KR20110074403A - 플라즈마처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대구경의 ICP원 플라즈마처리장치에 있어서, 플라즈마의 균일성 및 착화성을 개선하는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 진공처리실(1) 내에 플라즈마를 생성하여 시료를 플라즈마처리하는 플라즈마처리장치에 있어서, 진공처리실(1) 내에 형성되는 자장의 ECR면으로 우회전하는 유도전장을 형성하는 고주파 유도 안테나를 복수 세트(7, 7')설치하고, 전자 사이클로트론 공명(ECR)현상에 의해 플라즈마를 생성한다. 고주파 유도 안테나와 플라즈마 사이의 용량결합을 차단하여 유도결합시키는 패러데이 시일드(9)에는, 위상 검출기(47-2)에 의한 감시에 의거하여, 위상 제어기(44)로부터 제어를 받은 패러데이 시일드용 고주파 전원(45)으로부터의 출력이 정합기(46)를 거쳐 전원 공급된다. 복수의 필터(49)가, 패러데이 시일드(9)를 다른 부분에서 고주파 전압을 그라운드에 단락시키고 있고, 발생하는 플라즈마생성용 고주파와 동일 주파수를 가지는 불균일한 전압분포의 발생을 방지한다.

Description

플라즈마처리장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 유도 결합형 전자 사이클로트론 공명 플라즈마를 사용한 플라즈마처리장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 미세화에 대응하여, 플라즈마 프로세스에서는, 웨이퍼면 내에서 균일한 처리결과를 실현할 수 있는 프로세스 조건(프로세스 윈도우)이 해마다 좁아지고 있고, 앞으로의 플라즈마처리장치에는, 보다 완전한 프로세스상태의 제어가 요구되고 있다. 이것을 실현하기 위해서는, 플라즈마의 분포나 프로세스 가스의 해리나 리액터 내의 표면 반응을 아주 고정밀도로 제어할 수 있는 장치가 필요하게 된다.
현재, 이들 플라즈마처리장치에 사용되는 대표적인 플라즈마원으로서 고주파유도결합 플라즈마(ICP : Inductively Coupled Plasma : 이하, ICP라 약칭한다)원이 있다. ICP원에서는, 먼저, 고주파 유도 안테나에 흐르는 고주파전류(I)가 안테나의 주위에 유도자장(H)를 발생시키고, 이 유도자장(H)이 유도전장(E)를 형성한다. 이 때, 플라즈마를 발생시키고 싶은 공간에 전자가 존재하면, 그 전자는 유도전장(E)에 의해 구동되고, 가스원자(분자)를 전리하여 이온과 전자의 쌍을 발생시킨다. 이와 같이 하여 발생한 전자는, 원래의 전자와 함께 다시 유도전장(E)에 의해 구동되고, 또한 전리가 생긴다. 최종적으로, 이 전리현상이 설붕(雪崩)적으로 생김으로써 플라즈마가 발생한다. 플라즈마의 밀도가 가장 높아지는 영역은, 플라즈마를 발생시키는 공간 중 유도자장(H)이나 유도전장(E)이 가장 강한 공간, 즉, 안테나에 가장 가까운 공간이다. 또, 이들 유도자장(H)이나 유도전장(E)의 강도는, 고주파 유도 안테나에 흐르는 전류(I)의 선로를 중심으로 하여 거리의 2승으로 감쇠한다는 특성을 가진다. 따라서, 이들 유도자장(H)이나 유도전장(E)의 강도분포, 나아가서는 플라즈마의 분포는, 안테나의 형상에 의해 제어할 수 있다.
이상과 같이 ICP원은, 고주파 유도 안테나를 흐르는 고주파전류(I)에 의해 플라즈마를 발생시킨다. 일반적으로 고주파 유도 안테나의 턴수(감김수)를 크게 하면, 인덕턴스가 증대하여 전류는 내려가나, 전압은 상승한다. 턴수를 내리면, 반대로 전압은 내려가나 전류가 상승한다. ICP원의 설계에서, 어느 정도의 전류 및 전압이 바람직한 것인지는, 플라즈마의 균일성이나 안정성 및 발생효율 등의 관점뿐만 아니라, 기계·전기 공학적 견지에서의 여러가지 이유에 의해 결정된다. 예를 들면, 전류가 증대하는 것은, 발열의 문제나 그것에 의한 전력손실의 문제, 정합회로에 사용하는 가변 콘덴서의 내전류 특성의 문제가 있다. 한편, 전압이 증대하는 것은, 이상방전이나, 고주파 유도 안테나와 플라즈마 사이의 용량결합의 영향, 가변 콘덴서의 내전압 특성의 문제 등이 있다. 그래서, ICP원의 설계자는, 정합회로에 사용하는 가변 콘덴서 등의 전기소자의 내전류 특성 및 내전압 특성이나, 고주파 유도 안테나의 냉각이나 이상방전의 문제 등을 가미하면서, 고주파 유도 안테나의 형상이나 턴수를 결정한다.
이와 같은 ICP원은, 고주파 유도 안테나의 감는 방법이나 형상에 의해 안테나가 만드는 유도자장(H)이나 유도전장(E)의 강도분포, 즉 플라즈마의 분포를 제어할 수 있다는 이점이 있다. 이것에 의거하여, ICP원에서는 여러가지 연구가 진행되어 왔다.
이 실용예로서, ICP원을 이용하여 기판 전극상의 기판을 처리하는 플라즈마처리장치가 있다. 이 플라즈마처리장치에 관하여, 고주파 유도 안테나를, 일부 또는 전부를 다중 소용돌이형의 안테나로 구성하여, 더욱 균일한 플라즈마를 얻음과 함께, 고주파 유도 안테나용 매칭회로의 매칭용 병렬 코일에 의한 전력효율의 저하를 작게 하고, 온도 상승을 작게 하는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
또, 완전히 동일한 복수의 고주파 유도 안테나를, 일정각도마다 병렬하여 설치하는 구조가 제안되어 있다. 예를 들면, 3계통의 고주파 유도 안테나를, 120°피치로 설치함으로써, 둘레방향의 균일성을 향상시키는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조). 이 고주파 유도 안테나는, 세로로 감기거나, 또는 평면으로 감기거나, 또는 돔을 따라 감겨져 있다. 특허문헌 2와 같이, 완전히 동일한 복수의 안테나 요소를, 회로적으로 병렬로 접속하면, 복수의 안테나 요소로 이루어지는 고주파 유도 안테나의 토탈 인덕턴스가 저감된다는 이점도 있다.
또한, 고주파 유도 안테나를, 2개 이상의 동일형상의 안테나 요소를 회로적으로 병렬로 접속하여 구성함과 동시에, 안테나 요소의 중심을 피처리물의 중심과 일치하도록 동심원형상, 또는 방사상으로 배치하고, 각 안테나 요소의 입력단을, 360°를 각 안테나 요소의 수로 나눈 각도 피치로 배치하고, 또한 안테나 요소가 지름방향과 높이방향으로 입체적인 구조를 가지도록 구성하는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 3 참조).
ICP원에 대하여, 전자 사이클로트론 공명(ECR : Electron Cyclotron Resonance ; 이하 ECR이라 약칭한다) 플라즈마원은, 전자에 의한 전자파의 공명흡수를 이용한 플라즈마발생장치로서, 전자에너지의 흡수효율이 높고, 착화성이 우수하고, 고밀도 플라즈마가 얻어진다는 특징이 있다. 현재, 마이크로파(이하, μ파라 한다)(2.45 GHz)나 UHF, VHF대의 전자파를 사용한 것이 고안되어 있다. 방전공간으로의 전자파의 방사는, μ파(2.45 GHz)에서는 도파관 등을 사용한 무전극 방전이, UHF, VHF에서는 전자파를 방사하는 전극과 플라즈마 사이의 용량결합을 사용한 평행 평판형 용량결합 방전이 사용되는 경우가 많다.
고주파 유도 안테나를 사용하여, ECR 현상을 이용한 플라즈마원도 있다. 이것은, 휘슬러파라고도 불리우는 일종의 ECR 현상에 따르는 파(波)에 의해 플라즈마를 생성하는 것이다. 휘슬러파는 헬리콘파라도고 불리우고, 이것을 이용한 플라즈마원은 헬리콘 플라즈마원이라고도 불리운다. 이 헬리콘 플라즈마원의 구성은, 예를 들면, 원통형상의 진공용기의 측면에 고주파 유도 안테나를 감고, 이것에 비교적 낮은 주파수, 예를 들면 13.56 MHz의 고주파 전력을 인가하고, 또한 자장을 인가한다. 이 때, 고주파 유도 안테나는, 13.56 MHz의 일주기 중 절반주기에서는 우방향으로 회전하는 전자를 생성하고, 나머지의 절반주기에서는 좌방향으로 회전하는 전자를 생성한다. 이 2종류의 전자 중, 우방향의 전자와 자장의 상호작용으로 ECR 현상이 생긴다. 단, 이 헬리콘 플라즈마원에서는, ECR 현상이 생기는 시간은 고주파의 절반주기에 한정되는 것, 또, ECR이 발생하는 장소가 분산되어 전자파의 흡수장이 길이 때문에 긴 원통형상의 진공용기가 필요하게 되어 플라즈마의 균일성이 얻어지기 어려운 것, 긴 진공용기에 더하여 플라즈마특성이 계단형상으로 변화되기 때문에 적절한 플라즈마특성(전자온도나 가스의 해리 등)으로 제어하기 어려운 것, 등 몇가지 문제가 있어, 산업용으로는 그다지 적합하지 않다.
이미, 헬리콘 플라즈마원 특유의 세로로 긴 진공용기가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 5 참조). 그러나, 이 문헌에 기재된 기술에서는, 고주파 유도 안테나는 사용되고 있지 않고, 플라즈마와 용량결합하는 패치전극에 부여하는 전압의 위상을 제어하는 방법으로 헬리콘파를 발생하도록 연구되어 있다. 또한, 상기한 바와 같은 플라즈마분포의 제어성이 불리한 점을 보충하도록, 세로로 긴 진공용기에 따라 헬리콘파의 파장의 함수가 되는 간격을 두고, 2세트 이상의 전극군을 설치하도록 연구되어 있다. 그러나, 유도결합 안테나를 사용하든, 용량결합형 패치전극을 사용하든, 헬리콘파를 사용하는 경우 플라즈마의 제어성이 나쁜 세로로 긴 진공용기로부터는 피할 수 없다. 이것은, 특허문헌 5에 잘 반영되어 있다. 또, 이 세로로 긴 진공용기를 사용하여 플라즈마의 제어성을 향상하려고 하면, 매우 복잡한 전극과 자장의 구성을 가질 필요가 있다는 문제도 있고, 이것도 특허문헌 5에 잘 반영되어 있다.
우방향의 전자를 생성하기 위하여, 회전하는 전장을 만들어내는 방법은 복수있다. 간편한 방법으로서는, 상기 특허문헌 5에 기재된 바와 같은 패치 안테나의 방법이 옛날부터 알려져 있고, 패치형상(원형이나 사각형의 작은 면 형상)의 안테나를 원주상에 n개(예를 들면 4개) 나열하고, 방사하고 싶은 전자파의 주파수를 가지는 전압의 위상을 π/n(예를 들면 π/4)씩 어긋나게 하면서 공급하면, 우원편파(右圓偏波)한 전자파를 방출시킬 수 있다.
먼저, 우회전의 전장을 적극적으로 생성하는 방법에 대하여 설명한다. 적극적인 안테나가 있는 경우, 안테나 주변에는 근접장(near field : 전장과 자장의 양쪽)과 원방장(far field : 전자파)이 형성된다. 어떠한 장이 강하게 생성될지 약하게 생성될지는, 안테나의 설계와 사용법에 따라 다르다. 이 때, 플라즈마와 안테나를 용량결합시키면, 플라즈마에 대한 전력수송의 주과정은 전장(근접장)이 된다. 또, 플라즈마와 안테나를 유도결합시키면, 플라즈마에 대한 전력수송의 주과정은 자장(근접장)이 된다. 적극적으로 용량결합도 유도결합도 시키지 않은 경우, 플라즈마에 대한 전력수송의 주과정은 원방장(遠方長) 이용이 된다. 이하, 전자파방사, 전장, 자장에 의한 우회전 전장의 생성방법에 대하여 설명한다.
(1) 전자파 방사(far field : 원방장)
원방장이란 먼쪽으로 전파하는 전자파의 것이다. 이 방법에서는, 적극적으로 우원편파한 전자장을 플라즈마의 생성공간으로 방출하는 경우와, 적극적으로 우원편파시키지 않으나 전자파에 포함되는 우원편파 성분을 이용하는 경우로 나뉘어진다. 상기한 패치 안테나를 n개 나열하는 방법은 전자이며, 종래의 μ파를 사용한 무전극 ECR 방전은 후자의 예이다. 플라즈마와 안테나는 근접장이 방해를 하지 않도록 적극적으로는 결합시키지 않는다. 단지 방사한 전자파를 플라즈마에 입사하고 있을 뿐이다. 패치 안테나 또는 다이폴 안테나(특허문헌 4 참조 : 단, 이 기술은, 적극적으로 전자장을 우회전시키고 있는 것은 아니다) 등의 안테나 전반을 사용할 수 있는 것이 알려져 있다. 즉, 이 방법에서는, 하기 (A), (B), (C)를 말할 수 있다.
(A) 안테나(전극)에는 전력을 가한다. 전자장의 방사효율을 올리기 위하여, 적극적으로 안테나의 공진을 이용하는 경우가 많다. 공진을 이용하지 않으면 전자파의 방사효율이 나쁘기 때문에 실용으로는 하기 어렵다. 방사한 전자파가 적극적으로 플라즈마를 향하는 것은 아니기(기본적으로 먼쪽으로 전파되기 때문에, 여기저기 여러 곳으로 날아간다) 때문에, 플라즈마에 잘 흡수되지는 않고, 대전력 수송에는 사용하기 어렵다. 대전력 수송에는, 전자파의 전파방향이 한정되는 도파관을 사용하는 것이 많다. 단, 도파관의 크기는 전자파의 파장에 의해 결정되기 때문에, μ파 이하의 주파수에서는 도파관 크기가 너무 커지기 때문에, 도파관을 사용하는 경우는 적다.
(B) 도파관이 아니고, 전극(안테나)을 사용하는 경우에는, 전극에 전력을 인가하는 단자가 있다. 전극을 접지하는 단자는 존재하지 않는 경우와 존재하는 경우로 나뉘어진다. 이것은, 안테나의 공진을 어떻게 발생시킬지로 결정된다.
(C) 안테나의 유무에 관계없이, 플라즈마에 방사된 전자장의 침투 한계는 컷오프 밀도(nc)(m-3)로 정하고, 이 경우 전자파는 표피 깊이까지 플라즈마에 침투한다. 표피 깊이는, 200 MHz에서 플라즈마의 저항율을 15Ωm라고 하면 138 mm 이고, 쉬스(수 mm 이하)보다 세로로 길다. 즉, 다음에 설명하는 용량결합의 경우보다 플라즈마 내에 더욱 깊게 침투한다.
전자파의 주파수(f)와 컷오프 밀도(nc)의 관계를 도 30에 나타낸다. μ파 이하의 영역에서는, 컷오프 밀도(nc)는, 산업상에서 사용하는 플라즈마밀도(1015-17 m-3)보다 낮은 것이 일반이다. 즉, μ파 이하의 전자파는, 통상의 플라즈마 중을 자유롭게 전파할 수 없고, 표피 깊이까지 침투한다.
(2) 전장(near field : 근접장)
전장을 생성하기 위해서는, 근접장(전장)을 발생하는 적극적인 전극이 필요하고, 패치전극(예를 들면, 특허문헌 5 참조)이나 평행 평판형 전극 등을 사용할 수 있다. 이 경우는, 전장(전극에 발생하는 전압)이 강하지(높지) 않으면 안되기때문에, 전극의 부하는 고임피던스로 할 필요가 있다. 즉, 여기서 사용되는 전극은, 플라즈마와 용량결합하나, 접지된 부품과는 극력 결합하지 않도록 작성된다. 즉, 이 전극의 일부에서도 접지하거나, 콘덴서나 코일을 접속하여 접지시키는 것은 통상 할 수 없다. 전장은, 근접장이기 때문에, 전극과 플라즈마의 위치관계를 연구함으로써, 대전력을 효율적으로 플라즈마에 수송할 수 있으나, 용량결합을 강하게 하기 위하여, 플라즈마에 대하여 충분한 면적(큰 정전용량)이 필요하게 된다. 전극과 플라즈마의 용량결합을 이용하기 때문에, 안테나(전자파 방사하는 전극)뿐만 아니라, 전자파를 방사하는 능력이 약하여도 단순한 전장(근접장)을 발생하는 전극(용량 결합형 평행 평판 플라즈마원의 전극과 동일)에서도 사용할 수 있다.
이 방법에서는, 이하의 것을 말할 수 있다.
(A) 전극에는 전압을 인가한다. 특히 우원편파를 적극적으로 발생시키는 경우는, 전극에는 위상 제어한 전압을 가한다.
(B) 전극에는 전압을 인가하는 단자만이 있고, 그 밖의 단자, 예를 들면 전극을 접지하는 단자는 존재하지 않는다.
(C) 용량 결합한 전장은, 전자의 집단운동(쉬스)으로 차폐된다. 이 차폐를 방지하기 위해서는, 쉬스의 전장에 수직한 자장을 인가하여 전자의 움직임을 제한 함으로써 가능해진다. 다른 표현에서는, 전자의 움직임을 제한하면, 플라즈마 내에서의 전장의 파장이 연장된다고도 할 수 있다.
(D) 특허문헌 5의 기술에서는, 이하의 의론에 의하여 플라즈마와 용량결합하는 전극을 사용하고 있다고 결론할 수 있다.
(D-1) 고주파신호로서 전압을 이용하고 있는 것. 이것은 고주파의 에너지가 전압, 즉 전장으로 직접 변환되어 플라즈마에 전송되고 있는 것을 의미한다. 이것은, 전극이 플라즈마와 용량 결합하고 있는 것을 나타낸다. 이와 관련하여 말하면, 유도결합을 이용하는 경우, 고주파로서 전류를 이용하지 않으면 안된다. 유도결합은 유도자장에 의해 행하여지나, 유도자장은 전압이 아니고 고주파 전류에 의해 발생하기 때문이다.
(D-2) 전자운동에 의한 차폐현상을 기술하고 있으나, 이것은 전극이 플라즈마와 용량결합하고 있는 것을 의미한다. 이 기술에서 이 차폐를 정자장으로 해소할 수 있다고 하나, 전극이 플라즈마와 용량결합하고 있는 경우만 유효한 수단이다. 왜냐하면, 정자장으로 표피 깊이를 바꾸는 것은 불가능하기 때문이다. 고주파 유도자장은 고주파 유도자장에 의해서만 상쇄할 수 있고, 정자장으로는 해소할 수 없다. 왜냐하면, 자장이란 가산과 감산이 가능한 물리량이나, 정자장(즉 일정값)에 의해 고주파 유도자장(즉 변동값)을 상쇄하는 것은 불가능하다. 플라즈마의 표피 효과 자체, 전자장이 가지는 고주파 자장성분에 의한 차폐효과이고, 표피 효과 자체를 가져오는 것은 플라즈마 내에 발생하는 고주파 유도자장(전류에 의해 인가한 유도자장과 반대의 극성을 가지기 때문에 가산하면 전류에 의해 생긴 유도자장을 상쇄하는 방향으로 작용한다)이다.
(D-3) 인용문헌 5에 사용되고 있는 전극은, 안테나가 아니라고 기술하고 있다. 이것은, 사용되고 있는 전극이 근접장을 주로 이용하고 있는 것 밖에 안된다. 즉, 유도전장이거나 다음에 설명하는 유도자장의 어느 하나이다.
(D-3-1) 인용문헌 5에서는, 도면에 전자파를 방사하는 효율이 나쁜 소면적의 패치형상 전극을 사용하는 것이 나타나 있다. 이것은, 사용되고 있는 전극이 근접장을 주로 이용하고 있는 것 밖에 안되고, 유도전장이거나 다음에 설명하는 유도자장 중 어느 하나이다. 그러나, 전장의 경우 플라즈마와의 결합을 강하게 하기 위해서는 넓은 면적(큰 정전용량)이 필요하게 되는 것에 대하여, 자장의 경우는 트랜스(유도결합)를 실현하기 위하여 전류를 흘리는 선로를 플라즈마에 평행하게 가늘고 길게 뽑을 필요가 있다. 특허문헌 5에서는, 전극의 형보다, 용량결합하고 있는 것 밖에 안된다. 패치형상 전극을 접지시킨다는 기술도 도면도 없다. (D-3-2)에서 설명하는 바와 같이, 이 패치형상 전극의 크기는 고주파의 파장보다 짧고, 패치형상 전극에 발생하는 전압도 전류도 인가 고주파의 주파수에 따라 변동하나, 순간적으로 보면 전극 전체에 파장의 영향이 없는 똑같은 전압이 발생하고 있고, 또, 똑같은 전류가 유입하고 있게 된다. 패치전극은 근접장으로서 강한 유도전장도 약한 유도자장도 형성하고 있으나, 이 경우 유도전장이 플라즈마와 강하게 용량결합하는 면적을 가지고 있으나, 패치형상 전극이 플라즈마와 강하게 트랜스 결합할 만큼의 선로길이(線路長)을 가지고 있지 않다.
(D-3-2) 13.56 MHz를 사용하는 예를 인용하고 있으나, 13.56 MHz의 파장은 약 22 m 이고, 도면의 패치형상 전극이 이 파장에 대하여 공진하고 있다고는 생각되지 않는다(만약에 공진하고 있으면 전극의 크기는 파장의 1/2이라든가 1/4이라든가의 크기가 필요하고, 예를 들면 특허문헌 4와 같이 적극적으로 공진하는 방법을 사용하지 않고서는, 공진 등이 일어나지 않는다. 또, 안테나가 아니라고 기술하고 있기 때문에도, 이 패치형상 전극은 공진하고 있는 것으로는 되지 않는다). 또, 이와 같은 거대한 전극을 필요로 하는 반도체 디바이스를 형성시키기 위한 소정의 처리를 행하는 플라즈마처리장치는 없다. 이것은, 사용되고 있는 전극이 근접장을 주로 이용하고 있는 것밖에 안된다. 유도전장이거나 다음에 설명하는 유도자장 중 어느 하나. 그러나, 전장의 경우 플라즈마와의 결합을 강하게 하기 위해서는 넓은 면적(큰 정전용량)이 필요하게 되는 것에 대하여, 자장의 경우는 트랜스(유도결합)를 실현하기 위하여 전류를 흘리는 선로를 플라즈마에 평행하고 가늘고 길게 뽑을 필요가 있다. 전극의 형은 패치형상이며 플라즈마와 트랜스결합하기 위한 전류선로는 거의 없다. 즉 이 패치형상 전극은, 용량결합하고 있다고 밖에 안된다.
(D-3-3) 패치형상 전극을 접지시킨다는 기술도 도면도 없다. 따라서, 패치형상 전극을 흐르는 전류는 플라즈마를 거쳐 어스로 유입되게 된다. 즉, 플라즈마가 이 패치형상 전극의 부하이고, 생성하는 플라즈마의 임피던스에 의하여 전류값이 크게 변한다. 잘 알려져 있는 바와 같이, 유도결합 플라즈마에서는, 기본적으로, 플라즈마와 유도결합하는 선로의 한쪽 끝에 전류를 공급하고, 다른쪽 끝을 접지한다. 이것은, 선로에 흐르는 전류가 주로 직접 접지(어스)로 유입하여, 접지(부하의 저임피던스화)에 의한 대전류를 발생시킨다. 이 대전류로 유도자장을 생성하여, 효율적으로 플라즈마에 전력을 수송할 수 있도록 한 것이다. 물론, 접지단을 어스로부터 분리하여 그곳에 콘덴서를 삽입하는 것은 행하여지나, 전기회로적인 연구에 의하여 대전류를 발생함과 동시에, 그 대전류로 강한 유도자장을 생성하여, 효율적으로 플라즈마에 전력을 수송할 수 있도록 한 것에는 변함은 없다. 즉, 패치형상 전극을 접지시킨다는 기술도 도면도 없는 것은, 이 패치형상 전극이 플라즈마와 주로 용량결합하고 있는 것 밖에 안된다.
피처리체를 플라즈마에 의해 처리하는 반도체 플라즈마처리장치는, 피처리체를 내부에서 처리하기 위해 배기된 반응실과, 반응실 내부에서, 복수의 직선형상 도체로 이루어지는 안테나와, 복수의 직선형상 도체의 한쪽 끝에 접속된 RF 고주파 전원으로 이루어져 있고, 당해 안테나는, 서로 등간격으로 안테나의 중심으로부터 방사상으로 배치된 적어도 3개의 직선형상 도체로 이루어지고, 당해 직선형상 도체의 각각은 한쪽 끝이 접지되고 다른쪽 끝이 상기 RF 고주파 전원에 접속되어 있다. 또 당해 안테나의 직선형상 도체의 표면은 절연처리되어 있다. 이에 의하여, 똑같이 안정되고 또한 고밀도한 플라즈마를 생성하는 유도결합 플라즈마처리장치가 얻어진다. 또한 플라즈마처리장치는, 유도전장과 직교하는 방향으로 자장을 발생시키기 위한 전자석을 구비하고 있고, 외부 자장의 인가에 의해, 인가 RF 전력을 변화시키지 않아도 플라즈마 밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개평8-83696호 공보
[특허문헌 2]
일본국 특개평8-321490호 공보
[특허문헌 3]
일본국 특개2005-303053호 공보
[특허문헌 4]
일본국 특개2000-235900호 공보
[특허문헌 5]
일본국 특허 제3269853호 공보
[특허문헌 6]
일본국 특개평11-135438호 공보
[특허문헌 7]
일본국 특개평11-74098호 공보(미국 특허 제6388382호)
[특허문헌 8]
미국 특허 제5811022호
[특허문헌 9]
일본국 특개2006-156530호
[비특허문헌 ]
L. Sansonnens et al., Plasma Sources Sci. Technol. 15, 2006, pp302
[비특허문헌 2]
J. Hoopwood et al., J.Vac.Sci. Technol., All, 1993, pp147
[비특허문헌 3]
M. Yamashita et al., Jpn.J.APP1. Phys., 38, 1999, pp4291
[비특허문헌 4]
K. Suzuki et al., Plasma Source Sci. Technol., 9, 2000, pp199
상기 종래의 우회전 전장을 생성하는 기술에 관하여, 유도자장(near field :근접장)을 사용하여 적극적으로 우회전하는 전장을 만들어내는 것은, 종래 이루어져 있지 않다. 더구나, 유도자장으로 만들어낸 적극적으로 우회전하는 유도전장을 사용하여 ECR 현상을 일으키는 기술은 개발되어 있지 않다. 유도자장은 전류에 의해 발생하기 때문에, 전장 이용과는 완전히 반대의 설계가 필요하게 된다. 즉, 유도자장의 이용에서는, 강한 근접장(자장)을 발생하는 적극적인 전극이 필요하고, 전류가 강하지 않으면 안되기 때문에, 전극의 부하는 저임피던스로 할 필요가 있다. 즉, 여기서 사용되는 전극은, 플라즈마와 유도결합(트랜스결합)하나, 적극적으로 접지하거나, 콘덴서나 코일을 접속하여 접지하는 것이 필요하게 된다. 유도자장의 이용은, 근접장이기 때문에, 플라즈마와의 위치관계를 연구함으로써, 대전력을 효율적으로 플라즈마에 수송할 수 있다. 이 방법에서는, 유도결합을 강하게 하기 위하여, 플라즈마와 결합할 만큼의 충분한 선로길이(코일길이)가 필요하게 된다. 이 방법은, 전극과 플라즈마의 유도결합(트랜스결합)을 이용하기 때문에, 안테나(전자파 방사하는 전극)뿐만 아니라, 전자파를 방사할 능력이 약하여도 단순한 자장(근접장)을 발생하는 전극(코일)에서도 사용할 수 있다. 이 방법에 의하면, 이하의 것을 말할 수 있다.
(A) 전극에는, 위상 제어한 전류를 가한다.
(B) 전극에는, 전류를 인가하는 단자가 있고, 또한 전극으로부터 접지부로 적극적으로 대전류를 흘리기 위한 다른 단자가 존재한다. 이 단자는 접지되거나, 콘덴서나 코일을 통하여 접지된다.
(C) 유도결합한 전장은, 원방장과 마찬가지로, 표피 효과로 차폐된다. 정자장으로 이 차폐를 방지하는 것은 불가능하다.
ICP원에서는, 고주파전류(I)가 고주파 유도 안테나를 주회(周回)하는 동안에, 부유용량을 거쳐 플라즈마나 어스로 유입하여 손실을 일으킨다. 이것이 원인이 되어, 유도자장(H)이 둘레방향에서 강약의 분포를 가지고, 결과적으로 둘레방향의 플라즈마의 균일성이 손상되는 현상이 현저해지는 경우가 있다. 이 현상은, 고주파 유도 안테나 주위의 공간의 유전율뿐만 아니라 투자율에도 영향을 받고, 반사파 효과나 표피 깊이 효과 등으로서 나타나 오는 파장 단축현상이다. 이 현상은, 동축 케이블과 같은 통상의 고주파 전송 케이블에서도 발생하는 일반적 현상이나, 고주파 유도 안테나가 플라즈마와 유도결합 또는 용량결합하고 있는 것에서 그 파장 단축효과가 더욱 현저하게 나타난다는 것이다. 또, ICP원 뿐만 아니라, ECR 플라즈마원이나 평행 평판형 용량결합 플라즈마원과 같은 일반적인 플라즈마원에서는, 고주파를 방사하는 안테나나 그 주변의 공간에, 안테나나 진공용기 내부를 향하는 진행파와 되돌아 오는 반사파가 겹쳐 정재파가 발생한다. 이것은, 안테나 끝부나 플라즈마, 또한 고주파가 방사되는 진공용기 내의 많은 부분으로부터 반사파가 돌아 오기 때문이다. 이 정재파도, 파장 단축효과에 크게 관여한다. 이들 상황 하에서는, ICP원의 경우, 가령 RF 전원의 주파수로서 파장이 약 22 m로 긴 13.56 MHz를 사용하고 있어도, 고주파 유도 안테나 길이가 2.5 m 정도를 넘으면, 안테나 루프 내에 파장 단축효과를 따르는 정재파가 발생한다. 따라서, 안테나 루프 내에서의 전류분포가 불균일해져, 플라즈마 밀도 분포가 불균일해진다는 문제가 발생한다.
ICP원에서, 안테나에 흐르는 고주파전류(I)는, 주기적으로 위상, 즉 흐르는 방향이 역전하고, 이것에 따라, 유도자장(H)[유도전장(E)]의 방향, 즉 전자의 구동방향이 역전된다는 문제가 있다. 즉, 인가하는 고주파의 절반주기마다, 전자는 일단 정지하고, 역방향으로 가속되는 것을 반복한다. 이와 같은 상태에서, 고주파의 어느 절반주기에서 전자에 의한 설붕 현상적 전리가 불충분한 경우, 전자가 일단 정지한 시점에서 충분히 높은 밀도의 플라즈마가 얻어지기 어렵다는 문제가 생긴다. 그 이유는, 전자가 감속되어 일단 정지하는 동안, 플라즈마의 생성효율이 떨어지기 때문이다. 일반적으로, ICP원은, ECR 플라즈마원이나 용량 결합형 평행 평판형 플라즈마원보다 플라즈마의 착화성이 나쁘나, 이것에는 상기와 같은 원인에 의한다. 또한, 고주파의 절반주기마다 플라즈마의 생성효율이 나빠지는 것은, 위상 제어를 하고 있지 않은 유도결합을 사용한 헬리콘 플라즈마원도 동일하다.
이상 설명한 바와 같이, ICP원에서는, 플라즈마의 균일성을 향상시키는 연구가 여러가지 보이나, 어느 것이나 연구에 몰두할수록 고주파 유도 안테나의 구조가 복잡해져, 산업용 장치로서는 성립하기 어렵게 된다는 문제가 발생한다. 또, 종래의 기술에서는, 양호한 플라즈마 균일성을 유지하면서 플라즈마의 착화성을 비약적으로 향상시키는 것은, 의도되어 있지 않아, 착화성이 나쁜 것은 해소되어 있지 않다.
한편, ECR 플라즈마원은, 파장이 짧기 때문에 장치 내에 복잡한 전장분포를 일으키기 쉽고, 균일한 플라즈마를 얻는 것이 어렵다는 문제가 있다.
즉, μ파(2.45 GHz)의 파장은 짧기 때문에, 대구경 ECR 플라즈마원에서는 μ파가 방전공간 내에 여러가지의 고차 전파모드로 전파된다. 이에 의하여, 플라즈마 방전공간 내의 구석구석에서 국소적으로 전장이 집중하고, 그 부분에서 고밀도의 플라즈마가 발생한다. 또, 입사하는 μ파의 고차 전파 모드에 의한 전장분포에, 플라즈마장치 내부에서 반사하여 되돌아오는 μ파가 겹쳐 정재파가 발생하기 때문에, 장치 내의 전장분포는 더 복잡해지기 쉽다. 이상의 2개의 이유에 의하여 일반적으로 대구경에 걸쳐 균일한 플라즈마 특성을 얻는 것은 어렵다. 또한, 일단 이와 같은 복잡한 전장분포가 발생하면, 그 전장분포를 제어하여 프로세스에 양호한 전장분포로 변화시키는 것은 사실상 곤란하다. 왜냐하면, 고차 전파 모드가 발생하지 않도록, 또는, 장치 내로부터 반사하여 되돌아오는 반사파가 복잡한 전장분포를 형성하지 않도록, 장치구조의 변경이 필요해지기 때문이다. 여러가지 방전조건에 최적의 장치구조가, 단일장치 구조인 것은 거의 없다. 또한, μ파(2.45 GHz)로 ECR 방전을 일으키게 하기 위해서는, 875 가우스라는 강한 자장이 필요하게 되고, 이것을 발생시키는 코일이 소비하는 전력이나 요크를 포함한 구조가 매우 커진다는 단점이 있다.
또, 이들 문제 중 자장강도에 관해서는, UHF, VHF에서는 비교적 약한 자장으로 되기 때문에, 문제의 크기는 완화된다. 그러나, 파장이 비교적 긴 UHF, VHF에서도 정재파의 문제는 심각하고, 방전공간 내의 전장분포가 불균일해지고, 발생하는 플라즈마 밀도분포가 평탄하지 않게 되어, 프로세스 균일성에 문제가 생기는 것을 알고 있다. 이것에 관해서는, 현재도 이론적 실험적인 연구가 계속되고 있다(예를 들면, 비특허문헌 1 참조).
이상 설명한 바와 같이, 종래의 ICP원에서는, 균일성이 좋은 플라즈마를 발생시키는 것은 검토되어 있으나, 안테나의 구조가 복잡해지지 않을 수 없고, 또, 플라즈마의 착화성이 나쁘다는 문제가 있다. 한편, ECR 플라즈마원은, 착화성이 좋으나, 전자파의 고차 전파 모드나 정재파에 의한 플라즈마 균일성이 나쁘다는 문제가 있다.
본 발명은, 상기 문제를 감안하여 행하여진 것으로, ICP원을 사용한 플라즈마처리장치에서 ECR 방전현상을 이용 가능하게 하는 것이다. 이에 의하여, 안테나 구조를 최소한의 연구로 최적화하여 플라즈마의 균일성을 양호하게 함과 동시에, 플라즈마의 착화성을 비약적으로 개선할 수 있다.
즉, 본 발명은, 대구경의 플라즈마처리장치에서도, 착화성이 좋은 균일한 플라즈마원을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 플라즈마처리장치는, 시료를 수용할 수 있는 진공처리실을 구성하는 진공용기와, 상기 진공처리실에 처리가스를 도입하는 가스 도입구와, 상기 진공처리실 내에 유도전장을 형성하는 고주파 유도 안테나와, 상기 진공처리실 내에 자장을 형성하는 자장 코일과, 상기 고주파 유도 안테나에 고주파전류를 공급하는 플라즈마생성용 고주파 전원과, 상기 자장 코일에 전력을 공급하는 전원을 구비하고, 상기 고주파 유도 안테나에 상기 고주파 전원으로부터 고주파 전류를 공급하고, 진공처리실 내에 공급되는 가스를 플라즈마화하여 시료를 플라즈마처리하는 플라즈마처리장치에 있어서, 상기 진공처리실은, 상기 진공용기의 상부에 기밀하게 고정되는 유전체로 이루어지는 진공처리실 덮개와, 상기고주파 유도 안테나와 상기 진공처리실 사이에 배치된 패러데이 시일드를 구비하고, 상기 고주파 유도 안테나는, n개(n ≥ 2의 정수)의 고주파 유도 안테나 요소로 분할하여, 당해 분할된 각각의 고주파 유도 안테나 요소를 종렬로 나열하고, 종렬로 배치된 각 고주파 유도 안테나 요소의 세트를 복수세트 구비하고, 각각의 세트의 각 고주파 유도 안테나의 고주파 유도 안테나 요소에 차례로 λ(고주파 전원의 파장)/n 씩 지연시킨 고주파 전류를 일정방향으로 순서대로 지연시켜 흘리고, 상기자장 코일에 전력을 공급하여 형성한 자장(B)의 자력선 방향에 대하여 우방향으로 회전하는 회전유도전장(E)을 상기 고주파전류에 의해 형성하고, 상기 회전유도전장(E)의 회전 주파수와 상기 자장(B)에 의한 전자 사이클로트론 주파수를 일치시키 도록 구성함과 동시에, 상기 유도전장(E)과 상기 자장(B)의 사이에 E × B ≠ 0의 관계가 임의의 곳에서 만족되도록, 복수세트(세트수 : m ≥ 1의 자연수)의 고주파 유도 안테나와 자장을 구성하여 플라즈마를 발생시키고, 이 플라즈마에 의하여 시료를 플라즈마처리하도록 구성한 것을 특징으로 한다.
또, 이 플라즈마처리장치에서, 상기 시료를 탑재하는 전극과, 상기 전극에 고주파 전력을 인가하는 바이어스용 고주파 전원과, 상기 패러데이 시일드에 고주파 전력을 인가하는 패러데이 시일드용 고주파 전원과, 상기 바이어스용 고주파 전원과 상기 패러데이 시일드용 고주파 전원에 고주파를 발신하는 발신기와, 상기 바이어스용 고주파 전원과 상기 패러데이 시일드용 고주파 전원과의 위상차를 제어하는 위상 제어기를 가질 수 있다. 이에 의하여, n개의 안테나 요소에 대하여 위상 제어된 n개의 전류출력을 가지는 전원으로부터, 단일의 위상을 가진 전압을 인출하는 것의 전기회로적 곤란함을 회피할 수 있다. 또 파장 단축효과에 의해 패러데이 시일드 전체에 걸쳐 불균일한 전압분포가 발생하는 것을 방지하여, 진공용기 덮개의 내면에 균일한 셀프 바이어스를 인가할 수 있도록 한다. 평행 평판 용량결합형 플라즈마원과 동일한 전극 구성을 하고 있는 패러데이 시일드와 피처리체(W)에 대하여, 전압위상을 제어한 동일 주파수의 고주파 전압을 인가한다는 것은, 플라즈마의 이상확산을 방지하는 등의 효과가 있다.
또, 이 플라즈마처리장치에서, 상기 패러데이 시일드는 복수개의 필터를 거쳐 접지되어 있고, 이들 필터를 플라즈마생성용 고주파 파장의 1/4 이하의 간격으로 적절하게 설치함으로써, 상기 패러데이 시일드와 접지전위 사이의 임피던스가, 상기 플라즈마생성용 고주파 전원의 주파수에서 보아 실질적으로 OΩ 이고, 또한, 상기 패러데이 시일드용 고주파 전원의 주파수에서 보면 실질적으로 0Ω이 아니도록 할 수 있다. 이와 같이 구성함으로써, 상기 플라즈마생성용 고주파의 전압이 패러데이 시일드에 발생하지 않도록 할 수 있고, 또한, 상기 패러데이 시일드용 고주파의 전압을 패러데이 시일드에 발생시킬 수 있다. 이에 의하여, 상기 패러데이 시일드의 전압은 패러데이 시일드용 고주파 전원의 출력에 의해 간단하게 제어할 수 있다.
또, 이 플라즈마처리장치에서, 상기 패러데이 시일드용 고주파 전원의 주파수와 상기 바이어스용 고주파 전원의 주파수를, 상기 플라즈마생성용 고주파 전원의 주파수보다 낮게 할 수 있다. 패러데이 시일드용 고주파 전원과 바이어스용 고주파 전원의 주파수를 이와 같이 정함으로써, 플라즈마생성용 고주파 전원과 동일주파수를 가지는 불균일한 전압분포가 패러데이 시일드에 발생하는 것을 피하여, 패러데이 시일드 전체에 균일한 전압분포를 일으키게 할 수 있다.
이 플라즈마처리장치에서, 상기 패러데이 시일드는, 상기 진공처리실 덮개의 전체를 덮는 구조라고 할 수 있다. 패러데이 시일드의 구조를 이와 같이 구성함으로써, 안테나와 플라즈마 사이에 배치된 패러데이 시일드는 안테나와 플라즈마 사이의 용량결합을 차단할 수 있다. 이에 의하여, 절연체 덮개의 국부(안테나 바로 밑)가 스퍼터로 얇아져 사용할 수 없게 되거나, 이 부분에서 이물이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 절연체 덮개가 그 전체에 걸쳐 이온으로 스퍼터되어 절연체 덮개에 이물이 부착하지 않게 되기 때문에, 반도체 웨이퍼 상으로 이물이 낙하하는 것을 방지할 수 있다.
이 플라즈마처리장치에 의하면, 고주파 유도 안테나와 진공처리실 사이에 배치된 패러데이 시일드를 구비하고 있고, 또한, 그 전압을 패러데이 시일드용 고주파 전원에 의해 제어할 수 있다. 이에 의하여, 플라즈마 착화 시에 패러데이 시일드로부터의 용량결합에 의한 충분히 강하고 균일한 전장을 플라즈마 전체에 부여할 수 있기 때문에, 대구경의 플라즈마처리장치에서도, 착화성이 좋은 균일한 플라즈마원을 제공할 수 있다.
또, 이 플라즈마처리장치에서, 상기 패러데이 시일드는, 상기 고주파 유도 안테나의 가까운 쪽에 배치된 제 1 패러데이 시일드와, 상기 진공처리실 덮개의 가까운 쪽에 배치된 제 2 패러데이 시일드로 이루어지는 구조를 가질 수 있다. 고주파 유도 안테나의 근처에 배치된 제 1 패러데이 시일드를 접지함으로써, 고주파 유도 안테나와 플라즈마의 용량결합을 차단할 수 있다. 이 구성에 의하여 진공처리실 덮개의 가까운 쪽에 배치된 제 2 패러데이 시일드에는, 플라즈마생성용 고주파에 의한 고주파 전압은 거의 발생하지 않게 된다. 따라서, 제 2 패러데이 시일드는 슬릿에 의해 고주파 유도 안테나와 플라즈마를 유도결합시킨다는 기능을 유지한 다음에, 플라즈마에 플라즈마생성용 고주파의 불균일한 전압이 인가되는 것을 방지할 수 있음과 동시에, 진공용기 덮개에 패러데이 시일드용 고주파 전원으로부터의 균일한 고주파 전압을 인가할 수 있다.
또, 이 플라즈마처리장치에서, 상기 제 1 패러데이 시일드는, 상기 고주파 유도 안테나 주변에만 배치시킬 수 있다. 고주파 유도 안테나에 가까운 제 1 패러데이 시일드는, 링 형상의 도전체인 것에 의하여 고주파 유도 안테나와 플라즈마 사이의 용량결합을 차단함과 동시에, 다수의 슬릿이 패러데이 시일드에 고주파 유도 안테나의 방향으로 주회 전류가 흐르는 것을 방지하여, 고주파 유도 안테나와 플라즈마를 유도결합시킨다는 패러데이 시일드의 기본적인 기능을 할 수 있다.
또, 이 플라즈마처리장치에서, 상기 제 2 패러데이 시일드는, 상기 진공처리실 덮개의 전체를 덮는 구조로 할 수 있다. 제 2 패러데이 시일드는, 패러데이 시일드의 기본 기능인 안테나와 플라즈마 사이의 용량결합을 차단하나 유도결합을 저해하지 않는다는 기능에 더하여, 진공용기 덮개에 균일한 고주파 전압을 인가한다는 기능을 가할 수 있다.
또, 이 플라즈마처리장치에서, 상기 시료를 탑재하는 전극과, 상기 전극에 고주파 전력을 인가하는 바이어스용 고주파 전원과, 상기 제 2 패러데이 시일드에 고주파 전력을 인가하는 패러데이 시일드용 고주파 전원과, 상기 바이어스용 고주파 전원과 상기 패러데이 시일드용 고주파 전원에 고주파를 공급하는 발신기와, 상기 바이어스용 고주파 전원과 상기 패러데이 시일드용 고주파 전원과의 위상차를 제어하는 위상 제어기를 가질 수 있다. 이 플라즈마처리장치에 의하면, 진공처리실 덮개의 가까운 쪽에 배치된 제 1 패러데이 시일드에 의해, 슬릿에 의해 고주파 유도 안테나와 플라즈마를 유도결합시킴과 동시에, 바이어스용 고주파 전원과의 사이에서 위상 제어된 패러데이 시일드용 고주파 전원이 출력하는 고주파 전압을 진공용기 덮개에 인가시킬 수 있고, 유도결합형 ECR 플라즈마원에서도, 패러데이 시일드를 거쳐 진공용기 덮개에 균일한 고주파 전압을 인가하는 것이 가능해진다.
또, 이 플라즈마처리장치에서, 상기 바이어스용 고주파 전원의 주파수를, 상기 플라즈마생성용 고주파 전원의 주파수보다 낮게 정할 수 있다. 바이어스용 고주파 전원의 주파수를 이와 같이 정함으로써, 플라즈마생성용 고주파 전원과 동일주파수를 가지는 불균일한 전압분포가 패러데이 시일드에 발생하는 것을 피하여, 패러데이 시일드 전체에 균일한 전압분포를 일으키도록 할 수 있다.
또한, 이 플라즈마처리장치에서, 상기 제 1 패러데이 시일드는, 슬릿이 있는 링 형상의 도전체이고, 전체 주위에 걸쳐 접지시킬 수 있다. 이와 같이 고주파 유도 안테나 주변에 배치된 제 1 패러데이 시일드를 접지함으로써, 고주파 유도 안테나와 플라즈마의 용량결합을 차단하나, 제 1 패러데이 시일드와 접지전위 사이의 임피던스가, 상기 플라즈마생성용 고주파 전원의 주파수에서 보아 실질적으로 0Ω으로 할 수 있고, 제 1 패러데이 시일드의 전체에 걸쳐 고주파 전압이 생기지 않도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 플라즈마처리장치의 구성의 개요를 설명하는 종단면도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 관한 고주파 유도 안테나 요소에 대한 급전방법을 설명하는 도,
도 3은 본 발명에서의 고주파 유도 안테나에 공급되는 전류의 위상과 이것에의한 유도전장의 방향의 관계를 설명하는 도,
도 4는 종래의 고주파 유도 안테나에 의해 생성되는 전장강도의 분포를 설명하는 도,
도 5는 본 발명의 고주파 유도 안테나에 의해 생성되는 전장강도의 분포를 설명하는 도,
도 6은 본 발명의 제 5 실시예에 관한 고주파 유도 안테나 요소에 대한 급전방법의 변형예를 설명하는 도,
도 7은 본 발명의 제 6 실시예에 관한 고주파 유도 안테나 요소에 대한 급전방법을 설명하는 도,
도 8은 본 발명의 제 7 실시예에 관한 고주파 유도 안테나 요소에 대한 급전방법을 설명하는 도,
도 9는 본 발명의 제 8 실시예에 관한 고주파 유도 안테나 요소에 대한 급전방법을 설명하는 도,
도 10은 본 발명의 제 9 실시예에 관한 고주파 유도 안테나 요소에 대한 급전방법을 설명하는 도,
도 11은 본 발명의 제 10 실시예에 관한 고주파 유도 안테나 요소에 대한 급전방법을 설명하는 도,
도 12는 본 발명의 제 11 실시예에 관한 고주파 유도 안테나 요소에 대한 급전방법을 설명하는 도,
도 13은 본 발명에 관한 플라즈마처리장치에서의 진공용기의 덮개 형상의 여러가지 변형예를 설명하는 도,
도 14는 본 발명에 관한 플라즈마처리장치에서의 진공용기의 덮개 형상을 중공의 반구체 형상으로 한 예를 설명하는 도,
도 15는 본 발명에 관한 플라즈마처리장치에서의 진공용기의 덮개 형상을 회전하는 사다리꼴의 회전체 형상으로 한 예를 설명하는 도,
도 16은 본 발명에 관한 플라즈마처리장치에서의 진공용기의 덮개 형상을 바닥이 있는 원통형으로 한 예를 설명하는 도,
도 17은 본 발명에서 형성되는 등자장면(ECR면)과 자력선의 관계를 설명하는 도,
도 18은 본 발명에서 진공용기 덮개의 형상에 대응하는 ECR면과 플라즈마생성영역의 관계를 설명하는 도,
도 19는 본 발명의 제 12 실시예에 관한 복수세트의 고주파 유도 안테나 요소에 대한 급전방법을 설명하는 도,
도 20은 본 발명의 제 13 실시예에 관한 복수세트의 고주파 유도 안테나 요소에 대한 급전방법을 설명하는 도,
도 21은 본 발명의 제 14 실시예에 관한 복수세트의 고주파 유도 안테나 요소에 대한 급전방법을 설명하는 도,
도 22는 본 발명의 제 15 실시예에 관한 복수세트의 고주파 유도 안테나 요소에 대한 급전방법을 설명하는 도,
도 23은 본 발명에 관한 플라즈마처리장치에서의 진공용기의 덮개 형상의 여러가지 변형예에 대응한 복수세트의 고주파 유도 안테나 요소의 배치를 설명하는 도,
도 24는 본 발명의 제 16 실시예에 관한 직사각 형상으로 배치한 복수세트의 고주파 유도 안테나 요소에 대한 급전방법을 설명하는 도,
도 25는 본 발명의 제 17 실시예에 관한 직사각 형상으로 배치한 복수세트의 고주파 유도 안테나 요소에 대한 급전방법을 설명하는 도,
도 26은 하나의 안테나 요소 중에서 정재파를 무시할 수 없는 상태일 때, 이 안테나 요소에 발생하는 전압과 전류의 정재파의 분포를 설명하는 도,
도 27은 본 발명의 제 18 실시예에 관한 패러데이 시일드에 바이어스 고주파를 인가하는 방법을 설명하는 도,
도 28은 도 27에 나타내는 패러데이 시일드 내의 복수부분에 필터를 삽입하는 모양을 나타내는 도,
도 29는 본 발명의 제 19 실시예에 관한 패러데이 시일드에 바이어스 고주파를 인가하는 다른 방법을 설명하는 도,
도 30은 전자파의 주파수(f)와 컷오프 밀도(nc)의 관계를 설명하는 도면이다.
본 발명에 관한 플라즈마처리장치는, 반도체 디바이스의 제조분야에만 그 사용이 한정되는 것은 아니고, 액정 디스플레이의 제조나, 각종 재료의 성막, 표면처리 등의 플라즈마처리의 각 분야에 적용하는 것이 가능하다. 여기서는, 반도체 디바이스제조용 플라즈마 에칭장치를 예로 들어, 실시예를 나타내기로 한다.
도 1을 이용하여, 본 발명이 적용되는 플라즈마처리장치의 구성의 개요를 설명한다. 고주파 유도결합(ICP)형 플라즈마처리장치는, 내부를 진공으로 유지된 진공처리실(1)을 가지는 원통형상의 진공용기(11)와, 고주파에 의해 생긴 전장을 진공처리실 내로 도입하는 절연재로 이루어지는 진공처리실의 덮개(12)와, 진공처리실(1) 내를 진공으로 유지하는 예를 들면 진공펌프에 결합된 진공 배기수단(13)과, 피처리체(반도체 웨이퍼)(W)가 탑재되는 전극(시료대)(14)과, 피처리체인 반도체 웨이퍼(W)를 외부와 진공처리실 내와의 사이에서 반송하는 게이트 밸브(21)를 구비한 반송시스템(2)과, 처리가스를 도입하는 가스 도입구(3)와, 반도체 웨이퍼(W)에 바이어스전압을 공급하는 바이어스용 고주파 전원(41)과, 바이어스용 정합기(42)와, 플라즈마생성용 고주파 전원(51)과, 플라즈마생성용 정합기(52)와, 복수의 지연수단[6-2, 6-3(도시 생략), 6-4]과, 진공처리실(1)의 주변부 상에 배치되고, 고주파 유도 안테나(7)를 구성하는 복수로 분할되어 원주상에 종렬 배치된 고주파 유도 안테나 요소[7-1(도시 생략), 7-2, 7-3(도시 생략), 7-4]와, 자장을 인가하기 위한 상자장 코일(81)과 하자장 코일(82)을 구성하는 전자석과, 자장의 분포를 제어하는 자성체로 만들어진 요크(83)와, 상기 고주파 유도 안테나 요소[7-1(도시 생략), 7-2, 7-3(도시 생략), 7-4]가 플라즈마와 용량결합하는 것을 제어하는 패러데이 시일드(9)와, 상기 전자석에 전력을 공급하는 도시를 생략한 자장 코일용 전원을 가지고 구성된다.
진공용기(11)는, 예를 들면, 표면을 알루마이트처리한 알루미늄제이거나 스테인리스제의 진공용기이고, 전기적으로 접지되어 있다. 또, 표면처리로서 알루마이트뿐만 아니라, 다른 내플라즈마성이 높은 물질(예를 들면 산화이트륨 : Y2O3)을 사용할 수도 있다. 진공처리실(1)에는, 진공 배기수단(13) 및 피처리물인 반도체 웨이퍼(W)를 반입출하기 위한 게이트 밸브(21)를 가지는 반송 시스템(2)을 구비한다. 진공처리실(1) 중에는, 반도체 웨이퍼(W)를 원통형상 진공용기(11)와 동심원상으로 탑재하기 위한 전극(14)이 원통형상 진공용기(11)와 동심원상으로 설치된다. 반송 시스템(2)에 의하여 진공처리실 중으로 반입된 웨이퍼(W)는, 전극(14)상으로 운반되고, 전극(14)상에 유지된다. 전극(14)에는, 플라즈마처리 중에 반도체 웨이퍼(W)에 입사하는 이온의 에너지를 제어할 목적으로, 바이어스용 정합기(42)를 거쳐, 바이어스용 고주파 전원(41)이 접속된다. 에칭 처리용 가스가, 가스 도입구(3)로부터 진공처리실(1) 내로 도입된다.
한편, 반도체 웨이퍼(W)와 대향하는 위치에는, 고주파 유도 안테나 요소[7-1(도시 생략), 7-2, 7-3(도시 생략), 7-4]가, 평판 형상의 석영이나 알루미나 세라믹 등의 절연재료로 이루어지는 진공용기 덮개(12)를 거쳐 대기측에 설치된다. 고주파 유도 안테나 요소(…, 7-2, …, 7-4)는, 그 중심이 반도체 웨이퍼(W)의 중심과 일치하도록 동심원상으로 배치된다. 고주파 유도 안테나 요소(…, 7-2, …, 7-4)는, 도 1에는 명시되어 있지 않으나, 복수의 동일형상을 가지는 안테나 요소로 이루어진다. 복수의 안테나 요소의 급전단(A)은 플라즈마생성용 정합기(52)를 거쳐 플라즈마생성용 고주파 전원(51)에 접속되고, 접지단(B)은 접지전위에, 어느 것이나 완전히 동일하게 접속된다.
고주파 유도 안테나 요소(…, 7-2, …, 7-4)와 플라즈마생성용 정합기(52) 사이에는, 각 고주파 유도 안테나 요소(…, 7-2, …, 7-4)에 흐르는 전류의 위상을 지연시키는 지연수단[6-2, 6-3(도시 생략), 6-4]이 설치된다.
진공용기 덮개(12)에는, 도시를 생략한 냉각용 냉매유로가 설치되고, 이 냉매유로에, 물, 플루오리네이트, 공기, 질소 등의 유체를 흘림으로써 냉각된다. 안테나, 진공용기(11), 웨이퍼 탑재대(14)도 냉각 및 온도조절의 대상이 된다.
(실시예 1)
도 2를 이용하여, 본 발명에 관한 플라즈마처리장치의 제 1 실시예를 설명한다. 이 실시예에서는, 도 1의 위에서 본 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 고주파 유도 안테나(7)를 하나의 원주상에서 n = 4(n ≥ 2의 정수)개의 고주파 유도 안테나 요소(7-1 ∼ 7-4)로 분할한다. 각각의 고주파 유도 안테나 요소(7-1, 7-2, 7-3, 7-4)의 급전단(A) 또는 접지단(B)은, 시계 회전방향으로 360°/4(360°/n)씩 떨어져 배치되고, 각각의 고주파 유도 안테나 요소(7-1, 7-2, 7-3, 7-4)에 플라즈마생성용 고주파 전원(51)으로부터 플라즈마생성용 정합기(52)를 거쳐, 급전점(53)으로부터 각 급전단(A)을 거쳐 고주파 전류를 공급한다. 이 실시예에서는, 각 고주파 유도 안테나 요소(7-1 ∼ 7-4)는, 각각 동일 원주상의 우방향으로 급전단(A)측으로부터 약 λ/4(λ/n) 떨어져 접지단(B)측이 배치된다. 각 고주파 유도 안테나 요소(7-1 ∼ 7-4)의 길이는 λ/4(λ/n)일 필요는 없으나 발생하고 있는 정재파의 λ/4(λ/n) 이하인 것이 바람직하다. 또, 안테나의 구성에 따라서는, 각 고주파 유도 안테나 요소의 길이는, λ/2 이하이면 된다. 급전점(53)과 고주파 유도 안테나 요소(7-2, 7-3, 7-4)의 급전단(A) 사이에는, 각각 λ/4 지연회로(6-2), λ/2 지연회로(6-3), 3λ/4 지연회로(6-4)가 삽입된다. 이에 의하여, 각 유도 안테나 요소(7-1 ∼ 7-4)에 흐르는 전류(I1, I2, I3, I4)는, 도 2(b)에 나타내는 바와 같이 순서대로 λ/4(λ/n)씩 위상이 지연되게 된다. 전류(I1)로 구동된 플라즈마 중의 전자는, 전류(I2)로 계속해서 구동된다. 또, 전류(I3)로 구동된 플라즈마 중의 전자는, 전류(I4)로 계속해서 구동된다.
도 3을 이용하여, 도 2에 나타낸 고주파 유도 안테나를 사용한 경우의 플라즈마 중의 전자의 구동형태를 설명한다. 도 3에서, 고주파 유도 안테나 요소(7-1, 7-2, 7-3, 7-4)의 급전단(A)과 접지단(B)의 구성은 도 2와 동일하다. 또, 각 유도 안테나 요소에 흐르는 전류(I1 ~ I4)의 방향은, 모두 급전단(A)에서 접지단(B)을 향한다고 표기하고 있다. 각 고주파 유도 안테나 요소에 흐르는 전류는, 도 2와 마찬가지로, I1 ~ I4의 위상이 각각 90°어긋나 있다. 위상을 90°어긋나게 하고 있는 것은, 고주파 전류의 1주기(360°)를 4개의 고주파 유도 안테나 요소에 배당하기 위하여, 360°/4 = 90°의 관계를 가지고 있다. 여기서 말하는 전류(I) 및 유도전장(E)은 유도자장(H)을 사용하여, 하기 수학식(1) 및 수학식(2)로 나타내는 맥스웰 방정식으로 관련지어진다. 하기 수학식(1) 및 수학식(2)에서, E, H와 I는, 고주파 유도 안테나에 의한 플라즈마의 모든 전계(전장) 및 자계(자장) 및 전류의 벡터이고, μ는 투자율, ε는 유전율이다.
Figure pat00001
Figure pat00002
도 3(a)의 우측에는, 전류의 위상관계를 나타내고 있다. 여기에 나타낸 특정 시간(t = t1)에서의 유도전장(E)의, 고주파 유도 안테나에 둘러싸인 영역에서의 방향을, 도 3(a)의 좌측에 점선과 화살표로 나타내고 있다. 이 방향으로부터 알 수 있는 바와 같이, 유도전장(E)의 분포는 안테나가 배치되는 평면, 즉, 안테나가 만들어내는 평면에서 선대칭이 된다. 이 도 3(a)보다 전류의 위상이 90°더 진행하였을 때(t = t2)의 유도전장(E)의 방향을 도 3(b)에 나타낸다. 유도전장(E)의 방향은 90°시계방향으로 회전하고 있다. 이 도 3으로부터, 본 발명에서의 고주파 유도 안테나는, 시간과 함께 우회전, 즉 시계방향으로 회전하는 유도전장(E)을 만들어내는 것을 알 수 있다. 이 우회전하는 유도전장(E) 속에 전자가 존재하는 경우, 전자도 유도전장(E)에 구동되어 우회전한다. 이 경우, 전자의 회전주기는, 고주파전류의 주파수와 일치한다. 단, 공학적 연구에 의하여 고주파전류의 주파수와 다른 회전주기를 가지는 유도전장(E)을 만드는 것은 가능하고, 이 때, 전자는 고주파전류의 주파수가 아니라 유도전장(E)의 회전주기와 동일한 주기로 회전한다. 이와 같이, 통상의 ICP원과 마찬가지로, 본 발명에서도 유도전장(E)으로 전자가 구동된다. 그러나, 고주파 유도 안테나의 전류(I)의 위상과는 관계없이 일정방향(이 도면에서는 우방향)으로 전자를 구동하는 것, 또 이 회전이 정지하는 순간이 없는 것이, 본 발명의 통상의 ICP원이나 헬리콘 플라즈마원과 다른 점이다.
여기서, 본 발명의 고주파 유도 안테나가 플라즈마 중에 어떠한 유도전장(E)를 생성시킬지에 대하여 설명한다. 여기서는 유도전장(E)으로 설명하나, 수학식 (1)이 나타내는 바와 같이, 유도전장(E)과 유도자장(H)은 서로 변환 가능한 물리량이며, 등가이다. 먼저, 도 4는 종래의 ICP원이 만들어내는 유도전장(E)의 분포를 모식적으로 나타내고 있다. 종래의 ICP원에서는, 안테나가 일주하고 있어 원을 그리든, 안테나가 분할되어 있든, 안테나에는 동상의 전류가 흐르기 때문에, 안테나가 만들어내는 유도전장(E)은 둘레방향에서 동일해진다. 즉, 도 4에 나타낸 바와 같이, 안테나 바로 밑에 유도전장(E)의 최대값이 나타나고, 안테나의 중심과 안테나 주위에 대하여 감쇠하는 도너츠 형상의 전장 분포를 만든다. 이 분포는 X-Y 평면에서 중심점(O)에 대한 점대칭이다. 이론상, 안테나의 중심점(O)에서의 유도전장(E)은 E = 0 이다. 이 도너츠형상의 전장분포가, 전류의 방향(반주기)에 따라 우측으로 회전하거나 좌측으로 회전한다. 유도전장(E)의 회전방향이 반전하는 것은, 전류가 제로가 될 때이고, 유도전장(E)은 일단 전 영역에서 E = 0 이 된다. 이와 같은 유도전장(E)은, 이미 유도자장(H)로서 측정되어 있고, 확인되고 있다(예를 들면, 비특허문헌 2 참조).
다음에, 본 발명의 안테나가 만드는 유도전장(E)을 설명한다. 먼저, 도 3(a)와 동일한 전류상태를 생각할 수 있다. 즉, I4에 양의 피크전류가 흐르고, I2에 역방향의 피크전류가 흐른다. 이것에 대하여, I1과 I3은 작다는 상황이다. 이 경우, 유도전장(E)의 최대값은, I4가 흐르는 안테나 요소(7-4)와 I2가 흐르는 안테나 요소(7-2)의 밑에 나타난다. 또, 전류가 거의 흐르지 않는 안테나 요소(7-1, 7-3)의 밑에는 강한 유도전장(E)은 나타나지 않는다. 이것을 모식적으로 나타낸 것이 도 5이다. 여기서는, X-Y 평면의 축상에 2개의 피크가 나타나는 모양을 나타내었다. 도 5에 분명한 바와 같이, 본 발명의 유도전장(E)은, 안테나 둘레 상에 2개의 큰 피크를 가지고, 또한 X-Y 평면에서 축대칭(이 도면의 경우 Y축 대칭)이다. 그리고, Y축 상에는 완만한 피크를 가지는 분포가 나타난다. 이 완만한 분포의 피크 높이는 낮고, 그 위치는 중심좌표(O)에 나타난다. 즉, 안테나의 중심점(O)에서의 유도전장은 E = 0이 아니다. 이와 같이, 본 발명에 의한 도 2의 구성에서는, 종래의 ICP원이나 헬리콘 플라즈마원과는 전혀 다른 유도전장(E)을 만들어내고, 또한, 그것이 고주파 유도 안테나의 전류(I)의 위상과는 관계없이 일정방향(이 도면에서는 우방향)으로 회전한다. 또, 도 3에서 분명한 바와 같이, 모든 고주파 유도 안테나 요소에 흐르는 전류(I)가 동시에 I = 0이 되는 순간은 없다. 따라서 회전하는 유도전장(E)이 E = 0 이 되는 순간은 존재하지 않는 것도 본 발명의 특징이다.
본 발명에서는, 이와 같이 국소적인 피크를 가지는 유도전장분포를 생성하나, 이것은 발생시키는 플라즈마의 균일성을 악화시키는 것으로는 되지 않는다. 먼저, 도 5의 X축상의 유도전장분포는, 안테나가 발생하는 유도자장분포에 의해 결정된다. 즉, 동일한 전류가 흐르는 경우, 도 4의 축상의 유도전장분포와 도 5의 축상의 유도전장의 분포는, 중심점(O)을 중심으로 한 2개의 피크를 가지는 대칭인 형태의 유도전장이라는 의미에서 같다. 또한 본 발명의 유도전장은, 안테나에 흐르는 고주파전류와 동일한 주파수로 회전하기 때문에, 고주파전류의 일주기로 평균하면, X-Y 평면에서 중심점(O)에 대한 점대칭인 유도전장분포를 발생하게 된다. 즉, 본 발명에서는, 전혀 다른 유도전장분포를 만들어내나, 종래의 ICP원이 가지는 좋은 특징, 즉, 안테나의 구조로 유도전장분포가 결정되는 것과, 점대칭으로 둘레방향으로 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다는 특징을 그대로 유지하고 있다.
여기서, 도 1에 나타낸 상하의 자장 코일(81, 82)과 요크(83)를 사용함으로써, 이 유도전장(E)의 회전면에 대하여 수직한 자장성분을 가지는 자장(B)을 인가할 수 있다. 본 발명에서는, 이 자장(B)이 만족되어야 하는 조건은 2개 있다. 첫번째는, 상기한 회전하는 유도전장(E)의 회전방향이, 자장(B)의 자력선의 방향에 대하여 항상 우회전이 되는 자장(B)을 인가하는 것이다. 예를 들면, 도 2의 구성에서는, 지금까지 설명하여 온 바와 같이, 유도전장(E)은 지면에 대하여 시계회전방향, 즉 우회전한다. 이 경우, 자력선의 방향에는, 지면의 표면에서 이면을 향하는 방향의 성분이 필요하다. 이에 의하여 유도전장(E)의 회전방향과 전자의 Larmor 운동의 회전방향이 일치한다. 또, 이 첫번째 조건은, 유도전장(E)의 회전방향과 전자의 Larmor 운동의 회전방향이 일치하는 자장(B)를 인가한다는 표현도 할 수 있다.
나머지 조건은, 유도전장(E)에 대하여, E × B ≠ 0 이 되는 자장(B)을 인가하는 것이다. 단, 이 E × B ≠ 0 이라는 조건은, 플라즈마를 발생시키고 싶은 공간의 어딘가에서는 필요하나, 플라즈마를 발생시키고 싶은 모든 공간에서 필요한 것은 아니다. 자장을 인가하는 방법은 여러가지 있으나, 국소적으로 복잡한 구조를 가지는 자장을 사용하지 않는 한, 이 "E × B ≠ 0" 이라는 조건은 상기한 첫번째 조건에 포함된다. 이 "E × B ≠ 0" 이라는 조건에 의하여 전자는 자력선을 중심(Guiding Center)으로 하는 Larmor 운동이라 불리우는 회전운동을 행한다. 이 Larmor 운동은, 상기한 회전유도전장에 의한 회전운동이 아니고, 전자 사이클로트론 연동이라 불리우고 있는 것이다. 그 회전주파수는 전자 사이클로트론 주파수(ωc)라 불리우고, 하기 수학식 (3)으로 나타낸다. 하기 수학식 (3)에서, q는 전자의 소전하(素電荷), B는 자장강도, me는 전자의 질량이다. 이 전자 사이클로트론 운동의 특징은, 그 주파수가 자장강도만에 의하여 정해지는 것이다.
Figure pat00003
여기서, 회전하는 유도전장(E)의 회전주파수(f)를 이 사이클로트론 주파수(ωc)에, 2πf = ωc 가 되도록 일치시키면, 전자 사이클로트론 공명이 생기고, 고주파 유도 안테나에 흐르는 고주파 전력은, 공명적으로 전자에 흡수되어, 고밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 단, "유도전장(E)의 회전주파수(f)를 이 사이클로트론 주파수(ωc)에 일치시킨다"라는 조건은, 플라즈마를 발생시키고 싶은 공간의 어딘가에서는 필요하나, 플라즈마를 발생시키고 싶은 모든 공간에서 필요한 것은 아니다. 이 ECR의 발생조건은, 상기한 바와 같이 하기 수학식(4)로 나타낸다.
Figure pat00004
또, 여기서 인가하는 자장(B)은 정자장이어도 되고, 변동자장이어도 된다. 단, 변동자장의 경우, 그 변동주파수(fB)가, Larmor 운동의 회전주파수[전자 사이클로트론 주파수(ωc)]의 사이에, 2πfB 《 ωc의 관계를 만족하지 않으면 안된다. 이 관계가 의미하는 것은, 전자 사이클로트론 운동을 하는 전자의 일주기에서 보면, 변동자장의 변화는 충분히 작고, 정자장이라고 간주할 수 있다는 것이다.
이상에 의하여, 전자 사이클로트론(ECR) 가열이라는 플라즈마 가열방법을 이용하여, 전자의 플라즈마 생성 능력을 비약적으로 올릴 수 있다. 단, 산업상 응용에 있어서, 소망하는 플라즈마 특성을 얻는 것을 생각하면, 안테나 구조를 최적화하여 유도전장(E)의 강도와 그 분포를 제어함과 함께, 상기 자장(B)의 강도분포를 가변 제어함으로써, 필요한 곳에 필요한 만큼 상기 자장(B)이나 주파수의 조건을 만족시키는 공간을 형성하고, 플라즈마 생성과 그 확산을 제어하는 것이 바람직하다. 도 1은, 이것을 고려한 일 실시예이다.
또, 본 발명에서 설명한 ICP원에서 ECR 방전을 가능하게 하는 방법은, 사용하는 고주파의 주파수나 자장강도에 의존하지 않고, 항상, 지금까지 설명하여 온 조건을 만족시키면 이용 가능하다. 물론, 공학적인 응용에 관해서는, 발생시키는 플라즈마의 용기를 어떠한 크기로 할지 등의 현실적인 제한에 의하여 사용할 수 있는 주파수나 자장강도에는 제한이 발생한다. 예를 들면, 다음식으로 나타내는 전자의 Larmor 운동의 반경(rL)이, 플라즈마를 가두는 용기보다 큰 경우, 전자는 주회 운동하지 않고 용기벽에 충돌하기 때문에, ECR 현상은 일어나지 않는다. 수학식 (5)에서, ν는, 도 3에 나타낸 전장의 평면에 수평인 방향의 전자의 속도이다.
Figure pat00005
이 경우, 당연, 사용하는 고주파의 주파수를 높게 하여, ECR 현상이 발생하 도록 자장강도도 높게 할 필요가 있다. 그러나, 이 주파수와 자장강도의 선택은, 목적에 따라 자유롭게 선택해야 하며, 본 발명이 나타낸 원리 자체는 전혀 손상되는 것이 아니다.
여기서, 본 발명이 나타낸 ICP원에서 ECR 방전을 가능하게 하는 원리의 필요충분 조건을 정리하면, 이하의 4가지가 된다. 첫번째는, 플라즈마를 생성하는 공간에 인가하는 자장(B)의 자력선의 방향에 대하여 항상 우회전하는 유도전장(E)의 분포를 형성하는 것이다. 두번째는, 이 자장(B)과 그 자력선의 방향에 대하여 우회전하는 유도전장(E)의 분포에 대하여, E × B ≠ 0 을 만족시키는 자장(B)을 인가하는 것이다. 세번째는, 회전하는 유도전장(E)의 회전주파수(f)와 자장(B)에 의한 전자 사이클로트론 주파수(ωc)를 일치시키는 것이다. 네번째는, 전자 사이클로트론 운동을 하는 전자의 일주기에서 보면, 자장(B)의 변화는 충분히 작고, 정자장이라고 간주할 수 있다는 것이다. 이상의 4가지를 만족시키는 실시예가 도 1이나, 도 1의 실시예를 변형하여도 상기 필요 충분 조건을 만족시키면, 어떠한 변형을 행하여도 ICP원에서 ECR 방전은 가능하게 된다. 즉, 도 1의 장치 구성을 어떻게 변형시키든, 상기 필요 충분 조건을 만족시키면 본 발명의 일 실시예가 되는 것에 주의하지 않으면 안된다. 그 변형은 단지 공학적인 설계의 문제이며, 본 발명이 나타내는 물리적인 원리를 변경하는 것은 아니다. 이하에, 도 1의 변형예에 대하여 정리한다.
도 1에서는, 진공용기 덮개(12)가 평판형상의 절연재로 이루어지고, 그 위에 고주파 유도 안테나(7)가 구성되어 있다. 이 구성이 의미하는 것은, 플라즈마를 생성하고 싶은 공간, 즉 진공용기 덮개(12)와 피처리체(W)에 끼워진 공간에, 자장(B)의 자력선의 방향에 대하여 항상 우회전하는 유도전장(E)의 분포를 형성할 수 있는 것이다. 상기 필요 충분 조건의 첫번째 내용이다. 따라서, 진공용기 덮개(12)가 평판형상의 절연체인 것도, 고주파 유도 안테나(7)가 진공용기 덮개(12) 위에 구성되어 있는 것도, 본 발명에서는 필수 구성은 아니다. 예를 들면, 진공용기 덮개(12)는, 사다리꼴의 회전체형상이나 중공의 반구형상 즉 돔형상 또는 바닥이 있는 원통형상의 형상이어도 상관없다. 또, 고주파 유도 안테나는 진공용기 덮개에 대하여 어떠한 위치에 있어도 상관없다. 본 발명이 나타내는 원리로 하면, 진공용기 덮개(12)의 형상과 진공용기 덮개에 대한 안테나 위치는, 상기 필요 충분 조건을 만족시키는 구성이면, 모두 본 발명의 일 실시예이다.
그러나, 산업상 이용에서는, 진공용기 덮개의 형상과 진공용기 덮개에 대한 안테나 위치는 중요한 의미가 있다. 왜냐하면, 피처리체(W)의 면 내에서 균일한 가공이 필요하게 되기 때문이다. 즉, 피처리체(W)의 위에서 처리에 사용하는 이온이나 라디칼 등의 플라즈마를 구성하는 가스종의 성분이 균일한 분포를 형성하지 않으면 안된다.
플라즈마는, 고에너지 전자에 의해 프로세스 가스가 해리·여기·전리됨으로써 발생한다. 이 때 발생하는 라디칼이나 이온에는, 강한 전자 에너지 의존성이 있고, 라디칼과 이온에서는 발생량 뿐만 아니라, 그것들의 발생분포가 다르다. 이에 의하여, 라디칼과 이온을 완전히 동일한 분포로 생성하는 것은, 사실상 무리이다. 또, 발생한 라디칼이나 이온은 확산에 의해 퍼지나, 그것들의 확산 계수는 라디칼이나 이온의 종류에 따라 다르다. 특히, 이온의 확산 계수는 중성의 라디칼 확산 계수보다 큰 것이 보통이다. 즉, 확산을 이용하여 피처리체(W)의 위에서 라디칼과 이온을 동시에 균일한 분포로 하는 것도, 사실상 무리이다. 또, 프로세스 가스가 분자인 경우나 다종의 가스를 섞어 플라즈마를 발생시키는 경우, 라디칼이나 이온은 복수종류 발생하기 때문에, 모든 라디칼과 이온의 분포를 균일하게 하는 것은 더욱 불가능하다. 그러나, 균일한 처리를 하기 위하여 중요한 것은, 플라즈마가 적용되는 프로세스가 어떠한 가스종에 의해 진행되는지이다. 예를 들면, 반응이 특정한 라디칼 주체로 진행되면, 그 라디칼의 분포를 균일하게 하는 것이 중요하다. 반대로, 이온에 의한 스퍼터링이 주체로 반응이 진행되면, 그 이온의 분포를 균일하게 하는 것이 중요하다. 또한 라디칼과 이온이 경합하여 반응이 진행되는 경우도 있다. 이들 여러가지 프로세스에 대응하기 위해서는, 플라즈마의 발생분포와 그 확산을 제어하여, 더욱 바람직한 균일성으로 각 프로세스를 진행시키는 것이 요구된다.
이와 같은 요구에 대해서는, 본 발명에서는 2종류의 대응책이 있다. 그 이유는, 본 발명에서는, 플라즈마를 생성하는 전자의 에너지를 정하는 것이 E × B, 간단하게 말하면 유도전장(E)과, 자장(B)으로 결정되기 때문이다. 첫번째 대응책은 유도전장(E)에 관련되어 있고, 프로세스마다, 절연체로 이루어지는 진공용기 덮개(12)의 형상과 이것에 대한 안테나 위치를 최적화하는 것이다. 상기한 바와 같이, 본 발명에서는 통상의 ICP원과 마찬가지로 안테나의 구성으로 플라즈마의 발생분포가 결정된다. 안테나 근방에 가장 강한 유도전장(E)이 형성되기 때문이다. 또, 진공용기 덮개와 피처리체 및 진공용기가 만드는 공간의 넓이에 의해 발생한 라디칼이나 이온의 분포를 제어할 수 있다. 이것은, 두번째의 대응책인 자장(B)과 깊은 관계가 있으나, 여기서는 설명을 이해하기 쉽게 하기 위하여, 자장을 생각하지 않은 상태에서 설명한다.
도 13에는, 4종류의 절연체로 이루어지는 진공용기 덮개(12)의 형상과 안테나 위치에 대하여, 피처리체(W)의 위에서의 분포가 어떠한 형이 되는지를 모식적으로 나타내었다. 설명을 간단하게 하기 위하여, 이 분포는 이온의 분포로 한다. 도 13(a)에는, 절연체로 이루어지는 진공용기 덮개(12)가 평판형상인 경우를 나타내었다. 고주파 유도 안테나 요소(7)는 절연체인 진공용기 덮개(12)의 위에 있고, 안테나 바로 밑에 이온(플라즈마)의 생성 공간(P)이 출현한다. 이 때 발생한 이온은, 진공용기 덮개(12)와 진공용기(11)가 둘러싸는 공간으로 확산하여 퍼진다. 정성적으로 기술하면, 이 때의 확산방향은 주로 하향이 된다. 이와 같은 확산에 의하여 피처리체(W) 위에 M형의 이온분포가 형성되었다고 가정하자. 여기서, 안테나의 간격(d)을 도 13(b)에 나타내는 d'와 같이 작게 하였다고 하자. 이 안테나 위치의 변경에 의하여, 이온의 확산은 더욱 피처리체(W)의 중심방향을 향한다. 따라서, 피처리체(W) 위의 이온분포를 더욱 중앙이 높게 할 수 있다. 또, 도시 생략하였으나, 안테나 간격을 더욱 넓히면, 이온의 M형 분포는 더욱 강조되는 방향으로 변화된다. 즉, 안테나의 구조 변경은, 이온의 분포제어에 매우 유용하다. 그러나, 안테나 구조의 변경만으로는, 여기서 생각하고 있는 이온 이외의 이온이나 라디칼도 동일한 분포변화를 한다. 왜냐하면, 안테나에 대한 플라즈마발생영역의 넓이에 변화는 적고, 또, 절연체로 이루어지는 진공용기 덮개(12)와 진공용기(11)가 형성하고 있는 공간이 동일한 형을 하고 있기 때문이다.
이와 같은 분포제어는, 절연체로 이루어지는 진공용기 덮개(12)의 형상을 변경함으로써 가능하다. 도 13(c), (d), (e)에는, 각각 중공의 반구형 즉 돔형상의 진공용기 덮개, 회전하는 사다리꼴 형상의 안쪽에 공간을 가지는(사다리꼴 회전체형상) 진공용기 덮개 그리고 바닥이 있는 원통형의 진공용기 덮개로 변경하였을 때의 이온의 분포를 모식적으로 나타내고 있다. 이에 의하여 이해할 수 있는 것은, 도 13(a)로부터 (c), (d), (e)로 절연체로 이루어지는 진공용기 덮개(12)의 형상의 변화에 따라, 더욱 중앙을 향하는 이온의 확산이 증가하는 것이다. 따라서, 도 13(a)로부터 (c), (d), (e)로 변경함에 따라, 피처리체(W) 위의 이온분포는 더욱 중앙이 높아진다.
여기서, 도 13(b)와 (d)에서는, 피처리체(W) 상의 이온분포는 동일한 형이 되도록 도시되어 있다. 이것은, 실제의 장치의 구조를 적절히 설계함으로써 실현 가능하다. 그러나, 도 13(a)로부터 (b)로의 변경과, 도 13(a)로부터 (d)로의 변경에는 결정적인 차이가 있다. 이것은, 절연체로 이루어지는 진공용기 덮개(12)와 진공용기(11)가 만드는 공간의 체적과 그 표면적이 다른 것이다.
먼저, 이온은 공간에서 소멸할 확률은 매우 낮고, 그 소멸은 주로 벽 표면에서의 전하방출이다. 공간에서 소멸하기 위해서는, 예를 들면, 2개의 전자와 동시에 충돌한다는(3체 충돌) 매우 드문 반응이 필요하기 때문이다. 또, 이온의 벽에 대한 충돌은, 전자와 등량이 아니고는 안된다는(플라즈마의 준중성 조건) 제한이 있다. 그러나, 라디칼은 중성의 여기종이며, 단체의 전자나 다른 분자 등과 충돌하여 용이하게 그 활성 에너지를 잃는다. 반대의 경우도 있을 수 있다. 또, 라디칼도 벽에 충돌하여 그 여기 에너지를 잃으나, 그 유입은 플라즈마의 준중성 조건과는 무관계하고, 단지 벽에 대한 확산량으로 결정된다. 물론, 상기한 바와 같이 이온과 라디칼의 확산 계수는 크게 다르다. 즉, 절연체로 이루어지는 진공용기 덮개(12)와 진공용기(11)가 만드는 공간의 체적과 그 표면적을 바꿈으로써, 이온에 대한 라디칼의 생성영역·확산·소멸의 정도를 더욱 크게 바꿀 수 있다. 이상에 의하여, 도 13(a)로부터 (b)로의 변경과 비교하면, 도 13(a)로부터 (d)로의 변경은, 이온과 라디칼의 분포를 더욱 다이내믹하게 제어할 수 있는 것을 알 수 있다.
두번째 대응책은, 자장(B)에 관련되어 있고, 절연체로 이루어지는 진공용기 덮개(12)의 형상과 이것에 대한 자장분포를 가변 제어함으로써, 플라즈마의 발생과 확산을 최적화하는 것이다. 도 1에 나타낸 실시예에서는, 상하 자장 코일(81, 82)로 흘리는 전류와 요크(83)의 형상으로 자장의 강도와 그 분포를 제어한다. 이 때, 예를 들면, 도 17에 나타내는 바와 같은 자장을 발생시킬 수 있다. 이 자장의 특징은, 자력선의 방향이 하방향으로 되어 있는 것이다. 이 자력선의 방향과, 도 3에 나타낸 전장방향으로부터 도 3에 나타낸 전장의 회전방향과 전자의 Larmor 운동은 자력선 방향에 대하여 동일한 우회전이 된다. 즉, 이 자장은, 상기 필요 충분 조건의 첫번째와 두번째를 만족시킨 일례이다.
이 자력선에 수직한 평면에 등자장면이 형성된다. 등자장면은 무수히 있으나, 도 17에 그 일례를 나타내었다. 여기서, 상기 일정방향으로 회전하는 유도전장분포의 회전주기를 100 MHz라 하면, 수학식 (3)으로부터, 약 35.7 가우스 등자장면이 ECR 방전을 일으키는 자장강도면이다. 이것을 ECR 면이라 부른다. 이 예에서는, ECR 면은 밑으로 볼록형을 하고 있으나, 평면형상이어도, 위로 볼록형상이어도 상관없다. 본 발명에서는, 플라즈마생성부에 ECR 면을 만드는 것은 필수이나, ECR 면의 형상은 임의이다. 이 ECR 면은, 상하 자장 코일(81, 82)에 흘리는 전류를 가변함으로써 상하로 이동시키는 것이 가능하고, 또, 그 면 형상도 더욱 밑으로 볼록형상으로도 할 수 있고, 평면형상으로도, 위로 볼록형상으로도 할 수 있다.
다음에, ECR 면과 진공용기 덮개형상의 변형을 조합시키면 어떠한 효과가 발생하는지에 대하여, 도 18을 이용하여 설명한다. 도 18(a)는 도 13(a)와 완전히 동일하고, 자장이 없을 때의 플라즈마의 생성영역(체크모양의 영역)과 그 확산방향을 모식적으로 나타낸 것이다. 이 도 13(a)에 대하여 ECR 면을 형성하였을 때의 일례를 도 18(b)에 나타낸다. 여기서, 먼저 중요한 것은, (1) ECR에 의한 플라즈마생성영역은, ECR 면을 따라 존재한다는 것이다. 이것만으로도, 자장이 없을 때와 ECR 면을 형성하였을 때를 비교하면, 플라즈마 중의 이온과 라디칼의 발생영역이 다른 것을 정성적으로 이해할 수 있다. 다음에, (2) 방전의 강도는, 자장이 없을 때는 유도전장(E)의 크기에 따라 강해지나, ECR 방전에서는 E × B의 크기에 따라 강해지는 것이다. 또한, (3) ECR에서 전자는 공명적으로 전장의 에너지를 흡수하기 때문에, 동일한 유도전장(E)이어도, 자장이 없을 때와 비교하여 ECR에서는 방전의 강도가 압도적으로 강한 것이다. 이들 (2), (3)도, 자장이 없을 때와 ECR 면을 형성하였을 때를 비교하면, 플라즈마 중의 이온과 라디칼의 발생영역이 다른 것을 원리적으로 나타내고 있다. 물론, 도 1에 나타낸 실시예에서는, 상하 자장 코일(81, 82)에 흘리는 전류와 요크(83)의 형상을 변경함으로써, ECR 면의 면형상과 ECR 면의 진공용기 덮개에 대한 상하위치를 크게 바꿀 수 있기 때문에, 자장이 없을 때와 ECR 면을 형성하였을 때를 비교하면, 플라즈마 중의 이온과 라디칼의 발생영역을 대폭으로 변경하는 것이 가능해진다.
또, ECR 면을 형성하는 것은, 자장이 없을 때와 비교하면 확산의 상태도 다르다. 즉, 플라즈마 중의 이온과 전자는, 하전입자이기 때문에, 자장을 따라 확산되기 쉽고, 자장으로 수직하게는 확산되기 어렵다는 특성을 가진다. 전자는 Larmor 운동에 의해 자력선에 감긴 상태에서 자력선을 따라 확산하는 데다가, 이온은 플라즈마의 준중성 조건으로부터의 요청에 의하여, 전자와 동일한 방향으로 확산되기 때문이다. 그러나, 라디칼은 중성입자이기 때문에 그 확산에 자장의 영향은 없다. 즉, ECR 면을 형성하는 것은, 이온이나 라디칼의 발생영역을 바꾸는 것 뿐만 아니라, 이온이나 라디칼의 확산에 의한 분포형상에도 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 즉, 자장은 플라즈마생성분포와 확산을 제어하는 매우 유용한 수단이다. 도 18(c), (d), (e)는, 도 13(c), (d), (e)에 대응한 도면으로, 절연체로 이루어지는 진공용기 덮개(12)의 형상을 각각 중공의 반구형 즉 돔형상의 진공용기 덮개, 사다리꼴 회전체의 안쪽에 공간을 가지는(사다리꼴 회전체형상) 진공용기 덮개 그리고 바닥이 있는 원통형의 진공용기 덮개로 변경하였을 때의 플라즈마의 생성영역을 모식적으로 나타내고 있다. 물론, 각 진공용기 덮개가 만드는 공간과 표면적의 크기가 다르기 때문에, 도 13을 이용하여 설명한 확산과 소멸의 차이는 여기서도 원리적으로 동일하다.
도 18에서 말할 수 있는 것이 또 하나 있다. 이것은, 본 발명에서는, 특허문헌 5로 대표되는 바와 같은 헬리콘파를 사용할 때 특유의 세로로 긴 진공용기를 필요로 하지 않는 것이다. 본 발명에서는 도 18(b)에 나타내는 바와 같이 가로로 긴 진공용기이어도, 도 18(e)에 나타내는 세로로 긴 진공용기이어도, 자유롭게 선택할 수 있다. 이것이 가능하게 되는 것은, 헬리콘파를 여기하는 경우에는 전파하여 가는 헬리콘파가 전파 도중에 충분히 흡수되도록 흡수길이를 길게 취하지 않으면 안되는(진공용기를 길게 한다) 것에 대하여, 본 발명에서는 ECR 면에서 전장의 에너지가 흡수되기 때문에 긴 흡수길이가 불필요하기 때문이다. 본 발명에서는, 유도전장의 에너지를 흡수하는 공간은, ECR 면(등자장면과 전자의 회전면)을 형성할 수 있을 만큼의 크기로 충분하다. 왜냐하면, ECR 면은 어느 방향으로 전파하는 파가 아니라, 단순한 공명면이기 때문이다. 이것이, 헬리콘파를 사용하는 경우와 ECR 면을 사용하는 경우의 결정적인 차이며, 본 발명이 헬리콘 플라즈마원과 비교하여 충분한 실용성을 가지는 이유이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, (1) 안테나 구조, (2) 절연체로 이루어지는 진공용기 덮개(12)의 구조, 그리고 (3) 자장이라는, 플라즈마의 생성과 확산·소멸을 조정하기 위한 장치를 3종류 가지고 있다. 이와 같은 특징은, 종래의 ICP원이나 ECR 플라즈마원, 평행 평판형 등의 플라즈마원에서는 용이하게는 얻을 수 없었던 특장(特長)이다. 특히, 자장은 안테나 구조나 절연체로 이루어지는 진공용기 덮개(12)의 형상 등의 장치구조를 정한 후에도, 상하 자장 코일(81, 82)로 흘리는 전류를 가변함으로써, 플라즈마의 발생영역이나 그 확산을 더욱 다이내믹하게 제어할 수 있다는 특징을 가진다.
(실시예 2)
제 2 실시예로서, 도 14를 이용하여 진공처리실 덮개의 형상의 제 2 예를 설명한다. 도 14에서, 진공처리실 덮개(12)의 형상 이외는 도 1의 플라즈마처리장치의 구조와 대략 동일하고, 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있고, 이것들의 설명은 생략한다. 도 1의 진공처리실 덮개(12)는 평판형상(원반형상)의 절연재로 구성되었으나, 이 예에서는, 절연체로 이루어지는 진공처리실 덮개(12)는, 중공의 반구형상 즉 돔형상으로 형성되고, 도시한 바와 같이 원통형의 진공용기(11)의 정점부에 기밀하게 고정되어 진공처리실(1)을 구성한다. 이 구성에 의하여 도 18(c)에 나타내는 바와 같이, ECR 면에 플라즈마생성영역이 형성된다.
(실시예 3)
제 3 실시예로서, 도 15를 이용하여 진공처리실 덮개의 형상의 제 3 예를 설명한다. 도 15에서, 진공처리실 덮개(12)의 형상 이외는 도 1의 플라즈마처리장치의 구조와 대략 동일하고, 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있고, 이것들의 설명은 생략한다. 이 예에서는, 절연체로 이루어지는 진공처리실 덮개(12)는, 중공의 원뿔의 정점부를 삭제하여 평탄한 천정을 형성하고 안쪽에 공간을 가지는 형상으로 형성되어, 도시한 바와 같이 원통형 진공용기(11)의 정점부에 기밀하게 고정되어 진공처리실(1)을 구성한다. 이 명세서에서는, 이 진공용기 덮개(12)의 형상을 사다리꼴 회전체라 부른다. 이 구성에 의하여 도 18(d)에 나타내는 바와 같이, ECR 면에 플라즈마생성영역(P)이 형성된다.
(실시예 4)
제 4 실시예로서, 도 16을 이용하여 진공처리실 덮개의 형상의 제 4 예를 설명한다. 도 16에서, 진공처리실 덮개(12)의 형상 이외는 도 1의 플라즈마처리장치의 구조와 대략 동일하고, 동일한 부분에는 부호를 붙이고 있고, 이것들의 설명은 생략한다. 이 예에서는, 절연체로 이루어지는 진공처리실 덮개(12)는, 바닥을 가지는 원통으로서 안쪽에 공간을 가지는 형상으로 형성되고, 도시한 바와 같이 바닥이 위가 되도록 원통형 진공용기(11)의 정점부에 기밀하게 고정되어 진공처리실(1)을 구성한다. 이 명세서에서는, 이 진공용기 덮개(12)의 형상을 바닥이 있는 원통형이라 부른다. 이 구성에 의하여, 도 18(e)에 나타내는 바와 같이, ECR 면에 플라즈마생성영역(P)이 형성된다.
이들 예에서는, 어느 것이나 그 기능은 도 1에 나타낸 실시예와 동일하다. 다른 점은, 각각의 플라즈마원이 생성하는 플라즈마의 이온이나 라디칼의 분포제어의 범위(생성영역과 확산·소멸의 정도)가 다른 것이다. 이들 플라즈마원의 선택은, 본 발명을 어떠한 프로세스에 적용할지로 선택해야 한다.
(실시예 5)
도 1(도 2)에서는, 원을 4분할한 원호형상의 고주파 유도 안테나 요소(7-1, 7-2, 7-3, 7-4)의 급전단(A)과 접지단(B)이, 하나의 원주상에 ABABABAB와 점대칭이 되도록 배치되어 있다. 이 "급전단과 접지단이 점대칭이 되도록 배치하는 것"도, 상기 필요 충분 조건의 첫번째 내용을 실현하기 위한 필수 구성은 아니다. 급전단(A)과 접지단(B)은, 자유롭게 배치할 수 있다. 제 5 실시예로서, 도 2와 대응하는 이 실시예를 도 6에 나타낸다. 도 6에서는, 일례로서, 고주파 유도 안테나 요소(7-1)의 급전단(A)과 접지단(B)의 위치를 반전시켜, 고주파전류(I1)의 방향을 반전시킨 것이다. 그러나, 이 경우에서는, 고주파 유도 안테나 요소(7-1)에 흐르는 고주파전류(I1)의 위상을 도 2에 나타낸 위상으로부터 반전시킴으로써(예를 들면, 3λ/2 지연시킨다), 도 5에 나타낸 회전하는 유도전장(E)을 만들어낼 수 있다. 이 것으로부터 알 수 있는 것은, 급전단(A)과 접지단(B)의 위치를 반전시키는 것은, 위상을 반전 : 즉 λ/2 지연시키는 것과 같은 것이다.
(실시예 6)
이것을 이용하면, 도 2의 구성은 더욱 간략화할 수 있고, 제 6 실시예로서, 이것을 도 7에 나타낸다. 도 7의 구성은, 도 2에서 I1과 I3, I2와 I4가 각각 λ/2 지연, 즉 반전하고 있는 것을 이용한 것으로, I1과 I3, I2와 I4에 각각 동상의 전류를 흘리나, I3과 I4의 급전단(A)과 접지단(B)을 반전시킨 구성이다. 또한 I1과 I3, I2와 I4의 사이에 λ/4 지연(6-2)을 넣고 있기 때문에, 도 2와 동일하게 회전하는 유도전장(E)(도 5에 나타낸 것)을 형성할 수 있다. 이상과 같이, 고주파 유도 안테나의 구성과 위상 제어를 조합하면, 많은 변형을 만들 수 있다. 그러나, 이들 변형은 공학적 설계에 지나지 않고, 상기 필요 충분 조건의 첫번째 내용을 만족시키도록 구성한 경우, 모두 본 발명의 일 실시예가 된다.
(실시예 7)
도 1에서는, 전원 출력부에 있는 정합기와 고주파 유도 안테나 요소(7-1 ∼ 7-4)의 사이에 위상 지연회로가 설치되어 있다. 이 "정합기와 고주파 유도 안테나 요소(7-1 ∼ 7-4)의 사이에 위상 지연회로가 설치되어 있는 것"도, 상기 필요 충분 조건의 첫번째 내용을 실현하기 위한 필수 구성은 아니다. 상기 필요 충분 조건의 첫번째 내용을 만족시키기 위해는, 고주파 유도 안테나에, 도 5에 나타낸 회전하는 유도전장(E)을 형성하도록 전류를 흘리는 것 뿐이다. 여기서, 도 2와 동일하게 도 5에 나타낸 회전하는 유도전장(E)을 형성하나, 제 7 실시예로서, 다른 구성의 실시예를 도 8에 나타낸다. 도 8의 구성은, 고주파 유도 안테나 요소(7-1 ∼ 7-4)와 동일한 수의 고주파 전원(51-1 ∼ 51-4)에 의해 고주파 유도 안테나 요소(7-1 ∼ 7-4)로 전류를 흘리는 것이나, 하나의 발신기(54)의 출력에, 지연수단 없이 및 λ/4 지연수단(6-2) 및 λ/2 지연수단(6-3) 및 3λ/4 지연수단(6-4)을 각각 거쳐 고주파 전원(51-1 ∼ 51-4), 정합기(52-1 ∼ 52-4)을 접속하여, 각각 필요한 위상지연을 행한다는 것이다. 이와 같이 고주파 전원(51)을 증가함으로써 정합회로(53)가 증가하나, 고주파 전원 단체의 전력량을 작게 할 수 있고, 고주파 전원의 신뢰성을 올리는 것이 가능해진다. 또, 각 안테나에 공급하는 전력을 미세 조정함으로써, 둘레방향의 플라즈마의 균일성을 제어할 수 있다.
(실시예 8)
이와 같은 전원 구성과 고주파 유도 안테나 구성의 변형은 이것 하나에 한정하지 않는다. 예를 들면, 도 2와 도 8에 나타낸 구성을 응용하면, 도 2와 마찬가지로 도 5에 나타낸 회전하는 유도전장(E)을 형성하나, 더욱 다른 구성을 만들 수 있다. 제 8 실시예로서, 이 일 실시예를 도 9에 나타낸다. 도 9의 실시예는, 발신기(54)에 접속된 고주파 전원(51-1)과 λ/2 지연수단(6-3)을 거쳐 접속된 고주파 전원(51-2)의 2대의 고주파 전원으로부터 서로 λ/2 지연한 고주파를 급전점(53-1, 53-2)에 출력하고, 이들 출력과 고주파 유도 안테나 요소(7-2, 7-4)의 사이에서 λ/4 지연수단(6-2)을 거쳐 필요한 지연을 더 행하는 것이다.
(실시예 9)
다음 실시예는, 도 9와 도 7의 실시예를 조합시킨 것으로, 제 9 실시예로서, 이것을 도 10에 나타낸다. 도 10에서는, 도 9와 동일한 발신기(54)에 접속된 2대의 고주파 전원(51-1, 51-2)을 사용하나, 그 위상은 발신기(54)의 출력부에서 한쪽의 고주파 전원(51-3)측에 λ/4 지연수단(6-2)을 삽입하여 위상을 λ/4 어긋나게 함과 함께, 고주파 유도 안테나 요소(7-1, 7-2)는 급전단(A)과 접지단(B)을 도 9와 동일하게 설정하고, 고주파 유도 안테나 요소(7-3, 7-4)는 급전단(A)과 접지단(B)을 도 7과 동일하게 고주파 유도 안테나 요소(7-1, 7-2)와 역방향으로(반전시켜) 설정한 것이다. 이 출력의 위상의 기준을 I1의 위상으로 하면, I1과 I3은 동상의 전류가 되나, I3의 방향[급전단(A)과 접지단(B)]이 도 2와 비교하여 반전하고 있기 때문에, I1과 I3이 형성하는 유도전장(E)은 도 2와 같아진다. 또, I2와 I4는 I1과 비교하여 위상이 λ/4 지연되어 있고, I2와 I4도 동상의 전류가 되나, I4의 방향[급전단(A)과 접지단(B)]이 도 2와 비교하여 반전하고 있기 때문에, I2와 I4가 형성하는 유도전장(E)은 도 2와 동일해진다. 결과적으로, 도 10에 나타낸 실시예는, 도 2와는 구성이 다르나, 도 2와 동일한 유도전장(E)을 형성한다.
즉, 이 실시예는, 시료를 수용할 수 있는 진공처리실을 구성하는 진공용기와, 상기 진공처리실에 처리가스를 도입하는 가스 도입구와, 상기 진공처리실 밖에 설치된 고주파 유도 안테나와, 상기 진공처리실 내에 자장을 형성하는 자장 코일과, 상기 고주파 유도 안테나에 고주파전류를 공급하는 플라즈마생성용 고주파 전원과, 상기 자장 코일에 전력을 공급하는 전원을 구비하고, 상기 고주파 유도 안테나에 상기 고주파 전원으로부터 고주파전류를 공급하고, 진공처리실 내에 공급되는 가스를 플라즈마화하여 시료를 플라즈마처리하는 플라즈마처리장치에 있어서, 특히, 상기 고주파 유도 안테나를 s(s는 양의 짝수)개의 고주파 유도 안테나 요소로 분할하고, 분할된 각각의 고주파 유도 안테나 요소를 원주상에 종렬로 나열하고, 종렬에 배치된 상기 고주파 유도 안테나 요소에, s/2개의 각 고주파 전원보다 미리λ(고주파 전원의 파장)/s 씩 지연시킨 고주파전류를, 1번째 고주파 유도 안테나 요소로부터 s/2번째까지의 고주파 유도 안테나 요소까지 차례로 고주파 유도 안테나 요소에 공급하고, 또한, s/2 + 1번째 고주파 유도 안테나 요소로부터 s번째까지의 고주파 유도 안테나 요소까지는 차례로 그 고주파 유도 안테나 요소가 대향하는 1번째부터 s/2번째까지의 고주파 유도 안테나 요소와 동일한 위상의 고주파전류를 공급하나, 상기 고주파 유도 안테나 요소를 흐르는 전류의 방향이 반대가 되도록 당해 고주파 유도 안테나 요소를 구성하고, 일정방향으로 회전하는 전장을 형성하여 시료를 플라즈마처리하도록 구성함으로써, 상기 자장 코일에 전력을 공급하여 형성한 자장의 자력선 방향에 대하여 우방향으로 순서대로 지연시켜 흘리고, 특정방향으로 회전하는 전장을 형성하여 플라즈마를 발생시켜 시료를 플라즈마처리하 도록 구성한 것이다.
도 1(도 2)에서는, 원을 4분할한 원호형상의 고주파 유도 안테나 요소(7-1, 7-2, 7-3, 7-4)가, 하나의 원주상에 배치되어 있다. 이 "4분할"이라는 구성도, 상기 필요 충분 조건의 첫번째 내용을 실현하기 위한 필수 구성은 아니다. 고주파 유도 안테나의 분할수는, n ≥ 2를 만족시키는 정수(n)를 생각하면 된다. n개의 원호형상 안테나(고주파 유도 안테나 요소)를 사용하여 하나의 원주의 고주파 유도 안테나(7)를 구성할 수도 있다. 또한, 도 1에서는, 고주파에 흐르는 전류의 위상 제어에 의하여 자력선 방향에 대하여 우회전하는 유도전장(E)을 형성하는 방법을 나타내었으나, 이것은, n ≥ 3으로는 확실하게 형성할 수 있다. n = 2의 경우는 특수하고, 예를 들면, 2개의 반원형상의 안테나를 사용하여 하나의 원주를 형성하고, 각각에 (360°) / (2개의 안테나) = (180°)의 위상차를 가지고 전류를 흘리는 것을 의미한다. 이 경우, 단지 전류를 흘리는 것만으로는, 유도전장(E)은 우회전도 좌회전도 할 수 있고, 상기 필요 충분 조건의 첫번째 내용을 만족시키지 않는 것처럼 보인다. 그러나, 본 발명의 필요 충분 조건을 만족시키는 자장을 인가하면, 전자는 Larmor 운동에 의해 자발적으로 우회전을 행하기 때문에, 결과적으로 유도전장(E)도 우회전한다. 따라서, 본 발명에서의 고주파 유도 안테나의 분할수는, 상기한 바와 같이, n ≥ 2를 만족시키는 정수(n)를 생각하면 된다.
(실시예 10)
상기한 바와 같이, 고주파 유도 안테나의 분할수(n)가 n = 2인 경우, 상기한 필요 충분 조건의 두번째 내용을 만족시키는 자장(B)을 인가함으로써, 고주파 유도 안테나가 형성하는 유도전장(E)은 자력선의 방향에 대하여 우회전한다. 이 실시예에서는, 2개의 고주파 유도 안테나 요소에는, λ/2 위상이 어긋난 고주파를 급전한다. 제 10 실시예로서, 이 실시예의 기본구성을 도 11에 나타낸다. 도 11의 구성에서는, 안테나 요소(7-1)의 급전단(A)과 접지단(B)과 안테나 요소(7-2)의 급전단(A)과 접지단(B)이 ABAB로 둘레방향에 점대칭으로 나열하도록 구성됨과 함께, 발신기(54)의 2개의 출력은, 한쪽이 고주파 전원(51-1) 및 정합기(52-1)를 거쳐, 고주파 유도 안테나 요소(7-1)의 급전단(A)의 급전점(53-1)에 접속되고, 다른쪽이 λ/2 지연수단(6-3)과 고주파 전원(51-2) 및 정합기(52-2)를 거쳐, 고주파 유도 안테나 요소(7-2)의 급전단(A)의 급전점(53-2)에 접속되어 있다.
따라서, 도 11에 도시한 바와 같이, 각 고주파 유도 안테나 요소의 전류의 방향은 I1과 I2에 화살표로 나타낸 방향이다. 그런데, 각 고주파 유도 안테나의 요소(7-1, 7-2)에는, 위상이 역전한(λ/2 위상이 어긋난) 전류가 흐르기 때문에, 결과적으로, 각 고주파 유도 안테나 요소(7-1, 7-2)에 흐르는 고주파전류는 도면에 대하여, 위상의 절반주기마다, 상향 또는 하향 중 어느 한쪽이 된다. 따라서, 도 11을 형성하는 유도전장(E)은, 도 5와 동일한 2개의 피크를 가지게 된다. 단지 이것만으로는, 유도전장(E)으로 구동된 전자는, 우회전도 좌회전도 가능하게 된다. 그러나, 이것에 상기 필요 충분 조건을 만족시키는 자장(B)(지면의 표면에서 이면을 향하는 자력선의 자장)을 인가하면, 우방향의 전자는 ECR 현상에 의해 공명적으로 고주파의 에너지를 수취하여 고효율로 설붕적 전리를 일으키나, 좌방향의 전자는 공명적으로 고주파의 에너지를 수취할 수 없기 때문에 전리효율은 나쁜 것이 된다. 결과적으로, 플라즈마의 발생은 우방향의 전자에 의해 주체적으로 행하여지게 되고, 효율적으로 고주파의 에너지를 수취하여 고속도까지 가속된 전자가 남게 된다. 이 때, 플라즈마 중을 흐르는 전류성분은 저속의 좌방향의 전자와, 고속의 우방향의 전자가 주된 성분이 되나, 당연, 고속에 도달한 우방향의 전자에 의한 전류가 지배적이게 되고, 수학식(1) 및 (2)에서 알 수 있는 바와 같이 유도전장(E)은 우측으로 회전한다. 이것은, μ파나 UHF, VHF를 사용한 종래의 ECR 플라즈마원에서, 특히 전장을 특정방향으로 회전시키지 않아도 ECR 방전이 생기는 것과 동일하다.
(실시예 11)
이 도 11에 대하여, 도 6(또는, 도 7, 도 10)의 효과를 넣으면, 제 11 실시예인 도 12와 같이, 간단한 구성으로 ECR 현상을 일으킬 수 있다. 도 12에서는 위상을 반전시킨 고주파를 공급하지 않고, 각각의 고주파 유도 안테나 요소에 동상의 고주파를 공급하나, 각각의 고주파 유도 안테나 요소의 급전단(A)과 접지단(B)을 동일하게 함으로써 전류의 방향이 반전하기 때문에, 도 11과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 단, 고주파 유도 안테나의 분할수(n)가 n = 2인 경우, 2개의 고주파 유도 안테나 요소에 흐르는 전류가 동시에 제로가 되는 경우가 존재하기 때문에, 예외적으로 유도전장(E)이 E = 0 이 되는 순간이 존재한다. 고주파 유도 안테나의 분할수(n)가 n ≥ 3인 경우, 각각의 경우에 따른 도 3과 동일한 도면을 작성하면 분명한 바와 같이, 항상 2개 이상의 고주파 유도 안테나 요소에 전류가 흐르기 때문에, 유도전장(E)이 E = 0 이 되는 순간은 존재하지 않는다.
서로 등간격으로 안테나의 중심으로부터 방사상으로 배치된 적어도 3개의 직선형상 도체로 이루어지고, 당해 직선형상 도체의 각각은 한쪽 끝이 접지되고, 다른쪽 끝이 RF 고주파 전원에 접속되는 것이 나타나 있다(예를 들면, 특허문헌 6 참조). 이 특허문헌 6 도 3(c), (e)에는, (a) 안테나는 진공 중으로 도입되어 있고, (b) 또, 안테나는 직선형상 도체로 구성되어 있고, (c) 또한, 당해 직선형상 도체가 절연 피복되어 있고, (d) 자장을 인가하는 구성이 개시되어 있다. 이들 구성은, 본 발명의 도 12인 n = 2의 구성과 잘 닮아 있다. 특허문헌 6의 구성의 목적은, 진공 중으로 도입한 안테나에 대전력을 안정되게 투입하여 고밀도의 플라즈마를 생성하고, 자장에 의해 그 확산을 제어하여 균일한 분포를 얻는다는 것이다. 그러나 이 구성은, 본 특허와 비교하면 치명적인 결함이 있다. 이 기본원인은, 진공 중으로 안테나가 도입되어 있는 것이다. 이 문헌에서 설명되어 있는 바와 같이, 진공 중으로 도체 안테나를 도입하면 이상방전 등에 의해 안정된 플라즈마를 생성하는 것이 곤란하다. 이것은, 비특허문헌 3에도 기재된 사실이다. 이 때문에 특허문헌 6의 발명에서는, 안테나를 안정되게 플라즈마로부터 절연 피복하기 위하여 직선형상 도체로 하고 있다. 그런데, 이 안테나는 플라즈마와 유도결합할 뿐만 아니라, 용량결합도 한다. 즉, 안테나 도체와 플라즈마는, 절연 피복의 정전용량에 의해 연결되어 있고, 절연 피복의 플라즈마측 표면에는 고주파 전압에 의한 셀프 바이어스전압이 발생하고, 절연 피복 표면은 항상 플라즈마의 이온에 의해 스퍼터된다. 이에 의하여, 문제가 발생한다. 먼저, 절연 피복이 스퍼터됨으로써, 플라즈마처리를 하는 반도체 웨이퍼는, 절연 피복의 원료물질에 오염되거나, 또는 절연 피복이 스퍼터에 의하여 이물이 되어 반도체 웨이퍼 위에 올라타, 정상적인 플라즈마처리를 할 수 없게 된다. 다음 문제는, 절연 피복이 시간경과에 따라 얇아지고, 절연 피복부의 정전용량의 증가와 함께 안테나 도체와 플라즈마 사이의 용량결합이 강해져 가는 것이다. 이에 의하여, 먼저, 용량결합에 의해 생성되는 플라즈마의 특성이 시간과 함께 변화되어, 일정한 특성의 플라즈마를 발생할 수 없게 된다. 즉 플라즈마 특성의 경시 변화가 발생한다. 또한, 절연 피복이 얇아져 용량결합이 강해지면, 더욱 높은 셀프 바이어스전압이 발생하고, 절연 피복은 가속도적으로 소모되어, 이물발생이나 오염도 가속적으로 증가한다. 최종적으로는, 가장 약한 절연 피복부가 찢어져, 안테나 도체가 직접 플라즈마와 접촉하고, 이상방전을 일으켜 플라즈마처리를 계속할 수 없게 된다. 당연, 안테나의 수명은 유한이다. 즉, 특허문헌 6의 발명의 구성은, 산업용으로는 적합하지 않다. 사용하기 시작하였을 때는 좋더라도, 사용하고 있는 도중에 특성이 자꾸 열화되어 사용할 수 없게 되는 데다가, 안테나는 소모품으로서 교환할 필요가 있어 시간이나 비용이 소요되는 장치가 된다. 이것에 대하여, 본 특허의 구성은 절연체 덮개(12)의 대기측에 있고, 그 수명은 반영구적이며, 소모품으로서 교환하는 시간이나 비용이 소요되지 않는다. 또한, 도 1에 나타낸 바와 같이, 안테나와 플라즈마 사이에는 패러데이 시일드가 있고, 안테나와 플라즈마 사이의 용량결합을 차단할 수 있다. 따라서, 절연체 덮개(12)가 이온으로 스퍼터되어 반도체 웨이퍼의 오염이나 이물발생은 없는 데다가, 절연체 덮개(12)가 스퍼터로 얇아져 사용할 수 없게 되는 경우도 없다. 또한 본 발명과 특허문헌 6의 발명의 차이는, 특허문헌 6의 발명은 회전하는 유도전장을 만들어내는 것도, 이 회전유도전장과 자장에 의해 ECR를 일으키는 것도, 양쪽 모두 의도되어 있지 않은 것이다.
도 1(도 2)에서는, 4분할된 고주파 유도 안테나 요소(7-1, 7-2, 7-3, 7-4)가, 하나의 원주상에 배치되어 있다. 이 "하나의 원주상"이라는 구성도, 상기 필요 충분 조건의 첫번째 내용을 실현하기 위한 필수 구성은 아니다. 예를 들면, 대소 2개의 원주를 생각하고, 평판형상 절연체(12)의 내주와 외주, 또는 상하나 비스듬하게 4분할된 고주파 유도 안테나가 배치되었다 하여도, 상기 필요 충분 조건의 첫번째 내용을 실현할 수 있다. 즉 상기 필요 충분 조건의 첫번째 내용을 실현할 수 있으면, 원주의 수나 그것들의 배치는 자유롭게 구성할 수 있다. 평판형상 진공용기 덮개(12)의 경우와 마찬가지로, 절연체로 이루어지는 진공용기 덮개(12)가, 사다리꼴 회전체 형상이나 중공의 반구체 즉 돔형상이나 바닥이 있는 원통형의 경우에도, 고주파 유도 안테나를 그 내주 외주에 배치하는 것도, 상하나 비스듬하게 배치하는 것도 가능하다.
이하의 발명의 형태는, 복수개의 고주파 유도 안테나 요소로 이루어지는 고주파 유도 안테나의 세트를 복수세트 설치하는 형태이다. 여기서, 회전하는 유도전장(E)을 형성하는 복수의 고주파 유도 안테나 소자로 이루어지는 안테나의 세트수를 m으로 둔다. 본 발명의 경우, m은 자연수이면 구축 가능하다. 즉, 2개의 원주를 생각하는 것 뿐만 아니라, 3개 이상의 원주상에, 각각 분할된 안테나를 배치하는 것도 가능하다. 도 1, 도 2, 도 6 ∼ 도 12, 도 14 ∼ 도 16은, 모두 m = 1의 경우이다. m을 몇개로 할지는, 목적에 따라 선택해야 한다. 산업상 응용에 있어서, 어느 정도의 면적을 가지는 플라즈마가 필요하게 될지, 어느 정도의 면적을 가지는 피처리체를 처리할지, 또는 플라즈마의 균일성은 어느 정도 필요한 것인지에 의해 m의 수를 정해야 한다. m이 1인 경우와 2 이상의 경우에서는 결정적인 차이가 있다. 뒤에서 설명하는 바와 같이, m이 2인 경우는 m이 1인 경우와 비교하여, 안테나의 각 세트로 흘리는 전류의 크기를 제어하여, 플라즈마의 생성분포를 제어할 수 있다는 튜닝 노브가 하나 증가하기 때문이다. m이 3 이상인 경우는 번잡해질 뿐이기 때문에, 여기서는 m = 2의 경우에 대하여 설명한다.
(실시예 12)
도 19를 이용하여, 제 12 실시예를 설명한다. 도 19는, 도 2 또는 도 8의 구성(m = 1)을 m = 2(복수세트)로 확장한 경우를 나타내고 있다. 고주파 전원, 정합기, 전류의 지연회로나 급전선 등을 기입하면 도면이 번잡해지기 때문에, 여기서는 각 고주파 유도 안테나 요소에 대한 급전단(A)(화살표)과 접지단(B)만을 사용한다. 도 19는, 도 2 또는 도 8의 각 고주파 유도 안테나 요소(7-1, 7-2, 7-3, 7-4)의 안쪽에 쌍이 되는 안테나 요소(7'-1, 7'-2, 7'-3, 7'-4)를 설치하고 있다. 이후, 고주파 유도 안테나 요소(7-1, 7-2, 7-3, 7-4)를 바깥쪽 안테나(7), 고주파 유도 안테나 요소(7'-1, 7'-2, 7'-3, 7'-4)를 안쪽 안테나(7')라 부른다. 균일성이 높은 플라즈마를 발생시키기 위해서는, 이들 바깥쪽 안테나(7)와 안쪽 안테나(7')는, 동심원이 되도록 구성한다. 또, 이 구성에서는, 예를 들면, 고주파 유도 안테나 요소(7-1)와 이것에 대응하는 안테나 요소(7'-1)의 급전단(A)과 접지단(B)의 둘레방향에서의 위상각은 일치하고 있다. 이 경우, 도 19의 우측에 나타낸 바와 같이, I1, I1'로서 동상의 전류를 흘리고, I2, I2', I3, I3', I4, I4'를 각각 λ/4 씩 위상을 어긋나게 하여 공급한다. 이 경우, 전류(I1, I1')가 만드는 유도전장(유도자장)의 합은 가장 높아져, 안테나로부터 플라즈마에 대한 전력의 수송효율은 최대가 된다. 플라즈마의 생성은, 안쪽 안테나(7')의 내부(원형상이 된다)는 주로 안쪽 안테나(7')가, 바깥쪽 안테나(7)의 주변(둥근고리 형상이 된다)은 주로 바깥쪽 안테나(7)가 담당하게 된다. 따라서, 플라즈마의 분포제어는, 전류의 절대값｜I1｜(= ｜I2｜ = ｜I3｜ = ｜I4｜)와 ｜I1'｜(= ｜I2'｜ = ｜I3'｜ = ｜I4'｜)의 비율을 바꿈으로써 실현할 수 있다. 이것은, m = 1의 경우에서는 얻어지지 않았던 튜닝 노브이다. 전류비｜I1'｜/｜I1｜은, 0(｜I1'｜= 0, ｜I1｜은 유한의 값을 취한다)으로부터 무한대(｜I1'｜는 유한의 값을 취한다, ｜I1｜ = 0)까지 자유롭게 설정할 수 있다.
본 발명에서는, 하나의 고주파 유도 안테나 세트는, 예를 들면 도 2에서 설명한 바와 같이 고주파 유도 안테나의 세트 중에서 전류의 위상이 제어되어 있지 않으면 안된다. 이것은, 도 19의 바깥쪽 안테나(7)[고주파 유도 안테나 요소(7-1, 7-2, 7-3, 7-4)]에서도, 안쪽 안테나(7')[고주파 유도 안테나 요소(7'-1, 7'-2, 7'-3, 7'-4)]에서도 성립할 필요가 있다. 또, 도 19에서 설명한 예에서는, 바깥쪽 안테나(7)와 안쪽 안테나(7')의 전류의 위상차는 0°로 제어되어 있다. 그러나, 도 19의 구성에서, 안쪽 안테나와 바깥쪽 안테나의 위상차는, 반드시 0°로 제어되어 있을 필요는 없다. 전장(자장)은, 가산과 감산이 가능한 물리량이고, 바깥쪽 안테나가 만들어내는 유도전장과 안쪽 안테나가 만들어내는 유도전장은, 반드시, 어느 장소에서는 서로 강하게 하고, 또 다른 장소에서는 서로 약하게 한다. 도 19에서 위상차가 0°인 것은, 서로 약하게 하는 전장이 최소가 되고, 서로 강하게 하는 전장이 최대가 될 뿐이다. 그러므로, 안테나로부터 플라즈마에 대한 전력의 수송효율은 최대가 된다. 0°이외에서는, 0°의 경우와 비교하여, 서로 약하게 하는 전장이 증가하고, 서로 강하게 하는 전장이 감소할 뿐이다. 플라즈마의 분포제어라는 관점에서는, 서로 약하게 하는 전장을 최소로 하고, 서로 강하게 하는 전장을 최대로 할 필연성은 없다. 설명을 이해하기 쉽게 하기 위하여, 도 19에서는 안쪽 안테나와 바깥쪽 안테나의 전류의 위상차는 0°로 하였으나, 0°이외에도 설정할 수 있다.
(실시예 13)
도 20을 이용하여 제 13 실시예를 설명한다. 도 20은, 바깥쪽 안테나와 안쪽 안테나의 전류의 위상차를 45°로 설정한 일 실시예이다. 이 경우, 고주파 유도 안테나 요소의 갯수(안테나의 분할수)는 n = 4이기 때문에, 45°란 2π/mn (radian)이다. 도 20에서는, 안쪽 안테나(7')와 바깥쪽 안테나(7)가 만들어내는 전장이 가장 강해지도록, 안쪽 안테나와 바깥쪽 안테나를 둘레방향으로 45°어긋나게 하여 설치하고 있다. 이것은, 예를 들면, 바깥쪽 안테나의 고주파 유도 안테나 요소(7-1)의 급전단(A)과, 안쪽 안테나의 고주파 유도 안테나 요소(7'-1)의 급전단(A)이 둘레방향으로 45°회전하고 있는 것을 의미한다. 이와 같은 구성의 경우, 각 고주파 유도 안테나 요소에 흘려야 할 전류의 위상차는, 도 20 우측에 도시한 바와 같이, 45°(λ/mn)가 된다.
도 20의 구성은, 도 19의 구성과 비교하면 이점이 있다. 이 때문에, 먼저 도 19의 구성이 불리한 점을 설명한다. 도 2에서도 동일하나, 도 19의 바깥쪽 안테나(7)가 만들어내는 유도전장이 매끄럽게 회전하는 조건은, 하나의 고주파 유도 안테나 요소, 예를 들면 7-1의 길이(l)가, l ≤ λ/n을 만족시키는 것이다(바깥쪽 안테나가 l ≤ λ/n을 만족시키는 경우, 안쪽 안테나는 반드시 l ≤ λ/n을 만족시키기 때문에, 여기서는 바깥쪽 안테나만으로 설명한다). 여기서, l << λ/n의 경우, 안테나 요소(7-1)의 급전단(A)을 흐르는 고주파전류(I1A)와 접지단(B)을 흐르는 고주파전류(I1B)는 같다고 생각할 수 있고, I1A = I1B 이다. 그러나, l이 λ/n의 길이에 근접하면, 정재파[파장(λ)]에 의해 고주파 유도 안테나 요소 중에 전류분포가 발생한다. 이 모양을 도 26(a)에 나타낸다. 급전단(A)에서 본 I1 방향(화살표의 방향)의 임피던스는, 안테나 요소(7-1)가 가지는 어느 유한의 임피던스(뒤에서 설명하는 L)를 취하는 것에 대하여, 접지단(B)에서 본 I1 방향의 임피던스는 대략 0Ω이 된다. 이 때문에, 정재파의 영향이 현저하게 나온 경우는, 도 26(a)에 나타내는 바와 같이 통상 I1A < I1B 가 된다. 당연, 급전단(A)의 바로 밑의 유도전장강도(E), 즉 플라즈마의 밀도는, 접지단(B)의 바로 밑의 플라즈마밀도보다 낮아진다. 즉, 바깥쪽 안테나의 둘레방향에 플라즈마분포가 생긴다. 이 플라즈마분포가 가장 크게 변화되는 곳은, 안테나 요소와 안테나 요소의 이음매, 예를 들면, 도 19의 안테나 요소(7-1)의 접지단(B)과 안테나 요소(7-2)의 급전단(A)의 사이이다.
이 둘레방향의 플라즈마분포를 더욱 균일하게 하는 방법은 2가지 있다. 하나는, 도 20에 나타낸 바와 같이, 접지단(B)을 직접 접지하는 것은 아니고, 콘덴서(C)를 거쳐 접지하는 것이다. 콘덴서(C)의 값을 적절하게 설계함으로써, I1A = IlB 을 실현할 수 있다. 이 모양을 도 26(b)에 나타낸다. 안테나 요소(7-1)가 가지는 인덕턴스를 L로 두면, I1A = IlB 가 되는 것은, 콘덴서(C)[용량(C)]와 L 사이에 1/ωC = ωL/2의 관계가 성립할 때이다. 도 26(b)에 나타내는 바와 같이, 이 때, 전류(I1)의 분포는 안테나 요소(7-1)의 중심에서 최대값을 취하고, 또, 전압(V1)의 분포는 안테나 요소(7-1)의 중심에서 0V가 된다. 이것은, 비특허문헌 3 및 비특허문헌 4에 자세하게 기재되어 있다.
또 하나의 방법은, 바깥쪽 안테나 급전단(A)과 접지단(B)의 둘레방향의 위치에 대하여, 안쪽 안테나의 급전단(A)과 접지단(B)의 둘레방향의 위치를 어긋나게 하는, 즉 위상각을 붙이는 것이다. 도 20에는 이 위상각은 45°이다. 이와 같은 구성으로 함으로써 플라즈마의 농담을 챔버 내로 분산하고, 플라즈마의 확산에 의한 균일성 향상을 도모할 수 있다. 도 20의 구성은, 이 2가지 요건을 동시에 만족시키는 일 실시예이다.
(실시예 14)
도 21을 이용하여 제 14 실시예를 설명한다. 도 20에서 설명한 바와 같은, 정재파의 영향으로 안테나의 둘레방향에 플라즈마 분포가 생기는 경우, 이 플라즈마 분포를 더욱 균일하게 하는 다른 안테나 구성이 있다. 이것은, 안테나 요소를 겹치는 것으로, 도 21에 이 일 실시예를 나타낸다. 도 21에서는, 고주파 유도 안테나 요소(7-1)는, 그 절반이 고주파 유도 안테나 요소(7-4)와 겹쳐 있고, 또 나머지 절반이 고주파 유도 안테나 요소(7-2)와 겹쳐 있다. 고주파 유도 안테나 요소가 겹친 부분에서는, 2개의 고주파 유도 안테나 요소에 흐르는 전류에 의해 생기는 유도전장이 가산된다. 즉, 고주파 유도 안테나 요소(7-1)의 절반은 전류(I1, I4)에의한 유도전장이 형성되고, 나머지 절반은 전류(I1, I2)에 의한 유도전장이 형성된다. 따라서, 이 구성에 의해 둘레방향의 유도전장을 더욱 매끄럽게 한 상태에서, 회전전장을 형성할 수 있다. 이 구성을 모든 안테나 요소에 대하여 행한 것이, 도 21이다.
이상, 도 20과 도 21을 이용하여, 바깥쪽 안테나(7)와 안쪽 안테나(7')를 사용하여 더욱 매끄러운 회전전장을 형성하는 방법을 설명하였다. 여기서 설명한, (1) 바깥쪽 안테나와 안쪽 안테나의 둘레방향의 설치 위상각을 설정하는 방법과, (2) 접지단(B)을 콘덴서를 거쳐 접지하는 방법과, (3) 안테나 요소를 겹치는 방법은, 다른 도면에서 설명하였으나, 이들 방법을 동시에 실시하는 것이 가능하다.
(실시예 15)
도 22를 이용하여 제 15 실시예를 설명한다. 고주파 유도 안테나 요소의 길이(l)가, l 《 λ/n, 즉, IlA = IlB의 경우, 가장 간단한 n = 2, m = 2가 되는 구성의 일 실시예를 도 22에 나타낸다. 이 구성은, 도 12에서 설명한 구성을 각각 안쪽 안테나(7')와 바깥쪽 안테나(7)에 사용한 것이다. 이 경우, 고주파 유도 안테나 요소에 흐르는 전류(I1, I1', I2, I2')는, 모두 동상의 전류로 할 수 있다. 따라서, 안쪽 안테나의 급전점(A)과 바깥쪽 안테나의 급전점(A)에, 1대의 전원으로부터 전류를 공급할 수 있다. 이 경우, 안쪽 안테나와 바깥쪽 안테나에 공급하는 전류량을 조정하는 전류 조정기(55)를 도면에 나타낸 위치에 삽입하는 것이 바람직하다. 물론, 안쪽 안테나(7')와 바깥쪽 안테나(7)에 각각의 전원으로부터 전류를 공급하여도 상관없다.
평판형상 진공용기 덮개(12)의 경우와 마찬가지로, 절연체로 이루어지는 진공용기 덮개(12)가, 사다리꼴 회전체 형상이나 중공의 반구체 즉 돔형상이나 바닥이 있는 원통형의 경우에도, 고주파 유도 안테나를 그 내주 외주에 배치하는 것도, 상하나 비스듬하게 배치하는 것도 가능하다. 도 13에서 설명한 바와 같이, 진공용기 덮개(12)에 대한 안테나의 위치는, 플라즈마의 생성분포와 확산분포를 제어하는 데에 있어서 매우 중요하다. 동일한 의미에서, 안쪽 안테나와 바깥쪽 안테나를 진공용기 덮개(12)에 대하여 어떻게 배치할지는 중요하다.
도 23에 진공용기 덮개(12)에 대한 안쪽 안테나(7')와 바깥쪽 안테나(7) 배치의 변형을 나타낸다. 도 23(a)는, 평판형상 진공용기 덮개(12)의 위에 안쪽 안테나(7')와 바깥쪽 안테나(7)를 설치한 예이다. 도 13(a)와 비교하면, 더욱 중심으로 집중한 플라즈마 분포를 만들어낼 수 있다. 물론, 안쪽 안테나(7') 또는 바깥쪽 안테나(7)의 한쪽의 전류를 0A 라 하면, 도 23(a)와 도 13(a)는 등가의 구성이다. 평판형상 진공용기 덮개(12)는, 하나의 면(상면)을 가지고 있을 뿐이기 때문에, 이와 같은 구성이 된다. 도 23(b)는, 돔형상 진공용기 덮개(12)에 대한 안쪽 안테나(7')와 바깥쪽 안테나(7) 배치의 변형이다. 돔의 곡면상에 바깥쪽 안테나와 안쪽 안테나를 배치하고, 플라즈마의 분포 제어성을 높인 구성이다. 도 23(a)와 마찬가지로, 안쪽 안테나(7') 또는 바깥쪽 안테나(7)의 한쪽의 전류를 0A 이라 하면, 도 23(b)와 도 13(b)는 등가의 구성이다.
도 23(c), 도 23(d)는, 사다리꼴 회전체 형상 진공용기 덮개(12)에 대한 안쪽 안테나(7')와 바깥쪽 안테나(7) 배치의 변형이다. 이 사다리꼴 회전체형상 진공용기 덮개(12)는, 경사진 측면과 플랫한 상면을 가지기 때문에, 도 23(c), 도 23(d)와 같은 변형이 가능하게 된다. 도 23(c)는, 경사진 측면에 바깥쪽 안테나(7), 상면에 안쪽 안테나(7')를 배치하고 있다. 도 23(d)는, 경사진 측면에 안쪽 안테나(7')와 바깥쪽 안테나(7)를 배치하고 있다. 도 23(c), 도 23(d) 모두 안쪽 안테나(7') 또는 바깥쪽 안테나(7)의 한쪽의 전류를 0A 라 하면, 도 13(d)와 등가의 구성이 된다. 또, 도 23(c)보다 도 23(d)의 쪽이, 더욱 중심부의 플라즈마분포를 제어할 수 있다. 도시 생략하나, 양 안테나를 모두 상면에 배치하는 것도 가능하다.
도 23(e), 도 23(f), 도 23(g)는, 바닥이 있는 원통형 진공용기 덮개(12)에 대한 안쪽 안테나(7')와 바깥쪽 안테나(7) 배치의 변형이다. 이 바닥이 있는 원통형 진공용기 덮개(12)는, 수직한 측면과 넓은 플랫한 상면을 가지기 때문에, 도 23(e), 도 23(f), 도 23(g)와 같은 변형이 가능하게 된다. 도 23(e)는, 측면에 안쪽 안테나(7')와 바깥쪽 안테나(7)를 배치하고 있다. 도 23(f)는, 측면에 바깥쪽 안테나(7), 상면에 안쪽 안테나(7')를 배치하고 있다. 도 23(e), 도 23(f) 모두 안쪽 안테나(7') 또는 바깥쪽 안테나(7)의 한쪽의 전류를 0A라 하면, 도 13(e)와 등가의 구성이 된다.
도 23(g)는, 상면에 바깥쪽 안테나(7)와 안쪽 안테나(7')를 배치하고 있다. 도 23(g)는, 안쪽 안테나(7') 또는 바깥쪽 안테나(7)의 한쪽의 전류를 0A라 하면, 도 13(a)와 동일한 구성이 되는 것처럼 보인다. 그러나, 도 13(a)는 측벽이 도체의 진공용기(접지되어 있다)인 것에 대하여, 도 23(g)에서는 측벽이 절연체로 이루어지는 진공용기 덮개(12)(전기적으로 떠 있다)이기 때문에, 발생하는 유도전장의 분포가 달라, 동일하지는 않다. 이상과 같은 진공용기 덮개(12)의 형과 그것에 대한 고주파 유도 안테나의 세트수와 배치는, 그것들이 발생하는 플라즈마를 어떠한 프로세스에 적용할지로 정해야 한다.
도 1(도 2)에서는, 원을 4분할한 원호형상의 고주파 유도 안테나 요소(7-1, 7-2, 7-3, 7-4)가, 하나의 원주상에 배치되어 있다. 이 "원주상의 배치"도, 상기필요 충분 조건의 첫번째 내용을 실현하기 위한 필수 구성은 아니다. 예를 들면, 직선형상의 4개의 고주파 유도 안테나 요소를 사용하여 직사각형으로 배치하여도, 상기 필요 충분 조건의 첫번째 내용을 실현할 수 있다. 당연, n ≥ 2를 만족시키는 n개의 직선형상의 고주파 유도 안테나 요소를 사용하여 n각형(n = 2인 경우는, 어느 정도 거리를 떼어 대향시키면 된다)의 고주파 유도 안테나(7)를 구성할 수도 있다.
(실시예 16)
도 24를 이용하여, 본 발명의 제 16 실시예를 설명한다. 이 실시예는, 도 19에 나타낸 고주파 유도 안테나 소자(7-1 ∼ 7-4, 7'-1 ∼ 7'-4)를, 직선형상으로 하고, 각각의 세트의 바깥쪽 안테나(7), 안쪽 안테나(7')를 직사각 형상으로 한 실시예이다. 도 24에, 안테나 분할수 n = 4, 안테나 세트수 m = 2 인 경우의 고주파 유도 안테나의 구성을 나타낸다. 바깥쪽 안테나(7)는, 직선형상으로 배치되어 분할된 고주파 유도 안테나 소자(7-1 ∼ 7-4)가 배치되고, 안테나 분할수가 4 이기 때문에, 사각형(직사각형)을 구성한다. 안쪽 안테나(7')도 동일하게 구성된다. 이것은, 도 19에 나타낸 안테나 구성을, 직사각형으로 하였다고 생각하여도 된다. 그러나, 사각형으로 한 것에서, 사각형의 유도전장이 회전하게 된다. 이것은, 도 3에서 원형으로 한 전장의 형이 사각형이 된다고 이해하여도 된다. 단, 완벽하게 사각형의 전장분포라는 것은 존재하지 않는다. 왜냐하면, 전장은 항상 미분 가능한 곡면으로 형성되기 때문이다. 그러나, 도 24의 구성은, 안쪽 안테나가 만들어내는 유도전장분포가 가지는 사각형에서의 무너짐을, 바깥쪽 전극이 보정한다는 효과를 가진다. 도 24에서는, 안쪽 안테나와 바깥쪽 안테나의 전류의 위상차는 0°로 하였으나, 도 19와 마찬가지로 0°이외로도 설정할 수 있다.
(실시예 17)
도 25를 이용하여, 본 발명의 제 17 실시예를 설명한다. 이 실시예는, 도 24보다, 유도전장을 사각형 그대로 더욱 회전시키도록 구성한 고주파 유도 안테나의 구성에 관한 실시예이다. 이 구성은, 도 20에서 설명한 사고방식을, n각형으로 확장한 것으로, 각 안테나 요소에 흘리는 전류의 위상도, 도 20과 같아진다. 즉, 고주파 유도 안테나 소자(7-1 ∼ 7-4)로 이루어지는 바깥쪽(제 1) 안테나(7)와, 고주파 유도 안테나 소자(7'-1 ∼ 7'-4)로 이루어지는 안쪽(제 2) 안테나(7')를 45°어긋나게 하여 배치함으로써, 우회전 유도전장을 형성하는 것이다. 제 1 안테나(7)는, 직선형상의 고주파 유도 안테나 소자(7-1 ∼ 7-4)를 직사각형으로 배치하고 있다. 각각의 고주파 유도 안테나 소자(7-1 ∼ 7-4)에는, 급전단(A)으로부터 λ/4 위상이 어긋난 전류가 공급되고, 접지단(B)이 접지되어 있다. 마찬가지로, 제 2 안테나(7')는, 직선형상의 고주파 유도 안테나 소자(7'-1 ∼ 7'-4)를 직사각형으로 배치하고 있다. 각각의 고주파 유도 안테나 소자(7'-1 ∼ 7'-4)에는, 급전단(A)으로부터 λ/4 위상이 어긋난 전류가 공급되고, 접지단(B)이 접지되어 있다. 대응하는 고주파 유도 안테나 소자(7-1, 7'-1)에는, λ/8 위상이 어긋난 전류가 공급되고, 다른 고주파 유도 안테나 소자(7-2, 7'-2, 7-3, 7'-3, 7-4, 7'-4)에도 마찬가지로 λ/8 위상이 어긋난 전류가 공급된다. 제 1 안테나(7)와 제 2 안테나(7')는, 상하로 겹쳐지고, 또한 45°어긋나게 하여 배치된다. 이것에 의하면, 인접하는 각 고주파유도 안테나 소자에는, 각각 λ/8 위상이 어긋난 전류(I1, I1', I2, I2', I3, I3', I4, I4')가 흐르고, 도 24보다 더욱 사각형에 가까운 형으로 우회전 유도전장을 형성할 수 있다.
이상에 의하여, 실시예 5 내지 실시예 17의 고주파 유도 안테나의 구조는, 모두 구성이 다르나, 도 5에 나타낸 바와 같이, 자력선방향에 대하여 우회전하는 동일한 유도전장분포(E)를 형성한다. 모두, 상기한 필요 충분 조건의 첫번째 내용을 만족시키는 변형이다. 또, 상기 실시예 2 ∼ 실시예 4의 진공용기 덮개(12)의 형상 중 어느 것에도 적용할 수 있다.
도 2, 도 13, 도 18 및 도 23에서 설명한 것을 다시 요약한다. 본 발명에서는, 안테나의 분할수(n), 진공용기 덮개(12)의 형태, 고주파 유도 안테나의 세트수(m), 진공용기 덮개(12)에 대한 안테나의 배치라는 다수의 플라즈마 분포 제어기능을 가진다. 그러나, 이들은 종래의 ICP 원에서도, 장치 구성으로서 실현 가능한 것이다. 플라즈마 분포 제어에 관하여, 본 발명에서 가장 중요한 것은, 이들의 장치 구성상 유연한 플라즈마 제어성에, 또한, ECR 면이라는 전기적으로 외부에서 제어 가능한 튜닝 노브를 도입한 것이다. ICP 원에서 회전유도전장을 만들어내어, ECR 방전을 가능하게 한다는 것은, 플라즈마 착화성이 우수하고, 또, 더욱 저가스 압력으로 플라즈마생성이 가능하게 된다는 것 뿐만 아니라, 외부 제어 가능한 ECR 면이라는 우수한 플라즈마 제어성을 부여하는 것을 의미한다. 이만큼 유연성이 있는 플라즈마 제어성을 가지는 플라즈마원은, 종래에는 예가 없는 것이다.
또, 본 발명에 의하면, 항상 처리실 내에 전류를 구동하는 고주파유도자장이 형성되어 있기 때문에, 플라즈마의 착화 성능을 향상하고, 고밀도의 플라즈마가 얻어진다. 또, 본 발명에 의하면, 고주파 유도 안테나의 길이를 제어할 수 있어, 어떠한 대구경화의 요구에도 대응할 수 있고, 또한, 둘레방향의 플라즈마 균일성을 향상할 수 있다.
도 1에서는, 패러데이 시일드(9)를 나타내고 있다. 이 패러데이 시일드는 원래 고주파를 방사하는 안테나와 플라즈마 사이의 용량결합을 억제하는 기능이 있기 때문에, 용량결합형의 ECR 플라즈마원에서는 사용할 수는 없다(예를 들면 특허문헌 5). 본 발명에서는, 통상의 ICP원과 마찬가지로, 패러데이 시일드를 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명에서 "패러데이 시일드"는 필수적인 구성은 아니다. 상 기 필요 충분 조건과는 관계없기 때문이다. 단, 통상의 ICP원과 마찬가지로, 산업에서의 이용상, 패러데이 시일드는 유용성이 있다. 패러데이 시일드는, 안테나로부터 방사되는 유도자장(H)[즉, 유도전장(E)]에는 거의 영향을 미치지 않고, 안테나와 플라즈마의 용량결합을 차단하는 작용이 있기 때문이다. 이 차단을 더욱 완전하게 하기 위해서는, 패러데이 시일드는 접지되어야 한다. 통상, ICP원에서는, 상기 용량결합을 차단하면 플라즈마의 착화성이 더욱 나빠진다. 그러나, 본 발명에서는, 유도결합으로 생긴 유도전장(E)에 의한 고효율의 ECR 가열을 이용하기 때문에, 또한, n ≥ 3의 구성에서는 유도전장(E)이 E = 0이 되는 순간이 존재하지 않기 때문에, 상기 용량결합을 완전히 차단하여도 양호한 착화성이 얻어진다. 이것은, 본 발명의 큰 특징이다. 그러나, 여러가지 이유에 의하여, 이 패러데이 시일드에 전기회로를 접속하고, 패러데이 시일드에 발생하는 고주파 전압을 O 또는 O 이상으로 제어하는 것도 가능하다.
패러데이 시일드에 고주파 전위를 인가하는 것의 이점의 하나로서, 진공용기 덮개(12)의 플라즈마에 노출된 내면에 셀프 바이어스를 인가할 수 있다는 것이 있다. 진공용기 덮개(12)의 내면에 반응생성물이 다량으로 부착되면, 이 부착된 반응생성물이 벗겨졌을 때에 피처리체(W) 위로 낙하하여 이물의 원인이 된다. 또, 이 면에 도전성의 반응생성물이 부착하는 경우, 고주파 유도 안테나에 의해 형성되는 고주파유도전장의 강도나 분포가 시간과 함께 변화되어, 피처리체의 처리를 속행할 수 없게 되는 경우가 생긴다. 이와 같이, 진공용기 덮개(12)의 내면에 반응생성물이 부착하는 것은, 제품을 처리하는 데에 있어서 많은 장해를 야기하나, 이 면에 셀프 바이어스를 인가하여 반응생성물이 부착하지 않도록 제어하면, 이들 장해는 회피할 수 있고, 안정된 제품처리를 장시간에 걸쳐 속행할 수 있어, 양산 안정성이 우수한 장치가 얻어진다. 이 때 중요한 것은, 진공용기 덮개(12)의 내면에 균일한 셀프 바이어스전압을 인가하는 것, 즉, 패러데이 시일드 전체에 걸쳐 균일한 고주파 전압을 인가하는 것이다.
종래, 패러데이 시일드에 고주파 전압을 인가하는 기술은 몇가지인가 개발되어 있다. 먼저 이들 종래 방법을 사용하는 경우, 본 발명에서는 단점을 일으키는 것을 나타낸다. 이 개발된 기술의 하나로서 특허문헌 7, 또는 특허문헌 8이 있다. 이들 방법의 특징은, 플라즈마생성용 전원을 사용하여 발생시킨 전압을 패러데이 시일드에 인가한다는 것이다. 당연, 패러데이 시일드에 발생하는 고주파 전압의 주파수는, 플라즈마발생용 고주파 전원의 주파수이다. 이 방법을 본 발명에 사용하면, 2개의 단점을 일으킨다. 첫번째 단점은, n개의 안테나 요소에 대하여 n개의 전류의 위상 제어를 하는 것과, 이것에 사용한 전원으로부터 단일의 위상을 가진 전압을 인출하는 것이 양립하기 어려운 것이다. 안테나 요소에 흘리는 전류 또는 패러데이 시일드에 주는 전압의 어느 한쪽에 극단적인 제한이 발생하여 실용상 이점이 없어진다. 두번째 단점은, 플라즈마생성용 고주파 전원의 주파수가, 예를 들면 VHF 이면, 비특허문헌 1에 나타나 있는 내용과 마찬가지로, 파장 단축효과에 의해 패러데이 시일드 전체에 걸쳐 불균일한 전압분포가 발생되는 것이다. 즉, 진공용기 덮개(12)의 내면에 균일한 셀프 바이어스를 인가할 수 없게 된다.
이들 단점을 해결하기 위해서는, 패러데이 시일드에 전압을 부여하는 고주파 전원은 플라즈마를 생성하기 위한 고주파 전원과는 별도의 전원이 아니면 안된다. 또, 패러데이 시일드에 전압을 부여하는 고주파 전원의 주파수는, 패러데이 시일드전체에 균일한 전압분포를 일으키는 주파수(예를 들면 30 MHz 이하)일 필요가 있다.
(실시예 18)
다른 고주파 전원보다 패러데이 시일드에 고주파 전압을 인가하는 방법으로서는, 특허문헌 9가 있다. 이 방법의 특징은, 피처리체(W)에 인가하는 고주파 바이어스와 동일한 주파수를 사용하여, 위상 제어된 고주파 전압을 피처리체(W)와 패러데이 시일드에 각각 인가한다는 것이다. 동 발명에 나타나 있는 바와 같이, 패러데이 시일드와 피처리체(W)는 각각 플라즈마와 용량결합하고 있고, 평행 평판 용량결합형 플라즈마원과 동일한 전극 구성을 하고 있다. 이 체계에 대하여 전압 위상을 제어한 동일 주파수의 고주파 전압을 인가한다는 것은, 플라즈마의 이상확산을 방지하는 등의 효과가 있어, 매우 우수한 방식이다. 그러나, 이 구성을 본 발명에 사용하여도 상기한 두번째 단점은 회피할 수 없다. 왜냐 하면, 패러데이 시일드는, 고주파 유도 안테나와도 용량결합하고 있기 때문에, 이 구성이어도 플라즈마생성용 고주파 전원과 동일 주파수를 가지는 불균일한 전압분포가 패러데이 시일드에 발생하는 것을 피할 수 없기 때문이다.
이상 설명한 바와 같은 단점을 해소한 패러데이 시일드에 대한 고주파 전압인가방법을, 이하에 제 18 실시예로서 도 27에 나타낸다. 도 27에서의 플라즈마생성법은, 도 16과 동일한 것이나, 이것 이외에도, 도 1, 도 14, 도 15에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 도 27의 구성에서는, 발신기(43)의 출력을 위상 제어기(44)에 입력한다. 위상 제어기(44)는 최종적으로 피처리체(W)와 패러데이 시일드(9)에 인가되는 고주파 전압의 위상을 위상검출기(47-1, 47-2)를 사용하여 감시하고 있고, 필요한 위상으로 제어된 고주파신호를, 바이어스용 고주파 전원(41)과 패러데이 시일드용 고주파 전원(45)에 출력한다. 이 2개의 고주파 전원(41, 45)으로 증폭된 고주파 전력은, 각각 정합기(42, 46)를 거쳐, 피처리체(W)와 패러데이 시일드(9)에 인가된다.
이 때, 패러데이 시일드(9)에 발생하는 플라즈마생성용 고주파와 동일 주파수를 가지는 불균일한 전압분포를 발생시키지 않도록 필터(49)를 사용할 필요가 있다. 이 필터(49)는, 적어도 발신기(43)가 출력하는 고주파에 대하여 유한의(제로가 아니다) 임피던스를 가지고, 플라즈마생성용 고주파에 대해서는 제로라고 간주할 수 있을 만큼의 작은 임피던스를 가지지 않으면 안된다. 즉, 하이패스 필터이거나, 플라즈마생성용 고주파에 대하여 임피던스를 제로라고 간주할 수 있을 만큼의 노치 필터일 필요가 있다. 단, 이 필터(49)는 도 27에 기재되어 있는 바와 같이, 패러데이 시일드(9)에 대한 급전선상에 하나만 삽입하면 된다는 것으로는 되지 않는다. 이것이 중요하다. 왜냐하면, 플라즈마생성용 고주파와 동일한 주파수를 가지는 전압은, 패러데이 시일드(9)상에서 분포를 가지기 때문에, 필터를 삽입한 장소의 고주파 전압을 그라운드에 단락할 수 있었다(전압이 0V가 된다) 하여도, 패러데이 시일드(9)의 다른 부분에서도 고주파 전압을 그라운드에 단락할 수 있었던 것으로는 되지 않기 때문이다. 따라서, 본 필터(49)는 패러데이 시일드(9) 내의 복수부분에 삽입할 필요가 있다.
복수의 필터(49)가 패러데이 시일드(9) 내의 다른 부분에 삽입되어 있는 모양이 도 28에 나타나 있다. 먼저, 패러데이 시일드(9)는, 도 27의 진공용기 덮개(12)의 형에 맞추어 작성된 도전체의 부품이다. 고주파 유도 안테나(7)에 대향하는 면(도 27의 경우 측면)에는, 고주파 유도 안테나의 방향과 직각으로 다수의 슬릿이 들어가 있다. 패러데이 시일드(9)는, 도전체인 것에 의하여 고주파 유도 안테나와 플라즈마 사이의 용량결합을 차단함과 동시에, 이 다수의 슬릿이 패러데이 시일드(9)에 고주파 유도 안테나의 방향으로 주회 전류가 흐르는 것을 방지하여, 고주파 유도 안테나와 플라즈마를 유도결합시킨다. 잘 알려진 패러데이 시일드의 기본 원리이다. 도 28에는, 필터(49)를 합계 5부분에[49-1, 49-2, 49-3, 49-4(도시 생략), 49-5] 삽입한 모양을 나타낸다. 이 필터(49)의 삽입부분이 만족시켜야 할 조건은, 필터 사이의 패러데이 시일드(9)를 따른 모든 연면거리(fd)가 플라즈마생성용고주파의 파장(λ)보다 충분히 짧은, 즉 fd 《 λ일 필요가 있다. 필터(49)의 삽입갯수는, 5부분에 한정되는 것은 아니고, fd 《 λ를 만족시킬 만큼의 갯수를 삽입하지 않으면 안된다.
(실시예 19)
도 27에 나타내는 방법에서는, 복수의 필터(49)를 패러데이 시일드(9)에 접속하지 않으면 안되어, 복잡한 장치구성이 되나, 이것을 회피하는 다른 실시예(제 19 실시예)를 도 29에 나타낸다. 도 27에 나타낸 것과 비교하면, 도 29에 나타내는 예에서는 패러데이 시일드(9)를, 바깥쪽의 패러데이 시일드(9-1)와 안쪽의 패러데이 시일드(9-2)로 분할하고 있다. 즉, 2중 패러데이 시일드이다. 바깥쪽의 패러데이 시일드(9-1)는, 고주파 유도 안테나(7)와 대향하고 있고, 이것을 접지함으로써 고주파 유도 안테나(7)와 플라즈마의 용량결합을 차단한다. 이 패러데이 시일드(9-1)의 접지는, 패러데이 시일드(9-1)에 고주파 전압이 생기지 않도록, 예를 들면 패러데이 시일드(9-1)의 전체 주위에 걸쳐 행하여야 한다. 물론, 이 패러데이 시일드(9-1)에도 도 28과 동일한 슬릿이 들어가 있어, 고주파 유도 안테나(7)와 플라즈마의 유도결합을 방해하지 않는다. 이 바깥쪽 패러데이 시일드(9-1)에 의하여 안쪽 패러데이 시일드(9-2)에는, 플라즈마생성용 고주파에 의한 고주파 전압은 발생하지 않는다. 따라서, 안쪽 패러데이 시일드(9-2)의 작용은, 도 28과 동일한 슬릿에 의해 고주파 유도 안테나(7)와 플라즈마를 유도결합시킴과 동시에, 위상 제어된 패러데이 시일드용 고주파 전원(45)이 출력하는 고주파 전압을 진공용기 덮개(12)에 인가하는 것이다. 이상, 도 27과 도 29에 나타낸 방법에 의하여 유도결합형 ECR 플라즈마원에서도, 패러데이 시일드(9)를 거쳐 진공용기 덮개(12)에 균일한 고주파 전압을 인가하는 것이 가능하게 된다.
도 1에서는, 자장의 구성 요건으로서, 2개의 전자석인 상코일(81)과 하코일(82) 및 요크(83)를 나타내고 있다. 그러나, 본 발명에서 필수인 것은, 상기 필요 충분 조건을 만족시키는 자장을 실현하는 것 뿐이며, 요크(83)도, 2개의 전자석도 필수의 구성은 아니다. 예를 들면, 상코일(81)[또는 하코일(82)]뿐이어도, 상기 필요 충분 조건을 만족시키면 된다. 자장의 발생수단으로서는, 전자석이어도 고정 자석이어도 되고, 또한 전자석과 고정 자석의 조합이어도 된다.
도 1에는, 지금까지 설명한 구성요소 이외에도, 가스 도입구(3), 게이트 밸브(21), 웨이퍼 바이어스[바이어스 전원(41) 및 정합기(42)]를 나타내고 있으나, 이들도, 상기 필요 충분 조건과는 관계없기 때문에, 본 발명에서는 필수의 구성은 아니다. 가스 도입구는, 플라즈마를 생성하기 위해서는 필요하나, 그 위치는 진공용기(11)의 벽면에 있어도 되고, 웨이퍼(W)를 탑재하는 전극(14)에 있어도 된다. 또, 가스의 분출방법도, 면 형상으로 분출하여도 되고, 점 형상으로 분출하여도 된다. 게이트 밸브(21)는, 산업상 이용에 있어서, 웨이퍼를 반송하는 것을 목적으로 그 구성을 나타내고 있을 뿐이다. 또한, 산업상 플라즈마처리장치의 이용에 있어서, 반드시 웨이퍼 바이어스[바이어스 전원(41) 및 정합기(42)]는 필요하게 되어 있지 않고, 본 발명의 산업상 이용에 있어서, 필수의 것은 아니다.
본 발명에서는, 고주파 유도 안테나에 의해 형성된 유도전장(E)은, 자장의 자력선의 방향에 대하여 우회전한다. 회전면의 형상은 고주파 유도 안테나의 구조에 의해 결정하고, 원형이나 타원형 등이 된다. 따라서, 회전의 중심축은 반드시 존재한다. 산업상 응용에 있어서, 이와 같은 중심축이 존재하는 것은 그 외에도, 자장(B), 피처리체(원형의 웨이퍼나 직사각형의 유리기반 등), 진공용기, 가스 분출구, 피처리체를 탑재하는 전극이나 진공 배기구 등이 있다. 본 발명에서, 이들 중심축이 일치할 필요는 전혀 없고, 필수의 구성요건은 아니다. 상기 필요 충분 조건과는 관계가 없기 때문이다. 그러나, 피처리체 표면의 처리의 균일성(에칭 레이트나, 디포짓, 또는 형상 등)이 문제가 되는 경우, 이들 중심축은 일치하는 것이 바람직하다.
1 : 진공처리실 11 : 진공용기
12 : 진공용기 덮개(절연재) 13 : 진공 배기수단
14 : 전극(시료대) 2 : 반송시스템
21 : 게이트 밸브 3 : 가스 도입구
41 : 바이어스용 고주파 전원 42 : 바이어스용 정합기
51 : 플라즈마생성용 고주파 전원 52 : 플라즈마생성용 정합기
53 : 급전점 54 : 발신기
55 : 전류 조정기 6 : 지연수단
7 : 고주파 유도 안테나
7-1 ∼ 7-4 : 고주파 유도 안테나 요소
78 : 급전선 79 : 접지선
81 : 상자장 코일 82 : 하자장 코일
83 : 요크 9 : 패러데이 시일드
A : 급전단 B : 접지단
C : 콘덴서 W : 피처리체(반도체 웨이퍼)

Claims (11)

  1. 시료를 수용할 수 있는 진공처리실을 구성하는 진공용기와, 상기 진공처리실에 처리가스를 도입하는 가스 도입구와, 상기 진공처리실 내에 유도전장을 형성하는 고주파 유도 안테나와, 상기 진공처리실 내에 자장을 형성하는 자장 코일과, 상기 고주파 유도 안테나에 고주파 전류를 공급하는 플라즈마생성용 고주파 전원과, 상기 자장 코일에 전력을 공급하는 전원을 구비하고, 상기 고주파 유도 안테나에 상기 고주파 전원으로부터 고주파 전류를 공급하고, 진공처리실 내에 공급되는 가스를 플라즈마화하여 시료를 플라즈마처리하는 플라즈마처리장치에 있어서,
    상기 진공처리실은, 상기 진공용기의 상부에 기밀하게 고정되는 유전체로 이루어지는 진공처리실 덮개와, 상기 고주파 유도 안테나와 상기 진공처리실 사이에 배치된 패러데이 시일드를 구비하고,
    상기 고주파 유도 안테나는, n개(n ≥ 2의 정수)의 고주파 유도 안테나 요소로 분할하고, 당해 분할된 각각의 고주파 유도 안테나 요소를 종렬로 나열하여, 종렬로 배치된 각 고주파 유도 안테나 요소의 세트를 복수 세트 구비하고, 각각의 세트의 각 고주파 유도 안테나의 고주파 유도 안테나 요소에 차례로 λ(고주파 전원의 파장)/n씩 지연시킨 고주파 전류를 일정방향으로 순서대로 지연시켜 흘리고, 상기 자장 코일에 전력을 공급하여 형성한 자장(B)의 자력선방향에 대하여 우방향으로 회전하는 회전유도전장(E)을 상기 고주파 전류에 의해 형성하고, 상기 회전유도전장(E)의 회전 주파수와 상기 자장(B)에 의한 전자 사이클로트론 주파수를 일치시키도록 구성함과 함께, 상기 유도전장(E)과 상기 자장(B)의 사이에 E × B ≠ 0의 관계가 임의의 곳에서 만족되도록, 복수 세트(세트수 : m ≥ 1의 자연수)의 고주파 유도 안테나와 자장을 구성하여 플라즈마를 발생시키고, 이 플라즈마에 의해 시료를 플라즈마처리하도록 구성한 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 패러데이 시일드는, 상기 진공처리실 덮개의 전체를 덮는 구조인 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 시료를 탑재하는 전극과, 상기 전극에 고주파 전력을 인가하는 바이어스용 고주파 전원과, 상기 패러데이 시일드에 고주파 전력을 인가하는 패러데이 시일드용 고주파 전원과, 상기 바이어스용 고주파 전원과 상기 패러데이 시일드용 고주파 전원에 고주파를 공급하는 발신기와, 상기 바이어스용 고주파 전원과 상기 패러데이 시일드용 고주파 전원의 위상차를 제어하는 위상 제어기를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 바이어스용 고주파 전원의 주파수는, 상기 플라즈마생성용 고주파 전원의 주파수보다 낮은 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 패러데이 시일드는 복수개의 필터를 거쳐 접지되어 있고, 상기 패러데이 시일드와 접지전위 사이의 임피던스가, 상기 플라즈마생성용 고주파 전원의 주파수에서 보아 실질적으로 0Ω 이고, 또한, 상기 패러데이 시일드용 고주파 전원의 주파수에서 보면 실질적으로 0Ω 이 아닌 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 패러데이 시일드는, 상기 고주파 유도 안테나의 가까운 쪽에 배치된 제 1 패러데이 시일드와, 상기 진공처리실 덮개가 가까운 측에 배치된 제 2 패러데이 시일드로 이루어지는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 패러데이 시일드는, 상기 고주파 유도 안테나 주변에만 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제 2 패러데이 시일드는, 상기 진공처리실 덮개의 전체를 덮는 구조인 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 시료를 탑재하는 전극과, 상기 전극에 고주파 전력을 인가하는 바이어스용 고주파 전원과, 상기 제 2 패러데이 시일드에 고주파 전력을 인가하는 패러데이 시일드용 고주파 전원과, 상기 바이어스용 고주파 전원과 상기 패러데이 시일드용 고주파 전원에 고주파를 발신하는 발신기와, 상기 바이어스용 고주파 전원과 상기 패러데이 시일드용 고주파 전원의 위상차를 제어하는 위상 제어기를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 바이어스용 고주파 전원의 주파수는, 상기 플라즈마생성용 고주파 전원의 주파수보다 낮은 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 패러데이 시일드는, 슬릿이 들어간 링 형상의 도전체임과 함께, 전체 주위에 걸쳐 접지되어 있고, 상기 제 1 패러데이 시일드와 접지전위 사이의 임피던스가, 상기 플라즈마생성용 고주파 전원의 주파수에서 보아 실질적으로 0Ω 인 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
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