KR101872053B1

KR101872053B1 - 플라즈마 처리 장치

Info

Publication number: KR101872053B1
Application number: KR1020137033375A
Authority: KR
Inventors: 마사히데 이와사키
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2018-06-27
Also published as: JP2013012650A; WO2013001833A1; US9691591B2; TW201309106A; TWI469696B; US20140174660A1; KR20140036235A; JP5368514B2

Abstract

RF 바이어스용 고주파를 인가하기 위한 급전봉과, 상기 급전봉의 상단에 서셉터를 접속하고, 하단에 매칭 유닛 내의 정합기의 고주파 출력 단자를 접속하며, 급전봉을 내부 도체로 하여 그 주위를 둘러싸는 원통형의 외부 도체를 설치하고, 동축 선로를 형성한 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 동축 선로에는, 챔버 내의 플라즈마 생성 공간으로부터 선로 내에 들어간 원하지 않는 마이크로파의 공간 전파를 차단하기 위한 쵸크 기구를 설치하고, 마이크로파의 RF 급전 라인에 대한 누설을 라인 도중에서 차단하여 마이크로파 누설 장애를 방지한다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 플라즈마 프로세스에 마이크로파를 이용하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 특히 처리 용기 내에서 피처리 기판을 유지하는 전극에 RF 바이어스용 고주파를 인가하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

반도체 디바이스나 액정 디스플레이 등을 제조하기 위한 플라즈마 프로세스에 있어서는, 진공의 처리 용기 내에서 처리 가스를 방전 또는 전리시키기 위해 고주파나 마이크로파가 사용된다. 고주파 방전 방식은, 처리 용기 내에 한쌍의 전극을 적당한 갭을 두고 평행하게 배치해서, 한쪽 전극을 접지하고 다른쪽 전극에 플라즈마 생성용 고주파를 인가하는 용량 결합형이 주류를 이루고 있다. 그러나, 고주파 방전 방식은, 저압하에서 고밀도 플라즈마를 생성하는 것이 어려울 뿐만 아니라, 전자 온도가 높기 때문에 기판 표면의 소자에 손상을 주기 쉽다는 등의 문제를 갖고 있다. 그 점에서, 마이크로파 방전 방식은 저압하에서 전자 온도가 낮은 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다고 하는 이점이 있다. 특히, 평판형의 표면파 플라즈마(SWP: Surface Wave Plasma)는 넓은 압력 범위에서 대구경 플라즈마를 효율적으로 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 자장을 필요로 하지 않기 때문에 플라즈마 처리 장치의 간략화를 도모할 수 있다고 하는 장점을 갖고 있다.

마이크로파 방전 방식의 플라즈마 처리 장치, 특히 플라즈마 에칭 장치에 있어서는, 처리 용기 내의 비교적 낮은 위치에 RF 전극을 배치하고 그 위에 피처리 기판, 예를 들면 반도체 웨이퍼를 고정하며, RF 전극의 상방에서 마이크로파 방전에 의해 플라즈마를 생성하여 플라즈마 내의 반응성 래디컬에 웨이퍼의 피가공면(상면)을 노출시키고, RF 전극에 블로킹 콘덴서를 통해 RF 바이어스용 고주파를 인가하여, RF 전극에 생기는 자기 바이어스 전압에 의해 플라즈마 내의 이온을 웨이퍼의 피가공면에 인입시키도록 하고 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조).

국제 공개 WO2005/045913

종래부터, RF 전극에 RF 바이어스용 고주파를 인가하기 위한 RF 급전 라인에는, 전송 효율이 높은 동축 구조의 급전봉이 많이 사용되고 있다. 그 경우, 급전봉은 정합기로부터 RF 전극까지의 RF 급전 라인에 설치되고, 급전봉(내부 도체)을 둘러싸고 귀선 또는 접지 라인을 구성하는 원통형의 외부 도체가 정합기로부터 처리 용기까지의 전송 구간에 설치된다. 급전봉과 외부 도체 사이의 공간은 유전체를 채워도 좋지만, 통상은 공기로 채워진다. 한편, RF 전극은 접지 전위의 처리 용기에 절연성의 지지 부재를 개재해 전기적으로 부유한 상태로 부착된다.

이러한 장치 구조에 있어서는, 마이크로파 방전을 위해 처리 용기 내에 도입된 마이크로파가 RF 전극 상방의 플라즈마 생성 공간으로부터 기판 지지 부재(절연체)를 빠져 나가, RF 급전 라인의 동축 선로에 들어오는 경우가 있다. 이 동축 선로에 들어온 마이크로파는 급전봉의 표면을 흐르는 RF 고주파와는 역방향으로 급전봉과 외부 도체 사이의 공간에서 전파하여 정합기 내에 인입된다. 정합기 내에 마이크로파가 인입되면, RF 제어부에는 그것이 노이즈가 되어, 예를 들면 오토매칭이 오동작하거나, 혹은 정합기의 개구부(예를 들면 냉각팬)로부터 마이크로파가 밖으로 새어 전파 잡음의 원인이 되는 경우가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술에서의 문제점을 해결하는 것으로, 마이크로파 방전에 이용한 마이크로파의 RF 급전 라인에 대한 누설을 라인 도중에서 효과적으로 차단하여 마이크로파 누설 장애를 확실하게 방지하도록 한 플라즈마 처리 장치를 제공한다.

본 발명의 플라즈마 처리 장치는, 진공 배기 가능한 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와, 상기 처리 가스의 플라즈마를 생성하기 위한 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 공급하는 마이크로파 공급부와, 상기 처리 용기 내에서 상기 플라즈마에 노출되도록 피처리 기판을 유지하는 전극과, 상기 전극에 원기둥형 또는 원통형의 급전봉을 통해 RF 바이어스용 고주파를 인가하는 고주파 전원과, 상기 급전봉의 주위를 둘러싸는 원통형의 외부 도체와, 상기 급전봉과 상기 외부 도체 사이에 상기 마이크로파의 공간 전파를 차단하기 위해서 설치되는 쵸크 기구를 갖는다.

상기 장치 구성에 있어서는, 진공의 처리 용기 내에 처리 가스 공급부로부터 정해진 처리 가스가 도입되는 동시에, 마이크로파 공급부로부터 마이크로파가 도입되고, 마이크로파의 파워에 의해서 처리 가스의 입자가 방전(전리)되어, 플라즈마가 생성되고, 이 플라즈마하에서 전극 상의 기판에 에칭, 성막, 스퍼터링, 산화 등의 미세 가공이 실시된다. 이 플라즈마 처리시에, 특히 플라즈마 착화 직전에 처리 용기 내에서 소비(흡수)되지 않은 플라즈마의 일부가 동축 구조의 급전봉의 선로, 즉 고주파 급전용의 동축 선로 내에 들어오는 경우가 있다. 그러나, 쵸크 기구가 동축 선로의 도중에서 마이크로파를 차단하여 그것보다 먼저 전파시키지 않기 때문에, 마이크로파의 누설 장애를 방지할 수 있다.

본 발명에서의 쵸크 기구는, 바람직한 기본 구성으로서, 급전봉의 외주면과 외부 도체의 내주면 사이의 거리 간격보다 좁은 갭폭으로 급전봉의 축방향과 평행하게 연장되어 원통형으로 형성되고, 1/4 파장의 선로 길이를 갖는 제1 도파로와, 전극측에서 볼 때 제1 도파로의 종단에 접속되고, 1/4 파장의 선로 길이를 가지며, 또한 단락 종단되는 제2 도파로를 갖는다. 이러한 구성에 있어서는, 1/4 파장 선로의 성질을 이용하여, 제1 도파로의 시단 또는 입구를 단락 상태로 하여, 즉 실질적으로 도체벽으로 막은 것과 동일하게 하여, 마이크로파의 전파를 효과적으로 저지할 수 있다.

본 발명의 쵸크 기구는, 바람직한 일 양태로서, 급전봉의 축방향과 평행하게 연장되어, 그 외주면과 외부 도체의 내주면 사이에 제1 도파로를 원통형으로 형성하고, 그 내주면과 급전봉의 외주면 사이에 제2 도파로를 원통형으로 형성하는 제1 원통형 도체부와, 급전봉으로부터 축방향과 직교하는 반경 방향으로 연장되어 제1 원통형 도체부의 전단에 접속되고, 제2 도파로의 종단을 단락시키는 제1 환형 도체부와, 급전봉으로부터 축방향과 직교하는 반경 방향으로 연장되어 제1 원통형 도체부의 후단과의 사이 및 외부 도체의 내주면과의 사이에 각각 제1 및 제2 간극을 형성하고, 제1 간극에서 제1 도파로의 종단과 제2 도파로의 시단을 접속시키는 제2 환형 도체부를 갖는다.

또, 본 발명의 바람직한 일 양태에 의하면, 고주파 전원과 전극 사이에 정합기가 전기적으로 삽입된다. 여기서, 급전봉은, 일단이 정합기의 제1 출력 단자에 접속되고, 타단이 전극에 접속된다. 그리고, 외부 도체는, 일단이 정합기의 제2 출력 단자에 접속되고, 타단이 처리 용기에 접속된다. 이 경우, 고주파 급전의 동축 선로에 들어온 마이크로파는 쵸크 기구에 의해 차단되기 때문에, 정합기까지 전파해 오지는 않고, 정합기의 오동작이나 정합기로부터 외부로 마이크로파가 누설되지도 않는다.

본 발명의 바람직한 일 양태에 의하면, 외부 도체는 처리 용기와 함께 그라운드 전위에 접속된다. 바람직하게는, 마이크로파 공급부는 처리 용기의 주위 또는 근방에 설치된 안테나를 가지며, 처리 용기 내에 마이크로파를 도입하기 위한 유전체로 이루어진 창을 갖는다. 또, 처리 용기 내에 정해진 자장을 형성하기 위한 자장 형성 기구를 처리 용기의 주위 또는 근방에 설치하는 구성도 가능하다.

본 발명의 플라즈마 처리 장치에 의하면, 상기와 같은 구성 및 작용에 의해, 마이크로파 방전에 이용한 마이크로파가 RF 급전 라인에 들어오더라도 라인 도중에서 쵸크 기구가 효과적으로 차단하므로, 마이크로파 누설 장애를 확실하게 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 설치되는 쵸크 기구의 일 실시예의 구성을 도시하는 종단면도이다.
도 3은 도 1의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 설치되는 쵸크 기구의 필터 특성을 나타내는 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 있어서의 쵸크 기구의 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 있어서의 쵸크 기구의 구성을 도시하는 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다.

도 1에, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 마이크로파 플라즈마 에칭 장치의 구성을 도시한다. 이 마이크로파 플라즈마 에칭 장치는 자장을 필요로 하지 않는 평판형의 SWP형 플라즈마 처리 장치로서 구성되어 있고, 예를 들면 알루미늄 또는 스테인리스강 등의 금속제의 원통형 진공 챔버(처리 용기)(10)를 갖고 있다. 챔버(10)는 보안 접지되어 있다.

우선, 이 마이크로파 플라즈마 에칭 장치에 있어서 플라즈마 생성에 관계하지 않는 각 부의 구성을 설명한다.

챔버(10) 내의 하부 중앙에는, 피처리 기판으로서 예를 들면 반도체 웨이퍼(W)를 배치하는 원판형의 서셉터(12)가 고주파 전극을 겸하는 기판 유지대로서 수평으로 배치되어 있다. 이 서셉터(12)는, 예를 들면 알루미늄으로 이루어지고, 챔버(10)의 바닥으로부터 수직 상방으로 연장되는 절연성의 통형상 지지부(14)에 지지되어 있다.

통형상 지지부(14)의 외주를 따라서 챔버(10)의 바닥으로부터 수직 상방으로 연장되는 도전성의 통형상 지지부(16)와 챔버(10)의 내벽 사이에 환형의 배기로(18)가 형성되고, 이 배기로(18)의 상부 또는 입구에 환형의 배플판(20)이 부착되고, 바닥부에 하나 또는 복수의 배기 포트(22)가 설치되어 있다. 배기 포트(22)에는 APC 기능이 있는 가변 배기 밸브(24)를 통해 진공 펌프(26)가 접속되어 있다. 진공 펌프(26)는, 예를 들면 터보 분자 펌프 등을 포함하며, 챔버(10) 내의 플라즈마 처리 공간을 원하는 진공도까지 감압할 수 있다. 챔버(10)의 측벽 밖에는, 반도체 웨이퍼(W)의 반입 반출구를 개폐하는 게이트 밸브(28)가 부착되어 있다.

서셉터(12)에는, RF 바이어스용 고주파 전원(30)이 매칭 유닛(32) 및 급전봉(34)을 통해 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원(30)은 반도체 웨이퍼(W)에 인입하는 이온의 에너지를 제어하기에 적합한 비교적 낮은 주파수, 예를 들면 13.56 MHz의 고주파를 출력한다. 매칭 유닛(32)은, 고주파 전원(30)측의 임피던스와 부하(주로 전극, 플라즈마, 챔버)측의 임피던스 사이에서 정합을 취하기 위한 정합기를 수용하고 있고, 이 정합기 내에 자기 바이어스 생성용 블로킹 콘덴서가 포함되어 있다. 또, 매칭 유닛(32)에는, 정합기(정합 회로) 외에도, 부하 임피던스를 측정하기 위한 RF 센서나, 정합기 내의 가변 리액턴스 소자의 값(임피던스 포지션)을 가변 조정하기 위한 컨트롤러 및 스텝 모터, 나아가 냉각용 팬 등이 설치되어 있다.

급전봉(34)은 정해진 외경을 갖는 원기둥형 또는 원통형의 도체로 이루어지며, 그 상단이 서셉터(12)의 하면 중심부에 접속되고, 그 하단이 매칭 유닛(32) 내의 상기 정합기의 고주파 출력 단자에 접속되어 있다. 또, 챔버(10)의 바닥면과 매칭 유닛(32) 사이에는, 동축 선로(36)를 형성하기 위해서, 급전봉(34)을 내부 도체로 하여 그 주위를 둘러싸는 원통형의 외부 도체(38)가 설치되어 있다. 보다 상세하게는, 챔버(10)의 바닥면(하면)에 급전봉(34)의 외경보다 한층 큰 정해진 구경을 갖는 원형의 개구부가 형성되어, 외부 도체(38)의 상단부가 이 개구부에 접속되고, 외부 도체(38)의 하단부가 상기 정합기의 접지(귀선) 단자에 접속되어 있다.

이 동축 선로(36)에는, 선로 내에 들어온 원하지 않는 마이크로파의 공간 전파를 차단하기 위한 쵸크 기구(40)가 설치되어 있다. 이 쵸크 기구(40)의 구성 및 작용은 이하에 상세히 설명한다.

서셉터(12)의 상면에는, 반도체 웨이퍼(W)를 정전기력으로 유지하기 위한 정전 척(42)이 설치되고, 이 정전 척(42)의 반경 방향 외측에 반도체 웨이퍼(W)의 주위를 환형으로 둘러싸는 포커스 링(44)이 설치되어 있다. 정전 척(42)은 도전막으로 이루어진 전극(42a)을 2층의 절연막(42b, 42c) 사이에 협지한 것이고, 전극(42a)에는 직류 전원(46)이 스위치(48)를 통해 전기적으로 접속되어 있다. 직류 전원(46)으로부터 인가되는 직류 전압에 의해, 쿨롱력으로 반도체 웨이퍼(W)를 정전 척(42) 상에 흡착 유지할 수 있다.

서셉터(12)의 내부에는, 예를 들면 원주 방향으로 연장되는 환형의 냉매실(50)이 설치되어 있다. 이 냉매실(50)에는, 칠러 유닛(도시하지 않음)으로부터 배관(52, 54)을 통해 정해진 온도의 냉매, 예를 들면 냉각수가 순환 공급된다. 냉매의 온도에 의해서 정전 척(42) 상의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 온도를 제어할 수 있다. 또한, 전열 가스 공급부(도시하지 않음)로부터의 전열 가스, 예를 들면 He 가스가 가스 공급관(56)을 통해 정전 척(42)의 상면과 반도체 웨이퍼(W)의 이면 사이에 공급된다. 또, 반도체 웨이퍼(W)의 로딩/언로딩을 위해 서셉터(12)를 수직 방향으로 관통하여 상하 이동 가능한 리프트핀 및 그 승강 기구(도시하지 않음) 등도 설치되어 있다.

다음으로, 이 마이크로파 플라즈마 에칭 장치에 있어서 플라즈마 생성에 관계하는 각 부의 구성을 설명한다.

챔버(10)의 서셉터(12)와 대향하는 천장면에는, 마이크로파 도입용 유전체판으로서 원형의 석영판(58)이 기밀하게 부착되어 있다. 이 석영판(58)의 상면에는 평판형의 슬롯 안테나로서 동심원형으로 분포하는 다수의 슬롯을 갖는 원판형의 레이디얼 라인 슬롯 안테나(60)가 설치되어 있다. 이 레이디얼 라인 슬롯 안테나(60)는, 예를 들면 석영 등의 유전체로 이루어진 지연판(62)을 통해 마이크로파 전송선로(64)에 전자적으로 결합되어 있다.

마이크로파 전송선로(64)는 마이크로파 발생기(66)로부터 출력되는 예를 들면 2.45 GHz의 마이크로파를 안테나(60)까지 전송하는 선로이며, 도파관(68)과 도파관-동축관 변환기(70)와 동축관(72)을 갖고 있다. 도파관(68)은, 예를 들면 사각형 도파관이며, TE₁₀ 모드를 기본 모드로 하여 마이크로파 발생기(66)로부터의 마이크로파를 챔버(10)를 향해서 도파관-동축관 변환기(70)까지 전송한다.

도파관-동축관 변환기(70)는 사각형 도파관(68)과 동축관(72)을 결합하기 위해서, 사각형 도파관(68)의 H면(자계에 평행한 면)의 폭의 중앙이자 단락판(68a)으로부터 1/4 파장의 위치에서, 동축관(72)의 내부 도체(74)를 사각형 도파관(68) 내에 돌출시키고 있다. 동축관(72)의 특성 임피던스는 통상 50 Ω로 설계되는 데 비해, 사각형 도파관(68)의 특성 임피던스는 그것보다 훨씬 크기 때문에(통상 수백 Ω 이상), 임피던스 변환을 위해, 커넥터부를 구성하는 동축관(72)의 내부 도체(74)의 상단부(74a)를 도시하는 바와 같은 역테이퍼형으로 굵게 하는 구성[소위 도어노브(door knob)형의 구성]을 채택하는 것이 바람직하다.

동축관(72)은 도파관-동축관 변환기(70)로부터 챔버(10)의 상면 중심부까지 수직 하방으로 연장되어, 그 동축 선로의 종단 또는 하단이 지연판(62)을 통해 안테나(60)에 결합되어 있다. 동축관(72)의 외부 도체(76)는 사각형 도파관(68)과 일체 형성된 원통체로 이루어지며, 마이크로파는 내부 도체(74)와 외부 도체(76) 사이의 공간을 TEM 모드로 전파한다.

마이크로파 발생기(66)로부터 출력된 마이크로파는 상기와 같은 도파관(68), 도파관-동축관 변환기(70) 및 동축관(72)을 포함하는 마이크로파 전송선로(64)에서 전파하여, 지연판(62)을 통과해 안테나(60)에 급전된다. 그리고, 안테나(60)에서 반경 방향으로 확대된 마이크로파는 안테나의 각 슬롯으로부터 챔버(10) 내부를 향해서 방사되고, 석영판(58)과 플라즈마의 계면을 따라서 전파하는 표면파로부터 방사되는 마이크로파 전력에 의해서 부근의 가스가 전리되어, 플라즈마가 생성되도록 되어 있다.

지연판(62) 상에는, 안테나 후면판(78)이 챔버(10)의 상면을 덮도록 설치되어 있다. 이 안테나 후면판(78)은, 예를 들면 알루미늄으로 이루어지며, 석영판(58)에서 발생하는 열을 흡수(방열)하는 냉각 재킷을 겸하고 있고, 내부에 형성되어 있는 유로(80)에는 칠러 유닛(도시하지 않음)으로부터 배관(82, 84)을 통해 정해진 온도의 냉매, 예를 들면 냉각수가 순환 공급되도록 되어 있다.

이 실시형태에 있어서는, 챔버(10) 내에 처리 가스를 도입하기 위해서, 석영판(58)보다 다소 낮은 위치에서 챔버(10)의 측벽 내에 환형으로 형성된 버퍼실(86)과, 원주 방향으로 등간격으로 버퍼실(86)로부터 플라즈마 생성 공간에 면하는 다수의 측부 가스 토출구(88)과, 처리 가스 공급원(90)으로부터 버퍼실(86)까지 연장되는 가스 공급관(92)이 설치되어 있다. 또, 가스 공급관(92)의 도중에는 MFC(매스 플로우 컨트롤러)(94) 및 개폐 밸브(96)가 설치되어 있다.

이러한 구성의 처리 가스 도입 기구(98)에 있어서, 처리 가스 공급원(90)으로부터 송출된 처리 가스는 가스 공급관(92)을 통과하여 챔버(10) 측벽 내의 버퍼실(86)에 도입되고, 버퍼실(86) 내에서 둘레 방향의 압력을 균일화하고 나서 각 측부 가스 토출구(88)로부터 챔버(10)의 중심을 향하여 대략 수평으로 토출되어, 플라즈마 처리 공간으로 확산된다.

이 마이크로파 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭을 행하기 위해서는, 우선 게이트 밸브(28)를 개방 상태로 하여 가공 대상인 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(10) 내에 반입하고, 정전 척(42) 상에 배치한다. 그리고, 처리 가스 도입 기구(98)로부터 에칭 가스(일반적으로 혼합 가스)를 정해진 유량 및 유량비로 챔버(10) 내에 도입하고, 배기 기구(24, 26)에 의해 챔버(10) 내의 압력을 설정치로 감압한다. 또한, 고주파 전원(30)을 온으로 하여 정해진 파워로 고주파를 출력시키고, 이 고주파를 매칭 유닛(32) 및 급전봉(34)을 통해 서셉터(12)에 인가한다. 또, 스위치(48)를 온으로 하여 직류 전원(46)으로부터 직류 전압을 정전 척(42)의 전극(42a)에 인가하여, 정전 척(42)의 정전기력에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 정전 척(42) 상에 고정한다. 그리고, 마이크로파 발생기(66)를 온으로 하여, 마이크로파 발생기(66)로부터 출력되는 마이크로파를 마이크로파 전송선로(64)를 통해 안테나(60)에 급전하고, 안테나(60)로부터 방사되는 마이크로파를 석영판(58)을 통해 챔버(10) 내에 도입한다.

처리 가스 도입 기구(98)의 측부 가스 토출구(88)로부터 챔버(10) 내에 도입된 에칭 가스는 석영판(58) 아래로 확산되고, 석영판(58)의 하면(플라즈마와 대향하는 면)을 따라서 전파하는 표면파로부터 방사되는 마이크로파 전력에 의해서 가스 입자가 전리되어, 표면 여기의 플라즈마가 생성된다. 이렇게 해서, 석영판(58) 아래에서 생성된 플라즈마는 하방으로 확산되어, 반도체 웨이퍼(W)의 주면(主面)의 피가공막에 대하여 플라즈마 내의 라디칼에 의한 등방성 에칭 및 이온 조사에 의한 수직 에칭이 행해진다.

이 마이크로파 플라즈마 에칭 장치에 있어서는, 챔버(10) 내의 플라즈마 생성 공간으로부터 마이크로파의 일부가 절연성의 통형상 지지부(14)를 빠져 나가, 챔버(10)의 바닥면 개구로부터 RF 급전 라인의 동축 선로(36)에 들어오는 경우가 있다. 특히, 마이크로파 발생기(66)를 온으로 하고 나서 마이크로파 방전이 시작될 때까지 약간의 타임래그가 있고, 이 타임래그 기간중(플라즈마 착화 직전)에 챔버(10) 내에 도입된 마이크로파는 방전에 소비되지 않고 플라즈마 생성 공간에서 전파하여 동축 선로(36)에 들어온다. 그리고, 마이크로파는 동축 선로(36) 내부에서 RF 바이어스용 고주파와는 역방향으로 TEM 모드로 전파한다. 그러나, 동축 선로(36)에 마이크로파가 들어오더라도, 동축 선로(36)의 도중에서 설치되어 있는 쵸크 기구(40)에 의해서 차단되어, 매칭 유닛(32)에는 오지 않게 되어 있다. 이것에 의해, 매칭 유닛(32) 내의 RF 센서나 컨트롤러 등의 RF 제어부가 마이크로파의 노이즈에 의해서 오동작할 우려도 없고, 매칭 유닛(32)의 팬 등의 개구부로부터 마이크로파가 밖으로 새어 무선 LAN 등에 전파 잡음을 초래할 우려도 없는 장치 구성으로 되어 있다.

이하, 이 실시형태의 주요 특징 부분인 쵸크 기구(40)의 구성 및 작용에 관해서 설명한다.

도 2에, 쵸크 기구(40)의 일 실시예의 구성을 나타낸다. 이 쵸크 기구(40)는, 예를 들면 알루미늄으로 이루어진 2개의 도체 부재(100, 102)를 급전봉(34)에 예를 들면 용접으로 부착하고 있다.

제1 도체 부재(100)는, 급전봉(34)의 축방향과 평행하게 연장되는 원통부(104)와, 급전봉(34)으로부터 축방향과 직교하는 반경 방향으로 연장되어 원통부(104)의 전단(상단)에 접속되는 환형부(106)를 갖고 있다. 여기서, 원통부(104)의 외주면과 외부 도체(38)의 내주면 사이에는 1/4 파장(λ/4)의 선로 길이를 갖는 원통형의 제1의 1/4 파장 도파로(M1)이 형성되고, 원통부(104)의 내주면과 급전봉(34)의 외주면 사이에는 원통형의 제2의 1/4 파장 도파로(M2)가 형성된다.

제2 도체 부재(102)는 급전봉(34)으로부터 축방향과 직교하는 반경 방향으로 연장되는 환형부(108)와, 이 환형부(108)의 외주단으로부터 매칭 유닛(32)(도 1)측을 향해 연장되는 원통부(110)를 갖고 있다. 여기서, 환형부(108)의 외주단과 제1 도체 부재(100)의 원통부(104)의 후단(하단) 사이에는 환형 간극(112)이 형성되고, 환형부(108)의 외주단 및 원통부(110)의 외주면과 외부 도체(38)의 내주면 사이에는 원통형의 간극(114)이 형성된다.

쵸크 기구(40)의 동축 선로(36) 상의 부착 위치로는, 후술하는 이유 때문에, 도 2에 도시하는 바와 같이, 제1의 1/4 파장 도파로(M1)의 시단(A점)이 동축 선로(36)의 입구[외부 도체(38)의 상단]로부터 고주파 전원(30)측을 향하여 1/2 파장(λ/2)의 거리를 둔 위치에 설정되는 것이 바람직하다.

이러한 구성의 쵸크 기구(40)에 있어서는, 챔버(10)측으로부터 동축 선로(36) 내에서 TEM 모드로 전파해 오는 마이크로파에 대하여, 제1의 1/4 파장 도파로(M1)의 종단과 제2의 1/4 파장 도파로(M2)의 시단이 환형 간극(112)(B점)에서 연결되고, 제2의 1/4 파장 도파로(M2)가 환형부(106)의 하면(C점)에서 단락 종단된다. 따라서, 1/4 파장 선로의 성질에 의해, 도파로 접속점(B점)은 임피던스 무한대의 개방 상태가 되고, 제1의 1/4 파장 도파로(M1)의 시단(A점)은 임피던스 제로의 단락 상태가 된다. 즉, 마이크로파에 대해서는 제1의 1/4 파장 도파로(M1)의 시단 또는 입구가 마치 도체벽으로 막혀 있는 것과 같은 상태가 되어, 실질적으로 여기서 마이크로파의 전파가 저지된다. 이에 따라, 마이크로파가 제2 도체 부재(102)와 외부 도체(38) 사이의 간극(114)을 빠져 나가 매칭 유닛(32)측으로 향하지는 않는다. 또, 제1의 1/4 파장 도파로(M1)의 시단이 단락 상태가 됨으로써, 그것으로부터 1/2 파장(λ/2)의 거리를 둔 동축 선로(36)의 입구에는 정재파의 파절(노드)이 생겨, 정재파가 안정된다.

한편, 고주파 전원(30)으로부터의 RF 바이어스용 고주파는, 급전봉(34)의 표면을 통과하여 서셉터(12)에 급전되기 때문에, 쵸크 기구(40)로부터 전송상(上)의 영향을 받지는 않는다. 이와 같이, 쵸크 기구(40)는 RF 바이어스용 고주파(예를 들면 2 MHz)를 통과시키고 마이크로파(2.45 GHz)를 차단하는 일종의 로우패스 필터로서 기능한다.

도 3에, 시뮬레이션에 의한 쵸크 기구(40)의 필터 특성을 도시한다. 도시하는 바와 같이, 2 MHz의 감쇠량은 약 0 dB이며, RF 바이어스용 고주파는 거의 감쇠하지 않고 쵸크 기구(40)를 통과한다. 이에 비해, 2.45 GHz의 감쇠량은 약 -50 dB이며, 마이크로파는 쵸크 기구(40)에 의해 10만분의 1로 감쇠하여, 대략 완전히 차단된다.

이 실시형태에 있어서, 도 2에 도시한 쵸크 기구(40)의 구성은 일례이며, 본 발명의 기술사상하에서 여러가지 변형이 가능하다. 도 4∼도 5에, 쵸크 기구(40)의 변형예를 몇가지 도시한다.

도 4에 도시하는 구성은, 제2 도체 부재(102)를, 도 2의 환형부(108)와 원통부(110)를 겸비하는 하나의 후판(厚板) 환형체(114)로 치환한 것이다. 제2 도체 부재(102)는 기본적으로는, 제1 도체 부재(100)의 원통부(104)의 외주측 및 내주측에 각각 형성되는 제1 및 제2의 1/4 파장 도파로(M1, M2)를 잇기 위한 것, 즉 환형 간극(112)을 형성하는 것이면 된다. 따라서, 도 5에 도시하는 바와 같이, 제2 도체 부재(102)를 박판의 환형부(108)만으로 구성하는 것도 가능하다.

상기와 같은 쵸크 기구(40) 자체의 구성뿐만 아니라, 그 외에도 본 발명의 기술사상의 범위내에서 여러가지 변형이 가능하다. 특히, RF 바이어스용 고주파를 인가하는 전극의 구성은 임의의 것이 가능하고, 본 발명의 가장 넓은 기술사상으로는 챔버 내의 고주파 전극에 고주파를 임의의 용도로 급전하기 위해서 동축 구조의 급전봉을 이용하는 임의의 플라즈마 처리 장치에 본 발명의 쵸크 기구를 적용할 수 있다. 또, RF 급전 라인에 동축 케이블을 이용하는 경우에 있어서도, 도시는 생략하지만, 본 발명에 따라서 동축 케이블의 내부 도체와 외부 도체 사이에 상기 실시형태의 쵸크 기구(40)와 동일한 구성 및 기능을 갖는 쵸크 기구를 설치할 수 있다.

본 발명은 플라즈마 생성에 마이크로파를 이용하는 임의의 플라즈마 처리 장치에 적용 가능하며, 마이크로파 도입 방전 기구, 처리 가스 도입 기구, 배기 기구 등도 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 마이크로파 도입 방전 기구에 관해서는, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(60) 이외의 안테나를 사용하는 장치나, 마이크로파 전송선로로부터 안테나를 통하지 않고 유전체창을 통하여 마이크로파를 챔버 내에 도입하는 장치 등도 가능하다. 또, 챔버(10)의 주위에 영구 자석이나 전자 코일 등의 자계 형성 기구(도시하지 않음)를 설치하여, 전자 사이클로트론 공명(ECR: Electron Cyclotron Resonance)을 이용하는 ECR 장치에도 본 발명은 적용 가능하다.

또한, 본 발명은 플라즈마 에칭 장치에 한정되는 것은 아니며, 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 산화, 플라즈마 질화, 스퍼터링 등의 처리 장치에도 적용 가능하다. 또, 본 발명에서의 피처리 기판은 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, 플랫 패널 디스플레이용 각종 기판이나, 포토마스크, CD 기판, 프린트 기판 등도 가능하다.

10: 챔버 12: 서셉터(기판 유지대)
26: 진공 펌프 30: 고주파 전원
32: 매칭 유닛 34: 급전봉
36: 동축 선로 38: 외부 도체
40: 쵸크 기구 58: 석영판(유전체창)
60: 안테나 64: 마이크로파 전송선로
66: 마이크로파 발생기 98: 처리 가스 도입부
100: 제1 도체 부재 102: 제2 도체 부재
104: 원통부 106: 환형부
108: 환형부 110: 원통부
112: 환형 간극 M1: 제1의 1/4 파장 도파로
M2: 제2의 1/4 파장 도파로

Claims

진공 배기 가능한 처리 용기와,
상기 처리 용기 내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와,
상기 처리 가스의 플라즈마를 생성하기 위한 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 공급하는 마이크로파 공급부와,
상기 처리 용기 내에서 상기 플라즈마에 노출되도록 피처리 기판을 유지하는 전극과,
원통형의 급전봉을 통해 RF 바이어스용 고주파를 인가하는 고주파 전원과,
상기 급전봉의 주위를 둘러싸는 외부 도체와,
상기 급전봉의 외주면에 설치되고, 상기 급전봉의 외주면과 상기 외부 도체의 내주면 사이에 형성된 동축 선로 내에 배치된 쵸크 기구
를 포함하고,
상기 쵸크 기구는, 상기 RF 바이어스용 고주파가 상기 급전봉의 표면을 통과할 수 있게 하고, RF 전극으로서 기능하는 서셉터 위에 마련된 처리 공간을 통해 전파하는 상기 마이크로파 공급부로부터 도입된 상기 마이크로파가, 상기 쵸크 기구를 위해 상기 처리 용기의 바닥부에 마련된 개구를 통해 상기 동축 선로의 공간으로 동축 공간 전파되는 것을 차단하는 로우패스 필터로서 구성되고, 상기 마이크로파 공급부는 상기 서셉터 위에 배치되는 것인 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 쵸크 기구는,
상기 급전봉 상에 마련된 제1 도체 부재와,
상기 급전봉의 축 방향에서 상기 제1 도체 부재 아래에 마련된 제2 도체 부재
를 포함하고,
상기 제1 도체 부재는,
상기 급전봉의 축 방향과 평행하게 연장되는 제1 원통부와,
상기 축 방향과 직교하는 반경 방향으로 상기 급전봉으로부터 연장되어 상기 제1 원통부의 상단에 접속되는 제1 환형부
를 포함하고,
상기 제2 도체 부재는,
상기 축 방향과 직교하는 반경 방향으로 상기 급전봉으로부터 연장되어 제2 환형부의 외주단과 상기 제1 원통부의 하단 사이에 제1 간극을 형성하는 상기 제2 환형부와,
상기 제2 환형부의 외주단으로부터 상기 급전봉의 하부 방향을 향해 연장되어 제2 원통부의 외주면과 상기 외부 도체의 내주면 사이에 제2 간극을 형성하는 상기 제2 원통부
를 포함하고,
상기 제1 도체 부재는,
1/4 파장의 선로 길이를 갖고, 상기 제1 원통부의 외주면과 상기 외부 도체의 내주면 사이에 형성된 제3 간극을 갖는 원통형으로 상기 급전봉의 축 방향과 평행하게 연장되는 제1 도파로로서, 원통형을 형성하기 위해 상기 제2 간극 및 상기 제3 간극 각각은 상기 급전봉의 외주면과 상기 외부 도체의 내주면 사이의 거리보다 좁은 것인, 상기 제1 도파로와,
상기 전극측에서 볼 때 상기 제1 도파로의 종단에 접속되고, 1/4 파장의 선로 길이를 가지며, 단락 종단되는 제2 도파로
를 포함하는 것인 플라즈마 처리 장치.
제2항에 있어서, 상기 제1 도파로는 또한, 상기 제2 간극 내에 원통형으로 형성되도록 구성되고, 상기 제2 도파로는 또한, 상기 제1 원통부의 내주면과 상기 급전봉의 외주면 사이에 원통형으로 형성되도록 구성되며,
상기 제1 환형부는 또한, 그 하면에서 상기 제2 도파로의 종단을 단락시키도록 구성되고,
상기 제2 환형부는 또한, 상기 제1 간극 내에서 상기 제1 도파로의 종단과 상기 제2 도파로의 시단을 연결하도록 구성되는 것인 플라즈마 처리 장치.
제2항에 있어서, 상기 제1 도파로의 상단이 상기 외부 도체의 상단으로부터 상기 고주파 전원을 향해 1/2 파장(λ/2)만큼 이격되도록 상기 동축 선로 내에 상기 쵸크 기구가 마련되는 것인 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 고주파 전원과 상기 전극 사이에 정합기가 전기적으로 연결되고,
상기 급전봉은, 일단이 상기 정합기의 제1 출력 단자에 접속되며, 타단이 상기 전극에 접속되고,
상기 외부 도체는, 일단이 상기 정합기의 제2 출력 단자에 접속되며, 타단이 상기 처리 용기에 접속되는 것인 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 외부 도체는 그라운드 전위에 접속되는 것인 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 마이크로파 공급부는, 상기 처리 용기의 주위 또는 근방에 설치된 안테나를 갖는 것인 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 마이크로파 공급부는, 상기 처리 용기 내에 상기 마이크로파를 도입하기 위한 유전체로 이루어진 창을 갖는 것인 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 처리 용기 내에 미리 정해진 자장을 형성하도록 구성되고 상기 처리 용기의 주위 또는 근방에 설치된 자장 형성 기구를 더 포함하는 플라즈마 처리 장치.