정도 해명되어 있고, 정자계를 따르는 방향으로 전파하는 R파라 불리는 원편파는, ECR 조건의 정자계를 넘는 강자장 영역에서 플라스마의 밀도에 관계없이 플라스마 중을 전파할 수 있는 것이 알려져 있다. 또한 전술의 ECR 조건을 만족하는 개소에서 마이크로파의 전력은 전자에 극히 효율적으로 흡수되는 것이 알려져 있다. 그 때문에 ECR 조건을 만족하는 개소에 마이크로파 전력을 효율적으로 전파시키기 위해서, 강자장역으로부터 마이크로파를 투입하고, 플라스마 중을 전파시키는 것이 행해진다.
도 1에 나타내는 예에서는 플라스마 처리실(104)의 상부에 강한 정자계, 하부에 약한 정자계로 하고 중간에 ECR 조건을 만족하는 자속 밀도(마이크로파의 주파수가 2.45GHz인 경우 0.0875테슬라)로 되도록 설정해서, 상측으로부터 마이크로파를 투입하고 있다. 전자석(101)의 중심축을 따라 상측으로부터 단조롭게 정자계가 약해지는 정자계(발산 자장이라 한다)를 발생시키기 쉬운 설정으로 하고 있다. 즉 전자석(101)은 그 구성으로서 상측 코일(1011)이 강하고, 하측 코일(1012, 1013)에서 상대적으로 약한 정자계를 발생시키기 쉽도록, 상측 코일(1011)의 기자력을 하측 코일(1012, 1013)에 비해서 상대적으로 크게 하고 있다.
전자석(101)의 외주에는 외부에 누설하는 자장의 억제와 플라스마 처리실에 효율적으로 자장을 집중시키기 위한 요크(1014)가 마련되는 경우가 많다. 요크(1014)는 포화 자속 밀도가 높은 재질로 만드는 것이 바람직하고, 가격이나 입수의 용이함 때문에, 순철이 이용되는 경우가 많다. 플라스마 처리실(104) 내에 효율적으로 정자계를 가하기 위하여, 요크(1014)는 플라스마 처리실(104)의 전체를 덮도록 배치된다. 요크(1014)의 하단(1015)은 피처리 기판(106)이 존재하는 면의 근처까지 연장되어 있다.
도 1에서 설명한 본 발명의 원리를 설명하는 구성에 대해서, 본 발명에 있어서는, 마이크로파 전력을 전송하는 도파로를 복수 분할하고, 각 도파로의 처리실측에 각각 마이크로파의 방사 수단을 마련하고, 각 도파로를 전파하는 마이크로파의 전력을 조정하는 수단을 더 마련함으로써, 처리실 내의 마이크로파 전자계의 분포를 조정하여, 생성되는 플라스마의 분포를 제어하도록 했다.
이들 구조는 모두 동심 형상으로 구성되어 있고, 마이크로파, 플라스마에 비축대칭성이 발생하는 것을 방지한다. 즉 마이크로파를 전송하는 도파로는 원형 도파관과 이 원형 도파관의 중심축과 공통의 중심축을 갖는 동축 도파관의 조합으로 구성했다. 이하에, 본 발명의 원리에 대하여 설명한다.
마이크로파 전력의 조정에는 도파관의 컷오프라 불리는 현상을 이용할 수 있다. 일반적으로 도파관의 치수가 마이크로파의 파장에 비해서 작을 경우에, 마이크로파를 전송할 수 없어지는 것이 알려져 있고, 컷오프라 불린다. 또한 도파관 내에 비유전율이 큰 유전체를 장하(裝荷)함으로써 파장 단축 효과에 의해 컷오프로 되는 치수를 작게 할 수 있는 것이 알려져 있다.
원형 도파관의 경우, 비특허문헌 1에 기재된 바와 같이 식(식 1)으로 표시되는 것이 알려져 있다.
[식 1]
또한 컷오프파수는 식(식 2)으로 된다.
[식 2]
즉 원형 도파관 내의 매질이 공기일 경우, 반경 35.9㎜ 이하이며 2.45GHz인 마이크로파가 컷오프로 되고, 매질이 석영일 경우, 반경 17.9㎜ 이상의 직경이며 2.45GHz인 마이크로파를 전송할 수 있는 것을 알 수 있다.
이상으로부터 마이크로파의 주파수가 2.45GHz일 경우, 도파관 반경을 17.9㎜ 이상 35.9㎜ 미만으로 함으로써, 도파관 내의 매질이 공기이면 컷오프, 석영을 장하하면 마이크로파 전력을 전송할 수 있다.
또한 컷오프 상태에 있는 도파관에서는, 마이크로파의 입력단으로부터 지수함수적으로 마이크로파 전계가 감소하는 것이 알려져 있다. 즉 컷오프 상태에 있는 도파관의 길이를 조정함으로써, 출력단에 누출되는 마이크로파의 크기를 조정할 수 있다.
원형 도파관 내에 동축 상에 원통을 장하하고, 당해 원통의 내측에 유전체를 장하한 경우 마이크로파를 전송 가능하게 하고, 유전체를 장하하지 않는 경우에 컷오프로 한다. 당해 유전체를 넣고 빼기 가능하게 구성함으로써, 컷오프로 하거나, 전송 가능하게 조정할 수 있다. 또한 당해 원통의 외측을 동축 도파관으로서 동작시킬 수 있고, 마이크로파 전력을 내측의 원형 도파관과 외측의 동축 도파관으로 분할하고, 내측의 원형 도파관의 전송 전력을 제어함으로써, 마이크로파 전력의 분할비를 제어할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 의거해서 상세히 설명한다. 본 실시형태를 설명하기 위한 전도면에 있어서 동일 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 부여하도록 하고, 그 반복 설명은 원칙적으로 생략한다.
단, 본 발명은 이하에 나타내는 실시형태의 기재 내용에 한정해서 해석되는 것은 아니다. 본 발명의 사상 내지 취지로부터 일탈하지 않는 범위에서, 그 구체적 구성을 변경할 수 있는 것은 당업자이면 용이하게 이해된다.
(실시예)
본 발명을 이용한 플라스마 처리 장치의 예로서, 도 2 내지 도 7을 이용해서 마이크로파 플라스마 에칭 장치(200)를 설명한다.
본 발명자들은, 본 발명의 원리를 설명한 도 1에 나타내는 에칭 장치(100)를 기초로 해서, 처리실 내의 마이크로파 전자계 분포를 조정함으로써, 생성되는 플라스마의 밀도 분포를 제어하는 방법을 검토했다. 그 결과, 도 2에 나타내는 구조를 얻었다. 도 1에 나타낸 본 발명의 원리를 설명한 에칭 장치(100)와 공통되는 부분에는 같은 번호를 부여하고 있다. 이 같은 번호를 포함하는 도 1에서 설명한 것과 같은 부분의 설명은 생략하고 주로 상위(相違)점에 대하여 설명한다.
도 2에 나타낸 마이크로파 플라스마 에칭 장치(200)의 구성은, 주로 도 1에 나타낸 본 발명의 원리를 나타내는 에칭 장치(100)의 원형 도파관(110)과 공동부(102)의 내부 구조를 바꾼 것이다.
마이크로파 플라스마 에칭 장치(200)는, 마이크로파 발생원(131), 아이솔레이터(132), 자동 정합기(133)를 구비하고, 플라스마 처리실(104)의 주위에, 상측 코일(1011), 하측 코일(1012, 1013)을 구비해서 외주에 요크(1014)가 마련된 전자석(101)이 설치되어 있는 점, 및, 플라스마 처리실(104)에 가스 공급부(140)와 배기계(150)가 접속되어 있는 점, 또한, 기판 전극(120)에, 자동 정합기(107)를 통해서 RF 전원(108)이 접속되어 있는 점은, 도 1에 나타낸 본 발명의 원리를 나타내는 에칭 장치(100)의 구성과 마찬가지이다.
도 2에 나타낸 마이크로파 플라스마 에칭 장치(200)의 구성에 있어서는, 도 1에서 설명한 에칭 장치(100)의 원형 도파관(110) 대신에, 제1 원형 도파관(201)이 접속되어 있고, 제1 원형 도파관(201)의 내부에 제2 원형 도파관(202)과 그 출력측에 약간 직경이 확대된 제3 원형 도파관(204)이 배치되어 있다.
원구형 변환기(135)에 접속하는 원형 도파관(2011)의 내부에는 원편파 발생기(208)가 내장되어 있다. 원편파 발생기(208)의 출력단에 상당하는 원형 도파관(2011)의 하부에는, 직경을 확대한 제1 원형 도파관(201)이 접속되어 있다. 제1 원형 도파관(201)의 내부에는, 제2 원형 도파관(202)과 그 출력측에 약간 직경이 확대된 제3 원형 도파관(204)이 배치되어 있다. 제2 원형 도파관(202)의 내부에는, 전력 분할과 조정의 기구의 역할을 갖는 유전체(203)가 장하되어 있다.
원형 도파관(2011), 제1 원형 도파관(201), 제2 원형 도파관(202), 및 제3 원형 도파관(204)은, 중심축을 공유하고 있다.
유전체(203)에는 유전체제의 로드(209)가 접속되어 있다. 로드(209)는 제1 원형 도파관(201)의 중심축 상에 배치되어 있고, 원편파 발생기(208)의 중심을 꿰뚫어서 원구형 변환기(135)에 마련한 가이드부(136)로부터 외부로 돌출되어 있다.
이 가이드부(136)로부터 외부에 돌출하고 있는 부분을 원구형 변환기(135)의 외부로부터 넣고 뺌으로써, 유전체(203)의 제2 원형 도파관(202)에의 삽입량을 조정할 수 있다. 유전체(203)는 마이크로파에 대해서 손실이 작고 온도 변화 등에 대해서도 안정적인 재질이 바람직하여, 본 실시예에서는 석영을 이용했다.
제2 원형 도파관(202)의 내부의 반경(내측 반경)은, 내부에 유전체(203)를 장하하지 않고 내부가 공기로 충만되어 있는 경우에는 마이크로파가 컷오프로 되고, 내부에 유전체(203)를 장하한 경우에는 마이크로파를 전송할 수 있는 직경으로 하고 있다. 본 실시예에서는 반경 30㎜로 했다. 유전체(203)는, 제2 원형 도파관(202)에 대해서, 컷오프 주파수 제어 기구의 역할을 한다.
제3 원형 도파관(204)은, 내부의 매질이 공기인 경우에 있어서 마이크로파의 전송을 가능하게 하기 위해서는, 전술한 바와 같이 내부의 반경 35.9㎜ 이상으로 할 필요가 있어 본 실시예에서는 반경 40㎜로 했다. 제3 원형 도파관(204)에 유전체를 장하해서, 소형화하는 것도 가능하다.
제1 원형 도파관(201)의 내측에서 제3 원형 도파관(204)의 외측의 부분은 동축 도파관(205)으로서 동작한다. 일반적으로 동축 도파관은 TEM 모드에서 동작하는 경우는, 주파수를 제로로 간주할 수 있는 직류로부터 전송할 수 있어 컷오프가 없지만, 고차의 TE 모드에서 동작하는 경우는 컷오프가 존재한다. 본 실시예에서는 동축 도파관(205)은 고차의 TE11 모드에서 동작한다.
원형 도파관과 달리 단순한 식으로 컷오프 주파수 등을 구할 수는 없지만, 동축 도파관의 TE11 모드에서는 근사적으로 컷오프 주파수가 식(식 3)으로 구해지는 것이 알려져 있다.
[식 3]
식(식 3)을 고려해서 동축 도파관(205)의 TE11 모드가 컷오프로 되지 않는 치수로 하고 있다.
제3 원형 도파관(204)의 출력단측의 외부에는 플랜지부(2041)가 형성되어 있고, 이 플랜지부(2041)와 원관(圓管)(2043)으로 형성되는 공간이 내측 안테나(206)로서 작용한다. 본 실시예에서는 원관(2043)의 직경을 크게 해서 마이크로파 도입창(103)의 측을 개방했다. 이 원기둥 공동형의 내측 안테나(206)에 의해, 플라스마 처리실(104) 내에 피처리 기판(106) 상에서 볼록한 분포로 되는 플라스마를 생성할 수 있다.
도 2에 있어서의 A-A 단면을 화살표 방향으로부터 본 도면을 도 3에, B-B 단면을 화살표 방향으로부터 본 도면을 도 4에 나타낸다. 동축 도파관(205)의 공동부(212)의 내부에의 출구인 출력단(2051)에는, 공동부(212)와 플랜지부(2041) 사이에 있는 공간에 도파로 형성부(2044)에 의해 도파로(210)가 형성된다.
한편, 원관(2043)과, 원관(2043)보다도 외측의 플랜지부(2042)와 공동부(212)와, 공동부(212)에 접속하고 있는 원판(2120)으로 둘러싸인 공간은, 플랜지부(2042)와 공동부(212) 사이의 극간(2045)을 통과해서 도파로(210)에 연결되는 외측 안테나(207)를 형성한다.
본 실시예에 있어서의 외측 안테나(207)는, 링 형상의 공동 공진기를 형성하지만, 피처리 기판(106) 상에서 외고 분포가 얻어지는 안테나이면 다른 구조를 이용해도 된다. 링 형상의 공동 공진기 구조의 외측 안테나(207)는, 도파로(210)와의 접속에 방위각 방향으로 연장한 슬롯(2101)을 이용했다. 또한 플라스마 처리실(104)에의 마이크로파의 방사에는, 원관(2043)과 원판(2120) 사이의 극간(222)에 의한 원환 형상의 슬롯을 이용했지만, 방사 방향의 슬롯 등, 다른 구조를 이용해도 된다.
내측 안테나(206)와 외측 안테나(207)와 석영제의 마이크로파 도입창(103) 사이에는 공간(211)이 마련되어 있다. 공간(211)의 높이를 조정해서 마이크로파의 부정합을 완화할 수 있다.
가이드부(136)의 측으로부터 로드(209)를 인상해서 유전체(203)를 제2 원형 도파관(202)으로부터 인발(引拔)하면, 제2 원형 도파관(202)은 마이크로파에 대해서 컷오프의 상태로 되고, 내측 안테나(206)에의 마이크로파 공급이 끊긴다. 그 결과, 내측 안테나(206)로부터의 플라스마 처리실(104)에의 마이크로파의 방사는 없고, 외측 안테나(207)으로부터만 플라스마 처리실(104)의 내부에 방사된다.
반대로, 가이드부(136)의 측으로부터 로드(209)를 압하해서 유전체(203)를 제2 원형 도파관(202)에 삽입하면, 유전체(203)가 제2 원형 도파관(202)에 장하되어 전송 가능한 상태로 된다. 이 상태에서, 마이크로파가 제3 원형 도파관(204)으로부터 내측 안테나(206)에 공급되고, 내측 안테나(206) 및 외측 안테나(207)의 양자로부터 마이크로파가 플라스마 처리실(104)의 내부에 공급된다.
또한 가이드부(136)의 측으로부터의 로드(209)의 압하량 또는 인상량을 조정해서 로드(209)의 선단 부분에 부착된 유전체(203)의 위치를 변화시킴으로써, 내측 안테나(206)와 외측 안테나(207)에 공급하는 마이크로파 전력비를 바꿀 수 있다. 내측 안테나(206)와 외측 안테나(207)에 의해 생성되는 플라스마의 분포가 서로 다르기 때문에, 유전체(203)의 위치를 바꿔서 내측 안테나(206)와 외측 안테나(207)에 공급하는 마이크로파 전력비를 조정함으로써, 플라스마 처리실(104)에서의 플라스마 분포를 제어할 수 있다.
도 2에 나타내는 유전체(203)는 단순한 원통형이지만, 도 6에 단면을 나타내는 바와 같이 유전체(601)의 선단부(6011)를 뾰족하게 하거나(유전체(401)), 또는 도 7에 단면을 나타내는 바와 같이 유전체(702)의 선단 부분(7021)을 테이퍼 형상의 공동부를 추가해도(유전체(501)) 된다.
제2 원형 도파관(202) 내에 유전체(601) 또는 유전체(701)의 선단부(6011 또는 7011)가 장하되면, 등가적인 비유전율의 변화가 완만하게 되기 때문에, 유전체(601 또는 701)의 제2 원형 도파관(202) 내에의 삽입량에 대한 마이크로파 전력 투과율의 변화를 온화하게 할 수 있다. 이에 의해 마이크로파 전력 제어의 정밀도를 높이는 효과가 있다.
원편파 발생기(208)로서 도 5에 나타내는 구조를 이용했다. 도 5는 원형 도파관(2011)의 중심축에 대해서 수직 방향의 단면도이다. 원편파 발생기(208)로서 원형 도파관(2011)의 TE11 모드의 전계 방향에 대해서 45도 경사져서 배치한 유전체판으로 이루어지는 공지의 구조를 이용했다. 유전체로서 석영을 이용했다.
도면에 나타내는 바와 같이 로드(209)를 통과시키기 위한 구멍(2081)을 원편파 발생기(208)에 마련하고 있다. 로드(209)의 재질도 원편파 발생기(208)와 같은 석영으로 하고 있다. 구멍이 구비된 유전체판에서는 구멍부의 비유전율이 낮아지기 때문에, 판 전체의 등가적인 유전율이 저하하고, 원편파 발생의 효율이 저하한다. 그러나 로드(209)의 재질을 맞춰서 구멍의 직경과 로드의 직경을 거의 동일하게 함으로써 등가적인 유전율의 저하를 방지하고, 원편파 발생 효율의 저하를 방지하고 있다.
에칭 중의 플라스마 발광을 측정함으로써 에칭 상태의 모니터링이 가능하다. 예를 들면 플라스마 발광 중에 피처리 기판 상의 피에칭재나 반응 생성물에 기인하는 발광을 측정하고, 그 변화로부터 에칭의 진행 상태를 모니터할 수 있다. 또한 에칭 중의 피처리 기판 표면의 광의 반사율로부터 막두께 등의 변화를 모니터할 수 있다. 이들 기술을 활용하기 위해서는 플라스마 발광 등을 외부와 주고 받기하는데 투광성 재료를 이용할 필요가 있다. 로드(209)나 유전체(203)의 재질을 투광성의 재료로 함으로써, 모니터용의 포트를 겸할 수 있다.
전술과 같이 로드(209) 및 유전체(203)의 위치에 의해 내외 안테나에 공급하는 마이크로파 전력의 비를 조정하고, 이에 의해 처리실에 생성되는 플라스마의 분포를 제어할 수 있다. 내외 안테나에 공급하는 전력비를 빈번히 조정할 필요가 없는 경우는, 로드(209)를 생략하고, 유전체(203)의 위치를 반고정으로 해서 운용해도 된다. 플라스마 분포 제어의 용이함은 손상되지만, 로드 등의 구동 기구를 생략할 수 있고, 구조를 간단화할 수 있는 이점이 있다.
일반적으로, 마이크로파와 정자계의 상호 작용을 이용해서 플라스마를 생성하는 플라스마 처리 장치에 있어서, 특히 처리실 압력이 높은 조건에서 피처리 기판 상의 플라스마 밀도 분포가 볼록한 경향이 있고, 평탄한 분포를 얻기 어려운 과제가 있지만, 본 실시예에서 설명한 바와 같은 구성을 구비한 플라스마 처리 장치를 채용함에 의해, 플라스마 밀도의 평탄한 분포를 얻기 쉬워져, 이 과제를 해결할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 복수의 안테나로부터 방사되는 각 마이크로파 전력의 크기를 조정함에 의해, 각 안테나에서 처리실 내에 생성되는 플라스마의 밀도의 분포를 조정할 수 있다. 예를 들면, 내측 도파로에 접속한 내측 안테나와 외측 도파로에 접속한 외측 안테나를 구비하고, 내측 안테나에서 중고 분포, 외측 안테나에서 외고 분포의 플라스마를 생성할 경우에, 내외 안테나에 공급하는 마이크로파 전력을 조정해서, 플라스마의 외고, 중고 분포의 정도를 제어할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 처리실 내에 생성되는 플라스마의 밀도의 분포를 조정할 수 있으므로, 진공 처리실을 기밀하게 유지하면서 마이크로파를 투과시키는 유전체 창부의 플라스마에 의한 국소적인 깎임을 억제할 수 있고, 본 실시예와 같은 구성을 채용하지 않는 경우와 비교해서 피처리 기판에 실시하는 플라스마 처리의 균일성을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 각종 변경 가능한 것은 물론이다. 예를 들면, 상기한 실시예는 본 발명을 알기 쉽게 설명하기 위하여 상세히 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대하여, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.
101 : 전자석
102 : 공동부
103 : 마이크로파 도입창
104 : 플라스마 처리실
105 : 어스 전극
106 : 피처리 기판
107 : 자동 정합기
108 : RF 전원
109 : 원편파 발생기
110 : 원형 도파관
201 : 제1 원형 도파관
202 : 제2 원형 도파관
203 : 유전체
204 : 제3 원형 도파관
205 : 동축 도파관
206 : 내측 안테나
207 : 외측 안테나
208 : 원편파 발생기
209 : 로드
210 : 도파로
211 : 공간
401 : 유전체
501 : 유전체
102 : 공동부
103 : 마이크로파 도입창
104 : 플라스마 처리실
105 : 어스 전극
106 : 피처리 기판
107 : 자동 정합기
108 : RF 전원
109 : 원편파 발생기
110 : 원형 도파관
201 : 제1 원형 도파관
202 : 제2 원형 도파관
203 : 유전체
204 : 제3 원형 도파관
205 : 동축 도파관
206 : 내측 안테나
207 : 외측 안테나
208 : 원편파 발생기
209 : 로드
210 : 도파로
211 : 공간
401 : 유전체
501 : 유전체
Claims (12)
- 시료가 플라스마 처리되는 처리실과,
플라스마를 생성하기 위한 마이크로파의 고주파 전력을 도파로를 통해서 공급하는 고주파 전원과,
상기 처리실의 내부에 자장을 형성하는 자장 형성 기구와,
컷오프 주파수를 제어하는 컷오프 주파수 제어 기구
를 구비하고,
상기 도파로는, 원형 도파관과, 상기 원형 도파관의 외측에 배치되고 상기 원형 도파관과 동축 상에 배치된 동축 도파관을 구비하고,
상기 컷오프 주파수 제어 기구는, 상기 원형 도파관의 컷오프 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 컷오프 주파수 제어 기구는, 유전체를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제2항에 있어서,
상기 유전체는, 상기 원형 도파관의 내부에 배치되고,
상기 원형 도파관에 대해서 상기 유전체를 넣고 빼기 가능하게 구성되고, 상기 원형 도파관이 상기 마이크로파의 고주파 전력을 컷오프하는 것과 전송 가능하게 하는 것을 전환하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제2항에 있어서,
상기 컷오프 주파수 제어 기구는, 상기 원형 도파관에 대한 상기 유전체의 삽입량을 제어하는 삽입량 제어 기구를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 시료가 플라스마 처리되는 처리실과,
원형 도파관과 상기 원형 도파관의 외측에 동축 상에 배치된 동축 도파관을 구비하는 도파로를 통해서 플라스마를 생성하기 위한 마이크로파의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원과,
상기 처리실의 내부에 자장을 형성하는 자장 형성 기구와,
상기 원형 도파관을 통해서 공급되는 상기 고주파 전력과 상기 동축 도파관을 통해서 공급되는 상기 고주파 전력의 비율을 원하는 비율로 제어하는 전력 비율 제어 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제5항에 있어서,
상기 전력 비율 제어 기구는, 유전체를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제6항에 있어서,
상기 전력 비율 제어 기구는, 상기 원형 도파관에 대한 상기 유전체의 삽입량을 제어하는 삽입량 제어 기구를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 시료가 플라스마 처리되는 처리실과,
플라스마를 생성하기 위한 마이크로파의 고주파 전력을 도파로를 통해서 공급하는 고주파 전원과,
상기 처리실의 내부에 자장을 형성하는 자장 형성 기구와,
컷오프 주파수를 제어하는 컷오프 주파수 제어 기구를 구비하고,
상기 도파로는, 제1 안테나와, 상기 제1 안테나의 외측에 배치되고 상기 제1 안테나와 동축 상에 배치된 제2 안테나를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제8항에 있어서,
상기 제1 안테나에 접속된 제1 도파관과 상기 제2 안테나에 접속된 제2 도파관이 동축 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제9항에 있어서,
상기 제1 도파관에 공급되는 고주파 전력과 상기 제2 도파관에 공급되는 고주파 전력의 비율을 원하는 비율로 제어하는 전력 비율 제어 기구를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제10항에 있어서,
상기 전력 비율 제어 기구는, 유전체를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제10항에 있어서,
상기 전력 비율 제어 기구는, 상기 제1 도파관에 대한 상기 유전체의 삽입량을 제어하는 삽입량 제어 기구를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
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