KR101594229B1

KR101594229B1 - 플라스마 처리장치

Info

Publication number: KR101594229B1
Application number: KR1020137008852A
Authority: KR
Inventors: 아키노리 에베; 마사노리 와타나베
Original assignee: 가부시키가이샤 이엠디
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2016-02-15
Also published as: CN103155718A; EP2615888A4; KR20130056901A; EP2615888A1; CN103155718B; JPWO2012032596A1; WO2012032596A1; US20140150975A1; JP5462368B2

Abstract

보수점검이 용이하고, 안정적으로 플라스마를 공급할 수 있는 내부 안테나 방식의 플라스마 처리장치를 염가로 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 관한 플라스마 처리장치는, 진공용기(11)의 상벽(111)에 복수 마련된 안테나 유니트(20)를 구비하고, 안테나 유니트(20)는 진공용기(11)의 상벽(111)으로부터 진공용기(11) 내로 돌출하도록 마련된 유전체제의 케이스(21)와, 케이스 내의 분위기를 진공용기의 외부로 배출하는 제2 가스배출구(25)를 가지는 덮개(22)와, 피드쓰루(24)를 통하여 덮개(22)에 고정되고, 관벽에 가스통과구멍(232)을 가지는 도체관으로 이루어지는 고주파 안테나(23)를 구비한다. 고주파 안테나(23)의 관 내에는 불활성 가스가 공급되며, 가스통과구멍(232)을 통해 케이스(21)의 내부를 채우고, 제2 가스배출구(25)를 통해서 진공용기(11)의 외부로 배출된다.

Description

플라스마 처리장치 {PLASMA PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 기판표면처리 등에 이용할 수 있는 유도결합형의 플라스마 처리장치에 관한 것이다.

종래부터, 기판상에 박막을 형성하는 제막처리나, 기판에 대한 에칭처리를 위해서, 플라스마 처리장치가 이용되고 있다. 플라스마 처리장치에는 전극 사이에 고주파 전압을 인가함으로써 발생하는 전자계에 의해 플라스마를 생성하는 용량결합형 플라스마 처리장치나, 고주파 안테나(코일)에 고주파 전류를 흘림으로써 발생하는 전자계에 의해 플라스마를 생성하는 유도결합형 플라스마 처리장치 등이 있다. 이 중 용량결합형 플라스마 처리장치는 유도결합형인 것보다도 장치의 비용이 낮다고 하는 특징을 가지며, 한편, 유도결합형 플라스마 처리장치는 용량결합형인 것보다 고밀도의 플라스마를 생성할 수 있기 때문에 제막속도가 빠르다고 하는 특징을 가진다.

유도결합형 플라스마 처리장치에서는, 유도전자계를 생성하기 위한 고주파 안테나를 진공용기의 외측에 배치한 외부 안테나 방식이 많이 이용되고 있다. 그러나, 최근, 피처리기판 및 그 위에 형성하는 박막의 대면적화가 진행되고 있으며, 그에 따라 진공용기가 대형화하고, 진공용기 내외의 압력차의 관계로부터 진공용기의 벽이 두꺼워지고 있다. 이것에 의해, 진공용기 내로 도입되는 유도전자계의 강도가 작아져, 생성한 플라스마의 밀도가 저하된다고 하는 문제가 발생하게 되었다.

이것에 대해, 특허문헌 1에 기재한 유도결합형 플라스마 처리장치에서는, 고주파 안테나를 진공용기의 내부에 마련한 내부 안테나 방식이 이용되고 있다. 내부 안테나 방식에서는 진공용기의 벽의 두께에 의존하지 않고 용이하게 플라스마의 밀도를 높게 할 수 있기 때문에, 피처리기판 및 박막의 대면적화에 적합하고 있다.

그렇지만, 고주파 안테나를 진공용기의 내부에 설치했을 경우, 장치의 보수점검이 용이하지 않게 된다고 하는 문제가 발생한다. 통상, 고주파 안테나는 안테나 도체에 고주파 전류를 흘리는 것에 의한 가열과 거기에 따른 임피던스(impedance)의 상승을 방지하기 위해, 내부에 공동을 가지는 파이프 모양의 도체관을 이용하고, 이 도체관의 내부에 냉매를 흘림으로써 안테나 도체의 냉각을 행하고 있다. 이 때문에, 진공용기와 고주파 안테나와의 접속 및 도체 파이프 단부와 냉매공급부·배출부와의 접속이 복잡하게 되어, 고주파 안테나의 설치나 떼어냄이 곤란하게 되어 버린다.

또, 고주파 안테나가 직접 플라스마에 노출된다고 하는 문제도 있다. 유도결합형의 플라스마 처리장치에서는, 고주파 안테나와 플라스마의 사이에 직류의 셀프 바이어스(self bias) 전압이 발생한다. 외부 안테나 방식에서는 이 셀프 바이어스 전압에 의해서 가속된 이온은 진공용기의 벽에 차단되지만, 내부 안테나 방식에서는 안테나 도체가 스퍼터(sputter)되어 버린다.

이것을 방지하기 위해서, 특허문헌 2에 기재한 발명에서는, 고주파 안테나의 도체 표면을 안테나 도체보다 스퍼터되기 어려운 세라믹스나 석영 등으로 이루어지는 유전체(절연체)제(製)의 파이프로 피복하는 것을 행하고 있다. 그렇지만, 안테나 형상에 맞추어 유전체 파이프를 가공하려면, 고도의 기술과 높은 제조비용이 필요하다. 또, 상기와 같이 도체관의 내부에 냉매를 흘림으로써 안테나 도체의 냉각을 행했을 경우에도, 유전체 파이프는 충분히 냉각되지 않은 채, 수백 ℃라는 매우 높은 온도까지 도달하게 되는 경우가 있다. 이 때문에, 열적 응력에 의해 유전체 파이프가 파손되기 쉬워짐과 아울러, 유전체 파이프로부터의 열의 전파에 의해서 안테나 도체도 충분히 냉각되지 않게 되어 버려, 안테나 도체의 임피던스가 상승해 플라스마를 안정적으로 공급할 수 없게 된다.

특허문헌 1 : 일본국 특개평7-18433호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특개2001-035697호 공보

본 발명이 해결하려고 하는 과제는, 보수점검이 용이하고, 안정적으로 플라스마를 공급할 수 있는 내부 안테나 방식의 플라스마 처리장치를 염가로 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 본 발명에 관한 플라스마 처리장치는,

a) 진공용기와,

b) 상기 진공용기의 내벽보다도 내측으로 돌출하도록 마련된 고주파 안테나와,

c) 상기 진공용기 내부의 분위기로부터 상기 고주파 안테나를 격리하기 위한, 이 고주파 안테나와 비접촉으로 마련된 유전체제의 케이스를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 플라스마 처리장치에서는, 내부 안테나 방식의 고주파 안테나가 스퍼터되는 것을 유전체제의 케이스에 의해 방지할 수 있다. 이 케이스는 유전체 파이프와 같이 고주파 안테나의 형상에 맞추어 가공할 필요가 없고, 제조가 용이한 형상으로 할 수 있기 때문에, 제조비용을 낮게 억제할 수 있다. 또, 어떠한 안테나 형상에 대해서도 동일한 형상인 것을 이용할 수 있다고 하는 이점도 있다. 또한, 고주파 안테나와 케이스를 비접촉으로 함으로써, 안테나 도체에 고주파 전류를 흘리는 것에 의해서 발생하는 열이 케이스에 직접 전파하는 것을 방지할 수 있어, 케이스의 온도상승을 억제할 수 있다.

본 발명에 관한 플라스마 처리장치는, 상기 진공용기의 내벽에 마련된 상기 유전체 케이스의 내부와 이 진공용기의 외부를 연통하는 안테나 삽입개구와, 상기 안테나 삽입개구를 폐쇄하는 덮개를 가지는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 안테나 삽입개구를 통해 고주파 안테나를 착탈할 수 있기 때문에, 장치의 보수점검이 용이하게 된다. 이 경우, 상기 고주파 안테나가 상기 덮개에 장착되어 있는 것이 보다 바람직하다. 이것에 의해, 덮개를 착탈하는 것만으로 용이하게 고주파 안테나를 출납할 수 있다.

상기 유전체 케이스의 내부는 불활성 가스로 채워져 있거나, 진공이거나, 고체의 유전체로 채워져 있거나, 어느 하나의 상태인 것이 바람직하다. 이것에 의해, 유전체 케이스 내에서 불필요한 방전이 발생하는 것이 방지된다.

상기 고주파 안테나는 내부에 냉각용 매체를 흘릴 수 있는 파이프 모양 도체관으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 고주파 전류가 흐르는 것에 의한 안테나 도체의 가열과 그에 따른 임피던스의 상승을 억제할 수 있다.

또, 상기 냉매가 불활성 가스인 경우, 본 발명에 관한 플라스마 처리장치에서는,

상기 도체관의 상기 유전체 케이스 내에 수용되어 있는 부분의 관벽에 마련된 가스통과구멍과, 상기 가스통과구멍으로부터 상기 유전체 케이스 내로 유출하는 상기 불활성 가스를 이 유전체 케이스 및 상기 진공용기의 외부로 배출하는 가스배출구멍을 구비한다는 구성을 채용할 수 있다. 이것에 의해, 유전체 케이스 내를 불활성 가스로 채울 수 있고, 유전체 케이스 내에서 불필요한 방전이 발생하는 것을 방지할 수 있음과 아울러, 도체관을 내외로부터 냉각함으로써 안테나 도체의 임피던스의 상승을 방지할 수 있으며, 안정적으로 플라스마를 공급할 수 있다. 또한, 유전체 케이스도 동시에 냉각할 수 있기 때문에, 열적 응력에 의한 유전체 케이스의 파손을 방지할 수 있다.

상기 고주파 안테나에는, 형상의 일부에 'U'자형 또는 'コ'의 자형을 포함하는 선상(線狀) 도체를 이용할 수 있다. 'U'자형 또는 'コ'의 자형의 도체는 평행으로 늘어선 2개의 직선부를 가지고 있으며, 도체에 전류를 흘리면, 이 2개의 직선부에 흐르는 전류의 방향이 180° 다르다. 이것에 의해, 각각의 직선부에 흐르는 전류로부터 발생하는 자력선의 방향이 2개의 직선부의 사이의 영역에서 일치하기 때문에, 이 영역에서의 자계의 강도 및 플라스마 밀도를 크게 할 수 있다.

본 발명에 관한 플라스마 처리장치는 상기 고주파 안테나 및 유전체 케이스를 복수 구비할 수 있다. 이것에 의해, 진공용기 내의 각 부에 고르게 플라스마를 형성할 수 있어, 플라스마 밀도의 균일성을 높일 수 있다.

본 발명에 관한 플라스마 처리장치에 의하면, 진공용기의 내부 공간으로 돌출하여 마련된 고주파 안테나를, 이 고주파 안테나와 비접촉의 유전체제의 케이스로 둘러싸는 것에 의해, 고주파 안테나의 형상에 의하지 않고, 고주파 안테나 도체가 스퍼터되는 것을 방지할 수 있다. 이 유전체 케이스는 유전체 파이프보다도 형상이 단순하기 때문에, 제조가 용이하고, 제조비용을 낮게 억제할 수 있다. 또, 유전체 케이스와 진공용기와의 외부를 연통하는 안테나 삽입개구와, 이 안테나 삽입개구를 폐쇄하는 덮개를 마련함으로써, 고주파 안테나의 보수점검을 용이하게 할 수 있다. 또한, 유전체 케이스 내를 불활성 가스로 채우고, 이 불활성 가스를 순환시킴으로써, 유전체 케이스 내에 불필요한 방전이 발생하는 것을 방지할 수 있음과 아울러, 안테나 도체의 온도상승을 방지할 수 있다. 이것에 의해, 안정적으로 플라스마를 공급할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예인 플라스마 처리장치의 종단면도(a) 및 고주파 안테나의 주변의 구성을 나타내는 종단면도(b).
도 2는 제1 실시예의 플라스마 처리장치를 이용하여 생성된 플라스마의 밀도를 측정한 결과를 나타내는 그래프.
도 3은 제2 실시예의 플라스마 처리장치에서의 고주파 안테나의 주변의 구성을 나타내는 종단면도.
도 4는 제3 실시예의 플라스마 처리장치에서의 고주파 안테나의 주변의 구성을 나타내는 종단면도.
도 5는 제4 실시예의 플라스마 처리장치에서의 고주파 안테나의 주변의 구성을 나타내는 종단면도.
도 6은 제5 실시예의 플라스마 처리장치에서의 고주파 안테나의 주변의 구성을 나타내는 종단면도(a) 및 이 고주파 안테나의 사시도(b) 및 상면도(c).
도 7은 제5 실시예의 플라스마 처리장치에서의 고주파 안테나의 다른 형상을 나타내는 상면도.
도 8은 제6 실시예의 플라스마 처리장치에서의 고주파 안테나의 사시도(a), 상면도(b) 및 측면도(c).
도 9는 제7 실시예의 플라스마 처리장치에서의 고주파 안테나의 주변의 구성을 나타내는 종단면도.
도 10은 제8 실시예의 플라스마 처리장치에서의 고주파 안테나의 상면도.

도 1 ~ 도 8을 이용하여, 본 발명에 관한 플라스마 처리장치의 실시예를 설명한다.

실시예 1

우선, 제1 실시예의 플라스마 처리장치(10)에 대해서 설명한다. 플라스마 처리장치(10)는, 도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, 진공용기(11)와, 진공용기(11) 내에 배치된 기체(基體)유지부(12)와, 진공용기(11)의 측벽에 마련된 제1 가스배출구(13) 및 제1 가스도입구(14)와, 진공용기(11)의 상벽(111)에 복수 마련된 안테나 유니트(20)를 구비한다. 제1 가스배출구(13)는 진공펌프에 접속되어 있으며, 진공펌프에 의해 진공용기(11) 내의 공기나 수증기 등이 제1 가스배출구(13)로부터 배출됨으로써, 진공용기(11) 내는 고진공상태가 된다. 제1 가스도입구(14)는 진공용기(11) 내에 수소가스 등의 플라스마 생성가스나 원료가스를 도입하기 위한 것이다. 기체유지부(12)에 유지되는 기체(S)는 진공용기(11)의 측벽에 마련된 기체반출입구(15)로부터 진공용기(11) 내로 반입되고, 또는 진공용기(11) 내로부터 반출된다. 기체반출입구(15)는 기체(S)의 반출입시 이외에는 기밀하게 폐쇄된다.

다음으로, 안테나 유니트(20)에 대해서 설명한다. 안테나 유니트(20)는, 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이, 유전체제의 벽으로 이루어지는 직방체 모양의 유전체 케이스(21)를 구비한다. 유전체 케이스(21)는 플랜지(211)와 덮개(22)를 가지며, 진공용기(11)의 외측으로부터 이 진공용기(11)의 상벽(111)에 마련된 개구부(1111)에 삽입되고, 플랜지(211)가 개구부(1111)의 가장자리에 걸리도록 상벽(111)에 장착된다. 또, 플랜지(211)와 상벽(111)의 사이 및 플랜지(211)와 덮개(22)의 사이에는 진공씰(26)이 마련되며, 각각의 사이로부터 가스누출이 일어나지 않도록 하고 있다. 또한, 케이스(21)를 구성하는 유전체의 재료로서는, 금속산화물, 질화물, 탄화물, 불화물 등을 이용할 수 있다. 또, 그들 재료 중에서, 석영, 알루미나, 산화 지르코늄, 이트리어(yttria), 질화규소, 탄화규소를 바람직하게 이용할 수 있다.

유전체 케이스(21)의 내부에는, 'コ'의 자형의 도체로 이루어지는 고주파 안테나(23)가 배치되어 있으며, 고주파 안테나(23)와 덮개(22)의 사이의 기밀성과 전기적 절연을 확보하기 위한 피드쓰루(feedthrough)(24)를 통하여, 'コ'의 자형 도체의 양단 부근이 덮개(22)에 고정되어 있다. 'コ'의 자형 도체의 한쪽의 끝단은 고주파 전원에 접속되고, 다른 쪽의 끝단은 접지되어 있다. 'コ'의 자형 도체는 관 모양이며, 관의 양단에는 관 내로 불활성 가스를 도입하기 위한 제2 가스도입구(가스도입부)(231)가 마련되어 있다. 또, 관벽 중 'コ'의 자의 외측, 즉 유전체 케이스(21)의 유전체벽에 대향하는 측에 관 내의 불활성 가스를 유전체 케이스(21) 내에 송출하는 가스통과구멍(232)이 마련되어 있다. 덮개(22)에는 유전체 케이스(21) 내의 불활성 가스나 불활성 가스 이외의 잔존가스(공기)를 유전체 케이스(21) 밖으로 배출하는 제2 가스배출구(25)가 마련되어 있다. 이러한 구성에 의해, 제2 가스도입구(231)로부터 도체관, 가스통과구멍(232), 유전체 케이스(21)를 거쳐 제2 가스배출구(25)에 이르는 가스의 유로가 형성된다.

본 실시예에서는, 유전체 케이스(21)의 내부 치수를, 깊이(도 1의 (b)의 세로방향) 5㎝, 장변(도 1의 (b)의 가로방향) 13㎝, 단변('コ'의 자를 포함하는 면에 수직인 방향) 1.8㎝로 했다. 고주파 안테나(23)의 'コ'의 자형 도체의 저부는 길이가 10㎝이며, 유전체 케이스(21)의 바닥과의 사이에 0.6㎝의 공간이 비도록 배치했다. 'コ'의 자형 도체의 외경은 6.4㎜이다.

제1 실시예의 플라스마 처리장치(10)의 동작을, 기체(S)상에 제막물질을 퇴적시키는 경우를 예로 설명한다. 우선, 기체(S)를 기체반출입구(15)로부터 진공용기(11) 내로 반입하고, 기체유지부(12) 위에 얹어 놓는다. 다음으로, 기체반출입구(15)를 폐쇄하고, 진공펌프를 이용하여, 진공용기(11) 내의 공기나 수증기 등을 제1 가스배출구(13)로부터 배출한다. 한편, 제2 가스도입구(231)로부터 도체관 및 가스통과구멍(232)을 통하여 유전체 케이스(21) 내로 불활성 가스를 도입한다. 이것에 의해, 유전체 케이스(21) 내의 공기가 불활성 가스로 치환되고, 공기 및 잉여의 불활성 가스가 제2 가스배출구(25)로부터 유전체 케이스(21) 밖으로 배출된다.

이어서, 불활성 가스의 공급을 계속한 채로, 제1 가스도입구(14)로부터 플라스마 생성용 가스 및 원료가스를 도입하고, 고주파 안테나(23)에 고주파 전력을 투입한다. 이 고주파 전력의 투입에 의해 고주파 안테나(23)의 주위에 유도전자계가 생성된다. 이 유도전자계는 유전체 케이스(21)의 벽을 통과하여 진공용기(11) 내로 도입되며, 플라스마 생성용 가스를 전리(電離)한다. 이것에 의해 플라스마가 생성된다. 플라스마 생성용 가스와 함께 진공용기(11) 내로 도입된 원료가스는 플라스마에 의해 분해되어, 기체(S)상에 퇴적한다.

고주파 안테나(23)에 고주파 전력이 투입되고 있는 동안, 불활성 가스는 도체관을 지나 가스통과구멍(232)으로부터 유전체 케이스(21)의 유전체벽으로 불어 내진다. 이것에 의해, 불활성 가스는 고주파 전력의 공급에 의해 발생하는 고주파 안테나(23) 및 유전체벽의 온도상승을 억제하는 냉매로서 작용한다.

본 실시예의 플라스마 처리장치(10)에서는, 진공용기(11) 내로 돌출한 유전체 케이스(21) 내에 고주파 안테나(23)를 배치했기 때문에, 외부 안테나 방식의 경우보다도 강한 유도전자계를 진공용기(11) 내에 생성할 수 있다. 또, 유전체 케이스(21)의 벽에 의해 고주파 안테나(23)가 진공용기(11) 내로부터 분리되었기 때문에, 플라스마가 고주파 안테나(23)를 에칭하여 고주파 안테나(23)의 수명이 짧아지는 것이나 박막 혹은 피처리기체에 고주파 안테나(23)의 재료가 불순물로서 혼입하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 제2 가스도입구(231)로부터 도체관 및 가스통과구멍(232)을 통하여 유전체 케이스(21) 내로 불활성 가스를 도입함으로써, 유전체 케이스(21) 내가 불활성 가스로 채워지기 때문에, 불필요한 방전이 발생하는 것을 방지할 수 있음과 아울러, 불활성 가스를 냉매로서 고주파 안테나(23)를 냉각할 수도 있다. 이와 같이, 본 실시예의 플라스마 처리장치(10)에서는, 1개의 가스공급수단에 의해 방전의 방지 조치(措置)와 고주파 안테나(23) 및 유전체 케이스(21)의 냉각 조치의 쌍방을 행할 수 있기 때문에, 장치를 간략화할 수 있다.

본 실시예의 플라스마 처리장치(10)를 이용하여 플라스마를 생성하는 실험을 행했다. 본 실험에서는, 제1 가스도입구(14)로부터 진공용기(11) 내로, 압력이 1Pa가 되도록 아르곤과 수소의 혼합가스(플라스마 생성가스)를 도입함과 아울러, 제2 가스도입구(231)로부터 매분 2.5리터의 질소가스(불활성 가스)를 도체관 및 유전체 케이스(21) 내로 도입했다. 그리고, 고주파 안테나(23)에 주파수 13.56㎒, 출력 1㎾의 고주파 전력을 공급했다. 충분히 시간이 경과한 후, 유전체 케이스(21)의 바닥으로부터 10㎝ 아래쪽에서 측정을 행한 바, 밀도 1.2×10¹¹㎝^-3의 플라스마가 생성되고 있는 것이 확인되었다. 플라스마 밀도는 'コ'의 자형 도체의 저부로부터의 거리에 대략 반비례한다. 또, 고주파 전력의 출력을 1 ~ 3㎾의 범위 내에서 변화시키면, 플라스마 밀도는 고주파 전력의 출력에 대략 비례하여 변화했다(도 2). 고주파 안테나(23) 및 유전체 케이스(21)는 모두, 불활성 가스로 냉각함으로써, 온도를 80℃ 이하로 유지할 수 있었다.

실시예 2

제1 실시예의 플라스마 처리장치(10)에서, 도 3에 나타내는 바와 같이, 제2 가스배출구(25)와 제2 가스도입구(231)를 접속관(27)으로 접속하고, 양자의 사이에 펌프 및 열교환기(28)를 마련할 수 있다. 여기서, 고주파 전원 측에 접속된 제2 가스도입구(231)와 접속관(27)은 양자의 사이에 절연체를 끼워 삽입하거나, 접속관(27)을 절연체제로 함으로써, 전기적으로 절연한다. 이와 같은 구성에 의해, 제2 가스배출구(25)로부터 배출된 불활성 가스를 열교환기(28)에서 냉각하고, 다시 제2 가스도입구(231)로 도입할 수 있기 때문에, 불활성 가스를 순환시켜 반복 이용할 수 있다. 또, 경제성을 우선하는 경우는, 냉각가스로서 대기를 순환시키는 것도 가능하다.

실시예 3

제1 실시예의 플라스마 처리장치(10)에서, 진공용기(11)의 개구부(1111)를 하측으로부터 덮도록 유전체 케이스(21)를 장착하고, 개구부(1111)를 상측으로부터 덮도록 덮개(22)를 장착할 수도 있다(도 4의 (a)). 이 경우, 유전체 케이스(21)의 플랜지(flange)(211)를 상벽(111)의 하면에 고정하고, 덮개(22)를 상벽(111)의 상면에 고정한다. 혹은, 개구부가 없는 상벽(111)의 하면에 유전체 케이스(21)를 장착해도 된다(도 4의 (b)). 이 경우, 고주파 안테나(23)는 상벽(111)에 고정한다. 또, 덮개는 불필요하다.

실시예 4

유전체 케이스(21) 내는 불활성 가스로 채우는 대신에, 진공펌프를 이용하여 제2 가스배출구(25)로부터 가스를 배기함으로써 진공으로 해도 된다(도 5의 (a)). 이 경우, 가스통과구멍(232)은 마련하지 않지만, 고주파 안테나(23)의 냉각을 위해, 고주파 안테나(23)를 도체관제로서 관 내로 냉각가스나 냉각수 등의 냉매를 흘리는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 불활성 가스를 이용했을 경우와 마찬가지로 유전체 케이스(21) 내에서의 방전을 방지할 수 있음과 아울러, 고주파 안테나(23)와 유전체 케이스(21)의 벽의 사이를 단열할 수 있기 때문에, 유전체 케이스(21)의 온도상승을 방지할 수 있다.

혹은, 유전체 케이스(21) 내를 고체의 유전체재(29)로 채워도 된다(도 5의 (b)). 유전체재(29)는 벌크(bulk)인 것이라도 되고, 분말이라도 된다. 분말을 이용하는 경우에는, 분말의 틈새에 공기가 침입하지 않도록, 유전체 케이스(21) 내를 밀폐한다. 유전체재(29)의 재료에는 폴리테트라 플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene)(PTFE), 폴리에테르 에테르 케톤(polyether ether ketone)(PEEK) 그 외의 수지, 알루미나, 실리카 그 외의 세라믹스 등을 이용할 수 있다. 유전체재(29)에 의해, 유전체 케이스(21) 내에서의 방전을 방지할 수 있다. 이 경우에도, 고주파 안테나(23)의 냉각을 위해, 고주파 안테나(23)를 도체관제로서 관 내로 냉각가스나 냉각수 등의 냉매를 흘리는 것이 바람직하다.

실시예 5

다음으로, 다른 형상을 가지는 고주파 안테나(23A)를 이용한 예를 설명한다(도 6). 본 실시예의 플라스마 처리장치는, 고주파 안테나(23A)의 형상 및 개구부(1111A), 유전체 케이스(21A) 및 덮개(22A)의 크기를 제외하여, 제1 실시예의 플라스마 처리장치(10)와 동일한 구성을 가진다. 고주파 안테나(23A)는 덮개(22)로부터 아래쪽으로 연장하는 2개의 다리(311)와, 'U'자형의 형상을 가지고, 'U'자로 형성되는 면이 케이스(21A)의 저면에 평행하게(고주파 안테나(23A)의 진공용기(11)로의 삽입방향에 수직) 되도록 배치된 U자부(312)와, U자부(312)의 일단을 다리(311)의 한쪽과 접속하고, U자부(312)의 타단을 다리(311)의 다른 쪽과 접속하는 2개의 굴곡부(313)를 가진다.

본 실시예에서는, U자부(312)가 가지는 2개의 직선부(제1 직선부(3121), 제2 직선부(3122))의 길이를 10㎝, 제1 직선부(3121) 및 제2 직선부(3122)에서의 도체 사이의 간격을 3㎝로 했다. 또한, 여기서 말하는 「도체 사이의 간격」이란, 평행하여 늘어서 있는 2개의 도체의 내측끼리의 거리이다. 유전체 케이스(21A)는 고주파 안테나(23A)의 형상에 맞추어, 내부의 단변이 제1 실시예의 유전체 케이스(21)보다도 긴 6㎝로 했다. 유전체 케이스(21A) 내부의 깊이 및 장변의 길이는 제1 실시예의 유전체 케이스(21)와 같다. 개구부(1111A) 및 덮개(22A)의 크기도 유전체 케이스(21A)의 내부의 단변에 맞추어, 이 단변의 방향에 대해서 제1 실시예보다도 크게 했다.

도 6의 형상을 가지는 고주파 안테나(23A)에서는 케이스(21A)의 저면에 평행하게 배치된 제1 직선부(3121) 및 제2 직선부(3122)에서 고주파 전류가 서로 역방향으로 흐르기 때문에, 케이스(21A)의 바로 아래에서, 제1 직선부(3121)를 흐르는 전류에 의해 형성되는 자계(磁界)의 상하방향 성분과, 제2 직선부(3122)를 흐르는 전류에 의해 형성되는 자계의 상하방향 성분이 동위상으로 진동하고, 케이스(21A)의 아래쪽에서의 자계강도를 제1 ~ 제4 실시예인 것으로부터 약 2배로 할 수 있다. 이것에 의해, 비교적 작은 고주파 전력으로 방전 플라스마를 발생시킬 수 있음과 아울러, 방전이 일어나기 어려운 예를 들면 0.5Pa 이하의 가스압영역에서도 방전 플라스마를 안정적으로 발생시키는 것이 가능하게 된다.

본 실시예의 플라스마 처리장치에서, 제1 실시예와 동일한 조건으로 실험을 행했다. 즉, 아르곤과 수소의 혼합가스를 압력이 1Pa이 되도록 진공용기(11) 내로 도입함과 아울러, 제2 가스도입구(231)로부터 매분 2.5리터의 질소가스를 도체관 및 유전체 케이스(21) 내로 도입하면서, 고주파 안테나(23A)에 주파수 13.56㎒, 출력 1㎾의 고주파 전력을 공급했다. 충분히 시간이 경과한 후, 유전체 케이스(21)의 바닥으로부터 10㎝ 아래쪽에서 측정한 바, 플라스마 밀도는 1.8×10¹¹㎝^-3라는, 제1 실시예(1.2×10¹¹㎝^-3)보다도 높은 값이 얻어졌다.

또한, 본 실시예에서는 'U'자형을 예로 설명했지만, U자부(312)의 부분을 제1 ~ 제4 실시예와 마찬가지로 'コ'의 자로 치환하여도 되고, 도 7에 나타내는 S자부(312A)로 치환하여도 된다. 그 밖에도 N자형이나 M자형 등의 형상을 이용할 수도 있다.

또, 본 실시예의 고주파 안테나(23B)에서, U자부(312)의 부분을 일반적으로 이용되는 원형의 안테나 도체로 치환한 경우, 그 반경을 r, 인가되는 전류를 I로 하면, 중심부에 발생하는 자계의 세기 H₀는 다음 식으로 나타낸다.

H₀ = I/(2r)

한편, 본 실시예와 같이 'U'자형의 안테나 도체를 이용했을 경우, 2개의 직선부의 사이의 거리를 d로 하면, 중심부의 자계의 세기 H₁₁는 다음 식으로 나타낸다.

H₁₁ = 2I/(πd)

즉, 'U'자형의 안테나 도체에서는 자계의 세기를 원형의 안테나 도체의 4 r/(πd)배로 할 수 있다. 이 경우, 자계강도는 d에 반비례하기 때문에, 2개의 직선부의 사이의 거리를 좁게 함으로써, 유도자계의 세기를 크게 할 수 있다. 본 실시예에서는, 동일한 길이의 'U'자형 안테나 도체를 이용하여, 원형 안테나 도체의 약 1.7배의 자계강도를 얻을 수 있었다. 또한, 'U'자나 'コ'의 자의 2개의 평행하는 도체 사이의 간격(d)과 이들 2개의 도체의 길이방향의 길이(L)와의 비(d/L)는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 0.05 ~ 0.5의 사이에 있는 것이 바람직하다. 또, 안테나 도체의 전체 길이는 고주파 안테나에 공급되는 고주파 전력의 주파수의 1/4파장 이하인 것이 바람직하다.

실시예 6

도 8을 이용하여, 고주파 안테나의 형상의 다른 예를 설명한다. 본 실시예에서는, 고주파 안테나(23B)는 덮개(22)로부터 아래쪽으로 연장하는 제1 다리(321A) 및 제2 다리(321B)와, 'U'자로 형성되는 면이 덮개(22)에 평행하게 배치된 제1 U자부(322A) 및 제2 U자부(322B)와, 제1 굴곡부(323A) 및 제2 굴곡부(323B)와, 직선 모양 접속부(324)를 구비한다. 제1 다리(321A)와 제1 U자부(322A)의 한쪽의 단부는 제1 굴곡부(323A)에 의해 접속되고, 제2 다리(321B)와 제2 U자부(322B)의 한쪽의 단부는 제2 굴곡부(323B)에 의해 접속되어 있다. 또, 제1 U자부(322A)의 다른 쪽의 단부와 제2 U자부(322B)의 다른 쪽의 단부는 직선 모양 접속부(324)에 의해 접속되어 있다. 본 실시예에서도 제5 실시예와 마찬가지로, 유전체 케이스의 아래쪽에서 자계의 상하방향 성분을 크게 할 수 있다.

실시예 7

도 9를 이용하여, 고주파 안테나의 형상의 다른 예를 설명한다. 본 실시예에서는, 고주파 안테나(23C)는 도체관으로 이루어지며, 덮개(22)로부터 아래쪽으로 연장하는 제1 다리(331A) 및 제2 다리(331B)와, 'U'자로 형성되는 면이 덮개(22)에 대해서 수직으로 배치된 제1 U자부(332A) 및 제2 U자부(332B)와, 제1 굴곡부(333A) 및 제2 굴곡부(333B)와, 직선 모양 접속부(334)를 구비한다. 제1 다리(331A)와 제1 U자부(332A)의 한쪽의 단부는 제1 굴곡부(333A)에 의해 접속되고, 제2 다리(331B)와 제2 U자부(332B)의 한쪽의 단부는 제2 굴곡부(333B)에 의해 접속되어 있다. 또, 제1 U자부(332A)의 다른 쪽의 단부와 제2 U자부(332B)의 다른 쪽의 단부는 직선 모양 접속부(334)에 의해 접속되어 있다. 도체관의 관벽에는, 제1 실시예와 마찬가지로, 유전체 케이스(21)의 유전체벽에 대향하는 측에 가스통과구멍(232)이 마련되어 있다.

본 실시예에서는, 제1 다리(331A) 및 제2 다리(331B)의 사이의 거리를 짧게 하기 위해서, 피드쓰루를 생략했다. 그 대신에, 절연체제의 덮개(22)를 이용함으로써 고주파 안테나(23C)와 전기적으로 절연함과 아울러, 제1 다리(331A) 및 제2 다리(331B)와 덮개(22)의 사이에 진공씰(34)을 마련했다.

또, 본 실시예에서는, 고주파 안테나(23C)의 제1 U자부(332A)의 직선부, 직선 모양 접속부(334) 및 제2 U자부(332B)의 직선부를 맞춘 길이를 10㎝, U자부의 2개의 직선부의 간격을 3㎝, 외경을 6.4㎜로 했다. 유전체 케이스(21A)의 크기는 제5 실시예와 동일하게(깊이 5㎝, 장변 13㎝, 단변 6㎝) 했다.

본 실시예에 의하면, 제1 U자부(332A) 및 제2 U자부(332B)를 포함하는 면이 고주파 안테나(21)의 삽입방향에 평행하게 배치되어 있음으로써, 이 면의 양측에 강한 진동자계가 형성되기 때문에, 진공용기(11) 내에 생성되는 플라스마의 밀도를 보다 높일 수 있다. 또, 고주파 안테나(23C)로부터 발생하는 자력선은 진공용기(11)의 내벽면에 대략 평행하게 되기 때문에, 이 자력선에 속박(束縛)된 플라스마 중의 전자는 진공용기(11)의 내벽면으로의 산일(散逸)이 억제된다. 이것에 의해, 진공용기(11) 내에 안정된 방전 플라스마를 발생시킬 수 있다.

본 실시예의 플라스마 처리장치에서, 제1 실시예 및 제5 실시예와 동일한 조건으로 실험을 행했다. 즉, 아르곤과 수소의 혼합가스를 압력이 1Pa이 되도록 진공용기(11) 내로 도입함과 아울러, 제2 가스도입구(231)로부터 매분 2.5리터의 질소가스를 도체관 및 유전체 케이스(21) 내로 도입하면서, 고주파 안테나(23A)에 주파수 13.56㎒, 출력 1㎾의 고주파 전력을 공급했다. 충분히 시간이 경과한 후, 유전체 케이스(21)의 바닥으로부터 10㎝ 아래쪽에서 측정한 바, 플라스마 밀도는 2.2×10¹¹㎝^-3라는, 제1 실시예(1.2×10¹¹㎝^-3) 및 제5 실시예(1.8×10¹¹㎝^-3)보다도 높은 값이 얻어졌다. 이것은 고주파 안테나(23C)의 U자부의 양측방에 고밀도의 플라스마가 생성되고, 그 플라스마가 유전체 케이스(21)의 아래쪽에 도달하는 것에 의한다.

실시예 8

도 10을 이용하여, 복수의 고주파 안테나를 이용한 플라스마 처리장치의 일례를 설명한다. 본 실시예는, 제6 실시예에서 이용한 고주파 안테나(23B)를 2개 마련하고, 이들 2개의 고주파 안테나의 급전 측 단부끼리와 접지 측 단부끼리를 각각 버스바(41)로 연결한 것이다. 버스바는 중심부에 급전점(給電点)이 마련되어 있으며, 급전 측 단부(411)를 연결하는 버스바의 급전점에는 고주파 전원이 접속되어 있다. 한편, 접지 측 단부(412)를 연결하는 버스바의 급전점은 접지되어 있다.

급전점으로부터 양 안테나(23B)의 급전단자까지의 거리는 각각 거의 동일하고, 고주파 전력에 대한 양 안테나(23B)의 임피던스가 급전점으로부터 보아 등가가 되도록 급전점의 위치를 조정한다. 본 실시예에서는, 진공용기 내에 가스압력 0.5Pa의 아르곤과 수소의 혼합가스를 도입하고, 주파수 13.56㎒, 출력 1㎾의 고주파 전력을 급전점에 공급하여, 진공용기 내에 방전 플라스마를 여기(勵起)했다.

이와 같은 구성을 이용함으로써, 양쪽의 고주파 안테나(23B)에서 진공용기(11) 내에 거의 동일한 방전 플라스마를 발생시킬 수 있었다. 상벽(111)으로부터 소정 거리에서의 플라스마 밀도 분포는 방전 가스압력, 고주파 전력 등에 의해서 변화하지만, 한결같은 플라스마 밀도분포를 얻는 조건은 설계 사항으로서, 임의의 면적의 방전 플라스마를 발생시키는 것이 가능하다.

또한, 이들 2개의 고주파 안테나는 1개의 유전체 케이스 내에 모두 마련되어 있어도 되고, 다른 유전체 케이스 내에 마련되어 있어도 된다. 이와 같이 복수의 고주파 안테나를 마련함으로써, 피처리기판 및 그 위에 퇴적하는 박막의 대면적화가 가능하게 되어, 장치의 양산성을 높일 수 있다.

또한, 상기 실시예에서는 2개의 고주파 안테나를 1조로 한 구성을 나타냈지만, 이 개수는 2개에 한정되는 것이 아니며, 3개 이상이라도 상관없다. 또, 복수 개의 고주파 안테나를 1조로 한 것을, 또한 복수 조 늘어놓아도 된다.

10 … 플라스마 처리장치 11 … 진공용기
111 … 상벽 1111 … 개구부
1111A … 개구부 12 … 기체유지부
13 … 제1 가스배출구 14 … 제1 가스도입구
15 … 기체반출입구 20 … 안테나 유니트
21, 21A … 유전체 케이스 211 … 플랜지
22, 22A … 덮개 23, 23A, 23B, 23C … 고주파 안테나
231 … 제2 가스도입구 232 … 가스통과구멍
24 … 피드쓰루 25 … 제2 가스배출구
26 … 진공씰 27 … 접속관
28 … 열교환기 29 … 유전체재
311 … 다리 312 … U자부
3121 … 제1 직선부 3122 … 제2 직선부
312A … S자부 313 … 굴곡부
321A … 제1 다리 321B … 제2 다리
322A … 제1 U자부 322B … 제2 U자부
323A … 제1 굴곡부 323B … 제2 굴곡부
324, 334 … 직선 모양 접속부 331A … 제1 다리
331B … 제2 다리 332A … 제1 U자부
332B … 제2 U자부 333A … 제1 굴곡부
333B … 제2 굴곡부 34 … 진공씰
41 … 버스바 411 … 급전 측 단부
412 … 접지 측 단부 S … 기체

Claims

a) 진공용기와,
b) 상기 진공용기의 내벽에 마련된 개구인 안테나 삽입개구와,
c) 상기 안테나 삽입개구를 폐쇄하는 덮개와,
d) 'U'자형 또는 'コ'의 자형의 형상을 가진 선상(線狀) 도체로부터 완성되고, 상기 덮개에 장착되며, 이 덮개가 상기 안테나 삽입개구를 폐쇄한 상태에서 상기 진공용기의 내벽보다도 내측으로 돌출하도록 마련된 고주파 안테나와,
e) 상기 진공용기 내부의 분위기로부터, 상기 진공용기의 내벽보다도 내측으로 돌출한 상태의 상기 고주파 안테나의 상기 선상 도체 및 이 선상 도체와 상기 덮개에 의해 둘러싸인 영역을 격리하기 위한, 이 고주파 안테나와 비접촉으로 마련되며, 내부가 고체의 유전체로 채워진 유전체제(製)의 유전체 케이스를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 고주파 안테나가 상기 덮개와 함께 상기 안테나 삽입개구로부터 착탈 가능하게 이 덮개에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
청구항 1에 있어서,
상기 고주파 안테나가 내부로 냉각용 매체를 흘릴 수 있는 파이프 모양 도체관으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
청구항 4에 있어서,
상기 도체관의 상기 유전체 케이스 내에 수용되어 있는 부분의 관벽에 마련된 가스통과구멍과,
상기 가스통과구멍으로부터 상기 유전체 케이스 내로 유출하는 가스를 이 유전체 케이스 및 상기 진공용기의 외부로 배출하는 가스배출구멍을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
청구항 5에 있어서,
상기 도체관에 상기 냉각용 매체로서 불활성 가스 또는 공기를 도입하는 가스도입부를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
청구항 1에 있어서,
상기 유전체 케이스 내가 불활성 가스로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
청구항 1에 있어서,
상기 덮개는 상기 유전체 케이스 내의 가스를 이 유전체 케이스 및 상기 진공용기의 외부에 배출하는 가스배출구를 구비하여, 상기 가스배출구로부터 가스를 배기함으로써 상기 유전체 케이스 내가 진공인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 고주파 안테나의 형상이 일부에 'U'자형 또는 'コ'의 자형을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
청구항 10에 있어서,
상기 'U'자형 또는 'コ'의 자형을 포함하는 평면이 상기 내벽과 수직 또는 평행인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
청구항 10에 있어서,
상기 'U'자형 또는 'コ'의 자형의 2개의 평행하는 직선부에서의 도체 사이의 간격과, 이 직선부의 길이방향의 길이와의 비가 0.05 ~ 0.5의 사이에 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
청구항 1에 있어서,
상기 고주파 안테나의 도체의 길이가 이 고주파 안테나에 공급되는 고주파 전력의 주파수의 1/4파장 이하인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
청구항 1에 있어서,
상기 유전체 케이스의 재질이 금속산화물, 질화물, 탄화물 또는 불화물인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
청구항 1에 있어서,
상기 유전체 케이스의 재질이 석영, 알루미나, 산화 지르코늄, 이트리어(yttria), 질화규소 또는 탄화규소인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.
청구항 1에 있어서,
상기 고주파 안테나 및 상기 유전체 케이스를 복수 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리장치.