KR102000355B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

(과제) 처리 가스를 가스의 특성에 따른 적절한 해리 상태에서 해리시킬 수 있고, 또한, 플라즈마 밀도를 유지하면서, 처리 가스의 도입 균일성 및 소망하는 플라즈마 균일성을 양립시킬 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
(해결 수단) 플라즈마 처리 장치는, 챔버와, 웨이퍼를 탑재하는 탑재대와, 챔버의 천벽(10a)을 사이에 두고 챔버 내에 마이크로파를 도입하고, 챔버 내에 표면파 플라즈마를 생성하는 플라즈마원과, 천벽(10a)으로부터 제 1 가스를 챔버 내에 공급하는 제 1 가스 샤워부(21)와, 천벽(10a)과 탑재대의 사이로부터 제 2 가스를 챔버 내에 도입하는 제 2 가스 샤워부(22)를 구비하고, 제 2 가스 샤워부(22)는, 천벽(10a)으로부터 탑재대의 방향으로 연장되고, 동일 원주상에 등간격으로 배치된 복수의 노즐(110)을 갖고, 복수의 노즐(110)은 각각, 인접하는 노즐(110)을 향해서 제 2 가스를 토출한다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 피처리체를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마 처리는, 반도체 디바이스의 제조에 불가결한 기술이다. 최근 LSI의 고집적화, 고속화의 요청으로부터 LSI를 구성하는 반도체 소자가 더욱 미세화되고, 또한, 반도체 웨이퍼가 대형화되고 있다. 그것에 따라, 플라즈마 처리 장치에 있어서도, 이와 같은 미세화, 대형화에 대응하는 것이 요구되고 있다.
플라즈마 처리 장치로서는, 종래, 평행 평판형이나 유도 결합형의 것이 이용되고 있다. 그러나, 이러한 형태에서는, 생성되는 플라즈마의 전자 온도가 높기 때문에 미세한 소자에 데미지가 생겨 버리고, 또한, 플라즈마 밀도가 높은 영역이 한정되기 때문에, 대형 반도체 웨이퍼를 균일하게 고속으로 플라즈마 처리하는 것은 곤란하다.
그래서, 고밀도로 낮은 전자 온도의 표면파 플라즈마를 균일하게 형성할 수 있는 RLSA(등록상표) 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 주목받고 있다(특허 문헌 1 참조).
RLSA(등록상표) 마이크로파 플라즈마 처리 장치는, 표면파 플라즈마를 발생시키기 위한 마이크로파를 방사하는 마이크로파 방사 안테나로서 챔버의 상부에 소정의 패턴으로 복수의 슬롯이 형성된 평면 슬롯 안테나를 갖는다. 그리고, 마이크로파 발생원으로부터 도입된 마이크로파를, 상기 안테나의 슬롯으로부터 방사시킴과 아울러, 챔버의 천벽(ceiling wall)을 구성하는 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과판을 거쳐서 진공으로 유지된 챔버 내에 방사한다. RLSA(등록상표) 마이크로파 플라즈마 처리 장치는, 이 마이크로파의 전계에 의해 챔버 내에서 표면파 플라즈마를 생성하고, 이것에 의해 반도체 웨이퍼 등의 피처리체를 처리한다.
한편, 특허 문헌 2에는, 마이크로파를 복수로 분배하고, 상술한 바와 같은 평면 안테나와 임피던스 정합을 행하는 튜너를 갖는 마이크로파 방사 기구를 챔버의 상면에 복수 마련하고, 그것들로부터 방사된 마이크로파를 챔버 내로 도입하여 그 챔버 내에서 플라즈마를 공간 합성하는 플라즈마원이 개시되어 있다. 이와 같이 복수의 마이크로파 방사 기구를 이용하여 플라즈마를 공간 합성하는 것에 의해, 각 마이크로파 방사 기구로부터 도입되는 마이크로파의 위상이나 강도를 개별적으로 조정할 수 있고, 플라즈마 분포의 조정을 비교적 용이하게 행할 수 있다.
이러한 종류의 마이크로파 플라즈마 장치에 있어서는, 플라즈마 처리시에, Ar 가스와 같은 여기용 가스와 처리 가스를 챔버 내에 도입한다. 특허 문헌 1에 기재된 장치에서는, 챔버의 측벽으로부터 처리 가스가 공급되고, 특허 문헌 2에 기재된 장치에서는, 챔버의 측벽으로부터 처리 가스가 공급되고 있다. 그 때문에, 이러한 장치에서는, 챔버 내에서의 처리 가스 또는 여기 가스의 흐름의 제어성이 나쁘고, 처리 가스나 여기 가스를 균일하게 도입하는 것이 곤란하다. 이와 같은 문제에 대하여, 특허 문헌 3에는, 챔버의 천벽으로부터 가스를 도입하는 기술이 개시되어 있다.
그런데, 여기용 가스와 처리 가스를 챔버 내에 도입할 때, 가스의 특성에 따른 적절한 해리 상태가 필요하다. 예컨대, 처리 가스로서 SiH4와 N2 가스나 NH3 가스 등의 질화 가스를 이용하여 플라즈마 CVD에 의해 SiN막을 형성하는 경우, Ar 가스나 N2 가스, NH3 등의 질화 가스는 여기ㆍ해리를 위해 충분한 에너지를 필요로 하지만, SiH4 가스는 과잉 해리를 막을 필요가 있다. 그러나, 특허 문헌 3과 같이 챔버의 천벽으로부터 가스를 도입하는 경우는, 전자 온도가 높은 영역에 가스를 도입하지 않을 수 없고, SiH4 가스 등의 과잉 해리시키고 싶지 않은 가스도 과잉 해리하여 버려, 기상 파티클이나 노즐의 막힘이 발생하여 버린다.
이것에 대하여, 특허 문헌 4에는, 마이크로파를 도입하는 천벽에 상단 샤워 플레이트를 갖고, 상단 샤워 플레이트와 피처리 기판의 사이에 하단 샤워 플레이트를 갖고, 상단 샤워 플레이트로부터는 Ar 가스 등의 여기용 가스나 적극적으로 해리시키고 싶은 가스를 도입하고, 하단 샤워 플레이트로부터는 SiH4 가스 등의 과잉 해리시키고 싶지 않은 가스를 도입하는 것이 기재되어 있다. 즉, 마이크로파 플라즈마 처리 장치는, 천벽으로부터 마이크로파를 챔버 내에 도입하여 표면파 플라즈마를 생성하지만, 이와 같은 플라즈마의 전자 온도는 천벽 직하 부분이 가장 높고, 천벽으로부터 떨어진 확산 플라즈마 영역에서 급격하게 전자 온도가 저하하는 특징이 있다. 그 때문에, 이와 같은 챔버의 위치에 따른 전자 온도의 차이를 이용하여 특허 문헌 4의 장치에서는 가스의 특성에 따른 적절한 해리 상태를 실현하고 있다.
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌)
(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 2000-294550호 공보
(특허 문헌 2) 국제 공개 제 2008/013112호 팜플렛
(특허 문헌 3) 일본 특허 공개 2012-216525호 공보
(특허 문헌 4) 일본 특허 공개 2008-47883호 공보
그렇지만, 특허 문헌 4의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 가스 유로와, 플라즈마를 통과시키기 위한 개구부가 하단 샤워 플레이트에 형성되고, 처리 가스는 챔버의 측벽에 마련된 가스 공급 포트로부터 도입되도록 되어 있다. 이들 가스 유로 및 가스 공급 포트가 플라즈마 확산의 장해물이 된다. 이 때문에, 특허 문헌 4의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서는, 플라즈마 밀도가 불충분하게 되어 소망하는 레이트나 막질 제어성을 얻을 수 없게 되고, 또한, 플라즈마의 균일성이 불충분하게 되어, 소망하는 플라즈마 처리의 면 내 균일성을 얻을 수 없는 일이 있다.
본 발명은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이고, 처리 가스를 가스의 특성에 따른 적절한 해리 상태에서 해리시킬 수 있고, 또한, 플라즈마 밀도를 유지하면서, 처리 가스의 도입 균일성 및 소망하는 플라즈마 균일성을 양립시킬 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 챔버와, 그 챔버 내에서 피처리체를 탑재하는 탑재대와, 상기 챔버의 천벽을 거쳐서 상기 챔버 내에 마이크로파를 도입하고, 상기 챔버 내에 표면파 플라즈마를 생성하는 플라즈마원과, 상기 천벽으로부터 제 1 가스를 상기 챔버 내에 공급하는 제 1 가스 도입부와, 상기 천벽과 상기 탑재대의 사이의 소정 높이로부터 제 2 가스를 상기 챔버 내에 도입하는 제 2 가스 도입부를 구비하고, 상기 제 2 가스 도입부는, 상기 천벽으로부터 상기 탑재대의 방향으로 연장되고, 동일 원주상에 등간격으로 배치된 복수의 노즐을 갖고, 상기 복수의 노즐은 각각, 인접하는 상기 노즐을 향해서 상기 제 2 가스를 토출하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 의하면, 천벽으로부터 제 1 가스를 챔버 내에 도입하는 제 1 가스 도입부와, 천벽과 탑재대의 사이로부터 제 2 가스를 챔버 내에 도입하는 제 2 가스 도입부를 마련했으므로, 처리 가스를 가스의 특성에 따른 적절한 해리 상태에서 해리시킬 수 있다. 또한, 제 2 가스 도입부는, 천벽과 탑재대의 사이의 소정 높이로부터 제 2 가스를 토출하는 것이고, 그 도입부는, 천벽으로부터 탑재대의 방향으로 연장되고, 동일 원주상에 등간격으로 배치된 복수의 노즐을 갖고, 그 복수의 노즐 각각이, 인접하는 노즐을 향해서 제 2 가스를 토출하기 때문에, 플라즈마 밀도를 유지하면서, 처리 가스의 도입 균일성 및 소망하는 플라즈마 균일성을 양립시킬 수 있다.
상기 천벽은, 마이크로파를 투과시키기 위한 유전체창과, 그 유전체창이 장착되는 금속 부분을 갖고, 상기 제 1 가스 도입부는, 상기 금속 부분에 형성되고, 상기 노즐은, 상기 금속 부분에 있어서의 상기 제 1 가스 도입부가 형성되어 있지 않은 부분에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 유전체창은, 상기 천벽의 중앙에 마련된 중앙 유전체창과, 그 중앙 유전체창을 중심으로 한 동일 원주상에 등간격으로 배치된 주위 유전체창을 갖고, 상기 복수의 노즐은 각각, 상기 중앙 유전체창과 상기 주위 유전체창의 사이를 향해서 상기 제 2 가스를 토출하는 것이 바람직하다.
상기 복수의 노즐은 각각, 수평으로부터 소정의 각도로 또한 연직 방향 아래쪽 또는 위쪽으로 상기 제 2 가스를 토출하더라도 좋다.
상기 노즐은, 수평으로부터 소정의 각도로 또한 연직 방향 아래쪽으로 토출하는 것과 수평으로부터 소정의 각도로 또한 연직 방향 위쪽으로 토출하는 것이 교대로 마련되어 있더라도 좋다.
상기 제 2 가스 도입부의 바깥쪽 영역에 마련되고, 상기 제 2 가스를 상기 챔버에 도입하는 제 3 가스 도입부를 더 구비하고, 그 제 3 가스 도입부는, 동일 원주상에 등간격으로 배열된 다른 복수의 노즐을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치에 의하면, 처리 가스를 가스의 특성에 따른 적절한 해리 상태에서 해리시킬 수 있고, 또한, 플라즈마 밀도를 유지하면서, 처리 가스의 도입 균일성 및 소망하는 플라즈마 균일성을 양립시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태와 관련되는 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치에 이용되는 마이크로파 플라즈마원의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2의 마이크로파 플라즈마원에 있어서의 마이크로파 방사 기구의 배치를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 플라즈마 처리 장치의 마이크로파 플라즈마원에 있어서의 마이크로파 방사 기구를 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 1의 천벽의 하면도이다.
도 6은 도 1의 제 2 가스 샤워부를 구성하는 노즐의 개략을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 1의 제 3 가스 샤워부를 구성하는 노즐의 개략을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시 형태와 관련되는 제 3 가스 샤워부의 설명도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 설명한다. 또, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 붙이는 것에 의해 중복 설명을 생략한다. 또한, 이하에 나타내는 실시의 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
(제 1 실시 형태)
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태와 관련되는 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치에 이용되는 마이크로파 플라즈마원의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 3은 도 2의 마이크로파 플라즈마원에 있어서의 마이크로파 방사 기구의 배치를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 1의 플라즈마 처리 장치의 마이크로파 플라즈마원에 있어서의 마이크로파 방사 기구를 나타내는 단면도이다.
도 1의 플라즈마 처리 장치(100)는, 마이크로파에 의해 표면파 플라즈마를 형성하여 웨이퍼에 대하여 소정의 플라즈마 처리를 행하는 것이다. 플라즈마 처리로서는 예컨대 성막 처리 또는 에칭 처리 등이 있다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 기밀로 구성된 알루미늄 등의 금속 재료로 이루어지는 대략 원통 형상의 접지된 챔버(1)와, 그 챔버(1) 내에 마이크로파를 도입하여 표면파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원(2)을 구비한다. 챔버(1)의 천벽(10a)은, 금속제의 본체부에, 후술하는 복수의 마이크로파 방사 기구의 유전체 부재가 끼워져 구성되어 있고, 마이크로파 플라즈마원(2)은 천벽(10a)의 복수의 유전체 부재를 거쳐서 챔버(1) 내에 마이크로파를 도입하도록 되어 있다.
또한, 플라즈마 처리 장치(100)는 전체 제어부(3)를 구비한다. 전체 제어부(3)는, 예컨대 컴퓨터이고, 프로그램 저장부(도시하지 않음)를 갖고 있다. 프로그램 저장부에는, 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 웨이퍼 W의 처리를 제어하는 프로그램이 저장되어 있다. 또, 상기 프로그램은, 예컨대 컴퓨터 판독 가능한 하드디스크(HD), 플렉서블 디스크(FD), 콤팩트디스크(CD), 마그넷 옵티컬 디스크(MO), 메모리카드 등의 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체에 기록되어 있던 것으로서, 그 기억 매체로부터 전체 제어부(3)에 인스톨된 것이더라도 좋다.
챔버(1) 내에는, 피처리체인 반도체 웨이퍼 W(이하, 웨이퍼 W)를 수평으로 지지하는 서셉터(탑재대)(11)가, 챔버(1)의 저부 중앙에 절연 부재(12a)를 사이에 두고 세워진 통 형상의 지지 부재(12)에 의해 지지된 상태로 마련되어 있다. 서셉터(11) 및 지지 부재(12)를 구성하는 재료는, 예컨대, 표면을 알루마이트 처리(양극 산화 처리)한 알루미늄 등의 금속이나 내부에 고주파용의 전극을 가진 절연성 재료(세라믹스 등)이다.
또한, 도시는 하고 있지 않지만, 서셉터(11)에는, 온도 제어 기구, 웨이퍼 W의 이면에 열전달용의 가스를 공급하는 가스 유로, 웨이퍼 W를 반송하기 위해 승강하는 승강 핀 등이 마련되어 있다. 또한, 웨이퍼 W를 정전 흡착하기 위한 정전 척이 마련되어 있더라도 좋다.
또한, 서셉터(11)에는, 정합기(13)를 거쳐서 고주파 바이어스 전원(14)이 전기적으로 접속되어 있다. 이 고주파 바이어스 전원(14)으로부터 서셉터(11)에 고주파 전력이 공급되는 것에 의해, 웨이퍼 W 쪽으로 플라즈마 중의 이온이 끌어들여진다. 또, 고주파 바이어스 전원(14)은 플라즈마 처리의 특성에 따라서는 마련하지 않더라도 좋다. 이 경우는, 서셉터(11)로서 AlN과 같은 세라믹스 등으로 이루어지는 절연성 부재를 이용했다고 하더라도 전극은 불필요하다.
챔버(1)의 저부 쪽에는 배기관(15)이 접속되어 있고, 이 배기관(15)에는 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(16)가 접속되어 있다. 이 배기 장치(16)를 작동시키는 것에 의해, 챔버(1) 내를 배기할 수 있고, 챔버(1) 내를 감압하여 소정의 압력으로 설정할 수 있다. 또한, 챔버(1)의 측벽(10b)에는, 웨이퍼 W의 반출입을 행하기 위한 반입출구(17)와, 이 반입출구(17)를 개폐하는 게이트 밸브(18)가 마련되어 있다.
또한, 플라즈마 처리 장치(100)는, 챔버(1)의 천벽(10a)으로부터 챔버(1) 내에 소정의 가스를 토출하기 위한 제 1 가스 샤워부(21)와, 챔버(1) 내의 천벽(10a)과 서셉터(11)의 사이의 위치로부터 가스를 도입하는 제 2 가스 샤워부(22)를 구비한다. 또한, 플라즈마 처리 장치(100)는, 챔버(1) 내의 천벽(10a)과 서셉터(11)의 사이의 위치로서 제 2 가스 샤워부(22)보다 바깥쪽의 위치로부터 가스를 도입하는 제 3 가스 샤워부(23)를 구비한다. 이들 제 1~제 3 가스 샤워부(21~23)의 상세에 대해서는 후술한다.
제 1 가스 샤워부(21)는, 제 1 가스 공급부(81)로부터 배관(83)을 거쳐서 Ar 가스 등의 여기용 가스나, 처리 가스 중 높은 에너지로 해리시키고 싶은 가스로 이루어지는 제 1 가스가 공급되고, 이것들을 챔버(1) 내에 토출한다. 또한, 제 2 가스 샤워부(22) 및 제 3 가스 샤워부(23)는, 제 2 가스 공급부(82)로부터, 각각 배관(84) 및 배관(85)을 거쳐서, 처리 가스 중, 과잉 해리를 막고 싶은 가스인 제 2 가스가 공급되고, 그것들을 챔버(1) 내에 토출한다.
마이크로파 플라즈마원(2)은, 복수 경로로 분배하여 마이크로파를 출력하는 마이크로파 출력부(30)와, 마이크로파 출력부(30)로부터 출력된 마이크로파를 전송하는 마이크로파 전송부(40)를 갖는다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 마이크로파 출력부(30)는, 마이크로파 전원(31)과, 마이크로파 발진기(32)와, 앰프(33)와, 분배기(34)를 갖는다.
마이크로파 전원(31)은, 마이크로파 발진기(32)에 대하여 전력을 공급한다. 마이크로파 발진기(32)는, 소정 주파수(예컨대 860㎒)의 마이크로파를 예컨대 PLL 발진시킨다. 앰프(33)는, 발진된 마이크로파를 증폭한다. 분배기(34)에서는, 마이크로파의 손실이 가능한 한 일어나지 않도록, 입력측과 출력측의 임피던스 정합을 취하면서 앰프(33)에서 증폭된 마이크로파를 분배한다. 또, 마이크로파의 주파수로서는, 860㎒ 외에, 915㎒ 등, 700㎒로부터 3㎓의 범위의 다양한 주파수를 이용할 수 있다.
마이크로파 전송부(40)는, 복수의 앰프부(41)와, 앰프부(41)에 대응하여 마련된 복수의 마이크로파 방사 기구(42)를 갖는다. 마이크로파 방사 기구(42)는, 예컨대, 도 3에 나타내는 바와 같이, 천벽(10a)의 중앙에 1개, 그 중앙의 것을 중심으로 한 원주상에 등간격으로 6개, 합계 7개, 배치되어 있다. 또, 본 예에서는, 중심의 마이크로파 방사 기구(42)와 외주의 마이크로파 방사 기구(42)의 사이의 거리와, 외주의 마이크로파 방사 기구(42)간의 거리가 동일하게 되도록, 이것들은 배치되어 있다.
마이크로파 전송부(40)의 앰프부(41)는, 분배기(34)에서 분배된 마이크로파를 각 마이크로파 방사 기구(42)에 도입한다. 앰프부(41)는, 위상기(43)와, 가변 게인 앰프(44)와, 메인 앰프(45)와, 아이솔레이터(46)를 갖는다.
위상기(43)는, 마이크로파의 위상을 변화시킬 수 있도록 구성되어 있고, 이것을 조정하는 것에 의해 방사 특성을 변조시킬 수 있다. 예컨대, 마이크로파 방사 기구(42)마다 위상을 조정하는 것에 의해, 지향성을 제어하여 플라즈마 분포를 변화시킬 수 있다. 또한, 서로 이웃하는 마이크로파 방사 기구(42)에 있어서는 90°씩 위상을 늦추도록 하여 원편파를 얻을 수 있다. 또한, 위상기(43)는, 앰프 내의 부품간의 지연 특성을 조정하여, 후술하는 튜너 내에서의 공간 합성을 목적으로 하여 사용할 수 있다. 단, 이와 같은 방사 특성의 변조나 앰프 내의 부품간의 지연 특성의 조정이 불필요한 경우에는 위상기(43)는 마련할 필요는 없다.
가변 게인 앰프(44)는, 메인 앰프(45)에 입력하는 마이크로파의 전력 레벨을 조정하고, 플라즈마 강도를 조정하기 위한 앰프이다. 가변 게인 앰프(44)를 앰프부(41)마다 변화시키는 것에 의해, 발생하는 플라즈마에 분포를 생기게 할 수도 있다.
메인 앰프(45)는, 솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 것이고, 예컨대, 입력 정합 회로와, 반도체 증폭 소자와, 출력 정합 회로와, 고 Q 공진 회로를 갖는 구성으로 할 수 있다.
아이솔레이터(46)는, 후술하는 평면 안테나에서 반사하여 메인 앰프(45)로 향하는 반사 마이크로파를 분리하는 것이고, 서큘레이터와 더미 로드(동축 종단기)를 갖는다. 서큘레이터는, 반사한 마이크로파를 더미 로드에 도입하고, 더미 로드는 서큘레이터에 의해 도입된 반사 마이크로파를 열로 변환한다.
마이크로파 방사 기구(42)는, 앰프부(41)로부터 출력된 마이크로파를 챔버(1) 내에 방사하는 기능 및 임피던스를 정합하는 기능을 갖는다.
마이크로파 방사 기구(42)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 동축관(51)을 갖는다. 동축관(51)은, 통 형상의 외측 도체(52) 및 그 중심에 마련된 봉 형상의 내측 도체(53)로 이루어지는 동축 형상의 마이크로파 전송로를 갖는다. 또한, 마이크로파 방사 기구(42)는, 앰프부(41)에서 증폭된 마이크로파를, 동축 케이블(55)을 거쳐서 동축관(51)에 급전하는 급전 안테나(도시하지 않음)를 갖는다. 또한, 마이크로파 방사 기구(42)는, 부하의 임피던스를 마이크로파 전원(31)의 특성 임피던스에 정합시키는 튜너(54)와, 동축관(51)으로부터의 마이크로파를 챔버(1) 내에 방사하는 안테나부(56)를 갖는다.
외측 도체(52)의 상단부의 측방으로부터 동축 케이블(55)에 의해 급전된 마이크로파가, 급전 안테나로부터 방사되고, 외측 도체(52)와 내측 도체(53)의 사이의 마이크로파 전송로에 마이크로파 전력이 급전되어 안테나부(56)를 향해서 전파한다.
안테나부(56)는, 동축관(51)의 하단부에 마련되어 있고, 챔버(1)의 천벽(10a)의 금속 부분에 끼워져 있다. 안테나부(56)는, 내측 도체(53)의 하단부에 접속된 원판 형상을 이루는 평면 안테나(61)와, 평면 안테나(61)의 상면 쪽에 배치된 지파재(62)와, 평면 안테나(61)의 하면 쪽에 배치된 유전체창(63)을 갖고 있다.
평면 안테나(61)에는, 그 두께 방향으로 관통하도록 슬롯(61a)이 형성되어 있다. 슬롯(61a)은, 마이크로파가 효율적으로 방사되는 형상을 이루고 있다. 슬롯(61a)에는 유전체가 삽입되어 있더라도 좋다.
지파재(62)는, 진공보다 큰 유전율을 갖는 유전체에 의해 형성되어 있고, 마이크로파의 파장을 짧게 하여 안테나를 작게 하는 기능을 갖고 있다. 지파재(62)는, 그 두께에 의해 마이크로파의 위상을 조정할 수 있고, 평면 안테나(61)의 접합부가 정재파의 「배(antinode)」가 되도록 두께를 조정하는 것에 의해, 마이크로파의 방사 에너지가 최대가 되도록 할 수 있다.
유전체창(63)도 마찬가지의 유전체로 구성되고, 천벽(10a)의 금속 부분에 끼워져 있고, 그 하면은 챔버(1)의 내부 공간에 노출되어 있다. 유전체창(63)은, 마이크로파를 TF 모드로 효율적으로 방사할 수 있는 형상을 이루고 있다. 그리고, 유전체창(63)을 투과한 마이크로파는, 챔버(1) 내의 유전체창(63)의 직하 부분에 표면파 플라즈마를 생성한다.
또, 이하에서는, 유전체창(63) 중, 중앙에 위치하는 것을 중앙 유전체창(63)이라고 하고, 이 중앙 유전체창(63)을 중심으로 한 동일 원주상에 등간격으로 배치된 것을 주위 유전체창(63)이라고 한다.
지파재(62) 및 유전체창(63)은, 예컨대, 석영이나 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 수지 등의 불소계 수지, 폴리이미드 수지 등으로 형성된다.
튜너(54)는, 동축관(51)의 안테나부(56)보다 기단부측(상단부측)의 부분에 배치된 2개의 슬래그(71a, 71b)를 갖고, 슬래그 튜너를 구성하고 있다. 또한, 튜너(54)는, 이들 2개의 슬래그를 각각 독립하여 구동하는 액추에이터(72)와, 이 액추에이터(72)를 제어하는 튜너 컨트롤러(73)를 갖고 있다.
슬래그(71a, 71b)는, 세라믹스 등의 유전체 재료로 구성되고, 판 형상 또한 고리 형상을 이루고, 동축관(51)의 외측 도체(52)와 내측 도체(53)의 사이에 배치되어 있다. 또한, 액추에이터(72)는, 예컨대, 내측 도체(53)의 내부에 마련된, 각각 슬래그(71a, 71b)가 나사 맞춤되는 2개의 나사를 회전시키는 것에 의해 슬래그(71a, 71b)를 개별적으로 구동한다. 이 액추에이터(72)는, 튜너 컨트롤러(73)로부터의 지령에 근거하여, 슬래그(71a, 71b)를 상하 방향으로 이동시킨다. 2개의 슬래그(71a, 71b) 중 한쪽만을 움직이면, 스미스 차트의 원점을 지나는 궤적을 그리고, 양쪽 동시에 움직이면 위상만이 회전한다. 튜너 컨트롤러(73)는, 둘레 단부의 임피던스가 50Ω이 되도록, 슬래그(71a, 71b)의 위치를 제어하는 것에 의해 임피던스 정합을 행한다.
메인 앰프(45)와, 튜너(54)와, 평면 안테나(61)는 근접 배치하고 있다. 그리고, 튜너(54)와 평면 안테나(61)는 집중 정수 회로를 구성하고, 또한 공진기로서 기능한다. 평면 안테나(61)의 설치 부분에는, 임피던스 부정합이 존재하지만, 튜너(54)에 의해 플라즈마 부하에 대하여 직접 튜닝하므로, 플라즈마를 포함하여 정밀하게 튜닝할 수 있고, 평면 안테나(61)에 있어서의 반사의 영향을 해소할 수 있다.
다음으로, 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 가스 도입 기구에 대하여, 도 1 및 도 5~도 7을 참조하여 설명한다.
도 5는 천벽(10a)의 하면도이다. 도 6은 제 2 가스 샤워부(22)를 구성하는 노즐의 개략을 설명하는 도면이고, 도 6(A) 및 도 6(B)는 각각 상기 노즐의 단면도 및 측면도이다. 도 7은 제 3 가스 샤워부(23)를 구성하는 노즐의 개략을 설명하는 도면이고, 제 3 가스 샤워부(23)가 마련되는 측벽(10b)의 평면도이다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 도 1 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 제 1~제 3 가스 샤워부(21~23)를 갖는다. 제 1 가스 샤워부(21)는, 챔버(1)의 천벽(10a)으로부터 가스를 토출한다. 제 2 가스 샤워부(22)는, 천벽(10a)과 서셉터(11)의 사이의 소정 높이로부터 가스를 토출한다. 제 3 가스 샤워부(23)는, 제 2 가스 샤워부(22)의 바깥쪽 영역으로부터 가스를 토출한다.
제 1 가스 샤워부(21)는, 천벽(10a)의 금속 부분에 고리 형상으로 형성된 가스 확산 공간(141)과, 가스 확산 공간(141)의 상부에 마련되고 그 공간(141)과 연통하는 가스 도입 구멍(142)을 갖는다. 또한, 제 1 가스 샤워부(21)는, 가스 확산 공간(141)으로부터 챔버(1)에 도달하는 복수의 가스 토출 구멍(143)을 갖는다. 상술한 가스 도입 구멍(142)에는 배관(83)이 접속되어 있다. 따라서, 제 1 가스 공급부(81)로부터 배관(83)을 거쳐 공급된, 여기용 가스 예컨대 Ar 가스나, 처리 가스 중 높은 에너지로 해리시키고 싶은 가스인 제 1 가스가 챔버(1)의 천벽(10a)으로부터 공급된다. 가스 토출 구멍(143)의 수는, 예컨대 12개이고, 12개의 노즐은, 예컨대, 제 2 가스 샤워부(22)보다 안쪽의 부분에, 평면에서 볼 때 천벽(10a)의 중심을 중심으로 한 동일 원주상에 등간격으로 마련되어 있다.
제 2 가스 샤워부(22)는, 천벽(10a)으로부터 서셉터(11)의 방향으로 연장되는 노즐(110)을 갖는다. 그 노즐(110)은 천벽(10a)으로부터 수직 방향으로 연장되는 것이 바람직하다. 노즐(110)의 수는, 예컨대 6개이고, 6개의 노즐은, 예컨대, 천벽(10a)의 금속 부분으로서 제 1 가스 샤워부(21)가 마련되어 있지 않은 부분에, 평면에서 볼 때 천벽(10a)의 중심을 중심으로 한 동일 원주상에 등간격으로 마련되어 있다. 또한, 노즐(110)은, 예컨대, 주위 유전체창(63)보다 안쪽의 위치로서, 근접하는 주위 유전체창(63)까지의 거리와 중앙 유전체창(63)까지의 거리가 동일하게 되는 위치에 마련되어 있다.
노즐(110)은, SiH4 등의 처리 가스 중 과잉 해리를 억제하고 싶은 제 2 가스를 챔버(1)의 전자 온도가 상대적으로 낮은 영역에 토출하기 위한 것이다. 노즐(110)은, 금속으로 제작하는 것이 바람직하고, 열전도성이 좋은 것, 예컨대 알루미늄이 특히 바람직하다. 또한, 노즐(110)은 순수한 모재이더라도 좋지만, 오염 제어를 위해, Y2O3 등의 세라믹스의 용사, 알루마이트 처리(양극 산화 처리), 블래스트 처리 등을 실시하더라도 좋다. 단, 이상 방전이 일어나지 않는 조건이면, 노즐(110)을 유전체로 제작하더라도 좋다.
노즐(110)의 내부에는, 도 6(A)에 나타내는 바와 같이, 가스 유로가 되는 단면을 볼 때 L자 형상의 공간부(111)가 형성되어 있다. 또한, 도 6(B)에 나타내는 바와 같이, 각 노즐(110)의 선단부 측면에는, 가스 토출 구멍(112)이 형성되어 있다. 가스 토출 구멍(112)은, 공간부(111)로부터 인접하는 노즐(110)을 향해서 가스를 토출한다. 바꿔 말하면, 가스 토출 구멍(112)은, 해당 구멍(112)이 형성되어 있는 노즐(110)에 인접하는 노즐(110)의 방향을 향하도록 형성되어 있다. 각 가스 토출 구멍(112)으로부터의 가스는 어느 정도 퍼지면서 토출된다. 또, 공간부(111)로부터 수평 방향에 대하여 어느 정도 각도를 갖게 하여 가스 토출 구멍(112)을 마련하더라도 좋다.
또한, 본 예에서는, 6개의 노즐(110)이 마련되어 있는 원을 기준으로 하면, 각 노즐(110)로부터의 가스의 토출 방향은 동일 둘레 방향이다. 또한, 본 예에서는, 가스 토출 구멍(112)은 각각, 중앙 유전체창(63)과 주위 유전체창(63)의 사이를 향해서 가스를 토출한다. 또, 각 노즐(110)은 인접하는 노즐(110) 중 한쪽의 노즐(110)에 대해서만 가스를 토출하지만, 양쪽의 노즐(110)을 향해서, 즉, 두 방향으로 토출하더라도 좋다.
또한, 가스 토출 구멍(112)은, 천벽(10a)과 서셉터(11)의 사이의 소정의 위치로부터 가스를 토출한다. 즉, 가스 토출 구멍(112)은 노즐(110)에 있어서의 천벽(10a)으로부터 소정 거리의 위치에 마련되어 있다. 상기 소정 거리는, 토출하는 가스가 소망하는 해리도가 되도록 최적화되고, 천벽(10a)의 내면으로부터 20~200㎜의 범위에서 적당히 설정된다. 공급하는 처리 가스가 SiH4 가스인 경우, 상기 소정 거리는 30~150㎜의 범위가 바람직하고, 예컨대 80㎜로 설정된다.
가스 토출 구멍(112)의 지름은, 플라즈마의 침입을 막는 관점으로부터 0.5㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 예컨대, 0.1㎜, 0.3㎜, 0.5㎜로 된다. 가스 토출 구멍(112)의 지름은, 더 작더라도 좋고, 가공 한계라고 생각되는 5㎛ 정도이더라도 좋다.
또, 이상에서는, 가스 토출 구멍(112)은, 해당 구멍(112)이 형성되어 있는 노즐(110)에 인접하는 노즐(110)의 방향을 향하도록 형성되어 있는 것으로 하고 있다. 이 경우의 「인접하는 노즐(110)의 방향을 향한다」란, 가스 토출 구멍(112)의 중심축과, 인접하는 노즐(110)의 중심축이 교차하는 것을 포함하지만, 반드시 교차하는 것은 필요로 하지 않고, 목표로 하는 가스의 균일성 등을 확보할 수 있으면 된다.
노즐(110)의 수는 이상의 설명에서는 6개로 했지만 이것으로 한정되지 않는다. 노즐(110)의 수는 목표로 하는 가스의 균일성, 가스 유량, 플라즈마의 균일성이나 주위 유전체창(63)의 수 등에 따라 최적화되고, 예컨대, 4~32개 정도의 범위로 설정되고, 6~16개의 범위가 바람직하다.
또, 노즐(110)의 개수가 많을수록, 또한 노즐(110)의 간격이 좁을수록 플라즈마의 균일성이 악화되는 경향이 있으므로, 노즐(110)의 수 및 간격은, 요구되는 플라즈마의 균일성을 확보할 수 있도록 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 요구되는 플라즈마의 균일성이 확보되는 한, 플라즈마를 의도적으로 차단하기 위해, 노즐(110)의 간격을 좁게, 개수를 많게 설정할 수도 있다. 노즐(110)의 간격은, 내접원이 φ30㎜ 이상이 되는 간격인 것이 바람직하고, 예컨대 φ80㎜로 설정된다.
또한, 노즐(110)은 상술한 바와 같이 동일 원주상에 마련되지만, 그 원주의 지름은, 처리 가스의 균일 도입을 위해, 처리 가스의 가스 종류, 압력, 챔버 형상에 따라 최적화하는 것이 바람직하다. 노즐(110)이 마련되는 원주의 지름은 30~505㎜의 범위에서 변화시킬 수 있다. 노즐(110)이 마련되는 원주의 지름은 웨이퍼 지름보다 작은 것이 바람직하고, 예컨대, 플라즈마 CVD에 의해 SiN막을 형성하는 경우에는, 제 2 가스 샤워부(22)로부터 SiH4 가스가 토출되지만, 그 경우에는 노즐(110)의 지름은 80~320㎜ 정도, 예컨대, 160㎜로 설정된다.
노즐(110)의 수평 방향 단면 형상은, 예컨대 원형이지만, 이것으로 한정되지 않는다. 노즐(110)은 플라즈마의 차폐를 억제하는 것이 바람직하고, 그와 같은 관점으로부터 단면 형상이 원형인 것이 바람직하다. 또한, 노즐(110)의 단면 모서리에 전계 집중을 완화하는 관점으로부터, 단면 모서리가 곡률 반경 R을 갖도록 둥글게 되는 것이 바람직하다.
또한, 노즐(110)의 전술한 공간부(111)는, 배관(84)이 접속된 천벽(10a) 내의 유로를 거쳐서 가스가 공급된다. 따라서, 제 2 가스 공급부(82)로부터 배관(84)을 거쳐서 공급된 과잉 해리를 막고 싶은 처리 가스인 제 2 가스가, 공간부(111)에 공급되고, 가스 토출 구멍(112)으로부터 토출된다.
또, 노즐(110)에 냉각 기능을 갖게 하더라도 좋다.
또한, 노즐(110)의 지름은 플라즈마의 균일성의 관점으로부터는 최대한 가는 것이 바람직하지만, 가스 공급을 위한 공간부를 마련하는 관점, 열전도성을 확보하는 관점으로부터는 어느 정도의 지름이 필요하고, 5~20㎜가 바람직하고, 예컨대 φ15㎜로 설정된다.
노즐(110)의 천벽(10a)으로의 접속 개소는, 플라즈마원(2)에 의해 형성되는 표면파 전계의 마디에 대응하는 개소인 것이 바람직하다.
노즐(110)은, 챔버(1)의 천벽(10a)과 일체로 제작하더라도 별체로 하더라도 좋다. 별체로 하는 경우에는, 천벽(10a)과 확실히 체결하여 전기적으로 동전위로 하는 것, 및 가스의 누설을 확실히 방지할 수 있는 구조인 것이 필요하다.
제 3 가스 샤워부(23)는, 웨이퍼 W의 바깥쪽 부분으로, 과잉 해리를 억제하고 싶은 처리 가스인 제 2 가스를 토출하는 것이다. 제 3 가스 샤워부(23)는, 도 1 및 도 7에 나타내는 바와 같이, 측벽(10b)으로부터 챔버(1)의 평면에서 볼 때 중심으로 향하여 연장되는 30개의 노즐(130)을 갖는다. 그 노즐(130)은 측벽(10b)으로부터 수평 방향으로 연장되는 것이 바람직하다. 노즐(130)은, 고리 형상의 측벽(10b)에 대하여 등간격으로 마련되고, 즉, 30개의 노즐(130)은 동일 평면상에 고리 형상으로 등간격으로 배열되어 있다. 이들 노즐(130)은, 평면에서 볼 때 웨이퍼 W에 중복되지 않는 영역에 형성되어 있다.
각 노즐(130)에는, 챔버(1)의 평면에서 볼 때 중심으로 향하여 가스를 토출하는 가스 토출 구멍(134)이 형성되어 있다. 또, 후술하는 가스 확산 공간(131)으로부터 수평 방향에 대하여 어느 정도 각도를 갖게 하여 가스 토출 구멍(134)을 마련하더라도 좋고, 수평 방향으로 마련하더라도 좋다.
또한, 제 3 가스 샤워부(23)는, 측벽(10b)에 고리 형상으로 형성된 가스 확산 공간(131)과, 가스 확산 공간(131)의 바깥쪽에 마련되어 그 공간(131)과 연통하는 가스 도입 구멍(132)을 갖는다. 또한, 제 3 가스 샤워부(23)는, 가스 확산 공간(131)으로부터 노즐(130)에 도달하는 유로(133)를 갖는다. 상술한 가스 도입 구멍(132)에는 배관(85)이 접속되어 있다. 따라서, 제 2 가스 공급부(82)로부터 배관(85)을 거쳐 공급된 제 2 가스가, 가스 도입 구멍(132) 등을 갖는 측벽(10b)을 거쳐, 노즐(130)에 도달하고, 가스 토출 구멍(134)으로부터 챔버(1)의 평면에서 볼 때 중심 방향으로 토출된다.
제 3 가스 샤워부(23)의 노즐(130)의 재질, 가스 토출 구멍(134)의 지름 등은, 상술한 제 2 가스 샤워부(22)에 준하여 적당히 설정된다.
또, 제 3 가스 샤워부(23)의 가스 토출 구멍(134)은, 그 구멍(134)으로부터 토출되는 가스의 과잉 해리를 방지할 수 있는 높이 위치에 배치되어 있으면 되고, 반드시 제 2 가스 샤워부(22)의 가스 토출 구멍(112)과 동일한 높이 위치가 아니더라도 좋다.
노즐(130)의 수는, 목표로 하는 가스의 균일성, 가스 유량, 플라즈마의 균일성 등에 따라 최적화되고, 예컨대, 4~200개 정도의 범위로 설정되고, 20~50개의 범위가 바람직하다.
또, 노즐(130)의 개수가 많을수록, 또한 노즐(130)의 간격이 좁을수록 플라즈마의 균일성이 악화되는 경향이 있으므로, 노즐(130)의 수 및 간격은, 요구되는 플라즈마의 균일성을 확보할 수 있도록 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 요구되는 플라즈마의 균일성이 확보되는 한, 플라즈마를 의도적으로 차단하기 위해, 노즐(130)의 간격을 좁게, 개수를 많게 설정할 수도 있다. 노즐(130)의 간격은, 근본의 간격이 φ30㎜ 이상이 되는 간격인 것이 바람직하고, 예컨대 φ80㎜로 설정된다.
다음으로, 이상과 같이 구성되는 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 동작에 대하여 설명한다.
우선, 웨이퍼 W를 챔버(1) 내에 반입하고, 서셉터(11)상에 탑재한다. 그리고, 배기 장치(16)에 의해 챔버(1) 내를 배기하고, 챔버(1) 내의 압력을 소정의 압력으로 조정하고, 그 후, 제 1 가스 공급부(81)로부터 배관(83)을 거쳐서 천벽(10a)에 형성된 제 1 가스 샤워부(21)에 플라즈마를 생성하기 위한 여기용 가스, 예컨대 Ar 가스나, 처리 가스 중 해리를 위해 높은 에너지를 필요로 하는 가스인 제 1 가스를 공급하고, 이들 가스를 제 1 가스 샤워부(21)로부터 챔버(1) 내에 토출한다.
한편, 마이크로파 플라즈마원(2)의 마이크로파 출력부(30)로부터, 마이크로파 전송부(40)의 복수의 앰프부(41) 및 복수의 마이크로파 방사 기구(42)의 전송로로 전송되어 온 마이크로파를, 천벽(10a)에 끼워진 안테나부(56)의 지파재(62), 평면 안테나(61)의 슬롯(61a) 및 유전체창(63)을 거쳐서 챔버(1) 내에 방사한다. 이때, 튜너(54)의 슬래그(71a) 및 슬래그(71b)에 의해 임피던스가 자동 정합되고, 전력 반사가 실질적으로 없는 상태에서, 마이크로파가 공급된다. 각 마이크로파 방사 기구(42)로부터 방사된 마이크로파는 공간 합성되고, 형성된 마이크로파 전계에 의해, 천벽(10a)의 유전체창(63)의 표면 부분에서는 표면파 플라즈마를 생성한다. 이때, 천벽(10a)의 근방에서는 표면파 플라즈마의 전자 온도는 높고, 제 1 가스는 높은 에너지로 해리된다.
또한, 제 2 가스 공급부(82)로부터, 배관(84, 85)을 거쳐서 제 2 가스 샤워부(22) 및 제 3 가스 샤워부(23)에, 처리 가스 중, 과잉 해리를 막고 싶은 가스인 제 2 가스를 공급하고, 그 가스를 제 2 가스 샤워부(22) 및 제 3 가스 샤워부(23)로부터 챔버(1) 내에 토출한다. 제 2 가스 샤워부(22) 및 제 3 가스 샤워부(23)로부터 토출된 제 2 가스는, 제 1 가스의 플라즈마에 의해 여기된다. 이때, 제 2 가스 샤워부(22)의 가스 토출 구멍(112), 및 제 3 가스 샤워부(23)의 가스 토출 구멍(134)의 형성 위치는, 마이크로파가 방사되는 천벽(10a)의 표면으로부터 떨어진 보다 에너지가 낮은 위치이기 때문에, 제 2 가스는 과잉 해리가 억제된 상태에서 여기된다. 그리고, 제 1 가스 및 제 2 가스의 플라즈마에 의해 웨이퍼 W에 플라즈마 처리를 실시한다.
예컨대, 플라즈마 CVD에 의해 SiN막을 형성하는 경우, 제 1 가스 공급부(81)로부터는, 제 1 가스로서, 여기용의 Ar 가스 및 높은 해리 에너지가 필요한 질화 가스인 N2 가스 또는 NH3가 제 1 가스 샤워부(21)에 공급되고, 그것들이 챔버(1) 내에 토출되어 플라즈마가 생성된다. 또한, 제 2 가스 공급부(82)로부터는, 제 2 가스로서, 과잉 해리를 막을 필요가 있는 SiH4 가스가 제 2 가스 샤워부(22) 및 제 3 가스 샤워부(23)에 공급되고, 제 2 가스가 챔버(1) 내에 토출되고, 과잉 해리가 억제된 상태에서 여기된다.
이것에 의해, 챔버(1) 내에 있어서의 전자 온도의 차이를 이용하여 가스의 특성에 따라 가스의 해리를 제어할 수 있고, SiH4 가스 등의 과잉 해리하기 쉬운 처리 가스인 제 2 가스의 과잉 해리에 의한 기상 반응 파티클의 발생이나, 노즐(가스 토출 구멍)의 막힘을 억제할 수 있다.
또한, 제 2 가스 샤워부(22)는, 동일한 원주상에 배치된 가스 토출 구멍(112) 각각으로부터, 그 구멍(112)이 마련된 노즐(110)에 인접하는 노즐(110)을 향해서 가스를 토출한다. 즉 상기 동일한 원의 접선 방향으로 가스를 토출한다. 이 노즐(110) 자체가 플라즈마의 균일성에 주는 영향은 한정적이다. 따라서, 노즐(110)의 개수를 적절히 조정하는 것에 의해, 소망하는 플라즈마 균일성을 얻을 수 있다. 특히, 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 노즐(110)이 천벽(10a)으로부터 수직으로 연장되어 있기 때문에, 그 노즐(110)이 플라즈마의 균일성에 주는 영향은 작다. 또한, 노즐(110)이 마련되어 있는 원주의 외경은 그대로, 노즐(110)의 수를 최적화하는 것에 의해, 소망하는 가스 도입의 균일성(둘레 방향 균일성)을 얻을 수 있으므로, 플라즈마의 균일성을 유지하면서, 처리 가스의 도입의 균일성을 얻을 수 있다.
즉, 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 처리 가스를 가스의 특성에 따른 적절한 해리 상태에서 해리시킬 수 있고, 또한, 처리 가스의 도입 균일성 및 소망하는 플라즈마 균일성을 양립시킬 수 있다.
또한, 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 천벽(10a)에 대하여 마련된 부재, 즉 노즐(110)로부터 처리 가스를 토출하기 때문에 구조가 단순하고, 처리 가스를 토출하기 위한 부재, 즉 노즐(110)을 냉각하는 기구 등을 간이하게 할 수 있다.
또한, 제 2 가스 샤워부(22)의 바깥쪽에, 제 3 가스 샤워부(23)를 마련하고, 제 2 가스를 제 3 가스 샤워부(23)의 고리 형상 또한 등간격으로 배열된 복수의 노즐(130)로부터 토출하도록 했으므로, 제 2 가스의 균일성을 보다 높일 수 있다.
이 경우에, 노즐(130)은 챔버(1)의 측벽(10b)으로부터 돌출하도록 형성되어 있지만, 노즐(130)은, 평면에서 볼 때 웨이퍼 W의 바깥쪽에 마련되어 있으므로, 노즐(130)은 플라즈마의 균일성에 거의 영향을 주지 않는다.
또한, 플라즈마 처리 장치(100)는, 천벽(10a)이, 금속제의 본체에, 복수의 마이크로파 방사 기구(42)의 유전체창(63)을 끼운 구조를 갖고 있으므로, 제 2 가스 샤워부(22)의 노즐(110)을 천벽(10a)의 금속 부분에 용접 등에 의해 용이하게 접합할 수 있다. 또한, 천벽(10a)의 금속 부분과 노즐(110)을 일체로 구성하는 경우에도 가공이 용이하다.
이와 같이, 복수의 마이크로파 방사 기구(42)를 이용하여 플라즈마를 공간 합성하는 것에 의해, 각 마이크로파 방사 기구(42)로부터 도입되는 마이크로파의 위상이나 강도를 개별적으로 조정할 수 있고, 플라즈마 분포의 조정을 비교적 용이하게 행할 수 있어, 제어성이 좋은 플라즈마 처리를 행할 수 있다.
(제 2 실시 형태)
도 8은 제 2 실시 형태와 관련되는 플라즈마 처리 장치를 설명하는 도면이고, 본 실시 형태와 관련되는 천벽의 하면도이다. 또, 이하에서는, 제 1 실시 형태와의 차이점만 설명하고, 제 2 가스의 공급 형태 등, 제 1 실시 형태의 것과 마찬가지의 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
본 실시 형태에서는, 도면에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼 W의 바깥쪽 부분으로 과잉 해리를 억제하고 싶은 처리 가스인 제 2 가스를 토출하는 제 3 가스 샤워부(23)가, 천벽(10a)으로부터 서셉터(11)의 방향으로 연장되는 노즐(150)을 갖는다. 노즐(150)의 수는 예컨대 12개이다. 12개의 노즐(150)은, 천벽(10a)의 금속 부분으로서 제 1 가스 샤워부(21)보다 바깥쪽의 부분에 마련되어 있다. 보다 구체적으로는, 노즐(150)은, 제 2 가스 샤워부(22)보다 바깥쪽의 부분에 있어서의, 마이크로파 방사 기구(42)의 유전체창(63)의 사이의 위치에 2개씩 마련되어 있다. 또한, 노즐(150)의 위치는, 평면에서 볼 때 천벽(10a)의 중심을 중심으로 한 동일 원주상이다. 바꿔 말하면, 본 실시 형태의 플라즈마 처리 장치는, 제 2 가스를 토출하는 것으로서, 동심 형상으로 마련된 복수의 노즐군을 갖는다.
또한, 제 3 가스 샤워부(23)의 노즐(150)은, 도시하지 않는 가스 토출 구멍이 형성되어 있다. 그 가스 토출 구멍으로부터의 제 2 가스의 토출 방향은, 챔버(1)의 평면에서 볼 때 중심으로 향하는 방향이더라도 좋고, 제 1 실시 형태에 있어서의 노즐(110)로부터의 것과 마찬가지로, 인접하는 노즐로 향하는 방향이더라도 좋고, 목표로 하는 가스의 균일성, 가스 유량, 플라즈마의 균일성 등에 따라 최적화된다.
본 실시 형태에 있어서도, 제 2 가스의 균일성을 보다 높일 수 있다.
또, 노즐(150)의 가스 토출 구멍은, 그 가스 토출 구멍으로부터 토출되는 가스의 과잉 해리를 방지할 수 있는 높이 위치에 배치되어 있으면 되고, 반드시 제 2 가스 샤워부(22)의 가스 토출 구멍과 동일한 높이 위치가 아니더라도 좋다.
노즐(150)의 수는 이상의 설명에서는 12로 했지만 이것으로 한정되지 않는다. 노즐(150)의 수는, 제 2 가스 샤워부(22)의 노즐(110)의 수보다 큰 것이 바람직하고, 목표로 하는 가스의 균일성, 가스 유량, 플라즈마의 균일성 등에 따라 최적화된다. 노즐(150)의 수는, 예컨대, 6~64개 정도의 범위로 설정되고, 12~32개의 범위가 바람직하다.
(다른 적용)
본 발명의 실시 형태와 관련되는 플라즈마 처리 장치는, 제 2 가스 샤워부의 복수의 노즐이 모두, 수평으로부터 소정의 각도로 또한 연직 방향 아래쪽 또는 위쪽으로 제 2 가스를 토출하는 형태이더라도 좋다.
또한, 본 발명의 실시 형태와 관련되는 플라즈마 처리 장치는, 제 2 가스 샤워의 복수의 노즐이, 수평으로부터 소정의 각도로 또한 연직 방향 아래쪽으로 토출하는 노즐과, 수평으로부터 소정의 각도로 또한 연직 방향 위쪽으로 토출하는 노즐을 교대로 마련하고 있더라도 좋다.
이상의 설명에서는, 플라즈마 처리로서 SiN막을 성막하는 플라즈마 CVD를 예시했다. 그러나, 본 발명의 실시의 형태와 관련되는 플라즈마 처리는, 이것에 한하지 않고, 과잉 해리를 막고 싶은 가스와 높은 에너지로 해리시키고 싶은 가스를 포함하는 가스에 의한 플라즈마 처리이면 적용 가능하고, SiCN막, CF막, BN막, SiO2막, SiON막 등의 성막이나, 성막 처리 이외의 에칭 처리 등에도 적용 가능하다.
또한, 이상의 예에서는, SiN막의 성막을 위해, 제 1 가스로서 Ar 가스와 질화 가스(N2 가스 또는 NH3 가스)를 도입하고, 제 2 가스로서 SiH4 가스를 도입하고 있었다. 그러나, 본 발명의 실시의 형태에 있어서는, 제 1 가스로서 N2만을 도입하거나, O2만을 도입하거나 하더라도 좋고, 제 2 가스로서, SiH4 가스와 H2 가스를 도입하거나, 이것들에 더하여 C2H6 가스를 도입하거나, SiH4 가스와 C2H6 가스를 도입하거나 하더라도 좋다.
또한, 피처리체는 반도체 웨이퍼로 한정되지 않고, LCD(액정 디스플레이)용 기판으로 대표되는 FPD(플랫 패널 디스플레이) 기판이나, 세라믹스 기판 등의 다른 기판이더라도 좋다.
본 발명은 피처리체를 플라즈마 처리하는 기술에 유용하다.
100 : 플라즈마 처리 장치
1 : 챔버
2 : 마이크로파 플라즈마원
3 : 전체 제어부
10a : 천벽
10b : 측벽
11 : 서셉터
110 : 노즐
112 : 가스 토출 구멍
130, 150 : 노즐
134 : 가스 토출 구멍
143 : 가스 토출 구멍
21 : 제 1 가스 샤워부
22 : 제 2 가스 샤워부
23 : 제 3 가스 샤워부
63 : 유전체창
81 : 제 1 가스 공급부
82 : 제 2 가스 공급부

Claims (6)

  1. 챔버와,
    상기 챔버 내에서 피처리체를 탑재하는 탑재대와,
    상기 챔버의 천벽(ceiling wall)을 거쳐서 상기 챔버 내에 마이크로파를 도입하고, 상기 챔버 내에 표면파 플라즈마를 생성하는 플라즈마원과,
    상기 천벽으로부터 제 1 가스를 상기 챔버 내에 공급하는 제 1 가스 도입부와,
    상기 천벽과 상기 탑재대의 사이의 소정 높이로부터 제 2 가스를 상기 챔버 내에 도입하는 제 2 가스 도입부
    를 구비하고,
    상기 제 2 가스 도입부는, 상기 천벽으로부터 상기 탑재대의 방향으로 연장되고, 동일 원주상에 등간격으로 배치된 복수의 노즐을 갖고,
    상기 복수의 노즐은 각각, 인접하는 상기 노즐을 향해서 상기 제 2 가스를 토출하는
    것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 천벽은, 마이크로파를 투과시키기 위한 유전체창과, 상기 유전체창이 장착되는 금속 부분을 갖고,
    상기 제 1 가스 도입부는, 상기 금속 부분에 형성되고,
    상기 노즐은, 상기 금속 부분에 있어서의 상기 제 1 가스 도입부가 형성되어 있지 않은 부분에 형성되어 있는
    것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유전체창은, 상기 천벽의 중앙에 마련된 중앙 유전체창과, 상기 중앙 유전체창을 중심으로 한 동일 원주상에 등간격으로 배치된 주위 유전체창을 갖고,
    상기 복수의 노즐은 각각, 상기 중앙 유전체창과 상기 주위 유전체창의 사이를 향해서 상기 제 2 가스를 토출하는
    것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 노즐은 각각, 수평으로부터 소정의 각도로 또한 연직 방향 아래쪽 또는 위쪽으로 상기 제 2 가스를 토출하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐은, 수평으로부터 소정의 각도로 또한 연직 방향 아래쪽으로 토출하는 것과 수평으로부터 소정의 각도로 또한 연직 방향 위쪽으로 토출하는 것이 교대로 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 가스 도입부의 바깥쪽 영역에 마련되고, 상기 제 2 가스를 상기 챔버에 도입하는 제 3 가스 도입부를 더 구비하고,
    상기 제 3 가스 도입부는, 동일 원주상에 등간격으로 배열된 다른 복수의 노즐을 갖는
    것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
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