KR101272564B1 - 박막 형성 장치 및 박막 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

박막 형성 장치는, 성막(成幕) 용기 내의 제1 내부 공간 및, 이 제1 내부 공간 내에 설치된 제2 내부 공간의 압력을 각각 정한 압력 조건으로 제어한다. 장치는, 제2 내부 공간 내의 기판 상에, 원료 가스를 흐르게 하는 것과 동시에, 제1 내부 공간에 설치된 플라스마 발생원에, 압력 조건에 따라 고주파 전력을 주는 것으로, 제2 내부 공간에 플라스마를 발생시켜, 기판에 박막을 형성한다.

Description

박막 형성 장치 및 박막 형성 방법{THIN FILM FORMING APPARATUS AND THIN FILM FORMING METHOD}
본 발명은, 플라스마를 이용하여 기판에 박막을 형성하는 박막 형성 장치 및 박막 형성 방법에 관한 것이다.
최근, 기판 상에 원자층 단위로 박막을 형성하는 원자층 성장법(이하, 생략하여 ALD(Atomic Layer Deposition)법이라고도 한다)가 박막 형성 방법으로서 주목되고 있다. ALD에서는, 형성하려고 하는 막을 구성하는 원소를 주성분으로 하는 2 종류의 가스가 성막(成幕) 대상 기판 상으로 번갈아 공급되어, 기판 상에 원자층 단위로 박막이 형성된다. 이 원자 단위의 박막의 형성이, 복수회 반복되어 소망 두께의 막이 형성된다. 예를 들어, 기판 상에 Al2O3막이 형성되는 경우, TMA(Tri-Methyl Aluminum)로 이루어지는 원료 가스와 O를 포함하는 산화 가스가 이용된다. 또한, 기판 상에 질화막이 형성되는 경우, 산화 가스 대신에 질화 가스가 이용된다.
ALD법에서는, 원료 가스를 공급하고 있는 동안에 1층 혹은 수층의 원료 가스 성분만이 기판 표면에 흡착되어, 여분의 원료 가스는 박막의 성장에 기여하지 않는, 이른바 성장의 자기 정지 작용(셀프 리밋(self limit) 기능)을 이용한다.
ALD법으로, 형성되는 박막은, 일반적인 CVD(Chemical Vapor Deposition)법으로 형성되는 박막과 비교하여 높은 단차 피복성과 막후 제어성을 겸비하여, 메모리 소자의 커패시터(capacitor)나, 「high-k 게이트」라고 불리는 절연막의 형성으로의 실용화가 기대되고 있다. 또한, 300℃정도의 저온에서 절연막이 형성 가능하기 때문에, 유리 기판을 이용하는, 액정 디스플레이 등의 표시장치에 있어서의 박막 트랜지스터의 게이트 절연막의 형성으로의 적용 등도 기대되고 있다.
이 ALD법에 있어서, 기판에 흡착한 원료 가스의 성분을 산화할 때, 산화 가스를 이용하여 플라스마를 발생시킨다. 이때, 플라스마에 의하여 산소 라디칼(radical)이 생성되고, 이 산소 라디칼을 이용하여, 기판에 흡착한 원료 가스의 성분을 산화한다.
예를 들어, 하기 특허 문헌 1에는, 공기 빼기된 처리 용기 내에서, 천이 금속을 포함하는 천이 금속 함유 원료 가스와 산소 함유 가스에 의하여 피처리체의 표면에, 열처리에 의하여 박막을 형성한다. 이 박막의 형성에 이용하는 열처리는, 원료 가스와 산소 함유 가스를 번갈아 반복하여 공급하여 성막을 행하는 ALD법을 이용한다. 이것에 의하여, 예를 들어 Mn 함유막이나 CuMn 함유 합금막 등을, CVD 등의 열처리에 의하여 형성할 때에, 미세한 오목부에서도, 높은 스텝 커버리지(step coverage)로 메워 넣는 것이 가능해진다고 기재되어 있다.
이와 같은 ALD법에 의하여, 미세한 오목부에서도, 높은 스텝 커버리지로 메워 넣는 것이 가능해지지만, 박막의 형성에는 시간을 요하여 생산 효율이 낮다고 하는 문제가 있다. 또한, 플라스마에 의한 박막 형성 시, 처리 용기 내가 더러워져, 처리 용기 내의 클리닝을 빈번히 행할 필요가 있어, 메인터넌스에 다대(多大)한 노력과 시간을 요한다고 하는 문제가 있다.
일본국 공개특허공보 특개2009－016782호
그래서, 본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위하여, 플라스마를 이용하여 기판에 박막을 형성할 때, 플라스마의 발생 밀도를 향상시켜 박막의 형성을 효율 좋게 행할 수 있는 박막 형성 장치 및 박막 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 태양(態樣)은, 플라스마를 이용하여 기판에 박막을 형성하는 이하의 박막 형성 장치이다.
즉, 박막 형성 장치는,
제1 내부 공간을 형성하는 외측 진공 용기와,
상기 외측 진공 용기의 상기 제1 내부 공간에 설치되어, 제2 내부 공간을 형성하는 내측 진공 용기와,
상기 제1 내부 공간에 설치되어, 고주파 전력의 공급을 받아 플라스마를 발생시키는 플라스마 발생원과,
상기 플라스마 발생원과 대향하도록 상기 제1 내부 공간에 설치되어, 상기 내측 진공 용기와 함께 상기 제2 내부 공간을 둘러싸고, 상기 제2 내부 공간 내에 기판을 재치(載置)시키는 기판 스테이지를 가지고,
상기 제2 내부 공간에는, 상기 기판 스테이지에 재치되는 기판이 배치되고,
상기 제2 내부 공간에 플라스마가 발생하고, 상기 제1 내부 공간에 플라스마가 발생하지 않도록, 상기 제1 내부 공간 및 상기 제2 내부 공간의 각각의 공간의 압력과, 상기 플라스마 발생원으로 공급하는 전력이 제어되고 있다.
나아가, 본 발명의 다른 태양은, 플라스마를 이용하여 기판에 박막을 형성하는 이하의 박막 형성 방법이다.
즉, 박막 형성 방법은,
제1 내부 공간 및, 상기 제1 내부 공간 내에 설치된 제2 내부 공간의 압력을 각각 정한 압력 조건에 따라 제어하는 스텝과,
상기 제2 내부 공간 내의 기판 상에, 원료 가스를 흐르게 하는 것과 함께, 상기 제1 내부 공간에 설치된 플라스마 발생원에, 상기 압력 조건에 따른 고주파 전력을 주는 것으로, 상기 제2 내부 공간에 플라스마를 발생시켜, 기판에 박막을 형성하는 스텝을 가진다.
상술의 박막 형성 장치 및 박막 형성 방법에서는, 플라스마를 이용하여 기판에 박막을 형성할 때, 플라스마의 발생 밀도를 향상시켜 박막의 형성을 효율 좋게 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 박막 형성 장치의 일 실시예인 ALD 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 ALD 장치에 있어서의 안테나 어레이와 급전(給電) 유닛을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시하는 ALD 장치의 기판 스테이지가 하강 위치에 있고, 벨자가 취출(取出) 가능 상태로 있을 때의 ALD 장치의 도면이다.
도 4는 진공도(압력)와, 플라스마가 발생할 때의 플라스마 발생원으로의 공급 전력의 관계를 도시하는 그래프이다.
이하, 본 발명의 박막 형성 장치 및 박막 형성 방법에 관하여 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명의 박막 형성 장치의 일 실시예인 ALD 장치의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 2는, 도 1에 도시하는 ALD 장치에 있어서의 안테나 어레이와 급전 유닛을 설명하는 도면이다.
도 1은, 본 발명의 플라스마 생성 장치를 적용한 ALD 장치의 구성을 나타내는 일 실시 형태의 개략도이다. 도 2는, 도 1에 도시하는 ALD 장치에 있어서의 안테나 어레이와 급전 유닛을 설명하는 도면이다.
도 1에 도시하는 ALD 장치(10)는, 2종류의 성막 가스(원료 가스 및 산화 가스)를 성막 대상의 기판(24) 상으로 번갈아 공급한다. 이 2종류의 가스는, ALD법을 적용하여 형성하려고 하는 막을 구성하는 원소를 주성분으로 하는 가스이다. 그때, 반응 활성을 높이기 위하여 플라스마를 생성하여 기판 상에 원자층 단위로 원료 가스의 산화막을 형성한다. 상기 처리를 1 사이클로 하고, 처리를 복수 사이클 반복하는 것에 의하여 소망 두께의 막을 형성한다. 덧붙여, 산화 가스 대신에 질화 가스를 이용할 수도 있다.
ALD 장치(10)는, 급전 유닛(12)과 성막 용기(외측 진공 용기)(14)와 가스 공급부(16, 18)와 진공 펌프를 구비하는 배기부(20, 21, 22)를 가진다. 이하, 기판(24) 상에 산화막을 형성하는 경우를 예로 들어 설명하지만, 질화막의 경우도 마찬가지이다. 가스 공급부(16, 18)는 도 1의 지면 수직 방향으로 병렬하도록 배치되어, 도 1 중에서는 겹쳐서 도시되어 있다.
성막 용기(14)는, 제1 내부 공간(26)을 형성한다. 이 제1 내부 공간(26)에는, 복수의 안테나 소자(28)로 이루어지는 안테나 어레이(30)와 기판 스테이지(32)가 설치되어 있다. 제1 내부 공간(26)의, 기판 스테이지(32) 상에는 벨자(내측 진공 용기)(34)가 설치되어 고정되어 있다. 기판 스테이지(32)와 벨자(34)로 둘러싸여, 제1 내부 공간(26)과 사이가 떨어진 제2 내부 공간(36)이 형성되어 있다. 벨자(34)에는, 기판 스테이지(32)로부터 착탈(着脫) 가능한, 도시되지 않는 기구가 설치되어 있다.
급전 유닛(12)은, 성막 용기(14)에 설치되어 있는 안테나 어레이(30)의 각 안테나 소자(28)로 전력(고주파 신호)을 공급하는 유닛이다. 급전 유닛(12)은, 발진기와 증폭기를 포함하는 고주파 신호 생성기(13)와 분배기(15)를 가진다.
분배기(15)는, 고주파 신호 생성기(13)에서 생성된 고주파 신호를 복수의 고주파 신호로 분할하여, 각 안테나 소자(28)로 공급한다. 분배기(15)로부터 각 안테나 소자(28)에 이르는 급전 선의 길이는 같다.
급전 유닛(12)은, 제1 내부 공간(26) 및 제2 내부 공간(36)에 설정된 압력(압력 조건)에 따라 전력을 안테나 어레이(30)의 각 안테나 소자(28)로 급전한다.
가스 공급부(16)는, 공급관(38)과 기판 스테이지(32)에 설치된 가스 공급구를 통하여 제2 내부 공간(36)에 접속되어 있다. 가스 공급부(18)도, 공급관(40)과 기판 스테이지(32)에 설치된 다른 가스 공급구를 통하여, 제2 내부 공간(36)에 접속되어 있다. 가스 공급부(16)는, TMA(Tri-Methyl Aluminum) 등의 원료 가스를 제2 내부 공간(36)으로 공급하고, 가스 공급부(18)는, 산화 가스 등의 원료 가스를 제2 내부 공간(36)으로 공급한다. 원료 가스의 공급은 번갈아 행하여진다.
한편, 배기부(20)는, 배기관(41)을 통하여, 성막 용기(14)의 제1 내부 공간(26)에 면하여 설치된 배기 구멍(42)에 접속되어 있다. 배기부(22)도, 배기부(20)와 마찬가지로, 배기관(44)을 통하여, 성막 용기(14)의 제1 내부 공간(26)에 면하여 설치된 배기 구멍(46)에 접속되어 있다. 배기부(20, 22)는, 각각 제1 내부 공간(26)의 진공도(압력)를 조정하기 위한 터보 분자 펌프를 가진다. 터보 분자 펌프에 의하여 제1 내부 공간(26)의 진공도는, 1×10-3 ~ 1×10-2Pa 혹은 1200 ~ 3000Pa로 제어된다. 덧붙여, 배기부(20)는, 배기 구멍(42) 및 배기관(41)을 통하여, 제1 내부 공간(26)의 하부의 공간을 연직(鉛直) 방향으로 공기 빼기한다.
배기부(21)는, 배기관(48) 및 기판 스테이지(32)에 설치된 가스 배기구를 통하여 TMA나 산화 가스 등의 원료 가스를 제2 내부 공간(36)으로부터 배기하는 것과 함께, 제2 내부 공간(36)의 진공도(압력)를 조정하기 위한 드라이 펌프를 가진다. 드라이 펌프에 의하여 제2 내부 공간(36)의 진공도는, 20 ~ 100Pa로 제어된다. 제2 내부 공간(36)의 진공도에 비하여 제1 내부 공간(26)의 진공도를 높게 하는(압력을 낮게 한다), 혹은 낮게 하는(압력을 높게 한다) 것은, 제1 내부 공간(26)의 진공도를 높게 하는 것에 의하여, 혹은 진공도를 낮게 하는 것에 의하여, 제1 내부 공간(26)에서 플라스마를 발생시키지 않도록 하기 위함이다. 플라스마의 발생은, 진공도에 따라 다르다. 플라스마의 발생에 요하는 전력은, 공급되는 가스에 따라 정해지고 있어, 진공도가, 어느 범위보다 높아도 낮아도 플라스마가 발생하기 어려워진다, 즉, 플라스마가 발생하기 쉬운 진공도가 존재한다. 본 실시 형태에서는, 이 플라스마가 발생하기 쉬운 진공도의 범위 내로 제2 내부 공간(36)의 진공도를 정하고, 제1 내부 공간(26)의 진공도는, 상기 범위보다 높게 정한다. 혹은 낮게 정한다. 이렇게 하여 정해진 압력에 따른 전력이 급전 유닛(12)으로부터 제어되어 각 안테나 소자(28)로 급전된다. 덧붙여, 제1 내부 공간(26)의 진공도를 높게 하는, 혹은 낮게 하는 것은, 진공도를 높게 하는, 혹은 낮게 하는 것으로 플라스마의 발생의 어려움을 급격하게 높일 수 있어, 플라스마의 발생을 제어하기 쉽게 하기 위함이다.
덧붙여, 도시되지 않지만, 공급관(38, 40)의 도중에는, 가스 공급부(16, 18)와 제2 내부 공간(36)의 도통(導通, 전류, 유체 등을 유도하여 흐르게 하는 것)을 제어하는 개폐 밸브(예를 들어, 전자(電磁) 밸브)가 설치된다. 또한, 도시되지 않지만, 배기관(48)의 도중에는, 배기부(21)와 제2 내부 공간(36)의 도통을 제어하는 개폐 밸브가 설치되어 있다. 배기관(41, 44)의 도중에는, 제1 내부 공간(26)과 배기부(20, 22)의 도통을 제어하는 개폐 밸브(예를 들어, 전자 밸브)가 각각 설치되어 있다.
가스 공급부(16, 18)로부터 제2 내부 공간(36) 내로 원료 가스를 공급하는 경우에는 공급관(38, 40)의 개폐 밸브가, 공급하는 원료 가스에 대응하여 개방되어, 제2 내부 공간(36) 내로 가스를 공급한다. 제2 내부 공간(36) 내로 공급된 가스를 배기하는 경우에는 배기관(48)의 개폐 밸브가 개방된다. 제1 내부 공간(26) 내의 압력을 조정할 때, 배기관(41, 44)의 개폐 밸브가 개방된다.
성막 용기(14)는, 금속제의 중공(中空) 상자형의 형상을 이루며 접지되어 있다. 성막 용기(14)는, 상방부(上方部, 14a)와 하방부(下方部, 14b)로 나뉘어 있고, 도시되지 않는 접합 기구에 의하여 착탈 가능하게 구성되어 있다. 이와 같은 구성에 의하여, 벨자(34)를 성막 용기(14) 내로부터 꺼낼 수 있어, 플라스마의 발생에 의하여 생긴 벨자(34)의 내벽면의 표면 더러움을 클리닝할 수 있다.
성막 용기(14)의 내부에는, 상벽(上壁) 측으로부터 하벽(下壁) 측을 향하여 차례로, 복수의 안테나 소자(28)로 이루어지는 안테나 어레이(플라스마 발생원)(30), 벨자(34), 히터(50)를 내장하는 기판 스테이지(32)가 배설(配設, 배치 설치되는 것)되어 있다. 기판 스테이지(32)의 상면(上面)에는 기판(24)이 재치된다. 안테나 어레이(30)는, 안테나 소자(28)가 배열되는 가상 평면이 기판 스테이지(32)의 기판 재치면과 평행하게 되도록 배설되어 있다.
안테나 어레이(30)는, 제2 내부 공간(36)으로 도입되는 산화 가스를 이용하여 플라스마를 발생시키기 위하여, 벨자(34)의 상방에 근접하도록 설치되어 있다. 안테나 어레이(30)는, 성막 용기(14)의 좌벽(左壁)과, 배기 구멍(46)이 형성된 우벽(右壁)의 사이이고, 또한, 벨자(34)의 상면의 상방에, 기판 스테이지(32)의 면에 평행하게 설치되고, 또한, 안테나 어레이(30)에서는, 복수의 안테나 소자(28)가 일정한 간격으로 평행에 배설되어 있다. 복수의 안테나 소자(28)의 각각은, 제2 내부 공간(36)으로 산화 가스가 공급되었을 때, 제2 내부 공간(36)에서 플라스마가 발생하도록, 전력이 공급된다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 고주파 신호 생성기(13)에서 발생된 VHF대(예를 들어, 80MHz)의 고주파 신호(고주파 전력)가 분배기(15)로 공급된다. 분배기(15)에 있어서, 고주파 신호가 분할되고, 분할된 복수의 고주파 신호는, 복수의 안테나 소자(28)의 돌출하는 기부(基部)로, 임피던스(impedance) 정합기(52)를 통하여 공급된다. 임피던스 정합기(52)는, 플라스마의 생성 중에 안테나 소자(28)의 부하의 변화에 의하여 생기는 임피던스의 부정합을 조정한다.
덧붙여, 안테나 소자(28)는, 예를 들어, 동, 알루미늄, 백금 등의 도전성의 봉상(棒狀)의 모노폴 안테나(안테나 본체)(54)가, 예를 들어, 석영이나 세라믹 등의 유전체로 이루어지는 원통 부재(56)에 수납되어 구성되어 있다. 안테나 본체를 유전체로 덮는 것에 의하여, 안테나로서의 용량과 인덕턴스(inductance)가 조정되고, 안테나 본체의 긴쪽 방향을 따라 고주파 신호를 효율 좋게 전파시킬 수 있다. 이것에 의하여, 안테나 소자(28)는, 안테나 소자(28)로부터 주위에 전자파를 효율 좋게 방사시킬 수 있다.
안테나 소자(28)의 각각은, 제2 내부 공간(36)을 흐르는 원료 가스의 흐름 방향에 대하여 직교하는 방향으로 연장되고, 또한, 전기적으로 절연되어 성막 용기(14)의 측벽(側壁)으로부터 돌출하도록 취부되어 있다. 또한, 안테나 소자(28)의 각각은, 일정한 간격, 예를 들어 50mm간격으로 평행하게 배설되어 있고, 인접한 안테나 소자(28) 사이의 급전위치가 서로 대향하는 측벽이 되도록 설치되어 있다.
또한, 안테나 소자(28)의 각각은, 기판 스테이지(32)의 기판 재치면과 평행한 방향으로 배치된다. 나아가, 복수의 안테나 소자(28)의 배열 방향은 기판 스테이지(32)의 기판 재치면과 평행한 방향이다.
안테나 소자(28)는, 예를 들어 직경 약 6mm의 안테나 본체를, 직경 약 12mm의 유전체인 원통 부재 중에 설치하여 구성되어 있다. 제2 내부 공간(36) 내의 압력이 20Pa정도인 경우, 급전 유닛(12)으로부터 약 1600W의 고주파 신호를 공급하면, 안테나 소자(28)의 안테나 길이가 고주파 신호의 파장의(2n＋1)/4배(n은 0 또는 양의 정수)와 동일한 조건에서, 고주파 신호의 정재파(定在波)가 생겨 안테나 소자(28)는 공진 상태로 된다. 이것에 의하여, 안테나 소자(28)의 주위에 전자파가 방사되어 플라스마가 생성된다.
벨자(34)는, 기판 스테이지(32)의 상면과 함께 닫힌 제2 내부 공간(36)을 형성하는 상자 형상의 석영으로 이루어지는 부재이다. 이 제2 내부 공간(36)에는 기판(24)이 배치된다. 벨자(34)를 제1 내부 공간(26) 내에 설치하여, 제1 내부 공간(26) 내에, 제1 내부 공간(26)과 거리를 둔 제2 내부 공간(36)을 형성하는 것은, 제2 내부 공간(36)에서 플라스마를 발생시키는 것으로, 플라스마의 발생 밀도를 높일 수 있기 때문이다. 종래의 플라스마의 발생 영역은, 안테나 소자(28) 등의 플라스마 발생원을 포함하는 넓은 영역이기 때문에, 플라스마의 발생 밀도는 낮다. 본 실시 형태에서는, 플라스마의 발생 영역을 진공도의 높낮이에 의하여 설정하고, 나아가, 제2 내부 공간(36) 내로 제한하고 있기 때문에, 플라스마의 발생 영역은 좁다. 이 때문에, 종래에 비하여 플라스마의 발생 밀도는 높아지고, 박막을 효율 좋게 형성할 수 있다. 게다가, 제2 내부 공간(36)에는, 안테나 소자(28) 등의 부재도 없기 때문에, 안테나 소자(28)의 표면 등에 박막 등이 부착하여 더러워질 것도 없다. 벨자(34)는, 후술하는 것과 같이, 기판 스테이지(32)로부터 탈착 가능하고, 성막 용기(14)로부터 꺼낼 수 있기 때문에, 표면이 더러워진 벨자(34)를 용이하게 클리닝할 수 있다. 클리닝은, 에칭액 등을 세정액으로 하여, 세정액 중에 담그는 것에 의하여 행하여진다. 이 때문에, 메인터넌스도 용이하다.
기판 스테이지(32)는, 성막 용기(14)의 내벽면으로 둘러싸이는 제1 내부 공간(26)의 단면보다 작은 면적을 가지는, 예를 들어 직사각형의 금속판이다. 기판 스테이지(32)는, 파워 실린더 등의 승강 기구(58)에 의하여 상하로 승강된다. 기판 스테이지(32)의 승강에 따라, 가스 공급부(16, 18) 및 배기부(21)도 승강하도록 구성되어 있다. 기판 스테이지(32)의 기판 재치면의 일방의 단부(端部)이고, 제2 내부 공간(36) 내에 위치하는 부분에는, 가스 공급부(16, 18)로부터 공급되는 원료 가스의 공급구가 설치되어 있다. 또한, 기판 스테이지(32)의 기판 재치면의 타방(他方)의 단부이고, 제2 내부 공간(36) 내에 위치하는 부분에는, 배기부(21)에 접속된 배기구가 설치되어 있다. 이것에 의하여, 공급구로부터 배기구를 향하여 기판(24)의 상방을 원료 가스가 흐르도록 되어 있다.
성막 용기(14)의 내벽면과 기판 스테이지(32)의 상승 위치의 사이에는, 내벽면으로부터 중심부를 향하여 돌출하는 히터 스토퍼(60)가 설치되어 있다. 기판 스테이지(32)의 가장자리부 상면에는, 히터 스토퍼(60)의 측면의 높이에 상당하는 위치에, L자형의 단차가 설치되고 있다.
기판 스테이지(32)가 상승하면, 히터 스토퍼(60) 하면(下面)과 기판 스테이지(32) 가장자리부 상면의 단차부가 당접(當接, 부딪는 상태로 접함)하여, 기판 스테이지(32) 상면의 높이가, 히터 스토퍼(60) 상면의 높이와 대략 동일(면일(面一, 단차가 없는 상태))하게 되도록 위치 결정된다. 이때, 성막 용기(14)의 제1 내부 공간(26)은, 기판 스테이지(32)보다도 상측의 공간과, 기판 스테이지(32)의 하측의 공간으로 분리된다.
한편, 기판 스테이지(32)가 하강 위치에 있을 때, 히터 스토퍼(60) 하면과 기판 스테이지(32) 가장자리부 상면의 단차부의 사이에는 소정 간격의 간극(間隙, 62)이 존재한다. 이 간극(62)에 의하여, 상측의 공간과 하측의 공간은 접속되고, 배기부(20, 22)가 협동하여 공기 빼기하여 진공도(압력)를 고속으로 제어한다. 또한, 벨자(34)는, 기판 스테이지(32)와 함께 하강하기 때문에, 성막 용기(14)의 하방부(14b)가 상방부(14a)와 분리하는 것에 의하여, 하방부(14b)로부터 벨자(34)를 떼어낼 수 있다.
도 3은, ALD 장치(10)에 있어서, 기판 스테이지(32)가 하강 위치에 있고, 또한, 성막 용기(14)의 하방부(14b)를 상방부(14a)로부터 분리하여 벨자(34)를 꺼내는 상태를 도시하고 있다. 즉, 성막 용기(14)는, 안테나 소자(28)와 벨자(34) 및 기판 스테이지(32)가 분리되도록, 상방부(14a)와 하방부(14b)의 2개의 부위로 분리될 수 있다. 성막 용기(14)의 하방부(14b)는, 기판 스테이지(32)와 함께 도 중 좌우 방향으로 이동하며, 기판 스테이지(32)로부터 벨자(34)를 떼어낼 수 있다.
이와 같은 ALD 장치(10)에서는, 도 1에 도시하는 상태로, 제1 내부 공간(26)의 진공도가 배기부(22)를 이용하여 1×10-3 ~ 1×10-2Pa 혹은 1200 ~ 3000Pa로 제어된다. 제2 내부 공간(36)의 진공도가 배기부(21)을 이용하여 20 ~ 100Pa로 제어되어, 압력이 일정하게 유지되고 있다. 즉, 제2 내부 공간(36)의 압력과 제1 내부 공간(26)의 압력은 압력 차이를 가지도록 제어된다.
이 상태에서, 우선, TMA 등의 원료 가스가 가스 공급부(16)로부터 공급된다. 이때, 배기부(21)가 동시에 구동하고 있기 때문에, 원료 가스는, 기판 스테이지(32)의 상면에 재치되어 있는 기판(24)의 상방의 공간(제2 내부 공간(36))을 도 중 왼쪽으로부터 오른쪽으로 흐른다. 이것에 의하여, 원료 가스의 성분이 기판(24)에 흡착되어, 여분의 원료 가스는 배기된다. 이 후, 불활성 가스가 공급되어, 제2 내부 공간(36) 내의 가스를 바꿔 넣는다.
다음으로, 제2 내부 공간(36) 내의 기판(24) 상에, 산화 가스를 흐르게 하는 것과 함께, 제1 내부 공간(26)에 설치된 안테나 어레이(30)에 고주파 전력을 주는 것에 의하여, 제2 내부 공간(36) 내에서 플라스마를 발생시킨다. 이때, 제1 내부 공간(26)의 진공도는 제2 내부 공간(36)에 대하여 높은, 혹은 낮기 때문에 플라스마는 발생하지 않는다. 제2 내부 공간(36) 내에만 플라스마는 발생하기 때문에, 플라스마의 발생 밀도는 높다. 따라서, 이 플라스마에 의하여 생성되는 산소 라디칼을 이용하여 기판(24)에 흡착한 TMA 등의 성분의 산화 처리가 단시간 행하여진다. 또한, 제2 내부 공간(36) 내에만 플라스마는 발생하기 때문에, 플라스마의 발생에 의하여 여분의 물질이 안테나 소자(28) 등에 부착할 일은 없고, 벨자(34)의 내면만이 더러워진다. 그러나, 벨자(34)는, 떼어내기 가능하기 때문에, 용이하게 클리닝할 수 있다.
도 4는, 진공도(압력)와, 플라스마가 발생할 때의 플라스마 발생원으로의 공급 전력(최소 전력)의 관계를 도시하는 그래프이다. 이 그래프의 특성 곡선은, 파센의 법칙으로서 주지(周知)이다. 또한, 이 특성 곡선은 이용하는 가스의 종류에 따라 다르지만, 특성 곡선의 형상은 같다. 본 실시 형태에서는, 제2 내부 공간(36)에서는, 도 중 P2의 범위의 압력이 설정되고, 제1 내부 공간(26)에서는, 도 중 P1의 범위의 압력이 설정되어, 압력이 제어된다.
이 때문에, 도 중 P2의 범위에서 정해지는 공급 전력보다 높고, P1의 범위에서 정해지는 공급 전력보다 낮은 전력을 안테나 어레이(30)의 각 안테나 소자(28)로 공급하는 것에 의하여, 제1 내부 공간(26)에서는, 플라스마를 발생시키지 않고, 제2 내부 공간(36)에서는 플라스마를 발생시킬 수 있다. 즉, 안테나 어레이(30)로 공급하는 고주파 전력은, 제1 내부 공간(26)의 압력에서 플라스마가 발생하는 최소 전력(플라즈마가 발생하는 전력 중 가장 낮은 전력)보다 낮고, 제2 내부 공간(36)의 압력에서 플라스마가 발생하는 최소 전력(플라즈마가 발생하는 전력 중 가장 낮은 전력)보다 높다. 물론, 제1 내부 공간(26)에서는, 도 중 P2의 범위보다 높은 압력이 설정되어, 압력이 제어되어도 무방하다.
본 실시 형태에서는, 플라스마 발생원으로서 안테나 어레이(30)를 이용하여 설명하였지만, CCP(용량 결합형 플라스마(Capacitively-Coupled Plasma)), ICP(유도 결합형 플라스마(Inductively-Coupled Plasma)), ECR(전자 사이클로트론 공명 플라스마(Electron-Cyclotron Resonance Plasma)) 등 여러 가지 형식의 것이 적용 가능하다. 덧붙여, 안테나 어레이(30) 등의 안테나를 이용한 전자파 결합형의 플라스마 발생원 외, 유도 결합형의 플라스마 발생원인 경우, 벨자(34)는 석영으로 호적하게 구성된다.
이상, 본 실시 형태는, 플라스마원이 위치하는 제1 내부 공간과는 다르고, 제1 내부 공간 내에 설치된 제2 내부 공간에서 플라스마를 발생시키도록, 압력이 제어되고 있기 때문에, 제2 내부 공간에서 생성되는 플라스마의 발생 밀도는 높아져, 박막의 형성을 효율 좋게 행할 수 있다.
또한, 제2 내부 공간을 만드는 내측 진공 용기는, 기판 스테이지에 대하여 착탈 가능하게 구성되어 있기 때문에, 내측 진공 용기의 클리닝이 용이하게 되어, 메인터넌스가 높다.
이상, 본 발명의 박막 형성 장치 및 박막 형성 방법에 관하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 박막 형성 장치 및 박막 형성 방법은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 종종의 개량이나 변경을 해도 무방한 것은 물론이다.
10 : ALD 장치
12 : 급전 유닛
13 : 고주파 신호 생성기
14 : 성막 용기
14a : 상방부
14b : 하방부
15 : 분배기
16, 18 : 가스 공급부
20, 21, 22 : 배기부
24 : 기판
26 : 제1 내부 공간
28 : 안테나 소자
30 : 안테나 어레이
32 : 기판 스테이지
34 : 벨자
36 : 제2 내부 공간
38, 40 : 공급관
41, 44, 48 : 배기관
42, 46 : 배기 구멍
50 : 히터
52 : 임피던스 정합기
54 : 모노폴 안테나
56 : 원통 부재
58 : 승강 기구
60 : 히터 스토퍼
62 : 간극

Claims (12)

  1. 플라스마를 이용하여 기판에 박막을 형성하는 박막 형성 장치이며,
    제1 내부 공간을 형성하는 외측 진공 용기와,
    상기 외측 진공 용기의 상기 제1 내부 공간에 설치되어, 제2 내부 공간을 형성하는 내측 진공 용기와,
    상기 제1 내부 공간에 설치되어, 고주파 전력의 공급을 받아 플라스마를 발생시키는 플라스마 발생원과,
    상기 플라스마 발생원과 대향하도록 상기 제1 내부 공간에 설치되어, 상기 내측 진공 용기와 함께 상기 제2 내부 공간을 둘러싸고, 상기 제2 내부 공간 내에 기판을 재치(載置)시키는 기판 스테이지를 가지고,
    상기 제2 내부 공간에는, 상기 기판 스테이지에 재치되는 기판이 배치되고, 상기 제2 내부 공간에 플라스마가 발생하고, 상기 제1 내부 공간에 플라스마가 발생하지 않도록, 상기 제1 내부 공간 및 상기 제2 내부 공간의 각각의 공간의 압력과, 상기 플라스마 발생원으로 공급하는 전력이 제어되고 있는 것을 특징으로 하는 박막 형성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 내부 공간의 압력과 상기 제1 내부 공간의 압력은 압력 차이를 가지도록 제어되는, 박막 형성 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 내부 공간에는 제1 진공 펌프가 접속되고, 상기 제2 내부 공간에는 제2 진공 펌프가 접속되어,
    상기 제1 내부 공간의 압력이, 1×10-3 ~ 1×10-2Pa 혹은 1200 ~ 3000Pa로, 상기 제2 내부 공간의 압력이, 20 ~ 100Pa가 되도록, 상기 제1 진공 펌프와 상기 제2 진공 펌프에 의하여 압력이 제어되고 있는, 박막 형성 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플라스마 발생원으로 공급하는 상기 전력은, 상기 제1 내부 공간의 압력에서 플라스마가 발생하는 전력 중 가장 낮은 전력보다 낮고, 상기 제2 내부 공간의 압력에서 플라스마가 발생하는 전력 중 가장 낮은 전력보다 높아지도록 제어하는, 박막 형성 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라스마 발생원이, 전자파 결합형 혹은 유도 결합형의 발생원이며, 상기 내측 진공 용기는 석영으로 구성되어 있는, 박막 형성 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 내부 공간 내에 위치하는 상기 기판 스테이지의 상면(上面)에는, 원료 가스의 공급구 및 배기구가 설치되고 있는, 박막 형성 장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내측 진공 용기는, 상기 기판 스테이지에 재치되어 착탈(着脫) 가능하게 구성되어 있는, 박막 형성 장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외측 진공 용기 내에는, 상방(上方)으로부터, 상기 플라스마 발생원을 구성하는 플라스마 발생 소자, 상기 내측 진공 용기, 상기 기판 스테이지가 차례로 배치되어,
    상기 외측 진공 용기는, 상기 플라스마 발생 소자와, 상기 내측 진공 용기 및 상기 기판 스테이지가 분리되도록, 2개의 부위로 분리되는, 박막 형성 장치.
  9. 플라스마를 이용하여 기판에 박막을 형성하는 박막 형성 방법이며,
    제1 내부 공간 및, 상기 제1 내부 공간 내에 설치된 제2 내부 공간의 압력을 각각 정한 압력 조건에 따라 제어하는 스텝과,
    상기 제2 내부 공간 내의 기판 상에, 원료 가스를 흐르게 하는 것과 함께, 상기 제1 내부 공간에 설치된 플라스마 발생원에, 상기 압력 조건에 따른 고주파 전력을 주는 것으로, 상기 제2 내부 공간에 플라스마를 발생시켜, 기판에 박막을 형성하는 스텝을 가지는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 압력 조건은, 상기 제2 내부 공간의 압력과 상기 제1 내부 공간의 압력이 압력 차이를 가지도록 제어되는 조건인, 박막 형성 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 내부 공간의 압력이, 1×10-3 ~ 1×10-2Pa 혹은 1200 ~ 3000Pa로, 상기 제2 내부 공간의 압력이, 20 ~ 100Pa로 제어되는, 박막 형성 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 플라스마 발생원으로 공급하는 상기 고주파 전력은, 상기 제1 내부 공간의 압력에서 플라스마가 발생하는 전력 중 가장 낮은 전력보다 낮고, 상기 제2 내부 공간의 압력에서 플라스마가 발생하는 전력 중 가장 낮은 전력보다 높은, 박막 형성 방법.
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