KR20080037077A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 천정부가 개구되어 내부가 진공 흡인 가능하게 이루어진 처리 용기와, 피처리체를 탑재하기 위해 상기 처리 용기 내에 마련된 탑재대와, 상기 천정부의 개구에 기밀하게 장착되어 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어지는 천정판과, 상기 처리 용기 내에 필요한 가스를 도입하는 가스 도입 수단과, 상기 천정판의 중앙부의 상면에 마련되어, 소정의 전파 모드의 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 도입하기 위해 마이크로파 방사용의 슬롯이 형성된 평면 안테나 부재와, 상기 천정판의 주변부의 상면에 마련되어, 상기 평면 안테나 부재에 의해 도입하는 마이크로파와는 다른 전파 모드의 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 도입하기 위해 마이크로파 방사용의 슬롯이 형성된 슬롯 첨부 도파관과, 마이크로파를 상기 평면 안테나 부재 및 상기 슬롯 첨부 도파관에 공급하는 마이크로파 공급 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치이다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA TREATMENT DEVICE, AND PLASMA TREATMENT METHOD}
본 발명은 반도체 웨이퍼 등에 대하여 마이크로파에 의해 발생하는 플라즈마를 작용시켜 처리를 실시할 때에 사용되는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 제품의 고밀도화 및 고미세화에 따라, 반도체 제품의 제조 공정에서, 성막, 에칭, 애싱 등의 처리를 위해 플라즈마 처리 장치가 사용되고 있다. 특히, 0.1mTorr(13.3mPa)∼수 Torr(수백 Pa) 정도의 비교적 압력이 낮은 고진공 상태에서도 안정하게 플라즈마를 세울 수 있기 때문에, 마이크로파를 이용하여 고밀도 플라즈마를 발생시키는 마이크로파 플라즈마 장치가 사용되는 추세에 있다.
이러한 플라즈마 처리 장치는, 일본 공개 특허 공보 평3-191073호, 일본 공개 특허 공보 평5-343334호, 일본 공개 특허 공보 평10-233295호, 일본 공개 특허 공보 평11-40397호 등에 개시되어 있다. 여기서, 마이크로파를 이용한 일반적인 플라즈마 처리 장치를 도 8을 참조하여 개략적으로 설명한다. 도 8은 종래의 일반 적인 플라즈마 처리 장치를 나타내는 개략 구성도이다. 도 9는 도 8의 일부를 확대하여 나타내는 부분 확대도이다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 이 플라즈마 처리 장치(202)는 진공 흡인 가능하게 이루어진 처리 용기(204)와, 처리 용기(204) 내에 마련된 반도체 웨이퍼 W를 탑재하는 탑재대(206)를 구비하고 있다. 탑재대(206)에 대향하는 천정부에는, 마이크로파를 투과하는 원판 형상의 질화알루미늄이나 석영 등으로 이루어지는 천정판(208)이 O링 등의 밀봉 부재(209)를 통해 기밀하게 마련된다. 그리고, 처리 용기(204)의 측벽에는, 처리 용기(204) 내로 소정의 가스를 도입하기 위한 가스 노즐(210)이 마련된다. 또한, 처리 용기(204)의 측벽에는, 웨이퍼 W의 반출입용 개구부(212)가 마련된다. 이 개구부(212)에는, 이것을 기밀하게 개폐하는 게이트 밸브 G가 마련된다. 처리 용기(204)의 바닥부에는 배기구(214)가 마련되어 있고, 이 배기구(214)에는 도시하지 않은 진공 배기계가 접속되어 있다. 이에 따라, 처리 용기(204) 내를 진공 흡인할 수 있게 되어 있다.
천정판(208)의 상면 내지 위쪽에는, 두께 수㎜ 정도의, 예컨대, 동판으로 이루어지는 원판 형상의 평면 안테나 부재(216)가 마련된다. 평면 안테나 부재(216)의 반경 방향에서의 마이크로파의 파장을 단축하기 위해, 예컨대, 유전체로 이루어지는 지파재(遲波材)(218)가 평면 안테나 부재(216)의 상면 내지 위쪽에 마련되어 있다.
평면 안테나 부재(216)에는, 다수의, 예컨대, 긴 홈 형상의 관통공으로 이루어지는 마이크로파 방사용의 슬롯 구멍(220)이 형성되어 있다. 이 마이크로파 방사용의 슬롯 구멍(220)은, 일반적으로는, 동심원 형상으로 배치되거나 나선 형상에 배치되기도 한다. 또한, 평면 안테나 부재(216)의 중심부에는, 동축 도파관(222)의 중심 도체(224)가 접속되고, 마이크로파 발생기(226)에 의해 발생된, 예컨대, 2.45㎓의 마이크로파가 모드 변환기(228)에서 소정의 진동 모드로 변환된 후에 안내되게 되어 있다. 이에 따라, 마이크로파는 안테나 부재(216)의 반경 방향을 향해 방사상으로 전파되면서 평면 안테나 부재(216)에 마련된 마이크로파 방사용의 슬롯(220)으로부터 방출되고, 천정판(208)을 투과하여, 처리 용기(204)의 내부로 도입된다. 이 마이크로파에 의해, 처리 용기(204) 내의 처리 공간 S에 플라즈마가 세워져, 탑재대(206) 상의 반도체 웨이퍼 W에 에칭이나 성막 등의 소정의 플라즈마 처리을 실시할 수 있다.
상기한 바와 같은 플라즈마를 이용한 성막 처리나 에칭 처리 등을 실시하는 경우, 해당 처리를 웨이퍼 표면에 대하여 균일하게 실시하는 것이 요구된다. 그런데, 천정판(208)을 투과한 마이크로파가 해당 천정판(208)의 하면을 따라 표면파로 되어 전파할 때에, 인접하는 슬롯(220)으로부터 방사되는 마이크로파끼리가 서로 간섭해 버리는 경향이 있다. 이 때문에, 처리 공간 S에서의 마이크로파의 전계 분포에 치우침이 발생하여, 플라즈마가 균일하게 분포하지 않는 경우가 있다. 이러한 플라즈마의 불균일 분포는 웨이퍼 표면에 대한 플라즈마 처리의 면내 균일성을 열화시키므로, 바람직하지 못하다.
이 때문에, 종래의 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 평면 안테나 부재(216)의 슬롯(220)의 크기나 배열 등을 여러 가지 검토하여, 마이크로파의 최적의 전계 분포를 얻도록 조정되어 왔다. 그러나, 충분한 대응책이 아직 마련되어 있지 않다.
또한, 용기 천정부에 마련된 천정판(208)의 단면 형상을 여러 가지 변경하는 것에 의해, 마이크로파의 전계 분포를 제어한다고 하는 시도도 행하여져 왔다. 그러나, 이 시도에 의해서도 충분한 해결책이 마련되지 않고 있다. 또한, 천정판(208)의 단면 형상을 변경하는 것은 천정판(208)의 가공이 상당히 곤란하므로, 대폭적인 비용 상승을 초래한다고 하는 문제도 있다.
또한, 일반적으로는, 처리 공간 S의 주변부에서의 마이크로파의 전계 밀도가 열화하는 것을 고려하여, 예컨대, 슬롯(220)의 배열 등을 연구해서, 처리 공간 S의 주변부에 투입되는 마이크로파의 전력이 많아지도록 설정된다. 그런데, 도 9에 나타내는 바와 같이, 처리 공간 S의 주변부에서는, 처리 용기(204)의 상단부와 천정판(208)의 주변부가 밀봉 부재(209)를 통해 접합되는 부분에서, 근소한 극간(230)이 발생하고 있기 때문에, 이 근소한 극간(230)의 부분에 강력한 마이크로파 전계에 의한 이상 방전이 발생해 버린다고 한 문제도 있다.
본 발명은, 이상과 같은 문제점에 착안하여, 이것을 효과적으로 해결하도록 창안된 것이다. 본 발명의 목적은 마이크로파를 제어할 수 있게 처리 용기 내에 도입하도록 하여, 처리 공간에서 플라즈마를 균일하게 발생시킬 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 천정부가 개구되어 내부가 진공 흡인 가능하게 이루어진 처리 용기와, 피처리체를 탑재하기 위해 상기 처리 용기 내에 마련된 탑재대와, 상기 천정부의 개구에 기밀하게 장착되어 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어지는 천정판과, 상기 처리 용기 내로 필요한 가스를 도입하는 가스 도입 수단과, 상기 천정판의 중앙부의 상면에 마련되어, 소정의 전파 모드의 마이크로파를 상기 처리 용기 내로 도입하기 위해 마이크로파 방사용의 슬롯이 형성된 평면 안테나 부재와, 상기 천정판의 주변부의 상면에 마련되어, 상기 평면 안테나 부재에 도입되는 마이크로파와는 다른 전파 모드의 마이크로파를 상기 처리 용기 내로 도입하기 위해 마이크로파 방사용의 슬롯이 형성된 슬롯 첨부 도파관과, 마이크로파를 상기 평면 안테나 부재 및 상기 슬롯 첨부 도파관에 공급하는 마이크로파 공급 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치다.
이 특징에 의하면, 천정판의 중앙부에 마련된 평면 안테나 부재와 천정판의 주변부에 마련된 슬롯 첨부 도파관을 통해, 서로 다른 반송 모드에서 처리 용기 내에 마이크로파가 도입되므로, 상호 독립적인 제어 상태에서 처리 용기 내에 마이크로파가 도입될 수 있다. 또한, 다른 반송 모드이므로, 상호의 마이크로파가 간섭하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 피처리체의 위쪽 처리 공간에 균일하게 플라즈마를 분포시킬 수 있다.
또한, 처리 공간의 주변부에서의 마이크로파의 투입 전력을 특단적으로 높일 필요가 없으므로, 천정판의 주변부와 처리 용기의 상단부 사이에 형성되는 근소한 극간에서 이상 방전이 발생하는 것도 방지할 수 있다.
예컨대, 상기 슬롯 첨부 도파관은 복수개가 동심 형상으로 마련된다.
또한, 예컨대, 상기 슬롯 첨부 도파관은, 링 형상으로 형성됨과 아울러, 마이크로파 흡수용의 슬롯이 마련되어, 상기 마이크로파 공급 수단의 상기 슬롯 첨부 도파관에의 급전 포트는 마이크로파 흡수용의 슬롯으로부터 먼 쪽에 위치된다.
또한, 예컨대, 상기 평면 안테나 부재의 반경 r은 이것에 전파되는 마이크로파의 파장 λ 이상의 크기로 설정된다.
또한, 예컨대, 상기 마이크로파 공급 수단은 적어도 하나의 마이크로파 발생기를 갖고 있고, 상기 슬롯 첨부 도파관 내의 최내주의 슬롯 첨부 도파관과 상기 평면 안테나 부재에는, 동일한 마이크로파 발생기에서 발생된 마이크로파가 분배기에 의해 분기되어 전파되도록 구성된다. 이 경우, 예컨대, 상기 분배기는 마이크로파의 분배비가 가변이다.
또는, 상기 마이크로파 공급 수단은 복수의 마이크로파 발생기를 갖고 있고, 상기 슬롯 첨부 도파관과 상기 평면 안테나 부재에는, 별개의 마이크로파 발생기에서 발생된 마이크로파가, 각각 독립적으로 전파되도록 구성되어도 좋다.
또한, 예컨대, 상기 평면 안테나 부재로부터 상기 처리 용기 내로 공급되는 마이크로파의 전파 모드는 TM 모드이며, 상기 슬롯 첨부 도파관으로부터 상기 처리 용기 내로 공급되는 마이크로파의 전파 모드는 TE 모드이다. 이 경우, TE 모드의 마이크로파는 가로 방향으로는 거의 넓어지지 않기 때문에, 상기한 극간 내에 마이크로파가 침입하는 것을 거의 확실하게 방지할 수 있다. 그 결과, 해당 극간 내에 이상 방전이 발생하는 것을 거의 확실히 저지할 수 있다. 이 경우, 예컨대, 상기 슬롯 첨부 도파관의 상기 천정판에 대한 부착면은 전계면이다.
또한, 본 발명은, 진공 흡인 가능하게 이루어진 처리 용기 내의 피처리체에 대하여, 해당 처리 용기의 천정부에 마련된 천정판으로부터 해당 처리 용기 내에 마이크로파를 도입하여 상기 피처리체에 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 천정판의 중앙부에, 어떤 전파 모드의 마이크로파를 공급하는 중앙 마이크로파 공급 공정과, 상기 천정판의 주변부에, 상기 천정판의 중앙부에 공급되는 마이크로파의 전파 모드와는 다른 전파 모드의 마이크로파를 공급하는 주변 마이크로파 공급 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이다.
이 특징에 의하면, 천정판의 중앙부에 마련된 평면 안테나 부재와 천정판의 주변부에 마련된 슬롯 첨부 도파관을 통해, 서로 다른 반송 모드에서 처리 용기 내로 마이크로파가 도입되므로, 상호 독립적인 제어 상태에서 처리 용기 내로 마이크로파가 도입될 수 있다. 또한, 상이한 반송 모드이므로, 마이크로파가 상호 간섭하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 피처리체의 위쪽 처리 공간에 균일하게 플라즈마를 분포시킬 수 있다.
또한, 처리 공간의 주변부에서의 마이크로파의 투입 전력을 특단적으로 올릴 필요가 없으므로, 천정판의 주변부와 처리 용기의 상단부 사이에 형성되는 근소한 극간에서 이상 방전이 발생하는 것도 방지할 수 있다.
바람직하게는, 상기 중앙 마이크로파 공급 공정에서는, 천정판의 중앙부에, 평면 안테나 부재를 이용하여, TM 모드의 마이크로파가 공급되게 되어 있고, 상기 주변 마이크로파 공급 공정에서는, 천정판의 주변부에, 슬롯 첨부 도파관을 이용하여, TE 모드의 마이크로파가 공급되게 되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 개략 단면도,
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치의 천정판의 하면을 나타내는 평면도,
도 3은 도 1 중 A-A선 단면도,
도 4(a)는 천정판의 중앙부와 주변부에 공급되는 마이크로파의 전력비가 1 : 2인 경우에 대한, 천정판에 있어서의 마이크로파의 전계 분포를 나타내는 사진 및 모식도,
도 4(b)는 천정판의 중앙부와 주변부에 공급되는 마이크로파의 전력비가 2:1인 경우에 대한, 천정판에 있어서의 마이크로파의 전계 분포를 나타내는 사진 및 모식도,
도 5는 플라즈마 처리 장치의 변형예 1에 있어서의 마이크로파 발생 수단을 설명하는 도면,
도 6은 플라즈마 처리 장치의 변형예 2를 나타내는 부분 개략 단면도,
도 7은 도 6의 플라즈마 처리 장치의 천정판을 나타내는 개략 평면도,
도 8은 종래의 일반적인 플라즈마 처리 장치를 나타내는 개략 단면도,
도 9는 도 8의 일부를 확대하여 나타내는 부분 확대도이다.
이하에, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법의 실시예를 첨부 도면에 근거하여 상세하게 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 개략 단면도이다. 도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치의 천정판의 하면을 나타내는 평면도이다. 도 3은 도 1 중 A-A선 단면도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 플라즈마 처리 장치(32)는 전체가 하우징 형상으로 성형된 처리 용기(34)를 갖고 있다. 처리 용기(34)의 측벽이나 바닥부는 알루미늄 등의 도체에 의해 구성되고, 접지되어 있다. 처리 용기(34)의 내부는 밀폐된, 예컨대, 원통형의 처리 공간 S로서 구성되고, 이 처리 공간 S 내에 플라즈마가 형성되게 되어 있다.
처리 용기(34) 내에는, 상면에 피처리체로서의, 예컨대, 반도체 웨이퍼 W를 탑재하는 탑재대(36)가 수용되어 있다. 탑재대(36)는, 예컨대, 알루마이트 처리된 알루미늄 등으로 이루어지는 평탄 원판 형상으로 형성되어 있다. 탑재대(36)는 처리 용기(34)의 바닥부로부터 일어나는, 예컨대, 알루미늄 등으로 이루어지는 지주(38)에 지지되어 있다.
또한, 처리 용기(34)의 측벽에는, 처리 용기(34)의 내부에 대하여 웨이퍼를 반입·반출할 때에 이용되는 피처리체 반출입용 개구부(40)가 마련된다. 해당 개구부(40)에는 게이트 밸브(42)가 마련된다.
또한, 처리 용기(34)에는 처리 용기(34)의 내부에 필요한 처리 가스를 도입 하기 위한 가스 도입 수단(44)이 마련된다. 본 실시예의 가스 도입 수단(44)은 처리 용기(34)의 측벽을 관통하여 마련된 가스 노즐(44A)을 갖고 있다. 이 가스 노즐(44A)에서, 필요에 따라, 필요한 처리 가스가 유량 제어되면서 공급될 수 있게 되어 있다. 또한, 이 가스 노즐(44A)이 복수개 마련되어, 다른 가스 종류를 도입할 수 있도록 하여도 좋다. 또는, 가스 도입 수단(44)을 샤워 헤드 형상으로 처리 용기(34)의 천정부에 마련하도록 하여도 좋다.
또한, 처리 용기(34)의 바닥부에는, 배기구(46)가 마련된다. 배기구(46)에는 압력 제어 밸브(48) 및 진공 펌프(기압 양수기)(50)가 순차 마련된 배기로(52)가 접속되어 있다. 이에 따라, 필요에 따라, 처리 용기(34) 내를 소정의 압력까지 진공 흡인할 수 있도록 되어 있다.
또한, 처리 용기(34)의 천정부는 개구하고 있다(개구부를 갖고 있음). 여기에, 마이크로파에 대해서는 투과성을 갖는 천정판(54)이 O링 등의 밀봉 부재(56)를 통해 기밀하게 마련된다. 천정판(54)은, 예컨대, 석영이나 Al2O3 등의 유전체로 이루어진다. 천정판(54)의 두께는 내압성을 고려하여, 예컨대, 20㎜ 정도로 설정된다.
또한, 탑재대(36)의 아래쪽에는, 웨이퍼 W의 반출입 시에 웨이퍼 W를 승강시키는 복수, 예컨대, 3개의 승강 핀(56)(도 1에서는 2개만 도시되어 있음)이 마련된다. 이 승강 핀(56)은 신축 가능한 벨로우즈(58)를 통해 용기 바닥부를 관통하도록 마련된 승강 로드(60)에 의해 승강된다. 또한, 탑재대(36)에는 승강 핀(56)을 삽입 관통시키기 위한 핀 삽입 구멍(62)이 형성되어 있다.
탑재대(36)의 전체는, 내열 재료, 예컨대, 알루미나 등의 세라믹으로 구성되어 있다. 이 내열 재료 중에, 가열 수단(64)이 마련된다. 본 실시예의 가열 수단(64)은 탑재대(36)의 대략 전역에 걸쳐 매립된 박판 형상의 저항 가열 히터를 갖고 있다. 이 저항 가열 히터는 지주(38) 내를 지나는 배선(66)을 통해, 히터 전원(68)에 접속되어 있다.
또한, 탑재대(36)의 상면 쪽에는, 내부에, 예컨대, 그물코 형상으로 배치된 도체선(70)을 갖는 얇은 정전척(72)이 마련된다. 정전척(72)의 도체선(70)은 정전 흡착력을 발휘하기 위해, 배선(74)을 거쳐 직류 전원(76)에 접속되어 있다. 이에 따라, 탑재대(36) 상, 자세하게는 정전척(72) 상에 탑재되는 웨이퍼 W가 정전 흡착력에 의해 흡착될 수 있게 되어 있다. 한편, 배선(74)에는, 필요시에, 예컨대, 13.56㎒의 바이어스용 고주파 전력을 정전척(72)의 도체선(70)에 인가하기 위해, 바이어스용 고주파 전원(78)도 접속되어 있다. 다만, 처리의 형태에 따라서는, 바이어스용 고주파 전원(78)은 마련되지 않는다.
천정판(54)의 상면에, 본 발명의 특징인 평면 안테나 부재(80)와 슬롯 첨부 도파관(82)이 마련된다. 이들 평면 안테나 부재(80)와 슬롯 첨부 도파관(82)에는 마이크로파를 공급하기 위한 마이크로파 공급 수단(84)이 접속되어 있다.
구체적으로는, 평면 안테나 부재(80)는 천정판(54)의 상면 전체에 걸쳐 마련되는 것이 아니라, 천정판(54)의 대략 중앙부의 상면에 원판 형상으로 마련된다. 이 평면 안테나 부재(80)의 반경 r(도 2 참조)은 이것에 전파되는 마이크로파의 파 장 λ 이상의 크기로 설정되어 있고, 마이크로파를 효율적으로 전파할 수 있게 되어 있다. 여기서, λ는 지파재(88)(상세에 대해서는 후술함) 안을 전파하는 마이크로파의 파장이다.
도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 평면 안테나 부재(80)는 지파재(88)가, 예컨대, 석영으로서 마이크로파가 2.45㎓인 경우에는, 반경 r이 60㎜ 이상, 두께가 1∼수㎜ 정도의 도전성 재료로 구성된다. 보다 구체적으로는, 예컨대, 표면이 은도금된 동판 혹은 알루미늄판으로 구성될 수 있다. 평면 안테나 부재(80)에는, 예컨대, 긴 홈 형상의 관통공으로 이루어지는 다수의 마이크로파 방사용의 슬롯(86)이 형성되어 있다.
마이크로파 방사용의 슬롯(86)의 배치 형태는 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 동심원 형상, 나선 형상, 방사상 등으로 배치될 수 있다. 또는, 평면 안테나 부재 전면에 균일하게 되도록 분포될 수 있다. 도 2에 나타내는 예에서는, 2개의 마이크로파 방사용의 슬롯(86)을 약간 이격시켜 대략 T자 형상으로 배치하여 이루어지는 조(組)가 동심원 형상으로 배치되어 있다. 이 평면 안테나 부재(80)는, 이른바 RLSA(Radial Line Slot Antenna) 방식의 안테나 구조이며, 이에 따라, 고밀도 플라즈마 및 저전자 에너지라는 특징를 얻을 수 있다. 이 평면 안테나 부재(80)로부터는, 후술하는 바와 같이, 전파 모드가 TM 모드 주체의 마이크로파가 공급된다.
평면 안테나 부재(80) 상에는, 예컨대, 질화 알루미늄 등으로 이루어지는 지파재(88)가 마련된다. 지파재(88)는 마이크로파의 파장을 단축하기 위해 고유전율 특성을 갖고 있다. 지파재(88)의 위쪽 및 벽쪽의 대략 전면은 도전성의 중공 원통형 용기로 이루어지는 도파함(90)에 의해 덮여 있다. 평면 안테나 부재(80)는 도파함(90)의 바닥판으로 구성되고, 탑재대(36)에 대향하고 있다. 도파함(90)의 상부에는 이것을 냉각하기 위한 냉매가 흐르는 냉각 자켓(92)이 마련된다.
도파함(90) 및 평면 안테나 부재(80)의 주변부는 모두 접지되어 있다. 그리고, 마이크로파 공급 수단(84)의 일부를 형성하는 동축(同軸) 도파관(94)은 평면 안테나 부재(80)에 접속되어 있다.
슬롯 첨부 도파관(82)은, 본 실시예에서는, 단면이 직사각형 형상으로 이루어진 직사각형 도파관으로 이루어지고, 평면 안테나 부재(80)의 주위를 둘러싸도록, 예컨대, 링 형상으로 형성되어 있다. 평면에서 보아, 슬롯 첨부 도파관(82)은 천정판(54)의 주변부에 동심 형상으로 배치되어 있다. 슬롯 첨부 도파관(82)의 하면, 즉 천정판(54)과 접하는 면에는, 평면 안테나 부재(80)에 마련된 슬롯(86)과 대략 마찬가지의 패턴(대략 T자 형상)의 마이크로파 방사용의 슬롯(96)(도 2 참조)이 외주 방향을 따르도록 배치되어 있다. 구체적으로는, 2개의 마이크로파 방사용의 슬롯(96)을 약간 이격시켜 대략 T자 형상으로 배치하여 이루어지는 조(組)가 외주 방향에 배치되어 있다.
이러한 슬롯 첨부 도파관(82)으로부터는, 평면 안테나 부재(80)로부터 공급되는 마이크로파와는 다른 진동 모드인, 예컨대, TE 모드의 마이크로파가 공급되게 되어 있다. 그 때문에, 슬롯 첨부 도파관(82)의 천정판(54)에 대한 부착면(하면)(82A)은, E면(전계면)으로 되도록 한다.
또한, 슬롯 첨부 도파관(82)의 1개소에, 마이크로파를 도입하기 위한 급전 포트(98)가 형성되어 있다. 이 급전 포트(98)의 외주 방향 반대쪽(180도 반대쪽)의 부착면에, 양 외주 방향으로부터 전파되어 오는 마이크로파를 흡수하기 위해 X자 형상으로 형성된 마이크로파 흡수 슬롯(100)(도 2 참조)이 마련된다.
또한, 슬롯 첨부 도파관(82) 내에도, 전파되는 마이크로파의 파장을 단축시키기 위한 유전체로 이루어지는 지파재(102)가 마련된다(도 1 참조). 이 지파재(102)로는, 평면 안테나 부재(80) 상에 마련된 지파재(88)와 같은 유전체를 이용하는 것이 바람직하다.
한편, 마이크로파 급전 수단(84)은, 본 실시예에서는 하나의 마이크로파 발생기(104)를 갖고 있다. 마이크로파 발생기(104)는, 예컨대, 2.45㎓의 마이크로파를 발생시킬 수 있게 되어 있다. 마이크로파 발생기(104)로부터는, 임피던스 정합을 도모하기 위한 매칭 회로(106)가 사이에 마련된 직사각형 도파관(108)이 연장되어 있고, TE 모드의 마이크로파를 전파하게 되어 있다.
이 직사각형 도파관(108)에는, 마이크로파를 복수(여기서는 2개)로 분기 또는 분배하기 위한 분배기(110)가 접속되어 있다. 이 분배기(110)로부터는, 2개의 직사각형 도파관(112A, 112B)이 연장되어 있다. 그리고, 이 중 한쪽의 직사각형 도파관(112A)은 슬롯 첨부 도파관(82)의 급전 포트(98)에 접속되어 있고, 해당 급전 포트(98)에 TE 모드의 마이크로파를 급전하게 되어 있다. 또한, 다른 쪽의 직사각형 도파관(112B)은 TE 모드의 마이크로파를, 예컨대, TEM 모드로 변환하는 모드 변환기(114)를 통해, 상기 동축 도파관(94)에 접속되어 있다.
동축 도파관(94)의 선단은 평면 안테나 부재(80) 쪽에 접속되어 있다. 구체적으로는, 동축 도파관(94)의 단면 원형 형상의 외측 도체(94A)가, 도파함(90) 상부의 중심에 접속되고, 동축 도파관(94) 내측의 내부 도체(94B)가, 지파재(88) 중심의 관통공을 통하여 평면 안테나 부재(80)의 중심부에 접속되어 있다. 또한, 상기 주파수는 2.45㎓에 한정되지 않고, 다른 주파수, 예컨대, 8.35㎓가 이용되어도 좋다.
그리고, 이와 같이 형성된 플라즈마 처리 장치(32)의 전체의 동작은, 예컨대, 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어지는 제어 수단(118)에 의해 제어되게 되어 있다. 이 동작을 행하는 컴퓨터의 프로그램은 가요성 디스크나 CD(Compact Disc)나 플래시 메모리 등의 기억 매체(120)에 기억되어 있다. 구체적으로는, 이 제어 수단(118)으로부터의 지령에 의해, 각 가스의 공급이나 유량 제어, 마이크로파나 고주파의 공급이나 전력 제어, 프로세스 온도나 프로세스 압력의 제어 등이 행해지게 되어 있다.
다음에, 이상과 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(32)를 이용하여 실행되는 플라즈마 처리 방법에 대하여 설명한다.
우선, 게이트 밸브(42)를 열어, 피처리체용 반출입구(40)를 통해, 반도체 웨이퍼 W가 반송 암(도시하지 않음)에 의해 처리 용기(34) 내에 수용된다. 승강 핀(56)을 상하 이동시킴으로써, 웨이퍼 W는 탑재대(36)의 상면인 탑재면에 탑재된다. 그리고, 이 웨이퍼 W는 정전척(72)에 의해 정전 흡착된다. 이 웨이퍼 W는, 필요한 경우에는, 가열 수단(64)에 의해 소정의 프로세스 온도로 유지된다. 도시 하지 않은 가스원으로부터 공급되는 소정의 가스가 유량 제어되면서, 가스 도입 수단(44)의 가스 노즐(44A)로부터 처리 용기(34) 내에 공급된다. 압력 제어 밸브(48)를 제어함으로써, 처리 용기(34) 내는 소정의 프로세스 압력으로 유지된다.
이와 동시에, 마이크로파 공급 수단(84)의 마이크로파 발생기(104)가 구동된다. 마이크로파 발생기(104)에서 발생된 마이크로파는 직사각형 도파관(108)을 전파하여 분배기(110)에서 2개로 분배된다. 분배된 한쪽의 마이크로파가, 직사각형 도파관(112B), 모드 변환기(114) 및 동축 도파관(94)을 통해, 평면 안테나 부재(80)에 공급되고, 지파재(88)에 의해 파장이 짧아져, 슬롯(86)으로부터 천정판(54)을 투과하여 처리 공간 S에 도입된다. 분배된 다른 쪽의 마이크로파는 직사각형 도파관(112A)을 통해 슬롯 첨부 도파관(82)에 공급되고, 지파재(102)에 의해 파장이 짧아져, 슬롯(96)으로부터 천정판(54)을 투과하여 처리 공간 S에 도입된다. 이와 같이 하여, 처리 공간 S에 플라즈마가 발생되어, 플라즈마를 이용한 소정 처리가 행해진다.
여기서, 마이크로파의 전파에 관하여 보다 자세히 설명한다. 마이크로파 발생기(104)에서 발생된 마이크로파는 직사각형 도파관(108) 내를, 예컨대, TE 모드로 전파하고, 분배기(110)에서 미리 정해진 소정의 분배비(전력비)에 따라 2개로 분배 내지 분기된다.
분배된 마이크로파 중 한쪽 마이크로파는 직사각형 도파관(112B)을 거쳐 모드 변환기(114)에 전파되고, 이 모드 변환기(114)에서 전파 모드가, 예컨대, TEM 모드로 변환된다. 또한 이 마이크로파는 동축 도파관(94) 내를 전파하여, 평면 안 테나 부재(80)에 도달한다.
그리고, 평면 안테나 부재(80)에 도달한 마이크로파는 원판 형상의 평면 안테나 부재(80)의 중심부로부터 그 외주 방향에 방사상으로 전파하면서, 하면에 마련된 각 슬롯(86)으로부터 아래쪽을 향해 방사된다. 이 때 방사되는 마이크로파는 TM 모드 주체의 마이크로파이다. 이 마이크로파는, 상술한 바와 같이, 천정판(54)의 중앙부를 투과하여 처리 공간 S 내의 중앙부에 도입된다. 이에 따라 플라즈마가 세워진다. 여기서, TM 모드 주체란, 방사되는 마이크로파 중 TE 모드가 10% 이하이며, TM 모드가 90% 이상인 것을 말한다. 또한, 천정판(54)의 두께를 소정의 값(컷오프 두께: 석영에서는 18㎜, 알루미나에서는 14㎜) 이하로 설정하면, TM 모드만의 마이크로파를 방사하는 것도 가능하다. 또는, 동축 도파관(94) 대신 원형도파관을 이용하여도 좋다. 이 경우에는, 도파관 내를 TM 모드만의 마이크로파가 전파되기 때문에, 평면 안테나 부재(80)로부터는 TM 모드만의 마이크로파가 방사되게 된다.
한편, 분배기(110)에서 분배된 다른 쪽의 마이크로파는 직사각형 도파관(112A) 내를 그대로 TE 모드로 전파하고, 급전 포트(98)로부터 링 형상의 슬롯 첨부 도파관(82) 내로 도입된다. 또한, 이 TE 모드의 마이크로파는 급전 포트(98)로부터 슬롯 첨부 도파관(82) 내를 그 외주 방향으로 전파하면서, 하면(E면)에 마련된 각 슬롯(96)으로부터 아래쪽을 향해서 방사된다. 이 방사된 TE 모드의 마이크로파는, 상술한 바와 같이, 천정판(54)의 주변부를 투과하여 처리 공간 S 내의 주변부로 도입된다. 이에 따라 플라즈마가 발생된다.
이상과 같이, 미리 정해진 분배비로 분배된 마이크로파가 처리 공간 S의 중앙부와 주변부 각각에 개별적으로 도입될 수 있다. 이에 따라, 처리 공간 S에서의 마이크로파의 전계 밀도를 소정의 분포 상태로 할 수 있다. 이에 따라, 예컨대, 마이크로파의 전계 밀도를 균일한 분포 상태로 하여, 플라즈마 밀도를 처리 공간 S의 대략 전역에 걸쳐 균일화할 수 있다. 따라서, 웨이퍼 W에 대한 플라즈마 처리의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에서는, 천정판(54)의 중앙부의 평면 안테나 부재(80)로부터 도입되는 마이크로파의 전파 모드와, 그 주변부의 슬롯 첨부 도파관(82)으로부터 도입되는 마이크로파의 전파 모드가 다르도록 설정되어 있다. 이 때문에, 전파 모드가 다른 양 마이크로파간의 간섭이 억제될 수 있고, 제어성이 좋은 상태로 마이크로파가 처리 공간 S 내에 도입될 수 있다. 그 결과, 처리 공간 S에서의 마이크로파의 전계 밀도 및 플라즈마 밀도의 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다.
더욱이, 천정판(54)의 중앙부에 위치하는 평면 안테나 부재(80)로부터 도입되는 TM 모드의 마이크로파는 가로 방향으로 어느 정도 넓어지는 특성을 갖고 있다. 이에 대하여, 천정판(54)의 주변부에 위치하는 슬롯 첨부 도파관(82)으로부터 도입되는 TE 모드의 마이크로파는 가로 방향으로 넓어지는 특성을 거의 갖고 있지 않다. 이 때문에, TE 모드의 마이크로파의 전계 강도가 커지도록 설정하여도, 천정판(54)의 주변부와 처리 용기(34)의 상단부의 접합부에 발생하는 근소한 극간(123)의 전계 강도는 커지지 않는다. 이 때문에, 도 9에 나타낸 종래 장치의 극간(230)에서 발생한 것과 같은 이상 방전이 해당 극간(123)에서 발생하는 것을 방 지할 수 있다.
또한, 본 실시예의 분배기(110)에서는, 마이크로파의 분배비가 일정해지도록 설정되었지만, 이것에 한정되지 않고, 분배비가 가변인 분배기(110)를 마련하여도 좋다. 예컨대, 페라이트 등의 자성체로 이루어지는 봉체(棒體)의 일단 쪽을 분배기(110) 내에 삽입하여 두고, 분배기(110)의 밖으로 돌출한 봉체의 타단 쪽에 전자 코일을 감아, 해당 전자 코일에 전류를 흘려 봉체에 공급하는 자계를 제어함으로써, 분배비는 용이하게 가변 제어할 수 있다.
<본 발명의 평가>
본 발명의 플라즈마 처리 장치에 대하여, 시뮬레이션에 의해 평가를 했다. 그 평가 결과에 대하여 설명한다. 여기서는, 천정판(54)의 중앙부의 평면 안테나 부재(80)에 공급되는 마이크로파 전력과, 그 주변부의 슬롯 첨부 도파관(82)에 공급되는 마이크로파 전력의 분배비를 변경하여, 각각의 분배비에서의 처리 공간 S의 마이크로파의 전계 분포를 평가했다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 마이크로파의 전계 분포를 나타내는 사진이지만, 사진의 이해를 용이하게 하기 위해, 각각에 모식도가 병기되어 있다. 도 4(a)는 천정판의 중앙부와 주변부에 공급되는 마이크로파의 전력비가 1:2인 경우를 나타내고 있다. 도 4(b)는 해당 전력비가 2:1의 경우를 나타내고 있다.
도 4(a) 및 도 4(b)로부터 명백한 바와 같이, 천정판(54)의 중앙부와 주변부에 공급되는 마이크로파의 전력비를 변화시킴으로써, 처리 공간에서의 마이크로파 의 전계 분포를 크게 변경할 수 있다. 따라서, 해당 분배비를 적절히 선택하면, 소망하는 마이크로파의 전계 분포를 얻을 수 있어, 전계 분포를 균일화시킬 수도 있다.
또, 상기 실시예에서는, 마이크로파 공급 수단(84)이 하나의 마이크로파 발생기(104)를 갖고, 여기서 발생된 마이크로파를 2개로 분배하여 평면 안테나 부재(80)와 슬롯 첨부 도파관(82)에 공급하게 되어 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 도 5에 나타내는 변형예 1과 같이, 마이크로파 발생 수단(84)이 2개의 마이크로파 발생기(104A, 104B)를 갖고 있고, 각 마이크로파 발생기(104A, 104B)로부터, 각각 매칭 회로(106A, 106B)가 마련된 직사각형 도파관(112A, 112B)을 거쳐, 슬롯 첨부 직사각형 도파관(82)과 평면 안테나 부재(80)에 마이크로파를 공급하게 되어 있어도 좋다.
이 경우에는, 각 마이크로파 발생기(104A, 104B)의 용량을 작게 할 수 있으므로, 저렴한 마이크로파 발생기(104A, 104B)를 이용할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는, 천정판(54)의 중앙부에 마련된 평면 안테나 부재(80)의 주변부에, 하나의 슬롯 첨부 도파관(82)이 마련된 경우를 예로 들어 설명하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 복수개의 슬롯 첨부 도파관이 동심 형상으로 마련되어도 좋다. 도 6은 이러한 플라즈마 처리 장치의 변형예 2를 나타내는 부분 개략 단면도이며, 도 7은 도 6의 변형예 2의 천정판 부분을 나타내는 개략 평면도이다.
변형예 2에서는, 도 6 및 도 7에 나타내는 바와 같이, 천정판(54)의 중앙부 의 도파함(90)의 주변부에, 이전의 슬롯 첨부 도파관(82)과 같은 구조의 2개의 슬롯 첨부 도파관(122A, 122B)이 동심 형상으로 마련된다. 물론, 3개 이상의 슬롯 첨부 도파관이 동심 형상으로 마련되어도 좋다. 변형예 2에서는, 가장 안쪽 외주에 위치하는 슬롯 첨부 도파관(122A)과 평면 안테나 부재(80)와, 동일한 마이크로파 발생기(104B)로부터 발생된 마이크로파가, 도 1을 이용하여 설명한 것과 마찬가지로, 직사각형 도파관(112A, 112B)을 거쳐 각각 공급된다. 그리고, 최외주의 슬롯 첨부 도파관(122B)에는, 다른 마이크로파 발생기(104A)에서 발생된 마이크로파가 직사각형 도파관(112C)을 거쳐 TE 모드에서 공급된다. 또한, 변형예 2의 경우에도, 하나의 마이크로파 발생기에서 발생된 마이크로파가 3개로 분배(분기)되어 공급되도록 구성되어도 좋다.
또, 본 발명은 플라즈마를 이용한 성막 처리, 플라즈마 에칭 처리, 플라즈마애싱 처리 등의 모든 플라즈마 처리에 적용할 수 있다. 또한, 플라즈마 처리의 피처리체는 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, 유리 기판, 세라믹 기판, LCD 기판 등이라도 좋다.

Claims (11)

  1. 천정부가 개구되어 내부가 진공 흡인 가능하게 이루어진 처리 용기와,
    피처리체를 탑재하기 위해 상기 처리 용기 내에 마련된 탑재대와,
    상기 천정부의 개구에 기밀하게 장착되어 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어지는 천정판과,
    상기 처리 용기 내로 필요한 가스를 도입하는 가스 도입 수단과,
    상기 천정판의 중앙부의 상면에 마련되어, 소정의 전파 모드의 마이크로파를 상기 처리 용기 내로 도입하기 위해 마이크로파 방사용의 슬롯이 형성된 평면 안테나 부재와,
    상기 천정판의 주변부의 상면에 마련되어, 상기 평면 안테나 부재에 의해 도입되는 마이크로파와는 다른 전파 모드의 마이크로파를 상기 처리 용기 내로 도입하기 위해 마이크로파 방사용의 슬롯이 형성된 슬롯 첨부 도파관과,
    마이크로파를 상기 평면 안테나 부재 및 상기 슬롯 첨부 도파관에 공급하는 마이크로파 공급 수단
    을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬롯 첨부 도파관은 복수개가 동심 형상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 슬롯 첨부 도파관은 링 형상으로 형성되어 있고, 또한 마이크로파 흡수용의 슬롯이 마련되어 있으며,
    상기 마이크로파 공급 수단의 상기 슬롯 첨부 도파관에의 급전 포트는 마이크로파 흡수용의 슬롯으로부터 먼 쪽에 위치하고 있는
    것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평면 안테나 부재의 반경 r은 이것에 전파되는 마이크로파의 파장 λ 이상의 크기로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로파 공급 수단은 적어도 하나의 마이크로파 발생기를 갖고 있고,
    상기 슬롯 첨부 도파관 내의 최내주의 슬롯 첨부 도파관과 상기 평면 안테나 부재에는, 동일한 마이크로파 발생기에서 발생된 마이크로파가 분배기에 의해 분기되어 전파되도록 구성되어 있는
    것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 분배기는 마이크로파의 분배비가 가변인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로파 공급 수단은 복수의 마이크로파 발생기를 갖고 있고,
    상기 슬롯 첨부 도파관과 상기 평면 안테나 부재에는 별개의 마이크로파 발생기에서 발생된 마이크로파가, 각각 독립적으로 전파되도록 구성되어 있는
    것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평면 안테나 부재로부터 상기 처리 용기 내로 공급되는 마이크로파의 전파 모드는 TM 모드이며,
    상기 슬롯 첨부 도파관으로부터 상기 처리 용기 내로 공급되는 마이크로파의 전파 모드는 TE 모드인
    것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 슬롯 첨부 도파관의 상기 천정판에 대한 부착면은 전계면인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  10. 진공 흡인 가능하게 이루어진 처리 용기 내의 피처리체에 대하여, 상기 처리 용기의 천정부에 마련된 천정판으로부터 상기 처리 용기 내에 마이크로파를 도입하여 상기 피처리체에 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 방법에 있어서,
    상기 천정판의 중앙부에, 임의의 전파 모드의 마이크로파를 공급하는 중앙 마이크로파 공급 공정과,
    상기 천정판의 주변부에, 상기 천정판의 중앙부에 공급되는 마이크로파의 전파 모드와는 다른 전파 모드의 마이크로파를 공급하는 주변 마이크로파 공급 공정
    을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 중앙 마이크로파 공급 공정에서는, 천정판의 중앙부에, 평면 안테나 부재를 이용하여, TM 모드의 마이크로파가 공급되게 되어 있고,
    상기 주변 마이크로파 공급 공정에서는, 천정판의 주변부에, 슬롯 첨부 도파관을 이용하여, TE 모드의 마이크로파가 공급되게 되어 있는
    것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
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