KR101094976B1

KR101094976B1 - 플라즈마 처리 장치

Info

Publication number: KR101094976B1
Application number: KR1020090009977A
Authority: KR
Inventors: 나오키 마츠모토; 쥰 요시카와; 마사루 사사키; 카즈유키 카토; 마사후미 시카타; 신고 타카하시
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2011-12-20
Also published as: KR20090086356A

Abstract

유전체와 슬롯과의 위치 관계를 규정하고, 재질에 따른 천판의 최적의 형상을 규정함으로써, 플라즈마 발화성 및 발화 안정성이 보다 우수한 플라즈마 처리 장치를 제공한다. 플라즈마 처리 장치(11)는, 상부 개구를 갖는 처리 용기(12)와, 하면에 두께 치수가 연속적으로 변화되도록 기울어진 경사면(16a, 16b)을 갖고, 처리 용기(12)의 상부 개구를 폐쇄하도록 배치되는 유전체(15)와, 유전체(15)의 상면에 배치되고, 유전체(15)에 마이크로파를 공급하여 유전체(15)의 하면에 플라즈마를 발생시키는 안테나(24)를 구비한다. 그리고, 안테나(24)는 경사면(16a, 16b)의 수직 상방에 위치하는 복수의 슬롯(25)을 갖는다. 또한, 플라즈마 처리 장치(11)는, 상부 개구를 갖는 처리 용기(12)와, 하면에 링 형상의 홈(16)을 갖고, 처리 용기(12)의 상부 개구를 폐쇄하도록 배치되는 유전체(15)와, 유전체(15)에 마이크로파를 공급하고, 유전체(15)의 하면에 플라즈마를 발생시키는 안테나(24)를 구비한다. 그리고, 광속을 c, 마이크로파의 주파수를 f, 유전체(15)를 구성하는 재료의 비유전율을 εr로 하면, 홈의 홈 폭(w)은 [수식 1]을 충족시킨다.

[수식 1]

Description

플라즈마 처리 장치 {PLASMA PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

종래의 플라즈마 처리 장치는, 예를 들면, 일본특허공개공보 2005-100931호(특허 문헌 1)에 개시되어 있다. 상기 공보에 개시되어 있는 플라즈마 처리 장치는, 피처리 기판을 수납하는 플라즈마 발생실과, 마이크로파에 의하여 구동되어 전자계(電磁界)를 발생하는 안테나와, 안테나의 하부에 설치되어, 플라즈마 발생실의 개구부를 밀봉하는 천판(天板)과, 천판의 하면측에 형성된 테이퍼 형상의 볼록부 또는 오목부를 구비한다.

상기 구성의 플라즈마 처리 장치는, 천판의 직경 방향의 두께를 연속적으로 변화시킴으로써, 어떠한 조건 하에서도 최적의 공진(共振) 영역을 형성할 수 있다. 그 결과, 안정된 플라즈마의 발생이 가능해진다고 기재되어 있다.

특허 문헌 1: 일본특허공개공보 2005-100931호

상기 구성의 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 안테나에 형성된 슬롯으로부터 천판을 향하여 마이크로파가 방사된다. 따라서, 안정된 플라즈마의 발생을 실현하기 위해서는, 천판과 슬롯과의 위치 관계도 중요하다고 생각된다.

이에, 본 발명의 목적은, 유전체와 슬롯과의 위치 관계를 규정함으로써, 플라즈마 발화성 및 발화 안정성이 보다 우수한 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것이다.

상기 구성의 천판을 구성하는 재료로는, 석영 외에, 세라믹스 등을 채용할 수 있다. 여기서, 마이크로파의 공진 영역은 천판의 재질에 의존하므로, 플라즈마를 안정되게 발생시키기 위해서는, 재질에 따라 천판의 형상을 규정하는 것이 바람직하다

여기서, 본 발명의 목적은, 재질에 따른 천판의 최적의 형상을 규정함으로써, 플라즈마 발화성이 보다 우수한 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 상부 개구를 갖는 처리 용기와, 하면에 두께 치수가 연속적으로 변화되도록 기울어진 경사면을 갖고, 처리 용기의 상부 개구를 폐쇄하도록 배치되는 유전체와, 유전체의 상면에 배치되고, 유전체에 마이크로파를 공급하여 유전체의 하면에 플라즈마를 발생시키는 안테나를 구비한다. 그리고, 안테나는 경사면의 수직 상방에 위치하는 복수의 슬롯을 갖는다.

상기 구성으로 함으로써, 마이크로파는 슬롯을 통과하여 경사면에 방사된다. 경사면 중 어느 한 위치에서 마이크로파의 파장과 유전판의 두께 치수가 합치되면, 유전체의 하면의 전계 강도가 증가된다. 그 결과, 플라즈마 발화성 및 발화 안정성이 향상된다.

바람직하게는, 유전체의 하면에는 내주 측벽면 및 외주 측벽면이 경사면인 링 형상의 홈이 형성되어 있다. 그리고, 슬롯은, 내주 측벽면 및 외주 측벽면 각각의 수직 상방에 위치한다. 일 실시예로서, 경사면은 원추면이다.

바람직하게는, 복수의 슬롯은, 안테나의 중심과 각 슬롯을 연결한 직선에 대하여 동일 방향으로 동일 각도 기울어져 있다. 이에 의해, 에칭률(E/R) 분포가 균일화된다.

본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 상부 개구를 갖는 처리 용기와, 하면에 링 형상의 홈을 갖고, 처리 용기의 상부 개구를 폐쇄하도록 배치되는 유전체와, 유전체에 마이크로파를 공급하고, 유전체의 하면에 플라즈마를 발생시키는 안테나를 구비한다. 그리고, 광속(光速)을 c, 마이크로파의 주파수를 f, 유전체를 구성하는 재료의 비유전율을 ε로 하면, 홈의 홈 폭(w)은 [수식 1]을 충족시킨다.

[수식 1]

상기 구성으로 함으로써, 홈의 폭 방향에서 마이크로파가 공명(共鳴)하여 유전체 하면의 전계 강도를 증가시킨다. 그 결과, 플라즈마 발화성이 우수한 플라즈 마 처리 장치를 얻을 수 있다.

바람직하게는, 유전체의 반경을 R로 하면, 홈은 유전체의 중심으로부터 R/4보다 외측에 위치된다. 이에 의해, 유전체의 외연부를 기점(起点)으로 하여 플라즈마가 발화된다(엣지 퍼스트).

일 실시예로서, 안테나로부터 공급되는 마이크로파의 주파수 f = 2.45 × 10⁹(Hz), 유전체의 재료를 비유전율 εr = 3.8의 석영으로 하면, 홈의 홈 폭(w)은 33 mm ≤ w ≤ 93 mm를 충족시킨다.

바람직하게는, 홈의 내주 측벽면 및 외주 측벽면 중 적어도 어느 하나는, 유전체의 두께 치수가 연속적으로 변화되도록 기울어지는 경사면이다. 더욱 바람직하게는, 안테나는 두께 방향으로 관통하는 복수의 슬롯을 갖는다. 그리고, 복수의 슬롯은 경사면의 수직 상방에 위치된다. 이에 의해, 마이크로파는 슬롯을 통과하여 경사면으로 방사된다. 경사면 중 어느 한 위치에서 마이크로파의 파장과 유전판의 두께 치수가 합치되면, 유전체의 하면의 전계 강도가 증가된다. 그 결과, 플라즈마 발화성 및 발화 안정성이 향상된다.

바람직하게는, 복수의 슬롯은, 안테나의 중심과 각 슬롯을 연결한 직선에 대하여 동일 방향으로 동일 각도 기울어져 있다. 이에 의해, E/R 분포가 균일화된다.

본 발명에 의하면, 슬롯을 경사면의 수직 상방에 배치함으로써, 플라즈마 발화성 및 발화 안정성이 보다 우수한 플라즈마 처리 장치를 얻을 수 있다.

본 발명에 의하면, 유전체의 비유전율에 의하여 홈의 폭을 규정함으로써, 플라즈마 발화성이 보다 우수한 플라즈마 처리 장치를 얻을 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(11)를 설명한다. 또한, 도 1은 플라즈마 처리 장치(11)를 도시한 도면, 도 2는 유전체(15)의 단면도, 도 3은 유전체(15)와 슬롯 안테나(24)를 중첩한 평면도이다. 우선, 도 1을 참조하면, 플라즈마 처리 장치(11)는, 플라즈마 처리 공간(S)을 구성하는 처리 용기(12) 및 유전체(15)와, 마이크로파 공급 장치(18)와, 배기 장치(26)를 주로 구비한다.

처리 용기(12)는, 상부 개구를 갖는 바닥이 있는 원통체로서, 내부에 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 유지대로서의 서셉터(13)와, 처리 가스를 도입하는 가스 도입부(14)를 구비한다. 서셉터(13)는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 관리를 행하고, 또한 바이어스용 고주파 신호를 발생시키는 교류 전원(13a)에 접속되어 있다. 처리 가스 도입부(14)는, 처리 용기(12)의 측벽면에 설치되어, 처리 가스 공급원(도시 생략)으로부터의 처리 가스를 처리 공간(S)으로 공급한다. 처리 가스는, 아르곤 가스 또는 C₄F₈ 가스 등을 처리 내용에 따라 구분하여 사용하고 있다.

유전체(15)는, 석영에 의하여 형성되는 원반 형상의 부재로서, 처리 용기(12)의 상부 개구를 폐쇄하도록 배치된다. 또한, 처리 용기(12)와 유전체(15)와의 접촉면에는, 처리 공간(S)을 밀폐하기 위한 씰재(12a)가 설치되어 있다.

이어서, 도 2를 참조하여 유전체(15)의 구성을 상세히 설명한다. 유전체(15)의 하면에는, 링 형상의 홈(16)과, 처리 용기(12)를 플라즈마로부터 보호하는 스커트(17)가 설치되어 있다.

홈(16)의 측벽면(16a, 16b)은, 유전체(15)의 두께 치수가 연속적으로 변화되도록 기울어진 경사면으로 되어 있다. 이 실시예에서는, 내주 측벽면(16a) 및 외주 측벽면(16b)은, 각각 원추면(원추의 측벽면), 즉, 단면(斷面) 형상이 직선으로 되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 단면 형상이 곡선 형상(도 23의 경사부(34c))이여도 좋다.

또한, 유전체(15)의 중심으로부터 R/4(R은, 유전체(15)의 반경)의 영역을 중앙부 영역, 중앙부 영역의 외측을 단부(端部) 영역이라고 정의하면, 홈(16)은 유전체(15)의 단부 영역에 배치된다. 즉, 홈(16)의 내경은 R/4보다 크다.

또한, 이 실시예에서는, 유전체(15)의 직경을 458 mm, 홈(16)의 내경을 190 mm, 홈(16)의 외경을 381 mm, 홈(16)의 홈 폭(w)(저벽의 폭)을 66 mm, 중앙부 영역에서의 유전체(15)의 두께를 30 mm, 홈(16)의 저벽에서의 유전체(15)의 두께를 15 mm, 중앙부 영역의 하면과 내주 측벽면(16a)이 이루는 각을 45 도, 중앙부 영역의 하면과 외주 측벽면(16b)이 이루는 각을 60 도로 하고 있다.

여기서, 홈(16)의 홈 폭(저벽의 폭)의 이론값 w₀은, 광속(光速)을 c, 마이크로파의 주파수를 f, 유전체를 구성하는 재료의 비유전율을 εr로 하면, [수학식 1]에 의하여 산출된다.

이 실시예에서는, 광속 c = 2.99792458 × 10¹¹(mm/s), 마이크로파의 주파수 f = 2.45 × 10⁹(Hz), 유전체(15)를 구성하는 석영의 비유전율 εr = 3.8이므로, w₀ ≒ 63 mm이 된다.

또한, 실제의 홈 폭(w)에는 이론값 w₀의 ± 50%의 마진이 허용되므로, [수학식 2]를 충족시키는 범위 내, 이 실시예에서는 33 mm ≤ w ≤ 93 mm의 범위 내에서 홈 폭(w)을 설정할 수 있다.

또한, 상기의 실시예에서는, 유전체(15)를 구성하는 재료로서 석영을 채용한 예를 도시하였으나, 이에 한정되지 않고, 예를 들면, AlN 등의 세라믹스(비유전율 9.5 ~ 9.6)를 채용해도 좋다.　이 경우, 홈(16)의 홈 폭(w)은 20 mm ≤ w ≤ 60 mm가 된다.

마이크로파 공급 장치(18)는, 유전체(15)의 하면에 플라즈마를 발생시키기 위하여 유전체(15)에 마이크로파를 공급하는 장치로서, 소정의 주파수(f)의 마이크 로파를 발생시키는 마이크로파 발생원(19), 부하 정합기(20), 동축 도파관(21), 지파판(22), 지파판(22)을 덮는 안테나 커버(23) 및 슬롯 안테나(24)로 구성되어 있다.

동축 도파관(21)은, 내측 도체(21a)와, 내측 도체(21a)를 덮는 외관(21b)으로 구성되어 있다. 내측 도체(21a)는, 그 한쪽 단부(端部)가 부하 정합기(20)를 거쳐 마이크로파 발생원(19)에, 다른 한쪽 단부가 슬롯 안테나(24)에 접속되어 있고, 마이크로파 발생원(19)에서 발생된 마이크로파를 슬롯 안테나(24)로 공급한다. 또한, 내측 도체(21a)의 다른 한쪽 단부(슬롯 안테나(24)측)의 형상은, 슬롯 안테나(24)로 갈수록 넓어지는 원추 형상으로서, 슬롯 안테나(24)에 대하여 효율적으로 마이크로파를 전파(傳播)할 수 있다.

슬롯 안테나(24)는, 전도성을 갖는 재질, 예를 들면 Ag, Au 등이 도금된 구리로 된 얇은 원판이며, 유전체(15)의 상면에 배치된다. 또한, 슬롯 안테나(24)에는, 두께 방향으로 관통하는 긴 홀 형상의 복수의 슬롯(25)이 설치되어 있다. 마이크로파 발생원(19)에서 발생된 마이크로파는, 이 슬롯(25)을 통하여 유전체(15)로 방사된다.

도 3을 참조하면, 유전체(15)와 슬롯 안테나(24)를 중첩시키면, 슬롯(25)의 적어도 일부는 경사면인 내주 측벽면(16a) 및 외주 측벽면(16b)의 수직 상방에 위치하고 있다. 이 실시예에서의 슬롯(25)은, 중앙부 영역의 수직 상방에 위치하는 제 1 슬롯군(25a)과, 내주 측벽면(16a)의 수직 상방에 위치하는 제 2 슬롯군(25b)과, 홈(16)의 저벽의 수직 상방에 위치하는 제 3 슬롯군(25c)과, 외주 측벽면(16b) 의 수직 상방에 위치하는 제 4 슬롯군(25d)으로 구분된다.

또한, 슬롯(25)은, 슬롯 안테나(24)의 중심과 각 슬롯(25)을 연결한 직선에 대하여 한쪽 방향(시계 회전 방향)으로 동일 각도 θ₁만큼 기울어진 슬롯(제 1 및 제 3 슬롯군(25a, 25c))과, 다른 한쪽 방향(반시계 회전 방향)으로 동일 각도 θ₂만큼 기울어져 있는 슬롯(제 2 및 제 4 슬롯군(25b, 25d))이 직경 방향으로 교대로 배치되어 있다(이러한 배치 형태를 「래디얼 라인 슬롯」이라고 한다).

배기 장치(26)는, 처리 공간(S) 내의 처리 가스를 외부로 배출하기 위한 장치로서, 처리 용기(12)에 접속되는 배기관(27)과, 배기관(27)을 거쳐 처리 공간(S) 내로부터 처리 가스를 배출하는 진공 펌프(28)로 구성된다.

이어서, 상기 구성의 플라즈마 처리 장치(11)의 동작을 설명한다.

우선, 서셉터(13) 상에 반도체 웨이퍼(W)를 재치한다. 플라즈마 처리 중에는, 서셉터(13)에 의하여 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 관리되고, 또한, 교류 전원(13a)으로부터 반도체 웨이퍼(W)로 바이어스 고주파가 인가된다.

이어서, 가스 도입부(14)로부터 처리 가스가 처리 공간(S) 내로 공급되고, 또한, 여분의 처리 가스를 배기 장치(26)에 의하여 배출한다. 이에 의하여, 처리 공간(S) 내를 소정의 압력으로 할 수 있다.

그리고, 마이크로파 발생원(19)에서 마이크로파를 발생시켜, 부하 정합기(20), 동축 도파관(21), 지파판(22) 및 슬롯 안테나(24)를 거쳐 유전체(15)로 마이크로파를 공급하면, 유전체(15)의 하면에 전계가 발생된다. 이에 의해, 처리 공 간(S) 내의 처리 가스가 전리하여 플라즈마화되고, 처리 가스의 종류 등을 선택함으로써, 반도체 웨이퍼(W)에 대해 소정의 플라즈마 처리, 예를 들면, 에칭 처리, 애싱 처리, 성막 처리 등의 각종 플라즈마 처리를 실시할 수 있다.

이어서, 도 4 내지 도 11을 참조하여, 홈(16)의 홈 폭(w)을 변경한 경우의 전계 강도의 변화에 대하여 설명한다. 도 4는, 도 2에 도시한 실시예, 즉, 홈 폭(w) = 66 mm으로 한 경우의 전계 강도를 도시한 도면이다. 도 5 내지 도 11은, 홈 폭을 71 mm(도 5), 61 mm(도 6), 56 mm(도 7), 51 mm(도 8), 46 mm(도 9), 41 mm(도 10), 36 mm(도 11)으로 한 경우의 전계 강도를 도시한 도면이다. 또한, 도 4 내지 도 11은, 전계 강도가 강할수록 밝고(색이 옅고), 약할수록 어두워지고(색이 진해지고) 있다.

도 4 내지 도 11을 참조하면, 모든 유전체(15)에서 소정 값 이상의 전계 강도가 확인되었다. 또한, 홈 폭 66 mm(도 4)의 유전체(15)의 전계 강도가 가장 높고, 홈(16)의 홈 폭이 커지거나 또는 작아짐에 따라 전계 강도가 낮아지고 있음이 확인되었다.

즉, [수학식 2]의 범위 내, 이 실시예에서는 33 mm ≤ w ≤ 93 mm의 범위 내에서 홈 폭(w)을 규정함으로써, 홈(16)의 폭 방향에서 마이크로파가 공명하여, 유전체(15)의 하면의 전계 강도를 증가시킨다. 그 결과, 처리에 필요한 플라즈마 발화성을 확보할 수 있다.

특히, 홈 폭 66 mm(도 4), 홈 폭 71 mm(도 5) 및 홈 폭 61 mm(도 6)의 유전체(15)에서는, 소정의 간격을 두고 전계 강도가 특히 높은 부분이 존재함이 확인되 었다. 즉, 홈 폭 66 mm의 유전체(15)를 기준으로 하여 ± 5 mm(± 7.5%)의 범위 내에서 홈 폭(w)을 규정함으로써, 처리 공간(S) 내를 저압(예를 들면, 50 mT 이하)으로 한 경우에도, 플라즈마 처리 장치(11)의 플라즈마 발화성이 대폭 향상된다.

한편, 홈 폭 56 mm 이하의 유전체(15)에서는, 홈(16)의 위치에서도 전계 강도가 별로 높아지지 않았다. 이들 유전체(15)를 사용하는 경우, 처리 공간(S) 내를 고압(예를 들면, 100 mT 이상)으로 하면 충분히 플라즈마가 발화된다고 생각되어지지만, 저압 환경 하에서는 플라즈마 발화성이 저하된다고 생각되어진다.

또한, 마이크로파를 공명시킨다고 하는 관점에서는, 홈 폭(w)을 71 mm보다 크게 할 수도 있으나, 홈 폭(w)의 상한치는 유전체(15)의 직경에 따라서도 제한된다. 즉, 유전체(15)의 직경에 대해 홈 폭(w)이 너무 커지면, 유전체(15)의 강도가 저하되는 등의 문제를 일으킬 우려가 있다.

또한, 모든 경우(도 4 내지 도 11)에 있어서, 홈(16)의 위치에서 전계 강도가 높고, 홈(16)으로부터 멀어짐에 따라 전계 강도가 낮아지고 있음이 확인되었다. 즉, 홈(16)의 위치에 따라 플라즈마의 발화 개시(開始)점을 제어할 수 있다. 구체적으로는, 홈(16)을 유전체(15)의 중앙부 영역에 배치하면, 중앙부 영역을 기점으로 하여 플라즈마가 발화된다(센터 퍼스트). 한편, 오목부(16)를 유전체(15)의 단부(端部) 영역에 배치하면, 단부 영역을 기점으로 하여 플라즈마가 발화된다(엣지 퍼스트).

이어서, 도 2 및 도 12 내지 도 22를 참조하여, 홈(16)의 위치 또는 크기를 변경한 경우의 플라즈마의 균일성의 변화에 대하여 설명한다. 또한, 도 2 및 도 12 내지 도 14는 유전체의 형상을 도시한 도면(비교예 1 내지 3), 도 15 내지 도 18은 각 유전체를 사용한 경우의 전자수(Ne)의 분포를 나타내는 도면, 도 19 내지 도 22는 각 유전체를 사용한 경우의 에칭률(E/R)의 분포를 나타내는 도면이다.

우선, 실험예 1은 도 2에 도시한 유전체(15)이다. 비교예 1로서의 유전체(31)(도 12)는, 중앙부 영역에 위치하는 내주 홈(31a)과, 단부 영역에 위치하는 외주 홈(31b)을 갖는다. 비교예 2로서의 유전체(32)(도 13)는, 홈(16)보다 홈 폭이 좁은 홈(32a)이 외측으로 치우쳐(외경이 홈(16)과 일치) 설치되어 있다. 비교예 3으로서의 유전체(33)(도 14)는, 홈(16)보다 홈 폭이 좁은 홈(33a)이 내측으로 치우쳐(내경이 홈(16)과 일치) 설치되어 있다. 또한, 비교예 1에서의 내주 홈은, 이 발명에서의 홈의 대상이 아니다.

도 15 내지 도 18을 참조하면, 모든 유전체에 있어서, 전자수(Ne)는 중앙부 영역에서 많고, 단부 영역으로 갈수록 적어지는 경향이 있다. 특히, 비교예 1에서는, 중앙부 영역과 단부 영역에서 전자수(Ne)의 차이가 큼이 확인되었다(도 16). 따라서, 홈은, 유전체의 중앙부 영역이 아닌 단부 영역에만 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 비교예 3에서는, 홈(33a)의 내측(± 100 mm)에서는 전자수(Ne)가 균일하지만, 그 외측에서는 급격히 전자수(Ne)가 감소됨이 확인되었다(도 18). 한편, 실험예 1 및 비교예 2에서는, 홈(16, 32a)의 외경 위치(± 190 mm)까지 전자수(Ne)가 균일하였다. 따라서, 홈은, 유전체의 보다 외측에 배치하는 것이 바람직하다.

또한, 중앙부 영역의 전자수(Ne)는 실험예 1이 가장 많아짐이 확인되었다(도 15). 구체적으로는, 비교예 2의 중앙부 영역의 전자수(Ne)는 실험예 1의 60% 정도(도 15, 도 17), 비교예 3의 중앙부 영역의 전자수(Ne)는 실험예 1의 70% 정도였다(도 15, 도 18). 따라서, 홈의 홈 폭은 어느 정도 이상 큰(도 4 내지 도 11에 의하면 61 mm 이상) 것이 바람직하다.

이어서, 도 19 내지 도 22를 참조하면, E/R은 실험예 1이 가장 균일(도 19)하며, 비교예 1이 가장 불균일(도 20)함이 확인되었다. 또한, 홈을 중앙부 영역 부근에 배치(비교예 1, 3)하면, 중앙부 영역의 E/R이 단부 영역보다 높아지고(도 20, 도 22), 홈을 단부 영역 부근에 배치(비교예 2)하면, 단부 영역의 E/R이 중앙부 영역보다 높아지는(도 21) 경향이 확인되었다.

이어서, 도 3, 도 23, 도 24, 표 1 및 표 2를 참조하여, 슬롯(25)과 경사면(16a, 16b)과의 위치 관계에 대한 플라즈마 발화성의 변화를 설명한다. 또한, 도 23은 비교예 4로서의 유전체(34)를 도시한 도면, 도 24는 유전체(34)와 슬롯 안테나(24)를 중첩한 평면도, 표 1 및 표 2는 마이크로파의 출력 및 처리 공간(S) 내의 압력을 변경한 경우의 플라즈마 발화성을 나타낸 표이다.

도 23을 참조하면, 비교예 4로서의 유전체(34)는, 하면의 중앙부 영역(34a)의 두께가 상대적으로 얇고, 단부 영역(34b)의 두께가 상대적으로 두꺼워지고 있다. 또한, 중앙부 영역(34a)과 단부 영역(34b)의 사이에는, 두께가 연속적으로 변화되는 경사부(34c)가 설치되어 있다. 이어서, 도 24를 참조하면, 모든 슬롯(25)은 경사부(34c)의 내측, 즉, 평탄한 중앙부 영역(34a)에 배치되어 있다.

표 1은 마이크로파의 출력(500 W, 1000 W, 1500 W, 2000 W, 2200 W, 3000 W) 과, 처리 공간(S) 내의 압력(5 mT, 20 mT, 30 mT, 50 mT, 100 mT)과의 조합에 의한 실험예 1(도 2, 도 3)의 플라즈마 발화성을 확인한 결과이다. 표 2는, 상기와 유사한 실험을 비교예 4(도 23, 도 24)에 대하여 행한 결과이다. 또한, 표 중의 ○ 표시는 발화성이 양호함을, △ 표시는 발화는 되지만 안정되지 않음을, × 표시는 발화되지 않음을, - 표시는 해당 조건에서 시험을 행하고 있지 않음을 나타낸다.

실험예 1에서는, 마이크로파의 출력 및 처리 공간(S) 내의 압력의 모든 조합으로 플라즈마 발화성이 양호함이 확인되었다(표 1). 한편, 비교예 4에서는, 마이크로파의 출력이 크고, 처리 공간(S) 내의 압력이 높아짐에 따라 플라즈마 발화성이 개선되지만, 전체적으로 플라즈마 발화성이 낮음이 확인되었다(표 2).

따라서, 플라즈마 발화성의 관점에서는, 경사면, 즉, 내주 측벽면(16a) 및 외주 측벽면(16b)의 수직 상방에 슬롯(25)을 설치하는 것이 바람직하다. 경사면 중 어느 한 위치에서 마이크로파의 파장과 유전판의 두께 치수가 합치되면, 유전체의 하면의 전계 강도가 증가된다. 그 결과, 플라즈마 발화성 및 발화 안정성이 향상된다. 이는, 마이크로파의 출력이 작고, 처리 공간(S) 내의 압력이 낮은 경우에 특히 유리한 효과를 갖는다.

이어서, 도 3 및 도 25 내지 도 27을 참조하여, 슬롯(25)의 배치와 E/R과의 관계에 대하여 설명한다. 또한, 도 25는 비교예 5로서의 슬롯 안테나(35)와 유전체(15)를 중첩한 평면도, 도 26 및 도 27은 실험예 1 및 비교예 5의 E/R의 분포를 나타내는 도면이다.

우선, 도 25를 참조하면, 비교예 5로서의 슬롯 안테나(35)는, 도 3에 도시한 제 1 슬롯군(25a)과, 제 3 슬롯군(25c)을 생략하고 있다. 즉, 슬롯 안테나(35)에 설치된 모든 슬롯(36)은, 경사면, 즉, 내주 측벽면(16a) 및 외주 측벽면(16b) 중 어느 한 수직 상방에 위치한다. 또한, 모든 슬롯(36)은, 슬롯 안테나(35)의 중심과 각 슬롯(36)을 연결한 직선에 대하여 동일 방향으로 동일 각도만큼 기울어져 있다(이와 같은 배치 형태를 「병렬 슬롯」이라고 한다).

도 26 및 도 27을 참조하면, E/R은 비교예 5가 약간 균일함이 확인되었다. 따라서, E/R의 균일성의 관점에서는, 슬롯을 경사면의 수직 상방에만 설치하는 것이 바람직하다.

이상, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 도시한 실시예에 한정되지 않는다. 도시한 실시예에 대해, 본 발명과 동일한 범위 내에서, 또는 균등한 범위 내에서 다양한 수정 또는 변형을 가할 수 있다.

본 발명은 플라즈마 처리 장치에 유리하게 이용된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시한 유전체의 단면도이다.

도 3은 도 1에 도시한 유전체와 슬롯 안테나를 중첩시킨 평면도이다.

도 4는 도 2에 도시한 유전체의 전계 강도를 나타내는 도면이다.

도 5는 폭을 71 mm로 한 경우의 전계 강도를 나타내는 도면이다.

도 6은 폭을 61 mm로 한 경우의 전계 강도를 나타내는 도면이다.

도 7은 폭을 56 mm로 한 경우의 전계 강도를 나타내는 도면이다.

도 8은 폭을 51 mm로 한 경우의 전계 강도를 나타내는 도면이다.

도 9는 폭을 46 mm로 한 경우의 전계 강도를 나타내는 도면이다.

도 10은 폭을 41 mm로 한 경우의 전계 강도를 나타내는 도면이다.

도 11은 폭을 36 mm로 한 경우의 전계 강도를 나타내는 도면이다.

도 12는 비교예 1로서의 유전체의 단면도이다.

도 13은 비교예 2로서의 유전체의 단면도이다.

도 14는 비교예 3으로서의 유전체의 단면도이다.

도 15는 실험예 1의 전자수 분포를 나타내는 도면이다.

도 16은 비교예 1의 전자수 분포를 나타내는 도면이다.

도 17은 비교예 2의 전자수 분포를 나타내는 도면이다.

도 18은 비교예 3의 전자수 분포를 나타내는 도면이다.

도 19는 실험예 1의 E/R 분포를 나타내는 도면이다.

도 20은 비교예 1의 E/R 분포를 나타내는 도면이다.

도 21은 비교예 2의 E/R 분포를 나타내는 도면이다.

도 22는 비교예 3의 E/R 분포를 나타내는 도면이다.

도 23은 비교예 4로서의 유전체의 단면도이다.

도 24는 비교예 4로서의 유전체와 슬롯 안테나를 중첩시킨 평면도이다.

도 25는 비교예 5로서의 슬롯 안테나와 유전체를 중첩시킨 평면도이다.

도 26은 실험예 1의 E/R 분포를 나타내는 도면이다.

도 27은 비교예 5의 E/R 분포를 나타내는 도면이다.

*부호의 설명*

11 : 플라즈마 처리 장치

12 : 처리 용기

12a : 씰재

13 : 서셉터

13a : 교류 전원

14 : 가스 도입부

15, 31, 32, 33, 34 : 유전체

16, 31a, 31b, 32a, 33a : 홈

16a, 16b : 측벽면

17 : 스커트

18 : 마이크로파 공급 장치

19 : 마이크로파 발생원

20 : 부하 정합기

21 : 동축 도파관

21a : 내측 도체

21b : 외관

22 : 지파판

23 : 안테나 커버

24, 35 : 슬롯 안테나

25, 36 : 슬롯

25a, 25b, 25c, 25d : 슬롯군

26 : 배기 장치

27 : 배기관

28 : 진공 펌프

34a : 중앙부 영역

34b : 단부 영역

34c : 경사부

Claims

상부 개구를 갖는 처리 용기와,

하면에 유전체의 두께 치수가 연속적으로 변화되도록 기울어진 경사면을 갖고, 상기 처리 용기의 상부 개구를 폐쇄하도록 배치되는 유전체와,

상기 유전체의 상면에 배치되고, 상기 유전체에 마이크로파를 공급하여 유전체의 하면에 플라즈마를 발생시키는 안테나를 구비하고,

상기 안테나는 상기 경사면의 수직 상방에 위치하는 복수의 슬롯을 갖는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 유전체의 하면에는 내주 측벽면 및 외주 측벽면이 상기 경사면인 링 형상의 홈이 형성되어 있고,

상기 슬롯은, 상기 내주 측벽면 및 상기 외주 측벽면 각각의 수직 상방에 위치하는 플라즈마 처리 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 경사면은 원추면인 플라즈마 처리 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 복수의 슬롯은, 상기 안테나의 중심과 각 슬롯을 연결한 직선에 대하여 동일 방향으로 동일 각도 기울어져 있는 플라즈마 처리 장치.
상부 개구를 갖는 처리 용기와,

하면에 링 형상의 홈을 갖고, 상기 처리 용기의 상부 개구를 폐쇄하도록 배치되는 유전체와,

상기 유전체에 마이크로파를 공급하고, 상기 유전체의 하면에 플라즈마를 발생시키는 안테나를 구비하고,

광속(光速)을 c, 마이크로파의 주파수를 f, 상기 유전체를 구성하는 재료의 비유전율을 εr로 하면, 상기 홈의 홈 폭(w)은 [수식 1]을 충족시키는 플라즈마 처리 장치.

[수식 1]
제 5 항에 있어서,

상기 유전체의 반경을 R로 하면,

상기 홈은, 상기 유전체의 중심으로부터 R/4보다 외측에 위치되는 플라즈마 처리 장치.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

상기 안테나로부터 공급되는 마이크로파의 주파수 f = 2.45 × 10⁹(Hz), 상기 유전체의 재료를 비유전율 εr = 3.8의 석영으로 하면, 상기 홈의 홈 폭(w)은 33 mm ≤ w ≤ 93 mm을 충족시키는 플라즈마 처리 장치.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

상기 홈의 내주 측벽면 및 외주 측벽면 중 적어도 어느 하나는, 상기 유전체의 두께 치수가 연속적으로 변화되도록 기울어지는 경사면인 플라즈마 처리 장치.
제 8 항에 있어서,

상기 안테나는, 두께 방향으로 관통하는 복수의 슬롯을 갖고,

상기 복수의 슬롯은, 상기 경사면의 수직 상방에 위치하는 플라즈마 처리 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 복수의 슬롯은, 상기 안테나의 중심과 각 슬롯을 연결한 직선에 대하여 동일 방향으로 동일 각도 기울어져 있는 플라즈마 처리 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 슬롯은, 중앙부 영역의 수직 상방에 위치하는 제 1 슬롯군과, 내주 측벽면의 수직 상방에 위치하는 제 2 슬롯군과, 홈의 저벽의 수직 상방에 위치하는 제 3 슬롯군과, 외주 측벽면의 수직 상방에 위치하는 제 4 슬롯군을 포함하는 플라즈마 처리 장치.