KR101943754B1 - 마이크로파 플라즈마원 및 마이크로파 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

마이크로파 플라즈마원 및 마이크로파 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로파의 전계 균일성이 높아, 피처리 기판의 면 내에 있어서의 플라즈마 처리의 균일성을 높게 할 수 있는 마이크로파 플라즈마원 및 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
마이크로파 플라즈마원(20)은, 마이크로파 발생기(40)와, 마이크로파를 TE 모드로 전파하는 도파관(39)과, 마이크로파의 진동 모드를 TE 모드로부터 TEM 모드로 변환하는 변환 포트(38) 및 변환 포트(38)로부터 마이크로파를 챔버(1)를 향하여 전파하고, 잔존하고 있는 TE 모드 성분을 TEM 모드로 변환하는 동축 도파관(37)을 포함하는 마이크로파 변환부(43)와, 동축 도파관(37)에 유도된 마이크로파를 방사하는 복수의 슬롯(32)을 갖는 평면 안테나(31)와, 방사된 마이크로파를 챔버(1)에 투과하는, 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과판(28)을 가지고, 동축 도파관(37)의 길이는, 마이크로파의 파장 이상의 길이이다.

Description

마이크로파 플라즈마원 및 마이크로파 플라즈마 처리 장치{MICROWAVE PLASMA SOURCE AND MICROWAVE PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 마이크로파 플라즈마원 및 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마 처리는, 반도체 디바이스의 제조에 불가결한 기술이지만, 최근, LSI의 고집적화, 고속화의 요청으로부터 LSI를 구성하는 반도체 소자의 디자인 룰이 점점 미세화되며, 또한 반도체 웨이퍼가 대형화되고 있고, 그에 따라, 플라즈마 처리 장치에 있어서도 이러한 미세화 및 대형화에 대응하는 것이 요구되고 있다.
플라즈마 처리 장치로서는, 종래부터 평행 평판형이나 유도 결합형의 플라즈마 처리 장치가 이용되고 있지만, 대형의 반도체 웨이퍼를 균일 또한 고속으로 플라즈마 처리하는 것은 곤란하다.
그래서, 고밀도이며 저전자 온도의 표면파 플라즈마를 균일하게 형성할 수 있는 RLSA(등록 상표) 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 주목받고 있다(예컨대 특허문헌 1).
RLSA(등록 상표) 마이크로파 플라즈마 처리 장치는, 챔버의 상부에 소정의 패턴으로 복수의 슬롯이 형성된 평면 안테나를 마련하고, 마이크로파 발생기로부터 유도된 마이크로파를, 유전체로 이루어지는 지파재를 통해 평면 안테나에 유도하고, 마이크로파를 평면 안테나의 슬롯으로부터 방사시키며, 유전체로 이루어지는 챔버의 천장벽을 통해 진공으로 유지된 챔버 내에 투과시켜, 챔버 내에 표면파 플라즈마를 생성시키는 것이다. 그리고, 이 플라즈마에 의해, 챔버 내에 도입된 가스를 플라즈마화하여, 반도체 웨이퍼 등의 피처리체를 처리한다.
RLSA(등록 상표) 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 마이크로파 발생기에서 발생한 마이크로파를, 단면 원형 또는 단면 직사각형의 도파관을 통해 모드 변환기에 유도하고, 모드 변환기로 마이크로파의 진동 모드를 TE 모드로부터 TEM 모드로 변환하며, 그 진행 방향을 90°구부려, 외도체와 내도체를 갖는 동축 도파관을 통해 TEM 모드의 마이크로파를 평면 안테나에 유도한다(예컨대 특허문헌 2). 또한, 특허문헌 2에는, 동축 도파관의 하부에 있어서, 동축 도파관의 외도체로부터 내도체를 향하여 연장 가능한 스터브 부재를 마련하여, 동축 도파관의 둘레 방향의 전계를 조정함으로써, 플라즈마의 균일성을 높이고, 피처리 기판의 면 내에 있어서의 처리를 균일하게 하는 것이 기재되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2000-294550호 공보 특허문헌 2: 국제 공개 제2011/021607호 팜플렛
그러나, 스터브 부재에 의해 둘레 방향의 전계의 불균일을 어느 정도 보정할 수 있지만, 최근, 플라즈마 처리의 면내 균일성을 한층 더 높이는 것이 요구되고 있어, 스터브 부재만으로 얻어지는 전계 분포의 균일성만으로는 불충분해져 오고 있다.
따라서, 본 발명은 마이크로파의 전계 균일성이 높아, 피처리 기판의 면 내에 있어서의 플라즈마 처리의 균일성을 높게 할 수 있는 마이크로파 플라즈마원 및 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 양태는, 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 생성하여 플라즈마 처리를 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 챔버 내에 마이크로파를 방사하여 마이크로파 플라즈마를 생성하는 마이크로파 플라즈마원으로서, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와, 마이크로파 발생기에서 발생된 마이크로파를 TE 모드로 전파하는 도파관과, 상기 도파관으로부터 유도된 마이크로파의 진동 모드를 TE 모드로부터 TEM 모드로 변환하는 변환 포트 및 상기 변환 포트로부터 마이크로파를 상기 챔버를 향하여 전파하고, 그 동안에 잔존하고 있는 TE 모드 성분을 TEM 모드로 변환하는 동축 도파관을 포함하는 마이크로파 변환부와, 상기 동축 도파관에 유도된 마이크로파를 상기 챔버를 향하여 방사하는 복수의 슬롯을 갖는 도체로 이루어지는 평면 안테나와, 상기 평면 안테나의 상기 복수의 슬롯으로부터 방사된 마이크로파를 상기 챔버에 투과하는, 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과판을 가지고, 상기 동축 도파관의 길이는, 상기 마이크로파 발생기로부터 발생되는 마이크로파의 파장 이상의 길이인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마원을 제공한다.
본 발명의 제2 양태는, 피처리체가 수용되는 챔버와, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와, 마이크로파 발생기에서 발생된 마이크로파를 TE 모드로 전파하는 도파관과, 상기 도파관으로부터 유도된 마이크로파의 진동 모드를 TE 모드로부터 TEM 모드로 변환하는 변환 포트 및 상기 변환 포트로부터 마이크로파를 상기 챔버를 향하여 전파하고, 전파하고 있는 동안에 잔존하고 있는 TE 모드 성분을 TEM 모드로 변환하는 동축 도파관을 포함하는 마이크로파 변환부와, 상기 동축 도파관에 유도된 마이크로파를 상기 챔버를 향하여 방사하는 복수의 슬롯을 갖는 도체로 이루어지는 평면 안테나와, 상기 챔버의 천장벽을 구성하며, 상기 평면 안테나의 상기 복수의 슬롯으로부터 방사된 마이크로파를 투과하는, 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과판과, 상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 상기 챔버 내를 배기하는 배기 기구를 가지고, 상기 동축 도파관의 길이는, 상기 마이크로파 발생기로부터 발생되는 마이크로파의 파장 이상의 길이인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
상기 마이크로파 플라즈마원 및 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 변환 포트로부터 상기 평면 안테나에 유도되는 마이크로파의 둘레 방향의 전계 균일성을 보정하는 스터브 부재를 더 가져도 좋다. 또한, 상기 평면 안테나의 상면에 마련된, 유전체로 이루어지는 지파재를 더 가져도 좋다. 또한, 상기 마이크로파의 주파수로서 2.45 ㎓를 들 수 있다.
상기 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 마이크로파 플라즈마 처리로서는, 상기 가스 공급 기구로부터 성막 가스를 상기 챔버 내에 공급하여 플라즈마 CVD에 따라 피처리체에 소정의 막을 성막하는 처리를 적합한 것으로서 들 수 있다. 구체예로서는, 상기 가스 공급 기구로부터 공급되는 성막 가스는 규소 원료 가스 및 질소 함유 가스, 또는 탄소 함유 가스이고, 피처리체에 질화규소막, 질화탄화규소막이 성막되는 것을 들 수 있다.
본 발명에 따르면, 동축 도파관의 길이를 마이크로파의 파장 이상으로 함으로써, 마이크로파의 전계 균일성이 높아, 피처리 기판의 면 내에 있어서의 플라즈마 처리의 균일성을 높게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 이용되는 동축 도파관의 높이를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 동축 도파관의 높이(길이)와 전계 균일성과의 관계를 나타내는 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다.
<마이크로파 플라즈마 처리 장치의 구성>
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 도 1의 마이크로파 플라즈마 처리 장치는, RLSA(등록 상표) 마이크로파 플라즈마 처리 장치이며, 예컨대 질화규소막을 형성하는 성막 장치로서 구성되어 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는, 기밀하게 구성되며, 접지된 대략 원통형의 챔버(1)를 가지고 있다. 챔버(1)의 저벽(1a)의 대략 중앙부에는 원형의 개구부(10)가 형성되어 있고, 저벽(1a)에는 이 개구부(10)와 연통하여, 하방을 향하여 돌출하는 배기실(11)이 마련되어 있다.
챔버(1) 내에는 피처리체, 예컨대 반도체 웨이퍼(이하, 「웨이퍼」라고 기재함)(W)를 수평으로 지지하기 위한 AlN 등의 세라믹스로 이루어지는 서셉터(2)가 마련되어 있다. 이 서셉터(2)는, 배기실(11)의 바닥부 중앙으로부터 상방으로 연장되는 원통형의 AlN 등의 세라믹스로 이루어지는 지지 부재(3)에 의해 지지되어 있다. 서셉터(2)의 외연부에는 웨이퍼(W)를 가이드하기 위한 가이드 링(4)이 마련되어 있다. 또한, 서셉터(2)에는 저항 가열형의 히터(5)가 매립되어 있고, 이 히터(5)는 히터 전원(6)으로부터 급전됨으로써 서셉터(2)를 가열하여 웨이퍼(W)를 가열한다. 또한, 서셉터(2)에는 전극(7)이 매립되어 있고, 전극(7)에는 정합기(8)를 통해 바이어스 인가용의 고주파 전원(9)이 접속되어 있다.
서셉터(2)에는, 웨이퍼(W)를 지지하여 승강시키기 위한 웨이퍼 지지핀(도시 생략)이 서셉터(2)의 표면에 대하여 돌출 함몰 가능하게 마련되어 있다.
상기 배기실(11)의 측면에는 배기관(23)이 접속되어 있고, 이 배기관(23)에는 진공 펌프나 자동 압력 제어 밸브 등을 포함하는 배기 기구(24)가 접속되어 있다. 배기 기구(24)의 진공 펌프를 작동시킴으로써 챔버(1) 내의 가스가, 배기실(11)의 공간(11a) 내에 균일하게 배출되고, 배기관(23)을 통해 배기되어, 자동 압력 제어 밸브에 의해 챔버(1) 내를 소정의 진공도로 제어 가능하게 되어 있다.
챔버(1)의 측벽에는, 플라즈마 처리 장치(100)에 인접하는 반송실(도시 생략)과의 사이에서 웨이퍼(W)의 반입출을 행하기 위한 반입출구(25)와, 이 반입출구(25)를 개폐하는 게이트 밸브(26)가 마련되어 있다.
챔버(1)의 상부는 개구부로 되어 있고, 그 개구부의 주연부가 링형의 지지부(27)로 되어 있다. 이 지지부(27) 상에는, 챔버(1) 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원(20)이 마련되어 있다.
마이크로파 플라즈마원(20)은, 유전체, 예컨대 석영이나 Al2O3 등의 세라믹스로 이루어지는 원판형의 마이크로파 투과판(28)과, 평면 안테나(31)와, 지파재(33)와, 모드 변환부(43)와, 도파관(39)과, 마이크로파 발생기(40)를 포함한다.
마이크로파 투과판(28)은, 지지 부재(27)에 시일 부재(29)를 통해 기밀하게 마련되어 있다. 따라서, 챔버(1) 내는 기밀하게 유지된다.
평면 안테나(31)는, 마이크로파 투과판(28)에 대응하는 원판형을 이루며, 마이크로파 투과판(28)에 밀착하도록 마련되어 있다. 이 평면 안테나(31)는 챔버(1)의 측벽 상단에 걸려 있다. 평면 안테나(31)는 도전성 재료로 이루어지는 원판으로 구성되어 있다.
평면 안테나(31)는, 예컨대 표면이 은 또는 금 도금된 동판 또는 알루미늄판으로 이루어지며, 마이크로파를 방사하기 위한 복수의 슬롯(32)이 소정 패턴으로 관통하도록 형성된 구성으로 되어 있다. 슬롯(32)의 패턴은, 마이크로파가 균등하게 방사되도록 적절하게 설정된다. 예컨대, 패턴의 예로서는, T자형으로 배치된 2개의 슬롯(32)을 한 쌍으로 하여 복수 쌍의 슬롯(32)이 동심원형으로 배치되어 있는 것을 들 수 있다. 슬롯(32)의 길이나 배열 간격은, 마이크로파의 실효 파장(λg)에 따라 결정되고, 예컨대 슬롯(32)은, 이들의 간격이 λg/4, λg/2 또는 λg가 되도록 배치된다. 또한, 슬롯(32)은, 원형상, 원호형 등의 다른 형상이어도 좋다. 또한, 슬롯(32)의 배치 형태는 특별히 한정되지 않고, 동심원형 외에, 예컨대 나선형, 방사형으로 배치할 수도 있다.
지파재(33)는, 평면 안테나(31)의 상면에 밀착하여 마련되어 있다. 지파재(33)는, 진공보다 큰 유전율을 갖는 유전체, 예컨대 석영, 세라믹스(Al2O3), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드 등의 수지로 이루어진다. 지파재(33)는 마이크로파의 파장을 진공 중보다 짧게 하여 평면 안테나(31)를 작게 하는 기능을 가지고 있다.
마이크로파 투과판(28) 및 지파재(33)의 두께는, 지파재(33), 평면 안테나(31), 마이크로파 투과판(28) 및 플라즈마로 형성되는 등가 회로가 공진 조건을 만족하도록 조정된다. 지파재(33)의 두께를 조정함으로써, 마이크로파의 위상을 조정할 수 있어, 평면 안테나(31)의 접합부가 정재파의 「중배」가 되도록 두께를 조정함으로써, 마이크로파의 반사가 극소화되고, 마이크로파의 방사 에너지가 최대가 된다. 또한, 지파재(33)와 마이크로파 투과판(28)을 동일한 재질로 함으로써, 마이크로파의 계면 반사를 방지할 수 있다.
또한, 평면 안테나(31)와 마이크로파 투과판(28) 사이, 또한 지파재(33)와 평면 안테나(31) 사이는, 이격하여 배치되어 있어도 좋다.
챔버(1)의 상면에는, 이들 평면 안테나(31) 및 지파재(33)를 덮도록, 예컨대 알루미늄이나 스테인리스강, 동 등의 금속재로 이루어지는 실드 덮개(34)가 마련되어 있다. 챔버(1)의 상면과 실드 덮개(34)는 시일 부재(35)에 의해 시일되어 있다. 실드 덮개(34)에는, 냉각수 유로(34a)가 형성되어 있고, 그곳에 냉각수를 통류시킴으로써, 실드 덮개(34), 지파재(33), 평면 안테나(31), 마이크로파 투과판(28)을 냉각하도록 되어 있다. 또한, 실드 덮개(34)는 접지되어 있다.
모드 변환부(43)는, 동축 도파관(37)과 변환 포트(38)를 가지고 있다. 동축 도파관(37)은, 실드 덮개(34)의 상부벽의 중앙 형성된 개구부(36)의 상방으로부터 삽입되어 있다. 동축 도파관(37)은, 중공 봉형의 내도체(37a)와 원통형의 외도체(37b)가 동심형으로 배치되어 이루어진다. 내도체(37a)의 하단은 평면 안테나(31)에 접속되어 있다. 동축 도파관(37)은 상방으로 연장되어 있다. 변환 포트(38)는, 동축 도파관(37)의 상단에 접속되어 있다. 변환 포트(38)에는, 수평으로 연장되는 단면 직사각 형상의 도파관(39)의 일단이 접속되어 있다. 도파관(39)의 타단에는 마이크로파 발생기(40)가 접속되어 있다. 도파관(39)에는 매칭 회로(41)가 개재되어 있다.
마이크로파 발생기(40)는, 예컨대 주파수가 2.45 ㎓인 마이크로파를 발생시키고, 발생된 마이크로파는 TE 모드로 도파관(39)를 전파하여, 변환 포트(38)에서 마이크로파의 진동 모드가 TE 모드로부터 TEM 모드로 변환되며, 또한 동축 도파관(37)을 통해 전파되는 동안에 잔존하고 있는 TE 모드 성분도 TEM 모드로 변환되어 평면 안테나에 유도된다. 또한, 마이크로파의 주파수로서는, 8.35 ㎓, 1.98 ㎓, 860 ㎒, 915 ㎒ 등, 여러 가지의 주파수를 이용할 수 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 동축 도파관(37)의 높이(길이)(h)는, 마이크로파의 파장(λ) 이상이다. 예컨대, 주파수가 2.45 ㎓인 경우에는, 동축 도파관(37)의 높이(h)는 1 파장분의 길이 122.4 ㎜ 이상이다. 또한, 동축 도파관(37)의 높이(h)는, 내도체(37a)의 하단인 지파재(33)의 저면으로부터 외도체(37b)가 변환 포트(38) 내에서 도파관(39)에 접하는 상단까지의 길이이다.
마이크로파 플라즈마원(20)은, 동축 도파관(37)의 하부에, 둘레 방향으로 복수 마련된, 외도체(37b)로부터 내도체(37a)를 향하여 연장 가능한 스터브 부재(42)를 가지고 있다. 스터브 부재(42)는, 그 선단과 내도체(37a)의 거리를 조절함으로써, 마이크로파의 전파를 둘레 방향으로 조절하는 기능을 가지고 있다.
마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는 또한, 동축 도파관(37) 및 마이크로파 투과판(28)을 통해 챔버(1) 내에 가스를 공급하는 제1 가스 공급 기구(51)와, 챔버(1)의 측벽을 통해 챔버(1) 내에 가스를 공급하는 제2 가스 공급 기구(52)를 가지고 있다.
제1 가스 공급 기구(51)는, 제1 가스 공급원(54)과, 제1 가스 공급원(54)으로부터 변환 포트(38) 내의 내도체(37a)의 상단에 접속되는 배관(55)과, 배관(55)이 접속되어, 내도체(37a) 내를 축 방향으로 관통하는 가스 유로(56)와, 마이크로파 투과판(28)을 관통하여 가스 유로(56)에 연통하도록 마련된 가스 토출구(57)를 갖는다.
제2 가스 공급 기구(52)는, 제2 가스 공급원(58)과, 제2 가스 공급원(58)으로부터 연장되는 배관(59)과, 챔버(1)의 측벽을 따라 환형으로 마련된 제1 버퍼실(60)과, 배관(59)과 제1 버퍼실(60)을 접속하는 가스 유로(61)와, 제1 버퍼실(60)로부터 등간격으로 챔버(1) 내를 향하도록 수평으로 마련된 복수의 가스 토출구(62)를 갖는다.
이들 가스 공급 기구(51, 52)로부터는, 각각 플라즈마 처리에 따라 적절한 가스가 공급되도록 되어 있다. 예컨대, 제1 가스 공급 기구(51)로부터 마이크로파 방사 영역 근방에 플라즈마 생성 가스인 Ar 가스 등의 희가스 등이 공급되고, 제2 가스 공급 기구(52)로부터 챔버(1) 전체에 클리닝 가스, 성막 가스 등이 공급된다. 예컨대, 플라즈마 CVD에 따라 질화규소막(SiN막)을 성막하는 경우에는, 성막 가스로서 모노실란(SiH4)이나 디실란(Si2H6) 등의 Si 원료 가스 및 N2 가스나 암모니아(NH3) 등의 질소 함유 가스가 이용된다. 또한, 질화탄화규소(SiCN막)을 성막하는 경우에는, 이들에 더하여, 에탄(C2H6) 등의 탄소 함유 가스가 이용된다.
마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는 제어부(70)를 가지고 있다. 제어부(70)는, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 각 구성부, 예컨대 마이크로파 발생기(40), 히터 전원(6), 고주파 전원(9), 배기 기구(24), 가스 공급 기구(51, 52)의 밸브나 유량 제어기 등을 제어하는 CPU(컴퓨터)를 갖는 주제어부와, 입력 장치(키보드, 마우스 등), 출력 장치(프린터 등), 표시 장치(디스플레이 등), 기억 장치(기억 매체)를 가지고 있다. 기억 장치에는, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에서 실행되는 각종 처리의 파라미터가 기억되어 있고, 또한 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에서 실행되는 처리를 제어하기 위한 프로그램, 즉 처리 레시피가 저장된 기억 매체가 세트되도록 되어 있다. 주제어부는, 기억 매체에 기억되어 있는 소정의 처리 레시피를 불러내어, 그 처리 레시피에 기초하여 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에 의해 소정의 처리가 행해지도록 제어한다.
<마이크로파 플라즈마 처리 장치의 동작>
다음에, 이와 같이 구성되는 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 동작에 대해서 설명한다.
먼저, 게이트 밸브(26)를 개방으로 하여 반입출구(25)로부터 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 챔버(1) 내에 반입하고, 서셉터(2) 상에 매치한다.
그리고, 챔버(1) 내를 배기하여 소정 압력으로 하고, 제1 및 제2 가스 공급 기구(51, 52) 중 적절한 것으로부터, 소정 가스를 챔버(1) 내에 도입하면서 마이크로파를 도입하여, 챔버(1) 내에 플라즈마를 생성한다. 예컨대, 제1 가스 공급 기구(51)로부터 Ar 가스 등의 플라즈마 생성 가스를 도입하면서, 마이크로파 발생기(40)로부터 소정 파워의 마이크로파를 발생시키고, 발생한 마이크로파를 도파관(39)에 TE 모드로 전파시켜, 모드 변환부(43)를 구성하는 변환 포트(38)로 TEM 모드로 변환시키며, 마찬가지로 모드 변화부(43)를 구성하는 동축 도파관(37)에 전파시켜, 잔존하고 있는 TE 모드 성분도 TEM 모드로 변환시키고, 지파재(33), 평면 안테나(31)의 슬롯(32) 및 마이크로파 투과판(28)을 거쳐, 챔버(1) 내에 방사시킨다.
마이크로파는 표면파로서 마이크로파 투과판(28)의 직하 영역으로만 확대되어, 표면파 플라즈마가 생성된다. 그리고, 플라즈마는 하방으로 확산되어, 웨이퍼(W)의 배치 영역에서는, 고전자 밀도 또한 저전자 온도의 플라즈마가 된다.
제2 가스 공급 기구(52)로부터는, 성막 가스가 웨이퍼(W)를 향하여 공급되고, 표면파 플라즈마에 의해 여기되어, 웨이퍼 상에 플라즈마 CVD에 따라 소정의 막이 성막된다. 예컨대, 성막 가스로서, 모노실란(SiH4)이나 디실란(Si2H6) 등의 Si 원료 가스 및 N2 가스나 암모니아(NH3) 질소 함유 가스를 이용함으로써, SiN막이 성막된다. 또한, 성막 가스로서 에탄(C2H6) 등의 탄소 함유 가스를 더 이용함으로써, SiCN막이 성막된다.
이때, 스터브 부재(42)에 의해, 마이크로파의 전파를 둘레 방향으로 조절하여, 전계의 불균일을 보정하여, 플라즈마 처리의 면내 균일성을 향상시킨다.
그러나, 스터브 부재(42)에 의해 둘레 방향의 전계의 불균일을 어느 정도 보정할 수 있지만, 스터브 부재(42)만으로는, 원하는 전계 균일성을 얻기 어렵다.
그래서, 본 실시형태에서는, 동축 도파관(37)의 높이(길이)에 주목하였다.
그 결과, 단면 직사각 형상의 도파관(39)에서 TE 모드로 전송된 마이크로파는, 변환 포트(38)로 TEM 모드로 변환되고, 동축 도파관(37)을 전파하여 지파재(33)에 이르러, 평면 안테나(31)의 슬롯(32)으로부터 방사되지만, 이때의 전송되는 마이크로파의 둘레 방향의 전계 균일성은, 동축 도파관(37)의 길이에 관계하는 것이 발견되었다.
이에 대해서 상세하게 설명한다.
RLSA(등록 상표) 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 마이크로파 공급부는, 안테나 메이커에 의해 제조되며, 그 설계도 안테나 메이커에 의해 이루어져 있고, 예컨대 주파수가 2.45 ㎓인 장치에 있어서, 동축 도파관의 높이(길이)가 98.5 ㎜로 설계되어 있었다.
그러나, 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 경우, 플라즈마에 의한 마이크로파의 반사 등의 영향에 의해, 상기와 같은 통상의 안테나 설계가 알맞다고만은 할 수 없다. 또한, 마이크로파의 진동 모드의 변환은 변환 포트(38)로 완전하게 이루어지는 것은 아니고, 동축 도파관(37)을 전송됨에 따라, 변환한 모드가 안정된다.
그래서, 전계의 불균일이, 동축 도파관(37)의 높이(길이)(h)가 최적화되어 있지 않다고 하는 가설 하에서, 동축 도파관(37)의 높이(h)와 전계 균일성의 관계를 검증한 결과, 동축 도파관(37)의 높이(h)가 마이크로파의 파장(λ) 이상이면 안정적으로 TEM으로 변환되어, 양호한 전계 균일성이 얻어지는 것이 발견되었다.
이하, 그 검증에 이용한 시뮬레이션 결과에 대해서 설명한다.
여기서는, 전자계 시뮬레이션에 의해, 동축 도파관(37)의 높이(h)(동축 도파관 상단 위치)와 지파재 내의 둘레 방향의 전계 균일성의 관계를 구하였다. 그 결과를 도 3에 나타낸다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 동축 도파관(37)의 높이(h)가 종래의 98.5 ㎜인 경우에는, 전계 균일성이 2.28％이었던 것에 비하여, 동축 도파관(37)의 높이(h)를 증가시킴으로써 전계 균일성이 높아지는 경향에 있고, 동축 도파관(37)의 높이(h)가 마이크로파의 파장(λ) 이상이 되면 전계 균일성이 0.3％ 정도 또는 그보다 낮은 값으로 안정되는 것이 확인되었다.
이것으로부터, 동축 도파관(37)의 높이(h)가 마이크로파의 파장(λ) 이상인 경우에, 지파재 내의 둘레 방향의 전계 균일성이 안정적으로 양호해지는 것이 검증되었다. 이것은, 동축 도파관(37)의 높이(h)가 종래의 98.5 ㎜에서는, TE 모드가 TEM 모드로 완전히 충분히 변환되지 않고 전계가 불안정하게 되어 있는 데 비하여, 동축 도파관(37)의 높이(h)가 커짐에 따라 TEM 모드로의 변환의 정도가 높아져, 동축 도파관(37)의 높이(h)가 마이크로파의 파장(λ) 이상이 되면, 거의 안정적으로 TEM 모드가 형성되기 때문이라고 추측된다.
또한, 이상의 시뮬레이션 결과는, 마이크로파의 주파수가 2.45 ㎓인 경우를 나타내고 있지만, 다른 주파수에 있어서도 마찬가지로, 동축 도파관(37)의 높이가 마이크로파의 파장(λ) 이상에서 전계 균일성을 안정적으로 높일 수 있다.
이와 같이, 동축 도파관(37)의 높이(h)를 마이크로파의 파장(λ) 이상으로 함으로써, 둘레 방향의 전계 균일성을 높일 수 있어, 피처리 기판인 웨이퍼면 내의 플라즈마 균일성이 높은 마이크로파 플라즈마 처리를 행할 수 있다. 이 때문에 플라즈마 CVD로 성막할 때의 막 두께의 균일성을 높일 수 있다.
또한, 이와 같이 동축 도파관(37)의 높이(h)를 마이크로파의 파장(λ) 이상으로 한 뒤에, 스터브 부재(42)를 조정하여 전계의 불균일을 보정함으로써, 전계 균일성을 더 높게 할 수 있다.
이와 같이 하여, 마이크로파 플라즈마에 의한 플라즈마 CVD에 따라 소정의 막을 성막한 후, 챔버(1) 내를 퍼지하여, 처리 후의 웨이퍼(W)를 반출한다.
그리고, 이러한 마이크로파 플라즈마 처리를 소정 매수의 웨이퍼에 대해서 행한 후, 예컨대 제2 가스 공급 기구로부터 챔버(1) 내에 적절한 클리닝 가스를 공급하여, 챔버(1) 내의 클리닝을 행한다.
<다른 적용>
이상, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 일없이, 본 발명의 사상의 범위 내에 있어서 여러 가지 변형 가능하다.
예컨대, 상기 실시형태에서는, 마이크로파 플라즈마 처리로서, 플라즈마 CVD를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 플라즈마 에칭이나, 플라즈마 산화 처리, 플라즈마 질화 처리 등의 다른 플라즈마 처리에도 적용 가능하다.
또한, 상기 실시형태에서는, 동축 도파관 및 챔버의 천장벽인 마이크로파 투과판을 통해 가스를 공급하는 제1 가스 공급 기구와, 챔버의 측벽을 통해 가스를 공급하는 제2 가스 공급 기구를 설치한 예를 나타내었지만, 가스 공급 기구는 1개 또는 2개 이상의 복수여도 좋고, 또한 가스 도입 부분도 상기 실시형태에 한정되지 않는다. 구체예로서, 제1 가스 공급 기구에 의해 마이크로파 방사 영역 근방에 플라즈마 생성 가스를 공급하고, 제2 가스 공급 기구에 의해 웨이퍼 근방에 성막용의 가스를 공급한 경우를 나타내었지만, 이것에 한정되지 않고, 성막용 가스 중 플라즈마에 의한 해리를 촉진하고자 하는 가스를 챔버의 천장벽으로부터 마이크로파 방사 영역에 조사하는 등, 용도에 따라 여러 가지의 가스 공급 형태를 들 수 있다. 또한, Ar 가스 등의 플라즈마 생성 가스는 필수적이지 않다.
또한, 상기 실시형태에서는 피처리 기판으로서 반도체 웨이퍼를 이용한 경우에 대해서 설명하였지만, 반도체 웨이퍼에 한정되는 것이 아니며, 유리 기판이나 세라믹스 기판 등의 다른 피처리체여도 좋다.
1 : 챔버 2 : 서셉터
5 : 히터 24 : 배기 기구
28 : 마이크로파 투과판 31 : 평면 안테나
32 : 슬롯 33 : 지파재
37 : 동축 도파관 38 : 변환 포트
39 : 도파관 40 : 마이크로파 발생기
41 : 매칭 회로 42 : 스터브 부재
43 : 마이크로파 변환부 51 : 제1 가스 공급 기구
52 : 제2 가스 공급 기구 60 : 제어부
W : 반도체 웨이퍼(피처리 기판)

Claims (10)

  1. 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 생성하여 플라즈마 처리를 행하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 챔버 내에 마이크로파를 방사하여 마이크로파 플라즈마를 생성하는 마이크로파 플라즈마원으로서,
    마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와,
    마이크로파 발생기에서 발생된 마이크로파를 TE 모드로 전파하는 도파관과,
    상기 도파관으로부터 유도된 마이크로파의 진동 모드를 TE 모드로부터 TEM 모드로 변환하는 변환 포트 및 상기 변환 포트로부터 마이크로파를 상기 챔버를 향하여 전파하고, 전파하고 있는 동안에 잔존하고 있는 TE 모드 성분을 TEM 모드로 변환하는 동축 도파관을 포함하는 마이크로파 변환부와,
    상기 동축 도파관에 유도된 마이크로파를 상기 챔버를 향하여 방사하는 복수의 슬롯을 갖는 도체로 이루어지는 평면 안테나, 그리고
    상기 평면 안테나의 상기 복수의 슬롯으로부터 방사된 마이크로파를 상기 챔버에 투과하는, 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과판
    을 포함하고,
    상기 동축 도파관의 길이는, 상기 마이크로파 발생기로부터 발생되는 마이크로파의 파장 이상의 길이인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 변환 포트로부터 상기 평면 안테나에 유도되는 마이크로파의 둘레 방향의 전계 균일성을 보정하는 스터브 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마원.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 평면 안테나의 상면에 마련된, 유전체로 이루어지는 지파재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마원.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마이크로파의 주파수가 2.45 ㎓인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마원.
  5. 피처리체가 수용되는 챔버와,
    마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와,
    마이크로파 발생기에서 발생된 마이크로파를 TE 모드로 전파하는 도파관과,
    상기 도파관으로부터 유도된 마이크로파의 진동 모드를 TE 모드로부터 TEM 모드로 변환하는 변환 포트 및 상기 변환 포트로부터 마이크로파를 상기 챔버를 향하여 전파하고, 전파하고 있는 동안에 잔존하고 있는 TE 모드 성분을 TEM 모드로 변환하는 동축 도파관을 포함하는 마이크로파 변환부와,
    상기 동축 도파관에 유도된 마이크로파를 상기 챔버를 향하여 방사하는 복수의 슬롯을 갖는 도체로 이루어지는 평면 안테나와,
    상기 챔버의 천장벽을 구성하며, 상기 평면 안테나의 상기 복수의 슬롯으로부터 방사된 마이크로파를 투과하는, 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과판과,
    상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급 기구, 그리고
    상기 챔버 내를 배기하는 배기 기구
    를 포함하고,
    상기 동축 도파관의 길이는, 상기 마이크로파 발생기로부터 발생되는 마이크로파의 파장 이상의 길이인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 변환 포트로부터 상기 평면 안테나에 유도되는 마이크로파의 둘레 방향의 전계 균일성을 보정하는 스터브 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 평면 안테나의 상면에 마련된, 유전체로 이루어지는 지파재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 마이크로파의 주파수가 2.45 ㎓인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  9. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 마이크로파 플라즈마 처리는, 상기 가스 공급 기구로부터 성막 가스를 상기 챔버 내에 공급하여 플라즈마 CVD에 따라 피처리체에 정해진 막을 성막하는 처리인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 가스 공급 기구로부터 공급되는 성막 가스는 규소 원료 가스 및 질소 함유 가스, 또는 탄소 함유 가스이고, 피처리체에 질화규소막 또는 질화탄화규소막이 성막되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
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