KR100497015B1 - 플라즈마 처리 장치, 플라즈마 처리 방법 및 지파판 - Google Patents
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Abstract
래디얼 라인 슬롯 안테나를 사용한 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서, 슬롯판(16)를, 지파판(18)과 열팽창율이 가까운 재료에 의해, 혹은 지파판(18)을 구성하는 유전체판 상에 금속을 부착 시키기로 보다 형성한다. 안테나 중의 지파판과 마이크로파 방사면을 구성하는 슬롯판의 사이의 밀착성을 향상시켜, 이상 방전을 방지한다.
Description
본 발명은 일반적으로 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 특히 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마 처리 공정 및 플라즈마 처리 장치는, 최근 이른바 디프 서브미크론(deep submicron) 소자 혹은 디프 서브쿼터미크론(deep subquarter micron) 소자로 불리는 0.1㎛에 가깝게, 혹은 그 이하의 게이트 길이를 가지는 초미세화 반도체 장치의 제조나, 액정 표시 장치를 포함하는 고해상도 평면 표시 장치의 제조에 있어 불가결의 기술이다.
반도체 장치나 액정 표시 장치의 제조에 사용되는 플라즈마 처리 장치로서는, 종래부터 여러 가지 플라즈마의 여기 방식이 사용되고 있지만, 특히 평행 평판형 고주파 여기 플라즈마 처리 장치 혹은 유도 결합형 플라즈마 처리 장치가 일반적이다. 그러나 이들 종래의 플라즈마 처리 장치는, 플라즈마 형성이 불균일하고, 전자 밀도가 높은 영역이 한정되어 있기 때문에 큰 처리 속도 즉 스루풋(throughput)으로 피처리 기판 전면에 걸쳐 균일한 프로세스(process)를 하는 것이 곤란한 문제점을 가지고 있다. 이 문제는, 특히 큰 직경의 기판을 처리하는 경우에 심각하게 된다. 게다가 이들 종래의 플라즈마 처리 장치에서는, 전자 온도가 높기 때문에 피처리 기판 상에 형성되는 반도체 소자에 손상이 생기고, 또 처리실 벽의 스패터링에 의한 금속 오염이 큰 등, 몇 가지의 본질적인 문제를 가지고 있다. 이 때문에, 종래의 플라즈마 처리 장치에서는, 반도체 장치나 액정 표시 장치의 새로운 미세화 및 새로운 생산성의 향상에 대한 엄한 요구를 만족하는 것이 곤란하게 되어 있다.
한편, 종래부터 직류 자장을 이용하지 않고 마이크로파 전계에 의해 여기된 고밀도 플라즈마를 사용하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 제안되어 있다. 예를 들면, 균일한 마이크로파를 발생하도록 배열된 다수의 슬롯을 가지는 평면 모양의 안테나(래디얼 라인 슬롯 안테나)로부터 처리 용기 내에 마이크로파를 방사하고, 이 마이크로파 전계에 의해 진공 용기 내의 가스를 전리하여 플라즈마를 여기시키는 구성의 플라즈마 처리 장치가 제안되어 있다. (예를 들면 특개평 9-63793 공보를 참조.) 이러한 수법으로 여기된 마이크로파 플라즈마에서는 안테나 직하의 넓은 영역에 걸쳐서 높은 플라즈마 밀도를 실현할 수 있고, 단시간에 균일한 플라즈마 처리를 하는 것이 가능하다. 게다가 이 수법으로 형성된 마이크로파 플라즈마는, 여기 주파수가 높고, 한편 자장을 이용한 전자의 공명 현상을 이용하지 않기 때문에, 전자 온도가 낮고, 피처리 기판의 손상이나 금속 오염을 회피할 수 있다. 또한 대면적 기판 상에도 균일한 플라즈마를 용이하게 여기할 수 있기 때문에, 큰 구경 반도체 기판을 사용한 반도체 장치의 제조 공정이나 대형 액정 표시 장치의 제조에도 용이하게 대응할 수 있다.
도 1A, 1B는 이 래디얼 라인 슬롯 안테나를 사용한 종래의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 구성을 나타낸다. 다만, 도 1 A는 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 단면도를, 또 도 1 B는 래디얼 라인 슬롯 안테나의 구성을 나타내는 도이다.
도 1A을 참조하면 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는 복수의 배기 포트(116)로부터 배기되는 처리실(101)을 가지고, 상기 처리실(101) 내에는 피처리 기판(114)을 보유하는 보유대(115)가 형성되어 있다. 상기 처리실(101)이 균일한 배기를 실현하기 위해, 상기 보유대(115)의 주위에는 링 모양으로 공간(101A)이 형성되어 있고, 상기 복수의 배기 포트(116)를 상기 공간(101A)에 연통하도록 등간격으로, 즉 피처리 기판에 대해서 축대칭으로 형성함으로써, 상기 처리실(101)을 상기 공간(101A) 및 배기 포트(116)를 개재하여 균일하게 배기할 수 있다.
상기 처리실(101) 상에는, 상기 보유대(115) 상의 피처리 기판(114)에 대응하는 위치에, 상기 처리실(101)의 외벽의 일부로서 저유전손실 유전체로 이루어지고 다수의 개구부(107)가 형성된 판 모양의 샤워 플레이트(shower plate)(103)가 실 링(seal ring)(109)을 개재하여 형성되어 있고, 또한 상기 샤워 플레이트(103)의 외측에 동일한 저유전손실 유전체로 이루어지는 커버 플레이트(102)가 다른 실 링(108)을 개재하여 설치되어 있다.
상기 샤워 플레이트(103)에는 그 상면에 플라즈마 가스의 통로(104)가 형성되어 있고, 상기 복수의 개구부(107)의 각각은 상기 플라즈마 가스 통로(104)에 연통하도록 형성되어 있다. 또한, 상기 샤워 플레이트(103)의 내부에는 상기 처리 용기(101)의 외벽에 설치된 플라즈마 가스 공급 포트(105)에 연통하는 플라즈마 여기 가스의 공급 통로(106)가 형성되어 있고, 상기 플라즈마 여기 가스 공급 포트(105)에 공급된 Ar나 Kr 등의 플라즈마 여기 가스는, 상기 공급 통로(106)로부터 상기 통로(104)를 개재하여 상기 개구부(107)에 공급되고, 상기 개구부(107)로부터 상기 처리 용기(101) 내부의 상기 샤워 플레이트(103) 직하의 공간(101B)에 실질적으로 한결같은 농도로 방출된다.
상기 처리 용기(101) 상에는, 또한 상기 커버 플레이트(102)의 외측으로 상기 커버 플레이트(102)로부터 4∼5㎜ 떨어져 도 1B에 나타내는 방사면을 가지는 래디얼 라인 슬롯 안테나(110)가 설치되어 있다. 상기 래디얼 라인 슬롯 안테나(110)는 외부의 마이크로파원(도시하지 않음)에 동축 도파관(110A)을 개재하여 접속되어 있고, 상기 마이크로파원으로부터의 마이크로파에 의해, 상기 공간(101B)에 방출된 플라즈마 여기 가스를 여기한다. 상기 커버 플레이트(102)와 래디얼 라인 슬롯 안테나(110)의 방사면의 사이의 간극은 대기에 의해 충전되어 있다.
상기 래디얼 라인 슬롯 안테나(110)는, 상기 동축 도파관(110A)의 바깥 도체에 접속된 평탄한 디스크 모양의 래디얼 선로 이면 금속판(110B)과, 상기 래디얼 선로 이면 금속판(110B)의 개구부에 형성된, 도 1B에 나타내는 다수의 슬롯(110a) 및 이에 직교하는 다수의 슬롯(110b)이 형성된 방사판(110C)으로 이루어지고, 상기 래디얼 선로 이면 금속판(110B)과 상기 방사판(110C)의 사이에는 두께가 일정한 유전체로 이루어지는 지파판(110D)이 삽입되어 있다.
이 구성의 래디얼 라인 슬롯 안테나(110)에서는, 상기 동축 도파관(110)으로부터 급전된 마이크로파는, 상기 디스크 모양의 래디얼 선로 이면 금속판(110B)과 방사판(110C)의 사이를, 반경 방향으로 퍼지면서 진행하지만, 그 때에 상기 지파판(110D)의 작용에 의해 파장이 압축된다. 그래서, 이와 같이 하여 반경 방향으로 진행하는 마이크로파의 파장에 대응하여 상기 슬롯(110a 및 110b)를 동심원 모양으로, 한편 서로 직교하도록 형성해둠으로써, 원편파(圓偏波)를 가지는 평면파를 상기 방사판(110C)에 실질적으로 수직인 방향으로 방사할 수 있다.
이 래디얼 라인 슬롯 안테나(110)를 사용함으로써, 상기 샤워 플레이트(103) 직하의 공간(101B)에 균일한 고밀도 플라즈마가 형성된다. 이와 같이 하여 형성된 고밀도 플라즈마는 전자 온도가 낮고, 그 때문에 피처리 기판(114)에 손상이 생기는 일이 없고, 또 처리 용기(101)의 용기벽의 스퍼터링에 기인하는 금속 오염이 생기는 일도 없다.
도 1의 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 또한 상기 처리 용기(101) 내, 상기 샤워 플레이트(103)와 피처리 기판(114)의 사이의 확산 플라즈마 영역에, 외부의 처리 가스원(도시하지 않음)으로부터 상기 처리 용기(101) 내에 형성된 처리 가스 통로(112)를 개재하여 처리 가스를 공급하는 다수의 노즐(113)이 형성된 도체 구조물(111)이 형성되어 있고, 상기 노즐(113)의 각각은, 공급된 처리 가스를, 상기 도체 구조물(111)과 피처리 기판(114)의 사이의 공간(101C)에 방출한다. 상기 도체 구조물(111)에는, 상기 인접하는 노즐(113과 113)의 사이에, 상기 공간(101B)에 있어서 형성된 플라즈마를 상기 공간(101B)으로부터 상기 공간(101C)으로 확산에 의해, 효율적으로 통과시킬 수 있는 크기의 개구부가 형성되어 있다.
그래서, 이와 같이 상기 도체 구조물(111)로부터 상기 노즐(113)을 개재하여 처리 가스를 상기 공간(101C)에 방출한 경우, 전자 온도의 낮은 플라즈마 중이므로 처리 가스의 과잉 해리(解離)를 억제할 수 있기 때문에, 상기 피처리 기판(114) 상에, 한결같고 고품질인 플라즈마 처리가, 효율적 한편 고속으로, 게다가 기판 및 기판 상의 소자 구조를 손상시키는 일 없이, 또 기판을 오염하는 일 없이 행해진다. 한편, 상기 래디얼 라인 슬롯 안테나(110)로부터 방사된 마이크로파는, 이 도체 구조물(111)에 의해 저지되고, 플라즈마 발화 전이어도, 피처리 기판(114)을 손상시키는 일은 없다.
그런데, 이러한 래디얼 라인 슬롯 안테나(110)를 사용한 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 상기 공간(101B)에 형성되는 플라즈마의 밀도가 1012/㎝3의 오더(order)에 이르기 때문에, 샤워 플레이트(103)는 상기 고밀도 플라즈마를 구성하는 대량의 이온 및 전자에 노출되게 되고, 이러한 이온 및 전자에 의한 가열이 생긴다. 이 이온 및 전자에 기인하는 열 플럭스는 1∼2W/㎝2에도 달한다. 또한, 상기 플라즈마 처리 장치(100)에서는 처리실(101)에의 퇴적물의 부착을 억제하기 위해서, 처리실(101)의 용기벽을 150℃ 정도의 온도로 유지하여 운전되는 것이 많지만, 이러한 처리실(101)의 가열의 결과, 유전체 재료로 이루어지는 상기 샤워 플레이트(103) 및 커버 플레이트(102) 내에는 열이 축적되어 버려, 매우 큰 온도 분포가 생겨 버린다.
이러한 샤워 플레이트(103) 및 커버 플레이트(102) 내에의 열의 축적을 경감하는데는, 상기 래디얼 라인 슬롯 안테나(110)를 상기 커버 플레이트(102)에 밀접시키고, 안테나(110)를 히트 싱크로 하여 열을 제거하는 것이 바람직하지만, 종래의 래디얼 라인 슬롯 안테나(110)에서는 상기 방사판(110C)이 상기 동축 도파관(110A)의 중심 도체에 대해서 나사 고정되어 있었기 때문에, 나사 머리 때문에 스페이스를 상기 커버 플레이트(102)와 방사판(110C)의 사이에 확보할 필요가 있어 이 구성을 채용하는 것이 곤란했다.
또, 종래의 플라즈마 처리 장치(100)에서는 상기 샤워 플레이트(103) 및 커버 플레이트(102)로부터의 열 플럭스에 의해 상기 래디얼 라인 슬롯 안테나(110)는, 상기 커버 플레이트(102)에 밀접하고 있지 않아도, 실질적인 가열을 받아 온도가 상승한다. 또, 상기 래디얼 라인 슬롯 안테나(110)를 밀접시키는 경우에는, 안테나의 온도 상승은 한층 더 커진다.
종래의 래디얼 라인 슬롯 안테나는, 이 고온 환경하에서의 사용을 전제로 하여 설계되어 있지 않고, 그 때문에 이와 같이 안테나의 온도가 상승한 경우, 열팽창율의 차에 의해, 안테나 내, 특히 지파판으로서 설치된 유전체판(110D)과 방사판(110C)의 사이에 간극이 생기는 경우가 있다. 이와 같이 지파판(110D)과 방사판(110C)의 사이에 간극이 생기면, 지파판 중을 전파하는 마이크로파가 느끼는 임피던스(impedance)가 흐트러져 안테나 내에 있어서 바람직하지 않은 이상 방전이나 반사파의 형성, 혹은 정재파(定在波)의 형성 등의 문제가 발생해 버린다. 이상 방전이 생기면, 그 안테나는 이후 사용 불능으로 되어 버린다.
도 1A, 1B는 종래의 래디얼 라인 슬롯 안테나를 사용한 플라즈마 처리 장치의 구성을 나타내는 도이다.
도 2A, 2B는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 플라즈마 처리 장치의 구성을 나타내는 도이다.
도 3은 도 2A, 2B의 플라즈마 처리 장치에서 사용되는 래디얼 라인 슬롯 안테나의 일부를 확대하여 나타내는 도이다.
도 4는 도 2A의 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 처리 가스 공급 기구의 구성을 나타내는 도이다.
도 5는 도 2A, 2B의 플라즈마 처리 장치의 한 변형예를 나타내는 도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 플라즈마 처리 장치의 구성을 나타내는 도이다.
도 7A∼7D는 도 6의 플라즈마 처리 장치에서 사용되는 래디얼 라인 슬롯 안테나(radial line slot antenna)의 슬롯판의 형성 공정을 나타내는 도이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 개략 구성도이다.
도 9는 도 8에 나타내는 지파판의 단면도이다.
도 10은 도 8에 나타내는 지파판에 형성된 금속 도금층의 슬롯을 나타내는 평면도이다.
도 11은 동축 도파관과 지파판의 접속의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 12는 동축 도파관과 지파판의 접속의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
그래서, 본 발명은 상술의 과제를 해결한 신규하고 유용한 플라즈마 프로세스 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 보다 구체적인 과제는, 래디얼 라인 슬롯 안테나를 사용하여 플라즈마를 여기하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 래디얼 라인 슬롯 안테나 내에 있어서의 지파판과 방사판의 밀착성을 개선하는데 있다.
본 발명의 다른 과제는, 래디얼 라인 슬롯 안테나를 사용하여 플라즈마를 여기하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 안테나가 가열된 경우에도 안정되게 마이크로파를 방사할 수 있는 구성을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 과제는, 외벽에 의해 구획 형성되고 피처리 기판을 보유하는 보유대를 갖춘 처리 용기와, 상기 처리 용기에 결합된 배기계와, 상기 처리 용기 내에 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부와, 상기 처리 용기 상에 상기 플라즈마 가스 공급부에 대응하여 설치되고 동축 도파관에 의해 급전되는 마이크로파 안테나로 이루어지고, 상기 마이크로파 안테나는 개구부를 가지는 래디얼 선로 이면 금속판과, 상기 래디얼 선로 이면 금속판 상에 상기 개구부를 덮도록 설치되고 복수의 슬롯을 가지는 마이크로파 방사면과, 상기 래디얼 선로 이면 금속판과 마이크로파 방사면의 사이에 설치된 유전체판으로 이루어지고, 상기 마이크로파 방사면을 상기 유전체판과의 열팽창율의 차이가 상기 유전체판의 열팽창율에 대해서 10% 이내로 되는 도전성 재료로 구성한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 의하면, 래디얼 라인 슬롯 안테나 중의 지파판과 방사면을 구성하는 슬롯판 사이의 열팽창 차가 10% 이하로 제어되기 때문에, 안테나가 플라즈마에 의해 가열되어도 안테나 내에 있어서 간극이 발생하는 등의 문제는 생기는 일이 없고, 이에 수반하여 이상 방전이나 반사파의 형성, 정재파의 형성 등의 문제를 회피하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 다른 과제는, 외벽에 의해 구획 형성되고 피처리 기판을 보유하는 보유대를 갖춘 처리 용기와, 상기 처리 용기에 결합된 배기계와, 상기 처리 용기 내에 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부와, 상기 처리 용기 상에 상기 플라즈마 가스 공급부에 대응하여 설치되고 동축 도파관에 의해 급전되는 마이크로파 안테나로 이루어지고, 상기 마이크로파 안테나는 개구부를 가지는 래디얼 선로 이면 금속판과, 상기 래디얼 선로 이면 금속판 상에 상기 개구부를 덮도록 설치되고 복수의 슬롯을 가지는 마이크로파 방사면과, 상기 래디얼 선로 이면 금속판과 마이크로파 방사면의 사이에 설치된 유전체판으로 이루어지고, 상기 마이크로파 방사면은 상기 유전체판 상에 형성된 도전체 재료의 도금층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 있어서, 상기 슬롯판을 상기 지파판 상에, 도금에 의해 형성함으로써 상기 지파판 상의 미세한 요철이 도금층에 의해 충전되어 상기 슬롯판과 지파판의 사이에 이상적인 밀착을 실현하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 다른 과제는, 피처리 기체가 재치되는 재치대가 내부에 설치된 처리 용기와, 마이크로파를 발생하여 상기 처리 용기에 공급하는 마이크로파 발생기와, 이 마이크로파 발생기와 상기 처리 용기의 사이에 설치되고, 상기 마이크로파 발생기로부터 공급되는 마이크로파의 파장을 단축하는 지파판과, 이 지파판에 의해 파장 단축된 마이크로파를 상기 처리 용기 내의 공간에 방사하는 마이크로파 방사 부재를 가지고, 상기 지파판의 적어도 상면과 하면에 금속층이 형성되어 있고, 상기 마이크로파 방사 부재는 상기 지파판의 표면에 형성된 상기 금속층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 있어서, 지파판의 적어도 상면 및 하면에 도금층을 형성하고, 하면의 도금층을 마이크로파 방사재로서 기능시킴으로써, 마이크로파 방사재가 플라즈마에 의해 가열되어도 마이크로파 방사재와 지파판의 사이에 간극이 발생하는 등의 문제는 생기는 일이 없다. 따라, 이상 방전이나 반사파의 형성, 정재파의 형성등의 문제를 회피하는 것이 가능하게 된다. 또, 지파판의 표면에 형성된 도금층에 의해, 지파판의 표면 부분에 있어도 금속부와 지파판의 사이에 간극이 생기지 않기 때문에, 마이크로파 방사 특성이 안정된다. 또, 상술의 발명에 의하면, 마이크로파 방사 부재가 금속층에 의해 형성되기 때문에, 슬롯 부분의 두께를 얇게 할 수 있고, 슬롯 부분에서의 절단 현상에 기인하는 마이크로파의 반사를 억제할 수 있어 방사 효율이 개선된다.
본 발명의 다른 과제는, 피처리 기체가 재치되는 재치대가 내부에 설치된 처리 용기와, 마이크로파를 발생하여 상기 처리 용기에 공급하는 마이크로파 발생기와, 이 마이크로파 발생기와 상기 처리 용기의 사이에 설치되고, 적어도 상면 및 하면이 금속층에 의해 덮여 있고, 상기 마이크로파 발생기로부터의 마이크로파의 파장을 단축하는 지파판과, 상기 지파판의 표면에 형성된 상기 금속층의 일부에 의해 구성된 마이크로파 방사 부재를 가지는 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 이용하는 플라즈마 처리 방법으로서, 상기 피처리 기체의 처리면을 상기 마이크로파 방사 부재에 대향하도록 상기 재치대에 재치하고, 상기 지파판에 마이크로파를 공급하여 금속층의 일부에 형성된 다수의 슬롯으로부터 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 도입하고, 도입한 마이크로파에 의해 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시키고, 발생한 플라즈마에 의해 상기 피처리 기체에 플라즈마 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 과제는, 플라즈마 처리를 실시하는 처리 용기와, 마이크로파를 발생하여 상기 처리 용기에 공급하는 마이크로파 발생기를 가지는 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 이용되고, 상기 마이크로파 발생기로부터 공급되는 마이크로파의 파장을 단축하는 지파판으로서, 적어도 상면 및 하면이 금속층에 의해 덮여 있고, 이 금속층의 일부에 의해 마이크로파 방사 부재가 구성된 것을 특징으로 하는 지파판을 제공하는데 있다.
본 발명에 있어서, 마이크로파 방사 부재가 금속층의 일부로서 지파판에 일체적으로 형성되기 때문에, 지파판과 마이크로파 방사 부재와 별개의 부품으로서 제작하여 접합할 필요가 없다. 이에 의해, 열팽창이나 시간 경과에 의해 지파판과 마이크로파 방사 부재의 사이에 간극이 형성되는 것이 방지되고, 한결같은 마이크로파를 처리 용기에 도입할 수 있다. 따라서, 시간 경과가 적고, 재현성의 좋은 플라즈마 처리를 할 수 있다. 또, 지파판의 거의 전체가 금속 도금층에 의해 덮혀지기 때문에, 지파판에 공급된 마이크로파가 누설하는 일 없이 처리 용기에 도입되어 효율이 좋은 플라즈마 생성을 할 수 있다.
이하에 본 발명을 실시 예를 들어 상세하게 설명한다.
［제 1 실시예］
도 2A, 2B는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)의 구성을 나타낸다.
도 2A를 참조하면 상기 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)는 처리 용기(11)와, 상기 처리 용기(11) 내에 설치되고, 피처리 기판(12)을 정전 처크(chuck)에 의해 보유하고, 바람직하게는 열간 등방압 가압법(HIP)에 의해 형성된 AlN 혹은 Al2O3로 이루어지는 보유대(13)를 포함하고, 상기 처리 용기(11) 내에는 상기 보유대(13)를 둘러싸는 공간(11A)에 등간격으로, 즉 상기 보유대(13) 상의 피처리 기판(12)에 대해서 대략 축대칭인 관계로 적어도 2개소, 바람직하게는 3개소 이상으로 배기 포트(11a)가 형성되어 있다. 상기 처리 용기(11)는, 이 배기 포트(11a)를 개재하여 부등 피치 부등 경각 스크류 펌프 등에 의해 배기·감압 된다.
상기 처리 용기(11)는 바람직하게는 Al를 함유하는 오스테나이트스텐레스강(austenite stainless steel)으로 이루어지고, 내벽면에는 산화 처리에 의해 산화 알류미늄로 이루어지는 보호막이 형성되어 있다. 또, 상기 처리 용기(11)의 외벽 중 상기 피처리 기판(12)에 대응하는 부분에는, HIP법에 의해 형성된 치밀한 Al2O3에 의해 이루어지고 다수의 노즐 개구부(14A)가 형성된 디스크 모양의 샤워 플레이트(14)가 상기 외벽의 일부로서 형성된다. 이 HIP법에 의해 형성된 Al2O3 샤워 플레이트(14)는 Y2O3를 소결 조제로서 사용하여 형성되고, 기공율이 0.03% 이하로 실질적으로 기공이나 핀 홀(pin hole)을 포함하고 있지 않고, 30W/m·K에 이르고, AlN에는 미치지 않기는 하지만, 세라믹으로서는 매우 큰 열전도율을 가진다.
상기 샤워 플레이트(14)는 상기 처리 용기(11) 상에 실 링(11s)을 개재하여 장착되고, 또한, 상기 샤워 플레이트(14) 상에는 동일한 HIP 처리에 의해 형성된 치밀한 Al2O3으로 이루어지는 커버 플레이트(15)가, 실 링(11t)을 개재하여 설치되어 있다. 상기 샤워 플레이트(14)의 상기 커버 플레이트(15)와 접하는 측에는 상기 노즐 개구부(14A)의 각각에 연통하고 플라즈마 여기 가스 유로로 되는 오목부(14B)가 형성되어 있고, 상기 오목부(14B)는 상기 샤워 플레이트(14)의 내부에 형성되고, 상기 처리 용기(11)의 외벽에 형성된 플라즈마 가스 입구(11p)에 연통하는 다른 플라즈마 가스 유로(14C)에 연통하고 있다.
상기 샤워 플레이트(14)는 상기 처리 용기(11)의 내벽에 형성된 돌출부(11b)에 의해 보유되어 있고, 상기 돌출부(11b) 중, 상기 샤워 플레이트(14)를 보유하는 부분은 이상 방전을 억제하기 위해서 둥그스름하게 형성되어 있다.
그래서, 상기 플라즈마 여기 가스 입구(11p)에 공급된 Ar나 Kr 등의 플라즈마 가스는 상기 샤워 플레이트(14) 내부의 유로(14C 및 14B)를 순차 통과한 후, 상기 개구부(14A)를 개재하여 상기 샤워 플레이트(14) 직하의 공간(11B) 내에 한결같이 공급된다.
상기 커버 플레이트(15) 상에는, 상기 커버 플레이트(15)로 밀접하고 도 2B에 나타내는 다수의 슬롯(16a, 16b)이 형성된 디스크 모양의 슬롯판(16)과, 상기 슬롯판(16)을 보유하는 디스크 모양의 금속판(17)(래디얼 선로 이면 금속판)과, 상기 슬롯판(16)과 상기 금속판(17)의 사이에 끼워진 Al2O3, SiO2 혹은 Si
3N4의 저유전손실 유전체 재료로 이루어지는 지파판(18)에 의해 구성된 래디얼 라인 슬롯 안테나(20)가 설치되어 있다. 상기 슬롯판(16)은, 10wt%까지의 W(텅스텐)를 포함한 Cu(동)으로 구성되는 것이 바람직하고, 특히 상기 지파판(18)으로서 선팽창 계수가 7∼8×10-6/℃의 Al2O3을 사용한 경우, 지파판(18)으로서 선팽창 계수가 약 7×10-6/℃의 Cu-W 합금을 사용함으로써, 상기 지파판(18)과의 사이의 열팽창 차를 10% 이하로 억제할 수 있다. 상기 Cu-W 합금은 비저항이 비교적 크기 때문에, 래디얼 라인 슬롯 안테나의 슬롯판(16)으로서 사용하는 경우에는, 그 상에 도 3의 확대도에 나타내듯이 Au(금)이나 Ag(은), 동(Cu) 등의 저저항층(16) r을, 마이크로파의 표면 효과를 고려하여 약 3㎛ 이상의 두께로 형성해 두는 것이 바람직하다. 이 저저항층(16) r은 예를 들면 전해 도금 등에 의해 용이하게 형성할 수 있다.
상기 슬롯판(16)은 상기 지파판(18)에 세라믹스계의 접착제에 의해 접착하는 것이 가능하다. 이 세라믹계 접착제로서는 전형적으로는 알루미나 입자를 용매 중에 분산시킨 것이 시판되고 있다. 접착 후, 200∼300℃로 어닐(anneal) 함으로써 용매가 휘발되어 도 3에 나타내는 마이크로파 손실이 없는 강고(强固)한 접착층(181)이 얻어진다.
상기 래디얼 슬롯 라인 안테나(20)는 상기 처리 용기(11) 상에 실 링(11u)를 개재하여 장착되어 있고, 상기 래디얼 라인 슬롯 안테나(20)에는 동축 도파관(21)을 개재하여 외부의 마이크로파원(도시하지 않음)에 의해 주파수가 2.45㎓ 혹은 8.3㎓의 마이크로파가 공급된다. 공급된 마이크로파는 상기 슬롯판(16) 상의 슬롯(16a, 16b)으로부터 상기 커버 플레이트(15) 및 샤워 플레이트(14)를 개재하여 상기 처리 용기(11) 내에 방사되고, 상기 샤워 플레이트(14) 직하의 공간(11B)에 있어서, 상기 개구부(14A)로부터 공급된 플라즈마 가스 중에 플라즈마를 여기한다. 그 때, 상기 커버 플레이트(15) 및 샤워 플레이트(14)는 Al2O3에 의해 형성되어 있고 효율적인 마이크로파 투과창으로서 작용한다. 그 때, 상기 플라즈마 가스 유로(14A∼14C)에 있어서 플라즈마가 여기되는 것을 회피하기 위해, 상기 플라즈마 가스는 상기 유로(14A∼14C)에 있어서 약 6666Pa∼13332Pa(약 50∼100Torr)의 압력으로 보유된다.
상기 래디얼 라인 슬롯 안테나(20)와 상기 커버 플레이트(15)의 밀착성을 향상시키기 위해, 본 실시예의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)에서는 상기 슬롯판(16)에 맞물리는 상기 처리 용기(11)의 표면의 일부에 링 모양의 홈(11g)가 형성되어 있고, 이 홈(groove)(11g)을, 이에 연통한 배기 포트(11G)를 개재하여 배기함으로써, 상기 슬롯판(16)과 커버 플레이트(15)의 사이에 형성된 간극을 감압하고, 대기압에 의해, 상기 래디얼 라인 슬롯 안테나(20)를 상기 커버 플레이트(15)에 꼭 눌러 붙이는 것이 가능하게 된다. 이 간극에는 상기 슬롯판(16)에 형성된 슬롯(16a, 16b)이 포함되지만, 그 이외에도 여러 가지 이유에 의해 간극이 형성되는 것이 있다. 이 간극은 상기 래디얼 라인 슬롯 안테나(20)와 처리 용기(11)의 사이의 실 링(11u)에 의해 밀봉되어 있다.
또한, 상기 배기 포트(11G) 및 홈(15g)을 개재하여 상기 슬롯판(16)과 상기 커버 플레이트(15)의 사이의 간극에 열전도율이 큰 불활성 기체를 충전함으로써, 상기 커버 플레이트(15)로부터 상기 슬롯판(16)에의 열의 수송을 촉진할 수 있다. 이 불활성 기체로서는, 열전도율이 크고 게다가 이온화 에너지가 높은 He를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 간극에 He를 충전하는 경우에는, 0.8 기압 정도의 압력으로 설정하는 것이 바람직하다. 도 3의 구성에서는, 상기홈(15g)의 배기 및 홈(15g)에의 불활성 기체의 충전을 위해, 상기 배기 포트(11G)에 밸브(11V)가 접속되어 있다.
상기 동축 도파관(21A) 중, 외측의 도파관(21A)는 디스크 모양의 금속판(17)(래디얼 선로 이면 금속판)에 접속되고, 중심 도체(21B)는, 상기 지파판(18)에 형성된 개구부를 개재하여 상기 슬롯판(16)에 접속되어 있다. 그래서 상기 동축 도파관(21)에 공급된 마이크로파는, 상기 금속판(17)과 슬롯판(16)의 사이를 지름 방향으로 진행하면서, 상기 슬롯(16a, 16b)에 의해 방사된다.
도 2B는 상기 슬롯판(16) 상에 형성된 슬롯(16a, 16b)을 나타낸다.
도 2B를 참조하면 상기 슬롯(16a)은 동심원 모양으로 배열되어 있고, 각각의 슬롯(16a)에 대응하여, 이에 직행하는 슬롯(16b)이 마찬가지로 동심원 모양으로 형성되어 있다. 상기 슬롯(16a, 16b)은 상기 슬롯판(16)의 반경 방향으로, 상기 지파판(18)에 의해 압축된 마이크로파의 파장에 대응한 간격으로 형성되어 있고, 그 결과 마이크로파는 상기 슬롯판(16)으로부터 대략 평면파로 되어 방사된다. 그 때, 상기 슬롯(16a 및 16b)을 상호 직교하는 관계로 형성하고 있기 때문에, 이와 같이 하여 방사된 마이크로파는, 두개의 직교하는 편파 성분을 포함한 원편파를 형성한다.
또한, 도 2A의 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 상기 금속판(17) 상에, 냉각수 통로(19A)가 형성된 냉각 블록(19)이 형성되어 있고, 상기 냉각 블록(19)을 상기 냉각수 통로(19A) 내의 냉각수에 의해 냉각함으로써, 상기 샤워 플레이트(14)에 축적된 열을, 상기 래디얼 라인 슬롯 안테나(20)를 개재하여 흡수한다. 상기 냉각수 통로(19A)는 상기 냉각 블록(19) 상에 있어 스파이럴(spiral) 모양으로 형성되어 있고, 바람직하게는 H2 가스를 버블링(bubbling) 함으로써 용존 산소를 배제하고 한편 산화 환원 전위를 제어한 냉각수가 통과된다.
또, 도 2A의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 상기 처리 용기(11) 중, 상기 샤워 플레이트(14)와 상기 보유대(13) 상의 피처리 기판(12)의 사이에, 상기 처리 용기(11)의 외벽에 설치된 처리 가스 주입구(11r)로부터 처리 가스가 공급되고 이를 다수의 처리 가스 노즐 개구부(31B)(도 4 참조)로부터 방출하는 격자 모양의 처리 가스 통로(31A)를 가지는 처리 가스 공급 구조(31)가 설치되고, 상기 처리 가스 공급 구조(31)와 상기 피처리 기판(12)의 사이의 공간(11C)에 있어서, 소망한 균일한 기판 처리가 이루어진다. 이 기판 처리에는 플라즈마 산화 처리, 플라즈마 질화 처리, 플라즈마 산질화 처리, 플라즈마 CVD 처리 등이 포함된다. 또, 상기 처리 가스 공급 구조(31)로부터 상기 공간(11C)에 C4F8, C5F8
또는 C4F6 등의 카본(carbon) 리치(rich)인 탄화불소 가스나, F계 혹은 Cl계 등의 에칭 가스를 공급하고, 상기 보유대(13)에 고주파 전원(13A)으로부터 고주파 전압을 인가함으로써, 상기 피처리 기판(12)에 대해서 반응성 이온 에칭을 하는 것이 가능하다.
본 실시예에 의한 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 상기 처리 용기(11)의 외벽은 150℃ 정도의 온도로 가열해 둠으로써, 처리 용기 내벽에의 반응 부생성물 등의 부착이 회피되고, 하루에 1회 정도의 드라이 클리닝을 함으로써, 정상적으로 안정되게 운전하는 것이 가능하다.
도 4는 도 2A의 처리 가스 공급 구조(31)의 구성을 나타내는 저면도이다.
도 4를 참조하면 상기 처리 가스 공급 구조(31)는 예를 들면 Mg를 포함한 Al 합금이나 Al 첨가 스테인레스 스틸(stainless steel) 등의 도전체에 의해 구성되어 있고, 상기 격자 모양 처리 가스 통로(31A)는 상기 처리 가스 주입구(11r)에 처리 가스 공급 포트(31R)에 있어서 접속되고, 하면에 형성된 다수의 처리 가스 노즐 개구부(31B)로부터 처리 가스를 상기 공간(11C)에 균일하게 방출한다. 또, 상기 처리 가스 공급 구조(31)에는 인접하는 처리 가스 통로(31A)의 사이에 플라즈마나 플라즈마 중에 포함되는 처리 가스를 통과시키는 개구부(31C)가 형성되어 있다. 상기 처리 가스 공급 구조(31)를 Mg 함유 Al 합금에 의해 형성하는 경우에는, 표면에 불화물막을 형성해 두는 것이 바람직하다. 또, 상기 처리 가스 공급 구조(31)을 Al 첨가 스테인레스 스틸에 의해 형성하는 경우에는, 표면에 산화 알류미늄의 부동태막(不動態膜)을 형성해 두는 것이 바람직하다. 본 발명에 의한 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 여기되는 플라즈마 중의 전자 온도가 낮기 때문에 플라즈마 중의 이온의 입사 에너지가 작고, 이 처리 가스 공급 구조(31)가 스퍼터링 되어 피처리 기판(12)에 금속 오염이 생기는 문제가 회피된다. 상기 처리 가스 공급 구조(31)는 석영 또는 알루미나 등의 유전체에 의해 형성하는 것도 가능하다.
상기 격자 모양 처리 가스 통로(31A) 및 처리 가스 노즐 개구부(31B)는 도 4에 점선으로 나타낸 피처리 기판(12)보다도 약간 큰 영역을 커버하도록 설치되어 있다. 이 처리 가스 공급 구조(31)를 상기 샤워 플레이트(14)와 피처리 기판(12)의 사이에 설치함으로써, 상기 처리 가스를 플라즈마 여기하고, 이 플라즈마 여기된 처리 가스에 의해 균일하게 처리하는 것이 가능하게 된다.
상기 처리 가스 공급 구조(31)를 금속 등의 도체에 의해 형성하는 경우에는, 상기 격자 모양 처리 가스 통로(31A) 상호의 간격을 상기 마이크로파의 파장에 대응하는 절단 도파관의 크기보다 작게 설정함으로써, 상기 처리 가스 공급 구조(31)는 마이크로파의 단락면을 형성한다. 이 경우에는 플라즈마의 마이크로파 여기는 상기 공간(11B) 내에 있어서만 생기고, 상기 피처리 기판(12)의 표면을 포함한 공간(11C)에 있어서는 상기 여기 공간(11B)으로부터 확산되어 온 플라즈마에 의해 처리 가스가 활성화 된다. 또, 플라즈마 착화시에 상기 피처리 기판(12)이 직접 마이크로파에 노출되는 것을 막을 수 있으므로 마이크로파에 의한 기판의 손상도 막을 수 있다.
본 실시예에 의한 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 처리 가스 공급 구조(31)를 사용함으로써 처리 가스의 공급이 한결같이 제어되기 때문에, 처리 가스의 피처리 기판(12) 표면에 있어서의 과잉 해리의 문제를 해소할 수 있고, 피처리 기판(12)의 표면에 종횡비가 큰 구조가 형성되어 있는 경우이어도, 소망한 기판 처리를, 이 높은 종횡 구조의 구석까지 실시하는 것이 가능하다. 즉, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)는 설계 룰이 다른 다수의 세대의 반도체 장치의 제조에 유효하다.
본 실시예에 의한 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 용도에 따라, 도 5에 나타내는 플라즈마 처리 장치(10A)와 같이 상기 처리 가스 공급부(31)를 철거하는 것도 가능하다. 다만, 도 5중, 먼저 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
도 5의 구성에서는, 상기 샤워 플레이트(14)로부터 Ar 혹은 Kr 등의 불활성 가스와 함께 O2 등의 산화성 가스 혹은 NH3나 N2와 H2의 혼합 가스와 같은 질화성 가스를 도입함으로써, 상기 피처리 기판(12)의 표면에 산화막이나 질화막, 혹은 산질화막을 형성하는 것이 가능하게 된다.
본 실시예에서는, 상기 슬롯판(16)과 지파판(18)의 사이의 열팽창 차가 10% 이하로 억제되어 있기 때문에, 처리 용기(11)로부터 고밀도 플라즈마에 기인하는 대량의 열 플럭스가 안테나(20)에 공급되어 상기 슬롯판(16) 및 지파판(18)의 온도가 상승해도, 상기 슬롯판(16)과 지파판(18)의 사이에 간극이 생기는 일이 없고, 이상 방전이나 반사파의 형성, 혹은 정재파의 형성 등의 문제를 효과적으로 회피할 수 있다.
［제 2 실시예］
도 6은, 본 발명의 제 2 실시예에 의한 플라즈마 처리 장치(10B)의 구성을 나타낸다. 다만, 도 6 중 먼저 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 있어서 도 2A의 마이크로파 안테나(20)대신에 마이크로파 안테나(20A)가 사용된다. 마이크로파 안테나(20A)에서는 동축 도파관(21)의 중심 도체(21B)의 선단부(21b)가 슬롯판(16)으로부터 이간되어 있고, 상기 슬롯판(16) 상에 형성된 지파판(18)의 배후에 결합된다. 이 구성에서는, 상기 중심 도체(21B)를 상기 슬롯판(16)에 접촉시키지 않고 효율적으로 마이크로파를 급전한다. 상기 마이크로파 안테나(20A)에서는, 상기 지파판(18)은 상기 슬롯판(16)의 배후로 연속적으로 뻗어있고, 상기 중심 도체를 위한 컨택트 홀(contact hole)은 형성되어 있지 않다.
도 7A∼7D는 상기 플라즈마 처리 장치(10B)에서 사용되는 래디얼 라인 슬롯 안테나(20A)에 있어서의 지파판(18)과 슬롯판(16)의 형성 공정을 나타내는 도이다.
도 7A를 참조하면 최초로 Al2O3나 SiO2 혹은 Si3N4로 이루어지는 지파판(18)이 무전해 도금조(Bath1) 내에 있어서 Cu의 무전해 도금액 내에 침지되고, 표면에 적어도 일원자층의 무전해 Cu 도금층(161)이 형성된다.
도 7A의 무전해 도금을 더 계속하고, 상기 지파판(18) 상에 무전해 도금 Cu층을 소망한 두께로 퇴적해도 좋지만, 밀착성을 향상시키는 관점으로부터는, 도 7B에 나타내듯이 앞의 도 7A의 공정에서 상기 무전해 Cu 도금층(161)이 형성된 지파판(18)을 전해 도금조(Bath2)에 있어서 전계 도금액 내에 침지하고, 상기 무전해 Cu 도금층(161)을 전극으로 사용하고, 전해 Cu 도금층(162)을 상기 무전해 Cu 도금층(16) 상에 소망한 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 Cu층(162)의 소망한 두께는 마이크로파의 표면 효과를 감안하여 6㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 하여 형성된 Cu층(161 및 162)은 도 7C의 공정에 있어서 레지스트막 R에 의해 덮혀지고, 도 7 D의 공정에서 이를 노광·현상 하고, 형성된 레지스트(resist) 패턴 R＇를 마스크로 상기 Cu층(161 및 162)을 패터닝 함으로써, 상기 슬롯(16a, 16b)이 형성된 슬롯판(16)이 얻어진다. 또, 소망한 패턴을 가지는 막을 부착하고, 이 막을 마스크에 웨트(wet) 에칭에 의해 상기 Cu층(16)을 패터닝 하는 것도 가능하다.
이 공정에 의해 형성된 슬롯판(16)은 Cu에 의해 형성되어 있어도 지파판(18) 표면의 미세한 요철을 충전하여 형성되어 있기 때문에 밀착력이 뛰어나고, 슬롯판(16)과 지파판(18)의 사이에 있어서의 간극의 형성을 억제하는데 효과적이다.
또, 먼저도 설명했지만, 상기 슬롯판(16)은 무전해 도금에 의해 형성해도 좋다. 또한, 도 7A∼7D의 예에 있어서, 상기 무전해 Cu 도금층(161) 대신에 Ni 도금층을 사용하는 것도 가능하다.
도 6의 실시예에 있어서도, 플라즈마 처리 장치의 용도 여하에 따라, 상기 처리 가스 공급 구조를 철거하는 것이 가능하다.
또, 도 7A∼7D의 공정에 의한 슬롯판(16)의 형성 방법은, 도 2A, 2B의 플라즈마 처리 장치(10) 혹은 도 5의 플라즈마 처리 장치(10A)에 대해서도, 또한 도 1A, 1B에 나타내는 종래의 플라즈마 처리 장치(100)에 대해서도 적용 가능하다.
［제 3 실시예］
도 8은 본 발명의 한 실시의 형태에 의한 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 개략 구성도이다.
도 8에 나타내는 마이크로파 플라즈마 처리 장치(40)는, 예를 들면 플라즈마 CVD 장치이고, 처리 용기(42) 내에 있어 피처리 기체로서의 반도체 웨이퍼(W)에 플라즈마 CVD 처리를 실시하는 것이다. 처리 용기(42)는 예를 들면 알루미늄에 의해 형성되고 진공 가능한 밀폐 구조를 가진다. 처리 용기(42) 내에는 반도체 웨이퍼(W)를 재치하기 위한 재치대(44)가 설치된다.
처리 용기(42)의 저부에는 배기구(42a)가 설치되고, 진공 펌프(도시하지 않음)가 접속되어 처리 용기(42) 내를 소정의 저압 상태로 유지할 수 있다.
처리 용기(42)의 천정부에는 유전체판(46)이 기밀하게 부착된다. 본 실시예에서는, 적어도 상면 및 하면에 도금이 실시된 지파판(48)이 유전체판(46) 상에 부착된다. 본 실시예에서는, 지파판(48)의 도금층에 의해 마이크로파 방사 부재를 형성하고 있으므로, 마이크로파 방사 부재로서의 안테나 부재를 지파판(48)과는 개별적으로 설치할 필요는 없다. 도금이 실시된 지파판(48)에 대해서는 후술한다.
지파판(48)은 지지 부재(50)에 부착된다. 지지 부재(50)는 지파판(48)을 지지함과 함께, 지파판(48)을 냉각하는 기능을 가지고 있다. 즉, 지지 부재(50)의 내부에는 냉각수가 흐르는 통로(50a)가 형성되고, 플라즈마 처리시에 지파판(48)을 냉각한다.
지파판(48)의 중앙 부분에는, 마이크로파를 공급하기 위한 동축 도파관(52)이 접속된다. 동축 도파관(52)은 동축 도파관 변환기(54)를 개재하여 도파관(56)에 접속되고, 도파관(56)은 마그네트론 등에 의해 이루어지는 마이크로파 발생기(58)에 접속된다.
상술의 구성에 있어서, 마이크로파 발생기(28)에 의해 발생한 예를 들면 2.45㎓의 마이크로파는, 도파관(56)을 전파하여 동축 도파관 변환기(54)를 개재하여 동축 도파관(52)에 공급된다. 동축 도파관(52)을 전파한 마이크로파는, 지파판(48)에 의해 파장이 단축된 후, 지파판(48)의 표면에 형성된 도금층으로부터 이루어지는 마이크로파 방사 부재에 의해 유전체판(46)을 투과하여 처리 용기(52)의 처리 공간을 향해 방사된다.
처리 용기(42) 내의 처리 공간에는, 플라즈마용 가스가 공급되고, 플라즈마용 가스가 마이크로파에 의해 플라즈마화 된다. 이 플라즈마에 의해, 재치대(44) 상에 재치된 반도체 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리가 실시된다.
다음에, 본 실시의 형태에 있어서의 지파판(48)에 대해서, 도 9를 참조하면서 설명한다. 도 9는 지파판(48)의 단면도이다.
지파판(48)은 알루미나(Al2O3), 질화 규소(Si3N4), 질화 알루미늄(AlN), 석영 등의 유전체에 의해 형성되고, 평탄한 원판 형상을 가지고 있다. 지파판(48)의 중앙 부분에는 동축 도파관(22)이 접속되는 돌기부(48a)가 형성된다. 돌기부(48a)는 원추형의 일부를 형성하는 경사면(48b)을 가지고 있고, 마이크로파에 의한 전계의 집중을 방지하고 있다. 돌기부(48a)에는 동축 도파관(52)의 외관(52a)이 접속된다. 외관(52a)은 돌기부(48a)의 평탄한 정면(48c)에 접속되어도 좋고, 또 경사면(48b)에 접속되어도 좋다.
돌기부(48a)의 중앙에는 동축 도파관(52)의 내측 케이블(52b)이 삽입되는 관통공(48d)이 형성된다. 관통공(48d)의 처리 용기측의 단부에는 테이퍼부(48e)가 형성되고, 이 테이퍼부의 형상에 대응한 형상으로 형성된 내측 케이블(52b)의 단부가 맞물린다.
여기서, 지파판(48)의 표면에는, Cu, Au, Ag, Ni 등의 금속 도금층(60)이 형성된다. 금속 도금층(60)은 지파판(48)의 돌기부(48a)의 정면(48c)을 제외한 전면에 형성된다. 특히, 지파판(48)의 처리 용기(42)의 내부에 접하는 표면에 형성된 도금층(60)은 소정의 패턴으로 에칭 되고, 도금층이 제거된 부분이 슬롯으로서 기능한다.
도 3은 지파판(48)의 금속 도금층(60)에 슬롯(32)이 형성된 면을 나타내는 평면도이다. 도 3에 나타내듯이, 슬롯(32)의 각각은 좁고 긴 타원형이고, 3개가 다른 원주 P1, P2, P3을 따라 배치되어 있다. 또, 슬롯(32)은 원주 P1, P2, P3의 각각의 주위 전체에 걸쳐서 설치되어 있지만, 도 3에서는 간략화를 위해 그 일부만을 나타내고 있다. 여기서, 원주 P1, P2, P3의 중심은 지파판(48)의 외형의 중심으로부터 어긋나 있고(편심하고 있고), 그 각각의 어긋난 방향(편심 방향)은 차이가 난다.
즉, 내측의 원주 P1의 중심이 지파판(48)의 외형의 중심으로부터 어긋난는 방향에 대해서, 중앙의 원주 P2의 중심이 지파판(48)의 외형의 중심으로부터 어긋난 방향은 120° 차이가 난다. 또, 중앙의 원주 P2의 중심이 지파판(48)의 외형의 중심으로부터 어긋난 방향에 대해서, 외측의 원주 P3의 중심이 지파판(48)의 외형의 중심으로부터 어긋난 방향은 120° 차이가 난다. 이와 같이, 원주 P1, P2, P3의 중심은 서로 다른 방향으로 어긋나 있다.
이와 같이, 복수의 비동심원을 따라 슬롯(32)을 배열하면, 금속 도금층(30)을 방사 방향으로 전파하여 외주면에 의해 반사된 표면파는, 지파판(48)의 중심부를 향해 돌아오지만, 지파판(48)의 중심 일점에 집중하는 것은 아니다. 즉, 원주 P1, P2, P3의 어긋난 양에 따라 어느 정도의 크기의 범위로 돌아오는 것으로 된다. 따라서, 본 실시의 형태에 의한 슬롯(62)의 배치에 의하면, 원주 P1, P2, P3이 동심원인 경우에 표면파가 일점에 집중함으로써 플라즈마 공간의 전자 밀도에 불균일성이 발생하고 있던 종래의 평면 안테나 부재에 비해, 불균일성이 개선되어 플라즈마 밀도의 분포를 어느 정도 균일하게 할 수 있다.
또, 도 3에 나타내는 슬롯(62)은, 복수의 비동심원 모양으로 배열되어 있지만, 나선 모양으로 배열해도 좋고, 또, 복수의 동심원 모양으로 배열하는 것으로 해도 좋다. 또, 슬롯(62)의 형상은 도 3에 나타내는 것 같은 좁고 긴 타원에 한정되는 것은 아니고, 원형, 삼각형, 정방형, 직사각형 등의 형상을 채용할 수 있지만, 다각형의 경우, 각부를 둥그스름하게 하여 전계의 집중을 방지하는 것이 바람직하다. 또, 2개의 슬롯을 근접하여 T자 모양으로 배열하여 슬롯 쌍으로 하고, 다수의 슬롯대를 복수의 동심원 모양, 나선 모양 혹은, 복수의 비동심원 모양으로 배열해도 좋다.
도금층(60)의 두께는 마이크로파의 표피 깊이 δ보다 두껍게 하는 것이 바람직하고, 이하의 식에 근거하여 결정하는 것이 바람직하다.
δ=(2/ωσμ0) 1/2
여기서, ω는 각 주파수이고, σ는 도전율이고, μ0은 진공중의 투자율이다.
2.45㎓의 마이크로파를 이용하여, 도금층(60)을 Cu 도금에 의해 형성한 경우, Cu의 도전율 σ=6.45×107(Ωm)-1이고, 진공 투자율μ0=1.257×10-6Hm-1이고, 각 주파수는 2π×2.45×109Hz이므로, 표피 깊이 δ=1.98×10-6m=1.98㎛(약 2㎛)로 된다. 여기서, 도금층의 표피 깊이에서는 전계의 감소는 약 30%이므로, 여유율을 보아서 3배로 하여 도금층(60)을 Cu에 의해 형성한 경우의 두께는 약 6㎛로 하는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 본 실시의 형태에 의한 지파판(48)에는, 금속 도금층(60)이 형성되고, 금속 도금층(60)이 안테나 부재(마이크로파 방사 부재)의 기능을 하므로, 안테나 부재를 별개로 설치할 필요는 없고, 부품 점수를 감소할 수 있다. 또, 지파판(48)의 표면은 마이크로파를 공급하는 부분 및 방사하는 부분(슬롯)을 제외하고 모두 금속 도금층(60)에 의해 덮여 있으므로, 마이크로파가 지파판(48)의 밖으로 새는 것이 방지되고, 공급된 마이크로파를 손실 없이 처리 용기의 처리 공간으로 도입할 수 있다.
또, 슬롯이 형성되는 금속 부재는, 두께가 수 ㎛ 정도의 금속 도금층(30)이므로, 슬롯에서의 이상 방전이 감소하고, 종래보다도 대전력을 투입할 수 있기 때문에, 플라즈마 처리의 스루풋이 향상한다. 또, 슬롯 부분의 두께가 얇기 때문에, 슬롯에 의한 마이크로파의 반사가 감소하고, 방사 효율이 개선된다.
도 11은 동축 도파관(52)와 지파판(48)의 접속의 일례를 나타내는 단면도이다. 도 11에 나타내는 구성에서는, 동축 도파관(52)의 외관(52a)의 선단을, 지파판(48)의 돌기부(48a)의 경사면(48b)에 대응한 형상으로 하고, 납땜으로 접합한다. 또, 내측 케이블(52b)의 선단부도 관통 구멍(48d)의 내면 및 테이퍼부(48e)에 납땜으로 접합한다.
지파판(48)(실제로는 지파판(48)의 표면에 형성된 도금층(60))과 지지 부재(50)의 사이에는, 전열 특성의 양호한 접착재(68)를 설치하고, 지파판(48)을 지지 부재(50)에 강고하게 고정함과 동시에, 지파판(48)의 열을 지지 부재(50)에 전달한다. 또, 도 11에 나타내는 지지 부재(50)는 냉각수의 통로가 생략되어 있다. 또, 지파판(48)의 외주 측면은 금속판(64)을 개재하여 지지 부재(50)를 관통한 다수의 나사(66)에 의해 눌려서 고정된다. 이에 의해, 지파판(48)과 지지 부재의 사이의 확실한 전기적 접촉이 유지된다.
도 12는 동축 도파관(52)과 지파판(48)의 접속의 일례를 나타내는 단면도이다. 도 12에 있어서, 도 11에 나타내는 구성 부품과 동등한 구성 부품에는 같은 부호를 붙이고 그 설명은 생략한다. 도 12에 나타내는 구성에서는, 동축 도파관(52)의 외관(52a)의 선단을, 지파판(48)의 돌기부(48a)의 정면(48c)에 대향시켜 접촉하도록 구성하고 있다. 또, 내측 케이블(52b)의 선단부는, 관통 구멍(48d)의 내면 및 테이퍼부(48e)에 납땜으로 접합한다. 또, 돌기부(48a)의 경사면(48b)의 선단부에 있어서, 실드 스파이럴(shield spiral)(70)을 설치하여, 지지 부재(50)와 지파판(48)의 금속 도금층(60)의 전기적 접촉을 보다 확실히 하고 있다.
또, 본 실시예에 의한 도금층(60)은 상술의 제 2 실시예에 의한 도금층과 같은 방법으로 형성할 수 있다. 또, 도금층을 지파판의 상면 및 하면에 형성하는 것으로 했지만, 지파판의 외주 측면에도 도금층을 실시하는 것으로 해도 좋다. 이와 같이 하면, 지파판의 거의 전체가 도금층에 의해 덮혀지는 것으로 되어, 마이크로파의 누설이 방지되어 지파판의 거의 전체에 있어서 이상 방전을 방지할 수 있다.
또, 상술의 제 2 및 제 3의 실시의 형태에서는, 지파판의 표면에 도금에 의해 금속층을 형성하고 있지만, 도금층에 한정할 것은 아니다. 예를 들면, 화학적 기상 합성법(PVD)이나 물리적 기상 합성법(PVD)에 의해 지파판의 표면에 금속을 퇴적시켜 금속층을 형성하는 것으로 해도 좋다.
본 발명에 의하면, 래디얼 라인 슬롯 안테나를 사용한 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서, 슬롯판을 Cu-W 합금으로 함으로써, 지파판을 구성하는 유전체판과의 사이의 열팽창율 차이를 최소화 할 수 있고, 가열되어도 마이크로파 방사 특성이 변화하지 않는 안테나를 실현할 수 있다.
또, 슬롯판을 도금층에 의해 형성함으로써, 지파판과 슬롯판의 사이에 이상적인 밀착을 실현할 수 있고, 과열되어도 마이크로파 방사 특성이 변화하지 않고, 이상 방전을 방지할 수 있는 안테나를 실현할 수 있다. 또한, 지파판의 상면과 하면에 도금층 등의 금속층을 형성함으로써 지파판의 상면과 하면에 있어서의 이상 방전을 방지할 수 있다.
Claims (29)
- 외벽에 의해 구획 형성되고 피처리 기판을 보유하는 보유대를 갖춘 처리 용기와,상기 처리 용기에 결합된 배기계와,상기 처리 용기 내에 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부와,상기 처리 용기 상에 상기 플라즈마 가스 공급부에 대응하여 설치되고 동축 도파관에 의해 급전되는 마이크로파 안테나로 이루어지고,상기 마이크로파 안테나는 개구부를 가지는 래디얼 선로 이면 금속판과, 상기 래디얼 선로 이면 금속판 상에 상기 개구부를 덮도록 설치되고 복수의 슬롯을 가지는 마이크로파 방사면과, 상기 래디얼 선로 이면 금속판과 마이크로파 방사면의 사이에 설치된 유전체판으로 이루어지고,상기 마이크로파 방사면을 상기 유전체판과의 열팽창율의 차이가 상기 유전체판의 열팽창율에 대해서 10% 이내로 되는 도전성 재료로 구성한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 유전체판은 Al2O3, SiO2 및 Si3N4의 어느 하나로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 유전체판은 알루미나 세라믹으로 이루어지고, 상기 마이크로파 방사면은 Cu와 W의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 마이크로파 방사면은 도전성 재료로 이루어지는 바탕재와, 상기 바탕재의 표면을 피복하는 Ni, Au, Ag 혹은 Cu로 이루어지는 도금층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제 4항에 있어서,상기 도금층은 6㎛ 이상의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 마이크로파 방사면과 상기 유전체판은 세라믹계 접착제층에 의해 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 마이크로파 방사면과 상기 유전체판은 도전성 접착제층에 의해 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 삭제
- 삭제
- 외벽에 의해 구획 형성되고 피처리 기판을 보유하는 보유대를 갖춘 처리 용기와,상기 처리 용기에 결합된 배기계와,상기 처리 용기 내에 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부와,상기 처리 용기 상에 상기 플라즈마 가스 공급부에 대응하여 설치되고 동축 도파관에 의해 급전되는 마이크로파 안테나로 이루어지고,상기 마이크로파 안테나는 개구부를 가지는 래디얼 선로 이면 금속판과, 상기 래디얼 선로 이면 금속판 상에 상기 개구부를 덮도록 설치되고 복수의 슬롯을 가지는 마이크로파 방사면과, 상기 래디얼 선로 이면 금속판과 마이크로파 방사면의 사이에 설치된 유전체판으로 이루어지고,상기 마이크로파 방사면은 상기 유전체판 상에 형성된 도전체 재료의 도금층으로 이루어지며,상기 도금층은 적어도 일원자층의 무전해 도금층과, 상기 무전해 도금층 상에 형성된 전해 도금층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 외벽에 의해 구획 형성되고 피처리 기판을 보유하는 보유대를 갖춘 처리 용기와,상기 처리 용기에 결합된 배기계와,상기 처리 용기 내에 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부와,상기 처리 용기 상에 상기 플라즈마 가스 공급부에 대응하여 설치되고 동축 도파관에 의해 급전되는 마이크로파 안테나로 이루어지고,상기 마이크로파 안테나는 개구부를 가지는 래디얼 선로 이면 금속판과, 상기 래디얼 선로 이면 금속판 상에 상기 개구부를 덮도록 설치되고 복수의 슬롯을 가지는 마이크로파 방사면과, 상기 래디얼 선로 이면 금속판과 마이크로파 방사면의 사이에 설치된 유전체판으로 이루어지고,상기 마이크로파 방사면은 상기 유전체판 상에 형성된 도전체 재료의 도금층으로 이루어지며,상기 도전성 재료는 Cu로 이루어지는 것을 특징으로 하는 청구항 8 기재의 플라즈마 처리 장치.
- 외벽에 의해 구획 형성되고 피처리 기판을 보유하는 보유대를 갖춘 처리 용기와,상기 처리 용기에 결합된 배기계와,상기 처리 용기 내에 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부와,상기 처리 용기 상에 상기 플라즈마 가스 공급부에 대응하여 설치되고 동축 도파관에 의해 급전되는 마이크로파 안테나로 이루어지고,상기 마이크로파 안테나는 개구부를 가지는 래디얼 선로 이면 금속판과, 상기 래디얼 선로 이면 금속판 상에 상기 개구부를 덮도록 설치되고 복수의 슬롯을 가지는 마이크로파 방사면과, 상기 래디얼 선로 이면 금속판과 마이크로파 방사면의 사이에 설치된 유전체판으로 이루어지고,상기 마이크로파 방사면은 상기 유전체판 상에 형성된 도전체 재료의 도금층으로 이루어지며,상기 도금층은 상기 유전체판에 접하는 Ni층과, 상기 Ni층 상에 형성된 Cu층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제 12항에 있어서,적어도 상기 Cu층은 6㎛ 이상의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,상기 슬롯은 에칭에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 피처리 기체(基體)가 재치(載置)되는 재치대가 내부에 설치된 처리 용기와,마이크로파를 발생하여 상기 처리 용기에 공급하는 마이크로파 발생기와,이 마이크로파 발생기와 상기 처리 용기의 사이에 설치되고, 상기 마이크로파 발생기로부터 공급되는 마이크로파의 파장을 단축하는 지파판(遲波板)과,이 지파판에 의해 파장 단축된 마이크로파를 상기 처리 용기 내의 공간에 방사하는 마이크로파 방사 부재를 가지고,상기 지파판의 적어도 상면과 하면에 금속층이 형성되어 있고,상기 마이크로파 방사 부재는 상기 지파판의 표면에 형성된 상기 금속층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제 15항에 있어서,상기 마이크로파 방사 부재는 다수의 슬롯을 가지고, 이 슬롯은 상기 금속층을 에칭에 의해 제거함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
- 제 15항에 있어서,상기 금속층의 두께는 상기 마이크로파 발생기가 발생하는 마이크로파의 표피 깊이 보다 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제 15항에 있어서,상기 금속층은 Cu, Au, Ag, Ni로 이루어지는 군으로부터 선정된 재료에 의한 도금층인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제 18항에 있어서,마이크로파의 파장은 2.45㎓이고, 상기 금속층은 Cu 도금층으로 이루어지고, 이 Cu 도금층의 두께는 6㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제 15항에 있어서,상기 금속층은 화학적 기상 합성법(CVD)에 의해 퇴적된 금속막인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제 15항에 있어서,상기 금속층은 물리적 기상 합성법(PVD)에 의해 퇴적된 금속막인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제 15항에 있어서,상기 마이크로파 발생기로부터의 마이크로파를 상기 지파판에 공급하는 동축 도파관을 더 가지고,이 동축 도파관의 외관 및 내측 케이블은, 상기 지파판의 중앙 부분에 납땜에 의해 접속되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 피처리 기체가 재치되는 재치대가 내부에 설치된 처리 용기와, 마이크로파를 발생하여 상기 처리 용기에 공급하는 마이크로파 발생기와, 이 마이크로파 발생기와 상기 처리 용기의 사이에 설치되고, 적어도 상면 및 하면이 금속층에 의해 덮여 있고, 상기 마이크로파 발생기로부터의 마이크로파의 파장을 단축하는 지파판과, 상기 지파판의 표면에 형성된 상기 금속층의 일부에 의해 구성된 마이크로파 방사 부재를 가지는 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 이용하는 플라즈마 처리 방법으로서,상기 피처리 기체의 처리면을 상기 마이크로파 방사 부재에 대향하도록 상기 재치대에 재치하고,상기 지파판에 마이크로파를 공급하여 금속층의 일부에 형성된 다수의 슬롯으로부터 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 도입하고,도입한 마이크로파에 의해 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시키고, 발생한 플라즈마에 의해 상기 피처리 기체에 플라즈마 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
- 플라즈마 처리를 실시하는 처리 용기와, 마이크로파를 발생하여 상기 처리 용기에 공급하는 마이크로파 발생기를 가지는 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 이용되고, 상기 마이크로파 발생기로부터 공급되는 마이크로파의 파장을 단축하는 지파판으로서,적어도 상면 및 하면이 금속층에 의해 덮여 있고, 이 금속층의 일부에 의해 마이크로파 방사 부재가 구성된 것을 특징으로 하는 지파판.
- 제 24항에 있어서,상기 마이크로파 방사 부재는 다수의 슬롯을 가지고, 이 슬롯은 상기 금속층을 에칭에 의해 제거함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 지파판.
- 제 24항에 있어서,상기 금속층의 두께는 상기 마이크로파 발생기가 발생하는 마이크로파의 표피 깊이 보다 큰 것을 특징으로 하는 지파판.
- 제 24항에 있어서,상기 금속층은 Cu, Au, Ag, Ni로 이루어지는 군으로부터 선정된 재료에 의한 도금층인 것을 특징으로 하는 지파판.
- 제 27항에 있어서,공급되는 마이크로파의 파장은 2.45㎓이고, 상기 금속 도금층은 Cu 도금층으로 이루어지고, 이 Cu 도금층의 두께는 6㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 지파판.
- 제 24항에 있어서,상기 마이크로파 발생기로부터의 마이크로파를 상기 지파판에 공급하는 동축 도파관에 납땜에 의해 접합되는 돌기부를 중앙 부분에 가지는 것을 특징으로 하는 지파판.
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