JP4904202B2 - プラズマ反応器 - Google Patents

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Description

本発明は無線周波数（radio frequency）プラズマソース（plasma source）に関し、具体的には、高密度のプラズマをより均一に発生することができる誘導結合プラズマ反応器に関する。
プラズマは同数の陰イオン（positive ions）と電子（electrons）を含む高度にイオン化されたガスである。プラズマ放電はイオン、自由ラジカル、原子、分子を含む活性ガスを発生するためのガス励起に使用されている。活性ガスは多様な分野で広く使用されており、代表的なものとしては、半導体製造工程、例えば、蝕刻（etching）、蒸着（deposition）、洗浄（cleaning）、アッシング（ashing）などに多様に使用される。
プラズマを発生するためのプラズマソースは様々であるが、無線周波数（radio frequency）を使用した容量結合プラズマ（capacitive coupled plasma）と誘導結合プラズマ(inductive coupled plasma)がその代表的な例である。
容量結合プラズマソースは正確な容量結合調節とイオン調節能力が高く、他のプラズマソースに比べて工程生産力が高いという長所を有する。一方、無線周波数電源のエネルギがほぼ排他的に容量結合を介してプラズマに連結されるため、プラズマイオン密度は容量結合された無線周波数電力の増加または減少によってのみ増加または減少する。しかし、無線周波数電力の増加はイオン衝撃エネルギを増加させる。結果的に、イオン衝撃による損傷を防ぐためには無線周波数電力の限界性を伴う。
一方、誘導結合プラズマソースは無線周波数電源の増加によってイオン密度を容易に増加させることができ、これによるイオン衝撃は相対的に低くなり、高密度プラズマを得るのに適合することが知られている。そのため、誘導結合プラズマソースは高密度のプラズマを得るために一般的に使用されている。誘導結合プラズマソースは、代表的なものとしては、無線周波数アンテナ（RF antenna）を用いた方式と、変圧器を用いた方式(変圧器結合プラズマ（transformer coupled plasma）ともいう)で技術開発が行われている。ここに電磁石や永久磁石を追加したり、容量結合電極を追加してプラズマの特性を向上させ、再現性と制御能力を高めるために技術開発が行われている。
無線周波数アンテナは、螺旋型タイプのアンテナ（spiral type antenna）またはシリンダタイプのアンテナ（cylinder type antenna）が一般的に使用される。無線周波数アンテナは、プラズマ反応器（plasma reactor）の外部に配置され、石英のような誘電体ウィンドウ（dielectric window）を介してプラズマ反応器の内部に誘導起電力を伝達する。無線周波数アンテナを用いた誘導結合プラズマは高密度のプラズマを比較的手軽に得ることができるが、アンテナの構造的特徴によってプラズマ均一度が影響される。そのため、無線周波数アンテナの構造を改善して均一な高密度のプラズマを得るために努力している。
しかし、大面積のプラズマを得るために、アンテナの構造を広くしたり、アンテナに供給される電力を高めることは限界性を伴う。例えば、定常波効果（standing wave effect）によって放射線上に非均一なプラズマが発生されることが知られている。また、アンテナに高電力が印加されると、無線周波数アンテナの容量性結合（capacitive coupling）が増加するようになることで、誘電体ウィンドウを厚くしなければならず、これによって無線周波数アンテナとプラズマ間の距離が増加することで、電力伝達の効率が低くなる問題点が発生する。
近年、半導体製造産業では、半導体素子の超微細化、半導体回路を製造するためのシリコンウエハ基板の大型化、液晶ディスプレイを製造するためのガラス基板の大型化、そして新たな処理対象物質の登場などのような様々な要因によってさらに向上したプラズマ処理技術が要求されている。特に、大面積の被処理物に対する優れた処理能力を有する向上したプラズマソースおよびプラズマ処理技術が要求されている。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、誘導結合プラズマおよび容量結合プラズマの長所を全て採用してプラズマイオンエネルギに対する制御能力が高く、より均一な大面積の高密度プラズマを発生させることが可能な、新規かつ改良されたプラズマ反応器を提供することにある。
本発明の他の目的は、アンテナの磁束伝達効率を向上させてプラズマイオンエネルギに対する制御能力が高く、より均一な大面積の高密度プラズマを発生させることが可能なプラズマ反応器を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、無線周波数アンテナから真空チャンバの内部への磁束の伝達効率を高め、工程ガスの供給をより均一にすることで、高密度の均一なプラズマを得ることが可能なプラズマ反応器を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点によれば、被処理基板が搭載される基板支持台を有する真空チャンバと、上記真空チャンバの内部にガスを供給するガスシャワーヘッドと、上記真空チャンバの上部に設けられる誘電体ウィンドウと、上記誘電体ウィンドウ上部に設けられる無線周波数アンテナとを含み、上記ガスシャワーヘッドと上記基板支持台は上記真空チャンバ内部のプラズマに容量的に結合され、上記無線周波数アンテナは上記真空チャンバの内部のプラズマに誘導的に結合されるプラズマ反応器が提供される。
また、上記誘電体ウィンドウは中心部に開口部を有し、上記ガスシャワーヘッドは上記誘電体ウィンドウの開口部に設けられるとしてもよい。
また、上記無線周波数アンテナは上記誘電体ウィンドウ上部で上記ガスシャワーヘッドの周辺に設けられるとしてもよい。
また、上記ガスシャワーヘッドは上記真空チャンバの内部で上記基板支持台の上部に設けられるとしてもよい。
また、上記無線周波数アンテナを覆うように上記誘電体ウィンドウの上部に設けられるマグネチックコアを含むとしてもよい。
また、上記マグネチックコアは磁束出入口が上記真空チャンバの内部に向かって上記無線周波数アンテナに沿って覆うように上記誘電体ウィンドウの上部に設けられるとしてもよい。
また、上記マグネチックコアは上記無線周波数アンテナを全体的に覆う平板型本体、および上記無線周波数アンテナが位置する領域に沿って平板型本体の底面に形成されたアンテナ装着溝を含むとしてもよい。
また、上記マグネチックコアは上記ガスシャワーヘッドが設けられる領域に対応するように形成された開口部を有するとしてもよい。
また、上記無線周波数アンテナと上記誘電体ウィンドウとの間に設けられるファラディシールドを含むとしてもよい。
また、上記無線周波数アンテナに連結され無線周波数を供給する第１の電源供給源、および上記基板支持台に無線周波数を供給する第２の電源供給源を含むとしてもよい。
また、上記第２の電源供給源の周波数と異なる周波数の無線周波数を上記基板支持台に供給する第３の電源供給源を含むとしてもよい。
また、無線周波数を供給する第１の電源供給源と、上記第１の電源供給源から提供される無線周波数電力を分割して無線周波数アンテナと基板支持台とに分割供給する電源分割部とを含むとしてもよい。
また、上記基板支持台に上記第１の電源供給源の無線周波数と異なる周波数の無線周波数を供給する第２の電源供給源を含むとしてもよい。
また、上記無線周波数アンテナと接地との間、または上記ガスシャワーヘッドと接地との間の少なくとも一つに連結される電力調節部を含むとしてもよい。
また、上記無線周波数アンテナと上記ガスシャワーヘッドは上記第１の電源供給源と接地との間に直列で連結され、上記無線周波数アンテナの一端が接地に連結されるか、またはガスシャワーヘッドが接地に連結されるとしてもよい。
また、上記無線周波数アンテナと接地との間、または上記ガスシャワーヘッドと接地との間の少なくとも一つに連結される電力調節部を含むとしてもよい。
また、上記無線周波数アンテナは二つ以上の分離構造を有し、二つ以上の分離した無線周波数アンテナと上記ガスシャワーヘッドは上記第１の電源供給源と接地との間に直列で連結され、いずれか二つの分離した無線周波数アンテナとの間に上記ガスシャワーヘッドが連結されるとしてもよい。
また、上記無線周波数アンテナと接地との間、または上記ガスシャワーヘッドと接地との間の少なくとも一つに連結される電力調節部を含むとしてもよい。
また、上記誘電体ウィンドウ、上記無線周波数アンテナ、および上記マグネチックコアは上記真空チャンバの内側に設けられ、上記真空チャンバの上部を覆う上部カバーを含むとしてもよい。
また、上記誘電体ウィンドウは上記真空チャンバの上部カバーとして機能し、上記誘電体ウィンドウの上部で上記無線周波数アンテナと上記マグネチックコアを全体的に覆うカバー部材を含むとしてもよい。
また、上記真空チャンバの内壁に沿って設けられる誘電体壁を含むとしてもよい。
また、上記ガスシャワーヘッドは上記真空チャンバの内部領域に接して多数のガス噴射孔が形成されたシリコン平板を含むとしてもよい。
また、上記無線周波数アンテナは螺旋型構造または同心円型構造のうちいずれか一つの構造を有するとしてもよい。
また、上記無線周波数アンテナは二段以上に積層された構造を有するとしてもよい。
また、上記目的を達成するために、本発明の第２の観点によれば、真空チャンバ、上記真空チャンバの上部に設けられた誘電体ウィンドウ、および上記誘電体ウィンドウ上部に設けられる無線周波数アンテナを含むプラズマ反応器において、磁束出入口が上記真空チャンバの内部に向かって無線周波数アンテナに沿って覆うように上記誘電体ウィンドウの上部に設けられるマグネチックコアを含むプラズマ反応器が提供される。
また、上記マグネチックコアは一つ以上の無線周波数アンテナを同時に覆う構造を有するとしてもよい。
また、上記無線周波数アンテナが螺旋型構造または同心円型構造のうちいずれか一つの構造を有するとき、上記マグネチックコアは上記無線周波数アンテナに沿って螺旋型構造または同心円型構造のいずれか一つの構造を有するとしてもよい。
また、上記無線周波数アンテナは二段以上に積層された構造を有し、上記マグネチックコアは積層された無線周波数アンテナを同時に覆うとしてもよい。
本発明によれば、プラズマイオンエネルギに対する制御能力が高く、より均一な大面積の高密度プラズマを発生させることができる。また、本発明によれば、アンテナの磁束伝達効率を向上させてプラズマイオンエネルギに対する制御能力が高く、より均一な大面積の高密度プラズマを発生させることができる。さらに、本発明によれば、無線周波数アンテナから真空チャンバの内部への磁束の伝達効率を高め、工程ガスの供給をより均一にすることで、高密度の均一なプラズマを得ることができる。
より具体的には、本発明の誘導結合プラズマ反応器によれば、ガスシャワーヘッドと基板支持台が真空チャンバの内部のプラズマに容量的に結合され、無線周波数アンテナは真空チャンバの内部のプラズマに誘導的に結合される。特に、無線周波数アンテナはマグネチックコアによって覆われており、より強い磁束が集束され、磁束の損失を最大限に抑えることができる。このように容量的かつ誘導的な結合は真空チャンバでプラズマ発生とプラズマイオンエネルギの正確な調節を容易にする。そのため、半導体工程で収率と生産力を高めることができる。また、ガスシャワーヘッドが基板支持台の上部で均一なガス噴射が行われるようにしてより向上した均一な基板処理を可能にする。
また、本発明に係るプラズマ反応器は、真空チャンバの内部に容量的かつ誘導的な結合によってプラズマを発生させることで、大面積のプラズマをより均一に発生すると同時に、プラズマイオンエネルギの正確な調節を容易にすることができる。本発明に係る無線周波数アンテナは、マグネチックコアによって覆われることにより、より強く磁束が真空チャンバの内部に伝達され、磁束の損失を最大限に抑えることができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、本発明の要旨を不必要に曖昧にすると判断される公知機能および構成に対する詳細な技術は省略する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るプラズマ反応器の断面図である。
図１を参照すると、第１の実施形態に係るプラズマ反応器は、下部本体（１１０）と上部カバー（１２０）で構成される真空チャンバ（１００）を備える。真空チャンバ（１００）の内部には被処理基板（１１２）が搭載される基板支持台（１１１）が備えられる。下部本体（１１０）にはガス排気のためのガス出口（１１３）が備えられ、ガス出口（１１３）は真空ポンプ（１１５）に連結される。被処理基板（１１２）は、例えば、半導体装置を製造するためのシリコンウエハ基板または液晶ディスプレイやプラズマディスプレイなどを製造するためのガラス基板である。
下部本体（１１０）は、例えば、アルミニウム、ステンレス、銅のような金属物質で製作される。また下部本体（１１０）は、コーティングされた金属、例えば、両極処理されたアルミニウムやニッケルメッキされたアルミニウムで製作されてもよい。下部本体（１１０）は、耐火金属（refractory metal）で製作することもできる。また他の代案として、下部本体（１１０）を全体的に石英、セラミックスのような電気的絶縁物質で製作することもでき、意図されたプラズマプロセスが行われるのに適合する他の物質でも製作することができる。上部カバー（１２０）と下部本体（１１０）は同一の物質または互いに異なる物質で製作される。
真空チャンバ（１００）の内側上部には中心部が開口した誘電体ウィンドウ（１３０）が設けられる。誘電体ウィンドウ（１３０）の開口部にはガスシャワーヘッド(１４０)が設けられる。ガスシャワーヘッド（１４０）は少なくとも一つのガス分配板（１４５）を含み、伝導性物質で製作される。ガスシャワーヘッド（１４０）は、真空チャンバ（１００）の内部領域に接する部分が多数のガス噴射孔が形成されたシリコン平板（１４６）が設けられる。上部カバー（１２０）の中心にはガスシャワーヘッド（１４０）に連結されるガス入口（１２１）が設けられる。上部カバー（１２０）と誘電体ウィンドウ（１３０）との間の上部空間（１２３）には無線周波数アンテナ（１５１）が設けられる。
真空チャンバ（１００）の内壁に沿って誘電体壁（１３２）が選択的に設けられる。誘電体壁（１３２）と誘電体ウィンドウ（１３０）は一体に形成された構造を有することが好ましい。しかし、各々別に分離した構造で構成することができる。誘電体壁(１３２)は全体的に基板支持台（１１１）より若干低い部分まで設けられ、工程進行過程で下部本体（１１０）が損傷したり、汚染することを防ぐ。誘電体ウィンドウ（１３０）と誘電体壁（１３２）は、例えば、石英やセラミックスのような絶縁物質で構成される。
誘電体ウィンドウ（１３０）は上部カバー（１２０）と下部本体（１１０）との間にわたる構造を有するが、この際に各々の接合面には真空絶縁のために各々Ｏリング（１１４、１２２）が設けられる。そして、誘電体ウィンドウ（１３０）とシャワーヘッド（１４０）の接合面と、シャワーヘッド（１４０）と上部カバー（１２０）の接合面にも各々真空絶縁のためのＯリング（１２５、１２４）が設けられる。
図２は図１のプラズマ反応器の上部に設けられた無線周波数アンテナとガスシャワーヘッドの組立構造を示す説明図である。
図２を参照すると、無線周波数アンテナ（１５１）はガスシャワーヘッド（１４０）を中心にして平板螺旋型の構造で設けられる。誘電体ウィンド（１３０）と無線周波数アンテナ（１５１）との間にはファラディシールド（faraday shield）（１４２）が設けられる。ファラディシールド（１４２）は選択的な構成で設けられたり、または設置されないこともある。ファラディシールド（１４２）はガスシャワーヘッド（１４０）と電気的な連結を有するようにするか、または有しないようにすることもできる。
再び、図１を参照すると、無線周波数アンテナ（１５１）の一端は無線周波数を供給する第１の電源供給源（１６０）にインピーダンス整合器（１６１）を介して電気的に連結され、他端は接地される。無線周波数アンテナ（１５１）は真空チャンバの内部プラズマに誘導的に結合される。基板支持台（１１１）は無線周波数を供給する第２の電源供給源（１６２）にインピーダンス整合器（１６３）を介して電気的に連結され、ガスシャワーヘッド(１４０)は接地される。ガスシャワーヘッド（１４０）と基板支持台（１１１）は一対の容量電極を構成して真空チャンバ（１００）内部のプラズマに容量的に結合される。第１の電源供給源（１６０）および第２の電源供給源（１６２）は別途のインピーダンス整合器なしに出力電圧の制御が可能な無線周波数電源供給源を用いて構成することもできる。容量結合のための無線周波数信号と誘導結合のための無線周波数信号の位相関係は適切な関係を有するようになるが、例えば、１８０度程度の位相関係を有する。
このような本発明の第１の実施形態に係るプラズマ反応器は、ガスシャワーヘッド（１４０）と基板支持台（１１１）が真空チャンバ（１００）の内部のプラズマに容量的に結合され、無線周波数アンテナ（１５１）は真空チャンバ（１００）の内部のプラズマに誘導的に結合される。一般的に、無線周波数アンテナを用いる誘導結合プラズマソースは、無線周波数アンテナの形状によってプラズマ密度および均一度が影響される。このような点から、第１の実施形態に係るプラズマ反応器は、容量結合されるガスシャワーヘッド（１４０）を中心部分に備え、その周辺に平板螺旋型に配置される無線周波数アンテナ（１５１）を有するようになることで、真空チャンバの内部により均一なプラズマを得ることができる。
このように容量的かつ誘導的な結合は、真空チャンバ（１００）でプラズマ発生とプラズマイオンエネルギの正確な調節を容易にする。そのため、工程生産力を最大化することができるようになる。また、ガスシャワーヘッド（１４０）が基板支持台（１１１）の上部に位置することで、被処理基板（１１２）上部に均一なガス噴射が行われるようにしてより向上した均一な基板処理を可能にする。
図３は無線周波数アンテナとシャワーヘッドの電気的連結構造を示す説明図である。
図３を参照すると、無線周波数アンテナ（１５１）とガスシャワーヘッド（１４０）は電気的に直列で連結する変形実施が可能である。すなわち、無線周波数アンテナ（１５１）の一端はインピーダンス整合器（１６１）を介して第１の電源供給源（１６０）に連結され、他端はガスシャワーヘッド（１４０）に連結される。そして、ガスシャワーヘッド（１４０）は接地される。ガスシャワーヘッド（１４０）と無線周波数アンテナ（１５１）の電気的な連結関係は、次のように多様に変形実施される。
図４ａ〜図４ｄは、無線周波数アンテナとシャワーヘッドの電気的連結構造を変形した多様な例を示す説明図である。
図４ａ〜図４ｄにおいて、（ａ）と図示された図面は、無線周波数アンテナ（１５１）とガスシャワーヘッド（１４０）の物理的配置構造と電気的連結関係を図示したものであって、（ｂ）と図示された図面はこれを電気シンボルで連結関係を図示したものである。
図４ａに例示されたガスシャワーヘッド（１４０）と無線周波数アンテナ（１５１）の連結方式は図３で説明した通りである。無線周波数アンテナ（１５１）の一端はインピーダンス整合器（１６１）を介して第１の電源供給源（１６０）に電気的に連結され、他端はガスシャワーヘッド（１４０）に電気的に連結される。ガスシャワーヘッド（１４０）は接地される。
図４ｂに例示されたガスシャワーヘッド（１４０）と無線周波数アンテナ（１５１）の連結方式は、ガスシャワーヘッド（１４０）が先ず第１の電源供給源（１６０）に電気的に連結され、続いて無線周波数アンテナ（１６１）がガスシャワーヘッド（１４０）に連結されて接地される。
図４ｃと図４ｄに例示されたガスシャワーヘッド（１４０）と無線周波数アンテナ（１５１）の連結方式は、無線周波数アンテナ（１５１）を二つの分離アンテナ（１５１ａ、１５１ｂ）で構成し、それらの間にガスシャワーヘッド（１４０）が電気的に連結される。ただし、図４ｃでは無線周波数アンテナ（１５１）は二つの分離アンテナ（１５１ａ、１５１ｂ）が同一の巻線方向に巻かれ、外郭に位置するものと内郭に位置する配置構造を有する。
そして、図４ｄに図示された無線周波数アンテナ（１５１）は、二つの分離アンテナ（１５１ａ、１５１ｂ）が並列にガスシャワーヘッド（１４０）の周辺に平板螺旋型に巻かれる。そして、外郭に位置した一つのアンテナ（１５１ａ）の外側一端はインピーダンス整合器（１６１）を介して第１の電源供給源（１６０）に連結され、他端はガスシャワーヘッド（１４０）に連結される。内郭に位置したもう一つのアンテナ（１５１ｂ）は内側一端がガスシャワーヘッド（１４０）に連結され、外側一端が接地される。
以上の図４ａ〜図４ｄで例示したガスシャワーヘッド(１４０)と無線周波数アンテナ（１６１）の電気的連結方式は、例示されたもの以外にも多様な電気的連結方式がある。このような電気的連結方式は後述する例にも同一に適用することができる。また、無線周波数アンテナ（１６１）と基板支持台（１１１）の電源供給方式も後述するように多様な供給方式が採用される。そして、無線周波数供給のための電源供給源の数も多様に変形することができる。
図５は電源分割による二重電源供給構造を採用した例を示す説明図である。
図５を参照すると、第１の電源供給源（１６０）から提供される無線周波数は電源分配部(１６４)を介して分配されて無線周波数アンテナ（１５１）と基板支持台（１１１）に分割供給される電源分割供給構造が採用される。電源分配部(１６４)は、例えば、変圧器を用いた電源分割、多数の抵抗を用いた電源分割、キャパシタを用いた電源分割など多様な方式によって電源分割が可能である。基板支持台（１１１）は第１の電源供給源（１６０）から分割された無線周波数と、第２の電源供給源（１６２）から提供される無線周波数を各々提供される。この際、第１の電源供給源（１６０）および第２の電源供給源(１６２)で提供される互いに異なる周波数の無線周波数である。
図６は二つの電源供給源による二重電源構造を採用した例を示す説明図である。
図６を参照すると、基板支持台（１１１）は互いに異なる周波数を提供する二つの電源供給源（１６２ａ、１６２ｂ）を介して二つの無線周波数を提供される。
このように、基板支持台（１１１）が互いに異なる周波数の無線周波数を提供される場合、電源分割構造または独立した別個の電源を採用するなどの多様な電源供給構造を採用することができる。基板支持台（１１１）の二重電源供給構造は真空チャンバ（１００）の内部にプラズマ発生をより容易にし、被処理基板（１１２）の表面でプラズマイオンエネルギ調節をより改善させ、工程生産力をより向上させることができる。
基板支持台（１１１）の単一または二重電源供給構造は、上述した図４ａ〜図４ｄで説明した無線周波数アンテナ（１５１）とガスシャワーヘッド（１４０）の多様な電気的連結方式と混合してより多様な電気的連結方式を具現することができる。
図７ａおよび図７ｂは無線周波数アンテナと接地との間に構成される電力調節部を例示した説明図である。
図７ａおよび図７ｂを参照すると、無線周波数アンテナ（１５１）と接地との間には電力調節部（１７０）が構成される。電力調節部（１７０）は、例えば、可変キャパシタ（１７１ａ）または可変インダクタ（１７１ｂ）で構成される。電力調節部（１７０）の容量可変制御によって無線周波数アンテナ（１５１）の誘導結合エネルギを調節することができる。このような電力調節部（１７０）は容量結合エネルギの調節のためにガスシャワーヘッド（１４０）と接地との間に構成される。
電力調節部（１７０）の構成は、上述した多様な形態の電源供給構造とガスシャワーヘッド（１４０）と無線周波数アンテナ（１６１）の多様な電気的連結方式とともに混合してより多様な電気的連結方式を具現することができる。このような電気的連結方式は後述する例でも同一に適用することができる。
（第２の実施形態）
図８は本発明の第２の実施形態に係るプラズマ反応器を示す断面図である。図９は図８のプラズマ反応器の上部に設けられた無線周波数アンテナとガスシャワーヘッドの配置構造を示す説明図である。
図８および図９を参照すると、本発明の第２の実施形態に係るプラズマ反応器は、上述した第１の実施形態に係るプラズマ反応器と基本的に同一の構成を有する。そのため、同一の構成に対して重複する説明は省略する。ただし、第２の実施形態に係るプラズマ反応器は、真空チャンバ（１００ａ）の構造が上述した第１の実施形態に係る真空チャンバ（１００）と若干異なる。第２の実施形態に係るプラズマ反応器の真空チャンバ（１００ａ）は、下部本体（１１０）の上部に構成される誘電体ウィンドウ（１３０）が上部カバーを兼ねる構成である。誘電体ウィンドウ（１３０）の上部には無線周波数アンテナ（１５１）を全体的に覆うカバー部材（１２６）を含む。カバー部材（１２６）は伝導性または非伝導性物質で構成される。シャワーヘッド（１４０）は誘電体ウィンドウ（１３０）に比べて基板支持台（１１１）に低く突出した構造を有する。
図１０は真空チャンバの外部側壁部分にもシリンダ型無線周波数アンテナを設けた例を示す説明図である。
図１０を参照すると、無線周波数アンテナ（１５１）は平板螺旋型構造を有し、誘電体ウィンドウ（１３０）の上部に設けられ、拡張構造として真空チャンバ（１００）の外部側壁部分にシリンダ構造で設けられる。誘電体ウィンドウ（１３０）の構造もこれに適合する構造を有するようにする。また、カバー部材も側壁部分に設けられる無線周波数アンテナ（１５１）を覆うように拡張構造を有する。
（第３の実施形態）
図１１は本発明の第３の実施形態に係るプラズマ反応器を示す断面図である。
図１１を参照すると、第３の実施形態に係るプラズマ反応器は、上述した第１の実施形態に係るプラズマ反応器と基本的に同一の構成を有する。そのため、同一の構成に対して重複する説明は省略する。特に、第３の実施形態に係るプラズマ反応器は、無線周波数アンテナ（１５１）がマグネチックコア（１５０）によって覆われており、より強く磁束が集束され、磁束の損失を最大限に抑えることができる。
図１２は、図１１のプラズマ反応器の上部に設けられた無線周波数アンテナとガスシャワーヘッドの配置構造を示す説明図であり、図１３は、無線アンテナとマグネチックコアによって誘電体ウィンドウを介して真空チャンバの内部に誘導される磁場を可視的に示す説明図である。
図１２を参照すると、無線周波数アンテナ（１５１）はガスシャワーヘッド（１４０）を中心にして平板螺旋型構造で設けられ、無線周波数アンテナ(１５１)はマグネチックコア（１５０）によって覆われる。マグネチックコア（１５０）は垂直断面構造が蹄鉄形状を有し、磁束出入口（１５２）が誘電体ウィンドウ（１３０）に向かうようにして無線周波数アンテナ（１５１）に沿って覆うように設けられる。そのため、図１３に示すように、無線アンテナ（１５１）によって発生した磁束は、マグネチックコア（１５０）によって集束されて誘電体ウィンドウ（１３０）を介して真空チャンバ（１００）の内部に誘導される。マグネチックコア（１５０）は、例えば、フェライト材質で製作されるが、他の代案の材料で製作されることもある。マグネチックコア（１５０）は多数の蹄鉄形状のフェライトコア片を組立てて構成することができる。または、垂直断面構造が蹄鉄形状を有し、平板螺旋型に巻かれた構造を有する一切のフェライトコアを製作して使用することができる。
このような本発明の第３の実施形態に係るプラズマ反応器は、ガスシャワーヘッド（１４０）と基板支持台（１１１）が真空チャンバ（１００）の内部のプラズマに容量的に結合され、無線周波数アンテナ（１５１）は真空チャンバ（１００）の内部のプラズマに誘導的に結合される。一般的に、無線周波数アンテナを用いる誘導結合プラズマソースは、無線周波数アンテナの形状によってプラズマ密度および均一度が影響される。このような点から、本発明のプラズマ反応器は容量結合されるガスシャワーヘッド（１４０）を中心部分に備え、その周辺に平板螺旋型に配置される無線周波数アンテナ（１５１）を有するようになることで、真空チャンバの内部により均一なプラズマを得ることができる。特に、無線周波数アンテナ（１５１）はマグネチックコア（１５０）によって覆われており、より強く磁束が集束され、磁束の損失を最大限に抑えることができる。
図１４は電源分割による二重電源供給構造を採用した例を示す説明図であり、図１５は二つの電源供給源による二重電源構造を採用した例を示す説明図である。
図１４および図１５に示すプラズマ反応器は、上述した図５および図６のプラズマ反応器と基本的に同一の構成を有する。特に、図１４および図１５で例示したプラズマ反応器は各々無線周波数アンテナ（１５１）がマグネチックコア（１５０）によって覆われており、より強く磁束が集束され、磁束の損失を最大限に抑えることができる。
図１６は板型マグネチックコアを採用した例を示すプラズマ反応器の断面図であり、図１７は板型マグネチックコアと無線周波数アンテナおよびシャワーヘッドの分解斜視図である。
図１６および図１７を参照すると、代案として、無線周波数アンテナ（１５１）を覆うように板型マグネチックコア（１９０）を使用することができる。板型マグネチックコア（１９０）は誘電体ウィンドウ（１３０）と対応する開口部（１９１）を有し、誘電体ウィンドウ（１３０）上部を全体的に覆う平板型本体（１９２）を有する。平板型本体（１９２）の底面には無線周波数アンテナ（１５１）が位置する領域に沿ってアンテナ装着溝（１９３）が形成される。無線周波数アンテナ（１５１）はアンテナ装着溝（１９３）に沿って設けられ、全体的に板型マグネチックコア（１９０）によって覆われる。このような板型マグネチックコア（１９０）は、上述した蹄鉄形状のマグネチックコア（１５０）の代案的な実施形態として使用することができる。
（第４の実施形態）
図１８は本発明の第４の実施形態に係るプラズマ反応器の断面図であり、図１９は図１８のプラズマ反応器の上部に設けられた無線周波数アンテナとガスシャワーヘッドの配置構造を示す説明図である。
図１８および図１９を参照すると、本発明の第４の実施形態に係るプラズマ反応器は、上述した第３の実施形態に係るプラズマ反応器と基本的に同一の構成を有する。そのため、同一の構成に対して重複する説明は省略する。ただし、第４の実施形態に係るプラズマ反応器は、真空チャンバ（１００ａ）の構造が上述した第３の実施形態に係る真空チャンバ（１００)と若干異なる。第４の実施形態に係るプラズマ反応器の真空チャンバ（１００ａ）は、下部本体（１１０）の上部に構成される誘電体ウィンドウ（１３０）が上部カバーを兼ねる構成である。誘電体ウィンドウ（１３０）の上部には無線周波数アンテナ（１５１）とマグネチックコア（１５０）を全体的に覆うカバー部材（１２６）を含む。カバー部材（１２６）は伝導性または非伝導性物質で構成される。シャワーヘッド（１４０）は誘電体ウィンドウ（１３０）に比べて基板支持台（１１１）に低く突出した構造を有する。
図２０は板型マグネチックコアを用いた例を示すプラズマ反応器の断面図である。
図２０を参照すると、上述した第３の実施形態で説明されたように、板型マグネチックコア（１９０）を用いて無線周波数アンテナ（１５１）を覆うように構成することができる。
図２１は真空チャンバの外部側壁部分にもシリンダ型無線周波数アンテナとマグネチックコアを設けた例を示す説明図である。
図２１を参照すると、無線周波数アンテナ（１５１）は平板螺旋型構造を有し、誘電体ウィンドウ（１３０）の上部に設けられ、拡張構造として真空チャンバ（１００)の外部側壁部分にシリンダ構造で設けられる。誘電体ウィンドウ（１３０）の構造として、これに適合する構造を有するようにし、マグネチックコア（１５０）も同一に設けられる。また、カバー部材も側壁部分に設けられる無線周波数アンテナ（１５１）とマグネチックコア（１５０）を覆うように拡張構造を有する。
（第５の実施形態）
図２２は本発明の第５の実施形態に係るプラズマ反応器の断面図である。
図２２を参照すると、誘導結合プラズマ反応器は下部本体（１１０）と下部本体の頂部を構成する誘電体ウィンドウ（１２０）で構成される真空チャンバ（１００)を備える。真空チャンバ（１００)の内部には被処理基板（１１２）が搭載される基板支持台（１１１）が備えられる。下部本体（１１０）にはガス排気のためのガス出口（１１３）が備えられ、ガス出口（１１３）は真空ポンプ（１１５）に連結される。
真空チャンバ（１００）の内側上部にはガスシャワーヘッド（１４０）が設けられる。ガスシャワーヘッド（１４０）は少なくとも一つのガス分配板（１４１）を含み伝導性物質で製作される。ガスシャワーヘッド（１４０）は真空チャンバ（１００)の内部領域に接する部分が多数のガス噴射孔が形成されたシリコン平板（１４６）が設けられる。
誘電体ウィンドウ（１２０）には、ガスシャワーヘッド（１４０）に連結されるガス注入管（１２２）が設けられ、ガス注入管（１２２）の終端（１２１）はガスシャワーヘッド（１４０）に連結される。誘電体ウィンドウ（１３０）と下部本体（１１０）との間には、真空絶縁のために各々Ｏリング（１２３）が設けられる。誘電体ウィンドウ（１２０）の上部には無線周波数アンテナ（１５１）が近接して設けられ、無線周波数アンテナ（１５１）を全体的に覆うマグネチックコア（１５０）が設けられる。
無線周波数アンテナ（１５１）の一端は無線周波数を供給する第１の電源供給源（１６０）にインピーダンス整合器（１６１）を介して電気的に連結され、他端は接地される。無線周波数アンテナ（１５１）は真空チャンバの内部プラズマに誘導的に結合される。基板支持台（１１１）は、無線周波数を供給する第２の電源供給源（１６２）にインピーダンス整合器（１６３）を介して電気的に連結され、ガスシャワーヘッド（１４０）は接地される。ガスシャワーヘッド（１４０）と基板支持台（１１１）は一対の容量電極を構成して真空チャンバ（１００）内部のプラズマに容量的に結合される。第１の電源供給源（１６０）および第２の電源供給源（１６２）は、別途のインピーダンス整合器なしに出力電圧の制御が可能な無線周波数電源供給源を用いて構成することもできる。容量結合のための無線周波数信号と、誘導結合のための無線周波数信号の位相関係は適切な関係を有するが、例えば、１８０度程度の位相関係を有する。
図２３ａおよび図２３ｂは無線周波数アンテナの形状を平板螺旋型または同心円型で構成した例を示す説明図である。
図２３ａおよび図２３ｂを参照すると、無線周波数アンテナ（１５１）は多数の平板螺旋型構造または同心円型構造を有する一つ以上の無線周波数アンテナで構成される。多数の無線周波数アンテナ（１５１）は二段以上に重畳される。マグネチックコア（１５０）は無線周波数アンテナ（１５１）を全体的に覆う平板型本体を有し、無線周波数アンテナ（１５１）が位置する領域に沿って螺旋型または同心円型にアンテナ装着溝（１５２）が備えられる。
図２４ａおよび図２４ｂは無線周波数アンテナの電気的連結構造を示す説明図である。
図２４ａおよび図２４ｂを参照すると、無線周波数アンテナ（１５１）は多数のアンテナユニット（１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ）で構成され、多数のアンテナユニット（１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ）は直列または並列に接続されて電気的な連結構造を有することができる。また、多数のアンテナユニット（１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ）は、直列と並列が混合した電気的な連結構造を有することもできる。
上記のような本発明の実施形態に係る誘導結合プラズマ反応器は、ガスシャワーヘッド（１４０）と基板支持台（１１１）が真空チャンバ（１００）の内部のプラズマに容量的に結合され、無線周波数アンテナ（１５１）は真空チャンバ（１００）の内部のプラズマに誘導的に結合される。特に、無線周波数アンテナ（１５１）はマグネチックコア（１５０）によって覆われており、より強く磁束が集束され、磁束の損失を最大限に抑えることができる。このように、容量的かつ誘導的な結合は真空チャンバ（１００）でプラズマ発生とプラズマイオンエネルギの正確な調節を容易にする。そのため、工程生産力を最大化することができるようになる。また、ガスシャワーヘッド（１４０）が基板支持台（１１１）の上部に位置することで、被処理基板（１１２）上部に均一なガス噴射が行われるようにしてより向上した均一な基板処理が可能になる。
図２５は電源分割による二重電源供給構造を採用した例を示す説明図である。
図２５を参照すると、第１の電源供給源（１６０）から提供される無線周波数は電源分配部（１６４）を介して分配されて無線周波数アンテナ（１５１）と基板支持台（１１１）に分割供給される電源分割供給構造が採用される。電源分配部（１６４）は、例えば、変圧器を用いた電源分割、多数の抵抗を用いた電源分割、キャパシタを用いた電源分割など多様な方式によって電源分割が可能である。基板支持台（１１１）は第１の電源供給源（１６０）から分割された無線周波数と、第２の電源供給源（１６２）から提供される無線周波数を各々提供される。この際、第１の電源供給源（１６０）および第２の電源供給源（１６２）で提供される互いに異なる周波数の無線周波数である。
図２６は二つの電源供給源による二重電源構造を採用した例を示す説明図である。
図２６を参照すると、基板支持台（１１１）には互いに異なる周波数を提供する二つの電源供給源（１６２ａ、１６２ｂ）を介して二つの無線周波数が提供される。
このように、基板支持台（１１１）に互いに異なる周波数の無線周波数が提供される場合、電源分割構造または独立した別個の電源を採用するなどの多様な電源供給構造を採用することができる。基板支持台（１１１）の二重電源供給構造は、真空チャンバ（１００)の内部にプラズマ発生をより容易にし、被処理基板（１１２）の表面でプラズマイオンエネルギ調節をより改善させ、工程生産力をより向上させることができる。
基板支持台（１１１）の単一または二重電源供給構造は、上述した図４ａ〜図４ｄで説明した無線周波数アンテナ（１５１）とガスシャワーヘッド（１４０）の多様な電気的連結方式と混合してより多様な電気的連結方式を具現することができる。
図２７はマグネチックコアの中心部を介してガス供給チャネルを構成した変形を示す部分断面図である。
図２７を参照すると、ガス供給構造はマグネチックコア（１５０）の中心部分に開口部（１５３）を形成し、誘電体ウィンドウ（１２０）の中心にもそれに対応した開口部（１２４）を形成してガス供給が行われるように変形することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明の第１の実施形態に係るプラズマ反応器の断面図である。 図１に示すプラズマ反応器の上部に設けられた無線周波数アンテナとガスシャワーヘッドの組立構造を示す説明図である。 無線周波数アンテナとシャワーヘッドの電気的連結構造を示す説明図である。 無線周波数アンテナとシャワーヘッドの電気的連結構造を変形させた一例を示す説明図である。 無線周波数アンテナとシャワーヘッドの電気的連結構造を変形させた一例を示す説明図である。 無線周波数アンテナとシャワーヘッドの電気的連結構造を変形させた一例を示す説明図である。 無線周波数アンテナとシャワーヘッドの電気的連結構造を変形させた一例を示す説明図である。 電源分割による二重電源供給構造を採用した例を示す説明図である。 二つの電源供給源による二重電源構造を採用した例を示す説明図である。 無線周波数アンテナと接地との間に構成される電力調節部を示す説明図である。 無線周波数アンテナと接地との間に構成される電力調節部を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係るプラズマ反応器の断面図である。 図１０のプラズマ反応器の上部に設けられた無線周波数アンテナとガスシャワーヘッドの配置構造を示す説明図である。 真空チャンバの外部側壁部分にもシリンダ型無線周波数アンテナを設けた例を示す説明図である。 本発明の第３の実施形態に係るプラズマ反応器の断面図である。 図１１のプラズマ反応器の上部に設けられた無線周波数アンテナとガスシャワーヘッドの配置構造を示す説明図である。 無線アンテナとマグネチックコアによって誘電体ウィンドウを介して真空チャンバの内部に誘導される磁束を可視的に示す説明図である。 電源分割による二重電源供給構造を採用した例を示す説明図である。 二つの電源供給源による二重電源構造を採用した例を示す説明図である。 板型マグネチックコアを採用した例を示すプラズマ反応器の断面図である。 板型マグネチックコアと無線周波数アンテナおよびシャワーヘッドの分解斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係るプラズマ反応器の断面図である。 図１８のプラズマ反応器の上部に設けられた無線周波数アンテナとガスシャワーヘッドの配置構造を示す説明図である。 板型マグネチックコアを用いた例を示すプラズマ反応器の断面図である。 真空チャンバの外部側壁部分にもシリンダ型無線周波数アンテナとマグネチックコアを設けた例を示す説明図である。 本発明の第５の実施形態に係るプラズマ反応器の断面図である。 無線周波数アンテナの形状を螺旋型で構成した例を示す説明図である。 無線周波数アンテナの形状を同心円型で構成した例を示す説明図である。 無線周波数アンテナの電気的連結構造を示す説明図である。 無線周波数アンテナの電気的連結構造を示す説明図である。 電源分割による二重電源供給構造を採用した例を示す説明図である。 二つの電源供給源による二重電源構造を採用した例を示す説明図である。 マグネチックコアの中心部を介してガス供給チャネルを構成した変形例を示す部分断面図である。
符号の説明
１００ 真空チャンバ
１１０ 下部本体
１１１ 基板支持台
１１２ 非処理基板
１１３ ガス出口
１１４、１２２、１２４、１２５ Ｏリング
１１５ 真空ポンプ
１２０ 上部カバー
１２１ ガス入口
１２３ 上部空間
１２０、１３０ 誘導体ウィンドウ
１３２ 誘電体壁
１４０ ガスシャワーヘッド
１４２ ファラディシールド
１４５ ガス分配板
１４６ シリコン平板
１５０ マグネチックコア
１５１ 無線周波数アンテナ
１５２ 磁束出入口
１６０、１６２ 電源供給源
１６１、１６３ インピーダンス整合器
１６４ 電源分配部
１７０ 電力調節部
１７１ａ 可変キャパシタ
１７１ｂ 可変インダクタ

Claims (8)

  1. 被処理基板が搭載される基板支持台を有する真空チャンバと；
    前記真空チャンバの内部にガスを供給するガスシャワーヘッドと；
    前記真空チャンバの上部に設けられる誘電体ウィンドウと；
    前記誘電体ウィンドウ上部で前記ガスシャワーヘッドの周辺に設けられ、螺旋型構造を有する無線周波数アンテナと；
    前記無線周波数アンテナを覆うように前記誘電体ウィンドウの上部に設けられるマグネチックコアと；
    前記無線周波数アンテナに連結され無線周波数を供給する第１の電源供給源と；
    前記基板支持台に無線周波数を供給する第２の電源供給源と；
    前記第２の電源供給源の周波数と異なる周波数の無線周波数を前記基板支持台に供給する第３の電源供給源と；
    を含み、
    前記ガスシャワーヘッドと前記基板支持台は前記真空チャンバ内部のプラズマに容量的に結合され、前記無線周波数アンテナは前記真空チャンバの内部のプラズマに誘導的に結合され、
    前記誘電体ウィンドウは中心部に開口部を有し、前記ガスシャワーヘッドは前記誘電体ウィンドウの開口部に設けられ、
    前記マグネチックコアは、複数の蹄鉄形状のフェライトコア片を組立てて構成されることを特徴とする、プラズマ反応器。
  2. 前記ガスシャワーヘッドは前記真空チャンバの内部で前記基板支持台の上部に設けられることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ反応器。
  3. 前記マグネチックコアは、前記無線周波数アンテナによって発生した磁束を収束させ、前記磁束を前記誘電体ウィンドウを介して前記真空チャンバの内部に誘導させるための磁束出入口が前記誘電体ウィンドウの上部に設けられるマグネチックコアを含むことを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ反応器。
  4. 前記無線周波数アンテナと前記誘電体ウィンドウとの間に設けられるファラディシールドを含むことを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ反応器。
  5. 前記誘電体ウィンドウ、前記無線周波数アンテナ、および前記マグネチックコアは前記真空チャンバの内側に設けられ、前記真空チャンバの上部を覆う上部カバーを含むことを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ反応器。
  6. 前記誘電体ウィンドウは前記真空チャンバの上部カバーとして機能し、前記誘電体ウィンドウの上部で前記無線周波数アンテナと前記マグネチックコアを全体的に覆うカバー部材を含むことを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ反応器。
  7. 前記真空チャンバの内壁に沿って設けられる誘電体壁を含むことを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ反応器。
  8. 前記ガスシャワーヘッドは前記真空チャンバの内部領域に接して多数のガス噴射孔が形成されたシリコン平板を含むことを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ反応器。
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