KR102007059B1 - 플라즈마 발생용 안테나, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

플라즈마 발생용 안테나, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 Download PDF

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Abstract

동축 도파관을 통해 전송된 마이크로파를 처리 용기 내에 방사하고, 처리 용기 내의 금속면에 전파시켜 가스를 플라즈마화시킴으로써 표면파 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 발생용 안테나를 제공한다. 플라즈마 발생용 안테나는, 상기 플라즈마 발생용 안테나 내에 가스를 흘리는 가스 경로와, 상기 가스 경로에 연통(連通)되고, 상기 가스 경로를 통과한 가스를 처리 용기 내에 도입하는 복수의 가스 구멍과, 상기 가스 경로와 분리된 상태에서 상기 가스 경로를 관통하고, 동축 도파관을 통해 지파판(遲波板; slow wave plate)을 투과한 마이크로파를 통과시켜, 처리 용기 내에 방사하는 복수의 슬롯을 구비하며, 인접하는 슬롯 사이는, 처리 용기 내의 플라즈마 생성 공간으로 개구되는 부분의 간격(WB)보다도 상기 가스 경로를 관통하는 부분의 간격(WA)이 넓게 되어 있다.

Description

플라즈마 발생용 안테나, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{ANTENNA FOR PLASMA GENERATION, PLASMA PROCESSING DEVICE AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명은, 플라즈마 발생용 안테나, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
플라즈마 처리는, 반도체 디바이스의 제조에 불가결한 기술이다. 최근, LSI의 고집적화 및 고속화의 요청으로부터, LSI를 구성하는 반도체 소자의 한층 더한 미세 가공이 요구되고 있다. 그러나, 용량 결합형 플라즈마 처리 장치나 유도 결합형 플라즈마 처리 장치에서는, 생성되는 플라즈마의 전자 온도가 높다. 또한, 플라즈마 밀도가 높은 영역이 한정된다. 이 때문에, 반도체 소자의 한층 더한 미세 가공의 요구에 따른 플라즈마 처리를 실현하기는 어려웠다.
따라서, 이러한 미세 가공을 실현하기 위해서는, 저전자 온도이며 또한 고플라즈마 밀도의 플라즈마를 생성하는 것이 필요해진다. 이에 대하여, 특허문헌 1에는, 마이크로파 출력부로부터 출력된 마이크로파에 의해 가스를 플라즈마화하여 저전자 온도이며 또한 고플라즈마 밀도의 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마를 이용하여 피처리체를 미세 가공하는 기술이 개시되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2010-74154호 공보
그러나, 특허문헌 1에서는, 마이크로파와 가스는 상이한 위치로부터 공급된다. 즉, 특허문헌 1에서는, 마이크로파는 천장면으로부터 방사되는 데 비하여, 가스는 챔버 내의 천장면과 서셉터 사이의 공간에 설치된 격자 형상의 가스 샤워 플레이트로부터 도입된다. 이와 같이, 가스를 마이크로파의 방사 위치보다 하방의, 천장면과 서셉터 사이의 공간으로부터 공급하면, 가스의 흐름을 제어하기가 어려워, 양호한 플라즈마 제어가 어려웠다.
또한, 격자 형상의 가스 샤워 플레이트는 석영으로 형성되어 있기 때문에, 마이크로파는 가스 샤워 플레이트 내를 투과한다. 이 때문에, 샤워 헤드 내에 형성된 가스 구멍에서 가스가 플라즈마화하고, 가스 구멍에서 방전이 발생하여 마이크로파 파워를 손실하거나, 이상 방전이 발생한다고 하는 과제가 있었다.
상기 과제에 대하여, 본 발명은, 가스 및 마이크로파를 공급 가능한, 플라즈마 발생용 안테나, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 어느 관점에 따르면, 동축 도파관을 통해 전송된 마이크로파를 처리 용기 내에 방사하고, 상기 처리 용기 내의 금속면에 전파시켜 가스를 플라즈마화하여, 표면파 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 발생용 안테나로서, 상기 플라즈마 발생용 안테나 내에 가스를 흘리는 가스 경로와, 상기 가스 경로에 연통(連通)되고, 상기 가스 경로를 통과한 가스를 상기 처리 용기 내에 도입하는 복수의 가스 구멍과, 상기 가스 경로와 분리된 상태에서 상기 가스 경로를 관통하고, 상기 동축 도파관을 통해 지파판(遲波板; slow wave plate)을 투과한 마이크로파를 통과시켜 상기 처리 용기 내에 방사하는 복수의 슬롯을 구비하며, 인접하는 슬롯 사이는, 상기 가스 경로를 관통하는 부분의 제1 간격이 상기 처리 용기 내의 플라즈마 생성 공간으로 개구되는 부분의 제2 간격보다도 넓게 되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나가 제공된다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 다른 관점에 따르면, 가스를 공급하는 가스 공급원과, 마이크로파 파워를 출력하는 마이크로파 출력부와, 상기 마이크로파 출력부로부터 출력된 마이크로파로부터 표면파 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 발생용 안테나를 구비하고, 상기 플라즈마 발생용 안테나는, 상기 플라즈마 발생용 안테나 내에 가스를 흘리는 가스 경로와, 상기 가스 경로에 연통되고, 상기 가스 경로를 통과한 가스를 처리 용기 내에 도입하는 복수의 가스 구멍과, 상기 가스 경로와 분리된 상태에서 상기 가스 경로를 관통하고, 상기 동축 도파관을 통해 지파판을 투과한 마이크로파를 통과시켜 상기 처리 용기 내에 방사하는 복수의 슬롯을 가지며, 인접하는 슬롯 사이는, 상기 가스 경로를 관통하는 부분의 제1 간격이 상기 처리 용기 내의 플라즈마 생성 공간으로 개구되는 부분의 제2 간격보다도 넓게 되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 다른 관점에 따르면, 표면파 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 발생용 안테나를 구비하는 플라즈마 처리 장치를 이용한 플라즈마 처리 방법으로서, 상기 플라즈마 발생용 안테나는, 상기 플라즈마 발생용 안테나 내에 가스를 흘리는 가스 경로와, 상기 가스 경로에 연통되고, 상기 가스 경로를 통과한 가스를 처리 용기 내에 도입하는 복수의 가스 구멍과, 상기 가스 경로와 분리된 상태에서 상기 가스 경로를 관통하고, 상기 동축 도파관을 통해 지파판을 투과한 마이크로파를 통과시켜 상기 처리 용기 내에 방사하는 복수의 슬롯을 가지며, 인접하는 슬롯 사이는, 상기 가스 경로를 관통하는 부분의 제1 간격이 상기 처리 용기 내의 플라즈마 생성 공간으로 개구되는 부분의 제2 간격보다도 넓게 되어 있고, 가스를, 상기 복수의 슬롯의 외주측으로부터 상기 제1 간격의 슬롯 사이의 상기 가스 경로의 영역을 통해 상기 복수의 슬롯의 내주측에 도입하며, 마이크로파를 상기 복수의 슬롯으로부터 상기 처리 용기 내에 방사하고, 상기 처리 용기 내의 금속면에 상기 마이크로파의 표면파를 전파시켜, 상기 도입한 가스를 플라즈마화하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이 제공된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 가스 및 마이크로파를 공급 가능한, 플라즈마 발생용 안테나, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 일 실시형태에 따른 플라즈마 발생용 안테나의 개략 구성도이다.
도 3은 일 실시형태에 따른 플라즈마 발생용 안테나의 하면도이다.
도 4는 일 실시형태에 따른 마이크로파 출력부와 마이크로파 전송 기구의 구성도이다.
도 5는 일 실시형태에 따른 복수의 슬롯의 배치를 도시한 도면이다.
도 6은 일 실시형태에 따른 복수의 슬롯의 배치와 전계 강도 분포의 균일성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 천장면으로부터 공급되는 가스 유량을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시형태에 따른 슬롯의 배치와 가스의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시형태에 따른 2개의 플라즈마 발생용 안테나를 도시한 도면이다.
도 10은 도 9의 슬롯의 단차 부분을 확대한 도면이다.
도 11은 일 실시형태의 변형예에 따른 복수의 슬롯의 배치를 도시한 도면이다.
도 12는 일 실시형태의 변형예 1에 따른 플라즈마 발생용 안테나의 개략 구성도이다.
도 13은 일 실시형태의 변형예 2에 따른 플라즈마 발생용 안테나의 개략 구성도이다.
도 14는 일 실시형태의 변형예 3에 따른 플라즈마 발생용 안테나의 개략 구성도이다.
도 15는 일 실시형태의 변형예에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성도이다.
도 16은 일 실시형태의 변형예에 따른 마이크로파 출력부와 마이크로파 전송 기구의 구성도이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태에 대해서 상세히 설명한다. 한편, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 붙임으로써 중복 설명을 생략한다.
[플라즈마 처리 장치의 개략 구성]
먼저, 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(10)의 개략 구성에 대해서, 도 1을 참조하면서 설명한다. 도 1은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(10)의 개략 구성을 도시한 종단면도이다.
본 실시형태에서는, 반도체 웨이퍼(W)[이하, 웨이퍼(W)라고 호칭함]에 플라즈마 처리의 일례로서 에칭 처리를 실시하는 에칭 장치를 예로 들어 플라즈마 처리 장치(10)를 설명한다. 플라즈마 처리 장치(10)는, 기밀(氣密)하게 유지된 처리실에 웨이퍼(W)를 플라즈마 처리하는 처리 용기(100)를 갖는다. 처리 용기(100)는 원통 형상이고, 예컨대 알루미늄 등의 금속으로 형성되어 있다. 처리 용기(100)는 접지되어 있다.
처리 용기(100)의 저부에는, 웨이퍼(W)를 배치하는 배치대(105)가 설치되어 있다. 배치대(105)는, 지지 부재(115)에 의해 지지되고, 절연체(110)를 통해 처리 용기(100)의 저부에 설치되어 있다. 이에 따라, 배치대(105)는 전기적으로 부유(浮遊)된 상태로 되어 있다. 배치대(105) 및 지지 부재(115)의 재료로서는, 표면을 알루마이트 처리(양극 산화 처리)한 알루미늄 등을 들 수 있다.
배치대(105)에는, 정합기(120)를 통해 바이어스용의 고주파 전원(125)이 접속되어 있다. 고주파 전원(125)은, 배치대(105)에 바이어스용의 고주파 전력을 인가하고, 이에 따라, 웨이퍼(W)측에 플라즈마 중의 이온을 끌어들이도록 되어 있다. 한편, 도시하고 있지 않으나, 배치대(105)에는, 웨이퍼(W)를 정전 흡착하기 위한 정전척, 온도 제어 기구, 웨이퍼(W)의 이면에 열전달용의 가스를 공급하기 위한 가스 유로, 웨이퍼(W)를 반송할 때에 승강하는 승강핀 등이 설치되어 있다.
처리 용기(100)의 저부에는 배기구(130)가 형성되어 있다. 배기구(130)에는, 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(135)가 접속되어 있다. 배기 장치(135)를 작동시키면, 처리 용기(100) 내가 배기되어, 원하는 진공도까지 감압된다. 처리 용기(100)의 측벽에는, 웨이퍼(W)의 반입 및 반출을 위한 게이트 밸브(145)가 설치되어 있다.
처리 용기(100)의 천장부의 덮개(150)에는, 동일면 내로부터 가스의 도입과 마이크로파의 공급이 가능한 플라즈마 발생용 안테나(200)[이하, 안테나(200)라고 호칭함]가 설치되어 있다. 안테나(200)의 상부에는, 마이크로파를 전송하는 마이크로파 전송 기구(400)가 연결되어 있다.
마이크로파 전송 기구(400)는, 안테나 모듈(410)과 마이크로파 도입 기구(450)를 갖고 있다. 마이크로파 출력부(300)로부터 출력된 마이크로파는, 안테나 모듈(410)을 통해 마이크로파 도입 기구(450)로부터 안테나(200)에 전송되도록 되어 있다.
(안테나의 구성)
여기서, 본 실시형태에 따른 마이크로파 도입 기구(450) 및 안테나(200)의 구성에 대해서, 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 2는, 본 실시형태에 따른 마이크로파 도입 기구(450) 및 안테나(200)의 확대도(좌측 절반)이다.
마이크로파 도입 기구(450)는, 마이크로파를 전송하는 동축 구조의 도파관[이하, 동축 도파관(455)이라고 호칭함]을 갖고 있다. 동축 도파관(455)은, 통 형상의 외부 도체(455a) 및 동축으로 설치된 내부 도체(455b)를 갖고 있다. 동축 도파관(455)은, 내부 도체(455b)가 급전측, 외부 도체(455a)가 접지측으로 되어 있다. 동축 도파관(455)의 하단에는, 지파판(遲波板; slow wave plate)(480)을 통해 안테나(200)가 설치되어 있다. 지파판(480)은, 원판 형상의 유전 부재로 형성되어 있다. 마이크로파는, 동축 도파관(455)을 통해 전송되고, 지파판(480)를 투과하여, 안테나(200)로 유도된다.
동축 도파관(455)에는, 튜너(470)가 설치되어 있다. 튜너(470)는, 2개의 슬러그(470a)를 갖고, 슬러그 튜너를 구성하고 있다. 슬러그(470a)는, 원판 형상이며 유전체로 형성되어 있다. 슬러그(470a)는, 내부 도체(455b)와 외부 도체(455a) 사이에 원환(圓環) 형상으로 설치되어 있다. 튜너(470)는, 도 1에 도시한 제어 장치(500)로부터의 지령에 기초하여 도시하지 않은 액추에이터에 의해 슬러그(470a)를 상하 이동시킴으로써, 임피던스를 조정하도록 되어 있다. 제어 장치(500)는, 예컨대 동축 도파관(455)의 종단에서 50 Ω의 특성 임피던스가 되도록 임피던스를 조정하고, 이에 따라, 마이크로파의 출력을 최대한으로 제어한다.
안테나(200)는, 샤워 헤드(가스 샤워 헤드)(210) 및 샤워 헤드(210)에 직류 전류를 흘리는 DC 공급 기구(250)를 갖는다. 샤워 헤드(210)는, 지파판(480)의 하면에 인접하여 설치되어 있다. 샤워 헤드(210)는, 원판 형상이고, 알루미늄이나 구리 등의 전기 전도율이 높은 도전체로 형성되어 있다. 샤워 헤드(210)는, 처리 용기(100) 내의 플라즈마 공간(U)측에 노출되며, 샤워 헤드(210) 하면에 표면파를 전파시킨다.
샤워 헤드(210)는, 가스 경로(225)와, 가스 경로(225)에 연통되는 복수의 가스 구멍(215)과, 가스 경로(225) 및 복수의 가스 구멍(215)과 분리된 위치에서 마이크로파를 통과시키는 복수의 슬롯(220)을 갖는다. 복수의 슬롯(220)은, 동축 도파관(455)을 통해 지파판(480)을 투과한 마이크로파를 통과시켜, 처리 용기(100) 내에 방사한다. 복수의 슬롯(220)은, 가스 경로(225)를 관통하는 도파로에서 단차를 갖고 있다. 본 실시형태에서는, 복수의 슬롯(220)은, 가스 경로(225)와 복수의 가스 구멍(215)의 경계면인 샤워 헤드(210)의 하부 부재(605)의 상면(605c)에서 단차(BU)를 갖고 있다. 이하에서는, 가스 경로를 관통하는 부분의 인접하는 슬롯 사이의 간격을 「간격 WA」(제1 간격에 상당)로 나타내고, 처리 용기(100) 내의 플라즈마 생성 공간으로 개구되는 부분의 간격을 「간격 WB」(제2 간격에 상당)로 나타낸다. 인접하는 슬롯(220) 사이는, 가스 경로(225)를 관통하는 부분의 간격(WA)이 처리 용기(100) 내의 플라즈마 생성 공간(U)으로 개구되는 부분의 간격(WB)보다도 넓게 되어 있다.
가스 경로(225)는, 복수의 슬롯(220)과 분리되어 형성되고, 안테나(200) 내에 가스를 흘리는 공간을 형성한다. 복수의 가스 구멍(215)은, 가스 경로(225)에 연통되고, 가스 경로(225)를 통과한 가스를 처리 용기(100) 내에 도입한다. 샤워 헤드(210)의 플라즈마측에 노출된 면은, 예컨대 내플라즈마성이 높은 알루미나 Al2O3나 산화이트륨 Y2O3의 용사(溶射) 피막(290)으로 덮여지고, 도체면이 플라즈마 공간측에 노출되지 않도록 되어 있다. 용사 피막(290)에는, 복수의 슬롯(220) 및 복수의 가스 구멍(215)에 연통되는 개구가 형성된다.
지파판(480)과 샤워 헤드(210)의 접촉면에는 O링(485, 495)이 설치되고, 대기측에 배치된 마이크로파 전송 기구(400)로부터 샤워 헤드(210) 및 처리 용기(100) 내를 진공 시일(seal)한다. 이에 따라, 슬롯(220), 가스 경로(225), 가스 구멍(215) 및 처리 용기(100) 내를 진공 상태로 유지할 수 있다.
도 1의 제어 장치(500)는, 안테나(200)에 인가하는 DC 전압이나 플라즈마 프로세스를 제어한다. 제어 장치(500)는, 제어부(505), 기억부(510)를 갖고 있다. 제어부(505)는, 기억부(510)에 기억된 레시피에 따라, 프로세스마다 마이크로파로부터 출력하는 파워나 안테나(200)에 인가하는 전압을 제어한다. 한편, 제어 장치(500)로의 지령은, 전용의 제어 디바이스 또는 프로그램을 실행하는 CPU(도시하지 않음)에 의해 실행된다. 프로세스 조건을 설정한 레시피는, ROM이나 비휘발 메모리(모두 도시하지 않음)에 미리 기억되어 있고, CPU가 이들 메모리로부터 레시피의 조건을 읽어내어 실행한다.
본 실시형태와 같이, 샤워 헤드(210)가 도전체로 형성되어 있는 경우, 샤워 헤드(210)에 DC 전압을 인가할 수 있다. 구체적으로는, 제어부(505)의 지령에 따라, DC 전원(255)으로부터 출력된 DC 전압은, DC 인가 기구(250)에 공급된다. DC 인가 기구(250)는, DC 전극(260), 절연 부재(265) 및 절연 시트(270)를 갖는다. DC 전극(260)은, 통 형상의 도전체(260a)를 갖고, 도전체(260a)를 통해 샤워 헤드(210)에 전기적으로 접속되며, 이에 따라, 샤워 헤드(210)에 DC 전압을 인가한다. DC 전극(260)은, 도전체(260a)의 하단에 설치된 도시하지 않은 절연 소켓에 의해 샤워 헤드(210)에 나사 고정되어 있다.
DC 전극(260)은, 동축 도파관(455)의 외부 도체(455a) 및 덮개(150)에 근접해 있다. 그 때문에, DC 전극(260)과 외부 도체(455a), 및 DC 전극(260)과 덮개(150)를 전기적으로 절연할 필요가 있다. 그래서, DC 전극(260)을 절연 부재(265)로 덮어, DC 전극(260)과 외부 도체(455a), 및 DC 전극(260)과 덮개(150)를 절연한다. 또한 샤워 헤드(210)와 덮개(150) 사이에 절연 시트(270)를 개재시킨다. 이렇게 하여, DC 전극(260)과 외부 도체(455a), 및 DC 전극(260)과 덮개(150)를 전기적으로 절연함으로써, DC 전압이 샤워 헤드(210)에만 인가된다. 이에 따라, DC 전압이 가해지는 부재를 가능한 한 적게 할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 샤워 헤드(210)에 DC 전압을 인가하면서, 동일한 샤워 헤드(210)에 마이크로파를 인가할 수 있기 때문에, 플라즈마 처리 장치(10)를 다양한 프로세스에 적용할 수 있다. 예컨대, 마이크로파가 인가되면, 샤워 헤드(210)의 표면에 표면파가 전파한다. 이때, 샤워 헤드(210)의 표면에는 시스(sheath) 영역이 발생하고, 시스 내를 표면파가 전파한다. DC 전압은, 그 시스의 두께를 제어한다. 예컨대, DC 전압을 샤워 헤드(210)에 인가하면 시스를 두껍게 제어할 수 있고, 그 결과, 샤워 헤드(210)의 표면을 전파하는 표면파의 전파 거리를 길게 할 수 있다. 이와 같이 DC 전압의 제어에 의해 플라즈마 시스 전압을 조작함으로써, 표면파의 전파 거리를 제어하여, 플라즈마의 전자 밀도 분포, 이온 밀도 분포, 라디칼 밀도 분포를 최적화할 수 있다.
한편, 샤워 헤드(210)가 절연체로 형성되어 있는 경우, DC 전압을 샤워 헤드(210)에 인가할 수 없다. 그 경우에는 RF 전압을 인가함으로써, 전술한 DC 전압을 가한 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이상에 설명한 바와 같이, 도 1 및 도 2에 도시한 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(10)에 따르면, 동축 도파관(455)으로부터 도입된 마이크로파는, 지파판(480)을 투과하고, 샤워 헤드(210)의 복수의 슬롯(220)을 통해 처리 용기(100) 내에 방사된다. 그때, 샤워 헤드(210)의 표면에는 플라즈마 시스를 경계 조건으로 해서 분산 관계로 특징지어지는 파장을 가진 정재파의 금속 표면파가 발생하여, 표면파 플라즈마에 흡수된다. 가스 공급원(600)으로부터 공급된 가스는, 가스 공급관(602)을 통해, 복수의 슬롯(220)과 분리되어 안테나(200) 내에 형성된 가스 경로(225)로 안내되고, 복수의 가스 구멍(215)으로부터 처리 용기(100) 내에 도입된다. 복수의 슬롯(220)의 개구와 복수의 가스 구멍(215)의 개구는 동일면 내에 형성되어 있다. 따라서, 가스와 마이크로파는 동일한 천장면으로부터 공급된다. 이에 따라, 가스의 흐름을 용이하게 제어하여, 마이크로파의 표면파에 의해 양호한 플라즈마 제어가 가능해져, 저전자 온도이며 또한 고플라즈마 밀도의 플라즈마가 생성된다. 생성된 표면파 플라즈마는, 웨이퍼(W) 상에의 에칭 처리에 사용된다. 표면파 플라즈마는 저전자 온도이기 때문에, 웨이퍼(W)는 손상을 받기 어렵고, 또한, 고플라즈마 밀도이기 때문에 처리 속도가 빨라진다. 또한, 샤워 헤드(210)가 도전체로 형성되어 있기 때문에, 반응성 에칭 등의 프로세스를 실행할 수 있다.
통상의 표면파 플라즈마의 경우, 안테나(200)는 유전체로 형성되고, 유전체를 기계 가공하여 샤워 헤드를 제작한다. 이 경우, 마이크로파는 유전체를 투과하기 때문에, 그 내부에서 가스가 플라즈마화하여, 방전을 발생시킬 가능성이 높다. 따라서, 통상의 표면파 플라즈마에서는 샤워 헤드 구조를 채용하는 것은 곤란하였다. 예컨대, 아르곤 플라즈마에 있어서, 샤워 헤드 공간 내에 10 ㎜의 공간이 비어 있는 경우, 약 120 볼트의 전압을 샤워 헤드 내에 가하면, 압력이 1 Torr(133 ㎩)인 샤워 헤드 내부에서 이상 방전이 발생할 가능성은 높아진다.
이에 비하여, 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(10)는, 샤워 헤드(210)가 도전체로 형성되어 있다. 이 때문에, 샤워 헤드(210) 내부에 마이크로파는 진입할 수 없다. 따라서, 샤워 헤드(210) 내에서 가스가 플라즈마화하지 않기 때문에, 샤워 헤드(210) 내부에서 방전 현상은 발생하지 않는다. 또한, 본 실시형태에 따른 샤워 헤드(210)에서는, 가스의 경로와 마이크로파의 경로는 완전히 분리되어 있기 때문에, 가스와 마이크로파는 샤워 헤드(210) 내에서 접촉하는 일은 없고, 처리 용기(100) 내에 들어와 처음으로 접촉한다. 그 때문에, 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(10)를 이용하면, 가스 구멍(215)에서 방전이 발생하여 마이크로파 파워를 손실하거나, 이상 방전이 발생하는 것을 회피할 수 있다.
도 2에 확대하여 도시한 바와 같이, 복수의 슬롯(220)은, 가스의 공급 경로인 가스 경로(225) 및 복수의 가스 구멍(215)과 분리된 위치에 형성되어 있다. 복수의 슬롯(220)은, 상부(222)에서 샤워 헤드(210)의 상부를 세로 방향으로 관통하고, 가스 경로(225)와 분리된 상태에서 가스 경로(225)를 관통하며, 또한 단차부(BU)를 가지면서 하부(221)에서 하부 부재(605)를 세로 방향으로 관통한다. 이렇게 하여, 슬롯(220)은 도파로를 형성한다. 또한, 슬롯(220)의 일단부는 지파판(480)에 인접하고, 타단부는 처리 용기 내에 형성된 플라즈마 공간(U)측으로 개구되어 있다.
도 3의 상부도는, 마이크로파 도입 기구(450) 및 안테나(200)를 도시하고, 도 3의 하부도는, 도 3의 상부도의 A-A 단면을 도시한다. 복수의 슬롯(220)은, 그 길이 방향이 원주 방향으로 위치하도록 배치되어 있다. 인접하는 슬롯(220) 사이는, 직경 방향으로 정해진 간격을 두고 오버랩된다. 여기서는, 4개의 슬롯(220a∼220d)이 원주 방향으로 균등하게 배치되어 있다. 슬롯의 수는 4개에 한하지 않고, 2개 이상이면 몇개라도 좋다. 복수의 슬롯(220)은, 안테나(200)의 중심축(O)에 대하여 대칭으로 배치되어 있다.
샤워 헤드(210)에는, 도시하지 않은 냉각로가 형성되고, 샤워 헤드(210)를 냉각한다. 샤워 헤드(210)는 전기 전도율이 높은 도전체이고, 또한, 슬롯을 복수로 분할하여 형성하고 있기 때문에, 마이크로파의 전송 경로이며 가열되기 쉬운 복수의 슬롯(220)으로부터의 열을 슬롯(220) 사이로부터 효율적으로 처리 용기(100) 본체측으로 방출할 수 있다. 한편, 슬롯 형상에 대해서는 나중에 상세히 서술한다.
가스 구멍(215)은, 원주 방향으로 형성된 복수의 슬롯(220)의 내측 및 외측에 균등하게 복수 형성되어 있다. 이에 따라, 복수의 가스 구멍(215)으로부터 도입되는 가스를, 동일면 내에 위치하는 복수의 슬롯(220)으로부터 공급되는 마이크로파 파워에 의해 플라즈마화한다. 이에 의해, 플라즈마를 균일하게 생성할 수 있다.
(마이크로파 출력부 및 마이크로파 전송 기구)
다음으로, 마이크로파 출력부(300) 및 마이크로파 전송 기구(400)의 구성에 대해서, 도 4를 참조하면서 설명한다. 도 4의 좌측은 마이크로파 출력부(300)의 구성을 도시하고, 도 4의 우측은 마이크로파 전송 기구(400)의 구성을 도시한다.
마이크로파 출력부(300)는, 마이크로파 전원(305), 마이크로파 발진기(310), 앰프(315) 및 분배기(320)를 갖는다. 마이크로파 전원(305)은, 8.35 ㎓, 5.8 ㎓, 2.45 ㎓, 1.98 ㎓, 또는 그 이하의 주파수의 마이크로파를 출력한다. 마이크로파 발진기(310)는, 예컨대, 2.45 ㎓의 정해진 주파수의 마이크로파를 PLL 발진시킨다. 앰프(315)는, 발진된 마이크로파를 증폭한다. 분배기(320)는, 증폭된 마이크로파를 복수로 분배한다. 분배기(320)는, 마이크로파가 가능한 한 손실되지 않고 전송되도록 입력측과 출력측의 임피던스 정합을 취하면서, 앰프(315)로 증폭된 마이크로파를 분배한다. 분배된 마이크로파는, 각 안테나 모듈(410)에 전송된다. 본 실시형태에서는, 안테나 모듈(410)은 7개 설치되어 있다.
안테나 모듈(410)은, 위상기(412), 가변 게인 앰프(414), 메인 앰프(416), 아이솔레이터(418)를 가지며, 마이크로파 출력부(300)로부터 출력된 마이크로파를 마이크로파 도입 기구(450)에 전송한다.
마이크로파는, 각 안테나 모듈(410)에 접속된 동축 도파관(455)으로부터 처리 용기(100) 내에 방사되고, 그 내부에서 마이크로파를 공간 합성한다. 아이솔레이터(418)는 소형의 것이면 좋고, 메인 앰프(416)에 인접하여 설치할 수 있다.
위상기(412)는, 슬러그 튜너[튜너(470)]에 의해 마이크로파의 위상을 변화시키도록 구성되고, 이것을 조정함으로써 방사 특성을 변조시킨다. 예컨대, 안테나 모듈(410)마다 위상을 조정함으로써, 지향성을 제어하여 플라즈마 분포를 변화시키는 것이나, 인접하는 안테나 모듈(410)에 있어서 90°마다 위상을 어긋나게 하여 원편파(圓偏波)를 얻을 수 있다. 한편, 이러한 방사 특성의 변조가 불필요한 경우에는 위상기를 설치하지 않아도 좋다.
가변 게인 앰프(414)는, 메인 앰프(416)에 입력하는 마이크로파의 전력 레벨을 조정하여, 개개의 안테나 모듈(410)의 변동의 조정이나 플라즈마 강도의 조정을 행한다. 가변 게인 앰프(414)를 안테나 모듈(410)마다 변화시킴으로써, 발생하는 플라즈마에 분포를 발생시킬 수도 있다.
메인 앰프(416)는, 솔리드 스테이트 앰프를 구성한다. 솔리드 스테이트 앰프는, 도시하지 않은 입력 정합 회로, 반도체 증폭 소자, 출력 정합 회로 및 고(高)Q 공진 회로를 갖는 것도 가능하다.
아이솔레이터(418)는, 안테나(200)에서 반사되어 메인 앰프(416)로 향하는 마이크로파의 반사파를 분리하는 것으로, 서큘레이터와 더미 로드(dummy load)(동축 종단기)를 갖고 있다. 서큘레이터는, 안테나(200)에서 반사된 마이크로파를 더미 로드로 유도하고, 더미 로드는 서큘레이터에 의해 유도된 마이크로파의 반사파를 열로 변환한다. 이렇게 하여 안테나 모듈(410)로부터 출력된 마이크로파는, 마이크로파 도입 기구(450)에 전송되어, 안테나(200)로 유도된다.
[슬롯 형상]
다음으로, 도 5 및 도 6을 참조하면서, 슬롯 형상과 전계 강도 분포에 대해서 설명한다. 본 실시형태에서는, 도 5에 도시한 바와 같이, 4개의 슬롯(220a∼220d)이 원주 방향으로 균등하게 배치되어 있다. 이들 슬롯(220a∼220d)은 모두 동일 형상이고, 원주 방향으로 가늘고 긴 형상으로 형성되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 4개의 슬롯(220a∼220d)은, 안테나(200)의 중심축(O)에 대하여 대칭으로 배치되어 있다.
4개의 슬롯(220a∼220d)의 원주 방향의 길이는, (λg/2)-δ이고, 슬롯(220a, 220b, 220c, 220d)의 중심 위치(PA, PB, PC, PD)에 마이크로파의 전계 강도의 피크가 오도록 설계되어 있다. 단, 슬롯(220)의 원주 방향의 길이는, (λg/2)-δ에 한하지 않고, n(λg/2)-δ(n은 1 이상의 정수)이면 되며, 이 길이이면, 슬롯(220)의 원주 방향의 길이는 슬롯마다 상이해도 좋다.
한편, λg는 관내 파장(실효적인 파장)이고, δ는 미조정 성분(0을 포함함)이다. 관내 파장(λg)은, λ0/√εr로 나타난다. λ0은, 자유 공간에 있어서의 파장이고, εr는 유전 부재의 유전률이다. 예컨대, 슬롯 내에 충전되는 유전 부재가 석영인 경우, 관내 파장(λg)은, λ0/√3.78로 나타나는 값이 된다. 슬롯 내는, 석영에 한하지 않고, 알루미나 Al2O3나 테플론(등록 상표) 등으로 충전되어도 좋다.
인접하는 슬롯(220) 사이는, 직경 방향으로 정해진 간격을 두고 오버랩되어 있다. 또한, 인접하는 슬롯(220) 사이는 각 슬롯(220)의 양측에서 오버랩되어 형성되어 있다. 이에 따라, 둘레 방향으로 슬롯(220)이 없는 부분이 발생하지 않도록 하여, 둘레 방향의 방사 특성이 균일해지도록 설계되어 있다. 슬롯은 모두 동일한 형상이다. 여기서는 슬롯(220a)을 예로 들어 설명하면, 슬롯(220a)은, 원주 방향을 향해 좌측 외측부(220a1), 중앙부(220a2) 및 우측 외측부(220a3)의 3부분으로 이루어지고, 좌측 외측부(220a1)는, 정해진 간격을 두고 인접 슬롯(220d)의 우측 외측부와 오버랩되어 있다. 여기서는, 슬롯(220a)의 좌측 외측부(220a1)가 외주측, 슬롯(220d)의 우측 외측부가 내주측에 위치한다. 마찬가지로, 슬롯(220a)의 우측 외측부(220a3)는, 정해진 간격을 두고 슬롯(220b)의 좌측 외측부와 오버랩되어 있다. 여기서는, 슬롯(220a)의 우측 외측부(220a3)가 내주측, 슬롯(220b)의 좌측 외측부가 외주측에 위치한다. 슬롯(220a)의 중앙부(220a2)는 오버랩되어 있지 않다. 좌측 외측부(220a1), 중앙부(220a2) 및 우측 외측부(220a3)는 원주 상의 약 45°의 각도로 형성된다.
좌측 외측부(220a1) 및 우측 외측부(220a3)는 대략 부채꼴이다. 한편, 슬롯(220a)의 중앙부(220a2)는 직선 형상을 가지며, 중앙부(PA)를 중심으로 하여 외주측에 위치하는 좌측 외측부(220a1)와 내주측에 위치하는 우측 외측부(220a3)를 비스듬히 연결하도록 되어 있다.
슬롯(220b)에 나타낸 바와 같이 좌측 외측부(220b1), 중앙부(220b2) 및 우측 외측부(220b3)의 원주 방향의 길이는, (λg/6)-δ1, (λg/6)-δ2, (λg/6)-δ3이고, 거의 균등한 길이를 갖고 있다. 한편, δ1, δ2, δ3은, 미조정 성분(0을 포함함)이다. 인접하는 슬롯 간의 오버랩 부분은 동일한 것이 전계 강도의 분포가 균일해지기 때문에, δ1과 δ3은 동일한 것이 바람직하다. 한편, 도 6에서는, 설명을 간단히 하기 위해서, δ1, δ2, δ3으로 나타낸 미조정 성분을 0으로 한다.
슬롯(220a∼220d)은, 그 내주가, 안테나(200)의 중심으로부터 (λg/4)+δ'의 위치가 되도록 형성되어 있다. δ'는, 세로 방향의 전계 강도 분포를 균일하게 하기 위해서 미조정하는 미조정 성분(0을 포함함)이다. 한편, 중심으로부터 슬롯 내주까지의 길이는, λg/4에 한정되지 않고, λg/4의 정수배에 미조정 성분(0을 포함함)을 더한 것이면 된다.
도 5에 도시한 슬롯의 형상 및 배치에 따르면, 도 6에 도시한 바와 같이, 슬롯(220a, 220b, 220c, 220d)의 중심 위치(PA, PB, PC, PD)의 위치에 마이크로파의 파워(전계 강도)의 피크가 오도록 설계되어 있다. 즉, 복수의 슬롯의 원주 방향의 피치는, λg/2로 설계되어 있다. 또한, 본 실시형태에서의 슬롯의 길이는, λg/2이기 때문에 각 슬롯의 양단부의 전계 강도는 0이 된다. 그러면, 중앙부에서는 전계 강도가 강하고, 좌측 외측부 및 우측 외측부에서는 전계 강도가 약해진다. 따라서, 양 외측부에서는 인접하는 슬롯을 오버랩시킨다. 이에 따라 슬롯의 양측에 있어서 방사되는 마이크로파의 파워를 크게 할 수 있다. 이 결과, 중앙부와 양 외측부에 있어서 전계 강도 분포를 균일하게 할 수 있다. 또한, 인접하는 슬롯(220) 간의 오버랩 부분의 외주측의 슬롯과 내주측의 슬롯의 위치 관계와, 우측의 슬롯과 좌측의 슬롯의 위치 관계는, 상기 복수의 슬롯 모두에 있어서 동일한 관계로 되어 있다. 예컨대, 시계 방향으로 보면, 모든 슬롯에 있어서, 우측의 슬롯이 좌측의 슬롯의 외주측에 위치하도록 오버랩된다.
이러한 슬롯 형상 및 배치에 의해, 원주 방향 및 직경 방향의 전계 강도의 분포의 균일성을 도모할 수 있다. 이에 따라, 기대한 대로의 마이크로파의 방사 특성 및 방사 균일성을 실현할 수 있다.
[가스 경로]
다음으로, 상기한 바와 같이 배치된 복수의 슬롯(220)에 대한 가스 경로의 최적화에 대해서 설명한다. 샤워 헤드(210)에서는, 플라즈마를 균일하게 생성하기 위해서 가스 유속의 균일성이 요구된다. 그러나, 샤워 헤드(210)에 슬롯(220)과 분리하여 가스 경로를 형성하는 경우, 슬롯(220)의 배치에 의해 가스 통로에 제약이 발생한다. 특히, 총 가스 유량이 큰 프로세스에 있어서는, 샤워 헤드(210)의 구조상 가스 유속의 균일성이 손상되는 경우가 있다. 예컨대, 패턴을 형성하고, 그것을 마스크로 해서 하층의 막을 산소계 에칭 가스로 에칭하여, 트렌치를 형성하는 경우, 처리 용기 내의 압력 80 mTorr(10.6 ㎩), 가스종 및 가스 유량 C4F8/Ar/N2/O2=30/1200/70/23 sccm의 프로세스에서는, 가스의 총 유량은 약 1400 sccm이나 된다. 이러한 프로세스에 있어서도, 본 실시형태에서는, 도 1의 B-B 단면인 도 7에 도시한 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(10)에 배치된 7개의 안테나(200)의 하면(a, b, c, d, e, f, g)에 균일하게 개구된 가스 구멍[도 3의 A-A 단면도에 도시된 가스 구멍(215) 참조]으로부터 최대로 약 1400 sccm의 가스를, 가스 유속의 균일성을 유지하면서 처리 용기(100) 내에 도입하지 않으면 안 된다. 여기서, 가스 유속의 균일성을 향상시키기 위해서, 슬롯 각도나 위치를 변경시키면, 가스 유속은 향상되지만, 마이크로파의 방사 특성 및 방사 균일성이 손상되어 버린다.
본 실시형태의 경우, 도 8에 도시한 바와 같이, 가스 공급관(602)에 접속된 가스 도입구(602a)는, 슬롯(220)의 외주측에 배치된다. 이와 같이, 마이크로파의 누설의 리스크를 저감시키기 위해서 가스 도입구(602a)는 슬롯(220)의 내주측에 형성하지 않고, 외주측에 형성하고 있다. 따라서, 가스는, 슬롯(220)의 외주측으로부터 슬롯 간의 오버랩 부분에 형성된 정해진 간격을 통해 슬롯(220) 내부까지 운반되고, 슬롯(220) 내부의 가스 구멍(215)으로부터 처리 용기(100) 내에 도입된다. 따라서, 오버랩 부분에 있어서, 가스 통로가 좁아진다. 그와 같은 경우라도, 본 실시형태에서는, 총 유량이 약 1400 sccm인 가스를 슬롯(220) 내의 가스 구멍(215)까지 원활하게 흘려서, 처리 용기(100)에 균일하게 도입하도록, 가스 유속의 균일성을 손상시키지 않는 샤워 헤드(210) 구조를 제안한다.
[슬롯의 단차]
즉, 본 실시형태에 따른 샤워 헤드(210)는, 도파로도 겸하고 있는 슬롯(220)에 단차를 형성하여, 가스 컨덕턴스의 증대와 마이크로파의 방사 특성의 균일성의 유지를 양립하는 구조를 갖는다. 도 9 및 도 10에, 2개의 상이한 플라즈마 발생용 안테나를 도시한다. 도 9 및 도 10의 좌측의 플라즈마 발생용 안테나(900)[이하, 안테나(900)라고 호칭함]에서는, 가스 경로를 관통하는 슬롯(920)의 간격은, 플라즈마 생성 공간으로 개구되는 부분의 간격(WB)과 동일하다. 한편, 도 9 및 도 10의 우측의 안테나(200)에서는, 가스 경로를 관통하는 슬롯(220)의 간격(WA)이, 플라즈마 생성 공간으로 개구되는 부분의 간격(WB)보다 넓다. 한편, 안테나(200, 900)의 플라즈마 생성 공간으로 개구되는 부분의 간격, 및 안테나(900)의 가스 경로를 관통하는 슬롯(920)의 간격은 모두 동일 간격이기 때문에, 간격 WB라고 동일 명칭을 붙인다.
이상의 2개의 안테나(200, 900)에 대해서, 도 9 및 도 10을 참조하면서 설명한다.
마이크로파의 플라즈마에의 방사 특성은 플라즈마와 접하는 슬롯 형상(즉, 도 5에 도시한 슬롯 형상 및 배치)만으로 결정되며, 그것에 이르는 도파로의 형상에는 의존하지 않는다. 즉, 처리 용기 내의 플라즈마 생성 공간(U)으로 개구되는 부분의 슬롯 형상이나 슬롯 사이의 간격(WB)을 변경시키지 않으면 마이크로파의 전송 특성은 손상되지 않는다. 그리고, 마이크로파의 전송 특성이 손상되지 않으면, 슬롯(220)으로 형성되는 도파로의 형상, 구조를 설계상 변경할 수 있다. 그래서, 안테나(900, 200)에서는, 샤워 헤드의 하부 부재(905, 605)에 형성된 슬롯(921, 221)의 형상 및 배치는 동일하고, 플라즈마 생성 공간으로의 개구 부분의 간격(WB)도 동일하다. 이에 따라, 처리 용기(100) 내에 방사되는 마이크로파의 방사 특성 및 방사 균일성을 유지할 수 있다.
한편, 가스 컨덕턴스를 증대시키기 위해서, 도파로의 형상, 구조를 다음과 같이 변경한다. 즉, 안테나(900)에서는, 복수의 슬롯(920)은, 가스 경로(995a, 995b, 995c)와 복수의 가스 구멍(915)의 경계면에서 단차를 갖지 않는다. 따라서, 안테나(900)에서는, 가스 경로를 관통한 인접하는 슬롯(920)의 간격(WB)[가스 경로(995b)의 폭]은, 플라즈마 생성 공간으로 개구되는 부분의 간격(WB)과 동일한 간격이다.
이에 비하여, 안테나(200)에서는, 복수의 슬롯(220)은, 가스 경로(225a, 225b, 225c)와 복수의 가스 구멍(215)의 경계면에서 단차를 갖는다. 이에 따라, 안테나(200)에서는, 가스 경로를 관통한 인접하는 슬롯(220)의 간격(WA)을 개구 부분의 간격(WB)보다도 넓게 형성할 수 있다.
도 10은, 도 9의 슬롯의 단차 부분을 확대한 도면이다. 도 10을 참조하면, 안테나(900)에서는, 각 슬롯(920a, 920b)은 수직 방향으로 단차를 갖지 않고 샤워 헤드의 하부 부재(905)를 관통한다. 한편, 안테나(200)에서는, 슬롯(220a, 220b)은, 가스 경로(225a, 225b, 225c)와 복수의 가스 구멍(215)의 경계면에서 단차(BU)를 갖고 있다. 즉, 오버랩 부분의 내주측에 위치하는 슬롯[여기서는, 슬롯(220b)]은, 단차에 의해 샤워 헤드의 하부 부재(605)에서 외주측으로 돌출되고, 오버랩 부분의 외주측에 위치하는 슬롯[여기서는, 슬롯(220a)]은, 단차에 의해 샤워 헤드의 하부 부재(605)에서 내주측으로 들어간다.
이렇게 하여 가스 경로(225)와 복수의 가스 구멍(215)의 경계면의 단차에 의해, 오버랩 부분의 슬롯 간격 중, 가스 경로에 형성된 슬롯(220a, 220b) 사이의 간격(WA)[가스 경로(225b)의 폭]은, 슬롯(220a, 220b)의 개구 부분의 간격(WB)[복수의 가스 구멍(215)측의 폭]보다 넓어진다. 이에 따라, 도 9 및 도 10에 도시한 안테나(200)의 가스 경로(225b)의 간격(WA)을 안테나(900)의 가스 경로(995b)의 간격(WB)보다도 넓게 할 수 있고, 가스 컨덕턴스를 증대시킬 수 있다. 이 결과, 가스 유속의 균일성을 높일 수 있다.
특히, 가스는, 도 8에 도시한 바와 같이 복수의 슬롯(220)의 외주측에 형성된 가스 도입구(602a)로부터 공급되고, 복수의 슬롯(220)의 외주측의 가스 경로(225a)의 영역으로부터, 간격(WA)으로 오버랩되는 슬롯(220) 사이의 가스 경로(225b)의 영역을 통해 복수의 슬롯(220)의 내주측의 가스 경로(225c)의 영역에 공급된다. 이 때문에, 슬롯(220)이 오버랩되어 있는 부분에서는, 가스 경로가 좁아져, 구조적으로 가스의 흐름이 나빠진다. 그러나, 슬롯(220)을 오버랩시키는 형상이나 개구 부분의 간격(WB)은, 마이크로파의 방사 특성을 양호하게 하기 위해서 필요한 형상 및 간격이다.
따라서, 본 실시형태와 같이 단차(BU)를 형성하여, 가스 경로(225b)의 간격(WA)을 슬롯의 개구부에 있어서의 간격(WB)보다 넓게 함으로써, 슬롯(220)이 오버랩되어 있는 부분에서의 가스 경로(225b)의 가스 컨덕턴스를 증대시켜, 도 8 및 도 10에 도시한 바와 같이 가스 유량 F1>가스 유량 F2로 하여, 복수의 슬롯(220)의 외주측의 가스 경로(225a)의 영역으로부터 가스 경로(225b)를 거쳐, 내주측의 가스 경로(225c)의 영역에 원활하게 가스를 공급하는 효과는 크다. 한편, 가스 구멍(215)은 차압을 두기 때문에, 상부의 직경이 1 ㎜∼1.5 ㎜, 하부의 직경이 0.5 ㎜ 정도로 되어 있다.
발명자들은, 전자계 시뮬레이션 해석을 행한 결과, 슬롯의 도파로가 단차 형상으로 되었음에도 불구하고, 마이크로파 방사 특성이 유지되고, 또한, 가스 유속의 균일성이 높아진 것을 증명할 수 있었다.
오버랩 부분의 슬롯 사이의 높이, 폭(간격)에 대해서는, 본 실시형태에서는 슬롯(220)에 단차를 형성함으로써, 간격을 넓혀 가스 경로를 넓게 하였다. 그러나, 가스 경로를 넓게 하는 경우, 높이 방향(H)을 넓히는 것도 고려된다. 그러나, 높이 방향(H)을 넓히는 것은, 마이크로파의 파워가 감쇠되기 때문에 피하는 것이 좋다. 예컨대, 높이(H)가 1.2배가 되면 표면적은 1.44배가 되어 마이크로파의 파워를 약 50% 손실하게 된다.
특히, 본 실시형태에서는, 마이크로파의 모드는 TE10이며, 슬롯을 통과하기 쉬운 모드이다. 그래도, 가스 경로를 높이 방향(H)을 넓힌 경우, 마이크로파의 전송 경로가 길어지기 때문에 마이크로파의 파워가 감쇠된다. TE10보다 고차의 모드의 마이크로파에서는, 마이크로파의 파워의 감쇠량은 더욱 커진다. 이 결과, 처리실 내에 방사되는 마이크로파의 파워는 약해진다. 이상으로부터, 높이 방향(H)을 넓히는 것은 피해야 한다.
또한, 단차 부분(BU)에서는, 슬롯의 가로 방향의 폭의 1/2 조금 모자라는 단차까지 허용되며, 마이크로파의 전송 특성을 손상시키지 않는다. 즉, 단차에 의해 가장 좁아진 부분의 슬롯폭은 1 ㎜∼2 ㎜여도 좋다. 단차 부분 이외의 슬롯폭은 3 ㎜∼5 ㎜이다.
이러한 구성의 샤워 헤드(210)에 따르면, 가스 컨덕턴스의 증대와 마이크로파의 방사 특성의 균일성의 유지를 양립시킬 수 있다.
(슬롯의 변형예)
도 11에 일 실시형태의 변형예에 따른 복수의 슬롯의 배치를 도시한다. 본 변형예에서는, 슬롯의 개수가 6개인 점이, 상기 실시형태와 상이하다. 이 경우에 있어서도, 6개의 슬롯(220a∼220f)의 원주 방향의 길이는, λg/2-δ이고, 슬롯(220a∼220f)의 중심 위치에 마이크로파의 전계 강도의 피크가 오도록 설계된다. 단, 슬롯(220)의 원주 방향의 길이는, λg/2-δ에 한하지 않고, n(λg/2)-δ(n은 1 이상의 정수)이면 된다. 한편, δ는 미조정 성분(0을 포함함)이다.
인접하는 슬롯(220) 사이는, 직경 방향으로 정해진 간격을 두고 오버랩되어 있다. 인접하는 슬롯(220) 사이는 각 슬롯(220)의 양측에서 오버랩되어 있다. 슬롯은 모두 동일한 형상이다. 예컨대, 슬롯(220c)은, 중심축에서 보아 좌측 외측부(220c1), 중앙부(220c2) 및 우측 외측부(220c3)의 3부분으로 이루어지고, 좌측 외측부(220c1)는, 정해진 간격을 두고 슬롯(220b)의 우측 외측부와 오버랩되어 있다. 여기서는, 슬롯(220c)의 좌측 외측부(220c1)가 내주측, 슬롯(220b)의 우측 외측부가 외주측에 위치한다. 마찬가지로, 슬롯(220c)의 우측 외측부(220c3)는, 정해진 간격을 두고 슬롯(220d)의 좌측 외측부와 오버랩되어 있다. 여기서는, 슬롯(220c)의 우측 외측부(220c3)가 외주측, 슬롯(220d)의 좌측 외측부가 내주측에 위치한다. 슬롯(220c)의 중앙부(220c2)는 오버랩되어 있지 않다.
슬롯(220)의 좌측 외측부, 중앙부 및 우측 외측부의 원주 방향의 길이는, λg/6-δ2, λg/6-δ1, λg/6-δ3이고, 거의 균등한 길이를 갖고 있다. 한편, δ1, δ2, δ3은, 미조정 성분(0을 포함함)이다. 좌측 외측부, 우측 외측부는 부채꼴이며, 좌측 외측부와 우측 외측부는 중앙부에 의해 비스듬히 직선상으로 연결되어 있다.
[안테나의 변형예]
마지막으로 일 실시형태의 변형예 1∼3에 따른 안테나(200)에 대해서, 도 12∼도 14를 참조하면서 설명한다.
(안테나의 변형예 1)
먼저, 일 실시형태의 변형예 1에 따른 안테나(200)에 대해서, 도 12를 참조하면서 설명한다. 도 12에 도시한 변형예 1에 따른 안테나(200)는, 상기 실시형태에 따른 안테나(200)를 대신하여 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(10)에 적용될 수 있다.
도 12에 도시한 안테나(200)에서는, 복수의 슬롯(220)에는 유전 부재(800)가 충전되어 있다. 유전 부재(800)로서는, 석영 등을 이용할 수 있다. 이에 따라, 슬롯(220) 내에 플라즈마가 진입하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 이상 방전을 회피하고, 플라즈마의 균일성을 높일 수 있다. 또한, 슬롯(220) 내의 유전 부재(800)에 의해, 슬롯 내를 통과하는 마이크로파의 관내 파장(λg)(실효적인 파장)을 짧게 할 수 있다. 이에 따라, 샤워 헤드(210)의 두께를 얇게 할 수 있다.
또한, 변형예 1에 따른 안테나(200)에서는, 예컨대 알루미늄으로 형성된 샤워 헤드(210)의 플라즈마 공간에의 노출면(하면)에는, 실리콘의 천판(天板; 700)이 나사 고정되어 있다. 이에 따라, 플라즈마에 의해 손상을 받은 천판(700)을 적절하게 교환할 수 있고, 샤워 헤드(210)의 수명을 연장시킬 수 있다. 천판(700)에는, 복수의 슬롯(220) 및 복수의 가스 구멍(215)에 연통되는 개구가 형성되며, 슬롯(220)과 연통되는 개구에는, 슬롯(220)과 마찬가지로 유전 부재(800)가 충전된다.
(안테나의 변형예 2)
다음으로, 일 실시형태의 변형예 2에 따른 안테나(200)에 대해서, 도 13을 참조하면서 설명한다. 도 13에 도시한 변형예 2에 따른 안테나(200)에서는, 샤워 헤드(210)가 실리콘으로 형성되어 있다. 변형예 2에 따른 안테나(200)는, 상기 실시형태에 따른 안테나(200)를 대신하여 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(10)에 적용될 수 있다. 또한, 변형예 2에 따른 안테나(200)에서는, 샤워 헤드(210)에 용사 피막을 형성하는 것이나, 천판(700)을 설치하는 일 없이, 도 13에 도시한 바와 같이 샤워 헤드(210)의 실리콘 표면을 그대로 플라즈마 공간에 노출해도 좋다.
한편, 안테나의 변형예 1, 2의 경우에도, 샤워 헤드(210)의 DC 전압을 인가하면서, 마이크로파를 방사할 수 있고, 이에 따라, 다양한 프로세스를 실행할 수 있다.
(안테나의 변형예 3)
다음으로, 일 실시형태의 변형예 3에 따른 안테나(200)에 대해서, 도 14를 참조하면서 설명한다. 도 14에 도시한 변형예 3에 따른 안테나(200)에서는, 가스 경로가 2계통 형성되어 있다. 변형예 3에 따른 안테나(200)도, 상기 실시형태에 따른 안테나(200)를 대신하여 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(10)에 적용될 수 있다. 변형예 3의 경우, 샤워 헤드(210)의 가스 경로(225)는, 가스 경로(225a) 및 가스 경로(225b)로 분리되어 있다. 원하는 가스 1은, 가스 공급원(600)(도 1 참조)으로부터 출력되어, 가스 경로(225a)를 통해 복수의 가스 구멍(215)으로 들어가고, 가스 구멍(215)으로부터 처리 용기(100) 내에 도입된다. 원하는 가스 2도 또한, 가스 공급원(600)(도 1 참조)으로부터 출력되어, 가스 경로(225b)를 통해 원하는 가스 1이 통과한 가스 구멍(215)과는 별도의 복수의 가스 구멍(215)으로 들어가고, 가스 구멍(215)으로부터 처리 용기(100) 내에 도입된다. 이에 따라, 인접하는 가스 구멍(215)으로부터 상이한 종류의 가스를 교대로 도입할 수 있다. 이에 따르면, 2계통의 가스의 흐름을 제어할 수 있어, 처리 용기 내의 공간에서 2종류 이상의 가스를 반응시킬 수 있다(포스트 믹스). 한편, 가스 경로는 2계통에 한하지 않고, 3종류 이상의 가스를 혼합하지 않고 따로따로 공급 가능한 3계통 이상의 가스 경로로 나뉘어 있어도 좋다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 실시형태 및 복수의 변형예에 따른 안테나(200) 및 그 안테나(200)를 이용한 플라즈마 처리 장치(10)에 따르면, 가스 및 마이크로파를 동일면 내로부터 공급할 수 있다. 구체적으로는, 안테나(200)의 방사 특성을 손상시키지 않고, 가스의 컨덕턴스를 증가시켜, 가스의 유속의 균일성을 높일 수 있다. 이에 따라, 다양한 프로세스 조건에 있어서도 균일한 플라즈마를 생성하여, 다양한 프로세스를 실행할 수 있다.
한편, 오버랩 부분의 슬롯의 간격은, 가스 경로측(즉, 도 10의 간격 WA)에 있어서 5 ㎜∼15 ㎜여도 좋다.
또한, 마이크로파의 전송 특성을 손상시키지 않으면, 도파로의 단차는, 테이퍼 형상이어도 좋다.
또한, 가스 구멍(215)은 균등하게 배치되어 있지 않아도 좋다. 예컨대, 슬롯(220)의 외주측과 슬롯(220)의 내주측의 가스 경로(225)의 차압에 따라, 슬롯(220)의 외주측에 배치된 가스 구멍(215)의 직경을, 슬롯(220)의 내주측에 배치된 가스 구멍(215)의 직경보다 작게 형성해도 좋다.
또한, 슬롯(220)의 외주측과 슬롯(220)의 내주측의 가스 경로(225)의 차압에 따라, 슬롯(220)의 외주측에 배치된 가스 구멍(215)의 수를, 슬롯(220)의 내주측에 배치된 가스 구멍(215)의 수보다 적게 해도 좋다.
또한, 이른바 포스트 믹스에 의해, 2종류의 가스를 슬롯(220)의 외주측에 배치된 가스 구멍(215)과 내주측에 배치된 가스 구멍(215)으로부터 따로따로 도입하는 경우에는, 외주측에 배치된 가스 구멍(215)의 가스 유속과 내주측에 배치된 가스 구멍(215)의 가스 유속을 변경시키도록 하여, 각 가스를 따로따로 제어해도 좋다.
<마지막으로>
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 플라즈마 발생용 안테나, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 대해 적합한 실시형태에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 플라즈마 발생용 안테나, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법의 기술적 범위는 이러한 예에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자라면, 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상의 범주에 있어서, 각종의 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하고, 이들에 대해서도, 당연히 본 발명의 플라즈마 발생용 안테나, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법의 기술적 범위에 속하는 것으로 양해된다. 또한, 상기 실시형태 및 변형예가 복수 존재하는 경우, 모순되지 않는 범위에서 조합할 수 있다.
예컨대, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 도 15에 도시한 바와 같이 안테나(200)를 하나 가져도 좋다. 도 15는, 일 실시형태의 변형예에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 도시한다. 이 경우에 있어서도, 슬롯에 단차를 형성함으로써, 안테나(200)의 방사 특성을 손상시키지 않고, 가스의 컨덕턴스를 증가시켜, 가스의 유속의 균일성을 높일 수 있다. 이에 따라, 다양한 프로세스 조건에 있어서도 균일한 플라즈마를 생성하여, 다양한 프로세스를 실행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 안테나(200)의 수는, 몇개라도 좋다. 예컨대, 도 16은, 일 실시형태의 변형예에 따른 마이크로파 출력부와 마이크로파 전송 기구의 구성을 도시한다. 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 안테나(200)가 하나인 경우, 도 16과 같이 마이크로파 출력부(300) 내에 분배기(320)를 설치할 필요는 없다. 또한, 마이크로파 전송 기구(400) 내의 안테나 모듈(410)은 하나 있으면 된다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치에 공급되는 파워는, 마이크로파에 한정되지 않고, 100 ㎒의 RF대로부터 3 ㎓의 마이크로파대의 전자파이면 된다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치에 의해 실행 가능한 플라즈마 프로세스는 에칭 프로세스에 한정되지 않고, 성막, 애싱(ashing), 스퍼터링 등, 어떠한 프로세스라도 좋다.
상기 복수의 슬롯은, 상기 가스 경로를 관통하는 도파로에서 상기 단차를 가져도 좋다.
상기 복수의 슬롯은, 상기 가스 경로와 상기 복수의 가스 구멍의 경계면에서 단차를 가져도 좋다.
상기 복수의 슬롯은, 유전체로 충전되어도 좋다.
상기 복수의 슬롯은, 그 길이 방향이 원주 방향으로 위치하도록 배치되고, 인접하는 슬롯 사이는, 직경 방향으로 정해진 간격을 두고 오버랩되며, 상기 오버랩된 슬롯 사이의 정해진 간격은, 상기 가스 경로를 관통하는 부분의 제1 간격이 상기 플라즈마 생성 공간으로 개구되는 부분에서 오버랩된 제2 간격보다도 넓게 되어 있어도 좋다.
상기 가스는, 상기 원주 방향으로 배치된 복수의 슬롯의 외주측으로부터, 상기 제1 간격으로 오버랩되는 슬롯 사이의 상기 가스 경로의 영역을 통해 상기 복수의 슬롯의 내주측에 공급되어도 좋다.
상기 인접하는 슬롯 간의 오버랩 부분의 외주측의 슬롯과 내주측의 슬롯의 위치 관계와, 우측의 슬롯과 좌측의 슬롯의 위치 관계는 모든 슬롯에 있어서 동일한 관계여도 좋다.
상기 복수의 슬롯은, 원주 방향으로 균등하게 배치되어도 좋다.
상기 복수의 슬롯은, 상기 플라즈마 발생용 안테나의 중심축에 대하여 대칭으로 배치되어도 좋다.
상기 복수의 슬롯의 원주 방향의 피치는, n(λg/2)-δ(n은 1 이상의 정수)여도 좋다.
상기 복수의 슬롯의 원주 방향의 길이는, n(λg/2)-δ(n은 1 이상의 정수)여도 좋다.
상기 오버랩 부분의 슬롯 간격은, 상기 가스 경로와 상기 복수의 가스 구멍의 경계면의 단차에 의해, 상기 가스 경로측의 제1 간격이 상기 복수의 가스 구멍측의 제2 간격보다도 넓게 되어도 좋다.
각 슬롯은 원주 방향을 향해 좌측 외측부, 중앙부 및 우측 외측부의 3부분으로 이루어지고, 인접하는 슬롯은, 상기 중앙부 이외가 오버랩되어도 좋다.
상기 오버랩되어 있는 슬롯 사이의 정해진 간격은, 상기 가스 경로측의 제1 간격에 있어서 5 ㎜∼15 ㎜여도 좋다.
본 국제출원은, 2011년 12월 12일에 출원된 일본국 특허 출원 2011-271435호에 기초하는 우선권 및 2011년 12월 15일에 출원된 미국 가출원 61/576042호에 기초하는 우선권을 주장하는 것이며, 그 모든 내용을 본 국제출원에 원용한다.
10: 플라즈마 처리 장치 100: 처리 용기
200: 플라즈마 생성용 안테나 210: 샤워 헤드
215: 가스 구멍 220: 슬롯
225: 가스 경로 250: DC 인가 기구
300: 마이크로파 출력부 400: 마이크로파 전송 기구
450: 마이크로파 도입 기구 455: 동축 도파관
480: 지파판 500: 제어 장치
600: 가스 공급원 605: 샤워 헤드의 하부 부재
800: 유전 부재 BU: 슬롯 단차

Claims (16)

  1. 동축 도파관을 통해 전송된 마이크로파를 처리 용기 내에 방사하고, 상기 처리 용기 내의 금속면에 전파시켜 가스를 플라즈마화하여, 표면파 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 발생용 안테나로서,
    상기 플라즈마 발생용 안테나 내에 가스를 흘리는 가스 경로와,
    상기 가스 경로에 연통(連通)되고, 상기 가스 경로를 통과한 가스를 상기 처리 용기 내에 도입하는 복수의 가스 구멍과,
    상기 가스 경로와 분리된 상태에서 상기 가스 경로를 관통하고, 상기 동축 도파관을 통해 지파판(遲波板; slow wave plate)을 투과한 마이크로파를 통과시켜 상기 처리 용기 내에 방사하는 복수의 슬롯을 구비하며,
    인접하는 슬롯 사이는, 상기 가스 경로를 관통하는 부분의 제1 간격이 상기 처리 용기 내의 플라즈마 생성 공간으로 개구되는 부분의 제2 간격보다도 넓게 되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 슬롯은, 상기 가스 경로를 관통하는 도파로에서 단차를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수의 슬롯은, 상기 가스 경로와 상기 복수의 가스 구멍의 경계면에서 상기 단차를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 슬롯은, 그 길이 방향이 원주 방향으로 위치하도록 배치되고,
    인접하는 슬롯 사이는, 직경 방향으로 정해진 간격을 두고 오버랩되며,
    상기 오버랩된 슬롯 사이의 정해진 간격은, 상기 가스 경로를 관통하는 부분의 제1 간격이 상기 플라즈마 생성 공간으로 개구되는 부분에서 오버랩된 제2 간격보다도 넓게 되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가스는, 상기 원주 방향으로 배치된 복수의 슬롯의 외주측으로부터, 상기 제1 간격으로 오버랩되는 슬롯 사이의 상기 가스 경로의 영역을 통해 상기 복수의 슬롯의 내주측에 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나.
  6. 제4항에 있어서, 상기 인접하는 슬롯 간의 오버랩 부분의 외주측의 슬롯과 내주측의 슬롯의 위치 관계와, 우측의 슬롯과 좌측의 슬롯의 위치 관계는 모든 슬롯에 있어서 동일한 관계인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 슬롯은, 원주 방향으로 균등하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 슬롯은, 상기 플라즈마 발생용 안테나의 중심축에 대하여 대칭으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나.
  9. 제1항에 있어서, 상기 복수의 슬롯의 원주 방향의 피치는, n(λg/2)-δ(n은 1 이상의 정수, λg는 관내 파장, δ는 미조정 성분(0을 포함함))인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나.
  10. 제1항에 있어서, 상기 복수의 슬롯의 원주 방향의 길이는, n(λg/2)-δ(n은 1 이상의 정수, λg는 관내 파장, δ는 미조정 성분(0을 포함함))인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나.
  11. 제4항에 있어서, 상기 오버랩 부분의 슬롯 간격은, 상기 가스 경로와 상기 복수의 가스 구멍의 경계면의 단차에 의해, 상기 가스 경로측의 제1 간격이 상기 복수의 가스 구멍측의 제2 간격보다도 넓게 되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나.
  12. 제4항에 있어서, 각 슬롯은 원주 방향을 향해 좌측 외측부, 중앙부 및 우측 외측부의 3부분으로 이루어지고, 인접하는 슬롯은, 상기 중앙부 이외가 오버랩되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나.
  13. 제4항에 있어서, 상기 오버랩되어 있는 슬롯 사이의 정해진 간격은, 상기 가스 경로측의 제1 간격에 있어서 5 ㎜∼15 ㎜인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나.
  14. 제1항에 있어서, 상기 복수의 슬롯은, 유전체로 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나.
  15. 가스를 공급하는 가스 공급원과,
    마이크로파 파워를 출력하는 마이크로파 출력부와,
    상기 마이크로파 출력부로부터 출력된 마이크로파로부터 표면파 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 발생용 안테나를 구비하고,
    상기 플라즈마 발생용 안테나는,
    상기 플라즈마 발생용 안테나 내에 가스를 흘리는 가스 경로와,
    상기 가스 경로에 연통(連通)되고, 상기 가스 경로를 통과한 가스를 처리 용기 내에 도입하는 복수의 가스 구멍과,
    상기 가스 경로와 분리된 상태에서 상기 가스 경로를 관통하고, 동축 도파관을 통해 지파판(遲波板; slow wave plate)을 투과한 마이크로파를 통과시켜 상기 처리 용기 내에 방사하는 복수의 슬롯을 가지며,
    인접하는 슬롯 사이는, 상기 가스 경로를 관통하는 부분의 제1 간격이 상기 처리 용기 내의 플라즈마 생성 공간으로 개구되는 부분의 제2 간격보다도 넓게 되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  16. 표면파 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 발생용 안테나를 구비하는 플라즈마 처리 장치를 이용한 플라즈마 처리 방법으로서,
    상기 플라즈마 발생용 안테나는,
    상기 플라즈마 발생용 안테나 내에 가스를 흘리는 가스 경로와,
    상기 가스 경로에 연통(連通)되고, 상기 가스 경로를 통과한 가스를 처리 용기 내에 도입하는 복수의 가스 구멍과,
    상기 가스 경로와 분리된 상태에서 상기 가스 경로를 관통하고, 동축 도파관을 통해 지파판(遲波板; slow wave plate)을 투과한 마이크로파를 통과시켜 상기 처리 용기 내에 방사하는 복수의 슬롯을 가지며,
    인접하는 슬롯 사이는, 상기 가스 경로를 관통하는 부분의 제1 간격이 상기 처리 용기 내의 플라즈마 생성 공간으로 개구되는 부분의 제2 간격보다도 넓게 되어 있고,
    가스를, 상기 복수의 슬롯의 외주측으로부터 상기 제1 간격의 슬롯 사이의 상기 가스 경로의 영역을 통해 상기 복수의 슬롯의 내주측에 도입하며,
    마이크로파를 상기 복수의 슬롯으로부터 상기 처리 용기 내에 방사하고, 상기 처리 용기 내의 금속면에 상기 마이크로파의 표면파를 전파시켜, 상기 도입한 가스를 플라즈마화하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
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