KR101650795B1 - 플라즈마 성막 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 성막 장치를 제공한다. 기판이 탑재되는 탑재면을 가지는 기판 홀더가 반입되는 챔버와, 챔버 내에서 상하 방향으로 연신하여 배치되는 탑재면과 대향하도록 배치된 캐소드 전극과, 챔버 내의 기판 홀더와 캐소드 전극 사이에 프로세스 가스를 도입하는 가스 공급 장치와, 기판 홀더와 캐소드 전극 사이에 교류 전력을 공급하여, 기판 홀더와 캐소드 전극 사이에서 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 하는 교류 전원을 구비하여, 프로세스 가스에 포함되는 원료를 주성분으로 하는 박막을 기판 상에 형성한다.

Description

플라즈마 성막 장치{PLASMA FILM FORMING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마를 형성하여 성막을 행하는 플라즈마 성막 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서, 고정밀도의 프로세스 제어가 용이하다 하는 이점으로부터, 성막 공정에서 플라즈마 성막 장치가 이용되고 있다. 예를 들어, 플라즈마 성막 장치로서 플라즈마 화학 기상 성장(CVD) 장치가 알려져 있다.
플라즈마 CVD 장치에서는, 고주파 전력 등에 의해 원료 가스가 플라즈마화 되고, 화학반응에 의해 기판 상에 박막이 형성된다. 복수의 전극 판을 준비하고, 각각의 전극 판에 기판을 배치함으로써 처리 능력을 향상시킨 플라즈마 CVD 장치가 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1 : 국제공개 제02/20871호 팜플렛
챔버 내의 모든 기판에, 균일하고 높은 성막 효율로 막을 형성하기 위하여, 전극 내부로부터 프로세스 가스를 공급하는 샤워 전극을 이용하는 방법이 채용되고 있다. 그러나, 샤워 전극으로부터 균일하게 프로세스 가스를 분출시키기 위해서는, 전극 내부에서 프로세스 가스가 균일하게 분산되고 있을 필요가 있다. 특히 복수의 전극에 기판이 각각 탑재되었을 경우에는, 균일한 분산을 위해서는 샤워 전극을 대형으로 할 필요가 있다. 그 결과, 플라즈마 성막 장치가 대형화한다고 하는 문제가 있었다.
상기 문제점을 감안하여, 본 발명은 기판에 균일한 막을 효율적으로 형성 가능하고, 대형화가 억제된 플라즈마 성막 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 기판이 탑재되는 탑재면을 가지는 기판 홀더가 반입되는 챔버와, 챔버 내에서 상하 방향으로 연신(延伸)하여 배치되는 탑재면과 대향하도록 배치된 캐소드 전극과, 챔버 내의 기판 홀더와 캐소드 전극 사이에 프로세스 가스를 도입하는 가스 공급 장치와, 기판 홀더와 캐소드 전극 사이에 교류 전력을 공급하여, 기판 홀더와 캐소드 전극 사이에서 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 하는 교류 전원을 구비하여, 프로세스 가스에 포함되는 원료를 주성분으로 하는 박막을 기판 상에 형성하는 플라즈마 성막 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 기판에 균일한 막을 효율적으로 형성 가능하고, 대형화가 억제된 플라즈마 성막 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 성막 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 성막 장치에 사용되는 기판 홀더의 예를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 성막 장치의 캐소드 전극의 예를 나타내는 모식적인 구조도이다.
도 4는 비교예의 캐소드 전극의 예를 나타내는 모식적인 구조도이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 성막 장치의 캐소드 전극의 예를 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 성막 장치에서의 프로세스 가스의 도입 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 성막 장치에서의 가스 공급 노즐의 배치 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 성막 장치에서의 기판의 탑재 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9 (a) ~ 도 9 (c)는 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 성막 장치의 가스 공급 노즐의 형상예를 나타내는 모식도이며, 도 9 (a) ~ 도 9 (c)의 위쪽에 나타낸 도면이 평면도이며, 아래쪽에 나타낸 도면은 평면도의 I-I 방향에 따른 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태에 따른 와 관련되는 플라즈마 성막 장치에 있어서의 배기 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 성막 장치에 있어서의 다른 배기 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태의 변형예에 따른 플라즈마 성막 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태의 다른 변형예에 따른 플라즈마 성막 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 14는 본 발명의 실시 형태의 다른 변형예에 따른 플라즈마 성막 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 15는 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 성막 장치를 인라인식 성막 장치의 성막실에 적용한 예의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 16은 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 성막 장치의 챔버가 원통 형상인 경우의 모식도이다.
도 17은 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 성막 장치의 가열실의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 18은 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 성막 장치를 인라인식 성막 장치의 성막실에 적용한 다른 예의 구성을 나타내는 모식도이다.
다음으로, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 이하의 도면의 기재에 있어서, 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호를 붙이고 있다. 다만, 도면은 모식적인 것임에 유의해야 한다. 또한, 이하에 나타내는 실시 형태는 이 발명의 기술적 사상을 구체화하기 위한 장치나 방법을 예시하는 것으로서, 이 발명의 실시 형태는 구성 부품의 구조, 배치 등을 아래와 같은 것에 특정하는 것이 아니다. 이 발명의 실시 형태는 청구의 범위에서 여러 가지의 변경을 더할 수가 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 성막 장치(10)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 기판(1)이 탑재되는 탑재면(110)을 가지는 기판 홀더(11)가 반입되는 챔버(20)와, 챔버(20) 내에 배치된 캐소드 전극(12)과, 챔버(20) 내의 기판 홀더(11)와 캐소드 전극(12) 사이에 프로세스 가스(100)를 도입하는 가스 공급 장치(13)와, 기판 홀더(11)와 캐소드 전극(12) 사이에 교류 전력을 공급하여, 기판 홀더(11)와 캐소드 전극(12) 사이에서 프로세스 가스(100)를 플라즈마 상태로 하는 교류 전원(14)을 구비한다. 챔버(20) 내에서 상하 방향으로 연신하여 배치되는 탑재면(110)과 대향하도록, 캐소드 전극(12)이 배치되어 있다. 플라즈마 성막 장치(10)에 의하면, 프로세스 가스(100)에 포함되는 원료를 주성분으로 하는 박막이 기판(1) 상에 형성된다.
플라즈마 성막 장치(10)에서는, 기판 홀더(11)가 애노드 전극으로서 사용되고 있다. 도 1에 나타낸 예에서는, 기판 홀더(11)는 접지되어 있다.
기판 홀더(11)는 예를 들어, 탑재면(110)과 수직인 단면이 빗 형상을 이루는 구조를 채용 가능하다. 즉, 도 2에 나타내는 바와 같은, 탑재면(110)이 주면에 각각 정의되고, 서로 떨어져서 평행하게 배치된 복수의 기판 장착판(111)과, 기판 장착판(111)의 각각의 저부를 고정하는 고정판(112)을 가지는 기판 홀더(11)를 채용 가능하다. 도 2에서는 기판 장착판(111)이 5매인 예를 나타내었지만, 기판 장착판(111)의 매수는 5매에 한정되지 않는다.
이때, 도 1에 나타내는 바와 같이, 복수의 기판 장착판(111)이 복수의 캐소드 전극(12)과 교대로, 또한 가장 외측이 기판 장착판(111)이도록 배열된다. 기판 장착판(111)의 캐소드 전극(12)에 대향하는 면에는, 탑재면(110)이 각각 정의되어 있다.
플라즈마 성막 장치(10)에서는, 기판(1)이 탑재된 상태의 기판 홀더(11)가 챔버(20)에 반입된다. 그 후, 가스 공급 장치(13)로부터 챔버(20) 내에 성막용의 원료 가스를 포함하는 프로세스 가스(100)가 도입된다.
프로세스 가스(100)를 도입한 후, 배기 장치(15)에 의해 챔버(20) 내의 압력이 조정된다. 챔버(20) 내의 프로세스 가스(100)의 압력이 소정의 가스압으로 조정된 후, 교류 전원(14)에 의해 소정의 교류 전력이 캐소드 전극(12)과 기판 홀더(11) 사이에 공급된다. 이것에 의해, 챔버(20) 내의 프로세스 가스(100)가 플라즈마화 된다. 형성된 플라즈마에 기판(1)을 쪼임으로써, 원료 가스에 포함되는 원료를 주성분으로 하는 희망하는 박막이 기판(1)의 노출한 표면에 형성된다. 또한, 도시를 생략한 기판 가열 히터에 의해, 성막 처리 중인 기판(1)의 온도를 설정하여도 좋다. 성막 처리 중인 기판(1)의 온도를 소정의 온도로 설정함으로써, 성막 속도를 빠르게 하거나, 막질을 향상시키거나 할 수가 있다.
플라즈마 성막 장치(10)에서 원료 가스를 적절하게 선택함으로써, 희망하는 박막을 형성할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 반도체 박막, 실리콘 질화 박막, 실리콘 산화 박막, 실리콘 산질화 박막, 카본 박막 등을 기판(1) 상에 형성할 수가 있다. 구체적으로는, 암모니아(NH3)가스와 실란(SiH4) 가스의 혼합 가스를 이용하여, 기판(1) 상에 질화 실리콘(SiN) 막이 형성된다. 혹은, 실란(SiH4) 가스와 N20 가스의 혼합 가스를 이용하여, 기판(1) 상에 산화 실리콘(SiOx) 막이 형성된다.
캐소드 전극(12)에는, 예를 들어, 도 3에 나타낸 바와 같이 캐소드 전극(12)을 두께 방향으로 관통하는 관통 구멍(120)이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 관통 구멍(120)의 개구부는 기판 장착판(111)의 탑재면(110)과 대향하도록 캐소드 전극(12)의 표면에 형성되어 있다. 도 3에는, 기판 홀더(11)의 기판 장착판(111)이 3매이며, 캐소드 전극(12)이 2매인 경우를 예시하였다.
표면에 개구부가 설치된 캐소드 전극(12)은 할로우 캐소드 방전을 발생시키는 할로우 캐소드 전극으로서 기능한다. 할로우 캐소드 방전에서는, 캐소드 전극(12)의 표면으로의 이온 입사에 의해 캐소드 전극(12)으로부터 방출되는 전자가 전계가 없는 캐소드 전극(12) 내부에 갇힘으로써, 고밀도 전자의 공간이 형성된다. 고전자 밀도 영역에 침입한 가스 분자는 전리와 재결합을 반복하고, 재결합 시에는 고휘도의 발광으로서 관측된다. 고밀도 플라즈마 중에서 생성된 전구체는 라디칼 종이며, 전극 전위에 관계없이 관통 구멍(120)의 외측으로 확산하고, 기판 장착판(111)의 탑재면(110)에 배치된 기판(1)의 표면에 박막을 형성한다.
한편, 내부로부터 프로세스 가스(100)가 공급되는 샤워 전극 구조를 채용하고, 또한, 표면에 오목부(401)가 형성된 도 4에 나타내는 캐소드 전극(12A)에서는, 할로우 캐소드 방전에 의한 고밀도 플라즈마가 생성되는 오목부(401)로부터 프로세스 가스(100)가 균일하게 방출된다. 이것에 의해, 캐소드 전극(12A)의 전면에서 플라즈마의 균일성을 얻을 수 있다.
그러나, 도 4에 나타낸 캐소드 전극(12A)에서, 다수의 오목부(401)에 프로세스 가스(100)를 균일하게 공급하는 것은 곤란하며, 가스 분출구(402)의 개구 지름이나 길이, 프로세스 가스(100)의 유량이나 압력 등에 여러 가지의 제약이 있다. 또한, 가스 분출구(402)는 직경이 0.3 mm ~ 0.4 mm 정도의 극히 작은 지름이기 때문에 막힘을 일으키기 쉽다. 막힘 때문에 프로세스 가스(100)를 도입할 수 없는 경우에는, 막힘을 일으킨 오목부(401)에서는 할로우 캐소드 방전이 생기지 않기 때문에, 캐소드 전극(12A)의 전면에서의 방전의 균일성이 유지될 수 없다.
이것에 대하여, 도 3에 나타낸 캐소드 전극(12)에서는, 캐소드 전극(12)을 통하지 않고 프로세스 가스(100)가 도입된다. 관통 구멍(120)의 직경은 샤워 전극에 필요한 구멍의 직경보다 꽤 크기 때문에, 막힘의 걱정이 없고, 또한, 메인티넌스도 용이하다. 관통 구멍(120)의 직경은 3.8 mm ~ 8.0 mm 정도이며, 예를 들어, 5 mm 이다.
또한, 도 3에 나타낸 캐소드 전극(12)의 양면에 각각 여기되는 플라즈마는 관통 구멍(120)에 의해 연결한다. 이 때문에, 캐소드 전극(12)의 양면에서의 플라즈마 농도의 농담의 차이는 자연히 보정되고, 캐소드 전극(12)의 양면에 밀도가 균일한 플라즈마 공간을 생성할 수 있다.
상기한 바와 같이, 캐소드 전극(12)에 다수의 관통 구멍(120)을 형성한 멀티 할로우 캐소드 구조를 채용하는 것에 의해, 캐소드 전극(12)의 양면에 균일한 멀티 할로우 방전을 얻을 수 있다. 「멀티 할로우 방전」이란, 각 관통 구멍(120)에 각각 생긴 할로우 캐소드 방전이 합쳐져서 캐소드 전극(12)의 표면에 생기는 방전이다. 이것에 의해, 캐소드 전극(12)의 표면에 균일한 고밀도 플라즈마를 실현할 수가 있다. 그 결과, 원료 가스가 효율적으로 분해되고, 고속으로 대면적에 균일하게 박막이 기판(1) 상에 형성된다.
관통 구멍(120)은 캐소드 전극(12)의 표면에 가장 조밀하게 배치하는 것이 바람직하다. 관통 구멍(120)을 가능한 한 높은 밀도로 배치함으로써, 캐소드 전극(12)의 양면에서 균일한 고전자 밀도 전계를 용이하게 형성할 수가 있다. 도 5에 관통 구멍(120)의 개구부가 형성된 캐소드 전극(12)의 표면의 예를 나타낸다.
또한, 캐소드 전극(12)의 관통 구멍(120)의 내면은 2차 전자 방출율이 양호한 재료를 채용하여 표면 처리를 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 염가이며 가공이 용이하여, 세정 등의 메인티넌스가 용이한 카본재 등이 캐소드 전극(12)의 재료에 매우 적합하다. 예를 들어, 불산 처리에 의해, 카본재의 캐소드 전극(12)을 세정할 수 있다. 또한, 카본재를 사용함으로써, 플라즈마 처리 공정에서의 고온에 의한 변형이 생기지 않는다. 혹은, 금속 산화막이 용이하게 형성되는 알루미늄 합금 등도 할로우 캐소드 전극에 적절한 재료이다. 그 외에, 카본섬유 함입 카본, 스테인레스 합금, 구리, 구리합금, 유리, 세라믹스 등을 캐소드 전극(12)에 사용할 수 있다. 또는, 상기의 재료에 알루마이트 처리, 도금, 용사로 코팅을 실시하여도 좋다.
애노드 전극으로서 사용되는 기판 홀더(11)에 대해서도, 카본재가 매우 적합하게 이용된다. 또한, 카본섬유 함입 카본, 알루미늄 합금, 스테인레스 합금, 구리, 구리합금, 유리, 세라믹스 등을 기판 홀더(11)에 사용할 수 있다. 또는, 이들 재료에 알루마이트 처리, 도금, 용사로 코팅을 실시하여도 좋다.
챔버(20) 내에서는, 기판 홀더(11)와 캐소드 전극(12) 사이에, 위쪽으로부터 아래쪽을 향해 프로세스 가스(100)를 도입하는 것이 바람직하다. 아래쪽으로부터 프로세스 가스(100)를 도입함으로써, 비중이 가벼운 플라즈마화 한 가스 분자, 라디칼 입자는 위쪽 흐름으로서 캐소드 전극(12)의 표면을 자연스럽게 흘러 올라간다. 따라서, 샤워 전극과 같은 복잡한 구조를 이용하지 않아도, 캐소드 전극(12)의 표면에 프로세스 가스가 공급된다.
또한, 캐소드 전극(12)의 표면은 프로세스 가스(100)가 완만하게 흐르도록 마감처리 기호가 「▽▽▽」로 나타내어질 정도로 평탄한 것이 바람직하다. 즉, 최대 높이 Ry가 6.3 S, 10점 평균 거칠기 Rz가 6.3 Z, 산술 평균 거칠기 Ra가 1.6 a보다 작은 것이 바람직하다. 캐소드 전극(12)의 표면 거칠기를 작게 함으로써, 기판(1)에 형성되는 박막의 성장 속도를 올릴 수가 있다.
마찬가지로, 기판 홀더(11)의 표면도, 마감처리 기호가 「▽▽」로 나타내어질 정도로 평탄한 것이 바람직하다. 즉, 최대 높이 Ry가 25 S, 10점 평균 거칠기 Rz가 25 Z, 산술 평균 거칠기 Ra가 6.3 a보다도 작은 것이 바람직하다.
아래쪽으로부터 위쪽을 향해 프로세스 가스(100)를 도입하기 위하여, 도 6에 나타낸 바와 같이, 가스 공급 장치(13)의 프로세스 가스(100)를 분출하는 가스 공급 노즐(130)은 캐소드 전극(12)의 저면을 따라 캐소드 전극(12)의 바로 아래에 배치되어 있다. 가스 공급 노즐(130)로부터 캐소드 전극(12)의 저부를 향해 프로세스 가스(100)를 분출함으로써, 캐소드 전극(12)의 양면에 거의 균등하게 프로세스 가스(100)를 공급할 수 있다.
이때, 도 2에 나타낸 바와 같이 기판 홀더(11)가 고정판(112)을 가지는 형상인 경우에는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 고정판(112)을 상하 방향으로 관통하는 가스 도입 구멍(113)이 기판 장착판(111) 사이에서 고정판(112)에 형성된다. 가스 도입 구멍(113)을 통해 챔버(20)의 아래쪽으로부터 기판 장착판(111)과 캐소드 전극(12) 사이에 프로세스 가스(100)가 도입된다. 또한, 도 6에 나타낸 바와 같이 기판 홀더(11)가 지지대(30)에 의해 챔버(20) 내에서 지지되고 있을 경우에는, 지지대(30)의 가스 도입 구멍(113)의 대응하는 위치에, 지지대(30)를 상하 방향으로 관통하는 도입 구멍(31)이 형성된다.
가스 공급 노즐(130)이 복수인 경우에는, 도 7에 나타낸 바와 같이 캐소드 전극(12)의 저면을 따라 가스 공급 노즐(130)이 배열된다. 캐소드 전극(12)을 투과하여 기판 장착판(111)을 도시한 도 8과 같이, 기판 장착판(111)의 캐소드 전극(12)에 대향하는 면에 탑재면(110)이 각각 정의되어 있다. 이것에 의해, 기판(1)은 캐소드 전극(12)에 대향하여 배치된다.
가스 공급 노즐(130)의 분출구의 형상예를 도 9 (a) 내지 도 9 (c)에 나타낸다. 도 9 (a)는 원통 형상의 가스 공급 노즐(130)의 선단에 직경을 따라 홈을 형성하고, 홈의 중심 부분에 분출구를 배치한 예이다. 도 9 (b)는 원통 형상의 가스 공급 노즐(130)의 선단에 오목부를 설치하고, 오목부의 저면의 중심 부분에 분출구를 배치한 예이다. 도 9 (c)는 원통 형상의 가스 공급 노즐(130)의 선단의 중심 부분에 분출구를 배치한 예이다.
프로세스 가스(100)가 복수의 종류의 가스를 혼합한 가스인 경우에, 모든 가스를 혼합한 프로세스 가스(100)를 가스 공급 노즐(130)로부터 공급하여도 좋고, 가스의 종류마다 상이한 가스 공급 노즐(130)로부터 가스를 각각 공급하여도 좋다.
배기 장치(15)의 구성예를 도 10에 나타낸다. 도 10에 나타낸 배기 장치(15)는 도시를 생략한 챔버(20)의 상부에 배치된다. 배기 장치(15)는 기판 홀더(11) 및 캐소드 전극(12)의 위쪽에 배치된 제 1 배기 조정판(151)과, 제 1 배기 조정판(151)의 외연부의 아래쪽에 위치하도록 배치된 틀 형상의 제 2 배기 조정판(152)을 가진다. 기판 홀더(11) 및 캐소드 전극(12)의 위쪽에 흘러들어간 프로세스 가스(100)는 도 10에 나타낸 바와 같이, 제 1 배기 조정판(151)과 제 2 배기 조정판(152)과의 간극을 통과하여, 제 1 배기 조정판(151)의 외연부로부터 챔버(20)의 외부로 배출된다. 배기 장치(15)는 제 1 배기 조정판(151)과 제 2 배기 조정판(152)과의 간극의 넓이를 제어함으로써 배기량을 조정한다.
도 11에 배기 장치(15)의 다른 구성예를 나타낸다. 도 11에 나타낸 배기 장치(15)는 도시를 생략한 챔버(20)의 상부에 배치되고, 상하 방향으로 관통하는 다수의 배기 구멍(150)을 가진다. 프로세스 가스(100)는 배기 구멍(150)을 통해 챔버(20)의 외부로 배기된다. 배기 장치(15)는 배기 구멍(150)의 개구도를 제어함으로써 배기량을 조정한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 성막 장치(10)에 의하면, 기판 홀더(11)를 애노드 전극으로서 사용함으로써, 기판(1)의 성막면을 수직으로 하여 챔버(20) 내에 기판(1)을 배치할 수 있다. 이 때문에, 복수의 캐소드 전극(12)이 챔버(20) 내에 배치된다. 따라서, 성막면을 상하 방향으로 향한 기판(1)을 평판의 기판 플레이트 등에 탑재하여 성막 처리하는 플라즈마 성막 장치에 비해, 도 1에 나타낸 플라즈마 성막 장치(10)에서는 수많은 기판(1)을 챔버(20) 내에 동시에 수납하는 것이 가능하고, 처리 능력을 현격히 향상시킬 수 있다.
또한, 관통 구멍(120)이 형성된 캐소드 전극(12)을 채용함으로써, 캐소드 전극(12)의 양면에서 균일하고 고밀도인 플라즈마를 안정적으로 생성할 수가 있다. 이때, 교류 전원(14)이 공급하는 교류 전력의 주파수에 관계없이, 대면적으로 균일한 고밀도 플라즈마의 생성이 가능하다. 교류 전원(14)이 공급하는 교류 전력의 주파수를 예를 들어, 60 Hz ~ 27 MHz 정도로 설정하여도 균일하게 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다. 즉, 고가의 VHF 대역의 교류 전력을 공급하는 교류 전원을 사용할 필요가 없다. 플라즈마 성막 장치(10)에서는, 예를 들어, 250 KHz와 같은 저주파 RF 대역이어도, VHF 대역의 교류 전원을 사용하는 종래의 플라즈마 성막 장치와 동등 이상의 고밀도 플라즈마를 얻을 수가 있다.
그 결과, 고속으로 균일하게 대면적의 박막을 기판(1) 상에 형성할 수가 있다. 즉, 플라즈마 성막 장치(10)에 의하면, 형성되는 막의 막 두께, 막질의 균일성이 향상됨과 동시에 성막 속도가 향상된다.
또한, 플라즈마 성막 장치(10)에서는, 구조가 복잡하고, 미세 구멍을 형성할 필요가 있는 샤워 전극을 사용할 필요가 없다. 이 때문에, 샤워 전극과 같은 빈번한 메인티넌스가 불필요하다. 또한, 샤워 전극에서는 프로세스 가스(100)를 균일하게 분산시키기 위해 대형화할 필요가 있는 것에 대하여, 플라즈마 성막 장치(10)에서는 대형화가 불필요하다. 따라서, 플라즈마 성막 장치(10)에 의하면, 챔버(20) 내의 모든 기판에 균일한 막을 효율적으로 형성 가능하며, 또한 대형화가 억제된 플라즈마 성막 장치를 제공할 수 있다.
또한, 수천 개 이상의 미세 구멍 가공이 필요한 샤워 전극을 이용한 플라즈마 성막 장치와 비교하여, 플라즈마 성막 장치(10)의 제조기간은 짧고, 또한 제조 수율이 향상된다. 이 때문에, 플라즈마 성막 장치(10)의 제조 코스트가 억제된다.
도 12에, 교류 전원(14)이 출력하는 교류 전력을, 펄스 제너레이터(16)를 통해 기판 홀더(11)와 캐소드 전극(12) 사이에 공급하는 예를 나타낸다. 도 12에 나타낸 예에서는, 펄스 제너레이터(16)의 출력이 캐소드 전극(12)에 공급되고, 기판 홀더(11)는 접지되어 있다. 교류 전력의 공급을 일정한 주기로 정지함으로써, 챔버(20) 내에서 플라즈마가 안정적으로 형성된다. 이것은 교류 전력의 공급에 정지 기간을 설치함으로써 전자의 온도가 내리고, 방전의 안정성이 향상되기 때문이다. 다만, 오프 시간을 너무 길게 설정하면 파워 효율이 저하하기 때문에 주의가 필요하다.
예를 들어, 교류 전력을 공급하는 온 시간을 600 μ초, 교류 전력의 공급을 정지하는 오프 시간을 50 μ초로 하여, 온 시간과 오프 시간을 교대로 반복하도록 기판 홀더(11)와 캐소드 전극(12) 사이에 교류 전력이 공급된다. 또한, 온 시간은 100 μ초 ~ 1000 μ초 정도, 오프 시간은 10 μ초 ~ 100 μ초 정도의 범위에서 설정되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 기판 홀더(11)와 캐소드 전극(12) 사이로의 교류 전력의 공급을 펄스 제어하여, 교류 전력의 공급을 주기적으로 온ㆍ오프시킴으로써 이상 방전의 발생을 억제할 수 있다.
도 13에, 캐소드 전극(12)에 장착된 교류 전원(14)과는 별도로, 애노드 전극인 기판 홀더(11)에 교류 전원(17)을 장착한 예를 나타낸다. 애노드 전극에 교류 전력을 공급함으로써, 기판(1)에 형성되는 박막의 막질을 향상시킬 수 있다. 교류 전원(17)이 공급하는 교류 전력의 주파수는 교류 전원(14)이 공급하는 교류 전력의 주파수와 동등하든지 혹은 낮아도 좋다. 예를 들어, 교류 전원(17)이 공급하는 교류 전력의 주파수는 60 Hz ~ 27 MHz 정도로 설정된다.
또한, 교류 전원(14)으로부터는 교류 전력을 공급하지 않고, 교류 전원(17)만으로부터 교류 전력을 공급함으로써, 기판(1)의 플라즈마 클리닝을 실시할 수 있다. 예를 들어, 스퍼터용의 가스를 챔버(20) 내에 도입하고, 교류 전원(17)으로부터 교류 전력을 공급하면서의 스퍼터 에칭에 의해 기판(1)을 클리닝한다.
또한, 도 14에 나타낸 바와 같이, 교류 전원(14)의 출력을 파워 스플리터(18)에 의해 분할하여, 분할된 교류 전력을 캐소드 전극(12)과 기판 홀더(11)에 각각 공급하여도 좋다. 이것에 의해, 도 13에 비해 교류 전원의 수를 줄일 수가 있다. 기판 홀더(11)에 공급하는 전력은 캐소드 전극(12)에 공급하는 전력에 비해 작아서 좋다. 예를 들어, 캐소드 전극(12)에 90 % ~ 100 %의 교류 전력을 공급하고, 기판 홀더(11)에 10 % ~ 0 %의 교류 전력을 공급한다.
도 1에 나타낸 플라즈마 성막 장치(10)는 예를 들어, 인라인식 성막 장치의 성막실로서 사용 가능하다. 도 15에 취입/가열실(210), 성막실(220), 취출실(230)의 3실로 이루어진 인라인식 성막 장치(200)의 예를 나타낸다.
인라인식 성막 장치(200)에서는, 기판(1)이 탑재된 기판 홀더(11)가 취입/가열실(210)에 취입된다. 기판(1)이 취입/가열실(210)에서 소정의 온도까지 예비 가열된 후, 개폐식의 게이트(240A)를 통해 기판 홀더(11)가 취입/가열실(210)로부터 성막실(220)에 반송된다. 성막실(220)에서 기판(1)에 박막이 형성된 후, 개폐식의 게이트(240B)를 통해 기판 홀더(11)는 성막실(220)로부터 취출실(230)에 반송된다. 그 후, 취출실(230)로부터 기판 홀더(11)가 취출된다. 기판 홀더(11)는 도시를 생략한 반송 장치에 의해, 인라인식 성막 장치(200)의 각 실간을 반송된다.
또한, 도 16에 나타낸 바와 같이, 챔버(20)는 원통 형상인 것이 바람직하다. 원통 형상으로 함으로써, 챔버(20)는 진공 용기로서 충분한 강도를 가질 수가 있다. 이 때문에, 챔버(20)의 두께를 얇게 하여도, 가열시를 포함하여 충분한 강도를 염가이며 간단한 구조로 실현할 수 있다.
도 17에, 취입/가열실(210)의 구성예를 나타낸다. 취입/가열실(210)은 기판 홀더(11)의 상하로 배치된 히터(211A)와, 기판 장착판(111) 사이에 기판 장착판(111)과 평행하게 배치된 슬롯 히터(211B)를 구비한다. 기판 홀더(11)는 지지대(212)에 의해 취입/가열실(210) 내에서 지지되고 있다. 또한, 지지대(212)와 슬롯 히터(211B)와의 사이에는 방열판(213)이 배치되어 있다.
슬롯 히터(211B)가 기판 홀더(11) 및 탑재면(110)에 탑재된 기판(1)을 가열함으로써, 기판(1)과 기판 홀더(11) 사이에 온도차가 생기는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 기판 홀더(11)의 온도를 모니터하면서 예비 가열하는 경우 등에, 기판(1)의 온도를 정밀하게 조정할 수 있다.
히터(211A), 슬롯 히터(211B)에는, 램프 히터, 세라믹스 히터, 시즈 히터, 혹은 유도 가열 히터 등이 채용 가능하다.
상기에서는, 3실로 이루어진 인라인식 성막 장치(200)의 예를 나타내었지만, 도 1에 나타낸 플라즈마 성막 장치(10)를, 도 18에 나타내는 바와 같은 2실로 이루어진 인라인식 성막 장치(200)에 적용하여도 좋다. 가열실(211)과 성막실(220)의 2실로 이루어진 인라인식 성막 장치(200)에서는, 가열실(211)에서 기판 홀더(11)의 취입과 취출이 행해진다. 가열실(211)에 취입된 기판(1)이 가열실(211)에서 소정의 온도까지 예비 가열된 후, 개폐식의 게이트(241)를 통해 기판 홀더(11)가 성막실(220)에 반송된다. 성막실(220)에서 기판(1)에 박막이 형성된 후, 게이트(241)를 통해 기판 홀더(11)는 가열실(211)에 반송된다. 그 후, 가열실(211)로부터 기판 홀더(11)가 취출된다. 또한, 도 17에 나타낸 취입/가열실(210)과 마찬가지로, 도 18에 나타낸 가열실(211)에서도, 기판 장착판(111)의 사이에 슬롯 히터(211B)를 배치하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 실시 형태에 의해 기재하였지만, 이 개시의 일부를 이루는 논술 및 도면은 이 발명을 한정하는 것이라고 이해해야 하는 것은 아니다. 이 개시로부터 당업자에게는 다양한 대체 실시 형태, 실시예 및 운용 기술이 분명해질 것이다.
예를 들어, 기판 홀더(11)가 복수의 기판 장착판(111)과 고정판(112)으로 구성되는 예를 나타내었지만, 기판 홀더(11)의 형상은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 기판 홀더(11)가 단일체의 판이어도 좋다.
이와 같이, 본 발명은 여기에서는 기재하고 있지 않은 다양한 실시 형태 등을 포함하는 것은 물론이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 상기한 설명으로부터 타당한 청구의 범위에 관련되는 발명 특정 사항에 의해서만 정해지는 것이다.
산업상의 이용가능성
본 발명의 플라즈마 성막 장치는 기판에 막을 형성하는 반도체 디바이스의 제조업에 이용 가능하다.

Claims (13)

  1. 기판이 탑재되는 탑재면을 가지는 기판 홀더가 반입되는 챔버와,
    상기 챔버 내에서 상하 방향으로 연신하여 배치되는 상기 탑재면과 대향하도록 배치된 캐소드 전극과,
    상기 캐소드 전극의 저면을 따라 배치된 가스 공급 노즐로부터 상기 캐소드 전극의 저부를 향해 프로세스 가스를 분출하여, 상기 챔버 내의 상기 기판 홀더와 상기 캐소드 전극 사이에 상기 프로세스 가스를 도입하는 가스 공급 장치와,
    상기 기판 홀더와 상기 캐소드 전극 사이에 교류 전력을 공급하여, 기판 홀더와 상기 캐소드 전극 사이에서 상기 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 하는 교류 전원을 구비하고,
    상기 가스 공급 장치가 아래쪽으로부터 위쪽을 향해 상기 챔버 내에 프로세스 가스를 도입하고,
    상기 프로세스 가스에 포함되는 원료를 주성분으로 하는 박막을 상기 기판 상에 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판 홀더가, 상기 탑재면이 주면에 각각 정의되고, 서로 떨어져서 평행하게 배치된 복수의 기판 장착판을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 복수의 기판 장착판이, 상기 복수의 캐소드 전극과 교대로, 또한 가장 외측이 상기 기판 장착판이도록 배열되고, 상기 기판 장착판의 상기 캐소드 전극에 대향하는 면에 상기 탑재면이 각각 정의되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 기판 홀더가,
    상기 복수의 기판 장착판의 각각의 저부를 고정하고, 상하 방향으로 관통하는 가스 도입 구멍이 상기 복수의 기판 장착판 사이에 형성된 고정판을 가지고,
    상기 가스 도입 구멍을 통하여 상기 기판 장착판과 상기 캐소드 전극 사이에 상기 프로세스 가스가 도입되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 캐소드 전극이, 상기 탑재면에 대향하는 면에 개구부가 설치된 관통 구멍을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버가 원통 형상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 박막을 상기 기판 상에 형성하기 전에 상기 기판 홀더가 격납되는 가열실을 더 구비하고, 상기 가열실이,
    상기 복수의 기판 장착판의 사이에 배치되어, 상기 기판 홀더 및 상기 탑재면에 탑재된 상기 기판을 가열하는 슬롯 히터를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판 홀더 및 상기 캐소드 전극의 적어도 어느 하나가 카본으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 캐소드 전극의 표면 거칠기에 대해 최대 높이가 6.3 S 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판 홀더의 표면 거칠기에서의 최대 높이가 25 S 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  13. 기판이 탑재되는 탑재면이 주면에 각각 정의되고, 서로 떨어져서 평행하게 배치된 복수의 기판 장착판을 갖는 기판 홀더가 반입되는 챔버와,
    서로 대향하는 두개의 주면에 각각 개구부가 설치되어 관통 구멍이 복수 형성되고, 상기 챔버 내에서 상하 방향으로 연신하여 배치되는 상기 탑재면과 상기 두개의 주면 각각이 대향되도록 상기 복수의 기판 장착판 사이에 각각 배치되는 복수의 캐소드 전극과,
    상기 챔버 내의 상기 기판 홀더와 상기 캐소드 전극 간에 프로세스 가스를 도입하는 가스 공급 장치와,
    상기 기판 홀더와 상기 캐소드 전극 간에 교류 전력을 공급하고, 상기 기판 홀더와 상기 캐소드 전극 간에 있어서 상기 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 하는 교류전원을 구비하고,
    상기 가스 공급 장치가 아래쪽으로부터 위쪽을 향해 상기 챔버 내에 프로세스 가스를 도입하고,
    복수의 상기 관통 구멍에 각각 형성된 할로우 캐소드 방전이 합쳐져 상기 캐소드 전극의 상기 두개의 주면에 형성된 멀티 할로우 방전에 의해, 상기 프로세스 가스에 포함되는 원료를 주성분으로 하는 박막을 상기 기판 상에 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
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