KR20210134601A - 플라스마 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
에칭 처리의 면내 균일성뿐만 아니라, 차지업 데미지의 저감 같은 과제를 해결하는데 자유도가 높은 플라스마 밀도 분포 제어를 행하는 것을 가능하게 하기 위해, 내부에서 기판을 플라스마 처리하는 플라스마 처리실을 구비하고 이 플라스마 처리실의 내부를 진공으로 배기 가능한 진공 챔버와, 마이크로파원과 원형 도파관을 구비해서 마이크로파원으로부터 발진된 마이크로파 전력을 원형 도파관을 통해서 진공 챔버에 공급하는 마이크로파 전력 공급부를 구비한 플라스마 처리 장치에 있어서, 마이크로파 전력 공급부는, 원형 도파관과 진공 챔버 사이에, 원형 도파관과 동축 상에서 동심 형상으로 배치되어 내부가 다른 유전율을 갖는 복수의 도파관을 배치해서 구성했다.
Description
본 발명은 마이크로파를 사용한 플라스마 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 소자의 고집적도화에 의해, 높은 애스펙트비의 에칭 가공 기술의 개발이 진행되어 왔다. 반도체 분야의 미세화 에칭 기술의 하나는 드라이에칭 기술이며, 그 중에 특히 플라스마를 사용한 드라이에칭 가공이 흔히 사용되고 있다.
플라스마는 전자 및 처리 가스의 분자 또는 원자와의 충돌을 이용해서 처리 가스의 분자 또는 원자를 여기(勵起)해, 이온 및 라디칼을 생성한다. 플라스마 처리 장치는 이온에 의해 이방성 에칭, 라디칼에 의해 등방성 에칭을 실현하고 있다. 플라스마원으로서는, 전자 사이클로트론 공명 ECR(ECR: Electron Cyclotron Resonance)이 있다.
종래의 ECR 에칭 장치의 구성으로서, 특허문헌 1에는, 마그네트론으로부터 발생된 2.45GHz의 마이크로파를 직사각형 도파관 및 원형 도파관 내를 전파(傳播)시켜서, 처리실의 상부에 있는 석영창을 통해 내부에 자장이 형성되어 있는 처리실에 도입해서, 마이크로파에 의한 전계와 그에 대해 수직 방향으로 형성되어 있는 자계에 의해, 전자 사이클로트론 공명을 일으켜서, 고밀도인 플라스마를 생성하여 기판을 처리하는 구성이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 공동 공진기의 내벽과 방전관 사이를 유전체로 채우고, 가스 조건이나 기판의 변경 시에, 공동 공진기의 공진 주파수와 마그네트론에 의한 마이크로파 발진 주파수가 일치하도록, 유전체를 다른 유전율의 것으로 교체함과 함께, 액체 유전체를 사용할 경우에는, 이것을 공동 공진기의 밖으로부터 도입하고, 공동 공진기의 내벽과 방전관 사이로 흘려보내서, 공동 공진기의 밖으로 배출하도록 구성한 마이크로파에 의한 방전 발생 장치가 기재되어 있다.
WAVEGUIDE HANDBOOK N.MARCUVITZ
플라스마 처리 장치의 처리실 벽면의 플라스마 밀도는, 벽면인 고체 표면의 반응에 의한 손실에 의해 처리실의 중심부보다도 낮게 되어 있는 것이 일반적으로 알려져 있다. 이러한 플라스마 밀도 분포의 불균일성에 의해 피처리 기판 상의 에칭 레이트가 불균일하게 되어 버린다.
특허문헌 1에 있어서는 처리실의 플라스마 밀도 분포의 불균일성을 개선하기 위해, 처리실에 도입하는 마이크로파 전력을 내측과 외측 도파관을 사용해서, 그 전력을 분할하는 구성을 채용하고 있다. 이러한 구성으로 함으로써 처리실 벽면의 플라스마 밀도를 높일 수 있다.
그러나, 특허문헌 1에 개시되어 있는 구성에서는, 단일한 마이크로파원을 사용하기 때문에, 도파관의 배치 수에 따라 처리실 중심과 벽측의 마이크로파 전력비가 고정되어 버린다. 한편, 플라스마 처리를 행할 경우, 프로세스 조건에 따라서, 처리 장치의 하드웨어의 변경을 수반하는 경우가 있어, 그에 따라 마이크로파 전력비를 조정할 필요가 생기지만, 특허문헌 1에 개시되어 있는 구성에서는, 유연하게 전력비의 조절에 대응하는 것이 어렵다.
그리고 반도체 소자의 제조 프로세스 공정에 있어서는 피처리 기판의 에칭 레이트는 반드시 플라스마 밀도에 의존하고 있다고는 할 수 없다. 따라서, 예를 들면 열 분포 같은 프로세스 조건을 우선한 경우, 처리의 균일성을 얻기 위해서는, 하나의 프로세스 사이클 중에서 플라스마 밀도를 주위 높음, 중심 높음, 균일 같은 순번으로 조정할 수 있으면 최종적으로 피처리 기판 상의 에칭 면내 균일성이 얻어지는 경우가 있다.
또한, 반도체 소자의 박막을 에칭 처리할 경우에는, 피처리 기판 상의 박막 분포가 성막 장치의 배기 컨덕턴스, 처리실의 대칭성 등의 특성에 의해, 형성된 막 두께가 불균일해지는 경우가 많다. 예를 들면, 에칭 처리 대상으로 하는 박막의 막 두께의 분포가 중심 높음 내지 주위 낮음 같은 볼록 분포일 경우, 피처리 기판의 중심 상에 대한 마이크로파의 투입 전력을 주위부의 투입 전력에 대해서 크게 하도록 제어할 것이 요구된다. 한편, 막 두께가 중심 낮음 내지 주위 높음 같은 오목 분포일 경우에는 처리 기판의 중심 상의 마이크로파 투입 전력을 주위부의 투입 전력에 대해서 작게 할 필요가 있다.
상기에 나타낸 바와 같이, 에칭 처리의 면내 균일성을 실현하기 위해서는 다양한 요인이 있기 때문에, 플라스마를 사용한 에칭 장치에는 자유도가 높은 플라스마 밀도 분포 제어가 요구되고 있다.
한편, 이온 입사를 사용한 이방성 에칭을 실현하기 위해, RF 전원을 사용해서 기판 전극에 바이어스 전력을 인가하는 구성이 채용되어 있다. 처리실 내에 플라스마를 발생시킨 상태에서 기판 전극에 RF 바이어스 전력을 인가하면, 기판 전극에 재치한 기판의 표면에 전하가 모여, 기판 상에 형성한 반도체 소자에 차지업 데미지를 발생시켜서 버리는 경우가 있다. 이 차지업 데미지의 발생을 저감시키는 것은, 반도체 소자의 수율 개선에 크게 공헌할 수 있다.
따라서, 에칭 처리의 면내 균일성뿐만 아니라, 차지업 데미지의 저감 같은 과제를 해결하는데 자유도가 높은 플라스마 밀도 분포 제어를 갖는 플라스마 에칭 장치가 요구되고 있다.
한편, 특허문헌 2에 기재되어 있는 마이크로파에 의한 방전 발생 장치에서는, 공동 공진기의 내벽과 방전관 사이를 유전체로 채우는 구성으로 되어 있으며, 기판을 재치하는 방전관 내부에 있어서의 플라스마 밀도의 분포를 제어하는 것에 대해서는, 배려되어 있지 않다.
본 발명은, 상기한 과제를 해결해서, 에칭 처리의 면내 균일성뿐만 아니라, 차지업 데미지의 저감 같은 과제를 해결하는데 자유도가 높은 플라스마 밀도 분포 제어를 행하는 것을 가능하게 하는 플라스마 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는, 시료가 플라스마 처리되는 처리실과, 플라스마를 생성하기 위한 마이크로파의 고주파 전력을 도파로를 통해서 공급하는 고주파 전원과, 처리실의 내부에 자장을 형성하는 자장 형성 기구를 구비하는 플라스마 처리 장치에 있어서, 도파로는, 액체의 유전체가 충전된 제1 원형 도파관과, 이 제1 원형 도파관의 외측에 배치되고 제1 원형 도파관과 동축(同軸) 상에 배치된 제2 원형 도파관을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는, 시료가 플라스마 처리되는 처리실과, 플라스마를 생성하기 위한 마이크로파의 고주파 전력을 도파로를 통해서 공급하는 고주파 전원과, 처리실의 내부에 자장을 형성하는 자장 형성 기구를 구비하고, 도파로는, 액체의 유전체가 충전된 제1 원형 도파관과, 이 제1 원형 도파관의 외측에 배치되고 제1 원형 도파관과 동축 상에 배치된 제2 원형 도파관을 구비하는 플라스마 처리 장치의 마이크로파 전력을 제어하는 마이크로파 전력 제어 시스템에 있어서, 유전체의 액면 높이를 제어하는 것에 의해, 제1 원형 도파관을 전반(傳搬)하는 마이크로파 전력과 제2 원형 도파관을 전반하는 마이크로파 전력의 비를 제어하도록 구성했다.
본 발명에 따르면, 플라스마 처리 장치 내의 플라스마 밀도를 원하는 에칭 레이트에 맞춰서 제어할 수 있게 되어, 플라스마 처리의 면내 균일성뿐만 아니라, 차지업 데미지의 저감 같은 과제를, 비교적 높은 자유도로 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치의 주요부의 개략 구성을 나타내는 종단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치에 있어서의 마이크로파 전력을 조절하기 위한 도파관의 구성을 나타내는 종단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치에 있어서의 유전체액 레벨과 마이크로파 분할 전력비의 관계를 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 액 레벨을 조정하기 위한 펌프 운전 시간을 산출하기 위한 처리의 흐름을 나타내는 플로도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 액면 레벨과 레벨 센서의 하나의 샘플링 주기 내 또는 복수의 샘플링 주기의 평균값과의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 액면 레벨과 내측 도파관에의 액체 유전체의 주입량과의 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 내측 도파관에의 액체 유전체의 주입량과 펌프 운전 시간과의 관계를 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치에 있어서의 마이크로파 전력을 조절하기 위한 도파관의 구성을 나타내는 종단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치에 있어서의 유전체액 레벨과 마이크로파 분할 전력비의 관계를 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 액 레벨을 조정하기 위한 펌프 운전 시간을 산출하기 위한 처리의 흐름을 나타내는 플로도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 액면 레벨과 레벨 센서의 하나의 샘플링 주기 내 또는 복수의 샘플링 주기의 평균값과의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 액면 레벨과 내측 도파관에의 액체 유전체의 주입량과의 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 내측 도파관에의 액체 유전체의 주입량과 펌프 운전 시간과의 관계를 나타내는 그래프.
본 발명은, 동축에 배치된 내부에 액체 유전체를 충전한 내측 도파관과 내부가 공동인 외측 도파관에 대해, 특히 내측 도파관에 충전된 액체 유전체의 비유전율 및 충전량에 의한 플라스마 처리실 내에의 마이크로파 방사 전력의 분포를 제어할 수 있도록 한 플라스마 처리 장치(ECR 플라스마 에칭 장치)에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 단일의 마이크로파원으로부터의 마이크로파 전력을, 동축에 배치된 내측 도파관과 외측 도파관으로 각각 분할하고, 내측 도파관의 내부에 있는 액체 유전체의 충전량에 의해, 내측 도파관에 통과하는 마이크로파 전력을 가감하는 것에 의해 내측 도파관과 외측 도파관의 마이크로파 분할 전력비를 조정할 수 있도록 해서, 플라스마 처리실 내의 플라스마 밀도를 원하는 에칭 레이트에 맞춰서 제어하도록 한 것이다.
ECR 플라스마 에칭 장치에 있어서, 마그네트론에 접속되어 있는 직사각형 도파관으로부터의 마이크로파 전력을 각각 동축 배치의 내측 도파관과 외측 도파관으로 분기하고, 내측 도파관 및 외측 도파관의 종단을 각각의 처리실의 상면에 설치되어 있는 내측 방사부와 외측 방사부에 접속하는 것에 의해, 마이크로 전력은 각각의 방사부로부터 플라스마 처리실의 내부로 방사할 수 있게 된다.
여기에서, 내측 도파관의 마이크로파 전력의 전파를 제한할 때에는, 내측 도파관의 반경(a)을 식(수 1)에 의해 설계하면, 마이크로파 전력을 통과 또는 차단할 수 있게 된다.
[수 1]
여기에서, fc는 마이크로파 주파수 2.45GHz, C는 진공중 광속도 2.99×108m/s이다.
예를 들면, TE11 모드의 마이크로파 전력의 전파에 있어서, 매질이 공기 또는 진공인 경우는, 그 비유전율(εr)의 값이 1로 되기 때문에, 식(수 1)에 따르면 내측 도파관의 반경이 0.0357m로 된다. 내측 도파관 내의 매질의 비유전율(εr)의 값이 2인 경우는, 마이크로파 전력의 전파 속도가 1/√εr분으로 느려지기 때문에, 식(수 1)에 따르면 내측 도파관의 반경이 0.0252m로 된다.
내측 도파관의 반경(a)을 0.0357m보다 작고, 0.0252m보다 크게 설계하면, 매질이 진공 또는 공기인 경우는 2.45GHz의 마이크로파 전력이 차단되기 때문에, 일정한 길이를 갖는 도파관을 마이크로파 전력은 통과할 수 없다. 즉, 내측 도파관에 접속하는 내측 방사부로부터는 마이크로파 전력의 방사가 없어, 플라스마 처리실의 중심부 부근의 플라스마 밀도가 저하하는 것을 알 수 있다.
한편, 전술한 반경(a)을 갖는 내측 도파관 중에 비유전율(εr)의 값이 2인 매질을 삽입하면, 마이크로파 전력이 내측 도파관을 통과할 수 있게 된다. 즉, 내측 도파관에 접속하는 내측 방사부로부터 마이크로 전력이 방사되어, 플라스마 처리실의 중심부 부근의 플라스마 밀도가 상승한다. 따라서, 반도체 소자의 에칭 프로세스의 조건에 따라서, 자유롭게 처리실에 도입하는 마이크로파의 분할 전력비를 제어할 수 있다.
전술한 비유전율(εr)의 값이 2인 매질은, 예를 들면, 액체 유전체를 사용할 경우, 액체이기 때문에, 그 액 레벨을 자유롭게 조작할 수 있어, 내측 도파관을 통과하는 마이크로파의 전력을 조절할 수 있다. 따라서, 내측 도파관과 외측 도파관의 마이크로파 전력의 분할 전력비는, 액체 유전체의 액 레벨에 의해 전술한 분할 전력비를 일정 범위 내에서 조정할 수 있다. 전술한 마이크로파의 분할 전력비의 정의는 하기 식(수 2)에 나타낸다.
[수 2]
여기에서, S21은 내측 도파관의 전송(S) 파라미터, S31은 외측 도파관의 전송(S) 파라미터이다.
외측 도파관은 내측 도파관과 동축으로 되기 때문에, 동축 도파관으로서 마이크로파를 전파한다. 동축 도파관은 기본 모드인 TEM 모드에는 차폐가 존재하지 않지만, 그 고차 모드인 TE11의 차폐 시의 외측 도파관 직경(b)은 하기의 식(수 3)을 사용해서 정할 수 있다.
[수 3]
여기에서, a : 내측 도파관의 반경[m]
b : 외측 도파관의 반경[m]
식(수 2)을 고려해서, 외측 도파관이 차폐되지 않는 치수로 한다.
본 발명은, 상기에 설명한 고려 방식에 의거한 것이고, 그 구체적인 실시형태를, 도면을 사용해서 설명한다.
이하에, 본 발명의 실시형태를 도면에 의거해서 상세히 설명한다. 본 실시형태를 설명하기 위한 모든 도면에 있어서 동일 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 부여하도록 하고, 그 반복 설명은 원칙적으로 생략한다.
단, 본 발명은 이하에 나타내는 실시형태의 기재 내용으로 한정해서 해석되는 것은 아니다. 본 발명의 사상 내지 취지로부터 일탈하지 않는 범위에서, 그 구체적 구성을 변경할 수 있는 것은 당업자라면 용이하게 이해된다.
[실시예]
본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치(ECR 플라스마 에칭 장치)(100)의 개략의 구성을, 도 1에 나타낸다.
도 1에 나타낸 구성에 있어서, 101은 마이크로파 전력의 발진기, 102는 아이솔레이터, 103은 자동 정합기, 111은 직사각형 도파관, 112는 원구형(圓矩形) 변환기, 104는 원편파(圓偏波) 발생기, 113은 원형 도파관, 114는 외측 도파관, 115는 내측 도파관, 116은 내측 도파관(115)의 내부에 수용된 액체 유전체, 117은 내측 공동부, 118은 외측 공동부이다.
또한, 120은 플라스마 처리실, 121은 진공 챔버, 122는 진공 챔버 상부, 123은 내측 공동부벽, 124는 링 스테이, 125는 석영창, 126은 하부 전극, 127은 RF 전원, 131은 전자석 코일, 132는 요크, 10은 피처리 기판이다.
또, 도 1에 나타낸 구성에 있어서, 진공 챔버(121)의 내부, 즉 플라스마 처리실(120)을 진공으로 배기하는 배기 수단, 및 진공 챔버(121)의 내부, 즉 플라스마 처리실(120)에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 수단, 마이크로파 전력의 발진기(101)나 자동 정합기(103), 전자 코일(131), RF 전원(127) 등을 제어하는 제어부에 대해서는, 도시를 생략하고 있다.
상기한 구성에 있어서, 마이크로파의 발진기(101)로부터 출력된 주파수 2.45GHz의 마이크로파 전력은 아이솔레이터(102), 자동 정합기(103)를 통해서 원구형 변환기(112)에 직사각형 도파관(111)에 의해 전반된다. 마이크로파의 발진기(101)로서 마그네트론을 사용했다. 원구형 변환기(112)는 마이크로파 전력의 진행 방향을 90도 굽히는 코너도 겸하며, 장치 전체의 소형화를 도모하고 있다.
원구형 변환기(112)의 하부에는 원편파 발생기(104)가 접속되고, 직선 편파로 입사한 마이크로파 전력을 원편파로 변환하고 있다. 추가로 원편파 발생기(104)의 플라스마 처리실(120) 측에는, 플라스마 처리실(120)을 구성하는 진공 챔버(121)의 대략 중심축 상에 설치된 원형 도파관(113)이 있어, 원편파화된 마이크로파 전력이 전반된다.
본 실시예에 있어서는, 원형 도파관(113)으로부터 전반된 마이크로파 전력은, 진공 챔버 상부(122)에 부착한 외측 도파관(114)과, 그 내부에 배치된 내측 도파관(115)에 입사한다.
여기에서, 내측 도파관(115)의 반경은, 식(1)을 사용해서 설명한 내부가 공기일 때에 마이크로파 전력을 차단하는 반경인 0.0357m보다도 작고, 또한, 내부에 비유전율(εr)이 2인 액체 유전체를 충전했을 때에 마이크로파 전력을 차단하는 반경으로 되는 0.0252m보다도 큰 치수로 형성되어 있다.
이것에 의해, 액체 유전체(116)를 수납하지 않고 내부가 공기로 채워져 있을 경우에는, 내측 도파관(115)은 마이크로파 전력을 차단한다. 이 경우, 원형 도파관(113)으로부터 전반된 마이크로파 전력은 외측 도파관(114)에만 입사한다.
한편, 내측 도파관(115)의 내부에 액체 유전체(116)를 수납해서 내부가 액체 유전체(116)로 채워져 있을 경우에는, 내측 도파관(115)은 마이크로파 전력을 전반하므로, 원형 도파관(113)으로부터 전반된 마이크로파 전력은 외측 도파관(114)과 내측 도파관(115)에 입사한다.
외측 도파관(114)은 진공 챔버 상부(122)의 내부의 외측 공동부(118)와 이어져 있고, 내측 도파관(115)은 진공 챔버 상부(122)의 내부에서 내측 공동부벽(123)에 의해 칸막이된 내측 공동부(117)와 이어져 있다. 외측 공동부(118)와 내측 공동부(117)는, 석영창(125)에 의해 진공 챔버(121) 내부의 플라스마 처리실(120)과 칸막이되어 있다.
ECR 플라스마 에칭 처리를 행하도록 하기 위해, 진공 챔버(121)와 진공 챔버 상부(122)의 외주(外周)는, 진공 챔버(121)와 진공 챔버 상부(122)의 내부에 자장을 형성하기 위한 전자 코일(131)로 덮여 있다. 플라스마 처리실(120)의 중심 바닥면에는 피처리 기판(10)을 놓기 위한 하부 전극(126)이 설치되어 있다.
이 하부 전극(126)에는, RF 바이어스 전력을 인가하기 위한 RF 전원(127)이 접속되어 있다. RF 전원(127)으로부터 RF 바이어스 전력을 하부 전극(126)에 인가하는 것에 의해, 플라스마 중에 전리되어 있는 처리 가스의 이온이 하부 전극(126)에 재치(載置)된 피처리 기판(10)을 향해서 가속되어, 피처리 기판(10) 상의 박막이 제거된다.
발진기(101)로부터 출력되어 아이솔레이터(102), 자동 정합기(103), 원구형 변환기(112), 원편파 발생기(104), 원형 도파관(113)을 전반한 마이크로파 전력은, 내측 도파관(115) 및 외측 도파관(114)으로 분할된다.
내측 도파관(115)의 내부에 액체 유전체(116)가 충전되어 있지 않을 때는, 공기가 충만되어 있다. 이 상태에서는, 상기에 설명한 바와 같이, 공기의 유전율이 1이고, 내측 도파관의 반경이 마이크로파를 차단하는 치수로 형성되어 있기 때문에, 마이크로파 전력은 내측 도파관(115)을 통과할 수 없다.
한편, 액체 유전체(116)가 내측 도파관(115)의 내부에 충전되면, 내측 도파관(115)으로부터 마이크로파가 누설되기 시작하고, 서서히 액체 유전체(116)를 부으면, 내측 도파관(115) 내의 액체 유전체(116)의 액면의 레벨(액 레벨)이 높아지고, 마이크로파 전력의 통과량도 증가한다. 내측 도파관(115) 내의 액체 유전체(116)의 액 레벨을 조정하는 것에 의해, 원형 도파관(113)으로부터 내측 도파관(115)에 전반되는 마이크로파 전력과 외측 도파관(114)에 전반되는 마이크로파 전력의 비를 변경할 수 있다.
도 2에는, 내측 도파관(115)과 외측 도파관(114)의 상세 구성을 나타낸다. 내측 도파관(115)은, 내부가 공동으로 되어 있고, 유전체제의 상측 덮개(1151)와 바닥판(1152)이 설치되어, 내부가 밀폐되는 구성으로 되어 있다.
내측 도파관(115)과 외측 도파관(114) 사이에는 석영제의 링 스테이(124)가 있고, 내측 도파관(115)과 외측 도파관(114)은, 이 링 스테이(124)에 의해 동축에 고정되어 있다. 또한, 외부로부터 내측 도파관(115)의 내부에 액체 유전체(116)를 공급 또는 배출할 수 있도록 하기 위해, 외측 도파관(114)으로부터 링 스테이(124)를 지나 내측 도파관(115)에 통하는 유로(141)가 형성되어 있다.
이 유로(141)는, 액체 유전체(116)를 내측 도파관(115)의 내부에 공급 또는 배출하기 위한 펌프(243)와 접속되어 있다. 펌프(243)는, 제어부(242)에 의해 제어되며, 저장부(244)에 저장되어 있는 액체 유전체(116)를 유로(141)를 통해서 내측 도파관(115)의 내부에 공급한다. 또한, 반대로, 내측 도파관(115)의 내부에 있는 액체 유전체(116)를, 유로(141)를 통해서 저장부(244) 측으로 배출한다.
또한, 내측 도파관(115) 내부의 액체 유전체(116)의 액면의 높이를 모니터링하기 위해, 외측 도파관(114)으로부터 링 스테이(124)를 지나 내측 도파관(115)의 내부에 통하는 연통관(142)이 설치되어 있다. 이 연통관(142)은, 배관(245)에 의해 레벨 센서(241)와 접속되어 있다.
다음으로, 내측 도파관(115)의 내부에의 액체 유전체(116)의 충전/배출의 액면 제어 시스템의 일련의 동작을 설명한다. 내측 도파관(115) 내부의 액체 유전체(116)의 액면 레벨은, 연통관(142)에 접속하는 배관(245)을 통해 레벨 센서(241)를 사용해서 계측하고, 전자 신호로서, 액면 레벨을 제어부(242)에 피드백한다.
액체 유전체(116)를 내측 도파관(115)의 내부에 충전할 때에, 펌프(243)를 사용해서, 액체 유전체(116)를 저장하기 위한 저장부(244)로부터 액체 유전체(116)를 빨아올려, 내측 도파관(115)의 내부에 액체 유전체(116)를 충전한다. 펌프(243)를 역회전시키면, 내측 도파관(115) 내의 액체 유전체(116)가 흡출되어 액체 유전체(116)를 저장하기 위한 저장부(244)로 되돌릴 수 있다.
제어부(242)는, 원형 도파관(113)으로부터 내측 도파관(115)에 전반하는 마이크로파 전력과 외측 도파관(114)에 전반하는 마이크로파 전력의 비(마이크로파 분할 전력비)가 미리 설정한 값으로 되도록, 레벨 센서(241)로부터의 액면 검출 신호에 의거해서 내측 도파관(115) 내부의 액체 유전체(116)의 액면 레벨을 조절하기 위한 프로그램을 갖고 있다. 이 프로그램에 의해, 원하는 마이크로파 분할 전력비로 되도록, 펌프(243)의 운전 시간을 제어한다.
도 3에, 분할 전력비와 유전체액 레벨의 관계를 전자계 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 나타낸다. 도 3에 나타낸 그래프(300)에서는, 세로 축에 마이크로파 전력 분할비, 가로 축에 유전체액의 액면의 레벨을 유전체액 레벨로서 표시하고 있다.
이 그래프로부터, 액체 유전체액 레벨과 분할 전력비는, 직선(310)으로 표시된 바와 같이, 거의 선형 관계로 되어 있는 것을 알 수 있다. 이것에 의해, 이 선형 관계를 다항식화한 프로그램을 제어부(242)에 실장하면, 원하는 마이크로파 분할 전력비를 얻기 위해 필요한 액체 유전체의 액 레벨의 설정값을, 원하는 마이크로파 분할 전력비로부터 환산할 수 있다.
다음으로, 도 5 내지 7을 참조하면서, 도 4를 사용하여, 내측 도파관(115)과 외측 도파관(114)의 원하는 마이크로파 분할 전력비에 의거해서 펌프(243)의 운전 시간을 정하는 처리의 플로를 설명한다.
우선, 마이크로파 전력의 원하는 분할 전력비를 입력한다(S401). 다음으로, 입력한 원하는 마이크로파 분할 전력비에 대응하는 액체 유전체의 액면의 레벨(액 레벨)의 값을 도 3에 나타낸 그래프로부터 구하고, 이것을 설정값으로 한다(S402).
다음으로, 레벨 센서(241)로 내측 도파관(115) 내부의 액체 유전체(116)의 액면의 레벨(액 레벨)을 검출하고(S403), 미리 구해둔 레벨 센서(241)의 검출 신호와 내측 도파관(115) 내부의 액체 유전체(116)의 액면의 레벨과의 관계에 의거해서, 레벨 센서(241)의 검출 신호에 대응하는 액체 유전체(116)의 액 레벨을 구한다(S404).
다음으로, 도 5의 그래프(500)에 나타내는 바와 같이, 구한 내측 도파관(115)의 내부에 있어서의 액체 유전체(116)의 액 레벨의 값(센서 레벨(53))과 S402에서 구한 설정값(설정 유전체액 레벨(52))과의 차(액면 레벨차(511))를 산출한다(S405).
다음으로, 미리 구해둔 도 6의 그래프(600)에 나타내는 바와 같은, 펌프(243)로부터 내측 도파관(115)에 공급하는 액체 유전체(116)의 주액량과 레벨 센서(241)로 검출한 내측 도파관(115) 내부의 액체 유전체(116)의 액면 레벨과의 관계(610)에 의거해서, 내측 도파관(115)의 내부에 주입하는 액체 유전체(116)의 필요 주입량(612)을 산출한다(S406).
마지막으로, 도 7의 그래프(700)에 나타내는 바와 같은, 미리 구해둔 액체 유전체(116)의 온도를 파라미터로 한 펌프(243)의 펌프 운전 시간(PT)과 내측 도파관(115)에의 주액량과의 관계(710 내지 730)에 의거해서, 펌프 운전 시간을 산출한다(S407).
이렇게 해서 구한 펌프 운전 시간에 의거해서 제어부(242)로 펌프(243)를 제어해서 내측 도파관(115)의 내부에 액체 유전체(116)를 공급한다. 이것에 의해, 발진기(101)로부터 발진되어 원형 도파관(113)으로부터 전반되는 마이크로파 전력은, 원하는 마이크로파 분할 전력비에 따라서, 내측 도파관(115)과 외측 도파관(114)으로 분할되어 전반된다.
이상에 설명한 바와 같은 처리 플로에 의거해서 내측 도파관(115) 내부의 액체 유전체(116)의 액면의 레벨을 제어하면, 액체 유전체(116)는 온도에 따라 그 체적이 변화해도, 원하는 마이크로파 전력 분할비를 조절할 수 있다.
다음으로, 본 실시예에 있어서의 피처리 기판(10)을 처리하는 수순을 설명한다.
우선, 상기에 설명한 바와 같은 수순으로 구한 펌프 운전 시간으로 되도록 제어부(242)로 펌프(243)를 제어해서 내측 도파관(115)에 액체 유전체(116)를 공급한다. 다음으로, 이 상태에서, 플라스마 처리실(120)을 도시하고 있지 않은 배기 수단에 의해 진공으로 배기하고, 도시하고 있지 않은 가스 공급 수단으로부터 플라스마 처리실(120)에 처리 가스를 공급해서 플라스마 처리실(120)이 소정의 압력으로 되도록 설정한다.
이 상태에서, 발진기(101)를 구동하여 마이크로파 전력을 발신시킨다. 발진기(101)로부터 발신된 마이크로파 전력은, 아이솔레이터(102), 자동 정합기(103), 원구형 변환기(112), 원편파 발생기(104), 원형 도파관(113)을 전반해서, 내측 도파관(115) 및 외측 도파관(114)에 분할해서 입력된다.
여기에서, 내측 도파관(115)과 외측 도파관(114)은, 원하는 마이크로파 전력 분할비로 되도록 내측 도파관(115) 내부의 액체 유전체(116)의 액면의 레벨이 조정되어 있으므로, 내측 도파관(115)으로부터 내측 공동부(117)에, 외측 도파관(114)으로부터 외측 공동부(118)에, 원하는 분할비로 분할된 마이크로파 전력이 전반된다.
이렇게 해서 분할되어 내측 도파관(115)의 내부를 전반한 마이크로파 전력은, 내측 도파관(115)에 접속하는 내측 공동부(117)로부터 석영창(125)을 통해 플라스마 처리실(120)의 중심부 부근에 전반된다. 한편, 분할되어 외측 도파관(114)의 내부를 전반한 마이크로파 전력은, 외측 도파관(114)에 접속하는 외측 공동부(118)로부터 석영창(125)을 통해 플라스마 처리실(120)의 주변부 부근(중심부로부터 떨어진 부분)에 전반된다.
플라스마 처리실(120)에는, 내측 공동부(117)로부터 전반된 마이크로파 전력에 따른 밀도를 갖는 플라스마가 플라스마 처리실(120)의 중심 부분 부근에 발생하고, 외측 공동부(118)로부터 전반된 마이크로파 전력에 따른 밀도를 갖는 플라스마가 플라스마 처리실(120)의 중심부로부터 떨어진 부분에 발생해, 플라스마 처리실(120) 전체적으로, 원하는 밀도 분포를 지닌 플라스마가 생성된다.
이렇게 해서 플라스마 처리실(120)에 원하는 플라스마 밀도의 분포를 지닌 플라스마를 발생시키는 것에 의해, 하부 전극(126)에 재치한 피처리 기판(10)을 에칭 처리하는 경우에 있어서, 에칭 처리의 면내 균일성뿐만 아니라, 차지업 데미지를 저감시켜서 에칭 처리를 행할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 내측 도파관(115)과 외측 도파관(114)에 전반하는 마이크로파 전력 분할비를 조절할 수 있는 구성으로 한 것에 의해, 프로세스 조건에 따라서 에칭 장치의 구성을 변경한 경우여도, 또한, 피처리 기판 상에 형성된 박막의 막 두께 분포가 불균일한 경우여도, 플라스마 처리 장치 내의 플라스마 밀도를 원하는 에칭 레이트에 맞춰서 제어할 수 있으므로, 에칭 처리의 면내 균일성을 유지하면서, 차지업 데미지를 저감시킨 에칭 처리를 행할 수 있다.
또, 본 실시예를 피처리 기판이 12인치인 크기의 플라스마 에칭 장치에 적용할 경우에는, 마이크로파 전력의 도파관의 관로의 크기 때문에, 현 상황에서는 액체 유전체의 비유전율(εr)의 값은 2 전후인 것이 바람직하다. 예를 들면 실리콘 오일, 3M사제의 플루오리너트(상표), 솔베이사제의 가르덴(상표)이 있다. 또한 대형 피처리 기판에 의한 처리 장치의 대형화에 따라 도파관의 관로의 크기도 그에 대응해 변하기 때문에, 액체 유전체의 유무에 의해 마이크로파를 차폐 또는 통과시키는 본 발명의 기능을 달성할 수 있으면 액체 유전체의 비유전율(εr)의 값은 특별히 제약은 없다.
또한, 본 실시예에 있어서의 내측 도파관(115)의 상측 덮개(1151)와 바닥판(1152)의 형상은 원반 형상, 또는 원추 형상이 바람직하지만, 액체 유전체(116)가 내측 도파관(115)의 내부에 봉입(封入)되어, 마이크로파의 반사 전력을 저감할 수 있으면, 어느 형상이어도 된다. 상측 덮개(1151)와 바닥판(1152)으로, 마이크로파가 투과할 수 있도록 석영 또는 세라믹스 같은 유전체가 좋다. 내측 도파관(115)과 외측 도파관(114)을 접속하기 위한 링 스테이(124)는, 마이크로파 전력의 반사를 저감하기 위해 석영 또는 세라믹스 같은 유전체로 이루어지는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 실시예에 의거해 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 위해 상세히 설명한 것이고, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것으로 한정되는 것은 아니다.
10 : 피처리 기판
101 : 발진기
102 : 아이솔레이터 103 : 자동 정합기
104 : 원편파 발생기 113 : 원형 도파관
114 : 외측 도파관 115 : 내측 도파관
116 : 액체 유전체 117 : 내측 공동부
118 : 외측 공동부 120 : 플라스마 처리실
121 : 진공 챔버 122 : 진공 챔버 상부
123 : 내측 공동부벽 124 : 링 스테이
125 : 석영창 126 : 하부 전극
127 : RF 전원 131 : 전자 코일
241 : 레벨 센서 242 : 제어부
243 : 펌프 244 : 저장부
1151 : 상측 덮개 1152 : 바닥판
102 : 아이솔레이터 103 : 자동 정합기
104 : 원편파 발생기 113 : 원형 도파관
114 : 외측 도파관 115 : 내측 도파관
116 : 액체 유전체 117 : 내측 공동부
118 : 외측 공동부 120 : 플라스마 처리실
121 : 진공 챔버 122 : 진공 챔버 상부
123 : 내측 공동부벽 124 : 링 스테이
125 : 석영창 126 : 하부 전극
127 : RF 전원 131 : 전자 코일
241 : 레벨 센서 242 : 제어부
243 : 펌프 244 : 저장부
1151 : 상측 덮개 1152 : 바닥판
Claims (10)
- 시료가 플라스마 처리되는 처리실과, 플라스마를 생성하기 위한 마이크로파의 고주파 전력을 도파로를 통해서 공급하는 고주파 전원과, 상기 처리실의 내부에 자장을 형성하는 자장 형성 기구를 구비하는 플라스마 처리 장치에 있어서,
상기 도파로는, 액체의 유전체가 충전된 제1 원형 도파관과, 상기 제1 원형 도파관의 외측에 배치되고 상기 제1 원형 도파관과 동축(同軸) 상에 배치된 제2 원형 도파관을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 원형 도파관을 전반(傳搬)하는 마이크로파 전력과 상기 제2 원형 도파관을 전반하는 마이크로파 전력의 비가 원하는 비로 되도록 상기 유전체의 액면(液面) 높이를 제어하는 제어 장치를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 도파로는, 상기 제1 원형 도파관의 위쪽에 배치된 원형 도파관을 더 구비하고,
상기 원형 도파관의 내경은, 제2 원형 도파관의 내경보다 작은 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 원형 도파관의 반경은, 비유전율(比誘電率)이 2인 상기 유전체가 내부에 충전되었을 경우의 마이크로파 전력을 차단하는 반경보다 크고, 또한, 내부가 공기일 경우의 마이크로파 전력을 차단하는 반경보다 작은 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제2항에 있어서,
상기 제1 원형 도파관의 반경은, 비유전율이 2인 상기 유전체가 내부에 충전되었을 경우의 마이크로파 전력을 차단하는 반경보다 크고, 또한, 내부가 공기일 경우의 마이크로파 전력을 차단하는 반경보다 작은 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제2항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 제2 원형 도파관을 전반하는 마이크로파 전력에 대한 상기 제1 원형 도파관을 전반하는 마이크로파 전력의 비를 크게 할 경우, 상기 액면 높이가 높아지도록 상기 액면 높이를 제어하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제2항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 제1 원형 도파관을 전반하는 마이크로파 전력과 상기 제2 원형 도파관을 전반하는 마이크로파 전력의 비와 상기 액면 높이의 상관관계를 기초로 상기 액면 높이를 제어하고,
상기 상관관계는, 대략 선형인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제3항에 있어서,
상기 마이크로파의 주파수는, 2.45GHz이고,
상기 제1 원형 도파관의 반경은, 비유전율이 2인 상기 유전체가 내부에 충전되었을 경우의 마이크로파 전력을 차단하는 반경보다 크고, 또한, 내부가 공기일 경우의 마이크로파 전력을 차단하는 반경보다 작은 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치. - 제5항에 있어서,
상기 마이크로파의 주파수는, 2.45GHz이고,
상기 도파로는, 상기 제1 원형 도파관의 위쪽에 배치된 원형 도파관을 더 구비하고,
상기 원형 도파관의 내경은, 상기 제2 원형 도파관의 내경보다 작은 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 기구를 구비하고, 상기 도파로는, 액체의 유전체가 충전된 제1 원형 도파관과, 상기 제1 원형 도파관의 외측에 배치되고 상기 제1 원형 도파관과 동축 상에 배치된 제2 원형 도파관을 구비하는 플라스마 처리 장치의 마이크로파 전력을 제어하는 마이크로파 전력 제어 시스템에 있어서,
상기 유전체의 액면 높이를 제어하는 것에 의해, 상기 제1 원형 도파관을 전반하는 마이크로파 전력과 상기 제2 원형 도파관을 전반하는 마이크로파 전력의 비를 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 전력 제어 시스템.
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