KR100991164B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 천장부가 개구되어 내부가 진공 배기 가능하게 이루어진 처리 용기와, 피처리체를 재치하기 위해 상기 처리 용기 내에 설치된 재치대와, 상기 천장부의 개구에 기밀하게 장착되어 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어진 천판과, 상기 천판의 상면에 설치되어 마이크로파를 상기 처리 용기 내로 도입하기 위한 평면 안테나 부재와, 상기 평면 안테나 부재의 중심부에 접속된 중심 도체를 갖는 마이크로파 공급을 위한 동축 도파관을 구비한 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 중심 도체와 상기 평면 안테나 부재의 중심부와 상기 천판의 중심부를 관통하도록 가스 통로가 형성되어 있고, 상기 천판의 중심 영역의 상면측에, 해당 천판의 중심부의 전계 강도를 감쇠시키기 위한 전계 감쇠용 오목부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치이다.

Description

플라즈마 처리 장치 {PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 반도체 웨이퍼 등에 대해서, 마이크로파에 의해 발생되는 플라즈마를 작용시켜 처리를 실시할 때에 사용되는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 제품의 고밀도화 및 고미세화에 따라, 반도체 제품의 제조 공정에 있어서 성막, 에칭, 애싱 등의 처리를 위해 플라즈마 처리 장치가 사용되고 있다. 특히, 0.1 mTorr(13.3 mPa) ~ 수 10 mTorr(수 Pa) 정도의 비교적 압력이 낮은 고(高)진공 상태에서도 안정되게 플라즈마를 발생시킬 수 있다는 점으로부터, 마이크로파를 이용하여 고밀도 플라즈마를 발생시키는 마이크로파 플라즈마 장치가 사용되는 경향이 있다.
이러한 플라즈마 처리 장치는, 일본 특허 공개 평3-191073호 공보, 일본 특허 공개 평5-343334호 공보, 일본 특허 공개 평9-181052호 공보, 일본 특허 공개 2003-332326호 공보 등에 개시되어 있다. 여기서, 마이크로파를 이용한 일반적인 마이크로파 플라즈마 처리 장치를, 도 8을 참조하여 개략적으로 설명한다. 도 8은, 종래의 일반적인 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 도시한 개략적인 구성도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 이 플라즈마 처리 장치(202)는, 진공 배기가 가능하도록 이루어진 처리 용기(204)와, 처리 용기(204) 내에 설치된 반도체 웨이퍼(W) 를 재치하는 재치대(206)를 구비하고 있다. 재치대(206)에 대향하는 천장부에는, 마이크로파를 투과하는 원판 형상의 질화 알루미늄 또는 석영 등으로 이루어진 천판(208)이 기밀하게 설치되어 있다. 그리고, 처리 용기(204)의 측벽에는 처리 용기(204) 내로 소정의 가스를 도입하기 위한 가스 노즐(209)이 설치되어 있다.
천판(208)의 상면 내지 상방에는, 두께 수 mm 정도의 원판 형상의 평면 안테나 부재(210)가 설치되어 있다. 평면 안테나 부재(210)의 반경 방향에서의 마이크로파의 파장을 단축시키기 위해, 예를 들면 유전체로 이루어진 지파재(212)가 평면 안테나 부재(210)의 상면 내지 상방에 설치되어 있다.
평면 안테나 부재(210)에는 다수의, 예를 들면 긴 홈 형상의 관통 홀로 이루어진 마이크로파 방사 홀(214)이 형성되어 있다. 이 마이크로파 방사 홀(214)은, 일반적으로는 동심원 형상으로 배치되거나, 또는 나선 형상으로 배치되어 있다. 또한, 평면 안테나 부재(210)의 중심부에는 동축 도파관(216)의 중심 도체(218)가 접속되어, 마이크로파 발생기(220)에 의해 발생된, 예를 들면 2.45 GHz의 마이크로파가 모드 변환기(222)에 의해 소정의 진동 모드로 변환된 후에 유도되도록 되어 있다. 이에 의해, 마이크로파는 안테나 부재(210)의 반경 방향으로 방사 형상으로 전파되면서 평면 안테나 부재(210)에 설치된 마이크로파 방사 홀(214)로부터 방출되고, 천판(208)을 투과하여 처리 용기(204)의 내부로 도입된다. 이 마이크로파에 의해 처리 용기(204) 내의 처리 공간(S)에 플라즈마가 발생되어, 재치대(206) 상의 반도체 웨이퍼(W)에 에칭 또는 성막 등의 소정의 플라즈마 처리가 실시될 수 있다.
그런데, 상기 플라즈마 처리가 실시될 경우에는, 웨이퍼면 내에 균일하게 처 리가 실시될 필요가 있다. 그러나, 플라즈마 처리에 필요한 처리 가스는 처리 용기(204)의 측벽에 설치된 가스 노즐(209)로부터 공급된다. 따라서, 가스 노즐(209)의 출구 근방의 영역과 웨이퍼(W)의 중심 영역에서는, 확산되는 처리 가스가 플라즈마에 노출되는 시간이 상이해지므로, 가스의 해리도가 상이하게 된다. 이 점에 기인하여, 웨이퍼면 내에서의 플라즈마 처리(구체적으로는, 에칭 레이트 또는 성막 시의 막 두께)가 면 내 불균일한 상태가 된다. 이 현상은, 특히 웨이퍼 사이즈가, 예를 들면 8 에서 12 인치로 커짐에 따라 특히 현저하게 나타나는 경향이 있다.
이 점에 대하여, 예를 들면 일본 특허 공개 2003-332326호 공보에는, 동축 도파관(216)의 중심을 통과하는 봉 형상의 중심 도체(218)를 속이 빈 공동(空洞) 상태로 하여 그 내부에 가스 유로(流路)를 설치하고, 또한 천판(208)을 관통하는 가스 유로를 설치하여, 이들 양 가스 유로를 연통(접속)하는 것이 기재되어 있다. 이 경우, 처리 가스는 처리 공간(S)의 중심부로 직접적으로 도입된다.
그러나, 이 경우, 천판(208)의 중앙부에 형성된 가스 유로의 내부에서의 전계 강도가 어느 정도 증가되므로, 처리 가스의 출구 근방의 가스 유로 내에서 플라즈마 이상 방전이 발생되는 경우가 있다. 이러한 플라즈마 이상 방전은 천판(208)의 중앙부를 과도하게 가열하여 천판(208)을 파손시킬 우려가 있다.
또한, 이 경우, 천판(208) 자체에, 그 주변부로부터 그 중심부까지 연장되는 가스 유로를 형성하는 것도 생각할 수 있다. 그러나 이 경우에도, 가스 유로 내의 전계 강도가 증가하게 되므로, 상술한 플라즈마 이상 방전이 발생될 우려가 있다.
본건 발명자 등은, 플라즈마 처리 장치에서의 천판 중의 전계 분포에 대하여 집중 연구하였다. 그 결과, 천판의 중앙부 상면에 소정의 치수 형상의 오목부를 설치함으로써, 해당 오목부에서의 전계 강도를 감쇠시켜 저감시킬 수 있다는 점을 발견하여 본 발명을 도출하는데에 이르렀다.
본 발명은, 이상의 내용과 같은 문제점에 착안하여, 이를 효과적으로 해결하기 위해 창안된 것이다. 본 발명의 목적은, 천판의 중심부의 전계 강도를 감쇠 또는 저감시켜, 가스 통로 내에 플라즈마 이상 방전이 발생되는 것을 억제할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 천장부가 개구되어 내부가 진공 배기 가능하게 이루어진 처리 용기와, 피처리체를 재치하기 위해 상기 처리 용기 내에 설치된 재치대와, 상기 천장부의 개구에 기밀하게 장착되어 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어진 천판과, 상기 천판의 상면에 설치되어 마이크로파를 상기 처리 용기 내로 도입하기 위한 평면 안테나 부재와, 상기 평면 안테나 부재의 중심부에 접속된 중심 도체를 갖는 마이크로파 공급을 위한 동축 도파관을 구비한 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 중심 도체와 상기 평면 안테나 부재의 중심부와 상기 천판의 중심부를 관통하도록 가스 통로가 형성되어 있고, 상기 천판의 중심 영역의 상면측에, 해당 천판의 중심부의 전계 강도를 감쇠시키기 위한 전계 감쇠용 오목부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치이다.
본 발명에 의하면, 천판의 중심 영역의 상면측에 가스 통로가 형성된 천판의 중심부의 전계 강도를 감쇠시키기 위한 전계 감쇠용 오목부가 설치되어 있으므로, 가스 통로 내에서 플라즈마 이상 방전이 발생되는 것을 억제할 수 있다. 그리고, 플라즈마 이상 방전을 억제할 수 있으므로, 천판이 부분적으로 과도하게 과열되지 않고, 천판이 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또한 천판의 중심부로부터 가스가 공급되므로, 처리 공간에서 가스가 플라즈마에 노출되는 시간을 평균화할 수 있고, 그 결과, 가스의 해리 상태를 균일화할 수 있다.
예를 들면, 상기 천판의 중심부의 전계 강도는 실질적으로 제로가 될 때까지 감쇠된다.
또한, 바람직하게는, 상기 평면 안테나 부재의 상면측에 상기 마이크로파의 파장을 단축시키기 위한 판 형상의 지파재(遲波材)가 설치된다.
또한, 예를 들면, 상기 전계 감쇠용 오목부는 원통형으로 형성되어 있고, 해당 전계 감쇠용 오목부의 직경(D1)은 상기 마이크로파의 상기 지파재 중의 파장(λ)의 1/2의 정수배이고, 또한, 상기 전계 감쇠용 오목부의 깊이(H1)는 상기 파장(λ)의 1/4의 홀수배이다.
또한, 바람직하게는, 상기 가스 통로의 가스 출구측에, 상기 처리 용기 내로 가스를 확산시키기 위한 다공질 부재가 장착된다. 이 경우, 처리 용기 내로 가스를 확산시켜 도입할 수 있다. 또한, 처리 용기 내의 플라즈마가 가스 통로 내로 회전하며 들어가는 것을 방지할 수도 있다.
또한, 예를 들면, 상기 중심 도체의 선단부(先端部)가 상기 평면 안테나 부재의 중심부를 관통하여 상기 천판의 상면까지 연장되어 있고, 상기 중심 도체의 선단부와 상기 천판의 상면의 사이에 씰 부재가 개재되어 설치되어 있다.
또한, 예를 들면, 상기 마이크로파의 주파수는 2.45 GHz이며, 상기 가스 통로의 직경은 적어도 16 mm이다.
또한, 바람직하게는, 상기 처리 용기의 측벽을 관통하여 설치된 가스 도입 노즐을 갖는 보조 가스 도입 수단이 설치된다. 이 경우, 보조 가스 도입 수단을 이용함으로써, 처리 공간에서의 가스의 해리 상태를 한층 균일화시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 도시한 구성도이다.
도 2는, 도 1에 도시된 플라즈마 처리 장치의 평면 안테나 부재를 도시한 평면도이다.
도 3은, 도 1에 도시된 플라즈마 처리 장치의 전계 감쇠용 오목부를 도시한 평면도이다.
도 4는, 도 1에 도시된 플라즈마 처리 장치의 전계 감쇠용 오목부를 도시한 부분 확대 단면도이다.
도 5는, 도 1에 도시된 플라즈마 처리 장치의 동축 도파관을 도시한 확대 단면도이다.
도 6은, 도 5의 A - A선 단면도이다.
도 7A는, 종래의 천판에 대한 마이크로파의 전계 분포의 상태를 도시한 사진이다.
도 7B는, 본 발명의 일 실시예에 따른 천판에 대한 마이크로파의 전계 분포 의 상태를 도시한 사진이다.
도 8은, 종래의 일반적인 플라즈마 처리 장치를 도시한 개략적인 구성도이다.
이하에, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 실시예를 첨부 도면에 기초하여 상세히 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 도시한 구성도이다. 도 2는, 도 1에 도시된 플라즈마 처리 장치의 평면 안테나 부재를 도시한 평면도이다. 도 3은, 도 1에 도시된 플라즈마 처리 장치의 전계 감쇠용 오목부를 도시한 평면도이다. 도 4는, 도 1에 도시된 플라즈마 처리 장치의 전계 감쇠용 오목부를 도시한 부분 확대 단면도이다. 도 5는, 도 1에 도시된 플라즈마 처리 장치의 동축 도파관을 도시한 확대 단면도이다. 도 6은, 도 5의 A - A선 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 플라즈마 처리 장치(플라즈마 에칭장치)(32)는, 전체가 통(筒體) 형상으로 성형된 처리 용기(34)를 갖추고 있다. 처리 용기(34)의 측벽 또는 저부는 알루미늄 등의 도체로 구성되어 접지되어 있다. 처리 용기(34)의 내부는 밀폐된 처리 공간(S)으로서 구성되고, 이 처리 공간(S) 내에 플라즈마가 형성되어 있다.
처리 용기(34) 내에는, 상면에 피처리체로서의 예를 들면 반도체 웨이퍼(W)를 재치하는 재치대(36)가 수용되어 있다. 재치대(36)는, 예를 들면 알루마이트 처리된 알루미늄 등으로 이루어진 평탄한 원판 형상으로 형성되어 있다. 재치대(36) 는 처리 용기(34)의 저부로부터 기립하는, 예를 들면 절연성 재료로 이루어진 지지 기둥(38)에 지지되어 있다.
재치대(36)의 상면에는, 반도체 웨이퍼(W)를 유지하기 위한 정전 척 또는 클램프 기구(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 또한, 재치대(36)는, 예를 들면 13.56 MHz의 바이어스용 고주파 전원에 접속될 수 있다. 또한, 필요에 따라 재치대(36)의 내부에는 가열용 히터가 설치될 수 있다.
처리 용기(34)의 측벽에는, 보조 가스 도입 수단(40)으로서, 처리 용기(34)내로 소정의 가스를 도입하기 위한 석영 파이프제의 가스 도입 노즐(40A)이 설치되어 있다. 이 각 노즐(40A)로부터, 필요에 따라 가스가 유량 제어되면서 공급될 수 있도록 이루어져 있다. 보조 가스 도입 수단(40)은 필요에 따라 설치된다. 복수의 노즐에 의해 복수 종류의 가스를 도입할 수 있도록 해도 좋다.
또한, 처리 용기(34)의 측벽에는, 처리 용기(34)의 내부에 대해 웨이퍼를 반입 및 반출하기 위해 개폐되는 게이트 밸브(42)가 설치되어 있다. 또한, 처리 용기(34)의 저부에는 배기구(44)가 설치되어 있다. 배기구(44)에는 도시하지 않은 진공 펌프가 개재되어 접속된 배기로(46)가 접속되어 있다. 이에 의해, 필요에 따라 처리 용기(34) 내를 소정의 압력까지 진공 배기할 수 있도록 되어 있다.
또한, 처리 용기(34)의 천장부는 개구되어 있다(개구부를 갖추고 있다). 여기서, 마이크로파에 대해서는 투과성을 갖는 천판(48)이 O링 등의 씰 부재(50)를 개재하여 기밀하게 설치되어 있다. 천판(48)은, 예를 들면 석영 또는 세라믹재 등으로 이루어진다. 천판(48)의 두께는 내압성을 고려하여, 예를 들면 20 mm 정도로 설정된다.
그리고, 천판(48)의 중앙부(중심 영역)의 상면측에, 원통형으로 오목하게 파여 이루어진 본 발명의 특징인 전계 감쇠용 오목부(52)가 형성되어 있다. 이 전계 감쇠용 오목부(52)의 구조의 상세에 대하여 후술한다. 또한, 원판 형상의 평면 안테나 부재(54)가 천판(48)의 상면에 접하여 설치되어 있다.
평면 안테나 부재(54)는, 8 인치 사이즈의 웨이퍼에 대응하는 경우에는, 예를 들면 직경이 300 ~ 400 mm, 두께가 1 ~ 수 mm 정도의 전도성 재료로 구성된다. 보다 구체적으로는, 예를 들면 표면이 은 도금된 동판 또는 알루미늄판으로 구성될 수 있다. 평면 안테나 부재(54)에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 예를 들면 긴 홈 형상의 관통 홀로 이루어진 다수의 마이크로파 방사 홀(56)이 형성되어 있다. 마이크로파 방사 홀(56)의 배치 형태는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 동심원 형상, 나선 형상, 방사 형상 등으로 배치될 수 있다. 또는, 평면 안테나 부재 전면(全面)에 균일하게 되도록 분포될 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시한 예에서는, 2 개의 마이크로파 방사 홀(56)을 약간 사이를 띄워 T 자형으로 배치하여 이루어지는 쌍을 중심부측에서 6 쌍 배치하고, 주변부측에서 24 쌍 배치함으로써, 전체적으로는 2 개의 동심원 형상의 배치를 실현하고 있다.
평면 안테나 부재(54)의 중심부에는 소정의 크기의 관통 홀(58)이 형성되어 있다. 후술하는 바와 같이, 이 관통 홀(58)을 거쳐 가스가 공급되도록 되어 있다.
도 1로 되돌아 와서, 평면 안테나 부재(54)에는 마이크로파 공급 수단(60)이 접속되어 있다. 평면 안테나 부재(54)는, 마이크로파 공급 수단(60)에 의해 공급되 는 마이크로파를 처리 공간(S)으로 도입하도록 되어 있다. 마이크로파 공급 수단(60)은 동축 도파관(62)을 갖추고 있다.
또한, 평면 안테나 부재(54)의 상면측에는, 고유전율 특성을 갖는 판 형상의 지파재(64)가 설치되어 있다. 지파재(64)는 전파(傳播)되는 마이크로파의 파장을 단축하도록 되어 있다. 지파재(64)로서는, 예를 들면 석영 또는 질화 알루미늄 등을 이용할 수 있다.
지파재(64)의 상방 및 측방의 대략 전면(全面)은, 전도성의 속이 빈 원통 형상의 용기로 이루어진 도파함(66)에 의하여 덮혀져 있다. 평면 안테나 부재(54)는 도파함(66)의 저판(底板)으로서 구성되어 재치대(36)에 대향하고 있다.
도파함(66) 및 평면 안테나 부재(54)의 주변부는 모두 처리 용기(34)와 도통되어 접지되어 있다. 도파함(66)의 상면에 동축 도파관(62)의 외측 도체(70)가 접속되어 있다. 동축 도파관(62)은, 중심 도체(68)와 이 중심 도체(68)의 주위를 소정 간격씩 이격시켜 동축 형상으로 둘러싸도록 설치된, 예를 들면 단면이 원형인 통 형상의 외측 도체(70)로 이루어져 있다. 이들 중심 도체(68) 및 외측 도체(70)는, 예를 들면 스테인레스 스틸 또는 구리 등의 도체로 이루어진다. 도파함(66)의 상부의 중심에 동축 도파관(62)의 통 형상의 외측 도체(70)가 접속되고, 내부의 중심 도체(68)는 지파재(64)의 중심에 형성된 홀(72)을 통하여 평면 안테나 부재(54)의 중심부에 용접 등에 의해 접속되어 있다. 용접 등에 의해 접속부(74)가 형성되어 있다.
중심 도체(68)는, 또한 평면 안테나 부재(54)의 관통 홀(58)(도 4 참조)을 통과하여 하방으로 연장되어, 천판(48)의 상면측에 설치된 전계 감쇠용 오목부(52) 내에 도달하고, 중심 도체(68)의 하단부는, 그 직경이 확대되어 접속 플랜지(76)를 형성하고 있다. 그리고, 천판(48)의 전계 감쇠용 오목부(52)의 중심부에는, 하방의 처리 공간(S)으로 관통하는 관통 홀(78)(도 3도 참조)이 형성되어 있다. 이 관통 홀(78)의 주변부에, O링 등의 씰 부재(80)를 개재하여 중심 도체(68)의 접속 플랜지(76)가 기밀하게 접속되어 있다.
동축 도파관(62)의 상부는, 모드 변환기(82) 및 매칭 회로(86)가 개재된 도파관(84)을 거쳐, 예를 들면 2.45 GHz의 마이크로파 발생기(88)에 접속되어 있다. 이에 의해, 평면 안테나 부재(54)로 마이크로파를 전파할 수 있도록 되어 있다. 마이크로파의 주파수는 2.45 GHz에 한정되지 않고, 그 밖의 주파수, 예를 들면 8.35 GHz 등이어도 좋다. 여기서, 중심 도체(68)의 상단부는 모드 변환기(82)의 천장 구획벽에 접속되어 있다.
도파관(84)으로서는, 단면이 원형 또는 단면이 구형(矩形)인 도파관을 이용할 수 있다. 또한, 도파함(66)의 상부에, 도시하지 않은 천장 냉각 쟈켓을 설치해도 좋다. 그리고, 도파함(66) 내에 있어서, 평면 안테나 부재(54)의 상면측에 설치된 고유전율 특성을 갖는 지파재(64)는, 그 파장 단축 효과에 의해 마이크로파의 파장을 단축시킨다. 또한, 지파재(64)로서는, 예를 들면 석영 또는 질화 알루미늄 등을 이용할 수 있다.
그리고, 가스 도입 수단(90)이 설치되어 있다. 구체적으로는, 가스 도입 수단(90)은 동축 도파관(62)의 중심 도체(68)와 천판(48)을 관통하도록 형성된 가스 통로(92)를 갖추고 있다. 가스 통로(92)는 중심 도체(68)에서는, 도 6에도 도시한 바와 같이, 중심 도체(68)를 공동 형상 또는 파이프 형상으로 성형함으로써, 중공로로서 형성되어 있다. 또한, 천판(48)에서는, 천판의 중심부에 형성된 관통 홀(78)이 가스 통로(92)의 일부를 형성하고 있다. 또한, 본 실시예에서는, 중심 도체(68)가 지파재(64)와 평면 안테나 부재(54)를 관통함으로써, 가스 통로(92)가 지파재(64)와 평면 안테나 부재(54)를 관통하고 있다.
한편, 중심 도체(68)의 상단부에 형성된 가스 입구(94)에 개폐 밸브(96) 또는 매스플로우 콘트롤러와 같은 유량 제어기(98) 등이 개재되어 설치된 가스 공급계(100)가 접속되어 있다. 이에 의해, 필요에 따라 원하는 가스가 유량 제어되면서 가스 통로(92)로 공급될 수 있도록 되어 있다. 또한, 가스 통로(92)의 가스 출구측인 천판(48)의 관통 홀(78)에는, 이곳으로부터 방출되는 가스를 확산시키기 위해 다공질 부재(102)가 장착되어 있다. 다공질 부재(102)로서는, 예를 들면 석영 포러스재 또는 알루미나 포러스재를 이용할 수 있다. 특히 천판(48)이 석영판으로 구성되어 있을 때에는, 열 팽창율이 대략 동일한 석영 포러스재를 이용함으로써 장착성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 천판(48)에 설치된 전계 감쇠용 오목부(52)의 치수에 대하여 설명 한다. 전계 감쇠용 오목부(52)는, 천판(48)의 중심부에서의 전계 강도를 감쇠시키는 것이며, 조건에 따라서는 전계 강도를 대략 제로가 될 때까지 감쇠시키는 것이다. 그러기 위해서는, 하기 식 1 및 식 2에 도시한 바와 같이, 전계 감쇠용 오목부(52)의 직경(D1)은 마이크로파의 지파재(64) 중의 파장(λ)의 1/2의 정수배이며, 또한, 그 깊이(H1)는 파장(λ)의 1/4의 홀수배로 설정하는 것이 바람직하다(도 3 및 도 4 참조).
D1 = λ/2 × n ………식 1
H1 = λ/4 × (2n - 1) ………식 2
(단, n은 양의 정수)
즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 전계 감쇠용 오목부(52)에는, 마이크로파의 반사파도 포함하여, 그 전체 둘레 방향 및 상하 방향으로부터 마이크로파가 전파된다. 여기서, 전체 둘레 방향으로부터 전파되는 마이크로파(Ex)에 관해서는, 상기 식 1을 만족시킴으로써, 서로 반대 방향의 마이크로파(Ex)가 상쇄된다. 또한, 상하 방향으로부터 전파되는 마이크로파(Ey)에 관해서는, 한 쪽이 반사파로 되어 있으므로, 상기 식 2를 만족시킴으로써, 서로 반대 방향의 마이크로파(Ey)가 상쇄된다. 그 결과, 해당 부분, 즉, 천판(48)의 중앙부에서의 전계 강도를 감쇠시킬 수가 있어, 예를 들면 대략 제로가 될 때까지 감쇠시킬 수도 있게 되는 것이다.
이어서, 동축 도파관(62)의 구조에 대하여, 도 5 및 도 6을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 실시예에서는, 모드 변환기(82)에서, 마이크로파 발생기(88)로 발생된 마이크로파의 진동 모드가 TE 모드로부터 TEM 모드로 변환되며, 또한, 마이크로파의 진행 방향이 90도로 휘어진다. 모드 변환기(82)의 외측 구획벽은, 구(矩) 형상의 상자 형태로서 형성되어 있다. 그리고, 동축 도파관(62)의 중심 도체(68)의 상단부인 기단부(基端部)가 상방측의 직경이 큰 원추 형상으로 성형된 접합부(104)로 되 어 있고, 모드 변환기(82)의 천장판인 구획벽(82A)에 대해 접합되어 있다. 이 원추 형상의 접합부(104)의 원추면의 경사 각도(θ)는, 도파관(84)측으로부터 진행되는 마이크로파의 진행 방향을 90도로 휘게하여 아래 방향으로 향하게 하기 위하여 45도로 설정되어 있다.
그리고, 동축 도파관(62)의 중심 도체(68)와 외측 도체(70)의 직경은, 종래 의 플라즈마 처리 장치의 경우와 비교하여, 마이크로파의 전파에 관한 기본적인 성능을 유지할 수 있는 범위에서, 모두 보다 크게 설정되어 있다. 그리고, 중심 도체(68)가 속이 빈(공동) 상태가 되어 형성된 가스 통로(92)의 내경(D2)이 제 1 소정치 이상으로 설정되어 있다. 여기서, 제 1 소정치는, 종래의 마이크로파 발생 장치의 중심 도체의 일반적인 굵기(외경)인 16 mm 정도이다. 즉, 내경(D2)은 16 mm 이상의 큰 값으로 설정된다.
또한, 중심 도체(68) 및 외측 도체(70)의 각 두께는, 모두 적어도 2 mm 정도로 설정된다. 이보다 두께가 얇으면 마이크로파에 의한 가열의 원인이 된다.
여기서, 중심 도체(68) 또는 외측 도체(70)의 직경을 단순히 크게 설정하는 것만으로는, 마이크로파에 복수의 진동 모드가 혼재하거나, 또는 마이크로파의 반사 특성이 열화되는 등의 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 이하에 설명하는 바와 같은 설계 기준을 만족시키는 것이 필요하다.
제 1 기준으로서는, 외측 도체(70)의 내경의 반경(r1)과, 중심 도체(68)의 외경의 반경(r2)과의 비(r1 / r2)가 제 2 소정치로 유지되며, 또한, 외측 도체(70)의 내경(D3)(= 2 × r1)이 제 3 소정치 이하로 되는 것이다.
이 경우, 하기 식 3과 상기 비(r1 / r2)에 기초하여 구해지는 특성 임피던스(Zo)가, 예를 들면 40 ~ 60 Ω의 범위 내에 들어가는 것이 요구된다. 구체적으로는, 이러한 특성 임피던스 값을 만족시키는 제 2 소정치는, e2 /3 ~ e(e = 2.718…)의 범위 내의 일정 값이다.
Zo = h / 2π·ln(r1 / r2) ………식 3
h：전파 임피던스(전계와 자계의 비)
ln：자연 대수
(식 3에서, 40 ≤ Zo ≤60으로 하면, 비 r1 / r2의 범위가 정해진다.)
또한, 동축 선로에서의 특성 임피던스를 구하는 방법 및 TEM 모드에 한정된 마이크로파의 전파에 대해서는, 문헌 「마이크로파 공학」(모리키타 전기 공학 시리즈 3, 마이크로파 광학 ― 기초와 원리 ― 저자: 나카지마 마사미츠, 발행처： 모리키타 출판, 1998년 12월 18일 발행)의 「동축 선로」(67 - 70 페이지)에 상세하게 기재되어 있다. 따라서, 그 설명은 여기에서는 생략한다.
또한, 제 3 소정치로서는, 경험적인 안전 계수를 고려하여, 전파되는 마이크로파의 대기중의 파장(λO)의「0.59 - 0.1」(= 0.49) 파장이다. 여기서, 하기 식 4에 도시된 바와 같이, 상기 내경(D3)은 0.49 × λO 이하의 값이 되도록 설정된다.
D3 ≤ λO (0.59 - 0.1) ………식 4
이 조건을 만족시킴으로써, 모드 변환 후의 동축 도파관(62) 내를 전파하는 마이크로파의 진동 모드를 TEM 모드만으로 할 수 있는, 즉, 그 밖의 진동 모드가 혼재하지 않는 상태로 할 수 있다.
식 4에 도시된 조건식은, 다음과 같이 구하여진다. 즉, TEM 모드 외에 원형 도파관(동축 도파관이 아님)으로 가장 전파하기 쉬운 모드는, 전파 계수가 높은 쪽으로부터 TE11 모드이며, 그 경우의 차단 주파수(fc)는 이하의 식이 된다.
Fc = 1.841 / 2πr√(με)
여기서, 상기 fc, r, μ, ε는 각각, 차단 주파수, 원형 도파관의 반경, 대기 중의 투자율(透磁率), 대기중의 유전율이다.
이 식을 변형하면, r = 0.295 λO(λO：전자파의 대기 중에서의 파장)이 되고, 원형 도파관의 직경은 2r = 0.59 λO이 된다.
여기서, λO보다 파장이 긴 전자파를 이용하면, TEM 모드만이 전파되게 된다. 또한, 원형 도파관을 동축 도파관으로 보면, 2r ≒ 2r1 = D3 ≤ 0.59 λO의 조건 하에서 TEM 모드만이 전파되게 된다. 또한, 경험적인 안전 계수를 고려하면, ‘D3 ≤ (0.59 - 0.1) λO’이 되어 상기 식 4가 도출된다.
그 결과, 외측 도체(70)의 내경(D3：(2 × r1))을 최대 60 mm로 할 수 있고, 또한, 중심 도체(68)의 외경(2 × r2)을 30 mm 정도로 할 수 있으며, 중심 도체(68)의 두께를 2 mm로 하면, 그 내경(D2)을 26 mm로 할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 제 2 기준으로서 하기 식 5에 도시한 바와 같이, 모드 변환기(82)와 동축 도파관(62)을 포함하는 전체 길이(H2)를, 마이크로파의 대기 중 의 파장(λO)의 1/4 파장의 홀수배로 설정하는 것이 바람직하다.
H2 = 1/4 × λO × (2n - 1) ………식 5
n : 양의 정수
높이(H2)는, 구체적으로는, 모드 변환기(82)의 천장의 구획벽(82A)과 도파함(66)의 천장판과의 사이의 거리이다. 이 제 2 기준을 만족시킴으로써, 동축 도파관(62) 내를 진행하는 진행파와 평면 안테나 부재(54)측으로부터의 반사파를 효율적으로 상쇄시킬 수 있다.
또한, 더욱 바람직하게는, 제 3 기준으로서 하기 식 6에 도시한 바와 같이, 모드 변환기(82)로 들어가는 마이크로파의 진행 방향의 내측에 위치하는 단면(도 5의 좌단면), 즉, 단락판(82B)과 접합부(104)의 해당측의 원추면의 중간점과의 사이의 거리(H4)가, 마이크로파의 대기압 중의 파장(λO)의 1/2 파장의 정수배의 길이로 설정되는 것이 바람직하다.
H4 = 1/2 × λO × n ………식 6
n : 양의 정수
여기서, 접합부(104)의 원추 형상의 경사면의 중간점의 위치는, 동축 도파관(62)의 통 형상의 외측 도체(70)의 수직 방향의 연장선 상에 위치하도록 되어 있다.
이 제 3 기준을 만족시킴으로써, 도파관(84) 내로부터 전파되는 진행파와, 모드 변환기(82)의 단락판(82B)에서 반사되는 반사파가 동기하여 효율적으로 합성 되고, 그 합성 전파가 아래 방향의 동축 도파관(62)을 향하여(90도로 진행 방향을 바꾸어) 진행될 수 있다.
이상의 바와 같이, 상기 제 1 기준을 만족시킴으로써, 마이크로파에 관한 기본적인 성능을 유지하면서, 중심 도체에 형성되는 가스 통로(92)의 내경을 확대시킬 수 있다. 또한, 상기 제 2 및 제 3 기준을 만족시킴으로써, 상기 작용 효과를 보다 향상시킬 수 있다.
이어서, 이상의 바와 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(32)를 이용하여 실시되는 처리 방법(에칭 방법)에 대하여 설명한다.
우선, 게이트 밸브(42)를 거쳐, 반도체 웨이퍼(W)가 반송 암(도시하지 않음)에 의해 처리 용기(34) 내에 수용된다. 리프터 핀(도시하지 않음)을 상하 이동시킴으로써, 반도체 웨이퍼(W)는 재치대(36)의 상면인 재치면에 재치된다.
또한, 보조 가스 도입 수단(40)의 가스 공급 노즐(40A) 및 가스 도입 수단(90)의 가스 통로(92) 등을 거쳐, 처리 용기(34) 내에, 처리 태양에 따른 가스, 예를 들면 에칭 처리라면 에칭 가스가(성막 처리라면 성막용 가스가) 유량 제어되면서 공급된다. 가스 도입 수단(90)에서는, 공급해야 할 가스는 가스 공급계(100)를 흘러 동축 도파관(62)의 중심 도체(68)의 상단부에 설치된 가스 입구(94)로부터 가스 통로(92) 내로 들어가고, 가스 통로(92)를 흘러 내려간 후, 천판(48)에 설치된 관통 홀(78)의 하단부의 가스 출구로부터 처리 공간(S) 내에 도입된다. 그리고, 처리 용기(34) 내가 소정의 프로세스 압력, 예를 들면 0.01 ~ 수 Pa의 범위 내로 유지된다.
이와 동시에, 마이크로파 공급 수단(60)의 마이크로파 발생기(88)에서 발생된 TE 모드의 마이크로파가 도파관(84)을 거쳐 모드 변환기(82)로 전파되고, 여기에서 진동 모드가 TEM 모드로 변환된 후, 동축 도파관(62)을 거쳐 평면 안테나 부재(54)로 공급된다. 평면 안테나 부재(54)로부터 처리 공간(S)으로는, 지파재(64)에 의해 파장이 단축된 마이크로파가 도입된다. 이에 의해, 처리 공간(S) 내에 플라즈마가 발생되어 소정의 에칭 처리가 실시된다.
여기서, 마이크로파 발생기(88)로부터 발생된, 예를 들면 2.45 GHz의 마이크로파는, 상기한 바와 같이, 동축 도파관(62) 내를 전파하여 도파함(66) 내의 평면 안테나 부재(54)로 전파한다. 그리고, 원판 형상의 평면 안테나 부재(54)의 중심부로부터 주변부로 방사 형상으로 전파할 동안에, 평면 안테나 부재(54)에 형성된 다수의 마이크로파 방사 홀(56)로부터 마이크로파가 천판(48)을 투과하여, 평면 안테나 부재(54)의 직하의 처리 공간(S)에 도입된다. 이 마이크로파에 의하여 아르곤 가스 또는 에칭 가스가 여기되어 플라즈마화되고, 하방으로 확산되어 처리 가스를 활성화하여 활성종을 만든다. 그리고, 이 활성종의 작용에 의해 웨이퍼(W)의 표면의 박막이 에칭된다.
여기서, 가스 통로(92)의 일부를 구성하는 천판(48)의 관통 홀(78) 내에는, 이 곳을 가스가 흐르므로, 마이크로파에 의한 전계에 의하여 플라즈마 이상 방전이 발생될 우려가 있다. 그러나, 본 실시예에서는, 천판(48)의 중앙부(중심 영역)의 상면측에 전계 감쇠용 오목부(52)가 설치되고, 해당 부분에서의 전계 강도를 감쇠시키고 있으므로(예를 들면, 대략 제로가 되도록 하고 있다), 플라즈마 이상 방전 의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
구체적으로는, 상술한 바와 같이, 식 1 및 식 2에 도시한 바와 같이, 전계 감쇠용 오목부(52)의 직경(D1)은, 마이크로파의 지파재(64) 중의 파장(λ)의 1/2의 정수배로, 또한 그 깊이(H1)는, 파장(λ)의 1/4의 홀수배로 설정된다(도 3 및 도 4 참조). 마이크로파의 주파수를 2.45 GHz, 천판(48) 및 지파재(64)를 구성하는 재료가 석영으로, 그 비(比)유전율이 3.8이라고 가정하면 λ = 62 mm가 되므로, 예를 들면, D1 = 31 mm, H1 = 15.1 mm로 설정될 수 있다.
그리고, 도 4에 도시한 바와 같이, 전계 감쇠용 오목부(52)에는, 마이크로파의 반사파도 포함하여, 그 전체 둘레 방향 및 상하 방향으로부터 마이크로파가 전파된다. 이 때, 전체 둘레 방향으로부터 전파되는 마이크로파(Ex)에 관해서는, 상기 식 1을 만족시킴으로써, 서로 반대 방향의 마이크로파(Ex)가 상쇄된다. 또한, 상하 방향으로부터 전파되는 마이크로파(Ey)에 관해서는, 한 쪽이 반사파로 되어 있으므로, 상기 식 2을 만족시킴으로써, 서로 반대 방향의 마이크로파(Ey)가 상쇄된다. 그 결과, 해당 부분, 즉, 천판(48)의 중앙부에서의 전계 강도를 감쇠시킬 수 있고, 예를 들면 대략 제로가 될 때까지 감쇠시킬 수도 있다.
천판(48)의 관통 홀(78) 내 또는 중심 도체(68)의 하단부 근방의 전계 강도가 대략 제로가 되면, 해당 부분에서 플라즈마 이상 방전이 발생되는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 천판(48)이 국부적으로 고온으로 가열되지 않으므로, 천판(48)이 파손되는 것도 방지할 수 있다.
또한, 천판(48)의 관통 홀(78) 내에 다공질 부재(102)가 장착되어 있으므로, 이 다공질 부재(102)의 기능에 의해 처리 공간(S)에 도입되어야 하는 가스가 확산된 상태에서 처리 공간(S)에 도입될 수 있다. 또한, 처리 공간(S) 내에서 발생되고 있는 플라즈마 방전이 다공질 부재(102)로 저해되어, 관통 홀(78) 내로 회전하며 들어가는 것이 방지될 수 있다. 그 결과, 중심 도체(68)의 하단부를 씰링하는 씰 부재(80)가 플라즈마에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 필요한 가스가 가스 도입 수단(90)에 의해 천판(48)의 중심부로부터 공급되므로, 해당 가스가 처리 공간(S) 내의 주변부로 균등하게 확산된다. 이에 의해, 종래의 장치와 비교하여, 처리 공간(S)에서의 가스의 해리도의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 가스 도입 수단(90)뿐만 아니라, 처리 용기(34)의 측벽에 설치된 보조 가스 도입 수단(40)으로부터도 동종의 가스를 공급하면, 중심으로부터의 가스 확산과 주변으로부터의 가스 확산이 합성될 수 있다. 그 결과, 처리 공간(S)의 전역에 걸쳐 가스가 균일하게 확산됨으로써, 처리 공간(S)에서의 가스의 해리도의 균일성을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 천판(48)의 중심부의 직하의 처리 공간(S)에서는 플라즈마 전계 강도가 감쇠되고 있는 점으로부터, 해당 부분에서는 플라즈마 방전이 발생되기 어렵다. 그러나, 그 주변부로부터 충분히 해리 가스가 보급되므로, 플라즈마 처리 자체에는 문제가 발생되지 않는다.
여기서, 천판(48) 중의 마이크로파의 전계 강도의 분포에 대하여, 실제로 측정하여 평가를 실시하였다. 그 평가 결과에 대하여 설명한다.
도 7A는, 종래의 천판에 대한 마이크로파의 전계 강도 분포의 상태를 도시한 사진이다. 도 7B는, 본 실시예에 따른 천판(48)에 대한 마이크로파의 전계 강도 분포의 상태를 도시한 사진이다. 각각 이해를 용이하게 하기 위하여 모식도를 병기하고 있다.
도 7A에 도시한 바와 같이, 종래의 구조의 천판의 경우에는, 천판의 중심부에서 플라즈마의 전계 강도가 크게 나타나고 있다. 이에 대해, 도 7B에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 경우에는, 천판의 중심에서 플라즈마의 전계 강도는 대략 제로가 되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한 여기서는, 플라즈마 처리 장치로서 플라즈마 에칭 장치를 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다. 플라즈마 CVD 장치, 플라즈마 애싱 장치, 산화 장치, 질화 장치 등에도 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 막 두께 측정기가 필요에 따라 당연히 설치될 수 있다.
또한, 상기의 실시예에서는, 피처리체로서 반도체 웨이퍼를 예로 들어 설명 하였으나, 이에 한정되지 않는다. LCD 기판, 글라스 기판, 세라믹 기판 등에도 본 발명을 적용할 수 있다.
특히, 최근의 대형화된 LCD 기판에서는, 평면 안테나 부재의 복수의 개소에 마이크로파를 공급해도 좋다. 이에 의해, 대(大)면적의 처리 공간으로, 보다 균일한 플라즈마를 방전시킬 수 있다. 이 경우에도, 마이크로파가 공급되는 복수 개소의 각각에 본원 발명의 전계 감쇠용 오목부를 설치할 수 있다.

Claims (9)

  1. 천장부가 개구되어 내부가 진공 배기 가능하게 이루어진 처리 용기와,
    피처리체를 재치하기 위해 상기 처리 용기 내에 설치된 재치대와,
    상기 천장부의 개구에 기밀하게 장착되어 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어진 천판과,
    상기 천판의 상면에 설치되어 마이크로파를 상기 처리 용기 내로 도입하기 위한 평면 안테나 부재와,
    상기 평면 안테나 부재의 중심부에 접속된 중심 도체를 갖는 마이크로파 공급을 위한 동축 도파관을 구비한 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 중심 도체와 상기 평면 안테나 부재의 중심부와 상기 천판의 중심부를 관통하도록 가스 통로가 형성되어 있고,
    상기 천판의 중심 영역의 상면측에, 상기 천판의 중심부의 전계 강도를 감쇠시키기 위한 전계 감쇠용 오목부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 천판의 중심부의 전계 강도는 제로가 될 때까지 감쇠되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 평면 안테나 부재의 상면측에 상기 마이크로파의 파장을 단축시키기 위한 판 형상의 지파재(遲波材)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전계 감쇠용 오목부는 원통형으로 형성되어 있고,
    상기 전계 감쇠용 오목부의 직경(D1)은 상기 마이크로파의 상기 지파재 중의 파장(λ)의 1/2의 정수배이고, 또한, 상기 전계 감쇠용 오목부의 깊이(H1)는 상기 파장(λ)의 1/4의 홀수배인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 통로의 가스 출구측에, 상기 처리 용기 내로 가스를 확산시키기 위한 다공질 부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 중심 도체의 선단부가 상기 평면 안테나 부재의 중심부를 관통하여 상기 천판의 상면까지 연장되어 있고,
    상기 중심 도체의 선단부와 상기 천판의 상면의 사이에 씰 부재가 개재되어 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로파의 주파수는 2.45 GHz이며,
    상기 가스 통로의 직경은 적어도 16 mm인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 처리 용기의 측벽을 관통하여 설치된 가스 도입 노즐을 갖는 보조 가스 도입 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  9. 천장부가 개구되어 내부가 진공 배기 가능하게 이루어진 처리 용기와,
    피처리체를 재치하기 위해 상기 처리 용기 내에 설치된 재치대와,
    상기 천장부의 개구에 기밀하게 장착되어 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어진 천판과,
    상기 천판의 상면에 설치되어 마이크로파를 상기 처리 용기 내로 도입하기 위한 평면 안테나 부재와,
    상기 평면 안테나 부재에 접속된 중심 도체를 갖는 마이크로파 공급을 위한 동축 도파관을 구비한 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 중심 도체와 상기 평면 안테나 부재와 상기 천판을 관통하도록 가스 통로가 형성되어 있고,
    상기 천판의 상면측에, 상기 천판의 전계 강도를 감쇠시키기 위한 전계 감쇠용 오목부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
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