KR20080030511A - 마이크로파 플라즈마 처리 장치, 유전체 창의 제조 방법 및마이크로파 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스의 유속을 억제하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 제공한다. 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는, 슬롯 안테나(30)를 통해 마이크로파를 투과하는 복수의 유전체 부품(310)으로 구성된 유전체 창과, 대들보(26)의 하면에 고정된 복수의 가스 노즐(27)과, 소정의 가스를 공급하는 가스 공급부와, 유전체 창을 투과한 마이크로파에 의해 소정의 가스를 플라즈마화하여 피처리체를 처리하는 처리실(U)를 구비하고 있다. 각 유전체 부품(31)은 제 1 기공율(氣孔率)을 갖는 제 1 포라스재(31Ph)와 제 1 포라스재(31Ph)에 연결하고, 제 1 기공율보다 낮은 제 2 기공율을 가진 제 2 포라스재(31Pl)를 포함하여 구성된다. 가스 공급부는 제 1 포라스재(31Ph)를 통해 제 2 포라스재(31Pl)로부터 아르곤 가스를 처리실(U) 내로 도입하고, 가스 노즐(27)로부터 실란 가스를 처리실(U) 내로 도입한다.

Description

마이크로파 플라즈마 처리 장치, 유전체 창의 제조 방법 및 마이크로파 플라즈마 처리 방법{MICROWAVE PLASMA PROCESSING DEVICE, MANUFACTURING METHOD OF DIELECTRIC WINDOW AND PROCESSING METHOD OF MICROWAVE PLASMA}

본 발명은, 유전체 창을 투과한 마이크로파에 의해 플라즈마를 생성하여 피처리체를 플라즈마 처리하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치, 유전체 창의 제조 방법 및 마이크로파 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 플라즈마를 생성하기 위한 가스의 공급에 관한 것이다.

플라즈마 처리실로 분사된 가스가 처리실 내에서 지나치게 교반(攪拌)되는 것을 억제하기 위해서는, 처리실 내로 분사될 때의 가스 유속을 충분히 저하시키면서, 처리실 내부 전체에 골고루, 방향의 치우침도 매우 적은 상태로 가스를 분출하여, 가스 분사 구멍 근방의 압력을 균일하게 해야 한다. 이와 같이 가스의 유속을 저하시키고나서 처리실 내부 전체에 균일하게 가스를 분사하기 위해서는 가스 분사 구멍을 크게 하면 좋지만, 그 경우, 가스 분사 구멍의 위치가 가스 공급원으로부터 멀수록 가스 분사 구멍으로부터 분사되는 가스의 유량이 적어져, 플라즈마가 불균 일하게 생성된다고 하는 문제가 발생한다.

그래서, 가스의 공급 위치에 다공질체를 이용하는 장치가 제안되어 있다(예컨대, 특허 문헌 1 참조). 이 장치에서는, 접지 전극(양극)과 대향하는 위치에 마련된 고주파 전극(음극)이 음극 본체와 다공질체로 구성되어 있다. 이 장치에 의하면, 가스를 음극 본체와 다공질체 사이에 도입하고, 다공질체의 기공(氣孔)을 통해 음극 표면으로부터 분출시킴으로써, 유속을 충분히 저하시키고 나서 가스를 처리실로 분사시킨다.

(특허 문헌 1) 일본 공개 특허 공보 제2001-220678호

그러나, 지금까지, 이 방법을 그대로 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 전용(轉用)할 수는 없었다. 왜냐하면, 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서는, 가스는 복수의 가스 도입관의 개구부로부터 처리실 내로 분출되지만, 이 때, 가스 도입관의 개구부에 다공질체를 마련하면, 대기압 상태에 있는 가스 도입관 내부와 진공압 상태에 있는 처리실 내부를 차단할 수 없어, 처리실의 기밀성을 유지할 수 없었기 때문이다. 이러한 이유로부터, 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서, 처리실에 분사하는 가스의 유속을 저하시키는 유효한 방법은 발견되지 않고 있었다.

상기 과제를 해소하기 위해, 본 발명에서는, 가스의 유속을 억제하는 것에 의해, 양호한 플라즈마 처리가 가능한, 신규하고 개량된 마이크로파 플라즈마 처리 장치 및 마이크로파 플라즈마 처리 방법이 제공된다.

즉, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 소정 관점에 의하면, 마이크로파를 전파시키는 슬롯 안테나와, 상기 슬롯 안테나를 전파한 마이크로파를 투과하는 유전체 창과, 소정의 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 유전체 창을 투과한 마이크로파에 의해 상기 소정의 가스를 플라즈마화하여 피처리체를 처리하는 처리실을 구비한 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 제공된다.

이 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 유전체 창은, 제 1 기공율을 갖는 제 1 다공질체와, 상기 제 1 다공질체에 연결하고, 상기 제 1 기공율보다 작은 제 2 기공율을 갖는 제 2 다공질체를 포함하고 있다. 상기 가스 공급부는 소정의 가스를 상기 제 1 다공질체를 통해 상기 제 2 다공질체로부터 상기 처리실 내로 도입한다.

일반적으로, 중공(中空)의 가스관을 지나는 가스의 유속 V는 가스의 유량 Q 및 가스관의 단면적 A를 이용하여 다음 수학식 1과 같이 표시된다.

V=Q/A

여기서, 처리 용기 내의 압력 p가 1Torr, 처리 용기 내로 분사하는 가스의 총유량 Q가 2.0×1O^-3㎥/min, 가스 구멍의 총수가 1176개의 경우, 가스 구멍 1개당 가스 유량 Q는 28344.7㎣/sec로 된다. 또한, 예컨대, 분사 구멍의 직경이 0.5㎜일 때, 가스 구멍 1개의 단면적 A는 0.19635㎟로 된다.

처리 용기 내의 압력 p 및 체적 v가 일정하다고 가정한 경우, 직경이 0.5㎜의 가스 샤워 헤드의 분사 구멍으로부터 분사되는 가스의 유속 V_o는 수학식 1을 이용하여 다음과 같이 계산된다. 단, 1atm=760 Torr로 한다.

V_o=28344.7×760/0.19635=109712.1m/s

한편, 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 의하면, 유전체 창 내의 가스의 통로는, 다공질체에 의해 형성되어 있다. 통상, 다공질체는 세라믹의 결정, 유리 분말(예컨대, SiO₂) 및 증류수를 혼합함으로써 형성되어 있다. 즉, 다공질체는 그 내부에서 세라믹의 결정이 그 원형을 남긴 형태로 유리 분말에 의해 접착된 구조를 하고있다. 세라믹의 결정과 결정 사이의 기공은 연결되어 있다.

처리 용기 내의 압력 p 및 부피 v가 일정하다고 가정한 경우, 다공질체로부터 분사되는 가스의 유속 V_t는, 수학식 1을 이용하여 다음과 같이 계산된다. 단, 이 경우, 총단면적 A는 다공질체의 분출구의 단면적과 기공율의 곱으로 구해지고, 다공질체의 분출구의 직경이 16㎜, 기공율이 50%일 때, 총단면적 A는 100.53㎟로 된다. 따라서, 가스 유속 V_t는 다음과 같이 구해진다.

V_t=28344.7×760/100.53=214.4m/s

이들 계산 결과에 의하면, 다공질체의 분출구로부터 분사되는 가스의 유속 V_t는 직경이 O.5㎜ 정도의 가스관의 분사 구멍으로부터 분사되는 가스의 유속 V_o의 1/500 정도로 매우 작아져, 음속 이하로 된다.

실제로 음속 정도의 유속으로 가스가 처리실 내로 공급된 경우, 성막 처리에 사용되는, 예컨대, 실란 가스 등의 처리 가스를, 예컨대, 아르곤 가스 등의 플라즈마 여기 가스와 별개의 위치로 분사하여도, 각 가스가 지나치게 교반되어 양호한 플라즈마 처리를 할 수 없다(도 10 참조).

이에 대하여, 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 의하면, 음속 이하의 가스 유속 V_t로써 다공질체로부터 가스를 분출시킬 수 있다. 이 때문에, 각 가스가 과도하게 교반되지 않아, 피처리체에 양호한 플라즈마 처리를 실시할 수 있다.

또한, 본 발명의 경우에는, 상기 가스 공급부는 상기 제 2 다공질체보다 기공율이 높은 상기 제 1 다공질체의 내부에 일시적으로 가스를 저장시키고, 제 1 다공질체의 내부에서 일시적으로 체류시킨 후, 상기 제 2 다공질체로부터 가스를 처리실 내로 도입한다. 이에 따라, 가스는 기공율이 높은 제 1 다공질체 내부를 지나는 동안에 감속하면서 제 1 다공질체 전체에 균일하게 퍼지고, 그 후, 기공율이 낮은 제 2 다공질체 내부를 통과하여 처리실 내에 도입된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 의하면, 가스가 유전체 창의 다공질 내부를 통과할 때에 가스의 유속을 저하시키기 위해 다공질체에 가스를 통과시키도록 했을 뿐만 아니라, 제 1 다공질체에 버퍼 공간으로서의 기능을 갖게 하도록 제 1 및 제 2의 두 종류의 다공질체를 마련함으로써, 가스를 유전체 내부에서 효과적으로 감속시키면서, 균일하게 처리실 내로 분출할 수 있다. 그 결과, 감속하면서 소망 위치에 균일하게 공급된 가스를 플라즈마화하고, 이에 따라, 피처리체 상에 양질이고 또한 균일한 플라즈마 처리를 실시할 수 있다.

상기 제 2 기공율은 상기 제 2 다공질체로부터 분출되는 가스의 유속이, 음속 이하이고, 또한 상기 제 2 다공질체의 기공에 가스가 유입되지 않는 것을 조건으로 하여 미리 소정의 값으로 정해져 있어도 좋다.

이것에 의하면, 가스는 제 1 다공질체에 일시적으로 체류한 후, 제 2 다공질체로부터 음속 이하의 유속으로 상기 처리실 내에 도입된다. 이에 따라, 어느 정도 저속으로 된 가스를 균일하게 처리실 내에 공급할 수 있다.

또한, 제 2 다공질체의 기공율은 가스가 유입되지 않는 크기로 미리 정해져 있다. 이것에 의해, 제 2 다공질체 내부로 들어간 가스가 제 2 다공질체 내부에서 플라즈마화하고, 이상 방전이 발생함으로써 유전체 창이 소손(燒損)되는 것이나, 반응성 가스가, 제 2 다공질체 내부에서 화학 반응을 일으키는 것에 의해, 반응 생성물이 제 2 다공질체 내부에 부착되는 것을 피할 수 있다.

상기 제 1 다공질체는, 상기 유전체 창의 내부에서, 상기 유전체 창의 표면에 노출되지 않는 위치에 마련되어도 좋다. 이것에 의하면, 상기 제 1 다공질체를 유전체 창의 내부에 배치함으로써, 유전체 창의 외측을 치밀질체(緻密質體)에 의해 형성할 수 있다. 이에 따라, 유전체 창 전체의 강도를 향상시킬 수 있음과 동시에, 제 1 다공질체의 기공 사이를 접착하는 유리 분말이, 제 1 다공질체로부터 벗겨져 처리실 내로 낙하하고, 파티클로서 피처리체 상에 혼입되는 것을 막을 수 있다.

또, 상기 제 1 다공질체는 그 일부가 유전체 창의 처리실 쪽의 면과 대향하는 면에 노출되어 있어도 좋다. 또한, 상기 제 1 다공질체는 유전체 창에 1개만 마련되어도 좋고, 복수개 마련되어도 좋다.

또한, 상기 제 2 다공질체는 복수 구비되고, 각 제 2 다공질체의 일단은 상기 제 1 다공질체에 각각 연결되고, 각 제 2 다공질체의 타단은 상기 유전체 창의 처리실 쪽의 면에 노출되어 있어도 좋다. 이 때, 상기 각 제 2 다공질체는 상기 유전체 창의 처리실 쪽의 면에서 등 간격으로 노출되어 있는 것이 바람직하다.

이것에 의하면, 가스는 어느 정도 균일하고, 또한 감속한 상태로 제 1 다공질체에 연결된 각 제 2 다공질체의 일단으로부터 유입되고, 유전체 창의 처리실 쪽 의 면에 등 간격으로 노출된 제 2 다공질체의 타단으로부터 처리실 내로 분출된다.

이에 따라, 가스는 저속 상태로 제 2 다공질체의 노출면으로부터 균등하게 분출된다. 그 결과, 가스는 지나치게 교반되지 않고, 등 간격으로 배치된 가스 출구로부터 등 방향으로 확산된다. 이에 따라, 소망의 플라즈마를 균일하게 생성하고, 생성된 플라즈마에 의해 피처리체에 양호한 플라즈마 처리를 실시할 수 있다.

또, 일반적으로, 제조 상, 각 부재의 크기가 작으면 작을수록 각 부재의 특성의 편차를 억제하고, 동질의 부재를 용이하게 제조할 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 다공질체를 각각 복수의 작은 부품으로 나눠 유전체 창에 배치한 경우에는, 같은 특성을 가진 다공질체에 의해, 각 다공질체 내부에서 가스를 보다 균일하게 흘릴 수 있다.

또한, 각 다공질체의 각 부품의 입경을 균일하게 하면 할수록, 유전정접(誘電正接)(tanδ)의 값은 작아진다. 한편, 유전정접이 작으면 작을수록, 마이크로파가 유전체 창을 투과할 때의 전계 에너지의 손실은 적어지게 된다. 따라서, 제 1 및 제 2 다공질체를 각각 복수의 작은 부품으로 나누는 것에 의해, 각 다공질체의 각 부품의 입경을 균일하게 함으로써, 유전정접을 작게 할 수 있다. 그 결과, 유전체 창을 투과할 때의 마이크로파의 전계 에너지의 손실을 억제할 수 있고, 이것에 의해, 높은 전계 에너지를 가진 마이크로파를 처리실 내에 입사시킬 수 있다. 또, 유전정접은 다공질체 내의 기공끼리를 접착하는 접착재에 포함되는 불순물을 적게 하는 것에 의해서도, 작게 할 수 있다.

또한, 다공질체의 유전율은, 치밀질체의 유전율/기공율로써 구할 수 있지만, 상기 구성에 의하면, 제 1 기공율은 제 2 기공율보다 크다. 따라서, 제 1 다공질체의 유전율 ε₁은 제 2 다공질체의 유전율 ε₂보다 작아진다.

한편, 관내 파장 λg는 자유 공간에 있어서의 파장 λc/ε과 같다. 따라서, 제 1 다공질체를 투과하는 마이크로파의 관내 파장 λ_g1은 제 2 다공질체를 투과하는 마이크로파의 관내 파장 λg₂ 보다 길어진다.

마이크로파는 관내 파장 λg가 긴쪽으로부터 짧은 쪽으로 움직이기 쉽다고 하는 성질을 가지고 있다. 따라서, 마이크로파는 제 1 다공질체로부터 제 2 다공질체 쪽으로 움직이기 쉽다. 그 결과, 제 1 다공질체의 기공율을 제 2 다공질체의 기공율보다 크게 한다고 하는 단순한 구성을 갖는 것에 의해, 마이크로파가 제 1 다공질체, 제 2 다공질체를 통해 처리실 내로 원활하게 입사되도록 유도할 수 있다.

상기 유전체 창은 치밀질체를 더 포함하고, 제 1 다공질체와 제 2 다공질체와 치밀질체는 일체적으로 소성되어도 좋다. 이것에 의하면, 일체적인 소성에 의해, 다공질체와 치밀질체가 극간 없이 밀착된다. 그 결과, 대기압 상태에 있는 가스 도입관 내부나 슬롯 개구와 진공압 상태에 있는 처리실 내부를 일체 소성한 치밀질체에 의해 차단할 수 있다. 이에 따라, 처리실(U)의 기밀성을 유지하면서, 각 다공질체를 통해 감속된 가스를 처리실 내에 공급할 수 있다.

또한, 다공질체와 치밀질체를 별개로 제조하지 않고, 일체적으로 소성하여 제조하는 것에 의해, 다공질체와 치밀질체의 접착면을 맞추기 위한 가공 등이 불필 요하게 되므로, 제조 비용을 대폭 삭감할 수 있다. 또한, 다공질체와 치밀질체를 별개로 제조하여 접착제로 접착하고 있던 종래에 비해, 열팽창에 강한 유전체 부재를 제조할 수 있다. 이 때문에, 유전체 부재는 프로세스 처리 중에 잘 파손되지 않는다. 이에 따라, 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 안정적으로 가동시킬 수 있다.

상기 유전체 창은 졸겔법에 의해 구멍 밀봉(封孔) 처리되어 있어도 좋다. 이것에 의하면, 내식성이 높은 Y₂O₃졸을 유전체 창에 이용된 다공질체에 침지시킴으로써, 다공질체를 Y₂O₃졸로 코팅(구멍 밀봉)한 후, 다공질체를 가열에 의해 겔화시킴므로써, 다공질체 내의 유리 부분(SiO₂)이 F계 가스나 염소계 가스에 의해 부식되는 것을 피할 수 있다.

상기 마이크로파 플라즈마 처리 장치는 상기 제 2 다공질체 대신에 복수의 관통공을 갖는 관통 부재를 구비하고, 상기 가스 공급부는 상기 제 1 다공질체를 거쳐 상기 관통 부재의 복수의 관통공으로부터 상기 소정의 가스를 상기 처리실 내에 도입하여도 좋다.

상기 관통 부재는, 상기 복수의 관통공으로부터 분출되는 가스의 유속이 음속 이하이고, 또한 상기 복수의 관통공에 가스가 유입되지 않는 것을 조건으로 하여 상기 관통공의 직경 및 상기 관통공의 수가 미리 정해져 있어도 좋다. 이 때, 상기 가스 공급부는, 가스를 제 1 다공질체에 일시적으로 저장하면서 체류시킨 후, 상기 관통 부재에 마련된 복수의 관통공으로부터 음속 이하의 유속으로 상기 처리 실 내에 도입한다. 이에 따라, 어느 정도 저속으로 된 가스를 처리실 내에 균일하게 공급할 수 있다.

또한, 각 관통공의 직경을 가스가 유입되지 않는 크기로 정하는 것에 의해, 관통공에 들어간 가스가 플라즈마화하여, 관통공의 내부에서 이상 방전이 발생하고, 그에 따라, 유전체 부품(31)이 소손되는 것이나, 관통공 내부에서 반응성 가스가 화학 반응을 일으키는 것에 의해 관통공 내부에 반응 생성물이 부착되는 것을 피할 수 있다.

상기 마이크로파 플라즈마 처리 장치는, 상기 각 유전체 부품을 지지하는 대들보에 고정된 복수의 가스 분사 부재를 더 구비하고, 상기 각 가스 분사 부재의 가스의 분출구는 상기 유전체 창의 처리실 쪽의 면보다 피처리체의 탑재 위치에 가까운 위치에 마련되어도 좋다. 이 때, 상기 가스 공급부는, 상기 소정의 가스 중, 제 1 가스를 상기 유전체 창의 내부를 통해 상기 유전체 창의 처리실 쪽의 면으로부터 상기 처리실 내로 도입하고, 제 2 가스를 상기 유전체 창의 처리실 쪽의 면보다 피처리체의 탑재 위치에 가까운 위치에 마련된 복수의 가스 분사 부재의 분출구로부터 상기 처리실 내로 도입하여도 좋다.

이것에 의하면, 제 1 가스(예컨대, 아르곤 가스 등의 플라즈마 여기 가스)는 유전체 창에 마련된 제 1 및 제 2 다공질체를 통하여, 상기 유전체 창의 처리실 쪽의 면으로부터 공급된다. 또한, 제 2 가스(예컨대, 실란 가스 등의 처리 가스)는 가스 분사 부재를 통하여, 상기 유전체 창의 처리실 쪽의 면보다 피처리체의 탑재 위치에 가까운 위치에 마련된 복수의 가스 분사 부재의 분출구로부터 공급된다. 이 때, 제 1 가스는 어느 정도 감속한 상태로 각 위치로부터 균일하게 분출된다. 따라서, 제 1 가스와 제 2 가스는 지나치게 교반되지 않는다.

이에 따라, 제 1 가스를 유전체 창 근방에서 충분히 플라즈마화할 수 있다. 또한, 제 2 가스를 제 1 가스가 분사된 위치보다 피처리체의 탑재 위치에 가까운 위치로 분사함으로써, 제 1 가스로부터 생성된 플라즈마와 제 1 가스의 생성에 소비되는 정도로 약하게 한 마이크로파의 에너지를 이용하여, 제 2 가스로부터 플라즈마를 균일하게 생성할 수 있다. 그 결과, 피처리체 상에 양질이고 또한 균일한 플라즈마 처리를 실시할 수 있다.

각 가스 분사 부재는 일체적으로 소성된 다공질체와 치밀질체로 형성되고, 또한 상기 가스 공급부는 상기 제 2 가스를 상기 각 가스 분사 부재에 형성된 다공질체를 통해 상기 처리실 내로 공급하여도 좋다.

이것에 의하면, 다공질체와 치밀질체를 별개로 제조하여 접착제로 접착하고 있었던 종래에 비하여, 열팽창에 강한 가스 분사 부재를 제조할 수 있다. 그 결과, 대기압 상태에 있는 가스 도입관 내부와 진공압 상태에 있는 처리실 내부를 일체적으로 소성시킨 치밀질체에 의해 차단할 수 있다. 이에 따라, 처리실(U)의 기밀성을 유지하면서, 다공질체에 통해 감속한 제 2 가스를 처리실 내에 공급할 수 있다.

상기 제 1 가스 또는 상기 제 2 가스의 적어도 어느 하나는, 복수의 가스를 혼합한 혼합 가스로서, 그 혼합 가스가 과잉 반응하는 경우를 제외하고, 상기 제 1 가스는 상기 제 2 가스보다 결합 에너지가 큰 가스인 편이 좋다.

이것에 의하면, 우선, 결합 에너지가 큰 제 1 가스가, 입사 직후의 강한 마이크로파의 전계 에너지에 의해 플라즈마화된다. 제 1 가스가 플라즈마 착화한 후, 제 1 가스보다 결합 에너지가 작은 제 2 가스가, 제 1 가스가 분사되는 위치보다 아래쪽의 위치로 분사된다. 이 때, 제 1 가스 및 제 2 가스는 감속하면서 각각의 위치에 분출되므로, 각 가스가 지나치게 교반되어 혼합되는 일은 없다. 이에 따라, 제 2 가스는 제 1 가스를 플라즈마화하기 위해 파워를 소비하여 약해진 마이크로파의 전계 에너지에 의해, 예컨대, 양질의 막을 형성하기 위한 프리커서(전구체)까지 해리(解離)한다(그 이상 해리는 진행되지 않음). 그 결과, 피처리체를 정밀도 좋게 플라즈마 처리할 수 있다.

단, 상기 제 1 가스 또는 상기 제 2 가스 중 적어도 어느 하나가, 복수의 가스를 혼합한 혼합 가스로서, 그 혼합 가스가 과잉 반응하는 경우 등의 특수한 경우에는, 제 1 가스 및 제 2 가스의 결합 에너지의 대소 관계에 관계 없이, 과잉 반응이 일어나지 않도록 각 가스의 분사 위치가 결정된다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 관점에 따르면, 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 마련된 처리실에 마이크로파를 투과하는 유전체 창의 제조 방법으로서, 제 1 기공율을 갖는 제 1 다공질체에, 상기 제 1 기공율보다 낮은 제 2 기공율을 갖는 복수의 제 2 다공질체를 등(等) 간격으로 당접하고, 상기 제 1 다공질체가 노출되지 않고, 또한 상기 복수의 제 2 다공질체의 단부가 노출되도록, 상기 제 1 다공질체 및 상기 복수의 제 2 다공질체의 주위에 치밀질체를 마련하고, 상기 제 1 다공질체와 상기 제 2 다공질체와 상기 치밀질체를 일체 소성하여 플레 이트 형상으로 형성하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치용의 유전체 창의 제조 방법이 제공된다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 관점에 의하면, 상기 마이크로파를 슬롯 안테나를 통해, 유전체 창을 투과시켜 처리실에 공급하고, 소정 가스를, 상기 유전체 창에 포함되는 제 1 기공율을 갖는 제 1 다공질체를 거쳐, 상기 제 1 다공질체에 연결하고, 상기 제 1 기공율보다 낮은 제 2 기공율을 갖는 제 2 다공질체로부터 상기 처리실 내에 도입하며, 상기 처리실에 공급된 마이크로파에 의해 상기 도입된 소정 가스를 플라즈마화하여 피처리체를 처리하는 마이크로파 플라즈마 처리 방법이 제공된다.

이 때, 상기 제 1 다공질체를 거쳐, 상기 제 2 다공질체 대신 마련된 관통 부재의 복수의 관통공으로부터 상기 소정의 가스를 상기 처리실 내에 도입하도록 하여도 좋다.

또, 상기 유전체 창은 마이크로파를 각각 투과시키는 복수매의 유전체 부품으로 구성되어 있어도 좋다. 이것에 의하면, 유전체 창을 복수매의 유전체 부품으로 분할한 것에 의해, 각 유전체 부품 하면에서 표면파가 전파할 때의 전계 에너지의 손실을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 표면파의 전파를 억제하여, 정재파의 발생을 억제함으로써, 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다. 또한, 이 경우, 각 유전체 부품에는, 상기 제 1 다공질체가 적어도 1개소 마련되어 있으면 좋다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 가스의 유속을 억제하는 것에 의해 양호한 플라즈마 처리가 가능한, 신규하고 또한 개량된 마이크로파 플라즈마 처리 장치 및 마이크로파 플라즈마 처리 방법을 제공할 수 있다.

이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 또, 이하의 설명 및 첨부 도면에 있어서, 동일한 구성 및 기능을 갖는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 부여하는 것에 의해, 중복 설명을 생략한다.

또한, 본 명세서 중 1mTorr는 (10^-3×101325/760)Pa, 1sccm은 (10^-6/60)㎥/sec라고 한다.

(실시예 1)

먼저, 본 발명의 실시예 1에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 구성에 대하여, 본 장치를 세로 방향(y축에 수직인 방향)으로 절단한 단면도인 도 1 및 처리실의 천정면을 나타낸 도 2를 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 본 실시예에 관한 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 이용한, 아몰퍼스 실리콘 CVD(Chemical Vapor Depostion: 화학 증착 박막 성막법) 프로세스를 예로 들어 설 명한다.

(마이크로파 플라즈마 처리 장치의 구성)

마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는 처리 용기(10)와 덮개(20)를 구비하고 있다. 처리 용기(10)는 그 상부가 개구된 유저 입방체 형상을 갖고 있다. 처리 용기(10)와 덮개(20)는 덮개 본체(21)의 하면 외주부와 처리 용기(10)의 상면 외주부 사이에 배치된 O링(32)에 의해, 처리실(U)의 기밀성이 유지되고, 이것에 의해, 플라즈마 처리를 실시하는 처리실(U)가 형성되어 있다. 처리 용기(10) 및 덮개(20)는, 예컨대, 알루미늄 등의 금속으로 이루어지고, 전기적으로 접속되어 있다.

처리 용기(10)에는, 그 내부에서 유리 기판(이하 「기판」이라 함)(G)을 탑재하기 위한 서셉터(11)(탑재대)가 마련되어 있다. 서셉터(11)는, 예컨대, 질화 알루미늄으로 이루어지고, 그 내부에는, 급전부(11a) 및 히터(11b)가 마련되어 있다.

급전부(11a)에는 정합기(12a)(예컨대, 콘덴서)를 통해 고주파 전원(12b)이 접속되어 있다. 또한, 급전부(11a)에는 코일(13a)을 통해 고압 직류 전원(13b)이 접속되어 있다. 정합기(12a), 고주파 전원(12b), 코일(13a) 및 고압 직류 전원(13b)은 처리 용기(10)의 외부에 마련되어 있다. 또한, 고주파 전원(12b) 및 고압 직류 전원(13b)은 접지되어 있다.

급전부(11a)는 고주파 전원(12b)으로부터 출력된 고주파 전력에 의해 처리 용기(10)의 내부에 소정의 바이어스 전압을 인가하도록 되어 있다. 또한, 급전 부(11a)는 고압 직류 전원(13b)으로부터 출력된 직류 전압에 의해 기판(G)을 정전 흡착하도록 되어 있다.

히터(11b)에는, 처리 용기(10)의 외부에 마련된 교류 전원(14)이 접속되어 있어, 교류 전원(14)으로부터 출력된 교류 전압에 의해 기판(G)을 소정의 온도로 유지하도록 되어 있다.

처리 용기(10)의 저면은 통 형상으로 개구되고, 그 외부 가장자리에는 벨로우즈(15)의 일단이 장착되어 있다. 또한, 벨로우즈(15)의 타단은 승강 플레이트(16)에 고착되어 있다. 이와 같이 하여, 처리 용기(10) 저면의 개구 부분은 벨로우즈(15) 및 승강 플레이트(16)에 의해 밀폐되어 있다.

서셉터(11)는 승강 플레이트(16) 상에 배치된 하우징(17)에 지지되어 있고, 승강 플레이트(16) 및 하우징(17)과 일체로 되어 승강하고, 이에 따라, 서셉터(11)를 처리 프로세스에 따른 높이로 조정하도록 되어 있다. 또한, 서셉터(11)의 주위에는, 처리실(U)의 가스의 흐름을 바람직한 상태로 제어하기 위한 베플판(18)이 마련되어 있다.

처리 용기(10)의 바닥부에는, 처리 용기(10)의 외부에 마련된 진공 펌프(기압 양수기)(도시하지 않음)가 구비되어 있다. 진공 펌프(기압 양수기)는 가스 배출관(19)을 거쳐 처리 용기(10) 내의 가스를 배출함으로써, 처리실(U)를 소망 진공도까지 감압한다.

덮개(20)에는 덮개 본체(21), 6개의 방형 도파관(33), 슬롯 안테나(30) 및 복수개의 유전체 부품(31)으로 구성된 유전체 창이 마련된다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 6개의 방형 도파관(33)은 그 단면 형상이 직사각형 형상이며, 덮개 본체(21)의 내부에서 평행하게 마련된다. 방형 도파관(33)의 내부는 불소 수지(예컨대, 테프론(등록 상표)), 알루미나(Al₂O₃), 석영 등의 유전 부재(34)로 충전되어 있고, 그 유전 부재(34)에 의해, λg₁=λc/(ε₁)^1/2의 식에 따라 각 방형 도파관(33)의 관내 파장 λg₁이 제어된다. 여기서, λc는 자유 공간의 파장, ε₁은 유전 부재(34)의 유전율이다.

각 방형 도파관(33)은 상부에서 개구하고, 그 개구에는, 가동부(35)가 승강이 자유롭도록 삽입되어 있다. 가동부(35)는 알루미늄 등의 비자성체인 도전성 재료로 형성되어 있다.

덮개 본체(21)의 외부이고, 각 가동부(35)의 상면에는, 승강 기구(36)가 각각 마련되어, 가동부(35)를 승강 이동시킨다. 이러한 구성에 의해, 방형 도파관(33)은 유전 부재(34)의 상면까지를 한도로 하여 가동부(35)를 승강 이동시킴으로써, 그 높이를 변경하게 되어 있다.

슬롯 안테나(30)는 덮개 본체(21)의 아래쪽에서 덮개 본체(21)와 일체로 형성되어 있다. 슬롯 안테나(30)는 알루미늄 등의 비자성체인 금속으로 형성되어 있다. 슬롯 안테나(30)에는, 각 방형 도파관(33)의 하면에서, 도 2에 나타내는 13개의 슬롯(37)(개구)이 각각 직렬로 나란하게 마련된다. 각 슬롯(37)의 내부에는, 불소 수지, 알루미나(Al₂O₃), 석영 등의 유전 부재가 충전되어 있고, 그 유전 부재 에 의해, λg₂=λc/(ε₂)^1/2의 식에 따라 각 슬롯(37)의 관내 파장 λg₂가 제어된다. 여기서, ε₂는 슬롯(37) 내부의 유전 부재의 유전율이다.

(유전체 창)

유전체 창은, 39장의 유전체 부품(31)으로 구성되고, 각 유전체 부품(31)은 타일 형상으로 형성되어 있다. 13장의 유전체 부품(31)은 하나의 마이크로파 발생기(40)에 대하여 Y 분기관(41)을 통해 접속된 2개의 방형 도파관(33)을 걸치도록 3열로 마련된다.

각 유전체 부품(31)은 서로 인접하는 2개의 방형 도파관(33)(즉, Y 분기관(41)을 통해 같은 마이크로파 발생기(40)에 접속된 2개의 방형 도파관(33))의 하면에 마련된 26개(=13개×2열)의 슬롯(37) 중, y좌표가 동일해지는 2개의 슬롯의 하면에 인접하여 부착되어 있다. 이상의 구성에 의해, 슬롯 안테나(30)의 하면에는, 전부 39장(=13장×3열)의 유전체 부품(31)이 부착된다. 또, 각 유전체 부품(31)의 내부 구성에 대해서는 후술한다.

각 유전체 부품(31)에는, 기판(G)과 대향하는 면에 요철이 형성되어 있어도 좋다. 이와 같이, 각 유전체 부품(31)에 오목부 또는 볼록부 중 적어도 어느 하나를 마련함으로써, 표면파가, 각 유전체 부품(31)의 표면을 전파할 때의 전계 에너지의 손실이 증가하고, 이에 따라, 표면파의 전파를 억제할 수 있다. 그 결과, 정재파(定在波)의 발생을 억제하여, 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 각 유전체 부품(31)의 상면으로서, 각 슬롯(37)의 하단 외주부에는 O링(51)이 장착되어 있다. 이에 따라, 대기압 상태에 있는 슬롯(37) 내와 진공압(압력) 상태에 있는 처리실(U) 내가 차단되어, 처리실(U)의 기밀성이 유지된다.

각 방형 도파관(33)의 하면에 형성되는 슬롯(37)의 개수는 임의이며, 예컨대, 각 방형 도파관(33)의 하면에 각각 12개씩의 슬롯(37)을 마련하고, 슬롯 안테나(30)의 하면에 전부 36장(=12장×3열)의 유전체 부품(31)을 배치하여도 좋다. 또, 각 유전체 부품(31)의 상면에 마련하는 슬롯(37)의 개수도 2개로 한정되지 않고, 하나 또는 3개 이상이라도 좋다.

슬롯 안테나(30)의 하면에는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 39장의 유전체 부품(31)을, 13장×3열로 배열시킨 상태로 지지하기 위해, 격자 형상으로 형성된 대들보(26)가 마련된다. 대들보(26)는 알루미늄 등의 비자성체로 형성되어 있다.

(가스 노즐)

도 3에 나타내는 바와 같이, 대들보(26)의 하면에는, 내면이 나사골 가공된 삽입 구멍이 다수 마련되어 있다. 가스 노즐(27)(가스 분사 부재에 상당)도, 마찬가지로 상부가 나사골 가공되어 있다. 이와 같이 형성된 가스 노즐(27)을 대들보(26)에 마련된 삽입 구멍으로부터 삽입하고, 가스 노즐(27) 상부의 나사골이 형성된 일부분과 삽입 구멍 내면의 나사골이 형성된 일부분을 나사식으로 결합함으로써, 가스 노즐(27)은 대들보(26)의 하면에서 대들보(26)에 고정되어 있다. 또, 가 스 노즐(27)은 접착제에 의해 대들보(26)에 고정되어 있어도 좋고, 부착 기구에 의해 대들보(26)에 부착되어도 좋다.

대들보(26)의 하면으로서, 가스 노즐(27)의 상부 외주부에는 O링(52)이 장착되어 있고, 이에 따라, 대기압 상태에 있는 제 2 가스 도입관(29b) 내와 진공압(압력) 상태에 있는 처리실(U) 내가 차단되어, 처리실(U)의 기밀성이 유지되고 있다. 이와 같이 하여, 도 2에 나타낸 56개(14개×4열)의 다수의 가스 노즐(27)이, 대들보(26)의 하면에 균등하게 배치되어 있다.

도 1의 냉각수 배관(44)에는, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 외부에 배치된 냉각수 공급원(45)이 접속되어 있고, 냉각수 공급원(45)으로부터 공급된 냉각수가 냉각수 배관(44) 내를 순환하여 냉각수 공급원(45)으로 되돌아감으로써, 덮개 본체(21)는 소망의 온도로 유지되게 되어 있다.

가스 공급원(43)은 복수의 밸브(밸브(43a1, 43a3, 43b1, 43b3, 43b5, 43b7)), 복수의 매스 플로우 컨트롤러(매스 플로우 컨트롤러(43a2, 43b2, 43b6)), 아르곤 가스 공급원(43a4), 실란 가스 공급원(43b4) 및 수소 가스 공급원(43b8)으로 구성되어 있다.

가스 공급원(43)은, 각 밸브(밸브(43a1, 43a3, 43b1, 43b3, 43b5, 43b7))의 개폐 및 각 매스 플로우 컨트롤러(매스 플로우 컨트롤러(43a2, 43b2, 43b6))의 개방도를 각각 제어함으로써, 소망 농도의 가스를 처리 용기(10) 내에 각각 공급하게 되어 있다. 구체적으로는, 아르곤 가스는 제 1 유로(42a) 및 제 1 가스 도입관(29a)을 거쳐 각 유전체 부품(31)의 내부를 통해, 처리 용기(10) 내로 공급된다. 한편, 실란 가스 및 수소 가스는 제 2 유로(42b) 및 제 2 가스 도입관(29b)을 거쳐 각 가스 노즐(27)의 내부를 통해, 처리 용기(10) 내로 공급된다. 또, 이와 같이 하여 각종 가스를 가스 공급원(43)으로부터 처리실 내로 공급하는 기구는 소정의 가스를 공급하는 가스 공급부에 상당한다.

이상에서 설명한 구성에 의해, 도 2에 나타낸 3개의 마이크로파 발생기(40)로부터 출력된, 예컨대, 2.45㎓×3의 마이크로파는 각 Y 분기관(41)을 경유하여 각 방형 도파관(33)을 전파하고, 슬롯 안테나(30)의 각 슬롯(37)을 통해, 각 유전체 부품(31)을 투과하여 처리실(U) 내에 입사되게 되어 있다. 가스 공급원(43)으로부터 공급된 가스는 입사된 마이크로파의 전계 에너지에 의해 플라즈마화되고, 생성된 플라즈마에 의해 피처리체 상에 성막 처리가 실시된다.

(유전체 창의 내부 구성)

다음에, 유전체 창을 구성하는 각 유전체 부품(31)의 내부 구성에 대하여 도 4 및 도 5를 참조하면서 상세히 설명한다. 도 4의 상부 및 도 5(a)는 유전체 부품(31)의 평면도를 나타내고, 도 4의 하부는 유전체 부품(31)의 저면도를 나타내고 있다. 도 5(b)는, 도 5(a)의 유전체 부품(31)을 A1-A1면에서 절단한 종단면도, 도 5(c)는, 도 5(a)의 유전체 부품(31)을 B1-B1면에서 절단한 종단면도를 나타내고 있다. 각 유전체 부품(31)은 다공질체(포라스재(31P, 31Ph, 31Pl))와 치밀질체(벌크재(31B))로 형성되어 있다.

(포라스재 및 벌크재의 구성 요소)

도 4의 우상(右上)에 확대하여 나타내는 바와 같이, 포라스재(31P)(제 1 포라스재(31Ph) 및 제 2 포라스재(31Pl)도 마찬가지)는, 알루미나나 탄화규소 등의 세라믹의 결정(31Pa), SiO₂ 등으로 형성되는 입자 형상의 유리(31Pb) 및 증류수를 혼합함으로써 형성된다. 즉, 포라스재(31P)에서는, 그 내부에 세라믹의 결정이 그 원형을 남긴 형태로 유리에 의해 접착된 구조를 하고 있어, 세라믹의 결정(31Pa)과 결정(31Pa) 사이에는 연결되는 기공이 존재한다. 이 연결된 기공에 가스를 통과시킴으로써, 가스는 포라스재(31P)의 내부 전체에 균일하게 퍼지면서 포라스재(31P)의 하부까지 침투하고, 포라스재(31P)의 하부로부터 내뿜도록 되어 있다.

한편, 도 4의 우하(右下)에 확대하여 나타내는 바와 같이, 벌크재(31B)는 알루미나, 질화규소, 탄화규소, 지르코니아로부터 선택되는 세라믹(31Ba)을 열 처리하여 굳히는 것에 의해 형성된다. 따라서, 벌크재(31B)에서는, 그 내부에 세라믹의 결정이 원형을 남기지 않아, 결정과 결정 사이에는 극간이 존재하지 않는다. 따라서, 가스나 대기는 벌크재(31B) 내를 통과할 수가 없다.

포라스재(31P)의 구성 요소의 하나인 유리(31Pb)의 열 팽창 계수는, 또 하나의 구성 요소인 세라믹(31Pa) 및 벌크재(31B)의 구성 요소인 세라믹(31Ba)의 열 팽창 계수보다 작은 편이 좋다. 그 이유는 저열팽창의 유리를 사용함으로써, 소결 후의 포라스재(31P)와 벌크재(31B)의 계면의 극간을 없앨 수 있고, 또한 포라스재(31P)에서 결합재로서의 역할을 갖는 유리(31Pb)를 압축 응력이 가해진 상태로 하여 둠으로써, 포라스재(31P)의 강도가 높아지기 때문이다.

또한, 유리 분말의 평균 입자 직경은 세라믹 분말의 평균 입자 직경보다 작은 편이 좋다. 그 이유는, 유리 분말의 평균 입자 직경이 세라믹 분말의 평균 입자 직경보다 크면, 유리 분말이 세라믹 분말의 충전을 저해하므로, 유리 연화점 이상으로 소결할 때에 소성 수축을 일으키기 때문이다. 이것을 고려하면, 유리 분말의 평균 입자 직경은 세라믹 분말의 평균 입자 직경의 1/2 이하인 편이 좋고, 또한, 1/3 이하인 편이 더 좋다.

첨가하는 유리 분말의 양은, 특별히 한정되지 않지만, 유리 분말의 입자 직경이 큰 경우와 마찬가지로, 대량으로 첨가하면 세라믹 분말의 충전을 저해하고, 소성 수축을 일으키기 때문에, 소량인 편이 좋다. 단, 유리 분말의 양이 지나치게 적으면, 세라믹 분말의 결합 강도가 저하하여, 입자 이탈이나 이지러짐의 문제가 발생하기 때문에, 입자 이탈이나 이지러짐이 발생하지 않는 일정한 결합 강도를 유지할 수 있는 양을 첨가할 필요가 있다. 구체적으로는, 유리 분말의 양은 목표로 하는 기공율, 세라믹 분말의 입도(粒度), 소성 온도 및 유리 점성 등을 고려하여 조정되지만, 일반적으로는, 세라믹 분말에 대하여 5%∼30% 정도의 질량을 첨가, 혼합하는 것이 바람직하다.

(유전체 부품 내부에 있어서의 포라스재의 배치)

다음에, 유전체 부품(31) 내부에 있어서의 포라스재의 배치에 대하여 설명한다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 유전체 부품(31)의 상면 중앙에는, 원주 형상의 포라스재(31P)의 단부가 노출되어 있어, 가스의 입구(IN)으로 되어있다. 또, 포라스재(31P)는 유전체 부품(31)의 상면에서 하나만 노출되어도 좋고, 2개 이상 노출되어도 좋다.

도 5(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 제 1 포라스재(31Ph)는, 예컨대, 0.6의 기공율(제 1 기공율의 일례)을 갖고, 직방체 형상으로 형성된, 유전체 부품(31)의 표면에 노출되지 않도록 유전체 부품(31)의 내부에 매립되어 있다. 제 1 포라스재(31Ph)는 포라스재(31P)에 연결되어 있다. 또, 제 1 포라스재(31Ph)는 제 1 다공질체에 상당한다.

도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 제 1 포라스재(31Ph)의 아래쪽에는, 예컨대, 0.4의 기공율(제 2 기공율의 일례)을 갖고, 원주 형상으로 형성된 제 2 포라스재(31Pl)가, x축 방향으로 7개, y축 방향으로 4개씩 각각 등 간격으로 배치되어 있다. 제 2 기공율은 제 1 기공율보다 작게 되어 있다.

도 5(b), (c)에 나타내는 바와 같이, 제 2 포라스재(31Pl)는 그 일단에서 제 1 포라스재(31Ph)에 연결하고, 그 타단에서 유전체 부품(31)의 처리실 쪽의 면(여기서는, 유전체 부품(31)의 하면)으로 노출되어 있다. 유전체 부품(31)의 하면으로 노출되어 있는 제 2 포라스재(31Pl)의 부분은 가스의 출구(OUT)로 된다. 또, 제 2 포라스재(31Pl)는 제 2 다공질체에 상당한다.

이러한 구성에 의해, 가스 공급부는 가스 입구(IN)로부터 아르곤 가스를 공급하고, 포라스재(31P), 제 1 포라스재(31Ph), 제 2 포라스재(31Pl)를 통해 가스 출구(OUT)로부터 아르곤 가스를 처리실(U) 내에 도입한다.

또, 가스 입구(IN)를 갖는 포라스재(31P)는 다공질체라도, 중공(中空)의 가스관이라도 좋고, 또한, 예컨대, 제 1 포라스재(31Ph)와 같은 부재로 형성되어 있어도 좋으며, 제 2 포라스재(31Pl)와 같은 부재로 형성되어 있어도 좋다.

(가스 노즐(27)의 내부 구성)

도 3에 나타내는 바와 같이, 가스 노즐(27)도, 유전체 부품(31)과 마찬가지로, 포라스재(27P)와 벌크재(27B)로 형성되어 있다. 구체적으로는, 가스 노즐(27) 중, 제 2 가스 도입관(29b)과 연결된 배관 부분은 벌크재(27B)로 형성되어 있고, 그 내부는, 포라스재(27P)로 충전되어 있다. 또한, 가스 노즐(27)의 하부에서는, 포라스재(27P)가 벌크재(27B)로부터 돌출하고, 포라스재(27P)의 일부가 처리실(U)에 노출되어 있다.

(유전체 부품(31)의 제조 방법)

여기서 유전체 부품(31)을 형성하는 포라스재(31P) 및 벌크재(31B), 및 가스 노즐(27)을 형성하는 포라스재(27P) 및 벌크재(27B)는 일체로 소성된다. 가스 노즐(27)의 제조 방법은 유전체 부품(31)의 제조 방법과 마찬가지이기 때문에, 이하에서는, 유전체 부품(31)을 형성하는 포라스재(31P) 및 벌크재(3B)의 일체 소성에 관해서만 설명한다.

우선, 알루미나 분말(세라믹 분말) 및 유리 분말에 물 또는 알콜을 첨가하여 혼합함으로써, 포라스재로 되는 슬러리가 조정(調整)된다. 다음에, 상술한 소정 위치에 배치된 벌크재에, 얻어진 슬러리를 충전함으로써, 유전체 부품(31)이 형성된다.

슬러리를 충전한 유전체 부품(31)을 충분히 건조시킨 후, 포라스재 및 벌크재는, 유리의 연화점 이상의 온도에서 일체 소성된다. 이 때, 소성 온도가 유리의 연화점보다 낮으면, 포라스와 벌크재를 충분히 일체화할 수 없다. 한편, 소성 온도가 너무 높으면 포라스재나 벌크재에 변형이나 수축이 일어난다. 이 때문에, 소성 온도는 포라스재와 벌크재가 충분히 일체화될 수 있는 만큼의 저온인 편이 좋다.

이와 같이 하여, 포라스재 및 벌크재를 일체적으로 소성시켜 유전체 부품(31)을 제조함으로써, 포라스재와 벌크재간의 간격이 없이 밀착시킨다. 그 결과, 포라스재와 벌크재를 개별적으로 제조하여 접착제로 접착하여 둔 종래에 비해, 열팽창에 강한 유전체 부품(31)을 제조할 수 있다.

즉, 종래의 제조 방법에서는, 포라스재나 벌크재와 접착제는 다른 물질이기 때문에, 그들 부재가 가열에 의해 팽창이나 압축을 반복할 때, 그 열 팽창 계수의 차이가 영향을 미쳐, 포라스재나 벌크재와 접합제 사이에서 변형이 생기고 있었다. 그러나, 본 실시예의 제조 방법에서는, 일체적으로 소성되는 포라스재 및 벌크재는 동일 물질이기 때문에(열 팽창 계수는 동일), 이들의 부재에 열에 의한 변형은 발생하지 않는다. 이에 따라, 본 실시예의 제조 방법에서는, 종래에 비해 매우 열팽창에 강한 유전체 부품(31)을 제조할 수 있다.

이와 같이 하여, 본 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에서 는, 제 1 포라스재(31Ph)와 벌크재(31B)가 일체적으로 소성되는 것에 의해, 제 1 포라스재(31Ph)와 제 2 포라스재(31Pl)와 벌크재(31B)가 극간 없이 밀착되고, 그 결과, 대기압 상태에 있는 가스 도입관(29)의 내부나 슬롯(37)의 개구와 진공압 상태에 있는 처리실(U) 내부를 벌크재에 의해 차단할 수 있다. 이에 따라, 처리실(U)의 기밀성을 유지하면서, 각 포라스재에 가스를 통과시킴으로써, 가스를 감속시키면서 균일하게 처리실(U) 내로 공급할 수 있다.

또한, 포라스재와 벌크재를 별개로 제조하지 않고, 일체적으로 소성하여 제조함으로써, 종래 행해지고 있던 포라스재와 벌크재의 접착면을 맞추기 위한 가공 등이 불필요해 지기 때문에, 제조 비용을 대폭 삭감할 수 있다. 또한, 유전체 부품(31)(및 가스 노즐(27))은 열 팽창에 강하기 때문에, 프로세스 처리 중에 파손되지 않는다. 이에 따라 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)를 안정적으로 가동시킬 수 있다.

(졸겔법에 의한 구멍 밀봉 처리)

또한, 유전체 부품(31) 및 가스 노즐(27)은, 졸겔법에 의해 구멍 밀봉 처리된다. 또, 가스 노즐(27)의 구멍 밀봉 처리는 유전체 부품(31)의 구멍 밀봉 처리와 마찬가지이기 때문에, 이하에서는, 유전체 부품(31)의 구멍 밀봉 처리에 대해서만 설명한다.

구체적으로는, 내식성이 높은 Y₂O₃졸겔을 유전체 부품(31)의 포라스재(31P) 에 침지시키고, 포라스재(31P)를 Y₂O₃졸로 코팅(즉, 유전체 부품(31)을 유기용제로 분산시킨 졸(콜로이드 용액)로 구멍 밀봉)한 후, 가열에 의해 겔화시킨다. 이것에 의해, 포라스재(31P) 내의 유리 부분(SiO₂)이 F계 가스나 염소계 가스에 의해 부식되는 것을 회피할 수 있다. 또, 이 경우의 구멍 밀봉 처리에 이용하는 용액은 Y₂O₃졸에 한정되지 않고, 주기율표 제3a족에 속하는 원소로부터 선택된 것을 이용할 수 있다.

다음에, 본 실시예의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에 가스를 공급했을 때의 가스의 흐름에 대하여, 도 6 및 도 10을 참조하면서 설명한다. 도 6은 본 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에 가스를 공급했을 때의 가스의 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 도 10은 본 장치와의 비교예로서, 유전체 창 내부에 마련된 중공의 가스관에 가스를 공급했을 때의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.

(아르곤 가스의 공급)

일반적으로, 가스관을 지나는 가스의 유속 V는 가스의 유량 Q 및 가스관의 단면적 A를 이용하여 다음 수학식 1과 같이 나타내어진다.

(수학식 1)

V=Q/A

도 10의 위쪽에 유전체 창(91)의 평면도(저면도도 동일), 아래쪽에 그 단면 도를 나타낸 바와 같이, 유전체 창(91)에 직경 0.5㎜의 중공의 가스관(92)을 다수 관통시키고, 각 가스관에 플라즈마 여기 가스인 아르곤 가스를 공급한 경우에 대하여 고찰한다.

처리 용기 내의 압력 p₁이 1(Torr), 처리 용기 내로 분사하는 가스의 총유량 Q가 2.O×10^-3(㎥/min), 가스 구멍 총수가 1176개의 경우, 가스 구멍 1개당 가스 유량 Q는 28344.7㎣/sec로 된다. 또한, 예컨대, 분사 구멍의 직경이 0.5㎜일 때, 가스 구멍 1개의 단면적 A는 0.19635(㎟)으로 된다.

따라서, 처리 용기 내의 압력 p₁ 및 체적 v가 일정하다고 가정한 경우, 직경 0.5㎜의 가스관(92)로부터 분사된 가스의 유속 V₀은 다음과 같이 계산된다. 단, 1(atm)=760(Torr)라고 한다.

V₀=28344.7×760/0.19635=109712.1 m/s

상기 계산 결과에 의하면, 유전체 창(91)으로부터 분사되는 가스의 속도 V₀는 음속 이상으로 된다. 실제, 음속 정도의 유속으로, 예컨대, 아르곤 가스 등의 플라즈마 여기 가스가 처리실 내에 공급된 경우, 실란 가스 등의 처리 가스를 플라즈마 여기 가스와 다른 위치에 분사하여도, 각각의 가스가 지나치게 교반된다. 이 때문에, 예컨대, 실란 가스를 양질의 막을 형성하기 위한 프리커서(전구체)인 SiH₃ 래디컬까지 해리시키고자 할 경우, 그 이상으로 해리가 진행하여(즉, SiH₂ 래디컬까 지 해리함), 기판(G) 상을 양호하게 성막할 수 없다.

한편, 도 6의 위쪽에 본 실시예에 따른 유전체 부품(31)의 평면도, 아래쪽에 그 단면도를 나타낸 바와 같이, 유전체 부품(31)에는, 포라스재(31P), 제 1 포라스재(31Ph) 및 제 2 포라스재(31Pl)가 충전되어 있다. 이 경우, 아르곤 가스(제 1 가스의 일례)는 가스 입구(IN)로부터 유전체 부품(31)에 형성된 포라스재(31P) 내로 통하고, 또한 제 1 포라스(31Ph) 및 복수의 제 2 포라스(31Pl)를 거쳐 처리실(U) 내로 분출된다.

이 때, 처리 용기 내의 압력 p₁ 및 부피 v가 일정하다고 가정한 경우, 포라스재로부터 분사되는 가스의 유속 V_t는, 수학식 1을 이용하여 다음과 같이 계산된다. 단, 총단면적 A는 포라스재의 분출구의 단면적과 기공율의 곱으로 구할 수 있고, 포라스재의 분출구가 직경 16㎜라고 하면, 총단면적 A는 기공율이 50%일 때 100.53㎟로 된다.

V_t=28344.7×760/100.53=214.4m/s

상기 계산 결과에 의하면, 유전체 부품(31)으로부터 분출되는 가스의 속도 V_t는 음속보다 작다. 이것은 아르곤 가스가 포라스재(31P), 제 1 포라스재(31Ph) 및 제 2 포라스재(31Pl) 내의 세라믹의 결정과 결정 사이의 연결된 기공 사이를 흐르는 동안에 감속하면서, 각 포라스재의 내부 전체에 등방적으로 퍼지고, 방향의 치우침도 매우 적은 상태에서 처리실(U) 내에 균일하게 토출되기 때문이다.

(기공율)

또한, 본 실시예에 따른 유전체 부품(31)에서는, 제 1 포라스재(31Ph)의 기공율(제 1 기공율)은 제 2 포라스재(31Pl)의 기공율(제 2 기공율)보다 크다.

즉, 제 1 포라스재(31Ph)의 내부는, 제 2 포라스재(31Pl)의 내부보다 극간이 많다. 이에 따라, 더욱, 감속된 가스를 균일화된 상태로 가스 출구(OUT)로부터 분출할 수 있다. 이 메커니즘에 대하여 이하에 설명한다.

아르곤 가스는, 제 2 포라스재(31Pl)보다 기공율이 높은 제 1 포라스재(31Ph)의 내부에 일시적으로 저장되고, 제 1 포라스재(31Ph)의 내부에서 일시적으로 대류한 후, 제 2 포라스재(31Pl)로부터 처리실 내로 분출된다.

이와 같이 본 실시예에 따른 유전체 부품(31)에서는, 가스의 유속을 저하시키기 위해 내부에 가스를 통과시키는 포라스재가 마련되어 있을 뿐만 아니라, 제 1 포라스재(31Ph)에 버퍼 공간으로서의 기능을 갖게 하도록, 제 1 및 제 2의 2종류의 포라스재가 마련된다. 이에 따라, 가스를 유전체 부품(31)의 제 1 포라스재(31Ph) 내에 일시적으로 저장하고, 가스가 제 1 포라스재(31Ph) 내에 존재하는 동안에 가스를 감속 또한 균일화하고, 그 후, 제 2 포라스재(31Pl)에 출력된 가스를, 더욱 감속시키면서 균일하게 처리실 내로 분출시킬 수 있다. 그 결과, 소망의 속도로 소망 위치에 균일하게 공급된 가스는 지나치게 교반되지 않기 때문에, 균일하게 또한 안정적으로 플라즈마를 생성할 수 있다.

(실란 가스 및 수소 가스의 공급)

실란 가스 및 수소 가스로 이루어지는 혼합 가스(제 2 가스의 일례)는, 복수의 가스 노즐(27)에 형성된 포라스재(27P)를 거친다. 이에 따라, 혼합 가스는, 아르곤 가스의 분출 위치보다 아래쪽의 위치로부터 감속된 상태에서 처리실(U) 내로 분출된다.

그 결과, 아르곤 가스의 플라즈마 착화 후, 공급된 실란 가스 및 수소 가스의 혼합 가스는 지나치게 교반되지 않고, 소망 위치에서 아르곤 가스의 플라즈마화에 어느 정도의 에너지를 소비하여 약해진 전계 에너지에 의해, 양질의 막을 형성하기 위한 프리커서(전구체)인 SiH₃ 래디컬까지 해리된다. 즉, SiH₂ 래디컬까지는 해리되지 않는다. 이와 같이 하여 생성된 플라즈마에 의해, 기판(G) 상에 매우 양질의 비정질 실리콘막을 형성할 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 본 실시예에서는, 제 1 포라스재(31Ph)는, 유전체 부품(31)의 내부이고, 유전체 부품(31)의 표면에 노출되지 않는 위치에 마련되어 있고, 유전체 부품(31)의 표면의 대부분은 치밀질체로 형성된다. 이에 따라, 유전체 부품(31)의 강도를 높일 수 있음과 아울러, 제 1 포라스재(31Ph)의 기공 사이를 접착하기 위해 사용된 분말 형상의 유리가 벗겨져 처리실 내로 낙하하여, 기판(G) 상에 파티클로서 혼입되는 것을 막을 수 있다.

이것에 부가하여, 유전체 부품(31)을 구성하는 포라스재 및 벌크재는 상술한 바와 같이 일체적으로 소성되어 있다. 이에 따라, 포라스재와 벌크재가 극간 없이 밀착된다. 그 결과, 대기압 상태에 있는 가스 도입관(29) 내부나 슬롯(37)의 개구와 진공압(압력) 상태에 있는 처리실(U) 내부를 일체로 소성된 벌크재에 의해 차단할 수 있다. 이에 따라, 처리실(U)의 기밀성을 유지하면서, 각 포라스재를 거쳐 감속된 가스를 처리실 내에 공급할 수 있다.

(기공율의 최적값)

도 7에 나타내는 바와 같이, 발명자 등은, 다공질 세라믹으로써 형성된 포라스재의 기공율과 유속과의 관계를 수학식 1에 근거하여 시뮬레이션에 의해 산출했다. 이들 계산 결과에 의하면, 포라스재의 기공율이 0.4 이상일 때, 가스의 유속이 음속 미만으로 된다.

한편, 포라스재의 기공율이 0.6 이상으로 되면, 포라스재 내부에서 플라즈마가 생성되어 버린다. 즉, 아르곤 가스의 평균 자유 행정(mean free pass)은 압력이 1mTorr, 온도가 실온일 때, 75㎜ 정도이니까, 압력이 1Torr, 온도가 실온일 때의 처리실(U) 내에서의 아르곤 가스의 평균 자유 행정은 75㎛ 정도로 된다.

한편, 포라스재의 기공율이 0.6 미만이면, 포라스재 내부의 평균 기공 직경은 75㎛ 미만으로 되기 때문에, 아르곤 가스가 포라스재의 내부로 들어가더라도, 그것은 내벽에 충돌해 버린다. 따라서, 포라스재의 기공율이 0.6미만이면, 플라즈마는 포라스재 내부에서 생성되지 않는 것으로 생각되고, 포라스재 내부로 들어간 가스가 플라즈마화하여, 이상 방전이 발생함으로써 유전체 부품(31)이 소손되는 것이나, 포라스재 내부에서 반응성 가스가 화학 반응을 일으키는 것에 의해 포라스재 내부에 반응 생성물이 부착하는 것을 회피할 수 있다.

따라서, 발명자는, 제 1 포라스재(31Ph)가 갖는 제 1 기공율 및 제 2 포라스재(31Pl)가 갖는 제 2 기공율은 0.4∼0,6의 범위이고, 제 1 기공율이 제 2 기공율보다 커지도록 각 포라스재를 선택하는 것이 바람직하다고 결론지었다.

(변형예 1)

다음에, 실시예 1의 변형예 1에 대하여, 도 8을 참조하면서 설명한다. 본 변형예에서는, 제 1 포라스재(31Ph)가, 각 유전체 부품(31)에 6개 마련되어 있는 점, 및 각 제 1 포라스재(31Ph)가 각 유전체 부품(31)의 상면에 노출되어 있는 점이, 제 1 포라스재(31Ph)가 각 유전체 부품(31)에 1개 마련되고, 각 제 1 포라스재(31Ph)가 각 유전체 부품(31)의 내부에 매립되어 있는 실시예 1의 유전체 부품(31)과 구성상 상이하다. 따라서, 이 차이점을 중심으로 본 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에 대하여 설명한다.

일반적으로, 제조상, 각 부재의 크기가 작으면 작을수록 각 부재의 특성의 편차를 억제하고, 동질의 부재를 용이하게 제조할 수 있다. 이 것으로부터, 제 1 포라스재(31Ph) 및 제 2 포라스재(31Pl)를 각각 복수의 작은 부품으로 나눠 유전체 부품(31)에 배치한 본 변형예에서는, 같은 특성을 갖은 포라스재에 의해, 각 포라스재 내부에서 가스를 보다 균일하게 흘릴 수 있다.

또한, 각 포라스재의 각 부품의 입경을 균일하게 하면 할수록, 유전정접(tanδ)의 값은 작아진다. 한편, 유전정접이 작으면 작을수록, 마이크로파가 유전체 부품(31)을 투과할 때의 전계 에너지의 손실은 적어진다. 따라서, 제 1 포라스재(31Ph) 및 제 2 포라스재(31Pl)를 각각 복수의 작은 부품에 나누는 것에 따라, 각 포라스재의 각 부품의 입경을 균일하게 함으로써, 유전정접을 작게 할 수 있다. 그 결과, 유전체 부품(31)을 투과할 때의 마이크로파의 전계 에너지의 손실을 억제함으로써, 높은 전계 에너지를 가진 마이크로파를 처리실 내로 입사시킬 수 있다. 또, 유전정접은 포라스재 내의 기공끼리를 접착하는 접착재에 포함되는 불순물을 적게 하는 것에 의해서도 작게 할 수 있다.

또한, 포라스재의 유전율은 벌크재의 유전율/기공율로써 구해지지만, 본 변형예에 따른 유전체 부품(31)의 내부 구성에 의하면, 제 1 기공율은 제 2 기공율보다 크다. 따라서, 제 1 포라스재(31Ph)의 유전율 ε₁은 제 2 포라스재(31Pl)의 유전율 ε₂보다 작아진다.

한편, 관내 파장 λg는 자유 공간에서의 파장 λc/유전율 ε과 같다. 따라서, 제 1 포라스재(31Ph)를 투과하는 마이크로파의 관내 파장 λg₁은 제 2 포라스재(31Pl)를 투과하는 마이크로파의 관내 파장 λg₂보다 길게 된다.

한편, 마이크로파는, 관내 파장 λg가 긴 쪽으로부터 짧은 쪽으로 움직이기 쉽다고 하는 성질을 가지고 있다. 따라서, 마이크로파는 제 1 포라스재(31Ph)로부터 제 2 포라스재(31Pl) 쪽으로 움직이기 쉽다. 그 결과, 본 변형예에서는, 제 1 포라스재(31Ph)의 기공율을 제 2 포라스재(31Pl)의 기공율보다 크게 한다고 하는 단순한 구성을 갖는 것에 의해, 마이크로파를 제 1 포라스재(31Ph), 제 2 포라스 재(31Pl)를 통해 처리실(U) 내로 원활하게 입사하도록 유도할 수 있다.

또한, 제 1 포라스재(31Ph)를 복수의 부품로 구성함으로써, 제 1 포라스재(31Ph) 사이에 마련된 유전체 부품(31) 상면의 벌크 부분과 덮개 본체(21) 사이에 O링(도시하지 않음)을 마련하는 것에 의해, O링의 크기를 작게 할 수 있다. 그 결과, O링을 찌그러뜨릴 때에 O링에 가해지는 힘을 작게 할 수 있고, 그에 따라, 유전체 부품(31)의 파손을 방지할 수 있다.

(변형예 2)

다음에, 실시예 1의 변형예 2에 대하여, 도 9를 참조하면서 설명한다. 본 변형예에서는, 유전체 부품(31)의 내부에서, 도 3에 나타낸 제 2 포라스재(31Pl) 대신에 도 9의 관통 부재(31t)가 배치된다.

관통 부재(31t)에는, 그 내부에 관통공(31ta)이 다수 관통하고 있다. 각 관통공(31ta)은, 그들 관통공(31ta)으로부터 분출되는 가스의 유속이 음속 이하이고, 또한 그들의 관통공(31ta)에 가스가 유입되지 않는 것을 조건으로 하여, 관통공(31ta)의 직경 및 관통공(31ta)의 수가 미리 정해져 있다.

이에 따라, 가스 공급부는 가스를 제 1 포라스재(31Ph)에 일시적으로 저장시키면서 체류시킨 후, 관통 부재(31t)에 마련된 다수의 관통공(31ta)으로부터 음속 이하의 유속으로 처리실(U)의 내부에 도입한다. 이에 따라, 어느 정도 저속으로 된 가스를 균일하게 처리실 내에 공급할 수 있다.

또한, 각 관통공(31ta)의 직경은, 아르곤 가스의 평균 자유 행정에 근거하 여, 아르곤 가스가 유입되지 않는 크기(예컨대, 직경 0.5㎜)로 미리 정해져 있다. 이에 따라, 관통공(31ta)에 들어간 가스가 플라즈마화하고, 관통공(31ta)의 내부에서 이상 방전함으로써 유전체 부품(31)이 소손되는 것이나, 관통공(31ta) 내부에서 반응성 가스가 화학 반응을 일으키는 것에 의해, 관통공(31ta) 내부에 반응 생성물이 부착되는 것을 피할 수 있다.

이상에서 설명하는 바와 같이, 상기 실시예 및 상기 각 변형예에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에 의하면, 가스의 유속을 억제하는 것에 의해 기판(G) 상에 양호한 비정질 실리콘막을 형성할 수 있다.

또, 이상에서 설명한 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)를 이용한 게이트 산화막 형성 처리에서는, 처리실 내의 압력 p1은 수mTorr 정도이며, 이에 대하여, 제 2 포라스재(31Pl) 내부의 압력 p2 및 제 1 포라스재(31Ph) 내부의 압력 p3은 수Torr 정도로 된다고 생각된다. 따라서, 가스가 감속하면서 제 1 포라스재(31ph) 전체에 균일하게 넓어지고, 그 후, 제 2 포라스재(31Pl) 내를 통과하여 처리실(U) 내로 도입될 때, 포라스재 내부를 흐르는 가스의 흐름을 구속하고 있는 주된 조건은, 처리실 내의 압력 p1과 제 2 포라스재(31Pl) 내부의 압력 p2의 압력차라고 생각된다.

그러나, 처리실(U) 내의 프로세스 조건에 따라서는, 제 1 기공율이 제 2 기공율보다 큰 것으로부터 발생하는 제 1 포라스재(31Ph) 내부의 압력 p3과 제 2 포라스재(31Pl) 내부의 압력 p2의 압력차 및 처리실 내의 압력 p1과 제 2 포라스재(31Pl) 내부의 압력 p2의 압력차의 관계로부터, 포라스재 내부를 흐르는 가스의 흐름에 대한 구속 조건이 변하는 경우도 있다고 생각된다.

보다 상세히 설명하면, 제 1 포라스재(31Ph)의 기공율은 제 2 포라스재(31Pl)의 기공율보다 크다. 이 때문에, 상기 압력차의 관계에 따라서는, 제 1 포라스재(31Ph) 내부의 압력 p3과 제 2 포라스재(31Pl) 내부의 압력 p2의 압력차가 포라스재 내부를 흐르는 가스의 흐름의 율속 조건으로 되는 경우도 있다고 생각된다. 이 경우, 압력 p2와 압력 p3의 압력차에 의해, 제 1 포라스재(31Ph)에 들어간 가스 중, 소정량을 넘은 가스는 곧바로는 제 2 포라스재(31Pl)로 이동할 수는 없고, 제 1 포라스재(31Ph)를 퍼트리면서 일시적으로 제 1 포라스재(31Ph)에 체류한다. 이에 따라, 제 1 포라스재(31Ph)는, 소정의 압력(밀도)으로 유지되고, 가스는 제 1 포라스재(31Ph) 내에 체류하는 동안에 혼합되면서, 제 1 포라스재(31Ph)에서 어느 정도 균일한 상태로 된다. 그 후, 가스는 제 2 포라스재(31Pl) 내부로 들어가, 제 2 포라스재(31Pl)를 통과하여 처리실(U)로 분출된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 가스가 유전체 부품(31)의 포라스재 내부를 통과할 때, 가스의 유속을 저하시키는 것뿐만 아니라, 제 1 포라스재(31Ph)에 완충(버퍼) 공간으로서의 기능을 갖게 하도록, 제 1 포라스재(31Ph) 및 제 2 포라스재(31Pl)의 2종류의 포라스재를 마련한 것에 의해, 가스를 유전체 부품(31)의 내부에서 효과적으로 감속시키면서, 처리실 내를 향해 균일하게 분출할 수 있다. 그 결과, 소망하는 위치에 감속 또한 균일하게 공급된 가스로부터 소망하는 플라즈마를 균일하게 생성하며, 그에 따라, 기판(G) 상에 양질이고 또한 균일한 플라즈마 처리를 실시할 수 있다.

(가스 공급 방법)

또한, 상술한 실시예에서는, 제 1 가스를 복수의 유전체 부품(31)의 포라스재(31P)로부터 공급하고, 제 2 가스를 가스 노즐(27)의 포라스재(27P)로부터 공급했다. 그러나, 가스의 공급 방법은 이것에 한정되지 않고, 예컨대, 복수의 유전체 부품(31) 중 몇 개인가의 유전체 부품(31)의 포라스재(31P)로부터 제 1 가스를 공급하고, 다른 유전체 부품(31)의 포라스재(31P)로부터 제 2 가스를 공급하도록 하여도 좋다.

또한, 복수의 가스 노즐(27) 중, 몇 개인가의 가스 노즐(27)의 포라스재(27P)로부터 제 1 가스를 공급하고, 다른 가스 노즐(27)의 포라스재(27P)로부터 제 2 가스를 공급하도록 하여도 좋다.

또, 일반적으로는, 각 유전체 부품(31)의 하면으로부터 분출되는 제 1 가스(예컨대, 아르곤 가스)는 가스 노즐(27)의 하부로부터 내뿜어지는 제 2 가스(예컨대, 실란 가스)보다 결합 에너지가 큰 편이 좋다.

여기서, Ar의 이온화 에너지는 15.759(eV)이다. 또한, H와 H의 분자 결합 에너지는, 4.48(eV)이며, Si와 H와 분자 결합 에너지는 3.2(eV)이다. 이로부터, 비정질 실리콘 CVD 프로세스에서는, 본 실시예와 같이, 실란 가스나 수소 가스보다 분자 결합 에너지가 큰 아르곤 가스는, 제 1 가스로서 처리 용기(10)의 위쪽으로부터 공급되고, 실란 가스와 수소 가스의 혼합 가스는 제 2 가스로서 처리 용기(10)의 아래쪽으로부터 공급되는 것이 바람직하다.

단, 복수의 가스를 혼합하면, 그 혼합 가스가 과잉 반응해 버리는 등의 특수 한 경우에는, 제 1 가스 및 제 2 가스의 결합 에너지의 대소 관계에 관계없이, 과잉 반응이 일어나지 않도록 각 가스의 분사 위치가 결정된다.

상기 실시예에 있어서, 각 부의 동작은 서로 관련되어 있어, 서로의 관련을 고려하면서, 일련의 동작으로서 치환할 수 있다. 그리고, 이와 같이 치환하는 것에 의해, 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 발명의 실시예를 마이크로파 플라즈마 처리 방법의 실시예로 할 수 있다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명이 바람직한 실시예에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 물론이다. 당업자라면, 특허 청구 범위에 기재된 범위 내에서, 각종 변경예 또는 수정예를 생각해 낼 수 있는 것은 명백하며, 그것들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 양해된다.

예컨대, 상기 실시예에서는, 대형 디스플레이 장치 제조에 있어서 대형의 유리 기판을 처리하기 위한 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 대하여 설명했지만, 본 발명은 반도체 장치 제조용 플라즈마 처리 장치에도 적용할 수 있다. 즉, 일본 특허 공개 공보 평11-297672호에 기재된 바와 같이, 원형의 반도체 웨이퍼를 플라즈마 처리하기 위해 마이크로파를 RLSA(Radial Line Slot Antenna) 안테나에 마련한 라인 형상의 슬롯을 통해 공급하는 플라즈마 처리 장치로서, 유전체의 샤워 플레이트를 구비하고, 해당 샤워 플레이트를 투과시켜 마이크로파를 처리실로 공급함과 아울러, 해당 샤워 플레이트에 마련한 다수의 소구멍을 통해 가스를 처리실 내로 도입하는 장치에 있어서, 해당 샤워 플레이트 대신에 다공질체와 치밀질체를 구비 한 유전체 원판을 이용하여, 상기 다공질체를 통해 가스를 도입하도록 하여도 좋다. 또한, 일본 공개 특허 공보 제2002-299331호에 기재된 바와 같은 2단의 샤워 플레이트를 갖는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상단의 샤워 플레이트 대신 다공질체와 치밀질체를 구비한 유전체 원판을 이용하여, 상기 다공질체를 통해서 플라즈마 발생용 가스를 상하의 샤워 플레이트 사이의 공간에 도입하도록 하고, 거기서 마이크로파에 의해 플라즈마를 발생시키도록 하여도 좋다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 의해 실행되는 플라즈마 처리는 CVD 처리로 한정되지 않고, 애싱 처리, 에칭 처리 등의 모든 플라즈마 처리가 가능하다.

또, 유리 기판의 크기는, 720㎜×720㎜ 이상이면 좋고, 예컨대, G3 기판 크기로 720㎜×720㎜(챔버 내의 직경: 400㎜×500㎜), G4.5 기판 크기로 730㎜×920㎜(챔버 내의 직경: 1000㎜×1190㎜), G5 기판 크기로 1100㎜×1300㎜(챔버 내의 직경: l470㎜×1590㎜)이다. 상기 크기의 처리실 내에 1∼8W/㎠의 파워의 마이크로파가 공급된다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 단면도,

도 2는 동 실시예에 따른 처리 용기의 천정면을 나타낸 도면,

도 3은 동 실시예에 따른 도 1의 유전체 부품 및 가스 노즐 근방을 확대한 도면,

도 4는 동 실시예에 따른 유전체 부품의 평면도 및 유전체 부품을 구성하는 포라스재 및 벌크재의 내부 구성을 나타낸 도면,

도 5(a)는 동 실시예에 따른 유전체 부품(31)의 하면도, 도 5(b)는 도 5(a)의 유전체 부품(31)을 Al-Al면에서 절단한 종단면도, 도 5(c)는 도 5(a)의 유전체 부품(31)을 Bl-Bl면에서 절단한 종단면도,

도 6은 동 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 가스를 공급했을 때의 가스의 흐름을 설명하기 위한 도면,

도 7은 포라스재의 기공율과 유속의 관계를 나타낸 도면,

도 8(a)는 본 발명의 실시예 1의 변형예 1에 따른 유전체 부품(31)의 평면도, 도 8(b)는 도 8(a)의 유전체 부품(31)을 A2-A2면에서 절단한 종단면도, 도 8(c)는 도 8(a)의 유전체 부품(31)을 B2-B2면에서 절단한 종단면도,

도 9는 본 발명의 실시예 1의 변형예 2에 따른 관통 부재를 나타낸 도면,

도 10은 비교예로서 중공(中空)의 가스관에 가스를 공급했을 때의 가스의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 처리 용기 11 : 서셉터

20 : 덮개 21 : 덮개 본체

26 : 대들보 27 : 가스 노즐

27B : 벌크재 27P : 포라스재

29a : 제 1 가스 도입관 29b : 제 2 가스 도입관

30 : 슬롯 안테나 31 : 유전체 부품

31B : 벌크재 31P : 포라스재

31Ph : 제 1 포라스재 31Pl : 제 2 포라스재

32, 51, 52 : O링 33 : 방형 도파관

37 : 슬롯 40 : 마이크로파 발생기

43 : 가스 공급원 43a4 : 아르곤 가스 공급원

43b4 : 실란 가스 공급원 43b8 : 수소 가스 공급원

100 : 마이크로파 플라즈마 처리 장치

U : 처리실 G : 기판

Claims (17)

1. 마이크로파를 전파(傳播)시키는 슬롯 안테나와, 상기 슬롯 안테나를 전파한 마이크로파를 투과하는 유전체 창(窓)과, 소정의 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 유전체 창을 투과한 마이크로파에 의해 상기 소정의 가스를 플라즈마화하여 피처리체를 처리하는 처리실을 구비한 마이크로파 플라즈마 처리 장치로서,

   상기 유전체 창은 제 1 기공율(氣孔率)을 갖는 제 1 다공질체(多孔質體)와, 상기 제 1 다공질체에 연결되고, 상기 제 1 기공율보다 낮은 제 2 기공율을 갖는 제 2 다공질체를 포함하고,

   상기 가스 공급부는 상기 소정의 가스를 상기 제 1 다공질체를 거쳐 상기 제 2 다공질체로부터 상기 처리실 내로 도입하는

   마이크로파 플라즈마 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 다공질체는 상기 유전체 창의 내부에서, 상기 유전체 창의 표면에 노출되지 않는 위치에 마련되어 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제 2 다공질체는 복수 구비되고,

   각각의 제 2 다공질체의 일단은 상기 제 1 다공질체에 각각 연결되고, 상기 각각의 제 2 다공질체의 타단은 상기 유전체 창의 처리실 쪽의 면에 노출되어 있는

   마이크로파 플라즈마 처리 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 각각의 제 2 다공질체는 상기 유전체 창의 처리실 쪽의 면에서 등 간격으로 노출되어 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 가스 공급부는 상기 제 2 다공질체보다 기공율이 높은 상기 제 1 다공질체의 내부에 일시적으로 가스를 체류시키면서, 가스를 상기 제 2 다공질체로부터 상기 처리실 내로 도입하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제 2 기공율은 상기 제 2 다공질체로부터 분출되는 가스의 유속이 음속 이하이고, 또한 상기 제 2 다공질체의 기공(氣孔)으로 가스가 유입되지 않는 것을 조건으로 하여 미리 소정의 값으로 정해져 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 유전체 창은 치밀질체(緻密質體)를 더 포함하고,

   상기 제 1 다공질체와 상기 제 2 다공질체와 상기 치밀질체는 일체적으로 소 성되어 있는

   마이크로파 플라즈마 처리 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 유전체 창은 졸겔법에 의해 구멍이 밀봉 처리되어 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
9. 마이크로파를 전파(傳播)시키는 슬롯 안테나와, 상기 슬롯 안테나를 전파한 마이크로파를 투과하는 유전체 창과, 소정의 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 유전체 창을 투과한 마이크로파에 의해 상기 소정의 가스를 플라즈마화하여 피처리체를 처리하는 처리실을 구비한 마이크로파 플라즈마 처리 장치로서,

   상기 유전체 창은 제 1 기공율을 갖는 제 1 다공질체와, 상기 제 1 다공질체에 연결되고, 복수의 관통공을 갖는 관통 부재를 포함하고,

   상기 가스 공급부는 상기 소정의 가스를 상기 제 1 다공질체를 거쳐 상기 관통 부재로부터 상기 처리실 내로 도입하는

   마이크로파 플라즈마 처리 장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 관통 부재는, 상기 복수의 관통 구멍으로부터 분출되는 가스의 유속이 음속 이하이고, 또한 상기 복수의 관통공으로 가스가 유입되지 않는 것을 조건으로 하여 상기 관통공의 직경 및 상기 관통공의 수가 미리 정해져 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
11. 제 1 항, 제 2 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 유전체 창은 마이크로파를 각각 투과시키는 복수 개의 유전체 부품(parts)으로 구성되고,

    각 유전체 부품에는 상기 제 1 다공질체가 적어도 1개소 마련되어 있는

    마이크로파 플라즈마 처리 장치.
12. 제 1 항, 제 2 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 마이크로파 플라즈마 처리 장치는 상기 각 유전체 부품을 지지하는 대들보에 고정된 복수의 가스 분사 부재를 더 구비하고,

    상기 각 가스 분사 부재의 가스의 분출구는 상기 유전체 창의 처리실 쪽의 면보다 피처리체의 탑재 위치에 가까운 위치에 마련되며,

    상기 가스 공급부는 상기 소정의 가스 중, 제 1 가스를 상기 유전체 창의 내부를 통해 상기 유전체 창의 처리실 쪽의 면으로부터 상기 처리실 내에 도입하고, 제 2 가스를 상기 유전체 창의 처리실 쪽의 면보다 피처리체의 탑재 위치에 가까운 위치에 마련된 복수의 가스 분사 부재의 분출구로부터 상기 처리실 내에 도입하는

    마이크로파 플라즈마 처리 장치.
13. 제 12 항에 있어서,

    각각의 가스 분사 부재는 일체적으로 소성된 다공질체와 치밀질체로 형성되고, 또한,

    상기 가스 공급부는 상기 제 2 가스를 상기 각각의 가스 분사 부재에 형성된 다공질체를 통해 상기 처리실 내로 공급하는

    마이크로파 플라즈마 처리 장치.
14. 제 12 항에 있어서,

    상기 제 1 가스 또는 상기 제 2 가스 중 적어도 어느 하나는 복수의 가스를 혼합한 혼합 가스로서, 그 혼합 가스가 과잉 반응하는 경우를 제외하고, 상기 제 1 가스는 상기 제 2 가스보다 결합 에너지가 큰 가스인 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
15. 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 마련된 처리실에 마이크로파를 투과하는 유전체 창의 제조 방법으로서,

    제 1 기공율을 갖는 제 1 다공질체에, 상기 제 1 기공율보다 낮은 제 2 기공율을 갖는 복수의 제 2 다공질체를 등 간격으로 접촉시켜 마련하고,

    상기 제 1 다공질체가 노출되지 않고, 또한 상기 복수의 제 2 다공질체의 단부가 노출되도록, 상기 제 1 다공질체 및 상기 복수의 제 2 다공질체의 주위에 치 밀질체를 마련하고,

    상기 제 1 다공질체와 상기 제 2 다공질체와 상기 치밀질체를 일체 소성하여 플레이트 형상으로 형성하는

    마이크로파 플라즈마 처리 장치용 유전체 창의 제조 방법.
16. 마이크로파를, 슬롯 안테나를 통과하여, 유전체 창을 투과시켜 처리실에 공급하고,

    소정의 가스를, 상기 유전체 창에 포함되는 제 1 기공율을 갖는 제 1 다공질체를 거쳐, 상기 제 1 다공질체에 연결되고 상기 제 1 기공율보다 낮은 제 2 기공율을 갖는 제 2 다공질체로부터 상기 처리실 내로 도입하며,

    상기 처리실에 공급된 마이크로파에 의해 상기 도입된 소정의 가스를 플라즈마화하여 피처리체를 처리하는

    마이크로파 플라즈마 처리 방법.
17. 마이크로파를, 슬롯 안테나를 통과하여, 유전체 창을 투과시켜 처리실에 공급하고,

    소정의 가스를, 상기 유전체 창에 포함되는 제 1 기공율을 갖는 제 1 다공질체를 거쳐, 상기 제 1 다공질체에 연결된 관통 부재의 복수의 관통공으로부터 상기 처리실 내로 도입하고,

    상기 처리실에 공급된 마이크로파에 의해 상기 도입된 소정의 가스를 플라즈 마화하여 피처리체를 처리하는

    마이크로파 플라즈마 처리 방법.

Images