KR100794806B1

KR100794806B1 - 플라즈마 처리 장치 및 방법과, 슬롯 안테나

Info

Publication number: KR100794806B1
Application number: KR1020060032291A
Authority: KR
Inventors: 다카히로 호리구치
Original assignee: 동경 엘렉트론 주식회사
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2008-01-15
Also published as: JP2006294422A; KR20060107927A; CN1849034A; TW200706073A; US20060225656A1

Abstract

액체 냉매에 의해 유전체를 냉각하는 플라즈마 처리 장치, 슬롯 안테나 및 플라즈마 처리 방법을 제공한다. 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는 처리 용기(10), 도파관(22), 슬롯 안테나(23), 유전체(24), 제 1 냉각부(60) 및 제 2 냉각부(80)로 구성된다. 제 1 냉각부(60)는 슬롯 안테나(23)에 설치된 유로(61)에 액체 냉매를 흘림으로써, 유전체(24)를 냉각한다. 또한, 제 2 냉각부(80)는 도파관(22)에 설치된 가스 입구로부터 가스 출구에 기체를 흘림으로써, 유전체(24)를 냉각한다. 이와 같이 하여, 유전체(24)를 냉각하면서, 도파관(22), 슬롯 안테나(23)를 거쳐서 유전체(24)를 투과한 마이크로파에 의해 플라즈마화시킴으로써, 기판(W)이 플라즈마 처리된다. 그 결과, 플라즈마 처리 중에 유전체(24)에 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 방법과, 슬롯 안테나{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND METHOD, AND SLOT ANTENNA}

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 단면도,

도 2는 도 1의 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 일부를 확대한 도면,

도 3은 유전체의 국소 가열과 유전체의 균열의 관계를 설명하는 도면,

도 4는 유전체에 설치된 온도 센서의 위치를 도시한 도면,

도 5는 제 1 냉각부(유로)를 도시한 도면,

도 6은 도 5를 1-1'면으로 절단한 단면도,

도 7은 제 1 냉각부의 효과를 설명하는 도면,

도 8은 제 2 냉각부를 도시한 도면,

도 9는 플라즈마 처리 중에 유전체를 냉각했을 경우의 실험 결과를 도시한 도면,

도 10은 다른 형상의 유로를 도시한 도면,

도 11은 다른 형상의 유로를 도시한 도면,

도 12는 제 2 냉각부의 다른 예를 도시한 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 처리 용기 11 : 서셉터

20 : 덮개 22a∼22f : 방사용 도파관

23a∼23f : 슬롯 안테나 24a∼24f : 유전체

33 : 마이크로파 발생기 28a, 28b : 제 2 유전체

30a∼30g : 가스 도입관 32 : 가스 공급원

60 : 제 1 냉각부 61 : 유로

62a, 62b : 플랜지 80 : 제 2 냉각부

81, 85, 86, 87 : 가스 입구 82, 83, 84, 88 : 가스 출구

100 : 마이크로파 플라즈마 처리 장치

본 발명은 플라즈마 처리 장치의 냉각 방법에 관한 것이다.

최근, 대형 기판을 고속으로 플라즈마 처리하기 위해서, 큰 파워의 마이크로파를 플라즈마 처리 장치에 투입할 경우가 많아지고 있다. 특히, CVD(Chemical Vapor Deposition : 화학 기상 성장법) 처리 등의 처리 프로세스에서는, 장시간, 큰 파워의 마이크로파를 플라즈마 처리장치에 투입하는 것이 많다.

이와 같이 큰 파워의 마이크로파가 플라즈마 처리 장치에 투입되면, 마이크 로파에 의해 처리 용기내에서 강한 플라즈마가 발생한다. 이로써, 강하게 플라즈마가 발생한 부분의 근방에 위치하는 유전체가 급격하게 가열된다. 또한, 장시간(예컨대, 1시간) 마이크로파를 장치에 투입하면, 발생한 플라즈마나 입사된 마이크로파에 의해 유전체가 장시간 가열된다.

플라즈마 처리 중에 이러한 상태가 발생했을 경우, 유전체는 열전도가 나빠서 열을 유지하기 쉬운 성질 때문에, 전체적으로 고온으로 되지는 않지만, 국소적으로 매우 고온이 되어버린다. 특히, 발생한 플라즈마가 불균일한 경우, 유전체내에서의 온도 분포가 커지고, 열응력이 발생하여, 유전체가 파손되어 버린다.

이 문제에 대하여, 공기 등의 냉각 가스에 의해, 유전체를 공냉하는 기술이 종래부터 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특허 공개 제 1998-60657 호 공보 참조).

그러나, 상기 기술에서는, 유전체를 냉각하기 위해서 다량의 냉각 가스가 필요하게 되어 비용이 든다. 또한, 최근, 플라즈마 처리 장치의 대형화에 따라, 유전체도 대형화하고 있기 때문에, 유전체를 공냉하는 기술만으로는, 유전체를 충분히 냉각할 수 없고, 처리 프로세스 중에 유전체에 균열이 생겨버리는 것을 회피할 수는 없다.

본 발명은, 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 것은, 액체 냉매를 이용하여 유전체를 냉각하는 플라즈마 처리 장치 및 슬롯 안테나 및 플라즈마 처리 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제 중 적어도 하나를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 실시예에 따르면, 마이크로파를 전파시키는 도파부와, 상기 도파부를 전파한 마이크로파를 투과시키는 유전체와, 상기 유전체를 투과한 마이크로파에 의해 처리 가스를 플라즈마화시켜서 기판을 플라즈마 처리하는 처리 용기를 구비하는 플라즈마 처리 장치로서, 액체 냉매를 이용하여 상기 유전체를 냉각하는 제 1 냉각부를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.

상술한 바와 같이, 큰 파워의 마이크로파가 장시간 플라즈마 처리 장치에 투입되면, 마이크로파에 의해 강하게 플라즈마가 발생한 부분의 근방에 위치하는 유전체가 급격하게 가열된다. 이 때문에, 유전체는 전체적으로 고온으로 되지는 않지만, 국소적으로 매우 고온이 되어버린다. 그 결과, 유전체내에서의 온도 분포가 커지고, 열응력이 발생하여, 유전체가 파손되어 버린다.

그러나, 본 발명에 따르면, 처리 프로세스 중, 액체 냉매에 의해 유전체는 냉각된다. 이로써, 처리 프로세스 중의 유전체의 온도를 내릴 수 있어서, 유전체의 열팽창을 억제할 수 있다. 이로써, 유전체에 발생하는 열응력을 작게 할 수 있다. 그 결과, 유전체가 처리 프로세스 중에 파손되는 것을 방지할 수 있다.

또한 ,플라즈마 처리 장치는 기체의 냉매에 의해 상기 유전체를 냉각하는 제 2 냉각부를 구비하고 있어도 좋다.

이에 따르면, 유전체는 액체에 의해 냉각될 뿐만 아니라 기체에 의해도 냉각된다. 이로써, 유전체에 발생하는 열응력을 더욱 작게 할 수 있다. 그 결과, 유전체가 처리 프로세스 중에 파손될 가능성을 더욱 저감할 수 있다.

또한, 상기 도파부는 마이크로파 발생기로부터 발생된 마이크로파를 전파시키는 도파관과, 상기 도파관에 전파된 마이크로파를 슬롯에 통과시켜서 유전체에 전파시키는 슬롯 안테나를 가지며, 상기 제 1 냉각부는 상기 슬롯 안테나에 유로를 설치하고, 그 유로에 상기 유전체를 냉각하도록 액체를 흘리도록 해도 좋다.

이에 따르면, 슬롯 안테나에 설치된 유로에 액체를 흘림으로써, 유전체가 직접적으로 냉각된다. 보통, 슬롯 안테나는 도파관과 유전체 사이에 위치하고, 유전체에 밀착하여 설치된다. 또한, 슬롯 안테나는 예컨대 알루미늄 등의 금속으로 형성되어 열전도가 좋다. 따라서, 본 발명에 따르면, 열전도가 좋고, 유전체에 밀착하고 있는 슬롯 안테나에 유로를 설치하고, 그 유로에 액체를 흘림으로써, 유전체를 효과적으로 냉각할 수 있다.

또한, 상기 제 2 냉각부는 상기 도파관에 가스 입구와 가스 출구를 설치하고, 상기 기체를 상기 가스 입구로부터 상기 도파관내에 유입시키고, 상기 기체를 상기 가스 출구로부터 상기 도파관 외부로 보냄으로써, 상기 도파관내에 기체를 흘려보내도록 해도 좋다.

이에 따르면, 도파관에 설치된 가스 입구로부터 가스 출구를 향하여 기체를 유통시킴으로써, 유전체가 간접적으로 냉각된다. 도파관은 마이크로파를 슬롯을 거쳐서 유전체까지 전파시키기 위해서 유전체 근방에 설치된다. 따라서, 도파관을 냉각함으로써, 간접적으로 유전체를 냉각할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 마이크로파를 유전체에 전파시키는 슬롯과, 상기 유전체를 냉각하도록 액체 냉매를 흘리기 위한 유로가 설치되는 것을 특징으로 하는 슬롯 안테나가 제공된다.

이 때, 상기 슬롯 안테나에 설치된 유로는 상기 슬롯의 근방에 위치하도록 설치되어도 좋다.

통상, 슬롯 안테나에 개구되는 슬롯은 처리 용기내에 전파되는 마이크로파의 전자계 강도가 가장 강하도록 하는 위치에 설치된다. 따라서, 플라즈마는 슬롯 하방에서 가장 강하게 발생한다. 이로써, 슬롯 하방에 위치하는 유전체가 급격하게 가열되어, 그 이외의 부분과의 사이에 온도차가 생긴다.

그러나, 본 발명에 따르면, 슬롯 근방에 유로가 설치되고, 그 유로에 액체를 순환시킴으로써 슬롯 근방의 유전체 부분이 특히 냉각된다. 이로써, 유전체 전체를 냉각할 수 있을 뿐 아니라, 국소적으로 가열되어 있는 슬롯 하방의 유전체의 부분을 중점적으로 냉각할 수 있다. 이로써, 유전체에 발생하는 열응력을 효과적으로 작게 할 수 있다. 그 결과, 유전체가 처리 프로세스 중에 파손되는 것을 회피할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 마이크로파를 도파부에 전파시키는 공정과, 유전체를 냉각하도록 슬롯 안테나에 설치된 유로에 액체 냉매를 흘리면서 상기 도파부를 전파한 마이크로파를 유전체에 투과시키는 공정과, 상기 유전체를 투과한 마이크로파에 의해 처리 가스를 플라즈마화시켜서 처리 용기내에서 기판을 플라즈마 처리하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이 제공된다.

이에 따르면, 슬롯 안테나에 설치된 유로에 액체 냉매를 흘림으로써 상기 유전체를 냉각하면서 상기 도파부를 전파한 마이크로파를 유전체에 투과시킨다. 이로써, 처리 프로세스 중의 유전체의 온도를 내릴 수 있다. 이로써, 유전체에 발생하는 열응력을 작게 할 수 있다. 그 결과, 유전체가 처리 프로세스 중에 파손되는 것을 방지할 수 있다.

이하에 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다.

(마이크로파 플라즈마 처리 장치의 구성)

우선, 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 대하여, 도 1을 참조하면서 그 구성을 설명한다. 도 1은 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)를 x축 방향 및 z축 방향에 평행한 면으로 절단한 단면도이다. 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는 플라즈마 처리 장치의 일례이다.

마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는 처리 용기(10)와 덮개(20)로 이루어진 하우징을 갖고 있다. 처리 용기(10)는 상부가 개구된 바닥부를 갖는 직방체 형상을 갖고 있고, 접지되어 있는 처리 용기(10)는 예컨대 알루미늄(Al) 등의 금속으로 형성되어 있다. 처리 용기(10)의 내부에는, 대략 중앙에, 예컨대 유리 기판(W)(이하, 기판으로 부름)을 탑재하는 탑재대인 서셉터(11)가 설치된다. 서셉터(11)는 예컨대 질화 알루미늄으로 형성되어 있다.

서셉터(11)의 내부에는, 급전부(11a) 및 히터(11b)가 설치되어 있다. 급전부(11a)에는, 정합기(12a)(예컨대, 콘덴서)를 거쳐서 고주파 전원(12b)이 접속되어 있다. 또한, 급전부(11a)에는, 코일(13a)을 거쳐서 고압 직류 전원(13b)이 접속되어 있다. 정합기(12a), 고주파 전원(12b), 코일(13a) 및 고압 직류 전원(13b)은 처리 용기(10)의 외부에 설치되고, 고주파 전원(12b) 및 고압 직류 전원(13b)은 접지되어 있다.

급전부(11a)는 고주파 전원(12b)으로부터 출력된 고주파 전력에 의해 처리 용기(10)의 내부에 소정의 바이어스 전압을 인가시키게 되어 있다. 또한, 급전부(11a)는 고압 직류 전원(13b)으로부터 출력되는 직류 전류에 의해 기판(W)을 정전 흡착하게 되어 있다.

히터(11b)에는, 처리 용기(10)의 외부에 설치된 교류 전원(14)이 접속되어 있어서, 교류 전원(14)으로부터 출력되는 교류 전류에 의해 기판(W)을 소정의 온도로 유지하게 되어 있다.

처리 용기(10)의 저면은 통 형상으로 개구되고, 개구된 외주 근방에서 벨로우즈(15)의 일 단부가 처리 용기(10)의 외부를 향하여 장착되어 있다. 벨로우즈(15)의 다른 단부에는, 승강 플레이트(16)가 고착되어 있다. 이로써, 처리 용기(10)의 저면의 개구 부분은 벨로우즈(15) 및 승강 플레이트(16)에 의해 밀폐되어 있다.

서셉터(11)는 승강 플레이트(16)상에 배치된 원통체(17)에 지지되어 있어서, 승강 플레이트(16) 및 원통체(17)와 일체로 되어 승강한다. 이로써, 서셉터(11)는 처리 프로세스에 따른 높이로 조정되게 되어 있다.

서셉터(11)의 주위에는, 처리 용기(10)내의 가스의 흐름을 바람직한 상태로 제어하기 위한 정류판(18)이 설치된다. 또한, 처리 용기(10)의 저면에는, 도시하지 않는 진공 펌프에 접속된 가스 배출관(19)이 설치된다. 진공 펌프는 처리 용기(10)내를 원하는 진공도까지 배기하도록 되어 있다.

덮개(20)는 처리 용기(10)의 상방에서 처리 용기(10)를 밀폐하도록 배치되어 있다. 덮개(20)는, 처리 용기(10)와 마찬가지로, 예컨대 알루미늄(Al) 등의 금속으로 형성되어 있다. 또한, 덮개(20)는 처리 용기(10)와 마찬가지로 접지되어 있다.

덮개(20)에는, 커버 본체(21), 도파관(22a)∼도파관(22f), 슬롯 안테나(23a)∼슬롯 안테나(23f) 및 유전체(24a)∼유전체(24f)가 설치된다.

처리 용기(10)와 덮개(20)는 커버 본체(21)의 하면 외주부와 처리 용기(10)의 상면 외주부 사이에 배치된 O링(25)에 의해 기밀성이 유지되도록 고정되어 있고, 커버 본체(21)의 하부에는 도파관(22a)∼도파관(22f)이 형성되어 있다.

도파관(22)은 각각의 축방향에 수직한 단면의 형상이 장방형 형상인 장방형 도파관에 의해 형성되어 있고, 마이크로파 발생기(33)(도 8 참조)에 접속되어 있다. 예컨대 TE10 모드(TE파: transverse electric wave ; 자계가 마이크로파의 진행방향 성분을 갖는 파)의 경우, 도파관(22)의 넓은 관벽은 자계에 평행한 H면이 되고, 좁은 관벽은 전계에 평행한 E면이 된다. 도파관(22)의 축방향(길이방향)에 수직한 방향에서 절단한 면의 장변 방향(도파관의 폭)과 단변 방향을 어떻게 배치하는가는 모드(도파관내의 전자계 분포)에 의해 변화된다.

슬롯 안테나(23a)∼슬롯 안테나(23f)는 도파관(22a)∼도파관(22f)의 하부에 각각 설치된다. 슬롯 안테나(23a)∼슬롯 안테나(23f)는 예컨대 알루미늄(Al) 등의 금속으로 형성되어 있다. 슬롯 안테나(23a)∼슬롯 안테나(23f)에는, 복수의 슬롯(개구)이 각각 설치되어 있다. 또한, 도파관(22) 및 슬롯 안테나(23)는 마이크로파를 전파시키는 도파부에 해당한다.

슬롯 안테나(23a)∼슬롯 안테나(23f)의 하부에는, 유전체(24a)∼유전체(24f)가 각각 설치되어 있다. 유전체(24)는 마이크로파를 투과하도록, 예컨대 석영, 알루미나(산화 알루미늄:Al₂O₃) 등으로 형성되어 있다.

유전체(24a)∼유전체(24f)는 금속의 대들보(29)에 의해 그 양단부가 각각 지지되어 있다. 대들보(29)의 내부에는, 가스 도입관(30a)∼가스 도입관(30g)이 설치되어 있다. 가스 도입관(30a)∼가스 도입관(30g)에는, 가스 유로(31)를 거쳐서 처리 가스 공급원(32)이 접속되어 있다.

처리 가스 공급원(32)은 밸브(32a1), 매스플로우 컨트롤러(mass flow controller)(32a2), 밸브(32a3), 아르곤 가스 공급원(32a4), 밸브(32b1), 매스플로우 컨트롤러(32b2), 밸브(32b3) 및 실란 가스 공급원(32b4)으로 구성되어 있다.

처리 가스 공급원(32)은 밸브(32a1), 밸브(32a3), 밸브(32b1) 및 밸브(32b3)의 개폐를 제어함으로써, 아르곤 가스 또는 실란 가스를 선택적으로 처리 용기(10)내에 공급하게 되어 있다. 또한, 매스플로우 컨트롤러(32a2) 및 매스플로우 컨트롤러(32b2)는 각각이 공급하는 처리 가스의 유량을 제어함으로써 가스를 원하는 농도가 되도록 되어 있다.

이러한 구성에 의해, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는 마이크로파 발생기(33)로부터 출력되는, 예컨대 2.45GHz의 마이크로파를, 도파관(22)을 거쳐서 슬롯 안테나(23)에 전파시키고, 슬롯 안테나(23)에 형성된 슬롯을 통하여 유전체(24)에 전파시킨다. 그리고, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는 유전체(24)를 투과하여 처리 용기(10)내에 방사된 마이크로파에 의해, 처리 용기(10)내에 공급된 처리 가스로부터 플라즈마를 발생시키고, 발생시킨 플라즈마에 의해, 처리 용기(10)에 배치된 기판(W)을 플라즈마 처리하게 되어 있다.

(플라즈마의 발생 상태)

다음에, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 처리 용기(10)내로 기판(W)이 플라즈마 처리될 때에 플라즈마가 불균일해지는 3가지 요인에 대해서 설명한다.

상술한 바와 같이, 마이크로파는 도파관(22)을 전파하여 슬롯 안테나(23)의 슬롯을 통하여, 유전체(24)를 투과하여 처리 용기(10)내에 전파한다. 처리 가스는 가스 도입관(30)으로부터 공급된다. 예를 들면, 도 2의 처리 용기(10)내에서는, 슬롯(23a)을 통하여, 유전체(24a)를 투과한 마이크로파가 처리 용기(10)내에 방사되고, 그 마이크로파의 파워에 의해, 유전체(24a)의 하방에서 처리 가스로부터 플라즈마(P)가 발생하고 있다.

이 때, 동일한 프로세스 조건, 즉 처리 프로세스 중의 처리 용기(10)내의 압 력이나 입사되는 마이크로파의 파워의 조건이 동일할 경우, 가스 도입관(30)으로부터 A방향으로 공급되는 가스의 종류에 따라서는, 유전체(24)를 전파하는 표면파가 넓어지기 어려울 경우가 있다. 이와 같이 표면파가 넓어지기 어려우면 플라즈마(P)가 불균일해진다.

다음에, 플라즈마가 불균일해지는 2번째 요인에 대해서 설명한다. 도 3의 좌측에 도시한 바와 같이, 유전체(24a)의 상부에 밀착하여 설치된 슬롯 안테나(23a)에는, 복수의 슬롯이 형성되어 있다. 이 슬롯 중, 중앙의 슬롯(23a11)∼슬롯(23a15)은 관내 파장의 1/2의 간격으로 설치되어 있다. 또한, 좌측의 슬롯(23a21)∼슬롯(23a24) 및 우측의 슬롯(23a31)∼슬롯(23a34)은 y축 방향에 대하여 슬롯(23a11)∼슬롯(23a15)의 거의 중앙(관내 파장의 1/4의 부분)에 각각 설치된다.

이와 같이 슬롯을 설치함으로써, 도 2의 도파관(22a)을 전파하는 마이크로파의 정재파의 복(腹)부(산 및 골 부분)가 중앙의 슬롯(23a11∼23a15)의 상부에 위치하고, 정재파의 절(節)부(파가 교차하는 부분)가 좌측의 슬롯(23a21∼23a24) 및 우측의 슬롯(23a31∼23a34)의 상부에 위치하게 된다. 이로써, 강한 마이크로파가 각 슬롯으로부터 유전체(24a)를 투과하여 도 2의 영역(B)에 전파한다. 이로써, B 영역에서 발생한 플라즈마는 그 이외의 영역에서 발생한 플라즈마보다 강하게 된다. 그 결과, 플라즈마(P)가 불균일해진다.

최후에, 플라즈마가 불균일해지는 3번째 요인에 대해서 설명한다. 유전체(24a)의 양단부는 대들보(29)에서 지지되어 있다. 이 대들보(29)와 유전체(24a)의 양단부 사이에는, 도 2에 도시한 간극(D)이 있다. 유전체(24a)를 투과한 마이크로파는 유전체(24a) 하면을 표면파로서 전파한다. 전파한 마이크로파는 그 간극(D)에 들어가고, 간극(D)에 존재하는 동안, 간극(D)내에서 계속하여 반사한다. 이와 같이 하여 간극(D)에서 반사하는 마이크로파에 의해, 영역(C)에서 플라즈마가 불안정하게 발생하거나, 이상 방전이 생긴다. 이러한 현상에 의해, 유전체(24a)의 아래쪽에 발생하고 있는 플라즈마(P)의 상태가 흔들린다. 그 결과, 플라즈마(P)가 불균일해진다.

(유전체의 균열)

이와 같이 하여, 플라즈마(P)가 불균일해지면, 유전체(24a)는 플라즈마가 강하게 발생하고 있는 부분에서 특히 가열되어 고온이 된다(예컨대, 도 3의 슬롯 하부). 또한, 유전체(24a) 주변부는 도체인 대들보(29) 등을 통해서 방열할 수 있기 때문에 저온이 된다. 이로써, 유전체(24a) 내부에서는, 강하게 플라즈마가 발생하고 있는 영역 근방의 부분이 주변부보다 고온이 되고, 그 결과 유전체(24a)는 그 내부에서 온도차를 갖게 된다.

이와 같이 하여, 유전체(24a)의 내부에 온도차가 생기면, 유전체(24a)에 균열이 발생한다. 그 이유를 이하에 기술한다.

예컨대, 도 3의 우측에 도시한 바와 같이, 유전체(24a)의 중앙에서 유전체(24a)가 가장 고온으로 되고 있을 경우, 유전체(24a)는 중앙에서 가장 열팽창한다. 이에 대하여, 유전체(24a) 자체는, 이에 저항하도록 지금까지의 형상을 유지하려고 한다. 이와 같이 하여, 유전체(24a)의 중앙에서는, 유전체(24a)의 중심을 향하여 y축 방향으로 압축 응력이 생긴다.

한편, 유전체(24a)의 x축 방향의 양단부에서는, 발생한 압축 응력에 저항하도록, y축 방향에 대하여 유전체(24a)의 외측을 향해서 인장 응력이 생긴다. 그러나, 유전체(24a)의 x축 방향의 양단부는 유전체(24a)의 중앙 부근에 비해 저온이다. 그 결과, 유전체(24a)의 양단부는 유전체(24a)의 중앙과 마찬가지로 열팽창할 수 없다. 그 결과, 유전체(24a)에 변형이 생기고, 최종적으로는 유전체(24a)의 양단부에서 균열이 생긴다.

또한, 이상의 설명에서는, 유전체(24)의 평면 방향(xy평면 방향)의 온도차에 착안했다. 그러나, 유전체(24)내의 온도차는 유전체(24)의 두께 방향(z축 방향)으로도 발생하고 있다. 따라서, 실제는, 유전체(24)의 평면 방향의 온도차와 두께 방향의 온도차에 의해 유전체(24)에 변형이 생기고, 그 변형이 가장 큰 부분에서 유전체(24)에 균열이 발생하게 된다.

(유전체를 버너로 가열한 실험 결과)

이상에서 설명한 유전체(24)의 균열의 실제의 발생 상태를 조사하기 위해서, 발명자들은 버너로 다음과 같은 가속 실험을 수행했다. 즉, 우선, 발명자들은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 유전체(24) 하면을 유전체(24)의 겉부분, 유전체(24) 상면을 유전체(24)의 속부분, 마이크로파 입사측의 유전체(24)의 단부를 유전체의 단부면 속부분으로 하고, 유전체(24)의 중앙 겉부분에 온도 센서(CH1), 유전체(24)의 속부분에 온도 센서(CH2), 유전체(24)의 단부면 속부분에 온도 센서(CH3), 유전체(24)의 중앙 속부분의 단부에 온도 센서(CH4)를 설치했다. 온도 센서(CH2)와 온도 센서(CH4)의 간격은 38mm로 했다.

다음에, 발명자들이 유전체(24)의 중앙 겉부분 부근을 버너로 가열하면서, 온도 센서(CH2) 및 온도 센서(CH4)에서 검출되는 온도를 감시한 바, 검출된 온도차가 50℃ 정도가 된 시점에서 유전체(24)에 균열이 생겼다. 그 결과, 유전체(24)에 균열이 생기기 위해서는, 유전체(24)의 내부에 50℃ 정도의 온도차가 생기는 것이 필요하다는 것을 알았다.

실제로, 플라즈마 처리 중인 유전체(24)는 100℃ 이상의 고온이 될 경우도 있고, 동일한 온도차여도 유전체(24) 전체가 고온으로 되지 않으면 유전체(24) 전체가 저온일 경우에 비해 유전체(24)가 파손될 가능성은 높아진다. 따라서, 발명자들은 유전체(24)에 균열이 생기는 조건으로서 유전체(24)의 내부에 소정 온도 이상의 온도차가 발생하면, 이 소정 온도는 유전체(24) 전체가 유지하는 온도[예컨대, 유전체(24)의 평균 온도]에 의존하고, 유전체(24) 전체의 온도가 높으면 소정 온도 이상의 온도차는 작아지는 것을 착안했다.

(수냉 기구)

따라서, 발명자들은, 도 5에 도시한 바와 같이, 슬롯 안테나(23)에 제 1 냉각부(60)를 설치함으로써, 유전체(24)를 액체에 의해 냉각하는 것을 고안했다. 구체적으로는, 제 1 냉각부(60)는 유로(61)와, 플랜지(62a) 및 플랜지(62b)에 의해 접속된 관 및 제 1 냉각 장치(도시하지 않음)로 구성되어 있다. 도 5의 1-1'에서 절단한 단면도인 도 6에 도시한 바와 같이, 유로(61)는 두께 1cm의 금속판(D)과 깊이 3cm의 오목부(홈부)가 설치된 두께 4cm의 금속판(E)을 구성함으로써, 슬롯 안테나(23)내에 배치된 상태로 형성된다.

제 1 냉각 장치는 관을 거쳐서 유로(61)에 순환하는 냉매[예컨대, 갈덴(불소계 불활성 화학액)등의 액체]를 제어하게 되어 있다. 이러한 구성에 의해, 제 1 냉각부(60)는 유전체(24)를 냉매에 의해 수냉한다. 덧붙여, 상술한 바와 같이, 슬롯 안테나(23)는 금속 등의 도체로 형성되어 있다. 따라서, 유로(61)에 액체 냉매를 순환시킴으로써, 열을 전하기 쉬운 슬롯 안테나(23)를 거쳐서 유전체(24)가 유지하는 열을 빼앗을 수 있다. 이로써, 유전체(24)가 효과적으로 냉각(수냉)된다.

발명자들이 상기 냉각 기구[제 1 냉각부(60)]를 이용하여 유전체(24)를 냉각하면서, 버너로 유전체(24) 중앙 겉부분을 과열한 실험 결과를 도 7에 도시한다. 이에 따르면, 유전체(24) 내부의 온도차(CH2-CH3)는 최대로 30℃라는 결과를 얻었다. 상술한 바와 같이, 버너로 가열했을 경우, 유전체(24)의 온도차가 50℃ 정도가 된 시점에서 유전체(24)에 균열이 생겼다. 이 사실로부터, 상기 냉각 기구[제 1 냉각부(60)]를 이용하여 플라즈마 처리 중에 유전체(24)를 냉각하면, 플라즈마 처리 중에 유전체(24)가 열에 의해 파괴되는 것을 회피할 수 있다는 것을 알았다.

(공냉 기구)

또한, 발명자들은, 도 8에 도시한 바와 같이, 도파관(22)에 제 2 냉각부(80)를 설치함으로써 유전체(24)를 냉각하는 것을 고안했다. 제 2 냉각부(80)는 마이크로파 발진기(33)에 접속된 도파관(22)에 설치된 가스 입구(81)와, 덮개(20) 내부의 도파관(22)에 설치된 가스 출구(82)∼가스 출구(84)를 갖고 있다. 가스 입구(81), 가스 출구(82)∼가스 출구(84)에는, 메쉬 형상의 가는 구멍이 설치되어 있다. 이들 구멍은 마이크로파의 자유 공간에 있어서의 파장 λ(=122mm)보다 작은 직경을 갖는다. 따라서, 도파관(22)을 전파하는 마이크로파가 이들 구멍을 거쳐서 도파관(22)으로부터 외부로 새어나가지 않는다.

가스 입구(81)는 예컨대 공기 등의 가스를 흡입한다. 흡입한 공기는 도파관(22)을 흐르고, 가스 출구(82)∼가스 출구(84)로부터 배출된다. 이와 같이 하여, 제 2 냉각부(80)는 도파관(22)내에 공기 등의 가스의 흐름을 형성함으로써, 도파관(22) 하방의 유전체(24)를 공냉한다.

이와 같이 하여, 발명자들이 상기 2개의 냉각 기구[제 1 냉각부(60) 및 제 2 냉각부(80)]를 이용하여, 플라즈마 처리 중에 유전체(24)를 냉각했을 경우의 실험 결과를 도 9에 도시한다. T1∼T4는 플라즈마 처리 중에 온도 센서(CH2)[유전체(24)의 중앙 내부]가 검출한 온도를 도시하고 있다. 구체적으로는, T1은 유전체(24)를 완전히 냉각하지 않을 경우, T2는 제 2 냉각부(80)에 의해 냉각(공냉)되고 있는 경우, T3은 제 1 냉각부(60)에 의해 냉각(수냉)되고 있는 경우, T4는 제 1 냉각부(60)에 의해 냉각되는 동시에 제 2 냉각부(80)에 의해 냉각되고 있는 경우를 도시하고 있다.

이에 따르면, 유전체(24)를 수냉하는 경우(T3)는, 유전체(24)를 공냉하는 경우(T2)에 비해, 유전체(24)의 냉각 효과가 매우 높은 것을 알았다. 또한, 유전체(24)를 수냉 및 공냉하는 경우(T4)는 유전체(24)를 수냉하는 경우(T3)에 비해, 유전체(24)를 냉각하는 효과는 상승하지만, 유전체(24)를 공냉하는 경우와 수냉하는 경우의 효과 차이를 비교하면, 그 효과는 낮은 것을 알았다.

이로써, 발명자들은 유전체(24)를 제 1 냉각부(60)에 의해 수냉하면 효과가 매우 크다는 결론에 도달했다. 그 결과, 유전체(24)를 제 1 냉각부(60)를 이용하여 수냉함으로써, 유전체(24)에 균열이 생기지 않고, 큰 파워의 마이크로파를 투입하는 플라즈마 처리를 1시간 이상, 즉 장시간 수행할 수 있었다. 또한, 유전체(24)를 제 1 냉각부(60)에 의해 수냉하면서, 제 2 냉각부(80)를 이용하여 공냉함으로써, 또 유전체(24)에 균열이 생길 확률을 낮게 억제하면서, 플라즈마 처리를 수행할 수 있었다.

이상으로 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 따르면, 유전체(24)를 제 1 냉각부(60)에 의해 수냉함으로써, 플라즈마 처리 중에 유전체(24)에 균열이 생길 가능성을 현저하게 저감할 수 있다. 또한, 유전체(24)를 제 1 냉각부(60)에 의해 수냉하면서, 또 제 2 냉각부(80)에 의해 수냉함으로써, 플라즈마 처리 중에 유전체(24)에 균열이 생길 가능성을 더욱 저감할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 제 1 냉각부(60)를 구성하는 유로(61)는 슬롯 안테나(23)에 U자 형상으로 설치되었다. 그러나, 본 발명에 따른 제 1 냉각부(60)의 유로(61)의 형상은 이에 한정되지 않고, 유전체(24)를 효과적으로 냉각할 수 있도록 유로(61)의 표면적이 커지도록 한 형상이면 좋다. 예컨대, 유로(61)는 도 10에 도시한 바와 같이 W자형의 형상으로 슬롯 안테나(23)에 설치되어도 좋고, 도 11에 도시한 바와 같이 W의 문자를 복수 병렬로 설치하도록 사형 형상으로 슬롯 안테나(23)에 설치되어도 좋다.

상술한 바와 같이, 플라즈마는 슬롯(특히, 중앙의 슬롯) 하방에서 가장 강하게 발생한다. 이 때문에, 유전체는 그 강한 플라즈마에 의해 발생하는 플라즈마 열에 의해 슬롯 근방에서 특히 고온이 된다. 이로써, 특히 도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 슬롯 근방(특히, 중앙의 슬롯 근방)에서 유로(61)의 표면적이 보다 커지도록 유로(61)를 사형 형상으로 슬롯 안테나(23)에 설치하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 슬롯의 근방에 설치된 유로에 액체 냉매를 흘림으로써, 슬롯 근방의 유전체의 온도를 효과적으로 내릴 수 있다. 이로써, 슬롯 근방의 유전체(24)의 부분과 그 이외의 부분의 온도차를 작게 할 수 있기 때문에, 슬롯 근방에서 발생할 가능성이 높은 유전체의 열팽창을 효과적으로 억제할 수 있다. 그 결과, 유전체가 처리 프로세스 중에 파손되는 것을 더욱 회피할 수 있다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상술한 예에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 당업자라면, 특허청구범위에 기재된 범위내에 있어서, 각종의 변경예 또는 수정예에 이를 수 있는 것은 명확하고, 그들에 관해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다.

예를 들면, 상기 실시형태에서는, 유전체(24)는 제 1 냉각부(60)에 의해 냉각(수냉)되는 동시에 제 2 냉각부(80)에 의해 냉각(공냉)되었다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 유전체(24)는 제 1 냉각부(60)에 의해서만 냉각되어도 좋고, 제 2 냉각부(80)에 의해서만 냉각되어도 좋다.

또한, 슬롯 안테나(23)에 설치되는 유로(61)는 슬롯 안테나(23)에 매설되지 않고 있어도, 예를 들면 유전체(24)에 밀착하도록 설치되면 좋다.

또한, 상기 실시형태에서는, 제 2 냉각부(80)는 가스 입구(81)로부터 가스를 도입하고, 가스 출구(82)∼가스 출구(84)로부터 배출하고 있었다. 그러나, 본 발명에 따른 제 2 냉각부(80)는 이에 한정되지 않고, 도 12에 도시한 바와 같이, 덮개(20) 내부의 도파관(22)에 가스 입구(85)∼가스 입구(87)를 설치하고, 마이크로파 발진기(33)에 접속된 도파관(22)에 가스 출구(88)를 설치하고, 가스 입구(85)∼가스 입구(87)로부터 가스를 도입하고, 가스 출구(88)로부터 배출하도록 해도 좋다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 액체 냉매를 이용하여 유전체를 냉각하는 플라즈마 처리장치 및 슬롯 안테나 및 플라즈마 처리 방법을 제공할 수 있다.

Claims

마이크로파를 전파시키는 도파부와, 상기 도파부를 전파한 마이크로파를 투과시키는 유전체와, 상기 유전체를 투과한 마이크로파에 의해 처리 가스를 플라즈마화시켜서 기판을 플라즈마 처리하는 처리 용기와, 액체 냉매에 의해 상기 유전체를 냉각하는 제 1 냉각부를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,

상기 도파부는 마이크로파 발생기로부터 발생된 마이크로파를 전파시키는 도파관과, 상기 도파관에 전파된 마이크로파를 슬롯에 통과시켜서 유전체에 전파시키는 슬롯 안테나를 가지며,

상기 제 1 냉각부는 상기 슬롯 안테나 내부에 상기 슬롯 근방을 따라 유로를 설치하고, 상기 유전체를 냉각하도록 상기 유로에 액체를 흘리는 것을 특징으로 하는

플라즈마 처리 장치.
제 1 항에 있어서,

기체의 냉매에 의해 상기 유전체를 냉각하는 제 2 냉각부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는

플라즈마 처리 장치.
삭제
제 2 항에 있어서,

상기 제 2 냉각부는 상기 도파관에 가스 입구와 가스 출구를 설치하고, 상기기체를 상기 가스 입구로부터 상기 도파관내에 유입시키고, 상기 기체를 상기 가스 출구로부터 상기 도파관 외부로 보냄으로써, 상기 도파관내에 기체를 흘려보내는 것을 특징으로 하는

플라즈마 처리 장치.
마이크로파를 유전체에 전파시키는 슬롯과, 상기 유전체를 냉각하도록 액체 냉매를 흘리기 위한 유로가 설치되어 있는 슬롯 안테나에 있어서,

상기 유로는 상기 슬롯 안테나 내부에 상기 슬롯 근방을 따라 위치하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는

슬롯 안테나.
삭제
마이크로파를 도파부에 전파시키는 공정과,

유전체를 냉각하도록, 마이크로파를 유전체에 전파시키는 슬롯을 갖는 슬롯 안테나 내부에 상기 슬롯 근방을 따라 설치된 유로에 액체 냉매를 흘리면서, 상기 도파부를 전파한 마이크로파를 상기 유전체에 투과시키는 공정과,

상기 유전체를 투과한 마이크로파에 의해 처리 가스를 플라즈마화시켜서 처리 용기내에서 기판을 플라즈마 처리하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는

플라즈마 처리 방법.