KR100651990B1 - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 처리 용기 내에 전자계를 공급하는 레이디얼 안테나(30)의 슬롯(36)이 레이디얼 안테나(30) 내에서의 전자계의 파장(λg)의 대략 N배(N은 자연수)의 간격(d)의 소용돌이 권선 위에 배치되어 있다. 이 레이디얼 안테나(30)의 중심부에서 회전 모드로 전자계를 급전하는 것을 목적으로 한다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSOR AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명은 레이디얼 안테나로부터 처리 용기 내에 전자계를 공급하고, 처리 용기 내에 생성된 플라즈마를 이용하여 피처리체에 대하여 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 장치나 플랫 패널 디스플레이의 제조에 있어서, 산화막의 형성이나 반도체층의 결정 성장, 에칭 및 애싱 등의 처리를 행하기 위해서 플라즈마 장치가 다용되고 있다. 이들 플라즈마 처리 장치의 하나로, 안테나로부터 처리 용기 내에 고주파 전자계를 공급하고, 그 전자계의 작용에 의해 처리 용기 내의 가스를 전리시켜 플라즈마를 생성하는 고주파 플라즈마 처리 장치가 있다. 이 고주파 플라즈마 처리 장치는 저압력으로 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있기 때문에, 효율이 좋은 플라즈마 처리가 가능하다.
고주파 플라즈마 처리 장치에 있어서, 플라즈마의 생성 효율을 향상시키기 위해서는 전자계를 효율적으로 플라즈마 내에 입사시킬 필요가 있다. 그 수단으로서, 레이디얼 안테나에 원편파 급전하는 방식이 제안되어 있다. 이하, 그 방식에 관해서 설명한다.
도 6은 레이디얼 안테나에 원편파 급전하는 방식의 종래의 고주파 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시하는 단면도이다.
이 플라즈마 장치는 상부가 개구하고 있고 바닥이 있는 원통형의 처리 용기(111)를 갖고 있다. 이 처리 용기(111)의 저부에는 기판대(122)가 고정되고, 이 기판대(122)의 상면에 피처리체인 기판(121)이 배치된다. 처리 용기(111)의 측벽에는 가스 공급용 노즐(117)이 설치되고, 처리 용기(111)의 저부에는 진공 배기용 배기구(116)가 설치되어 있다. 처리 용기(111)의 상부 개구는 그곳으로부터 플라즈마가 외부로 새지 않도록 유전체판(113)으로 막혀 있다.
이 유전체판(113) 위에는 레이디얼 안테나(130)가 배치되어 있다. 이 레이디얼 안테나(130)는 레이디얼 도파로(133)를 형성하는 서로 평행한 2장의 원형 도체판(131, 132)과, 이들 도체판(131, 132)의 외주부를 접속하는 도체링(134)으로 구성되어 있다. 여기서는, 레이디얼 안테나(130)의 직경을 레이디얼 안테나(130)의 내부 즉 레이디얼 도파로(133) 내에서의 전자계의 관내 파장(λg)의 4배로 한다.
레이디얼 도파로(133)의 방사면이 되는 도체판(131)에는 슬롯(136)이 복수개 형성되어 있다. 이 슬롯(136)은 도 7에 도시한 바와 같이, 도체판(131)의 반경 방향에 수직인 주위 방향을 따라 동심원 상에 배치되어 있다.
레이디얼 도파로(133)의 배면이 되는 도체판(132)의 중심부에는 전자계(F)의 도입구(135)가 형성되고, 이 도입구(135)에는 원통 도파관(141)을 통해 고주파 발생기(144)가 접속되어 있다. 또한, 레이디얼 안테나(130)에 TE11 원편파 급전하기 위해서, 원통 도파관(141)에는 원편파 변환기(142)가 설치되어 있다.
또, 유전체판(113) 및 레이디얼 안테나(130)의 외주는 환상의 실드재(112)로 덮혀, 전자계(F)가 외부로 새지 않는 구조로 되어 있다.
도 8a는 레이디얼 안테나(130)의 내부, 즉 레이디얼 도파로(133) 내의 전계의 상태를 도시한 도면으로서, 어느 시점에서의 전계의 파면을 도시하는 개념도이다. 도 8b는 레이디얼 안테나(130)의 내부, 즉 레이디얼 도파로(133) 내의 전계의 상태를 도시한 도면으로서, 레이디얼 도파로(133)의 반경 방향의 전계의 파형을 도시한 도면이다. 도 8c는 레이디얼 안테나(130)의 내부, 즉 레이디얼 도파로(133) 내의 전계의 상태를 도시한 도면으로서, 레이디얼 도파로(133)의 주위 방향의 전계의 파형을 도시한 도면이다.
TE11 원편파 급전된 레이디얼 안테나(130)의 내부에서는 레이디얼 도파로(133)의 중심부에서 주연부를 향해서 전파해 나가는 전자계(F)의 진행파와 도체링(134)에서 반사되어 중심부를 향해서 되돌아가는 반사파가 겹쳐져서, 레이디얼 도파로(133)의 반경 방향에 전계(E)의 진폭 분포가 정해진 정재파가 나타난다. 이 정재파의 반경 방향의 전계 파형은 도 8b에 도시한 바와 같이 파의 수가 4인 정현파형이 된다. 또한, 상기 정재파의 주위 방향의 전계 파형은 도 8c에 도시한 바와 같이 파의 수가 1인 정현파형이 된다. 도 8c의 A점∼D점은 도 8a의 A점∼D점에 대응하고 있다.
이 반경 방향에 진폭 분포가 정해진 전계는 레이디얼 도파로(133)의 주위 방향에는 진행파가 되고, 레이디얼 도파로(133)에 공급된 전자계(F)의 주파수와 동일 한 주파수로 회전한다.
레이디얼 도파로(133)의 반경(R)의 영역을 주위 방향으로 회전하는 진행파의 파장은 2πR이 된다. 따라서, 현실의 관내 파장 λg < 2πR이 되는 영역에서는 레이디얼 도파로(133)의 주위 방향에 있어서 관내 파장이 길어진 것처럼 보인다. 급전 주파수가 2.45 GHz와 같이 높은 경우에는 레이디얼 도파로(133)의 중심부를 제외한 대부분의 영역에서 λg < 2πR이 성립한다.
레이디얼 안테나(130) 내의 비유전률을 ε1, 진공 중에 있어서의 전자계의 파장을 λ0이라고 하면,
λg = λ0/ε1 1/2이기 때문에, 레이디얼 안테나(130) 내의 비유전률(ε 1)은 외관상 작아진다.
도 9는 레이디얼 안테나(130)의 방사면과 처리 용기(111) 내의 플라즈마(P)의 경계 부분을 확대하여 도시하는 개념도이다.
도 6에 도시한 유전체판(113)을 포함하는 안테나(130)의 방사면과 플라즈마(P)의 표면 사이의 영역(150)의 비유전률을 ε2, 플라즈마(P) 내의 비유전률을 ε3이라고 하면, 플라즈마(P)의 표면의 법선 방향에 대한 전자계(F)의 입사 각도(θ)는 영역(150)의 비유전률(ε2)에 의존하지 않고,
θ = sin-1(ε1/ε3)1/2···(1)
로 나타내는 것으로 알려져 있다. 이 (1)식이 해를 갖고, 전자계(F)가 플라즈마(P) 내에 진입하기 위해서는,
ε1 < ε3···(2)
가 될 필요가 있다.
전술한 바와 같이, 도 6에 도시한 플라즈마 처리 장치에서는 레이디얼 안테나(130)에 TE11 원편파 급전함으로써, 레이디얼 안테나(130) 내의 비유전률(ε1)을 외관상 작게 할 수 있다. 따라서, (2)식을 만족하도록 함으로써, 전자계(F)의 반사량을 저감하여, 전자계(F)를 효율적으로 플라즈마(P) 내에 입사시킬 수 있다.
도 10은 도 6에 도시한 플라즈마 처리 장치에 있어서, 전자계(F)의 입사 각도(θ)의 반경 방향 변화를 도시한 도면이다. 급전 주파수는 2.45 GHz이며, 플라즈마(P) 내의 비유전률(ε3)의 평균값을 0.5로 했다. 횡축은 처리 용기(111)의 중심축으로부터의 반경 방향의 거리(r)[cm], 종축은 플라즈마(P)에의 전자계(F)의 입사 각도(θ)[°]이다. 전자계(F)의 입사 각도(θ)는 r = 5 cm의 위치에서 약 34°이고, r이 커지는 것에 반비례하여 작아지며, r이 16 cm 이상인 영역에서는 10° 이하가 되고 있다.
일반적으로, 고주파 플라즈마 처리 장치에서는 플라즈마(P)에의 전자계(F)의 입사 각도(θ)가 클수록 전자계(F)의 흡수 효율이 커지고, 효율적으로 플라즈마를 생성할 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 도 6에 도시한 종래의 플라즈마 처리 장치에서는 전자계(F)의 입사 각도(θ)가 작은 처리 용기(111)의 중심축으로부터 떨어진 영역에서 플라즈마를 효율적으로 생성할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
또한, 피처리체 기판(121)의 대구경화의 요구에 응하기 위해서, 처리 용기(111) 및 레이디얼 안테나(130)의 직경을 크게 하면, 처리 용기(111)의 중심축으로부터 측벽까지의 거리가 커지기 때문에, 측벽에 가까운 영역에서는 전자계(F)의 입사 각도(θ)가 더욱 작아져, 플라즈마 생성 효율의 저하는 더욱 현저해진다.
본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 그 목적은 플라즈마의 생성 효율의 향상에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 처리 용기 내에 수용되어 피처리체가 배치되는 적재대와, 방사면에 슬롯이 복수개 배치되어 처리 용기 내에 전자계를 공급하는 레이디얼 안테나를 구비한다. 레이디얼 안테나의 슬롯은 레이디얼 안테나 내에서의 전자계의 파장의 대략 N배(N은 자연수)의 간격의 소용돌이 권선 위에 배치되어 있다.
슬롯을 소용돌이 권선 위에 배치하면, 동심원 상에 배치한 경우와 비교하여, 전자계의 1주기 당의 각 슬롯에 있어서의 위상 변화가 커진다. 이 위상 변화에 비례하여, 레이디얼 안테나 내의 비유전률도 외관상 커진다. 따라서, 플라즈마 표면의 법선 방향에 대한 전자계의 입사 각도를 크게 할 수 있다. 또한, 슬롯이 배치되는 소용돌이 권선의 간격을 레이디얼 안테나 내에서의 전자계의 파장의 대략 N배로 함으로써, 전자계의 입사 각도가 레이디얼 안테나의 반경 방향에서 일치하기 때문에, 레이디얼 안테나로부터 처리 용기 내로 효율적으로 전자계를 공급할 수 있다. 또, 레이디얼 안테나의 방사면과 플라즈마 표면의 간격이 상기 방사면과 플라즈마 표면 사이의 영역에서의 전자계의 파장의 1/2 이하인 경우는 소용돌이 권선의 간격을 레이디얼 안테나 내에서의 전자계의 파장의 대략 N배로 하지 않더라도 좋다.
전자계를 회전 모드로 급전하지 않는 경우에는 N ≥3으로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 처리 용기 및 레이디얼 안테나를 대구경화한 경우라도, 처리 용기의 측벽에 가까운 영역에서의 전자계의 입사 각도를 충분히 크게 할 수 있다.
또한, 전술한 플라즈마 처리 장치에 있어서 레이디얼 안테나의 중심부에 접속되어 회전 모드로 전자계를 급전하는 급전 수단을 구비하도록 하더라도 좋다. 이에 따라, 전자계의 1주기 당의 각 슬롯에 있어서의 위상 변화가 2π(라디안)만큼 커진다. 이에 따라, 레이디얼 안테나 내의 비유전률도 외관상 더욱 커지기 때문에, 전자계의 입사 각도를 더욱 크게 할 수 있다.
전자계를 회전 모드로 급전하는 경우에는 N ≥2로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 회전 모드로 급전하지 않는 경우에 N ≥3으로 하는 것과 동일한 조건이 된다.
본 발명의 플라즈마 처리 방법은 방사면에 복수개의 슬롯이 배치된 레이디얼 안테나로서, 레이디얼 안테나 내에서의 전자계의 파장의 대략 N배(N은 자연수)의 간격의 소용돌이 권선 위에 슬롯이 배치된 레이디얼 안테나를 준비하는 공정과, 처리 용기 내에 피처리체를 배치하고, 레이디얼 안테나의 방사면에 복수개 배치된 슬롯으로부터 전자계를 처리 용기 내에 공급하고, 처리 용기 내에 생성된 플라즈마를 이용하여 피처리체에 대하여 처리를 행하는 공정을 구비한다.
슬롯을 소용돌이 권선 위에 배치하면 동심원 상에 배치한 경우와 비교하여, 전자계의 1주기 당의 각 슬롯에 있어서의 위상 변화가 커진다. 이 위상 변화에 비례하여, 레이디얼 안테나 내의 비유전률도 외관상 커진다. 따라서, 플라즈마 표면의 법선 방향에 대한 전자계의 입사 각도를 크게 할 수 있다. 또한, 슬롯이 배치되는 소용돌이 권선의 간격을 레이디얼 안테나 내에서의 전자계의 파장의 대략 N배로 함으로써 전자계의 입사 각도가 레이디얼 안테나의 반경 방향에서 일치하기 때문에, 레이디얼 안테나로부터 처리 용기 내로 효율적으로 전자계를 공급할 수 있다. 또, 레이디얼 안테나의 방사면과 플라즈마 표면의 간격이 상기 방사면과 플라즈마 표면 사이의 영역에서의 전자계의 파장의 1/2 이하인 경우는 소용돌이 권선의 간격을 레이디얼 안테나 내에서의 전자계의 파장의 대략 N배로 하지 않더라도 좋다.
여기서, 전자계를 회전 모드로 급전하지 않는 경우에는 N ≥3으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 레이디얼 안테나의 중심부에서 회전 모드로 전자계를 급전하도록 하더라도 좋다. 여기서, 전자계를 회전 모드로 급전하는 경우에는 N ≥2로 하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 에칭 장치의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 II-II선 방향에서 본 레이디얼 안테나의 방사면의 평면도이다.
도 3a는 레이디얼 안테나(30)의 내부, 즉 레이디얼 도파로(33) 내의 전계의 상태를 도시한 도면으로서, 어느 시점에서의 전계의 파면을 도시하는 개념도이다.
도 3b는 레이디얼 안테나(30)의 내부, 즉 레이디얼 도파로(33) 내의 전계의 상태를 도시한 도면으로서, 레이디얼 도파로(33)의 반경 방향의 전계의 파형을 도시한 도면이다.
도 3c는 레이디얼 안테나(30)의 내부, 즉 레이디얼 도파로(33) 내의 전계의 상태를 도시한 도면으로서, 레이디얼 도파로(33)의 주위 방향의 전계의 파형을 도시한 도면이다.
도 4는 전자계의 입사 각도의 반경 방향 변화를 도시한 도면이다.
도 5는 레이디얼 안테나의 방사면의 다른 구성예를 도시하는 평면도이다.
도 6은 레이디얼 안테나에 원편파 급전하는 방식의 종래의 고주파 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 7은 레이디얼 안테나의 방사면의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 8a는 레이디얼 안테나(130)의 내부, 즉 레이디얼 도파로(133) 내의 전계의 상태를 도시한 도면으로서, 어느 시점에서의 전계의 파면을 도시하는 개념도이다.
도 8b는 레이디얼 안테나(130)의 내부, 즉 레이디얼 도파로(133) 내의 전계의 상태를 도시한 도면으로서, 레이디얼 도파로(133)의 반경 방향의 전계의 파형을 도시한 도면이다.
도 8c는 레이디얼 안테나(130)의 내부, 즉 레이디얼 도파로(133) 내의 전계의 상태를 도시한 도면으로서, 레이디얼 도파로(133)의 주위 방향의 전계의 파형을 도시한 도면이다.
도 9는 레이디얼 안테나의 방사면과 처리 용기 내의 플라즈마의 경계 부분을 확대하여 도시하는 개념도이다.
도 10은 전자계의 입사 각도의 반경 방향 변화를 도시한 도면이다.
다음에, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다. 여기서는 본 발명을 에칭 장치에 적용한 경우를 예로 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예인 에칭 장치의 구성을 도시하는 단면도이다.
이 플라즈마 처리 장치는 상부가 개구하고 있고 바닥이 있는 원통형의 처리 용기(11)를 갖고 있다. 이 처리 용기(11)의 저부에는 기판대(22)가 고정되고, 이 기판대(22)의 상면에 피처리체인 기판(21)이 배치된다. 처리 용기(11)의 측벽에는 처리 용기(11) 내에 Ar 등의 플라즈마 가스나 CF4 등의 에칭 가스를 도입하기 위한 노즐(17)이 설치되어 있다. 처리 용기(11)의 저부에는 진공 배기용의 배기구(16)가 설치되어 있다. 처리 용기(11)의 상부 개구는 그곳으로부터 플라즈마가 외부로 새지 않도록 유전체판(13)으로 막혀 있다.
이 유전체판(13) 위에는 레이디얼 안테나(30)가 배치되어 있다. 이 레이디얼 안테나(30)는 유전체판(13)에 의해서 처리 용기(11)로부터 격리되어 있고, 처리 용기(11) 내에서 생성되는 플라즈마(P)로부터 보호되어 있다. 유전체판(13) 및 레이디얼 안테나(30)의 외주는 처리 용기(11)의 측벽 위에 환상으로 배치된 실드재(12)로 덮혀, 전자계(F)가 외부로 새지 않는 구조로 되어 있다.
레이디얼 안테나(30)의 중앙부는 원통 도파관(41)에 의해서 고주파 발생기(44)에 접속되어 있다. 이 고주파 발생기(44)는 1 GHz∼십수 GHz의 범위 내의 소정 주파수의 고주파 전자계(F)를 발생시키는 것이다. 원통 도파관(41)의 도중에는 임피던스 매칭을 도모하기 위한 매칭 회로(43)와, 원통 도파관(41)을 전파하는 전계의 주방향을 관축을 중심으로 하여 회전시키는 원편파 변환기(42)가 설치되어 있다. 매칭 회로(43)는 고주파 발생기(44)와 원편파 변환기(42) 사이에 있어도 좋고, 원편파 변환기(42)와 레이디얼 안테나(30) 사이에 있어도 좋다. 이상의 원통 도파관(41)과 원편파 변환기(42)와 매칭 회로(43)와 고주파 발생기(44)에 의해서 레이디얼 안테나(30)에 TE11 원편파 급전하는 급전 수단이 구성된다.
다음에, 레이디얼 안테나(30)의 구성에 관해서 더 설명한다.
레이디얼 안테나(30)는 레이디얼 도파로(33)를 형성하는 서로 평행한 2장의 원형 도체판(31, 32)과, 이들 도체판(31, 32)의 외주부를 접속하여 실드하는 도체링(34)으로 구성되어 있다. 도체판(31, 32) 및 도체링(34)은 구리 또는 알루미늄 등의 도체로 형성되어 있다.
레이디얼 도파로(33)의 상면이 되는 도체판(32)의 중심부에는 레이디얼 도파로(33) 내에 전자계(F)를 도입하는 도입구(35)가 형성되고, 이 도입구(35)에 전술한 원통 도파관(41)이 접속되어 있다.
레이디얼 도파로(33)의 내부에 있어서, 도체판(31)의 중심부에는 도입구(35)를 향해서 돌출하는 원추 부재(37)가 설치되어 있다. 이 원추 부재(37)도 도체판(31, 32) 등과 동일한 도체로 형성되어 있다. 이 원추 부재(37)에 의해 원통 도파관(41)을 전파하여 온 전자계(F)를 레이디얼 도파로(33) 내로 양호하게 도파할 수 있다.
레이디얼 도파로(33)의 하면이 되는 도체판(31)에는 레이디얼 도파로(33) 내를 전파하는 전자계(F)를 처리 용기(11) 내에 공급하는 슬롯(36)이 복수개 형성되어 있다. 이 도체판(31)이 레이디얼 안테나(30)의 방사면을 구성한다.
여기서는 레이디얼 안테나(30)의 직경을 레이디얼 안테나(30)의 내부, 즉 레이디얼 도파로(33) 내에서의 전자계의 관내 파장(λg)의 8배로 한다.
도 2는 도 1에 도시하는 II-II선 방향에서 본 레이디얼 안테나(30)의 평면도이다.
레이디얼 안테나(30)의 방사면에 형성된 슬롯(36)은 방사면의 중심부(O)로부터 주연부를 향하는 소용돌이 권선(나선이라고도 함) 위에 배치되어 있다. 회전 모드로 전자계를 공급하는 경우, 소용돌이 권선의 회전 방향은 레이디얼 안테나(30) 내의 전자계의 회전 방향과 동일한 방향으로 한다. 또, 슬롯(36)의 형상은 곡선형이어도 좋고, 직선형이어도 좋다.
도 2에 도시한 소용돌이 권선은 소위 아르키메데스의 소용돌이 권선이며, 극좌표(r, θ)로 나타내면,
r = aθ···(3)
이 된다. a는 정수이며, 여기서는 a = λg/π로 하고 있다. λg는 레이디얼 안테나(30) 내에서의 전자계의 관내 파장이다. 소용돌이 권선 위의 일점 Q1로부터 소용돌이 권선 위를 1회전(2π)했을 때의 점을 Q2로 하고, 점 Q1과 점 Q2의 간격을 소용돌이 권선의 간격(d)이라 정의하면, 이 소용돌이 권선의 간격(d)은 2λg가 되고 있다.
도 3a는 레이디얼 안테나(30)의 내부, 즉 레이디얼 도파로(33) 내의 전계의 상태를 도시한 도면으로서, 어느 시점에서의 전계의 파면을 도시하는 개념도이다. 도 3b는 레이디얼 안테나(30)의 내부, 즉 레이디얼 도파로(33) 내의 전계의 상태를 도시한 도면으로서, 레이디얼 도파로(33)의 반경 방향의 전계의 파형을 도시한 도면이다. 도 3c는 레이디얼 안테나(30)의 내부, 즉 레이디얼 도파로(33) 내의 전계의 상태를 도시한 도면으로서, 레이디얼 도파로(33)의 주위 방향의 전계의 파형을 도시한 도면이다.
레이디얼 안테나(30)에 TE11 원편파 급전하면, 레이디얼 안테나(30) 내의 전계는 도 8a 내지 8c에 도시한 바와 같이, 반경 방향에는 파장 λg의 정재파가 되고, 주위 방향에는 진행파가 되어 급전 주파수와 동일한 주파수로 회전한다.
따라서, 간격(d) = 2λg의 소용돌이 권선 위를 점 Q1로부터 점 Q2까지 1회전했을 때의 전자계의 위상 변화는 주위 방향의 위상 변화 2π(라디안)와 반경 방향의 위상 변화 2 ×2π(라디안)의 합으로부터 6π(라디안)가 된다. 따라서, 간격(d) = 2λg의 소용돌이 권선 위에 슬롯(36)을 배치함으로써, 진행파가 1회전하는 1주기 당의 각 슬롯(36)에 있어서의 위상 변화는 6π(라디안)가 된다.
종래와 같이 슬롯(136)을 동심원 상에 배치한 경우, 1주기 당의 각 슬롯(136)에 있어서의 전자계의 위상 변화는 주위 방향의 위상 변화 2π(라디안)뿐이기 때문에, 간격(d) = 2λg의 소용돌이 권선 위에 슬롯(36)을 배치함으로써, 상기 위상 변화가 3배가 되게 된다. 따라서, 1주기 당의 전자계의 위상 변화에 비례하는 파수(k)도 3배가 된다. 파수(k)는 비유전률(ε1)의 평방근에 비례하기 때문에, 파수(k)가 3배가 됨으로써 안테나(30) 내의 비유전률(ε1)도 외관상 9배가 된다.
처리 용기(11) 내에 생성된 플라즈마(P) 내의 비유전률을 ε3이라고 하면, 플라즈마(P)의 표면의 법선 방향에 대한 전자계(F)의 입사 각도(θ)는 상기 (1)식과 같이 된다. 따라서, 전술한 바와 같이 슬롯(36)을 소용돌이 권선 위에 배치하고, 안테나(30) 내의 비유전률(ε1)을 외관상 크게 함으로써, 플라즈마(P)에의 전자계(F)의 입사 각도(θ)를 크게 할 수 있다. 이에 따라, 플라즈마(P)에 의한 전자계(F)의 흡수 효율이 커지기 때문에, 종래보다도 효율적으로 플라즈마를 생성할 수 있다.
도 4는 전자계(F)의 입사 각도(θ)의 반경 방향 변화를 도시한 도면이다. 급전 주파수는 2.45 GHz이며, 플라즈마(P) 내의 비유전률(ε3)의 평균값을 0.5로 했다. 횡축은 처리 용기의 중심축으로부터의 반경 방향의 거리(r)[cm], 종축은 플라즈마(P)에의 전자계(F)의 입사 각도(θ)[°]이다. 점선은 도 6, 도 7에 도시한 레이디얼 안테나(130)에 원편파 급전했을 때의 입사 각도(θ)이며, 실선은 도 1, 도 2에 도시한 레이디얼 안테나(30)를 원편파 급전했을 때의 입사 각도(θ)이다.
도 4로부터, 간격(d)=2λg의 소용돌이 권선 위에 슬롯(36)을 배치함으로써, r이 30 cm인 영역에서도 입사 각도(θ)는 15.7°로서, 충분히 큰 것을 알 수 있다. 따라서, 피처리체 기판(21)의 대구경화의 요구에 응하기 위해서, 처리 용기(11) 및 레이디얼 안테나(30)의 직경을 크게 하더라도 처리 용기(11)의 측벽에 가까운 영역에서의 플라즈마 생성 효율의 저하를 방지할 수 있다.
이상에서는, 도 2에 도시한 레이디얼 안테나(30)와 같이 하나의 소용돌이 권선 위에 슬롯(36)을 배치한 예를 이용하여 설명했지만, 도 5에 도시하는 레이디얼 안테나(30A)와 같이 방사면의 중심(O)의 주위에 등간격으로 위치하는 복수개의 소용돌이 권선 위에 슬롯(36)을 배치하도록 하더라도 좋다. 또, 각 소용돌이 권선의 간격(d)은 모두 d = 2λg이다. 이와 같이 복수개의 소용돌이 권선 위에 슬롯(36)을 배치함으로써, 방사면 상에 있어서의 슬롯(36)의 밀도가 커지기 때문에, 방사 효율을 향상시킬 수 있다.
복수개의 소용돌이 권선 위에 슬롯(36)을 배치하면, 방사면의 내측 영역(중심(O)에 가까운 영역)의 슬롯 밀도가 외측 영역(주연부에 가까운 영역)보다도 높아지게 되는 경향이 있다. 따라서, 내측 영역의 슬롯 밀도가 너무 높아지게 되는 경우에는, 내측 영역에도 슬롯(36)을 배치하는 소용돌이 권선과 내측 영역에는 슬롯(36)을 배치하지 않는 소용돌이 권선을 교대로 설치하도록 하더라도 좋다. 또는, 방사면의 내측 영역의 슬롯 길이를 상대적으로 짧게, 외측 영역의 슬롯 길이를 상대적으로 길게 하더라도 좋다.
또한, 슬롯(36)을 배치하는 소용돌이 권선의 간격(d)은 관내 파장(λg)의 대략 자연수 N배이면 좋다. 이에 따라, 플라즈마(P)에의 전자계(F)의 입사 각도(θ)가 레이디얼 안테나(30, 30A)의 반경 방향에서 일치하기 때문에, 레이디얼 안테나(30, 30A)에서 처리 용기(11) 내에 효율적으로 전자계(F)를 공급할 수 있다. 다만, 소용돌이 권선의 간격(d)은 엄밀히 N ×λg일 필요는 없고, 약 (N ±0.1) ×λg의 범위에서 허용된다. 또, 간격(d) = N ×λg의 소용돌이 권선 위에 슬롯(36)을 배치한 레이디얼 안테나에 원편파 급전한 경우, 1주기 당의 각 슬롯(36)에 있어서의 위상 변화는 (N+1) ×2π(라디안)가 된다.
N이 커지면, 레이디얼 안테나(30, 30A) 내의 외관상의 비유전률(ε1)도 커진다. 따라서, 레이디얼 안테나(30, 30A)에 원편파 급전하는 경우에는, N ≥2이면, 처리 용기(11) 및 레이디얼 안테나(30)의 직경을 크게 하더라도, 처리 용기(11)의 측벽에 가까운 영역에서의 플라즈마 생성 효율의 저하를 방지할 수 있다.
또한, 도 1에 도시한 에칭 장치에서는 원통 도파관(41)과 원편파 변환기(42)와 매칭 회로(43)와 고주파 발생기(44)로 이루어지는 급전 수단을 이용하여, 레이디얼 안테나(30)에 TE11 원편파 급전하도록 했지만, 레이디얼 안테나(30, 30A)에 회전 모드로 전자계를 급전하면 동일한 효과를 얻을 수 있다. 회전 모드로 전자계를 급전하는 다른 방법에는, 예컨대, 공동 내에서 TM11 모드의 전자계에 섭동을 부여하여 회전시키고, 그 회전시킨 전자계를 레이디얼 안테나(30, 30A)에 공급하는 방법 이 있다.
그러나, 반드시 레이디얼 안테나(30, 30A)에 회전 모드로 급전할 필요는 없다. 간격(d) = N ×λg의 소용돌이 권선 위에 슬롯(36)을 배치한 레이디얼 안테나(30, 30A)에 예컨대 동축 급전한 경우, 1주기 당의 각 슬롯(36)에 있어서의 위상 변화는 주위 방향의 위상 변화 2π(라디안)가 없어져, 반경 방향의 위상 변화 N ×2π(라디안)만이 된다. 따라서, 회전 모드로 급전하지 않더라도 슬롯(36)을 배치하는 소용돌이 권선의 간격(d)을 회전 모드로 급전한 경우보다도 λg만큼 크게 잡으면, 동일한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 레이디얼 안테나(30, 30A)에 회전 모드로 급전하지 않는 경우에는, N ≥3으로 함으로써 처리 용기(11) 및 레이디얼 안테나(30)의 직경을 크게 하더라도 처리 용기(11)의 측벽에 가까운 영역에서의 플라즈마 생성 효율의 저하를 방지할 수 있다.
또한, 도 2, 도 5에 도시한 레이디얼 안테나(30, 30A)에서는 모든 슬롯(36)의 길이 방향이 소용돌이 권선을 따르도록 배치되어 있지만, 「ハ」의 글자에 가까운 연장선 위에서 서로 직교하는 2개의 슬롯을 한 쌍으로 하는 여러 쌍의 슬롯을 간격(d) = N ×λg의 소용돌이 권선 위에 배치하도록 하더라도 좋다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 ECR(electron cyclotron resonance) 플라즈마 처리 장치에도 적용할 수 있다. 또한, 에칭 장치 외에도 플라즈마 CVD 장치 등에 이용할 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 처리 용기 내에 전자계를 공급하는 레이디얼 안테나의 슬롯을 레이디얼 안테나 내에서의 전자계의 파장의 대략 N배(N은 자연수)의 간격의 소용돌이 권선 위에 배치한다. 슬롯을 소용돌이 권선 위에 배치하면, 동심원 상에 배치한 경우와 비교하여, 전자계의 1주기 당의 각 슬롯에 있어서의 위상 변화가 커진다. 이 위상 변화에 비례하여 레이디얼 안테나 내의 비유전률도 외관상 커진다. 따라서, 플라즈마 표면의 법선 방향에 대한 전자계의 입사 각도를 크게 하여, 플라즈마의 생성 효율을 높일 수 있다. 또한, 슬롯이 배치되는 소용돌이 권선의 간격을 레이디얼 안테나 내에서의 전자계의 파장의 대략 N배(N은 자연수)로 함으로써 전자계의 입사 각도가 레이디얼 안테나의 반경 방향에서 일치하기 때문에, 레이디얼 안테나로부터 처리 용기 내로 효율적으로 전자계를 공급하여, 플라즈마의 생성 효율을 높일 수 있다.
또한, 레이디얼 안테나의 중심부에서 회전 모드로 전자계를 급전함으로써, 전자계의 1주기 당의 각 슬롯에 있어서의 위상 변화가 2π(라디안)만큼 커진다. 이에 따라, 레이디얼 안테나 내의 비유전률도 외관상 더욱 커지기 때문에, 플라즈마의 생성 효율을 더욱 높일 수 있다.
또한, 전자계를 회전 모드로 급전하지 않는 경우에는 N ≥3으로 하고, 전자계를 회전 모드로 급전하는 경우에는 N ≥2로 함으로써, 처리 용기 및 레이디얼 안테나를 대구경화한 경우라도 처리 용기의 측벽에 가까운 영역에서 충분한 플라즈마 생성 효율을 얻을 수 있다.
또, 이번 개시된 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아니라고 생각해야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 특허청구의 범위에 의해서 나타내어지고, 특허청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
본 발명은, ECR(electron cyclotron resonance) 플라즈마 처리 장치에도 적용할 수 있다. 또한, 에칭 장치 외에도 플라즈마 CVD 장치 등에 이용할 수도 있다.

Claims (8)

  1. 처리 용기(11) 내에 수용되어 피처리체(21)가 배치되는 적재대(22)와,
    방사면(31)에 슬롯(36)이 복수개 배치되어 상기 처리 용기(11) 내에 전자계를 공급하는 레이디얼 안테나(30, 30A)를 구비하며,
    상기 레이디얼 안테나(30, 30A)의 슬롯(36)은 상기 레이디얼 안테나(30, 30A) 내에서의 전자계의 파장의 (N±0.1)배(N은 자연수이고 2 이상임)의 간격의 소용돌이 권선 위에 배치되어 있는 것인 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, N은 3 이상인 것인 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 레이디얼 안테나(30, 30A)의 중심부에 접속되어 회전 모드로 전자계를 급전하는 급전 수단(43, 44)을 더 구비하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 삭제
  5. 방사면(31)에 복수개의 슬롯(36)이 배치된 레이디얼 안테나(30, 30A)로서, 상기 레이디얼 안테나(30, 30A) 내에서의 전자계의 파장의 (N±0.1)배(N은 자연수이고 2 이상임)의 간격의 소용돌이 권선 위에 상기 슬롯(36)이 배치된 상기 레이디얼 안테나(30, 30A)를 준비하는 공정과,
    처리 용기(11) 내에 피처리체(21)를 배치하고, 상기 레이디얼 안테나(30, 30A)의 방사면(31)에 복수개 배치된 상기 슬롯(36)으로부터 전자계를 상기 처리 용기(11) 내에 공급하고, 상기 처리 용기(11) 내에 생성된 플라즈마를 이용하여 상기 피처리체(21)에 대하여 처리를 행하는 공정을 구비한 플라즈마 처리 방법.
  6. 제5항에 있어서, N은 3 이상인 것인 플라즈마 처리 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 피처리체(21)에 대하여 처리를 행하는 공정은 상기 레이디얼 안테나(30, 30A)의 중심부에서 회전 모드로 전자계를 급전하는 공정을 포함하는 것인 플라즈마 처리 방법.
  8. 삭제
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