KR20010076262A - 플라즈마 프로세스 장치 - Google Patents

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오미 다다히로
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Abstract

반응 용기(1)의 상부벽(1a)에 복수의 마이크로파 도입창(2a, 2b)이 배치되어 있다. 반응 용기(1)의 측벽(1b)과의 위치 관계에 있어서 등가인 위치에 배치된 예를 들면 2개의 마이크로파 도입창(2a)에는 동일 전력의 마이크로파가 투입되며 또한 비등가인 위치 관계에 있는 예를 들면 2개의 마이크로파 도입창(2a, 2b)에는 다른 전력의 마이크로파가 투입된다. 이에 의해, 반응실 내에 생성되는 플라즈마의 부하 임피던스가 다른 경우라도 균일한 플라즈마 프로세스를 실현할 수 있는 비용적으로 유리한 플라즈마 프로세스 장치가 얻어진다.

Description

플라즈마 프로세스 장치{PLASMA PROCESS APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 프로세스 장치에 관한 것으로, 보다 특정적으로는 예를 들면 반도체나 액정 표시 소자의 제조 등에 사용되는 플라즈마 프로세스 장치에 관한 것이다.
종래, 반도체나 액정 표시 소자의 제조에 사용되는 플라즈마 프로세스 장치로서 용량 결합형이라고 칭하도록 처리실 내부에 쌍을 이루는 전극을 배치하고, 이들의 전극에 플라즈마 여기 수단으로서 13.56㎒의 고주파 전력을 공급하는 것이 일반적이었다. 이 때, 프로세스 대상물은 한쪽 전극 상에 배치된다. 프로세스 대상물이 도전성인 경우에는 용량 결합형이라도 직류 전력으로 플라즈마를 여기하는 것이 가능하다.
최근, 보다 고도로 생산성이 좋은 디바이스 제조 기술을 목표로 하여, 소위 「고밀도 플라즈마」를 여기할 수 있는 플라즈마원을 탑재한 플라즈마 프로세스 장치의 개발이 활발하게 행해지고 있다. 이들에는 각 종 원리에 기초를 둔 플라즈마 여기 수단이 채용되지만, 마이크로파를 이용하는 방법도 유력한 수단이다. 마이크로파를 이용하는 경우에는 전술한 바와 같이 고밀도 플라즈마가 얻어지는 것 외에적어도 플라즈마 여기에 필요한 전력을 투입하기 위한 전극을 처리실 내부에 설치할 필요가 없다. 이 때문에, 전극 재료에 관계하는 불순물 혼입이 없는 것이나 여기된 플라즈마 자체의 포텐셜이 용량 결합형 플라즈마에 비하여 낮기 때문에, 프로세스 대상물 표면에의 에너지 입자 유입의 제어 범위가 넓어진다는 이점이 있다.
그런데, 종래는 비교적 대면적의 영역에서 균일한 프로세스를 실시하는 것이 가능한 플라즈마 상태를 생성하는 것이 곤란하며, 이 문제점을 해결하기 위해서 각 종 제안이 이루어지고 있다.
상기 제안 중 하나로서, 특개평 11-111493호 공보에 개시된 기술이 있다. 도 16 및 도 17은 상기 공보에 개시된 플라즈마 프로세스 장치의 모식적 종단면도 및 횡단면도이다.
도 16 및 도 17을 참조하여, 이 공보에 개시된 플라즈마 프로세스 장치는 반응 용기(101)와, 마이크로파 도입창(102)과, 스테이지(107)와, 유전체 선로(111)와, 마이크로파 분배기(113)와, 마이크로파 도파관(114)과, 마이크로파 발진기(115)를 주로 가지고 있다.
금속제의 반응 용기(101)의 내부는 반응실(120)을 구성하고 있고 그 상부는 마이크로파 도입창(102)에 의해 기밀 상태로 밀봉되어 있다. 이 처리실(120) 내에는 피처리물인 반도체 기판(108)을 장착하기 위한 스테이지(107)가 배치되어 있으며, 이 스테이지(107)에는 고주파 전원이 접속되어 있다. 마이크로파 도입창(102)의 상측에는 소정 간격(에어 갭 ; 112)을 사이에 두고 4개로 분할된 유전체 선로(111)가 설치되어 있다. 각 유전체 선로(111)의 주위는 금속판(116)으로써 덮어져 있다. 각 유전체선로(111)의 측방에는 마이크로파 분배기(113)를 통하여 마이크로파 도파관(114)이 연결되어 있으며 그 선단에는 마이크로파 발진기(115)가 부착되어 있다.
상기 장치의 동작에서는 우선 반응실(120) 내가 필요로 하는 진공도, 압력에 설정된 후, 가스 공급관으로부터 반응 가스가 공급된다. 계속해서, 마이크로파 발진기(115)에 있어서 마이크로파가 발진되며, 도파관(114)을 통하여 마이크로파 분배기(113)로 도입된다.
그리고 마이크로파 분배기(113)로써 마이크로파는 조정되며, 4개의 각 유전체 선로(111)에 동위상 및 동 전력으로 도입된다. 유전체 선로(111)에 도입된 마이크로파는 에어 갭(112)을 통하여 마이크로파 도입창(102)으로부터 반응실(120) 내로 유도된다. 이 마이크로파의 도입에 의해 반응실(120) 내에 플라즈마가 생성되며, 스테이지(107) 상의 기판(108) 표면에 대하여 플라즈마 처리(에칭 처리)가 이루어진다.
또, 상기 이외에 비교적 대면적인 영역에서 균일한 플라즈마 프로세스를 행하는 기술을 개시한 문헌으로서는 예를 들면 특개평 8-316198호 공보, 특공평 7-105385호 공보, 특허 공보 제2641450호 등이 있다.
특개평 8-316198호 공보는 1개의 마이크로파 발진기로부터 발진된 마이크로파를 복수의 유전체층으로 분기시킨 후, 반응실에 도입하는 플라즈마 프로세스 장치를 개시하고 있다.
또한 특공평 7-105385호 공보는 프로세스 챔버의 상부에 복수의 도파관을 접속하고, 각 도파관에 마이크로파 발진기를 접속함으로써 복수의 마이크로파를 독립적으로 제어하는 플라즈마 프로세스 장치를 개시하고 있다.
또한 특허 공보 제2641450호에 개시된 플라즈마 프로세스 장치는 상기 특공평 7-105385호 공보에 기재된 플라즈마 프로세스 장치와 플라즈마 여기 방식이 다를 뿐으로, 각 도파관에 각각 일식의 마이크로파 발진기가 필요한 점에서 동일하다.
또한, 마이크로파라는 경우, 일반적으로는 주파수 1 ∼ 30㎓의 전자파를 말하는 경우가 많지만, VHF대(30 ∼ 300㎒), UHF대(0.3 ∼ 3㎓)나 밀리파대(30 ∼ 300㎓)도 공학적 취급은 마찬가지이며, 본원에서는 이들 주파수대의 전자파를 총칭하여 마이크로파라고 칭한다.
상기한 각 공보에 기재된 기술에는 각각 이하에 나타내는 문제점이 있었다.
우선 도 16 및 도 17에 도시하는 특개평 11-111493호 공보의 플라즈마 프로세스 장치에서는 4 분할된 유전체선로(111)에 동위상, 동일 전력의 마이크로파가 도입된다. 그러나, 마이크로파 도입창(102)의 반응 용기(101)의 측벽(101b)에 가까운 영역 SA와 먼 영역 SB에서는 전위 상태나 플라즈마 중 입자 생성·소멸의 양상이 다르다. 이에 따라, 영역 SA 및 영역 SB 바로 아래의 플라즈마의 부하 임피던스가 각각 다르며 플라즈마 프로세스를 균일하게 행할 수 없다는 문제점이 있다.
또한, 특개평 8-316198호 공보의 플라즈마 프로세스 장치에서는 유전체층이 2 분할되어 있을 뿐이기 때문에, 대면적의 기판을 처리하는 경우에 그 기판을 균일하게 처리하는 것이 곤란하다. 또한, 유전체층의 분할수를 늘린 경우라도 특개평11-111493호 공보와 마찬가지로, 각 부의 부하 임피던스가 다르며 플라즈마 프로세스를 균일하게 행할 수 없다는 문제점이 있다.
또한 특공평 7-105385호 공보 및 특허 공보 제2641450호에서는 각 도파관에 대하여 1대씩 마이크로파 발진기가 필요해진다. 일반적으로 출력이 작은 발진기를 복수대 준비하는 것보다도 등가인 대출력의 발진기 1대쪽이 비용적으로 유리하다. 따라서, 상기 2개의 공보의 플라즈마 프로세스 장치로서는 비용적으로 불리하며 또한 대면적의 기판에 대응시키기 위해서는 비용적으로 한층 불리해진다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 반응실 내에 생성되는 플라즈마의 부하 임피던스가 각 부에서 다른 경우에도 균일한 플라즈마 프로세스를 실현할 수 있는 비용적으로 유리한 플라즈마 프로세스 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 플라즈마 프로세스 장치는 마이크로파에 의해 플라즈마 상태가 된 반응 가스를 이용하여 기판에 플라즈마 프로세스를 행하는 것으로써, 용기와 복수의 마이크로파 도입창을 포함하고 있다. 용기는 내부에 기판을 유지한 상태에서 기판 표면에 대향하는 상부벽 및 기판측부를 둘러싸는 측벽을 구비하고 또한 내부에서 플라즈마 프로세스를 행하는 것이다. 복수의 마이크로파 도입창은 상부벽에 설치됨으로써 용기 내부에 접하고 또한 용기 내부에 마이크로파를 도입하기 위한 것이다. 복수의 마이크로파 도입창 중 측벽과의 위치 관계에 있어서 등가인 위치 관계에 있는 적어도 2개의 마이크로파 도입창에는 실질적으로 동일 전력의 마이크로파가 투입되며 또한 비등가인 위치 관계에 있는 적어도 2개의 마이크로파 도입창에는 다른 전력의 마이크로파가 투입된다.
본 발명의 플라즈마 프로세스 장치에서는 비등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창에 다른 전력의 마이크로파가 투입된다. 이에 따라, 이들 바로 아래의 플라즈마의 부하 임피던스가 다른 경우라도 이들 바로 아래의 플라즈마의 상태를 대략 동일하게 제어할 수 있다.
또한, 등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창에서는 이들 바로 아래의 플라즈마의 부하 임피던스가 실질적으로 동일하다. 이 때문에, 이들의 마이크로파 도입창에 동일 전력의 마이크로파를 투입함으로써 이들 바로 아래의 플라즈마 상태를 대략 동일하게 제어할 수 있다.
이에 따라, 용기 내 전체에서의 플라즈마 상태를 균일하게 할 수 있기 때문에 대면적 기판에 대해서도 균일한 플라즈마 프로세스를 실시할 수 있다.
또한, 등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창에는 대출력의 마이크로파 발진기 1대에 의해 마이크로파를 도입할 수 있기 때문에 비용적으로도 유리하다.
상기한 플라즈마 프로세스 장치에 있어서 바람직하게는 용기 내에 생성되는 플라즈마를 등가적인 병렬의 집중 상수 회로 부하로서 나타냈을 때, 등가인 위치 관계에 있는 적어도 2개의 마이크로파 도입창으로부터 도입된 마이크로파에 의해 생성되는 플라즈마의 부하 임피던스가 실질적으로 동일하다.
이와 같이 처리실 내에 생기는 플라즈마의 부하 임피던스까지 고려하여 마이크로파를 투입함으로써 보다 한층 균일한 플라즈마 프로세스가 가능해진다.
상기한 플라즈마 프로세스 장치에 있어서 바람직하게는 마이크로파를 전송하는 마이크로파 도파관이 더욱 구비되고 있다. 등가인 위치 관계에 있는 적어도 2개의 마이크로파 도입창 각각에 1개의 마이크로파 도파관이 분기하여 접속되어 있다.
상기 1개의 마이크로파 도파관에 1개의 마이크로파 발진원을 접속함으로써, 대출력의 마이크로파 발진원 1대에서 등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창 각각에 마이크로파를 도입하는 것이 가능해진다.
상기한 플라즈마 프로세스 장치에 있어서 바람직하게는 마이크로파를 발진하기 위한 마이크로파 발진원이 더욱 구비되고 있다. 마이크로파 도파관에는 하나의 마이크로파 발진원이 접속되어 있다.
이에 따라, 비용적으로 유리한 플라즈마 프로세스 장치를 얻을 수 있다.
상기한 플라즈마 프로세스 장치에서 바람직하게는 마이크로파를 전송하기 위한 마이크로파 도파관과, 마이크로파의 감쇠량을 조정 가능한 감쇠기가 더욱 구비되어 있다. 비등가인 위치 관계에 있는 적어도 2개의 마이크로파 도입창 각각에 하나의 마이크로파 도파관이 분기하여 접속되고 있다. 마이크로파 도파관이 분기된 각 부분에는 감쇠기가 접속되어 있다.
이에 따라, 비등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창 각각에도 1대의 대출력의 마이크로파 발진기로 마이크로파를 투입할 수 있기 때문에 보다 한층 비용적으로 유리한 플라즈마 프로세스 장치를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에서의 플라즈마 프로세스 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서의 플라즈마 프로세스 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 다른 단면도.
도 3은 도 1의 화살표 III 방향에서 본 마이크로파 도입창의 배치 상태를 나타내는 도면.
도 4는 비교적 작은 반응 용기로 하나의 마이크로파 도입용 도파관 전송 회로로 한 경우의 구성을 나타내는 개략 단면도.
도 5는 도 4에 도시하는 플라즈마 프로세스 장치에서의 플라즈마의 부하 임피던스를 설명하기 위한 도면.
도 6은 비교적 큰 반응 용기로 하나의 마이크로파 도입용 도파관 전송 회로로 한 구성을 나타내는 개략 단면도.
도 7은 도 6의 플라즈마 프로세스 장치에서의 플라즈마의 부하 임피던스를 설명하기 위한 도면.
도 8은 비교적 큰 반응 용기에 있어서, 마이크로파 도입용 도파관 전송 회로를 복수로 한 경우의 구성을 나타내는 개략 단면도.
도 9는 도 7에 도시하는 플라즈마 프로세스 장치의 플라즈마의 부하 임피던스 및 전원계를 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 실시예 1에서의 플라즈마 프로세스 장치의 등가 회로도.
도 11은 본 발명의 실시예 2에서의 플라즈마 프로세스 장치의 도 3에 대응하는 도면.
도 12는 본 발명의 실시예 2에서의 플라즈마 프로세스 장치의 도파관 전송 회로의 구성을 나타내는 사시도.
도 13은 본 발명의 실시예 2에서의 플라즈마 프로세스 장치의 등가 회로 구성을 나타내는 도면.
도 14는 본 발명의 실시예 3에서의 플라즈마 프로세스 장치의 구성을 도 1에 대응하는 단면으로 나타내는 도면.
도 15는 본 발명의 실시예 3에서의 플라즈마 프로세스 장치의 구성을 도 2에 대응하는 단면으로 나타내는 도면.
도 16은 특개평 11-111493호 공보에 개시된 플라즈마 프로세스 장치를 나타내는 모식적 종단면도.
도 17은 특개평 11-111493호 공보에 개시된 플라즈마 프로세스 장치를 나타내는 모식적 횡단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 101: 반응 용기.
1a: 상부벽.
1b: 측벽.
2a, 2b: 마이크로파 도입창.
114: 마이크로파 도파관.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 도면에 기초하여 설명한다.
<실시예 1>
도 1은 도 3의 I-I선에 따른 단면에 대응하고, 도 2는 도 3의 II-II선에 따른 단면에 대응한다.
주로 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 실시예의 플라즈마 프로세스 장치는 반응 용기(1)와, 마이크로파 도입창(2a, 2b)과, 도파관(3a, 3b)과, 정합기(4a, 4b)와, 아이솔레이터(5a, 5b)와, 마이크로파 발진기(6a, 6b)와, 기판 홀더(7)를 주로 구비하고 있다.
금속 등의 도전체로 이루어지는 반응 용기(1)의 내부는 처리실(10)을 구성하고 있다. 반응 용기(1)의 상부벽(1a)은 예를 들면 4개의 개구부를 구비하고 있으며, 그 개구부 각각에는 처리실(10)에 접하도록 마이크로파 도입창(2a, 2b)이 부착되어 있다.
주로 도 3을 참조하여, 양측의 2개의 마이크로파 도입창(2a, 2a)끼리는 반응 용기(1)의 측벽(1b)과의 위치 관계에 있어서 서로 등가인 위치 관계를 가지고 있다. 또한 중앙측의 2개의 마이크로파 도입창(2b, 2b)끼리는 측벽(1b)과의 위치 관계에 있어서 서로 등가인 위치 관계를 가지고 있다. 또한 마이크로파 도입창(2a, 2b)은 측벽(1b)과의 위치 관계에서 서로 비등가인 위치 관계를 가지고 있다.
본 원에 있어서 「등가인 위치 관계」란, 마이크로파 도입창의 측벽(1b)과의 대향 길이(WA, WB및 WC) 및 대향 간격(LA, LB및 LC)이 대략 동일해지는 위치 관계이다. 이러한 대향 길이나 대향 간격이 대략 동일하면, 반응 용기(1)의 상부 벽면(1a)에서 점대칭 혹은 선대칭으로 배치되어 있는 마이크로파 도입창도 「등가인 위치 관계」에 있는 마이크로파 도입창에 포함된다.
주로 도 1을 참조하여, 마이크로파 도입창(2a, 2b)과 반응 용기(1) 간은 O 링(ring)(9) 등에 의해 시일(seal)되어 있으며, 이에 따라 처리실(10) 내부의 기밀이 유지되어 있다. 처리실(10) 내부는 진공 펌프(도시하지 않음)에 의해 배기되며 진공 상태가 유지되어 있다.
측벽(1b)과의 위치 관계에서 서로 등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창(2a, 2a)에는 1개의 도파관(3a)이 분기하여 접속되어 있다. 또한 측벽(1b)과의 위치 관계에 있어서 서로 등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창(2b, 2b)에는 1개의 도파관(3b)이 분기하여 접속되고 있다. 이 도파관(3a, 3b) 각각에는 정합기(4a, 4b), 아이솔레이터(5a, 5b)를 통하여 마이크로파 발진기(6a, 6b) 각각이 접속되어 있다. 이에 따라, 서로 등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창(2a, 2a ; 또는 2b, 2b)에는 동일한 전력의 마이크로파를 투입할 수 있어 비등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창(2a, 2b)에는 다른 전력의 마이크로파를 투입할 수 있다.
처리실(10) 내에는 반응 용기(1)의 상부벽(1a)과 대향하도록 기판(8)을 유지 할수 있는 기판 홀더(7)가 설치되어 있다. 반응 용기(1)는 접지 상태가 되는 것이 통상이며 기판 홀더(7)에는 고주파나 직류 바이어스가 인가된다.
또, 처리실(10) 내에 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급관 등의 도시는설명의 편의상 생략되어 있다.
다음에, 마이크로파 도입창의 기하학적 배치와 플라즈마의 부하 임피던스와의 관계에 대하여 언급한다.
도 4를 참조하여, 반응 용기(1)의 상부에는 개구부가 있고, 시일(9)을 통하여 마이크로파 도입창(2)이 장착되어 있다. 마이크로파 도입창(2) 상부에는 마이크로파를 전송하는 도파관(3)이 접속되어 있다. 또, 도파관(3)에는 도시하지 않은 정합기나 아이솔레이터나 마이크로파 발진기가 접속되어 있다.
반응 용기(1) 내부는 도시하지 않은 배기 장치와 밸브계를 조작함으로써 일단 소정의 압력까지 배기된 후, 가스 도입로를 통하여 방전 가스를 적절하게 도입하여 플라즈마 생성 수준의 압력으로 조정된다. 반응 용기(1) 내부의 압력은 배기 속도(량)와 가스 도입 속도(량)와의 균형으로 결정된다.
반응 용기(1)의 내부가 플라즈마 생성 압력에 조정된 상태에서 마이크로파가 마이크로파 도입창(2)을 통하여 반응 용기(1) 내부에 투입되면, 반응 용기(1) 내부에 플라즈마가 생성된다. 이 때, 플라즈마 내부에서 전리한 이온이나 전자가 반응 용기(1)의 벽면에 돌입하여 소비되면서 또한 새로운 전리도 행해짐으로써 플라즈마는 유지된다.
이온이나 전자가 반응 용기(1)의 벽면에 돌입함에 있어서는 그것에 대하여 반응 용기(1) 벽면의 전위는 중요한 역할을 가지고 있다. 즉, 벽면의 전위가 플러스이면 이온은 빠져나가 전자가 돌입하기 쉬워진다. 벽면의 전위가 마이너스이면 그 반대이다.
플라즈마 그 자체는 전자와 이온과의 질량 차이에 기초하여 항상 반응 용기(1)의 벽면에 대하여 플러스 전위를 가지고 있다. 반응 용기(1)의 벽면은 도전체로써 접지되는 것이 통상이다. 기판(8)을 유지하는 기판 홀더(7) 등의 기판 유지 기구에는 고주파나 직류 바이어스가 인가되는 경우도 있다. 그런데, 마이크로파 도입창(2)은 전기적으로는 절연체로써 직류를 흘릴 수 없기 때문에, 정상 상태에서는 표면 전하를 얻은 상태이고, 정량의 전하의 출입은 없게 된다. 즉, 도전체인 반응 용기(1)의 벽면과 마이크로파 도입창(2)의 표면과는 전위가 다르다. 따라서, 생성된 플라즈마 내부의 하전 입자(전자나 이온)에서 보면 전위가 다른 벽이 존재하게 된다. 이에 따라, 마이크로파 도입창(2)의 바로 아래와 주변부의 측벽(1b)에 가까운 영역에서는 플라즈마 내부에서의 하전 입자의 평형 상태가 다른 경우가 생긴다.
예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같이 플라즈마 생성 영역이 작으며 마이크로파 도입창(2) 바로 아래의 영역에서 보아도 접지 전위의 측벽(1b)을 예상하는 비율이 크면, 플라즈마 생성 영역의 단부와 중앙부로 프로세스 상 문제가 된 플라즈마 상태의 차는 생기지 않는다. 이 때문에, 도 4에 도시하는 플라즈마 프로세스 장치에서 생성되는 플라즈마는 도 5에 도시한 바와 같이 플라즈마 전체에서 거의 균등한 부하 임피던스 Z를 갖는다고 간주할 수 있다. 또한, 도 4 중의 기호 S는 전원계를 나타내고 있으며, 이 전원계 S는 마이크로파 발진기, 아이솔레이터, 정합기 등을 포함하는 것이다.
그런데, 도 6에 도시한 바와 같이 플라즈마 생성 영역이 대면적이 되면 플라즈마의 단부에서는 접지 전위의 측벽(1b)이 근방에 있기 때문에 전자를 잃게 될 확률이 크지만, 중앙부에서는 마이크로파 도입창(2)에만 존재하기 때문에 전자는 잃게 되기 어렵다. 따라서, 마이크로파를 마이크로파 도입창(2)에서 투입하면, 평형 상태에서 플라즈마의 단부와 중앙부로 플라즈마의 밀도에 차가 생긴다. 이 때문에, 대면적의 플라즈마를 등가적으로 병렬의 집중 상수 회로 부하로서 나타내면, 도 7에 도시한 바와 같이 플라즈마의 중앙부에서의 부하 임피던스 Z11은 단부의 부하 임피던스 Z12와 다르게 된다.
이와 같이 플라즈마의 중앙부와 단부로 부하 임피던스가 다른 경우에는 상술한 바와 같이 플라즈마의 밀도에 차가 생기고 있기 때문에 균일한 플라즈마 프로세스를 실시할 수 없다.
그래서, 도 8에 도시한 바와 같이 플라즈마 생성 영역을 복수로 분할(즉, 마이크로파 도입창을 복수로 분할)하고, 각각에 마이크로파를 투입하는 것이 고려된다. 그러나, 이와 같이 플라즈마 생성 영역이 분할되었다고 해도 마이크로파 도입창(2a) 바로 아래의 플라즈마와 마이크로파 도입창(2c) 바로 아래의 플라즈마에서의 부하 임피던스에 차가 있는 상황은 크게는 변화하지 않는다. 또한 부하 임피던스가 다르면, 마이크로파의 종단에서의 반사율이 다르며, 정합기로부터 부하측에서의 정재파 상태가 복잡해진다. 이 때문에, 분할된 마이크로파 도입창(2a, 2c)에 단순하게 동일 전력의 마이크로파를 투입하여도 플라즈마의 임피던스의 차를 보상할 수는 없어 결과로서 플라즈마 프로세스가 불균일해진다.
그래서, 본 발명은 도 8에 도시한 바와 같이 플라즈마 생성 영역을 복수로 분할한 후에 측벽(1b)에 대하여 서로 비등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창(2a, 2b)에는 다른 전력의 마이크로파를 투입하는 구성이 된다. 즉, 도 9에 도시한 바와 같이 부하 임피던스 Z11, Z12가 다른 부분의 마이크로파 도입창에 다른 전원계 S1, S2에 의해 다른 전력의 마이크로파가 독립적으로 투입된다. 또한 부하 임피던스 Z12가 동일해지는 부분 상의 마이크로파 도입창에는 동일한 전원계 S1이 접속된다.
다음에, 본 실시예의 플라즈마 프로세스 장치를 등가 회로로서 생각한 경우에 대하여 설명한다.
도 10은 도 1 ∼ 도 3에 도시하는 플라즈마 프로세스 장치의 등가 회로 구성을 나타내는 도면이다. 도 10을 참조하여, 이 등가 회로 구성은 2개의 전원계 S1과 S2를 가지고 있다. 전원계 S1은 도 1에 도시하는 정합기(4a), 아이솔레이터(5a), 마이크로파 발진기(6a) 등을 포함하는 것으로, 전원계 S2는 정합기(4b), 아이솔레이터(5b), 마이크로파 발진기(6b)를 포함하는 것이다. 이 전원계 S1에는 2개의 같은 부하 Z11이 병렬로 접속되어 있으며, 전원계 S2에도 2개의 같은 부하 Z12가 병렬로 접속되어 있다. 또, 부하 Z11과 부하 Z12는 다른 것이다.
부하 Z11은 도 1에서 마이크로파 도입창(2a) 바로 아래의 플라즈마의 부하 임피던스이다. 또한 부하 Z12는 도 1에서 마이크로파 도입창(2b) 바로 아래의 플라즈마의 부하 임피던스이다. 이 때문에, 부하 Z11은 마이크로파 도입창(2a)의 갯수에 대응하여 2개 있으며 부하 Z12는 마이크로파 도입창(2b)의 갯수에 대응하여 2개 있다.
본 실시예에서는 등가 회로적으로 보아서 플라즈마 부하 임피던스가 다른 회로에는 다른 전원계가 접속되어 다른 전력의 마이크로파가 투입된다. 또한 등가 회로적으로 보아서 플라즈마 부하 임피던스가 동일한 회로에는 동일한 전원계가 접속되어 동일 전력의 마이크로파가 투입된다.
그런데, 도 1에서 도파관(3a, 3b)이 분기한 후의 마이크로파 전송로는 전송로 임피던스를 가지고 있고, 이 전송로 임피던스는 플라즈마 부하 임피던스를 포함하는 것이다. 그러나, 전송로 임피던스를 변동시키는 요인은 플라즈마 부하 임피던스 뿐만아니라 예를 들면 이하에서 설명되는 바에 의해서도 전송로 임피던스를 변동시킬수 있다.
(1) 전송로 내에 배치한 유전체의 유전율이 마이크로파 전계 강도에 대하여 비선형 응답할 가능성이 있다.
(2) 전송로 내에 배치한 유전체에 온도 변화가 있었을 때 유전율이 변화할 가능성이 있다.
(3) 반응 용기벽의 온도가 변화했을 때 그 표면 가스 흡착 확률이 변화하여 처리실 내의 가스 조성이 미묘하게 변화할 가능성이 있다.
(4) 투입 전력이 다르면 플라즈마 밀도(가스의 전리 상태)가 변화하고, 그에따라 플라즈마 중으로의 마이크로파 전파 형태가 변화할 가능성이 있다.
상기 (1), (2)는 전송로 재료에 관한 것으로, 선형 영역에서의 동작으로 하는 것이나 각 부의 온도 제어에 의해 대응할 수 있다. 또한 (3)도 반응 용기벽의 온도를 제어함으로써 대응할 수 있다. 또한 (4)에 대해서는 마이크로파 도입창의 반응 용기의 측벽에 대한 기하학적 배치와 (1) ∼ (3)을 한데 모으면 마이크로파 전파 형태가 변화하는 경우에는 등가인 영역의 플라즈마 상태도 동일 변화를 하기 때문에 문제는 없다.
현실적으로는 도파관으로 이루어지는 전송로가 조립된 상태를 조정하는 것이 중요하다.
이와 같이 다른 요인을 제어함으로써, 서로 등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창을 포함하는 각 회로의 전송로 임피던스를 동일하게 할 수 있다. 그리고, 전송로 임피던스가 동일해지는 회로에는 동일한 전원계를 접속하여 동일 전력의 마이크로파를 투입하고, 전송로 임피던스가 다른 회로에는 다른 전원계를 접속하여 다른 전력의 마이크로파를 투입함으로써 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다.
다음에, 본 실시예의 플라즈마 프로세스 장치를 CVD(Chemical Vapor Deposition) 장치로서 이용한 경우의 동작에 대하여 설명한다.
반응 용기(1) 내부가 미리 진공 펌프 등을 이용하여 진공 상태에 유지된다. 마이크로파 발진기(6a, 6b)에서 발생한 마이크로파는 아이솔레이터(5a, 5b)와 정합기(4a, 4b)를 통하여 도파관(3a, 3b) 각각에 유도된 후, 마이크로파 도입창(2a, 2b) 각각으로부터 반응 용기(1) 내에 투입된다. 이 때, 마이크로파 도입창(2a,2b)과의 바로 아래에서의 부하 임피던스를 고려하여, 마이크로파 도입창(2a, 2b)과 투입되는 마이크로파의 전력이 개별로 조정된다.
한편, 필요한 원료 가스는 가스 공급관으로부터 반응 용기(1) 내로 공급된다.
반응 가스가 반응 용기(1) 내에 도입되면, 마이크로파에 의해 전체에 균일한 플라즈마가 생성되며, 이에 따라 기판 홀더(7) 상의 기판(8) 표면에 대하여 균일한 성막(uniform film)이 행해진다.
본 실시예에서는 도 1에 도시한 바와 같이 반응 용기(1)의 측벽(1b)과의 위치 관계에서 서로 등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창[2a, 2a ; 또는 마이크로파 도입창(2b, 2b)]에 동일 전력의 마이크로파가 도입되며 또한 비등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창(2a, 2b)에는 다른 전력의 마이크로파가 독립적으로 투입된다. 이에 따라, 처리실(10) 내에 생성되는 플라즈마를 전체적으로 균일하게 할 수 있다. 이에 따라, 대면적의 기판에도 균일한 플라즈마 프로세스를 실시하는 것이 가능해진다.
또한, 등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창(2a)에는 1대의 마이크로파 발진기(6a, 6b)에 의해 마이크로파를 투입할 수 있기 때문에, 비용적으로 유리하게 구성할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 마이크로파 도입창을 4개로 분할하는 소위 분할 모드 (1, 4)인 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명은 분할수가 3 이상인 것[즉, 분할 모드 (1, n)로 n≥3]이면 어떠한 것에도 적용할 수 있다.
<실시예 2>
도 11의 I-I선에 따른 단면은 도 1에 도시하는 구성에 대응하고 II-II선에 따른 단면은 도 2에 도시하는 구성에 대응한다.
도 11 및 도 12를 참조하여 본 실시예는 반응 용기(1)의 상면(1a)에서 마이크로파 도입창이 12분할된 구성을 가지고 있는 점에서 실시예 1과 다르다.
반응 용기(1)의 상면(1a)의 네 구석의 영역에 배치된 4개의 마이크로파 도입창(2a)은 반응 용기(1)의 측벽(1b)에 대하여 서로 등가인 위치 관계에 있다. 또한 4개의 마이크로파 도입창(2b)도 서로 등가인 위치 관계에 있으며, 2개의 마이크로파 도입창(2c)도 서로 등가인 위치 관계에 있으며 또한 2개의 마이크로파 도입창(2d)도 서로 등가인 위치 관계에 있다. 그리고, 마이크로파 도입창(2a, 2b, 2c, 2d)은 서로 비등가인 위치 관계에 있다.
주로 도 12를 참조하여, 네 구석에 배치된 4개의 마이크로파 도입창(2a) 중 2개에는 도파관(3a)을 통하여 전원계 S1-1이 접속되어 있으며, 남은 2개에는 도파관(3a)을 통하여 전원계 S1-2가 접속되어 있다. 4개의 마이크로파 도입창(2b)에는 도파관(3b)을 통하여 1개의 전원계 S2가 접속되어 있다. 2개의 마이크로파 도입창(2c)에는 도파관(3c)을 통하여 1개의 전원계 S3이 접속되어 있다. 2개의 마이크로파 도입창(2d)에는 도파관(3d)을 통하여 1개의 전원계 S4가 접속되어 있다.
또한, 전원계 S1-1과 전원계 S1-2는 동일한 마이크로파를 발진하는 것이다. 또한 전원계 S1-1과 전원계 S1-2와는 구성의 편의상, 2개로 나누고 있을 뿐, 1개로 통일되는 것이 장치 구성 상 및 비용 상 바람직하다. 즉, 네 구석에 있는 4개의마이크로파 도입창(2a) 전부가 도파관(3a)을 통하여 1개의 전원계에 접속되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 실시예에서는 서로 비등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창에는 다른 전력의 마이크로파가 투입되며 또한 서로 등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창에는 동일 전력의 마이크로파가 투입되도록 구성되어 있다.
또한, 이외의 구성에 대해서는 상술한 실시예 1의 구성과 거의 동일하기 때문에, 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.
다음에, 본 실시예에서의 플라즈마 프로세스 장치의 등가 회로 구성에 대하여 설명한다.
도 13은 도 12에 도시하는 플라즈마 프로세스 장치에 있어서 마이크로파 도입창(2b)을 전송로로 하는 마이크로파의 등가 회로 구성을 나타내는 도면이다. 도 13을 참조하여 마이크로파 도입창(2b) 끼리는 서로 등가인 위치 관계에 있기 때문에, 그 바로 아래의 플라즈마의 부하 임피던스 Z11은 실질적으로 동일해진다. 이와 같이 플라즈마 부하 임피던스 Z11이 실질적으로 동일해지는 각 마이크로파 도입창(2b)에 동일 전력의 마이크로파가 단일 전원계 S2에 의해 투입된다.
또한, 다른 마이크로파 도입창(2a, 2c, 2d)에 관한 등가 회로 구성은 도 10에 도시한 구성과 거의 동일하기 때문에 그 설명은 생략한다.
또한, 서로 비등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창에서는 그 바로 아래의 플라즈마의 부하 임피던스가 다르기 때문에 다른 전원계에 의해 다른 전력의마이크로파가 투입된다.
또한, 동일한 전원계에 접속되는 각 회로에서는 실시예 1에서 설명한 전송로 임피던스를 변동시키는 다른 요소 (1) ∼ (4) 등을 동일하게 제어함으로써 각 전송로 임피던스가 실질적으로 동일해지는 것이 필요하다.
본 실시예에서도 반응 용기(1)의 측벽(1b)에 대하여 등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창에는 동일 전력의 마이크로파가 투입되며 또한 비등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창에는 다른 전력의 마이크로파가 투입된다. 이 때문에, 상술한 실시예 1과 마찬가지로, 처리실 내에 생성되는 플라즈마를 전체적으로 균일하게 할 수 있어 균일한 플라즈마 프로세스를 실시하는 것이 가능해진다.
또한 등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창에는 1개의 전원계를 접속하면 충분하기 때문에 비용적으로 유리하다.
또한, 본 실시예에서는 마이크로파 도입창을 12분할한 분할 모드 (3, 4)인 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명은 분할수가 12 이외인 것[즉 분할 모드(m, n)]에 적용할 수 있다.
<실시예 3>
도 14 및 도 15를 참조하여, 본 실시예의 플라즈마 프로세스 장치에서는 반응 용기(1)의 측벽(1b)과의 위치 관계에서 서로 비등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창(2a, 2b)이 동일한 마이크로파 발진기(6)에 접속되어 있는 점에서 실시예 1과 다르다. 이와 같이 비등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창을 단일 마이크로파 발진기(6)에 접속한 경우, 분기부에 가변 감쇠기(11)를 설치할 필요가있다. 이 가변 감쇠기(11)는 마이크로파의 감쇠량을 조정하는 것이다. 가변 감쇠기(11)에 의해, 비등가인 위치 관계에 배치된 마이크로파 도입창(2a, 2b)에 다른 전력의 마이크로파를 투입하는 것이 가능해진다.
또, 이외의 구성에 대해서는 상술한 실시예 1의 구성과 거의 동일하기 때문에, 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.
본 실시예에서는 비등가인 위치 관계에 배치된 마이크로파 도입창(2a, 2b)이 1개의 마이크로파 발진기(6)에 접속되어 있다. 이 때문에, 실시예 1의 구성과 비교하여 또한 장치의 간략화를 도모할 수 있어 비용적으로 유리한 구성으로 할 수 있다.
또한, 가변 감쇠기(11)에 의해 비등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창(2a, 2b)에 다른 전력의 마이크로파를 투입할 수 있다. 이 때문에, 처리실(10) 내에 생성되는 플라즈마 전체를 균일하게 할 수 있어 균일한 플라즈마 프로세스를 실시하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시예는 분할 모드 (1, n)인 경우에 대하여 설명했지만, 실시예 2에 나타낸 바와 같이 분할 모드 (m, n)인 경우에도 적용할 수 있다.
이번 개시된 실시예는 모든 예시를 보여주는 제한적 의미가 아님이 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 특허 청구의 범위에 의해서 나타내며 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
본 발명의 플라즈마 프로세스 장치에서는 처리실의 측벽면과의 위치 관계에서 비등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창에는 다른 전력의 마이크로파가 투입된다. 이에 따라, 각 마이크로파 도입창 바로 아래의 플라즈마의 부하 임피던스가 다른 경우라도, 처리실 내에 생성되는 플라즈마의 전체를 균일하게 할 수 있다. 이에 따라, 균일한 플라즈마 프로세스를 실시하는 것이 가능해진다.
또한 등가인 위치 관계에 있는 마이크로파 도입창에는 대출력의 마이크로파 발진기 1대에 의해 마이크로파를 도입할 수 있기 때문에, 장치의 간략화를 도모할 수 있어 비용적으로도 유리한 구성으로 할 수 있다.

Claims (5)

  1. 마이크로파에 의해 플라즈마 상태가 된 반응 가스를 이용하여 기판(8)에 플라즈마 프로세스를 행하는 플라즈마 프로세스 장치에 있어서,
    내부에 상기 기판(8)을 유지한 상태에서 상기 기판(8) 표면에 대향하는 상부벽(1a) 및 상기 기판(8) 측부를 둘러싸는 측벽(1b)을 포함하고 또한 내부에서 플라즈마 프로세스를 행하기 위한 용기(1)와,
    상기 상부벽(1a)에 설치됨으로써 상기 용기(1) 내부에 접하고 또한 상기 용기(1) 내부에 마이크로파를 도입하기 위한 복수의 마이크로파 도입창(2a)
    을 포함하고,
    상기 복수의 마이크로파 도입창(2a) 중 상기 측벽(1b)과의 위치 관계에 있어서 등가인 위치 관계에 있는 적어도 2개의 마이크로파 도입창(2a)에는 실질적으로 동일 전력의 마이크로파를 투입하고 또한 비등가인 위치 관계에 있는 적어도 2개의 마이크로파 도입창(2a)에는 다른 전력의 마이크로파를 투입하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 프로세스 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용기(1) 내에 생성되는 플라즈마를 등가적인 병렬의 집중 상수 회로 부하로서 나타냈을 때, 상기 등가인 위치 관계에 있는 적어도 2개의 마이크로파 도입창(2a)으로부터 도입된 마이크로파에 의해 생성되는 플라즈마의 부하 임피던스가 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 플라즈마 프로세스 장치.
  3. 제1항에 있어서, 마이크로파를 전송하기 위한 마이크로파 도파관(3a, 3b)을 더 포함하고,
    상기 등가인 위치 관계에 있는 적어도 2개의 상기 마이크로파 도입창(2a) 각각에 1개의 상기 마이크로파 도파관(3a, 3b)이 분기하여 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 프로세스 장치.
  4. 제3항에 있어서, 마이크로파를 발진하기 위한 마이크로파 발진원(6a, 6b)을 더 포함하고,
    상기 마이크로파 도파관(3a, 3b)에는 1개의 상기 마이크로파 발진원(6a, 6b)이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 프로세스 장치.
  5. 제1항에 있어서, 마이크로파를 전송하기 위한 마이크로파 도파관(3a, 3b)과,
    마이크로파의 감쇠량을 조정할 수 있는 감쇠기(11)
    를 더 포함하고,
    상기 비등가인 위치 관계에 있는 적어도 2개의 상기 마이크로파 도입창(2a) 각각에 1개의 상기 마이크로파 도파관(3a, 3b)이 분기하여 접속되어 있고,
    마이크로파 도파관이 분기된 각 부분(3a, 3b)에는 상기 감쇠기(11)가 각각 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 프로세스 장치.
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