KR102640514B1 - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

(과제) 갭이 낮고 균일성이 높고 기판에 대하여 데미지가 낮은 ALD 프로세스를 실시할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공한다.
(해결 수단) 플라즈마 처리 장치는, 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 처리 공간 및 전자기파를 합성하는 합성 공간을 갖는 챔버와, 처리 공간과 합성 공간을 나누는 유전체창과, 합성 공간에 전자기파를 방사하는 복수의 안테나를 갖고, 페이즈드 어레이 안테나로서 기능하는 안테나 유닛과, 안테나 유닛에 전자기파를 출력하는 전자기파 출력부와, 처리 공간에서 기판을 탑재하는 스테이지와, 처리 공간에, ALD 성막을 행하기 위한 가스를 공급하는 가스 공급부와, 제어부를 갖고, 제어부는, ALD 성막이 실시되도록 상기 가스 공급부로부터의 가스의 공급을 제어하고, 또한, 안테나 유닛을 페이즈드 어레이 안테나로서 기능시켜 처리 공간에서 국재화한 플라즈마가 고속으로 이동하도록 제어한다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 개시는, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
예컨대, 반도체 장치의 제조 공정에 있어서는, 기판인 반도체 웨이퍼에 대하여 성막을 행하는 수법으로서, 플라즈마의 존재하에서 원료 가스와 반응 가스를 번갈아 공급하는 플라즈마 ALD(Atomic Layer Deposition)가 알려져 있다(예컨대 특허문헌 1, 2). 이것에 의해, 반응성이 높고, 스텝 커버리지가 양호한 성막을 행할 수 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 2018-59173호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 2017-147129호 공보
본 개시는, 갭이 낮고 균일성이 높고 기판에 대하여 데미지가 낮은 ALD 프로세스를 실시할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공한다.
본 개시의 한 측면에 따른 플라즈마 처리 장치는, 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 처리 공간 및 전자기파를 합성하는 합성 공간을 갖는 챔버와, 상기 처리 공간과 상기 합성 공간을 나누는 유전체창과, 상기 합성 공간에 전자기파를 방사하는 복수의 안테나를 갖고, 페이즈드 어레이 안테나로서 기능하는 안테나 유닛과, 상기 안테나 유닛에 전자기파를 출력하는 전자기파 출력부와, 상기 처리 공간에서 상기 기판을 탑재하는 스테이지와, 상기 처리 공간에, ALD 성막을 행하기 위한 가스를 공급하는 가스 공급부와, 제어부를 갖고, 상기 제어부는, ALD 성막이 실시되도록 상기 가스 공급부로부터의 가스의 공급을 제어하고, 또한, 상기 안테나 유닛을 페이즈드 어레이 안테나로서 기능시켜 상기 처리 공간에서 국재화한 플라즈마가 고속으로 이동하도록 제어한다.
본 개시에 따르면, 갭이 낮고 균일성이 높고 기판에 대하여 데미지가 낮은 ALD 프로세스를 실시할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법이 제공된다.
도 1은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 전자기파 방사부의 상세를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 안테나 모듈의 배치를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 전자기파 출력부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 플라즈마 처리인 ALD에 의한 성막을 설명하는 타이밍 차트이다.
도 6은 플라즈마 처리인 ALD에 의한 성막을 설명하는 모식도이다.
도 7은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 처리 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 가스 도입 부재의 바람직한 배치를 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 전자기파의 집광 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 전자기파 방사 위치 x로부터 방사된 전자기파의 위치 O에 있어서의 위상 δ(x)를 좌표 표시한 도면이다.
도 11은 각 안테나의 배치와 위치 O에 있어서의 위상을 나타내는 모식도이다.
도 12는 위상 제어에 의해 유전체창의 집광 부분을 스캔시키는 상태를 나타내는 모식도이다.
도 13은 저밀도 플라즈마의 경우의 전자기파와 플라즈마의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14는 고밀도 플라즈마의 경우의 전자기파와 플라즈마의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는 다른 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 16은 다른 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 처리 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 실시형태에 대하여 구체적으로 설명한다.
<플라즈마 처리 장치>
도 1은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100)는, 전자기파(마이크로파)에 의해 플라즈마(주로 표면파 플라즈마)를 형성하고, 형성된 표면파 플라즈마에 의해 기판 W에 대하여 ALD 성막 처리를 실시하는 것이다. 기판 W로서는 전형적인 예로서 반도체 웨이퍼를 들 수 있지만, 이것에 한하지 않고, FPD 기판이나 세라믹스 기판 등의 다른 기판이더라도 좋다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 챔버(1)와, 안테나 유닛(2)과, 전자기파 출력부(3)와, 가스 공급부(4)와, 제어부(5)를 갖는다.
챔버(1)는, 대략 원통 형상을 이루고, 상부가 개방된 용기부(11)와, 용기부(11)의 상부 개구를 폐색하는 천판(12)을 갖는다. 챔버(1)는, 알루미늄, 스테인리스강 등의 금속 재료로 형성되어 있다.
챔버(1) 내의 공간은, 유전체창(13)으로 상하로 나누어져 있고, 유전체창(13)의 상측의 공간이 전자기파를 합성하는 합성 공간(14), 하측의 공간이 기판 W에 대하여 플라즈마 처리를 행하는 처리 공간(15)으로 되어 있다.
유전체창(13)은, 예컨대, 석영, 알루미나(Al2O3) 등의 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 형성되어 있다.
합성 공간(14)은 대기 공간이고, 안테나 유닛(2)의 후술하는 복수의 안테나로부터 합성 공간(14)에 전자기파가 방사되고, 방사된 전자기파가 합성된다.
처리 공간(15)에는 기판 W를 수평 상태로 탑재하는 원판 형상을 이루는 스테이지(21)가 마련되고, 그 안에 기판 W를 처리하기 위한 표면파 플라즈마가 형성된다. 처리 공간(15)은, 플라즈마 처리 중에는 진공 상태가 된다.
스테이지(21)는, 절연 부재(22)를 사이에 두고 세워진 통 형상의 지지 부재(23)에 의해 지지되어 있다. 스테이지(21)를 구성하는 재료로서는, 표면이 양극 산화 처리된 알루미늄 등의 금속이나 세라믹스 등의 유전체 부재가 예시된다. 스테이지(21)에는, 기판 W를 정전 흡착하기 위한 정전 척, 가열 기구, 기판 W의 이면에 열 전달용의 가스를 공급하는 가스 유로 등이 마련되더라도 좋다.
또한, 스테이지(21)에 정합기를 거쳐서 고주파 바이어스 전원이 전기적으로 접속되더라도 좋다. 고주파 바이어스 전원으로부터 스테이지(21)에 고주파 전력이 공급되는 것에 의해, 기판 W 측으로 플라즈마 중의 이온이 끌어들여진다.
스테이지(21)와 유전체창(13)의 갭은 70㎜ 이하인 것이 바람직하다. 이것에 의해, ALD 성막을 효율적으로 행할 수 있다.
챔버(1)의 저부에는 배기관(24)이 접속되어 있고, 배기관(24)에는 압력 제어 밸브나 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(25)가 접속되어 있다. 배기 장치(25)를 작동시키면 챔버(1)의 처리 공간(15) 내가 배기되고, 소정의 진공도까지 감압된다. 챔버(1)의 측벽에는, 기판 W의 반입 및 반출을 행하기 위한 반입출구(26)와, 반입출구(26)를 개폐하는 게이트 밸브(27)가 마련되어 있다.
가스 공급부(4)는, ALD에 의한 성막에 필요한 가스를 공급하는 가스 공급 기구(28)와, 가스 공급 기구(28)로부터 공급된 가스를 처리 공간(15)에 도입하는 가스 도입 부재(29)를 갖고 있다. 가스 공급 기구(28)는, ALD 프로세스를 실시하기 위한 제 1 가스 및 제 2 가스, 및, 플라즈마 생성 가스나 퍼지 가스로서 기능하는 불활성 가스를 공급하도록 구성되어 있다. 가스 공급 기구(28)는, 이들 가스를 공급하는 복수의 가스 공급원, 이들 가스를 공급하는 배관, 배관에 마련된 밸브나 유량 제어기 등을 갖고 있다. ALD 프로세스에서는, 가스 공급 기구(28)로부터, 제 1 가스 및 제 2 가스가, 퍼지 가스에 의한 퍼지를 사이에 두고 번갈아 공급된다. 가스 도입 부재(29)는, 천판(12)의 위쪽으로부터 천판(12) 및 유전체창(13)의 중앙부를 관통하여, 처리 공간(15)의 중앙부에 도달하고 있고, 기판 W의 중앙부(기판 W의 중앙부에 상당하는 위치)에 가스가 공급되도록 되어 있다. 또, 도 1에서는 가스 도입 부재(29)는 1개로 되어 있지만, 제 1 가스 및 제 2 가스를 별개로 공급할 수 있도록 2개이더라도 좋다. 가스 도입 부재(29)가 유전체창(13)의 중앙부로부터 기판 W의 중앙부에 가스를 공급하는 것에 의해, 가스를 기판 W에 대하여 균일하게 공급할 수 있다. 기판 W의 외주 측으로부터 가스를 공급할 수도 있지만, ALD 프로세스에서는, 1회의 가스 공급이 단시간이고, 외주 측으로부터의 가스 공급으로는 기판 W의 중앙부에 가스가 공급되기 어려운 경우도 발생하기 때문에, 기판 W의 중앙부에 가스를 공급하는 것이 바람직하다. 또, 기판 W의 중앙부와 외주부의 양쪽으로부터 가스를 공급하도록 하더라도 좋다.
안테나 유닛(2)은, 전자기파 출력부(3)로부터 출력된 전자기파를 챔버(1)의 위쪽으로부터 챔버(1) 내의 합성 공간(14)에 방사하는 것이고, 복수의 안테나 모듈(31)을 갖고 있다. 안테나 모듈(31)은, 위상기(32)와, 앰프부(33)와, 전자기파 방사부(34)를 갖는다. 전자기파 방사부(34)는, 앰프부(33)에서 증폭한 전자기파를 전송하는 전송로(35)와, 전송로(35)로부터 연장되고, 합성 공간(14)에 전자기파를 방사하는 안테나(36)를 갖는다. 안테나 모듈(31)의 위상기(32)와 앰프부(33)는, 챔버(1)의 위쪽에 마련되어 있다. 도 1에서는, 안테나(36)로서 헬리컬 안테나를 이용한 예를 나타내고 있다. 헬리컬 안테나는 일례에 지나지 않고 이것에 한하는 것이 아니지만, 헬리컬 안테나는, 축 방향으로의 지향성이 높고, 안테나 사이의 상호 결합이 적기 때문에 바람직하다.
위상기(32)는, 전자기파의 위상을 변화시키는 것이고, 안테나(36)로부터 방사되는 전자기파의 위상을 앞서게 하거나 늦추거나 하여 위상을 조정할 수 있도록 구성되어 있다. 위상기(32)에 의해 전자기파의 위상을 조정하는 것에 의해, 복수의 안테나(36)로부터 방사되는 전자기파의 간섭을 이용하여 유전체창(13)의 소망하는 위치에 전자기파를 집중시키는 것이 가능하다.
앰프부(33)는, 가변 게인 앰프, 솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프, 및 아이솔레이터를 갖고 있다. 가변 게인 앰프는, 메인 앰프에 입력하는 전자기파의 전력 레벨을 조정하고, 개개의 안테나 모듈(31)의 격차를 조정하거나 또는 전자기파 강도 조정을 위한 앰프이다. 메인 앰프는, 예컨대, 입력 정합 회로와, 반도체 증폭 소자와, 출력 정합 회로와, 고 Q 공진 회로를 갖는 구성으로 할 수 있다. 아이솔레이터는, 안테나(36)에서 반사되어 메인 앰프로 향하는 반사 전자기파를 분리하는 것이다.
전자기파 방사부(34)의 전송로(35)는 천판(12)에 끼워져 있고, 전송로(35)의 하단이 천판의 내벽과 동일한 높이로 되어 있다. 안테나(36)는 전송로(35)의 하단으로부터, 그 축이 연직 방향이 되도록 합성 공간(14) 내로 연장되어 있다. 즉, 안테나(36)는, 합성 공간(14)의 상벽의 내면으로부터 합성 공간(14) 내로 연장되어 있다. 안테나(36)로서는, 구리나 놋쇠, 또는 은 도금된 알루미늄 등을 이용할 수 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 전송로(35)는, 중심에 배치된 내측 도체(41)와, 그 주위에 배치된 외측 도체(42)와, 이들의 사이에 마련된 테프론(등록상표) 등의 유전체 부재(43)를 갖고, 동축 케이블 형상을 이루고 있다. 부호 44는 슬리브이다. 안테나(36)는, 내측 도체(41)에 접속되어 있다.
복수의 안테나 모듈(31)(전자기파 방사부(34))은 천판(12)에 대하여 균등하게 마련된다. 안테나 모듈(31)의 수는, 적절한 플라즈마가 형성되는 적당한 수로 설정된다. 본 예에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 안테나 모듈(31)(전자기파 방사부(34))은 7개 마련되어 있다(도 1에서는 3개만 도시).
각 안테나 모듈(31)의 위상기(32)에 의해 안테나(36)로부터 방사되는 전자기파의 위상을 조정하는 것에 의해, 전자기파의 간섭을 발생시키고, 유전체창(13)의 임의의 부분에 전자기파를 집중시키는 것이 가능하게 되어 있다. 즉, 안테나 유닛(2)은 페이즈드 어레이 안테나로서 기능한다.
전자기파 출력부(3)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 전원(51)과, 발진기(52)와, 발진된 전자기파를 증폭하는 앰프(53)와, 증폭된 전자기파를 각 안테나 모듈(31)에 분배하는 분배기(54)를 갖고 있고, 각 안테나 모듈(31)에 전자기파를 출력한다.
발진기(52)는 전자기파를 예컨대 PLL 발진시킨다. 전자기파로서는, 예컨대 860㎒의 주파수의 것을 이용한다. 전자기파의 주파수로서는, 860㎒ 외에, 300㎒로부터 3㎓의 범위의 마이크로파대의 주파수를 적합하게 이용할 수 있다. 마이크로파보다 주파수가 높은 5㎓까지의 전자기파를 이용할 수도 있다. 분배기(54)는, 앰프(53)에서 증폭된 전자기파를 분배한다.
제어부(5)는, CPU를 갖고 있고, 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 각 구성부를 제어한다. 제어부(5)는, 플라즈마 처리 장치(100)의 제어 파라미터 및 처리 레시피를 기억한 기억부나, 입력 수단, 디스플레이 등을 구비하고 있다.
제어부(5)는, 전자기파 출력부(3)의 파워나 가스 공급부(4)의 가스의 공급, 안테나 유닛(2)에 있어서의 각 안테나 모듈(31)의 위상 등을 제어한다.
구체적으로는, 제어부(5)는, 소망하는 ALD 프로세스가 실행되도록, 가스 공급부(4)에 의한 제 1 가스, 제 2 가스, 및 불활성 가스의 공급을 제어한다.
또한, 제어부(5)는, 각 안테나 모듈(31)의 위상기(32)에 제어 신호를 출력하고, 각 안테나 모듈(31)의 전자기파 방사부(34)(안테나(36))로부터 방사되는 전자기파의 위상을 제어하고, 전자기파에 간섭을 발생시켜 유전체창(13)의 소망하는 부분에 전자기파를 집광하도록 제어한다. 다시 말해, 제어부(5)는 안테나 유닛(2)을 페이즈드 어레이 안테나로서 기능시키도록 제어한다. 또, 이하의 설명에 있어서, 위상 제어에 의해 소망하는 부분에 전자기파를 집중시키는 것을 집광이라고 표현한다.
제어부(5)에 의한 위상기(32)의 제어는, 예컨대, 미리, 기억부에 각 안테나 모듈의 위상과 전자기파의 집광 위치의 관계를 나타내는 테이블을 복수 기억시켜 두고, 고속으로 테이블을 전환하는 것에 의해 행할 수 있다.
또, 안테나 유닛(2), 전자기파 출력부(3), 및 제어부(5)는, 플라즈마 처리를 위한 플라즈마를 생성하는 플라즈마원을 구성한다.
<플라즈마 처리 방법>
다음으로, 이상과 같이 구성되는 플라즈마 처리 장치(100)에 의한 플라즈마 처리 방법에 대하여 설명한다. 이하의 동작은, 제어부(5)에 의한 제어에 근거하여 이루어진다.
본 실시형태에서는, 플라즈마 처리 장치(100)에 의해 플라즈마 ALD에 의한 성막을 행한다. 플라즈마 ALD에 의한 성막은, 도 5의 타이밍 차트에 나타내는 바와 같이, 처리 공간(15)으로의 제 1 가스의 공급(스텝 1), 처리 공간(15)의 퍼지(스텝 2), 처리 공간(15)으로의 제 2 가스의 공급(스텝 3), 처리 공간(15)의 퍼지(스텝 4)의 스텝 1~4의 사이클을 복수 회 반복하고, 스텝 1 및 스텝 3에서 플라즈마를 생성한다. 스텝 1 및 스텝 3의 어느 한쪽에서만 플라즈마를 생성하더라도 좋다. 도 5의 예에서는 퍼지 가스를 상시 흐르게 하고 있지만 퍼지의 때에만 퍼지 가스를 흐르게 하더라도 좋다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 스텝 1에서는 제 1 가스가 기판 W의 표면에 흡착되고, 스텝 2에서는 제 1 가스가 처리 공간(15)으로부터 퍼지되고, 스텝 3에서는 제 2 가스가 그 위에 흡착되고, 스텝 4에서는 제 2 가스가 처리 공간(15)으로부터 퍼지된다. 이 ALD 프로세스 때에, 기판 W는 스테이지(21)에 마련된 가열 기구에 의해 가열되고, 제 1 가스 및 제 2 가스의 리간드가 제거된다. 일반적으로, 제 1 가스는 원료 가스이고, 제 2 가스는 반응 가스이므로, 스텝 1~4의 1사이클에서 원료 가스와 반응 가스의 반응에 의해 얇은 단위막이 형성되고, 이 사이클을 복수 회 반복하는 것에 의해 소망하는 막 두께의 막이 형성된다. 퍼지 가스로서는, 예컨대 Ar 가스나 N2 가스 등의 불활성 가스를 이용할 수 있다.
이와 같은 플라즈마 ALD를 행할 때에는, 최초로, 게이트 밸브(27)를 열어서 챔버(1)에 인접하는 진공 반송실로부터 반송 장치(모두 도시하지 않음)에 의해 반입출구(26)를 통해서 기판 W를 진공 배기된 챔버(1)의 처리 공간(15)에 반입하고, 스테이지(21) 위에 탑재한다.
게이트 밸브(27)를 닫은 후, 가스 도입부(4)로부터 처리 공간(15) 내에 불활성 가스를 도입하면서, 배기 장치(25)에 의해 처리 공간(15)을 소정의 진공 압력으로 조정한 후, 상기 스텝 1~4를 실시한다.
상술한 바와 같이, 이들 스텝 1~4 중 스텝 1 및 스텝 3에 있어서(또는 스텝 1 및 스텝 3의 어느 한쪽에 있어서) 플라즈마를 생성하지만, 그때의 플라즈마 생성은 이하와 같이 행하여진다.
즉, 전자기파 출력부(3)로부터 출력된 전자기파를 안테나 유닛(2)의 복수의 안테나 모듈(31)에 공급하고, 복수의 안테나 모듈(31)의 전자기파 방사부(34)로부터 전자기파를 방사하고, 그 전자기파를 이용하여 플라즈마를 생성한다.
이때, 도 7에 나타내는 바와 같이, 제어부(5)로부터 위상기(32)에 제어 신호를 출력하는 것에 의해, 각 안테나 모듈(31)의 전자기파 방사부(34)(안테나(36))로부터 방사되는 전자기파 E의 위상을 제어한다. 즉, 안테나 유닛(2)을 페이즈드 어레이 안테나로서 기능시킨다. 이것에 의해, 합성 공간(14)에서 전자기파의 간섭을 발생시켜, 유전체창(13)의 소망하는 부분에 전자기파 E의 집광 부분, 다시 말해 전자기파 강도가 높은 부분을 형성함과 아울러, 전자기파 방사부(34)로부터 방사되는 전자기파 E의 위상 제어에 의해, 전자기파의 집광 부분을 고속으로 이동시킬 수 있다.
유전체창(13)에 집광된 전자기파는, 유전체창(13)을 투과하고, 그 전계에 의해 처리 공간(15)에 있어서의 집광 부분의 직하 위치에 국재화된 플라즈마를 생성하고, 전자기파 집광 부분의 고속 이동에 따른 국재화된 플라즈마의 고속 이동에 의해, 전체적으로 균일한 플라즈마가 생성된다.
또한, 유전체창(13)의 한 위치에 주목하면, 고속 위상 제어에 의해, 전계가 집중되는 타이밍과 전계가 없는 타이밍이 존재한다. 다시 말해, 고속 위상 제어에 의해, 플라즈마가 생성되고 있는 타이밍과 플라즈마가 생성되고 있지 않은 타이밍이 고속으로 전환되면서 존재하게 된다. 이것에 의해, 통상의 마이크로파 플라즈마보다 데미지가 더 낮은 의사적인 펄스 플라즈마를 생성할 수 있다.
이와 같이, 플라즈마의 균일성이 높고, 통상의 마이크로파 플라즈마보다 더 낮은 데미지의 플라즈마 처리를 실현할 수 있기 때문에, ALD 프로세스에 알맞도록 유전체창(13)과 스테이지(21)의 사이를 낮은 갭으로 할 수 있다. 유전체창(13)과 스테이지(21)의 사이를 낮은 갭으로 하는 것에 의해, 처리 공간을 작게 하여 ALD 프로세스에 있어서의 퍼지를 단시간으로 할 수 있고, 처리량이 향상된다. 이와 같은 관점으로부터, 유전체창(13)과 스테이지(21)의 사이의 갭은 70㎜ 이하가 바람직하고, 40㎜ 이하가 보다 바람직하다. 상술한 바와 같은 고속 위상 제어에 의해, 이와 같은 낮은 갭이더라도 균일하고 데미지가 낮은 플라즈마를 생성할 수 있다.
종래에는, 특허문헌 1과 같은 용량 결합 플라즈마 처리 장치나, 특허문헌 2와 같은 페이즈드 어레이 안테나를 이용하지 않는 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 이용하여 ALD 프로세스가 행하여지고 있었다. 그러나, 특허문헌 1의 용량 결합 플라즈마에서는, 갭을 작게 하여 비교적 균일한 플라즈마를 생성할 수는 있지만, 사용하는 전자기파의 주파수가 마이크로파대보다 낮기 때문에, 본질적으로 전자 온도가 높고 데미지가 낮은 처리를 행하는 것은 곤란하다. 또한, 특허문헌 2의 통상의 마이크로파 플라즈마에서는, 전자기파의 파장이 300㎒~3㎓로 짧기 때문에, 벽에서 반사된 전자기파가 유전체창(13)의 직하에서, 마디와 배를 단거리에서 다수 갖는 정재파가 형성된다. 이 때문에, 플라즈마 균일성을 얻기 위해 플라즈마를 확산시킬 필요가 있고, 유전체창과 스테이지의 사이의 갭을 크게 하지 않을 수 없다. 이 때문에, 특허문헌 2와 같은 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서 ALD 프로세스를 행하는 경우는, 처리 공간의 퍼지에 시간이 걸리고, 처리량이 낮은 것이 되어 버린다.
이것에 비하여, 본 실시형태에서는, 상술한 바와 같이, 페이즈드 어레이 안테나로서 기능하는 안테나 유닛(2)을 이용하여, 전자기파 집광 부분을 고속 이동시키고, 전자기파 집광 부분에 대응하여 처리 공간에 생성된 국재화된 플라즈마를 고속 이동시킨다. 이것에 의해, 본질적으로 낮은 데미지이고 고밀도의 마이크로파 플라즈마의 이점을 살리면서, 낮은 갭과 플라즈마 처리의 균일성을 양립시킬 수 있고, 특허문헌 1 및 특허문헌 2의 과제를 해결할 수 있다.
또한, 가스 공급부(4)가 유전체창(13)의 중앙부로부터 가스 도입 부재(29)를 통해서 기판 W의 중앙부에 가스를 공급하도록 구성되는 것에 의해, 가스가 배기류에 이끌려 기판 W 위에 균일하게 퍼지고, 균일한 처리를 행할 수 있다. 이와 같이 가스를 유전체창(13)의 중앙부로부터 도입하더라도, 위상 제어에 의한 전자기파의 집광 및 집광부의 고속 이동을 방해하지 않는 것이 전자기 시뮬레이션에 의해 확인되고 있다. 위상 제어에 의해 전자기파의 집광 및 집광부의 이동을 확실하게 실현하기 위해서는, 가스 도입 부재의 수는 적은 쪽이 바람직하고, 이 점으로부터도 유전체창(13)의 중앙부로부터 기판 W의 중앙부에 가스를 공급하는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시형태에서는, 가스 도입 부재(29)는, 기판 W의 중앙부에 대응하는 위치에서 전자기파 방사부(34)가 존재하지 않는 위치에 기판 중심으로부터 벗어난 위치에 배치되어 있다. 그러나, 전자기파 방사부(34)의 배치가 허용하면, 도 8에 나타내는 바와 같이, 가스 도입 부재(29)를 유전체창(13)의 중심으로부터 기판 W의 중심에 가스를 공급하는 위치에 마련하는 것이 바람직하다.
또, 스텝 1 또는 스텝 3의 플라즈마 처리는, 전자기파 집광 부분의 고속 이동에 따른 국재화된 플라즈마의 고속 이동에 의해 플라즈마를 기판 전체에 공급하는 조작을 스텝의 시간에 대응하는 횟수 반복하는 것에 의해 행하여진다. 예컨대, 스텝 1의 시간이 0.5sec이고 국재화된 플라즈마가 기판 전체에 공급되는 시간을 0.1sec로 하면, 스텝 1에서는, 국재화된 플라즈마를 기판 전체에 공급하는 조작을 5회 반복하게 된다.
다음으로, 안테나 유닛(2)에 있어서의 전자기파의 위상 제어에 대하여, 도 9~11을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 9는 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 집광 원리를 설명하기 위한 모식도이다. 또, 도 9에서는 가스 공급부(4)는 생략하고 있다. 전자기파 방사부(34)(안테나(36))로부터의 전자기파 방사 위치가 존재하는 천판(12)의 이면을 방사면 R로 하고, 전자기파가 조사되는 유전체창(13)의 표면을 조사면 F로 하고, 방사면 R과 조사면 F의 거리를 z로 한다. 조사면 F에 있어서의 전자기파를 집광시키고 싶은 위치를 O로 하고, 위치 O와 대응하는 방사면 R의 위치를 O'로 한다. 이때, 위치 O'로부터 x만큼 떨어진 전자기파 방사부(34)로부터 방사되는 전자기파의 위상을 생각한다. 집광시키고 싶은 위치 O와 위치 O'의 거리는 z이고, 위치 O와 전자기파 방사부(34)의 전자기파 방사 위치 x의 거리는, (x2+z2)1/2이다. 전자기파의 파수를 k(=2π/λ(단, λ는 전자기파의 파장))로 하고, 위치 x로부터 방사한 전자기파의 위치 O에서의 위상(즉, 위치 x로부터 방사한 전자기파의 위치 O에서의 위상의, 위치 O'로부터 방사한 전자기파의 위치 O에서의 위상에 대한 위상차)을 δ(x)로 하면, 이하의 (1)식이 성립한다.
k(x2+z2)1/2-δ(x)=kz … (1)
(1)식을 변형하면, 위상 δ(x)를 구하는 이하의 (2)식을 얻을 수 있다.
δ(x)=k{(x2+z2)1/2-z} … (2)
δ(x)를 x의 함수로서 좌표상에 나타내면 도 10에 나타내는 곡선이 된다.
위상 δ(x)는, 위치 O'로부터 위치 O에 이르는 전자기파와 위치 x로부터 위치 O에 이르는 전자기파의 진행 방향의 어긋남으로서 파악할 수 있고, 전자기파 방사부(34)의 전자기파 방사 위치가 위치 O'로부터 멀어질수록(즉 x의 절대치가 커질수록) 커진다. 이 때문에, 위상 δ(x)의 값에 따라, 전자기파 방사부(34)로부터 방사되는 전자기파의 위상 θ를 앞서게 하거나 늦추거나 하는 것에 의해, 복수의 전자기파 방사부(34)로부터 방사된 전자기파를 위치 O에서 강화하도록 할 수 있다.
예컨대, 도 11에 나타내는 바와 같이, 7개의 전자기파 방사부(34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g)로 하고, 전자기파 방사부(34b)의 전자기파 방사 위치가 위치 O'에 존재하고, 다른 전자기파 방사부의 전자기파 방사 위치가 O'로부터 떨어진 위치에 있는 경우를 생각한다. 또, 도 11에서는 설명의 편의상, 실제의 위치와는 달리, 복수의 전자기파 방사부를 가로로 늘어놓은 상태로 나타내고 있다.
전자기파 방사부(34a~34g)의 전자기파 방사 위치의 x 방향 위치는 xa~xg이고, 이들 위치와 집광하고자 하는 위치 O의 거리가 상이하기 때문에, 동일한 위상으로 전자기파를 방사하면, 위치 O에 있어서 위상의 어긋남이 발생하고, 전자기파의 간섭이 발생하지 않고서 전자기파 강도를 높일 수 없다. 이 때문에, 각 전자기파 방사부(34)로부터 방사되는 전자기파의 위상 θ를, 전자기파 방사부(34a~34g)의 x 방향 위치에 따른 위상(위상차) δ(x)만큼 어긋나게 하고, 각 전자기파 방사부로부터 방사된 전자기파의 위치 O에서의 위상을 맞추도록 한다. 이것에 의해, 위치 O에서 전자기파의 간섭이 발생하여 전자기파가 강화되고, 위치 O에 전자기파를 집광시켜, 국부적으로 전계 강도를 높게 할 수 있다. 도 11에서는, 전자기파 방사부(34a, 34b, 34c)로부터 방사된 전자기파가 위치 O에서 위상이 맞고 있고, 간섭에 의해 전자기파가 강화되는 조건으로 되어 있는 것을 나타내고 있다.
단, 집광 위치 O에 있어서 전자기파를 강화하도록 하기 위한 위상 제어는, 위치 O에 있어서 전자기파의 간섭에 의해 소망하는 전계 강도를 얻을 수 있으면, 전자기파 방사부(34a~34g)의 전부에 있어서 행할 필요는 없고, 2개 이상의 적당한 수의 전자기파 방사부에 대하여 행하면 된다. 또한, 상기 설명에서는, 유전체창(13)에 있어서의 집광하는 위치는 1개였지만, 이것에 한하지 않고, 동일한 타이밍에 유전체창(13)에 2개 이상의 위치에 대하여 위상을 강화하는 제어를 행하더라도 좋다.
또, 전자기파 방사부(34)의 중심으로부터 이웃하는 전자기파 방사부(34)의 중심까지의 거리는, 전자기파의 파장을 λ로 한 경우에 λ/2보다 작은 것이 바람직하다. 이웃하는 전자기파 방사부(34)의 거리(간격)가 λ/2보다 크면, 유전체창(13)의 집광하고자 하는 위치 O에 있어서 전자기파의 위상을 강화하는 제어를 행하기 어려워지기 때문이다.
이상에 설명한 전자기파의 집광은, 위상 제어에 의한 전자기파의 간섭을 이용하는 것이기 때문에, 집광 부분의 이동도 위상 제어만으로 기계적 동작을 수반하지 않고서 매우 고속으로 행할 수 있다. 원리상으로는, 전자기파의 주파수와 동일한 정도의 속도로 이동시킬 수 있다.
도 12는 위상 제어에 의한 전자기파의 집광 및 집광 부분의 주사의 일례를 나타내는 도면이다. 도 12의 예에서는, 제어부(5)가 위상기(32)를 제어하여(도 12에서는 제어부(5) 및 위상기(32)는 도시하지 않음), 7개의 전자기파 방사부(34)로부터 각각 방사되는 전자기파의 위상을, 위치 O에서 강화하도록 제어한다. 이것에 의해, 위치 O를 중심으로 한 영역에 집광 부분 C가 형성되고, 집광 부분 C에 있어서 전자기파의 전계가 강해지도록 제어된다. 도 12는 이것을 모식적으로 나타내고 있다. 그리고, 위상기(32)에 의한 위상 제어에 의해, 유전체창(13)의 표면에 있어서, 집광 부분 C가 지름 방향 L1 또한 둘레 방향 L2 등으로 주사되도록, 7개의 전자기파 방사부(34)로부터 방사되는 전자기파의 위상을 고속으로 제어한다.
또한, 제어부(5)가 위상기(32)를 제어하여, 전자기파 방사부(34)로부터 방사되는 전자기파의 위상 제어에 의한 집광 부분 C의 이동 속도를 바꿈으로써, 단위 시간당 평균 전계 분포를 자유롭게 제어할 수 있다. 예컨대, 집광 부분 C가, 유전체창(13)의 외주 측에서 상대적으로 저속으로 이동하고, 내주 측에서 상대적으로 고속으로 이동하도록 전자기파의 위상을 제어한다. 이것에 의해, 유전체창(13)의 외주 측의 전계 강도를 내주 측의 전계 강도보다 강하게 할 수 있고, 유전체창(13)의 아래의 외주 측의 플라즈마 밀도를 내주의 플라즈마 밀도보다 높게 제어할 수 있다.
그런데, 페이즈드 어레이 안테나로서 기능하는 안테나 유닛(2)을 이용하는 경우, 상대적으로 낮은 플라즈마 밀도(낮은 전자 밀도)의 때에는, 도 13에 나타내는 바와 같이, 유전체창(13)을 투과한 전자기파 E는 어느 정도 처리 공간(15)의 플라즈마 P 내에 침투한다. 이 때문에, 플라즈마의 면 내 방향으로의 퍼짐은 그다지 크지 않고, 문제없이 국재화된 플라즈마를 생성할 수 있고, 이것을 고속으로 이동시키는 것에 의해 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다. 그러나, 플라즈마 밀도가 상승하면 플라즈마가 퍼지고, 페이즈드 어레이 안테나의 목적인 국재화된 플라즈마를 생성하기 어려워질 우려가 있다. 구체적으로는, 플라즈마 밀도(전자 밀도)가 주파수에 의존하는 이하의 식으로 표현되는 컷오프 밀도 nc를 넘으면, 도 14에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 중에 침투하는 전자기파가 감쇠하고, 전자기파의 면 방향의 퍼짐이 커지고, 플라즈마의 면 방향으로의 퍼짐이 커진다.
: 전자 질량(=9.1093×10-31㎏)
: 진공의 유전율(=8.8542×10-12F/m)
: 전자의 기본 전하(=1.6022×10-19C)
: 전자기파 각주파수[rad/s]
: 전자기파 주파수[/s]
예컨대, 전자기파의 주파수가 860㎒인 경우, nc는 9.1743×109[㎝-3]가 된다.
이와 같은 경우는, 도 15에 나타내는, 처리 공간(15) 측의 면에 복수의 오목부(16)를 갖는 유전체창(13')을 마련한 플라즈마 처리 장치(100')를 이용하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 플라즈마 밀도가 컷오프 밀도 nc보다 높아져 플라즈마가 면 방향으로 퍼지기 쉬운 경우에도, 도 16에 나타내는 바와 같이, 전자기파의 집광 부분에 대응하여 오목부(16) 내에 플라즈마를 생성시켜, 면 방향으로의 퍼짐을 억제할 수 있다. 그리고, 전자기파의 집광 부분 C의 고속 이동에 따라, 오목부(16) 내에 생성된 플라즈마도, 다른 오목부(16)에 고속으로 이동할 수 있고, 균일한 플라즈마 처리를 행할 수 있다.
오목부(16)를 마련하는 것에 의해 플라즈마의 퍼짐을 억제할 수 있기 때문에, 높은 플라즈마 밀도에서도 확실하게 고속 위상 제어에 의한 의사적인 펄스 플라즈마에 의한 낮은 데미지의 프로세스를 달성할 수 있고, ALD 성막에 보다 알맞은 것이 된다.
<다른 적용>
이상, 실시형태에 대하여 설명하였지만, 이번 개시된 실시형태는, 모든 점에서 예시이고 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 상기의 실시형태는, 첨부된 특허청구의 범위 및 그 주지를 일탈하는 일 없이, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되더라도 좋다.
예컨대, 안테나 모듈의 구성은 상기 실시형태의 것에 한하지 않는다. 예컨대, 위상기를 앰프부보다 안테나 측에 마련하더라도 좋고, 위상기를 앰프부와 일체로 마련하더라도 좋다. 또한, 전자기파 출력부의 구성도 상기 실시형태에 한하는 것이 아니다.
1 : 챔버 2 : 안테나 유닛
3 : 전자기파 출력부 4 : 가스 공급부
5 : 제어부 13 : 유전체창
14 : 합성 공간 15 : 처리 공간
16 : 오목부 21 : 스테이지
28 : 가스 공급 기구 29 : 가스 공급 부재
31 : 안테나 모듈 32 : 위상기
34 : 전자기파 방사부 36 : 안테나
100 : 플라즈마 처리 장치 W : 기판

Claims (14)

  1. 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 처리 공간 및 전자기파를 합성하는 합성 공간을 갖는 챔버와,
    상기 처리 공간과 상기 합성 공간을 나누는 유전체창과,
    상기 합성 공간에 전자기파를 방사하는 복수의 안테나를 갖고, 페이즈드 어레이 안테나로서 기능하는 안테나 유닛과,
    상기 안테나 유닛에 전자기파를 출력하는 전자기파 출력부와,
    상기 처리 공간에서 상기 기판을 탑재하는 스테이지와,
    상기 처리 공간에, ALD 성막을 행하기 위한 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    제어부
    를 갖고,
    상기 제어부는, ALD 성막이 실시되도록 상기 가스 공급부로부터의 가스의 공급을 제어하고, 또한, 상기 안테나 유닛을 페이즈드 어레이 안테나로서 기능시켜 상기 처리 공간에서 국재화한 플라즈마가 고속으로 이동하도록 제어하며,
    상기 유전체창은, 상기 처리 공간 측의 면에 복수의 오목부를 갖는
    플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 공급부는, ALD 성막을 행하기 위한 제 1 가스 및 제 2 가스와, 상기 처리 공간을 퍼지하기 위한 퍼지 가스를 공급하고,
    상기 제어부는, 상기 제 1 가스 및 상기 제 2 가스가, 상기 퍼지 가스의 공급을 사이에 두고 번갈아 상기 처리 공간에 공급되도록 제어하는
    플라즈마 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제 1 가스 및/또는 상기 제 2 가스가 공급되고 있는 기간, 복수의 상기 안테나로부터 방사되는 복수의 전자기파의 각각의 위상을, 간섭에 의해 상기 유전체창의 표면의 임의의 위치에 집광된 집광 부분이 형성되도록, 또한 상기 집광 부분이 고속으로 이동되도록 제어하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 위상의 제어에 의해 상기 집광 부분의 이동 속도를 변화시켜, 단위 시간당 평균 전계 분포를 제어하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자기파의 주파수는 마이크로파대이고, 상기 유전체창과 상기 스테이지의 사이의 갭이 70㎜ 이하인 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 공급부는, 유전체창의 상기 기판의 중앙부에 상당하는 위치로부터 가스를 공급하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 삭제
  8. 플라즈마 처리 장치에 의해 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 방법으로서,
    상기 플라즈마 처리 장치는, 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 처리 공간 및 전자기파를 합성하는 합성 공간을 갖는 챔버와, 상기 처리 공간과 상기 합성 공간을 나누는 유전체창과, 상기 합성 공간에 전자기파를 방사하는 복수의 안테나를 갖는 안테나 유닛과, 상기 안테나 유닛에 전자기파를 출력하는 전자기파 출력부와, 상기 처리 공간에서 상기 기판을 탑재하는 스테이지와, 상기 처리 공간에, ALD 성막을 행하기 위한 가스를 공급하는 가스 공급부를 갖고, 상기 유전체창은, 상기 처리 공간 측의 면에 복수의 오목부를 가지며,
    기판을 상기 스테이지 위에 탑재하는 공정과,
    ALD 성막이 실시되도록 상기 가스 공급부로부터 가스를 공급하는 공정과,
    상기 안테나 유닛을 페이즈드 어레이 안테나로서 기능시켜 상기 처리 공간에서 국재화한 플라즈마를 고속으로 이동시키는 공정
    을 갖는 플라즈마 처리 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가스를 공급하는 공정은, 상기 가스 공급부로부터, 제 1 가스 및 제 2 가스를, 퍼지 가스의 공급을 사이에 두고 번갈아 상기 처리 공간에 공급하는 플라즈마 처리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 국재화한 플라즈마를 고속으로 이동시키는 공정은, 상기 제 1 가스 및/또는 상기 제 2 가스가 공급되고 있는 기간, 복수의 상기 안테나로부터 방사되는 복수의 전자기파의 각각의 위상을, 간섭에 의해 상기 유전체창의 표면의 임의의 위치에 집광된 집광 부분이 형성되도록, 또한 상기 집광 부분이 고속으로 이동되도록 제어하는 플라즈마 처리 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 위상의 제어에 의해 상기 집광 부분의 이동 속도를 변화시켜, 단위 시간당 평균 전계 분포를 제어하는 플라즈마 처리 방법.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자기파의 주파수는 마이크로파대이고, 상기 유전체창과 상기 스테이지의 사이의 갭이 70㎜ 이하인 플라즈마 처리 방법.
  13. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스를 공급하는 공정은, 유전체창의 상기 기판의 중앙부에 상당하는 위치로부터 가스를 공급하는 플라즈마 처리 방법.
  14. 삭제
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