KR20030012937A

KR20030012937A - 플라즈마 처리 장치

Info

Publication number: KR20030012937A
Application number: KR10-2003-7000345A
Authority: KR
Inventors: 이시이노부오; 시노하라기바츠; 야스요시 야사카
Original assignee: 동경 엘렉트론 주식회사; 야스요시 야사카
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2003-02-12
Also published as: EP1306893A4; JP2002093788A; KR100507717B1; TW502561B; EP1306893A1; WO2002005339A1; US20030173030A1; US7395779B2; EP1306893B1; JP3485896B2; AU2001271030A1; DE60140809D1

Abstract

슬롯 안테나(30A)의 방사면을 구성하는 제1 도전판(31A)이, 슬롯 안테나(30A)의 방사면에 대향 배치된 제1 유전체 부재(13)에 대하여 경사져 있다. 이에 따라, 슬롯 안테나(30A)로부터 직접 입사되는 전자계의 전계에 의한 플라즈마 생성을 처리 용기(11) 내에 형성되는 정재파의 전계에 의한 플라즈마 생성보다도 우세하게 할 수 있다. 전자는 후자보다도 제어가 용이하기 때문에, 플라즈마의 분포를 개선할 수 있다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}

반도체 장치의 제조에 있어서, 산화막의 형성이나 반도체층의 결정 성장, 에칭 및 애슁(ashing) 등의 처리를 하기 위해서, 플라즈마 처리 장치가 많이 이용되고 있다. 이들 플라즈마 처리 장치 중에, 비교적 낮은 압력에서도 안정적으로 플라즈마를 생성할 수 있는 고주파 플라즈마 처리 장치가 있다. 이 고주파 플라즈마 처리 장치는 평면 안테나를 통해 고주파 전자계를 처리 용기 내에 도입하여 고밀도 플라즈마를 발생시킨다.

이 고주파 플라즈마 처리 장치를 에칭 장치에 적용한 경우를 예로 설명한다. 도 20은 종래의 고주파 플라즈마 처리 장치를 이용한 에칭 장치의 구성도이다. 이 도 20은 일부 구성에 대한 단면 구조를 보여주고 있다.

원통 형상의 처리 용기(111)의 상부 개구에는 유전판(113)이 수평 배치되어 있다. 이들의 접합부에는 시일 부재(112)를 개재시킴으로써, 처리 용기(111) 내부의 기밀성을 확보하고 있다. 처리 용기(111)의 바닥부에는 진공 배기용의 배기구(114)가 형성되어 있고, 또한 처리 용기(111)의 측벽에는 가스 공급용노즐(116)이 형성되어 있다. 처리 용기(111) 내에는 에칭 대상인 기판(121)을 얹어 놓는 적재대(122)가 수용되어 있다. 이 적재대(122)는 고주파 전원(126)에 의해 고주파 전압이 인가된다.

또한, 유전판(113) 상부에는 고주파 전자계로서 마이크로파(MW)를 처리 용기(111) 내에 공급하는 레이디얼 안테나(130)가 배치되어 있다. 유전판(113) 및 레이디얼 안테나(130)의 주위는 실드재(117)에 의해 덮여 있다.

레이디얼 안테나(130)는 레이디얼 도파로를 형성하는 서로 평행한 2장의 도전판(131, 132)과, 이들 도전판(131, 132)의 주연부를 막는 링 부재(133)로 구성된다. 마이크로파(MW)의 방사면을 구성하는 도전판(131)에는 슬롯(134)이 다수 형성되어 있다. 레이디얼 안테나(130)는 도파로(141)를 통해 마이크로파 발생기(145)에 접속되어 있다.

이러한 구성의 에칭 장치에서는 처리 용기(111) 내를 소정의 진공도로 만든 후에, 노즐(116)로부터 예컨대 CF₄와 Ar의 혼합 가스를 유량 제어하여 공급한다. 이 상태에서, 마이크로파 발생기(145)로부터 도파로(141)를 통해 마이크로파(MW)를 레이디얼 안테나(130)에 공급한다.

레이디얼 안테나(130)에 공급된 마이크로파(MW)는 레이디얼 도파로의 내부를 전파하면서, 도전판(131)에 형성된 다수의 슬롯(134)으로부터 방사된다. 도전판(131)은 수평 배치된 평판 형상을 하고 있기 때문에, 이 마이크로파(MW)는 수직 방향으로 방사된다. 이 마이크로파(MW)는 유전판(113)을 투과하여, 처리용기(111) 내에 도입된다.

처리 용기(111) 내에 도입된 마이크로파(MW)는 처리 용기(111) 내의 가스를 전리시켜, 처리 대상인 기판(121)의 상부 공간(S1)에 플라즈마를 생성한다. 이 때, 처리 용기(111) 내에 도입된 마이크로파(MW)의 전부가 직접 플라즈마 생성에 의해서 흡수되는 것은 아니다. 흡수되지 않고서 남은 마이크로파(MW)는 처리 용기(111) 내에서 반사를 반복하여, 레이디얼 안테나(130)와 플라즈마 생성 공간(S1)의 사이의 공간(S2)에 정재파를 형성한다. 이 정재파를 형성하는 마이크로파(MW)도 플라즈마 생성에 기여하는 것을 알 수 있다.

이와 같이 하여 생성된 플라즈마의 이온은 적재대(122)의 마이너스 전위에 의해서 추출되어, 에칭 처리에 이용된다.

그런데, 도 20에 도시한 종래의 에칭 장치에서는, 플라즈마가 균일하게 생성되고 있지 않다고 하는 문제가 있었다. 이 에칭 장치에서 처리 용기(111) 내에 생성된 플라즈마를 관찰한 바, 후술하는 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 플라즈마 발생 영역(150)의 중앙 부근에, 플라즈마가 고밀도로 발생하는 부분(151A, 151B)이 확인되었다. 이 때문에, 종래에는, 처리 대상인 기판(121)에 있어서, 플라즈마가 고밀도로 발생하는 부분의 아래 영역일수록 에칭 처리가 빠르게 진행된다고 하는 문제가 있었다. 이러한 처리량의 불균일의 문제는 도 20에 도시한 에칭 장치뿐만 아니라, 종래의 플라즈마 처리 장치에 공통되는 문제였다.

본 발명은 이상과 같은 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 그 목적은 고주파 전자계에 의해 생성된 플라즈마의 분포를 개선하는 데에 있다.

본 발명은 고주파 전자계에 의해 플라즈마를 생성하여 소정의 처리를 수행하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예인 에칭 장치의 구성도이다.

도 2는 레이디얼 안테나의 하면을 이루는 제1 도전판의 구성도이다.

도 3은 레이디얼 안테나의 확대 단면도이다.

도 4는 플라즈마의 사진 촬영에 사용한 장치의 설명도이다.

도 5는 플라즈마를 사진 촬영했을 때에 얻어진 상의 모식도이다.

도 6은 Z축 방향에 대하여 수직인 플라즈마 면을 갖는 플라즈마의 밀도 변화 및 이 플라즈마에 입사한 마이크로파의 전계 강도 변화를 도시하는 개념도이다.

도 7은 마이크로파의 흡수 계수의 각도 의존성을 도시한 도면이다.

도 8은 레이디얼 안테나의 제1 변형예의 단면 형상을 모식적으로 도시한 도면이다.

도 9는 레이디얼 안테나의 제2 변형예의 단면 형상을 모식적으로 도시한 도면이다.

도 10은 레이디얼 안테나의 제3 변형예의 단면 형상을 모식적으로 도시한 도면이다.

도 11은 본 발명의 제2 실시예인 에칭 장치의 구성도이다.

도 12는 본 발명의 제3 실시예인 에칭 장치의 구성도이다.

도 13은 캐비티 안테나의 하면을 이루는 제1 도전판의 평면도이다.

도 14는 캐비티 안테나의 변형예의 단면 형상을 모식적으로 도시한 도면이다.

도 15는 본 발명의 제4 실시예인 에칭 장치의 구성도이다.

도 16은 도 15에 도시한 에칭 장치의 변형예를 도시하는 구성도이다.

도 17은 본 발명의 제5 실시예인 에칭 장치의 구성도이다.

도 18은 도 17에 도시한 에칭 장치의 변형예를 도시하는 구성도이다.

도 19는 본 발명의 제6 실시예인 CVD 장치의 구성도이다.

도 20은 종래의 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 이용한 에칭 장치의 구성도이다.

이러한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 슬롯 안테나의 방사면을 구성하는 제1 도전판과 이 제1 도전판에 대향 배치된 제2 도전판의 적어도 한쪽이, 슬롯 안테나의 방사면에 대향 배치된 제1 유전체 부재에 대하여 상대적으로 경사져 있는 것을 특징으로 한다. 슬롯 안테나로서는 레이디얼 안테나 또는 캐비티 안테나 등을 사용할 수 있다.

여기서, 이 플라즈마 처리 장치의 작용을 설명한다. 슬롯 안테나의 제1 도전판이 제1 유전체 부재에 대하여 경사져 있는 경우, 슬롯 안테나로부터의 전자계는 제1 유전체 부재의 법선 방향에 대하여 경사지는 방향으로 입사된다. 처리 용기 내에 있어서 제1 유전체 부재와 대향하는 플라즈마 면은 이 제1 유전체 부재에 따른 형상으로 되기 때문에, 슬롯 안테나로부터 제1 유전체 부재를 통해 처리 용기 내의 플라즈마에 직접 입사되는 전자계는 이 플라즈마 면의 법선 방향에 대하여 경사지는 방향으로 입사하게 된다.

플라즈마와 제1 유전체 부재와의 경계에서 플라즈마 밀도가 컷오프 밀도로 되는 지점에 이를 때까지의 전자계의 전계 변화를 간단히 설명하면, 플라즈마 면에 평행한 방향 성분의 강도는 거의 일정한 값을 유지하지만, 플라즈마 면의 법선 방향 성분의 강도는 단조롭게 커져 간다. 따라서, 전자계를 플라즈마 면의 법선 방향에 대하여 경사지는 방향으로 입사시킴으로써, 플라즈마 면의 법선 방향으로 입사시킨 경우에 비해 양 성분을 합성한 전계 강도를 크게 할 수 있다. 이에 따라, 슬롯 안테나로부터 직접 입사된 전자계의 전계에 의한 플라즈마 생성 효율을 향상시킬 수 있다.

이에 따라, 슬롯 안테나로부터 처리 용기 내에 직접 입사한 전자계의 전계에 의한 플라즈마 생성에의 기여가 커지기 때문에, 처리 용기 내에 형성되는 정재파의 전계에 의한 플라즈마 생성에의 기여가 상대적으로 낮아진다. 전자는 후자보다도 제어가 용이하기 때문에, 플라즈마의 분포를 종래보다도 개선할 수 있다.

마찬가지로 제1 도전판이 제1 유전체 부재에 대하여 경사져 있는 경우, 제1 도전판과 플라즈마 면 사이의 공간이 변형된다. 이에 따라 정재파 모드가 변화되기 때문에, 플라즈마 생성 분포가 변화된다.

한편, 슬롯 안테나를 구성하는 제1 및 제2 도전판 중 한쪽의 도전판이 다른 쪽의 도전판에 대해 경사져 있는 경우, 안테나 내부의 공간이 분포를 갖게 된다. 따라서, 안테나의 특성 임피던스의 분포가 조정되어, 안테나의 방사량 분포가 조정됨으로써, 플라즈마 생성 분포가 조정된다.

전술한 본 발명의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 슬롯 안테나의 제1 및 제2 도전판 및 제1 유전체 부재는 공통의 중심 축을 갖고 있고, 각각 이 중심 축에 대하여 대칭인 입체 형상을 하고 있더라도 좋다. 바꾸어 말하면, 중심 축을 포함하는 모든 평면에서 절단했을 때의 단면 형상이 중심 축에 대하여 대칭인 형상으로 하고 있더라도 좋다.

또한, 슬롯 안테나의 제1 및 제2 도전판을 제1 유전체 부재에 대하여 경사시키기 때문에, 제1 및 제2 도전판 및 제1 유전체 부재의 적어도 하나를 위로 볼록한 형상으로 하여도 좋고, 아래로 볼록한 형상으로 하여도 좋다.

또한, 제1 도전판과 제2 도전판 사이에 있어서의 전자계의 파장을 λg(λg > 10 mm)라고 하면, 제1 도전판과 제2 도전판의 간격을 5 mm 이상 λg/2 미만으로 하면 된다. 간격을 5 mm 이상으로 함으로써 도전판 사이의 방전을 방지할 수 있고, λg/2 미만으로 함으로써 도전판 사이에 정재파가 형성되는 것을 방지할 수 있다.

전술한 본 발명의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 제1 유전체 부재는 평판 형상을 하고 있더라도 좋고, 돔 형상을 하고 있더라도 좋다.

또한, 제1 유전체 부재를 처리 용기 내에 배치된 적재대로부터 처리 용기의 내면의 적어도 일부를 격리시키는 벨자(bell jar)로 구성하더라도 좋다. 이에 따라, 생성된 플라즈마가 처리 용기의 내면에 접촉하여 스퍼터함으로써 발생하는 오염을 억제할 수 있다.

또한, 제1 유전체 부재에 대하여 적재대와 다른 측에 배치되어 제1 유전체 부재와 함께 밀폐 공간을 형성하는 제2 유전체 부재와, 이 밀폐 공간에 유체를 유통시켜 제1 유전체 부재의 온도를 조정하는 유통 수단을 더 구비하더라도 좋다. 여기서, 제2 유전체 부재는 제1 유전체 부재와 슬롯 안테나 사이에 배치되더라도 좋고, 슬롯 안테나의 급전선 도중에 배치되더라도 좋다.

이어서, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

제1 실시예

우선, 본 발명을 에칭 장치에 적용한 예를 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예인 에칭 장치의 구성도이다. 도 1은 일부 구성에 대한 단면 구조를 보여주고 있다. 또한, 설명의 편의상, 수직 방향을 Z축 방향으로서 정의한다.

도 1에 도시한 에칭 장치는 상부가 개구되어 있는 원통 형상의 처리 용기(11)를 갖고 있다. 이 처리 용기(11)는 알루미늄 등의 도전체로 형성되어 있다. 처리 용기(11)의 상부 개구에는 평판 형상으로 성형된 유전판(제1 유전체 부재)(13)이 수평으로 배치되어 있다. 이 유전판(13)에는 두께 20 mm ∼ 30 mm 정도의 석영 유리 또는 세라믹(A1₂O₃또는 AlN 등) 등이 이용된다. 처리 용기(11)와 유전판(13)의 접합부에는 O 링 등의 시일 부재(12)가 개재되어 있고, 이에 의해서 처리 용기(11) 내부의 기밀성을 확보하고 있다.

처리 용기(11)의 바닥부에는 진공 펌프(도시하지 않음)에 연결되어 통하는 배기구(14)가 형성되어 있어, 처리 용기(11) 내부를 희망하는 진공도로 만들 수 있다.

또한, 처리 용기(11)의 측벽에는 처리 용기(11) 내에 Ar 등의 플라즈마 가스를 도입하기 위한 플라즈마 가스 공급 노즐(15)과, CF₄등의 에칭 가스를 도입하기 위한 처리 가스 공급 노즐(16)이 각각 상하로 설치되어 있다. 이들 노즐(15, 16)은 석영 파이프 등으로 구성되어 있다.

처리 용기(11) 내에는 에칭 대상인 기판(피처리체)(21)을 얹어 놓는 적재대(22)가 수용되어 있다. 적재대(22)는 처리 용기(11)의 바닥부에 절연판(24)을 통해 고정 설치된 지지대(23) 상에 고정되어 있다. 또한, 적재대(22)는 매칭 박스(25)를 통해 바이어스용의 고주파 전원(26)에 접속되어 있다. 이 고주파 전원(26)은 예컨대 2 MHz ∼ 13.56 MHz의 고주파를 발생시킨다.

또한, 유전판(13) 상부에는 레이디얼 안테나(30A)가 방사면[후술하는 도전판(31)]을 아래로 하여 배치되어 있다. 이 레이디얼 안테나(30A)는 고주파 전자계로서 마이크로파(MW)를 처리 용기(11) 내에 공급한다. 유전판(13)은 레이디얼 안테나(30A)의 방사면에 대향 배치되어, 이 방사면 전역을 덮음으로써, 처리 용기(11) 내에서 생성되는 플라즈마로부터 레이디얼 안테나(30A)를 보호한다. 또한, 유전판(13) 및 레이디얼 안테나(30A)의 주위는 실드재(17)에 의해 덮여 있다.

레이디얼 안테나(30A)는 상기 방사면을 구성하는 제1 도전판(31A)과, 이 도전판(31A)에 대하여 상측 위치에 대향 배치된 제2 도전판(32)과, 도전판(31A, 32)의 주연부를 막는 링 부재(33)로 구성된다. 도전판(31A, 32) 및 링 부재(33)는 구리 또는 알루미늄 등의 도전체에 의해 형성된다.

안테나 상면을 이루는 도전판(32)의 중앙부에는 마이크로파 도입구(35)가 형성되어 있다. 또한, 안테나 하면을 이루는 도전판(31A)에는 방사 소자로서 슬롯(34)이 다수 형성되어 있다. 그리고, 2장의 도전판(31A, 32)에 의해서 마이크로파(MW)를 유도하는 레이디얼 도파로가 형성된다.

레이디얼 안테나(30A)의 도전판(31A, 32) 및 유전판(13)은 Z축 방향으로 공통의 중심 축을 갖고 있고, 각각 이 중심 축에 대하여 대칭인 입체 형상을 하고 있다. 바꾸어 말하면, 중심 축을 포함하는 모든 평면에서 절단했을 때의 단면 형상이 중심 축에 대하여 대칭인 형상을 하고 있다.

도 2는 레이디얼 안테나(30A)의 하면을 이루는 도전판(31A)의 구성도로, 도 2(a)는 사시도이고, 도 2(b)는 평면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이 안테나 상면을 이루는 도전판(32)이 평판 형상인 반면에, 도 2(a)에 도시한 바와 같이 안테나 하면을 이루는 도전판(31A)은 위로 볼록한 원추면 형상을 하고 있다. 따라서, 도전판(31A)의 원추면은 평판 형상을 한 유전판(13)에 대하여 경사져 있고, 이것이 도 1에 도시한 에칭 장치의 특징이다.

이 도전판(31A)에는 도 2(b)에 도시한 바와 같이 둘레 방향으로 연장되는 슬롯(34)이 동심원형으로 다수 형성되어 있다. 슬롯(34)은 각각이 형성되어 있는 부위에 있어서의 도전판(31A)의 법선 방향을 따라 잘라 형성되어 있다. 각 슬롯(34)의 길이 및 직경 방향에 있어서의 인접 슬롯(34)간의 피치는 레이디얼 도파로 내에 있어서의 마이크로파(MW)의 파장[후술하는 지연 부재(39)에 의해 짧아진 파장](λg)에 기초하여 설정된다. 소위 누설형 안테나를 실현하는 경우에는 상기 피치가 λg/20 ∼ λg/30 정도로 설정된다.

도 3은 레이디얼 안테나(30A)의 확대 단면도로, 도전판(31A)의 지지 기구를 보여주고 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 도전판(32)의 중앙부는 두껍게 되어 있고, 이 부분의 3곳에 직사각형 또는 원형의 관통 구멍(61)이 형성되어 있다. 이 3개의 관통 구멍(61)은 도전판(32)의 중심을 그 중심으로 하는 동일 원주 상에 등간격으로 형성되어 있다. 관통 구멍(61)에는 충분한 길이를 갖는 스터드(62)가 삽입 관통되어 있다. 도전판(31A)은 나사(63)에 의해 스터드(62)의 하면에 체결되어 있다. 도전판(31A)에 체결된 스터드(62)는 너트(64)에 의해 도전판(32)에 고정되어 있다. 너트(64)의 고정 위치를 조정함으로써, 도전판(31A)의 경사를 희망하는 각도로 할 수 있다. 한편, 스터드(62) 및 나사(63)에는 세라믹 등의 유전체로 형성된 것이 이용된다.

스터드(62)를 너트(64)로 도전판(32)에 고정하지 않고, 모터 등의 구동 장치를 이용하여 스터드(62)를 승강시킴으로써, 도전판(31A)의 경사각을 원격으로 변화시킬 수 있도록 하더라도 좋다.

도 1의 설명으로 되돌아간다. 레이디얼 안테나(30A)에서는 2장의 도전판(31A, 32)의 간격은 5 mm 이상, λg/2 미만으로 설정된다. 단, λg > 10 mm이다. 예컨대 2.45 GHz의 마이크로파(MW)를 사용하는 경우, 도전판(31A, 32)의 간격은 6 cm 미만이 된다. 이 경우, 도전판(31A)의 정점에서의 간격은 5 mm 이상으로, 도전판(31A)의 주연부에 있어서의 간격은 6 cm 미만으로 설정된다. 간격을 5 mm 이상으로 설정함으로써 도전판(31A, 32) 사이의 방전을 방지할 수 있고, λg/2미만으로 설정함으로써 도전판(31A, 32) 사이에 정재파가 형성되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 도전판(31A, 32)으로 구성된 레이디얼 도파로 내에는 세라믹 등의 비유전률이 1보다 큰 유전체 재료로 이루어지는 지연 부재(39)가 수용되어 있다. 이 지연 부재(39)는 이것에 작용하는 마이크로파(MW)의 전파 속도를 저하시킴으로써, 마이크로파(MW)의 파장을 짧게 하는 기능을 갖고 있다. 이 지연 부재(39)에 의해, 레이디얼 안테나(30A)에 의한 마이크로파(MW)의 방사 효율을 향상시킬 수 있다.

레이디얼 안테나(30A)의 중앙부에는 동축 선로(41)가 접속되어 있다. 이 동축 선로(41)의 외부 도체(41A)는 도체판(32)의 마이크로파 도입구(35) 주연부에 접속되어 있다. 또한, 동축 선로(41)의 중심 도체(41B)의 선단은 원추 형상으로 성형되고, 이 원추의 바닥부가 도체판(31A)의 정점에 접속되어 있다.

이와 같이 레이디얼 안테나(30A)에 접속된 동축 선로(41)는 직사각형 동축 변환기(42)와 직사각형 도파관(43)을 통해 마이크로파 발생기(45)에 접속되어 있다. 이 마이크로파 발생기(45)는 예컨대 2.45 GHz의 마이크로파(MW)를 발생시킨다. 또한, 마이크로파(MW)의 주파수는 1 GHz ∼ 십수 GHz의 범위 내에 있으면 된다. 또한, 직사각형 도파관(43) 도중에 임피던스 매칭을 위한 매칭 회로(44)를 설치함으로써, 전력의 사용 효율을 향상시킬 수 있다.

다음에, 도 1에 도시한 에칭 장치의 동작을 설명한다.

기판(21)을 적재대(22)의 상면에 얹어 놓은 상태에서, 처리 용기(11) 내를 예컨대 0.01 Pa ∼ 10 Pa 정도의 진공도로 만든다. 다음에, 이 진공도를 유지하면서, 플라즈마 가스 공급 노즐(15)로부터 플라즈마 가스로서 Ar을 공급하고, 처리 가스 공급 노즐(16)로부터 CF₄등의 에칭 가스를 유량 제어하여 공급한다.

처리 용기(11) 내에 플라즈마 가스 및 에칭 가스가 공급된 상태에서, 마이크로파 발생기(45)로부터의 마이크로파(MW)를 직사각형 도파관(43), 직사각형 동축 변환기(42) 및 동축 선로(41)를 통해 레이디얼 안테나(30A)에 공급한다.

레이디얼 안테나(30A)에 공급된 마이크로파(MW)는 도전판(31A, 32)에 의해 구성되는 레이디얼 도파로의 중앙부로부터 주연부를 향하여 방사상으로 전파되면서, 미세 피치로 형성된 다수의 슬롯(34)으로부터 조금씩 누설된다.

레이디얼 안테나(30A)로부터 누설된 마이크로파(MW)는 유전판(13)을 투과하여, 처리 용기(11) 내로 도입된다. 이 마이크로파(MW)의 전계가 Ar을 전리시킴으로써, 처리 대상인 기판(11)의 상부 공간(S1)에 플라즈마를 생성한다.

이 에칭 장치에서는, 적재대(22)에 마이너스 전위를 바이어스함으로써, 생성된 플라즈마로부터 이온이 추출되어, 기판(21)에 대하여 에칭 처리가 이루어진다.

다음에, 도 1에 도시한 에칭 장치의 효과를, 도 20에 도시한 종래의 에칭 장치와 대비하여 설명한다. 여기서는 도 1, 도 20에 도시한 에칭 장치에서 생성된 플라즈마의 분포를 조사하기 위해서, 이들 플라즈마를 사진 촬영하였다. 도 4는 이 사진 촬영에 사용한 장치의 설명도로, 도 4(a)는 도 20에 도시한 에칭 장치의 레이디얼 안테나(130)의 치수를 도시하는 단면도이고, 도 4(b)는 도 1에 도시한 에칭 장치의 레이디얼 안테나(30A)의 치수를 도시하는 단면도이며, 도 4(c)는 CCD 카메라의 배치도이다.

플라즈마의 사진 촬영은 도 4(c)에 도시한 바와 같이, 기판(21, 121)이 놓여 있지 않은 적재대(22, 122)의 중앙부에 CCD 카메라(29)를 배치하여, 플라즈마 생성 공간(S1)을 촬영하도록 하였다. 이 때, 종래의 에칭 장치에 대해서는, 도 4(a)에 도시한 바와 같은 치수의 레이디얼 안테나(130)를 사용하였다. 즉, 도전판(131)의 직경을 480 mm, 두께를 0.8 mm로 하고, 링 부재(133)의 높이를 15 mm로 하였다. 또한, 도 1에 도시한 에칭 장치에 대해서는, 도 4(b)에 도시한 바와 같은 치수의 레이디얼 안테나(30A)를 사용하였다. 즉, 도전판(31A)의 직경과 두께, 링 부재(33)의 높이를 상기 레이디얼 안테나(130)와 같은 치수로 하고, 도전판(31A)의 주연부를 기준으로 한 중심의 높이(원추면의 높이)를 5 mm로 하였다.

도 5는 이러한 조건하에서 플라즈마를 사진 촬영했을 때에 얻어진 상의 모식도로, 도 5(a)는 도 20에 도시한 에칭 장치에서 얻어진 상이고, 도 5(b)는 도 1에 도시한 에칭 장치에서 얻어진 상을 보여주고 있다. 도 5(a)에 도시한 바와 같이, 레이디얼 도파로를 평행 평판으로 구성한 레이디얼 안테나(130)를 사용한 종래의 에칭 장치에서는 플라즈마 발생 영역(150)의 중앙 부근에서 플라즈마가 고밀도로 발생하는 부분(151A, 151B)이 관측되었다. 이와 대조적으로, 방사면이 되는 도전판(31A)을 원추면 형상으로 한 레이디얼 안테나(30A)를 사용한 도 1에 도시한 에칭 장치에서는 도 5(b)에 도시한 바와 같이, 플라즈마 발생 영역(50)에서 플라즈마가 고밀도로 발생하는 부분(151A, 151B)을 볼 수 없고, 균일하게 분포된 플라즈마가 관측되었다.

이와 같이 도 1에 도시한 에칭 장치에서는 종래의 에칭 장치에 비해 균일하게 분포되는 플라즈마를 생성할 수 있기 때문에, 기판(21)에 대한 에칭의 불균일을 억제할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.

다음에, 도 1에 도시한 바와 같은 구조를 갖는 레이디얼 안테나(30A)를 사용함으로써 플라즈마의 분포를 개선할 수 있었던 이유를 고찰한다.

레이디얼 안테나(30A)에서 처리 용기(11)로 도입된 마이크로파(MW)의 일부가 플라즈마 생성에 있어서도 흡수되지 않고, 레이디얼 안테나(30A)와 플라즈마 생성 공간(S1) 사이의 공간(S2)에 정재파를 형성하여, 이 정재파의 전계가 플라즈마 생성에 기여하고 있는 것은 종래의 에칭 장치와 마찬가지이다. 따라서, 도 1에 도시한 에칭 장치에서도, 레이디얼 안테나(30A)에서 플라즈마로 직접 입사된 마이크로파(MW)의 전계와 처리 용기(11) 내에 형성된 정재파의 전계가 모두 플라즈마 생성에 기여하고 있다고 말할 수 있다.

그래서, 도 1에 도시한 에칭 장치에 있어서 플라즈마의 분포를 개선할 수 있었던 이유를 (1) 직접 입사된 마이크로파(MW)의 전계에 의한 플라즈마 생성 효율의 향상, (2) 레이디얼 안테나(30A) 내의 공간의 분포의 조정, (3) 정재파 형성 공간(S2)의 형상의 변화라는 3가지의 관점에서, 다음과 같이 설명할 수 있다.

(1) 레이디얼 안테나(30A)에서 플라즈마로 직접 입사된 마이크로파(MW)의 전계에 의한 플라즈마 생성 효율의 향상:

도 6은 Z축 방향(도 1에서는 수직 방향)에 대하여 수직인 플라즈마 면을 갖는 플라즈마의 밀도 변화 및 이 플라즈마에 입사한 마이크로파의 전계 강도 변화를도시하는 개념도이다. 도 6(a)에 있어서, 횡축은 플라즈마와 유전체판(13)의 경계면에서부터 Z축 방향의 거리이고, 종축은 플라즈마 밀도 및 전계 강도이다. 또한, Z축에 수직으로 X축을 형성하면, 실선은 마이크로파(MW)의 전계(E)의 X축 방향 성분(즉, 플라즈마 면에 평행한 방향 성분)(E_x)의 강도이고, 점선은 마이크로파(MW)의 전계(E)의 Z축 방향 성분(즉, 플라즈마 면의 법선 방향의 성분)(E_z)의 강도이며, 일점 쇄선은 플라즈마 밀도를 각각 나타내고 있다.

플라즈마 면이 Z축에 대하여 수직인 플라즈마의 밀도는 플라즈마와 유전체판(13)의 경계면에서부터 Z축 방향으로 멀어짐에 따라서, 도 6(a)의 일점 쇄선으로 도시한 바와 같이 상승해 간다. 여기서, 어떤 주파수에 대하여 플라즈마의 유전률이 제로가 되는 밀도를 그 주파수에 있어서의 컷오프 밀도라고 한다.

이러한 플라즈마에 대하여, 도 6(b)에 도시한 바와 같이 마이크로파(MW)를 Z축 방향에 대하여 경사지는 방향으로 입사시킨 경우, 전계의 X축 방향 성분(E_x)의 강도는 도 6(a)의 실선으로 도시한 바와 같이, 플라즈마 밀도가 컷오프 밀도가 되는 지점(Z1)까지는 거의 일정한 값을 유지하지만, 이 지점(Z1)을 넘으면 지수 함수적으로 감소한다. 이에 대하여, 전계의 Z 방향 성분(E_z)의 강도는 도 6(a)의 점선으로 도시한 바와 같이, 플라즈마에 입사된 직후부터 상승하여, 지점(Z1)에서 극대를 보이고 나서 하강으로 바뀐다. 이 원리는 「R.B.White, F.F.Chen, Amplification and Absorption of Electromagnetic Waves in Overdense Plasmas, Plasma Physics, vo1. 16, pp 565-587」에 기재되어 있다.

Z축 방향(즉, 플라즈마 면의 법선 방향)에 대하여 경사지는 방향으로 마이크로파(MW)를 입사시키면, 전계의 Z 방향 성분(E_z)이 생성되기 때문에, Z축 방향으로 입사된 경우에 비해, 양 성분(E_x, E_z)을 합성한 전계 강도를 크게 할 수 있다.

도 1에 도시한 에칭 장치에서는, 레이디얼 안테나(30A)의 방사면을 이루는 도전판(31A)은 전술한 바와 같이 위로 볼록인 원추면 형상을 하고 있다. 즉, 이 도전판(31A)은 수평면에 대하여 경사져 있다. 이러한 도전판(31A)에 형성된 슬롯(34)으로부터 누설된 마이크로파(MW)는 수직 방향(Z축 방향)에 대하여 경사지는 방향으로 방사되어, 수평 배치된 유전판(13)의 법선 방향(Z축 방향)에 대하여 소정의 각도로 입사한다. 한편, 처리 용기(11) 내의 플라즈마 생성 공간(S1)은 유전판(13)에 의해 제약되기 때문에, 유전판(13)과 대향하는 플라즈마 면은 이 유전판(13)에 따른 형상으로 되어 수평면이 된다. 따라서, 도전판(31A)으로부터 누설된 마이크로파(MW)는 유전판(13)과 대향하는 플라즈마 면의 법선 방향(Z축 방향)에 대하여 경사지는 방향으로 입사하게 된다.

따라서, 전술한 원리에 따르면, 레이디얼 안테나(30A)를 사용함으로써, 플라즈마 생성 공간(S1)에 종래보다도 큰 전계를 형성할 수 있기 때문에, 레이디얼 안테나(30A)에서 직접 입사된 마이크로파(MW)의 전계에 의한 플라즈마 생성 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 레이디얼 안테나(30A)에서 직접 입사된 마이크로파(MW)의 전계에 의한 플라즈마 생성에 대한 기여가 커지고, 처리 용기(11) 내의 공간(S2)에 형성되는 정재파의 전계에 의한 플라즈마 생성에 대한기여가 상대적으로 낮아진다.

레이디얼 안테나(30A)에서 플라즈마로 직접 입사된 마이크로파(MW)의 전계에 의한 플라즈마의 생성은 비교적 용이하게 제어할 수 있다. 예컨대, 레이디얼 안테나(30A)의 슬롯(34) 배치를 조정함으로써, 플라즈마의 생성을 제어할 수 있다. 이와 대조적으로, 정재파의 전계에 의한 플라즈마의 생성은 제어가 곤란하다. 도 1에 도시한 에칭 장치에서는 전술한 바와 같이, 직접 입사된 마이크로파(MW)의 전계에 의한 플라즈마 생성을 정재파의 전계에 의한 플라즈마 생성보다도 우세하게 할 수 있기 때문에, 희망하는 플라즈마 분포가 되도록 플라즈마의 생성을 제어할 수 있다. 따라서, 도 5(b)에 도시한 바와 같은 균일한 플라즈마 분포를 얻을 수 있었다고 생각된다.

도 7은 마이크로파(MW)의 흡수 계수의 각도 의존성을 도시한 도면이다. 횡축은 방사면에 대한 마이크로파(MW)의 방사 각도(θ)의 코사인이고, 종축은 흡수 계수(η)이다. 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 흡수 계수는 플라즈마 중의 전자 밀도(n_e)에 의존하기도 하지만, 방사 각도(θ)가 대개 30°∼ 50°일 때 최대가 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 각도(θ)로 마이크로파(MW)를 방사함으로써, 레이디얼 안테나(30A)에서 직접 입사된 마이크로파(MW)의 전계에 의한 플라즈마 생성이 지배적으로 되기 때문에, 플라즈마 분포를 정확히 제어할 수 있다.

(2) 레이디얼 안테나(30A) 내의 공간의 분포의 조정:

레이디얼 안테나(30A) 내의 공간[즉, 도 4(b)에 도시하는 2장의 도전판(31A,32)의 간격]의 분포는 레이디얼 안테나(30A)의 특성 임피던스의 분포에 관계되며, 이 특성 임피던스의 분포는 레이디얼 안테나(30A)로부터의 마이크로파(MW)의 누설량 분포에 관계되고 있다. 즉, 도전판(31A, 32)의 간격이 좁은 레이디얼 안테나(30A)의 중앙부(원추면의 정점 부근)에서는 특성 임피던스가 작기 때문에 누설량이 크고, 도전판(31A, 32)의 간격이 넓은 레이디얼 안테나(30A)의 주연부에서는 특성 임피던스가 크기 때문에 누설량이 작아진다. 이와 같이 레이디얼 안테나(30A)는 내부 공간이 분포를 가짐으로써, 마이크로파(MW) 누설량 분포가 조정되어, 플라즈마 생성 분포가 조정되었다고 생각된다.

(3) 정재파 형성 공간(S2)의 형상의 변화:

방사면을 구성하는 도전판(31A)을 원추면 형상으로 함으로써, 정재파 형성 공간(S2)이 변형된다. 이에 따라 정재파 모드가 변화되기 때문에, 플라즈마 생성 분포가 변화되었다고 생각된다.

다음에, 도 1에 도시한 레이디얼 안테나(30A)의 변형예를 설명한다.

이 도면에 도시한 레이디얼 안테나(30B)와 같이, 방사면을 구성하는 제1 도전판으로서, 아래로 볼록한 원추면 형상을 한 도전판(31B)을 이용하더라도 좋다.

도 9는 레이디얼 안테나의 제2 변형예의 단면 형상을 모식적으로 도시한 도면이다. 도 9(a)에 도시한 레이디얼 안테나(30C)는 위로 볼록한 원추면 형상을 한 제1 및 제2 도전판(31A, 32A)을 서로 평행하게 배치한 것이다. 또한, 도 9(b)에 도시한 레이디얼 안테나(30D)는 아래로 볼록한 원추면 형상을 한 제1 및 제2 도전판(31B, 32B)을 서로 평행하게 배치한 것이다. 이러한 레이디얼 안테나(30C, 30D)에서는 내부 공간의 임피던스 분포의 조정에 의한 처리 용기(11) 내의 플라즈마 생성 분포의 조정 작용은 얻지 못한다. 그러나, 레이디얼 안테나(30C, 30D)에서 플라즈마로 직접 입사된 마이크로파(MW)의 전계에 의한 플라즈마 생성 효율을 향상시킬 수 있어, 정재파 형성 공간(S2)의 변형에 의해서 정재파의 전계를 약하게 할 수 있기 때문에, 종래보다도 양호한 플라즈마 분포를 얻을 수 있다.

도 10은 레이디얼 안테나의 제3 변형예의 단면 형상을 모식적으로 도시한 도면이다. 도 10(a)에 도시한 레이디얼 안테나(30E)는 방사면을 구성하는 제1 도전판으로서 평판 형상의 도전판(31)을 이용하고, 제2 도전판으로서 위로 볼록한 원추면 형상을 한 도전판(32A)을 이용한 것이다. 또한, 도 10(b)에 도시한 레이디얼 안테나(30F)는 마찬가지로 평판 형상의 도전판(31)을 이용하고, 제2 도전판으로서 아래로 볼록한 원추면 형상을 한 도전판(32B)을 이용한 것이다. 이러한 레이디얼 안테나(30E, 30F)에서는 내부 공간의 임피던스 분포의 조정에 의해 처리 용기(11) 내의 플라즈마 생성 분포를 조정할 수 있기 때문에, 종래보다도 양호한 플라즈마 분포를 얻을 수 있다.

이상에 예시한 레이디얼 안테나(30A∼30F)는 제1 및 제2 도전판으로서 위 또는 아래로 볼록한 원추면 형상을 한 도전판을 이용한 것이지만, 제1 및 제2 도전판은 곡면 등 다른 볼록 형상이라도 좋다.

또한, 레이디얼 안테나는 누설형(leak type)이 아니라, 소위방사형(radiation type)이라도 좋다. 방사형의 안테나를 실현하는 경우에는, 직경 방향에 있어서의 인접 슬롯(34)간의 피치를 레이디얼 도파로 내에서의 마이크로파(MW)의 파장(λg) 정도로 설정하면 된다.

제2 실시예

도 11은 본 발명의 제2 실시예인 에칭 장치의 구성도이다. 이 도면에 있어서, 도 1과 동일 부분을 동일 부호로 나타내고, 적절하게 그 설명을 생략한다.

이 에칭 장치에서 이용되는 레이디얼 안테나(30)는 방사면을 구성하는 제1 도전판(31)과, 이 도전판(31)과 함께 레이디얼 도파로를 형성하는 제2 도파로(32)가 평행 평판으로 구성되어 있다. 도전판(31, 32)은 수평으로 배치되어 있다. 한편, 레이디얼 안테나(30)의 방사면에 대향 배치되는 유전판(제1 유전체 부재)(13A)은 돔 형상을 하고 있다. 따라서, 이 유전판(13A)은 레이디얼 안테나(30)의 방사면에 대하여 경사지는 면을 갖고 있다. 또한, 유전판(13A)은 중심 축에 대하여 대칭인 형상을 하고 있다. 유전판(13A)과 레이디얼 안테나(30) 사이에는 원통 형상의 스페이서(18)가 개재되어 있다. 또한, 유전판(13), 레이디얼 안테나(30A) 및 스페이서(18)의 주위는 실드재(17)에 의해 덮여 있다.

전술한 바와 같이, 레이디얼 안테나(30)의 방사면을 이루는 도전판(31)은 수평 배치된 평판 형상을 하고 있다. 이 때문에, 도전판(31)에 형성된 슬롯(34)으로부터 누설된 마이크로파(MW)는 수직 방향(Z축 방향)으로 방사된다.

한편, 처리 용기(11) 내의 플라즈마 생성 공간(S1)은 유전판(13A)에 의해 제약되기 때문에, 유전판(13A)과 대향하는 플라즈마 면은 이 유전판(13A)에 따른 곡면이 된다. 이 플라즈마 면의 법선 방향은 중심 부분을 제외하고, 수직 방향(Z축 방향)에 대하여 경사지고 있다. 따라서, 도전판(31A)에서부터 수직 방향(Z축 방향)으로 방사된 마이크로파(MW)는 유전판(13A)과 대향하는 플라즈마 면의 법선 방향에 대하여 경사지는 방향으로 입사하게 된다. 이것은 도 1에 도시한 레이디얼 안테나(30A)를 이용한 경우와 동일한 상태이다.

따라서, 전술한 것과 동일한 원리로, 레이디얼 안테나(30)로부터 플라즈마로 직접 입사된 마이크로파(MW)의 전계에 의한 플라즈마 생성을 정재파의 전계에 의한 플라즈마 생성보다도 우세하게 할 수 있다. 이 때문에, 종래보다도 양호한 플라즈마 분포를 얻을 수 있다.

한편, 유전판(13A)의 형상은 위 또는 아래로 볼록한 원추면 형상 등 다른 볼록 형상이라도 좋다.

제3 실시예

이상에서는 레이디얼 안테나를 이용한 예를 설명했지만, 이것으로 한정하는 것은 아니며, 다른 슬롯 안테나, 예컨대 안테나 하면에 슬롯이 형성된 캐비티 안테나를 이용하더라도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 도 12는 캐비티 안테나가 적용된 본 발명의 제3 실시예인 에칭 장치의 구성도이다. 이 도면에 있어서, 도 1과 동일 부분을 동일 부호로 나타내고, 적절하게 그 설명을 생략한다. 또한, 도 13은 캐비티 안테나의 방사면의 평면도이다.

캐비티 안테나(70A)는 방사면을 구성하는 제1 도전판(71A)과, 이 도전판(71A)에 대하여 상측 위치에 대향 배치된 제2 도전판(72)과, 도전판(71A,72)의 주연부를 막는 링 부재(73)로 구성된다. 도전판(71A, 72) 및 링 부재(73)는 구리 또는 알루미늄 등의 도전체에 의해 형성된다.

안테나 상면을 이루는 도전판(72)에는 마이크로파 발생기(45)로부터의 마이크로파(MW)를 안테나 내부에 도입하는 마이크로파 도입구(75)가 형성되어 있다. 이 마이크로파 도입구(75)는 도전판(72)의 중앙부에 형성되어 있을 필요는 없다.

안테나 하면을 이루는 도전판(71A)에는 도 13에 도시한 바와 같이 둘레 방향으로 연장되는 슬롯(74)이 동심원형으로 복수 형성되어 있다. 또한, 이 도전판(71A)의 형상은 도 2에 도시한 레이디얼 안테나(30A)의 도전판(31A)과 마찬가지로, 위로 볼록한 원추면 형상을 하고 있다. 따라서, 도전판(71A)의 원추면은 평판 형상을 한 유전판(13)에 대하여 경사져 있다.

그리고, 도전판(71A, 72) 및 링 부재(73)에 의해, 마이크로파(MW)를 소정의 모드로 공진시키는 공동 공진기가 구성된다. 이 공동 공진기 내에 지연 부재를 배치하더라도 좋다.

한편, 도전판(71A)에 형성되어 있는 각 슬롯(74)의 길이 및 직경 방향에 있어서의 인접 슬롯(74)간의 피치(P)는 공동 공진기 내에서의 마이크로파(MW)의 파장(λg)에 기초하여 설정된다. 이 중 피치(P)는 λg인 것이 바람직하지만, λg 이하라도 상관없다.

도 12에서, 48은 원통 도파관, 49는 직사각형 원통 변환기이다.

또한, 본 발명에서 이용하는 캐비티 안테나는 전술한 레이디얼 안테나(30A∼30F)와 마찬가지로, 안테나의 상면과 하면을 이루는 2장의 도전판 중적어도 한쪽이 유전판(13)에 대하여 경사져 있으면 된다. 도 14는 이러한 캐비티 안테나의 변형예의 단면 형상을 모식적으로 도시한 도면이다.

도 14(a)에 도시한 캐비티 안테나(70B)는 방사면을 구성하는 제1 도전판으로서, 아래로 볼록한 원추면 형상을 한 도전판(71B)을 이용한 것으로, 도 8에 도시한 레이디얼 안테나(30B)에 대응한다.

도 14(b)에 도시한 캐비티 안테나(70C)는 위로 볼록한 원추면 형상을 한 제1 및 제2 도전판(71A, 72A)을 서로 평행하게 배치한 것으로, 도 9(a)에 도시한 레이디얼 안테나(30C)에 대응한다.

도 14(c)에 도시한 캐비티 안테나(70D)는 아래로 볼록한 원추면 형상을 한 제1 및 제2 도전판(71B, 72B)을 서로 평행하게 배치한 것으로, 도 9(b)에 도시한 레이디얼 안테나(30D)에 대응한다.

도 14(d)에 도시한 캐비티 안테나(70E)는 제1 도전판으로서 평판 형상의 도전판(71)을 이용하고, 제2 도전판으로서 위로 볼록한 원추면 형상을 한 도전판(72A)을 이용한 것으로, 도 10(a)에 도시한 레이디얼 안테나(30E)에 대응한다.

도 14(e)에 도시한 캐비티 안테나(70F)는 마찬가지로 평판 형상의 도전판(71)을 이용하고, 제2 도전판으로서 아래로 볼록한 원추면 형상을 한 도전판(72B)을 이용한 것으로, 도 10(b)에 도시한 레이디얼 안테나(30E)에 대응한다.

제4 실시예

도 15는 본 발명의 제4 실시예인 에칭 장치의 구성도이다. 이 도면에 있어서, 도 11과 동일 부분을 동일 부호로 나타내고, 적절하게 그 설명을 생략한다.

이 에칭 장치는 돔 형상의 유전판(13A) 대신에, 처리 위치에 있는 기판(21)의 주위를 덮는 반구형 또는 주발 형상의 벨자(bell jar)(제1 유전체 부재)(83A)를 갖고 있다. 구체적으로는, 반구형 또는 주발 형상의 벨자(83A)의 개구부를 하측으로 하여 처리 위치 상측에서부터 덮어, 처리 위치 하측의 처리 용기(11A) 측벽에 벨자(83A)의 개구부 주연부를 고정한 구조로 되어 있다. 따라서, 플라즈마가 비교적 고밀도로 존재하는 공간에 근접하는 처리 용기(11A)의 측벽은 벨자(83A)에 의해 적재대(22A)로부터 격리된다. 이 벨자(83A)는 두께 3 mm ∼ 30 mm 정도의 석영 유리 또는 세라믹(Al₂O₃또는 AlN 등) 등의 유전체로 형성되어 있다. 또한, 처리 용기(11A)와 벨자(83A)의 접합부에는 O 링 등의 시일 부재(12A)가 개재되어 있다.

기판(21)이 배치되는 적재대(22A)는 처리 용기(11A)의 바닥부를 느슨하게 관통하는 승강 축(27)에 의해 지지되어, 상하 이동이 자유롭게 되어 있다. 기판을 반입 반출구(19)로부터 반입 또는 반출할 때는 적재대(22A)를 아래로 내리고, 에칭 처리를 할 때는 적재대(22A)를 올려 기판(21)을 처리 위치에 배치할 수 있다.

처리 용기(11A)의 바닥부에는 세라믹 등으로 이루어지는 절연판(24A)이 설치되어 있다. 또한, 처리 용기(11A)와 벨자(83A)로 형성된 처리실의 기밀성을 확보하기 위해서, 적재대(22A)와 절연판(24A) 사이에 승강 축(27)을 둘러싸도록 벨로우즈(bellows)(28)가 설치되어 있다.

또한, 처리 용기(11A)의 바닥부에는 진공 펌프(도시하지 않음)에 접속된 배기구(14A)가 형성되어 있고, 처리 용기(11A)의 측벽에는 처리실 내에 플라즈마 가스 및 에칭 가스를 도입하기 위한 노즐(15A)이 형성되어 있다. 이 노즐(15A)은 기판(21)의 처리 위치의 상측까지 연장되어 있어, 가스가 적재대(22A)의 상부 공간으로 방출되도록 되어 있다.

전술한 바와 같이, 벨자(83A)는 반구형 또는 주발 형상을 하고 있고, 레이디얼 안테나(30)의 방사면[도체판(31)]에 대하여 경사지는 면을 갖고 있다. 따라서, 도 11에 도시한 에칭 장치와 같이, 종래보다도 양호한 플라즈마 분포를 얻을 수 있다.

또한, 플라즈마 생성 공간(S1)을 포함하는 플라즈마가 비교적 고밀도로 존재하는 공간에 근접하는 영역에서는 처리 용기(11A)의 측벽이 벨자(83A)로 커버되어 있기 때문에, 생성된 플라즈마가 처리 용기(11A)의 측벽에 접촉하여 금속 표면을 스퍼터함으로써 발생하는 처리실 내의 오염을 억제할 수 있다.

도 16은 도 15에 도시한 에칭 장치의 변형예를 도시하는 구성도로, 도 16(a)는 단면도이고, 도 16(b)는 적재대(22)의 평면도이다. 이 도면에 있어서, 도 11과 동일 부분을 동일 부호로 나타내고, 적절하게 그 설명을 생략한다.

이 도 16(a)에 도시한 바와 같이, 반구형 또는 주발 형상의 벨자(제1 유전체 부재)(83B)가 적재대(22)의 상면에 배치되는 구조라도 좋다. 이 경우, 시일 부재(12B)에 의해 밀폐된 적재대(22)와 벨자(83B)에 의해 처리실이 형성된다. 적재대(22), 지지대(23), 절연판(24) 및 처리 용기(11) 바닥부에는 배기용의 관통구멍(14B)과, 가스 도입용의 관통 구멍(15B)이 형성되어 있다. 도 16(b)에 도시한 바와 같이, 관통 구멍(14B, 15B)은 적재대(22) 등의 주연부에 형성되어 있다. 또한, 관통 구멍(15B)에서 도입된 가스가 인접하는 관통 구멍(14B)에서 직접 배기되지 않도록, 가스 도입용의 관통 구멍(15B)에 도 16(a)에 도시한 가이드(15C)를 부착하면 좋다.

이와 같이, 적재대(22)의 상면을 벨자(83B)로 덮는 구조로 함으로써, 적재대(22)의 상면이 처리 용기(11)의 금속 표면으로부터 완전히 격리되기 때문에, 전술한 오염을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.

제5 실시예

도 17은 본 발명의 제5 실시예인 에칭 장치의 구성도이다. 이 도면에 있어서, 도 1 및 도 15와 동일 부분을 동일 부호를 나타내고, 적절하게 그 설명을 생략한다.

이 에칭 장치는 방사면이 원추면 형상을 한 레이디얼 안테나(30A)와, 반구형 또는 주발 형상의 벨자(83A)를 조합하여 구성한 것이다. 안테나 형상에 의한 마이크로파(MW)의 방사 각도 변화와, 벨자 형상에 의한 플라즈마 면의 각도 변화를 서로 작용시킴으로써, 마이크로파(MW)의 플라즈마에의 흡수 효율의 면 내 분포를 조정할 수 있다.

또한, 도 18에 도시한 바와 같이, 방사면이 원추면 형상을 한 레이디얼 안테나(30A)와, 돔 형상의 유전판(13A)을 조합하여 구성하더라도, 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.

한편, 안테나와 벨자 또는 유전판과의 조합은 전술한 것에 한정되지 않고, 레이디얼 안테나(30A∼30F)와 벨자(83A, 83B) 또는 유전판(13A)의 어떠한 조합을 이용하더라도 좋다.

제6 실시예

이상에서는, 본 발명을 에칭 장치에 적용한 예를 설명하여 왔지만, 예컨대 플라즈마 CVD(chemical vapor deposition) 장치 등의 다른 플라즈마 처리 장치에 본 발명을 적용하더라도 좋다. 그래서 이어서, 본 발명을 CVD 장치에 적용한 예를 설명한다. 도 19는 본 발명의 제6 실시예인 CVD 장치의 구성도이다. 이 도면에 있어서, 도 17과 동일 부분을 동일 부호로 나타내고, 적절하게 그 설명을 생략한다.

이 CVD 장치는 기판(21)을 가열하는 히터(91)나, 처리실 내에 SiH₄와 H₂의 혼합 가스 등을 도입하는 가스 공급 노즐(92) 등 CVD 장치에 필요한 구성을 갖는 것 외에, 방사면이 원추면 형상을 한 레이디얼 안테나(30A)와, 처리 위치에 있는 기판(21)의 주위를 덮는 반구형 또는 주발 형상의 벨자(제1 유전체 부재)(83A)를 구비하며, 도 16에 도시한 에칭 장치와 같은 특징을 갖고 있다.

또한, 이 CVD 장치에서는 처리 용기(11A)의 상부 개구가 유전체판(제2 유전체 부재)(13)으로 밀폐되어 있다. 또한, 벨자(83A)와 유전체판(13)과 처리 용기(11A)에 의해 둘러싸인 밀폐 공간에 소정 온도의 가스를 유통시켜 벨자(83A)를 온도 조정하기 위해서, 유통 수단으로서 노즐(93)과 배기구(94)가 처리 용기(11A)의 측벽에 형성된다. 노즐(93)로부터 도입되는 가스에는 마이크로파(MW)를 흡수하기 어려운 가스로서 예컨대 N₂가 이용된다. 이 가스의 온도는 벨자(83A)보다도 높은 온도로 설정되고, 그 상한은 600℃로 한다.

도 19에 도시한 CVD 장치의 동작을 설명한다.

우선, 히터(91)를 150℃ 정도로 하여 기판(21)을 가열한 상태에서, 가스 공급 노즐(92)로부터 처리실 내에 SiH₄와 H₂의 혼합 가스를 도입한다. 레이디얼 안테나(30A)에서 처리실 내로 마이크로파(MW)를 공급하면, SiH₄가 해리되어 SiH_x(x=1, 2, 3, 4)로 되고, 이 SiH_x가 기판(21)의 표면에서 반응하여 비결정질의(amorphous) Si(이하, a-Si라 약기함)가 성막된다. 이 때, 벨자(83A)가 상온이면, 벨자(83A)의 내면에 SiH_x가 부착되어, a-Si가 성막된다. 이 a-Si에 의해서 레이디얼 안테나(30A)로부터의 마이크로파(MW)의 도입이 저해되게 된다. 그러나, 벨자(83A)와 유전체판(13) 사이의 공간에 600℃ 이하의 온도, 예컨대 150℃ ∼ 300℃의 N₂를 유통시켜 벨자(83A)를 가온함으로써 SiH_x가 부착되기 어렵게 되기 때문에, 벨자(83A) 내면에 있어서의 a-Si의 성막을 저감시킬 수 있다. 따라서, 벨자(83A)를 통해 처리실 내에 도입되는 마이크로파(MW)의 손실을 저감시켜, 효율적으로 플라즈마를 생성하여 성막을 행할 수 있다.

또한, 벨자(83A)와 유전체판(13)과 처리 용기(11A)에 의해 둘러싸인 밀폐 공간에 유통시키는 유체는 가스에 한정하지 않고, 액체라도 좋다. 이 경우, 예컨대 갈덴(퍼플루오로폴리에테르) 또는 플루오리케이트 등 마이크로파(MW)를 흡수하기어려운 액체를 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기한 온도보다 저온의 유체를 밀폐 공간에 유통시켜, 벨자(83A)를 냉각시키더라도 좋다. 마이크로파(MW)의 작용에 의해서 벨자(83A)의 온도가 지나치게 높아지면, 벨자(83A)가 파손되는 원인이 된다. 또한, 도 16에 도시한 에칭 장치에서는 벨자(83A)의 복사열에 의해 기판(21) 상의 레지스트가 타버려, 희망하는 패턴으로 에칭할 수 없는 경우가 있다. 그러나, 이와 같이 하여 벨자(83A)를 냉각시킴으로써, 전술한 문제를 피할 수 있다.

또한, 벨자(83A)와 함께 밀폐 공간을 형성하는 제2 유전체 부재는 벨자(83A) 에 대하여 적재대(22A)와 다른 측에 배치되면 된다. 따라서, 레이디얼 안테나(30A)의 급전선인 동축 선로(41) 도중에 제2 유전체 부재를 채워 밀폐 공간을 형성하더라도 좋다. 이 경우, 레이디얼 안테나(30A)의 내부에도 유체가 유통하게 된다.

제5 및 제6 실시예에서는 슬롯 안테나로서 레이디얼 안테나를 이용한 예를 설명하였지만, 도 12 내지 도 14에 도시한 캐비티 안테나를 이용하더라도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 플라즈마 처리 장치에서는 슬롯 안테나를 구성하는 제1 및 제2 도전판의 적어도 한쪽이 제1 도전판에 대향 배치된 제1 유전체 부재에 대하여 상대적으로 경사진 구성으로 되어 있다. 방사면을 구성하는 제1 도전판이 제1 유전체 부재에 대하여 경사져 있는 경우, 슬롯 안테나로부터 직접 입사되는 전자계의 전계에 의한 플라즈마 생성을 처리 용기 내에 형성되는정재파의 전계에 의한 플라즈마 생성보다도 우세하게 할 수 있다. 또한, 제1 도전판과 플라즈마 면 사이의 공간이 변형되기 때문에, 정재파 모드가 변화된다. 또한, 제1 도전판이 제2 도전판에 대하여 경사져 있는 경우, 안테나의 특성 임피던스의 분포가 조정됨으로써, 안테나의 방사량 분포가 조정된다. 이들 작용이 조합되어, 플라즈마의 분포를 종래보다도 개선할 수 있다.

본 발명의 플라즈마 처리 장치는 에칭 장치나 CVD 장치, 애슁 장치 등의 처리 장치에 적용 가능하다.

Claims

피처리체를 얹어 놓는 적재대가 내부에 배치된 처리 용기와, 상기 적재대에 대향 배치되어 상기 처리 용기 내에 전자계를 공급하는 슬롯 안테나와, 이 슬롯 안테나의 방사면에 대향 배치된 제1 유전체 부재를 구비한 플라즈마 처리 장치에 있어서,

상기 슬롯 안테나는,

상기 방사면을 구성하는 제1 도전판과,

이 제1 도전판에서 볼 때 상기 적재대와 반대측에 대향 배치된 제2 도전판을 구비하고,

상기 제1 및 제2 도전판의 적어도 한쪽은 상기 제1 유전체 부재에 대하여 상대적으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 슬롯 안테나는 레이디얼 안테나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 슬롯 안테나는 캐비티 안테나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 슬롯 안테나의 제1 및 제2 도전판과 상기 제1 유전체부재의 형상은 공통의 중심 축에 대하여 대칭인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 슬롯 안테나의 제1 및 제2 도전판과 상기 제1 유전체 부재의 적어도 하나는 위로 볼록한 형상을 하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 슬롯 안테나의 제1 및 제2 도전판과 상기 제1 유전체 부재의 적어도 하나는 아래로 볼록한 형상을 하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 도전판과 제2 도전판의 간격은 상기 제1 도전판과 제2 도전판 사이에 있어서의 전자계의 파장을 λg(λg > 10 mm)라고 하면, 5 mm 이상 λg/2 미만인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 유전체 부재는 평판 형상을 하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 유전체 부재는 돔 형상을 하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 유전체 부재는 상기 처리 용기의 내면의 적어도 일부를 상기 적재대로부터 격리시키는 벨자인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제10항에 있어서, 상기 제1 유전체 부재에 대하여 상기 적재대와 다른 측에 배치되어 상기 제1 유전체 부재와 함께 밀폐 공간을 형성하는 제2 유전체 부재와,

상기 밀폐 공간에 유체를 유통시켜 상기 제1 유전체 부재의 온도를 조정하는 유통 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.