KR100433718B1 - 플라즈마처리장치 - Google Patents

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마코토 안도
노부오 이시이
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동경 엘렉트론 주식회사
마코토 안도
나오히사 고토
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Abstract

마이크로파 발생기(86)에 발생한 마이크로파를 평면안테나 부재(62)로 도입하고, 이것에 의하여 피처리체(W)를 플라즈마 처리하는 처리용기(22)내로 지수함수적으로 감쇠하는 마이크로파를 도입하는 플라즈마 처리장치이다. 평면안테나 부재(62)의 둘레가장자리부에, 평면안테나 부재(62)의 중심부로부터 전파하여 오는 마이크로파를 흡수하고 그 반사량을 억제하기 위한 마이크로파 흡수수단(96)을 설치한다. 이것에 의하여, 평면 안테나 부재(62)의 둘레가장자리부에서 반사하여 중심부로 되돌아오는 마이크로파를 어느 정도 감쇠시켜, 마이크로파의 전자계분포를 균일화시킨다.

Description

플라즈마처리장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
근래, 반도체제품의 고밀도화 및 고미세화에 따라, 반도체제품의 제조공정에 있어서, 성막, 에칭, 애싱 등의 처리를 위해 플라즈마처리장치가 사용되는 경우가 있다. 특히, 0.1∼수10 mTorr 정도의 비교적 압력이 낮은 진공상태에서도 안정적으로 플라즈마를 일으킬 수 있기 때문에, 마이크로파와 링형상의 코일로부터의 자장을 조합하여 고밀도 플라즈마를 발생시키는 마이크로파 플라즈마장치가 사용되는 경향이 있다.
종래, 이 종류의 마이크로파플라즈마장치로서는, 일본 특개평 3-17273호 공보에 나타내는 것과 같은 장치가 알려져 있다. 이 장치에 있어서는, 자장형성수단을 가진 플라즈마 발생실에 마이크로파를 도입하는 도파관을 접속하고, 이 도파관으로부터 도입한 마이크로파에 의해 전자사이클로트론공명을 생기게 함으로써, 고밀도의 플라즈마를 생성하도록 되어 있다.
도 5는, 이 종류의 종래의 플라즈마처리장치의 일례를 나타내는 개략구성도이다. 이 장치에 있어서는, 처리용기(2)의 천정부에 마이크로파 투과창(4)이 형성되어 있다. 그리고, 마이크로파 발생기(6)로써 발생한 예를 들면 2.45GHz의 마이크로파를, 예를 들면 사각형 도파관(8) 등을 통해, 다수의 슬릿을 가진 원판형상의 안테나부재(10)로 도입하도록 구성되어 있다. 또, 안테나부재(10)의 윗면에는, 마이크로파의 파장을 짧게 하여 에너지투입효율을 향상시키기 위해서, 예를 들면 세라믹 등의 유전체재료로 이루어지는 지파재(遲波材:12)가 접합되어 있다.
그리고, 이 안테나부재(10)로부터 마이크로파를 방사시킴으로써, 마이크로파를 마이크로파 투과창(4)을 통해 처리용기(2)내로 도입하도록 되어 있다. 처리용기(2)내로 도입된 마이크로파는, 처리용기(2)의 상부 바깥쪽에 설치한 자석(14)에 의해 발생되는 자계와 전자사이클로트론 공명(ECR:Electron Cyclotron Resonance)이 생겨, 고밀도의 플라즈마를 발생하게 된다.
그런데, 도파관(8) 및 사각형·동축변환기(9)를 통해 동축선(16)을 전파하여 온 마이크로파는, 원판형상의 안테나부재(10)의 중심부에서 주변부로 넓어지면서 처리용기(2)내로 에너지로서 방사된다. 이 경우, 처리용기(2)내로의 에너지투입방법으로는, 평면 안테나부재(10)에 형성된 슬릿의 형태에 따라서 2가지의 방식이 있다.
그 하나는, 슬릿을 마이크로파의 관내파장[지파재(12)에 의해서 짧아진 파장)의 약 1 파장분의 피치로 반경방향으로 형성하는 방식이다. 또한, 다른 하나는, 슬릿을 관내파장보다도 훨씬 작은 미세한 피치, 예를 들면 관내파장의 약 1/20∼1/30의 피치로 반경방향으로 형성하는 방식이다. 전자의 파장피치로 형성된 슬릿의 경우에는, 마이크로파가 원판형상의 안테나부재의 중심부(1)로부터 둘레가장자리부를 향하여 넓어지면서, 각 슬릿으로부터 아래쪽을 향하여 위상이 갖추어진 마이크로파가 투입되고, 이에 따라 플라즈마가 생성된다.
이에 대하여, 후자의 미세한 피치로 형성된 슬릿의 경우에는, 마이크로파가 원판형상의 안테나부재의 중심부로부터 넓어지면서 각 슬릿으로부터 조금씩 리크한다. 이 리크마이크로파에 의해, 플라즈마가 생성된다. 이와 같은 리크마이크로파는, 웨이퍼를 향하는 방향, 즉 처리용기의 아랫방향에 대해서는, 지수함수적으로 감쇠하도록 하는 특성으로 되어 있다.
그런데, 후자의 미세한 피치의 슬릿을 가진 안테나부재를 사용한 플라즈마처리장치는, 전자의 파장피치의 슬릿을 가진 안테나부재를 사용한 플라즈마처리장치에 대하여, 보다 압력이 낮은(예를 들면 1mTorr 전후의)상태에서, 외부자장을 사용한 ECR 현상을 이용하지 않아도 적당한 전력(ø500 mm구경에서 1∼2kW)으로 플라즈마를 생성하여 유지할 수 있다고 하는 이점을 가지고 있다.
그러나, 이 미세한 피치의 슬릿을 가진 안테나부재의 경우는 일반적으로, 그 중심부에서 방사상으로 반경방향으로 전파시킨 마이크로파를 둘레가장자리부로 반사시켜 중심방향으로 되돌림으로써, 전력효율을 높이도록 설계되어 있다. 이러한 경우는, 안테나부재의 중심부에 있어서의 전자계강도가 둘레 가장자리부보다도 강해지는 경향에 있다.
그 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이 웨이퍼면상에 있어서도, 그 둘레가장자리부보다도 중심부쪽이 전자계강도가 커진다. 그 때문에, 웨이퍼면상의 플라즈마분포의 불균일성이 커져, 플라즈마처리의 면내균일성을 확보할 수 없게 된다고 하는 문제가 생긴다.
이에 대하여, 일본 특개평3-224225호 공보에 개시된 바와 같이, 마이크로파의 전자계강도분포를 균일화할 목적으로, 도파관내에 마이크로파흡수체를 설치하는 것도 제안되고 있다. 그러나, 이 개시예는, 안테나부재를 사용하지 않고, 도파관에 의해 방전관으로 직접 마이크로파를 투입하는 방식의 장치이다. 따라서, 이 개시예에서는, 안테나방식으로 그대로 채용할 수는 없고, 또한 마이크로파의 흡수량이 미묘한 콘트롤도 행할 수 없다.
본 발명은, 이상과 같은 문제점에 착안하여, 이것을 효과적으로 해결하도록 창안된 것이다. 본 발명의 목적은, 평면 안테나부재의 둘레가장자리부에서 반사하여 중심부로 되돌아오는 마이크로파를 어느 정도 저감시킴으로써, 마이크로파의 전자계분포를 균일화시킬 수 있는 플라즈마처리장치를 제공하는 데에 있다.
[발명의 개시]
본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위해서, 플라즈마처리장치에 있어서, 피처리체를 플라즈마처리하기 위한 처리용기와, 이 처리용기내에 지수함수적으로 감쇠하는 마이크로파를 방사하도록 구성된 평면 안테나부재와, 이 평면 안테나에 마이크로파를 공급하기 위한 마이크로파발생기와, 상기 마이크로파발생기에 의해서 발생된 마이크로파를 상기 평면안테나부재의 중심부에 전달하기 위한 도파수단을 구비한 플라즈마처리장치에 있어서, 상기 평면안테나부재의 둘레가장자리부의 바깥쪽을 둘러싸고 형성되며, 상기 평면안테나부재의 중심부에서 둘레가장자리부로 전파하는 마이크로파를 다시 상기 평면안테나부재의 중심부로 향하여 반사하기 위한 마이크로파 반사부재와, 상기 평면안테나부재의 둘레가장자리부에 설치되며, 스스로를 통과하는 마이크로파의 일부를 흡수하기 위한 마이크로파 흡수수단을 구비하고, 상기 마이크로파 흡수수단은, 상기 평면안테나부재의 둘레가장자리부에 배치된 액체수용부와, 이 액체수용부내에 수용되어, 유전손실을 생기게 하는 마이크로파 흡수액체를 가진 것이다.
이에 따라, 평면안테나부재의 중심부에서 둘레가장자리부를 향하여 전파하여 마이크로파반사부재에 의해서 반사되는 마이크로파와, 마이크로파흡수수단에 의해서 일부 흡수되어 감쇠한다. 이 때문에, 평면 안테나부재의 중심부근방에 있어서의 마이크로파전자계의 강도가 억제되어, 결과적으로 처리용기내에 있어서의 전자계강도의 균일성을 대폭 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 액체수용부는 상기 평면안테나부재의 둘레가장자리부에 동심원형상으로 배치된 복수의 링형상이고, 상기 마이크로파 흡수액체는 각 액체수용부내에 선택적으로 수용되도록 구성할 수도 있다. 이 경우는, 각 액체수용부내에, 마이크로파 흡수액체를 선택적으로 도입함으로써, 마이크로파의 흡수량을 적절히 콘트롤할 수 있다. 따라서, 처리용기내의 전자계강도의 균일성을 한층 더 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 상기 마이크로파 흡수수단에 있어서, 복수의 액체수용부의 반경방향의 두께가 서로 다르도록 구성할 수도 있다. 그와 같이 구성함으로써, 마이크로파흡수액체를 수용하는 액체수용부의 조합에 의해서, 마이크로파 흡수량을 보다 세밀하게 변화시켜, 보다 정밀도가 높은 미세한 전계강도분포의 콘트롤을 행하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 마이크로파 흡수액체를 상기 액체수용부의 외부에서 순환시키기 위한 순환수단과, 이 순환수단에 의해서 순환되는 상기 마이크로파흡수액체를 냉각하기 위한 냉각수단을 더욱 구비하도록 구성할 수도 있다. 그 경우는, 액체수용부내의 마이크로파 흡수액체의 승온을 방지하는 것으로, 그 온도변화에 의한 유전손실의 변동을 방지할 수가 있다. 따라서, 전자계강도의 균일성을 더욱 안정화할 수가 있다.
본 발명은, 마이크로파에 의해 안테나표면에서 처리용기내로 플라즈마발생용의 에너지를 투입하고, 이에 따라 플라즈마를 발생시키는 플라즈마처리장치에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명에 관한 플라즈마처리장치의 한 실시형태로서의 플라즈마에칭장치를 모식적으로 나타낸 종단면도,
도 2는, 도 1에 나타내는 장치중의 평면 안테나부재를 나타내는 평면도,
도 3은, 도 1에 나타내는 장치중의 마이크로파 흡수수단을 나타내는 횡단면도,
도 4는, 물을 채운 액체수용부의 수를 바꿈으로써 마이크로파의 흡수량을 변화시켰을 때의, 전자계 강도분포 (플라즈마분포)의 차이를 나타내는 그래프,
도 5는, 종래의 플라즈마처리장치를 모식적으로 나타내는 종단면도,
도 6은, 종래의 플라즈마처리장치에 있어서의 전자계강도분포를 나타내는 그래프이다.
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
이하에, 본 발명에 관한 플라즈마처리장치의 한 실시형태를 첨부도면에 기초하여 상술한다. 도 1은, 본 발명에 관한 플라즈마처리장치의 한 실시형태로서의 플라즈마에칭장치를 모식적으로 나타낸 종단면도, 도 2는, 도 1에 나타내는 장치중의 평면안테나부재를 나타내는 평면도, 도 3은, 도 1에 나타내는 장치중의 마이크로파 흡수수단을 나타내는 횡단면도이다.
본 실시형태에 있어서는, 본 발명에 의한 플라즈마처리장치를 플라즈마에칭장치에 적용한 경우에 대하여 설명한다. 도 1에 나타내는 플라즈마에칭장치(20)는, 처리용기(22)를 가지며, 이 처리용기(22)의 내부는 밀폐된 처리공간(S)으로서 구성되어 있다. 처리용기(22)는, 예를 들면 측벽이나 바닥부가 알루미늄 등의 도체에 의해 구성되고, 전체가 통체형상으로 성형됨과 동시에 상부가 단형상으로 직경이 축소되어 있다. 또한, 처리용기(22)내의 처리공간(S)의 위쪽부분이, 플라즈마생성공간(S1)으로서 구성되어 있다.
처리용기(22)내에는, 피처리체로서의 예를 들면 반도체웨이퍼(W)를 얹어 놓는 재치대(24)가 수용되어 있다. 이 재치대(24)는, 예를 들면 아르마이트처리한 알루미늄 등에 의해 대략 원주형상으로 형성되고, 그 윗면 중앙부가 평탄한 볼록형상으로 이루어져 있다. 재치대(24)의 하부는, 마찬가지로 알루미늄 등에 의해 원주형상으로 형성된 지지대(26)에 의해 지지되고 있다. 이 지지대(26)는, 처리용기(22)내의 바닥부에 절연재(28)를 통해 설치되어 있다.
상기 재치대(24)의 윗면에는, 웨이퍼(W)를 흡착유지하기 위한 정전척이나 클램프기구(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 또한, 재치대(24)는 급전선(30)에 의해 매칭박스(32)를 통해, 예를 들면 13.56MHz의 바이어스용 고주파전원(34)에 접속되어 있다. 재치대(24)를 지지하는 지지대(26)에는, 플라즈마처리시의 웨이퍼를 냉각하기 위한 냉각수 등을 흐르게 하는 냉각재킷(36)이 설치되어 있다.
상기 처리공간(S)을 구획하는 처리용기(22)의 측벽부분에는, 용기내로 에칭가스를 도입하기 위한, 예를 들면 석영파이프제의 처리가스공급노즐(38)이 설치되어 있다. 이 노즐(38)은, 가스공급로(40)에 의해 매스플로우컨트롤러(42) 및 개폐밸브(44)를 통해 처리가스원(46)에 접속되어 있다.
처리가스로서의 에칭가스는, 예를 들면 CHF3, CF4또는 C4F8가스 등을 단가스로서 사용할 수 있고, 혹은 이들과 수소가스와의 혼합가스를 사용할 수도 있다. 또한, 처리용기(22)의 측벽부분에는, 플라즈마생성공간(S1)의 부분을 향하게 하여, 예를 들면 석영제의 가스노즐(48)이 설치되어 있다. 이 노즐(48)은, 플라즈마가스로서, 유량제어된 Ar(아르곤) 가스 등의 불활성가스를 공급하기 위한 것이다.
그리고, 처리용기(22)의 단차부의 바깥쪽에는, 플라즈마생성공간(S1)에 ECR발생용의 자계를 인가하기 위한 링형상 자석(50)이 설치되어 있다. 또한, 처리용기 (22)의 측벽 바깥둘레에는, 처리용기(22)의 내부에 대한 웨이퍼의 반입·반출시에 개폐하는 게이트 밸브(52)가 설치되어 있다. 또한, 처리용기(22)의 바닥부에는, 필요에 따라 처리용기(22)내를 소정의 압력까지 진공흡인할 수 있도록, 도시되지 않은 진공펌프에 접속된 배기구(54)가 설치되어 있다.
한편, 처리용기(22)의 천정부에는, 용기(22)내로 마이크로파를 도입하기 위한, 예를 들면 석영제의 마이크로파 투과창(60)이 형성되어 있다. 이 마이크로파 투과창(60)은, 처리용기(22)의 천정부에 형성된[피처리체(W)의 직경과 대략 같은 크기의, 혹은 이보다 큰) 개구(56)에, O 링 등의 시일부재(58)를 통해 기밀하게 부착되어 있다. 그리고, 이 마이크로파 투과창(60)의 윗면쪽에, 시일부재(66)를 통해 원판형상의 평면안테나부재(62)가 설치되어 있다.
또한, 평면안테나부재(62)의 윗면에는, 대략 원판형상으로 성형된, 예를 들면 세라믹유전체재료로 이루어진 지파재(72)가, 접착제 등으로 접합되어 있다. 이 지파재(72)의 중앙부에는, 후술하는 동축선(90)을 통과시키기 위한 관통구멍(73)이 형성되어 있다. 이 지파재(72)는, 이에 작용하는 마이크로파의 전파속도를 저하시켜 파장을 짧게 함으로써, 평면안테나부재(62)로부터 방사되는 마이크로파의 방사효율을 향상시키기 위한 것이다. 그리고, 이 지파재(72)를 덮도록 하여, 평면안테나부재(62)상에 안테나상자(74)가 설치되어 있다. 이 안테나상자(74)는, 예를 들면 알루미늄 등의 금속으로 이루어진다.
상기 평면안테나부재(62)는, 예를 들면 동이나 알루미늄 등의 도전성재료로이루어지며, 도 2에 나타낸 바와 같이 둘레방향으로 연이어지는 다수의 슬릿(80)이 형성되어 있다(도 2에서는 동심원형상으로 배열되어 있는 경우를 나타낸다). 여기서 각 슬릿(80)의 길이 및 반경방향의 피치는, 마이크로파의 관내파장[지파재(72)에 의해서 짧아진 파장]에 의존하여 설정된다.
특히, 본 실시형태의 경우에는, 평면안테나부재(62)의 반경방향에 있어서의 인접슬릿사이의 피치 L1은 마이크로파의 관내파장보다도 훨씬 작게 설정되어 있다. 이 피치 L1은, 예를 들면 관내파장의 대략 1/20∼1/30의 길이로 설정된다. 이러한 미세피치의 슬릿(80)을 다수 형성함으로써, 마이크로파가 평면안테나부재(62)의 중심에서 반경방향으로 넓어지면서 각 슬릿(80)으로부터 조금씩 리크하도록 되어 있다.
한편, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 평면안테나부재(62)에 대하여 마이크로파를 공급하는 마이크로파발생기(86)는, 예를 들어 2.45GHz의 마이크로파를 발생하도록 되어 있다. 그리고, 마이크로파 발생기(86)로부터 발생된 마이크로파는, 사각형도파관(88)을 통하여 사각형·동축변환기(95)로 전송되어, 이 사각형·동축변환기(95)로부터 동축선(90)을 통하여 평면안테나부재(62)의 중심부로 전해지도록 되어 있다. 즉, 이들 사각형도파관(88), 사각형·동축변환기(95)및 동축선(90)은, 마이크로파발생기(86)에 의해서 발생된 마이크로파를 평면 안테나부재(62)의 중심부로 전달하기 위한 도파수단을 구성하고 있다.
구체적으로는, 사각형·동축변환기(95)로부터 연장한 동축선(90)이, 안테나상자(74)의 중심에 설치한 개구(92) 및 지파재(72)의 관통구멍(73)을 지나, 평면안테나부재(62)의 중심부에 접속되어 있다. 이 경우의 마이크로파의 주파수는, 상기의 2.45GHz에 한정되지 않고, 1GHz∼10수GHz의 범위내의 것을 사용할 수 있다. 또, 사각형도파관(88)의 도중에는, 임피던스의 매칭을 행하는 매칭회로(93)가 개설되어 있다.
그리고, 상기 평면안테나부재(62)의 둘레가장자리부상[상기 지파재(72)와 상기 안테나상자(74)의 측벽(74A)과의 사이]에는, 본 발명의 특징으로 하는 마이크로파 흡수수단(96)이 설치되어 있다. 여기서, 상기 안테나상자(74)의 측벽(74A)은, 평면안테나부재(62)의 둘레가장자리부의 바깥쪽을 둘러싸고 형성되며, 평면안테나부재(62)의 중심부에서 둘레가장자리부로 전파하는 마이크로파를 다시 평면안테나부재(62)의 중심부를 향하여 반사하기 위한 마이크로파반사부재를 구성하고 있다. 그리고, 상기 마이크로파 흡수수단(96)은, 평면안테나부재(62)의 둘레가장자리부에서 반사하여 중심부로 되돌아오는 마이크로파의 일부를 흡수하여 그 반사량을 억제하도록 되어 있다.
구체적으로는, 이 마이크로파 흡수수단(96)은, 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 지파재(72)의 바깥둘레와, 안테나상자(74)의 측벽(74A)과의 사이에 동심원형상으로 형성된 복수(도시예에서는 3개)의 링형상 액체수용부(98A,98B,98C)를 가지고 있다. 각 액체수용부(98A,98B,98C)는, 안테나부재(62)의 반경방향으로 겹쳐진 3층 구조로 되어 있다. 이들 액체수용부(98A,98B,98C)의 두께는, 각각 후술하는 마이크로파흡수액체(102)가 소정량의 마이크로파를 흡수하는 것과 같은 값으로 설정된다. 또, 도 3에 있어서는, 이해를 쉽게 하기 위해서, 각 액체수용부(98A,98B,98C)의 폭을 실제보다도 크게 기재하고 있다.
도 3에 있어서, 각 액체수용부(98A,98B,98C)를 구획형성하는 구획벽(100A, 100B,100C)은, 마이크로파를 효율적으로 투과하는 유전체재료, 예를 들면 불소수지에 의해 형성되어 있다. 그리고, 각 액체수용부(98A,98B,98C) 내에는, 유전손실이 큰 마이크로파흡수액체(102)를 선택적으로 도입할 수 있도록 되어 있다. 이 마이크로파흡수액체(102)로서는 염가인 물을 사용할 수 있다.
구체적으로는, 링형상의 각 액체수용부(98A,98B,98C)의 한쪽에는 각각 액체도입구(104A,104B,104C)가 형성되고, 다른 쪽에는 각각 액체배출구(106A,106B, 106C)가 형성되어 있다. 그리고, 각 액체도입구(104A,104B,104C)에는, 개폐밸브 (110A,110B,110C)를 개설한 분기순환통로(108A,108B,108C)가 각각 연결되어 있다.
또한, 각 액체배출구(106A,106B,106C)에는, 각각 분기배출통로(112A,112B, 112C)가 연결되어 있다. 이들 분기배출통로(112A,112B,112C)는, 마이크로파흡수액체(102)를 저류하는 저장탱크(114)에 각각 연결되어 있다. 이 저장탱크(114)로부터는, 펌프(116) 및 냉각기구(118)를 개설한 순환통로(108)가 인출되고 있다. 이 통로(108)는, 냉각기구(118)의 하류쪽에서 복수로 분기되어 상기 분기순환통로(108A, 108B,108C)가 되고 있다.
더욱, 각 분기순환통로(108A,108B,108C)에는, 도중에 개폐밸브(120A,120B, 120C)를 개설한 블로워통로(122A,122B,122C)가 각각 접속되어 있다. 그리고, 각 블로워통로(122A,122B,122C)에 압축가스를 흐르게 함으로써, 액체수용부(98A,98B, 98C)내에 수용되어 있는 마이크로파흡수액체(102)를 선택적으로 배출할 수 있도록되어 있다.
다음에, 이상과 같이 구성된 본 실시형태의 동작 내지 작용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1에 있어서, 게이트밸브(52)를 통해 반도체 웨이퍼(W)를 반송아암(도시하지 않음)에 의해 처리용기(22)내에 수용하고, 리프터 핀(도시하지 않음)을 상하이동시킴으로써 웨이퍼(W)를 재치대(24)의 윗면에 얹어 놓는다.
그리고, 처리가스공급노즐(38)로부터, 예를 들어 CF4등의 에칭가스를 유량제어하면서 공급한다. 또한, 가스노즐(48)로부터 플라즈마가스로서 Ar가스를 공급한다. 한편, 이 Ar가스를 공급하지 않는 경우도 있다. 그리고, 배기구(54)로부터의 배기에 의해서, 처리용기(22)내를 소정의 프로세스압력, 예를 들면 0.1∼수10mTorr의 범위내에 유지한다.
동시에, 마이크로파발생기(86)로부터의 마이크로파를 평면안테나부재(62)에 공급한다. 이에 따라, 플라즈마생성공간(S1) 및 처리공간(S)에 전계를 형성하여, 플라즈마방전에 의해 가스를 전리시켜 플라즈마를 발생시켜, 에칭처리를 행한다.
여기서, 마이크로파발생기(86)로써 발생한 예를 들면 2.45GHz의 마이크로파는, 구체적으로는 사각형도파관(88) 및 사각형·동축변환기(95)를 통해 동축선(90)에 의해 평면안테나부재(62)와 안테나상자(74)로 둘러싸인 공간에 공급된다. 이 마이크로파는 더욱, 평면안테나부재(62)의 반경방향으로 전파하면서, 평면안테나부재 (62)의 미세한 피치로 설치한 다수의 슬릿(80)(도 2참조)에서부터 조금씩 리크해간다.
그리고, 안테나부재(62)의 둘레가장자리부에 이른 마이크로파는, 금속제의 안테나상자(74)의 측벽(74A)에서 반사되어, 안테나부재(62)의 중심방향을 향하여 되돌아가게 된다. 이와 같이, 마이크로파는, 평면안테나부재(62)의 중심부와 안테나상자(74)의 측벽(74A)과의 사이를 왕복전파하면서, 평면안테나부재(62)의 미세한 피치의 슬릿(80)으로부터 조금씩 리크해 가게 된다. 이 리크한 마이크로파는, 마이크로파투과창(60)을 투과하여 플라즈마생성공간(S1)쪽으로 도입되어, 자석(50)에 의해 인가되는 자계에 의해 전자사이클로트론공명을 생기게 한다.
이와 같이, 평면안테나부재(62)의 둘레가장자리부를 둘러싸는 안테나상자 (74)의 측벽(74A)에 있어서 마이크로파를 반사시켜, 안테나부재(62)의 중심쪽으로 되돌리는 구조로 되어 있기 때문에, 그 상태에서는 안테나부재(62)의 중심부에서의 마이크로파의 전자계 강도가 상대적으로 높아지는 경향에 있다.
그러나, 본 실시형태의 경우에는, 안테나부재(62)의 둘레가장자리부에 적절히 마이크로파를 흡수하는 마이크로파 흡수수단(96)을 설치함으로써, 안테나부재 (62)의 둘레가장자리부로부터 중심부로 되돌아오는 마이크로파를 억제하고 있다. 이 때문에, 안테나부재(62)의 중심부에 있어서의 전자계의 강도는 억제되고, 그 결과, 전체적으로 마이크로파의 전자계강도를 균일화하여, 보다 플랫트한 강도분포로 하는 것이 가능해진다.
여기서, 마이크로파 흡수수단(96)에 있어서 마이크로파를 흡수하기 위해서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 각 액체수용부(98A,98B,98C)에 마이크로파흡수액체(102)를 충전시키면 좋다. 그와 같이 함으로써, 각 액체수용부(98A,98B,98C)내의 마이크로파흡수액체(102)를 마이크로파가 통과할 때, 그 통과거리에 따라서 마이크로파가(유전손실에 의해서) 감쇠하게 된다.
각 액체수용부(98A,98B,98C)에 대하여 각각 마이크로파흡수액체(102)를 수용할 지의 여부는, 각 분기순환통로(108A,108B,108C)에 개설한 개폐밸브(110A,110B, 110C)의 개폐제어에 의해 선택할 수 있다. 또한, 한번 각 액체수용부(98A,98B, 98C)에 수용한 마이크로파흡수액체(102)는, 블로워통로(122A, 122B,122C)로부터 선택적으로 압축가스를 흐르게 함으로써 선택적으로 배출할 수 있다.
따라서, 마이크로파 흡수수단(96)을 구성하는 3개의 액체수용부(98A,98B, 98C)내에, 마이크로파흡수액체(102)로 채워진 액체수용부의 수를 콘트롤함으로써, 마이크로파가 마이크로파흡수액체(102)속을 통과하는 거리를 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 마이크로파의 흡수량을 콘트롤하고, 나아가서는 안테나부재(62)둘레가장자리부에서의 마이크로파의 반사량을 적량으로 콘트롤할 수 있다. 도시예와 같이 액체수용부(98A,98B,98C)가 3층 구조인 경우에는, 마이크로파의 흡수량을 4단계로 콘트롤할 수 있다.
여기서 도 4는, 마이크로파흡수액체(102)로서의 물을 채운 액체수용부(98A, 98B,98C)의 합계수를 바꿈에 따라, 마이크로파의 흡수량을 변화시켰을 때의 플라즈마분포의 차이를 나타내는 그래프이다. 도 4의 그래프에 있어서, 곡선 A로 나타낸 바와 같이 모든 액체수용부(98A,98B,98C) 내에 물을 넣지 않은 경우에는, 마이크로파의 흡수가 행하여지지 않고, 마이크로파의 반사량이 지나치게 많기 때문에, 웨이퍼중심부에서의 전자계강도분포가 특히 커져, 플라즈마의 균일성이 뒤떨어진다. 이것은 종래 장치에서 도 6을 참조하여 설명한 경우와 마찬가지이다.
또한, 곡선 C로 나타낸 바와 같이 물을 채운 액체수용부가 지나치게 많은 경우에는, 웨이퍼중심부에서의 전자계 강도가 주위보다도 지나치게 작아져, 이 경우에도 플라즈마분포의 균일성이 뒤떨어져 버린다. 이것은, 곡선 A로 나타내는 경우와는 반대로, 마이크로파의 흡수량이 지나치게 많고 반사량이 너무 적어졌기 때문이라고 생각된다. 이에 대하여, 곡선 B로 나타낸 바와 같이 물을 채운 액체수용부의 수가 적당한 경우에는, 마이크로파의 흡수량이 적절한 상태가 되고, 이 결과, 웨이퍼 전체면에 있어서의 플라즈마분포의 균일성을 대폭 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
여기서, 상기와 같은 2.45GHz의 마이크로파가 물을 통과할 때의 반감심도(강도가 반으로 감쇠하는 깊이)는 1.3cm 정도이다. 또한, 마이크로파는 액체수용부 (98A,98B,98C)보다도 바깥쪽의 안테나상자(74)의 측벽(74A)에서 반사하기 때문에, 마이크로파의 흡수량은 마이크로파흡수액체(102)를 채운 액체수용부의 반경방향의 두께의 2배로 효과가 있다. 액체수용부(98A,98B,98C) 전체의 반경방향의 두께는 그만큼 크지 않아도 된다.
또, 마이크로파 흡수수단(96)을 구성하는 액체수용부의 층수는 3층에 한정되지 않고, 공간이 허용되는 한, 몇 층을 설치하여도 좋다. 또한, 복수의 액체수용부의 반경방향의 두께를 서로 다르게 할 수도 있다. 그와 같이 구성함으로써, 마이크로파흡수액체(102)를 채우는 액체수용부의 조합에 의해, 마이크로파흡수량을보다 세밀하게 변화시켜, 보다 정밀도가 높은 미세한 전계강도분포의 콘트롤을 행하는 것이 가능해진다.
또한, 마이크로파흡수액체(102)로서, 염가인 물을 사용하는 경우에 대하여 설명하였지만, 유전손실이 큰 액체라면, 다른 액체를 사용하여도 좋다. 또한, 각 액체수용부(98A,98B,98C)를 구획하는 구획벽(100A,100B,100C)의 재료는, 불소수지에 한정되지 않고, 유전손실이 작은 절연재이면, 석영유리나 폴리이미드 등의 다른 재료를 사용할 수도 있다.
여기서, 액체수용부(98A,98B,98C)내에 수용한 마이크로파흡수액체(102)는, 마이크로파를 흡수할 때에 유전손실에 의해서 승온한다. 그래서, 도 3에 나타내는 바와 같이, 마이크로파흡수액체(102)를 펌프(순환수단)(116)에 의해 액체수용부 (98A,98B,98C)에서 순환시키면서 냉각기구(냉각수단)(118)로 냉각하는 것으로, 그러한 온도상승을 억제할 수 있다. 따라서, 마이크로파흡수액체(102)의 온도변화에 따르는 유전손실의 변화를 방지할 수 있기 때문에, 마이크로파의 전자계분포를 더욱 안정적으로 제어할 수 있다.
또, 이상의 실시형태에서는, 플라즈마처리장치로서 ECR방식의 플라즈마처리장치를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 이 방식의 플라즈마처리장치에 한정되지 않고, 마이크로파를 평면안테나부재에 의해 처리용기내로 방사시키도록 한 구조라면, 모든 플라즈마처리장치에 적용할 수 있다,
또한, 여기서는 플라즈마에칭처리를 행하는 장치를 예로 들어 설명하였지만, 플라즈마성막처리, 플라즈마스퍼터처리 또는 플라즈마애싱처리 등을 행하는 장치에도 적용할 수 있음은 물론이다. 또한, 피처리체로서는, 상술한 반도체웨이퍼에 한정되지 않고, LCD기판이나 유리기판 등에도 적용할 수 있다.

Claims (5)

  1. 피처리체를 플라즈마처리하기 위한 처리용기와,
    이 처리용기내에 중심부로부터 둘레가장자리부를 향하여 마이크로파가 전파하도록 구성된 평면안테나부재와,
    이 평면안테나에 마이크로파를 공급하기 위한 마이크로파발생기와,
    이 상기 마이크로파발생기에 의해서 발생된 마이크로파를 상기 평면안테나부재의 중심부에 전달하기 위한 도파수단을 구비한 플라즈마처리장치에 있어서,
    상기 평면안테나부재의 둘레가장자리부의 바깥쪽을 둘러싸고 형성되며, 상기 평면안테나부재의 중심부에서 둘레가장자리부로 전파하는 마이크로파를 다시 상기 평면안테나부재의 중심부로 향하여 반사하기 위한 마이크로파 반사부재와,
    상기 평면안테나부재의 둘레가장자리부에 설치되며, 스스로를 통과하는 마이크로파의 일부를 흡수하기 위한 마이크로파 흡수수단을 구비하고,
    상기 마이크로파 흡수수단은, 상기 평면안테나부재의 둘레가장자리부에 배치된 액체수용부와, 이 액체수용부내에 수용되어, 유전손실을 생기게 하는 마이크로파흡수액체를 가진 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 액체수용부는 상기 평면안테나부재의 둘레가장자리부에 동심원형상으로 배치된 복수의 링형상이고,
    상기 마이크로파 흡수액체는 각 액체수용부내에 선택적으로 수용되는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 각 액체수용부의 반경방향의 두께가 서로 다른 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  5. 제 1 항, 제 3 항, 제 4 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파흡수액체를 상기 액체수용부의 외부에서 순환시키기 위한 순환수단과,
    이 순환수단에 의해서 순환되는 상기 마이크로파흡수액체를 냉각하기 위한 냉각수단을 더욱 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
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