KR100770630B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안테나(32)로부터 고주파 투과창(3)까지의 영역을 둘러싸도록 유전 손실 또는 자기 손실이 큰 재료로 이루어진 전자파 흡수체(4)를 설치하여, 마이크로파의 반사를 억제시킴으로써 정재파(定在波)의 발생을 억제시키는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 제1 실시예를 나타낸 종단면도.

도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 처리 장치에 있어서의 전자파 흡수체의 배치의 일예를 나타낸 도면으로서, 도 1의 II-II 선을 따른 단면도에 나타나는 부재의 설명에 필요한 일부의 부재만을 표시한 도면.

도 3은 도 2에 도시된 전자파 흡수체의 배치를 상세히 나타낸 확대도.

도 4는 도 2에 도시된 전자파 흡수체의 변형예를 나타낸 횡단면도.

도 5는 도 2에 도시된 전자파 흡수체의 다른 변형예를 나타낸 도면으로서, 도 2와 동일한 시점에서의 도면.

도 6 내지 도 8은 도 2 및 도 3에 도시된 실시예의 작용 효과를 확인하기 위한 실험 결과를 나타낸 그래프.

도 9는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 제2 실시예를 나타낸 종단면도.

도 10은 도 9에 도시된 도전체의 배치를 나타낸 도면으로서, 도 9의 X-X 선을 따른 횡단면도.

도 11은 도 10에 도시된 도전체의 배치의 변형예를 나타낸 도 10과 동일한 시점에서의 횡단면도.

도 12는 도 9에 도시된 도전체와 플라즈마 발광 영역과의 위치 관계를 설명하는 도면.

도 13은 도 9에 도시된 플라즈마 처리 장치의 변형예를 나타낸 종단면도로서, 가스 공급부를 도전체로서 이용한 구성예를 나타낸 도면.

도 14는 도 13에 도시된 가스 공급부를 도 13에 나타낸 화살표 XIV 방향에서 본 저면도.

도 15는 도 9 및 도 10에 도시된 도전체의 배치의 변형예를 나타낸 횡단면도.

도 16은 도 15에 도시된 도전체의 배치의 변형예를 나타낸 횡단면도.

도 17은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 제3 실시예를 나타낸 종단면도.

도 18은 도 17에 도시된 도전막의 역할을 설명하는 도면.

도 19는 도 17에 도시된 적재대 상의 웨이퍼와 도전막 사이에 있어서의 전계 강도의 감쇠 특성을 설명하는 도면.

도 20은 도 17에 도시된 실시예의 변형예를 나타낸 도면.

도 21은 도 17에 도시된 실시예의 다른 변형예를 나타낸 도면.

도 22는 종래의 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 진공 용기

2 : 적재대

3, 91 : 마이크로파 투과창

4 : 전자파 흡수체

11 : 배기관

12 : 가스 공급부

32 : 안테나

34 : 직경 확장부

37, 93 : 마이크로파 전원부

51, 52 : 도전체

92 : 평면 슬롯 안테나

본 발명은 마이크로파 등의 고주파 에너지에 의해 플라즈마를 발생시키고, 그 플라즈마에 의해 반도체 웨이퍼 등의 피처리 기판에 대하여 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조 공정 중에 반도체 웨이퍼(이하, 웨이퍼라 함)에 대하여 플라즈마를 이용하여 처리를 실행하는 공정이 있다. 이러한 플라즈마 처리를 실행하기 위한 장치로서, 도 22에 도시된 바와 같은 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다. 이 장치는 웨이퍼(W)의 적재대(90)를 구비한 진공 용기(9)의 천정부 에 예컨대 석영으로 이루어진 마이크로파 투과창(91)을 설치함과 동시에, 이 마이크로파 투과창(91)의 상방에 평면 슬롯 안테나(92)를 설치하고, 마이크로파 투과창(91)의 상방측에 전자 실드 부재(96), 예컨대 진공 용기(9)의 상단에 연속하는 원통 부분을 설치하여 구성되어 있다. 그리고 마이크로파 전원부(93)로부터 마이크로파를 도파관(94)을 통해 상기 안테나(92)로 유도하고, 이 안테나(92)로부터 진공 용기(9) 내에 마이크로파를 공급하여 가스 공급부(95)로부터의 처리 가스를 플라즈마화하며, 그 플라즈마에 의해 예컨대 웨이퍼(W)의 표면에 박막 형성 또는 에칭 처리를 실시하도록 구성되어 있다.

이러한 장치에 있어서, 웨이퍼(W)에 대하여 면 내의 균일성이 높은 처리를 실행하기 위해서는 균일성이 높은 플라즈마를 생성할 필요가 있다. 플라즈마의 균일성을 좌우하는 요인의 하나로서 마이크로파의 전계 강도 분포가 있고, 일본 특허 공개 공보 평3-68771호에 개시된 마이크로파의 방사 분포(전계 강도 분포)는 안테나의 구조에 따라 임의로 변경할 수 있지만, 안테나에 주입되기 전에 정재파가 존재하면 정재파의 강약에 따라 마이크로파가 방사되기 때문에, 안테나의 직전 위치(마이크로파 전파로의 최종단)에 마이크로파 흡수체를 설치하여 정재파를 억제시키면 방사 분포가 균일하게 된다고 기재되어 있다.

그런데, 본 발명자는 안테나(92)에 금속 테이프를 접착하여 마이크로파의 방사 상태를 다양하게 변화시키고, 적재대(91)의 위치에 부착한 CCD 카메라에 의해 플라즈마를 관찰한 결과, 플라즈마의 밝기 분포 상태에 별로 변화가 없었다. 이 것 으로부터 안테나(92)에 의해 마이크로파의 전계 강도 분포를 조정할 수 있어도, 안테나(92)로부터 플라즈마 발광 영역까지의 사이에 전계 강도 분포가 흐트러지는 요인이 있다고 할 수 있다. 즉, 본 발명자는 안테나(92)로부터 전계 강도 분포가 균일한 마이크로파가 출력되고 있더라도, 안테나(92)로부터 시스 영역[플라즈마와 투과창(91)과 플라즈마 발광 영역의 사이에 있어서의 발광이 보이지 않는 영역]까지의 사이에 정재파가 발생하고 있다고 하는 시험 결과를 얻었다. 정재파는 가로 방향으로 넓어지는, 말하자면 횡파로서 마이크로파 전파 공간이 커지면 측벽 부분으로부터의 전자파의 반사 등에 기초하여 발생하는 것으로 알려져 있다. 이 때문에 이 정재파에 대응하여 마이크로파의 전계 분포의 균일성이 악화되고, 플라즈마의 형성 방법에 강약이 발생하여 면 내의 균일성이 높은 처리가 곤란하게 되는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 안테나와 플라즈마 발광 영역의 사이에 있어서 정재파의 발생을 억제시키고, 균일성이 높은 플라즈마를 발생시켜 균일성이 높은 처리를 실행할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명은 고주파 전원부로부터 평면형 안테나 및 고주파 투과창을 통하여 진공 용기 내에 플라즈마 생성용 고주파를 공급하고, 진공 용기 내에 공급된 처리 가스를 고주파 에너지에 의해 플라즈마화하여, 그 플라즈마에 의해 진공 용기 내의 적재대에 적재된 기판에 대하여 처리를 실행하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 정 재파의 발생을 억제시키도록 구성한 것이다.

본 발명의 특징은 상기 고주파 투과창의 진공 분위기측의 한 면에서 안테나에 이르기까지의 영역의 측면 둘레부를 둘러싸도록 전자파 흡수체를 설치한 데에 있다. 이 경우, 전자파 흡수체는 둘레 방향으로 서로 공간부를 두고 복수개로 분할되는 것이 바람직하고, 각 전자파 흡수체의 둘레 방향의 길이 및 공간부의 둘레 방향의 길이는 그 부위에서의 고주파의 파장을 λg라고 하면 λg/2보다도 작은 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 특징은 상기 고주파 투과창과 플라즈마 발광 영역의 사이에서부터 고주파 투과창의 안테나측의 한 면에 이르기까지의 영역을 정재파의 발생을 억제시키기 위해 도전체에 의해 고주파의 전파 방향과 직교 방향으로 분할하는 데에 있다. 이 경우, 상기 도전체의 적재대측의 단부는 플라즈마 발광 영역을 침입하고 있는 것이 바람직하고, 그 침입량은 5 내지 10 mm로 하는 것이 적합하다.

상기 도전체는 중앙부가 원형 또는 링형으로 형성된 제1 도전체와, 이 제1 도전체의 외측에 제1 도전체와 동심원형으로 설치된 링형의 제2 도전체를 포함하는 것이 적합하다. 서로 직경 방향으로 인접하는 제1 및 제2 도전체의 직경 방향의 이격 거리(R2)는 고주파의 파장을 λ라고 하면 λ/2 ≤R2 ＜ λ로 하는 것이 적합하다. 또한, 제1 도전체의 내경(R1)은, 예컨대 λ/2 ≤R1 ＜ λ로 하는 것이 적합하다. 또한, 방사형으로 연장되는 도전체를 복수개 설치하여 상기 영역을 둘레 방향으로 분할하여도 좋다. 상기 도전체를 설치하는 영역은 예컨대 고주파 투과창만이어도 좋고, 이 경우 고주파 투과창이 도전체에 의해 분할된다. 또한, 그 영역은 예 컨대 고주파 투과창과 플라즈마 발광 영역의 사이라도 좋고, 이 경우 도전체는 처리 가스를 적재대 상의 기판에 공급하기 위한 가스 공급부를 겸용하고 있어도 좋다.

도 1은 본 발명의 플라즈마 처리 장치의 실시예를 도시하는 단면도이다. 이 플라즈마 처리 장치는 알루미늄으로 제조된 원통형의 진공 용기(1)를 구비하고 있다. 진공 용기(1)에는 웨이퍼(W), 즉 기판의 적재대(2)가 설치되어 있다. 진공 용기(1)의 저부에는 진공 배기를 실행하기 위한 배기관(11)이 접속되고, 또한 진공 용기(1)의 측벽에는 가스 공급부(12)가 설치되어 있다. 적재대(2)에는 예컨대 13.56 MHz의 바이어스 전원부(21)에 접속된 바이어스 인가용 전극(22)이 매설되어 있다. 또한, 적재대(2)에는 도시하지 않은 온도 조정부가 설치되어, 이것에 의해 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 조정할 수 있다. 진공 용기(1)의 천정부에는 유전체, 예컨대 석영 또는 세라믹스(Al₂O₃ 또는 AlN)로 이루어진 마이크로파 투과창(3)이 그 하방측의 영역을 진공 분위기로 할 수 있도록, 시일재(3a)에 의해 기밀하게 밀봉하여 배치되어 있다. 마이크로파 투과창(3)의 상방에는 다수의 슬롯(31)이 형성된 평면형 안테나(32)가 상기 투과창(3)에 대향하여 설치되어 있다.

안테나(32)의 중앙부에는 도파로인 동축 도파관(33)의 축부(33a)의 일단이 접속되어 있다. 동축 도파관(33)의 외측관(33b)의 하단부는 외측으로 절곡되어져 확대되고, 더 아래쪽으로 굴곡하여 평평한 통형의 직경 확장부(34)를 이루고 있다. 동축 도파관(33)의 타단부의 측면에는 도파로인 단직경 형상의 도파관(35)의 일단 이 접속되어 있고, 이 단직경 형상의 도파관(35)의 타단부에는 임피던스 정합부(36)를 통해 마이크로파 전원부(37)가 설치되어 있다.

마이크로파 투과창(3)의 주위에는 진공 용기(1)의 상부에 연속하는 전자 실드 부재에 해당하는 원통부(23)가 설치되어 있다. 원통부(23)의 상부는 직경 확장부(34)의 상면 레벨에 위치하고 있고, 그 속에 직경 확장부(34)가 수납되어 있다. 원통부(23)의 내주면에는 마이크로파를 흡수하는 전자파 흡수체(4)가 적층되어 있다. 전자파 흡수체(4)는 마이크로파의 반사를 억제하여 정재파가 형성되는 것을 억제한다. 전자파 흡수체(4)로서는, 예컨대 카본 등을 포함하는 저항체나 물 등의 유전 손실이 큰 유전체 예컨대 니콜라이트(일본 고주파 주식회사 제품의 상품명)를 이용할 수 있고, 또는 페라이트(ferrite)계 세라믹스 등의 자성체를 이용하여도 좋거나 또는 이들의 조합이어도 좋다. 물을 전자파 흡수체(4)로서 이용하는 경우에는 원통부(23)의 내주면에 마이크로파 전파 영역을 둘러싸도록 통 형상의 재킷부를 형성함과 동시에 마이크로파 전파 영역측을 예컨대 유리판으로 구성하고, 재킷부 속에 물을 통과시키도록 하면 좋다.

다음에, 작용에 대해서, 기판 상에 폴리실리콘막을 형성하는 경우를 예로 들어 설명한다. 우선 도시하지 않은 게이트 밸브를 개방하여 도시하지 않은 반송 아암에 의해 웨이퍼(W)를 적재대(2) 상에 얹어 놓는다. 이어 상기 게이트 밸브를 폐쇄한 후, 진공 용기(1) 내부를 배기하여 소정의 진공도까지 환기시키고, 가스 공급부(12)로부터 박막 형성 가스(예컨대, SiH₄ 가스)와, 캐리어 가스(예컨대, Ar 가스) 를 진공 용기(1) 내에 공급한다. 그리고, 마이크로파 전원부(37)로부터 예컨대 2.45 GHz, 2.5 kw의 마이크로파를 출력함과 동시에 바이어스 전원부(21)로부터 적재대(2)에 예컨대 13.56 MHz, 1.5 kw의 바이어스 전력을 인가한다.

마이크로파 전원부(37)로부터의 마이크로파는 도파관(35, 33)을 통해 직경 확장부(34) 내에 전파되고, 안테나(32)의 슬롯(31)을 통과하여 진공 용기(1) 내에 공급되며, 이 마이크로파에 의해 처리 가스가 플라즈마화된다. 그리고, SiH₄ 가스가 전리(電離)하여 생성된 활성종(活性種)이 웨이퍼(W)의 표면에 부착되어 폴리실리콘막이 형성된다.

여기서 안테나(32)로부터 방사된 마이크로파에 있어서, 마이크로파 투과창(3)의 하면(진공 분위기측의 한 면)에 도달할 때까지 정재파(횡파)가 형성되더라도, 마이크로파의 전파 공간이 전자파 흡수체(4)에 의해 둘러싸여 있기 때문에, 마이크로파가 이 전자파 흡수체(4)에 의해 흡수되고, 이 때문에 정재파의 발생이 억제된다.

따라서, 정재파의 발생이 억제된 상태에서 마이크로파가 마이크로파 투과창(3)을 투과하여 진공 용기(1) 내에 도입되기 때문에 정재파에 의한 전계 강도 분포의 영향이 적어지고, 이 결과 플라즈마 밀도가 균일하게 되며, 웨이퍼(W)에 대하여 면 내의 분포가 균일한 플라즈마 처리, 이 실시예에서는 박막 형성 처리를 실행할 수 있다.

안테나(32)로부터 방사된 마이크로파가 진공 용기(1) 내에서 플라즈마를 발 생시키는 것에 도달할 때까지의 영역에서의 정재파의 발생을 억제시킨다고 하는 목적을 감안하면, 전술한 예와 같이 안테나(32)에서부터 마이크로파 투과창(3)의 하면에 이르기까지의 영역 전체를 전자파 흡수체(4)로 둘러싸는 것이 바람직하지만, 높이 방향(마이크로파의 전파 방향)에 있어서의 일부 영역, 예컨대 안테나(32)와 마이크로파 투과창(3) 사이의 공간만을 전자파 흡수체(4)로 둘러싸도록 해도 좋고, 마이크로파 투과창(3)만을 둘러싸도록 해도 좋다.

전자파 흡수체(4)는 안테나(32)에서부터 마이크로파 투과창(3)의 하면에 이르기까지의 영역의 측면 둘레부의 전체 둘레에 걸쳐 설치하여도 좋지만, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 전자파 흡수체(4)를 둘레 방향으로 서로 공간부(41)를 두고, 즉 간극을 통해 복수개로 분할하여도 좋다.

이하, 이와 같은 구성의 착안점 및 작용 효과에 대해서 설명한다. 본 발명자는 도파관(33)의 외측관(33b)의 도중에 도파관을 분기시켜 여기에 프로브를 설치하고, 안테나(32)측으로부터의 반사파를 검출한 결과, 전자파 흡수체(4)를 설치함으로써 전자파 흡수체(4)를 전혀 설치하지 않은 경우에 비하여 반사파가 억제되는 것을 파악하고 있다. 이것은 전자파 흡수체(4)를 설치함으로써 안테나(32)에서부터 마이크로파 투과창(3)의 하면에 이르기까지의 영역에서의 가로 방향의 정재파(횡파)가 억제되고 있는 것에 대응하고 있는 것으로 알려져 있다.

한편, 전자파 흡수체(4)에 의해 마이크로파의 반사를 억제할 수 있지만, 마이크로파가 공간으로부터 전자파 흡수체(4)에 부딪힐 때에 마이크로파가 전파되고 있는 영역의 임피던스가 급격히 변화하게 된다. 예컨대 전자파 흡수체(4)로서 전술 한 니콜라이트를 이용했다고 하면, 이 재질은 비유전율(ε)이 대략 9이기 때문에 공간에 대한 전자파 흡수체(4)의 임피던스 비는 1/ε^1/2, 즉 1/3로 감소하게 된다. 이 때문에 유전율이 급격히 변화하는 매질의 경계에서 마이크로파의 일부가 반사되어 버린다는 것으로 알려져 있다.

그래서 전자파 흡수체(4)를 분할하여 그 사이에 공간부를 형성하면, 횡파에서 관찰하면 유전율이 급격히 변화하는 것이 아니라 완만하게 변화한다고 할 수 있다.

여기서, 전자파 흡수체(4)와 이것에 인접하는 전자파 흡수체(4) 및 공간부(41)는 상하 방향으로 두께를 갖는 커패시터와 등가인 것으로 받아들일 수 있다. 이 때문에, 이 커패시터의 비유전율(εr)은 도 3에 도시된 바와 같이 서로 인접하는 전자파 흡수체(4) 및 공간부(41)의 횡단면적의 합계에 대한 전자파 흡수체(4)의 횡단면적의 비율[전자파 흡수체(4)의 점유율]을 x라고 하고, 전자파 흡수체(4) 및 공간부(41)의 비유전율(εr)을 각각 εr1, εr2라고 하면, 커패시터의 비유전율(εr) 즉 전자파 흡수체(4) 및 공간부(41)를 합한 전자파 흡수부의 비유전율(εr)은 이하의 수학식 1과 같다.

εr = εr1·x ＋ εr2·(1－x)

이와 같이 전자파 흡수체(4)를 추출하면, 횡파에서 관찰하면 전술한 전자파 흡수부의 유전율이 완만하게 변화하기 때문에, 즉 임피던스가 완만하게 변화하기 때문에 반사파가 적어지고, 결과적으로 안테나(32)의 하방측 공간의 마이크로파의 흐트러짐이 적으며, 가로 방향으로 관찰하였을 때에 균일성이 높은 플라즈마를 얻을 수 있다.

이 경우, 전자파 흡수체(4)의 둘레 방향의 길이 L1 및 공간부(41)의 길이 L2는 모두 마이크로파의 파장을 λg라고 하면, λg/2보다도 작은 것이 바람직하다. 그 이유에 대해서는 만일 L1이 λg/2보다도 크면, 횡파의 1/2 파장분이 전자파 흡수체(4)에 부딪쳐서 급격히 임피던스가 변화하기 때문에 반사될 확률이 높아지고, L2가 λg/2보다도 크면, 횡파의 1 파장분이 공간부(41)를 빠져나가 그 외측의 알루미늄 원통부(23)에 부딪혀 반사되어 버리고, 결과적으로 반사파가 많아지기 때문이다. 또, L1, L2는 이들이 너무 작으면 제작 비용이 증가하기 때문에 λg/4보다 크게 하는 것이 바람직하다.

전자파 흡수체(4)의 횡단면 형상은 도 2 및 도 3에 도시된 것에 한정되지 않고, 도 4에 도시된 바와 같이 내측을 향하여 횡폭(둘레 방향의 길이)이 변화되는 형상으로 하여도 좋다. 즉, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같은 오각형, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같은 삼각형, 또는 도 4의 (c)에 도시된 바와 같은 원호형의 윤곽을 갖는 단면 형상으로 하여도 좋다. 이와 같이 구성하면, 횡파에서 관찰하면 각 전자파 흡수체(4)의 유전율이 서서히 변화되기 때문에 보다 효과적으로 횡파의 반사를 억제할 수 있다.

또한, 전자파 흡수체(4)를 전체 둘레에 걸쳐 설치하는 경우에도, 도 5에 도시된 바와 같이 전자파 흡수체(4)의 내주측에 내측을 향하여 폭이 감소해 가는 복 수개의 돌기를 설치함으로써 도 4에 도시된 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

여기서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전자파 흡수체(4)를 복수 분할하여 전자파 흡수체(4) 사이에 공간부(41)를 설치한 경우에 있어서의 마이크로파의 동작을 평가하는 실험 결과에 대해서 설명한다. 이 실험은, 도 1의 장치에 있어서 안테나(31)와 투과창(3) 사이에 있어서의 영역의 측면 둘레부에 횡폭(둘레 방향의 길이)이 2 cm, 세로의 길이가 대략 4.5 cm, 두께 1 cm의 직방체 형상의 니콜라이트로 이루어진 유전체를 둘레 방향을 따라 간격을 두고 배열하여 전자파 흡수체(4)의 점유율 x를 0%(전자파 흡수체를 이용하지 않음), 33 %[서로 인접하는 전자파 흡수체(4)의 간격이 4 cm], 67 %[서로 인접하는 전자파 흡수체(4)의 간격이 1 cm]의 3 가지로 설정하여 실행하였다.

각각의 조건 하에서 프로브를 이용하여 이온 포화 전류를 측정한 결과, 도 6 내지 도 8에 도시된 결과를 각각 얻을 수 있다. 측정은 프로브(1)를 원통체(23)의 중심부, 프로브(2)를 프로브(1)로부터 반경 방향 외측으로 3 cm 떨어진 위치, 프로브(3)를 프로브(1)로부터 반경 방향 외측으로 12 cm 떨어진 위치에 각각 배치하고, 프로브(1∼3)를 동일한 방향으로 향하여 그 방향을 순차 변화시켜서 실행하고 있다. 따라서, 도 6 내지 도 8의 그래프로부터, 프로브(1∼3)의 검출 전류치의 차이(3 개의 선의 차이)는 직경 방향의 전류 밀도의 분포 상황에 대응하고 있고, 플라즈마의 직경 방향의 밀도 분포의 지표가 된다. 도 6 내지 도 8의 그래프로부터, 전자파 흡수체(4)의 점유율 x가 0 % 즉 전자파 흡수체(4)를 설치하지 않는 경우에 비하여 전자파 흡수체(4)를 간격을 두고 설치하는 경우 쪽이 전류 밀도의 분포의 균일성이 높다고 할 수 있다.

또한, 상기의 설명은 안테나(31) 및 고주파 투과창(3)이 함께 원형인 경우를 예로 들고 있으며, 그것들의 주위에 전자파 흡수체(4)를 원형으로 배치한 실시예에 입각하여 실행하였지만, 기판이 원형의 웨이퍼(W)가 아니라 예를 들어 직사각형의 LCD 기판인 경우에는 안테나(31) 및 고주파 투과창(3)이 직사각형으로 형성되는 경우도 있다. 이와 같은 경우에는 전자파 흡수체(4)는 안테나(31) 및 고주파 투과창(3)의 형상을 따라 그것들의 주위에 대략 직사각형상으로 배치하여도 좋고, 이 경우에도 상기와 대략 동일한 작용 효과가 얻어진다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 이 예에서는, 마이크로파 투과창(3) 내에 소직경의 링형 제1 도전체(51) 및 대직경의 링형 제2 도전체(52)를 적재대(2) 상의 웨이퍼(W)의 중심축을 중심으로 하여 동심원형으로 설치하고, 이것에 의해 마이크로파 투과창(3)을 마이크로파의 전파 방향과 직교하는 방향, 이 예에서는 수평 방향으로 동심원형으로 분할하고 있다. 도전체(51, 52)는 마이크로파 투과창(3)의 상면에서 하면까지 관통하도록 설치되고, 그 재질로서는 예컨대 알루미늄 등을 이용할 수 있다. 마이크로파 투과창(3)을 동심원형으로 분할한다고 하는 것은 중심부가 원형 또는 링형 영역이며, 또한 그 외측이 링형 영역이라는 의미이다. 또한, 분할된 영역(A1, A2)의 직경 방향의 길이(R1, R2)는 대략 마이크로파의 반파장(λ/2)의 길이로 설정되어 있다.

이 경우, 마이크로파의 세로 방향의 파는 도전체(51, 52)로 분할된 영역을 통과하지만, 분할 영역의 직경 방향의 길이가 λ/2로 설정되어 있기 때문에, 횡파 가 형성되려고 해도 양측에 도전체(51, 52)가 있기 때문에 형성되기 어렵다. 즉, 정재파의 발생이 억제된다. 정재파를 형성하기 어렵게 하기 위해서는 상기 R1, R2는 각각 λ/2≤R1＜λ, λ/2≤R2＜λ인 것이 바람직하다. 마이크로파의 주파수가 2.45 GHz인 경우 λ은 대략 12 cm이고, 도전체(52)의 직경은 대략 18 cm이다. 또, 20 cm 사이즈의 웨이퍼(W)를 처리하는 경우, 도전체(52)의 외측으로부터 예컨대 λ/2 내지 λ 정도의 거리에 원통부(23)가 존재하기 때문에, 도전체(52)보다도 외측의 창 부분에 있어서도 정재파가 형성되기 어렵다. 따라서, 마이크로파의 전계 강도의 균일성이 높기 때문에, 결과적으로 면 내의 균일성이 높은 처리를 웨이퍼(W)에 실시할 수 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 제1 도전체(51)와 제2 도전체(52) 사이에 방사형으로 복수개의 도전체(53)를 설치하여 둘레 방향으로 영역을 분할하여도 좋다. 더욱이, 제2 도전체(52)의 외측 영역에 방사형으로 복수개의 도전체(54)를 설치하여 둘레 방향으로 영역을 분할하여도 좋다. 이 경우 분할 영역의 크기에 대해서는 직경 방향의 중점[예컨대 도전체(53)의 중점]을 통과하는 둘레 방향의 길이 S[도전체(51)를 이루는 원의 중심을 중심으로 하고, 상기 중점을 반경으로 했을 때의 원호의 길이]가 λ/2≤S＜λ인 것이 바람직하고, 이러한 구성에 따르면 둘레 방향으로 형성되려고 하는 정재파의 발생을 억제시킬 수 있다는 이점이 있다.

여기서, 도전체(51∼54)의 하단부는 도 12의 (a)에 도시된 바와 같이 플라즈마 발광 영역(P)을 침입하고 있는 것이 바람직하다. 도 12의 (a)에 있어서 점선으로 그 경계가 표시되는 플라즈마 발광 영역(P)은 마이크로파 투과창(3)의 하면보다 도 약간 하방측, 예컨대 5 내지 10 mm 정도 하방측에 존재하며, 그 사이의 영역은 시스 영역(100)으로 되어 있다. 여기서, 예컨대 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이 도전체(51∼54)의 하단부를 플라즈마 발광 영역(P)의 상면과 거의 동일한 위치로 설정하면, 횡파가 도전체(51∼54)의 하측의 시스 영역을 통과하여 결과적으로 정재파가 발생하게 된다. 이것에 대하여 도전체(51∼54)의 하단부가 플라즈마 발광 영역(P)을 침입하게 되면, 플라즈마 발광 영역(P)의 상면에 단차가 생기기 때문에 횡파가 통과하기 어렵게 되고, 즉 전파 효율이 악화되어 정재파가 형성되기 어렵게 된다. 또, 도전체(51∼54)의 플라즈마 발광 영역(P)으로의 침입량(d)은 5 내지 10 mm 정도로 하는 것이 적합하다.

도 13 및 도 14는 본 발명의 또다른 실시예를 도시한 도면으로서, 이 실시예에서는 마이크로파 투과창(3)의 하면(진공 분위기측의 한 면)과 플라즈마 발광 영역 사이(시스 영역)에 도전체 예컨대 알루미늄으로 이루어진 가스 공급부(6)가 설치되어 있다. 가스 공급부(6)는 적재대(2) 상의 웨이퍼(W)의 중심축[진공 용기(1)의 중심축]을 축으로 하여 제1 도전체에 해당하는 원형 부분(61)과, 이 원형 부분(61)의 외측에 원형 부분(61)과 동심원형으로 설치된 제2 도전체에 해당하는 링형 부분(62)과, 원형 부분(61)과 링형 부분(62) 사이에 직경 방향으로 신장하는 4 개의 지지관(63)을 구비하고 있다.

원형 부분(61) 및 링형 부분(62)은 내부에 가스 유로가 형성되어 있고, 이들 가스 유로는 도전체로 이루어진 지지관(63)의 내부 공간을 통해 연결되어 통하고 있다. 원형 부분(61) 및 링형 부분(62)의 하면측에는 다수의 가스 토출 구멍(64)이 형성되고, 가스 유로를 통과한 처리 가스가 가스 토출 구멍(64)으로부터 진공 용기(1) 내에 공급된다. 원형 부분(61)의 상면에는 도전체로 이루어진 가스 도입관(65)이 수직으로 접속되어 있고, 이 가스 도입관(65)은 마이크로파 투과창(3) 및 안테나(32)를 관통하며, 내측관(33a) 속을 통과하여 도파관(35)을 통해 외부로 신장하고, 도시하지 않은 가스 공급원에 접속되어 있다.

원형 부분(61)은 마이크로파 투과창(3)을 관통하는 구조라도 좋고, 더욱이 안테나(32)의 하면에 접속된 구조라도 좋다. 또한, 원형 부분(61) 대신에 링형을 이용하여도 좋고, 그 경우 이들의 내경은 λ/2≤내경＜λ의 크기인 것이 바람직하다. 또한, 가스 도입관(65)을 이용하는 경우, 마이크로파에서 관찰하면 가스 도입관(65)과 축부(33a)가 동축 도파관이 되고, 이 사이를 마이크로파가 전파되기 때문에, 예컨대 안테나(32)와 투과창(3) 사이에 있어서, 축부(33a)의 내경보다도 큰 직경으로 가스 도입관(65)을 실드 부재로 둘러싸도록 하는 것이 바람직하다.

플라즈마 발생시에는 시스 영역은 예컨대 마이크로파 투과창(3)의 하면에서 1 cm 하방 정도까지 존재하고, 가스 공급부(6)는 이 시스 영역이 형성되는 영역 내에 수납되는 크기로 구성되어 있다. 가스 공급부(6)는 시스 영역에서 정재파가 발생하는 것을 억제시키기 위해서 원형 부분(61) 및 링형 부분(62)에 의해 마이크로파의 전파 영역을 분할하고, 이 때문에 원형 부분(61)과 링형 부분(62)과의 직경 방향의 이격 거리(Q)는 λ/2≤Q＜λ의 크기로 설정되어 있다.

플라즈마 발광 영역에서의 웨이퍼(W)와 평행한 면의 방향의 플라즈마 밀도 분포(활성 입자의 밀도 분포)는 플라즈마 발광 영역에 도달하기 직전의 마이크로파 의 전계 강도 분포에 크게 의존하기 때문에, 시스 영역에서 정재파의 발생을 억제시키는 것은 플라즈마 밀도의 균일성을 높이는 데에 있어서 유효하다. 또한, 상술한 바와 같이 가스 공급부(6)를 구성함으로써 진공 용기(1) 내부로의 마이크로파(종파)의 도입을 방해하지 않고 넓은 범위에 걸쳐 처리 가스를 웨이퍼(W)에 공급할 수 있고, 이 점으로부터도 웨이퍼(W)에 대한 플라즈마 처리에 관한 높은 면 내의의 균일성을 얻을 수 있다.

이미 기술한 이유로부터, 가스 공급부(6)의 하단측은 플라즈마의 발광 영역 내로 다소 들어가 있는 것이 바람직하다. 또한, 시스 영역을 분할하는 도전체에 가스 공급부의 기능을 갖게 하지 않아도 좋고, 예컨대 마이크로파 투과창(3)의 하면에 예컨대 도전체를 이루는 금속 테이프를 접착하여 마이크로파 전파 영역을 이미 기술한 바와 같이 분할하여도 좋다. 더욱이, 본 발명에서는 도 1과 같이 전자파 흡수체(4)를 이용하는 구성, 마이크로파 투과창(3)에 도전체(51, 52, 53, 54)를 설치하는 구성, 시스 영역에 도전체를 설치하는 구성의 2 개 이상을 조합시켜도 좋다.

상기 실시예는 처리 대상 기판이 웨이퍼(W)인 경우뿐만 아니라 액정 모니터용 유리 기판 상에 플라즈마 처리를 실시하는 경우에도 적용할 수 있다. 이 경우에는 진공 용기(1)를 사각형 모양으로 형성하고, 예컨대 도 7에 도시된 바와 같이 마이크로파 투과창(3)을 복수개의 도전체(55)에 의해 X 방향으로 분할하여도 좋거나 또는 복수개의 도전체(55, 56)에 의해 도 8에 도시된 바와 같이 X, Y 방향으로 분할하여도 좋다. 이 경우 서로 인접하는 도전체(55, 56)의 이격 거리(B1, B2)는 λ/2≤B1(B2)＜λ인 것이 바람직하다.

또, 처리 가스를 플라즈마화하기 위한 전원부로서는 마이크로파 전원부에 제한하지 않고 RF 전원부나 UHF 전원부라도 좋으며, 본 명세서에서는 이들을 고주파 전원부로서 취급하고 있다. 또한, 플라즈마를 생성하는 수법은, 예컨대 마이크로파와 자장에 의해 전자 사이클로트론 공명을 일으켜 처리 가스를 플라즈마화하는 방법이어도 좋다. 게다가, 상기 실시예는 박막 형성 처리에 제한하지 않고 에칭이나 애싱 처리를 행하는 경우에 적용하여도 좋다.

도 17은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 또 다른 실시예를 도시하는 단면도이다. 이 플라즈마 처리 장치는 예컨대 알루미늄으로 제조된 원통형 진공 용기(101)를 구비하고 있고, 이 진공 용기(1)에는 기판인 웨이퍼(W)의 적재대(102)가 설치되는 동시에 저부에는 진공 배기를 실행하기 위한 배기관(111)이 접속되며, 또한 예컨대 측벽에는 가스 공급부(112)가 설치되어 있다. 적재대(102)에는 예컨대 13.56 MHz의 바이어스 전원부(121)에 접속된 바이어스 인가용 전극(122)이 매설됨과 동시에 도시하지 않은 온도 조정부가 설치되어 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 조정할 수 있도록 구성되어 있다.

진공 용기(101)의 상부에는 예컨대 석영으로 이루어진 두께 3 내지 5 cm 정도의 판형 유전체(3)가 하방측 영역을 진공 분위기로 하도록 시일재(131)에 의해 기밀하게 밀봉하여 배치되어 있다. 유전체(3)의 중앙부에는 도파로인 동축 도파관(133)의 축부(133a)의 일단부가 상면에서 하면에 걸쳐 관통하여 설치되어 있다. 동축 도파관(133)의 외측관(133b)의 하단부는 외측으로 절곡되어져 확대되고, 더욱 하측으로 굴곡하여 평평한 원통형 직경 확장부(134)를 이루며, 유전체(103) 위에 덮여 설치되어 있다. 동축 도파관(133)의 타단부 측면에는 도파로인 직사각 형상의 도파관(135)의 일단부가 접속되어 있고, 이 직사각형의 도파관(135)의 타단부에는 임피던스 정합부(136)를 통해 마이크로파 전원부(137)가 설치되어 있다.

유전체(103)의 하면[적재대(102)측의 면]에는 도전막(104) 예컨대 알루미늄 등의 금속으로 이루어진 도전막(104)이 형성되어 있다. 이 도전막(104)에 관해서 설명한다. 일반적으로 도전체 예컨대 금속은 도 18에 도시된 바와 같이 전계를 흡수하여 상면에 마이크로파가 입사했다고 하면, 전계 강도는 상면에서 하면으로 향함에 따라 지수 함수적으로 감소한다. 금속 표면(상면)의 전계 강도 E가 1/e[e는 자연 대수의 저]가 되는 두께(깊이)는 표피 두께(표피 깊이)라고 불리고, 금속이 이 표피 두께보다 얇은 경우에는 하측(이면측)으로 전계가 빠진다. 이와 같이 하여 빠진 전계는 이버네센트(evanescent)한 전계라고 불리며 전파되지 않는다. 도전막(104)은 웨이퍼(W)측으로 전계가 빠지도록 표피 두께보다도 얇게 또는 표피 두께 정도로 만들고 있고, 예컨대 박막 형성된 알루미늄막의 경우 표피 두께는 박막 형성 수단에 따라서도 다르지만 3 내지 5 μm이기 때문에 도전막(104)의 막 두께(D)는 예컨대 대략 1 내지 2 μm로 설정되어 있다[도면에서는 도전막(104)의 두께는 크게 표시하고 있다].

그리고 도전막(104)으로부터 빠진 에버네센트한 전계의 강도는 도 19에 도시된 바와 같이 하방으로 향함에 따라 감소하지만, 플라즈마는 도전막(104)의 바로 아래에서 생성되기 때문에 충분한 전계가 확보될 수 있다. 따라서 웨이퍼(W)와 도전막(104)의 거리(L)가 너무 짧으면 가스의 확산 영역이 좁아지기 때문에 가스의 공급 수법이 어렵게 되고, 또한, 반대로 L이 크면 플라즈마의 주변 벽면으로의 확산 소실의 정도가 커지며, 마이크로파 전원부(137)의 전력을 크게 할 필요가 있기 때문에, 예컨대 L은 5 내지 10 cm 정도가 바람직하다.

또한, 도파관(133) 선단부의 직경 확장부(134)는 진공 용기(101) 내에 위치하고, 직경 확장부(134)와 진공 용기(101) 내벽 사이의 공간(S1)은 시일 부재(131)에 의해 플라즈마의 발생 영역으로부터 구획되어 있다. 이 공간(S1)이 대기 분위기이면 유전체(103)가 압력차에 의해 변형될 우려가 있기 때문에 유전체(103)의 형상을 안정화하기 위해서, 도시하지 않은 배기로를 통해 공간(S1)은 진공 분위기로 하여도 좋다. 게다가, 도파관(133)의 내부 공간은 대기 분위기의 상태에서 진공 용기(101) 내에 들어가 있는 부위가 압력차에 의해 변형될 우려가 있기 때문에, 진공 용기(101) 벽의 내에 위치하고 있는 부위에 있어서 시일 부재(132)를 이용하여 상측과 하측을 구획하고, 하측 공간(S2)을 도시하지 않은 배기로를 통해 진공 분위기로 하여도 좋다.

또, 유전체(104)는 도파관(133)의 직경 확장부(134)의 형상에 적합한 것이 아니더라도, 예컨대 도 20과 같이 얇은 유리판에 의해 구성하여 직경 확장부(134)와의 사이에 공간이 형성되어 있어도 좋고, 이 경우에도 상술한 바와 같이 시일하여 직경 확장부(134)의 내, 외를 진공 분위기로 하면 직경 확장부(134)의 형상이 안정된다.

다음에 전술한 실시예의 작용에 대해서, 기판 상에 폴리실리콘막을 형성하는 경우를 예로 들어 설명한다. 우선, 도시하지 않은 게이트 밸브를 개방하여 도시하 지 않은 반송 아암에 의해 웨이퍼(W)를 적재대(102) 상에 얹어 놓는다. 이어서, 상기 게이트 밸브를 폐쇄한 후, 진공 용기(101) 내를 배기하여 소정의 진공도까지 탈기시키고, 가스 공급부(112)로부터 박막 형성 가스인 예컨대 SiH₄ 가스 및 캐리어 가스인 예컨대 Ar 가스를 진공 용기(101) 내에 공급한다. 그리고 마이크로파 전원부(137)로부터 예컨대 2.45 GHz, 2.5 kw의 마이크로파를 출력함과 동시에 바이어스 전원부(121)로부터 적재대(2)에 예컨대 13.56 MHz, 1.5 kw의 바이어스 전력을 인가한다.

마이크로파 전원부(137)로부터의 마이크로파는 도파관(135, 133)을 통해 직경 확장부(134) 내에 전파되고, 유전체(103)를 통과하여 도전막(104)에 입사한다. 도전막(104)은 이미 기술한 바와 같이 표피 두께보다도 얇거나 또는 표피 막두께 정도이기 때문에 여기에서 전계가 누설되어 진공 용기(101) 내로 들어가고, 이 전계(에버네센트 전계)에 의해 처리 가스가 플라즈마화된다. 그리고 SiH₄ 가스가 전리하여 생성된 활성종이 웨이퍼(W) 표면에 부착되어 폴리실리콘막이 형성된다.

전술한 실시예에 따르면 도파관(133)으로부터 전파한 마이크로파는 말하자면 안테나인 도전막(104)에 이르고, 이 도전막(104)을 빠져나간 에버네센트 전계는 전파되지 않기 때문에 정재파가 형성되기 어렵게 되며, 정재파에 의한 전계 강도 분포의 영향이 적어지고, 이 결과 웨이퍼(W)상에서의 플라즈마 밀도의 균일성이 높으며, 웨이퍼(W)에 대하여 면 내의 분포가 균일한 플라즈마 처리, 이 예에서는 박막 형성 처리를 실행할 수 있다.

도전막(104)은 균일한 두께로 형성하여도 좋지만, 도 21에 도시된 바와 같이 중앙부보다도 주연부 쪽이 두께가 얇게 되도록 형성하여도 좋고, 이와 같이 하면 주연부에서 누설되는 전계 강도가 중앙부보다도 커지기 때문에, 그것에 의해 주연부에서 밀도가 높은 플라즈마가 생성된다. 플라즈마는 생성부로부터 떨어짐에 따라 밀도가 낮은 부분으로 확산되고, 또한 진공 용기의 내벽에 있어서 소실되기 때문에 도전막(104)의 하면측에서 주변부의 플라즈마 밀도를 높게 해 두면, 플라즈마가 내려가게 될 때에 내측으로의 확산과 내벽에서의 소실에 의해 결과적으로 웨이퍼(W) 상의 플라즈마 밀도가 한층 더 균일성이 높은 것이 된다.

또, 도전막(104)은 유전체(103)의 상면에 형성하여도 좋고, 유전체(103) 속에 삽입해도 좋다. 또한, 처리 가스를 플라즈마화하기 위한 전원부로서는 마이크로파 전원부에 한하지 않고 RF 전원부나 UHF 전원부라도 좋으며, 본 명세서에서는, 이들을 고주파 전원부로서 취급하고 있다. 게다가, 본 발명은 박막 형성 처리에 제한하지 않고 에칭이나 애싱 처리를 실행하는 경우에 적용하여도 좋다.

상술한 바와 같이, 표피 두께보다도 얇거나 또는 표피 두께 정도의 두께의 도전막을 누설된 전계를 이용하여 플라즈마를 발생시킴으로써 기판상에 있어서 플라즈마 밀도의 균일성이 높고, 이 결과 기판에 대하여 균일성이 높은 플라즈마 처리를 실시할 수 있다.

Claims (4)

1. 고주파 전원부로부터 평면형 안테나 및 고주파 투과창을 통하여 진공 용기 내에 플라즈마 생성용 고주파를 공급하고, 진공 용기 내에 공급된 처리 가스를 고주파 에너지에 의해 플라즈마화하여, 그 플라즈마에 의해 진공 용기 내의 적재대에 적재된 기판에 대하여 처리를 실행하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,

   상기 고주파 투과창의 진공 분위기측의 한 면에서부터 안테나에 이르기까지의 영역의 측면 둘레부를 둘러싸도록 전자파 흡수체를 설치한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 전자파 흡수체는 둘레 방향으로 서로 공간부를 두고 복수개로 분할된 것인 플라즈마 처리 장치.
3. 제2항에 있어서, 각 전자파 흡수체의 둘레 방향의 길이 및 공간부의 둘레 방향의 길이는 λg/2 (λg는 고주파의 파장임)보다도 작은 것인 플라즈마 처리 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자파 흡수체는 그 횡단면의 둘레 방향의 폭이 진공 용기의 중심에 가까워질수록 작게 형성되어 있는 것인 플라즈마 처리 장치.

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