KR101304408B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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나오키 미하라
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Abstract

플라즈마 처리 장치는, 처리 용기, 스테이지, 유전체 부재, 마이크로파를 도입하는 수단, 인젝터 및 전계 차폐부를 구비하고 있다. 처리 용기는 그 내부에 처리 공간을 구획하여 형성한다. 스테이지는 처리 용기 내에 설치되어 있다. 유전체 부재는 스테이지에 대면하도록 설치되어 있다. 마이크로파를 도입하는 수단은, 유전체 부재를 개재하여 처리 공간 내에 마이크로파를 도입한다. 인젝터는 유전체제이며, 하나 이상의 관통홀을 가진다. 인젝터는, 예를 들면 벌크 유전체 재료로 구성된다. 이 인젝터는 하나 이상의 관통홀을 가지고, 유전체 부재의 내부에 배치된다. 인젝터는, 유전체 부재에 형성된 관통홀과 함께 처리 공간으로 처리 가스를 공급하기 위한 경로를 구획하여 형성한다. 전계 차폐부는 인젝터의 주위를 덮는다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명의 실시예는, 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
하기 특허 문헌 1에는, 일종의 플라즈마 처리 장치가 기재되어 있다. 특허 문헌 1에 기재된 플라즈마 처리 장치는, 처리 용기, 스테이지, 마이크로파 발생기, 안테나, 유전체창, 동축 도파관 및 인젝터 베이스를 구비하고 있다.
스테이지는 처리 용기의 내부에 수용되어 있다. 스테이지 상에는 피처리 기체가 재치(載置)된다. 안테나는 스테이지의 상방에 설치되어 있다. 안테나는 마이크로파 발생기에 동축 도파관을 개재하여 접속되어 있다. 이 안테나는 슬롯이 형성된 슬롯판을 포함하고 있다. 유전체창은 안테나와 스테이지 상방의 처리 공간과의 사이에 설치되어 있다.
유전체창에는 인젝터 베이스를 수용하기 위한 공간이 형성되어 있고, 또한 당해 공간으로부터 처리 공간을 향하여 연장되는 관통홀이 형성되어 있다. 인젝터 베이스는 알루미늄제의 기재에 Y2O3의 막을 형성함으로써 작성된다. 이 인젝터 베이스에는 관통홀이 형성되어 있다.
이 플라즈마 처리 장치에서는, 동축 도파관의 내측 도체의 내홀, 인젝터 베이스의 관통홀 및 유전체창의 관통홀을 거쳐 처리 가스가 처리 공간 내로 공급된다.
일본특허공개공보 2010-021243 호
본원 발명자는, 특허 문헌 1에 기재된 바와 같은 플라즈마 처리 장치에서, 파티클의 발생을 더욱 억제하는 연구를 행하고 있다. 이 연구에서 본원 발명자는, 불소계의 처리 가스를 이용할 경우, 수 10 nm 직경의 소수의 파티클이 발생하는 경우가 있는 것을 발견했다.
따라서, 당 기술 분야에서는, 보다 고성능의 반도체 장치의 제조를 위하여, 파티클의 발생을 더욱 저감하는 것이 요청되고 있다.
본 발명의 일측면에 따른 플라즈마 처리 장치는, 처리 용기, 스테이지, 유전체 부재, 마이크로파를 도입하는 수단, 인젝터 및 전계 차폐부를 구비하고 있다. 처리 용기는 그 내부에 처리 공간을 구획하여 형성한다. 스테이지는 처리 용기 내에 설치되어 있다. 유전체 부재는 스테이지에 대면하도록 설치되어 있다. 마이크로파를 도입하는 수단은, 유전체 부재를 거쳐 처리 공간 내로 마이크로파를 도입한다. 인젝터는 유전체제이며, 하나 이상의 관통홀을 가진다. 인젝터는, 예를 들면 벌크 유전체 재료로 구성된다. 이 인젝터는 유전체 부재의 내부에 배치된다. 인젝터는, 유전체 부재에 형성된 관통홀과 함께 처리 공간으로 처리 가스를 공급하기 위한 경로를 구획하여 형성한다. 전계 차폐부는 인젝터의 주위를 덮는다.
상술한 바와 같은 종래의 인젝터 베이스에서는, Y2O3 등 기재 표면의 막에 포함되는 재료의 환원 또는 불화와 같은 화학 반응에 의해 파티클이 발생하는 경우가 있다. 한편, 본 발명의 일측면에 따른 플라즈마 처리 장치의 인젝터는, 유전체제의 인젝터(예를 들면, 벌크 석영 재료로 구성됨)이므로, 화학적으로 안정되어 있다. 또한, 이 플라즈마 처리 장치에서는, 유전체제의 인젝터의 주위에 전계 차폐부가 설치되어 있으므로, 인젝터 내부에서의 플라즈마의 발생이 억제될 수 있다. 따라서, 이 플라즈마 처리 장치에 의하면, 파티클의 발생이 보다 억제된다.
일실시예에서는, 인젝터는 유전체 부재에 접합되어 있어도 된다. 다른 실시예에서는, 인젝터는 유전체 부재와 일체로 형성되어 있어도 된다. 인젝터를 유전체 부재에 접합하거나 또는 유전체 부재와 일체 성형함으로써, 인젝터와 유전체 부재의 사이에 간극이 발생하는 것이 방지될 수 있다. 이에 의해, 인젝터와 유전체 부재의 사이의 간극으로부터 처리 가스가 누출되어, 플라즈마 처리 장치 내의 부재가 오염되는 것이 방지될 수 있다.
일실시예에서는, 인젝터는, 제 1 면과 상기 제 1 면에 대향하고 처리 공간에 면한 제 2 면을 포함하고, 인젝터의 하나 이상의 관통홀은, 제 1 면과 제 2 면의 사이에 연장되어 있고, 전계 차폐부는, 제 1 면으로부터 제 2 면을 향하는 방향에서, 상기 제 2 면보다 처리 공간에 가까운 위치까지 연장되어 있어도 된다. 이 실시예에 따르면, 인젝터 내부에서의 전계 강도가 더욱 저감된다. 그 결과, 인젝터 내부에서의 플라즈마의 발생이 더욱 억제될 수 있다.
일실시예에서는, 마이크로파를 도입하는 수단은, 동축 도파관 및 동축 도파관에 결합된 안테나를 포함할 수 있다. 안테나는, 직경 방향 및 둘레 방향으로 복수의 슬롯이 형성된 금속제의 슬롯판을 포함할 수 있다. 처리 가스는, 동축 도파관의 내측 도체의 내홀 중에 배치된 배관으로부터 공급되어도 된다. 이 형태에서는, 전계 차폐부는 당해 배관에 일체로 되어 있어도 된다.
일실시예에서는, 인젝터의 하나 이상의 관통홀의 각각은, 슬릿 형상의 관통홀이어도 된다. 관통홀은 슬릿 형상으로 형성됨으로써, 폭이 좁은 관통홀이 된다. 따라서, 인젝터의 내부, 즉 인젝터의 관통홀에서의 플라즈마의 발생이 더욱 억제될 수 있다. 또한, 슬릿 형상의 관통홀이란, 당해 관통홀의 관통 방향으로 평행한 사행(蛇行)면을 따라 형성된 관통홀도 포함할 수 있다.
일실시예에서는, 인젝터의 하나 이상의 관통홀의 각각은, 처리 공간에 가까울수록 폭이 좁아지도록 형성되어 있어도 된다. 일실시예에서는, 이러한 형상의 관통홀은 레이저 가공에 의해 형성될 수 있다.
일실시예에서는, 인젝터의 하나 이상의 관통홀의 최협부(最狹部)에서의 폭이 0.2 mm 이하여도 된다. 여기서 최협부란, 관통홀의 관통 방향에서 가장 좁은 폭을 제공하는 당해 관통홀의 부위이다. 이 실시예에 따르면, 슬릿 형상의 관통홀의 최협부의 폭이 데바이 길이(Debye Length)보다 좁아지므로, 인젝터 내부에서의 플라즈마의 발생이 보다 효과적으로 억제될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일측면에 따르면, 파티클의 발생을 저감 하는 것이 가능한 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
도 1은 일실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 인젝터 및 그 주위의 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 인젝터 및 그 주위의 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 인젝터를 도시한 평면도이다.
도 5는 도 4의 V-V선을 따라 취한 단면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 인젝터를 도시한 평면도이다.
이하에, 도면을 참조하여 다양한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 각 도면에서 동일 또는 상당의 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여한다.
도 1은, 일실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1에 도시한 플라즈마 처리 장치(10)는 처리 용기(12), 스테이지(14), 유전체 부재(16), 안테나(18), 동축 도파관(20), 인젝터(22) 및 배관 부재(24)를 구비하고 있다.
처리 용기(12)는, 피처리 기체(W)에 플라즈마 처리를 행하기 위한 처리 공간(S)을 구획하여 형성하고 있다. 처리 용기(12)는 측벽(12a) 및 저부(底部)(12b)를 포함할 수 있다. 측벽(12a)은, 축선(X) 방향으로 연장되는 대략 통 형상을 가지고 있다. 저부(12b)는 측벽(12a)의 하단측에 설치되어 있다. 저부(12b)에는 배기용의 배기홀(12h)이 형성되어 있다. 측벽(12a)의 상단부는 개구되어 있다.
측벽(12a)의 상단부 개구는, 유전체창이라고도 칭해지는 유전체 부재(16)에 의해 닫혀져 있다. 이 유전체 부재(16)와 측벽(12a)의 상단부와의 사이에는 O링(28)이 개재되어 있어도 된다. 이 O링(28)에 의해 처리 용기(12)의 밀폐가 보다 확실한 것이 된다.
플라즈마 처리 장치(10)는, 추가로 마이크로파 발생기(30)를 구비할 수 있다. 마이크로파 발생기(30)는, 예를 들면 2.45 GHz의 주파수의 마이크로파를 발생한다. 마이크로파 발생기(30)는 튜너(30a)를 가지고 있다. 마이크로파 발생기(30)는 도파관(32) 및 모드 변환기(34)를 개재하여 동축 도파관(20)의 상부에 접속되어 있다.
동축 도파관(20)은 축선(X)을 따라 연장되어 있다. 동축 도파관(20)은 외측 도체(20a) 및 내측 도체(20b)를 포함하고 있다. 외측 도체(20a)는 축선(X) 방향으로 연장되는 통 형상을 가지고 있다. 외측 도체(20a)의 하단은 냉각 재킷(36)의 상부에 전기적으로 접속될 수 있다. 내측 도체(20b)는 외측 도체(20a)의 내측에 설치되어 있다. 내측 도체(20b)는 축선(X)을 따라 연장되어 있다. 내측 도체(20b)의 하단은 안테나(18)의 슬롯판(18b)에 접속되어 있다.
안테나(18)는 유전체판(18a) 및 슬롯판(18b)을 포함하고 있다. 유전체판(18a)은 대략 원판 형상을 가지고 있다. 유전체판(18a)은, 예를 들면 석영 또는 알루미나로 구성될 수 있다. 유전체판(18a)은, 슬롯판(18b)과 냉각 재킷(36)의 하면의 사이에 협지되어 있다. 안테나(18)는, 따라서 유전체판(18a), 슬롯판(18b) 및 냉각 재킷(36)의 하면에 의해 구성될 수 있다.
슬롯판(18b)은 복수의 슬롯이 형성된 대략 원판 형상의 금속판이다. 일실시예에서는, 안테나(18)는 래디얼 라인 슬롯 안테나여도 된다. 즉 일실시예에서는, 슬롯판(18b)에는 복수의 슬롯 쌍이 형성되어 있다. 각 슬롯 쌍은, 서로 교차 또는 직교하는 방향으로 연장되는 두 개의 슬롯을 포함하고 있다. 복수의 슬롯 쌍은, 축선(X)을 중심으로 하여 직경 방향으로 소정의 간격으로 배치되고, 또한 둘레 방향으로 소정의 간격으로 배치될 수 있다. 마이크로파 발생기(30)에 의해 발생된 마이크로파는, 동축 도파관(20)을 통과하여 유전체판(18a)에 전파되고, 슬롯판(18b)의 슬롯으로부터 유전체 부재(16)에 도입된다.
유전체 부재(16)는 대략 원판 형상을 가지고 있고, 예를 들면 석영 또는 알루미나로 구성되어 있다. 유전체 부재(16)는 스테이지(14)와 축선(X) 방향에서 대면하도록 설치되어 있고, 또한 슬롯판(18b)의 직하(直下)에 설치되어 있다. 유전체 부재(16)는, 안테나(18)로부터 받은 마이크로파를 투과하여 처리 공간(S) 내에 도입된다. 이에 의해, 유전체 부재(16)의 직하에 전계가 발생하고, 처리 공간(S) 내에 플라즈마가 발생한다. 이와 같이, 플라즈마 처리 장치(10)에 의하면, 자장을 가하지 않고 마이크로파를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 것이 가능하다.
일실시예에서는, 유전체 부재(16)의 하면은 오목부(16d)를 구획하여 형성할 수 있다. 오목부(16d)는 축선(X) 중심으로 환상으로 형성되어 있고, 테이퍼 형상을 가지고 있다. 이 오목부(16d)는 도입된 마이크로파에 의한 정재파의 발생을 촉진시키기 위하여 형성되어 있고, 마이크로파에 의한 플라즈마를 효율적으로 생성하는 것에 기여할 수 있다.
플라즈마 처리 장치(10)에서는, 내측 도체(20b)는 축선(X)을 따라 연장되는 통 형상을 가질 수 있다. 이 내측 도체(20b)의 내부에는 배관 부재(24)가 삽입될 수 있다. 배관 부재(24)의 일단에는 가스 공급계(40)가 접속되어 있다. 가스 공급계(40)는, 매스 플로우 콘트롤러와 같은 유량 제어기(40a) 및 개폐 밸브(40b)로 구성될 수 있다. 일실시예에서는, 가스 공급계(40)로부터의 처리 가스가 배관 부재(24)를 거쳐 인젝터(22)로 공급된다. 배관 부재(24)로부터의 처리 가스는, 인젝터(22) 및 유전체 부재(16)에 형성된 관통홀(16a)을 거쳐 처리 공간(S)으로 공급된다.
일실시예에서는, 플라즈마 처리 장치(10)는 다른 가스 공급부(42)를 더 구비할 수 있다. 가스 공급부(42)는 가스관(42a)을 포함한다. 가스관(42a)은, 유전체 부재(16)와 스테이지(14)의 사이에서 축선(X) 중심으로 환상(環狀)으로 연장되어 있다. 가스관(42a)에는, 축선(X)을 향하는 방향으로 가스를 분사하는 복수의 가스 분사홀(42b)이 형성되어 있다. 이 가스 공급부(42)는 가스 공급계(44)에 접속되어 있다.
가스 공급계(44)는, 가스관(44a), 개폐 밸브(44b) 및 매스 플로우 콘트롤러와 같은 유량 제어기(44c)를 포함하고 있다. 가스 공급부(42)의 가스관(42a)에는, 유량 제어기(44c), 개폐 밸브(44b) 및 가스관(44a)을 개재하여 처리 가스가 공급된다. 또한 가스관(44a)은, 처리 용기(12)의 측벽(12a)을 관통하고 있다. 가스 공급부(42)의 가스관(42a)은 당해 가스관(44a)을 개재하여 측벽(12a)에 지지될 수 있다.
스테이지(14)는, 안테나(18)와 당해 스테이지(14)의 사이에 처리 공간(S)을 샌드위치하도록 설치되어 있다. 이 스테이지(14) 상에는 피처리 기체(W)가 재치된다. 일실시예에서는, 스테이지(14)는 대(臺)(14a), 포커스 링(14b) 및 정전 척(14c)을 포함할 수 있다.
대(14a)는 통 형상 지지부(46)에 지지되어 있다. 통 형상 지지부(46)는, 절연성의 재료로 구성되어 있고, 저부(12b)로부터 수직 상방으로 연장되어 있다. 또한, 통 형상 지지부(46)의 외주에는 도전성의 통 형상 지지부(48)가 설치되어 있다. 통 형상 지지부(48)는, 통 형상 지지부(46)의 외주를 따라 처리 용기(12)의 저부(12b)로부터 수직 상방으로 연장되어 있다. 이 통 형상 지지부(46)와 측벽(12a)의 사이에는, 환상의 배기로(50)가 형성되어 있다.
배기로(50)의 상부에는, 복수의 관통홀이 형성된 환상의 배플판(52)이 장착되어 있다. 배기홀(12h)의 하부에는 배기관(54)을 개재하여 배기 장치(56)가 접속되어 있다. 배기 장치(56)는, 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 가지고 있다. 배기 장치(56)에 의해 처리 용기(12) 내의 처리 공간(S)을 원하는 진공도까지 감압할 수 있다.
대(14a)는 고주파 전극을 겸하고 있다. 대(14a)에는, 매칭 유닛(60) 및 급전봉(62)을 개재하여 RF 바이어스용의 고주파 전원(58)이 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원(58)은, 피처리 기체(W)로 인입하는 이온의 에너지를 제어하는데 적합한 일정한 주파수, 예를 들면 13.65 MHz의 고주파 전력을 소정의 파워로 출력한다. 매칭 유닛(60)은, 고주파 전원(58)측의 임피던스와, 주로 전극, 플라즈마, 처리 용기(12)와 같은 부하측의 임피던스와의 사이에 정합을 취하기 위한 정합기를 수용하고 있다. 이 정합기 중에 자기 바이어스 생성용의 블로킹 콘덴서가 포함되어 있다.
대(14a)의 상면에는 정전 척(14c)이 설치되어 있다. 정전 척(14c)은 피처리 기체(W)를 정전 흡착력으로 보지(保持)한다. 정전 척(14c)의 직경 방향 외측에는, 피처리 기체(W)의 주위를 환상으로 둘러싸는 포커스 링(14b)이 설치되어 있다. 정전 척(14c)은 전극(14d), 절연막(14e) 및 절연막(14f)을 포함하고 있다. 전극(14d)은 도전막에 의해 구성되어 있고, 절연막(14e)과 절연막(14f)의 사이에 설치되어 있다. 전극(14d)에는, 고압의 직류 전원(64)이 스위치(66) 및 피복선(68)을 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 정전 척(14c)은 직류 전원(64)으로부터 인가되는 직류 전압에 의해 발생하는 쿨롱력에 의해, 피처리 기체(W)를 흡착 보지할 수 있다.
대(14a)의 내부에는, 둘레 방향으로 연장되는 환상의 냉매실(14g)이 설치되어 있다. 이 냉매실(14g)에는 칠러 유닛(도시하지 않음)으로부터 배관(70, 72)을 거쳐 소정의 온도의 냉매, 예를 들면 냉각수가 순환 공급된다. 냉매의 온도에 따라 정전 척(14c)의 전열 가스, 예를 들면 He 가스가 가스 공급관(74)을 거쳐 정전 척(14c)의 상면과 피처리 기체(W)의 이면과의 사이로 공급된다.
이하, 도 2를 참조하여, 인젝터(22) 및 그 주위의 부분에 대하여 보다 상세히 설명한다. 도 2는, 도 1에 도시한 인젝터 및 그 주위의 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 대략 원판 형상의 유전체 부재(16)에는, 축선(X)을 따라 연장되는 관통홀(16a)이 형성되어 있다. 이 관통홀(16a)은, 하방을 향하여 그 직경이 작아지는 테이퍼 형상을 가질 수 있다. 유전체 부재(16)에서는, 관통홀(16a)의 상방에 공간(16s)이 형성되어 있다. 공간(16s)은, 예를 들면 축선(X) 중심으로 연장되는 유전체 부재(16)의 내주면(16b) 및 저면(16c)에 의해 구획하여 형성된다. 또한 유전체 부재(16)에는, 공간(16s)의 하측 주연부에 연속하는 환상의 홈(16g)이 형성되어 있다.
배관 부재(24)는 금속제의 부재이며, 예를 들면 스테인레스강에 의해 구성된다. 배관 부재(24)는, 제 1 부분(24a), 제 2 부분(24b), 및 제 3 부분(24c)을 포함하고 있다. 제 1 부분(24a)은 축선(X)을 따라 연장되는 관이며, 내측 도체(20b)의 내홀 중에 삽입되어 있다.
제 2 부분(24b)은, 제 1 부분(24a)의 하방에서 당해 제 1 부분(24a)에 연속하고 있다. 제 2 부분(24b)은 제 1 부분(24a)의 직경보다 큰 직경을 가진다. 제 2 부분(24b)에는 제 1 부분(24a)의 내홀에 연속하는 홀이 형성되어 있다. 이 제 2 부분(24b)은, 슬롯판(18b)을 내측 도체(20b)의 하단과 당해 제 2 부분(24b)의 사이에 협지하고 있다.
제 3 부분(24c)은, 제 2 부분(24b)의 하측 주연부에 연속하여 하방으로 연장되어 있고, 환(環) 형상을 가지고 있다. 제 3 부분(24c)의 하단 부분은, 상술한 홈(16g) 내에 수용되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 인젝터(22)는 유전체제이며, 대략 원판 형상을 가지고 있다. 인젝터(22)는 벌크 유전체 재료로 구성될 수 있다. 인젝터(22)를 구성하는 유전체 재료에는, 예를 들면 석영, Y2O3와 같은 재료를 이용할 수 있다.
인젝터(22)는, 축선(X)에 교차하는 방향으로 연장되는 두 개의 면(22b 및 22c)을 포함하고 있다. 면(22c)은 면(22b)과 대향하고 있고, 처리 공간(S)에 면하고 있다. 인젝터(22)에는, 면(22c)과 면(22b)의 사이에 연장되는 하나 이상의 관통홀(22a)이 형성되어 있다. 이러한 형상을 가지는 인젝터(22)는, 예를 들면 벌크 유전체 재료에 대한 기계 가공을 행한 후에, 표면의 파쇄층을 웨트 에칭 등에 의해 제거함으로써 제조될 수 있다. 파쇄층의 제거는, 인젝터(22)를 보다 화학적으로 안정적인 것으로 할 수 있다.
이 인젝터(22)는, 유전체 부재(16)의 내부의 공간(16s) 내에 배치되어 있다. 보다 구체적으로는, 인젝터(22)는, 공간(16s)을 구획하여 형성하는 저면(16c) 상에 재치되어 있다. 이에 의해 인젝터(22)는, 당해 저면(16c), 배관 부재(24)의 제 2 부분(24b)의 하면, 및 배관 부재(24)의 제 3 부분(24c)에 의해 구획하여 형성되는 부분 공간 내에 배치된다.
배관 부재(24)로부터의 처리 가스는, 이 인젝터(22)의 관통홀(22a)을 통과하고, 이어서 유전체 부재(16)의 관통홀(16a)을 통과하여 처리 공간(S) 내로 공급된다. 즉, 인젝터(22)는, 유전체 부재(16)의 홀(16a)과 함께 처리 공간(S)으로 처리 가스를 공급하기 위한 경로를 구성하고 있다. 이와 같이, 인젝터(22)의 내부에는 처리 가스가 통과되는데, 인젝터(22)는 유전체 재료에 의해 구성되어 있으므로, 당해 처리 가스에 대하여 화학적으로 안정되어 있다. 따라서, 인젝터(22)로부터의 파티클의 발생이 저감될 수 있다.
플라즈마 처리 장치(10)에서는, 상기의 배관 부재(24)의 제 3 부분(24c)이 인젝터(22)의 주위를 덮는 전계 차폐부를 구성하고 있다. 이 전계 차폐부에 의해, 인젝터(22)의 내부에서 플라즈마가 발생하기 어려워지고 있다. 따라서, 인젝터(22)로부터의 파티클의 발생이 더욱 억제될 수 있다.
또한 일실시예에서는, 인젝터(22)는 유전체 부재(16)의 저면(16c)에 접합되어 있어도 된다. 이 접합에는, 예를 들면 확산 접합이 이용될 수 있다. 이 구성은, 인젝터(22)와 유전체 부재(16)의 사이에서의 간극의 발생을 억제할 수 있다. 이에 따라, 처리 공간(S) 등으로부터 처리 가스가 간극을 개재하여 공간(16s)에 역류하여 플라즈마 처리 장치(10)의 부품을 오염하는 사태를 방지할 수 있다.
또한 일실시예에서는, 인젝터(22)에 대한 전계 차폐부인 제 3 부분(24c)이 배관 부재(24)의 일부로서 구성될 수 있다. 즉, 전계 차폐부가 인젝터(22)에의 처리 가스의 배관과 일체화될 수 있다. 이에 따라, 전계 차폐부의 조립 및 배치와 같은 제조 공정이 간이화된다.
또한 일실시예에서는, 제 3 부분(24c), 즉 전계 차폐부는, 인젝터(22)의 면(22c)보다, 축선(X) 방향에서 처리 공간(S)에 가까운 위치까지 연장될 수 있다. 이에 따라, 인젝터(22)가 배치된 공간에서의 전계 강도가 더욱 저감된다. 그 결과, 인젝터(22)의 내부에서의 플라즈마의 발생이 더욱 억제되고, 인젝터(22)로부터의 파티클의 발생이 더욱 억제된다.
여기서, 전계 차폐부의 하단면, 즉, 제 3 부분(24c)의 하단면(24d)과 인젝터(22)의 면(22c)과의 사이의 축선(X) 방향의 거리(G)와, 인젝터(22)가 배치된 공간에서의 전계 강도와의 관계의 시뮬레이션 결과에 대하여 설명한다.
이 시뮬레이션에서는, 거리(G)를 3.0 mm, 2.2 mm, -2.8 mm, -7.3 mm로 설정했다. 또한, 음의 거리(G)는 전계 차폐부의 하단면(24d)이, 인젝터(22)의 면(22c)보다 상방에 위치하는 것을 나타내고 있다. 이 시뮬레이션에 의하면, 거리(G) = 3.0 mm일 때 전계 강도는 3600[V/m]이며, 거리(G) = 2.2 mm일 때 전계 강도는 5397[V/m]이며, 거리(G) = -2.8 mm일 때 전계 강도는 9010[V/m]이며, 거리(G) = -7.3 mm일 때 전계 강도는 11422[V/m]였다. 이 결과로부터, 전계 차폐부의 하단면(24d)을 인젝터(22)의 면(22c)보다 하방에 설치함으로써, 전계 강도를 작게 하여 인젝터(22)의 내부에서의 플라즈마의 발생을 효과적으로 억제할 수 있는 것이 확인된다.
이하, 인젝터의 다양한 다른 실시예에 대하여 설명한다. 도 3은, 다른 실시예에 따른 인젝터 및 그 주위의 부분을 확대하여 도시한 단면도이다. 도 3에 도시한 구성에서는, 유전체 부재(16)를 대신하는 유전체 부재(16A)가 이용되어 있다. 또한, 인젝터(22)를 대신하는 인젝터(22A)가 이용되어 있다. 이하, 도 2에 도시한 구성과 상이한 점에 관하여, 도 3에 도시한 구성을 설명한다.
유전체 부재(16A)에는 관통홀(16a)과는 상이하고, 축선(X) 방향을 따라 대략 일정한 직경을 가지는 관통홀(16Aa)이 형성되어 있다. 또한, 유전체 부재(16A)와 인젝터(22A)가 일체로 형성되어 있다. 이 구성에 따르면, 인젝터(22A)와 유전체 부재(16A)의 사이의 간극의 발생이 보다 확실히 방지된다.
이어서 도 4 ~ 도 5를 참조한다. 도 4는, 다른 실시예에 따른 인젝터를 도시하는 평면도이다. 도 4에는, 인젝터를 상방에서 본 평면도가 도시되어 있다. 도 5는, 도 4의 V-V선을 따라 취한 단면도이다. 도 1 ~ 도 3에 도시한 플라즈마 처리 장치의 인젝터의 관통홀은, 예를 들면 관통홀의 관통 방향으로 직교하는 평면에서의 형상으로서 원형의 형상을 가질 수 있다. 인젝터의 관통홀의 형상은 이러한 형상에 한정되지 않고, 인젝터에는, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 슬릿 형상의 관통홀(22a)이 형성되어 있어도 된다. 구체적으로는, 슬릿 형상의 관통홀(22a)은, 대략 직사각형 또는 타원형의 평면 형상을 가질 수 있다. 이와 같이 관통홀(22a)을 슬릿 형상의 관통홀로서 형성함으로써, 관통홀(22a)은 폭의 좁은 홀이 된다. 이러한 슬릿 형상의 관통홀(22a)에 의해, 관통홀(22a)에서의 플라즈마의 발생이 더욱 억제된다. 플라즈마의 발생이 억제됨으로써, 인젝터의 표면에서의 퇴적물의 발생이 억제되고, 또한 관통홀(22a)을 구획하여 형성하는 인젝터의 내벽의 소모가 억제될 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이 일실시예에서는, 슬릿 형상의 관통홀(22a)은, 처리 공간(S)에 가까울수록 폭이 좁아지도록 형성되어 있어도 된다. 즉, 관통홀(22a)은, 면(22b)으로부터 면(22c)에 가까워짐에 따라 폭이 좁아지는 테이퍼 형상을 가지고 있어도 된다. 이러한 테이퍼 형상의 관통홀은, 예를 들면 레이저 가공에 의해 형성될 수 있다.
일실시예에서는, 슬릿 형상의 관통홀(22a)의 최협부에서의 폭이 0.2 mm 이하여도 된다. 여기서 최협부란, 관통홀(22a)의 관통 방향, 즉 축선(X) 방향에서 가장 좁은 폭을 제공하는 관통홀(22a)의 부위이다. 이 실시예에 따르면, 슬릿 형상의 관통홀(22a)의 최협부의 폭이 데바이 길이(Debye Length)(λD)보다 좁아진다. 이 데바이 길이(λD)는, 하기의 식 (1)에 의해 정의된다.
Figure 112012033031108-pat00001
식 (1)에서 Te는 전자 온도이며, nO은 전자 밀도이다. 이와 같이 정의되는 데바이 길이보다 좁은 폭의 공간에서는, 플라즈마는 발생하지 않는다. 여기서, 플라즈마 처리 장치(10)의 사용 시에서 상정되는 전자 온도는 적어도 4 eV이며, 전자 밀도는 높아도 5×1010 cm-3이다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(10)에서 상정되는 데바이 길이는 적어도 0.2 mm 이상이 된다. 따라서, 슬릿 형상의 관통홀(22a)의 최협부의 폭을 0.2 mm 이하로 함으로써, 관통홀(22a)에서의 플라즈마의 발생을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
이하, 도 4 및 도 5에 도시한 인젝터를 가지는 플라즈마 처리 장치(10)에 대하여 행한 실험 결과에 대하여 설명한다. 이 실험에서는, 인젝터의 두께, 즉, 면(22b)과 면(22c)의 사이의 거리를 4 mm로 하고, 슬릿 형상의 관통홀(22a)의 면(22b)측의 폭(W1)을 0.25 mm로 하고, 슬릿 형상의 관통홀(22a)의 면(22c)측의 폭(W2)을 0.1 mm로 했다. 그 외의 조건은 이하와 같이 했다.
마이크로파의 전력 2000 W
마이크로파의 주파수 2.45 GHz
RF 바이어스의 전력 120 W
RF 바이어스의 주파수 13.56 MHz
처리 가스 1000 sccm의 Ar 가스, 5 sccm의 CH2F2 가스, 및, 2 sccm의 O2가스를 포함한 처리 가스의 혼합 가스
유량비(인젝터로부터의 유량 : 가스 공급부(42)로부터의 유량) 30 : 70
처리 용기내 압력 : 20 mTorr(2.666 Pa)
이 실험의 결과, 관통홀(22a)에서의 플라즈마에 기초한 발광은 관찰할 수 없는 레벨이며, 면(22b)에서는 탄소를 함유하는 퇴적물은 관찰되지 않았다. 따라서, 인젝터 내부에서의 플라즈마의 발생이 억제되는 것, 또한, 인젝터의 표면에서의 퇴적물의 발생이 억제되는 것이 확인되었다. 따라서, 관통홀(22a)을 구획하여 형성하는 인젝터의 내벽의 소모가 억제되고, 또한 파티클의 발생이 억제되는 것이 확인되었다.
이어서 도 6을 참조한다. 도 6은, 다른 실시예에 따른 인젝터를 도시한 평면도이다. 도 4에 도시한 관통홀(22a)의 각각은, 한 방향으로 연장된 슬릿 형상의 관통홀이었다. 다른 실시예에서는, 슬릿 형상의 관통홀(22a)은, 도 6에 도시한 바와 같이 관통 방향(즉, 축선(X))으로 평행한 사행면을 따라 형성된 관통홀이어도 된다. 도 6에 도시한 실시예에 의해서도, 폭이 좁은 관통홀이 제공되고, 관통홀(22a) 내에서의 플라즈마의 발생이 억제될 수 있다.
이상, 다양한 실시예에 대하여 설명했지만, 본 발명의 사상은 다양한 변형 태양을 구성할 수 있다. 예를 들면, 상술한 플라즈마 처리 장치(10)는, 플라즈마원으로서 래디얼 라인 슬롯 안테나로부터 공급되는 마이크로파를 이용하는 플라즈마 처리 장치이지만, 다른 타입의 플라즈마 처리 장치에도 본 발명의 사상을 적용할 수 있다. 예를 들면, SWP(Surface Wave Plasma, 표면파 플라즈마)형의 플라즈마 처리 장치에서의 유전체창 내에 상술한 인젝터 및 전계 차폐부가 이용되어도 된다. 또한, ECR(Electron Cyclotron Resonance, 전자 사이클로트론 공명)형의 플라즈마 처리 장치에서의 유전체창 내에 상술한 인젝터 및 전계 차폐부가 이용되어도 된다. 이러한 ECR형의 플라즈마 처리 장치에는, 예를 들면 국제 공개 제 99/49705 호에 기재된 ECR형의 플라즈마 처리 장치를 기본 구성으로서 채용할 수 있다.
10 : 플라즈마 처리 장치
12 : 처리 용기
14 : 스테이지
16 : 유전체 부재
18 : 안테나
20 : 동축 도파관
22 : 인젝터
22a : 인젝터의 관통홀
22b : 인젝터의 제 1 면
22c : 인젝터의 제 2 면
24 : 배관 부재
24c : 제 3 부분(전계 차폐부)
24d : 제 3 부분의 하단면
30 : 마이크로파 발생기
32 : 도파관
34 : 모드 변환기
36 : 냉각 재킷
40 : 가스 공급계
42 : 가스 공급부
44 : 가스 공급계
S : 처리 공간
W : 피처리 기체

Claims (12)

  1. 처리 공간을 구획하여 형성하는 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 설치된 스테이지와,
    상기 스테이지에 대면하도록 설치된 유전체 부재와,
    상기 유전체 부재를 개재하여 상기 처리 공간 내에 마이크로파를 도입하는 수단과,
    하나 이상의 관통홀을 가지는 유전체제의 인젝터이며, 상기 유전체 부재의 내부에 배치되고, 상기 유전체 부재에 형성된 관통홀과 함께 상기 처리 공간으로 처리 가스를 공급하기 위한 경로를 구획하여 형성하는 상기 인젝터와,
    상기 인젝터 내부에서의 플라즈마 발생을 억제하도록 상기 인젝터의 주위를 덮는 전계 차폐부
    를 구비하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터는 벌크 유전체 재료로 구성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터는 상기 유전체 부재에 접합되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터는 상기 유전체 부재와 일체 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인젝터는, 제 1 면과 상기 제 1 면에 대향하고 상기 처리 공간에 면한 제 2 면을 포함하고,
    상기 인젝터의 상기 하나 이상의 관통홀은, 상기 제 1 면과 상기 제 2 면의 사이에 연장되어 있고,
    상기 전계 차폐부는, 상기 제 1 면으로부터 상기 제 2 면을 향하는 방향에서, 상기 제 2 면보다 상기 처리 공간에 가까운 위치까지 연장되어 있는
    플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로파를 도입하는 수단은,
    동축 도파관과,
    상기 동축 도파관에 결합된 안테나로서, 직경 방향 및 둘레 방향으로 복수의 슬롯이 형성된 금속제의 슬롯판
    을 포함하고,
    상기 동축 도파관의 내측 도체의 내홀 중에 배치된 배관으로부터 상기 처리 가스가 상기 인젝터로 공급되는
    플라즈마 처리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전계 차폐부는 상기 배관에 일체화되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인젝터는 석영제인 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인젝터의 상기 하나 이상의 관통홀의 각각은 슬릿 형상의 관통홀인 플라즈마 처리 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 인젝터의 상기 하나 이상의 관통홀의 각각은 상기 처리 공간에 가까울수록 폭이 좁아지도록 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 인젝터의 상기 하나 이상의 관통홀은 레이저 가공에 의해 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 인젝터의 상기 하나 이상의 관통홀의 최협부(最狹部)에서의 폭이 0.2 mm 이하인 플라즈마 처리 장치.
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