KR101256120B1 - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

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타이치 몬덴
쥰이치 키타가와
준 야마시타
히데오 나카무라
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

피처리체를 재치(載置)하는 재치대의 전극으로 바이어스용의 고주파 전력을 공급하는 방식의 플라즈마 처리 장치에서, 플라즈마 전위의 진동을 억제하고, 안정적인 플라즈마를 생성시키고, 또한 금속제의 대향 전극의 스퍼터링에 의한 콘태미네이션의 발생을 방지한다. 덮개 부재(27)의 내주측에는 확장 돌출부(60)가 형성되어 있다. 확장 돌출부(60)는 플라즈마 생성 공간(S)을 향하여 형성되어 있고, 재치대(5)의 전극(7)에 대하여 플라즈마 생성 공간(S)을 사이에 두고 쌍을 이루는 대향 전극으로서 기능하는 주요 부분이다. 바이어스용 전극 면적에 대한 대향 전극 표면적의 비(대향 전극 표면적/바이어스용 전극 면적)는 1 이상 5 이하의 범위 내가 바람직하다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 피처리체에 플라즈마 처리를 실시하기 위한 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 공정에서는 피처리체인 반도체 웨이퍼에 대하여 에칭, 애싱, 성막 등의 다양한 프로세스가 행해지고 있다. 이들 처리에는 진공 분위기로 유지 가능한 처리 용기 내에서 반도체 웨이퍼에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치가 이용되고 있다.
근래, 반도체 웨이퍼의 대형화와 디바이스의 미세화가 진전되고 있고, 이에 대응하여 플라즈마 처리의 효율성(예를 들면, 성막 레이트)과 웨이퍼 면내에서의 처리의 균일성을 개선하는 것이 요구되고 있다. 이 때문에, 플라즈마 처리 장치의 처리 용기 내에서 반도체 웨이퍼를 재치(載置)하는 재치대에 전극을 매설하고, 이 전극에 고주파 전력을 공급하여 반도체 웨이퍼에 바이어스 전압을 인가하면서 플라즈마 처리를 행하는 방법이 주목받고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1).
재치대의 전극에 고주파 전력을 공급할 경우, 재치대에 매설된 전극에 대하여 플라즈마 생성 공간을 사이에 두고 배치된 접지 전위의 도전성 부재가 대향 전극이 된다. 즉, 재치대 내의 전극에 바이어스용의 고주파 전력을 공급하면, 이 재치대로부터 플라즈마를 거쳐 대향 전극에, 또한 대향 전극으로부터 처리 용기의 벽 등을 거쳐 바이어스용의 고주파 전원의 어스로 돌아오는 고주파 전류의 경로(RF 리턴 회로)가 형성된다. 이러한 고주파 전류의 경로가 안정적으로 형성되지 않을 경우, 처리 용기 내에서 생성되는 플라즈마의 전위(Vp)의 진동폭이 커져, 안정된 플라즈마 처리가 곤란해진다. 또한, 플라즈마 전위의 진동폭이 크면, 특히 수십 Pa 이하의 낮은 압력에서의 처리에서 통상 알루미늄 등으로 형성되어 있는 대향 전극의 표면이 플라즈마의 작용에 의해 스퍼터링되어 콘태미네이션을 발생시키는 경우가 있다. 플라즈마 전위의 진동을 억제하기 위해서는 대향 전극의 면적을 충분히 확보해 두는 것이 필요하다. 그러나, 특허 문헌 1과 같은 종래 기술의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서는 처리 용기의 상부에 마이크로파 투과판이 배치되기 때문에, 평행 평판 방식 등의 플라즈마 처리 장치와 달리 대향 전극의 면적을 충분히 확보하는 것은 장치 구성 상의 제약이 있었다.
이러한 점에서, 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서 처리 용기의 내측으로서 마이크로파 투과판의 주연부에 실리콘 또는 알루미늄제의 환상(環狀)의 대향 전극을 착탈 가능하게 설치한 플라즈마 처리 장치가 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 2, 3). 이들 특허 문헌 2, 3의 종래 기술에서는 대향 전극의 면적을 충분히 확보함으로써, 재치대로 고주파 전력을 공급할 때의 플라즈마의 전위(Vp)를 안정화시킬 수 있다. 그러나, 특허 문헌 2, 3의 대향 전극은 마이크로파 투과판에 밀착하여 배치되어 있기 때문에, 마이크로파 도입을 위한 유효 면적이 좁아지고, 마이크로파의 도입 자체가 불안정해져 용기 내에서 플라즈마가 안정적으로 생성되지 않을 가능성이 있다. 또한, 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서는 마이크로파 투과판의 직하(直下)에서 플라즈마가 생성되기 때문에, 마이크로파 투과판에 가까운 영역에서 전자 온도가 가장 높아진다. 이 때문에, 특허 문헌 2, 3과 같이 대향 전극을 마이크로파 투과판에 밀착시켜 처리 공간으로 돌출시킨 경우에는 대향 전극의 선단이 플라즈마에 의해 깎이기 쉬워져 콘태미네이션의 발생도 우려된다.
국제 공개 WO2009/123198 A1 일본특허공개공보 평9-266095호 일본특허공개공보 평10-214823호
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 피처리체를 재치(載置)하는 재치대의 전극에 바이어스용의 고주파 전력을 공급하는 방식의 플라즈마 처리 장치에서 플라즈마 전위의 진동을 억제하여 안정적인 플라즈마를 생성시키고, 또한 금속제의 대향 전극의 스퍼터링에 의한 콘태미네이션의 발생을 방지하는 것이다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치는 플라즈마를 이용하여 피처리체를 처리하는 상부가 개구된 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에서 피처리체를 재치(載置)하는 재치대와, 상기 재치대에 매설되고 피처리체에 바이어스 전압을 인가하는 제 1 전극과, 상기 처리 용기의 개구를 막아 플라즈마 생성 공간을 구획하여 형성하고, 또한 마이크로파를 투과시켜 상기 처리 용기 내로 도입하는 유전체판과, 상기 유전체판의 상방에 설치되고, 마이크로파 발생 장치로 발생한 상기 마이크로파를 상기 유전체판을 거쳐 상기 처리 용기 내로 도입하는 평면 안테나와, 상기 처리 용기의 상부에 배치되고, 환상을 이루고 또한 그 내주측에 상기 플라즈마 생성 공간을 향하여 돌출되는 접촉 지지부를 가지고, 상기 접촉 지지부의 상면에서 상기 유전체판의 외주부를 지지하는 덮개 부재와, 상기 처리 용기 또는 상기 접촉 지지부로부터 상기 처리 용기 내의 플라즈마 생성 공간을 향하여 상기 유전체판과의 사이에 간격을 두고 돌출되고, 상기 제 1 전극에 대하여 상기 플라즈마 생성 공간을 사이에 두고 쌍을 이루는 제 2 전극 중 적어도 일부분을 구성하는 환상의 확장 돌출부와, 상기 확장 돌출부의 상면과 상기 유전체판의 하면의 사이에 형성되는 공간을 구비하고 있다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치는 상기 확장 돌출부의 상면과 상기 유전체판의 하면의 간격이 10 mm 이상 30 mm 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치에서, 상기 확장 돌출부는 그 선단이 상기 재치대에 재치된 피처리체의 단부(端部)의 상방에 도달하지 않는 돌출량으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 상기 유전체판과 상기 확장 돌출부의 사이의 공간으로 처리 가스를 도입하는 가스 도입구가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 상기 확장 돌출부가 상기 덮개 부재와 일체로 형성되어 있어도 좋고, 또는 상기 확장 돌출부가 상기 처리 용기와 일체로 형성되어 있어도 좋다. 또한, 상기 확장 돌출부가 상기 덮개 부재에 고정된 보조 전극 부재여도 좋고, 상기 처리 용기에 고정된 보조 전극 부재여도 좋다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 상기 확장 돌출부의 표면에 요철이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 상기 플라즈마 생성 공간을 향하는 상기 제 2 전극의 표면적이 상기 재치대에서의 상기 제 1 전극의 매설 영역의 면적에 대하여 1 이상 5 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 상기 확장 돌출부의 표면에 보호막을 더 구비하고 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 보호막은 실리콘으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 적어도 상기 재치대의 재치면의 높이보다 낮은 위치의 상기 처리 용기의 내벽을 따라 절연판을 더 구비하고 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 절연판은 상기 처리 용기의 하부에 연결 설치된 배기실에 도달하는 위치까지 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 플라즈마 처리 방법은 플라즈마를 이용하여 피처리체를 처리하는 상부가 개구된 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에서 피처리체를 재치하는 재치대와, 상기 재치대에 매설되고 피처리체에 바이어스 전압을 인가하는 제 1 전극과, 상기 처리 용기의 개구를 막아 플라즈마 생성 공간을 구획하여 형성하고, 또한 마이크로파를 투과시켜 상기 처리 용기 내로 도입하는 유전체판과, 상기 유전체판의 상방에 설치되고, 마이크로파 발생 장치로 발생한 상기 마이크로파를 상기 유전체판을 거쳐 상기 처리 용기 내로 도입하는 평면 안테나와, 상기 처리 용기의 상부에 배치되고, 환상을 이루고 또한 그 내주측에 상기 플라즈마 생성 공간을 향하여 돌출하는 접촉 지지부를 가지고, 상기 접촉 지지부의 상면에서 상기 유전체판의 외주부를 지지하는 덮개 부재와, 상기 처리 용기 또는 상기 접촉 지지부로부터 상기 처리 용기 내의 플라즈마 생성 공간을 향하여 상기 유전체판과의 사이에 간격을 두고 돌출되고, 상기 제 1 전극에 대하여 상기 플라즈마 생성 공간을 사이에 두고 쌍을 이루는 제 2 전극 중 적어도 일부분을 구성하는 환상의 확장 돌출부와, 상기 확장 돌출부의 상면과 상기 유전체판의 하면의 사이에 형성되는 공간을 구비한 플라즈마 처리 장치를 이용하여, 상기 처리 용기 내에서 플라즈마를 생성시켜 상기 플라즈마에 의해 피처리체를 처리하는 것이다. 이 경우, 처리 압력이 40 Pa 이하여도 좋다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치는 처리 용기 또는 접촉 지지부로부터 플라즈마 생성 공간을 향하여 유전체판과의 사이에 간격을 두고 돌출되고, 제 1 전극에 대하여 플라즈마 생성 공간을 사이에 두고 쌍을 이루는 제 2 전극 중 적어도 일부분을 구성하는 확장 돌출부를 구비하고 있으므로, 제 2 전극의 면적이 충분히 확보되어 있고, 플라즈마 전위(Vp)의 진동을 억제할 수 있다. 또한, 제 2 전극의 면적을 크게 함으로써, 플라즈마의 작용으로 제 2 전극의 표면이 스퍼터링되는 것도 억제되어 콘태미네이션을 방지할 수 있다. 또한, 제 2 전극의 면적을 충분한 넓이로 확보함으로써, 다른 부위에서의 단락 또는 이상 방전도 억제할 수 있다. 또한, 유전체판과의 사이에 간격을 두고 확장 돌출부를 형성하고 있기 때문에, 유전체판의 유효 면적을 축소시키지 않아도 되므로, 충분한 마이크로파 파워를 도입하여 처리 용기 내에서 형성되는 플라즈마를 안정화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 단면도이다.
도 2a는 도 1의 주요부를 확대하여 도시한 단면도이다.
도 2b는 덮개 부재의 외관을 도시한 사시도이다.
도 3a는 평면 안테나의 구조를 도시한 도면이다.
도 3b는 상이한 처리 압력과 갭에 대하여 처리 용기 내의 전자 밀도와 전자 온도를 계측한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 제어부의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 주요부 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 주요부 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 주요부 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 주요부 단면도이다.
도 9a는 대향 전극 표면적에 대하여, 바이어스용 전극 면적이 불충분할 경우에 재치대의 전극에 고주파 전압을 인가했을 때의 재치대의 전위를 나타낸 설명도이다.
도 9b는 대향 전극 표면적에 대하여, 바이어스용 전극 면적이 충분할 경우에 재치대의 전극에 고주파 전압을 인가했을 때의 재치대의 전위를 나타낸 설명도이다.
도 10은 플라즈마 산화 처리에서의 알루미늄(Al) 콘태미네이션의 양과 Vmax의 관계를 나타낸 그래프 도면이다.
도 11은 플라즈마 산화 처리에서의 대향 전극 면적비(횡축)와 Vmax(세로축)의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 12는 다른 조건에서의 플라즈마 산화 처리에서의 대향 전극 면적비(횡축)와 Vmax(세로축)의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 13은 또 다른 조건에서의 플라즈마 산화 처리에서의 대향 전극 면적비(횡축)와 Vmax(세로축)의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 14는 또 다른 조건에서의 플라즈마 산화 처리에서의 대향 전극 면적비(횡축)와 Vmax(세로축)의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 15는 또 다른 조건에서의 플라즈마 산화 처리에서의 대향 전극 면적비(횡축)와 Vmax(세로축)의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 16은 또 다른 조건에서의 플라즈마 산화 처리에서의 대향 전극 면적비(횡축)와 Vmax(세로축)의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 17은 처리 압력 및 대향 전극 면적비를 바꾸어 플라즈마 산화 처리를 행했을 경우의 Vmax(세로축)와 알루미늄(Al) 콘태미네이션의 양을 나타낸 그래프도이다.
도 18a는 플라즈마 질화 처리에서의 웨이퍼의 중앙부에서의 산소량의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18b는 플라즈마 질화 처리에서의 웨이퍼의 엣지부에서의 산소량의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 변형예를 도시한 주요부 단면도이다.
이하에, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
［제 1 실시예］
도 1은 본 발명의 플라즈마 처리 장치의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(100)의 개략 구성을 모식적으로 도시한 단면도이다. 또한, 도 2a는 도 1의 주요부를 확대하여 도시한 단면도이다. 도 2b는 플라즈마 처리 장치(100)의 구성 부재인 덮개 부재의 외관 사시도이다. 또한, 도 3a는 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)의 평면 안테나를 도시한 평면도이다.
플라즈마 처리 장치(100)는 복수의 슬롯 형상의 홀을 가지는 평면 안테나, 특히 RLSA(Radial Line Slot Antenna; 래디얼 라인 슬롯 안테나)에 의해 처리 용기 내로 마이크로파를 도입하여 처리 용기 내에서 고밀도이며 저전자 온도의 마이크로파 여기 플라즈마를 발생시킬 수 있는 RLSA 마이크로파 플라즈마 처리 장치로서 구성되어 있다. 플라즈마 처리 장치(100)에서는 1 × 1010 ~ 5 × 1012/cm3의 플라즈마 밀도이며, 또한 0.7 ~ 2 eV의 저전자 온도를 가지는 플라즈마에 의한 처리가 가능하다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(100)는 각종 반도체 장치의 제조 과정에서, 예를 들면 피처리체의 실리콘을 산화하여 실리콘 산화막(예를 들면, SiO2막)을 형성하거나, 질화하여 실리콘 질화막(예를 들면, SiN막)을 형성하는 목적으로 적합하게 이용할 수 있다.
플라즈마 처리 장치(100)는 기밀하게 구성되고, 피처리체인 반도체 웨이퍼(이하, 간단히 '웨이퍼'라고 기재함)(W)를 수용하기 위한 대략 원통 형상의 처리 용기(1)를 가지고 있다. 이 처리 용기(1)는 접지 전위이며, 예를 들면 알루미늄 또는 그 합금 또는 스테인레스 스틸 등의 금속 재료로 구성되어 있다. 또한, 처리 용기(1)는 단일의 용기가 아니라 복수의 부분으로 분할되어 있어도 좋다. 또한, 처리 용기(1)의 상부에는 플라즈마 생성 공간(S)으로 마이크로파를 도입하기 위한 마이크로파 도입부(26)가 개폐 가능하게 설치되어 있다. 즉, 처리 용기(1)의 상단부에 마이크로파 도입부(26)가 배치되어 있다. 또한, 처리 용기(1)의 하부에는 배기실(11)이 연결되어 있다. 처리 용기(1)에는 복수의 냉각수 유로(3a)가 형성되어 처리 용기(1)의 벽을 냉각할 수 있도록 되어 있다. 따라서, 플라즈마의 열에 의한 열 팽창에 의해 마이크로파 도입부(26)와의 접면부(接面部)의 위치 이탈이나 플라즈마 데미지가 발생하는 것을 억제하고, 씰링성의 저하 또는 파티클의 발생이 방지되어 있다.
처리 용기(1) 내에는 웨이퍼(W)를 수평으로 지지하기 위한 재치대(載置臺)(5)가 배기실(11)의 저부(底部) 중앙으로부터 상방으로 연장되는 원통 형상의 지지부(4)에 의해 지지된 상태로 설치되어 있다. 재치대(5) 및 지지부(4)를 구성하는 재료로서는, 예를 들면 석영 또는 AlN, Al2O3 등의 세라믹 재료를 들 수 있는데, 이들 중에서도 열전도성이 양호한 AlN이 바람직하다. 또한, 재치대(5)에는 저항 가열형의 히터(5a)가 매립되어 있고, 예를 들면 200 V의 교류 전원인 히터 전원(6)으로부터 급전됨으로써 재치대(5)를 가열하여, 그 열로 피처리체인 웨이퍼(W)를 가열한다. 히터(5a)와 히터 전원(6)을 접속시키는 급전선(6a)에는 RF(고주파)를 필터링하는 필터 박스(45)가 설치되어 있다. 재치대(5)의 온도는 재치대(5)에 삽입된 도시하지 않은 열전대(熱電對)에 의해 측정되고, 열전대로부터의 신호에 기초하여 히터 전원(6)이 제어되며, 예를 들면 실온에서부터 800℃까지의 범위에서 안정된 온도 제어가 가능하도록 되어 있다.
또한, 재치대(5)의 내부의 표면측에는 히터(5a)보다 상방에 제 1 전극으로서의 바이어스용의 전극(7)이 매설되어 있다. 이 전극(7)은 재치대(5)에 재치되는 웨이퍼(W)에 대략 대응하는 영역에 매설되어 있다. 전극(7)의 재질로서는, 예를 들면 몰리브덴, 텅스텐 등의 도전성 재료를 이용할 수 있다. 전극(7)은, 예를 들면 망목(網目) 형상, 격자 형상, 소용돌이 형상 등의 형상으로 형성되어 있다. 또한, 재치대(5)의 표면 및 측벽의 전체면을 감싸도록 커버(8a)가 설치된다. 커버(8a)는 재치대(5)에 플라즈마가 작용하여 스퍼터링되어 금속 오염의 원인이 되는 것을 방지한다. 이 커버(8a)의 표면에는 웨이퍼(W)를 가이드하기 위하여, 웨이퍼 사이즈보다 크고, 대략 웨이퍼(W)의 두께와 동일한 깊이의 오목부(홈)가 형성되어 있다. 이 오목부에 웨이퍼(W)가 배치된다. 또한, 재치대(5)의 주위에는 처리 용기(1) 내를 균일 배기하기 위하여 석영제의 배플 플레이트(8b)가 환상(環狀)으로 설치되어 있다. 이 배플 플레이트(8b)는 복수의 홀(8c)을 가지고, 지지 기둥(도시하지 않음)에 의해 지지되어 있다. 또한, 재치대(5)에는 웨이퍼(W)를 지지하여 승강시키기 위한 복수의 웨이퍼 지지 핀(도시하지 않음)이 재치대(5)의 표면에 대하여 돌출 및 함몰 가능하게 설치되어 있다.
처리 용기(1)의 저벽(1a)의 대략 중앙부에는 원형의 개구부(10)가 형성되어 있고, 저벽(1a)에는 이 개구부(10)와 연통하고 하방을 향하여 돌출되어 처리 용기(1) 내부를 균일하게 배기하기 위한 배기실(11)이 연결 설치되어 있다. 배기실(11)의 측면에는 배기구(11b)가 형성되고 여기에 배기관(23)이 접속되어 있다. 이 배기관(23)에는 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(24)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기 장치(24)를 작동시킴으로써 처리 용기(1) 내의 가스가 배기실(11)의 공간(11a) 내로 균일하게 배출되어 배기관(23)을 거쳐 배기된다. 이에 따라, 처리 용기(1) 내는 소정의 진공도, 예를 들면 0.133 Pa까지 고속으로 감압되는 것이 가능하도록 되어 있다. 또한, 배기관(23)은 배기실(11)의 저면에 접속되어 있어도 좋다. 또한, 배기실(11)은 처리 용기(1)의 내부에 형성해도 좋다.
또한, 처리 용기(1)의 측벽(1b)에는 웨이퍼(W)의 반입출을 행하기 위한 반입출구와, 이 반입출구를 개폐하는 게이트 밸브가 설치되어 있다(모두 도시하지 않음).
처리 용기(1)의 상부는 개구부로 되어 있고, 이 개구부를 막도록 마이크로파 도입부(26)가 기밀하게 배치 가능하게 되어 있다. 이 마이크로파 도입부(26)는 도시하지 않은 개폐 기구에 의해 개폐 가능하게 되어 있다. 마이크로파 도입부(26)는 주요한 구성으로서, 재치대(5)측으로부터 차례로, 덮개 부재(27), 마이크로파 투과판(28), 평면 안테나(31), 지파재(33)를 가지고 있고, 또한 지파재(33)를 덮도록, 예를 들면 SUS, 알루미늄, 그 합금 등의 재질로 이루어지는 도전성의 커버(34)에 의해덮여 있다. 커버(34)의 외주부는 고정 부재(36)를 개재하여 환상의 누름 링(35)에 의해 덮개 부재(27)에 고정되어 있다.
덮개 부재(27)는 접지 전위이며, 처리 용기(1)와 동일한 재질로 형성되어 있다. 본 실시예에서, 환상의 덮개 부재(27)에는 개구부가 형성되어 있다. 덮개 부재(27)의 내주(內周) 부분은 처리 용기(1) 내의 플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 있고, 하부 전극인 재치대(5)의 전극(7)에 대향하는 제 2 전극으로서의 대향 전극을 구성하고 있다. 환상의 덮개 부재(27)의 내주면은 처리 용기(1)의 내벽면보다 플라즈마 생성 공간(S)을 향하여 돌출되는 돌출부(60)를 형성한다. 도 2a, 도 2b에 도시한 바와 같이, 돌출부(60)는 그 상면에 마이크로파 투과판(28)에 접촉하여 지지하는 접촉 지지부(60A)와, 이 접촉 지지부(60A)보다 더욱 처리 용기(1) 내의 플라즈마 생성 공간(S)을 향하여 크게 돌출되는 확장 돌출부(60B)를 가지고 있다. 접촉 지지부(60A)와 확장 돌출부(60B)는 단차를 형성하고, 접촉 지지부(60A)에 마이크로파 투과판(28)을 배치했을 때, 마이크로파 투과판(28)과 확장 돌출부(60B)의 사이에 환상의 공간(S1)이 형성된다. 본 실시예에서는 이 확장 돌출부(60B)가 대향 전극으로서 중심적으로 기능하는 부분이다. 또한, 공간(S1)은 플라즈마 생성 공간(S)의 일부분을 구성하고 있다.
또한, 덮개 부재(27)의 접촉 지지부(60A)의 내주면에는 복수 개소(예를 들면, 32 개소)에 가스 도입구(15a)가 균등하게 형성되어 있다. 즉, 접촉 지지부(60A)와 확장 돌출부(60B)의 사이에 단차를 형성하고 있는 접촉 지지부(60A)의 벽에 환상으로 점재(点在)하여 가스 도입구(15a)가 개구되어 있다. 각 가스 도입구(15a)는 각각 공간(S1)으로 처리 가스를 도입할 수 있도록 공간(S1)을 향하여 개구되어 있다. 이들 가스 도입구(15a)의 각각으로부터 덮개 부재(27)의 내부로 비스듬히 연장되는 가스 도입로(15b)가 형성되어 있다. 또한, 가스 도입로(15b)는 수평으로 형성해도 좋다. 각 가스 도입로(15b)는 덮개 부재(27)와 처리 용기(1)의 상부의 사이에 수평 방향으로 형성된 환상 통로(13)와 연통하고 있다. 이에 따라, 처리 가스를 처리 용기(1) 내의 플라즈마 생성 공간(S) 및 공간(S1)으로 균일하게 공급할 수 있다.
처리 용기(1)와 덮개 부재(27)의 접촉부에는, 예를 들면 O 링 등의 씰 부재(9a, 9b)가 환상 통로(13)를 따라 그 외측 및 내측에 배치되어 있고, 이에 따라 접촉부의 기밀 상태가 유지된다. 즉, 마이크로파 도입부(26)가 닫힌 상태에서는 처리 용기(1)의 측벽(1b)의 상단면과, 개폐 기능을 가지는 덮개 부재(27)와의 사이가 씰 부재(9a 및 9b)에 의해 씰링된 상태가 된다. 씰 부재(9a, 9b)는, 예를 들면 칼레즈(상품명; 듀퐁사 제품) 등의 불소계 고무 재료로 이루어져 있다. 또한, 덮개 부재(27)의 외주면에는 복수의 냉매 유로(27a)가 형성되어 있다. 냉매 유로(27a)에 냉매를 흘림으로써, 덮개 부재(27) 및 마이크로파 투과판(28)의 외주부를 냉각할 수 있도록 되어 있다. 이에 따라, 플라즈마의 열에 기인하는 열 팽창에 의한 접면(接面) 부위의 위치 이탈의 발생이 방지되어, 씰링성 저하 또는 파티클의 발생이 방지되어 있다.
유전체판으로서의 마이크로파 투과판(28)은 유전체, 예를 들면 석영 또는Al2O3, AlN, 사파이어, SiN 등의 세라믹에 의해 구성되어 있다. 마이크로파 투과판(28)은 평면 안테나(31)로부터의 마이크로파를 투과시켜 처리 용기(1) 내의 플라즈마 생성 공간(S)으로 도입하는 마이크로파 도입창으로서 기능한다. 마이크로파 투과판(28)의 하면(재치대(5)측)은 평탄 형상에 한정되지 않고, 마이크로파를 균일화하여 플라즈마를 안정화시키기 위하여, 예를 들면 오목부 또는 홈을 형성해도 좋다.
마이크로파 투과판(28)의 외주부는 덮개 부재(27)의 돌출부(60)의 접촉 지지부(60A) 상에 씰 부재(29)를 개재하여 기밀 상태로 지지되어 있다. 따라서, 마이크로파 도입부(26)가 닫힌 상태에서 처리 용기(1)와 마이크로파 투과판(28)에 의해 플라즈마 생성 공간(S)이 구획하여 형성되고, 또한 플라즈마 생성 공간(S)이 기밀하게 유지된다.
평면 안테나(31)는 원판 형상을 이루고 있고, 마이크로파 투과판(28)의 상방에서 커버(34)의 외주부에 의해 계지(係止)되어 있다. 이 평면 안테나(31)는, 예를 들면 표면이 금 또는 은도금된 구리판, 알루미늄판, 니켈판, 놋쇠판 등의 금속판으로 이루어지고, 마이크로파 등의 전자파(電磁波)를 방사하기 위한 다수의 슬롯홀(32)을 가지고 있다. 이 슬롯홀(32)은 평면 안테나(31)를 관통하여 형성되어 있고, 두 개의 홀이 쌍을 이루어 소정의 패턴으로 배열되어 있다.
슬롯홀(32)은, 예를 들면 도 3a에 도시한 바와 같이, 긴 홈 형상을 이루고, 전형적으로는 인접하는 슬롯홀(32)끼리가 'T'자 형상으로 배치되고, 이들 복수의 슬롯홀(32)이 동심원 형상으로 배치되어 있다. 슬롯홀(32)의 길이나 배열 간격은 도파관(37) 내의 마이크로파의 파장(λg)에 따라 결정되고, 예를 들면 슬롯홀(32)의 간격은 λg/4로부터 λg가 되도록 배치된다. 또한, 도 3a에서는 동심원 형상으로 형성된 인접하는 슬롯홀(32)끼리의 간격을 Δr로 나타내고 있다. 또한, 슬롯홀(32)은 원형 형상, 원호 형상 등의 다른 형상이어도 좋다. 또한, 슬롯홀(32)의 배치 형태는 특별히 한정되지 않고, 동심원 형상 외에, 예를 들면 나선 형상, 방사 형상으로 배치할 수도 있다.
지파재(33)는 진공보다 큰 유전율을 가지고 있고, 평면 안테나(31)의 상면에 설치되어 있다. 이 지파재(33)는, 예를 들면 석영, 세라믹, 폴리테트라 플루오르 에틸렌 등의 불소계 수지 또는 폴리이미드계 수지에 의해 구성된다. 그리고, 진공 중에서는 마이크로파의 파장이 길어진다는 점에서, 마이크로파의 파장을 짧게 하여 플라즈마를 조정하는 기능을 가지고 있다. 또한, 평면 안테나(31)와 마이크로파 투과판(28)의 사이 또한 지파재(33)와 평면 안테나(31)의 사이는 각각 밀착시켜도 이격시켜도 되지만, 밀착시키는 것이 바람직하다.
커버(34)에는 냉매 유로(34a)가 형성되어 있고, 거기에 냉매를 통류시킴으로써, 커버(34), 지파재(33), 평면 안테나(31), 마이크로파 투과판(28) 및 덮개 부재(27)를 냉각하도록 되어 있다. 이에 따라, 이들 부재의 변형이나 파손을 방지하고, 안정된 플라즈마를 생성하는 것이 가능하다. 또한, 평면 안테나(31) 및 커버(34)는 접지되어 있다.
커버(34)의 상부의 중앙에는 개구부(34b)가 형성되어 있고, 이 개구부(34b)에는 도파관(37)이 접속되어 있다. 이 도파관(37)의 단부에는 매칭 회로(38)를 개재하여 마이크로파 발생 장치(39)가 접속되어 있다. 이에 따라, 마이크로파 발생 장치(39)에서 발생한, 예를 들면 주파수 2.45 GHz의 마이크로파가 도파관(37)을 거쳐 상기 평면 안테나(31)로 전파되도록 되어 있다. 마이크로파의 주파수로서는 8.35 GHz, 1.98 GHz 등을 이용할 수도 있다.
도파관(37)은 상기 커버(34)의 개구부(34b)로부터 상방으로 연장되는 단면 원통 형상의 동축 도파관(37a)과, 이 동축 도파관(37a)의 상단부에 모드 변환기(40)를 개재하여 접속된 수평 방향으로 연장되는 직사각형 도파관(37b)을 가지고 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 가지고 있다. 동축 도파관(37a)의 중심에는 내부 도체(41)가 모드 변환기(40)로부터 평면 안테나(31)에 걸쳐 연장되어 있고, 내부 도체(41)는 그 하단부에서 평면 안테나(31)의 중심에 접속 고정되어 있다. 또한, 평면 안테나(31)와 커버(34)에 의해 편평 도파로가 형성되어 있다. 이에 따라, 마이크로파는 동축 도파관(37a)의 내부 도체(41)를 거쳐 평면 안테나(31)의 중앙부로 도입되고, 이로부터 방사 형상으로 효율적으로 균일하게 전파된다.
이어서, 플라즈마 처리 장치(100)에서의 가스 공급 구조에 대하여 설명한다. 도 2a에 확대하여 도시한 바와 같이, 처리 용기(1)의 측벽(1b)의 임의의 개소(예를 들면, 균등한 4 개소)에는 수직 방향으로 측벽(1b)의 내부 및 저벽(1a)을 관통하여 복수의 가스 공급로(12)가 형성되어 있다. 가스 공급로(12)는 처리 용기(1)의 측벽(1b)의 상단부와 덮개 부재(27)의 하단부와의 접면부에 형성된 환상 통로(13)에 접속되어 있다. 환상 통로(13)는 가스 공급로(12), 가스 공급관(12a)을 개재하여 가스 공급 장치(16)와 접속되어 있다. 또한, 가스 공급로를 수평 방향으로 형성함으로써, 가스 공급 장치(16)를 처리 용기(1)의 측면으로부터 환상 통로(13)에 접속하는 구성으로 해도 좋다.
환상 통로(13)는 처리 용기(1)의 상단면과 덮개 부재(27)의 하단면과의 접촉 부분에서 단부(段部)(18)와 단부(段部)(19)에 의해 형성된 가스의 유로이다. 단부(18)는 덮개 부재(27)의 하면에 형성되어 있다. 단부(19)는 처리 용기(1)의 측벽(1b)의 상단면에 형성되어 있다. 이 환상 통로(13)는 처리 용기(1) 내의 플라즈마 생성 공간(S)을 둘러싸도록 대략 수평 방향으로 환상으로 형성되어 있다. 또한, 처리 용기(1)의 측벽(1b)의 상단면 또는 덮개 부재(27)의 하면에 홈(오목부)을 형성함으로써 환상 통로(13)를 형성해도 좋다. 환상 통로(13)는 각 가스 도입로(15b)로 가스를 균등 배분하여 공급하는 가스 분배 수단으로서의 기능을 가지고 있고, 처리 가스가 특정의 가스 도입구(15a)에 치우쳐 공급되어 처리 용기(1) 내로 불균일하게 공급되는 것을 방지하도록 기능한다. 이와 같이, 본 실시예에서는 가스 공급 장치(16)로부터의 처리 가스를 각 가스 공급로(12), 환상 통로(13), 각 가스 도입로(15b)를 거쳐, 예를 들면 32 개소의 가스 도입구(15a)로부터 균일하게 처리 용기(1) 내의 플라즈마 생성 공간(S) 및 공간(S1)으로 도입할 수 있으므로, 처리 용기(1) 내의 플라즈마의 균일성을 높일 수 있다.
이어서, 재치대(5)에 재치된 웨이퍼(W)에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전압 인가 수단에 대하여 설명한다. 재치대(5)에 매설된 전극(7)에는 지지부(4) 내를 통과하는 급전선(42), 매칭 박스(M.B.)(43)를 개재하여 바이어스 인가용의 고주파 전원(44)이 접속되어 있고, 웨이퍼(W)에 고주파 바이어스를 인가할 수 있는 구성으로 되어 있다. 상기한 바와 같이, 히터 전원(6)으로부터의 전력을 히터(5a)로 공급하는 급전선(6a)에는 필터 박스(45)가 설치되어 있다. 그리고, 매칭 박스(43)와 필터 박스(45)가 실드 박스(46)를 개재하여 연결되어 유닛화되고, 배기실(11)의 저부(底部)에 장착되어 있다. 실드 박스(46)는, 예를 들면 알루미늄, SUS 등의 도전성 재료로 형성되어 있다. 실드 박스(46) 내에는 급전선(42)에 접속된 구리 등의 재질의 도전판(47)이 배치되어 매칭 박스(43) 내의 매처(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 도전판(47)을 이용함으로써, 급전선(42)과의 접촉 면적을 크게 취할 수 있고, 접촉 저항을 줄여 접속 부분에서의 전류 손실을 저감할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예의 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 매칭 박스(43)와 필터 박스(45)를 실드 박스(46)를 개재하여 연결하여 유닛화하고, 처리 용기(1)의 배기실(11)의 하부에 직접 접속하는 구성으로 했으므로, 고주파 전원(44)으로부터 전극(7)으로 공급하는 고주파 전력의 손실을 저감시키고, 전력 소비 효율을 높여 전력을 안정적으로 공급할 수 있다. 이에 따라, 재치대(5)에 재치된 웨이퍼(W)에 고주파 바이어스를 안정적으로 인가할 수 있기 때문에, 처리 용기(1) 내에서 생성되는 플라즈마가 안정화되어 균일한 플라즈마 처리가 가능하다.
상술한 바와 같이, 상기 덮개 부재(27)의 내주측에는 덮개 부재(27)의 일부분으로서 접촉 지지부(60A)와 확장 돌출부(60B)를 가지는 돌출부(60)가 형성되어 있다. 이와 같이, 덮개 부재(27)와 돌출부(60)를 일체로 형성함으로써, 열전도성과 도통성을 확보할 수 있다. 돌출부(60)의 확장 돌출부(60B)는 그 상면(60B1), 선단면(60B2) 및 하면(60B3)을 가지고 있다. 이들 돌출부(60)는 플라즈마 생성 공간(S)을 향하여 형성되어 있고, 제 1 전극인 재치대(5)의 전극(7)에 대하여 플라즈마 생성 공간(S)을 사이에 두고 대향하는 대향 전극(제 2 전극)으로서 기능하는 주요 부분이다. 구체적으로는, 도 2a 중의 덮개 부재(27)의 접촉 지지부(60A)와 마이크로파 투과판(28)과의 접촉 부위의 단(端)인 도면 중에 동그라미로 나타내는 부위(A)로부터, 돌출부(60)의 노출된 표면(즉, 접촉 지지부(60A)의 표면 및 확장 돌출부(60B)의 상면(60B1), 선단면(60B2) 및 하면(60B3))을 우회하여 접촉 지지부(60A)의 노출된 하면의 단(端)인 도면 중에 동그라미로 나타내는 부위(B)(상부 라이너(49a)와의 접촉단)에 도달하는 표면이 대향 전극으로서 기능하는 부분이다. 본 실시예에서는, 부위(A)부터 부위(B)에 도달하는 환상의 덮개 부재(27)의 내주 표면이 플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 환상으로 대향 전극을 형성하고 있다. 이와 같이, 주로 대향 전극이 되는 환상의 부재를 플라즈마 생성 공간으로 돌출시켜 형성함으로써, 마이크로파 투과판(28)을 구비하고 있기 때문에 재치대(5)의 직상(直上) 위치에 대향 전극을 배치하는 것이 곤란한 RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치(100)에서도 대향 전극의 표면적을 충분히 넓게 확보할 수 있다.
본 실시예의 플라즈마 처리 장치(100)에서 하부 전극에 대하여 대향 전극으로서 기능하는 부분은 플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 있고, 또한 접지 전위에 있는 도전성 부재라고 정의할 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 대향 전극의 표면에는 보호막(48)을 형성할 수 있기 때문에, '플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 있는' 것에는 보호막(48)으로 덮인 상태도 포함한다. 또한, 대향 전극으로서 기능하기 위한 보다 구체적인 정의로서, 예를 들면 대향 전극은 재치대(5)의 웨이퍼 재치면보다 상방에서 플라즈마 생성 공간(S)을 향하는 노출 표면을 가지고, 또한 처리 용기(1) 내에 플라즈마를 생성시켰을 경우에 1 × 1011/cm3 이상의 전자 밀도의 플라즈마에 노출되는 도전성 부재인 것을 하나의 기준으로 할 수도 있다. 단, 상기 전자 밀도의 값은 어디까지나 예시이며, 이 숫자에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 3b는 플라즈마 처리 장치(100)에서 처리 압력과 갭(G)(웨이퍼(W)의 표면으로부터 마이크로파 투과판(28)까지의 거리)를 변화시켰을 경우에, 처리 용기(1) 내의 마이크로파 투과판(28)의 중심부 직하의 부위에서 전자 밀도와 전자 온도를 계측한 결과를 나타내고 있다. 이와 같이, 처리 용기(1) 내에서 생성되는 플라즈마의 전자 밀도나 전자 온도는 처리 압력이나 갭(G)에 의해서도 변화하므로, 처리 압력이나 갭(G)에 따라 대향 전극 표면적을 조절하는 것이 바람직하다. 또한, 갭(G)은, 예를 들면 50 mm ~ 150 mm의 범위 내가 바람직하고, 70 mm ~ 120 mm의 범위 내가 보다 바람직하다.
플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 있는 대향 전극으로서 기능하는 부분의 면적(본 명세서에서 '대향 전극 표면적'이라고 기재하는 경우가 있음)은 재치대(5)에서의 전극(7)의 매설 영역의 면적(본 명세서에서 '바이어스용 전극 면적'이라고 기재하는 경우가 있음)에 대한 면적비로서, 1 이상인 것이 바람직하고, 1 이상 5 이하의 범위 내인 것이 보다 바람직하고, 1 이상 4 이하의 범위 내인 것이 더욱 바람직하고, 2 이상 4 이하의 범위 내인 것이 바람직하다. 바이어스용 전극 면적에 대한 대향 전극 표면적의 비(대향 전극 표면적/바이어스용 전극 면적)가 1 미만이면, 플라즈마 전위의 진동이 커져 처리 용기(1) 내에서 안정된 플라즈마를 생성할 수 없게 되고, 또한 대향 전극 근방에서의 플라즈마에 의한 스퍼터링 작용이 강해져 대향 전극의 표면이 깎이고, 알루미늄 콘태미네이션의 원인이 되는 경우가 있다. 또한, 바이어스용 전극 면적에 대한 대향 전극 표면적의 비(대향 전극 표면적/바이어스용 전극 면적)는 클수록 바람직하다고 할 수 있지만, 장치 사이즈 및 구조 상의 제약으로 인해, 상한을 5로 하면 좋고, 4 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 재치대(5)에서의 전극(7)의 매설 영역의 면적이란, 예를 들면 망목 형상, 격자 형상, 소용돌이 형상 등의 개구나 간극을 가지는 형상의 전극(7)을 개구나 간극의 부분을 포함하여 하나의 평면이라고 생각했을 경우의 이 평면 영역의 면적을 의미한다.
대향 전극으로서 기능하는 돌출부(60)의 선단부(확장 돌출부(60B)의 선단면(60B2))는 재치대(5)에 재치된 웨이퍼(W)의 상방(웨이퍼(W)의 주연단의 위치(PWE))에 도달하지 않는 돌출 길이인 것이 바람직하다. 돌출부(60)의 선단이 웨이퍼(W)의 주연단의 위치(PWE)보다 내측에 도달하면, 처리 용기(1) 내에서 생성되는 고밀도이며 균일한 플라즈마의 크기가 웨이퍼 사이즈보다 작아지고, 웨이퍼(W)의 주연부의 플라즈마 밀도가 감소하여, 웨이퍼(W)의 외주부에서의 처리 내용의 균일성에 악영향이 나오는 경우가 있다. 한편, 대향 전극으로서 기능하는 돌출부(60)는 그 선단부(선단면(60B2))의 반대측(처리 용기(1)의 측벽(1b)측)에서는 측벽(1b)과의 접촉단이 기단부(基端部)가 되지만, 본 실시예에서는 그 도중에 있는 부위(B)까지가 플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 있으면 된다. 즉, 본 실시예에서는 대향 전극으로서 기능하는 돌출부(60)가 노출된 하면(60B3)의 단(端)은 도 2a에 부위(B)로 나타내는 상부 라이너(49a)와의 접점으로 되어 있다.
또한, 공간(S1)을 향하는 확장 돌출부(60B)의 상면(60B1)은 마이크로파 투과판(28)의 하면으로부터 이격하여 배치되어 있다. 즉, 확장 돌출부(60B)는 플라즈마 생성 공간(S)을 향하여, 마이크로파 투과판(28)과의 사이에 간격(L1)을 두고 돌출되어 있다. 이와 같이, 마이크로파 투과판(28)과 확장 돌출부(60B)의 사이에 간격(L1)을 둠으로써, 마이크로파 투과판(28)의 마이크로파 도입을 위한 유효 면적을 좁히지 않고, 대향 전극으로서의 표면적을 충분히 넓게 확보할 수 있다. 또한, 공간(S1)은 플라즈마 생성 공간(S)의 일부분이 되고, 공간(S1)에서도 플라즈마가 생성되므로, 처리 용기(1) 내의 플라즈마를 안정적으로 유지할 수 있다. 이에 반해, 종래의 플라즈마 처리 장치와 같이 간격(L1)을 마련하지 않고, 마이크로파 투과판(28)과 확장 돌출부(60B)를 밀착시켜 배치했을 경우, 처리 용기(1) 내에서 대향 전극의 표면적을 크게 하려고 하면, 마이크로파 투과판(28)의 중심측으로의 돌출량을 크게 할 필요가 있다. 그러면, 플라즈마를 생성할 때에 마이크로파 투과판(28)의 유효 면적이 확장 돌출부(60B)의 상면(60B1)과의 접촉 면적분만큼 감소하므로, 처리 용기(1) 내로의 마이크로파 파워의 공급량이 저하되어 플라즈마가 생성되지 않거나, 생성되어도 불안정해진다. 이를 해결하기 위해서는 처리 용기(1)를 크게 할 필요가 있지만, 설치 면적이 증대하고, 장치의 제조 코스트도 커진다. 또한, 마이크로파 투과판(28)과 확장 돌출부(60B)를 밀착시켜 배치했을 경우, 마이크로파 투과판(28)과 대향 전극의 접점 근방(즉, 확장 돌출부(60B)의 선단)의 대향 전극 표면이 고밀도의 플라즈마로 스퍼터링되어 금속 콘태미네이션을 발생시키기 쉬워진다.
이 간극(L1)은 마이크로파 투과판(28)의 직하에서 생성되는 플라즈마와 마이크로파 투과판(28)의 사이의 시스의 두께보다 큰 것이 바람직하고, 또한 전자의 평균 자유 행정보다 충분히 큰 거리인 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)에서는 처리 압력이 6.7 Pa일 때에 고주파 바이어스 전압을 50 V인가했을 경우의 시스의 두께는 0.25 mm 정도, 전자의 평균 자유 행정은 8 mm 정도이다. 따라서, 간극(L1)은, 예를 들면 10 mm 이상 30 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 20 mm 이상 25 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다. 간극(L1)을 상기 범위로 함으로써, 처리 용기(1) 내에서 안정된 플라즈마를 유지할 수 있다. 간극(L1)이 10 mm 미만에서는 공간(S1) 내에서 이상 방전이 생기는 등 플라즈마가 안정화되지 않는 경우가 있고, 특히 간극(L1)이 시스 두께 이하일 경우에는 처리 용기(1) 내에서의 플라즈마의 생성이 곤란해지는 경우가 있다. 한편, 간극(L1)이 30 mm를 넘으면, 확장 돌출부(60B)가 재치대(5)의 전극(7)에 너무 가까워지기 때문에 대향 전극으로서 기능하기 어려워지고, 또한 재치대(5)의 열에 의해 확장 돌출부(60B)가 열 데미지를 받을 가능성도 있다.
또한, 마찬가지로 확장 돌출부(60B)가 재치대(5)의 전극(7)에 너무 가까워지는 것을 피하기 위하여, 확장 돌출부(60B)의 두께(즉, 상면(60B1)와 하면(60B3)의 거리)(L2)의 상한은, 예를 들면 20 mm로 하는 것이 바람직하다. 단, 확장 돌출부(60B)의 두께(L2)가 너무 작으면 대향 전극으로서의 효과가 저하되므로, 두께(L2)의 하한은 예를 들면 5 mm로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 확장 돌출부(60B)의 두께(L2)는 5 mm 이상 20 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 7 mm 이상 17 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 확장 돌출부(60B)의 하면(60B3)으로부터 재치대(5)의 상면까지의 거리(L3)(여기서는, 양 부재의 높이 위치의 차이를 의미함)는 확장 돌출부(60B)를 대향 전극으로서 기능시키면서 확장 돌출부(60B)가 재치대(5)의 전극(7)에 너무 가까워지는 것을 피하기 위하여, 예를 들면 15 mm 이상 60 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 20 mm 이상 25 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 실시예의 플라즈마 처리 장치(100)에서는 가스 도입구(15a)를 확장 돌출부(60B)보다 상방 위치에 형성하고, 확장 돌출부(60B)와 마이크로파 투과판(28)의 사이의 공간(S1)으로 처리 가스를 공급하는 구성으로 했다. 이러한 구성에 의해, 마이크로파 투과판(28) 직하의 공간(S1)의 가스의 치환과 배출을 촉진할 수 있고, 또한 처리 가스가 활성화되기 쉬워진다. 그 결과, 마이크로파 투과판(28)의 직하의 공간(S1)의 전역에서 효율적으로 플라즈마를 생성시킬 수 있다. 또한, 공간(S1)은 플라즈마 생성 공간(S)의 일부분이다. 또 다른 효과로서, 후기 실험예에 나타낸 바와 같이, 마이크로파 투과판(28)의 직하의 공간(S1)으로 처리 가스를 공급함으로써, 플라즈마 처리 장치(100)에서 플라즈마 질화 프로세스를 행하는 경우 등에 석영제의 마이크로파 투과판(28)으로부터 방출되는 산소의 처리 용기(1) 외로의 배출을 촉진할 수 있으므로, 성막되는 질화막 중의 질소 농도의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 마이크로파 투과판(28)으로부터 산소가 방출되는 원인으로서는 석영제의 마이크로파 투과판(28) 중에 원래 존재하는 산소가 방출되는 경우와, 플라즈마 처리 장치(100)에서 과거에 산화막을 가지는 웨이퍼(W)에의 플라즈마 처리를 행했을 때 웨이퍼(W)로부터 방출된 산소가 마이크로파 투과판(28)에 일단 흡착되고, 그 산소가 플라즈마 질화 처리 시에 방출되는 경우가 고려된다.
본 실시예의 플라즈마 처리 장치(100)에서는 대향 전극을 구성하는 덮개 부재(27)의 돌출부(60)의 노출된 표면에 보호막(48)을 형성하고 있다. 즉, 덮개 부재(27)는, 예를 들면 알루미늄 또는 그 합금 등의 금속제이기 때문에, 플라즈마에 노출되고 스퍼터링되어 메탈 콘태미네이션이나 파티클이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 도 2a에 확대하여 도시한 바와 같이, 보호막(48)이 코팅되어 있다. 보호막(48)은 접촉 지지부(60A)의 표면 및 확장 돌출부(60B)의 상면(60B1), 선단면(60B2) 및 하면(60B3)에 형성되어 있다. 보호막(48)의 재질로서는 보호막(48)이 깎이는 것에 따른 콘태미네이션이나 파티클 발생을 고려하여 실리콘이 바람직하다. 실리콘으로서는, 예를 들면 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘 등의 결정 구조를 가지고 있어도 좋고, 비결정성 구조여도 좋다. 돌출부(60)에 보호막(48)을 형성하더라도 대향 전극으로서의 기능은 유지되고, 안정적인 플라즈마가 생성되어 균일한 플라즈마 처리가 가능하다. 보호막(48)은 재치대(5)로부터 플라즈마 생성 공간(S)을 사이에 두고 대향 전극인 돌출부(60)를 거쳐 덮개 부재(27)로 흐르는 고주파 전류 경로를 효율적으로 형성하여 다른 부위에서의 단락 또는 이상 방전을 억제하고, 또한 대향 전극의 표면을 플라즈마에 의한 산화 작용 또는 스퍼터링 작용으로부터 보호하고, 대향 전극의 구성 재질인 알루미늄 등의 금속에 의한 콘태미네이션의 발생을 억제한다. 또한, 보호막(48)으로서 실리콘막을 형성했을 경우에는 플라즈마의 산화 작용에 의해 실리콘막이 산화되어 이산화규소막(SiO2막)이 되어도, 매우 얇고 또한 유전율과 저항률의 곱이 작은 재질이기 때문에, 재치대(5)로부터 플라즈마 생성 공간(S)을 두고 대향 전극인 덮개 부재(27)로 흐르는 전류 경로를 방해하는 경우가 적어, 안정된 적정한 고주파 전류 경로를 유지할 수 있다.
또한, 보호막(48)으로서의 실리콘막은 막 중의 기공율이 작아 치밀하며 저저항률인 막인 것이 바람직하다. 막 중의 기공율이 커지면 체적 저항률도 커진다는 점에서, 예를 들면 기공율이 1 ~ 10%의 범위 내에서, 체적 저항률이 5 × 104 ~ 5 × 105 Ω·cm2의 범위 내인 것이 바람직하다. 이러한 실리콘막은, 예를 들면 플라즈마용사법으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 보호막(48)의 두께는, 예를 들면 10 ~ 800 μm의 범위 내가 바람직하고, 50 ~ 500μm의 범위 내가 보다 바람직하고, 50 ~ 150 μm의 범위 내가 바람직하다. 보호막(48)의 두께가 10 μm 미만이면 충분한 보호 작용을 얻을 수 없고, 800 μm를 넘으면 응력에 의해 크랙 또는 박리 등이 발생하기 쉬워진다.
보호막(48)은, 예를 들면 플라즈마 용사법 외에, PVD(물리 기상 성장), CVD(화학 기상 성장) 등의 박막 형성 기술로 형성할 수 있다. 그 중에서도 비교적 저렴하며 가공하기 쉬워, 용이하게 상기 기공율, 체적 저항률이 양호한 범위 내가 되도록 제어 가능한 보호막(48)을 형성할 수 있는 용사법이 바람직하다. 용사법에는 프레임 용사, 아크 용사, 레이저 용사, 플라즈마 용사 등이 있는데, 제어성 좋고 고순도의 막을 형성할 수 있는 플라즈마 용사가 바람직하다. 또한, 플라즈마 용사법으로서는, 대기압 플라즈마 용사법, 진공 플라즈마 용사법을 들 수 있어, 어느 쪽도 사용 가능하다.
또한, 보호막(48)으로서는 실리콘 대신에, 예를 들면 TiN, Y2O3, Al2O3, SiO2등을 이용할 수도 있다.
또한, 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(100)에서는 처리 용기(1)의 내주에 석영으로 이루어진 원통 형상의 라이너가 설치되어 있다. 라이너는, 주로 처리 용기(1)의 상부의 내면을 덮는 제 1 절연판으로서의 상부 라이너(49a)와, 이 상부 라이너(49a)에 연결되어 주로 처리 용기(1)의 하부의 내면을 덮는 제 2 절연판으로서의 하부 라이너(49b)를 포함하는 구성으로 되어 있다. 상부 라이너(49a) 및 하부 라이너(49b)는 처리 용기(1)의 벽과 플라즈마의 접촉을 방지하고, 처리 용기(1)의 구성 재료에 의한 금속 오염을 방지하고, 또한 재치대(5)로부터 처리 용기(1)의 측벽(1b)을 향하여 고주파 전류의 단락 또는 이상 방전이 발생하지 않도록 작용한다. 재치대(5)와의 간격이 작게 근접한 위치에 배치되는 하부 라이너(49b)는 상부 라이너(49a)에 비해 두께가 크게 형성되어 있다. 상부 라이너(49a) 및 하부 라이너(49b)의 두께는 고주파 전류의 단락 또는 이상 방전이 발생하지 않을 정도의 두께로 하고, 또한 임피던스도 고려하여 설정하면 좋다. 예를 들면, 2 mm ~ 30 mm의 두께의 범위 내로부터, 상부 라이너(49a)보다 하부 라이너(49b)가 두꺼워지도록 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 하부 라이너(49b)는 전극(7)이 매설된 재치대(5)의 높이보다 낮은 높이 위치의 처리 용기(1)와 배기실(11)의 내면 중 적어도 일부분, 바람직하게는 거의 전부를 덮도록 설치되어 있다. 재치대(5)의 하방 부분에서 재치대(5)와 처리 용기(1)의 거리가 가장 짧아지는 것에 대응하여, 이 부위에서의 이상 방전을 방지하기 위해서이다. 또한, 상부 라이너(49a) 및 하부 라이너(49b)의 재질로서는 석영이 바람직하지만, Al2O3, AlN, Y2O3 등의 세라믹 등의 유전체를 적용할 수도 있다. 또한, 상부 라이너(49a) 및 하부 라이너(49b)는 상기 재료를 코팅함으로써 형성해도 좋다. 또한, 예를 들면 알루미늄제의 상부 라이너(49a), 하부 라이너(49b)의 표면에, 예를 들면 SiO2막을 플라즈마 용사법으로 코팅하여 이용해도 좋다.
플라즈마 처리 장치(100)의 각 구성부는 컴퓨터를 가지는 제어부(50)에 접속되어 제어되는 구성으로 되어 있다. 제어부(50)는, 예를 들면 도 4에 나타낸 바와 같이, CPU를 구비한 프로세스 콘트롤러(51)와, 이 프로세스 콘트롤러(51)에 접속된 유저 인터페이스(52) 및 기억부(53)를 구비하고 있다. 프로세스 콘트롤러(51)는 플라즈마 처리 장치(100)에서, 예를 들면 온도, 압력, 가스 유량, 마이크로파 출력, 바이어스 인가용의 고주파 전력 등의 프로세스 조건에 관계된 각 구성부(예를 들면, 히터 전원(6), 가스 공급 장치(16), 배기 장치(24), 마이크로파 발생 장치(39), 고주파 전원(44) 등)를 통괄하여 제어하는 제어 수단이다.
유저 인터페이스(52)는 공정 관리자가 플라즈마 처리 장치(100)를 관리하기 위하여 커멘드의 입력 조작 등을 행하는 키보드 또는 플라즈마 처리 장치(100)의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등을 가지고 있다. 또한, 기억부(53)에는 플라즈마 처리 장치(100)로 실행되는 각종 처리를 프로세스 콘트롤러(51)의 제어로 실현시키기 위한 제어 프로그램(소프트웨어) 또는 처리 조건 데이터 등이 기록된 레시피 등이 보존되어 있다.
그리고, 필요에 따라, 유저 인터페이스(52)로부터의 지시 등으로 임의의 레시피를 기억부(53)로부터 호출하여 프로세스 콘트롤러(51)에 실행시킴으로써, 프로세스 콘트롤러(51)에 의한 제어 하에 플라즈마 처리 장치(100)의 처리 용기(1) 내에서 원하는 처리가 행해진다. 또한, 상기 제어 프로그램 또는 처리 조건 데이터 등의 레시피는 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체, 예를 들면 CD-ROM, 하드 디스크, 플렉서블 디스크, 플래쉬 메모리, DVD, 블루 레이 디스크 등에 저장된 상태의 것을 이용할 수 있다. 또한, 상기 레시피를 다른 장치로부터 예를 들면 전용 회선을 거쳐 전송시켜 이용하는 것도 가능하다.
이와 같이 구성된 본 발명의 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 예를 들면 실온(25℃ 정도) 이상 600℃ 이하의 저온에서 하지막 또는 기판(웨이퍼(W)) 등에의 데미지 프리인 플라즈마 산화 처리 또는 플라즈마 질화 처리 등을 행할 수 있다. 또한, 플라즈마 처리 장치(100)는 플라즈마의 균일성이 뛰어나다는 점에서 대구경의 웨이퍼(W)(피처리체)에 대해서도 프로세스의 균일성을 실현할 수 있다.
이어서, 플라즈마 처리 장치(100)의 동작에 대하여 설명한다. 우선, 웨이퍼(W)를 처리 용기(1) 내로 반입하여 재치대(5) 상에 재치한다. 그리고, 가스 공급 장치(16)로부터 처리 가스를 가스 공급로(12), 환상 통로(13), 가스 도입구(15a)를 거쳐 처리 용기(1) 내로 도입한다. 처리 가스로서는, 예를 들면 Ar, Kr, He 등의 희가스에 추가로, 플라즈마 산화 처리의 경우에는, 예를 들면 O2, N2O, NO, NO2, CO2 등의 산화 가스, 또는 플라즈마 질화 처리의 경우에는, 예를 들면 N2, NH3 등의 질소 함유 가스를 소정의 유량으로 공급한다. 또한, 플라즈마 산화 처리의 경우에는 필요에 따라 H2를 첨가해도 좋다.
이어서, 마이크로파 발생 장치(39)로부터의 마이크로파를 매칭 회로(38)를 거쳐 도파관(37)으로 도입하고, 직사각형 도파관(37b), 모드 변환기(40) 및 동축 도파관(37a)을 차례로 통과시켜 내부 도체(41)를 거쳐 평면 안테나(31)로 공급하고, 평면 안테나(31)의 슬롯홀(32)로부터 마이크로파 투과판(28)을 통해 처리 용기(1) 내에 방사시킨다. 그 동안 마이크로파는 직사각형 도파관(37b) 내에서는 TE 모드로 전파하고, 이 TE 모드의 마이크로파는 모드 변환기(40)에서 TEM 모드로 변환되어 동축 도파관(37a) 내를 평면 안테나(31)를 향하여 전파된다. 평면 안테나(31)로부터 마이크로파 투과판(28)을 거쳐 처리 용기(1)에 방사된 마이크로파에 의해 처리 용기(1) 내에서 전자계(電磁界)가 형성되고 처리 가스가 플라즈마화한다.
이 플라즈마는 마이크로파가 평면 안테나(31)의 다수의 슬롯홀(32)로부터 방사됨으로써, 대략 1 × 1010 ~ 5 × 1012/cm3의 고밀도이고, 또한 웨이퍼(W) 근방에서는 대략 1.5 Ev 이하의 저전자 온도 플라즈마가 된다. 따라서, 이 플라즈마를 웨이퍼(W)에 대하여 작용시킴으로써, 플라즈마 데미지를 억제한 처리가 가능해진다.
또한, 본 실시예에서는 플라즈마 처리를 행하고 있는 동안, 고주파 전원(44)으로부터 소정의 주파수로 고주파 전력을 재치대(5)의 전극(7)으로 공급한다. 고주파 전원(44)으로부터 공급되는 고주파 전력의 주파수는, 예를 들면 100 kHz 이상 60 MHz 이하의 범위 내가 바람직하고, 400 kHz 이상 13.5 MHz 이하의 범위 내가 보다 바람직하다. 고주파 전력의 주파수를 상기 범위 내로 함으로써, 음의 바이어스가 효율적으로 재치대(5)에 인가된다.
고주파 전력은 웨이퍼(W)의 면적 당의 파워 밀도로서, 예를 들면 0.2 W/cm2 이상 2.3 W/cm2 이하의 범위 내에서 공급하는 것이 바람직하고, 0.35 W/cm2 이상 1.2 W/cm2 이하의 범위 내에서 공급하는 것이 보다 바람직하다. 고주파의 파워 밀도를 상기 범위 내로 함으로써, 음의 바이어스가 효율적으로 재치대(5)에 인가된다.
또한, 고주파의 파워는 200 W 이상 2000 W 이하의 범위 내가 바람직하고, 300 W 이상 1200 W 이하의 범위 내가 보다 바람직하다. 고주파의 파워를 상기 범위 내로 함으로써, 음의 바이어스가 효율적으로 재치대(5)에 인가된다.
재치대(5)의 전극(7)에 공급된 고주파 전력은 플라즈마의 낮은 전자 온도를 유지하면서, 플라즈마 중의 이온종을 웨이퍼(W)로 인입하는 작용을 가지고 있다. 따라서, 전극(7)에 고주파 전력을 공급하여 웨이퍼(W)에 바이어스를 인가함으로써, 플라즈마 산화 처리 또는 플라즈마 질화 처리의 레이트를 빠르게 하고, 또한 웨이퍼면 내에서의 처리의 균일성을 높일 수 있다.
이 경우, 고주파 전원(44)으로부터 유닛화된 고주파 전력의 도입부(매칭 박스(43) 및 실드 박스(46) 내의 도전판(47))와 급전선(42)을 거쳐 전력 손실이 적은 상태로 재치대(5)의 전극(7)으로 효율적으로 고주파 전력이 공급된다. 전극(7)으로 공급된 고주파 전력은 재치대(5)로부터 플라즈마 생성 공간(S)을 개재하여 대향 전극으로서 기능하는 중심적인 부분인 돌출부(60)를 가지는 덮개 부재(27)에 전해지고, 처리 용기(1)의 측벽(1b), 또한 배기실(11)의 벽을 거쳐 고주파 전원(44)의 어스로 전해지는 고주파 전류 경로(RF 리턴 회로)를 형성한다. 본 실시예에서는 확장 돌출부(60B)를 형성함으로써, 플라즈마 전위(Vp)의 진동을 억제하여 처리 용기(1) 내에서 안정된 플라즈마를 생성하는 것이 가능하며, 플라즈마의 스퍼터링 작용에 의해 대향 전극의 표면이 깎여 금속 콘태미네이션의 발생 원인이 되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 대향 전극인 돌출부(60)의 플라즈마 생성 공간(S)을 향한 노출 표면에는 도전성의 보호막(48)(실리콘막 또는 실리콘이 산화되는 SiO2막)이 형성되어 있으므로, 대향 전극의 표면을 보호할 수 있고, 또한 재치대(5)로부터 플라즈마 생성 공간(S)을 사이에 두고 대향 전극인 덮개 부재(27)로 고주파 전류가 적정하게 흐르는 고주파 전류 경로의 형성이 방해될 일이 없다. 또한, 보호막(48)에 인접하여 처리 용기(1)의 내면에는 상부 라이너(49a) 및 이보다 두께가 있는 하부 라이너(49b)가 설치되어 있으므로, 이들 부위에의 단락 또는 이상 방전을 확실히 억제할 수 있다. 즉, 보호막(48)에 의해 이상 방전을 억제할 수 있고, 또한 금속 콘태미네이션을 방지할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(100)에서는 대향 전극인 돌출부(60)의 확장 돌출부(60B)에 의해 대향 전극 표면적을 충분히 넓게 확보하고, 적정한 고주파 전류 경로를 형성하고 있음으로써, 웨이퍼(W)를 재치하는 재치대(5)의 전극(7)으로 공급된 바이어스용의 고주파 전력의 전력 소비 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 확장 돌출부(60B)와 마이크로파 투과판(28)의 사이에 공간(S1)을 형성하여 대향 전극을 플라즈마 생성 공간(S)으로 돌출하여 배치함으로써, 플라즈마 생성 공간(S) 및 공간(S1)에서 안정된 플라즈마를 생성할 수 있다. 또한, 이상 방전을 방지하여 프로세스의 효율화와 안정화를 도모할 수 있다. 또한, 확장 돌출부(60B)를 마이크로파 투과판(28)으로부터 간극(L1)을 두고 형성하고 있으므로, 마이크로파 투과판(28)의 유효 면적을 축소시키지 않아도 되어, 충분한 마이크로파 파워의 도입이 가능하며, 처리 용기(1) 내에서 형성되는 플라즈마를 안정화할 수 있다.
[제 2 실시예]
이어서, 도 5를 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치에 대하여 설명한다. 또한, 제 2 실시예의 플라즈마 처리 장치(101)는 그 특징 부분 이외에는 제 1 실시예의 플라즈마 처리 장치(100)와 동일하기 때문에, 전체적인 구성에 대한 설명(도 1, 도 3a, 도 4)을 생략하고, 도 5에서 도 2a와 동일한 구성에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.
본 실시예의 플라즈마 처리 장치(101)에서, 덮개 부재(27)의 내주측에는 덮개 부재(27)의 일부분으로서 돌출부(61)가 형성되어 있다. 이와 같이, 덮개 부재(27)와 돌출부(61)를 일체로 형성함으로써, 열전도성과 도통성을 확보할 수 있다. 돌출부(61)는 접촉 지지부(61A)와 확장 돌출부(61B)를 가지고 있다. 돌출부(61)의 확장 돌출부(61B)는 상면(61B1), 선단면(61B2) 및 하면(61B3)을 가지고 있다. 돌출부(61)는 플라즈마 생성 공간(S)을 향하여 형성되어 있고, 제 1 전극인 재치대(5)의 전극(7)에 대하여 플라즈마 생성 공간(S)을 사이에 두고 쌍을 이루는 대향 전극(제 2 전극)으로서 기능하는 주요 부분이다. 구체적으로는, 도 5 중의 덮개 부재(27)의 접촉 지지부(61A)와 마이크로파 투과판(28)의 접촉 부위의 단(端)인 도면 중에 동그라미로 나타내는 부위(A)로부터, 돌출부(61)의 노출된 표면(즉, 접촉 지지부(61A)의 표면 및 확장 돌출부(61B)의 상면(61B1), 선단면(61B2) 및 하면(61B3))을 우회하여 접촉 지지부(61A)의 노출된 하면의 단(端)인 도면 중에 동그라미로 나타내는 부위(B)(상부 라이너(49a)와의 접촉단)에 도달하는 내주 표면이 대향 전극으로서 기능하는 부분이다. 본 실시예에서는 부위(A)로부터 부위(B)에 도달하는 표면이 플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 환상으로 대향 전극을 형성하고 있다. 이와 같이, 주로 대향 전극이 되는 환상의 부재를 플라즈마 생성 공간에 돌출시켜 형성함으로써, 마이크로파 투과판(28)을 구비하고 있기 때문에 재치대(5)의 직상 위치에 대향 전극을 배치하는 것이 곤란한 RLSA 방식의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(101)에서도 대향 전극의 표면적을 충분히 넓게 확보할 수 있다.
그리고, 본 실시예의 플라즈마 처리 장치(101)에서는 대향 전극으로서 중심적으로 기능하는 돌출부(61)의 확장 돌출부(61B)의 표면(즉, 상면(61B1), 선단면(61B2) 및 하면(61B3))을 단면 형상이 요철이 되도록 형성하고, 대향 전극의 표면적을 충분히 넓게 확보할 수 있도록 하고 있다. 이와 같이, 대향 전극을 구성하는 확장 돌출부(61B)의 형상을 고안함으로써, 처리 용기(1) 내의 한정된 스페이스 내에서 대향 전극의 면적을 넓게 확보할 수 있다. 본 실시예에서도 플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 있는 대향 전극 표면적은 플라즈마 전위의 진동을 억제하여 처리 용기(1) 내에서 안정된 플라즈마를 생성시키고, 또한 대향 전극 근방에서의 플라즈마에 의한 스퍼터링 작용을 약하게 하기 위하여, 바이어스용 전극 면적에 대한 면적비로서 1 이상인 것이 바람직하고, 1 이상 5 이하의 범위 내인 것이 보다 바람직하고, 1 이상 4 이하의 범위 내인 것이 더욱 바람직하고, 2 이상 4 이하의 범위 내인 것이 바람직하다. 또한, 도 5에 도시한 플라즈마 처리 장치(101)에서 상기 면적비가 약 5가 되어 있다.
또한, 대향 전극으로서 기능하는 돌출부(61)의 선단면(61B2)은 재치대(5)에 재치된 웨이퍼(W)의 주연단의 위치(PWE)에 도달하지 않는 돌출량인 것이 바람직하다. 돌출부(61)의 선단이 웨이퍼(W)의 주연단의 위치(PWE)보다 내측에 도달하면, 처리 용기(1) 내에서 생성되는 고밀도의 플라즈마 영역이 웨이퍼 사이즈보다 작아지고, 웨이퍼(W)의 주연부의 플라즈마 밀도가 감소하여 웨이퍼(W)의 외주부에서의 처리 내용의 균일성에 악영향이 나오는 경우가 있다. 한편, 대향 전극으로서 기능하는 돌출부(61)는 선단부(선단면(61B2))의 반대측(처리 용기(1)의 측벽(1b)측)에서는 측벽(1b)과의 접촉단이 기단부가 되지만, 본 실시예에서는 그 도중에 있는 부위(B)까지가 플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 있으면 된다. 즉, 본 실시예에서는 대향 전극으로서 기능하는 돌출부(61)의 접촉 지지부(61A)의 노출된 하면의 단(端)은, 도 5에 부위(B)로 나타낸 상부 라이너(49a)와의 접점으로 되어 있다.
또한, 공간(S1)을 향하는 확장 돌출부(61B)의 상면(61B1)은 마이크로파 투과판(28)의 하면으로부터 이격하여 배치되어 있다. 즉, 확장 돌출부(61B)는 플라즈마 생성 공간(S)을 향하여 마이크로파 투과판(28)과의 사이에 간극(L1)을 두고 돌출되어 있다. 이와 같이, 마이크로파 투과판(28)과 확장 돌출부(61B)의 사이에 간극(L1)을 둠으로써, 마이크로파 투과판(28)의 마이크로파 도입을 위한 유효 면적을 좁히지 않고, 대향 전극으로서의 표면적을 충분히 넓게 확보할 수 있다. 또한, 공간(S1)은 플라즈마 생성 공간(S)의 일부분이 되고 그로부터도 플라즈마가 생성되므로, 웨이퍼(W)에의 플라즈마 처리를 균일하게 할 수 있다. 이에 반해, 간극(L1)을 형성하지 않고 마이크로파 투과판(28)과 확장 돌출부(61B)를 밀착시켜 배치했을 경우, 처리 용기(1) 내에서 대향 전극의 표면적을 크게 하려고 하면, 마이크로파 투과판(28)의 중심측으로의 돌출량을 크게 할 필요가 있다. 그렇게 하면, 플라즈마를 생성할 때에 마이크로파 투과판(28)의 유효 면적이 확장 돌출부(61B)의 분만큼 감소하므로, 처리 용기(1) 내로의 마이크로파 파워의 공급량이 저하되어 플라즈마가 생성되지 않거나, 생성되어도 불안정해진다. 이를 해결하기 위해서는 처리 용기(1)를 크게 할 필요가 있는데, 설치 면적이 증대하여 장치의 제조 코스트도 커진다.
이 간극(L1)은 마이크로파 투과판(28)의 직하에서 생성되는 플라즈마와 마이크로파 투과판(28)의 사이의 시스의 두께보다 큰 것이 바람직하고, 또한 전자의 평균 자유 행정보다 충분히 큰 거리인 것이 바람직하다. 예를 들면, 간극(L1)은 10 mm 이상 30 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 20 mm 이상 25 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다. 간극(L1)이 10 mm 미만에서는 공간(S1) 내에서 이상 방전이 생기는 등 플라즈마가 안정화되지 않을 경우가 있고, 특히 간극(L1)이 시스 두께 이하인 경우에는 처리 용기(1) 내에서의 플라즈마의 생성이 곤란해지는 경우가 있다. 한편, 간극(L1)이 30 mm를 넘으면, 확장 돌출부(61B)가 재치대(5)의 전극(7)에 너무 가까워지기 때문에, 대향 전극으로서 기능하기 어려워져, 더욱 재치대(5)의 열에 의해 확장 돌출부(61B)가 열 데미지를 받을 가능성도 있다.
또한, 마찬가지로 확장 돌출부(61B)가 재치대(5)의 전극(7)에 너무 가까워지는 것을 피하기 위하여, 확장 돌출부(61B)의 두께(즉, 상면(61B1)와 하면(61B3)의 거리)(L2)의 상한은, 예를 들면 20 mm로 하는 것이 바람직하다. 단, 확장 돌출부(61B)의 두께(L2)가 너무 작으면 대향 전극으로서의 효과가 저하되므로, 두께(L2)의 하한은 예를 들면 5 mm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 확장 돌출부(61B)의 두께(L2)는 5 mm 이상 20 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 7 mm 이상 17 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 확장 돌출부(61B)의 하면(61B3)으로부터 재치대(5)의 상면까지의 거리(L3)(여기서는, 양 부재의 높이 위치의 차이를 의미함)는 확장 돌출부(61B)를 대향 전극으로서 기능시키면서, 확장 돌출부(61B)가 재치대(5)의 전극(7)에 너무 가까워지는 것을 피하기 위하여, 예를 들면 15 mm 이상 60 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 20 mm 이상 25 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 실시예의 플라즈마 처리 장치(101)에서는 가스 도입구(15a)를 확장 돌출부(61B)보다 상방 위치의 접촉 지지부(61A)에 형성하고, 확장 돌출부(61B)와 마이크로파 투과판(28)의 사이의 공간(S1)으로 처리 가스를 공급하는 구성으로 했다. 이러한 구성에 의해, 플라즈마 생성 공간(S)의 일부분인 마이크로파 투과판(28) 직하의 공간(S1)의 가스의 치환과 배출을 촉진할 수 있고, 또한 처리 가스가 활성화되기 쉬워진다. 그 결과, 마이크로파 투과판(28)의 직하의 공간(S1)의 전역에서 효율적으로 플라즈마를 생성시킬 수 있다. 또 다른 효과로서, 마이크로파 투과판(28)의 직하의 공간(S1)으로 처리 가스를 공급함으로써, 플라즈마 처리 장치(101)로 예를 들면 플라즈마 질화 프로세스를 행하는 경우 등에 석영제의 마이크로파 투과판(28)으로부터 방출되는 산소의 배출을 촉진할 수 있으므로, 성막되는 질화막 중의 질소 농도의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시예에서도 돌출부(61)의 노출된 표면에 보호막(48)을 형성하고 있다. 보호막(48)은 돌출부(61)가 플라즈마에 노출되고 스퍼터링되어 메탈 콘태미네이션 또는 파티클이 발생하는 것을 방지한다. 돌출부(61)에 보호막(48)을 형성해도 대향 전극으로서의 기능은 유지되어, 안정적인 플라즈마를 생성하여 균일한 플라즈마 처리가 가능하다.
또한, 확장 돌출부(61B)의 요철은 도 5에 도시한 바와 같은 파형에 한정되지 않고, 표면적을 확대할 수 있는 형상으로서, 예를 들면 홈 형상, 홀 형상 등의 임의의 형상으로 할 수 있다. 단, 플라즈마 생성 공간(S)을 향하는 확장 돌출부(61B)의 표면에서의 이상 방전의 방지 또는 파티클 발생 방지의 관점에서, 도 5에 도시한 바와 같은 모서리부를 둥글게 한 파형이 바람직하다. 또한, 요철은 반드시 확장 돌출부(61B)의 전체면에 형성할 필요는 없고, 예를 들면 확장 돌출부(61B)의 상면(61B1)에만 또는 하면(61B3)에만 형성할 수도 있다.
본 실시예의 다른 구성 및 효과는 제 1 실시예와 동일하다.
［제 3 실시예］
이어서, 도 6을 참조하여, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치에 대하여 설명한다. 또한, 제 3 실시예의 플라즈마 처리 장치(102)는 그 특징 부분 이외에는 제 1 실시예의 플라즈마 처리 장치(100)와 동일하기 때문에, 전체적인 구성에 대한 설명(도 1, 도 3a, 도 4)을 생략하고, 또한 도 6에서 도 2a와 동일한 구성에는 동일한 부호를 부여하고 설명을 생략한다.
제 1 및 제 2 실시예의 플라즈마 처리 장치에서는 덮개 부재(27)의 돌출부(60, 61)에 확장 돌출부(60B, 61B)를 형성하고, 주로 대향 전극으로서 기능하는 부분으로 하고 있었지만, 본 실시예의 플라즈마 처리 장치(102)에서는 처리 용기(1)의 상부에 처리 용기(1)의 일부분으로서 내측으로 돌출되는 확장 돌출부(62)를 형성하고, 대향 전극으로서 기능하는 부분의 면적을 넓히고 있다. 이와 같이, 처리 용기(1)와 확장 돌출부(62)를 일체로 형성함으로써, 열전도성과 도통성을 확보할 수 있다. 확장 돌출부(62)는 덮개 부재(27)에서 마이크로파 투과판(28)을 지지하는 접촉 지지부(60')에 부분적으로 접촉하고, 전기적으로 접속되어 있다.
확장 돌출부(62)는 처리 용기(1)의 측벽(1b)의 상단에 형성되어 있다. 확장 돌출부(62)는 덮개 부재(27)의 접촉 지지부(60')에 접촉한 접촉 부분(62A)과, 노출된 상면(62B1), 선단면(62B2) 및 하면(62B3)을 가지는 노출 부분(62B)을 구비하고 있다. 접촉 지지부(60') 및 확장 돌출부(62)는 모두 플라즈마 생성 공간(S)을 향하여 형성되어 있고, 제 1 전극인 재치대(5)의 전극(7)에 대하여 플라즈마 생성 공간(S)을 사이에 두고 쌍을 이루는 대향 전극(제 2 전극)으로서 기능하는 주요 부분이다. 구체적으로는, 도 6 중의 덮개 부재(27)의 접촉 지지부(60')와 마이크로파 투과판(28)의 접촉 부위의 단(端)인 도면 중에 동그라미로 나타낸 부위(A)로부터, 접촉 지지부(60')의 노출된 표면 및 확장 돌출부(62)의 표면(즉, 확장 돌출부(62)의 노출된 상면(62B1), 선단면(62B2) 및 하면(62B3))을 우회하여 확장 돌출부(62)의 노출된 하면의 단(端) 인 도면 중에 동그라미로 나타낸 부위(B)(상부 라이너(49a)와의 접촉단)에 도달하는 내주 표면이 대향 전극으로서 기능하는 부분이다. 본 실시예에서는 부위(A)로부터 부위(B)에 도달하는 표면이 플라즈마 생성 공간(S)으로 노출되어 환상으로 대향 전극을 형성하고 있다. 이와 같이, 대향 전극은 플라즈마 생성 공간(S)을 향하는 표면을 가지는 복수의 부재(덮개 부재(27)와 처리 용기(1))에 의해 형성할 수 있다. 그리고, 주로 대향 전극이 되는 환상의 부재를 플라즈마 생성 공간으로 돌출시켜 형성함으로써, 마이크로파 투과판(28)을 구비하고 있기 때문에 재치대(5)의 직상 위치에 대향 전극을 배치하는 것이 곤란한 RLSA 방식의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(102)에서도, 대향 전극의 표면적을 충분히 넓게 확보할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 대향 전극의 확장 부분이라고도 해야 하는 확장 돌출부(62)를 처리 용기(1)의 상부에 형성하고 있으므로, 재치대(5)에 재치된 웨이퍼(W)의 표면으로부터 마이크로파 투과판(28)까지의 거리(갭 G; 도 1 참조)를 줄이고자 할 경우에 효과적이다.
본 실시예에서도 플라즈마 생성 공간(S)으로 노출되어 있는 대향 전극 표면적은 플라즈마 전위의 진동을 억제하여 처리 용기(1) 내에서 안정된 플라즈마를 생성시키고, 또한 대향 전극 근방에서의 플라즈마에 의한 스퍼터링 작용을 약하게 하기 위하여, 바이어스용 전극 면적에 대한 면적비로서 1 이상인 것이 바람직하고, 1 이상 5 이하의 범위 내인 것이 보다 바람직하고, 1 이상 4 이하의 범위 내인 것이 더욱 바람직하고, 2 이상 4 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.
또한, 대향 전극으로서 기능하는 확장 돌출부(62)의 선단면(62B2)이 재치대(5)에 재치된 웨이퍼(W)의 주연단의 위치(PWE)에 도달하지 않는 돌출량인 것이 바람직하다. 확장 돌출부(62)의 선단이 웨이퍼(W)의 주연단의 위치(PWE)보다 내측에 도달하면, 처리 용기(1) 내에서 생성되는 고밀도의 플라즈마 영역이 웨이퍼 사이즈보다 작아지고, 웨이퍼(W)의 주연부의 플라즈마 밀도가 감소하여, 웨이퍼(W)의 외주부에서의 처리 내용의 균일성에 악영향이 나오는 경우가 있다. 한편, 대향 전극으로서 기능하는 확장 돌출부(62)는 선단부(선단면(62B2))와는 반대측(처리 용기(1)의 측벽(1b)측)에서는 측벽(1b)으로부터 절곡한 각부가 기단부가 되지만, 본 실시예에서는 그 도중에 있는 부위(B)까지가 플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 있으면 된다. 즉, 본 실시예에서는 대향 전극으로서 기능하는 확장 돌출부(62)의 노출된 하면의 단(端)은 도 6에 부위(B)로 나타낸 상부 라이너(49a)와의 접점으로 되어 있다.
또한, 공간(S1)을 향하는 확장 돌출부(62)의 상면(62B1)은 마이크로파 투과판(28)의 하면으로부터 이격하여 배치되어 있다. 즉, 확장 돌출부(62)는 플라즈마 생성 공간(S)을 향하여 마이크로파 투과판(28)과의 사이에 간극(L1)을 두고 돌출되어 있다. 이와 같이, 마이크로파 투과판(28)과 확장 돌출부(62)의 사이에 간극(L1)을 둠으로써, 마이크로파 투과판(28)의 마이크로파 도입을 위한 유효 면적을 좁히지 않고, 대향 전극으로서의 표면적을 충분히 넓게 확보할 수 있다. 또한, 공간(S1)은 플라즈마 생성 공간(S)의 일부분이 되고, 그로부터도 플라즈마가 생성되므로, 웨이퍼(W)에의 플라즈마 처리를 균일하게 할 수 있다. 이에 반해, 간극(L1)을 마련하지 않고, 마이크로파 투과판(28)과 확장 돌출부(62)를 밀착시켜 배치했을 경우, 처리 용기(1) 내에서 대향 전극의 표면적을 크게 하려고 하면, 마이크로파 투과판(28)의 중심측으로의 돌출량을 크게 할 필요가 있다. 그렇게 하면, 플라즈마를 생성할 때에 마이크로파 투과판(28)의 유효 면적이 확장 돌출부(62)의 상면(62B1)과의 접촉 면적분만큼 감소하고, 처리 용기(1) 내로의 마이크로파 파워의 공급량이 저하되어 플라즈마가 생성되지 않거나, 생성되어도 불안정해진다. 이를 해결하기 위해서는 처리 용기(1)을 크게 할 필요가 있지만, 설치 면적이 증대하고, 장치의 제조 코스트도 커진다.
이 간극(L1)은 마이크로파 투과판(28)의 직하에서 생성되는 플라즈마와 마이크로파 투과판(28)의 사이의 시스의 두께보다 큰 것이 바람직하고, 예를 들면 간극(L1)은 10 mm 이상 30 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 20 mm 이상 25 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다. 간극(L1)이 10 mm 미만에서는 공간(S1) 내에서 이상 방전이 생기는 등 플라즈마가 안정화되지 않는 경우가 있고, 특히 간극(L1)이 시스 두께 이하일 경우에는 처리 용기(1) 내에서의 플라즈마의 생성이 곤란해지는 경우가 있다. 한편, 간극(L1)이 30 mm를 넘으면, 확장 돌출부(62)가 재치대(5)의 전극(7)에 너무 가까워지기 때문에 대향 전극으로서 기능하기 어려워지고, 또한 재치대(5)의 열에 의해 확장 돌출부(62)가 열 데미지를 받을 가능성도 있다.
또한, 마찬가지로, 확장 돌출부(62)가 재치대(5)의 전극(7)에 너무 가까워지는 것을 피하기 위하여, 확장 돌출부(62)의 두께(즉, 상면(62B1)와 하면(62B3)의 거리)(L2)의 상한은, 예를 들면 20 mm로 하는 것이 바람직하다. 단, 확장 돌출부(62)의 두께(L2)가 너무 작으면 대향 전극으로서의 효과가 저하되므로, 두께(L2)의 하한은 예를 들면 5 mm로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 확장 돌출부(62)의 두께(L2)는 5 mm 이상 20 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 7 mm 이상 17 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 확장 돌출부(62)의 하면(62B3)으로부터 재치대(5)의 상면까지의 거리(L3)(여기서는, 양 부재의 높이 위치의 차이를 의미함)는 확장 돌출부(62)를 대향 전극으로서 기능시키면서, 확장 돌출부(62)가 재치대(5)의 전극(7)에 너무 가까워지는 것을 피하기 위하여, 예를 들면 15 mm 이상 60 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 20 mm 이상 25 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 실시예의 플라즈마 처리 장치(102)에서는 가스 도입구(15a)를 확장 돌출부(62)보다 상방 위치의 접촉 지지부(60')에 형성하고, 확장 돌출부(62)와 마이크로파 투과판(28)의 사이의 공간(S1)으로 처리 가스를 공급하는 구성으로 했다. 이러한 구성에 의해, 플라즈마 생성 공간(S)의 일부분인 마이크로파 투과판(28) 직하의 공간(S1)의 가스의 치환과 배출을 촉진할 수 있고, 또한 처리 가스가 활성화되기 쉬워진다. 그 결과, 마이크로파 투과판(28)의 직하의 공간(S1)의 전역에서 효율적으로 플라즈마를 생성시킬 수 있다. 또 다른 효과로서, 마이크로파 투과판(28)의 직하의 공간(S1)으로 처리 가스를 공급함으로써, 플라즈마 처리 장치(102)로 예를 들면 플라즈마 질화 프로세스를 행할 경우 등에, 석영제의 마이크로파 투과판(28)으로부터 방출되는 산소의 배출을 촉진할 수 있으므로, 성막되는 질화막 중의 질소 농도의 저하를 억제할 수 있다.
본 실시예의 플라즈마 처리 장치(102)에서는 대향 전극을 구성하는 접촉 지지부(60') 및 확장 돌출부(62)의 표면에 보호막(48)을 형성하고 있다. 즉, 도 6에 도시한 바와 같이, 알루미늄제의 덮개 부재(27)의 접촉 지지부(60')의 플라즈마에 노출되는 노출된 표면에는 보호막(48)이 코팅되어 있다. 또한, 처리 용기(1)에 형성된 확장 돌출부(62)의 플라즈마에 노출되는 노출된 표면에도 보호막(48)이 코팅되어 있다. 보호막(48)은 접촉 지지부(60') 및 확장 돌출부(62)가 플라즈마에 노출되어 스퍼터링되어 메탈 콘태미네이션 또는 파티클이 발생하는 것을 방지한다. 접촉 지지부(60') 또는 확장 돌출부(62)에 보호막(48)을 형성해도 대향 전극으로서의 기능은 유지되어, 안정적인 플라즈마를 생성하여 균일한 플라즈마 처리가 가능하다.
본 실시예의 다른 구성 및 효과는 제 1 실시예와 동일하다.
［제 4 실시예］
이어서, 도 7을 참조하여, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치에 대하여 설명한다. 또한, 제 4 실시예의 플라즈마 처리 장치(103)는 그 특징 부분 이외에는 제 1 실시예와 동일하기 때문에, 전체적인 구성에 대한 설명(도 1, 도 3a, 도 4)을 생략하고, 또한 도 7에서 도 2a와 동일한 구성에는 동일한 부호를 부여하고 설명을 생략한다.
본 실시예의 플라즈마 처리 장치(103)에서는 덮개 부재(27)의 접촉 지지부(60')에 부가적으로 환상의 보조 전극 부재를 착탈 가능하게 장착하여 확장 돌출부(63)를 형성하고 있다. 이와 같이, 대향 전극의 일부 또는 전부를 부가적인 부재를 장착함으로써 형성해도 좋다. 확장 돌출부(63)를 덮개 부재(27) 또는 처리 용기(1)와는 별도의 부재로 함으로써, 소모품으로서 용이하게 교환이 가능하게 된다. 확장 돌출부(63)는 상면(63a), 선단면(63b) 및 하면(63c)을 가지고 있다.
확장 돌출부(63)를 구성하는 보조 전극 부재는 도전체이면 특별히 제한은 없고, 예를 들면 알루미늄 또는 그 합금 또는 스테인레스 스틸 등의 금속 재료 외에, 예를 들면 실리콘 등을 이용할 수도 있다. 특히 확장 돌출부(63)을 실리콘에 의해 형성할 경우에는 표면에 보호막을 형성할 필요가 없기 때문에 유리하다. 확장 돌출부(63)는, 예를 들면 도시하지 않은 나사 등의 임의의 고정 방향에 의해 덮개 부재(27)의 접촉 지지부(60')의 내주면에 고정할 수 있다.
본 실시예의 플라즈마 처리 장치(103)에서 확장 돌출부(63)는 플라즈마 생성 공간(S)을 향하여 형성되어 있고, 제 1 전극인 재치대(5)의 전극(7)에 대하여 플라즈마 생성 공간(S)을 사이에 두고 쌍을 이루는 대향 전극(제 2 전극)으로서 기능하는 주요 부분이다. 구체적으로는, 도 7 중의 덮개 부재(27)의 접촉 지지부(60')와 마이크로파 투과판(28)의 접촉 부위의 단(端)인 도면 중에 동그라미로 나타낸 부위(A)로부터 접촉 지지부(60')의 노출된 표면 및 확장 돌출부(63)의 표면(즉, 확장 돌출부(63)의 노출된 상면(63a), 선단면(63b) 및 하면(63c))을 우회하여 접촉 지지부(60')의 노출된 하면의 단(端)인 도면 중에 동그라미로 나타낸 부위(B)에 도달하는 내주 표면이 대향 전극으로서 기능하는 부분이다. 본 실시예에서는 부위(A)로부터 부위(B)에 도달하는 표면이 플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 환상으로 대향 전극을 형성하고 있다. 이와 같이, 대향 전극은 플라즈마 생성 공간(S)을 향한 표면을 가지는 복수의 부재(덮개 부재(27)와 확장 돌출부(63)의 보조 전극 부재)에 의해 형성할 수 있다. 그리고, 주로 대향 전극이 되는 환상의 부재를 플라즈마 생성 공간(S)으로 돌출시켜 형성함으로써, 마이크로파 투과판(28)을 구비하고 있기 때문에 재치대(5)의 직상 위치에 대향 전극을 배치하는 것이 곤란한 RLSA 방식의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(103)에서도, 대향 전극의 표면적을 충분히 넓게 확보할 수 있다.
본 실시예에서는 덮개 부재(27)의 접촉 지지부(60')에 부가적으로 확장 돌출부(63)를 장착함으로써, 대향 전극으로서 기능하는 부분의 표면적을 충분히 확보할 수 있도록 하고 있다. 이와 같이, 대향 전극을 복수의 부재로 조합하여 구성함으로써, 처리 용기(1) 내가 한정된 스페이스 내에서 대향 전극의 면적을 충분한 넓이로 확보할 수 있다. 본 실시예에서도 플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 있는 대향 전극 표면적은 플라즈마 전위의 진동을 억제하여 처리 용기(1) 내에서 안정된 플라즈마를 생성시키고, 또한 대향 전극 근방에서의 플라즈마에 의한 스퍼터링 작용을 약하게 하기 위하여, 바이어스용 전극 면적에 대한 면적비로서 1 이상인 것이 바람직하고, 1 이상 5 이하의 범위 내인 것이 보다 바람직하고, 1 이상 4 이하의 범위 내인 것이 더욱 바람직하고, 2 이상 4 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.
또한, 대향 전극으로서 기능하는 확장 돌출부(63)의 선단부(선단면(63b))는 재치대(5)에 재치된 웨이퍼(W)의 주연단의 위치(PWE)에 도달하지 않는 돌출 길이인 것이 바람직하다. 확장 돌출부(63)의 선단이 웨이퍼(W)의 주연단의 위치(PWE)보다 내측에 도달하면, 처리 용기(1) 내에서 생성되는 고밀도의 플라즈마 영역이 웨이퍼 사이즈보다 작아지고, 웨이퍼(W)의 주연부의 플라즈마 밀도가 감소하여, 웨이퍼(W)의 외주부에서의 처리 내용의 균일성에 악영향이 나오는 경우가 있다. 한편, 확장 돌출부(63)의 선단부(선단면(63b))와는 반대측에서는 확장 돌출부(63)와 접촉 지지부(60')의 접합 부위를 넘어 부위(B)까지가 플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 있다. 즉, 본 실시예에서는 대향 전극으로서 기능하는 접촉 지지부(60')의 노출된 하면의 단이 도 7에 부위(B)로 나타낸 상부 라이너(49a)와의 접점으로 되어 있다.
또한, 확장 돌출부(63)의 상면(63a)은 마이크로파 투과판(28)의 하면으로부터 이격하여 배치되어 있다. 즉, 확장 돌출부(63)는 플라즈마 생성 공간(S)을 향하여 마이크로파 투과판(28)의 사이에 간극(L1)을 두고 돌출되어 있다. 이와 같이, 마이크로파 투과판(28)과 확장 돌출부(63)의 사이에 간극(L1)을 둠으로써, 마이크로파 투과판(28)의 마이크로파 도입을 위한 유효 면적을 좁히지 않고, 대향 전극으로서의 표면적을 충분히 넓게 확보할 수 있다. 또한, 공간(S1)은 플라즈마 생성 공간(S)의 일부분이 되고, 그로부터도 플라즈마가 생성되므로, 웨이퍼(W)에의 플라즈마 처리를 균일하게 할 수 있다. 이에 반해, 간극(L1)을 두지 않고 마이크로파 투과판(28)과 확장 돌출부(63)를 밀착시켜 배치했을 경우, 처리 용기(1) 내에서 대향 전극의 표면적을 크게 하려고 하면, 마이크로파 투과판(28)의 중심측으로의 돌출량을 크게 할 필요가 있다. 그렇게 하면, 플라즈마를 생성할 때에 마이크로파 투과판(28)의 유효 면적이 확장 돌출부(63)의 상면(63a)과의 접촉 면적분만큼 감소하고, 처리 용기(1) 내로의 마이크로파 파워의 공급량이 저하되어 플라즈마가 생성되지 않거나, 생성되어도 불안정해진다. 이를 해결하기 위해서는 처리 용기(1)를 크게 할 필요가 있지만, 설치 면적이 증대하고, 장치의 제조 코스트도 커진다.
이 간극(L1)은 마이크로파 투과판(28)의 직하에서 생성되는 플라즈마와 마이크로파 투과판(28)의 사이의 시스의 두께보다 큰 것이 바람직하고, 예를 들면 간극(L1)은 10 mm 이상 30 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 20 mm 이상 25 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다. 간극(L1)이 10 mm 미만에서는 공간(S1) 내에서 이상 방전이 생기는 등 플라즈마가 안정화되지 않는 경우가 있고, 특히 간극(L1)이 시스 두께 이하인 경우에는 처리 용기(1) 내에서의 플라즈마의 생성이 곤란해지는 경우가 있다. 한편, 간극(L1)이 30 mm를 넘으면, 확장 돌출부(63)가 재치대(5)의 전극(7)에 너무 가까워지기 때문에, 대향 전극으로서 기능하기 어려워져, 더욱 재치대(5)의 열에 의해 확장 돌출부(63)가 열 데미지를 받을 가능성도 있다.
또한, 마찬가지로 확장 돌출부(63)가 재치대(5)의 전극(7)에 너무 가까워지는 것을 피하기 위하여, 확장 돌출부(63)의 두께(즉, 상면(63a)과 하면(63c)의 거리)(L2)의 상한은, 예를 들면 20 mm로 하는 것이 바람직하다. 단, 확장 돌출부(63)의 두께(L2)가 너무 작으면 대향 전극으로서의 효과가 저하되므로, 두께(L2)의 하한은 예를 들면 5 mm로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 확장 돌출부(63)의 두께(L2)는 5 mm 이상 20 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 7 mm 이상 17 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 확장 돌출부(63)의 하면(63c)으로부터 재치대(5)의 상면까지의 거리(L3)(여기서는, 양 부재의 높이 위치의 차이를 의미함)는 확장 돌출부(63)를 대향 전극으로서 기능시키면서, 상기와 마찬가지로 확장 돌출부(63)가 재치대(5)의 전극(7)에 너무 가까워지는 것을 피하기 위하여, 예를 들면 15 mm 이상 60 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 20 mm 이상 25 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 실시예의 플라즈마 처리 장치(103)에서는 가스 도입구(15a)를 확장 돌출부(63)보다 상방 위치의 접촉 지지부(60')에 형성하고, 확장 돌출부(63)와 마이크로파 투과판(28)의 사이의 공간(S1)으로 처리 가스를 공급하는 구성으로 했다. 이러한 구성에 의해, 플라즈마 생성 공간(S)의 일부분인 마이크로파 투과판(28) 직하의 공간(S1)의 가스의 치환과 배출을 촉진할 수 있고, 또한 처리 가스가 활성화되기 쉬워진다. 그 결과, 마이크로파 투과판(28)의 직하의 공간(S1)의 전역에서 효율적으로 플라즈마를 생성시킬 수 있다. 또 다른 효과로서, 마이크로파 투과판(28)의 직하의 공간(S1)으로 처리 가스를 공급함으로써, 플라즈마 처리 장치(103)로 예를 들면 플라즈마 질화 프로세스를 행하는 경우 등에 석영제의 마이크로파 투과판(28)으로부터 방출되는 산소의 배출을 촉진할 수 있으므로, 성막되는 질화막 중의 질소 농도의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 확장 돌출부(63)의 형상은 도 7에 도시한 바와 같은 단면 형상에 한정되지 않고, 표면적을 확대할 수 있는 형상으로서, 예를 들면 단면 L 자 형상으로 하거나, 표면에 요철이나 홈을 형성한 형상 등의 임의의 형상으로 할 수 있다. 단, 플라즈마 생성 공간(S)을 향하는 확장 돌출부(63)의 표면에서의 이상 방전의 방지 또는 파티클 발생 방지의 관점에서 도 7에 도시한 바와 같은 각부를 둥글게 한 형상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시예에서도 접촉 지지부(60') 및 확장 돌출부(63)의 플라즈마 생성 공간(S)을 향하는 노출된 표면에 보호막(48)이 형성되어 있다. 보호막(48)은 접촉 지지부(60') 및 확장 돌출부(63)가 플라즈마에 노출되고, 스퍼터링되어 메탈 콘태미네이션 또는 파티클이 발생하는 것을 방지한다. 접촉 지지부(60') 및 확장 돌출부(63)에 보호막(48)을 형성해도 대향 전극으로서의 기능은 유지되어, 안정적인 플라즈마를 생성하여 균일한 플라즈마 처리가 가능하다. 또한, 확장 돌출부(63)의 전체를 실리콘에 의해 형성할 경우에 보호막은 형성하지 않아도 된다.
본 실시예의 다른 구성 및 효과는 제 1 실시예와 동일하다.
［제 5 실시예］
이어서, 도 8을 참조하여, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치에 대하여 설명한다. 또한, 제 5 실시예의 플라즈마 처리 장치(104)는 그 특징 부분 이외에는 제 1 실시예와 동일하기 때문에, 전체적인 구성에 대한 설명(도 1, 도 3a, 도 4)을 생략하고, 또한 도 8에서 도 2a와 동일한 구성에는 동일한 부호를 부여하고 설명을 생략한다.
제 4 실시예의 플라즈마 처리 장치(103)에서는 확장 돌출부(63)(보조 전극 부재)를 덮개 부재(27)에 장착했지만, 본 실시예의 플라즈마 처리 장치(104)에서는 확장 돌출부(64)(환상의 보조 전극 부재)를 처리 용기(1)의 상부에 착탈 가능하게 장착했다. 이와 같이, 대향 전극의 일부 또는 전부를 부가적인 부재를 장착함으로써 형성해도 좋다. 확장 돌출부(64)를 덮개 부재(27) 또는 처리 용기(1)와는 별도의 부재로 함으로써, 소모품으로서 용이하게 교환이 가능해진다. 확장 돌출부(64)는 상면(64a), 선단면(64b) 및 하면(64c)을 가지고 있다. 확장 돌출부(64)의 상면(64a)에는 덮개 부재(27)의 접촉 지지부(60')의 형상에 맞추어 단차가 형성되어 있다. 또한, 확장 돌출부(64)의 하면(64c)은 복수(도 8에서는 2 중)의 환상의 홈(64d)을 가지고 있다.
확장 돌출부(64)는 도전체이면 특별히 제한은 없고, 예를 들면 알루미늄 또는 그 합금, 또는 스테인레스 스틸 등의 금속재료 외에, 예를 들면 실리콘 등을 이용할 수도 있다. 확장 돌출부(64)를 실리콘에 의해 형성할 경우에는 표면에 보호막을 형성할 필요가 없으므로 유리하다. 확장 돌출부(64)는, 예를 들면 도시하지 않은 나사 등의 임의의 고정 방향에 의해 처리 용기(1)의 측벽(1b)의 내면에 고정할 수 있다.
본 실시예의 플라즈마 처리 장치(104)에서 확장 돌출부(64)는 플라즈마 생성 공간(S)을 향하여 형성되어 있고, 제 1 전극인 재치대(5)의 전극(7)에 대하여 플라즈마 생성 공간(S)을 사이에 두고 쌍을 이루는 대향 전극(제 2 전극)으로서 기능하는 주요 부분이다. 구체적으로는, 도 8 중의 덮개 부재(27)의 접촉 지지부(60')와 마이크로파 투과판(28)의 접촉 부위의 단(端)인 도중에 동그라미로 나타낸 부위(A)로부터 접촉 지지부(60')의 노출된 표면 및 확장 돌출부(64)의 표면(즉, 확장 돌출부(64)의 상면(64a), 선단면(64b) 및 하면(64c))을 우회하여 확장 돌출부(64)의 노출된 하면의 단(端)인 도면 중에 동그라미로 나타낸 부위(B)에 도달하는 내주 표면이 대향 전극으로서 기능하는 부분이다. 본 실시예에서는 부위(A)로부터 부위(B)에 도달하는 표면이 플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 환상으로 대향 전극을 형성하고 있다. 이와 같이, 대향 전극은 플라즈마 생성 공간(S)을 향한 표면을 가지는 복수의 부재(덮개 부재(27)와 확장 돌출부(64))에 의해 형성할 수 있다. 그리고, 주로 대향 전극이 되는 환상의 부재를 플라즈마 생성 공간으로 돌출시켜 형성함으로써, 마이크로파 투과판(28)을 구비하고 있기 때문에 재치대(5)의 직상 위치에 대향 전극을 배치하는 것이 곤란한 RLSA 방식의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(104)에서도, 대향 전극의 표면적을 충분히 넓게 확보할 수 있다.
본 실시예에서는 덮개 부재(27)의 접촉 지지부(60')에 부가적으로 확장 돌출부(64)를 장착함으로써, 대향 전극으로서 기능하는 부분의 표면적을 충분히 확보할 수 있도록 하고 있다. 이와 같이, 대향 전극을 복수의 부재로 조합하여 구성함으로써, 처리 용기(1) 내의 한정된 스페이스 내에서 대향 전극의 면적을 확보할 수 있다. 본 실시예에서도 플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 있는 대향 전극 표면적은 플라즈마 전위의 진동을 억제하여 처리 용기(1) 내에서 안정된 플라즈마를 생성시키고, 또한 대향 전극 근방에서의 플라즈마에 의한 스퍼터링 작용을 약하게 하기 위하여, 바이어스용 전극 면적에 대한 면적비로서 1 이상인 것이 바람직하고, 1 이상 5 이하의 범위 내인 것이 보다 바람직하고, 1 이상 4 이하의 범위 내인 것이 더욱 바람직하고, 2 이상 4 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.
또한, 대향 전극으로서 기능하는 확장 돌출부(64)의 선단부(선단면(64b))는 재치대(5)에 재치된 웨이퍼(W)의 주연단의 위치(PWE)에 도달하지 않는 돌출 길이인 것이 바람직하다. 확장 돌출부(64)의 선단이 웨이퍼(W)의 주연단의 위치(PWE)보다 내측에 도달하면, 처리 용기(1) 내에서 생성되는 고밀도의 플라즈마 영역이 웨이퍼 사이즈보다 작아지고, 웨이퍼(W)의 주연부의 플라즈마 밀도가 감소하여, 웨이퍼(W)의 외주부에서의 처리 내용의 균일성에 악영향이 나오는 경우가 있다. 한편, 확장 돌출부(64)의 선단부(선단면(64b))와는 반대측에서는 측벽(1b)과의 접촉단이 확장 돌출부(64)의 기단부로 되어 있지만, 본 실시예에서는 그 도중에 있는 부위(B)까지가 플라즈마 생성 공간(S)에 노출되어 있다. 즉, 본 실시예에서는 대향 전극으로서 기능하는 확장 돌출부(64)의 노출된 하면(64c)의 단(端)은 도 8에 부위(B)로 나타낸 상부 라이너(49a)와의 접점으로 되어 있다.
또한, 확장 돌출부(64)의 상면(64a)은 마이크로파 투과판(28)의 하면으로부터 이격하여 배치되어 있다. 즉, 확장 돌출부(64)는 플라즈마 생성 공간(S)을 향하여 마이크로파 투과판(28)과의 사이에 간극(L1)을 두고 돌출되어 있다. 이와 같이, 마이크로파 투과판(28)과 확장 돌출부(64)의 사이에 간극(L1)을 둠으로써, 마이크로파 투과판(28)의 마이크로파 도입을 위한 유효 면적을 좁히지 않고, 대향 전극의 표면적을 충분히 넓게 확보할 수 있다. 또한, 공간(S1)은 플라즈마 생성 공간(S)의 일부분이 되고, 그로부터도 플라즈마가 생성되므로, 웨이퍼(W)에의 플라즈마 처리를 균일하게 할 수 있다. 이에 반해, 간극(L1)을 두지 않고 마이크로파 투과판(28)과 확장 돌출부(64)를 밀착시켜 배치했을 경우, 처리 용기(1) 내에서 대향 전극의 표면적을 크게 하려고 하면, 마이크로파 투과판(28)의 중심측으로의 돌출량을 크게 할 필요가 있다. 그렇게 하면, 플라즈마를 생성할 때에 마이크로파 투과판(28)의 유효 면적이 확장 돌출부(64)의 상면(64a)과의 접촉 면적분만큼 감소하고, 처리 용기(1) 내로의 마이크로파 파워의 공급량이 저하되어 플라즈마가 생성되지 않거나, 생성되어도 불안정해진다. 이를 해결하기 위해서는 처리 용기(1)를 크게 할 필요가 있지만, 설치 면적이 증대하고, 장치의 제조 코스트도 커진다.
이 간극(L1)은 마이크로파 투과판(28)의 직하에서 생성되는 플라즈마와 마이크로파 투과판(28)의 사이의 시스의 두께보다 큰 것이 바람직하고, 예를 들면 간극(L1)은 10 mm 이상 30 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 20 mm 이상 25 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다. 간극(L1)이 10 mm 미만에서는 플라즈마가 안정화되지 않는 경우가 있고, 특히 간극(L1)이 시스 두께 이하인 경우에는 처리 용기(1) 내에서의 플라즈마의 생성이 곤란해지는 경우가 있다. 한편, 간극(L1)이 30 mm를 넘으면, 확장 돌출부(64)가 재치대(5)의 전극(7)에 너무 가까워지기 때문에, 대향 전극으로서 기능하기 어려워져, 더욱 재치대(5)의 열에 의해 확장 돌출부(64)가 열 데미지를 받을 가능성도 있다.
또한, 마찬가지로 확장 돌출부(64)가 재치대(5)의 전극(7)에 너무 가까워지는 것을 피하기 위하여, 확장 돌출부(64)의 두께(여기서는, 상면(64a)과 하면(64c)의 하단까지의 거리)(L2)의 상한은, 예를 들면 20 mm로 하는 것이 바람직하다. 단, 확장 돌출부(64)의 두께(L2)가 너무 작으면 대향 전극으로서의 효과가 저하되므로, 두께(L2)의 하한은 예를 들면 5 mm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 확장 돌출부(64)의 두께(L2)는 5 mm 이상 20 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 7 mm 이상 17 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 홈(64d)의 깊이는 임의이다.
또한, 확장 돌출부(64)의 하면(64c)의 하단으로부터 재치대(5)의 상면까지의 거리(L3)(여기서는, 양 부재의 높이 위치의 차이를 의미함)는 확장 돌출부(64)를 대향 전극으로서 기능시키면서, 상기와 마찬가지로 확장 돌출부(64)가 재치대(5)의 전극(7)에 너무 가까워지는 것을 피하기 위하여, 예를 들면 15 mm 이상 60 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 20 mm 이상 25 mm 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 실시예의 플라즈마 처리 장치(104)에서는 가스 도입구(15a)를 확장 돌출부(64)보다 상방 위치의 접촉 지지부(60')에 형성하고, 확장 돌출부(64)와 마이크로파 투과판(28)의 사이의 공간(S1)으로 처리 가스를 공급하는 구성으로 했다. 이러한 구성에 의해, 플라즈마 생성 공간(S)의 일부분인 마이크로파 투과판(28) 직하의 공간(S1)의 가스의 치환과 배출을 촉진할 수 있고, 또한 처리 가스가 활성화되기 쉬워진다. 그 결과, 마이크로파 투과판(28)의 직하의 공간(S1)의 전역에서 효율적으로 플라즈마를 생성시킬 수 있다. 또 부차적인 효과로서, 마이크로파 투과판(28)의 직하의 공간(S1)으로 처리 가스를 공급함으로써, 플라즈마 처리 장치(104)로 예를 들면 플라즈마 질화 프로세스를 행하는 경우 등에 석영제의 마이크로파 투과판(28)으로부터 방출되는 산소의 배출을 촉진할 수 있으므로, 성막되는 질화막 중의 질소 농도의 저하를 억제할 수 있다.
도 8의 확장 돌출부(64)는 표면적을 확보하기 위하여 하면(64c)에 환상의 홈(64d)을 2 중으로 형성하고 있지만, 표면적을 확대시킬 수 있는 형상은 도 8에 도시한 바와 같은 단면 형상에 한정되는 것은 아니다. 확장 돌출부(64)의 형상은, 예를 들면 환상, 복수의 홀 부가 임의의 배치로 형성된 형상 등의 임의의 형상으로 할 수 있다. 단, 플라즈마 생성 공간(S)을 향한 확장 돌출부(64)의 표면에서의 이상 방전의 방지 또는 파티클 발생 방지의 관점에서, 도 8에 도시한 바와 같은 각부를 둥글게 한 형상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 도 8에서는 확장 돌출부(64)를 덮개 부재(27)의 접촉 지지부(60')에 접촉시키고 있지만, 접촉 지지부(60')로부터 이격시켜 형성해도 좋다.
본 실시예에서는 접촉 지지부(60')의 플라즈마 생성 공간(S)을 향한 노출 표면에 보호막(48)을 형성하고 있다. 한편, 확장 돌출부(64)는, 예를 들면 전체를 실리콘으로 형성함으로써, 보호막을 형성하지 않았다. 단, 확장 돌출부(64)를 알루미늄 등의 금속 재료에 의해 형성할 경우, 예를 들면 그 표면에 SiO2막을 플라즈마 용사로 코팅하는 등 하여 보호막을 형성할 수 있다. 또한, 보호막(48)을 형성해도 대향 전극으로서의 기능은 유지되어, 안정적인 플라즈마를 생성하여 균일한 플라즈마 처리가 가능하다.
본 실시예의 다른 구성 및 효과는 제 1 실시예와 동일하다.
상기 제 1 ~ 제 5 실시예로 설명한 특징적 구성은 상호 조합할 수 있다. 예를 들면, 제 1 실시예(도 1, 도 2a, 도 2b)에서의 확장 돌출부(60B), 또는 제 3 실시예(도 6)에서의 확장 돌출부(62)에 제 2 실시예와 같이 요철을 형성하고 표면적을 더 확대시켜도 좋다. 마찬가지로 제 4 실시예(도 7), 제 5 실시예(도 8)의 확장 돌출부(63, 64)에서도, 제 2 실시예와 마찬가지로 요철을 형성하고 표면적을 더 확대시켜도 좋다.
또한, 덮개 부재(27)와 처리 용기(1)의 양방에 대향 전극으로서 기능하는 돌출부를 형성해도 좋고, 덮개 부재(27)와 처리 용기(1)의 양방에 대향 전극으로서 기능하는 보조 전극 부재(확장 돌출부(63, 64))를 형성해도 좋다.
이어서, 본 발명의 작용 효과에 대하여 실험 결과에 기초하여 설명한다. 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)와 동일한 구성의 플라즈마 처리 장치에서 재치대(5)의 전극(7)에 고주파 전압을 인가했을 때에 재치대(5)의 전위를 측정하면, 도 9a 및 도 9b에 모식적으로 나타낸 바와 같은 교류 파형이 발생한다. 도 9a는 대향 전극 표면적이 바이어스용 전극 면적에 대하여 불충분한 크기인 경우를 나타내고, 도 9b는 대향 전극 표면적이 바이어스용 전극 면적에 대하여 충분한 크기인 경우를 나타내고 있다. 도면 중의 Vmax는 재치대(5)의 고주파 전압의 진폭의 최대치이며, 일반적으로 Vmax-GND(접지 전위)의 전위차가 플라즈마 전위(Vp)의 진동의 진폭에 대응하는 것이라고 생각된다. 대향 전극 표면적이 바이어스용 전극 면적에 대하여 불충분한 크기인 도 9a에서는 Vp가 고주파에 의해 진동하여 Vmax가 커지고 있다. 한편, 대향 전극 표면적이 바이어스용 전극 면적에 대하여 충분한 크기인 도 9b에서는 플라즈마 전위를 거의 변화시키지 않고, 셀프 바이어스(Vdc)를 발생시키는 것이 가능해져 있다.
이어서, 도 10은 플라즈마 처리 장치에서 처리 조건을 바꾸어 플라즈마 산화 처리를 행했을 경우에 발생하는 알루미늄(Al) 콘태미네이션의 양과 Vmax의 관계를 조사한 결과를 나타내고 있다. 처리 조건은 다음과 같다. 처리 압력은 6.67 Pa, 20 Pa, 또는 40 Pa로 했다. 처리 가스로서 Ar 가스와 O2 가스를 이용하고 처리 가스중의 산소 가스의 유량 비율을 0.5 체적%, 1 체적%, 25 체적%, 또는 50 체적%로 했다. 또한, 재치대(5)의 전극(7)으로 공급하는 바이어스용의 고주파 전력의 주파수는 13.56 MHz이며, 고주파 파워는 450 W, 600 W 또는 900 W로 했다. 도 10으로부터, 처리 조건과 관계없이 Vmax가 상승하면, 그에 정비례하여 Al 콘태미네이션이 증가하고 있다. Al 콘태미네이션은 Al제의 덮개 부재(27)가 스퍼터링되었던 것이 원인이라고 생각된다. Al 콘태미네이션을 억제하기 위해서는 Vmax의 값을 작게 억제하는 것이 효과적이며, 예를 들면 Al 콘태미네이션을 7 × 1010［atoms/cm2］이하로 억제하기 위해서는 Vmax를 70 V 이하로 하면 되는 것이 이해된다. 그리고, Vmax를 억제하기 위해서는, 도 9b에 나타낸 바와 같이, 대향 전극 표면적을 바이어스용 전극 면적보다 크게 하는 것이 효과적이다.
따라서, 바이어스용 전극 면적을 일정하게 하고, 대향 전극 표면적을 변화시켰을 경우의 Vmax의 변화를 조사하기 위한 실험을 행했다. 도 11 ~ 도 16은 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)와 동일한 구성의 플라즈마 처리 장치에서 다양한 처리 조건으로 플라즈마 산화 처리를 행했을 경우의 대향 전극 면적비(횡축)와 Vmax(세로축)의 관계를 나타낸 그래프이다. 여기서, 대향 전극 면적비는 대향 전극 표면적을 바이어스용 전극 면적으로 나눈 값을 의미한다. 또한, 처리 가스로서는 Ar 가스와 산소 가스를 이용했다. 또한, 재치대(5)의 전극(7)으로 공급하는 바이어스용의 고주파 전력의 주파수는 13.56 MHz, 고주파 파워는 0 W(인가하지 않음), 300 W, 450 W, 600 W 또는 900 W로 했다.
도 11은 처리 압력을 6.67 Pa, 산소 가스 유량 비율을 0.5 체적%로 하고, 플라즈마를 생성시키기 위한 마이크로파 파워를 1200 W로 설정한 조건에서의 실험 결과이다. 도 12는 처리 압력을 6.67 Pa, 산소 가스 유량 비율을 50 체적%로 하고, 마이크로파 파워를 3400 W로 설정한 조건에서의 실험 결과이다. 도 13은 처리 압력을 20 Pa, 산소 가스 유량 비율을 0.5 체적%로 하고, 마이크로파 파워를 1200 W로 설정한 조건에서의 실험 결과이다. 도 14는 처리 압력을 20 Pa, 산소 가스 유량 비율을 50 체적%로 하고, 마이크로파 파워를 3400 W로 설정한 조건에서의 실험 결과이다. 도 15는 처리 압력을 40 Pa, 산소 가스 유량 비율을 0.5 체적%로 하고, 마이크로파 파워를 1200 W로 설정한 조건에서의 실험 결과이다. 도 16은 처리 압력을 40 Pa, 산소 가스 유량 비율을 50 체적%로 하고, 마이크로파 파워를 3400 W로 설정한 조건에서의 실험 결과이다. 대향 전극 표면적은 500 cm2, 1400 cm2, 1800 cm2, 2200 cm2 또는 3150 cm2로 하고, 바이어스용 전극 면적은 855 cm2로 했다.
도 11 ~ 16의 그래프로부터 대향 전극 면적비가 커짐에 따라 Vmax는 저하되는 것을 알 수 있다. 또한, 이 경향은 처리 압력이 6.67 Pa인 경우에 가장 현저하며, 압력이 낮을 수록 대향 전극 면적비를 증가시키는 것에 따른 Vmax의 억제 효과를 크게 얻을 수 있는 것이 판명되었다. 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)와 동일한 구성의 플라즈마 처리 장치에서 대향 전극 면적비를 증가시키는 것에 따른 Vmax의 억제 효과를 확실히 얻기 위해서는 40 Pa 이하의 처리 압력으로 플라즈마 처리를 행하는 것이 바람직하다고 생각된다.
이상의 결과에 입각하여, 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)와 동일한 구성의 플라즈마 처리 장치에서 대향 전극 표면적을 바꾸어 플라즈마 산화 처리를 행했을 경우에 발생하는 알루미늄(Al) 콘태미네이션의 양을 조사했다. 이 실험에서는 대향 전극 표면적을 2200 cm2(면적비: 대), 1800 cm2(면적비: 중), 500 cm2(면적비: 소)로 하고, 바이어스용 전극 면적은 855 cm2로 했다. 또한, 처리 압력은 6.67 Pa ~ 40 Pa의 범위 내에서 상이한 압력 조건으로 설정했다. 그 결과를 도 17에 나타냈다. 또한, 도 17 중의 '5.0 E10', '1.8 E11' 등의 표기는 각각 Al 콘태미네이션량이 '5.0 × 1010개', '1.8 × 1011개' 등인 것을 의미한다. 이 결과로부터, 대향 전극 표면적이 2200 cm2(면적비 : 대) 또는 1800 cm2(면적비 : 중)인 경우에는 40 Pa 이하의 처리 압력으로 Vmax를 70 V 이하(도 10 참조)로 억제할 수 있어, Al 콘태미네이션도 충분히 억제된 값으로 되어 있다. 그러나, 대향 전극 표면적이 500 cm2(면적비 : 소)에서는 20 Pa 이하의 처리 압력 시에 Vmax를 70 V 이하(도 10 참조)로 억제할 수 없어 Al 콘태미네이션도 대폭 증가하고 있다. 이 결과로부터, Vmax를 70 V 이하로 억제하기 위해서는 대향 전극 표면적을 1800 cm2(면적비: 중) 이상으로 하는 것이 효과적이다. 따라서, 대향 전극 면적비(대향 전극 표면적 / 바이어스용 전극 면적)는 1 이상 5 이하가 바람직하고, 2 이상 5 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 2 이상 4 이하로 하는 것이 바람직한 것이 나타났다.
이어서, 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)와 동일한 구성의 플라즈마 처리 장치에서 처리 가스의 도입 위치의 차이에 따른 효과를 검증하기 위한 실험을 행했다. 이 실험에서는, 플라즈마 질화 처리에서 도 1의 가스 도입구(15a)로부터 처리 가스를 도입했을 경우(실시예; 도 1의 태양)와, 돌출부(60)보다 하방의 측벽(1b)에 환상으로 가스 링을 설치하여 처리 가스를 도입했을 경우(비교예; 도시 생략)에 의한 실리콘 질화막 중의 산소량을 비교했다. 플라즈마 질화 처리의 대상은 300 mm 직경 웨이퍼(W)의 표면의 실리콘이다. 실리콘 질화막 중의 산소량은 X 선 광전자 분석 장치(XPS)에 의해 웨이퍼(W)의 중앙부와 엣지부에 대하여 측정했다.
플라즈마 질화 처리 조건은 이하와 같으며, N2 유량 비율, 처리 압력 및 고주파 바이어스 전력을 변화시켰다.
<N2 유량 비율 17%>
N2 유량 ; 333 mL/min(sccm), Ar 유량 ; 1667 mL/min(sccm)
<N2 유량 비율 40%>
N2 유량 ; 800 mL/min(sccm), Ar 유량 ; 1200 mL/min(sccm)
처리 압력 ; 6.67 Pa, 20 Pa 또는 133 Pa
마이크로파 파워 ; 1500 W
고주파 바이어스 전력 ; 0 W(인가하지 않음), 450 W 또는 900 W
처리 시간 ; 90 초
도 18a에 웨이퍼(W)의 중앙부의 실리콘 질화막 중의 산소량의 측정 결과를, 도 18b에 웨이퍼(W)의 엣지부의 실리콘 질화막 중의 산소량의 측정 결과를 각각 나타냈다. 가스 도입구(15a)로부터 처리 가스를 도입한 실험예에서는 돌출부(60)보다 하방의 위치로부터 처리 가스를 도입한 비교예에 비해, 처리 압력 6.67 Pa ~ 133 Pa의 범위 내에서 실리콘 질화막 중의 산소 농도가 저하되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 실험예의 산소 농도의 저하는 고주파 바이어스 인가의 유무에 관계없이 인정되며, 웨이퍼(W)의 중앙부에서도 엣지부에서도 동일한 경향을 나타냈다. 원래 산소 농도가 높은 처리 압력 133 Pa의 웨이퍼(W) 엣지부의 측정 결과에서는 비교예에 비해 실험예는 최대 8% 정도의 산소 농도의 저감을 확인할 수 있었다.
대향 전극 면적을 확장하기 위하여, 확장 돌출부(60B)를 형성한 도 1과 동일한 구성의 플라즈마 처리 장치에서는 확장 돌출부(60B)와 마이크로파 투과판(28)의 사이의 폐쇄적인 공간(S1)이 가스 웅덩이가 되어, 플라즈마 질화 처리 시에 실리콘 질화막 중으로의 산소 유입의 원인이 되기 쉽다. 산소 유입은 마이크로파 투과판(28) 중에 존재하고 있던 산소가 플라즈마의 작용으로 플라즈마 생성 공간(S)으로 방출되어, 플라즈마 질화 처리에 의해 형성되는 실리콘 질화막 중에 유입되는 현상이다. 비교예에서는 돌출부(60)보다 하방의 위치로부터 처리 가스를 도입했기 때문에, 마이크로파 투과판(28)의 직하의 공간(S1)에서 가스의 체류가 발생한다. 그 결과, 마이크로파 투과판(28)으로부터 방출된 산소가 장시간 공간(S1)에 머물러, 처리 용기(1) 내로부터 배출되기 어려워져, 웨이퍼(W) 표면의 실리콘 질화막 중으로의 산소의 유입 확률이 높아진 것이라고 생각된다. 한편, 실험예에서는 가스 도입구(15a)로부터 마이크로파 투과판(28)의 직하의 공간(S1)으로 처리 가스를 도입함으로써, 마이크로파 투과판(28)으로부터 배출된 산소를 공간(S1)으로부터 신속하게 이동시킬 수 있다. 그 결과, 산소를 효율적으로 처리 용기(1) 외로 배출할 수 있기 때문에, 웨이퍼(W) 상의 실리콘 질화막 중으로의 산소의 유입을 저감할 수 있었던 것이라고 생각된다.
이상, 상술한 바와 같이, 본 발명의 각 실시예의 플라즈마 처리 장치는 처리 용기(1) 또는 덮개 부재(27)로부터 플라즈마 생성 공간(S)을 향하여 마이크로파 투과판(28)과의 사이에 간극(L1)을 두고 돌출되고, 전극(7)에 대하여 플라즈마 생성 공간(S)을 사이에 두고 쌍을 이루는 대향 전극 중 적어도 일부분을 구성하는 확장 돌출부(60B, 61B, 62, 63, 64)를 구비하고 있으므로, 대향 전극의 면적이 충분히 확보되어 있고, 플라즈마 전위(Vp)의 진동을 억제할 수 있다. 또한, 대향 전극의 면적을 크게 함으로써, 플라즈마의 작용으로 대향 전극의 표면이 스퍼터링되는 것도 억제되어 콘태미네이션을 방지할 수 있다. 또한, 대향 전극의 면적을 충분한 넓이로 확보함으로써, 다른 부위에서의 단락 또는 이상 방전도 억제할 수 있다. 또한, 마이크로파 투과판(28)과의 사이에 간격을 두고 확장 돌출부(60B, 61B, 62, 63, 64)를 형성하고 있기 때문에, 마이크로파 투과판(28)의 유효 면적을 축소시키지 않아도 되어, 충분한 마이크로파 파워를 도입하여 처리 용기(1) 내에서 형성되는 플라즈마를 안정화할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예를 예시의 목적으로 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예에 제약되지는 않는다. 예를 들면, 상기 실시예에서는 마이크로파 투과판(28)을 지지하는 덮개 부재(27)가 마이크로파 도입부(26)의 일부인 구성을 예시했지만, 마이크로파 투과판(28)을 지지하는 덮개 부재(27)는 처리 용기(1)의 일부분을 이루는 것이어도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는 덮개 부재(27)에 가스 도입구(15a)를 형성했지만, 덮개 부재(27) 이외의 부재에 가스 도입구(15a)를 형성해도 좋다. 예를 들면, 도 19는 처리 용기(1)의 측벽(1b)과 일체로 확장 돌출부(62)를 형성한 태양(제 3 실시예; 도 6 참조)의 변형예의 플라즈마 처리 장치(102A)를 도시한 주요부 단면도이다. 도 19에 도시한 바와 같이, 처리 용기(1)의 측벽(1b)의 상단에 형성한 직사각형의 환상 통로(13A)를 형성하고, 이 환상 통로(13A)와 연통하는 가스 도입로(15b)를 측벽(1b) 내에 형성함으로써, 측벽(1b)의 상부에 가스 도입구(15a)를 형성할 수 있다. 이와 같이 해도, 가스 도입구(15a)로부터 마이크로파 투과판(28)과 확장 돌출부(62)의 사이의 공간(S1)으로 처리 가스를 공급하는 것이 가능하다.
또한, 상기 실시예에서는 플라즈마에 노출되는 부재로서의 덮개 부재(27)의 본체의 재질에 알루미늄을 이용했을 경우의 실험 결과를 나타냈지만, 스테인레스 스틸 등의 다른 금속을 이용했을 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 확장 돌출부는 반드시 환상에 한정되지 않고, 서로 분리한 복수의 확장 돌출부가 플라즈마 생성 공간(S)을 향하여 돌출되는 형상으로 해도 좋다.
또한, 플라즈마 처리의 내용도 재치대(5)의 전극(7)으로 고주파 전력을 공급하는 프로세스이면, 플라즈마 산화 처리 또는 플라즈마 질화 처리에 한정되지 않고, 예를 들면 플라즈마 CVD 처리, 에칭 처리 등의 다양한 플라즈마 처리를 대상으로 할 수 있다. 또한, 피처리체에 대해서도 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, FPD용 글라스 기판 등의 다른 기판을 대상으로 할 수 있다.
1 : 처리 용기
4 : 지지부
5 : 재치대
7 : 전극
12 : 가스 공급로
13 : 환상 통로
15a : 가스 도입구
15b : 가스 도입로
16 : 가스 공급 장치
18, 19 : 단부(段部)
24 : 배기 장치
26 : 마이크로파 도입부
27 : 덮개 부재
28 : 마이크로파 투과판
29 : 씰 부재
31 : 평면 안테나
32 : 슬롯홀
37 : 도파관
37a : 동축 도파관
37b : 직사각형 도파관
39 : 마이크로파 발생 장치
40 : 모드 변환기
43 : 매칭 박스
44 : 고주파 전원
45 : 필터 박스
46 : 실드 박스
47 : 도전판
48 : 보호막
49a : 상부 라이너
49b : 하부 라이너
60 : 돌출부
60A : 접촉 지지부
60B : 확장 돌출부
100 : 플라즈마 처리 장치
W : 반도체 웨이퍼(피처리체)

Claims (16)

  1. 플라즈마를 이용하여 피처리체를 처리하는 상부가 개구된 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에서 피처리체를 재치(載置)하는 재치대와,
    상기 재치대에 매설되고 피처리체에 바이어스 전압을 인가하는 제 1 전극과,
    상기 처리 용기의 개구를 막아 플라즈마 생성 공간을 구획하여 형성하고, 마이크로파를 투과시켜 상기 처리 용기 내로 도입하는 유전체판과,
    상기 제 1 전극에 대하여 상기 플라즈마 생성 공간을 사이에 두고 쌍을 이루는 제 2 전극과,
    상기 유전체판의 상방에 설치되고, 마이크로파 발생 장치에서 발생한 상기 마이크로파를 상기 유전체판을 거쳐 상기 처리 용기 내로 도입하는 평면 안테나와,
    상기 처리 용기의 상부에 배치되고, 환상을 이루고, 그 내주측에 상기 플라즈마 생성 공간을 향하여 돌출되는 접촉 지지부를 가지고, 상기 접촉 지지부의 상면에서 상기 유전체판의 외주부를 지지하는 덮개 부재와,
    상기 처리 용기 또는 상기 접촉 지지부로부터 상기 처리 용기 내의 플라즈마 생성 공간을 향하여 상기 유전체판과의 사이에 간격을 두고 돌출되고, 상기 제 2 전극의 일부에 형성되는 환상의 확장 돌출부와,
    상기 확장 돌출부의 상면과 상기 유전체판의 하면의 사이에 형성되는 공간
    을 구비하고 있는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 확장 돌출부의 상면과 상기 유전체판의 하면의 간격이 10 mm 이상 30 mm 이하의 범위 내인 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 확장 돌출부는, 그 선단이 상기 재치대에 재치된 피처리체의 단부(端部)의 상방에 도달하지 않는 돌출량으로 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유전체판과 상기 확장 돌출부의 사이의 공간으로 처리 가스를 도입하는 가스 도입구가 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 확장 돌출부가 상기 덮개 부재와 일체로 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 확장 돌출부가 상기 처리 용기와 일체로 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 확장 돌출부가 상기 덮개 부재에 고정된 보조 전극 부재인 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 확장 돌출부가 상기 처리 용기에 고정된 보조 전극 부재인 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 확장 돌출부의 표면에 요철이 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성 공간을 향하는 상기 제 2 전극의 표면적이 상기 재치대에서의 상기 제 1 전극의 매설 영역의 면적에 대하여 1 이상 5 이하의 범위 내인 플라즈마 처리 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 확장 돌출부의 표면에 보호막을 더 구비하고 있는 플라즈마 처리 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 보호막은 실리콘으로 이루어지는 플라즈마 처리 장치.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    적어도 상기 재치대의 재치면의 높이보다 낮은 위치의 상기 처리 용기의 내벽을 따라 절연판을 더 구비하고 있는 플라즈마 처리 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 절연판은, 상기 처리 용기의 하부에 연결 설치된 배기실에 도달하는 위치까지 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  15. 플라즈마를 이용하여 피처리체를 처리하는 상부가 개구된 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에서 피처리체를 재치(載置)하는 재치대와,
    상기 재치대에 매설되고 피처리체에 바이어스 전압을 인가하는 제 1 전극과,
    상기 처리 용기의 개구를 막아 플라즈마 생성 공간을 구획하여 형성하고, 마이크로파를 투과시켜 상기 처리 용기 내로 도입하는 유전체판과,
    상기 제 1 전극에 대하여 상기 플라즈마 생성 공간을 사이에 두고 쌍을 이루는 제 2 전극과,
    상기 유전체판의 상방에 설치되고, 마이크로파 발생 장치로 발생한 상기 마이크로파를 상기 유전체판을 거쳐 상기 처리 용기 내로 도입하는 평면 안테나와,
    상기 처리 용기의 상부에 배치되고, 환상을 이루고, 그 내주측에 상기 플라즈마 생성 공간을 향하여 돌출되는 접촉 지지부를 가지고, 상기 접촉 지지부의 상면에서 상기 유전체판의 외주부를 지지하는 덮개 부재와,
    상기 처리 용기 또는 상기 접촉 지지부로부터 상기 처리 용기 내의 플라즈마 생성 공간을 향하여 상기 유전체판과의 사이에 간격을 두고 돌출되고, 상기 제 2 전극의 일부에 형성되는 환상의 확장 돌출부와,
    상기 확장 돌출부의 상면과 상기 유전체판의 하면의 사이에 형성되는 공간을 구비한 플라즈마 처리 장치를 이용하여,
    상기 처리 용기 내에서 플라즈마를 생성시켜 상기 플라즈마에 의해 피처리체를 처리하는 플라즈마 처리 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    처리 압력이 40 Pa 이하인 플라즈마 처리 방법.
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