KR20090053905A - 천판 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

진공흡인 가능한 처리 용기의 천정부에 형성되어, 나란히 형성되는 평면 안테나 부재의 슬롯으로부터 방사(radiation)되는 마이크로파를 처리 용기 내로 투과 가능한 천판(top plate)으로서, 천판의 처리 용기 내를 향하는 면측에 방사상으로 형성된 복수의 돌기부를 구비하는 천판을 개시한다.
천판, 돌기부, 방사상

Description

천판 및 플라즈마 처리 장치 {TOP PLATE AND PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등에 대하여 마이크로파에 의해 생긴 플라즈마를 작용시켜 처리를 행할 때에 사용되는 플라즈마 처리 장치 및 이것에 이용하는 천판(top plate)에 관한 것이다.
최근, 반도체 제품의 고밀도화 및 고(高)미세화에 수반하여, 반도체 제품의 제조 공정에 있어서, 성막, 에칭, 애싱(ashing) 등의 처리를 위해 플라즈마 처리 장치가 사용되는 경우가 있으며, 특히, 0.1∼10Pa 정도의 비교적 압력이 낮은 고(高)진공 상태에서도 안정되게 플라즈마를 일으킬 수 있는 점에서, 마이크로파를 이용하여 고밀도 플라즈마를 발생시키는 마이크로파 플라즈마 장치가 사용되는 경향이 있다.
이러한 플라즈마 처리 장치는, 특허문헌 1∼6 등에 개시되어 있다. 여기에서, 마이크로파를 이용한 일반적인 플라즈마 처리 장치를 도1 을 참조하여 개략적으로 설명한다. 도1 은 종래의 일반적인 플라즈마 처리 장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도1 에 있어서, 이 플라즈마 처리 장치(2)는, 진공흡인 가능하게 이루어진 처리 용기(4) 내에 반도체 웨이퍼를 올려놓는 재치대(holding stage; 6)를 형성하 고 있으며, 이 재치대(6)에 대향하는 천정부에 마이크로파를 투과하는 원판 형상의 질화알루미늄이나 석영 등으로 이루어지는 천판(8)을 기밀하게 형성하고 있다.
그리고, 이 천판(8)의 상면에 두께 수㎜ 정도의 원판 형상의 평면 안테나 부재(10)와, 이 평면 안테나 부재(10)의 반경 방향에 있어서의 마이크로파의 파장을 단축하기 위한 예를 들면 유전체로 이루어지는 지파재(wavelength-shortening member; 12)를 설치하고 있다. 이 지파재(12)의 상방에는, 내부에 냉각수를 흘리는 냉각수 유로가 형성된 천정 냉각 재킷(14)이 형성되어 있어, 지파재(12) 등을 냉각하도록 되어 있다. 그리고, 평면 안테나 부재(10)에는 다수의, 예를 들면 긴 홈 형상의 관통공으로 이루어지는 슬롯(16)이 형성되어 있다. 이 슬롯(16)은 일반적으로는, 동심원 형상으로 배치되거나, 혹은 소용돌이 형상으로 배치되어 있다.
그리고, 평면 안테나 부재(10)의 중심부에 동축(coaxial) 도파관(18)의 내부 도체(20)를 접속하여, 도시하지 않은 마이크로파 발생기로부터 발생한, 예를 들면 2.45GHz의 마이크로파를 유도하도록 되어 있다. 그리고, 마이크로파를 평면 안테나 부재(10)의 반경 방향으로 방사상(raidal shape)으로 전파(propagate)시키면서 평면 안테나 부재(10)에 형성한 슬롯(16)으로부터 마이크로파를 방사(radiation)시켜 이것을 천판(8)에 투과시키고, 하방의 처리 용기(4) 내로 마이크로파를 도입하여, 이 마이크로파에 의해 처리 용기(4) 내의 처리 공간(S)에 플라즈마를 일으켜서 반도체 웨이퍼(W)에 에칭이나 성막 등의 소정의 플라즈마 처리를 행하도록 되어 있다.
[특허문헌 1] 일본공개특허공보 평3-191073호
[특허문헌 2] 일본공개특허공보 평5-343334호
[특허문헌 3] 일본공개특허공보 평9-181052호
[특허문헌 4] 일본공개특허공보 2003-59919호
[특허문헌 5] 일본공개특허공보 2004-14262호
[특허문헌 6] 일본공개특허공보 2005-100931호
(발명의 개시)
(발명이 해결하고자 하는 과제)
그런데, 상기한 바와 같은 플라즈마 처리 장치를 이용하여, 성막이나 에칭 등의 플라즈마 처리를 행하는 경우에는, 일반적으로, 플라즈마 밀도를 웨이퍼의 면내(面內) 방향으로 균일화하여 높은 면내 균일성을 유지하는 것이 요망된다. 그리고, 이 처리 용기 내의 플라즈마의 상태는, 프로세스 압력이나 가스 종(種) 등의 프로세스 조건에 크게 의존하고 있으며, 프로세스 조건이 여러 가지로 변동해도 플라즈마 밀도의 면내 균일성을 항상 높게 하는 것이 요망된다.
이 경우, 일반적으로는, 평면 안테나 부재(10)에 형성되어 있는 슬롯(16)의 분포나 형상 등을 적당히 변화시켜서, 처리 용기(4) 내에 있어서의 플라즈마 밀도를 될 수 있는 한 균일화하려고 하는 시도가 이루어지고 있다. 그러나, 처리 용기(4) 내 중의 플라즈마의 거동에 대해서는 제어가 매우 어려워, 전술한 바와 같이 프로세스 조건의 근소한 변화에 의해, 플라즈마의 거동이 크게 변화해 버리거나, 인접하는 슬롯(16)으로부터 도입되는 마이크로파끼리가 간섭하거나 하여, 이 결과, 플라즈마 처리의 면내 균일성을 충분히 유지할 수 없는 경우도 있었다.
특히, 천판(8)을 투과하여 처리 용기(4) 내로 전파한 마이크로파는, 처리 공간(S)에 형성된 플라즈마에 의해 그 침입이 저해되어, 천판(8)의 바로 아래의 평면 방향으로 표면파(22)로서 전파하게 되지만, 이 표면파(22)는 정재파(standing wave)로 되어 전파하기 때문에, 이 정재파에 기인하는 플라즈마 밀도의 치우침이 항상 발생하게 되어, 소망하는 플라즈마 밀도 분포의 실현이 상당히 곤란했다.
이 경우, 특허문헌 4∼6에 나타나는 바와 같이, 천판의 표면에 요철부를 형성하여 플라즈마 밀도를 제어하는 것도 검토되고 있으며, 특히 특허문헌 6과 같이 테이퍼(taper) 형상의 요철을 천판의 하면에 형성한 경우에는, 상당히 플라즈마 밀도의 균일성의 개선을 도모할 수 있었지만, 그래도 충분하지는 않아, 상기 마이크로파의 전파 효율은 슬롯의 형상이나 배열 패턴, 특히 천판의 표면 형상에 강하게 의존하기 때문에 최적화하는 것이 곤란했다.
특히 웨이퍼 사이즈가 8인치에서 12인치로 대(大)구경화함과 아울러, 더한층 미세화 및 박막화가 추진되고 있는 오늘날에 있어서, 상기한 문제점의 해결이 강하게 요망되고 있다.
본 발명은, 이상과 같은 문제점에 주목하여, 이것을 유효하게 해결하고자 창안된 것이다. 본 발명의 목적은, 처리 공간의 수평면 방향에 있어서의 플라즈마 밀도를 균일화시키는 것이 가능한 플라즈마 처리 장치 및 이것에 이용하는 천판을 제공하는 것에 있다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명의 제1 형태에 의하면, 진공흡인 가능한 처리 용기의 천정부에 형성되어, 나란히 형성되는 평면 안테나 부재의 슬롯으로부터 방사되는 마이크로파를 처리 용기 내로 투과 가능한 천판으로서, 천판의 처리 용기 내를 향하는 면측에 방사상으로 형성된 복수의 돌기부를 구비하는 천판이 제공된다.
본 발명의 제2 형태에 의하면, 제1 형태의 천판으로서, 천판의 돌기부가 형성된 부분을 전파하는 마이크로파와, 천판의 돌기부가 형성되어 있지 않은 부분을 전파하는 마이크로파에서는, 전파하는 마이크로파의 전파 모드의 종류의 수가 다르도록, 천판의 돌기부가 형성된 부분의 두께와 천판의 돌기부가 형성되어 있지 않은 부분의 두께가 각각 설정되어 있는 천판이 제공된다.
본 발명의 제3 형태에 의하면, 제1 또는 제2 형태의 천판으로서, 돌기부의 폭은, 천판 중을 전파하는 마이크로파의 파장의 1/10∼1/2의 범위 내인 천판이 제공된다.
본 발명의 제4 형태에 의하면, 제1 내지 제3 중 어느 하나의 형태의 천판으로서, 3개 이상의 돌기부가, 천판의 중심부를 중심으로 하여 둘레 방향으로 등(等)각도로 방사상으로 형성되는 천판이 제공된다.
본 발명의 제5 형태에 의하면, 제1 내지 제4 중 어느 하나의 형태의 천판으로서, 천판의 처리 용기 내를 향하는 면측에, 1 또는 복수의 링 형상 돌기부가 형성되어 있는 천판이 제공된다.
본 발명의 제6 형태에 의하면, 천정부가 개구한 진공흡인 가능한 처리 용기와, 플라즈마 발생용의 마이크로파를 발생하는 마이크로파 발생부와, 천정부의 개구에 형성되어 처리 용기 내로 마이크로파 발생부로부터의 마이크로파를 도입하는 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나 부재와, 천정부의 개구에 기밀하게 형성되어 평면 안테나 부재의 슬롯으로부터 방사되는 마이크로파를 처리 용기 내로 투과시켜 도입하는 천판을 구비하고, 천판의 처리 용기 내를 향하는 면측에 복수의 돌기부가 방사상으로 형성되는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 제7 형태에 의하면, 제6 형태의 플라즈마 처리 장치로서, 천판의 돌기부가 형성된 부분을 전파하는 마이크로파와, 천판의 돌기부가 형성되어 있지 않은 부분을 전파하는 마이크로파에서는, 전파하는 마이크로파의 전파 모드의 종류의 수가 다르도록, 천판의 돌기부가 형성된 부분의 두께와 천판의 돌기부가 형성되어 있지 않은 부분의 두께가 각각 설정되어 있는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 제8 형태에 의하면, 제6 또는 제7 형태의 플라즈마 처리 장치로서, 돌기부의 폭이, 천판 중을 전파하는 마이크로파의 파장의 1/10∼1/2의 범위 내인 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 제9 형태에 의하면, 제6 내지 제8 중 어느 하나의 형태의 플라즈마 처리 장치로서, 3개 이상의 돌기부가, 천판의 중심부를 중심으로 하여 둘레 방향으로 등각도로 방사상으로 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 제10 형태에 의하면, 제6 내지 제9 중 어느 하나의 형태의 플라즈마 처리 장치로서, 천판의 처리 용기 내를 향하는 면측에는, 천판의 중심부를 중심으로 한 1 또는 복수의 링 형상의 돌기부가 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 제11 형태에 의하면, 제6 내지 제10 중 어느 하나의 형태의 플라즈마 처리 장치로서, 천판의 돌기부는, 평면 안테나 부재의 슬롯의 위치에 대응시켜 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 제12 형태에 의하면, 진공흡인 가능한 처리 용기의 천정부에 형성되어, 나란히 형성되는 평면 안테나 부재의 슬롯으로부터 방사되는 마이크로파를 처리 용기 내로 투과 가능한 천판으로서, 천판의 처리 용기 내를 향하는 면측에 형성된 복수의 오목부를 구비하는 천판이 제공된다.
본 발명의 제13 형태에 의하면, 제12 형태의 천판으로서, 천판의 오목부가 형성된 부분을 전파하는 마이크로파와, 천판의 오목부가 형성되어 있지 않은 부분을 전파하는 마이크로파에서는, 전파하는 마이크로파의 전파 모드의 종류의 수가 다르도록, 천판의 오목부가 형성된 부분의 두께와 천판의 오목부가 형성되어 있지 않은 부분의 두께가 각각 설정되어 있는 천판이 제공된다.
본 발명의 제14 형태에 의하면, 제12 또는 제13 형태의 천판으로서, 오목부의 평면 형상이 원형인 천판이 제공된다.
본 발명의 제15 형태에 의하면, 제12 내지 제14 중 어느 하나의 형태의 천판으로서, 오목부 내의 적어도 최내주(innermost circumference)의 오목부는, 천판의 중심부를 중심으로 한 동일한 원둘레 상에 형성되어 있는 천판이 제공된다.
본 발명의 제16 형태에 의하면, 천정부가 개구한 진공흡인 가능한 처리 용기와, 플라즈마 발생용의 마이크로파를 발생하는 마이크로파 발생부와, 천정부의 개구에 형성되어 처리 용기 내로 마이크로파 발생부로부터의 마이크로파를 도입하는 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나 부재와, 천정부의 개구에 기밀하게 형성되어 평면 안테나 부재의 슬롯으로부터 방사되는 마이크로파를 처리 용기 내로 투과시켜 도입하는 천판을 구비하고, 천판의 처리 용기 내를 향하는 면측에 복수의 오목부가 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 제17 형태에 의하면, 제16 형태의 플라즈마 처리 장치로서, 천판의 오목부가 형성된 부분을 전파하는 마이크로파와, 천판의 오목부가 형성되어 있지 않은 부분을 전파하는 마이크로파에서는, 전파하는 마이크로파의 전파 모드의 종류의 수가 다르도록, 천판의 오목부가 형성된 부분의 두께와 천판의 오목부가 형성되어 있지 않은 부분의 두께가 각각 설정되어 있는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 제18 형태에 의하면, 제16 또는 제17 형태의 플라즈마 처리 장치로서, 오목부의 평면 형상이 원형인 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 제19 형태에 의하면, 제16 에서 제18 중 어느 하나의 형태의 플라즈마 처리 장치로서, 오목부 내의 적어도 최내주의 오목부는, 천판의 중심부를 중심으로 한 동일한 원둘레 상에 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 제20 형태에 의하면, 제16 에서 제19 중 어느 하나의 형태의 플라즈마 처리 장치로서, 최내주의 오목부는, 평면 안테나 부재의 슬롯으로부터 벗어난 위치에 대응시켜 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
(발명의 효과)
본 발명의 실시 형태에 의하면, 처리 공간의 수평면 방향에 있어서의 플라즈마 밀도를 균일화시키는 것이 가능한 플라즈마 처리 장치 및 이것에 이용하는 천판이 제공된다.
도1 은 종래의 일반적인 플라즈마 처리 장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도2 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 구성도이다.
도3 은 도2 에 나타내는 플라즈마 처리 장치의 평면 안테나 부재를 나타내는 평면도이다.
도4 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 천판의 제1 실시예를 나타내는 사시도이다.
도5 는 도4 의 천판을 나타내는 평면도이다.
도6A 는 도5 중의 A-A선을 따른 단면도이다.
도6B 는 도5 중의 B-B선을 따른 단면도이다.
도7 은 천판과 평면 안테나 부재의 슬롯과의 위치 관계를 설명하는 도면이다.
도8 은 천판과 평면 안테나 부재의 슬롯과의 다른 위치 관계를 설명하는 도면이다.
도9 는 마이크로파의 전파 형태를 시뮬레이션할 때의 천판의 모델을 나타내는 도면이다.
도10 은 천판의 두께와 마이크로파의 전파 상수(propagation constant)가 마 이크로파의 전파 모드에 주는 영향을 나타내는 그래프이다.
도11A 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 천판에 의한 전계 분포의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도11B 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 천판에 의한 전계 분포의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도12 는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 천판을 나타내는 단면도이다.
도13 은 도12 의 천판을 나타내는 평면도이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
32 : 플라즈마 처리 장치
34 : 처리 용기
36 : 재치대
40 : 가스 공급부
56 : 천판
60 : 마이크로파 전파 제어 돌기부
62 : 원 형상 돌기부
64 : 평면 안테나 부재
78 : 마이크로파 발생기(마이크로파 발생부)
92 : 마이크로파 전파 제어 오목부
W : 반도체 웨이퍼(피(被)처리체)
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
이하에, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치 및 이것에 이용하는 천판의 매우 적합한 일 실시 형태를 첨부 도면에 기초하여 상술한다.
도2 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 구성도, 도3 은 도2 에 나타내는 플라즈마 처리 장치의 평면 안테나 부재를 나타내는 평면도, 도4 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 천판을 나타내는 사시도, 도5 는 도4 의 천판을 나타내는 평면도, 도6A 는 도5 중의 A-A선을 따른 단면도, 도6B 는 도5 중의 B-B선을 따른 단면도, 도7 은 천판과 평면 안테나 부재의 슬롯과의 위치 관계를 설명하는 설명도이다.
도시하는 바와 같이 이 플라즈마 처리 장치(32)는, 예를 들면 측벽이나 저부(bottom)가 알루미늄 합금 등의 도체에 의해 구성되어, 전체가 통체(cylindrical body) 형상, 예를 들면 원통체 형상으로 성형된 처리 용기(34)를 갖고 있으며, 내부는 밀폐된 처리 공간(S)으로서 구성되어, 이 처리 공간(S)에 플라즈마가 형성된다. 이 처리 용기(34) 자체는 접지되어 있다.
이 처리 용기(34) 내에는, 상면에 피(被)처리체로서의 예를 들면 반도체 웨이퍼(W)를 올려놓는 재치대(36)가 수용된다. 이 재치대(36)는, 예를 들면 알루마이트(alumite) 처리한 알루미늄 합금이나 세라믹재 등에 의해 평탄하게 이루어진 대략 원판 형상으로 형성되어 있다. 또한, 재치대(36)는, 용기 저부로부터 기립한 지주(support; 38)에 지지되어 있으며, 지주(38)는 예를 들면 절연성 재료로 이루어진다.
재치대(36)의 상면에는, 여기에 웨이퍼를 지지하기 위한 정전 척(chuck) 혹은 클램프(clamp) 구조(도시하지 않음)가 형성된다. 또한, 이 재치대(36)를 예를 들면 13.56MHz의 바이어스용 고주파 전원에 접속하는 경우도 있다. 또한 필요에 따라 이 재치대(36) 중에 가열용 히터를 형성해도 좋다.
처리 용기(34)의 측벽에는, 가스 공급부(40)로서, 이 처리 용기(34) 내에 플라즈마용 가스, 예를 들면 아르곤 가스를 공급하는 석영 파이프제의 플라즈마 가스 공급 노즐(42)과, 처리 가스, 예를 들면 데포지션 가스(deposition gas)를 도입하기 위한, 예를 들면 석영 파이프제의 처리 가스 공급 노즐(44)이 형성되어 있다. 이들 노즐(42, 44)을 통하여, 각 가스를 유량을 제어하면서 처리 공간(S) 내에 공급할 수 있다. 또한, 가스 공급부(40)로서 예를 들면 석영제의 샤워헤드 등을 재치대(36)의 상방에 형성하도록 해도 좋다.
또한, 용기 측벽에는 넓은 폭의 개구(opening; 46)가 형성되고, 이 개구(46)에 대하여, 처리 공간(S) 내에 웨이퍼를 반입·반출할 때에 개폐하는 게이트 밸브(48)가 부착되어 있다. 또한, 용기 저부에는 배기구(50)가 형성되고, 이 배기구(50)에는 도시하지 않는 진공 펌프나 압력 조정 밸브가 개재하여 접속된 배기계(exhasut system; 52)가 접속되어 있다. 이 구성에 의해, 필요에 따라 처리 용기(34) 내를 소정의 압력까지 배기할 수 있도록 되어 있다.
그리고, 처리 용기(34)는 상부에 개구를 갖고, 이 개구에 천판(56)이 형성된다. 이 천판(56)은, 마이크로파에 대하여 투과성을 갖는 예를 들면 석영이나 세라믹재 등으로 구성되고, O링 등의 시일(seal) 부재(58)를 통하여, 처리 용기(34)의 상부의 개구에 기밀하게 형성된다. 이 천판(56)의 두께는 내압성을 고려하여 예를 들면 20㎜ 정도로 설정된다. 그리고, 이 천판(56)의 하면으로서 처리 용기(34) 내를 향하는 면에는, 마이크로파의 전파(propagation)를 제어하는 방사상의 마이크로파 전파 제어 돌기부(60) 및 원 형상 돌기부(62)가 형성되어 있다. 또한, 이 천판(56)에 대해서는 후술한다.
그리고, 이 천판(56)의 위에 원판 형상의 평면 안테나 부재(64)가 형성되고, 평면 안테나 부재(64)에, 고(高)유전율 특성을 갖는 지파재(66)가 형성된다. 구체적으로, 이 평면 안테나 부재(64)는, 지파재(66)의 상방 전면(全面)을 덮는 도전성의 중공(hollow) 원통 형상 용기로 이루어지는 도파 상자(68)의 저판(bottom plate)으로서 구성되고, 천판(56)을 통하여 처리 용기(34) 내의 재치대(36)에 대향하고 있다.
이 도파 상자(68) 및 평면 안테나 부재(64)는 모두 주변부에 있어서 접지된다. 또한, 도파 상자(68)의 상부의 중심에는, 동축(coaxial) 도파관(70)의 외관(outer pipe; 70A)이 접속되고, 내측의 내부 도체(70B)는, 지파재(66)의 중심의 관통공을 지나 평면 안테나 부재(64)의 중심부에 접속된다. 그리고, 이 동축 도파관(70)은, 모드 변환기(72)와, 매칭(matching; 74)을 도중에 개재하여 형성한 직사각형 도파관(76)을 순차로 개재하여, 예를 들면 2.45GHz의 마이크로파 발생기(마이크로파 발생부)(78)에 접속되어 있다. 이 구성에 의해, 마이크로파 발생기(78)로부터 평면 안테나 부재(64)로 마이크로파가 전파된다. 모드 변환기(72)는, 직사각형 도파관(76)과 동축 도파관(70)으로 이루어지는 도파관의 도중에 개재하여 형성 된다.
여기에서 마이크로파 발생기(78)로부터는 예를 들면 TE 모드의 마이크로파가 방출되고, 이것이 모드 변환기(72)에서 예를 들면 TEM 모드로 변환되어 동축 도파관(70) 내를 전파되어 간다. 이 주파수는 2.45GHz에 한정되지 않고, 다른 주파수, 예를 들면 8.35GHz를 이용해도 좋다. 또한, 도파 상자(68)의 상부에, 도시하지 않은 천정 냉각 재킷을 형성하도록 해도 좋다.
평면 안테나 부재(64)는, 처리 용기(34) 내에서 8인치 사이즈의 웨이퍼가 처리되는 경우에는, 예를 들면 직경이 300∼400㎜, 두께가 1∼수㎜의 도전성 재료로 이루어지는, 예를 들면 표면이 은 도금된 구리판 혹은 알루미늄판으로 이루어진다. 평면 안테나 부재(64)에는, 도3 에도 나타내는 바와 같이 예를 들면 긴 홈 형상의 관통공으로 이루어지는 다수의 슬롯(80)이 형성되어 있다. 이 슬롯(80)의 배치 형태는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 동심원 형상, 소용돌이 형상, 혹은 방사상으로 배치시켜도 좋고, 안테나 부재 전면(全面)에 균일해지도록 분포시켜도 좋다. 여기에서는, 예를 들면, 도3 에 나타내는 바와 같이, 2개의 슬롯(80)이 서로 근소하게 떨어져, 거의 L자 형상으로 배치되어 한 쌍의 슬롯(80)을 형성하고 있다. 또한, 안테나 부재(64)의 내측부에 있어서 6쌍의 슬롯(80)이 내원(inner circle)(도시하지 않음)을 따라 배치되고, 안테나 부재(64)의 외측부에 있어서 24쌍의 슬롯(80)이, 상기의 내원과 동심원 형상의 외원(outer circle)(도시하지 않음)을 따라 배치되어 있다. 또한, 1쌍의 슬롯(80)은 T자 형상을 나타내고 있어도 좋다.
여기에서 평면 안테나 부재(64)의 아래에 형성되는 천판(56)에 대하여 상세 하게 설명한다. 전술한 바와 같이, 이 천판(56)의 처리 용기(34) 내를 향하는 면측, 즉 하면측에는 마이크로파의 전파를 제어하는 방사상의 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)와 원 형상 돌기부(62)가 아래 방향으로 돌기하여 형성되어 있다. 원 형상 돌기부(62)는, 주로 천판(56)의 반경 방향으로 방사상으로 전파하는 마이크로파를 제어할 수 있다. 또한, 방사상의 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)는, 천판(56)의 둘레 방향(반경 방향과 직교하는 방향)으로 전파하는 마이크로파를 제어할 수 있다. 이들 돌기부(62, 60)의 상승(相乘) 작용에 의해, 플라즈마 밀도의 면내 균일성의 대폭적인 개선을 기대할 수 있다.
도4 내지 도6 에도 나타내는 바와 같이, 원 형상 돌기부(62)로서, 천판(56)의 중앙부에 위치하는 원형의 원뿔대 형상의 원 형상 돌기부(62A)와, 천판(56)의 중주부(middle circumferential part)에 위치하는 단면이 사다리꼴 형상으로 이루어진 링 형상의 원 형상 돌기부(62B)와, 천판(56)의 주변부에 위치하는 링 형상의 원 형상 돌기부(62C)가 형성되어 있다. 원 형상 돌기부(62A∼62C)는 각각 필요에 따라 형성하면 좋고, 플라즈마 밀도가 희박해지는 부분에 있어서 플라즈마 밀도를 높일 필요가 있을 때에 형성하도록 하면 좋다. 또한, 상기 링 형상의 원 형상 돌기부는 1개라도 좋고, 추가로 필요에 따라 2 이상 형성해도 좋다.
이 경우, 도5 의 A-A선을 따른 단면도인 도6A 에 있어서, 원 형상 돌기부(62B)를 형성한 부분을 전파하는 마이크로파와, 이것을 형성하고 있지 않은 부분을 전파하는 마이크로파에서는, 전파하는 마이크로파의 전자계(electromagnetic field)의 분포의 모양인 전파 모드의 종류의 수가 다르도록, 원 형상 돌기부(62B) 를 형성한 부분의 두께(H1)와, 이것을 형성하고 있지 않은 부분의 두께, 즉 천판(56) 자체의 두께(H2)가 각각 설정되어 있다. 평면 안테나 부재(64)의 각 슬롯(80)(도3)으로부터 방사된 마이크로파가 천판(56)의 반경 방향으로 전파할 때에는, 천판(56) 내에서 반사를 반복하여 정재파가 된다. 또한, 외주(outer circumference)의 원 형상 돌기부(62C)의 두께는, 외주부(outer circumferential part)의 마이크로파를 강화하기 위해, 중주부의 원 형상 돌기부(62B)의 두께보다도 조금 두껍게 이루어져 있다.
이때, 예를 들면 두께(H1)의 부분에 있어서는 TM0 모드와 TE1 모드의 2종류의 모드의 마이크로파가 전파하고, 두께(H2)의 부분에 있어서는 TM0 모드의 1종류의 모드의 마이크로파만이 전파될 수 있다. 따라서, TM0 모드의 마이크로파만이 전파되는 두께(H2)의 부분보다도, TM0 모드 및 TE1 모드의 마이크로파가 전파되는 두께(H1)의 부분에 있어서 마이크로파 강도가 커져, 이 부분의 플라즈마 밀도를 증대시킬 수 있다.
이 경우, 원 형상 돌기부(62B)의 폭(M1)(사다리꼴의 윗바닥의 길이와 아래바닥의 길이의 평균치)은 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 천판(56) 중을 전파하는 마이크로파의 파장을 λ라고 하면, λ/10∼λ/2의 범위 내가 좋다. 여기에서 각 슬롯(80)으로부터 방사된 마이크로파는, 반경 방향으로도 둘레 방향으로도 전파하지만, 반경 방향으로의 전파가 지배적으로 되어 있다. 바꿔 말하면, 마이크로파의 둘레 방향으로의 전파 강도보다도 반경 방향으로의 전파 강도 쪽이 크다. 이 때문에 주로 반경 방향으로 전파하는 마이크로파를 제어하는 원 형상 돌기부(62) 는, 테이퍼 형상(사다리꼴)을 하고 있는 편이 전계 분포의 급격한 변화가 방지되어, 플라즈마 밀도의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다. 상기한 원 형상 돌기부(62B)에 있어서의 마이크로파의 전파의 형태(모드)는, 다른 원 형상 돌기부(62A, 62C)에 있어서도 동일하다.
또한, 도5 에도 나타내는 바와 같이, 천판(56)의 중심부를 중심으로 하여 방사상으로 복수개의 마이크로파 전파 제어 돌기부(60), 도시의 예에서는, 6개의 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)가 등각도 간격으로 형성되어 있다. 이 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)의 수는, 2개로는 효과가 적지만, 3개 이상이면 몇 개라도 좋고, 바람직하게는 4개 이상 등각도로 형성하는 것이 좋다. 각 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)는, 도5 중의 B-B선을 따른 단면도인 도6B 에 나타내는 바와 같이, 직사각 형상의 단면을 갖고 있다. 또한, 이 단면 형상을 도6A 에 나타내는 바와 같은 사다리꼴 형상으로 해도 좋다.
이 경우, 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성한 부분의 천판(56)의 두께는, 도6A 에 나타내는 원 형상 돌기부(62B)를 형성한 부분의 천판(56)의 두께와 동일한 생각에 기초하여 설정되어 있다.
이 경우, 도6B 에 나타내는 바와 같이, 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성한 부분을 전파하는 마이크로파와, 이것을 형성하고 있지 않은 부분을 전파하는 마이크로파에서는, 전파하는 마이크로파의 전자계의 분포의 모양인 전파 모드의 종류의 수가 다르도록, 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성한 부분의 두께(H3)와, 이것을 형성하고 있지 않은 부분의 두께, 즉 천판(56) 자체의 두께(H2) 가 각각 설정되어 있다. 평면 안테나 부재(64)의 각 슬롯(80)으로부터 방사된 마이크로파가 천판(56)의 둘레 방향(반경 방향과 직교하는 방향)으로 전파할 때에는, 천판(56) 내에서 반사를 반복하여 정재파가 된다.
이때, 예를 들면 두께(H3)의 부분에 있어서는 TM0 모드와 TE1 모드의 2종류의 모드의 마이크로파가 전파되고, 두께(H2)의 부분에 있어서는 TM0 모드의 1종류의 모드의 마이크로파만이 전파될 수 있다. 따라서, TM0 모드의 마이크로파만이 전파되는 두께(H2)의 부분보다도, TM0 모드와 TE1 모드의 마이크로파가 전파되는 두께(H3)의 부분에 있어서 마이크로파 강도를 크게 할 수 있어, 이 부분의 플라즈마 밀도를 향상시킬 수 있게 되어 있다. 이 경우, 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)의 폭(M2)(사다리꼴의 경우는 윗바닥의 길이와 아래바닥의 길이의 평균치)은 천판(56) 중을 전파하는 마이크로파의 파장을 λ라고 하면, λ·1/10∼λ·1/2의 범위 내가 좋다. 폭(M2)이 λ·1/10보다도 좁은 경우에는, 이 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성한 작용 효과를 충분히 발휘할 수 없고, 또한 λ·1/2보다도 넓은 경우에도, 마찬가지로 이 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성한 작용 효과를 충분히 발휘할 수 없다.
여기에서 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성한 부분과, 이것을 형성하고 있지 않은 부분과의 전파 모드 수의 차이는 1 또는 2가 되도록 설정하는 것이 좋고, 이 모드 수가 3 이상이 되면, 전계 분포를 조정하는 작용이 작아져, 이 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성한 작용 효과가 급격히 저감되어 버린다. 또한, 본 실시예의 경우에는 두께(H1)와 두께(H3)는 동일한 값으로 설정되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 예를 들면 두께(H3)는 25㎜ 정도로 설정되고, 두께(H2)는 17㎜ 정도로 설정되어 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 6개의 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)는, 도7 에 나타내는 바와 같이, 이 천판(56) 상에 설치되는 평면 안테나 부재(64)의 슬롯(80)의 위치에 대응시켜 형성되어 있다. 구체적으로는, 전술한 바와 같이 평면 안테나 부재(64)에는 근소하게 떨어져 서로 L자 형상으로 배치된 복수의 1쌍인 2개의 슬롯(80)이 동심원 형상으로 배열되어 있으며, 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)는, 내측의 동일 원 상에 배열된 슬롯(80)의 쌍(80A)의 위치에 대응하고 있다. 이 이유는, 천판(56)을 둘레 방향으로 전파하는 마이크로파의 전계 강도는 이 천판(56)의 외주측보다도 내주측 쪽이 크기 때문에, 내주측의 슬롯(80)의 쌍(80A)으로부터 방사되는 마이크로파를 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)에 의해 효율적으로 제어하기 때문이다.
단, 다른 실시 형태에 있어서는, 도8 에 나타내는 바와 같이, 6개의 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)가 슬롯(80)의 쌍(80A)의 사이에 위치해도 좋다. 구체적으로, 도8 에 나타내는 구성은, 도7 에 나타내는 구성에 있어서의 6개의 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 약 30° 둘레 방향으로 회전함으로써 얻어진다. 이러한 경우라도, 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)는, 천판(56)의 둘레 방향으로 전파하는 마이크로파를 제어하는 효과를 발휘할 수 있다.
다음으로, 이상과 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(32)를 이용하여 행해지는 처리 방법에 대하여 설명한다.
우선, 게이트 밸브(48)를 통하여 반도체 웨이퍼를 반송 아암(도시하지 않음)에 의해 처리 용기(34) 내에 수용하고, 리프터 핀(lifter pin)(도시하지 않음)을 상하 이동시킴으로써 웨이퍼를 재치대(36)의 상면의 재치면에 올려놓는다.
그리고, 처리 용기(34) 내를 소정의 프로세스 압력, 예를 들면 0.01∼10Pa 정도의 범위 내로 유지하여, 플라즈마 가스 공급 노즐(42)로부터 예를 들면 아르곤 가스를 유량 제어하면서 공급함과 아울러, 처리 가스 공급 노즐(44)로부터 처리에 따라, 예를 들면 성막 처리라면 성막용 가스를, 에칭 처리라면 에칭 가스를 유량 제어하면서 공급한다.
동시에 마이크로파 발생기(78)에서 발생한 마이크로파를, 직사각형 도파관(76) 및 동축 도파관(70)을 통하여 평면 안테나 부재(64)에 공급하고, 지파재(66)에 의해 파장이 짧아진 마이크로파를 처리 공간(S)에 도입하고, 이에 따라 아르곤을 해리(dissociation)하여 처리 공간(S)에 플라즈마를 발생시켜 소정의 플라즈마 처리를 행한다.
여기에서, 마이크로파 발생기(78)에서 발생한 예를 들면 2.45GHz의 TE 모드의 마이크로파는 직사각형 도파관(76)을 전파한 후에, 모드 변환기(72)에서 TEM 모드로 변환되고, 이 TEM 모드의 마이크로파는 상기한 바와 같이 동축 도파관(70) 내를 전파하여 도파 상자(68) 내의 평면 안테나 부재(64)에 도달한다. 이어서, 이 마이크로파는, 내부 도체(70B)가 접속된 원판 형상의 평면 안테나 부재(64)의 중심부로부터 방사상으로 주변부로 전파됨과 아울러, 이 평면 안테나 부재(64)에 다수 형성된 슬롯(80)으로부터 천판(56)측으로 전파한다. 그 후, 이 마이크로파는, 천 판(56) 내를 반경 방향으로 방사상으로 전파함과 아울러, 둘레 방향(반경 방향과 직교하는 방향)으로도 전파하고, 이 전파 도중에서 천판(56)을 투과하여 하방의 처리 공간(S)으로 도입된다. 이 마이크로파에 의해 여기(excitation)된 아르곤 가스가 플라즈마화하고, 이 하방으로 확산해 여기에서 처리 가스를 활성화하여 활성종을 만들고, 이 활성종의 작용으로 웨이퍼(W)의 표면에 소정의 플라즈마 처리가 행해지게 된다.
여기에서 종래 장치와 같이 천판(8)(도1 참조)의 표면 형상이 완전히 평탄한 경우에는, 천판(8)의 평면 방향에 있어서 전파하는 마이크로파에 정재파가 발생하고 있었다. 이 때문에 플라즈마 밀도에 치우침이 생기고, 또한 마이크로파끼리가 서로 간섭하여 처리 용기(4)(도1 참조) 내의 프로세스 조건의 근소한 변동 등에 의해 처리 용기(4) 내의 플라즈마 밀도의 면내 균일성이 상당히 변동하고, 이 결과, 플라즈마 처리의 면내 균일성에 악영향을 미치고 있었다.
이에 대하여, 천판(56) 내를 중심부로부터 방사상으로 전파하는 마이크로파에 관해서는, 본 실시 형태에 있어서는, 원 형상 돌기부(62)를 형성한 부분을 전파하는 마이크로파와, 원 형상 돌기부(62)를 형성하고 있지 않은 부분을 전파하는 마이크로파에서, 전파하는 마이크로파의 전자계의 분포의 모양, 즉 전파 모드의 종류의 수가 다르도록, 천판(56)의 원 형상 돌기부(62)를 형성한 부분의 두께(H1)와, 천판(56)의 원 형상 돌기부(62)를 형성하고 있지 않은 부분의 두께(H2)가 각각 설정되어 있다(도6A 참조).
바꿔 말하면, 원 형상 돌기부(62)를 형성한 두께(H1)의 천판(56)의 부분을 전파하는 마이크로파와, 원 형상 돌기부(62)를 형성하고 있지 않은 두께(H2)의 천판(56)의 부분을 전파하는 마이크로파에서는, 그 전파 모드의 종류의 수가 다르도록 각 두께(H1, H2)가 각각 설정되어 있다. 예를 들면 두께(H1)의 부분에서는, 2종류의 모드의 마이크로파(TM0 모드의 마이크로파(TM0)와 TE1 모드의 마이크로파(TE1))가 전파하고, 두께(H2)의 부분에서는, 1종류의 모드의 마이크로파(TM0 모드의 마이크로파(TM0))만이 전파할 수 있다. 따라서, TM0 모드의 마이크로파만 전파되는 두께(H2)의 부분보다도, TM0 모드 및 TE1 모드의 마이크로파가 전파되는 두께(H1)의 부분에 있어서 마이크로파 강도를 크게 할 수 있어, 이 부분의 플라즈마 밀도를 향상시킬 수 있다.
도1 에 나타내는 바와 같은 일반적인 평탄한 천판(8)에서는, 천판(8)의 중주부나 주변부의 플라즈마 밀도가 낮아지는 경향이 있지만, 웨이퍼 면내 방향에 있어서의 플라즈마 밀도의 균일성을 목적으로 하여, 본 실시 형태와 같이 천판(56)의 중주부나 주변부에 원 형상 돌기부(62)를 형성함으로써, 이 부분의 마이크로파의 강도를 올려 플라즈마 밀도를 선택적으로 향상시킬 수 있다. 따라서, 웨이퍼 면내 방향(처리 공간(S)의 수평면 방향)에 있어서의 플라즈마 밀도의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 천판(56) 내의 둘레 방향(반경 방향과 직교하는 방향)으로 전파하는 마이크로파에 관해서는, 방사상으로 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성한 부분을 전파하는 마이크로파와, 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성하고 있지 않은 부분을 전파하는 마이크로파에서는, 전파하는 마이크로파의 전자계의 분포의 모양, 즉 전파 모드의 종류의 수가 다르도록 천판(56)의 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성한 부분의 두께(H3) 및, 천판(56)의 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성하고 있지 않은 부분의 두께(H2)가 각각 설정되어 있다(도6B 참조).
바꿔 말하면, 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성한 두께(H3)의 천판(56)의 부분을 전파하는 마이크로파와, 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성하고 있지 않은 두께(H2)의 천판(56)의 부분을 전파하는 마이크로파에서는, 그 전파 모드의 종류의 수가 다르도록 두께(H3, H2)가 각각 설정되어 있다.
예를 들면 두께(H3)의 부분에서는, 2종류의 모드의 마이크로파(TM0 모드의 마이크로파(TM0)와 TE1 모드의 마이크로파(TE1))가 전파하고, 두께(H2)의 부분에서는, 1종류의 모드의 마이크로파(TM0 모드의 마이크로파(TM0))만이 전파할 수 있다. 따라서, TM0 모드의 마이크로파만이 전파되는 두께(H2)의 부분보다도, TM0 모드 및 TE1 모드의 마이크로파가 전파되는 두께(H3)의 부분에 있어서 마이크로파 강도를 크게 할 수 있어, 이 부분의 플라즈마 밀도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 천판(56)의 둘레 방향으로 전파하는 마이크로파의 강도를 제어할 수 있어, 프로세스 압력이나 가스 종류 등의 프로세스 조건에 의존하는 일 없이 플라즈마 밀도의 면내 균일성을 높일 수 있다. 특히, 마이크로파 파워가 낮은 경우에 플라즈마 밀도의 치우침을 개선할 수 있다.
이와 같이, 천판(56)의 처리 용기(34) 내를 향하는 면측에, 마이크로파의 전파를 제어하기 위해 방사상으로 복수개의 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성하도록 구성함으로써, 천판(56)의 둘레 방향으로 전파하는 마이크로파를 제어할 수 있어, 처리 공간(S)의 수평면 방향에 있어서의 플라즈마 밀도를 균일화시킬 수 있다.
또한, 원 형상 돌기부(62)와 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)의 쌍방을 형성함으로써, 천판(56)의 둘레 방향으로 전파하는 마이크로파뿐만이 아니라, 반경 방향으로 전파하는 마이크로파도 제어할 수 있어, 양자의 상승 작용에 의해 처리 공간(S)의 수평면 방향에 있어서의 플라즈마 밀도를 한층 균일화시킬 수 있다.
또한, 상기 실시예에 있어서, 원 형상 돌기부(62)를 형성하지 않고, 방사상의 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)만을 형성하도록 해도 좋다. 이 경우라도, 천판(56)을 둘레 방향으로 전파하는 마이크로파를 제어할 수 있기 때문에, 예를 들면 종래 장치에 있어서의 일관되게 평탄한 천판(8)(도1)에 비해, 플라즈마 밀도의 면내 균일성을 개선할 수 있다.
여기에서, 원 형상 돌기부(62)나 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)에 있어서의 마이크로파의 전파 형태에 대하여, 도9 및 도10 을 참조하여 설명한다. 도9 는 마이크로파의 전파 형태를 시뮬레이션하는 경우의 천판의 모델을 나타내는 도면이고, 도10 은 천판의 두께와 마이크로파의 전파 상수(propagation constant)가 마이크로파의 전파 모드에 주는 영향을 나타내는 그래프이다.
도9 를 참조하면, 이 모델에서는, 유전체로 이루어지는 천판(56) 상에 슬롯(80)을 갖는 그라운드(ground)판(90)이 접합되어 있다. 여기에서 마이크로파는 천판(56)과 진공과의 계면에서 표면파로서 전파한다고 가정하고 있으며, 마이크로파는 유전체 표면으로부터 멀어짐에 따라 지수 함수적으로 감쇠한다. 또한 수직 방향(지면 수직 방향)으로는 천판(56)이 무한히 연장하고 있는 것으로 가정하고 있다.
도면 중의 각 부호는 다음과 같이 정의된다.
Z : 전파 방향
x : 유전체(천판) 표면에 대하여 수직인 방향
εr : 유전체(천판)의 비(比)유전율
ε0 : 진공 중의 유전율
d : 유전체의 두께
본 모델로부터 TM 모드 및 TE 모드의 전파를 위한 두께 한계를 구한다. 구하는 두께 한계는 하기의 수식군 (1)로 정의된다.
Figure 112009014207096-PCT00001
β : 전파 상수
여기에서, TM 모드의 경계 조건은 하기의 수식군 (2)로 표시된다.
Figure 112009014207096-PCT00002
또한, TE 모드의 경계 조건은 하기의 수식군 (3)으로 표시된다.
Figure 112009014207096-PCT00003
상기 모델을 해석함으로써 도10 에 나타내는 바와 같은 그래프가 얻어진다. 도10 에 있어서 횡축에 “d/λ0”을 취하고, 종축에는 “β/k0”을 취하고 있으며, 마이크로파의 전파 모드에 관해서는 TM0∼TM2 및 TE1∼TE3을 검토 대상으로 하고 있다. 여기에서, “d”는 천판(56)의 두께를 나타내며, “λ0”은 마이크로파의 진공 중의 파장을 나타내고 있다. 따라서, 횡축의 “d/λ0 ＝1”은, 천판(56)이 마이크로파의 1파장에 상당하는 두께(d)를 갖고 있음을 나타낸다. 또한, 2.45GHz의 마이크로파의 경우, λ0 ＝122㎜ 정도이다.
도10 은, 천판(56)이 석영(비유전율 εr＝3.78)으로 형성되어 있다는 전제 하에 구한 계산 결과를 나타내지만, 천판(56)이 다른 유전체, 예를 들면 알루미나 등으로 형성되는 경우도, 수치는 다르지만, 도10 에 나타내는 특성과 동일한 특성을 나타낸다.
또한, “β”는 마이크로파의 전파 상수로서, “k0”는 파수(wave number)이다. 여기에서 “β/k0”에 의해 전파 상수를 규격화(표준화)하고 있다. 또한, 종축상의 값이 클수록, 마이크로파를 효율 좋게 전파하며, “β/k0 ≤1”의 영역에서는, 마이크로파가 감쇠하여, 이미 전파할 수 없게 된다. 즉, 각 전파 모드의 곡선과 “β/k0 ＝1”의 교점에서 정해지는 “d”가, 대응하는 전파 모드에 대한 컷오프(cut off) 두께로 된다.
예를 들면 TM0 모드의 곡선은, “β/k0 ＝1”과의 교점이 “d/λ0 ＝0”이기 때문에, 컷오프 천판 두께(d)는 “0”(d=0)이다. 즉, TM0 모드의 마이크로파는, 천판(56)이 어떤 두께라도 전파할 수 있다.
또한, TE1 모드의 곡선은, “β/k0 ＝1”과의 교점이 “d/λ0 ≒0.15”이기 때문에, 컷오프 천판 두께(d)는 “18.3㎜”(d=0.15×λ0)이다. 즉, 천판의 두께(d)를 18.3㎜보다도 작게 하면, TM0 모드의 마이크로파는 전파하지만, TE1 모드의 마이크로파는 전파하지 않게 된다.
따라서, 예를 들면 “d/λ0 ＝0.5”가 되도록 천판 두께(d)(＝61㎜)를 설정하면, TM0, TE1, TM1, TE2의 4종류의 모드의 마이크로파는 전파하지만, TM2 및 TE3의 2종류의 각 모드의 마이크로파는 전파하지 않는다. 따라서, 천판(56)의 두께(d)를 부분적으로 변화시키면, 두께(d)에 대응한 모드 수의 마이크로파를 전파할 수 있게 된다.
여기에서, 도10 중의 각 전파 모드(비유전율 “3.78”의 석영을 전파하는 마이크로파)의 곡선과 “β/k0 ＝1”의 횡축과의 교점의 정확한 값을 나타내면, TM0 모드는 “0”, TE1 모드는 “0.1499”, TM1 모드는 “0.2999”, TE2 모드는 “0.4498”, TM2 모드는 “0.5998”, TE3 모드는 “0.7497”이다.
또한, 천판(56)을 비유전율이 “9.8”의 알루미나로 형성하는 경우, 각 전파 모드의 곡선과 “β/k0 ＝1”의 횡축과의 교점의 정확한 값을 나타내면, TM0 모드는 “0”, TE1 모드는 “0.0843”, TM1 모드는 “0.1685”, TE2 모드는 “0.2528”, TM2 모드는 “0.3371”, TE3 모드는 “0.4214”이다.
그리고, 본 실시 형태에 있어서는, 천판(56)의 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)가 방사상으로 형성된 부분의 두께(H3)(도6B)를, 도10 중의 횡축과 TE1 모드 곡선과의 교점인 “0.15”에서부터, 횡축과 TM1 모드 곡선과의 교점인 “0.3”까지의 범위에 있는 점(P1)과 동일해지도록 정하고, 천판(56) 자체의 두께(H2)(도6B)를, 횡축과 TM0 모드 곡선과의 교점인 “0”에서부터, 횡축과 TE1 모드 곡선과의 교점인 “0.15”까지의 범위에 있는 점(P2)과 동일해지도록 정하고 있다. 이에 따라, 앞서 설명한 바와 같이, 천판(56)의 반경 방향으로 방사상으로 전파하는 마이크로파에 관해서는, 천판(56)에 있어서의 두께(H3(P1))를 갖는 부분에서는 2개의 모드(TE1 모드와 TM0 모드)의 마이크로파가 전파하고, 한편, 천판(56)에 있어서의 두께(H2)를 갖는 부분에서는 1개의 모드(TM0 모드)의 마이크로파가 전파하게 된다. 즉, 마이크로파가 전파하는 장소에 따라, 마이크로파의 모드의 종류의 수가 달라지게 되며, 본 실시 형태에서는, 그 차이가 1개이다.
이 경우, 도10 중에 있어서의 점(P1, P2)은, 임의의 점이어도 좋고, 그 위치에 따라 전파할 수 있는 전파 모드의 종류를 바꿀 수 있다. 또한, 평면 안테나 부재(64)에 입력되는 필요한 종류의 전파 모드의 마이크로파는, 지파재(66)나 동축 도파관(70)을 이용하지 않는 경우, 모드 변환기(72)에서 모드 변환에 의해 발생시켜도 좋다.
여기에서, 본 발명의 실시 형태에 의한 천판(56)을 이용하여 행한, 전계 분 포의 시뮬레이션의 결과에 대하여 설명한다. 도11A 및 도11B 는, 본 발명의 실시 형태에 따른 천판에 있어서의 전계 분포의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면으로서, 색이 진한 부분일수록 높은 플라즈마 밀도를 갖고 있음을 나타내고 있다. 도11A 는 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성하지 않고 원 형상 돌기부(62)만을 형성한 경우를 나타내며, 도11B 는 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)와 원 형상 돌기부(62)의 양쪽을 형성한 경우를 나타낸다. 마이크로파의 주파수는 2.45GHz, 처리 용기(34)(도2) 내의 압력은 20mTorr(2.7Pa), 플라즈마 가스는 Ar으로 하였다. 또한, 천판(56)의 두께에 관하여, H1＝25㎜, H2＝17㎜, H3＝25㎜로 각각 설정하였다.
도11A 에 나타내는 바와 같이, 천판(56)에 원 형상 돌기부(62)만을 형성한 경우, 플라즈마 밀도는 평면 방향으로 대략 전역으로 퍼져, 플라즈마 밀도의 양호한 면내 균일성이 실현되고 있지만, 밀도가 높은 부분과 낮은 부분과의 차이가 비교적 크게 되어 있어, 플라즈마 밀도의 면내 균일성에 개선의 여지가 있다.
이에 대하여, 도11B 에 나타내는 바와 같이, 천판(56)에 원 형상 돌기부(62)에 더하여 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)를 형성한 경우에는, 플라즈마 밀도의 차이가 특히 둘레 방향에 있어서 저감되어 있어, 플라즈마 밀도의 면내 균일성을 대폭 향상할 수 있는 것이 확인되었다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는 천판(56)에 원 형상(링 형상을 포함함)이나 방사상의 돌기부(60, 62)를 형성하도록 하였지만, 이것을 대신하여, 다른 실시 형태에서는, 도12 및 도13 에 나타내는 바와 같이 천판(56)에 마이크로파 전파 제어 오목부를 형성해도 좋다. 도12 는, 본 발명의 다른 실시 형태에 의한 천판을 나타내는 단면도이며, 도13 은 이 천판의 평면도이다.
도시하는 바와 같이, 예를 들면 석영 등으로 이루어지는 천판(56)의 하면(처리 용기 내를 향하는 면)에 복수의 마이크로파 전파 제어 오목부(92)가 형성되어 있다. 마이크로파 전파 제어 오목부(92)는 원형의 평면 형상을 갖고 있다. 또한, 복수의 마이크로파 전파 제어 오목부(92)는, 하나의 원을 따라 배열된 내측 마이크로파 전파 제어 오목부(92A)와, 당해 하나의 원에 대하여 외측에서 동심원이 되는 다른 원을 따라 배열된 외측 마이크로파 전파 제어 오목부(92B)를 포함한다. 여기에서는 내측 마이크로파 전파 제어 오목부(92A)의 직경이 외측 마이크로파 전파 제어 오목부(92B)의 직경보다도 크게 설정하고 있지만, 이 크기를 동일하게 해도 좋고, 특별히는 한정되지 않는다.
그리고, 6개의 내측 마이크로파 전파 제어 오목부(92A)가 등각도 간격으로 하나의 원을 따라 배열되어 있다. 이 경우, 이 내측 마이크로파 전파 제어 오목부(92A)는 평면 안테나 부재(64)의 슬롯(80)(도3, 도7 참조)으로부터 치우쳐서 배치되어 있다. 또한, 18개의 외측 마이크로파 전파 제어 오목부(92B)가, 상기의 다른 원을 따라 배열되어 있다. 또한, 서로 이웃하는 3개의 외측 마이크로파 전파 제어 오목부(92B)가 서로 근접하여 하나의 군(96)이 구성되어, 천판(56)에는 전체로 6개의 군(96)이 있다. 이 군(96)끼리는, 어느 정도의 거리(H5)만큼 떨어져 배열되어 있다.
이와 같이 구성되는 천판(56)에서는, 서로 이웃하는 2개의 내측 마이크로파 전파 제어 오목부(92A) 사이의 부분과, 군(96)의 사이의 부분에 있어서, 도5 에서 설명한 방사상의 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)(도5 참조)에 상당하는 볼록 형상부(94)가 비슷하게 형성된다. 즉, 볼록 형상부(94)는, 방사상의 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)(도5 참조)와 동일하게, 천판(56)의 둘레 방향으로 전파하는 마이크로파를 제어할 수 있다.
또한, 천판(56)의 중심의 부분은, 도5 중의 원 형상 돌기부(62A)와 비슷하게 대응하며, 내측 마이크로파 전파 제어 오목부(92A)와 외측 마이크로파 전파 제어 오목부(92B)와의 사이의 링 형상의 부분은 도5 중의 중주부에 위치하는 원 형상 돌기부(62B)와 비슷하게 대응하며, 외측 마이크로파 전파 제어 오목부(92B)의 외측의 링 형상의 부분은 도5 중의 외주부에 위치하는 원 형상 돌기부(62C)와 비슷하게 대응하게 된다. 따라서, 도13 의 천판(56)에 있어서도, 천판(56)의 반경 방향으로 방사상으로 전파하는 마이크로파를 제어하는 효과를 발휘할 수 있다.
이 경우, 도12 에 나타내는 바와 같이, 내측 마이크로파 전파 제어 오목부(92A)나 외측 마이크로파 전파 제어 오목부(92B)의 저부에 상당하는 부분의 천판(56)의 두께는, 도6 에 나타내는 두께(H2)와 동일해지도록 설정되고, 또한, 그 이외의 부분, 즉 비슷하게 볼록부로 간주되는 부분의 두께는 도6 에 나타내는 두께(H1 혹은 H3)와 동일해지도록 설정된다.
따라서, 이 실시 형태의 경우에도, 천판(56)에, 앞서의 실시 형태에서 설명한 마이크로파 전파 제어 돌기부(60)나 원 형상 돌기부(62)(도5 참조)가 비슷하게 형성되기 때문에, 전술과 동일한 작용 효과를 발휘할 수 있다. 이 실시 형태의 경 우에는, 원판 형상의 석영판을 절삭 가공하여 원 형상의 오목부를 형성하는 것만으로 천판(56)을 제조할 수 있기 때문에, 앞서의 실시 형태의 경우와 비교하여 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 이 실시 형태에서 마이크로파 전파 제어 오목부(92)는 2중의 링 형상으로 배열했지만, 이에 한정되지 않고, 3중 이상의 링 형상으로 배열해도 좋다.
또한, 이 실시 형태의 경우에, 마이크로파의 강도가 커지는 최내주측의 마이크로파 전파 제어 오목부(92A) 는 동일한 원둘레상에 링 형상으로 배열하는 것이 바람직하지만, 그보다도 외측의 마이크로파 전파 제어 오목부(92B)는 링 형상이 아니라, 랜덤으로 배치하도록 해도 좋다.
선행하는 실시 형태에 있어서는, 마이크로파 전파 제어 돌기부(60) 및 원 형상 돌기부(62), 또는 마이크로파 전파 제어 오목부(92)를 천판(56)에 형성하여, 천판(56)의 두께(마이크로파의 전파 단면의 높이)를 바꿈으로써, 천판(56)을 전파하는 마이크로파의 모드의 종류의 수를 두께에 따라 변경하고, 이에 따라, 평면 안테나 부재(64)로부터 천판(56)을 통하여 처리 용기(34) 내에 도입되는 마이크로파의 밀도를 수평면에 있어서 균일화하고 있다. 그러나, 천판(56)을 전파하는 마이크로파의 모드의 종류의 수를, 다른 유전율을 갖는 2 이상의 유전 재료로 천판(56)을 제작함으로써, 변경하는 것도 가능하다. 예를 들면, 하나의 유전율을 갖는 하나의 재료로 구성되는 원판에 소정의 평면 형상을 갖는 홈(오목부)을 형성하고, 이 홈(오목부)을 다른 유전율을 갖는 다른 재료로 메움으로써, 천판(56)을 제작할 수 있다. 이 경우, 적절한 마이크로파의 강도 분포를 얻기 위해, 이용하는 재료 및, 홈(오목부)의 평면 형상 및 깊이는, 전술의 모델을 참조함으로써 결정하는 것이 가능하다. 또한, 이 홈(오목부)은, 이 천판(56)의 하면(처리 용기(34) 내를 향하는 면) 및 상면(하면에 대향하는 면)의 어느 하나 또는 쌍방에 형성해도 좋다.
또한, 천판(56)에 형성된 마이크로파 전파 제어 돌기부(60) 및 원 형상 돌기부(62)(도4, 도5)를, 천판(56) 자체의 재료와 다른 재료로 형성해도 좋다. 또한, 마이크로파 전파 제어 돌기부(60) 및 원 형상 돌기부(62)가 서로 다른 유전율을 갖고 있어도 좋고, 천판(56), 마이크로파 전파 제어 돌기부(60) 및, 원 형상 돌기부(62)가 서로 다른 유전율을 가져도 좋다. 이들에 의하면, 예를 들면 도11B 에 나타낸 결과와 동일한 결과를 얻으면서, 천판(56), 마이크로파 전파 제어 돌기부(60) 및, 원 형상 돌기부(62)를 동일한 재료로 형성하는 경우에 비해, 두께(H1)(도6A) 및 두께(H3)(도6B)를 작게 할 수 있어, 플라즈마 장치의 설계 자유도를 향상하는 것이 가능해진다.
또한, 천판(56), 마이크로파 전파 제어 돌기부(60) 및, 원 형상 돌기부(62)의 매우 적합한 재료의 예로서는, 이들에는 한정되지 않지만, 석영, 알루미나, 질화알루미늄, 질화실리콘이 있다.
또한, 여기에서는 피처리체로서 반도체 웨이퍼를 예로 하여 설명했지만, 이에 한정되지 않고, 유리 기판, LCD 기판, 세라믹 기판 등에도 본 발명을 적용할 수 있다.
본 국제 출원은 2007년 8월 28일에 출원된 일본국특허출원 2007-221524호에 기초하는 우선권을 주장하는 것이며, 2007-221524호의 전(全) 내용을 여기에 원용 한다.

Claims (20)

  1. 진공흡인 가능한 처리 용기의 천정부에 형성되어, 나란히 형성되는 평면 안테나 부재의 슬롯으로부터 방사(radiation)되는 마이크로파를 상기 처리 용기 내로 투과 가능한 천판(top plate)으로서,
    상기 천판의 상기 처리 용기 내를 향하는 면측에 방사상(radial shape)으로 형성된 복수의 돌기부를 구비하는 천판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 천판의 돌기부가 형성된 부분을 전파(propagate)하는 마이크로파와, 상기 천판의 돌기부가 형성되어 있지 않은 부분을 전파하는 마이크로파에서는, 전파하는 마이크로파의 전파 모드의 종류의 수가 다르도록, 상기 천판의 돌기부가 형성된 부분의 두께와 상기 천판의 돌기부가 형성되어 있지 않은 부분의 두께가 각각 설정되어 있는 천판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부의 폭은, 상기 천판 중을 전파하는 마이크로파의 파장의 1/10∼1/2의 범위 내인 천판.
  4. 제1항에 있어서,
    3개 이상의 상기 돌기부가, 상기 천판의 중심부를 중심으로 하여 둘레 방향으로 등각도로 방사상으로 형성되는 천판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 천판의 상기 처리 용기 내를 향하는 면측에, 1 또는 복수의 링 형상 돌기부가 형성되어 있는 천판.
  6. 천정부가 개구한 진공흡인 가능한 처리 용기와,
    플라즈마 발생용의 마이크로파를 발생하는 마이크로파 발생부와,
    상기 천정부의 개구에 형성되어 상기 처리 용기 내로 상기 마이크로파 발생부로부터의 마이크로파를 도입하는 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나 부재와,
    상기 천정부의 개구에 기밀하게 형성되어 상기 평면 안테나 부재의 슬롯으로부터 방사되는 마이크로파를 상기 처리 용기 내로 투과시켜 도입하는 천판을 구비하고,
    상기 천판의 상기 처리 용기 내를 향하는 면측에 복수의 돌기부가 방사상으로 형성되는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 천판의 돌기부가 형성된 부분을 전파하는 마이크로파와, 상기 천판의 돌기부가 형성되어 있지 않은 부분을 전파하는 마이크로파에서는, 전파하는 마이크 로파의 전파 모드의 종류의 수가 다르도록, 상기 천판의 돌기부가 형성된 부분의 두께와 상기 천판의 돌기부가 형성되어 있지 않은 부분의 두께가 각각 설정되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 돌기부의 폭이, 상기 천판 중을 전파하는 마이크로파의 파장의 1/10∼1/2의 범위 내인 플라즈마 처리 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    3개 이상의 상기 돌기부가, 상기 천판의 중심부를 중심으로 하여 둘레 방향으로 등각도로 방사상으로 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 천판의 상기 처리 용기 내를 향하는 면측에는, 상기 천판의 중심부를 중심으로 한 1 또는 복수의 링 형상 돌기부가 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 천판의 돌기부는, 상기 평면 안테나 부재의 슬롯의 위치에 대응시켜 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  12. 진공흡인 가능한 처리 용기의 천정부에 형성되어, 나란히 형성되는 평면 안테나 부재의 슬롯으로부터 방사되는 마이크로파를 상기 처리 용기 내로 투과 가능한 천판으로서,
    상기 천판의 상기 처리 용기 내를 향하는 면측에 형성된 복수의 오목부를 구비하는 천판.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 천판의 오목부가 형성된 부분을 전파하는 마이크로파와, 상기 천판의 오목부가 형성되어 있지 않은 부분을 전파하는 마이크로파에서는, 전파하는 마이크로파의 전파 모드의 종류의 수가 다르도록, 상기 천판의 오목부가 형성된 부분의 두께와 상기 천판의 오목부가 형성되어 있지 않은 부분의 두께가 각각 설정되어 있는 천판.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 오목부의 평면 형상이 원형인 천판.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 오목부 내의 적어도 최내주(innermost circumference)의 오목부는, 상기 천판의 중심부를 중심으로 한 동일한 원둘레 상에 형성되어 있는 천판.
  16. 천정부가 개구한 진공흡인 가능한 처리 용기와,
    플라즈마 발생용의 마이크로파를 발생하는 마이크로파 발생부와,
    상기 천정부의 개구에 형성되어 상기 처리 용기 내로 상기 마이크로파 발생부로부터의 마이크로파를 도입하는 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나 부재와,
    상기 천정부의 개구에 기밀하게 형성되어 상기 평면 안테나 부재의 슬롯으로부터 방사되는 마이크로파를 상기 처리 용기 내로 투과시켜 도입하는 천판을 구비하고,
    상기 천판의 상기 처리 용기 내를 향하는 면측에 복수의 오목부가 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 천판의 오목부가 형성된 부분을 전파하는 마이크로파와, 상기 천판의 오목부가 형성되어 있지 않은 부분을 전파하는 마이크로파에서는, 전파하는 마이크로파의 전파 모드의 종류의 수가 다르도록, 상기 천판의 오목부가 형성된 부분의 두께와 상기 천판의 오목부가 형성되어 있지 않은 부분의 두께가 각각 설정되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 오목부의 평면 형상이 원형인 플라즈마 처리 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 오목부 내의 적어도 최내주의 오목부는, 상기 천판의 중심부를 중심으로 한 동일한 원둘레 상에 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 최내주의 오목부는, 상기 평면 안테나 부재의 슬롯으로부터 벗어난 위치에 대응시켜 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
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