KR20140019880A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

플라즈마 처리 장치에 있어서, 전자파 발생 장치에서 발생한 전자파를 처리 용기 내에 도입하는 평면 안테나 부재와, 전자파를 평면 안테나 부재에 공급하는 도파관과, 평면 안테나 부재 위에 중첩해서 마련되고, 도파관으로부터 공급된 전자파의 파장을 변화시키는 지파판과, 지파판 및 평면 안테나 부재를 위쪽으로부터 덮는 커버 부재를 구비하고, 지파판은 유전체에 의해서 구성되는 동시에, 평면 안테나 부재와 커버 부재의 사이의 영역의 유전율이 평면 안테나 부재의 상면과 평행한 면에 있어서 비균일한 플라즈마 처리 장치가 제공된다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 처리용기에 소정 주파수의 전자파를 투과시켜 보내고, 플라즈마를 생성시켜 피처리체를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 장치 및 이것에 이용하는 지파판에 관한 것이다．
반도체 웨이퍼 등의 피처리체에 대해, 예를 들면, 산화 처리나 질화 처리, 에칭 처리, CVD(Chemical Vapor Deposition) 처리 등의 플라즈마 처리를 실행하는 플라즈마 처리 장치로서, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나를 이용하여 처리용기 내에 마이크로파를 도입해서 플라즈마를 생성시키는 슬롯 안테나 방식의 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다. 이러한 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서는 처리용기 내에서 고밀도의 표면파 플라즈마를 생성시키는 것이 가능하다.
차세대 디바이스의 개발을 위해, 예를 들면, 3차원 디바이스의 가공이나 미세화에의 대응을 도모하면서 생산성을 향상시키기 위해서는, 대형의 기판을 처리하는 경우에도, 기판면 내에 있어서의 처리의 균일성을 확보할 필요가 있다. 이를 위해서는 기판에 대응해서 대형화되는 처리용기 내에서, 생성되는 플라즈마 분포의 제어성을 향상시킬 필요가 있다.
상기 슬롯 안테나 방식의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 처리용기 내에서 생성한 플라즈마의 분포의 제어는 슬롯의 형상이나 배치, 처리용기나 마이크로파 투과판의 형상 설계 등에 의해 실행되고 있었다. 예를 들면, 처리 종류에 따라 플라즈마의 분포를 변경하기 위해서는 다른 슬롯형상이나 배치의 평면 안테나로 교환하는 것이 필요하지만, 이 평면 안테나의 교환은 수고와 시간을 요하는 대규모의 작업이었다. 또한, 평면 안테나, 처리용기 등의 제작 공차, 조립 오차, 동일 사양의 장치간에서의 차이 등의 제반 요인에 의해, 처리용기 내에서 플라즈마의 대칭성이 무너져 플라즈마 분포가 편심한 경우에도, 이것을 간이한 방법으로 보정하는 수단이 없었기 때문에, 평면 안테나의 교환 등의 대규모의 장치 변경이 필요하게 되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 실정을 감안해서 이루어진 것으로서, 그 목적은 처리용기 내에서 생성하는 플라즈마의 분포를 간이한 수단으로 제어할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 플라즈마 처리 장치에 있어서, 피처리체를 수용하는 진공배기 가능한 처리용기와, 전자파 발생 장치에서 발생한 전자파를 상기 처리용기 내에 도입하는 평면 안테나 부재와, 상기 전자파를 상기 평면 안테나 부재에 공급하는 도파관과, 상기 평면 안테나 부재의 위에 중첩해서 마련되고, 상기 도파관으로부터 공급된 상기 전자파의 파장을 변화시키는 지파판과, 상기 지파판 및 상기 평면 안테나 부재를 위쪽으로부터 덮는 커버 부재를 구비하고, 상기 지파판은 유전체에 의해서 구성되는 동시에, 상기 평면 안테나 부재와 상기 커버 부재의 사이의 영역의 유전율이 상기 평면 안테나 부재의 상면과 평행한 면에 있어서 비균일하다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 플라즈마 처리 장치에 있어서, 평면 안테나 부재의 위에 중첩되어 마련되고, 도파관으로부터 공급된 전자파의 파장을 변화시키는 지파판으로서, 유전체에 의해서 구성되는 동시에, 상기 평면 안테나 부재와, 상기 평면 안테나 부재를 위쪽으로부터 덮는 커버 부재의 사이의 영역의 유전율이 상기 평면 안테나 부재의 상면과 평행한 면에 있어서 비균일하다.
본 발명에 따르면, 유전체에 의해 구성되는 지파판을, 평면 안테나 부재와 커버 부재의 사이의 영역의 유전율이 평면 안테나 부재의 상면과 평행한 면을 따라 변화하도록 구성했으므로, 전자파의 파장을 제어하여, 평면 안테나 부재를 교환하지 않아도 처리용기 내에 있어서의 플라즈마 분포를 제어할 수 있다. 따라서, 처리용기 내에서 원하는 분포로 플라즈마를 안정적으로 유지할 수 있다고 하는 효과를 얻는다. 또한, 기판의 대형화에 대응해서 처리용기를 대형화시킨 경우에도, 지파판의 구성을 바꾸는 것에 의해서, 처리용기 내에서 생성하는 플라즈마 분포를 간단하게 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 구성 예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는 평면 안테나판의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 지파판의 배치를 나타내는 외관 사시도이다.
도 4는 도 3의 지파판의 평면도이다.
도 5는 지파판의 장착 상태를 나타내는 플라즈마 처리 장치의 주요부 단면도이다.
도 6은 제 1 실시형태의 지파판의 변형예를 나타내는 평면도이다.
도 7은 제 1 실시형태의 지파판의 다른 변형예를 나타내는 평면도이다.
도 8은 제 1 실시형태의 지파판의 또 다른 변형예를 나타내는 평면도이다.
도 9는 제 1 실시형태의 지파판의 또 다른 변형예를 나타내는 평면도이다.
도 10은 도 1의 플라즈마 처리 장치의 제어 계통의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 11은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 지파판의 평면도이다.
도 12는 제 2 실시형태에 따른 지파판의 변형예를 나타내는 평면도이다.
도 13은 제 2 실시형태에 따른 지파판의 다른 변형예를 나타내는 평면도이다.
도 14는 본 발명의 제 3 실시형태에 있어서의 지파판의 배치를 나타내는 외관 사시도이다.
도 15는 도 14의 지파판의 장착 상태를 나타내는 플라즈마 처리 장치의 주요부 단면도이다.
도 16은 제 3 실시형태의 지파판의 변형예를 나타내는 플라즈마 처리 장치의 주요부 단면도이다.
도 17은 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서의 지파판의 장착 상태를 나타내는 플라즈마 처리 장치의 주요부 단면도이다.
도 18은 제 4 실시형태에 있어서의 지파판의 별도의 장착 상태를 나타내는 플라즈마 처리 장치의 주요부 단면도이다.
도 19는 본 발명의 제 5 실시형태에 관한 지파판의 평면도이다.
도 20은 제 5 실시형태에 관한 지파판의 변형예를 나타내는 평면도이다.
도 21은 시뮬레이션 실험에 있어서의 투과판 바로 아래에 있어서의 전계 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 22는 시뮬레이션 실험에 있어서의 투과판 바로 아래에 있어서의 전계 강도 분포를 나타내는 도면이다.
(제 1 실시형태)
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조해서 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치(100)의 구성예를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)에 이용되는 평면 안테나를 나타내는 평면도이다. 플라즈마 처리 장치(100)는 복수의 슬롯형상의 구멍을 갖는 평면 안테나, 특히 RLSA(Radial Line Slot Antenna; 래디얼 라인 슬롯 안테나)에 의해 처리용기 내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시키는 것에 의해, 고밀도이고 또한 저전자온도의 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 처리 장치로서 구성되어 있다. 플라즈마 처리 장치(100)에서는 109/㎤∼1013/㎤의 플라즈마 밀도이고, 또한 2eV 이하의 저전자 온도를 갖는 플라즈마에 의한 처리가 가능하다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(100)는 각종 반도체 장치의 제조 과정에 있어서 바람직하게 이용될 수 있는 것이다.
플라즈마 처리 장치(100)는 주요한 구성으로서, 기밀하게 구성된 처리용기(1)와, 처리용기(1) 내에 가스를 공급하는 가스 공급 장치(18)와, 이 가스 공급 장치(18)에 접속하는 가스 도입부(15)와, 처리용기(1)내를 감압 배기하기 위한 배기 장치(24)와, 처리용기(1)의 상부에 마련되고 처리용기(1) 내에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입 기구(27)와, 이들 플라즈마 처리 장치(100)의 각 구성부를 제어하는 제어 수단으로서의 제어부(50)를 구비하고 있다. 또한, 가스 공급 장치(18), 배기 장치(24) 및 마이크로파 도입 기구(27)는 처리용기(1) 내에서 처리 가스의 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성 수단을 구성하고 있다. 또한, 가스 공급 장치(18)를 플라즈마 처리 장치(100)의 구성 부분에는 포함시키지 않고, 외부의 가스 공급 장치를 가스 도입부(15)에 접속해서 사용하는 구성으로 해도 좋다.
처리용기(1)는 접지된 대략 원통형상의 용기에 의해 형성되어 있다. 또한, 처리용기(1)는 각통형상의 용기에 의해 형성해도 좋다. 처리용기(1)는 알루미늄 등의 재질로 이루어지는 저벽(1a)과 측벽(1b)을 갖고 있다.
처리용기(1)의 내부는 피처리체인 실리콘 웨이퍼(이하, 간단히 "웨이퍼"라 함)(W)를 수평으로 지지하기 위한 탑재대(2)가 마련되어 있다. 탑재대(2)는 열전도성이 높은 재질, 예를 들면, AlN 등의 세라믹스에 의해 구성되어 있다. 이 탑재대(2)는 배기실(11)의 바닥부 중앙으로부터 위쪽으로 연장하는 원통형상의 지지 부재(3)에 의해 지지되어 있다. 지지 부재(3)는, 예를 들면, AlN 등의 세라믹스에 의해 구성되어 있다.
또한, 탑재대(2)는 가열 또는 냉각 기구를 구비하고 있으며 웨이퍼(W)의 온도를, 예를 들면, 실온에서 900℃까지의 범위에서 제어 가능하게 되어 있다.
또한, 탑재대(2)에는 웨이퍼 W를 지지해서 승강시키기 위한 웨이퍼 지지 핀(도시하지 않음)이 마련되어 있다. 각 웨이퍼 지지 핀은 탑재대(2)의 표면에 대해 돌출 함몰 가능하게 마련되어 있다.
처리용기(1)의 저벽(1a)의 대략 중앙부에는 원형의 배기구(10)가 형성되어 있다. 저벽(1a)에는 이 배기구(10)와 연통하고, 아래쪽을 향해 돌출된 배기실(11)이 마련되어 있다. 이 배기실(11)에는 배기관(12)이 접속되어 있고, 이 배기관(12)을 거쳐서 배기 장치(24)에 접속되어 있다.
처리용기(1)의 상단에는 처리용기(1)를 개폐시키는 선단으로서의 내주가 환상으로 형성된 플레이트(13)가 배치되어 있다. 플레이트(13)의 내주부는 내측(처리용기 내 공간)을 향해 돌출되고, 투과판(28)을 지지하는 환상의 지지부(13a)를 형성하고 있다. 이 플레이트(13)와 처리용기(1)의 사이는 시일 부재(14)를 거쳐서 기밀하게 시일되어 있다.
처리용기(1)의 측벽(1b)에는 환상을 이루는 가스 도입부(15)가 마련되어 있다. 이 가스 도입부(15)는 배관을 거쳐서 산소함유 가스나 플라즈마 여기용 가스를 공급하는 가스 공급 장치(18)에 접속되어 있다. 또한, 가스 도입부(15)는 처리용기(1) 내에 돌출된 노즐형상, 또는 복수의 가스 구멍을 갖는 샤워형상으로 마련해도 좋다.
가스 공급 장치(18)는, 예를 들면, 플라즈마 생성용의 Ar, Kr, Xe, He 등의 희가스나, 산화 처리에 있어서의 산소 가스 등의 산화성 가스, 질화 처리에 있어서의 질화 가스 등의 처리 가스 등을 공급하는 가스 공급원(도시하지 않음)을 갖고 있다. 또한, 에칭 처리의 경우에는 Cl2, BCl3, CF4 등의 에칭 가스, CVD 처리의 경우에는 성막원료 가스, 처리용기 내의 분위기를 치환할 때에 이용하는 N2, Ar 등의 퍼지 가스, 처리용기(1)내를 클리닝할 때에 이용하는 ClF3, NF3 등의 클리닝 가스 등을 공급하는 가스 공급원을 마련할 수도 있다. 각 가스 공급원은 도시하지 않은 매스플로 컨트롤러 및 개폐 밸브를 구비하고, 공급되는 가스의 전환이나 유량 등의 제어가 가능하도록 되어 있다.
또한, 처리용기(1)의 측벽(1b)에는 플라즈마 처리 장치(100)와, 이것에 인접하는 반송실(도시하지 않음)과의 사이에서 웨이퍼 W의 반입 반출을 실행하기 위한 반입출구(16)와, 이 반입출구(16)를 개폐하는 게이트밸브(17)가 마련되어 있다.
배기 장치(24)는, 예를 들면, 터보 분자 펌프 등의 고속진공 펌프를 구비하고 있다. 상기와 같이, 배기 장치(24)는 배기관(12)을 거쳐서 처리용기(1)의 배기실(11)에 접속되어 있다. 배기 장치(24)를 작동시키는 것에 의해, 처리용기(1)내의 가스는 배기실(11)의 공간(11a) 내에 균일하게 흐르고, 또한 공간(11a)으로부터 배기관(12)을 거쳐서 외부로 배기된다. 이에 따라, 처리용기(1) 내를, 예를 들면, 0.133Pa까지 고속으로 감압하는 것이 가능하게 되어 있다.
다음에, 마이크로파 도입 기구(27)의 구성에 대해 설명한다. 마이크로파 도입 기구(27)는 주요한 구성으로서, 투과판(28), 평면 안테나판(31), 지파판(33), 커버 부재(34), 도파관(37), 매칭 회로(38) 및 전자파 발생 장치(39)를 구비하고 있다.
마이크로파를 투과시키는 투과판(28)은 플레이트(13)에 있어서 내주측으로 돌출된 지지부(13a) 상에 마련되어 있다. 투과판(28)은 유전체, 예를 들면, 석영이나 Al2O3, AlN 등의 세라믹으로 구성되어 있다. 이 투과판(28)과 지지부(13a)의 사이는 시일 부재(29)를 거쳐서 기밀하게 시일되어 있다. 따라서, 투과판(28)은 플레이트(13)를 거쳐서 처리용기(1)의 상부의 개구를 막고 있고, 처리용기(1)내의 기밀성이 유지되어 있다.
평면 안테나판(31)은 투과판(28)의 위쪽에 있어서, 탑재대(2)와 대향하도록 마련되어 있다. 평면 안테나판(31)은 원판형상을 이루고 있다. 또한, 평면 안테나판(31)의 형상은 원판형상에 한정되지 않고, 예를 들면, 사각판 형상이라도 좋다. 이 평면 안테나판(31)은 플레이트(13)의 상단에 걸어고정되어 있다.
평면 안테나판(31)은, 예를 들면, 표면이 금 또는 은 도금된 동판 또는 알루미늄판으로 구성되어 있다. 평면 안테나판(31)은 마이크로파를 방사하는 다수의 슬롯형상의 마이크로파 방사 구멍(32)을 갖고 있다. 마이크로파 방사 구멍(32)은 소정의 패턴으로 평면 안테나판(31)을 관통해서 형성되어 있다.
각각의 마이크로파 방사 구멍(32)은, 예를 들면, 도 2에 나타내는 바와 같이, 가늘고 긴 장방형상(슬롯형상)을 이루고 있다. 그리고, 전형적으로는 인접하는 마이크로파 방사 구멍(32)이 'T'자 형상으로 배치되어 있다. 또한, 이와 같이 소정의 형상(예를 들면, 'T'자 형상)으로 조합해서 배치된 마이크로파 방사 구멍(32)은 또한 전체적으로 동심원형상으로 배치되어 있다.
마이크로파 방사 구멍(32)의 길이나 배열 간격은 마이크로파의 파장(λg)에 따라 결정된다. 예를 들면, 마이크로파 방사 구멍(32)의 간격은 λg/4∼λg로 되도록 배치된다. 도 2에 있어서는 동심원형상으로 형성된 인접하는 마이크로파 방사 구멍(32)끼리의 간격을 Δr로 나타내고 있다. 또한, 마이크로파 방사 구멍(32)의 형상은 원형형상, 원호형상 등의 다른 형상이어도 좋다. 또한, 마이크로파 방사 구멍(32)의 배치 형태는 특히 한정되지 않으며, 동심원형상 이외, 예를 들면, 나선형상, 방사상 등으로 배치할 수도 있다.
평면 안테나판(31)의 위에는 지파판(33)이 마련되어 있다. 지파판(33)은 진공보다도 큰 유전율을 갖는 재료로 구성되어 있다. 지파판(33)의 재료로서는, 예를 들면, 석영, 알루미나, 질화 알루미늄 등을 들 수 있다. 이 지파판(33)은 공기 중보다도 마이크로파의 파장을 짧게 해서 평면 안테나판 상면에 있어서의 마이크로파의 전계 분포를 조정하는 기능을 갖고 있다. 지파판(33)의 하면은 평면 안테나판(31)에 맞닿아 있고, 상면은 금속제의 커버 부재(34)에 맞닿아 있다. 본 실시형태에서는 지파판(33)으로서, 내외가 ２중으로 분리된 구조를 이용한다.
도 3은 지파판(33)의 구성을 나타내는 외관 사시도이며, 도 4는 지파판(33)의 평면도이다. 도 5는 평면 안테나판(31)의 위에 마련된 지파판(33)을 나타내는 주요부 단면도이다. 지파판(33)은 내측에 배치되는 소직경 부재(101)와, 소직경 부재(101)를 둘러싸는 대직경 부재(103)로 구성되어 있다. 소직경 부재(101)와 대직경 부재(103)는 모두 링형상으로 형성된 평판이다. 소직경 부재(101) 및 대직경 부재(103)는 동일한 유전율을 갖는 재질로 형성해도 좋고, 또는 다른 유전율의 재질로 형성해도 좋다. 소직경 부재(101)의 중앙부에는 동축 도파관(37a)의 중심을 통과하는 내부 도체(41)(후술)에 고정시키기 위해, 두께방향으로 관통한 개구부(105)가 마련되어 있다. 즉, 소직경 부재(101)는 개구부(105)에서 내부 도체(41)에 고정되어 있다. 대직경 부재(103)는 그 둘레가장자리부(103a)에서, 예를 들면, 커버 부재(34) 또는 평면 안테나판(31)에 고정되어 있다.
소직경 부재(101)와 대직경 부재(103)는 간격을 두고 배치되어 있다. 소직경 부재(101)와 대직경 부재(103)의 사이에는 공기층(에어 갭(AG))이 개재되어 있다. 본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100)에서는 소직경 부재(101) 및 대직경 부재(103)의 재질과, 필요에 따라 에어 갭(AG)을 이용하여, 평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이의 영역의 유전율을 제어하고 있다. 소직경 부재(101) 및 대직경 부재(103)는 모두 비유전률 ε가 1을 초과하는 유전체 재료로 구성되어 있다. 그에 반해, 공기층인 에어 갭(AG)의 비유전률 ε는 대략 1이다. 따라서, 평면 안테나판(31)에 인접하는 위쪽의 영역(평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이)을 하나의 일괄된 영역으로서 고려하면, 소직경 부재(101)와 대직경 부재(103)를 배치한 것에 의해서, 해당 영역에 있어서의 유전율은 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 면에 있어서 비균일하게 되어 있다. 예를 들면, 소직경 부재(101) 및 대직경 부재(103)의 재질로서 비유전률 ε가 3.8인 석영을 사용한 경우, 평면 안테나판(31)에 인접하는 위쪽의 영역의 유전율은 평면 안테나판(31)의 상면에 평행한 면에 있어서, 중심의 내부 도체(41)측으로부터 직경 외측방향으로, 비유전률이 ε=3.8(소직경 부재(101)), ε=1(에어 갭(AG)), ε=3.8(대직경 부재(103))과 같이 변화한다.
본 실시형태에서는 소직경 부재(101)와 대직경 부재(103)의 간격(즉, 에어 갭(AG)의 폭(L))은 임의의 크기로 설정할 수 있다. 예를 들면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 에어 갭(AG)의 폭(L)을 도 4에 비해 작게 설정하는 것도 가능하다. 에어 갭(AG)의 폭(L)을 변화시키는 것에 의해서, 소직경 부재(101)와 대직경 부재(103)의 합산 부피에 대한 공기층의 부피 비율을 변화시킬 수 있다.
또한, 에어 갭(AG)를 마련하는 직경방향의 위치도 가변으로 조절할 수 있다. 폭(L)이 동일한 경우에도, 에어 갭(AG)을 마련하는 위치를 변경하는 것에 의해서, 소직경 부재(101)와 대직경 부재(103)의 비율(면적 비율 및 부피 비율)을 변화시킬 수 있다. 이와 같이, 소직경 부재(101), 대직경 부재(103) 및 에어 갭(AG)의 배치와 비율을 조절하는 것에 의해, 평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이의 영역의 유전율의 분포를 간단하게 변화시킬수 있다.
또한, 지파판(33)에 있어서의 소직경 부재(101)와 대직경 부재(103)는 원환형상에 한정되는 것은 아니고, 임의의 형상을 채용할 수 있다. 예를 들면, 도 7은 대직경 부재(103)를 비균등의 형상으로 한 예이다. 이 예에서는 대직경 부재(103A)의 내주가 제 1 원호 부분(CA1)과, 제 1 원호 부분(CA1)보다도 곡률반경이 작은 제 2 원호 부분(CA2)을 갖도록 변형시키고 있다. 이러한 형상에 의해, 소직경 부재(101)와 대직경 부재(103A)의 간격인 에어 갭(AG)의 폭(L)이 균일하지 않고, 제 2 원호(CA2)와의 사이만 부분적으로 작아지도록 설계할 수 있다. 또한, 도시는 생략하겠지만, 대직경 부재(103)의 내주형상이 아닌, 소직경 부재(101)의 외주형상을 변형시키는 것에 의해서도, 마찬가지의 구성이 얻어진다.
또한, 예를 들면, 도 8에서는 소직경 부재(101A)를, 대직경 부재(103)의 중심(평면 안테나판(31)의 중심 또는 동축 도파관(37a)의 중심과 동일)으로부터 편심시켜 배치하고 있다. 이와 같이, 소직경 부재(101A)의 외주와 대직경 부재(103)의 내주가 동심원을 형성하지 않도록, 소직경 부재(101A)를 편심시켜 배치하는 것에 의해, 에어 갭(AG)의 폭(L)을 편심방향으로는 편심폭만큼 부분적으로 작게 하고, 반대로, 편심방향과 반대측은 편심폭만큼 커지도록 설계할 수 있다. 도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같은 지파판(33)을 구성하는 부재의 비대칭의 형상이나 비대칭의 배치는 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 평면에 있어서, 직경방향과 둘레방향의 양쪽에서 유전율을 비균일하게 할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 처리용기(1)내의 플라즈마의 분포에 국소적인 강약이 있어 한쪽으로 치우쳐 있는 경우 등에, 그 편차를 시정할 때에 유효하다. 또한, 도 9에 나타내는 바와 같이, 대직경 부재(103)의 내주를 편심시키는 것에 의해서도 마찬가지의 구성이 얻어진다.
또한, 본 실시형태에서는 소직경 부재(101)((101A))와 대직경 부재(103)((103A))의 재질로서, 다른 유전율의 재료를 이용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 도 3 내지 도 5에 있어서의 소직경 부재(101)의 재질로서 석영을, 대직경 부재(103)의 재질로서 비유전률 ε가 8.5인 알루미나(Al2O3)를 사용한 경우, 평면 안테나판(31)의 상면에 평행한 위쪽 영역은 중심의 내부 도체(41)측으로부터 직경 바깥방향으로, 비유전률 ε=3.8(소직경 부재(101)), ε=1(에어 갭(AG)), ε=8.5(대직경 부재(103))와 같이 변화한다. 이와 같이, 소직경 부재(101)와 대직경 부재(103)의 재질을 바꾸는 것에 의해서도, 평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이의 영역의 유전율의 분포를 간단하게 변화시킬 수 있다. 또한, 소직경 부재(101)와 대직경 부재(103)의 재질이 다른 경우에는 열팽창 등에 의해서 파손이 생기지 않는 한, 에어 갭(AG)를 마련하지 않고, 소직경 부재(101)와 대직경 부재(103)를 접촉시켜도 유전율을 비균일한 상태로 할 수 있다. 이 경우에는 소직경 부재(101)와 대직경 부재(103)의 열팽창 계수가 동일 정도의 재질을 선택하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100)에서는 일체의 지파판이 아닌, 복수로 분리된 지파판(33)을 마련한 것에 의해서, 평면 안테나판(31)의 바로 위의 영역을, 다른 유전율을 갖는 복수의 소영역으로 세분화할 수 있다. 그 때문에, 일체의 지파판을 이용하는 경우에 비해, 마이크로파의 파장의 조절을 세세하게 제어하는 것이 가능하고, 처리용기(1) 내에서 생성하는 플라즈마의 분포를 세세하게 제어할 수 있다. 또한, 지파판(33)을 구성하는 부재로서는 소직경 부재(101)와 대직경 부재(103)의 2개의 부재에 한정되는 것은 아니고, 3개 이상의 부재를 조합해서 사용할 수도 있다.
또한, 지파판(33)의 두께는 지파판(33)을 구성하는 재질의 유전율에 의한 파장 단축과 지파판(33) 내에서의 정재파의 주기성을 고려하여 설정하는 것이 바람직하다.
처리용기(1)의 상부에는 이들 평면 안테나판(31) 및 지파판(33)을 덮고, 도파로를 형성하는 기능도 갖는 커버 부재(34)가 마련되어 있다. 커버 부재(34)는, 예를 들면, 알루미늄이나 스테인리스강, 구리 등의 금속재료에 의해서 형성되어 있다. 플레이트(13)의 상단과 커버 부재(34)는 마이크로파가 외부에 누설하지 않도록 도전성을 갖는 스파이럴 실드 링 등의 시일 부재(35)에 의해 시일되어 있다. 또한, 커버 부재(34)에는 냉각수 유로(34a)가 형성되어 있다. 이 냉각수 유로(34a)에 냉각수를 통류시키는 것에 의해, 커버 부재(34), 지파판(33), 평면 안테나판(31) 및 투과판(28)을 냉각할 수 있도록 되어 있다. 이 냉각 기구에 의해, 커버 부재(34), 지파판(33), 평면 안테나판(31), 투과판(28) 및 플레이트(13)가 플라즈마의 열에 의해 변형/파손되는 것이 방지된다. 또한, 플레이트(13), 평면 안테나판(31) 및 커버 부재(34)는 접지되어 있다.
커버 부재(34)의 중앙에는 개구부(36)가 형성되어 있고, 이 개구부(36)에는 도파관(37)의 하단이 접속되어 있다. 도파관(37)의 타단측에는 매칭 회로(38)를 거쳐서 마이크로파를 발생하는 전자파 발생 장치(39)가 접속되어 있다. 전자파 발생 장치(39)에서 발생시키는 마이크로파의 주파수로서는, 예를 들면, 2.45㎓가 바람직하게 이용되고, 그 밖에 800㎒∼1㎓(바람직하게는 800㎒∼915㎒), 8.35㎓, 1.98㎓ 등을 이용할 수도 있다.
도파관(37)은 상기 커버 부재(34)의 개구부(36)로부터 위쪽으로 연장하는 단면 원형형상의 동축 도파관(37a)과, 이 동축 도파관(37a)의 상단부에 모드 변환기(40)를 거쳐서 접속된 수평방향으로 연장하는 직사각형 도파관(37b)을 갖고 있다. 모드 변환기(40)는 직사각형 도파관(37b)내를 TE 모드로 전파하는 마이크로파를 TEM 모드로 변환하는 기능을 갖고 있다.
동축 도파관(37a)의 중심에는 내부 도체(41)가 연장되어 있다. 이 내부 도체(41)는 그 하단부에 있어서 평면 안테나판(31)의 중심에 접속 고정되어 있다. 이러한 구조에 의해, 마이크로파는 내부 도체(41)를 갖는 동축 도파관(37a)을 거쳐서 평면 안테나판(31)에 방사상으로 효율적으로 균일하게 전파된다.
이상과 같은 구성의 마이크로파 도입 기구(27)에 의해, 전자파 발생 장치(39)에서 발생한 마이크로파가 도파관(37)을 거쳐서 평면 안테나판(31)에 전파되고, 또한 투과판(28)을 거쳐서 처리용기(1) 내에 도입되도록 되어 있다.
플라즈마 처리 장치(100)의 각 구성부는 제어부(50)에 접속되어 제어되는 구성으로 되어 있다. 제어부(50)는 도 10에 나타낸 바와 같이, CPU를 구비한 프로세스 컨트롤러(51)와, 이 프로세스 컨트롤러(51)에 접속된 유저 인터페이스(52) 및 기억부(53)를 구비하고 있다. 프로세스 컨트롤러(51)는 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서, 예를 들면, 가스 유량, 압력, 마이크로파 출력 등의 프로세스 조건에 관계하는 각 구성부(예를 들면, 가스 공급 장치(18), 배기 장치(24), 전자파 발생 장치(39) 등)를 통괄해서 제어하는 제어 수단이다.
유저 인터페이스(52)는 공정 관리자가 플라즈마 처리 장치(100)를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작 등을 실행하는 키보드나, 플라즈마 처리 장치(100)의 가동 상황을 가시화해서 표시하는 디스플레이 등을 갖고 있다. 또한, 기억부(53)에는 플라즈마 처리 장치(100)에서 실행되는 각종 처리를 프로세스 컨트롤러(51)의 제어로 실현하기 위한 제어 프로그램(소프트웨어)이나 처리 조건 데이터 등이 기록된 레시피가 보존되어 있다.
그리고, 필요에 따라, 유저 인터페이스(52)로부터의 지시 등으로 임의의 레시피를 기억부(53)로부터 호출해서 프로세스 컨트롤러(51)에 실행시킴으로써, 프로세스 컨트롤러(51)의 제어 하에서 플라즈마 처리 장치(100)의 처리용기(1) 내에서 원하는 처리가 실행된다. 또한, 상기 제어 프로그램이나 처리 조건 데이터 등의 레시피는 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체, 예를 들면, CD-ROM, 하드 디스크, 플렉시블 디스크, 플래시 메모리, DVD, 블루레이 디스크 등에 저장된 상태의 것을 이용하거나, 또는 다른 장치로부터, 예를 들면, 전용 회선을 거쳐서 수시로 전송시켜서 온라인에서 이용하는 것도 가능하다.
이와 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(100)에 의하면, 하지막 등에의 손상이 없는 플라즈마 처리를 실행할 수 있다. 또한, 플라즈마 처리 장치(100)는 플라즈마의 균일성이 우수하기 때문에, 프로세스의 균일성을 실현할 수 있다.
다음에, 본 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치(100)를 이용한 플라즈마 처리의 수순의 일예에 대해 설명한다. 여기서는 처리 가스로서 질소를 함유하는 가스를 이용하고, 웨이퍼 표면을 플라즈마 질화 처리하는 경우를 예로 든다. 우선, 예를 들면, 유저 인터페이스(52)로부터, 플라즈마 처리 장치(100)에서 플라즈마 질화 처리를 실행하도록 명령이 입력된다. 이 명령을 받아, 프로세스 컨트롤러(51)는 기억부(53)에 보존된 레시피를 읽어낸다. 그리고, 레시피에 의거하는 조건으로 플라즈마 질화 처리가 실행되도록, 프로세스 컨트롤러(51)로부터 플라즈마 처리 장치(100)의 각 엔드 디바이스, 예를 들면, 가스 공급 장치(18), 배기 장치(24), 전자파 발생 장치(39) 등으로 제어 신호가 송출된다.
그리고, 게이트밸브(17)를 열림으로 해서 반입출구(16)로부터 웨이퍼 W를 처리용기(1) 내에 반입하고, 탑재대(2)상에 탑재한다. 다음에, 처리용기(1)내를 감압 배기하면서, 가스 공급 장치(18)로부터 불활성 가스 및 질소함유 가스를 소정의 유량으로 각각 가스 도입부(15)를 거쳐서 처리용기(1) 내에 도입한다. 또한, 배기량 및 가스 공급량을 조정해서 처리용기(1)내를 소정의 압력으로 조절한다.
다음에, 전자파 발생 장치(39)의 파워를 온으로 하여, 마이크로파를 발생시킨다. 그리고, 소정의 주파수, 예를 들면, 2.45㎓의 마이크로파는 매칭 회로(38)를 거쳐서 도파관(37)에 보내진다. 도파관(37)에 보내진 마이크로파는 직사각형 도파관(37b) 및 동축 도파관(37a)을 순차 통과하고, 평면 안테나판(31)에 공급된다. 마이크로파는 직사각형 도파관(37b) 내에서는 TE 모드로 전파하고, 이 TE 모드의 마이크로파는 모드 변환기(40)에서 TEM 모드로 변환되어, 동축 도파관(37a)내를 평면 안테나판(31)을 향해 전파해 간다. 그리고, 마이크로파는 평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이의 편평 도파로를 전파할 때에, 지파판(33)에 의해서 파장이 단축된다. 본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100)에서는 상기 편평 도파로의 유전율이 평면 안테나판(31)의 직경 바깥방향으로 비균일하게 되도록, 지파판(33)으로서, 소직경 부재(101)와 대직경 부재(103)를 갖는 내외를 갖는 ２중의 부재로 이루어지고, 필요에 따라 사이에 에어 갭(AG)을 개재시킨 구성의 것을 이용하고 있다. 그 결과, 편평 도파로를 통과하는 마이크로파를 원하는 파장으로 제어할 수 있다.
지파판(33)에 의해서 파장이 단축화된 마이크로파는 평면 안테나판(31)에 관통 형성된 구멍인 마이크로파 방사 구멍(32)으로부터 투과판(28)을 거쳐서 처리용기(1) 내에 있어서의 웨이퍼 W의 위쪽 공간으로 방사된다. 마이크로파 출력은 마이크로파를 효율적으로 공급하는 관점에서, 평면 안테나판(31)의 면적 1㎠당의 파워 밀도로서 0.41∼4.19W/㎠의 범위내로 하는 것이 바람직하다. 마이크로파 출력은, 예를 들면, 500∼5000W 정도의 범위내로부터 목적에 따라 상기 범위내의 파워 밀도로 되도록 선택할 수 있다.
평면 안테나판(31)과 투과판(28)을 경유해서 처리용기(1)에 방사된 마이크로파에 의해, 처리용기(1) 내에서 전자계가 형성되고, 예를 들면, 질화 처리하는 경우, 불활성 가스 및 질소함유 가스가 각각 플라즈마화된다. 이 마이크로파에 의해 여기된 플라즈마는 마이크로파가 평면 안테나판(31)의 다수의 마이크로파 방사 구멍(32)으로부터 방사되는 것에 의해, 109/㎤∼1013/㎤의 고밀도이고 또한 웨이퍼 W 근방에서는 대략 2eV 이하의 저전자온도의 플라즈마로 된다. 이와 같이 해서 형성되는 고밀도 플라즈마는 하지막에의 이온 등에 의한 플라즈마 데미지가 적은 것이다. 그리고, 플라즈마중의 활성종, 예를 들면, 래디컬이나 이온의 작용에 의해 웨이퍼 W의 실리콘 표면이 질화되어 실리콘 질화막 SiN의 박막이 형성된다. 또한, 질소함유 가스 대신에 산소함유 가스를 이용하는 것에 의해, 실리콘의 산화 처리가 가능하고, 또한 성막원료 가스를 이용하는 것에 의해 플라즈마 CVD법에 의한 성막을 실행하는 것도 가능하며, 에칭 가스를 이용하여 에칭 처리하는 것도 가능하다.
프로세스 컨트롤러(51)로부터 플라즈마 처리를 종료시키는 제어 신호가 송출되면, 전자파 발생 장치(39)의 파워가 오프로 되고, 플라즈마 처리가 종료한다. 다음에, 가스 공급 장치(18)로부터의 처리 가스의 공급을 정지하여 처리용기내를 진공배기한다. 그리고, 웨이퍼 W를 처리용기(1)내로부터 반출하고, 1개의 웨이퍼 W에 대한 플라즈마 처리가 종료한다.
이상과 같이, 본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100)에서는 유전체에 의해 구성되는 지파판(33)을, 평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이의 영역의 유전율이, 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 면에 있어서 직경방향 및/또는 둘레방향으로 변화하도록 구성했으므로, 마이크로파의 파장을 제어하여, 평면 안테나판(31)을 교환하지 않아도 처리용기(1) 내에 있어서의 플라즈마 분포를 제어할 수 있다. 따라서, 처리용기(1) 내에서 원하는 분포로 플라즈마를 안정적으로 유지할 수 있다. 또한, 웨이퍼 W의 대형화에 대응해서 처리용기(1)를 대형화시킨 경우에도, 지파판(33)의 구성을 바꾸는 것에 의해서, 처리용기(1) 내에서 생성하는 플라즈마 분포를 간단하게 조절할 수 있다.
(제 2 실시형태)
다음에, 도 11 내지 도 13을 참조하면서, 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 대해 설명한다. 본 실시형태의 플라즈마 처리 장치는 지파판(33)의 구성이 다른 점 이외는 제 1 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100)(도 1)와 동일하기 때문에, 전체의 설명은 생략하고, 지파판(33)의 구성에 대해서만 설명을 한다. 도 11은 제 2 실시형태에 관한 지파판(33)의 평면도이다. 지파판(33)은 내측에 배치되는 소직경 부재(101)와, 소직경 부재(101)를 둘러싸는 대직경 부재(103)와, 소직경 부재(101)와 대직경 부재(103)의 사이에 개재 배치된 복수(도 11에서는 8개)의 착탈 가능한 피스(piece)(107)를 갖고 있다. 피스(107)는 모두 유전체로 구성되어 있다. 피스(107)는 소직경 부재(101) 및 대직경 부재(103)와 동일한 재질이라도 좋고, 다른 재질이라도 좋다. 또한, 피스(107)마다 다른 재질을 이용하는 것도 가능하다.
본 실시형태에 있어서, 피스(107)는 지파판(33)에 착탈 가능하게 구성되어 있고, 1개 내지 복수의 피스(107)를 장착하거나, 분리할 수 있다. 도 11에서는 하나의 피스(107)를 떼어낸 상태를 나타내고 있다. 피스(107)를 분리한 경우, 그 부분은 공기층(에어 갭(AG))으로 된다. 따라서, 피스(107)의 장착 개수, 배치를 변화시키는 것에 의해서, 평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이의 영역의 유전율의 분포를 간단하게 변화시킬 수 있다. 즉, 해당 영역에 있어서의 유전율이 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 면에 있어서 직경방향 및 둘레방향으로 각종 패턴으로 비균일하게 되도록 변화시킬 수 있다.
도 11에서는 피스(107)를 소직경 부재(101) 및/또는 대직경 부재(103)에 접촉시켜 배치하고 있지만, 이간시켜도 좋다. 피스(107)를 소직경 부재(101) 및/또는 대직경 부재(103)에 접촉시키는 경우에는 소직경 부재(101) 및/또는 대직경 부재(103)와의 열팽창 계수가 동일 정도의 재질을 선택하는 것이 바람직하다. 피스(107)를 소직경 부재(101) 및/또는 대직경 부재(103)와 이간시킨 경우에는 이간 부분에 공기층(에어 갭(AG); 도시 생략)이 개재하게 된다.
도 12에, 도 11에 나타낸 지파판(33)의 변형예로서, 소직경 부재(101)와, 착탈 가능한 복수의 피스(107A)(도 12에서는 8개)를 조합한 형태를 나타내었다. 이 지파판(33)에서는 소직경 부재(101)를 둘러싸도록, 그 주위에 피스(107A)가 배치되어 있다. 피스(107A)는 모두 유전체로 구성되어 있다. 피스(107A)는 소직경 부재(101)와 동일한 재질이어도 좋고, 다른 재질이어도 좋다. 또한, 피스(107A)마다 다른 재질을 이용하는 것도 가능하다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 피스(107A)는 아암(60)을 사용해서 착탈 가능하게 구성되어 있고, 1개 내지 복수의 피스(107A)를 장착하거나, 분리할 수 있다. 피스(107A)를 분리한 경우, 그 부분은 공기층(에어 갭(AG))으로 된다. 따라서, 피스(107A)의 장착 개수, 배치를 변화시키는 것에 의해서, 평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이의 영역의 유전율의 분포를 간단하게 변화시킬 수 있다. 즉, 해당 영역에 있어서의 유전율이, 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 면에 있어서 직경방향 및 둘레방향으로 각종 패턴으로 비균일하게 되도록 변화시킬 수 있다.
도 12에서는 피스(107A)를 소직경 부재(101)에 접촉시켜 배치하고 있지만, 이간시켜도 좋다. 피스(107A)를 소직경 부재(101)에 접촉시키는 경우에는 소직경 부재(101)와의 열팽창 계수가 동일 정도의 재질을 선택하는 것이 바람직하다. 피스(107A)를 소직경 부재(101)와 이간시킨 경우에는 거기에 공기층(에어 갭(AG); 도시 생략)이 개재하게 된다. 또한, 인접하는 피스(107A)끼리도, 접촉시켜도 이간시켜도 좋으며, 접촉시키는 경우에는 열팽창 계수가 동일 정도의 재질을 선택하는 것이 바람직하다. 피스(107A)끼리를 이간시킨 경우에는 거기에 공기층(에어 갭(AG);도시 생략)이 개재하게 된다.
도 13은 본 실시형태의 다른 변형예를 나타내고 있고, 베이스판(111)과, 이 베이스판(111)에 조합해서 배치되는 착탈 가능한 평면 직사각형의 복수의 피스(113)를 갖고 있다. 베이스판(111)과 피스(113)는 모두 유전체로 구성되어 있다. 피스(113)는 베이스판(111)과 동일한 재질이어도 좋고, 다른 재질이어도 좋다. 또한, 피스(113)마다 다른 재질을 이용하는 것도 가능하다.
베이스판(111)에는 복수의 절결부(111a)가 마련되어 있고, 이 절결부(111a)에 피스(113)를 끼워 넣거나, 분리하는 것에 의해서, 평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이의 영역의 유전율의 분포를 간단하게 변화시킬 수 있다. 베이스판(111)과 피스(113)를 조합하고 있지 않은 상태에서는 절결부(111a)에 공기층(에어 갭(AG))이 형성되므로, 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 면에 있어서 직경방향 및 둘레방향으로 유전율이 비균일하게 된다. 베이스판(111)의 절결부(111a)에 피스(113)를 삽입해서 조합한 경우에는 베이스판(111)과 피스(113)가 동일한 재질이면, 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 면에 있어서 유전율이 비균일한 상태는 해소되고, 베이스판(111)과 피스(113)가 다른 재질이면, 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 면에 있어서 직경방향 및 둘레방향으로 유전율이 비균일하게 분포된다.
본 실시형태에 있어서의 다른 구성 및 효과는 제 1 실시형태와 마찬가지이다.
(제 3 실시형태)
다음에, 도 14 내지 도 16을 참조하면서, 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 대해 설명한다. 본 실시형태의 플라즈마 처리 장치는 지파판(33)의 구성이 다른 점 이외는 제 1 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100)(도 1)와 동일하기 때문에, 전체의 설명은 생략하고, 지파판(33)의 구성에 대해서만 설명을 한다. 도 14는 제 3 실시형태에 이용하는 지파판(33)의 외관 구성을 나타내는 사시도이고, 도 15는 지파판(33)을 부착한 상태를 나타내는 플라즈마 처리 장치의 주요부 단면도이다. 지파판(33)은 평면 안테나판(31)과 대략 동일 정도의 면적의 평평한 원반부재(115)와, 해당 원반부재(115)상에 중첩해서 배치된 링형상부재(117)를 갖고 있다. 링형상부재(117)는 원반부재(115)보다도 소면적으로 형성되어 있다. 원반부재(115)와 링형상부재(117)는 모두 유전체로 구성되어 있다. 원반부재(115)와 링형상부재(117)는 동일한 재질이라도 좋고, 다른 재질이라도 좋다.
본 실시형태에서는 원반부재(115)와 조합해서 링형상부재(117)를 배치하는 것에 의해서, 평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이의 영역의 유전율의 분포를 간단하게 변화시킬 수 있다. 즉, 원반부재(115)의 바로 위의 영역은 소정의 유전율을 갖는 링형상부재(117)가 존재하는 부분 이외는 공기층(에어 갭(AG))으로 되기 때문에, 유전율이 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 면에 있어서 비균일하게 되어 있다.
또한, 링형상부재(117)는 원반부재(115)상에서 아암(60)에 의해 배치를 변경할 수 있도록 가동식으로 구성되어 있다. 링형상부재(117)의 배치를 변경하는 것에 의해서, 에어 갭(AG)의 형상이 변화하므로, 평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이의 영역의 유전율의 분포를, 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 면에 있어서 간단하게 변화시킬 수 있다.
다음에, 본 실시형태에 있어서의 지파판(33)의 변형예에 대해 도 16을 참조하면서 설명한다. 도 16은 지파판(33)을 부착한 상태를 나타내는 플라즈마 처리 장치(100)의 주요부 단면도이다. 이 변형예에서는 링형상부재(117)를 평면 안테나판(31)의 상면에 접촉시켜 배치하고, 그 위에 원반부재(115)를 중첩해서 배치하였다. 이 경우, 링형상부재(115)는 가동식으로는 하지 않고, 예를 들면, 동축 도파관(37a)의 중심을 통과하는 내부 도체(41)에 고정되어 있다. 본 실시형태에서는 링형상부재(117)를 원반부재(115)와 평면 안테나판(31)의 사이에 개재 배치시키는 것에 의해서, 평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이의 영역의 유전율을 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 면에 있어서 비균일하게 할 수 있다. 즉, 원반부재(115)의 바로 아래의 영역은 소정의 유전율을 갖는 링형상부재(117)가 존재하는 부분 이외는 공기층(에어 갭(AG))으로 되기 때문에, 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 면에 있어서 유전율의 분포가 생기고 있다.
본 실시형태에 있어서의 다른 구성 및 효과는 제 1 실시형태와 마찬가지이다.
(제 4 실시형태)
다음에, 도 17 및 도 18을 참조하면서, 본 발명의 제 4 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 대해 설명한다. 본 실시형태의 플라즈마 처리 장치는 지파판(33)의 구성이 다른 점 이외는 제 1 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100)(도 1)와 동일하기 때문에, 전체의 설명은 생략하고, 지파판(33)의 구성에 대해서만 설명을 실행한다. 도 17은 제 4 실시형태에 이용하는 지파판(33)을 부착한 상태를 나타내는 플라즈마 처리 장치의 주요부 단면도이다. 본 실시형태의 지파판(33)은 베이스판(119)과, 이 베이스판(119)에 부분적으로 형성된 오목부, 즉 홈(121)을 갖고 있다. 즉, 베이스판(119)의 상면(평면 안테나판(31)에 접하는 면과는 반대측)에는 부분적으로 1개 내지 복수의 홈(121)이 형성되어 있다. 홈(121)의 배치 위치나 형상, 깊이나 크기 등은 특히 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 동축 도파관(37a)을 둘러싸도록 환상으로 마련해도 좋고, 베이스판(119)의 면 내에 복수의 홈(121)이 산재하도록 마련해도 좋다.
본 실시형태에서는 베이스판(119)의 상면에 홈(121)을 마련한 것에 의해서, 평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이의 영역의 유전율을 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 면에 있어서 세세하게 구분할 수 있다. 즉, 홈(121)의 부분은 공기층(에어 갭(AG))으로 되기 때문에, 소정의 유전율을 갖는 베이스판(119)과의 사이에서 유전율의 차이가 생긴다. 따라서, 평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이의 영역의 유전율을 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 면에 있어서 비균일한 상태로 할 수 있다. 또한, 마찬가지의 효과를 얻기 위해, 도 18에 나타내는 바와 같이 베이스판(119)의 하면(평면 안테나판(31)에 접하는 면)에 부분적으로 홈(121)을 마련해도 좋고, 또한 도시는 생략하지만, 베이스판(119)의 상하 양면에 부분적으로 홈(121)을 마련해도 좋다.
본 실시형태에 있어서의 다른 구성 및 효과는 제 1 실시형태와 마찬가지이다.
(제 5 실시형태)
다음에, 도 19 및 도 20을 참조하면서, 본 발명의 제 5 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 대해 설명한다. 본 실시형태의 플라즈마 처리 장치는 지파판(33)의 구성이 다른 점 이외는 제 1 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100)(도 1)와 동일하기 때문에, 전체의 설명은 생략하고, 지파판(33)의 구성에 대해서만 설명을 한다. 도 19 및 도 20은 본 실시형태에 관한 지파판(33)의 평면도이다. 본 실시형태의 지파판(33)은 일체의 베이스판(123)과, 그 두께방향으로 관통하는 1개 또는 복수(도 19에서는 9개, 도 20에서는 1개)의 관통 개구(125)를 갖고 있다. 베이스판(123)에 있어서의 관통 개구(125)의 형상이나 크기, 배치 위치는 임의이며, 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 동축 도파관(37a)을 둘러싸도록 나선형상, 환상, 반원형상, 원호형상 등으로 마련하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에서는 베이스판(123)에 관통 개구(125)를 마련한 것에 의해서, 평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이의 영역의 유전율을 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 면에 있어서 세세하게 구분할 수 있다. 즉, 관통 개구(125)의 부분은 공기층(에어 갭(AG))으로 되기 때문에, 소정의 유전율을 갖는 베이스판(123)과의 사이에서 유전율의 차이가 생기고, 유전율을 평면 안테나판(31)의 상면과 평행한 면에 있어서 비균일하게 할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 지파판(33)에서는 베이스판(123)에 관통 개구(125)를 비균등하게 배치했으므로, 예를 들면, 베이스판(123)의 장착 위치를 도 19 및 도 20 중에 화살표로 나타내는 바와 같이 임의의 각도에서 회전시키는 것에 의해서, 평면 안테나판(31)과 커버 부재(34)의 사이의 영역의 유전율의 분포를 간단하게 변화시킬 수 있다.
본 실시형태에 있어서의 다른 구성 및 효과는 제 1 실시형태와 마찬가지이다.
다음에, 도 1에 나타낸 플라즈마 처리 장치(100)와 마찬가지의 구성의 플라즈마 처리 장치를 이용하고, 지파판(33)의 구조가, 처리용기(1) 내에의 마이크로파 파워의 도입 효율에 주는 영향에 대해 유한요소법에 의한 3차원 시뮬레이션에 의해 검증하였다. 시뮬레이션에서는 소프트웨어로서 COMSOL(상품명; COMSOL사제)를 이용하고, 하기의 3종류의 지파판을 장착한 경우에 대해 투과판(28)의 바로 아래에 있어서의 전계 강도 및 그 분포를 계산하였다. 지파판(33)의 재질은 모두 석영으로 하였다.
지파판 A(본 발명예): 도 3∼도 5에 나타낸 것과 마찬가지의 이중 링 구조의 지파판에 있어서, 중심에서 소직경 부재(101)의 외주부까지의 직경방향의 거리를 약 160㎜로 설정하고, 에어 갭(AG)의 폭을 10㎜, 20㎜, 30㎜, 40㎜, 50㎜, 60㎜, 72.5㎜로 각각 설정하였다.
지파판 B(본 발명예): 도 3∼도 5에 나타낸 것과 마찬가지의 이중 링 구조의 지파판에 있어서, 중심에서 소직경 부재(101)의 외주부까지의 직경방향의 거리를 약 195㎜로 설정하고, 에어 갭(AG)의 폭을 10㎜, 20㎜, 30㎜, 38.5㎜로 각각 설정하였다.
지파판 S(비교예): 일체의 원판형상으로 하였다.
시뮬레이션 실험의 결과를 표 1 및 도 21에 나타내었다. 또한, 도 21은 투과판(28)의 바로 아래에 있어서의 전계 강도 분포를 흑백으로 나타내고 있고, 대략적인 경향으로서, 흰 영역은 전계 강도가 강하고, 검은 영역은 전계 강도가 약한 것을 나타내고 있다.
에어갭의 폭(㎜) 전계 강도[W]
지파판 A 지파판 B 지파판 S
0 - - 663
10 497 669 -
20 547 822 -
30 1657 806 -
38.5 - 844 -
40 462 - -
50 449 - -
60 552 - -
72.5 569 - -
표 1에 나타낸 지파판 A 및 B의 결과로부터, 에어 갭(AG)의 배치 및 폭(L)을 변화시키는 것에 의해, 처리용기(1)내의 전계 강도를 크게 변경하는 것이 가능하였다. 또한, 도 21에 나타내는 바와 같이, 에어 갭(AG)의 배치 및 폭(L)을 변화시키는 것에 의해, 처리용기(1)내의 전계 분포도 크게 변화시키는 것이 가능하였다. 예를 들면, 지파판 A에 있어서, 에어 갭(AG)의 폭(L)이 30㎜에서는 전계 분포가 투과판(28)의 둘레가장자리부의 바로 아래에서 강하게 되고, 폭(L)이 40㎜에서는 전계 분포가 투과판(28)의 중앙부의 바로 아래에서 강하게 되는 등, 에어 갭(AG)의 폭(L)에 의존해서 전계 분포가 변화되는 경향이 파악되었다. 따라서, 예를 들면, 도 7 및 도 8에서 나타낸 바와 같은 지파판(33)의 구성(편심 배치)에 의해, 처리용기(1) 내에서 국소적으로 전계 분포가 약한 부분만 전계를 강하게 하는 등, 전계 분포의 편차를 적극적으로 시정하는 제어가 가능하다고 고려된다.
다음에, 도 1에 나타낸 플라즈마 처리 장치(100)와 마찬가지의 구성의 플라즈마 처리 장치를 이용하여 실리콘 웨이퍼에 대해 플라즈마 질화 처리를 실행하였다. 지파판(33)으로서, 도 3∼도 5에 나타낸 것과 마찬가지의 이중 링 구조의 지파판을 이용하였다. 에어 갭(AG)의 폭은 30㎜ 또는 40㎜로 하였다. 프로세스 조건은 다음과 같다.
(프로세스 조건)
N2 가스/Ar 가스의 부피 유량비: 20%,
유량: 200mL/min(sccm),
프로세스 압력: 20Pa,
마이크로파 출력: 1500W,
탑재대 온도: 500℃,
처리 시간: 90초
성막된 질화 규소막의 웨이퍼면내의 막두께 분포를 엘립소미터로 측정하는 것에 의해, 웨이퍼면 내에서의 플라즈마 질화 처리의 균일성을 평가하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다. 또한, 도 22에, 시뮬레이션 실험에 있어서의 투과판(28)의 바로 아래에 있어서의 전계 강도 분포를 흑백으로 나타내었다. 도 22에서는 대략적인 경향으로서, 흰 영역은 전계 강도가 강하고, 검은 영역은 전계 강도가 약한 것을 나타내고 있다.
에어갭의 폭 질화 규소막의 면내 균일성
평균막두께(㎚) 면내막두께차(㎚)
(최대막두께-최소막두께)
Figure pat00001
(㎜)
30 2.1 0.061 1.45
40 2.07 0.091 2.2
이 실험 결과로부터, 지파판(33)의 에어 갭(AG)의 폭(L)을 변경하는 것에 의해서, 질화 규소막의 막두께의 면내 분포가 변화되는 것이 확인되었다. 따라서, 본 발명의 지파판(33)을 이용하고, 프로세스 조건에 맞추어 그 형상과 배치를 변경하는 것에 의해, 웨이퍼 W의 면 내에서의 처리의 균일성을 개선할 수 있는 가능성이 나타났다.
이상, 본 발명의 실시형태를 기술했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 제약되는 것은 아니고, 각종 변형이 가능하다. 예를 들면, 본 발명의 플라즈마 처리 장치(100)는 플라즈마 질화 처리 장치 이외에도, 예를 들면, 플라즈마 산화 처리 장치나 플라즈마 CVD 처리 장치, 플라즈마 에칭 처리 장치, 플라즈마 애싱 처리 장치 등에 적용할 수 있다. 또한, 본 발명의 평면 안테나판(31)을 구비한 플라즈마 처리 장치(100)는 피처리체로서 반도체 웨이퍼를 처리하는 경우에 한정되지 않고, 예를 들면, 액정 디스플레이 장치나 유기 EL 디스플레이 장치 등의 플랫 패널 디스플레이 장치용 혹은 태양 전지 패널의 기판을 피처리체로 하는 플라즈마 처리 장치에도 적용할 수 있다.
1…처리용기 2…탑재대
3…지지 부재 12…배기관
15…가스 도입부 18…가스 공급 장치
24…배기 장치 27…마이크로파 도입 기구
28…투과판 29…시일 부재
31…평면 안테나판 32…마이크로파 방사 구멍
33…지파판 37…도파관
37a…동축 도파관 37b…직사각형 도파관
39…전자파 발생 장치 50…제어부
51…프로세스 컨트롤러 52…유저 인터페이스
53…기억부 100…플라즈마 처리 장치
101…소직경 부재 103…대직경 부재
105…개구부 AG…에어 갭
W…반도체 웨이퍼(기판)

Claims (1)

  1. 피처리체를 수용하는 진공배기 가능한 처리용기와,
    전자파 발생 장치에서 발생한 전자파를 상기 처리용기 내에 도입하는 평면 안테나 부재와,
    상기 전자파를 상기 평면 안테나 부재에 공급하는 도파관과,
    상기 평면 안테나 부재 위에 중첩해서 마련되고, 상기 도파관으로부터 공급된 상기 전자파의 파장을 변화시키는 지파판과,
    상기 지파판 및 상기 평면 안테나 부재를 위쪽으로부터 덮는 커버 부재
    를 구비하되,
    상기 지파판은, 유전체로 구성됨과 아울러, 제 1 부재와, 상기 제 1 부재보다 큰 제 2 부재를 포함하고, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재가 이들의 두께 방향으로 중첩되어 배치되고, 상기 제 1 부재의 바로 위 또는 바로 아래의 영역으로서 상기 제 2 부재가 존재하는 부분 이외에 공기층을 형성하는 것에 의해, 상기 평면 안테나 부재와 상기 커버 부재 사이의 영역의 유전율이, 상기 평면 안테나 부재의 상면(上面)과 평행한 단면에서 비균일한
    플라즈마 처리 장치.
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