KR101157143B1

KR101157143B1 - 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천판, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법

Info

Publication number: KR101157143B1
Application number: KR1020107018236A
Authority: KR
Inventors: 차이쫑 티엔; 키요타카 이시바시; 토시히사 노자와
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2012-06-22
Also published as: CN101953236A; JP5243457B2; TWI402000B; KR20100101014A; TW200944071A; US8967080B2; WO2009101927A1; JPWO2009101927A1; US20110000780A1

Abstract

플라즈마 처리 장치의 플라즈마 발생실은 천판(天板)(3)에 의해 밀봉되어 있다. 천판(3)은 플라즈마 발생실측을 향하는 면에 오목부(3A)를 설치하고 반대측의 면에 중심부의 오목부(3B)를 구비한다. 천판(3) 상에는 안테나가 결합되어 있다. 안테나에는 도파관이 접속되어 있다. 도파관으로부터 마이크로파를 공급하면, 공급된 마이크로파는 안테나 간을 직경 방향으로 전파하여 안테나의 슬롯으로부터 방사된다. 마이크로파는 천판(3)을 전파하여 편파면(偏波面)을 가지며, 전체적으로 원편파(圓偏波)를 형성한다. 이 때, 천판(3)에 구비된 오목부(3A)의 측면에서 마이크로파의 공명 흡수가 일어나, 오목부(3A)의 내부에서는 단일 모드로 전파한다. 다수 있는 오목부(3A) 각각의 내부에서 강한 플라즈마가 형성되어 천판(3)에 안정된 플라즈마 모드가 생긴다.

Description

마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천판, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{TOP BOARD OF MICROWAVE PLASMA PROCESSING DEVICE, PLASMA PROCESSING DEVICE AND PLASMA PROCESSING METHOD}

본 발명은, 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천판, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.

집적회로 또는 액정, 태양전지 등 많은 반도체 디바이스에 플라즈마 기술은 널리 이용되고 있다. 반도체 제조 과정의 박막의 퇴적 또는 에칭 공정 등에서 이용되고 있으나, 보다 고성능, 고기능의 제품(예를 들면 초미세 가공 기술) 등을 위하여 고도의 플라즈마 처리가 요구된다. 특히, 저기압 고밀도 플라즈마를 얻을 수 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 주목받고 있다.

RLSA(Radial Line Slot Antenna) 플라즈마 마이크로파원을 이용한 플라즈마 처리 장치는, 마이크로파 방전에 의해 기체를 전리시켜 플라즈마를 발생시킨다. 마이크로파는 도파관을 거쳐 안테나의 슬롯 부분으로부터 급전되어, 천판을 통해 전파(傳播)하여 플라즈마 발생실 내로 방사된다.

천판이 심플하고 플랫한 형태인 경우, 천판의 중심부와 주변부에서는 마이크로파의 전파가 동일하게 행해지지 않아 균일하게 플라즈마를 생성할 수 없었다. 이에 반해 천판에 상이한 두께를 가지게 하는 경우 또는 볼록부를 설치하는 경우, 플라즈마 조건에 따른 마이크로파의 공진(共振) 영역을 형성하므로 직경 방향의 전파를 제어할 수 있다.

천판 내의 마이크로파 전파는 직경 방향과 원주 방향(회전 방향)의 2 종류가 동시에 존재하고 있다. 지금까지의 마이크로파 전파 제어는 특허 문헌 1과 같이 직경 방향의 전파에 주목하고 있었다. 이 결과, 원주 방향 전파의 불균일성에 의해 플라즈마의 편중이 발생한다고 하는 문제가 있었다. 특히 저마이크로파 파워 시에 이 현상이 현저화된다. 또한, 직경 방향과 원주 방향의 동시 제어를 행하기 위해서는 천판의 형상이 복잡해져 제조 비용이 증대된다는 문제가 있었다.

일본특허공개공보 2005-100931호

이와 같이 종래의 기술로는, 마이크로파의 원주 방향 전파의 불균일성에 의해 플라즈마의 편중이 발생한다고 하는 문제가 있다. 또한, 플라즈마 처리의 내용에 따라 가스 또는 온도 등 챔버 내의 조건을 변화시키면, 마이크로파의 주파수와 가스압에 의해 플라즈마 모드가 변화하기 때문에 천판과 상기 천판 내를 전파하는 마이크로파의 파장을 바꿀 필요가 생겼다.

본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 플라즈마 모드가 안정되고, 재현성이 좋은 플라즈마를 발생시킬 수 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천판, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제 1 관점에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천판은, 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 설치되어 마이크로파를 전파하는 유전체의 천판으로서, 마이크로파를 그 측면에서 공명 흡수하고 또한 마이크로파가 그 내부에서 단일 모드로 전파하는 오목부를 플라즈마 발생측의 면에 구비하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 천판은 마이크로파가 멀티 모드로 전파하는 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 천판은 오목부를 복수 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 오목부는 마이크로파의 도입 위치를 중심으로 하는 1 또는 2 이상의 원 상에 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 오목부는 배치되는 원의 반이 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 대략 정수배의 크기로 해도 좋다.

바람직하게는, 오목부는 마이크로파의 도입 위치를 중심으로 점 대칭의 위치에 배치되어도 좋다.

바람직하게는, 오목부는 마이크로파가 전파하는 방향의 직경이 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 1 / 3 내지 1 / 2의 범위의 크기인 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 오목부는 그 깊이가 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 1 / 4 내지 3 / 8의 범위의 크기인 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 오목부는 플라즈마 발생측의 면에 평행한 단면이 원형인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 2 관점에 따른 플라즈마 처리 장치는, 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 발생실과, 플라즈마 발생실 내로 플라즈마 발생을 위한 마이크로파를 도입하는 슬롯 안테나와, 마이크로파를 그 측면에서 공명 흡수하고 또한 마이크로파가 그 내부에서 단일 모드로 전파하는 오목부를 플라즈마 발생측의 면에 구비하는 천판을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 3 관점에 따른 플라즈마 처리 방법은, 마이크로파를 측면에서 공명 흡수하고 또한 마이크로파가 그 내부에서 단일 모드로 전파하는 오목부를 플라즈마 발생측의 면에 구비한 천판을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 공정을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한 플라즈마를 발생시키는 공정은, 천판과 천판 내를 전파하는 마이크로파의 파장을 바꾸지 않고, 플라즈마 발생실 내의 상이한 2 이상의 분위기 조건에서의 플라즈마의 발생을 포함하는 것이 있다.

본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천판, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 따르면, 천판에 오목부를 구비함으로써 마이크로파를 오목부의 측면에서 공명 흡수하고 내부에서 단일 모드로 전파하여, 균일하고 안정된 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

또한 플라즈마 발생실 내의 분위기를 바꾸어도, 천판과 천판 내를 전파하는 마이크로파의 파장을 바꾸지 않고 플라즈마를 발생시킬 수 있고 또한 플라즈마 모드를 안정시킬 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서의 천판을 플라즈마 발생실 측에서 본 평면도이다.
도 3a는 도 2의 M - M 선 단면도이다.
도 3b는 도 3a의 일부 확대도이다.
도 4는 래디얼 라인 슬롯 안테나의 평면도이다.
도 5a는 다른 실시예로서 오목부의 변형을 도시한 평면도이다.
도 5b는 다른 실시예로서 오목부의 변형을 도시한 평면도이다.
도 6a는 또 다른 실시예로서 오목부의 변형을 도시한 종단면도이다.
도 6b는 또 다른 실시예로서 오목부의 변형을 도시한 종단면도이다.
도 7a는 플랫 천판의 경우의 플라즈마의 예(사진)이다.
도 7b는 본 실시예의 천판의 경우의 플라즈마의 예(사진)이다.
도 8a는 본 실시예의 천판을 이용하여 압력 1.33 Pa의 조건 하에서 발생시킨 플라즈마의 예(사진)이다.
도 8b는 본 실시예의 천판을 이용하여 압력 66.65 Pa의 조건 하에서 발생시킨 플라즈마의 예(사진)이다.

(실시예)

이하, 본 발명의 제 1 관점에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천판에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여하고 그 설명은 반복하지 않는다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 단면도이다. 플라즈마 처리 장치(1)는 플라즈마 발생실(챔버)(2), 천판(유전체)(3), 안테나(4), 도파관(5), 기판 보지대(6), 가스 통로(7)를 구비한다. 안테나(4)는 도파부(실드 부재)(4A), 래디얼 라인 슬롯 안테나(RLSA)(4B), 지파판(遲波板)(유전체)(4C)으로 이루어진다. 도파관(5)은 외측 도파관(5A)과 내측 도파관(5B)으로 이루어지는 동축 도파관이다.

플라즈마 처리 장치(1)의 플라즈마 발생실(2)은 천판(3)에 의해 밀봉되어 있다. 이 때 플라즈마 발생실(2) 내는 진공 펌프로 진공 상태로 해 둔다. 천판(3) 상에는 안테나(4)가 결합되어 있다. 안테나(4)에는 도파관(5)이 접속되어 있다. 도파부(4A)는 외측 도파관(5A)에 접속되고, 래디얼 라인 슬롯 안테나(4B)는 내측 도파관(5B)에 결합된다. 지파판(4C)은 도파부(4A)와 래디얼 라인 슬롯 안테나(4B)와의 사이에 있으며 마이크로파의 파장을 압축한다. 지파판(4C)은 예를 들면 SiO₂ 또는 Al₂O₃ 등의 유전체 재료로 구성된다.

마이크로파원으로부터 도파관(5)을 통해 마이크로파를 공급한다. 마이크로파는 도파부(4A)와 래디얼 라인 슬롯 안테나(4B)와의 사이를 직경 방향으로 전파하여, 래디얼 라인 슬롯 안테나(4B)의 슬롯으로부터 방사된다. 마이크로파는 천판(3)을 전파하여 편파면을 가지며, 전체적으로 원편파를 형성한다.

본 발명의 실시예에 따른 천판(3)에 대하여 설명한다. 천판(3)은 심플하고 플랫한 형태, 혹은 플라즈마의 공진 조건에 적합한 상이한 두께를 가지게 하거나 하여 직경 방향의 전파를 제어할 수 있는 형태이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서의 천판(3)을 플라즈마 발생실 측에서 본 평면도이다. 도 2에 도시한 천판(3)은 석영 혹은 알루미나 등의 마이크로파를 전파하는 유전체 재료로 형성된다. 천판(3)의 두께는 마이크로파가 멀티 모드로 전파하는 두께를 가지며, 예를 들면 석영의 경우 30 mm로 할 수 있다. 천판(3)은 챔버(2) 측을 향하는 면에 오목부(3A)를 설치하고, 반대측의 면에 중심부의 오목부(3B)를 구비한다. 중심부의 오목부(3B)는 챔버(2) 내로 마이크로파를 급전하기 위한 안테나(4) 및 도파관(5)과 중심축이 동일한 위치에 있다. 중심부의 오목부(3B)의 위치를 마이크로파의 도입 위치와 맞춤으로써, 중심부의 오목부(3B)를 중심으로 하는 축대칭성이 좋은 플라즈마를 챔버(2) 내로 발생시킨다. 도 2 중의 화살표(R)는 중심부의 오목부(3B)의 중심으로부터 직경 방향을 도시한 일례로서, 천판(3) 내를 이동하는 마이크로파의 전파 방향과 동일하다. 동일한 직경 방향에 있는 오목부(3A)를 중심에 가까운 것부터 3a1, 3a2, 3a3으로 한다.

도 3a는 도 2의 M - M 선 단면도이다. 도 3b는 도 3a의 일부 확대도이다. 오목부(3A)의 직경 방향의 길이를 W, 깊이를 H로 한다. 중심부의 오목부(3B)와 오목부(3A)에 수직으로 그려진 일점 쇄선은 각각의 오목부의 중심 위치를 도시한다. 중심부의 오목부(3B)의 중심으로부터 오목부(3a1)의 중심까지의 거리를 X1, 오목부(3a2)의 중심까지의 거리를 X2, 오목부(3a3)의 중심까지의 거리를 X3으로 둔다.

도 4는 래디얼 라인 슬롯 안테나(4B)의 일례를 도시한 평면도이다. 래디얼 라인 슬롯 안테나(4B)는 안테나(4)의 도파부(4A)의 개구부를 덮는 형상이며, 다수의 슬롯(4b1, 4b2)이 형성되어 있다. 래디얼 라인 슬롯 안테나(4B)를 도파부(4A)의 단부(端部)에 구비함으로써 플라즈마를 퍼지게 할 수 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 슬롯(4b1, 4b2)은 동심원 형상이고 또한 서로 직교하도록 형성되어 있다. 플라즈마는 슬롯(4b1, 4b2)의 길이 방향에 수직으로 퍼지므로 천판(3) 바로 아래에 플라즈마가 발생한다.

마이크로파는 슬롯(4b1, 4b2)으로부터 하방향으로 방사되어 직경 방향으로 전파하고, 천판(3) 내에서 반사가 반복되어, 간섭하여 서로 강해져서 정재파가 형성된다. 이 때, 천판(3)에 구비된 오목부(3A)의 측면(3As)에서 마이크로파의 고효율 에너지 흡수인 공명 흡수가 일어나, 오목부(3A)의 내부에서 단일 모드로 전파한다. 다수 있는 오목부(3A) 각각의 내부에서 단일 모드로 전파하여 천판(3) 바로 아래에 분포가 안정된 플라즈마가 생긴다. 천판(3)의 오목부(3A) 이외에서는 마이크로파의 표면 흡수에 의해 표면파 플라즈마가 발생한다. 표면파 플라즈마의 플라즈마 밀도는 낮아 천판(3) 전체에 미치는 영향은 적으므로, 천판(3)의 플라즈마의 소밀(粗密) 위치 패턴이 일정해져 플라즈마 모드가 안정된다.

챔버(2) 내로 마이크로파가 급전되어 플라즈마를 방사할 때, 가스 통로(7)로부터 아르곤(Ar) 또는 크세논(Xe) 및 질소(N₂) 등의 불활성 가스를 필요에 따라 수소 등의 프로세스 가스와 함께 도입함으로써 아르곤(Ar) 또는 크세논(Xe) 플라즈마(8)를 형성한다. 이 때, 챔버(2) 내를 10 mPa ~ 수 10 Pa 정도의 비교적 압력이 낮은 고진공 상태로 한 경우에도 안정되게 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

오목부(3A) 내에서 마이크로파가 단일 모드로 전파하기 위해서는, 오목부(3A)의 전파 방향의 직경(W)은 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 1 / 3 내지 1 / 2의 범위의 크기인 것이 바람직하다. 오목부(3A)의 전파 방향의 직경(W)이 파장의 1 / 2보다 큰 경우에는 오목부(3A)의 내부에서 고유 모드가 형성되어 플라즈마 발생실 내의 조건에 따라 상이한 모드로 플라즈마가 발생되기 때문이다. 또한, 역위상이 일어나 마이크로파 파워가 약해져 강한 플라즈마가 얻어지지 않는다. 직경(W)이 파장의 1 / 3보다 작은 경우, 플라즈마 모드는 안정된 그대로이지만 플라즈마가 발생되는 면적이 작아진다. 얻어지는 플라즈마의 면적은 직경(W)의 사이즈와 비례하므로, 동일한 플라즈마 양을 얻기 위해서는 오목부(3A)를 많이 설치할 필요가 있다. 천판(3)에 오목부(3A)를 가공하는 것을 고려하면 오목부(3A)의 수가 적어도 되도록 직경(W)은 파장의 크기의 1 / 3보다 크고 가능한 한 파장의 1 / 2의 크기에 가까운 것이 바람직하다.

또한 오목부(3A) 내에서 마이크로파가 단일 모드로 전파하기 위해서는, 오목부(3A)의 깊이(H)는 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 1 / 4 내지 3 / 8의 범위의 크기인 것이 바람직하다. 오목부(3A)의 깊이(H)가 파장의 1 / 4보다 작은 경우에는, 오목부(3A)의 개구부 근방(3Ab)에서 플라즈마가 발생하여 고유 모드가 형성되거나 불규칙하게 표면파 플라즈마가 발생하여, 플라즈마의 소밀 위치 패턴이 정해지지 않아 플라즈마 모드가 불안정해진다. 또한, 오목부(3A)의 깊이(H)가 파장의 3 / 8보다 큰 경우에는 오목부(3A)의 내측에서 플라즈마가 발생하여 플라즈마 처리의 효율이 저하된다.

전술한 직경(W)과 깊이(H)를 충족시키는 오목부(3A)를 천판(3)의 플라즈마 발생측의 면에 복수 배치시키는 경우에는, 마이크로파의 도입 위치를 중심으로 하는 원 상에 배치하면 된다. 이 때 원의 수는 1 또는 2 이상으로 형성한다. 또한 오목부를 배치하는 원의 직경은, 오목부(3A)를 정재파가 서로 강해지는 부분에 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 오목부(3A)를 점 대칭의 위치에서 배치함으로써 천판(3)의 둘레 방향에 관계없이 천판(3)을 설치할 수 있다.

예를 들면, 도 3b의 X1은 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 1 파장분의 크기, X2는 2 파장분의 크기, X3는 3 파장분의 크기로 한다. 중심부의 오목부(3B)의 중심으로부터 파장의 정수배의 위치는 형성된 정재파가 서로 강해지는 위치이며, 마이크로파 파워가 최대가 된다. 오목부(3A)의 측면에서 공명 흡수한 경우 효율적으로 에너지를 얻을 수 있다. 여기에 오목부(3a1, 3a2, 3a3)가 배치됨으로써, 각각의 오목부 측면에서 마이크로파의 공명 흡수가 일어나, 단일 모드로 전파하여 안정된 플라즈마 분포를 효율적으로 얻을 수 있다.

배치되는 원의 반경은, 오목부(3A)의 직경(W)의 사이즈를 고려하면 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 대략 정수배이면 좋으며, 파장의 정수배의 크기로부터 ± 1 / 4 파장분의 범위 내인 것이 바람직하다.

도 3b에서는 동일한 직경 방향의 파장의 정수배인 위치 모두에 오목부(3A)가 형성된 경우를 도시하였으나, 동일한 직경 방향에서 봤을 때에 X1, X2, X3 중 어느 한 위치에만 오목부(3A)를 설치해도 좋고, X1과 X3의 조합 또는 X2와 X3의 조합의 경우도 있다. 중심부의 오목부(3B)를 중심으로 하는 X1을 포함하는 원 상, X2를 포함하는 원 상, X3을 포함하는 원 상의 위치에 점 대칭의 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 천판(3)의 직경 사이즈와 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 크기와의 관계로부터 오목부(3A)를 배치할 수 있는 원의 수는 다른 경우가 있으며, 3 파장분의 크기까지로 한정되지 않는다.

중심부의 오목부(3B)는 마이크로파를 도입하는 위치 또는 천판(3)의 위치를 고정하기 위하여 형성한 것으로, 반드시 있다고는 할 수 없다. 또한, 마이크로파의 도입 위치와 일치하지 않는 경우 또는 천판(3)의 중심 위치와 일치하지 않는 경우도 있다. 이러한 경우에는 마이크로파의 도입 위치를 기준으로 하여 오목부(3A)의 위치를 결정한다.

도 5a, 5b는 본 발명의 다른 실시예로 오목부의 변형을 도시한 평면도로서, 천판의 플라즈마 발생측의 면에 평행한 면을 도시한다. 도 6a, 6b는 또 다른 실시예로 오목부의 변형을 도시한 종단면도로서, 천판의 플라즈마 발생측의 면과 수직인 면을 도시한다.

본 발명의 실시예에 따른 천판(3)의 오목부(3A)의, 천판(3)의 플라즈마 발생측의 면에 평행한 면을 도 2에서는 원형으로 설명했으나, 도 5a, 도 5b에 있는 타원형 또는 모서리가 둥근 사각형 등이어도 좋다. 이들은 변형예의 일례이며, 도시하지 않은 다른 형상이어도 좋다. 천판을 가공하기 쉽다는 점에서 원형인 것이 바람직하지만, 직경 방향에 대하여 선 대칭의 형상이고, 오목부(3A)의 직경(W)이 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 1 / 3 내지 1 / 2의 크기의 범위를 충족시키기만 하면 된다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 천판(3)의 오목부(3A)의 오목면의 형상은 도 2 및 도 3에서는 원주(圓柱)형으로 설명했으나, 플라즈마 발생측의 면에 저면을 가지는 반구형, 원추형 등이어도 좋다(도 6a, 도 6b 참조). 오목부(3A)의 내측에서 플라즈마 발생측의 면과 평행이 아닌 면에서 마이크로파의 공명 흡수가 일어나 플라즈마를 발생시킨다.

오목부(3A)의 형상은 단면 또는 깊이 방향의 조합에 따라 다양하며, 도시한 예에 한정되지 않는다.

(실험예 1)

도 7a 및 7b는 본 발명의 실시예에 따른 천판(3)으로 플라즈마 실험을 행하여 천판(3)의 오목부(3A)의 효과를 확인한 예이다. 도 7a는 플랫 천판의 경우(이하, 종래의 천판이라고 함)의 플라즈마의 예(사진), 도 7b는 본 발명의 오목부(3A)를 구비하는 천판의 경우(이하, 본 발명의 천판이라고 함)의 플라즈마의 예(사진)이다.

실험에 이용하는 천판(3)은 석영으로 형성되며, 본 발명의 천판은 종래의 천판에 복수의 오목부(3A)를 구비한 것이다. 플라즈마 형성에 따른 조건은 공통으로, 아르곤 가스를 사용하고, 마이크로파 전력은 2000 W, 압력은 1.33 Pa로 실험을 행하였다.

종래의 플랫 천판의 경우에는 플라즈마 발생이 불균일하고, 특히 주변부의 소밀함이 눈에 띈다. 본 발명의 경우에는 천판(3)의 중심부와 주변부의 차이는 보이지 않으며, 복수로 있는 오목부(3A)의 내부에서 균일하게 플라즈마가 발생하여 플라즈마 모드가 안정된 것이 확인되었다.

(실험예 2)

도 8a 및 8b는 본 발명의 실시예에 따른 천판(3)을 이용하여 상이한 압력으로 플라즈마를 형성한 예(사진)이다. 도 8a는 압력 1.33 Pa의 경우(조건(A)), 도 8b는 압력 66.65 Pa의 경우(조건(B))를 나타낸다. 압력 이외의 조건은 실험예 1과 동일하다. 압력은 조건(A)을 1.33 Pa, 조건(B)을 66.65 Pa로 하여 실험을 행하였다. 플라즈마 형성의 유무와, 형성된 경우에는 플라즈마의 분포를 비교한다.

도 8b와 같이 조건(B)의 비교적 압력이 높은 상태로 한 경우에도 동일한 패턴으로 플라즈마를 발생시킬 수 있었다. 또한 도 8a와 도 8b를 비교한 경우, 모든 쪽이 복수의 오목부를 기준으로 하여 플라즈마가 형성되고 있다는 것을 알 수 있다. 조건(A)과 조건(B)의 플라즈마를 비교하면, 플라즈마의 크기가 대략 동일하고 또한 균일한 분포의 플라즈마가 형성되었다는 것을 알 수 있다.

종래의 천판으로는, 압력이 상이하면 플라즈마의 발생 패턴(밀도 분포)이 변화하므로 발생 패턴을 일정하게 유지하려면 압력의 제어가 필요했다. 본 발명의 천판을 이용함으로써, 실험예 2에서 나타나는 바와 같이 압력 조건에 좌우되기 어렵고 재현성이 좋은 균일한 플라즈마를 얻을 수 있었다.

압력 조건 이외로는 온도 또는 가스의 종류 등을 조정하여 플라즈마를 발생시킨다. 종래의 천판으로는, 압력의 범위는 10 mPa ~ 수 10 Pa로 작아 다른 조건의 설정에 제한이 되는 경우도 있었다. 본 발명의 천판을 이용함으로써 종래보다 낮은 압력 또는 높은 압력으로 한 경우에도 플라즈마를 발생시킬 수 있으므로, 압력 조건에 한정되지 않고 최적의 조건을 선택할 수 있게 되었다.

이하에 본 발명의 제 2 관점에 따른 플라즈마 처리 장치에 대하여 설명한다. 플라즈마 처리 장치는 도 1에서 도시한 것과 동일하다. 천판은 본 발명의 제 1 관점에 따른 플라즈마 처리 장치의 천판(3)을 이용한다.

종래의 천판을 이용하는 경우, 마이크로파의 직경 방향의 전파를 제어하고 있는 것은 있었으나, 둘레 방향의 전파를 제어하지 않았으므로 모드의 안정이 불충분했다. 또한, 플라즈마 발생실(2) 내의 압력의 변화 등의 영향으로 플라즈마 발생의 밀도 분포가 상이하고 모드 변화가 발생하기 쉬워, 도입하는 기체의 압력 또는 온도 등의 조건, 기체의 종류 또는 그 성분비 등에 따라 모드 변화가 발생하였다.

본 발명의 실시예에 따른 천판(3)을 이용함으로써, 오목부(3A)의 내부에서 마이크로파가 흡수되어 플라즈마를 발생시킨다. 마이크로파의 천판(3) 내의 전파 모드에 따르지 않고 오목부(3A)의 위치에 플라즈마(8)를 발생시킬 수 있어 발생 강도 분포가 대략 동일한 플라즈마를 안정적으로 얻을 수 있다. 플라즈마(8)의 발생 위치가 오목부(3A)의 위치에 한정되므로 재현성도 좋다. 플라즈마 발생의 밀도 분포가 오목부의 위치에 고정되어 변화하지 않으므로, 도입하는 기체의 종류와 성분비, 기체의 압력과 온도 등의 조건을 바꾸는 경우에도 동일한 모드의 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

플라즈마 처리 장치(1)에서 조건이 상이한 플라즈마 처리를 연속으로 실시하는 경우에도 안정된 플라즈마 모드를 얻을 수 있다. 플라즈마 처리에 맞춘 기체의 종류 또는 성분비 및 온도 또는 압력을 조정하는 것만으로 발생 강도 분포가 대략 동일한 플라즈마(8)를 얻을 수 있다. 다른 천판으로의 교환 및 천판 내를 전파하는 마이크로파의 파장을 바꿀 필요는 없다. 또한, 온도 또는 압력이 필요한 설정 변경 후에 필요한 모드를 얻기 위하여 행하던 미조정(微調整) 또는 안정된 모드를 얻기 위한 미조정도 없다. 종래에 비하면 단시간으로 안정적이고 재현성 좋게 작업할 수 있다.

오목부(3A)는 마이크로파가 전파하는 방향의 직경이 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 1 / 3 내지 1 / 2의 범위의 크기, 깊이가 1 / 4 내지 3 / 8의 범위의 크기가 바람직하다. 또한 오목부(3A)의 위치를, 마이크로파의 도입 위치를 중심으로 하는 원 상, 특히 원의 반경이 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 대략 정수배에 배치하는 것이 바람직하다. 급전한 마이크로파를 효율적으로 흡수할 수 있어 플라즈마를 낭비 없이 발생시킨다. 이 때 오목부(3A)를 마이크로파의 도입 위치를 중심으로 하는 점 대칭의 위치에서 배치하면, 둘레 방향을 신경쓰지 않고 플라즈마 처리 장치(1)에 천판(3)을 설치할 수 있다.

이어서 본 발명의 제 3 관점에 따른 플라즈마 처리 방법에 대하여 설명한다.

플라즈마 처리 장치(1) 내에서 플라즈마(8)를 발생시킬 때, 플라즈마 발생측의 면에 오목부(3A)를 설치하는 천판(3)을 이용한다. 마이크로파는 오목부(3A)의 측면(3As)에서 공명 흡수함으로써 내부에 단일 모드로 강한 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 플라즈마의 발생이 천판(3)의 오목부(3A)의 개소(箇所)가 되므로 플라즈마 모드가 안정된다.

오목부(3A)의 전파 방향의 직경은 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 1 / 3 내지 1 / 2의 범위의 크기, 깊이는 1 / 4 내지 3 / 8의 범위의 크기로 함으로써, 오목부(3A)의 내부에서 단일 모드로 전파하여 강한 플라즈마를 발생시킨다. 또한, 마이크로파의 도입 위치를 중심으로 배치하는 원의 반경이 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 크기의 대략 정수배로 함으로써, 정재파를 서로 강하게 하는 위치에 있는 오목부(3A)의 측면(3As)에서 마이크로파의 공명 흡수가 일어나 효율적으로 강한 플라즈마가 얻어진다.

마이크로파의 도입 위치를 중심으로 하는 점 대칭의 위치에 오목부(3A)를 구비함으로써, 둘레 방향에서의 플라즈마 모드가 안정되어 방향과 관계없이 천판을 설치할 수 있다.

플라즈마(8)를 오목부 내부에서 단일 모드로 발생시키므로, 플라즈마 처리 장치(1)의 플라즈마 발생실(2) 내의 분위기 또는 기판 처리 방법 및 플라즈마 처리 조건을 변화시킨 경우, 즉, 도입하는 기체의 종류와 성분비, 기체의 압력과 온도 등의 조건을 변화시킨 경우에도 천판(3)과 천판(3) 내를 전파하는 마이크로파의 파장을 바꾸지 않고 플라즈마 처리 가능해진다.

본 발명에 따라 동일한 모드의 플라즈마를 안정적으로 발생시킬 수 있기 때문에, 천판과 천판 내를 전파하는 마이크로파의 파장을 바꾸지 않고 상이한 조건으로 연속해서 플라즈마 처리할 수 있다. 본 발명은 성막 처리 또는 에칭 처리의 조건을 변화시키고 싶은 경우에 특히 효과적이다. 본 발명의 플라즈마 처리 방법은 그 밖에도 애싱 처리 등의 모든 플라즈마 처리에 적용할 수 있다.

또한, 피처리체로서의 기판은 반도체 기판에 한정되지 않고 글라스 기판 또는 세라믹 기판 등을 선택할 수도 있으며, 다양한 종류의 기판의 플라즈마 처리에 적용할 수 있다.

또한 실시예에서 설명한 천판 및 플라즈마 처리 장치, 플라즈마 처리 방법은 일례이며, 이에 한정되지는 않는다.

본 출원은 2008년 2월 13일에 출원된 일본 특허 출원 2008-31310호에 기초한다. 본 명세서 내에 일본 특허 출원 2008-31310호의 명세서, 특허 청구의 범위, 도면 전체를 참조로 포함하는 것으로 한다.

산업상의 이용 가능성

본 발명은, 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천판, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법으로서 유용하다.

1 : 플라즈마 처리 장치
2 : 플라즈마 발생실(챔버)
3 : 천판(유전체)
3A : 오목부
3B : 중심부의 오목부
4 : 안테나
4A : 도파부(실드(shield) 부재)
4B : 래디얼 라인 슬롯 안테나(RLSA)
4C : 지파판(遲波板)(유전체)
5 : 도파관
6 : 기판 보지(保持)대
7 : 가스 통로, 가스 도입구
8 : 플라즈마
10 : 기판

Claims

마이크로파 플라즈마 처리 장치에 설치되어 마이크로파를 전파(傳播)하는 유전체의 천판(天板)으로서,
상기 마이크로파를 플라즈마의 발생측의 면과 평행이 아닌 면에서 공명 흡수하고, 상기 마이크로파가 내부에서 단일 모드로 전파하는 오목부를 플라즈마 발생측의 면에 구비하되,
상기 천판은, 상기 오목부를 복수 구비하고,
상기 오목부는, 상기 마이크로파의 도입 위치를 중심으로 하는 1 또는 2 이상의 원 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천판.
제 1 항에 있어서,
상기 천판은, 상기 마이크로파가 멀티 모드로 전파하는 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천판.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 오목부가 배치되는 원의 반경은 상기 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 정수배의 크기인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천판.
제 1 항에 있어서,
상기 오목부는, 상기 마이크로파의 도입 위치를 중심으로 점 대칭의 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천판.
제 1 항에 있어서,
상기 오목부는, 상기 마이크로파가 전파하는 방향의 직경이 상기 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 1 / 3 내지 1 / 2의 범위의 크기인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천판.
제 1 항에 있어서,
상기 오목부는, 깊이가 상기 유전체 내를 전파하는 마이크로파의 파장의 1 / 4 내지 3 / 8의 범위의 크기인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천판.
제 1 항에 있어서,
상기 오목부는, 상기 플라즈마 발생측의 면에 평행한 단면이 원형인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 천판.
플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 발생실과,
상기 플라즈마 발생실 내로 플라즈마 발생을 위한 마이크로파를 도입하는 슬롯 안테나와,
상기 마이크로파를 측면에서 공명 흡수하고, 상기 마이크로파가 내부에서 단일 모드로 전파하는 오목부를 플라즈마 발생측의 면에 구비하는 천판
을 구비하되,
상기 천판은, 상기 오목부를 복수 구비하고,
상기 오목부는, 상기 마이크로파의 도입 위치를 중심으로 하는 1 또는 2 이상의 원 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
마이크로파를 플라즈마의 발생측의 면과 평행이 아닌 면에서 공명 흡수하고, 상기 마이크로파가 내부에서 단일 모드로 전파하는 오목부를 플라즈마 발생측의 면에 구비하는 천판을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 공정을 가지되,
상기 천판은, 상기 오목부를 복수 구비하고,
상기 오목부는, 상기 마이크로파의 도입 위치를 중심으로 하는 1 또는 2 이상의 원 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 플라즈마를 발생시키는 공정은, 상기 천판과 상기 천판 내를 전파하는 마이크로파의 파장을 바꾸지 않고, 플라즈마 발생실 내의 상이한 2 이상의 분위기 조건에서의 플라즈마의 발생을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.