KR20160049463A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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마사미 스다야마
유키요시 아라마키
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Abstract

(과제) 전자파의 전파를 억제함으로써 챔버내에 있어서의 이상 방전의 발생을 억제하는 것을 목적으로 한다.
(해결 수단) 가스를 챔버내에 공급하고, 전자파의 전력에 의해 가스로부터 플라즈마를 생성하고, 유지대에 유지된 기판에 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서, 전자파 발생기로부터 출력된 전자파를 전파시켜, 상기 챔버내에 투과시키는 유전체창과, 상기 유전체창을 지지하는 지지 부재와, 상기 유전체창에 인접하는 돌출부를 갖고, 상기 지지 부재가 배치된 공간과 플라즈마 생성 공간을 구획하는 구획 부재와, 상기 돌출부에 의해 상기 플라즈마 생성 공간에 노출되지 않도록, 상기 구획 부재와 상기 유전체창의 사이에 배치되는 도전성 부재를 갖는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
가스를 챔버 내에 공급하고, 고주파의 전력에 의해 가스로부터 플라즈마를 생성해, 유지대에 유지된 기판에 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 플라즈마의 생성을 제어하는 방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1을 참조).
특허 문헌 1은, 바이어스용의 고주파의 전력을 하부에 인가했을 때에 형성되는 고주파 전류 경로 중 웨이퍼의 외주(外周) 부근에 있어서의 전류 경로 부분을 대향 전극의 웨이퍼 대향면을 향하도록 강제하는 전류 경로 교정 수단을 갖는다. 전류 경로 교정 수단으로서는, 벽의 근방에서 유전체의 하부에 도전성 부재를 배치하는 예가 개시되어 있다.
일본 공개 특허 공보 제 2001-185542 호
그렇지만, 특허 문헌 1에서는, 도전성 부재는, 전류 경로를 교정함으로써 챔버내에 있어서의 플라즈마의 생성 영역을 제어하고, 웨이퍼의 플라즈마 처리의 면내 균일성을 높이기 위해서 설치되고, 챔버내에서의 이상(異常) 방전의 억제를 고려한 것은 아니다.
한편, 챔버내에 있어서 이상 방전이 일어나면, 챔버에 데미지를 주고, 챔버의 벽면으로부터 파티클이 발생하고, 플라즈마 처리시에 웨이퍼 상으로 비산하여 웨이퍼에 형성된 배선 간을 쇼트시키는 등의 영향을 준다.
상기 과제에 대해서, 일 측면에서는, 본 발명은, 전자파의 전파를 억제함으로써 챔버내에 있어서의 이상 방전의 발생을 억제하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 일 형태에 따르면, 가스를 챔버내에 공급하고, 전자파의 전력에 의해 가스로부터 플라즈마를 생성하고, 유지대에 유지된 기판에 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서, 전자파 발생기로부터 출력된 전자파를 전파시켜, 상기 챔버내에 투과시키는 유전체창과, 상기 유전체창을 지지하는 지지 부재와, 상기 유전체창에 인접하는 돌출부를 갖고, 상기 지지 부재가 배치된 공간과 플라즈마 생성 공간을 구획하는 구획 부재와, 상기 돌출부에 의해 상기 플라즈마 생성 공간에 노출되지 않도록, 상기 구획 부재와 상기 유전체창의 사이에 배치되는 도전성 부재를 갖는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
일측면에 따르면, 전자파의 전파를 억제함으로써 챔버내에 있어서의 이상 방전의 발생을 억제할 수 있다.
도 1은 일실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 종단면의 일례를 나타내는 도면.
도 2는 일실시 형태에 따른 슬롯 안테나판의 일례를 나타내는 도면.
도 3은 일실시 형태에 따른 유전체 창의 외연 근방의 구성예를 나타내는 도면.
도 4는 일실시 형태에 따른 금속 플레이트의 재질과 멀티팩터(multipactor) 방전 거리의 일례를 나타내는 도면.
도 5는 일실시 형태에 따른 편도 이동 회수와 멀티팩터 방전 영역의 일례를 나타내는 도면.
도 6은 일실시 형태에 따른 2차 전자 방출의 발생 조건을 설명하기 위한 도면.
도 7은 일실시 형태에 따른 포커스 링의 배치의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 8은 일실시 형태에 따른 포커스 링의 배치의 다른 예를 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성에 대해서는, 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다.
[플라즈마 처리 장치의 전체 구성]
우선, 본 발명의 일실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(31)의 전체 구성에 대해서, 도 1을 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(31)의 전체 구성을 나타낸다. 본 실시 형태에서는, 플라즈마 처리 장치(31)의 일례로서 래디얼 라인 슬롯 안테나를 이용한 플라즈마 처리 장치를 든다. 플라즈마 처리 장치(31)의 다른 예로서 전자 사이클로트론 공명 플라즈마(ECR：Electron Cyclotron Resonance Plasma) 장치를 들 수 있다. 플라즈마 처리 장치(31)는, 가스를 챔버내에 공급하고, 전자파의 전력에 의해 가스로부터 플라즈마를 생성하고, 유지대(34)에 유지된 웨이퍼 W에 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치이면 좋다.
플라즈마 처리 장치(31)는, 그 내부에서 반도체 웨이퍼(이하, 「웨이퍼 W」라 한다)에 에칭 등의 플라즈마 처리를 실시하는 챔버(32)와, 챔버(32)내에 가스를 공급하는 가스 공급부(33)를 갖는다.
또, 플라즈마 처리 장치(31)는, 마이크로파를 이용하여 챔버(32)내에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 기구(39)와, 웨이퍼 W를 유지하는 유지대(34)에 RF(radio frequency) 바이어스용의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원(58)을 갖는다.
유지대(34)의 외연측에는, 링 형상의 포커스 링(110)이 배치된다. 포커스 링(110)의 표면은 코팅막(111)으로 피복되어 있다. 또, 포커스 링(110)의 이면은 코팅막(112)으로 피복되어 있다. 또, 포커스 링(110)의 표면 및 이면의 적어도 어느 하나가 코팅막으로 피복되어 있으면 좋다.
또, 플라즈마 처리 장치(31)는 제어부(28)에 의해 전체의 동작이 제어된다. 제어부(28)는, 가스 공급부(33)에 있어서의 가스 유량, 챔버(32)내의 압력, 유지대(34)에 공급되는 고주파 전력 등의 플라즈마 처리 장치(31)의 전체의 제어를 실시한다.
챔버(32)는 양극 산화 처리(알루마이트 처리)된 알루미늄(Al)으로 형성되어 있다. 챔버(32)는 접지되어 그라운드에 접속되어 있다. 챔버(32)는 유지대(34)의 하방 측에 위치하는 바닥부(41)와, 바닥부(41)의 외주로부터 위쪽 방향으로 연장하는 측벽(42)을 포함한다. 측벽(42)은 원통 형상이다. 챔버(32)의 바닥부(41)에는, 그 일부를 관통하도록 배기용의 배기 구멍(43)이 설치되어 있다.
챔버(32)의 상부측은 개구되어 있다. 도 1 및 도 1의 영역 A를 확대한 도 3에 나타내는 바와 같이, 챔버(32)의 개구는, 챔버(32)의 측벽(42)의 상부에 배치되는 지지 부재(44) 및 유전체창(36), 및 유전체창(36)과 지지 부재(44)의 사이에 개재하는 시일 부재로서의 O링(45)에 의해서 밀봉되어 있다.
유전체창(36)의 외연은 지지 부재(44)에 의해 지지되어 있다. 지지 부재(44)는 알루미늄 등의 금속으로 형성되어 있다. 지지 부재(44)는 챔버(32)의 상부 통로의 덮개의 일부를 구성한다.
유전체창(36)의 외연의 하부에는, 금속 플레이트(102) 및 구획 부재(103)가 설치되어 있다. 구획 부재(103)는 석영 등의 유전체로 형성되고, 유전체창(36)(또는 챔버(10)의 내벽)로 지지되어 있다. 설치 부재(101)는, 지지 부재(44)의 하부까지 연장하고, 지지 부재(44)가 배치된 공간 U에서 파티클이 생겼을 때의 받침 접시로 되어, 파티클이 플라즈마 생성 공간 P로 비산하는 것을 억제한다. 구획 부재(103)와 설치 부재(101)의 사이에는 공간이 조금 형성되어 있다.
도 1로 돌아와, 가스 공급부(33)는, 웨이퍼 W의 중앙을 향해 가스를 도입하는 제 1 가스 공급부(46)와, 웨이퍼 W의 외측으로부터 가스를 도입하는 제 2 가스 공급부(47)를 포함한다. 제 1 가스 공급부(46)에 있어서 가스를 공급하는 가스 공급 구멍(30)은, 유전체창(36)의 하면(48)보다 안쪽 측으로 후퇴한 위치에 설치되어 있다. 제 1 가스 공급부(46)는, 제 1 가스 공급부(46)에 접속된 가스 공급계(49)에 의해 유량 등을 조정하면서 플라즈마 여기용의 가스를 가스 공급 구멍(30)으로부터 공급한다. 제 2 가스 공급부(47)는, 측벽(42)의 상부측의 일부에 있어서, 챔버(32)내에 플라즈마 여기용의 가스를 공급하는 복수의 가스 공급 구멍(50)을 설치함으로써 형성되어 있다. 복수의 가스 공급 구멍(50)은, 둘레 방향으로 동일한 간격을 두고 설치되어 있다.
유지대(34)에는, 고주파 전원(58)으로부터의 바이어스용의 고주파 전력이 매칭 유닛(59)을 통해서 유지대(34) 내의 전극에 인가된다. 고주파 전원(58)은, 예를 들면, 13.56 MHz의 고주파를 소정의 전력(바이어스 파워)으로 출력 가능하다. 매칭 유닛(59)은, 고주파 전원(58)측의 임피던스와, 주로 플라즈마측(부하측)의 임피던스의 사이에서 정합을 취하기 위한 정합기를 수용하고 있고, 이 정합기 내에 자기 바이어스 생성용의 블로킹 콘덴서가 포함되어 있다.
유지대(34) 상에는 정전 척(34a)이 설치되어 있다. 정전 척(34a)은 웨이퍼 W를 흡착 가능하다. 또, 유지대(34) 상에 정전 척(34a)이 설치되지 않아도 좋다. 그 경우, 웨이퍼 W는 유지대(34)에 의해 유지된다.
유지대(34)는, 바닥부(41)의 하방측으로부터 수직 상방으로 연장하는 절연성의 통 형상 지지부(51)로 지지되어 있다. 배기 구멍(43)은, 통 형상 지지부(51)의 외주를 따라서 챔버(32)의 바닥부(41)의 일부를 관통하도록 설치되어 있다. 배기 구멍(43)의 하방 측에는 배기관을 거쳐 배기 장치가 접속되어 있다. 배기 장치는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 가지고 있다. 배기 장치에 의해, 챔버(32) 내를 소정의 압력까지 감압할 수 있다.
플라즈마 발생 기구(39)는 챔버(32) 외부에 설치되어 있고, 플라즈마 여기용 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(35)를 포함한다. 마이크로파 발생기(35)는 전자파 발생기의 일례이며, 마이크로파 발생기(35)로부터 출력되는 마이크로파는 전자파의 일례이다.
또, 플라즈마 발생 기구(39)는, 유지대(34)와 대향하는 위치에 배치되고, 마이크로파 발생기(35)로부터 출력된 마이크로파를 전파시켜, 챔버(32)내로 투과시키는 유전체창(36)을 포함한다. 또, 플라즈마 발생 기구(39)에는, 유전체창(36)의 상방 측에 배치되고, 마이크로파를 유전체창(36)에 방사하는 복수의 슬롯이 형성된 슬롯 안테나(37)가 포함된다. 또, 플라즈마 발생 기구(39)는, 슬롯 안테나(37)의 상방 측에 배치되고, 후술하는 동축 도파관(56)으로부터 도입된 마이크로파를 직경 방향으로 전파하는 유전체 부재(38)를 포함해도 좋다.
매칭 회로(53)를 갖는 마이크로파 발생기(35)는, 모드 변환기(54) 및 도파관(55)을 통해서, 마이크로파를 도입하는 동축 도파관(56)에 접속되어 있다. 예를 들면, 마이크로파 발생기(35)에서 발생시킨 TE 모드의 마이크로파는, 도파관(55)을 지나, 모드 변환기(54)에 의해 TEM 모드로 변환되어, 동축 도파관(56)을 전파한다. 마이크로파 발생기(35)에 있어서 발생되는 마이크로파의 주파수로서는, 예를 들면, 2.45 GHz가 선택된다.
유전체창(36)은 대체로 원판 형상이며 석영이나 알루미나 등의 유전체로 구성되어 있다. 유전체창(36)의 하면(48)의 일부에는, 도입된 마이크로파에 의한 정재파의 발생을 용이하게 하기 위한 테이퍼 형상으로 오목진 환상의 오목부(57)가 설치되어 있다. 이 오목부(57)에 의해, 유전체창(36)의 하부 측에 마이크로파에 의한 플라즈마를 효율적으로 생성할 수 있다.
슬롯 안테나(37)는, 얇은 판 형상이며, 원판 형상이다. 복수의 슬롯(40)에 대해서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 각각 소정의 간격을 두고 직교하도록 2개의 슬롯(40)이 한 쌍으로 되도록 설치되어 있다. 한 쌍을 이루는 슬롯(40)이 둘레 방향으로 소정의 간격을 두고 설치되어 있다. 또, 직경 방향에 있어서도, 복수의 한 쌍의 슬롯(40)이 소정의 간격을 두고서 설치되어 있다.
도 1로 돌아와서, 마이크로파 발생기(35)에 의해 발생된 마이크로파는, 동축 도파관(56)을 지나 전파된다. 마이크로파는, 냉각 쟈켓(52)과 슬롯 안테나(37)의 사이에 끼워진 영역을 직경 방향 외측을 향해서 방사 형상으로 퍼지고, 슬롯 안테나(37)에 설치된 복수의 슬롯(40)으로부터 유전체창(36)으로 방사된다. 유전체창(36)을 투과한 마이크로파는, 유전체창(36)의 바로 아래에 전계를 발생시키고, 챔버(32) 내에 플라즈마를 생성시킨다. 또, 냉각 쟈켓(52)의 내부에는 냉매를 순환시키는 순환로(60)가 형성되어 있다.
플라즈마 처리 장치(31)에 있어서 마이크로파 플라즈마를 발생시킨 경우, 유전체창(36)의 하면(48)의 바로 아래, 구체적으로는, 유전체창(36)의 하면(48)의 수㎝ 정도 아래에 위치하는 영역에 있어서는, 이른바 플라즈마 생성 공간이 형성된다. 그리고, 그 연직 방향 아래 쪽에 위치하는 영역에는, 플라즈마 생성 공간에서 생성된 플라즈마가 확산하는 이른바 플라즈마 확산 영역이 형성된다. 본 실시 형태에서는, 플라즈마 확산 영역을 포함해서 플라즈마 생성 공간 P로서 나타내고, 구획 부재(103)에 의해 구획된 지지 부재(44)측의 공간 U와 구별한다.
제어부(28)는, CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory)를 갖고, RAM 등에 기억된 레시피로 설정된 순서에 따라, 에칭 등의 플라즈마 처리를 제어한다. 또, 제어부(28)의 기능은, 소프트웨어를 이용해서 실현되어도 좋고, 하드웨어를 이용해서 실현되어도 좋다.
이러한 구성의 플라즈마 처리 장치(31)에 대해 에칭 등의 소정의 플라즈마 처리를 실시할 때에는, 우선, 웨이퍼 W가 챔버(32)내에 반입되고, 유지대(34) 상의 정전 척(34a)으로 유지된다. 고주파 전력에 의해 가스로부터 플라즈마가 생성되고, 생성된 플라즈마에 의해 웨이퍼 W에 에칭 등의 플라즈마 처리가 행해진다. 플라즈마 처리 후, 웨이퍼 W는 챔버(32)의 외부로 반출된다.
[유전체 창의 외연에서 이상 방전을 억제하기 위한 구성]
다음으로, 도 3을 참조하면서 유전체창(36)의 외연에서 이상 방전을 억제하기 위한 구성에 대해 설명한다. 도 3(a)은 본 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(31)의 유전체창(36)의 외연 근방의 구성의 일례를 나타낸다. 도 3(b)은 플라즈마 처리 장치(31)의 유전체창(36)의 비교예를 나타낸다.
도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 유전체창(36)의 외주측의 하면에는, 링 형상의 금속 플레이트(102)와 구획 부재(103)가 설치되어 있다. 금속 플레이트(102)의 상면은 유전체창(36)의 하면과 접촉하고, 금속 플레이트(102)의 하면은 구획 부재(103)의 상면과 접촉하고 있다. 이것에 의해, 금속 플레이트(102)는, 유전체창(36)을 투과하는 마이크로파를 반사하도록 기능한다.
구획 부재(103)는, 플라즈마 생성 공간 P와 지지 부재(44)가 배치된 공간 U를 구획한다. 구획 부재(103)는 돌출부(103a)를 갖는다. 돌출부(103a)는, 금속 플레이트(102)를 플라즈마 생성 공간 P에 노출하지 않도록, 금속 플레이트(102)의 내경측(內徑側)을 덮고, 상부가 유전체창(36)에 인접한다. 구획 부재(103)는, 돌출부(103a)를 거쳐, 유전체창(36)과 일체로 되어 구성되어도 좋다. 그 경우, 금속 플레이트(102)는, 일체로 된 유전체창(36)과 구획 부재(103)의 사이에 삽입되어, 돌출부(103a)에 당접한 상태로 배치된다.
도 3(b)에서는, 금속 플레이트(102)가 설치되지 않기 때문에, 마이크로파 발생기(35)로부터 출력된 마이크로파는 유전체창(36)을 투과하고, 플라즈마 생성 공간 P에 공급됨과 아울러, 지지 부재(44)가 배치된 공간 U에도 유입된다. 그 결과, 지지 부재(44)와 유전체창(36)의 구획부(36a)의 사이에서 이상 방전이 발생한다. 또, 마이크로파는, 설치 부재(101)와 구획부(36a)의 간극을 전파하여 지지 부재(44)가 배치된 공간 U에도 유입된다. 이것에 의해서도 지지 부재(44)가 배치된 공간 U에서 이상 방전이 발생한다. 챔버(32) 내에 있어서 이상 방전이 일어나면, 챔버(32)에 데미지를 주고, 챔버(32)의 벽면 등으로부터 이트리아(yttria)나 알루미늄의 파티클이 발생하여, 챔버(32)내의 금속 오염의 원인으로 된다. 공간 U에 있어서 발생한 파티클은, 플라즈마 생성 공간 P로 비산하고, 플라즈마 처리시에 웨이퍼 W상에 도달하면 웨이퍼 W에 형성된 배선 간을 쇼트시키는 등의 영향을 주어, 양품율을 저하시킨다.
이것에 대해서, 본 실시 형태에서는, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 금속 플레이트(102)가 플라즈마 생성 공간 P와 지지 부재(44)가 배치된 공간 U의 사이에 설치된다. 이것에 의해, 유전체창(36)을 전파하는 마이크로파는, 금속 플레이트(102)에 의해서 반사되고, 구획 부재(103)를 투과할 수 없다. 이것에 의해, 유전체창(36)으로부터 공간 U에 유입되는 마이크로파나, 구획 부재(103)의 하부를 지나 공간 U에 유입되는 마이크로파를 억제하여, 지지 부재(44)가 배치된 공간 U에 있어서 발생하는 이상 방전을 억제할 수 있다. 이 결과, 챔버(32)나 챔버(32)내의 부품에 데미지를 주는 것을 막을 수 있다. 이것에 의해, 양품율의 저하를 막아, 챔버(32)나 챔버(32)내의 부품의 제품 수명을 향상시킬 수 있다.
본 실시 형태에서는, 금속 플레이트(102)는 알루미늄에 의해 형성되어 있다. 금속 플레이트(102)는, 구획 부재(103)와 유전체창(36)의 사이에 배치되는 도전성 부재의 일례이다. 구획 부재(103)와 유전체창(36)의 사이에 배치되는 도전성 부재로서는, 금속의 도전성 부재 및 비금속의 도전체 부재를 이용할 수 있다. 금속의 도전성 부재로서는, 알루미늄 등의 금속을 이용할 수 있다. 비금속의 도전성 부재로서는, 실리콘, 게르마늄(Ge), 탄화 규소(SiC), 도전성 플라스틱 등을 이용할 수 있다. 또, 도전성 부재는 용사(溶射)에 의해 형성되어도 좋다. 예를 들면, 도전성 부재는, 유전체창(36)에 알루미늄이나 실리콘 등을 용사하여 형성된 용사막이어도 좋다. 본 실시 형태의 경우, 알루미늄을 용사함으로써, 얇고 균일한 금속 플레이트(102)를 형성할 수 있다.
또, 금속 플레이트(102)는, 구획 부재(103)의 플라즈마 생성 공간 P측에 형성된 링 형상의 돌출부(103a)에 의해 플라즈마 생성 공간 P측에 노출되지 않는 구성으로 되어 있다. 금속 플레이트(102)를 플라즈마 생성 공간 P에 노출하면, 금속 플레이트(102)로부터의 발진에 의해 챔버(32) 내를 오염하는 원인으로 된다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 구획 부재(103)의 돌출부(103a)에 의해 금속 플레이트(102)를 직접 플라즈마 생성 공간 P에 노출하지 않게 함으로써, 챔버(32)내의 금속 오염을 방지할 수 있다.
금속 플레이트(102)는 지지 부재(44)와 접촉하고 있다. 이것에 의해, 금속 플레이트(102)는, 지지 부재(44) 및 챔버(32)를 통해서 그라운드에 접속된다. 이 결과, 금속 플레이트(102)가 유지하는 전하를 그라운드 측으로 흘려서, 금속 플레이트(102)와 지지 부재(44)의 전위차를 0으로 함으로써, DC 방전의 발생을 방지할 수 있다. 다만, 금속 플레이트(102)는 그라운드에 접속되지 않아도 좋다.
구획 부재(103)는, L자 형상으로 형성되고, 유전체창(36)(또는 챔버(10)의 내벽)에 지지된 상태로 금속 플레이트(102)를 탑재한다. 구획 부재(103)의 내측 모서리부(103b)는, 금속 플레이트(102)에 근접하도록 구성되어 있다. 이상 방전은 뽀족한 부분에서 생기기 쉽다. 따라서, 구획 부재(103)의 내측 모서리부(103b)를 금속 플레이트(102)의 하면에 근접시킨다. 마이크로파는 금속 플레이트(102)에 의해 반사되기 때문에, 구획 부재(103)의 내측 모서리부(103b)의 전계는 약해진다. 이것에 의해, 구획 부재(103)의 내측 모서리부(103b)로의 전계 집중에 의한 이상 방전의 발생을 억제할 수 있다.
지지 부재(44)의 표면은 석영의 코팅막으로 피복되어 있어도 좋다. 이것에 의해, 추가로 공간 U에 있어서 이상 방전이 발생하는 것을 더 억제할 수 있다.
[멀티팩터 방전]
도 4의 아래측에 나타내는 바와 같이, 돌출부(103a)와 금속 플레이트(102)의 간극의 거리 D는, 멀티팩터 방전을 일으키지 않는 거리로 설계되어 있다. 여기서, 멀티팩터 방전이란, 2차 전자 방출의 반복에 의해 일어나는 전자 애벌란시 현상을 말한다.
석영의 유전체창(36)과 금속 플레이트(102)의 간극에 있어서, 도 4의 표에 나타내는 바와 같이 멀티팩터 방전이 생기지 않는 거리 D를 산출할 수 있다.
금속 플레이트(102)의 재질이 실리콘(Si)인 경우, 멀티팩터 방전이 생기지 않는 거리 D는, 0.68㎜ 미만으로 되고, 허용되는 간극이 작아진다. 금속 플레이트(102)의 재질이 석영(SiO2)인 경우, 멀티팩터 방전이 생기지 않는 거리 D는, 0.39㎜ 미만이 되어, 허용되는 간극이 더 작아진다. 따라서, 금속 플레이트(102)가 알루미늄으로 형성되어 있는 경우, 돌출부(103a)와 금속 플레이트(102)는 가장 넓은 간극이 허용되며, 돌출부(103a)와 금속 플레이트(102)의 간극이 1㎜ 정도이어도 방전은 일어나지 않는다. 또, 금속 플레이트(102)의 재질이 알루미늄인 경우, 선팽창 계수가 다른 재질보다 작다.
이상으로부터, 금속 플레이트(102)는 실리콘으로 형성되는 것이 바람직하다. 또, 금속 플레이트(102)가 실리콘인 경우, 금속 플레이트(102)가 알루미늄인 경우보다 금속 플레이트(102)에 있어서 마이크로파의 전력 손실(파워 로스)이 크고, 금속 플레이트(102)의 실리콘이 마이크로파를 흡수하는 것을 알 수 있다.
[멀티팩터 방전의 원리]
다음으로, 멀티팩터 방전의 원리에 대해서, 도 5를 참조하면서 설명한다. 상술한 바와 같이, 멀티팩터 방전은 2차 전자 방출의 반복에 의해 일어난다.
(2차 전자 방출의 반복 조건)
예를 들면, 도 5(a)에 나타내는 유전체의 평판을 전극으로 하여 거리 D만큼 이격하여 대향시키고, 전극 사이에 주파수 f의 전자파(고주파, 마이크로파)를 인가한다. 한쪽의 전극면으로부터 방출된 2차 전자는 전극이 대향하는 공간에서 이온에 충돌하지 않고 다른 쪽의 전극면에 입사한다. 그러면 또 2차 전자 방출이 일어나, 그 반복에 의해서 전자 애벌란시(멀티팩터 방전)가 일어난다.
전극 사이에 V×sin(2πft＋θ)의 전계가 걸려 있다고 하면, 다음 식(1)이 성립된다.
Figure pat00001
여기서, t는 시간, x는 거리를 나타낸다.
식(1)을 적분하면, 식(2)을 얻을 수 있다.
Figure pat00002
식(2)을 더 적분하면, 식(3)을 얻을 수 있다.
Figure pat00003
t=0일 때, x=0, dx/dt=0, t=NT/2일 때, x=D를 적용하고, 식(3)을 정리하면, 다음 식(4)이 성립된다. 여기서, N는 2차 전자 방출의 회수를 나타낸다. 예를 들면, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 전자가 전극의 대향하는 면에 한번 입사하여 2차 전자를 방출시키는 경우에는, 2차 전자 방출의 회수 N는 「1」로 되고, 전자가 추가로 전극의 대향면에 입사하여 2차 전자를 방출시키는 경우에는, 2차 전자 방출의 회수 N는 「2」로 된다. 예를 들면, 전자가 전극의 대향하는 면에 5회 입사한 경우, 2차 전자 방출의 회수 N는 「5」로 된다. 여기에서는, N/2 주기(홀수)로 전극의 대향면에 도달하는 것으로 해서 계산을 실시한다. 즉, t=( N/2)×T 주기일 때, x=D로 되는 것으로 해서 계산을 실시한다.
Figure pat00004
2차 전자 방출의 반복이 일어나기 위해서는, 마이크로파가 타이밍 좋게 전극간의 전계에 작용될 필요가 있다. 즉, 식(4)에서는, 전극간의 전계 V는 fD(마이크로파의 주파수 f, 전극간의 거리 D)의 함수로 되어 있다.
도 5(b)은, 횡축에 fD, 종축에 전극간의 전계 V를 나타내는 그래프이다. 도 5(b)의 그래프의 마이크로파의 주파수 f와 전극간의 거리 D의 곱을 취할 수 있는 범위에서 2차 전자 방출이 반복되는 조건은, 식(4)으로부터 산출되는 전계의 최대치 Vg max 0와, 전계의 최소치 Vg min의 사이에서 전계 V를 유지하는 것이다. 따라서, 도 5(b)에 나타내는 fD를 취할 수 있는 범위에 있어서의 전계의 최대치 Vg max 0와 전계의 최소치 Vg min로 둘러싸인 영역이 방전 영역으로 된다.
식(4)으로부터 산출되는 전계의 최대치 Vg max 0는 식(5)으로 정의된다. 또, 식(4)으로부터 산출되는 전계의 최소치 Vg min는 식(6)으로 정의된다.
Figure pat00005
Figure pat00006
여기서, Eo는 발광 에너지를 나타낸다.
도 5(c)에 나타내는 바와 같이, 발광 에너지 Eo를 1eV로 하고, 벽에 닿을 때까지의 전자의 진동 주기 수 N을 1로 하고, 데이터의 샘플링 주기 ΔD를 0.0025㎜ 고주파의 주파수 f를 2.45 GHz로 한다.
2차 전자 방출의 회수 N가 1, 3, 5, 7 때의 멀티팩터 방전 영역은, 식(5) 및 식(6)으로부터 산출되고, 도 5(d)에 나타내는 바와 같이, 2차 전자 방출의 회수 N(홀수)가 커질수록 전극의 대향면에 있어서의 전압의 진폭 V는 커진다. 이것에 의하면, 2.5㎜ 갭(거리 D)을 갖는 경우의 전극간에 있어서의 방전이, 멀티팩터 방전에 의한 것이 지배적인 것으로 한 경우, 전극의 대향면에 있어서의 전압의 진폭 V는 대략 400V로 추측할 수 있다.
(2차 전자 방출의 발생 조건)
다음으로, 2차 전자 방출의 발생 조건을 구한다. t=0일 때, dx/dt=0을 적용하고, 식(2)를 정리하면, 다음식(7) 및 식(8)이 성립된다.
Figure pat00007
Figure pat00008
이때, 전압의 진폭 V=전압의 진폭의 최대치 Vg max o를 식(5)에 대입하면, 2차 전자 방출 계수가 1로 되는 최소의 발광 에너지 E1＜발광 에너지의 최대치 Emax일 때, 식(9) 및 식(10)이 성립된다. 여기서, 발광 에너지 E1는, 입사 전자수와 방출하는 2차 전자수가 일치하는 에너지이며, 멀티팩터 방전이 발생하는 최소의 에너지이다.
Figure pat00009
Figure pat00010
멀티팩터 방전은, 2차 전자 방출율이 1이상으로 되는 영역에서만 발생한다. 대향하는 부재간의 공간(갭)이 너무 작을 때, 전자의 전계에 의한 가속이 불충분하기 때문에, 멀티팩터 방전은 일어나지 않는다. 따라서, 마이크로파가 투과하는 유전체창(36)과 유전체창(36)에 인접하는 부재간의 거리는 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다.
도 6(a) 및 도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 2차 전자 방출율 δ이 1로 되는 발광 에너지 E1 및 발광 에너지 E2에 대해서, E1＜E＜E2로 될 때, 발광 에너지 E의 2차 전자 방출율 δ이 1 이상이 아닌 경우, 멀티팩터 방전은 발생하지 않는다. 즉, 도 6(b)에 나타내는 E1＜E＜E2를 만족하는 E의 최대치 Emax가 1 이하이면 멀티팩터 방전은 발생하지 않는다.
2차 전자 방출율 δ은 재료에 의해서 결정된다. 예를 들면, 전극이 알루미늄으로 형성되어 있는 경우, 2차 전자 방출율의 최대치 δmax가 1, 발광 에너지의 최대치 Emax가 300eV로 되고, 발광 에너지 E1의 300eV 및 발광 에너지 E2의 300eV와 동일해지는 것을 알 수 있다. 이것에 의하면, 대향하는 전극이 알루미늄인 경우, 어떤 입사 에너지 E를 갖는 전자이어도, 2차 전자 방출율 δ이 1 이하이기 때문에, 멀티팩터 방전은 발생하지 않는다고 말할 수 있다.
2차 전자 방출율 δ이 1에 근사하는 경우, 멀티팩터 방전이 발생할 가능성은 낮은 것을 알 수 있다.
또, 예를 들면, 대향하는 전극이 석영으로 형성되어 있는 경우, 2차 전자 방출율의 최대치δmax가 2.1~4, 발광 에너지의 최대치 Emax가 400eV이다. 따라서, 전극이 석영으로 형성되어 있는 경우, 전극이 알루미늄이나 실리콘으로 형성되어 있는 경우보다 멀티팩터 방전이 발생할 가능성은 높은 것을 알 수 있다.
[포커스 링에서의 이상 방전을 억제하기 위한 구성]
다음으로, 도 7 및 도 8을 참조하면서 포커스 링(110)에서의 이상 방전을 억제하기 위한 구성에 대해 설명한다. 도 7은 도 1의 영역 B를 확대한 포커스 링(110)의 구성의 일례를 나타낸다. 도 8은 포커스 링(110)의 구성의 다른 예를 나타낸다.
마이크로파를 이용하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 처리 장치(31)에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 유지대(34) 상의 정전 척(34a)과 포커스 링(110)의 경계 부근까지 마이크로파가 전파한다. 이것에 의해, 정전 척(34a)과 포커스 링(110)의 간극에서 이상 방전이 일어나고, 플라즈마 처리 장치(31)에 데미지가 주어진다. 그 결과, 파티클이 발생하거나 플라즈마 처리 장치(31) 내의 부품의 제품 수명이 짧아지거나 한다. 따라서, 상술한 유전체창(36)의 외연에 있어서의 이상 방전의 억제와 마찬가지로, 정전 척(34a)과 포커스 링(110)의 간극에 있어서의 이상 방전의 발생을 억제하는 것이 바람직하다.
그래서, 도 7에 나타내는 바와 같이, 포커스 링(110)의 표면 및 이면을 코팅막(111) 및 코팅막(112)에 의해 피복하는 것이 바람직하다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 포커스 링(110)의 이면만을 코팅막(112)으로 피복해도 좋다. 포커스 링(110)의 표면만을 코팅막(111)으로 피복해도 좋다. 또, 포커스 링(110)의 표면 및 이면의 적어도 하나만이 아니라, 포커스 링(110)의 측면을 코팅막으로 피복해도 좋다.
코팅막(111, 112)은 금속의 도전성 부재 및 비금속의 도전체 부재를 이용할 수 있다. 금속의 도전성 부재로서는, 알루미늄 등의 금속을 이용할 수 있다. 비금속의 도전성 부재로서는, 실리콘, 게르마늄(Ge), 탄화 규소(SiC), 도전성 플라스틱 등을 이용할 수 있다. 또, 코팅막(111, 112)는 용사에 의해 형성되어도 좋다. 예를 들면, 코팅막(111, 112)은, 포커스 링(110)에 알루미늄이나 실리콘 등을 용사하여 형성된 용사막이어도 좋다. 본 실시 형태의 경우, 알루미늄을 용사함으로써, 얇고 균일한 코팅막(111, 112)을 형성할 수 있다.
이것에 의해, 마이크로파가 코팅막(111, 112)에서 반사되고, 정전 척(34a)과 포커스 링(110)의 간극에 마이크로파가 전파하는 것을 차단할 수 있다. 이것에 의해, 정전 척(34a)과 포커스 링(110)의 간극에서 이상 방전이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이 결과, 포커스 링(110)의 이면에 있어서의 파티클의 발생에 의한 챔버(32)내의 금속 오염을 방지할 수 있다. 또, 챔버(32)내의 부품의 제품 수명을 길게 할 수 있다.
또한, 도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 정전 척(34a)을 유지대(34)에 고정하는 나사(113)를 금속 등의 도전성 부재로 형성하고, 나사(113)를 챔버(32)에 접속해도 좋다. 이것에 의해, 코팅막(112)은, 나사(113) 및 챔버(32)를 통해서 그라운드에 접속된다. 이 결과, 코팅막(112)이 유지하는 전하를 그라운드 측으로 흘려서, 코팅막(112)과 정전 척(34a)의 전위차를 0으로 함으로써, DC 방전의 발생을 방지할 수 있다. 다만, 코팅막(112)은 그라운드에 접속되지 않아도 좋다.
이상으로 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(31)에 의하면, 유전체창(36)의 외연의 하부에 설치된 링 형상의 금속 플레이트(102)에 의해서 마이크로파를 반사할 수 있다. 이것에 의해, 유전체창(36)의 외연 근방에서 이상 방전이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또, 본 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(31)에 의하면, 포커스 링(110)의 표면에 설치된 코팅막(111) 및 이면에 설치된 코팅막(112)의 적어도 하나에 의해서 마이크로파를 반사할 수 있다. 이것에 의해, 포커스 링(110)과 정전 척(34a)의 간극에서 이상 방전이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이상, 플라즈마 처리 장치를 상기 실시 형태에 의해 설명했지만, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 범위내에서 여러 변형 및 개량이 가능하다. 상기 복수의 실시 형태에 기재된 사항은, 모순되지 않는 범위에서 조합할 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치에는, 유전체창(36)에 설치된 금속 플레이트(102)와, 포커스 링(110)의 표면에 설치된 코팅막(111) 또는 이면에 설치된 코팅막(112)의 양쪽 모두가 설치되어도 좋고, 어느 한쪽만이 설치되어도 좋다.
또, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치에 의해 처리되는 기판은, 웨이퍼에 한정되지 않고, 예를 들면, 플랫 패널 디스플레이(Flat Panel Display) 용의 대형 기판, EL소자 또는 태양 전지용의 기판이어도 좋다.
31： 플라즈마 처리 장치 32：챔버
33： 가스 공급부 34：유지대
34a：정전 척 35：마이크로파 발생기
36：유전체창 44：지지 부재
102：금속 플레이트 103：구분 부재
103a：돌출부 110：포커스 링
111, 112：코팅막 113：나사

Claims (8)

  1. 가스를 챔버 내에 공급하고, 전자파의 전력에 의해 가스로부터 플라즈마를 생성하고, 유지대에 유지된 기판에 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서,
    전자파 발생기로부터 출력된 전자파를 전파시켜, 상기 챔버내에 투과시키는 유전체창과,
    상기 유전체창을 지지하는 지지 부재와,
    상기 유전체창에 인접하는 돌출부를 갖고, 상기 지지 부재가 배치된 공간과 플라즈마 생성 공간을 구획하는 구획 부재와,
    상기 돌출부에 의해 상기 플라즈마 생성 공간에 노출되지 않도록 상기 구획 부재와 상기 유전체창의 사이에 배치되는 도전성 부재
    를 갖는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌출부와 상기 도전성 부재의 간극은 멀티팩터(multipactor) 방전을 일으키지 않는 거리인, 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구획 부재는, L자 형상이며, L자 형상의 내측 모서리부가 상기 도전성 부재에 근접하는, 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구획 부재를 설치하고, 상기 지지 부재의 아래쪽까지 연장하는 설치 부재를 갖는, 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전성 부재는 알루미늄 또는 실리콘을 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전성 부재는 그라운드에 접속되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  7. 가스를 챔버내에 공급하고, 전자파의 전력에 의해 가스로부터 플라즈마를 생성하고, 유지대에 유지된 기판에 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서,
    전자파 발생기로부터 출력된 전자파를 전파시켜, 상기 챔버내에 투과시키는 유전체창과,
    상기 유지대의 외연측에 배치되는 포커스 링과,
    상기 포커스 링의 표면 및 이면의 적어도 어느 하나에 형성된 도전성 부재
    를 갖는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 도전성 부재는 그라운드에 접속되어 있는 플라즈마 처리 장치.
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