KR101831537B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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시게루 가사이
에미코 하라
유타카 후지노
유키 오사다
준 나카고미
도모히토 고마츠
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

처리 용기 내에 제1 가스와 제2 가스를 공급하는 샤워 플레이트를 구비한 플라즈마 발생용 안테나를 갖고, 마이크로파의 공급에 의해 그 샤워 플레이트 표면에 형성된 표면파에 의해 플라즈마를 형성해서 기판을 처리하는 플라즈마 처리 장치로서, 샤워 플레이트의 하단면으로부터 하방으로 돌출되는 도전체의 수하 부재를 갖고, 상기 수하 부재의 외측면은, 상단부로부터 하단부를 향해서 외측으로 퍼지고, 샤워 플레이트는, 복수의 제1 가스 공급구와 복수의 제2 가스 공급구를 구비하고, 제1 가스 공급구는 수하 부재의 외측면보다 내측에 배치되고, 제2 가스 공급구는 수하 부재의 외측면보다 외측에 배치되어 있다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING DEVICE}
본 발명은 처리 용기 내에 소정의 가스를 공급하는 샤워 플레이트를 구비한 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
본원은, 2013년 9월 11일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2013-188665호 및 2014년 6월 9일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2014-118531호에 기초하여, 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
플라즈마 처리는, 반도체 디바이스의 제조에 불가결한 기술이다. 최근 들어, LSI의 고집적화 및 고속화의 요청으로부터, LSI를 구성하는 반도체 소자의 한층 더한 미세 가공이 요구되고 있다.
그런데, 용량 결합형 플라즈마 처리 장치나 유도 결합형 플라즈마 처리 장치에서는, 생성되는 플라즈마의 전자 온도가 높고, 또한 플라즈마 밀도가 높은 영역이 한정된다. 이 때문에, 반도체 소자의 한층 더한 미세 가공의 요청에 따른 플라즈마 처리를 실현하는 것은 어려웠다.
따라서, 이러한 미세 가공을 실현하기 위해서는, 저전자 온도이면서 고플라즈마 밀도의 플라즈마를 생성하는 것이 필요해진다. 이에 부응하기 위해서, 마이크로파에 의해 처리 용기 내에서 표면파 플라즈마를 생성하고, 이에 의해 반도체 웨이퍼(이하, 「웨이퍼」라고 함)를 플라즈마 처리하는 장치가 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1).
특허문헌 1에서는, 마이크로파를 동축 관으로 전송시켜서 처리 용기 내에 방사하고, 마이크로파의 표면파가 갖는 전계 에너지에 의해 플라즈마 발생용 가스를 여기시킴으로써, 저전자 온도에서 고플라즈마 밀도의 표면파 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 처리 장치가 제안되어 있다.
그러나, 특허문헌 1의 플라즈마 처리 장치에서는, 마이크로파를 동축 관으로부터 처리 용기 내에 방사하기 위해서, 그 천장부는, 표면파 플라즈마와 안테나 사이를 석영 등의 유전체판으로 끼운 구조로 되어 있고, 처리 가스는 처리 용기의 측벽으로부터 처리 용기 내에 공급되는 구조로 되어 있었다. 이와 같이, 가스를 천장부 이외로부터 공급하고 있었기 때문에, 가스의 흐름을 제어할 수 없어, 양호한 플라즈마 제어가 어려웠다.
따라서, 인용 문헌 2에서는, 안테나 아래에 다수의 가스 방출 구멍을 갖는 유전체로 이루어지는 샤워 플레이트를 설치하고, 이 샤워 플레이트를 통해서 처리 가스를 연직 하방으로 처리 용기 안으로 도입하는 기술이 제안되어 있다. 이에 의해, 처리 용기 안에 연직 방향의 가스류를 형성하여 처리 가스를 균일하게 공급하여, 균일한 플라즈마가 형성된다.
일본 특허 공개 제2003-188103호 공보 일본 특허 공개 제2005-196994호 공보
그런데, 본 발명자들에 의하면, 예를 들어 인용 문헌 2와 같은 안테나 및 샤워 플레이트를 갖는 플라즈마 처리 장치에 의해, 예를 들어 웨이퍼에 성막 처리를 행하면, 샤워 플레이트의 구멍의 내부에도 성막되어 버리는 것이 확인되었다. 그렇게 하면, 구멍의 내부에의 성막에 의해 샤워 플레이트의 구멍을 막을 우려가 있다.
이것은, 표면파 플라즈마에 의해, 샤워 플레이트 근방의 영역에서의 플라즈마의 전자 온도가, 샤워 플레이트의 표면으로부터 이격된 위치의 전자 온도보다 높아지는 것이 원인이라고 추정된다. 그 때문에, 성막 처리에 있어서, 예를 들어 모노실란 가스(SiH4) 등의 원료 가스가 샤워 플레이트 근방에서 과잉으로 분해된다. 그 결과, 샤워 플레이트의 구멍 부분에 성막 퇴적하거나, 기상 반응하거나 해서 티끌의 원인으로 된다.
이 점에 대해서 본 발명자들이 조사한 바, 샤워 플레이트에 형성된 마이크로파의 방사 구멍(슬롯)의 근방에 있어서 특히 전자 온도가 높아지고 있는 것이 확인되었다. 그 때문에, 원료 가스의 과잉의 분해는, 그 대다수가 샤워 플레이트에 형성된 슬롯의 근방에 있어서 발생하고 있는 것이라 추정된다.
원료 가스의 과잉의 분해를 방지하기 위해서는, 안테나에 공급하는 마이크로파의 출력을 저하시키면 된다. 그러나, 마이크로파의 출력을 저하시키면 플라즈마 발생용 가스의 여기가 불충분하게 되어, 안정된 플라즈마를 형성할 수 없다고 하는 문제가 있다. 또한, 생산성의 관점에서도, 플라즈마 발생용 가스를 효율적으로 여기하여, 예를 들어 성막 처리에 있어서의 성막 레이트를 향상시키는 것이 요망된다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 처리 용기 내에 가스를 도입하는 샤워 플레이트를 갖고, 마이크로파에 의해 표면파 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 샤워 플레이트의 가스 구멍에 성막하는 것을 억제하고 또한 효율적으로 플라즈마를 발생시키는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 처리 용기 내에 제1 가스와 제2 가스를 공급하는 샤워 플레이트를 구비한 플라즈마 발생용 안테나를 갖고, 마이크로파의 공급에 의해 상기 샤워 플레이트 표면에 형성된 표면파에 의해 플라즈마를 형성하여 기판을 처리하는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 샤워 플레이트의 하단면으로부터 하방으로 돌출되고, 도전체에 의해 구성된 수하 부재를 갖고, 상기 수하 부재의 외측면은, 상단부로부터 하단부를 향해서 외측으로 퍼지고, 상기 샤워 플레이트는, 상기 처리 용기 안으로 제1 가스를 공급하는 복수의 제1 가스 공급구와 제2 가스를 공급하는 복수의 제2 가스 공급구를 구비하고, 상기 제1 가스 공급구는, 상기 수하 부재의 외측면보다 내측에 배치되고, 상기 제2 가스 공급구는, 상기 수하 부재의 외측면보다 외측에 배치되어 있다.
본 발명에 따르면, 수하 부재의 외측면보다 내측에 제1 가스 공급구가 형성되어 있기 때문에, 제1 가스가, 샤워 플레이트 외주부의 전자 온도가 높은 영역을 통과하는 일이 없다. 따라서, 예를 들어 제2 가스로서 원료 가스를 사용하더라도, 그 원료 가스가 표면파 플라즈마에 의해 과잉으로 분해되는 것을 피할 수 있다. 그 결과, 샤워 플레이트의 가스 구멍에의 반응 생성과 기상 반응에 의한 퇴적물을 억제할 수 있다. 또한, 수하 부재의 외측면이 상단부로부터 하단부를 향해서 외측으로 퍼지고 있으므로, 그 수하 부재의 외측면에서 마이크로파가 가로 방향이나 비스듬한 상 방향으로 반사된다. 그 결과, 수하 부재의 외측면 근방에 있어서의 전계 강도가 높아져서, 제2 가스 공급구로부터 공급되는 제2 가스를 효율적으로 여기하여 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 처리 용기 안에 가스를 도입하는 샤워 플레이트를 갖고, 마이크로파에 의해 표면파 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 샤워 플레이트의 가스 구멍에의 반응 생성과 기상 반응에 의한 퇴적물을 억제함과 함께, 효율적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 구성 개략을 도시하는 종단면도이다.
도 2는 마이크로파의 출력측의 기구를 도시한 도면이다.
도 3은 마이크로파 전송 기구의 구성을 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 4는 마이크로파 도입 기구 근방의 구성 개략을 나타내는 확대 종단면도이다.
도 5는 수하 부재 근방의 구성 개략을 도시하는 사시도이다.
도 6은 종래의 샤워 플레이트 근방에 있어서의 전자 온도의 분포를 도시하는 설명도이다.
도 7은 종래의 샤워 플레이트의 근방에 있어서의 전계 강도의 분포를 도시하는 설명도이다.
도 8은 수하 부재를 구비한 샤워 플레이트의 근방에 있어서의 전계 강도의 분포를 도시하는 설명도이다.
도 9는 수하 부재를 구비한 샤워 플레이트의 근방에 있어서의 전자 온도의 분포를 도시하는 설명도이다.
도 10은 수하 부재를 구비한 샤워 플레이트의 근방에 있어서의 전자 밀도의 분포를 도시하는 설명도이다.
도 11은 다른 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 구성의 개략을 도시하는 종단면도이다.
도 12는 다른 실시 형태에 따른 수하 부재의 구성 개략을 도시하는 측면도이다.
도 13은 다른 실시 형태에 따른 수하 부재의 구성 개략을 도시하는 측면도이다.
도 14는 다른 실시 형태에 따른 수하 부재의 구성 개략을 도시하는 종단면도이다.
도 15는 수하 부재의 하면에 있어서의 전계 강도 분포의 실측값이다.
도 16은 수하 부재의 하면에 있어서의 표면파의 전파 모델이다.
도 17은 수하 부재의 하면에 있어서의 표면파를 나타내는 베셀 방정식이다.
도 18은 베셀 방정식의 해로서 얻어지는 베셀 함수이다.
도 19는 수하 부재의 하면에 있어서의 전계 강도 분포의 이론값 및 실측값이다.
도 20은 다른 실시 형태에 따른 수하 부재의 구성 개략을 도시하는 설명도이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 번호를 붙임으로써 중복 설명을 생략한다.
우선, 본 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 전체 구성에 대해서, 도 1을 참조하면서 설명한다. 도 1은 플라즈마 처리 장치(1)를 개략적으로 나타낸 종단면도이다.
본 실시 형태에서는, 반도체 웨이퍼(W)(이하, 웨이퍼(W)라 칭함)에 플라즈마 처리로서 성막 처리를 실시하는 CVD 장치를 예로 들어 플라즈마 처리 장치(1)를 설명한다. 플라즈마 처리 장치(1)는, 기밀하게 유지된 내부에서 웨이퍼(W)를 플라즈마 처리하는 처리 용기(10)를 갖고 있다. 처리 용기(10)는, 상면이 개구된 대략 원통 형상이며, 예를 들어 알루미늄 등의 금속으로 형성되어 있다. 이 처리 용기(10)는 접지되어 있다.
처리 용기(10)의 저부에는, 웨이퍼(W)를 적재하는 서셉터(11)가 설치되어 있다. 서셉터(11)는, 절연체(12a)를 통해서 지지 부재(12)에 의해 지지되고, 처리 용기(10)의 저부에 설치되어 있다. 이에 의해, 서셉터(11)는, 전기적으로 처리 용기(10)는 절연된 상태로 되어 있다. 서셉터(11) 및 지지 부재(12)의 재료로서는, 표면을 알루마이트 처리(양극 산화 처리)한 알루미늄 등을 들 수 있다.
서셉터(11)에는, 정합기(13)를 통해서 바이어스용 고주파 전원(14)이 접속되어 있다. 고주파 전원(14)은, 서셉터(11)에 바이어스용 고주파 전력을 인가한다. 이에 의해, 웨이퍼(W)측에 플라즈마 중의 이온이 인입된다. 또한, 도시하지 않았지만, 서셉터(11)에는, 웨이퍼(W)를 정전 흡착하기 위한 정전 척, 온도 제어 기구, 웨이퍼(W)의 이면에 열전달용 가스를 공급하기 위한 가스 유로, 웨이퍼(W)를 반송할 때 승강하는 승강 핀 등이 설치되어도 된다.
처리 용기(10)의 저부에는 배기구(15)가 형성되고, 배기구(15)에는 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(16)가 접속되어 있다. 배기 장치(16)를 작동시키면, 처리 용기(10)의 내부가 배기되어, 처리 용기(10) 내가 원하는 진공도까지 감압된다. 또한, 처리 용기(10)의 측벽에는, 반입출구(17)가 형성되고, 반입출구(17)를 개폐 가능한 게이트 밸브(18)의 개폐에 의해, 웨이퍼(W)가 반입출된다.
서셉터(11)의 상방에는, 처리 용기(10) 내에 가스를 공급하면서, 마이크로파의 공급이 가능한 플라즈마 발생용 안테나(20)(이하, 「안테나(20)」라고 함)가 장착되어 있다. 안테나(20)는 처리 용기(10) 상부의 개구를 막도록 설치되어 있다. 이에 의해, 서셉터(11)와 안테나(20) 사이에 플라즈마 공간 U가 형성된다. 안테나(20)의 상부에는, 마이크로파를 전송하는 마이크로파 전송 기구(30)가 연결되어, 마이크로파 출력부(40)로부터 출력된 마이크로파를 안테나(20)에 전달하도록 되어 있다.
플라즈마 처리 장치(1)에는, 도 1에 도시한 바와 같이 제어부(500)가 설치되어 있다. 제어부(500)는, 예를 들어 컴퓨터이며, 프로그램 저장부(도시하지 않음)를 갖고 있다. 프로그램 저장부에는, 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서의 웨이퍼(W)의 처리를 제어하는 프로그램이 저장되어 있다. 또한, 상기 프로그램은, 예를 들어 컴퓨터 판독 가능한 하드 디스크(HD), 플렉시블 디스크(FD), 콤팩트 디스크(CD), 마그네트 옵티컬 디스크(MO), 메모리 카드 등의 컴퓨터에 판독 가능한 기억 매체에 기록되어 있던 것으로서, 그 기억 매체로부터 제어부(500)에 인스톨된 것이어도 된다.
이어서, 도 2를 참조하면서, 마이크로파 출력부(40) 및 마이크로파 전송 기구(30)의 구성에 대해서 설명한다.
마이크로파 출력부(40)는, 마이크로파용 전원(41), 마이크로파 발진기(42), 증폭기(43) 및 증폭된 마이크로파를 복수로 분배하는 분배기(44)를 갖고 있다. 마이크로파용 전원(41)은, 마이크로파 발진기(42)에 대하여 전력을 공급한다. 마이크로파 발진기(42)는, 예를 들어 860㎒의 소정 주파수의 마이크로파를 PLL 발진시킨다. 증폭기(43)는, 발진된 마이크로파를 증폭한다. 분배기(44)는 마이크로파의 손실이 가능한 한 일어나지 않도록, 입력측과 출력측의 임피던스 정합을 취하면서, 증폭기(43)에서 증폭된 마이크로파를 분배한다.
마이크로파 전송 기구(30)는, 분배기(44)에서 분배된 마이크로파를 처리 용기 안으로 유도하는 복수의 안테나 모듈(50)과 마이크로파 도입 기구(51)를 갖고 있다. 또한, 도 2에서는, 마이크로파 전송 기구(30)가 2개의 안테나 모듈(50)과 2개의 마이크로파 도입 기구(51)를 구비하고 있는 상태를 모식적으로 묘사하여 도시하고 있지만, 본 실시 형태에서는, 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같이, 마이크로파 전송 기구(30)는 안테나 모듈(50)을 예를 들어 7개 갖고 있으며, 6개의 안테나 모듈(50)이 동일 원주 형상으로, 그 중심에 1개의 안테나 모듈(50)이 안테나(20)의 상부에 배치되어 있다.
안테나 모듈(50)은, 위상기(52), 가변 게인 앰프(53), 메인 증폭기(54) 및 아이솔레이터(55)를 갖고 있고, 마이크로파 출력부(40)로부터 출력된 마이크로파를 마이크로파 도입 기구(51)로 전송한다.
위상기(52)는, 마이크로파의 위상을 변화시키도록 구성되고, 이것을 조정함으로써 마이크로파의 방사 특성을 변조시킬 수 있다. 이에 의하면, 지향성을 제어해서 플라즈마 분포를 변화시킬 수 있다. 또한, 이러한 방사 특성의 변조가 불필요한 경우에는 위상기(52)는 설치할 필요는 없다.
가변 게인 앰프(53)는, 메인 증폭기(54)에 입력하는 마이크로파의 전력 레벨을 조정하여, 플라즈마 강도의 조정을 행한다. 메인 증폭기(54)는, 솔리드 스테이트 앰프를 구성한다. 솔리드 스테이트 앰프는, 도시하지 않은 입력 정합 회로, 반도체 증폭 소자, 출력 정합 회로 및 고Q 공진 회로를 갖는 구성으로 할 수 있다.
아이솔레이터(55)는, 안테나(20)에서 반사해서 메인 증폭기(54)로 되돌아오는 마이크로파의 반사파를 분리하는 것이며, 써큐레이터와 더미 로드(동축 종단기)를 갖고 있다. 써큐레이터는, 안테나(20)에서 반사한 마이크로파를 더미 로드로 유도하고, 더미 로드는, 써큐레이터에 의해 유도된 마이크로파의 반사파를 열로 변환한다.
이어서, 마이크로파 도입 기구(51) 및 플라즈마 발생용 안테나(20)의 구성에 대해서 도 4를 참조하면서 설명한다. 도 4는, 본 실시 형태에 따른 마이크로파 도입 기구(51) 및 안테나(20)의 예를 들어 좌측 절반의 구성의 개략을 확대해서 나타낸 종단면도이다.
마이크로파 도입 기구(51)는, 동축 관(60) 및 지파판(70)을 갖고 있다. 동축 관(60)은, 통형상의 외부 도체(60a) 및 그 중심에 설치된 막대 형상의 내부 도체(60b)로 이루어지는 동축형의 도파관을 갖고 있다. 동축 관(60)의 하단에는, 지파판(70)을 개재하여 안테나(20)가 설치되어 있다. 동축 관(60)은, 내부 도체(60b)가 급전측, 외부 도체(60a)가 접지측으로 되어 있다. 동축 관(60)에는, 튜너(80)가 설치되어 있다. 튜너(80)는, 예를 들어 2개의 슬래그(80a)를 갖고, 슬래그 튜너를 구성하고 있다. 슬래그(80a)는 유전 부재의 판상체로서 구성되어 있고, 동축 관(60)의 내부 도체(60b)와 외부 도체(60a) 사이에 원환상으로 설치되어 있다. 튜너(80)는, 후술하는 제어부(500)로부터의 명령에 기초하여, 도시하지 않은 구동 기구에 의해 슬래그(80a)를 상하 이동시킴으로써, 동축 관(60)의 임피던스를 조정하도록 되어 있다.
지파판(70)은, 동축 관(60)의 하면에 인접해서 설치되어 있다. 지파판(70)은, 원판 형상의 유전체 부재로 형성되어 있다. 지파판(70)은, 동축 관(60)을 따라 전송한 마이크로파를 투과하여, 안테나(20)로 유도한다.
안테나(20)는, 샤워 플레이트(100)를 갖고 있다. 샤워 플레이트(100)는, 지파판(70)의 하면에 인접해서 설치되어 있다. 샤워 플레이트(100)는, 지파판(70)보다 직경이 큰 대략 원반 형상이며, 알루미늄이나 구리 등의 전기 전도율이 높은 도전체에 의해 형성되어 있다. 샤워 플레이트(100)는, 처리 용기(10)의 플라즈마 공간 U측으로 노출되고, 노출된 하면에 표면파를 전파시킨다. 여기에서는, 샤워 플레이트(100)의 금속면이 플라즈마 공간 U측으로 노출되어 있다. 이와 같이 노출된 하면에 전파하는 표면파를 이하, 금속 표면파라고 한다.
샤워 플레이트(100)의 하면이며, 동축 관(60)의 하방에 대응하는 위치에는, 하방, 즉 플라즈마 공간 U측으로 돌출된 수하 부재(101)가 설치되어 있다. 수하 부재(101)는, 원형의 저면 형상을 갖는 대략 원뿔대 형상이며, 샤워 플레이트(100)와 마찬가지로, 알루미늄이나 구리 등의 전기 전도율이 높은 도전체에 의해 형성되어 있다. 수하 부재(101)의 외측면은, 예를 들어 그 상단면부터 하단면을 향해서 점차 외측으로 퍼지는, 예를 들어 샤워 플레이트(100)와 수하 부재(101)의 외측면의 접점을 원점으로 하는 포물선 형상을 갖고 있다.
샤워 플레이트(100)는, 대략 원반 형상의 상부 플레이트(110)와, 마찬가지로 대략 원반 형상의 하부 플레이트(120)를 상하로 겹친 구성으로 되어 있다. 상부 플레이트(110)에는, 그 상면을 관통하고, 그 상부 플레이트(110)의 직경 방향으로 가스를 유통시키는 가스 유로(130)가 형성되어 있다. 가스 유로(130)에는, 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급원(131)이 공급관(132)을 통해서 접속되어 있다. 또한, 제1 가스는, 복수의 종류의 가스여도 되고, 또한 그들의 혼합 가스여도 된다. 제1 가스로서는, 원료 가스로서의 예를 들어 모노실란 가스(SiH4) 등이 사용된다. 상부 플레이트(110)의 하면이며 수하 부재(101)의 외측면보다 내측의 위치에는, 가스 유로(130)에 연통하는 복수의 제1 가스 공급구(133)가 연직 상방으로 연신해서 형성되어 있다. 또한, 상부 플레이트(110)의 제1 가스 공급구(133)와는 다른 위치에는, 마이크로파를 통과시키는 마이크로파 방사 구멍으로서의 슬롯(220)이 복수 형성되어 있다. 또한, 상기 슬롯(220)의 중심으로부터 연직 하방을 향해서 그은 가상선이, 수하 부재(101)의 외측면과 교차하도록, 수하 부재(101)의 형상과 슬롯(220)의 배치가 설정되어 있는 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 평면에서 볼 때, 슬롯(220)의 중심이, 수하 부재(101) 하면의 외주 단부보다 내측에 위치하도록, 슬롯(220)이 배치되어 있는 것이 바람직하다.
하부 플레이트(120)에 있어서의, 상부 플레이트(110)의 각 제1 가스 공급구(133)에 대응하는 위치에는, 그 하부 플레이트(120)를 상하 방향으로 관통하는 관통 구멍(150)이 각각 형성되어 있다. 이에 의해, 제1 가스 공급구(133)로부터 공급되는 제1 가스는 관통 구멍(150)을 지나서 하부 플레이트(120)의 하단면에 도달할 수 있다. 또한, 하부 플레이트(120)에 있어서의, 상부 플레이트(110)의 슬롯(220)에 대응하는 위치에는, 상부 플레이트(110)와 마찬가지로, 슬롯(220)이 형성되어 있다.
수하 부재(101)의 내부이며 각 관통 구멍(150)의 하단에 대응하는 위치에는, 그 수하 부재(101)의 상단면부터 하단면으로 연통하는 관통 구멍(160)이 각각 형성되어 있다. 또한, 수하 부재(101)는, 하부 플레이트(120)의 하단으로부터 연직 하방으로 소정의 길이 L만큼 돌출되어 설치되어 있다. 따라서, 제1 가스 공급원(131)으로부터 가스 유로(130)에 공급된 제1 가스는, 이 복수의 관통 구멍(160)을 지나서, 하부 플레이트(120)보다 소정의 길이 L만큼 낮은 위치로부터 처리 용기(10)의 플라즈마 공간 U에 도입된다.
또한, 하부 플레이트(120)에는, 그 측면을 관통하고, 그 하부 플레이트(120)의 직경 방향으로 가스를 유통시키는 가스 유로(140)가 형성되어 있다. 가스 유로(140)에는, 제2 가스를 공급하는 제2 가스 공급원(141)이 공급관(142)을 통해서 접속되어 있다. 제2 가스로서는, 플라즈마 발생용의 예를 들어 질소 가스, 아르곤 가스, 수소 가스, 또는 이들 가스를 혼합한 가스 등이 사용된다. 또한, 가스 유로(140)를 유통하는 가스와 가스 유로(130)를 유통하는 가스가 샤워 플레이트(100) 내에서 혼합하는 일이 없도록, 가스 유로(140)는 가스 유로(130)와는 완전히 독립해서 설치되어 있다.
하부 플레이트(120)의 하면이며 수하 부재(101)의 외측면보다 외측의 위치이고 또한 슬롯(220)과는 다른 위치에는, 가스 유로(140)에 연통하는 복수의 제2 가스 공급구(151)가 연직 상방으로 연신해서 형성되어 있다. 제2 가스 공급원(141)으로부터 가스 유로(140)에 공급된 제2 가스는 각 제2 가스 공급구(151)를 지나서, 하부 플레이트(120)의 하면으로부터 처리 용기(10)의 플라즈마 공간 U에 도입된다.
상술한 복수의 슬롯(220)은, 가스의 공급 경로인 가스 유로(130, 140), 복수의 제1 가스 공급구(133), 제2 가스 공급구(151) 및 관통 구멍(150, 160)과는 다른 위치에 설치되고, 샤워 플레이트(100)의 직경 방향에 대하여 수직인 방향으로 관통하고 있다. 슬롯(220)의 일단은 지파판(70)에 인접하고, 타단은 처리 용기(10)의 플라즈마 공간 U측에 개구되어 있다. 마이크로파는, 동축 관(60)을 전파하고, 지파판(70)을 투과한 후, 복수의 슬롯(220)으로 인도되어 처리 용기(10) 내에 방사된다. 또한, 슬롯(220)의 내부를 석영 등의 유전체로 채우는 구조로 해도 된다.
관통 구멍(160) 및 제2 가스 공급구(151)의 직경은, 처리 용기(10) 안으로 방사된 마이크로파가 그 관통 구멍(160) 및 제2 가스 공급구(151)의 내부로 인입하지 않는 크기로 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 예를 들어 0.6㎜이다. 또한, 슬롯(220)과 제1 가스 공급구(133), 제2 가스 공급구(151) 및 관통 구멍(150, 160)는 샤워 플레이트(100) 내에서 완전히 분리되어 있다. 이에 의해, 제1 가스 공급구(133), 제2 가스 공급구(151)나 관통 구멍(150, 160)에서의 이상 방전을 방지할 수 있다.
또한, 지파판(70), 상부 플레이트(110) 및 하부 플레이트(120)의 접촉면은, 각각 도시하지 않은 O링에 의해 시일되어 있다. 이에 의해, 처리 용기(10)나 슬롯(220)의 내부를 진공 상태로 함과 함께, 샤워 플레이트(100) 내에서 제1 가스와 제2 가스가 혼합하는 것을 피할 수 있다.
또한, 샤워 플레이트(100)의 플라즈마측에 노출된 면, 즉 하부 플레이트(120)의 하면 및 수하 부재(101)의 표면은, 용사에 의해 예를 들어 알루미나(Al2O3)나 이트리아(Y2O3)의 피막(도시하지 않음)으로 덮여 있어도 된다. 그에 의해, 도체면이 플라즈마 공간측에 노출되지 않도록 해도 된다.
도 5는 수하 부재(101), 하부 플레이트(120)와, 제2 가스 공급구(151) 및 수하 부재(101)에 형성된 관통 구멍(160)의 개략적인 위치 관계의 일례를 나타내는 것으로, 수하 부재(101) 근방을 비스듬히 하방에서 본 상태를 나타낸 사시도이다. 또한, 도 5에서는, 슬롯(220)에 대해서는, 그 기재를 생략하고 있다. 예를 들어 도 5에 도시한 바와 같이, 수하 부재(101)에 형성된 관통 구멍(160)은, 그 수하 부재(101)의 중앙부 근방에 동심원 형상으로 복수 배치되어 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 제1 가스 공급구(133) 및 관통 구멍(150)은, 관통 구멍(160)에 대응하는 위치에 형성되어 있다. 그 때문에, 본 실시 형태에 있어서는, 제1 가스 공급구(133) 및 관통 구멍(150)도, 예를 들어 도 5에 도시한 바와 같이 수하 부재(101)과 동심원 형상의 배치로 되어 있다. 제2 가스 공급구(151)는, 수하 부재(101)의 상단부와 예를 들어 동심원 형상으로 복수 배치되어 있다. 또한, 도 5에서는, 제2 가스 공급구(151)는, 수하 부재(101)를 하방에서 본 경우, 수하 부재(101)에 덮여서 시인할 수 없는 위치에 배치되어 있지만, 반드시 수하 부재(101)에 의해 시인할 수 없는 위치에 배치할 필요는 없다.
이어서, 샤워 플레이트(100) 및 수하 부재(101) 근방의 구성에 대해서, 본 발명의 원리와 더불어 설명한다. 마이크로파를 사용한 플라즈마 처리에 있어서, 웨이퍼(W)에 성막할 때에 원료 가스로서 사용되는, 예를 들어 모노실란(SiH4)을 SiH3으로 분해하기 위해서는, 약 8.75eV 이상의 에너지가 필요하게 된다. 그 한편으로, 플라즈마 발생용 가스로서 사용되는, 예를 들어 질소 가스는, 그 결합 에너지가 약 9.91eV이다. 즉, 질소 가스를 여기해서 질소 플라즈마나 질소 라디칼을 생성하기 위해서는, 약 9.91eV 이상의 에너지를 부여할 필요가 있다. 따라서, 이러한 경우의 마이크로파 플라즈마 처리에 있어서 안테나(20)로 공급하는 마이크로파의 출력은, 보다 높은 에너지, 즉 플라즈마 발생용 가스를 여기하기 위한 에너지를 기준으로 해서 결정된다. 여기서, 금속 표면파를 사용한 마이크로파 플라즈마 처리(특히 에바네센트파를 응용한 표면파에 의한 플라즈마 처리)에 있어서는, 통상 안테나(20)의 하단면 근방, 예를 들어 안테나 하면으로부터 대략 5㎜ 이내의 영역은, 안테나 하면으로부터 대략 5㎜ 이상 이격된 영역과 비교해서 전자 온도가 높아진다.
또한, 본 발명자들이 조사한 바, 전자 온도는, 샤워 플레이트(100)에 형성된 슬롯(220)의 근방에서 특히 높아지는 것이 확인되었다. 도 6에 슬롯(220)이 외주부에 형성된 샤워 플레이트(100) 근방에 있어서의 전자 온도의 분포를 나타낸다. 도 6의 종축은, 처리 용기(10) 내에 있어서의 높이, 횡축은 동축 관(60)의 중심축으로부터의 수평 방향의 거리이다. 또한, 도 6에서는, 슬롯(220)의 중심이 동축 관(60)의 중심축으로부터 대략 35㎜인 경우의 전자 온도 분포에 대해서 묘사하여 도시하고 있다. 또한, 도 6에 나타내는 파선은, 전자 온도가 1eV로 되는 경계선이다. 도 6에서는, 상기 파선보다 슬롯(220)에 치우친 영역 X(슬롯(220)을 중심으로 해서, 대략 반경 35㎜ 정도의 영역)에서는 전자 온도가 1eV보다 높게 되어 있어, 슬롯(220)의 근방이 고전자 온도의 영역이 되어 있는 것을 나타내고 있다. 즉, 상기 영역 X에 있어서는 플라즈마 발생용 가스 및 원료 가스가 활발하게 전리한다. 그 때문에, 종래와 같이, 샤워 플레이트로부터 플라즈마 발생용 가스로서 질소 가스와, 원료 가스로서 모노실란 가스의 양쪽을 공급하면, 질소 가스는 전자 온도가 높은 영역 X에 있어서는 분해되어 질소 이온, 질소 원자 라디칼, 질소 원자로 되지만, 전자 온도가 낮은 영역에서는 에너지가 충분하지 않기 때문에, 반응성이 높은 원자 형상 질소는 거의 생성되지 않는다. 그 한편, 모노실란 가스는, 영역 X의 외측에 있어서도 SiH3으로 분해되지만, 전자 온도가 높아지는 영역 X에 있어서 SiH2, SiH가 많이 생성되기 때문에, 이 영역 X에서 SiH2, SiH가 과잉으로 생성되어 실리콘이 성막되어, 샤워 플레이트의 가스 공급구에 퇴적되어 버렸다.
반응 생성과 기상 반응에 의한 퇴적물을 억제하기 위해서는 안테나(20)에 공급하는 마이크로파의 출력을 낮추고, 그에 의해 영역 X에 있어서의 전자 온도를 저하시키면 된다. 그러나, SiH2, SiH의 과잉 생성을 방지하는 것을 목적으로 해서 마이크로파의 출력을 낮추면, 플라즈마 발생용 가스를 분해하기 위한 소정의 전자 온도를 얻지 못하게 된다. 그 때문에, 마이크로파의 출력을 낮추는 것에도 한계가 있다.
따라서, 본 발명자들은, 가스 공급구에 퇴적되는 불필요한 반응 생성과 기상 반응에 의한 퇴적물을 억제하기 위해서, 샤워 플레이트(100)로부터 공급되는 원료 가스를, 전자 온도가 높은 영역 X를 통과시키지 않고 처리 용기(10) 내에 도입하는 방법에 대해서 예의 검토하였다. 단, 종래와 같이 처리 용기(10)의 측벽으로부터 처리 용기(10) 내에 원료 가스를 공급하면, 처리 용기(10) 내의 가스 흐름을 제어하는 것이 곤란해져서, 균일한 플라즈마를 얻지 못한다.
따라서 본 발명자들은, 샤워 플레이트(100)의 내부에서 플라즈마 발생용 가스와 원료 가스가 혼합되지 않도록 각각 개별로 가스 유로(130, 140)를 설치하고, 또한 플라즈마 발생용 가스를 영역 X 또는 영역 X의 근방에 공급하고, 그 한편으로 원료 가스를 영역 X로부터 이격된 장소에 각각 공급하면, 원료 가스의 과잉의 분해를 피할 수 있고 또한 플라즈마 발생용 가스를 효율적으로 여기할 수 있는 점에 착상하였다. 그리고 이 착상에 기초하여, 예를 들어 도 4에 도시한 바와 같은 수하 부재(101)를, 샤워 플레이트(100)의 하단에 설치하는 것에 상도하였다.
수하 부재(101)를, 샤워 플레이트(100)의 하단에 설치함에 있어서, 본 발명자들은 우선, 샤워 플레이트(100) 근방의 전계 강도에 대해서 조사하였다. 도 7 및 도 8에, 슬롯(220)이 외주부에 형성된 샤워 플레이트(100) 근방의 전계 강도의 분포 및 그 방향에 대해서 나타낸다. 도 7은 샤워 플레이트(100)만인 경우, 도 8은 샤워 플레이트(100)의 하단에 수하 부재(101)를 설치한 경우의 전계 강도 분포를 나타내고 있다. 도 7, 도 8의 삼각형의 크기는 전계 강도의 강도, 삼각형의 방향은 전계의 방향을 각각 나타내고 있다. 도 7에 도시한 바와 같이 수하 부재(101)를 설치하지 않은 샤워 플레이트(100)에 있어서는, 전계는 주로 하방으로 향하고 있지만, 수하 부재(101)를 설치함으로써, 도 8에 도시한 바와 같이, 수하 부재(101)의 외측면 근방에서 가로 방향의 전계 강도가 높아지는 것이 확인되었다. 이러한 점에서, 수하 부재(101)의 외측면 근방에서 고전자 온도가 얻어지는 것으로 추정된다. 이것은, 수하 부재(101)의 외측면이 상단부로부터 하단부를 향해서 외측으로 퍼지고 있으므로, 그 수하 부재(101)의 외측면에서 마이크로파가 가로 방향이나 비스듬한 상 방향으로 반사되어, 수하 부재(101)의 외측면 근방에 있어서 고에너지의 상태가 형성되어 있는 것이 원인이라고 생각된다.
이어서, 샤워 플레이트(100)에 수하 부재(101)를 설치한 경우의, 샤워 플레이트(100) 근방의 전자 온도의 분포를 도 9에 나타낸다. 또한, 도 9에 있어서도 동축 관(60)의 중심축과 슬롯(220)의 중심까지의 거리는, 도 6의 경우와 마찬가지로 대략 35㎜이며, 수하 부재(101)의 하면의 반경은 대략 45㎜이다. 수하 부재(101)를 설치함으로써, 전자 온도가 1eV 이상으로 되는 영역 X는, 슬롯(220)의 근방이고 또한 수하 부재(101)의 외측면에 분포하고, 수하 부재(101)의 하면에서는, 전자 온도는 대략 1eV 이하로 되는 것을 도 9에서 확인할 수 있다. 이것은, 상술한 바와 같이, 수하 부재(101)의 외측면이 상단부로부터 하단부를 향해서 외측으로 퍼지고 있으므로, 그 수하 부재(101)의 외측면에서 마이크로파가 가로 방향이나 비스듬한 상 방향으로 반사되고, 그에 의해 수하 부재의 외측면 근방에 있어서의 전계 강도가 높아지는 것이 원인이라고 추정된다.
따라서, 도 4에 도시한 바와 같이, 제2 가스 공급구(151)를 수하 부재(101)의 외측면의 외측에 배치하고, 제1 가스 공급구(133) 및 관통 구멍(150, 160)을 수하 부재(101)의 외측면보다 내측에 배치함으로써, 한쪽에서는, 영역 X에 플라즈마 발생용 가스를 집중적으로 공급하고, 다른 쪽에서는, 분해하기 쉬운 원료 가스를, 영역 X를 통과시키지 않고 처리 용기(10) 내에 도입할 수 있다. 이러한 경우, 원료 가스가 영역 X에서 과잉으로 분해되는 것을 억제할 수 있으므로, 원료 가스에 의한 전구체의 생성을 억제하여, 관통 구멍(160)이나 제2 가스 공급구(151)가 폐색되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 수하 부재(101)를 설치한 경우의 샤워 플레이트(100) 근방의 전자 밀도에 대해서도 확인한 바, 도 10에 도시한 바와 같이, 슬롯(220)의 근방이고 또한 수하 부재(101)의 외측면 근방에 고밀도의 영역이 형성되어 있는 것이 확인되었다. 이러한 점에서도, 영역 X는 고에너지의 상태로 되어 있고, 그 영역 X에 있어서 플라즈마 발생용 가스가 효율적으로 여기되는 것을 확인할 수 있다.
여기서, 예를 들어 도 9에서 확인할 수 있듯이, 전자 온도가 높은 영역 X는, 수하 부재(101)의 외측면으로부터 외측 방향으로 분포되어 있고, 예를 들어 수하 부재를 하방에서 본 경우에, 수하 부재(101) 저면의 외측 위치에도 영역 X가 분포되어 있다. 그 때문에, 상술한 바와 같이, 제2 가스 공급구(151)는, 반드시 수하 부재(101)를 하방에서 본 경우에 수하 부재(101)에 덮여서 시인할 수 없는 위치에 설치할 필요는 없으며, 영역 X에 면한 위치에 설치되어 있으면 된다. 또한, 본 발명자들에 따르면, 예를 들어 본 실시 형태와 같이, 수하 부재(101)의 외측면이, 샤워 플레이트(100)의 하부 플레이트(120)와 수하 부재(101)의 접점을 원점으로 하는 포물선 형상을 갖는 경우, 그 포물선의 초점 근방에서 고에너지 상태로 되는 것이 확인되어 있다. 이러한 경우, 제2 가스 공급구(151)는 초점 근방에 면한 위치에 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 하부 플레이트(120)에 돌기물인 수하 부재(101)를 설치함으로써, 그 수하 부재(101)에도 표면파가 전파함으로써, 플라즈마 공간 U에 있어서의 균일한 플라즈마의 생성이 저해될 가능성이 있다. 그 때문에, 수하 부재(101)의 길이 L은, 최대라도 처리 용기(10) 내에 도입하는 마이크로파의 파장 이하로 하는 것이 바람직하고, 파장의 1/2 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 본 발명자들에 의하면, 이와 같이 수하 부재(101)의 길이 L을 설정함으로써, 수하 부재(101)에서의 표면파의 전파를 억제하여, 처리 용기(10) 내에 안정적으로 플라즈마를 생성할 수 있는 것이 확인되고 있다. 본 실시 형태에서는, 파장이 348.6㎜인 860㎒의 마이크로파를 사용하므로, 수하 부재(101)의 길이 L은 대략 10㎜ 내지 60㎜의 범위에서 설정하는 것이 바람직하고, 20㎜ 내지 40㎜의 범위에서 설정하는 것이 보다 바람직하다.
본 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)는 이상과 같은 지견에 기초하는 것이다. 이어서, 플라즈마 처리 장치(1)를 사용해서 행해지는 처리에 대해서, 웨이퍼(W)에 질화 실리콘막을 형성하는 경우를 예로 들어 설명한다.
먼저, 웨이퍼(W)를 처리 용기(10) 내에 반입하고, 서셉터(11) 위에 적재한다. 그리고, 제2 가스 공급원(141)으로부터, 플라즈마 발생용 가스로서 질소 가스, 아르곤 가스 및 수소 가스를 혼합한 가스를 샤워 플레이트(100)의 하부 플레이트(120)를 통해서 처리 용기(10) 내에 도입한다. 계속해서, 마이크로파가 마이크로파 출력부(40)로부터 출력되고, 마이크로파 전송 기구(30) 및 지파판(70), 슬롯(220)을 지나서 처리 용기(10) 내에 마이크로파가 도입된다. 이에 의해, 안테나(20) 및 수하 부재(101)의 표면에 형성된 금속 표면파에 의해 표면파 플라즈마가 생성된다. 이때, 슬롯(220)이 형성된 수하 부재(101)의 외측면 근방의 영역 X는 고에너지의 상태로 되어 있으므로, 수하 부재(101)의 외측면 근방에 형성된 제2 가스 공급구(151)로부터 공급되는 플라즈마 발생용 가스는, 이 영역 X에서 고에너지에 의해 여기되어, 효율적으로 질소 라디칼이 생성된다. 그와 더불어, 제1 가스 공급원(131)으로부터, 원료 가스로서의 모노실란 가스가 제1 가스 공급구(133), 관통 구멍(150, 160)을 통해서 처리 용기(10) 내에 도입된다.
처리 용기(10) 내에 도입된 모노실란 가스는, 플라즈마에 의해 여기되어 SiH3로 분해된다. 이때, 모노실란 가스는 수하 부재(101)의 저면으로부터 처리 용기(10)의 플라즈마 공간 U에 도입되므로, 모노실란 가스는 전자 온도가 높은 영역 X를 통과하는 일이 없다. 그 결과, 과잉의 SiH3에 의한 반응 생성과 기상 반응이 억제된다.
그리고, 질소 라디칼 및 SiH3는, 샤워 플레이트(100)로부터 웨이퍼(W)를 향하는 연직 하방의 가스 흐름에 수반하여 웨이퍼(W)의 표면에 도달하여, 웨이퍼(W) 상면에 질화 실리콘으로서 퇴적된다. 이에 의해, 웨이퍼(W)의 상면에 질화 실리콘막이 형성된다.
이상의 실시 형태에 따르면, 수하 부재(101)의 외측면보다 내측에 제1 가스 공급구(133)가 형성되어 있기 때문에, 제1 가스가, 샤워 플레이트(100)에 형성된 슬롯(220) 근방의 전자 온도가 높은 영역 X를 통과하는 일이 없다. 따라서, 모노실란 가스가 표면파 플라즈마에 의해 과잉으로 분해되는 것을 피할 수 있다. 그 결과, 샤워 플레이트(100)를 사용해서 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리를 실시함에 있어서, 샤워 플레이트(100)의 관통 구멍(160)이나 제2 가스 공급구(151)와 같은 가스 구멍에 반응 생성과 기상 반응에 의한 퇴적물, 본 실시 형태에서는 실리콘막이 성막되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 수하 부재(101)의 외측면이 포물선 형상을 갖고 또한 슬롯(220)의 중심으로부터 연직 하방을 향해서 그은 가상선과 이 포물선이 교차하도록 수하 부재(101)의 형상과 슬롯(220)의 배치가 설정되어 있으므로, 그 수하 부재(101)의 외측면에서 마이크로파가 가로 방향이나 비스듬한 상 방향으로 반사된다. 그 때문에, 수하 부재(101)의 외측면 근방에 있어서의 전계 강도가 높아져, 수하 부재(101)의 외측면에 고에너지 상태의 영역 X가 형성된다. 그 결과, 제2 가스 공급구로부터 공급되는 제2 가스는, 영역 X에 있어서 효율적으로 여기되므로, 효율적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 또한, 슬롯(220)과 수하 부재(101)의 위치 관계는, 반드시 본 실시 형태의 내용에 한정되는 것은 아니고, 슬롯(220)이 수하 부재(101) 외측면의 포물선 형상의 외측에 위치해 있더라도, 슬롯(220)으로부터 도입되는 마이크로파는 수하 부재(101)의 외측면에 의해 반사되므로, 수하 부재(101)의 외측면 근방에 전계 강도가 높은 영역을 형성할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, 샤워 플레이트(100)의 하면에 수하 부재(101)를 설치함으로써, 예를 들어 도 8에 도시한 바와 같이, 수하 부재(101)의 외측면 근방에서 가로 방향의 전계 강도가 높아진다. 여기서, 수하 부재(101)를 설치하지 않은 종래의 샤워 플레이트에 있어서는, 예를 들어 도 7에 도시한 바와 같이, 그 샤워 플레이트로부터 가로 방향으로의 전계의 확대가 크지 않고, 동축 관(60)의 하방에 대응하는 영역의 전계 강도는, 그 이외의 영역의 전계 강도보다 상대적으로 높아지는 경향이 있었다. 그 결과, 처리 용기 내의 전계 강도가 불균일해져서, 플라즈마 처리의 균일성에는 한계가 있었다. 이러한 점에서, 본 실시 형태와 같이 수하 부재(101)를 설치함으로써, 가로 방향의 전계 강도를 높여서, 종래보다 전계 강도 분포를 균일화할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에 의하면, 종래보다 균일성이 높은 플라즈마 처리를 행할 수 있다.
또한, 하부 플레이트(120)의 하면 근방은 표면파 플라즈마에 의해 고온이 되기 때문에, 가스 유로(140) 내를 유통하는 가스도 이 플라즈마의 열에 의해 온도 상승한다. 그 결과, 가스 유로(140) 내의 가스의 내부 에너지가 증가하여, 표면파 플라즈마에 의해 분해하기 쉬운 상태로 된다. 따라서, 분해하기 어려운 가스, 즉 이 경우에는 플라즈마 발생용 가스를 가스 유로(140) 내에 유통시키면, 표면파 플라즈마에 의한 분해를 촉진할 수 있다. 따라서, 플라즈마 발생용 가스를 공급하는 제2 가스 공급원(141)은 하부 플레이트(120)의 가스 유로(140)에 접속하는 것이 바람직하다.
또한, 이상의 실시 형태에서는, 제1 가스 공급구(133)는, 수하 부재(101)에 대응하는 위치에만 형성되어 있었지만, 제1 가스 공급구(133)는, 수하 부재(101)에 대응하는 위치 이외에 형성되어 있어도 되고, 예를 들어 도 11에 도시한 바와 같이, 샤워 플레이트(100)의 하면에, 제2 가스 공급구(151)와 제1 가스 공급구(133)가 대략 등간격으로 되도록 배치해도 된다. 또한, 하부 플레이트(120)의 제1 가스 공급구(133)에 대응하는 위치에는, 관통 구멍(150)이 형성된다. 이러한 경우, 하부 플레이트(120) 하면의 전자 온도가 높은 영역을 원료 가스인 제1 가스가 통과함으로써, 반응 생성과 기상 반응에 의한 퇴적물이 제2 가스 공급구(151)나 관통 구멍(150)과 같은 가스 구멍을 막는 것을 방지하기 때문에, 관통 구멍(150)의 하단에는 소정 길이의 공급 노즐(200)을 설치해도 된다. 또한, 도 11에서는, 공급 노즐(200)의 길이는 수하 부재(101)의 길이 L과 동등한 상태를 묘사하여 도시하고 있지만, 공급 노즐(200)의 길이는 본 실시 형태의 내용에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 상술한 바와 같이 샤워 플레이트(100)의 하면으로부터 대략 5㎜ 이내의, 전자 온도가 비교적 높은 영역을 통과하는 길이이면 임의로 설정할 수 있다. 또한, 돌기물인 공급 노즐(200)을 설치함으로써, 그 공급 노즐(200)에도 표면파가 전파해서 공진을 일으켜서, 플라즈마 공간 U에 있어서의 균일한 플라즈마의 생성이 저해될 가능성이 있다. 그 때문에, 공급 노즐(200)의 길이는, 처리 용기(10) 내에 도입하는 마이크로파의 파장의 1/16 내지 3/16 정도, 보다 바람직하게는 1/8 정도로 하는 것이 바람직하다.
또한, 이상의 실시 형태에서는, 수하 부재(101)의 외측면은 포물선 형상을 갖고 있었지만, 수하 부재(101)의 형상은, 본 실시 형태의 내용에 한정되는 것은 아니고, 외측면이, 상단부로부터 하단부를 향해서 외측으로 퍼지는 형상이면, 임의로 설정이 가능하다. 예를 들어, 도 12에 도시한 바와 같이, 외측면이 직선 형상으로 형성된, 대략 원뿔대 형상의 수하 부재(300)를 사용해도 되고, 예를 들어 도 13에 도시한 바와 같이, 외측면의 접선 방향이 서서히 경사 방향으로부터 연직 방향으로 변화하는 대략 2차 곡선 형상인 수하 부재(310)를 사용해도 된다. 본 발명에 의하면, 수하 부재(101)의 외측면이, 상단부부터 하단부를 향해서 외측으로 퍼지는 형상을 갖고 있으면, 수하 부재(101)의 외측면에서 마이크로파가 가로 방향이나 비스듬한 상 방향으로 반사되므로, 수하 부재(101)의 외측면 근방에 있어서 고에너지의 상태를 형성할 수 있다.
이상의 실시 형태에서는, 수하 부재(101)의 내부에 상하 방향으로 관통하는 관통 구멍(160)을 형성하고 있었지만, 관통 구멍(160)은 예를 들어 경사 방향으로 연신해 있어도 되고, 예를 들어 모노실란 가스와 같은 원료 가스가 과잉으로 분해되는 일이 없도록, 영역 X와 면하지 않는 위치에 형성되어 있으면, 그 형상은 임의로 설정할 수 있다. 또한, 예를 들어 도 14에 도시한 바와 같이, 수하 부재(101)의 내부에, 하부 플레이트(120)의 관통 구멍(150)과 연통하는 가스실(101a)을 형성하고, 그 가스실(101a)의 하방에 관통 구멍(160)을 형성하도록 해도 된다.
또한, 이상의 실시 형태에서는, 수하 부재(101)의 중앙부 근방에 복수의 관통 구멍(160)이 형성되어 있고, 제1 가스 공급구(133)도 그 관통 구멍(160)에 대응하는 위치에 형성되어 있었지만, 제1 가스 공급구(133) 및 관통 구멍(160)은 본 실시 형태의 내용에 한정되지 않는다. 원료 가스로서의 모노실란 가스의 과잉의 분해를 억제한다는 관점에서는, 수하 부재(101) 하면의 면 내에 있어서, 전계 강도가 약하거나, 또는 전자 온도가 낮아지는 영역이 존재하면, 상기 저전계 강도, 저전자 온도로 되는 영역에만 관통 구멍(160)을 형성할 수도 있다.
이 점에 대해서 본 발명자들이 예의 조사한 바, 예를 들어 수하 부재(101) 하면의 소정의 위치에, 동심원 형상으로 전계 강도가 약해지는 영역이 존재하는 것이 확인되었다. 본 발명자들에 의하면, 이 전계 강도가 약해지는 영역은, 후술하는 바와 같이, 수하 부재(101)의 하면에 있어서의 전계 강도 분포를 나타내는 베셀 방정식의 해로서 얻어지는 베셀 함수의 극소값에 대응하는 위치에 존재한다. 이하, 이 전계 강도가 약해지는 영역에 대해서 설명한다.
본 발명자들은, 우선 수하 부재(101) 하면의 전계 강도 분포를, 랭뮤어 프로브 및 스펙트럼 분석기에 의해 측정하였다. 구체적으로는, 처리 용기(10)의 외부로부터 스펙트럼 분석기(도시하지 않음)에 접속한 랭뮤어 프로브(도시하지 않음)를 삽입하여, 수하 부재(101)의 하단면으로부터 대략 10㎜ 하방의 위치를, 수하 부재(101) 하면의 직경 방향을 따라 주사시켰다. 이때, 마이크로파 발진기(42)로부터는 860㎒의 마이크로파를 공급하였다. 또한, 수하 부재(101)의 반경은, 대략 45㎜이다. 그 결과를 도 15에 도시한다. 도 15의 횡축은 수하 부재(101)의 반경 방향의 위치와, 종축은 전계 강도를 각각 나타내고 있다.
도 15에 도시하는 전계 강도 분포에 따르면, 수하 부재(101) 하면의 중심으로부터 대략 20㎜의 위치에 전계 강도가 극소로 되는 점이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 스펙트럼 분석기에 있어서의 측정 결과에서는, 860㎒에 있어서 피크가 관측되었다. 이러한 점에서, 처리 용기(10) 내에 마이크로파를 도입한 경우, 수하 부재(101) 하면에는, 그 수하 부재(101)의 중심으로부터 반경 20㎜의 원의 원주 상의 위치에 있어서, 다른 영역과 비교해서 전계 강도가 낮은 영역이 형성되는 것을 알 수 있다.
그리고 본 발명자들은, 수하 부재(101)의 하면에 이러한 전계 강도 분포가 발생하는 이유에 대해서 더 검토하여, 그 전계 강도 분포가, 수하 부재(101)의 하면에 있어서의 전계 강도 분포를 나타내는 베셀 방정식의 해로서 얻어지는 베셀 함수에 대응하고 있는 것을 지견하였다. 이하에, 전계 강도 분포를 나타내는 베셀 방정식의 해로서 베셀 함수를 구하는 방법에 대해서 설명한다.
본 발명자들은, 수하 부재(101)의 하면을 전파하는 표면파는, 도 16에 도시한 바와 같은 원기둥 좌표계의 모델이 성립된다고 생각하였다. 구체적으로는, 금속인 수하 부재(101)의 저면(하면)(250)을 기준으로 해서, 연직 하방으로 소정의 두께 d의 원반 형상의 유전체(251)가 형성되고, 그 유전체(251)의 하면에 플라즈마(252)가 형성되는 상태이다. 여기서, 원기둥 좌표계의 반경은 a이다. 또한, 유전체(251)는 수하 부재(101)의 하방에 형성되는 플라즈마 시스이며, 그 비유전율은 1로 된다. 그리고, 표면파가 도 16에 도시한 바와 같은 원기둥 좌표계로 표현되는 경우, 표면파를 나타내는 맥스웰 방정식은, 예를 들어 도 17에 도시한 바와 같은, 베셀 방정식에 의해 나타낼 수 있다. 또한, 도 17에 나타내는 식에 있어서, Ez는 연직 방향의 전계 강도, r은 반경 방향의 좌표, k 및 β는 마이크로파의 파수이다.
그리고, 도 16에 나타내는 모델에 있어서는, 수하 부재(101)의 외주 단부는 개방되어 있으므로, 플라즈마 시스의 단부, 즉 유전체(251)의 단부를 개방단으로 하여 도 17의 식을 풀면, 베셀 방정식의 해로서, 도 18에 도시한 바와 같은 베셀 함수가 얻어진다.
그리고, 이 베셀 함수에 의해 반경 45㎜의 수하 부재(101) 하면의 전계 강도 분포의 이론값을 구하면, 예를 들어 도 19에 파선으로 나타내는 분포를 얻는다. 도 19의 횡축은 수하 부재(101)의 반경 방향의 위치와, 종축은 전계 강도를 각각 나타내고 있다. 또한, 도 19의 실선은, 도 15에 도시한 실측한 전계 강도 분포이다.
도 19에 도시한 바와 같이, 도 18의 함수로 나타나는 전계 강도 분포는, 대략 반경 20㎜ 근방의 위치에 극소점을 갖고 있으며, 도 15에 도시되는, 전계 강도 분포의 실측 데이터와 대략 정합한 것으로 되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이 결과로부터, 본 실시 형태에 따른 수하 부재(101)의 하면에 있어서의 전계 강도 분포는, 베셀 방정식의 해로서 얻어지는 베셀 함수에 의해 구해지는 것을 알 수 있다.
그리고, 수하 부재(101)의 하면에 있어서의 전계 강도 분포는, 소정의 반경, 본 실시 형태에서는 대략 반경 20㎜의 원의 원주 상에 있어서 극소의 값으로 된다. 따라서, 상술한 바와 같이, 수하 부재(101) 하면의 관통 구멍(160) 및 그 관통 구멍(160)에 대응하는 제1 가스 공급구(133)는, 베셀 함수의 극소값에 대응하는 위치에 형성하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 영역 X를 피함과 함께, 수하 부재(101) 하면의 보다 전계 강도가 낮은 영역을 통과해서 원료 가스를 처리 용기(10) 내로 도입시킬 수 있다. 그 결과, 예를 들어 원료 가스로서의 모노실란 가스의 과잉의 분해를 보다 효율적으로 억제할 수 있다. 또한, 이와 같이 극소값을 고려한 위치에 관통 구멍(160)을 형성함으로써, 극소값을 고려하지 않는 경우에 비해 수하 부재(101)의 돌출 길이 L을 상대적으로 짧게 하는 것이 가능하게 된다. 이 때문에, 처리 용기(10)의 용적을 작게 하는 것이 가능하게 되어, 스페이스의 절약과 같은 효과를 얻을 수 있다. 또한, 처리 용기(10) 내의 진공 배기에 필요로 하는 시간 등도 단축할 수 있는 점에서, 처리의 스루풋 향상이라고 하는 측면에서도 효과를 얻는 것이 가능하게 된다.
또한, 원료 가스를, 영역 X를 통과시키지 않고 처리 용기(10) 내에 도입한다고 하는 관점에서는, 수하 부재(101)는 반드시 그 내부를 원료 가스로서의 제1 가스가 통과하는 구조로 할 필요는 없고, 예를 들어 내부를 중공으로 한 환상의 수하 부재를 사용하여, 그 수하 부재의 내측면보다 내측에 제1 가스를 공급하도록 해도 된다. 구체적으로는, 예를 들어 도 20에 도시한 바와 같이, 하측 방향을 향해서 점차 직경이 커지는, 상단과 하단이 개구된 대략 원환상의 수하 부재(320)를 하부 플레이트(120)의 하면에 설치한다. 이러한 경우, 하부 플레이트(120)의 각 관통 구멍(150)의 하단에는, 연직 하방으로 소정의 길이 연신하는 공급 노즐(321)을 각각 설치하는 것이 바람직하다. 공급 노즐(321)을 경유함으로써 샤워 플레이트(100)의 하면으로부터 대략 5㎜ 이내의, 전자 온도가 비교적 높은 영역을 통과시키지 않고 원료 가스를 처리 용기(10) 내에 도입할 수 있다. 또한, 도 20에서는, 공급 노즐(321)의 길이는 수하 부재(320)의 길이 L과 동등한 상태를 묘사하여 도시하고 있지만, 공급 노즐(321)의 길이는, 상술한 공급 노즐(200)과 마찬가지 방법에 의해 결정할 수 있다.
이상의 실시 형태에서는, 상부 플레이트(110)의 가스 유로(130) 및 하부 플레이트(120)의 가스 유로(140)에 각각 하나의 공급관(132, 142)을 통해서 제1 가스 공급원(131), 제2 가스 공급원(141)을 접속했지만, 예를 들어 가스 유로(130), 가스 유로(140)를 각각 독립된 환상으로 동심원 형상의 유로로 하고, 각각의 가스 유로에 복수개 공급관(132) 및 공급관(142)을 복수 설치하여, 각 유로에 공급하는 가스의 유량을 제어하도록 해도 된다. 그와 같이 함으로써, 하부 플레이트(120)의 각 영역마다 가스의 공급량을 제어하는 것이 가능하게 되고, 예를 들어 전계 강도 분포에 대응해서 원료 가스나 플라즈마 발생용 가스의 공급량을 제어하여, 웨이퍼(W)에 대하여 보다 균일한 플라즈마 처리를 행할 수 있다.
특히, 종래와 같이 수하 부재(101)를 갖지 않은 샤워 플레이트(100)를 사용하여, 원료 가스로서 모노실란 가스를 처리 용기(10) 내에 공급하는 경우, 샤워 플레이트(100) 하면에서 원료 가스가 과잉으로 분해되기 때문에, SiH3의 생성량을 제어하는 것이 곤란하였지만, 본 발명에서는 수하 부재(101)를 통해서 모노실란 가스를 공급함으로써, 과잉의 SiH3의 생성을 억제할 수 있다. 따라서, 모노실란 가스의 공급량을 제어함으로써 용이하게 SiH3의 생성량을 조정할 수 있고, 이에 의해, 웨이퍼(W) 상의 성막량을 제어하는 것이 가능하게 된다. 이러한 경우, 또한 공급관(132) 및 공급관(142)을 복수 설치해서 하부 플레이트(120)의 소정의 영역마다 가스의 공급량을 제어함으로써, 각 영역마다 더 엄밀하게 질소 라디칼과 SiH3의 생성량을 조정할 수 있으므로, 웨이퍼(W)에 대하여 보다 균일한 플라즈마 처리를 실시하는 것이 가능하게 된다
또한, 이상의 실시 형태에서는, 샤워 플레이트(100)는, 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)에 의해 구성되어 있었지만, 제1 가스의 가스 유로(130) 및 제2 가스의 가스 유로(140)가 독립해서 형성되고, 샤워 플레이트(100)의 내부에서 가스가 혼합되지 않는 구성으로 되어 있으면, 샤워 플레이트(100)을 어떻게 구성할지에 대해서는 본 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 임의로 설정이 가능하다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 본 발명의 속하는 기술 분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 자이면, 청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하며, 이들에 대해서도, 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
1 : 플라즈마 처리 장치
10 : 처리 용기
11 : 서셉터
12 : 지지 부재
13 : 정합기
14 : 고주파 전원
30 : 마이크로파 전송 기구
40 : 마이크로파 출력부
50 : 안테나 모듈
100 : 샤워 플레이트
101 : 수하 부재
110 : 상부 플레이트
120 : 하부 플레이트
130 : 가스 유로
133 : 제1 가스 공급구
140 : 가스 유로
151 : 제2 가스 공급구
220 : 슬롯
500 : 제어부
U : 플라즈마 공간
W : 웨이퍼
X : 영역

Claims (9)

  1. 처리 용기 내에 제1 가스와 제2 가스를 공급하는 샤워 플레이트를 구비한 플라즈마 발생용 안테나를 갖고, 마이크로파의 공급에 의해 상기 샤워 플레이트 표면에 형성된 표면파에 의해 플라즈마를 형성해서 기판을 처리하는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 샤워 플레이트의 하단면으로부터 하방으로 돌출되고, 도전체에 의해 구성된 수하 부재를 갖고,
    상기 수하 부재의 외측면은, 상단부부터 하단부를 향해서 외측으로 퍼지고,
    상기 샤워 플레이트는, 상기 처리 용기 내에 제1 가스를 공급하는 복수의 제1 가스 공급구와 제2 가스를 공급하는 복수의 제2 가스 공급구를 구비하고,
    상기 제1 가스 공급구는, 상기 수하 부재의 외측면보다 내측에 배치되고,
    상기 제2 가스 공급구는, 상기 수하 부재의 외측면보다 외측에 배치되며,
    상기 수하 부재의 하면은 원형이고,
    상기 제1 가스 공급구는, 베셀 방정식의 해로서 얻어지는 상기 수하 부재의 하단면에 있어서의 전계 강도 분포의 극소값에 상당하는 위치에 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수하 부재의 내부에는, 그 수하 부재의 상단면으로부터 하단면으로 연통하는 관통 구멍이 형성되고,
    상기 제1 가스 공급구는, 상기 관통 구멍에 접속되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수하 부재는 환상으로 형성되고,
    상기 제1 가스 공급구는, 상기 수하 부재의 내측면보다 내측에 배치되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 각 제1 가스 공급구에는, 상기 샤워 플레이트의 하면으로부터 연직 하방으로 돌출하는 복수개의 공급 노즐이 각각 접속되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수하 부재의 외측면은, 아래로 향해서 점차 외측에 퍼지는 포물선 형상인 플라즈마 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가스는, 상기 제2 가스보다, 플라즈마에 의해 분해되기 쉬운 가스인 플라즈마 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 가스는 원료 가스이며, 상기 제2 가스는 플라즈마 발생용 가스인 플라즈마 처리 장치.
  9. 삭제
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