KR20040045900A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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KR20040045900A
KR20040045900A KR10-2004-7005933A KR20047005933A KR20040045900A KR 20040045900 A KR20040045900 A KR 20040045900A KR 20047005933 A KR20047005933 A KR 20047005933A KR 20040045900 A KR20040045900 A KR 20040045900A
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고토데츠야
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다다히로 오미
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Abstract

플라즈마 처리 장치는 외벽에 의해 구획되어, 피처리 기판을 유지하는 유지대를 갖춘 처리 용기와, 상기 처리 용기에 결합된 배기계와, 상기 처리 용기 상에, 상기 유지대 상의 피처리 기판에 대면하도록, 상기 외벽의 일부로서 설치된 마이크로파 투과창과, 상기 처리 용기 속에 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부와, 상기 처리 용기 상에, 상기 마이크로파에 대응하여 설치된 마이크로파 안테나로 이루어지며, 상기 플라즈마 가스 공급부는 다공질 매체를 포함하고, 상기 다공질 매체를 통해 상기 플라즈마 가스를 상기 처리 용기에 공급한다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING EQUIPMENT}
도 1a, 도 1b는 이러한 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 사용한 종래의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 구성을 도시한다. 다만 도 1a는 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 단면도를, 또 도 1b는 레이디얼 라인 슬롯 안테나의 구성을도시한 도면이다.
도 1a를 참조하면, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는 복수의 배기 포트(116)로부터 배기되는 처리실(101)을 가지며, 상기 처리실(101) 중에는 피처리 기판(114)을 유지하는 유지대(115)가 형성되어 있다. 상기 처리실(101)의 균일한 배기를 실현하기 위해서, 상기 유지대(115)의 주위에는 링형으로 공간(101A)이 형성되어 있고, 상기 복수의 배기 포트(116)를 상기 공간(101A)에 연통되도록 등간격으로, 즉 피처리 기판에 대하여 축 대칭으로 형성함으로써, 상기 처리실(101)을 상기 공간(101A) 및 배기 포트(116)를 통해 균일하게 배기할 수 있다.
상기 처리실(101) 상에는 상기 유지대(115) 상의 피처리 기판(114)에 대응하는 위치에 상기 처리실(101)의 외벽의 일부로서 저손실 유전체로 이루어지고 다수의 개구부(107)가 형성된 판형의 샤워 플레이트(103)가 시일 링(109)을 통해 형성되어 있고, 또한 상기 샤워 플레이트(103)의 외측에 마찬가지로 저손실 유전체로 이루어지는 커버 플레이트(102)가 별도의 시일 링(108)을 통해 설치되어 있다.
상기 샤워 플레이트(103)에는 그 상면에 플라즈마 가스의 통로(104)가 형성되어 있고, 상기 복수의 개구부(107)의 각각은 상기 플라즈마 가스 통로(104)에 연통되도록 형성되어 있다. 또한, 상기 샤워 플레이트(103)의 내부에는 상기 처리 용기(101)의 외벽에 설치된 플라즈마 가스 공급 포트(105)에 연통되는 플라즈마 가스의 공급 통로(108)가 형성되어 있고, 상기 플라즈마 가스 공급 포트(105)에 공급된 Ar이나 Kr 등의 플라즈마 가스는 상기 공급 통로(108)로부터 상기 통로(104)를 통해 상기 개구부(107)에 공급되어, 상기 개구부(107)로부터 상기 처리 용기(101) 내부의 상기 샤워 플레이트(103) 바로 아래의 공간(101B)에 실질적으로 균일한 농도로 방출된다.
상기 처리 용기(101) 상에는 또한 상기 커버 플레이트(102)의 외측에 상기 커버 플레이트(102)로부터 4∼5 mm 이격되어 도 1b에 도시하는 방사면을 갖는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(110)가 설치되어 있다. 상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(110)는 외부의 마이크로파원(도시하지 않음)에 동축 도파관(110A)을 통해 접속되어 있고, 상기 마이크로파원으로부터의 마이크로파에 의해, 상기 공간(101B)에 방출된 플라즈마 가스를 여기한다. 상기 커버 플레이트(102)와 레이디얼 라인 슬롯 안테나(110)의 방사면 사이의 간극은 대기에 의해 충전되어 있다.
상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(110)는 상기 동축 도파관(110A)의 외측 도파관에 접속된 평탄한 디스크형의 안테나 본체(110B)와, 상기 안테나 본체(110B)의 개구부에 형성된 도 1b에 도시하는 다수의 슬롯(110a) 및 이것에 직교하는 다수의 슬롯(110b)이 형성된 방사판(110C)으로 이루어지며, 상기 안테나 본체(110B)와 상기 방사판(110C) 사이에는 두께가 일정한 유전체판으로 이루어지는 지상판(遲相板)(110D)이 삽입되어 있다.
이러한 구성의 레이디얼 라인 슬롯 안테나(110)에서는 상기 동축 도파관(110A)으로부터 급전된 마이크로파는 상기 디스크형의 안테나 본체(110B)와 방사판(110C) 사이를 반경 방향으로 넓어지면서 진행하는데, 그 때에 상기 지상판(110D)의 작용에 의해 파장이 압축된다. 그래서, 이와 같은 식으로 반경 방향으로 진행하는 마이크로파의 파장에 대응하여 상기 슬롯(110a 및 110b)을 동심원형으로 또한 서로 직교하도록 형성해 둠으로써, 원편파를 갖는 평면파를 상기 방사판(110C)에 실질적으로 수직인 방향으로 방사할 수 있다.
이러한 레이디얼 라인 슬롯 안테나(110)를 사용함으로써, 상기 샤워 플레이트(103) 바로 아래의 공간(101B)에 균일한 고밀도 플라즈마가 형성된다. 이와 같은 식으로 형성된 고밀도 플라즈마는 전자 온도가 낮고, 그 때문에 피처리 기판(114)에 손상이 생기는 일이 없으며, 또한 처리 용기(101)의 용기 벽의 스퍼터링에 기인하는 금속 오염이 생기는 일도 없다.
도 1의 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 또한 상기 처리 용기(101) 중, 상기 샤워 플레이트(103)와 피처리 기판(114) 사이에, 외부의 처리 가스원(도시하지 않음)으로부터 상기 처리 용기(101) 중에 형성된 처리 가스 통로(112)를 통해 처리 가스를 공급하는 다수의 노즐(113)을 형성한 도체 구조물(111)이 형성되어 있고, 상기 노즐(113)의 각각은 공급된 처리 가스를 상기 도체 구조물(111)과 피처리 기판(114) 사이의 공간(101C)에 방출한다. 즉 상기 도체 구조물(111)은 처리 가스 공급부로서 기능한다. 상기 처리 가스 공급부를 구성하는 도체 구조물(111)에는 상기 인접하는 노즐(113과 113) 사이에, 상기 공간(101B)에서 형성된 플라즈마를 상기 공간(101B)으로부터 상기 공간(101C)으로 확산에 의해 효율적으로 통과시키는 크기의 개구부가 형성되어 있다.
그래서, 이와 같이 상기 처리 가스 공급부(111)로부터 상기 노즐(113)을 통해 처리 가스를 상기 공간(101C)으로 방출한 경우, 방출된 처리 가스는 상기 공간(101B)에서 형성된 고밀도 플라즈마에 의해 여기되어, 상기 피처리 기판(114)상에 균일한 플라즈마 처리가 효율적이고 고속으로 기판 및 기판 상의 소자 구조를 손상시키는 일없이 기판을 오염시키지 않고서 행해진다. 한편 상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(110)로부터 방사된 마이크로파는 도체로 이루어지는 상기 처리 가스 공급부(111)에 의해 저지되어, 피처리 기판(114)을 손상시키는 일이 없다.
그런데, 도 1a, 도 1b에서 설명한 상기 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 상기 샤워 플레이트(103) 바로 아래의 공간(101B) 중에 고밀도로 균일하게 플라즈마를 여기하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 상기 공간(101B) 이외에서 플라즈마가 여기되기 쉬운 공간, 예컨대 마이크로파 전계가 강해 플라즈마가 여기되기 쉬운 상기 플라즈마 가스 통로(104)나, 상기 개구부(107)에서 플라즈마가 여기되지 않는 것이 중요하다.
그러나, 실제로 본 장치(10)에 있어서 플라즈마를 여기할 때는 기판 처리의 조건에 따라서는 상기 플라즈마 가스 통로(104) 및 개구부(107) 내에서 플라즈마가 여기되어 버릴 가능성이 있다. 상기 플라즈마 통로(104) 및 상기 개구부(107) 내에서 플라즈마가 여기되어 버리면, 마이크로파 전력이 소비되어 버려, 상기 공간(101B)에서의 플라즈마 밀도가 저하되어 버린다. 또한 상기 개구부(107) 바로 아래의 영역과 상기 개구부(107)로부터 먼 영역에서 플라즈마 밀도에 차이가 생기기 때문에, 플라즈마 여기 공간인 상기 공간(101B) 전체의 플라즈마 밀도에 불균일이 생겨 버린다고 하는 문제가 발생한다.
본 발명은 일반적으로 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 특히 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마 처리 공정 및 플라즈마 처리 장치는 최근의 소위 딥 서브 미크론 소자 혹은 딥 서브 쿼터 미크론 소자라 불리는 0.1 ㎛에 가깝거나, 혹은 그 이하의 게이트 길이를 갖는 초미세화 반도체 장치의 제조나, 액정 표시 장치를 포함하는 고해상도 평면 표시 장치의 제조에 있어서 불가결한 기술이다.
반도체 장치나 액정 표시 장치의 제조에 사용되는 플라즈마 처리 장치로서는 종래부터 여러 가지 플라즈마의 여기 방식이 사용되고 있지만, 특히 평행 평판형 고주파 여기 플라즈마 처리 장치 혹은 유도 결합형 플라즈마 처리 장치가 일반적이다. 그러나 이들 종래의 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 형성이 불균일하고, 전자 밀도가 높은 영역이 한정되어 있기 때문에 큰 처리 속도, 즉 작업 처리량으로 피처리 기판 전면에 걸쳐 균일한 프로세스를 실행하는 것이 곤란하다는 문제점을 갖고 있다. 이 문제는 특히 대직경의 기판을 처리하는 경우에 심각하게 된다. 더구나 이들 종래의 플라즈마 처리 장치에서는, 전자 온도가 높기 때문에 피처리 기판 상에 형성되는 반도체 소자에 손상이 생기고, 또한 처리실 벽의 스퍼터링에 의한 금속 오염이 크다는 등 몇 가지의 본질적인 문제를 갖고 있다. 이 때문에, 종래의 플라즈마 처리 장치에서는 반도체 장치나 액정 표시 장치의 보다 더 높은 미세화 및 보다 더 높은 생산성 향상에 대한 엄격한 요구를 만족시키기가 어렵게 되어 있다.
한편, 종래부터 직류 자장을 이용하지 않고서 마이크로파 전계에 의해 여기된 고밀도 플라즈마를 사용하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 제안되어 있다. 예컨대, 균일한 마이크로파를 발생하도록 배열된 다수의 슬롯을 갖는 평면형의 안테나(레이디얼 라인 슬롯 안테나)로부터 처리 용기 내에 마이크로파를 방사하여, 이 마이크로파 전계에 의해 진공 용기 내의 가스를 전리(電離)하여 플라즈마를 여기시키는 구성의 플라즈마 처리 장치가 제안되어 있다(예컨대 일본 특허 공개 평9-63793호 공보 참조). 이러한 수법으로 여기된 마이크로파 플라즈마에서는 안테나 바로 아래의 넓은 영역에 걸쳐 높은 플라즈마 밀도를 실현할 수 있어, 단시간에 균일한 플라즈마 처리를 행하는 것이 가능하다. 더구나 이러한 수법으로 형성된 마이크로파 플라즈마에서는 마이크로파에 의해 플라즈마를 여기하기 때문에 전자 온도가 낮고, 피처리 기판의 손상이나 금속 오염을 피할 수 있다. 또한 대면적 기판 상에도 균일한 플라즈마를 용이하게 여기할 수 있기 때문에, 대구경의 반도체 기판을 사용한 반도체 장치의 제조 공정이나 대형 액정 표시 장치의 제조에도 용이하게 대응할 수 있다.
도 1a, 도 1b는 종래의 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 사용한 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2a, 도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 의한 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 마이크로파 플라즈마가 여기하기 위한 마이크로파 전계와, 플라즈마 가스인 Ar의 압력 조건을 도시한 도면이다.
도 4a, 도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 의한 처리 가스 공급 구조의 구성을 도시한 도면이다.
도 5a, 도 5b는 본 발명의 제3 실시예에 의한 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 6a, 도 6b는 본 발명의 제4 실시예에 의한 플라즈마 처리 장치의 구성을도시한 도면이다.
도 7a, 도 7b는 본 발명의 제5 실시예에 의한 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 8a, 도 8b는 본 발명의 제6 실시예에 의한 플라즈마 처리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
그래서, 본 발명은 상기한 과제를 해결한 신규의 유용한 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 통괄적 과제로 한다.
본 발명의 구체적인 과제는, 플라즈마 가스를 도입하는 경로 도중의 공간 내에 있어서 플라즈마를 여기시키는 일없이, 고밀도로 균일성이 좋은 플라즈마를 원하는 공간 내에 여기시키는 것이다.
본 발명의 다른 과제는,
외벽에 의해 구획되고, 피처리 기판을 유지하는 유지대를 구비한 처리 용기와,
상기 처리 용기에 결합된 배기계와,
상기 처리 용기 상에 상기 유지대 상의 피처리 기판에 대면하도록 상기 외벽의 일부로서 설치된 마이크로파 투과창과,
상기 처리 용기 중에 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부와,
상기 처리 용기 상에 상기 마이크로파에 대응하여 설치된 마이크로파 안테나로 이루어지며,
상기 플라즈마 가스 공급부는 다공질 매체를 포함하고, 상기 다공질 매체를 통해 상기 플라즈마 가스를 상기 처리 용기에 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따르면, 피처리 기판을 처리하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 플라즈마를 여기하기 위한 플라즈마 여기 공간 이외에 있어서의 플라즈마 여기를 방지하기 위해서 이하의 대책을 세웠다. 플라즈마 가스 통로에 있어서는 플라즈마가 여기하지 않는 플라즈마 가스 압력 조건으로 함으로써 플라즈마 여기를 방지했다. 또, 플라즈마 가스가 방사되는 샤워 플레이트에 있어서는 다공질 매체의 기공부를 통해 플라즈마 가스를 공급하는 기구로 함으로써, 좁은 기공부 공간을 통할 때에는 마이크로파에 의해 가속되는 전자가 상기 기공부 공간의 내벽에 충돌하여 플라즈마 여기에 필요한 가속이 주어지지 않는 구조로 하여 플라즈마 여기를 방지했다. 그 결과, 원하는 플라즈마 여기 공간에 있어서 고밀도로 균일한 플라즈마를 여기시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 그 밖의 과제 및 특징은 이하에 도면을 참조하면서 설명하는 본 발명의 상세한 설명으로부터 분명하게 될 것이다.
[제1 실시예]
도 2a, 도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 의한 마이크로파 플라즈마 처리 장치(200)의 구성을 나타낸다. 단 도면에서, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙여, 설명을 생략한다.
도 2a를 참조하면, 상기 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 상기 샤워 플레이트(103)가, 본 실시예에서는 다공질 매체, 예컨대 다공질 세라믹 재료인 상압에서 소결된 Al2O3으로 형성된 디스크형의 샤워 플레이트(201)로 대체되어 있다. 상기 샤워 플레이트(201)의 상면에는 플라즈마 가스의 통로(202)가 형성되어 있다. 상기 플라즈마 가스 공급 포트(105)에 공급된 Ar이나 Kr 등의 플라즈마 가스는 상기 플라즈마 가스 유로(202)를 통과하여 상기 샤워 플레이트(201)의 다공질 매체의 기공을 지나 상기 샤워 플레이트 바로 아래의 공간(101B) 중에 균일하게 공급된다.
이 경우, 상기한 바와 같이 상기 플라즈마 가스 통로(202)는 마이크로파 전계가 강해 플라즈마가 여기되기 쉽다. 그래서, 상기 플라즈마 가스 통로(202)를 마이크로파 플라즈마가 여기되지 않는 압력으로 할 필요가 있다.
도 3에, 마이크로파 전계의 강도와, 플라즈마 여기 가스인 Ar의 압력을 변화시킨 경우에 있어서, 마이크로파 플라즈마가 여기되는 영역을 나타낸다. 마이크로파의 주파수는 2.45 GHz인 경우를 예로 들고 있다. 도면 중의 영역 A로 나타낸 영역이 플라즈마가 여기되는 영역이며, 상기 영역 A에 있어서의 마이크로파 전계 강도 및 Ar 압력에 있어서는 마이크로파 플라즈마가 여기된다.
도 3을 참조하면, 예컨대 압력이 약 1 Torr인 경우, 마이크로파 강도는 약 0.3 W/cm2에서 마이크로파 플라즈마가 점화되고, 마이크로파 강도가 대략 최소에서 마이크로파 플라즈마가 여기된다. 그러나, 1 Torr보다 압력을 상승시키면, 혹은 하강시키면, 플라즈마를 여기시키기 위해서 필요한 마이크로파 전계는 강하게 되어, 플라즈마가 여기되기 어려운 조건으로 되는 것을 알 수 있다. 본 장치에서는 상기 플라즈마 가스 통로를 약 6.67 KPa∼13.3 KPa(약 50 Torr∼100 Torr) 정도로 함으로써, 상기 플라즈마 가스 통로(202) 내에서 플라즈마가 여기되는 것을 방지하고 있다.
또, 플라즈마 여기 공간인 상기 공간(101B)과 플라즈마 가스 공급 경로인 상기 플라즈마 가스 유로(202)는 다공질 매체인 상기 샤워 플레이트(201)에 의해서 격절(隔絶)되는 구성으로 되어 있다. 상기 플라즈마 가스는 상기 플라즈마 가스 유로(202)로부터 상기 샤워 플레이트(201)의 다공질 매체의 기공 내부를 지나 상기공간(101B)에 공급된다. 상기 기공 중에서는 플라즈마를 여기하기에 충분한 넓이의 공간이 존재하지 않기 때문에, 플라즈마가 여기되는 일은 없다. 즉, 상기 기공 중에서는 마이크로파에 의해서 전자가 가속되더라도, 플라즈마가 여기될 정도까지 전자가 가속되기 전에 상기 기공의 외벽에 충돌하기 때문에 플라즈마가 여기되는 일이 없다.
그 때문에, 본 장치(200)에 있어서는 상기 공간(101B)에 이어지는 플라즈마 가스 도입 경로인 상기 샤워 플레이트(201) 내에서 플라즈마가 여기되는 일이 없기 때문에, 상기 공간(101B)에서는 고밀도로 균일한 플라즈마를 여기하는 것이 가능하게 된다.
[제2 실시예]
도 4a, 도 4b는 본 발명의 제2 실시예인 마이크로파 플라즈마 처리 장치(200A)의 구성을 도시한다. 단 도면에서, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙여, 설명을 생략한다.
도 4a를 참조하면, 본 실시예의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(200A)에서는 상기 하단 샤워 플레이트(111)가 철거되어 있다. 상기 하단 샤워 플레이트(111)가 생략되어 있기 때문에 플라즈마 가스와는 별도로 처리 가스를 공급하여 성막이나 에칭을 행할 수는 없지만, 상기 샤워 플레이트(201)로부터 플라즈마 가스와 함께 산화 가스 혹은 질화 가스를 공급함으로써, 피처리 기판 표면에 산화막이나 질화막 혹은 산질화막을 형성하는 것이 가능하다.
본 실시예에서도, 상기 샤워 플레이트(201) 내에 있어서 플라즈마가 여기되는 일이 없기 때문에, 상기 샤워 플레이트 바로 아래의 공간에 있어서 고밀도로 균일한 플라즈마를 여기하는 것이 가능하게 된다.
[제3 실시예]
도 5a, 도 5b는 본 발명의 제3 실시예에 의한 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)의 구성을 도시한다.
도 5a를 참조하면, 상기 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)는 처리 용기(11)와, 상기 처리 용기(11) 내에 설치되고 피처리 기판(12)을 정전 척에 의해 유지하는 바람직하게는 열간 등방압 가압법(HIP)에 의해 형성된 AlN 혹은 Al2O3으로 이루어지는 유지대(13)를 포함하며, 상기 처리 용기(11) 내에는 상기 유지대(13)를 둘러싸는 공간(11A)에 등간격으로, 즉 상기 유지대(13) 상의 피처리 기판(12)에 대하여 대략 축 대칭의 관계로 적어도 2곳, 바람직하게는 3곳 이상에 배기 포트(11a)가 형성되어 있다. 상기 처리 용기(11)는 이러한 배기 포트(11a)를 통해 진공 펌프에 의해 배기·감압된다.
상기 처리 용기(11)는 바람직하게는 Al을 함유하는 오스테나이트 스테인리스강으로 이루어지며, 내벽면에는 산화 처리에 의해 산화알루미늄으로 이루어지는 보호막이 형성되어 있다.
또 상기 처리 용기(11)의 외벽 중 상기 피처리 기판(12)에 대응하는 부분에는 다공질 매체, 예컨대 다공질 세라믹 재료인 상온에서 소결된 Al2O3으로 형성된 디스크형의 샤워 플레이트(14)가 상기 외벽의 일부로서 형성된다.
상기 샤워 플레이트(14)는 상기 처리 용기(11) 상에 시일 링(11s)을 통해 장착되고, 또 상기 샤워 플레이트(14) 상에는 HIP 처리에 의해 형성된 치밀한 Al2O3으로 이루어지는 커버 플레이트(15)가 설치되어 있다. 이러한 HIP법에 의해 형성된 Al2O3커버 플레이트(15)는 Y2O3을 소결 조제로서 사용하여 형성되며, 기공율이 0.03 % 이하로 실질적으로 기공이나 핀 홀을 포함하고 있지 않으며, 30 W/m·K에 달하는 세라믹으로서는 매우 큰 열전도율을 갖는다. 또, 상기한 바와 같이, 처리 용기(11)와 외부와의 기밀은 상기 시일 링(11s)이 상기 커버 플레이트(15)에 압박됨으로써 이루어지기 때문에, 다공질 매체로 기계적 강도가 낮은 상기 샤워 플레이트(14)에 가중이 걸리지 않는 구조로 되어 있다. 상기 샤워 플레이트(14)의 상기 커버 플레이트(15)와 접하는 측에는 플라즈마 가스 유로가 되는 오목 형상의 플라즈마 가스 유로(14A)가 형성되어 있고, 상기 플라즈마 가스 유로(14A)는 상기 샤워 플레이트(14)의 내부에 형성되어, 상기 샤워 플레이트 상부에 형성된 후술하는 플라즈마 가스 도입로(21A)에 접속되어 있다.
상기 샤워 플레이트(14)는 상기 처리 용기(11)의 내벽에 형성된 돌출부(11b)에 의해 유지되어 있고, 상기 돌출부(11b) 중 상기 샤워 플레이트(14)를 유지하는 부분에는 이상 방전을 억제하기 위해서 라운딩이 형성되어 있다.
그래서, 상기 플라즈마 가스 도입로(21A)에 공급된 Ar이나 Kr 등의 플라즈마 가스는 상기 샤워 플레이트(14) 내부의 상기 플라즈마 가스 유로(14A)를 통과한 후, 상기 샤워 플레이트(14)의 다공질 매체의 기공을 지나 상기 샤워 플레이트 바로 아래의 공간(11B) 중에 균일하게 공급된다. 또, 상기 플라즈마 가스 도입로(21A)와 상기 커버 플레이트(15)의 결합 부분에는 시일 링(15s)이 삽입되어 있어, 상기 플라즈마 가스가 봉입된다.
상기 커버 플레이트(15) 상에는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(20)가 설치되어 있다. 레이디얼 라인 슬롯 안테나(20)는 상기 커버 플레이트(15)에 밀접하여 도 5b에 도시하는 다수의 슬롯(16a, 16b)이 형성된 디스크형의 슬롯판(16)과, 상기 슬롯판(16)을 유지하는 디스크형의 안테나 본체(17)와, 상기 슬롯판(16)과 상기 안테나 본체(17) 사이에 협지된 Al2O3, Si3N4, SiON 혹은 SiO2등의 저손실 유전체 재료로 이루어지는 지상판(18)을 갖는다. 또한 상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(20) 상부에는 플라즈마 가스·마이크로파 도입부(21)가 설치되어 있다. 상기 플라즈마 가스·마이크로파 도입부(21)는 상기 안테나 본체(17)에 접속되는 원형 혹은 직사각형 단면으로 내부가 마이크로파 도입 경로인 21C와, 직사각형 혹은 원형 단면의 마이크로파 도입부(21B), 그리고 대략 원통 형상으로 Ar이나 Kr 등의 플라즈마 가스가 도입되는 플라즈마 가스 도입로(21A)로 이루어진다. 상기 레이디얼 슬롯 라인 안테나(20)는 상기 처리 용기(11) 상에 시일 링(11u)를 통해 장착되어 있으며, 상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(20)에는 상기 플라즈마 가스·마이크로파 도입부(21)의 마이크로파 도입부(21B)에 접속된 외부의 마이크로파원(도시하지 않음)으로부터 주파수가 2.45 GHz 혹은 8.3 GHz인 마이크로파가 공급된다. 공급된 마이크로파는 상기 슬롯판(16) 상의 슬롯(16a, 16b)으로부터 상기 커버 플레이트(15) 및 샤워 플레이트(14)를 통해 상기 처리 용기(11) 중에 방사되어, 상기 샤워 플레이트(14) 바로 아래의 공간(11B)에 있어서 상기 샤워 플레이트(14)로부터 공급된 플라즈마 가스 중에 플라즈마를 여기한다. 그 때, 상기 커버 플레이트(15) 및 샤워 플레이트(14)는 Al2O3에 의해 형성되어 있어, 효율적인 마이크로파 투과창으로서 작용한다. 그 때, 상기한 바와 같이 상기 플라즈마 가스 유로(14A)에 있어서 플라즈마가 여기되는 것을 피하기 위해서, 상기 플라즈마 가스 유로(14A)의 상기 플라즈마 가스의 압력은 약 6.67 KPa∼13.3 KPa(약 50∼100 Torr)로 유지된다.
이 경우, 실시예 1의 설명에서 상기한 바와 같이, 플라즈마 여기 공간인 상기 공간(11B)과 플라즈마 가스 공급 경로인 상기 플라즈마 가스 유로(14A)는 다공질 매체인 상기 샤워 플레이트(14)에 의해서 격절되는 구성으로 되어 있다. 상기한 바와 같이, 상기 플라즈마 가스는 상기 플라즈마 가스 유로로부터 상기 샤워 플레이트(14)의 기공 내부를 지나 상기 공간(11B)에 공급되지만, 상기 기공 속에서는 플라즈마를 여기하기에 충분한 넓이의 공간이 존재하지 않기 때문에, 플라즈마가 여기되는 일은 없다.
그 때문에, 본 장치(10)에 있어서도 상기 공간(11B)에 이어지는 플라즈마 가스 도입 경로인 상기 샤워 플레이트(14) 내에 있어서 플라즈마가 여기되는 일이 없기 때문에, 상기 공간(11B)에 있어서는 고밀도로 균일한 플라즈마를 여기하는 것이 가능해진다.
상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(20)와 상기 커버 플레이트(15)와의 밀착성을 향상시키기 위해서, 본 실시예의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)에서는 상기 슬롯판(16)에 결합하는 상기 처리 용기(11)의 상면의 일부에 링형의 홈(11g)이 형성되어 있고, 이러한 홈(11g)을 이것에 연통된 배기 포트(11G)를 통해 배기함으로써, 상기 슬롯판(16)과 커버 플레이트(15) 사이에 형성된 간극을 감압하여, 대기압에 의해, 상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(20)를 상기 커버 플레이트(15)에 확실히 압박할 수 있게 된다. 이러한 간극에는 상기 슬롯판(16)에 형성된 슬롯(16a, 16b)이 포함되지만, 그 이외에도 여러 가지 이유에 의해 간극이 형성되는 경우가 있다. 이러한 간극은 상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(20)와 처리 용기(11) 사이의 시일 링(11u)에 의해 밀봉되어 있다.
또한 상기 배기 포트(11G) 및 홈(11g)을 통해 상기 슬롯판(16)과 상기 커버 플레이트(15) 사이의 간극에 분자량이 작은 불활성 기체를 충전함으로써, 상기 커버 플레이트(15)로부터 상기 슬롯판(16)으로의 열의 수송을 촉진할 수 있다. 이러한 불활성 기체로서는 열전도율이 크고 또한 이온화 에너지가 높은 He를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 간극에 He를 충전하는 경우에는 0.8 기압 정도의 압력으로 설정하는 것이 바람직하다. 도 3의 구성에서는 상기 홈(11g)의 배기 및 홈(11g)에의 불활성 기체의 충전을 위해, 상기 배기 포트(11G)에 밸브(11V)가 접속되어 있다.
상기 가스·플라즈마 도입부(21)의 상기 도파관(21C)은 상기 디스크형의 안테나 본체(17)에 접속되고, 플라즈마 가스 도입부(21A)는 상기 지상판(18)에 형성된 개구부(18A)와 상기 슬롯판(16)에 형성된 개구부(16c)를 삽입 관통하여 상기 커버 플레이트 개구부(15A)에 접속되어 있다. 그래서 상기 마이크로파 도입부(21B)에 공급된 마이크로파는 상기 도파관(21C)을 통해 상기 안테나 본체(17)와 슬롯판(16) 사이를 직경 방향으로 진행하면서, 상기 슬롯(16a, 16b)으로부터 방사된다.
도 5b는 상기 슬롯판(16) 상에 형성된 슬롯(16a, 16b)을 나타낸다.
도 5b를 참조하면, 상기 슬롯(16a)은 동심원형으로 배열되어 있으며, 각각의 슬롯(16a)에 대응하여, 이것에 직행하는 슬롯(16b)이 마찬가지로 동심원형으로 형성되어 있다. 상기 슬롯(16a, 16b)은 상기 슬롯판(16)의 반경 방향으로, 상기 지상판(18)에 의해 압축된 마이크로파의 파장에 대응한 간격으로 형성되어 있으며, 그 결과 마이크로파는 상기 슬롯판(16)으로부터 대략 평면파로 되어 방사된다. 그 때, 상기 슬롯(16a 및 16b)을 상호의 직교하는 관계로 형성하고 있기 때문에, 이와 같은 식으로 방사된 마이크로파는 2개의 직교하는 편파 성분을 포함하는 원편파를 형성한다.
상기 슬롯판(16)의 중심에는 상기 플라즈마 가스 도입로(21A)를 상통하기 위한 개구부(16c)가 마련되어 있다.
또한 도 5a의 플라즈마 처리 장치(10)에서는 상기 안테나 본체(17) 상에, 냉각수 통로(19A)가 형성된 냉각 블록(19)이 형성되어 있고, 상기 냉각 블록(19)을 상기 냉각수 통로(19A) 중의 냉각수에 의해 냉각함으로써, 상기 샤워 플레이트(14)에 축적된 열을 상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(20)를 통해 흡수한다. 상기 냉각수 통로(19A)는 상기 냉각 블록(19) 상에 있어서 나선형으로 형성되어 있으며, 바람직하게는 H2가스를 버블링함으로써 용존 산소를 배제하고 또 산화 환원 전위를 제어한 냉각수가 지나게 된다.
또, 도 5a의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)에서는 상기 처리 용기(11) 중, 상기 샤워 플레이트(14)와 상기 유지대(13) 상의 피처리 기판(12) 사이에, 상기 처리 용기(11)의 외벽에 설치된 처리 가스 주입구(11r)로부터 처리 가스를 공급받아 이것을 다수의 처리 가스 노즐 개구부(31A)로부터 방출하는 격자형의 처리 가스 통로를 갖는 처리 가스 공급 구조(31)가 설치되어, 상기 처리 가스 공급 구조(31)와 상기 피처리 기판(12) 사이의 공간(11C)에 있어서 원하는 균일한 기판 처리가 이루어진다. 이러한 기판 처리에는 플라즈마 산화 처리, 플라즈마 질화 처리, 플라즈마 산질화 처리, 플라즈마 CVD 처리 등이 포함된다. 또, 상기 처리 가스 공급 구조(31)로부터 상기 공간(11C)에 C4F8, C5F8또는 C4F6등의 플루오로카본 가스나, F계 혹은 Cl계 등의 에칭 가스를 공급하고, 상기 유지대(13)에 고주파 전원(13A)으로부터 고주파 전압을 인가함으로써, 상기 피처리 기판(12)에 대하여 반응성 이온 에칭을 실시하는 것이 가능하다.
본 실시예에 의한 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)에서는 상기 처리 용기(11)의 외벽은 150℃ 정도의 온도로 가열해 둠으로써, 처리 용기 내벽에 반응 부생성물 등이 부착되는 것을 피할 수 있어, 하루에 1회 정도의 드라이크리닝을 행함으로써, 정상적으로 안정적으로 운전하는 것이 가능하다.
[제4 실시예]
다음에, 도 6a, 도 6b에 본 발명의 제4 실시예인 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10A)의 예를 도시한다. 단 도면에서, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙여, 설명은 생략한다.
도 6a를 참조하면, 실시예 3의 상기 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)에 이용되고 있었던 다공질 매체의 상기 샤워 플레이트(14) 대신에, 상기 HIP법에 의해 형성된 치밀한 Al2O3으로 이루어지고, 적어도 하나 이상의 개구부(40B)가 형성된 샤워 플레이트(40)가 설치된다. 상기 샤워 플레이트(40)의 상기 커버 플레이트(15)에 접하는 측에는 상기 개구부(40B)의 각각에 연통되어 플라즈마 가스 유로로 되는 오목부인 플라즈마 가스 유로(40A)가 형성되어 있다. 상기 개구부(40B)의 각각에는 다공질 매체, 예컨대 다공질 세라믹인 상압에서 소결된 Al2O3으로 이루어지는 플라즈마 가스 도입 부품(41)이 삽입된다. Ar, Kr 등의 플라즈마 가스는 상기 플라즈마 가스 유로(40A)를 통과한 후, 상기 플라즈마 가스 도입 부품(41)의 다공질 매체의 기공을 통과하여 상기 공간(11B)에 대략 균일하게 공급된다.
이 경우도 상기 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)의 경우와 마찬가지로, 플라즈마 가스 통로(40A) 및 상기 플라즈마 가스 도입 부품(41) 내에 있어서 플라즈마가 여기되는 일이 없기 때문에, 상기 공간(11B)에 있어서는 고밀도로 균일한 플라즈마를 여기하는 것이 가능하게 된다.
[제5 실시예]
다음에, 도 7a, 도 7b에 본 발명의 제5 실시예인 마이크로파 플라즈마 처리장치(10B)의 예를 나타낸다. 단 도면에서, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙여, 설명을 생략한다.
도 7a를 참조하면, 본 실시예의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10B)에서는, 상기 하단 샤워 플레이트(31)가 철거되어 있다. 또, 상기 샤워 플레이트(14)를 유지하는 상기 돌출부(11b)의 전면에 라운딩이 형성되어 있다.
이러한 구성의 플라즈마 처리 장치(10B)에서는, 상기 하단 샤워 플레이트(31)가 생략되어 있기 때문에 플라즈마 가스와는 별도로 처리 가스를 공급하여 성막이나 에칭을 실시할 수는 없지만, 상기 샤워 플레이트(14)로부터 플라즈마 가스와 함께 산화 가스 혹은 질화 가스를 공급함으로써, 피처리 기판 표면에 산화막이나 질화막, 혹은 산질화막을 형성하는 것이 가능하다.
본 실시예에서도, 상기 플라즈마 가스 통로(14A) 및 상기 샤워 플레이트(14) 내에 있어서 플라즈마가 여기되는 일이 없기 때문에, 상기 샤워 플레이트 바로 아래의 공간에 있어서 고밀도로 균일한 플라즈마를 여기하는 것이 가능하게 된다.
[제6 실시예]
도 8a, 도 8b는 본 발명의 제6 실시예인 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10C)의 예를 도시한다. 단 도면에서, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도 8a를 참조하면, 본 실시예의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10C)에서는, 상기 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10A)의 경우와 마찬가지로, 상기 HIP법에 의해 형성된 치밀한 Al2O3으로 이루어지고, 적어도 하나 이상의 개구부(40B)가 형성된 샤워 플레이트(40)와, 상기 개구부(40B)에 삽입되는 다공질 매체, 예컨대 다공질 세라믹 재료인 소결 Al2O3으로 이루어지는 플라즈마 가스 도입 부품(41)에 의해, Ar, Kr 등의 플라즈마 가스가 상기 처리 용기(11)에 공급된다.
또한, 상기 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10B)의 경우와 마찬가지로 상기 하단 샤워 플레이트(31)가 철거되어 있다. 또, 상기 샤워 플레이트(14)를 유지하는 상기 돌출부(11b)의 전면에 라운딩이 형성되어 있다.
이러한 구성의 플라즈마 처리 장치(10C)에서는, 상기 하단 샤워 플레이트(31)가 생략되어 있기 때문에 플라즈마 가스와는 별도로 처리 가스를 공급하여 성막이나 에칭을 실시할 수는 없지만, 상기 샤워 플레이트(14)로부터 플라즈마 가스와 함께 산화 가스 혹은 질화 가스를 공급함으로써, 피처리 기판 표면에 산화막이나 질화막, 혹은 산질화막을 형성하는 것이 가능하다.
본 실시예에서도, 상기 플라즈마 가스 통로(40A) 및 상기 플라즈마 가스 도입 부품(41) 내에 있어서 플라즈마가 여기되는 일이 없기 때문에, 상기 공간(11B)에서는 고밀도로 균일한 플라즈마를 여기하는 것이 가능하게 되었다.
한편, 실시예에 있어서의 다공질 매체는 다공질 세라믹 재료인 상압에서 소결된 Al2O3을 예로 들었지만, 이 재료에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면, 피처리 기판을 처리하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,플라즈마를 여기하기 위한 공간과, 플라즈마를 여기하기 위한 플라즈마 가스 도입 경로를 다공질 매체, 예를 들면 다공질 세라믹 재료로 분리함으로써, 상기 플라즈마 가스 도입 경로에서의 플라즈마의 여기를 방지하여, 원하는 플라즈마 여기 공간에서 고밀도로 균일한 플라즈마를 여기시키는 것이 가능하게 된다.

Claims (10)

  1. 외벽에 의해 구획되고, 피처리 기판을 유지하는 유지대를 구비한 처리 용기와;
    상기 처리 용기에 결합된 배기계와;
    상기 처리 용기 상에 상기 유지대 상의 피처리 기판에 대면하도록 상기 외벽의 일부로서 설치된 마이크로파 투과창과;
    상기 처리 용기 중에 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부와;
    상기 처리 용기 상에 상기 마이크로파에 대응하여 설치된 마이크로파 안테나로 이루어지며,
    상기 플라즈마 가스 공급부는 다공질 매체를 포함하고, 상기 다공질 매체를 통해 상기 플라즈마 가스를 상기 처리 용기에 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파 투과창은 상기 처리 용기의 일부를 구성하는 커버 플레이트와, 상기 커버 플레이트에 밀접하여 설치된 샤워 플레이트로 이루어지며, 상기 샤워 플레이트는 상기 플라즈마 가스 공급부를 구성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 샤워 플레이트는 다공질 매체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 샤워 플레이트는 플라즈마 가스 공급 통로와, 상기 플라즈마 가스 공급 통로에 연통되는 적어도 하나 이상의 플라즈마 가스 도입부를 가지며, 상기 플라즈마 가스 도입부는 다공질 매체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다공질 매체는 소결 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 커버 플레이트는 치밀한 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 피처리 기판과 상기 플라즈마 가스 공급부 사이에 처리 가스 공급부를 더 설치한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 처리 가스 공급부는 플라즈마를 통과시키는 플라즈마 통로와, 처리 가스원에 접속 가능한 처리 가스 통로와, 상기 처리 가스 통로에 연통된 다수의 노즐 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유지대에 접속된 고주파 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파 안테나는 레이디얼 라인 슬롯 안테나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
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