KR100876050B1 - 기판 처리 장치 - Google Patents

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노부오 이시마루
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가부시키가이샤 히다치 고쿠사이 덴키
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Abstract

기판(200)을 수용하는 처리실(201)을 외부로부터 둘러싸도록 배치된 가열 수단(207)과, 가열 수단(207)의 내측에 설치되고, 처리 가스를 플라즈마 여기시키는 한쌍의 전극(269)과, 한쌍의 전극간에 접속된 결합 코일(311)과, 한쌍의 전극(269)과 결합 코일(311)을 기밀하게 수용하고, 그 내부가 불활성 가스 분위기로 설정된 보호 용기(275)와, 결합 코일(311)과 유도 결합되도록 보호 용기(275)의 외측에 배치되고, 고주파 전력이 인가되는 유도 코일(312)을 가진다.

Description

기판 처리 장치{SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 기판 처리 장치에 관한 것으로, 특히, 플라즈마를 이용하여 실리콘 웨이퍼 등의 기판 표면의 에칭이나, 표면에의 박막 형성을 행하는 기판 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마를 이용하여 실리콘 웨이퍼 등을 처리하는 기판 처리 장치로는, 도 1, 2에 도시하는 것과 같은 것이 있다. 도 1은, 종래의 기판 처리 장치의 세로형의 기판 처리로를 설명하기 위한 개략적인 횡단면도이고, 도 2는, 도 1의 AA선의 개략적인 종단면도이다.
반응관(203) 내부의 벽면 근처에는 수직 방향으로 가늘고 긴 버퍼실(237)을 설치하고, 그 내부에 유전체로 이루어지는 2개의 전극 보호관(275)으로 덮은 봉 형상의 방전 전극(269)과 버퍼실(237) 내에 균등한 가스 흐름을 얻기 위한 가스 노즐(233)이 설치되어 있다.
방전 전극(269)의 단부(301)에 고주파 전원(273)의 발진기에서 발생하는 고주파 전력을 인가하고, 버퍼실(237) 내의 방전 전극(269) 사이에 플라즈마(224)를 생성하고, 가스 노즐(233)로부터 공급된 반응성 가스를 플라즈마로 여기하여, 버퍼실(237)의 측벽에 개구한 가스 공급공(248a)에서 반응관(203) 내의 피처리 기판인 웨이퍼(200)에 공급되는 구조로 되어 있다.
웨이퍼(200) 처리 중은 전극 보호관(275) 내를 불활성 가스로 연속 치환하고, 방전 전극의 산화 방지 등을 도모한다.
그러나, 웨이퍼(200)를 처리하기 위해서, 반응관(203) 내는 600∼900℃정도로 가열되어 있고, 전극 보호관(275) 내의 불활성 가스 중의 미소한 잔류 산소, 또는 방전 전극(269)을 외부로 끌어내는 부분의 시일성의 문제 등에 의해서, 방전 전극(269)의 변색, 변질 등이 발생하여, 전극으로서의 성능 유지에 문제가 있었다.
또한, 선행 기술로는, 상기 이외에도, 가요성의 전극(엮음형 전극)을 이용하는 것(일본국 특허출원 2004-055446호(국제출원 PCT/JP2005/002306))이나, 트랜스를 통해 고주파 전력을 공급하는 것(일본국 특허출원 2003-056772호(국제출원 PCT/JP2004/002735, 국제공개 WO2004/079813)이 있다.
특허문헌 1: 일본국 특허출원 2004-055446호(국제 출원 PCT/JP 2005/002306)
특허문헌 2: 일본국 특허출원 2003-056772호(국제 출원 PCT/JP2004 /002735, 국제공개 WO2004/079813)
따라서, 본 발명의 주요 목적은, 처리 가스를 플라즈마 여기시켜 기판을 처리하는 기판 처리 장치로서, 처리 가스를 플라즈마 여기시키기 위한 방전 전극의 변질을 방지 또는 억제하여, 방전 전극의 수명 향상을 도모할 수 있는 기판 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일양태에 의하면,
기판을 수용하는 처리실과,
상기 처리실을 외부로부터 둘러싸도록 배치된 가열부와,
상기 처리실 내에 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와,
상기 처리실 내에서 처리 가스를 배출하는 가스 배출부와,
상기 가열부의 내측에 설치되고, 상기 처리 가스를 플라즈마 여기시키기 위한 적어도 한쌍의 전극과,
상기 전극을 기밀하게 수용하는 유전체로 이루어지는 보호 용기와,
상기 전극에 전기적으로 접속되고, 상기 보호 용기에 수용되는 수전부와,
고주파 전력이 인가되는 급전부로서, 적어도 상기 보호 용기의 벽을 상기 수전부와의 사이에 개재시킨 상태에서 상기 수전부에 근접하여 설치되는 상기 급전부를 구비하고,
상기 급전부로부터 상기 수전부로의 전력 공급이 전자기 결합에 의해 이루어지는 기판 처리 장치가 제공된다.
도 1은 종래의 기판 처리 장치의 세로형의 기판 처리로를 설명하기 위한 개략적인 횡단면도이다.
도 2는 도 1의 AA선의 개략적인 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예 1에 관한 기판 처리 장치의 세로형의 기판 처리로를 설명하기 위한 개략적인 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예 1에 관한 기판 처리 장치의 세로형의 기 판 처리로를 설명하기 위한 개략적인 횡단면도이다.
도 5는 도 4의 BB선의 개략적인 종단면도이다.
도 6은 도 4의 CC선의 개략적인 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예 1∼5에 관한 기판 처리 장치를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예 1∼5에 관한 기판 처리 장치를 설명하기 위한 개략적인 종단면도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예 2에 관한 기판 처리 장치의 세로형의 기판 처리로를 설명하기 위한 개략적인 횡단면도이다.
도 10은 도 9의 DD선의 개략적인 종단면도이다.
도 11은 도 9의 EE선의 개략적인 종단면도이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예 3에 관한 기판 처리 장치의 세로형의 기판 처리로를 설명하기 위한 개략적인 횡단면도이다.
도 13은 도 12의 FF선의 개략적인 종단면도이다.
도 14는 도 12의 GG선의 개략적인 종단면도이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예 4에 관한 기판 처리 장치의 세로형의 기판 처리로를 설명하기 위한 개략적인 횡단면도이다.
도 16은 도 15의 HH선의 개략적인 종단면도이다.
도 17은 도 15의 II선의 개략적인 종단면도이다.
도 18은 본 발명의 바람직한 실시예 5에 관한 기판 처리 장치의 세로형의 기 판 처리로를 설명하기 위한 개략적인 횡단면도이다.
도 19는 도 18의 JJ선의 개략적인 종단면도이다.
도 20은 도 18의 KK선의 개략적인 종단면도이다.
도 21은 본 발명의 바람직한 실시예 5에 관한 기판 처리 장치에서 사용하는 공진용 콘덴서(343)의 구조를 설명하기 위한 개략적인 종단면도이다.
도 22는 본 발명의 바람직한 실시예 5에 관한 기판 처리 장치에서 사용하는 방전 전력 공급 회로의 회로도이다.
도 23은 도 22의 등가 회로도이다.
<발명을 실시하기 위한 바람직한 형태>
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는, 적재된 기판을 처리하는 세로형의 반응관과, 처리용의 복수의 가스를 기판에 공급하기 위한 가스 공급 시스템과, 가스 공급 시스템으로부터 기판에 공급되는 가스를 일단 저장하고, 적재된 기판에 가스를 균일하게 공급하는 버퍼실과, 버퍼실 속에 플라즈마를 생성하기 위한 한쌍의 용량 결합성 전극을 설치한 장치에 있어서, 플라즈마를 생성하기 위한 전극을 버퍼실 내에 설치한 절연체로 이루어지는 전극 보호관 내에 봉입한다. 그리고, 버퍼실에 설치한 전극 보호관 내에 봉입한 전극에 대해, 유도 결합에 의해, 방전 전력을 공급한다.
다음에, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명한 다.
우선, 본 실시예에 있어서 행한 ALD(Atomic Layer Deposition)법을 이용한 성막 처리에 대해서 간단히 설명한다.
ALD법은, 어떤 성막 조건(온도, 시간 등) 하에서, 성막에 이용하는 2종류(또는 그 이상)의 원료가 되는 가스를 1종류씩 번갈아 기판 상에 공급하고, 1원자 층단위로 흡착시켜, 표면 반응을 이용하여 성막을 행하는 수법이다.
즉, 이용하는 화학 반응은, 예를 들면 SiN(질화규소) 막형성의 경우 ALD법에서는 DCS(SiH2C12, 디크롤실란)과 NH3(암모니아)를 이용해 300∼600℃의 저온으로 고품질의 성막이 가능하다. 또한, 가스 공급은, 복수 종류의 반응성 가스를 1종류씩 교대로 공급한다. 그리고, 막 두께 제어는, 반응성 가스 공급의 사이클수로 제어한다(예를 들면, 성막 속도를 1Å/사이클로 하면, 20Å의 막을 형성하는 경우, 처리를 20사이클 행한다).
실시예 1
도 3은, 본 실시예에 관한 세로형의 기판 처리로를 설명하기 위한 개략적인 구성도로, 처리로 부분을 종단면으로 도시하고, 도 4는 본 실시예에 관한 세로형의 기판 처리로를 설명하기 위한 개략적인 구성도로, 처리로 부분을 횡단면으로 표시한다. 도 5는, 도 4의 BB선의 개략적인 종단면도이고, 도 6은, 도 4의 CC선의 개략적인 종단면도이다.
가열 수단인 히터(207)의 내측에, 기판인 웨이퍼(200)를 처리하는 반응 용기로서 석영제의 반응관(203)이 설치되고, 이 반응관(203)의 하단 개구는 덮개체인 시일 캡(219)에 의해 기밀 부재인 O링(220)을 통해 기밀하게 폐색되어 있다. 반응관(203) 및 히터(207)의 외측에는 단열 부재(208)가 설치된다. 단열 부재(208)는 히터(207)의 상방단을 덮도록 설치된다. 적어도, 히터(207), 단열 부재(208), 반응관(203) 및 시일 캡(219)에 의해 처리로(202)를 형성한다. 또한, 반응관(203), 시일 캡(219) 및 후술하는 반응관(203) 내에 형성된 버퍼실(237)에 의해 처리실(201)을 형성하고 있다. 시일 캡(219)에는 석영 캡(218)을 통해 기판 지지 수단인 보트(217)가 세워져 설치되고, 석영 캡(218)은 보트(217)를 지지하는 지지체로 되어 있다. 그리고, 보트(217)는 처리로(202)에 삽입된다. 보트(217)에는 배치 처리되는 복수의 웨이퍼(200)가 수평 자세로 관축 방향으로 다단으로 수직 방향으로 적재된다. 히터(207)는 처리로(202)에 삽입된 웨이퍼(200)를 소정의 온도로 가열한다.
그리고, 처리로(202)에는 복수 종류, 여기서는 2종류의 가스를 공급하는 공급관으로서의 2개의 가스 공급관(232a, 232b)이 설치된다. 여기서 가스 공급관(232a)으로부터는 유량 제어 수단인 매스 플로우 콘트롤러(241a) 및 개폐 밸브인 밸브(243a)를 통해, 후술하는 반응관(203) 내에 형성된 버퍼실(237)을 통해 처리실(201)에 반응 가스가 공급되고, 가스 공급관(232b)으로부터는 유량 제어 수단인 매스 플로우 콘트롤러(241b), 개폐 밸브인 밸브(243b), 가스 저장소(247) 및 개폐 밸브인 밸브(243c)를 통해, 후술하는 가스 공급부(249)를 통해 처리실(201)에 반응 가스가 공급된다.
2개의 가스 공급관(232a, 232b)에는, 반응 부생성물인 NH4Cl의 부착을 방지 하기 위해서, 120℃정도까지 가열할 수 있는 배관 히터(도시하지 않음)를 장착하고 있다.
처리실(201)은, 가스를 배기하는 배기관인 가스 배기관(231)에 의해 밸브(243d)를 통해 배기 수단인 진공 펌프(246)에 접속되고, 진공 배기되게 되어 있다. 또한, 이 밸브(243d)는 밸브를 개폐하여 처리실(201)의 진공 배기·진공 배기 정지를 할수 있고, 또한 밸브 개도를 조절하여 압력 조정 가능하게 되어 있는 개폐 밸브이다.
처리실(201)을 구성하고 있는 반응관(203)의 내벽과 웨이퍼(200)와의 사이에 있어서의 원호상의 공간에는 반응관(203)의 하부에서 상부의 내벽에 웨이퍼(200)의 적재 방향을 따라서, 가스 분산 공간인 버퍼실(237)이 설치된다. 버퍼실(237)의 웨이퍼(200)와 인접하는 내측 벽의 단부 근방에는 가스를 공급하는 공급공인 가스 공급공(248a)이 형성된다. 이 가스 공급공(248a)은 반응관(203)의 중심을 향해 개구하고 있다. 이 가스 공급공(248a)은 웨이퍼(200)의 적재 방향에 따라 하부에서 상부로 소정의 길이에 걸쳐 각각 동일한 개구 면적을 가지고, 또한 동일한 개구 피치로 설치되어 있다.
그리고 버퍼실(237)의 가스 공급공(248a)이 형성된 단부와 반대측의 단부 근방에는, 노즐(233)이, 역시 반응관(203)의 하부에서 상부에 걸쳐 웨이퍼(200)의 적재 방향을 따라서 설치되어 있다. 그리고 노즐(233)에는 가스를 공급하는 공급공인 가스 공급공(248b)이 복수 형성된다. 복수의 가스 공급공(248b)은 가스 공급공(248a)의 경우와 동일한 소정의 길이로 걸쳐져 웨이퍼(200)의 적재 방향을 따라 서 설치되어 있다. 그리고, 복수의 가스 공급공(248b)과 복수의 가스 공급공(248a)을 각각 1대 1로 대응시켜 배치하고 있다.
또한, 가스 공급공(248b)의 개구 면적은, 버퍼실(237)과 처리로(202)의 차압이 작은 경우에는, 상류측에서 하류측까지 동일한 개구 면적으로 동일한 개구 피치로 하면 되는데, 차압이 큰 경우에는 상류측에서 하류측을 향해 개구 면적을 크게 하거나, 개구 피치를 작게 하면 된다.
가스 공급공(248b)의 개구 면적이나 개구 피치를 상류측에서 하류에 걸쳐서 조절함으로써, 우선, 각 가스 공급공(248b)에서 가스의 유속의 차는 있지만, 유량은 거의 동량인 가스를 분출시킨다. 그리고 이 각 가스 공급공(248b)으로부터 분출하는 가스를 버퍼실(237)로 분출시켜 일단 도입하고, 가스의 유속차의 균일화를 행할 수 있다.
즉, 버퍼실(237)에 있어서, 각 가스 공급공(248b)에서 분출한 가스는 버퍼실(237)에서 각 가스의 입자 속도가 완화된 후, 가스 공급공(248a)에서 처리실(201)로 분출된다. 이 사이에, 각 가스 공급공(248b)에서 분출한 가스는, 각 가스 공급공(248a)에서 분출할 때는, 균일한 유량과 유속을 갖는 가스로 할 수 있다.
또한, 버퍼실(237)에, 가늘고 긴 구조를 갖는 한쌍의 봉 형상의 방전 전극(269)이 버퍼실(237)의 상부에서 하부에 걸쳐 설치되어 있다. 2개의 방전 전극(269)의 하단은 반응관(203)의 하부에서, 결합 코일(311)에 각각 접속되어 있다. 방전 전극(269) 및 결합 코일(311)은 유전체로 이루어지는 전극 보호관(275)에 기 밀하게 봉입되어 덮여져 있다. 전극 보호관(275) 내는 불활성 가스가 충전되고, 전극 보호관(275) 내에 불활성 가스가 가두어진 상태로 되어 있다.
고주파 전원(273)에 정합기(272)를 통해 접속된 유도 코일(312)이 반응관(203)의 외부에 설치되어 있고, 결합 코일(311)과 유도 결합되어 있다. 고주파 전원(273)의 고주파 전력은 유도 코일(312), 결합 코일(311)을 통해 방전 전극(269)에 전달되고, 방전 전극(269)의 대향부에서 플라즈마(224)를 발생시킨다.
방전 전극(269)을 불활성 가스가 밀봉된 전극 보호관(275) 내에 봉입함으로써, 외부로부터의 산소의 혼입을 막고, 산화에 의한 전극 열화를 방지 또는 억제할 수 있다. 또한, 방전 전극(269)에의 전기적 접속을 없앰으로써, 반응관 메인티넌스 시의 방전 전극부의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 가스 공급공(248a)의 위치에서, 반응관(203)의 내주를 120° 정도 회전한 내벽에, 가스 공급부(249)가 설치된다. 이 가스 공급부(249)는 ALD법에 의한 성막에 있어서 웨이퍼(200)로, 복수 종류의 가스를 1종류씩 교대로 공급할 때에, 버퍼실(237)과 가스 공급종을 분담하는 공급부이다.
이 가스 공급부(249)도 버퍼실(237)과 마찬가지로 웨이퍼와 인접하는 위치에 동일 피치로 가스를 공급하는 공급공인 가스 공급공(248c)을 가지고, 하부에는 가스 공급관(232b)이 접속되어 있다.
가스 공급공(248c)의 개구 면적은 버퍼실(237)과 처리실(201)의 차압이 작은 경우에는, 상류측에서 하류측까지 동일한 개구 면적으로 동일한 개구 피치로 하면 되는데, 차압이 큰 경우에는 상류측에서 하류측을 향해 개구 면적을 크게 하거나 개구 피치를 작게 하면 된다.
반응관(203) 내의 중앙부에는 복수매의 웨이퍼(200)를 다단으로 동일 간격으로 연직 방향으로 적재하는 보트(boat)(217)가 설치되어 있고, 이 보트(217)는 도면 중 생략된 보트 엘리베이터 기구에 의해 반응관(203)에 출입할 수 있도록 되어 있다. 또한 처리의 균일성을 향상하기 위해서 보트(217)를 회전시키기 위한 회전 수단인 보트 회전 기구(267)가 설치되어 있고, 보트 회전 기구(267)를 회전시킴으로써, 석영 캡(218)에 지지된 보트(217)를 회전시키도록 되어 있다.
제어 수단인 콘트롤러(321)는, 매스 플로우 콘트롤러(241a, 241b), 밸브(243a, 243b, 243c, 243d), 히터(207), 진공 펌프(246), 보트 회전 기구(267), 보트 엘리베이터(121), 고주파 전원(273), 정합기(272)에 접속되어 있고, 매스 플로우 콘트롤러(241a, 241b)의 유량 조정, 밸브(243a, 243b, 243c)의 개폐 동작, 밸브(243d)의 개폐 및 압력 조정 동작, 레귤레이터(302)의 개폐 및 압력 조정 동작, 히터(207)의 온도 조절, 진공 펌프(246)의 기동·정지, 보트 회전 기구(267)의 회전 속도 조절, 보트 엘리베이터(121)의 승강 동작 제어, 고주파 전극(273)의 전력 공급 제어, 정합기(272)에 의한 임피던스 제어가 행해진다.
다음에 ALD법에 의한 성막예에 대해서, DCS 및 NH3 가스를 이용해 SiN막을 성막하는 예로 설명한다.
우선 성막하고자 하는 웨이퍼(200)를 보트(217)에 장전하고, 처리로(202)에 반입한다. 반입 후, 다음 3개의 단계를 순차 실행한다.
[단계 1]
단계 1에서는, 플라즈마 여기가 필요한 NH3 가스와, 플라즈마 여기가 필요 없는 DCS 가스를 병행하여 흐르게 한다. 우선 가스 공급관(232a)에 설치한 밸브(243a), 및 가스 배기관(231)에 설치한 밸브(243d)를 같이 열고, 가스 공급관(232a)에서 매스 플로우 콘트롤러(243a)에 의해 유량 조정된 NH3 가스를 노즐(233)의 가스 공급공(248b)으로부터 버퍼실(237)에 분출하고, 방전 전극(269) 사이에 고주파 전원(273)으로부터 정합기(272), 유도 코일(312), 결합 코일(311)을 통해 고주파 전력을 인가하여 NH3를 플라즈마 여기하고, 활성종으로서 처리실(201)에 공급하면서 가스 배기관(231)으로부터 배기한다. NH3 가스를 플라즈마 여기함으로써 활성종으로서 흐르게할 때는, 밸브(243d)를 적정히 조정하여 처리실(201) 내 압력을 10∼100Pa로 한다. 매스 플로우 콘트롤러(241a)로 제어하는 NH3의 공급 유량은 1000∼10000sccm이다. NH3를 플라즈마 여기함으로써 얻어진 활성종에 웨이퍼(200)를 노출시키는 시간은 2∼120초간이다. 이 때의 히터(207)의 온도는 웨이퍼가 500∼600℃가 되도록 설정되어 있다. NH3는 반응 온도가 높아, 상기 웨이퍼 온도에서는 반응하지 않으므로, 플라즈마 여기함으로써 활성종으로서 흐르게 되고, 이 때문에 웨이퍼 온도는 설정한 낮은 온도 범위 그대로 행할 수 있다.
이 NH3를 플라즈마 여기함으로써 활성종으로서 공급하고 있을 때, 가스 공급관(232b)의 상류측의 밸브(243b)를 열고, 하류측의 밸브(243c)를 닫고, DCS도 흐르도록 한다. 이에 따라 밸브(243b, 243c) 사이에 설치한 가스 저장소(247)에 DCS를 저장한다. 이 때, 처리실(201) 내에 흐르는 가스는 NH3를 플라즈마 여기함으로써 얻어진 활성종이고, DCS는 존재하지 않는다. 따라서, NH3는 기상 반응을 일으키지 않고, 플라즈마에 의해 여기되어 활성종으로 된 NH3는 웨이퍼(200) 상의 기초막과 표면 반응한다.
[단계 2]
단계 2에서는, 가스 공급관(232a)의 밸브(243a)를 닫고, NH3의 공급을 멈추는데, 이어서 가스 저장소(247)에 공급을 계속한다. 가스 저장소(247)에 소정압, 소정량의 DCS가 모이면 상류측의 밸브(243b)도 닫아, 가스 저장소(247)에 DCS를 가두어 둔다. 또한, 가스 배기관(231)의 밸브(243d)는 연 채로 하여 진공 펌프(246)에 의해, 처리실(201)을 20Pa 이하로 배기하고, 잔류 NH3를 처리실(201)로부터 배제한다. 또한, 이 때는 N2 등의 불활성 가스를 처리실(201)에 공급하면, 잔류 NH3를 배제하는 효과가 더욱 높아진다. 가스 저장소(247) 내에는, 압력이 20000Pa 이상이 되도록 DCS를 저장한다. 또한, 가스 저장소(247)와 처리실(201)과의 사이의 컨덕턴스가 1.5×10-3㎥/s 이상이 되도록 장치를 구성한다. 또한, 반응관(203)의 용적과 이에 대한 필요한 가스 저장소(247)의 용적의 비로서 생각하면, 반응관(203)의 용적1001(리터)의 경우에 있어서는, 100∼300cc인 것이 바람직하고, 용적비로서 가스 저장소(247)는 반응실 용적의 1/1000∼3/1000배로 하는 것이 바람직하다.
[단계 3]
단계 3에서, 처리실(201)의 배기가 끝나면 가스 배기관(231)의 밸브(243c)를 닫고 배기를 멈춘다. 가스 공급관(232b)의 하류측의 밸브(243c)를 연다. 이에 따라 가스 저장소(247)에 저장된 DCS가 처리실(201)에 단숨에 공급된다. 이 때 가스 배기관(231)의 밸브(243d)가 닫혀져 있으므로, 처리실(201) 내의 압력은 급격히 상승하여 약 931Pa(7Torr)까지 승압된다. DCS를 공급하기 위한 시간은 2∼4초 설정하고, 그 후 상승한 압력 분위기중에 노출하는 시간을 2∼4초로 설정하여, 합계 6초로 했다. 이 때의 웨이퍼 온도는 NH3의 공급 시와 동일하게, 500∼600℃이다. DCS의 공급에 의해, 기초막 상의 NH3와 DCS가 표면 반응하여, 웨이퍼(200) 상에 SiN막이 성막된다. 성막후, 밸브(243c)를 닫고, 밸브(243d)를 열어 처리실(201)을 진공 배기하고, 잔류하는 DCS의 성막에 기여한 후의 가스를 배제한다. 또한, 이 때는 N2 등의 불활성 가스를 처리실(201)에 공급하면, 잔류하는 DCS의 성막에 기여한 후의 가스를 처리실(201)로부터 배제하는 효과가 더욱 높아진다. 또한 밸브(243b)를 열어 가스 저장소(247)에의 DCS의 공급을 개시한다.
상기 단계 1∼3을 1사이클로 하고, 이 사이클을 복수회 반복함으로써 웨이퍼 상에 소정 막 두께의 SiN막을 성막한다.
또한, ALD 장치에서, 가스는 기초막 표면에 흡착한다. 이 가스의 흡착량은, 가스의 압력, 및 가스의 폭로 시간에 비례한다. 따라서, 희망하는 일정량의 가스를, 단시간에 흡착시키기 위해서는, 가스의 압력을 단시간에 크게할 필요가 있다. 이 점에서, 본 실시예에서는, 밸브(243d)를 닫은 다음에, 가스 저장소(247) 내에 저장한 DCS를 순간적으로 공급하고 있으므로, 처리실(201) 내의 DCS의 압력을 급격하게 올릴 수 있어, 희망하는 일정량의 가스를 순간적으로 흡착시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 가스 저장소(247)에 DCS를 저장하는 동안에, ALD법에서 필요한 단계인 NH3 가스를 플라즈마 여기함으로써 활성종으로서 공급 및 처리실(201)의 배기를 행하고 있으므로, DCS를 저장하기 위한 특별한 단계를 필요로 하지 않는다. 또한, 처리실(201) 내를 배기하여 NH3 가스를 제거하고나서 DCS를 흐르게 하므로, 양자는 웨이퍼(200)를 향하는 도중에 반응하지 않는다. 공급된 DCS는, 웨이퍼(200)에 흡착되어 있는 NH3에만 효율적으로 반응시킬 수 있다.
다음에, 도 7, 도 8을 참조하여 본 실시예의 기판 처리 장치의 개략을 설명한다.
본체(101) 내부의 전면측에는, 도시하지 않은 외부 반송 장치와의 사이에서 기판 수납 용기로서의 카셋(100)을 주고 받는 지지구 수수(授受) 부재로서의 카셋 스테이지(105)가 설치되고, 카셋 스테이지(105)의 후측에는 승강 수단으로서의 카셋 엘리베이터(115)가 설치되고, 카셋 엘리베이터(115)에는 반송 수단으로서의 카셋 이동 탑재기(114)가 부착되어 있다. 또한, 카셋 엘리베이터(115)의 후측에는, 카셋(100)의 적재 수단으로서의 카셋 선반(109)이 설치되는 동시에 카셋 스테이지(105)의 상방에도 예비 카셋 선반(110)이 설치된다. 예비 카셋 선반(110)의 상측방에는 클린 유닛(118)이 설치되어 클린 에어를 본체(101)의 내부에 유통시키도록 구성되어 있다.
본체(101)의 후부 상측방에는, 처리로(202)가 설치되고, 처리로(202)의 하측방에는 기판으로서의 웨이퍼(200)를 수평 자세로 다단으로 지지하는 기판 지지 수단으로서의 보트(217)를 처리로(202)에 승강시키는 승강 수단으로서의 보트 엘리베이터(121)가 설치되고, 보트 엘리베이터(121)에 부착된 승강 부재(122)의 선단부에는 덮개체로서의 시일 캡(219)이 장착되어 보트(217)를 수직으로 지지한다. 보트 엘리베이터(121)와 카셋 선반(109)과의 사이에는 승강 수단으로서의 이동 적재 엘리베이터(113)가 설치되고, 이동 적재 엘리베이터(113)에는 반송 수단으로서의 웨이퍼 이동 적재기(112)가 장착되어 있다. 또한, 보트 엘리베이터(121)의 옆에는, 개폐 기구를 가지고 처리로(202)의 하측을 기밀하게 폐색하는 폐색 수단으로서의 로 입구 셔터(116)가 설치된다.
웨이퍼(200)가 장전된 카셋(100)은 도시하지 않은 외부 반송 장치로부터 카셋 스테이지(105)에 웨이퍼(200)가 상향 자세로 반입되고, 웨이퍼(200)가 수평 자세가 되도록 카셋 스테이지(105)에서 90°회전된다. 또한, 카셋(100)은 카셋 엘리베이터(115)의 승강 동작, 횡행(橫行) 동작 및 카셋 이동 적재기(114)의 진퇴 동작, 회전 동작의 협동에 의해 카셋 스테이지(105)로부터 카셋 선반(109) 또는 예비 카셋 선반(110)으로 반송된다.
카셋 선반(109)에는 웨이퍼 이동 적재기(112)의 반송 대상이 되는 카셋(100)이 수납되는 이동 적재 선반(123)이 있고, 웨이퍼(200)의 이동 적재에 제공되는 카셋(100)은 카셋 엘리베이터(115), 카셋 이동 적재기(114)에 의해 이동 적재 선반(123)에 이동 적재된다.
카셋(100)이 이동 적재 선반(123)에 이동 적재하면, 웨이퍼 이동 적재기(112)의 진퇴 동작, 회전 동작 및 이동 적재 엘리베이터(113)의 승강 동작의 협동에 의해 이동 적재 선반(123)으로부터 강하 상태의 보트(217)로 웨이퍼(200)를 이동 적재한다.
보트(217)에 소정 매수의 웨이퍼(200)가 이동 적재되면 보트 엘리베이터(121)에 의해 보트(217)가 처리로(202)에 삽입되고, 시일 캡(219)에 의해 처리로(202)가 기밀하게 폐색된다. 기밀하게 폐색된 처리로(202) 내에서는 웨이퍼(200)가 가열되는 동시에 처리 가스가 처리로(202) 내에 공급되어, 웨이퍼(200)에 처리가 이루어진다.
웨이퍼(200)에의 처리가 완료하면, 웨이퍼(200)는 상기한 작동의 반대 순서에 의해, 보트(217)로부터 이동 적재 선반(123)의 카셋(100)으로 이동 적재되고, 카셋(100)은 카셋 이동 적재기(114)에 의해 이동 적재 선반(123)으로부터 카셋 스테이지(105)로 이동 적재되고, 도시하지 않은 외부 반송 장치에 의해 본체(101)의 외부로 반출된다. 로 입구 셔터(116)는, 보트(217)가 강하 상태일 시에 처리로(202)의 하면을 기밀하게 폐색하고, 외기가 처리로(202) 내에 말려들어가는 것을 방지한다.
또한, 카셋 이동 적재기(114) 등의 반송 동작은, 반송 제어 수단(124)에 의해 제어된다.
실시예 2
도 9∼11를 참조하면, 2개의 방전 전극(269)은 반응관(203)의 하부에서, 정 전 결합판(331)에 접속되어 있다. 방전 전극(269) 및 정전 결합판(331)은 유전체관(전극 보호관)(275)과 반응관(203)의 내벽으로 덮이고, 유전체관(275) 내는 불활성 가스의 충전 상태로 되어 있다. 또한, 발신기(고주파 전원)(273)에 접속된 전력 공급판(332)이 반응관(203)의 외부에 설치되어 있고, 정전 결합판(331)과 정전 결합하는 위치에 놓여 있다. 발신기(273)의 고주파 전력은 전력 공급판(332), 정전 결합판(331)을 통해서 방전 전극(269)에 전달되고, 방전 전극의 대향부에서 플라즈마(224)를 발생시킨다.
전력 공급판, 정전 결합판의 면적을 10000㎟(10㎝×10㎝), 판 사이를 5㎜의 석영 유리로 한 경우, 70PF 정도의 용량이 되고, 방전 전극의 형상에도 의하지만, 고주파 전류를 충분 전송할 수 있다. 이 때 전극을 내장하고 있는 유전체 보호관(276) 내부는 충분한 압력의 불활성 가스를 충전해 둘 필요가 있다. 압력이 불충분하면, 유전체 보호관 내에서 방전이 발생할 우려가 있다. 압력치로는 100Torr 이상이면 문제없지만, 대기압(760Torr) 이상이 바람직하다.
불활성 가스 봉입에 대해서는, 반응관 제작 시에 불활성 가스 밀봉용 포트(23)를 설치해 두고, 반응관 완성후, 유전체 보호관 내를 충분히 퍼지한 후, 소정 압력의 불활성 가스를 봉입하여, 밀봉용 포트(23)를 완전히 봉한다.
실시예 3
도 12∼14를 참조하면, 2개의 방전 전극(269)은 반응관(203)의 하부에서, 결합 코일(311)에 접속되어 있다. 방전 전극(269) 및 결합 코일(311)은 유전체관(275)과 반응관(203)의 내벽에 덮이고, 유전체관(275) 내는 불활성 가스의 충전 상태로 되어 있다. 또한, 발신기(273)에 접속된 유도 코일(312)이 반응관(203)의 외부에 설치되어 있고, 결합 코일(311)과 유도 결합되어 있다. 발신기(273)의 고주파 전력은 유도 코일(312), 결합 코일(311)을 통해서 방전 전극(269)에 전달되고, 방전 전극의 대향부에서 플라즈마(224)를 발생시킨다. ø60의 원형 코일을 유도 코일, 결합 코일로서 사용하고, 코일간을 5㎜의 석영 유리로 한 경우, 1Torr의 질소 가스 분위기에서 고주파 전력 300W로 방전 전극사이에 방전을 발생시킬 수 있다.
실시예 4
고주파 전력의 전달 효율을 높이는 방법으로서, 유도 코일(342)-결합 코일(341) 사이를 보다 친밀 결합으로 하기 위해서 솔레노이드 형상의 코일을 동심상으로 설치하는 방법도 있다(도 15∼17 참조)
실시예 5
도 18∼20을 참조하면, 2개의 방전 전극(269)은 반응관(203)의 하부에서, 결합 코일(341)에 접속되어 있다. 방전 전극(269)은 유전체관(275)과 반응관(203)의 내벽에 덮이고, 결합 코일(341)은 반응관벽에서 원주상으로 돌출한 석영부의 내벽에 따라 솔레노이드상으로 설치되어 있다. 또한, 결합 코일(341)의 속에 공진용 콘덴서(343)가 설치되고, 공진용 콘덴서(343)의 전극은 결합 코일(341)에 접속되어 있다.
공진용 콘덴서(343)는 반응관 내이고, ∼600℃의 고온이 되는 경우도 있으므로, 도 21에 도시하는 바와같이, 2∼5㎜ 정도의 석영판(345)을 Ni 등의 고융점 금 속의 시트(344)로 끼운 구조로 되어 있다. 필요한 용량에 따라, 금속 시트의 면적, 금속 시트나 석영 시트의 적층수를 가감한다.
도 22에 회로도, 도 23에 등가 회로를 도시한다. 유도 코일(342), 결합 코일(341)의 인덕턴스를 [L], 유도 코일(342), 결합 코일(341)의 결합 계수를 [K]로 하면, 누손(leakage) 인덕턴스(346)는 [(1-K)L]로 표시된다. 이번과 같이 유도 코일(342)과 결합 코일(341)의 사이에 석영 등의 절연체가 있는 경우는 결합 계수 K는 작고, 누손 인덕턴스(346)는 커진다. 누손 인덕턴스(346)와 공진 콘덴서(343)가 공진 상태가 아닌 경우는 발진기(273)의 인가 전압은 누손 인덕턴스(346)와 공진 콘덴서(343)로 단순히 분압되므로, 플라즈마 전극(269)에 방전에 충분한 전압이 인가되지 않는다.
이에 대해, 누손 인덕턴스(346)와 공진 콘덴서(343)가 공진 상태에 있는 경우는 누손 인덕턴스(346)에 흐른 전류의 자계 에너지가 공진 현상에 의해 전계 에너지로 변환되고, 공진 콘덴서(343)의 단자간 전압으로 변환된다. 이에 따라 발진기(273)의 공급 전력이 효율적으로 플라즈마 생성의 에너지가 된다.
또한, 방전 전극(269)사이의 정전 용량 자체를 이 공진 콘덴서로 간주할 수 있는 경우(누손 인덕턴스(346)와 방전 전극(269)간의 정전 용량에서 공진 상태가 되는 경우)는, 외부 부착의 공진 콘덴서(343)는 불필요해진다.
누손 인덕턴스(346)와 공진용 콘덴서(343)의 공진 상태를 유지하기 위한 수단으로는, 유도 코일(342)에 인가되는 전압과 전류의 위상차에 따라 발진기(273)의 발진 주파수를 조정하여, 공진 주파수에 맞추거나, 결합 코일(341)에 대한 유도 코 일(342)의 위치를 조정함으로써 누손 인덕턴스를 바꿔, 공진 주파수를 발진 주파수에 맞추는 등의 방법이 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 방전 전극을 반응관 내에 봉입함으로써, 외부로부터의 산소의 혼입을 막고, 산화에 의한 전극 열화를 방지할 수 있다.
또한, 전극에의 전기적 접속을 없앰으로써, 반응관 메인티넌스 시의 방전 전극 단부의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 실시예 5와 같이, 결합 코일의 2차측에 공진용 콘덴서를 추가하여, 공진 상태에서 전력 전파함으로써, 유도 코일로부터 결합 코일로 전력을 효율적으로 보낼 수 있다.
또한, 전극을 보호 용기에 기밀하게 가두어, 전극의 메인티넌스나 교환이 불필요해진다. 이에 따라 메인티넌스 시에 전극 분리가 불필요하게 되므로, 전극 재삽입에 의한 불량(전극 위치의 재현성이 나오지 않는 문제)이 생기지 않게 된다.
또한, 전극을 보호 용기에 기밀하게 가두어, 전극의 분리 등이 불필요하게 되므로, 단순한 봉 등의 전극도 가능하게 된다. 상술한, 일본국 특허출원 2004-055446호(국제출원 PCT/JP2005/002306)과 같이 가요성을 갖게 하기 위해서 엮음형 구조로 하지 않아도 되고, 표면적이 동일하면 된다.
또한, 유전 결합, 정전 결합함으로써, 상술한, 일본국 특허출원 2003-056772호(국제출원 PCT/JP2004/002735, 국제공개 WO2004/079813)의 선행 출원의 트랜스를 통해 전력 공급하는 경우와 마찬가지로, 반응실 내에서의 이상 방전의 억제가 가능 해진다.
명세서, 특허청구의 범위, 도면 및 요약서를 포함하는 2004년 12월28일 제출의 일본국 특허출원 2004-379002호의 개시 내용 전체는, 본 국제 출원에서 지정한 지정국, 또는 선택한 선택국의 국내 법령이 허용하는 한, 그대로 인용하여 여기에 조합된다.
다양한 전형적인 실시의 형태를 도시하고 또한 설명했는데, 본 발명은 이들 실시의 형태에 한정되지 않는다. 따라서, 본 발명의 범위는, 다음 청구의 범위에 의해서만 한정된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 처리 가스를 플라즈마 여기시키기 위한 방전 전극의 변질을 방지 또는 억제하고, 방전 전극의 수명 향상을 도모할 수 있다.
그 결과, 본 발명은, 처리 가스를 플라즈마 여기시켜 기판을 처리하는 기판 처리 장치에 특히 적합하게 이용할 수 있다.

Claims (12)

  1. 기판을 수용하는 처리실과,
    상기 처리실을 외부로부터 둘러싸도록 배치된 가열부와,
    상기 처리실 내에 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    상기 처리실 내에서 처리 가스를 배출하는 가스 배출부와,
    상기 가열부의 내측에 설치되고, 상기 처리 가스를 플라즈마 여기시키기 위한 적어도 한쌍의 전극과,
    상기 전극을 기밀하게 수용하는 유전체로 이루어지는 보호 용기와,
    상기 전극에 전기적으로 접속되고, 상기 보호 용기에 수용되는 수전부(受電部)와,
    고주파 전력이 인가되는 급전부(給電部)로서, 적어도 상기 보호 용기의 벽을 상기 수전부와의 사이에 개재시킨 상태에서 상기 수전부에 근접하여 설치되는 상기 급전부를 구비하고,
    상기 급전부로부터 상기 수전부로의 전력 공급이 전자기 결합에 의해 이루어지며,
    상기 보호 용기내에는 불활성 가스가 충전된, 기판 처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 처리 가스를 플라즈마 여기시키기 위한 플라즈마 발생 영역이 상기 보호 용기의 외측에 형성되는, 기판 처리 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 처리실은 석영으로 이루어지는 반응관의 내측에 형성되고, 상기 보호 용기가 상기 반응관의 내측에 수용되는, 기판 처리 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 보호 용기의 적어도 일부의 벽은 상기 반응관의 벽의 일부로 구성되는, 기판 처리 장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 보호 용기 내의 압력을 100Torr 이상으로 하는, 기판 처리 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 수전부는 상기 한쌍의 전극사이에 접속된 결합 코일이고, 상기 급전부는 상기 결합 코일과 유전 결합되는 유전 코일인, 기판 처리 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 한쌍의 전극간에는 공진용의 콘덴서부가 더 설치되는, 기판 처리 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 공진용 콘덴서부는 석영판을 금속판으로 끼워 형성되는 콘덴서인, 기판 처리 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 석영판을 상기 금속판으로 끼워 형성되는 상기 콘덴서를 복수층 설치한, 기판 처리 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 수전부는 상기 한쌍의 전극의 각각에 접속된 정전 결합판으로서, 상기 각각의 정전 결합판은 물리적으로 분리되어 설치되고,
    상기 급전부는 상기 각각의 정전 결합판에 대향하는 전력 공급판으로서, 상기 각각의 전력 공급판은 물리적으로 분리되어 설치되는, 기판 처리 장치.
  12. 청구항 6에 있어서,
    상기 보호 용기 내의 압력을 대기압 이상으로 하는, 기판 처리 장치.
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