KR20220000909A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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카즈야 나가세키
타츠로 오시타
코이치 나가미
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

챔버 본체에 조사되는 이온의 에너지를 저하시킨다. 일실시 형태의 플라즈마 처리 장치는 챔버 본체, 배치대 및 고주파 전원부를 구비한다. 챔버 본체는 챔버를 제공한다. 챔버 본체는 접지 전위에 접속되어 있다. 배치대는 하부 전극을 가지고 있으며, 챔버 내에 마련되어 있다. 고주파 전원부는 하부 전극에 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원부는 하부 전극에 공급되는 바이어스용의 출력파를 생성한다. 고주파 전원부는 기본 주파수의 고주파의 전압 파형의 양의 전압 성분을 저감시킨 출력파를 발생하도록 구성되어 있다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 개시된 실시 형태는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스와 같은 전자 디바이스의 제조에 있어서는, 플라즈마 처리 장치가 이용되고 있다. 플라즈마 처리 장치는, 일반적으로 챔버 본체, 배치대 및 고주파 전원을 구비하고 있다. 챔버 본체는 그 내부 공간을 챔버로서 제공하고 있다. 챔버 본체는 접지되어 있다. 배치대는 챔버 내에 마련되어 있으며, 그 위에 배치된 피가공물을 유지하도록 구성되어 있다. 배치대는 하부 전극을 포함하고 있다. 고주파 전원은 하부 전극에 접속되어 있다. 이 플라즈마 처리 장치에서는, 챔버 내에서 처리 가스의 플라즈마가 생성되고, 고주파 전원으로부터의 바이어스용의 고주파가 하부 전극에 공급된다. 이 플라즈마 처리 장치에서는, 바이어스용의 고주파에 기초하는 하부 전극의 전위와 플라즈마의 전위와의 전위차에 의해 이온이 가속되고, 가속된 이온이 피가공물에 조사된다.
플라즈마 처리 장치에서는, 챔버 본체와 플라즈마 사이에도 전위차가 발생한다. 챔버 본체와 플라즈마 사이의 전위차가 큰 경우에는, 챔버 본체에 조사되는 이온의 에너지가 높아져, 챔버 본체로부터 파티클이 방출된다. 챔버 본체로부터 방출된 파티클은 배치대 상에 배치된 피가공물을 오염시킨다. 이러한 파티클의 발생을 방지하기 위하여, 특허 문헌 1에서는, 챔버의 접지 용량을 조정하는 조정 기구를 이용하는 기술이 제안되고 있다. 특허 문헌 1에 기재된 조정 기구는, 챔버에 면하는 애노드와 캐소드의 면적 비율, 즉 A/C비를 조정하도록 구성되어 있다. A/C비가 클수록, 즉 캐소드의 면적에 대하여 애노드의 면적이 클수록, 챔버 본체와 플라즈마 사이의 전위차가 작아져, 챔버 본체에 조사되는 이온의 에너지가 낮아진다. 챔버 본체에 조사되는 이온의 에너지가 낮으면, 파티클의 발생이 억제된다.
일본특허공개공보 2011-228694호
피가공물에 대한 플라즈마 처리의 일종인 에칭에서는, 보다 애스펙트비가 높은 형상을 피가공물에 형성하는 것이 요구되게 되고 있다. 애스펙트비가 높은 형상을 피가공물에 형성하기 위해서는, 피가공물에 조사되는 이온의 에너지를 높게 할 필요가 있다. 바이어스용의 고주파의 주파수를 낮게 하는 것은, 피가공물에 조사되는 이온의 에너지를 높게 하는 방책 중 하나이다. 그러나, 바이어스용의 고주파의 주파수가 낮아지면, 플라즈마의 전위가 높아진다. 플라즈마의 전위가 높아지면, 플라즈마와 챔버 본체와의 전위차가 커져, 챔버 본체에 조사되는 이온의 에너지가 높아진다. 이러한 배경으로부터, 챔버 본체에 조사되는 이온의 에너지를 저하시키는 것이 필요해지고 있다.
일태양에 있어서는, 플라즈마 처리 장치가 제공된다. 플라즈마 처리 장치는 챔버 본체, 배치대 및 고주파 전원부를 구비한다. 챔버 본체는 챔버를 제공한다. 챔버 본체는 접지 전위에 접속되어 있다. 배치대는 하부 전극을 가지고 있으며, 챔버 내에 마련되어 있다. 고주파 전원부는 하부 전극에 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원부는 하부 전극에 공급되는 바이어스용의 출력파를 생성한다. 고주파 전원부는 기본 주파수의 고주파의 양의 전압 성분을 저감시킨 출력파를 발생하도록 구성되어 있다.
일태양에 따른 플라즈마 처리 장치에서는, 양의 전압 성분을 저하시킨 출력파가 하부 전극에 공급되므로, 플라즈마의 전위가 낮아진다. 따라서, 플라즈마와 챔버 본체 사이의 전위차가 낮아진다. 결과적으로, 챔버 본체에 조사되는 이온의 에너지가 낮아진다. 따라서, 챔버 본체로부터의 파티클의 발생이 억제된다. 또한, 출력파의 주파수(기본 주파수)를 낮게 함으로써, 챔버 본체에 조사되는 이온의 에너지를 낮게 하면서, 피가공물에 조사되는 이온의 에너지를 높이는 것이 가능하다.
일실시 형태에 있어서, 고주파 전원부는 복수의 고주파 전원 및 합성기를 구비할 수 있다. 복수의 고주파 전원은 기본 주파수의 n 배 또는 2n 배의 서로 상이한 주파수를 가지는 복수의 고주파를 각각 발생하도록 구성되어 있다. 여기서, n은 1 이상의 정수이다. 합성기는 복수의 고주파를 합성하여 출력파를 생성하도록 구성되어 있다. 이 실시 형태에 의하면, 복수의 고주파 전원으로부터의 고주파의 전력의 손실을 억제하면서, 출력파를 생성하는 것이 가능해진다.
일실시 형태에 있어서, 고주파 전원부는 기본 주파수의 고주파를 발생하는 고주파 전원과, 고주파 전원으로부터의 고주파의 양의 전압 성분을 제거하도록 구성된 반파 정류기를 구비할 수 있다. 이 실시 형태에 의하면, 양의 전압 성분이 대략 완전하게 제거된다.
일실시 형태에 있어서, 플라즈마 처리 장치는 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치이다. 이 실시 형태의 플라즈마 처리 장치는, 상부 전극 및 제 1 고주파 전원을 더 구비한다. 상부 전극은 하부 전극의 상방에 마련되어 있다. 제 1 고주파 전원은 상부 전극에 접속되어 있고, 플라즈마 생성용의 고주파를 발생하도록 구성되어 있다. 상부 전극이 플라즈마 생성용의 고주파가 공급되는 전극인 플라즈마 처리 장치에서는 애노드 전극의 면적이 작고, A/C비가 작다. 따라서, 이 실시 형태의 플라즈마 처리 장치에서는 상기 출력파가 보다 유리하게 이용될 수 있다.
일실시 형태에 있어서, 기본 주파수는 1.4 MHz 이하이다.
일실시 형태에 있어서, 플라즈마 처리 장치는 하부 전극에 접속된 제 2 고주파 전원을 더 구비할 수 있다. 제 2 고주파 전원은 기본 주파수보다 높은 주파수의 바이어스용의 고주파를 발생하도록 구성되어 있다. 이 실시 형태의 플라즈마 처리 장치에 의하면, 프로세스에 따라, 상술한 출력파 또는 제 2 고주파 전원으로부터의 바이어스용의 고주파가 하부 전극에 선택적으로 공급된다.
이상 설명한 바와 같이, 챔버 본체에 조사되는 이온의 에너지를 저하시키는 것이 가능해진다.
도 1은 일실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도이다.
도 2는 일실시 형태에 따른 고주파 전원부를 나타내는 도이다.
도 3은 도 2에 나타내는 고주파 전원부가 생성 가능한 출력파를 예시하는 도이다.
도 4는 다른 실시 형태에 따른 고주파 전원부를 나타내는 도이다.
도 5는 도 4에 나타내는 고주파 전원부에 의해 생성되는 출력파를 예시하는 도이다.
도 6의 (a)는 시뮬레이션#1에서 계산한 피가공물에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이며, 도 6의 (b)는 시뮬레이션#1에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이다.
도 7의 (a)는 시뮬레이션#2에서 계산한 피가공물에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이며, 도 7의 (b)는 시뮬레이션#2에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이다.
도 8의 (a)는 시뮬레이션#3에서 계산한 피가공물에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이며, 도 8의 (b)는 시뮬레이션#3에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이다.
도 9의 (a)는 시뮬레이션#4에서 계산한 피가공물에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이며, 도 9의 (b)는 시뮬레이션#4에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이다.
도 10은 시뮬레이션#5 및 시뮬레이션#6에서 구한 이온의 입사각을 나타내는 도이다.
도 11의 (a)는 시뮬레이션#7에서 계산한 피가공물에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이며, 도 11의 (b)는 시뮬레이션#7에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이다.
도 12의 (a)는 시뮬레이션#8에서 계산한 피가공물에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이며, 도 12의 (b)는 시뮬레이션#8에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이다.
도 13은 시뮬레이션#9 ~ #14의 결과를 나타내는 표이다.
도 14는 시뮬레이션#15 ~ #30의 결과에 기초하여 산출한 Eh / Ef를 나타내는 그래프이다.
도 15의 (a)는 시뮬레이션#31에서 계산한 피가공물에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이며, 도 15의 (b)는 시뮬레이션#31에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이다.
도 16의 (a)는 시뮬레이션#32에서 계산한 피가공물에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이며, 도 16의 (b)는 시뮬레이션#32에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이다.
도 17은 또 다른 실시 형태에 따른 고주파 전원부를 나타내는 도이다.
도 18은 도 17에 나타내는 고주파 전원부가 생성 가능한 제 2 출력파를 예시하는 도이다.
도 19는 또 다른 실시 형태에 따른 고주파 전원부를 나타내는 도이다.
도 20은 도 19에 나타내는 고주파 전원부에 의해 생성되는 제 2 출력파를 예시하는 도이다.
도 21의 (a)는 시뮬레이션#33에서 계산한 피가공물에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이며, 도 21의 (b)는 시뮬레이션#33에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이다.
도 22의 (a)는 시뮬레이션#34에서 계산한 피가공물에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이며, 도 22의 (b)는 시뮬레이션#34에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타내는 도이다.
이하, 도면을 참조하여 각종 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에서 동일 또는 상당한 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하는 것으로 한다.
도 1은 일실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도이다. 도 1에는 일실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 종단면의 구조가 개략적으로 나타나 있다. 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(10)는 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치이다. 플라즈마 처리 장치(10)는, 예를 들면 플라즈마 에칭을 위하여 이용할 수 있다.
플라즈마 처리 장치(10)는 챔버 본체(12)를 구비하고 있다. 챔버 본체(12)는 대략 원통 형상을 가지고 있다. 챔버 본체(12)는 그 내부 공간을 챔버(12c)로서 제공하고 있다. 챔버 본체(12)는 예를 들면 알루미늄으로 구성되어 있다. 챔버 본체(12)의 내벽면, 즉 당해 챔버(12c)를 구획 형성하는 벽면에는 내플라즈마성을 가지는 막이 형성되어 있다. 이 막은 양극 산화 처리에 의해 형성된 막, 또는 산화 이트륨으로 형성된 막과 같은 세라믹스제의 막일 수 있다. 또한, 챔버 본체(12)의 측벽(12s)에는 피가공물(W)의 반송을 위한 개구(12g)가 마련되어 있다. 이 개구(12g)는 게이트 밸브(14)에 의해 개폐 가능하게 되어 있다. 이 챔버 본체(12)는 접지 전위에 접속되어 있다.
챔버(12c) 내에서는 지지부(15)가 챔버 본체(12)의 저부로부터 상방으로 연장되어 있다. 지지부(15)는 대략 원통 형상을 가지고 있으며, 석영과 같은 절연 재료로 형성되어 있다. 또한, 챔버(12c) 내에는 배치대(16)가 마련되어 있다. 배치대(16)는 그 상면에서 피가공물(W)을 유지하도록 구성되어 있다. 피가공물(W)은 웨이퍼와 같이 원반 형상을 가질 수 있다. 배치대(16)는 하부 전극(18) 및 정전 척(20)을 포함하고 있다. 이 배치대(16)는 지지부(15)에 의해 지지되어 있다.
하부 전극(18)은 제 1 플레이트(18a) 및 제 2 플레이트(18b)를 포함하고 있다. 제 1 플레이트(18a) 및 제 2 플레이트(18b)는 예를 들면 알루미늄과 같은 금속으로 형성되어 있으며, 대략 원반 형상을 가지고 있다. 제 2 플레이트(18b)는 제 1 플레이트(18a) 상에 마련되어 있으며, 제 1 플레이트(18a)에 전기적으로 접속되어 있다.
제 2 플레이트(18b) 상에는 정전 척(20)이 마련되어 있다. 정전 척(20)은 절연층 및 당해 절연층 내에 내장된 전극을 가지고 있다. 정전 척(20)의 전극에는 직류 전원(22)이 스위치(23)를 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 정전 척(20)의 전극에 직류 전원(22)으로부터의 직류 전압이 인가되면, 정전 척(20)은 쿨롱력 등의 정전력을 발생한다. 정전 척(20)은 이 정전력에 의해 피가공물(W)을 흡착하여, 당해 피가공물(W)을 유지한다.
제 2 플레이트(18b)의 주연부 상에는, 피가공물(W)의 엣지 및 정전 척(20)을 둘러싸도록 포커스 링(24)이 배치되어 있다. 포커스 링(24)은 플라즈마 처리의 균일성을 향상시키기 위하여 마련되어 있다. 포커스 링(24)은 플라즈마 처리에 따라 적절히 선택되는 재료로 구성되어 있으며, 예를 들면 석영으로 구성될 수 있다.
제 2 플레이트(18b)의 내부에는 유로(18f)가 마련되어 있다. 유로(18f)에는 챔버 본체(12)의 외부에 마련된 칠러 유닛으로부터 배관(26a)을 거쳐 냉매가 공급된다. 유로(18f)로 공급된 냉매는 배관(26b)을 거쳐 칠러 유닛으로 되돌려진다. 이와 같이, 유로(18f)에는 당해 유로(18f) 내를 순환하도록 냉매가 공급된다. 이 냉매의 온도를 제어함으로써, 정전 척(20)에 의해 지지된 피가공물(W)의 온도가 제어된다.
또한, 플라즈마 처리 장치(10)에는 가스 공급 라인(28)이 마련되어 있다. 가스 공급 라인(28)은 전열 가스 공급 기구로부터의 전열 가스, 예를 들면 He 가스를 정전 척(20)의 상면과 피가공물(W)의 이면과의 사이로 공급한다.
플라즈마 처리 장치(10)는 상부 전극(30)을 더 구비하고 있다. 상부 전극(30)은 배치대(16)의 상방에 마련되어 있으며, 하부 전극(18)에 대하여 대략 평행하게 마련되어 있다. 상부 전극(30)은 부재(32)와 함께 챔버 본체(12)의 상부 개구를 닫고 있다. 부재(32)는 절연성을 가지고 있다. 상부 전극(30)은 이 부재(32)를 개재하여 챔버 본체(12)의 상부에 지지되어 있다.
상부 전극(30)은 천판(34) 및 지지체(36)를 포함하고 있다. 천판(34)은 챔버(12c)에 면하고 있다. 천판(34)에는 복수의 가스 토출홀(34a)이 마련되어 있다. 이 천판(34)은 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 실리콘으로 구성되어 있다. 혹은, 천판(34)은 알루미늄제의 모재의 표면에 내플라즈마성의 막을 마련한 구조를 가질 수 있다. 또한 이 막은, 양극 산화 처리에 의해 형성된 막, 또는 산화 이트륨으로 형성된 막과 같은 세라믹스제의 막일 수 있다.
지지체(36)는 천판(34)을 착탈 가능하게 지지하는 것이며, 예를 들면 알루미늄과 같은 도전성 재료로 구성될 수 있다. 지지체(36)의 내부에는 가스 확산실(36a)이 마련되어 있다. 이 가스 확산실(36a)로부터는 복수의 가스홀(36b)이 하방으로 연장되어 있고, 당해 복수의 가스홀(36b)은 복수의 가스 토출홀(34a)에 각각 연통하고 있다. 또한, 지지체(36)에는 가스 확산실(36a)로 처리 가스를 유도하는 가스 도입구(36c)가 형성되어 있으며, 이 가스 도입구(36c)에는 가스 공급관(38)이 접속되어 있다.
가스 공급관(38)에는 밸브군(42) 및 유량 제어기군(44)을 개재하여 가스 소스군(40)이 접속되어 있다. 가스 소스군(40)은 복수의 가스 소스를 가지고 있다. 밸브군(42)은 복수의 밸브를 포함하고 있으며, 유량 제어기군(44)은 매스 플로우 컨트롤러와 같은 복수의 유량 제어기를 포함하고 있다. 가스 소스군(40)의 복수의 가스 소스는 각각, 밸브군(42)의 대응의 밸브 및 유량 제어기군(44)의 대응의 유량 제어기를 개재하여 가스 공급관(38)에 접속되어 있다. 이 플라즈마 처리 장치(10)는 가스 소스군(40)의 복수의 가스 소스 중 선택된 1 이상의 가스 소스로부터의 가스를, 개별로 조정된 유량으로 챔버 본체(12) 내에 공급하는 것이 가능하다.
챔버(12c) 내 또한 지지부(15)와 챔버 본체(12)의 측벽(12s)과의 사이에는 배플 플레이트(48)가 마련되어 있다. 배플 플레이트(48)는 예를 들면 알루미늄제의 모재에 산화 이트륨 등의 세라믹스를 피복함으로써 구성될 수 있다. 이 배플 플레이트(48)에는 다수의 관통홀이 형성되어 있다. 배플 플레이트(48)의 하방에 있어서는 배기관(52)이 챔버 본체(12)의 저부에 접속되어 있다. 이 배기관(52)에는 배기 장치(50)가 접속되어 있다. 배기 장치(50)는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 가지고 있으며, 챔버(12c)를 감압할 수 있다.
플라즈마 처리 장치(10)는 고주파 전원부(60)를 더 구비하고 있다. 고주파 전원부(60)는 하부 전극(18)에 전기적으로 접속되어 있다. 이 고주파 전원부(60)는 하부 전극(18)에 공급되는 바이어스용의 출력파를 생성한다. 고주파 전원부(60)에 의해 생성되는 출력파는 기본 주파수의 고주파의 양의 전압 성분을 저감시킨 출력파이다. 기본 주파수는 일실시 형태에서는 1.4 MHz 이하일 수 있다. 이 고주파 전원부(60)의 상세에 대해서는 후술한다.
일실시 형태에 있어서, 플라즈마 처리 장치(10)는 제 1 고주파 전원(62)을 더 구비한다. 제 1 고주파 전원(62)은 플라즈마 생성용의 제 1 고주파를 발생하는 전원이며, 27 ~ 100 MHz의 범위 내의 주파수를 가지는 고주파를 발생한다. 제 1 고주파 전원(62)은 정합기(63)를 개재하여 상부 전극(30)에 접속되어 있다. 정합기(63)는 제 1 고주파 전원(62)의 출력 임피던스와 부하측(이 실시 형태에서는 상부 전극(30)측)의 입력 임피던스를 정합시키기 위한 회로를 가지고 있다. 또한, 제 1 고주파 전원(62)은 정합기(63)를 개재하여 하부 전극(18)에 접속되어 있어도 된다. 제 1 고주파 전원(62)이 하부 전극(18)에 접속되어 있는 경우에는, 상부 전극(30)은 접지 전위에 접속된다.
일실시 형태에 있어서, 플라즈마 처리 장치(10)는 제 2 고주파 전원(64)을 더 구비할 수 있다. 제 2 고주파 전원(64)은 피가공물(W)에 이온을 인입하기 위한 바이어스용의 제 2 고주파를 발생하는 전원이다. 제 2 고주파의 주파수는 제 1 고주파의 주파수보다 낮고, 또한 고주파 전원부(60)에 의해 생성되는 출력파의 기본 주파수보다 높은 주파수를 가진다. 제 2 고주파의 주파수는 3.2 kHz ~ 13.56 MHz의 범위 내의 주파수일 수 있다. 제 2 고주파 전원(64)은 정합기(65)를 개재하여 하부 전극(18)에 접속되어 있다. 정합기(65)는 제 2 고주파 전원(64)의 출력 임피던스와 부하측(하부 전극(18)측)의 입력 임피던스를 정합시키기 위한 회로를 가지고 있다. 이 제 2 고주파 전원(64)을 고주파 전원부(60)에 더하여 이용함으로써, 프로세스에 따라, 고주파 전원부(60)로부터의 출력파 또는 제 2 고주파 전원(64)으로부터의 바이어스용의 고주파를 하부 전극(18)에 선택적으로 공급하는 것이 가능해진다.
일실시 형태에 있어서는, 플라즈마 처리 장치(10)는 제어부(Cnt)를 더 구비할 수 있다. 제어부(Cnt)는 프로세서, 기억 장치, 입력 장치, 표시 장치 등을 구비하는 컴퓨터이며, 플라즈마 처리 장치(10)의 각 부를 제어한다. 구체적으로, 제어부(Cnt)는 기억 장치에 기억되어 있는 제어 프로그램을 실행하고, 당해 기억 장치에 기억되어 있는 레시피 데이터에 기초하여 플라즈마 처리 장치(10)의 각 부를 제어한다. 이에 의해, 플라즈마 처리 장치(10)는 레시피 데이터에 의해 지정된 프로세스를 실행하도록 되어 있다.
이 플라즈마 처리 장치(10)를 이용한 플라즈마 처리의 실행 시에는, 가스 소스군(40)의 복수의 가스 소스 중 선택된 가스 소스로부터의 가스가 챔버(12c)로 공급된다. 또한, 배기 장치(50)에 의해 챔버(12c)가 감압된다. 그리고, 챔버(12c)로 공급된 가스가 제 1 고주파 전원(62)으로부터의 고주파에 의해 발생하는 고주파 전계에 의해 여기된다. 이에 의해, 챔버(12c) 내에서 플라즈마가 생성된다. 또한, 하부 전극(18)에 바이어스용의 출력파 또는 제 2 고주파가 선택적으로 공급된다. 이에 의해, 플라즈마 중의 이온이 피가공물(W)을 향해 가속된다. 이와 같이 가속된 이온 및 라디칼 중 적어도 하나에 의해 피가공물(W)이 처리된다.
이하, 고주파 전원부(60)의 상세에 대하여 설명한다. 도 2는 일실시 형태에 따른 고주파 전원부를 나타내는 도이다. 도 2에 나타내는 고주파 전원부(60A)는, 플라즈마 처리 장치(10)의 고주파 전원부(60)로서 채용될 수 있다. 고주파 전원부(60A)는 복수의 고주파 전원(70), 복수의 정합기(72) 및 합성기(74)를 가지고 있다. 복수의 고주파 전원(70)은 기본 주파수의 n 배 또는 2n 배의 서로 상이한 주파수를 가지는 복수의 고주파를 각각 발생한다. 여기서, n은 1 이상의 정수이다. 복수의 고주파 전원(70)은, 일실시 형태에서는 기본 주파수의 고주파를 발생하는 고주파 전원 및 기본 주파수의 2 배의 주파수를 가지는 고주파를 발생하는 고주파 전원을 적어도 포함한다. 또한, 복수의 고주파 전원(70)의 개수는 2 이상의 임의의 개수일 수 있다.
복수의 고주파 전원(70)은 복수의 정합기(72)를 거쳐 합성기(74)에 접속되어 있다. 복수의 정합기(72)의 각각은 복수의 고주파 전원(70) 중 대응하는 고주파 전원의 출력 임피던스와 부하측의 임피던스를 정합시키기 위한 회로를 가지고 있다. 합성기(74)는 복수의 고주파 전원(70)으로부터 복수의 정합기(72)를 거쳐 전송되는 복수의 고주파를 합성(즉, 가산)한다. 합성기(74)는 복수의 고주파를 합성함으로써 생성한 출력파(합성파)를 하부 전극(18)에 공급한다.
일실시 형태에 있어서, 고주파 전원부(60A)는 복수의 위상 검출기(76) 및 전원 제어부(78)를 더 가질 수 있다. 복수의 위상 검출기(76)는 복수의 정합기(72)와 합성기(74)의 사이에 마련되어 있다. 복수의 위상 검출기(76)의 각각은, 복수의 고주파 전원(70) 중 대응하는 고주파 전원으로부터 대응하는 정합기(72)를 거쳐 전송되는 고주파의 위상을 검출하도록 구성되어 있다. 전원 제어부(78)는 미리 설정된 위상으로 고주파를 출력시키도록 복수의 고주파 전원(70)을 제어한다. 또한, 전원 제어부(78)는 복수의 위상 검출기(76)에 의해 검출된 위상에 기초하여, 복수의 고주파 전원(70)으로부터 출력되는 고주파의 위상을 미리 설정된 위상으로 설정하도록 복수의 고주파 전원(70)을 제어한다.
이 고주파 전원부(60A)는, 상술한 출력파로서, 유사 반파 정류파를 생성한다. 즉, 고주파 전원부(60A)는 복수의 고주파의 합성에 의해, 기본 주파수의 고주파의 양의 전압 성분을 저감시킨 출력파(합성파)를 생성한다. 이에 의해, 고주파 전원부(60A)는 반파 정류 파형에 유사한 파형을 가지는 출력파(합성파)를 생성한다. 이 고주파 전원부(60A)는 복수의 고주파 전원(70)으로부터의 고주파의 전력의 손실을 억제하면서, 출력파(합성파)를 생성하는 것이 가능하다.
도 3은 도 2에 나타내는 고주파 전원부가 생성 가능한 출력파를 예시하는 도이다. 도 3에는 기본 주파수의 고주파(RF1)와 당해 기본 주파수의 2 배의 주파수를 가지는 고주파(RF2)의 합성에 의해 생성되는 출력파(합성파)의 전압이 나타나 있다. 고주파(RF1) 및 고주파(RF2)는 모두 정현파이며, 고주파(RF2)의 파고치(피크 투 피크 전압)는 고주파(RF1)의 파고치(Vpp)의 A 배이며, 고주파(RF1)와 고주파(RF2)의 위상차는 270˚이다. 도 3에서 횡축은 시간을 나타내고 있고, 종축은 출력파의 전압을 나타내고 있다. 도 3에서 0 V보다 상방의 전압은 양의 전압이며, 0 V보다 하방의 전압은 음의 전압이다. 또한, 도 3에서 기본파란 고주파(RF1), 즉 기본 주파수의 고주파를 나타내고 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 'A'가 0.23 이상 0.4 이하이면, 두 개의 고주파 전원, 즉 기본 주파수의 고주파(RF1)를 발생하는 고주파 전원과 기본 주파수의 2 배의 주파수를 가지는 고주파(RF2)를 발생하는 고주파 전원을 이용함으로써, 반파 정류 파형을 비교적 양호하게 본뜬 출력파(합성파)를 생성하는 것이 가능하다.
도 4는 다른 실시 형태에 따른 고주파 전원부를 나타내는 도이다. 도 4에 나타내는 고주파 전원부(60B)은 플라즈마 처리 장치(10)의 고주파 전원부(60)로서 채용될 수 있다. 고주파 전원부(60B)는 고주파 전원(80), 정합기(82) 및 반파 정류기(84)를 가지고 있다. 고주파 전원(80)은 기본 주파수의 고주파를 발생한다. 고주파 전원(80)에는 정합기(82)가 접속되어 있다. 정합기(82)는 고주파 전원(80)의 출력 임피던스와 부하측의 임피던스를 정합시키기 위한 회로를 가지고 있다. 또한, 정합기(82)와 하부 전극(18) 사이의 노드와 그라운드의 사이에는 반파 정류기(84)가 접속되어 있다. 반파 정류기(84)는 예를 들면 다이오드로 구성되어 있다. 다이오드의 애노드는 정합기(82)와 하부 전극(18) 사이의 노드에 접속되어 있고, 다이오드의 캐소드는 그라운드에 접속되어 있다. 또한, 다이오드의 캐소드와 그라운드의 사이에는 더미 부하(86)가 마련되어 있어도 된다. 더미 부하(86)는 고주파를 열로 변환하는 소자일 수 있다.
도 5는 고주파 전원부에 의해 생성되는 출력파를 예시하는 도이다. 도 5에서 횡축은 시간을 나타내고 있고, 종축은 출력파의 전압을 나타내고 있다. 도 5에서 0 V보다 상방의 전압은 양의 전압이며, 0 V보다 하방의 전압은 음의 전압이다. 또한 도 5에서 기본파란, 고주파 전원(80)이 출력하는 고주파이다. 고주파 전원부(60B)에서는, 고주파 전원(80)에 의해 생성되는 고주파의 전압이 양의 전압일 때, 반파 정류기(84)의 정류 작용에 의해 고주파는 그라운드로 유도된다. 한편, 고주파 전원(80)에 의해 생성되는 고주파의 전압이 음의 전압일 때는, 고주파는 하부 전극(18)에 공급된다. 따라서, 고주파 전원부(60B)에 의하면, 도 5에 나타내는 반파 정류 파형을 가지는 출력파, 즉 양의 전압 성분이 대략 완전하게 제거된 출력파(반파)를 생성하는 것이 가능하다.
이상 설명한 플라즈마 처리 장치(10)에 의하면, 양의 전압 성분을 저하시킨 출력파가 하부 전극(18)에 공급되므로, 챔버(12c) 내에서 생성되는 플라즈마의 전위가 낮아진다. 따라서, 플라즈마와 챔버 본체(12) 사이의 전위차가 낮아진다. 결과적으로, 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지가 낮아진다. 따라서, 챔버 본체(12)로부터의 파티클의 발생이 억제된다. 또한, 고주파 전원부(60)의 출력파의 주파수(기본 주파수)를 낮게 함으로써, 챔버 본체에 조사되는 이온의 에너지를 낮게 하면서, 피가공물에 조사되는 이온의 에너지를 높이는 것이 가능하다.
이하, 실시 형태의 플라즈마 처리 장치의 평가를 위하여 행한 몇 개의 시뮬레이션에 대하여 설명한다. 이하에 설명하는 시뮬레이션에서는, 고주파 전원부(60) 및 제 1 고주파 전원(62)이 하부 전극(18)에 접속되고, 고주파 전원부(60)로서 고주파 전원부(60B)를 가지는 플라즈마 처리 장치에 관한 계산을 행했다.
먼저, 시뮬레이션#1 및 시뮬레이션#2에 대하여 설명한다. 시뮬레이션#1 및 시뮬레이션#2에서는 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED : Ion Energy Distribution) 및 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED)를 구했다. 시뮬레이션#1에서는, 고주파 전원부(60)으로부터 400 kHz의 기본 주파수의 출력파(LF1)(반파)가 하부 전극에 공급되는 설정으로 계산을 행했다. 시뮬레이션#2에서는 400 kHz의 주파수의 고주파(LF2)(정현파)가 하부 전극에 공급되는 설정으로 계산을 행했다. 또한, 시뮬레이션#1에 있어서의 출력파(LF1)(반파)의 Vpp 및 시뮬레이션#2에 있어서의 고주파(LF2)(정현파)의 Vpp를, 쌍방의 시뮬레이션에서 피가공물(W)에 조사되는 이온의 최대 에너지가 동등하게 되도록 설정했다. 또한, 시뮬레이션#1 및 시뮬레이션#2의 그 외의 설정은 이하에 나타내는 공통의 설정이었다. 여기서, A/C비는 챔버에 면하는 애노드의 면적을 챔버에 면하는 캐소드의 면적으로 나눈 값이다.
＜시뮬레이션#1 ~ #2의 공통의 설정＞
· 챔버(12c)의 직경 : 30 mm
· 상부 전극(30)과 배치대(16) 간의 거리 : 20 mm
· 챔버(12c)의 압력 : 30 mTorr(4 Pa)
· A/C비 : 7
· 챔버(12c)에 공급되는 가스의 분자량 : 40
· 제 1 고주파 전원(62)의 고주파의 주파수 : 100 MHz
도 6의 (a)에 시뮬레이션#1에서 계산한 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포를, 도 6의 (b)에 시뮬레이션#1에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타낸다. 도 7의 (a)에 시뮬레이션#2에서 계산한 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포를, 도 7의 (b)에 시뮬레이션#2에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타낸다.
도 6의 (a) 및 도 7의 (a)에 나타내는 바와 같이, 시뮬레이션#1에서 피가공물(W)에 조사되는 이온의 최대 에너지와 시뮬레이션#2에서 피가공물(W)에 조사되는 이온의 최대 에너지는 대략 동등하다. 따라서, 고주파 전원부(60)로부터 바이어스용의 고주파로서 하부 전극(18)에 공급하는 출력파(LF1)(반파)의 Vpp를 조정함으로써, 당해 출력파(LF1)(반파)의 기본 주파수와 동일한 주파수의 정현파인 고주파(LF2)(정현파)를 하부 전극(18)에 공급하는 경우에 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지와 동등한 에너지를 가지는 이온을 피가공물(W)에 조사하는 것이 가능하다는 것이 확인되었다. 또한, 도 6의 (b)와 도 7의 (b)를 비교하면, 시뮬레이션#1에서 챔버 본체(12)에 조사된 이온의 에너지의 최대치는, 시뮬레이션#2에서 챔버 본체(12)에 조사된 이온의 에너지의 최대치보다 상당히 낮아져 있었다. 따라서, 고주파 전원부(60)로부터의 출력파(LF1)(반파)를 바이어스용의 고주파로서 하부 전극(18)에 공급함으로써, 당해 출력파(LF1)(반파)의 기본 주파수와 동일한 주파수의 정현파인 고주파(LF2)를 하부 전극(18)에 공급하는 경우에 비교하여, 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지를 크게 저하시키는 것이 가능하다는 것이 확인되었다.
이어서, 시뮬레이션#3 및 시뮬레이션#4에 대하여 설명한다. 시뮬레이션#3에서는, 시뮬레이션#1의 설정으로부터 제 1 고주파 전원(62)의 플라즈마 생성용의 고주파의 주파수를 50 MHz로 변경하여, 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED) 및 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED)를 구했다. 또한, 시뮬레이션#4에서는, 시뮬레이션#2의 설정으로부터 제 1 고주파 전원(62)의 플라즈마 생성용의 고주파의 주파수를 50 MHz로 변경하여, 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED) 및 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED)를 구했다.
도 8의 (a)에 시뮬레이션#3에서 계산한 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포를, 도 8의 (b)에 시뮬레이션#3에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타낸다. 도 9의 (a)에 시뮬레이션#4에서 계산한 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포를, 도 9의 (b)에 시뮬레이션#4에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타낸다.
도 8의 (a) 및 도 9의 (a)에 나타내는 바와 같이, 시뮬레이션#3에서 피가공물(W)에 조사된 이온의 에너지의 최대치는, 시뮬레이션#4에서 피가공물(W)에 조사된 이온의 에너지의 최대치와 동등했다. 또한, 도 8의 (b)와 도 9의 (b)를 비교하면, 시뮬레이션#3에서 챔버 본체(12)에 조사된 이온의 에너지의 최대치는, 시뮬레이션#4에서 챔버 본체(12)에 조사된 이온의 에너지의 최대치보다 상당히 낮아져 있었다. 따라서, 시뮬레이션#1 ~ #4의 결과로부터, 고주파 전원부(60)의 효과, 즉 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지의 저하를 억제하고, 또한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지를 저하시킨다고 하는 효과는, 제 1 고주파 전원(62)의 플라즈마 생성용의 고주파의 주파수에 대략 의존하지 않는 것이 확인되었다.
이어서, 시뮬레이션#5 및 시뮬레이션#6에 대하여 설명한다. 시뮬레이션#5에서는, 시뮬레이션#1과 동일한 설정으로 피가공물(W)에 입사하는 이온의 입사각을 구했다. 또한 시뮬레이션#6에서는, 시뮬레이션#2와 동일한 설정으로 피가공물(W)에 입사하는 이온의 입사각을 구했다.
도 10에 시뮬레이션#5 및 시뮬레이션#6에서 구한 이온의 입사각을 나타낸다. 도 10에서 횡축은 고주파 전원부(60)의 출력파(LF1)(반파)의 주기 및 고주파(LF2)(정현파)의 주기를 나타내고 있으며, 종축은 이온의 입사각을 나타내고 있다. 또한, 피가공물(W)에 수직으로 입사하는 이온의 입사각은 0˚이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 고주파 전원부(60)로부터의 출력파(LF1)(반파)를 바이어스용의 고주파로서 하부 전극(18)에 공급함으로써, 당해 출력파(LF1)(반파)의 기본 주파수와 동일한 주파수의 정현파인 고주파(LF2)를 하부 전극(18)에 공급하는 경우에 비교하여, 피가공물(W)에 대한 이온의 입사각을 보다 수직으로 근접시키는 것이 가능하다는 것이 확인되었다.
이어서, 시뮬레이션#7 및 시뮬레이션#8에 대하여 설명한다. 시뮬레이션#7에서는, 시뮬레이션#1의 설정으로부터 챔버(12c)에 공급되는 가스의 분자량을 160으로 변경하여, 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED) 및 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED)를 구했다. 시뮬레이션#8에서는, 시뮬레이션#2의 설정으로부터 챔버(12c)에 공급되는 가스의 분자량을 160으로 변경하여, 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED) 및 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED)를 구했다.
도 11의 (a)에 시뮬레이션#7에서 계산한 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포를, 도 11의 (b)에 시뮬레이션#7에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타낸다. 도 12의 (a)에 시뮬레이션#8에서 계산한 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포를, 도 12의 (b)에 시뮬레이션#8에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타낸다.
도 11의 (a) 및 도 12의 (a)에 나타내는 바와 같이, 시뮬레이션#7에서 피가공물(W)에 조사된 이온의 에너지의 최대치는, 시뮬레이션#8에서 피가공물(W)에 조사된 이온의 에너지의 최대치와 대략 동등했다. 또한, 도 11의 (b)와 도 12의 (b)를 비교하면, 시뮬레이션#7에서 챔버 본체(12)에 조사된 이온의 에너지의 최대치는, 시뮬레이션#8에서 챔버 본체(12)에 조사된 이온의 에너지의 최대치보다 상당히 낮아져 있었다. 따라서, 시뮬레이션#1 ~ #2 및 시뮬레이션#7 ~ #8의 결과로부터, 고주파 전원부(60)의 효과, 즉 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지의 저하를 억제하고, 또한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지를 저하시킨다고 하는 효과는 가스의 분자량에 대략 의존하지 않는 것이 확인되었다.
이어서, 시뮬레이션#9 ~ #14에 대하여 설명한다. 시뮬레이션#9 ~ #11에서는 각각, 시뮬레이션#1의 설정으로부터 A/C비를 3.5, 7, 10으로 변경하여, 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED) 및 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED)를 구했다. 시뮬레이션#12 ~ #14에서는, 시뮬레이션#2의 설정으로부터 A/C비를 3.5, 7, 10으로 변경하여, 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED) 및 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED)를 구했다. 그리고, 시뮬레이션#9 ~ #14의 각각에서, 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지의 최대치(E1)를, 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지의 최대치(E2)로 나눈 값, 즉 E1 / E2를 구했다. 또한, E1 / E2가 클수록, 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지가 높고, 또한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지는 낮다. 또한, 일반적으로는 A/C비가 작을수록 플라즈마의 전위가 높아지므로, E1 / E2는 작아지는 경향이 있다.
시뮬레이션#9 ~ #14의 결과를, 도 13의 표에 나타낸다. 도 13에 나타내는 바와 같이, 시뮬레이션#9 ~ #11에서 구한 E1 / E2는, 시뮬레이션#12 ~ #14에서 구한 E1 / E2보다 상당히 컸다. 즉, 하부 전극(18)에 공급하는 바이어스용의 고주파로서 고주파 전원부(60)로부터의 출력파(LF1)(반파)를 이용한 시뮬레이션#9 ~ #11에서는, 당해 출력파(LF1)(반파)의 기본 주파수와 동일한 주파수의 정현파인 고주파(LF2)를 하부 전극(18)에 공급하는 경우(시뮬레이션#12 ~ #14)에 비교하여, E1 / E2는 상당히 컸다. 따라서, 고주파 전원부(60)의 효과, 즉 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지의 저하를 억제하고, 또한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지를 저하시킨다고 하는 효과는, A/C비가 상당히 작아도 발휘되는 것이 확인되었다. 이로부터, A/C비를 크게 하는 것이 곤란한 플라즈마 처리 장치, 예를 들면 플라즈마 생성용의 고주파가 상부 전극(30)에 공급되는 플라즈마 처리 장치에 있어서도, 고주파 전원부(60)의 효과가 발휘되는 것이 확인되었다.
이어서, 시뮬레이션#15 ~ 시뮬레이션#30에 대하여 설명한다. 시뮬레이션#15 ~ 시뮬레이션#18에서는, 시뮬레이션#1의 설정으로부터 고주파 전원부(60)의 출력파(LF1)(반파)의 기본 주파수를 0.4 MHz, 0.8 MHz, 1.6 MHz, 3.2 MHz로 각각 변경하여, 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지의 최대치(Eh)를 구했다. 시뮬레이션#19 ~ #22에서는, 시뮬레이션#1의 설정으로부터 가스의 분자량을 160으로 변경하고, 고주파 전원부(60)의 출력파(LF1)(반파)의 기본 주파수를 0.4 MHz, 0.8 MHz, 1.6 MHz, 3.2 MHz로 각각 변경하여, 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지의 최대치(Eh)를 구했다. 시뮬레이션#23 ~ 시뮬레이션#26에서는, 시뮬레이션#2의 설정으로부터 고주파(LF2)(정현파)의 주파수를 0.4 MHz, 0.8 MHz, 1.6 MHz, 3.2 MHz로 각각 변경하여, 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지의 최대치(Ef)를 구했다. 시뮬레이션#27 ~ 시뮬레이션#30에서는, 시뮬레이션#2의 설정으로부터 가스의 분자량을 160으로 변경하고, 고주파(LF2)(정현파)의 주파수를 0.4 MHz, 0.8 MHz, 1.6 MHz, 3.2 MHz로 각각 변경하여, 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지의 최대치(Ef)를 구했다. 그리고, 시뮬레이션#15의 Eh를 시뮬레이션#23의 Ef로 나눈 값, 시뮬레이션#16의 Eh를 시뮬레이션#24의 Ef로 나눈 값, 시뮬레이션#17의 Eh를 시뮬레이션#25의 Ef로 나눈 값, 시뮬레이션#18의 Eh를 시뮬레이션#26의 Ef로 나눈 값, 시뮬레이션#19의 Eh를 시뮬레이션#27의 Ef로 나눈 값, 시뮬레이션#20의 Eh를 시뮬레이션#28의 Ef로 나눈 값, 시뮬레이션#21의 Eh를 시뮬레이션#29의 Ef로 나눈 값 및 시뮬레이션#22의 Eh를 시뮬레이션#30의 Ef로 나눈 값을 구했다.
도 14에 결과를 나타낸다. 도 14의 그래프에서 횡축은 출력파(LF1)(반파)의 기본 주파수 및 고주파(LF2)(정현파)의 주파수를 나타내고 있으며, 종축은 Eh / Ef를 나타내고 있다. 또한, Eh / Ef가 1보다 작으면, 고주파 전원부(60)의 효과가 발휘되고 있다. 즉, Eh / Ef가 1보다 작으면, 고주파 전원부(60)로부터의 출력파(LF1)(반파)를 바이어스용의 고주파로서 하부 전극(18)으로 공급함으로써, 당해 출력파의 기본 주파수와 동일한 주파수의 정현파인 고주파(LF2)를 하부 전극(18)에 공급하는 경우에 비교하여, 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지가 저하되어 있다. 도 14를 참조하면, 바이어스용의 출력파의 기본 주파수가 1.4 MHz 이하일 때, 고주파 전원부(60)의 효과가 유리하게 발휘되는 것이 확인되었다.
이하, 실시 형태의 플라즈마 처리 장치의 평가를 위하여 행한 시뮬레이션#31 및 시뮬레이션#32에 대하여 설명한다. 시뮬레이션#31 및 시뮬레이션#32에서는, 고주파 전원부(60) 및 제 1 고주파 전원(62)이 하부 전극(18)에 접속되고, 고주파 전원부(60)로서 고주파 전원부(60A)를 가지는 플라즈마 처리 장치에 관한 계산을 행했다. 시뮬레이션#31 및 시뮬레이션#32에 있어서는, 고주파 전원부(60)로부터의 출력파로서 기본 주파수(400 kHz)의 고주파(RF1)와, 당해 기본 주파수의 2 배의 주파수(800 kHZ)를 가지고 또한 고주파(RF1)의 파고치의 A 배의 파고치를 가지는 고주파(RF2)와의 합성에 의해 생성되는 출력파(합성파)를 이용했다. 고주파(RF1)와 고주파(RF2)의 위상차는 270˚였다. 시뮬레이션#31에서는, 고주파(RF2)의 파고치는 고주파(RF1)의 파고치의 0.23 배이며, 시뮬레이션#32에서는, 고주파(RF2)의 파고치는 고주파(RF1)의 파고치의 0.4 배였다. 시뮬레이션#31 및 시뮬레이션#32에서는, 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED) 및 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED)를 구했다. 또한, 시뮬레이션#31 및 시뮬레이션#32의 그 외의 설정은 이하에 나타내는 공통의 설정이었다.
＜시뮬레이션#31 ~ #32의 공통의 설정＞
· 챔버(12c)의 직경 : 30 mm
· 상부 전극(30)과 배치대(16) 간의 거리 : 20 mm
· 챔버(12c)의 압력 : 30 mTorr(4 Pa)
· A/C비 : 7
· 챔버(12c)에 공급되는 가스의 분자량 : 40
· 제 1 고주파 전원(62)의 고주파의 주파수 : 100 MHz
도 15의 (a)에 시뮬레이션#31에서 계산한 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포를, 도 15의 (b)에 시뮬레이션#31에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타낸다. 도 16의 (a)에 시뮬레이션#32에서 계산한 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포를, 도 16의 (b)에 시뮬레이션#32에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타낸다.
도 7의 (a), 도 15의 (a) 및 도 16의 (a)에 나타내는 바와 같이, 시뮬레이션#31에서 피가공물(W)에 조사된 이온의 에너지의 최대치 및 시뮬레이션#32에서 피가공물(W)에 조사된 이온의 에너지의 최대치는, 시뮬레이션#2에서 피가공물(W)에 조사된 이온의 에너지의 최대치와 동등했다. 또한, 도 7의 (b), 도 15의 (b) 및 도 16의 (b)를 비교하면, 시뮬레이션#31에서 챔버 본체(12)에 조사된 이온의 에너지의 최대치 및 시뮬레이션#32에서 챔버 본체(12)에 조사된 이온의 에너지의 최대치는, 시뮬레이션#2에서 챔버 본체(12)에 조사된 이온의 에너지의 최대치보다 상당히 낮아져 있었다. 따라서, 고주파 전원부(60A)가 채용되는 경우에도, 고주파 전원부(60)의 효과, 즉 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지의 저하를 억제하고, 또한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지를 저하시킨다고 하는 효과가 발휘되는 것이 확인되었다.
이하, 고주파 전원부(60)로서 채용될 수 있는 몇 개의 다른 고주파 전원부에 대하여 설명한다. 이하에 설명하는 몇 개의 다른 고주파 전원부는, 제 1 출력파 또는 제 2 출력파를 선택적으로 출력하도록 구성되어 있다. 제 1 출력파는 기본 주파수의 고주파의 양의 전압 성분을 저감시킨 출력파이다. 제 2 출력파는 기본 주파수의 고주파의 음의 전압 성분을 저감시킨 출력파이다.
도 17은 또 다른 실시 형태에 따른 고주파 전원부를 나타내는 도이다. 도 17에 나타내는 고주파 전원부(60C)는 플라즈마 처리 장치(10)의 고주파 전원부(60)로서 채용될 수 있다. 고주파 전원부(60C)는 전원 제어부(78) 대신에 전원 제어부(78C)를 가지는 점에 있어서 고주파 전원부(60A)와 상이하다.
고주파 전원부(60C)는 제 1 출력파 또는 제 2 출력파를 선택적으로 출력하도록 구성되어 있다. 제 1 출력파는 고주파 전원부(60A)에 의해 생성되는 상술한 출력파와 동일한 출력파, 즉 복수의 고주파 전원(70)으로부터 출력되는 복수의 고주파의 합성에 의해 생성되는 출력파(합성파)이며, 기본 주파수의 고주파의 양의 전압 성분을 저감시킨 출력파이다. 제 2 출력파는 복수의 고주파 전원(70)으로부터 출력되는 복수의 고주파의 합성에 의해 생성되는 출력파(합성파)이며, 기본 주파수의 고주파의 음의 전압 성분을 저감시킨 출력파이다.
전원 제어부(78C)는 제어부(Cnt)에 의해 제어된다. 전원 제어부(78C)는 제어부(Cnt)로부터 제 1 출력파를 발생하도록 제어되어 있는 경우에는, 제 1 출력파의 생성을 위하여, 당해 제 1 출력파용으로 미리 설정된 위상으로 고주파를 출력시키도록, 복수의 고주파 전원(70)을 제어한다. 또한, 전원 제어부(78C)는 복수의 위상 검출기(76)에 의해 검출된 위상에 기초하여, 복수의 고주파 전원(70)으로부터 출력되는 고주파의 위상을 제 1 출력파용으로 미리 설정된 위상으로 설정하도록 복수의 고주파 전원(70)을 제어한다.
또한, 기본 주파수의 고주파(RF1)와 당해 기본 주파수의 2 배의 주파수를 가지는 고주파(RF2)의 합성에 의해 제 1 출력파(합성파)를 생성하는 경우에는, 고주파(RF1)와 고주파(RF2)의 위상차는 270˚로 설정되고, 고주파(RF2)의 파고치는 고주파(RF1)의 파고치의 A 배의 파고치로 설정된다. 'A'는 0.23 이상 0.4 이하로 설정된다.
또한, 전원 제어부(78C)는 제어부(Cnt)로부터 제 2 출력파를 발생하도록 제어되어 있는 경우에는, 제 2 출력파의 생성을 위하여, 당해 제 2 출력파용으로 미리 설정된 위상으로 고주파를 출력시키도록, 복수의 고주파 전원(70)을 제어한다. 또한, 전원 제어부(78C)는 복수의 위상 검출기(76)에 의해 검출된 위상에 기초하여, 복수의 고주파 전원(70)으로부터 출력되는 고주파의 위상을 제 2 출력파용으로 미리 설정된 위상으로 설정하도록, 복수의 고주파 전원(70)을 제어한다.
도 18은 도 17에 나타내는 고주파 전원부가 생성 가능한 출력파를 예시하는 도이다. 도 18에는 기본 주파수의 고주파(RF1)와 당해 기본 주파수의 2 배의 주파수를 가지는 고주파(RF2)의 합성에 의해 생성되는 제 2 출력파(합성파)의 전압이 나타나 있다. 고주파(RF1) 및 고주파(RF2)는 모두 정현파이며, 고주파(RF2)의 파고치(피크 투 피크 전압)는 고주파(RF1)의 파고치(Vpp)의 A 배이며, 고주파(RF1)와 고주파(RF2)의 위상차는 90˚이다. 도 18에서 횡축은 시간을 나타내고 있고, 종축은 제 2 출력파의 전압을 나타내고 있다. 도 18에 있어서, 0 V보다 상방의 전압은 양의 전압이며, 0 V보다 하방의 전압은 음의 전압이다. 또한 도 18에 있어서, 기본파란 고주파(RF1), 즉 기본 주파수의 고주파를 나타내고 있다. 도 18에 나타내는 바와 같이, 'A'가 0.23 이상 0.4 이하이면, 고주파 전원부(60C)는 두 개의 고주파 전원, 즉 기본 주파수의 고주파(RF1)를 발생하는 고주파 전원과 기본 주파수의 2 배의 주파수를 가지는 고주파(RF2)를 발생하는 고주파 전원을 이용함으로써, 음의 전압 성분을 제거한 반파 정류 파형을 비교적 양호하게 본뜬 제 2 출력파(합성파)를 생성하는 것이 가능하다.
도 19는 또 다른 실시 형태에 따른 고주파 전원부를 나타내는 도이다. 도 19에 나타내는 고주파 전원부(60D)는 플라즈마 처리 장치(10)의 고주파 전원부(60)로서 채용될 수 있다. 고주파 전원부(60D)는 반파 정류기(85), 스위치(88) 및 스위치(89)를 더 구비하고 있는 점에 있어서 고주파 전원부(60B)와 상이하다.
고주파 전원부(60D)는, 제 1 출력파 또는 제 2 출력파를 선택적으로 출력하도록 구성되어 있다. 제 1 출력파는 고주파 전원부(60B)에 의해 생성되는 상술한 출력파와 동일한 출력파, 즉 고주파 전원(80)으로부터 출력되는 고주파의 양의 전압 성분을 대략 제거한 출력파(반파)이다. 제 2 출력파는 고주파 전원(80)으로부터 출력되는 고주파의 음의 전압 성분을 대략 제거한 출력파(반파)이다.
고주파 전원부(60D)에서는, 정합기(82)와 하부 전극(18) 사이의 노드(N1)와 반파 정류기(84)의 사이에 스위치(88)가 마련되어 있다. 스위치(88)는, 예를 들면 전계 효과 트랜지스터(FET)로 구성된다. 또한, 고주파 전원부(60D)에서는 정합기(82)와 하부 전극(18) 사이의 다른 노드(N2)와 그라운드의 사이에 반파 정류기(85)가 접속되어 있다. 반파 정류기(85)는 예를 들면 다이오드로 구성되어 있다. 다이오드의 애노드는 그라운드에 접속되어 있고, 다이오드의 캐소드는 스위치(89)를 개재하여 노드(N2)에 접속되어 있다. 스위치(89)는 예를 들면 전계 효과 트랜지스터(FET)로 구성된다. 또한, 반파 정류기(85)의 다이오드의 애노드와 그라운드의 사이에는 더미 부하(87)가 마련되어 있어도 된다. 더미 부하(87)는 고주파를 열로 변환하는 소자일 수 있다.
스위치(88) 및 스위치(89)는 제어부(Cnt)에 의해 제어된다. 구체적으로, 고주파 전원부(60D)에서 제 1 출력파를 출력시키는 경우에는, 노드(N1)와 반파 정류기(84)를 도통시키고, 노드(N2)와 반파 정류기(85)의 접속을 절단하도록 스위치(88) 및 스위치(89)가 제어된다. 또한, 고주파 전원부(60D)에 제 2 출력파를 출력시키는 경우에는, 노드(N1)와 반파 정류기(84)의 접속을 절단하고, 노드(N2)와 반파 정류기(85)를 도통시키도록 스위치(88) 및 스위치(89)가 제어된다.
도 20은 도 19에 나타내는 고주파 전원부에 의해 생성되는 제 2 출력파를 예시하는 도이다. 도 20에서 횡축은 시간을 나타내고 있고, 종축은 제 2 출력파의 전압을 나타내고 있다. 도 20에서 0 V보다 상방의 전압은 양의 전압이며, 0 V보다 하방의 전압은 음의 전압이다. 또한 도 20에서, 기본파란 고주파 전원(80)이 출력하는 고주파이다. 제 2 출력파를 발생하도록 제어된 고주파 전원부(60D)에서는, 고주파 전원(80)에 의해 생성되는 고주파의 전압이 음의 전압일 때, 반파 정류기(85)의 정류 작용에 의해 고주파는 그라운드로 유도된다. 한편, 고주파 전원(80)에 의해 생성되는 고주파의 전압이 양의 전압일 때는, 고주파는 하부 전극(18)으로 공급된다. 따라서, 고주파 전원부(60D)에 의하면, 도 20에 나타내는 반파 정류 파형을 가지는 제 2 출력파, 즉 음의 전압 성분이 대략 완전하게 제거된 출력파(반파)를 생성하는 것이 가능하다.
이하, 실시 형태의 플라즈마 처리 장치의 평가를 위하여 행한 시뮬레이션#33 및 시뮬레이션#34에 대하여 설명한다. 시뮬레이션#33 및 시뮬레이션#34에서는, 고주파 전원부(60) 및 제 1 고주파 전원(62)이 하부 전극(18)에 접속되고, 고주파 전원부(60)로서 고주파 전원부(60D)를 가지는 플라즈마 처리 장치에 관한 계산을 헹했다. 시뮬레이션#33 및 시뮬레이션#34에서는, 고주파 전원부(60)로부터 400 kHz의 기본 주파수의 제 2 출력파(반파)가 하부 전극으로 공급되는 설정으로 계산을 행했다. 또한 시뮬레이션#33에서는, 시뮬레이션#2에서 피가공물(W)에 조사된 이온의 최대 에너지와 대략 동일한 에너지의 이온이 피가공물(W)에 조사되도록, 제 2 출력파의 Vpp(파고치)를 설정했다. 시뮬레이션#34에서는, 제 2 출력파의 Vpp를 시뮬레이션#33의 제 2 출력파의 Vpp보다 낮은 Vpp로 설정했다. 시뮬레이션#33 및 시뮬레이션#34에서는 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED) 및 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포(IED)를 구했다. 또한, 시뮬레이션#33 및 시뮬레이션#34의 그 외의 설정은 이하에 나타내는 공통의 설정이었다.
＜시뮬레이션#33 ~ #34의 공통의 설정＞
· 챔버(12c)의 직경 : 30 mm
· 상부 전극(30)과 배치대(16) 간의 거리 : 20 mm
· 챔버(12c)의 압력 : 30 mTorr(4 Pa)
· A/C비 : 7
· 챔버(12c)에 공급되는 가스의 분자량 : 40
· 제 1 고주파 전원(62)의 고주파의 주파수 : 100 MHz
도 21의 (a)에 시뮬레이션#33에서 계산한 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포를, 도 21의 (b)에 시뮬레이션#33에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타낸다. 도 22의 (a)에 시뮬레이션#34에서 계산한 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지 분포를, 도 22의 (b)에 시뮬레이션#34에서 계산한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지 분포를 나타낸다.
시뮬레이션#33에서 상술한 바와 같이 제 2 출력파의 Vpp(파고치)를 설정했으므로, 도 7의 (a) 및 도 21의 (a)에 나타내는 바와 같이, 시뮬레이션#33에서 피가공물(W)에 조사되는 이온의 최대 에너지는, 시뮬레이션#2에서 피가공물(W)에 조사되는 이온의 최대 에너지와 대략 동등했다. 한편, 도 7의 (b)와 도 21의 (b)를 비교하면, 시뮬레이션#33에서 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지는, 시뮬레이션#2에서 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지보다 상당히 커져 있었다. 따라서, 고주파 전원부(60)로부터의 제 2 출력파를 바이어스용의 고주파로서 하부 전극(18)으로 공급함으로써, 당해 제 2 출력파의 기본 주파수와 동일한 주파수의 정현파인 고주파를 하부 전극(18)으로 공급하는 경우에 비교하여, 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지를 크게 하는 것이 가능하다는 것이 확인되었다.
또한, 도 7의 (a) 및 도 22의 (a)에 나타내는 바와 같이, 시뮬레이션#34에서 피가공물(W)에 조사되는 이온의 최대 에너지는 시뮬레이션#2에서 피가공물(W)에 조사되는 이온의 최대 에너지보다 상당히 작아져 있었다. 한편, 도 7의 (b)와 도 22의 (b)를 비교하면, 시뮬레이션#34에서 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지는, 시뮬레이션#2에서 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지보다 상당히 커져 있었다. 따라서, 고주파 전원부(60)로부터의 제 2 출력파를 바이어스용의 고주파로서 하부 전극(18)에 공급함으로써, 피가공물(W)에 조사되는 이온의 에너지를 작게 하고, 또한 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지를 크게 하는 것이 가능하다는 것이 확인되었다.
이상의 시뮬레이션#33 및 시뮬레이션#34의 결과로부터, 제 2 출력파의 이용에 의해, 배치대(16)에 조사되는 이온의 에너지를 억제하면서, 챔버 본체(12)에 조사되는 이온의 에너지를 높이는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다. 따라서 제 2 출력파는, 예를 들면 웨이퍼리스 드라이클리닝, 즉 배치대(16) 상에 더미 웨이퍼를 배치하지 않고 행해지는 챔버 본체(12)의 내벽면의 클리닝에 이용 가능하다.
이상, 각종 실시 형태에 대하여 설명했지만, 상술한 실시 형태에 한정되지 않고 각종 변형 태양을 구성 가능하다. 예를 들면, 플라즈마 처리 장치(10)는 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치였지만, 고주파 전원부(60)는 유도 결합의 플라즈마 처리 장치 또는 마이크로파와 같은 표면파를 이용하는 플라즈마 처리 장치에서도 이용하는 것이 가능하다.
또한, 고주파 전원부(60C) 및 고주파 전원부(60D)는 제 1 출력파 또는 제 2 출력파를 선택적으로 출력하도록 구성되어 있었지만, 제 2 출력파만을 출력하도록 구성되어 있어도 된다. 제 2 출력파만을 출력하도록 구성되는 경우에, 고주파 전원부(60D)로부터는 반파 정류기(84), 더미 부하(86), 스위치(88) 및 스위치(89)가 제거되고, 반파 정류기(85)는 노드(N2)에 직접적으로 접속된다.
10 : 플라즈마 처리 장치
12 : 챔버 본체
12c : 챔버
16 : 배치대
18 : 하부 전극
20 : 정전 척
30 : 상부 전극
50 : 배기 장치
60 : 고주파 전원부
62 : 제 1 고주파 전원
64 : 제 2 고주파 전원
60A : 고주파 전원부
70 : 고주파 전원
72 : 정합기
74 : 합성기
76 : 위상 검출기
78 : 전원 제어부
60B : 고주파 전원부
80 : 고주파 전원
82 : 정합기
84 : 반파 정류기

Claims (10)

  1. 플라즈마 처리 챔버와,
    하부 전극을 갖고, 상기 플라즈마 처리 챔버 내에 마련된 배치대와,
    상기 하부 전극의 상부에 설치된 상부 전극과,
    상기 상부 전극에 접속된 플라즈마 생성용의 고주파 전원과,
    상기 하부 전극에 공급되는 바이어스용 출력파를 생성하는 바이어스용 고주파 전원부와,
    전원 제어부
    를 구비하고,
    상기 바이어스용 고주파 전원부는,
    기본 주파수의 n 배 또는 2n 배의 서로 상이한 주파수를 가지는 복수의 고주파를 각각 발생하는 복수의 바이어스용 고주파 전원이며, n은 1 이상의 정수인, 상기 복수의 바이어스용 고주파 전원과,
    상기 복수의 바이어스용 고주파 전원에 각각 접속되는 복수의 정합기와,
    상기 복수의 정합기에 각각 접속되는 위상 검출기와,
    상기 복수의 바이어스용 고주파 전원으로부터 발생되는 상기 복수의 고주파를 합성하여 상기 출력파를 생성하는 합성기를 포함하고,
    상기 전원 제어부는 상기 위상 검출기에 의해 검출된 위상에 기초하여 상기 복수의 바이어스용 고주파 전원을 제어하는,
    플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기본 주파수는 1.4 MHz 이하인, 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전원 제어부는,
    상기 위상 검출기에 의해 검출되는 위상에 기초하여, 상기 기본 주파수의 고주파의 양의 전압 성분을 저감시킨 상기 출력파를 생성하도록 상기 복수의 바이어스용 고주파 전원을 제어하는, 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전원 제어부는,
    상기 위상 검출기에 의해 검출되는 위상에 기초하여, 상기 기본 주파수의 고주파의 음의 전압 성분을 저감시킨 상기 출력파를 생성하도록 상기 복수의 바이어스용 고주파 전원을 제어하는, 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 전원 제어부는,
    상기 위상 검출기에 의해 검출되는 위상에 기초하여, 상기 복수의 바이어스용 고주파 전원으로부터 출력되는 고주파의 위상을 미리 설정된 위상으로 설정하는, 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 전원 제어부는,
    상기 위상 검출기에 의해 검출되는 위상에 기초하여, 상기 복수의 바이어스용 고주파 전원으로부터 출력되는 고주파의 위상을 미리 설정된 위상으로 설정하는, 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 제어부는,
    상기 바이어스용 고주파 전원부로부터 상기 기본 주파수의 상기 출력파가 상기 하부 전극에 공급될 때 상기 플라즈마 처리 챔버에 조사되는 이온의 에너지의 최대치를 Eh로 하고, 상기 바이어스용 고주파 전원부로부터 상기 기본 주파수의 상기 고주파가 상기 하부 전극에 공급될 때 상기 플라즈마 처리 챔버에 조사되는 이온의 에너지의 최대치를 Ef로 할 때, Eh / Ef가 1보다 작아지도록, 상기 기본 주파수를 설정하는, 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 제어부는,
    상기 기본 주파수의 고주파와 상기 기본 주파수의 2배의 주파수를 가지는 고주파의 합성에 의해 상기 출력파를 생성하는 경우, 상기 기본 주파수의 2배의 주파수를 가지는 고주파의 파고치는 상기 기본 주파수의 고주파의 파고치의 A 배이며, 상기 A는 0.23 이상 0.4 이하가 되도록 설정하는, 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 전원 제어부는,
    상기 바이어스용 고주파 전원부로부터 상기 기본 주파수의 상기 출력파가 상기 하부 전극에 공급될 때 상기 플라즈마 처리 챔버에 조사되는 이온의 에너지의 최대치를 Eh로 하고, 상기 바이어스용 고주파 전원부로부터 상기 기본 주파수의 상기 고주파가 상기 하부 전극에 공급될 때 상기 플라즈마 처리 챔버에 조사되는 이온의 에너지의 최대치를 Ef로 할 때, Eh / Ef가 1보다 작아지도록, 상기 기본 주파수를 설정하는, 플라즈마 처리 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 전원 제어부는,
    상기 기본 주파수의 고주파와 상기 기본 주파수의 2배의 주파수를 가지는 고주파의 합성에 의해 상기 출력파를 생성하는 경우, 상기 기본 주파수의 2배의 주파수를 가지는 고주파의 파고치는 상기 기본 주파수의 고주파의 파고치의 A 배이며, 상기 A는 0.23 이상 0.4 이하가 되도록 설정하는, 플라즈마 처리 장치.
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