KR100649153B1 - 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치는, 내부의 압력을 제어할 수 있는 진공용기(1)와, 진공용기(1) 내에 가스를 공급하는 가스공급수단(2)과, 가스가 도입된 진공용기(1) 내에 전자파를 방사함으로써 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생수단을 갖는 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 플라즈마 발생수단이 전자파를 방사하는 슬롯(41)을 도체에 형성한 슬롯 안테나(4)와, 슬롯 안테나(4)에 급전을 행하는 교류전원(5)을 가지며, 슬롯 안테나(4)가, 급전 주파수가 낮은 경우에도 플라즈마 발생가능한 임피던스를 갖는 형상으로 이루어진다. 이에 따르면, 플라즈마 상태의 향상을 꾀하고, 슬롯 안테나의 크기를 크게하지 않고도 임피던스의 저하를 방지하며, 비교적 낮은 주파수로 플라즈마를 발생가능하게 하고, 제조 원가, 운전비용의 저감을 꾀할 수 있다.

Description

플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치{Plasma generating apparatus and plasma treatment apparatus}
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 일실시형태를 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1의 슬롯 부근을 도시한 정면도이다.
도 3은 슬롯 안테나를 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 평면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안 테나의 구조예를 도시한 평면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 평면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 평면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 평면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 평면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 평면도이다.
도 15는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 평면도이다.
도 16은 접힌 슬롯 안테나의 예를 도시한 평면도이다.
도 17은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 평면도이다.
도 18은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 평면도이다.
도 19는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 평면도이다.
도 20은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 사시도이다.
도 21은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 사시도이다.
도 22는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 사시도이다.
도 23은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 사시도이다.
도 24는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 사시도이다.
도 25는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 사시도이다.
도 26은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 사시도이다.
도 27은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 사시도이다.
도 28은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 사시도이다.
도 29는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 사시도이다.
도 30은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 사시도이다.
도 31은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 사시도이다.
도 32는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 사시도이다.
도 33은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 슬롯 안테나의 구조예를 도시한 사시도이다.
도 34는 종래의 플라즈마 발생 장치를 도시한 정면도이다.
본 발명은, 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 특히 고밀도 플라즈마를 얻을 수 있는 유도결합형 플라즈마 발생 장치를 구비하고, 반도체 소자나 액정 디스플레이 등의 제조공정에서 사용되는 건식 식각 장치, 애싱 장치 등, 또는 다른 미세가공의 식각 및 애싱, 클리닝, 표면개질 등, 고밀도 플라즈마를 이용할 수 있는 분야에 이용하기에 적합한 기술에 관한 것이다.
반도체 소자나 액정 디스플레이의 제조공정에서 사용되는 건식 식각 장치, 애싱 장치 등의 플라즈마 처리 장치의 분야에 있어서, 최근, 처리 기판의 대형화에 따라, 처리실 내에서 발생시키는 플라즈마의 대구경화가 요구되고 있다. 또한 한편에 서는, 식각율, 애싱율 등의 소정의 처리 속도나 장치의 처리량을 확보할 목적으로 플라즈마의 고밀도화도 요구되고 있다. 이 중, 플라즈마의 고밀도화에 관해서는, 플라즈마의 여기 효율을 촉진하기 위하여, 고주파를 이용하여 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, 이하 ICP라 함)를 발생시키는 방법이 채용되고 있다.
ICP란, 주로 안테나 여기용 코일에 고주파 전류를 흘리고, 이에 따라 진공 중에 유도 전자계를 발생시켜 플라즈마를 생성하는 것이다. 그리고, 그 특징은, ECR(E1ectron Cyclotron Resonance)장치, 마이크로파 플라즈마 발생 장치, 마크네트론 RIE 장치 등과 비교하여 장치 구조는 비교적 간단하지만, 고진공하에서 고밀도인 플라즈마를 균일하게 진공 용기 내에 생성하는 것이다.
이 ICP의 고압력 사용하에서, 플라즈마 밀도의 분포는, 외부로부터 가해지는 전자계, 즉 안테나에 의해 만들어지는 전자계의 분포에 강하게 의존하는 형태가 된다. 여기서, 단일(Slngle Design)구조의 안테나에서는 안테나 근방의 전자계만이 강해지므로, 안테나의 형상에 강하게 의존한 플라즈마 밀도 분포의 국부화가 발생한다. 플라즈마의 여기 효율을 향상시키기 위하여 고주파 발진기의 주파수를 높이면, 단일 구조의 안테나에서는 안테나 임피던스의 상승, 또는 안테나에서 만들어지는 전자계의 공간 분포의 국부화가 발생한다. 이에 대하여, 안테나 임피던스의 상승을 억제하기 위하여 안테나 길이를 단축하는 것은, 플라즈마의 대구경화와 모순되는 생각이다. 그리고, 예컨데 대구경화가 가능하다고 하여도, 전자계의 공간적인 불균일성은 플라즈마 밀도의 불균일성을 불러 일으킨다
또한, 단일 구조의 안테나에서는 고주파 발진기에 의해 안테나에 진동을 주면 안테나를 구성하는 금속 도체의 표면에 대하여 수직 방향으로 강한 진동 전계가 발생한다. 한편, 안테나가 만드는 전계에 의해 하전 입자인 플라즈마에 힘의 작용이 미친다. 통상, 플라즈마는 그 질량비가 1000배 정도 다른 무거운 양이온과 전자로 구성되어 있으므로, 전계에 대한 감도가 다르고, 예컨대 공업주파수 13.56MHz 정도의 주파수대인 경우, 무거운 이온은 고주파에서 진동하는 전계를 따라갈 수 없고, 위치의 변화가 나타나지 않는 반면, 가벼운 전자는 이 정도의 주파수에도 충분히 따라갈 수 있으므로, 전자만이 전계에 바로 반응하여 위치를 변화하는 것과 같은 플라즈마의 시스템을 구성한다.
이러한 경우, 안테나가 만드는 전계가 안테나 코일면에 대하여 평행한 경우는 문제없지만, 안테나 코일면에 대하여 수직하게 진동하는 경우, 전자만이 안테나쪽으로 붙거나 멀어지고, 전계의 진동에 동기하여 안테나와 플라즈마 사이에서 전하량이 변화하는 상태가 된다. 이 상태를 긴 시간에서 보면, 전자가 평균적으로 안테나 근방에 과잉 존재하는 결과를 발생시키고, 이 과잉 전자가 안테나와 플라즈마를 격리시키고 있는 유전체(진공 용기)표면의 전위를 플라즈마 및 접지 전위에 대하여 상대적으로 낮추는 효과를 유발한다. 구체적으로는, 예컨대 선형 안테나의 경우, 안테나로부터의 거리 r의 3승에 반비례한 강한 정전계가 가능하므로, 강한 Vdc를 유발한다. 또한, 여기서 Vdc란, 「안테나와 플라즈마를 격리시키고 있는 유전체의 진공 용기측 표면의 시간 평균의 전위」로 정의한다.
또한, 상기 Vdc의 발생에 의해 양이온의 진공 용기 표면으로의 스퍼터링이 생 기기 때문에, 진공 용기 표면에 부딪혀 불순물이 발생한다는 기판처리상의 중대한 문제가 발생하게 된다. 또한, Vdc를 억제하는 방법 중 하나로, 안테나와 플라즈마 사이에 패러데이 실드로 이루어진 차폐판을 삽입하는 방법이 있다. 그러나, 패러데이 실드의 사용은 방사되는 전자계의 감쇠를 야기하고, 플라즈마에 대하여 효율적으로 에너지를 공급할 수 없기 때문에, 에너지 효율이 나쁜 플라즈마 처리 장치가 되어 버린다.
또한, 일본국 특개평 3-79025호 공보에는, 전자계를 만들어 내기 위한 평면형 코일을 구비한 플라즈마 처리 장치가 개시되어 있다. 이 플라즈마 처리 장치는, 평면형 코일이 만드는 전자계에 의해 유도 결합된 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마의 균일화, 고밀도화를 실현하고자 하는 것이다. 그러나, 이 플라즈마 처리 장치에 있어서도, 상술한 Vdc발생 매카니즘이 존재하고, 이 문제를 회피하기 위해서는 유전체 렌즈를 병용하는 등 여러 난점을 수반한다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 슬롯 안테나를 적용하는 기술이 제안되고 있다.
슬롯 안테나는, 금속 도체면상에 형성한 가늘고 긴 홈, 즉 슬롯으로 이루어진 방사 소자로 정의되어 있다. 이 슬롯 안테나는, 선형 안테나가 갖는 근접장에서 중요한 거리의 3승에 반비례하는 정전계 효과를 갖지 않는다고 하는 특징을 갖는다. 따라서, 상술한 Vdc 발생 매카니즘의 문제를 용이하게 회피할 수 있게 된다. 이러한 슬롯 안테나를 이용하여 플라즈마를 발생시킬 때는, 발진기에 의해 급전 가능한 마이크로파 도파관에 슬롯 개구부를 설치하고, 이 슬롯 개구부를 슬롯 안테나로 하여 전자 파동을 방사하며, 이 전자파동에 의해 플라즈마를 발생시키는 수법이 알려져 있다.
그러나, 도파관을 이용한 경우에는, 급전하는 전자파의 파장에 의해 도파관의 크기 형상이 제한을 받는다. 예컨대, 300 MHz 주파수의 전자파를 사용한 경우에는, 그 파장이 1m이지만, 3MHz 주파수의 전자파를 사용한 경우에는 그 파장이 1OOm가 되어, 그에 따라 필요한 도파관의 크기 형상이 거대해지기 때문에, 마이크로파보다 파장이 긴 영역에서, 도파관을 이용하여 슬롯 안테나로 급전하는 것은 사실상곤란하다.
또한, 도파관을 이용하는 수법으로는, 발생한 플라즈마 의 상태가, 슬롯 안테나의 개구형상, 배치 등, 마이크로파 도파관 중의 전자파동의 형태에 따라 강하게 영향을 받기 때문에, 슬롯 안테나의 개구형상, 배치 등에 제한이 많아지고, 이들을 플라즈마 처리에 필요한 플라즈마 발생 면적 및 플라즈마 발생 밀도를 얻기 위하여 필요한 형상으로 할 수 없는 경우가 있다고 하는 문제가 있었다.
또한, 플라즈마 처리 장치에 있어서의 진공 용기보다 짧은 파장의 전자파를 이용하기 때문에, 진공 용기 중에서의 파동의 간섭 현상을 야기하고, 플라즈마의 발생이 불균해질 가능성이 있다.
이 때문에, 대구경 균일 플라즈마의 발생을 목적으로 하였을 때, 도파관을 이용하는 슬롯 안테나의 이용 방법은 상기의 제한을 받게 된다.
상기 문제를 해결하기 위하여 본원 발명자들은, 일본국 특개평 10-074597호 공보에 기재된 바와 같이, 슬롯 안테나와, 상기 슬롯 안테나에 급전을 행하는 고주 파 전원을 갖는 「플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치」를 제안하고 있다. 이 특개평 10-074597호 공보에 기재되는 「플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치」는, 내부에 기판을 수용하고 플라즈마를 이용하여 상기 기판을 처리하기 위한 처리실과, 처리 가스가 도입된 처리실 내에 전자파를 방사함으로써 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 수단을 가지며, 상기 플라즈마 발생 수단이 고주파 전원으로 급전되는 도체판에 설치된 슬롯 개구부를 슬롯 안테나로 하고, 이 슬롯 개구부의 양측에 직접 급전점을 설치하는 방법을 채용하고 있고, 또한 이 플라즈마 처리 장치는, 복수의 슬롯 개구부가 상기 도체상에 형성되어, 각 슬롯의 각각에 급전점이 설치됨과 동시에, 각 슬롯 사이에서의 급전 위상을 제어하기 위한 위상제어수단으로서의 매칭 박스 등이 설치된 것이다.
이 급전 방법으로 이루어지는 슬롯 안테나에 있어서는, 도파관이 불필요하게 됨과 동시에, 그 때 형성되는 전자파동의 형태에 따라 슬롯 개구부의 형상이 제약되는 것을 없앨 수 있다. 또한, 비교적 낮은 주파수의 전자파, 요컨대 긴 파장의 전자파의 이용이 가능해지므로, 진공 용기 중에서의 파동의 간섭을 방지할 수 있다. 따라서, 슬롯 안테나의 형상 배치 등도, 발생시킬 플라즈마의 상태 등의 필요성에 따라 디자인할 수 있으므로 대구경 균일 플라즈마의 발생방법으로서 바람직한 것이다.
상술한 슬롯 안테나를 적용한 플라즈마 발생장치에 있어서는, 플라즈마 발생에 필요한 에너지를 저감하기 위하여, 1OOMHz 이하의 비교적 낮은 주파수를 사용하고자 하는 요구가 있다.
그러나, 슬롯 안테나에 있어서 비교적 낮은 주파수를 사용하여 플라즈마를 발생한 경우에는, 임피던스의 부족에 의해 슬롯 안테나가 단락적으로 되기 쉽고, 또한 플라즈마와의 자기적 결합이 약하기 때문에 크기가 큰 슬롯 안테나를 필요로 하는 문제가 있었다.
또한, 상기 일본국 특개평 10-074597호 공보에 기재된 바와 같이, 급전주파수가 30OMHz인 경우에는 접힌 슬롯 안테나의 길이가 20Omm 정도, 또한, 급전주파수가 50OMHz인 경우에는 링모양의 슬롯 안테나의 지름이 30Omm 정도로 작게 설정할 수 있는데, 급전주파수가 10OMHz 이하인 경우에는, 필요한 슬롯 개구부의 길이가 길어져 장치 전체가 대형화되기 때문에, 이를 개선하고자 하는 요구가 있었다.
또한, 1OOMHz 이상의 발진기 및 그 위상을 동기하는 매칭 박스는 그 코스트가 높기 때문에, 장치의 제조원가를 저감하기 위하여 규격인 공업용 주파수 13.56MHz, 또는 27.12MHz, 40.68MHz의 발진기 및 대응하는 매칭박스를 사용하고자 하는 요구가 있는데, 이 경우 발생하는 전자장의 파장이 크기 때문에, 슬롯 안테나에 필요한 길이를 갖게 하면 장치가 13m 정도로 거대해져 실용화할 수 없는 문제가 있었다.
또한, 상기 일본국 특개평 10-074597호 공보에 기재된 기술에 있어서는, 발생하는 플라즈마의 발생 면적 및 발생 밀도를 향상시키기 위하여 복수의 슬롯 개구부를 상기 도체상에 형성하고, 각 슬롯 사이에서의 급전 위상을 제어하기 위한 위상 보정기 등을 설치하고 있는데, 이 경우에는 다수의 슬롯에 대한 급전 주파수의 동기 제어에 어려움을 초래하는 등의 문제가 있고, 또한 복수의 슬롯 개구부를 상기 도체상에 형성함으로써, 안테나로서의 임피던스가 저하되기 때문에 단락적으로 되기 쉬 운 문제가 있고, 또한 위상 보정기는 그 원가가 비싸기 때문에 장치의 제조 원가를 저감하기 위하여 어떠한 수단을 강구하고자 하는 요구가 있었다.
또한, 슬롯 안테나와 진공 용기와의 배치 관계는, 종래, 도 34에 도시한 바와 같이, 슬롯 안테나(C1)가 그 아래쪽에 배치된 진공 용기(C2)의 외측, 즉 대기 중에 배치됨과 동시에, 진공 용기(C2)에 있어서는, 슬롯(C11)의 아래쪽 부근에 개구부(C21)가 설치되고, 이 개구부(C21)를 폐색하는 석영 등의 유전체(C3)가 배치되어 있었다. 여기서, 유전체(C3)는, 슬롯 안테나(C1)로부터 발생한 교류전자계를 개구부(C21)로부터 진공 용기(C2) 내부로 유도함과 동시에, 진공 용기(C2)를 0링(C22) 등과 함께 실링하여, 진공 용기(C2) 내부의 진공을 유지하기 위해 설치되는 것이다.
그러나, 이러한 배치에서는, 개구부(C21)를 투과하여 진공 용기(C2) 내부에 확보되는 슬롯 안테나(C1)의 면적을 크게 설정하려고, 개구부(C21)의 면적을 확대하는 경우에는, 진공 용기(C2) 외부의 대기압에 대항하는 구조 강도를 가지며 진공을 유지하기 위하여, 유전체(C3)의 두께를 증대할 필요가 있다. 이러한 유전체(C3) 두께의 증대는, 안테나 급전부에 급전되는 침투 전위를 저하시키고, 플라즈마(P)와 교착하는 자력선 밀도도 저하시킨다. 그 결과, 플라즈마(P)의 점등 개시 전력의 상승이나, 플라즈마(P)와의 자기적 결합성의 저하를 초래하게 된다. 즉, 상기 유전체(C3)의 두께를 얇게 할수 없고, 유전체(C3)의 두께에 제한을 받아, 슬롯 안테나(C1)와 진공 용기(C2) 내부와의 간격을 임의로 조절할 수 없기 때문에, 침투전압(안테나에 급전된 전압의 유입)의 제어가 어려워지는 문제가 있었다.
또한, 이 진공용기(C2)의 개구부(C21)를 투과하여 진공 용기(C2)에 확보되는 슬롯 안테나(C1)의 금속 도체면이, 그 유전체(C3)의 크기에 따라 제한을 받기 때문에, 슬롯 안테나(C1)의 전자계 방사면의 개구면적을 제한하게 되고, 에너지 효율의 저하나, 플라즈마(P)의 대구경화에 방해가 되었다.
또한, 슬롯 안테나에 있어서는 급전점으로서, 접지에 접속되는 점이 필요하였지만, 그 이외에는 절연해 둘 필요가 있고, 진공 용기에 있어서의 실링 조건과의 양립을 위해 문제를 발생시키는 경우가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 이하의 목적을 달성하고자 하는 것이다.
(1) 플라즈마 발생 면적의 확대, 플라즈마 발생 농도의 균일화 및 향상, 플라즈마 점등 개시 전력의 상승 방지, 플라즈마와의 자기적 결합성의 향상 등, 플라즈마 상태의 향상을 꾀하는 것.
(2) 슬롯 안테나의 크기를 크게하지 않고 임피던스의 저하를 방지하며, 비교적 낮은 주파수로 플라즈마를 발생가능하게 하는 것.
(3)제조원가, 운전비용의 저감을 꾀하는 것.
본 발명의 플라즈마 발생 장치는, 내부의 압력을 제어할 수 있는 진공 용기와, 그 진공 용기 내에 가스를 공급하는 가스 공급 수단과, 가스가 도입된 상기 진공 용기 내에 전자파를 방사함으로써 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생수단을 갖는 플라즈마 발생 장치에 있어서, 상기 플라즈마 발생수단이, 전자파를 방사하는 슬롯을 도체에 형성한 슬롯 안테나와, 그 슬롯 안테나에 급전을 행하는 교류전원을 가지며, 상기 슬롯 안테나가 급전 주파수가 낮은 경우에도 플라즈마를 발생시킬 수 있는 임피던스를 갖는 형상으로 이루어짐으로써 상기 과제를 해결하였다.
여기서, 본 발명에 있어서, 낮은 급전 주파수란, 진공 용기 내의 치수보다 큰 파장을 갖는 전자파를 발생시키는 주파수, 즉, 진공 용기 내의 가스를 도입하는 부분의 종·횡·높이·대각·반경·한변의 길이 등의 치수로부터 선택된 1개의 치수와 같은 파장을 갖는 전자파의 주파수보다도 작은 주파수를 의미한다.
본 발명의 플라즈마 발생장치에 있어서, 자류원 안테나로서의 상기 슬롯 안테나가, 상기 도체의 형상 및 상기 슬롯의 형상을, 바비네의 원리에 따른 선상 안테나와의 사이의 전자계의 쌍대성을 이용하여 2차원적구조 또는 3차원적구조로 설정할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 발생장치에 있어서, 자류원 안테나로서의 상기 슬롯 안테나에 있어서의 상기 도체의 형상 및 상기 슬롯의 형상을, 원통면상 구조, 구면상 구조, 굴절면등, 바비네의 원리에 따른 선상 안테나와의 사이의 전자계의 쌍대성을 이용하고, 내부에 발생하는 플라즈마의 밀도를 증대하는 형상 구조로 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 슬롯 안테나의 도체를 상기 진공 용기의 일부 또는 전부로서 구성할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점을, 2군 데, 3군데, 4군데로 설정하거나, 또는 급전점이 1군데로 되어 상기 도체가 접지 전위로 설정되며, 또한 상기 급전점을 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화 위치로 설정할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 슬롯을 1군데, 또는 병렬 또는 직렬로 접속하여 2군데 이상 설치할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치는, 내부에 기판을 수용하고 플라즈마를 이용하여 그 기판의 처리를 행하기 위한 처리실과, 상기 처리실 내에 처리가스를 공급하는 가스공급수단과, 처리가스가 도입된 상기 처리실 내에 전자파를 방사함으로써 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생수단과, 상기 처리실 내를 원하는 압력으로 배기하는 배기수단을 갖는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 플라즈마 발생수단이, 전자파를 방사하는 슬롯을 도체에 형성한 슬롯 안테나와, 상기 슬롯 안테나에 급전을 행하는 교류전원을 가지며, 상기 슬롯 안테나가 급전주파수가 낮은 경우에도 플라즈마를 발생할 수 있는 임피던스를 갖는 형상으로 함으로써 상기 과제를 해결하였다. 여기서, 플라즈마 발생수단은, 상기 플라즈마 발생 장치에 기재된 것과 거의 동일한 구성으로 한다.
슬롯 안테나는, 금속 도체면상에 형성한 홈, 즉 슬롯으로 이루어지는 방사소자로 정의되고 있다. 슬롯 안테나는 또한 자류 안테나로도 불리고, 자류가 전자파동의 근원으로 간주되고 있고, 선형 안테나와는 달리, 슬롯 개구부에서 개구면에 평행한 자장이 내외면에서 상쇄되어 0이 되는 물리적 특징을 갖는다. 또한 전자계의 쌍대성에 기초한 바비네의 원리로부터, 슬롯 안테나에는 전자계의 쌍대성(전계와 자계 가 교대하는 성질)을 갖는 대응되는 선형 안테나가 존재하여, 특성의 해석은 용이하게 행할 수 있지만, 선형 안테나가 갖는, 근접장에서 중요한 거리의 3승에 반비례하는 정전계 효과를, 슬롯 안테나는 갖지 않는 것이 특징이다.
슬롯 안테나에 의한 플라즈마의 발생은, 통상 금속도체판상에 가늘고 긴 절개홈이 형성된 것이 이용되는데, 이 홈의 형상을, 상술한 선형 안테나의 해석에 따라 위상 기하학적인 합동성을 가지며, 또한 자류원 안테나의 특성을 유지한 채 변형된 형태로 하고, 혹은 돌려 넣는 형태로 함으로써, 슬롯 안테나의 임피던스 및 플라즈마와의 자기 결합성을 향상시킨다. 이 때, 상기 슬롯 안테나를, 낮은 급전 주파수인 경우에도 슬롯 안테나의 크기를 크게하지 않고 플라즈마를 발생할 수 있는 임피던스를 갖는 형상으로 함으로써, 진공 용기 중에서의 파동의 간섭을 방지할 수 있다.
또한 슬롯 안테나가 면상 안테나인 성질을 살려, 슬롯 안테나를 진공 용기의 일부 또는 전부로 하고, 동시에 안테나 도체를 원통면상 구조, 반구면상 구조, 굴절면 등으로 함으로써, 내부에 발생하는 플라즈마의 밀도를 증대함과 동시에, 슬롯형상을 적절히 선택함으로써, 슬롯 안테나에 대한 급전점을 한군데로 하여 상기 도체를 접지 전위로 할 수 있게 된다. 또한, 이에 따라, 진공 유지 밀봉의 목적을 겸하여 슬롯 안테나와 진공 용기와의 사이에 유전체를 설치할 필요가 없어져, 플라즈마와 안테나와의 간격, 안테나의 표면적을 자유롭게 설정할 수 있게 되어, 자기적 또는 정전적 결합의 제어성이 향상된다. 이 결과, 전자방사면이 증가하고, 안테나와 플라즈마의 결합이 밀접해지고, 급전효율의 향상과 플라즈마의 대구경화를 꾀할 수 있다.
또한, 상기 슬롯 안테나로의 급전점을, 상기 슬롯의 형상에 대응하여 2군데, 3군데, 4군데로 설정하여 슬롯 안테나에 효과적으로 급전을 행할 수 있다. 또한, 슬롯 안테나를 진공 용기의 일부 또는 전부로 하고, 부도(浮島)형의 슬롯에 1군데의 급전점으로부터 급전함으로써, 상기 도체를 접지 전위로 설정한다, 즉, 상기 도체를 절연할 필요가 없어진다. 또한, 슬롯 안테나에 급전하는 주파수를 변화가능하게 설정함과 동시에, 이 주파수에 대응하여 상기 급전점의 슬롯에 대한 설정 위치를 변화함으로써, 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화를 꾀할 수 있다. 또한, 상기 슬롯을, 1군데, 또는 병렬 또는 직렬로 접속하여 2군데 이상 설치하고, 급전 효율의 향상과 플라즈마의 대구경화를 꾀할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치의 일실시형태를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
제1실시형태
도 1은 본 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한 도면으로서, 구체적으로는, 반도체 소자의 제조 공정 중에서 레지스트 제거에 사용하는 ICP 애싱 장치의 예이다. 도면에 있어서, 부호 1은 진공 챔버(처리실), 2는 O2 가스 공급원(가스 공급 수단), 3은 진공 펌프(배기수단), 4는 슬롯 안테나(플라즈마 발생수단), 5는 RF 발진기(고주파 전원, 플라즈마 발생 수단), W는 반도체 웨이퍼(기판)이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 플라즈마 처리 장치는, 진공 챔버(1)(내부의 압력을 제어할 수 있는 진공 용기), O2 가스 공급원(2)(가스 공급 수단), 슬롯 안테나(4)(플라즈마 발생 수단), RF 발진기(5)(고주파 전원, 플라즈마 발생 수단)로 이루어지는 플라즈마 발생 장치를 포함하고 있다.
금속제의 진공 챔버(1)의 하부에는 배기구가 설치되고, 배기구에는 밸브(9)를 구비한 배기관(10)을 통해 진공 펌프(3)가 접속되어 있다. 그리고, 진공펌프(3)의 작동에 의해 배기구를 통하여 진공 챔버(1) 내가 수 Pa∼수백 Pa 정도로 배기되는 구성으로 되어 있다. 또한, 진공 챔버(1)의 하부에는, 처리해야 할 반도체 웨이퍼(W)를 유지하기 위한 공정처리 스테이지(11)가 설치되어 있고, 진공 챔버(1) 내에서 공정 처리 스테이지(11)의 위치(높이)를 조절하기 위한 스테이지 승강기(12)가 설치되어 있다.
여기서, 진공 챔버(1)에 있어서, 가스를 도입하는 내부형상이, 직방체 형상, 원주체 형상, 반구체 형상, 굴절면을 갖는 구조 등을 선택할 수 있고, 이들 진공 용기 내의 가스를 도입하는 부분의 종·횡·높이·대각·반경·한변의 길이 등의 치수가, 수 cm에서 수십 m의 범위의 값으로 설정되어 있다.
진공 챔버(1)의 상부에는 가스 도입구가 설치되고, 밸브(14, 15)를 구비한 가스도입관(16)을 통해 O2 가스 봄베 등으로 이루어지는 O2 가스공급원(2)이 접속되어 있다. 그리고, 이 O2 가스공급원(2)으로부터 진공 챔버(1) 내에 레지스트제거용 처리 가스인 O2 가스가 도입되는 구성으로 되어 있다. 또한, 가스도입관(16)의 도중에는 퍼지 가스도입관(17)이 접속되고, 이를 통해 진공 챔버(1) 내를 퍼지하기 위한, 예컨대 N2 가스 등이 도입되게 되어 있다.
또한, 진공 챔버(1)의 상부에는, 진공 챔버(1) 내에 전자파를 방사하여 플라즈마(P)를 여기, 발생시키기 위한 슬롯 안테나(4)가 설치됨과 동시에, 상기 슬롯 안테나(4)로부터 방사되는 전자파를 투과시키는 개구부(1a)가 설치되어 있다.
슬롯 안테나(4)는, 예컨데 평면상의 알루미늄 등으로 이루어지는 도체가 되고, 도 1, 도 2에 도시한 바와 같이, 진공 챔버(1)의 개구부(1a)를 덮도록 설치되고, 내부 압력을 제어할 수 있는 진공 용기(1)의 일부를 구성하고 있다. 개구부(1a)의 주위에서 슬롯 안테나(4)와 진공 챔버(1) 사이에는 0링(1b) 등의 밀폐수단이 설치되며, 개구부(1a)에는 침투 전위의 조정 및 슬롯 안테나(4) 표면이 플라즈마에 의해 부딪혀 불순물이 발생하는 안테나 오염에 의한 불순물 확산을 방지하기 위한 석영, 세라믹 등으로 이루어지는 유전체(18)가 설치된다. 또한, 슬롯 안테나(4)의 상방에는, 알루미늄 실드(4a)가, 슬롯 안테나(4)를 덮도록 하는 위치로 하여 이 슬롯 안테나(4)에 설치된다.
이 슬롯 안테나(4)의 평면에서 보아 중앙 부분에는, 슬롯(41)이 설치되고, 이 슬롯(41)부근에는, 슬롯 안테나(4)로의 급전점(43, 44)이 설치된다.
슬롯(41)은 후술하는 바와 같이, 낮은 급전 주파수인 경우에도 플라즈마 발생가능한 임피던스를 갖는 형상이 되고, 슬롯(41)의 개구 부분에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 진공 챔버(1)의 외측 위치에 있어서 평면에서 보아 슬롯(41)을 덮는 위치로부터 슬롯(41)내부까지 연속 배치된 실링 유전체(유전체)(25)가 설치된다. 이 석영, 세라믹 등으로 이루어지는 실링 유전체(25)는, 평면에서 보아 슬롯(41)의 외측의 슬롯 안테나(4)의 표면에 설치된 0링(4b) 등의 밀폐수단과 함께, 진공 챔버(1)의 진공을 유지 밀폐하는 실링 수단으로 이루어져 있다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 슬롯(41) 내부에, 급전점(43, 44)를 설치할 수 있고, 예컨대 슬롯(41)의 내부에서 슬롯 안테나(4)로 급전 가능하게 되어 있다. 이에 따라, 슬롯 안테나(4)의 플라즈마(P)가 발생하는 측에서 보아, 표면측으로 고주파 전류가 분포하고, 슬롯 안테나(4)에 투입되는 전력을 플라즈마(P)로 효율적으로 전달하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 슬롯 안테나(4)는, 0링(1b)이 설치되어 있는 진공 챔버(1)의 절연부분(1c)에 의해 금속제의 진공 챔버(1)로부터 절연된 상태에서 이 진공 챔버(1)에 장착되어 있다. 그리고, 슬롯(41)에 있어서의 급전점(43)에는 매칭박스(26), RF 발진기(5)가 차례로 접속되어 있고, 급전점(44)은 접지되어 접지 전위로 되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 슬롯 안테나(4)의 상방에 박스형 도체의 알루미늄 실드(4a)가 배치되고, 이 알루미늄 실드(4a)는, 석영, 세라믹 등으로 이루어지는 유전체(4c)를 통해 슬롯 안테나(4)에 절연된 상태로 설치되어 있다. 이 구성에 따라, 슬롯(41)으로부터 방사되는 전자계가 상방으로는 미치지 않고 하방에만 전달되어, 전자파를 효율적으로 진공챔버(1) 내로 보낼수 있게 됨과 동시에, 슬롯 안테나(4)를 절연할 수 있게 되어 있다. 또한, 이 알루미늄 실드(4a)와 진공 챔버(1)는, 이들 내부의 전자파를 외부로 빠져나가지 않도록, 서로 접속되어 있다. 또한, 절연체(4c)는 알루미늄 실드(4a)와 슬롯 안테나(4)가 절연상태로 되어 있으면, 설치하지 않을 수도 있다.
그리고, 슬롯(41)내부의 급전점(43)이, 알루미늄 실드(4a)를 절연상태로 관통하면서, 매칭박스(26), RF 발진기(5)로 이어지는 동축관에 의해 급전이 이루어지게 되어 있다.
또한, 공정 처리 스테이지(11)에도 스테이지 바이어스용 매칭박스(27), RF 발진기(28)가 차례로 접속되어 있다. 또한, 이들 RF 발진기(5, 28)는, 수 kHz∼10OMHz 정도의 낮은 급전 주파수를 발진할 수 있고, 바람직하게는 공업용 주파수 13.56 MHz, 또는 그 정수배인 27.12 MHz, 또는 40.68 MHz에서 선택된 주파수를 발진할 수 있다.
상기 구성의 플라즈마 처리 장치를, 예컨대, 포토레지스트의 애싱을 행하는 공정에 사용할 때는, 진공 펌프(3)를 이용하여 진공 챔버(1) 내를 수 mTorr∼수 Torr 정도로 배기한 후, O2 가스를 도입함과 동시에 RF 발진기(5)로부터 슬롯 안테나(4)로 고주파를 인가한다. 그러면, 슬롯 안테나(4)의 슬롯(41)으로부터 전자파가 방사되어 진공 챔버(1) 내에 플라즈마(P)가 발생하고, 02 가스가 플라즈마(P) 중에서 해리하여 된 산소 래디컬과 반도체 웨이퍼(W) 상의 레지스트가 화학반응을 일으킴으로써, 레지스트가 분해, 기화되어 제거된다.
본 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치는, 1장의 도체판(슬롯 안테나)(4)상에, 후술하는 바와 같이, 슬롯(41)을 낮은 급전 주파수의 경우에도 플라즈마 발생가능한 임피던스를 갖는 형상, 또한 복수의 슬롯 안테나를 병렬 배치한 경우와 같이 전자방사면을 증대하는 형태로 되어 있다. 따라서, 진공 챔버(1) 내의 전자계의 강 도분포를 균일화할 수 있게 되므로, 플라즈마 밀도의 균일성을 제어하는 것이 용이해지고, 또한 플라즈마 밀도의 균일성을 유지한 채 플라즈마의 대구경화를 꾀할 수 있다. 그 결과, 본 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치에 의하면, 대구경의 반도체 웨이퍼를 균일하게 처리할 수 있고, 대구경화에 대하여 양호한 플라즈마 처리 장치로 할 수 있다.
또한, 슬롯 안테나(4)가 면상 안테나이므로, 슬롯 안테나(4)를 진공 챔버(1)의 일부로 하고, 동시에, 안테나 도체를 원통면상 구조, 반구면상 구조, 굴절면 등으로 함으로써, 내부에 발생하는 플라즈마(P)의 밀도를 증대함과 동시에, 슬롯(41)형상을 적절히 선택함으로써, 슬롯 안테나(4)에 대한 급전점(43)을 1군데로 하여 상기 도체를 접지 전위로 할 수 있게 된다. 또한, 이에 따라, 진공유지밀봉의 목적을 겸하여 슬롯 안테나(4)와 진공 챔버(1) 사이에 유전체를 마련할 필요가 없어져, 플라즈마(P)와 슬롯 안테나(4)의 간격, 슬롯 안테나(4)의 표면적을 자유롭게 설정할 수 있게 되며, 플라즈마(P)와 슬롯 안테나(4)의 자기적 또는 정전적 결합의 제어성이 향상된다. 이 결과, 전자방사면이 증가하고, 슬롯 안테나(4)와 플라즈마(P)의 결합이 밀접해지고, 급전효율의 향상과 플라즈마(P)의 대구경화를 꾀할 수 있다.
도 3 내지 도 33은, 슬롯 안테나(a)와, 그 쌍대성을 가지는 선형 안테나(b)의 쌍을 각각 나타내는 것이다.
슬롯(41)은 도 3의 (a)에 도시한 평면상의 슬롯 안테나(4)의 도체에 설치된 구(矩)형상이 되는 기본적인 슬롯(41)형상을, 바비네의 원리에 기초한 선형 안테나와의 사이의 전자계의 쌍대성을 이용하여, 도 3의 (b)에 도시한 선형 안테나(41')의 해석에 따라, 위상기하학적인 합동성을 가지며, 또한 자류원 안테나의 특성을 유지한 채, 도 4 내지 도 33에 도시한 바와 같이, 2차원적 구조, 또는 3차원적 구조로 변형된 것이 되고, 낮은 급전 주파수인 경우에도 플라즈마 발생가능한 임피던스를 갖는 형상이 된다. 여기서, 각각 설정된 슬롯(41) 형상에 의해 상기 슬롯 안테나(4)로의 급전점(43, 44)가, 2군데 내지 4군데로 설정되거나, 급전점(43)이 1군데가 되어 상기 도체가 접지 전위로 설정된다. 이에 따라, 슬롯 안테나(4)의 임피던스 및 플라즈마 의 자기결합성을 향상한다.
<구성예>
이하, 각 구성예의 설명을 하기로 한다.
도 4에 도시한 구성예에 있어서는, 슬롯(41)이 가로방향으로 긴 U자 모양이 되고, 그 저부 부근의 내측에 급전점(43)이, 또한 외측에 급전점(44)이 설치된다. 이 구성예로서는, 도 3에 도시한 기본적인 형상에 비하여, 그 길이 치수를 거의 반이하로 설정할 수 있다.
도 5에 도시한 구성예에 있어서는, 슬롯(41)이 대략 H자 모양이 되고, 그 중앙위치에 급전점(43, 44)이 설치된다. 이 구성예에 있어서도, 도 4의 것과 마찬가지로, 도 3에 도시한 기본적인 형상에 비하여, 그 길이 치수를 거의 반 이하로 설정할 수 있다.
도 6에 도시한 구성예에 있어서는, 슬롯(41)이 대략 번개모양으로, 사각형으로 휘말려 있고, 그 중앙위치에 급전점(43, 44)이 설정된다. 이 구성예에 있어서는, 1개의 슬롯(41)에 있어서의 굴곡부분의 개수를 설정함으로써, 필요한 슬롯(41)길이를 얻을 수 있고 전자방사면이 증가함과 동시에, 슬롯(41)의 평면에 있어서의 밀도를 향상시킬 수 있어, 발생하는 플라즈마(P) 밀도를 증가할 수가 있고, 또한 평면에서 보아 직사각형으로 거의 균일하게 발생하는 플라즈마(P)를 얻을 수 있다. 그 때문에, 진공 챔버(1)의 평면형상이 구(矩)형상이 된 경우에는, 진공 챔버(1)내부의 플라즈마(P)의 밀도를 균일화할 수 있다.
도 7에 도시한 구성예에 있어서는, 슬롯(41)이 4분의 3 원호를 서로 역방향으로 접속하여, 대략 S자 모양이 되어 있고, 그 중앙 위치에 급전점(43, 44)이 설치된다. 이 구성예에 있어서는, 굴곡 부분이 없기 때문에, 방사전파의 강도밀도 균일성이 향상됨과 동시에, 도 3에 도시한 기본적인 형상에 비하여, 그 길이 치수를 거의 반 이하로 설정할 수 있다.
도 8, 도 9에 도시한 구성예에 있어서는, 슬롯(41)이, 도 7에 도시한 구성예로부터 급전점(43, 44)의 주위에 비틀어 넣은 형상이 된다. 여기서, 도 8의 구성예에서는 반원호와, 이 반원호의 직경을 반경으로 하는 4분 원호가 접속된 형상이 되고, 도 9의 구성예는, 도 8의 구성예에, 같은 모양의 4분원을 접속함과 동시에, 이 4분 원호의 직경이 반경이 되는 반원호를 접속한 형상이 된다. 이들 구성예에서는, 도 7에 도시한 구성예와 같은 성능을 나타냄과 동시에, 슬롯(41)의 평면에 있어서의 밀도를 더욱 향상할 수 있어, 방사전파의 강도밀도의 향상, 강도밀도균일성의 향상을 꾀할 수 있다.
상기 도 4 내지 도 9에 도시한 구성예에 있어서는, 임피던스의 향상 및 플라즈마와의 자기적 결합의 향상에 기여하고, 슬롯 안테나(4)의 대표 길이가 수십 cm의 오더라고 하면 RF 수십 MHz 오더의 비교적 낮은 RF 주파수에서의 플라즈마 발생 응용에 이용할 수 있다.
도 10에 도시한 구성예에 있어서는, 슬롯(41)이 십자 모양이 되어 있고, 그 중앙에, 4군데의 급전점(43, 43, 44, 44)가 설치된다. 여기서, 급전점(43, 43)은 매칭박스(26), RF 발진기(5)에 접속되어 있다. 이 구성예에 있어서는, 도 3에 도시한 직선상의 슬롯(41)을 2개 병렬화한 구조를 가지며, 출력이 증대됨과 동시에, 2개 병렬화한 슬롯(41)에 비하여, 각 급전점(43, 43, 44, 44)의 위치가 근접하고 있으므로, 위상 보정기 등을 설치할 필요가 없다.
도 11 내지 도 13에 도시한 구성예에 있어서는, 도 10에 도시한 구성예와 같이 슬롯(41)이 십자 모양으로 되어 있고, 또한 도 6 내지 도 9에 도시한 구성예와 같이 대략 번개 모양 또는 소용돌이 모양으로 급전점(43, 44)의 주위에 비틀어 박은 형상이 된다. 이 구성예에 있어서는 도 10에 도시한 구성예와 같이 도 3에 도시한 직선 모양의 슬롯(41)을 2개 병렬화한 구조를 가지며, 출력이 증대됨과 동시에, 도 6 내지 도 9에 도시한 구성예와 같이, 슬롯(41)의 평면에 있어서의 밀도를 향상할 수 있고, 방사전파의 강도밀도의 향상, 강도밀도균일성의 향상을 꾀할 수 있다.
도 14 및 도 15에 도시한 구성예에 있어서는, 도 7, 도 12에 도시한 구성예와 같이 원호에 의해 구성되어 있지만, 그 선단부를 연장함과 동시에, 급전점(43, 44) 부근의 반원호의 직경을 반경으로 하는 원호를 접속한 것이다. 이 구성예에 있어서는, 굴곡부분이 없기 때문에, 방사전파의 강도밀도균일성이 향상됨과 동시에, 외형 이 원형으로 되어 있으므로, 진공 챔버(1)의 평면형상이 원형으로 된 경우에는, 진공 챔버(1) 내부의 플라즈마(P)의 밀도를 그 주변부에 달할 때까지 균일화할 수 있다.
도 16은, 종래의 접힌 슬롯 안테나를 도시한 것이고, 도 14, 도 15, 도 17 내지 도 19의 구성예의 형상 설정을 하는 경우에 그 기본이 되는 형상이다. 이는, 홈의 단부가 상호 연결된 직사각형의 루프 형상이 되어 있고, 슬롯의 외측의 도체와, 슬롯 내측의 도체가 존재하고 있다.
도 14에 도시한 구성예는, 하나의 외도체와 2개의 중도체가 슬롯(41)을 통해 태극 무늬와 같이 배치된 구조을 하고 있다. 도체가 3부로 나뉘기 때문에 급전점이 2군데의 2극 급전 또는 3극 급전이 가능하다.
도 17, 도 18의 구성예는, 도 16의 구성예와 같이 슬롯(41) 외측의 도체와 슬롯(41) 내측의 도체가 존재하고 있는 부도(浮島)형이고, 도 17은 원형, 도 18은 사각형의 외형을 갖는다. 이 구성예에 있어서는, 도 9, 도 11의 구성예와 마찬가지로, 슬릿(41)의 평면에 있어서의 밀도를 향상시킬 수 있고, 방사전파의 강도밀도의 향상, 강도밀도균일성의 향상을 꾀함과 동시에, 급전점(43)이 매칭박스(26), RF 발진기(5)에 접속되지만, 급전점(44)은 설치하지 않아도 되며, 이 경우 슬롯 안테나(4)의 최외측에서 접지 전위로 설정되어 있으면 된다. 따라서, 진공 챔버(1)의 일부를 구성하는 슬롯 안테나(4)로는, 절연성을 고려할 필요가 없어지고, 구성을 더욱 간략화할 수 있어, 제조 원가의 삭감을 도모할 수 있게 된다. 또한, 도 17, 도 18의 구성예는, 슬롯(41)을 포개 넣는 상자식으로 미로와 같이 배치한 것이고, 이 구조에 있어서는, 작은 면적에서 큰 임피던스를 얻을 수 있다.
도 19의 구성예도, 도 7에 도시한 구성예를 상기 부도형으로 한 것으로 상기와 같은 특징을 갖는다.
도 14 내지 도 19에 도시한 구성예는, 슬롯 안테나(4)를 자기(自己)공진상태에서 이용할 수 있고, 슬롯 안테나(4)의 대표 길이가 수십 cm의 오더라고 하면 RF 수백 MHz 오더의 비교적 고주파에서의 슬롯 안테나의 이용에 적합하다.
도 20 내지 도 25에 도시한 구성예는, 슬롯 안테나(4)를 구성하는 도체를 3차원적인 원통형상으로 한 것이다.
도 20에 도시한 구성예는 도 3에 도시한 구성예의 변형예이고, 도 21에 도시한 구성예는 도 16에 도시한 구성예의 변형예이며, 도 22에 도시한 구성예는 도 6에 도시한 구성예의 변형예이며, 도 23에 도시한 구성예는 도 9에 도시한 구성예의 변형예이며, 도 24에 도시한 구성예는 도 10에 도시한 구성예의 변형예이며, 도 25에 도시한 구성예는 도 11에 도시한 구성예의 변형예이다.
도 20 내지 도 25에 도시한 구성예에 있어서는, 도 3 내지 도 19에 도시한 변형의 기본이 되는 구성예와 같은 특징을 가짐과 동시에, 이 원통 내부에서 플라즈마를 발생시킴으로써, 도 3 내지 도 19에 도시한 평면 형상(2차원적 구조)보다도, 플라즈마 발생 밀도를 공간적으로 더욱 향상시킬 수 있다.
도 26 내지 도 29에 도시한 구성예는, 슬롯 안테나(4)를 구성하는 도체를 3차원적인 구면형상으로 한 것이다.
도 26에 도시한 구성예는 도 9에 도시한 구성예의 변형예이고, 도 27에 도시 한 구성예는 도 10에 도시한 구성예의 변형예이며, 도 28에 도시한 구성예는 도 12에 도시한 구성예의 변형예이며, 도 29에 도시한 구성예는 도 17에 도시한 구성예의 변형예이다.
도 26 내지 도 29에 도시한 구성예에 있어서는, 도 3 내지 도 19에 도시한 변형의 기본이 되는 구성예와 같은 특징을 가짐과 동시에, 이 반구면내부에 있어서 플라즈마를 발생시킴으로써, 도 3 내지 도 19에 도시한 평면형상(2차원적 구조)보다 플라즈마 발생 밀도를 공간적으로 더욱 향상시킬 수 있고, 또한 도 20 내지 도 25에 도시한 구성예보다 플라즈마 발생 밀도를 공간적으로 더욱 향상시킬 수 있다.
특히, 도 28, 도 29에 도시한 구성예에 있어서는, 플라즈마(P) 발생 밀도의 향상과, 슬롯 안테나(4)의 절연성 향상 및 진공 챔버(1)의 구조재로서의 구조특성을 매우 뛰어난 것으로 할 수 있다.
도 30 내지 도 33에 도시한 구성예는, 슬롯 안테나(4)를 구성하는 도체를 2차원적 구조의 평면을 조합하여 3차원적인 굴절평면형상으로 한 것이다.
도 30에 도시한 구성예에 있어서는, 도 3에 도시한 구성의 변형예이고, 접힘선(L)에 의해 굴절되어 2평면이 된 슬롯 안테나(4) 도체에, 접힘선(L)에 걸치도록 슬롯(41)을 배치하고, 접힘선(L)상에 급전점(43, 44)을 배치한 것이다. 이 구성예에 있어서는, 도 3에 도시한 변형의 기본이 되는 구성과 같은 특징을 가짐과 동시에, 도 3에 도시한 평면형상(2차원적 구조)보다 플라즈마 발생 밀도를 공간적으로 더욱 향상시킬 수 있다.
도 31에 도시한 구성예에 있어서는, 도 5에 도시한 구성예의 변형예이고, 접 힘선(L)에 의해 굴절되어 2평면이 된 슬롯 안테나(4) 도체에, 접힘선(L)에 걸치도록 슬롯(41)을 배치하고, 접힘선(L) 상에 급전점(43, 44)을 배치한 것이다. 이 구성예에 있어서는, 도 5에 도시한 변형의 기본이 되는 구성예와 같은 특징을 가짐과 동시에, 도 5에 도시한 평면형상(2차원적 구조)의 구성예보다 플라즈마 발생 밀도를 공간적으로 더욱 향상시킬 수 있다.
도 32에 도시한 구성예는, 도 14에 도시한 구성예의 변형이고, 슬롯(41)의 외형을 사각형으로 하여, 이것이 접힘선(L)에서 굴절되어 2평면이 된 슬롯 안테나(4) 도체에, 접힘선(L)에 걸치도록 배치함과 동시에, 접힘선(L) 상에 급전점(43, 44)을 배치한 것이다. 이 구성예에 있어서는, 도 14에 도시한 변형의 기본이 되는 구성과 같은 특징을 가짐과 동시에, 외형이 사각형인 것과 같은 특징도 구비하며, 도 14에 도시한 평면형상(2차원적 구조)보다 플라즈마 발생 밀도를 공간적으로 더욱 향상시킬 수 있다.
도 30 내지 도 32에 도시한 구성예에 있어서는, 예컨대 직방체형이 된 진공챔버(1)에 있어서, 그 중앙부에 설치된 다른 구성으로 이루어지는 슬롯 안테나(4)와 조합하여 주연부에 배치하여 사용할 수 있고, 이 경우 발생하는 플라즈마의 대구경화와, 플라즈마 밀도의 균일화를 더 한층 꾀할 수 있다.
도 33에 도시한 구성예는, 도 10에 도시한 구성예의 변형이고, 접힘선(L2)에 의해 굴절되어 소위 피라미드형의 4평면이 된 슬롯 안테나(4) 도체에, 정점 부분에 슬롯(4)의 중심부분이 위치하도록 배치한 것이다. 이 구성예에 있어서는, 도 10에 도시한 변형의 기본이 되는 구성과 같은 특징을 가짐과 동시에, 도 10에 도시한 평면형상(2차원적 구조)보다 플라즈마 발생 밀도를 공간적으로 더욱 향상시킬 수 있다.
도 4 내지 도 33에 도시한 구성예는, 본 발명에 따른 슬롯 안테나의 형태변화의 일예이고, 자류원 안테나로서의 상기 슬롯 안테나에 있어서의 상기 도체의 형상 및 상기 슬롯의 형상이, 바비네의 원리에 따른 선형 안테나와의 사이의 전자계의 쌍대성을 이용하여, 내부에 발생하는 플라즈마의 밀도를 증대하는 형상구조로 설정되고, 낮은 급전 주파수의 경우에도 플라즈마 발생가능한 임피던스를 갖는 형상으로 되어 있으면, 다른 구조도 가능하며, 슬롯 안테나의 변형화는 이밖에도 여러 형태로 적용가능하다.
본 실시형태에 의하면, 비교적 낮은 주파수에서도 슬롯 안테나의 크기를 크게하지 않고도 임피던스의 저하를 방지할 수 있고, 또한 플라즈마와의 자기적 결합을 향상시킬 수 있는 슬롯 안테나의 형태를 부여할 수 있다. 이에 따라, 비교적 파장이 긴 전자파동을 발생하는 발진기를 이용할 수 있게 되고, 또한 진공 용기 중에서의 전자파동의 간섭에 의한 플라즈마의 발생의 불균일성도 억제할 수 있다.
또한, 진공 용기를 밀폐하기 위하여, 플라즈마와 슬롯 안테나 사이에 유전체를 설치할 필요가 없으므로, 플라즈마와 슬롯 안테나의 간격을 임의로 설정할 수 있게 되고, 플라즈마의 점등에 관련된 침투 전위의 제어성을 향상시키며, 플라즈마 와 안테나의 자기적 결합의 향상, 결합 면적의 증대, 급전 효율의 향상을 꾀하며, 플라즈마의 대구경화를 꾀할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 슬롯 안테나(4)로의 급전 주파수를 약 10O MHz 이하로 하였지만, 이 범위에 한정되는 것은 아니며, 발생하는 전자파를 UHF대의 고주파로 할수도 있고, 이 경우, 상술한 부도형 슬롯 안테나(4)에 있어서는, 급전점(43)이 접속되지 않는 부분을 접지 전위로 하여, 슬롯 안테나(4)를 절연하기 위한 유전체(1c, 4c) 등이 없는 구성으로 할 수 있다.
또한, RF 발진기(5)를 발진주파수 가변으로 하여, 슬롯 안테나(4)에 급전하는 주파수를 변화가능하게 설정하고, 이 경우에, 급전주파수의 변화에 따라 슬롯 안테나(4)에서의 급전점(43, 44)을 설치하는 위치를 이동시켜 설정함으로써, 슬롯 안테나(4)로부터 방사되는 전자파에 있어서의 강도 등의 상태를 최적화하고, 발생하는 플라즈마의 대구경화를 꾀하며, 밀도 등, 플라즈마 발생 상태의 향상을 꾀할 수 있게 된다.
또한, 상기의 구성 이외에도, 본 발명의 요지의 범위내에서, 구성을 변형시킬 수 있으며, 유전체(18)에 의해 진공 용기를 밀폐하는 구성, 슬롯 안테나에 있어서 2군데 이상 슬롯(41)을 형성하고, 이들을 직렬 또는 병렬로 접속한 구성, 알루미늄 실드(4a)를 슬롯 안테나(4)와 일체로 형성한 구성 등이 적용 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 장치에 의하면, 이하의 효과를 발휘할 수 있다.
(1) 상기 슬롯 안테나가, 낮은 급전 주파수인 경우에도 슬롯 안테나의 크기를 크게하지 않고, 플라즈마를 발생할 수 있는 임피던스를 갖는 형상으로 함으로써, 플라즈마 발생 면적의 확대, 플라즈마 발생 농도의 균일화 및 향상, 플라즈마 점등 개 시 전력의 상승 방지, 플라즈마와의 자기적 결합성의 향상 등, 플라즈마 상태의 향상을 꾀하고, 진공 용기 중에서의 전자파동의 간섭에 의한 플라즈마 발생의 불균일성도 억제할 수 있다.
(2) 자류원 안테나로서의 상기 슬롯 안테나에 있어서의 상기 도체의 형상 및 상기 슬롯의 형상이, 원통면상 구조, 구면상 구조, 굴절면 등, 바비네의 원리에 기초한 선형 안테나와의 사이의 전자계의 쌍대성을 이용하여, 내부에 발생하는 플라즈마의 밀도를 증대하는 형상 구조로 설정함으로써, 슬롯 안테나의 크기를 크게하지 않고도 임피던스의 저하를 방지하며, 비교적 낮은 주파수로 플라즈마를 발생할 수 있다.
(3) 상기 슬롯 안테나의 도체를, 상기 진공 용기의 일부 또는 전부로서 구성하는 것, 및 낮은 급전주파수에 의해 플라즈마를 발생할 수 있기 때문에, 제조 비용이 드는 높은 주파수용의 발진기, 매칭 박스 등이 필요없어 제조 원가, 운전 비용의 저감을 꾀할 수 있다.
(4) 상기 슬롯 안테나의 도체를 상기 진공 용기의 일부 또는 전부로서 구성함으로써, 진공 용기를 밀폐하기 위하여, 플라즈마와 슬롯 안테나 사이에 유전체를 설치할 필요가 없기 때문에, 플라즈마와 슬롯 안테나와의 간격을 임의로 설정할 수 있게 되어, 플라즈마의 점등에 관련된 침투전위의 제어성을 억제하고, 플라즈마와 안테나의 자기적 결합의 향상, 결합 면적의 증대, 급전 효율의 향상을 꾀하고, 플라즈마의 대구경화를 꾀할 수 있다.

Claims (27)

  1. 내부의 압력을 제어할 수 있는 진공 용기와, 그 진공 용기 내에 가스를 공급하는 가스 공급 수단과, 가스가 도입된 상기 진공 용기 내에 전자파를 방사함으로써 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생수단을 갖는 플라즈마 발생 장치에 있어서,
    상기 플라즈마 발생수단이, 전자파를 방사하는 슬롯을 도체에 형성한 슬롯 안테나와, 그 슬롯 안테나에 급전을 행하는 교류전원을 가지며, 상기 슬롯 안테나가 급전 주파수가 낮은 경우에도 플라즈마를 발생시킬 수 있는 임피던스를 갖는 형상으로 이루어지며, 자류원 안테나로서의 상기 슬롯 안테나가, 상기 도체의 형상 및 상기 슬롯의 형상을, 바비네의 원리에 따른 선형 안테나와의 사이의 전자계의 쌍대성을 이용하여 2차원적구조 또는 3차원적구조로 설정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 자류원 안테나로서의 상기 슬롯 안테나에 있어서의 상기 도체의 형상 및 상기 슬롯의 형상이, 바비네의 원리에 따른 선형 안테나와의 사이의 전자계의 쌍대성을 이용하여 내부에 발생하는 플라즈마의 밀도를 증대하는 형상으로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 자류원 안테나로서의 상기 슬롯 안테나에 있어서의 상기 도체의 형상 및 상기 슬롯의 형상이, 바비네의 원리에 따른 선형 안테나와의 사이의 전자계의 쌍대성을 이용하여, 내부에 발생하는 플라즈마의 밀도를 증대하는 형상으로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나의 도체가 상기 진공용기의 일부 또는 전부로서 구성되는 플라즈마 발생 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나의 도체가 상기 진공 용기의 일부 또는 전부로서 구성되는 플라즈마 발생 장치.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나의 도체가 상기 진공 용기의 일부 또는 전부로서 구성되는 플라즈마 발생 장치.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나의 도체가 상기 진공 용기의 일부 또는 전부로서 구성되는 플라즈마 발생 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이, 2군데, 3군데, 4군데로 설정되고, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화 위치로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이, 2군데, 3군데, 4군데로 설정되고, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화 위치로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  11. 제 3 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이, 2군데, 3군데, 4군데로 설정되고, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사상태의 최적화위치에 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  12. 제 4 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이, 2군데, 3군데, 4군데로 설정되고, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화 위치로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  13. 제 5 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이, 2군데, 3군데, 4군데로 설정되고, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사상태의 최적화 위치로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  14. 제 6 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이, 2군데, 3군데, 4군데로 설정되고, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화 위치로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  15. 제 7 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이, 2군데, 3군데, 4군데로 설정되고, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화 위치로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  16. 제 8 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이, 2군데, 3군데, 4군데로 설정되고, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화 위치로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이 1군데로 되어 상기 도체가 접지 전위로 설정되며, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화 위치로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이 1군데로 되어 상기 도체가 접지 전위로 설정되며, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화 위치로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  19. 제 3 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이 1군데로 되어 상기 도체가 접지 전위로 설정되며, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화 위치로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  20. 제 4 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이 1군데로 되어 상기 도체가 접지 전위로 설정되며, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화 위치로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  21. 제 5 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이 1군데로 되어 상기 도체가 접지 전위로 설정되며, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화 위치로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  22. 제 6 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이 1군데로 되어 상기 도체가 접지 전위로 설정되며, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화 위치로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  23. 제 7 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이 1군데로 되어 상기 도체가 접지 전위로 설정되며, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화 위치로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  24. 제 8 항에 있어서, 상기 슬롯 안테나로의 급전점이 1군데로 되어 상기 도체가 접지 전위로 설정되며, 또한 상기 급전점이 상기 슬롯 안테나에 있어서의 방사 상태의 최적화 위치로 설정되는 플라즈마 발생 장치.
  25. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬롯이 1군데 설치되는 플라즈마 발생 장치.
  26. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬롯이 병렬 또는 직렬로 접속되어 복수 군데 설치되는 플라즈마 발생 장치.
  27. 내부에 기판을 수용하고 플라즈마를 이용하여 그 기판의 처리를 행하기 위한 처리실과, 상기 처리실 내에 처리가스를 공급하는 가스공급수단과, 처리가스가 도입된 상기 처리실 내에 전자파를 방사함으로써 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생수단과, 상기 처리실 내를 원하는 압력으로 배기하는 배기수단을 갖는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 플라즈마 발생수단이, 전자파를 방사하는 슬롯을 도체에 형성한 슬롯 안테나와, 상기 슬롯 안테나에 급전을 행하는 교류전원을 가지며, 상기 슬롯 안테나가 급전주파수가 낮은 경우에도 플라즈마를 발생할 수 있는 임피던스를 갖는 형상으로 이루어지며, 자류원 안테나로서의 상기 슬롯 안테나가, 상기 도체의 형상 및 상기 슬롯의 형상을, 바비네의 원리에 따른 선형 안테나와의 사이의 전자계의 쌍대성을 이용하여 2차원적구조 또는 3차원적구조로 설정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
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