KR100246116B1 - 플라즈마 처리장치 - Google Patents

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가쓰야 오꾸무라
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히가시 데쓰로
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니시무로 타이죠
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Abstract

웨이퍼(W)의 플라스마 에칭장치는 전자생성실, 가속실(8), 처리실(3)을 구비한다. 전자생성실에서 생성된 플라스마에서 전자(e-)가 인출되고 가속되어 처리실에 전자빔으로서 도입된다. 처리실(3)에는 반도체 웨이퍼(W)가 전자빔의 도입방향과 평행하게 되도록 수평하게 배치된다. 처리실(3)에는 처리가스가 도입되고, 전자빔에 의해 여기되어 플라스마화되고, 이 플라스마를 사용하여 웨이퍼(W)의 에칭을 할 수 있다. 처리실(3)에는 자장이 형성되고, 이것은 조주에 있어서 전자빔을 수평면내에서는 양측으로 분기함과 동시에, 수직면내에 있어서는 압축하여 편평하게 하도록 형성된다. 또 자장은 웨이퍼(W)가 배치된 위치에 있어서 전자빔을 수평방향으로 반송하도록 형성된다. 따라서, 웨이퍼(W) 전면에 걸쳐 고밀도이며 균일한 분포를 갖는 시트상 플라스마 영역이 형성된다.

Description

플라스마 처리장치
제1도는 본 발명의 제1실시예에 관련되는 플라스마 에칭장치를 도시하는 개략종단측면도.
제2도는 제1도에 도시하는 장치의 처리실내의 자장배위를 도시하는 개략평면도.
제3도는 제1도에 도시하는 장치의 처리실내의 자장배위를 도시하는 개략측면도.
제4도는 제1도 도시장치 처리실내에 있어서 전자빔의 변화를 도시하는 개략평면도이고, 여기서 D1, D2 및 D3은 전자빔의 수직단면을 도시한다.
제5도는 제1도에 도시하는 장치의 처리실내에 있어서 전자빔의 변화를 도시하는 개략측면도.
제6도는 자력선과 전자의 사이클로트론 운동과의 관계를 도시하는 도면.
제7도는 제1도에 도시하는 장치의 처리실내에 있어서 전자빔의 변화 또는 플라스마의 생성상태를 도시하는 개략사시도.
제8도는 본 발명의 제2실시예에 관련되는 플라스마 에칭장치를 도시하는 개략종단측면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
3 : 처리실 8 : 가속실
22a : 가속전극 25 : 자장형성수단
22b,25c : 전자코일 26 : 자장집속수단
25a,25b : 영구자석 26b : 전자도입전극
B : 자력선 e-: 전자
본 발명은 플라스마 처리장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전자빔에서 여기(勵起)된 플라스마를 사용하여 반도체 웨이퍼 등의 웨이퍼 상기판을 처리하는 장치에 관한 것이다.
최근의 반도체 디바이스의 고성능화, 미세화에 따라서 반도체 웨이퍼의 플라스마 처리에 있어서도 미세가공이 필요해지고 있다. 이로 인해 플라스마 처리장치의 처리실내의 압력을 보다 저하시킨 상태에서 처리가스의 플라스마화을 보다 효율적으로 할 필요성이 높아지고 있다. 이 플라스마 처리의 하나로서 부(副)플라스마에서 전자를 인출하여 가속하고, 처리실내에 도입하므로서 소정의 처리가스를 여기하여 주(主)플라스마를 생성하고, 이 주플라스마에 의해 반도체 웨이퍼의 에칭처리를 하는 전자 빔 여기식의 플라스마 에칭장치가 알려져 있다.
특개평 1-105539호는 이 종류의 장치에 있어서 편향전극을 사용하여 전자빔을 확산시키는 기술을 개시한다. 특개평 1-105540호는 이 종류의 장치에 있어서 자장부정수단을 설치하여 전자빔을 확산시키는 기술을 개시한다. 특개소 63-190299호는 이 종류의 장치에 있어서 전극쌍을 스페이서를 끼워 고정하는 기술을 개시한다. 특개소 64-53422호는 이 종류의 장치에 있어서 제1수단에 의한 플라스마에 의해 에칭가스를 플라스마하는 제2수단에 관한 기술을 개시한다. 특개소 59-27499는 이 종류의 장치에 있어서 플라스마 밀도를 똑같이 하기 위해 처리실내에 도입된 전자빔의 양측에 직사각형의 영구자석을 배치하고, 이 영구자석의 자력선에 의해 플라스마 영역을 압축하여 확대해서 편평상 즉 시트상으로 하는 기술을 개시한다.
반도체 웨이퍼를 여기용 전자의 조사방향에 대해서 직각으로 배치한 장치에 있어서는, 에너지가 높은 이온을 사용하여 에칭처리를 할 수 있다. 그러나 최근의 반도체 디바이스의 미세화에 따라 웨이퍼상에 형성되는 산화막, 레지스트막, 배선막 등의 막은 얇아지고 있다. 이로 인해 이 형태의 장치에서는 에너지가 높은 이온에 의해 반도체 웨이프의 오염, 절연파괴, 레지스트가 녹아버리는 등의 문제가 발생한다. 또한 웨이퍼를 전자의 조사 방향과 직각으로 배치한 경우, 웨이퍼의 중앙일수록 플라스마 밀도가 높아지므로 웨이퍼의 처리면 전체에 대해서 균일한 처리를 하기 어렵다고 하는 문제도 있다.
피처리기판의 처리면을 여기용 전자의 조사방향에 대해서 평행하게 배치할 경우, 동처리면 전체에 대해서 균일한 밀도를 갖는 시트상 플라스마 영역을 형성할 필요가 있다. 종래의 시트상 플라스마 영역의 형성 방법에 의하면 자장중의 방전으로 생성된 원주 플라스마를 한쌍의 직사각형 모양의 영구자석으로 압축하여 넓히고 있다. 이것에 의해 어느 정도의 두께 및 면적을 갖는 시트상 플라스마 영역을 생성하는 일이 가능하다. 그러나 축중심의 빔상 성분이 잔존한 그대로의 시트상 플라스마영역밖에 생성할 수 없으므로 밀도가 높고 또 균일한 플라스마 영역을 얻을 수는 없다. 더우기 광범위에 걸쳐 균일한 플라스마 영역을 얻을 수는 없다. 이로 인해 종래의 시트상 플라스마 영역의 생성방법은 반도체 웨이퍼와 같은 큰 면적을 갖는 피처리체의 균일한 처리에는 적합하지 않다.
상술한 문제는 여러가지 플라스마 생성방법을 사용한 반도체 웨이퍼의 플라스마 에칭장치, CVD장치, 스패터장치 등의 플라스마 처리장치에 있어서 공통의 과제가 되어있다.
따라서 본 발명은 전자빔에 의해 여기된 플라스마의 고밀도 영역을 광범위에 걸쳐 시트상으로 함과 동시에 플라스마 밀도를 균일하게 하여 정도가 높은 처리를 할 수 있도록 한 플라스마 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관련되는 웨이퍼상기판의 주면을 처리가스 플라스마를 사용하여 처리하는 장치는 전자생성실과, 상기 전자생성실을 제1진공상태로 설정하는 수단과, 상기 전자생성실내에 방전가스를 도입하는 수단과, 상기 전자생성실내에서 상기 방전가스를 부플라스마로 하는 수단과, 상기 전자생성실에 기밀상태로 접속된 처리실과, 상기 부플라스마에서 전자를 인출하는 전자인출수단과, 인출된 상기 전자를 가속하여 상기 처리실에 도입하는 전자가속수단과, 상기 전자는 전자빔으로서 제1방향에 있어서 도입되는 것과, 상기 처리실을 제2진공상태로 설정하는 수단과, 상기 제2진공상태의 압력은 상기 제1진공상태의 압력보다 낮은 것과, 상기 처리실에 처리가스를 도입하는 수단과, 상기 처리가스는 상기 전자빔에 의해 여기되어 상기 처리실내에서 상기 처리가스 플라스마로 되는 것과, 상기 기판의 상기 주면이 상기 제1방향에 대해서 실질적으로 평행한 제1평면에 배치되도록 상기 처리실내에서 상기 기판을 지지하는 수단과, 상기 기판이 배치된 위치보다 상기 제1방향 상류에 있어서 상기 처리실에 조주 자장을 형성하는 조주 자장형성수단과, 상기 조주 자장이 상기 제1평면에 대해서 평행한 면내에서는 상기 전자빔 중심의 연장성 양측으로 분기하고 또 상기 제1평면에 대해서 수직인 면내에서는 상기 연장선에 접근하도록 상기 제1방향에서 만곡하는 자력선을 주성분으로 하는 것과, 이들 주성분의 만곡자력선은 전자가 이들에 감기어 사이클로트론 운동을 하도록 곡률반경이 설정되는 것과, 상기 기판이 배치된 위치보다 상기 제1방향 하류에 있어서 상기 처리실에 배설된 자장집속수단과, 상기 조주 자장형성수단과 상기 자장집속수단 사이에서 상기 제1평면에 대해서 실질적으로 평행한 자력선을 주성분으로 하는 자장을 형성하는 평행자장 형성수단을 구비한다.
본 발명에 의하면 전자빔을 분기함과 동시에 편평상으로 압축하여 이송하므로, 피처리기판 전면에 걸쳐 고밀도이며 균일한 분포를 갖는 시트상 플라스마 영역을 형성할 수 있다. 또 넓은 면적에 걸쳐 시트상 플라스마 영역을 형성할 수 있고, 큰 피처리기판의 플라스마 처리를 하는 일이 가능하다.
이하 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
제1도는 본 발명의 제1실시예에 관련되는 플라스마 에칭장치를 도시한다. 본 장치는 전자생성부(10)와, 전자가속부(11)와, 플라스마 처리부(12)로 주요부가 구성된다. 전자생성부(10)는 전자를 생성하기 때문에 방전용 가스를 플라스마화한다. 전자가속부(11)는 이 플라스마에서 전자를 인출함과 동시에 인출된 전자를 가속한다. 플라스마 처리부(12)는 이 전자가속부(11)에 의해 가속된 전자의 조사에 의해 반응성가스를 포함하는 처리가스를 플라스마화하여 처리를 한다.
전자생성부(10)는 스텐레스강 등에 의해 원통상으로 형성되고 또 서로 절연체를 끼워 접속된 실(1) 및 실(17)을 구비한다. 실(1)의 한쪽 단부에 음극전극(2)이 배설된다. 음극전극(2)은 축방향으로 연장되는 도입구(2a)를 갖고, 이것을 통해 아르곤(Ar) 등의 불활성가스로 구성되는 방전가스가 실(1) 내에 도입된다.
실(17)의 단부에 양극전극(7)이 배치되고, 양극전극(7)과 음극전극(2) 사이에 제1 및 제2의 중간전극(5,6)이 배치된다. 음극전극(2)과 양극전극(7) 사이는 방전영역이 된다. 제1 및 제2의 중간전극(5,6) 및 양극전극(7) 둘레이고 또 실(1,17)의 외측에는 자장형성을 위해 환상으로 형성된 전자코일(13~15)이 배치된다.
실(17)의 하부에는 배기구(18)가 형성되고, 여기에 개폐밸브(18a)를 끼워 진공펌프(도시하지 않음)가 접속된다. 에칭처리중 이 진공펌프에 의해 실(1,17) 내가 소정의 진공도, 예를들면 각각 약 1Torr, 20mTorr로 유지된다.
전자가속부(11)는 절연체를 끼워 실(17)에 접속된 스텐레스강 등에 의해 원통상으로 형성된 가속실(8)을 구비한다. 가속실(8)의 단부에는 전자빔을 위한 가속전극(22a)이 배설된다. 가속전극(22a)은 방전영역의 플라스마 중에서 전자를 인출하고, 가속실(8) 내에서 가속하여 플라스마 처리부(12)의 처리실(3) 내로 도입된다. 양극 전극(7)과 가속전극(22a) 사이가 전작가속영역이 된다.
가속전극(22a)의 외측에는 자장형성을 위한 환상 전자코일(22b)이 배설된다. 가속실(8)의 하부에 배기구(19)가 형성되고, 여기에 개폐밸브(19a)를 끼워 도시하지 않는 진공펌프가 접속된다. 에칭처리중 이 진공펌프에 의해 가속실(8) 내가 소정의 진공압, 예를들면 1×10 -3Torr로 유지된다.
플라스마 처리부(12)는 반도체 웨이퍼(W)를 수평으로 유지하는 서셉터(24)가 배치된 처리실(3)을 구비한다. 처리실(3)은 내부표면이 절연체로 덮혀진 도전체, 예를들면 표면이 알루마이트처리된 알루미늄으로 형성되고, 절연체를 끼워 가속실(8)에 접속된다. 처리실(3)의 상부에는 염소(Cl2)나 사불화탄소(CF4) 등의 처리가스를 도입하기 위한 도입관(3a)이 접속된다. 처리실(3)의 하부에는 배기구(20)가 배설되고, 여기에 개폐밸브(20a)를 통해 도시하지 않은 진공펌프가 접속된다. 에칭처리중 이 진공펌프에 의해 처리실(3) 내가 소정의 진공압, 예를들면 1×10-3~1×10-4Torr로 유지된다. 즉, 실(1)에서 처리실(3)을 향해 압력이 점차 감소하도록 압력정도가 설정된다.
처리실(3) 내에는 후술하는 상태로 자장이 형성된다. 이 자장의 배위는 가속전극(22a) 및 전자코일(22b)에 의해 처리실(3) 내에 끌어들여지는 전자의 궤도를 실질적으로 결정한다. 처리실(3) 내에 있어서 전자는 처리가스를 여기하여 플라스마화하는 것이며, 따라서 자장배위는 처리실(3) 내에 있어서 플라스마의 고밀도 영역의 형상을 실질적으로 결정한다. 처리실(3) 내에 있어서 자장배위는 본 발명의 주요부분이고, 이 점에 관해서는 후술한다. 처리실(3) 내에서는 가속된 전자에 의해 처리가스가 여기되어 플라스마가 생성된다. 이때, 플라스마의 고밀도 영역은 시트상으로 된다. 그리고 이 플라스마가 사용되고, 반도체 웨이퍼(W)의 에칭이 실시된다.
서셉터(24)에는 여기된 플라스마중 반응성가스의 이온 등을 반도체 웨이퍼(W) 측에 끌어들이기 위한 고주파전원(RF)이 접속된다. 이 고주파전원(RF)의 주파수는 수 MHz~수십 MHz(구체적으로는 2~3MHz~13.56MHz)이다. 서셉터(24)는 알루미늄 등으로 구성되는 서셉터 본체(24a)와 그상면측 주변에 웨이퍼(W)를 고정유지하는 클램프링(24b)을 구비한다. 서셉터 본체(24a)에는 냉매유로(24c)가 배설되고, 여기에 에틸렌글리콜 또는 에틸알콜 등의 냉매의 공급관(27a) 및 배출관(27b)이 접속된다. 서셉터 본체(24a)의 웨이퍼 받침면은 웨이퍼(W)의 이면과의 사이에 폐쇄된 가스저장실을 구성하도록 형성된다. 동 가스저장실에는 He 가스 또는 N2가스의 공급·배출관(28)이 접속된다. 이 가스는 서셉터 본체(24a)와 웨이퍼(W) 사이에 전열성을 향상시키기 위한 전열매체로서 사용된다.
플라스마 처리부(12)에는 자장형성수단(25)이 전자가속부(11)측에 배설된다. 또한 자장형성수단(25)과 대향하도록 플라스마 처리부(12)의 단부에 자장집속수단(26)이 배설된다. 자장형성수단(25)과 자장집속수단(26) 사이가 플라스마 처리영역이 된다.
자장형성수단(25)은 N극끼리 대향하도록 상하로 배치된 한쌍의 단면 직사각형 모양의 영구자석(25a,25b)을 구비한다. 자장형성수단(25)은 또한 복수(도면에서는 2개인 경우를 도시)의 전자코일(25c)을 구비하고, 이것은 전자를 갖는 편평화된 플라스마 영역을 편평면에 따라 이송한다. 자장집속수단(26)은 단면 직사각형 막대모양의 영구자석으로 구성되고, 이것은 자장형성수단(25)의 영구자석(25a,25b)의 대향하는 면의 극(N극)과 반대의 극(S극)을 처리실내측에 향해 배설된다.
이 실시예에 있어서 영구자석(25a,25b)은 길이 40mm, 표면의 자장강도는 약 2KG로 설정된다. 자장집속용 영구자석(26)은 길이 260mm으로 설정되고, 표면의 자장은 약 2KG로 설정된다. 전자코일(25c)의 내경은 약 35cm, 전류는 220암페어턴(AT)으로 설정되고, 이들에 의해 합성된 반도체 웨이퍼(W) 부근의 자장이 약 20G로 설정된다. 전자가속부(11)의 전자코일(22b), 플라스마 처리부(12)의 영구자석(25a,25b), 전자코일(25c) 및 영구자석(26)에 의해 합성되는 자장배위는 제2도 및 제3도에 도시하는 바와 같이 자력선을 갖는 것처럼 형성된다.
본 발명에 있어서는 반도체 웨이퍼(W)의 피처리면(제1도중 상면) 전체에 걸쳐 실질적으로 플라스마 밀도가 균일한 시트상의 플라스마 영역을 형성하는 것을 목적으로 하는 것이다. 이로 인해 처리실(3)의 자장배위는 전자가속부(11)에서 원주상의 빔으로서 도입되는 전자가 하기의 상태로 작용을 받도록 설정된다. 본 발명이 이용하고 있는 자장배위와 전자 운동의 관계를 제6도에 도시한다.
제6도에 도시하는 바와 같이 처리실(3) 내에 속도를 갖고 도입된 전자(e-)는 어느 조건하에 있어서 자력선(B)에 감긴 상태에서 우회전의 사이클로트론 운동을 한다. 도면에 있어서 RB는 자력선의 곡률반경, RL은 전자 운동의 라모아(larmor)반경, RC는 전자 운동의 피치를 도시한다. 전자(e-)가 자력선(B)에 감기어 운동하는지 아닌지는 이들 RL, RB, PC를 파라미터로하여 결정된다. 본 발명에서는 이들 관계를 이용하여 전자의 궤도를 제어하고, 즉 전자빔의 분포형상을 변화시킴으로서 플라스마 고밀도 영역의 분포형상을 제어하고 있다.
먼저 처리실(3)의 조주에 있어서 자장배위에 대해서 설명한다. 처리실(3)의 조주에 있어서 자장배위는 전자가속부(11)의 전자코일(22b)과 플라스마 처리부(12)의 한쌍의 영구자석(25a,25b)의해 주로 영향받는다.
제2도에 도시하는 바와 같이 전자코일(22b)에 의한 자력선의 수평방향성분과 영구자석(25a,25b)에 의한 자력선의 수평방향성분은 처리실(3)의 조주 중심에서는 서로 반대방향이어서 소거된다. 그러나 영구자석(25a,25b)의 양측에서는 부재(22b,25a,25b)에 의한 자력선의 수평방향성분은 같은 방향이 되어 합성되고 강해진다.
또한 제3도에 도시하는 바와 같이 전자코일(22b)에 의한 자려선의 수직방향성분과 영구자석(25a,25b)에 의한 자력선의 수직방향성분은 처리실(3)의 조주 중심에서 반대방향이 된다. 그러나 전자코일(22b)의 성분이 강하기 때문에 조주 중심에 있어서는 웨이퍼(W)를 향하는 방향의 자력선이 남는다. 또한 동중심 양측의 중간 상하위치에서는 전자코일(22b)에 의한 자력선의 수직성분과 영구자석(25a,25b)에 의한 자력선의 수직성분은 서로 반대방향이어서 소거된다.
영구자석(25a,25b)에 의한 수평방향 양측에서 합성된 자력선 즉, 전자코일(22b) 측에서 영구자석(25a,25b)의 수평방향 양측으로 구부러지는 자력선의 대표적 또는 특징적인 곡률반경(RB1)은 도입된 전자가 이들에 감기어 살이클로트론 운동을 하도록 설정된다. 보다 구체적으로는 RB1은 적어도 다음과 같은 식(1), (2)의 어느것인가를 만족시키고, 바람직하게는 양자를 만족시킨다.
RB1＞5RL‥‥(1)
RB1＞1/2PC‥‥(2)
한편, 수직방향에 있어서도 영구자석(25a,25b)을 초과한 최상하위치에서는 전자코일(22b)에 의한 자력선과 영구자석(25a,25b)에 의한 자력선은 같은 방향이 되어 합성된다.
그러나 최상하위치에서 합성된 자력선의 대표 또는 특징적인 곡률반경(RB2)은 도입된 전자가 이들에 감기어 운동하지 않는 작은 값이 된다. 보다 구체적으로는 RB2는 적어도 다음의 식(3), (4)의 어느것인가를 만족시키고, 바람직하게는 양자를 만족시키도록 설정된다.
RB2＜2RL‥‥(3)
RB2＜1/2PC‥‥(4)
처리실(3)의 조주에 있어서 자장배위가 상술한 바와 같으므로, 수평 방향에 있어서는 처리실(3)에 원주상의 빔으로서 도입된 전자의 대부분은 처리실(3)의 중심을 통과하기보다 오히려 수평방향 양측으로 구부러지는 강한 자력선을 따라 양측으로 이동한다. 그 결과 전자빔은 제4도의 평면도내에 수직단면형상(D1)으로 도시하듯이 8자형상으로 분기된 것같은 상태로 된다. 또 수직방향에 있어서는 상기 전자의 대부분은 처리실(3)의 중심을 통과하는 강한 자력선 성분을 따라 집중하여 이동한다. 그 결과 전자빔은 제5도의 측면도에 D4로 도시하듯이 편평상으로 압축된 것같은 상태가 된다.
여기서 상술한 바와 같이 영구자석(25a,25b)을 넘은 최상하위치에서 합성된 자력선은 전자가 감기어 이동하지 않도록 설정되어 있으므로, 처리실(3)에 도입된 전자가 이들을 추종하여 상하로 넓어지는 일은 없다.
다음은, 처리실(3)의 내부 즉 반도체 웨이퍼(W)가 배치된 장소에 관한 것으로 여기서는 자장배위는 영구자석(25a,25b), 집속용 영구자석(26)과 전자코일(25d,25c)에 의해 주로 영향받는다. 처리실(3) 내부에 있어서 자력선의 수평방향성분은 제2도에 도시하는 바와 같이 자석(25a,25b)에서 자석(26)을 향해 대체로 평행인 직선을 그린다. 또 자력선의 수직방향성분도 제3도에 도시하는 바와 같이 자석(25a,25b)에서 자석(26)을 향해 대체로 평행인 직선을 그리지만, 자석(26)의 근방에서는 집속을 위해 약간 자력선은 구부러진다. 자석(26)은 웨이퍼(W) 전체에 걸쳐 자력선 성분이 평행해지도록 웨이퍼(W)보다 큰 폭을 갖고, 웨이퍼(W)의 양단부에서 양측으로 연장시키는 것이 바람직하다.
처리실(3)의 조주에서 편평한 8자형상으로 변형된 전자빔은 처리실(3) 내부의 상기 평행한 자력선 성분에 의해 가이드되고, 편평한 상태로 자석(26)에 집속한다. 그 동안에 전자는 처리실(3) 내에서 처리가스의 분자와 충돌하고, 이들을 여기함으로서 처리가스를 플라스마화한다.
평탄화된 전자빔내의 전자분포 또는 빔의 수직단면형상은 자석(25a,25b) 및 전자코일(22b,25c)에 의해 형성되는 각각의 자장의 강도관계를 조정하므로서 제4도에 도시하는 바와 같이 8자형상(D1) 또는 보다 평탄화된 형상(D2)에 의해 나타내는 상태이므로 형상(D3)에 의해 나타내는 균일한 상태로 변화시킬 수 있다. 그러나 전자빔의 단면형상이 완전히 평탄하지 않아도 전자빔에 의해 여기되는 플라스마 내의 이온 분포는 균일하게 할 수 있다. 즉, 플라스마 양측의 이온은 중심을 향해 확산하기 때문에 단면형상(D1,D2)을 갖는 전자빔에 의해 균일한 밀도를 갖는 시트상 플라스마 영역을 형성하는 일이 가능해진다. 그리고 제4도에 있어서 D1~D3은 전자의 밀도분포를 이미지화한 것이며, 실제로는 플라스마 영역은 제7도에 도시하는 바와 같은 연속한 띠형상의 것이 된다.
처리실(3) 내에 도입된 처리가스는 이와 같은 편평한 띠형상의 전자빔에 의해 여기되고 플라스마화된다. 이로 인해 처리가스는 전자빔의 분포형상에 대응한 시트상의 플라스마 고밀도 영역을 형성한다. 웨이퍼(W) 상에서는 플라스마 영역의 농도는 균일화되고, 이 플라스마가 사용되고, 웨이퍼(W)의 에칭이 실시된다.
다음에 상기 플라스마 에칭장치 전체의 조작에 대해서 설명한다.
각 진공펌프에 의해 실(1)을 약 1Torr, 실(17)을 약 20mTorr, 가속실(8)을 약 1×10-3Torr, 처리실(3)을 1×10-3~1×10-4Torr의 압력으로 설정한다. 즉, 실(1)에서 처리실(3)을 향해 압력은 점차 감소하도록 압력정도를 설정한다.
실(1) 내에 가스 도입구(2a)에서 방전용가스를 도입한다. 이 상태에서 음극전극(2)과 제1 및 제2중간전극(5,6), 양극전극(7) 사이에 방전전압(V1)을 인가하여 글로우(glow) 방전을 생기게한다. 그러면 방전영역(10) 내에 플라스마가 발생한다. 제1 및 제2중간전극(5,6)은 글로우 방전을 저전압에서 발생하기 쉽게 하기 위한 것이다. 최초로 음극전극(2) 제1중간전극(5) 사이에서 글로우 방전이 생기고, 그 후 제2중간전극(6), 양극전극(7)으로 이행해 간다. 음극전극(2)과 양극전극(7) 사이에서 안정된 글로우 방전이 형성된 후는 스위치(S1,S2)를 OFF로 한다.
상기와 같이 해서 생성된 플라스마중의 전자는 가속전극(22a)으로의 가속전압(V2)의 인가에 의해 가속실(8) 내로 인출된다. 그리고 전자는 전자코일(22b)에 의해 형성되는 자력선에 의해 가속되어 처리실(3) 내로 이송된다. 처리실(3) 내에 끌어넣어진 전자는 처리실(3)의 조주로 형성된, 앞에서 상세히 설명한 자장에 의해 전자빔 성분을 유지한 채 좌우로 분기됨과 동시에 편평상으로 압축된다. 그리고 처리실(3) 내부의 실질적으로 평행한 자력선에 의해 편평한 그대로 이송된다. 전자는 처리실(3) 내에서 반응가스 Cl2또는 CF4등의 처리가스를 여기하여 플라스마화한다. 이것에 의해 고농도의 시트상 플라스마 영역이 서셉터(24) 상에 놓여진 반도체 웨이퍼(W) 상방 근방에 형성된다.
그리고 서셉터(24)에 인가(印加)되는 고주파 전압에 의해 시트상 플라스마 영역중에서 반응가스의 이온이 인출된다. 이 이온이 웨이퍼(W) 표면중의 플라스마 시스(plasma sheath) 중에서 가속되고, 가속된 이온으로서 웨이퍼(W)와 충돌하고, 웨이퍼(W)가 반응종류와 반응하여 에칭된다.
제8도는 본 발명의 제2실시예에 관련되는 플라스마 에칭장치를 도시한다. 제8도중, 제1도에 도시한 제1실시예 장치의 부재와 대응하는 부재에는 동일부호를 붙이고 설명을 생략한다.
제2실시예 장치는 처리실(3) 근방이 제1실시예 장치와 다르다. 이 실시예에서는 영구자석(25a,25b), 전자코일(25c), 자장집속수단(26)은 모두 처리실(3) 내에 배설된다.
자장집속수단(26)은 단면직사각형의 막대모양의 영구자석(26a)과, 이 자장집속면측을 덮도록 배치된 전자도입 전극(26b)으로 구성된다. 영구자석(26a)은 자장형성수단(25)의 영구자석(25a,25b)의 대항하는 면의 극(N극)과 반대극(S극)을 처리실 내측을 향해 배설된다. 전자도입 전극(26b)은 스텐레스강 등의 비자성체에 의해 판형상으로 형성된다. 영구자석(25a,25b)은 길이 40mm, 표면의 자장은 2KG로 설정된다. 자장집속용 영구자석(26)은 길이 260mm로 설정되고, 표면의 자장은 약 2KG로 설정된다. 솔레노이드코일(26c)의 내경은 약 35cm로 설정되고, 전류는 220AT로 설정된다. 전극(26b)은 접지되거나 또는 약 0V 또는 그 이상의 전위를 전극(26b)에 부여하는 전원(26c)에 접속된다.
제2실시예 장치에 있어서 전자도입 전극(26b)을 플로팅한 케이스(A)와 전자도입 전극(26b)에 전위를 부여한 케이스(B)를 비교 실험했다.
[실험조건]
·반도체 웨이퍼(W) : 폴리크리스탈 Si
·처리가스 : Ar
·코일(22b) : 1008AT
·코일(25c) : 630AT
·케이스 A의 전자도입 전극(26b) : 플로팅
·케이스 B의 전자도입 전극(26b) : OV(접지전위)
실험의 결과 케이스 A에서는 전자도입량=3.8A, 평균에칭율=13.2Angstrom/min이었다. 케이스 B에서는 전자도입량=5.3~5.5A, 평균에칭율=32.3Angstrom/min이었다. 즉, 전자도입 전극(26b)에 접지전위를 부여하므로서 플로팅 전자상태에 비해 도입량에 있어서 약 1.4배의 전자량이 증대되고, 또 평균에칭율에 있어서는 약 2.4배가 증대되었다.
전극(26b)을 사용하여 회로를 형성하므로서 전자빔중의 전자가 흐르거나 또는 도입되는 통로가 형성되고, 따라서 웨이퍼(W) 상을 통과하는 전자의 수가 증가하고, 전자빔에서 생성되는 플라스마 영역의 밀도가 높아진다. 이로 인해 전극(26b)에는 약 OV 또는 그 이상의 전위가 부여되든가 혹은 간단한 접지접속을 실현하도록 접지된다.
제2실시예 장치의 전자도입전극(26b)은 제1실시예 장치에 있어서도 마찬가지로 적용할 수 있다.
본 발명은 도시한 실시예에 한정되는 것은 아니고, 그 사상의 범위내에 있어서 여러가지의 변경이 가능하다. 예를들면, 제1 및 제2실시예 장치에서는 처리실(3)의 조주에 한쌍의 영구자석(25a,25b)이 배치되어 있지만, 그 한쌍의 영구자석(25a,25b)의 하류측, 즉 자장집속수단측에 또 한쌍 혹은 복수쌍의 영구자석을 배치할 수도 있다. 이와 같이 하므로서 더욱 균일한 자장배위를 형성할 수 있음과 동시에 시트상 플라스마의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 플라스마 에칭장치 이외에도 CVD 장치와 스패터장치 등 그외의 전자빔 여기식의 플라스마 처리장치에도 적용할 수 있다. 또 처리하는 대상으로서는 반도체 웨이퍼 이외에 LCD 기판 등의 웨이퍼상기판도 마찬가지로 처리할 수 있다.

Claims (13)

  1. 웨이퍼상기판의 주면(主面)을 처리가스 플라스마를 사용하여 처리하는 장치에 있어서, 전자생성실과, 상기 전자생성실을 제1진공상태로 설정하는 수단과, 상기 전자생성실내에 방전가스를 도입하는 수단과, 상기 전자생성실내에서 상기 방전가스를 부플라스마로 하는 수단과, 상기 전자생성실에 기밀상태로 접속된 처리실(3)과, 상기 부플라스마에서 전자를 인출하는 전자인출수단과, 인출된 상기 전자(e-)를 가속하여 상기 처리실(3)에 도입하는 전자가속수단과, 상기 전자(e-)는 전자빔으로서 제1방향에 있어서 도입되는 것과, 상기 처리실(3)을 제2진공상태로 설정하는 수단과, 상기 제2진공상태의 압력은 상기 제1진공상태의 압력보다 낮은 것과, 상기 처리실(3)에 처리가스를 도입하는 수단과, 상기 처리가스는 상기 전자빔에 의해 여기되어 상기 처리실(3) 내에서 상기 처리가스 플라스마로 되는 것과, 상기 기판의 상기 주면이 상기 제1방향에 대해서 실질적으로 평행한 제1평면에 배치되도록 상기 처리실(3) 내에서 상기 기판을 지지하는 수단과, 상기 기판이 배치된 위치보다 상기 제1방향 상류에 있어서 상기 처리실(3)에 조주 자장을 형성하는 조주 자장형성수단(25)과, 상기 조주 자장이 상기 제1평면에 대해서 평행한 면내에서는 상기 전자빔 중심의 연장선 양측으로 분기하고 또 상기 제1평면에 대해서 수직인 면내에서는 상기 연장선에 접근하도록 상기 제1방향에서 만곡하는 자력선(B)을 주성분으로 하는 것과, 이들 주성분의 만곡자력선은 전자(e-)가 이들에 감기어 사이클로트론 운동을 하도록 곡률반경이 설정되는 것과, 상기 기판이 배치된 위치보다 상기 제1방향 하류에 있어서, 상기 처리실(3)에 배설된 자장집속수단(26)과, 상기 조주 자장형성수단(25)과 상기 자장집속수단(26) 사이에서 상기 제1평면에 대해서 실질적으로 평행한 자력선(B)을 주성분으로 하는 자장을 형성하는 평행자장 형성수단(25)을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 곡률반경이 RB1＞5RLRB1＞1/2PC의 어느것인가의 식을 만족하도록 설정되고, 여기서 RB1은 상기 곡률반경, RL은 전자의 사이클로트론 운동의 라모아반경, PC는 전자 사이클로트론 운동의 피치를 나타내는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 조주 자장형성수단(25)이 상기 기판이 배치된 위치보다 상기 제1방향 상류에 있어서 상기 처리실(3)에 배설된 한쌍의 조주 자석을 구비하고, 상기 조주 자석은 상기 제1평면에 대해서 수직인 방향에 있어서 상기 전자빔을 끼우고 또 N극이 서로 대면하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 조주 자장형성수단(25)이 상기 조주 자석보다 상기 제1방향 상류에 배치되고, 상기 조주 자석의 바로 앞에 상기 제1방향에 따른 도입 자장을 형성하는 도입 자장형성수단(25)을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 한쌍의 조주 자석이 영구자석(25a,25b)을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 도입 자장형성수단(25)이 전자코일(22b)을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 자장집속수단(26)이, S극이 상기 조주 자석에 대면하도록 배치된 영구자석(25a,25b)을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 자장집속수단(26)의 상기 영구자석(25a,25b)이 상기 기판보다 큰 폭을 갖고, 상기 기판의 단부를 넘어 양측으로 연장되도록 배설되는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  9. 제3항에 있어서, 상기 평행 자장형성수단(25)이 복수의 전자코일(22b)을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  10. 제2항에 있어서, 상기 전자생성실과 상기 처리실(3)을 접속하는 가속실(8)과 상기 가속실(8)을 제3진공상태로 설정하는 수단을 구비하고, 상기 제3진공상태의 압력은 상기 제2진공상태의 압력보다 높고, 상기 제1진공상태의 압력보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전자인출수단이 상기 전자생성실과 상기 처리실(3) 사이에 배설된 인출전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전자가속수단이 상기 가속실(8)과 상기 처리실(3) 사이에 배설된 가속전극(22a)을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
  13. 제2항에 있어서, 상기 자장집속수단(26)보다 상기 제1방향상류이고, 또 이것에 인접하여 배설된 전자도입전극(26b)과, 상기 전자도입전극(26b)에 약 OV 또는 그 이상의 전위를 부여하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
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