KR100332257B1

KR100332257B1 - 플라즈마 처리장치

Info

Publication number: KR100332257B1
Application number: KR1020000000158A
Authority: KR
Inventors: 수닐위크라마나야카
Original assignee: 니시히라 순지; 아네르바 가부시키가이샤
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 2000-01-04
Publication date: 2002-04-12
Also published as: US6225746B1; KR20000062433A; TW460610B

Abstract

(해결수단) 플라즈마 처리장치는 헬리컬 코일 (16) 이 배치된 헬리컬 공진기 (11) 와 플라즈마 처리 챔버 (12) 를 구비한다. 헬리컬 코일은 금속으로 만들어지고 또한 nλ/4 와 동일한 소정 길이를 가지며, 여기에서 n 은 정수, λ는 rf 의 파장이다. 헬리컬 공진기는 가스를 도입하는 수직 봉상 부재 (20) 를 가지며, 수직 봉상 부재는 헬리컬 공진기의 탑 플레이트 (19) 에 고정된다. 헬리컬 공진기와 처리 챔버로 나누는 구분벽은 외부 금속 링 (13) 과 원형 중앙 플레이트 (14) 와 도넛형 유전체 플레이트 (15) 로 구성된다. 원형 중앙 플레이트는 수직 봉상 부재를 사용하여 탑 플레이트에 고정된다. 상기 구성에서, 헬리컬 코일은 수직 봉상 부재의 주위에 배치되고, d1 < D < d2 를 만족시키는 직경 (D) 을 가지며, 여기에서 d1 과 d2 는 도넛형 유전체 플레이트의 내경과 외경이다.

Description

플라즈마 처리장치 {PLASMA PROCESSING APPARATUS}

산업상 이용분야

본 발명은 반도체 산업에서 반도체 웨이퍼상에 디바이스를 제작함에 있어서 화학기상성장 (CVD) 또는 에칭처리에 도움이 되는 이온, 전자, 중성 라디칼, 자외선, 가시광선을 공급할 수 있는 개선된 플라즈마원을 구비하는 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.

종래기술

3 개의 중요한 조건, 즉 고플라즈마밀도와, 웨이퍼 표면 전체에 걸쳐 플라즈마의 보다 높은 반경방향 균일성과, 대면적 플라즈마를 갖는 플라즈마원은 반도체 산업에 있어서의 현재의, 그리고 장래의 반도체 웨이퍼 처리를 위한 필수 수단이다. 이 점에서, 종래의 고밀도 플라즈마원은 그들의 설계상의 룰이 원인으로 응용이 제한된다. 이것을 종래 형태를 갖는 헬리컬 공진기 플라즈마를 사용하여 설명한다. 고밀도 플라즈마를 생성하는 종래의 헬리컬 공진기 플라즈마원의 개략도가 도 8 의 (A) 에 나타난다. 플라즈마 생성과정에만 관심이 있으므로, 웨이퍼 지지 스테이지, 배기포트, 진공배기요소는 도 8 의 (A) 에서 나타나 있지 않다. 헬리컬 공진기 플라즈마원은 금속으로 만들어지며, 통상 석영으로 만들어진 유전체관 (52) 의 주위에 감긴 헬리컬 코일 (51) 을 갖고 있다. 헬리컬 코일 (51) 의 하나의 단부, 통상 하측 단부는 접지되어 있고, 한편 다른 단부는 개방되어 있다. 헬리컬 코일의 길이 (L1) 는 nλ/4 이고, 여기에서 λ는 헬리컬 공진기에 부여되는 rf 주파의 파장, n 은 정수이다. 헬리컬 코일 (51) 의 주위에 통상은 알루미늄으로 만들어진 금속 실린더 (53) 가 배치된다. 금속 실린더 (53), 헬리컬 코일 (51), 그리고 유전체관 (52) 은 처리 챔버 (55) 의 탑 플레이트 (59) 상에 동축적으로 배치되어 있다. 이 탑 플레이트 (59) 는 유전체관 (52) 의 직경과 동일한 직경을 갖는 원형구멍을 갖는 금속으로 만들어져 있다. 프로세스 가스는 유전체관 (52) 의 상단부에 형성된 가스도입포트 (58) 를 통해 공급된다. rf 전력원 (57) 으로부터 생성된 rf 전력은 정합회로 (56) 를 통해 헬리컬 코일 (51) 의 지점 (54) 에 공급된다. rf 전력원 (57) 은 통상 1 MHz 에서 40 MHz 의 범위에 존재하는 일정 주파수로 동작한다. 헬리컬 코일 (51) 의 길이가 4 분의 1 파장의 정수의 수로서 다루어질 때, 상기 합성구조는 공진하기 시작한다. 이 조건에서, 헬리컬 코일 (51) 내의 전자장은 유전체관 (52) 내에서 낮은 압력으로 플라즈마를 여기하여 유지할 수 있다.

웨이퍼 홀더는 처리 챔버 (55) 의 하측에 배치된다. 처리되어야 할 웨이퍼는 웨이퍼 홀더상에 탑재되어 있다. 유전체관 (52) 의 내부에서 발생한 플라즈마는 처리 챔버 (55) 에서 주로 탑 플레이트 (59) 의 원형구멍을 통해 웨이퍼를 향해 확산된다.

첫째, 헬리컬 공진기 플라즈마를 만드는 상기 고밀도 플라즈마원의 구성에 관한 주요문제는 반경방향의 플라즈마 균일성의 제어성에 있다. 플라즈마는 작은 직경의 유전체관 (52) 에서 생성되며, 그것으로부터 큰 직경의 처리 챔버 (55) 중에 도입된다. 일단 높은 밀도의 플라즈마가 처리 챔버 (55) 내에 들어가면, 다양한 종류, 예컨대 이온이나 전자 등으로 만들어진 당해 플라즈마는 하류로의 이동에 더해 지름방향으로도 확산된다. 이 확산의 과정은 도 8 의 (B) 에서 나타난 바와 같이, 처리 챔버 (55) 의 반경라인을 따라 불균일한 플라즈마 밀도를 만들어 낸다. 도 8 의 (B) 는 처리 챔버 (55) 에서 확산된 플라즈마의 플라즈마 밀도분포특성을 나타내고 있다. 횡방향의 축은 처리 챔버 (55) 를 횡단하는 반경방향에서의 거리를 의미하며, 종방향의 축은 플라즈마 밀도를 의미한다. 도 8 의 (B) 에서, 플라즈마 밀도특성곡선 (60) 에 의해 나타난 바와 같이, 플라즈마 밀도는 중앙위치에서 높은 레벨에 있고, 한편 양단부의 위치에서 낮은 레벨에 있다. 이렇게 하여, 유전체관 (52) 으로부터 처리 챔버 (55) 중에 확산된 플라즈마는 처리 챔버 (55) 의 반경방향에서 불균일하게 된다. 비록 큰 직경의 유전체관이 유전체관 (52) 대신에 사용되었다고 해도 상기 문제는 해결되지 않는다. 이렇게 하여, 상기 헬리컬 공진기 플라즈마원과 함께 다른 추가적인 하드웨어, 예컨대 자기적 다극 제한을 사용하지 않고 반경방향으로 균일한 플라즈마를 얻을 수는 없다.

둘째, 헬리컬 코일 (51) 이 공진을 개시할 때, 헬리컬 코일 (51) 의 개방단부는 보다 높은 전압을 갖는다. 보다 높은 전압은 용량결합 플라즈마를 생성하는 원인이 되며, 이 용량결합 플라즈마는 다음으로 헬리컬 코일 (51) 의 개방단부에 가까운 유전체관 (52) 의 벽을 스퍼터링한다는 결과를 초래한다. 이것은 플라즈마를 오염시킨다.

이들 특성이 원인이 되어 종래의 헬리컬 공진기 플라즈마원은 플라즈마 지원 웨이퍼 처리, 특히 대면적 웨이퍼 처리에서 그 응용이 제한되어 있었다. 상술한 불리한 점을 피하기 위해 헬리컬 공진기 플라즈마원의 구성은 개선될 필요가 있다.

본 발명의 목적은 하류에서 반경방향으로 균일한 플라즈마를 만들고, 유전체관벽의 국소화된 스퍼터링을 없애도록 헬리컬 공진기 플라즈마원을 재설계하는 것에 있다.

도 1 은 내부구조를 나타내는 실시 형태 1 에 의한 플라즈마 처리장치의 사시도 및 단면도이다.

도 2 의 (A) 는 발명된 플라즈마원 상측부분의 단면도, (B) 는 플라즈마 챔버의 직경방향에서의 플라즈마의 플라즈마 밀도분포를 나타내는 도면이다.

도 3 은 실시 형태 2 에 의한 플라즈마원 상측부분의 단면도이다.

도 4 는 실시 형태 3 에 의한 플라즈마원 상측부분의 단면도이다.

도 5 는 실시 형태 4 에 의한 플라즈마원 상측부분의 단면도이다.

도 6 은 실시 형태 5 에 의한 플라즈마원 상측부분의 단면도이다.

도 7 은 실시 형태 6 에 의한 플라즈마원 상측부분의 단면도이다.

도 8 은 대표적인 종래의 헬리컬 공진기 플라즈마원을 나타내는 설명도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

10 : 플라즈마원 11 : 공진기

12 : 처리 챔버 13 : 외부 금속 링

14 : 중앙 금속 플레이트 15 : 도넛형 유전체 플레이트

16 : 헬리컬 코일 17 : 웨이퍼 홀더

18 : 웨이퍼 19 : 탑 플레이트

20 : 수직 봉상 부재 21 : 가스리저버

22 : 가스도입포트

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명에 관계되는 플라즈마 처리장치는 헬리컬 코일이 배치된 헬리컬 공진기와, 웨이퍼 홀더가 하측 위치에 배치되고 또한 그 웨이퍼 홀더상에 처리되어야 할 웨이퍼가 놓여져 있는 플라즈마 처리 챔버를 구비하고 있다. 헬리컬 코일은 금속으로 만들어지고, 또한 nλ/4 의 길이를 가지며, 여기에서 n 은 정수이고, λ는 헬리컬 코일에 부여되는 rf 주파의 파장이다. 플라즈마 처리장치는 추가로 헬리컬 공진기와 처리 챔버를 포함하는 반응용기를 가지며, 여기에서 헬리컬 공진기는 가스를 도입하기 위한 수직 봉상 부재를 구비하고, 이 수직 봉상 부재는 헬리컬 공진기의 탑 플레이트에 고정되고 또한 가스도입포트에 접속되어 있으며, 그리고 반응용기를 헬리컬 공진기와 처리 챔버로 나누는 구분벽을 갖고 있다. 구분벽은 외부 금속 링과, 원형 중앙 플레이트와, 외부 금속 링과 원형 금속 플레이트 사이의 도넛형 유전체 플레이트로 구성된다. 원형 중앙 플레이트는 수직 봉상 부재를 사용하여 상기 탑 플레이트에 고정되며, 가스리저버와 복수의 가스도입포트를 포함하고 있다. 상기 구성에서, 헬리컬 코일은 수직 봉상 부재의 주위에 배치되고, d1 < D < d2 를 만족시키는 직경 (D) 을 가지며, 여기에서 d1 과 d2 는 도넛형 유전체 플레이트의 내경과 외경이다.

상기 플라즈마 처리장치에 의하면, 첫째, 처리 챔버에서 링형 또는 도넛형 플라즈마가 도넛형 유전체 플레이트의 하측에 생성되고, 링형 또는 환상 플라즈마, 즉 환상 영역에 존재하도록 생성되는 플라즈마가 반경방향에서 균일한 플라즈마가 되도록 웨이퍼를 향해 하류에 확산된다.

상기 플라즈마 처리장치에서, 바람직하게는 중앙 금속 플레이트는 전기적으로 접지되거나, 또는 전기적으로 절연되어 있다.

상기 플라즈마 처리장치에서, 전기적으로 절연된 중앙 금속 플레이트는 rf 전력 또는 DC (직류) 바이어스 전압이 공급된다.

상기 플라즈마 처리장치에서, 전기적으로 절연된 중앙 금속 플레이트는 직렬로 접속된 유도요소 (인덕터) 와 가변용량요소 (가변커패시터) 를 통해 접지되어 있다.

상기 플라즈마 처리장치에서, 헬리컬 코일은 몇 개인가의 권선부분을 가지고, 즉 적어도 2 개의 권선을 가지며, 그들은 수직방향으로 동일한 직경으로 연장설치되어 있다.

상기 플라즈마 처리장치에서, 도넛형 유전체 플레이트에 가장 가까운 헬리컬 코일의 하측 단부는 접지되어 있고, 한편 유전체 플레이트에 대해 가장 떨어진 위치에 있는 다른 단부는 개방되어 있다.

상기 플라즈마 처리장치에서, 외부 금속 링, 도넛형 유전체 플레이트, 중앙 금속 플레이트, 헬리컬 코일은 동일한 중앙축을 공유하고 있다.

또한 상기 플라즈마 처리장치에서, 바람직하게는 탑 플레이트는 유전체 링상에 설치되고, 그리고 금속 커버가 공진기를 덮도록 장착되어 있다.

발명의 실시 형태

이하에, 본 발명에 의한 플라즈마 처리장치의 바람직한 실시 형태가 첨부도면에 따라 설명된다. 실시 형태의 설명을 통해 본 발명의 세부내용이 명확해진다.

실시 형태 1 :

실시 형태 1 은 도 1 과 도 2 에 따라 설명된다. 도 1 은 실시 형태 1 의 사시도를 나타내고, 도 2 는 본 발명 플라즈마원의 상부 단면도 (A) 와 플라즈마 챔버의 직경방향에서의 플라즈마의 플라즈마 밀도분포 (B) 를 나타낸다. 도 2 의 (B) 에서, 횡방향의 축은 처리 챔버를 횡단하는 반경방향에서의 거리를 의미하며, 종방향의 축은 플라즈마 밀도레벨을 의미한다.

본 실시 형태 1 에 의한 플라즈마원 (10) 은 2 개의 부분, 즉 공진기 (11) 와 처리 챔버 (12) 를 갖는 반응용기를 구비하고 있다. 공진기 (11) 는 상측위치에 있고, 처리 챔버 (12) 는 하측 위치에 있다. 공진기 (11) 와 처리 챔버 (12) 는 구분벽을 통해 하나의 반응용기를 만들도록 결합되어 있고, 동일하게 내부압력의 면에서 그들은 분리되어 있다. 공진기 (11) 는 대기압의 상태에 있고, 한편 처리 챔버 (12) 는 낮은 압력의 상태에 있다. 반응용기 (11) 의 하측 플레이트는 처리 챔버 (12) 의 상측 플레이트가 되며, 이후에 있어서는 처리 챔버 (12) 의 상측 플레이트로서 칭하도록 한다. 처리 챔버 (12) 의 상측 플레이트는 상술한 구분벽에 상당하며, 이것은 외부 금속 링 (13) 과, 중앙 금속 플레이트 (14) 와, 외부 금속 링 (13) 과 중앙 금속 플레이트 (14) 사이의 도넛형 유전체 플레이트 (15) 로 구성되어 있다. 공진기 (11) 의 내부에는 금속으로 만들어진 헬리컬 코일 (16) 이 그 중앙축이 수직방향이 되도록 배치되어 있다. 헬리컬 코일 (16) 의 중앙축은 공진기 (11) 의 원통형 측벽의 수직 중앙축과 일치하고 있다. 헬리컬 코일 (16) 의 직경은 상대적으로 큰 것이다. 도넛형 유전체 플레이트 (15) 의 내경과 외경 (d1, d2) 은 수치의 임계적인 의미에서 중요한 요소는 아니며, 처리 챔버 (12) 의 치수에 의존하여 결정된다. 웨이퍼 홀더 (17) 는 처리 챔버 (12) 의 저벽에 고정되며, 처리되어야 할 웨이퍼 (18) 가 웨이퍼 홀더 (17) 상에 탑재되어 있다. 상기 처리 챔버의 치수는 웨이퍼 (18) 의 크기에 의존하며, 그 때문에 직경 (d1, d2) 은 웨이퍼 (18) 의 직경을 고려함으로써 결정된다. 통상, d1 은 웨이퍼 (18) 의 직경과 동일한 값이 되도록 설정된다. 예컨대 직경 (φ) 200 ㎜ 의 웨이퍼 처리를 위한 반응용기가 고려된다면, d1 은 대략 200 ㎜ 부근의 값이 된다. d2 의 값은 d1 보다도 40 ∼ 200 ㎜ 커지는 것으로선택된다. 도넛형 유전체 플레이트 (15) 의 두께를 몇으로 하는지는 중요한 요소는 아니며, 처리 챔버 (12) 의 내외 압력차에 견디는 충분한 두께를 갖는 것으로 결정된다. 진공 봉지(封止)를 얻기 위해 도넛형 유전체 플레이트 (15) 의 외측 가장자리와 내측 가장자리는 O 링 (44, 45) 상에 배치된다.

중앙 금속 플레이트 (14) 는 통상 알루미늄으로 만들어지며, 수직 봉상 부재 (수직 바아) (20) 를 사용하여 공진기 (11) 의 탑 플레이트 (19) 에 고정된다. 수직 바아 (20) 는, 예컨대 스테인리스강과 같은 금속으로 만들어지고, 그리고 그 축 부분에 가스공급통로 (20a) 를 갖고 있다. 수직 봉상 부재 (20) 의 높이는 유전체 플레이트 (15) 를 지지하는 2 개의 O 링 (44, 45) 이 동일한 수평면상에 있도록 조정된다. 중앙 금속 플레이트 (14) 는 가스리저버 (21) 와, 이 가스리저버 (21) 로부터 처리 챔버 (12) 로의 다수의 가스도입포트 (22) 로 구성된다. 프로세스 가스는 처음에 주가스도입포트 (23) 와 가스공급통로 (20a) 를 통해 공급된다. 처리 챔버 (12) 내부의 압력은 대개 1 ∼ 200 mTorr 범위의 값으로 유지되어 있다. 실제의 압력은 웨이퍼 처리의 형식에 의존한다.

외부 금속 링 (13) 은 도넛형 유전체 플레이트 (15) 의 외연을 지지하는데 사용된다. 그 때문에, 외부 금속 링 (13) 의 직경은 유전체 플레이트 (15) 의 외경에 의존한다.

금속으로 만들어진 상기 헬리컬 코일 (16) 에 대하여 통상 구리관이 사용된다. 헬리컬 코일 (16) 의 길이는 인가되는 rf 주파 1/4 파장의 정수배 길이로 선정된다. 헬리컬 코일 (16) 의 직경은, 예컨대 대략 (d1+d2)/2 의 값이 된다.헬리컬 코일 (16) 의 하단부는 접지되며, 한편 그 상단부는 개방된 상태로 유지된다.

헬리컬 코일 (16) 은 rf 전원 (고주파 전원) (31) 으로부터 rf 주파전력이 공급된다. rf 전원 (31) 의 주파수는 중요한 요소는 아니며, 바람직하게는 1 ∼ 40 MHz 의 범위내에 있다. rf 전원 (31) 은 대표적으로 13.56 MHz 로 동작한다. rf 전원 (31) 은 대개 낮은 임피던스를 가지며, 대표적으로는 대략 50 Ω이고, 그리고 대략 5 kW 에 이르기까지의 rf 전력을 만들어 낼 수 있다. rf 전력은 정합회로 (32) 를 경유하여 헬리컬 코일 (16) 에 인가된다. rf 전력이 헬리컬 코일 (16) 에서 공급되는 위치 (탭 점) 는 rf 전력의 용이한 정합이 얻어지도록 선택된다. 이 탭 점은 통상 헬리컬 코일 (16) 의 접지된 단부에 가까운 곳에 설치된다.

헬리컬 코일 (16) 은 대표적으로 높은 Q 값과 보다 높은 임피던스 (Zo) 를 갖는다. 이 임피던스 (Zo) 는 대표적으로 rf 전력원의 출력 임피던스 또는 전송선 임피던스보다도 크며, 대개 50 Ω이다. 그 때문에 rf 전력의 탭 위치를 접지단부에 가까이 하도록 선택함으로써 양호한 rf 정합이 얻어진다. 헬리컬 코일 (16) 이 공진을 개시할 때, 유도된 진동자계가 도넛형 유전체 플레이트 (15) 를 통해 플라즈마를 생성하는 처리 챔버 (12) 중에 들어간다. 이 플라즈마는 도넛형 유전체 플레이트 (15) 를 따라 생성되며, 링상 또는 환상의 형상을 갖는다. 이렇게 하여, 링 형상의 플라즈마가 최초로 도넛형 유전체 플레이트 (15) 하측에 생성되기 때문에, 처리 챔버 (12) 의 상측 플레이트에 가까운 플라즈마 밀도는 도 2 의 (B) 에 나타난 바와 같은 분포특성 (33) 을 만드는 것이 기대된다. 분포특성 (33) 에 의해 나타나는 플라즈마에서, 도넛형 유전체 플레이트 (15) 의 하측 플라즈마 밀도는 높고, 상측 플레이트의 하측 나머지 영역에서의 플라즈마 밀도는 낮아진다.

이 불균일한 플라즈마는 플라즈마 챔버 (12) 의 내부에서 웨이퍼 (18) 방향을 향해 확산되고, 그리고 상측 플레이트로부터 떨어진 하류에서 반경방향으로 균일한 플라즈마가 만들어진다. 반경방향으로 균일한 플라즈마는 동일하게 또한 도 2 의 (B) 에서의 플라즈마 밀도분포특성 (34) 으로서 나타나 있다.

헬리컬 코일 (16) 의 접지된 단부는 도넛형 유전체 플레이트 (15) 에 가까운 곳에 있고, 한편 그 개방단부는 유전체 플레이트 (15) 로부터 떨어진 곳에 있다. 헬리컬 코일이 공진을 행할 때, 그 rf 전류는 접지단부에 가까운 곳에서 최대가 되고, 개방단부에서 최소가 된다. 또 rf 전압은 접지단부에서 최소가 되고, 개방단부에서 최대가 된다. 최대 rf 전류가 존재하는 접지단부는 정확히 유전체 플레이트상에 존재하므로, 유도결합기구에 의해 플라즈마가 생성되게 된다. 접지단부에서의 rf 전압은 최소이며, 그 때문에 정전결합기구에 의해 플라즈마는 전혀 생성되지 않는다. 따라서, 순수한 유도결합형 플라즈마가 헬리컬 코일의 조정으로 생성된다. 이와 같이 하여 도넛형 유전체 플레이트에 대한 스퍼터링의 데미지가 최소화된다.

실시 형태 2 :

실시 형태 2 는 공진기 부분만이 나타난 도 3 을 참조하여 설명된다. 도3 에서, 실시 형태 1 에서 설명된 요소와 실질적으로 동일한 요소는 동일한 참조부호가 붙어 있다. 실시 형태 2 에서의 공진기 (11) 와 처리 챔버 (12) 는 하드웨어적 구성의 관점에서 실시 형태 1 에서 부여된 것과 동일하다. 유일한 차이는 실시 형태 1 에서 사용된 일정 동작주파수를 갖는 rf 전원 (31) 이 가변주파수의 rf 전원 (35) 으로 바뀌고, 정합회로 (32) 가 생략되어 있다는 것이다. 가변주파의 rf 전원 (35) 에서 선택되는 주파수에 대한 가변주파수 범위는 통상 ±10 MHz 의 범위에 존재한다. 선택된 주파수는 대개 1 ∼ 45 MHz 의 범위에 존재하며, 대표적으로는 13.56 MHz 로 선택된다. rf 전원의 다른 속성은 실시 형태 1 에서 설명된 것과 동일하다. 정합회로를 사용하지 않고, 가변주파의 rf 전원 (35) 을 사용하는 것은 rf 발생기로부터 플라즈마로의 전력전송효율을 증가시킨다.

실시 형태 3 :

실시 형태 3 은 공진기의 부분만이 나타난 도 4 를 참조하여 설명된다. 도 4 는 실시 형태 3 의 개략적 선도를 나타낸다. 도 4 에서, 실시 형태 1 에서 설명된 요소와 실질적으로 동일한 요소는 각각 동일한 참조부호가 붙어 있다. 실시 형태 3 에서 탑 플레이트 (19) 는 중앙 금속 플레이트 (14) 를 부유상태로 세트하기 위해 유전체 링 (36) 상에 배치되며, 중앙 금속 플레이트 (14) 는 전기적으로 탑 플레이트 (19) 에 접속되어 있다. 이 유전체 링 (36) 을 추가하는 것을 제외하고 공진기 (11) 의 구성은 실시 형태 1, 2 에서 부여된 것과 거의 동일하다. 그러나, 전자방사의 외부로의 전파를 방지하기 위해 금속 케이스 (37) 가 공진기의 상측 부분을 덮도록 장착되어 있다. 헬리컬 코일 (16) 에 대한 rf 전력은 실시형태 1 에서 부여된 rf 전원 (31) 으로부터, 또는 실시 형태 2 에서 부여된 가변주파의 rf 전원 (35) 으로부터 공급된다. 중앙 금속 플레이트 (14) 가 전기적으로 부유상태에 놓일 때, 중앙 금속 플레이트 (14) 에서의 전자손실이 감소된다. 이 이유에 의해 도넛형 플라즈마 내측의 플라즈마 밀도가 증가되는 것이 기대된다. 이것은 중앙 금속 플레이트가 접지되어 있는 경우의 그것에 비교하여 중앙 금속 플레이트로부터 보다 가까운 거리에서 반경방향으로 균일한 플라즈마가 되는 결과를 초래한다.

실시 형태 4 :

실시 형태 4 는 공진기 부분만이 나타난 도 5 를 참조하여 설명된다. 도 5 는 실시 형태 4 의 개략적 선도를 나타낸다. 실시 형태 4 는 실시 형태 3 을 확장한 것이다. 도 5 에서 실시 형태 3 에서 설명한 요소와 실질적으로 동일한 요소는 각각 동일한 참조부호가 붙어 있다. 실시 형태 4 에서 L-C 회로 (38) 가 탑 플레이트 (19) 에 전기적으로 접속되며, 순차적으로 전기적으로 중앙 금속 플레이트 (14) 에 접속되어 있다. 통상, L-C 회로 (38) 는 직렬로 접속된 인덕터 (유도요소) (39) 와 가변커패시터 (가변용량요소) (40) 로 구성되며, 그 결과, L-C 회로 (38) 의 공진주파수를 헬리컬 코일 (16) 에 인가되는 rf 전력의 주파수와 동일해지도록 바꿀 수 있다. L-C 회로 (38) 의 공진주파수가 인가된 rf 전력의 주파수와 동일해질 때, rf 전류는 중앙 금속 플레이트를 통해 접지부로 흐른다. 또한, 어떠한 dc 전류 (직류전류) 또는 헬리컬 코일에 인가되는 것 이외의 다른 rf 주파수를 갖는 rf 전류도 중앙 금속 플레이트를 통해 흐를 수는 없다. 이 조건은 중앙 금속 플레이트를 정전적 결합형 전극으로 한다. 그 때문에, 이차적인 플라즈마가 중앙 금속 플레이트의 앞면에 생성된다. 따라서, 이 조건에서, 2 개의 플라즈마, 도넛형 유전체 플레이트의 아래에 존재하는 하나의 플라즈마와, 도넛형 플라즈마의 내측 영역내에 존재하는 다른 플라즈마가 존재한다. 확산의 행정에 의해 이들 2 개의 플라즈마는 L-C 회로를 갖지 않는 경우에 비교하여 중앙 금속 플레이트로부터 보다 짧은 거리의 장소에서 반경적으로 균일한 플라즈마를 형성한다. 또한 이차적 플라즈마의 생성에 의해 반응용기 내부의 평균적 플라즈마 밀도가 약간 증가되게 된다.

실시 형태 5 :

실시 형태 5 는 공진기의 부분만이 나타난 도 6 을 참조하여 설명된다. 도 6 은 실시 형태 5 의 개략적 선도를 나타낸다. 실시 형태 5 는 실시 형태 4 의 변형이다. 도 6 에서 실시 형태 4 에서 설명된 요소와 실질적으로 동일한 요소에는 각각 동일한 참조부호가 붙어 있다. 실시 형태 5 에서, DC (직류) 전력공급원 (41) 이 탑 플레이트 (19), 즉 중앙 금속 플레이트 (14) 에, 바람직한 dc 전압이 중앙 금속 플레이트 (14) 에 인가되도록 전기적으로 접속되어 있다. 당해 DC 전력공급원 (41) 은 전압을 1000 V 에 이르기까지 배전할 수 있다. 플라즈마원의 구성은 스퍼터 막형성의 응용에서 사용되는 것이도록 기대된다. 이 경우에 있어서, 타깃플레이트 (65) 가 중앙 금속 플레이트에 고정되며, 보다 높은 부(負) 바이어스가 중앙 금속 플레이트에 인가된다. 실시형태 5 에 있어서는, 주가스 도입포트 (23), 가스공급통로 (20a), 가스리저버 (21), 및 실시형태 4 에 사용된 가스리저버로부터 처리챔버를 연결하는 가스도입포트 (22) 가 생략되어 있다. 그 대신에, 프로세스 가스는 처리챔버 (12) 원통형 측벽에 장착된 원관 (46) 으로 만들어진 가스도입부를 통해 공급된다. 중앙 금속 플레이트에 인가된 보다 높은 부 바이어스를 위해 플라즈마에서의 이온은 타깃플레이트의 방향으로 가속되고, 보다 높은 에너지로 타깃플레이트에 충돌하며, 그에 의해 타깃플레이트를 스퍼터링하게 된다. 타깃플레이트상의 이온 충돌은 플라즈마 밀도와 그 반경방향의 균일성에 변화를 초래한다. 왜냐하면, 타깃플레이트에 대한 이온 충돌로 이차적 전자가 타깃플레이트로부터 방출되기 때문이다. 이차적 전자의 방출은 플라즈마 밀도의 증대라는 결과를 초래한다. 또한, 이들 이차적 전자는 유전체 플레이트의 하측에 생성되는 도넛형 플라즈마중에 존재하는 타깃플레이트로부터 방출되기 때문에, 도넛형 플라즈마의 내측에 있는 플라즈마 밀도는 증대되게 된다. 이것은 실시 형태 1 의 그것에 비교하여 중앙 금속 플레이트로부터 보다 짧은 거리에 있는 곳에서 반경방향의 균일한 플라즈마를 초래하는 결과가 된다.

실시 형태 6 :

실시 형태 6 은 공진기 부분만이 나타난 도 7 을 참조하여 설명된다. 도 7 은 실시 형태 6 의 개략적 선도를 나타낸다. 실시 형태 6 은 실시 형태 4 의 다른 변형이다. 도 7 에서 실시 형태 4 에서 설명된 요소와 실질적으로 동일한 요소에는 각각 동일한 참조부호가 붙어 있다. 실시 형태 6 에서, 제 2 rf 전원 (42) 이 정합회로 (43) 와 상측 플레이트 (19) 를 통해 중앙 금속 플레이트 (14) 에 전기적으로 접속되어 있다. 제 2 rf 전원 (42) 의 주파수는 1 ∼ 100 MHz 의 범위중에 존재한다. 이 주파수는 헬리컬 코일 (16) 에 인가되는 rf 전력의 주파수와 동일하게 해도 되고, 동일하지 않아도 된다. 제 2 rf 전원 (42) 의다른 속성은 실시 형태 1 에서 부여된 것과 동일하다. 중앙 금속 플레이트에 대하여 rf 전력을 부여하는 것은 정전적 결합기구에 의해 중앙 금속 플레이트 하측에 플라즈마를 생성시킨다. 이 플라즈마는 유전체 플레이트의 하측에 생성되는 도넛형 플라즈마의 내측에 존재하기 때문에, 도넛형 플라즈마내의 플라즈마 밀도가 증가하게 된다. 이것은 실시 형태 1 의 경우에 비교하여 중앙 금속 플레이트로부터 보다 짧은 거리에서의 반경방향으로 균일한 플라즈마를 초래한다.

헬리컬 코일에 의해 고밀도 플라즈마를 만들 수 있고, 그리고 플라즈마 밀도를 제어하는 다른 파라미터를 가질 수 있는 본 발명에 의한 플라즈마 처리장치는 구분벽의 일부인 도넛형 유전체 플레이트의 하측 공간에서 플라즈마가 생성되기 때문에, 웨이퍼의 전면에 걸쳐 반경방향으로 균일한 플라즈마를 만들어 낼 수 있다.

Claims

헬리컬 코일이 배치된 헬리컬 공진기와, 하측 위치에 웨이퍼 홀더가 배치되고 또한 이 웨이퍼 홀더상에 처리되어야 할 웨이퍼가 놓이는 플라즈마 처리 챔버를 구비하며, 상기 헬리컬 코일은 nλ/4 길이의 금속으로 만들어지고, 여기에서 n 은 정수, λ는 상기 헬리컬 코일에 부여되는 rf 주파의 파장인 플라즈마 처리장치로서, 상기 플라즈마 처리장치는, 상기 헬리컬 공진기와 상기 처리 챔버를 포함하는 반응용기로서, 여기에서 상기 헬리컬 공진기는 가스를 도입하기 위한 수직 봉상 부재를 가지며, 상기 수직 봉상 부재는 상기 헬리컬 공진기의 탑 플레이트에 고정되고 또한 가스도입포트에 접속되어 있는 상기 반응용기와, 그리고

상기 반응용기를 상기 헬리컬 공진기와 상기 처리 챔버로 나누는 구분벽으로서, 당해 구분벽은 외부 금속 링과, 원형 중앙 플레이트와, 상기 외부 금속 링과 상기 중앙 금속 플레이트 사이의 도넛형 유전체 플레이트로 이루어지며, 여기에서 상기 원형 중앙 플레이트는 상기 수직 봉상 부재를 사용하여 상기 탑 플레이트에 고정되고 또한 가스리저버와 복수의 가스도입포트를 포함하는 상기 구분벽으로 이루어지고,

여기에서 상기 헬리컬 코일은 상기 수직 봉상 부재의 주위에 배치되고, d1 < D < d2 를 만족시키는 직경 (D) 을 가지며, 여기에서 d1 과 d2 는 상기 도넛형 유전체 플레이트의 내경과 외경인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제 1 항에 있어서, 상기 중앙 금속 플레이트는 전기적으로 접지되거나, 또는 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전기적으로 절연된 상기 중앙 금속 플레이트에 rf 전력 또는 DC 바이어스 전압이 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전기적으로 절연된 상기 중앙 금속 플레이트는 직렬로 접속된 유도요소와 가변용량요소를 통해 접지되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 헬리컬 코일은 수직방향으로 연장되는 적어도 2 개의 권선을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 헬리컬 코일의 상기 도넛형 유전체 플레이트에 가장 가까운 하측 단부는 접지되고, 한편 상기 유전체 플레이트에 대해 가장 먼 곳에 있는 다른 단부는 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 외부 금속 링, 상기 도넛형 유전체플레이트, 상기 중앙 금속 플레이트와 상기 헬리컬 코일은 동일한 중앙축을 공유하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 탑 플레이트는 유전체 링상에 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 금속 케이스가 상기 헬리컬 공진기를 덮도록 부설된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.