KR19990081764A - 마이크로파 플라즈마 처리장치 및 마이크로파 플라즈마 처리방법 - Google Patents

마이크로파 플라즈마 처리장치 및 마이크로파 플라즈마 처리방법 Download PDF

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Abstract

용기를 밀봉하는 밀봉부재측에, 환형상으로 벤딩 형성한 관형상부재에 슬릿을 개설한 안테나를 설치하여, 상기 슬릿에서 상기 밀봉부재로 마이크로파를 방사하도록 한 마이크로파 플라즈마 처리장치 및 처리방법.

Description

마이크로파 플라즈마 처리장치 및 마이크로파 플라즈마 처리방법
본 발명은 마이크로파를 사용하여 생성된 플라즈마에 의해 반도체기판 또는 액정디스플레이용 유리기판 등에 에칭, 애싱 또는 디포지션 등의 처리를 실시하는 장치 및 그 처리방법에 관한 것이다.
반응가스에 외부로부터 에너지를 부여하여 발생되는 플라즈마는 LSI 또는 LCD 등의 제조프로세스에 있어서 널리 사용되고 있다. 특히, 드라이에칭 프로세스에 있어서 플라즈마의 이용은 불가결한 기본기술로 되어 있다.
도 1 은 종래의 마이크로파 플라즈마 처리장치를 나타내는 측단면도이고, 도 2 는 도 1 에 나타낸 플라즈마 처리장치의 평면도이다. 사각형 상자형상의 반응기 (31) 는 그 전체가 알루미늄으로 형성되어 있다. 반응기 (31) 의 상부에는 마이크로파 도입창이 개설되어 있는데, 이 마이크로파 도입창은 밀봉판 (34) 으로 기밀상태로 밀봉되어 있다. 이 밀봉판 (34) 은 내열성 및 마이크로파 투과성을 가짐과 동시에 유전손실이 작은 석영유리 또는 알루미나 등의 유전체로 형성되어 있다.
반응기 (31) 에는 이 반응기 (31) 의 상부를 덮는 장방형 상자형상의 커버부재 (40) 가 연결되어 있다. 이 커버부재 (40) 내의 천정부분에는 유전체선로 (41) 가 장착되어 있고, 이 유전체선로 (41) 와 밀봉판 (34) 사이에는 에어갭 (43) 이 형성되어 있다. 유전체선로 (41) 는 테플론 (등록상표) 과 같은 불소수지, 폴리에틸렌수지 또는 폴리스티렌수지 등의 유전체를 사각형과 삼각형을 조합한 거의 오각형의 정점에 볼록부를 설치한 판형상으로 성형되어 이루어지고, 상기 볼록부를 커버부재 (40) 의 둘레면에 연결한 도파관 (21) 내에 끼워져 있다. 도파관 (21) 에는 마이크로파 발진기 (20) 가 연결되어 있고, 마이크로파 발진기 (20) 가 발진한 마이크로파는 도파관 (21) 에 의해 유전체선로 (41) 의 볼록부로 입사된다.
상술한 바와 같이 유전체선로 (41) 의 볼록부의 기단측은 평면에서 보아 거의 삼각형상의 테이퍼부 (41a) 로 되어 있고, 상기 볼록부에 입사된 마이크로파는 테이퍼부 (41a) 를 따라 그 폭방향으로 확산되어 유전체선로 (41) 의 전체에 전파된다. 이 마이크로파는 커버부재 (40) 의 도파관 (21) 에 대향하는 단면에서 반사되어 입사파와 반사파가 겹쳐져 유전체선로 (41) 에 정재파가 형성된다.
반응기 (31) 의 내부는 처리실 (32) 로 되어 있고, 가스도입관 (35) 에서 처리실 (32) 내로 소요 가스가 도입된다. 처리실 (32) 의 저부벽 중앙에는 시료 (W) 를 올려놓는 받침대 (33) 가 설치되어 있고, 받침대 (33) 에는 매칭 박스 (36) 를 통하여 고주파전원 (37) 이 접속되어 있다. 또한, 반응기 (31) 의 저부벽에는 배기구 (38) 가 개설되어 있고, 배기구 (38) 에서 처리실 (32) 의 내부 공기를 배출하도록 되어 있다.
이와 같은 마이크로파 플라즈마 처리장치를 사용하여 시료 (W) 의 표면에 에칭처리를 하기 위해서는 배기구 (38) 에서 배기하여 처리실 (32) 내를 원하는 압력까지 감압한 후, 가스도입관 (35) 에서 처리실 (32) 내로 반응가스를 공급한다. 이어서, 마이크로파 발진기 (20) 로부터 마이크로파를 발진시켜, 이것을 도파관 (21) 을 통하여 유전체선로 (41) 로 도입한다. 이 때, 테이퍼부 (41a) 에 의해 마이크로파는 유전체선로 (41) 내에서 균일하게 확산되어 유전체선로 (41) 내에 정재파를 형성한다. 이 정재파에 의해 유전체선로 (41) 의 아래쪽에 누설전계가 형성되고, 그것이 에어갭 (43) 및 밀봉판 (34) 을 투과하여 처리실 (32) 내로 도입된다. 이와 같이 하여 마이크로파가 처리실 (32) 내로 전파된다. 그럼으로써, 처리실 (32) 내에 플라즈마가 생성되고, 그 플라즈마에 의해 시료 (W) 의 표면을 에칭한다.
종래의 마이크로파 플라즈마 처리장치에서는 유전체선로 (41) 에 마이크로파를 균일하게 확산시키기 위하여 밀봉판 (34) 및 반응기 (31) 의 가장자리부에서 수평방향으로 돌출시킨 테이퍼부 (41a) 를 설치하고 있고, 이 테이퍼 (41a) 부의 치수는 유전체선로 (41) 의 면적, 즉 처리실 (32) 의 치수에 맞춰 정해진다. 따라서, 종래의 마이크로파 플라즈마 처리장치를 설치하는 경우, 반응기 (31) 의 가장자리에서 돌출시킨 테이퍼부 (41a) 를 받아들이기 위한 수평방향의 스페이스를 여분으로 확보해야만 한다.
그래서, 시료 (W) 의 대구경화에 따라 반응기 (31) 의 치수가 더욱 큰 마이크로파 플라즈마 처리장치가 요구되고 있다. 또한, 가능한 한 좁은 스페이스로 설치할 수 있는 장치가 요구되고 있다. 그러나, 종래의 장치에 있어서는 테이퍼부 (41a) 의 치수는 반응기 (31) 의 치수에 맞춰 정하기 때문에, 반응기 (31) 의 치수가 커짐에 따라 테이퍼부 (41a) 의 치수가 길어진다. 따라서, 반응기 (31) 의 치수가 더욱 큰 마이크로파 플라즈마 처리장치를 가능한 한 좁은 스페이스에 설치하려는 두가지 요구를 함께 만족시킬 수 없다.
본 발명은 이상과 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 하나의 목적은 반응기의 치수가 크더라도 장치 전체의 사이즈를 가급적 작게함으로써, 작은 스페이스에 설치할 수 있는 마이크로파 플라즈마 처리장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 안테나와 시료의 거리가 짧더라도 균일한 처리를 할 수 있는 마이크로파 플라즈마 처리장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 처리속도가 보다 큰 마이크로파 플라즈마 처리장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 반응가스의 이용효율을 향상시키는 마이크로파 플라즈마 처리장치를 제공하는 데 있다.
도 1 은 종래의 마이크로파 플라즈마 처리장치를 나타내는 측단면도이다.
도 2 는 도 1 에 나타낸 플라즈마 처리장치의 평면도이다.
도 3 은 본 발명에 관한 실시형태 1 의 마이크로파 플라즈마 처리장치의 구조를 나타내는 측단면도이다.
도 4 는 도 3 에 나타낸 마이크로파 플라즈마 처리장치의 평면도이다.
도 5 는 도 3 및 도 4 에 나타낸 슬릿을 설명하는 설명도이다.
도 6 은 도 4 에 나타낸 안테나내의 유전체에 분포하는 전계의 강도를 설명하는 설명도이다.
도 7 은 다른 슬릿의 구성을 설명하는 설명도이다.
도 8 은 또 다른 슬릿의 구성을 설명하는 설명도이다.
도 9 는 실시형태 2 의 플라즈마 처리장치를 나타내는 측단면도이다.
도 10 은 도 9 에 나타낸 마이크로파 플라즈마 처리장치의 평면도이다.
도 11 은 도 9 및 도 10 에 나타낸 슬릿을 설명하는 설명도이다.
도 12 는 도 10 에 나타낸 안테나내의 유전체에 분포하는 전계의 강도를 설명하는 설명도이다.
도 13 은 실시형태 3 의 플라즈마 처리장치를 나타내는 평면도이다.
도 14 는 실시형태 4 의 플라즈마 처리장치의 구조를 나타내는 측단면도이다.
도 15 는 도 14 에 나타낸 마이크로파 플라즈마 처리장치의 평면도이다.
도 16 은 실시형태 5 를 나타내는 측단면도이다.
도 17 은 실시형태 6 을 나타내는 측단면도이다.
도 18 은 실시형태 7 을 나타내는 측단면도이다.
도 19 는 실시형태 8 을 나타내는 측단면도이다.
도 20 은 실시형태 8 의 다른 구성을 나타내는 측단면도이다.
도 21 은 실시형태 9 를 나타내는 측단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1: 반응기
4: 밀봉판
10: 커버부재
11: 안테나
12: 환형상도파관형 안테나부
13: 도입부
14: 유전체
15: 슬릿
20: 마이크로파 발진기
본 발명에 관한 마이크로파 플라즈마 처리장치는 일측을 밀봉부재로 밀봉한 용기와, 이 용기내로 가스를 도입하는 가스도입로와, 상기 밀봉부재의 표면에 대향하여 배치된 안테나를 구비하며, 이 안테나는 마이크로파를 전파시키는 환형상의 관형상부재와, 이 환형상부재내로 마이크로파를 도입하기 위하여 상기 관형상부재의 둘레면에 개설한 도입구와, 상기 관형상부재의 상기 밀봉부재에 대면하는 부분에 개설된 슬릿을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 관한 마이크로파 플라즈마 처리방법은 상기 장치를 사용하여 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 한다.
도입구에서 안테나내로 입사된 마이크로파는 안테나의 관형상부재내를 서로 역방향으로 진행하는 진행파가 되어 안테나내를 전파하고, 양 진행파는 관형상부재의 도입구에 대향하는 위치에서 서로 충돌하여 정재파가 형성된다.
이 정재파에 의해 관형상부재의 벽면에 소정의 간격으로 극대가 되는 전류가 흐른다. 관형상부재의 상기 밀봉부재에 대향하는 부분에는 슬릿이 개설되어 있고, 상술한 전류에 의해 슬릿을 사이에 두고 관형상부재의 내외에서 전위차가 발생되고, 이 전위차에 의해 슬릿에서 밀봉부재로 전계가 방사된다. 즉, 안테나에서 밀봉부재로 마이크로파가 전파된다. 이 마이크로파는 밀봉부재를 투과하여 용기내로 도입되고, 그 마이크로파에 의해 플라즈마가 생성된다.
이와 같이 안테나의 관형상부재내로 직접적으로 마이크로파를 입사할 수 있으므로, 안테나는 용기에서 돌출되지 않는다. 따라서 마이크로파 플라즈마 처리장치의 수평방향의 치수를 작게 할 수 있다. 한편, 마이크로파는 안테나에서 용기의 거의 전역으로 유도되어 슬릿에서 방사되므로 용기내로 마이크로파를 균일하게 도입할 수 있다. 또한, 관형상부재의 내경을 소요 치수로 형성함으로써, 안테나내는 단일 모드 (기본 모드) 의 정재파를 형성할 수 있고, 그럼으로써 에너지손실을 가급적 적게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리장치는, 상기 슬릿은 상기 도입구에서 관형상부재내를 서로 역방향으로 동시에 진행하는 마이크로파가 서로 충돌하는 위치에서 소정의 간격으로 복수 개설되어 있는 것을 특징으로 한다.
환형상 안테나에 적절한 간격으로 형성한 복수의 슬릿에서 용기내로 마이크로파가 방사형상으로 도입되므로, 용기내에서 거의 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다. 그럼으로써, 피처리물을 거의 균일하게 플라즈마 처리할 수 있다.
그리고, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리장치는, 상기 슬릿은 복수 개설되어 있으며, 인접하는 슬릿의 간격은 다음 식에 의거하여 정해져 있는 것을 특징으로 한다.
L ＝ m·λg/2
단, m 은 정수, λg 는 안테나내를 전파하는 마이크로파의 파장.
또한, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리장치는 마이크로파가 서로 충돌하는 위치로부터 (2n-1)·λg/4 를 떨어진 위치에 슬릿이 개설되어 있고, 이 슬릿으로부터 m·λg/2 씩 떨어진 위치에 다른 슬릿이 개설되어 있는 것을 특징으로 한다. 단, m, n 은 모두 정수, λg 는 안테나내를 전파하는 마이크로파의 파장이다.
안테나의 관형상부재내에 형성된 정재파에 의해 관형상부재의 벽면을 통해 흐르는 전류는 상술한 양 진행파가 서로 충돌하는 위치로부터 관형상부재의 둘레방향의 양측으로 λg/4 떨어진 2 개의 위치에서 극대가 되고, 또한 그들의 위치로부터 λg/2 를 떨어질 때마다 극대로 된다. 따라서, 양 진행파가 서로 충돌하는 위치로부터 (2n-1)·λg/4 를 떨어진 위치에 슬릿을 개설하고, 이 슬릿으로부터 m·λg/2 의 간격으로 다른 슬릿을 개설하였을 경우, 에너지 손실을 가능한 한 억제하여 각 슬릿에서 마이크로파를 방사할 수 있다.
그리고 또, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리장치는, 상기 관형상부재는 환중심축을 포함하는 평면에 의해 절단된 상기 관형상부재의 절단면에 있어서의 중심을 통과하는 중심선의 길이가 상기 안테나를 전파하는 마이크로파의 파장의 거의 정수배인 것을 특징으로 한다.
상기 중심선의 길이가 안테나내를 전파하는 마이크로파의 파장의 거의 정수배이므로, 마이크로파는 안테나내에서 공진하여 안테나내에 형성된 정재파의 진폭이 증대되어 고전계강도의 마이크로파가 슬릿에서 용기로 방사된다.
그리고 또, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리장치는 상기 관형상부재내에 유전체가 끼워 넣어져 있는 것을 특징으로 한다.
안테나에 입사된 마이크로파는 유전체에 의해 그 파장이 1/√ (εr) 배 (εr 은 유전체의 비유전률) 만큼 짧아진다. 따라서, 동일 직경의 관형상부재를 사용한 경우 유전체가 끼워져 있을 때가 유전체가 끼워져 있지 않은 때보다 관형상부재의 벽면을 통해 흐르는 전류가 극대로 되는 위치가 많고, 그 만큼 슬릿을 많이 개설할 수 있다. 따라서, 용기내로 마이크로파를 더욱 균일하게 도입할 수 있다.
그리고 또, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리장치는, 상기 도입구는 상기 관형상부재의 둘레면에 복수 개설되어 있고, 각 도입구에서 상기 관형상부재내로 마이크로파를 입사하도록 되어 있는 것을 특징으로 한다.
관형상부재의 환중심을 사이에 두고 도입구와 대향하는 위치의 슬릿에서 용기로 방사된 마이크로파의 에너지는 다른 슬릿에서 방사되는 마이크로파의 에너지보다 낮은 경우가 있다. 이 때, 2 개의 도입구를 환형상부재의 둘레방향으로 서로 대향하도록 배치함으로써, 마이크로파의 에너지가 낮아지는 부분을 서로 보충하여 용기내로 마이크로파를 균일하게 도입할 수 있다.
또한, 1 개의 도입구에서 환형상부재의 둘레방향으로 k·λg/2 (k 는 정수, λg 는 안테나내를 전파하는 마이크로파의 파장) 을 떨어진 1 또는 복수의 위치에 다른 도입구를 설치함으로써, 환형상부재에서 용기로 방사된 마이크로파의 에너지를 환형상부재의 둘레방향의 소요 위치에서 조정할 수 있다.
그리고 또, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리장치는 상기 밀봉부재의 상기 안테나로 둘러싸인 부분에 상기 밀봉부재를 관통하는 관통공이 개설되어 있고, 이 관통공으로 가스를 도입하기 위한 관이 장착되어 있는 것을 특징으로 한다.
그리고 또, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리방법은, 상기 장치를 사용하여 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 한다.
반응가스는 용기의 중앙부에서 용기의 모든 가장자리방향으로 방사형상으로 거의 균일하게 확산되므로, 피처리물은 거의 균일하게 플라즈마 처리된다. 또한, 용기내에 공급된 반응가스의 플라즈마 중의 체류시간이 길어 반응가스의 이용효율이 향상된다.
또한 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리장치는 상기 안테나로 둘러싸인 상기 밀봉부재상에 상기 안테나와는 전기적으로 절연시켜 설치한 전극을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
그리고 또, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리방법은 상기 장치를 사용하여 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리방법은 나아가 상기 전극에 고주파수의 교류전계를 인가하는 전원을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
전극에 예컨대 13.56 ㎒ 부근의 고주파전계를 인가함으로써, 상기 용기의 전극에 대향하는 영역에 플라즈마를 생성시킬 수 있다. 이와 같이 용기내의 전극에 대향하는 영역 및 그 주위의 영역에 플라즈마를 생성시킬 수 있으므로, 안테나와 피처리물 사이의 거리를 짧게 하여도 플라즈마가 충분히 확산되고, 피처리물과 동일면내에서 거의 균일해진다. 따라서, 마이크로파 플라즈마 처리장치의 치수, 특히 수직방향의 치수를 더욱 작게 할 수 있다. 또한, 소요 플라즈마 처리를 빠른 처리속도로 실시할 수 있다.
또한, 상기 안테나에서 방출시킨 마이크로파에 의한 플라즈마의 생성과는 별도로, 플라즈마를 생성할 수 있으므로, 전극에 인가하는 고주파전계의 파워를 제어함으로써, 안테나에서 방출시키는 마이크로파의 파워를 조절하지 않고, 피처리물의 중앙부 및 가장자리부에 있어서의 플라즈마 처리의 속도를 균일하게 할 수 있다.
그리고 또, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리장치는 상기 전극에 저주파수의 교류전계를 인가하는 전원을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
안테나내에 마이크로파를 발진하고, 용기내의 안테나에 대향하는 영역에 플라즈마를 생성함과 동시에 전극에 200 ㎑ ∼ 2 ㎒, 바람직하게는 400 ㎑ 의 저주파전계를 인가하므로, 마이너스의 전계에서는 플라즈마 중의 플러스에 충전된 이온이 안테나의 벤딩 형성된 부분의 중앙측으로 이동하고, 플러스의 전계에서는 그것과는 역방향으로 이동한다. 그럼으로써, 플라즈마의 상태를 안정되게 유지하면서 플라즈마의 확산효율이 향상되고, 안테나와 피처리물 사이의 거리를 짧게 하여도 피처리물과 동일면내에서 거의 균일한 플라즈마가 얻어진다. 따라서, 마이크로파 플라즈마 처리장치의 수직방향의 치수를 작게 할 수 있다. 또한, 소요 플라즈마 처리를 빠른 처리속도로 실시할 수 있다.
그런데, 피처리물의 두께방향으로 지향성을 가지는 이방성 에칭을 하는 경우, 피처리물을 올려놓는 받침대에 저주파 바이어스 (Vasin (ωt) : ω 는 각주파수, t 는 시간) 를 인가함으로써, 플라즈마중의 이온을 피처리물상으로 끌어들이고 있다. 이 때, 상기 받침대에 인가하는 저주파 바이어스와 역인 바이어스 (－Vbsin (ωt)) 를 상술한 전극에 인가한다. 그럼으로써, 플라즈마 중의 이온은 받침대의 중앙부분에서 (Va＋Vb) 의 전위를 받게 되어 에칭처리의 이방성이 향상된다.
또한, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리장치는 상기 전극에 직류전계를 인가하는 전원을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
안테나내에 마이크로파를 발진하고, 용기내의 안테나에 대향하는 영역에 플라즈마를 생성함과 동시에 상술한 전극에 마이너스의 직류전계를 인가하므로, 플라즈마 중의 플러스에 충전된 이온이 안테나의 벤딩 형성된 부분의 중앙측으로 이동한다. 따라서, 플라즈마의 균일화를 도모할 수 있다. 그래서, 안테나와 피처리물 사이의 거리를 짧게 할 수 있고, 마이크로파 플라즈마 처리장치의 치수를 더욱 작게 할 수 있다. 또한, 피처리물의 플라즈마 처리속도가 향상된다.
또한, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리장치는 상기 안테나로 둘러싸인 상기 밀봉부재의 영역에 접속한 도파관과, 이 도파관내로 마이크로파를 발진하는 마이크로파 발진기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리방법은 상기 장치를 사용하여 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 한다.
도판관에서 용기내로 마이크로파를 도입하여 별도로 플라즈마를 생성하므로, 용기내의 도파관의 개구에 대향하는 영역 및 그 주위의 영역에 플라즈마를 생성할 수 있고, 안테나와 피처리물 사이의 거리를 짧게 하여도 플라즈마가 충분히 확산되어 피처리물과 동일면내에서 거의 균일해진다. 따라서, 마이크로파 플라즈마 처리장치의 치수, 특히 수직방향의 치수를 보다 작게 할 수 있다. 또한, 소요 플라즈마 처리를 빠른 처리속도로 실시할 수 있다.
그리고, 상기 안테나에서 방출시킨 마이크로파에 의한 플라즈마의 생성과는 별도로, 플라즈마를 생성할 수 있으므로, 상기 도파관내로 도입하는 마이크로파의 파워를 제어함으로써, 안테나에서 방출시키는 마이크로파의 파워를 조절하지 않고, 피처리물의 중앙부 및 가장자리부에 있어서의 플라즈마 처리의 속도를 균일하게 할 수 있다.
그리고 또, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리장치는 상기 도파관과 상기 밀봉부재의 상기 안테나로 둘러싸인 부분의 간극을 관통하여 상기 용기내로 가스를 도입하는 가스도입로를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
가스는 용기의 중앙부분에서 모든 가장자리방향으로 방사형상으로 확산하고, 용기의 직경방향의 복수의 위치에 있어서 거의 균일한 밀도가 되도록 플라즈마가 생성된다. 그럼으로써, 피처리물의 전영역을 균일한 속도로 처리할 수 있다.
또한, 가스는 그 대부분이 용기내에 생성된 플라즈마내로 공급됨과 더불어, 공급된 가스는 플라즈마 중에 비교적 긴 시간 체류하므로 가스의 이용효율이 높다. 한편, 가스도입로는 밀봉부재의 안테나로 둘러싸인 영역에 형성되어 있으므로 안테나내를 전파하는 마이크로파에 악영향을 미치지 않는다.
이들 발명의 목적과 신규한 특징은 다음의 상세한 설명을 첨부도면과 대조하면서 보면 보다 완전하게 밝혀질 것이다.
이하 본 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 구체적으로 설명한다.
실시형태 1
도 3 은 본 발명에 관한 마이크로파 플라즈마 처리장치의 구조를 나타내는 측단면도이고, 도 4 는 도 3 에 나타낸 마이크로파 플라즈마 처리장치의 평면도이다. 유저(有底)원통형상의 반응기 (1) 는 그 전체가 알루미늄으로 형성되어 있다. 반응기 (1) 의 상부에는 마이크로파 도입창이 개설되어 있고, 이 마이크로파 도입창은 밀봉판 (4) 으로 기밀상태로 밀봉되어 있다. 이 밀봉판 (4) 은 내열성 및 마이크로파 투과성을 가짐과 동시에 유전손실이 작은 석영유리 또는 알루미나 등의 유전체로 형성되어 있다.
상술한 밀봉판 (4) 의 상면 및 외주면은 도전성금속을 원형덮개형상으로 성형하여 이루어지는 커버부재 (10) 로 덮여 있고, 이 커버부재 (10) 는 반응기 (1) 상에 고정되어 있다. 커버부재 (10) 의 상면에는 반응기 (1) 내로 마이크로파를 도입하기 위한 안테나 (11) 가 설치되어 있다. 안테나 (11) 는 커버부재 (10) 의 상면에 고정되어 있고, 환형상으로 성형하여 이루어지는 환형상도파관형 안테나부 (12) 를 구비하고 있다. 커버부재 (10) 의 환형상도파관형 안테나부 (12) 에 대향하는 부분에는 복수의 슬릿 (15,15,…) 이 개설되어 있다.
환형상도파관형 안테나부 (12) 는 반응기 (1) 의 내주면에서 약간 내측으로 반응기 (1) 의 중심축과 동심원상에 설치되어 있고, 그 외주면에 형성된 개구 (도입구) 에는 이 환형상도파관형 안테나부 (12) 로 마이크로파를 도입하기 위한 도입부 (13) 가 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 직경방향에 맞춰 연결되어 있다. 이 도입부 (13) 및 환형상도파관형 안테나부 (12) 내에는 테플론 (등록상표) 과 같은 불소수지, 폴리에틸렌수지 또는 폴리스티렌수지 (바람직하게는 테플론) 등의 유전체 (14) 가 끼워 넣어져 있다.
도입부 (13) 에는 도파관 (21) 이 접속되어 있고, 도파관 (21) 에는 마이크로파 발진기 (20) 가 접속되어 있다. 마이크로파 발진기 (20) 가 발진한 마이크로파는 도파관 (21) 을 거쳐 안테나 (11) 의 도입부 (13) 로 입사된다. 이 입사파는 도입부 (13) 에서 환형상도파관형 안테나부 (12) 로 도입된다. 환형상도파관형 안테나부 (12) 로 도입된 마이크로파는 환형상도파관형 안테나부 (12) 를 서로 역방향으로 진행하는 진행파로서, 이 환형상도파관형 안테나부 (12) 내의 유전체 (14) 중을 전파하고, 양 진행파는 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 상기 개구에 대향하는 위치에서 충돌하여 정재파가 생성된다. 이 정재파에 의해 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 내면에, 소정 간극으로 최대치를 나타내는 전류가 흐른다.
이 때, 환형상도파관형 안테나부 (12) 내를 전파하는 마이크로파의 모드를 기본전파 모드인 사각형 TE 10 으로 하기 위하여, 마이크로파의 주파수 2.45 ㎓ 에 맞춰 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 치수를, 높이 27 ㎜, 폭 66.2 ㎜ 로 하고 있다. 이 모드의 마이크로파는 에너지를 거의 손실하지 않고 환형상도파관형 안테나부 (12) 내의 유전체 (14) 를 전파한다.
또한, 직경이 380 ㎜ 의 밀봉판 (4) 을 사용하여 환형상도파관형 안테나부 (12) 내에 εr ＝ 2.1 의 테플론 (등록상표) 을 끼워 넣었을 경우, 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 환중심에서 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 폭방향의 중앙까지의 치수를 141 ㎜ 로 하고 있다. 이 경우, 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 폭방향의 중앙을 잇는 원 (C) (도 5 참조) 의 둘레방향의 길이 (거의 886 ㎜) 는 이 환형상도파관형 안테나부 (12) 내를 전파하는 마이크로파의 파장 (거의 110 ㎜) 의 거의 정수배이다. 따라서, 마이크로파는 환형상도파관형 안테나부 (12) 내에서 공진하고, 상술한 정재파는 그 파복 위치에서 고전압·저전류, 절점 위치에서 저전압·고전류가 되어 안테나의 Q 값이 향상된다.
도 5 는 도 3 및 도 4 에 나타낸 슬릿 (15,15,…) 을 설명하는 설명도이다. 도 5 에 나타낸 바와 같이 사각형 (장방형) 의 슬릿 (15,15,…) 은 그 길이방향이 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 직경방향으로, 즉 환형상도파관형 안테나부 (12) 내를 전파하는 마이크로파의 진행방향과 직교하도록 개설되어 있다. 환형상도파관형 안테나부 (12) 가 상술한 치수인 경우, 각 슬릿 (15,15,…) 의 길이는 50 ㎜ 이고, 폭은 20 ㎜ 이다.
각 슬릿 (15,15,…) 은 도입부 (13) 의 중심선을 연장한 연장선 (L) 과 상술한 원 (C) 이 교차하는 2 점 중의 도입부 (13) 에서 이격한 측인 교점 (P1) 으로부터 원 (C) 을 따라 그 양 방향으로, 각각 (2n-1)·λg/4 (n 은 정수, λg 은 안테나내를 전파하는 마이크로파의 파장) 를 떨어진 위치에 2 개의 슬릿 (15,15) 을 개설하고 있고, 양 슬릿 (15,15) 으로부터 원 (C) 을 따라 그 양 방향으로, m·λg/2 (m 은 정수) 의 간격으로 복수의 다른 슬릿 (15,15,…) 이 각각 개설되어 있다.
도 6 은 도 4 에 나타낸 환형상도파관형 안테나부 (12) 내의 유전체 (14) 에 분포하는 전계의 강도를 시뮬레이션한 결과를 설명하는 설명도이다. 테플론을, 진원(眞圓)의 환형상체 (141) 의 외주에 봉형상체 (142) 를 설치한 형상으로 성형하여 이루어지는 유전체에, 상기 봉형상체 (142) 의 단부에서 2.45 ㎓ 의 마이크로파를 삽입하고, 마이크로파의 전파에 의해 형성되는 전계의 강도를 시뮬레이션하여 같은 전계강도의 위치를 선으로 연결하였다. 그 결과, 도 6 에 나타낸 바와 같이 복수의 전계강도가 강한 영역이 환형상체 (141) 의 환중심 및 봉상체 (142) 의 중앙을 통과하는 축과 대칭이 되도록 유전체에 형성되어 있다.
상술한 각 슬릿 (15,15,…) 은 인접하는 전계강도가 강한 영역 사이에 위치하고 있고, 각 슬릿 (15,15,…) 에서 강전계강도의 전계가 누출되고, 이 전계는 밀봉판 (4) 을 투과하여 반응기 (1) 내로 도입된다. 즉, 반응기 (1) 내로 플라즈마를 생성하는 마이크로파가 도입된다.
또한, 본 실시형태에서는 슬릿 (15,15,…) 은 그 길이방향이 환형상도파관형 안테나부 (12) 내를 전파하는 마이크로파의 진행방향과 직교하도록 개설되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으므로 도 7 에 나타내는 바와 같이 길이방향이 상기 마이크로파의 진행방향으로 비스듬히 교차하도록 슬릿을 개설하여도 된다. 또, 도 8 에 나타내는 바와 같이 슬릿의 길이방향이 마이크로파의 진행방향을 따르도록 개설하여도 된다. 반응기 (1) 내에 생성된 플라즈마에 의해 안테나 (11) 내를 전파하는 마이크로파의 파장이 변화되어 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 주벽을 통해 흐르는 전류의 극대치를 나타내는 위치가 변화되는 경우가 있으나, 마이크로파의 진행방향으로 비스듬히 개설된 슬릿 또는 마이크로파의 진행방향으로 개설된 슬릿에 있어서는, 전류의 극대치를 나타내는 위치의 변화를 슬릿의 영역내로 가져올 수 있다.
상술한 바와 같이 각 슬릿 (15,15,…) 은 커버부재 (10) 의 거의 방사형상으로 형성되어 있으므로 마이크로파는 반응기 (1) 내의 전영역에 균일하게 도입된다. 한편, 도 3 에 나타낸 바와 같이 안테나 (11) 는 반응기 (1) 의 직경과 같은 직경의 커버부재 (10) 상에 이 커버부재 (10) 의 가장자리에서 돌출하지 않고 설치되어 있으므로, 반응기 (1) 의 직경이 크더라도 마이크로파 플라즈마 처리장치의 사이즈를 작게 할 수 있다. 따라서 작은 스페이스에 설치할 수 있다.
커버부재 (10) 의 거의 중앙에는 이 커버부재 (10) 및 밀봉판 (4) 을 관통하는 관통공이 개설되어 있고, 이 관통공에 끼워진 가스도입관 (5) 에서 처리실 (2) 내로 소요 가스가 도입된다. 처리실 (2) 의 저부벽 중앙에는 시료 (W) 를 올려놓는 받침대 (3) 가 설치되어 있고, 받침대 (3) 에는 매칭 박스 (6) 를 통하여 고주파전원 (7) 이 접속되어 있다. 또한, 반응기 (1) 의 저부벽에는 배기구 (8) 가 개설되어 있어, 배기구 (8) 에서 처리실 (2) 의 내부 공기를 배출하도록 이루어져 있다.
이와 같은 마이크로파 플라즈마 처리장치를 사용하여 시료 (W) 의 표면에 에칭처리를 하기 위해서는 배기구 (8) 에서 배기하여 처리실 (2) 내를 원하는 압력까지 감압한 후, 가스도입관 (5) 에서 처리실 (2) 내로 반응가스를 공급한다. 이어서, 마이크로파 발진기 (20) 에서 마이크로파를 발진시켜 이것을 도파관 (21) 을 거쳐 안테나 (11) 로 도입하고, 거기에 정재파를 형성시킨다. 이 정재파에 의해 안테나 (11) 의 슬릿 (15,15,…) 에서 방사된 전계는 밀봉판 (4) 을 투과하여 처리실 (2) 내로 도입되고, 처리실 (2) 내에 플라즈마가 생성되어 이 플라즈마에 의해 시료 (W) 의 표면을 에칭한다.
상술한 바와 같이 커버부재 (10) 의 거의 중앙에 장착한 가스도입관 (5) 에서 처리실 (2) 내로 반응가스를 공급하도록 되어 있으므로, 반응가스는 처리실 (2) 의 거의 중앙에서 모든 가장자리방향으로 방사형상으로 확산된다. 따라서, 시료 (W) 상에 반응가스가 균일하게 흐르고, 시료 (W) 의 전영역에 있어서 거의 균일한 속도로 처리할 수 있다. 나아가, 반응가스는 그 대부분이 처리실 (2) 내에 생성된 플라즈마내로 공급됨과 더불어 공급된 반응가스는 플라즈마 중에 비교적 긴 시간 체류하므로 반응가스의 이용효율이 높다.
실시형태 2
도 9 는 실시형태 2 를 나타내는 측단면도로서, 상술한 도입부의 환형상도파관형 안테나부로의 연결위치를 변경한 경우를 나타내고 있다. 또 도 10 은 도 9 에 나타낸 마이크로파 플라즈마 처리장치의 평면도이고, 도 11 은 도 9 및 도 10 에 나타낸 슬릿 (15,15,…) 을 설명하는 설명도이다. 그리고, 이들 도면 중 도 3, 도 4 및 도 5 에 나타낸 부분에 대응하는 부분에는 같은 번호를 붙이고 그 설명을 생략한다.
본 실시형태에 관한 안테나 (16) 는 진원의 환형상도파관형 안테나부 (17) 가 반응기 (1) 의 내주면에서 약간 내측으로 반응기 (1) 의 중심축과 동심원상에 설치되어 있고, 그 외주면에 형성한 개구의 주위에는 직관형상의 도입부 (18) 가 환형상도파관형 안테나부 (17) 의 접선방향을 따르도록 연결되어 있다.
사각형 (장방형) 의 슬릿 (15,15,…) 은 그 길이방향이 환형상도파관형 안테나부 (17) 의 직경방향을 따르도록, 즉 환형상도파관형 안테나부 (17) 내를 전파하는 마이크로파의 진행방향과 직교하도록 개설되어 있다. 각 슬릿 (15,15,…) 은 도입부 (18) 의 중심선을 연장한 연장선 (L) 이 원 (C) 과 접하는 접점 (P3) 을 통과하는 법선 (L2) 과 원 (C) 이 교차하는 2 개의 점 중의 상기 접점 (P3) 이외의 교점 (P2) 으로부터 원 (C) 을 따라 그 양쪽으로, 각각 (2n-1)·λg/4 (n 은 정수, λg 은 안테나내를 전파하는 마이크로파의 파장) 을 떨어진 위치에 2 개의 슬릿 (15,15) 이 개설되어 있고, 양 슬릿 (15,15) 으로부터 원 (C) 을 따라 그 양방으로, m·λg/2 (m 은 정수) 의 간격으로 복수의 다른 슬릿 (15,15,…) 이 개설되어 있다.
이들 슬릿 (15,15,…) 은 도 12 에 나타낸 복수의 전계강도가 강한 영역 사이의 거의 중앙에 위치하고 있고, 실시형태 1 과 마찬가지로 각 슬릿 (15,15,…) 에서 강전계강도의 전계가 누출되어 이 전계는 밀봉판 (4) 을 투과하여 반응기 (1) 내로 도입된다.
그리고, 상술한 실시형태 (1,2) 에서는 슬릿안은 비어 있지만 본 발명은 이에 한정되지 않으므로 슬릿에 유전체를 채워도 된다. 안테나내로 도입하는 마이크로파의 파워가 높은 경우, 슬릿의 각부에서 마이크로파의 전계가 국소적으로 집중되어, 슬릿과 밀봉판 사이에서 이상방전이 발생될 우려가 있다. 이 이상방전에 의해 플라즈마가 불안정·불균일해짐으로써, 플라즈마 처리에 지장을 가져오는 경우 또는 슬릿이나 밀봉판이 손상되는 경우가 있다. 그러나, 슬릿내로 유전체를 삽입한 경우, 슬릿의 각부에 대한 전계의 집중을 억제할 수 있음과 동시에 방전이 일어날 수 있는 공간을 유전체에 의해 막을 수 있으므로, 상술한 이상방전이 발생되지 않는다. 따라서, 보다 높은 파워의 마이크로파를 사용하여 안정·균일하게 시료를 플라즈마 처리할 수 있다. 슬릿내에 채우는 유전체로서는 마이크로파를 흡수하지 않는 테플론 (등록상표), 석영, 알루미나 등을 사용할 수 있지만, 알루미나는 국소적인 전계의 집중을 억제할 수 있으므로 바람직하다.
실시형태 3
도 13 은 실시형태 3 을 나타내는 평면도로서, 환형상도파관형 안테나부에 둘레방향의 복수위치에서 마이크로파를 입사하도록 되어 있다. 그리고, 도면 중 도 4 에 나타낸 부분과 대응하는 부분에는 같은 번호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 도 13 에 나타내는 바와 같이 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 외주면의 서로 대향하는 위치에 형성한 개구 (도입구) 에는 이 환형상도파관형 안테나부 (12) 로 마이크로파를 도입하기 위한 도입부 (13a,13b) 가, 축방향이 각각 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 직경방향을 따르도록 연결되어 있다. 이 도입부 (13a,13b) 및 환형상도파관형 안테나부 (12) 내에는 테플론 (등록상표) 과 같은 불소수지, 폴리에틸렌수지 또는 폴리스티렌수지 (바람직하게는 테플론) 등의 유전체가 채워져 있다.
양 도입부 (13a,13b) 에 대응하여 마이크로파 발진기 (20a,20b) 가 각각 설치되어 있고, 양 마이크로파 발진기 (20a,20b) 와 도입부 (13a,13b) 사이에는 도파관 (21a,21b) 이 각각 접속되어 있다. 마이크로파 발진기 (20a,20b) 가 발진한 마이크로파는 도파관 (21a,21b) 을 거쳐 안테나 (11) 의 도입부 (13a,13b) 에서 환형상도파관형 안테나부 (12) 로 입사된다. 상술한 바와 같이 양 도입부 (13a,13b) 는 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 둘레방향으로 서로 대향하도록 배치되어 있으므로, 양 도입부 (13a,13b) 에서 환형상도파관형 안테나부 (12) 로 입사된 마이크로파에 의해 환형상도파관형 안테나부 (12) 내의 유전체에 도 6 에 나타낸 바와 같은 분포의 복수의 전계강도가 강한 영역이 형성된다.
환형상도파관형 안테나부 (12) 의 한쪽의 도입부 (13a) 와 대향하는 도입부 (13b) 근방에서 반응기 (1) 로 방사되는 마이크로파의 에너지는, 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 다른 부분에서 방사되는 마이크로파의 에너지보다 낮은 경우가 있지만, 타방의 도입부 (13b) 에서도 마이크로파가 입사되므로 에너지의 저하를 방지할 수 있다. 또한 반대경우도 마찬가지이다. 이와 같이 도입부 (13a,13b) 는 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 둘레방향으로 서로 대향하도록 배치되어 있으므로, 마이크로파의 에너지가 낮아지는 부분을 서로 보충하여 반응기 (1) 내로 마이크로파를 더욱 균일하게 도입할 수 있다.
그리고, 본 실시형태에서는 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 외주면에 2 개의 도입부 (13a,13b) 가 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 둘레방향으로 서로 대향하도록 배치되어 있지만 본 발명은 이에 한정되지 않으므로 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 외주면에 이 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 환중심축에 대하여 축대칭이 되도록 복수의 도입부를 설치하여도 된다.
이어서, 안테나와 피처리물 사이의 거리를 보다 짧게 하여도 플라즈마가 충분히 확산될 수 있는 마이크로파 플라즈마 처리장치에 대하여 이하에 설명한다.
실시형태 4
도 14 는 실시형태 4 의 마이크로파 플라즈마 처리장치의 구조를 나타내는 측단면도이고, 도 15 는 도 14 에 나타낸 마이크로파 플라즈마 처리장치의 평면도이다. 유저원통형상의 반응기 (1) 는 그 전체가 알루미늄으로 형성되어 있다. 반응기 (1) 의 측벽에는 가스도입관 (105) 이 접속되어 있고, 처리실 (2) 내로 소요 가스가 도입되도록 되어 있다.
밀봉판 (4) 의 상면 및 외주면에는 도전성금속을 원형덮개형상으로 성형하고, 중앙에 원형의 구멍을 개설하여 이루어지는 커버부재 (10) 로 덮여 있고, 이 커버부재 (10) 는 반응기 (1) 상에 고정되어 있다. 커버부재 (10) 상의 상기 구멍의 주위에는 반응기 (1) 내로 마이크로파를 도입하기 위한 안테나 (11) 가 설치되어 있다. 안테나 (11) 는 실시형태 1 과 마찬가지로 커버부재 (10) 의 상면에 고정되어 있고, 환형상으로 성형하여 이루어지는 환형상도파관형 안테나부 (12) 를 구비하고 있다. 커버부재 (10) 의 환형상도파관형 안테나부 (12) 에 대향하는 부분에는 복수의 슬릿 (15,15,…) 이 개설되어 있다.
커버부재 (10) 의 환형상도파관형 안테나부 (12) 로 둘러싸인 부분에 형성되어 있는 원형의 구멍에는 링형상의 절연부재 (24) 가 끼워져 있고, 이 절연부재 (24) 내에는 원판형상의 전극 (25) 이 끼워맞춰져 있다. 실시형태 1 과 같은 치수의 안테나 (11) 를 사용한 경우, 전극 (25) 의 직경은 거의 100 ㎜ 이다. 이 전극 (25) 은 동축 케이블에 의해 제 2 고주파전원 (27) 에 접속되어 있고, 이 제 2 고주파전원 (27) 에서 전극 (25) 으로 13.56 ㎒ 의 고주파가 인가된다. 그리고, 기타 부분의 구성, 치수 등은 실시형태 1 과 동일하며, 대응하는 부분에는 같은 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.
이와 같은 마이크로파 플라즈마 처리장치를 사용하여 시료 (W) 의 표면에 에칭처리를 하기 위해서는 배기구 (8) 에서 배기하여 처리실 (2) 내를 원하는 압력까지 감압한 후, 가스도입관 (105) 에서 처리실 (2) 내로 반응가스를 공급한다. 이어서, 2.45 ㎓ 의 마이크로파를 안테나 (11) 로 도입하고, 거기에 정재파를 형성시킨다. 이 정재파에 의해 안테나 (11) 의 슬릿 (15,15,…) 에서 처리실 (2) 내로 전계를 방사시키고, 상술한 실시형태 1 과 마찬가지로 처리실 (2) 내의 밀봉판 (4) 의 근방에서, 상기 슬릿 (15,15,…) 에 대응하는 각 영역에 각각 플라즈마를 생성시킨다. 그럼으로써, 실시형태 1 과 동일한 효과가 얻어진다.
또한, 제 2 고주파전원 (27) 에서 전극 (25) 으로 13.56 ㎒ 의 고주파를 인가하고, 처리실 (2) 내의 밀봉판 (4) 의 근방에서, 전극 (25) 에 대응하는 영역에 플라즈마를 생성시킨다. 이들 영역에서 생성된 플라즈마는 각 영역에서 확산하면서 받침대 (3) 로 전파하고, 거의 균일하게 된 플라즈마에 의해 받침대 (3) 상의 시료 (W) 의 표면이 에칭된다. 이와 같이 안테나 (11) 의 중앙부분에 대응하는 영역에도 플라즈마가 생성되므로, 받침대 (3) 와 밀봉판 (4) 사이의 거리가 짧은 경우라도, 즉 확산거리가 짧은 경우라도, 받침대 (3) 의 표면과 동일면내에 있어서 거의 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다. 그럼으로써, 마이크로파 플라즈마 처리장치의 사이즈를 더욱 작게 할 수 있다. 또한, 플라즈마 처리의 속도를 향상시킬 수도 있다.
그리고, 마이크로파 발진기 (20) 가 발진하고, 안테나 (11) 에서 방출시킨 마이크로파에 의한 플라즈마의 생성과는 별도로, 상기 전극 (25) 에 고주파전계를 인가함으로써 처리실 (2) 내에 플라즈마를 생성할 수 있다. 따라서, 전극 (25) 에 인가하는 고주파전계의 파워를 제어함으로써, 마이크로파 발진기 (20) 에서 발진시키는 마이크로파의 파워를 조절하지 않고, 피처리물의 중앙부 및 가장자리부에 있어서의 플라즈마 처리의 속도를 균일하게 할 수 있다.
또한, 실시형태 4 에서는 슬릿 (15,15,…) 은 환형상도파관형 안테나부 (12) 내를 전파하는 마이크로파의 진행방향과 직교하도록 개설되어 있지만, 이에 한정되지 않으므로 상술한 바와 같이 상기 마이크로파의 진행방향으로 비스듬히 교차하도록 슬릿을 개설하여도 되고, 또한 마이크로파의 진행방향으로 개설하여도 된다. 슬릿의 길이방향을 마이크로파의 진행방향으로 비스듬히 개설한 경우 또는 마이크로파의 진행방향으로 개설한 경우에 있어서는, 전류의 극대치를 나타내는 위치의 변화를 슬릿의 영역내로 가져올 수 있다. 후술할 실시형태에 있어서도 마찬가지이다.
실시형태 5
도 16 은 실시형태 5 의 플라즈마 처리장치를 나타내는 측단면도로서, 상술한 제 2 고주파전원 (27) 에 대신하여 제 2 마이크로파 발진기 (22) 를 사용한 경우를 나타내고 있다. 그리고, 도면 중 도 14 와 대응하는 부분에는 같은 번호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 도 16 에 나타내는 바와 같이 커버부재 (10) 의 중앙에 개설하고 있는 원형의 구멍에는 링형상의 절연부재 (24) 가 끼워지고, 절연부재 (24) 의 내주에는 원통형의 제 2 도파관 (23) 의 일단이 끼워져 있다. 제 2 도파관 (23) 의 타단은 2.45 ㎓ 의 마이크로파를 발진하는 제 2 마이크로파 발진기 (22) 에 연결되어 있다.
이와 같은 마이크로파 플라즈마 처리장치에 있어서는 상술한 바와 같이 마이크로파 발진기 (20) 에서 2.45 ㎓ 의 마이크로파를 발진시키고, 그것을 안테나 (11) 로 도입하고, 안테나 (11) 의 슬릿 (15,15,…) 에서 처리실 (2) 내로 전계를 방사시키고, 그럼으로써 처리실 (2) 내의 밀봉판 (4) 의 근방에서, 상기 슬릿 (15,15,…) 에 대응하는 각 영역에 각각 플라즈마를 생성시킨다. 또한, 제 2 마이크로파 발진기 (22) 에서 2.45 ㎓ 의 마이크로파를 발진시키고, 그것을 제 2 도파관 (23) 에 의해 밀봉판 (4) 의 중앙부로 유도하고, 거기에서 처리실 (2) 내로 마이크로파를 도입한다. 그럼으로써 처리실 (2) 내의 밀봉판 (4) 의 근방에서, 제 2 도파관 (23) 의 개구에 대응하는 영역에 플라즈마를 생성시킨다. 그럼으로써, 받침대 (3) 와 밀봉판 (4) 사이의 거리가 짧은 경우라도 받침대 (3) 의 표면과 동일면내에 있어서 거의 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다. 상술한 바와 같이 마이크로파 플라즈마 처리장치의 사이즈를 작게 할 수 있다. 또한, 플라즈마 처리의 속도를 향상시킬 수 있다.
한편, 마이크로파 발진기 (20) 가 발진하고, 안테나 (11) 에서 방출시킨 마이크로파에 의한 플라즈마의 생성과는 별도로, 제 2 마이크로파 발진기 (22) 가 발진하고, 제 2 도파관 (23) 에서 처리실 (2) 내로 도입한 마이크로파에 의해 처리실 (2) 내에 플라즈마를 생성할 수 있다. 따라서, 제 2 마이크로파 발진기 (22) 에서 발진되는 마이크로파의 파워를 제어함으로써, 마이크로파 발진기 (20) 에서 발진되는 마이크로파의 파워를 조절하지 않고, 피처리물의 중앙부 및 가장자리부에 있어서의 플라즈마 처리의 속도를 균일하게 할 수 있다.
실시형태 6
도 17 은 실시형태 6 의 플라즈마 처리장치를 나타내는 측단면도로서, 도 14 에 나타낸 고주파전원 (27) 에 대신하여 직류전원 (39) 에 의해 전극 (25) 에 직류전압을 인가하도록 되어 있다. 그리고, 도면 중 도 14 에 대응하는 부분에는 같은 번호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 도 17 에 나타낸 바와 같이 전극 (25) 은 직류전원 (39) 의 부단자에 접속되어 있고, 이 직류전원 (39) 에서 소정의 부전압이 인가되도록 되어 있다.
이와 같은 마이크로파 플라즈마 처리장치에 있어서는 상술한 바와 같이 2.45 ㎓ 의 마이크로파를 안테나 (11) 로 도입하고, 안테나 (11) 의 슬릿 (15,15,…) 에서 처리실 (2) 내로 전계를 방사시킨다. 그럼으로써 처리실 (2) 내의 밀봉판 (4) 의 근방에서, 상기 슬릿 (15,15,…) 에 대응하는 각 영역에 각각 플라즈마를 생성시킨다. 또한, 직류전원 (39) 에서 전극 (25) 으로 부전압을 소정시간 인가하여 생성된 플라즈마 중의 플러스이온을 처리실 (2) 의 중심축측으로 이동시킨다. 그럼으로써, 받침대 (3) 와 밀봉판 (4) 사이의 거리가 짧은 경우라도 받침대 (3) 의 표면과 동일면내에 있어서 거의 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다. 따라서, 마이크로파 플라즈마 처리장치의 사이즈를 작게 할 수 있다. 또한, 플라즈마 처리의 속도를 향상시킬 수 있다.
실시형태 7
도 18 은 실시형태 7 의 플라즈마 처리장치를 나타내는 측단면도로서, 도 14 에 나타낸 제 2 고주파전원 (27) 에 대신하여 저주파전원 (28) 에 의해 전극 (25) 으로 400 ㎑ 의 저주파를 인가하도록 되어 있다. 그리고, 도면중 도 14 에 대응하는 부분에는 같은 번호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 도 18 에 나타낸 바와 같이 전극 (25) 은 저주파전원 (28) 의 출력단자에 접속되어 있고, 이 저주파전원 (28) 으로부터 400 ㎑ 의 저주파가 인가된다.
이와 같은 마이크로파 플라즈마 처리장치에서는 상술한 바와 같이 2.45 ㎓ 의 마이크로파를 안테나 (11) 의 슬릿 (15,15,…) 에서 처리실 (2) 내로 전계를 방사시킨다. 그럼으로써 처리실 (2) 내의 밀봉판 (4) 의 근방에서, 상기 슬릿 (15,15,…) 에 대응하는 각 영역에 각각 플라즈마를 생성시킨다. 또한, 저주파전원 (28) 에서 전극 (25) 으로 400 ㎑ 의 저주파를 인가한다.
이와 같은 저주파의 전계를 인가한 경우, 처리실 (2) 내에 생성된 플라즈마 중의 플러스이온은, 부전계일 때에는 처리실 (2) 의 중심측으로 이동하고, 정전계일 때는 그것과는 반대측으로 이동한다. 따라서, 생성된 플라즈마의 상태를 안정되게 유지하면서 플라즈마의 확산효율을 향상시킬 수 있다. 그럼으로써, 받침대 (3) 와 밀봉판 (4) 사이의 거리가 짧은 경우라도 받침대 (3) 의 표면과 동일면내에 있어서 거의 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다. 따라서, 마이크로파 플라즈마 처리장치의 사이즈를 작게 할 수 있다. 또한, 플라즈마 처리의 속도를 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 실시형태에서는 저주파전원 (28) 에서 전극 (25) 으로 400 ㎑ 의 저주파를 인가하도록 되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으므로 200 ㎑ ∼ 2 ㎒ 의 저주파전계를 인가하면 된다.
실시형태 8
도 19 는 실시형태 8 을 나타내는 측단면도로서, 밀봉판 (4) 의 중앙부분에서 처리실 (2) 내로 가스를 도입하도록 되어 있다. 도면중 도 14 에 나타낸 부분에 대응하는 부분에는 같은 번호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 도 19 에 나타낸 바와 같이 전극 (25) 의 중앙에는 이 전극 (25) 및 밀봉판 (4) 을 관통하는 관통공이 개설되어 있고, 이 관통공에는 가스도입관 (5: 가스도입로) 이 끼워져 있다.
이와 같은 마이크로파 플라즈마 처리장치에 있어서는 전극 (25) 의 중앙에 설치한 가스도입관 (5) 에서 처리실 (2) 내로 반응가스를 도입하므로, 반응가스는 처리실 (2) 중앙에서 모든 가장자리방향으로 방사형상으로 확산된다. 따라서, 처리실 (2) 의 전영역에서 보다 균일한 밀도의 플라즈마가 생성되고, 시료 (W) 를 균일한 속도로 처리할 수 있다. 또한, 반응가스는 그 대부분이 처리실 (2) 내에 생성된 플라즈마내로 공급됨과 더불어 공급된 반응가스는 플라즈마 중에 비교적 긴 시간 체류하기 때문에 반응가스의 이용효율이 높다. 한편, 가스도입관 (5) 은 환형상도파관형 안테나부 (12) 로 둘러싸인 전극 (25) 에 설치되어 있으므로 환형상도파관형 안테나부 (12) 내를 전파하는 마이크로파에 악영향을 미치지 않는다.
그리고, 본 실시형태에서는 전극 (25) 에 가스도입관 (5) 이 설치되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도 20 에 나타낸 바와 같이 절연부재 (24) 에 이 절연부재 (24) 및 밀봉판 (4) 을 관통하는 1 또는 복수의 관통공을 개설하고, 이 관통공에 가스도입관 (5a,5a) 을 끼워맞춰도 된다. 또한, 전극 (25) 과 절연부재 (24) 의 양쪽에 가스도입관을 설치하여도 된다. 절연부재 (24) 에 복수의 가스도입관을 설치하는 경우, 절연부재 (24) 의 중심축주위에 대칭이 되도록 각 가스도입관을 배치한다. 그럼으로써, 처리실 (2) 의 전영역에 있어서 균일하게 반응가스를 도입할 수 있다.
그리고, 본 실시형태에서는 링형상의 절연부재 (24) 를 사용하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 환형상도파관형 안테나부 (12) 와 전극 (25) 을 소요 치수를 사이에 두어 간극을 형성하는 구성으로 하여도 된다.
실시형태 9
도 21 은 실시형태 9 의 플라즈마 처리장치를 나타내는 측단면도로서, 상술한 제 2 고주파전원 (27) 에 대신하여 제 2 마이크로파 발진기 (22) 를 사용하여 밀봉판 (4) 의 중앙부분에서 처리실 (2) 내로 가스를 도입하도록 되어 있다. 그리고, 도면 중 도 16 에 대응하는 부분에는 같은 번호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 도 21 에 나타내는 바와 같이 링형상의 절연부재 (24) 에는 이 절연부재 (24) 및 밀봉판 (4) 을 관통하는 복수의 관통공이 소정 피치로 개설되어 있고, 이 관통공에는 가스도입관 (5,5,…) 이 끼워맞춰져 있다.
이와 같은 마이크로파 플라즈마 처리장치에 있어서는 절연부재 (24) 에 설치한 가스도입관 (5,5,…) 에서 처리실 (2) 내로 반응가스를 도입하므로, 반응가스는 처리실 (2) 의 중앙부분에서 처리실 (2) 의 중심축방향 및 모든 가장자리방향으로 방사형상으로 확산된다. 따라서,처리실 (2) 의 전영역에서 거의 균일한 밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다. 또한, 반응가스의 이용효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 실시형태에서는 절연부재 (24) 에 복수의 가스도입관 (5,5,…) 을 설치하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으므로, 절연부재 (24) 에 1 개의 가스도입관 (5) 을 설치하여도 된다. 또한, 절연부재 (24) 에 복수의 도입관(5,5,…) 을 설치하는 경우, 절연부재 (24) 의 중심축주위에 대칭이 되도록 각 가스도입관 (5,5,…) 을 배치한다. 그럼으로써, 처리실 (2) 의 전영역에서 균일하게 반응가스를 도입할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태 4 ∼ 9 에서는 환형상도파관형 안테나부 (12) 에 도입부 (13) 가 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 직경방향이 되도록 연결되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으므로, 실시형태 2 (도 11) 와 같이 환형상도파관형 안테나부 (12) 에 도입부를 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 접속방향이 되도록 연결하여도 된다. 또한, 각 실시형태에서는 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 외주면에 도입부 (13) 가 형성되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으므로, 실시형태 3 (도 13) 과 같이 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 외주면에, 이 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 중심축에 대하여 축대칭이 되도록 복수의 도입부를 형성하여도 된다. 그럼으로써, 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 둘레방향에서 환형상도파관형 안테나부 (12) 에서 반응기 (1) 로 방사되는 마이크로파의 에너지를 보다 균일하게 할 수 있다.
그런데, 상술한 실시형태 3 ∼ 9 에서는 슬릿안은 비어 있지만 본 발명은 이에 한정되지 않으므로 슬릿에 유전체를 끼워 넣어도 된다. 그럼으로써, 상술한 바와 같이 슬릿의 각부에 대한 전계의 집중을 억제할 수 있음과 동시에 방전이 일어날 수 있는 공간을 유전체에 의해 막을 수 있다. 따라서, 보다 높은 파워의 마이크로파를 사용하여 안정·균일하게 시료를 플라즈마 처리할 수 있다.
그리고, 상술한 실시형태 1 ∼ 9 에서는 환형상도파관형 안테나부 (12) 내에 유전체 (14) 를 끼워 넣은 경우를 설명하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니므로 안테나부 (12) 내에 유전체 (14) 를 끼워 넣지 않고 공동으로 하여도 된다. 환형상도파관형 안테나부 (12) 내에 유전체 (14) 를 끼워 넣은 경우, 환형상도파관형 안테나부 (12) 에 입사된 마이크로파는 유전체 (14) 에 의해 그 파장이 1/√ (εr) 배 (εr 은 유전체의 비유전률) 만큼 짧아진다. 따라서 같은 직경의 환형상도파관형 안테나부 (12) 를 사용한 경우, 유전체 (14) 가 끼워져 있을 때가 유전체 (14) 가 끼워져 있지 않은 때 보다 환형상도파관형 안테나부 (12) 의 벽면을 통해 흐르는 전류가 극대로 되는 위치가 많고 그 만큼 슬릿 (15,15,…) 을 많이 개설할 수 있다. 따라서, 처리실 (2) 내로 마이크로파를 보다 균일하게 도입할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 마이크로파 플라즈마 처리장치를 상술한 바와 같이 구성함으로써, 이하에 간단하게 정리한 바와 같은 효과를 갖는다.
마이크로파 플라즈마 처리장치의 수평방향의 사이즈를 작게할 수 있다. 따라서, 장치를 작은 스페이스에 설치할 수 있다.
또한, 플라즈마 처리의 균일성을 향상시킬 수 있다.
나아가 장치의 수직방향의 사이즈를 작게 할 수 있다. 따라서, 처리속도를 더욱 향상시킬 수 있다.
그리고 또한, 가스의 이용효율을 향상시킬 수 있다.
이상, 발명의 상세한 설명란에 있어서 기술한 실시태양 또는 실시예 등은 어디까지나 본 발명의 기술적내용을 명백히 하자는 의도의 것으로서, 본 발명은 이와 같은 구체예에만 한정지어 좁은 뜻으로 해석하는 것은 아니며, 본 발명의 정신과 특허청구사항에 기술하는 범위내에서 여러 가지로 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (25)

  1. 일측을 밀봉부재로 밀봉한 용기와, 이 용기내로 가스를 도입하는 가스도입로와, 상기 밀봉부재의 표면에 대향하여 배치된 안테나를 구비하며, 상기 안테나는 마이크로파를 전파시키는 환형상의 관형상부재와, 이 환형상부재내로 마이크로파를 도입하기 위하여 상기 관형상부재의 둘레면에 개설한 도입구와, 상기 관형상부재의 상기 밀봉부재에 대면하는 부분에 개설된 슬릿을 포함하는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 슬릿은 상기 도입구에서 관형상부재내를 서로 역방향으로 동시에 진행하는 마이크로파가 서로 충돌하는 위치에서 소정의 간격으로 복수 개설되어 있는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 슬릿은 복수 개설되어 있으며, 인접하는 슬릿의 간격은
    L ＝ m·λg/2
    (단, m 은 정수, λg 는 안테나내를 전파하는 마이크로파의 파장)
    에 의거하여 정해져 있는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 마이크로파가 서로 충돌하는 위치로부터 (2n-1)·λg/4 를 떨어진 위치에 슬릿이 개설되어 있고, 이 슬릿으로부터 m·λg/2 씩 떨어진 위치에 다른 슬릿이 개설되어 있는 마이크로파 플라즈마 처리장치 (단, m, n 은 모두 정수, λg 는 안테나내를 전파하는 마이크로파의 파장).
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 관형상부재는 환중심축을 포함하는 평면에 의해 절단된 상기 관형상부재의 절단면에 있어서의 중심을 통과하는 중심선의 길이가 상기 안테나를 전파하는 마이크로파의 파장의 거의 정수배인 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 관형상부재내에 유전체가 끼워 넣어져 있는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 슬릿은 그 길이방향을 상기 관형상부재의 관중심축과 교차하는 방향으로 형성되어 있는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 슬릿은 그 길이방향을 상기 관형상부재의 관중심축에 거의 평행하게 형성되어 있는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 관형상부재에 개설된 상기 도입구에 연결되고, 길이방향이 상기 관형상부재의 직경방향인 마이크로파 도입부를 더 구비하는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 관형상부재에 개설된 상기 도입구에 연결되고, 길이방향이 상기 관형상부재의 접선방향인 마이크로파 도입부를 더 구비하는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 도입구는 상기 관형상부재의 둘레면에 복수 개설되어 있고, 각 도입구에서 상기 관형상부재내로 마이크로파를 입사하도록 되어 있는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 슬릿내에는 유전체가 끼워 넣어져 있는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부재의 상기 안테나로 둘러싸인 부분에 상기 밀봉부재를 관통하는 관통공이 개설되어 있고, 이 관통공으로 가스를 도입하기 위한 관이 끼워맞춰져 있는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  14. 제 1 항 내지 제 12 항중 어느 한항에 있어서, 상기 밀봉부재의 상기 안테나로 둘러싸인 영역에 상기 안테나와는 전기적으로 절연시켜 설치한 전극을 더 구비하는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전극에 고주파수의 교류전계를 인가하는 전원을 더 구비하는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 전극에 저주파수의 교류전계를 인가하는 전원을 더 구비하는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 전극에 직류전계를 인가하는 전원을 더 구비하는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 전극 및 상기 밀봉부재를 관통하여 상기 용기내로 가스를 도입하는 가스도입로를 더 구비하는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 전극과 상기 밀봉부재의 상기 안테나로 둘러싸인 부분의 간극을 관통하여 상기 용기내로 가스를 도입하는 가스도입로를 더 구비하는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부재의 상기 안테나로 둘러싸인 영역에 접속한 도파관과, 이 도파관내로 마이크로파를 발진하는 마이크로파 발진기를 더 구비하는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 도파관과 상기 밀봉부재의 상기 안테나로 둘러싸인 부분의 간극을 관통하여 상기 용기내로 가스를 도입하는 가스도입로를 더 구비하는 마이크로파 플라즈마 처리장치.
  22. 도입한 마이크로파에 의해 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마에 의해 피처리물을 처리하는 마이크로파 플라즈마 처리방법으로서, 플라즈마 처리장치의 안테나에 마이크로파를 도입하는 단계, 및 상기 플라즈마 처리장치의 가스도입로에서 용기내로 가스를 도입하는 단계를 구비하고, 상기 플라즈마 처리장치는 일측을 밀봉부재로 밀봉한 상기 용기와, 이 용기내에 가스를 도입하는 상기 가스도입로와, 상기 밀봉부재의 표면에 대향하여 배치된 안테나를 구비하고, 상기 안테나는 마이크로파를 전파시키는 환형상의 관형상부재와, 이 관형상부재내로 마이크로파를 도입하기 위하여 상기 관형상부재의 둘레면에 개설한 도입구와, 상기 관형상부재의 상기 밀봉부재에 대면하는 부분에 개설한 슬릿을 포함하는 마이크로파 플라즈마 처리방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 플라즈마 처리장치는 상기 밀봉부재의 상기 안테나로 둘러싸인 부분에 상기 밀봉부재를 관통하는 관통공과, 이 관통공에 연결된 가스를 도입하기 위한 관을 구비하는 마이크로파 플라즈마 처리방법.
  24. 제 22 항에 있어서, 전극에 전압을 인가하는 단계를 더 구비하고, 상기 플라즈마 처리장치는 상기 밀봉부재의 상기 안테나로 둘러싸인 영역에 상기 안테나와는 전기적으로 절연시켜 설치한 상기 전극을 더 포함하는 마이크로파 플라즈마 처리방법.
  25. 제 22 항에 있어서, 도파관에 마이크로파를 발진하는 단계를 더 구비하고, 상기 플라즈마 처리장치는 상기 밀봉부재의 상기 안테나로 둘러싸인 영역에 접속한 도파관과, 이 도파관내로 마이크로파를 발진하는 마이크로파 발진기를 더 포함하는 마이크로파 플라즈마 처리방법.
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