KR101045271B1 - 플라즈마 생성 장치 및 플라즈마 성막 장치 - Google Patents

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미쯔이 죠센 가부시키가이샤
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Abstract

플라즈마 생성 장치는, 안테나 소자에 고주파 신호를 급전(給電)하는 급전선과 접속된, 임피던스(impedance) 정합을 위한 특성 파라미터가 가변인 임피던스 정합 부재와, 임피던스 정합 부재에 대응하여 설치되고, 임피던스 정합 부재와 적어도 2개 이상의 안테나 소자를 접속하는 분배 배선과, 임피던스 정합 부재의 특성 파라미터를 변화시켜, 분배 배선을 통하여 임피던스 정합 부재와 접속된 적어도 2개 이상의 안테나 소자의 임피던스 정합 상태를 동시에 변화시키는 제어부를 가진다. 이것에 의하여, 안테나 소자에 비하여 임피던스 정합기의 수가 적고, 임피던스 정합에 관련되는 기구가 비교적 콤팩트(compact)한 장치가 된다.
플라즈마 생성 장치, 안테나 소자, 임피던스 정합, 분배 배선, 제어부

Description

플라즈마 생성 장치 및 플라즈마 성막 장치{PLASMA GENERATING APPARATUS AND PLASMA FILM FORMING APPARATUS}
본 발명은, 반도체, 액정 표시 장치, 태양 전지 등을 제작할 때에 이용하는 CVD, 에칭 또는 스퍼터링 등의 처리에 이용되는 플라즈마 생성 장치, 및, 이 플라즈마 생성 장치를 구비하여 구성되는 플라즈마 성막(成膜) 장치에 관한 것이다.
플라즈마를 이용한 CVD(Chemical Vapor Deposition) 장치를 시작으로 하는 반도체 제조 장치에서는, 플라즈마 생성을 위하여 안테나 소자를 이용한 전자파 결합형의 장치가 이용되고 있다. 한편, 액정 표시 장치나 어모퍼스(amorphous)형의 태양 전지의 대형화에 수반하여, 플라즈마를 이용하여 각 처리를 행하는 반도체 제조 장치에 관해서도, 대면적의 기판을 처리하는 대형의 장치가 요망되고 있다.
이와 같은 대형의 반도체 제조 장치에 있어서 사용하는 고주파 신호의 주파수는 10MHz ~ 2.5GHz로 높기 때문에, 안테나 소자로부터 방사되는 전자파의 파장이 짧다. 이 때문에, 성막 등의 처리의 균일성에 영향을 주는 플라즈마의 밀도 분포가 균일해지도록 제어하는 것이 한층 중요하게 되어 있다.
이와 같은 상황 하에, 예를 들어 하기 특허 문헌 1 및 하기 특허 문헌 2에 있어서, 대면적의 플라즈마를 생성할 수 있는 플라즈마 생성 장치의 일례가 기재되 어 있다. 구체적으로는, 유전체로 표면이 덮인 봉상(棒狀)의 안테나 소자가 평면상(平面狀)으로 복수개 배치되어 이루어지는 어레이 안테나를 이용하여, 전자파의 공간 분포를 똑같이 하여 대면적의 플라즈마 생성에 이용하는 것이다. 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2 기재의 플라즈마 생성 장치에서는, 고주파 전력을 급전(給電)하였을 때의 반사 전력이 0%가 되도록(임피던스(impedance) 정합 상태가 최량(最良)으로 되도록), 임피던스 정합 상태에 영향을 주는 특성 파라미터를 조정하는 임피던스 정합기를 구비하고 있다.
[특허 문헌 1] 일본국 공개특허공보 특개2004-349199호
[특허 문헌 2] 일본국 공개특허공보 특개2005-149887호
특허 문헌 1 및 특허 문헌 2 기재의 플라즈마 생성 장치에서는, 각 안테나 소자마다의 임피던스 정합 상태를 조정하기 위하여, 각 안테나 소자마다 임피던스 정합기가 설치되어 있다. 어레이 안테나를 이용하여, 보다 대면적의 플라즈마를 생성하기 위해서는, 당연히, 어레이 안테나를 구성하는 안테나 소자의 수를, 보다 많게 할 필요가 있다. 즉, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 기재의 종래의 플라즈마 생성 장치에서는, 안테나 소자의 수를 늘리는 것과 동시에, 각 안테나 소자마다 설치하는 임피던스 정합기의 수도 늘릴 필요가 있었다. 임피던스 정합기가 증가하면, 각 임피던스 정합기를 조정하기 위한 제어 시스템도 복잡하게 된다. 이와 같이, 어레이 안테나를 이용한 종래의 플라즈마 처리 장치에서는, 대면적의 플라즈마를 생성하기 위하여, 안테나 소자에 더하여 임피던스 정합기도 증가시키지 않으면 안 되어, 임피던스 정합에 관련되는 기구가 대규모인 것으로 되어 있었다.
그래서, 본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위하여, 복수의 안테나 소자로 구성된 어레이 안테나를 이용하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 장치이고, 안테나 소자에 비하여 임피던스 정합기의 수가 적고, 임피던스 정합에 관련되는 기구가 비교적 콤팩트(compact)한 플라즈마 생성 장치, 및 이 플라즈마 생성 장치를 이용한 플라즈마 성막 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 유전체로 표면이 덮인 봉상의 도체로 구성한 안테나 소자가 평면상으로 복수 배열되어 이루어지는 안테나 어레이를 이용한 플라즈마 생성 장치이고, 상기 안테나 어레이의 각 안테나 소자에 급전하는 고주파 신호를 생성하는 고주파 전원과, 상기 안테나 소자에 상기 고주파 신호를 급전하는 급전선과 접속된, 임피던스 정합을 위한 특성 파라미터가 가변인 임피던스 정합 부재와, 상기 임피던스 정합 부재에 대응하여 설치되고, 상기 임피던스 정합 부재와 적어도 2개 이상의 안테나 소자를 접속하는 분배 배선과, 상기 임피던스 정합 부재의 상기 특성 파라미터를 변화시켜, 상기 분배 배선을 통하여 상기 임피던스 정합 부재와 접속된 적어도 2개 이상의 상기 안테나 소자의 임피던스 정합 상태를 동시에 변화시키는 제어부를 가진다. 상기 분배 배선은 판상(板狀)의 도체로 이루어진다. 상기 판상의 도체의 폭의 길이 방향은, 상기 안테나 소자의 배열에 의하여 형성되는 평면에 대하여 수직 또는 평행인 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치를 제공한다.
나아가, 상기 고주파 전원이 생성한 고주파 신호를, 복수의 상기 급전선에 분배하는 분배기를 가지고, 상기 임피던스 정합 부재는, 복수의 상기 급전선 각각에 대응하여 설치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 분배 배선은, 상기 임피던스 정합 부재와 상기 안테나 소자의 사이에 적어도 1개 이상의 분기부를 가지고, 각 분기부에 있어서 상기 고주파 신호를 2방향으로 분배하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 판상의 도체는, 상기 분기부에 있어서 2방향으로 분기하고 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 판상의 도체는, 상기 분기부로부터 상기 안테나 소자 측에서는, 상기 임피던스 정합 부재로부터 상기 안테나 소자로 향하는 상기 고주파 신호의 진행 방향에 수직 방향의 폭이, 상기 분기부로부터 상기 임피던스 정합 부재 측의 1/2배로 되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 분배 배선에 있어서, 상기 임피던스 정합 부재로부터 각 안테나 소자에 이르기까지의 상기 고주파 신호의 경로 길이 각각은, 모두, 상기 고주파 신호의 파장의 1/10 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 특성 파라미터는, 임피던스 정합을 위한 용량 파라미터이고, 상기 임피던스 정합 부재는, 상기 용량 파라미터가 가변인 용량 소자를 가지고 구성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명은, 또한, 상기 플라즈마 생성 장치가 내부에 배치된 챔버(chamber)와, 상기 챔버 내에 원료 가스 및 반응 가스를 공급하는 수단을 가지고, 상기 원료 가스 또는 상기 반응 가스의 적어도 어느 일방(一方)이, 상기 플라즈마 생성 장치에 의하여 생성한 플라즈마로 공급되어, 상기 챔버 내에 배치한 소정의 기판 표면에 성막 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치도, 아울러 제공한다.
<발명의 효과>
본 발명에 의하면, 안테나 소자에 비하여 임피던스 정합기의 수가 적고, 임피던스 정합에 관련되는 기구가 비교적 콤팩트한 플라즈마 생성 장치를 제공할 수 있다. 또한, 크기나 중량이 큰 비교적 고가의 분배기를 이용하는 것 없이, 비교적 콤팩트하고 또한 저코스트인 구성의 분배 배선을 이용하여, 1개의 정합기와 복수의 안테나 소자를 접속하는 것을 가능하게 한다. 본 발명은, 또한, 임피던스 정합에 관련되는 기구가 비교적 콤팩트한 플라즈마 생성 장치를 이용한, 비교적 콤팩트한 플라즈마 성막 장치도, 아울러 제공한다.
도 1은 본 발명의 플라즈마 성막 장치의 일 실시예인, 플라즈마 CVD 장치의 구성을 설명하는 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 플라즈마 CVD 장치에 구비된 본 발명의 플라즈마 생성 장치의 일 실시예의 개략도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 분배 배선의 구성에 관하여 설명하는 개략 사시도이고, (a)와 (b)에서 각각 다른 실시예를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 플라즈마 생성 장치의, 다른 실시예의 구성(상단면)을 도시하는 개략도이다.
도 5는 (a) 및 (b)는 본 발명의 플라즈마 생성 장치에 있어서의, 안테나 소자, 분배 배선, 및 용량 소자의 접속 관계의 예를 도시하는 도면이고, (a)와 (b)에 서 각각 다른 실시예를 도시하는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 플라즈마 CVD 장치 12 : 처리 기판
14 : 반응 용기 16 : 기판대
18 : 도입구 19 : 공급관
20 : 배기구 22 : 안테나 소자
23 : 원료 가스 분산실 24 : 가스 방사판
25 : 반응실 26 : 임피던스 정합 부재
26a : 제1 용량 소자 26b : 제2 용량 소자
27 : 급전선 28 : 고주파 전원
29 : 스터브 30 : 제어기
32 : 제1 전류·전압 센서 34 : 제2 전류·전압 센서
40 : 분배 배선 42 : 분기부
52 : 제1 케이스 54 : 제2 케이스
이하, 본 발명의 플라즈마 생성 장치 및 플라즈마 성막 장치에 관하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 플라즈마 생성 장치의 일 실시예를 구비하여 구성되는, 본 발명의 플라즈마 성막 장치의 일 실시예인, 플라즈마 CVD 장치(10)(CVD 장치(10))의 구성(단면)을 설명하는 개략도이다. 도 2는 CVD 장치(10)에 구비된 본 발명의 플라즈마 생성 장치의 일 실시예의 구성(상단면)을 설명하는 개략도이다. 덧붙여, 도 1 및 도 2는 CVD 장치(10)의 개략의 구성을 도시하는 도면이고, 예를 들어 후술하는 안테나 소자(22)의 길이와, 분배 배선(40)의 크기의 관계 등은, 실제의 장치에 준하는 것은 아니다.
CVD 장치(10)는, 유리 기판이나 실리콘 웨이퍼 등의 처리 기판(12)에 CVD를 이용하여 성막 처리를 행하는 장치이다. CVD 장치(10)는, 반응 용기(14), 처리 기판(12)을 재치(載置, 물건의 위에 다른 것을 올리는 것)하는 기판대(16), 반응 용기(14)의 벽면에 설치되고, 원료 가스를 도입하는 도입구(18), 반응 용기(14)의 벽면에 설치되고, 감압을 위하여 원료 가스 등을 배기하는 배기구(20), 반응 용기(14)에 설치되고, 원료 가스를 반응실에 방출하는 가스 방사판(24), 반응 용기(14) 내에 설치된 복수의 안테나 소자(22), 반응 용기(14)의 외측에 설치되는 임피던스 정합 부재(26), 임피던스 정합 부재(26)와 적어도 2개 이상의 안테나 소자(22)를 전기적으로 접속하기 위한 분배 배선(40), 안테나 소자(22)에 급전하는 고주파 전원(28), 고주파 전원(28) 및 임피던스 정합 부재(26)를 제어하는 제어기(30), 안테나 소자(22)에 급전되는 고주파 신호의 전류 및 전압을 검출하는 제1 전류·전압 센서(32), 임피던스 정합 부재(26)를 개별적으로 조정하기 위하여 전류 및 전압을 검출하는 제2 전류·전압 센서(34), 제1 전류·전압 센서(32)와 제2 전류·전압 센서(34)의 사이에 설치되는 분배기(33)를 가진다.
반응 용기(14)는 금속제의 용기이며, 반응 용기(14)의 벽면은 접지되어 있다.
기판대(16)는, 처리 기판(12)이 안테나 소자(22)에 대향하도록, 처리 기 판(12)을 재치하는 대(臺)이고, 기판대(16)의 내부에는 처리 기판(12)을 가열하는 도시되지 않는 발열체가 설치되고, 접지된 도시되지 않는 전극판이 더 설치되어 있다. 이 전극판은 바이어스 전원에 접속되어, 바이어스 전압이 인가되어도 무방하다.
도입구(18)는, 반응 용기(14)의 상면(上面) 측에 설치되고, 원료 가스를 공급하는 공급관(19)과 접속되어 있다. 공급관(19)은, 도시되지 않는 원료 가스원과 접속되어 있다. 도입구(18)로부터 공급되는 원료 가스는, 성막의 종류에 따라 바뀌지만, 예를 들어, 저온 폴리 실리콘 TFT 액정의 경우, 실리콘막의 제작에 즈음해서는 실란(slane) 가스가, 또는 게이트 절연막의 제작에 즈음해서는 TEOS(Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate)가 호적(好適)하게 이용된다.
반응 용기(14)의 상측에는, 원료 가스 분산실(23)이, 가스 방사판(24)에 의하여 하측의 반응실(25)과 칸막이되어 구성된다. 가스 방사판(24)은, 도전성 재료(예를 들어, 알루마이트(Alumaite)처리된 알루미늄 등)로 이루어지는 판상 부재에 0.5mm 정도의 관통 구멍이 복수 뚫려, 원료 가스가 하측의 반응실(25)에 일정한 유속으로 방사되도록 되어 있다. 덧붙여, 가스 방사판(24)은, 세라믹재로 구성되어도 무방하고, CVD에 의하여 성막된 판상 부재여도 무방하다. 가스 방사판(24)이, CVD에 의하여 성막된 판상 부재인 경우, 가스 방사판(24)에는 금속막이 형성되어 있고 접지되어 있다.
배기구(20)는, 반응 용기(14) 내를 소정의 압력으로 감압한 원료 가스의 분위기로 하기 위하여, 도시되지 않는 진공 펌프와 접속한 배기관(21)에 접속되어 있 다.
가스 방사판(24) 하측의 반응실(25)의 상측 부분에는, 가스 방사판(24)에 대향하도록, 어레이(array)상(狀)으로 설치된 복수의 안테나 소자(22)가 설치되어 있다. 복수의 안테나 소자(22)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 서로 평행으로 또한 평면상으로 배치되어, 모노폴(monopole) 안테나로 이루어지는 어레이 안테나를 형성한다. 이 어레이 안테나는, 가스 방사판(24), 및 기판대(16)에 재치되는 처리 기판(12)에 대하여 평행으로 설치된다. 모노폴 안테나인 안테나 소자(22)는, 도 2에 도시하는 바와 같이 인접하는 안테나 소자(22)와 서로 역방향으로 반응 용기(14) 내의 벽면으로부터 돌출하여 있고, 급전 방향이 역방향으로 되어 있다. 이들의 안테나 소자(22)는, 각각, 임피던스 정합을 위한 특성 파라미터가 가변인 임피던스 정합 부재(26)와, 분배 배선(40)을 통하여 접속되어 있다.
각 안테나 소자(22)는, 전기 전도율의 높은 봉상(파이프(pipe)상(狀)이어도 무방하다)의 도체로 이루어지고, 사용하는 고주파의 파장의 (2n+1)/4배(n은 0 또는 정의 정수이다)의 길이를 가진다. 각 안테나 소자(22)의 표면은, 석영 튜브 등의 유전체로 피복되어 있다. 봉상의 도체를 유전체로 피복하는 것으로, 안테나 소자(22)로서의 용량과 인덕턴스가 조정되고 있고, 이것에 의하여, 안테나 소자(22)의 돌출 방향을 따라 고주파 전류를 효율 좋게 전파(傳播)시킬 수 있으며, 전자파를 효율 좋게 방사시킬 수 있다. 이와 같이 유전체로 덮인 안테나 소자(22)는, 반응 용기(14)의 내벽에 뚫은 개구(開口)에 전기적으로 절연하여 장착되어 있고, 안테나 소자(22)의 고주파 전류 공급단의 측이, 분배 배선(40)을 통하여 임피던스 정 합 부재(26)에 접속되어 있다.
안테나 소자(22)는, 가스 방사판(24)의 근방에 설치되기 때문에, 안테나 소자(22)로부터 방사되는 전자파는, 인접하는 안테나 소자(22) 사이에서 전자파가 서로 영향을 서로 미치는 것 없이, 가스 방사판(24)의, 접지되어 있는 금속막의 작용에 의하여 경상(鏡像) 관계로 형성되는 전자파와 작용하여, 안테나 소자마다 소정의 전자파를 형성한다. 나아가, 어레이 안테나를 구성하는 안테나 소자(22)는, 인접하는 안테나 소자(22)와 급전 방향이 역방향으로 되어 있기 때문에, 반응실(25)에 있어서 전자파는 균일하게 형성된다.
분배 배선(40)은, 임피던스 정합 부재(26)와 적어도 2개 이상의 안테나 소자(22)를 전기적으로 접속한다. 분배 배선(40)은, 임피던스 정합 부재(26)와 안테나 소자(22)의 사이에 적어도 1개 이상의 분기부(42)를 가지고, 각 분기부(42)에 있어서 고주파 신호를 2방향으로 분배한다. 본 실시예에서는, 임피던스 정합 부재(26)로부터 연장된 배선이 제1 분기부에 있어서 2방향으로 분기하고, 분기한 각각의 배선이, 제2 분기부에 있어서, 나아가 2방향으로 분기하고 있다. 본 실시예에서는, 분배 배선(40)에 의하여, 1개의 임피던스 정합 부재(26)에 대하여, 4개의 안테나 소자(22)가 접속하고 있다. 분배 배선(40)은, 반응 용기(14)와 접속(전기적으로 접속)되는 것으로 접지된 제1 케이스(52)에 의하여 주위가 덮여 있다. 분배 배선(40)에 관해서는 후에 상세히 서술한다.
임피던스 정합 부재(26)는, 일방의 측이 분배 배선(40)과 접속된 제1 용량 소자(26a)와, 일방의 측이 급전선(27)과 접속된 제2 용량 소자(26b)와, 제1 용량 소자(26a) 및 제2 용량 소자(26b)에 각각 대응하여 설치되고, 제1 용량 소자(26a) 및 제2 용량 소자(26b)의 용량을 각각 조정하기 위한 서보 모터(26c)를 가지고 구성되어 있다. 제1 용량 소자(26a)와 제2 용량 소자(26b)의 타방(他方)의 측은, 스터브(stub, 29)를 통하여 제2 케이스(54)와 접속되어 있다. 임피던스 정합 부재(26)를 덮는 제2 케이스(54)는, 반응 용기(14)와 접속한 제1 케이스(52)와 전기적으로 접속하여 접지하여 있고, 스터브(29)도, 이 임피던스 정합 부재(26)를 덮는 제2 케이스(54)와 접속하여 접지하여 있다. 제1 용량 소자(26a) 및 제2 용량 소자(26b)는, 각각, 용량 소자를 구성하는 전극 간이 가변으로 구성되고, 용량(특성 파라미터)을 자재로 조정할 수 있도록 되어 있다. 이 용량의 조정은, 서보 모터(26c)에 의하여 전극의 이동이 조정되는 것으로 행하여진다. 제1 용량 소자(26a) 및 제2 용량 소자(26b)의 용량의 조정은, 후술하는 고주파 전원(28)이 발생하는 고주파 신호의 주파수의 조정과 함께 이용하여, 플라즈마의 생성 중에 안테나 소자(22)의 부하의 변화에 의하여 생기는 임피던스의 부정합을 시정하기 위하여 행하여진다.
고주파 전원(28)은, 도시되지 않는 고주파 발진 회로 및 증폭기에 의하여 구성되고, 제어기(30)로부터의 신호에 따라, 발진 주파수가 가변으로 되도록 구성되어 있다.
제어기(30)는, 후술하는 제1 전류·전압 센서(32) 및 제2 전류·전압 센서(34)의 검지 신호에 따라, 고주파 전원(28)의 발진 주파수의 변경 및 임피던스 정합 부재(26)의 조정을 행하는 제어 부분이다. 고주파 발진 회로의 발진 주파수는, 기판에 대하여 행하는 프로세스의 차이에 따라, 예를 들어 10MHz ~ 130MHz로 변경할 수 있다. 또한, 후술하는 각종 임피던스의 정합 동작에 있어서는, 임피던스 정합 상태를 미조정하기 위하여, 고주파 발신 회로의 발진 주파수를 미조정하여도 무방하다. 덧붙여, 발진 주파수의 변경이나 미조정의 필요가 없는 프로세스에 이용하는 경우 등, 고주파 전원(28)의 발진 주파수는 가변이 아니어도 무방하다.
제1 전류·전압 센서(32)는, 고주파 전원(28)으로부터의 고주파 신호가 안테나 소자(22)에 임피던스 정합된 상태로 급전되고 있는지 여부를 검지하기 위하여, 고주파 전원(28)의 출력단 근방에서 전류 및 전압을 검지하는 부분이다. 제1 전류·전압 센서(32)는, 분배기(33) 및 급전선(27)을 통하여 임피던스 정합 부재(26)와 접속되어 있다. 제2 전류·전압 센서(34)는, 각 임피던스 정합 부재(26)의 입력단 근방에 개별적으로 설치되고, 각 임피던스 정합 부재(26)의 조정을 행하기 위하여, 전류 및 전압을 검지하는 부분이다. 임피던스 정합이 이루어져 있지 않은 경우, 급전선(27)과 안테나 소자(22)의 접속 부분에서 고주파 신호의 반사파가 발생하고, 이것에 의하여 전류와 전압 사이에 위상차가 생긴다. 이 때문에, 제1 전류·전압 센서(32) 및 제2 전류·전압 센서(34)에 있어서 전류, 전압을 검지하는 것으로, 각 안테나 소자마다, 임피던스 정합의 상태인지, 부정합의 상태인지를 검지할 수 있다. 제1 전류·전압 센서(32) 및 제2 전류·전압 센서(34)의 검지 신호는, 제어기(30)로 공급된다.
제어기(30)는, 제1 전류·전압 센서(32) 및 제2 전류·전압 센서(34)로부터의 검지 신호에 기초하여, 각 안테나 소자마다, 임피던스 정합의 상태인지 여부를 판단한다. 제어기(30)는, 나아가, 판단의 결과에 따라, 임피던스 정합 부재(26)에 있어서의 용량의 조정 동작을 제어하는 제어 신호를 생성한다. 그리고 제어기(30)는, 임피던스 정합의 필요가 있는 안테나 소자(22)와 분배 배선(40)을 통하여 접속된 임피던스 정합 부재(26)의 서보 모터(26c)로, 생성한 제어 신호를 송신한다. 생성한 제어 신호에 의하여 서보 모터(26c)의 동작이 제어되어, 제2 용량 소자(26b)의 용량이 조정되고, 임피던스의 부정합이 시정된다.
분배기(33)는, 고주파 전원(28)으로부터 출력된 고주파 신호를, 임피던스 정합을 유지한 채로, 복수의 급전선(도 2에 도시하는 본 실시예에서는 2개의 급전선(27))에 대하여 각각 동 전력으로 등분배하는, 공지의 분배기이다. 분배기(33)는, 저항기나 코일, 콘덴서 등을 가지고 구성되어 있다. 반응 용기(14)에서는, 대향하는 2개의 벽 각각으로부터, 각각 동수(同數)의 안테나 소자(22)가 돌출하여 있고, 안테나 소자(22)의 고주파 전류 공급단은, 대향하는 2개의 벽의 근방에, 각각 복수개씩 존재한다. 반응 용기(14)의 대향하는 2개의 벽 중, 1개의 벽으로부터 돌출한 4개의 안테나 소자(22)는, 분배 배선(40)에 의하여, 1개의 임피던스 정합 부재(26)와 접속되어 있다. 후술하지만, 분배 배선(40)은 사이즈에 제한이 있고, 임피던스 정합 부재(26)는 반응 용기(14)의 벽면에 비교적 가까운 장소에 설치된다. 반응 용기(14)의 상기 대향하는 2개의 벽은, 적어도 안테나 소자(22)의 길이 정도 이간(離間)하여 있고, 임피던스 정합 부재(26)도, 공간적으로 어느 정도 이간하여 있을 필요가 있다. 공지의 분배기로 이루어지는 분배기(33)에는, 기본적으로 배치 위치나 크기에 제한은 없고, 분배기(33)에 의하여 등분배된 고주파 전력은, 임피던스 정합을 유지한 채로, 비교적 긴 2개의 급전선(27)을 통하여(나아가, 임피던스 정합 부재(26) 및 분배 배선(40)을 통하여), 복수의 안테나 소자(22)로 공급된다.
도 3의 (a) 및 (b)는, 분배 배선(40)의 구성에 관하여 설명하는 개략 사시도이고, 도 3의 (a)와 (b)에서 각각 다른 실시예를 도시하고 있다. 분배 배선(40)은, 임피던스 정합 부재(26)와 안테나 소자(22)의 사이에, 적어도 1개 이상(본 실시예에서는 1+2의 합계 3개소)의 분기부(42)를 가지고, 각 분기부에 있어서 고주파 신호를 2방향으로 분배한다. 분배 배선(40)은, 판상의 도체로 이루어지고, 본 실시예에서는 동판에 의하여 구성되어 있다. 동은 전기 전도율이 비교적 높아, 분배 배선(40)의 재료로서 호적하다. 분배 배선(40)은, 각 분기부(42)를 경계로 하여, 분기부(42)보다도 안테나 소자(22) 측에서는, 임피던스 정합 부재(26)로부터 안테나 소자(22)로 향하는 고주파 신호의 진행 방향에 대략 수직 방향의 폭 H가, 분기부(42)로부터 임피던스 정합 부재(26)의 측의 폭의 1/2배로 되어 있다. 즉, 도 3에 도시하는 바와 같이, 분배 배선(40)의 폭 H는, 임피던스 정합 부재(26)로부터 안테나 소자(22)에 가까워지는 것에 따라, 각 분기부(42)마다, H=4h, H=2h, H=h로 작아지고 있다. 분배 배선(40)은 폭 H=h의 단계에서, 안테나 소자(22)의 급전 측의 단부(端部)와 접합하고, 폭 H가 안테나 소자(22)의 직경과 같은, 예를 들어 6.0mm로 되어 있다. 덧붙여, 폭 H의 길이 방향은, 안테나 소자(22)가 배열된 평면에 대하여, 도 3의 (a)에 도시하는 바와 같이 대략 수직이어도 무방하고, 도 3의 (b)에 도시하는 바와 같이 대략 평행이어도 상관없다. 동판으로 이루어지는 분배 배선(40)의 두께 t는, 폭 H의 크기에 비하여 충분히 얇고, 예를 들어 t=1mm 정도로 되어 있다.
한편, 분배 배선(40)은, 폭 H=4h로 임피던스 정합 부재(26)와 접속하고 있다. 본 실시예에서는, 분배 배선(40)은, 임피던스 정합 부재(26)의 제1 용량 소자(26a)와 접속되어 있다. 분배 배선(40)은, 예를 들어 폭 H=4h인 채로, 임피던스 정합 부재(26)의 제1 용량 소자(26a)와 접속하고 있어도 무방하다. 또한, 예를 들어, 분배 배선(40)의 폭 H=4h에 대하여, 제1 용량 소자(26a)가 작은 경우 등, 비교적 작은 직경의 전기 배선을 통하여, 분배 배선(40)과 제1 용량 소자(26a)가 접합하여 전기적으로 접속되어 있어도 무방하다. 그 외에도, 예를 들어, 분배 배선(40)과 제1 용량 소자(26a)가, 공지의 고주파 회로 기판을 통하여 접속되어 있어도 상관없다. 분배 배선과 임피던스 정합 부재와의 접합 형태는 특별히 한정되지 않는다. 또한, 분배 배선(40)은, 임의의 형태로 꺾여 접힌 구성으로 되어 있어도 무방하다. 이 경우, 예를 들어 도 3에 도시하는 예에 비하여 보다 콤팩트화된 구성으로 된다.
급전선(27)을 통하여 공급된 고주파 신호는, 임피던스 정합 부재(26)로부터 안테나 소자(22)로 향하여 전송한다. 예를 들어, 10MHz ~ 130MHz의 높은 주파수의 고주파 신호가 도체를 전송할 때, 고주파 전류의 대부분은, 도체의 표면 부분만을 전송한다. 동판으로 이루어지는 분배 배선(40)의 두께는, 폭 H의 크기에 비하여 충분히 얇고, 분배 배선(40)에 있어서의 각 부분 각각에 있어서, 고주파 전류가 통과하는 단면적의 크기는, 폭 H의 크기에 각각 비례한다고 생각할 수 있다(t의 크기에 관해서는 무시할 수 있다). 임피던스의 크기는, 이 폭 H의 크기에 반비례한다. 분배 배선(40)에서는, 분기부(42)마다 고주파 신호의 경로가 2개로 분기되지만, 각 분기의 때마다, 분기 후의 배선의 폭 H의 크기가 1/2배되어 있기 때문에, 분기의 전후에서도 특성(임피던스)은 일치하고 있다. 또한, 폭 H=4h였던 것이, 폭 H=2h의 2개의 경로로 분기되도록, 2개로 분기한 후의 배선의 각 폭은, 각각 동일하기 때문에, 고주파 전류의 전력도 동일하게 분배된다. 즉, 분배 배선(40)에 접속된 복수의 안테나 소자(22)에는, 각각 동일한 정합 상태로, 각각 동일한 전력량의 고주파 신호가 공급된다.
덧붙여, 분배 배선(40)에 있어서, 임피던스 정합 부재(26)로부터 각 안테나 소자(22)에 이르기까지의 고주파 신호의 전도 경로 길이 L 각각은, 모두, 고주파 신호의 파장의 1/10 이하로 되어 있다. 덧붙여, 임피던스 정합 부재(26)에 있어서의 길이 L의 기점은, 임피던스 정합 부재(26)를 구성하는 용량 조정 소자의 용량 성분의 말단 부분이다. 임피던스 정합 부재가, 리액턴스 성분(코일 등)이나 저항 성분 등으로 구성되어 있는 경우는, 각 성분의 말단 부분이 길이 L의 기점으로 된다. 예를 들어, 고주파 전원(28)으로부터 80MHz의 고주파 신호가 공급되는 경우, 고주파 신호의 파장은 약 3.8m로 된다. 분배 배선(40)에 있어서의 전도 경로 길이 L은, 예를 들어 약 38cm 이하로 되어 있다. 덧붙여, 본 실시예의 안테나 소자(22)는, 주위가 유전체인 석영관으로 덮여 있고, 적어도 안테나 소자(22)에 있어서의 고주파 신호의 실효적인 파장은, 4분의 1 파장으로 약 50cm(1파장에 약 2.0m)로, 비교적 작게 되어 있다.
분배 배선(40)에 있어서의 고주파 신호의 전송 경로의 길이 L을, 고주파 신호의 파장의 1/10로 하는 것으로, 분배 배선(40)을 이른바 집중 정수 회로로서 생 각할 수 있다. 이 때문에, 분배 배선(40)의 특히 분기부(42)의 영향으로, 분배 배선(40)에 있어서 여분의 모드가 생기는 일이 없다. 또한, 플라즈마가 생성되고 있는 동안, 임피던스 정합 부재(26)로부터 안테나 소자(22)의 선단(先端)까지의 사이는, 고주파 신호가 공진 상태로 정재(定在)하고 있고, 큰 전류(예를 들어 실효값으로 10A)가 흐르고 있다. 분배 배선(40)은 동판만으로 구성되어 있고, 비교적 단순한 구성으로 저코스트이기는 하지만, 전류에 대한 내성(耐性)은 비교적 강하고, 공진 상태로 흐르는 전류에 대해서도 충분히 강하다. 분배 배선(40)에서는, 나아가 상술과 같이 여분의 모드가 나타나 흐르는 전류가 증가하는 일도 없다. 즉, 분배 배선(40)을 가지고, 각 안테나 소자(22)에 대하여, 고주파 신호를 안정되게 분배 공급할 수 있다.
예를 들어 만일, 분배 배선(40) 대신에, 공지의 분배기를 이용한다고 하면, 당연히, 공진 상태로 흐르는 전류에 대해서도 충분히 강한 내성을 가지는 분배기가 필요하게 된다. 저항기나 코일이나 콘덴서 등으로 구성된 공지의 분배기에서는, 저항기나 코일이나 콘덴서 등의 각 소자 각각의 전류 내성은, 비교적 낮게 되어 있다. 공진 상태로 흐르는 전류에 대해서도 충분히 강한 내성을 가지는 정도의 분배기는, 사이즈나 중량도 크고, 코스트도 비교적 높아져 버린다. 임피던스 정합 부재와 적어도 2개 이상의 안테나 소자와의 접속에 분배 배선을 이용하는 것으로, 플라즈마 생성 장치의 사이즈나 코스트의 면에서, 큰 효과를 나타낸다.
분배 배선(40)은, 임피던스 정합 부재(26)를 둘러싸는 1개의 케이스에, 임피던스 정합 부재(26)와 함께 배치되어 있어도 무방하다. 분배 배선(40) 자체는 전기 적으로 접지되어 있을 필요성은 없다. 그리고 분배 배선(40)을 전송하는 고주파 신호에의 노이즈의 혼입이나, 반대로, 분배 배선(40)으로부터의 전파의 방사에 의한 다른 전자 기기에의 영향을 막기 위하여, 분배 배선(40)은 접지된 케이스로 둘러싸여 있는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 플라즈마 생성 장치의, 다른 실시예의 구성을 도시하는 개략 상단면도이다. 본 발명의 플라즈마 생성 장치에서는, 분배 배선에 있어서의 분기부의 수는 특별히 한정되지 않고, 1개의 분배 배선과 접속되는 안테나 소자의 수도, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 4에 도시하는 바와 같이, 분기부(42)는 1개여도 무방하고, 1개의 분배 배선(40)에 2개의 안테나 소자(22)가 접속되어 있을 뿐이어도 무방하다. 또한, 복수의 안테나 소자가 배열되어 이루어지는 1개의 어레이 안테나에 대하여 배치되는 분배 배선의 수도, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 4에 도시하는 바와 같이, 1개의 어레이 안테나를 구성하는 복수의 안테나 소자(22)의 각 고주파 전류 공급단의 측에, 각각 2개의 임피던스 정합 부재(26)가 배치되고, 합계 4개의 임피던스 정합 부재(26)에 대응하여 분배 배선(40)이 배치되어 있어도 무방하다. 도 4에 도시하는 형태에서는, 분배기(33)에 있어서의 분배 수를 4분배로 하고(도 2에 도시하는 형태에서는 2분배), 4개의 급전선(27)이, 4개의 임피던스 정합 부재(26)와 각각 접속되어 있다. 상술과 같이, 분배 배선(40)에서는, 고주파 신호의 전도 경로 길이 L이, 고주파 신호의 파장에 따라 제약이 있다. 예를 들어, 비교적 짧은 파장(즉 비교적 높은 주파수)의 고주파 신호로 플라즈마를 생성하는 경우, L은 비교적 작아져, 분배 배선(40)의 사이즈도 비교적 작게 할 필요가 있다. 한편, 비교적 넓은 면적으로 플라즈마를 생성하는 경우, 비교적 많은 안테나 소자(22)를 이용할 필요가 있다. 이러한 경우에 있어서도, 본 발명의 플라즈마 생성 장치에서는, 예를 들어 도 4에 도시하는 바와 같이, 분배 배선(40)에 있어서의 분기부(42)의 수를 비교적 적게 하는 것과 함께, 분배 배선의 수를 비교적 많게 하는 것으로, 용이하게 대응할 수 있다. 분배 배선의 수가 비교적 많아져도, 분배기에 의하여 분배하는 급전선의 수를 비교적 많게 하면 된다. 본원 발명의 플라즈마 생성 장치를 이용하여, 예를 들어, 10MHz ~ 2GHz라고 한, 비교적 넓은 주파수 범위에 걸쳐, 안정되게 플라즈마를 생성할 수 있다.
이와 같은 CVD 장치(10)에서는, 반응 용기(14) 내로 도입구(18)로부터 원료 가스를 보내고, 한편, 배기구(20)에 접속한 도시되지 않는 진공 펌프를 작동시켜 통상 1Pa ~ 수100Pa 정도의 진공 분위기를 반응 용기(14) 내에 만든다. 이 상태로 안테나 소자(22)에 고주파 신호를 급전하는 것으로, 안테나 소자(22)의 주위에 전자파가 방사된다. 이것에 의하여, 반응 용기(14) 내에서 플라즈마가 발생하는 것과 함께, 가스 방사판(24)으로부터 방사된 원료 가스가 여기되어 라디칼을 만든다. 그때, 발생한 플라즈마는 도전성을 가지기 때문에, 안테나 소자(22)로부터 방사된 전자파는 플라즈마에서 반사되기 쉽다. 이 때문에, 전자파는 안테나 소자(22) 주변의 국부 영역에 국재화(局在化)한다. 이것에 의하여, 플라즈마는 안테나 소자(22)의 근방에 국재화하여 형성된다.
이때, 전자파를 방사하는 안테나 소자(22)의 주변에는, 국재화한 플라즈마가 발생하고 있기 때문에, 안테나 소자(22)의 부하도 변화한다. 이 때문에, 안테나 소 자(22)는, 임피던스 정합의 상태로부터 부정합의 상태로 변화하고, 고주파 전원(28)으로부터 공급되는 고주파 신호의, 안테나 소자(22)와의 접속 부분에 있어서의 반사율은 높아져, 급전이 충분히 행하여지지 않게 된다. 그때, 각 안테나 소자(22)의 부하 변동도 다르기 때문에, 각 안테나 소자(22)에 있어서의 부정합의 상태도 다르다. 이 때문에, 안테나 소자(22)로부터 방사되는 전자파도 분포를 가지고, 그 결과, 발생하는 플라즈마의 밀도 분포도 공간에서 변동하게 된다. 이와 같은 플라즈마의 밀도 분포의 공간 변동은, 처리 기판(12)의 성막 처리 등에 있어서 바람직하지 않다. 이 때문에, 각 안테나 소자(22)로부터의 전자파의 방사가 일정하게 되고, 균일한 플라즈마가 생성되도록, 각 안테나 소자(22)의 임피던스 정합이 행하여지지 않으면 안 된다.
안테나 소자(22)의 임피던스 정합은, 구체적으로는, 공급되는 고주파 신호의 전류와 전압의 위상차가 제로로 되고, 또한, 각 임피던스 정합 부재(26)와 접속한 분배 배선(40) 및 복수의 안테나 소자(22)의 임피던스와, 급전선(27)의 임피던스(예를 들어 50옴)가, 대응하는 임피던스 정합 부재(26)의 제1 용량 소자(26a) 및 제2 용량 소자(26b)를 통하여 일치하도록, 고주파 신호의 주파수 및 제2 용량 소자(26b)의 용량을 조정한다. 이와 같은 조정은, 제1 전류·전압 센서(32) 및 제2 전류·전압 센서(34)로 검지된 전류, 전압의 정보가 검지 신호로서 제어기(30)로 공급된다. 제어기(30)에서는, 검지 신호에 기초하여 고주파 신호의 주파수, 나아가서는 제2 용량 소자(26b)의 용량이 설정되고, 고주파 전원(28) 및 서보 모터(26c)를 제어하는 제어 신호가 생성된다. 이렇게 하여, 제어 신호가 고주파 전원(28) 및 서보 모터(26c)로 공급되어, 분배 배선(40) 및 안테나 소자(22)의 임피던스와 급전선(27)과의 사이의 임피던스 정합이 행하여진다.
도 5의 (a)는 안테나 소자(22), 분배 배선(40) 및 용량 소자(26a, 26b)의 접속 관계를 도시하는 도면이다. 분배 배선(40)은, 상술한 바와 같이, 분기부(42)마다 폭 H가 1/2배되어 있기 때문에, 분기의 유무 및 안테나 소자(22)의 수에 관계없이, 길이 방향에 걸쳐 임피던스는 대략 일정하게 되어 있다. 또한, 분배 배선(40)의 길이 L은, 파장 λ의 1/10배 이하로 충분히 작게 되어 있다. 분배 배선(40)은 집중 정수 회로로서 취급할 수 있어, 고주파의 여분의 모드가 나타나는 일도 없다. CVD 장치(10)에서는, 고주파 신호의 주파수의 조정과 함께, 각 임피던스 정합 부재(26)의 제2 용량 소자(26b)의 용량을 조정하는 것으로, 플라즈마의 생성 중에 생기는 임피던스의 부정합을 시정할 수 있다. 덧붙여, 임피던스 정합 부재(26)는, 도 5의 (a)의 예의 외에, 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이, 안테나 소자(22)에 대하여 제1 용량 소자(26a)와 제2 용량 소자(26b)를 직렬로 접속하고, 제1 용량 소자(26a)와 제2 용량 소자(26b)의 사이에 고주파 신호의 급전점을 설치하도록 구성하여도 무방하다. 이 경우에 있어서도, 고주파 신호의 주파수를 제어하는 것과 함께 제2 용량 소자(26b)의 용량을 제어하는 것에 의하여, 안테나 소자(22)와 급전선(27)의 임피던스 정합을 행할 수 있다.
덧붙여, 본 실시예에서는, 안테나 소자(22)의 임피던스 정합을 위하여 용량 소자(캐패시터)를 이용하였지만, 유도 소자(인덕터)를 이용하여, 인덕턴스(특성 파라미터)를 제어하여도 무방하다. CVD 장치(10)에 있어서 제어 대상으로 하는 고주파 신호는, 각 안테나 소자(22)에 공통의 신호이기 때문에, 각 안테나 소자(22)에 대응하여 설치되는 임피던스 정합 부재에서는 1개의 용량 소자(제2 용량 소자(26b))를 제어 대상으로 하면 된다. 또한, 안테나 소자(22)에 급전하는 공통의 고주파 신호의 주파수를 제어하기 때문에, 각 안테나 소자(22)에 대하여 공통으로 임피던스 정합을 행하면서, 각 안테나 소자(22)마다의 미세한 조정을 제2 용량 소자(26b)에 의하여 행할 수 있다. 덧붙여, 임피던스 정합 부재에 있어서 제어 대상으로 하는 용량 소자는, 1개인 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 2에 도시하는 형태의 임피던스 정합 부재에 있어서, 제2 용량 소자에 더하여, 제1 용량 소자도 용량이 조정 가능한 용량 소자로 하고, 임피던스 정합 시, 이 제1 용량 소자의 용량도 아울러 조정하여도 무방하다.
덧붙여, 상기 실시예에서는, 고주파 신호의 주파수와 용량 소자의 용량을 제어하였지만, 본 발명에 있어서는, 고주파 신호의 주파수와 용량 소자의 용량의 어느 일방을 제어하도록 하여도 무방하다. 예를 들어, 본 장치가, 플라즈마 발생 전의 단계에서 임피던스 정합의 상태에 있는 경우, 고주파 신호의 주파수와 용량 소자의 용량의 어느 일방을 조정하는 것으로, 임피던스 정합을 개략 달성할 수 있다. 그러나 임피던스 정합을 정확하게 행하려면, 고주파 신호의 주파수와 용량 소자의 용량을 제어하는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 플라즈마 생성 장치 및 플라즈마 성막 장치에 관하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 여러 가지의 개량이나 변경을 하여도 무방한 것은 물 론이다. 예를 들어, 본 발명의 플라즈마 생성 장치는, CVD 장치 외에 에칭 장치에도 호적하게 이용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 유전체로 표면이 덮인 봉상(棒狀)의 도체로 구성한 안테나 소자가 평면상(平面狀)으로 복수 배열되어 이루어지는 안테나 어레이를 이용한 플라즈마 생성 장치이고,
    상기 안테나 어레이의 각 안테나 소자에 급전(給電)하는 고주파 신호를 생성하는 고주파 전원과,
    상기 안테나 소자에 상기 고주파 신호를 급전하는 급전선과 접속된, 임피던스(impedance) 정합을 위한 특성 파라미터가 가변인 임피던스 정합 부재와,
    상기 임피던스 정합 부재에 대응하여 설치되고, 상기 임피던스 정합 부재와 적어도 2개 이상의 상기 안테나 소자를 접속하는 분배 배선과,
    상기 임피던스 정합 부재의 상기 특성 파라미터를 변화시켜, 상기 분배 배선을 통하여 상기 임피던스 정합 부재와 접속된 적어도 2개 이상의 상기 안테나 소자의 임피던스 정합 상태를 동시에 변화시키는 제어부
    를 가지고,
    상기 분배 배선은 판상(板狀)의 도체로 이루어지고,
    상기 판상의 도체의 폭의 길이 방향은, 상기 안테나 소자의 배열에 의하여 형성되는 평면에 대하여 수직 또는 평행인,
    것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    나아가, 상기 고주파 전원이 생성한 상기 고주파 신호를, 복수의 상기 급전선에 분배하는 분배기를 가지고,
    상기 임피던스 정합 부재는 복수의 상기 급전선 각각에 대응하여 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분배 배선은, 상기 임피던스 정합 부재와 상기 안테나 소자의 사이에 적어도 1개 이상의 분기부를 가지고, 상기 각 분기부에 있어서 상기 고주파 신호를 2방향으로 분배하는 플라즈마 생성 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 판상의 도체는, 상기 분기부에 있어서 2방향으로 분기하고 있는 플라즈마 생성 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 판상의 도체는, 상기 분기부로부터 상기 안테나 소자 측에서는, 상기 임피던스 정합 부재로부터 상기 안테나 소자로 향하는 상기 고주파 신호의 진행 방향에 수직 방향의 폭이, 상기 분기부로부터 상기 임피던스 정합 부재 측의 1/2배로 되어 있는 플라즈마 생성 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분배 배선에 있어서, 상기 임피던스 정합 부재로부터 상기 각 안테나 소자에 이르기까지의 상기 고주파 신호의 경로 길이 각각은, 모두, 상기 고주파 신호의 파장의 1/10 이하인 플라즈마 생성 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 특성 파라미터는, 임피던스 정합을 위한 용량 파라미터이고,
    상기 임피던스 정합 부재는, 상기 용량 파라미터가 가변인 용량 소자를 가지고 구성되어 있는 플라즈마 생성 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 기재된 플라즈마 생성 장치가 내부에 배치된 챔버(chamber)와,
    상기 챔버 내에 원료 가스 및 반응 가스를 공급하는 수단을 가지고,
    상기 원료 가스 또는 상기 반응 가스의 적어도 어느 일방(一方)이, 상기 플라즈마 생성 장치에 의하여 생성한 플라즈마로 공급되어, 상기 챔버 내에 배치한 소정의 기판 표면에 성막(成膜) 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
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