KR20100113171A - 마이크로파 도입 기구, 마이크로파 플라즈마원 및 마이크로파 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

마이크로파 도입 기구, 마이크로파 플라즈마원 및 마이크로파 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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Abstract

마이크로파 도입 기구(43)는 통형상을 이루는 본체 용기(50)와, 본체 용기(50)내에 동축적으로 마련되고, 본체 용기(50)와의 사이에 마이크로파 전송로(53)를 형성하는 내측 도체(52)와, 임피던스 조정을 실행하는 튜너(44)와, 마이크로파 전송로(53)를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 안테나(51)를 갖는 안테나부(45)를 구비하고, 튜너(44)는 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그(58)와, 이들 슬러그(58)를 이동시키는 액추에이터(59)와, 컨트롤러(60)를 갖고, 컨트롤러(60)는 한 쌍의 슬러그(58)를 동시에 1/2파장의 길이 범위내에서 이동시키고, 또한 슬러그(58)의 어느 한쪽을 다른 쪽의 슬러그(58)에 대해 1/4파장의 범위내에서 이동시키도록 제어한다.

Description

마이크로파 도입 기구, 마이크로파 플라즈마원 및 마이크로파 플라즈마 처리 장치{MICROWAVE INTRODUCING MECHANISM, MICROWAVE PLASMA SOURCE AND MICROWAVE PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 처리를 실행하는 챔버 내에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입 기구, 그와 같은 마이크로파 도입 기구를 이용한 마이크로파 플라즈마원, 및 마이크로파 플라즈마원을 이용한 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다．
반도체 디바이스나 액정 표시 장치의 제조 공정에 있어서는 반도체 웨이퍼나 유리 기판과 같은 피처리 기판에 에칭 처리나 성막 처리 등의 플라즈마 처리를 실시하기 위해, 플라즈마 에칭 장치나 플라즈마 CVD 성막 장치 등의 플라즈마 처리 장치가 이용된다.
플라즈마 처리 장치에 있어서의 플라즈마의 발생 방법으로서는 평행 평판 전극이 배치된 챔버 내에 처리 가스를 공급하고, 이 평행 평판 전극에 소정의 전력을 공급하여, 전극간의 용량 결합에 의해서 플라즈마를 발생시키는 방법이나, 마이크로파에 의해서 발생하는 전기장과 챔버 외부에 배치된 자기장 발생 장치에 의해 발생한 자기장으로 전자를 가속하고, 이 전자가 처리 가스의 중성 분자와 충돌해서 중성 분자를 전리시킴으로써 플라즈마를 발생시키는 방법 등이 알려져 있다.
후자와 같이, 마이크로파에 의한 전기장과 자기장 발생 장치에 의한 자기장의 마그네트론 효과를 이용하는 방법의 경우에는 소정 전력의 마이크로파를 도파관/동축관을 통과시켜 챔버 내에 배치된 안테나에 공급하고, 안테나를 통해 마이크로파를 챔버 내의 처리공간에 방사시키고 있다.
종래의 일반적인 마이크로파 도입 장치는 소정 전력으로 조정된 마이크로파를 출력하는 마그네트론 및 마그네트론에 직류의 애노드 전류를 공급하는 마이크로파 발생 전원을 갖는 마이크로파 발진기를 구비하고, 이 마이크로파 발진기로부터 출력된 마이크로파를 안테나를 통해 챔버 내의 처리공간에 방사하도록 구성되어 있다.
그러나, 마그네트론의 수명은 약 반년으로 짧기 때문에, 이와 같은 마그네트론을 이용한 마이크로파 도입 장치에서는 장치 비용 및 메인터넌스 비용이 높다고 하는 문제가 있다. 또한, 마그네트론의 발진 안정성은 약 1%이고, 또한 출력 안정성이 3% 정도로 편차가 크기 때문에, 안정된 마이크로파를 발진시키는 것이 어려웠다.
따라서, 반도체 증폭 소자를 이용한 앰프, 소위 솔리드 스테이트 앰프(solid State Amplifier)에서 저전력의 마이크로파를 증폭하여 필요한 대전력의 마이크로파를 생성하고, 장치 수명이 길고, 출력이 안정된 마이크로파를 얻는 기술이 일본 특허공개 제2004-128141호 공보(특허문헌 1)에 기재되어 있다. 이 기술은 마이크로파를 분배기에 의해 분배한 후, 분배기로부터 출력된 마이크로파를 솔리드 스테이트 앰프에서 증폭하고, 각 솔리드 스테이트 앰프에 있어서 증폭된 마이크로파를 합성기에서 합성하는 것이다.
또한, 특허문헌 1의 기술에서는 합성기에서 정밀한 임피던스 정합을 구해야 하고, 합성기로부터 출력된 대전력의 마이크로파가 아이솔레이터(Isolator)로 전송되기 때문에, 아이솔레이터로서 대형의 것이 필요하며, 안테나의 면내에서 마이크로파의 출력 분포를 조정할 수 없기 때문에, 이러한 점을 해결하는 기술로서, 일본 특허공개 제2004-128385호 공보(특허문헌 2)에는 마이크로파를 분배기에서 복수로 분배한 후에 앰프에서 증폭하고, 그 후, 합성기에서 합성하지 않고 복수의 안테나로부터 마이크로파를 방사하여, 공간에서 합성하는 기술이 제안되어 있다.
그러나, 이와 같은 기술에서는 분배된 각 채널에 2개 이상의 대규모의 스텁 튜너(Stub Tuner)를 조립하여, 부정합부의 튜닝을 실행할 필요가 있기 때문에, 장치가 복잡해진다. 또한, 부정합부의 임피던스 조정을 고밀도로 실행할 수 없다고 하는 문제도 있다.
이러한 문제점을 해결하는 기술로서, 국제공개 제2008/013112호 공보 (특허문헌 3)에는 마이크로파를 복수로 분배하고, 복수의 안테나 모듈을 통과하여 마이크로파를 챔버 내에 보내는 마이크로파 플라즈마원으로서, 각 안테나 모듈에 있어서, 평면형상의 슬롯 안테나(Slot Antenna)와 슬러그 튜너(slug Tuner)를 일체적으로 마련하는 동시에 앰프를 근접해서 마련한 마이크로파 플라즈마원이 개시되어 있다.
이와 같이 안테나와 튜너를 일체적으로 마련함으로써, 마이크로파 플라즈마원 자체를 현저하게 콤팩트화할 수 있고, 또한, 앰프, 튜너 및 안테나를 근접해서 마련함으로써, 임피던스 부정합이 존재하는 안테나 부착 부분에 있어서 튜너에 의해 고밀도로 튜닝할 수 있고, 반사의 영향을 확실하게 해소할 수 있다.
그러나, 특허문헌 3에 개시된 기술에 있어서는 슬러그 튜너의 정합자로서 수지나 석영 등의 유전체로 이루어지는 2개의 슬러그를 이용하고, 이들을 이동시켜 임피던스를 조정하지만, 스미스 차트의 전역에 걸쳐 조정 가능으로 하기 위해, 이들 가동 범위를 마이크로파의 1/2 파장으로 하고, 또한 2개의 슬러그의 사이를 1/2파장의 범위에서 이동 가능하게 하고 있고, 또한 슬러그의 두께는 마이크로파의 실효 파장 λg로 하면 λg/4이지만, 재료에 따라서는 λg가 크고 슬러그를 두껍게 형성할 필요가 있고, 또한, 안테나의 직근(直近)의 1/4파장의 부분은 부정합 영역으로 되기 때문에, 임피던스 조정에는 사용할 수 없고, 슬러그의 가동 범위에 또한 1/4파장 더한 길이가 필요하게 된다. 이 때문에, 안테나와 튜너를 일체적으로 구성한 마이크로파 도입 기구의 본체 용기의 전체의 길이가 길어지게 되어, 마이크로파 플라즈마원의 콤팩트화에 한계가 있다.
본 발명의 목적은 마이크로파 플라즈마원의 콤팩트화를 달성 할 수 있는 마이크로파 도입 기구, 그것을 이용한 마이크로파 플라즈마원 및 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 관점에 따르면, 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원에 이용하는 마이크로파 도입 기구로서, 통형상을 이루는 본체 용기와, 상기 본체 용기내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측 도체와, 상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와, 상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부를 구비하고, 상기 튜너는 상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그(Slug)와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터(Actuator)와, 슬러그의 이동을 제어하는 컨트롤러를 갖고, 상기 컨트롤러는 상기 한 쌍의 슬러그를 동일 간격으로 유지한 채 마이크로파의 1/2파장의 길이 범위내에서 이동시키고, 또한 상기 한 쌍의 슬러그의 어느 한쪽을 다른 쪽에 대해 1/4파장의 길이 범위내에서 이동시키도록 상기 액추에이터를 제어하는 마이크로파 도입 기구가 제공된다.
상기 제 1 관점에 있어서, 상기 한 쌍의 슬러그는 고순도 알루미나(High-Purity Alumina)로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 마이크로파 방사 안테나는 마이크로파를 방사하는 슬롯이 형성된 평면형상의 슬롯 안테나(Slot Antenna)인 것이 바람직하다.
본 발명의 제 2 관점에 의하면, 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원에 이용하는 마이크로파 도입 기구로서, 통형상을 이루는 본체 용기와, 상기 본체 용기내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측 도체와, 상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와, 상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부를 구비하고, 상기 마이크로파 방사 안테나는 마이크로파를 방사하는 4개 이상의 슬롯이 균등하게 형성된 평면형상의 슬롯 안테나이고, 상기 튜너는 상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터를 갖고, 상기 한 쌍의 슬러그는 고순도 알루미나로 구성되어 있는 마이크로파 도입 기구가 제공된다.
본 발명의 제 3 관점에 따르면, 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원에 이용하는 마이크로파 도입 기구로서, 통형상을 이루는 본체 용기와, 상기 본체 용기내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측 도체와, 상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와, 상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부를 구비하고, 상기 마이크로파 방사 안테나는 마이크로파를 방사하는 4개 이상의 슬롯이 균등하게 형성된 평면형상의 슬롯 안테나이고, 상기 튜너는 상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터와, 슬러그의 이동을 제어하는 컨트롤러를 갖고, 상기 컨트롤러는 상기 한 쌍의 슬러그를 동일 간격으로 유지한 채 마이크로파의 1/2파장의 길이 범위내에서 이동시키고, 또한 상기 한 쌍의 슬러그의 어느 한쪽을 다른 쪽에 대해 1/4파장의 길이 범위내에서 이동시키도록 상기 액추에이터를 제어하는 마이크로파 도입 기구가 제공된다.
본 발명의 제 4 관점에 따르면, 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파를 도입하기 위한 마이크로파 도입 기구로서, 통형상을 이루는 본체 용기와, 상기 본체 용기내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측 도체와, 상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와, 상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부를 구비하고, 상기 마이크로파 방사 안테나는 마이크로파를 방사하는 4개 이상의 슬롯이 균등하게 형성된 평면형상의 슬롯 안테나이고, 상기 튜너는 상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터와, 슬러그의 이동을 제어하는 컨트롤러를 갖고, 상기 한 쌍의 슬러그는 고순도 알루미나로 구성되어 있고, 상기 컨트롤러는 상기 한 쌍의 슬러그를 동일 간격으로 유지한 채 마이크로파의 1/2파장의 길이 범위내에서 이동시키고, 또한 상기 한 쌍의 슬러그의 어느 한쪽을 다른 쪽에 대해 1/4파장의 길이 범위내에서 이동시키도록 상기 액추에이터를 제어하는 마이크로파 도입 기구가 제공된다.
상기 제 1∼제 4 관점에 있어서, 상기 슬롯은 부채형을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 안테나부는 상기 안테나로부터 방사된 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어지는 천판과, 상기 안테나의 천판과는 반대 측에 마련되고, 상기 안테나에 도달하는 마이크로파의 파장을 짧게 하는 유전체로 이루어지는 지파재(Wave Retardation Member)를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 튜너와 상기 안테나는 집중 정수 회로를 구성하고 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 튜너와 상기 안테나는 공진기로서 기능하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 5 관점에 따르면, 마이크로파를 생성하는 마이크로파 생성 기구 및 생성된 마이크로파를 챔버 내에 도입하는 마이크로파 도입 기구를 구비하고, 상기 챔버 내에 마이크로파를 도입하여 상기 챔버 내에 공급된 가스를 플라즈마화하는 마이크로파 플라즈마원으로서, 상기 마이크로파 도입 기구는 통형상을 이루는 본체 용기와, 상기 본체 용기내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측 도체와, 상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와, 상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부를 갖고, 상기 튜너는 상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터와, 슬러그의 이동을 제어하는 컨트롤러를 갖고, 상기 컨트롤러는 상기 한 쌍의 슬러그를 동일 간격으로 유지한 채 마이크로파의 1/2파장의 길이 범위내에서 이동시키고, 또한 상기 한 쌍의 슬러그의 어느 한쪽을 다른 쪽에 대해 1/4파장의 길이 범위내에서 이동시키도록 상기 액추에이터를 제어하는 마이크로파 플라즈마원이 제공된다.
본 발명의 제 6 관점에 따르면, 마이크로파를 생성하는 마이크로파 생성 기구 및 생성된 마이크로파를 챔버 내에 도입하는 마이크로파 도입 기구를 구비하고, 상기 챔버 내에 마이크로파를 도입하여 상기 챔버 내에 공급된 가스를 플라즈마화하는 마이크로파 플라즈마원으로서, 상기 마이크로파 도입 기구는, 통형상을 이루는 본체 용기와, 상기 본체 용기내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측 도체와, 상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와, 상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부를 갖고, 상기 마이크로파 방사 안테나는 마이크로파를 방사하는 4개 이상의 슬롯이 균등하게 형성된 평면형상의 슬롯 안테나이고, 상기 튜너는 상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터를 갖고, 상기 한 쌍의 슬러그는 고순도 알루미나로 구성되어 있는 마이크로파 플라즈마원이 제공된다.
본 발명의 제 7 관점에 따르면, 기판에 대해 마이크로파 플라즈마에 의한 처리를 실시하는 마이크로파 플라즈마 장치로서, 피처리 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 마이크로파를 생성하는 마이크로파 생성 기구 및 생성된 마이크로파를 상기 챔버 내에 도입하는 마이크로파 도입 기구를 갖고, 상기 챔버 내에 마이크로파를 도입하여 상기 챔버 내에 공급된 가스를 플라즈마화하는 마이크로파 플라즈마원을 구비하고, 상기 마이크로파 도입 기구는, 통형상을 이루는 본체 용기와, 상기 본체 용기내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측 도체와, 상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와, 상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부를 갖고, 상기 튜너는 상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터와, 슬러그의 이동을 제어하는 컨트롤러를 갖고, 상기 컨트롤러는 상기 한 쌍의 슬러그를 동일 간격으로 유지한 채 마이크로파의 1/2파장의 길이 범위내에서 이동시키고, 또한 상기 한 쌍의 슬러그의 어느 한쪽을 다른 쪽에 대해 1/4파장의 길이 범위내에서 이동시키도록 상기 액추에이터를 제어하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 제 8 관점에 따르면, 기판에 대해 마이크로파 플라즈마에 의한 처리를 실시하는 마이크로파 플라즈마 장치로서, 피처리 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 마이크로파를 생성하는 마이크로파 생성 기구 및 생성된 마이크로파를 상기 챔버 내에 도입하는 마이크로파 도입 기구를 갖고, 상기 챔버 내에 마이크로파를 도입하여 상기 챔버 내에 공급된 가스를 플라즈마화하는 마이크로파 플라즈마원을 구비하고, 상기 마이크로파 도입 기구는, 통형상을 이루는 본체 용기와, 상기 본체 용기내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측 도체와, 상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와, 상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부를 갖고, 상기 마이크로파 방사 안테나는 마이크로파를 방사하는 4개 이상의 슬롯이 균등하게 형성된 평면형상의 슬롯 안테나이고, 상기 튜너는 상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터를 갖고, 상기 한 쌍의 슬러그는 고순도 알루미나로 구성되어 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
상기 본 발명의 제 1 관점에 따르면, 슬러그 튜너로서, 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터와, 슬러그의 이동을 제어하는 컨트롤러를 갖는 것을 이용하고, 컨트롤러가, 상기 한 쌍의 슬러그를 동일 간격으로 유지한 채 마이크로파의 1/2파장의 길이 범위내에서 이동시키고, 또한 상기 한 쌍의 슬러그의 어느 한쪽을 다른 쪽에 대해 1/4파장의 길이 범위 내에서 이동시키도록 상기 액추에이터를 제어하도록 했으므로, 슬러그의 이동 범위를 종래보다도 1/4파장 짧게 할 수 있고, 그 만큼 마이크로파 도입 기구를 소형화할 수 있으며, 마이크로파 플라즈마원의 콤팩트화에 기여한다.
상기 본 발명의 제 2 관점에 따르면, 슬러그 튜너로서, 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터를 갖는 것을 이용하고, 상기 한 쌍의 슬러그를 고순도 알루미나로 구성했지만, 고순도 알루미나는 유전율이 높기 때문에, 슬러그의 두께를 석영이나 수지보다도 얇게 할 수 있고, 그 만큼 마이크로파 도입 기구를 소형화할 수 있다. 또한, 이와 같이 유전율이 높기 때문에, 부하 정합 범위를 넓게 할 수 있다. 또한, tanδ이 작으므로, 손실이 적어지고, 왜곡도 작다고 하는 이점도 얻어진다.
상기 본 발명의 제 3 관점에 의하면, 상기 제 1 관점과 마찬가지로, 컨트롤러가, 상기 한 쌍의 슬러그를 동일 간격으로 유지한 채 마이크로파의 1/2파장의 길이 범위내에서 이동시키고, 또한 상기 한 쌍의 슬러그의 어느 한쪽을 다른 쪽에 대해 1/4파장의 길이 범위내에서 이동시키도록 상기 액추에이터를 제어한 후에, 마이크로파 방사 안테나로서, 마이크로파를 방사하는 4개 이상의 슬롯이 균등하게 형성된 평면형상의 슬롯 안테나를 이용하므로, 슬러그의 이동 범위를 종래보다도 1/4파장 짧게 할 수 있는 것에 부가해서, 안테나 근처의 부정합 영역을 없앨 수 있다. 이 때문에, 마이크로파 도입 기구를 더욱 소형화 할 수 있고, 마이크로파 플라즈마원의 콤팩트화에 기여한다.
상기 본 발명의 제 4 관점에 따르면, 1개의 슬러그를 고순도 알루미나로 구성하고, 마이크로파 방사 안테나로서, 마이크로파를 방사하는 4개 이상의 슬롯이 균등하게 형성된 평면형상의 슬롯 안테나를 이용하고, 또한 컨트롤러가, 상기 한 쌍의 슬러그를 동일 간격으로 유지한 채 마이크로파의 1/2파장의 길이 범위내에서 이동시키고, 또한 상기 한 쌍의 슬러그의 어느 한쪽을 다른 쪽에 대해 1/4파장의 길이 범위 내에서 이동시키도록 상기 액추에이터를 제어하므로, 상기 제 1 관점과 제 2 관점의 효과가 복합된 것으로 되고, 마이크로파 도입 기구를 더욱 소형화할 수 있으며, 마이크로파 플라즈마원을 더욱 더 콤팩트화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 도입 기구를 갖는 마이크로파 플라즈마원이 탑재된 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 마이크로파 플라즈마원의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 3은 메인 앰프의 회로구성의 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서의 마이크로파 도입 기구를 나타내는 단면도이다.
도 5는 평면 슬롯 안테나의 바람직한 형태를 나타내는 평면도이다.
도 6은 사각형상의 천판을 갖는 안테나부를 나타내는 사시도이다.
도 7은 종래의 슬러그에 의한 임피던스 조정시의 슬러그의 가동 범위를 설명하기 위한 스미스 차트이다.
도 8은 종래의 슬러그에 의한 임피던스 조정시의 슬러그의 가동 범위를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 있어서의 슬러그에 의한 임피던스 조정시의 슬러그의 가동 범위를 설명하기 위한 스미스 차트(Smith Chart)이다.
도 10은 본 발명에 있어서의 슬러그에 의한 임피던스 조정시의 슬러그의 가동 범위를 나타내는 도면이다.
도 11은 슬러그의 재질에 의한 정합범위를 나타내는 스미스 차트이다.
도 12는 종래의 마이크로파 도입 기구에 있어서의 안테나부 근처의 부정합 영역을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 도입 기구를 갖는 마이크로파 플라즈마원이 탑재된 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 마이크로파 플라즈마원의 구성을 나타내는 구성도이다.
플라즈마 처리 장치(100)는 웨이퍼에 대해 플라즈마 처리로서, 예를 들면, 에칭 처리를 실시하는 플라즈마 에칭 장치로서 구성되어 있고, 기밀하게 구성된 알루미늄 또는 스테인리스강 등의 금속재료로 이루어지는 대략 원통형상의 접지된 챔버(1)와, 챔버(1)내에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원(2)을 갖고 있다. 챔버(1)의 상부에는 개구부(1a)가 형성되어 있고, 마이크로파 플라즈마원(2)은 이 개구부(1a)로부터 챔버(1)의 내부를 향하도록 마련되어 있다.
챔버(1)내에는 피처리체인 웨이퍼 W를 수평으로 지지하기 위한 서셉터(11)가 챔버(1)의 바닥부 중앙에 절연부재(12a)를 사이에 두고 세워 마련된 통형상의 지지 부재(12)에 의해 지지된 상태로 마련되어 있다. 서셉터(11) 및 지지 부재(12)를 구성하는 재료로서는 표면을 알루마이트 처리(양극 산화 처리)한 알루미늄 등이 예시된다.
또한, 도시는 하지 않고 있지만, 서셉터(11)에는 웨이퍼 W를 정전 흡착하기 위한 정전 척, 온도 제어 기구, 웨이퍼 W의 이면에 열전달용의 가스를 공급하는 가스유로, 및 웨이퍼 W를 반송하기 위해 승강하는 승강 핀 등이 마련되어 있다. 또한, 서셉터(11)에는 정합기(13)를 사이에 두고 고주파 바이어스 전원(14)이 전기적으로 접속되어 있다. 이 고주파 바이어스 전원(14)으로부터 서셉터(11)에 고주파 전력이 공급됨으로, 웨이퍼 W측에 이온이 인입된다.
챔버(1)의 바닥부에는 배기관(15)이 접속되어 있고, 이 배기관(15)에는 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(16)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기 장치(16)를 작동시킴으로써 챔버(1)내가 배기되고, 챔버(1)내가 소정의 진공도까지 고속으로 감압하는 것이 가능하게 되어 있다. 또한, 챔버(1)의 측벽에는 웨이퍼 W의 반입 반출을 실행하기 위한 반입출구(17)와, 이 반입출구(17)를 개폐하는 게이트밸브(18)가 마련되어 있다.
챔버(1)내의 서셉터(11)의 위쪽 위치에는 플라즈마 에칭을 위한 처리 가스를 웨이퍼 W를 향해 토출하는 샤워 플레이트(20)가 수평으로 마련되어 있다. 이 샤워 플레이트(20)는 격자형상으로 형성된 가스 유로(21)와, 이 가스 유로(21)에 형성된 복수의 가스 토출 구멍(22)을 갖고 있고, 격자형상의 가스 유로(21) 사이는 공간부(23)로 되어 있다. 이 샤워 플레이트(20)의 가스 유로(21)에는 챔버(1)의 외측으로 연장하는 배관(24)이 접속되어 있고, 이 배관(24)에는 처리 가스 공급원(25)이 접속되어 있다.
한편, 챔버(1)의 샤워 플레이트(20)의 위쪽 위치에는 링형상의 플라즈마 가스 도입 부재(26)가 챔버 벽을 따라 마련되어 있고, 이 플라즈마 가스 도입 부재(26)에는 내주에 복수의 가스 토출 구멍이 마련되어 있다. 이 플라즈마 가스 도입 부재(26)에는 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급원(27)이 배관(28)을 통해 접속되어 있다. 플라즈마 가스로서는 Ar 가스 등의 희가스가 바람직하게 이용된다.
플라즈마 가스 도입 부재(26)로부터 챔버(1)내에 도입된 플라즈마 가스는 마이크로파 플라즈마원(2)으로부터 챔버(1)내에 도입된 마이크로파에 의해 플라즈마화되고, 이 Ar 플라즈마가 샤워 플레이트(20)의 공간부(23)를 통과하고 샤워 플레이트(20)의 가스 토출 구멍(22)으로부터 토출된 처리 가스를 여기하여, 처리 가스의 플라즈마를 형성한다.
마이크로파 플라즈마원(2)은 챔버(1)의 상부에 마련된 지지 링(29)에 의해 지지되어 있고, 이들 사이는 기밀하게 시일되어 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 마이크로파 플라즈마원(2)은 복수 경로로 분배해서 마이크로파를 출력하는 마이크로파 출력부(30)와, 마이크로파 출력부(30)로부터 출력된 마이크로파를 챔버(1)에 보내고, 챔버(1)내에 방사하기 위한 안테나 유닛(40)을 갖고 있다.
마이크로파 출력부(30)는 전원부(31)와, 마이크로파 발진기(32)와, 발진된 마이크로파를 증폭하는 앰프(33)와, 증폭된 마이크로파를 복수로 분배하는 분배기(34)를 갖고 있다.
마이크로파 발진기(32)는 소정 주파수(예를 들면, 2.45㎓)의 마이크로파를, 예를 들면, PLL 발진시킨다. 분배기(34)에서는 마이크로파의 손실이 가능한 한 일어나지 않도록, 입력측과 출력측의 임피던스 정합을 취하면서 앰프(33)에서 증폭된 마이크로파를 분배한다. 또, 마이크로파의 주파수로서는 2.45㎓ 이외에, 8.35㎓, 5.8㎓, 1.98㎓ 등을 이용할 수 있다.
안테나 유닛(40)은 분배기(34)에서 분배된 마이크로파를 보내는 복수의 안테나 모듈(41)을 갖고 있다. 각 안테나 모듈(41)은 분배된 마이크로파를 주로 증폭하는 앰프부(42)와, 마이크로파 도입 기구(43)를 갖고 있다. 또한, 마이크로파 도입 기구(43)는 임피던스를 정합시키기 위한 튜너(44)와, 증폭된 마이크로파를 챔버(1)내에 방사하는 안테나부(45)를 갖고 있다. 그리고, 이와 같이 마이크로파 도입 기구(43)의 안테나부(45)로부터 챔버(1)내에 마이크로파를 방사하여 챔버내 공간에서 마이크로파를 합성하도록 되어 있다. 앰프부(42)는 위상기(46)와, 가변 이득 앰프(47)와, 솔리드 스테이트 앰프(Solid State Amplifier)를 구성하는 메인 앰프(48)와, 아이솔레이터(49)를 갖고 있다.
위상기(46)는 슬러그 튜너에 의해 마이크로파의 위상을 변화시킬 수 있도록 구성되어 있고, 이것을 조정하는 것에 의해 방사 특성을 변조시킬 수 있다. 예를 들면, 각 안테나 모듈마다 위상을 조정하는 것에 의해 지향성을 제어하여 플라즈마 분포를 변화시키는 것이나, 후술하는 바와 같이 인접하는 안테나 모듈에 있어서 90°씩 위상을 어긋나게 하여 원(圓) 편파를 얻을 수 있다. 단, 이와 같은 방사 특성의 변조가 불필요한 경우에는 위상기(46)는 마련할 필요는 없다.
가변 이득 앰프(47)는 메인 앰프(48)에 입력하는 마이크로파의 전력 레벨을 조정하고, 개개의 안테나 모듈의 편차를 조정 또는 플라즈마 강도 조정을 위한 앰프이다. 가변 이득 앰프(47)를 각 안테나 모듈마다 변화시키는 것에 의해서, 발생하는 플라즈마에 분포를 생기게 할 수도 있다.
솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(48)는, 예를 들면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 입력 정합 회로(61)와, 반도체 증폭 소자(62)와, 출력 정합 회로(63)와, 고Q 공진 회로(64)를 갖는 구성으로 할 수 있다. 반도체 증폭 소자(62)로서는 E급 동작이 가능하게 되는 GaAs HEMT(High Electron Mobility Transistor), GaN HEMT, LD(Laterally Diffused)-MOS(metal oxide semiconductor)를 이용할 수 있다. 특히, 반도체 증폭 소자(62)로서, GaNHEMT를 이용한 경우에는 가변 이득 앰프(47)는 일정값이 되고, E급 동작 앰프의 전원 전압을 가변으로 하며, 파워 제어를 실행한다.
아이솔레이터(Isolator)(49)는 안테나부(45)에서 반사하여 메인 앰프(48)을 향하는 반사 마이크로파를 분리하는 것이며, 써큘레이터(Circulator)와 더미 로드 (dummy load) (동축 종단기)를 갖고 있다. 써큘레이터는 안테나부(45)에서 반사한 마이크로파를 더미 로드로 보내고, 더미 로드는 써큘레이터에 의해서 보내진 반사 마이크로파를 열로 변환한다.
본 실시예에서는 복수의 안테나 모듈(41)을 마련하고, 각 안테나 모듈의 마이크로파 도입 기구(43)로부터 챔버(1)내에 도입한 마이크로파를 공간 합성하므로, 아이솔레이터(49)는 소형의 것이어도 좋고, 메인 앰프(48)에 인접해서 마련하는 것이 가능하다.
다음으로, 마이크로파 도입 기구(43)에 대해, 도 4를 참조하면서, 상세하게 설명한다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 이 마이크로파 도입 기구(43)는 본체 용기(50)를 갖고 있다. 그리고, 본체 용기(50)의 선단부에 안테나부(45)가 배치되고, 본체 용기(50)의 안테나부(45)보다도 기단측의 부분이 튜너(44)에 의한 임피던스 조정 범위로 되어 있다. 본체 용기(50)는 금속제이며 원통 형상을 이루고 있으며, 동축관의 외측 도체를 구성하고 있다. 또한, 본체 용기(50)내에는 동축관의 내측 도체(52)가 수직으로 연장되어 있다. 이 내측 도체(52)는 봉형상 또는 통형상으로 형성되어 있다. 그리고, 본체 용기(50)와 내측 도체(52) 사이에 마이크로파 전송로가 형성된다.
안테나부(45)는 평면형상을 이루고 슬롯(51a)을 갖는 평면 슬롯 안테나(51)를 갖고 있으며, 상기 내측 도체(52)는 이 평면 슬롯 안테나(51)의 중심부에 접속되어 있다.
본체 용기(50)의 기단측에는 도시하지 않은 급전 변환부가 부착되어 있고, 급전 변환부는 동축 케이블을 거쳐서 메인 앰프(48)에 접속되어 있으며, 동축 케이블의 도중에는 아이솔레이터(49)가 개재되어 있다. 메인 앰프(48)는 파워 앰프이며 대전력을 취급하므로, E등급 고효율의 동작을 하지만, 그 열은 수 십∼수 백W에 상당하기 때문에 방열의 관점에서 안테나부(45)에 직렬로 장착한다.
안테나부(45)는 평면 슬롯 안테나(51)의 상면에 마련된 지파재(Wave Retardation Member)(55)를 갖고 있다. 지파재(55)는 진공보다도 큰 유전율을 갖고 있으며, 예를 들면, 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 (Polytetrafluoroethylene)등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지로 구성되어 있고, 진공 중에 있어서의 마이크로파의 파장보다도 그 파장을 짧게 하여 플라즈마를 조정하는 기능을 갖고 있다. 지파재(55)는 그 두께에 의해 마이크로파의 위상을 조정할 수 있고, 평면 슬롯 안테나(51)가 정재파의 배(倍)가 되도록 그 두께를 조정한다. 이것에 의해, 반사가 최소이고, 평면 슬롯 안테나(51)의 방사 에너지가 최대로 되도록 할 수 있다.
또한, 평면 슬롯 안테나(51)의 하면에는 진공 시일을 위한 유전체 부재, 예를 들면, 석영이나 세라믹스 등으로 이루어지는 천판(56)이 배치되어 있다. 그리고, 메인 앰프(48)에서 증폭된 마이크로파가 내측 도체(52)와 본체 용기(50)의 둘레 벽의 사이를 통과하여 평면 슬롯 안테나(51)의 슬롯(51a)으로부터 천판(56)을 투과해서 챔버(1)내의 공간에 방사된다.
본 실시예에서는 슬롯(51a)은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 분할된 원호의 형상으로 4개 균등하게 형성되어 있다. 이것에 의해, 원주방향으로 대략 균일한 슬롯(51a)이 형성되므로, 전파해 온 마이크로파가 평면 슬롯 안테나(51)에서 반사되는 것이 억제되고, 후술하는 바와 같이, 부정합 영역을 감소시키거나 또는 실질적으로 없앨 수 있다. 이 슬롯(51a)은 그 자체의 길이를 저감할 수 있고 콤팩트화할 수 있기 때문에 부채형의 것이 바람직하다. 또한, 천판(56)은, 도 6에 나타내는 바와 같이, 네모난 형상(직방체), 혹은 본체 용기(50)보다도 직경이 큰 둥근 형상(원주)인 것이 바람직하다. 이것에 의해, 마이크로파를 TE 모드로 효율적으로 방사시킬 수 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 튜너(44)는 본체 용기(50)의 안테나부(45)보다 기단측의 부분에, 2개의 슬러그(Slug)(58)를 갖고, 슬러그 튜너를 구성하고 있다. 슬러그(58)는 유전체로 이루어지는 판형상체로서 구성되어 있고, 내측 도체(52)와 본체 용기(50)의 외벽 사이에 원환상으로 마련되어 있다. 그리고, 컨트롤러(60)로부터의 명령에 의거하여 액추에이터(59)에 의해 이들 슬러그(58)를 상하이동시키는 것에 의해 임피던스를 조정하도록 되어 있다. 컨트롤러(60)는 종단이, 예를 들면, 50Ω이 되도록 임피던스 조정을 실행시킨다. 2개의 슬러그(58) 중, 한쪽만을 움직이면, 스미스 차트의 원점을 통과하는 원의 궤적을 그리고, 양쪽 동시에 움직이면 반사 계수의 위상만이 회전한다. 본 실시예에서는, 후술하는 바와 같이, 컨트롤러(60)의 알고리즘에 의해 슬러그(58)의 동작을 제어하는 것에 의해, 마이크로파의 관내 파장을 λ로 한 경우에, 한 쌍의 슬러그를 동시에 이동시키는 범위를 λ/2로 하고, 한쪽을 고정시키고 다른 쪽을 이동시키는 범위를 λ/4로 하는 것에 의해, 모든 영역에 있어서 임피던스 조정을 실행하도록 할 수 있다. 이것에 의해, 후술하는 바와 같이, 한 쌍의 슬러그(58)의 전체 이동 범위를 (3/4)λ로 할 수 있어서, 종래보다도 슬러그(58)의 이동 범위를 λ/4 작게 할 수 있다.
본 실시예에서는, 슬러그(58)를 구성하는 유전체로서 고순도 알루미나(high-purity alumina)를 이용하고 있다. 고순도 알루미나는 비유전률이 10이며, 종래부터 사용되고 있는 석영의 3.88이나 테프론(등록상표)의 2.03보다도 훨씬 높기 때문에, 더욱 얇게 할 수 있고, 정합범위를 넓힐 수 있다. 또한, 고순도 알루미나는 석영이나 테프론(등록상표)에 비해 tanδ이 작고 손실을 작게 할 수 있으며, 왜곡도 작다. 또한, 고순도 알루미나는 열에 강하다. 고순도 알루미나로서는 순도 99.9% 이상의 알루미나 소결(燒結)체인 것이 바람직하다. 구체적인 상품명으로서는 SAP PHAL(코바렌트 머티리얼 주식회사(COVALENT MATERIALS CORP)제)를 들 수 있다. 단결정 알루미나(사파이어)라도 좋다.
본 실시예에 있어서, 메인 앰프(48)와, 튜너(44)와, 평면 슬롯 안테나(51)는 근접 배치하고 있다. 그리고, 튜너(44)와 평면 슬롯 안테나(51)는 1/2파장내에 존재하는 집중 정수 회로를 구성하고 있고, 또한 이들은 공진기로서 기능한다.
플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 각 구성부는 마이크로 프로세서를 구비한 제어부(70)에 의해 제어되도록 되어 있다. 제어부(70)는 프로세스 레시피를 기억한 기억부나, 입력 수단 및 디스플레이 등을 구비하고 있으며, 선택된 레시피에 따라 플라즈마 처리 장치를 제어하도록 되어 있다.
다음으로, 이상과 같이 구성되는 플라즈마 처리 장치의 동작에 대해 설명한다. 우선, 웨이퍼 W를 챔버(1)내에 반입하고, 서셉터(11)상에 탑재한다. 그리고, 플라즈마 가스 공급원(27)으로부터 배관(28) 및 플라즈마 가스 도입 부재(26)를 거쳐서 챔버(1)내에 플라즈마 가스, 예를 들면, Ar 가스를 도입하면서, 마이크로파 플라즈마원(2)으로부터 마이크로파를 챔버(1)내에 도입하여 플라즈마를 형성한다.
다음으로, 처리 가스, 예를 들면, Cl2 가스 등의 에칭 가스가 처리 가스 공급원(25)으로부터 배관(24) 및 샤워 플레이트(20)를 거쳐서 챔버(1)내에 토출된다. 토출된 처리 가스는 샤워 플레이트(20)의 공간부(23)를 통과해 온 플라즈마에 의해 여기되어 플라즈마화되고, 이와 같이 형성된 처리 가스의 플라즈마에 의해 웨이퍼 W에 플라즈마 처리, 예를 들면, 에칭 처리가 실시된다.
이 경우, 마이크로파 플라즈마원(2)에서는 마이크로파 출력부(30)의 마이크로파 발진기(32)로부터 발진된 마이크로파는 앰프(33)에서 증폭된 후, 분배기(34)에 의해 복수로 분배되고, 분배된 마이크로파는 안테나 유닛(40)에 있어서 복수의 안테나 모듈(41)로 보내진다. 안테나 모듈(41)에 있어서는 이와 같이 복수로 분배된 마이크로파를, 솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(48)에서 개별적으로 증폭하고, 마이크로파 도입 기구(43)의 마이크로파 전송로(53)를 통과하여 평면 슬롯 안테나(51)로부터 개별적으로 방사하고, 챔버(1)내에 도입한 후, 이들을 공간에서 합성하므로, 대형의 아이솔레이터나 합성기가 불필요하게 된다. 또한, 마이크로파 도입 기구(43)는 안테나부(45)와 튜너(44)가 일체로 되어 마련되어 있으므로 콤팩트하다. 또한, 메인 앰프(48), 튜너(44) 및 평면 슬롯 안테나(51)가 근접해서 마련되고, 특히, 튜너(44)와 평면 슬롯 안테나(51)는 집중 정수 회로를 구성하고, 또한 공진기로서 기능하는 것에 의해, 임피던스 부정합이 존재하는 평면 슬롯 안테나 부착 부분에 있어서 튜너(44)에 의해 플라즈마를 포함시켜 고밀도로 튜닝할 수 있고, 반사의 영향을 확실하게 해소할 수 있다.
또한, 이와 같이 튜너(44)와 평면 슬롯 안테나(51)가 근접하여, 집중 정수 회로를 구성하고 또한 공진기로서 기능하는 것에 의해, 평면 슬롯 안테나(51)에 이르기까지의 임피던스 부정합을 고밀도로 해소할 수 있고, 실질적으로 부정합 부분을 플라즈마 공간으로 할 수 있으므로, 튜너(44)에 의해 고밀도의 플라즈마 제어가 가능하게 된다. 또한, 평면 슬롯 안테나(51)에 장착하는 천판(56)을 사각형상 또는 원주형상으로 하는 것에 의해, 마이크로파를 TE파로서 고효율로 방사할 수 있다.
그런데, 마이크로파 도입 기구(43)는 튜너(44)의 슬러그(58)를 이동해서 임피던스 조정을 실행하는 관계상, 슬러그(58)의 이동 마진분의 길이를 확보할 필요가 있다. 종래에는 마이크로파의 관내 파장을 λ로 한 경우에, 한 쌍의 슬러그(58)를 동시에 λ/2의 범위내에서 이동시키는 것에 의해, 도 7에서 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 스미스 차트상의 A점의 반사 계수의 위상을 360˚ 변화시킬 수 있고(파선으로 나타내는 원 B의 궤적), 또한, 한쪽의 슬러그(58)만을 다른 쪽에 대해 λ/2의 범위내에서 이동시키는 것에 의해, 원점 및 A점을 통과하는 원 C를 그리게 할 수 있으므로, 이들 조합에 의해 모든 점에 있어서의 임피던스 조정을 실행하고 있었다. 따라서, 도 8에 나타내는 바와 같이, 한 쌍의 슬러그(58)의 가동 범위는 λ/2+λ/2=λ로 된다.
이에 대해, 본 실시예에서는 한쪽의 슬러그(58)에 대한 다른 한쪽의 슬러그(58)의 가동 범위를 λ/4로 절반으로 한다. 구체적으로는, 예를 들면, 도 7의 원 C상의 가동 범위를 도 9의 사선으로 나타내는 범위로 한다. 이 경우에, A점은 원 C의 가동 범위 외에 있기 때문에, 예를 들면, 컨트롤러(60)는 A점과 원점을 지나는 원으로서 C′의 원을 선택하도록 동작한다. 이와 같이 하면 A점은 원 C′상의 가동 범위를 따라 원점까지 이동 가능하고, λ/4의 가동 범위에서 임피던스 조정할 수 있다. 따라서, 도 10에 나타내는 바와 같이, 한 쌍의 슬러그(58)의 가동 범위는 λ/2+λ/4=(3/4)λ로 되고, 종래보다도 λ/4만큼 슬러그(58)의 가동 범위를 짧게 할 수 있다. 이 때문에, 그 분만큼 마이크로파 도입 기구(43)의 본체 용기(50)의 길이를 짧게 할 수 있고, 이것에 의해, 마이크로파 플라즈마원(2)의 가일층의 콤팩트화를 달성할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 슬러그(58)를 구성하는 유전체로서 유전율이 높은 고순도 알루미나를 이용하고 있으므로, 슬러그(58)를 더욱 얇은 것으로 할 수 있다. 즉, 슬러그(58)의 두께 d는 마이크로파의 실효 파장(슬러그(58) 중에서의 마이크로파의 파장)을 λg로 하면 d=λg/4이지만, 공기 중의 마이크로파의 파장을 λ, 슬러그의 비유전률을 εr로 하면 λg=λ/εr 1 /2이기 때문에, 슬러그(58)는 비유전률이 높을수록 얇게 할 수 있지만, 고순도 알루미나는 비유전률이 10이며, 종래부터 사용되고 있는 석영의 3.88이나 테프론(등록상표)의 2.03보다도 훨씬 높기 때문에, 얇은 것으로 할 수 있으며, 종래의 석영제의 슬러그의 2/3정도의 두께로 할 수 있다. 구체적으로는 석영제 슬러그에서는 두께가 16㎜이었던 것을 10㎜로 할 수 있다. 이 때문에, 결과적으로 마이크로파 도입 기구(43)의 본체 용기(50)의 길이를 12㎜ 정도로 짧게 할 수 있고, 그 만큼 마이크로파 플라즈마원(2)을 콤팩트화할 수 있다.
또한, 이와 같이 유전율이 높은 재료를 이용하는 것에 의해, 정합 범위를 넓힐 수 있다. 도 11은 분포 정수 회로의 계산 방법으로 계산한 각 재료의 슬러그를 이용한 경우의 부하 정합 범위를 나타내는 스미스 차트이지만, 고순도 알루미나를 이용한 경우에, 석영이나 테프론(등록상표)을 이용한 경우보다도 부하 정합 범위가 커지고, 조정 마진을 넓힐 수 있다.
슬러그(58)의 유전율이 커지면 감쇠 정수가 커지므로, 손실이 커질 염려가 있지만, 슬러그의 두께 자체를 얇게 할 수 있으므로, 이것에 의해 손실이 상쇄된다. 또한, 고순도 알루미나는 tanδ이 작으므로, 전체적으로 보면, 석영이나 테프론(등록상표)보다도 손실을 작게 할 수 있다. 구체적으로는 종래의 석영제의 슬러그의 경우, 매칭 가능한 정재파비(VSWR)가 최대 20 정도인 것에 반해, 슬러그에 고순도 알루미나를 이용하는 것에 의해 70 정도로 상승시키는 것이 가능하게 된다.
또한, 고순도 알루미나는 석영이나 테프론(등록상표)에 비해 열에 강한다고 하는 이점도 있고, 1500℃라는 고온에서도 변형 등이 발생하지 않는다.
또한, 본 실시예에 있어서는 슬롯 안테나(51)의 슬롯(51a)이 4개 균등하게 형성되어 있으므로, 마이크로파를 더욱 균등하게 방사할 수 있고, 결과적으로 안테나부(45) 직근의 부정합 영역을 감소시키거나 또는 없앨 수 있다. 즉, 2개의 슬롯을 마련한 경우에는 평면 슬롯 안테나(51)로부터의 마이크로파의 방사 균일성이 반드시 높지 않아, 도 12에 나타내는 바와 같이, 본체 용기(50)의 안테나부(45)의 직근의 λ/4의 영역은 부정합 영역으로 되고, 이 부정합 영역은 슬러그(58)에 의한 임피던스 조정에는 이용할 수 없었지만, 슬롯(51a)을 4개 균등하게 형성하는 것에 의해, 이 부정합 영역을 감소시키거나 또는 없앨 수 있고, 그 영역을 슬러그(58)에 의한 임피던스 조정에 이용할 수 있다. 따라서, 마이크로파 도입 기구(43)의 본체 용기(50)의 길이를 또한 최대 λ/4 짧게 할 수 있고, 그 만큼 마이크로파 플라즈마원(2)을 콤팩트화할 수 있다.
이상과 같이, 슬러그(58)의 이동을 컨트롤러(60)의 알고리즘으로 제어하는 것에 의해, 마이크로파 도입 기구(43)의 본체 용기(50)의 길이를 λ/4 짧게 할 수 있고, 또한, 슬러그(58)를 구성하는 재료를 고순도 알루미나로 하는 것에 의해, 종래의 석영제의 슬러그를 이용한 경우보다도 본체 용기(50)의 길이를 12㎜ 정도 짧게 할 수 있으며, 또한, 평면 슬롯 안테나(51)의 슬롯(51a)을 4개 균등하게 마련하는 것에 의해, 본체 용기(50)의 길이를 최대 λ/4 짧게 할 수 있으므로, 이들 중의 단독으로 마이크로파 플라즈마원(2)의 콤팩트화를 도모할 수 있는 것은 물론, 이들 중의 어느 2개 또는 3개 전부를 조합하는 것에 의해, 이들 효과의 조합으로, 마이크로파 플라즈마원(2)을 더욱 콤팩트화할 수 있다. 특히, 이들 3개를 조합한 경우에는 λ가 12.2㎝이기 때문에, 본체 용기(50)의 길이를 최대 7.3㎝ 짧게 할 수 있다.
또, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상의 범위내에 있어서 각종 변형 가능하다. 예를 들면, 마이크로파 출력부(30)의 회로구성이나 안테나 유닛(40), 메인 앰프(48)의 회로구성 등은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로는, 평면 슬롯 안테나로부터 방사되는 마이크로파의 지향성 제어를 실행하거나 원 편파로 할 필요가 없는 경우에는 위상기는 불필요하다. 또한, 안테나 유닛(40)은 반드시 복수의 안테나 모듈(41)로 구성할 필요는 없고, 리모트 플라즈마 등, 작은 플라즈마원으로 충분한 경우에는 1개의 안테나 모듈로 충분하다.
또한, 상기 실시예에서는 슬러그(58)의 이동을 컨트롤러(60)로 제어하는 것에 의한 본체 용기(50)의 길이의 단축, 슬러그(58)을 구성하는 재료를 고순도 알루미나로 하는 것에 의한 본체 용기(50)의 길이의 단축, 평면 슬롯 안테나(51)의 슬롯(51a)을 4개 균등하게 마련한 것에 의한 본체 용기(50)의 길이의 단축을 모두 실행하고 있지만, 이들 중의 단독 또는 이들 중의 어느 2개를 실행하도록 해도 좋다. 이들 경우에는 나머지 요건은 종래와 마찬가지로 할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 안테나(51)의 슬롯(51a)을 4개 균등하게 마련한 경우에 대해 나타냈지만, 5개 이상 균등하게 마련해도 좋고, 효율은 약간 저하하지만 1∼3개 마련해도 좋다. 또한, 평면 슬롯 안테나(51)에 형성되는 슬롯은 그 자체의 길이를 줄임으로써 콤팩트화하기 위해 부채형이 바람직하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 실시예에 있어서는 플라즈마 처리 장치로서 에칭 처리 장치를 예시했지만, 이것에 한정되지 않고, 성막 처리, 산 질화막 처리, 애싱 처리 등의 다른 플라즈마 처리에도 이용할 수 있다. 또한, 피처리 기판은 반도체 웨이퍼 W에 한정되지 않으며, LCD(액정 모니터)용 기판으로 대표되는 FPD(플랫 패널 디스플레이) 기판이나, 세라믹스 기판 등의 다른 기판이어도 좋다.

Claims (26)

  1. 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원에 이용하는 마이크로파 도입 기구로서,
    통형상을 이루는 본체 용기와,
    상기 본체 용기내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측 도체와,
    상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와,
    상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부
    를 구비하고,
    상기 튜너는 상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터와, 슬러그의 이동을 제어하는 컨트롤러를 갖고,
    상기 컨트롤러는 상기 한 쌍의 슬러그를 동일 간격으로 유지한 채 마이크로파의 1/2파장의 길이 범위내에서 이동시키고, 또한 상기 한 쌍의 슬러그의 어느 한쪽을 다른 쪽에 대해 1/4파장의 길이 범위내에서 이동시키도록 상기 액추에이터를 제어하는 마이크로파 도입 기구.

  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 슬러그는 고순도 알루미나로 구성되어 있는 마이크로파 도입 기구.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 방사 안테나는 마이크로파를 방사하는 슬롯이 형성된 평면형상의 슬롯 안테나인 마이크로파 도입 기구.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 슬롯은 부채형을 갖는 마이크로파 도입 기구.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 안테나로부터 방사된 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어지는 천판(天板)과, 상기 안테나의 천판과는 반대측에 마련되고, 상기 안테나에 도달하는 마이크로파의 파장을 짧게 하는 유전체로 이루어지는 지파재(遲波材)를 갖는 마이크로파 도입 기구.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜너와 상기 안테나는 집중 정수 회로를 구성하고 있는 마이크로파 도입 기구.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜너와 상기 안테나는 공진기로서 기능하는 마이크로파 도입 기구.
  8. 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원에 이용하는 마이크로파 도입 기구로서,
    통형상을 이루는 본체 용기와,
    상기 본체 용기내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측 도체와,
    상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와,
    상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부
    를 구비하고,
    상기 마이크로파 방사 안테나는 마이크로파를 방사하는 4개 이상의 슬롯이 균등하게 형성된 평면형상의 슬롯 안테나이고,
    상기 튜너는 상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터를 갖고,
    상기 한 쌍의 슬러그는 고순도 알루미나로 구성되어 있는 마이크로파 도입 기구.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 슬롯은 부채형을 갖는 마이크로파 도입 기구.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 안테나로부터 방사된 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어지는 천판과, 상기 안테나의 천판과는 반대측에 마련되고, 상기 안테나에 도달하는 마이크로파의 파장을 짧게 하는 유전체로 이루어지는 지파재를 갖는 마이크로파 도입 기구.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 튜너와 상기 안테나는 집중 정수 회로를 구성하고 있는 마이크로파 도입 기구.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 튜너와 상기 안테나는 공진기로서 기능하는 마이크로파 도입 기구.
  13. 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원에 이용하는 마이크로파 도입 기구로서,
    통형상을 이루는 본체 용기와,
    상기 본체 용기 내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측 도체와,
    상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와,
    상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부
    를 구비하고,
    상기 마이크로파 방사 안테나는 마이크로파를 방사하는 4개 이상의 슬롯이 균등하게 형성된 평면형상의 슬롯 안테나이고,
    상기 튜너는 상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터와, 슬러그의 이동을 제어하는 컨트롤러를 갖고,
    상기 컨트롤러는 상기 한 쌍의 슬러그를 동일 간격으로 유지한 채 마이크로파의 1/2파장의 길이 범위내에서 이동시키고, 또한 상기 한 쌍의 슬러그의 어느 한쪽을 다른 쪽에 대해 1/4파장의 길이 범위내에서 이동시키도록 상기 액추에이터를 제어하는 마이크로파 도입 기구.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 슬롯은 부채형을 갖는 마이크로파 도입 기구.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 안테나로부터 방사된 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어지는 천판과, 상기 안테나의 천판과는 반대측에 마련되고, 상기 안테나에 도달하는 마이크로파의 파장을 짧게 하는 유전체로 이루어지는 지파재를 갖는 마이크로파 도입 기구.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 튜너와 상기 안테나는 집중 정수 회로를 구성하고 있는 마이크로파 도입 기구.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 튜너와 상기 안테나는 공진기로서 기능하는 마이크로파 도입 기구.
  18. 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파를 도입하기 위한 마이크로파 도입 기구로서,
    통형상을 이루는 본체 용기와,
    상기 본체 용기내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측도체와,
    상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와,
    상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부
    를 구비하고,
    상기 마이크로파 방사 안테나는 마이크로파를 방사하는 4개 이상의 슬롯이 균등하게 형성된 평면형상의 슬롯 안테나이고,
    상기 튜너는 상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터와, 슬러그의 이동을 제어하는 컨트롤러를 갖고,
    상기 한 쌍의 슬러그는 고순도 알루미나로 구성되고 있고,
    상기 컨트롤러는 상기 한 쌍의 슬러그를 동일 간격으로 유지한 채 마이크로파의 1/2파장의 길이 범위내에서 이동시키고, 또한 상기 한 쌍의 슬러그의 어느 한쪽을 다른 쪽에 대해 1/4파장의 길이 범위내에서 이동시키도록 상기 액추에이터를 제어하는 마이크로파 도입 기구.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 슬롯은 부채형을 갖는 마이크로파 도입 기구.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 안테나로부터 방사된 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어지는 천판과, 상기 안테나의 천판과는 반대측에 마련되고, 상기 안테나에 도달하는 마이크로파의 파장을 짧게 하는 유전체로 이루어지는 지파재를 갖는 마이크로파 도입 기구.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 튜너와 상기 안테나는 집중 정수 회로를 구성하고 있는 마이크로파 도입 기구.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 튜너와 상기 안테나는 공진기로서 기능하는 마이크로파 도입 기구.
  23. 마이크로파를 생성하는 마이크로파 생성 기구 및 생성된 마이크로파를 챔버 내에 도입하는 마이크로파 도입 기구를 구비하고, 상기 챔버 내에 마이크로파를 도입하여 상기 챔버 내에 공급된 가스를 플라즈마화하는 마이크로파 플라즈마원으로서,
    상기 마이크로파 도입 기구는
    통형상을 이루는 본체 용기와,
    상기 본체 용기내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측도체와,
    상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와,
    상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부
    를 갖고,
    상기 튜너는 상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와,
    이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터와,
    슬러그의 이동을 제어하는 컨트롤러
    를 갖고,
    상기 컨트롤러는 상기 한 쌍의 슬러그를 동일 간격으로 유지한 채 마이크로파의 1/2파장의 길이 범위내에서 이동시키고, 또한 상기 한 쌍의 슬러그의 어느 한쪽을 다른 쪽에 대해 1/4파장의 길이 범위내에서 이동시키도록 상기 액추에이터를 제어하는 마이크로파 플라즈마원.
  24. 마이크로파를 생성하는 마이크로파 생성 기구 및 생성된 마이크로파를 챔버 내에 도입하는 마이크로파 도입 기구를 구비하고, 상기 챔버 내에 마이크로파를 도입하여 상기 챔버 내에 공급된 가스를 플라즈마하는 마이크로파 플라즈마원으로서,
    상기 마이크로파 도입 기구는
    통형상을 이루는 본체 용기와,
    상기 본체 용기내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측 도체와,
    상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와,
    상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부를 갖고,
    상기 마이크로파 방사 안테나는 마이크로파를 방사하는 4개 이상의 슬롯이 균등하게 형성된 평면형상의 슬롯 안테나이고,
    상기 튜너는
    상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와,
    이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터를 갖고,
    상기 한 쌍의 슬러그는 고순도 알루미나로 구성되어 있는 마이크로파 플라즈마원.
  25. 기판에 대해 마이크로파 플라즈마에 의한 처리를 실시하는 마이크로파 플라즈마 장치로서,
    피처리 기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급 기구와,
    마이크로파를 생성하는 마이크로파 생성 기구 및 생성된 마이크로파를 상기 챔버 내에 도입하는 마이크로파 도입 기구를 갖고, 상기 챔버 내에 마이크로파를 도입하여 상기 챔버 내에 공급된 가스를 플라즈마화하는 마이크로파 플라즈마원을 구비하고,
    상기 마이크로파 도입 기구는
    통형상을 이루는 본체 용기와,
    상기 본체 용기내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측도체와,
    상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와,
    상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부를 갖고,
    상기 튜너는 상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터와, 슬러그의 이동을 제어하는 컨트롤러를 갖고,
    상기 컨트롤러는 상기 한 쌍의 슬러그를 동일 간격으로 유지한 채 마이크로파의 1/2파장의 길이 범위내에서 이동시키고, 또한 상기 한 쌍의 슬러그의 어느 한쪽을 다른 쪽에 대해 1/4파장의 길이 범위내에서 이동시키도록 상기 액추에이터를 제어하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  26. 기판에 대해 마이크로파 플라즈마에 의한 처리를 실시하는 마이크로파 플라즈마 장치로서,
    피처리 기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급 기구와,
    마이크로파를 생성하는 마이크로파 생성 기구 및 생성된 마이크로파를 상기 챔버 내에 도입하는 마이크로파 도입 기구를 갖고, 상기 챔버 내에 마이크로파를 도입하여 상기 챔버 내에 공급된 가스를 플라즈마화하는 마이크로파 플라즈마원을 구비하고,
    상기 마이크로파 도입 기구는
    통형상을 이루는 본체 용기와,
    상기 본체 용기내에 동축적으로 마련되고, 상기 본체 용기와의 사이에 마이크로파 전송로를 형성하는 통형상 또는 봉형상을 이루는 내측 도체와,
    상기 마이크로파 전송로에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너와,
    상기 마이크로파 전송로를 전송된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부를 갖고,
    상기 마이크로파 방사 안테나는 마이크로파를 방사하는 4개 이상의 슬롯이 균등하게 형성된 평면형상의 슬롯 안테나이고,
    상기 튜너는 상기 내측 도체를 따라 이동 가능한 한 쌍의 유전체로 이루어지는 슬러그와, 이들 슬러그를 이동시키는 액추에이터를 갖고,
    상기 한 쌍의 슬러그는 고순도 알루미나로 구성되어 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
KR1020107020542A 2008-03-14 2009-03-05 마이크로파 도입 기구, 마이크로파 플라즈마원 및 마이크로파 플라즈마 처리 장치 KR101314485B1 (ko)

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