JP2005142568A - ヘリカル共振器型のプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヘリカル共振器型のプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】 処理基板を支持する基板ホルダーを有する工程チャンバーと、工程チャンバーの内部と連通されるように工程チャンバーの上部に設置される誘電体管と、誘電体管の周りに巻かれた螺旋コイルと、螺旋コイルにＲＦ電力を供給するためのＲＦ電源と、を備えるプラズマ処理装置である。前記誘電体管は、内部管と外部管とよりなる二重管形態を有し、前記外部管には内部管と外部管間の空間にプラズマソースガスを供給するためのソースガス供給口が形成される。前記誘電体管の内部にはプラズマの電位を制御するための制御電極が設置される。このような構成によれば、処理基板の半径方向に沿ってプラズマの密度分布をさらに均一にでき、プラズマの電位も容易に制御しうる。
【選択図】 図３

Description

本発明はプラズマ処理装置に係り、さらに詳細には螺旋コイルを利用したヘリカル共振器型のプラズマ処理装置に関する。

現在、半導体素子や平板ディスプレイ装置の製造のための基板の微細加工工程にはプラズマを応用した技術が多く利用されている。すなわち、プラズマは、半導体素子製造用ウェーハやＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）製造用基板の表面をエッチングするか、またはその表面上に所定の物質膜を蒸着するところに広く使われている。これにより、それぞれの工程に適したプラズマ処理装置の開発は半導体素子及び平板ディスプレイ装置の製造並びにそれに必要な装置の開発において核心的な要素となっている。

最近の半導体技術の飛躍的な発展によって半導体素子の集積度は急激に高まっており、半導体素子の製造工程の効率を高めるために半導体素子の製造に使われるウェーハのサイズも大口径化している。このような半導体産業の傾向に対応するためには、薄膜蒸着とエッチング工程とに使われるプラズマの均一度の確保が必須的である。これにより、低温状態で高密度、高均一のプラズマを安定的に得るための試みとして、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）、電子サイクロトロン共振（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）、へリコンプラズマを始めとして、ヘリカル共振器型プラズマに基づく多くの研究が活発に進められている。

前述した複数のプラズマ発生機構中に低温の高密度プラズマを放電及び維持するためのソースとしてヘリカル共振器が適しているという多くの研究結果が発表されている。特に、ヘリカル共振器の構造的な特性によるイオン粒子の直進性は、エッチング装置としての応用性をさらに高める。しかし、このような長所にも拘わらず、ヘリカル共振器型プラズマソースが現在の半導体工程、例えば、薄膜蒸着及びエッチング工程に広く使用できずにいることは工程チャンバーの内部で半径方向へのプラズマ均一度が確保し難いためである。

図１は、従来のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置の概略的な構成を示す図面であり、図２は、従来のプラズマ処理装置において、工程チャンバー内のウェーハの付近でのプラズマ密度分布を表すグラフである。

図１を参照すれば、一般的に石英より作られた誘電体管１０の周りには螺旋コイル２０が巻かれている。誘電体管１０の上部にはプラズマソースガスが流入されるガス流入口１２が形成されている。螺旋コイル２０の下端部は接地されており、上部は開放されている。螺旋コイル２０の所定位置にはタップ２２が設けられており、このタップ２２には整合回路２４を通じてＲＦ電源２６が連結されている。螺旋コイル２０の周りには金属シリンダー３０が配置される。金属シリンダー３０、螺旋コイル２０及び誘電体管１０は、工程チャンバー４０上に同軸的に配置されている。工程チャンバー４０の内部は真空状態に維持され、このために工程チャンバー４０の底壁には真空ポンプ４９に連結される真空吸入口４８が形成されている。工程チャンバー４０の内部の下側には処理される基板、例えばウェーハＷを支持するウェーハホルダー４２が設けられている。このウェーハホルダー４２にはバイアス電力を印加するためのＲＦ電源４６が整合回路４４を通じて連結される。

前記ガス流入口１２を通じて誘電体管１０の内部にプラズマソースガスが供給され、ＲＦ電源２６から生成されたＲＦ電力が整合回路２４とタップ２２とを通じて螺旋コイル２０に供給されれば、誘電体管１０の内部には高密度のプラズマが生成される。このように生成されたプラズマは、工程チャンバー４０の内部に広がってウェーハＷの表面との化学反応過程を通じてウェーハＷの表面をエッチングするか、またはウェーハＷの表面に所定の物質層を蒸着する。

プラズマは、さらに小径の誘電体管１０の内部から生成され、これより大径の工程チャンバー４０の内部に導入される。一旦、高密度のプラズマが工程チャンバー４０の内部に導入されれば、プラズマはウェーハＷ側への垂直移動と共にウェーハＷの半径方向にもある程度広がる。しかし、図２に示されたように、プラズマの半径方向の拡散にも拘わらず、ヘリカル共振器の特性であるプラズマの直進性によってウェーハＷの中心部位でプラズマの密度が最も高く、ウェーハＷのエッジ部位ではプラズマの密度が低くなる。すなわち、ウェーハＷの半径方向に沿って不均一なプラズマ密度分布が形成される。

前記のように、従来のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置は、プラズマ密度分布の均一度を確保し難い問題点を有している。特に、このような問題点は、ウェーハＷの大口径化によってさらにはなはだしくなる。このようにプラズマ密度分布が不均一になれば、ウェーハＷのエッチング深さやウェーハＷの表面に蒸着される物質膜の厚さに差が発生する。これは半導体素子の品質や歩留まりを顕著に落とす。

一方、生成されたプラズマの電位は、工程の種類や条件によって適切に調節される必要がある。例えば、ウェーハホルダー４２に連結されたＲＦ電源４６からウェーハＷ自体に比較的高いバイアス電位が印加されれば、高縦横比を有する薄膜の端部に電界が集中してその部位がプラズマによってかなり削られるクリッピング現象が発生する。したがって、高縦横比を有する薄膜のエッチング工程では、このようなクリッピング現象を防止するためにバイアス電位は低める代わりにプラズマの電位は高める必要がある。一方、ナノ単位の薄膜蒸着やエッチング工程では、工程の精密度のためにプラズマの電位を低く維持する必要がある。しかし、従来のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置においては、このようなプラズマの電位制御が難しく工程の種類や条件に適切に対応できないという短所がある。

したがって、プラズマ処理装置の開発において、高いプラズマ密度の維持と共にプラズマ密度分布の均一度及びプラズマの電位制御の容易性は最優先的に確保されなければならない要素技術である。

本発明は前記従来の技術の問題点を解決するために創出されたものであって、特に、処理される基板の近くでプラズマ密度分布の均一度を向上させ、プラズマの電位を容易に制御できる構造を有するヘリカル共振器型のプラズマ処理装置を提供するところにその目的がある。

前記目的を達成するために本発明は、処理基板を支持する基板ホルダーを有する工程チャンバーと、前記工程チャンバーの内部と連通されるように前記工程チャンバーの上部に設置されるものであって、内部管と前記内部管を取り囲む外部管とよりなる二重管形態を有し、前記外部管に前記内部管と外部管間の空間にプラズマソースガスを供給するためのソースガス供給口が形成された誘電体管と、前記誘電体管の外部管の周りに巻かれた螺旋コイルと、前記螺旋コイルにＲＦ電力を供給するためのＲＦ電源と、を備えるヘリカル共振器型のプラズマ処理装置を提供する。

ここで、本発明によるヘリカル共振器型のプラズマ処理装置は、前記誘電体管の内部に設置されて前記誘電体管の内部に生成されたプラズマの電位を制御するための制御電極と、前記制御電極に所定の電位を印加するための可変ＤＣ電源と、をさらに備えうる。

前記制御電極は、前記内部管の上部と前記外部管の上部間に配置されることが望ましい。

前記制御電極は、前記ソースガス供給口の下側に配置され、プラズマソースガスが通過できるように複数の孔を有することが望ましい。

前記誘電体管の下端部には複数の孔が形成されたプラズマ分配板が配置されることが望ましい。この場合、前記プラズマ分配板は、前記誘電体管の内部管と外部管間の空間に対応するリング状を有することが望ましい。

前記螺旋コイルの一端は接地され、他端は電気的に開放され、開放された前記他端はセラミックで巻かれることが望ましい。

前記螺旋コイルには複数のタップが相異なる位置に設けられ、前記複数のタップと前記ＲＦ電源間にはスイッチが設けられて、前記複数のタップに選択的にＲＦ電力が印加されることが望ましい。この場合、前記複数のタップは、前記螺旋コイルの２回のターンごとに一つずつ設けられうる。

前記螺旋コイルは、四角形の断面状を有することが望ましい。

前記螺旋コイルの周りには金属シリンダーが設置されうる。この場合、前記金属シリンダーの内部には前記螺旋コイルから発生した熱を外部に発散させるための放熱ファンが設置され、前記金属シリンダーの蓋には複数の空気排出口が形成されることが望ましい。

そして、本発明によるヘリカル共振器型のプラズマ処理装置は、前記工程チャンバーの内部にその内周面に沿って所定間隔をおいて配置された複数のマグネットをさらに備えうる。

前記工程チャンバーの内部にはその内周面の近くに前記複数のマグネットを支持するための円筒状のマグネット支持部材が設置され、前記マグネット支持部材には前記複数のマグネットがそれぞれ挿し込まれる複数のスロットが形成されることが望ましい。また、前記マグネット支持部材には前記マグネットを冷却させるための冷却ラインが設けられることが望ましい。

前記マグネット支持部材の内側にはプラズマから前記マグネットを保護するための円筒状の保護部材が設置されことが望ましい。

また、本発明によるヘリカル共振器型のプラズマ処理装置は、前記工程チャンバーの内部に基板処理のための工程ガスを注入するための工程ガス注入ユニットをさらに備えうる。

前記工程ガス注入ユニットは、前記工程チャンバーの壁を貫通して設置されるガス流入口と、前記工程チャンバーの内部に設置され、前記ガス流入口を通じて流入された工程ガスを前記工程チャンバーの内部に分配して注入する複数のガス分配口を有するリング状のインジェクタと、を備えることが望ましい。

前記ＲＦ電源は、整合回路を通じて前記螺旋コイルに電気的に連結されうる。

前記基板ホルダーにはバイアス電源が連結され、前記バイアス電源はＲＦ電源であり、前記ＲＦ電源は整合回路を通じて前記基板ホルダーに電気的に連結されることが望ましい。

そして、本発明は、処理基板を支持する基板ホルダーを有する工程チャンバーと、前記工程チャンバーの内部と連通されるように前記工程チャンバーの上部に設置されるものであって、その内部空間にプラズマソースガスを供給するためのソースガス供給口を有する誘電体管と、前記誘電体管の周りに巻かれた螺旋コイルと、前記螺旋コイルにＲＦ電力を供給するためのＲＦ電源と、前記誘電体管の内部に設置されて前記誘電体管の内部に生成されたプラズマの電位を制御するための制御電極と、前記制御電極に所定の電位を印加するための可変ＤＣ電源と、を備えるヘリカル共振器型プラズマ処理装置を提供する。

本発明によるヘリカル共振器型のプラズマ処理装置は、次のような効果がある。

第一に、誘電体管が二重管形態を有することによって、誘電体管内で生成されて工程チャンバー内の処理基板側に広がるプラズマの密度分布が処理基板の半径方向に沿ってさらに均一になされる。そして、誘電体管の下部に複数の孔が形成されたプラズマ分配板を設置した場合には、プラズマが工程チャンバーの内部に均一に分配されて広がりうる。したがって、大口径のウェーハ及び平板ディスプレイ装置製造用の大面積の基板に対しても均一な処理が可能になる。

第二に、誘電体管の内部に制御電極が設けられることによって、誘電体管の内部に生成されたプラズマの電位を容易に制御できる。したがって、工程の種類や条件に適切に対処して効率的かつ精密な工程遂行が可能になる。

第三に、螺旋コイルにＲＦ電力が選択的に印加される複数のタップが設けられることによって、最適の共振状態を容易に得られるので、高密度プラズマを効率的に確保する。

第四に、四角形の断面状を有する螺旋コイルが使われることによって、その表面積がさらに広くなってプラズマ発生効率がさらに高まる。

第五に、工程チャンバーの内側壁面に沿って複数のマグネットが設置されることによって、処理基板のエッジ部位でのプラズマ密度が保証されて処理基板の半径方向に沿ってさらに均一なプラズマ密度分布を確保する。

第六に、工程チャンバー内に工程ガス注入ユニットが設置されることによって、乾式エッチングだけでなく、化学気相蒸着工程及び乾式アッシング工程のような多様な工程を行う。

以下、添付された図面を参照しつつ本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。以下の図面で、同じ参照符号は同じ構成要素を表す。

図３は、本発明の望ましい実施形態によるヘリカル共振器型のプラズマ処理装置の構成を示す垂直断面図であり、図４は、図３に示された誘電体管、制御電極、螺旋コイル及びプラズマ分配板を示す斜視図である。

図３と図４とを共に参照すれば、本発明によるヘリカル共振器型のプラズマ処理装置は、ヘリカル共振器１００によって生成されたプラズマを利用して工程チャンバー１５０内にローディングされた処理基板、例えば半導体素子製造用のシリコンウェーハＷの表面をエッチングするか、またはその表面上に所定の物質膜を蒸着するなどの微細加工のための半導体製造装置である。

前記ヘリカル共振器型のプラズマ処理装置は、ウェーハＷを支持する基板ホルダー１６０を有する工程チャンバー１５０と、前記工程チャンバー１５０の上部に設置されてプラズマを発生させるヘリカル共振器１００を備える。

前記ヘリカル共振器１００は、工程チャンバー１５０の上部に設置される誘電体管１１０と、前記誘電体管１１０の周りに巻かれた螺旋コイル１２０と、前記螺旋コイル１２０にＲＦ電力を供給するためのＲＦ電源１２８と、を備える。

前記誘電体管１１０は、望ましくは、石英より製造され、前記工程チャンバー１５０の天井壁に形成された連結孔１５２を通じて工程チャンバー１５０の内部と連通される。そして、前記誘電体管１１０は、内部管１１２と前記内部管１１２を取り囲む外部管１１４とよりなる二重管形態を有する。前記内部管１１２の上部は密閉されており、その下部は開放されている。前記外部管１１４の上部には内部管１１２と外部管１１４間の空間にプラズマソースガスを供給するためのソースガス供給口１１６が形成されており、外部管１１４の下部は工程チャンバー１５０の内部に向かって開放されている。

このように二重管形態を有する誘電体管１１０によれば、ソースガス供給口１１６を通じて供給されたプラズマソースガスは、内部管１１２の内部空間には充填されずに内部管１１２と外部管１１４間の空間にのみ充填される。したがって、前記螺旋コイル１２０を通じたＲＦ電力の供給によって生成されるプラズマも内部管１１２と外部管１１４間の空間にのみ存在する。これにより、プラズマはドーナツ状を有し、このようなプラズマは、工程チャンバー１５０内にローディングされたウェーハＷの近くでウェーハＷの半径方向にさらに均一な密度分布を表す。これについては再び後述する。

そして、前記誘電体管１１０の下部には複数の孔１１８ａが形成されたプラズマ分配板１１８が配置されたことが望ましい。すなわち、前記プラズマ分配板１１８は、誘電体管１１０と工程チャンバー１５０間に配置される。前記プラズマ分配板１１８は、前記誘電体管１１０の内部管１１２と外部管１１４間の空間に対応するリング状を有し、工程チャンバー１５０の天井壁に形成された連結孔１５２に挿し込まれうる。

このようなプラズマ分配板１１８は、誘電体管１１０の内部で生成されて工程チャンバー１５０の内部に広がるプラズマを、複数の孔１１８ａを通過させつつさらに均一に分配し、かつ広く広げる。したがって、工程チャンバー１５０の内部でのプラズマの密度分布をさらに均一にする。

前記螺旋コイル１２０は、誘電体管１１０の周りに複数のターンで巻かれ、その一端、通常下側端は接地され、他端、通常上側端は電気的に開放される。以下では、下側端を接地端といい、上側端を開放端という。前記螺旋コイル１２０の開放端は、セラミック１２１で覆われて仕上げられたことが望ましい。前記セラミック１２１は、螺旋コイル１２０の開放端とこれに隣接した他の構成要素間で発生する恐れのある放電を防止する。

前記螺旋コイル１２０には、前記のようにＲＦ電源１２８からＲＦ電力が供給される。この時、ＲＦ電力の伝達効率を高めるために、ＲＦ電源１２８で生成されたＲＦ電力は整合回路１２６を通じて螺旋コイル１２０に供給されうる。

前記螺旋コイル１２０の任意の地点にＲＦ電力が印加されれば、螺旋コイル１２０に流れる電流によって時変化磁場が生成され、時変化磁場によって電場が誘導される。誘導された電場は、プラズマソースガスをイオン化してプラズマを生成する。この時、螺旋コイル１２０のＲＦ電力印加地点から一側、すなわち接地端側にはインダクタンスが誘導され、他の方向、すなわち開放端側にはキャパシタンスが誘導されてこれらの共振（ＬＣ共振）によって螺旋コイル１２０への効率的なエネルギー伝達が可能になる。したがって、ヘリカル共振器１００によれば、高密度のプラズマが生成されうる。

前記螺旋コイル１２０にはＲＦ電源１２８が連結される複数のタップ１２２が設けられる。前記複数のタップ１２２それぞれは、螺旋コイル１２０の相異なる位置に配置される。例えば、前記複数のタップ１２２は、螺旋コイル１２０の２回のターンごとに一つずつ設けられうる。そして、前記複数のタップ１２２とＲＦ電源１２８間にはスイッチ１２４が設けられて、前記複数のタップ１２２に選択的にＲＦ電力が印加されている。

従来には、最適の共振状態の得られるＲＦ電力印加地点を探すためには、タップの位置を移して測定しなければならない不便さがあった。しかし、本発明によれば、前記スイッチ１２４の操作によって最適の共振状態の得られるＲＦ電力印加地点を便利に探すことができる。このように、前記複数のタップ１２２とスイッチ１２４の構造によれば、最適の共振状態を容易に得られるので、高密度プラズマを効率的に確保できる。

前記螺旋コイル１２０は、一般的な円形の断面状を有することもあるが、図３及び図４に示されたように四角形の断面状を有することが望ましい。このように四角形の断面状を有する螺旋コイル１２０は、その表面積が広がるにつれてプラズマ発生効率がさらに高まる。さらに詳細に説明すれば、螺旋コイル１２０の表面積が広くなれば、螺旋コイル１２０の接地端側では抵抗が減少し、これにより、電流が増加してインダクタンスが低くなる。したがって、誘導結合プラズマの発生効率が高まる。一方、螺旋コイル１２０の表面積が広くなれば、螺旋コイル１２０の開放端側ではキャパシタンスが高まるので、容量結合プラズマの発生効率も高まる。

そして、本発明によるプラズマ処理装置は、前記誘電体管１１０の内部に設置されて誘電体管１１０の内部に生成されたプラズマの電位を制御するための制御電極１３０と、前記制御電極１３０に所定の電位を印加するための可変ＤＣ電源１３２とをさらに備えうる。

前記制御電極１３０は、前記内部管１１２の上部と外部管１１４の上部間に配置されうる。そして、前記ソースガス供給口１３２が前記制御電極１３０より上側に位置した場合には、前記制御電極１３０にはプラズマソースガスが通過できるように複数の孔１３０ａが形成される。しかし、ソースガス供給口１１６が制御電極１３０より下側に位置した場合には、制御電極１３０に複数の孔１３０ａを形成する必要がない。

一方、図５には前記制御電極１３０の他の形状が示されている。図５に示されたように、前記制御電極１３０は、複数の孔１３０ａが配列されているメッシュ状を有することもある。

このような制御電極１３０は、前記のように、誘電体管１１０の内部に生成されたプラズマの電位を容易に制御させうる。詳細に説明すれば、前述したように、高縦横比を有する薄膜のエッチング工程では基板ホルダー１６０に印加されるバイアス電位は低くする代わりに、プラズマの電位は高める必要がある。この場合には、前記可変ＤＣ電源１３２から前記制御電極１３０にプラズマと同じ極性、すなわち陽の電位を印加することによって通常的に陽の極性を有するプラズマの電位を高める。これにより、ウェーハＷ自体に印加されるバイアス電位が低くなって高縦横比を有する薄膜の端部に電界が集中して発生するクリッピング現象が防止され、また高まった電位を有するプラズマによってエッチング工程も効率的に進められうる。一方、原子層蒸着（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のようなナノ単位の薄膜蒸着やナノ単位の微細なエッチング工程では、工程の精密度のためにプラズマの電位を低く維持する必要がある。この場合には、前記可変ＤＣ電源１３２から制御電極１３０にプラズマと反対極性、すなわち、陰の電位を印加することによって、プラズマの電位を低める。

このように、本発明によるプラズマ処理装置は、前記制御電極１３０を備えることによって、工程の種類や条件に適切に対応して効率的かつ精密な工程遂行が可能になる。

一方、前記制御電極１３０は、二重管形態の誘電体管１１０の内部に設置されたものとして図示されかつ説明されたが、図１に示されたような一般的な単一管形態の誘電体管の内部に設けられることもある。この場合にも、前記制御電極１３０によってプラズマの電位を容易に制御できる。そして、前述または後述される本発明の他の複数の特徴によってプラズマ密度分布の均一度も向上しうる。

図６は、図３に示された金属シリンダーの蓋と放熱ファンとを分離して示す斜視図である。

図３と図６とを共に参照すれば、本発明によるプラズマ処理装置において、前記螺旋コイル１２０の周りには前記誘電体管１１０と螺旋コイル１２０とを保護し、電磁波を遮断するための円筒状の金属シリンダー１４０が設置されうる。前記金属シリンダー１４０は、アルミニウムで製造されうるが、熱及び電気伝導性がさらに優秀で強度の高い銅より製造されることが望ましい。

そして、前記金属シリンダー１４０の内部には螺旋コイル１２０から発生した熱を外部に発散させるための放熱ファン１４６が設置されることが望ましい。前記放熱ファン１４６は、前記金属シリンダー１４０の蓋１４２に支持されうる。そして、前記金属シリンダー１４２の蓋１４２には金属シリンダー１４０の内部の熱い空気が外部に放出されるように複数の空気排出口１４４が形成される。

このような放熱ファン１４６及び蓋１４２の構造によってヘリカル共振器１００の過熱を防止できて、さらに安定的かつ持続的な作動が可能になる。

一方、前記のような構成を有するヘリカル共振器１００は、一つの工程チャンバー１５０上に複数個が配列されて設置されうる。すなわち、処理基板のサイズが非常に大きい場合には、ヘリカル共振器１００の直径を大きくすることだけでは、基板の半径方向に均一なプラズマ分布を確保するのに限界がある。これは、ヘリカル共振器１００の直径が過度に大きくなれば、螺旋コイル１２０に印加される電圧が非常に高まるという問題点があるためである。したがって、処理基板のサイズによって適切な数、例えば２〜４個のヘリカル共振器１００を一つの工程チャンバー１５０上に設置すれば、非常に大きい処理基板に対しても均一なプラズマ密度分布が得られる。

また、図３を参照すれば、前記工程チャンバー１５０の内部は真空状態に維持され、このために工程チャンバー１５０の底壁には真空ポンプ１５６に連結される真空吸入口１５４が形成される。そして、前記工程チャンバー１１０の内部の下側にはウェーハＷを支持する基板ホルダー１６０が設けられる。

前記基板ホルダー１６０にはバイアス電源１６４が連結されうる。前記バイアス電源１６４は、ヘリカル共振器１００によって生成されたプラズマが基板ホルダー１６０に置かれたウェーハＷ側に移動できるように基板ホルダー１６０にバイアス電圧を提供する役割を行う。このようなバイアス電源１６４にはＲＦ電源が使用され、この他にもパルスＤＣ電源が使用されうる。前記バイアス電源１６４がＲＦ電源である場合には、ＲＦ電力の伝達効率を高めるために、バイアス電源１６４と基板ホルダー１６０間に整合回路１６２が設けられうる。

そして、本発明によるプラズマ処理装置は、前記工程チャンバー１５０の内部に磁場を形成するための手段として、工程チャンバー１５０の内部に設置された複数のマグネット１７０をさらに備えうる。前記マグネット１７０では永久磁石が使用されうる。

前記マグネット１７０は、工程チャンバー１５０の内周面に沿って所定間隔をおいて複数個が配置される。したがって、前記複数のマグネット１７０のための設置構造が工程チャンバー１５０内に設けられる。

図７は、図３に示されたマグネットの設置構造を示す斜視図である。

図７を参照すれば、前記工程チャンバー１５０の内部にはその内周面の近くに前記複数のマグネット１７０を支持するための円筒状のマグネット支持部材１７２が設置される。前記マグネット支持部材１７２には複数のスロット１７４が形成されており、前記複数のマグネット１７０は前記複数のスロット１７４それぞれに一つずつ挿し込まれて支持される。前記複数のスロット１７４は、図７に示されたように、２列に配列されることもあり、１列または３列以上に配列されることもある。

前記マグネット１７０の磁気的特性は、通常的に温度が高まるほど低下する。したがって、前記マグネット１７０を可能なかぎり低温に維持する必要がある。このために、前記マグネット支持部材１７２には前記複数のマグネット１７０を冷却させるための冷却ライン１７６が設けられることが望ましい。前記冷却ライン１７６は、流入口１７６ａと排出口１７６ｂとを有し、前記支持部材１７２のエッジ部に沿って配置されうる。

そして、前記マグネット１７０は、工程チャンバー１５０内のプラズマによってその表面が損傷され、または物質膜で覆われうる。この場合、マグネット１７０の磁気的特性が低下するという問題点が発生する。したがって、このような問題点を防止するために、前記マグネット支持部材１７２の内側にはプラズマから前記マグネット１７０を保護するための円筒状の保護部材１７８が設置されうる。

前記誘電体管１１０から工程チャンバー１５０の内部に広がるプラズマは、工程チャンバー１５０の内部の周辺領域でその密度が低くなる。しかし、前記マグネット１７０によって工程チャンバー１１０の内面の近くに磁場が形成されているので、工程チャンバー１５０の内部の周辺領域でのプラズマ密度が保証されうる。したがって、ウェーハＷのエッジ部でのプラズマ密度がさらに高まってウェーハＷの半径方向に沿ってさらに均一なプラズマ密度分布を確保する。

図８は、図３に示された工程ガス注入ユニットを示す斜視図である。

図３と図８とを共に参照すれば、本発明によるプラズマ処理装置は、工程ガス注入ユニット１８０をさらに備えうる。前記工程ガス注入ユニット１８０は、工程チャンバー１５０の内部にウェーハＷの処理のための工程ガス、例えば、化学気相蒸着用ガスと乾式アッシング用ガスとを注入するための装置である。

前記工程ガス注入ユニット１８０は、外部から工程ガスが流入される通路であるガス流入口１８２と、前記ガス流入口１８２を通じて流入された工程ガスを工程チャンバー１５０の内部に分配して注入する複数のガス分配口１８６を有するリング状のインジェクタ１８４と、を含む。前記ガス流入口１１０は、工程チャンバー１５０の壁を貫通して設置され、前記インジェクタ１８４は工程チャンバー１５０の内面に密着されるように設置され、前記複数のガス分配口１８６は前記インジェクタ１８４の内周面に沿って等間隔に配置される。

このような工程ガス注入ユニット１８０によれば、多様な工程ガスを工程チャンバー１５０の内部に均一に注入しうる。したがって、本発明によるプラズマ処理装置を使用して乾式エッチング工程だけでなく、化学気相蒸着工程及び乾式アッシング工程のような多様な工程が行える。

図９は、本発明によるヘリカル共振器型のプラズマ処理装置において、工程チャンバー内のウェーハの近くでのプラズマ密度分布を示す概略的な図面である。

図９を参照すれば、二重管形態を有する誘電体管１１０内で生成されたプラズマは、工程チャンバー１５０の内部のウェーハＷ側に流れる。前記プラズマは、誘電体管１１０の内部管１１２内では生成されず、内部管１１２と外部管１１４との間の空間でのみ生成されるので、ドーナツ状を有する。このような形状のプラズマによってウェーハＷのエッジの近くでのプラズマ密度が従来に比べて高まる。そして、ドーナツ状のプラズマがウェーハＷの半径方向に広がりつつウェーハＷの中心部で重畳されてウェーハＷの中心部でのプラズマ密度も他の部位のプラズマ密度ほど高まりうる。また、工程チャンバー１５０の内部に設けられたマグネット１７０によって工程チャンバー１５０の壁面の近くでのプラズマ密度も保証されうる。したがって、ウェーハＷの近くでのプラズマ密度分布がウェーハＷの半径方向をさらに均一にする。そして、誘電体管１１０の下部に複数の孔の形成されたプラズマ分配板１１８が設けられることによって、プラズマが工程チャンバー１５０の内部にさらに均一に分配されて広がりうるので、プラズマ密度分布の均一度がさらに向上しうる。

例えば、４インチのウェーハ用に製作された本発明によるプラズマ処理装置の工程チャンバー内で、ウェーハの半径方向のプラズマ密度分布を測定した結果、プラズマ密度は平均的に２ｘ１０^１１ｃｍ^−３であり、プラズマの密度偏差、すなわち最大密度と最小密度との差を最大密度で割った値は、約４％ほどである。このような結果から見れば、従来のプラズマ処理装置でプラズマ密度偏差が１０〜２０％である点に比べて、本発明によるプラズマ処理装置でのプラズマ密度偏差が非常に改善されたことが分かる。

本発明は、前記実施形態を参考として説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であることが分かる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決定されなければならない。

本発明の処理される基板の近くでプラズマ密度分布の均一度を向上させ、プラズマの電位を容易に制御できる構造を有するヘリカル共振器型のプラズマ処理装置に関わり、例えば、半導体素子や平板ディスプレイ装置の製造のための基板の微細加工工程に効果的に適用可能である。

従来のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置の概略的な構成を示す図面である。 従来のプラズマ処理装置において、工程チャンバー内のウェーハの近くでのプラズマ密度分布を表すグラフである。 本発明の望ましい実施形態によるヘリカル共振器型のプラズマ処理装置の構成を示す垂直断面図である。 図３に示された誘電体管、制御電極、螺旋コイル及びプラズマ分配板を示す斜視図である。 図４に示された制御電極の他の形状を示す斜視図である。 図３に示された金属シリンダーの蓋と放熱ファンとを分離して示す斜視図である。 図３に示されたマグネットの設置構造を示す斜視図である。 図３に示された工程ガス注入ユニットを示す斜視図である。 本発明によるヘリカル共振器型のプラズマ処理装置において、工程チャンバー内のウェーハの近くでのプラズマ密度分布を示す概略的な図面である。

符号の説明

１００ ヘリカル共振器
１１０ 誘電体管
１１２ 内部管
１１４ 外部管
１１６ ソースガス供給口
１１８ プラズマ分配板
１２０ 螺旋コイル
１２２ タップ
１２４ スイッチ
１２６ 整合回路
１２８ ＲＦ電源
１３０ 制御電極
１３２ 可変ＤＣ電源
１４０ 金属シリンダー
１４２ 蓋
１４４ 空気排出口
１４６ 放熱ファン
１５０ 工程チャンバー
１５２ 連結孔
１５４ 真空吸入口
１５６ 真空ポンプ
１６０ 基板ホルダー
１６２ 整合回路
１６４ バイアス電源
１７０ マグネット
１８０ 工程ガス注入ユニット
１８２ ガス流入口
１８４ インジェクタ
１８６ ガス分配口
Ｗ ウェーハ

Claims (39)

1. 処理基板を支持する基板ホルダーを有する工程チャンバーと、
   前記工程チャンバーの内部と連通されるように前記工程チャンバーの上部に設置されるものであって、内部管と前記内部管を取り囲む外部管よりなる二重管形態を有し、前記外部管に前記内部管と外部管間の空間にプラズマソースガスを供給するためのソースガス供給口が形成された誘電体管と、
   前記誘電体管の外部管の周りに巻かれた螺旋コイルと、
   前記螺旋コイルにＲＦ電力を供給するためのＲＦ電源と、を備えることを特徴とするヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
2. 前記誘電体管の内部に設置されて前記誘電体管の内部に生成されたプラズマの電位を制御するための制御電極と、前記制御電極に所定の電位を印加するための可変ＤＣ電源と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
3. 前記制御電極は、前記内部管の上部と前記外部管の上部間に配置されたことを特徴とする請求項２に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
4. 前記制御電極は、前記ソースガス供給口の下側に配置され、プラズマソースガスが通過できるように複数の孔を有することを特徴とする請求項３に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
5. 前記制御電極は、メッシュ状を有することを特徴とする請求項４に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
6. 前記誘電体管は、石英よりなることを特徴とする請求項１に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
7. 前記誘電体管の下端部には複数の孔が形成されたプラズマ分配板が配置されたことを特徴とする請求項１に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
8. 前記プラズマ分配板は、前記誘電体管の内部管と外部管間の空間に対応するリング状を有することを特徴とする請求項７に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
9. 前記螺旋コイルの一端は接地され、他端は電気的に開放され、開放された前記他端はセラミックで巻かれたことを特徴とする請求項１に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
10. 前記螺旋コイルには複数のタップが相異なる位置に設けられ、前記複数のタップと前記ＲＦ電源間にはスイッチが設けられて、前記複数のタップに選択的にＲＦ電力が印加されることを特徴とする請求項１に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
11. 前記複数のタップは、前記螺旋コイルの二つのターンごとに一つずつ設けられることを特徴とする請求項１０に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
12. 前記螺旋コイルは、四角形の断面状を有することを特徴とする請求項１に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
13. 前記螺旋コイルの周りには金属シリンダーが設置されたことを特徴とする請求項１に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
14. 前記金属シリンダーは、銅より製造されたことを特徴とする請求項１３に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
15. 前記金属シリンダーの内部には前記螺旋コイルから発生した熱を外部に発散させるための放熱ファンが設置され、前記金属シリンダーの蓋には複数の空気排出口が形成されたことを特徴とする請求項１３に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
16. 前記放熱ファンは、前記金属シリンダーの蓋で支持されることを特徴とする請求項１５に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
17. 前記工程チャンバーの内部にその内周面に沿って所定間隔をおいて配置された複数のマグネットをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
18. 前記マグネットは、永久磁石であることを特徴とする請求項１７に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
19. 前記工程チャンバーの内部にはその内周面の近くに前記複数のマグネットを支持するための円筒状のマグネット支持部材が設置されたことを特徴とする請求項１７に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
20. 前記マグネット支持部材には前記複数のマグネットがそれぞれ挿し込まれる複数のスロットが形成されたことを特徴とする請求項１９に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
21. 前記複数のスロットは、２列に配列されたことを特徴とする請求項２０に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
22. 前記マグネット支持部材には前記マグネットを冷却させるための冷却ラインが設けられたことを特徴とする請求項１９に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
23. 前記冷却ラインは、前記支持部材のエッジ部に沿って配置されたことを特徴とする請求項２２に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
24. 前記マグネット支持部材の内側にはプラズマから前記マグネットを保護するための円筒状の保護部材が設置されたことを特徴とする請求項１９に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
25. 前記工程チャンバーの内部に基板処理のための工程ガスを注入するための工程ガス注入ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
26. 前記工程ガス注入ユニットは、
    前記工程チャンバーの壁を貫通して設置されるガス流入口と、
    前記工程チャンバーの内部に設置され、前記ガス流入口を通じて流入された工程ガスを前記工程チャンバーの内部に分配して注入する複数のガス分配口を有するリング状のインジェクタと、を備えることを特徴とする請求項２５に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
27. 前記ＲＦ電源は、整合回路を通じて前記螺旋コイルに電気的に連結されることを特徴とする請求項１に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
28. 前記基板ホルダーにはバイアス電源が連結されることを特徴とする請求項１に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
29. 前記バイアス電源はＲＦ電源であり、前記ＲＦ電源は整合回路を通じて前記基板ホルダーに電気的に連結されることを特徴とする請求項２８に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
30. 処理基板を支持する基板ホルダーを有する工程チャンバーと、
    前記工程チャンバーの内部と連通されるように前記工程チャンバーの上部に設置されるものであって、その内部空間にプラズマソースガスを供給するためのソースガス供給口を有する誘電体管と、
    前記誘電体管の周りに巻かれた螺旋コイルと、
    前記螺旋コイルにＲＦ電力を供給するためのＲＦ電源と、
    前記誘電体管の内部に設置されて前記誘電体管の内部に生成されたプラズマの電位を制御するための制御電極と、
    前記制御電極に所定の電位を印加するための可変ＤＣ電源と、を備えることを特徴とするヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
31. 前記制御電極は、前記ソースガス供給口の下側に配置され、プラズマソースガスが通過できるように複数の孔を有することを特徴とする請求項３０に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
32. 前記制御電極は、メッシュ状を有することを特徴とする請求項３１に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
33. 前記基板ホルダーにはバイアス電源が連結されることを特徴とする請求項３０に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
34. 前記螺旋コイルには複数のタップが相異なる位置に設けられ、前記複数のタップと前記ＲＦ電源間にはスイッチが設けられて、前記複数のタップに選択的にＲＦ電力が印加されることを特徴とする請求項３０に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
35. 前記螺旋コイルは、四角形の断面状を有することを特徴とする請求項３０に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
36. 前記螺旋コイルの周りには金属シリンダーが設置されたことを特徴とする請求項３０に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
37. 前記金属シリンダーの内部には前記螺旋コイルから発生した熱を外部に発散させるための放熱ファンが設置され、前記金属シリンダーの蓋には複数の空気排出口が形成されたことを特徴とする請求項３６に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
38. 前記工程チャンバーの内部にその内周面に沿って所定間隔をおいて配置された複数のマグネットをさらに備えることを特徴とする請求項３０に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。
39. 前記工程チャンバーの内部に基板処理のための工程ガスを注入するための工程ガス注入ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項３０に記載のヘリカル共振器型のプラズマ処理装置。

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