KR102384627B1

KR102384627B1 - 플라즈마 처리 장치

Info

Publication number: KR102384627B1
Application number: KR1020200128403A
Authority: KR
Inventors: 다로 이케다; 히로키 에하라
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2020-10-05
Publication date: 2022-04-11
Also published as: CN112652512A; US20210110999A1; JP2021064508A; KR20210043450A

Abstract

본 발명은, 가스 노즐에 있어서 이상 방전을 방지하는 것을 목적으로 한다.
처리 용기와, 상기 처리 용기를 구성하는 상부벽 및/또는 측벽으로부터 돌출되어, 상기 처리 용기 내에 가스를 공급하는 가스 공급 구멍을 갖는 복수의 가스 노즐을 구비하고, 복수의 상기 가스 노즐은, 복수의 상기 가스 노즐의 가스 공급 구멍의 선단에서 상기 가스 공급 구멍의 세공으로부터 확대되어, 처리 공간으로 개구된 확경부를 갖는, 플라즈마 처리 장치가 제공된다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}

본 개시는, 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

플라즈마 처리 장치에서는, 상부벽에 설치된 전자파의 방사구 근방에서 전자파 에너지가 집중하여, 전자 온도가 높아지는 경향이 있다. 이 때, 전자파의 방사구 근방에 가스 토출구가 있으면, 가스가 지나치게 분해되는 경우가 있다. 이 때문에, 특허문헌 1은, 샤워 플레이트로부터 가스를 도입함과 더불어, 샤워 플레이트의 하면으로부터 아래쪽으로 수직으로 돌출된 가스 노즐의 분사구로부터 마이크로파의 방사구보다 아래쪽으로 가스를 도입하는 것을 제안한다. 그러나, 가스 노즐에 마이크로파가 전달되고, 가스 노즐의 분사구에 있어서 이상 방전이 발생하여, 기판 처리에 영향을 미치는 경우가 있다.

일본 특허 공개 제2014-183297호 공보

본 개시는, 가스 노즐에 있어서 이상 방전을 방지하는 것이 가능한 플라즈마 처리 장치를 제공한다.

본 개시의 일 양태에 따르면, 처리 용기와, 상기 처리 용기를 구성하는 상부벽 및/또는 측벽으로부터 돌출되어, 상기 처리 용기 내에 가스를 공급하는 가스 공급 구멍을 갖는 복수의 가스 노즐을 구비하고, 복수의 상기 가스 노즐은, 복수의 상기 가스 노즐의 가스 공급 구멍의 선단에서 상기 가스 공급 구멍의 세공으로부터 확대되어, 처리 공간으로 개구된 확경부(擴徑部)를 갖는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.

일 측면에 따르면, 가스 노즐에 있어서 이상 방전을 방지할 수 있다.

도 1은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 일례를 나타낸 단면 모식도.
도 2는 도 1에 도시된 제어부의 구성을 나타낸 설명도.
도 3은 도 1에 도시된 마이크로파 도입 모듈의 구성을 나타낸 설명도.
도 4는 도 3에 도시된 마이크로파 도입 기구를 나타낸 단면도.
도 5는 도 4에 도시된 마이크로파 도입 기구의 안테나부를 나타낸 사시도.
도 6은 도 4에 도시된 마이크로파 도입 기구의 평면 안테나를 나타낸 평면도.
도 7은 도 1에 도시된 처리 용기의 상부벽의 저면도.
도 8은 일 실시형태에 따른 가스 노즐의 구조의 일례를 나타낸 도면.
도 9는 일 실시형태의 변형례 1에 따른 가스 노즐의 구조의 일례를 나타낸 도면.
도 10은 일 실시형태의 변형례 2∼6에 따른 가스 노즐의 구조의 일례를 나타낸 도면.

이하, 도면을 참조하여 본 개시를 실시하기 위한 형태에 대해서 설명한다. 각 도면에 있어서, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복된 설명을 생략하는 경우가 있다.

[플라즈마 처리 장치]

우선, 도 1 및 도 2를 참조하여, 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 개략 구성에 대해서 설명한다. 도 1은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 일례를 나타낸 단면 모식도이다. 도 2는 도 1에 도시된 제어부(8)의 구성의 일례를 나타낸 설명도이다. 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)는, 연속되는 복수의 동작을 수반하여, 예컨대 반도체 디바이스 제조용 반도체 웨이퍼를 일례로 하는 기판(W)에 대하여, 성막 처리, 확산 처리, 에칭 처리, 애싱 처리 등의 소정의 처리를 행하는 장치이다.

플라즈마 처리 장치(1)는, 처리 용기(2)와 배치대(21)와 가스 공급 기구(3)와 배기 장치(4)와 마이크로파 도입 모듈(5)과 제어부(8)를 갖는다. 처리 용기(2)는, 피처리체인 기판(W)을 수용한다. 배치대(21)는, 처리 용기(2)의 내부에 배치되고, 기판(W)을 배치하는 배치면(21a)을 갖는다. 가스 공급 기구(3)는, 처리 용기(2) 내에 가스를 공급한다. 배기 장치(4)는, 처리 용기(2) 내를 감압 배기한다. 마이크로파 도입 모듈(5)은, 처리 용기(2) 내에 플라즈마를 생성시키기 위한 마이크로파를 도입한다. 제어부(8)는, 플라즈마 처리 장치(1)의 각부를 제어한다.

처리 용기(2)는, 예컨대 대략 원통 형상을 갖는다. 처리 용기(2)는, 예컨대 알루미늄 및 그 합금 등의 금속 재료에 의해 형성되어 있다. 마이크로파 도입 모듈(5)은, 처리 용기(2)의 상부에 배치되고, 처리 용기(2) 내에 전자파(본 실시형태에서는 마이크로파)를 도입하여, 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부로서 기능한다.

처리 용기(2)는, 판형의 상부벽(11), 바닥벽(13), 및 상부벽(11)과 바닥벽(13)을 연결하는 측벽(12)을 갖고 있다. 상부벽(11)은, 복수의 개구부를 갖고 있다. 측벽(12)은, 처리 용기(2)에 인접한 도시하지 않은 반송실과의 사이에서 기판(W)의 반입반출을 행하기 위한 반입반출구(12a)를 갖고 있다. 처리 용기(2)와 도시하지 않은 반송실 사이에는, 게이트 밸브(G)가 배치되어 있다. 게이트 밸브(G)는, 반입반출구(12a)를 개폐하는 기능을 갖고 있다. 게이트 밸브(G)는, 폐쇄 상태에서 처리 용기(2)를 기밀하게 시일함과 더불어, 개방 상태에서 처리 용기(2)와 도시하지 않은 반송실 사이에서 기판(W)의 이송을 가능하게 한다.

바닥벽(13)은, 복수(도 1에서는 2개)의 배기구(13a)를 갖고 있다. 플라즈마 처리 장치(1)는, 배기구(13a)와 배기 장치(4)를 접속하는 배기관(14)을 더 갖는다. 배기 장치(4)는, APC 밸브와, 처리 용기(2)의 내부 공간을 소정의 진공도까지 고속으로 감압하는 것이 가능한 고속 진공 펌프를 갖고 있다. 이러한 고속 진공 펌프로서는, 예컨대 터보 분자 펌프 등이 있다. 배기 장치(4)의 고속 진공 펌프를 작동시킴으로써, 처리 용기(2)는, 그 내부 공간이 소정의 진공도, 예컨대 0.133 Pa까지 감압된다.

플라즈마 처리 장치(1)는, 처리 용기(2) 내에 있어서 배치대(21)를 지지하는 지지 부재(22)와, 지지 부재(22)와 바닥벽(13) 사이에 설치된 절연 부재(23)를 갖는다. 배치대(21)는, 기판(W)을 수평으로 배치하기 위한 것이다. 지지 부재(22)는, 바닥벽(13)의 중앙으로부터 처리 용기(2)의 내부 공간을 향해 연장되는 원통형의 형상을 갖고 있다. 배치대(21) 및 지지 부재(22)는, 예컨대 표면에 알루마이트 처리(양극 산화 처리)가 행해진 알루미늄 등에 의해 형성되어 있다.

플라즈마 처리 장치(1)는, 배치대(21)에 고주파 전력을 공급하는 고주파 바이어스 전원(25)과, 배치대(21)와 고주파 바이어스 전원(25) 사이에 설치된 정합기(24)를 더 갖는다. 고주파 바이어스 전원(25)은, 기판(W)에 이온을 인입하기 위해, 배치대(21)에 고주파 전력을 공급한다. 정합기(24)는, 고주파 바이어스 전원(25)의 출력 임피던스와 부하측(배치대(21)측)의 임피던스를 정합시키기 위한 회로를 갖는다.

플라즈마 처리 장치(1)는, 배치대(21)를 가열 또는 냉각하는, 도시하지 않은 온도 제어 기구를 더 가져도 좋다. 온도 제어 기구는, 예컨대, 기판(W)의 온도를, 25℃(실온)∼900℃의 범위 내에서 제어한다.

플라즈마 처리 장치(1)는, 복수의 가스 노즐(16)과 복수의 가스 도입관(17)을 더 갖는다. 복수의 가스 노즐(16)은, 원통 형상을 이루며, 처리 용기(2)를 구성하는 상부벽(11)의 하면으로부터 수직 방향으로 돌출되어 있다. 가스 노즐(16)은, 그 선단에 형성된 가스 공급 구멍(16a)으로부터 처리 용기(2) 내에 제1 가스를 공급한다. 단, 복수의 가스 노즐(16)은, 상부벽(11) 및/또는 측벽(12)으로부터 돌출될 수 있다.

가스 도입관(17)은, 상부벽(11)에 설치되고, 그 하면에 형성된 가스 공급 구멍(17a)으로부터 제2 가스를 공급한다. 이것에 의해, 제2 가스는, 제1 가스보다 높은 위치로부터 공급된다. 단, 가스 도입관(17)은, 상부벽(11) 및/또는 측벽(12)에 설치할 수 있다.

가스 공급원(31)은, 예컨대, 플라즈마 생성용 희가스나, 산화 처리, 질화 처리, 성막 처리, 에칭 처리 및 애싱 처리에 사용되는 가스 등의 가스 공급원으로서 이용된다. 예컨대, 분해되기 어려운 제2 가스는 복수의 가스 도입관(17)으로부터 도입하고, 분해되기 쉬운 제1 가스는 복수의 가스 노즐(16)로부터 도입한다. 예컨대 SiN막을 성막할 때에 사용하는 N₂ 가스와 실란 가스 중 분해되기 어려운 N₂ 가스는 복수의 가스 도입관(17)으로부터 도입하고, 분해되기 쉬운 실란 가스는 복수의 가스 노즐(16)로부터 도입한다. 이것에 의해, 분해되기 쉬운 실란 가스를 지나치게 해리시키지 않음으로써 양질의 SiN막을 성막할 수 있다.

가스 공급 기구(3)는, 가스 공급원(31)을 포함하는 가스 공급 장치(3a)와, 가스 공급원(31)과 복수의 가스 노즐(16)을 접속하는 배관(32a)과, 가스 공급원(31)과 복수의 가스 도입관(17)을 접속하는 배관(32b)을 갖고 있다. 또한, 도 1에서는, 하나의 가스 공급원(31)을 도시하고 있지만, 가스 공급 장치(3a)는, 사용되는 가스의 종류에 따라 복수의 가스 공급원을 포함하고 있어도 좋다.

가스 공급 장치(3a)는, 배관(32a, 32b)의 중간에 설치된 도시하지 않은 매스 플로우 컨트롤러 및 개폐 밸브를 더 포함하고 있다. 처리 용기(2) 내에 공급되는 가스의 종류나, 이들 가스의 유량 등은, 매스 플로우 컨트롤러 및 개폐 밸브에 의해 제어된다.

플라즈마 처리 장치(1)의 각 구성부는, 각각 제어부(8)에 접속되어, 제어부(8)에 의해 제어된다. 제어부(8)는, 전형적으로는 컴퓨터이다. 도 2에 도시된 예에서는, 제어부(8)는, CPU를 구비한 프로세스 컨트롤러(81), 프로세스 컨트롤러(81)에 접속된 사용자 인터페이스(82) 및 기억부(83)를 갖는다.

프로세스 컨트롤러(81)는, 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서, 예컨대 온도, 압력, 가스 유량, 바이어스 인가용 고주파 전력, 마이크로파 출력 등의 프로세스 조건에 관계하는 각 구성부를 통괄하여 제어하는 제어 수단이다. 각 구성부는, 예컨대, 고주파 바이어스 전원(25), 가스 공급 장치(3a), 배기 장치(4), 마이크로파 도입 모듈(5) 등을 들 수 있다.

사용자 인터페이스(82)는, 공정 관리자가 플라즈마 처리 장치(1)를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작 등을 행하는 키보드나 터치 패널, 플라즈마 처리 장치(1)의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등을 갖고 있다.

기억부(83)에는, 플라즈마 처리 장치(1)에서 실행되는 각종 처리를 프로세스 컨트롤러(81)의 제어에 의해 실현하기 위한 제어 프로그램이나, 처리 조건 데이터 등이 기록된 레시피 등이 보존되어 있다. 프로세스 컨트롤러(81)는, 사용자 인터페이스(82)로부터의 지시 등, 필요에 따라 임의의 제어 프로그램이나 레시피를 기억부(83)로부터 호출하여 실행한다. 이것에 의해, 프로세스 컨트롤러(81)에 의한 제어 하에, 플라즈마 처리 장치(1)의 처리 용기(2) 내에서 원하는 처리가 행해진다.

상기한 제어 프로그램 및 레시피는, 예컨대, 플래시 메모리, DVD, 블루레이 디스크 등의 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체에 저장된 상태의 것을 이용할 수 있다. 또한, 상기한 레시피는, 다른 장치로부터, 예컨대 전용 회선을 통해 수시 전송시켜 온라인으로 이용하는 것도 가능하다.

다음에, 도 1∼도 6을 참조하여, 마이크로파 도입 모듈(5)의 구성에 대해서 설명한다. 도 3은 도 1에 도시된 마이크로파 도입 모듈의 구성을 나타낸 설명도이다. 도 4는 도 3에 도시된 마이크로파 도입 기구(63)를 나타낸 단면도이다. 도 5는 도 4에 도시된 마이크로파 도입 기구(63)의 안테나부를 나타낸 사시도이다. 도 6은 도 4에 도시된 마이크로파 도입 기구(63)의 평면 안테나를 나타낸 평면도이다.

마이크로파 도입 모듈(5)은, 처리 용기(2)의 상부에 설치되고, 처리 용기(2) 내에 전자파(마이크로파)를 도입한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로파 도입 모듈(5)은, 도전성 부재인 상부벽(11)과 마이크로파 출력부(50)와 안테나 유닛(60)을 갖는다. 상부벽(11)은, 처리 용기(2)의 상부에 배치되며, 복수의 개구부를 갖는다. 마이크로파 출력부(50)는, 마이크로파를 생성함과 더불어, 마이크로파를 복수의 경로로 분배하여 출력한다. 안테나 유닛(60)은, 마이크로파 출력부(50)로부터 출력된 마이크로파를 처리 용기(2)에 도입한다. 본 실시형태에서는, 처리 용기(2)의 상부벽(11)은, 마이크로파 도입 모듈(5)의 도전성 부재를 겸하고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 마이크로파 출력부(50)는, 전원부(51)와, 마이크로파 발진기(52)와, 마이크로파 발진기(52)에 의해 발진된 마이크로파를 증폭하는 앰프(53)와, 앰프(53)에 의해 증폭된 마이크로파를 복수의 경로로 분배하는 분배기(54)를 갖고 있다. 마이크로파 발진기(52)는, 소정의 주파수(예컨대, 2.45GHz)로 마이크로파를 발진시킨다. 또한, 마이크로파의 주파수는, 2.45GHz에 한정되지 않고, 8.35GHz, 5.8GHz, 1.98GHz 등이어도 좋다. 또한, 이러한 마이크로파 출력부(50)는, 마이크로파의 주파수를 예컨대 860MHz 등, 800MHz 내지 1GHz의 범위 내로 하는 경우에도 적용할 수 있다. 분배기(54)는, 입력측과 출력측의 임피던스를 정합시키면서 마이크로파를 분배한다.

안테나 유닛(60)은, 복수의 안테나 모듈(61)을 포함하고 있다. 복수의 안테나 모듈(61)은, 각각, 분배기(54)에 의해 분배된 마이크로파를 처리 용기(2) 내에 도입한다. 본 실시형태에서는, 복수의 안테나 모듈(61)의 구성은 전부 동일하다. 각 안테나 모듈(61)은, 분배된 마이크로파를 주로 증폭하여 출력하는 앰프부(62)와, 앰프부(62)로부터 출력된 마이크로파를 처리 용기(2) 내에 도입하는 마이크로파 도입 기구(63)를 갖고 있다.

앰프부(62)는, 위상기(62A)와 가변 게인 앰프(62B)와 메인 앰프(62C)와 아이솔레이터(62D)를 갖는다. 위상기(62A)는, 마이크로파의 위상을 변화시킨다. 가변 게인 앰프(62B)는, 메인 앰프(62C)에 입력되는 마이크로파의 전력 레벨을 조정한다. 메인 앰프(62C)는, 솔리드 스테이트 앰프로서 구성된다. 아이솔레이터(62D)는, 마이크로파 도입 기구(63)의 안테나부에서 반사되어 메인 앰프(62C)를 향하는 반사 마이크로파를 분리한다.

위상기(62A)는, 마이크로파의 위상을 변화시켜, 마이크로파의 방사 특성을 변화시킨다. 위상기(62A)는, 예컨대, 안테나 모듈(61)마다 마이크로파의 위상을 조정함으로써, 마이크로파의 지향성을 제어하여 플라즈마의 분포를 변화시키는 것에 이용된다. 또한, 이러한 방사 특성의 조정을 행하지 않는 경우에는, 위상기(62A)를 설치하지 않아도 좋다.

가변 게인 앰프(62B)는, 개개의 안테나 모듈(61)의 편차의 조정이나, 플라즈마 강도의 조정을 위해 이용된다. 예컨대, 가변 게인 앰프(62B)를 안테나 모듈(61)마다 변화시킴으로써, 처리 용기(2) 내부 전체의 플라즈마의 분포를 조정할 수 있다.

메인 앰프(62C)는, 예컨대, 도시하지 않은 입력 정합 회로, 반도체 증폭 소자, 출력 정합 회로 및 하이-Q 공진 회로를 포함하고 있다. 반도체 증폭 소자로서는, 예컨대, E급 동작이 가능한 GaAsHEMT, GaNHEMT, LD(Laterally Diffused)-MOS가 이용된다.

아이솔레이터(62D)는, 서큘레이터와 더미로드(동축 종단기)를 갖고 있다. 서큘레이터는, 마이크로파 도입 기구(63)의 안테나부에서 반사된 반사 마이크로파를 더미로드로 유도하는 것이다. 더미로드는, 서큘레이터에 의해 유도된 반사 마이크로파를 열로 변환하는 것이다. 또한, 전술한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 복수의 안테나 모듈(61)이 설치되어 있고, 복수의 안테나 모듈(61)의 각각의 마이크로파 도입 기구(63)에 의해 처리 용기(2) 내에 도입된 복수의 마이크로파는, 처리 용기(2) 내에서 합성된다. 그 때문에, 개개의 아이솔레이터(62D)는 소형의 것이어도 좋아, 아이솔레이터(62D)를 메인 앰프(62C)에 인접시켜 설치할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 마이크로파 도입 기구(63)는, 상부벽(11)에 설치되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로파 도입 기구(63)는, 임피던스를 정합시키는 튜너(64)와, 증폭된 마이크로파를 처리 용기(2) 내에 방사하는 안테나부(65)를 갖고 있다. 또한, 마이크로파 도입 기구(63)는, 금속 재료를 포함하고, 도 4에 있어서의 상하 방향으로 연장되는 원통형의 형상을 갖는 본체 용기(66)와, 본체 용기(66) 내에 있어서 본체 용기(66)가 연장되는 방향과 동일한 방향으로 연장되는 내측 도체(67)를 갖고 있다. 본체 용기(66) 및 내측 도체(67)는, 동축관을 구성하고 있다. 본체 용기(66)는, 이 동축관의 외측 도체를 구성하고 있다. 내측 도체(67)는, 막대형 또는 통형의 형상을 갖고 있다. 본체 용기(66)의 내주면과 내측 도체(67)의 외주면 사이의 공간은, 마이크로파 전송로(68)를 형성한다.

안테나 모듈(61)은, 도시하지 않은 본체 용기(66)의 기단측(상단측)에 설치된 급전 변환부를 더 갖고 있다. 급전 변환부는, 동축 케이블을 통해 메인 앰프(62C)에 접속되어 있다. 아이솔레이터(62D)는, 동축 케이블의 중간에 설치되어 있다. 안테나부(65)는, 본체 용기(66)에 있어서의 급전 변환부와는 반대측에 설치되어 있다. 뒤에 설명하는 바와 같이, 본체 용기(66)에 있어서의 안테나부(65)보다 기단측의 부분은, 튜너(64)에 의한 임피던스 조정 범위로 되어 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 안테나부(65)는, 내측 도체(67)의 하단부에 접속된 평면 안테나(71)와, 평면 안테나(71)의 상면측에 배치된 마이크로파 지파재(72)와, 평면 안테나(71)의 하면측에 배치된 마이크로파 투과판(73)을 갖고 있다. 마이크로파 투과판(73)의 하면은, 처리 용기(2)의 내부 공간에 노출되어 있다. 마이크로파 투과판(73)은, 본체 용기(66)를 통해, 마이크로파 도입 모듈(5)의 도전성 부재인 상부벽(11)의 개구부에 감합되어 있다. 마이크로파 투과판(73)은, 본 실시형태에 있어서의 마이크로파 투과창에 대응한다.

평면 안테나(71)는, 원판 형상을 갖고 있다. 또한, 평면 안테나(71)는, 평면 안테나(71)를 관통하도록 형성된 슬롯(71a)을 갖고 있다. 도 5 및 도 6에 도시된 예에서는, 4개의 슬롯(71a)이 설치되어 있고, 각 슬롯(71a)은, 4개로 균등하게 분할된 원호 형상을 갖고 있다. 또한, 슬롯(71a)의 수는, 4개로 한정되지 않고, 5개 이상이어도 좋고, 1개 이상, 3개 이하여도 좋다.

마이크로파 지파재(72)는, 진공보다 큰 유전율을 갖는 재료에 의해 형성되어 있다. 마이크로파 지파재(72)를 형성하는 재료로는, 예컨대, 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 수지 등의 불소계 수지, 폴리이미드 수지 등을 이용할 수 있다. 마이크로파는, 진공중에서는 그 파장이 길어진다. 마이크로파 지파재(72)는, 마이크로파의 파장을 짧게 하여 플라즈마를 조정하는 기능을 갖고 있다. 또한, 마이크로파의 위상은, 마이크로파 지파재(72)의 두께에 따라 변화한다. 그 때문에, 마이크로파 지파재(72)의 두께에 따라 마이크로파의 위상을 조정함으로써, 평면 안테나(71)가 정재파의 파복의 위치가 되도록 조정할 수 있다. 이것에 의해, 평면 안테나(71)에 있어서의 반사파를 억제할 수 있음과 더불어, 평면 안테나(71)로부터 방사되는 마이크로파의 방사 에너지를 크게 할 수 있다. 즉, 이것에 의해, 마이크로파의 파워를 효율적으로 처리 용기(2) 내에 도입할 수 있다.

마이크로파 투과판(73)은, 유전체 재료에 의해 형성되어 있다. 마이크로파 투과판(73)을 형성하는 유전체 재료로는, 예컨대 석영이나 세라믹스 등이 이용된다. 마이크로파 투과판(73)은, 마이크로파를 TE 모드로 효율적으로 방사할 수 있는 형상을 이루고 있다. 도 5의 예에서는, 마이크로파 투과판(73)은, 직방체 형상을 갖고 있다. 또한, 마이크로파 투과판(73)의 형상은, 직방체 형상에 한정되지 않고, 예컨대 원기둥 형상, 오각형 기둥 형상, 육각형 기둥 형상, 팔각형 기둥 형상이어도 좋다.

이러한 구성의 마이크로파 도입 기구(63)에서는, 메인 앰프(62C)에서 증폭된 마이크로파가, 본체 용기(66)의 내주면과 내측 도체(67)의 외주면 사이의 마이크로파 전송로(68)를 통해 평면 안테나(71)에 도달한다. 그리고, 평면 안테나(71)의 슬롯(71a)으로부터 마이크로파 투과판(73)을 투과하여 처리 용기(2)의 내부 공간에 방사된다.

튜너(64)는, 슬러그 튜너를 구성하고 있다. 구체적으로는, 도 4에 도시된 바와 같이, 튜너(64)는, 본체 용기(66)의 안테나부(65)보다 기단측(상단측)의 부분에 배치되는 2개의 슬러그(74A, 74B)를 갖고 있다. 튜너(64)는, 2개의 슬러그(74A, 74B)를 동작시키는 액츄에이터(75)와, 이 액츄에이터(75)를 제어하는 튜너 컨트롤러(76)를 더 갖고 있다.

슬러그(74A, 74B)는, 판형 또한 환형의 형상을 가지며, 본체 용기(66)의 내주면과 내측 도체(67)의 외주면 사이에 배치되어 있다. 또한, 슬러그(74A, 74B)는, 유전체 재료에 의해 형성되어 있다. 슬러그(74A, 74B)를 형성하는 유전체 재료로서는, 예컨대, 비유전율이 10인 고순도 알루미나를 이용할 수 있다. 고순도 알루미나는, 통상, 슬러그를 형성하는 재료로서 이용되고 있는 석영(비유전율 3.88)이나 테플론(등록상표)(비유전율 2.03)보다 비유전율이 크기 때문에, 슬러그(74A, 74B)의 두께를 줄일 수 있다. 또한, 고순도 알루미나는, 석영이나 테플론(등록상표)에 비해, 유전 정접(tanδ)이 작아, 마이크로파의 손실을 줄일 수 있다고 하는 특징을 갖고 있다. 고순도 알루미나는, 왜곡이 작다고 하는 특징과, 열에 강하다고 하는 특징도 더 갖고 있다. 고순도 알루미나로서는, 순도 99.9% 이상의 알루미나 소결체인 것이 바람직하다. 또한, 고순도 알루미나로서, 단결정 알루미나(사파이어)를 이용하여도 좋다.

튜너(64)는, 튜너 컨트롤러(76)로부터의 지령에 기초하여, 액츄에이터(75)에 의해, 슬러그(74A, 74B)를 상하 방향으로 이동시킨다. 이것에 의해, 튜너(64)는, 임피던스를 조정한다. 예컨대, 튜너 컨트롤러(76)는, 종단부의 임피던스가 예컨대 50 Ω이 되도록, 슬러그(74A, 74B)의 위치를 조정한다.

본 실시형태에서는, 메인 앰프(62C), 튜너(64) 및 평면 안테나(71)는, 서로 근접하여 배치되어 있다. 특히, 튜너(64) 및 평면 안테나(71)는, 집중 정수 회로를 구성하고, 또한 공진기로서 기능한다. 평면 안테나(71)의 부착 부분에는, 임피던스 부정합이 존재한다. 본 실시형태에서는, 튜너(64)에 의해, 플라즈마를 포함시켜 고정밀도로 튜닝할 수 있어, 평면 안테나(71)에 있어서의 반사의 영향을 해소할 수 있다. 또한, 튜너(64)에 의해, 평면 안테나(71)에 도달할 때까지의 임피던스 부정합을 고정밀도로 해소할 수 있어, 실질적으로 부정합 부분을 플라즈마 공간으로 할 수 있다. 이것에 의해, 튜너(64)에 의해, 고정밀도의 플라즈마 제어가 가능해진다.

다음에, 도 7을 참조하여, 도 1에 도시된 처리 용기(2)의 상부벽(11)의 바닥면에 대해서 설명한다. 도 7은 도 1에 도시된 처리 용기(2)의 상부벽(11)의 바닥면의 일례를 나타낸 도면이다. 이하의 설명에서는, 마이크로파 투과판(73)은 원기둥 형상을 갖는 것으로 한다.

마이크로파 도입 모듈(5)은, 복수의 마이크로파 투과판(73)을 포함하고 있다. 전술한 바와 같이, 마이크로파 투과판(73)은, 마이크로파 투과창에 대응한다. 복수의 마이크로파 투과판(73)은, 마이크로파 도입 모듈(5)의 도전성 부재인 상부벽(11)의 복수의 개구부에 감합된 상태에서, 배치대(21)의 배치면(21a)에 평행한 하나의 가상의 평면 상에 배치되어 있다. 또한, 복수의 마이크로파 투과판(73)은, 상기 가상의 평면에 있어서, 그 중심점간의 거리가 서로 같거나, 거의 같은 3개의 마이크로파 투과판(73)을 포함하고 있다. 또한, 중심점간의 거리가 거의 같다고 하는 것은, 마이크로파 투과판(73)의 형상 정밀도나 안테나 모듈(61)[마이크로파 도입 기구(63)]의 조립 정밀도 등의 관점에서, 마이크로파 투과판(73)의 위치는, 원하는 위치로부터 약간 어긋나 있어도 좋은 것을 의미한다.

본 실시형태에서는, 복수의 마이크로파 투과판(73) 은, 육방 최밀 배치가 되 도록 배치된 7개의 마이크로파 투과판(73)을 포함하는 것이다. 구체적으로는, 복수의 마이크로파 투과판(73)은, 7개의 마이크로파 투과판(73A∼73G)을 갖는다. 그 중의 6개의 마이크로파 투과판(73A∼73F)은, 그 중심점이 각각 정육각형의 정점에 일치 또는 거의 일치하도록 배치되어 있다. 하나의 마이크로파 투과판(73G)은, 그 중심점이 정육각형의 중심에 일치 또는 거의 일치하도록 배치되어 있다. 또한, 정점 또는 중심점에 거의 일치한다고 하는 것은, 마이크로파 투과판(73)의 형상 정밀도나 안테나 모듈(61)[마이크로파 도입 기구(63)]의 조립 정밀도 등의 관점에서 마이크로파 투과판(73)의 중심점은 상기한 정점 또는 중심으로부터 약간 어긋나 있어도 좋은 것을 의미한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 마이크로파 투과판(73G)은, 상부벽(11)에 있어서의 중앙 부분에 배치되어 있다. 6개의 마이크로파 투과판(73A∼73F)은, 마이크로파 투과판(73G)을 둘러싸도록, 상부벽(11)의 중앙 부분보다 외측에 배치되어 있다. 따라서, 마이크로파 투과판(73G)은, 중심 마이크로파 투과창에 대응하고, 마이크로파 투과판(73A∼73F)은, 외측 마이크로파 투과창에 대응한다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 「상부벽(11)에 있어서의 중앙 부분」이라고 하는 것은, 「상부벽(11)의 평면 형상에 있어서의 중앙 부분」을 의미한다.

본 실시형태에서는, 모든 마이크로파 투과판(73)에 있어서, 서로 인접한 임의의 3개의 마이크로파 투과판(73)의 중심점간의 거리는, 서로 같거나, 거의 같다. 가스 노즐(16)은, 외측의 마이크로파 투과판(73A∼73G)과 중심의 마이크로파 투과판(73G) 사이에서 둘레 방향으로 등간격으로 6개 배치된다. 가스 노즐(16)은, 그 선단에 형성된 가스 공급 구멍(16a)으로부터 처리 용기(2) 내에 제1 가스를 공급한다. 6개의 가스 노즐(16) 사이에는 둘레 방향으로 6개의 가스 도입관(17)이 배치되어 있다. 가스 도입관(17)은, 인접한 가스 노즐(16) 사이에 배치된다. 가스 도입관(17)은, 그 선단에 형성된 가스 공급 구멍(17a)으로부터 처리 용기(2) 내에 제2 가스를 공급한다.

[가스 노즐의 구조]

다음에, 도 8을 참조하면서, 가스 노즐(16)의 구조에 대해서 설명한다. 도 8은 일 실시형태에 따른 가스 노즐(16)의 구조의 일례를 나타낸 도면이다. 플라즈마 처리 장치(1)에서는 마이크로파의 방사구 근방, 즉, 상부벽(11)의 하면 근방에서 전자파 에너지가 집중하여, 전자 온도가 높아지는 경향이 있다. 따라서, 가스 공급 구멍(17a)의 선단 개구에 있어서 가스가 분해되어 개구가 막히고, 또한 개구에서의 방전에 의한 개구의 용융을 일으키는 경우가 있다. 그래서, 가스 도입관(17)의 개구는, 가스 공급 구멍(17a)의 세공으로부터 확대되어, 처리 공간으로 개구된 딤플 구조로 되어 있다. 가스 공급 구멍(17a)의 개구를 넓힘으로써, 전자파 에너지의 집중을 저감하여, 이상 방전을 방지할 수 있다.

한편, 프로세스 조건에 따라서는 표면파가 상부벽(11)의 하면보다 아래쪽으로 돌출된 가스 노즐(16)의 표면까지 전파되는 경우가 있다. 이 경우, 표면파의 전파에 의해 가스 노즐(16) 선단의 가스 공급 구멍(16a)의 개구에 있어서 가스가 분해되어 개구가 막히고, 또한 개구에서의 방전에 의한 개구의 용융을 일으키는 경우가 있다. 그래서, 본 실시형태에서는, 가스 노즐(16)의 개구는, 도 8의 (a)에 도시된 가스 공급 구멍(16a)의 세공(16a1)으로부터 확대되어, 처리 공간으로 개구된 확경부(擴徑部)(16a2)가 형성되며, 딤플 구조로 되어 있다. 이러한 구조에 의해, 가스 노즐(16)에 마이크로파가 전달되어, 가스 공급 구멍(16a)의 개구에 있어서 이상 방전이 발생하여, 기판 처리에 악영향을 미치는 것을 회피할 수 있다. 본 실시형태에서는, 확경부(16a2)는, 원을 바닥면으로 하는 원통형이다.

확경부(16a2)의 내벽 측면(16b)으로부터 확경부(16a2) 외측의 가스 노즐(16)의 선단면(16c)과의 각도(이하, 「딤플 접면 각도 θ」라고 함)는, 60°≤θ≤120°의 조건을 만족하는 각도이면 좋다. 이것에 의해, 마이크로파의 표면파의 전계 집중을 경감할 수 있다.

확경부(16a2)의 개구의 긴쪽 방향의 길이는, 마이크로파의 표면파 파장을 λ_SW로 하여, λ_SW/4 이하이면 좋다. 즉, 예컨대, 확경부(16a2)가 원통형인 경우, 확경부(16a2)의 개구의 직경이 λ_SW/4 이하이면 좋고, 확경부(16a2)가 타원형인 경우, 확경부(16a2)의 개구의 장축의 길이가 λ_SW/4 이하이면 좋다. 예컨대, 860MHz의 주파수의 마이크로파의 경우, λ_SW는 대략 20 mm이기 때문에 확경부(16a2)의 개구 직경은 5 mm 이하이면 좋다. 표면파의 파장 λ_SW에 대하여 확경부(16a2)의 개구의 긴쪽 방향의 길이를 1/4 이하로 짧게 함으로써, 마이크로파는 확경부(16a2) 내에 진입할 수 없어, 확경부(16a2) 근방에서 이상 방전이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 확경부(16a2)의 내벽 측면(16b)은, 절연막(18)에 의해 코팅되어도 좋다. 또한, 확경부(16a2)의 내벽 측면(16b)뿐만 아니라 확경부(16a2)의 바닥면이 절연막(18)에 의해 코팅되어도 좋다. 절연막(18)의 재료로는, 이트리아(Y₂O₃) 또는 알루미나(Al₂O₃)가 바람직하다.

또한, 확경부(16a2)의 외측의 선단면(16c) 및 외측면(16d)의 일부 또는 전부가 절연막(18)에 의해 코팅되어 있으면 더욱 바람직하다. 가스 노즐(16)의 선단 주변의 절연막(18)의 끊어진 곳에서는 이상 방전이 발생하기 쉽다. 이 때문에, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 확경부(16a2)의 내벽 측면(16b), 확경부(16a2)의 외측 선단면(16c) 및 외측면(16d)의 적어도 일부가 절연막(18)에 의해 코팅됨으로써, 가스 노즐(16)에서 이상 방전이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 8의 (c)에 도시된 바와 같이, 확경부(16a2)의 내벽 측면(16b)에 단차를 가져도 좋다. 또한, 내벽 측면(16b)의 단차는 절연막(18)에 의해 코팅되어도 좋다. 도 8의 (d)에 도시된 바와 같이, 확경부(16a2)의 내벽 측면(16b)을 코팅하는 절연막(18)은, 확경부(16a2)의 개구 단부로부터 바닥면을 향해 서서히 두께가 얇아지도록 하여도 좋다. 또한, 확경부(16a2)의 바닥면은, 절연막(18)에 의해 코팅되지 않아도 좋다.

[변형례]

다음에, 일 실시형태의 변형례에 따른 가스 노즐(16)에 대해서, 도 9 및 도 10을 참조하면서 설명한다. 도 9는 일 실시형태의 변형례 1에 따른 가스 노즐(16)의 구조의 일례를 나타낸 도면이다. 도 10은 일 실시형태의 변형례 2∼6에 따른 가스 노즐(16)의 구조의 일례를 나타낸 도면이다.

(변형례 1)

도 9의 일 실시형태의 변형례 1에 따른 가스 노즐(16)의 구조에 대해서 설명한다. 변형례 1에 따른 가스 노즐(16)에 있어서도, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 세공(16a1)으로부터 확대되어, 처리 공간으로 개구된 확경부(16a2)를 가진 딤플 구조로 되어 있다. 이것에 의해, 가스 노즐(16)에 있어서 이상 방전이 발생하는 것을 회피할 수 있다.

또한, 변형례 1에서는, 확경부(16a2)는, 원을 바닥면으로 하는 원통형이다. 변형례 1에 따른 가스 노즐(16) 선단의 하면을 도 9의 (b)에 나타낸다. 이것에 따르면, 가스 노즐(16) 선단의 하면은 타원 형상이다. 즉, 가스 노즐(16)이 돌출 방향에 대하여 수직인 면은 타원 형상이다. 단, 가스 노즐(16)의 돌출 방향에 대하여 수직인 면의 형상은 타원 형상에 한정되지 않고, 유선형 부분을 가져도 좋다. 유선형 부분이란, 상어의 머리나 물고기의 체형 등의 곡선으로 구성되는 부분을 갖는 형상을 나타낸다.

타원 형상의 장축의 B-B면에서 가스 노즐(16)을 절단한 절단면을 도 9의 (c)에 나타낸다. 가스 노즐(16) 내에는, 열매체(냉매 등)를 유통시키는 유로(19)가 형성되어 있다. 유로(19)는, 세공(16a1)에 나란히, 냉매가 순환되도록 U자형으로 형성되어 있다. 유로(19)는 확경부(16a2)의 근방에서 U턴하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 가스 노즐(16)의 전체를 냉각하여, 발열(拔熱)할 수 있다.

도 9의 (d)는, 변형례 1에 따른 가스 노즐(16)이 둘레 방향으로 6개 배치된 상부벽(11)의 하면을 나타낸 도면이다. 변형례 1에 따른 가스 노즐(16)에서는, 가스 노즐(16)의 돌출 방향에 대하여 수직인 면의 형상이 유선형 또는 타원 형상인 부분을 갖는다. 이 경우, 가스 노즐(16)의 유선형 또는 타원 형상의 정점 방향의 직선은, 상부벽(11)의 중심축(O) 상에서 교차한다. 즉, 가스 노즐(16)의 유선형 또는 타원 형상의 정점 방향이, 중심의 마이크로파 투과판(73G)의 방향을 향하고 있다. 이것에 의해, 가스 노즐(16)이 마이크로파의 표면파의 전파를 방해하지 않도록 구성되어 있다.

(변형례 2∼6)

다음에, 도 10의 일 실시형태의 변형례 2∼6에 따른 가스 노즐(16)의 구조에 대해서 설명한다. 가스 노즐(16)은, 돌출 방향에 대하여 수직인 단면 형상이 다각형인 부분을 가지며, 확경부(16a2)는, 상기 단면 형상과 동일 형상의 개구를 가져도 좋다. 확경부(16a2)는, 원통형에 한정되지 않고, 사각형이나 오각형 등의 다각형을 바닥면으로 하는 각기둥 형상이어도 좋다. 도 10의 (a)의 일 실시형태의 변형례 2에 따른 가스 노즐(16)에서는, 확경부(16a2)는, 삼각형을 바닥면으로 하는 삼각 기둥 형상이다. 이 경우에도, 확경부(16a2)의 개구의 긴쪽 방향의 변의 길이는, 마이크로파의 표면파의 파장을 λ_SW로 하여, λ_SW/4 이하이면 좋다. 확경부(16a2)의 개구의 긴쪽 방향의 길이를 표면파의 파장 λ_SW의 1/4 이하로 함으로써, 확경부(16a2) 근방에서 이상 방전이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 10의 (b)의 일 실시형태의 변형례 3에 따른 가스 노즐(16)의 확경부(16a2)는 바닥부가, 수평이 아니라 비스듬하게 원추형이 되고, 원추형과 원통형을 조합한 형상으로 되어 있다. 도 10의 (c)의 일 실시형태의 변형례 4에 따른 가스 노즐(16)의 확경부(16a2)는 원추형이며, 원통형을 갖지 않는다. 도 10의 (d)의 일 실시형태의 변형례 5에 따른 가스 노즐(16)의 확경부(16a2)는, 도 10의 (c)의 확경부(16a2)에 대하여, 선단이 수직으로 1 ㎜ 정도 연장되어 있다.

확경부(16a2)의 벽면은, 도 10의 (e)의 일 실시형태의 변형례 6에 따른 가스 노즐(16)에 나타낸 바와 같이, 원추형으로부터 외측으로 만곡되어도 좋다. 단, 확경부(16a2)는, 원추형으로부터 내측으로는 만곡되지 않는다. 확경부(16a2)의 벽면이 내측으로 만곡되면, 확경부(16a2)로부터 플라즈마 처리 공간으로 가스가 도출되었을 때에, 가스가 외측으로 퍼져 확산되기 쉬워지고, 플라즈마 처리 공간에 있어서의 가스의 밀도 분포의 제어가 어려워지기 때문이다.

이번에 개시된 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치는, 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 상기한 실시형태는, 첨부한 청구범위 및 그 주지를 일탈하는 일 없이, 다양한 형태로 변형 및 개량이 가능하다. 상기 복수의 실시형태에 기재된 사항은, 모순되지 않는 범위에서 다른 구성도 취할 수 있으며, 또한, 모순되지 않는 범위에서 조합할 수 있다.

Claims

처리 용기와,
상기 처리 용기를 구성하는 상부벽으로부터 돌출되어, 상기 처리 용기 내에 가스를 공급하는 가스 공급 구멍을 갖는 복수의 가스 노즐을 구비하고,
복수의 상기 가스 노즐은, 복수의 상기 가스 노즐의 가스 공급 구멍의 선단에서 상기 가스 공급 구멍의 세공으로부터 확대되어, 처리 공간으로 개구된 확경부(擴徑部)를 가지며,
복수의 상기 가스 노즐은, 돌출 방향에 대하여 수직인 면의 형상이 타원 또는 유선형인 부분을 갖고, 복수의 상기 가스 노즐의 상기 타원의 장축 방향, 또는 상기 유선형의 정점 방향의 직선은 상기 상부벽의 중심점에서 교차하는, 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 확경부의 내벽 측면으로부터 상기 가스 노즐의 선단면과의 각도 θ는, 60°≤θ≤120°인, 플라즈마 처리 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 처리 용기의 상부에 배치되고, 전자파를 상기 처리 용기 내에 도입하여, 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부를 더 갖는, 플라즈마 처리 장치.
제3항에 있어서, 상기 확경부의 개구의 긴쪽 방향의 길이는, 마이크로파의 표면파의 파장을 λ_SW로 하여, λ_SW/4 이하인, 플라즈마 처리 장치.
삭제
제1항에 있어서, 복수의 상기 가스 노즐은, 열매체를 유통시키는 유로를 갖는, 플라즈마 처리 장치.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 확경부의 내벽은, 절연막에 의해 코팅되어 있는, 플라즈마 처리 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 상기 가스 노즐의 선단 및 측벽 중 적어도 일부는, 절연막에 의해 코팅되어 있는, 플라즈마 처리 장치.