KR100936550B1 - 석영제부재의 표면 처리 방법, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

석영제부재의 표면 처리 방법, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반복하여 플라즈마 질화처리를 실행하는 경우에 있어서도, 파티클의 발생이 억제되고, 제품의 수율을 향상시키는 것이 가능한 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나에 의해 처리실내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 처리 장치에 있어서, Ar 가스 및 N2 가스를 포함하는 처리 가스를 이용하여, 처리 압력 15 Pa 이하, 마이크로파 파워 1500 W 이상의 조건으로, 플라즈마 폭로 환경하에서 사용되는 석영제부재에 대하여, 5.3 eV초과의 이온 에너지를 갖는 플라즈마에 의해 표면 처리를 실행한다.

Description

석영제부재의 표면 처리 방법, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{QUARTZ MEMBER SURFACE TREATMENT METHOD, PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}
도 1은 본 발명 방법의 실시에 적합한 플라즈마 처리 장치의 일례를 도시하는 개략 단면도이고,
도 2는 평면 안테나 부재의 구조를 도시하는 도면이고,
도 3은 플라즈마 표면 처리를 하지 않은 경우의 플라즈마 질화 처리에 있어서의 파티클수와 처리매수의 관계를 나타내는 그래프도이고,
도 4는 플라즈마 표면 처리를 한 경우의 플라즈마 질화 처리에 있어서의 파티클수와 처리매수의 관계를 나타내는 그래프도이고,
도 5는 플라즈마 표면 처리전후의 러프네스의 차이를 나타내는 그래프도이고,
도 6은 AFM 측정에 의한 플라즈마 표면 처리전의 마이크로파 투과판의 표면 상태를 도시한 도면이고,
도 7은 AFM 측정에 의한 플라즈마 표면 처리후의 마이크로파 투과판의 표면 상태를 도시한 도면이고,
도 8은 마이크로파 파워와 이온 에너지의 관계를 처리 압력별로 플롯한 그래프도이고,
도 9는 처리 압력과 이온 에너지의 관계를 마이크로파 파워별로 플롯한 그래프도이고,
도 10은 플라즈마 생성부로부터의 거리와 전자 온도의 관계를 나타내는 그래프도이고,
도 11은 러닝시험에 있어서의 파티클수의 추이를 나타내는 그래프도이고,
도 12는 플라즈마 처리 방법의 순서의 일례를 나타내는 흐름도이다.
(도면의 주요부분에 관한 부호의 설명)
1: 챔버(처리실) 2: 탑재대
3: 지지부재 5a: 히터
15: 가스도입부 16: 가스공급계
17: Ar 가스 공급원 18: N2 가스 공급원
23: 배기관 24: 배기장치
25: 반출입구 26: 게이트밸브
28: 마이크로파 투과판 29: 시일부재
31: 평면 안테나부재 32: 마이크로파 방사 구멍
37: 도파관 37a: 동축도파관
37b: 직사각형도파관 39: 마이크로파 발생장치
40: 모드 변환기 50: 프로세스 컨트롤러
100: 플라즈마 처리 장치 W: 웨이퍼(기판)
특허문헌 1: 일본 특허공개 2000-294550호 공보(도 3 등)
본 발명은, 플라즈마 폭로 환경하에서 사용되는 석영제부재를 플라즈마에 의해서 표면 처리하는 플라즈마 표면 처리 방법, 해당 플라즈마 표면 처리 방법에 의해서 처리된 석영제부재, 이 석영제부재를 이용하는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
플라즈마를 이용하여 성막이나 에칭 등의 처리를 실행하는 플라즈마 처리 장치는, 예컨대, 실리콘이나 화합물 반도체로 제작되는 각종 반도체 장치, 액정 표시 장치(LCD)로 대표되는 FPD(플랫·패널·디스플레이) 등의 제조과정에서 사용되고 있다. 이러한 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 플라즈마 처리공간을 형성하는 챔버내 부품으로서, 석영 등의 유전체를 재질로 하는 부재가 다용되고 있다. 예컨대, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나에 의해 처리실내에 마이크로파를 도입하여 플 라즈마를 발생시키는 마이크로파 여기 플라즈마 처리 장치에서는, 도파관을 타고 온 마이크로파가, 평면 안테나 및 석영제의 마이크로파 투과판을 거쳐서 챔버내에 도입되어, 처리 가스와 반응하여 고밀도 플라즈마를 생성시키는 구성으로 되어있다(예컨대 특허문헌1).
그런데, 각종 반도체 장치나 FPD 등의 제품을 제조할 때에는, 제품 관리상 허용되는 파티클수의 기준치(허용 파티클수)가 설정되어 있기 때문에, 파티클수의 저감을 도모하는 것은 제품의 수율을 향상시키는 데에 있어서 지극히 중요하다. 그러나, 상기 한 바와 같은 구성의 마이크로파 여기 플라즈마 처리 장치를 이용하여, 피처리 기판 표면의 실리콘을 질화 처리하는 실리콘 질화막 형성 프로세스에 있어서는, 처리매수가 예컨대 1000장을 넘으면, 상기 기준치를 넘는 파티클이 발생하고, 처리매수가 불어남과 동시에 파티클수도 증가해 나간다. 또한, 파티클수는, 장시간의 아이들 타임(즉, 정지 상태) 후에 특히 증가한다. 또한, 파티클의 발생 상황은 플라즈마 처리 조건에 따라서도 차이가 보여 저압력, 고파워로 반복하여 플라즈마 질화 처리를 실행한 경우에는, 파티클이 발생하기 쉬운 경향이 있다.
상기 한 바와 같이 반복하여 플라즈마 질화 처리를 실행하는 경우에는, 파티클수가 점차 증가함으로써, 제품의 수율이 저하해 버린다는 문제가 있었다. 따라서, 프로세스의 전체에 걸쳐 파티클수를 기준치(허용 파티클수) 이하로 억제하는 것이 필요하여, 그를 위한 대책이 요구되고 있었다.
본 발명은, 복수의 피처리 기판에 대하여 반복하여 플라즈마 처리를 실행하는 경우에 있어서도, 파티클의 발생이 억제되어, 제품의 수율을 향상시키는 것이 가능한 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 그 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제 1 관점은, 플라즈마 폭로 환경하에서 사용되는 석영제부재에 대하여, 5.3 eV 초과의 이온 에너지를 갖는 플라즈마에 의해서 표면 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 표면 처리 방법을 제공한다.
상기 제 1 관점에 있어서, 상기 석영제부재의 표면근방에 있어서의 상기 플라즈마의 전자온도가 2 eV 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 표면 처리는, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나에 의해 처리실내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 처리 장치에 있어서, Ar 가스 및 N2 가스를 포함하는 처리 가스의 플라즈마를 이용하여, 처리 압력 15 Pa 이하, 마이크로파 파워 0.9 W/cm2 이상의 조건에서, 30∼300초간의 처리를 25∼2000회 반복하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 2 관점은, 상기 제 1 관점의 플라즈마 표면 처리 방법에 의해 표면 처리된 석영제부재를 제공한다.
상기 제 2 관점에 있어서, 상기 석영제부재는, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나에 의해 처리실내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 처리실의 천장벽을 이룸과 동시에 상기 마이크로파를 투과시켜 플라즈마 형성 공간에 공급하는 마이크로파 투과판이더라도 좋다.
본 발명의 제 3 관점은, 플라즈마를 이용하여 피처리 기판을 처리하기 위한 진공배기 가능한 처리실과,
상기 처리실내에 마이크로파를 도입하는 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와,
상기 처리실의 천장벽을 이룸과 동시에 상기 평면 안테나의 하방에서 상기 마이크로파를 투과시켜 플라즈마 형성 공간에 공급하는 마이크로파 투과판을 구비하고,
상기 마이크로파 투과판은, 상기 제 1 관점의 플라즈마 표면 처리 방법에 의해 표면 처리된 석영제부재인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
본 발명의 제 4 관점은, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나에 의해 처리실내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 처리 장치를 이용하고, 상기 처리실내에 5.3 eV 초과의 이온 에너지를 갖는 제 1 플라즈마를 형성하여, 상기 처리실의 구성 부재를 해당 플라즈마에 의해 표면 처리하는 표면 처리공정과,
상기 처리실내에 피처리 기판을 반입하여 제 2 플라즈마를 형성하고, 피처리 기판을 플라즈마 처리하는 기판 처리공정을 포함한 플라즈마 처리 방법을 제공한다.
상기 제 4 관점에 있어서, 상기 표면 처리공정에서 이용하는 상기 제 1 플라즈마는, 상기 구성 부재근방에서 그 전자온도가 2 eV 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 표면 처리공정은, 처리 가스로서 Ar 가스 및 N2 가스를 포함하는 가스를 이용하여, 처리압력 15 Pa 이하, 마이크로파 파워 0.9 W/cm2 이상의 조건에서, 30∼300초간의 플라즈마 처리를 25∼2000회 반복하여 실행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기판 처리공정에서 이용하는 상기 제 2 플라즈마는, 상기 처리실내에서 5.3 eV 미만의 이온 에너지를 갖는 플라즈마인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 플라즈마는, 전자온도가 1.5 eV 이하의 플라즈마인 것이 바람직하다.
또한, 상기 기판 처리공정은, 플라즈마 질화 처리, 플라즈마 산화 처리 또는 플라즈마 산질화 처리인 것이 바람직하다.
본 발명의 제 5 관점은, 컴퓨터상에서 동작하고, 실행시에, 상기 제 1 관점의 플라즈마 표면 처리 방법이 실행되도록 상기 플라즈마 처리 장치를 제어하는, 제어 프로그램을 제공한다.
본 발명의 제 6 관점은, 컴퓨터상에서 동작하는 제어 프로그램이 기억된 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체에 있어서,
상기 제어 프로그램은, 실행시에, 상기 제 1 관점의 플라즈마 표면 처리 방법이 실행되도록 상기 플라즈마 처리 장치를 제어하는 것인, 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체를 제공한다.
본 발명의 제 7 관점은, 플라즈마를 이용하여 피처리 기판을 처리하기 위한 진공배기 가능한 처리실과,
상기 처리실내에 마이크로파를 도입하는 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와,
상기 처리실내에서, 상기 제 1 관점의 플라즈마 표면 처리 방법이 실행되도록 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는,
플라즈마 처리 장치를 제공한다.
이하, 적절히 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시의 형태에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 1은, 본 발명의 플라즈마 처리 방법에 이용 가능한 플라즈마 처리 장치의 일례를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 이 플라즈마 처리 장치(100)는, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나, 특히 RLSA(Radial Line Slot Antenna; 레이디얼 라인 슬롯 안테나)를 이용하여 처리실내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시키는 것에 의해, 고밀도 또한 저전자 온도의 마이크로파 여기 플라즈마를 발생시킬 수 있는 RLSA 마이크로파 플라즈마 처리 장치로서 구성되어 있고, 1 × 1010∼5 × 1012/cm3의 플라즈마 밀도로, 또한 0.7∼2 eV의 저전자온도의 플라즈마에 의한 처리가 가능하다. 따라서, 각종 반도체 장치의 제조과정에서 실리콘을 질화 처리하여 실리콘 질화막을 형성하는 등의 목적으로 적합하게 이용 가능한 것이다.
상기 플라즈마 처리 장치(100)는, 기밀히 구성되어, 접지된 대략 원통 형상 의 챔버(1)를 갖고 있다. 또한, 챔버(1)는, 각통 형상이더라도 좋다. 챔버(1)의 저벽(1a)의 대략 중앙부에는 원형의 개구부(10)가 형성되어 있고, 저벽(1a)에는 이 개구부(10)와 연통하여, 하방을 향해서 돌출하는 배기실(11)이 마련되어 있다. 이 배기실(11)은, 배기관(23)을 거쳐서 배기 장치(24)에 접속되어 있다.
챔버(1)내에는 피처리 기판인 실리콘 웨이퍼(이하, 간단히「웨이퍼」라고 한다)(W)를 수평으로 지지하기 위해서, 열전도성이 높은 AlN 등의 세라믹으로 이루어지는 탑재대(2)가 마련되어 있다. 이 탑재대(2)는, 배기실(11)의 바닥부 중앙으로부터 상방으로 연장하는 원통 형상의 AlN 등의 세라믹으로 이루어지는 지지 부재(3)에 의해 지지되어 있다. 탑재대(2)에는, 그 외주부를 커버하여, 웨이퍼(W)를 가이드하기 위한 커버링(4)이 마련되어 있다. 이 커버링(4)은, 예컨대 석영, AlN, Al2O3, SiN 등의 재질로 구성된 부재이다.
탑재대(2)에는 저항가열형의 히터(5)가 매립되어 있고, 이 히터(5)는 히터 전원(5a)으로부터 급전(給電)되는 것에 의해 탑재대(2)를 가열하여, 그 열로 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 균일히 가열한다. 또한, 탑재대(2)에는, 열전쌍(6)이 배비되어 있고, 웨이퍼(W)의 가열 온도를, 예컨대 실온에서 900℃까지의 범위에서 온도 제어가 가능하게 되어있다. 탑재대(2)에는, 웨이퍼(W)를 지지하여 승강시키기 위한 웨이퍼 지지핀(도시하지 않음)이 탑재대(2)의 표면에 대하여 돌출 및 함몰이 가능하게 마련되어 있다.
챔버(1)의 내주에는, 석영으로 이루어지는 원통 형상의 라이너(7)가 마련되 어, 챔버 구성 재료에 의한 금속 오염을 방지하고 있다. 또한, 탑재대(2)의 외주측에는, 챔버(1)내를 균일히 배기하기 위한 다수의 관통 구멍(8a)을 구비한 배플 플레이트(8)가 링형상으로 마련되어 있다. 이 배플 플레이트(8)는, 복수의 지주(9)에 의해 지지되어 있다.
챔버(1)의 측벽에는 링 형상을 한 가스도입부(15)가 마련되어 있고, 이 가스도입부(15)에는 가스 공급계(16)가 접속되어 있다. 또한, 가스도입부는 노즐 형상 또는 샤워 형상으로 배치하더라도 좋다. 가스 공급계(16)는, 예컨대 Ar 가스 공급원(17) 및 N2 가스 공급원(18)을 갖고 있고, Ar 가스 및 N2 가스가, 각각 가스 라인(20)을 거쳐서 가스도입부(15)에 도달하여, 가스도입부(15)로부터 챔버(1)내로 도입된다. 가스라인(20)의 각각에는, 매스플로우 컨트롤러(21) 및 그 전후의 개폐 밸브(22)가 마련되어 있다. 또한, Ar 가스대신에, 예컨대 Kr 가스, Xe 가스, He 가스 등의 희가스를 이용하는 것도 가능하다.
상기 배기실(11)의 측면에는 배기관(23)이 접속되어 있고, 이 배기관(23)에는 고속 진공 펌프를 포함하는 상술한 배기 장치(24)가 접속되어 있다. 그리고 이 배기 장치(24)를 작동시키는 것에 의해 챔버(1)내의 가스가, 배플 플레이트(8)를 거쳐서 배기실(11)의 공간(11a)내로 균일히 배출되어, 배기관(23)을 거쳐서 배기된다. 이에 의해, 챔버(1)내를 소정의 진공도, 예컨대 0.133 Pa까지 고속으로 감압하는 것이 가능하게 되어 있다.
챔버(1)의 측벽에는, 플라즈마 처리 장치(100)에 인접하는 반송실(도시하지 않음)과의 사이에서 웨이퍼(W)의 반출입을 실행하기 위한 반출입구(25)와 이 반출입구(25)를 개폐하는 게이트밸브(26)가 마련되어 있다.
챔버(1)의 상부는 개구부로 되어 있고, 이 개구부에는 링 형상의 어퍼 플레이트(27)가 접합된다. 어퍼 플레이트(27)의 내주 하부는, 내측의 챔버내공간을 향해서 돌출하여, 링 형상의 지지부(27a)를 형성하고 있다. 이 지지부(27a)상에, 유전체, 예컨대 석영이나 Al2O3, AlN 등의 세라믹으로 이루어지져, 마이크로파를 투과하는 마이크로파 투과판(28)이 시일 부재(29)를 거쳐서 기밀히 마련되어 있다. 따라서, 챔버(1)내는 기밀히 유지된다.
마이크로파 투과판(28)의 상방에는, 탑재대(2)와 대향하도록, 원판형상의 평면 안테나부재(31)가 마련되어 있다. 또한, 평면 안테나부재의 형상은, 원판 형상에 한하지 않고, 예컨대 사각판 형상이더라도 좋다. 이 평면 안테나부재(31)는 챔버(1)의 측벽 상단에 걸려있다. 평면 안테나부재(31)는, 예컨대 표면이 금 또는 은도금된 동판 또는 알루미늄판으로 이루어지고, 마이크로파를 방사하는 다수의 슬롯 형상의 마이크로파 방사 구멍(32)이 소정의 패턴으로 관통하여 형성된 구성으로 되어있다.
마이크로파 방사 구멍(32)은, 예컨대 도 2에 도시하는 바와 같이 긴 홈 형상을 하고, 전형적으로는 인접하는 마이크로파 방사 구멍(32)끼리가 「T」자 형상으로 배치되고, 이들 복수의 마이크로파 방사 구멍(32)이 동심원 형상으로 배치되어 있다. 마이크로파 방사 구멍(32)의 길이나 배열 간격은, 마이크로파의 파장(λg) 에 따라 결정되어, 예컨대 마이크로파 방사 구멍(32)의 간격은, λg/4, λg/2 또는 λg가 되도록 배치된다. 또한, 도 2에 있어서, 동심원 형상으로 형성된 인접하는 마이크로파 방사 구멍(32)끼리의 간격을 Δr로 나타내고 있다. 또한, 마이크로파 방사 구멍(32)은, 원형 형상, 원호 형상 등의 다른 형상이더라도 좋다. 또한, 마이크로파 방사 구멍(32)의 배치 형태는 특히 한정되지 않고, 동심원 형상 외에, 예컨대, 나선 형상, 방사 형상으로 배치할 수도 있다.
이 평면 안테나부재(31)의 상면에는, 진공보다도 큰 유전율을 갖는 지파재(遲波材, wave retardation member)(33)가 마련되어 있다. 이 지파재(33)는, 진공중에서는 마이크로파의 파장이 길어지므로, 마이크로파의 파장을 짧게 하여 플라즈마를 조정하는 기능을 갖고 있다. 또한, 평면 안테나부재(31)와 마이크로파 투과판(28)의 사이, 또한, 지파재(33)와 평면 안테나부재(31)의 사이는, 각각 밀착시켜도 이간시켜도 좋지만, 밀착시키는 것이 바람직하다.
챔버(1)의 상면에는, 이들 평면 안테나부재(31) 및 지파재(33)를 덥도록, 예컨대 알루미늄이나 스테인리스강 등의 금속 재료로 이루어지는 실드덮개(34)가 마련되어 있다. 챔버(1)의 상면과 실드덮개(34)는 시일 부재(35)에 의해 시일되어 있다. 이 실드 덮개(34)와 평면 안테나 부재(31)에 의해 도파관이 형성되어, 마이크로파가 방사 형상으로 전파된다. 실드덮개(34)에는, 냉각수 유로(34a)가 형성되어 있고, 거기에 냉각수를 통류(通流)시키는 것에 의해, 실드덮개(34), 지파재(33), 평면 안테나부재(31), 마이크로파 투과판(28)을 냉각하도록 되어 있다. 또한, 실드덮개(34)는 접지되어 있다.
실드덮개(34)의 상벽의 중앙에는, 개구부(36)가 형성되어 있고, 이 개구부에는 도파관(37)이 접속되어 있다. 이 도파관(37)의 단부에는, 매칭 회로(38)을 거쳐서 마이크로파를 발생하는 마이크로파 발생 장치(39)가 접속되어 있다. 이에 의해, 마이크로파 발생 장치(39)에서 발생한다, 예컨대 주파수2.45 GHz의 마이크로파가 도파관(37)을 거쳐서 상기 평면 안테나부재(31)로 전파되도록 되어 있다. 또한, 마이크로파의 주파수로서는, 8.35 GHz, 1.98 GHz 등을 이용할 수도 있다.
도파관(37)은, 상기 실드덮개(34)의 개구부(36)로부터 상방으로 연장하는 단면 원형 형상의 동축 도파관(37a)과, 이 동축 도파관(37a)의 상단부에 모드 변환기(40)를 거쳐서 접속된 수평 방향으로 연장하는 직사각형 도파관(37b)을 갖고 있다. 직사각형 도파관(37b)과 동축 도파관(37a)의 사이의 모드 변환기(40)는, 직사각형 도파관(37b)내를 TE 모드로 전파하는 마이크로파를 TEM 모드로 변환하는 기능을 갖고 있다. 동축 도파관(37a)의 중심에는 내(內)도체(41)가 연장하고 있고, 내도체(41)는, 그 하단부에서 평면 안테나부재(31)의 중심에 접속 고정되어 있다. 이에 의해, 마이크로파는, 동축 도파관(37a)의 내도체(41)를 거쳐서 평면 안테나부재(31)에 방사 형상으로 효율적으로 균일히 전파된다.
플라즈마 처리 장치(100)의 각 구성부는, CPU를 갖춘 프로세스 컨트롤러(50)에 접속되어 제어되는 구성으로 되어있다. 프로세스 컨트롤러(50)에는, 공정 관리자가 플라즈마 처리 장치(100)를 관리하기 위해서 커맨드의 입력 조작 등을 실행하는 키보드나, 플라즈마 처리 장치(100)의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등으로 이루어지는 유저 인터페이스(51)가 접속되어 있다.
또한, 프로세스 컨트롤러(50)에는, 플라즈마 처리 장치(100)에서 실행되는 각종 처리를 프로세스 컨트롤러(50)의 제어로 실현하기 위한 제어 프로그램(소프트웨어)이나 처리 조건 데이터 등이 기록된 레시피가 저장된 기억부(52)가 접속되어 있다.
그리고, 필요에 따라서, 유저 인터페이스(51)로부터의 지시 등으로 임의의 레시피를 기억부(52)로부터 불러내어 프로세스 컨트롤러(50)에 실행시킴으로써 프로세스 컨트롤러(50)의 제어하에서, 플라즈마 처리 장치(100)에서의 원하는 처리가 실행된다. 또한, 상기 제어 프로그램이나 처리 조건 데이터 등의 레시피는, 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체, 예컨대 CD-ROM, 하드 디스크, 플렉시블 디스크, 플래쉬 메모리, DVD, 블루레이 디스크 등에 저장된 상태인 것을 이용하거나, 혹은, 다른 장치로부터, 예컨대 전용 회선을 거쳐서 수시로 전송시켜 온라인으로 이용하거나 하는 것도 가능하다.
이와 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(100)는, 800℃이하의 저온에서 하지막 등으로의 대미지 프리인 플라즈마 처리를 진행시킬 수 있음과 동시에, 플라즈마 균일성에 우수하여, 프로세스의 균일성을 실현할 수 있다.
이와 같이 구성된 RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서는, 예컨대 이하와 같은 순서로 웨이퍼(W)의 실리콘 산화막을 질화 처리하여 실리콘 산질화막을 형성하는 처리 등을 실행할 수 있다.
우선, 게이트밸브(26)를 열림으로 하여 반출입구(25)로부터 웨이퍼(W)를 챔버(1)내에 반입하여, 탑재대(2) 상에 탑재한다. 그리고, 가스 공급계(16)의 Ar 가 스 공급원(17) 및 N2 가스 공급원(18)으로부터, Ar 가스 및 N2 가스를 소정의 유량으로 가스 도입 부재(15)를 거쳐서 챔버(1)내에 도입한다.
다음에, 마이크로파 발생 장치(39)로부터의 마이크로파를, 매칭 회로(38)를 지나 도파관(37)으로 유도하여, 직사각형 도파관(37b), 모드 변환기(40), 및 동축 도파관(37a)을 순차적으로 통과시켜 내도체(41)를 거쳐서 평면 안테나부재(31)에 공급하고, 평면 안테나부재(31)의 슬롯(마이크로파 투과판(28))을 거쳐서 챔버(1)내에서의 웨이퍼(W)의 상방 공간에 방사시킨다. 마이크로파는, 직사각형 도파관(37b) 내에서는 TE 모드로 전파하고, 이 TE 모드의 마이크로파는 모드 변환기(40)에서 TEM 모드로 변환되어, 동축 도파관(37a) 내를 평면 안테나부재(31)를 향해서 전파되어 간다.
평면 안테나부재(31)로부터 마이크로파 투과판(28)을 지나서 챔버(1)내 공간에 방사된 마이크로파에 의해 챔버(1)내에서 전자기장이 형성되어, Ar 가스 및 N2 가스가 플라즈마화된다. 이 마이크로파 플라즈마는, 마이크로파가 평면 안테나부재(31)의 다수의 마이크로파 방사 구멍(32)으로부터 방사되는 것에 의해, 대략 1 × 1010 ∼ 5 × 1012/cm3의 고밀도이고, 또한 웨이퍼(W) 근방에서는, 대략 1.5 eV 이하의 저전자 온도 플라즈마가 된다. 이렇게 하여 형성되는 마이크로파 플라즈마는, 하지막에의 이온 등에 의한 플라즈마 대미지가 적은 것이다. 그리고, 플라즈마중의 활성종, 주로 질소 래디컬(N*) 등의 작용에 의해서, 실리콘 산화막중에 질 소(N)가 도입되고, 실리콘 산질화막(SiON 막)이 형성된다.
이 플라즈마 질화 처리에 이용하는 플라즈마로서는, 5.3 eV 미만 바람직하게는 4 eV 이하 예컨대 3∼4 eV의 이온 에너지를 갖는 플라즈마를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 질화 처리에 이용하는 플라즈마의 전자온도는, 1.5 eV 이하가 바람직하고, 0.5∼1 eV가 보다 바람직하다. 구체적인 플라즈마 생성 조건으로서는, 예컨대 Ar 등의 희가스를 유량 0∼3000mL/min(sccm), 바람직하게는 500∼2000mL/min(sccm), N2 가스를 유량 1∼500mL/min(sccm), 바람직하게는 10∼200mL/min(sccm)로 설정하여 챔버(1)내에 도입한다. 또한, 챔버내를 5∼366 Pa, 바람직하게는 5∼133.3 Pa의 처리 압력으로 조정하여, 탑재대(2)를 200∼500℃의 설정 온도로 가열한다. 이 때의 마이크로파 출력은, 예컨대 0.3∼2.4 W/cm2 (500∼4000 W), 바람직하게는 0.3∼1.2 W/cm2 (500∼2000 W)로 할 수 있다.
플라즈마 질화 처리가 종료한 후는, 마이크로파의 공급을 정지하고, 다음에 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 게이트밸브(26)를 열림으로 하여 챔버(1)의 반출입구(25)로부터 처리된 웨이퍼(W)를 반출하는 것에 의해, 한 장의 웨이퍼(W)에 대한 처리가 종료한다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 상술한 바와 같이 웨이퍼(W)의 표면의 실리콘 산화막을 질화 처리하여, 실리콘산 질화막을 형성하는 질화 처리에 적합하게 이용 가능한 것이다. 이러한 실리콘산 질화막은, 예컨대 트랜지스터의 게이트 절연막 등으로서 적합하게 이용하는 것이 가능하다. 또한, 실리콘을 직접 질화 처리하여 실리콘 질화막을 형성하는 경우에도 이용할 수 있다.
다음에, 본 발명의 기초가 된 실험 결과에 대하여 설명을 한다. 도 3은, 플라즈마 처리 장치(100)를 이용하여 하기의 플라즈마 질화 처리 조건에서 웨이퍼(W) 표면의 실리콘 산화막을 질화 처리했을 때의 웨이퍼(W)의 누적 처리 매수(가로축)와, 파티클 계측기로 계측한 300mm 직경 웨이퍼(W)에서의 표면의 파티클수(세로축)를 나타내고 있다. 또한, 파티클수는, 입자직경이 0.16μm 초과인 것을 계측한 수이다.
<플라즈마 질화 처리 조건>
Ar 가스 유량 ; 1000mL/min(sccm)
N2 가스 유량 ; 40mL/min(sccm)
챔버내 압력 ; 6.7 Pa(50mTorr)
처리 온도(탑재대(2)의 온도) ; 400℃
마이크로파 파워 ; 0.9 W/cm2(1500 W)
처리 시간 ; 30초
<아이들 타임(있을 경우)>
250회의 플라즈마 질화 처리마다, 400℃, 10시간 방치했다.
도 3에 있어서, 처리매수의 증가에 따라 파티클수도 증가되어, 반도체 장치를 제조할 때에 허용되는 파티클수의 기준값(허용 파티클수)의 일례인 20개를 넘고 있다. 또한, 장시간의 아이들 타임을 개재시킨 경우에는, 웨이퍼(W)의 처리매수가 1000장 부근으로부터 파티클수가 급격히 증가해 가는 것을 알 수 있다. 여기서, 「아이들 타임」이란, 플라즈마 처리 장치(100)인 챔버를 아무것도 일어나지 않는 상태 또는 불활성가스 가스 Ar, N2 등을 공급하면서 진공배기하는 상태로 방치하는 것을 의미한다. 또한, 결과는 나타내지 않지만, 플라즈마 처리 조건에 의해서도 파티클의 발생량에 변화가 보여, 저압력, 고파워, 장시간 플라즈마 처리를 실행한 경우에 파티클이 발생하기 쉬운 것도 판명되었다.
이러한 파티클 발생의 메커니즘에 대하여 조사를 실행한 결과, 파티클의 주된 발생원은, 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 마이크로파 투과판(28)인 것이 판명되었다. 그리고 또한 조사를 진행시킨 결과, 석영제의 마이크로파 투과판(28)의 표면 부근에는, 다수의 마이크로 크랙을 포함하는 파쇄층(破層)이 존재하고 있어, 이 파쇄층에 플라즈마가 작용하여, 스퍼터링, 전기장의 국소적 집중에 의한 마이크로아크, 용해 등의 현상이 발생하여 파티클이 발생하고 있는 것이 판명되었다. 또한, 아이들 타임 후에 파티클이 증가하는 현상은, 챔버내 온도가 400℃ 전후에서 방치되는 아이들 타임 중에 발생하는 열응력에 의해, 상기 파쇄층의 마이크로 크랙의 각부가 박리하는 것이 원인으로 추측된다. 파티클의 원인이 되는 파쇄층은, 마이크로파 투과판(28)의 재료가 되는 석영재를 소정의 판 형상으로 가공한 후, 기계 연마에 의해 표면을 가공할 때에 마이크로 크랙이 형성되어 발생되는 것으로 생각된다.
그래서 본 실시형태의 플라즈마 처리 방법에서는, 플라즈마 처리 장치(100) 를 이용하여 웨이퍼(W)에 대하여 제 2 플라즈마 질화 처리를 실행하기 전에, 소정의 조건에서 플라즈마 처리 장치(100)내의 챔버 구성 부재, 특히 유전체의 표면을 고이온 에너지의 제 1 질화 플라즈마에 의해 처리한다. 이 플라즈마 표면 처리는, 플라즈마 처리 장치(100)를 이용하고, 플라즈마의 이온 에너지가 5.3 eV 초과 예컨대 5.4 내지 10 eV, 바람직하게는 5.4 내지 6.7 eV이 되는 고에너지 조건에서 실행하는 것이 바람직하다. 또한, 플라즈마의 전자 온도는 챔버 구성 부재,특히 유전체의 표면 근방에 있어서 높은 것이 바람직하고, 2 eV 이상 예컨대 2∼4 eV 인 것이 보다 바람직하다.
도 1의 플라즈마 처리 장치(100)를 이용하여 상기 고이온 에너지, 고전자 온도를 갖는 플라즈마를 형성하기 위한 조건으로서, 처리 압력은 15 Pa 이하 예컨대 0.133∼15 pa, 바람직하게는 10 Pa 이하 예컨대 0.133∼6.7 Pa 이다. 마이크로파 파워는 0.9 W/cm2 (1500 W) 이상 예컨대 0.9 W/cm2 (1500 W)∼2.4 W/cm2(4000 W), 바람직하게는 1.2 W/cm2 (2000 W) 이상 예컨대 1.2 W/cm2 (2000 W)∼2.4 W/cm2(4000 W), 보다 바람직하게는 1.8 W/cm2 (3000 W) 이상 예컨대 1.8 W/cm2 (3000 W)∼2.4 W/cm2 (4000 W)의 고파워의 조건을 들 수 있다.
또한, 처리 가스로서는, Ar 등의 희가스와 질소 가스를 포함하는 가스계를 이용하는 것이 바람직하고, 특히 Ar 가스와 질소 가스의 혼합 가스를 이용하는 것이 바람직하다. 예컨대 Ar 등의 희가스와 함께 질소를 사용하는 것에 의해, 플라 즈마에 의한 스퍼터 작용을 약하게 하여, 챔버내 부품에 가하는 플라즈마 대미지를 억제할 수 있다. 또한, 질소 가스로 바꾸어, 예컨대 NH3, MMH(모노메틸히드라진) 등을 이용할 수 있다.
예컨대 Ar 등의 희가스의 유량은, 0∼3000mL/min(sccm), 바람직하게는 500∼3000mL/min(sccm), N2 가스의 유량은 5∼500mL/min(sccm), 바람직하게는 10∼200mL/min(sccm)으로 할 수 있다.
또한, 플라즈마 표면 처리시의 처리온도는, 고온인 편이 표면 처리의 반복 회수가 적어도 되므로 바람직하다. 따라서, 탑재대(2)의 가열온도는, 예컨대 200∼800℃로 설정하는 것이 바람직하고, 400∼800℃로 설정하는 것이 보다 바람직하다.
상기 플라즈마에 의한 표면 처리에 있어서, 한 번의 플라즈마 처리의 시간은, 5∼1000초간으로 할 수 있고, 30∼300초간이 바람직하다. 또한, 플라즈마 처리는, 25회 이상 예컨대 25∼2000회 반복하는 것이 바람직하고, 500회 이상 예컨대 500∼2000회 반복하는 것이 보다 바람직하며, 1000회 이상 예컨대 1000회∼2000회 정도 반복하는 것이 바람직하다.
상기 조건에서 플라즈마 표면 처리를 실행하는 것에 의해, 석영제의 마이크로파 투과판(28)의 표면 부근의 파쇄층을 효과적으로 제거할 수 있다. 도 4는, 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)에서, 플라즈마 표면 처리를 실시한 후에, 플라즈마 질화 처리를 실행한 경우의 파티클의 발생 상황을 나타내고 있다. 파티클은, 입자 직경이 0.16μm초인 것을 카운트하였다. 플라즈마 표면 처리는, Ar 가스 유량 1000mL/min(sccm), N2 가스 유량 40mL/min(sccm), 처리 압력 6.7 Pa(50mTorr), 마이크로파 파워 1.8 W/cm2 (3000 W), 탑재대(2)의 가열 온도 400℃의 조건에서 실행하였다. 플라즈마 표면 처리에 있어서의 구체적인 순서는 표 1에 도시하는 스텝(1) 내지 스텝(5)와 같다.
또한, 플라즈마 표면 처리를 실행할 때에는, 플라즈마 처리 장치(100)의 챔버내의 탑재대(2)를 보호하기 위해서, 탑재대(2)에 더미 웨이퍼(Wd)를 탑재한 상태로 플라즈마 표면 처리를 실시하는 것이 바람직하다.
스텝1 스텝2 스텝3 스텝4 스텝5
시간[초] 20 5 5 210 3
Ar가스 유량 [mL]/min(sccm) 2000 2000 1000 1000 1000
N2가스 유량 [mL]/min(sccm) 0 0 0 40 40
압력[Pa] 126.6 126.6 6.7 6.7 6.7
마이크로파 파워[W] 0 2000 3000 3000 0
우선, 스텝(1)에서는, 플라즈마 처리 장치(100)의 챔버(1)내에 Ar 가스를 2000mL/min(sccm)으로 도입하면서, 압력을 126.6 Pa로 조절하였다(20초간). 다음에, 스텝(2)에서는, Ar 가스 유량 및 압력을 유지한 채로 챔버(1)내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 생성하였다(5초간). 이 단계에서는, 마이크로파 파워를 1.2 W/cm2 (2000 W)로 억제해 두는 것에 의해, 플라즈마를 착화하기 쉽게 하였다. 또한, 스텝(3)에서는, Ar 가스 유량을 플라즈마 표면 처리의 설정 조건인 1000mL/min(sccm)까지 내리고, 또한 압력을 6.7 Pa로 저하시킴과 동시에 마이크로 파 파워를 1.8 W/cm2 (3000 W)로 상승시켜, 이 조건에서 플라즈마를 안정화시켰다(5초간).
그리고, 스텝(4)에서는, Ar 가스 유량, 압력 및 마이크로파 파워를 유지한 채로, 챔버(1)내에 N2 가스를 유량 40mL/min(sccm)으로 도입하였다(210초간). 그리고, 생성된 고이온 에너지의 마이크로파 여기 질소 함유 플라즈마에 의해 챔버(1)내의 부재, 특히 마이크로파 투과판(28)을 표면 처리했다. 다음에, 스텝(5)에서는, 가스 유량 및 압력을 유지한 상태에서 마이크로파의 공급을 정지하여, 플라즈마 표면 처리를 종료시켰다. 그 후, 가스의 공급을 정지하여, 챔버(1)내를 일단 진공배기하였다. 이와 같이, 스텝(1) 내지 스텝(5)과 진공배기를 교대로 1000회 반복 실행하였다.
이상의 공정을 포함하는 플라즈마 표면 처리는, 연속적으로 반복해도 좋지만, 플라즈마의 열에 의해 챔버(1) 및 그 구성 부재 특히 마이크로파 투과판(28)이나 평면 안테나부재(31)가 파손하거나, 변형하거나 할 우려가 있으므로, 간헐적으로 플라즈마 표면 처리를 반복하는 것이 바람직하다. 이 때, 스텝(1 내지 5)의 처리와 진공배기를 포함하여 1 사이클로 하고, 복수 사이클을 간헐적으로 반복하더라도 좋다.
도 4에 도시하는 바와 같이 웨이퍼(W)의 누적 처리매수가 3000장을 넘더라도 파티클수는 기준값(허용 파티클수)인 20개 이하로 억제되어 있었다. 도 4와 도 3의 비교에서, 플라즈마 표면 처리를 실시하는 것에 의해, 그 후의 플라즈마 질화 처리에서 발생하는 파티클수를 대폭 저감할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
플라즈마 표면 처리를 실행하는 것에 의해 마이크로파 투과판(28)의 표면에 어떠한 변화가 발생했는지를 확인하기 위해서, 플라즈마 표면 처리를 실시하는 전후의 마이크로파 투과판(28)의 하면의 러프네스(roughness)를 AFM(원자간력 현미경 ; Atomic Force Microscope)에 의해 측정했다. 그 결과는 도 5 내지 도 7에 나타내는 바와 같다. 도 6은 플라즈마 표면 처리전의 마이크로파 투과판(28)의 하면의 상태를 나타내고 있어, 표면에 미세한 요철이 보이지만, 플라즈마 표면 처리후의 상태를 도시하는 도7에서는 요철이 소실되어 있다. 이와 같이, 플라즈마 표면 처리를 실시하는 것에 의해, 마이크로파 투과판의 러프네스가 대폭 저하하여, 표면이 평활화되어 있는 것이 확인되었다. 즉, 플라즈마 표면 처리에 이용한 고이온 에너지의 플라즈마가 마이크로파 투과판(28)의 표면부근의 파쇄층에 작용하는 것에 의해 파쇄층이 개질(改質) 혹은 소실한 것으로 생각된다.
상기 시험에서는, 플라즈마 표면 처리를 실행하는 것에 의해, 플라즈마 처리 장치(100)의 1구성 부재인 마이크로파 투과판(28)에 대하여 파티클을 저감할 수 있다는 것이 확인되었다. 이러한 파티클의 억제 효과는, 플라즈마 처리 장치(100)와 동일한 구성의 플라즈마 표면 처리 장치를 이용하여, 마이크로파 투과판(28) 등의 석영제부재에 대하여 개별적으로 플라즈마 표면 처리를 실행하는 것에 의해서도 얻을 수 있다. 즉, 석영제부재에 대한 플라즈마 표면 처리는, 반드시 웨이퍼(W) 등의 제품 처리용의 플라즈마 처리 장치(100)에 내장된 상태로 실행할 필요는 없다. 예컨대, 전용의 플라즈마 표면 처리 장치를 사용하여, 플라즈마 처리 장치(100)에 내장되기 전의 마이크로파 투과판(28)을 피처리체로서, 개별적으로 플라즈마 표면을 처리할 수 있다. 그 때의 조건은, 상기 플라즈마 표면 처리와 동일한 조건으로 실시할 수 있다. 또한, 플라즈마 표면 처리 장치에 있어서의 플라즈마원으로서는, 예컨대 리모트 플라즈마 방식, ICP 플라즈마 방식, ECR 플라즈마 방식, 표면 반사파 플라즈마 방식, 마그네트론 플라즈마 방식 등을 채용할 수 있다.
또한, 사용하지 않은 것에 한하지 않고, 사용된 결과 파티클의 발생 원인이 된 마이크로파 투과판(28) 등의 석영제부재에 대하여 플라즈마 표면 처리를 실시하는 것에 의해, 반복해서 재이용을 도모할 수 있다.
다음에, 플라즈마 표면 처리의 프로세스 조건을 결정하기 위해서, 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)를 사용하여 이하의 조건으로 플라즈마를 생성시켜 이온 에너지를 측정하였다.
<조건 1>
Ar 가스 유량 ; 1000mL/min(sccm)
N2 가스 유량 ; 40mL/min(sccm)
처리 압력 ; 6.7 Pa(50mTorr) 및 10 Pa(75mTorr)
마이크로파 파워 ; 1200 W, 1500 W, 2000 W 및 3000 W
탑재대(2)의 온도 ; 실온
<조건 2>
Ar 가스 유량 ; 1000mL/min(sccm)
N2 가스 유량 ; 200mL/min(sccm)
처리 압력 ; 12 Pa(90mTorr)
마이크로파 파워 ; 1200 W, 1500 W, 2000 W 및 3000 W
탑재대(2)의 온도 ; 실온
도 8은, 마이크로파 파워(가로축)와 플라즈마의 이온 에너지의 크기(세로축)의 관계를 처리 압력별로 플롯한 결과를 나타내고 있다. 또한, 도 9는, 압력(가로축)과 플라즈마의 이온 에너지의 크기(세로축)의 관계를 마이크로파 파워별로 플롯한 결과를 나타내고 있다.
도 8 및 도 9에 의해, 설정한 조건범위의 안에서, 처리 압력이 낮을수록, 플라즈마의 이온 에너지가 큰 것을 알 수 있다. 설정한 범위내에서는, 마이크로파 파워는 처리 압력만큼 큰 영향을 끼치는 것은 아니지만, 마이크로파 파워가 증가함에 따라, 이온 에너지도 증가하는 경향을 볼 수 있었다. 이들의 결과로부터, 플라즈마 표면 처리시에 필요한 고이온 에너지 예컨대 5.3 eV 초과의 플라즈마를 얻기 위해서는, 처리 압력을 10 Pa 이하로 설정하는 것이 바람직하고, 6.7 Pa 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 동일한 목적으로, 마이크로파 파워는, 1500 W 이상으로 하는 것이 바람직하고, 2000 W 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 3000 W 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.
다음에, 도 10은, 마이크로파 투과판(28)의 하단으로부터의 거리(mm)와, 플라즈마의 전자온도(세로축)의 관계를 처리 압력별로 플롯한 것이다. 플라즈마 처 리시의 처리 압력은 6.7 Pa(50mTorr) 또는 66.7 Pa(500mTorr)으로 했다. 이 도 10에 의해, 마이크로파 투과판(28)으로부터의 거리가 떨어질 수록, 전자온도가 저하하는 경향이 보이고, 특히 마이크로파 투과판(28)의 하단으로부터 20mm 정도까지의 사이에서 급준(急峻)한 전자 온도의 하강이 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 마이크로파 투과판(28)의 바로 아래에서는, 처리 압력이 6.7 Pa 이하이면, 1.5 eV 이상 예컨대 2 eV의 전자 온도의 플라즈마를 형성할 수 있다. 이 것으로부터, 처리 압력을 6.7 Pa 이하의 저압 조건으로 제어함으로써, 마이크로파 투과판(28)의 근방에서 2 eV 이상, 바람직하게는 2 내지 4 eV의 높은 전자 온도로 플라즈마 표면 처리를 실행하는 것이 바람직하다.
도 11은, 약 4000장의 웨이퍼(W)에 대하여 반복하여 플라즈마 질화 처리를 실시하는 도중에, 플라즈마 표면 처리를 실행한 러닝시험에 있어서의 파티클수(웨이퍼 1장당)의 추이를 나타내고 있다. 파티클은, 입자 직경이 0.16μm 초과인 것을 계측했다. 이 시험에서는, 이하의 조건에서 플라즈마 질화 처리 및 플라즈마 표면 처리를 실시했다.
<플라즈마 질화 처리 조건>
Ar 가스 유량 ; 1000mL/min(sccm)
N2 가스 유량 ; 40mL/min(sccm)
챔버내 압력 ; 6.7 Pa(50mTorr)
처리온도(탑재대(2)의 온도) ; 400℃
마이크로파 파워 ; 1500 W
처리 시간; 30초
<플라즈마 표면 처리 조건>
Ar 가스 유량 ; 1000mL/min(sccm)
N2 가스 유량 ; 40mL/min(sccm)
챔버내 압력 ; 6.7 Pa(50mTorr)
처리 온도(탑재대(2)의 온도) ; 400℃
마이크로파 파워 ; 3000 W
처리 시간 ; 210초
※ 플라즈마 표면 처리는 1000회 반복하여 실시하였다.
이 도 11에 있어서, 플라즈마 표면 처리 이전에는, 웨이퍼(W)의 처리매수가 증가해감에 따라, 파티클수도 증가하여, 처리매수가 약 1000장의 부근에서 기준값(허용 파티클수)인 20개를 초과하였다. 그러나, 플라즈마 처리 장치(100)의 챔버(1)내에서 플라즈마 표면 처리를 실행하는 것에 의해, 파티클수는 대략 플라즈마 질화 처리전의 레벨까지 감소하고, 그 후는, 처리매수가 약4000장에 달하는 부근까지 기준값(허용 파티클수) 이하에서 추이하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 플라즈마 질화 처리의 도중에 플라즈마 표면 처리를 실행하는 것에 의해, 플라즈마 질화 처리를 반복하는 것에 의해서 증가한 파티클수를 초기의 레벨까지 감소시킬 수 있고, 아울러 그 후의 파티클수의 증가를 억제할 수 있는 것을 확인할 수 있었 다.
다음에, 도 1과 동일한 구성의 플라즈마 처리 장치(100)를 사용하여 실행되는 본 발명의 플라즈마 처리의 바람직한 실시형태에 대하여 설명한다. 도 12는, 파티클수의 계측 결과를 바탕으로 플라즈마 질화 처리의 도중에 플라즈마 표면 처리 공정을 마련한 플라즈마 처리 방법 순서의 개요를 나타내는 흐름도이다.
따라서, 처리용기내의 석영표면이 노출되어 있는 영역에 강한 플라즈마에의해 질화처리함으로써, 웨이퍼(기판)으로의 플라즈마 질화처리조건의 압력이 20Pa 이상에서 반복해서 웨이퍼를 처리하여도 파티클의 발생을 억제할수 있었다.
우선, 도 12의 스텝(11)에서는, 플라즈마 처리 장치(100)의 챔버(1)내에서 플라즈마 질화 처리를 실행한다. 이 플라즈마 질화 처리는, 상기와 동일한 순서로 실행할 수 있다. 예컨대, 우선 피처리 기판인 웨이퍼(W)(제품 웨이퍼)를 챔버(1)내에 반입하여, 탑재대(2) 상에 탑재한다. 다음에, Ar 가스 및 N2 가스를 소정의 유량으로 가스 도입 부재(15)를 거쳐서 챔버(1)내에 도입한다. 다음에 마이크로파 발생 장치(39)로부터의 마이크로파를, 마이크로파 투과판(28)을 거쳐서 챔버(1)내에서의 웨이퍼(W)의 상방 공간에 방사시키는 것에 의해 플라즈마를 형성시킨다. 웨이퍼(W)의 표면에는 미리 예컨대 실리콘 산화막(SiO2막)이 형성되어 있고, 플라즈마 질화 처리에 의해, 실리콘 산화막중에 질소가 도입되어 실리콘 산질화막(SiON 막)이 형성된다. 또한, 플라즈마 질화 처리에 있어서의 가스 유량, 압력, 마이크로파 파워, 온도 등의 조건은 상기와 동일하게 실시할 수 있다.
플라즈마 질화 처리가 종료한 후는, 마이크로파의 공급을 정지하고, 다음에 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 게이트밸브(26)를 열림으로 하여 챔버(1)의 반출입구(25)로부터 처리된 웨이퍼(W)를 반출하는 것에 의해, 1장의 웨이퍼(W)에 대한 처리가 종료한다. 이 스텝(11)의 플라즈마 질화 처리는, 복수매(예컨대, 통산하여 10000장정도)의 웨이퍼(W)에 대하여 반복하여 실시된다.
다음에, 스텝(12)에서는, 파티클 계측을 실행한다. 파티클 계측은, 피처리 기판인 웨이퍼(W)(제품 웨이퍼)대신에 측정용 웨이퍼(Wm)를 챔버(1)내에 반입하고, 상기 스텝(11)과 동일한 조건으로 처리한 뒤, 이 측정용 웨이퍼(Wm)을 챔버(1)로부터 반출하여, 파티클 계측기(도시하지 않음)를 이용하여 웨이퍼 표면의 파티클수를 계측하는 것에 의해 실행할 수 있다. 이 파티클수의 계측은, 예컨대 웨이퍼(W)(제품 웨이퍼)를 소정 매수 처리할 때마다 실행할 수 있다
다음에, 스텝(13)에서는, 스텝(12)에서의 계측 결과에 근거하여, 파티클수가 기준값(허용 파티클수 ; 예컨대 20개)을 넘었는지 아닌지를 판정한다. 그리고, 파티클수가 기준값을 넘은(Yes) 경우에는, 파티클을 억제하기 위해서, 다음에 스텝(14)에서 마이크로파 투과판(28)을 구성 부재로서 포함하는 플라즈마 처리 장치(100)의 챔버(1)내를 플라즈마 표면 처리한다. 이 플라즈마 표면 처리는, 마이크로파 투과판(28)을 챔버(1)내에 내장한 채로의 상태로 실행할 수 있다.
이 스텝(14)의 플라즈마 표면 처리는, 예컨대 표 1에 도시하는 스텝(1) 내지 스텝(5)과 동일한 순서로 실시할 수 있다.
즉, 플라즈마 처리 장치(100)의 챔버(1)내에 더미 웨이퍼(Wd)를 반입한 뒤, Ar 가스를 도입하면서, 압력을 조절하고, 다음에, Ar 가스 유량 및 압력을 유지한 채 챔버(1)내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 생성시킨다. 다음에, Ar 가스 유량, 압력 및 마이크로파 파워를 플라즈마 표면 처리의 설정 조건으로 조정하여 플라즈마를 안정화시킨다. 그리고, Ar 가스 유량, 압력 및 마이크로파 파워를 유지한 채로, 챔버(1)내에 N2 가스를 도입하고, 생성된 고이온 에너지의 마이크로파 여기 질소 함유 플라즈마에 의해 챔버(1)내의 부재 예컨대 마이크로파 투과판(28)을 표면 처리한다. 다음에, 가스 유량 및 압력을 유지한 상태로 마이크로파의 공급을 정지하여 플라즈마 표면 처리를 종료시킨 뒤, 필요에 따라서 챔버(1)내를 일단 진공배기한다. 이상의 공정을 반복 실시한다.
이 스텝(14)의 플라즈마 질화 처리에 있어서의 가스 유량, 압력, 마이크로파 파워, 온도 등의 조건은 상기와 동일하게 실시할 수 있다. 또한, 플라즈마에 의한 표면 처리는, 500회 이상 예컨대 500 내지 2000회 정도 반복하는 것이 바람직하고, 1000회 이상 예컨대 1000회 내지 2000회 정도 반복해서 실시하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 스텝(13)에서 파티클수가 기준값을 넘지 않았다(No)고 판단된 경우에는, 계속해서 웨이퍼(W)(제품 웨이퍼)에 대하여 스텝(11)의 플라즈마 질화 처리를 실행한다. 이 경우, 스텝(11) 내지 스텝(13)의 처리는 파티클수가 기준값을 넘을 때까지 반복하여 실행할 수 있다.
스텝(14)에서 플라즈마 표면 처리를 실행한 후, 스텝(15)에서 파티클 계측을 실행한다. 이 스텝(15)의 파티클수의 계측은, 예컨대 스텝(14)의 플라즈마 표면 처리를 소정회수 반복할 때마다 실행할 수 있다. 파티클 계측은, 더미 웨이퍼(Wd)로 바꾸어 측정용 웨이퍼(Wm)를 챔버(1)내에 반입하고, 상기 스텝(11)과 동일한 조건으로 처리한 후, 이 측정용 웨이퍼(Wm)를 챔버(1)로부터 반출하여, 파티클 계측기(도시하지 않음)를 이용하여 웨이퍼 표면의 파티클수를 계측하는 것에 의해 실행할 수 있다.
다음에, 스텝(16)에서는, 스텝(S15)에서의 계측 결과에 근거하여, 파티클수가 기준값(허용 파티클수)이하 인지 아닌지를 판정한다. 그리고, 파티클수가 기준값 이하인(Yes) 경우에는, 챔버(1)내가 청정한 상태로 되어 있으므로, 스텝(17)에서 처리해야 하는 다음 로트가 존재하는지 안하는지를 판단한다. 스텝(17)에서 다음 로트가 있다(Yes)라고 판단된 경우에는, 재차 스텝(11)으로 되돌아가, 더미 웨이퍼(Wd)를 웨이퍼(W)(제품 웨이퍼)로 바꾸어 플라즈마 질화 처리를 실시한다. 한편, 스텝(17)에서 다음 로트가 없다(No)고 판단된 경우에는, 처리를 종료한다.
또한, 스텝(16)에서 파티클수가 기준값 이하가 아니라(No)고 판단된 경우에는, 스텝(14)의 플라즈마 표면 처리를 실시한다. 스텝(14) 내지 스텝(16)의 처리는, 파티클수가 기준값 이하로 감소할 때까지 실시할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태를 말했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 제약되는 일 없이, 여러가지의 변형이 가능하다.
예컨대 상기 실시형태에서는, 석영제부재로서, 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 마이크로파 투과판(28)을 들었지만, 이것에 한하는 것이 아니 라, 다른 챔버내 부재로서 예컨대 석영 라이너, 샤워 플레이트 등에 대해서도, 플라즈마 표면 처리를 실시하는 것에 의해, 동일하게 석영 부재로부터의 파티클의 발생을 저감할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치(100)를 예시했지만, 본 발명은, 다른 방식의 플라즈마 처리 장치, 예컨대 리모트 플라즈마 방식, ICP 플라즈마 방식, ECR 플라즈마 방식, 표면 반사파 플라즈마 방식, 마그네트론 플라즈마 방식 등의 플라즈마 처리 장치에도 적용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 플라즈마 폭로 환경하에서 사용되는 석영제부재에 대하여, 5.3 eV 초과의 이온 에너지를 갖는 플라즈마를 이용하여 표면 처리를 실시하는 것에 의해, 해당 석영제부재를 예컨대 챔버 구성 부품으로서 사용하여 플라즈마 질화 처리할 때에, 파티클의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
따라서, 챔버내 석영제부재에 대하여, 플라즈마 질화 처리에 앞서 플라즈마 표면 처리를 실시하는 것에 의해, 파티클의 발생을 억제하면서 반복하여 플라즈마 질화 처리를 실행할 수 있게 되어, 형성되는 실리콘 질화막을 예컨대 게이트 절연막으로서 이용할 경우에, 신뢰성이 높은 반도체 장치를 제공할 수 있다.

Claims (17)

  1. Ar 가스 및 N2 가스를 포함하는 처리 가스를 이용하여, 처리 압력 15 Pa 이하에서 5.3 eV 초과의 고이온 에너지를 갖는 플라즈마를 생성하고, 상기 플라즈마를 이용하여 플라즈마 처리 장치에 이용되는 석영제부재의 표면을 플라즈마 표면 처리하는 것을 특징으로 하는
    석영제부재의 표면 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 석영제부재의 표면근방에 있어서의 상기 플라즈마의 전자온도가 2 eV 이상인 것을 특징으로 하는
    석영제부재의 표면 처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 표면 처리는 25 내지 2000회 반복하여 수행되는 것을 특징으로 하는
    석영제부재의 표면 처리 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 플라즈마를 이용하여 피처리 기판을 플라즈마 질화 처리하기 위한 챔버와,
    상기 챔버의 상부에 배치되고, 마이크로파를 도입하는 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와,
    상기 챔버의 상부에 배치되고, 상기 평면 안테나를 통해 상기 마이크로파를 투과시켜 플라즈마 형성 공간에 공급하는 마이크로파 투과판을 구비하고,
    상기 마이크로파 투과판은, 청구항 1 또는 2에 기재된 석영제부재의 표면 처리 방법에 의해 플라즈마 표면 처리된 석영제부재인 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  9. 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나에 의해 챔버 내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 처리 장치를 이용하여, 상기 챔버 내에 Ar 가스 및 N2 가스를 포함하는 가스를 이용하여, 처리 압력 15 Pa 이하에서 5.3 eV 초과의 이온 에너지를 갖는 제 1 플라즈마를 형성하고, 상기 제 1 플라즈마에 의해 상기 플라즈마 처리 장치에서 이용되는 구성 부재의 표면을 처리하는 플라즈마 표면 처리 공정과,
    상기 챔버 내에 피처리 기판을 반입하고, 제 2 플라즈마를 형성하여 상기 피처리 기판을 플라즈마 질화 처리하는 기판 처리 공정을 포함하는
    플라즈마 처리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 표면 처리공정에서 이용하는 상기 제 1 플라즈마는, 상기 구성 부재근방에서 그 전자온도가 2 eV 이상인 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 처리 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 플라즈마 표면 처리 공정은 25 내지 2000회 반복하여 실행되는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 기판 처리 공정에서 이용하는 상기 제 2 플라즈마는, 상기 챔버 내에서 5.3 eV 미만의 이온 에너지를 갖는 플라즈마인
    플라즈마 처리 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 플라즈마를 이용하여 피처리 기판을 처리하기 위한 진공 배기 가능한 챔버와,
    상기 챔버 내에 마이크로파를 도입하는 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와,
    상기 챔버 내에 가스를 도입하는 가스 도입부와,
    상기 챔버 내에서, 플라즈마 처리 장치에 이용되는 석영제부재에 대하여, 청구항 1 또는 2에 기재된 석영제부재의 표면 처리 방법이 실행되도록 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
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