KR102266368B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 동축 도파관으로부터 지파판으로 전송되는 마이크로파를 지파판에 있어서 원주 방향으로 균일하게 방사하고, 이 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리를 적절하게 행하는 것을 목적으로 한다.
플라즈마 처리 장치는, 피처리체를 수용하는 처리 용기와, 마이크로파 발생기에서 발생한 마이크로파를 전송하는 동축 도파관(50)과, 동축 도파관(50)으로부터 전송된 마이크로파의 파장을 조정하고, 이 마이크로파를 처리 용기에 도입하기 위한 지파판(43)을 갖는다. 동축 도파관(50)의 내부 도체(51)의 하단부(51a)는, 그 직경이 아래쪽을 향해 확대되는 테이퍼 형상을 갖는다. 지파판(43)은 평면에서 보아 원환 형상을 갖는다. 지파판(43)의 내측면(43a)은, 내부 도체(51)의 하단부(51a)를 둘러싸고, 또한 동축 도파관(50)의 외부 도체(52)의 내측면(52a)보다 직경 방향으로 외측에 위치한다.
플라즈마 처리 장치는, 피처리체를 수용하는 처리 용기와, 마이크로파 발생기에서 발생한 마이크로파를 전송하는 동축 도파관(50)과, 동축 도파관(50)으로부터 전송된 마이크로파의 파장을 조정하고, 이 마이크로파를 처리 용기에 도입하기 위한 지파판(43)을 갖는다. 동축 도파관(50)의 내부 도체(51)의 하단부(51a)는, 그 직경이 아래쪽을 향해 확대되는 테이퍼 형상을 갖는다. 지파판(43)은 평면에서 보아 원환 형상을 갖는다. 지파판(43)의 내측면(43a)은, 내부 도체(51)의 하단부(51a)를 둘러싸고, 또한 동축 도파관(50)의 외부 도체(52)의 내측면(52a)보다 직경 방향으로 외측에 위치한다.
Description
본 발명은 피처리체를 처리하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
종래, 예컨대 반도체 웨이퍼 등의 피처리체에 대하여 소정의 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치로서, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(radial line slot antenna)를 이용한 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다. 레이디얼 라인 슬롯 안테나는, 다수의 슬롯을 갖는 슬롯판의 상부에 지파판(遲波板)을 배치한 상태에서 처리 용기의 천장면 개구부에 배치되고, 그 중앙부에서 동축 도파관에 접속되어 있다. 이러한 구성에 의해, 마이크로파 발생기에 의해 발생된 마이크로파는, 동축 도파관을 경유하여, 지파판에 의해 직경 방향으로 방사상으로 전달되고, 슬롯판에 의해 원편파를 발생시킨 후, 슬롯판으로부터 처리 용기 내로 방사된다. 그리고, 이 마이크로파에 의해 처리 용기 내에 있어서 저압 하에서 전자 온도가 낮은 고밀도의 플라즈마를 생성시킬 수 있고, 생성된 플라즈마에 의해, 예컨대 성막 처리나 에칭 처리 등의 플라즈마 처리가 행해진다.
전술한 플라즈마 처리 장치에서는, 예컨대 도 7에 도시된 바와 같이 동축 도파관(100)은 내부 도체(101)와 외부 도체(102)에 의해 구성되어 있다. 내부 도체(101)의 하단부(101a)는 원추 형상으로 형성되고, 그 직경이 아래쪽을 향해 확대되는 테이퍼 형상을 갖고 있다. 또한, 지파판(110)은, 예컨대 그 내측에 있어서 위쪽으로 돌기한 돌기부(110a)를 갖고 있다. 돌기부(110a)는 내부 도체(101)와 외부 도체(102)의 간극을 메우도록 형성되고, 동축 도파관(100)의 직경 방향의 축 변위를 억제하고 있다.
그러나, 지파판(110)에 있어서는 돌기부(110a)의 가공이 어려워, 돌기부(110a)와 내부 도체(101)의 사이나, 돌기부(110a)와 외부 도체(102)의 사이에 미소한 공기층(111)이 생겨, 마이크로파의 전송 경로가 복잡한 공간이 된다. 게다가, 이 공기층(111)은 장치간의 기차(機差)에 따라 상이하다. 그러면, 동축 도파관(100)으로부터 지파판(110)으로 마이크로파가 적절하게 전송되지 않아, 상기 지파판(110)에 있어서의 마이크로파의 원주 방향의 방사가 불균일해진다.
이 점에 있어서, 예컨대 특허문헌 1에는, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 돌기부(110a)가 없는 지파판(120)이 개시되어 있다. 지파판(120)은 내측에 배치되는 원환 형상 평판의 소직경 부재와, 소직경 부재를 둘러싸는 원환 형상 평판의 대직경 부재로 구성되어 있다. 도 8에 있어서는, 지파판(120)의 소직경 부재가 도시되어 있다. 이 지파판(120)의 내측면(120a)은 동축 도파관(100)의 외부 도체(102)의 내측면(102a)보다 직경 방향으로 내측에 위치한다. 즉, 지파판(120)은 외부 도체(102)보다 내부 도체(101)측으로 돌출되어 설치되어 있다.
그러나, 특허문헌 1에 기재된 지파판(120)을 이용한 경우, 도 7에 도시된 돌기부(110a)에 의한 공기층(111)을 없앨 수 있지만, 도 8에 도시된 바와 같이 지파판(120)의 내측면(120a)과 내부 도체(101)의 하단부(101a) 사이에 미소한 공기층(121)이 형성된다. 즉, 지파판(120)을 이용한 경우에도, 마이크로파의 전송 경로가 복잡한 공간이 된다. 이 때문에, 동축 도파관(100) 내부를 통해 전송되는 마이크로파의 일부분은 직접 지파판(120)에 전송되지만, 다른 부분은 미소한 공기층(121)을 경유하여 지파판(120)에 전송되어, 동축 도파관(100)으로부터 지파판(120)에 마이크로파가 적절하게 전송되지 않는다. 그러면, 지파판(120)에 있어서의 마이크로파의 원주 방향의 방사가 불균일해진다. 그리고, 이와 같이 마이크로파의 방사가 불균일해지면 전계가 흐트러지고, 처리 용기 내에 생성되는 플라즈마 밀도가 불균일해진다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 동축 도파관으로부터 지파판으로 전송되는 마이크로파를 지파판에 있어서 원주 방향으로 균일하게 방사하고, 이 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리를 적절하게 행하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 피처리체를 처리하는 플라즈마 처리 장치로서, 피처리체를 수용하는 처리 용기와, 마이크로파 발생기에서 발생한 마이크로파를 전송하는 동축 도파관과, 상기 동축 도파관으로부터 전송된 마이크로파의 파장을 조정하고, 이 마이크로파를 상기 처리 용기에 도입하기 위한 지파판을 구비하며, 상기 동축 도파관의 내부 도체의 하단부는, 그 직경이 아래쪽을 향해 확대되는 테이퍼 형상을 가지며, 상기 지파판은 평면에서 보아 원환 형상을 가지며, 상기 지파판의 내측면은 상기 내부 도체의 하단부를 둘러싸고, 또한 상기 동축 도파관의 외부 도체의 내측면보다 직경 방향으로 외측에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 지파판의 내측면이 내부 도체의 하단부를 둘러싸고, 또한 외부 도체의 내측면보다 직경 방향으로 외측에 위치하기 때문에, 이 지파판의 내측면과 내부 도체의 하단부의 간극에 종래와 같이 지파판이 배치되지 않으며, 또한 미소 공기층도 형성되지 않는다. 그리고, 내부 도체의 하단부와 외부 도체의 간극은 공기층만으로 형성되고, 마이크로파의 전송 경로는 공기층으로부터 지파판으로 단순해진다. 이러한 경우, 동축 도파관 내부를 통해 전송되는 마이크로파는, 상기 동축 도파관의 하단부에 있어서 내부 도체의 하단부의 테이퍼 형상에 의해 지파판측으로 적절하게 전송되며, 그 흐름이 흐트러지지 않는다. 이 때문에, 지파판에 있어서의 마이크로파의 원주 방향의 방사를 균일하게 할 수 있다. 그리고, 마이크로파의 방사를 균일하게 할 수 있기 때문에, 이 마이크로파의 에너지에 의해 형성되는 전계가 흐트러지지 않아, 처리 용기 내에 생성되는 플라즈마 밀도를 균일하게 하여 플라즈마 처리를 적절하게 행할 수 있다.
또한, 발명자들이 예의 검토한 결과, 동축 도파관이 지파판에 대하여 직경 방향으로 축 변위한 경우라도, 본 발명의 지파판을 이용했을 경우, 이 지파판에 있어서의 마이크로파의 원주 방향의 방사를 균일하게 할 수 있는 것을 알 수 있었다. 구체적으로는, 동축 도파관의 축 변위를 설계상 허용되는 최대치로 한 상태에서 시뮬레이션을 행하고, 지파판에 있어서의 마이크로파의 원주 방향의 방사가 균일해지는 것을 확인하였다.
상기 지파판은 상기 내부 도체와 동심원상(同心圓狀)으로 배치되어 있어도 좋다.
상기 지파판의 내측면은 대략 수직 방향으로 연장되어 있어도 좋다. 또한, 대략 수직 방향이란, 수직 방향뿐만 아니라, 예컨대 수직 방향으로부터 ±5°의 범위도 포함한다.
상기 지파판의 내경은 상기 내부 도체의 하단부에 있어서의 테이퍼 형상 치수를 변동시켜, 상기 동축 도파관으로부터 상기 지파판으로 전송되는 마이크로파의 방사율이 미리 정해진 방사율 이상이 되는 영역이 최대 면적이 되도록 결정되어도 좋다. 또한, 미리 정해진 방사율은 요구되는 제품의 사양에 따라 설정되는 것으로서, 예컨대 95%이다.
상기 지파판의 내경은 상기 내부 도체의 하단부에 있어서의 테이퍼 형상 치수의 변화에 대한 마이크로파의 방사율의 변화율이 소정값 이하가 되도록 결정되어도 좋다.
본 발명에 따르면, 동축 도파관으로부터 지파판으로 전송되는 마이크로파를 지파판에 있어서 원주 방향으로 균일하게 방사하고, 이 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리를 적절하게 행할 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 구성의 개략을 도시한 종단면도이다.
도 2는 지파판의 구성의 개략을 도시한 평면도이다.
도 3은 동축 도파관과 지파판의 구성의 개략을 도시한 종단면도이다.
도 4는 비교예로서의 동축 도파관과 지파판의 구성의 개략을 도시한 종단면도이다.
도 5는 시뮬레이션의 조건인 지파판의 내경과 내부 도체의 하단부의 테이퍼 형상 치수를 도시한 설명도이다.
도 6은 시뮬레이션을 행한 결과인 마이크로파의 방사율을 나타내고, (a)는 지파판의 내경이 50 ㎜인 경우의 마이크로파의 방사율, (b)는 지파판의 내경이 60 ㎜인 경우의 마이크로파의 방사율, (c)는 지파판의 내경이 70 ㎜인 경우의 마이크로파의 방사율을 나타내고 있다.
도 7은 종래의 동축 도파관과 지파판의 구성의 개략을 도시한 종단면도이다.
도 8은 종래의 동축 도파관과 지파판의 구성의 개략을 도시한 종단면도이다.
도 2는 지파판의 구성의 개략을 도시한 평면도이다.
도 3은 동축 도파관과 지파판의 구성의 개략을 도시한 종단면도이다.
도 4는 비교예로서의 동축 도파관과 지파판의 구성의 개략을 도시한 종단면도이다.
도 5는 시뮬레이션의 조건인 지파판의 내경과 내부 도체의 하단부의 테이퍼 형상 치수를 도시한 설명도이다.
도 6은 시뮬레이션을 행한 결과인 마이크로파의 방사율을 나타내고, (a)는 지파판의 내경이 50 ㎜인 경우의 마이크로파의 방사율, (b)는 지파판의 내경이 60 ㎜인 경우의 마이크로파의 방사율, (c)는 지파판의 내경이 70 ㎜인 경우의 마이크로파의 방사율을 나타내고 있다.
도 7은 종래의 동축 도파관과 지파판의 구성의 개략을 도시한 종단면도이다.
도 8은 종래의 동축 도파관과 지파판의 구성의 개략을 도시한 종단면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 구성의 개략을 도시한 종단면도이다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 붙임으로써 중복 설명을 생략한다. 또한, 본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 피처리체로서의 웨이퍼(W)의 표면에 대하여 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposiotion) 처리를 행하고, 이 웨이퍼(W)의 표면에 SiN막(실리콘 질화막)을 형성한다.
플라즈마 처리 장치(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이 처리 용기(10)를 갖고 있다. 처리 용기(10)는 천장면이 개구된 대략 원통 형상을 가지며, 이 천장면 개구부에는 후술하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40)가 배치되어 있다. 또한, 처리 용기(10)의 측면에는 웨이퍼(W)의 반입반출구(11)가 형성되고, 이 반입반출구(11)에는 게이트 밸브(12)가 설치되어 있다. 그리고, 처리 용기(10)는 그 내부를 밀폐 가능하게 구성되어 있다. 또한, 처리 용기(10)에는 알루미늄 또는 스테인리스강 등의 금속이 이용되며, 처리 용기(10)는 접지되어 있다.
처리 용기(10)의 바닥면에는, 웨이퍼(W)를 배치하는 배치대(20)가 설치되어 있다. 배치대(20)는 원통 형상을 가지며, 또한, 배치대(20)에는 예컨대 알루미늄이 이용된다.
배치대(20)의 상면에는 정전척(21)이 설치되어 있다. 정전척(21)은 절연재 사이에 전극(22)이 끼워진 구성을 갖고 있다. 전극(22)은 처리 용기(10)의 외부에 설치된 직류 전원(23)에 접속되어 있다. 이 직류 전원(23)에 의해 배치대(20)의 표면에 쿨롱력을 발생시켜, 웨이퍼(W)를 배치대(20) 상에 정전 흡착할 수 있다.
또한, 배치대(20)에는, 콘덴서(24)를 통해 RF 바이어스용 고주파 전원(25)이 접속되어 있어도 좋다. 고주파 전원(25)은 웨이퍼(W)에 인입하는 이온의 에너지를 제어하는 데 적합한 일정한 주파수, 예컨대 13.56 MHz의 고주파를 소정의 파워로 출력한다.
또한, 배치대(20)의 내부에는, 예컨대 냉각 매체를 유통시키는 온도 조절 기구(26)가 설치되어 있다. 온도 조절 기구(26)는 냉각 매체의 온도를 조정하는 액온 조절부(27)에 접속되어 있다. 그리고, 액온 조절부(27)에 의해 냉매 매체의 온도가 조절되어, 배치대(20)의 온도를 제어할 수 있고, 이 결과, 배치대(20) 상에 배치된 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 유지할 수 있다. 또한, 배치대(20)에는, 웨이퍼(W)의 이면에 전열 매체, 예컨대 He 가스 등을 소정 압력(백 프레셔)으로 공급하기 위한 가스 통로(도시하지 않음)가 형성되어 있다.
배치대(20)의 상면에는, 정전척(21) 상의 웨이퍼(W)를 둘러싸도록 환상의 포커스링(28)이 설치되어 있다. 포커스링(28)에는 예컨대 세라믹스 혹은 석영 등의 절연성 재료가 이용되며, 포커스링(28)은 플라즈마 처리의 균일성을 향상시키도록 작용한다.
또한, 배치대(20)의 아래쪽에는, 웨이퍼(W)를 아래쪽에서 지지하여 승강시키기 위한 승강핀(도시하지 않음)이 설치되어 있다. 승강핀은 배치대(20)에 형성된 관통 구멍(도시하지 않음)을 삽입 관통하여 배치대(20)의 상면으로부터 돌출 가능하게 되어 있다.
배치대(20)의 주위에 있어서, 이 배치대(20)와 처리 용기(10)의 측면 사이에는, 환상의 배기 공간(30)이 형성되어 있다. 배기 공간(30)의 상부에는, 처리 용기(10) 내부를 균일하게 배기하기 위해서, 복수의 배기 구멍이 형성된 환상의 배플판(31)이 설치되어 있다. 배기 공간(30)의 바닥부로서, 처리 용기(10)의 바닥면에는, 배기관(32)이 접속되어 있다. 배기관(32)의 수는 임의로 설정할 수 있고, 원주 방향으로 복수개 형성되어 있어도 좋다. 배기관(32)은, 예컨대 진공 펌프를 구비한 배기 장치(33)에 접속되어 있다. 배기 장치(33)는 처리 용기(10) 내의 분위기를 소정의 진공도까지 감압할 수 있다.
처리 용기(10)의 천장면 개구부에는, 플라즈마 생성용의 마이크로파를 공급하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40)(radial line slot antenna)가 설치되어 있다. 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40)는 마이크로파 투과판(41), 슬롯판(42), 지파판(43), 실드 덮개(44)를 갖고 있다.
마이크로파 투과판(41)은, 예컨대 O링 등의 시일재(도시하지 않음)를 통해 처리 용기(10)의 천장면 개구부에 빈틈없이 꽉 설치되어 있다. 따라서, 처리 용기(10)의 내부는 기밀하게 유지된다. 마이크로파 투과판(41)에는 유전체, 예컨대 석영, Al2O3, AlN 등이 이용되며, 마이크로파 투과판(41)은 마이크로파를 투과시킨다.
슬롯판(42)은 마이크로파 투과판(41)의 상면으로서, 배치대(20)와 대향하도록 설치되어 있다. 슬롯판(42)에는 복수의 슬롯이 형성되며, 슬롯판(42)은 안테나로서 기능한다. 슬롯판(42)에는, 도전성을 갖는 재료, 예컨대 구리, 알루미늄, 니켈 등이 이용된다.
지파판(43)은 슬롯판(42)의 상면에 설치되어 있다. 지파판(43)에는 저손실 유전체 재료, 예컨대 석영, Al2O3, AlN 등이 이용되며, 지파판(43)은 마이크로파의 파장을 단축시킨다. 또한, 지파판(43)의 상세한 구조의 설명은 후술한다.
실드 덮개(44)는 지파판(43)의 상면에 있어서, 지파판(43)과 슬롯판(42)을 덮도록 설치되어 있다. 실드 덮개(44)의 내부에는, 예컨대 냉각 매체를 유통시키는 원환 형상의 유로(45)가 복수개 형성되어 있다. 유로(45)를 통해 흐르는 냉각 매체에 의해, 마이크로파 투과판(41), 슬롯판(42), 지파판(43), 실드 덮개(44)가 소정의 온도로 조절된다.
실드 덮개(44)의 중앙부에는 동축 도파관(50)이 접속되어 있다. 동축 도파관(50)은 내부 도체(51)와 외부관(52)을 갖고 있다. 내부 도체(51)는 슬롯판(42)과 접속되어 있다. 내부 도체(51)의 하단부(51a)는 원추형으로 형성되고, 그 직경이 슬롯판(42)측을 향해 확대되는 테이퍼 형성을 갖고 있다. 이 하단부(51a)에 의해, 슬롯판(42)에 대하여 마이크로파를 효율적으로 전파하도록 되어 있다. 즉, 동축 도파관(50) 내부를 통해 전송되는 마이크로파는 테이퍼 형상의 하단부(51a)에서 반사되고, 지파판(43)의 직경 방향으로 전송된다.
동축 도파관(50)에는, 마이크로파를 소정의 진동 모드로 변환하는 모드 변환기(53), 직사각형 도파관(54), 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(55)가 동축 도파관(50)측에서부터 이 순서로 접속되어 있다. 마이크로파 발생기(55)는 소정 주파수, 예컨대 2.45 GHz의 마이크로파를 발생시킨다.
이러한 구성에 의해, 마이크로파 발생기(55)에서 발생한 마이크로파는 직사각형 도파관(54), 모드 변환기(53), 동축 도파관(50)을 순차 전파하여, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40) 내로 공급되고, 지파판(43)에 의해 압축되어 단파장화되며, 슬롯판(42)에 의해 원편파를 발생시킨 후, 슬롯판(42)으로부터 마이크로파 투과판(41)을 투과하여 처리 용기(10) 내로 방사된다. 이 마이크로파에 의해 처리 용기(10) 내에서는 처리 가스가 플라즈마화하고, 이 플라즈마에 의해 웨이퍼(W)의 플라즈마 처리가 행해진다.
처리 용기(10)의 측면에는, 처리 가스 공급관(60)이 설치되어 있다. 처리 가스 공급관(60)은 처리 용기(10)의 측면의 원주 상에서 등간격으로 복수개, 예컨대 24개 설치되어 있다. 처리 가스 공급관(60)의 일단부는 처리 용기(10)의 측면에서 개구되고, 타단부는 버퍼부(61)에 접속되어 있다. 처리 가스 공급관(60)은 그 일단부가 타단부보다 아래쪽에 위치하도록 비스듬하게 배치되어 있다.
버퍼부(61)는 처리 용기(10)의 측면 내부에 환상으로 설치되고, 복수의 처리 가스 공급관(60)에 공통으로 설치되어 있다. 버퍼부(61)에는, 공급관(62)을 통해 처리 가스 공급원(63)이 접속되어 있다. 처리 가스 공급원(63)의 내부에는, 처리 가스로서, 예컨대 TSA(트리실릴아민), N2 가스, H2 가스, Ar 가스가 각각 개별로 저류되어 있다. 이 중, TSA, N2 가스, H2 가스는 SiN막의 성막용 원료 가스이며, Ar 가스는 플라즈마 여기용 가스이다. 또한, 공급관(62)에는, 처리 가스의 흐름을 제어하는 밸브나 유량 조절부 등을 포함하는 공급 기기군(64)이 설치되어 있다.
다음에, 전술한 지파판(43)의 상세한 구조에 대해서 설명한다. 도 2에 도시된 바와 같이 지파판(43)은 평면에서 보아 원환 형상을 갖는 평판이다. 지파판(43)은 내부 도체(51)[하단부(51a)]와 동심원상으로 배치되어 있다. 또한, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 지파판(43)의 내측면(43a)은 내부 도체(51)의 하단부(51a)를 둘러싸도록 설치되어 있다. 또한, 지파판(43)의 내측면(43a)은 외부 도체(52)의 내측면(52a)보다 직경 방향으로 외측에 위치한다. 또한, 지파판(43)의 내측면(43a)은 대략 수직 방향으로 연장되어 있다.
이러한 경우, 지파판(43)의 내측면(43a)이 내부 도체(51)의 하단부(51a)를 둘러싸고, 또한 외부 도체(52)의 내측면(52a)보다 직경 방향으로 외측에 위치하기 때문에, 상기 지파판(43)의 내측면(43a)과 내부 도체(51)의 하단부(51a)의 간극에는, 종래의 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 지파판(110, 120)이 배치되지 않으며, 또한, 미소한 공기층(111, 121)도 형성되지 않는다. 그리고, 도 3에 도시된 바와 같이 내부 도체(51)의 하단부(51a)와 외부 도체(52)의 간극은 공기층(70)만으로 형성되고, 마이크로파의 전송 경로는 공기층(70)으로부터 지파판(43)으로 단순해진다. 그렇게 하면, 동축 도파관(50) 내부를 통해 전송되는 마이크로파는 이 동축 도파관(50)의 하단부에 있어서 내부 도체(51)의 하단부(51a)의 테이퍼 형상에 의해 지파판(43)측으로 적절하게 전송되어, 그 흐름이 흐트러지지 않는다. 이 때문에, 지파판(43)에 있어서의 마이크로파의 원주 방향의 방사를 균일하게 할 수 있다.
또한, 발명자들이 예의 검토한 결과, 동축 도파관(50)이 지파판(43)에 대하여 직경 방향으로 축 변위한 경우라도, 본 실시형태의 지파판(43)을 이용한 경우, 이 지파판(43)에 있어서의 마이크로파의 원주 방향의 방사를 균일하게 할 수 있는 것을 알 수 있었다. 구체적으로는, 동축 도파관(50)의 축 변위가 제로인 상태에서 마이크로파를 전송하는 시뮬레이션을 행한 결과, 지파판(43)에 있어서의 마이크로파의 원주 방향의 균일성은 0.10%였다. 또한, 이 균일성은 지파판(43)의 동심원에 대한 마이크로파의 원주 방향의 위치 어긋남을 나타내고, 축 변위가 제로인 경우는 이론상, 마이크로파의 원주 방향의 균일성은 제로가 되지만, 이와 같이 0.10%가 된 것은 시뮬레이션상의 오차이다. 이것에 대하여, 동축 도파관(50)의 축 변위를 0.15 ㎜와 0.2 ㎜로 변동시켜 시뮬레이션을 행한 결과, 마이크로파의 원주 방향의 균일성은 각각 0.15%와 0.18%였다. 동축 도파관(50)의 축 변위의 설계상의 최대 허용치가 예컨대 0.175 ㎜인 것을 감안하면, 동축 도파관(50)이 지파판(43)에 대하여 직경 방향으로 축 변위하여도, 지파판(43)에 있어서의 마이크로파의 원주 방향의 방사를 균일하게 할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 본 시뮬레이션에서는, 지파판(43)의 영향을 적절하게 파악하기 위해서, 슬롯판(42)을 생략하고, 시뮬레이션 모델을 간이화하였다.
여기서, 종래, 동축 도파관이 축 변위하면, 지파판의 내측에 있어서의 마이크로파의 정재파와, 지파판의 외측에 있어서의 정재파가 불균일하게 간섭하기 때문에, 이 지파판에 있어서 마이크로파의 원주 방향의 치우침이 생긴다고 생각된다. 이것에 대하여, 본 실시형태의 지파판(43)을 이용한 경우, 지파판(43)의 내측의 정재파의 영향을 억제할 수 있기 때문에, 지파판(43)은 동축 도파관(50)의 축 변위에 대하여 로버스트하게 된다. 즉, 전술한 바와 같이 동축 도파관(50)이 축 변위한 경우라도, 지파판(43)에 있어서의 마이크로파의 원주 방향의 방사를 균일하게 할 수 있다.
또한, 발명자들은, 종래의 도 7에 도시된 바와 같이 지파판(110)에 돌기부(110a)가 형성되어 있는 경우에 있어서, 동축 도파관(100)의 축 변위를 0.15 ㎜로 하여 시뮬레이션을 행한 결과, 마이크로파의 원주 방향의 균일성은 0.43%였다. 즉, 종래, 동축 도파관(100)이 축 변위하면, 지파판(110)에 있어서의 마이크로파의 원주 방향의 방사가 불균일해진다. 따라서, 이러한 관점에서도, 본 실시형태의 지파판(43)은 마이크로파를 원주 방향으로 균일하게 방사시키는 데 유효하다는 것을 알 수 있다.
또한, 지파판(43)의 내측면(43a)은 대략 수직 방향으로 연장되어 있다. 이 점에 있어서, 예컨대 도 4에 도시된 바와 같이 지파판(130)의 내측면(130a)이 수직 방향으로부터 경사져서 연장되어 있는 경우, 이 내측면(130a)과 슬롯판(42) 사이에 미소한 공기층(131)이 형성된다. 그러면, 동축 도파관(50)으로부터 지파판(130)으로 전송되는 마이크로파의 전송 경로가 복잡한 공간이 되어, 동축 도파관(50)으로부터 지파판(130)으로 마이크로파가 적절하게 전송되지 않는다. 이 때문에, 지파판(130)에 있어서의 마이크로파의 원주 방향의 방사가 불균일해진다. 이것에 대하여, 본 실시형태의 지파판(43)의 내측면(43a)은 대략 수직 방향으로 연장되어 있기 때문에, 마이크로파의 전송 경로에 미소한 공기층이 형성되지 않고, 전술한 바와 같이 마이크로파의 전송 경로는 공기층(70)으로부터 지파판(43)으로 단순해진다. 이 때문에, 지파판(43)에 있어서의 마이크로파의 원주 방향의 방사를 균일하게 할 수 있다. 또한, 발명자들은 지파판(43)의 내측면(43a)이 수직 방향으로부터 ±5°의 범위라도, 전술한 효과를 누릴 수 있는 것을 확인하고 있다.
이상 설명한 바와 같이, 지파판(43)에 있어서의 마이크로파를 원주 방향으로 균일하게 방사시키기 위해서는, 도 7의 공기층(111), 도 8의 공기층(121), 도 4의 공기층(131)과 같은 미소한 공기층을 마이크로파의 전송 경로에 형성하지 않는 것이 필요하다. 바꾸어 말하면, 마이크로파의 전송 경로를 단순화시킨 본 실시형태의 지파판(43)은 마이크로파를 원주 방향으로 균일하게 방사할 수 있는 것이다.
도 2 및 도 3에 도시된 지파판(43)의 내경(φ)은 다음과 같이 결정된다. 도 5에 도시된 내부 도체(51)의 하단부(51a)에 있어서의 테이퍼 형상 치수(수평 방향 길이 X와 수직 방향 길이 Z)를 변동시키고, 지파판(43)의 내경(φ)을 더 변동시켜 시뮬레이션을 행한다. 그 결과를 도 6에 나타낸다. 도 6의 각 그래프는, 내부 도체(51)의 하단부(51a)의 수평 방향 길이 X(횡축)와 수직 방향 길이 Z(종축)에 있어서, 동축 도파관(50)으로부터 지파판(43)으로 전송되는 마이크로파의 방사율을 나타내고 있다. 또한, 도 6의 (a)∼(c)는 지파판(43)의 내경(φ)을 변동시킨 경우를 나타내고, 예컨대 도 6의 (a)는 내경이 50 ㎜인 경우, 도 6의 (b)는 내경(φ)이 60 ㎜인 경우, 도 6의 (c)는 내경(φ)이 70 ㎜인 경우를 나타내고 있다.
지파판(43)의 내경(φ)은 마이크로파의 방사율이 미리 정해진 방사율 이상이 되는 소정 방사 영역(A)이 최대 면적이 되도록 결정된다. 미리 정해진 방사율은 요구되는 제품의 사용에 따라 설정되는 것으로서, 예컨대 95%이다. 그리고, 도 6의 예에 있어서는, 마이크로파의 방사율이 95% 이상이 되는 소정 방사 영역(A)이 최대 면적이 되는 것은, 내경(φ)이 60 ㎜인 경우로서, 이것으로 결정된다.
이러한 경우, 마이크로파의 방사율이 95% 이상이 되는 소정 방사 영역(A)이 최대 면적이 되기 때문에, 내부 도체(51)의 하단부(51a)에 있어서의 테이퍼 형상 치수(수평 방향 길이 X와 수직 방향 길이 Z)의 설계 자유도가 커진다. 즉, 예컨대 내부 도체(51)의 가공 오차가 생겼다고 해도, 마이크로파의 방사율을 95% 이상으로 확보할 수 있어, 지파판(43)에 있어서 마이크로파를 원주 방향으로 균일하게 방사할 수 있다.
또한, 지파판(43)의 내경(φ)은 하기 식 (1)을 충족시키도록 결정된다. 식 (1)의 좌변은, 내부 도체(51)의 하단부(51a)에 있어서의 테이퍼 형상 치수(수평 방향 길이 X와 수직 방향 길이 Z)의 변화에 대하여, 동축 도파관(50)으로부터 지파판(43)으로 전송되는 마이크로파의 방사율의 변화율을 나타내고 있다. 식 (1)의 우변은, 마이크로파 방사율의 변화율의 상한치로서, 예컨대 10(%/㎜)이다. 또한, 이 상한치는 요구되는 제품의 사양에 따라 설정되는 것으로서, 임의로 설정할 수 있다.
단, P: 마이크로파의 방사율(%), X: 내부 도체(51)의 하단부(51a)에 있어서의 테이퍼 형상의 수평 방향 길이(㎜), Z: 내부 도체(51)의 하단부(51a)에 있어서의 테이퍼 형상의 수직 방향 길이(㎜)
이와 같이 마이크로파의 방사율의 변화율이 소정값 이하이면, 하단부(51a)의 테이퍼 형상에 상관없이, 마이크로파가 적절하게 방사되게 된다. 바꾸어 말하면, 내부 도체(51)의 하단부(51a)와 외부 도체(52)의 간극이 적절하게 확보되어, 동축 도파관(50) 내부를 통해 전송되는 마이크로파가 테이퍼 형상의 하단부(51a)에서 적절하게 반사되고, 지파판(43)의 직경 방향으로 적절하게 전송된다.
다음에, 이상과 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(1)에 의해 행해지는 웨이퍼(W)의 플라즈마 처리에 대해서 설명한다. 본 실시형태에서는, 전술한 바와 같이 웨이퍼(W)에 플라즈마 성막 처리를 행하여, 이 웨이퍼(W)의 표면에 SiN막을 형성한다.
우선, 게이트 밸브(12)를 개방하고, 처리 용기(10) 내에 웨이퍼(W)를 반입한다. 웨이퍼(W)는 승강핀에 의해 배치대(20) 상에 배치된다. 이 때, 직류 전원(23)을 온으로 하여 정전척(21)의 전극(22)에 직류 전압을 인가하고, 정전척(21)의 쿨롱력에 의해 웨이퍼(W)를 정전척(21) 상에 정전 흡착한다. 그리고, 게이트 밸브(12)를 폐쇄하고, 처리 용기(10) 내부를 밀폐한 후, 배기 장치(33)를 작동시켜, 처리 용기(10) 내부를 소정의 압력, 예컨대 400 mTorr(=53 Pa)로 감압한다.
그 후, 처리 가스 공급관(60)으로부터 처리 용기(10) 내로 처리 가스를 공급한다. 이 때, 처리 가스 공급관(60)으로부터 공급되는 Ar 가스의 유량은 예컨대 750 sccm(㎖/min)이다.
이와 같이 처리 용기(10) 내에 처리 가스가 공급될 때, 마이크로파 발생기(55)를 작동시키고, 이 마이크로파 발생기(55)에 있어서, 예컨대 2.45 GHz의 주파수로 소정 파워의 마이크로파를 발생시킨다. 마이크로파는 직사각형 도파관(54), 모드 변환기(53), 동축 도파관(50), 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40)를 통해 처리 용기(10) 내로 방사된다. 이 때, 전술한 바와 같이 동축 도파관(50)으로부터 지파판(43)으로 전송된 마이크로파는 지파판(43)에 있어서 원주 방향으로 균일하게 방사된다. 그리고, 처리 용기(10) 내로 방사된 균일한 마이크로파에 의해 처리 용기(10) 내에서는 처리 가스가 균일한 밀도로 플라즈마화하고, 플라즈마 내에서 처리 가스의 해리가 진행되며, 그 때에 발생한 활성종에 의해 웨이퍼(W) 상에 성막 처리가 어루어진다. 이렇게 해서, 웨이퍼(W)의 표면에 SiN막이 형성된다.
웨이퍼(W)에 플라즈마 성막 처리를 행하고 있는 동안, 고주파 전원(25)을 온으로 하여, 예컨대 13.56 MHz의 주파수로 소정 파워의 고주파를 출력시켜도 좋다. 이 고주파는 콘덴서(24)를 통해 배치대(20)에 인가되고, RF 바이어스가 웨이퍼(W)에 인가된다. 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 플라즈마의 전자 온도를 낮게 유지할 수 있기 때문에, 막에의 손상이 없고, 게다가, 고밀도 플라즈마에 의해, 처리 가스의 분자가 해리되기 쉽기 때문에, 반응이 촉진된다. 또한, 적절한 범위에서의 RF 바이어스의 인가는 플라즈마 내의 이온을 웨이퍼(W)로 인입하도록 작용하기 때문에, SiN막의 치밀성을 향상시키고, 막 중의 트랩을 증가시키도록 작용한다.
그 후, SiN막이 성장하고, 웨이퍼(W)에 소정 막 두께의 SiN막이 형성되면, 처리 가스의 공급과, 마이크로파의 조사가 정지된다. 그 후, 웨이퍼(W)는 처리 용기(10)로부터 반출되어, 일련의 플라즈마 성막 처리가 종료된다.
이상의 실시형태에 따르면, 지파판(43)이 전술한 구조를 가짐으로써, 동축 도파관(50)으로부터 지파판(43)으로 전송되는 마이크로파의 전송 경로에 미소한 공기층이 형성되지 않고, 내부 도체(51)의 하단부(51a)와 외부 도체(52)의 간극은 공기층(70)만으로 형성된다. 그리고, 마이크로파의 전송 경로를 단순화시킬 수 있다. 이 때문에, 동축 도파관(50)으로부터 지파판(43)으로 마이크로파가 적절하게 전송되어, 이 지파판(43)에 있어서의 마이크로파의 원주 방향의 방사를 균일하게 할 수 있다. 이와 같이 마이크로파의 방사를 균일하게 할 수 있기 때문에, 상기 마이크로파의 에너지에 의해 형성되는 전계가 흐트러지지 않아, 처리 용기(10) 내에 생성되는 플라즈마 밀도를 균일하게 하여 플라즈마 처리를 적절하게 행할 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 당업자라면, 특허청구범위에 기재된 사상의 범주 내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 분명하며, 이들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 받아들여진다.
이상의 실시형태에서는, 본 발명을 성막 처리를 행하는 플라즈마 처리에 적용하였으나, 본 발명은 성막 처리 이외의 기판 처리, 예컨대 에칭 처리나 스퍼터링을 행하는 플라즈마 처리에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명의 플라즈마 처리에 의해 처리되는 피처리체는 유리 기판, 유기 EL 기판, FPD(flat-panel display)용의 기판 등 중 어느 것이어도 좋다.
1 : 플라즈마 처리 장치 10 : 처리 용기
40 : 레이디얼 라인 슬롯 안테나 43 : 지파판
43a : 내측면 50 : 동축 도파관
51 : 내부 도체 51a : 하단부
52 : 외부 도체 52a : 내측면
55 : 마이크로파 발생기 A : 소정 방사 영역
W : 웨이퍼
40 : 레이디얼 라인 슬롯 안테나 43 : 지파판
43a : 내측면 50 : 동축 도파관
51 : 내부 도체 51a : 하단부
52 : 외부 도체 52a : 내측면
55 : 마이크로파 발생기 A : 소정 방사 영역
W : 웨이퍼
Claims (5)
- 피처리체를 처리하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
피처리체를 수용하는 처리 용기와,
마이크로파 발생기에서 발생한 마이크로파를 전송하는 동축 도파관과,
상기 동축 도파관으로부터 전송된 마이크로파의 파장을 조정하고, 이 마이크로파를 상기 처리 용기에 도입하기 위한 지파판(遲波板)
을 구비하며,
상기 동축 도파관의 내부 도체의 하단부는, 그 직경이 아래쪽을 향해 확대되는 테이퍼 형상을 가지며,
상기 지파판은 평면에서 보아 원환 형상을 가지며,
상기 지파판의 내측면은 상기 내부 도체의 하단부를 둘러싸고, 또한 상기 동축 도파관의 외부 도체의 내측면보다 직경 방향으로 외측에 위치하고,
상기 지파판은, 상기 내부 도체의 하단부에 있어서의 테이퍼 형상의 수평 방향 길이와 수직 방향 길이를 파라미터로 하여 계산되는 상기 동축 도파관으로부터 상기 지파판에 전송되는 마이크로파의 방사율을 나타낸 도면에 있어서, 상기 방사율이 미리 정해진 방사율 이상이 되는 상기 파라미터의 영역이 최대 면적이 되도록 결정된 내경을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치. - 제1항에 있어서, 상기 지파판은 상기 내부 도체와 동심원상(同心圓狀)으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지파판의 내측면은 수직 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 지파판은, 상기 내부 도체의 하단부에 있어서의 테이퍼 형상 치수의 변화에 대한 마이크로파의 방사율의 변화율이 미리 정해진 값 이하가 되도록 결정된 내경을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
- 삭제
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